JP2001102582A - Mosトランジスタ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
てCMOS−ゲート走行時間が向上しかつ立上がり電流
も改善されたMOSトランジスタを提供すること。 【解決手段】 半導体基板内に、第1の導電形にドーピ
ングされたウエルを設け前記ドーピングされたウエルの
表面に、エピタキシャル層を配設し、該エピタキシャル
層は、1017cm-3よりも少ないドーピング濃度を有し、
前記エピタキシャル層内に、第1の導電形とは逆の第2
の導電形にドーピングされたソース/ドレイン領域とチ
ャネル領域を配設し、前記ソース/ドレイン領域の深さ
は、前記エピタキシャル層の厚さよりも少ないか同じで
あるように構成する。
Description
タ及びその製造方法に関する。
開発においては、VT−ロールオフ、ドレイン・インデ
ュース・バリア・ロアリング、パンチスルー効果などの
ショートチャネル効果を抑制することと、同時にトラン
ジスタの十分に高いしきい値電圧を保証することが必要
な手段として求められる(ゲート誘電体の厚さはチャネ
ル長と共に低減するので)。
i, Proc. ESSERTC 1996. P.505-514;T. Ohguro et al,
IEDM Tech. Digest 1993, P.433-436; L. Risch et a
l, Proc. ESSDERC 196, P.321-324”からは、直流電流
パラメータの改善、特にチャネル領域における電荷キャ
リア移動度の改善のために、従来のショートチャネルト
ランジスタの半導体基板上で、チャネル領域における縦
方向の電界絶対値を低減することが提案されている。こ
のチャネル領域における縦方向の電界は、電荷キャリア
移動度の決定に強い影響を与えている。縦方向の電界を
低減するためには、チャネル領域のドーピング濃度の低
減が必要であるが、しかしながらこのことは、横方向の
ドレイン領域の影響をも高め、これは不所望なショート
チャネル効果に結び付く。
スタを、約1018cm-3のドーピング濃度でより高濃度
にドーピングされた半導体基板上に実現し、チャネル領
域にはドーピングされていない20nm〜50nmの薄
いエピタキシャル層を設けることが提案されている。し
かしながらこの場合には、製造プロセスにおいて、高濃
度のドーピング領域が半導体基板側からチャネル領域内
へ拡散しないように注意を払わなければならない。ソー
ス/ドレイン領域は、高濃度ドーピングされた基板内ま
で進入する。チャネル領域内のドーピング濃度の影響
は、ゲート誘電体との間隔に伴ってしきい値電圧を強く
低減させるので、ゲート電極材料としてポリシリコンを
備えたこの提案では、十分に高いしきい値電圧は得られ
ない。それ故に、新たなゲート材料(例えばSiGe)の投
入が必要である。
ピング濃度勾配が構造部の縮小化に伴って十分なスケー
リングを伴わないために、トランジスタのスイッチオン
状態における電流の増加が常に低下し続ける。
ネルMOSトランジスタをSOI基板において実現する
ことが提案されており、この場合は支持基板上に絶縁層
と単結晶シリコン層を有している。このトランジスタの
活性領域は、単結晶シリコン層内で実現され、それによ
って、ソース/ドレイン領域のキャパシタンスは、基板
に対して低減される。この代替案の欠点は、SOI基板
自体の価格が高いことと、このSOI基板による単結晶
シリコン層の欠陥密度が高いことである。
ートチャネルMOSトランジスタとしてCMOS−ゲー
ト走行時間が改善されかつ出力電流も改善されたMOS
トランジスタを提供すること、及びこのようなMOSト
ランジスタの製造方法を提供することである。
り、半導体基板内に、第1の導電形にドーピングされた
ウエルが設けられており、前記ドーピングされたウエル
の表面に、エピタキシャル層が配設されており、該エピ
タキシャル層は、1017cm-3よりも少ないドーピング濃
度を有しており、前記エピタキシャル層内に、第1の導
電形とは逆の第2の導電形にドーピングされたソース/
ドレイン領域とチャネル領域が配設されており、前記ソ
ース/ドレイン領域の深さは、前記エピタキシャル層の
厚さよりも少ないか同じであるように構成されて解決さ
れる。また前記課題は、本発明により、半導体基板内
に、第1の導電形にドーピングされるウエルを形成し、
前記ドーピングされたウエルの表面に、エピタキシャル
層を成長させ、該エピタキシャル層は、1017cm-3より
も少ないドーピング濃度を有しており、前記エピタキシ
ャル層の表面にゲート誘電体を形成し、前記ゲート誘電
体の漂目にゲート電極を形成し、前記エピタキシャル層
内に、第1の導電形とは逆の第2の導電形にドーピング
されるソース/ドレイン領域を形成し、該ソース/ドレイ
ン領域の深さは、前記エピタキシャル層の厚さよりも少
ないか同じであるようにして解決される。
に記載されている。
ーピングされたウエルが設けられている。このドーピン
グウエルの表面にはエピタキシャル層が設けられてお
り、このエピタキシャル層は、1017cm-3よりも少な
いドーピング濃度を有している。このエピタキシャル層
内には、第1の導電形とは逆の第2の導電形にドーピン
グされたソース/ドレイン領域と、チャネル領域が設け
られている。この場合このソース/ドレイン領域の深さ
は、エピタキシャル層の厚さと同じかまたは薄い。その
際の深さとして、エピタキシャル層表面から、該エピタ
キシャル層表面に対して垂直方向の膨張度が表わされて
いる。
レイン領域が低濃度ドーピングされたエピタキシャル層
内に配置されるので、ソース/ドレイン領域のキャパシ
タンスが著しく低減される。それ故にこのMOSトラン
ジスタは、0Vの駆動電圧のもとで改善されたゲート走
行時間と改善された出力電流特性を示す。このMOSト
ランジスタは、比較可能な基板接続のもとに速度に関し
て、SOI基板の単結晶シリコン層内で実現されるMO
Sトランジスタに匹敵するものである。
板が適している。
トランジスタの製造に対して有利には、エピタキシャル
層の厚さが100nm〜200nmの間で選択される。
においてソース/ドレイン領域の間に次のようなドーピ
ング層が設けられる。すなわちその深さがソース/ドレ
イン領域の深さよりも少なく、その厚さもエピタキシャ
ル層の厚さよりも薄く、そして第1の導電形にドーピン
グされた層、つまり前述したドーピングウエルと同じ導
電形にドーピングされた層が設けられる。このようにド
ーピングされた層の配設によって、MOSトランジスタ
のしきい値電圧は設定される。このようにして非常に薄
いゲート誘電体のもとでも十分に高いしきい値電圧が得
られるようになる。
ピタキシャル層表面と、該エピタキシャル層表面に対し
て垂直方向のエピタキシャル層材料に対するソース/ド
レイン領域境界面との間の間隔が示される。
m〜50nmの間の深さに配置される。この層は有利に
は10nm〜50nmの間の厚さを有する。ドーピング
濃度は有利には、5×1017〜5×1018cm-3の間で
ある。ゲート誘電体の厚さは有利には、2nm〜4nm
の間である。
は、最初に述べたタイプでドーピングされた層の下方
に、第1の導電形にドーピングされたさらなる層が配設
される。その場合このさらなるドーピングされた層はエ
ピタキシャル層内に配置されてもよいし、高濃度ドーピ
ングされたウエルとエピタキシャル層の間の境界面に配
置されてもよい。
50nm〜200nmの間の深さで配設され、10nm
〜50nmの間の厚さを有している。このさらなるドー
ピング層のドーピング濃度は、有利には1017から5×
1018cm-3である。
しては、半導体基板中にまず第1の導電形にドーピング
されたウエルが形成される。このドーピングされたウエ
ルの表面にエピタキシャル層が成長される。このエピタ
キシャル層は有利にはドーピングなしで成長される。し
かしながら通常は、エピタキシャル反応装置内に存在す
る不純物のためにこの成長されたエピタキシャル層は実
際にはわずかだけドーピングされる。このエピタキシャ
ル層は、1017cm-3よりも少ないドーピング濃度を有
する。
とゲート電極が形成される。エピタキシャル層内には第
1の導電形とは逆の第2の導電形にドーピングされたソ
ース/ドレイン領域が形成される。その深さは当該エピ
タキシャル層の厚さよりも少ない。シャープな境界のド
ーピング層を形成するために(専門分野ではデルタドー
ピング層とも称される)、有利には、このドーピング層
がエピタキシャル層成長の際に元の位置でドーピングさ
れる平行成長(insitu-dotierte Epitaxie)によって所
望の深さで形成される。
ト誘電体による埋込みによって形成される。この利点
は、ドーピングされた層のプロファイルが、ゲート誘電
体の形成の際ではなく、通常の熱酸化の実施のもとでな
されることである。
ングされた層の下方にさらなるドーピングされた層が形
成される。この層は有利には、ドーピングウエルの製造
の後で、非ドーピングエピタキシャル層の成長の前に埋
込みによって形成される。
の製造に対しては、まず第1のドーピングウエル(これ
は第1の導電形にドーピングされ第1のMOSトランジ
スタの収容のために定められる)が形成され、そして第
2のドーピングウエル(これは第2の導電形にドーピン
グされ、第1のMOSトランジスタを補足する第2のM
OSトランジスタの収容のために定められる)が形成さ
れる。第1のドーピングウエルと第2のドーピングウエ
ルの表面には、2つの相補的MOSトランジスタのため
の共通のエピタキシャル層が成長される。このエピタキ
シャル層は、1017cm-3よりも少ないドーピング濃度
を有している。このエピタキシャル層の表面には、ゲー
ト誘電体が形成される。このエピタキシャル層とゲート
誘電体の間の少ない表面粗度に関して最適化された境界
層に対して有利には、ゲート誘電体がエピタキシャル層
の成長直後に被着される。このゲート誘電体の表面には
第1のゲート電極と第2のゲート電極が形成される。エ
ピタキシャル層においては、第2の導電形にドーピング
された第1のソース/ドレイン領域と、第1の導電形に
ドーピングされ第2のソース/ドレイン領域が形成され
る。それらの厚さは、エピタキシャル層の厚さよりも薄
いか同じである。
電圧の相互に依存しない設定に対して有利には、第1の
ウエルの上方に、第1の導電形にドーピングされた第1
のドーピング層が形成され、第2のウエルの上方に第2
の導電形にドーピングされた第2のドーピング層が形成
される。
は、第1のドーピング層と第2のドーピング層の下方
に、さらなるドーピング層が形成される。このさらなる
ドーピング層の導電形は、パンチスルー効果が第1のM
OSトランジスタのもとでも第2のMOSトランジスタ
のもとでも生じないように調整される。
細に説明する。
たウエル2とn形ドーピングされたウエル3が設けられ
る。この半導体基板1は、1015〜1017cm-3の範囲
で基本ドーピングされた単結晶シリコン基板である。p
形ドーピングされたウエル2とn形ドーピングされたウ
エル3の上方領域には、ノンパンチスルー層4が配設さ
れている。この層はn形ドーピングされており、例えば
5×1017cm-3のドーピング濃度を有している(図1
参照)。
濃度は、3×1017cm-3Borである。また前記n形ド
ーピングウエル3のドーピング濃度は、2×1017cm
-3 Phosphorである。
ングされていないエピタキシャル層5が設けられる。ド
ーピングされていないエピタキシャル層5は、1017c
m-3よりも低いドーピング濃度を有している。
1内へ達している絶縁トレンチ6は、n導電形のチャネ
ル領域を有する第1のMOSトランジスタと、p導電形
チャネル領域を有する第1のMOSトランジスタに対す
る活性領域を定めている。
グされたソース/ドレイン領域7が第1のMOSトラン
ジスタに対して設けられ、p形ドーピングされたソース
/ドレイン領域8は第2のMOSトランジスタに対して
設けられている。このn形ドーピングされたソース/ド
レイン領域7とp形ドーピングされたソース/ドレイン
領域8は、それぞれLDD(Lightly doped drain)プロ
ファイルとHDD(Highlydoped drain)プロファイルを
有している。その際n形ドーピングされたソース/ドレ
イン領域7におけるドーピング濃度は、LDDプロファ
イルに対して1018〜1019cm-3 Arsenであり、HD
Dプロファイルに対しては>1020cm-3 Arsenであ
る。p形ドーピングされたソース/ドレイン領域8にお
けるドーピング濃度は、LDDプロファイルに対しては
1018〜1019cm-3 BF2であり、HDDプロファイル
に対しては>1020cm-3 Borである。
形ドーピングされたソース/ドレイン領域7の間に、p
形ドーピングされた層9が設けられている。このp形ド
ーピング層9は1018cm-3 Bor のドーピング濃度を
有している。
形ドーピングされたソース/ドレイン領域8の間に、n
形ドーピングされた層10が設けられている。このn形
ドーピング層10は1018cm-3 Arsen のドーピング
濃度を有している。n形ドーピングされたソース/ドレ
イン領域7とp形ドーピングされたソース/ドレイン領
域8の間では、エピタキシャル層5の表面にゲート誘電
体1が配設されている。このゲート誘電体は、2nm〜
4nmの層厚さの窒化処理されたSiO2を含んでい
る。第1のMOSトランジスタの領域には、ゲート誘電
体11の上方にゲート電極12が設けられており、この
ゲート電極12は、n+形ドーピングされたポリシリコ
ンとチタンケイ化物を含んでいる。第2のMOSトラン
ジスタの領域には、ゲート誘電体11の上方に、ゲート
電極13が設けられており、このゲート電極13は、p
+ドーピングされたポリシリコンとチタンケイ化物を含
んでいる。
体11とエピタキシャル層5の間の境界面から10nm
〜50nmの間隔をおいて設けられており、10nm〜
50nmの厚さを有している。n形ドーピングされた層
10は、ゲート誘電体11とエピタキシャル層5の間の
境界面から10nm〜50nmの間隔をおいて設けられ
ており、これも10nm〜50nmの厚さを有してい
る。
ーピング濃度プロファイルが示されており、図3には第
2のMOSトランジスタのドーピング濃度プロファイル
が示されている。それぞれドーピング濃度Cは、深さ
T、すなわちゲート誘電体11とエピタキシャル層5の
間の境界面の間の垂直方向の間隔の関数として示されて
いる。このグラフ上方には、ドーピングされないエピタ
キシャル層5の膨張度と半導体基板1の膨張度が双方向
の矢印でプロットされている。これらのドーピングプロ
ファイルは、それぞれ所属のトランジスタ領域の符号で
表わされている。
導体基板1においてホウ素を用いたマスキングインプラ
ンテーションにおいて、120keVのエネルギと10
13cm-3の供与量によってp形ドーピングされたウエル
2が形成される。このp形ドーピングされたウエル2の
インプランテーションの際には、当該p形ドーピングさ
れるウエル2以外の領域を覆うマスクが用いられる。n
形ドーピングされるウエル3のインプランテーションの
際には、当該n形ドーピングされるウエル3以外の領域
を覆うマスクが用いられる。
ンテーションにおいて、10keVのエネルギと3×1
012cm-3の供与量によってノンパンチスルー層4の形
成される過程を説明する。
速な温度ステップ(RTA)において活性化される。
ピングされないエピタキシャル層5が100nmの層厚
さでCVD反応装置において成長される(図5参照)。
ては、エピタキシャル層5内においてトレンチがエッチ
ングによって形成され、絶縁材料、例えば二酸化シリコ
ンによって充填される(図6参照)。このアイソレーシ
ョントレンチ6は、p形ドーピングされたウエル2とn
形ドーピングされたウエル3の領域内まで達している。
これによりこのアイソレーショントレンチ6は、エピタ
キシャル層5とノンパンチスルー層4を貫通分離させて
いる。
とポリシリコン層14が被着される。p形ドーピングさ
れたウエル2以外の領域がマスクによって覆われる、マ
スキングインプランテーションによって、p形ドーピン
グされたウエル2の上方に、p形ドーピングされた層9
が形成される。このインプランテーションは、ホウ素を
用いて20keVのエネルギと1013cm-3の供与量に
よって行われる。それに続いてn形ドーピングされたウ
エル3以外の領域がマスクによって覆われる、マスキン
グインプランテーションによって、n形ドーピングされ
たウエル3上方のエピタキシャル層5内に、n形ドーピ
ングされた層10が形成される。このインプランテーシ
ョンは、ヒ素を用いて180keVのエネルギと1013
cm-3の供与量によって行われる。
構造化と、n形ドーピングされたソース/ドレイン領域
7とp形ドーピングされたソース/ドレイン領域8の製
造のためのマスキングされたインプランテーションによ
って、第1のMOSトランジスタと第2のMOSトラン
ジスタが完成される。ソース/ドレインインプランテー
ションの場合、ゲート電極12はn+ドーピングされ、
ゲート電極13はp+ドーピングされる。
的な第2のMOSトランジスタを備えた半導体基板の断
面図である。
プロフィルを表わした図である。
プロフィルを表わした図である。
ンジスタの製造過程の製造ステップを示した図である。
ンジスタの製造過程の製造ステップを示した図である。
ンジスタの製造過程の製造ステップを示した図である。
Claims (14)
- 【請求項1】 MOSトランジスタにおいて、 半導体基板内に、第1の導電形にドーピングされたウエ
ルが設けられており、 前記ドーピングされたウエルの表面に、エピタキシャル
層が配設されており、該エピタキシャル層は、1017cm
-3よりも少ないドーピング濃度を有しており、 前記エピタキシャル層内に、第1の導電形とは逆の第2
の導電形にドーピングされたソース/ドレイン領域とチ
ャネル領域が配設されており、 前記ソース/ドレイン領域の深さは、前記エピタキシャ
ル層の厚さよりも少ないか同じであることを特徴とする
MOSトランジスタ。 - 【請求項2】 前記エピタキシャル層の厚さは、100
nm〜200nmの間である、請求項1記載のMOSト
ランジスタ。 - 【請求項3】 前記エピタキシャル層内のソース/ドレ
イン領域の間に、第1の導電形にドーピングされている
層が設けられており、この層の深さはソース/ドレイン
領域の深さよりも少なくかつその厚さはエピタキシャル
層の厚さよりも薄い、請求項1または2記載のMOSト
ランジスタ。 - 【請求項4】 前記ドーピングされている層は、10n
m〜50nmの間の深さで配設されており、かつ10n
m〜50nmの間の厚さを有し、かつ5×1017〜5×
1018cm-3の間のドーピング濃度を有している、請求
項3記載のMOSトランジスタ。 - 【請求項5】 前記エピタキシャル層内おいて前記ドー
ピングされている層の下方に、第1の導電形にドーピン
グされたさらなるドーピング層が配設されている、請求
項3または4記載のMOSトランジスタ。 - 【請求項6】 前記さらなるドーピング層は、50nm
〜200nmの間の深さで配設されており、かつ10n
m〜50nmの間の厚さを有し、かつ1017〜5×10
18cm-3の間のドーピング濃度を有している、請求項5
記載のMOSトランジスタ。 - 【請求項7】 MOSトランジスタの製造方法におい
て、 半導体基板内に、第1の導電形にドーピングされるウエ
ルを形成し、 前記ドーピングされたウエルの表面に、エピタキシャル
層を成長させ、該エピタキシャル層は、1017cm-3より
も少ないドーピング濃度を有しており、 前記エピタキシャル層の表面にゲート誘電体を形成し、 前記ゲート誘電体の漂目にゲート電極を形成し、 前記エピタキシャル層内に、第1の導電形とは逆の第2
の導電形にドーピングされるソース/ドレイン領域を形
成し、該ソース/ドレイン領域の深さは、前記エピタキ
シャル層の厚さよりも少ないか同じであるようにするこ
とを特徴とする方法。 - 【請求項8】 前記エピタキシャル層内に、第1の導電
形にドーピングされる層を形成する、請求項7記載の方
法。 - 【請求項9】 前記ドーピングされる層は、エピタキシ
ャル層の成長の際に元の位置でドーピングされる平行成
長(insitu-dotierte Epitaxie)によって形成される、
請求項8記載の方法。 - 【請求項10】 前記ドーピングされる層は、ゲート誘
電体を貫通するインプランテーションによって形成され
る、請求項8記載の方法。 - 【請求項11】 前記最初にドーピングされる層の下方
に、第1の導電形にドーピングされるさらなるドーピン
グ層が形成される、請求項8から10いずれか1項記載
の方法。 - 【請求項12】 2つの相補形MOSトランジスタを形
成し、 第1の導電形にドーピングされ第1のMOSトランジス
タの収容のために定められる第1のドーピングウエル
と、第2の導電形にドーピングされ第2のMOSトラン
ジスタの収容のために定められる第2のドーピングウエ
ルとを形成し、 前記第1のドーピングウエルと第2のドーピングウエル
の表面に前記2つの相補形MOSトランジスタのための
共通のエピタキシャル層を成長させ、該エピタキシャル
層は、1017cm-3よりも少ないドーピング濃度を有し
ており、 前記エピタキシャル層の表面にゲート誘電体を形成し、 前記ゲート誘電体の表面に第1のゲート電極と第2のゲ
ート電極を形成し、 前記エピタキシャル層内に、第2の導電形にドーピング
される第1のソース/ドレイン領域と、第1の導電形に
ドーピングされる第2のソース/ドレイン領域を形成
し、それらの深さは、エピタキシャル層の厚さよりも薄
いか同じであるようにする、請求項7から11いずれか
1項記載の方法。 - 【請求項13】 前記エピタキシャル層内で、第1のウ
エルの上方に第1の導電形にドーピングされる第1のド
ーピング層が形成され、第2のウエル上方に、第2の導
電形にドーピングされる第2のドーピング層が形成され
る、請求項12記載の方法。 - 【請求項14】 前記第1のドーピング層と第2のドー
ピング層の下方に、さらなるドーピング層が形成され
る、請求項13記載の方法。
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