JP2004349372A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特に、PMOS(P−Channel Metal Oxide Semiconductor)およびNMOS(N−Channel MOS)を有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
PMOSおよびNMOSの結合回路で作った論理演算素子を通常、CMOS(Complementary MOS)デバイスという。
【0003】
以下に、デュアルゲートCMOSデバイスを有する半導体装置の従来の製造プロセスについて説明する。
【0004】
デュアルゲートCMOSデバイスを有する半導体装置においては、従来、ホットキャリア寿命劣化抑制の観点から、LDD(Lightly Doped Drain)構造が用いられていたが、近年、電源電圧の低下に伴なってホットキャリア特性が向上した結果、従来はLDD構造であったソース/ドレイン・エクステンション領域を高濃度化した構造が採用されている。
【0005】
また、ゲート長の微細化に伴うショートチャネル特性の改善の観点から、ゲート電極の側面に形成されたオフセットスペーサ越しにソース/ドレイン・エクステンション領域を形成する工程が採用されている。
【0006】
【特許文献1】
特開平10−163339号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のプロセスにおいては、以下のような問題があった。
【0008】
一般的に、p+ドーパント(たとえばボロンなど)は、n+ドーパント(たとえばヒ素など)に比べて熱拡散しやすいので、ショートチャネル特性は、NMOSに比べて、PMOSの方が劣化しやすい傾向にある。
【0009】
ショートチャネル特性が劣化した場合、製造プロセスのばらつきによってゲート長が短くなった場合にトランジスタの性能が仕様外のものとなるので、要求される性能の半導体装置を安定して製造することができない。
【0010】
ところで、特開平10−163339号公報(従来例1)において、NMOS領域のn+形高濃度不純物領域は薄い接合により形成して電流駆動力を向上させ、PMOS領域のp+形高濃度不純物領域はチャネルから離れて形成してショートチャネル特性を向上しうるようにした半導体素子の製造方法が開示されている。
【0011】
しかしながら、従来例1においては、不純物領域のイオン注入時におけるオフセットスペーサについて、NMOS領域とPMOS領域において同一の厚さを有する場合、およびPMOS領域のみがオフセットスペーサを有する場合のみが示されており、不純物領域のイオン注入時におけるオフセットスペーサの厚さをNMOS領域とPMOS領域とで異ならせることについては、何ら開示されていない。
【0012】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、不純物領域のイオン注入時におけるオフセットスペーサの厚さをNMOS領域とPMOS領域とで異ならせることにより、電流駆動力とショートチャネル特性を向上させた半導体装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、第1のオフセットスペーサを有するNMOSと、第2のオフセットスペーサを有するPMOSとを備え、第2のオフセットスペーサの幅は、第1のオフセットスペーサの幅よりも大きい。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に基づく半導体装置の実施の形態について説明する。
【0015】
(実施の形態1)
図1から図10は、実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の各工程における断面図である。ここで、図1から図10において、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【0016】
本実施の形態に係る半導体装置は、CMOSデバイスを有する半導体装置であって、図10に示すように、第1のオフセットスペーサとしてのサイドウォールスペーサ12aを有するNMOSと、第2のオフセットスペーサとしてのサイドウォールスペーサ12bを有するPMOSとを備え、サイドウォールスペーサ12bの幅(W2)は、サイドウォールスペーサ12aの幅(W1)よりも5nm以上10nm以下程度大きくなるように形成されている。
【0017】
サイドウォールスペーサ12aは、酸化膜により形成されるオフセットスペーサ5aおよび窒化膜により形成されるオフセットスペーサ11によって構成されている。一方、サイドウォールスペーサ12bは、L形断面形状を有する酸化膜5および第1の窒化膜としての窒化膜6を含むオフセットスペーサ9と第2の窒化膜としてのオフセットスペーサ11とによって構成されている。
【0018】
図10に示す半導体装置の製造方法は、図1から図9に示すように、NMOSのゲート電極3側壁に第1のオフセットスペーサとしてのオフセットスペーサ5aを形成する工程と、オフセットスペーサ5aを用いてNMOSの不純物領域としてのn+ソース/ドレイン・エクステンション領域8をイオン注入によって形成する工程と、PMOSのゲート電極3側壁に、オフセットスペーサ5aよりも大きな幅を有する第2のオフセットスペーサとしてのオフセットスペーサ9を形成する工程と、オフセットスペーサ9を用いてPMOSの不純物領域としてのp+ソース/ドレイン・エクステンション領域10をイオン注入によって形成する工程とを備える。
【0019】
また、オフセットスペーサ5aは酸化膜5による単層構造を有し、オフセットスペーサ9は、酸化膜5および窒化膜6を含む積層構造を有する。
【0020】
以下、上記の製造方法について、図1から図9を用いて、さらに詳細に説明する。
【0021】
図1に示すように、CMOSデバイスに含まれるNMOSおよびPMOS領域において、シリコン基板1上にゲート酸化膜2およびゲート電極3およびシリサイド膜4を形成した後、10nm以上30nm以下程度の厚さを有する酸化膜5をCVD(Chemical Vapor Deposition)によって形成し、続いて、5nm以上10nm以下程度の厚さを有する窒化膜6をCVDによって形成する。
【0022】
図1の状態から、図2に示すように、リソグラフィによってPMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、RIE(Reactive Ion Etching)による等方性エッチングによって、NMOS領域における窒化膜6のみを選択的にエッチングして除去する。なお、この際、RIEの条件としては、窒化膜6のエッチンググレードが大きく、酸化膜5のエッチンググレードが小さい条件に設定する必要がある。
【0023】
図2の状態から、図3に示すように、RIEによる異方性エッチングによって、NMOS領域における酸化膜5をエッチングし、ゲート電極3の側面部のみに酸化膜5を残存させる。この残存した酸化膜5が、NMOS領域におけるn+ソース/ドレイン・エクステンション領域8のイオン注入時のオフセットスペーサ5aとなる。
【0024】
図3の状態から、図4に示すように、矢印に示す方向のイオン注入によって、NMOS領域におけるn+ソース/ドレイン・エクステンション領域8を形成する。なお、ここで、n+ドーパントとしては、たとえばAsなどが用いられる。この場合、イオン注入は、2.0keV以上4.0keV以下程度、イオン濃度1.0×1014cm−2以上1.0×1015cm−2以下程度の条件で行なわれる。
【0025】
次に、図5に示すように、PMOS領域上のフォトレジスト7を除去するとともに、リソグラフィによってNMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、RIEによる異方性エッチングによって、PMOS領域の酸化膜5および窒化膜6をエッチングして、ゲート電極3の側面部のみに酸化膜5および窒化膜6を残存させる。なお、この際、RIEの条件としては、酸化膜5と窒化膜6とのエッチンググレードがほぼ同じとなるように設定する必要がある。
【0026】
上記のエッチング工程の結果、PMOS領域においてシリコン基板1上の酸化膜5が、窒化膜6の厚さ分だけエッチングされずに残存するため、図5(b)に示すように、L形形状を有する酸化膜5が形成される。また、本工程の実施後に残存した酸化膜5および窒化膜6の積層構造が、PMOS領域におけるp+ソース/ドレイン・エクステンション領域10のイオン注入時のオフセットスペーサ9となる。該オフセットスペーサ9は、酸化膜5上に残存した窒化膜6の層厚分だけ、NMOS領域におけるオフセットスペーサ5aよりも厚く(幅が大きく)なるため、p+ソース/ドレイン・エクステンション領域10のイオン注入時において、ソース/ドレイン間のオフセット量を、n+ソース/ドレイン・エクステンション領域8のイオン注入時よりも大きく確保することができる。これにより、PMOSにおけるショートチャネル効果を抑制することができる。
【0027】
図5の状態から、図6に示すように、矢印に示す方向のイオン注入によって、PMOS領域におけるp+ソース/ドレイン・エクステンション領域10を形成する。なお、ここで、p+ドーパントとしては、たとえばB(ボロン)などが用いられる。この場合、イオン注入は、0.6keV以上1.0keV以下程度、イオン濃度1.0×1014cm−2以上3.0×1014cm−2以下程度の条件で行なわれる。
【0028】
図6の状態から、図7に示すように、NMOS領域のフォトレジスト7を除去した後、NMOSおよびPMOS領域上に30nm以上50nm以下程度の窒化膜をCVDによって形成し、RIEによる異方性エッチングによって、この窒化膜をエッチングして、ゲート電極3の側面部のみに窒化膜11を残存させる。これにより、NMOS領域においては、オフセットスペーサ5aと窒化膜11とを含むサイドウォールスペーサ12aが、PMOS領域においては、オフセットスペーサ9と窒化膜11とを含むサイドウォールスペーサ12bが形成される。
【0029】
図7の状態から、図8に示すように、リソグラフィによってNMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、矢印に示す方向のイオン注入によって、PMOS領域におけるp+ソース/ドレイン領域13を形成する。なお、ここで、p+ドーパントとしては、たとえばBまたはBF2などが用いられる。イオン注入は、ドーパントがBの場合は、2.0keV以上4.0keV以下程度、イオン濃度2.0×1014cm−2以上5.0×1015cm−2以下程度の条件で行なわれ、ドーパントがBF2の場合は、15.0keV以上30.0keV以下程度、イオン濃度2.0×1014cm−2以上5.0×1015cm−2以下程度の条件で行なわれる。
【0030】
図8の状態から、図9に示すように、NMOS領域上のフォトレジスト7を除去するとともに、リソグラフィによってPMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、矢印に示す方向のイオン注入によって、NMOS領域におけるn+ソース/ドレイン領域14を形成する。なお、ここで、n+ドーパントとしては、たとえばAsなどが用いられる。この場合、イオン注入は、30.0keV以上60.0keV以下程度、イオン濃度2.0×1015cm−2以上5.0×1015cm−2以下程度の条件で行なわれる。その後、PMOS領域上のフォトレジスト7を除去することで、図10に示すような、CMOSデバイスを有する半導体装置が形成される。
【0031】
本実施の形態においては、以上の構成により、PMOSにおけるソース/ドレイン領域間のオフセット量をNMOSよりも大きくすることができるので、NMOSにおける駆動特性を確保しながら、PMOSにおけるショートチャネル特性を向上させることができる。
【0032】
(実施の形態2)
図11から図19は、実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の各工程における断面図である。ここで、図11から図19(a)はNMOS領域の断面を示し、図11から図19(b)はPMOS領域の断面を示す。
【0033】
本実施の形態に係る半導体装置は、CMOSデバイスを有する半導体装置であって、図19に示すように、第1のオフセットスペーサとしてのサイドウォールスペーサ12aを有するNMOSと、第2のオフセットスペーサとしてのサイドウォールスペーサ12bを有するPMOSとを備える。ここで、サイドウォールスペーサ12a,12bの幅(W1,W2)は、ほぼ同じとなるように形成されている。
【0034】
サイドウォールスペーサ12a,12bは、酸化膜により形成されるオフセットスペーサ5a,5bおよび窒化膜により形成されるオフセットスペーサ11によって構成されている。
【0035】
図19に示す半導体装置の製造方法は、図11から図18に示すように、NMOSのゲート電極3側壁に第1のオフセットスペーサとしてのオフセットスペーサ5aを形成する工程と、オフセットスペーサ5aを用いてNMOSの不純物領域としてのn+ソース/ドレイン・エクステンション領域8をイオン注入によって形成する工程と、PMOSのゲート電極3側壁に、第2のオフセットスペーサとしてのオフセットスペーサ5a,5bを形成する工程と、オフセットスペーサ5a,5bを用いてPMOSの不純物領域としてのp+ソース/ドレイン・エクステンション領域10をイオン注入によって形成する工程とを備える。
【0036】
ここで、第2のオフセットスペーサとしてのオフセットスペーサ5a,5bは、酸化膜5による積層構造を有し、酸化膜5による単層構造を有する第1のオフセットスペーサとしてのオフセットスペーサ5aよりも大きな厚さを有する。
【0037】
以下、上記の製造方法について、図11から図18を用いて、さらに詳細に説明する。
【0038】
図11に示すように、CMOSデバイスに含まれるNMOSおよびPMOS領域において、シリコン基板1上にゲート酸化膜2およびゲート電極3およびシリサイド膜4を形成した後、10nm以上30nm以下程度の厚さを有する酸化膜5をCVDによって形成する。
【0039】
図11の状態から、図12に示すように、RIE(Reactive IonEtching)による異方性エッチングによって、酸化膜5をエッチングし、ゲート電極3の側面部のみに該酸化膜5を残存させた状態を示す。この残存した酸化膜5が、NMOS領域におけるn+ソース/ドレイン・エクステンション領域8のイオン注入時のオフセットスペーサ5aとなる。
【0040】
図12の状態から、図13に示すように、リソグラフィによってPMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、矢印に示す方向のイオン注入によって、NMOS領域におけるn+ソース/ドレイン・エクステンション領域8を形成する工程を示す。なお、ここで、n+ドーパントとしては、たとえばAsなどが用いられる。また、イオン注入は、実施の形態1と同等の条件で行なわれる。
【0041】
図13の状態から、図14に示すように、PMOS領域上のフォトレジスト7を除去した後、NMOSおよびPMOS領域において、5nm以上10nm以下程度の厚さを有する酸化膜5をCVDによって形成し、その後、RIEによる異方性エッチングによって、NMOSおよびPMOS領域の酸化膜5をエッチングして、ゲート電極3の側面部のみに酸化膜5bを残存させる。
【0042】
上記のエッチング工程の実施後に残存した酸化膜5a,5bの積層構造が、PMOS領域におけるp+ソース/ドレイン・エクステンション領域10のイオン注入時のオフセットスペーサ5a,5bとなる。該オフセットスペーサ5a,5bは、オフセットスペーサ5bの層厚分だけ、NMOS領域におけるオフセットスペーサ5aよりも厚く(幅が大きく)なるため、p+ソース/ドレイン・エクステンション領域10のイオン注入時において、ソース/ドレイン間のオフセット量を、n+ソース/ドレイン・エクステンション領域8のイオン注入時よりも大きく確保することができる。これにより、PMOSにおけるショートチャネル効果を抑制することができる。
【0043】
図14の状態から、図15に示すように、リソグラフィによってNMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、矢印に示す方向のイオン注入によって、PMOS領域におけるp+ソース/ドレイン・エクステンション領域10を形成する。なお、ここで、p+ドーパントとしては、たとえばB(ボロン)などが用いられる。また、イオン注入は、実施の形態1と同等の条件で行なわれる。
【0044】
図15の状態から、図16に示すように、NMOS領域上のフォトレジスト7を除去した後、NMOSおよびPMOS領域上に30nm以上50nm以下程度の窒化膜をCVDによって形成し、RIEによる異方性エッチングによって、この窒化膜をエッチングして、ゲート電極3の側面部のみに窒化膜11を残存させる。これにより、NMOSおよびPMOS領域において、オフセットスペーサ5a,5bと窒化膜11とを含むサイドウォールスペーサ12a,12bがそれぞれ形成される。
【0045】
図16の状態から、図17に示すように、リソグラフィによってNMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、矢印に示す方向のイオン注入によって、PMOS領域におけるp+ソース/ドレイン領域13を形成する。なお、ここで、p+ドーパントとしては、たとえばBまたはBF2などが用いられる。また、イオン注入は、実施の形態1と同等の条件で行なわれる。
【0046】
図17の状態から、図18に示すように、NMOS領域上のフォトレジスト7を除去するとともに、リソグラフィによってPMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、矢印に示す方向のイオン注入によって、NMOS領域におけるn+ソース/ドレイン領域14を形成する。なお、ここで、n+ドーパントとしては、たとえばAsなどが用いられる。また、イオン注入は、実施の形態1と同等の条件で行なわれる。その後、PMOS領域上のフォトレジスト7を除去することにより、図19に示すような、CMOSデバイスを有する半導体装置が形成される。
【0047】
本実施の形態においても、実施の形態1と同様に、PMOSにおけるソース/ドレイン領域間のオフセット量をNMOSよりも大きくすることができるので、NMOSにおける駆動特性を確保しながら、PMOSにおけるショートチャネル特性を向上させることができる。
【0048】
以下に、実施の形態1および実施の形態2に係る半導体装置における、駆動特性およびショートチャネル特性の向上に関する効果の一例について、図20から図23を用いて説明する。
【0049】
図20および図21は、不純物注入時のオフセットスペーサの厚さ(14nmおよび19nm)に対する半導体装置の駆動特性について示した図であり、図20はNMOS領域の駆動特性を示し、図21はPMOS領域の駆動特性を示す。
【0050】
図20および図21において、横軸(Idsn,Idsp)は、ON状態においてソース/ドレイン領域間に流れる電流であり、縦軸(Ioff)は、OFF状態においてトランジスタの表面を流れる表面リーク電流成分である。ここで、同一のIoffに対してIdsn,Idspがより大きい方が、駆動特性に優れたトランジスタであるといえる。
【0051】
NMOSについては、図20に示すように、スペーサの膜厚が5nm(=19−14nm)小さい場合に、トランジスタの駆動特性が改善されていることが分かる。一方、PMOSについては、図21に示すように、スペーサの膜厚が5nm変化しても、トランジスタの駆動特性には大きな変化はみられない。
【0052】
図22および図23は、トランジスタのゲート長Lgと閾値電圧Vtheとの関係を示した図である。ここで、図22は、NMOSにおける関係を示し、図23は、PMOS領域における関係を示す。なお、スペーサの膜厚については、NMOS、PMOSともに14nmである。
【0053】
ここで、閾値電圧Vtheが極端に小さくなると、ショートチャネル効果が生じやすくなる。しかし、NMOSについては、図22に示すように、ゲート長Lgが変化しても、閾値電圧Vtheが極端に小さくなることはない。一方、PMOSについては、図23に示すように、ゲート長Lgが0.10μm以下程度の場合に、ゲート長の減少に伴って、閾値電圧Vtheが極端に小さくなる傾向がみられる。
【0054】
以上の理由により、ソース/ドレイン領域間のオフセットスペーサの厚さは、ショートチャネル効果の抑制の観点からは、PMOS領域において大きくすることが望ましく、駆動特性向上の観点からは、NMOS領域においてPMOS領域よりも小さくすることが望ましい。ここで、図20から図23の結果より、該オフセットスペーサの厚さをNMOS領域においてPMOS領域よりも5nm程度小さくした場合、トランジスタのNMOSにおける駆動特性を向上させながら、PMOSにおけるショートチャネル効果を抑制することが可能であるといえる。なお、この際、PMOSにおける電流駆動特性の確保の観点などから、NMOS、PMOS領域間のオフセットスペーサの厚さの差は、上述の値(10nm)以下程度であることが好ましい。
【0055】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【0056】
【発明の効果】
本発明によれば、不純物領域のイオン注入時におけるオフセットスペーサの厚さがNMOS領域とPMOS領域とで異ならせることにより、半導体装置の電流駆動力とショートチャネル特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第1工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図2】本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第2工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図3】本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第3工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図4】本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第4工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図5】本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第5工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図6】本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第6工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図7】本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第7工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図8】本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第8工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図9】本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第9工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図10】本発明の実施の形態1に係る半導体装置の断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図11】本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第1工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図12】本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第2工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図13】本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第3工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図14】本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第4工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図15】本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第5工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図16】本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第6工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図17】本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第7工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図18】本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第8工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図19】本発明の実施の形態2に係る半導体装置の断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図20】CMOSデバイスを有する半導体装置のNMOS領域において、不純物注入時のオフセットスペーサの厚さに対する半導体装置の駆動特性について示した図である。
【図21】CMOSデバイスを有する半導体装置のPMOS領域において、不純物注入時のオフセットスペーサの厚さに対する半導体装置の駆動特性について示した図である。
【図22】CMOSデバイスを有する半導体装置のNMOS領域におけるゲート長と閾値電圧との関係を示した図である。
【図23】CMOSデバイスを有する半導体装置のPMOS領域におけるゲート長と閾値電圧との関係を示した図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板、2 ゲート酸化膜、3 ゲート電極、4 シリサイド膜、5 酸化膜、5a,5b,9,11 オフセットスペーサ、6 窒化膜、7 フォトレジスト、8 n+ソース/ドレイン・エクステンション領域、10 p+ソース/ドレイン・エクステンション領域、12a,12b サイドウォールスペーサ、13 p+ソース/ドレイン領域、14 n+ソース/ドレイン領域。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having a PMOS (P-Channel Metal Oxide Semiconductor) and an NMOS (N-Channel MOS).
[0002]
[Prior art]
A logical operation element formed by a combination circuit of a PMOS and an NMOS is usually called a CMOS (Complementary MOS) device.
[0003]
Hereinafter, a conventional manufacturing process of a semiconductor device having a dual gate CMOS device will be described.
[0004]
Conventionally, in a semiconductor device having a dual gate CMOS device, an LDD (Lightly Doped Drain) structure has been used from the viewpoint of suppressing hot carrier life deterioration. However, in recent years, the hot carrier characteristic has been reduced due to a decrease in power supply voltage. As a result of the improvement, a structure in which the source / drain extension region, which has conventionally been the LDD structure, is highly concentrated is adopted.
[0005]
In addition, from the viewpoint of improving the short channel characteristics due to the miniaturization of the gate length, a step of forming a source / drain extension region over an offset spacer formed on a side surface of a gate electrode is adopted.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-10-163339
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above process has the following problems.
[0008]
Generally, since a p + dopant (for example, boron) is more likely to thermally diffuse than an n + dopant (for example, arsenic), the short channel characteristic of a PMOS tends to deteriorate more than that of an NMOS.
[0009]
When the short channel characteristic is deteriorated, or when the gate length is shortened due to a variation in the manufacturing process, the performance of the transistor becomes out of the specification, so that a semiconductor device having required performance cannot be manufactured stably.
[0010]
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-163339 (conventional example 1), the n + -type high-concentration impurity region of the NMOS region is formed by a thin junction to improve the current driving force, and the p + -type high-concentration impurity region of the PMOS region is formed of a channel. There is disclosed a method of manufacturing a semiconductor device which is formed at a distance from a semiconductor device so as to improve short channel characteristics.
[0011]
However, in the conventional example 1, as for the offset spacer at the time of ion implantation of the impurity region, only the case where the NMOS region and the PMOS region have the same thickness and the case where only the PMOS region has the offset spacer are shown. There is no disclosure of differentiating the thickness of the offset spacer between the NMOS region and the PMOS region during the ion implantation of the impurity region.
[0012]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to make the thickness of an offset spacer different between an NMOS region and a PMOS region at the time of ion implantation of an impurity region. An object of the present invention is to provide a semiconductor device having improved driving force and short channel characteristics.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor device according to the present invention includes an NMOS having a first offset spacer and a PMOS having a second offset spacer, wherein the width of the second offset spacer is larger than the width of the first offset spacer.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described.
[0015]
(Embodiment 1)
1 to 10 are cross-sectional views illustrating the steps of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. Here, in FIGS. 1 to 10, (a) shows a cross section of the NMOS region, and (b) shows a cross section of the PMOS region.
[0016]
The semiconductor device according to the present embodiment is a semiconductor device having a CMOS device. As shown in FIG. 10, an NMOS having a
[0017]
The
[0018]
The method of manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 10 includes a step of forming an
[0019]
The
[0020]
Hereinafter, the above manufacturing method will be described in more detail with reference to FIGS.
[0021]
As shown in FIG. 1, after forming a
[0022]
From the state of FIG. 1, as shown in FIG. 2, a
[0023]
From the state of FIG. 2, as shown in FIG. 3, the
[0024]
From the state of FIG. 3, as shown in FIG. 4, n + source /
[0025]
Next, as shown in FIG. 5, the
[0026]
As a result of the above etching process, the
[0027]
From the state of FIG. 5, as shown in FIG. 6, the p + source /
[0028]
From the state of FIG. 6, as shown in FIG. 7, after removing the
[0029]
From the state of FIG. 7, as shown in FIG. 8, a
[0030]
From the state shown in FIG. 8, as shown in FIG. 9, the
[0031]
In the present embodiment, with the above configuration, the offset amount between the source / drain regions in the PMOS can be made larger than that in the NMOS, so that the short channel characteristics in the PMOS are improved while the driving characteristics in the NMOS are secured. be able to.
[0032]
(Embodiment 2)
11 to 19 are cross-sectional views in respective steps of a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment. Here, FIGS. 11 to 19A show a cross section of the NMOS region, and FIGS. 11 to 19B show a cross section of the PMOS region.
[0033]
The semiconductor device according to the present embodiment is a semiconductor device having a CMOS device, and as shown in FIG. 19, an NMOS having a
[0034]
The
[0035]
The method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 19 includes, as shown in FIGS. 11 to 18, a step of forming an offset
[0036]
Here, the offset
[0037]
Hereinafter, the above manufacturing method will be described in more detail with reference to FIGS.
[0038]
As shown in FIG. 11, after the
[0039]
As shown in FIG. 12, the state where the
[0040]
From the state of FIG. 12, as shown in FIG. 13, a
[0041]
From the state of FIG. 13, as shown in FIG. 14, after removing the
[0042]
The laminated structure of the
[0043]
From the state of FIG. 14, as shown in FIG. 15, a
[0044]
From the state of FIG. 15, as shown in FIG. 16, after removing the
[0045]
From the state of FIG. 16, as shown in FIG. 17, a
[0046]
From the state shown in FIG. 17, as shown in FIG. 18, the
[0047]
Also in the present embodiment, as in the first embodiment, the offset amount between the source / drain regions in the PMOS can be made larger than that in the NMOS. Can be improved.
[0048]
Hereinafter, an example of an effect of improving the driving characteristics and the short channel characteristics in the semiconductor devices according to the first and second embodiments will be described with reference to FIGS.
[0049]
20 and 21 are diagrams showing the driving characteristics of the semiconductor device with respect to the thickness (14 nm and 19 nm) of the offset spacer at the time of impurity implantation. FIG. 20 shows the driving characteristics of the NMOS region, and FIG. 21 shows the PMOS region. 5 shows the driving characteristics.
[0050]
20 and 21, the horizontal axis (I dsn , I dsp ) Is the current flowing between the source / drain regions in the ON state, and the vertical axis (I off ) Is a surface leak current component flowing on the surface of the transistor in the OFF state. Here, the same I off For I dsn , I dsp It can be said that a transistor having a larger value has a better driving characteristic.
[0051]
As for the NMOS, as shown in FIG. 20, when the thickness of the spacer is small by 5 nm (= 19 to 14 nm), the driving characteristics of the transistor are improved. On the other hand, in the case of PMOS, as shown in FIG. 21, even if the thickness of the spacer changes by 5 nm, there is no significant change in the driving characteristics of the transistor.
[0052]
22 and 23 show the gate length L of the transistor. g And threshold voltage V the FIG. Here, FIG. 22 shows the relationship in the NMOS, and FIG. 23 shows the relationship in the PMOS region. The thickness of the spacer is 14 nm for both NMOS and PMOS.
[0053]
Here, the threshold voltage V the Is extremely small, the short channel effect is likely to occur. However, as for the NMOS, as shown in FIG. g The threshold voltage V the Does not become extremely small. On the other hand, as for the PMOS, as shown in FIG. g Is about 0.10 μm or less, the threshold voltage V the Tends to be extremely small.
[0054]
For the above reasons, the thickness of the offset spacer between the source / drain regions is desirably increased in the PMOS region from the viewpoint of suppression of the short channel effect, and from the viewpoint of improvement in driving characteristics, the thickness of the PMOS region in the NMOS region is improved. It is desirable to make it smaller. Here, from the results of FIG. 20 to FIG. 23, when the thickness of the offset spacer is smaller than the PMOS region by about 5 nm in the NMOS region, the short channel effect in the PMOS is suppressed while improving the driving characteristics of the NMOS in the transistor. It can be said that it is possible. At this time, from the viewpoint of securing the current driving characteristics of the PMOS and the like, it is preferable that the difference in the thickness of the offset spacer between the NMOS and the PMOS region is about the above value (10 nm) or less.
[0055]
As described above, the embodiments of the present invention have been described. However, the embodiments disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0056]
【The invention's effect】
According to the present invention, the current driving force and the short channel characteristics of the semiconductor device can be improved by making the thickness of the offset spacer different between the NMOS region and the PMOS region during the ion implantation of the impurity region.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are cross-sectional views illustrating a first step of a manufacturing process of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, wherein FIG. 1A shows a cross section of an NMOS region, and FIG. 1B shows a cross section of a PMOS region; .
FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views illustrating a second step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 2A illustrates a cross section of an NMOS region, and FIG. .
FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views illustrating a third step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 3A illustrates a cross section of an NMOS region, and FIG. 3B illustrates a cross section of a PMOS region; .
FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views illustrating a fourth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 4A illustrates a cross section of an NMOS region, and FIG. 4B illustrates a cross section of a PMOS region; .
FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views illustrating a fifth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 5A illustrates a cross section of an NMOS region, and FIG. 5B illustrates a cross section of a PMOS region; .
FIGS. 6A and 6B are cross-sectional views illustrating a sixth step in the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 6A illustrates a cross section of an NMOS region, and FIG. 6B illustrates a cross section of a PMOS region; .
FIGS. 7A and 7B are cross-sectional views illustrating a seventh step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 7A illustrates a cross section of an NMOS region, and FIG. 7B illustrates a cross section of a PMOS region; .
FIGS. 8A and 8B are cross-sectional views showing an eighth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 8A shows a cross section of an NMOS region, and FIG. 8B shows a cross section of a PMOS region; .
9A and 9B are cross-sectional views illustrating a ninth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 9A illustrates a cross section of an NMOS region, and FIG. 9B illustrates a cross section of a PMOS region; .
FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein FIG. 10A shows a cross section of an NMOS region, and FIG. 10B shows a cross section of a PMOS region.
FIGS. 11A and 11B are cross-sectional views illustrating a first step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, wherein FIG. 11A illustrates a cross section of an NMOS region, and FIG. 11B illustrates a cross section of a PMOS region; .
FIGS. 12A and 12B are cross-sectional views illustrating a second step in the process of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, wherein FIG. 12A illustrates a cross section of an NMOS region, and FIG. 12B illustrates a cross section of a PMOS region; .
FIGS. 13A and 13B are cross-sectional views illustrating a third step in the process of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, wherein FIG. 13A illustrates a cross section of an NMOS region, and FIG. 13B illustrates a cross section of a PMOS region; .
FIGS. 14A and 14B are cross-sectional views illustrating a fourth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, wherein FIG. 14A illustrates a cross section of an NMOS region, and FIG. 14B illustrates a cross section of a PMOS region; .
FIGS. 15A and 15B are cross-sectional views illustrating a fifth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, wherein FIG. 15A illustrates a cross section of an NMOS region, and FIG. .
FIGS. 16A and 16B are cross-sectional views illustrating a sixth step in the process of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, wherein FIG. 16A illustrates a cross section of an NMOS region, and FIG. .
FIGS. 17A and 17B are cross-sectional views illustrating a seventh step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, wherein FIG. 17A illustrates a cross section of an NMOS region, and FIG. .
FIGS. 18A and 18B are cross-sectional views illustrating an eighth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, wherein FIG. 18A illustrates a cross section of an NMOS region, and FIG. .
FIGS. 19A and 19B are cross-sectional views of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, wherein FIG. 19A shows a cross section of an NMOS region, and FIG. 19B shows a cross section of a PMOS region.
FIG. 20 is a diagram showing driving characteristics of the semiconductor device with respect to the thickness of the offset spacer at the time of impurity implantation in the NMOS region of the semiconductor device having the CMOS device.
FIG. 21 is a diagram showing driving characteristics of a semiconductor device with respect to the thickness of an offset spacer at the time of impurity implantation in a PMOS region of a semiconductor device having a CMOS device.
FIG. 22 is a diagram showing a relationship between a gate length and a threshold voltage in an NMOS region of a semiconductor device having a CMOS device.
FIG. 23 is a diagram showing a relationship between a gate length and a threshold voltage in a PMOS region of a semiconductor device having a CMOS device.
[Explanation of symbols]
Claims (4)
第2のオフセットスペーサを有するPMOS(P−Channel Metal Oxide Semiconductor)とを備え、
前記第2のオフセットスペーサの幅は、前記第1のオフセットスペーサの幅よりも大きい半導体装置。An NMOS (N-Channel Metal Oxide Semiconductor) having a first offset spacer;
A PMOS (P-Channel Metal Oxide Semiconductor) having a second offset spacer;
A semiconductor device in which the width of the second offset spacer is larger than the width of the first offset spacer.
前記第2のオフセットスペーサは、酸化膜と第1の窒化膜と第2の窒化膜とを有する、請求項1から請求項3のいずれかに記載の半導体装置。The first offset spacer has an oxide film and a nitride film,
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein said second offset spacer has an oxide film, a first nitride film, and a second nitride film.
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