JP2004311764A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。より具体的には、ソース、ドレイン領域(ソース領域またはドレイン領域を一般的にソース、ドレイン領域と言う。)の接合面積を小さくして接合容量を低減できる半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、LSI(大規模集積回路)の高集積化は留まることなく進展し、LSIを構成するMOSトランジスタは、ますます微細化されてきている。MOSトランジスタの微細化に伴って、短チャネル効果によるパンチスルーやオフリーク電流の増大といった特性劣化が問題になっている。このような問題を解決する方法の一つとして、トランジスタのチャネル領域に隣接するソース、ドレイン領域の接合深さを浅くする方法がある。この浅い接合を実現するため、特開2000−82815号公報(特許文献1)には、ゲート電極の両側に、ゲート電極側壁絶縁膜を介して、チャネル領域よりも上方に積み上げられたソース、ドレイン領域(積み上げ拡散層)を形成した構造のトランジスタが提案されている。
【0003】
この半導体装置の概略構造を図27に示す。図27(a)は、その平面レイアウトを示し、図27(b)は、図27(a)におけるB−B’線方向の断面を示している。半導体基板301内に素子分離領域302が形成され、半導体基板301上にはゲート絶縁膜303及びゲート電極304が順次形成されている。このゲート電極304の両側に、ゲート電極側壁絶縁膜305を介して、半導体基板301表面よりも上方に半導体層3081が積み上げられている。この積み上げられた半導体層3081内に不純物が注入された後、この不純物が熱処理により半導体基板301中に拡散されて、この半導体基板301中に基板内拡散層3082が形成される。このようにして、上記基板内拡散層3082を形成することによって、浅い接合を制御性良く形成できる、すなわち、短チャネル効果を防止できる構造を形成することができるのである。上記ゲート電極304及び積み上げられた半導体層3081上には高融点シリサイド膜309が形成されている。上記ゲート電極304の長手方向とは垂直の方向の積み上げられた半導体層3082の幅は、ゲート電極側壁絶縁膜305と素子分離領域302との間の距離、すなわち、半導体基板301とゲート絶縁膜303とが接する面の、ソース、ドレイン領域308の活性層領域の幅よりも大きく形成されている。したがって、コンタクト孔311と高融点シリサイド膜309との接触面積を小さくすること無く、すなわち、コンタクト抵抗を増大させることなく、コンタクト孔311を形成すると共に、接合面積を小さくして接合容量を低減することができるのである。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−82815号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体装置によれば、以下に示す問題があった。
【0006】
図2(b)を用いて上記問題を説明する。この図2(b)は、上記従来の半導体装置の半導体基板301中に形成されたソース、ドレイン領域308を拡大して示す図である。最小加工寸法をF、ゲート電極側壁絶縁膜305の幅をbとすると、ゲート電極304と素子分離領域302との距離aは、アライメント精度である(F/3)を考慮して、a>b+F/3が成り立つように設計されていた。したがって、ソース、ドレイン領域308の接合容量が大きくなるという問題があった。これは、上記素子分離領域302がゲート電極304に対して自己整合的に形成されていないため、ソース、ドレイン電極308において電流が流れる領域を確保するためにアライメント精度である(F/3)を考慮して、その寸法だけゲート電極304と素子分離領域302との間の距離を大きく設計する必要があったためである。
【0007】
本発明は、上記問題を解決するべくなされたものであり、その目的は、ソース、ドレイン領域の接合容量を低減した半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、この発明の半導体装置は、
半導体基板内に、直接または間接に、活性領域と、素子分離領域と、ソース領域と、ドレイン領域を設け、上記活性領域上にゲート絶縁膜を設け、このゲート絶縁膜上にゲート電極を設けた半導体装置において、
最小加工寸法をFとすると、上記ゲート電極と上記素子分離領域との間の最短距離がF/3以下であることを特徴としている。
【0009】
ここで、半導体基板とは、狭義の半導体基板のみならず、SOI(Silicon On Insulator)基板等の絶縁基板上に薄膜半導体が形成されてなる広義の半導体基板をも含めて半導体基板と言う。
【0010】
また、ここで、「半導体基板内に、直接または間接に、活性領域と、素子分離領域と、ソース領域と、ドレイン領域を設け、」とは、半導体基板内に直接的にそれらを設けることと、半導体基板内に設けたウエル領域にそれらを設けることによって半導体基板に間接的にそれらを設けることとを意味する。
【0011】
また、最小加工寸法Fとは、微細レジストパターンを形成するプロセス装置の性能(精度など)、その微細レジストパターンをマスクとして基板をエッチングするときのエッチング装置の精度等で決まるもので、2003年4月では、130nmから180nmであり、当業者にとっては、一般的に年代毎に一義的に定まるものである。言うまでもないことであるが、この最小加工寸法Fとは、当時の技術水準で定まるものであって、固定的なものではなくて、時代が進むにつれて、小さくなることに注意すべきである。
【0012】
上記構成の半導体装置によれば、上記ゲート電極と上記素子分離領域との間の最短距離がF/3以下であるので、従来の半導体装置と比してソース、ドレイン領域の接合面積を小さくすることができる。したがって、ソース、ドレイン領域の接合容量を低減することができる。
【0013】
また、1実施の形態では、上記ソース領域及び上記ドレイン領域は、夫々、上記活性領域と上記ゲート絶縁膜との間の界面よりも上方に位置するように、上記活性領域の上及び上記素子分離領域の一部の上に形成された導電体を含む。
【0014】
上記実施の形態によれば、上記導電体によってトランジスタの寄生抵抗が小さくなって素子のスピードが向上する。
【0015】
また、1実施の形態では、上記ゲート電極近傍の上記導電体の領域の厚さが、上記導電体の他の領域の厚さよりも薄い。
【0016】
上記実施の形態によれば、上記ゲート電極と導電体とが対向する面積が小さくなる。したがって、上記ゲート電極と、ソース領域、ドレイン領域とに纏わる容量を小さくすることができる。
【0017】
また、1実施の形態では、上記導電体は多結晶シリコン膜からなる積み上げ拡散層である。
【0018】
上記実施の形態によれば、上記導電体は多結晶シリコン膜からなるので、不純物の拡散係数が大きい。したがって、上記多結晶シリコン膜の厚さがプロセス揺らぎでばらついても、上記積み上げ拡散層から半導体基板やウエル領域へ制御性良く同じ深さに不純物を拡散させることができて、同じ接合深さの基板内拡散層を形成することができる。
【0019】
また、1実施の形態は、上記半導体基板内に形成された第1導電型の深いウェル領域と、上記第1導電型の深いウェル領域内に形成され、上記素子分離領域によって区分された第2導電型の浅いウェル領域とを備え、
上記活性領域は上記浅いウエル領域内に設けられており、
上記ゲート電極と上記第2導電型の浅いウェル領域とが電気的に接続されている。
【0020】
本明細書では、第1導電型とは、P型またはN型のことを言い、第1導電型がP型であるときは、第2導電型はN型であり、第1導電型がN型であるときは、第2導電型はP型であることを意味する。
【0021】
上記実施の形態は、上記ゲート電極と浅いウェル領域とを電気的に接続したいわゆるDTMOSFET(動的しきい値(Dynamic Threshold)MOSFET)構造になっている。したがって、高速で低消費電力の半導体装置を実現できる。
【0022】
また、1実施の形態では、上記ゲート電極の長手方向の両端部の2箇所において、上記ゲート電極と上記浅いウェル領域とが電気的に接続されている。
【0023】
上記実施の形態によれば、2箇所でゲート電極と浅いウェル領域が接続されているので、より高速な半導体装置を実現できる。
【0024】
この発明の半導体装置の製造方法は、
半導体基板上に、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、ゲート電極上の絶縁膜を順次形成する工程と、
上記ゲート電極の側方に、上記ゲート電極側から順次位置する第1のゲート電極側壁絶縁膜及び第2のゲート電極側壁絶縁膜を形成する工程と、
上記ゲート電極上の絶縁膜、第1のゲート電極側壁絶縁膜及び第2のゲート電極側壁絶縁膜をマスクとして用いて、上記半導体基板をエッチングして溝を形成する工程と、
上記溝に絶縁膜を埋め込んで素子分離領域を形成する工程と、
上記第2のゲート電極側壁絶縁膜を除去する工程と、
上記ゲート絶縁膜と活性領域との界面よりも上方に位置するように、活性領域及び素子分離領域の上の一部に多結晶シリコン膜を形成する工程と、
上記ゲート電極の長手方向の両端部における上記多結晶シリコン膜の一部を除去する工程と、
上記多結晶シリコン膜が除去された領域における活性領域上に絶縁膜を形成する工程と
を備えることを特徴としている。
【0025】
この発明の半導体装置の製造方法によれば、特に特殊な製造装置を用いることなく、上記第1の側壁絶縁膜及び第2の側壁絶縁膜を利用することにより、上記ゲート電極に対して素子分離領域を自己整合的に形成することができる。このため、ソース領域、ドレイン領域の活性領域の面積を小さくすることができる。したがって、接合容量の小さい半導体装置を容易に形成することができる。また、上記多結晶シリコン膜の一部を除去した活性領域上に絶縁膜を形成している。したがって、ソース領域とドレイン領域とのショート、及び、ソース、ドレイン領域とウェル領域(半導体基板)とのショートを防止できる。
【0026】
また、1実施の形態では、上記多結晶シリコン膜を形成する工程は、
上記ゲート電極と上記素子分離領域との距離よりも厚い膜厚の多結晶シリコン膜を全面に被着する工程と、上記ゲート電極上の上記多結晶シリコン膜が無くなるまでエッチングする工程とからなる。
【0027】
上記実施の形態によれば、、特に特殊な製造装置を用いることなく、積み上げ拡散層を有する半導体装置を形成することができる。
【0028】
また、1実施の形態では、上記多結晶シリコン膜を形成する工程は、多結晶シリコン膜を全面に被着する工程と、上記多結晶シリコン膜の上にレジストを平坦に塗布する工程と、上記レジストの膜厚を上記ゲート電極領上の上記絶縁膜が露出するように薄くする工程と、上記レジストをパターニングする工程と、上記レジストをマスクにして上記ゲート電極近傍の上記多結晶シリコン膜の領域が、その多結晶シリコン膜の被着されたときの膜厚よりも薄くなるまでエッチングする工程とからなる。
【0029】
上記実施の形態によれば、特に特殊なプロセス装置を用いることなく、上記ゲート電極近傍の積み上げ拡散層の厚さが薄い半導体装置を制御性良く形成することができる。
【0030】
また、1実施の形態は、上記多結晶シリコン膜を形成した後に、上記ゲート電極を形成するためのゲート電極領域の長手方向の両端部における上記ゲート電極領域の一部を除去して上記ゲート電極を形成する工程と、上記多結晶シリコン膜の一部を除去すると共に、上記ゲート電極と上記第2導電型の浅いウェル領域を接続するためのコンタクト領域を形成する工程と、全面に層間絶縁膜を堆積する工程と、上記ゲート電極の一部の上の上記層間絶縁膜、及び、上記コンタクト領域上の上記層間絶縁膜の一部を除去して、上記ゲート電極と上記コンタクト領域とにまたがるコンタクト孔を形成する工程と、上記コンタクト孔に導電物を埋設する工程とを備える。
【0031】
上記実施の形態によれば、、特に特殊なプロセス装置を用いることなく、上記ゲート電極と浅いウェル領域を短絡したDTMOSFETを制御性良く形成することができる。
【0032】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。本発明に使用することができる半導体基板は、特に限定されないが、シリコン基板が好ましい。また、半導体基板は、P型またはN型の導電型を有していても良い。
【0033】
(実施の形態1)
本実施の形態1は、ソース、ドレイン領域の活性領域の面積を小さくして、接合容量を低減した半導体装置及びその製造方法を提供するものである。
【0034】
まず、図1(a)、(b)、(c)により、本実施の形態1の半導体装置の構成を説明する。図1(a)は、その平面レイアウトを示し、図1(b)は、図1(a)におけるB−B’線方向の断面を、図1(c)は、図1(a)におけるC−C’線方向の断面を夫々示している。
【0035】
第1導電型の半導体基板101内には、素子分離領域109が形成されている。上記半導体基板101上には、ゲート絶縁膜102を介してゲート電極103が形成されている。このゲート電極103は、本半導体装置のチャネル領域130上に位置すると共に、第2導電型にドープされた半導体膜からなる第1のゲート電極部分1031と、上記チャネル領域130上にはなくて、上部配線(図示せず)とのコンタクト孔116を設ける領域120上に位置して不純物がドープされていない半導体層からなる第2のゲート電極部分1032とからなる。上記ゲート電極103の長手方向と垂直な方向の両側にはシリコン酸化膜106とシリコン窒化膜107からなるゲート電極側壁絶縁膜160が形成されている。上記ゲート電極側壁絶縁膜160はこの例に限らず、絶縁膜であればよい。
【0036】
上記ゲート電極103の両側に、ゲート電極側壁絶縁膜160を介して、半導体基板101表面よりも上方に半導体層1121が積み上げられている。この積み上げられた半導体層1121内に不純物が注入された後、熱処理を行って積み上げ拡散層1121が形成されると共に、上記不純物が熱処理により半導体基板101中に拡散されて、この半導体基板101中に基板内拡散層1122が形成される。上記積み上げ拡散層1121と基板内拡散層1122は、ソース、ドレイン領域112を構成する。上記積み上げ拡散層1121は導電体の一例である。
【0037】
このようにして、上記基板内拡散層1122を形成することによって、浅い接合を制御性良く形成できて、短チャネル効果を防止できる。また、上記積み上げ拡散層1121の存在によって、素子の寄生抵抗が小さくなって、素子のスピードが向上する。
【0038】
また、図1(c)及び図2(a)に示すように、上記積み上げ拡散層1121は、その幅が第1のゲート電極部分1031と素子分離領域109との間の距離よりも大きくて、素子分離領域109上に渡って形成されている。したがって、ソース、ドレイン電極へのコンタクト孔116と積み上げ拡散層1121との接触面積が大きく保つことができるので、コンタクト抵抗を小さくすることができる。もし、積み上げ拡散層1121が存在しないとすると、ゲート電極103と素子分離領域109との距離が非常に小さいために幅の小さなソース、ドレイン活性領域上にコンタクトを設けることになって、このコンタクトとソース、ドレイン活性領域との接触面積が小さくなって、コンタクト抵抗が大きくなってしまうのである。
【0039】
本実施の形態1では、第1のゲート電極部分1031と素子分離領域109との間の距離よりも大きな幅を持った積み上げ拡散層1121を形成しているので、コンタクト抵抗を増加させることなく接合容量の小さな半導体装置を実現できるのである。
【0040】
図1(a)、(b)、(c)に示すように、上記ゲート電極103及び積み上げ拡散層1121上には、そのゲート電極103の長手方向の両端から、夫々アライメント精度(F/3)だけ内側の全域にわたり金属膜114が形成されている。なお、Fは、最小加工寸法である。上記金属膜114は、例えば、タングステン、チタン、チタンナイトライド、タンタルなどの高融点金属膜、チタンシリサイド、コバルトシリサイド、ニッケルシリサイド、白金シリサイドなどの高融点金属シリサイド膜、または、アルミ、銅や、これらの合金か、もしくはこれらの金属や合金にシリコンやパラジウムなどの不純物が添加されたものであればよい。上記ゲート電極103、ソース、ドレイン領域112には上部配線(図示せず)と接続するために所望の位置にコンタクト孔116が形成されている。
【0041】
上記ゲート電極103と素子分離領域109との間の距離は、最小加工寸法をFとすると、F/3以下になるように設定されている。図2(a)、(b)は、ゲート電極103,304と素子分離領域109,302との位置関係を説明するもので、半導体基板101,301中の基板内拡散層1122,3082付近を拡大したものである。図2(a)は本実施の形態1の半導体装置を、図2(b)は従来例である特開2000−82815号公報の半導体装置を夫々示している。図2(b)に示す従来の半導体装置では、素子分離領域302を形成した後に、ゲート電極304を形成しているため、そのゲート電極304に対して素子分離領域302が自己整合的に形成されていない。したがって、上記素子分離領域302に対するゲート電極304のアライメント精度である(F/3)を考慮して、ゲート電極304と素子分離領域302との距離aは、a=(b+F/3+α)となる。ここで、bはゲート電極側壁絶縁膜305の幅である。αは、最大のアライメントズレF/3が起こってゲート電極側壁絶縁膜305が素子分離領域302に迫っても、ソース、ドレイン領域308を電極として機能させるために、上記ソース、ドレイン領域308におけるゲート電極側壁絶縁膜305と素子分離領域302との間の最小限に必要な距離であり、10nm以上あればよい。最小加工寸法Fを180nmとして、ゲート電極側壁絶縁膜305の幅bを50nm、αを30nmに設計すると、上記従来の半導体装置のゲート電極304と素子分離領域302との距離aは、a=(b+F/3+α)=(50+180/3+30)=140nmとなる。また、上記ソース、ドレイン領域308におけるゲート電極側壁絶縁膜305と素子分離領域302との間の寸法(以下、ソース、ドレイン活性層幅と言う。)は、F/3+α=180/3+30=90nmと算出される。
【0042】
一方、本実施の形態1の半導体装置は、製造方法を説明するときに後述するが、ゲート電極103に対して素子分離領域109を自己整合的に形成しているため、素子分離領域109に対するゲート電極103のアライメント精度を考慮する必要がない。したがって、図2(a)に示すように、ソース、ドレイン領域112の活性層幅をソース、ドレイン領域112を電極として機能させるために最低限必要な幅のα=30nmで形成することができる。具体的には、シリコン酸化膜106及びシリコン窒化膜107の膜厚を夫々10nmに設定すると、ゲート電極側壁絶縁膜160の幅bはb=20nmになる。したがって、上記ゲート電極103と素子分離領域109との距離aは、a=b+α=50nmとなり、アライメント精度のF/3(60nm)以下に形成することができる。このように本実施の形態1の半導体装置は、ソース、ドレイン領域112の活性層幅を小さくすることができる。したがって、上記従来の半導体装置(特開2000−82815号公報)と比して約1/3に接合容量を小さくすることができる。
【0043】
次に、本実施の形態1の半導体装置を形成する手順を、図3から図8を用いて説明する。図3から図8において、各分図(a)は平面レイアウト図であり、各分図(b)は対応する分図(a)の切断面線B−B’からみた断面図、各分図(c)は対応する分図(a)の切断面線C−C’からみた断面図である。
【0044】
まず、図3(a)、(b)、(c)に示す半導体基板101中には、図示はしていないが、しきい値調整のための不純物注入を行っている。次に、図3(b)、(c)に示すように、上記半導体基板101上に、ゲート絶縁膜102、ゲート電極となる多結晶シリコン膜103、シリコン酸化膜104、シリコン窒化膜105を順次形成する。次に、シリコン酸化膜106を10nm、シリコン窒化膜107を10nm程堆積した後、それらをエッチバックすることにより、上記シリコン酸化膜106とシリコン窒化膜107とからなる第1のゲート電極側壁絶縁膜160を形成する。次に、シリコン酸化膜108を30nm程堆積後、これもまたエッチバックして、第2のゲート側壁絶縁膜108を形成する。
【0045】
次に、図3(c)に示すシリコン窒化膜105、第1のゲート電極側壁絶縁膜160及び第2のゲート電極側壁絶縁膜108で覆われた半導体基板101の領域以外の領域をエッチングして、図4(a),(b),(c)に示すように、素子分離領域109を形成するために、200〜700nmの深さの溝を形成する。このとき、上記シリコン酸化膜106,108やシリコン窒化膜107に対して半導体基板101のエッチング速度が非常に大きい、すなわち選択比の大きいエッチング条件を用いているので、シリコン窒化膜105やシリコン酸化膜108などはほとんどエッチングされない。
【0046】
次に、CVD(化学的気相成長)法により、上記溝に酸化膜を埋め込む。次に、ゲート電極領域103’上のシリコン窒化膜105をストッパーとしてCMP(化学機械研磨:Chemical Mechanical Polishing)法により、上記酸化膜を研磨する。その後、その酸化膜をフッ酸によりその表面が半導体基板101表面付近に近づくまでエッチングする。このとき、第2のゲート電極側壁絶縁膜であるシリコン酸化膜108は完全に除去されて、後の工程でソース、ドレイン領域となる活性層(図2においてαと定義した領域)が露出する。上記第1のゲート電極側壁絶縁膜160のうちのシリコン酸化膜106は上部が若干エッチングされるが、幅が10nmと非常に小さいのでフッ酸に対するレートは素子分離領域109に埋め込まれた酸化膜109やシリコン酸化膜108より十分に小さいため、上部が若干除去されるだけでそのほとんどがサイドウォールとして残る。このようにして、素子分離領域109がゲート電極領域103’に対して自己整合的に形成される。
【0047】
次に、図5(a),(b),(c)に示すように、図1に示すソース、ドレイン積み上げ拡散層112の材料として、多結晶シリコン膜をLPCVD(低圧化学的気相成長)法により全面に形成した後、異方性のエッチバックを行って多結晶シリコン膜サイドウォール110を形成する。このサイドウォール110の幅はソース、ドレイン領域112の活性層幅よりも大きくなるように多結晶シリコン膜の堆積膜厚とエッチバック条件を調整している。この多結晶シリコン膜からなるサイドウォール110を形成するときは、シリコン基板101の表面との界面に自然酸化膜が成長しないように形成することが重要となる。上記半導体基板のソース、ドレイン領域の活性層表面と、堆積した多結晶シリコン膜との界面に自然酸化膜が成長すると、後の工程でイオン注入により多結晶シリコン膜中にドナー、もしくはアクセプタとなる不純物を導入した後、熱処理により不純物を半導体基板中へ熱拡散させて接合を形成する際に、この自然酸化膜が不純物の拡散バリアとなり均一な不純物拡散が阻害される。このため、ソース、ドレイン領域の接合深さが不均一になり、トランジスタ特性がばらつく原因となる。
【0048】
本実施の形態1では、図示しない予備真空排気室と、露点が常に−100℃以下に保たれた窒素パージ室と、堆積炉とを備えたLPCVD(低圧気相成長)装置により多結晶シリコン膜110を形成するので、自然酸化膜が成長しないように、多結晶シリコン膜110を成長させることが可能となっている。
【0049】
具体的には、多結晶シリコン膜110を形成する直前に、ウェーハをフッ酸系の溶液で洗浄し、自然酸化膜を一旦除去した後、上記予備真空排気室に搬送する。この搬送の前に、上記予備真空排気室は、大気雰囲気を一旦真空排気した後、窒素雰囲気に置換している。次ぎに、ウェーハを露点が−100℃以下に保たれた窒素パージ室に搬送する。ここで、上記予備真空排気室の役割は、搬送時の大気を窒素パージ室に混入させないことである。ほんの僅かな大気であっても大気が窒素パージ室に混入すると、−100℃以下の雰囲気まで回復させるのに数日の時間がかかり、非常にスループットが悪化してしまう。また、窒素パージ室の役割は、ウエハ表面に吸着した水分子を窒素パージにより完全に除去することである。ウエハ表面に吸着した水分子は窒素パージにより完全に除去できることが実験により確認されている。
【0050】
通常のLPCVD装置では、このような除去しきれない水分子をウエハ表面に吸着させたまま堆積炉へ搬送される。通常の多結晶シリコン膜は550℃から650℃程度の温度で形成しているため、この温度に保たれている堆積炉にウエハを搬送する際に、吸着している水分子及び大気中の酸素がシリコンウエハと反応して、多結晶シリコン膜を形成する前に自然酸化膜が成長してしまう。これにより、多結晶シリコン膜からなるサイドウォール110と半導体基板101との界面に自然酸化膜が成長してしまう。しかし、本実施の形態1のLPCVD装置では、上述したように露点が常に−100℃以下に保たれた窒素パージ室にて吸着している水分子を完全に除去した後に、堆積炉へ搬送するシステムになっているため、自然酸化膜を成長させることなく多結晶シリコン膜110を形成することが可能となっている。したがって、不純物が半導体基板101へ円滑に拡散して均一なソース、ドレイン領域の接合を制御性良く形成することができる。
【0051】
次に、図5(b)に示すシリコン窒化膜105とシリコン酸化膜104を、図6(a)、(b)、(c)に示すように、除去する。このとき、上記ゲート電極側壁絶縁膜160を構成しているシリコン窒化膜107も少しエッチングされるが、幅が数十nm程度と小さいため上部が若干エッチングされるのみで、そのほとんどが側壁絶縁膜として残る。
【0052】
次に、上記多結晶シリコン膜110による、ソース電極とドレイン電極のショートを防止するために、周知のリソグラフィー技術と加工技術を用いて、ゲート電極領域103’の長手方向の両端部に形成されているチャネル領域130から離れた位置の多結晶シリコン膜110の一部を除去する。このとき、その領域の多結晶シリコン膜110のみを除去すればよいが、本実施の形態1では、それに伴いゲート電極領域103’の両端部も一部、ゲート電極長手方向に対してF/3程除去している。これを以下に説明する。
【0053】
上記多結晶シリコン膜110を除去するためのレイアウトは、ゲート電極領域103’に対して必ずF/3程度のアライメントズレを起こすことを考慮して行われるべきである。何故なら、アライメントズレにより多結晶シリコン膜110が残存することを回避するためである。このように、多結晶シリコン膜110を除去するためのフォトレジストは、予めゲート電極領域103’の長手方向のゲート電極領域103’の両端から内側方向にF/3程入った面より、ゲート電極領域103’の長手方向の外側方向に除去する領域が設定されるようにレイアウトされる必要がある。したがって、結果として、ゲート電極領域103’の両端がF/3程除去されることになるのである。また、ゲート電極領域103’の両端部がエッチングされることにより、特に素子の特性劣化を引き起こすことは無い。このようにして、多結晶シリコン膜110が除去された領域140a、140b及びゲート電極領域103’の両端部が除去された領域145a、145bの半導体基板101表面が露出する。
【0054】
次に、上記ゲート電極領域103’及びソース、ドレイン領域に第2導電型の不純物を注入するためにレジスト150のパターニングを行い、このレジスト150をマスクとして第2導電型の不純物111を注入する。このとき、不純物111の横方向への拡散を考慮して、レジスト150はゲート電極長手方向に対して、チャネル領域130両端から100nmから200nm程内側の領域に不純物が注入されるようにパターニングされる。次に、ソース、ドレイン領域112を形成するために第2導電型不純物111のイオン注入を行う。本実施の形態1では、ソース、ドレイン領域112を形成するための多結晶シリコン膜サイドウォール110へのドーピングと同時にゲート電極領域103’へのドーピングを行っている。
【0055】
上記多結晶シリコン膜からなるゲート電極領域103’の膜厚は200から250nm、多結晶シリコン膜からなるサイドウォール110のゲート電極近傍の高さは200から300nmで形成した。このため、イオン注入条件は、Nチャネルトランジスタに関しては、燐イオンを20KeVから80KeV程度のエネルギーで2×1015から1×1016/cm2程度の注入量で行った。Pチャネルトランジスタに関しては、ボロンイオンを10KeVから30KeV程度のエネルギーで2×1015から1×1016/cm2程度の注入量で行った。ここで、図示はしていないが、不純物注入時の汚染物(コンタミネーション)除去を目的に、不純物を注入する前に5〜30nmのスクリーン酸化膜を全面に形成しても良い。また、不純物注入のエネルギーは多結晶シリコン膜サイドウォール110中のみに不純物が注入されるように設定されている。
【0056】
次に、図7(b)、(c)に示すように、上記ゲート電極領域103’及びサイドウォール110注入した不純物111の活性化させると共に、その不純物111をシリコン基板101中に拡散させるために、熱処理を行う。これにより、積み上げ拡散層1121及び基板内拡散層1122からなるソース、ドレイン領域112が形成される。この熱処理の条件としては、800℃から950℃程度の温度で10分から60分程度の熱処理、もしくは、900℃から1100℃程度の温度で10秒から60秒程度の急速熱処理を行い、注入した不純物111を活性化すると共に、多結晶シリコン膜からなるサイドウォール110からシリコン基板101中まで固相拡散させて接合を形成する。このようにして、不純物イオン111を、チャネル領域130よりも高く積み上げられた多結晶シリコン膜からなるサイドウォール110中に注入して、そのサイドウォール110からシリコン基板101中へ不純物を固相拡散させて接合を形成する。つまり、不純物111を直接シリコン基板101中へ注入しないので、結晶欠陥に起因する接合リーク電流が発生しなくて、接合リーク電流を低減することができる。ここで、上記熱処理条件の目安であるが、ソース、ドレイン領域112に形成した横方向の接合位置が、ゲート電極領域103’(チャネル領域130)に対して離間しない程度まで拡散させる必要がある。具体的には、上記シリコン酸化膜106とシリコン窒化膜107から構成されるゲート電極側壁絶縁膜160の幅以上は横方向に拡散させる必要がある。トランジスタの性能を向上させるためには、短チャネル効果を抑制するために接合深さを極力浅くし、かつ、高い駆動電流を得るためにゲート電極に対してオフセットしないようにソース、ドレイン領域112を形成する必要がある。例えば、ゲート電極側壁絶縁膜160の幅が20nmである場合において、Nチャネル型トランジスタ及びPチャネル型トランジスタの不純物拡散を一度の熱処理で行うとき、800℃、60分程度から875℃、10分程度が最適であることを実験から見いだしている。このようにして、基板内拡散層1122及び不純物ドープされた第1のゲート電極部分1031が形成される。ここで、この第1のゲート電極部分1031及び基板内拡散層1122はチャネル領域130のみに形成されて、チャネル領域130以外の領域120には不純物がドープされていない第2のゲート電極部分1032及び積み上げ層110が残る。上記第1のゲート電極部分1031と第2のゲート電極部分1032とでゲート電極103を構成する。したがって、上記領域120では、上記ゲート電極103とソース、ドレイン領域112との間にほとんど容量が発生しないので、従来例と比して、ゲート電極103とソース、ドレイン領域112とに纏わる容量を小さくすることができる。
【0057】
次に、図7(b)に示すように、CVD法により50〜100nm程度の膜厚のシリコン酸化膜113を形成する。次に、前工程にてソース電極とドレイン電極とのショートを防止するために多結晶シリコン膜110が除去されて露出した活性層領域140a、140b、及び、ゲート電極領域103’の両端部が除去されて露出した活性領域145a、145bがシリコン酸化膜113により完全に覆われるように、このシリコン酸化膜113をパターニングする。
【0058】
具体的には、周知のリソグラフィー技術と加工技術を用いて、上記ゲート電極103の長手方向の両端141a、141bからF/3程内側のゲート電極103の長手方向とは垂直方向の面からゲート電極103の内側方向の領域のシリコン酸化膜113を除去する。すなわち、上記ゲート電極103の長手方向の両端141a、141bからゲート電極103の長手方向内側方向へアライメント精度であるF/3程まで、上記シリコン酸化膜113がゲート電極103にオーバーラップして形成されるように、このシリコン酸化膜113はレイアウトされる。このため、上記ゲート電極103の長手方向へアライメントズレが起きても、活性領域140a、140b及び活性領域145a、145bをシリコン酸化膜113により確実に覆うことができる。
【0059】
この工程は本実施の形態では非常に重要な工程である。図9(a)、(b)はシリコン酸化膜113を用いなかった場合にゲート電極103及びソース、ドレイン領域112と半導体基板101がショートする様子を説明するものである。図9(a)は、図7(a)においてシリコン酸化膜113を形成しない場合の平面レイアウト図を、図9(b)は、図9(a)におけるゲート電極長手方向にソース、ドレイン領域112の活性層領域に沿った切断面線B−B’からみた断面図である。この図9(a)、(b)に示したように、活性領域140a、140b及び活性領域145a、145bがシリコン酸化膜113により覆われていないため、金属膜114が活性領域140a、140b、145a、145bに形成される。このため、例えば、図9(b)のように、活性領域140aにおいてソース、ドレイン領域112と半導体基板101が、また、活性領域145bにおいてゲート電極103と半導体基板101とが、夫々金属膜114によりショートしてしまう。
【0060】
本実施の形態1の半導体装置は、素子分離領域109に対してゲート電極103が自己整合的に形成されるため、ゲート電極103の周辺には必ずこのような活性領域140a、140bが形成される。このため、ゲート電極の長手方向の両端部に素子分離領域が形成されている従来例とは異なり、ゲート電極103の両端部において、このような活性領域140a、140b、145a、145bをシリコン酸化膜113などの絶縁膜で覆わないと、ゲート電極103、ソース、ドレイン領域112が金属膜114により半導体基板101とショートしてしまうのである。
【0061】
以上のように、シリコン酸化膜113を形成することにより、この活性領域140a、140b及び活性領域145a、145bの表面に金属膜114が形成されることがない。したがって、上記ゲート電極103と半導体基板101とがショートすることがなく、また、ソース、ドレイン領域112と半導体基板101とがショートすることがない。
【0062】
次に、周知のサリサイド工程により、上記ゲート電極103及びソース、ドレイン領域112のシリコン酸化膜113が形成されていない領域の上に、高融点金属膜の一例としてチタンシリサイド膜114を選択的に形成する。本実施例では、高融点金属膜としてチタン金属によるチタンシリサイド膜114を用いたが、これに限るものではなく、他の高融点金属膜として、コバルト、ニッケル、白金等を用いた高融点膜でも良い。また、タングステン、チタン、チタンナイトライド、タンタル等の高融点金属膜、または、アルミ、銅や、これらの合金か、もしくはこれらの金属や合金にシリコンやパラジウムなどの不純物が添加されたものでもよい。
【0063】
次に、図8(a)、(b)、(c)に示すように、周知の方法で層間絶縁膜115を形成した後、この層間絶縁膜115の所定の位置にコンタクト孔116を開口する。図示はしていないが、周知の方法によりコンタクトプラグ及び上部配線を形成すれば、本実施の形態1の半導体装置が完成する。
【0064】
以上のように、本実施の形態1の半導体装置の製造方法では、ゲート電極103に対して素子分離領域109が自己整合的に形成される。このため、図2(a)に示すように、ゲート電極103と素子分離領域109との間の距離aは、アライメントズレ(F/3)以下の寸法にすることが可能である。すなわち、図2(b)に示した従来例のように、ゲート電極304に対する素子分離領域302のアライメントズレ(F/3)を考慮してゲート電極304と素子分離領域302の位置をレイアウトする必要がない。したがって、図2(b)に示した従来例と比して、本実施の形態1では、ソース、ドレイン領域112の活性層領域の幅(基板中拡散層1122の積み上げ拡散層1121に連なる上端の幅)をF/3程に小さくできるので、ソース、ドレイン領域112に纏わる接合容量を小さくすることができる。具体的には、最小加工寸法(デザインルールやテクノロジーノードに対応)Fが180nmのとき、図2(b)にしめす従来例の半導体装置では、アライメントズレ(F/3)は約60nm、ソース、ドレイン領域308を電極として機能させるのに最低限必要な電流を流す活性領域(基板中拡散層)の幅αを30nmとすると、ソース、ドレイン領域308の活性領域(基板中拡散層)3082の幅はF/3+α=90nm程必要であるが、本発明の実施の形態1の半導体装置では、図2(a)に示すように、ソース、ドレイン領域112を電極として機能させるのに最低限必要な電流を流す活性層領域の幅α=30nmの幅で、ソース、ドレイン領域112の活性層領域(基板中拡散層)1122を形成することができる。したがって、本発明の実施の形態1の半導体装置では、従来例と比して1/3のソース、ドレイン領域112の活性領域の幅aを持った半導体装置を実現できる。したがって、従来例と比して、ソース、ドレイン領域112に纏わる接合容量を1/3程度に低減することができる。
【0065】
一方、ゲート電極に対して素子分離領域を自己整合的に形成する方法では、上述したように、ゲート電極両端部における、ゲート電極と半導体基板とのショート、及び、ソース、ドレイン領域と半導体基板とのショートが問題になるが、そのゲート電極103の両端部をシリコン酸化膜113で覆うことによりこの問題を防止することができる。
【0066】
現在では、ロジック回路とアナログ回路などを混載した集積回路が多く生産されるようになっている。上記アナログ回路はゲート電極上に金属膜を形成しないための保護膜を形成しているが、この保護膜を形成するためのマスクと、ロジック回路を構成する本実施の形態1の半導体装置のシリコン酸化膜113を形成するためのマスクを兼ねることができるので、マスク数が増えることがない。したがって、コストを増大させることなく、本実施の形態1の半導体装置を含むロジック回路とアナログ回路を混載した集積回路を形成することができる。さらに、これらの製造工程を特殊なプロセス装置を用いることなく製造することができる。
【0067】
(実施の形態2)
本実施の形態2は、実施の形態1の半導体装置と同様に、ソース、ドレイン領域の活性領域の面積を小さくして、接合容量を低減した構造を有する半導体装置及びその製造方法を提供するものである。また、これに加えて、実施の形態1の半導体装置と比して、ゲート電極とソース、ドレイン電極との間の容量を低減した半導体装置及びその製造方法を提供するものである。
【0068】
まず、図14(a)、(b)、(c)により本実施の形態2の半導体装置の構成を説明する。図14(a)は、その平面レイアウトを示し、図14(b)は、図14(a)におけるB−B’方向の断面を、図14(c)は、図14(a)におけるC−C’方向の断面を夫々示している。
【0069】
本実施の形態2の半導体装置は、実施の形態1の半導体装置とはソース、ドレイン領域の積み上げ拡散層の構造と、そのソース、ドレイン領域への上部配線とのコンタクト孔を設ける位置が異なるだけで、その他の構造は同じである。したがって、ここでは主にソース、ドレイン積み上げ拡散層の構造について説明する。なお、実施の形態1の半導体装置の構成部と同一構成部については、実施の形態1の半導体装置の構成部と同一参照番号を付して、詳しい説明は省略する。
【0070】
図14(c)に示すように、ソース、ドレイン領域171の積み上げ拡散層1711は、実施の形態1の半導体装置と同様に、ソース、ドレイン活性層領域(基板中拡散層1712の積み上げ拡散層1711に連なる表面)上及び素子分離領域109上にわたって形成されている。本実施の形態2の半導体装置では、積み上げ拡散層1711におけるゲート電極103近傍の領域180は、他の領域181におけるよりも薄く、上記ゲート電極103近傍の領域180の幅はその他の領域181における積み上げ拡散層1711の厚みとほぼ同じである。このように、本実施の形態2の半導体装置は、実施の形態1の半導体装置と比して、ゲート電極103に対するソース、ドレイン領域171の積み上げ拡散層1711の対向面積が小さい。したがって、上記ゲート電極103とソース、ドレイン領域171とに纏わる容量を低減することができる。
【0071】
次に、本実施の形態2の半導体装置を作製する手順を、図10(a)、(b)、(c)から図14(a)、(b)、(c)を用いて説明する。図10(a)、(b)、(c)から図14(a)、(b)、(c)において、各分図(a)は平面レイアウトを示す図であり、各分図(b)は対応する各分図(a)の切断面線B−B’からみた断面図、各分図(c)は対応する各分図(a)の切断面線C−C’からみた断面図である。
【0072】
本実施の形態2の半導体装置の製造方法は、ソース、ドレイン領域の積み上げ拡散層の製造方法以外は全て実施の形態1と同じなので、ここでは積み上げ拡散層の製造方法を中心に、ゲート電極側壁絶縁膜の形成以降の工程について説明する。
【0073】
まず、図10(b)、(c)に示すように、実施の形態1の製造方法と同様に、半導体基板101上にゲート絶縁膜102、ゲート電極領域103’、シリコン酸化膜106とシリコン窒化膜107から構成されるゲート電極側壁絶縁膜160、素子分離領域109を形成する。
【0074】
次に、積み上げ拡散層を形成するための多結晶シリコン膜170を、この多結晶シリコン膜170と半導体基板101表面との界面に自然酸化膜が成長しない方法を用いて、50〜200nm程堆積する。
【0075】
次に、表面全体にレジスト165を塗布した後に、ゲート電極領域103’上の多結晶シリコン膜170が露出するまで現像処理を行う。上記ゲート電極領域103’の膜厚は200〜300nm、このゲート電極103’上のシリコン窒化膜105の膜厚は50〜200nmなので、上記ゲート電極領域103’が形成されている箇所はその回りの箇所に対して250〜500nmの段差を有している。このため、上記レジスト165の現像処理条件(時間が重要なパラメータ)を適切な条件に設定することにより、上記ゲート電極領域103’が形成されている箇所以外の箇所にレジスト165が残るように、上記レジスト165をパターニングすることができる。
【0076】
ここで、上記レジスト165のパターニングに関して詳しく説明する。上記レジスト165を、下地段差の影響を受けにくく平坦に塗布するために、このレジスト165として低粘度(4.5cp)の化学増幅系ネガレジストTDUR−N908(東京応化工業株式会社製)を用いて、1000〜3000rpmの低回転で塗布した後、プリベーク(塗布後ベーク)を80〜130℃、90秒の条件で行った。そうすると、図示はしていないが、レジスト165が平坦に塗布される。上記レジスト165の粘度は5cp以下であれば、下地段差の影響を受けずに平坦に塗布できるが、できるだけ低粘度のレジストを用いる方が平坦化の観点からは好ましい。次に、通常の現像工程で使用される濃度よりも低い濃度の現像液である、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH、住友化学工業株式会社製)の0.1N水溶液によりレジストを現像(エッチング)する。通常より濃度を低く設定したのは、エッチングレートを小さくすることにより制御性良くレジストのパターニングを行うためである。この現像液のレジスト165に対するエッチングレートは一分間に9nmなので、エッチング時間を制御することにより、ゲート電極領域103’上の多結晶シリコン膜170が露出するまでエッチングすると、図10(c)に示すように、ゲート電極領域103’が形成されている以外の箇所にレジスト165が残るようにパターニングされる。本実施の形態2では、レジスト165のエッチングに現像処理を用いたが、これに限るものではなく、ドライエッチング法を用いても良い。しかしながら、現像処理は、塗布装置と同一の装置を用いることができること、及び、真空装置を使わないことなどの理由から、ドライエッチングより低コストなので有効な方法である。
【0077】
次に、図11(b)、(c)に示すように、レジスト165をマスクとして露出しているゲート電極領域103’上の多結晶シリコン膜170をレジスト165の表面付近までエッチングする。このエッチングをレジスト165表面付近で留めておくのは、後の工程でシリコン窒化膜105を除去する際に、ゲート電極側壁絶縁膜160を構成しているシリコン窒化膜107が除去されてしまうのを防ぐためである。このエッチングには異方性に加工可能なRIE(反応性イオンエッチング:Reactive Ion Etching)法を用いた。しかし、これに限ることはなく、ケミカルドライエッチング法を用いても良い。次に、シリコン窒化膜105を除去する。このとき、ゲート電極側壁絶縁膜160の一部を構成しているシリコン窒化膜107も少しエッチングされるが、そのほとんどの表面(この場合はほとんどが側面)が多結晶シリコン膜170で覆われていることと、その幅が数十nm程度と小さいこととのため、上部が若干エッチングされるのみで、シリコン窒化膜107はそのほとんどがゲート電極側壁絶縁膜160の一部として残る。
【0078】
次に、図12(a)、(b)、(c)に示すように、上記ゲート電極側壁絶縁膜160の周りの多結晶シリコン膜170を除去して、ゲート電極領域103’近傍の薄い領域180を有する積み上げ拡散層に対応する多結晶シリコン膜170を形成する。このエッチング条件は上記領域180の上記多結晶シリコン膜170の膜厚が堆積時と等しいか、それよりも薄くなるように設定された。この領域180の幅は、形成方法であるLPCVD法の特徴から当初堆積した多結晶シリコン膜170の膜厚と等しくなる。何故なら、LPCVD法によって形成される多結晶シリコン膜170は、段差被覆性に非常に優れているため、ゲート電極側壁絶縁膜160と素子分離領域109上に夫々形成される多結晶シリコン膜170の膜厚がほとんど等しくなって、このゲート電極側壁絶縁膜160上の多結晶シリコン膜170を、厚さ方向の全体にわたって、このゲート電極側壁絶縁膜160の延びる方向にエッチングして上記領域180を形成するからである。次に、レジスト165を除去する。
【0079】
次に、図13(a)、(b)、(c)に示すように、実施の形態1と同様に、ソース領域とドレイン領域とのショートを防止するために、周知のリソグラフィー技術と加工技術を用いて、ゲート電極領域103’の長手方向の両端部に形成されている多結晶シリコン膜170の一部を除去する。また、同時にゲート電極領域103’の長手方向とは垂直な方向の多結晶シリコン膜170のパターニングも同時に行われる。このとき、その領域の多結晶シリコン膜170のみを除去すればよいが、本実施の形態2の半導体装置においても実施の形態1の半導体装置と同様に、ゲート電極領域103’の両端部の一部もゲート電極領域103’の長手方向にF/3程除去している。これを以下に説明する。
【0080】
上記多結晶シリコン膜170を除去するためのレイアウトは、ゲート電極領域103’に対して必ずF/3程度のアライメントズレを起こすことを考慮して行われるべきである。このアライメントズレにより多結晶シリコン膜170が残存することを回避するために、多結晶シリコン膜170を除去するためのフォトレジストは、予めゲート電極領域103’の長手方向のゲート電極領域103’の両端から内側方向にF/3程入った面より、ゲート電極領域103’の長手方向の外側方向に除去する領域が設定されるようにレイアウトされる必要がある。このようにすると、ゲート電極領域103’の両端がF/3程除去されることになる。また、ゲート電極領域103’の両端がエッチングされることにより、特に素子の特性劣化を引き起こすことは無い。
【0081】
次に、図14(a)、(b)、(c)に示すように、実施の形態1の半導体装置と同様に、ゲート電極103、基板内拡散層1712、高融点シリサイド膜114、層間絶縁膜115及びコンタクト孔116を形成する。図示はしていないが、上部配線を形成すれば本実施の形態の半導体装置は完成する。
【0082】
以上のように、本実施の形態2の半導体装置の製造方法では、特殊なプロセス装置を用いることなく、実施の形態1の半導体装置と比して、ゲート電極103とソース、ドレイン領域171とに纏わる容量を低減した半導体装置を作製することができる。
【0083】
図1に示す実施の形態1の半導体装置では、多結晶シリコン膜110の堆積膜厚以上の幅の積み上げ拡散層1121は得ることができないが、図14に示す本実施の形態2では、ゲート電極103の長手方向とは垂直方向の多結晶シリコン膜170のパターニングをリソグラフィー技術により自由に行うことができる。図1に示す実施の形態1の半導体装置では、ソース、ドレイン領域112の積み上げ拡散層1121の幅は堆積された多結晶シリコン膜110の膜厚程度と限定されていたので、ソース、ドレイン領域112の積み上げ拡散層1121とコンタクトとの接触面積の減少によるコンタクト抵抗の増大を防止するために、コンタクト孔116をゲート電極103に近づけて形成する必要があった。しかしながら、図14に示す本実施の形態2の半導体装置では、ソース、ドレイン領域171の積み上げ拡散層1711の幅を自由にレイアウトすることができるので、実施の形態1の半導体装置よりもコンタクト孔116をゲート電極103に対して十分離れた位置にしかも好きな位置に形成することができる。したがって、ゲート電極103とソース、ドレイン領域171とに纏わる容量を低減することができる。
【0084】
また、特に直列トランジスタを形成した場合に、本実施の形態2の半導体装置は実施の形態1の半導体装置と比して大きな効果がある。それを以下に説明する。
【0085】
図15(a)、(b)は、直列トランジスタを形成した際のゲート電極長手方向とは垂直方向の断面図を示している。図15(a)は実施の形態1の半導体装置を、図15(b)は、本実施の形態2の半導体装置を夫々示している。図15(a)のように実施の形態1の半導体装置では、多結晶シリコン膜110(図5参照)の幅を堆積膜厚以上には形成できないので、隣接するゲート電極103,103間の距離が多結晶シリコン膜110の堆積膜厚の2倍よりも大きいトランジスタの場合、図15(a)に示すように、積み上げ拡散層1121,1121が直接接続されないため、金属コンタクトプラグ118やメタル配線119から構成される上部配線により接続するしかない。したがって、例えば隣接するドレイン領域(電極)112,112を接続するためにメタル配線を一層使う必要がある。一方、図15(b)に示した本実施の形態2の半導体装置では、多結晶シリコン膜170(図12参照)を自由にレイアウト可能なため、上部配線を用いなくても隣接するトランジスタの例えばドレイン領域171、171を接続することができる。したがって、上部配線を隣接するドレイン領域171,171の接続に使用しなくても良いために自由度が向上するので、微細な半導体素子を形成することができる。
【0086】
(実施の形態3)
本実施の形態3の半導体装置は、実施の形態1の半導体装置とは、基本的には構造が類似しているが、ゲート電極とウェル領域とを接続したDT(Dynamic Threshold:動的閾値)MOSFETとして電流駆動能力を向上させた点が相違する。
【0087】
まず、図16(a)、(b)、(c)により本実施の形態3の半導体装置の構成を説明する。本実施の形態3の半導体装置は、実施の形態1の半導体装置のゲート電極と浅いウェル領域とを電気的に接続したものである。図16(a)は、その平面レイアウトを示し、図16(b)は、図16(a)におけるB−B’方向の断面を、図16(c)は、図16(a)におけるC−C’方向の断面を夫々示している。なお、図16(a)の平面レイアウト図では、ゲート電極205、ソース、ドレイン領域214の積み上げ拡散層2141やコンタクト領域240a、240bなどとコンタクト孔217との位置関係を明確にするために、上部メタル配線219と金属プラグ218は省略している。
【0088】
第1導電型の半導体基板201内には、第2導電型の深いウェル領域202と第1導電型の浅いウェル領域203が形成されていて、浅いウェル領域203は素子分離領域212により素子毎に電気的に分離されている。ここで、第1導電型とはN型またはP型を言い、第1導電型がN型の場合は、第2導電型はP型を意味し、第1導電型がP型の場合は、第2導電型はN型を意味する。
【0089】
上記浅いウェル領域203上の一部の領域にはゲート絶縁膜204を介して第2導電型にドープされた半導体膜からなるゲート電極205が形成されている。また、上記浅いウェル領域203上には、上記ゲート電極205の長手方向の両端部に位置するコンタクト領域240a、240bが形成されている。このコンタクト領域240a、240b上には、上記ゲート絶縁膜204及びゲート電極が除去されて存在しない。このコンタクト領域240a、240bは、ゲート電極205と浅いウェル領域203とを接続するためのものである。上記コンタクト領域240a、240bの各々を包含する第1導電型の高濃度拡散層領域213a、213bが形成されていて、この第1導電型の高濃度拡散層領域213a、213bによって金属プラグ218と浅いウェル領域203とがオーミック接続できるようになっている。ここで、図16(b)では、上記高濃度拡散層領域213a、213bはコンタクト領域240a、240b全域を包含するように形成されているが、これに限るものではなく、少なくても金属プラグ218が浅いウェル領域203と接している領域に形成されていればよい。なぜなら、上記ゲート電極205と浅いウェル領域203とは金属プラグ218を介して接続されるが、この金属プラグ218と浅いウェル領域203が接触する領域全てがショットキー接合にならないように高濃度拡散層領域213a、213bが形成されていれば良いからである。なお、上記高濃度拡散層領域213a、213bの第1導電型の不純物の濃度は、1×1020〜1×1021/cm3程度である。また、上記高濃度拡散層領域213a、213bを形成するための第1導電型の不純物はゲート電極205にドープされていない。したがって、上記ゲート電極205内の第2導電型の不純物と上記第1導電型の不純物が相殺されて実効チャネル幅が減少することがないので、駆動電流の低減を防止することができる。
【0090】
上記ゲート電極205及びソース、ドレイン領域214と、上部メタル配線219とを接続するために、層間絶縁膜216の所定の位置にコンタクト孔を開口して金属プラグ218が形成されている。このとき、上記ゲート電極205と上部メタル配線219を接続するためのコンタクト孔は、図16(b)に示すように、上記ゲート電極205とコンタクト領域240a、240bをまたぐように形成されて、そのコンタクト孔内は金属プラグ218が埋め込まれている。これにより、上記ゲート電極205と上部メタル配線219を接続すると共に、金属プラグ218を介してゲート電極205と浅いウェル領域203を確実に接続することができる。また、上記ゲート電極205の長手方向の両端部の2箇所のコンタクト領域240a、240bにおいてゲート電極205と浅いウェル領域203は接続されている。したがって、一箇所でゲート電極と浅いウェル領域を接続する場合より、ゲート電極205に印加された電圧を2箇所から効率的に浅いウェル領域203に伝えることができるので、浅いウェル領域203内を伝わる電圧の遅延が小さくなって高速動作が可能となる。
【0091】
上記ソース、ドレイン領域214は、実施の形態1の半導体装置と同様に、ゲート電極側壁絶縁膜210に隣接し、そのほとんどがゲート絶縁膜204と浅いウェル領域203表面との界面よりも上方に位置している。上記ソース、ドレイン領域214は、ゲート絶縁膜204と浅いウェル領域203表面との界面よりも上方に位置している積み上げ拡散層2141と、浅いウエル領域203内にある浅いウエル領域内拡散層(以下、基板内拡散層と言う。)2142とからなる。上記ゲート電極205上及び積み上げ拡散層2141上には、そのゲート電極205の長手方向の両端から夫々F/3だけ内側の全域にわたり金属膜215が形成されている。ここで、Fは最小加工寸法である。上記金属膜215は、例えば、タングステン、チタン、チタンナイトライド、タンタルなどの高融点金属膜、チタンシリサイド、コバルトシリサイド、ニッケルシリサイド、白金シリサイドなどの高融点金属シリサイド膜、または、アルミ、銅や、これらの合金か、もしくはこれらの金属や合金にシリコンやパラジウムなどの不純物が添加されたもの等であれば良い。
【0092】
上記ゲート電極205と素子分離領域212との距離は、最小加工寸法をFとすると、F/3以下になるように設定されている。したがって、本実施の形態3の半導体装置は、図2(a)、(b)を用いて説明した実施の形態1の半導体装置と同様に、ソース、ドレイン領域214の基板内拡散層2142の活性層幅を小さくすることができる。したがって、従来例(特開2000−82815号公報)の半導体装置の接合容量と比して約1/3に接合容量を小さくすることができる。
【0093】
本実施の形態3の半導体装置のように、上記ゲート電極205と浅いウェル領域203とを接続したDTMOSFETにおいて、ソース、ドレイン領域214の基板内拡散層2142の容量(活性層容量)を低減する効果は非常に大きい。何故なら、DTMOSはゲート電極205と浅いウェル領域203とを接続しているため、ゲート電極205に電圧を印可したときソース領域(電極)214と浅いウェル領域203間、及び、ドレイン領域(電極)214と浅いウェル領域203間に夫々接合容量が発生する。特に、ドレイン電極214と浅いウェル領域203間にはトランジスタのスイッチング動作時にミラー効果によりソース電極214と浅いウェル領域203間の2倍の容量が発生する。これは合計で、DTMOSでない通常構造のトランジスタの接合容量の3倍になる。したがって、DTMOSにとって接合容量を低減する、すなわち接合面積を低減することは素子の高速化にとって非常に重要なのである。
【0094】
次に、本実施の形態3の半導体装置の製造方法を、図17から図25を用いて説明する。図17から図25において、各分図(a)は平面レイアウトを示す図であり、各分図(b)は対応する分図(a)の切断面線B−B’からみた断面図であり、各分図(c)は対応する分図(a)の切断面線C−C’からみた断面図である。
【0095】
まず、図17(b)、(c)に示すように、半導体基板201中に第2導電型の深いウェル領域202及び第1導電型の浅いウェル領域203を形成する。このとき、上記浅いウェル領域203の表面付近は所望のしきい値電圧が得られるように不純物濃度が調整されている。次に、上記浅いウェル領域203上に、ゲート絶縁膜204、ゲート電極領域となる多結晶シリコン膜205’、シリコン酸化膜206、シリコン窒化膜207を順次形成し、その後、フォトリソグラフィ技術とエッチングによりゲート電極領域205’等をパターンニングする。次に、シリコン酸化膜208を10nm、シリコン窒化膜209を10nm程堆積した後、エッチバックすることにより第1のゲート電極側壁絶縁膜210を形成する。次に、第2のゲート側壁絶縁膜のためのシリコン酸化膜211を30nm程堆積後、これもまたエッチバックすることにより、第2のゲート側壁絶縁膜211を形成する。
【0096】
次に、図18(b)、(c)に示すように、上記シリコン窒化膜207、第1のゲート電極側壁絶縁膜210や第2のゲート電極側壁絶縁膜211で覆われた半導体201の領域以外の表面が露出している半導体基板201の領域をエッチングして300〜700nmの溝を形成する。このとき、この溝の底部が浅いウェル領域203と深いウェル領域202との間に位置し、浅いウェル領域203は溝により完全に分離でき、しかも、深いウェル領域202は溝により分離されないようにエッチング条件は設定されている。このエッチング条件は、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜に対して半導体基板201のエッチング速度が非常に大きい、すなわち選択比の大きいエッチング条件を用いている。したがって、シリコン窒化膜207やシリコン酸化膜208などはほとんどエッチングされない。次に、CVD法により、その溝にシリコン酸化膜を埋め込んで、素子分離領域212を形成する。次に、上記ゲート電極205上のシリコン窒化膜207をストッパーとしてCMP(化学機械研磨:Chemical Mechanical Polishing)法により、上記シリコン酸化膜を研磨する。その後、フッ酸により、上記シリコン酸化膜の表面が半導体基板201表面付近に近づくまで、そのシリコン酸化膜をエッチングする。このとき、第2のゲート電極側壁絶縁膜であるシリコン酸化膜211は完全に除去され、シリコン酸化膜211があった領域の活性層が露出する。その活性層の一部分は後の工程でソース、ドレイン領域の一部となる。第1のゲート電極側壁絶縁膜210の一部であるシリコン酸化膜208は上部が若干エッチングされるが、幅が10nmと非常に小さいのでフッ酸に対するレートは素子分離領域212に埋め込まれたシリコン酸化膜やシリコン酸化膜211より十分小さいため、上部が若干除去されるだけで全てが消失することはない。このようにして、ゲート電極領域205’に対して素子分離領域212が自己整合的に形成される。
【0097】
次に、積み上げ拡散層214(図23(c)参照)の材料としての多結晶シリコン膜をLPCVD法により全面に形成した後、異方性のエッチバックを行って、図19(a)、(b)、(c)に示すように、多結晶シリコン膜からなるサイドウォール220を形成する。このサイドウォール220の幅はソース、ドレイン領域の活性領域幅よりも大きくなるように、上記多結晶シリコン膜の堆積膜厚とエッチバック条件を調整している。この多結晶シリコン膜からなるサイドウォール220を形成するときは、そのサイドウォール220と浅いウエル領域203の表面との界面に自然酸化膜が成長しないように形成することが重要となる。上記浅いウエル領域203のソース、ドレイン領域の活性領域表面と、堆積した多結晶シリコン膜との界面に自然酸化膜が成長すると、後の工程でイオン注入により多結晶シリコン膜からなるサイドウォール220中にドナーもしくはアクセプタとなる不純物を導入した後、熱処理により不純物を浅いウエル領域203中へ熱拡散させて接合を形成する際に、この自然酸化膜が不純物の拡散バリアとなり均一な不純物拡散が阻害される。このため、ソース、ドレイン領域の接合深さが不均一になり、トランジスタ特性がばらつく原因となる。
【0098】
本実施の形態3では、予備排気室と、露点が常に−100℃以下に保たれた窒素パージ室と、堆積炉とを備えたLPCVD装置により上記サイドウォール220用の多結晶シリコン膜を形成するので、自然酸化膜が成長しないように、上記多結晶シリコン膜を成長させることが可能となっている。具体的な方法については、実施の形態1の半導体装置を形成する際と同じなので、ここでは省略する。
【0099】
次に、図20に示すように、シリコン窒化膜207とシリコン酸化膜206(図19(b)参照)を除去する。このとき、ゲート電極側壁絶縁膜210を構成しているシリコン窒化膜209も少しエッチングされるが、幅が数十nm程度と小さいため上部が若干エッチングされるのみで、そのほとんどが側壁絶縁膜として残る。次に、ソース領域(ソース電極)とドレイン領域(ドレイン電極)のショートを防止するために、周知のリソグラフィー技術と加工技術を用いて、ゲート電極領域205’の長手方向の両端部に形成されている多結晶シリコン膜220の一部を除去する。また、ゲート電極長手方向の両端部のゲート電極205の一部を除去してゲート電極205(図16(b)参照)と浅いウェル領域203とを接続するコンタクト領域240a、240bを形成する。
【0100】
次に、図21(a)、(b)、(c)に示すように、上記ゲート電極領域205’及びソース、ドレイン領域の積み上げ拡散層214(図16(b)参照)となるサイドウォール220に第2導電型の不純物を注入するために、レジスト250のパターニングを行い、このレジスト250をマスクとして上記ゲート電極領域205’及びサイドウォール220に第2導電型の不純物260を注入する。このとき、上記第2導電型の不純物の横方向への拡散を考慮して、上記レジスト250はゲート電極領域205’の長手方向の両端241a、241bから100nmから200nm程内側の領域に不純物が注入されるようにパターニングされる。本実施形態3では、ソース、ドレイン領域214を形成するための多結晶シリコン膜からなるサイドウォール220への第2導電型の不純物のドーピングと同時に、ゲート電極205(図16(b)参照)を形成するためにゲート電極領域205’への第2導電型の不純物のドーピングを行っている。
【0101】
次に、図22(b)に示すように、上記ゲート電極205と浅いウェル領域203を接続するためのコンタクト領域240a、240bに、オーミック接続するための第1導電型の拡散層213a、213b(図23(b)参照)を形成するために、第1導電型の不純物261の注入を行う。図22(b)に示すように、レジスト251を、ゲート電極領域205’のゲート電極端241a、241bからコンタクト領域240a、240b方向へF/3だけ離れた位置からゲート電極領域205の全てを覆うように、パターニングを行って、コンタクト領域240a、240bのゲート電極領域205’から離れた部分に第1導電型の不純物261を注入する。このように、上記ゲート電極端241a、241bからアライメント精度に相当するF/3程の距離だけコンタクト領域240a、240b方向へ離れた位置からゲート電極領域205’から遠ざかる領域に第1導電型の不純物261を注入することによって、プロセス揺らぎなどによりアライメントズレが起きても、この第1導電型の不純物261がゲート電極領域205’内にドープされることがない。したがって、上記ゲート電極205(図16(b)、図23(b)参照)中の第2導電型の不純物と相殺されないので素子の駆動力が劣化するのを防止することができる。
【0102】
本実施の形態3では、CMOSFET(相補型MOSFET)を形成するため、Nチャネル型素子のソース、ドレイン、ゲート電極へのドナー不純物注入の際に、Pチャネル型素子のゲート電極とN型導電型の浅いウェル領域と接続させるためのコンタクト領域へのドナー不純物注入を同時に行い、Pチャネル型素子のソース、ドレイン、ゲート電極へのアクセプタ不純物注入の際に、Nチャネル型素子のゲート電極とP型導電型の浅いウェル領域とを接続するためのコンタクト領域へのアクセプタ不純物注入を同時に行う工程を行う。このため、新たに工程を付加することなく、ゲート電極と浅いウェル領域を接続するためのイオン注入工程を行うことが可能である。
【0103】
上記多結晶シリコン膜からなるゲート電極領域205’の膜厚は200から250nm、上記多結晶シリコン膜からなるサイドウォール220のゲート電極近傍の高さは200から300nmで形成した。このため、イオン注入条件は、Nチャネルトランジスタに関しては、燐イオンを20KeVから80KeV程度のエネルギーで2×1015から1×1016/cm2程度の注入量で行った。Pチャネルトランジスタに関しては、ボロンイオンを10KeVから30KeV程度のエネルギーで2×1015から1×1016/cm2程度の注入量で行った。ここで、図示はしていないが、不純物注入時の汚染物(コンタミネーション)除去を目的に、不純物を注入する前に5〜30nmのスクリーン酸化膜を全面に形成しても良い。また、不純物注入のエネルギーは多結晶シリコン膜からなるサイドウォール220中のみに不純物が注入されるように設定されている。
【0104】
次に、図23(b)、(c)に示すように、上記ゲート電極領域205’及びサイドウォール220に注入した不純物260を活性化させると共に、上記不純物260を浅いウエル領域203中に拡散させるために、熱処理を行う。これにより、積み上げ拡散層2141と、浅いウエル203中の拡散層である基板中拡散層2142とからなるソース、ドレイン領域214が形成される。このとき、高濃度拡散層領域213a、213bを形成するために浅いウエル領域203に注入した不純物261も、活性化すると共に、拡散する。上記熱処理の条件としては、800℃から950℃程度の温度で10分から60分程度の熱処理、もしくは、900℃から1100℃程度の温度で10秒から60秒程度の急速熱処理を行い、注入した不純物を活性化すると共に、多結晶シリコン膜からなるサイドウォール220から浅いウエル領域203中まで固相拡散させて接合を形成する。このようにして、不純物イオンをチャネル領域よりも高く積み上げられた多結晶シリコン膜からなるサイドウォール220中に注入して、そのサイドウオール220から浅いウエル領域203へ不純物を固相拡散させ接合を形成する。つまり、不純物を直接浅いウエル領域203中へ注入しないので、結晶欠陥に起因する接合リーク電流が発生しなくて、接合リーク電流を低減することができる。ここで、熱処理条件の目安であるが、ソース、ドレイン領域214に形成した横方向の接合位置が、ゲート電極205(チャネル領域)に対して離間しない程度まで拡散させる必要がある。具体的には、上記シリコン酸化膜208とシリコン窒化膜209から構成されるゲート電極側壁絶縁膜210の幅以上は横方向に拡散させる必要がある。トランジスタの性能を向上させるためには、短チャネル効果を抑制するために接合深さを極力浅くし、かつ、高い駆動電流を得るためにゲート電極205に対してオフセットしないように、ソース、ドレイン領域214を形成する必要がある。例えば、ゲート電極側壁絶縁膜210の幅が20nmである場合において、Nチャネル型トランジスタ及びPチャネル型トランジスタの不純物拡散を一度の熱処理で行うとき、800℃、60分程度から875℃、10分程度が最適であることを実験から見いだしている。このようにして、基板内拡散層2142及び不純物ドープされたゲート電極205が形成される。
【0105】
次に、図23(b)に示すように、CVD法により50〜100nm程度の膜厚のシリコン酸化膜270を形成する。次に、前工程にてソース領域214(ソース電極)とドレイン領域214(ドレイン電極)とのショートを防止するために多結晶シリコン膜220が除去されたコンタクト領域240a、240bをシリコン酸化膜270により完全に覆う。
【0106】
具体的には、周知のリソグラフィー技術と加工技術を用いて、上記ゲート電極205の長手方向の両端241a、241bからF/3程内側のゲート電極205の長手方向とは垂直方向の面からゲート電極205の内側方向の領域のシリコン酸化膜270を除去する。そうすると、ソース電極とドレイン電極とのショートを防止するために多結晶シリコン膜220が除去されたコンタクト領域240a、240bが完全にシリコン酸化膜270で覆われる。上記ゲート電極端241a、241bから内側にアライメント精度であるF/3程の長さの領域の上に、シリコン酸化膜270が形成されるようにレイアウトされるため、上記ゲート電極205の長手方向にアライメントズレが発生しても、ソース電極とドレイン電極とのショートを防止するために多結晶シリコン膜220が除去されコンタクト領域240a、240bをシリコン酸化膜270により確実に覆うことができる。この工程はソース、ドレイン領域214と浅いウェル領域203とのショートを防止するために非常に重要な工程であるが、詳細な説明は実施の形態1にて図9(a)、(b)を用いて説明しているので、ここでは省略する。
【0107】
次に、周知のサリサイド工程により、上記シリコン酸化膜270が除去されたゲート電極205の部分、及び、ソース、ドレイン領域214上に高融点金属膜としてチタンシリサイド膜215を選択的に形成する。本実施の形態3では、高融点金属膜としてチタン金属によるシリサイドを用いたが、これに限るものではなく、他の材料として、コバルト、ニッケル、白金等を用いても良い。また、タングステン、チタン、チタンナイトライド、タンタルなどの高融点金属膜、または、アルミ、銅や、これらの合金か、もしくはこれらの金属や合金にシリコンやパラジウムなどの不純物が添加されたものでもよい。
【0108】
次に、図24(a)、(b)、(c)に示すように、周知の方法で層間絶縁膜216を形成した後、この層間絶縁膜216の所定の位置にコンタクト孔217を開口する。このとき、ゲート電極205へのコンタクト孔217は、そのゲート電極205の長手方向の両端の一部分とコンタクト領域240a、240bをまたぐように形成される。そうすることにより、後に形成される金属プラグ218(図25b参照)を介してゲート電極205と浅いウェル領域203とを確実に接続することができる。
【0109】
次に、図25(a)、(b)、(c)に示すように、周知の方法によりコンタクト金属プラグ218及び上部メタル配線219を形成して、本実施の形態3の半導体装置を完成する。
【0110】
(実施の形態4)
図26(a)、(b)、(c)により、本実施の形態4の半導体装置の構成を説明する。
【0111】
本実施の形態4の半導体装置は、実施の形態2の半導体装置のゲート電極と浅いウェル領域を電気的に接続させたものである。図26(a)は、その平面レイアウトを示し、図26(b)は、図26(a)におけるB−B’方向の断面を、図26(c)は、図26(a)におけるC−C’方向の断面を夫々示している。なお、図26(a)の平面レイアウト図は、ゲート電極205、ソース、ドレイン領域171やコンタクト領域240a、240bなどとコンタクト孔217との位置関係を明確にするために、上部メタル配線219と金属プラグ218は省略している。
【0112】
本実施の形態4の半導体装置は、本実施の形態3の半導体装置と比して、ソース、ドレイン領域171、積み上げ拡散層1711、基板内拡散層1712及びソース、ドレイン領域171へのコンタクト孔を設ける位置が異なるだけで、その他は全て同じ構造である。したがって、図26(a)、(b)、(c)において、図16(a)、(b)、(c)に示す実施の形態2の構成要素と同じ構成要素は、同じ参照番号を付して説明を省略する。ここでは、ソース、ドレイン領域171の構造及びその上に設けたコンタクト孔の位置関係についてのみ説明する。
【0113】
上記ソース、ドレイン領域171は、本実施の形態2の半導体装置と同様に、積み上げ拡散層1711と、基板内拡散層1712とからなる。上記積み上げ拡散層1711は、上記基板内拡散層1712のソース、ドレイン活性領域上及び素子分離領域212上にわたって形成されている。本実施の形態4の半導体装置では、上記積み上げ拡散層1711の厚さがゲート電極205近傍の領域180が他の領域よりも薄く、上記領域180の幅はその他の領域における積み上げ拡散層1711の厚みとほぼ同じである。このように、本実施の形態4の半導体装置は、本実施の形態3の半導体装置と比して、ゲート電極205に対する積み上げ拡散層1711の対向面積が小さい。したがって、上記ゲート電極205とソース、ドレイン領域171とに纏わる容量を低減することができる。
【0114】
本実施の形態4の半導体装置の製造方法は、本実施の形態3の半導体装置の製造方法とはソース、ドレイン領域171の積み上げ拡散層1711を形成する手順のみが異なるだけなので、詳しい説明は省略する。
【0115】
実施の形態3の半導体装置の作製手順に、実施の形態2において説明したソース、ドレイン領域117の積み上げ拡散層1171を形成する作製手順を組み合わせれば、実施の形態4の半導体装置は製造可能である。
【0116】
【発明の効果】
以上より明らかなように、この発明の半導体装置によれば、ゲート電極と素子分離領域との間の最短距離がF/3以下であるので、従来の半導体装置と比してソース、ドレイン領域の接合面積を小さくすることができ、したがって、ソース、ドレイン領域の接合容量を低減することができる。
【0117】
また、この発明の半導体装置の製造方法によれば、特に特殊な製造装置を用いることなく、第1の側壁絶縁膜及び第2の側壁絶縁膜の存在により、ゲート電極に対して素子分離領域を自己整合的に形成することができる。したがって、ソース領域、ドレイン領域の活性層面積を小さくすることができて、接合容量の小さい半導体装置を容易に形成することができる。また、多結晶シリコン膜の一部を除去した活性領域上に絶縁膜を形成しているので、ソース領域とドレイン領域とのショート、及び、ソース、ドレイン領域とウェル領域(半導体基板)とのショートを確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態1の半導体装置を説明する図である。
【図2】図2(a)及び(b)は本発明の実施の形態1の半導体装置と従来の半導体装置のソース、ドレイン領域の活性層幅を説明する図である。
【図3】図3(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態1の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図4】図4(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態1の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図5】図5(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態1の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図6】図6(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態1の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図7】図7(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態1の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図8】図8(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態1の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図9】図9(a)及び(b)は本発明の実施の形態1の半導体装置を作製する手順におけるシリコン酸化膜の必要性を説明する図である。
【図10】図10(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態2の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図11】図11(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態2の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図12】図12(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態2の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図13】図13(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態2の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図14】図14(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態2の半導体装置及びその作製する手順を説明する図である。
【図15】図15(a)及び(b)は本発明の実施の形態1及び実施の形態2の半導体装置にて直列トランジスタを形成した場合を説明する図である。
【図16】図16(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態3の半導体装置を説明する図である。
【図17】図17(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態3の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図18】図18(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態3の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図19】図19(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態3の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図20】図20(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態3の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図21】図21(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態3の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図22】図22(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態3の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図23】図23(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態3の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図24】図24(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態3の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図25】図25(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態3の半導体装置を作製する手順を説明する図である。
【図26】図26(a)、(b)及び(c)は本発明の実施の形態4の半導体装置を説明する図である。
【図27】図27(a)及び(b)は従来の半導体装置を説明する図である。
【符号の説明】
101、201 シリコン半導体基板
102、204 ゲート絶縁膜
104、106、108、109、113、206、208、211、212、270 シリコン酸化膜
103’ 不純物がドープされていないゲート電極領域
103、205 ゲート電極
105、107、207、209 シリコン窒化膜
110、170、220 多結晶シリコン膜
111、260 第2導電型の不純物
112、171、214 積み上げ拡散層
114、215 高融点金属シリサイド膜
115、216 層間絶縁膜
116、217 コンタクト孔
118、218 金属プラグ
119、219 上部メタル配線
130 チャネル領域
150、165、250、251 レジスト
180、225 積み上げ層の膜厚が薄い領域
202 第2導電型の深いウェル領域
203 第1導電型の浅いウェル領域
213a、213b 第1導電型の高濃度拡散層領域
240a、240b コンタクト領域
261 第1導電型の不純物[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a semiconductor device capable of reducing a junction area of a source / drain region (a source region or a drain region is generally referred to as a source / drain region) to reduce a junction capacitance, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, high integration of LSIs (Large Scale Integrated Circuits) has been steadily progressing, and MOS transistors constituting LSIs have been increasingly miniaturized. With the miniaturization of MOS transistors, characteristic degradation such as an increase in punch-through and off-leak current due to the short channel effect has become a problem. As one of the methods for solving such a problem, there is a method of reducing the junction depth of the source and drain regions adjacent to the channel region of the transistor. To realize this shallow junction, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-82815 (Patent Document 1) discloses that a source and a drain are stacked above a channel region on both sides of a gate electrode via a gate electrode side wall insulating film. A transistor having a structure in which a region (stacked diffusion layer) is formed has been proposed.
[0003]
FIG. 27 shows a schematic structure of this semiconductor device. FIG. 27A shows a planar layout thereof, and FIG. 27B shows a cross section taken along line BB ′ in FIG. 27A. An
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2000-82815 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional semiconductor device has the following problems.
[0006]
The above problem will be described with reference to FIG. FIG. 2B is an enlarged view showing a source /
[0007]
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device in which the junction capacitance of the source and drain regions is reduced, and a method for manufacturing the same.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a semiconductor device according to the present invention includes:
In a semiconductor substrate, an active region, an element isolation region, a source region, and a drain region are provided directly or indirectly, a gate insulating film is provided on the active region, and a gate electrode is provided on the gate insulating film. In semiconductor devices,
Assuming that the minimum processing dimension is F, the shortest distance between the gate electrode and the element isolation region is F / 3 or less.
[0009]
Here, the semiconductor substrate is a semiconductor substrate including not only a semiconductor substrate in a narrow sense but also a broadly defined semiconductor substrate in which a thin film semiconductor is formed on an insulating substrate such as an SOI (Silicon On Insulator) substrate.
[0010]
Here, “providing an active region, an element isolation region, a source region, and a drain region directly or indirectly in a semiconductor substrate” means that they are directly provided in the semiconductor substrate. That is, providing them in a well region provided in the semiconductor substrate means indirectly providing them in the semiconductor substrate.
[0011]
The minimum processing dimension F is determined by the performance (accuracy, etc.) of a process apparatus for forming a fine resist pattern and the accuracy of an etching apparatus for etching a substrate using the fine resist pattern as a mask. For the moon, it is between 130 nm and 180 nm, and for those skilled in the art, it is generally determined uniquely by age. Of course, it should be noted that the minimum processing dimension F is determined by the state of the art at the time, is not fixed, and becomes smaller as the times progress.
[0012]
According to the semiconductor device having the above configuration, the shortest distance between the gate electrode and the element isolation region is F / 3 or less, so that the junction area between the source and drain regions is reduced as compared with a conventional semiconductor device. be able to. Therefore, the junction capacitance of the source and drain regions can be reduced.
[0013]
In one embodiment, the source region and the drain region are located above the interface between the active region and the gate insulating film, respectively, such that the source region and the drain region are located above the interface between the active region and the gate insulating film. Including a conductor formed over a portion of the region.
[0014]
According to the above embodiment, the conductor reduces the parasitic resistance of the transistor and improves the element speed.
[0015]
In one embodiment, a thickness of the region of the conductor near the gate electrode is smaller than a thickness of another region of the conductor.
[0016]
According to the above embodiment, the area where the gate electrode and the conductor face each other is reduced. Therefore, the capacitance associated with the gate electrode and the source and drain regions can be reduced.
[0017]
In one embodiment, the conductor is a stacked diffusion layer made of a polycrystalline silicon film.
[0018]
According to the above embodiment, since the conductor is made of a polycrystalline silicon film, the diffusion coefficient of impurities is large. Therefore, even if the thickness of the polycrystalline silicon film fluctuates due to process fluctuations, the impurity can be diffused from the stacked diffusion layer to the semiconductor substrate and the well region to the same depth with good controllability. An in-substrate diffusion layer can be formed.
[0019]
In one embodiment, a deep well region of a first conductivity type formed in the semiconductor substrate and a second well region formed in the deep well region of the first conductivity type and separated by the element isolation region are provided. A shallow well region of conductivity type,
The active region is provided in the shallow well region,
The gate electrode and the shallow well region of the second conductivity type are electrically connected.
[0020]
In this specification, the first conductivity type refers to P-type or N-type. When the first conductivity type is P-type, the second conductivity type is N-type and the first conductivity type is N-type. When it is a type, it means that the second conductivity type is a P type.
[0021]
The above embodiment has a so-called DTMOSFET (Dynamic Threshold) MOSFET in which the gate electrode and the shallow well region are electrically connected. Therefore, a semiconductor device with high speed and low power consumption can be realized.
[0022]
In one embodiment, the gate electrode and the shallow well region are electrically connected at two locations at both ends in the longitudinal direction of the gate electrode.
[0023]
According to the above embodiment, since the gate electrode and the shallow well region are connected at two places, a higher-speed semiconductor device can be realized.
[0024]
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes:
A step of sequentially forming a gate insulating film, a gate electrode, and an insulating film on the gate electrode on the semiconductor substrate;
Forming a first gate electrode side wall insulating film and a second gate electrode side wall insulating film sequentially positioned from the gate electrode side on the side of the gate electrode;
Using the insulating film on the gate electrode, the first gate electrode side wall insulating film and the second gate electrode side wall insulating film as a mask, etching the semiconductor substrate to form a groove;
Burying an insulating film in the trench to form an element isolation region;
Removing the second gate electrode side wall insulating film;
Forming a polycrystalline silicon film on a part of the active region and the element isolation region so as to be located above the interface between the gate insulating film and the active region;
Removing a portion of the polycrystalline silicon film at both ends in the longitudinal direction of the gate electrode,
Forming an insulating film on the active region in the region where the polycrystalline silicon film has been removed;
It is characterized by having.
[0025]
According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first sidewall insulating film and the second sidewall insulating film are used without using a special manufacturing device, so that the device can be separated from the gate electrode. The region can be formed in a self-aligned manner. For this reason, the area of the active region of the source region and the drain region can be reduced. Therefore, a semiconductor device having a small junction capacitance can be easily formed. Further, an insulating film is formed on the active region from which a part of the polycrystalline silicon film has been removed. Therefore, a short circuit between the source region and the drain region and a short circuit between the source / drain region and the well region (semiconductor substrate) can be prevented.
[0026]
In one embodiment, the step of forming the polycrystalline silicon film includes:
The method comprises the steps of: depositing a polycrystalline silicon film having a thickness larger than the distance between the gate electrode and the element isolation region on the entire surface; and etching until the polycrystalline silicon film on the gate electrode is eliminated.
[0027]
According to the above embodiment, a semiconductor device having a stacked diffusion layer can be formed without using a special manufacturing apparatus.
[0028]
In one embodiment, the step of forming the polycrystalline silicon film includes the steps of: depositing a polycrystalline silicon film over the entire surface; applying a resist flat on the polycrystalline silicon film; A step of reducing the thickness of the resist so that the insulating film on the gate electrode region is exposed; a step of patterning the resist; and a region of the polycrystalline silicon film near the gate electrode using the resist as a mask. Is performed until the polycrystalline silicon film becomes thinner than the film thickness when the polycrystalline silicon film is deposited.
[0029]
According to the above embodiment, a semiconductor device having a thin stacked diffusion layer in the vicinity of the gate electrode can be formed with good controllability without using a special process device.
[0030]
In one embodiment, after the polycrystalline silicon film is formed, part of the gate electrode region at both ends in the longitudinal direction of the gate electrode region for forming the gate electrode is removed. Forming a contact region for connecting the gate electrode to the shallow well region of the second conductivity type while removing a part of the polycrystalline silicon film; and forming an interlayer insulating film over the entire surface. Depositing the interlayer insulating film on a part of the gate electrode, and removing a part of the interlayer insulating film on the contact region, and forming a contact over the gate electrode and the contact region. Forming a hole and burying a conductive material in the contact hole.
[0031]
According to the above embodiment, a DTMOSFET in which the gate electrode and the shallow well region are short-circuited can be formed with good controllability without using a special process device.
[0032]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments. The semiconductor substrate that can be used in the present invention is not particularly limited, but a silicon substrate is preferable. Further, the semiconductor substrate may have a P-type or N-type conductivity.
[0033]
(Embodiment 1)
The first embodiment provides a semiconductor device with a reduced junction capacitance by reducing the area of the active region of the source and drain regions, and a method for manufacturing the same.
[0034]
First, the configuration of the semiconductor device of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 (a), 1 (b) and 1 (c). 1A shows a plan layout thereof, FIG. 1B shows a cross section taken along the line BB ′ in FIG. 1A, and FIG. The cross sections taken along the line -C 'are shown.
[0035]
An
[0036]
On both sides of the
[0037]
By forming the in-
[0038]
As shown in FIGS. 1C and 2A, the stacked
[0039]
In the first embodiment, since the stacked
[0040]
As shown in FIGS. 1A, 1B, and 1C, the alignment accuracy (F / 3) is provided on the
[0041]
The distance between the
[0042]
On the other hand, in the semiconductor device of the first embodiment, which will be described later when a manufacturing method is described, since the
[0043]
Next, a procedure for forming the semiconductor device of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 3 to 8, each diagram (a) is a plan layout diagram, and each diagram (b) is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of the corresponding diagram (a) and each diagram. (C) is a sectional view taken along the line CC ′ of the corresponding part (a).
[0044]
First, although not shown, impurities are implanted into the
[0045]
Next, regions other than the region of the
[0046]
Next, an oxide film is embedded in the trench by a CVD (chemical vapor deposition) method. Next, the oxide film is polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing) using the
[0047]
Next, as shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C, a polycrystalline silicon film is formed by LPCVD (low-pressure chemical vapor deposition) as a material of the source / drain stacked
[0048]
In the first embodiment, a polycrystalline silicon film is formed by an LPCVD (low-pressure vapor deposition) apparatus including a preliminary evacuation chamber (not shown), a nitrogen purge chamber whose dew point is always kept at −100 ° C. or lower, and a deposition furnace. Since 110 is formed, it is possible to grow
[0049]
Specifically, immediately before forming the
[0050]
In a normal LPCVD apparatus, such water molecules that cannot be completely removed are transported to a deposition furnace while being adsorbed on the wafer surface. Since a normal polycrystalline silicon film is formed at a temperature of about 550 ° C. to 650 ° C., when transporting a wafer to a deposition furnace maintained at this temperature, water molecules adsorbed and oxygen in the atmosphere Reacts with the silicon wafer to grow a natural oxide film before forming a polycrystalline silicon film. As a result, a natural oxide film grows at the interface between the
[0051]
Next, as shown in FIGS. 6A, 6B and 6C, the
[0052]
Next, in order to prevent a short circuit between the source electrode and the drain electrode due to the
[0053]
The layout for removing the
[0054]
Next, a resist 150 is patterned to implant a second conductivity type impurity into the gate electrode region 103 'and the source and drain regions, and a second
[0055]
The thickness of the gate electrode region 103 'made of the polycrystalline silicon film was 200 to 250 nm, and the height of the
[0056]
Next, as shown in FIGS. 7B and 7C, in order to activate the
[0057]
Next, as shown in FIG. 7B, a
[0058]
Specifically, using a well-known lithography technique and a processing technique, the
[0059]
This step is a very important step in this embodiment. FIGS. 9A and 9B illustrate how the
[0060]
In the semiconductor device of the first embodiment, since the
[0061]
By forming the
[0062]
Next, by a well-known salicide process, a
[0063]
Next, as shown in FIGS. 8A, 8B and 8C, after an
[0064]
As described above, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment, the
[0065]
On the other hand, in the method in which the element isolation region is formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode, as described above, the short-circuit between the gate electrode and the semiconductor substrate, and the source / drain region and the semiconductor substrate at both ends of the gate electrode. Is short-circuited, but by covering both ends of the
[0066]
At present, many integrated circuits in which a logic circuit and an analog circuit are mixed are produced. In the analog circuit, a protective film for preventing the formation of a metal film on the gate electrode is formed. A mask for forming the protective film and the silicon of the semiconductor device of the first embodiment constituting the logic circuit are formed. Since it can also serve as a mask for forming the
[0067]
(Embodiment 2)
Second Embodiment Similar to the semiconductor device of the first embodiment, the second embodiment provides a semiconductor device having a structure in which the area of the active region of the source and drain regions is reduced to reduce the junction capacitance, and a method of manufacturing the same. It is. In addition, the present invention provides a semiconductor device in which the capacitance between the gate electrode and the source and drain electrodes is reduced as compared with the semiconductor device of the first embodiment, and a method for manufacturing the same.
[0068]
First, the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 14 (a), (b), and (c). FIG. 14A shows a planar layout thereof, FIG. 14B shows a cross section in the BB ′ direction in FIG. 14A, and FIG. The cross sections in the direction C ′ are shown.
[0069]
The semiconductor device according to the second embodiment is different from the semiconductor device according to the first embodiment only in the structure of the stacked diffusion layer of the source and drain regions and the position where the contact hole for the upper wiring to the source and drain regions is provided. The other structure is the same. Therefore, here, the structure of the source and drain stacked diffusion layers will be mainly described. Note that the same components as those of the semiconductor device of the first embodiment have the same reference numbers as those of the semiconductor device of the first embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.
[0070]
As shown in FIG. 14C, the stacked
[0071]
Next, a procedure for manufacturing the semiconductor device of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 10 (a), (b) and (c) to FIGS. 14 (a), (b) and (c). In FIGS. 10 (a), (b), (c) to FIGS. 14 (a), (b), (c), each diagram (a) is a diagram showing a planar layout, and each diagram (b) Is a cross-sectional view taken along the line BB 'of the corresponding sectional view (a), and each figure (c) is a cross-sectional view taken along the line CC' of the corresponding figure (a). is there.
[0072]
The method of manufacturing the semiconductor device of the second embodiment is the same as that of the first embodiment except for the method of manufacturing the stacked diffusion layers of the source and drain regions. Steps after the formation of the insulating film will be described.
[0073]
First, as shown in FIGS. 10B and 10C, a
[0074]
Next, a
[0075]
Next, after a resist 165 is applied to the entire surface, a developing process is performed until the
[0076]
Here, the patterning of the resist 165 will be described in detail. In order to apply the resist 165 flat and hard to be affected by the step of the underlayer, a low viscosity (4.5 cp) chemically amplified negative resist TDUR-N908 (manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) is used as the resist 165. After applying at a low rotation speed of 1000 to 3000 rpm, pre-baking (baking after application) was performed at 80 to 130 ° C. for 90 seconds. Then, although not shown, the resist 165 is applied flat. If the viscosity of the resist 165 is 5 cp or less, the resist 165 can be applied evenly without being affected by the step of the underlayer. However, it is preferable to use a resist having as low a viscosity as possible from the viewpoint of flattening. Next, the resist is developed (etched) with a 0.1 N aqueous solution of tetramethylammonium hydroxide (TMAH, manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), which is a developing solution having a concentration lower than that used in a normal developing process. . The reason why the concentration is set lower than usual is that the resist is patterned with good controllability by reducing the etching rate. Since the etching rate of the developing solution with respect to the resist 165 is 9 nm per minute, the etching is controlled until the
[0077]
Next, as shown in FIGS. 11B and 11C, using the resist 165 as a mask, the
[0078]
Next, as shown in FIGS. 12A, 12B and 12C, the
[0079]
Next, as shown in FIGS. 13A, 13B, and 13C, similarly to the first embodiment, in order to prevent a short circuit between the source region and the drain region, well-known lithography technology and processing technology are used. Is used to remove part of the
[0080]
The layout for removing the
[0081]
Next, as shown in FIGS. 14A, 14B and 14C, similarly to the semiconductor device of the first embodiment, the
[0082]
As described above, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment, the
[0083]
In the semiconductor device of the first embodiment shown in FIG. 1, a
[0084]
In particular, when a series transistor is formed, the semiconductor device of the second embodiment has a greater effect than the semiconductor device of the first embodiment. It is described below.
[0085]
FIGS. 15A and 15B are cross-sectional views in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the gate electrode when a series transistor is formed. FIG. 15A shows the semiconductor device of the first embodiment, and FIG. 15B shows the semiconductor device of the second embodiment. As shown in FIG. 15A, in the semiconductor device according to the first embodiment, the width of the polycrystalline silicon film 110 (see FIG. 5) cannot be made larger than the deposition thickness, so that the distance between the
[0086]
(Embodiment 3)
The semiconductor device according to the third embodiment is basically similar in structure to the semiconductor device according to the first embodiment, but has a dynamic threshold (DT) in which a gate electrode and a well region are connected. The difference is that the current driving capability is improved as a MOSFET.
[0087]
First, the configuration of the semiconductor device according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 16 (a), (b), and (c). The semiconductor device of the third embodiment is obtained by electrically connecting the gate electrode and the shallow well region of the semiconductor device of the first embodiment. FIG. 16A shows a planar layout thereof, FIG. 16B shows a cross section in the BB ′ direction in FIG. 16A, and FIG. The cross sections in the direction C ′ are shown. Note that, in the plan layout diagram of FIG. 16A, in order to clarify the positional relationship between the
[0088]
In the
[0089]
In a part of the
[0090]
In order to connect the
[0091]
The source and drain
[0092]
The distance between the
[0093]
In the DTMOSFET in which the
[0094]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device of the third embodiment will be described with reference to FIGS. 17 to 25, each diagram (a) is a diagram showing a planar layout, and each diagram (b) is a cross-sectional view taken along the line BB 'of the corresponding diagram (a). , Each drawing (c) is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of the corresponding drawing (a).
[0095]
First, as shown in FIGS. 17B and 17C, a second conductive type
[0096]
Next, as shown in FIGS. 18B and 18C, a region of the
[0097]
Next, after a polycrystalline silicon film as a material of the stacked diffusion layer 214 (see FIG. 23C) is formed on the entire surface by the LPCVD method, anisotropic etch back is performed, and FIGS. As shown in (b) and (c), a
[0098]
In the third embodiment, a polycrystalline silicon film for the
[0099]
Next, as shown in FIG. 20, the
[0100]
Next, as shown in FIGS. 21A, 21B and 21C, the
[0101]
Next, as shown in FIG. 22B, first conductive type diffusion layers 213a, 213b (for ohmic connection) are connected to contact
[0102]
In the third embodiment, a CMOSFET (complementary MOSFET) is formed. Therefore, when donor impurities are implanted into the source, drain, and gate electrodes of the N-channel element, the gate electrode of the P-channel element is connected to the N-type conductive element. At the same time, donor impurities are implanted into the contact region for connection to the shallow well region, and acceptor impurities are implanted into the source, drain, and gate electrodes of the P-channel device. A step of simultaneously implanting acceptor impurities into a contact region for connecting to a shallow well region of conductivity type is performed. Therefore, it is possible to perform an ion implantation step for connecting the gate electrode and the shallow well region without adding a new step.
[0103]
The thickness of the gate electrode region 205 'made of the polycrystalline silicon film was 200 to 250 nm, and the height of the
[0104]
Next, as shown in FIGS. 23B and 23C, the
[0105]
Next, as shown in FIG. 23B, a
[0106]
Specifically, using a well-known lithography technique and a processing technique, the
[0107]
Next, a
[0108]
Next, as shown in FIGS. 24A, 24B and 24C, after an
[0109]
Next, as shown in FIGS. 25A, 25B and 25C, a
[0110]
(Embodiment 4)
The configuration of the semiconductor device of the fourth embodiment will be described with reference to FIGS.
[0111]
The semiconductor device according to the fourth embodiment is obtained by electrically connecting the gate electrode and the shallow well region of the semiconductor device according to the second embodiment. 26A shows a plan layout thereof, FIG. 26B shows a cross section taken along the line BB ′ in FIG. 26A, and FIG. 26C shows a cross section taken along line C-B in FIG. The cross sections in the direction C ′ are shown. 26A. In the plan layout diagram of FIG. 26A, the
[0112]
The semiconductor device according to the fourth embodiment is different from the semiconductor device according to the third embodiment in that the contact holes to the source /
[0113]
The source /
[0114]
The method of manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment is different from the method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment only in the procedure for forming the
[0115]
The semiconductor device of the fourth embodiment can be manufactured by combining the manufacturing procedure of the semiconductor device of the third embodiment with the manufacturing procedure of forming the stacked diffusion layer 1171 of the source / drain regions 117 described in the second embodiment. is there.
[0116]
【The invention's effect】
As is clear from the above, according to the semiconductor device of the present invention, the shortest distance between the gate electrode and the element isolation region is F / 3 or less, so that the source and drain regions are smaller than the conventional semiconductor device. The junction area can be reduced, so that the junction capacitance of the source and drain regions can be reduced.
[0117]
Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, the element isolation region can be formed with respect to the gate electrode by using the first sidewall insulating film and the second sidewall insulating film without using a special manufacturing device. It can be formed in a self-aligned manner. Therefore, the active layer area of the source region and the drain region can be reduced, and a semiconductor device having a small junction capacitance can be easily formed. Further, since the insulating film is formed on the active region from which a part of the polycrystalline silicon film has been removed, a short circuit between the source region and the drain region and a short circuit between the source and drain regions and the well region (semiconductor substrate). Can be reliably prevented.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A, 1B, and 1C are diagrams illustrating a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention;
FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating active layer widths of source and drain regions of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention and a conventional semiconductor device.
FIGS. 3A, 3B, and 3C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIGS. 4A, 4B, and 4C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIGS. 5A, 5B, and 5C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIGS. 6A, 6B, and 6C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIGS. 7A, 7B, and 7C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIGS. 8A, 8B, and 8C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIGS. 9A and 9B are diagrams illustrating the necessity of a silicon oxide film in a procedure for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 10A, 10B, and 10C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention;
FIGS. 11A, 11B, and 11C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention;
FIGS. 12A, 12B, and 12C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 2 of the present invention;
FIGS. 13A, 13B, and 13C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 2 of the present invention;
FIGS. 14A, 14B, and 14C are diagrams illustrating a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention and a procedure for manufacturing the semiconductor device.
FIGS. 15A and 15B are diagrams illustrating a case where a series transistor is formed in the semiconductor device according to the first and second embodiments of the present invention.
FIGS. 16 (a), (b) and (c) are diagrams illustrating a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIGS. 17A, 17B, and 17C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention;
FIGS. 18A, 18B, and 18C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIGS. 19A, 19B, and 19C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIGS. 20A, 20B, and 20C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a semiconductor device according to
FIGS. 21A, 21B, and 21C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention;
FIGS. 22A, 22B, and 22C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a semiconductor device according to
FIGS. 23A, 23B, and 23C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a semiconductor device according to
FIGS. 24A, 24B, and 24C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a semiconductor device according to
FIGS. 25A, 25B, and 25C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a semiconductor device according to
FIGS. 26 (a), (b) and (c) are diagrams illustrating a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIGS. 27A and 27B are diagrams illustrating a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
101, 201 silicon semiconductor substrate
102, 204 Gate insulating film
104, 106, 108, 109, 113, 206, 208, 211, 212, 270 silicon oxide film
103 'gate electrode region not doped with impurities
103, 205 Gate electrode
105, 107, 207, 209 Silicon nitride film
110, 170, 220 Polycrystalline silicon film
111, 260 Second conductivity type impurities
112,171,214 Stacked diffusion layer
114,215 Refractory metal silicide film
115, 216 interlayer insulating film
116, 217 Contact hole
118,218 Metal plug
119, 219 Upper metal wiring
130 channel area
150, 165, 250, 251 resist
180, 225 Region where the thickness of the stacked layer is thin
202 Deep well region of second conductivity type
203 Shallow well region of first conductivity type
213a, 213b High-concentration diffusion layer region of first conductivity type
240a, 240b contact area
261 First conductivity type impurity
Claims (10)
最小加工寸法をFとすると、上記ゲート電極と上記素子分離領域との間の最短距離がF/3以下であることを特徴とする半導体装置。In a semiconductor substrate, an active region, an element isolation region, a source region, and a drain region are provided directly or indirectly, a gate insulating film is provided on the active region, and a gate electrode is provided on the gate insulating film. In semiconductor devices,
A semiconductor device, wherein a minimum processing dimension is F, and a shortest distance between the gate electrode and the element isolation region is F / 3 or less.
上記ソース領域及び上記ドレイン領域は、夫々、上記活性領域と上記ゲート絶縁膜との間の界面よりも上方に位置するように、活性領域の上及び上記素子分離領域の一部の上に形成された導電体を含むことを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 1,
The source region and the drain region are formed on an active region and a part of the element isolation region, respectively, so as to be located above an interface between the active region and the gate insulating film. A semiconductor device comprising a conductive material.
上記ゲート電極近傍の上記導電体の領域の厚さが、上記導電体の他の領域の厚さよりも薄いことを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 2,
A semiconductor device, wherein a thickness of a region of the conductor near the gate electrode is smaller than a thickness of another region of the conductor.
上記導電体は多結晶シリコン膜からなる積み上げ拡散層であることを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 2, wherein
A semiconductor device, wherein the conductor is a stacked diffusion layer made of a polycrystalline silicon film.
上記半導体基板内に形成された第1導電型の深いウェル領域と、
上記第1導電型の深いウェル領域内に形成され、上記素子分離領域によって区分された第2導電型の浅いウェル領域とを備え、
上記活性領域は上記浅いウエル領域内に設けられており、
上記ゲート電極と上記第2導電型の浅いウェル領域とが電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein
A deep well region of the first conductivity type formed in the semiconductor substrate;
A shallow well region of the second conductivity type formed in the deep well region of the first conductivity type and partitioned by the element isolation region;
The active region is provided in the shallow well region,
A semiconductor device, wherein the gate electrode and the shallow well region of the second conductivity type are electrically connected.
上記ゲート電極の長手方向の両端部の2箇所において、上記ゲート電極と上記浅いウェル領域とが電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 5,
A semiconductor device, wherein the gate electrode and the shallow well region are electrically connected at two places at both ends in the longitudinal direction of the gate electrode.
上記ゲート電極の側方に、上記ゲート電極側から順次位置する第1のゲート電極側壁絶縁膜及び第2のゲート電極側壁絶縁膜を形成する工程と、
上記ゲート電極上の絶縁膜、第1のゲート電極側壁絶縁膜及び第2のゲート電極側壁絶縁膜をマスクとして用いて、上記半導体基板をエッチングして溝を形成する工程と、
上記溝に絶縁膜を埋め込んで素子分離領域を形成する工程と、
上記第2のゲート電極側壁絶縁膜を除去する工程と、
上記ゲート絶縁膜と活性領域との界面よりも上方に位置するように、活性領域及び素子分離領域の上の一部に多結晶シリコン膜を形成する工程と、
上記ゲート電極の長手方向の両端部における上記多結晶シリコン膜の一部を除去する工程と、
上記多結晶シリコン膜が除去された領域における活性領域上に絶縁膜を形成する工程と
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。A step of sequentially forming a gate insulating film, a gate electrode, and an insulating film on the gate electrode on the semiconductor substrate;
Forming a first gate electrode side wall insulating film and a second gate electrode side wall insulating film sequentially positioned from the gate electrode side on the side of the gate electrode;
Using the insulating film on the gate electrode, the first gate electrode side wall insulating film and the second gate electrode side wall insulating film as a mask, etching the semiconductor substrate to form a groove;
Burying an insulating film in the trench to form an element isolation region;
Removing the second gate electrode side wall insulating film;
Forming a polycrystalline silicon film on a part of the active region and the element isolation region so as to be located above the interface between the gate insulating film and the active region;
Removing a portion of the polycrystalline silicon film at both ends in the longitudinal direction of the gate electrode,
Forming an insulating film on the active region in the region where the polycrystalline silicon film has been removed.
上記多結晶シリコン膜を形成する工程は、
上記ゲート電極と上記素子分離領域との距離よりも厚い膜厚の多結晶シリコン膜を全面に被着する工程と、
上記ゲート電極上の上記多結晶シリコン膜が無くなるまでエッチングする工程と
からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7,
The step of forming the polycrystalline silicon film includes:
Depositing a polycrystalline silicon film having a thickness greater than the distance between the gate electrode and the element isolation region over the entire surface;
Etching the polycrystalline silicon film on the gate electrode until the polycrystalline silicon film disappears.
上記多結晶シリコン膜を形成する工程は、
多結晶シリコン膜を全面に被着する工程と、
上記多結晶シリコン膜の上にレジストを平坦に塗布する工程と、
上記レジストの膜厚を上記ゲート電極領上の上記絶縁膜が露出するように薄くする工程と、
上記レジストをパターニングする工程と、
上記レジストをマスクにして上記ゲート電極近傍の上記多結晶シリコン膜の領域が、その多結晶シリコン膜の被着されたときの膜厚よりも薄くなるまでエッチングする工程と
からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7,
The step of forming the polycrystalline silicon film includes:
A step of depositing a polycrystalline silicon film on the entire surface;
A step of flatly applying a resist on the polycrystalline silicon film,
A step of reducing the thickness of the resist so that the insulating film on the gate electrode region is exposed;
Patterning the resist,
Etching the region of the polycrystalline silicon film near the gate electrode using the resist as a mask until the region becomes thinner than the film thickness of the polycrystalline silicon film when it is deposited. A method for manufacturing a semiconductor device.
上記多結晶シリコン膜を形成した後に、上記ゲート電極を形成するためのゲート電極領域の長手方向の両端部における上記ゲート電極領域の一部を除去して上記ゲート電極を形成する工程と、
上記多結晶シリコン膜の一部を除去すると共に、上記ゲート電極と上記第2導電型の浅いウェル領域を接続するためのコンタクト領域を形成する工程と、
全面に層間絶縁膜を堆積する工程と、
上記ゲート電極の一部の上の上記層間絶縁膜、及び、上記コンタクト領域上の上記層間絶縁膜の一部を除去して、上記ゲート電極と上記コンタクト領域とにまたがるコンタクト孔を形成する工程と、
上記コンタクト孔に導電物を埋設する工程と
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7,
After forming the polycrystalline silicon film, forming a gate electrode by removing a part of the gate electrode region at both longitudinal ends of the gate electrode region for forming the gate electrode,
Removing a part of the polycrystalline silicon film and forming a contact region for connecting the gate electrode to the shallow well region of the second conductivity type;
Depositing an interlayer insulating film on the entire surface;
Forming the contact hole over the gate electrode and the contact region by removing a portion of the interlayer insulating film on a portion of the gate electrode and the interlayer insulating film on the contact region; ,
Burying a conductive material in the contact hole.
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