JP2013206960A - Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、特にトランジスタを有する半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device, and particularly to a semiconductor device having a transistor and a method for manufacturing the semiconductor device.
トランジスタの信頼性向上を図るためには、例えばリーク電流を低減することが求められる。特許文献1では、ドレイン領域を構成する半導体領域とゲート絶縁膜とを離間させることにより、ゲート電極とドレイン領域との間に発生する電界のピークを基板表面から一定の深さに位置させている。これにより、ゲート絶縁膜を通して流れるリーク電流の低減を図ることができると記載されている。 In order to improve the reliability of the transistor, for example, it is required to reduce leakage current. In Patent Document 1, the peak of the electric field generated between the gate electrode and the drain region is located at a certain depth from the substrate surface by separating the semiconductor region constituting the drain region and the gate insulating film. . This describes that leakage current flowing through the gate insulating film can be reduced.
トランジスタの信頼性向上を図るための技術としては、例えば特許文献2〜6に記載のものもある。
特許文献2および3に記載の技術は、LDD(Lightly Doped Drain)領域を形成してドレイン電界を緩和する技術に関するものであり、LDD領域の不純物濃度分布を制御するというものである。
また、特許文献4には、短チャネル特性の劣化を抑制するためにハロー領域を形成することが記載されている。具体的には、ソースドレインエクステンション領域の上部および下部に、低濃度のハロー領域を形成することが記載されている。さらに、特許文献5および6においても、ポケット注入領域を有するトランジスタに関する技術が開示されている。
For example,
The techniques described in
Patent Document 4 describes forming a halo region in order to suppress deterioration of short channel characteristics. Specifically, it is described that low-concentration halo regions are formed above and below the source / drain extension regions. Further, Patent Documents 5 and 6 also disclose techniques related to a transistor having a pocket injection region.
トランジスタのリーク電流としては、例えばゲート誘起ドレインリーク電流(GIDL(Gate Induced Drain Leakage))が挙げられる。GIDLは、ドレイン領域と基板との間に流れるリーク電流であり、ゲート電圧によってゲートオーバーラップ領域の電界が強められることに起因して発生するものである。なお、ゲートオーバーラップ領域とは、ドレイン領域のうちゲート電極と重なる領域を指す。
GIDLの低減は、例えばゲート電極下に形成されるチャネルとドレイン領域とを離間させることにより実現される。しかしながら、チャネルとドレイン領域を離間させた場合、ドレイン領域とチャネルとの間に寄生抵抗が発生してしまうこととなる。すなわち、トランジスタのオン電流が低下してしまう。
従って、リーク電流を低減しつつ、オン電流の低下を防止することが求められている。
As a leakage current of a transistor, for example, a gate-induced drain leakage current (GIDL (Gate Induced Drain Leakage)) can be given. GIDL is a leakage current flowing between the drain region and the substrate, and is generated due to the electric field in the gate overlap region being strengthened by the gate voltage. Note that the gate overlap region refers to a region of the drain region that overlaps with the gate electrode.
The reduction of GIDL is realized, for example, by separating a channel and a drain region formed under the gate electrode. However, when the channel and the drain region are separated from each other, a parasitic resistance is generated between the drain region and the channel. That is, the on-state current of the transistor is reduced.
Therefore, it is required to prevent a decrease in on-current while reducing leakage current.
本発明によれば、第1導電型の基板と、
前記基板上に設けられた第1ゲート絶縁膜と、
前記第1ゲート絶縁膜上に設けられた第1ゲート電極と、
前記第1ゲート電極の両側に位置し、端部が前記第1ゲート電極と重なっており、かつ前記第1導電型とは反対の第2導電型を有する第1ソース領域および第1ドレイン領域と、
前記基板に前記第1導電型の不純物を導入することにより形成され、前記第1ドレイン領域の上部に位置し、かつ前記第1ゲート電極側の端部が前記第1ドレイン領域の内側に位置するカウンター領域と、
を備える半導体装置が提供される。
According to the present invention, a first conductivity type substrate;
A first gate insulating film provided on the substrate;
A first gate electrode provided on the first gate insulating film;
A first source region and a first drain region that are located on both sides of the first gate electrode, have end portions overlapping the first gate electrode, and have a second conductivity type opposite to the first conductivity type; ,
Formed by introducing the first conductivity type impurity into the substrate, located above the first drain region, and an end on the first gate electrode side located inside the first drain region Counter area,
A semiconductor device is provided.
また、本発明によれば、第1導電型の基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極をマスクとして、前記基板に前記第1導電型とは反対の第2導電型の不純物を導入する第1ドーピング工程と、前記ゲート電極をマスクとして、前記基板に前記第1導電型の不純物を、前記基板平面と垂直な方向に、前記第1ドーピング工程よりも浅く導入する第2ドーピング工程と、前記基板に対し加熱処理を行う工程と、を備える半導体装置の製造方法が提供される。 According to the present invention, a step of forming a gate insulating film on a first conductivity type substrate; a step of forming a gate electrode on the gate insulating film; and A first doping step of introducing an impurity of a second conductivity type opposite to the first conductivity type; and using the gate electrode as a mask, the impurity of the first conductivity type is applied to the substrate in a direction perpendicular to the substrate plane. There is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a second doping step introduced shallower than the first doping step; and a step of performing a heat treatment on the substrate.
さらに、本発明によれば、第1導電型の半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極をマスクとして、前記基板に前記第1導電型の不純物を導入する第4ドーピング工程と、前記ゲート電極の側面上にゲート側壁膜を形成する工程と、前記ゲート電極および前記ゲート側壁膜をマスクとして、前記基板に前記第1導電型とは反対の第2導電型の不純物を、前記第4ドーピング工程よりも深く導入する第5ドーピング工程と、前記基板に対し加熱処理を行う工程と、を備える半導体装置の製造方法が提供される。 Further, according to the present invention, a step of forming a gate insulating film on the first conductivity type semiconductor substrate, a step of forming a gate electrode on the gate insulating film, and the substrate using the gate electrode as a mask. A fourth doping step of introducing an impurity of the first conductivity type; a step of forming a gate sidewall film on a side surface of the gate electrode; and the first electrode on the substrate using the gate electrode and the gate sidewall film as a mask. Provided is a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a fifth doping step of introducing an impurity of a second conductivity type opposite to the conductivity type deeper than the fourth doping step; and a step of performing a heat treatment on the substrate. Is done.
本発明によれば、リーク電流を低減しつつ、オン電流の低下を防止することが可能なトランジスタを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a transistor capable of preventing a decrease in on-current while reducing leakage current.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
図1は、第1の実施形態に係る半導体装置300を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態に係る半導体装置300は、基板10と、ゲート絶縁膜20と、ゲート電極22と、ソース・ドレイン領域36と、カウンター領域32と、を備える。
後述するように、本実施形態に係る半導体装置300は、例えばロジック回路にDRAMが混載された混載DRAMである。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a
As will be described later, the
基板10は、P型の導電型を有する。ゲート絶縁膜20は、基板10上に設けられている。ゲート電極22は、ゲート絶縁膜20上に設けられている。ソース・ドレイン領域36は、ゲート電極22の両側に位置し、かつ端部がゲート電極22と重なっている。また、ソース・ドレイン領域36は、N型の導電型を有する。カウンター領域32は、基板10にP型の不純物を導入することにより形成される。また、カウンター領域32は、ドレイン領域の上部に位置し、かつゲート電極22側の端部がドレイン領域の内側に位置する。なお、半導体装置300が有する各構成の導電型は、本実施形態に示すものと反対のものであってもよい。
以下、本実施形態に係る半導体装置300の構成を詳細に説明する。
The
Hereinafter, the configuration of the
本実施形態に係る半導体装置300において、基板10は、例えばシリコン基板である。また、基板10は、例えばP型の導電型を有する。
図1に示すように、基板10には、素子分離領域12が設けられている。基板10のうち、素子分離領域12により囲われた部分が、素子形成領域となる。
In the
As shown in FIG. 1, an
図1に示すように、基板10上には、ゲート絶縁膜20が設けられている。本実施形態において、ゲート絶縁膜20は、例えばSiO2等により構成される。ゲート絶縁膜20上には、ゲート電極22が設けられている。ゲート電極22は、例えばポリシリコン等により構成される。
また、ゲート電極22は、High−kメタル絶縁膜上に設けられた金属または金属窒化物であってもよい。この場合、ゲート絶縁膜20は、例えばHfO2、ZrO2、HfSiO、またはZrSiO等により構成される。また、ゲート電極22は、例えばTi、Ta、W、TiN、もしくはTaNからなる膜、またはこれらの積層膜等により構成される。さらに、ゲート電極22は、金属または金属窒化物からなるこれらの膜とポリシリコン膜とを積層した膜により構成されてもよい。
As shown in FIG. 1, a
Further, the
図1に示すように、ゲート電極22およびゲート絶縁膜20の側面上には、例えばオフセットスペーサ24が設けられている。オフセットスペーサ24は、基板10上およびゲート電極22上に堆積した絶縁膜を異方性エッチングによりエッチバックすることにより形成される。オフセットスペーサ24は、例えばシリコン酸化膜等の絶縁膜により構成される。
また、ゲート電極22およびゲート絶縁膜20の側面上には、オフセットスペーサ24を介してゲート側壁膜26が設けられている。ゲート側壁膜26は、例えば基板10上およびゲート電極22上に堆積した絶縁膜を異方性エッチングによりエッチバックすることにより形成される。ゲート側壁膜26は、例えばシリコン酸化膜等の絶縁膜により構成される。
As shown in FIG. 1, for example, offset
A
図1に示すように、基板10には、ソース・ドレイン領域36が設けられている。ソース・ドレイン領域36は、ゲート電極22の両側に位置している。また、ソース・ドレイン領域36は、低濃度不純物領域30と高濃度不純物領域34からなる。図1に示すように、例えば素子形成領域上にゲート電極22が複数設けられている場合、ソース・ドレイン領域30は、隣接する二つのゲート電極22により共有されていてもよい。本実施形態において、ソース・ドレイン領域36は、例えばN型の導電型を備える。
なお、ドレインとは、N型トランジスタにおいて、回路動作時にソースよりも高い電圧にバイアスされる電極を指す。本実施形態においては、DRAMのセルトランジスタでは、ビット線と接続する電極がソースであり、容量(記憶ノード)と接続する電極がドレインと定義する。これは、容量(記憶ノード)に正の電荷を蓄積して高くバイアスされた状態(保持時)における接合リーク電流が、本実施形態において解決すべき課題だからである。なお、容量(記憶ノード)に正の電荷を蓄積する際(書き込み動作時)には、ビット線と接続する電極がドレインとして、容量(記憶ノード)と接続する電極がソースとして動作する。
As shown in FIG. 1, the
Note that the drain refers to an electrode biased to a voltage higher than that of the source in circuit operation in the N-type transistor. In this embodiment, in a DRAM cell transistor, an electrode connected to a bit line is defined as a source, and an electrode connected to a capacitor (storage node) is defined as a drain. This is because the junction leakage current in a state where the positive charge is accumulated in the capacitor (storage node) and is highly biased (during holding) is a problem to be solved in the present embodiment. Note that when positive charges are accumulated in the capacitor (storage node) (during a write operation), the electrode connected to the bit line operates as a drain and the electrode connected to the capacitor (storage node) operates as a source.
低濃度不純物領域30の端部は、ゲート電極22と重なっている。低濃度不純物領域30は、例えばLDD(Light Doped Drain)領域を構成する。ソース領域およびドレイン領域それぞれが有する低濃度不純物領域30のゲート電極22側に位置する端部の間には、チャネル領域が形成される。このため、低濃度不純物領域30は、チャネル領域に接することとなる。
本実施形態において、低濃度不純物領域30は、例えばN型の導電型を備えている。低濃度不純物領域30におけるN型の不純物濃度は、例えば1E17cm−3以上1E19cm−3以下である。
An end portion of the low
In the present embodiment, the low-
高濃度不純物領域34は、ゲート電極22側の端部が、後述するカウンター領域32の内側に位置している。また、高濃度不純物領域34は、例えば低濃度不純物領域30の内側に設けられる。高濃度不純物領域34は、後述するビットコンタクトプラグ60および容量コンタクトプラグ62と接続するため、基板10の表面部分に位置する。
本実施形態において、高濃度不純物領域34は、例えばN型の導電型を有する。なお、本実施形態において、高濃度不純物領域34は、低濃度不純物領域30よりもN型の不純物濃度が高い。高濃度不純物領域34におけるN型の不純物濃度は、例えば1E18cm−3以上1E21cm−3以下である。
The end of the high
In the present embodiment, the high
図1に示すように、基板10には、カウンター領域32が設けられている。カウンター領域32は、低濃度不純物領域30の上部に位置している。カウンター領域32のゲート電極22側の端部は、低濃度不純物領域30の内側に位置している。すなわち、カウンター領域32は、ゲート電極22下に設けられるチャネル領域とは接しない。なお、カウンター領域32のゲート電極22側の端部は、ゲート電極22と重なっていてもよい。
カウンター領域32は、高濃度不純物領域34の周囲に形成される。また、カウンター領域32の一部は、ゲート電極22下に形成されるチャネル領域と高濃度不純物領域34との間に位置する。
本実施形態において、カウンター領域32は、基板10にP型の不純物を導入することにより形成される。なお、カウンター領域32は、ソース・ドレイン領域36のうちドレイン領域として機能する一方にのみ設けられていてもよい。
カウンター領域32におけるP型の不純物濃度は、例えば1E17cm−3以上1E19cm−3以下である。また、カウンター領域32におけるN型の不純物濃度は、例えば1E17cm−3以上1E19cm−3以下である。
As shown in FIG. 1, the
The
In the present embodiment, the
The P-type impurity concentration in the
図12および図13は、図1に示す半導体装置における不純物濃度分布を示すグラフである。図12および図13は、図1に示す基板のA−A'断面における不純物濃度の分布を示している。
本実施形態では、図12に示すように、カウンター領域32において、P型の不純物濃度は、例えばN型の不純物濃度よりも低い。すなわち、カウンター領域32において、アクセプタ濃度よりもドナー濃度の方が高くなる。この場合、カウンター領域32におけるドナーとアクセプタが補償しあう結果、カウンター領域32は、低濃度不純物領域30におけるドナー濃度よりも低いドナー濃度を有するN型の不純物領域となる。
12 and 13 are graphs showing impurity concentration distributions in the semiconductor device shown in FIG. 12 and 13 show the distribution of the impurity concentration in the AA ′ cross section of the substrate shown in FIG.
In the present embodiment, as shown in FIG. 12, in the
また、本実施形態では、図13に示すように、カウンター領域32の少なくとも一部において、P型の不純物濃度は、N型の不純物濃度よりも高くてもよい。すなわち、カウンター領域32の少なくとも一部において、ドナー濃度よりもアクセプタ濃度の方が高くなる。この場合、カウンター領域32におけるドナーとアクセプタが補償しあう結果、カウンター領域32の少なくとも一部は、P型の不純物領域となる。
なお、本実施形態において、カウンター領域32とは、例えば低濃度不純物領域30の内側に位置し、かつP型の不純物濃度が基板10におけるP型の不純物濃度よりも高い領域を指す。
In the present embodiment, as shown in FIG. 13, the P-type impurity concentration may be higher than the N-type impurity concentration in at least a part of the
In the present embodiment, the
図2は、図1に示す半導体装置300のDRAM領域1およびロジック領域2を示す断面図である。図2に示すように半導体装置300は、DRAMセルを有するDRAM領域1と、ロジック回路を有するロジック領域2を備える。
DRAM領域1は、上述したゲート絶縁膜20、ゲート電極22、オフセットスペーサ24、ゲート側壁膜26、低濃度不純物領域30、カウンター領域32および高濃度不純物領域34からなるセルトランジスタ40を備えている。なお、本実施形態において、DRAM領域1は、N型トランジスタであるセルトランジスタ40の他に、P型トランジスタを有していてもよい。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing DRAM region 1 and
The DRAM region 1 includes the
DRAM領域1において、基板10上には、ゲート電極22を覆うように層間絶縁膜80が設けられている。層間絶縁膜80中には、容量素子50およびビット線70が設けられている。ビット線70は、ソース・ドレイン領域36のうちソース領域として機能する一方と、層間絶縁膜80に設けられたビットコンタクトプラグ60を介して接続している。この場合、ビットコンタクトプラグ60は、ソース領域を構成する高濃度不純物領域34と接続することとなる。高濃度不純物領域34のうちビットコンタクトプラグ60との接続部分には、シリサイド層38が設けられていてもよい。
In the DRAM region 1, an
本実施形態において、容量素子50は、例えばDRAMである。容量素子50およびセルトランジスタ40により、DRAMセルが構成されることとなる。なお、本実施形態において、DRAM領域1には、DRAMセルの読み書きを制御するための制御回路が設けられていてもよい。
In the present embodiment, the
容量素子50は、下部電極52、上部電極56、および容量絶縁膜54により構成される。下部電極52は、ソース・ドレイン領域36のうちドレイン領域として機能する一方と、層間絶縁膜80に設けられた容量コンタクトプラグ62を介して接続している。この場合、容量コンタクトプラグ62は、ドレイン領域を構成する高濃度不純物領域34と接続することとなる。高濃度不純物領域34のうち、容量コンタクトプラグ62との接続部分には、シリサイド層38が設けられていてもよい。
下部電極52上には、容量絶縁膜54が設けられている。また、容量絶縁膜54上には、上部電極56が設けられている。
The
A capacitive insulating
DRAM領域1において、容量素子50が設けられる層間絶縁膜80上には、層間絶縁膜82が設けられている。層間絶縁膜82の内部には、例えば配線72が形成される。
In the DRAM region 1, an
図2に示すように、ロジック領域2は、基板110、および基板110に設けられたトランジスタ140を備えている。基板110は、例えば基板10と共通のP型シリコン基板により構成される。また、基板110は、例えば基板10とは異なる不純物濃度を有する。
基板110には、素子分離領域112が設けられている。基板110のうち、素子分離領域112により囲われた部分が、素子形成領域となる。本実施形態においては、各素子形成領域に設けられたトランジスタ140が、素子分離領域112によって互いに分離されている。
As shown in FIG. 2, the
An
図2に示すように、基板110上には、ゲート絶縁膜120が設けられている。本実施形態において、ゲート絶縁膜120は、例えばSiO2等により構成される。ゲート絶縁膜120上には、ゲート電極122が設けられている。ゲート電極122は、例えばポリシリコン等により構成される。
ゲート電極122およびゲート絶縁膜120の側面上には、例えばオフセットスペーサ124が設けられている。オフセットスペーサ124は、例えば基板110およびゲート電極122上に堆積したシリコン酸化膜等を異方性エッチングによりエッチバックすることにより形成される。
また、ゲート電極122およびゲート絶縁膜120の側面上には、オフセットスペーサ124を介してゲート側壁膜126が設けられている。ゲート側壁膜126は、例えば基板110やゲート電極122上に堆積したシリコン酸化膜等を異方性エッチングによりエッチバックすることにより形成される。
As shown in FIG. 2, a
On the side surfaces of the
A
図2に示すように、基板110には、ソース・ドレイン領域136が設けられている。ソース・ドレイン領域136は、ゲート電極122の両側に位置している。また、ソース・ドレイン領域136は、低濃度不純物領域130と高濃度不純物領域134からなる。本実施形態において、ソース・ドレイン領域136は、例えばN型の導電型を備える。
As shown in FIG. 2, the
低濃度不純物領域130の端部は、ゲート電極122と重なっている。本実施形態において、低濃度不純物領域130は、例えばN型の導電型を備えている。
高濃度不純物領域134は、ゲート電極122側の端部が低濃度不純物領域130の内側に位置している。また、高濃度不純物領域134は、後述するコンタクトプラグ160と接続するため、基板110の表面部分に位置する。本実施形態において、高濃度不純物領域134は、例えばN型の導電型を備える。なお、本実施形態において、高濃度不純物領域134は、低濃度不純物領域130よりもN型の不純物濃度が高い。
An end portion of the low-
The high
図2に示すように、基板110には、ソース・ドレイン領域130の、ゲート電極122側の端部を覆う、ハロー領域132が設けられている。本実施形態において、ハロー領域132は、例えばP型の導電型を備えている。
As shown in FIG. 2, the
ロジック領域2において、基板110上には、ゲート電極122を覆うように層間絶縁膜180が設けられている。層間絶縁膜180の内部には、配線170が形成されている。配線170は、層間絶縁膜180内に設けられたコンタクトプラグ160を介して、ソース・ドレイン領域136と接続する。この場合、コンタクトプラグ160は、ソース・ドレイン領域136を構成する高濃度不純物領域134と接続することとなる。高濃度不純物領域134のうち、コンタクトプラグ160と接続する部分には、シリサイド層138が設けられていてもよい。
In the
なお、本実施形態における構造は、例えば断面の電子線ホログラフィ観察、または走査型拡がり抵抗顕微鏡(SSRM(Scanning Spreading Resistance Microscope))観察等により観察することができる。 In addition, the structure in this embodiment can be observed by, for example, electron beam holography observation of a cross section, or scanning-type spreading resistance microscope (SSRM (Scanning Spreading Resistance Microscope)) observation.
次に、本実施形態に係る半導体装置300の製造方法を説明する。図3〜図8は、図1に示す半導体装置300の製造方法を示す断面図である。
まず、DRAM領域1を構成する基板10に素子分離領域12で囲まれた素子形成領域を形成する。次いで、基板10上に、ゲート絶縁膜20を介してゲート電極22を形成する。次いで、基板10上およびゲート電極22上に、酸化膜を堆積する。この酸化膜を異方性エッチングによりエッチバックして、オフセットスペーサ24を形成する。
ロジック領域2においても、基板110に素子分離領域112で囲まれた素子形成領域を形成する。次いで、基板110上に、ゲート絶縁膜120を介してゲート電極122を形成する。次いで、基板110上およびゲート電極122上に、酸化膜を堆積する。この酸化膜を異方性エッチングによりエッチバックして、オフセットスペーサ124を形成する。
なお、ゲート絶縁膜20およびゲート絶縁膜120、ゲート電極22およびゲート電極122、ならびにオフセットスペーサ24およびオフセットスペーサ124は、それぞれ同一工程により形成されてもよく、別工程により形成されてもよい。
これにより、図3に示す構造が得られる。
Next, a method for manufacturing the
First, an element formation region surrounded by an
Also in the
Note that the
Thereby, the structure shown in FIG. 3 is obtained.
次に、図4に示すように、DRAM領域1において、ゲート電極22およびオフセットスペーサ24をマスクとして、基板10にN型不純物をイオン注入する。これにより、N型不純物注入領域90が形成される。このときのイオン注入条件は、例えば、イオン種がリンイオン(P+)、加速エネルギーが5keV以上20keV以下、ドーズ量が1E12cm−2以上1E14cm−2以下である。
また、ロジック領域2においても、ゲート電極122およびオフセットスペーサ124をマスクとして基板10にN型不純物をイオン注入する。これにより、N型不純物注入領域190が形成される。次いで、ゲート電極122およびオフセットスペーサ124をマスクとして、基板10にP型不純物を、斜めイオン注入する。これにより、P型不純物注入領域192が形成される。このとき、P型不純物注入領域192は、N型不純物注入領域190を覆うように形成される。
Next, as shown in FIG. 4, in the DRAM region 1, N-type impurities are ion-implanted into the
Also in the
次に、図5に示すように、DRAM領域1において、ゲート電極22およびオフセットスペーサ24をマスクとして、基板10にP型不純物をイオン注入する。これにより、P型不純物注入領域92が形成される。このときのイオン注入条件は、例えば、イオン種がボロンイオン(B+)、加速エネルギーが0.5keV以上3keV以下、ドーズ量が1E12cm−2以上2E14cm−2以下である。
当該イオン注入は、基板10平面と垂直な方向に行われる。また、当該イオン注入におけるP型不純物の導入深さは、N型不純物注入領域90を形成するためのイオン注入におけるN型不純物の導入深さよりも浅い。このため、P型不純物注入領域92は、N型不純物注入領域90の内側に設けられることとなる。
Next, as shown in FIG. 5, in the DRAM region 1, P-type impurities are ion-implanted into the
The ion implantation is performed in a direction perpendicular to the plane of the
次に、図6に示すように、DRAM領域1において、基板10上およびゲート電極22上に酸化膜を堆積する。この酸化膜を異方性エッチングによりエッチバックして、ゲート側壁膜26を形成する。
また、DRAM領域1において、基板110上およびゲート電極122上に酸化膜を堆積する。この酸化膜を異方性エッチングによりエッチバックして、ゲート側壁膜126を形成する。
なお、ゲート側壁膜26およびゲート側壁膜126は、同一工程により形成されてもよく、別工程により形成されてもよい。
Next, as shown in FIG. 6, an oxide film is deposited on the
In the DRAM region 1, an oxide film is deposited on the
The
次に、図7に示すように、DRAM領域1において、ゲート電極22、オフセットスペーサ24およびゲート側壁膜26をマスクとして、基板10にN型不純物をイオン注入する。これにより、高濃度N型不純物注入領域94が形成される。このときのイオン注入条件は、例えば、イオン種がリンイオン(P+)、加速エネルギーが5keV以上20keV以下、ドーズ量が1E14cm−2以上1E16cm−2以下である。
なお、当該イオン注入におけるN型不純物の導入深さは、P型不純物注入領域92を形成するためのイオン注入におけるP型不純物の導入深さよりも深い。
また、ロジック領域2において、ゲート電極122、オフセットスペーサ124およびゲート側壁膜126をマスクとして、基板110にP型不純物をイオン注入する。これにより、高濃度N型不純物注入領域194が形成される。
Next, as shown in FIG. 7, in the DRAM region 1, N-type impurities are ion-implanted into the
The introduction depth of the N-type impurity in the ion implantation is deeper than the introduction depth of the P-type impurity in the ion implantation for forming the P-type
In the
次に、基板10および基板110に対し加熱処理を行う。
基板10に対し加熱処理を行うことにより、N型不純物注入領域90、P型不純物注入領域92および高濃度N型不純物注入領域94の不純物を活性化させ、かつ拡散させる。これにより、基板10に、低濃度不純物領域30、カウンター領域32、および高濃度不純物領域34が形成されることとなる。
また、基板110に対し加熱処理を行うことにより、N型不純物注入領域190、P型不純物注入領域192および高濃度N型不純物注入領域194の不純物を活性化させ、かつ拡散させる。これにより、低濃度不純物領域130、ハロー領域132、高濃度不純物領域134が形成されることとなる。このとき、P型の導電型を有するハロー領域132により、低濃度不純物領域130を構成するN型不純物の横方向における広がりが抑制される。このため、トランジスタ140において、短チャネル効果を小さくすることができる。
これにより、図8に示す構成が得られる。
Next, heat treatment is performed on the
By performing heat treatment on the
Further, by performing heat treatment on the
Thereby, the structure shown in FIG. 8 is obtained.
次に、DRAM領域1において、高濃度不純物領域34上にシリサイド層38を形成する。次いで、ビットコンタクトプラグ60、容量コンタクトプラグ62、およびビットコンタクトプラグ60と接続するビット線70を形成する。ビットコンタクトプラグ60、容量コンタクトプラグ62、およびビット線70は、基板10上およびゲート電極22上に形成された層間絶縁膜80内に設けられる。次いで、層間絶縁膜80に形成された凹部に下部電極52、容量絶縁膜54、および上部電極56を順に積層する。これにより、層間絶縁膜80上に容量素子50が形成される。次いで、層間絶縁膜80上に層間絶縁膜82を形成する。次いで、層間絶縁膜82の内部に、配線72を形成する。これにより、図2に示すDRAM領域1が得られる。
Next, a
また、ロジック領域2において、高濃度不純物領域134上にシリサイド層138を形成する。次いで、基板110上およびゲート電極122上に、層間絶縁膜180を形成する。次いで、層間絶縁膜180内に、コンタクトプラグ160を形成する。次いで、層間絶縁膜180の内部に、コンタクトプラグ160と接続する配線170を形成する。これにより、図2に示すロジック領域2が得られる。
In the
次に、本実施形態の効果を説明する。
図14は、本実施形態の効果を説明するためのエネルギーバンド図である。図15は、本実施形態の効果を説明するための模式図である。図16は、本実施形態の効果を説明するためのグラフである。
図14に説明されるように、ドレインのリーク電流は、空乏層中に形成される電子と正孔の再結合準位を介して起こる。この際、再結合準位のエネルギーレベルに応じて、リーク電流の活性化エネルギーが定まる。この活性化エネルギーが小さい程、電子と正孔が再結合しやすくなる。すなわち、リーク電流が発生しやすくなる。
空乏層の電界が強まると、この活性化エネルギーが小さくなる。すなわち、空乏層の電界が強いほど、電子と正孔が再結合しやすくなり、リーク電流が増大することとなる。
Next, the effect of this embodiment will be described.
FIG. 14 is an energy band diagram for explaining the effect of the present embodiment. FIG. 15 is a schematic diagram for explaining the effect of the present embodiment. FIG. 16 is a graph for explaining the effect of the present embodiment.
As illustrated in FIG. 14, the drain leakage current occurs through electron-hole recombination levels formed in the depletion layer. At this time, the activation energy of the leakage current is determined according to the energy level of the recombination level. The smaller this activation energy, the easier it is for electrons and holes to recombine. That is, a leak current is likely to occur.
As the electric field of the depletion layer increases, this activation energy decreases. That is, the stronger the electric field of the depletion layer, the easier it is for electrons and holes to recombine, and the leakage current increases.
図15では、基板にチャネルイオンを注入する際のドーズ量を変化させた場合において、ドレイン周辺に形成される空乏層の電界強度の変化を示している。なお、図15に示す例では、チャネルイオンとしてボロンを注入している。また、図15では、N型トランジスタが示されている。
図15(a)は、チャネルイオンのドーズ量が少ない場合の空乏層の電界強度を示す。図15(a)に示すように、チャネルイオンのドーズ量が低い場合、ゲート電圧によりゲートオーバーラップ領域に生じる空乏層の電界強度が強められる。この場合、ドレイン領域と基板との間に、GIDLが発生する。
図15(b)は、チャネルイオンのドーズ量が多い場合の空乏層の電界強度を示す。図15(b)に示すように、チャネルイオンのドーズ量が高い場合、ゲートオーバーラップ領域に生じる空乏層の電界強度は低減される。これは、P型不純物イオンを導入することで、ドレインのN型不純物が打ち返されることに起因する。一方で、ドレイン領域とチャネルにより形成されるPN接合の空乏層の電界強度が強まる。これにより、PN接合の逆方向接合リーク電流が増大してしまう。
このように、チャネルイオンのドーズ量が多すぎても少なすぎても、リーク電流の活性化エネルギーの低下が生じる。
FIG. 15 shows a change in the electric field strength of the depletion layer formed around the drain when the dose amount when channel ions are implanted into the substrate is changed. In the example shown in FIG. 15, boron is implanted as channel ions. FIG. 15 shows an N-type transistor.
FIG. 15A shows the electric field strength of the depletion layer when the dose amount of channel ions is small. As shown in FIG. 15A, when the dose amount of channel ions is low, the electric field strength of the depletion layer generated in the gate overlap region by the gate voltage is increased. In this case, GIDL is generated between the drain region and the substrate.
FIG. 15B shows the electric field strength of the depletion layer when the channel ion dose is large. As shown in FIG. 15B, when the channel ion dose is high, the electric field strength of the depletion layer generated in the gate overlap region is reduced. This is due to the introduction of P-type impurity ions to repel N-type impurities in the drain. On the other hand, the electric field strength of the depletion layer of the PN junction formed by the drain region and the channel is increased. This increases the reverse junction leakage current of the PN junction.
Thus, if the dose amount of channel ions is too large or too small, the activation energy of the leakage current is reduced.
図16では、リーク電流とチャネルイオンのドーズ量との関係を表す実験結果を示している。図16の実験結果から、チャネルイオンのドーズ量が少ない場合、および多い場合のいずれにおいても、リーク電流の活性化エネルギーが低下していることが分かる。 FIG. 16 shows experimental results showing the relationship between the leakage current and the channel ion dose. From the experimental results shown in FIG. 16, it can be seen that the activation energy of the leakage current is reduced when the dose of channel ions is small and large.
GIDLの低減は、ゲート電極下に形成されるチャネルとドレイン領域とを離間させることにより実現され得る。例えばゲートオーバーラップ領域にドレイン領域とは逆導電型の不純物を導入して、ハロー領域を形成することにより、ドレイン領域とチャネルを離間させることができる。また、ゲート電極とドレイン領域とをオフセットさせることによりチャネルとドレイン領域を離間させることもできる。
しかしながら、ドレイン領域とチャネルを離間させた場合、ドレイン領域とチャネルとの間に寄生抵抗が発生してしまうこととなる。すなわち、トランジスタのオン電流が低下してしまう。
The reduction of GIDL can be realized by separating the channel and the drain region formed under the gate electrode. For example, by introducing an impurity having a conductivity type opposite to that of the drain region into the gate overlap region to form a halo region, the drain region and the channel can be separated. Further, the channel and the drain region can be separated by offsetting the gate electrode and the drain region.
However, when the drain region and the channel are separated from each other, a parasitic resistance is generated between the drain region and the channel. That is, the on-state current of the transistor is reduced.
本実施形態によれば、端部がゲート電極22と重なるドレイン領域と、ドレイン領域の上部に位置し、かつゲート電極22側の端部がドレイン領域の内側に位置するカウンター領域32と、を備えている。
カウンター領域32を形成することにより、ゲートオーバーラップ領域における電界強度の低減を図ることができる。このため、GIDLに起因したリーク電流の低減を図ることができる。また、ドレイン領域は、ゲート電極下に形成されるチャネルと接することとなる。このため、オン電流の低下を防止することもできる。
According to the present embodiment, the drain region whose end portion overlaps the
By forming the
また、本実施形態によれば、GIDLの低減を図るためにチャネルイオンのドーズ量を高める必要がない。すなわち、ドレイン領域とチャネルとの間に形成されるPN接合の電界強度が強まることを抑制することもできる。従って、ドレイン領域とチャネルとの間に形成されるPN接合において、逆方向接合リーク電流の増大を抑制することができる。 Moreover, according to this embodiment, it is not necessary to increase the dose amount of channel ions in order to reduce GIDL. That is, it is possible to suppress an increase in the electric field strength of the PN junction formed between the drain region and the channel. Accordingly, an increase in reverse junction leakage current can be suppressed in the PN junction formed between the drain region and the channel.
図9は、第2の実施形態に係る半導体装置302を示す断面図であり、第1の実施形態における図1に対応している。図10および図11は、図9に示す半導体装置302の製造方法を示す断面図である。
本実施形態に係る半導体装置302は、ドレイン領域およびカウンター領域の形成方法を除いて、第1の実施形態に係る半導体装置300と同様である。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a
The
図9〜図11を用いて、本実施形態に係る半導体装置302の製造方法を説明する。なお、図9〜図11では、DRAM領域1におけるセルトランジスタ40の製造方法のみを示す。ロジック領域2については、第1の実施形態と同様に製造することができる。
A method for manufacturing the
まず、図10(a)に示すように、基板10に素子分離領域12を形成する。次いで、基板10上にゲート絶縁膜20およびゲート電極22を形成する。次いで、ゲート電極22およびゲート絶縁膜20の側面上に、オフセットスペーサ24を形成する。これらの工程については、第1の実施形態と同様に行うことができる。
First, as shown in FIG. 10A, an
次に、図10(b)に示すように、ゲート電極22およびオフセットスペーサ24をマスクとして、基板10にP型不純物をイオン注入する。これにより、P型不純物注入領域292が形成される。当該イオン注入は、基板10平面と垂直な方向に行われる。このときのイオン注入条件は、例えば、イオン種がボロンイオン(B+)、加速エネルギーが0.5keV以上3keV以下、ドーズ量が1E12cm−2以上2E14cm−2以下である。
Next, as shown in FIG. 10B, P-type impurities are ion-implanted into the
次に、図11(a)に示すように、ゲート電極22およびゲート絶縁膜20の側面上に、オフセットスペーサ24を介してゲート側壁膜226を形成する。
なお、本実施形態におけるゲート側壁膜226の幅は、第1の実施形態におけるゲート側壁膜26の幅よりも薄い方が好ましい。これにより、後述する低濃度不純物領域30および高濃度不純物領域34を、所望の形状および位置関係とすることができる。
Next, as illustrated in FIG. 11A, a
Note that the width of the
次に、図11(b)に示すように、ゲート電極22、オフセットスペーサ24およびゲート側壁膜226をマスクとして、基板10にN型不純物をイオン注入する。これにより、高濃度N型不純物注入領域290が形成される。このときのイオン注入条件は、例えば、イオン種がリンイオン(P+)、加速エネルギーが5keV以上20keV以下、ドーズ量が1E14cm−2以上1E16cm−2以下である。
なお、当該イオン注入におけるN型不純物の導入深さは、P型不純物注入領域292を形成するためのイオン注入におけるP型不純物の導入深さよりも深い。
Next, as shown in FIG. 11B, N-type impurities are ion-implanted into the
The introduction depth of the N-type impurity in the ion implantation is deeper than the introduction depth of the P-type impurity in the ion implantation for forming the P-type
次に、基板10に対し加熱処理を行う。基板10に対し加熱処理を行うことで、高濃度N型不純物注入領域290およびP型不純物注入領域292の不純物を活性化させ、かつ拡散させる。これにより、低濃度不純物領域30、カウンター領域32、高濃度不純物領域34が形成されることとなる。
Next, heat treatment is performed on the
本実施形態においても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態によれば、P型不純物注入領域292を形成する工程の前に、基板10にN型不純物を導入する必要がない。従って、第1の実施形態と比較して、製造工程数を削減することができる。これにより、低コストに優れた半導体装置の製造方法を実現することができる。
Also in this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
Further, according to the present embodiment, it is not necessary to introduce N-type impurities into the
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
1 DRAM領域
2 ロジック領域
10 基板
12 素子分離領域
20 ゲート絶縁膜
22 ゲート電極
24 オフセットスペーサ
26 ゲート側壁膜
30 低濃度不純物領域
32 カウンター領域
34 高濃度不純物領域
36 ソース・ドレイン領域
38 シリサイド層
40 セルトランジスタ
50 容量素子
52 下部電極
54 容量絶縁膜
56 上部電極
60 ビットコンタクトプラグ
62 容量コンタクトプラグ
70 ビット線
72 配線
80 層間絶縁膜
82 層間絶縁膜
90 N型不純物注入領域
92 P型不純物注入領域
94 高濃度N型不純物注入領域
110 基板
112 素子分離領域
120 ゲート絶縁膜
122 ゲート電極
124 オフセットスペーサ
126 ゲート側壁膜
130 低濃度不純物領域
132 ハロー領域
134 高濃度不純物領域
136 ソース・ドレイン領域
138 シリサイド層
140 トランジスタ
160 コンタクトプラグ
170 配線
180 層間絶縁膜
190 N型不純物注入領域
192 P型不純物注入領域
194 高濃度N型不純物注入領域
226 ゲート側壁膜
290 高濃度N型不純物注入領域
292 P型不純物注入領域
300 半導体装置
302 半導体装置
1
Claims (12)
前記基板上に設けられた第1ゲート絶縁膜と、
前記第1ゲート絶縁膜上に設けられた第1ゲート電極と、
前記第1ゲート電極の両側に位置し、端部が前記第1ゲート電極と重なっており、かつ前記第1導電型とは反対の第2導電型を有する第1ソース領域および第1ドレイン領域と、
前記基板に前記第1導電型の不純物を導入することにより形成され、前記第1ドレイン領域の上部に位置し、かつ前記第1ゲート電極側の端部が前記第1ドレイン領域の内側に位置するカウンター領域と、
を備える半導体装置。 A first conductivity type substrate;
A first gate insulating film provided on the substrate;
A first gate electrode provided on the first gate insulating film;
A first source region and a first drain region that are located on both sides of the first gate electrode, have end portions overlapping the first gate electrode, and have a second conductivity type opposite to the first conductivity type; ,
Formed by introducing the first conductivity type impurity into the substrate, located above the first drain region, and an end on the first gate electrode side located inside the first drain region Counter area,
A semiconductor device comprising:
前記カウンター領域において、前記第1導電型の不純物濃度は1E17cm−3以上1E19cm−3以下であり、前記第2導電型の不純物濃度は1E17cm−3以上1E19cm−3以下である半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
In the counter region, the first conductivity type impurity concentration is 1E17 cm −3 or more and 1E19 cm −3 or less, and the second conductivity type impurity concentration is 1E17 cm −3 or more and 1E19 cm −3 or less.
前記カウンター領域において、前記第1導電型の不純物濃度は、前記第2導電型の不純物濃度よりも低い半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
In the counter region, the first conductivity type impurity concentration is lower than the second conductivity type impurity concentration in the semiconductor device.
前記カウンター領域において、前記第1導電型の不純物濃度は、前記第2導電型の不純物濃度よりも高い半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
In the counter region, the first conductivity type impurity concentration is higher than the second conductivity type impurity concentration.
前記カウンター領域における前記第1導電型の不純物濃度は、前記基板における前記第1導電型の不純物濃度よりも高い半導体装置。 5. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
The semiconductor device wherein the first conductivity type impurity concentration in the counter region is higher than the first conductivity type impurity concentration in the substrate.
前記第1ドレイン領域は、前記第1ドレイン領域における他の領域よりも前記第2導電型の不純物濃度が高く、かつ前記ゲート電極側の端部が前記カウンター領域の内側に位置する高濃度不純物領域を有する半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The first drain region has a higher impurity concentration of the second conductivity type than other regions in the first drain region, and the gate electrode side end portion is located inside the counter region. A semiconductor device.
前記第1ドレイン領域と接続する容量素子を備える半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device comprising a capacitive element connected to the first drain region.
前記基板上の前記容量素子が設けられている領域とは異なる領域であって、かつロジック回路を有するロジック領域を備える半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7,
A semiconductor device comprising a logic region having a logic circuit, which is a region different from a region where the capacitor element is provided over the substrate.
前記ロジック領域は、
前記基板上に設けられた第2ゲート絶縁膜と、
前記第2ゲート絶縁膜上に設けられた第2ゲート電極と、
前記第2ゲート電極の両側に位置する前記第2導電型の第2ソース領域および第2ドレイン領域と、
を有する半導体装置。 The semiconductor device according to claim 8,
The logic area is
A second gate insulating film provided on the substrate;
A second gate electrode provided on the second gate insulating film;
A second source region and a second drain region of the second conductivity type located on both sides of the second gate electrode;
A semiconductor device.
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をマスクとして、前記基板に前記第1導電型とは反対の第2導電型の不純物を導入する第1ドーピング工程と、
前記ゲート電極をマスクとして、前記基板に前記第1導電型の不純物を、前記基板平面と垂直な方向に、前記第1ドーピング工程よりも浅く導入する第2ドーピング工程と、
前記基板に対し加熱処理を行う工程と、
を備える半導体装置の製造方法。 Forming a gate insulating film on a first conductivity type substrate;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
A first doping step of introducing an impurity of a second conductivity type opposite to the first conductivity type into the substrate using the gate electrode as a mask;
A second doping step of introducing the first conductivity type impurity into the substrate in a direction perpendicular to the substrate plane shallower than the first doping step, using the gate electrode as a mask;
Performing a heat treatment on the substrate;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記第2ドーピング工程の後であって、前記基板に対し加熱処理を行う工程の前において、
前記ゲート電極の側面上にゲート側壁膜を形成する工程と、
前記ゲート電極および前記ゲート側壁膜をマスクとして、前記基板に前記第2導電型の不純物を、前記第2ドーピング工程よりも深く導入する第3ドーピング工程と、
を備える半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 10,
After the second doping step and before the step of performing heat treatment on the substrate,
Forming a gate sidewall film on a side surface of the gate electrode;
A third doping step for introducing the second conductivity type impurity into the substrate deeper than the second doping step using the gate electrode and the gate sidewall film as a mask;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をマスクとして、前記基板に前記第1導電型の不純物を導入する第4ドーピング工程と、
前記ゲート電極の側面上にゲート側壁膜を形成する工程と、
前記ゲート電極および前記ゲート側壁膜をマスクとして、前記基板に前記第1導電型とは反対の第2導電型の不純物を、前記第4ドーピング工程よりも深く導入する第5ドーピング工程と、
前記基板に対し加熱処理を行う工程と、
を備える半導体装置の製造方法。 Forming a gate insulating film on a first conductivity type substrate;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
A fourth doping step of introducing the first conductivity type impurity into the substrate using the gate electrode as a mask;
Forming a gate sidewall film on a side surface of the gate electrode;
A fifth doping step of introducing an impurity of a second conductivity type opposite to the first conductivity type into the substrate deeper than the fourth doping step using the gate electrode and the gate sidewall film as a mask;
Performing a heat treatment on the substrate;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
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