JP2006080136A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、簡単な工程でパンチスルーを防止する半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to a semiconductor device and a manufacturing method thereof that prevent punch-through by a simple process.
従来のMOSFETでは、第1導電型のイオンを注入してソース/ドレイン領域を作製した後に、ゲート長が短くなることに伴って発生するパンチスルー現象を防止すべく、ソース/ドレイン領域の全体に、第2導電型のイオンを注入(Halo注入)していた(例えば、非特許文献1)。
しかしながら、従来技術では、ソース/ドレイン領域全体にイオン注入を行うため、ドーピング濃度(Na)が高くなり、以下の式(1)で表される接合容量Cjが大きくなった。 However, in the conventional technique, since ion implantation is performed on the entire source / drain region, the doping concentration (Na) is increased, and the junction capacitance Cj represented by the following formula (1) is increased.
ここで、Wdj:空乏層幅、Na:ドーピング濃度、Vj:接合にかかる逆方向バイアス電圧、ψbi:内蔵電圧、ε:誘電率、q:電子の電荷量(1.6×10−19クーロン)である。 Where Wdj: depletion layer width, Na: doping concentration, Vj: reverse bias voltage applied to the junction, ψbi: built-in voltage, ε: dielectric constant, q: electron charge (1.6 × 10 −19 coulomb) It is.
このため、接合容量Cjの増大に伴い、MOSFETのスイッチング速度の遅延等の問題が発生した。 For this reason, with an increase in the junction capacitance Cj, problems such as a delay in switching speed of the MOSFET occurred.
そこで、本発明は、パンチスルー現象を抑えた半導体装置およびその製造方法の提供を目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a manufacturing method thereof in which the punch-through phenomenon is suppressed.
本発明は、シリコン基板を準備する工程と、シリコン基板に、ゲート電極と、ゲート電極の両側に配置されるソース領域およびドレイン領域を形成し、ソース領域とドレイン領域で挟まれた領域をチャネル領域とするチャネル領域形成工程と、ソース領域とドレイン領域を覆う金属膜を形成する金属膜形成工程と、金属膜と、ソース領域およびドレイン領域とを反応させ、ソース領域およびドレイン領域の表面に金属シリサイド層を形成するシリサイド工程と、金属シリサイド層をイオン注入マスクに用いてチャネル領域にイオンを注入し、ソース領域およびドレイン領域とは導電型の異なるパンチスルーストッパ領域を、ソース領域およびドレイン領域に隣接するように形成する注入工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。 The present invention provides a step of preparing a silicon substrate, a gate electrode, a source region and a drain region disposed on both sides of the gate electrode are formed on the silicon substrate, and a region sandwiched between the source region and the drain region is defined as a channel region. A channel region forming step, a metal film forming step for forming a metal film covering the source region and the drain region, a reaction between the metal film, the source region and the drain region, and a metal silicide on the surface of the source region and the drain region. A silicide process for forming a layer, and a metal silicide layer as an ion implantation mask are used to implant ions into the channel region, and a punch-through stopper region having a conductivity type different from that of the source region and the drain region is adjacent to the source region and the drain region. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: an injection step of forming the semiconductor device That.
また、本発明は、シリコン基板と、シリコン基板上に設けられたゲート電極と、ゲート電極の両側に配置されたソース領域およびドレイン領域と、ソース領域とドレイン領域とに挟まれたチャネル領域と、ソース領域とドレイン領域との表面に形成された金属シリサイド層と、ソース領域とドレイン領域とに隣接するようにチャネル領域に形成された、ソース領域およびドレイン領域とは導電型の異なるパンチスルーストッパ領域とを含むことを特徴とする半導体装置でもある。 Further, the present invention includes a silicon substrate, a gate electrode provided on the silicon substrate, a source region and a drain region disposed on both sides of the gate electrode, a channel region sandwiched between the source region and the drain region, A metal silicide layer formed on the surface of the source region and the drain region, and a punch-through stopper region having a conductivity type different from that of the source region and the drain region formed in the channel region so as to be adjacent to the source region and the drain region It is also a semiconductor device characterized by including.
このように、本発明にかかる半導体装置の製造方法を用いることにより、製造工程を増加させることなく、パンチスルー現象を抑えた半導体装置の製造が可能となる。 As described above, by using the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is possible to manufacture a semiconductor device in which the punch-through phenomenon is suppressed without increasing the number of manufacturing steps.
図1は、本実施の形態にかかるMOSFETの製造工程の断面図であり、かかる製造方法は、以下の工程1〜6を含む。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a MOSFET manufacturing process according to the present embodiment, and the manufacturing method includes the following
工程1:図1(a)に示すように、p型のシリコン半導体基板1を準備し、シリコン酸化物からなる絶縁領域2と、絶縁領域2に挟まれたウエル領域3とを形成する。ウエル領域3は、例えば、ホウ素などのp型不純物を拡散することで形成し、更にトランジスタのしきい値を決めるホウ素などのチャネル不純物をイオン注入法等で導入する(図示せず)。
Step 1: As shown in FIG. 1A, a p-type
工程2:図1(b)に示すように、ウエル領域3上に、ゲート酸化膜4を介してゲート電極5を作製する。ゲート電極5は、例えば多結晶シリコンからなる。続いて、ゲート電極5をイオン注入のマスクに用いて、n型イオン6を注入する。これにより、LDD(Lightly Doped Drain)構造のエクステンション領域であるn型領域7’が形成される。
Step 2: As shown in FIG. 1B, a
工程3:図1(c)に示すように、シリコン窒化膜を全面に形成した後、ドライエッチングし、残ったシリコン窒化膜からサイドウォール8を形成する。続いて、ゲート電極5およびサイドウォール8をイオン注入のマスクに用いて、n型イオン9を注入する。これにより、n型領域7’より不純物濃度の高いn型領域7が形成される。n型領域7とn型領域7’から、LDD構造を有するソース/ドレイン領域が形成される。
Step 3: As shown in FIG. 1C, a silicon nitride film is formed on the entire surface, followed by dry etching, and
工程4:図1(d)に示すように、例えばCo、Ti、Ni等の金属膜10を全面に堆積させる。Coを金属膜10に用いた場合、膜厚は約70Åとする。
Step 4: As shown in FIG. 1D, a
工程5:図1(e)に示すように、RTA(Rapid Thermal Anneal)のような熱処理を行うことにより、金属膜10がシリコンと接した部分にシリサイド膜11を形成する。具体的には、例えば430℃のような低温で1回目のRTAを行い、シリコンとコバルトを共晶させてCoSiを形成する。続いて、ウェットエッチング等で、共晶化していない金属膜10を除去し、更に、例えば760℃のような高温で2回目のRTAを行い、シリコンとコバルトを共晶させてCoSiを形成する。これにより、n型領域7、ゲート電極5の上に低抵抗のCoSi2からなるシリサイド膜11が形成される。
Step 5: As shown in FIG. 1E, a heat treatment such as RTA (Rapid Thermal Anneal) is performed to form a
なお、シリサイド化に伴う、金属1原子あたりのシリコン原子の消費量は、CoSi2が形成される場合は3.64原子、TiSi2が形成される場合は2.27原子、NiSi2が形成される場合は3.65原子である。例えばCoからなる金属膜8の膜厚が70Åの場合、シリサイド化したCoSi2からなるシリサイド膜11の膜厚は254.8Åとなる。
Note that the consumption of silicon atoms per metal atom due to silicidation is 3.64 atoms when CoSi 2 is formed, 2.27 atoms when TiSi 2 is formed, and NiSi 2 is formed. In this case, it is 3.65 atoms. For example, when the thickness of the
工程6:図1(f)に示すように、例えばホウ素のようなp型イオン12を、斜め方向からチャネル領域(p型のウエル領域3内で、n型領域7及び7’に挟まれた領域、図示せず)に注入(Halo注入)する。
ここで、ボロンイオンを、注入エネルギ10keVで注入した場合、投影飛程Rpは、シリコン中で約400Å、CoSi中で約243Å、SiN中で約534Åとなる。従って、SiNからなるサイドウォール8中を通ったホウ素イオン等が、ちょうどチャネル領域でパンチスルーストッパ領域13を形成するように、注入角度、注入エネルギ、サイドウォール8の膜厚等を調整する。
Step 6: As shown in FIG. 1F, for example, p-
Here, when boron ions are implanted at an implantation energy of 10 keV, the projected range Rp is about 400 中 で in silicon, about 243 中 で in CoSi, and about 534 中 で in SiN. Therefore, the implantation angle, implantation energy, film thickness of the
適当な注入角度/注入エネルギ等を用いてステップ回転注入を行うことにより、シリサイド膜11では、注入される領域の元素が重いため、投影飛程Rpは浅くなり、シリコン基板1にはイオンはほとんど注入されない。
一方、サイドウォール8やゲート電極5直下では、注入される領域の元素が軽いため、投影飛程Rpが深くなり、注入されたイオン種はチャネル領域に到達してパンチスルーストッパ領域13が形成される。
以上の工程で、全体が100で表されるMOSFETが完成する。
By performing step rotation implantation using an appropriate implantation angle / implantation energy and the like, the
On the other hand, immediately below the
Through the above steps, a MOSFET represented as a whole by 100 is completed.
このように、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法では、通常の製造工程においても形成されるシリサイド膜11を注入マスクに用いてHalo注入を行うことにより、製造工程を増やすことなくチャネル領域でソース/ドレイン領域に隣接したパンチスルーストッパ領域(ソース側パンチスルーストッパ領域とドレイン側パンチスルーストッパ領域)13の形成が可能となる。
As described above, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment, the channel region is formed without increasing the number of manufacturing steps by performing the Halo implantation using the
図2(a)は、全体が100で表される本実施の形態にかかるMOSFETの断面図であり、図2(b)は、全体が200で表される従来構造のMOSFETの断面図である。
図2(a)に示すように、MOSFET100では、ソース/ドレイン領域を構成するn型領域7’に挟まれたチャネル領域にのみパンチスルーストッパ領域13が形成されている。一方、従来のMOSFET200では、ソース/ドレイン領域(n型領域7、7’)を包み込むように、広範囲に渡ってパンチスルーストッパ領域14が形成されている。
2A is a cross-sectional view of the MOSFET according to the present embodiment, the whole being represented by 100, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the MOSFET having the conventional structure, the whole being represented by 200. .
As shown in FIG. 2A, in the
図3(a)は、本実施の形態にかかるMOSFET100のn型領域7に注入された、n型およびp型イオン濃度プロファイルであり、図3(b)は、従来のMOSFET200のn型領域7における濃度プロファイルである。
図3(a)(b)に示す濃度プロファイルは、それぞれ、図2(a)のA−A、図2(b)のB−Bの断面におけるプロファイルとなっている。
図3(a)、(b)では、p型不純物によりウエル領域(Pウエル)3、n型不純物によりn型領域(N+)7がそれぞれ形成されている。また、図3(b)では、パンチスルーストッパ領域(Halo)14が形成されているが、図3(a)では形成されていない。
FIG. 3A shows n-type and p-type ion concentration profiles implanted in the n-
The concentration profiles shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b) are profiles in the cross sections AA in FIG. 2 (a) and BB in FIG. 2 (b), respectively.
3A and 3B, a well region (P well) 3 is formed by p-type impurities, and an n-type region (N +) 7 is formed by n-type impurities. In FIG. 3B, the punch-through stopper region (Halo) 14 is formed, but is not formed in FIG. 3A.
このように、本実施の形態にかかるMOSFET100では、チャネル領域にp型のパンチスルーストッパ領域13を形成することにより、パンチスルー現象を抑え、短チャネル効果の影響を低減することができる。
特に、MOSFET100では、p型のパンチスルーストッパ領域13を形成するために注入されるイオンの量が少なくなり、上記式(1)においてNaの値が小さくなる。この結果、本発明の構造を用いることで、短チャネル効果を抑えつつ、N+層(PMOSの場合はP+層)下のp型不純物濃度(PMOSの場合はn型不純物濃度)を低減することが可能となるため、接合容量Cjを低減可能となる。接合容量は、高速製品で製品遅延を決定する抵抗、容量、インダクタンスの容量を決定する要素となる。これを低減することにより、製品遅延を抑えることが可能となり、スイッチング速度等のMOSFET100の特性が向上する。
As described above, in the
In particular, in the
なお、本実施の形態では、nチャネルのMOSFET100について説明したが、pチャネルMOSFETにも適用することができる。この場合、Halo注入には、リン等のn型イオンが注入イオンとして用いられる。
Note that although the n-
また、ソース/ドレイン領域は、LDD構造とせずに、通常のソース/ドレイン構造としても良い。この場合、サイドウォールは特に形成しなくても良い。 Further, the source / drain region may be a normal source / drain structure instead of the LDD structure. In this case, the side wall need not be formed.
更に、MESFET等、MOSFET以外の半導体装置にも適用できる。 Furthermore, the present invention can be applied to semiconductor devices other than MOSFETs such as MESFETs.
図4は、本実施の形態にかかるMOSFETを組み合わせたCMOSインバータの概略図である。このようなCMOSインバータの遅延時間は、以下の式(式2)〜(式4)で表すことができる。 FIG. 4 is a schematic diagram of a CMOS inverter in which MOSFETs according to the present embodiment are combined. The delay time of such a CMOS inverter can be expressed by the following formulas (formula 2) to (formula 4).
式(2)〜式(4)において、
τ :PMOS+NMOSの遅延時間
τn :NMOSの遅延時間
τp :PMOSの遅延時間
Insat:NMOS飽和電流
Ipsat:PMOS飽和電流
Wn :NMOS活性領域幅
Wp :NMOS活性領域幅
Vdd :電源電圧
を表す。
In Formula (2)-Formula (4),
τ: PMOS + NMOS delay time τ n : NMOS delay time τ p : PMOS delay time Insat : NMOS saturation current I psat : PMOS saturation current W n : NMOS active region width W p : NMOS active region width V dd : Power supply Represents voltage.
ここで、NMOS、PMOSにおいて、上記式中の容量Cは、
1)NMOS、PMOSのドレインの接合容量:Cj
2)配線容量:Cw
3)ゲート容量:Cg
4)ミラー容量(ゲートとドレインとのオーバーラップに起因する容量):Cmのような成分を持つ。
本実施の形態にかかるCMOSインバータでは、接合容量Cjの値を大幅に低減することが可能となり、結果としてインバータの遅延時間を短縮することができる。
Here, in NMOS and PMOS, the capacitance C in the above equation is
1) NMOS and PMOS drain junction capacitance: Cj
2) Wiring capacity: Cw
3) Gate capacity: Cg
4) Miller capacitance (capacitance due to overlap between gate and drain): has a component such as Cm.
In the CMOS inverter according to the present embodiment, the value of the junction capacitance Cj can be greatly reduced, and as a result, the delay time of the inverter can be shortened.
1 シリコン基板、2 絶縁領域、3 ウエル領域、4 ゲート酸化膜、5 ゲート電極、6 n型イオン、7、7’ n型領域、8 サイドウォール、9 n型イオン、10 金属膜、11 シリサイド膜、12 p型イオン、13、14 パンチスルーストッパ領域、100、200 MOSFET。
1 silicon substrate, 2 insulating region, 3 well region, 4 gate oxide film, 5 gate electrode, 6 n-type ion, 7, 7 ′ n-type region, 8 sidewall, 9 n-type ion, 10 metal film, 11 silicide film , 12 p-type ions, 13, 14 punch-through stopper region, 100, 200 MOSFET.
Claims (7)
該シリコン基板に、ゲート電極と、該ゲート電極の両側に配置されるソース領域およびドレイン領域を形成し、該ソース領域と該ドレイン領域で挟まれた領域をチャネル領域とするチャネル領域形成工程と、
該ソース領域と該ドレイン領域を覆う金属膜を形成する金属膜形成工程と、
該金属膜と、該ソース領域および該ドレイン領域とを反応させ、該ソース領域および該ドレイン領域の表面に金属シリサイド層を形成するシリサイド工程と、
該金属シリサイド層をイオン注入マスクに用いて該チャネル領域にイオンを注入し、該ソース領域および該ドレイン領域とは導電型の異なるパンチスルーストッパ領域を、該ソース領域および該ドレイン領域に隣接するように形成する注入工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Preparing a silicon substrate;
Forming a gate electrode on the silicon substrate, a source region and a drain region disposed on both sides of the gate electrode, and a channel region forming step using a region sandwiched between the source region and the drain region as a channel region;
A metal film forming step of forming a metal film covering the source region and the drain region;
A silicide step of reacting the metal film with the source region and the drain region to form a metal silicide layer on the surfaces of the source region and the drain region;
Ions are implanted into the channel region using the metal silicide layer as an ion implantation mask so that a punch-through stopper region having a conductivity type different from that of the source region and the drain region is adjacent to the source region and the drain region. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: an implantation step for forming a semiconductor device.
該ゲート電極の両側にサイドウォールを形成し、該ゲート電極と該サイドウォールとをイオン注入マスクに用いて該エクステンション領域に重ねてイオンを注入し、LDD構造の上記ソース領域および上記ドレイン領域を形成する工程であることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。 Forming the extension region in the silicon substrate by ion implantation using the gate electrode as an ion implantation mask;
Side walls are formed on both sides of the gate electrode, and ions are implanted to overlap the extension region using the gate electrode and the sidewall as an ion implantation mask, thereby forming the source region and the drain region of the LDD structure. The manufacturing method according to claim 1, wherein the manufacturing method is performed.
上記シリサイド工程が、該金属膜と該ゲート電極とを反応させて、該ゲート電極上にも上記金属シリサイド層を形成する工程であることを特徴とする請求項1又は2に記載の製造方法。 The metal film forming step is a step of forming the metal film also on the gate electrode made of silicon,
3. The manufacturing method according to claim 1, wherein the silicide process is a process in which the metal film and the gate electrode are reacted to form the metal silicide layer on the gate electrode.
上記シリコン基板の法線方向より上記ドレイン領域側に傾斜した方向からイオンを注入し、該ドレイン領域に隣接したドレイン側パンチスルーストッパ領域を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。 The step of implanting ions from a direction inclined to the source region side from the normal direction of the silicon substrate to form a source side punch-through stopper region adjacent to the source region;
And a step of implanting ions from a direction inclined to the drain region side from a normal direction of the silicon substrate to form a drain side punch-through stopper region adjacent to the drain region. 4. The production method according to any one of 3 above.
該シリコン基板上に設けられたゲート電極と、
該ゲート電極の両側に配置されたソース領域およびドレイン領域と、
該ソース領域と該ドレイン領域とに挟まれたチャネル領域と、
該ソース領域と該ドレイン領域との表面に形成された金属シリサイド層と、
該ソース領域と該ドレイン領域とに隣接するように該チャネル領域に形成された、該ソース領域および該ドレイン領域とは導電型の異なるパンチスルーストッパ領域とを含むことを特徴とする半導体装置。 A silicon substrate;
A gate electrode provided on the silicon substrate;
A source region and a drain region disposed on both sides of the gate electrode;
A channel region sandwiched between the source region and the drain region;
A metal silicide layer formed on surfaces of the source region and the drain region;
A semiconductor device comprising: a punch-through stopper region having a conductivity type different from that of the source region and the drain region formed in the channel region so as to be adjacent to the source region and the drain region.
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