JP2004311764A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of reducing a junction capacity with respect to a source and drain region. <P>SOLUTION: An element isolation region 109 is formed for a gate electrode 103 through self alignment. The shortest distance between the gate electrode 103 and the element isolation region 109 is not more than an alignment accuracy or (F/3). Here, F is the minimum working size. In other word, the active layer width of the source and drain region 103 is not more than F/3. Further, the width of a superimposed diffusion layer 1121 for the source and drain region 112 is made larger than a distance between the gate electrode 103 and the element isolation region 109. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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/cm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/cm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/cm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/cm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/cm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 element isolation region 302 is formed in a semiconductor substrate 301, and a gate insulating film 303 and a gate electrode 304 are sequentially formed on the semiconductor substrate 301. On both sides of the gate electrode 304, a semiconductor layer 3081 is stacked above the surface of the semiconductor substrate 301 via a gate electrode side wall insulating film 305. After the impurities are implanted into the stacked semiconductor layers 3081, the impurities are diffused into the semiconductor substrate 301 by heat treatment, and an in-substrate diffusion layer 3082 is formed in the semiconductor substrate 301. By forming the in-substrate diffusion layer 3082 in this manner, a shallow junction can be formed with good controllability, that is, a structure capable of preventing the short channel effect can be formed. On the gate electrode 304 and the stacked semiconductor layers 3081, a high melting point silicide film 309 is formed. The width of the stacked semiconductor layers 3082 in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the gate electrode 304 is determined by the distance between the gate electrode side wall insulating film 305 and the element isolation region 302, that is, the semiconductor substrate 301 and the gate insulating film 303. Are formed to be larger than the width of the active layer region of the source / drain region 308 on the surface in contact with. Therefore, the contact hole 311 is formed without reducing the contact area between the contact hole 311 and the high melting point silicide film 309, that is, without increasing the contact resistance, and the junction area is reduced to reduce the junction capacitance. You can do it.
[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 / drain region 308 formed in the semiconductor substrate 301 of the conventional semiconductor device. Assuming that the minimum processing size is F and the width of the gate electrode side wall insulating film 305 is b, the distance a between the gate electrode 304 and the element isolation region 302 is a> b + F in consideration of the alignment accuracy (F / 3). / 3 was satisfied. Therefore, there is a problem that the junction capacitance of the source and drain regions 308 increases. This is because the element isolation region 302 is not formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode 304, and therefore, the alignment accuracy (F / 3) is required to secure a region where current flows in the source and drain electrodes 308. This is because it is necessary to design the distance between the gate electrode 304 and the element isolation region 302 to be large by that size.
[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 element isolation region 109 is formed in the semiconductor substrate 101 of the first conductivity type. A gate electrode 103 is formed on the semiconductor substrate 101 with a gate insulating film 102 interposed therebetween. The gate electrode 103 is located on the channel region 130 of the present semiconductor device, and is not located on the first gate electrode portion 1031 made of a semiconductor film doped with the second conductivity type. A second gate electrode portion 1032 made of a semiconductor layer not doped with an impurity is located on a region 120 where a contact hole 116 for an upper wiring (not shown) is provided. On both sides of the gate electrode 103 in a direction perpendicular to the longitudinal direction, a gate electrode side wall insulating film 160 made of a silicon oxide film 106 and a silicon nitride film 107 is formed. The gate electrode side wall insulating film 160 is not limited to this example, and may be any insulating film.
[0036]
On both sides of the gate electrode 103, a semiconductor layer 1121 is stacked above the surface of the semiconductor substrate 101 via a gate electrode side wall insulating film 160. After the impurities are implanted into the stacked semiconductor layers 1121, heat treatment is performed to form the stacked diffusion layers 1121, and the impurities are diffused into the semiconductor substrate 101 by the heat treatment. An in-substrate diffusion layer 1122 is formed. The stacked diffusion layer 1121 and the in-substrate diffusion layer 1122 constitute source / drain regions 112. The stacked diffusion layer 1121 is an example of a conductor.
[0037]
By forming the in-substrate diffusion layer 1122 in this manner, a shallow junction can be formed with good controllability, and the short channel effect can be prevented. In addition, the presence of the stacked diffusion layer 1121 reduces the parasitic resistance of the device and improves the speed of the device.
[0038]
As shown in FIGS. 1C and 2A, the stacked diffusion layer 1121 has a width larger than a distance between the first gate electrode portion 1031 and the element isolation region 109, It is formed over the element isolation region 109. Therefore, the contact area between the contact hole 116 to the source and drain electrodes and the stacked diffusion layer 1121 can be kept large, so that the contact resistance can be reduced. If the stacked diffusion layer 1121 does not exist, the distance between the gate electrode 103 and the element isolation region 109 is very small, so that a contact is provided on the source / drain active region having a small width. This reduces the contact area with the source and drain active regions, and increases the contact resistance.
[0039]
In the first embodiment, since the stacked diffusion layer 1121 having a width larger than the distance between the first gate electrode portion 1031 and the element isolation region 109 is formed, the junction is formed without increasing the contact resistance. Thus, a semiconductor device having a small capacity can be realized.
[0040]
As shown in FIGS. 1A, 1B, and 1C, the alignment accuracy (F / 3) is provided on the gate electrode 103 and the stacked diffusion layer 1121 from both ends in the longitudinal direction of the gate electrode 103. The metal film 114 is formed only over the entire area inside. Note that F is the minimum processing dimension. The metal film 114 is, for example, a high melting point metal film such as tungsten, titanium, titanium nitride, tantalum, a high melting point metal silicide film such as titanium silicide, cobalt silicide, nickel silicide, platinum silicide, or aluminum, copper, Any of these alloys or those obtained by adding impurities such as silicon and palladium to these metals and alloys may be used. Contact holes 116 are formed in the gate electrode 103, the source and drain regions 112 at desired positions for connection with upper wiring (not shown).
[0041]
The distance between the gate electrode 103 and the element isolation region 109 is set to be F / 3 or less, where F is the minimum processing dimension. FIGS. 2A and 2B illustrate the positional relationship between the gate electrodes 103 and 304 and the element isolation regions 109 and 302. The vicinity of the in-substrate diffusion layers 1122 and 3082 in the semiconductor substrates 101 and 301 is enlarged. It was done. FIG. 2A shows a semiconductor device according to the first embodiment, and FIG. 2B shows a semiconductor device disclosed in JP-A-2000-82815, which is a conventional example. In the conventional semiconductor device shown in FIG. 2B, since the gate electrode 304 is formed after forming the element isolation region 302, the element isolation region 302 is formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode 304. Not. Therefore, in consideration of the alignment accuracy (F / 3) of the gate electrode 304 with the element isolation region 302, the distance a between the gate electrode 304 and the element isolation region 302 is a = (b + F / 3 + α). Here, b is the width of the gate electrode side wall insulating film 305. α indicates that even when the maximum misalignment F / 3 occurs and the gate electrode side wall insulating film 305 approaches the element isolation region 302, the gate in the source / drain region 308 is used to make the source / drain region 308 function as an electrode. The minimum distance between the electrode side wall insulating film 305 and the element isolation region 302 is 10 nm or more. If the minimum processing dimension F is set to 180 nm, the width b of the gate electrode side wall insulating film 305 is designed to be 50 nm, and α is set to 30 nm, the distance a between the gate electrode 304 and the element isolation region 302 of the conventional semiconductor device is a = ( b + F / 3 + α) = (50 + 180/3 + 30) = 140 nm. The dimension (hereinafter, referred to as a source / drain active layer width) between the gate electrode sidewall insulating film 305 and the element isolation region 302 in the source / drain region 308 is F / 3 + α = 180/3 + 30 = 90 nm. Is calculated.
[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 element isolation region 109 is formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode 103, There is no need to consider the alignment accuracy of the electrode 103. Therefore, as shown in FIG. 2A, the width of the active layer of the source / drain region 112 can be formed with a minimum width α = 30 nm for the source / drain region 112 to function as an electrode. Specifically, when the thickness of each of the silicon oxide film 106 and the silicon nitride film 107 is set to 10 nm, the width b of the gate electrode side wall insulating film 160 becomes b = 20 nm. Therefore, the distance a between the gate electrode 103 and the element isolation region 109 is a = b + α = 50 nm, and can be formed to have an alignment accuracy of F / 3 (60 nm) or less. As described above, in the semiconductor device of the first embodiment, the active layer width of the source / drain region 112 can be reduced. Therefore, the junction capacitance can be reduced to about 1/3 of the conventional semiconductor device (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-82815).
[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 semiconductor substrate 101 shown in FIGS. 3A, 3B, and 3C for adjusting a threshold value. Next, as shown in FIGS. 3B and 3C, a gate insulating film 102, a polycrystalline silicon film 103 serving as a gate electrode, a silicon oxide film 104, and a silicon nitride film 105 are sequentially formed on the semiconductor substrate 101. Form. Next, a silicon oxide film 106 and a silicon nitride film 107 are deposited to a thickness of about 10 nm and then etched back to form a first gate electrode side wall insulating film comprising the silicon oxide film 106 and the silicon nitride film 107. 160 is formed. Next, after depositing a silicon oxide film 108 to a thickness of about 30 nm, this is also etched back to form a second gate sidewall insulating film 108.
[0045]
Next, regions other than the region of the semiconductor substrate 101 covered with the silicon nitride film 105, the first gate electrode side wall insulating film 160, and the second gate electrode side wall insulating film 108 shown in FIG. 4A, 4B, and 4C, a groove having a depth of 200 to 700 nm is formed in order to form the element isolation region 109. At this time, since the etching rate of the semiconductor substrate 101 is very high with respect to the silicon oxide films 106 and 108 and the silicon nitride film 107, that is, the etching condition with a large selectivity is used, the silicon nitride film 105 and the silicon oxide film are used. 108 and the like are hardly etched.
[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 silicon nitride film 105 on the gate electrode region 103 'as a stopper. Thereafter, the oxide film is etched with hydrofluoric acid until the surface approaches the vicinity of the surface of the semiconductor substrate 101. At this time, the silicon oxide film 108 serving as the second gate electrode side wall insulating film is completely removed, and an active layer (a region defined as α in FIG. 2) serving as a source / drain region is exposed in a later step. Although the upper portion of the silicon oxide film 106 of the first gate electrode side wall insulating film 160 is slightly etched, its width is very small, 10 nm, so that the rate for hydrofluoric acid is reduced by the oxide film 109 embedded in the element isolation region 109. Since it is sufficiently smaller than the silicon oxide film 108 or the silicon oxide film 108, the upper part is slightly removed, and most of it is left as a sidewall. Thus, the element isolation region 109 is formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode region 103 '.
[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 diffusion layer 112 shown in FIG. After the entire surface is formed by the method, anisotropic etch back is performed to form a polycrystalline silicon film sidewall 110. The deposition thickness of the polycrystalline silicon film and the etch-back conditions are adjusted so that the width of the sidewall 110 is larger than the width of the active layer of the source and drain regions 112. When forming the sidewall 110 made of the polycrystalline silicon film, it is important to form the natural oxide film so as not to grow on the interface with the surface of the silicon substrate 101. When a natural oxide film grows at the interface between the active layer surfaces of the source and drain regions of the semiconductor substrate and the deposited polycrystalline silicon film, it becomes a donor or an acceptor in the polycrystalline silicon film by ion implantation in a later step. After the impurities are introduced, when the impurities are thermally diffused into the semiconductor substrate by heat treatment to form a junction, the natural oxide film acts as a diffusion barrier for the impurities, thereby inhibiting uniform impurity diffusion. Therefore, the junction depth of the source and drain regions becomes non-uniform, which causes the transistor characteristics to vary.
[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 polycrystalline silicon film 110 so that a natural oxide film does not grow.
[0049]
Specifically, immediately before forming the polycrystalline silicon film 110, the wafer is washed with a hydrofluoric acid-based solution to remove the natural oxide film once, and then transported to the preliminary evacuation chamber. Before this transfer, the preliminary vacuum exhaust chamber is evacuated once from the atmosphere and then replaced with a nitrogen atmosphere. Next, the wafer is transferred to a nitrogen purge chamber where the dew point is kept at -100 ° C or lower. Here, the role of the preliminary evacuation chamber is to prevent the atmosphere during transport from being mixed into the nitrogen purge chamber. If the atmosphere is mixed into the nitrogen purge chamber even with a slight amount of atmosphere, it takes several days to recover the atmosphere to -100 ° C. or lower, which greatly deteriorates the throughput. The role of the nitrogen purge chamber is to completely remove water molecules adsorbed on the wafer surface by nitrogen purge. Experiments have confirmed that water molecules adsorbed on the wafer surface can be completely removed by nitrogen purge.
[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 sidewall 110 made of a polycrystalline silicon film and the semiconductor substrate 101. However, in the LPCVD apparatus of the first embodiment, as described above, the adsorbed water molecules are completely removed in the nitrogen purge chamber where the dew point is always kept at −100 ° C. or lower, and then transported to the deposition furnace. Since the system is used, the polycrystalline silicon film 110 can be formed without growing a natural oxide film. Therefore, the impurity is smoothly diffused into the semiconductor substrate 101, and a uniform junction between the source and drain regions can be formed with good controllability.
[0051]
Next, as shown in FIGS. 6A, 6B and 6C, the silicon nitride film 105 and the silicon oxide film 104 shown in FIG. 5B are removed. At this time, the silicon nitride film 107 forming the gate electrode side wall insulating film 160 is also slightly etched, but since the width is as small as about several tens of nm, only the upper portion is slightly etched, and most of the silicon nitride film 107 is mostly etched. Remains as.
[0052]
Next, in order to prevent a short circuit between the source electrode and the drain electrode due to the polycrystalline silicon film 110, the gate electrode region 103 'is formed at both ends in the longitudinal direction using a known lithography technique and processing technique. A part of the polycrystalline silicon film 110 located away from the channel region 130 is removed. At this time, only the polycrystalline silicon film 110 in that region needs to be removed. However, in the first embodiment, both ends of the gate electrode region 103 ′ are partially removed by F / 3 in the longitudinal direction of the gate electrode. Removed. This will be described below.
[0053]
The layout for removing the polycrystalline silicon film 110 should be performed in consideration of the fact that a misalignment of approximately F / 3 occurs with respect to the gate electrode region 103 '. This is to prevent the polycrystalline silicon film 110 from remaining due to misalignment. As described above, the photoresist for removing the polycrystalline silicon film 110 is formed in such a manner that the gate electrode is inwardly extended from both ends of the gate electrode region 103 'in the longitudinal direction of the gate electrode region 103' by about F / 3. The layout needs to be set so that a region to be removed is set in the longitudinal direction outside of the region 103 '. Therefore, as a result, both ends of the gate electrode region 103 'are removed by about F / 3. Further, since both ends of the gate electrode region 103 'are etched, there is no particular deterioration in device characteristics. In this manner, the surfaces of the semiconductor substrate 101 in the regions 140a and 140b where the polycrystalline silicon film 110 has been removed and the regions 145a and 145b where both ends of the gate electrode region 103 ′ have been removed are exposed.
[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 conductivity type impurity 111 is implanted using the resist 150 as a mask. At this time, in consideration of the diffusion of the impurity 111 in the horizontal direction, the resist 150 is patterned so that the impurity is implanted into a region about 100 nm to 200 nm inside both ends of the channel region 130 with respect to the longitudinal direction of the gate electrode. . Next, ions of the second conductivity type impurity 111 are implanted to form the source and drain regions 112. In the first embodiment, the gate electrode region 103 'is doped simultaneously with the doping of the polysilicon film sidewall 110 for forming the source and drain regions 112.
[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 side wall 110 made of the polycrystalline silicon film near the gate electrode was 200 to 300 nm. For this reason, the ion implantation conditions are as follows: for an N-channel transistor, phosphorus ions are converted into 2 × 10 Fifteen From 1 × 10 16 / Cm 2 The injection was performed at a moderate amount. As for the P-channel transistor, boron ions are converted to energy of about 10 KeV to about 30 KeV by 2 × 10 Fifteen From 1 × 10 16 / Cm 2 The injection was performed at a moderate amount. Here, although not shown, a screen oxide film of 5 to 30 nm may be formed on the entire surface before impurity implantation for the purpose of removing contaminants (contamination) at the time of impurity implantation. The energy of the impurity implantation is set so that the impurity is implanted only into the polycrystalline silicon film side wall 110.
[0056]
Next, as shown in FIGS. 7B and 7C, in order to activate the impurity 111 implanted in the gate electrode region 103 ′ and the sidewall 110 and diffuse the impurity 111 into the silicon substrate 101, And heat treatment. Thus, source / drain regions 112 composed of the stacked diffusion layers 1121 and the in-substrate diffusion layers 1122 are formed. The conditions of the heat treatment are as follows: a heat treatment at a temperature of about 800 ° C. to 950 ° C. for about 10 minutes to 60 minutes, or a rapid heat treatment at a temperature of about 900 ° C. to 1100 ° C. for about 10 seconds to 60 seconds. At the same time as activating 111, a junction is formed by solid-phase diffusion from sidewall 110 made of a polycrystalline silicon film into silicon substrate 101. In this way, impurity ions 111 are implanted into sidewalls 110 made of a polycrystalline silicon film stacked higher than channel region 130, and impurities are solid-phase diffused from sidewalls 110 into silicon substrate 101. To form a bond. That is, since the impurity 111 is not directly injected into the silicon substrate 101, a junction leak current due to a crystal defect does not occur, and the junction leak current can be reduced. Here, as a guide of the heat treatment conditions, it is necessary to diffuse the junction positions formed in the source and drain regions 112 in the horizontal direction to such an extent that the junction positions are not separated from the gate electrode region 103 ′ (channel region 130). Specifically, it is necessary to diffuse the gate electrode side wall insulating film 160 composed of the silicon oxide film 106 and the silicon nitride film 107 in the lateral direction beyond the width thereof. In order to improve the performance of the transistor, the junction depth is made as small as possible to suppress the short channel effect, and the source and drain regions 112 are formed so as not to be offset with respect to the gate electrode in order to obtain a high drive current. Need to be formed. For example, in the case where the width of the gate electrode sidewall insulating film 160 is 20 nm, when impurity diffusion of the N-channel transistor and the P-channel transistor is performed by a single heat treatment, the diffusion is performed at about 800 ° C. for about 60 minutes to about 875 ° C. for about 10 minutes. Has been found to be optimal. Thus, the in-substrate diffusion layer 1122 and the first gate electrode portion 1031 doped with impurities are formed. Here, the first gate electrode portion 1031 and the in-substrate diffusion layer 1122 are formed only in the channel region 130, and the regions 120 other than the channel region 130 are not doped with impurities. The stack layer 110 remains. The first gate electrode portion 1031 and the second gate electrode portion 1032 constitute the gate electrode 103. Therefore, in the region 120, almost no capacitance is generated between the gate electrode 103 and the source / drain region 112, so that the capacitance associated with the gate electrode 103 and the source / drain region 112 is smaller than in the conventional example. can do.
[0057]
Next, as shown in FIG. 7B, a silicon oxide film 113 having a thickness of about 50 to 100 nm is formed by a CVD method. Next, in order to prevent a short circuit between the source electrode and the drain electrode in the previous step, the active layer regions 140a and 140b exposed by removing the polycrystalline silicon film 110 and both ends of the gate electrode region 103 'are removed. The silicon oxide film 113 is patterned so that the exposed active regions 145a and 145b are completely covered with the silicon oxide film 113.
[0058]
Specifically, using a well-known lithography technique and a processing technique, the gate electrode 103 is positioned F / 3 inward from both ends 141a and 141b in the longitudinal direction of the gate electrode 103 in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the gate electrode 103. The silicon oxide film 113 in the region inside 103 is removed. That is, the silicon oxide film 113 is formed so as to overlap the gate electrode 103 from both ends 141a and 141b in the longitudinal direction of the gate electrode 103 to F / 3, which is the alignment accuracy in the longitudinal direction inside the gate electrode 103. Thus, silicon oxide film 113 is laid out. For this reason, even if the misalignment occurs in the longitudinal direction of the gate electrode 103, the active regions 140a and 140b and the active regions 145a and 145b can be reliably covered with the silicon oxide film 113.
[0059]
This step is a very important step in this embodiment. FIGS. 9A and 9B illustrate how the gate electrode 103, the source and drain regions 112, and the semiconductor substrate 101 are short-circuited when the silicon oxide film 113 is not used. FIG. 9A is a plan layout view when the silicon oxide film 113 is not formed in FIG. 7A, and FIG. 9B is a view showing the source and drain regions 112 in the longitudinal direction of the gate electrode in FIG. 9A. FIG. 7 is a cross-sectional view taken along line BB ′ along the active layer region of FIG. As shown in FIGS. 9A and 9B, since the active regions 140a and 140b and the active regions 145a and 145b are not covered by the silicon oxide film 113, the metal film 114 becomes active regions 140a, 140b and 145a. , 145b. Therefore, for example, as shown in FIG. 9B, the source and drain regions 112 and the semiconductor substrate 101 in the active region 140a, and the gate electrode 103 and the semiconductor substrate 101 in the active region 145b are formed by the metal film 114, respectively. I will short out.
[0060]
In the semiconductor device of the first embodiment, since the gate electrode 103 is formed in self-alignment with the element isolation region 109, such active regions 140a and 140b are always formed around the gate electrode 103. . For this reason, unlike the conventional example in which element isolation regions are formed at both ends in the longitudinal direction of the gate electrode, such active regions 140a, 140b, 145a, and 145b are formed at both ends of the gate electrode 103 by a silicon oxide film. If not covered with an insulating film such as 113, the gate electrode 103 and the source / drain regions 112 are short-circuited to the semiconductor substrate 101 by the metal film 114.
[0061]
By forming the silicon oxide film 113 as described above, the metal film 114 is not formed on the surfaces of the active regions 140a and 140b and the active regions 145a and 145b. Therefore, the gate electrode 103 and the semiconductor substrate 101 are not short-circuited, and the source / drain region 112 and the semiconductor substrate 101 are not short-circuited.
[0062]
Next, by a well-known salicide process, a titanium silicide film 114 is selectively formed as an example of a refractory metal film on the gate electrode 103 and the source and drain regions 112 where the silicon oxide film 113 is not formed. I do. In this embodiment, the titanium silicide film 114 made of titanium metal was used as the high melting point metal film. However, the present invention is not limited to this. As another high melting point metal film, a high melting point film using cobalt, nickel, platinum or the like may be used. good. Further, a high melting point metal film such as tungsten, titanium, titanium nitride, tantalum, or the like, or aluminum, copper, or an alloy thereof, or a material in which an impurity such as silicon or palladium is added to these metals or alloys may be used. .
[0063]
Next, as shown in FIGS. 8A, 8B and 8C, after an interlayer insulating film 115 is formed by a known method, a contact hole 116 is opened at a predetermined position of the interlayer insulating film 115. . Although not shown, if the contact plug and the upper wiring are formed by a known method, the semiconductor device of the first embodiment is completed.
[0064]
As described above, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment, the element isolation region 109 is formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode 103. For this reason, as shown in FIG. 2A, the distance a between the gate electrode 103 and the element isolation region 109 can be set to be equal to or smaller than the alignment deviation (F / 3). That is, as in the conventional example shown in FIG. 2B, it is necessary to lay out the positions of the gate electrode 304 and the element isolation region 302 in consideration of the misalignment (F / 3) of the element isolation region 302 with respect to the gate electrode 304. There is no. Therefore, in the first embodiment, as compared with the conventional example shown in FIG. 2B, the width of the active layer region of the source / drain region 112 (the upper end of the diffusion layer 1122 in the substrate, which is continuous with the stacked diffusion layer 1121). Width) can be reduced to about F / 3, so that the junction capacitance associated with the source / drain regions 112 can be reduced. Specifically, when the minimum processing dimension (corresponding to the design rule and the technology node) F is 180 nm, in the conventional semiconductor device shown in FIG. 2B, the alignment deviation (F / 3) is about 60 nm, Assuming that the width α of the active region (diffusion layer in the substrate) through which a minimum necessary current flows to make the drain region 308 function as an electrode is 30 nm, the width of the active region (diffusion layer in the substrate) 3082 of the source / drain region 308 Is required to be approximately F / 3 + α = 90 nm, but in the semiconductor device of the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2A, the minimum required for the source / drain region 112 to function as an electrode. The active layer region (diffusion layer in the substrate) 1122 of the source / drain region 112 can be formed with the width α of the active layer region in which the current flows is 30 nm. Therefore, in the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, a semiconductor device having an active region width a of the source / drain region 112 which is 1 / of the conventional example can be realized. Therefore, the junction capacitance associated with the source and drain regions 112 can be reduced to about 1/3 as compared with the conventional example.
[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 gate electrode 103 with the silicon oxide film 113, this problem can be prevented.
[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 oxide film 113, the number of masks does not increase. Therefore, an integrated circuit in which a logic circuit including the semiconductor device of the first embodiment and an analog circuit are mixed can be formed without increasing the cost. Furthermore, these manufacturing steps can be manufactured without using a special process device.
[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 diffusion layer 1711 of the source / drain region 171 is formed in the source / drain active layer region (the stacked diffusion layer 1711 of the diffusion layer 1712 in the substrate) similarly to the semiconductor device of the first embodiment. Over the element isolation region 109. In the semiconductor device of the second embodiment, the region 180 near the gate electrode 103 in the stacked diffusion layer 1711 is thinner than in the other region 181, and the width of the region 180 near the gate electrode 103 is different from that in the other region 181. It is almost the same as the thickness of the diffusion layer 1711. As described above, the semiconductor device according to the second embodiment has a smaller area in which the stacked diffusion layer 1711 of the source / drain region 171 faces the gate electrode 103 than the semiconductor device according to the first embodiment. Therefore, the capacitance associated with the gate electrode 103 and the source / drain region 171 can be reduced.
[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 gate insulating film 102, a gate electrode region 103 ', a silicon oxide film 106, and a silicon nitride film are formed on a semiconductor substrate 101 in the same manner as in the manufacturing method of the first embodiment. A gate electrode side wall insulating film 160 composed of the film 107 and an element isolation region 109 are formed.
[0074]
Next, a polycrystalline silicon film 170 for forming a stacked diffusion layer is deposited to a thickness of about 50 to 200 nm using a method in which a natural oxide film does not grow at the interface between the polycrystalline silicon film 170 and the surface of the semiconductor substrate 101. .
[0075]
Next, after a resist 165 is applied to the entire surface, a developing process is performed until the polycrystalline silicon film 170 on the gate electrode region 103 ′ is exposed. The thickness of the gate electrode region 103 'is 200 to 300 nm, and the thickness of the silicon nitride film 105 on the gate electrode 103' is 50 to 200 nm. There is a step of 250 to 500 nm with respect to the location. For this reason, by setting the development processing conditions (time-critical parameters) of the resist 165 to appropriate conditions, the resist 165 is left at a position other than the position where the gate electrode region 103 ′ is formed. The resist 165 can be patterned.
[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 polycrystalline silicon film 170 on the gate electrode region 103 'is exposed by controlling the etching time, as shown in FIG. Thus, patterning is performed so that the resist 165 remains at a portion other than the portion where the gate electrode region 103 'is formed. In the second embodiment, the developing process is used for etching the resist 165. However, the present invention is not limited to this, and a dry etching method may be used. However, the development process is an effective method because the cost is lower than that of dry etching because the same device as the coating device can be used and a vacuum device is not used.
[0077]
Next, as shown in FIGS. 11B and 11C, using the resist 165 as a mask, the polycrystalline silicon film 170 on the exposed gate electrode region 103 ′ is etched to a portion near the surface of the resist 165. The reason that this etching is kept near the surface of the resist 165 is that the silicon nitride film 107 forming the gate electrode sidewall insulating film 160 is removed when the silicon nitride film 105 is removed in a later step. This is to prevent it. For this etching, RIE (Reactive Ion Etching) that can be processed anisotropically was used. However, the present invention is not limited to this, and a chemical dry etching method may be used. Next, the silicon nitride film 105 is removed. At this time, the silicon nitride film 107 constituting a part of the gate electrode side wall insulating film 160 is also slightly etched, but most of its surface (in this case, most of the side surfaces) is covered with the polycrystalline silicon film 170. And the width is as small as about several tens of nm, the upper portion is only slightly etched, and most of the silicon nitride film 107 remains as a part of the gate electrode sidewall insulating film 160.
[0078]
Next, as shown in FIGS. 12A, 12B and 12C, the polycrystalline silicon film 170 around the gate electrode side wall insulating film 160 is removed to form a thin region near the gate electrode region 103 '. A polycrystalline silicon film 170 corresponding to the stacked diffusion layer having 180 is formed. The etching conditions were set so that the thickness of the polycrystalline silicon film 170 in the region 180 was equal to or smaller than that at the time of deposition. The width of this region 180 is equal to the thickness of the polycrystalline silicon film 170 initially deposited due to the feature of the LPCVD method as a forming method. This is because the polycrystalline silicon film 170 formed by the LPCVD method is very excellent in step coverage, so that the polycrystalline silicon film 170 formed on the gate electrode side wall insulating film 160 and the polycrystalline silicon film 170 formed on the element isolation region 109 respectively. The thickness is almost equal, and the polycrystalline silicon film 170 on the gate electrode side wall insulating film 160 is etched in the direction in which the gate electrode side wall insulating film 160 extends over the entire thickness direction to form the region 180. Because you do. Next, the resist 165 is removed.
[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 polycrystalline silicon film 170 formed at both ends in the longitudinal direction of the gate electrode region 103 '. At the same time, patterning of the polycrystalline silicon film 170 in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the gate electrode region 103 'is performed at the same time. At this time, only the polycrystalline silicon film 170 in that region may be removed. However, in the semiconductor device of the second embodiment, as in the semiconductor device of the first embodiment, one end of the gate electrode region 103 'is removed. The portion is also removed by about F / 3 in the longitudinal direction of the gate electrode region 103 '. This will be described below.
[0080]
The layout for removing the polycrystalline silicon film 170 should be performed in consideration of the fact that an alignment deviation of about F / 3 always occurs with respect to the gate electrode region 103 '. In order to prevent the polycrystalline silicon film 170 from remaining due to this alignment shift, a photoresist for removing the polycrystalline silicon film 170 is formed in advance at both ends of the gate electrode region 103 'in the longitudinal direction of the gate electrode region 103'. It is necessary to lay out such that a region to be removed in the longitudinal direction outside of the gate electrode region 103 ′ is set from a plane which is approximately F / 3 inward from the gate electrode region 103 ′. By doing so, both ends of the gate electrode region 103 'are removed by about F / 3. In addition, since both ends of the gate electrode region 103 'are etched, there is no particular deterioration in device characteristics.
[0081]
Next, as shown in FIGS. 14A, 14B and 14C, similarly to the semiconductor device of the first embodiment, the gate electrode 103, the diffusion layer 1712 in the substrate, the high-melting-point silicide film 114, and the interlayer insulating film are formed. A film 115 and a contact hole 116 are formed. Although not shown, the semiconductor device of this embodiment is completed by forming the upper wiring.
[0082]
As described above, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment, the gate electrode 103 and the source / drain regions 171 are formed without using a special process device as compared with the semiconductor device according to the first embodiment. A semiconductor device with a reduced capacitance can be manufactured.
[0083]
In the semiconductor device of the first embodiment shown in FIG. 1, a stacked diffusion layer 1121 having a width equal to or larger than the deposition thickness of the polycrystalline silicon film 110 cannot be obtained. However, in the second embodiment shown in FIG. Patterning of the polycrystalline silicon film 170 in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the film 103 can be freely performed by lithography. In the semiconductor device of the first embodiment shown in FIG. 1, the width of the stacked diffusion layer 1121 of the source / drain regions 112 is limited to about the thickness of the deposited polycrystalline silicon film 110. In order to prevent an increase in contact resistance due to a decrease in the contact area between the stacked diffusion layer 1121 and the contact, the contact hole 116 needs to be formed close to the gate electrode 103. However, in the semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. 14, the width of the stacked diffusion layer 1711 of the source / drain regions 171 can be freely laid out, so that the contact hole 116 is larger than in the semiconductor device of the first embodiment. Can be formed at a position sufficiently distant from the gate electrode 103 and at a desired position. Therefore, the capacitance associated with the gate electrode 103 and the source and drain regions 171 can be reduced.
[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 adjacent gate electrodes 103, 103 is increased. Is larger than twice the deposited film thickness of the polycrystalline silicon film 110, the stacked diffusion layers 1121 and 1121 are not directly connected as shown in FIG. Connection with the upper wiring composed of Therefore, for example, it is necessary to further use a metal wiring to connect the adjacent drain regions (electrodes) 112, 112. On the other hand, in the semiconductor device of the second embodiment shown in FIG. 15B, since the polycrystalline silicon film 170 (see FIG. 12) can be laid out freely, for example, the adjacent transistor can be used without using the upper wiring. The drain regions 171 and 171 can be connected. Therefore, since the upper wiring does not have to be used for connecting the adjacent drain regions 171, 171 and the degree of freedom is improved, a fine semiconductor element can be formed.
[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 contact hole 217 and the stacked diffusion layer 2141 of the gate electrode 205, the source and drain regions 214, the contact regions 240a and 240b, etc. The metal wiring 219 and the metal plug 218 are omitted.
[0088]
In the semiconductor substrate 201 of the first conductivity type, a deep well region 202 of the second conductivity type and a shallow well region 203 of the first conductivity type are formed, and the shallow well region 203 is separated by an element isolation region 212 for each element. Electrically isolated. Here, the first conductivity type means N-type or P-type. When the first conductivity type is N-type, the second conductivity type means P-type. When the first conductivity type is P-type, The second conductivity type means N-type.
[0089]
In a part of the shallow well region 203, a gate electrode 205 made of a semiconductor film doped to the second conductivity type is formed via a gate insulating film 204. On the shallow well region 203, contact regions 240a and 240b located at both longitudinal ends of the gate electrode 205 are formed. The gate insulating film 204 and the gate electrode are not present on the contact regions 240a and 240b. The contact regions 240a and 240b connect the gate electrode 205 and the shallow well region 203. The first conductive type high concentration diffusion layer regions 213a and 213b are formed to include the contact regions 240a and 240b, respectively, and the first conductive type high concentration diffusion layer regions 213a and 213b are shallow with the metal plug 218. Ohmic connection can be made with the well region 203. Here, in FIG. 16B, the high concentration diffusion layer regions 213a and 213b are formed so as to cover the entire contact regions 240a and 240b. However, the present invention is not limited to this, and at least the metal plug 218 is formed. May be formed in a region in contact with the shallow well region 203. The reason is that the gate electrode 205 and the shallow well region 203 are connected via the metal plug 218, but the high concentration diffusion layer is formed so that the entire region where the metal plug 218 and the shallow well region 203 are in contact does not form a Schottky junction. This is because the regions 213a and 213b need only be formed. The concentration of the impurity of the first conductivity type in the high concentration diffusion layer regions 213a and 213b is 1 × 10 20 ~ 1 × 10 21 / Cm 3 It is about. Further, the first conductivity type impurity for forming the high concentration diffusion layer regions 213a and 213b is not doped into the gate electrode 205. Therefore, since the second conductivity type impurity in the gate electrode 205 and the first conductivity type impurity do not cancel each other and the effective channel width does not decrease, it is possible to prevent a reduction in drive current.
[0090]
In order to connect the gate electrode 205 and the source / drain regions 214 to the upper metal wiring 219, a metal plug 218 is formed by opening a contact hole at a predetermined position of the interlayer insulating film 216. At this time, a contact hole for connecting the gate electrode 205 and the upper metal wiring 219 is formed so as to straddle the gate electrode 205 and the contact regions 240a and 240b as shown in FIG. A metal plug 218 is embedded in the contact hole. Thus, the gate electrode 205 and the upper metal wiring 219 can be connected, and the gate electrode 205 and the shallow well region 203 can be reliably connected via the metal plug 218. The gate electrode 205 and the shallow well region 203 are connected at two contact regions 240a and 240b at both ends in the longitudinal direction of the gate electrode 205. Therefore, the voltage applied to the gate electrode 205 can be transmitted to the shallow well region 203 from two locations more efficiently than in the case where the gate electrode and the shallow well region are connected at one location. Voltage delay is reduced and high-speed operation becomes possible.
[0091]
The source and drain regions 214 are adjacent to the gate electrode side wall insulating film 210 and almost all of them are located above the interface between the gate insulating film 204 and the surface of the shallow well region 203 as in the semiconductor device of the first embodiment. are doing. The source / drain region 214 includes a stacked diffusion layer 2141 located above the interface between the gate insulating film 204 and the surface of the shallow well region 203, and a diffusion layer in a shallow well region 203 (hereinafter referred to as a “diffusion layer”). , 2142). On the gate electrode 205 and the stacked diffusion layer 2141, a metal film 215 is formed over the entire region inside by F / 3 from both ends in the longitudinal direction of the gate electrode 205. Here, F is the minimum processing size. The metal film 215 is, for example, a high melting point metal film such as tungsten, titanium, titanium nitride, and tantalum; a high melting point metal silicide film such as titanium silicide, cobalt silicide, nickel silicide, and platinum silicide; or aluminum, copper, Any of these alloys, or those obtained by adding impurities such as silicon and palladium to these metals and alloys may be used.
[0092]
The distance between the gate electrode 205 and the element isolation region 212 is set to be F / 3 or less, where F is the minimum processing dimension. Therefore, in the semiconductor device of the third embodiment, the activation of the in-substrate diffusion layer 2142 of the source / drain region 214 is the same as in the semiconductor device of the first embodiment described with reference to FIGS. The layer width can be reduced. Therefore, the junction capacitance can be reduced to about 1/3 of the junction capacitance of the semiconductor device of the conventional example (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-82815).
[0093]
In the DTMOSFET in which the gate electrode 205 is connected to the shallow well region 203 as in the semiconductor device of the third embodiment, the effect of reducing the capacitance (active layer capacitance) of the in-substrate diffusion layer 2142 in the source / drain region 214 is obtained. Is very large. Because the DTMOS connects the gate electrode 205 and the shallow well region 203, when a voltage is applied to the gate electrode 205, the source region (electrode) 214 and the shallow well region 203, and the drain region (electrode) Junction capacitance is generated between the shallow well region 203 and the shallow well region 203, respectively. In particular, twice the capacitance between the source electrode 214 and the shallow well region 203 occurs between the drain electrode 214 and the shallow well region 203 due to the Miller effect during the switching operation of the transistor. This is, in total, three times the junction capacitance of a non-DTMOS regular structure transistor. Therefore, it is very important for DTMOS to reduce the junction capacitance, that is, to reduce the junction area, for increasing the speed of the device.
[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 deep well region 202 and a first conductive type shallow well region 203 are formed in a semiconductor substrate 201. At this time, the impurity concentration near the surface of the shallow well region 203 is adjusted so as to obtain a desired threshold voltage. Next, a gate insulating film 204, a polycrystalline silicon film 205 'serving as a gate electrode region, a silicon oxide film 206, and a silicon nitride film 207 are sequentially formed on the shallow well region 203, and thereafter, by photolithography and etching. The gate electrode region 205 'and the like are patterned. Next, after depositing a silicon oxide film 208 of about 10 nm and a silicon nitride film 209 of about 10 nm, the first gate electrode side wall insulating film 210 is formed by etching back. Next, after depositing a silicon oxide film 211 for a second gate sidewall insulating film to a thickness of about 30 nm, this is also etched back to form a second gate sidewall insulating film 211.
[0096]
Next, as shown in FIGS. 18B and 18C, a region of the semiconductor 201 covered with the silicon nitride film 207, the first gate electrode side wall insulating film 210, and the second gate electrode side wall insulating film 211. The region of the semiconductor substrate 201 where the other surface is exposed is etched to form a groove of 300 to 700 nm. At this time, the bottom of the groove is located between the shallow well region 203 and the deep well region 202, and the shallow well region 203 can be completely separated by the groove, and the deep well region 202 is etched so as not to be separated by the groove. Conditions are set. The etching conditions are such that the etching rate of the semiconductor substrate 201 is very high with respect to the silicon oxide film or the silicon nitride film, that is, the etching condition has a large selectivity. Therefore, the silicon nitride film 207 and the silicon oxide film 208 are hardly etched. Next, an element isolation region 212 is formed by embedding a silicon oxide film in the groove by the CVD method. Next, the silicon oxide film is polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing) using the silicon nitride film 207 on the gate electrode 205 as a stopper. Thereafter, the silicon oxide film is etched with hydrofluoric acid until the surface of the silicon oxide film approaches the vicinity of the surface of the semiconductor substrate 201. At this time, the silicon oxide film 211 serving as the second gate electrode side wall insulating film is completely removed, and the active layer in the region where the silicon oxide film 211 was located is exposed. Part of the active layer will be part of the source and drain regions in a later step. Although the upper portion of the silicon oxide film 208, which is a part of the first gate electrode side wall insulating film 210, is slightly etched, its width is as small as 10 nm. Since it is sufficiently smaller than the film or the silicon oxide film 211, only the upper portion is slightly removed and not all is lost. Thus, the element isolation region 212 is formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode region 205 '.
[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 side wall 220 made of a polycrystalline silicon film is formed. The deposition thickness of the polycrystalline silicon film and the etch-back conditions are adjusted so that the width of the sidewall 220 is larger than the width of the active region of the source and drain regions. When forming the side wall 220 made of the polycrystalline silicon film, it is important to form the natural oxide film so as not to grow on the interface between the side wall 220 and the surface of the shallow well region 203. When a natural oxide film grows at the interface between the active region surfaces of the source and drain regions of the shallow well region 203 and the deposited polycrystalline silicon film, ions are implanted in a later step to form a portion of the side wall 220 made of the polycrystalline silicon film. After introducing an impurity serving as a donor or an acceptor into the shallow well region 203 by heat treatment to form a junction by thermally diffusing the impurity into the shallow well region 203, the natural oxide film acts as a diffusion barrier for the impurity, thereby inhibiting uniform impurity diffusion. You. Therefore, the junction depth of the source and drain regions becomes non-uniform, which causes the transistor characteristics to vary.
[0098]
In the third embodiment, a polycrystalline silicon film for the sidewall 220 is formed by an LPCVD apparatus including a preliminary exhaust chamber, a nitrogen purge chamber whose dew point is always kept at −100 ° C. or lower, and a deposition furnace. Therefore, it is possible to grow the polycrystalline silicon film so that a natural oxide film does not grow. Since a specific method is the same as that for forming the semiconductor device of the first embodiment, the description is omitted here.
[0099]
Next, as shown in FIG. 20, the silicon nitride film 207 and the silicon oxide film 206 (see FIG. 19B) are removed. At this time, the silicon nitride film 209 forming the gate electrode side wall insulating film 210 is also slightly etched, but since the width is as small as about several tens of nm, only the upper portion is slightly etched, and most of it is used as the side wall insulating film. Will remain. Next, in order to prevent a short circuit between the source region (source electrode) and the drain region (drain electrode), a well-known lithography technique and a processing technique are used to form both ends of the gate electrode area 205 ′ in the longitudinal direction. A part of the polycrystalline silicon film 220 is removed. Further, part of the gate electrode 205 at both ends in the longitudinal direction of the gate electrode is removed to form contact regions 240a and 240b connecting the gate electrode 205 (see FIG. 16B) and the shallow well region 203.
[0100]
Next, as shown in FIGS. 21A, 21B and 21C, the sidewall 220 serving as the gate electrode region 205 'and the stacked diffusion layer 214 of the source and drain regions (see FIG. 16B). In order to implant a second conductivity type impurity, a resist 250 is patterned, and a second conductivity type impurity 260 is implanted into the gate electrode region 205 ′ and the side wall 220 using the resist 250 as a mask. At this time, in consideration of the diffusion of the impurity of the second conductivity type in the lateral direction, the impurity is implanted into the resist 250 into a region 100 nm to 200 nm inside both ends 241a and 241b in the longitudinal direction of the gate electrode region 205 '. Is patterned. In the third embodiment, the gate electrode 205 (see FIG. 16B) is simultaneously formed with the doping of the second-conductivity-type impurity into the side wall 220 made of a polycrystalline silicon film for forming the source and drain regions 214. The gate electrode region 205 'is doped with a second conductivity type impurity to form it.
[0101]
Next, as shown in FIG. 22B, first conductive type diffusion layers 213a, 213b (for ohmic connection) are connected to contact regions 240a, 240b for connecting the gate electrode 205 and the shallow well region 203, respectively. In order to form FIG. 23B), an impurity 261 of the first conductivity type is implanted. As shown in FIG. 22B, the resist 251 covers the entire gate electrode region 205 from a position F / 3 away from the gate electrode ends 241a and 241b of the gate electrode region 205 ′ in the direction of the contact regions 240a and 240b. Thus, patterning is performed, and impurities 261 of the first conductivity type are implanted into portions of contact regions 240a and 240b apart from gate electrode region 205 ′. As described above, the first conductivity type impurity is added to a region away from the gate electrode region 205 'from a position away from the gate electrode ends 241a and 241b in the direction of the contact regions 240a and 240b by a distance of about F / 3 corresponding to the alignment accuracy. By implanting 261, even if an alignment shift occurs due to a process fluctuation or the like, the impurity 261 of the first conductivity type is not doped into the gate electrode region 205 ′. Therefore, the driving force of the element can be prevented from deteriorating because it is not offset by the impurities of the second conductivity type in the gate electrode 205 (see FIGS. 16B and 23B).
[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 side wall 220 made of the polycrystalline silicon film near the gate electrode was 200 to 300 nm. For this reason, the ion implantation conditions are as follows: for an N-channel transistor, phosphorus ions are converted to energy of about 20 KeV to 80 KeV by 2 × 10 Fifteen From 1 × 10 16 / Cm 2 The injection was performed at a moderate amount. As for the P-channel transistor, boron ions are converted to energy of about 10 KeV to about 30 KeV by 2 × 10 Fifteen From 1 × 10 16 / Cm 2 The injection was performed at a moderate amount. Here, although not shown, a screen oxide film of 5 to 30 nm may be formed on the entire surface before impurity implantation for the purpose of removing contaminants (contamination) at the time of impurity implantation. The energy of the impurity implantation is set so that the impurity is implanted only into the side wall 220 made of the polycrystalline silicon film.
[0104]
Next, as shown in FIGS. 23B and 23C, the impurity 260 implanted into the gate electrode region 205 ′ and the sidewall 220 is activated, and the impurity 260 is diffused into the shallow well region 203. Therefore, heat treatment is performed. As a result, a source / drain region 214 composed of the stacked diffusion layer 2141 and the in-substrate diffusion layer 2142 which is a diffusion layer in the shallow well 203 is formed. At this time, the impurity 261 implanted into the shallow well region 203 for forming the high concentration diffusion layer regions 213a and 213b is also activated and diffused. The heat treatment is performed at a temperature of about 800 ° C. to 950 ° C. for about 10 to 60 minutes, or at a temperature of about 900 ° C. to about 1100 ° C. for about 10 to 60 seconds. And a solid phase diffusion from the sidewall 220 made of the polycrystalline silicon film to the shallow well region 203 to form a junction. In this way, impurity ions are implanted into sidewall 220 made of a polycrystalline silicon film stacked higher than the channel region, and impurities are solid-phase diffused from sidewall 220 to shallow well region 203 to form a junction. I do. That is, since the impurity is not directly injected into the shallow well region 203, a junction leak current due to a crystal defect does not occur, and the junction leak current can be reduced. Here, as a guide for the heat treatment conditions, it is necessary to diffuse the junction positions in the lateral direction formed in the source and drain regions 214 to such an extent that they do not separate from the gate electrode 205 (channel region). Specifically, the gate electrode sidewall insulating film 210 composed of the silicon oxide film 208 and the silicon nitride film 209 needs to be diffused in the lateral direction beyond the width thereof. In order to improve the performance of the transistor, the junction depth is made as small as possible to suppress the short channel effect, and the source and drain regions are not offset with respect to the gate electrode 205 to obtain a high drive current. 214 must be formed. For example, in the case where the width of the gate electrode side wall insulating film 210 is 20 nm, when impurity diffusion of an N-channel transistor and a P-channel transistor is performed by a single heat treatment, about 800 to 60 minutes to about 875 ° C. and about 10 minutes. Has been found to be optimal. Thus, the in-substrate diffusion layer 2142 and the impurity-doped gate electrode 205 are formed.
[0105]
Next, as shown in FIG. 23B, a silicon oxide film 270 having a thickness of about 50 to 100 nm is formed by the CVD method. Next, the contact regions 240a and 240b from which the polycrystalline silicon film 220 has been removed in order to prevent a short circuit between the source region 214 (source electrode) and the drain region 214 (drain electrode) in the previous step are formed by the silicon oxide film 270. Cover completely.
[0106]
Specifically, using a well-known lithography technique and a processing technique, the gate electrode 205 is positioned F / 3 inward from both ends 241a and 241b in the longitudinal direction of the gate electrode 205 from a plane perpendicular to the longitudinal direction of the gate electrode 205. The silicon oxide film 270 in the region in the inner direction of 205 is removed. Then, contact regions 240a and 240b from which polycrystalline silicon film 220 has been removed in order to prevent a short circuit between the source electrode and the drain electrode are completely covered with silicon oxide film 270. The layout is such that the silicon oxide film 270 is formed on the region having a length of about F / 3, which is the alignment accuracy, inward from the gate electrode ends 241a and 241b. Even if an alignment shift occurs, the polycrystalline silicon film 220 is removed to prevent a short circuit between the source electrode and the drain electrode, and the contact regions 240a and 240b can be surely covered with the silicon oxide film 270. This step is very important for preventing a short circuit between the source / drain region 214 and the shallow well region 203, and will be described in detail in Embodiment 1 with reference to FIGS. 9 (a) and 9 (b). Since the description has been made using the above, the description is omitted here.
[0107]
Next, a titanium silicide film 215 is selectively formed as a refractory metal film on the portion of the gate electrode 205 from which the silicon oxide film 270 has been removed and on the source and drain regions 214 by a well-known salicide process. In the third embodiment, silicide made of titanium metal is used as the refractory metal film. However, the present invention is not limited to this, and other materials such as cobalt, nickel, and platinum may be used. Alternatively, a high-melting point metal film such as tungsten, titanium, titanium nitride, or tantalum, or aluminum, copper, or an alloy thereof, or a material in which an impurity such as silicon or palladium is added to these metals or alloys may be used. .
[0108]
Next, as shown in FIGS. 24A, 24B and 24C, after an interlayer insulating film 216 is formed by a known method, a contact hole 217 is opened at a predetermined position of the interlayer insulating film 216. . At this time, the contact hole 217 to the gate electrode 205 is formed so as to straddle a part of both ends in the longitudinal direction of the gate electrode 205 and the contact regions 240a and 240b. By doing so, the gate electrode 205 and the shallow well region 203 can be reliably connected via the metal plug 218 (see FIG. 25B) formed later.
[0109]
Next, as shown in FIGS. 25A, 25B and 25C, a contact metal plug 218 and an upper metal wiring 219 are formed by a well-known method to complete the semiconductor device of the third embodiment. .
[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 upper metal wiring 219 and the metal wiring 219 are formed in order to clarify the positional relationship between the gate electrode 205, the source / drain regions 171, the contact regions 240a and 240b, and the contact holes 217. The plug 218 is omitted.
[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 / drain regions 171, the stacked diffusion layers 1711, the in-substrate diffusion layers 1712, and the source / drain regions 171 are formed. All other parts have the same structure, except for the location where they are provided. Therefore, in FIGS. 26 (a), (b) and (c), the same components as those of the second embodiment shown in FIGS. 16 (a), (b) and (c) are denoted by the same reference numerals. And the description is omitted. Here, only the structure of the source and drain regions 171 and the positional relationship of the contact holes provided thereon will be described.
[0113]
The source / drain regions 171 are composed of a stacked diffusion layer 1711 and a diffusion layer 1712 in the substrate, similarly to the semiconductor device of the second embodiment. The stacked diffusion layer 1711 is formed over the source and drain active regions and the element isolation region 212 of the in-substrate diffusion layer 1712. In the semiconductor device of the fourth embodiment, the thickness of the stacked diffusion layer 1711 is smaller in the region 180 near the gate electrode 205 than in other regions, and the width of the region 180 is the thickness of the stacked diffusion layer 1711 in other regions. Is almost the same as Thus, the semiconductor device according to the fourth embodiment has a smaller area in which the stacked diffusion layer 1711 faces the gate electrode 205 as compared with the semiconductor device according to the third embodiment. Therefore, the capacitance associated with the gate electrode 205 and the source / drain region 171 can be reduced.
[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 stacked diffusion layer 1711 of the source / drain regions 171, and therefore, detailed description is omitted. I do.
[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 Embodiment 3 of the present invention;
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 Embodiment 3 of the present invention;
FIGS. 23A, 23B, and 23C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 3 of the present invention;
FIGS. 24A, 24B, and 24C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 3 of the present invention;
FIGS. 25A, 25B, and 25C are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 3 of the present invention;
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)

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.
請求項1に記載の半導体装置において、
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.
請求項2に記載の半導体装置において、
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.
請求項2または3に記載の半導体装置において、
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.
請求項1乃至4の何れか1つに記載の半導体装置において、
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.
請求項5に記載の半導体装置において、
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.
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.
請求項7に記載の半導体装置の製造方法において、
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.
請求項7に記載の半導体装置の製造方法において、
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.
請求項7に記載の半導体装置の製造方法において、
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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