JP2007048840A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置とその製造方法に関し、特に高濃度のP(リン)を含むn型ソース/ドレイン領域を有する半導体装置とその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having an n-type source / drain region containing a high concentration of P (phosphorus) and a manufacturing method thereof.
半導体装置を製造する際に、半導体装置上の所定の領域を所定の導電性をもたらす不純物濃度とするための技術として、イオン注入法が知られている。このイオン注入法は、不純物原子をイオンビームとして半導体装置上の所定の領域に照射して注入した後に、そのイオン注入不純物を活性化するとともにイオン注入時のイオンの衝突による半導体装置のダメージを回復させるためのアニール処理を行うものである。 When manufacturing a semiconductor device, an ion implantation method is known as a technique for setting a predetermined region on the semiconductor device to an impurity concentration that provides predetermined conductivity. In this ion implantation method, after irradiating a predetermined region on a semiconductor device with an impurity atom as an ion beam, the ion implantation impurity is activated, and damage to the semiconductor device due to collision of ions during ion implantation is recovered. Annealing treatment is performed.
近年の半導体技術の進歩によって、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の高速化および微細化が進み、それに伴って、ソース/ドレイン間の抵抗を低くする必要性が生じている。そのために、ソース/ドレイン領域の不純物濃度を高くしなければならないが、このとき、イオン注入する不純物量を多くするために大電流のイオンビームを用いるイオン注入法が用いられる。 With recent advances in semiconductor technology, the speed and miniaturization of MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) have progressed, and accordingly, there is a need to reduce the resistance between the source and drain. Therefore, the impurity concentration of the source / drain regions must be increased. At this time, an ion implantation method using a large current ion beam is used to increase the amount of impurities to be ion implanted.
また、このほかに、Si(シリコン)を使用した半導体装置をn型とするために、半導体基板の一面側全体に30Si層を形成し、この30Si層を中性子で照射して、次式(1)の核反応によって31Pを生成して、n型のSi層を形成する方法も知られている(たとえば、特許文献1参照)。 Also, In addition to this, a semiconductor device using a Si (silicon) to the n-type, the 30 Si layer is formed on one entire surface of the semiconductor substrate, the 30 Si layer is irradiated with neutrons, the following equation A method of forming 31 P by the nuclear reaction (1) to form an n-type Si layer is also known (see, for example, Patent Document 1).
30Si(n,δ)31Si→31P+β ・・・(1) 30 Si (n, δ) 31 Si → 31 P + β (1)
ところで、MOSFETの微細化によるゲート長の短縮に伴い基板の深い部分で電流の漏れが生じる短チャネル効果が問題となる。これを抑制するために、ソース/ドレイン領域の極浅い領域にのみ不純物をイオン注入し、pn接合を形成する、いわゆる浅い接合の形成技術が必要となる。 By the way, there is a problem of a short channel effect in which current leakage occurs in a deep portion of the substrate as the gate length is shortened by miniaturization of the MOSFET. In order to suppress this, a so-called shallow junction formation technique is required in which impurities are ion-implanted only in the very shallow region of the source / drain region to form a pn junction.
しかし、従来のソース/ドレイン領域の形成方法であるイオン注入法によって浅い接合を形成するためには、非常に低いエネルギでイオン注入しなければならないが、低エネルギのイオンビームは発散してしまい、十分な電流量を得るのが困難である。また、イオン注入する際にイオンの衝突でシリコン基板に生じたダメージにより、イオン注入後に行われるアニール工程において、イオン注入した不純物がシリコン基板内の広い範囲に拡散してしまい、不純物が存在する領域を極浅い領域に限定した浅い接合の形成を困難にしている。つまり、今後さらに微細化が進むLSI(Large Scale Integrated circuit)においては、従来利用されているイオン注入法では、上記のような制約によって、高い不純物濃度をもつ浅い接合を形成することは極めて困難であるという問題点があった。 However, in order to form a shallow junction by an ion implantation method, which is a conventional source / drain region formation method, ions must be implanted with very low energy, but a low energy ion beam is diverged, It is difficult to obtain a sufficient amount of current. In addition, due to damage caused to the silicon substrate by ion collision during ion implantation, in the annealing process performed after ion implantation, the ion implanted impurity diffuses over a wide area in the silicon substrate, and the region where the impurity exists Therefore, it is difficult to form a shallow junction that is limited to a very shallow region. In other words, in an LSI (Large Scale Integrated circuit) that will be further miniaturized in the future, it is extremely difficult to form a shallow junction having a high impurity concentration by the above-described restrictions by the ion implantation method that has been conventionally used. There was a problem that there was.
また、上記特許文献1には、中性子照射による核反応を用いてSi基板をn型にする方法については開示されているが、MOSFETなどの半導体装置の所定の領域に不純物原子を導入する場合の具体的な方法については示されていなかった。
Moreover, although the method of making a Si substrate into n type using the nuclear reaction by neutron irradiation is indicated by the said
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、シリコン基板の表面から非常に浅い領域に高濃度の不純物を導入することができる半導体装置の製造方法と、その製造方法によって製造された半導体装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and a method for manufacturing a semiconductor device capable of introducing a high-concentration impurity into a very shallow region from the surface of a silicon substrate, and a semiconductor manufactured by the manufacturing method An object is to provide an apparatus.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、p型シリコン基板上の所定の位置に形成された所定形状のゲート絶縁膜とゲート電極を含むゲート構造のゲート長方向両側に浅い接合のソース/ドレイン領域を形成する半導体装置の製造方法であって、前記ソース/ドレイン領域の形成領域を、所定の深さにエッチングするエッチング工程と、前記p型シリコン基板上に所定の組成の30Si層を堆積させ、前記ソース/ドレイン領域の形成領域に30Si層を選択エピタキシャル成長させる30Si層形成工程と、前記p型シリコン基板に中性子線を照射して、前記30Si層中に所定の濃度の31Pを形成する中性子線照射工程と、を含むことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the present invention provides a gate structure on both sides in a gate length direction of a gate structure including a gate insulating film having a predetermined shape and a gate electrode formed at a predetermined position on a p-type silicon substrate. A method of manufacturing a semiconductor device for forming a source / drain region having a shallow junction, an etching step for etching the source / drain region formation region to a predetermined depth, and a predetermined composition on the p-type silicon substrate. is the 30 Si layer deposition, and the 30 Si layer formation step of selective epitaxial growth of the 30 Si layer formation region of the source / drain regions, by irradiating neutrons to the p-type silicon substrate, in the 30 Si layer And a neutron beam irradiation step for forming 31 P of a predetermined concentration.
また、本発明は、p型シリコン基板上の所定の位置に形成されたゲート構造と、該ゲート構造のゲート長方向両側に形成されたソース/ドレイン領域と、前記ソース/ドレイン領域上にエレベーテッド構造を有する半導体装置の製造方法であって、前記p型シリコン基板上に所定の組成の30Si層を堆積させ、前記ソース/ドレイン領域に30Si層を選択エピタキシャル成長させる30Si層形成工程と、前記p型シリコン基板に中性子線を照射して、前記30Si層中に所定の濃度の31Pを有する持ち上げソース/ドレイン層を形成する中性子線照射工程と、を含むことを特徴とする。 The present invention also provides a gate structure formed at a predetermined position on a p-type silicon substrate, source / drain regions formed on both sides of the gate structure in the gate length direction, and elevated on the source / drain regions. a method of manufacturing a semiconductor device having a structure, the p-type silicon was on the substrate is deposited a 30 Si layer of a predetermined composition, and 30 Si layer formation step of selective epitaxial growth of the 30 Si layer on the source / drain regions, Irradiating the p-type silicon substrate with a neutron beam to form a lifted source / drain layer having a predetermined concentration of 31 P in the 30 Si layer.
さらに、本発明は、シリコン基板上の所定の位置に形成された所定形状のゲート絶縁膜とゲート電極を含むゲート構造のゲート長方向両側にp型のソース/ドレイン領域を形成する半導体装置の製造方法であって、前記ゲート構造の形成前に前記ゲート構造の形成領域を含む領域に所定の厚さの30Si層を堆積させ、該30Si層に中性子線を照射して、所定の濃度の31Pを含むチャンネル領域を形成することを特徴とする。 Furthermore, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device in which p-type source / drain regions are formed on both sides in the gate length direction of a gate structure including a gate insulating film having a predetermined shape and a gate electrode formed at a predetermined position on a silicon substrate. In the method, a 30 Si layer having a predetermined thickness is deposited in a region including the formation region of the gate structure before the gate structure is formed, and the neutron beam is irradiated to the 30 Si layer to obtain a predetermined concentration. A channel region including 31 P is formed.
また、本発明は、p型シリコン基板上に所定の組成の30Si層をエピタキシャル成長させる30Si層形成工程と、所定の位置に中性子吸収材を配置したマスクを、前記中性子吸収材が前記p型シリコン基板上のゲート構造形成領域と重なるように位置合せして、前記p型シリコン基板上に配置するマスク配置工程と、前記マスク上から中性子線を前記p型シリコン基板上に照射して、前記30Si層中に所定の濃度の31Pに変換してソース/ドレイン領域を形成する中性子線照射工程と、を含み、前記中性子吸収材の配置位置に対応する前記ゲート構造形成領域にゲート構造を形成することを特徴とする。 The present invention also provides a 30 Si layer forming step of epitaxially growing a 30 Si layer having a predetermined composition on a p-type silicon substrate, and a mask in which a neutron absorbing material is disposed at a predetermined position, wherein the neutron absorbing material is the p-type A mask placement step of positioning on the p-type silicon substrate in alignment with the gate structure formation region on the silicon substrate, and irradiating the p-type silicon substrate with neutron beams from the mask, anda neutron beam irradiation to form a source / drain region is converted to 31 P of a predetermined concentration in the 30 Si layer, a gate structure in the gate structure forming region corresponding to the position of the neutron absorber It is characterized by forming.
さらに、本発明は、上記の発明のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法を用いて製造した半導体装置であることを特徴とする。 Furthermore, the present invention is a semiconductor device manufactured using the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the above inventions.
本発明によれば、p型シリコン基板表面から非常に浅い範囲の深さにも高濃度のn型の不純物がドープされるので、半導体装置の素子サイズの微細化が可能になるという効果を奏する。 According to the present invention, since a high concentration of n-type impurities is doped even in a very shallow depth from the surface of the p-type silicon substrate, the element size of the semiconductor device can be reduced. .
また、本発明によれば、エレベーテッド構造を有するソース/ドレイン領域上の持ち上げソース/ドレイン層は、30Siに中性子線を照射して高濃度の不純物(31P)濃度を有するようにしたので、高い導電率を有する。その結果、イオン注入法などの方法によって、ソース/ドレイン領域の浅い領域に高濃度の不純物原子をドープできず、表面抵抗率が大きくなってしまった場合でも、ソース/ドレイン領域の表面抵抗を低くすることができるという効果を奏する。 Further, according to the present invention, the lifted source / drain layer on the source / drain region having the elevated structure has a high impurity ( 31 P) concentration by irradiating 30 Si with a neutron beam. , Has high conductivity. As a result, even when a high concentration of impurity atoms cannot be doped in the shallow region of the source / drain region by a method such as ion implantation, the surface resistance of the source / drain region is reduced even if the surface resistivity increases. There is an effect that can be done.
さらに、本発明によれば、基板方向に非常に急峻な不純物濃度のプロファイルを有するレトログレードチャネルを形成することができるという効果を奏する。 Furthermore, according to the present invention, it is possible to form a retrograde channel having a very steep impurity concentration profile in the substrate direction.
さらに、本発明によれば、予め浅い接合を形成するソース/ドレイン領域とする部分に薄い30Si層を形成し、中性子照射によって所定の不純物濃度となるように拡散層を形成したので、ソース/ドレイン領域をイオン注入によって形成する場合に比してソース/ドレイン領域の深さを高い精度で制御することができるという効果を奏する。 Furthermore, according to the present invention, since a thin 30 Si layer is formed in a portion to be a source / drain region where a shallow junction is formed in advance and a diffusion layer is formed so as to have a predetermined impurity concentration by neutron irradiation, Compared with the case where the drain region is formed by ion implantation, the depth of the source / drain region can be controlled with high accuracy.
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる半導体装置とその製造方法の最良な実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる半導体装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。 Exemplary embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to these embodiments. The cross-sectional views of the semiconductor devices used in the following embodiments are schematic, and the relationship between the thickness and width of the layers, the ratio of the thicknesses of the layers, and the like are different from the actual ones.
本発明は、シリコン単結晶に中性子線を照射することにより、シリコン中に天然存在比3.1%の割合で存在する30Siが31Siに変換され、さらにこれがβ崩壊して安定同位元素である31Pに変換されることを利用してシリコン中に均一にPをドープする方法を、MOSFETにおけるソース/ドレイン領域の形成に適用するものである。 In the present invention, by irradiating a silicon single crystal with a neutron beam, 30 Si present in silicon at a ratio of 3.1% of natural abundance is converted to 31 Si. A method of uniformly doping P into silicon by utilizing the conversion to a certain 31 P is applied to formation of a source / drain region in a MOSFET.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明が適用される半導体装置の構造の一例を模式的に示す一部断面図である。この図1では、半導体装置として、MISFET(Metal Insulator Semiconductor FET)の主要部の構成の一例を模式的に示している。半導体基板としてのp型シリコン基板1の上面内には、シリコン酸化膜などからなる素子分離絶縁膜2が形成されている。素子分離絶縁膜2によって規定される素子形成領域内には、MISFETが形成されている。MISFETは、ゲート絶縁膜4、ゲート電極5およびサイドウォール6を含むゲート構造3と、ゲート構造3の下方のチャネル領域を挟んで対をなすソース/ドレイン領域7とを有している。なお、本発明では、ソース/ドレイン領域7は、約20nmまでの間の所定の厚さを有するものとする。
(First embodiment)
FIG. 1 is a partial cross-sectional view schematically showing an example of the structure of a semiconductor device to which the present invention is applied. FIG. 1 schematically shows an example of the configuration of the main part of a MISFET (Metal Insulator Semiconductor FET) as a semiconductor device. An element
シリコン基板1上には、MISFETを覆って、シリコン酸化膜などからなる層間絶縁膜11が形成されている。層間絶縁膜11内には、MISFETのソース/ドレイン領域7に接続された複数のコンタクトプラグ12が形成されている。この層間絶縁膜11上には、所定の形状にパターン形成された上部配線層13が形成されて、層間絶縁膜11に形成されたコンタクトプラグ12を介して下層のソース/ドレイン領域7と電気的に接続されている。
On the
つぎに、本発明にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図2−1〜図2−5は、本発明による半導体装置の製造手順の一例を模式的に示す図である。ここでは、図1に示されるシリコン酸化膜からなる素子分離絶縁膜2により電気的に分離された1つのMISFETの作製手順を表示している。
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described. FIGS. 2-1 to 2-5 are diagrams schematically showing an example of the manufacturing procedure of the semiconductor device according to the present invention. Here, the manufacturing procedure of one MISFET electrically isolated by the element
まず、図2−1に示されるように、p型シリコン半導体基板(以下、単にシリコン基板という)1上にゲート絶縁膜4であるSiO2(二酸化シリコン)とゲート電極5であるPoly-Siを堆積させる。その後、公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術によって、ゲート絶縁膜4とゲート電極5が所定の電極形状に加工される。続けて、図2−2に示されるように、等方性エッチングにより、ゲート絶縁膜4とゲート電極5のゲート長方向(図の左右方向)両側に高い不純物濃度を有する浅い接合を形成するために、シリコン基板1の表面から所定の深さhの領域をエッチングする。このときの深さhは20nmよりも浅い範囲で適宜選択される。図2−1〜図2−2で行われるエッチングは、希フッ酸などを用いたウェットエッチングでもよいし、反応性イオンエッチング、ケミカルドライエッチングやプラズマエッチングなどのドライエッチングでもよい。
First, as shown in FIG. 2A, SiO 2 (silicon dioxide) as a gate
ついで、図2−3に示されるように、シリコン基板1がエッチングされた領域にCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって30Si層21を選択エピタキシャル成長させる。このとき、30Si層21は図2−2でシリコン基板1のエッチングされた領域を埋める厚さhだけ成膜される。ここで、ソースガスとしてシランの同位体ガス30SiH4が用いられる。この30Siを構成元素に持つソースガスを用いるのは、後述する中性子線を照射する工程で背景技術の(1)式で示した核反応を起こさせるためである。なお、後の工程でこのシリコン基板1がエッチングされたソース/ドレイン領域7に生じさせる31Pを所定の濃度とするために、ソースガスにおけるシランの同位体ガス30SiH4の濃度を、28SiH4に対して変化させるようにしてもよい。ただし、同位体ガス30SiH4の濃度の選択は、30Siを31Pに変化させる処理工程における変換の割合によって定められるものである。また、CVD法によって30Si層21をシリコン基板1のエッチングされた領域に選択エピタキシャル成長させる際に、ゲート電極5上にもアモルファスの30Si層21αが堆積する。このゲート電極5上のアモルファス30Si層21αは、図2−3に示されるように、ゲート電極5のゲート長よりも突出した突出部22を有して形成される。つまり、アモルファス30Si層21αのシリコン基板1上に投影した際の面積は、ゲート電極5のシリコン基板1上に投影した際の面積よりも大きくなる。
Next, as shown in FIG. 2C, a 30
ついで、図2−4に示されるように、シリコン基板1表面に垂直な方向から、熱中性子源からの中性子線50を所定の条件で照射する。この際、中性子線50の照射量の均一性を得るために、シリコン基板1を基板面の中心の法線を中心にして面内方向に回転しながら照射するのが望ましい。これにより、背景技術の(1)式で示した核反応が行われ、シリコン基板1をエッチングした領域に形成された30Si層21中の30Siが31Pに変化する。その結果、図2−5に示されるように、所望の表面抵抗率を有するソース/ドレイン領域7が得られる。たとえば、1×1016[n/cm2・sec]の熱中性子束を2.8時間かけて照射した場合には、875[Ω/sq・cm]の表面抵抗率を有するソース/ドレイン領域7が形成される。
Next, as shown in FIG. 2-4, a
なお、ソース/ドレイン領域7の表面抵抗率は、シリコン基板1のエッチング量すなわち30Siを選択エピタキシャル成長させる膜厚や選択エピタキシャル成長させる膜中の30Siの濃度、熱中性子束、照射時間を適宜調整することによって変更することができる。
The surface resistivity of the source /
また、このとき、ゲート電極5上に堆積されたアモルファス30Si層21αにも中性子線50が照射されることによって、31Pへ一部変換されて導電性を得ることになるが、この部分はソース/ドレイン領域7と電気的に分離されているので、MISFETの動作に問題はない。また、上述したように、ゲート電極5上に堆積されるアモルファス30Si層21αの面積はゲート電極5のそれよりも大きく、突出部22を有するため、ソース/ドレイン領域7中のチャネル領域近傍においては、上方のゲート電極5からはみ出したアモルファス30Si層21αの突出部22による中性子の吸収が生じるため、それ以外のソース/ドレイン領域7よりも31Pへ変換される量が少なくなる。つまり、チャネル領域近傍のソース/ドレイン領域7には低濃度不純物領域7aが形成され、これにより、MISFETの内部電界が緩和されるので、ホットキャリア効果が抑制される。
At this time, the amorphous 30 Si layer 21α deposited on the
その後、ゲート電極5上のアモルファス30Si層21αを除去し、ゲート電極5とゲート絶縁膜4の側面にサイドウォール6が形成されるように加工する。そして、公知の手法により、シリコン基板1上に層間絶縁膜11を形成し、ソース/ドレイン領域7に接続するコンタクトプラグ12を層間絶縁膜11に形成し、層間絶縁膜11上に所定のパターンを有する上部配線層13を形成することによって、図1に示される半導体装置が得られる。
Thereafter, the amorphous 30 Si layer 21α on the
この半導体装置の製造方法によれば、シリコン基板1上の浅い接合を形成するゲート/ドレイン領域7に相当する部分を除去し、そこに30Si層21を選択エピタキシャル成長させ、中性子線50を照射することによりこの部分にのみ不純物原子が導入される。図3は、ソース/ドレイン領域におけるシリコン基板表面からの不純物原子の濃度のプロファイルを模式的に示す図である。この図において、横軸はシリコン基板1表面(ここでは、ソース/ドレイン領域7に形成された選択エピタキシャル成長した30Si層21の表面)からの深さを表しており、縦軸はシリコン基板1にドープされた不純物濃度を表している。従来用いられているイオン注入法では、図中の破線で示されるように、シリコン基板1表面からある深さd1で不純物濃度が最大となり、それよりも深い位置では不純物濃度が減少していくプロファイルを有している。一方、実線で示される第1の実施の形態による不純物原子のドープ方法によれば、選択エピタキシャル成長させた30Si層21の厚さに相当するhまでの深さでは、不純物濃度は所定の値を示し、hよりも深い位置では、不純物濃度が存在しない、急峻な変化を示すプロファイル形状を有する。このように浅い接合をシリコン基板1上に形成することが可能となる。
According to this method for manufacturing a semiconductor device, a portion corresponding to the gate /
また、イオン注入法では、シリコン基板1表面から約20nmの深さまでの浅い領域に高濃度の不純物原子をドープすることができないが、第1の実施の形態の方法によれば、シリコン基板1表面から約20nmの深さまでの浅い領域でも、高濃度の不純物原子をドープすることができる。
Further, in the ion implantation method, a high concentration impurity atom cannot be doped in a shallow region from the surface of the
なお、上述した例では、シリコン基板1にゲート絶縁膜4を堆積させたものを用いているが、基板としてSOI(Silicon On Insulator)構造の基板を用いてもよい。また、ゲート絶縁膜4はSiO2に限定されるものではなく、遷移金属や希土類金属を含むような酸化物、いわゆる高誘電率(High-k)膜であってもよい。同様にゲート電極5はPoly-Siに限定されるものではなく、遷移金属またはその化合物で構成されるような導電性材料であってもよい。さらに、上述した例では、ゲート電極5にPoly-Siを用いているが、このPoly-Siを30Siで形成することにより、中性子照射によるソース/ドレイン領域7の形成時に、同時にゲート電極5にも31Pをドープして、その後の熱処理により活性化してもよい。
In the above-described example, the
また、接合部近傍での接合リークを低減させるために、ソース/ドレイン領域7のシリコン基板1との接合部付近では30Si濃度を中性子照射前に予め低濃度に設定するなどして(たとえば、シリコン基板1をエッチングした領域に30Si層を成長させる場合に、堆積初期には、ソースガスの同位体ガス30SiH4の流量を28SiH4の流量に比して低く設定し、所定の厚さに達した後には、30SiH4の流量を高く設定するなどして)、不純物濃度プロファイルを変化させることで任意に設定することができる。
In order to reduce the junction leakage in the vicinity of the junction, the 30 Si concentration is set to a low concentration before neutron irradiation in the vicinity of the junction between the source /
さらに、上述した例では、nチャネルMISFETの場合に浅い接合のn型拡散層を形成する場合を説明したが、MISFETのチャネルに不純物原子を導入する場合にも、上記と同様の方法を用いることができる。ただし、この場合には、ゲート絶縁膜4の堆積前に、n型またはノンドープのシリコン基板全面またはチャネル領域に薄く30Si層を堆積させ、中性子線を照射することによって、レトログレードチャネル(階段型チャネルプロファイル)と呼ばれるような、深さ方向に非常に急峻なプロファイルを有するシリコン基板、または同様な手法を用いた適当なタイプの基板を用いる。このように埋め込みチャネルを有するシリコン基板に、ゲート構造を形成し、ゲート構造のゲート長方向両側にp型の不純物原子をイオン注入法などによって注入して、p型拡散層からなるソース/ドレイン領域を形成する。
Furthermore, in the above-described example, the case where an n-type diffusion layer having a shallow junction is formed in the case of an n-channel MISFET has been described. However, when impurity atoms are introduced into the channel of the MISFET, the same method as described above is used. Can do. However, in this case, before the
この第1の実施の形態によれば、p型シリコン基板1表面(ゲート絶縁膜4とシリコン基板1との境界面)から20nmまでの非常に浅い範囲の深さにも高濃度のn型の不純物をドープして、ソース/ドレイン領域7の表面抵抗を低くすることができるという効果を有する。
According to the first embodiment, high-concentration n-type is also used in a very shallow range from the surface of the p-type silicon substrate 1 (the boundary surface between the
(第2の実施の形態)
この第2の実施の形態では、ソース/ドレイン領域の抵抗の低減を図るために、ソース/ドレイン領域を持ち上げた構造のエレベーテッド構造を有する半導体装置の製造方法について説明する。図4は、本発明が適用される半導体装置の構造の一例を模式的に示す一部断面図である。この半導体装置は、図1の半導体装置において、ソース/ドレイン領域7上に、高濃度の不純物原子31Pを含むシリコン層からなる持ち上げソース/ドレイン層8が形成される構造を有している。この様に半導体装置のソース/ドレイン領域7がエレベーテッド構造を有することによって、シリコン基板1上に形成されたソース/ドレイン領域7の不純物濃度を高められずに抵抗を下げることができない場合でも、その表面抵抗を下げることができる。なお、第1の実施の形態と同一の構成要素には同一の符号を付してその説明を省略している。
(Second Embodiment)
In the second embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device having an elevated structure in which the source / drain regions are raised in order to reduce the resistance of the source / drain regions will be described. FIG. 4 is a partial cross-sectional view schematically showing an example of the structure of a semiconductor device to which the present invention is applied. This semiconductor device has a structure in which a lifted source /
つぎに、本発明にかかる中性子照射を用いた原子核転換によって形成されたエレベーテッド構造をソース/ドレイン領域に有する半導体装置の製造方法について説明する。図5−1〜図5−4は、本発明による半導体装置の製造手順の一例を模式的に示す図である。ここでも第1の実施の形態と同様に、シリコン酸化膜からなる図示しない素子分離絶縁膜により電気的に分離された1つのMISFETの作製手順を表示している。 Next, a method for manufacturing a semiconductor device having an elevated structure formed by nuclear conversion using neutron irradiation in a source / drain region according to the present invention will be described. 5A to 5D are diagrams schematically illustrating an example of the manufacturing procedure of the semiconductor device according to the present invention. Here, as in the first embodiment, the manufacturing procedure of one MISFET electrically isolated by an element isolation insulating film (not shown) made of a silicon oxide film is displayed.
まず、図5−1に示されるように、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜4、Poly-Siからなるゲート電極5、およびこれらの側面のシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜からなるサイドウォール6を含むゲート構造3と、ゲート構造3のゲート長方向の両側に形成されたソース/ドレイン領域7とが形成されたp型シリコン基板1を用意する。ここで、基板として、第1の実施の形態と同様にSOI構造の基板を用いてもよい。また、ソース/ドレイン領域7は、イオン注入によりPを導入後、アニール工程により活性化され、n型拡散層が形成されているものとする。なお、このイオン注入される元素は、Pのほかにn型不純物となるAs(砒素)やIn(インジウム)であってもよい。また、このソース/ドレイン領域7のn型拡散層は、公知のプロセスによるもののほか、第1の実施の形態のプロセスによって作成されたものであってもよい。
First, as shown in FIG. 5A, a
ついで、図5−2に示されるように、ソース/ドレイン領域7上にCVD法でシランの同位体ガス30SiH4をソースガスとして用いることによって、30Si層23を20nmまでの厚さで選択エピタキシャル成長させる。なお、後の工程でこの30Si層23に生じさせる31Pを所定の濃度とするために、ソースガスにおけるシランの同位体ガス30SiH4の濃度を、28SiH4に対して変化させるようにしてもよい。ただし、同位体ガス30SiH4の濃度の選択は、30Siを31Pに変化させる処理工程における変換の割合によって定められるものである。また、CVD法によって30Si層23をソース/ドレイン領域7上に選択エピタキシャル成長させる際に、ゲート構造3上にもアモルファスの30Si層23αが堆積する。
Next, as shown in FIG. 5B, the 30
ついで、図5−3に示されるように、シリコン基板1表面に垂直な方向から、熱中性子源からの中性子線50を所定の条件で照射する。この際、中性子線50の照射量の均一性を得るために、シリコン基板1を基板面の中心の法線を軸にして面内方向に回転しながら照射するのが望ましい。この中性子線50の照射により、図5−4に示されるように、背景技術の(1)式で示した核反応が行われ、ソース/ドレイン領域7上に形成された30Si層23中の30Siが31Pに変化する。その結果、所望の表面抵抗率を有する持ち上げソース/ドレイン層8が得られる。
Next, as shown in FIG. 5C, a
なお、持ち上げソース/ドレイン層8の表面抵抗率は、30Si層23を選択エピタキシャル成長させる膜厚や選択エピタキシャル成長させる膜中の30Siの濃度、熱中性子束、照射時間を適宜調整することによって変更することができる。
The surface resistivity of the lifted source /
その後、ゲート構造3上のアモルファス30Si層23αを除去し、公知の手法により、シリコン基板1上に層間絶縁膜11を形成し、持ち上げソース/ドレイン層8に接続するコンタクトプラグ12を層間絶縁膜11に形成し、層間絶縁膜11上に所定の形状にパターニングされた上部配線層13を形成することによって、図4に示される半導体装置が得られる。
Thereafter, the amorphous 30 Si layer 23α on the
この第2の実施の形態によれば、イオン注入法などの方法によって、ソース/ドレイン領域7の浅い領域に高濃度の不純物原子をドープできない場合に、ソース/ドレイン領域7上に、中性子線を照射して30Siから得られる高濃度の不純物(31P)濃度を有する持ち上げソース/ドレイン層8を形成したエレベーテッド構造とすることで、ソース/ドレイン領域7の表面抵抗を低くすることができるという効果を有する。
According to the second embodiment, when a high concentration of impurity atoms cannot be doped in a shallow region of the source /
(第3の実施の形態)
第1の実施の形態では、シリコン基板1上にゲート構造3を形成してから、ゲート構造3のゲート長方向の両側にソース/ドレイン領域7を形成する場合を例に挙げたが、この第3の実施の形態では、中性子照射を用いた原子核転換によって形成されたn型のソース/ドレイン領域7をゲート絶縁膜4堆積前に形成する場合を説明する。
(Third embodiment)
In the first embodiment, the
図6−1〜図6−4は、本発明による半導体装置の製造手順の一例を模式的に示す図である。まず、図6−1に示されるように、p型シリコン基板1を用意する。ついで、図6−2に示されるようにCVD法でシランの同位体ガス30SiH4をソースガスとして用いることによって、30Si層25を浅い接合のソース/ドレイン領域7の深さに対応する20nmまでの厚さで選択エピタキシャル成長させる。なお、後の工程でこの30Si層25に生じさせる31Pを所定の濃度とするために、ソースガスにおけるシランの同位体ガス30SiH4の濃度を、28SiH4に対して変化させるようにしてもよい。ただし、同位体ガス30SiH4の濃度の選択は、30Siを31Pに変化させる処理工程における変換の割合によって定められるものである。また、基板として、第1の実施の形態と同様にSOI構造の基板を用いてもよい。
6A to 6D are diagrams schematically illustrating an example of a manufacturing procedure of the semiconductor device according to the present invention. First, as shown in FIG. 6A, a p-
ついで、図6−3に示されるように、このエピタキシャル成長された30Si層25上に、中性子吸収材32でパターンが形成されているガラス製のマスク31を設置する。中性子吸収材32としては、Hf(ハフニウム)などの中性子を吸収する物質が用いられる。また、マスク31の設置時には、図示しない素子分離絶縁膜によって規定される素子形成領域内のほぼ中央付近に中性子吸収材32が位置するように位置合せが行われる。その後、熱中性子源からの中性子線50が、このマスク31を介して30Si層25を有するシリコン基板1上に照射される。
Next, as shown in FIG. 6C, a
ついで、図6−4に示されるように、30Si層25のうちマスク31によって中性子が吸収されることなく透過してきた領域では、原子核転換が誘起されることにより30Siが31Pへ変換され、所定のP濃度を有するソース/ドレイン領域7が形成される。また、30Si層25のうち中性子吸収材32でパターンされた領域では、中性子がマスク31を透過せず、30Si層25に照射されないために、不純物がドープされない30Si層(チャンネル領域)9がそのまま残った状態となる。
Next, as shown in FIG. 6-4, in the region of the 30
その後、チャンネル領域9上にゲート絶縁膜4、ゲート電極5およびこれらのゲート絶縁膜4とゲート電極5を所定の形状にした後にゲート長方向の両側にサイドウォール6を形成したゲート構造3を形成する。そして、公知の手法により、シリコン基板1上に層間絶縁膜11を形成し、ソース/ドレイン領域7に接続するコンタクトプラグ12を層間絶縁膜11に形成し、層間絶縁膜11上に所定の形状を有する上部配線層13を形成することによって、図1に示される半導体装置が得られる。なお、ゲート絶縁膜4を形成する前に、たとえば、チャンネル領域9以外の領域にフォトレジストなどでマスクをしてイオン注入法によって、ソース/ドレイン領域7間の30Si層のチャンネル領域9にp型の不純物を導入してもよい。
Thereafter, the
この第3の実施の形態によれば、浅い接合を形成する領域を第1の実施の形態のように、30Si層を選択エピタキシャル成長させる領域をエッチングする必要がなく、エッチングに比べて高い精度で30Si層25の膜厚を制御することができるという効果を有する。
According to the third embodiment, it is not necessary to etch the region where the 30 Si layer is selectively epitaxially grown as in the first embodiment, and the region where the shallow junction is formed is more accurate than etching. 30 The film thickness of the
以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、素子サイズが微細化されたMISFET構造を有する半導体装置に有用である。 As described above, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is useful for a semiconductor device having a MISFET structure in which an element size is miniaturized.
1 p型半導体基板
2 素子分離絶縁膜
3 ゲート構造
4 ゲート絶縁膜
5 ゲート電極
6 サイドウォール
7 ソース/ドレイン領域
7a 低濃度不純物領域
8 持ち上げソース/ドレイン層
9 チャンネル領域
11 層間絶縁膜
12 コンタクトプラグ
13 上層配線層
21,23,25 30Si層
21α,23α アモルファス30Si層
22 突出部
31 マスク
32 中性子吸収材
50 中性子線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 p-
Claims (5)
前記ソース/ドレイン領域の形成領域を、所定の深さにエッチングするエッチング工程と、
前記p型シリコン基板上に所定の組成の30Si層を堆積させ、前記ソース/ドレイン領域の形成領域に30Si層を選択エピタキシャル成長させる30Si層形成工程と、
前記p型シリコン基板に中性子線を照射して、前記30Si層中に所定の濃度の31Pを形成する中性子線照射工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device, wherein shallow junction source / drain regions are formed on both sides in a gate length direction of a gate structure including a gate insulating film and a gate electrode having a predetermined shape formed at a predetermined position on a p-type silicon substrate. ,
An etching step of etching the source / drain region formation region to a predetermined depth;
The p-type silicon was on the substrate is deposited a 30 Si layer of a predetermined composition, and 30 Si layer formation step of selective epitaxial growth of the 30 Si layer formation region of the source / drain regions,
Irradiating the p-type silicon substrate with a neutron beam to form a predetermined concentration of 31 P in the 30 Si layer; and
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記p型シリコン基板上に所定の組成の30Si層を堆積させ、前記ソース/ドレイン領域に30Si層を選択エピタキシャル成長させる30Si層形成工程と、
前記p型シリコン基板に中性子線を照射して、前記30Si層中に所定の濃度の31Pを有する持ち上げソース/ドレイン層を形成する中性子線照射工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A semiconductor device having a gate structure formed at a predetermined position on a p-type silicon substrate, source / drain regions formed on both sides of the gate structure in the gate length direction, and an elevated structure on the source / drain region. A manufacturing method comprising:
A 30 Si layer forming step of depositing a 30 Si layer having a predetermined composition on the p-type silicon substrate and selectively epitaxially growing the 30 Si layer in the source / drain regions;
Irradiating the p-type silicon substrate with a neutron beam to form a lifted source / drain layer having a predetermined concentration of 31 P in the 30 Si layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記ゲート構造の形成前に前記ゲート構造の形成領域を含む領域に所定の厚さの30Si層を堆積させ、該30Si層に中性子線を照射して、所定の濃度の31Pを含むチャンネル領域を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device, wherein p-type source / drain regions are formed on both sides of a gate structure in a gate length direction of a gate structure including a gate insulating film having a predetermined shape and a gate electrode formed at a predetermined position on a silicon substrate,
Before forming the gate structure, a 30 Si layer having a predetermined thickness is deposited in a region including the formation region of the gate structure, and the 30 Si layer is irradiated with neutron beams, so that a channel containing 31 P having a predetermined concentration is formed. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a region.
所定の位置に中性子吸収材を配置したマスクを、前記中性子吸収材が前記p型シリコン基板上のゲート構造形成領域と重なるように位置合せして、前記p型シリコン基板上に配置するマスク配置工程と、
前記マスク上から中性子線を前記p型シリコン基板上に照射して、前記30Si層中に所定の濃度の31Pに変換してソース/ドレイン領域を形成する中性子線照射工程と、
を含み、前記中性子吸収材の配置位置に対応する前記ゲート構造形成領域にゲート構造を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 a 30 Si layer forming step of epitaxially growing a 30 Si layer having a predetermined composition on a p-type silicon substrate;
A mask placement step in which a mask in which a neutron absorber is disposed at a predetermined position is aligned on the p-type silicon substrate by aligning the neutron absorber with the gate structure formation region on the p-type silicon substrate. When,
A neutron beam irradiation step of irradiating the p-type silicon substrate with a neutron beam from above the mask and converting it into a predetermined concentration of 31 P in the 30 Si layer to form a source / drain region;
And a gate structure is formed in the gate structure formation region corresponding to the position where the neutron absorber is disposed.
A semiconductor device manufactured using the method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
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2005
- 2005-08-08 JP JP2005229887A patent/JP2007048840A/en not_active Abandoned
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