JP2008258354A - Semiconductor device, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、MIS(Metal-Insulator-Semiconductor)型電界効果トランジスタよりなる半導体装置及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 made of a MIS (Metal-Insulator-Semiconductor) type field effect transistor and a manufacturing method thereof.
近年、半導体集積回路装置の高集積化、高機能化及び高速化に伴って、MIS型電界効果トランジスタの微細化が進み、ゲート長は短く、例えば60nm程度に、また、ゲート絶縁膜の厚さは薄く、例えば2nm程度に形成される傾向にある。この微細化により、半導体基板におけるゲート電極のゲート長方向側の両側端部の下側に形成される高濃度不純物拡散層とゲート電極とが重なる領域(オーバラップ領域)の寄生抵抗がトランジスタ特性の駆動能力を左右する。 In recent years, along with higher integration, higher functionality, and higher speed of semiconductor integrated circuit devices, miniaturization of MIS field effect transistors has progressed, and the gate length is short, for example, about 60 nm, and the thickness of the gate insulating film. Tends to be thin, for example, about 2 nm. As a result of this miniaturization, the parasitic resistance of the region where the high concentration impurity diffusion layer and the gate electrode overlap with each other on both sides of the gate electrode in the gate length direction on the semiconductor substrate overlaps the transistor characteristics. It influences driving ability.
しかしながら、従来の技術では、高濃度不純物層が形成される半導体基板の上面が、製造過程で掘り込まれてしまうという問題が発生しており、トランジスタ特性における駆動能力の劣化をもたらしている。さらに、ゲート電極のゲート長方向側の側面上又は側部に形成される、いわゆるゲート電極側壁酸化膜(オフセットサイドウォール酸化膜)の膜厚がオーバラップ領域の幅寸法を決定する主要な構成要素となっており、オフセットサイドウォール酸化膜の膜厚のばらつきが、トランジスタ特性のばらつきに大きな影響を与えつつある。 However, the conventional technique has a problem that the upper surface of the semiconductor substrate on which the high-concentration impurity layer is formed is dug during the manufacturing process, resulting in a deterioration in driving capability in transistor characteristics. Furthermore, the main component that determines the width dimension of the overlap region is the thickness of the so-called gate electrode side wall oxide film (offset side wall oxide film) formed on the side surface or the side portion of the gate electrode in the gate length direction. Therefore, the variation in the thickness of the offset sidewall oxide film is greatly affecting the variation in the transistor characteristics.
以下、図12(a)〜図12(d)を参照しながら、下記の特許文献1に示された、ゲート電極の表面を湿式酸化した後、エクステンション注入を行なう半導体装置の製造方法について説明する。 Hereinafter, with reference to FIGS. 12A to 12D, a method for manufacturing a semiconductor device shown in the following Patent Document 1 in which the surface of the gate electrode is wet-oxidized and then subjected to extension implantation will be described. .
まず、図12(a)に示すように、公知の方法により、シリコンよりなる半導体基板10の上部にP型井戸拡散層15を形成する。その後、半導体基板10の主面上に、酸化シリコンよりなるゲート絶縁膜16を形成し、その後、ゲート絶縁膜16の上に、ポリシリコンよりなるゲート電極22を選択的に形成する。
First, as shown in FIG. 12A, a P-type
次に、図11(b)に示すように、ゲート電極22の表面を湿式酸化法によって酸化することにより、ゲート電極22の両側部にオフセットサイドウォール酸化膜32を形成する。このとき、ゲート電極22の上面及び半導体基板10におけるゲート絶縁膜16の下側の領域も同時に酸化される。
Next, as shown in FIG. 11B, an offset
次に、図12(c)に示すように、ゲート電極22及びオフセットサイドウォール酸化膜32をマスクとして、半導体基板10の上部にゲート絶縁膜16を介してN型不純物24を注入することにより、N型のエクステンション拡散層26を形成する。
Next, as shown in FIG. 12C, by using the
次に、図12(d)に示すように、化学気相成長(chemical vapor deposition:CVD)法により、ゲート絶縁膜16及びゲート電極22上のオフセットサイドウォール酸化膜32を覆うようにシリコン酸化膜(CVD酸化膜)を堆積し、その後、堆積したCVD酸化膜に対して全面的にドライエッチングを行なうことにより、CVD酸化膜からゲート電極22の両側面上にサイドウォール34を形成する。続いて、ゲート電極22、オフセットサイドウォール酸化膜32及びサイドウォール34をマスクとして、半導体基板10の上部にN型不純物を注入することにより、N型のソースドレーン(S/D)拡散層37を形成する。その後、急速高温加熱処理により、エクステンション拡散層26及びソースドレーン拡散層37を活性化する。
しかしながら、前記従来の半導体装置の製造方法は、エクステンション拡散層26を形成するためのN型の不純物を半導体基板10の上部に注入する前であって、オフセットサイドウォール酸化膜32を形成するための湿式酸化を行なう際に、ゲート絶縁膜16におけるゲート電極22の両側方部分も酸化されてしまう。このため、半導体基板10の上面におけるゲート電極22の両側方部分は、半導体基板10とゲート絶縁膜16におけるゲート電極22の下側部分との界面よりも低くなる。
However, the conventional method for manufacturing a semiconductor device is for forming an offset
この半導体基板10におけるゲート電極22の両側方部分の酸化膜による掘り込みが、半導体基板(P型井戸拡散層15)におけるゲート電極22の下側に形成されるチャネル領域とエクステンション拡散層26との間に段差部を形成する。この段差部がトランジスタの動作時に寄生抵抗となるため、トランジスタ特性を劣化させるという問題がある。
The digging by the oxide film on both sides of the
また、エクステンション拡散層26を形成するよりも前に、ゲート絶縁膜16及びオフセットサイドウォール酸化膜32を形成しており、エクステンション拡散層26の深さの変動によって、ゲート電極22の側端部とエクステンション拡散層26とがゲート絶縁膜16を介在させて重なる領域(オーバラップ領域)の寸法がばらつくという問題がある。このオーバラップ領域の寸法ばらつきによってトランジスタ特性もばらつくことになる。
Further, the
本発明は、前記従来の問題に鑑み、半導体基板(半導体領域)におけるゲート電極の両側方部分の掘り込みをなくすと共に、ゲート電極とエクステンション拡散層とのオーバラップ領域のばらつきを低減できるようにすることを目的とする。 In view of the above-described conventional problems, the present invention eliminates the dug-up of both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate (semiconductor region) and reduces variations in the overlap region between the gate electrode and the extension diffusion layer. For the purpose.
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体装置及びその製造方法を、ゲート電極の両側面上に形成するオフセットサイドウォール酸化膜(第1のゲート電極側壁絶縁膜)の膜厚をゲート絶縁膜の膜厚よりも薄くし、且つ第1のゲート電極側壁絶縁膜をエクステンション拡散層(不純物拡散層)の注入よりも前に形成する構成とする。 In order to achieve the above object, according to the present invention, a semiconductor device and a method for manufacturing the same are formed by reducing the thickness of an offset sidewall oxide film (first gate electrode sidewall insulating film) formed on both side surfaces of a gate electrode. The thickness is smaller than the thickness of the film, and the first gate electrode sidewall insulating film is formed before the implantation of the extension diffusion layer (impurity diffusion layer).
具体的に、本発明に係る第1の半導体装置は、半導体領域の上に形成され、誘電率が酸化シリコンよりも高いゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上に形成され、ポリシリコンよりなるゲート電極と、ゲート電極の側面上に形成され、ゲート絶縁膜よりも膜厚が薄い第1のゲート電極側壁絶縁膜と、ゲート電極の側面上に第1のゲート電極側壁絶縁膜を介在させて形成され、ゲート絶縁膜よりも膜厚が厚い第2のゲート電極側壁絶縁膜と、半導体領域におけるゲート電極の側端部の下側並びに第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の下側に形成された不純物拡散層とを備え、半導体領域における不純物拡散層の上面は平坦であることを特徴とする。 Specifically, a first semiconductor device according to the present invention includes a gate insulating film formed on a semiconductor region and having a dielectric constant higher than that of silicon oxide, and a gate formed of polysilicon and formed on the gate insulating film. An electrode, a first gate electrode sidewall insulating film formed on a side surface of the gate electrode and having a thickness smaller than that of the gate insulating film, and a first gate electrode sidewall insulating film interposed on the side surface of the gate electrode A second gate electrode side wall insulating film having a thickness larger than that of the gate insulating film, a lower side edge of the gate electrode in the semiconductor region, the first gate electrode side wall insulating film, and the second gate electrode side wall insulating film. And an impurity diffusion layer formed below the film, and the upper surface of the impurity diffusion layer in the semiconductor region is flat.
第1の半導体装置によると、ゲート電極の側面上に形成される第1のゲート電極側壁絶縁膜の厚さが、ゲート絶縁膜よりも膜厚が薄いため、オフセットサイドウォール形成用の第1のゲート電極側壁絶縁膜の形成工程において、不純物拡散層の上部に新たな酸化層等の絶縁層が形成されることがない。従って、半導体領域の上部に新たに形成される絶縁層に起因する半導体領域の上部の掘り込みが生じなくなる。また、不純物拡散層を形成する際に注入された不純物の絶対量の減少という問題も生じない。従って、動作時に寄生抵抗がなく、駆動能力に優れたMIS型電界効果トランジスタを実現することができる。 According to the first semiconductor device, since the thickness of the first gate electrode sidewall insulating film formed on the side surface of the gate electrode is smaller than that of the gate insulating film, the first sidewall for forming the offset sidewall is formed. In the step of forming the gate electrode sidewall insulating film, a new insulating layer such as an oxide layer is not formed on the impurity diffusion layer. Therefore, digging of the upper portion of the semiconductor region due to the newly formed insulating layer on the upper portion of the semiconductor region does not occur. In addition, there is no problem of a decrease in the absolute amount of impurities implanted when forming the impurity diffusion layer. Accordingly, it is possible to realize a MIS field effect transistor having no parasitic resistance during operation and excellent driving ability.
本発明に係る第2の半導体装置は、半導体領域に形成されたNMIS型電界効果トランジスタ及びPMIS型電界効果トランジスタを備え、NMIS型電界効果トランジスタは、半導体領域の上部に形成されたP型井戸拡散層と、半導体領域の上に形成され、誘電率が酸化シリコンよりも高いゲート絶縁膜と、P型井戸拡散層の上にゲート絶縁膜を介在させて形成され、ポリシリコンよりなるNMISゲート電極と、NMISゲート電極の側面上に形成され、ゲート絶縁膜よりも膜厚が薄い第1のNMISゲート電極側壁絶縁膜と、NMISゲート電極の側面上に第1のNMISゲート電極側壁絶縁膜を介在させて形成され、ゲート絶縁膜よりも膜厚が厚い第2のNMISゲート電極側壁絶縁膜と、P型井戸拡散層におけるNMISゲート電極の側端部の下側並びに第1のNMISゲート電極側壁絶縁膜及び第2のNMISゲート電極側壁絶縁膜の下側に形成されたN型不純物拡散層とを有し、PMIS型電界効果トランジスタは、半導体領域の上部にP型井戸拡散層と素子分離層により分離されて形成されたN型井戸拡散層と、半導体領域の上に形成されたゲート絶縁膜と、N型井戸拡散層の上にゲート絶縁膜を介在させて形成され、ポリシリコンよりなるPMISゲート電極と、PMISゲート電極の側面上に形成され、ゲート絶縁膜よりも膜厚が薄い第1のPMISゲート電極側壁絶縁膜と、PMISゲート電極の側面上に第1のPMISゲート電極側壁絶縁膜を介在させて形成され、ゲート絶縁膜よりも膜厚が厚い第2のPMISゲート電極側壁絶縁膜と、N型井戸拡散層におけるPMISゲート電極の側端部の下側並びに第1のPMISゲート電極側壁絶縁膜及び第2のPMISゲート電極側壁絶縁膜の下側に形成されたP型不純物拡散層とを有し、P型井戸拡散層におけるN型不純物拡散層の上面とN型井戸拡散層におけるP型不純物拡散層の上面とは、平坦であることを特徴とする。 A second semiconductor device according to the present invention includes an NMIS field effect transistor and a PMIS field effect transistor formed in a semiconductor region, and the NMIS field effect transistor is formed in a P type well diffusion formed in an upper portion of the semiconductor region. A gate insulating film formed on the semiconductor region and having a dielectric constant higher than that of silicon oxide; an NMIS gate electrode made of polysilicon formed on the P-type well diffusion layer with a gate insulating film interposed therebetween; The first NMIS gate electrode side wall insulating film formed on the side surface of the NMIS gate electrode and having a thickness smaller than that of the gate insulating film, and the first NMIS gate electrode side wall insulating film interposed on the side surface of the NMIS gate electrode And a second NMIS gate electrode sidewall insulating film having a thickness greater than that of the gate insulating film, and an NMIS gate electrode in the P-type well diffusion layer. And an N-type impurity diffusion layer formed below the first NMIS gate electrode side wall insulating film and the second NMIS gate electrode side wall insulating film. An N-type well diffusion layer formed on the semiconductor region by a P-type well diffusion layer and an element isolation layer; a gate insulating film formed on the semiconductor region; and an N-type well diffusion layer. A PMIS gate electrode made of polysilicon and formed on the side surface of the PMIS gate electrode, the first PMIS gate electrode sidewall insulating film being thinner than the gate insulating film, A second PMIS gate electrode sidewall insulating film formed on the side surface of the gate electrode with a first PMIS gate electrode sidewall insulating film interposed therebetween and thicker than the gate insulating film; and an N-type well diffusion layer A P-type impurity diffusion layer formed on the lower side of the side end portion of the PMIS gate electrode and on the lower side of the first PMIS gate electrode side wall insulating film and the second PMIS gate electrode side wall insulating film. The upper surface of the N-type impurity diffusion layer in the well diffusion layer and the upper surface of the P-type impurity diffusion layer in the N-type well diffusion layer are flat.
第2の半導体装置によると、NMISゲート電極及びPMISゲート電極の各側面上に形成される第1及び第2のゲート電極側壁絶縁膜の厚さが、ゲート絶縁膜よりも膜厚が薄い。このため、オフセットサイドウォール形成用の第1及び第2のゲート電極側壁絶縁膜の形成工程において、不純物拡散層の上部に新たな酸化層等の絶縁層が形成されることがない。このため、半導体領域の上部に形成される新たな絶縁層に起因する半導体領域の上部の掘り込みが生じなくなる。また、N型及びP型不純物拡散層を形成する際に注入された各不純物が減少するという問題も生じない。従って、動作時に寄生抵抗がなく、駆動能力に優れたNMIS型及びPMIS型電界効果トランジスタを実現することができる。 According to the second semiconductor device, the first and second gate electrode sidewall insulating films formed on the side surfaces of the NMIS gate electrode and the PMIS gate electrode are thinner than the gate insulating film. Therefore, a new insulating layer such as an oxide layer is not formed on the impurity diffusion layer in the step of forming the first and second gate electrode sidewall insulating films for forming the offset sidewall. For this reason, the upper digging of the semiconductor region due to the new insulating layer formed on the upper portion of the semiconductor region does not occur. Further, there is no problem that the impurities implanted when forming the N-type and P-type impurity diffusion layers are reduced. Therefore, an NMIS type and PMIS type field effect transistor having no parasitic resistance during operation and excellent driving ability can be realized.
本発明に係る第1の半導体装置の製造方法は、半導体領域の上に誘電率が酸化シリコンよりも高いゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜の上にポリシリコンよりなるゲート電極形成膜を形成する工程と、ゲート電極形成膜をパターニングすることにより、ポリシリコンよりなるゲート電極を形成すると共に、半導体領域におけるゲート電極の両側方にゲート絶縁膜を残す工程と、半導体領域にゲート電極をマスクとし且つゲート絶縁膜を介して不純物イオンを注入することにより、半導体領域に不純物拡散層を形成する工程と、不純物拡散層を形成した後、ゲート電極の側面上に、酸化法によりゲート絶縁膜よりも膜厚が薄いゲート電極側壁絶縁膜を形成する工程とを備えていることを特徴とする。 A first method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a gate insulating film having a dielectric constant higher than that of silicon oxide on a semiconductor region, and a gate electrode forming film made of polysilicon on the gate insulating film. Forming a gate electrode made of polysilicon by patterning the gate electrode formation film, leaving a gate insulating film on both sides of the gate electrode in the semiconductor region, and forming a gate electrode in the semiconductor region. A step of forming an impurity diffusion layer in the semiconductor region by implanting impurity ions through the gate insulating film as a mask, and after forming the impurity diffusion layer, a gate insulating film is formed on the side surface of the gate electrode by an oxidation method And a step of forming a gate electrode side wall insulating film having a smaller film thickness.
第1の半導体装置の製造方法によると、エクステンション拡散層となる不純物拡散層を形成した後に、ゲート電極の側面上に酸化法によりゲート絶縁膜よりも膜厚が薄いゲート電極側壁絶縁膜(オフセットサイドウォール)を形成する。このため、ゲート電極と不純物拡散層とが重なるオーバラップ領域の幅は、その後の活性化アニールによる不純物拡散層の拡散長からオフセットサイドウォールが形成されたことによるゲート電極の側端部の膜減り分を差し引いた値となる。これに対し、従来技術においては、オフセットサイドウォールを形成した後、エクステンション拡散層となる不純物拡散層を形成するため、オーバラップ領域の幅は、活性化アニールによる不純物拡散層の拡散長からオフセットサイドウォールの膜厚を差し引いた値となる。ここで、従来技術のオーバラップ領域におけるオフセットサイドウォールの膜厚のばらつきは、ゲート電極の側端部が酸化等により生じる膜減りのばらつきに加え、ゲート電極の対向する両側面が対向する方向に酸化成長することによるばらつきをも含む。従って、従来技術におけるオーバラップ領域の幅のばらつきに対し、本発明では、よりオーバラップ領域の幅のばらつきを低減できる。従って、短チャネル特性と駆動能力とに優れたMIS型電界効果トランジスタを実現することができる。 According to the first method for manufacturing a semiconductor device, after forming an impurity diffusion layer to be an extension diffusion layer, a gate electrode sidewall insulating film (offset side) having a thickness smaller than that of the gate insulating film is formed on the side surface of the gate electrode by an oxidation method. Wall). For this reason, the width of the overlap region where the gate electrode and the impurity diffusion layer overlap is reduced from the diffusion length of the impurity diffusion layer by the subsequent activation annealing due to the formation of the offset sidewall on the side edge of the gate electrode. The value after subtracting minutes. On the other hand, in the conventional technique, after forming the offset sidewall, an impurity diffusion layer to be an extension diffusion layer is formed. Therefore, the width of the overlap region is determined from the diffusion length of the impurity diffusion layer by activation annealing. The value is obtained by subtracting the wall thickness. Here, the variation in the film thickness of the offset sidewall in the overlap region of the prior art is in the direction in which the opposite side surfaces of the gate electrode face each other in addition to the film thickness variation caused by oxidation or the like at the side edge of the gate electrode. Including variation due to oxidation growth. Therefore, in contrast to the variation in the width of the overlap region in the prior art, the present invention can further reduce the variation in the width of the overlap region. Therefore, it is possible to realize a MIS field effect transistor having excellent short channel characteristics and driving capability.
本発明に係る第2の半導体装置の製造方法は、半導体領域に素子分離層により分離されたP型井戸拡散層及びN型拡散層を形成する工程(a)と、P型井戸拡散層及びN型拡散層の上に、誘電率が酸化シリコンよりも高いゲート絶縁膜を形成する工程(b)と、ゲート絶縁膜の上にポリシリコンよりなるゲート電極形成膜を形成する工程(c)と、ゲート電極形成膜をパターニングすることにより、P型井戸拡散層の上にポリシリコンよりなるNMISゲート電極を形成し、N型井戸拡散層の上にポリシリコンよりなるPMISゲート電極を形成すると共に、半導体領域におけるNMISゲート電極及びPMISゲート電極の両側方にそれぞれゲート絶縁膜を残す工程(d)と、工程(d)よりも後に、P型井戸拡散層にNMISゲート電極をマスクとし且つゲート絶縁膜を介してN型不純物イオンを注入することにより、P型井戸拡散層にN型不純物拡散層を形成すると共に、NMISゲート電極の少なくとも側部にN型不純物イオンを注入する工程(e)と、工程(d)よりも後に、N型井戸拡散層にPMISゲート電極をマスクとし且つゲート絶縁膜を介してP型不純物イオンを注入することにより、N型井戸拡散層にP型不純物拡散層を形成すると共に、PMISゲート電極の少なくとも側部にP型不純物イオンを注入する工程(f)と、工程(e)及び工程(f)よりも後に、NMISゲート電極及びPMISゲート電極の各側面上に、酸化法により、それぞれゲート絶縁膜よりも膜厚が薄いゲート電極側壁絶縁膜を形成する工程(g)とを備えていることを特徴とする。 The second method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step (a) of forming a P-type well diffusion layer and an N-type diffusion layer separated by an element isolation layer in a semiconductor region, a P-type well diffusion layer, and an N-type diffusion layer. A step (b) of forming a gate insulating film having a dielectric constant higher than that of silicon oxide on the mold diffusion layer; a step (c) of forming a gate electrode forming film made of polysilicon on the gate insulating film; By patterning the gate electrode formation film, an NMIS gate electrode made of polysilicon is formed on the P-type well diffusion layer, a PMIS gate electrode made of polysilicon is formed on the N-type well diffusion layer, and a semiconductor (D) leaving gate insulating films on both sides of the NMIS gate electrode and the PMIS gate electrode in the region, and the NMIS gate electrode in the P-type well diffusion layer after step (d) By implanting N-type impurity ions through the gate insulating film as a mask, an N-type impurity diffusion layer is formed in the P-type well diffusion layer, and N-type impurity ions are implanted into at least the side of the NMIS gate electrode. After step (e) and step (d), P-type impurity ions are implanted into the N-type well diffusion layer using the PMIS gate electrode as a mask and through the gate insulating film, so that P-type impurity is diffused into the N-type well diffusion layer. A step (f) of forming a p-type impurity diffusion layer and implanting p-type impurity ions into at least a side portion of the PMIS gate electrode; and after the steps (e) and (f), the NMIS gate electrode and the PMIS gate electrode A step (g) of forming a gate electrode sidewall insulating film having a thickness smaller than that of the gate insulating film by an oxidation method on each of the side surfaces.
第2の半導体装置の製造方法によると、P型井戸拡散層にN型不純物拡散層を形成すると共にNMISゲート電極の少なくとも側部にN型不純物イオンを注入し、且つ、N型井戸拡散層にP型不純物拡散層を形成すると共にPMISゲート電極の少なくとも側部にP型不純物イオンを注入した後、NMISゲート電極及びPMISゲート電極の各側面上に、それぞれゲート絶縁膜よりも膜厚が薄いゲート電極側壁絶縁膜を形成する。このため、N型不純物を注入したNMISゲート電極の側部の絶縁膜の膜厚に対し、酸化係数がより大きいP型不純物を注入したPMISゲート電極の側部に形成される絶縁膜の膜厚の方が厚くなる。一方、半導体領域に形成されたN型不純物拡散層に注入されるN型不純物に対し、P型不純物拡散層に注入されるP型不純物は、アニールによる活性化処理時の拡散長が大きい。このため、NMISゲート電極とN型不純物拡散層とのオーバラップ領域と、PMISゲート電極とP型不純物拡散層とのオーバラップ領域とがそれぞれ自己整合的に形成される。従って、短チャネル特性と駆動能力とに優れたNMIS型及びPMIS型電界効果トランジスタを実現することができる。 According to the second method for manufacturing a semiconductor device, an N-type impurity diffusion layer is formed in a P-type well diffusion layer, N-type impurity ions are implanted into at least a side portion of the NMIS gate electrode, and the N-type well diffusion layer is formed. After forming a P-type impurity diffusion layer and implanting P-type impurity ions into at least the side of the PMIS gate electrode, the gate is thinner on each side of the NMIS gate electrode and the PMIS gate electrode than the gate insulating film. An electrode sidewall insulating film is formed. Therefore, the thickness of the insulating film formed on the side of the PMIS gate electrode implanted with the P-type impurity having a larger oxidation coefficient than the thickness of the insulating film on the side of the NMIS gate electrode implanted with the N-type impurity. Is thicker. On the other hand, the P-type impurity injected into the P-type impurity diffusion layer has a larger diffusion length during the activation process by annealing than the N-type impurity injected into the N-type impurity diffusion layer formed in the semiconductor region. Therefore, an overlap region between the NMIS gate electrode and the N-type impurity diffusion layer and an overlap region between the PMIS gate electrode and the P-type impurity diffusion layer are formed in a self-aligned manner. Therefore, an NMIS type and PMIS type field effect transistor excellent in short channel characteristics and driving capability can be realized.
本発明に係る第3の半導体装置の製造方法は、半導体領域に素子分離層により分離されたP型井戸拡散層及びN型拡散層を形成する工程(a)と、P型井戸拡散層及びN型拡散層の上に、誘電率が酸化シリコンよりも高いゲート絶縁膜を形成する工程(b)と、ゲート絶縁膜の上にポリシリコンよりなるゲート電極形成膜を形成する工程(c)と、ゲート電極形成膜をパターニングすることにより、P型井戸拡散層の上にポリシリコンよりなるNMISゲート電極を形成し、N型井戸拡散層の上にポリシリコンよりなるPMISゲート電極を形成すると共に、半導体領域におけるNMISゲート電極及びPMISゲート電極の両側方にそれぞれゲート絶縁膜を残す工程(d)と、工程(d)よりも後に、P型井戸拡散層にNMISゲート電極をマスクとし且つゲート絶縁膜を介してN型不純物イオンを注入することにより、P型井戸拡散層にN型不純物拡散層を形成すると共に、NMISゲート電極の少なくとも側部にN型不純物イオンを注入する工程(e)と、工程(e)よりも後に、NMISゲート電極及びPMISゲート電極の各側面上に、酸化法により、それぞれゲート絶縁膜よりも膜厚が薄いゲート電極側壁絶縁膜を形成する工程(f)と、工程(f)よりも後に、N型井戸拡散層にPMISゲート電極をマスクとし且つゲート絶縁膜を介してP型不純物イオンを注入することにより、N型井戸拡散層にP型不純物拡散層を形成する工程(g)とを備えていることを特徴とする。 The third method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step (a) of forming a P-type well diffusion layer and an N-type diffusion layer separated by an element isolation layer in a semiconductor region, a P-type well diffusion layer, and an N-type diffusion layer. A step (b) of forming a gate insulating film having a dielectric constant higher than that of silicon oxide on the mold diffusion layer; a step (c) of forming a gate electrode forming film made of polysilicon on the gate insulating film; By patterning the gate electrode formation film, an NMIS gate electrode made of polysilicon is formed on the P-type well diffusion layer, a PMIS gate electrode made of polysilicon is formed on the N-type well diffusion layer, and a semiconductor (D) leaving gate insulating films on both sides of the NMIS gate electrode and the PMIS gate electrode in the region, and the NMIS gate electrode in the P-type well diffusion layer after step (d) By implanting N-type impurity ions through the gate insulating film as a mask, an N-type impurity diffusion layer is formed in the P-type well diffusion layer, and N-type impurity ions are implanted into at least the side of the NMIS gate electrode. Step (e) and a step of forming a gate electrode sidewall insulating film having a thickness smaller than that of the gate insulating film on each side surface of the NMIS gate electrode and the PMIS gate electrode by an oxidation method after the step (e). After (f) and step (f), P-type impurity ions are implanted into the N-type well diffusion layer using the PMIS gate electrode as a mask and through the gate insulating film, so that the N-type well diffusion layer is P-type. And a step (g) of forming an impurity diffusion layer.
第3の半導体装置の製造方法によると、P型井戸拡散層にN型不純物拡散層を形成すると共にNMISゲート電極の少なくとも側部にN型不純物イオンを注入した後、NMISゲート電極及びPMISゲート電極の各側面上に、それぞれゲート絶縁膜よりも膜厚が薄いゲート電極側壁絶縁膜を形成する。その後、N型井戸拡散層にP型不純物拡散層を形成する。このため、N型不純物が注入されたNMISゲート電極の側部が酸化されてなる絶縁膜の膜厚は、側部にP型不純物が注入されていない状態のPMISゲート電極の側部に形成される絶縁膜の膜厚とほぼ同等である。半導体装置においては、主にN型エクステンション拡散層、N型ソースドレーン拡散層、P型エクステンション拡散層及びP型ソースドレーン拡散層を活性化するためのアニール工程において、P型井戸拡散層にN型エクステンション拡散層を形成するN型不純物がNMISゲート電極とオーバラップ領域を持つには、少なくともNMISゲート電極の側部を酸化して形成されたオフセットサイドウォール酸化膜(ゲート電極側壁絶縁膜)の膜厚の約半分の距離を熱拡散する必要がある。これに対し、N型井戸拡散層にP型エクステンション拡散層を形成するP型不純物がPMISゲート電極とオーバラップ領域を持つには、少なくともPMISゲート電極の側部を酸化して形成されたオフセットサイドウォール酸化膜の膜厚分の距離を熱拡散する必要がある。ところで、N型エクステンション拡散層のN型不純物に対し、P型エクステンション拡散層のP型不純物は、アニール処理によって活性化された場合の拡散長が大きい。その結果、NMISゲート電極とN型エクステンション拡散層とのオーバラップ領域と、PMISゲート電極とP型エクステンション拡散層とのオーバラップ領域とが自己整合的に形成される。従って、短チャネル特性と駆動能力とに優れたNMIS型及びPMIS型電界効果トランジスタを実現することができる。 According to the third method of manufacturing a semiconductor device, an N-type impurity diffusion layer is formed in a P-type well diffusion layer and N-type impurity ions are implanted into at least a side portion of the NMIS gate electrode, and then an NMIS gate electrode and a PMIS gate electrode A gate electrode sidewall insulating film having a thickness smaller than that of the gate insulating film is formed on each of the side surfaces. Thereafter, a P-type impurity diffusion layer is formed in the N-type well diffusion layer. For this reason, the film thickness of the insulating film formed by oxidizing the side portion of the NMIS gate electrode into which the N-type impurity is implanted is formed on the side portion of the PMIS gate electrode in a state where the P-type impurity is not implanted into the side portion. This is almost the same as the thickness of the insulating film. In a semiconductor device, an N-type extension diffusion layer, an N-type source drain diffusion layer, a P-type extension diffusion layer, and a P-type source drain diffusion layer are annealed to activate the N-type extension diffusion layer. In order for the N-type impurity forming the extension diffusion layer to have an overlap region with the NMIS gate electrode, an offset sidewall oxide film (gate electrode sidewall insulating film) formed by oxidizing at least the side of the NMIS gate electrode It is necessary to thermally diffuse a distance of about half the thickness. On the other hand, in order for the P-type impurity forming the P-type extension diffusion layer in the N-type well diffusion layer to have an overlap region with the PMIS gate electrode, at least the side of the PMIS gate electrode is oxidized to form an offset side. It is necessary to thermally diffuse a distance corresponding to the thickness of the wall oxide film. By the way, the P-type impurity of the P-type extension diffusion layer has a larger diffusion length when activated by the annealing process than the N-type impurity of the N-type extension diffusion layer. As a result, an overlap region between the NMIS gate electrode and the N-type extension diffusion layer and an overlap region between the PMIS gate electrode and the P-type extension diffusion layer are formed in a self-aligned manner. Therefore, an NMIS type and PMIS type field effect transistor excellent in short channel characteristics and driving capability can be realized.
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、半導体基板又は半導体領域におけるゲート電極の両側方部分の掘り込みがなくなると共に、ゲート電極とエクステンション拡散層(不純物拡散層)とのオーバラップ領域のばらつきが低減する。これにより、短チャネル特性に優れ且つ駆動能力に優れたMIS型半導体装置を実現できる。 According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the digging of both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate or the semiconductor region is eliminated, and the variation of the overlap region between the gate electrode and the extension diffusion layer (impurity diffusion layer) is eliminated. Is reduced. Thereby, it is possible to realize a MIS type semiconductor device having excellent short channel characteristics and excellent driving capability.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の要部の断面構成を示している。図1に示すように、上部にP型井戸拡散層150が形成された、シリコン(Si)よりなる半導体基板100の主面上には、ゲート絶縁膜160を介在させたゲート電極220が形成されている。ゲート電極220は、例えばノンドープのポリシリコン膜にN型不純物である、例えばリン(P)、砒素(As)又はアンチモン(Sb)が注入されたポリシリコン膜が所望のサイズで且つゲート絶縁膜160におけるゲート長方向の中央部分に位置するようにパターニングされている。
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a main part of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a
ゲート絶縁膜160は、N型のMIS電界効果トランジスタにおけるゲート電極220の絶縁膜であると同時に、P型井戸拡散層150が形成された半導体基板100の表面の酸化を防止する酸化防止膜である。ゲート絶縁膜160の構成材料には、誘電率が酸化シリコン(SiO2)よりも高い、例えば、窒化シリコン(SiN)、酸化ハフニウムシリコン(HfSiO)、窒化ハフニウムシリコン(HfSiN)、酸窒化ハフニウム(HfON)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化ハフニウムアルミニウム(HfAlO)、酸化ランタンアルミニウム(LaAlO3)、酸化ルテニウム(Lu2O3)、酸化プラセオジウム(Pr2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化ジスプロシウム(Dy2O3)又は酸化ガドリウム(Gd2O3)等を用いることができる。
The
半導体基板100におけるゲート電極220の両側方で且つゲート絶縁膜160の直下の領域には、N型エクステンション拡散層260が形成され、該N型エクステンション拡散層260の下側にはP型ポケット拡散層310が形成されている。
An N-type
ゲート電極220の両側面上及びゲート絶縁膜160の上には、熱酸化によって形成された、第1のゲート電極側壁絶縁膜としての断面L字状のオフセットサイドウォール酸化膜320が形成されている。ここでは、オフセットサイドウォール酸化膜320の膜厚(物理膜厚)は、ゲート絶縁膜160の膜厚(物理膜厚)よりも薄く形成されている。オフセットサイドウォール酸化膜320の外側の側面上及び底面上には、第2のゲート電極側壁絶縁膜としての酸化シリコン及び窒化シリコンの積層膜であるサイドウォール340が形成されている。
On both side surfaces of the
P型井戸拡散層150の上部におけるサイドウォール340の外側の領域には、N型のソースドレーン(S/D)拡散層370がそれぞれ形成されている。
An N-type source drain (S / D)
第1の実施形態に係る半導体装置は、半導体基板100を酸化から防止する機能を持つゲート絶縁膜160の膜厚が、オフセットサイドウォール酸化膜320の膜厚よりも厚いため、オフセットサイドウォール酸化膜320を形成するための熱酸化工程において、N型エクステンション拡散層260が形成されている半導体基板100の表面がほとんど酸化されない。このため、半導体基板100の表面が酸化されることにより生じる基板表面の低下(掘り込み)が生じない。また、N型エクステンション拡散層260の形成用に注入された不純物が減少するという問題も生じることがない。
In the semiconductor device according to the first embodiment, since the thickness of the
従って、短チャネル特性と駆動能力とに優れたMIS型電界効果トランジスタを実現することができる。 Therefore, it is possible to realize a MIS field effect transistor having excellent short channel characteristics and driving capability.
なお、第1の実施形態においては、N型のMIS電界効果トランジスタを示したが、本発明は、P型のMIS電界効果トランジスタよりなる半導体装置にも適用可能である。 In the first embodiment, an N-type MIS field effect transistor is shown. However, the present invention can also be applied to a semiconductor device including a P-type MIS field effect transistor.
以下、前記のように構成された半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a method of manufacturing the semiconductor device configured as described above will be described with reference to the drawings.
図2(a)〜図2(d)、図3(a)〜図3(d)及び図4(a)〜図4(d)は本発明の第1の実施形態に係るN型のMIS電界効果トランジスタの製造方法の工程順の断面構成を示している。 2A to FIG. 2D, FIG. 3A to FIG. 3D, and FIG. 4A to FIG. 4D are N-type MISs according to the first embodiment of the present invention. The cross-sectional structure in order of the process of the manufacturing method of a field effect transistor is shown.
まず、図2(a)に示すように、シリコンよりなる半導体基板100の上部に、P型不純物である、例えば、ホウ素(B)、フッ化ホウ素(BF2)、インジウム(In)又はクラスタイオン(B10H14,B18H22)を、1×1013/cm2程度のドーズ量でイオン注入して、P型井戸拡散層150を形成する。その後、例えば、原子層堆積(Atomic Layer Deposition:ALD)法又は有機金属気相成長(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition:MOCVD)法により、上述した窒化シリコン又は酸化ハフニウムシリコン等の誘電率が酸化シリコンよりも高い誘電体からなり、膜厚(物理膜厚)が10nm程度のゲート絶縁膜160をP型井戸拡散層150が形成された半導体基板100の主面上に形成する。
First, as shown in FIG. 2A, P-type impurities such as boron (B), boron fluoride (BF 2 ), indium (In), or cluster ions are formed on the
次に、図2(b)に示すように、例えば、CVD法により、半導体基板100に形成されたゲート絶縁膜160の上に、膜厚が150nm程度の不純物が添加されていないノンドープポリシリコン膜170Aを堆積する。
Next, as shown in FIG. 2B, a non-doped polysilicon film to which an impurity having a thickness of about 150 nm is not added on the
次に、図2(c)に示すように、ノンドープポリシリコン膜170Aに対して、例えばリン、砒素又はアンチモン等よりなる第1のN型不純物200を、15keVの加速エネルギーで且つ1×1015/cm2程度のドーズ量で注入することにより、第1のN型不純物がドープされたポリシリコン膜170Bを形成する。
Next, as shown in FIG. 2C, the first N-
次に、図2(d)に示すように、リソグラフィ法により、第1のN型不純物がドープされたポリシリコン膜170Bの上に、ゲート電極形成パターンを有するレジストパターン330を形成する。
Next, as shown in FIG. 2D, a resist
次に、図3(a)に示すように、例えばドライエッチングにより、レジストパターン330をマスクとしてポリシリコン膜170Bをパターニングして、ポリシリコン膜170Bからゲート電極220を形成する。その後、レジストパターン330をアッシング又は洗浄により除去する。ここで、ゲート電極220のゲート長Lgは60nm程度である。
Next, as shown in FIG. 3A, the
次に、図3(b)に示すように、半導体基板100に、ゲート電極220をマスクとし且つゲート絶縁膜160を介して、例えばリン、砒素又はアンチモン等よりなる第2のN型不純物240を、3keVの加速エネルギーで且つ1×1015/cm2程度のドーズ量で注入する。これにより、P型井戸拡散層150の上部に第2のN型不純物が注入されたN型エクステンション拡散層260が形成される。このとき、ゲート電極220の両側部にも第2のN型不純物が注入される。
Next, as shown in FIG. 3B, a second N-
次に、図3(c)に示すように、半導体基板100に、ゲート電極220をマスクとし且つゲート絶縁膜160を介して、例えばホウ素、フッ化ホウ素、インジウム又はクラスタイオン(B10H14,B18H22)等よりなるP型不純物290を10keVの加速エネルギーで且つ1×1013/cm2程度のドーズ量で注入することにより、P型井戸拡散層150におけるN型エクステンション拡散層260の下側にP型ポケット拡散層310を形成する。
Next, as illustrated in FIG. 3C, for example, boron, boron fluoride, indium, or cluster ions (B 10 H 14 , B) are formed on the
次に、図3(d)に示すように、ゲート電極220に対して、温度が400℃程度のオゾン(O3)雰囲気で10分間程度の熱酸化を行なって、ゲート電極220の上部及び両側部に膜厚が6nmのオフセットサイドウォール酸化膜320を形成する。このとき、オフセットサイドウォール酸化膜320の膜厚は、ゲート絶縁膜160の膜厚よりも薄くする。このオフセットサイドウォール酸化膜320により、ゲート電極220とN型エクステンション拡散層260とがゲート絶縁膜160を介在させて重なる領域(オーバラップ領域)の幅が制御される。
Next, as shown in FIG. 3D, the
次に、低圧化学気相成長(Low Pressure-Chemical Vapor Deposition:LP−CVD)法又は常圧化学気相成長(Atomospheric Pressure-Chemical Vapor Deposition:AP−CVD)法により、半導体基板100の上にゲート電極220及びオフセットサイドウォール酸化膜320を含む全面にわたって、膜厚が10nm程度のシリコン酸化膜及び膜厚が50nm程度のシリコン窒化膜を堆積する。その後、堆積したシリコン窒化膜及びシリコン酸化膜に対して全面的にエッチバックを行なうことにより、図4(a)に示すように、ゲート電極220の両側面上及びゲート絶縁膜160におけるゲート電極220の両側方部分の上に、オフセットサイドウォール酸化膜320を介在させたシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の積層膜よりなるサイドウォール340を形成する。
Next, a gate is formed on the
次に、図4(b)に示すように、半導体基板100に、ゲート電極220、オフセットサイドウォール酸化膜320及びサイドウォール340をマスクとして、例えばリン、砒素又はアンチモン等よりなる第3のN型不純物を30keVの加速エネルギーで且つ2×1015/cm2程度のドーズ量で注入する。これにより、P型井戸拡散層150におけるゲート電極220の両側方の領域であって、N型エクステンション拡散層260及びP型ポケット拡散層310の外側にN型ソースドレーン(S/D)拡散層370が形成される。続いて、1050℃の温度で約20秒間の急速高温加熱(Rapid Thermal Annealing:RTA)処理を行なうことにより、N型エクステンション拡散層260、P型ポケット拡散層310及びN型S/D拡散層370をそれぞれ活性化させる。本工程により、ゲート電極220とN型エクステンション拡散層260とがゲート絶縁膜160を介在させて重なる領域(オーバラップ領域)が決定される。
Next, as shown in FIG. 4B, a third N type made of, for example, phosphorus, arsenic, antimony, or the like is formed on the
次に、図4(c)に示すように、公知の技術により、ゲート電極220の上部及びN型S/D拡散層370の上部に、コバルトシリサイド(CoSi2)又はニッケルシリサイド(NiSi)等のシリサイド層390を形成して、ゲート電極220及びN型S/D拡散層370を低抵抗化する。
Next, as shown in FIG. 4C, cobalt silicide (CoSi 2 ) or nickel silicide (NiSi) or the like is formed on the upper portion of the
次に、図4(d)に示すように、公知の技術により、シリサイド化されたN型S/D拡散層370、シリサイド化されたゲート電極220及びサイドウォール340を覆うように、酸化シリコンよりなる層間膜バッファ層400と層間絶縁膜膜410とを堆積する。続いて、堆積した層間絶縁膜410の上面を平坦化した後、層間絶縁膜410及び層間膜バッファ層400に、N型S/D拡散層370の一方を露出するコンタクトホールを形成する。その後、形成されたコンタクトホールの底面及び壁面に沿ってコンタクトバリアメタル420を形成し、該コンタクトバリアメタル420の上にコンタクトプラグ430を充填する。続いて、層間絶縁膜410の上に、コンタクトプラグ430と接続されるようにメタル配線440を選択的に形成して、第1の実施形態に係る半導体装置を得る。
Next, as shown in FIG. 4 (d), silicon oxide is used to cover the silicided N-type S /
前述した従来技術においては、ゲート電極22にオフセットサイドウォール酸化膜32を形成するための酸化を行なった後に、エクステンション拡散層26を形成する不純物注入を行なうため、ゲート電極22とエクステンション拡散層26とが重なる領域(オーバラップ領域)の幅は、図12(d)に示すように、エクステンション拡散層26の拡散長Δdからオフセットサイドウォール酸化膜32の膜厚を差し引いた値となり、すなわち、以下の[式1]で表わされる。
In the above-described prior art, after the
(オーバラップ領域)=(エクステンション拡散層の拡散長Δd)−(オフセットサイドウォール酸化膜の膜厚)………[式1]
これに対し、第1の実施形態においては、エクステンション拡散層260を形成する不純物注入を行なった後に、オフセットサイドウォール酸化膜320を形成するための酸化を行なうため、オーバラップ領域の幅は、図3(b)に示すエクステンション拡散層260の拡散長Δdからゲート電極220の側部が酸化されたことによる膜減り分を差し引いた値となり、以下の[式2]で表わされる。
(Overlap region) = (diffusion length Δd of extension diffusion layer) − (film thickness of offset sidewall oxide film)... [Formula 1]
On the other hand, in the first embodiment, after the impurity implantation for forming the
(オーバラップ領域)=(エクステンション拡散層の拡散長Δd)−(ゲート電極側壁の酸化による膜減り量)………[式2]
[式1]で示した従来技術のオーバラップ領域におけるオフセットサイドウォール酸化膜の膜厚のばらつきは、ゲート電極の側部が酸化による膜減りによって生じるばらつきに加え、ゲート電極におけるゲート長方向の両側面が互いに対向する方向に酸化成長することによって生じるばらつきをも含む。
(Overlap region) = (diffusion length Δd of extension diffusion layer) − (film reduction amount due to oxidation of gate electrode side wall)... [Formula 2]
The variation in the thickness of the offset sidewall oxide film in the overlap region of the prior art shown in [Equation 1] is not only the variation caused by the film thickness reduction due to oxidation on the side of the gate electrode, but also the both sides of the gate electrode in the gate length direction. It also includes variations caused by the oxidative growth of the surfaces facing each other.
従って、第1の実施形態においては、従来技術のオーバラップ領域の幅のばらつきに対し、ゲート電極のゲート長方向に対向する両側面が酸化成長することによって生じるばらつきを含まないことにより、オーバラップ領域の幅のばらつきを低減することができる。 Therefore, in the first embodiment, the overlap of the width of the overlap region of the prior art does not include the variation caused by the oxidation growth of both side surfaces of the gate electrode facing the gate length direction. Variation in the width of the region can be reduced.
その上、第1の実施形態においては、半導体基板100を酸化から防止するゲート絶縁膜160の膜厚は、オフセットサイドウォール酸化膜320の膜厚よりも厚いため、オフセットサイドウォール酸化膜320を形成するための熱酸化工程において、N型エクステンション拡散層260が形成されている半導体基板100の表面はほとんど酸化されることがない。このため、熱酸化によって半導体基板100のシリコン層の表面が低下する(掘り込まれる)という問題が生じない。また、N型エクステンション拡散層260に注入された不純物が減少するという問題も生じることがない。
In addition, in the first embodiment, since the thickness of the
従って、短チャネル特性と駆動能力とに優れたMIS型電界効果トランジスタを実現することができる。 Therefore, it is possible to realize a MIS field effect transistor having excellent short channel characteristics and driving capability.
なお、第1の実施状態においては、N型のMIS電界効果トランジスタ及びその製造方法を説明したが、P型のMIS電界効果トランジスタに適用することも可能である。 In the first embodiment, the N-type MIS field effect transistor and the manufacturing method thereof have been described. However, the present invention can also be applied to a P-type MIS field effect transistor.
さらに、ゲート電極220の側面上に形成したオフセットサイドウォール酸化膜320は、常温で形成する誘導結合型プラズマ酸化法により形成してもよい。
Further, the offset
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to the drawings.
図5(a)〜図5(c)、図6(a)〜図6(c)、図7(a)〜図7(c)及び図8(a)〜図8(c)は本発明の第2の実施形態に係る相補(complemetary)型のMIS電界効果トランジスタの製造方法の工程順の断面構成を示している。 5 (a) to 5 (c), FIG. 6 (a) to FIG. 6 (c), FIG. 7 (a) to FIG. 7 (c) and FIG. 8 (a) to FIG. 10 shows a cross-sectional configuration in the order of steps of a method for manufacturing a complementary MIS field effect transistor according to the second embodiment.
まず、図5(a)に示すように、シリコン(Si)よりなる半導体基板100の上部に選択的に溝(trench)を形成し、形成された溝に絶縁膜を埋め込んで素子分離層(shallow trench isolation:STI)110を形成する。これにより、半導体基板100は、NMIS領域120とPMIS領域130とに区画される。その後、NMIS領域120の上部に、P型不純物である、例えば、ホウ素(B)、フッ化ホウ素(BF2)、インジウム(In)又はクラスタイオン(B10H14,B18H22)を、1×1013/cm2程度のドーズ量で注入して、P型井戸拡散層150を形成する。続いて、PMIS領域130の上部に、N型不純物である、例えば、リン(P)、砒素(As)又はアンチモン(Sb)を、1×1013/cm2程度のドーズ量で注入して、N型井戸拡散層140を形成する。なお、P型井戸拡散層150とN型井戸拡散層140との形成順序は特に問われない。その後、例えば原子層堆積法又は有機金属気相成長法により、誘電率が酸化シリコンよりも高い誘電体からなり、膜厚(物理膜厚)が10nm程度のゲート絶縁膜160をP型井戸拡散層150及びN型井戸拡散層140が形成された半導体基板100の主面上に形成する。
First, as shown in FIG. 5A, a trench is selectively formed on an upper portion of a
ここで、ゲート絶縁膜160は、MIS型電界効果トランジスタの絶縁膜であると同時に、P型井戸拡散層150とN型井戸拡散層140が形成された半導体基板100表面の酸化を防止する酸化防止膜である。また、ゲート絶縁膜材料には、第1の実施形態と同様に、例えば、窒化シリコン(SiN)、酸化ハフニウムシリコン(HfSiO)、窒化ハフニウムシリコン(HfSiN)、酸窒化ハフニウム(HfON)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化ハフニウムアルミニウム(HfAlO)、酸化ランタンアルミニウム(LaAlO3)、酸化ルテニウム(Lu2O3)、酸化プラセオジウム(Pr2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化タンタル(Ta2O5)、酸化ジスプロシウム(Dy2O3)又は酸化ガドリウム(Gd2O3)等を用いることができる。
Here, the
次に、図5(b)に示すように、例えば、CVD法により、半導体基板100に形成したゲート絶縁膜160の上に、膜厚が150nm程度のノンドープポリシリコン膜170Aを堆積する。続いて、リソグラフィ法により、ノンドープポリシリコン膜170Aの上に、PMIS領域130を覆う第1のレジストパターン330を形成する。続いて、第1のレジストパターン330をマスクとして、ノンドープポリシリコン膜170Aに対して、例えばリン、砒素又はアンチモン等よりなる第1のN型不純物200を、15keVの加速エネルギーで且つ1×1015/cm2程度のドーズ量で注入することにより、ノンドープポリシリコン膜170AにおけるNMIS領域120に、第1のN型不純物がドープされたポリシリコン膜170Bを形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, a
次に、図5(c)に示すように、第1のレジストパターン330を除去した後、リソグラフィ法により、ポリシリコン膜170Bの上に、NMIS領域120を覆う第2のレジストパターン331を形成する。続いて、第2のレジストパターン331をマスクとして、PMIS領域130のノンドープポリシリコン膜170Aに対して、例えばホウ素、フッ化ホウ素、インジウム又は又はクラスタイオン(B10H14,B18H22)等よりなる第1のP型不純物210を、2keVの加速エネルギーで且つ1×1015/cm2程度のドーズ量で注入することにより、ノンドープポリシリコン膜170Aから、第1のP型不純物がドープされたポリシリコン膜170Cを形成する。
Next, as shown in FIG. 5C, after removing the first resist
次に、図6(a)に示すように、第2のレジストパターン331を除去した後、リソグラフィ法により、第1のN型不純物がドープされたポリシリコン膜170Bの上にNMISゲート電極形成パターンを有すると共に、第1のP型不純物がドープされたポリシリコン膜170Cの上にPMISゲート電極形成パターンを有する第3のレジストパターン332を形成する。
Next, as shown in FIG. 6A, after removing the second resist
次に、図6(b)に示すように、例えばドライエッチングにより、第3のレジストパターン332をマスクとして、NMIS領域120におけるポリシリコン膜170B及びPNIS領域130におけるポリシリコン膜170Cをパターニングして、ポリシリコン膜170BからNMISゲート電極220を形成する共に、ポリシリコン膜170CからPMISゲート電極230を形成する。その後、第3のレジストパターン330をアッシング又は洗浄により除去する。ここで、NMISゲート電極220及びPMISゲート電極230の各ゲート長Lgは60nm程度である。
Next, as shown in FIG. 6B, the
次に、図6(c)に示すように、リソグラフィ法により、PMISゲート電極230を含めPMIS領域130を覆う第4のレジストパターン333を形成する。続いて、形成した第4のレジストパターン333及びNMISゲート電極220をマスクとし、且つゲート絶縁膜160を介して、例えばリン、砒素又はアンチモン等よりなる第2のN型不純物240を、3keV程度の加速エネルギーで且つ1×1015/cm2程度のドーズ量で注入する。これにより、P型井戸拡散層150の上部に第2のN型不純物が注入されたN型エクステンション拡散層260が形成される。このとき、NMISゲート電極220の両側部にも第2のN型不純物が注入される。
Next, as shown in FIG. 6C, a fourth resist
次に、図7(a)に示すように、再度、第4のレジストパターン333及びNMISゲート電極220をマスクとし且つゲート絶縁膜160を介して、例えばホウ素、フッ化ホウ素、インジウム又はクラスタイオン(B10H14,B18H22)等よりなる第3のP型不純物290を10keV程度の加速エネルギーで且つ1×1013/cm2程度のドーズ量で注入することにより、P型井戸拡散層150におけるN型エクステンション拡散層260の下側にP型ポケット拡散層310を形成する。その後、第4のレジストパターン333をアッシング又は洗浄により除去する。
Next, as shown in FIG. 7A, for example, boron, boron fluoride, indium, or cluster ions (for example, boron ion, boron fluoride, indium, or cluster ions (through the gate resist film 160) using the fourth resist
次に、図7(b)に示すように、リソグラフィ法により、NMISゲート電極220を含めNMIS領域120を覆う第5のレジストパターン334を形成する。続いて、形成した第5のレジストパターン334及びPMISゲート電極230をマスクとし、且つゲート絶縁膜160を介して、例えばホウ素、フッ化ホウ素、インジウム又はクラスタイオン(B10H14,B18H22)等よりなる第2のP型不純物250を、1keV程度の加速エネルギーで且つ1×1015/cm2程度のドーズ量で注入する。これにより、N型井戸拡散層140の上部に第3のP型不純物が注入されたP型エクステンション拡散層270が形成される。このとき、PMISゲート電極230の両側部にも第3のP型不純物が注入される。
Next, as shown in FIG. 7B, a fifth resist
次に、図7(c)に示すように、再度、第5のレジストパターン334及びPMISゲート電極230をマスクとし且つゲート絶縁膜160を介して、例えばリン、砒素又はアンチモン等よりなる第3のN型不純物280を30keVの加速エネルギーで且つ1×1013/cm2程度のドーズ量で注入することにより、N型井戸拡散層140におけるP型エクステンション拡散層270の下側にN型ポケット拡散層300を形成する。その後、第5のレジストパターン334をアッシング又は洗浄により除去する。
Next, as shown in FIG. 7C, the third resist
次に、図8(a)に示すように、NMISゲート電極220及びPMISゲート電極230に対して、温度が400℃程度のオゾン(O3)雰囲気で10分間程度の熱酸化を行なって、NMISゲート電極220及びPMISゲート電極230の各上部及び両側部にそれぞれ膜厚が6nmのオフセットサイドウォール酸化膜320を形成する。このとき、オフセットサイドウォール酸化膜320の膜厚は、ゲート絶縁膜160の膜厚よりも薄くする。このオフセットサイドウォール酸化膜320により、NMISゲート電極220とN型エクステンション拡散層260及びPMISゲート電極230とP型エクステンション拡散層270とがそれぞれゲート絶縁膜160を介在させて重なる領域(オーバラップ領域)の幅が制御される。ここで、PMISゲート電極230の側面及び上面に形成されるオフセットサイドウォール酸化膜320の膜厚は、NMISゲート電極220の側面及び上面に形成されるオフセットサイドウォール酸化膜320の膜厚と比べて1.1倍程度厚い。
Next, as shown in FIG. 8A, the
次に、低圧化学気相成長又は常圧化学気相成長法により、半導体基板100の上に、NMISゲート電極220、PMISゲート電極230及び各オフセットサイドウォール酸化膜320を含む全面にわたって、膜厚が10nm程度のシリコン酸化膜及び膜厚が50nm程度のシリコン窒化膜を堆積する。その後、堆積したシリコン窒化膜及びシリコン酸化膜に対して全面的にエッチバックを行なうことにより、図8(b)に示すように、NMISゲート電極220の両側面上及びゲート絶縁膜160におけるNMISゲート電極220の両側方部分の上と、PMISゲート電極230の両側面上及びゲート絶縁膜160におけるPMISゲート電極230の両側方部分の上とに、それぞれオフセットサイドウォール酸化膜320を介在させたシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の積層膜よりなるサイドウォール340を形成する。
Next, the film thickness is increased over the entire surface including the
その後、半導体基板100のNMIS領域120にN型ソースドレーン(S/D)拡散層370を形成し、続いて、PMIS領域130にP型ソースドレーン(S/D)拡散層380を形成する。具体的には、PMIS領域130をレジスト膜(図示せず)で覆うと共に、NMISゲート電極220、オフセットサイドウォール酸化膜320及びサイドウォール340をマスクとして、半導体基板100に例えばリン、砒素又はアンチモン等よりなる第4のN型不純物を30keV程度の加速エネルギーで且つ2×1015/cm2程度のドーズ量で注入する。これにより、NMIS領域120のP型井戸拡散層150におけるNMISゲート電極220の両側方の領域であって、N型エクステンション拡散層260及びP型ポケット拡散層310の外側にN型ソースドレーン(S/D)拡散層370が形成される。続いて、PMIS領域130を覆うレジスト膜を除去した後、NMIS領域120をレジスト膜(図示せず)で覆うと共に、PMISゲート電極230、オフセットサイドウォール酸化膜320及びサイドウォール340をマスクとして、半導体基板100に例えばホウ素、フッ化ホウ素、インジウム又はクラスタイオン(B10H14,B18H22)等よりなる第4のP型不純物を2keV程度の加速エネルギーで且つ2×1015/cm2程度のドーズ量で注入する。これにより、PMIS領域130のN型井戸拡散層140におけるPMISゲート電極230の両側方の領域であって、P型エクステンション拡散層270及びN型ポケット拡散層300の外側にP型ソースドレーン(S/D)拡散層380が形成される。なお、N型S/D拡散層370とP型S/D拡散層380との形成順序は特に問われない。
Thereafter, an N-type source drain (S / D)
続いて、例えば1050℃の温度で約20秒間の急速高温加熱処理を行なうことにより、NMIS領域120において、N型エクステンション拡散層260、P型ポケット拡散層310及びN型S/D拡散層370をそれぞれ活性化させると共に、PMIS領域130において、P型エクステンション拡散層270、N型ポケット拡散層300及びP型S/D拡散層380をそれぞれ活性化させる。
Subsequently, the N-type
本工程により、NMISゲート電極220とN型エクステンション拡散層260とがゲート絶縁膜160を介在させて重なる領域(オーバラップ領域)と、PMISゲート電極230とP型エクステンション拡散層270とがゲート絶縁膜160を介在させて重なる領域(オーバラップ領域)とが決定される。
By this step, a region where the
その後、公知の技術により、NMISゲート電極220の上部及びN型S/D拡散層370の上部と、PMISゲート電極230の上部及びP型S/D拡散層380の上部とに、コバルトシリサイド又はニッケルシリサイド等のシリサイド層390を形成して、NMISゲート電極220及びN型S/D拡散層370並びにPMISゲート電極230及びP型S/D拡散層380をそれぞれ低抵抗化する。
Thereafter, cobalt silicide or nickel is formed on the upper portion of the
次に、図8(c)に示すように、公知の技術により、シリサイド化されたN型S/D拡散層370及びP型S/D拡散層380並びにシリサイド化されたNMISゲート電極220及びPMISゲート電極230を覆うように、酸化シリコンよりなる層間膜バッファ層400と層間絶縁膜膜410とを堆積する。続いて、堆積した層間絶縁膜410の上面を平坦化した後、層間絶縁膜410及び層間膜バッファ層400に、N型S/D拡散層370の一方及びP型S/D拡散層380の一方をそれぞれ露出するコンタクトホールを形成する。その後、形成された各コンタクトホールの底面及び壁面に沿ってコンタクトバリアメタル420をそれぞれ形成し、各コンタクトバリアメタル420の上にそれぞれコンタクトプラグ430を充填する。続いて、層間絶縁膜410の上に、各コンタクトプラグ430と接続されるようにメタル配線440を選択的に形成して、第2の実施形態に係る相補型の半導体装置を得る。
Next, as shown in FIG. 8C, the silicided N-type S /
前述した従来技術においては、ゲート電極22にオフセットサイドウォール酸化膜32を形成するための酸化を行なった後に、エクステンション拡散層26を形成する不純物注入を行なうため、ゲート電極22とエクステンション拡散層26とが重なる領域(オーバラップ領域)の幅は、図12(d)に示すように、エクステンション拡散層26の拡散長Δdからオフセットサイドウォール酸化膜32の膜厚を差し引いた値となり、すなわち、上記の[式1]で表わされる。
In the above-described prior art, after the
これに対し、第2の実施形態においては、エクステンション拡散層260、270を形成する不純物注入を行なった後に、オフセットサイドウォール酸化膜320を形成するための酸化を行なうため、オーバラップ領域の幅は、図8(b)に示すN型エクステンション拡散層260の拡散長ΔdからNMISゲート電極220の側部が酸化されたことによる膜減り分を差し引いた値となり、上記の[式2]で表わされる。これはP型エクステンション拡散層270においても同様である。
In contrast, in the second embodiment, after the impurity implantation for forming the extension diffusion layers 260 and 270 is performed, the oxidation for forming the offset
[式1]で示した従来技術のオーバラップ領域におけるオフセットサイドウォール酸化膜の膜厚のばらつきは、ゲート電極の側部が酸化による膜減りによって生じるばらつきに加え、ゲート電極のゲート長方向に対向する両側面が酸化成長することによって生じるばらつきをも含む。 The variation in the thickness of the offset sidewall oxide film in the overlap region of the prior art shown in [Equation 1] is opposite to the gate electrode in the gate length direction in addition to the variation caused by the film thickness reduction due to oxidation at the side of the gate electrode. It also includes variations caused by oxidation growth on both side surfaces.
従って、第2の実施形態においては、従来技術のオーバラップ領域の幅のばらつきに対し、ゲート電極のゲート長方向に対向する両側面が酸化成長することによって生じるばらつきを含まないことにより、オーバラップ領域の幅のばらつきを低減することができる。 Accordingly, in the second embodiment, the overlap of the overlap region of the conventional technique does not include the variation caused by the oxidation growth of both side surfaces of the gate electrode facing the gate length direction. Variation in the width of the region can be reduced.
その上、第2の実施形態においては、半導体基板100を酸化から防止するゲート絶縁膜160の膜厚は、オフセットサイドウォール酸化膜320の膜厚よりも厚いため、オフセットサイドウォール酸化膜320を形成するための熱酸化工程において、N型エクステンション拡散層260及びP型エクステンション拡散層270が形成されている半導体基板100の表面はほとんど酸化されない。このため、熱酸化によって半導体基板100のシリコン層の表面が低下する(掘り込まれる)という問題が生じない。また、N型エクステンション拡散層260及びP型エクステンション拡散層270に注入された不純物が減少するという問題も生じることがない。
In addition, in the second embodiment, the thickness of the
さらに、第2の実施形態においては、NMIS領域120にN型エクステンション拡散層260を形成すると同時にNMISゲート電極220の両側部にも第2のN型不純物240を注入する工程と、PMIS領域130にP型エクステンション拡散層270を形成すると同時にPMISゲート電極230の両側部にも第2のP型不純物250を注入する工程との後に、オフセットサイドウォール酸化膜320を形成するための酸化を行なう。このため、第2のN型不純物240が側部に注入されたNMISゲート電極220の側部の酸化膜の膜厚に対し、酸化係数がより大きい第2のP型不純物250が側部に注入されたPMISゲート電極230の側部に形成される酸化膜の膜厚の方が1.1倍程度厚くなる。
Further, in the second embodiment, the N-type
一方、シリコンよりなる半導体基板100に形成されたN型エクステンション拡散層260に注入された第2のN型不純物240に対して、半導体基板100に形成されたP型エクステンション拡散層270に注入された第2のP型不純物250は、アニール処理によって活性化された場合の拡散長が1.2倍程度大きい。このため、NMISゲート電極220とN型エクステンション拡散層260とがゲート絶縁膜160を介在させて重なる領域と、PMISゲート電極230とP型エクステンション拡散層270とがゲート絶縁膜160を介在させて重なる領域とが自己整合的に形成される。
On the other hand, the second N-
従って、短チャネル特性と駆動能力とに優れた相補型のMIS型電界効果トランジスタを実現することができる。 Therefore, a complementary MIS field effect transistor excellent in short channel characteristics and driving capability can be realized.
なお、各ゲート電極220、230の側部に形成したオフセットサイドウォール酸化膜320は、常温で形成する誘導結合型プラズマ酸化法により形成してもよい。
The offset
(第2の実施形態の一変形例)
以下、第2の実施形態の一変形例に係る半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
(One Modification of Second Embodiment)
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to a modification of the second embodiment will be described with reference to the drawings.
図9(a)〜図9(c)、図10(a)〜図10(c)、図11(a)及び図11(b)は本発明の第2の実施形態の一変形例に係る相補(complemetary)型のMIS電界効果トランジスタの製造方法の工程順の断面構成を示している。 9 (a) to 9 (c), 10 (a) to 10 (c), 11 (a), and 11 (b) relate to a modification of the second embodiment of the present invention. The cross-sectional structure of the order of the process of the manufacturing method of a complementary (complementary type) MIS field effect transistor is shown.
本変形例においては、相補型のMIS電界効果トランジスタにおけるNMISゲート電極及びPMISゲート電極をパターニングする工程までは、第2の実施形態と同一であるため説明を省略し、各ゲート電極のパターニング工程の後から説明する。 In this modified example, the process up to patterning the NMIS gate electrode and the PMIS gate electrode in the complementary MIS field effect transistor is the same as that in the second embodiment, and thus the description thereof is omitted. This will be explained later.
まず、図9(a)に示す工程により、シリコンよりなる半導体基板100が素子分離層110によりNMIS領域120とPMIS領域130とに区画され、半導体基板100におけるNMIS領域120の上部にはP型井戸拡散層150が形成され、PMIS領域130の上部にはN型井戸拡散層140が形成されている。P型井戸拡散層150及びN型井戸拡散層140が形成された半導体基板100の主面上には、膜厚が10nm程度の誘電率が高いゲート絶縁膜160が形成されている。ゲート絶縁膜160におけるNMIS領域120には、ゲート長が60nm程度のNMISゲート電極220が形成され、PMIS領域130には、ゲート長が60nm程度のPMISゲート電極230が形成されている。
9A, the
次に、図9(b)に示すように、リソグラフィ法により、PMISゲート電極230を含めPMIS領域130を覆う第1のレジストパターン330を形成する。続いて、形成した第1のレジストパターン330及びNMISゲート電極220をマスクとし、且つゲート絶縁膜160を介して、例えばリン、砒素又はアンチモン等よりなる第2のN型不純物240を、3keVの加速エネルギーで且つ1×1015/cm2程度のドーズ量で注入する。これにより、P型井戸拡散層150の上部に第2のN型不純物が注入されたN型エクステンション拡散層260が形成される。このとき、NMISゲート電極220の両側部にも第2のN型不純物が注入される。
Next, as shown in FIG. 9B, a first resist
次に、図9(c)に示すように、再度、第1のレジストパターン330及びNMISゲート電極220をマスクとし且つゲート絶縁膜160を介して、例えばホウ素、フッ化ホウ素、インジウム又はクラスタイオン(B10H14,B18H22)等よりなる第3のP型不純物290を10keVの加速エネルギーで且つ1×1013/cm2程度のドーズ量で注入することにより、P型井戸拡散層150におけるN型エクステンション拡散層260の下側にP型ポケット拡散層310を形成する。その後、第1のレジストパターン330をアッシング又は洗浄により除去する。
Next, as shown in FIG. 9C, again using the first resist
次に、図10(a)に示すように、NMISゲート電極220及びPMISゲート電極230に対して、温度が400℃程度のオゾン(O3)雰囲気で10分間程度の熱酸化を行なって、NMISゲート電極220及びPMISゲート電極230の各上部及び両側部にそれぞれ膜厚が6nmのオフセットサイドウォール酸化膜320を形成する。オフセットサイドウォール酸化膜320の膜厚は、ゲート絶縁膜160の膜厚よりも薄く形成する。このオフセットサイドウォール酸化膜320により、NMISゲート電極220とN型エクステンション拡散層260及びPMISゲート電極230とP型エクステンション拡散層270とがそれぞれゲート絶縁膜160を介在させて重なる領域(オーバラップ領域)の幅が制御される。
Next, as shown in FIG. 10A, the
次に、図10(b)に示すように、リソグラフィ法により、NMISゲート電極220を含めNMIS領域120を覆う第2のレジストパターン331を形成する。続いて、形成した第2のレジストパターン331、PMISゲート電極230及びオフセットサイドウォール酸化膜320をマスクとし、且つゲート絶縁膜160及びオフセットサイドウォール酸化膜320を介して、例えばホウ素、フッ化ホウ素、インジウム又はクラスタイオン(B10H14,B18H22)等よりなる第2のP型不純物250を、1keV程度の加速エネルギーで且つ1×1015/cm2程度のドーズ量で注入する。これにより、N型井戸拡散層140の上部に第3のP型不純物が注入されたP型エクステンション拡散層270が形成される。
Next, as shown in FIG. 10B, a second resist
次に、図10(c)に示すように、再度、第2のレジストパターン331、PMISゲート電極230及びオフセットサイドウォール酸化膜320をマスクとし、且つゲート絶縁膜160及びオフセットサイドウォール酸化膜320を介して、例えばリン、砒素又はアンチモン等よりなる第3のN型不純物280を30keVの加速エネルギーで且つ1×1013/cm2程度のドーズ量で注入することにより、N型井戸拡散層140におけるP型エクステンション拡散層270の下側にN型ポケット拡散層300を形成する。その後、第2のレジストパターン331をアッシング又は洗浄により除去する。
Next, as shown in FIG. 10C, again using the second resist
次に、低圧化学気相成長又は常圧化学気相成長法により、半導体基板100の上に、NMISゲート電極220、PMISゲート電極230及び各オフセットサイドウォール酸化膜320を含む全面にわたって、膜厚が10nm程度のシリコン酸化膜及び膜厚が50nm程度のシリコン窒化膜を堆積する。その後、堆積したシリコン窒化膜及びシリコン酸化膜に対して全面的にエッチバックを行なうことにより、図11(a)に示すように、NMISゲート電極220の両側面上及びゲート絶縁膜160におけるNMISゲート電極220の両側方部分の上と、PMISゲート電極230の両側面上及びゲート絶縁膜160におけるPMISゲート電極230の両側方部分の上とに、それぞれオフセットサイドウォール酸化膜320を介在させたシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の積層膜よりなるサイドウォール340を形成する。
Next, the film thickness is increased over the entire surface including the
その後、半導体基板100のNMIS領域120にN型ソースドレーン(S/D)拡散層370を形成し、続いて、PMIS領域130にP型ソースドレーン(S/D)拡散層380を形成する。具体的には、PMIS領域130をレジスト膜(図示せず)で覆うと共に、NMISゲート電極220、オフセットサイドウォール酸化膜320及びサイドウォール340をマスクとして、半導体基板100に例えばリン、砒素又はアンチモン等よりなる第4のN型不純物を30keVの加速エネルギーで且つ2×1015/cm2程度のドーズ量で注入する。これにより、NMIS領域120のP型井戸拡散層150におけるNMISゲート電極220の両側方の領域であって、N型エクステンション拡散層260及びP型ポケット拡散層310の外側にN型ソースドレーン(S/D)拡散層370が形成される。続いて、PMIS領域130を覆うレジスト膜を除去した後、NMIS領域120をレジスト膜(図示せず)で覆うと共に、PMISゲート電極230、オフセットサイドウォール酸化膜320及びサイドウォール340をマスクとして、半導体基板100に例えばホウ素、フッ化ホウ素、インジウム又はクラスタイオン(B10H14,B18H22)等よりなるリ第4のP型不純物を2keVの加速エネルギーで且つ2×1015/cm2程度のドーズ量で注入する。これにより、PMIS領域130のN型井戸拡散層140におけるPMISゲート電極230の両側方の領域であって、P型エクステンション拡散層270及びN型ポケット拡散層300の外側にP型ソースドレーン(S/D)拡散層380が形成される。なお、N型S/D拡散層370とP型S/D拡散層380との形成順序は特に問われない。
Thereafter, an N-type source drain (S / D)
続いて、1050℃の温度で約20秒間の急速高温加熱処理を行なうことにより、NMIS領域120において、N型エクステンション拡散層260、P型ポケット拡散層310及びN型S/D拡散層370をそれぞれ活性化させると共に、PMIS領域130において、P型エクステンション拡散層270、N型ポケット拡散層300及びP型S/D拡散層380をそれぞれ活性化させる。
Subsequently, the N-type
本工程により、NMISゲート電極220とN型エクステンション拡散層260とがゲート絶縁膜160を介在させて重なる領域(オーバラップ領域)と、PMISゲート電極230とP型エクステンション拡散層270とがゲート絶縁膜160を介在させて重なる領域(オーバラップ領域)とが決定される。
By this step, a region where the
その後、公知の技術により、NMISゲート電極220の上部及びN型S/D拡散層370の上部と、PMISゲート電極230の上部及びP型S/D拡散層380の上部とに、コバルトシリサイド又はニッケルシリサイド等のシリサイド層390を形成して、NMISゲート電極220及びN型S/D拡散層370並びにPMISゲート電極230及びP型S/D拡散層380をそれぞれ低抵抗化する。
Thereafter, cobalt silicide or nickel is formed on the upper portion of the
次に、図11(b)に示すように、公知の技術により、シリサイド化されたN型S/D拡散層370及びP型S/D拡散層380並びにシリサイド化されたNMISゲート電極220及びPMISゲート電極230を覆うように、酸化シリコンよりなる層間膜バッファ層400と層間絶縁膜膜410とを堆積する。続いて、堆積した層間絶縁膜410の上面を平坦化した後、層間絶縁膜410及び層間膜バッファ層400に、N型S/D拡散層370の一方及びP型S/D拡散層380の一方をそれぞれ露出するコンタクトホールを形成する。その後、形成された各コンタクトホールの底面及び壁面に沿ってコンタクトバリアメタル420をそれぞれ形成し、各コンタクトバリアメタル420の上にそれぞれコンタクトプラグ430を充填する。続いて、層間絶縁膜410の上に、各コンタクトプラグ430と接続されるようにメタル配線440を選択的に形成して、本変形例に係る相補型の半導体装置を得る。
Next, as shown in FIG. 11B, the silicided N-type S /
前述した従来技術においては、ゲート電極22にオフセットサイドウォール酸化膜32を形成するための酸化を行なった後に、エクステンション拡散層26を形成する不純物注入を行なうため、ゲート電極22とエクステンション拡散層26とが重なる領域(オーバラップ領域)の幅は、図12(d)に示すように、エクステンション拡散層26の拡散長Δdからオフセットサイドウォール酸化膜32の膜厚を差し引いた値となり、すなわち、上記の[式1]で表わされる。
In the above-described prior art, after the
これに対し、本変形例においては、N型エクステンション拡散層260を形成する不純物注入を行なった後に、オフセットサイドウォール酸化膜320を形成するための酸化を行なうため、オーバラップ領域の幅は、図11(a)に示すN型エクステンション拡散層260の拡散長ΔdからNMISゲート電極220の側部が酸化されたことによる膜減り分を差し引いた値となり、上記の[式2]で表わされる。
On the other hand, in this modification, after the impurity implantation for forming the N-type
[式1]で示した従来技術のオーバラップ領域におけるオフセットサイドウォール酸化膜の膜厚のばらつきは、ゲート電極の側部が酸化による膜減りによって生じるばらつきに加え、ゲート電極のゲート長方向に対向する両側面が酸化成長することによって生じるばらつきをも含む。 The variation in the thickness of the offset sidewall oxide film in the overlap region of the prior art shown in [Equation 1] is opposite to the gate electrode in the gate length direction in addition to the variation caused by the film thickness reduction due to oxidation at the side of the gate electrode. It also includes variations caused by oxidation growth on both side surfaces.
従って、従来技術のオーバラップ領域の幅のばらつきに対し、本変形例においては、ゲート電極のゲート長方向に対向する両側面が酸化成長することによって生じるばらつきを含まないことにより、オーバラップ領域の幅のばらつきを低減することができる。 Therefore, in contrast to the variation in the width of the overlap region of the prior art, in this modification, the variation caused by the oxidation growth of both side surfaces of the gate electrode facing the gate length direction is not included. Variation in width can be reduced.
その上、本変形例においては、半導体基板100を酸化から防止するゲート絶縁膜160の膜厚は、オフセットサイドウォール酸化膜320の膜厚よりも厚いため、オフセットサイドウォール酸化膜320を形成するための熱酸化工程において、N型エクステンション拡散層260及びP型エクステンション拡散層270が形成されている半導体基板100の表面はほとんど酸化されない。このため、熱酸化によって半導体基板100のシリコン層の表面が低下する(掘り込まれる)という問題が生じない。また、N型エクステンション拡散層260及びP型エクステンション拡散層270に注入された不純物の濃度が低下するという問題も生じることがない。
In addition, in this modification, the thickness of the
さらに、本変形例においては、NMIS領域120にN型エクステンション拡散層260を形成すると同時にNMISゲート電極220の両側部にも第2のN型不純物240を注入する工程の後に、各ゲート電極220、230にオフセットサイドウォール酸化膜320を形成するための酸化を行ない、その後、PMIS領域130にP型エクステンション拡散層270を形成する。このため、第2のN型不純物240が側部に注入されたNMISゲート電極220の側部に形成される酸化膜の膜厚は、側部に不純物が注入されていないPMISゲート電極230の側部に形成される酸化膜の膜厚とほぼ同等である。
Further, in the present modification, after forming the N-type
本変形例に係る構成では、注入された各不純物の活性化を図るためのアニール工程において、NMIS領域120におけるN型エクステンション拡散層260に注入された第2のN型不純物240がゲート絶縁膜160を挟んでNMISゲート電極220と重なる領域を持つには、N型不純物240は、少なくともNMISゲート電極220の側部を酸化してなるオフセットサイドウォール酸化膜320の膜厚の約半分の距離を熱拡散する必要がある。
In the configuration according to this modification, in the annealing process for activating each implanted impurity, the second N-
これに対し、PMIS領域130におけるP型エクステンション拡散層270に注入された第2のP型不純物250がゲート絶縁膜160を挟んでPMISゲート電極230と重なる領域を持つには、少なくともPMISゲート電極230の側部を酸化してなるオフセットサイドウォール酸化膜320の膜厚分の距離を熱拡散する必要がある。
On the other hand, at least the
シリコンよりなる半導体基板100に形成されたN型エクステンション拡散層260の第2のN型不純物240に対し、半導体基板100に形成されたP型エクステンション拡散層270の第2のP型不純物250は、アニール処理によって活性化された場合の拡散長が1.2倍程度大きい。このため、NMISゲート電極220とN型エクステンション拡散層260とがゲート絶縁膜160を挟んで重なる領域と、PMISゲート電極230とP型エクステンション拡散層270とがゲート絶縁膜160を挟んで重なる領域とが自己整合的に形成される。
The second P-
従って、短チャネル特性と駆動能力とに優れた相補型のMIS型電界効果トランジスタを実現することができる。 Therefore, a complementary MIS field effect transistor excellent in short channel characteristics and driving capability can be realized.
なお、各ゲート電極220、230の側部に形成したオフセットサイドウォール酸化膜320は、常温で形成する誘導結合型プラズマ酸化法により形成してもよい。
The offset
本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、短チャネル特性に優れ且つ駆動能力に優れたMIS型半導体装置を実現でき、特にエクステンション拡散層を有するMIS型電界効果トランジスタよりなる半導体装置等に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention can realize an MIS type semiconductor device having excellent short channel characteristics and excellent driving capability, and is particularly useful for a semiconductor device composed of an MIS type field effect transistor having an extension diffusion layer. is there.
100 半導体基板
110 素子分離層
120 NMIS領域
130 PMIS領域
140 N型井戸拡散層
150 P型井戸拡散層
160 ゲート絶縁膜
170A ノンドープポリシリコン膜
170B ポリシリコン膜
170C ポリシリコン膜
200 第1のN型不純物
210 第1のP型不純物
220 (NMIS)ゲート電極
230 PMISゲート電極
240 第2のN型不純物
250 第2のP型不純物
260 N型エクステンション拡散層
270 P型エクステンション拡散層
280 第3のN型不純物
290 (第3の)P型不純物
300 N型ポケット拡散層
310 P型ポケット拡散層
320 オフセットサイドウォール酸化膜(第1のゲート電極側壁絶縁膜)
330 (第1の)レジストパターン
331 第2のレジストパターン
332 第3のレジストパターン
333 第4のレジストパターン
334 第5のレジストパターン
340 サイドウォール(第2のゲート電極側壁絶縁膜)
370 N型ソースドレーン(S/D)拡散層
380 P型ソースドレーン(S/D)拡散層
390 シリサイド層
400 層間膜バッファ層
410 層間絶縁膜
420 バリアメタル
430 コンタクトプラグ
440 メタル配線
100
330 (first) resist
370 N-type source drain (S / D) diffusion layer 380 P-type source drain (S / D)
Claims (5)
前記ゲート絶縁膜の上に形成され、ポリシリコンよりなるゲート電極と、
前記ゲート電極の側面上に形成され、前記ゲート絶縁膜よりも膜厚が薄い第1のゲート電極側壁絶縁膜と、
前記ゲート電極の側面上に前記第1のゲート電極側壁絶縁膜を介在させて形成され、前記ゲート絶縁膜よりも膜厚が厚い第2のゲート電極側壁絶縁膜と、
前記半導体領域における前記ゲート電極の側端部の下側並びに前記第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の下側に形成された不純物拡散層とを備え、
前記半導体領域における前記不純物拡散層の上面は平坦であることを特徴とする半導体装置。 A gate insulating film formed on the semiconductor region and having a dielectric constant higher than that of silicon oxide;
A gate electrode formed on the gate insulating film and made of polysilicon;
A first gate electrode sidewall insulating film formed on a side surface of the gate electrode and having a thickness smaller than that of the gate insulating film;
A second gate electrode sidewall insulating film formed on the side surface of the gate electrode with the first gate electrode sidewall insulating film interposed therebetween, and having a thickness greater than that of the gate insulating film;
An impurity diffusion layer formed below the side edge of the gate electrode in the semiconductor region and below the first gate electrode sidewall insulating film and the second gate electrode sidewall insulating film;
A semiconductor device, wherein an upper surface of the impurity diffusion layer in the semiconductor region is flat.
前記NMIS型電界効果トランジスタは、
前記半導体領域の上部に形成されたP型井戸拡散層と、
前記半導体領域の上に形成され、誘電率が酸化シリコンよりも高いゲート絶縁膜と、
前記P型井戸拡散層の上に前記ゲート絶縁膜を介在させて形成され、ポリシリコンよりなるNMISゲート電極と、
前記NMISゲート電極の側面上に形成され、前記ゲート絶縁膜よりも膜厚が薄い第1のNMISゲート電極側壁絶縁膜と、
前記NMISゲート電極の側面上に前記第1のNMISゲート電極側壁絶縁膜を介在させて形成され、前記ゲート絶縁膜よりも膜厚が厚い第2のNMISゲート電極側壁絶縁膜と、
前記P型井戸拡散層における前記NMISゲート電極の側端部の下側並びに前記第1のNMISゲート電極側壁絶縁膜及び第2のNMISゲート電極側壁絶縁膜の下側に形成されたN型不純物拡散層とを有し、
前記PMIS型電界効果トランジスタは、
前記半導体領域の上部に前記P型井戸拡散層と素子分離層により分離されて形成されたN型井戸拡散層と、
前記半導体領域の上に形成された前記ゲート絶縁膜と、
前記N型井戸拡散層の上に前記ゲート絶縁膜を介在させて形成され、ポリシリコンよりなるPMISゲート電極と、
前記PMISゲート電極の側面上に形成され、前記ゲート絶縁膜よりも膜厚が薄い第1のPMISゲート電極側壁絶縁膜と、
前記PMISゲート電極の側面上に前記第1のPMISゲート電極側壁絶縁膜を介在させて形成され、前記ゲート絶縁膜よりも膜厚が厚い第2のPMISゲート電極側壁絶縁膜と、
前記N型井戸拡散層における前記PMISゲート電極の側端部の下側並びに前記第1のPMISゲート電極側壁絶縁膜及び第2のPMISゲート電極側壁絶縁膜の下側に形成されたP型不純物拡散層とを有し、
前記P型井戸拡散層における前記N型不純物拡散層の上面と前記N型井戸拡散層における前記P型不純物拡散層の上面とは、平坦であることを特徴とする半導体装置。 An NMIS field effect transistor and a PMIS field effect transistor formed in a semiconductor region;
The NMIS field effect transistor is
A P-type well diffusion layer formed on the semiconductor region;
A gate insulating film formed on the semiconductor region and having a dielectric constant higher than that of silicon oxide;
An NMIS gate electrode formed of polysilicon and formed on the P-type well diffusion layer with the gate insulating film interposed therebetween;
A first NMIS gate electrode sidewall insulating film formed on a side surface of the NMIS gate electrode and having a thickness smaller than that of the gate insulating film;
A second NMIS gate electrode side wall insulating film formed on the side surface of the NMIS gate electrode with the first NMIS gate electrode side wall insulating film interposed therebetween and thicker than the gate insulating film;
N-type impurity diffusion formed below the side end portion of the NMIS gate electrode in the P-type well diffusion layer and below the first NMIS gate electrode sidewall insulating film and the second NMIS gate electrode sidewall insulating film. And having a layer
The PMIS type field effect transistor is:
An N-type well diffusion layer formed on the semiconductor region by being separated from the P-type well diffusion layer by an element isolation layer;
The gate insulating film formed on the semiconductor region;
A PMIS gate electrode formed of polysilicon and formed on the N-type well diffusion layer with the gate insulating film interposed therebetween;
A first PMIS gate electrode sidewall insulating film formed on a side surface of the PMIS gate electrode and having a thickness smaller than that of the gate insulating film;
A second PMIS gate electrode sidewall insulating film formed on the side surface of the PMIS gate electrode with the first PMIS gate electrode sidewall insulating film interposed therebetween, and having a thickness greater than that of the gate insulating film;
P-type impurity diffusion formed below the side edge of the PMIS gate electrode in the N-type well diffusion layer and below the first PMIS gate electrode side wall insulating film and the second PMIS gate electrode side wall insulating film. And having a layer
The semiconductor device according to claim 1, wherein an upper surface of the N-type impurity diffusion layer in the P-type well diffusion layer and an upper surface of the P-type impurity diffusion layer in the N-type well diffusion layer are flat.
前記ゲート絶縁膜の上にポリシリコンよりなるゲート電極形成膜を形成する工程と、
前記ゲート電極形成膜をパターニングすることにより、ポリシリコンよりなるゲート電極を形成すると共に、前記半導体領域における前記ゲート電極の両側方に前記ゲート絶縁膜を残す工程と、
前記半導体領域に前記ゲート電極をマスクとし且つ前記ゲート絶縁膜を介して不純物イオンを注入することにより、前記半導体領域に不純物拡散層を形成する工程と、
前記不純物拡散層を形成した後、前記ゲート電極の側面上に、酸化法により前記ゲート絶縁膜よりも膜厚が薄いゲート電極側壁絶縁膜を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a gate insulating film having a dielectric constant higher than that of silicon oxide on the semiconductor region;
Forming a gate electrode forming film made of polysilicon on the gate insulating film;
Forming a gate electrode made of polysilicon by patterning the gate electrode formation film, and leaving the gate insulating film on both sides of the gate electrode in the semiconductor region;
Forming an impurity diffusion layer in the semiconductor region by implanting impurity ions through the gate insulating film using the gate electrode as a mask in the semiconductor region;
Forming a gate electrode sidewall insulating film having a thickness smaller than that of the gate insulating film on the side surface of the gate electrode by an oxidation method after forming the impurity diffusion layer. Device manufacturing method.
前記P型井戸拡散層及びN型拡散層の上に、誘電率が酸化シリコンよりも高いゲート絶縁膜を形成する工程(b)と、
前記ゲート絶縁膜の上にポリシリコンよりなるゲート電極形成膜を形成する工程(c)と、
前記ゲート電極形成膜をパターニングすることにより、前記P型井戸拡散層の上にポリシリコンよりなるNMISゲート電極を形成し、前記N型井戸拡散層の上にポリシリコンよりなるPMISゲート電極を形成すると共に、前記半導体領域における前記NMISゲート電極及びPMISゲート電極の両側方にそれぞれ前記ゲート絶縁膜を残す工程(d)と、
前記工程(d)よりも後に、前記P型井戸拡散層に前記NMISゲート電極をマスクとし且つ前記ゲート絶縁膜を介してN型不純物イオンを注入することにより、前記P型井戸拡散層にN型不純物拡散層を形成すると共に、前記NMISゲート電極の少なくとも側部に前記N型不純物イオンを注入する工程(e)と、
前記工程(d)よりも後に、前記N型井戸拡散層に前記PMISゲート電極をマスクとし且つ前記ゲート絶縁膜を介してP型不純物イオンを注入することにより、前記N型井戸拡散層にP型不純物拡散層を形成すると共に、前記PMISゲート電極の少なくとも側部に前記P型不純物イオンを注入する工程(f)と、
前記工程(e)及び工程(f)よりも後に、前記NMISゲート電極及びPMISゲート電極の各側面上に、酸化法により、それぞれ前記ゲート絶縁膜よりも膜厚が薄いゲート電極側壁絶縁膜を形成する工程(g)とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a P-type well diffusion layer and an N-type diffusion layer separated by an element isolation layer in a semiconductor region (a);
Forming a gate insulating film having a dielectric constant higher than that of silicon oxide on the P-type well diffusion layer and the N-type diffusion layer;
Forming a gate electrode formation film made of polysilicon on the gate insulating film;
By patterning the gate electrode formation film, an NMIS gate electrode made of polysilicon is formed on the P-type well diffusion layer, and a PMIS gate electrode made of polysilicon is formed on the N-type well diffusion layer. And (d) leaving the gate insulating film on both sides of the NMIS gate electrode and the PMIS gate electrode in the semiconductor region,
After the step (d), N-type impurity ions are implanted into the P-type well diffusion layer by using the NMIS gate electrode as a mask and implanting the P-type well diffusion layer through the gate insulating film. (E) forming an impurity diffusion layer and implanting the N-type impurity ions into at least a side portion of the NMIS gate electrode;
After the step (d), P-type impurity ions are implanted into the N-type well diffusion layer by using the PMIS gate electrode as a mask and through the gate insulating film. (F) forming an impurity diffusion layer and implanting the P-type impurity ions into at least a side portion of the PMIS gate electrode;
After step (e) and step (f), a gate electrode sidewall insulating film having a thickness smaller than that of the gate insulating film is formed on each side surface of the NMIS gate electrode and the PMIS gate electrode by an oxidation method. And a step (g) of manufacturing a semiconductor device.
前記P型井戸拡散層及びN型拡散層の上に、誘電率が酸化シリコンよりも高いゲート絶縁膜を形成する工程(b)と、
前記ゲート絶縁膜の上にポリシリコンよりなるゲート電極形成膜を形成する工程(c)と、
前記ゲート電極形成膜をパターニングすることにより、前記P型井戸拡散層の上にポリシリコンよりなるNMISゲート電極を形成し、前記N型井戸拡散層の上にポリシリコンよりなるPMISゲート電極を形成すると共に、前記半導体領域における前記NMISゲート電極及びPMISゲート電極の両側方にそれぞれ前記ゲート絶縁膜を残す工程(d)と、
前記工程(d)よりも後に、前記P型井戸拡散層に前記NMISゲート電極をマスクとし且つ前記ゲート絶縁膜を介してN型不純物イオンを注入することにより、前記P型井戸拡散層にN型不純物拡散層を形成すると共に、前記NMISゲート電極の少なくとも側部に前記N型不純物イオンを注入する工程(e)と、
前記工程(e)よりも後に、前記NMISゲート電極及びPMISゲート電極の各側面上に、酸化法により、それぞれ前記ゲート絶縁膜よりも膜厚が薄いゲート電極側壁絶縁膜を形成する工程(f)と、
前記工程(f)よりも後に、前記N型井戸拡散層に前記PMISゲート電極をマスクとし且つ前記ゲート絶縁膜を介してP型不純物イオンを注入することにより、前記N型井戸拡散層にP型不純物拡散層を形成する工程(g)とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a P-type well diffusion layer and an N-type diffusion layer separated by an element isolation layer in a semiconductor region (a);
Forming a gate insulating film having a dielectric constant higher than that of silicon oxide on the P-type well diffusion layer and the N-type diffusion layer;
Forming a gate electrode formation film made of polysilicon on the gate insulating film;
By patterning the gate electrode formation film, an NMIS gate electrode made of polysilicon is formed on the P-type well diffusion layer, and a PMIS gate electrode made of polysilicon is formed on the N-type well diffusion layer. And (d) leaving the gate insulating film on both sides of the NMIS gate electrode and the PMIS gate electrode in the semiconductor region,
After the step (d), N-type impurity ions are implanted into the P-type well diffusion layer by using the NMIS gate electrode as a mask and implanting the P-type well diffusion layer through the gate insulating film. (E) forming an impurity diffusion layer and implanting the N-type impurity ions into at least a side portion of the NMIS gate electrode;
After the step (e), a step (f) of forming a gate electrode sidewall insulating film having a thickness smaller than that of the gate insulating film on each side surface of the NMIS gate electrode and the PMIS gate electrode by an oxidation method. When,
After the step (f), P-type impurity ions are implanted into the N-type well diffusion layer using the PMIS gate electrode as a mask and through the gate insulating film, so that the N-type well diffusion layer is P-type. And a step (g) of forming an impurity diffusion layer.
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