半導体装置および半導体装置の製造方法
【課題】SOI基板を用いることなく、絶縁層上にフィン型半導体を形成する。
【解決手段】半導体基板1上に支柱型半導体4を形成し、支柱型半導体4の下部を埋め込む絶縁層5を半導体基板1上に形成し、支柱型半導体4の上部の側面に接合されたフィン型半導体6を絶縁層5上に形成し、フィン型半導体6を絶縁層5上に残したまま支柱型半導体4を除去する。
【解決手段】半導体基板1上に支柱型半導体4を形成し、支柱型半導体4の下部を埋め込む絶縁層5を半導体基板1上に形成し、支柱型半導体4の上部の側面に接合されたフィン型半導体6を絶縁層5上に形成し、フィン型半導体6を絶縁層5上に残したまま支柱型半導体4を除去する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電界効果トランジスタでは、その微細化に伴って短チャネル効果が顕著になり、従来のシングルゲート型トランジスタでは短チャネル効果抑制のために高濃度のチャネル不純物が必要になってきている。しかし、チャネル不純物の高濃度化はチャネル中のキャリア移動度低下によるオン電流の減少、不純物ゆらぎによるしきい値電圧のばらつき増加、接合リーク電流増加などの問題を引き起こすことが知られており、微細化されたトランジスタの高性能化にはチャネル不純物の高濃度化によらない短チャネル効果抑制が必要である。
【0003】
チャネル不純物の高濃度化によらない短チャネル効果抑制を実現する方法として、チャネルに対してゲート電極を複数配置したマルチゲート型トランジスタが提案されている。マルチゲート型トランジスタは複数のゲート電極でチャネルポテンシャルを制御するため、チャネルポテンシャルに対するゲート電極の支配力をドレイン電極のそれよりも強くすることができ、チャネル不純物を高濃度にすることなく短チャネル効果が抑制できる。フィン型トランジスタはマルチゲート型トランジスタの一つであるが、フィンの高さを高くすることでチャネル幅が増加し、フットプリントを増大させることなくオン電流を増やせるため、たとえば高駆動電流が要求されるメモリのセルトランジスタなどに有効である。
【0004】
フィン型トランジスタにはバルク半導体基板上に形成されたタイプと、SOI(Silicon On Insulator)基板上に形成されたタイプとがあるが、半導体ウェハのコスト、平面型トランジスタとの混載、自己発熱の抑制、等の観点から前者が好ましい。
前者のタイプのフィン型トランジスタでは、ソース/ドレイン間のリーク電流防止のためフィンチャネルボトムにパンチスルーストッパが必要で、パンチスルーストッパ形成時にチャネルに不純物がドーピングされてしまいチャネル不純物濃度が高くなってしまうことが問題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2011−35391号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の一つの実施形態の目的は、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いることなく、絶縁層上にフィン型半導体を形成することが可能な半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
実施形態の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板上に支柱型半導体を形成し、前記支柱型半導体の下部を埋め込む絶縁層を前記半導体基板上に形成し、前記支柱型半導体の上部の側面に接合されたフィン型半導体を前記絶縁層上に形成し、前記フィン型半導体を前記絶縁層上に残したまま前記絶縁層上の前記支柱型半導体を除去する。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】図1(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図1(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図、図1(c)は、半導体層2の深さ方向のGe濃度分布を示す図である。
【図2】図2(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図2(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図3】図3(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図3(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図4】図4(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図4(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図5】図5(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図5(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図6】図6(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図6(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図7】図7(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図7(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図8】図8(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図8(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図9】図9(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図9(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図10】図10(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図10(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図11】図11(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図11(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図12】図12(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図12(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図13】図13(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図13(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図14】図14(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図14(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図15】図15(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図15(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図16】図16(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図16(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図17】図17(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図17(b)および図17(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図18】図18(a)および図18(b)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図19】図19(a)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図19(b)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図20】図20(a)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図20(b)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図21】図21(a)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図21(b)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図22】図22(a)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図22(b)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図23】図23(a)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図23(b)および図23(c)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図24】図24(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図24(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図25】図25(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図25(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図26】図26(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図26(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図27】図27(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図27(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図28】図28(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図28(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図29】図29(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図29(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図30】図30(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図30(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図31】図31(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図31(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図32】図32(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図32(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図33】図33(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図33(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図34】図34(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図34(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図35】図35(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図35(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図36】図36(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図36(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図37】図37(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図37(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図38】図38(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図38(b)および図38(c)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、実施形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
【0010】
(第1実施形態)
図1(a)〜図17(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図、図1(b)〜図17(b)および図17(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。図1(c)は、半導体層2の深さ方向のGe濃度分布を示す図である。なお、図1(b)〜図17(b)は、図1(a)〜図17(a)のA−A線でそれぞれ切断した断面図、図17(c)は、図17(a)のB−B線で切断した断面図である。
【0011】
図1(a)および図1(b)において、選択エピタキシャル成長にて半導体基板1上に半導体層2を形成する。ここで、半導体基板1上には、図17(b)のゲート電極12が形成されるゲート領域R1および図3(b)の支柱型半導体4が形成される支柱領域R2を確保することができる。
【0012】
なお、半導体基板1および半導体層2の材料は、例えば、Si、Ge、SiGe、GaAs、AlGaAs、InP、GaInAsP、GaP、InGaAs、GaN、SiCなどから選択することができる。この時、半導体基板1および半導体層2の材料の組み合わせは、半導体基板1と半導体層2との間の格子整合を確保しつつ、半導体基板1と半導体層2との間でエッチング選択比を稼げることが好ましい。例えば、半導体基板1がSiの場合、半導体層2としてSiGeを選択することができる。半導体基板1がGaAsの場合、半導体層2としてAlGaAsを選択することができる。半導体基板1がInPの場合、半導体層2としてGaInAsPを選択することができる。
【0013】
また、図1(c)に示すように、例えば、半導体基板1がSi、半導体層2がSiGeの場合、半導体基板1と半導体層2との間の格子整合を確保するために、半導体層2のGe濃度を深さ方向に変化させ、半導体基板1と半導体層2との界面に近づくに従って半導体層2のGe濃度を薄くするようにしてもよい。半導体層2のGe濃度を深さ方向に変化させる方法としては、半導体層2のエピタキシャル成長時のソースガスのGe濃度を変化させる方法を挙げることができる
【0014】
次に、図2(a)および図2(b)に示すように、CVDなどの方法にて半導体層2上の全面にハードマスク材を成膜する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術にてハードマスク材をパターニングすることにより、半導体層2上にハードマスク層3を形成する。なお、ハードマスク層3の材料は、例えば、Si3N4を用いることができる。
【0015】
次に、図3(a)および図3(b)に示すように、ハードマスク層3をマスクとして半導体層2をエッチングすることにより、半導体基板1上に支柱型半導体4を形成する。
【0016】
次に、図4(a)および図4(b)に示すように、CVDなどの方法にて支柱型半導体4が埋め込まれるように埋め込み絶縁層5を半導体基板1上に形成する。なお、埋め込み絶縁層5の構造としては、例えば、STI(Shallow Trench Isolation)構造を用いることができる。また、埋め込み絶縁層5の材料は、例えば、SiO2を用いることができる。そして、CMPなどの方法にて埋め込み絶縁層5を平坦化する。この時、ハードマスク層3は、埋め込み絶縁層5のCMPのエッチストッパ膜として用いることができる。
【0017】
次に、図5(a)および図5(b)に示すように、埋め込み絶縁層5のエッチバックを行うことにより、支柱型半導体4の下部が埋め込み絶縁層5にて埋め込まれるようにして支柱型半導体4の上部を埋め込み絶縁層5から露出させる。
【0018】
次に、図6(a)および図6(b)に示すように、選択エピタキシャル成長にて支柱型半導体4の側面に接合されたフィン型半導体6を埋め込み絶縁層5上に形成する。なお、フィン型半導体6の材料は、例えば、Si、Ge、SiGe、GaAs、AlGaAs、InP、GaP、InGaAs、GaN、SiCなどから選択することができる。この時、支柱型半導体4およびフィン型半導体6の材料の組み合わせは、支柱型半導体4およびフィン型半導体6との間の格子整合を確保しつつ、支柱型半導体4とフィン型半導体6との間でエッチング選択比を稼げることが好ましい。例えば、支柱型半導体4がSiGeの場合、フィン型半導体6としてSiを選択することができる。
【0019】
次に、図7(a)および図7(b)に示すように、ウェットエッチングなどの方法にて支柱型半導体4上のハードマスク層3を除去する。
【0020】
次に、図8(a)および図8(b)に示すように、CVDなどの方法にてフィン型半導体6の側面が覆われるようにサイドウォール7を埋め込み絶縁層5上に形成する。なお、サイドウォール7の材料は、例えば、Si3N4を用いることができる。
【0021】
次に、図9(a)および図9(b)に示すように、サイドウォール7の異方性エッチングにてフィン型半導体6の側面にサイドウォール7が残るようにして支柱型半導体4、フィン型半導体6および埋め込み絶縁層5上のサイドウォール7を除去する。
【0022】
次に、図10(a)および図10(b)に示すように、ドライエッチングなどの方法にて支柱型半導体4を選択的に除去する。この時、支柱型半導体4はフィン型半導体6よりもエッチングレートの高い材料にて構成することにより、フィン型半導体6を埋め込み絶縁層5上に残すことができる。また、フィン型半導体6の側面にサイドウォール7を形成することにより、フィン型半導体6の幅が狭い場合においても、フィン型半導体6が倒れるのを防止することができる。また、支柱型半導体4は完全に除去する必要はなく、少なくとも埋め込み絶縁層5の表面より上に位置する支柱型半導体4を除去すればよい。
【0023】
次に、図11(a)および図11(b)に示すように、CVDなどの方法にてフィン型半導体6の側面が覆われるように保護膜9を半導体基板1上に形成する。なお、保護膜9の材料は、例えば、Si3N4を用いることができる。そして、保護膜9の異方性エッチングにてフィン型半導体6の側面に保護膜9が残るようにしてフィン型半導体6および埋め込み絶縁層5上の保護膜9を除去する。
【0024】
次に、図12(a)および図12(b)に示すように、熱酸化などの方法にてフィン型半導体6の上部にキャップ層10を形成する。なお、キャップ層10の材料は、例えば、SiO2を用いることができる。
【0025】
次に、図13(a)および図13(b)に示すように、ウェットエッチングなどの方法にてフィン型半導体6の側面のサイドウォール7および保護膜9を除去する。この時、埋め込み絶縁層5下において支柱型半導体4上に保護膜9が残るようにすることで、支柱型半導体4を絶縁体で塞ぐようにしてもよい。
【0026】
次に、図14(a)および図14(b)に示すように、熱酸化またはCVDなどの方法にて埋め込み絶縁層5上のフィン型半導体6の側壁にゲート絶縁膜11を形成する。なお、ゲート絶縁膜11の材料は、例えば、SiO2、HfO、HfSiO、HfSiON、HfAlO、HfAlSiONおよびLa2O3などから選択することができる。
【0027】
次に、図15(a)および図15(b)に示すように、CVDなどの方法にてフィン型半導体6が埋め込まれるようにゲート電極材12´を埋め込み絶縁層5上に形成する。
【0028】
次に、図16(a)および図16(b)に示すように、CVDなどの方法にてゲート電極材12´上にハードマスク材を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術にてハードマスク材をパターニングすることにより、ゲート電極材12´上にハードマスク層13を形成する。
【0029】
次に、図17(a)〜図17(c)に示すように、ハードマスク層13を介してゲート電極材12´をエッチングすることにより、フィン型半導体6のチャネル領域14a、14bの側面にゲート絶縁膜11を介してゲート電極12を形成する。なお、ゲート電極12の材料は、例えば、多結晶シリコンを用いることができる。あるいは、ゲート電極12の材料は、例えば、W、Al、TaN、Ru、TiAlN、HfN、NiSi、MoおよびTiNなどから選択するようにしてもよい。
【0030】
また、フィン型半導体6のチャネル領域14a、14bでは、チャネル領域14a、14bの不純物濃度のばらつきに起因する電界効果トランジスタの電気的特性のばらつきや移動度の低下を抑制するために、チャネル領域14a、14bの不純物濃度を低減することが好ましい。チャネル領域14a、14bはノンドープであってもよい。チャネル領域14a、14b内の不純物濃度を十分に低減した場合でも短チャネル効果を抑制するため、フィン幅はゲート長よりも小さく、より具体的には2/3以下にすることが好ましい。なお、チャネル内の不純物濃度を十分低減することでフィン型トランジスタを完全空乏化デバイスとすることができる。
【0031】
ここで、支柱型半導体4の側面にフィン型半導体6を選択エピタキシャル成長させることにより、SOI基板を用いることなく、フィン型半導体6を埋め込み絶縁層5上に形成することができる。このため、SOI基板を用いた場合に比べてコストダウンを図りつつ、絶縁体上にフィン型トランジスタを形成することができる。
【0032】
また、支柱型半導体4の側面にフィン型半導体6を選択エピタキシャル成長させることにより、フィン型半導体6のチャネル領域14aのチャネル表面は選択エピタキシャル成長の最表面のためラフネスの小さい面となり、フィン型半導体6のチャネル領域14bのチャネル方面はフォトリソグラフィおよびエッチングで形成されたことでラフネスの大きい面とすることができる。これによりフィン型半導体6のチャネル領域14a、14bとでチャネル表面の粗さが異なるようにすることができる。
【0033】
フィン型半導体6のチャネル領域14a、14bの表面粗さが大きいと、界面準位密度が増加するとともに、チャネル領域14a、14bでのキャリアのラフネス散乱が起こり、移動度が低下する。このため、フィン型半導体6のチャネル領域14aでは表面ラフネスが低減することで、フィン型半導体6のチャネル領域14aがフォトリソグラフィおよびエッチング面で形成された場合に比べてフィン型トランジスタの特性を向上させることができる。
【0034】
なお、上述した第1実施形態では、支柱型半導体4とフィン型半導体6との間でエッチング選択比を稼ぐために、支柱型半導体4とフィン型半導体6とで半導体材料を異ならせる方法について説明したが、支柱型半導体4とフィン型半導体6とで不純物濃度を異ならせるようにしてもよい。例えば、支柱型半導体4として不純物ドープシリコン、フィン型半導体6として不純物ノンドープシリコンを用いるようにしてもよい。この時、不純物ドープシリコンが不純物ノンドープシリコンに比べてエッチングレートが大きいようなウェットエッチングを行うことで、不純物ドープシリコンを選択的に除去することができる。この時の不純物としては、例えば、PまたAsを用いることができ、薬液としてはホット燐酸を用いることができる。
【0035】
(第2実施形態)
図18(a)および図18(b)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
図18(a)において、半導体基板21上に支柱型半導体24を形成し、支柱型半導体24の下部が埋め込まれるように埋め込み絶縁層22を半導体基板21上に形成する。この時、支柱型半導体24上にはハードマスク層23が形成されている。
【0036】
そして、支柱型半導体24の側面に接合されたフィン型半導体25を埋め込み絶縁層22上に形成する。次に、フィン型半導体25の側面に接合されたフィン型半導体26を埋め込み絶縁層22上に形成する。次に、フィン型半導体26の側面に接合されたフィン型半導体27を埋め込み絶縁層22上に形成する。次に、フィン型半導体27の側面に接合されたフィン型半導体28を埋め込み絶縁層22上に形成する。次に、フィン型半導体28の側面に接合されたフィン型半導体29を埋め込み絶縁層22上に形成する。
【0037】
なお、半導体基板21、支柱型半導体24およびフィン型半導体25〜29の材料は、例えば、Si、Ge、SiGe、GaAs、AlGaAs、InP、GaInAsP、GaP、InGaAs、GaN、SiCなどから選択することができる。この時、支柱型半導体24およびフィン型半導体26、28と半導体基板21およびフィン型半導体25〜29の組み合わせは、支柱型半導体24およびフィン型半導体26、28と半導体基板21およびフィン型半導体25〜29との間の格子整合を確保しつつ、支柱型半導体24およびフィン型半導体26、28と半導体基板21およびフィン型半導体25〜29との間でエッチング選択比を稼げることが好ましい。例えば、半導体基板21およびフィン型半導体25〜29がSiの場合、支柱型半導体24およびフィン型半導体26、28としてSiGeを選択することができる。
【0038】
次に、図18(b)に示すように、ハードマスク層23を除去した後、ドライエッチングなどの方法にて支柱型半導体24およびフィン型半導体26、28を選択的に除去する。なお、埋め込み絶縁層22下において支柱型半導体24上に保護膜30を形成することで、支柱型半導体24を絶縁体で塞ぐようにしてもよい。
【0039】
ここで、フィン型半導体25〜29を支柱型半導体24の横方向に交互に繰り返して埋め込み絶縁層22上に形成することにより、フィン型半導体25〜29のフィン幅およびフィンスペースを自由に設定することが可能となる。このため、フィン型トランジスタのフィンのライン&スペースにおけるフォトリソグラフィ上の制約を解消することができ、ライン&スペースのパターンレイアウトの自由度を向上させることができる。
【0040】
(第3実施形態)
図19(a)〜図23(a)は、第3実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図、図19(b)〜図23(b)および図23(c)は、第3実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、図19(b)〜図23(b)は、図19(a)〜図23(a)のA−A線でそれぞれ切断した断面図、図23(c)は、図23(a)のB−B線で切断した断面図である。
【0041】
図19(a)および図19(b)において、図1(a)〜図7(a)および図1(b)〜図7(b)の工程後、ウェットエッチングなどの方法にて支柱型半導体4を選択的に除去する。なお、埋め込み絶縁層5下に支柱型半導体4の一部を残してもよい。
【0042】
次に、図20(a)および図20(b)に示すように、熱酸化またはCVDなどの方法にて埋め込み絶縁層5上のフィン型半導体6の側面にゲート絶縁膜31を形成する。
【0043】
次に、図21(a)および図21(b)に示すように、CVDなどの方法にてフィン型半導体6が埋め込まれるようにゲート電極材32´を埋め込み絶縁層5上に形成する。
【0044】
次に、図22(a)および図22(b)に示すように、CVDなどの方法にてゲート電極材32´上にハードマスク材を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術にてハードマスク材をパターニングすることにより、ゲート電極材32´上にハードマスク層33を形成する。
【0045】
次に、図23(a)〜図23(c)に示すように、ハードマスク層33をマスクとしてゲート電極材32´をエッチングすることにより、フィン型半導体6のチャネル領域34a、34bの側面にゲート絶縁膜31を介してゲート電極32を形成する。この時、図23(c)に示すように、ソース/ドレイン領域のフィン型半導体6は上部に残ったゲート絶縁膜31にてゲート電極のエッチングでのエッチングから保護することができる。
【0046】
ここで、この第3実施形態では、図9(a)および図9(b)のサイドウォール7の形成を省略することにより、工程数を削減することができる。
【0047】
(第4実施形態)
図24(a)〜図38(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図、図24(b)〜図38(b)および図38(c)は、第4実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、図24(b)〜図38(b)は、図24(a)〜図38(a)のA−A線でそれぞれ切断した断面図、図38(c)は、図38(a)のB−B線で切断した断面図である。
【0048】
図24(a)および図24(b)において、選択エピタキシャル成長にて半導体基板41上に半導体層42を形成する。ここで、半導体基板41上には、図38(a)のゲート電極49が形成されるゲート領域R1および図26(a)の支柱型半導体43が形成される支柱領域R2を確保することができる。
【0049】
なお、格子整合を確保するために、半導体基板41および半導体層42は同一の材料を用いることができる。半導体基板41および半導体層42の材料は、例えば、Si、Ge、SiGe、GaAs、AlGaAs、InP、GaInAsP、GaP、InGaAs、GaN、SiCなどから選択することができる。
【0050】
次に、図25(a)および図25(b)に示すように、CVDなどの方法にて半導体層42上の全面にハードマスク材を成膜する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術にてハードマスク材をパターニングすることにより、半導体層42上にハードマスク層43を形成する。なお、ハードマスク層43の材料は、例えば、Si3N4を用いることができる。
【0051】
次に、図26(a)および図26(b)に示すように、ハードマスク層43をマスクとして半導体層42をエッチングすることにより、半導体基板41上に支柱型半導体44を形成する。
【0052】
次に、図27(a)および図27(b)に示すように、CVDなどの方法にて支柱型半導体44が埋め込まれるように埋め込み絶縁層45を半導体基板41上に形成する。そして、CMPなどの方法にてハードマスク層43が露出するまで埋め込み絶縁層45を平坦化する。
【0053】
次に、図28(a)および図28(b)に示すように、埋め込み絶縁層45のエッチバックを行うことにより、支柱型半導体44の下部が埋め込み絶縁層45にて埋め込まれるようにして支柱型半導体44の上部を埋め込み絶縁層45から露出させる。
【0054】
次に、図29(a)および図29(b)に示すように、選択エピタキシャル成長にて支柱型半導体44の側面に接合されたフィン型半導体46を埋め込み絶縁層45上に形成する。
【0055】
なお、格子整合を確保するために、支柱型半導体44およびフィン型半導体46は同一の材料を用いることができる。支柱型半導体44およびフィン型半導体46の材料は、例えば、Si、Ge、SiGe、GaAs、AlGaAs、InP、GaInAsP、GaP、InGaAs、GaN、SiCなどから選択することができる。
【0056】
次に、図30(a)および図30(b)に示すように、CVDなどの方法にてハードマスク層43およびフィン型半導体46が覆われるように保護膜47を埋め込み絶縁層45上に形成する。なお、保護膜47の材料は、例えば、SiO2を用いることができる。
【0057】
次に、図31(a)および図31(b)に示すように、保護膜47の異方性エッチングを行うことにより、ハードマスク層43の表面を露出させる。この時、フィン型半導体46は保護膜47にて覆われたままにする。なお、ハードマスク層43の表面を露出させるために、ハードマスク層43をストッパ膜とした保護膜47のCMPを行うようにしてもよい。
【0058】
次に、図32(a)および図32(b)に示すように、フィン型半導体46が保護膜47にて覆われるようにしたまま支柱型半導体44上のハードマスク層43を選択的に除去し、支柱型半導体44の表面を露出させる開口部52を保護膜47に形成する。
【0059】
次に、図33(a)および図33(b)に示すように、開口部52を介して支柱型半導体44の異方性エッチングを行うことにより、フィン型半導体46を埋め込み絶縁層45上に残したまま埋め込み絶縁層45上の支柱型半導体44を除去し、フィン型半導体46の一方の側面を露出させる。
【0060】
次に、図34(a)および図34(b)に示すように、ウェットエッチングなどの方法にて埋め込み絶縁層45上から保護膜47を除去し、フィン型半導体46の他方の側面を露出させる。
【0061】
次に、図35(a)および図35(b)に示すように、熱酸化またはCVDなどの方法にて埋め込み絶縁層45上のフィン型半導体46の側面にゲート絶縁膜48を形成する。
【0062】
次に、図36(a)および図36(b)に示すように、CVDなどの方法にてフィン型半導体46が埋め込まれるようにゲート電極材49´を埋め込み絶縁層45上に形成する。
【0063】
次に、図37(a)および図37(b)に示すように、CVDなどの方法にてゲート電極材49´上にハードマスク材を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術にてハードマスク材をパターニングすることにより、ゲート電極材49´上にハードマスク層50を形成する。
【0064】
次に、図38(a)〜図38(c)に示すように、ハードマスク層50をマスクとしてゲート電極材49´をエッチングすることにより、フィン型半導体46のチャネル領域51a、51bの側面にゲート絶縁膜48を介してゲート電極49を形成する。この時、図38(c)に示すように、ソース/ドレイン領域のフィン型半導体46は上部に残ったゲート絶縁膜48にてゲート電極のエッチングでのエッチングから保護することができる。
【0065】
ここで、支柱型半導体44およびフィン型半導体46は同一の材料を用いることにより、支柱型半導体44とフィン型半導体46との間で格子整合を確保することができ、フィン型半導体46の結晶品質を向上させることができる。
【0066】
また、フィン型半導体46間の支柱型半導体44を除去するために、支柱型半導体44上のハードマスク層43を芯材として用いることにより、支柱型半導体44の位置に対応した開口部52を保護膜47に自己整合的に形成することができ、支柱型半導体44を精度よく除去することができる。
【0067】
なお、上述した第4実施形態では、支柱型半導体44を除去するために、ハードマスク層43を芯材として保護膜47に開口部52を形成する方法について説明したが、フォトリソグラフィ技術を用いて支柱型半導体44を除去するようにしてもよい。
【0068】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0069】
R1 ゲート領域、R2 支柱領域、1、21、41 半導体基板、2、42 半導体層、3、13、23、33、43、50 ハードマスク層、4、24、44 支柱型半導体、5、22、45 埋め込み絶縁層、6、25〜29、46 フィン型半導体、7 サイドウォール、9、30、47 保護膜、10 キャップ層、11、31、48 ゲート絶縁膜、12´、32´、49´ ゲート電極材、12、32、49 ゲート電極、14a、14b、34a、34b、51a、51b チャネル領域、52 開口部
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
電界効果トランジスタでは、その微細化に伴って短チャネル効果が顕著になり、従来のシングルゲート型トランジスタでは短チャネル効果抑制のために高濃度のチャネル不純物が必要になってきている。しかし、チャネル不純物の高濃度化はチャネル中のキャリア移動度低下によるオン電流の減少、不純物ゆらぎによるしきい値電圧のばらつき増加、接合リーク電流増加などの問題を引き起こすことが知られており、微細化されたトランジスタの高性能化にはチャネル不純物の高濃度化によらない短チャネル効果抑制が必要である。
【0003】
チャネル不純物の高濃度化によらない短チャネル効果抑制を実現する方法として、チャネルに対してゲート電極を複数配置したマルチゲート型トランジスタが提案されている。マルチゲート型トランジスタは複数のゲート電極でチャネルポテンシャルを制御するため、チャネルポテンシャルに対するゲート電極の支配力をドレイン電極のそれよりも強くすることができ、チャネル不純物を高濃度にすることなく短チャネル効果が抑制できる。フィン型トランジスタはマルチゲート型トランジスタの一つであるが、フィンの高さを高くすることでチャネル幅が増加し、フットプリントを増大させることなくオン電流を増やせるため、たとえば高駆動電流が要求されるメモリのセルトランジスタなどに有効である。
【0004】
フィン型トランジスタにはバルク半導体基板上に形成されたタイプと、SOI(Silicon On Insulator)基板上に形成されたタイプとがあるが、半導体ウェハのコスト、平面型トランジスタとの混載、自己発熱の抑制、等の観点から前者が好ましい。
前者のタイプのフィン型トランジスタでは、ソース/ドレイン間のリーク電流防止のためフィンチャネルボトムにパンチスルーストッパが必要で、パンチスルーストッパ形成時にチャネルに不純物がドーピングされてしまいチャネル不純物濃度が高くなってしまうことが問題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2011−35391号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明の一つの実施形態の目的は、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いることなく、絶縁層上にフィン型半導体を形成することが可能な半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
実施形態の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板上に支柱型半導体を形成し、前記支柱型半導体の下部を埋め込む絶縁層を前記半導体基板上に形成し、前記支柱型半導体の上部の側面に接合されたフィン型半導体を前記絶縁層上に形成し、前記フィン型半導体を前記絶縁層上に残したまま前記絶縁層上の前記支柱型半導体を除去する。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】図1(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図1(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図、図1(c)は、半導体層2の深さ方向のGe濃度分布を示す図である。
【図2】図2(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図2(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図3】図3(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図3(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図4】図4(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図4(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図5】図5(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図5(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図6】図6(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図6(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図7】図7(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図7(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図8】図8(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図8(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図9】図9(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図9(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図10】図10(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図10(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図11】図11(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図11(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図12】図12(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図12(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図13】図13(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図13(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図14】図14(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図14(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図15】図15(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図15(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図16】図16(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図16(b)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図17】図17(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図17(b)および図17(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図18】図18(a)および図18(b)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図19】図19(a)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図19(b)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図20】図20(a)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図20(b)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図21】図21(a)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図21(b)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図22】図22(a)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図22(b)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図23】図23(a)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図23(b)および図23(c)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図24】図24(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図24(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図25】図25(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図25(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図26】図26(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図26(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図27】図27(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図27(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図28】図28(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図28(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図29】図29(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図29(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図30】図30(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図30(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図31】図31(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図31(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図32】図32(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図32(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図33】図33(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図33(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図34】図34(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図34(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図35】図35(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図35(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図36】図36(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図36(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図37】図37(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図37(b)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図38】図38(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す平面図、図38(b)および図38(c)は、第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、実施形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
【0010】
(第1実施形態)
図1(a)〜図17(a)は、第1実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図、図1(b)〜図17(b)および図17(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。図1(c)は、半導体層2の深さ方向のGe濃度分布を示す図である。なお、図1(b)〜図17(b)は、図1(a)〜図17(a)のA−A線でそれぞれ切断した断面図、図17(c)は、図17(a)のB−B線で切断した断面図である。
【0011】
図1(a)および図1(b)において、選択エピタキシャル成長にて半導体基板1上に半導体層2を形成する。ここで、半導体基板1上には、図17(b)のゲート電極12が形成されるゲート領域R1および図3(b)の支柱型半導体4が形成される支柱領域R2を確保することができる。
【0012】
なお、半導体基板1および半導体層2の材料は、例えば、Si、Ge、SiGe、GaAs、AlGaAs、InP、GaInAsP、GaP、InGaAs、GaN、SiCなどから選択することができる。この時、半導体基板1および半導体層2の材料の組み合わせは、半導体基板1と半導体層2との間の格子整合を確保しつつ、半導体基板1と半導体層2との間でエッチング選択比を稼げることが好ましい。例えば、半導体基板1がSiの場合、半導体層2としてSiGeを選択することができる。半導体基板1がGaAsの場合、半導体層2としてAlGaAsを選択することができる。半導体基板1がInPの場合、半導体層2としてGaInAsPを選択することができる。
【0013】
また、図1(c)に示すように、例えば、半導体基板1がSi、半導体層2がSiGeの場合、半導体基板1と半導体層2との間の格子整合を確保するために、半導体層2のGe濃度を深さ方向に変化させ、半導体基板1と半導体層2との界面に近づくに従って半導体層2のGe濃度を薄くするようにしてもよい。半導体層2のGe濃度を深さ方向に変化させる方法としては、半導体層2のエピタキシャル成長時のソースガスのGe濃度を変化させる方法を挙げることができる
【0014】
次に、図2(a)および図2(b)に示すように、CVDなどの方法にて半導体層2上の全面にハードマスク材を成膜する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術にてハードマスク材をパターニングすることにより、半導体層2上にハードマスク層3を形成する。なお、ハードマスク層3の材料は、例えば、Si3N4を用いることができる。
【0015】
次に、図3(a)および図3(b)に示すように、ハードマスク層3をマスクとして半導体層2をエッチングすることにより、半導体基板1上に支柱型半導体4を形成する。
【0016】
次に、図4(a)および図4(b)に示すように、CVDなどの方法にて支柱型半導体4が埋め込まれるように埋め込み絶縁層5を半導体基板1上に形成する。なお、埋め込み絶縁層5の構造としては、例えば、STI(Shallow Trench Isolation)構造を用いることができる。また、埋め込み絶縁層5の材料は、例えば、SiO2を用いることができる。そして、CMPなどの方法にて埋め込み絶縁層5を平坦化する。この時、ハードマスク層3は、埋め込み絶縁層5のCMPのエッチストッパ膜として用いることができる。
【0017】
次に、図5(a)および図5(b)に示すように、埋め込み絶縁層5のエッチバックを行うことにより、支柱型半導体4の下部が埋め込み絶縁層5にて埋め込まれるようにして支柱型半導体4の上部を埋め込み絶縁層5から露出させる。
【0018】
次に、図6(a)および図6(b)に示すように、選択エピタキシャル成長にて支柱型半導体4の側面に接合されたフィン型半導体6を埋め込み絶縁層5上に形成する。なお、フィン型半導体6の材料は、例えば、Si、Ge、SiGe、GaAs、AlGaAs、InP、GaP、InGaAs、GaN、SiCなどから選択することができる。この時、支柱型半導体4およびフィン型半導体6の材料の組み合わせは、支柱型半導体4およびフィン型半導体6との間の格子整合を確保しつつ、支柱型半導体4とフィン型半導体6との間でエッチング選択比を稼げることが好ましい。例えば、支柱型半導体4がSiGeの場合、フィン型半導体6としてSiを選択することができる。
【0019】
次に、図7(a)および図7(b)に示すように、ウェットエッチングなどの方法にて支柱型半導体4上のハードマスク層3を除去する。
【0020】
次に、図8(a)および図8(b)に示すように、CVDなどの方法にてフィン型半導体6の側面が覆われるようにサイドウォール7を埋め込み絶縁層5上に形成する。なお、サイドウォール7の材料は、例えば、Si3N4を用いることができる。
【0021】
次に、図9(a)および図9(b)に示すように、サイドウォール7の異方性エッチングにてフィン型半導体6の側面にサイドウォール7が残るようにして支柱型半導体4、フィン型半導体6および埋め込み絶縁層5上のサイドウォール7を除去する。
【0022】
次に、図10(a)および図10(b)に示すように、ドライエッチングなどの方法にて支柱型半導体4を選択的に除去する。この時、支柱型半導体4はフィン型半導体6よりもエッチングレートの高い材料にて構成することにより、フィン型半導体6を埋め込み絶縁層5上に残すことができる。また、フィン型半導体6の側面にサイドウォール7を形成することにより、フィン型半導体6の幅が狭い場合においても、フィン型半導体6が倒れるのを防止することができる。また、支柱型半導体4は完全に除去する必要はなく、少なくとも埋め込み絶縁層5の表面より上に位置する支柱型半導体4を除去すればよい。
【0023】
次に、図11(a)および図11(b)に示すように、CVDなどの方法にてフィン型半導体6の側面が覆われるように保護膜9を半導体基板1上に形成する。なお、保護膜9の材料は、例えば、Si3N4を用いることができる。そして、保護膜9の異方性エッチングにてフィン型半導体6の側面に保護膜9が残るようにしてフィン型半導体6および埋め込み絶縁層5上の保護膜9を除去する。
【0024】
次に、図12(a)および図12(b)に示すように、熱酸化などの方法にてフィン型半導体6の上部にキャップ層10を形成する。なお、キャップ層10の材料は、例えば、SiO2を用いることができる。
【0025】
次に、図13(a)および図13(b)に示すように、ウェットエッチングなどの方法にてフィン型半導体6の側面のサイドウォール7および保護膜9を除去する。この時、埋め込み絶縁層5下において支柱型半導体4上に保護膜9が残るようにすることで、支柱型半導体4を絶縁体で塞ぐようにしてもよい。
【0026】
次に、図14(a)および図14(b)に示すように、熱酸化またはCVDなどの方法にて埋め込み絶縁層5上のフィン型半導体6の側壁にゲート絶縁膜11を形成する。なお、ゲート絶縁膜11の材料は、例えば、SiO2、HfO、HfSiO、HfSiON、HfAlO、HfAlSiONおよびLa2O3などから選択することができる。
【0027】
次に、図15(a)および図15(b)に示すように、CVDなどの方法にてフィン型半導体6が埋め込まれるようにゲート電極材12´を埋め込み絶縁層5上に形成する。
【0028】
次に、図16(a)および図16(b)に示すように、CVDなどの方法にてゲート電極材12´上にハードマスク材を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術にてハードマスク材をパターニングすることにより、ゲート電極材12´上にハードマスク層13を形成する。
【0029】
次に、図17(a)〜図17(c)に示すように、ハードマスク層13を介してゲート電極材12´をエッチングすることにより、フィン型半導体6のチャネル領域14a、14bの側面にゲート絶縁膜11を介してゲート電極12を形成する。なお、ゲート電極12の材料は、例えば、多結晶シリコンを用いることができる。あるいは、ゲート電極12の材料は、例えば、W、Al、TaN、Ru、TiAlN、HfN、NiSi、MoおよびTiNなどから選択するようにしてもよい。
【0030】
また、フィン型半導体6のチャネル領域14a、14bでは、チャネル領域14a、14bの不純物濃度のばらつきに起因する電界効果トランジスタの電気的特性のばらつきや移動度の低下を抑制するために、チャネル領域14a、14bの不純物濃度を低減することが好ましい。チャネル領域14a、14bはノンドープであってもよい。チャネル領域14a、14b内の不純物濃度を十分に低減した場合でも短チャネル効果を抑制するため、フィン幅はゲート長よりも小さく、より具体的には2/3以下にすることが好ましい。なお、チャネル内の不純物濃度を十分低減することでフィン型トランジスタを完全空乏化デバイスとすることができる。
【0031】
ここで、支柱型半導体4の側面にフィン型半導体6を選択エピタキシャル成長させることにより、SOI基板を用いることなく、フィン型半導体6を埋め込み絶縁層5上に形成することができる。このため、SOI基板を用いた場合に比べてコストダウンを図りつつ、絶縁体上にフィン型トランジスタを形成することができる。
【0032】
また、支柱型半導体4の側面にフィン型半導体6を選択エピタキシャル成長させることにより、フィン型半導体6のチャネル領域14aのチャネル表面は選択エピタキシャル成長の最表面のためラフネスの小さい面となり、フィン型半導体6のチャネル領域14bのチャネル方面はフォトリソグラフィおよびエッチングで形成されたことでラフネスの大きい面とすることができる。これによりフィン型半導体6のチャネル領域14a、14bとでチャネル表面の粗さが異なるようにすることができる。
【0033】
フィン型半導体6のチャネル領域14a、14bの表面粗さが大きいと、界面準位密度が増加するとともに、チャネル領域14a、14bでのキャリアのラフネス散乱が起こり、移動度が低下する。このため、フィン型半導体6のチャネル領域14aでは表面ラフネスが低減することで、フィン型半導体6のチャネル領域14aがフォトリソグラフィおよびエッチング面で形成された場合に比べてフィン型トランジスタの特性を向上させることができる。
【0034】
なお、上述した第1実施形態では、支柱型半導体4とフィン型半導体6との間でエッチング選択比を稼ぐために、支柱型半導体4とフィン型半導体6とで半導体材料を異ならせる方法について説明したが、支柱型半導体4とフィン型半導体6とで不純物濃度を異ならせるようにしてもよい。例えば、支柱型半導体4として不純物ドープシリコン、フィン型半導体6として不純物ノンドープシリコンを用いるようにしてもよい。この時、不純物ドープシリコンが不純物ノンドープシリコンに比べてエッチングレートが大きいようなウェットエッチングを行うことで、不純物ドープシリコンを選択的に除去することができる。この時の不純物としては、例えば、PまたAsを用いることができ、薬液としてはホット燐酸を用いることができる。
【0035】
(第2実施形態)
図18(a)および図18(b)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
図18(a)において、半導体基板21上に支柱型半導体24を形成し、支柱型半導体24の下部が埋め込まれるように埋め込み絶縁層22を半導体基板21上に形成する。この時、支柱型半導体24上にはハードマスク層23が形成されている。
【0036】
そして、支柱型半導体24の側面に接合されたフィン型半導体25を埋め込み絶縁層22上に形成する。次に、フィン型半導体25の側面に接合されたフィン型半導体26を埋め込み絶縁層22上に形成する。次に、フィン型半導体26の側面に接合されたフィン型半導体27を埋め込み絶縁層22上に形成する。次に、フィン型半導体27の側面に接合されたフィン型半導体28を埋め込み絶縁層22上に形成する。次に、フィン型半導体28の側面に接合されたフィン型半導体29を埋め込み絶縁層22上に形成する。
【0037】
なお、半導体基板21、支柱型半導体24およびフィン型半導体25〜29の材料は、例えば、Si、Ge、SiGe、GaAs、AlGaAs、InP、GaInAsP、GaP、InGaAs、GaN、SiCなどから選択することができる。この時、支柱型半導体24およびフィン型半導体26、28と半導体基板21およびフィン型半導体25〜29の組み合わせは、支柱型半導体24およびフィン型半導体26、28と半導体基板21およびフィン型半導体25〜29との間の格子整合を確保しつつ、支柱型半導体24およびフィン型半導体26、28と半導体基板21およびフィン型半導体25〜29との間でエッチング選択比を稼げることが好ましい。例えば、半導体基板21およびフィン型半導体25〜29がSiの場合、支柱型半導体24およびフィン型半導体26、28としてSiGeを選択することができる。
【0038】
次に、図18(b)に示すように、ハードマスク層23を除去した後、ドライエッチングなどの方法にて支柱型半導体24およびフィン型半導体26、28を選択的に除去する。なお、埋め込み絶縁層22下において支柱型半導体24上に保護膜30を形成することで、支柱型半導体24を絶縁体で塞ぐようにしてもよい。
【0039】
ここで、フィン型半導体25〜29を支柱型半導体24の横方向に交互に繰り返して埋め込み絶縁層22上に形成することにより、フィン型半導体25〜29のフィン幅およびフィンスペースを自由に設定することが可能となる。このため、フィン型トランジスタのフィンのライン&スペースにおけるフォトリソグラフィ上の制約を解消することができ、ライン&スペースのパターンレイアウトの自由度を向上させることができる。
【0040】
(第3実施形態)
図19(a)〜図23(a)は、第3実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図、図19(b)〜図23(b)および図23(c)は、第3実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、図19(b)〜図23(b)は、図19(a)〜図23(a)のA−A線でそれぞれ切断した断面図、図23(c)は、図23(a)のB−B線で切断した断面図である。
【0041】
図19(a)および図19(b)において、図1(a)〜図7(a)および図1(b)〜図7(b)の工程後、ウェットエッチングなどの方法にて支柱型半導体4を選択的に除去する。なお、埋め込み絶縁層5下に支柱型半導体4の一部を残してもよい。
【0042】
次に、図20(a)および図20(b)に示すように、熱酸化またはCVDなどの方法にて埋め込み絶縁層5上のフィン型半導体6の側面にゲート絶縁膜31を形成する。
【0043】
次に、図21(a)および図21(b)に示すように、CVDなどの方法にてフィン型半導体6が埋め込まれるようにゲート電極材32´を埋め込み絶縁層5上に形成する。
【0044】
次に、図22(a)および図22(b)に示すように、CVDなどの方法にてゲート電極材32´上にハードマスク材を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術にてハードマスク材をパターニングすることにより、ゲート電極材32´上にハードマスク層33を形成する。
【0045】
次に、図23(a)〜図23(c)に示すように、ハードマスク層33をマスクとしてゲート電極材32´をエッチングすることにより、フィン型半導体6のチャネル領域34a、34bの側面にゲート絶縁膜31を介してゲート電極32を形成する。この時、図23(c)に示すように、ソース/ドレイン領域のフィン型半導体6は上部に残ったゲート絶縁膜31にてゲート電極のエッチングでのエッチングから保護することができる。
【0046】
ここで、この第3実施形態では、図9(a)および図9(b)のサイドウォール7の形成を省略することにより、工程数を削減することができる。
【0047】
(第4実施形態)
図24(a)〜図38(a)は、第4実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す平面図、図24(b)〜図38(b)および図38(c)は、第4実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、図24(b)〜図38(b)は、図24(a)〜図38(a)のA−A線でそれぞれ切断した断面図、図38(c)は、図38(a)のB−B線で切断した断面図である。
【0048】
図24(a)および図24(b)において、選択エピタキシャル成長にて半導体基板41上に半導体層42を形成する。ここで、半導体基板41上には、図38(a)のゲート電極49が形成されるゲート領域R1および図26(a)の支柱型半導体43が形成される支柱領域R2を確保することができる。
【0049】
なお、格子整合を確保するために、半導体基板41および半導体層42は同一の材料を用いることができる。半導体基板41および半導体層42の材料は、例えば、Si、Ge、SiGe、GaAs、AlGaAs、InP、GaInAsP、GaP、InGaAs、GaN、SiCなどから選択することができる。
【0050】
次に、図25(a)および図25(b)に示すように、CVDなどの方法にて半導体層42上の全面にハードマスク材を成膜する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術にてハードマスク材をパターニングすることにより、半導体層42上にハードマスク層43を形成する。なお、ハードマスク層43の材料は、例えば、Si3N4を用いることができる。
【0051】
次に、図26(a)および図26(b)に示すように、ハードマスク層43をマスクとして半導体層42をエッチングすることにより、半導体基板41上に支柱型半導体44を形成する。
【0052】
次に、図27(a)および図27(b)に示すように、CVDなどの方法にて支柱型半導体44が埋め込まれるように埋め込み絶縁層45を半導体基板41上に形成する。そして、CMPなどの方法にてハードマスク層43が露出するまで埋め込み絶縁層45を平坦化する。
【0053】
次に、図28(a)および図28(b)に示すように、埋め込み絶縁層45のエッチバックを行うことにより、支柱型半導体44の下部が埋め込み絶縁層45にて埋め込まれるようにして支柱型半導体44の上部を埋め込み絶縁層45から露出させる。
【0054】
次に、図29(a)および図29(b)に示すように、選択エピタキシャル成長にて支柱型半導体44の側面に接合されたフィン型半導体46を埋め込み絶縁層45上に形成する。
【0055】
なお、格子整合を確保するために、支柱型半導体44およびフィン型半導体46は同一の材料を用いることができる。支柱型半導体44およびフィン型半導体46の材料は、例えば、Si、Ge、SiGe、GaAs、AlGaAs、InP、GaInAsP、GaP、InGaAs、GaN、SiCなどから選択することができる。
【0056】
次に、図30(a)および図30(b)に示すように、CVDなどの方法にてハードマスク層43およびフィン型半導体46が覆われるように保護膜47を埋め込み絶縁層45上に形成する。なお、保護膜47の材料は、例えば、SiO2を用いることができる。
【0057】
次に、図31(a)および図31(b)に示すように、保護膜47の異方性エッチングを行うことにより、ハードマスク層43の表面を露出させる。この時、フィン型半導体46は保護膜47にて覆われたままにする。なお、ハードマスク層43の表面を露出させるために、ハードマスク層43をストッパ膜とした保護膜47のCMPを行うようにしてもよい。
【0058】
次に、図32(a)および図32(b)に示すように、フィン型半導体46が保護膜47にて覆われるようにしたまま支柱型半導体44上のハードマスク層43を選択的に除去し、支柱型半導体44の表面を露出させる開口部52を保護膜47に形成する。
【0059】
次に、図33(a)および図33(b)に示すように、開口部52を介して支柱型半導体44の異方性エッチングを行うことにより、フィン型半導体46を埋め込み絶縁層45上に残したまま埋め込み絶縁層45上の支柱型半導体44を除去し、フィン型半導体46の一方の側面を露出させる。
【0060】
次に、図34(a)および図34(b)に示すように、ウェットエッチングなどの方法にて埋め込み絶縁層45上から保護膜47を除去し、フィン型半導体46の他方の側面を露出させる。
【0061】
次に、図35(a)および図35(b)に示すように、熱酸化またはCVDなどの方法にて埋め込み絶縁層45上のフィン型半導体46の側面にゲート絶縁膜48を形成する。
【0062】
次に、図36(a)および図36(b)に示すように、CVDなどの方法にてフィン型半導体46が埋め込まれるようにゲート電極材49´を埋め込み絶縁層45上に形成する。
【0063】
次に、図37(a)および図37(b)に示すように、CVDなどの方法にてゲート電極材49´上にハードマスク材を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術にてハードマスク材をパターニングすることにより、ゲート電極材49´上にハードマスク層50を形成する。
【0064】
次に、図38(a)〜図38(c)に示すように、ハードマスク層50をマスクとしてゲート電極材49´をエッチングすることにより、フィン型半導体46のチャネル領域51a、51bの側面にゲート絶縁膜48を介してゲート電極49を形成する。この時、図38(c)に示すように、ソース/ドレイン領域のフィン型半導体46は上部に残ったゲート絶縁膜48にてゲート電極のエッチングでのエッチングから保護することができる。
【0065】
ここで、支柱型半導体44およびフィン型半導体46は同一の材料を用いることにより、支柱型半導体44とフィン型半導体46との間で格子整合を確保することができ、フィン型半導体46の結晶品質を向上させることができる。
【0066】
また、フィン型半導体46間の支柱型半導体44を除去するために、支柱型半導体44上のハードマスク層43を芯材として用いることにより、支柱型半導体44の位置に対応した開口部52を保護膜47に自己整合的に形成することができ、支柱型半導体44を精度よく除去することができる。
【0067】
なお、上述した第4実施形態では、支柱型半導体44を除去するために、ハードマスク層43を芯材として保護膜47に開口部52を形成する方法について説明したが、フォトリソグラフィ技術を用いて支柱型半導体44を除去するようにしてもよい。
【0068】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0069】
R1 ゲート領域、R2 支柱領域、1、21、41 半導体基板、2、42 半導体層、3、13、23、33、43、50 ハードマスク層、4、24、44 支柱型半導体、5、22、45 埋め込み絶縁層、6、25〜29、46 フィン型半導体、7 サイドウォール、9、30、47 保護膜、10 キャップ層、11、31、48 ゲート絶縁膜、12´、32´、49´ ゲート電極材、12、32、49 ゲート電極、14a、14b、34a、34b、51a、51b チャネル領域、52 開口部
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板上に支柱型半導体を形成する工程と、
前記支柱型半導体の下部を埋め込む絶縁層を前記半導体基板上に形成する工程と、
前記支柱型半導体の上部の側面に接合されたフィン型半導体を前記絶縁層上に形成する工程と、
前記フィン型半導体を前記絶縁層上に残したまま前記絶縁層上の前記支柱型半導体を除去する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項2】
前記支柱型半導体は前記フィン型半導体よりもエッチングレートの高い材料にて構成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項3】
互いにエッチングレートの異なる第1および第2のフィン型半導体を前記支柱型半導体の横方向に交互に繰り返して前記絶縁層上に形成することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項4】
選択エピタキシャル成長にて半導体基板上に半導体層を形成する工程と、
前記半導体層上にハードマスク層を形成する工程と、
前記ハードマスク層をマスクとして前記半導体層をエッチングすることにより、前記半導体基板上に支柱型半導体を形成する工程と、
前記支柱型半導体の下部を埋め込む絶縁層を前記半導体基板上に形成する工程と、
前記支柱型半導体の上部の側面に接合されたフィン型半導体を前記絶縁層上に形成する工程と、
前記ハードマスク層および前記フィン型半導体を覆う保護膜を前記絶縁層上に形成する工程と、
前記フィン型半導体を前記保護膜で覆ったまま前記ハードマスク層の表面を前記保護膜から露出させる工程と、
前記ハードマスク層を除去することにより、前記支柱型半導体の表面を露出させる工程と、
前記ハードマスク層が除去された前記支柱型半導体の異方性エッチングにて前記支柱型半導体を除去する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項5】
チャネルとして用いる二つの対向する側面の表面ラフネスが異なるフィン型半導体と、前記フィン型半導体の側面にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記フィン型半導体の両端部に形成されたソース/ドレインとを備えることを特徴とする半導体装置。
【請求項1】
半導体基板上に支柱型半導体を形成する工程と、
前記支柱型半導体の下部を埋め込む絶縁層を前記半導体基板上に形成する工程と、
前記支柱型半導体の上部の側面に接合されたフィン型半導体を前記絶縁層上に形成する工程と、
前記フィン型半導体を前記絶縁層上に残したまま前記絶縁層上の前記支柱型半導体を除去する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項2】
前記支柱型半導体は前記フィン型半導体よりもエッチングレートの高い材料にて構成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項3】
互いにエッチングレートの異なる第1および第2のフィン型半導体を前記支柱型半導体の横方向に交互に繰り返して前記絶縁層上に形成することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項4】
選択エピタキシャル成長にて半導体基板上に半導体層を形成する工程と、
前記半導体層上にハードマスク層を形成する工程と、
前記ハードマスク層をマスクとして前記半導体層をエッチングすることにより、前記半導体基板上に支柱型半導体を形成する工程と、
前記支柱型半導体の下部を埋め込む絶縁層を前記半導体基板上に形成する工程と、
前記支柱型半導体の上部の側面に接合されたフィン型半導体を前記絶縁層上に形成する工程と、
前記ハードマスク層および前記フィン型半導体を覆う保護膜を前記絶縁層上に形成する工程と、
前記フィン型半導体を前記保護膜で覆ったまま前記ハードマスク層の表面を前記保護膜から露出させる工程と、
前記ハードマスク層を除去することにより、前記支柱型半導体の表面を露出させる工程と、
前記ハードマスク層が除去された前記支柱型半導体の異方性エッチングにて前記支柱型半導体を除去する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項5】
チャネルとして用いる二つの対向する側面の表面ラフネスが異なるフィン型半導体と、前記フィン型半導体の側面にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記フィン型半導体の両端部に形成されたソース/ドレインとを備えることを特徴とする半導体装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【公開番号】特開2013−38301(P2013−38301A)
【公開日】平成25年2月21日(2013.2.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−174712(P2011−174712)
【出願日】平成23年8月10日(2011.8.10)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成25年2月21日(2013.2.21)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年8月10日(2011.8.10)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】
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