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JP7654245B2 - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、例えば、SOI基板を用いた半導体装置およびその製造方法に適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, for example, to a technology that is effective when applied to a semiconductor device using an SOI substrate and a manufacturing method thereof.

トランジスタの作用は、ゲート電極に印加した電圧により、ソースからチャネルを経てドレインに流れる電流キャリアの量を制御することにある。従って、ON状態の電流値ができるだけ大きいこと、Off状態の漏れ電流ができるだけ小さいことが性能指標となる。また、高周波用途には、静電容量が小さく、遮断周波数fが大きいことが求められる。特に、携帯機器やIoT(Internet of Things)機器に適用する低消費電力用途では、Off電流が小さいことが必須の要件である。 The function of a transistor is to control the amount of current carriers flowing from the source through the channel to the drain by the voltage applied to the gate electrode. Therefore, the performance index is that the current value in the ON state is as large as possible and the leakage current in the OFF state is as small as possible. In addition, for high frequency applications, a small capacitance and a large cutoff frequency fT are required. In particular, for low power consumption applications applied to mobile devices and IoT (Internet of Things) devices, a small OFF current is an essential requirement.

従来構造のトランジスタ(図13のn型のMISFET4Tr)では、性能の改善および集積度の向上は、微細化によって達成されてきた。しかし、100nm以下のゲート長では、微細化により特性改善を図ることが困難になってきた。なぜなら、短チャネル効果の諸現象の一つであるOff電流の増加が顕著になるためである。ソース/ドレイン間距離すなわちチャネル長が小さくなるに従い、ドレインに印加した電圧の作用によりソースから引き出されて漏れ出てしまうキャリアが増加し、Off電流が増加する。 In transistors with conventional structures (n-type MISFET4Tr in Figure 13), improvements in performance and integration have been achieved through miniaturization. However, with gate lengths of 100 nm or less, it has become difficult to improve characteristics through miniaturization. This is because the increase in off current, which is one of the phenomena of the short channel effect, becomes significant. As the source/drain distance, i.e., the channel length, becomes smaller, the number of carriers drawn out from the source and leaking out due to the action of the voltage applied to the drain increases, and the off current increases.

これを低減するためには、チャネル(図13のウェル領域PW4の上部)に添加するドーピング不純物濃度を増加させる必要がある。しかし、不純物濃度の増加は、キャリアの散乱(不純物による散乱、およびゲートに向かう電界強度を増すことによるゲート絶縁膜と半導体基板との界面散乱)を増加させるため、移動度が低下してON電流を低下させてしまう。また、不純物濃度のバラツキ、特に原理的に回避できないチャネルに含まれるドーパント原子数の統計的バラツキにより、トランジスタ特性、特に閾値電圧がばらついてしまうという欠点ももたらす。従って、ON電流の増加とトランジスタ特性ばらつきの低減のためには、チャネルのドーピング不純物濃度はできるだけ小さく保つことが望ましい。 To reduce this, it is necessary to increase the doping impurity concentration added to the channel (the upper part of well region PW4 in Figure 13). However, increasing the impurity concentration increases carrier scattering (scattering by impurities, and scattering at the interface between the gate insulating film and the semiconductor substrate due to increasing the electric field strength toward the gate), which reduces mobility and reduces the ON current. In addition, there is also the disadvantage that variations in impurity concentration, particularly statistical variations in the number of dopant atoms contained in the channel, which is unavoidable in principle, cause variations in transistor characteristics, particularly threshold voltage. Therefore, in order to increase the ON current and reduce variations in transistor characteristics, it is desirable to keep the doping impurity concentration of the channel as small as possible.

この問題を解決する手段として、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いるトランジスタが提案されている(図13のMISFET3Tr)。チャネル層(半導体層BD3)の厚さをゲート電極の効果が有効に及ぶ範囲に制限することで、ドレイン電圧の作用、つまり短チャネル効果を低減し、チャネル層のドーピング不純物濃度を低下させることができるためOff電流の抑制に有効である。さらに、シリコン基板表面に設けたウェル領域PW3の電位によりチャネル層の電位を制御し、ドレイン電圧のソースへ影響を遮蔽する効果も大きい。 As a means of solving this problem, a transistor using an SOI (Silicon On Insulator) substrate has been proposed (MISFET3Tr in Figure 13). By limiting the thickness of the channel layer (semiconductor layer BD3) to a range where the effect of the gate electrode is effective, the effect of the drain voltage, i.e., the short channel effect, can be reduced and the doping impurity concentration of the channel layer can be lowered, which is effective in suppressing the off current. Furthermore, the potential of the channel layer can be controlled by the potential of the well region PW3 provided on the surface of the silicon substrate, which is also effective in shielding the influence of the drain voltage on the source.

しかし、ゲート長が50nm以下の微細化されたトランジスタにおいては、短チャネル効果の低減は困難であった。理由は、チャネル層(半導体層BD3)の厚さおよび埋込絶縁層BZ3の厚さを無制限に低下させられないことである。チャネルを薄くすると界面散乱が顕在化してキャリア移動度が低下する。また、チャネル層の膜厚バラツキによるトランジスタ特性バラツキが増加する。さらに、シリコン基板表面に設けたウェル領域PW3の不純物濃度を無制限に上昇させられないので、チャネル層に及ぼす電圧がウェル領域PW3の表面付近で発生する電圧降下にも分配されることになり、微細トランジスタではウェル領域PW3(バックゲート)によるチャネル層の電位制御効果が限定的であることも課題であった。 However, in miniaturized transistors with gate lengths of 50 nm or less, it has been difficult to reduce the short channel effect. The reason is that the thickness of the channel layer (semiconductor layer BD3) and the thickness of the buried insulating layer BZ3 cannot be reduced indefinitely. Making the channel thinner leads to more pronounced interface scattering and reduced carrier mobility. In addition, variations in the film thickness of the channel layer increase the variation in transistor characteristics. Furthermore, since the impurity concentration of the well region PW3 provided on the surface of the silicon substrate cannot be increased indefinitely, the voltage acting on the channel layer is also distributed to the voltage drop occurring near the surface of the well region PW3, and in miniaturized transistors, the effect of the well region PW3 (backgate) in controlling the potential of the channel layer is limited, which has been an issue.

このような課題を解決する手段として、二重ゲート型SOI-MISFETが知られている。 Double-gate SOI-MISFETs are known as a means of solving these problems.

特許文献1には、金属バックゲート型薄膜SOIデバイスが記載されている。 Patent document 1 describes a metal backgate type thin-film SOI device.

非特許文献1のP.104には「Multiple-Gate FD SOI MOSFET」が記載されている。 "Multiple-Gate FD SOI MOSFET" is described on page 104 of Non-Patent Document 1.

特表2013-522908号公報Special Publication No. 2013-522908

IEEE TRANSACTIONS ON DEVICE AND MATERIALS RELIABILITY, VOL.4,NO.1,MARCH 2004, pages 99-109IEEE TRANSACTIONS ON DEVICE AND MATERIALS RELIABILITY, VOL.4,NO.1,MARCH 2004, pages 99-109

ゲート長が50nm以下のSOI-MISFETにおいて、短チャネル効果を低減できる技術が求められている。 There is a demand for technology that can reduce short channel effects in SOI-MISFETs with gate lengths of 50 nm or less.

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 Other objects and novel features will become apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

一実施の形態の半導体装置は、n型の二重ゲート型SOI-MISFETを有し、このMISFETは、半導体基板上に形成されたシリコンからなる半導体層と、半導体層に形成されたチャネル層、n型のソースおよびn型のドレインと、チャネル層の上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、チャネル層の下に埋込絶縁膜を介して形成された埋込電極(バックゲート)を含む。そして、n型のソースと埋込電極とは、基準電位が供給される配線で接続されており、埋込電極は、その仕事関数が4.6eVよりも大きい金属層で形成されている。 The semiconductor device of one embodiment has an n-type double-gate SOI-MISFET, which includes a semiconductor layer made of silicon formed on a semiconductor substrate, a channel layer formed in the semiconductor layer, an n-type source and an n-type drain, a gate electrode formed on the channel layer via a gate insulating film, and a buried electrode (backgate) formed below the channel layer via a buried insulating film. The n-type source and buried electrode are connected by wiring to which a reference potential is supplied, and the buried electrode is formed of a metal layer whose work function is greater than 4.6 eV.

一実施の形態の半導体装置は、p型の二重ゲート型SOI-MISFETを有し、このMISFETは、半導体基板上に形成されたシリコンからなる半導体層と、半導体層に形成されたチャネル層、p型のソースおよびp型のドレインと、チャネル層の上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、チャネル層の下に埋込絶縁膜を介して形成された埋込電極(バックゲート)を含む。そして、p型のソースと埋込電極とは、電源電位が供給される配線で接続されており、埋込電極は、その仕事関数が4.6eV以下の金属層で形成されている。 The semiconductor device of one embodiment has a p-type double-gate type SOI-MISFET, which includes a semiconductor layer made of silicon formed on a semiconductor substrate, a channel layer formed in the semiconductor layer, a p-type source and a p-type drain, a gate electrode formed on the channel layer via a gate insulating film, and a buried electrode (backgate) formed below the channel layer via a buried insulating film. The p-type source and buried electrode are connected by wiring to which a power supply potential is supplied, and the buried electrode is formed of a metal layer with a work function of 4.6 eV or less.

一実施の形態の半導体装置は、n型の二重ゲート型SOI-MISFETとp型の二重ゲート型SOI-MISFETを有し、このn型のMISFETは、半導体基板上に形成されたシリコンからなる第1半導体層と、第1半導体層に形成された第1チャネル層、n型のソースおよびn型のドレインと、第1チャネル層の上に第1ゲート絶縁膜を介して形成された第1ゲート電極と、第1チャネル層の下に第1埋込絶縁膜を介して形成された第1金属層からなる第1埋込電極を含む。そしてp型のMISFETは、半導体基板上に形成されたシリコンからなる第2半導体層と、第2半導体層に形成された第2チャネル層、p型のソースおよびp型のドレインと、第2チャネル層の上に第2ゲート絶縁膜を介して形成された第2ゲート電極と、第2チャネル層の下に第2埋込絶縁膜を介して形成された第2金属層からなる第2埋込電極を含む。そして、n型のソースと第1埋込電極とは、基準電位が供給される第1配線に接続されており、p型のソースと第2埋込電極とは、電源電位が供給される第2配線に接続されており、第1金属層と第2金属層とは、互いに異なる仕事関数を有する。 The semiconductor device of one embodiment has an n-type double-gate type SOI-MISFET and a p-type double-gate type SOI-MISFET, and the n-type MISFET includes a first semiconductor layer made of silicon formed on a semiconductor substrate, a first channel layer formed in the first semiconductor layer, an n-type source, and an n-type drain, a first gate electrode formed on the first channel layer via a first gate insulating film, and a first buried electrode made of a first metal layer formed under the first channel layer via a first buried insulating film. The p-type MISFET includes a second semiconductor layer made of silicon formed on a semiconductor substrate, a second channel layer formed in the second semiconductor layer, a p-type source, and a p-type drain, a second gate electrode formed on the second channel layer via a second gate insulating film, and a second buried electrode made of a second metal layer formed under the second channel layer via a second buried insulating film. The n-type source and the first buried electrode are connected to a first wiring to which a reference potential is supplied, the p-type source and the second buried electrode are connected to a second wiring to which a power supply potential is supplied, and the first metal layer and the second metal layer have different work functions.

一実施の形態の半導体装置の製造方法は、半導体基板の主面上に第1半導体層およびシリコンからなる第2半導体層を順に形成する工程、半導体基板において、素子分離層によって活性領域を規定する工程、第2半導体層上にゲート絶縁膜およびゲート電極を順に形成する工程、ゲート電極の両端において、第2半導体層に不純物を導入して第1半導体領域および第2半導体領域を形成する工程、ゲート電極と、第1半導体領域の一部とを覆うマスク層を形成し、マスク層から露出した第2半導体層および第1半導体層を除去して半導体基板の主面を露出する開口を形成する工程、半導体基板と第2半導体層との間に存在する第1半導体層を除去し、開口に繋がる空洞を形成する工程、半導体基板の主面と、第2半導体層とマスク層とからなる積層構造体の周囲とに絶縁膜を形成する工程、開口および空洞を埋めるように、金属層からなる埋込電極を形成する工程、埋込電極と第1半導体領域とを接続する配線を形成する工程、を有する。 The method for manufacturing a semiconductor device according to one embodiment includes the steps of sequentially forming a first semiconductor layer and a second semiconductor layer made of silicon on the main surface of a semiconductor substrate, defining an active region in the semiconductor substrate by an element isolation layer, sequentially forming a gate insulating film and a gate electrode on the second semiconductor layer, forming a first semiconductor region and a second semiconductor region by introducing impurities into the second semiconductor layer at both ends of the gate electrode, forming a mask layer that covers the gate electrode and a part of the first semiconductor region, and removing the second semiconductor layer and the first semiconductor layer exposed from the mask layer to form an opening that exposes the main surface of the semiconductor substrate, removing the first semiconductor layer that exists between the semiconductor substrate and the second semiconductor layer to form a cavity that is connected to the opening, forming an insulating film around the main surface of the semiconductor substrate and the periphery of the stacked structure made of the second semiconductor layer and the mask layer, forming a buried electrode made of a metal layer so as to fill the opening and the cavity, and forming wiring that connects the buried electrode and the first semiconductor region.

一実施の形態によれば、半導体装置の電気特性を向上させることができる。 According to one embodiment, the electrical characteristics of a semiconductor device can be improved.

実施の形態の半導体装置の等価回路図ある。1 is an equivalent circuit diagram of a semiconductor device according to an embodiment; 実施の形態の半導体装置の平面図である。1 is a plan view of a semiconductor device according to an embodiment; 図2のX-X´における断面図である。3 is a cross-sectional view taken along the line XX' in FIG. 2. 実施の形態の半導体装置の電気特性を示す表である。1 is a table showing electrical characteristics of the semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態の半導体装置の電気特性を示すグラフである。4 is a graph showing electrical characteristics of the semiconductor device according to the embodiment. 実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図である。3A to 3C are cross-sectional views showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the embodiment; 図6に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。7 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device subsequent to FIG. 6; 図7に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。8 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device subsequent to FIG. 7; 図8に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。9 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device subsequent to FIG. 8. 図9に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。10 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device subsequent to FIG. 9; 図10に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。11 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device subsequent to FIG. 10 . 図11に続く半導体装置の製造工程を示す断面図である。12 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device subsequent to FIG. 11 . 従来技術の半導体装置を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a conventional technique.

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。半導体基板SBは、主面SBaと裏面SBbとを備え、MISFETが形成される側を主面SBaと呼ぶ。 The embodiments will be described in detail below with reference to the drawings. In all the drawings for explaining the embodiments, the same reference numerals are used for components having the same functions, and repeated explanations will be omitted. In order to make the drawings easier to understand, hatching may be used even in plan views. The semiconductor substrate SB has a main surface SBa and a back surface SBb, and the side on which the MISFET is formed is called the main surface SBa.

(実施の形態)
本実施の形態の半導体装置は、ゲート長が50nm以下の完全空乏型の二重ゲート型SOI-MISFETを含む。二重ゲート型SOI-MISFETは、半導体基板上に形成されたシリコンからなる半導体層と、半導体層に形成された半導体層(チャネル層)、ソースおよびドレインとして機能する2つの半導体領域と、チャネル層の上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、チャネル層の下に埋込絶縁膜を介して形成された埋込電極(バックゲート)とを含む。そして、金属層からなる埋込電極(バックゲート)とソースとして機能する半導体領域とは配線で接続されており、この金属層の仕事関数は、n型MISFETの場合は4.6eVよりも大きく、p型MISFETの場合は4.6eV以下である。
(Embodiment)
The semiconductor device of the present embodiment includes a fully depleted double-gate SOI-MISFET having a gate length of 50 nm or less. The double-gate SOI-MISFET includes a semiconductor layer made of silicon formed on a semiconductor substrate, a semiconductor layer (channel layer) formed in the semiconductor layer, two semiconductor regions functioning as a source and a drain, a gate electrode formed on the channel layer via a gate insulating film, and a buried electrode (backgate) formed under the channel layer via a buried insulating film. The buried electrode (backgate) made of a metal layer and the semiconductor region functioning as a source are connected by a wiring, and the work function of this metal layer is greater than 4.6 eV in the case of an n-type MISFET and is less than or equal to 4.6 eV in the case of a p-type MISFET.

また、n型MISFETとp型MISFETとを含むCMOS型の半導体装置では、n型MISFETの埋込電極(バックゲート)を構成する金属層と、p型MISFETの埋込電極(バックゲート)を構成する金属層とが異なる仕事関数を有することが特徴となる。 In addition, a CMOS-type semiconductor device including an n-type MISFET and a p-type MISFET is characterized in that the metal layer constituting the buried electrode (backgate) of the n-type MISFET and the metal layer constituting the buried electrode (backgate) of the p-type MISFET have different work functions.

この構成をとることにより、ドレイン/ソース間の電位差に起因する電界は、埋込電極によって効果的に遮蔽され短チャネル効果を抑制できる(「遮蔽効果」と呼ぶ)。つまり、埋込電極(バックゲート)をソース電位に接続したことで、ドレインからの電気力線がチャネル層の裏側からチャネル層に伸びるのを防止できるため短チャネル効果を抑制できる。また、n型またはp型の不純物が導入されたソースと埋込電極を構成する金属層との仕事関数差に相当する接触電位差に起因する電界をソースおよびチャネル層に及ぼし、Off電流を効果的に低減できる(「キャリア抑制効果」と呼ぶ)。また、埋込電極を金属層で構成したことで、前述の「バックゲートとなるウェル領域の表面で発生する電圧降下」を抑制できるため、チャネル層および埋込絶縁層の厚さを極端に薄くする必要はない。従って、キャリア移動度の低下を抑制でき、ON電流を増加できる。さらに、チャネル層の膜厚バラツキを低減できるため、閾値などのトランジスタ特性バラツキを低減できる。 By adopting this configuration, the electric field caused by the potential difference between the drain and source is effectively shielded by the buried electrode, and the short channel effect can be suppressed (called the "shielding effect"). In other words, by connecting the buried electrode (backgate) to the source potential, the electric field from the drain is prevented from extending from the back side of the channel layer to the channel layer, and the short channel effect can be suppressed. In addition, the electric field caused by the contact potential difference corresponding to the work function difference between the source in which n-type or p-type impurities are introduced and the metal layer constituting the buried electrode is applied to the source and channel layer, and the off current can be effectively reduced (called the "carrier suppression effect"). In addition, by configuring the buried electrode with a metal layer, the aforementioned "voltage drop occurring on the surface of the well region that becomes the backgate" can be suppressed, so there is no need to make the thickness of the channel layer and the buried insulating layer extremely thin. Therefore, the decrease in carrier mobility can be suppressed, and the on current can be increased. Furthermore, the variation in the film thickness of the channel layer can be reduced, and the variation in transistor characteristics such as threshold value can be reduced.

<本実施の形態の半導体装置について>
図1は、本実施の形態の半導体装置の等価回路図であり、一例であるインバータ回路の等価回路図である。図2は、本実施の形態の半導体装置の平面図であり、インバータ回路を構成するn型MISFET1Trおよびp型MISFET2Trの平面図である。図3は、図2のX-X´線に沿う断面図である。なお、図2では、紙面の横方向をX方向、縦方向をY方向と呼ぶ。X方向とY方向とは互いに直行する。n型MISFET1Trおよびp型MISFET2Trにおいて、X方向はゲート長方向であり、Y方向はゲート幅方向である。また、図2では、半導体基板SB、支持絶縁層SZ1およびSZ2、埋込絶縁層BZ1およびBZ2、ゲート絶縁膜GI1およびGI2、ならびに、層間絶縁膜ILは省略している。
<Regarding the Semiconductor Device of the Present Embodiment>
FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor device of this embodiment, and is an equivalent circuit diagram of an inverter circuit as an example. FIG. 2 is a plan view of the semiconductor device of this embodiment, and is a plan view of an n-type MISFET 1Tr and a p-type MISFET 2Tr constituting the inverter circuit. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line X-X' in FIG. 2. In FIG. 2, the horizontal direction of the paper is called the X direction, and the vertical direction is called the Y direction. The X direction and the Y direction are perpendicular to each other. In the n-type MISFET 1Tr and the p-type MISFET 2Tr, the X direction is the gate length direction, and the Y direction is the gate width direction. In FIG. 2, the semiconductor substrate SB, the support insulating layers SZ1 and SZ2, the buried insulating layers BZ1 and BZ2, the gate insulating films GI1 and GI2, and the interlayer insulating film IL are omitted.

図1に示すようにインバータ回路は、直列接続されたn型MISFET1Trとp型MISFET2Trとで構成されており、p型MISFET2Trのソースは電源電位VDDを供給する配線M3に、n型MISFET1Trのソースは基準電位VSSを供給する配線M1に接続されている。n型MISFET1Trおよびp型MISFET2Trのゲートは、インバータ回路の入力用の配線M4に接続されており、n型MISFET1Trおよびp型MISFET2Trのドレインは、インバータ回路の出力用の配線M2に接続されている。 As shown in FIG. 1, the inverter circuit is composed of an n-type MISFET1Tr and a p-type MISFET2Tr connected in series, with the source of the p-type MISFET2Tr connected to a wiring M3 that supplies a power supply potential VDD, and the source of the n-type MISFET1Tr connected to a wiring M1 that supplies a reference potential VSS. The gates of the n-type MISFET1Tr and the p-type MISFET2Tr are connected to a wiring M4 for input of the inverter circuit, and the drains of the n-type MISFET1Tr and the p-type MISFET2Tr are connected to a wiring M2 for output of the inverter circuit.

図2に示すように、n型MISFET1Trは活性領域ACT1に、p型MISFET2Trは活性領域ACT2に形成され、両者は素子分離層STIで分離されている。つまり、活性領域ACT1およびACT2の周囲は、それぞれ素子分離層STIで囲まれており、活性領域ACT1およびACT2は、それぞれ素子分離層STIで規定されている。 As shown in FIG. 2, n-type MISFET1Tr is formed in active region ACT1, and p-type MISFET2Tr is formed in active region ACT2, and both are separated by an element isolation layer STI. In other words, the active regions ACT1 and ACT2 are each surrounded by an element isolation layer STI, and the active regions ACT1 and ACT2 are each defined by an element isolation layer STI.

活性領域ACT1には、X方向において、埋込電極BE1と半導体層SI1とが配置されており、両者は絶縁膜ZF1で電気的に分離されている。半導体層SI1には、ソースとして機能する半導体領域SR1、半導体層BD1、および、ドレインとして機能する半導体層SR1が順に形成されており、チャネル層である半導体層BD1上にはゲート電極GE1が配置されている。また、半導体層SI1の下には、半導体領域SR1、半導体層BD1および半導体領域SR1と重なって埋込電極BE1が延在している。埋込電極BE1の一部は、ソースとして機能する半導体領域SR1の近傍で半導体層SI1から露出しており、埋込電極BE1とソースとして機能する半導体領域SR1とは、金属層からなるプラグを介して、基準電位VSSが供給される配線M1で接続されている。ドレインとして機能する半導体領域SR1はプラグを介して出力用の配線M2に接続され、ゲート電極GE1はプラグを介して入力用の配線M4に接続されている。 In the active region ACT1, a buried electrode BE1 and a semiconductor layer SI1 are arranged in the X direction, and the two are electrically separated by an insulating film ZF1. In the semiconductor layer SI1, a semiconductor region SR1 functioning as a source, a semiconductor layer BD1, and a semiconductor layer SR1 functioning as a drain are formed in this order, and a gate electrode GE1 is arranged on the semiconductor layer BD1, which is a channel layer. In addition, a buried electrode BE1 extends under the semiconductor layer SI1, overlapping with the semiconductor region SR1, the semiconductor layer BD1, and the semiconductor region SR1. A part of the buried electrode BE1 is exposed from the semiconductor layer SI1 near the semiconductor region SR1 functioning as a source, and the buried electrode BE1 and the semiconductor region SR1 functioning as a source are connected to a wiring M1 to which a reference potential VSS is supplied via a plug made of a metal layer. The semiconductor region SR1 functioning as a drain is connected to an output wiring M2 via a plug, and the gate electrode GE1 is connected to an input wiring M4 via a plug.

活性領域ACT2には、X方向において、半導体層SI2と埋込電極BE2とが配置されており、両者は絶縁膜ZF1で電気的に分離されている。半導体層SI2には、ドレインとして機能する半導体領域SR2、半導体層BD2、および、ソースとして機能する半導体層SR2が順に形成されており、チャネル層である半導体層BD2上にはゲート電極GE2が配置されている。また、半導体層SI2の下には、半導体領域SR2、半導体層BD2および半導体領域SR2と重なって埋込電極BE2が延在している。埋込電極BE2の一部は、ソースとして機能する半導体領域SR2の近傍で半導体層SI2から露出しており、埋込電極BE2とソースとして機能する半導体領域SR2とは、金属層からなるプラグを介して、電源電位VDDが供給される配線M3で接続されている。ドレインとして機能する半導体領域SR2はプラグを介して出力用の配線M2に接続され、ゲート電極GE2はプラグを介して入力用の配線M4に接続されている。 In the active region ACT2, a semiconductor layer SI2 and a buried electrode BE2 are arranged in the X direction, and the two are electrically separated by an insulating film ZF1. In the semiconductor layer SI2, a semiconductor region SR2 functioning as a drain, a semiconductor layer BD2, and a semiconductor layer SR2 functioning as a source are formed in this order, and a gate electrode GE2 is arranged on the semiconductor layer BD2, which is a channel layer. In addition, a buried electrode BE2 extends under the semiconductor layer SI2, overlapping with the semiconductor region SR2, the semiconductor layer BD2, and the semiconductor region SR2. A part of the buried electrode BE2 is exposed from the semiconductor layer SI2 near the semiconductor region SR2 functioning as a source, and the buried electrode BE2 and the semiconductor region SR2 functioning as a source are connected to a wiring M3 to which a power supply potential VDD is supplied via a plug made of a metal layer. The semiconductor region SR2 functioning as a drain is connected to the output wiring M2 via a plug, and the gate electrode GE2 is connected to the input wiring M4 via a plug.

図3に示すように、n型のMISFET1Trは、シリコンからなる半導体基板SBの主面SBaに支持絶縁層SZ1を介して形成されている。n型のMISFET1Trは、半導体層SI1と、半導体層SI1の上にゲート絶縁膜GI1を介して形成されたゲート電極GE1と、半導体層SI1の下に埋込絶縁膜BZ1を介して形成された埋込電極(バックゲート)BE1と、を含む。支持絶縁層SZ1および埋込絶縁層BZ1は、例えば、酸化シリコン層である。そして、シリコンからなる半導体層SI1には、ソースおよびドレインとして機能する2つの半導体領域SR1と、2つの半導体領域SR1間に配置された半導体層(チャネル層)BD1とが形成されている。そして、埋込電極BE1とソースとして機能する半導体領域SR1とは、金属層(例えば、タングステン)からなるプラグを介して、基準電位VSSが供給される配線M1で接続されている。 As shown in FIG. 3, the n-type MISFET 1Tr is formed on the main surface SBa of the semiconductor substrate SB made of silicon via a support insulating layer SZ1. The n-type MISFET 1Tr includes a semiconductor layer SI1, a gate electrode GE1 formed on the semiconductor layer SI1 via a gate insulating film GI1, and a buried electrode (backgate) BE1 formed under the semiconductor layer SI1 via a buried insulating film BZ1. The support insulating layer SZ1 and the buried insulating layer BZ1 are, for example, silicon oxide layers. The semiconductor layer SI1 made of silicon has two semiconductor regions SR1 functioning as a source and a drain, and a semiconductor layer (channel layer) BD1 disposed between the two semiconductor regions SR1. The buried electrode BE1 and the semiconductor region SR1 functioning as a source are connected to a wiring M1 to which a reference potential VSS is supplied via a plug made of a metal layer (for example, tungsten).

短チャネル効果を低減するためには、ゲート電位およびドレイン電位が半導体層(チャネル層)BD1に及ぼす電界を考慮すると、半導体層(チャネル層)SI1の膜厚は、ゲート長の1/3未満とするのが望ましい。埋込絶縁膜BZ1の膜厚は、ドレイン電圧により、ドレインから半導体層(チャネル層)BD1に回り込む電気力線を埋込電極BE1で遮蔽するために、ゲート長の1/10~1の範囲とするのが好ましい。 In order to reduce the short channel effect, taking into consideration the electric field that the gate potential and drain potential exert on the semiconductor layer (channel layer) BD1, it is desirable to set the film thickness of the semiconductor layer (channel layer) SI1 to less than 1/3 of the gate length. The film thickness of the buried insulating film BZ1 is preferably in the range of 1/10 to 1/1 of the gate length so that the buried electrode BE1 can shield the electric field lines that flow from the drain to the semiconductor layer (channel layer) BD1 due to the drain voltage.

また、ソースおよびドレインとして機能する2つの半導体領域SR1は、例えば、リン、ヒ素またはその両方が導入されたn型半導体領域であり、その不純物濃度は、1e19/cm~1e22/cmである。半導体層(チャネル層)BD1は、真性半導体層であり、そのドーパント不純物濃度は1e18/cm以下とするのが好ましい。この濃度を超えると、キャリア移動度の低下が顕著になるためである。 The two semiconductor regions SR1 functioning as the source and drain are, for example, n-type semiconductor regions doped with phosphorus, arsenic, or both, and have an impurity concentration of 1e19/cm 3 to 1e22/cm 3. The semiconductor layer (channel layer) BD1 is an intrinsic semiconductor layer, and the dopant impurity concentration is preferably 1e18/cm 3 or less, because if the concentration exceeds this level, the carrier mobility decreases significantly.

埋込電極BE1は金属膜(金属層)MFからなり、この金属膜(金属層)MFは、半導体層SI1を構成するシリコンのミッドギャップ4.6eVよりも大きい仕事関数を持つ金属材料とすることが肝要である。その金属膜(金属層)MFは、例えば、プラチナ(Pt)、イリジウム(Ir)、ニッケル(Ni)または窒化チタン(TiN)である。それぞれの仕事関数は、Pt(5.65eV)、Ir(5.4eV)、Ni(5.15eV)、TiN(4.7~4.9eV)、およびそれらの合金である。 The buried electrode BE1 is made of a metal film (metal layer) MF, and it is essential that this metal film (metal layer) MF is made of a metal material with a work function greater than the mid-gap of 4.6 eV of the silicon that constitutes the semiconductor layer SI1. The metal film (metal layer) MF is, for example, platinum (Pt), iridium (Ir), nickel (Ni) or titanium nitride (TiN). The respective work functions are Pt (5.65 eV), Ir (5.4 eV), Ni (5.15 eV), TiN (4.7 to 4.9 eV), and alloys thereof.

ソースとなる半導体領域SR1にはn型不純物(ドナー不純物)がドーピングされているので、フェルミレベルはミッドギャップよりも高く伝導帯端に近い。ソースとなる半導体領域SR1と埋込電極BE1とは配線M1で結合されているため、ソースとなる半導体領域SR1と埋込電極BE1との接触電位差に起因して埋込電極BE1が負電位となる。そして、負電位の埋込電極BE1は負電荷の電子キャリアを抑制する方向の電界をソースおよび半導体層(チャネル層)BD1に及ぼすので、Off電流を低減することができる。 The semiconductor region SR1 serving as the source is doped with n-type impurities (donor impurities), so the Fermi level is higher than the midgap and close to the conduction band edge. The semiconductor region SR1 serving as the source and the buried electrode BE1 are connected by wiring M1, so the buried electrode BE1 has a negative potential due to the contact potential difference between the semiconductor region SR1 serving as the source and the buried electrode BE1. The buried electrode BE1 at a negative potential exerts an electric field on the source and semiconductor layer (channel layer) BD1 in a direction that suppresses negatively charged electron carriers, thereby reducing the Off current.

また、p型のMISFET2Trは、シリコンからなる半導体基板SBの主面SBaに支持絶縁層SZ2を介して形成されている。p型のMISFET2Trは、半導体層SI2と、半導体層SI2の上にゲート絶縁膜GI2を介して形成されたゲート電極GE2と、半導体層SI2の下に埋込絶縁膜BZ2を介して形成された埋込電極(バックゲート)BE2と、を含む。支持絶縁層SZ2および埋込絶縁層BZ2は、例えば、酸化シリコン層である。そして、シリコンからなる半導体層SI2には、ソースおよびドレインとして機能する2つの半導体領域SR2と、2つの半導体領域SR2間に配置された半導体層(チャネル層)BD2が形成されている。そして、埋込電極BE2とソースとして機能する半導体領域SR2とは、金属層(例えば、タングステン)からなるプラグを介して、電源電位VDDが供給される配線M3で接続されている。 The p-type MISFET 2Tr is formed on the main surface SBa of the semiconductor substrate SB made of silicon via a support insulating layer SZ2. The p-type MISFET 2Tr includes a semiconductor layer SI2, a gate electrode GE2 formed on the semiconductor layer SI2 via a gate insulating film GI2, and a buried electrode (backgate) BE2 formed under the semiconductor layer SI2 via a buried insulating film BZ2. The support insulating layer SZ2 and the buried insulating layer BZ2 are, for example, silicon oxide layers. The semiconductor layer SI2 made of silicon has two semiconductor regions SR2 functioning as a source and a drain, and a semiconductor layer (channel layer) BD2 disposed between the two semiconductor regions SR2. The buried electrode BE2 and the semiconductor region SR2 functioning as a source are connected to a wiring M3 to which a power supply potential VDD is supplied via a plug made of a metal layer (for example, tungsten).

短チャネル効果を低減するために、ゲート電位およびドレイン電位が半導体層(チャネル層)BD2に及ぼす電界を考慮すると、半導体層(チャネル層)SI2の膜厚は、ゲート長の1/3未満とするのが望ましい。埋込絶縁膜BZ2の膜厚は、ドレイン電圧により、ドレインから半導体層(チャネル層)BD2に回り込む電気力線を埋込電極BE2で遮蔽するために、ゲート長の1/10~1の範囲とするのが好ましい。 In order to reduce the short channel effect, taking into consideration the electric field that the gate potential and drain potential exert on the semiconductor layer (channel layer) BD2, it is desirable to set the film thickness of the semiconductor layer (channel layer) SI2 to less than 1/3 of the gate length. The film thickness of the buried insulating film BZ2 is preferably in the range of 1/10 to 1/1 of the gate length so that the buried electrode BE2 shields the electric field lines that flow from the drain to the semiconductor layer (channel layer) BD2 due to the drain voltage.

また、ソースおよびドレインとして機能する2つの半導体領域SR2は、例えば、ボロンが導入されたp型半導体領域であり、その不純物濃度は、1e19/cm~1e22/cmである。半導体層(チャネル層)BD2は、真性半導体層であり、そのドーパント不純物濃度は1e18/cm以下とするのが好ましい。この濃度を超えると、キャリア移動度の低下が顕著になるためである。 Furthermore, the two semiconductor regions SR2 functioning as a source and a drain are, for example, p-type semiconductor regions doped with boron, and the impurity concentration is 1e19/cm 3 to 1e22/cm 3. The semiconductor layer (channel layer) BD2 is an intrinsic semiconductor layer, and the dopant impurity concentration is preferably 1e18/cm 3 or less, because if the concentration exceeds this level, the carrier mobility decreases significantly.

埋込電極BE2は金属膜(金属層)からなり、この金属膜(金属層)は、半導体層SI2を構成するシリコンのミッドギャップ4.6eV以下の仕事関数を持つ金属材料とすることが肝要である。その金属膜(金属層)は、例えば、アルミニウム(Al)、珪化タングステン(WSin(n=6~12))からなる。それぞれの仕事関数は、Al(4.1eV)、WSin(4.0eV)である。 The buried electrode BE2 is made of a metal film (metal layer), and it is essential that this metal film (metal layer) is made of a metal material with a work function equal to or less than the mid-gap 4.6 eV of the silicon that constitutes the semiconductor layer SI2. The metal film (metal layer) is made of, for example, aluminum (Al) or tungsten silicide (WSin (n = 6 to 12)). The respective work functions are Al (4.1 eV) and WSin (4.0 eV).

ソースとなる半導体領域SR2にはp型不純物(アクセプター不純物)がドーピングされているので、フェルミレベルはミッドギャップよりも低く価電子帯端に近い。ソースとなる半導体領域SR2と埋込電極BE2とは配線M3で結合されているため、ソースとなる半導体領域SR2と埋込電極BE2との接触電位差に起因して埋込電極BE2が正電位となる。そして、正電位の埋込電極BE2は正電荷の正孔キャリアを抑制する方向の電界をソースおよび半導体層(チャネル層)BD2に及ぼすので、Off電流を低減することができる。 The semiconductor region SR2 serving as the source is doped with p-type impurities (acceptor impurities), so the Fermi level is lower than the midgap and close to the valence band edge. The semiconductor region SR2 serving as the source and the buried electrode BE2 are connected by wiring M3, so the buried electrode BE2 has a positive potential due to the contact potential difference between the semiconductor region SR2 serving as the source and the buried electrode BE2. The buried electrode BE2 at a positive potential exerts an electric field on the source and semiconductor layer (channel layer) BD2 in a direction that suppresses positively charged hole carriers, thereby reducing the Off current.

図4は、本実施の形態の半導体装置の電気特性を示すグラフであり、本実施の形態のn型のMISFET1Trと従来構造のn型のMISFET3Trのゲート電圧とON電流の関係を示している。図5に示すA2(N)とEX1(N)に対応している。本実施の形態のMISFET1Trでは、ゲート電圧によらず、MISFET3Trに比べて、ON電流が向上している。 Figure 4 is a graph showing the electrical characteristics of the semiconductor device of this embodiment, and shows the relationship between the gate voltage and the ON current of the n-type MISFET1Tr of this embodiment and the n-type MISFET3Tr of a conventional structure. This corresponds to A2(N) and EX1(N) shown in Figure 5. The ON current of the MISFET1Tr of this embodiment is improved compared to the MISFET3Tr, regardless of the gate voltage.

図5は、本実施の形態の半導体装置の電気特性を示す表である。デバイス種のEX1(N)およびEX2(N)は、従来構造のn型のMISFET3Trであり、A1(N)~A4(N)およびB1(N)~B4(N)は、本実施の形態のn型のMISFET1Trである。EX3(P)は、従来構造のMISFET3TrのP型MISFET版であり、C1(P)~C4(P)は、本実施の形態のp型のMISFET2Trである。図5からわかるように、ゲート長:45nmでは、埋込絶縁膜BZ1またはBZ2の膜厚TGEを50nm未満とした場合、ゲート長:28nmでは、埋込絶縁膜BZ1またはBZ2の膜厚TGEを20nm以下とした場合に、従来構造に比べてON電流および遮断周波数の著しい向上が確認できる。このシミュレーション結果から、埋込絶縁膜BZ1およびBZ2の膜厚は、ゲート電極GE1およびGE2のゲート長の1/10~1にすることで本実施の形態の半導体装置の電気特性が向上することが確認できた。ただし、埋込絶縁膜BZ1およびBZ2の膜厚を薄くし過ぎると、前述の埋込電極(バックゲート)BE1およびBE2によるキャリア抑制効果が、ゲート電極GE1およびGE2によるチャネル層の制御性を卓越するため、ON電流が低下する。また、埋込絶縁層BZ1およびBZ2の膜厚がゲート電極GE1およびGE2のゲート長を超えると、前述の「遮蔽効果」および「キャリア抑制効果」が低下し、短チャネル効果を抑制できない。 FIG. 5 is a table showing the electrical characteristics of the semiconductor device of this embodiment. Device types EX1(N) and EX2(N) are n-type MISFET3Tr of the conventional structure, and A1(N) to A4(N) and B1(N) to B4(N) are n-type MISFET1Tr of this embodiment. EX3(P) is a P-type MISFET version of the MISFET3Tr of the conventional structure, and C1(P) to C4(P) are p-type MISFET2Tr of this embodiment. As can be seen from FIG. 5, when the gate length is 45 nm and the film thickness TGE of the buried insulating film BZ1 or BZ2 is less than 50 nm, and when the gate length is 28 nm and the film thickness TGE of the buried insulating film BZ1 or BZ2 is 20 nm or less, a significant improvement in the ON current and cutoff frequency can be confirmed compared to the conventional structure. From the simulation results, it was confirmed that the electrical characteristics of the semiconductor device of this embodiment are improved by setting the film thickness of the buried insulating films BZ1 and BZ2 to 1/10 to 1/1 of the gate length of the gate electrodes GE1 and GE2. However, if the film thickness of the buried insulating films BZ1 and BZ2 is made too thin, the carrier suppression effect of the buried electrodes (backgates) BE1 and BE2 described above will dominate the controllability of the channel layer by the gate electrodes GE1 and GE2, and the ON current will decrease. Also, if the film thickness of the buried insulating layers BZ1 and BZ2 exceeds the gate length of the gate electrodes GE1 and GE2, the above-mentioned "shielding effect" and "carrier suppression effect" will decrease, and the short channel effect will not be suppressed.

また、本実施の形態によれば、MISFET1Trの埋込電極BE1とソースとして機能する半導体領域SR1とが基準電位が供給される配線M1で接続されているため、半導体装置の小型化が可能となる。埋込電極BE1に基準電位VSSとは異なる電位を供給する場合、ソースとして機能する半導体領域SR1に接続する配線とは別に、埋込電極BE1に給電するための配線が必要となり、半導体装置の大型化が懸念される。さらに、埋込電極BE1に基準電位VSSまたは電源電位VDD以外の電位を供給する場合、電圧発生回路を設ける必要があり、より一層の大型化が懸念される。本実施の形態によれば、MISFET2Trの場合も同様に、小型化の効果が達成できる。 In addition, according to this embodiment, the buried electrode BE1 of MISFET1Tr and the semiconductor region SR1 functioning as the source are connected by the wiring M1 to which a reference potential is supplied, making it possible to miniaturize the semiconductor device. When a potential different from the reference potential VSS is supplied to the buried electrode BE1, a wiring for supplying power to the buried electrode BE1 is required in addition to the wiring connected to the semiconductor region SR1 functioning as the source, which raises concerns about the increase in size of the semiconductor device. Furthermore, when a potential other than the reference potential VSS or the power supply potential VDD is supplied to the buried electrode BE1, it is necessary to provide a voltage generation circuit, which raises concerns about the increase in size even further. According to this embodiment, the effect of miniaturization can be achieved in the case of MISFET2Tr as well.

<本実施の形態の半導体装置の製造方法について>
以下に、本実施の形態の半導体装置の製造方法を、図3および図6~図12を用いて説明する。ここでは、n型のMISFET1Trを例に、その製造方法を説明する。
<Regarding the Manufacturing Method of the Semiconductor Device of the Present Embodiment>
A method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described below with reference to Figure 3 and Figure 6 to Figure 12. Here, the manufacturing method will be described by taking an n-type MISFET 1Tr as an example.

図6は、半導体層SG1および半導体層SI1の形成工程である。支持基板である半導体基板SBの主面SBa上に半導体層SG1と、半導体層SI1とを順に形成する。次に、半導体基板SBに、素子分離層STIを形成して活性領域ACT1を規定する。活性領域ACT1において、半導体基板SBは、例えば、単結晶シリコン層からなる。半導体層SI1は、真性半導体層からなるシリコン層である。半導体層SG1は、所望のエッチング方法において、半導体層SI1に対してエッチッグレートの大きい膜で構成する。例えば、塩化水素ガスで選択的にエッチングできるシリコンゲルマニウム層などである。ここで、最初に、支持基板である半導体基板SBに、素子分離層STIで活性領域ACT1を規定した後に、活性領域ACT1において、半導体基板SBの主面SBa上に半導体層SG1と、半導体層SI1とを順に形成する工程を用いることもできる。 Figure 6 shows the process of forming the semiconductor layer SG1 and the semiconductor layer SI1. The semiconductor layer SG1 and the semiconductor layer SI1 are formed in order on the main surface SBa of the semiconductor substrate SB, which is a support substrate. Next, an element isolation layer STI is formed in the semiconductor substrate SB to define the active region ACT1. In the active region ACT1, the semiconductor substrate SB is made of, for example, a single crystal silicon layer. The semiconductor layer SI1 is a silicon layer made of an intrinsic semiconductor layer. The semiconductor layer SG1 is made of a film having a larger etching rate than the semiconductor layer SI1 in a desired etching method. For example, it is a silicon germanium layer that can be selectively etched with hydrogen chloride gas. Here, a process can also be used in which the active region ACT1 is first defined in the semiconductor substrate SB, which is a support substrate, by the element isolation layer STI, and then the semiconductor layer SG1 and the semiconductor layer SI1 are formed in order on the main surface SBa of the semiconductor substrate SB in the active region ACT1.

次に、図7は、ゲート電極GE1および半導体領域SR1の形成工程である。半導体層SI1上に選択的にゲート絶縁膜GI1とゲート電極GE1とからなる第1積層構造体を形成し、第1積層構造体の側壁上にサイドウォールスペーサSWを設ける。次に、第1積層構造体およびサイドウォールスペーサSWから露出した領域の半導体層SI1にn型不純物をイオン注入し、n型の半導体領域SR1を形成する。こうして、半導体層SI1には、ゲート電極GE1の下方に配置された半導体層(チャネル層)BD1と、半導体層(チャネル層)BD1の両側に位置する2つの半導体領域SR1と、が形成される。 Next, FIG. 7 shows the process of forming the gate electrode GE1 and the semiconductor region SR1. A first stack structure consisting of a gate insulating film GI1 and a gate electrode GE1 is selectively formed on the semiconductor layer SI1, and a sidewall spacer SW is provided on the sidewall of the first stack structure. Next, n-type impurities are ion-implanted into the semiconductor layer SI1 in the region exposed from the first stack structure and the sidewall spacer SW to form an n-type semiconductor region SR1. In this way, the semiconductor layer SI1 is formed with a semiconductor layer (channel layer) BD1 arranged below the gate electrode GE1 and two semiconductor regions SR1 located on both sides of the semiconductor layer (channel layer) BD1.

次に、図8は、半導体層SI1およびSG1のエッチング工程である。第1積層構造体、サイドウォールスペーサSWおよび2つの半導体領域SR1を覆うマスク層MKを設ける。マスク層MKは、2つの半導体領域SR1の素子分離層STIに近接する領域を露出している。マスク層MKから露出した部分の半導体層SI1および半導体層SG1にエッチングを実施し、半導体基板SBの主面SBaに達する開口OP1およびOP2を設ける。 Next, FIG. 8 shows the etching process of the semiconductor layers SI1 and SG1. A mask layer MK is provided to cover the first stacked structure, the sidewall spacer SW, and the two semiconductor regions SR1. The mask layer MK exposes the regions of the two semiconductor regions SR1 adjacent to the element isolation layer STI. The semiconductor layers SI1 and SG1 in the portions exposed from the mask layer MK are etched to provide openings OP1 and OP2 that reach the main surface SBa of the semiconductor substrate SB.

次に、図9は、半導体層SG1の除去工程である。図8に示す半導体層SG1を除去し、半導体層SI1と半導体基板SBの主面SBaとの間に、開口OP1およびOP2に連通する空洞CVを形成する。こうして、半導体層SI1、第1積層構造体、サイドウォールスペーサSWおよびマスク層MKからなる第2積層構造体を形成する。ここで、図2のY-Y´断面では、ゲート電極GE1を含む第1積層構造体は、素子分離層STIで支持されているので、開口OP1およびOP2、並びに、空洞CVを設けても第2積層構造体が半導体基板SBから紛失することはない。 Next, FIG. 9 shows the process of removing the semiconductor layer SG1. The semiconductor layer SG1 shown in FIG. 8 is removed, and a cavity CV is formed between the semiconductor layer SI1 and the main surface SBa of the semiconductor substrate SB, the cavity CV communicating with the openings OP1 and OP2. In this way, a second stacked structure is formed, which is made up of the semiconductor layer SI1, the first stacked structure, the sidewall spacer SW, and the mask layer MK. Here, in the Y-Y' cross section of FIG. 2, the first stacked structure including the gate electrode GE1 is supported by the element isolation layer STI, so that even if the openings OP1 and OP2 and the cavity CV are provided, the second stacked structure will not be lost from the semiconductor substrate SB.

次に、図10は、絶縁膜ZF1の形成工程である。半導体基板SBの主面SBaおよび第2積層構造体の周囲を覆うように絶縁膜ZF1を形成する。絶縁膜ZF1は、例えば酸化シリコン膜であり、その膜厚は、開口OP1および空洞CVは埋まらないが、開口OP2は埋まる程度とする。第2積層構造体の下面を覆う絶縁膜ZF1が、図3に示す埋込絶縁膜BZ1になるため、絶縁膜ZF1がゲート電極GE1のゲート長の1/10~1になるように、図9に示す開口OP1およびOP2、並びに、空洞CVのサイズを設定することとなる。 Next, FIG. 10 shows the process of forming the insulating film ZF1. The insulating film ZF1 is formed so as to cover the main surface SBa of the semiconductor substrate SB and the periphery of the second stacked structure. The insulating film ZF1 is, for example, a silicon oxide film, and its thickness is set so that the opening OP1 and the cavity CV are not filled, but the opening OP2 is filled. Since the insulating film ZF1 covering the lower surface of the second stacked structure becomes the buried insulating film BZ1 shown in FIG. 3, the sizes of the openings OP1 and OP2 and the cavity CV shown in FIG. 9 are set so that the insulating film ZF1 is 1/10 to 1 of the gate length of the gate electrode GE1.

次に、図11は、金属膜MFの形成工程である。開口OP1および空洞CVを埋めるように、半導体基板SB上に金属膜MFを形成する。 Next, FIG. 11 shows the process of forming the metal film MF. The metal film MF is formed on the semiconductor substrate SB so as to fill the opening OP1 and the cavity CV.

次に、図12は、金属膜MFのエッチング工程である。開口OP1および空洞CVを埋めるように金属膜MFを残して、第2積層構造体の上面および側壁上、さらに、素子分離層STI上の金属膜MFを除去する。こうして、互いに連通する開口OP1と空洞CVとに埋込電極BE1を形成する。 Next, FIG. 12 shows the etching process of the metal film MF. The metal film MF is removed from the upper surface and sidewalls of the second stacked structure and from the element isolation layer STI, leaving the metal film MF so as to fill the opening OP1 and the cavity CV. In this way, a buried electrode BE1 is formed in the opening OP1 and the cavity CV that are connected to each other.

次に、図3を用いて配線形成工程を説明する。半導体基板SB上に、例えば酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜ILを形成する。次に、層間絶縁膜ILに選択的に複数のプラグ(プラグ電極)PGを形成する。プラグ(プラグ電極)PGは、例えばタングステン等からなる。次に、層間絶縁膜IL上に複数の配線M1~M4を形成する。配線M1は、プラグ(プラグ電極)PGを介して埋込電極BE1とソースとして機能する半導体領域SR1とを接続している。 Next, the wiring formation process will be described with reference to FIG. 3. An interlayer insulating film IL made of, for example, a silicon oxide film is formed on the semiconductor substrate SB. Next, multiple plugs (plug electrodes) PG are selectively formed in the interlayer insulating film IL. The plugs (plug electrodes) PG are made of, for example, tungsten. Next, multiple wirings M1 to M4 are formed on the interlayer insulating film IL. The wiring M1 connects the buried electrode BE1 and the semiconductor region SR1 that functions as a source via the plug (plug electrode) PG.

以上のようにして、本実施の形態の半導体装置が製造される。 In this manner, the semiconductor device of this embodiment is manufactured.

図13は、従来技術の半導体装置を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置は、前述のMISFET1Trおよび2TrとともにMISFET3Trおよび4Trを同一の半導体基板SBに設けてもよい。 Figure 13 is a cross-sectional view showing a semiconductor device of the prior art. In the semiconductor device of this embodiment, MISFETs 3Tr and 4Tr may be provided on the same semiconductor substrate SB along with the previously described MISFETs 1Tr and 2Tr.

MISFET3Trは、SOI-MISFETであり、半導体基板SBの主面SBaに埋込絶縁膜BZ3を介して半導体層SI3が設けられ、半導体層SI3にはソースおよびドレインとして機能する2つの半導体領域SR3と半導体層(チャネル層)BD3とが形成されている。そして、半導体層(チャネル層)BD3上にはゲート絶縁膜GI3を介してゲート電極GE3が配置され、半導体層(チャネル層)BD3の下にはウェル領域PW3が配置されている。ウェル領域PW3に所望の電位を印加して半導体層(チャネル層)BD3の電位を制御し、ドレイン電圧のソースへ影響を遮蔽することで短チャネル効果を抑制することができる。 MISFET3Tr is an SOI-MISFET, in which a semiconductor layer SI3 is provided on the main surface SBa of a semiconductor substrate SB via a buried insulating film BZ3, and two semiconductor regions SR3 functioning as a source and a drain, and a semiconductor layer (channel layer) BD3 are formed in the semiconductor layer SI3. A gate electrode GE3 is disposed on the semiconductor layer (channel layer) BD3 via a gate insulating film GI3, and a well region PW3 is disposed below the semiconductor layer (channel layer) BD3. A desired potential is applied to the well region PW3 to control the potential of the semiconductor layer (channel layer) BD3, and the short channel effect can be suppressed by shielding the influence of the drain voltage on the source.

MISFET4Trは、半導体基板SBの主面SBaにゲート絶縁膜GI4を介して形成されたゲート電極GE4と、ソースおよびドレインとして機能する2つの半導体領域SR4とを有する。MISFET4Trは、半導体基板SBに形成されたウェル領域PW4に設けられ、チャネルはウェル領域PW4に形成される。 MISFET4Tr has a gate electrode GE4 formed on the main surface SBa of the semiconductor substrate SB via a gate insulating film GI4, and two semiconductor regions SR4 functioning as a source and a drain. MISFET4Tr is provided in a well region PW4 formed in the semiconductor substrate SB, and a channel is formed in the well region PW4.

以上、本願発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。 The invention made by the inventor of the present application has been specifically described above based on the embodiment thereof, but it goes without saying that the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible without departing from the gist of the invention.

1Tr、2Tr,3Tr,4Tr MISFET
ACT1,ACT2 活性領域
BD1,BD2,BD3 半導体層(チャネル層)
BE1,BE2,BE3 埋込電極(バックゲート)
BZ1,BZ2,BZ3 埋込絶縁層
CV 空洞
DNW ウェル領域
GE1、GE2,GE3、GE4 ゲート電極
GI1、GI2,GI3、GI4 ゲート絶縁膜
IL 層間絶縁膜
MF 金属膜(金属層)
MK マスク層
M1,M2,M3,M4 配線
OP1,OP2 開口
PG プラグ(プラグ電極)
PW3,PW4 ウェル領域
SB 半導体基板
SBa 主面
SBb 裏面
SG1 半導体層
SI1,SI2,SI3 半導体層(SOI層)
SR1,SR2,SR3,SR4 半導体領域(ソース、ドレイン)
STI 素子分離層
SW サイドウォールスペーサ
SZ1,SZ2,SZ3 支持絶縁層
VDD 電源電位
VSS 基準電位
ZF1 絶縁膜
1Tr, 2Tr, 3Tr, 4Tr MISFET
ACT1, ACT2: active regions BD1, BD2, BD3: semiconductor layer (channel layer)
BE1, BE2, BE3: Buried electrodes (back gate)
BZ1, BZ2, BZ3 Buried insulating layer CV Cavity DNW Well region GE1, GE2, GE3, GE4 Gate electrodes GI1, GI2, GI3, GI4 Gate insulating film IL Interlayer insulating film MF Metal film (metal layer)
MK mask layer M1, M2, M3, M4 wiring OP1, OP2 opening PG plug (plug electrode)
PW3, PW4 Well region SB Semiconductor substrate SBa Main surface SBb Back surface SG1 Semiconductor layers SI1, SI2, SI3 Semiconductor layer (SOI layer)
SR1, SR2, SR3, SR4 Semiconductor regions (source, drain)
STI Element isolation layer SW Sidewall spacers SZ1, SZ2, SZ3 Support insulating layer VDD Power supply potential VSS Reference potential ZF1 Insulating film

Claims (3)

(a)半導体基板の主面上に第1半導体層およびシリコンからなる第2半導体層を順に形成する工程、
(b)前記半導体基板において、素子分離層によって活性領域を規定する工程、
(c)前記第2半導体層上にゲート絶縁膜およびゲート電極を順に形成する工程、
(d)前記ゲート電極の両端において、前記第2半導体層に不純物を導入して第1半導体領域および第2半導体領域を形成する工程、
(e)前記ゲート電極と、前記第1半導体領域の一部とを覆うマスク層を形成し、前記マスク層から露出した前記第2半導体層および前記第1半導体層を除去して前記半導体基板の前記主面を露出する開口を形成する工程、
(f)前記半導体基板と前記第2半導体層との間に存在する前記第1半導体層を除去し、前記開口に繋がる空洞を形成する工程、
(g)前記半導体基板の前記主面と、前記第2半導体層と前記マスク層とからなる積層構造体の周囲とに絶縁膜を形成する工程、
(h)前記開口および前記空洞を埋めるように、金属層からなる埋込電極を形成する工程、
(i)前記埋込電極と前記第1半導体領域とを接続する配線を形成する工程、
を有する、半導体装置の製造方法。
(a) forming a first semiconductor layer and a second semiconductor layer made of silicon in sequence on a major surface of a semiconductor substrate;
(b) defining an active region in the semiconductor substrate by an isolation layer;
(c) forming a gate insulating film and a gate electrode in sequence on the second semiconductor layer;
(d) introducing impurities into the second semiconductor layer at both ends of the gate electrode to form a first semiconductor region and a second semiconductor region;
(e) forming a mask layer covering the gate electrode and a portion of the first semiconductor region, and removing the second semiconductor layer and the first semiconductor layer exposed from the mask layer to form an opening exposing the main surface of the semiconductor substrate;
(f) removing the first semiconductor layer present between the semiconductor substrate and the second semiconductor layer to form a cavity communicating with the opening;
(g) forming an insulating film on the main surface of the semiconductor substrate and around a stacked structure including the second semiconductor layer and the mask layer;
(h) forming a buried electrode made of a metal layer so as to fill the opening and the cavity;
(i) forming wiring connecting the buried electrode and the first semiconductor region;
The method for manufacturing a semiconductor device comprising the steps of:
請求項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物は、n型の不純物であり、
前記配線には、基準電位が供給され、
前記金属層の仕事関数は、4.6eVよりも大きい、半導体装置の製造法。
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 ,
the impurity is an n-type impurity,
A reference potential is supplied to the wiring,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the metal layer has a work function greater than 4.6 eV.
請求項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不純物は、p型の不純物であり、
前記配線には、電源電位が供給され、
前記金属層の仕事関数は、4.6eV以下である、半導体装置の製造法。
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 ,
the impurity is a p-type impurity,
A power supply potential is supplied to the wiring,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the metal layer has a work function of 4.6 eV or less.
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