JP2008066548A - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】上述した積み上げソース/ドレイン構造とブースター技術とを両立させることが可能で、これによりキャリア移動度を向上させた素子構造の微細化を図ることができ、これにより更なる高機能化を達成することが可能な半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】シリコン基板1上にゲート絶縁膜3を介して設けられたゲート電極4aと、ゲート電極4aの側壁に形成された絶縁性のオフセットスペーサ6と、オフセットスペーサ6との間に間隔を保った状態でシリコン基板11の表面側に設けられた掘り込みパターンa内にエピタキシャル成長によって形成された化合物半導体層11と、オフセットスペーサ6によってゲート電極4aと絶縁された状態でシリコン基板1上および化合物半導体層11上にエピタキシャル成長によって積上げ形成されたシリコン層13とを備えたことを特徴とする半導体装置Tr1。
【選択図】図3The stacked source / drain structure and the booster technology described above can be made compatible with each other, whereby the device structure with improved carrier mobility can be miniaturized, thereby further enhancing the functionality. Provided are a semiconductor device that can be achieved and a method for manufacturing the same.
A gap is provided between a gate electrode 4a provided on a silicon substrate 1 via a gate insulating film 3, an insulating offset spacer 6 formed on a side wall of the gate electrode 4a, and the offset spacer 6. The compound semiconductor layer 11 formed by epitaxial growth in the digging pattern a provided on the surface side of the silicon substrate 11 in the maintained state, and the silicon substrate 1 and the compound insulated from the gate electrode 4a by the offset spacer 6 A semiconductor device Tr1 including a silicon layer 13 formed by epitaxial growth on the semiconductor layer 11.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、半導体装置およびその半導体装置に関し、特にはMOSトランジスタ構造の半導体装置において、積み上げソースドレイン構造とブースター技術とを適用した半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention relates to a semiconductor device and a semiconductor device thereof, and more particularly, to provide a semiconductor device using a stacked source / drain structure and a booster technique in a semiconductor device having a MOS transistor structure and a manufacturing method thereof.
MOSFET構造の半導体装置においては、半導体基板上にエピタキシャル成長によってソース・ドレインとなるシリコン層を形成した、いわゆる積み上げソース・ドレイン(Elevated Source Drain)構造が提案されている。積み上げソース・ドレイン構造は、拡散深さ(Xj)を浅く抑えることができ、かつ寄生抵抗の増大も抑制できるため、短チャネル効果の抑制に効果的であるとされている(例えば、下記特許文献1および特許文献2参照)。 In a semiconductor device having a MOSFET structure, a so-called elevated source drain structure in which a silicon layer serving as a source / drain is formed on a semiconductor substrate by epitaxial growth has been proposed. The stacked source / drain structure is said to be effective in suppressing the short channel effect because the diffusion depth (Xj) can be kept shallow and the increase in parasitic resistance can be suppressed (for example, the following patent document) 1 and Patent Document 2).
一方、MOSFET構造の半導体装置においては、チャネル領域のシリコン基板に応力を印加することによってキャリア移動度を向上させる技術も積極的に利用されている。このような技術の一つに、トランジスタのソース/ドレイン(S/D)として、シリコン(Si)と格子定数の異なるシリコンゲルマニウム(SiGe)層や炭化シリコン(SiC)をエピタキシャル成長によって形成し、チャネル領域に応力を与える、いわゆるブースター技術が提案されている(例えば、下記非特許文献1参照)。
On the other hand, in a semiconductor device having a MOSFET structure, a technique for improving carrier mobility by applying stress to a silicon substrate in a channel region is also actively used. As one of such technologies, as a source / drain (S / D) of a transistor, a silicon germanium (SiGe) layer or silicon carbide (SiC) having a lattice constant different from that of silicon (Si) is formed by epitaxial growth, and a channel region is formed. A so-called booster technique that applies stress to the surface has been proposed (see, for example, Non-Patent
ところで、MOS型トランジスタ構造の半導体装置において、さらなる高機能化を達成するためには、上記積み上げソース/ドレイン構造を適用した短チャネル効果の抑制による素子構造の微細化と、上記ブースター技術を適用したキャリア移動度の向上による動作速度の高速化が必須となる。 By the way, in order to achieve further higher functionality in a MOS transistor-structured semiconductor device, the element structure is miniaturized by suppressing the short channel effect using the stacked source / drain structure and the booster technology is applied. It is essential to increase the operating speed by improving the carrier mobility.
つまり、ブースター技術の適用によってキャリア移動度を向上させた素子構造であっても、その素子構造の微細化を図るためには拡散深さ(Xj)を浅く抑えて短チャネル効果を抑制する必要が生じるのである。 In other words, even in an element structure in which carrier mobility is improved by applying booster technology, it is necessary to suppress the short channel effect by reducing the diffusion depth (Xj) to reduce the element structure. It happens.
そこで本発明は、上述した積み上げソース/ドレイン構造とブースター技術とを両立させることが可能で、これによりキャリア移動度を向上させた素子構造の微細化を図ることができ、これにより更なる高機能化を達成することが可能な半導体装置、およびその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention makes it possible to achieve both the above-described stacked source / drain structure and booster technology, thereby enabling miniaturization of the element structure with improved carrier mobility, thereby further enhancing the function. An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of achieving the above and a manufacturing method thereof.
このような目的を達成するための本発明の半導体装置は、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、この側壁に形成された絶縁性のサイドウォールと、半導体基板の表面側に設けられた掘り込みパターン内にエピタキシャル成長によって形成された第1半導体層と、この上部にエピタキシャル成長させた第2半導体層とを備えている。そして特に、掘り込みパターンおよび第1半導体層は、サイドウォールとの間に間隔を保った状態で設けられている。また第1半導体層は、半導体基板とは異なる格子定数のものである。そして、第2半導体層は、サイドウォールによってゲート電極と絶縁された状態で、半導体基板上および第1半導体層上に積上げ形成されている。 In order to achieve such an object, a semiconductor device according to the present invention includes a gate electrode provided on a semiconductor substrate via a gate insulating film, an insulating sidewall formed on the side wall, and a surface of the semiconductor substrate. A first semiconductor layer formed by epitaxial growth in a digging pattern provided on the side, and a second semiconductor layer epitaxially grown on the first semiconductor layer are provided. In particular, the digging pattern and the first semiconductor layer are provided with a space between the digging pattern and the side wall. The first semiconductor layer has a lattice constant different from that of the semiconductor substrate. The second semiconductor layer is stacked on the semiconductor substrate and the first semiconductor layer in a state insulated from the gate electrode by the sidewall.
また本発明は、このような構成の半導体装置の製造方法でもあり、次の手順を行うことを特徴としている。先ず第1工程では、半導体基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、当該ゲート電極の側壁に絶縁性のサイドウォールを形成し、さらに当該サイドウォールを介してダミーサイドウォールを形成する。次の第2工程では、ゲート電極、サイドウォール、およびダミーサイドウォールをマスクにしたエッチングにより、半導体基板の表面層を掘り下げる。その後第3工程では、掘り下げられた半導体基板の表面に、半導体基板とは格子定数の異なる第1半導体層をエピタキシャル成長によって形成する。次いで第4工程では、ダミーサイドウォールを選択的にエッチング除去することにより、サイドウォールと第1半導体層との間に半導体基板を露出させる。次の第5工程では、半導体基板の露出表面および第1半導体層の表面上に、第2半導体層をエピタキシャル成長によって積上げ形成する。 The present invention is also a method of manufacturing a semiconductor device having such a configuration, and is characterized by performing the following procedure. First, in the first step, a gate electrode is formed on a semiconductor substrate through a gate insulating film, an insulating sidewall is formed on the sidewall of the gate electrode, and a dummy sidewall is formed through the sidewall. . In the next second step, the surface layer of the semiconductor substrate is dug down by etching using the gate electrode, sidewalls, and dummy sidewalls as a mask. Thereafter, in a third step, a first semiconductor layer having a lattice constant different from that of the semiconductor substrate is formed on the surface of the dug semiconductor substrate by epitaxial growth. Next, in the fourth step, the semiconductor substrate is exposed between the sidewall and the first semiconductor layer by selectively removing the dummy sidewall by etching. In the next fifth step, a second semiconductor layer is stacked and formed on the exposed surface of the semiconductor substrate and the surface of the first semiconductor layer by epitaxial growth.
このような製造方法によって得られる上記構成の半導体装置では、半導体体基板の掘り込みパターン内に半導体基板とは異なる格子定数の第1半導体層をエピタキシャル成長によって形成したことにより、ゲート電極下の半導体基板部分(すなわちチャネル領域)に応力を印加してキャリア移動度を高める構成とすることができる。 In the semiconductor device having the above configuration obtained by such a manufacturing method, the first semiconductor layer having a lattice constant different from that of the semiconductor substrate is formed in the digging pattern of the semiconductor substrate by epitaxial growth, so that the semiconductor substrate under the gate electrode A structure in which stress is applied to the portion (that is, the channel region) to increase carrier mobility can be employed.
さらに、第1半導体層は、ゲート電極側壁の第1サイドウォールとの間に間隔を保って配置されており、この第1半導体層と第1サイドウォールとの間に露出する半導体基板上に、第2半導体層が積上げ形成されている。これにより、ゲート電極下のチャネル領域に対しては、積上げ形成された第2半導体層が最も近接して配置されることになり、この第2半導体層によってソース/ドレインの接合深さが浅く保たれ、短チャネル効果が抑制される。 Further, the first semiconductor layer is disposed with a gap between the first sidewall of the gate electrode side wall, and on the semiconductor substrate exposed between the first semiconductor layer and the first sidewall, A second semiconductor layer is formed to be stacked. As a result, the stacked second semiconductor layer is disposed closest to the channel region under the gate electrode, and the source / drain junction depth is kept shallow by the second semiconductor layer. The short channel effect is suppressed.
以上説明したように本発明によれば、埋め込み半導体層によってチャネル領域への応力印加によるキャリア移動度の向上を図りつつ、積み上げ半導体層によってソース/ドレインの接合深さ浅く保って短チャネル効果を抑制することが可能になる。この結果、MOS型半導体装置におけるさらなる高機能化を達成することが可能になる。 As described above, according to the present invention, the buried semiconductor layer improves carrier mobility by applying stress to the channel region, and the stacked semiconductor layer keeps the source / drain junction depth shallow to suppress the short channel effect. It becomes possible to do. As a result, it is possible to achieve further enhancement in functionality in the MOS type semiconductor device.
以下本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。尚、各実施形態においては、先ず製造方法を説明し、次にその製造方法によって得られる半導体装置の構成を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each embodiment, a manufacturing method will be described first, and then a configuration of a semiconductor device obtained by the manufacturing method will be described.
<第1実施形態>
先ず、図1(1)に示すように、半導体基板として、例えば単結晶シリコンからなるシリコン基板1を用意し、その表面側にSTI(Shallow Trench Isolation)などの手法を用いて、素子分離領域2を形成する。これによるシリコン基板1の表面側を複数のアクティブ領域に分離する。次に、ここでの図示は両略したが、シリコン基板1の表面を酸化シリコンからなる保護膜で覆う。そして、この保護膜上からのイオン注入により、各アクティブ領域毎にウェル拡散層を形成するための不純物を導入し、さらに各アクティブ領域に形成するトランジスタのしきい値を調整するための不純物を導入する。
<First Embodiment>
First, as shown in FIG. 1A, a
尚、各イオン注入は、p型のトランジスタを形成するアクティブ領域と、n型のトランジスタを形成するアクティブ領域とで、レジストパターンをマスクにして個別に行われることとする。また、各イオン注入は、保護膜によって注入イオンのチャネリングを防止した状態で行う。そして各イオン注入が終了した後には、保護膜を除去する。 Each ion implantation is performed individually in an active region for forming a p-type transistor and an active region for forming an n-type transistor using a resist pattern as a mask. Each ion implantation is performed in a state where channeling of implanted ions is prevented by the protective film. Then, after each ion implantation is completed, the protective film is removed.
次に、シリコン基板1の表面に、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜3を約1nmの膜厚で成膜する。次いで、CVD法によって、ポリシリコン、アモルファスシリコン、または不純物を含有するアモルファスシリコン等からなるゲート電極膜4を、膜厚100nm〜200nm程度で成膜する。さらに、CVD法のよって、窒化シリコンからなる絶縁膜5を、膜厚30〜100nm程度で成膜する。
Next, a
その後、光リソグラフィ(KrF、ArF、F2)や電子ビームリソグラフィなどのリソグラフィー技術を適用し、絶縁膜5の上部にレジストパターン(図示省略)を形成する。次いで、このレジストパターンをマスクに用いたドライエッチングにより絶縁膜5をパターニングしてハードマスク5aを形成する。
Thereafter, a resist pattern (not shown) is formed on the
次に、レジストパターンを除去し、ハードマスク5a上からのドライエッチングによりゲート電極層4をパターニングしてゲート電極4aを形成する。尚、ゲート電極4aの線幅は、最小で数nm〜十数nmに形成されることとする。
Next, the resist pattern is removed, and the
次に図1(2)に示すように、ゲート電極4aおよび絶縁膜5の側壁に、サイドウォール形状のオフセットスペーサ6を形成する。このオフセットスペーサ6は、絶縁性材料からなり、例えば窒化シリコン膜のような絶縁性材料からなり、ゲート電極4aおよびハードマスク5aの側壁に膜厚1nm〜10nmの薄膜状で形成されることとする。
Next, as shown in FIG. 1B, sidewall-
次に図1(3)に示すように、オフセットスペーサ6のさらに外側に、ダミーサイドウォール7を形成する。ダミーサイドウォール7は、オフセットスペーサ6に対して選択的に除去可能な材料膜で形成されることとし、例えば酸化シリコン膜をエッチバックして形成されることとする。尚、ダミーサイドウォール7は、最終的にはエッチング除去されるため、オフセットスペーサ6に対して選択的に除去可能な材料であれば、導電性材料からなるものであっても良い。
Next, as shown in FIG. 1 (3),
次に図1(4)に示すように、ダミーサイドウォール7、ハードマスク5a、および素子分離領域2をマスクにして、シリコン基板1の露出している部分をエッチングによって掘下げる、いわゆるリセスエッチングを行う。これにより、ゲート電極4aの両脇におけるシリコン基板1の表面側に、掘下げパターンaを形成する。
Next, as shown in FIG. 1 (4), so-called recess etching is performed in which the exposed portion of the
次に図2(1)に示すように、掘下げパターンa内に、シリコン基板1とは格子定数の異なる化合物半導体層11を、第1半導体層としてシリコン基板1の露出面上にエピタキシャル成長させる。この化合物半導体層11は、ソース/ドレイン(S/D)を構成するものとなる。
Next, as shown in FIG. 2A, a
この際、ここで形成する半導体装置が、n型トランジスタである場合には、化合物半導体層11としてSiC層をエピタキシャル成長させる。このSiC層に対しては、ヒ素(As)やリン(P)などのn型の不純物を導入しながらエピタキシャル成長を行う。一方、ここで形成する半導体装置が、p型トランジスタである場合には、化合物半導体層11としてSiGe層をエピタキシャル成長させる。また、このSiGe層に対しては、ホウ素(B)などのp型の不純物を導入しながらエピタキシャル成長を行う。
At this time, when the semiconductor device formed here is an n-type transistor, a SiC layer is epitaxially grown as the
尚、以上のエピタキシャル成長による化合物半導体層11の形成では、化合物半導体層11を形成する必要のないアクティブ領域を、保護膜で覆っておくこととする。このような保護膜として、ダミーサイドウォール7を構成する酸化シリコン膜を用いることができる。この場合、上記ダミーサイドウォール7の形成において、化合物半導体層を形成する必要のないアクティブ領域では、酸化シリコン膜をエッチバックせずにそのまま保護膜として残すこととする。
In the formation of the
次に図2(2)に示すように、酸化シリコンからなるダミーサイドウォール7をウェットエッチングによって除去する。これにより、窒化シリコンからなるオフセットスペーサ6およびダミーサイドウォール7の下層のシリコン基板1を露出させる。
Next, as shown in FIG. 2B, the
次に図2(3)に示すように、シリコン基板1および化合物半導体層11の露出面上に、第2半導体層としてシリコン層13をエピタキシャル成長によって積上げ形成する。この積上げシリコン層13は、5nm〜30nmの膜厚で形成されることとする。また、素子分離領域2上にも乗り上げる状態で形成する。この際、素子分離領域2上への積上げシリコン層13のせり出し幅は、できる限り少ないほうが望ましく、多くても20nm以下にする。
Next, as shown in FIG. 2 (3), a
このような積上げシリコン層13は、化合物半導体層11と共にソース/ドレインの一部を構成するように、不純物を含有させる。積上げシリコン層13への不純物の導入は、積上げシリコン層13をエピタキシャル成長によって形成した後に、イオン注入によって不純物を導入するか、予め不純物が導入された積上げシリコン層13をエピタキシャル成長によって形成しても良い。この際、ここで形成する半導体装置が、n型トランジスタである場合には、積上げシリコン層13には、ヒ素(As)やリン(P)などのn型の不純物を導入することとし、その不純物濃度は1×1019〜1×1020個/cm3とする。一方、ここで形成する半導体装置が、p型トランジスタである場合には、積上げシリコン層13にはホウ素(B)やインジウム(In)などのp型の不純物を導入することし、その不純物濃度はその不純物濃度は1×1019〜1×1020個/cm3とする。
Such a
次に図2(4)に示すように、ゲート電極4aの側壁に、窒化シリコンからなるオフセットスペーサ6を介して絶縁性材料からなる第2のサイドウォール15を形成する。このサイドウォール15は、例えば酸化シリコン膜をエッチバックすることによって形成する。またこの工程では、ゲート電極4a上の窒化シリコン膜からなる絶縁膜5を除去するためのエッチングを行うことにより、ポリシリコンまたはアモルファスシリコンからなるゲート電極4aを露出させる。
Next, as shown in FIG. 2 (4), a
次いで、ゲート電極4aおよび積上げシリコン層13の露出面からのイオン注入により、ゲート電極4aおよび積上げシリコン層13の一部を低抵抗化する。この際、サイドウォール15がマスクとなり、ゲート電極4aに近い積上げシリコン層13分部は、自己整合的に不純物が導入されない低濃度のエクステンション領域13aとして残される。また、不純物が導入された部分は、高濃度のソース/ドレイン領域13bとなる。
Next, the resistance of a part of the
その後は、図3に示すように、ゲート電極4aの露出面および積上げシリコン層13の露出面に、コンタクト抵抗低減のためのシリサイド層17をセルフアラインで成長させる。以降の工程は、ここでの図示は省略したが、一般的な層間絶縁膜の形成、層間絶縁膜を介してのMOSトランジスタへのコンタクトの形成、さらには層間絶縁膜上へのメタル配線の形成を行い、MOSトランジスタ構成の半導体装置Tr1の製造工程を終了させる。
Thereafter, as shown in FIG. 3, a
以上のようにして得られた半導体装置Tr1は次のように構成されたものになる。 The semiconductor device Tr1 obtained as described above is configured as follows.
すなわち、シリコン基板1上にゲート絶縁膜3を介してゲート電極4aが設けられ、これらの側壁に絶縁性のサイドウォールとしてオフセットスペーサ6が設けられている。また、オフセットスペーサ6との間に間隔を保った状態で、シリコン基板1の表面側に設けられた掘り込みパターンa内には、エピタキシャル成長によって形成された化合物半導体層11が設けられている。さらに、オフセットスペーサ6によってゲート電極4aと絶縁された状態で、シリコン基板1上および化合物半導体層11上に、第1半導体層上にエピタキシャル成長によって形成された積上げシリコン層13が設けられている。
That is, the
また、積上げシリコン層13は、素子分離領域2の端部上に積層されている。一方、積上げシリコン層13上におけるゲート電極4aの側壁には、オフセットスペーサ6を介して絶縁性材料からなるサイドウォール15が設けられている。そして、積上げシリコン層13中の不純物濃度が、サイドウォール15の下部、すなわちゲート電極4aに近接する分部で、低濃度となっている。つまり、この積上げシリコン層13は、化合物半導体層11と共にソース/ドレインの一部を構成するものであるため、特に上記のようにゲート電極4aに近接する分部が、不純物濃度が低濃度のエクステンション層13aとなっているのである。
The stacked
そして、サイドウォール15あら露出する前記第2半導体層の表面には、シリサイド層17が設けられている。これにより、ソース/ドレインを構成する積上げシリコン層13および化合物半導体層11に対するコンタクト抵抗の低減を図っている。
A
以上のような構成の半導体装置Tr1では、シリコン基板1の掘り込みパターンa内に化合物半導体層11をエピタキシャル成長によって形成したことにより、ゲート電極4a下のチャネル領域に対して応力が印加され、チャネル領域におけるキャリア移動度が高められる。
In the semiconductor device Tr1 configured as described above, the
さらに、化合物半導体層11は、ゲート電極4a側壁のオフセットスペーサ6との間に間隔を保って配置されており、この間隔部分に露出するシリコン基板1上に積上げシリコン層13が積上げ形成されており、チャネル領域に対しては化合物半導体層11よりも積上げ形成した積上げシリコン層13のエクステンション13aが最も近接して配置されることになる。したがって、ソース/ドレインの接合深さが浅く保たれ、短チャネル効果が抑制される。
Further, the
この結果、MOS型の半導体装置Tr1おけるさらなる高機能化を達成することが可能になる。 As a result, it is possible to achieve further enhancement in functionality in the MOS type semiconductor device Tr1.
またさらに、積上げシリコン層13は、素子分離領域2の端部上に積層されていることから、この表面にシリサイド層17を形成する際に、化合物半導体層11の端部を積上げシリコン層13によって充分に保護することができる。つまり、化合物半導体層11の形成においては、化合物半導体層11を構成する化合物の組成比(Si:GEまたはSi:C)によって、側壁がテーパ形状で形成される場合がある。このような場合、素子分離領域2と化合物半導体層11との境界部分では、化合物半導体層11の膜厚が充分ではない。このため、化合物半導体層11上を積上げシリコン層13で覆い、さらにこの積上げシリコン層13を素子分離領域2にオーバーラップさせることで、積上げシリコン層13を保護膜としてシリサイド層17を形成することが可能になるのである。これにより、シリサイド層17がシリコン基板1に達して接合リークが発生することを防止できる。
Furthermore, since the stacked
また、化合物半導体層11上を積上げシリコン層13で覆い、この表面にシリサイド層17を成長させる構成であるため、化合物半導体層11表面のシリサイド化とは異なり、シリサイド層17の形成において凝集が発生することはない。したがって、安定したシリサイド層17の形成を行うことが可能である。
Further, since the
<第2実施形態> Second Embodiment
先ず、第1実施形態において図1(1)〜図2(3)を用いて説明したと同様の工程を行う。これにより、図4(1)に示すように、シリコン基板1の表面側に掘下げパターンaを形成し、この内部にシリコン基板1とは格子定数の異なる化合物半導体層11を、シリコン基板1の露出面上にエピタキシャル成長によって形成し、さらに積上げシリコン層13を形成するまでを行う。
First, the same steps as described with reference to FIGS. 1 (1) to 2 (3) in the first embodiment are performed. As a result, as shown in FIG. 4A, a dug pattern a is formed on the surface side of the
次に、図4(2)に示すように、ゲート電極4aの側壁に、窒化シリコンからなる絶縁性のオフセットスペーサ6を介して絶縁性のサイドウォール(第2のサイドウォール)21を形成する。このサイドウォール21は、例えば酸化シリコン膜をエッチバックすることによって形成する。この際、ゲート電極4a上の窒化シリコン膜からなるマスクパターン5aは、そのまま残して良い。
Next, as shown in FIG. 4B, an insulating side wall (second side wall) 21 is formed on the side wall of the
次いで、ゲート電極4aおよび積上げシリコン層13の露出面からのイオン注入により、積上げシリコン層13の一部を低抵抗化する。この際、サイドウォール21がマスクとなり、ゲート電極4aに近い積上げシリコン層13分部は、自己整合的に不純物が導入されない低濃度のエクステンション領域13aとして残されることは、第1実施形態と同様である。
Next, the resistance of a part of the stacked
次いで、ゲート電極4aおよび積上げシリコン層13の露出面からのイオン注入により、ゲート電極4aおよび積上げシリコン層13の一部を低抵抗化する。この際、サイドウォール21がマスクとなり、ゲート電極4aに近い積上げシリコン層13分部は、自己整合的に不純物が導入されない低濃度のエクステンション領域13aとして残される。また、不純物が導入された部分は、高濃度のソース/ドレイン領域13bとなる。
Next, the resistance of a part of the
次に、図4(3)に示すように、積上げシリコン層13の露出面に、コンタクト抵抗低減のためのシリサイド層23をセルフアラインで成長させる。
Next, as shown in FIG. 4C, a
その後、図4(4)に示すように、ゲート電極4aおよび絶縁膜5を埋め込む状態で層間絶縁膜25を成膜する。そして、ゲート電極4aが露出するまで、層間絶縁膜25、ハードマスク5a、オフセットスペーサ6、サイドウォール21をCMP研磨する。
Thereafter, as shown in FIG. 4D, an
次に図5(1)に示すように、ゲート電極4aおよびゲート絶縁膜3をダミーパターンとして選択的にエッチング除去する。これにより、エッチング部分に溝パターン27を形成し、その底面にシリコン基板1を露出させる。この際、酸化シリコンからなるダミーのゲート絶縁膜3の除去は、窒化シリコンからなるオフセットスペーサ6をマスクにして積上げシリコン層13を保護しつつ、フッ酸を用いたウェットエッチングによって行う。
Next, as shown in FIG. 5A, the
その後、図5(2)に示すように、溝パターン27の内壁を覆う状態で、新たなゲート絶縁膜29として、高誘電率(High−k)の絶縁性材料膜を成膜する。
Thereafter, as shown in FIG. 5B, an insulating material film having a high dielectric constant (High-k) is formed as a new
次に、図5(3)に示すように、溝パターン27内を埋め込む状態で、ゲート絶縁膜29上にゲート電極膜31を成膜する。このゲート電極膜31は、金属または金属化合物からなる膜を積層または単層構造で形成する。
Next, as illustrated in FIG. 5C, a
その後、図5(4)に示すように、溝パターン27内のみにゲート電極膜31が残るようにゲート電極膜31をCMP研磨し、ダマシン構造の埋め込みゲート電極31aを形成する。さらに、高誘電率(High−k)材料からなるゲート絶縁膜29をCMP研磨することで、層間絶縁膜25上の余分な高誘電率(High−k)材料を除去することが好ましい。
Thereafter, as shown in FIG. 5 (4), the
その後は、ここでの図示は省略したが、一般的な層間絶縁膜の形成、層間絶縁膜を介してのシリサイド層23へのコンタクトの形成、さらには層間絶縁膜上へのメタル配線の形成を行い、半導体装置Tr2の製造工程を終了させる。
Thereafter, although illustration is omitted here, formation of a general interlayer insulating film, formation of a contact to the
以上のようにして得られた半導体装置Tr2は、ゲート電極31aが埋め込みゲート電極であって、金属材料で構成されたものとすることができる。 In the semiconductor device Tr2 obtained as described above, the gate electrode 31a can be a buried gate electrode and can be made of a metal material.
また、第1実施形態で得られた半導体装置(Tr1)と同様に、シリコン基板1の掘り込みパターンa内に化合物半導体層11がエピタキシャル成長によって形成されていることにより、ゲート電極4a下のチャネル領域に対して応力が印加され、チャネル領域におけるキャリア移動度が高められる。さらに、化合物半導体層11は、ゲート電極4a側壁のオフセットスペーサ6との間に間隔を保って配置されており、この間隔部分に露出するシリコン基板1上に積上げシリコン層13が積上げ形成されており、チャネル領域に対しては化合物半導体層11よりも積上げ形成した積上げシリコン層13のエクステンション13aが最も近接して配置されることになる。したがって、ソース/ドレインの接合深さが浅く保たれ、短チャネル効果が抑制される。
Similarly to the semiconductor device (Tr1) obtained in the first embodiment, since the
この結果、第1実施形態と同様にMOS型の半導体装置Tr1おけるさらなる高機能化を達成することが可能になる。 As a result, as in the first embodiment, it is possible to achieve further enhancement in functionality in the MOS type semiconductor device Tr1.
またさらに、積上げシリコン層13は、素子分離領域2の端部上に積層され、この表面にシリサイド層17が形成されていることから、第1実施形態と同様に、シリサイド層17がシリコン基板1に達して接合リークが発生することを防止でき、また安定したシリサイド層17の形成を行うことが可能である。
Furthermore, since the stacked
そして特に本第2実施形態では、埋め込みゲート電極31aの形成に際し、図5(1)で説明したように、ダミーのゲート絶縁膜3を除去するフッ酸処理の際には、窒化シリコンからなるオフセットスペーサ6によって積上げシリコン層13が保護されるため、この積上げシリコン層13で構成されるエクステンション13aにダメージが加わることを防止できる。
Particularly in the second embodiment, when the buried gate electrode 31a is formed, as described with reference to FIG. 5A, in the hydrofluoric acid treatment for removing the dummy
尚、第2実施形態においては、オフセットスペーサ6を絶縁性材料で構成してこれを残す構成とした。しかしながら、エクステンション13aへのダメージを考慮しなくて良い場合には、図5(1)で説明した工程で、ダミーのゲート電極4aおよびゲート絶縁膜3を除去した後、オフセットスペーサ6を選択的に除去し、溝パターン27の側壁にサイドウォール21および積上げシリコン層13を露出させ、これらの溝パターン27の内壁を酸化処理してなるゲート絶縁膜を形成しても良い。これにより、ゲート絶縁膜と接触するエピで形成したエクステンション13a部分に、トランジスタ動作時に蓄積される電荷が増えるためトランジスタの駆動能力を上げることができる。
In the second embodiment, the offset
1…シリコン基板(半導体基板)、2…素子分離領域、3…ゲート絶縁膜、4a…ゲート電極、6…ダミーサイドウォール、7…ダミーサイドウォール、11…化合物半導体層(第1半導体層)、13…積上げシリコン層(第2半導体層)、S/D…ソース/ドレイン、15,21…サイドウォール(第2のサイドウォール)、17,23…シリサイド層、25…層間絶縁膜、29…新たなゲート絶縁膜、31a…新たなゲート電極、a…掘り込みパターン、Tr1,Tr2…半導体装置
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記ゲート電極の側壁に形成された絶縁性のサイドウォールと、
前記サイドウォールとの間に間隔を保った状態で前記半導体基板の表面側に設けられた掘り込みパターン内にエピタキシャル成長によって形成された当該半導体基板とは格子定数の異なる第1半導体層と、
前記サイドウォールによって前記ゲート電極と絶縁された状態で前記半導体基板上および前記第1半導体層上にエピタキシャル成長によって積上げ形成された第2半導体層とを備えた
ことを特徴とする半導体装置。 A gate electrode provided on a semiconductor substrate via a gate insulating film;
An insulating sidewall formed on the sidewall of the gate electrode;
A first semiconductor layer having a lattice constant different from that of the semiconductor substrate formed by epitaxial growth in a digging pattern provided on the surface side of the semiconductor substrate with a space between the sidewall and the sidewall;
A semiconductor device, comprising: a second semiconductor layer formed by epitaxial growth on the semiconductor substrate and the first semiconductor layer in a state insulated from the gate electrode by the sidewall.
前記第2半導体層は不純物を含有してソース/ドレインの一部を構成している
ことを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the second semiconductor layer comprises impurities and constitutes part of a source / drain.
前記第2半導体層は、前記半導体基板の表面側に設けられた素子分離領域の端部上に積層されている
ことを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
The second semiconductor layer is stacked on an end portion of an element isolation region provided on the surface side of the semiconductor substrate.
前記第2半導体層上における前記ゲート電極の側壁に前記サイドウォールを介して絶縁性材料からなる第2のサイドウォールが設けられ、
前記第2半導体層中の不純物濃度が、前記第2のサイドウォールの下部で低濃度である
ことを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
A second sidewall made of an insulating material is provided on the sidewall of the gate electrode on the second semiconductor layer via the sidewall;
The semiconductor device, wherein the impurity concentration in the second semiconductor layer is low at a lower portion of the second sidewall.
前記第2半導体層上における前記ゲート電極の側壁に前記サイドウォールを介して絶縁性材料からなる第2のサイドウォールが設けられ、
前記第2のサイドウォールから露出する前記第2半導体層の表面にシリサイド層が設けられている
ことを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
A second sidewall made of an insulating material is provided on the sidewall of the gate electrode on the second semiconductor layer via the sidewall;
A semiconductor device, wherein a silicide layer is provided on a surface of the second semiconductor layer exposed from the second sidewall.
前記第2半導体層は、シリコン層からなる
ことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5.
The second semiconductor layer is made of a silicon layer.
前記ゲート電極、サイドウォール、およびダミーサイドウォールをマスクにしたエッチングにより、前記半導体基板の表面層を掘り下げる第2工程と
前記掘り下げられた半導体基板の表面に、当該半導体基板とは格子定数の異なる第1半導体層をエピタキシャル成長によって形成する第3工程と、
前記ダミーサイドウォールを選択的にエッチング除去することにより前記サイドウォールと前記第1半導体層との間に前記半導体基板を露出させる第4工程と、
前記半導体基板の露出表面および前記第1半導体層の表面上に、第2半導体層をエピタキシャル成長によって積上げ形成する第5工程とを行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a gate electrode on a semiconductor substrate through a gate insulating film, forming an insulating sidewall on the side wall of the gate electrode, and further forming a dummy sidewall through the sidewall;
A second step of digging the surface layer of the semiconductor substrate by etching using the gate electrode, sidewalls, and dummy sidewalls as a mask, and a surface having a lattice constant different from that of the semiconductor substrate, A third step of forming one semiconductor layer by epitaxial growth;
A fourth step of exposing the semiconductor substrate between the sidewall and the first semiconductor layer by selectively etching away the dummy sidewall;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: performing a fifth step of stacking and forming a second semiconductor layer by epitaxial growth on the exposed surface of the semiconductor substrate and the surface of the first semiconductor layer.
前記第5工程の後、
前記ゲート電極の側壁に前記サイドウォールを介して絶縁性材料からなる第2のサイドウォールを形成する工程と、
前記ゲート電極、サイドウォール、および第2のサイドウォールをマスクにして前記第2半導体層に不純物を導入する工程とを行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7.
After the fifth step,
Forming a second sidewall made of an insulating material on the sidewall of the gate electrode through the sidewall;
And a step of introducing an impurity into the second semiconductor layer using the gate electrode, the sidewall, and the second sidewall as a mask.
前記第5工程の後、
前記ゲート電極の側壁に前記サイドウォールを介して絶縁性材料からなる第2のサイドウォールを形成する工程と、
前記第2半導体層の露出面にシリサイド層を成長させる工程を行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7.
After the fifth step,
Forming a second sidewall made of an insulating material on the sidewall of the gate electrode through the sidewall;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising performing a step of growing a silicide layer on an exposed surface of the second semiconductor layer.
前記第2半導体層としてシリコン層を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 9,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming a silicon layer as the second semiconductor layer.
前記第5工程の後、
前記ゲート電極の側壁に前記サイドウォールを介して絶縁性材料からなる第2のサイドウォールを形成する工程と、
前記サイドウォール、および第2のサイドウォールを覆う状態で前記層間絶縁膜を成膜し、当該層間絶縁膜から前記ゲート電極を露出させた後、当該ゲート電極およびゲート絶縁膜を除去することにより前記半導体基板を露出させる工程と、
前記半導体基板の露出面に、新たなゲート絶縁膜を介して新たなゲート電極を埋め込み形成する工程とを行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7.
After the fifth step,
Forming a second sidewall made of an insulating material on the sidewall of the gate electrode through the sidewall;
The interlayer insulating film is formed so as to cover the sidewall and the second sidewall, and the gate electrode is exposed from the interlayer insulating film, and then the gate electrode and the gate insulating film are removed. Exposing the semiconductor substrate;
And a step of embedding and forming a new gate electrode in the exposed surface of the semiconductor substrate through a new gate insulating film.
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