JP2008263114A - Manufacturing method of semiconductor device, and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関するものであって、特に、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型電界効果トランジスタ(MOSFET)の製造方法およびこの製造方法により製造されたMOSFETに関するものである。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device, and more particularly to a method of manufacturing a MOS (Metal Oxide Semiconductor) type field effect transistor (MOSFET) and a MOSFET manufactured by the manufacturing method.
従来から、バルクのシリコン(Si)基板にMOSFETを形成する場合には、微細化に伴い、短チャネル効果が問題となっている。そこで、短チャネル効果を抑制するために、拡散深さを浅く抑えることが可能なSOI(Silicon On Insulator)基板にMOSFETを形成することが行われている。 Conventionally, in the case of forming a MOSFET on a bulk silicon (Si) substrate, the short channel effect has become a problem with miniaturization. Therefore, in order to suppress the short channel effect, a MOSFET is formed on an SOI (Silicon On Insulator) substrate that can suppress the diffusion depth shallow.
ここで、SOI基板へのMOSFETの製造方法について、図9を用いて説明すると、例えばSi層101a、絶縁層101bおよびSi層101cがこの順に積層されたSOI基板101の表面側に溝を形成し、この溝内に酸化シリコン(SiO2)を埋め込んだSTI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離層102を形成する。
Here, the manufacturing method of the MOSFET on the SOI substrate will be described with reference to FIG. 9. For example, a groove is formed on the surface side of the
次に、SOI基板101上に、SiO2からなるゲート絶縁膜103を介して、ポリシリコンからなるゲート電極104をパターン形成する。この際、SOI基板101上に、ゲート絶縁膜103とゲート電極104を構成する各材料膜、および窒化シリコン(SiN)からなるハードマスク(図示省略)を積層成膜し、これらの積層膜をパターンエッチングする。
Next, a
次いで、ゲート絶縁膜103、ゲート電極104とハードマスクの両側に、TEOS(Tetra Ethoxy Silane)からなるオフセットスペーサー105を形成する。その後、イオン注入により、オフセットスペーサー105が設けられたゲート電極104の両側のSOI基板101の表面層(Si層101c)に、不純物を導入することで、エクステンション領域106を形成する。
Next,
続いて、オフセットスペーサー105の両側に、SiN層107a、TEOS層107bを順次積層してなるサイドウォール107を形成する。その後、SOI基板101の露出表面上にSi層をエピタキシャル成長させることで、エピタキシャル成長層108を形成する。
Subsequently,
次いで、イオン注入法により、サイドウォール107が設けられたゲート電極104の両側のエピタキシャル成長層108とSOI基板101の表面層(Si層101c)とに不純物イオンを導入することで、ソース・ドレイン領域109を形成する。続いて、急速熱アニール(Rapid Thermal Annealing(RTA))法により、不純物の活性化アニールを行う。ここで、上記ソース・ドレイン領域109によりエクステンション領域106を介して挟まれたゲート電極104直下のSi層101cの領域がチャネル領域110となる。
Subsequently, impurity ions are introduced into the
次に、ゲート電極104の表面のハードマスクを除去し、この状態のSOI基板101上の全域に、ニッケル(Ni)からなる金属膜(図示省略)を成膜する。その後、熱処理によりエピタキシャル成長層108の表面側およびゲート電極104の表面側をシリサイド化することで、シリサイド層111を形成する。その後、未反応の金属膜を除去する。
Next, the hard mask on the surface of the
以上のようにして、SOI基板101にMOSFETが形成される。このMOSFETは、SOI基板101の表面層のみにソース・ドレイン領域109を形成する場合と比較して、上記エピタキシャル成長層108が形成される分、ソース・ドレイン領域109の占有体積を増大させることができ、寄生抵抗の抑制を図ることができる。
As described above, a MOSFET is formed on the
一方、上述した方法以外に、バルクのSi基板を用いて短チャネル効果を抑制する方法もある。例えば、Si基板の表面に熱酸化膜をパターン形成した後、Si基板の露出表面上に、Si単結晶をエピタキシャル成長させて、加熱・溶融による再結晶により、Si単結晶を横方向に成長させることで、熱酸化膜上にもSi薄膜を形成する。そして、この熱酸化膜上のSi薄膜上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、ゲート電極をマスクとしたイオン注入法により、ソース・ドレイン領域を形成する例が報告されている(例えば、特許文献1参照)。この方法では、チャネル領域となる領域の下層のみに熱酸化膜が形成されるため、ソース・ドレイン領域をSi基板の深い位置まで形成することができ、寄生抵抗を低減することができる、という利点がある。 On the other hand, in addition to the method described above, there is a method for suppressing the short channel effect using a bulk Si substrate. For example, after patterning a thermal oxide film on the surface of the Si substrate, the Si single crystal is epitaxially grown on the exposed surface of the Si substrate, and the Si single crystal is grown laterally by recrystallization by heating and melting. Thus, a Si thin film is also formed on the thermal oxide film. Then, an example in which a gate electrode is formed on a Si thin film on the thermal oxide film via a gate insulating film and a source / drain region is formed by an ion implantation method using the gate electrode as a mask has been reported (for example, , See Patent Document 1). In this method, since the thermal oxide film is formed only in the lower layer of the channel region, the source / drain regions can be formed deep in the Si substrate, and the parasitic resistance can be reduced. There is.
さらには、短チャネル効果を抑制するため、ゲート絶縁膜およびゲート電極を形成する前に、Si基板のLDD(Lightly Doped Drain)領域の下部側となる領域に、酸素イオン注入により、絶縁層を形成する例も報告されている(例えば、特許文献2参照)。 Furthermore, in order to suppress the short channel effect, before forming the gate insulating film and the gate electrode, an insulating layer is formed by oxygen ion implantation in a region below the LDD (Lightly Doped Drain) region of the Si substrate. An example of this is also reported (see, for example, Patent Document 2).
しかし、上述した図9を用いて説明した半導体装置の製造方法では、SOI基板101上にエピタキシャル成長層108を形成することで、ソース・ドレイン領域109の占有体積を増大させているが、エピタキシャル成長層108とゲート電極104の間の寄生容量を考慮に入れると、エピタキシャル成長層108の高さには限界がある。また、SOI基板101中の絶縁層101bにより、ソース・ドレイン領域109をSOI基板101の深さ方向に広げることはできず、寄生抵抗の低減は十分ではなかった。
However, in the method of manufacturing the semiconductor device described with reference to FIG. 9 described above, the
また、特許文献1に形成された方法では、熱酸化膜を形成した後に、ゲート電極を形成することから、ゲート電極と熱酸化膜との間に合わせズレが生じ易く、トランジスタ構造の非対称性を生じかねない。この結果、トランジスタの特性ばらつきや歩留まり劣化という大きな問題につながってしまう。また、再結晶化の際に、Si薄膜に結晶欠陥が生じる可能性が非常に大きく、Si薄膜にはチャネル領域が設けられることから、この結晶欠陥に起因したトランジスタ特性の劣化や信頼性の悪化が懸念される。
Further, in the method formed in
さらに、特許文献2に記載された方法でも同様に、LDD領域となる領域の下層に絶縁層を形成した後、ゲート絶縁膜およびゲート電極を形成することから、ゲート電極と上記絶縁層の間に合わせズレが生じ易く、トランジスタ構造の非対称性を生じる可能性が高い。 Further, similarly in the method described in Patent Document 2, an insulating layer is formed below the region to be the LDD region, and then a gate insulating film and a gate electrode are formed. Misalignment is likely to occur, and the transistor structure is highly likely to be asymmetric.
仮に、特許文献2に記載された方法において、Si基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成した後に酸素イオンを注入することで、上記絶縁層を形成した場合には、セルフアラインにより絶縁層が形成されるため、トランジスタ構造の非対称性は解消されるが、酸素イオン注入のエネルギーが非常に大きいため、Si基板に大きなダメージが加わる。よって、結晶欠陥回復および絶縁層形成のために非常に高温のアニール処理(1300℃以上)を実施する必要があるが、このような高温アニール処理を実施すると、ゲート絶縁膜破壊が生じてしまい、トランジスタ動作することが出来なくなる、という大きな問題が生じてしまう。 In the method described in Patent Document 2, when the insulating layer is formed by implanting oxygen ions after forming a gate electrode on a Si substrate via a gate insulating film, insulation is performed by self-alignment. Since the layer is formed, the asymmetry of the transistor structure is eliminated. However, since the energy of oxygen ion implantation is very large, the Si substrate is greatly damaged. Therefore, it is necessary to perform an extremely high temperature annealing process (1300 ° C. or higher) for crystal defect recovery and insulating layer formation. However, if such a high temperature annealing process is performed, the gate insulating film is destroyed. A major problem arises that the transistor cannot be operated.
したがって、本発明は、トランジスタ構造を非対称にすることなく、短チャネル効果が抑制された状態で、寄生抵抗を十分に低減することができ、チャネル領域の結晶欠陥が抑制された半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device in which the parasitic resistance can be sufficiently reduced and the crystal defects in the channel region are suppressed without making the transistor structure asymmetrical while the short channel effect is suppressed. Another object is to provide a semiconductor device.
上述したような目的を達成するために、本発明における半導体装置の製造方法は、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、第1工程では、Si層、絶縁層およびSi層がこの順に積層されたSOI基板上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程を行う。次に、第2工程では、ゲート電極をマスクにしたエッチングにより、SOI基板を最下層のSi層が露出するまで掘り下げる工程を行う。次いで、第3工程では、露出されたSi層の表面上に、Si含有層をエピタキシャル成長させるともに、このSi含有層にソース・ドレイン領域を形成する工程を行う。 In order to achieve the above-described object, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized by sequentially performing the following steps. First, in the first step, a step of forming a gate electrode through a gate insulating film on an SOI substrate in which a Si layer, an insulating layer, and a Si layer are stacked in this order is performed. Next, in the second step, a step of digging up the SOI substrate until the lowermost Si layer is exposed is performed by etching using the gate electrode as a mask. Next, in a third step, a Si-containing layer is epitaxially grown on the exposed surface of the Si layer, and a source / drain region is formed in the Si-containing layer.
このような半導体装置の製造方法によれば、ゲート電極をマスクにしたエッチングにより、SOI基板を最下層のSi層が露出するまで掘り下げることで、セルフアラインによりゲート電極の直下の絶縁層が残存することから、ゲート電極と絶縁層の位置にずれが生じることなく、トランジスタ構造が非対称となることが防止される。また、露出されたSi層の表面上にSi含有層をエピタキシャル成長させるとともに、このSi含有層にソース・ドレイン領域を形成することから、チャネル領域の下層に絶縁層を残存させた状態で、ソース・ドレイン領域がSOI基板の最下層まで深く形成される。これにより、短チャネル効果が抑制された状態で、寄生抵抗が低減される。また、チャネル領域はSOI基板の表面層に設けられるため、背景技術で説明したように、再結晶化されたSi薄膜にチャネル領域を形成する場合と比較して、チャネル領域の結晶欠陥が抑制される。 According to such a method for manufacturing a semiconductor device, the SOI substrate is dug by etching using the gate electrode as a mask until the lowermost Si layer is exposed, so that the insulating layer immediately below the gate electrode remains by self-alignment. Therefore, the transistor structure is prevented from being asymmetric without causing a shift in the position of the gate electrode and the insulating layer. In addition, the Si-containing layer is epitaxially grown on the exposed surface of the Si layer, and the source / drain regions are formed in the Si-containing layer, so that the source / drain region is left in the state where the insulating layer remains in the lower layer of the channel region. A drain region is formed deeply to the bottom layer of the SOI substrate. Thereby, the parasitic resistance is reduced in a state where the short channel effect is suppressed. In addition, since the channel region is provided in the surface layer of the SOI substrate, as described in the background art, crystal defects in the channel region are suppressed as compared with the case where the channel region is formed in the recrystallized Si thin film. The
また、本発明の半導体装置は、Si層、絶縁層およびSi層がこの順に積層されたSOI基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられた半導体装置において、ゲート電極の両側のSOI基板が最下層のSi層が露出するまで掘り下げられた領域上に、エピタキシャル成長により形成されたSi含有層が設けられており、このSi含有層にソース・ドレイン領域が設けられていることを特徴としている。 According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device in which a gate electrode is provided on a SOI substrate in which a Si layer, an insulating layer, and a Si layer are stacked in this order via a gate insulating film. Is characterized in that a Si-containing layer formed by epitaxial growth is provided on a region dug until the lowermost Si layer is exposed, and a source / drain region is provided in the Si-containing layer. .
このような半導体装置は、上述した製造方法により製造されるものであり、ゲート電極の両側のSOI基板が最下層のSi層が露出するまで掘り下げられた領域上にエピタキシャル成長されたSi含有層に、ソース・ドレイン領域が設けられていることから、チャネル領域の下層に絶縁層が設けられた状態で、ソース・ドレイン領域がSOI基板の最下層まで深く設けられ、ソース・ドレイン領域の占有体積を増大させることが可能となる。これにより、短チャネル効果が抑制された状態で、寄生抵抗が低減される。また、チャネル領域はSOI基板の表面層に設けられるため、再結晶化されたSi薄膜にチャネル領域を形成する場合と比較して、チャネル領域の結晶欠陥が抑制される。 Such a semiconductor device is manufactured by the above-described manufacturing method, and the SOI substrate on both sides of the gate electrode is epitaxially grown on a region that is dug until the lowermost Si layer is exposed. Since the source / drain regions are provided, the source / drain regions are deeply provided to the bottom layer of the SOI substrate with the insulating layer provided below the channel region, thereby increasing the occupied volume of the source / drain regions. It becomes possible to make it. Thereby, the parasitic resistance is reduced in a state where the short channel effect is suppressed. Further, since the channel region is provided in the surface layer of the SOI substrate, crystal defects in the channel region are suppressed as compared with the case where the channel region is formed in the recrystallized Si thin film.
以上、説明したように、本発明における半導体装置の製造方法および半導体装置によれば、トランジスタ構造が非対称となることが防止されるため、トランジスタ特性のばらつきや歩留まりの低下を防止することができる。また、短チャネル効果が抑制された状態で、寄生抵抗を低減することができることから、トランジスタの駆動電流を向上させることができる。さらに、チャネル領域の結晶欠陥が抑制されるため、この結晶欠陥に起因したトランジスタ特性の劣化や信頼性の悪化を防止することができる。以上のことから、トランジスタの特性を向上させることができる。 As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device and the semiconductor device of the present invention, the transistor structure is prevented from being asymmetrical, so that variations in transistor characteristics and a decrease in yield can be prevented. In addition, since the parasitic resistance can be reduced in a state where the short channel effect is suppressed, the driving current of the transistor can be improved. Further, since crystal defects in the channel region are suppressed, deterioration of transistor characteristics and reliability due to the crystal defects can be prevented. From the above, the characteristics of the transistor can be improved.
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。各実施形態においては、半導体装置の構成を製造工程順に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each embodiment, the configuration of a semiconductor device will be described in the order of manufacturing steps.
本発明の半導体装置の製造方法に係る実施の形態の一例として、MOSFETの製造方法について、図1の製造工程断面図を用いて説明する。なお、背景技術で説明したものと同様の構成には、同一の番号を付して説明する。 As an example of an embodiment according to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a method for manufacturing a MOSFET will be described with reference to a manufacturing process sectional view of FIG. In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to what was demonstrated by background art.
まず、図1(a)に示すように、本実施形態に用いるSOI基板11について説明する。SOI基板11は、Si層11a、SiO2層11b(絶縁層)、およびSi層11cをこの順に積層してなり、SiO2層11bは50nm〜200nm、表面層となるSi層11cは10nm〜100nmの膜厚で形成される。ここでは、例えばSiO2層11bは50nm、Si層11cは15nmであることとする。
First, as shown in FIG. 1A, an
次に、図1(b)に示すように、SOI基板11上に、例えばSiN膜12を形成する。このSiN膜12は、後工程でSTI構造の溝を形成するためのハードマスクであり、このSiN膜12の膜厚により、上記溝に形成される素子分離層のSOI基板11表面から突出する高さが規定される。そして、後述するように、異方性エッチングにより、SOI基板11の絶縁層11bを除去する工程では、SiO2からなる素子分離層が露出された状態となるため、このエッチングにより除去される分、素子分離層の高さが高くなるように、上記SiN膜12の膜厚を設定する。
Next, for example, a
次いで、図1(c)に示すように、SiN膜12上にレジストパターン(図示省略)を形成し、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、SiN膜12およびSOI基板11に最下層のSi層11aに達する深さのSTI構造用の溝13を例えば300nm程度の深さで形成する。
Next, as shown in FIG. 1C, a resist pattern (not shown) is formed on the
続いて、図1(d)に示すように、例えば高密度プラズマ化学的気相成長(High Density Plasma Chemical Vapor Deposition(HDP−CVD)法により、溝13を埋め込む状態で、SiN膜12上に、SiO2膜を形成した後、化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polishing(CMP))法により、SiN膜12の表面が露出するまでSiO2膜を除去することで、SiO2からなる素子分離層14を形成する。以上のようにして、STI構造が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 1D, on the
次に、図2(e)に示すように、例えばホットリン酸を用いたウェットエッチングにより、上記SiN膜12(前記図1(d)参照)を除去し、SOI基板11の表面を露出させる。これにより、素子分離層14の上部がSOI基板11の表面から突出した状態となる。
Next, as shown in FIG. 2E, the SiN film 12 (see FIG. 1D) is removed by wet etching using hot phosphoric acid, for example, and the surface of the
次いで、図2(f)に示すように、SOI基板11上に、例えば酸窒化シリコン(SiON)からなるゲート絶縁膜15を介して、例えばポリシリコン(Poly−Si)からなるゲート電極16を形成する。また、ゲート電極16上はSiNからなるハードマスク17で覆われた状態とする。この場合には、SOI基板11上に、SiON膜を1.8nm程度の膜厚で形成し、このSiON膜上にPoly−Si膜を100nm〜150nm、Poly−Si膜上にSiN膜を50nm〜100nmの膜厚で形成する。ここでは、例えばPoly−Si膜が150nm、SiN膜が50nmであることとする。その後、SiN膜上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクに用いたエッチングにより、上記積層膜をパターニングする。
Next, as shown in FIG. 2F, a
なお、ここでは、ゲート絶縁膜15をSiONで形成し、ゲート電極16をPoly−Siで形成することとしたが、ゲート絶縁膜15をSiO2よりも比誘電率の高いHigh−k材料で形成してもよく、ゲート電極16を金属含有材料で形成してもよい。
Here, the
続いて、図2(g)に示すように、上述したゲート絶縁膜15、ゲート電極16、およびハードマスク17の両側に、例えばTEOSからなるオフセットスペーサー18を形成する。この場合には、ゲート絶縁膜15、ゲート電極16、およびハードマスク17を覆う状態で、SOI基板11上に、例えばTEOS膜を8nm程度の膜厚で成膜した後、このTEOS膜をSOI基板11の表面が露出するまでエッチバックする。
Subsequently, as shown in FIG. 2G, offset
なお、ここでは、オフセットスペーサー18をTEOSで形成することとしたが、SiN等他の絶縁材料で形成してもよい。
Here, although the offset
その後、例えばイオン注入により、ゲート電極16の両側のSOI基板11の表面層(Si層11c)に不純物を導入することで、エクステンション領域19を形成する。この際、Nチャネル型MOSFET(NMOS)を形成する場合には、例えば斜め方向からホウ素(B)からなるp型不純物を導入して空乏層を広げ、ヒ素(As)からなるn型不純物を導入することでエクステンション領域19を形成する。また、Pチャネル型MOSFET(PMOS)を形成する場合には、例えば斜め方向からAsからなるn型不純物を導入して空乏層を広げ、Bからなるp型不純物を導入することでエクステンション領域19を形成する。
Thereafter, an
なお、p型不純物としては上記B以外にもガリウム(Ga)、インジウム(In)、n型不純物としては上記As以外にも、リン(P)、アンチモン(Sb)が用いられる。 In addition to B, gallium (Ga) and indium (In) are used as p-type impurities, and phosphorus (P) and antimony (Sb) are used as n-type impurities in addition to As.
次に、図2(h)に示すように、オフセットスペーサー18の外側に、SiN層20a、TEOS層20bがこの順に積層されたサイドウォール20を形成する。この場合には、オフセットスペーサー18が設けられたゲート絶縁膜15、ゲート電極16、およびハードマスク17を覆う状態で、SOI基板11上に、SiN膜20nm、TEOS膜50nmをこの順に成膜する。その後、TEOS膜、SiN膜をSOI基板11の表面が露出するまでエッチバックする。
Next, as shown in FIG. 2H, a
次いで、ハードマスク17およびサイドウォール20で覆われた状態のゲート電極16をマスクとし、SOI基板11を最下層のSi層11aが露出するまで掘り下げるリセスエッチングを行うことで、リセス領域21を形成する。ここでは、例えば異方性エッチングにより、上記リセスエッチングを行うこととする。この際、SiO2からなる素子分離層14が露出された状態で、SOI基板11のSiO2層11bが除去されるが、上述したように、このエッチングによる除去分を加味して、予め素子分離層14を高く形成しておくことで、素子分離層14が許容範囲を超えて除去されることを防止する。このエッチングにより、セルフアラインによりサイドウォール20で覆われたゲート電極16の直下の絶縁層11bが残存することから、ゲート電極16と絶縁層11bの位置にずれが生じることなく、トランジスタ構造が非対称となることが防止される。
Next, using the
なお、ここでは、エッチング除去される分、予め素子分離層14を高く形成する例について説明したが、SiO2層11bとエッチング選択比がとれるように素子分離層14が形成されていればよく、例えば素子分離層14をSiO2層11bよりも高密度のSiO2層で形成することで、エッチング選択比を高めてもよい。
Here, the example in which the
続いて、図3(i)に示すように、リセス領域21の底部に露出されたSi層11a上に、Si層を選択的にエピタキシャル成長させることで、エピタキシャル成長層22を形成する。これにより、後工程でこのエピタキシャル成長層22に形成するソース・ドレイン領域をSOI基板11の最下層11aまで深く形成することが可能となる。ここでは、SOI基板11の表面よりもエピタキシャル成長層22の表面が高くなるように形成することで、ソース・ドレイン領域23の占有体積をさらに増大させることとする。ただし、この場合には、エピタキシャル成長層22とゲート電極16の間に生じる寄生容量が許容範囲内に抑えられるように、エピタキシャル成長層22の高さを調整する。
Subsequently, as shown in FIG. 3I, the
その後、ホットリン酸を用いたウェットエッチングにより、ハードマスク17(前記図2(h)参照)を除去する。次いで、イオン注入により、エピタキシャル成長層22に不純物を導入することで、エピタキシャル成長層22にソース・ドレイン領域23を形成する。この際、NMOSを形成する場合には、例えばリン(P)からなるn型不純物を導入し、PMOSを形成する場合には、例えばBからなるp型不純物を導入する。続いて、1050℃程度のスパイクアニールにより、不純物を活性化させる。
Thereafter, the hard mask 17 (see FIG. 2H) is removed by wet etching using hot phosphoric acid. Next, by introducing impurities into the
ここで、上記ソース・ドレイン領域23によりエクステンション領域19を介して挟まれたゲート電極16直下のSi層11cの領域がチャネル領域24となる。このため、上述したように、上記エピタキシャル成長層22にソース・ドレイン領域23を形成することで、チャネル領域24の下層に絶縁層11bを残存させた状態で、ソース・ドレイン領域23がSOI基板11の最下層のSi層11aまで深く形成され、ソース・ドレイン領域23の占有体積を増大させることが可能となる。これにより、短チャネル効果が抑制された状態で、寄生抵抗が低減される。さらに、ここではエクステンション領域19の下層にも絶縁層11bが残存するため、より確実に短チャネル効果が抑制される。
Here, the region of the
なお、本実施形態では、イオン注入により、不純物を導入してソース・ドレイン領域23を形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、Si層をエピタキシャル成長させる際に不純物を導入してもよい(in-situ dope)。この場合には、イオン注入により不純物を導入するよりも、工程が簡略化されるだけでなく、不純物導入による結晶欠陥が抑制され、不純物が十分に活性化されるため、好ましい。また、in-situ dopeにより不純物を導入した後に、足りない分をイオン注入により導入してもよい。
In this embodiment, the example in which the impurity is introduced by ion implantation to form the source /
続いて、図3(j)に示すように、スパッタリング法により、この状態のSOI基板11上の全域、すなわち、ゲート電極16上、サイドウォール20上、エピタキシャル成長層22上および素子分離層14上に、例えばNi膜からなる金属膜(図示省略)を8nm程度の膜厚で形成する。その後、熱処理を行うことで、ゲート電極16の表面およびエピタキシャル成長層22の表面をシリサイド化し、シリサイド層25を形成する。その後、未反応の上記金属膜を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 3J, the entire region on the
なお、上記金属膜としては、Niのほかに、コバルト(Co)やニッケルプラチナ(NiPt)等の他の金属を成膜してもよい。 As the metal film, in addition to Ni, another metal such as cobalt (Co) or nickel platinum (NiPt) may be formed.
次に、図3(k)に示すように、例えばHDP−CVD法により、この状態のSOI基板11上の全域、すなわち、シリサイド層25上、サイドウォール20上および素子分離層14上に、例えばSiO2からなる層間絶縁膜26を300nmの膜厚で形成する。続いて、層間絶縁膜26上にレジストパターン(図示省略)を形成し、このレジストパターンをマスクに用いたエッチングにより、ゲート電極16の表面側のシリサイド層25およびソース・ドレイン領域23の表面側のシリサイド層25に達するコンタクトホール27を形成する。その後、このコンタクトホール27内に、Wの層間絶縁膜への拡散防止性を有する例えば窒化チタン(TiN)からなるバリアメタル層を介して、例えばWを埋め込むことで、コンタクトプラグ28を形成する。
Next, as shown in FIG. 3 (k), for example, by HDP-CVD, the entire region on the
このような半導体装置の製造方法およびこの製造方法により得られる半導体装置によれば、サイドウォール20が設けられたゲート電極16をマスクにしたエッチングにより、SOI基板11を最下層のSi層11aが露出するまで掘り下げることで、セルフアラインによりゲート電極16の直下の絶縁層11bが残存することから、ゲート電極16と絶縁層11bの位置にずれが生じることなく、トランジスタ構造が非対称となることが防止される。したがって、トランジスタ特性のばらつきや歩留まりの低下を防止することができる。
According to the semiconductor device manufacturing method and the semiconductor device obtained by this manufacturing method, the
また、露出されたSi層11aの表面上に形成したエピタキシャル成長層22にソース・ドレイン領域23を形成することから、チャネル領域24とエクステンション領域19の下層に絶縁層11bを残存させた状態で、SOI基板11の最下層の11cまでソース・ドレイン領域23を深く形成することが可能となる。これにより、短チャネル効果を抑制した状態で、寄生抵抗を低減することができ、トランジスタの駆動電流を向上させることができる。
In addition, since the source /
さらに、チャネル領域24がSOI基板11の表面層(Si層11c)に設けられるため、背景技術で説明したように、再結晶化されたSi薄膜にチャネル領域を形成する場合と比較して、チャネル領域24の結晶欠陥が抑制される。よって、この結晶欠陥に起因したトランジスタ特性の劣化や信頼性の悪化を防止することができる。
Further, since the
以上のことから、本実施形態の半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、トランジスタの特性を向上させることができる。 From the above, according to the semiconductor device and the manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment, the characteristics of the transistor can be improved.
なお、上述した第1実施形態では、ソース・ドレイン領域23を形成するエピタキシャル成長層22がSi層で構成される例について説明したが、エピタキシャル成長層22がSiとSiとは格子定数の異なる原子の混晶層で構成されていてもよい。例えばNMOSを形成する場合には、図3(i)を用いて説明した工程において、リセス領域21の底部に露出されたSi層11a上にSiとSiよりも格子定数の小さい炭素(C)の混晶層をエピタキシャル成長させることで、エピタキシャル成長層22を形成する。これにより、チャネル領域24に引っ張り応力を印加することが可能となり、キャリア移動度を向上させることができる。また、PMOSを形成する場合には、上記工程において、リセス領域21の底部に露出されたSi層11a上にSiとSiよりも格子定数の大きいゲルマニウム(Ge)の混晶層をエピタキシャル成長させることで、エピタキシャル成長層22を形成する。これにより、チャネル領域24に圧縮応力を印加することが可能となり、キャリア移動度を向上させることができる。なお、上述したように混晶層をエピタキシャル成長させる場合であっても、混晶層をエピタキシャル成長させる際に不純物を導入してもよい。
In the first embodiment described above, an example in which the
また、上記第1実施形態では、図2(h)を用いて説明した工程において、SiN層20a/TEOS層20bの2層構造からなるサイドウォール20について説明したが、図4(a)に示すように、単層構造のサイドウォール20’であってもよい。この場合には、図2(h)を用いて説明した工程において、オフセットスペーサー18が設けられたゲート絶縁膜15、ゲート電極16、およびハードマスク17(前記図2(h)参照)を覆う状態で、SOI基板11上に、例えばSiN膜を70nmの膜厚で成膜する。その後、このSiN膜をSOI基板11の表面が露出するまでエッチバックすることで、サイドウォール20’を形成する。
In the first embodiment, the
さらに、図4(b)に示すように、サイドウォール20’’ は3層構造であってもよく、この場合には、図2(h)を用いて説明した工程において、オフセットスペーサー18が設けられたゲート絶縁膜15、ゲート電極16、およびハードマスク17(前記図2(h)参照)を覆う状態で、SOI基板11上に、例えばTEOS/SiN/TEOSを10nm/20nm/34nmの膜厚で成膜する。その後、この積層膜をSOI基板11の表面が露出するまでエッチバックすることで、TEOS層20a''、SiN層20b''およびTEOS層20c''がこの順に積層されたサイドウォール20''を形成する。
Further, as shown in FIG. 4B, the
また、上記実施形態では、図3(i)を用いて説明した工程において、SOI基板11の表面よりも高くなるようにエピタキシャル成長層22を形成したが、本発明はこれに限定されず、図5に示すように、SOI基板11の表面と同じ高さになるように、エピタキシャル成長層22’を形成してもよい。この場合には、上記第1実施形態と比較して、寄生抵抗は増大するものの、エピタキシャル成長層22’とゲート電極16との間の寄生容量を低減することが可能となる。
In the above embodiment, the
さらに、上記実施形態では、図2(g)を用いて説明した工程において、イオン注入法によりエクステンション領域19を形成したが、本発明はこれに限定されず、ゲート電極の両側のSOI基板の表面層をリセスし、このリセス領域にエピタキシャル成長させたシリコン含有層にエクステンション領域を形成してもよい。この場合には、図6(a)に示すように、オフセットスペーサー18を形成した後に、ハードマスク17およびオフセットスペーサー18で覆われた状態のゲート電極16をマスクとし、SOI基板11の表面層であるSi層11cを掘り下げてリセス領域29を形成する。ここでは、Si層11cがリセス領域29の底部に残存するように、Si層11cを掘り下げることとする。
Furthermore, in the above embodiment, the
次に、図6(b)に示すように、リセス領域29の底部に露出されたSi層11c上に、Si含有層をエピタキシャル成長させて、エピタキシャル成長層30を形成する。この場合のエピタキシャル成長層30は、上述したSiとSiとは格子定数の異なる原子の混晶層で形成されることが好ましく、混晶層で形成されることで、ゲート電極16の直下のSi層11cに形成されるチャネル領域に効果的に応力を印加することが可能となる。このエピタキシャル成長層30には、in-situ dopeにより、不純物を導入してもよく、不純物を含まない混晶層からなるエピタキシャル成長層30を形成した後に、イオン注入により不純物を導入してもよい。以上のようにして、エピタキシャル成長層30からなるエクステンション領域19’を形成する。
Next, as shown in FIG. 6B, an Si-containing layer is epitaxially grown on the
なお、ここでは、Si層11cがリセス領域29の底部に残存するように、Si層11cを掘り下げることとしたが、SiO2層11bに達するまでSOI基板11を掘り下げてもよい。この場合には、サイドウォール20で覆われたゲート電極16の直下のSi層11cから横方向にエピタキシャル成長させることで、上記エピタキシャル成長層30を形成する。
Here, the
(第2実施形態)
図7は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための製造工程断面図である。なお、第1実施形態において、図1(a)〜図2(f)を用いて説明したゲート電極を形成する工程までは、第1実施形態と同様の方法で行うこととする。また、第1実施形態と同様の構成には、同一の番号を付して説明する。
(Second Embodiment)
FIG. 7 is a manufacturing step sectional view for explaining the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment. In the first embodiment, the process up to the step of forming the gate electrode described with reference to FIGS. 1A to 2F is performed by the same method as in the first embodiment. Further, the same components as those in the first embodiment will be described with the same numbers.
まず、図7(a)に示すように、ゲート絶縁膜15、ゲート電極16、およびハードマスク17の両側に、例えばTEOSからなるオフセットスペーサー18を形成した後、例えばイオン注入により、SOI基板11の表面側のSi層11cに不純物を導入することで、第1エクステンション領域19a''を形成する。
First, as shown in FIG. 7A, after an offset
続いて、SOI基板11上にSi層をエピタキシャル成長させることで、エピタキシャル成長層31を形成する(in-situ dope)。これにより、このエピタキシャル成長層31が第2エクステンション領域19b''となり、第1エクステンション領域19a''と第2エクステンション領域19b''からなるエクステンション領域19''が形成されるため、エクステンション領域19''をSOI基板11上にも形成することが可能となる。ただし、この場合には、エピタキシャル成長層31とゲート電極16との間に生じる寄生容量が許容範囲内に抑えられるように、エピタキシャル成長層31の高さを調整する。
Subsequently, an
なお、ここでは、エピタキシャル成長層31として、Si層をエピタキシャル成長させることとしたが、第1実施形態で図3(i)を用いて説明したエピタキシャル成長層22と同様に、SiとSiとは格子定数の異なる混晶層で上記エピタキシャル成長層31を構成してもよい。
Here, the Si layer is epitaxially grown as the
また、ここでは、不純物を含むSi層をエピタキシャル成長させることでエピタキシャル成長層31を形成したが、不純物を含まないSi層をエピタキシャル成長させた後に、イオン注入により不純物を導入してもよい。この場合には、イオン注入により第1エクステンション領域19a''を形成する前に、SOI基板11上に不純物を含まない状態で、エピタキシャル成長層31を形成する。そして、その後、イオン注入により、エピタキシャル成長層31とSOI基板11の表面層(Si層11c)に不純物を導入することで、エクステンション領域19''を形成する。
Here, the
さらに、ここでの図示は省略するが、SOI基板11上に形成されるエピタキシャル成長層31のみにエクステンション領域を形成してもよい。この場合には、エピタキシャル成長の際に不純物を導入することが好ましい。
Furthermore, although illustration is omitted here, an extension region may be formed only in the
この後の工程は第1実施形態と同様に行う。すなわち、図7(b)に示すように、オフセットスペーサー18が設けられたゲート絶縁膜15、ゲート電極16、およびハードマスク17の両側に、SiN層20a、TEOS層20bをこの順に積層してなるサイドウォール20を形成する。次に、ハードマスク17およびサイドウォール20で覆われた状態のゲート電極16をマスクとし、エピタキシャル成長層31とSOI基板11を最下層のSi層11aが露出するまで掘り下げる異方性のリセスエッチングを行うことで、リセス領域21を形成する。
The subsequent steps are performed in the same manner as in the first embodiment. That is, as shown in FIG. 7B, the
続いて、図7(c)に示すように、露出されたSi層11a上に、Si層を選択的にエピタキシャル成長させることで、エピタキシャル成長層22を形成する。その後、ホットリン酸を用いたウェットエッチングにより、ハードマスク17(前記図7(b)参照)を除去する。次いで、イオン注入により、エピタキシャル成長層22に不純物を導入することで、エピタキシャル成長層22にソース・ドレイン領域23を形成する。続いて、1050℃程度のスパイクアニールにより、不純物を活性化させる。
Subsequently, as shown in FIG. 7C, the
その後、例えばスパッタリング法により、この状態のSOI基板11上の全域に、例えばNiからなる金属膜(図示省略)を形成した後、熱処理を行うことで、ゲート電極16の表面およびエピタキシャル成長層22の表面をシリサイド化し、シリサイド層25を形成する。
Thereafter, a metal film (not shown) made of, for example, Ni is formed over the entire area of the
このような半導体装置の製造方法および半導体装置であっても、サイドウォール20が設けられたゲート電極16をマスクにしたエッチングにより、SOI基板11を最下層のSi層11aが露出するまで掘り下げた後、このSi層11aの表面上に形成したエピタキシャル成長層22にソース・ドレイン領域23を形成することから、第1実施形態と同様の効果を奏することができる。
Even in such a semiconductor device manufacturing method and semiconductor device, the
また、本実施形態によれば、エピタキシャル成長層31に第2エクステンション領域19b''を形成することで、エクステンション領域19''の占有体積を増大させることができるため、さらなる寄生抵抗の低減が可能となる。
In addition, according to the present embodiment, by forming the
(変形例1)
なお、上記第2実施形態の変形例1として、図8(a)に示すように、エピタキシャル成長層31'の側面がSOI基板11の表面に対して傾斜した面、いわゆるファセット(Facet)形状を有していてもよい。このようなファセット形状を有するエピタキシャル成長層31’の形成については、「A Planar transistor for 32-nm node and beyond with an ultra-shallow junction fabricated using in-situ doped selective Si epitaxy」36 European Solid-State Device Research Conference,p.81に記載されている。
(Modification 1)
As a first modification of the second embodiment, as shown in FIG. 8A, the side surface of the epitaxially grown
このように、ファセット形状を有するエピタキシャル成長層31’を形成することで、第2実施形態と比較して、エピタキシャル成長層31’に形成される第2エクステンション領域19b''とゲート電極16の間のフリンジ容量が低減されるため、好ましい。
Thus, by forming the
この後の工程は、第2実施形態で、図7(b)〜(c)を用いて説明した方法と同様に行うこととする。すなわち、図8(b)に示すように、オフセットスペーサー18が設けられたゲート絶縁膜15、ゲート電極16、およびハードマスク17の両側に、SiN層20a、TEOS層20bをこの順に積層してなるサイドウォール20を形成する。これにより、オフセットスペーサー18とエピタキシャル成長層31’の間の溝はSiN層20aで埋め込まれた状態となる。
The subsequent steps are performed in the same manner as the method described with reference to FIGS. 7B to 7C in the second embodiment. That is, as shown in FIG. 8B, the
次に、ハードマスク17およびサイドウォール20で覆われた状態のゲート電極16をマスクとし、エピタキシャル成長層31’とSOI基板11を最下層のSi層11aが露出するまで掘り下げる異方性のリセスエッチングを行うことで、リセス領域21を形成する。
Next, using the
続いて、図8(c)に示すように、露出されたSi層11a上に、Si層を選択的にエピタキシャル成長させることで、エピタキシャル成長層22を形成する。その後、ホットリン酸を用いたウェットエッチングにより、ハードマスク17(前記図8(b)参照)を除去する。次いで、イオン注入により、エピタキシャル成長層22に不純物を導入することで、エピタキシャル成長層22にソース・ドレイン領域23を形成する。続いて、1050℃程度のスパイクアニールにより、不純物を活性化させる。
Subsequently, as shown in FIG. 8C, the
その後、例えばスパッタリング法により、この状態のSOI基板11上の全域に、例えばNiからなる金属膜(図示省略)を形成した後、熱処理を行うことで、ゲート電極16の表面およびエピタキシャル成長層22の表面をシリサイド化し、シリサイド層25を形成する。
Thereafter, a metal film (not shown) made of, for example, Ni is formed over the entire area of the
このような半導体装置の製造方法および半導体装置であっても、サイドウォール20が設けられたゲート電極16をマスクにしたエッチングにより、SOI基板11を最下層のSi層11aが露出するまで掘り下げた後、このSi層11aの表面上に形成したエピタキシャル成長層22にソース・ドレイン領域23を形成するとともに、エピタキシャル成長層31’に第2エクステンション領域19b''を形成することから、第2実施形態と同様の効果を奏することができる。
Even in such a semiconductor device manufacturing method and semiconductor device, the
さらに、本実施形態によれば、第2エクステンション領域19b''が設けられるエピタキシャル成長層31’がファセット形状を有することで、第2エクステンション領域19b''とゲート電極16の間のフリンジ容量を低減することができる。
Furthermore, according to the present embodiment, the
11…SOI基板、11a,11c…Si層、11b…SiO2層、15…ゲート絶縁膜、16…ゲート電極、19,19’,19''…エクステンション領域、20,20’,20'’…サイドウォール、22,22’,31,31’…エピタキシャル成長層、23…ソース・ドレイン領域 11 ... SOI substrate, 11a, 11c ... Si layer, 11b ... SiO 2 layer, 15 ... gate insulating film, 16 ... gate electrode, 19, 19 ', 19''... extension regions, 20, 20', 20 '' ... Side walls, 22, 22 ', 31, 31' ... epitaxial growth layers, 23 ... source / drain regions
Claims (8)
前記ゲート電極をマスクにしたエッチングにより、前記SOI基板を最下層の前記シリコン層が露出するまで掘り下げる第2工程と、
露出された前記シリコン層の表面上に、シリコン含有層をエピタキシャル成長させるとともに、当該シリコン含有層にソース・ドレイン領域を形成する第3工程とを有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first step of forming a gate electrode through a gate insulating film on an SOI substrate in which a silicon layer, an insulating layer, and a silicon layer are stacked in this order;
A second step of digging the SOI substrate until the lowermost silicon layer is exposed by etching using the gate electrode as a mask;
And a third step of epitaxially growing a silicon-containing layer on the exposed surface of the silicon layer and forming a source / drain region in the silicon-containing layer.
前記第1工程と前記第2工程の間に、
前記ゲート電極の両側の前記SOI基板の表面層にエクステンション領域を形成する工程を行った後、前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極の両側にサイドウォールを形成する工程を行い、
前記第2工程では、
前記サイドウォールが設けられた前記ゲート電極をマスクにしたエッチングにより、前記SOI基板を掘り下げる
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 1,
Between the first step and the second step,
After performing a step of forming extension regions on the surface layer of the SOI substrate on both sides of the gate electrode, performing a step of forming sidewalls on both sides of the gate insulating film and the gate electrode,
In the second step,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the SOI substrate is dug down by etching using the gate electrode provided with the sidewall as a mask.
前記エクステンション領域を形成する工程では、前記SOI基板上にシリコン含有層をエピタキシャル成長させるとともに、当該シリコン含有層と前記SOI基板の表面層とに前記エクステンション領域を形成する
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 2.
In the step of forming the extension region, a silicon-containing layer is epitaxially grown on the SOI substrate, and the extension region is formed in the silicon-containing layer and the surface layer of the SOI substrate. Method.
前記エクステンション領域が設けられる前記シリコン含有層を、その側面が前記SOI基板の表面に対して傾斜されたファセット形状を有するように形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the silicon-containing layer provided with the extension region is formed so that a side surface thereof has a facet shape inclined with respect to a surface of the SOI substrate. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記第1工程と前記第2工程の間に、
前記ゲート電極の両側の前記SOI基板上にシリコン含有層をエピタキシャル成長させるとともに、当該シリコン含有層にエクステンション領域を形成する工程を行った後、前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極の両側にサイドウォールを形成する工程を行い、
前記第2工程では、
前記サイドウォールが設けられた前記ゲート電極をマスクにしたエッチングにより、前記SOI基板を掘り下げる
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 1,
Between the first step and the second step,
After epitaxially growing a silicon-containing layer on the SOI substrate on both sides of the gate electrode and forming an extension region on the silicon-containing layer, sidewalls are formed on both sides of the gate insulating film and the gate electrode. Perform the process to
In the second step,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the SOI substrate is dug down by etching using the gate electrode provided with the sidewall as a mask.
前記第3工程では、不純物を含む前記シリコン含有層をエピタキシャル成長させる
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 1,
In the third step, the silicon-containing layer containing impurities is epitaxially grown. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記シリコン含有層は、シリコンとシリコンとは格子定数の異なる原子とからなる混晶層である
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 1,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the silicon-containing layer is a mixed crystal layer including silicon and atoms having different lattice constants.
前記ゲート電極の両側の前記SOI基板が最下層のシリコン層が露出するまで掘り下げられた領域上に、エピタキシャル成長により形成されたシリコン含有層が設けられており、
当該シリコン含有層にソース・ドレイン領域が設けられている
ことを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device in which a gate electrode is provided via a gate insulating film on an SOI substrate in which a silicon layer, an insulating layer, and a silicon layer are stacked in this order.
A silicon-containing layer formed by epitaxial growth is provided on a region where the SOI substrate on both sides of the gate electrode is dug until the lowermost silicon layer is exposed,
A semiconductor device, wherein a source / drain region is provided in the silicon-containing layer.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2009088021A (en) * | 2007-09-27 | 2009-04-23 | Fujitsu Microelectronics Ltd | Semiconductor device and its manufacturing method |
CN102906653A (en) * | 2010-05-20 | 2013-01-30 | 三菱电机株式会社 | Numeric control program generation method, device for same, and program for causing computer to execute method for same |
JP2016006909A (en) * | 2015-09-04 | 2016-01-14 | ルネサスエレクトロニクス株式会社 | Semiconductor device |
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CN109585546A (en) * | 2017-09-29 | 2019-04-05 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | Semiconductor devices and forming method thereof |
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2007
- 2007-04-13 JP JP2007105705A patent/JP2008263114A/en active Pending
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