JP2005236203A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

半導体装置およびその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 ソース/ドレイン領域26に、低抵抗で薄膜であるシリサイド層40を有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【解決手段】 本発明の半導体装置100は、半導体層10と、
前記半導体層10の上方に設けられたゲート絶縁層20と、
前記ゲート絶縁層22の上方に設けられたゲート電極22と、
前記半導体層10の所定の領域に設けられたシリサイド化反応抑制層30と、
前記半導体層10およびシリサイド化反応抑制層30に設けられたソース領域またはドレイン領域26と、
前記ソース領域またはドレイン領域26の上方に設けられたシリサイド層40と、を含む。
【選択図】 図1

Description

本発明は、ソース領域またはドレイン領域に低抵抗で薄膜のシリサイド層を有する半導体装置およびその製造方法に関する。
近年、半導体装置の微細化に伴い、ゲート長が短くなるために起こるパンチスルーを抑制するため、浅いソース領域またはドレイン領域(以下、「ソース/ドレイン領域」という)が形成されることがある。
また、近年、低消費電力で高速動作性を実現できる半導体装置として、SOI層に絶縁ゲート型トランジスタを形成する技術が注目されている。このような、SOI構造を有する半導体装置においても、さらなる特性の向上の要求に応じて、SOI層が薄膜化され、それに伴い、浅いソース/ドレイン領域が形成されるようになっている。ソース/ドレイン領域には、低抵抗化を図るためにシリサイド層が形成されることがあるが、上述のように、ソース/ドレイン領域の浅くなるにつれ、シリサイド層の薄膜化が要求されるようになっている。
特開2002−261274号公報
上述のように、シリサイド層の薄膜化が望まれているが、シリサイド化の反応は、熱処理の温度、時間または、ソース/ドレイン領域の半導体層に導入されている不純物の種類や濃度等の影響を受けるため、特性(低抵抗など)を維持しつつ膜厚の制御をすることは困難である。
本発明の目的は、ソース/ドレイン領域に、低抵抗で薄膜であるシリサイド層を有する半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
本発明の半導体装置は、半導体層と、
前記半導体層の上方に設けられたゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層の上方に設けられたゲート電極と、
前記半導体層の所定の領域に設けられたシリサイド化反応抑制層と、
前記半導体層およびシリサイド化反応抑制層に設けられたソース領域またはドレイン領域と、
前記ソース領域またはドレイン領域の上方に設けられたシリサイド層と、を含む。
本発明の半導体装置によれば、シリサイド化反応抑制層を最上に有するソース/ドレイン領域の上方にシリサイド層が設けられている。通常、ソース/ドレイン領域上のシリサイド層は、ソース/ドレイン領域の半導体層の上面をシリサイド化して形成される。そのため、ソース/ドレイン領域に導入されている不純物の導電型が異なることにより、シリサイド層の抵抗値が異なってしまうことがある。このように、トランジスタの導電型が異なることにより、ドレイン領域の抵抗値が異なるということは、半導体装置の特性を損ねる一因となることがある。しかし、本発明の半導体装置によれば、シリサイド層は、ソース/ドレイン領域上に形成されているため、ソース/ドレイン領域に導入されている不純物の影響を受けることなく、トランジスタの導電型によりドレイン領域の抵抗値が異なってしまうことを防ぐことができる。その結果、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
本発明の半導体装置は、さらに、下記の態様をとることができる。
本発明の半導体装置において、前記シリサイド化反応抑制層は、シリコンゲルマニウム層であることができる。
本発明の半導体装置において、前記シリサイド層は、前記ソース領域またはドレイン領域と比して不純物濃度が低い層であることができる。この態様によれば、シリサイド層は、ソース/ドレイン領域と比して不純物濃度が低いため、ソース/ドレイン領域に導入されている不純物の影響を受けることなく、安定で低抵抗なシリサイド層を有する半導体装置を提供することができる。なお、ここで、シリサイド層の不純物濃度という場合は、ソース/ドレイン領域に導入されているn型あるいはp型の不純物のみならず、シリサイド化反応抑制層に含まれているシリコン以外の元素をも含む不純物の濃度のことをいう。
本発明の半導体装置において、前記シリサイド化反応抑制層は、前記半導体層の上方に形成されていることができる。この態様によれば、半導体層の膜厚が薄い半導体装置の場合に特に利点がある。たとえば、半導体層の膜厚が薄い場合には、ソース領域またはドレイン領域となる不純物領域の深さが浅くなってしまい、ソース領域またはドレイン領域を低抵抗化できないことがある。しかし、この態様によれば、シリサイド化反応抑制層を半導体層の上にせり上げることで、所望の深さを有する不純物領域を形成することができる。
本発明の半導体装置において、前記シリサイド化反応抑制層の上面は、前記半導体層の表面と同じ高さであることができる。この態様によれば、前記シリサイド化反応抑制層が前記半導体層に埋めこまれた態様の半導体装置を提供することができる。
本発明の半導体装置において、前記半導体層は、SOI層であることができる。
本発明の半導体層の製造方法は、
半導体層の上に、ゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層の上に、ゲート電極を形成する工程と、
前記半導体層の所定の領域にシリサイド化反応抑制層を形成する工程と、
前記シリサイド化反応抑制層および半導体層にソース領域またはドレイン領域を形成する工程と、
前記ソース領域またはドレイン領域の上方にシリコン層を形成する工程と、
前記シリコン層をシリサイド化することによりシリサイド層を形成する工程と、を含む。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体層およびシリサイド化反応抑制層にソース/ドレイン領域を形成した後に、シリサイド層が形成される。通常、シリサイド層は、ソース/ドレイン領域が形成された半導体層の上に直接金属層を形成し、この金属層と半導体層とを反応させることで形成される。しかし、本発明の半導体装置の製造方法においては、ソース/ドレイン領域の上にシリコン層を形成し、このシリコン層をシリサイド化することで、シリサイド層が形成される。そのため、ソース/ドレイン領域の半導体層に導入されている不純物の種類や濃度等の影響が低減された状態でシリサイド化反応をさせることができる。また、ソース/ドレイン領域の最上には、シリサイド化反応抑制層が形成されている。そのため、シリサイド層の膜厚の制御を容易に行なうことができ、薄膜のシリサイド層を形成することができる。その結果、低抵抗であり薄膜なシリサイド層を有する半導体装置を製造することができる。
本発明の半導体装置の製造方法は、さらに、下記の態様をとることができる。
本発明の半導体装置の製造方法において、前記シリサイド化反応抑制層は、前記半導体層の上方にエピタキシャル成長法により形成されることができる。この態様によれば、薄膜の半導体層を有する半導体装置の場合に特に利点がある。たとえば、半導体層の膜厚が薄い場合には、ソース/ドレイン領域となる不純物領域の深さが浅くなってしまい、ソース/ドレイン領域を低抵抗化できないことがある。しかし、この態様によれば、半導体層の上方にシリサイド化反応抑制層を堆積することにより所望の深さを有する不純物領域を形成することができる。
本発明の半導体装置の製造方法において、前記シリサイド化反応抑制層は、前記半導体層にシリサイド化を抑制することができるイオン種を導入することにより行われることができる。この態様によれば、半導体層中に、シリサイド化抑制層を設けることができる。
本発明の半導体装置の製造方法において、前記ソース領域またはドレイン領域の形成は、前記半導体層およびシリサイド化反応抑制層に不純物を導入した後、拡散処理を施すことで形成されることができる。この態様によれば、シリサイド層を形成する前に、不純物を拡散するための熱処理が行われることになる。ソース/ドレイン領域を形成するための熱処理がシリサイド層の形成後に行われる場合、熱処理の温度によってはシリサイド化反応を促進してしまい、薄膜のシリサイド層を形成できないことがある。しかし、この態様によれば、シリサイド層の形成は、ソース/ドレイン領域形成後に行われるため、そのような問題が起きるのを防ぐことができる。
本発明の半導体装置の製造方法において、前記シリコン層の形成は、エピタキシャル成長法により行われることができる。この態様によれば、シリコン層を、セルフアラインで半導体層上に形成することができる。
本発明の半導体装置の製造方法において、前記シリコン層の形成は、前記半導体層の上方の全面に堆積シリコン層を形成した後、該堆積シリコン層をパターニングすることにより行われることができる。
以下、本発明の実施の形態の一例について説明する。
1.半導体装置
本実施の形態にかかる半導体装置100について、図1を参照しながら説明する。図1は、本実施の形態にかかる半導体装置100を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、SOI基板10Aを用いた例について説明する。
図1に示すように、支持基板6および絶縁層8上に半導体層10が設けられたSOI基板10Aの上に、ゲート絶縁層20を介してゲート電極22が形成されている。半導体層10としては、たとえば、単結晶シリコン層などを挙げることができる。ゲート電極22の側面には、サイドウォール絶縁層24が形成されている。サイドウォール絶縁層24の下方の半導体層10には、エクステンション領域28が設けられ、その外側の半導体層10には、ソース領域またはドレイン領域26が設けられている。本実施の形態の半導体装置100では、ソース/ドレイン領域26は、半導体層10および半導体層10の上面からせりあがって形成されたシリサイド化反応抑制層30とに不純物が導入されて形成されている。シリサイド化反応抑制層30としては、金属層とのシリサイド化反応を抑制することができる層であればよく、たとえば、シリコンゲルマニウム層を用いることができる。ソース/ドレイン領域26の上には、シリサイド層40が設けられている。シリサイド層40は、不純物が打ちこまれていないシリコン層をシリサイド化して得られたものであり、ソース/ドレイン領域26の不純物濃度と比して不純物濃度が小さい層からなる。なお、本実施の形態において、シリサイド層40に含有されている不純物とは、リンやヒ素などのn型不純物や、ホウ素などのp型不純物の他にシリサイド化反応抑制層30に含有されているシリコン以外の元素種も含む。シリサイド層40において不純物濃度が小さいとは、n型不純物、p型不純物およびゲルマニウム等が含有されない場合をも含む。
(変形例)
次に、変形例にかかる半導体装置110について、図2を参照しながら説明する。図2は、変形例にかかる半導体装置を模式的に示す断面図である。本変形例では、バルク状の半導体層10を用いた場合について説明する。変形例にかかる半導体装置110は、ソース/ドレイン領域26の構造が上述の実施の形態と異なる例である。
上述の実施の形態で述べたように、半導体層10上には、ゲート絶縁層20、ゲート電極22、サイドウォール絶縁層24が設けられ、半導体層10には、ソース/ドレイン領域26およびエクステンション領域28が設けられている。ソース/ドレイン領域26は、半導体層10およびシリサイド化反応抑制層30とからなり、ソース/ドレイン領域26の上にシリサイド層40が設けられている。シリサイド化反応抑制層30の上面は、半導体層10の表面と同じ高さである。つまり、シリサイド化反応抑制層30は、半導体層10中に埋めこまれて設けられている。シリサイド層40は、ソース/ドレイン領域26上にシリコン層(図示せず)を設け、このシリコン層をシリサイド化して形成された層である。そのため、ソース/ドレイン領域26と比して低い不純物濃度の層である。
本実施の形態の半導体装置によれば、シリサイド化反応抑制層30を最上に有するソース/ドレイン領域26の上方にシリサイド層30が設けられている。通常、ソース/ドレイン領域上のシリサイド層は、ソース/ドレイン領域の半導体層の上面をシリサイド化して形成される。そのため、ソース/ドレイン領域に導入されている不純物の導電型が異なることにより、シリサイド層の抵抗値が異なってしまうことがある。このように、トランジスタの導電型が異なることにより、ドレイン領域の抵抗値が異なるということは、半導体装置の特性を損ねることがある。しかし、本実施の形態の半導体装置100によれば、シリサイド層40は、ソース/ドレイン領域26上に形成されているため、ソース/ドレイン領域26に導入されている不純物の影響を受けることなく抵抗値が異なってしまうことを防ぐことができる。その結果、信頼性の高い半導体装置100,110を提供することができる。
2.半導体装置の製造方法
次に、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について図3〜6を参照しながら説明する。本実施の形態では、SOI基板10Aを用いた場合を例として説明する。
(1)まず、図3に示すように、支持基板6、絶縁層8および半導体層10からなるSOI基板10Aの上に、ゲート絶縁層20、ゲート電極22、ゲート電極22の側面に設けられたサイドウォール絶縁層24、エクステンション領域28を形成する。ここまでの工程の一例を下記に示す。まず、LOCOS法、STI法またはメサ法などの公知の素子分離技術により半導体層10の素子分離を行なう。半導体層10の上に、ゲート絶縁層20をたとえば、熱酸化法、CVD法などにより形成する。ついで、ゲート絶縁層20の上に、ゲート電極22となる導電層(図示せず)を形成する。この導電層をパターニングすることにより、ゲート電極22が形成される。ついで、少なくともゲート電極22をマスクとして、エクステンション領域28となる不純物領域を形成するために、所定の導電型の不純物を半導体層10に導入する。ついで、ゲート電極22の側面にサイドウォール絶縁層24を形成する。サイドウォール絶縁層24の形成は、半導体層10の全面を覆うように絶縁層(図示せず)を形成した後、異方性エッチングを施すことにより、サイドウォール絶縁層24を形成することができる。
(2)次に、図4に示すように、露出している半導体層10の上にシリサイド化反応抑制層30を形成する。シリサイド化反応抑制層30として、たとえば、シリコンゲルマニウム層を形成することができる。シリコンゲルマニウム層を形成する場合には、たとえば、エピタキシャル成長法により行なうことができる。シリサイド化反応抑制層30は、仮にシリサイド化反応抑制層30上に金属層を形成しシリサイド化させた時に、シリコン層と金属層とをシリサイド化させる場合と比してシリサイド化反応を抑制できる層であればよい。シリサイド化反応が抑制された状態とは、具体的には、シリサイド化反応の反応速度が低下する場合をいう。また、その膜厚としては、シリサイド化反応を抑制できるだけの膜厚を有していればよい。なお、本実施の形態のように、半導体層の膜厚が薄い場合に、シリサイド化反応抑制層30をせり上げて、ソース/ドレイン領域26の深さを大きくするという目的がある場合には、その目的をも満たす膜厚であることが好ましい。シリサイド化反応抑制層30の膜厚は、シリコンゲルマニウム層の場合、たとえば、3〜40nmであることができる。また、このときのゲルマニウム組成比は10〜50%であることができる。また、シリサイド化反応抑制層30としては、シリコンゲルマニウム層に限定されることなく、半導体層10に、F,O,Nなどの不純物が導入された層を挙げることができる。
(3)次に、図5に示すように、所定の導電型の不純物を半導体層10およびシリサイド化反応抑制層30に導入する。ついで、導入した不純物を熱処理により拡散することで、ソース/ドレイン領域26が形成される。
(4)次に、図6に示すように、シリサイド化反応抑制層30上にシリコン層42を形成する。シリコン層42としては、単結晶シリコン層もしくはアモルファスシリコン層でもよい。シリコン層42は、たとえば、エピタキシャル成長法で半導体層上に選択的に形成する方法や、CVD法などにより半導体層の上方の全面にアモルファスシリコン層を形成した後、パターニングをする方法により形成することができる。このとき、シリコン層42の膜厚は、たとえば、10〜30nmであることができる。
(5)次に、図7に示すように、半導体層10の全面にシリサイドを形成するための金属層44を形成する。この金属層44としては、コバルト、タンタル、チタンなどを挙げることができる。また、金属層44は、図示はしないが、金属層とその金属を含む高融点金属化合物層とが積層されたものでもよい。このような、金属層と、高融点金属化合物層との組み合わせとしては、たとえば、Ti/TiNなどを挙げることができる。
なお、この金属層44の形成の前に、シリコン層42が単結晶の層である場合には、少なくとも表面のシリコン層をアモルファス化する処理を行なうことができる。このように、金属層44を形成する前に単結晶シリコン層をアモルファス化することにより、シリサイド化反応を良好に行なう事ができる。この単結晶シリコン層のアモルファス化の工程は、イオン化したArや、Siをシリコン層に注入することで行なうことができる。
次に、シリサイド化するための熱処理を行なう。この熱処理は、2段階の熱処理により行われる。1段目の熱処理は、処理温度が650〜750℃で行われ、これにより、シリサイド層40(図1参照)が形成される。この第1段目の処理は、前述のソース/ドレイン領域26を形成するための熱処理と比して低い温度で行われることが好ましい。この場合には、ソース/ドレイン領域26に導入されているn型およびp型不純物や、シリサイド化反応抑制層30に含まれているゲルマニウムなどのシリサイド層40の構成元素以外の元素種がシリサイド層40に拡散することを抑制できる。そのため、良好なシリサイド層40を形成することができるのである。
ついで、未反応の金属層44を除去する。未反応の金属層44の除去は、NHOH,H,HOの混合液を用いたウェットエッチングにより行なうことができる。その後、2段目の熱処理を行ない、シリサイド層の抵抗をさらに低下させる。2段目の熱処理は、たとえば、800〜850℃の温度で行なうことができる。これにより、本実施の形態にかかる半導体装置100を製造することができる。
(変形例)
次に、変形例にかかる半導体装置110の製造方法について図8〜10を参照しながら説明する。本変形例では、バルク状の半導体層10を用いる場合について説明する。なお、上述の実施の形態と同様に行なうことができる工程については、詳細な説明を省略する。
(1)上述の実施の形態の(1)と同様に行ない、半導体層10の上に、ゲート絶縁層20と、ゲート電極22と、サイドウォール絶縁層24と、エクステンション領域28とを形成する(図3参照)。
(2)次に、図8に示すように、半導体層10にシリサイド化反応抑制層30を形成する。シリサイド化反応抑制層30としては、シリコンゲルマニウム層を形成することができ、この場合は、ゲルマニウムイオンを半導体層10に注入することにより、シリサイド化反応抑制層30を形成することができる。シリサイド化反応抑制層30の上面は、半導体層10の表面と同じ高さになるように形成される。
(3)次に、図9に示すように、所定の導電型の不純物を半導体層10およびシリサイド化反応抑制層30に導入する。ついで、導入した不純物を熱処理により拡散することで、ソース/ドレイン領域26が形成される。
(4)次に、図10に示すように、シリサイド化反応抑制層30の上にシリコン層42を形成する。この工程は、上述の実施の形態と同様に行なうことができる。その後、シリコン層42をシリサイド化することで、ソース/ドレイン領域26の上シリサイド層40を形成することができる。このシリサイド化の工程は、上述の実施の形態と同様に行なうことができる。以上の工程により、変形例にかかる半導体装置110を製造することができる。
本実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、半導体層10およびシリサイド化反応抑制層30にソース/ドレイン領域26を形成した後に、ソース/ドレイン領域26の上にシリコン層42を形成し、このシリコン層42をシリサイド化することにより、シリサイド層40が形成される。シリサイド化反応抑制層30は、半導体層10と比して金属層44との反応、つまり、シリサイド化反応が起きにくい層であるため、シリサイド層40の膜厚の制御を容易に行なうことができ、薄膜のシリサイド層40を形成することができる。
また、本実施の形態の製造方法によれば、ソース/ドレイン領域26の形成がシリサイド層40のためのシリコン層42を形成する前に行われている。そのため、金属層44と反応するシリコン層42には、n型やp型の不純物もしくはゲルマニウムが含まれておらず、シリサイド化反応を良好に行なうことができる。その結果、低抵抗で良好なシリサイド層40を形成することができる。
また、本実施の形態の半導体装置100の製造方法では、半導体層10の上にシリサイド化反応抑制層30を形成し、半導体層10と該半導体層10上に堆積されたシリサイド化反応抑制層30とからなるいわゆるエレベーテッド構造を有する半導体装置を製造することができる。この場合は、特に、半導体層10の膜厚が薄いSOI基板10Aなど適用する際に利点がある。すなわち、シリサイド化反応抑制層30の膜厚の分だけソース/ドレイン領域26の深さを確保できることになる。そのため、チャネル領域の半導体層10の膜厚は薄いものの、ソース/ドレイン領域26では所望の膜厚を確保することができ、パンチスルーを抑制しつつ、ソース/ドレイン領域26が低抵抗化された半導体装置100を製造することができる。
また、本変形例にかかる半導体装置110の製造方法では、シリサイド化反応を抑制する元素種をイオン注入することにより、半導体層10のソース/ドレイン領域26の最上面にシリサイド化反応抑制層30を形成することができる。そのため、ソース/ドレイン領域26上のシリサイド層40を形成する際に、過剰にシリサイド化反応が促進することを防ぐことができ、薄膜のシリサイド層40を形成することができる。
本実施の形態にかかる半導体装置を模式的に示す断面図。 変形例にかかる半導体装置を模式的に示す断面図。 本実施の形態の半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施の形態の半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施の形態の半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施の形態の半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図。 本実施の形態の半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図。 変形例にかかる半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図。 変形例にかかる半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図。 変形例にかかる半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図。
符号の説明
6 支持基板、 8 絶縁層、 10 半導体層、 10A SOI基板、 20 ゲート絶縁層、 22 ゲート電極、 24 サイドウォール絶縁層、 26 ソース/ドレイン領域、 28 エクステンション領域、 30 シリサイド化反応抑制層、 40シリサイド層、 42 シリコン層、 44 金属層、 100,110 半導体装置

Claims (12)

  1. 半導体層と、
    前記半導体層の上方に設けられたゲート絶縁層と、
    前記ゲート絶縁層の上方に設けられたゲート電極と、
    前記半導体層の所定の領域に設けられたシリサイド化反応抑制層と、
    前記半導体層およびシリサイド化反応抑制層に設けられたソース領域またはドレイン領域と、
    前記ソース領域またはドレイン領域の上方に設けられたシリサイド層と、を含む半導体装置。
  2. 請求項1において、
    前記シリサイド化反応抑制層は、シリコンゲルマニウム層である、半導体装置。
  3. 請求項1または2において、
    前記シリサイド層は、前記ソース領域またはドレイン領域と比して不純物濃度が低い層である、半導体装置。
  4. 請求項1〜3のいずれかにおいて、
    前記シリサイド化反応抑制層は、前記半導体層の上方に形成されている、半導体装置。
  5. 請求項1〜3のいずれかにおいて、
    前記シリサイド化反応抑制層の上面は、前記半導体層の表面と同じ高さである、半導体装置。
  6. 請求項1〜5のいずれかにおいて、
    前記半導体層は、SOI層である、半導体装置。
  7. 半導体層の上に、ゲート絶縁層を形成する工程と、
    前記ゲート絶縁層の上に、ゲート電極を形成する工程と、
    前記半導体層の所定の領域にシリサイド化反応抑制層を形成する工程と、
    前記シリサイド化反応抑制層および半導体層にソース領域またはドレイン領域を形成する工程と、
    前記ソース領域またはドレイン領域の上方にシリコン層を形成する工程と、
    前記シリコン層をシリサイド化することによりシリサイド層を形成する工程と、を含む、半導体装置の製造方法。
  8. 請求項7において、
    前記シリサイドか反応抑制層は、前記半導体層の上方にエピタキシャル成長法により形成される、半導体装置の製造方法。
  9. 請求項7において、
    前記シリサイド化反応抑制層は、前記半導体層にシリサイド化を抑制することができるイオン種を導入することにより行われる、半導体装置の製造方法。
  10. 請求項7〜9のいずれかにおいて、
    前記ソース領域またはドレイン領域の形成は、
    前記半導体層およびシリサイド化反応抑制層に不純物を導入した後、拡散処理を施すことで形成される、半導体装置の製造方法。
  11. 請求項7〜10のいずれかにおいて、
    前記シリコン層の形成は、エピタキシャル成長法により行われる、半導体装置の製造方法。
  12. 請求項7〜10のいずれかにおいて、
    前記シリコン層の形成は、前記半導体層の上方の全面に堆積シリコン層を形成した後、該堆積シリコン層をパターニングすることにより行われる、半導体装置の製造方法。
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