JP2004146847A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置及びその製造方法に係り、特に薄膜SOI構造のMOSFET及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a MOSFET having a thin film SOI structure and a method for manufacturing the same.
薄膜SOI(Silicon−On−Insulator)素子、例えば絶縁膜上に形成したSOIトランジスタが、0.1μm世代のデバイスとして最近注目されるようになってきている。 Thin-film SOI (Silicon-On-Insulator) elements, for example, SOI transistors formed on insulating films, have recently attracted attention as devices of the 0.1 μm generation.
この薄膜SOI素子は、絶縁膜によりその下の半導体基板と電気的に絶縁しているため、寄生容量が小さいという大きな利点を有する。また、同様な理由でソフトエラーに強い等の利点があることが知られている。 薄膜 Since the thin film SOI element is electrically insulated from the underlying semiconductor substrate by the insulating film, it has a great advantage that the parasitic capacitance is small. Further, it is known that there is an advantage such as resistance to soft errors for the same reason.
更に、SOI層の薄膜化によりSOI層が完全に空乏化する場合には、移動度(モビリティ)の増加による動作速度の向上や低消費電力化、さらにはスイッチング特性の改善を容易に達成することができる。また、チャネル長の微細化に伴うしきい電圧Vthの低下(いわゆる短チャネル効果)がバルクに形成したMOSFETよりも小さいことが報告されている。(非特許文献1)
また、0.1μm世代の薄膜SOI素子では、低消費電力化は必須であり、電源電圧は1V程度が予想される。これを達成するには、素子のしきい値を適正に設定することが、最も重要である。
Further, in the case where the SOI layer is completely depleted due to the thinning of the SOI layer, it is possible to easily achieve an improvement in operation speed, a reduction in power consumption, and an improvement in switching characteristics due to an increase in mobility (mobility). Can be. It is also reported that the reduction in threshold voltage Vth (so-called short channel effect) due to miniaturization of the channel length is smaller than that of a MOSFET formed in a bulk. (Non-Patent Document 1)
Further, in the thin film SOI element of the 0.1 μm generation, low power consumption is indispensable, and the power supply voltage is expected to be about 1V. To achieve this, it is of utmost importance to set the thresholds of the devices appropriately.
ところが、薄膜SOI素子ではしきい値の設定が難しく、回路設計が困難となるという問題がある。これを解決するために、従来方法では、チャネル領域の不純物濃度を高くして、しきい値の調整を行っていた。しかしながら、この方法は、薄膜SOI素子の大きな特徴であるモビリティの増大を消失させてしまうという欠点があった。 However, there is a problem that it is difficult to set a threshold value in a thin film SOI element, which makes circuit design difficult. In order to solve this, in the conventional method, the threshold value is adjusted by increasing the impurity concentration of the channel region. However, this method has a disadvantage that the increase in mobility, which is a major feature of the thin film SOI element, is lost.
一方、薄膜SOI素子において待機時の消費電力を抑える等のために、良好なsubthreshold特性は必要不可欠である。元来、SOI素子の特徴として、優れたsubthreshold特性が期待されるが、実際に素子を作製すると、subthreshold特性に劣化が見られる。 On the other hand, in order to suppress power consumption during standby in the thin film SOI element, good subthreshold characteristics are indispensable. Originally, an excellent subthreshold characteristic is expected as a feature of the SOI element. However, when the element is actually manufactured, the subthreshold characteristic is deteriorated.
図7は、本発明者が作製したSOI素子のI−V特性である。横軸はゲート電圧、縦軸はドレイン電流である。ドレイン電流が立ち上がる領域においてハンプ(こぶ)が見られ、低ゲート電圧側でドレイン電流の増加が確認される。即ち、素子のしきい値が低下してsubthreshold特性が劣化していることが明らかである。 FIG. 7 shows the IV characteristics of the SOI device manufactured by the present inventors. The horizontal axis is the gate voltage, and the vertical axis is the drain current. A hump is observed in a region where the drain current rises, and an increase in the drain current is confirmed on the low gate voltage side. That is, it is clear that the threshold value of the element is lowered and the subthreshold characteristics are deteriorated.
図8は、このsubthreshold特性の劣化を説明するための薄膜SOI素子の断面図である。213はLOCOS法により形成された素子分離領域であり、そのバーズ・ビーク領域の下に、本来のSOI層のチャネル領域215よりも膜厚の薄い領域215aが形成される。211はシリコン基板、212は埋め込みシリコン酸化膜、214はゲート電極である。
FIG. 8 is a cross-sectional view of a thin-film SOI device for explaining the deterioration of the subthreshold characteristic. Reference numeral 213 denotes an element isolation region formed by the LOCOS method, and a region 215a having a smaller thickness than the
このように、領域215aが形成されると、この部分にしきい値の低い寄生トランジスタが存在するようになり、この寄生トランジスタが働くことにより、トランジスタ全体のしきい値は本来のトランジスタよりも低くなる。即ち、ゲート電圧を印加すると、まず寄生トランジスタに電流が流れ、その後に本来のトランジスタに電流が流れるために、図7
に示すようなハンプ特性が現れる。この現象の詳細な解析は、例えば非特許文献2に示されている。
The hump characteristic shown in FIG. A detailed analysis of this phenomenon is shown in
以上のように、従来の薄膜SOI素子では、回路設計のためしきい値設定の調整を行うことが不可欠であり、これを達成すべくチャネルの不純物濃度を高くしており、このため薄膜SOI素子本来の超高速性を実現することが困難であった。 As described above, in the conventional thin film SOI element, it is indispensable to adjust the threshold setting for circuit design, and to achieve this, the impurity concentration of the channel is increased. It was difficult to achieve the original ultra-high speed.
また、待機時の消費電力を抑える等のために良好なsubthreshold特性を達成することが必要であるが、従来の薄膜SOI素子ではハンプ(こぶ)が見られ、素子のしきい値が低下してsubthreshold特性が劣化してしまうという問題があった。 Further, it is necessary to achieve good subthreshold characteristics in order to suppress power consumption during standby and the like. However, in the conventional thin-film SOI element, a hump (bump) is observed, and the threshold value of the element is lowered. There is a problem that the subthreshold characteristic is deteriorated.
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、しきい値が適正に設定可能であり、かつ高速動作が可能な薄膜SOI素子を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and has as its object to provide a thin-film SOI device in which a threshold can be appropriately set and high-speed operation is possible.
本発明は、絶縁層上に複数の島状のシリコン層が素子領域として形成され、この素子領域は、p型シリコンからなるゲート電極を備えたn型チャネルのMIS型電界効果トランジスタを複数個含み、これらの複数個のMIS型電界効果トランジスタのうち少なくとも1つのMIS型電界効果トランジスタのゲート電極にはGeまたはSnが含まれ、かつその他の前記複数個のMIS型電界効果トランジスタのゲート電極にはGeまたはSnが含まれないことを特徴とする半導体装置を提供する。 According to the present invention, a plurality of island-shaped silicon layers are formed as an element region on an insulating layer, and the element region includes a plurality of n-channel MIS field effect transistors having a gate electrode made of p-type silicon. The gate electrode of at least one of the plurality of MIS field effect transistors includes Ge or Sn, and the gate electrodes of the other plurality of MIS field effect transistors include Provided is a semiconductor device which does not contain Ge or Sn.
さらに本発明は、絶縁層上に複数の島状のシリコン層が素子領域として形成され、この素子領域は、複数の記憶素子が形成された記憶素子領域及び該記憶素子の動作を制御する回路が形成された回路領域を有するとともに、前記記憶素子領域及び前記回路領域は、それぞれp型シリコンからなるゲート電極を備えたn型チャネルのMIS型電界効果トランジスタを含み、前記回路領域に含まれたMIS型電界効果トランジスタのゲート電極にはGeまたはSnが含まれ、かつ前記記憶素子領域に含まれたMIS型電界効果トランジスタのゲート電極にはGeまたはSnが含まれないことを特徴とする半導体装置を提供する。 Further, in the present invention, a plurality of island-shaped silicon layers are formed as element regions on an insulating layer, and the element region includes a storage element region in which a plurality of storage elements are formed and a circuit for controlling operation of the storage element. The storage device region and the circuit region each include a formed MIS field-effect transistor of an n-type channel having a gate electrode made of p-type silicon, and the MIS included in the circuit region. Wherein the gate electrode of the field effect transistor includes Ge or Sn, and the gate electrode of the MIS field effect transistor included in the storage element region does not include Ge or Sn. provide.
かかる2つの本発明においては、以下の態様が好ましい。
(1)前記MIS型電界効果トランジスタのゲート電極に含まれたGeまたはSnの濃度は1×1020cm−3以上であること。
(2)前記シリコン層には、p型シリコンからなるゲート電極を備えたp型チャネルのMIS型電界効果トランジスタがさらに含まれ、該MIS型電界効果トランジスタのゲート電極にはGeまたはSnが含まれること。
(3)前記回路領域にはp型シリコンからなるゲート電極を備えたp型チャネルのMIS型電界効果トランジスタが含まれ、該MIS型電界効果トランジスタのゲート電極にはGeまたはSnが含まれること。
(4)前記p型チャネルのMIS型電界効果トランジスタのゲート電極に含まれたGeまたはSnの濃度は1×1020cm−3以上であること。
(5)前記n型チャネルのMIS型電界効果トランジスタのソース領域にはGeまたはSnが含まれていること。
(6)前記n型チャネルのMIS型電界効果トランジスタのソース領域に含まれたGeま
たはSnの濃度は1×1020cm−3以上であること。
In the two present inventions, the following embodiments are preferable.
(1) The concentration of Ge or Sn contained in the gate electrode of the MIS field effect transistor is 1 × 10 20 cm −3 or more.
(2) The silicon layer further includes a p-channel MIS field-effect transistor having a gate electrode made of p-type silicon, and the gate electrode of the MIS field-effect transistor includes Ge or Sn. thing.
(3) The circuit region includes a p-channel MIS field-effect transistor having a gate electrode made of p-type silicon, and the gate electrode of the MIS field-effect transistor includes Ge or Sn.
(4) The concentration of Ge or Sn contained in the gate electrode of the MIS field-effect transistor of the p-type channel is 1 × 10 20 cm −3 or more.
(5) The source region of the MIS field-effect transistor of the n-type channel contains Ge or Sn.
(6) The concentration of Ge or Sn contained in the source region of the MIS field-effect transistor of the n-type channel is 1 × 10 20 cm −3 or more.
さらに、かかる本発明の半導体装置を製造する方法として、絶縁層上に複数の島状のp型シリコン層が素子領域として形成され、この素子領域は、p型シリコンからなるゲート電極を備えたn型チャネルのMIS型電界効果トランジスタを複数個含む半導体装置の製造方法であって、前記p型シリコン層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、このゲート絶縁膜上にp型シリコンからなりゲート電極となる導電膜を形成する工程と、この導電膜上に第1のマスクパターンを形成し、この第1のマスクパターンを用いて前記導電膜に選択的にGeまたはSnを導入する工程と、前記第1のマスクパターンを除去する工程と、前記導電膜上に第2のマスクパターンを形成し、この第2のマスクパターンを用いてエッチングにより、GeまたはSnを導入した前記導電膜及びこれらを導入しない前記導電膜をそれぞれゲート電極の形状に加工する工程と、前記第2のマスクパターンを用いて前記p型シリコン層にn型不純物を導入してソース・ドレイン領域を形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。 Further, as a method of manufacturing such a semiconductor device of the present invention, a plurality of island-shaped p-type silicon layers are formed as element regions on an insulating layer, and the element regions are provided with a gate electrode made of p-type silicon. Forming a gate insulating film on the p-type silicon layer, and forming a gate electrode made of p-type silicon on the gate insulating film. Forming a first mask pattern on the conductive film, and selectively introducing Ge or Sn into the conductive film using the first mask pattern; Removing the first mask pattern, forming a second mask pattern on the conductive film, and etching the second mask pattern using Ge or Sn by using the second mask pattern. Processing the introduced conductive film and the conductive film not incorporating these into respective gate electrode shapes, and introducing an n-type impurity into the p-type silicon layer using the second mask pattern to form a source / drain. Forming a region, and a method for manufacturing a semiconductor device.
さらにまた、他の製造方法として、絶縁層上に形成されたp型シリコン層に、複数の記憶素子を含む記憶素子領域及び該記憶素子の動作を制御する回路を含む回路領域を形成する半導体装置の製造方法であって、前記p型シリコン層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、このゲート絶縁膜上にp型シリコンからなりゲート電極となる導電膜を形成する工程と、この導電膜の前記記憶素子領域となる部分の上に第1のマスクパターンを形成し、この第1のマスクパターンを用いて前記導電膜の前記回路領域となる部分に選択的にGeまたはSnを導入する工程と、前記第1のマスクパターンを除去する工程と、前記導電膜上に第2のマスクパターンを形成し、この第2のマスクパターンを用いてエッチングにより前記記憶素子領域及び前記回路領域の前記導電膜をゲート電極の形状に加工する工程と、前記第2のマスクパターンを用いて前記記憶素子領域及び前記回路領域の前記p型シリコン層にn型不純物を導入してソース・ドレイン領域を形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。 Furthermore, as another manufacturing method, a semiconductor device in which a storage element region including a plurality of storage elements and a circuit region including a circuit controlling operation of the storage element are formed in a p-type silicon layer formed over an insulating layer Forming a gate insulating film on the p-type silicon layer; forming a conductive film of p-type silicon on the gate insulating film to be a gate electrode; Forming a first mask pattern on the portion to be the storage element region, and selectively introducing Ge or Sn into the portion of the conductive film to be the circuit region using the first mask pattern; Removing the first mask pattern; forming a second mask pattern on the conductive film; and etching the storage element region and the circuit by etching using the second mask pattern. Processing the conductive film in a region into the shape of a gate electrode; and introducing n-type impurities into the p-type silicon layer in the storage element region and the circuit region using the second mask pattern to form a source / drain. Forming a region, and a method for manufacturing a semiconductor device.
かかる2つの本発明においては、前記GeまたはSnを導入する工程は、GeまたはSnを前記導電膜中のピーク濃度が1×1020cm−3以上となるようにイオン注入する工程であることが好ましい。 In the two present inventions, the step of introducing Ge or Sn may be a step of ion-implanting Ge or Sn such that the peak concentration in the conductive film is 1 × 10 20 cm −3 or more. preferable.
本発明によれば、p型シリコンからなるゲート電極を備えたn型チャネルのMIS型電界効果トランジスタを複数個含み、これらの複数個のMIS型電界効果トランジスタのうち少なくとも1つのMIS型電界効果トランジスタのゲート電極にはGeまたはSnが含まれ、かつその他の前記複数個のMIS型電界効果トランジスタのゲート電極にはGeまたはSnが含まれないので、ゲート電極にGeまたはSnが含まれるn型チャネルのMIS型電界効果トランジスタは、含まれないものと比べて、しきい値(Vth)を低くすることができ、これによりVthの異なる複数個のMIS型電界効果トランジスタを形成することができる。 According to the present invention, the semiconductor device includes a plurality of MIS field-effect transistors of an n-channel having a gate electrode made of p-type silicon, and at least one MIS field-effect transistor of the plurality of MIS field-effect transistors. Since the gate electrode of the MIS-type field effect transistor contains Ge or Sn, and the gate electrodes of the other MIS field-effect transistors do not contain Ge or Sn, the n-type channel whose gate electrode contains Ge or Sn is used. The threshold voltage (Vth) of the MIS field-effect transistor can be made lower than that of the MIS field-effect transistor, and a plurality of MIS field-effect transistors having different Vth can be formed.
SOI MOSFET、特に完全空乏化型SOI MOSFETでは、SOI層のチャネル領域の不純物濃度を変えてVthを所望の値に設定することが困難であるという問題があったが、p型シリコン・ゲートへのGeまたはSn導入の有無により、Vthを制御することが可能となり、完全空乏化型SOI MOSFETの回路設計上の問題を克服することができる。 In an SOI MOSFET, particularly a fully depleted SOI MOSFET, it is difficult to set Vth to a desired value by changing the impurity concentration of the channel region of the SOI layer. Vth can be controlled depending on whether Ge or Sn is introduced or not, and the problem in circuit design of a fully depleted SOI MOSFET can be overcome.
例えば、ダイナミックRAMのメモリセル部では、リーク電流を小さくするためにVthの高いMOSFETが必要であり、GeまたはSnを導入していないp型シリコンをゲートとして用いる。一方、メモリ動作を制御する周辺回路部では、高速動作のためにVt
hの低いMOSFETが必要であり、GeまたはSnを導入したp型シリコンをゲートとして用いる。
For example, in a memory cell portion of a dynamic RAM, a MOSFET having a high Vth is required to reduce leakage current, and p-type silicon into which Ge or Sn is not used is used as a gate. On the other hand, in the peripheral circuit section that controls the memory operation, Vt
A MOSFET having a low h is required, and p-type silicon into which Ge or Sn is introduced is used as a gate.
また、p型チャネルのMIS型電界効果トランジスタのゲート電極として、GeまたはSnを導入したp型シリコンを用いれば、GeまたはSnを導入しない場合に比べてゲートのフェルミレベルがバンドギャップの中央に近づく。このため、適正なVthを得るためのチャネルへのイオン注入量を低減できる。また、n型チャネルのMIS型電界効果トランジスタのゲートと同一のゲート材料を使え、従来のn型チャネルとp型チャネルのMIS型電界効果トランジスタでゲートの導電性を変えるデュアル・ゲート(dual gate)に比べて、製造工程を簡略化できる。 Further, when p-type silicon into which Ge or Sn is introduced is used as the gate electrode of the MIS field-effect transistor of the p-type channel, the Fermi level of the gate approaches the center of the band gap as compared with the case where Ge or Sn is not introduced. . Therefore, the amount of ions implanted into the channel for obtaining an appropriate Vth can be reduced. In addition, the same gate material as the gate of the n-channel MIS field-effect transistor can be used, and the conductivity of the gate can be changed between the conventional n-channel and p-channel MIS field-effect transistors. The manufacturing process can be simplified as compared with the first embodiment.
また、ソース領域へGeまたはSnを導入すれば、バンドギャップを狭めることができ、これにより、n型チャネルSOI MOSFETでの基板浮遊効果の主原因となる正孔のチャネル内の蓄積を効果的に防止できる。 Also, if Ge or Sn is introduced into the source region, the band gap can be narrowed, thereby effectively accumulating holes in the channel, which is the main cause of the substrate floating effect in the n-type channel SOI MOSFET. Can be prevented.
本発明によれば、しきい値を適正に設定することが可能であり、かつ高速動作が可能なSOI素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an SOI element in which a threshold can be appropriately set and high-speed operation can be performed.
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
(第1の実施形態)
まず、本実施形態を述べる前に、薄膜SOIトランジスタの問題点を再度述べておく。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(1st Embodiment)
First, before describing this embodiment, the problems of the thin-film SOI transistor will be described again.
薄膜SOIトランジスタ、特にSOI層が完全に空乏化した完全空乏化SOI MOSFETでは、SOI 層のチャネル領域の不純物濃度を変えてVthを所望の値に設定することが難しく、これが回路設計上の問題となる。Vthの解析式は、次式で与えられる。 In a thin-film SOI transistor, particularly a fully-depleted SOI MOSFET in which the SOI layer is completely depleted, it is difficult to set Vth to a desired value by changing the impurity concentration of the channel region of the SOI layer, which is a problem in circuit design. Become. The analytical expression of Vth is given by the following expression.
Vth=VFB+2φB+QB/Cox…(1)
ここで、VFBはフラットバンド電圧、φBはフェルミ電位、QBは表面電位、φsは2φBとなるときの空乏層内の電荷量、Coxはゲート絶縁膜の容量である。
Vth = VFB + 2φB + QB / Cox (1)
Here, VFB is the flat band voltage, φB is the Fermi potential, QB is the surface potential, φs is the amount of charge in the depletion layer at 2φB, and Cox is the capacitance of the gate insulating film.
通常の半導体基板バルクに形成されるMOSFETでは、チャネル領域の不純物濃度を変えてQBを制御しVthを所望の値に設定できる。しかし、完全空乏化SOI MOSFETではSOI層が薄いためにQBの制御が困難になる。完全空乏化SOI MOSFETのQBの解析式は、次式で与えられる。 MOSFET In a MOSFET formed in a normal semiconductor substrate bulk, QB can be controlled by changing the impurity concentration of the channel region to set Vth to a desired value. However, in a fully-depleted SOI MOSFET, it is difficult to control QB because the SOI layer is thin. The analytical expression of QB of the fully depleted SOI MOSFET is given by the following expression.
QB=q×NSOI×TSOI…(2)
ここで、qは素電荷量、NSOIはSOI層のチャネル領域の不純物濃度、TSOIはSOI層の厚さである。つまり、完全空乏化SOI MOSFETではSOI層が薄くTSOIが小さいために、チャネル領域の不純物濃度NSOIを変えることによりQBを所望の値に制御することが難しい。このため、SOI層のチャネル領域の不純物濃度NSOIを変えてVthを所望の値に設定することが困難になる。
QB = q × NSOI × TSOI (2)
Here, q is the elementary charge amount, NSOI is the impurity concentration of the channel region of the SOI layer, and TSOI is the thickness of the SOI layer. That is, in the fully depleted SOI MOSFET, since the SOI layer is thin and the TSOI is small, it is difficult to control QB to a desired value by changing the impurity concentration NSOI of the channel region. For this reason, it is difficult to set Vth to a desired value by changing the impurity concentration NSOI of the channel region of the SOI layer.
しかし、LSIの回路設計においてはVthの異なるMOSFETを必要とする場合がある。例えば、ダイナミックRAMのメモリセル部ではリーク電流を小さくするためにVthの高いMOSFETが必要であり、一方メモリ動作を制御する周辺回路部では高速動作のためにVthの低いMOSFETが必要となる。つまり、特に完全空乏化SOI MOSFETでは、SOI層のチャネル領域の不純物濃度NSOIを変えてVthを所望の
値に設定することが難しく、これが回路設計上の問題となっている。
However, in the LSI circuit design, MOSFETs having different Vths may be required. For example, in a memory cell portion of a dynamic RAM, a MOSFET having a high Vth is required to reduce leakage current, while in a peripheral circuit portion controlling a memory operation, a MOSFET having a low Vth is required for high-speed operation. That is, particularly in a fully depleted SOI MOSFET, it is difficult to set Vth to a desired value by changing the impurity concentration NSOI of the channel region of the SOI layer, which is a problem in circuit design.
本実施形態の発明によれば、p型シリコンからなるゲート電極を備えたn型チャネルのMIS型電界効果トランジスタを複数個含み、これらの複数個のMIS型電界効果トランジスタのうち少なくとも1つのMIS型電界効果トランジスタのゲート電極にはGeまたはSnが含まれ、かつその他の前記複数個のMIS型電界効果トランジスタのゲート電極にはGeまたはSnが含まれないので、ゲート電極にGeまたはSnが含まれるn型チャネルのMIS型電界効果トランジスタは、含まれないものと比べて、しきい値(Vth)を低くすることができ、これによりVthの異なる複数個のMIS型電界効果トランジスタを形成することができる。 According to the invention of this embodiment, a plurality of n-channel MIS field-effect transistors having a gate electrode made of p-type silicon are included, and at least one MIS field-effect transistor of the plurality of MIS field-effect transistors is included. Since the gate electrode of the field effect transistor contains Ge or Sn, and the gate electrodes of the other MIS field effect transistors do not contain Ge or Sn, the gate electrode contains Ge or Sn. The threshold voltage (Vth) of the n-channel MIS field-effect transistor can be lower than that of the n-channel MIS field-effect transistor, so that a plurality of MIS field-effect transistors having different Vth can be formed. it can.
例えば、p型多結晶シリコン・ゲートへGeを導入することにより、図2のバンド図に実線で示すように、Geを導入していない場合(破線)に比べてバンドギャップが0.3eV狭まる。これにより、p型多結晶シリコン・ゲートの仕事関数が変わり、(1)に示したVthの式で、フラットバンド電圧VFBが変わる。従って、p型多結晶シリコン・ゲートへのGe導入の有無により、Vthが0.3V異なる完全空乏化SOI MOSFETを実現することができる。 {For example, by introducing Ge into the p-type polycrystalline silicon gate, the band gap is narrowed by 0.3 eV as compared with the case where Ge is not introduced (broken line), as shown by the solid line in the band diagram of FIG. As a result, the work function of the p-type polycrystalline silicon gate changes, and the flat band voltage VFB changes according to the equation of Vth shown in (1). Therefore, a fully depleted SOI MOSFET different in Vth by 0.3 V can be realized depending on whether or not Ge is introduced into the p-type polycrystalline silicon gate.
以上のように、SOI MOSFET、特に完全空乏化型SOI MOSFETでは、SOI層のチャネル領域の不純物濃度を変えてVthを所望の値に設定することが困難であるという問題があったが、p型シリコン・ゲートへのGeまたはSn導入の有無により、Vthを制御することが可能となり、SOI MOSFET(特に完全空乏化型SOI
MOSFET)の回路設計上の問題を克服することができる。
As described above, in the SOI MOSFET, particularly the fully depleted SOI MOSFET, it is difficult to set Vth to a desired value by changing the impurity concentration of the channel region of the SOI layer. Vth can be controlled depending on whether Ge or Sn is introduced into the silicon gate, and SOI MOSFETs (particularly, fully depleted SOI
MOSFET) circuit design problems can be overcome.
本実施形態の発明は、特にダイナミックRAMを有する半導体集積回路に有効である。例えば、ダイナミックRAMのメモリセル部では、リーク電流を小さくするためにVthの高いMOSFETが必要であり、GeまたはSnを導入していないp型シリコンをゲートとして用いる。一方、メモリ動作を制御する周辺回路部では、高速動作のためにVthの低いMOSFETが必要であり、GeまたはSnを導入したp型シリコンをゲートとして用いる。 The invention of this embodiment is particularly effective for a semiconductor integrated circuit having a dynamic RAM. For example, in a memory cell portion of a dynamic RAM, a MOSFET having a high Vth is required to reduce leakage current, and p-type silicon into which Ge or Sn is not used is used as a gate. On the other hand, in a peripheral circuit section for controlling a memory operation, a MOSFET having a low Vth is required for high-speed operation, and p-type silicon into which Ge or Sn is introduced is used as a gate.
図1は、本実施形態に係る本発明のSOI MOSFETの構造を示す断面図である。nチャネルSOI MOSFETのゲートとして、Geを導入していないp型多結晶シリコン・ゲート88と、Geを導入したp型多結晶シリコン・ゲート89が形成されている。Geを導入していないゲート88を有するSOI MOSFETのVthは、Geを導入したゲート89を有するSOI MOSFETのVthに比べて、Vthを0.3V高くすることができる。従って、p型多結晶シリコン・ゲートへのGe導入の有無により、Vthが0.3V異なる完全空乏化SOI MOSFETを実現することが可能となり、SOI MOSFET(特に完全空乏化型SOI MOSFET)の回路設計上の問題を克服することができる。なお、Geの代わりにSnを用いてもかかる効果を得ることが可能である。
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of an SOI MOSFET of the present invention according to the present embodiment. As a gate of the n-channel SOI MOSFET, a p-type
図4は、図1に示す薄膜SOI素子の製造方法を示す工程断面図である。図1と同一の部分には同一の符号を付して示す。まず、p型(100)シリコン基板81に周知のSIMOX技術で厚さ100nmの埋め込み酸化膜82を形成する。このとき、表面には単結晶シリコン膜(以下SOI膜と呼ぶ。)が形成される。次に、熱酸化とNH4Fを用いたウェットエッチングにより、SOI膜を50nmまで薄くする。この後、周知の選択酸化技術により、素子分離用の酸化膜83を形成し、隣接する素子間を電気的に分離する。
FIG. 4 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the thin-film SOI device shown in FIG. 1 are given the same reference numerals. First, a buried
次に、nチャネル型MOSFETの形成領域にはBF2イオンを加速電圧20keV、
ドーズ量5×1011cm−2でイオン注入することにより、p型SOI層84、85を形成する。一方、pチャネルMOSFETの形成領域にはAsを加速電圧40keV、ドーズ量5×1011cm−2でイオン注入することにより、n型SOI層86を形成する。
Next, BF 2 ions were applied to the formation region of the n-channel MOSFET at an acceleration voltage of 20 keV,
P-type SOI layers 84 and 85 are formed by ion implantation at a dose of 5 × 10 11 cm −2 . On the other hand, an n-
その後、ゲート酸化膜87を7nmの厚さで形成し、燐(P)をドープした多結晶シリコン88を0.3μmの厚さで堆積した後、図4(a)に示すように、レジスト膜101をマスクにしてGeを加速電圧100keV、ドーズ量3×1015cm−2でイオン注入することにより、Geを含む多結晶シリコン層102を形成する。ここで、Geの代わりにSnをイオン注入することにより、Snを含む多結晶シリコン層を形成しても良い。
Thereafter, a
次に、レジスト膜101を除去した後、図4(b)に示すようにCVD酸化膜を例えば0.3μmの厚さで堆積した後、周知のパターニング技術により、Geを含まない多結晶シリコン88、Geを含む多結晶シリコン層102、及び上記CVD酸化膜をパターニングすることにより、ゲート電極88、Geを含むゲート電極89、90、及びこれらゲート電極上にそれぞれ位置する酸化膜103、104、105を形成する。さらに、n型SOI層(pチャネル型MOSFETの形成領域)86上にレジスト膜106を形成し、Asを加速電圧30keV、ドーズ量5×1015cm−2でイオン注入しn型ソース・ドレイン領域92、93を形成する。
Next, after removing the resist
次に、レジスト膜106を除去した後、図4(c)に示すように、nチャネル型MOSFETの形成領域をレジスト膜107でマスクした後、BF2イオンを加速電圧30keV、ドーズ量5×1015cm−2でイオン注入することにより、p型ソース・ドレイン領域91を形成し、850℃、30分のアニールを行う。この後、周知の技術で、層間絶縁膜を形成した後、コンタクトを形成し、配線の形成を行って素子を作成する。
Next, after the resist
本実施形態では、p型チャネルのMIS型電界効果トランジスタのゲート電極90として、Ge(またはSn)を導入したp型シリコンを用いているので、Ge(またはSn)を導入しない場合に比べてゲートのフェルミレベルがバンドギャップの中央に近づく。このため、適正なVthを得るためのチャネルへのイオン注入量を低減できる。また、n型チャネルのMIS型電界効果トランジスタのゲートと同一のゲート材料を使え、従来のn型チャネルとp型チャネルのMIS型電界効果トランジスタでゲートの導電性を変えるデュアル・ゲート(dual gate)に比べて、製造工程を簡略化できる。
(第2の実施形態)
図5は、本実施形態の薄膜SOI素子の製造方法を示す工程断面図である。図1と同一の部分には同一の符号を付して示す。
In the present embodiment, since the p-type silicon into which Ge (or Sn) is introduced is used as the
(Second embodiment)
FIG. 5 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the thin-film SOI device of the present embodiment. 1 are given the same reference numerals.
図5に示すように、図4(b)の第1の実施形態のn型ソース・ドレイン領域92、93を形成するために行うAsのイオン注入において、Geを加速電圧30keV、ドーズ量1015cm−2でイオン注入することにより、Geを含むn型ソース・ドレイン領域111、112をそれぞれ形成する。次に、周知の技術で、p型ソース・ドレイン領域を形成し、層間絶縁膜を形成した後、コンタクトを形成し、配線の形成を行って素子を作成する。
As shown in FIG. 5, in the As ion implantation for forming the n-type source /
第2の実施形態による素子は、第1の実施形態と同様に、p型多結晶シリコン・ゲートへのGe導入の有無により、Vthが0.3V異なる完全空乏化SOI MOSFETを実現することができ、完全空乏化SOI MOSFETでの回路設計上の問題を克服することができた。 The device according to the second embodiment can realize a fully depleted SOI MOSFET whose Vth differs by 0.3 V depending on whether or not Ge is introduced into the p-type polycrystalline silicon gate, as in the first embodiment. Thus, it was possible to overcome a problem in circuit design of a fully depleted SOI MOSFET.
さらに、本実施形態によれば、ソース領域へGeを導入すれば、バンドギャップを狭め
ることができ、これにより、n型チャネルSOI MOSFETでの基板浮遊効果の主原因となる正孔のチャネル内の蓄積を効果的に防止できる。即ち、図3に示すように、ソース領域のバンドギャップが狭くなると(実線)、チャネルとソース間のエネルギー障壁は減少し、ソース内部へ流れる正孔電流は、エネルギー障壁の減少と共に、指数関数的に増大する。これにより、正孔のチャネル内の蓄積を防止することができ、Geをイオン注入しない通常の素子に対して、オフ領域のドレイン破壊電圧が、例えば1V以上も改善する。なお、Geの代わりにシリコンのバンドギャップを狭める原子であるSn(錫)を用いても良く、上記効用を奏することが可能である。
(第3の実施形態)
図6は、本実施形態の薄膜SOI素子の製造方法を示す工程断面図である。図1と同一の部分には同一の符号を付して示す。
Furthermore, according to the present embodiment, if Ge is introduced into the source region, the band gap can be narrowed, and as a result, a hole in the channel of the hole that is a main cause of the substrate floating effect in the n-type channel SOI MOSFET can be obtained. Accumulation can be effectively prevented. That is, as shown in FIG. 3, when the band gap of the source region becomes narrower (solid line), the energy barrier between the channel and the source decreases, and the hole current flowing into the source increases exponentially with the decrease of the energy barrier. To increase. As a result, holes can be prevented from accumulating in the channel, and the drain breakdown voltage in the off region can be improved by, for example, 1 V or more compared to a normal element in which Ge is not implanted. Note that Sn (tin), which is an atom that narrows the band gap of silicon, may be used instead of Ge, and the above effects can be obtained.
(Third embodiment)
FIG. 6 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the thin-film SOI device of the present embodiment. 1 are given the same reference numerals.
まず、第1の実施形態の図4(a)と同様に、Geを含む多結晶シリコン層102を形成し、レジスト膜101を除去した後、周知のパターニング技術により、Geを含まない多結晶シリコン88、Geを含む多結晶シリコン層102をパターニングすることにより、ゲート電極88、Geを含むゲート電極89、90を形成する。さらに、図6(a)に示すように、n型SOI層(pチャネル型MOSFETの形成領域)86上にレジスト膜106を形成し、Pを加速電圧30keV、ドーズ量1013cm−2でイオン注入することにより、n型ソース・ドレイン領域131及び低濃度n型LDD(lightly doped drain)領域132を形成する。
First, similarly to FIG. 4A of the first embodiment, a
次に、図6(b)に示すように、CVD酸化膜133を全面に例えば0.5μmの厚さで堆積した後、周知のパターニング技術により、Geを含まないp型多結晶シリコン・ゲート電極88を有するnチャネル型MOSFETの形成領域とpチャネル型MOSFETの形成領域をCVD酸化膜133で被覆する。さらに、CVD窒化膜を全面に例えば0.5μmの厚さで堆積した後、異方性エッチングを行い、nチャネル型MOSFETのGeを含むp型多結晶シリコン・ゲート電極89をCVD酸化膜134で被覆する。
Next, as shown in FIG. 6B, after depositing a CVD oxide film 133 on the entire surface to a thickness of, for example, 0.5 μm, a p-type polysilicon gate electrode containing no Ge is formed by a well-known patterning technique. The formation region of the n-channel MOSFET and the formation region of the p-channel MOSFET having 88 are covered with the CVD oxide film 133. Further, after depositing a CVD nitride film on the entire surface to a thickness of, for example, 0.5 μm, anisotropic etching is performed, and a p-type polycrystalline
次に、Asを加速電圧30keV、ドーズ量5×1015cm−2でイオン注入し、さらにGeを加速電圧30keV、ドーズ量1015cm−2でイオン注入することにより、Geを含むn型ソース・ドレイン領域135を形成する。この後、Geを含まないp型多結晶シリコン・ゲート電極88を有するnチャネル型MOSFETの形成領域上とpチャネル型MOSFETの形成領域上のCVD酸化膜133をエッチング除去する。さらに、周知の技術で、p型ソース・ドレイン領域を形成し、層間絶縁膜を形成した後、コンタクトを形成し、配線の形成を行って素子を作成する。
Next, As is ion-implanted at an acceleration voltage of 30 keV and a dose of 5 × 10 15 cm −2 , and Ge is ion-implanted at an acceleration voltage of 30 keV and a dose of 10 15 cm −2 to obtain an n-type source containing Ge. Forming a drain region 135; Thereafter, the CVD oxide film 133 on the formation region of the n-channel MOSFET and the formation region of the p-channel MOSFET having the p-type
本実施形態による素子は、第1の実施形態と同様に、p型多結晶シリコン・ゲートへのGe導入の有無により、Vthが0.3V異なる完全空乏化SOI MOSFETを実現することができた。また、第2の実施形態と同様に、Geを含むp型多結晶シリコン・ゲート電極89を有するnチャネル型MOSFETでは、n型ソース・ドレイン領域にもGeを導入したことにより、Geを導入せずにソース領域を形成した素子と比べると、オフ領域のドレイン破壊電圧が1V向上した。さらに、Geを含まないp型多結晶シリコン・ゲート電極88を有するnチャネル型MOSFETでは、n型ソース・ドレイン領域131にはGeが導入されていないために接合リーク電流を低減することができた。
<< The device according to the present embodiment can realize a fully depleted SOI MOSFET whose Vth differs by 0.3 V depending on whether Ge is introduced into the p-type polycrystalline silicon gate, as in the first embodiment. Further, similarly to the second embodiment, in the n-channel MOSFET having the p-type polycrystalline
なお、上記第1乃至第3の実施形態では、イオン注入により多結晶シリコン・ゲートにGeを導入したが、固相拡散によってGeを導入してもよい。また上記第2及び第3の実施形態に示した製造工程では、As、Ge、BF2イオンのイオン注入によりn型ソース・ドレイン領域92、93、111、112、及びp型ソース・ドレイン領域91を形成する際、Geを含むゲート電極89、90、含まないゲート電極88に上記イオンが入ら
ないようにするため、CVD酸化膜105をマスク材として用いた。このマスク材として、CVD酸化膜105の代わりに金属シリサイド膜を用いても良い。金属シリサイド膜を用いれば、ゲート抵抗の低減にもなり、高速な半導体素子を実現できる。
In the first to third embodiments, Ge is introduced into the polycrystalline silicon gate by ion implantation, but Ge may be introduced by solid phase diffusion. The above manufacturing steps shown in the second and third embodiments, As, Ge, BF 2 n-type source and drain
なお、本発明は上述した実施形態の方法に限定されるものではない。例えば、酸素イオンをシリコン基板にイオン注入するSIMOX法でSOI層を形成したが、シリコン酸化層の上の多結晶シリコン膜をレーザ・ビーム・アニール技術で単結晶化させSOI層を形成してもよい。また、シリコン基板同志をシリコン酸化膜を介してお互いに貼り合わせることによりSOI層を形成しても良い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。 Note that the present invention is not limited to the method of the above-described embodiment. For example, the SOI layer is formed by a SIMOX method in which oxygen ions are implanted into a silicon substrate, but the SOI layer may be formed by monocrystallizing a polycrystalline silicon film on a silicon oxide layer by a laser beam annealing technique. Good. Alternatively, an SOI layer may be formed by bonding silicon substrates together via a silicon oxide film. In addition, various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
88・・・Geを導入していないp型多結晶シリコン・ゲート
89・・・Geを導入したp型多結晶シリコン・ゲート
88 ... p-type polycrystalline silicon gate not introducing
Claims (11)
憶素子の動作を制御する回路を含む回路領域を形成する半導体装置の製造方法であって、前記p型シリコン層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、このゲート絶縁膜上にp型シリコンからなりゲート電極となる導電膜を形成する工程と、この導電膜の前記記憶素子領域となる部分の上に第1のマスクパターンを形成し、この第1のマスクパターンを用いて前記導電膜の前記回路領域となる部分に選択的にGeまたはSnを導入する工程と、前記第1のマスクパターンを除去する工程と、前記導電膜上に第2のマスクパターンを形成し、この第2のマスクパターンを用いてエッチングにより前記記憶素子領域及び前記回路領域の前記導電膜をゲート電極の形状に加工する工程と、前記第2のマスクパターンを用いて前記記憶素子領域及び前記回路領域の前記p型シリコン層にn型不純物を導入してソース・ドレイン領域を形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming, in a p-type silicon layer formed on an insulating layer, a storage element region including a plurality of storage elements and a circuit region including a circuit for controlling operation of the storage element, Forming a gate insulating film on the p-type silicon layer, forming a conductive film made of p-type silicon on the gate insulating film and serving as a gate electrode, Forming a first mask pattern on the substrate, selectively introducing Ge or Sn into a portion of the conductive film to be the circuit region using the first mask pattern, and removing the first mask pattern. Forming a second mask pattern on the conductive film, and using the second mask pattern to etch the conductive film in the storage element region and the circuit region into a gate electrode. And forming a source / drain region by introducing an n-type impurity into the p-type silicon layer in the storage element region and the circuit region using the second mask pattern. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
11. The method according to claim 9, wherein the step of introducing Ge or Sn is a step of ion-implanting Ge or Sn such that the peak concentration in the conductive film is 1 × 10 20 cm −3 or more. The manufacturing method of the semiconductor device described in the above.
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