JP2004079748A - Insulated gate field effect transistor and its manufacturing method - Google Patents

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小松 裕司
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing an insulated gate field effect transistor, which is capable of easily improving it in characteristics and reliability and ensuring the degree of freedom of design for it, and to provide an insulated gate field effect transistor which has a source/drain structure and is suitable for ensuring superior characteristics and reliability. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the insulated gate field effect transistor comprises a first process of forming a sacrificial layer 7 on a semiconductor 4, second process of forming first source/drain regions 8 in the semiconductor 4 by implantation of ions as the sacrificial layer 7 is used as a mask, third process of covering the sacrificial layer 7 and its vicinity with a thick insulating film 9, fourth process of exposing the top surface of the sacrificial layer 7 and removing the sacrificial layer 7, fifth process of forming a gate insulating film 10 on the surface of the semiconductor 4 where the sacrificial layer 7 has been removed, and sixth process of forming a level difference by the use of the gate insulating film 10 and the thick insulating film 9, seventh process of forming a gate electrode on each side face of the level difference, and eight process of forming a second source/drain region 12 (shown in Figure 4). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、2つのソース・ドレイン領域が非対称に形成されている絶縁ゲート電界効果トランジスタと、その製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子の微細化により、半導体集積回路の集積度がスケーリング則に従って2〜3年で2倍のペースで向上している。それによって、半導体集積回路の高速化と低消費電力が進展している。
半導体素子、特にMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field Effect Transistor)の微細化は、主に、ゲート電極のサイズ縮小、ゲート酸化膜の薄膜化、および、不純物プロファイルの最適化によって達成される。不純物プロファイルの最適化において、トランジスタのチャネル濃度の最適化のほかに、チャネル形成領域との境界近傍におけるソース・ドレイン領域の不純物プロファイルを精度よく制御して、例えば浅い接合の形成を如何に形成するかが重要である。これによって、トランジスタの駆動能力の向上、寄生容量の低減等が図られ、微細化による特性低下を補償し、あるいは逆に特性を更に向上させる。
【0003】
チャネル形成領域とソース領域またはドレイン領域との近傍における、精度がよい浅い接合の形成技術は、素子の微細化および高性能化にとって重要で不可欠である。浅い接合を形成するための不純物プロファイルの高精度な制御によって、素子の微細化に伴って生じる様々な問題の克服、例えばVthロールオフ特性の維持や改善、あるいは、寄生抵抗の増大の抑制や低減が可能となる。
【0004】
とくに近年のように微細化が進むと、S/Dエクステンション(Extension)と称される不純物領域(以下、S/Dエクステンション部、または、単に、エクステンション部という)の不純物プロファイル制御が、素子の微細化および高性能化の進度をほぼ決定するようになる。
ドレイン側のS/Dエクステンション部では、接合が深くなる程、空乏層がゲート直下のより深い部分でドレイン電圧に応じて広がり(DIBL;Drain Induced Barrier Lowering)、パンチスルーによるリーク電流が増大してしまう。従って、ドレイン側のS/Dエクステンション部では素子の微細化のためには、より浅くて急峻な接合が必要とされている。
これと同時に、ゲート酸化膜の信頼性を維持するために、ドレイン端でのチャネル方向の電界を緩和して、ホットキャリアの発生を抑制する必要がある。
これらに主眼を置いて、ドレイン領域におけるS/Dエクステンション部の不純物プロファイルを最適化する必要がある。
【0005】
一方、ソース領域におけるS/Dエクステンション部の不純物プロファイルについては、とくにソース抵抗の低減の観点からの最適化が重要である。
例えば、微細MOSFETの多くで採用されている自己整合シリサイド(サリサイド)形成技術において、ゲートとソースとの間、または、ゲートとドレインとの間のショートを防止するために、サイドウォール・スペーサ(Side Wall Spacer)を形成した後で自己整合シリサイドが形成される。サイドウォール・スペーサの直下にS/Dエクステンション部があり、この部分はシリサイド化されない。したがって、特性が低下しないように、ソース側のS/Dエクステンション部の抵抗を十分下げておく必要がある。
【0006】
このように、ソース領域およびドレイン領域は、それぞれの不純物領域に対する要求事項が異なり、お互いに相反する特性が求められている。
ところが、S/Dエクステンション部は、通常、ソース側とドレイン側で一括して形成されるため不純物プロファイルの設計にトレードオフ(trade off)が存在する。つまり、ソース側のS/Dエクステンション部に要求される不純物プロファイルと、ドレイン側のS/Dエクステンション部に要求される不純物プロファイルとを同時に実現することが難しく、要求される特性を十分に満足できないという問題がある。
【0007】
この問題を克服するために、ゲート電極に対して高濃度不純物イオンを斜めに注入してソースとドレインとを非対称に作製したトランジスタの特性についての報告が知られている(例えば、非特許文献1参照)。
【0008】
図6に、斜めイオン注入時のMOSFETの断面図を示す。
図6に図解したMOSFETは、SOI型の基板分離構造を有する。基板100に埋め込み絶縁膜101が形成され、埋め込み絶縁膜101の上に単結晶シリコンからなるSOI層102が形成されている。SOI層102の一部が絶縁化され、素子分離絶縁層103が形成されている。絶縁化されていないSIO層102の表面に、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜104が形成されている。ゲート絶縁膜の上にゲート電極105が形成されている。
【0009】
図6に図解した段階まで形成された状態で、S/Dエクステンション部を含むソース・ドレイン領域を形成するためにイオン注入を行う。具体的に、NMOSの場合、N型の不純物イオンを、例えば基板に垂直な向きと、その垂直位置から斜めに所定角度をもつ向きとの間で注入角度を変化させながらイオン注入する。
これにより、ゲート電極105の一方側と他方側のSOI層102の部分に、それぞれN型の不純物領域が形成される。但し、ゲート電極105の影になる部分にイオンが注入されないため、一方側の不純物プロファイルと他方側の不純物プロファイルが異なったものとなる。ゲート電極に近い部分が高濃度となる側をソース領域とし、比較的低い濃度となる側をドレイン領域とする。その結果、ソースとドレインの不純物プロファイル、特にゲート近傍での濃度差に差を設けることができる。
【0010】
【非特許文献1】
T.Ghani他6名、“Asymmetric Source/Drain Extension TransistorStructure for High Performance Sub−50nm CMOS Devices”、2001
Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Paper、
Figure1,Figure2
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、斜めイオン注入による非対称トランジスタの形成方法においては、次のような幾つかの解決すべき課題が残されている。
【0012】
第1に、不純物イオンが打ち込まれやすい側をソースとし、ゲート電極の影になって不純物イオンが打ち込まれにくく、その濃度が低くなる側をドレインにしなければならない。つまり、トランジスタの配置が、ゲート電極に対するソースとドレインの位置関係において規制され、レイアウト上の自由度が小さい。トランジスタのゲートパターンは、イオンの注入方向に対して基本的に同じ向きにしなければ特性が変動してしまう。
【0013】
第2に、ソース領域とドレイン領域の非対称性が、斜めイオン注入の条件のほかにゲート電極の高さに影響され、この点でデバイス構造の設計における自由度が小さい。
【0014】
第3に、ソース領域とドレイン領域とに対する熱処理は、必然的に同じものが施される。したがって、実効的な熱プロセスを両者で変化させることは不可能である。この点で、濃度プロファイルを厳密に制御し、最適化することが容易でない。
例えば、ボディ電位が電気的に浮遊状態となっているSOIトランジスタでは、オフ電流(接合リーク電流)を増加させずにFBE(Floating Body Effect)を抑制させたいとの要求がある。この場合、キャリアのライフタイム(Life Time)をソースとドレインとで別々に制御するのが最も有効である。ライフタイムをソースとドレインで変化させるには、ソースとドレインの2つの不純物領域でそれぞれ形成時の熱プロセスを変更させるのが最も有効な手段である。ところが、ライフタイムの制御が不純物領域形成時の熱プロセスと切り離しては制御できないため、ライフタイムをソースとドレインで変化させるような制御が不可能である。
【0015】
本発明の第1の目的は、特性および信頼性の向上、設計の自由度の確保が容易な絶縁ゲート電界効果トランジスタの製造方法を提供することである。
本発明の第2の目的は、優れた特性および信頼性の確保に適したソース・ドレイン構造の絶縁ゲート電界効果トランジスタを提供することである。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る絶縁ゲート電界効果トランジスタの製造方法は、上述した第1の目的を達成するためのものであり、チャネルが形成される半導体の上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層をマスクとしたイオン注入により前記半導体に第1のソース・ドレイン領域を形成する工程と、前記犠牲層の周囲を厚い絶縁膜で覆う工程と、前記犠牲層の上面を表出させ、犠牲層を除去する工程と、前記犠牲層を除去した箇所の前記半導体の表面にゲート絶縁膜を形成し、当該ゲート絶縁膜と前記厚い絶縁膜とにより段差を形成する工程と、前記段差の側面にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極および前記厚い絶縁膜をマスクとしたイオン注入により、前記半導体に第2のソース・ドレイン領域を形成する工程と、を含む。
【0017】
この製造方法において、犠牲層を形成し、犠牲層をマスクに第1のソース・ドレイン領域を形成する。犠牲層は、ゲート電極の自己整合的な形成に必要な手段としても利用される。つまり、犠牲層の周囲を埋めるように厚い絶縁層を形成し、厚い絶縁層と、先に形成されたゲート絶縁膜とによる段差にゲート電極を形成する。この段階で半導体表面には、ゲート電極、厚い絶縁膜、およびゲート絶縁膜が形成されている。次に、第2のソース・ドレイン領域を形成するためのイオン注入を行う。このとき、ゲート電極と厚い絶縁膜は注入イオンを阻止するマスクとして機能する。そのため、第1のソース・ドレイン領域が形成され、その上に厚い絶縁膜が形成されている部分と異なりゲート電極に隣接した半導体の部分に、第2のソース・ドレイン領域が形成される。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る絶縁ゲート電界効果トランジスタ(MISFET)およびその製造方法の実施の形態を、チャネル導電型がN型のSOI型MOSトランジスタを例として、図面を参照しながら説明する。MOSトランジスタがP型の場合、各所に添加する不純物の導電型を逆極性にすることで、以下の説明が類推適用できる。
【0019】
図1に、隣接する2つのMOSトランジスタを含む半導体装置の断面図を示す。
図1に図解した半導体装置1において、半導体またはガラスなどの基板2に、例えば酸化シリコンなどからなる埋め込み絶縁膜3が形成されている。埋め込み絶縁膜3の上に、P型の単結晶シリコンなどからなり、SOI型の基板分離構造を有する半導体(以下、SOI層という)4が形成されている。SOI層4の厚さは、トランジスタを部分空乏型とするか完全空乏型とするかにより異なる。例えば、完全空乏型とするためのSOI層4の厚さは50nm以下に設定される。
このような薄いSOI層4の形成方法として、いわゆる基板貼り合わせ法、あるいは、SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)法の採用が可能である。
【0020】
SOI層4が部分的に絶縁化され、これにより素子分離絶縁層5が形成されている。素子分離絶縁層5に周囲を囲まれることによって、MOSトランジスタTR1,TR2の形成領域となるSOI層4が島状に形成されている。SOI層4および素子分離絶縁層5の上に、例えば酸化シリコンからなる厚い絶縁膜9が形成されている。厚い絶縁膜9は、SOI層4のほぼ中央で開口している。
厚い絶縁膜9の開口部底面に露出するSOI層4の表面に、例えば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜10が形成されている。薄いゲート絶縁膜10と厚い絶縁膜9との膜厚差によって十分な段差が形成されている。例えばN型不純物が添加されて導電率が高められたポリシリコンからなるゲート電極11が、厚い絶縁膜9の、互いに対抗する2つの段差の側面にそれぞれ形成されている。ゲート電極11は、断面がほぼ1/4楕円状に形成されている。以下、この形状をサイドウォール形状という。ゲート電極11は、ゲート絶縁膜10の上に形成されている。2つのゲート電極11の互いに向き合う曲面それぞれに絶縁物のスペーサ(以下、サイドウォール・スペーサという)13が形成されている。
【0021】
SOI層4において、厚い絶縁膜9の下方領域に、N型の第1のソース・ドレイン領域8が形成されている。また、2つのサイドウォール・スペーサ13の間の距離で規定されるSOI層4の部分に、N型の第2のソース・ドレイン領域12が形成されている。第2のソース・ドレイン領域12は2つのMOSトランジスタTR1,TR2で共有されている。第2のソース・ドレイン領域12の一方端と他方端のそれぞれから、第1のソース・ドレイン領域8側に向かってエクステンション部12Eが延びている。エクステンション部12Eは、N型を有するが、第2のソース・ドレイン領域12より接合深さが浅く形成され、サイドウォール・スペーサ13の下方領域に延びている。エクステンション部12Eの不純物濃度は、望ましくは、第2のソース・ドレイン領域12の不純物濃度と異なる。例えば、エクステンション部12Eの不純物濃度が、第2のソース・ドレイン領域12の不純物濃度より低く設定されている。
【0022】
このように形成されたMOSトランジスタTR1,TR2が層間絶縁膜14で覆われている。
層間絶縁膜14を厚さ方向に貫通した3つのコンタクトホール15,16が形成されている。中央のコンタクトホール16は、層間絶縁膜14とゲート絶縁膜10を貫通して第2のソース・ドレイン領域12に達している。他の2つのコンタクトホール15は、層間絶縁膜14と厚い絶縁膜9を貫通して第1のソース・ドレイン領域8に達している。コンタクトホール内に導電材料、例えばタングステンなどのメタルやポリシリコンなどが埋め込まれている。
層間絶縁膜14の上に配線層17,18が形成されている。中央の配線層18がコンタクトホール16に接続され、残りの2つの配線層17がコンタクトホール15に接続されている。
【0023】
このような構造のMOSトランジスタTR1,TR2においては、第1のソース・ドレイン領域8と第2のソース・ドレイン領域12(および12E)とについて、その不純物の種類、不純物濃度、不純物の注入深さの少なくとも1つが異なっている。これにより、ロールオフ効果、DIBLによるパンチスルー耐圧の低下、および短チャネル効果の抑制または防止のために必要なドレイン側の不純物プロファイルと、駆動能力維持等のためにソース抵抗の低減に必要なソース側の不純物プロファイルとを両立させることが可能となる。このために、ソース側とドレイン側の不純物注入を個別の工程で行う必要がある。上述した構造においては、厚い絶縁膜9をソースまたはドレインの一方側に形成し、その側面にサイドウォール形状のゲート電極11を形成する構造の採用によって、ソース側とドレイン側で別々に行う不純物注入の実行が可能となっている。
【0024】
以下、図1に図解した半導体装置の製造方法を、図面を参照して説明する。
図2(A)〜図4(B)は、本発明の実施の形態に係る半導体装置において、製造途中の断面図である。
【0025】
例えば基板貼り合わせ法またはSIMOX法などにより、SOI基板、すなわち基板2に埋め込み絶縁膜3が形成され、埋め込み絶縁膜3の上にSOI層4が形成された基板を形成する。SOI層4は、その形成途中であるいは形成後にP型不純物が添加された単結晶シリコンからなり、その厚さは最大で50nmとする。
トランジスタの形成領域をマスクして行う部分的な熱酸化法、あるいは、STI(Shallow Trench Isolation)法などの方法により、SOI層4の一部を絶縁化し、図2(A)に示すように、SOI層4に所定パターンの素子分離絶縁層5を形成する。
【0026】
図2(B)において、素子分離絶縁層5が形成されていないSOI層4の表面にゲート絶縁膜6を形成する。ゲート絶縁膜6は、例えば熱酸化法により形成された酸化シリコンからなる。
次に、犠牲層7を形成する。犠牲層とは、溝ゲートプロセスにおいて溝形状を規定するために用いられ、最終的には除去される層をいう。具体的には、例えばポリシリコンを150nmほどCVD(Chemical Vapor Deposition)法により堆積し、形成されたポリシリコン膜をほぼゲート電極と同様なパターンにパターンニングする。
【0027】
図2(C)において、第1のソース・ドレイン領域8、例えばソース領域を形成するために、N型不純物イオンを注入する。例えば、イオン種としての砒素イオンAsを、加速エネルギー2.5keV、ドーズ1.8×1015ions/cm、注入角0°にてSOI層4にイオン注入する。このとき、犠牲層7および素子分離絶縁層5が自己整合マスクとして機能し、ゲート絶縁膜6がSOI層表面の汚染を防止する保護膜、あるいは、注入時に導入される欠陥を軽減するスルー膜として機能する。これにより、犠牲層7の両側のSOI層部分に、N型の第1のソース・ドレイン領域8が形成される。
なお、必要に応じて、犠牲層7の側面にサイドウォール・スペーサを形成し、その形成の前にN型不純物を、上記とは異なる条件にて注入する工程を追加してもよい。これにより、ソース領域(第1のソース・ドレイン領域8)をエクステンション構造にし、不純物プロファイルの精密な制御ができる。ソース側のエクステンション部は、ソース抵抗をより低減させるために、第1のソース・ドレイン領域8より高濃度としてもよい。
【0028】
犠牲層7を完全に覆うように、酸化シリコンなどの厚い絶縁膜9をCVD法により堆積する。
その後、図3(A)に示すように、CMP(Chemical Mechanical Polishing)等の手法により厚い絶縁膜9の表面を研磨する。研磨は犠牲層7の上面が表出するまで行う。これにより厚い絶縁膜9が犠牲層7と厚さにおいてほぼ揃い、それらの表面が平坦化される。
【0029】
図3(B)に示すように、表出した犠牲層7を、例えばウエット処理で除去する。犠牲層7がポリシリコンからなる場合、例えば、0.5%エチレンジアミン(NH(CH)2NH)水溶液を用いた処理を、室温(20℃)で2分ほど行う。この2分の処理時間は、160nm/minのエッチ・レートで計算して約100%のオーバーエッチを施す場合に相当する。
続いて、ゲート絶縁膜6をHF系の溶液を用いてエッチングし、除去する。そして、再度、ゲート絶縁膜10を例えば熱酸化法によりSOI層4の表面に形成する。
なお、ゲート絶縁膜6は、除去せずに最後まで残してトランジスタのゲート絶縁膜として活用してもよい。その場合、ゲート絶縁膜6の除去工程と、ゲート絶縁膜10の形成工程が省略できる。ただし、ここでは、膜品質の担保、信頼性の観点からゲート絶縁膜を形成し直している。
【0030】
ゲート電極材料としてのポリシリコンを、例えば、縦型CVD装置を用いて100nmほど堆積する。CVDの原料ガスとして、シランSiH、水素H、窒素Nを、それぞれ30sccm、100sccm、500sccmの流量で混合したガスを用いる。基板温度は610℃、炉内圧力は40Paとする。
堆積されたポリシリコン膜を、例えば、ECR(Electron Cyclotron Resonance)型プラズマエッチャーを用いて全面エッチング(エッチバック)する。エッチングガスとして、臭化水素HBr、塩素Clをそれぞれ95sccm、15sccmの流量で混合したガスを用いる。チャンバー内の温度を20℃、圧力を0.5Paとし、マイクロパワー400W、RFパワー25Wを印加する。この条件で所定時間のエッチバックを行うと、図3(C)に示すように、厚い絶縁膜9の側面(溝側面)に、いわゆるサイドウォール形状のゲート電極11が形成される。
なお、ゲート電極11は溝周囲に形成されるので、この場合、2つのトランジスタで電気的に分離する工程が必要である。
【0031】
図4(A)に示す工程において、第2のソース・ドレイン領域のエクステンション部を形成するために、N型不純物イオンを注入する。例えば、イオン種としての弗化ホウ素イオンBF を、加速エネルギー2.5keV、ドーズ2.0×1014ions/cm、注入角0°にてSOI層4にイオン注入する。このとき、ゲート電極11および厚い絶縁膜9が自己整合マスクとして機能し、ゲート絶縁膜10がSOI層表面の汚染を防止する保護膜、あるいは、注入時に導入される欠陥を軽減するスルー膜として機能する。これにより、2つのゲート電極11の間の距離で規定されるSOI層部分に、N型のエクステンション部12Eが形成される。
次に、例えば酸化シリコンの膜をCVDし、これをエッチバックする。これにより、サイドウォール・スペーサ13が、2つのゲート電極11の互いに向き合う曲面にそれぞれ形成される。
【0032】
図4(B)に示すように、第2のソース・ドレイン領域を形成するために、N型不純物イオンを注入する。例えば、イオン種としてのホウ素イオンBを、加速エネルギー1.0keV、ドーズ3.0×1015ions/cm、注入角0°にてSOI層4にイオン注入する。このとき、サイドウォール・スペーサ13、ゲート電極11および厚い絶縁膜9が自己整合マスクとして機能し、ゲート絶縁膜10がSOI層表面の汚染を防止する保護膜、あるいは、注入時に導入される欠陥を軽減するスルー膜として機能する。これにより、2つのサイドウォール・スペーサ13の間の距離で規定されるSOI層部分に、第2のソース・ドレイン領域12が形成される。
その後、注入した不純物の活性化のための熱処理(アニール)を行う。アニールとしてRTA(Rapid Thermal Annealing)を用いることができる。このときRTAを、例えば窒素N雰囲気中において950℃で保持した基板に対し、10秒ほど行う。
【0033】
その後は、とくに図示しないが、層間絶縁膜14を堆積し、必要に応じて層間絶縁膜14の平坦化を行う。また、コンタクトホールの形成、メタルの埋め込み、配線の形成を順次行ない、当該半導体装置1を完成させる。
【0034】
以上、SOI型のNMOSトランジスタに本発明を適用した場合について説明したが、これはあくまでも一例である。本発明の実施の形態は、上述したデバイス構造やその形成条件等に限定されるものではない。
例えば、トランジスタはバルク・シリコン基板上に形成されるものであってもよい。SOI型トランジスタであっても、SOI基板の種類やSOI層の厚さ等は適時設計変更が可能である。
NMOSのトランジスタの作製方法について説明したが、不純物の導電型を変更することによってPMOSのトランジスタに本発明を適用できる。
図1に図解した例では、第2のソース・ドレイン領域12を2つのトランジスタが共有しているが、これを分離して設けることができる。例えば、第2のソース・ドレイン領域12が形成されるSOI層4の部分を予め広くとっておいて、途中に素子分離絶縁層5を設け、さらに、コンタクトホール16および配線18をソース・ドレイン領域12ごとに設ける。
マスクを用いて、不純物を打ち分けることにより、CMOS構造のトランジスタを作製することも可能である。
【0035】
犠牲層7としては、ポリシリコン以外に窒化シリコンSiの膜、あるいはタングステンW等の金属の膜を用いることも可能である。犠牲層7を除去した後に形成される溝の側面に形成するゲート電極11は、ポリシリコン以外に高融点金属であってもよい。
【0036】
上述した説明とは逆に、最初に形成する第1のソース・ドレイン領域8をドレインとして用い、その後形成する第2のソース・ドレイン領域12をソースとして用いてもよい。この場合、エクステンション部は第1のソース・ドレイン領域8に設け、第2のソース・ドレイン領域側のエクステンション部12Eの形成を省略してもよい。
【0037】
第2のソース・ドレイン領域12の形成後に行う熱処理(RTA)以外に、第1のソース・ドレイン領域形成後で第2のソース・ドレイン領域12の形成前に、熱処理工程を追加してもよい。2つのソース・ドレイン領域8,12に対する加熱総量の調整が必要な場合、本実施形態では2つのソース・ドレイン領域8,12が別工程で形成されることから、このような熱処理の制御が容易となる。
【0038】
本実施形態では2つのソース・ドレイン領域8,12が別工程で形成されることによって、ソース側とドレイン側でキャリアのライフタイムを独立に制御できる。具体的に、例えばSOI型トランジスタのFBEを抑制する為に、ソース領域に結晶欠陥を意図的に導入する方法が採用できる。
【0039】
図5に結晶欠陥の導入時の断面図を示す。
本例では、図5の工程に先立って、図2(C)の工程において先にドレイン領域(第1のソース・ドレイン領域8)を形成し、その後、図4(B)の工程においてソース領域(第2のソース・ドレイン領域12)を形成するのが望ましい。
ソース領域12を形成し、活性化の熱処理を行い、続いて、図5に示すように、アルゴンイオンAr等を注入する。これにより、ソース領域12にのみアルゴンイオン注入がなされる結果、ソース側のみでキャリアの再結合中心密度を増大させ、キャリアのライフタイムを低下させる。以後の、層間絶縁膜の堆積、コンタクトホールの形成および配線の形成は、できるだけ低温で行う。
以上の諸工程によって、形成されたMOSトランジスタのソースとドレインとで、大きくライフタイムの値に差を付けることが可能となる。なお、アルゴンイオン注入のほかに、金Auのドーピングによってキャリアのライフタイムの局所的な低減が可能である。
【0040】
本実施形態において、以下に述べる効果が得られる。
第1に、ソース領域とドレイン領域について、独立にプロセス設計およびデバイス設計することが可能となる。例えば、ソース領域とドレイン領域とに対し、それぞれ最適な不純物種類、濃度、プロファイル、熱プロセス等が設定できる。
これにより、MOSの構造および特性を非対称にしながら、短チャネル効果を抑制し、かつ駆動能力を高くすることが可能となる。つまり、前述したトレードオフを克服することができる。
【0041】
第2に、従来はドレイン耐圧についてもある程度妥協していたが、上記トレードオフが解消でき、ドレイン耐圧が相対的に向上するためオフ電流(接合リーク電流)を低減できる。また、チャネルのドレイン端の電界を緩和してホットホールの発生を抑制し、これによりゲート絶縁膜10の膜質の低下を防止することができる。
とくにSOIトランジスタに適用した上記実施の形態では、このトランジスタを信号処理回路の素子として用いた場合、オフ電流(接合リーク電流)を増加させずに、信号遅延時間の履歴依存性を解消あるいは小さくできる。ドレイン側でのインパクトイオン化により発生したホールがボディ領域(SOI層4)に蓄積されボディ電位が変動するというFBEの一現象が生じる。信号遅延時間の履歴依存性は、そのホールの蓄積量が時間とともに変化することに起因して生じる。
信号遅延時間の履歴依存性を低減するには、ホールを速やかにソースから逃がすようにすることが望ましい。
本実施形態では、ドレイン領域とソース領域を独立に形成できることから、ドレインの耐圧(リーク電流量)の維持または低減と、ソース側のホールに対するバリア高さを低下させ、あるいは、ソース抵抗を低減することによって、ホールをボディ領域から速やかに引き抜くこととが両立できる。
このリーク低減とFBE抑制の両立は、前述したソース領域に対する欠陥導入でさらに達成しやすくなる。つまり、ドレイン側に欠陥を導入するとリーク電流が増えるので、ホールの蓄積を抑制するためにソース側のみ欠陥を導入してキャリアの再結合中心密度を増大させ、ソース側に限定した領域でキャリアのライフタイムを短くする。これによって、リーク電流の増大を抑制しながら信号遅延時間の履歴依存性を、さらに低減することができる。
【0042】
第3に、ソース領域およびドレイン領域、即ち、第1および第2のソース・ドレイン領域8,12およびエクステンション部12Eは何れも自己整合プロセスにより形成される。具体的には、最初に形成される犠牲層7に対して第1のソース・ドレイン領域8が自己整合的に形成され、かつ、犠牲層7に対して厚い絶縁膜9が自己整合的に形成される。厚い絶縁膜9に対してゲート電極11が自己整合的に形成され、さらに、ゲート電極11に対して第2のソース・ドレイン領域12およびエクステンション部12Eが自己整合的に形成される。これらの自己整合プロセスでは追加マスクを必要としないため、大幅なコスト増加にならない。
【0043】
第4に、本実施形態の不純物領域形成方法は、斜めイオン注入による手法と比較すると、ゲート電極11(の高さ、および密度等)、あるいはレイアウト等の設計の自由度が大きい。
【0044】
【発明の効果】
本発明に係る絶縁ゲート電界効果トランジスタの形成方法によれば、ソース側とドレイン側でそれぞれ独立に、ソース・ドレイン領域の不純物プロファイルを、不純物の種類、濃度、イオン注入エネルギー、熱プロセス(ライフタイム)といった多様なパラメータを制御することが可能となった。これにより、特性および信頼性の向上、設計の自由度の確保が容易となった。
本発明に係る絶縁ゲート電界効果トランジスタによれば、優れた特性と高い信頼性を実現した。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態における半導体装置の、隣接する2つのMOSトランジスタを含む箇所の断面図である。
【図2】(A)〜(C)は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造において、第1のソース・ドレイン領域形成のためのイオン注入工程までを示す断面図である。
【図3】(A)〜(C)は、図2(C)に続く断面図であり、ゲート電極の形成までを示す。
【図4】(A)および(B)は、図3(C)に続く断面図であり、第2のソース・ドレイン領域形成のためのイオン注入工程までを示す。
【図5】本発明の実施の形態において追加工程として採用可能な、結晶欠陥の導入時の断面図を示す。
【図6】従来のソース・ドレイン領域の形成方法における、斜めイオン注入時のMOSFETの断面図である。
【符号の説明】
1…半導体装置、2…基板、3…埋め込み絶縁膜、4…チャネルが形成される半導体SOI層、5…素子分離絶縁層、6…ゲート絶縁膜、7…犠牲層、8…第1のソース・ドレイン領域、9…厚い絶縁膜、10…ゲート絶縁膜、11…ゲート電極、12…第2のソース・ドレイン領域、12E…エクステンション部、13…サイドウォール・スペーサ、14…層間絶縁膜、15,16…コンタクトホール、17,18…配線層
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an insulated gate field effect transistor in which two source / drain regions are formed asymmetrically, and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
With the miniaturization of semiconductor elements, the degree of integration of semiconductor integrated circuits has been improving at a rate of twice in two to three years according to the scaling rule. As a result, higher speed and lower power consumption of semiconductor integrated circuits have been developed.
The miniaturization of a semiconductor element, especially a MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor \ Effect \ Transistor) is mainly achieved by reducing the size of a gate electrode, thinning a gate oxide film, and optimizing an impurity profile. In the optimization of the impurity profile, in addition to the optimization of the channel concentration of the transistor, the impurity profile of the source / drain region in the vicinity of the boundary with the channel formation region is accurately controlled to form, for example, a shallow junction. Is important. As a result, the driving capability of the transistor is improved, the parasitic capacitance is reduced, and the like, and the deterioration in characteristics due to miniaturization is compensated for, or the characteristics are further improved.
[0003]
An accurate and shallow junction forming technique in the vicinity of the channel forming region and the source or drain region is important and indispensable for miniaturization and high performance of the device. Overcoming various problems caused by miniaturization of elements by, for example, maintaining or improving Vth roll-off characteristics, or suppressing or reducing increase in parasitic resistance, by precisely controlling an impurity profile for forming a shallow junction. Becomes possible.
[0004]
In particular, as miniaturization progresses as in recent years, the impurity profile control of an impurity region called an S / D extension (hereinafter, referred to as an S / D extension portion or simply an extension portion) is required to reduce the element size. It will almost determine the progress of high performance and high performance.
In the S / D extension part on the drain side, as the junction becomes deeper, the depletion layer expands in a deeper part immediately below the gate according to the drain voltage (DIBL; Drain Induced Barrier Lowering), and the leakage current due to punch-through increases. I will. Therefore, in the S / D extension part on the drain side, a shallower and steeper junction is required for miniaturization of the element.
At the same time, in order to maintain the reliability of the gate oxide film, it is necessary to reduce the electric field in the channel direction at the drain end to suppress the generation of hot carriers.
Focusing on these, it is necessary to optimize the impurity profile of the S / D extension part in the drain region.
[0005]
On the other hand, it is important to optimize the impurity profile of the S / D extension portion in the source region, particularly from the viewpoint of reducing the source resistance.
For example, in a self-aligned silicide (salicide) forming technique employed in many of small MOSFETs, a side wall spacer (side) is formed in order to prevent a short circuit between a gate and a source or between a gate and a drain. After forming (Wall @ Spacer), a self-aligned silicide is formed. There is an S / D extension part immediately below the sidewall spacer, and this part is not silicided. Therefore, it is necessary to sufficiently lower the resistance of the source-side S / D extension unit so that the characteristics do not deteriorate.
[0006]
As described above, the source region and the drain region have different requirements for the respective impurity regions, and are required to have mutually contradictory characteristics.
However, since the S / D extension part is usually formed collectively on the source side and the drain side, there is a trade-off (trade off) in the design of the impurity profile. That is, it is difficult to simultaneously realize the impurity profile required for the source-side S / D extension portion and the impurity profile required for the drain-side S / D extension portion, and the required characteristics cannot be sufficiently satisfied. There is a problem.
[0007]
In order to overcome this problem, there is known a report on characteristics of a transistor in which a source and a drain are formed asymmetrically by obliquely implanting high-concentration impurity ions into a gate electrode (for example, Non-Patent Document 1). reference).
[0008]
FIG. 6 shows a cross-sectional view of the MOSFET at the time of oblique ion implantation.
The MOSFET illustrated in FIG. 6 has an SOI type substrate isolation structure. A buried insulating film 101 is formed on a substrate 100, and an SOI layer 102 made of single crystal silicon is formed on the buried insulating film 101. A part of the SOI layer 102 is insulated, and an element isolation insulating layer 103 is formed. On the surface of the non-insulated SIO layer 102, a gate insulating film 104 made of silicon oxide is formed. A gate electrode 105 is formed on the gate insulating film.
[0009]
In the state formed up to the stage illustrated in FIG. 6, ion implantation is performed to form source / drain regions including the S / D extension part. Specifically, in the case of NMOS, N-type impurity ions are implanted while changing the implantation angle between, for example, a direction perpendicular to the substrate and a direction obliquely inclined from the vertical position.
As a result, N-type impurity regions are formed in the portions of the SOI layer 102 on one side and the other side of the gate electrode 105, respectively. However, since ions are not implanted into the shadowed portion of the gate electrode 105, the impurity profile on one side is different from the impurity profile on the other side. The side closer to the gate electrode has a higher concentration as a source region, and the side having a relatively lower concentration as a drain region. As a result, a difference can be provided between the impurity profile of the source and the drain, particularly, the concentration difference near the gate.
[0010]
[Non-patent document 1]
T. Ghani and 6 others, "Asymmetric Metric / Drain Extension" Transistor Structure for High High Performance Sub-50nm CMOS Devices, 2001
Symposium \ on \ VLSI \ Technology \ Digest \ of \ Technical \ Paper,
Figure1, Figure2
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method of forming an asymmetric transistor by oblique ion implantation, there are some problems to be solved as follows.
[0012]
First, the side on which impurity ions are likely to be implanted must be the source, and the side on which impurity ions are less likely to be implanted due to the shadow of the gate electrode and whose concentration is low must be the drain. That is, the arrangement of the transistors is restricted by the positional relationship between the source and the drain with respect to the gate electrode, and the degree of freedom in layout is small. If the gate pattern of the transistor is not basically oriented in the same direction as the ion implantation direction, the characteristics will fluctuate.
[0013]
Second, the asymmetry of the source region and the drain region is affected by the height of the gate electrode in addition to the oblique ion implantation conditions. In this respect, the degree of freedom in designing the device structure is small.
[0014]
Third, the same heat treatment is necessarily applied to the source region and the drain region. Therefore, it is impossible to change the effective thermal process between them. At this point, it is not easy to precisely control and optimize the concentration profile.
For example, in an SOI transistor in which a body potential is in an electrically floating state, there is a demand to suppress FBE (Floating Body Effect) without increasing off current (junction leakage current). In this case, it is most effective to control the carrier lifetime (Life @ Time) separately for the source and the drain. In order to change the lifetime between the source and the drain, the most effective means is to change the thermal process at the time of forming each of the two impurity regions of the source and the drain. However, since the control of the lifetime cannot be controlled separately from the thermal process at the time of forming the impurity region, it is impossible to control such that the lifetime is changed between the source and the drain.
[0015]
A first object of the present invention is to provide a method of manufacturing an insulated gate field effect transistor in which characteristics and reliability can be improved and design flexibility can be easily ensured.
A second object of the present invention is to provide an insulated gate field effect transistor having a source / drain structure suitable for securing excellent characteristics and reliability.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
A method of manufacturing an insulated gate field effect transistor according to the present invention achieves the first object described above, and includes a step of forming a sacrificial layer on a semiconductor on which a channel is formed, and Forming a first source / drain region in the semiconductor by ion implantation using a mask, covering the periphery of the sacrificial layer with a thick insulating film, exposing an upper surface of the sacrificial layer, and removing the sacrificial layer Forming a gate insulating film on the surface of the semiconductor where the sacrificial layer has been removed, forming a step with the gate insulating film and the thick insulating film, and forming a gate electrode on a side surface of the step. Forming and forming a second source / drain region in the semiconductor by ion implantation using the gate electrode and the thick insulating film as a mask.
[0017]
In this manufacturing method, a sacrificial layer is formed, and first source / drain regions are formed using the sacrificial layer as a mask. The sacrificial layer is also used as a means necessary for forming the gate electrode in a self-aligned manner. That is, a thick insulating layer is formed so as to fill the periphery of the sacrificial layer, and a gate electrode is formed on a step formed by the thick insulating layer and the gate insulating film formed earlier. At this stage, a gate electrode, a thick insulating film, and a gate insulating film are formed on the semiconductor surface. Next, ion implantation for forming a second source / drain region is performed. At this time, the gate electrode and the thick insulating film function as a mask for blocking implanted ions. Therefore, the first source / drain region is formed, and the second source / drain region is formed in a portion of the semiconductor adjacent to the gate electrode, unlike a portion where a thick insulating film is formed thereon.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an insulated gate field effect transistor (MISFET) and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described with reference to the drawings, using a SOI MOS transistor having an N-type channel conductivity as an example. In the case where the MOS transistor is a P-type, the following description can be applied by analogy by setting the conductivity type of the impurity added to each part to the opposite polarity.
[0019]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device including two adjacent MOS transistors.
In the semiconductor device 1 illustrated in FIG. 1, a buried insulating film 3 made of, for example, silicon oxide or the like is formed on a substrate 2 such as a semiconductor or glass. On the buried insulating film 3, a semiconductor (hereinafter, referred to as an SOI layer) 4 made of P-type single crystal silicon or the like and having an SOI-type substrate isolation structure is formed. The thickness of the SOI layer 4 differs depending on whether the transistor is of a partially depleted type or a fully depleted type. For example, the thickness of the SOI layer 4 for making it completely depleted is set to 50 nm or less.
As a method for forming such a thin SOI layer 4, a so-called substrate bonding method or a SIMOX (Separation by Implanted Oxygen) method can be employed.
[0020]
The SOI layer 4 is partially insulated, whereby an element isolation insulating layer 5 is formed. By being surrounded by the element isolation insulating layer 5, the SOI layer 4 which is a formation region of the MOS transistors TR1 and TR2 is formed in an island shape. On the SOI layer 4 and the element isolation insulating layer 5, a thick insulating film 9 made of, for example, silicon oxide is formed. The thick insulating film 9 has an opening substantially at the center of the SOI layer 4.
A gate insulating film 10 made of, for example, silicon oxide is formed on the surface of the SOI layer 4 exposed at the bottom of the opening of the thick insulating film 9. A sufficient step is formed by the difference in film thickness between the thin gate insulating film 10 and the thick insulating film 9. For example, a gate electrode 11 made of polysilicon whose conductivity is increased by adding an N-type impurity is formed on each of two side surfaces of the thick insulating film 9 opposed to each other. The cross section of the gate electrode 11 is formed in a substantially 1/4 elliptical shape. Hereinafter, this shape is referred to as a sidewall shape. The gate electrode 11 is formed on the gate insulating film 10. An insulating spacer (hereinafter, referred to as a sidewall spacer) 13 is formed on each of the curved surfaces of the two gate electrodes 11 facing each other.
[0021]
In the SOI layer 4, an N-type first source / drain region 8 is formed in a region below the thick insulating film 9. An N-type second source / drain region 12 is formed in a portion of the SOI layer 4 defined by a distance between two sidewall spacers 13. The second source / drain region 12 is shared by the two MOS transistors TR1 and TR2. Extension portions 12E extend from one end and the other end of the second source / drain region 12 toward the first source / drain region 8, respectively. The extension portion 12E has N-type, but is formed to have a shallower junction depth than the second source / drain region 12, and extends to a region below the sidewall spacer 13. The impurity concentration of the extension portion 12E desirably differs from the impurity concentration of the second source / drain region 12. For example, the impurity concentration of the extension portion 12E is set lower than the impurity concentration of the second source / drain region 12.
[0022]
The MOS transistors TR1 and TR2 thus formed are covered with the interlayer insulating film 14.
Three contact holes 15 and 16 penetrating the interlayer insulating film 14 in the thickness direction are formed. The center contact hole 16 reaches the second source / drain region 12 through the interlayer insulating film 14 and the gate insulating film 10. The other two contact holes 15 reach the first source / drain regions 8 through the interlayer insulating film 14 and the thick insulating film 9. A conductive material, for example, metal such as tungsten or polysilicon is buried in the contact hole.
Wiring layers 17 and 18 are formed on interlayer insulating film 14. The central wiring layer 18 is connected to the contact hole 16, and the remaining two wiring layers 17 are connected to the contact hole 15.
[0023]
In the MOS transistors TR1 and TR2 having such a structure, the first source / drain region 8 and the second source / drain region 12 (and 12E) have the impurity type, impurity concentration, and impurity implantation depth. At least one is different. Thereby, the impurity profile on the drain side necessary for suppressing or preventing the roll-off effect, the punch-through breakdown voltage due to DIBL, and the short channel effect, and the source necessary for reducing the source resistance for maintaining the driving capability and the like. With the impurity profile on the side. Therefore, it is necessary to perform impurity implantation on the source side and the drain side in separate steps. In the above-described structure, the thick insulating film 9 is formed on one side of the source or the drain, and the sidewall-shaped gate electrode 11 is formed on the side surface. Can be executed.
[0024]
Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor device illustrated in FIG. 1 will be described with reference to the drawings.
2A to 4B are cross-sectional views of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, which are being manufactured.
[0025]
For example, an SOI substrate, that is, a substrate in which the buried insulating film 3 is formed on the substrate 2 and the SOI layer 4 is formed on the buried insulating film 3 is formed by a substrate bonding method or a SIMOX method. The SOI layer 4 is made of single-crystal silicon to which a P-type impurity is added during or after the formation, and has a maximum thickness of 50 nm.
As shown in FIG. 2A, a part of the SOI layer 4 is insulated by a method such as a partial thermal oxidation method performed by masking a transistor formation region or an STI (Shallow Trench Isolation) method. An element isolation insulating layer 5 having a predetermined pattern is formed on the SOI layer 4.
[0026]
In FIG. 2B, a gate insulating film 6 is formed on the surface of the SOI layer 4 where the element isolation insulating layer 5 is not formed. The gate insulating film 6 is made of, for example, silicon oxide formed by a thermal oxidation method.
Next, the sacrificial layer 7 is formed. The sacrificial layer is a layer used for defining a groove shape in the groove gate process, and is a layer that is finally removed. More specifically, for example, polysilicon is deposited to a thickness of about 150 nm by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and the formed polysilicon film is patterned into a pattern substantially similar to the gate electrode.
[0027]
In FIG. 2C, N-type impurity ions are implanted to form a first source / drain region 8, for example, a source region. For example, arsenic ions As as ion species+With an acceleration energy of 2.5 keV and a dose of 1.8 × 10Fifteenions / cm2Then, ions are implanted into the SOI layer 4 at an implantation angle of 0 °. At this time, the sacrifice layer 7 and the element isolation insulating layer 5 function as a self-aligned mask, and the gate insulating film 6 serves as a protective film for preventing contamination of the SOI layer surface or a through film for reducing defects introduced during implantation. Function. Thus, N-type first source / drain regions 8 are formed in the SOI layer portions on both sides of the sacrificial layer 7.
If necessary, a step of forming a sidewall spacer on the side surface of the sacrificial layer 7 and implanting an N-type impurity under conditions different from the above may be added before the formation. Thus, the source region (the first source / drain region 8) has an extension structure, and the impurity profile can be precisely controlled. The source-side extension portion may have a higher concentration than the first source / drain region 8 in order to further reduce the source resistance.
[0028]
A thick insulating film 9 such as silicon oxide is deposited by a CVD method so as to completely cover the sacrificial layer 7.
Thereafter, as shown in FIG. 3A, the surface of the thick insulating film 9 is polished by a technique such as CMP (Chemical Mechanical Polishing). Polishing is performed until the upper surface of the sacrificial layer 7 is exposed. As a result, the thickness of the thick insulating film 9 is substantially equal to the thickness of the sacrificial layer 7, and the surfaces thereof are flattened.
[0029]
As shown in FIG. 3B, the exposed sacrificial layer 7 is removed by, for example, a wet process. When the sacrificial layer 7 is made of polysilicon, for example, 0.5% ethylenediamine (NH2(CH2) 2NH2A) The treatment using the aqueous solution is performed at room temperature (20 ° C) for about 2 minutes. This 2-minute processing time corresponds to a case where an overetch of about 100% is performed at an etch rate of 160 nm / min.
Subsequently, the gate insulating film 6 is etched using an HF-based solution and removed. Then, the gate insulating film 10 is formed again on the surface of the SOI layer 4 by, for example, a thermal oxidation method.
Note that the gate insulating film 6 may be left as it is without being removed and used as a gate insulating film of a transistor. In that case, the step of removing the gate insulating film 6 and the step of forming the gate insulating film 10 can be omitted. However, here, the gate insulating film is formed again from the viewpoint of ensuring film quality and reliability.
[0030]
Polysilicon as a gate electrode material is deposited to a thickness of about 100 nm using, for example, a vertical CVD apparatus. Silane SiH as a source gas for CVD4, Hydrogen H2, Nitrogen N2Are mixed at a flow rate of 30 sccm, 100 sccm, and 500 sccm, respectively. The substrate temperature is 610 ° C., and the furnace pressure is 40 Pa.
The deposited polysilicon film is entirely etched (etched back) using, for example, an ECR (Electron Cyclotron Resonance) type plasma etcher. Hydrogen bromide HBr, chlorine Cl as etching gas2Are mixed at a flow rate of 95 sccm and 15 sccm, respectively. The temperature in the chamber is set to 20 ° C., the pressure is set to 0.5 Pa, and micropower 400 W and RF power 25 W are applied. When etch-back is performed for a predetermined time under these conditions, a so-called sidewall-shaped gate electrode 11 is formed on the side surface (groove side surface) of the thick insulating film 9 as shown in FIG.
Note that, since the gate electrode 11 is formed around the groove, a step of electrically separating the two transistors is required in this case.
[0031]
In the step shown in FIG. 4A, N-type impurity ions are implanted to form extension portions of the second source / drain regions. For example, boron fluoride ion BF as an ion species2 +With an acceleration energy of 2.5 keV and a dose of 2.0 × 1014ions / cm2Then, ions are implanted into the SOI layer 4 at an implantation angle of 0 °. At this time, the gate electrode 11 and the thick insulating film 9 function as a self-aligned mask, and the gate insulating film 10 functions as a protective film for preventing contamination of the surface of the SOI layer or a through film for reducing defects introduced at the time of implantation. I do. As a result, an N-type extension 12E is formed in the SOI layer defined by the distance between the two gate electrodes 11.
Next, for example, a silicon oxide film is CVD-processed and etched back. Thereby, the sidewall spacers 13 are formed on the curved surfaces of the two gate electrodes 11 facing each other.
[0032]
As shown in FIG. 4B, N-type impurity ions are implanted to form a second source / drain region. For example, boron ion B as an ion species+With an acceleration energy of 1.0 keV and a dose of 3.0 × 10Fifteenions / cm2Then, ions are implanted into the SOI layer 4 at an implantation angle of 0 °. At this time, the sidewall spacer 13, the gate electrode 11, and the thick insulating film 9 function as a self-alignment mask, and the gate insulating film 10 is used as a protective film for preventing contamination of the SOI layer surface or a defect introduced at the time of implantation. It functions as a through film to reduce. Thereby, the second source / drain region 12 is formed in the SOI layer portion defined by the distance between the two sidewall spacers 13.
After that, heat treatment (annealing) for activating the implanted impurities is performed. RTA (Rapid Thermal Annealing) can be used for annealing. At this time, RTA is changed to, for example, nitrogen N2This is performed for about 10 seconds on a substrate held at 950 ° C. in an atmosphere.
[0033]
Thereafter, although not particularly shown, an interlayer insulating film 14 is deposited, and the interlayer insulating film 14 is planarized as necessary. Further, formation of a contact hole, embedding of a metal, and formation of a wiring are sequentially performed to complete the semiconductor device 1.
[0034]
The case where the present invention is applied to the SOI type NMOS transistor has been described above, but this is merely an example. Embodiments of the present invention are not limited to the above-described device structure, its forming conditions, and the like.
For example, the transistor may be formed on a bulk silicon substrate. Even in the case of an SOI transistor, the design of the type of the SOI substrate, the thickness of the SOI layer, and the like can be changed as appropriate.
Although the method for manufacturing an NMOS transistor has been described, the present invention can be applied to a PMOS transistor by changing the conductivity type of an impurity.
In the example illustrated in FIG. 1, the second source / drain region 12 is shared by two transistors, but can be provided separately. For example, a portion of the SOI layer 4 where the second source / drain region 12 is formed is widened in advance, an element isolation insulating layer 5 is provided in the middle, and a contact hole 16 and a wiring 18 are further formed in the source / drain region. It is provided for every 12.
A transistor having a CMOS structure can be manufactured by using a mask to separate impurities.
[0035]
The sacrificial layer 7 is made of silicon nitride Si besides polysilicon.3N4, Or a metal film such as tungsten W. The gate electrode 11 formed on the side surface of the groove formed after removing the sacrificial layer 7 may be made of a metal having a high melting point other than polysilicon.
[0036]
Contrary to the above description, the first source / drain region 8 formed first may be used as a drain, and the second source / drain region 12 formed later may be used as a source. In this case, the extension portion may be provided in the first source / drain region 8, and the formation of the extension portion 12E on the second source / drain region side may be omitted.
[0037]
In addition to the heat treatment (RTA) performed after the formation of the second source / drain region 12, a heat treatment step may be added after the formation of the first source / drain region and before the formation of the second source / drain region 12. . When the total amount of heating for the two source / drain regions 8 and 12 needs to be adjusted, in this embodiment, since the two source / drain regions 8 and 12 are formed in different steps, such control of the heat treatment is easy. It becomes.
[0038]
In the present embodiment, since the two source / drain regions 8 and 12 are formed in different steps, the carrier lifetime can be independently controlled on the source side and the drain side. Specifically, for example, in order to suppress the FBE of the SOI transistor, a method of intentionally introducing a crystal defect into the source region can be adopted.
[0039]
FIG. 5 shows a cross-sectional view when a crystal defect is introduced.
In this example, prior to the step of FIG. 5, the drain region (first source / drain region 8) is formed first in the step of FIG. 2C, and then the source region is formed in the step of FIG. (The second source / drain region 12) is preferably formed.
A source region 12 is formed, heat treatment for activation is performed, and then, as shown in FIG.+Etc. are injected. As a result, argon ions are implanted only in the source region 12, so that the recombination center density of carriers is increased only on the source side, and the carrier lifetime is reduced. Subsequent deposition of an interlayer insulating film, formation of a contact hole, and formation of a wiring are performed at a temperature as low as possible.
Through the above steps, it is possible to make a large difference in the value of the lifetime between the source and the drain of the formed MOS transistor. In addition to the argon ion implantation, the carrier lifetime can be locally reduced by doping with gold Au.
[0040]
In the present embodiment, the following effects can be obtained.
First, it is possible to independently design a process and a device for a source region and a drain region. For example, the optimum impurity type, concentration, profile, thermal process, and the like can be set for the source region and the drain region, respectively.
This makes it possible to suppress the short-channel effect and increase the driving capability while making the structure and characteristics of the MOS asymmetric. That is, the aforementioned trade-off can be overcome.
[0041]
Secondly, although the drain breakdown voltage has been compromised to some extent in the past, the above trade-off can be resolved and the drain breakdown voltage is relatively improved, so that the off current (junction leakage current) can be reduced. In addition, generation of hot holes can be suppressed by relaxing the electric field at the drain end of the channel, whereby deterioration of the film quality of the gate insulating film 10 can be prevented.
In particular, in the above embodiment applied to an SOI transistor, when this transistor is used as an element of a signal processing circuit, the history dependence of the signal delay time can be eliminated or reduced without increasing the off current (junction leakage current). . One phenomenon of FBE occurs in that holes generated by impact ionization on the drain side are accumulated in the body region (SOI layer 4) and the body potential fluctuates. The history dependence of the signal delay time is caused by the fact that the amount of accumulated holes changes with time.
In order to reduce the history dependence of the signal delay time, it is desirable that holes be quickly released from the source.
In the present embodiment, since the drain region and the source region can be formed independently, the withstand voltage (leak current amount) of the drain is maintained or reduced, and the barrier height for the source-side hole is reduced, or the source resistance is reduced. This makes it possible to simultaneously withdraw the hole from the body region.
The coexistence of the reduction of the leak and the suppression of the FBE can be more easily achieved by introducing the defect into the source region described above. In other words, if a defect is introduced on the drain side, the leakage current increases. Therefore, in order to suppress the accumulation of holes, a defect is introduced only on the source side to increase the recombination center density of the carrier, and the carrier is limited in the region limited to the source side. Reduce lifetime. As a result, the history dependency of the signal delay time can be further reduced while suppressing an increase in the leak current.
[0042]
Third, the source region and the drain region, that is, the first and second source / drain regions 8, 12 and the extension portion 12E are all formed by a self-alignment process. Specifically, the first source / drain region 8 is formed in a self-alignment manner with respect to the sacrificial layer 7 formed first, and the thick insulating film 9 is formed in a self-alignment manner with respect to the sacrificial layer 7. Is done. A gate electrode 11 is formed on the thick insulating film 9 in a self-aligned manner, and a second source / drain region 12 and an extension 12E are formed on the gate electrode 11 in a self-aligned manner. These self-aligned processes do not require additional masks and do not add significant cost.
[0043]
Fourth, the degree of freedom in designing the gate electrode 11 (height, density, and the like) or layout is greater in the impurity region forming method of the present embodiment than in the oblique ion implantation method.
[0044]
【The invention's effect】
According to the method of forming an insulated gate field effect transistor according to the present invention, the impurity profile of the source / drain region can be independently determined on the source side and the drain side by changing the impurity type, concentration, ion implantation energy, thermal process (lifetime). ) Can be controlled. As a result, it has become easy to improve the characteristics and reliability and to secure the degree of freedom in design.
According to the insulated gate field effect transistor of the present invention, excellent characteristics and high reliability are realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a portion including two adjacent MOS transistors in a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views showing up to an ion implantation step for forming a first source / drain region in the manufacture of the semiconductor device according to the embodiment of the present invention;
FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views subsequent to FIG. 2C and show steps up to the formation of a gate electrode.
FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views subsequent to FIG. 3C, showing up to an ion implantation step for forming a second source / drain region.
FIG. 5 is a cross-sectional view at the time of introducing a crystal defect, which can be adopted as an additional step in the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a MOSFET during oblique ion implantation in a conventional method for forming source / drain regions.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 semiconductor device, 2 substrate, 3 buried insulating film, 4 semiconductor SOI layer on which channel is formed, 5 element isolation insulating layer, 6 gate insulating film, 7 sacrifice layer, 8 first source A drain region, 9 a thick insulating film, 10 a gate insulating film, 11 a gate electrode, 12 a second source / drain region, 12E an extension portion, 13 a sidewall spacer, 14 an interlayer insulating film, 15 , 16 ... contact hole, 17, 18 ... wiring layer

Claims (8)

チャネルが形成される半導体の上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層をマスクとしたイオン注入により前記半導体に第1のソース・ドレイン領域を形成する工程と、
前記犠牲層の周囲を厚い絶縁膜で覆う工程と、
前記犠牲層の上面を表出させ、犠牲層を除去する工程と、
前記犠牲層を除去した箇所の前記半導体の表面にゲート絶縁膜を形成し、当該ゲート絶縁膜と前記厚い絶縁膜とにより段差を形成する工程と、
前記段差の側面にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極および前記厚い絶縁膜をマスクとしたイオン注入により、前記半導体に第2のソース・ドレイン領域を形成する工程と、
を含む絶縁ゲート電界効果トランジスタの製造方法。
Forming a sacrificial layer on the semiconductor on which the channel is formed;
Forming a first source / drain region in the semiconductor by ion implantation using the sacrificial layer as a mask;
Covering the periphery of the sacrificial layer with a thick insulating film;
Exposing the upper surface of the sacrificial layer and removing the sacrificial layer;
Forming a gate insulating film on the surface of the semiconductor where the sacrificial layer has been removed, and forming a step with the gate insulating film and the thick insulating film;
Forming a gate electrode on the side surface of the step;
Forming a second source / drain region in the semiconductor by ion implantation using the gate electrode and the thick insulating film as a mask;
A method for manufacturing an insulated gate field effect transistor, comprising:
前記犠牲層の形成工程において、犠牲層をゲート電極のパターンにて形成し、前記第1のソース・ドレイン領域の形成工程から前記第2のソース・ドレイン領域の形成工程までを行って、前記犠牲層のパターンの両側に、前記第2のソース・ドレイン領域を共有する2つの絶縁ゲート電界効果トランジスタを一括して形成する
請求項1に記載の絶縁ゲート電界効果トランジスタの製造方法。
In the step of forming the sacrifice layer, a sacrifice layer is formed in a pattern of a gate electrode, and the steps from the step of forming the first source / drain region to the step of forming the second source / drain region are performed. 2. The method for manufacturing an insulated gate field effect transistor according to claim 1, wherein two insulated gate field effect transistors sharing the second source / drain region are collectively formed on both sides of the layer pattern.
前記第1のソース・ドレイン領域と前記第2のソース・ドレイン領域は、同じ導電型を有しているが、注入された不純物の種類、不純物の濃度、不純物の分布形状のうち少なくとも1つが異なっている
請求項1に記載の絶縁ゲート電界効果トランジスタの製造方法。
The first source / drain region and the second source / drain region have the same conductivity type, but differ in at least one of the type of impurity implanted, the impurity concentration, and the impurity distribution shape. The method for manufacturing an insulated gate field effect transistor according to claim 1.
前記第1のソース・ドレイン領域の形成工程が、
前記犠牲層をマスクとしたイオン注入によりエクステンション部を形成する工程と、
前記犠牲層の側面にサイドウォール・スペーサを形成する工程と、
前記サイドウォール・スペーサおよび前記犠牲層をマスクとしたイオン注入により、前記半導体との接合深さが前記エクステンション部より深い不純物領域を形成する工程と、
を含む請求項1に記載の絶縁ゲート電界効果トランジスタの製造方法。
The step of forming the first source / drain region includes:
Forming an extension portion by ion implantation using the sacrificial layer as a mask,
Forming a sidewall spacer on a side surface of the sacrificial layer;
Forming an impurity region whose junction depth with the semiconductor is deeper than the extension portion by ion implantation using the sidewall spacer and the sacrificial layer as a mask;
The method for manufacturing an insulated gate field effect transistor according to claim 1, comprising:
前記第2のソース・ドレイン領域の形成工程が、
前記犠牲層および前記ゲート電極をマスクとしたイオン注入によりエクステンション部を形成する工程と、
前記ゲート電極の側面にサイドウォール・スペーサを形成する工程と、
前記サイドウォール・スペーサ、前記ゲート電極および犠牲層をマスクとしたイオン注入により、前記半導体との接合深さが前記エクステンション部より深い不純物領域を形成する工程と、
を含む請求項1に記載の絶縁ゲート電界効果トランジスタの製造方法。
The step of forming the second source / drain region includes:
Forming an extension portion by ion implantation using the sacrificial layer and the gate electrode as a mask,
Forming a sidewall spacer on a side surface of the gate electrode;
A step of forming an impurity region whose junction depth with the semiconductor is deeper than the extension portion by ion implantation using the sidewall spacer, the gate electrode and the sacrificial layer as a mask,
The method for manufacturing an insulated gate field effect transistor according to claim 1, comprising:
前記第1のソース・ドレイン領域の形成工程と前記第2のソース・ドレイン領域の形成工程との間に熱処理工程をさらに含む
請求項1に記載の絶縁ゲート電界効果トランジスタの製造方法。
2. The method according to claim 1, further comprising a heat treatment step between the step of forming the first source / drain region and the step of forming the second source / drain region.
形成した前記第2のソース・ドレイン領域に、キャリアのライフタイムを変化させる欠陥を導入する工程をさらに含む
請求項1に記載の絶縁ゲート電界効果トランジスタの製造方法。
2. The method of manufacturing an insulated gate field effect transistor according to claim 1, further comprising a step of introducing a defect that changes carrier lifetime into the formed second source / drain region.
チャネルが形成される第1導電型の半導体と、
前記半導体の上に形成されているゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に形成されているゲート電極と、
前記ゲート電極の一方側の前記半導体の部分に形成されている第2導電型の第1のソース・ドレイン領域と、
前記ゲート電極の他方側の前記半導体の部分に形成され、前記第1のソース・ドレイン領域に対し、不純物の種類、不純物濃度、不純物の注入深さの少なくとも1つが異なる第2導電型の第2のソース・ドレイン不純物領域と、
を有する絶縁ゲート電界効果トランジスタ。
A first conductivity type semiconductor in which a channel is formed;
A gate insulating film formed on the semiconductor;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A first source / drain region of a second conductivity type formed in a portion of the semiconductor on one side of the gate electrode;
A second conductive type second electrode formed in the semiconductor portion on the other side of the gate electrode and different from the first source / drain region in at least one of an impurity type, an impurity concentration, and an impurity implantation depth. Source / drain impurity regions of
An insulated gate field effect transistor comprising:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006148064A (en) * 2004-10-18 2006-06-08 Renesas Technology Corp Semiconductor device, manufacturing method therefor, and memory circuit
JP2007324530A (en) * 2006-06-05 2007-12-13 Oki Electric Ind Co Ltd Semiconductor device
JP2012182478A (en) * 2004-10-18 2012-09-20 Renesas Electronics Corp Semiconductor device and manufacturing method of the same

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006148064A (en) * 2004-10-18 2006-06-08 Renesas Technology Corp Semiconductor device, manufacturing method therefor, and memory circuit
JP2012182478A (en) * 2004-10-18 2012-09-20 Renesas Electronics Corp Semiconductor device and manufacturing method of the same
JP2007324530A (en) * 2006-06-05 2007-12-13 Oki Electric Ind Co Ltd Semiconductor device

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