JP2014036213A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents

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賢治 木本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device capable of easily controlling a height and a width of a schottky barrier regardless of the kind of metal material, having low parasitic resistance and effectively suppressing short channel effect, and a method for manufacturing the same.SOLUTION: A gate electrode 3 is formed on a p-type silicon substrate 1 via a gate insulating film 2, and metal source drain electrodes 8 are formed on both sides of the gate electrode 3 on the p-type silicon substrate 1. A region 5 as an insulating layer is provided between the gate electrode 3 and the metal source drain electrode 8 on a surface of the p-type silicon substrate 1, a cesium-containing region 7 containing cesium is formed on a part or a whole of a region contacting with the metal source drain electrodes 8 on the p-type silicon substrate 1. Fixed charges exist in the insulating layer 5.

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

半導体集積回路は、MOSFET(MOS電界効果トランジスタ)の微細化と共に高性能化してきたが、今後も、MOSFETの微細化を継続するためには、微細化に伴って益々顕著となる短チャネル効果による特性劣化を抑制することが必須である。ここで、短チャネル効果を抑制するためには、ソース・ドレインをより浅く形成することが非常に効果的である。また、同時に、高いオン電流を得るために、ソース・ドレインは、低抵抗である必要がある。   Semiconductor integrated circuits have been improved in performance with miniaturization of MOSFETs (MOS field effect transistors), but in order to continue miniaturization of MOSFETs in the future, due to the short channel effect that becomes more prominent with miniaturization. It is essential to suppress characteristic deterioration. Here, in order to suppress the short channel effect, it is very effective to form the source / drain shallower. At the same time, in order to obtain a high on-current, the source / drain needs to have a low resistance.

通常、ソース・ドレインは、高濃度のドナーまたはアクセプターを半導体中にイオン注入し、その後、活性化アニールをすることによって形成される。このようにして形成されるソース・ドレインの接合深さを浅くするためには、イオン注入エネルギー(加速エネルギー)を小さくする必要がある。ところが、イオン注入エネルギーを極端に小さくすると(例えば1keV以下)、単位時間当たりのドーズ量を十分に確保することが困難になるため、量産プロセスに適用するのが非常に困難になる。また、活性化アニールによる不純物の熱拡散によっても、接合深さが深くなってしまう。一方において、接合深さを浅くするほど、ソース・ドレイン抵抗は大きくなってしまう。このような理由によって、ソース・ドレインの浅接合化は近年益々困難になってきている。   Usually, the source / drain is formed by ion-implanting a high concentration donor or acceptor into a semiconductor and then performing activation annealing. In order to reduce the source / drain junction depth formed in this way, it is necessary to reduce ion implantation energy (acceleration energy). However, if the ion implantation energy is extremely small (for example, 1 keV or less), it becomes difficult to secure a sufficient dose per unit time, which makes it very difficult to apply to a mass production process. Also, the junction depth becomes deep due to thermal diffusion of impurities by activation annealing. On the other hand, the source / drain resistance increases as the junction depth decreases. For these reasons, the shallow junction of the source / drain has become increasingly difficult in recent years.

このような問題を解決する方法として、ソース・ドレインを金属シリサイド等の金属を用いて形成する金属ソース・ドレイン構造が提案されている(例えば、非特許文献1)。上記金属シリサイドは、半導体としてのシリコン上に金属を堆積し、その後に、RTA(Rapid Thermal Annealing)等の熱処理を行うことによって形成される。このような金属シリサイドの膜厚は、堆積する金属の膜厚で制御できるため、制御が容易であり、従って、極めて浅いソース・ドレインを容易に形成することができる。また、ソース・ドレインを金属で形成するため、非常に低抵抗にできることも期待される。   As a method for solving such a problem, a metal source / drain structure in which a source / drain is formed using a metal such as metal silicide has been proposed (for example, Non-Patent Document 1). The metal silicide is formed by depositing a metal on silicon as a semiconductor and then performing heat treatment such as RTA (Rapid Thermal Annealing). Since the film thickness of such a metal silicide can be controlled by the film thickness of the deposited metal, it is easy to control. Therefore, a very shallow source / drain can be easily formed. In addition, since the source and drain are made of metal, it is expected that the resistance can be very low.

しかしながら、上記金属ソース・ドレイン構造には、金属と半導体との間に、ショットキー接合が形成されるために、ソース・ドレインと半導体との間のリーク電流が大きく、また、チャネルとソース・ドレインとの間に形成されるショットキー障壁のために、オン電流が低下してしまうという問題がある。   However, in the metal source / drain structure, since a Schottky junction is formed between the metal and the semiconductor, a leakage current between the source / drain and the semiconductor is large, and the channel and the source / drain are also formed. There is a problem that the on-current is reduced due to the Schottky barrier formed between the two.

このような問題を解決できる発明としては、特開2005‐101588号公報(特許文献1)に記載されている電界効果トランジスタがある。この電界効果トランジスタは、半導体としてのシリコン基板中に、AsやB等の不純物を注入し、その後、不純物を注入した領域よりも深い領域まで金属シリサイド(金属ソース・ドレイン)を形成することによって、金属シリサイドとシリコンの界面付近に不純物を偏析させ、金属シリサイドに接する領域に、シリコン基板とは逆導電型であり且つ空乏化した不純物含有領域を形成している。   As an invention that can solve such a problem, there is a field effect transistor described in JP-A-2005-101588 (Patent Document 1). In this field effect transistor, impurities such as As and B are implanted into a silicon substrate as a semiconductor, and then metal silicide (metal source / drain) is formed to a region deeper than the region into which the impurity is implanted. Impurities are segregated in the vicinity of the interface between the metal silicide and silicon, and a depleted impurity-containing region having a conductivity type opposite to that of the silicon substrate is formed in a region in contact with the metal silicide.

この電界効果トランジスタは、金属ソース・ドレインと、半導体との接合特性が、pn接合と、ショットキー接合との中間的な特性となるため、上記非特許文献1の構造よりもリーク電流を抑制することができる。また、上記非特許文献1の場合に比べて、チャネルとソース・ドレインとの間に形成されるショットキー障壁高さを実効的に低減できて、オン電流を向上させることができる。   In this field effect transistor, since the junction characteristics between the metal source / drain and the semiconductor are intermediate characteristics between the pn junction and the Schottky junction, the leakage current is suppressed more than the structure of Non-Patent Document 1. be able to. Further, compared to the case of Non-Patent Document 1, the height of the Schottky barrier formed between the channel and the source / drain can be effectively reduced, and the on-current can be improved.

しかしながら、上記特許文献1に開示された技術では、不純物を注入した領域よりも深い位置まで金属シリサイドを形成する必要があるため、ソース・ドレインの深さは不純物の注入深さよりも浅くすることができない。即ち、pn接合を用いてソース・ドレインを形成する従来の方法よりも浅いソース・ドレインを形成することが、原理的に不可能であるという問題がある。   However, in the technique disclosed in Patent Document 1, since it is necessary to form metal silicide to a position deeper than the region into which the impurity is implanted, the source / drain depth may be shallower than the impurity implantation depth. Can not. That is, there is a problem that it is impossible in principle to form a shallower source / drain than a conventional method of forming a source / drain using a pn junction.

また、用いられる不純物は、半導体のドナー不純物あるいはアクセプター不純物であるため、不純物を注入した後に不純物の活性化やイオン注入によって生じた結晶欠陥を回復するための熱処理を行う場合には、不純物が熱拡散してしまい、そのために、浅いソース・ドレインを形成することが更に困難になるという問題がある。   In addition, since the impurity used is a semiconductor donor impurity or acceptor impurity, the impurity is heated when heat treatment for recovering crystal defects caused by impurity activation or ion implantation is performed after the impurity implantation. Therefore, there is a problem that it becomes more difficult to form a shallow source / drain.

更に、上記特許文献1に開示された技術を用いてソース・ドレインを形成したMOSFETでは、GIDL(Gate Induced Drain Leakage;ゲート誘起ドレインリーク)によるドレインリーク電流が大きいため、消費電力が大きくなったり、回路誤動作の原因になる等の問題がある。また、ゲート電極と、金属ソース・ドレイン電極が、薄いゲート絶縁膜を介して接しているため、トンネル電流が増大し、ゲート−ソース・ドレイン間のリーク電流が大きくなるという問題がある。また、このようなリーク電流の増大は、特にゲート絶縁膜が3nm以下に薄膜化したときに顕著になる。   Furthermore, in a MOSFET in which a source and a drain are formed using the technique disclosed in Patent Document 1, a drain leakage current due to GIDL (Gate Induced Drain Leakage) is large, so that power consumption increases. There are problems such as circuit malfunction. Further, since the gate electrode and the metal source / drain electrode are in contact with each other through a thin gate insulating film, there is a problem that a tunnel current increases and a leak current between the gate-source / drain increases. Such an increase in leakage current is particularly noticeable when the gate insulating film is thinned to 3 nm or less.

特開2005‐101588号公報JP 2005-101588 A

シー・ワング、ジョン・ピー・スナイダー、ジェー・アール・タッカー(C.Wang,John P.Snyder,J.R.Tucker)著,「アプライド・フィジックス・レターズ(Applied Physics Letters)」,米国,アメリカン・インスティテュート・オブ・フィジックス(American Institute of Physics),第74巻(VOL.74),1999年,P.1174−1176See Wang, John P. Snyder, J. P. Snyder, JRTucker, "Applied Physics Letters", American Institute of the United States・ Physics (American Institute of Physics), Volume 74 (VOL.74), 1999, P.1174-1176

そこで、この発明の課題は、金属材料の種類に関わらずショットキー障壁の高さおよび幅を容易に制御できると共に、寄生抵抗が低く、且つ、短チャネル効果を効果的に抑制できる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of easily controlling the height and width of a Schottky barrier regardless of the type of metal material, having a low parasitic resistance, and effectively suppressing the short channel effect, and its It is to provide a manufacturing method.

上記課題を解決するため、この発明の半導体装置は、
半導体層と、
上記半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
上記半導体層上における上記ゲート電極の両側に形成された金属ソース・ドレイン電極と、
上記半導体層の表面のうちで、上記ゲート電極と、上記金属ソース・ドレイン電極とに挟まれた部分上に設けられた絶縁層と
を備え、
上記半導体層は、上記金属ソース・ドレイン電極と接する領域の一部または全部に、セシウムを含有するセシウム含有領域を有し、
上記絶縁層中には、正の固定電荷が存在していることを特徴としている。
In order to solve the above problems, a semiconductor device of the present invention is
A semiconductor layer;
A gate electrode formed on the semiconductor layer via a gate insulating film;
Metal source / drain electrodes formed on both sides of the gate electrode on the semiconductor layer;
Of the surface of the semiconductor layer, comprising an insulating layer provided on the portion sandwiched between the gate electrode and the metal source / drain electrode,
The semiconductor layer has a cesium-containing region containing cesium in part or all of a region in contact with the metal source / drain electrode,
A positive fixed charge is present in the insulating layer.

本発明によれば、上記半導体層における上記金属ソース・ドレイン電極と接している領域の一部あるいは全部に、セシウムを含有するセシウム含有領域を有している。ここで、セシウムのイオン化ポテンシャルは全元素中で最も小さいため、上記セシウム含有領域中のセシウムが形成するエネルギー準位(不純物準位)は上記金属ソース・ドレイン電極のフェルミ準位よりも高エネルギー側に位置することになる。この結果、上記セシウムから上記金属ソース・ドレイン電極側に電子が放出され、上記セシウムは正にイオン化する。上記セシウムがイオン化した領域では、上記金属ソース・ドレイン電極と上記セシウム含有領域との界面におけるショットキー障壁が大きく変調される(ショットキー障壁変調効果)。即ち、正孔に対するショットキー障壁高さは実効的に大きく増加し、電子に対するショットキー障壁高さは実効的に大きく減少する。したがって、N型MOSFETにおいて、上記半導体層‐上記金属ソース・ドレイン電極間のリーク電流を著しく抑制することができると共に、チャネル‐上記金属ソース・ドレイン電極間の抵抗を著しく減少させることができる。   According to the present invention, the semiconductor layer has a cesium-containing region containing cesium in part or all of the region in contact with the metal source / drain electrode. Here, since the ionization potential of cesium is the lowest among all elements, the energy level (impurity level) formed by cesium in the cesium-containing region is higher than the Fermi level of the metal source / drain electrode. Will be located. As a result, electrons are emitted from the cesium to the metal source / drain electrode side, and the cesium is positively ionized. In the cesium ionized region, the Schottky barrier at the interface between the metal source / drain electrodes and the cesium-containing region is greatly modulated (Schottky barrier modulation effect). That is, the Schottky barrier height with respect to holes increases effectively and the Schottky barrier height with respect to electrons decreases effectively. Therefore, in the N-type MOSFET, the leakage current between the semiconductor layer and the metal source / drain electrode can be remarkably suppressed, and the resistance between the channel and the metal source / drain electrode can be significantly reduced.

また、バンドベンディングは、上記金属ソース・ドレイン電極から十分遠い位置における上記不純物準位と、上記金属ソース・ドレイン電極のフェルミ準位とが一致する程度まで起こるため、上記金属ソース・ドレイン電極のフェルミ準位から上記不純物準位までのエネルギー差が大きいほど、バンドベンディングは大きくなり、上記ショットキー障壁変調効果は大きくなる。セシウムは全元素中で最も小さいイオン化ポテンシャル(3.89eV)を有するため、最も効果的にショットキー障壁変調効果を得ることができる。   Band bending occurs to the extent that the impurity level at a position sufficiently far from the metal source / drain electrode and the Fermi level of the metal source / drain electrode coincide with each other. As the energy difference from the level to the impurity level increases, the band bending increases and the Schottky barrier modulation effect increases. Since cesium has the smallest ionization potential (3.89 eV) among all elements, the Schottky barrier modulation effect can be most effectively obtained.

また、本発明によれば、上記絶縁層中に正の固定電荷が存在しているため、固定電荷下の半導体層の表面には電子キャリア層が誘起され、極めて浅いソース・ドレインエクステンションとして機能する。従って、極めて良好な短チャネル効果特性を獲得することができる。更に、固定電荷による強い電界効果によって、上記半導体層と上記金属ソース・ドレイン電極間の電子に対するショットキー障壁厚さが著しく減少し、更に、鏡像効果によるショットキー障壁高さの減少が増強されるため、実効的なショットキー障壁高さを著しく低減できる。したがって、上記電子キャリア層と、上記金属ソース・ドレイン電極との低抵抗接続が実現される。したがって、セシウム含有領域におけるセシウムのイオン化、および、固定電荷による強い電界効果によって、チャネル−金属ソース・ドレイン電極間の寄生抵抗を著しく抑制することができる。   According to the present invention, since positive fixed charges are present in the insulating layer, an electron carrier layer is induced on the surface of the semiconductor layer under the fixed charges, and functions as a very shallow source / drain extension. . Therefore, very good short channel effect characteristics can be obtained. Furthermore, due to the strong electric field effect due to the fixed charge, the thickness of the Schottky barrier for electrons between the semiconductor layer and the metal source / drain electrode is remarkably reduced, and further, the reduction of the Schottky barrier height due to the mirror image effect is enhanced. Therefore, the effective Schottky barrier height can be significantly reduced. Therefore, low resistance connection between the electron carrier layer and the metal source / drain electrodes is realized. Therefore, the parasitic resistance between the channel and the metal source / drain electrode can be remarkably suppressed by the ionization of cesium in the cesium-containing region and the strong electric field effect due to the fixed charge.

また、金属ソース・ドレイン電極がゲート電極から横方向(チャネル長方向)に離れているため、ゲート電極からの電界の影響が金属ソース・ドレイン電極およびその近傍の半導体層に及びにくいこと、および、上記固定電荷下の半導体表面には強い電界があるため、オフ方向のゲート電圧(N型MOSFETの場合、負バイアス方向、P型MOSFETの場合、正バイアス方向)を印加しても固定電荷下の半導体層表面の電界の向きが反転しにくいことにより、GIDLが減少する。したがって、リーク電流を著しく低減することができる。   In addition, since the metal source / drain electrode is separated from the gate electrode in the lateral direction (channel length direction), the influence of the electric field from the gate electrode is difficult to reach the metal source / drain electrode and the semiconductor layer in the vicinity thereof, and Since there is a strong electric field on the semiconductor surface under the fixed charge, even if a gate voltage in the off direction (negative bias direction in the case of N-type MOSFET, positive bias direction in the case of P-type MOSFET) is applied, Since the direction of the electric field on the surface of the semiconductor layer is not easily reversed, GIDL is reduced. Therefore, the leakage current can be significantly reduced.

また、一実施形態では、
上記半導体層は、3.89eVより大きい電子親和力を有する半導体からなる。
In one embodiment,
The semiconductor layer is made of a semiconductor having an electron affinity greater than 3.89 eV.

上記実施の形態によれば、上記半導体層の電子親和力はセシウムのイオン化エネルギー(3.89eV)より大きいため、セシウム含有領域中のセシウムが作る不純物準位は、上記半導体の伝導帯下端よりも高エネルギー側に位置することができる。この場合、上記金属ソース・ドレイン電極近傍の半導体層のエネルギーバンドは、半導体層の伝導帯下端が上記金属ソース・ドレイン電極のフェルミ準位に一致する程度まで曲げられるため、ほぼ最大のバンドベンディングを得ることができる。このとき、セシウムがイオン化した領域におけるバンドベンディングは非常に急峻なものとなるため、上記金属ソース・ドレイン電極と上記半導体層との間では、電子に対するショットキー障壁の厚みは非常に薄くなり、更に、鏡像効果によるショットキー障壁高さの低減効果が著しくなるため、電子に対するショットキー障壁高さは実効的に非常に小さくなる。従って、チャネル−金属ソース・ドレイン電極間を極めて低抵抗に接続することができる。また、同時に、正孔に対するエネルギー障壁高さが非常に大きくなるため、金属ソース・ドレイン‐半導体層間のリーク電流を著しく抑制することができる。   According to the embodiment, since the electron affinity of the semiconductor layer is larger than the ionization energy (3.89 eV) of cesium, the impurity level produced by cesium in the cesium-containing region is higher than the lower end of the conduction band of the semiconductor. It can be located on the energy side. In this case, the energy band of the semiconductor layer near the metal source / drain electrode is bent to the extent that the lower end of the conduction band of the semiconductor layer coincides with the Fermi level of the metal source / drain electrode. Can be obtained. At this time, since the band bending in the region where cesium is ionized becomes very steep, the thickness of the Schottky barrier against electrons becomes very thin between the metal source / drain electrodes and the semiconductor layer. Since the effect of reducing the Schottky barrier height due to the mirror image effect becomes significant, the Schottky barrier height for electrons is effectively very small. Therefore, the channel and the metal source / drain electrode can be connected to each other with extremely low resistance. At the same time, since the energy barrier height against holes becomes very large, the leakage current between the metal source / drain-semiconductor layer can be remarkably suppressed.

また、一実施形態では、
上記半導体層は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、ガリウム砒素、窒化ガリウムのうちのいずれか1つからなる。
In one embodiment,
The semiconductor layer is made of any one of silicon, germanium, silicon germanium, gallium arsenide, and gallium nitride.

上記実施の形態によれば、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、ガリウム砒素、窒化ガリウムの電子親和力はそれぞれ、4.05eV、4.0eV、4.0eV、4.07eV、4.1eVであるので、上記半導体層の電子親和力を3.89eVより大きくすることができる。   According to the above embodiment, the electron affinity of silicon, germanium, silicon germanium, gallium arsenide, and gallium nitride is 4.05 eV, 4.0 eV, 4.0 eV, 4.07 eV, and 4.1 eV, respectively. The electron affinity of the semiconductor layer can be made larger than 3.89 eV.

また、上記セシウムはシリコンのドナーおよびアクセプターではないため、上記半導体層のバルク中で殆どキャリアを発生することがない。したがって、上記セシウム含有領域を、上記金属ソース・ドレイン電極よりも深く形成した場合であっても、短チャネル効果特性を劣化させることがなくて、不純物の注入深さよりも浅い領域にソース・ドレインを形成することができ、極めて浅いソース・ドレインを形成することができる。したがって、良好な短チャネル効果特性を得ることができる。   Further, since the cesium is not a silicon donor and acceptor, carriers are hardly generated in the bulk of the semiconductor layer. Therefore, even when the cesium-containing region is formed deeper than the metal source / drain electrode, the short channel effect characteristics are not deteriorated, and the source / drain is formed in a region shallower than the impurity implantation depth. It is possible to form a very shallow source / drain. Therefore, good short channel effect characteristics can be obtained.

また、上記セシウム含有領域の形成のためにイオン注入を用いる場合、セシウムの質量数(133)は非常に大きく、通常のドナー不純物の質量数(例えば、砒素の室雨量数75)よりも大きいため、同じイオン注入エネルギーにおいて上記砒素よりも浅い領域にイオン注入できる。逆に言えば、同じ深さにイオン注入を行う場合、上記セシウムのイオン注入エネルギーを上記砒素のイオン注入エネルギーよりも大きくできるので、イオン電流量を多くすることができ、プロセス時間を短縮することができる。特に、上記不純物によれば、非常に小さいイオン注入エネルギーでイオン注入を行う場合に、十分なドーズ量が確保できないという問題を回避することができる。   In addition, when ion implantation is used to form the cesium-containing region, the mass number of cesium (133) is very large and is larger than the mass number of normal donor impurities (for example, the arsenic room rainfall number is 75). The ions can be implanted into a region shallower than the arsenic at the same ion implantation energy. Conversely, when ion implantation is performed at the same depth, the ion implantation energy of the cesium can be made larger than the ion implantation energy of the arsenic, so that the amount of ion current can be increased and the process time can be shortened. Can do. In particular, according to the above impurities, it is possible to avoid the problem that a sufficient dose cannot be secured when ion implantation is performed with very small ion implantation energy.

また、一実施形態では、
上記固定電荷のうちの少なくとも一部を構成するのは、セシウムである。
In one embodiment,
It is cesium that constitutes at least a part of the fixed charges.

上記実施形態によれば、セシウムは全元素中で最も小さいイオン化ポテンシャル(3.89eV)を有するため、最も容易に高密度の固定電荷を形成することができる。上記半導体層として電子親和力が3.89eVより大きい半導体(例えば、シリコン、ゲルマニウム、GaAs、GaN等。電子親和力は、それぞれ、4.05eV、4.0eV、4.07eV、4.1eV)を用いる場合、上記セシウムは、上記半導体層の伝導帯下端よりも高エネルギー側にエネルギー準位(不純物準位)を形成するため、更に高密度の固定電荷を形成することができ、半導体層表面に高濃度の電子キャリア層を誘起することができる。   According to the above embodiment, cesium has the smallest ionization potential (3.89 eV) among all elements, and therefore can form a high-density fixed charge most easily. When the semiconductor layer has a semiconductor with an electron affinity greater than 3.89 eV (eg, silicon, germanium, GaAs, GaN, etc., the electron affinity is 4.05 eV, 4.0 eV, 4.07 eV, 4.1 eV, respectively) Since the cesium forms an energy level (impurity level) on the higher energy side than the lower end of the conduction band of the semiconductor layer, it can form a higher-density fixed charge and has a high concentration on the surface of the semiconductor layer. The electron carrier layer can be induced.

尚、不純物準位と、半導体層との間の電荷の授受の結果、半導体層表面では、不純物準位と、フェルミ準位とが一致する程度までバンドベンディングが起こるため、不純物のイオン化ポテンシャルが小さいほど誘起される電子キャリア濃度は大きくなり、更に、不純物準位が半導体層の伝導帯下端よりも高エネルギー側にある場合は、半導体層表面を強反転させることができ、極めて高濃度の電子キャリア層を形成することができる。   Note that, as a result of charge transfer between the impurity level and the semiconductor layer, band bending occurs to the extent that the impurity level and the Fermi level coincide with each other on the surface of the semiconductor layer, so the ionization potential of the impurity is small. The induced electron carrier concentration increases, and if the impurity level is on the higher energy side than the lower end of the conduction band of the semiconductor layer, the surface of the semiconductor layer can be strongly inverted, and an extremely high concentration of electron carriers A layer can be formed.

また、一実施形態では、
上記絶縁層には、窒素元素が含まれている。
In one embodiment,
The insulating layer contains a nitrogen element.

上記実施形態によれば、上記絶縁層中に固定電荷を容易に形成することができる。というのは、例えば、窒化シリコンにおいては、屈折率が1.9より大きいほど、高密度の正の固定電荷が形成され、屈折率が1.9より小さいほど、高密度の負の固定電荷が形成されるからである。   According to the embodiment, a fixed charge can be easily formed in the insulating layer. This is because, for example, in silicon nitride, the higher the refractive index, the higher the density of positive fixed charges, and the lower the refractive index, the higher the density of negative fixed charges. This is because it is formed.

また、一実施形態では、
上記セシウム含有領域の上記金属ソース・ドレイン電極との界面のセシウム濃度は、1×1019cm-3以上である。
In one embodiment,
The cesium concentration at the interface between the cesium-containing region and the metal source / drain electrode is 1 × 10 19 cm −3 or more.

上記実施形態によれば、上記金属ソース・ドレイン電極との界面での上記セシウムの濃度が十分に大きい。そのため、ショットキー障壁が大きく変調できて、上記半導体層‐上記金属ソース・ドレイン電極間のリーク電流を著しく抑制できると共に、チャネル‐上記金属ソース・ドレイン電極間の抵抗を著しく減少させることができる。   According to the embodiment, the cesium concentration at the interface with the metal source / drain electrode is sufficiently high. For this reason, the Schottky barrier can be greatly modulated, the leakage current between the semiconductor layer and the metal source / drain electrode can be remarkably suppressed, and the resistance between the channel and the metal source / drain electrode can be significantly reduced.

また、一実施形態では、
上記セシウム含有領域の上記セシウムの濃度は、上記セシウム含有領域の上記金属ソース・ドレイン電極との界面よりも深い位置にピークを有している。
In one embodiment,
The concentration of the cesium in the cesium-containing region has a peak at a position deeper than the interface between the cesium-containing region and the metal source / drain electrode.

上記実施形態によれば、上記金属ソース・ドレイン電極の広い範囲を高濃度のセシウム含有領域で覆うことができるので、上記半導体層‐上記金属ソース・ドレイン電極間のリーク電流を効果的に低減することができる。   According to the above embodiment, since a wide range of the metal source / drain electrode can be covered with a high concentration cesium-containing region, the leakage current between the semiconductor layer and the metal source / drain electrode is effectively reduced. be able to.

また、一実施形態では、
上記金属ソース・ドレイン電極は、上記半導体層を構成する半導体と、金属との化合物で構成されている。
In one embodiment,
The metal source / drain electrodes are composed of a compound of a semiconductor constituting the semiconductor layer and a metal.

上記金属ソース・ドレイン電極の深さは上記半導体層上に堆積する上記金属の厚さによって制御することができる。上記実施形態によれば、上記半導体層上にスパッタ法等によって上記金属を薄く堆積することによって、浅い金属ソース・ドレイン電極を容易に形成することができる。   The depth of the metal source / drain electrode can be controlled by the thickness of the metal deposited on the semiconductor layer. According to the embodiment, shallow metal source / drain electrodes can be easily formed by thinly depositing the metal on the semiconductor layer by sputtering or the like.

また、一実施形態では、
上記半導体層を構成する半導体は、シリコンおよびゲルマニウムのうちの少なくとも1つを含んでおり、
上記金属は、ニッケル、コバルト、チタン、白金、エルビウムおよびイッテルビウムのうちの1つ以上を含んでいる。
In one embodiment,
The semiconductor constituting the semiconductor layer includes at least one of silicon and germanium,
The metal includes one or more of nickel, cobalt, titanium, platinum, erbium and ytterbium.

上記実施形態によれば、自己整合シリサイドプロセスあるいは自己整合ジャーマナイドプロセスを用いることができるため、上記浅い金属ソース・ドレイン電極を、上記ゲート電極に対して自己整合的な位置に容易に形成することができる。   According to the embodiment, since the self-aligned silicide process or the self-aligned germanide process can be used, the shallow metal source / drain electrodes are easily formed in a self-aligned position with respect to the gate electrode. be able to.

また、一実施形態では、
上記半導体層は、絶縁体上に設けられており、
上記金属ソース・ドレイン電極の少なくとも一部は、上記絶縁体に接している。
In one embodiment,
The semiconductor layer is provided on an insulator,
At least a part of the metal source / drain electrode is in contact with the insulator.

上記実施形態によれば、SOI(Semiconductor On Insulator)構造の半導体装置において、上記半導体層‐上記金属ソース・ドレイン電極間のリーク電流を著しく抑制できると共に、チャネル‐上記金属ソース・ドレイン電極間の抵抗を著しく減少させることができる。さらに、極めて浅いソース・ドレインの形成を可能にできて、良好な短チャネル効果特性を得ることができる。   According to the embodiment, in a semiconductor device having an SOI (Semiconductor On Insulator) structure, the leakage current between the semiconductor layer and the metal source / drain electrode can be remarkably suppressed, and the resistance between the channel and the metal source / drain electrode can be reduced. Can be significantly reduced. Furthermore, it is possible to form a very shallow source / drain and to obtain good short channel effect characteristics.

また、本発明の半導体装置の製造方法は、
本発明の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
上記半導体層上における上記ゲート電極の両側に絶縁層を形成する工程と、
上記絶縁層中にセシウムを導入する工程と、
アニールを行うことにより、上記セシウムを上記絶縁層と上記半導体層との界面に偏析させて固定電荷を形成する工程と、
上記半導体層の表面の一部が露出するように上記絶縁層を異方性エッチングして、上記絶縁層からなるゲート側壁を形成する工程と、
上記半導体層の表面が露出した領域に上記セシウムを導入して上記セシウム含有領域を形成する工程と、
上記セシウム含有領域に接するように金属ソース・ドレイン電極を形成する工程と
を含むことを特徴としている。
In addition, a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes:
In the manufacturing method of a semiconductor device for manufacturing the semiconductor device of the present invention,
Forming a gate electrode on the semiconductor layer via a gate insulating film;
Forming an insulating layer on both sides of the gate electrode on the semiconductor layer;
Introducing cesium into the insulating layer;
Forming a fixed charge by segregating the cesium at the interface between the insulating layer and the semiconductor layer by annealing;
Anisotropically etching the insulating layer such that a part of the surface of the semiconductor layer is exposed to form a gate sidewall made of the insulating layer;
Introducing the cesium into a region where the surface of the semiconductor layer is exposed to form the cesium-containing region;
Forming a metal source / drain electrode so as to be in contact with the cesium-containing region.

本発明によれば、上記半導体層における上記金属ソース・ドレイン電極と接している領域の一部あるいは全部に、セシウム含有領域を形成しているため、上記半導体層‐上記金属ソース・ドレイン電極間のリーク電流を著しく抑制できると共に、チャネル‐上記金属ソース・ドレイン電極間の抵抗を著しく減少できる半導体装置を形成することができる。   According to the present invention, since the cesium-containing region is formed in part or all of the region in contact with the metal source / drain electrode in the semiconductor layer, the region between the semiconductor layer and the metal source / drain electrode is formed. A semiconductor device can be formed in which the leakage current can be remarkably suppressed and the resistance between the channel and the metal source / drain electrode can be significantly reduced.

また、本発明によれば、上記セシウムを上記絶縁層と上記半導体層との界面に偏析させているから、上記絶縁層と、上記半導体層との界面近傍に正の固定電荷を形成することができる。従って、固定電荷下の半導体層の表面には電子キャリア層が誘起され、極めて浅いソース・ドレインエクステンションとして機能する。従って、極めて良好な短チャネル効果特性が得られる。また、固定電荷による強い電界効果によって、上記半導体層と、上記金属ソース・ドレイン電極間の電子に対するショットキー障壁厚さが著しく減少し、更に、鏡像効果によるショットキー障壁高さの減少が増強されるため、実効的なショットキー障壁高さが著しく低減され、上記電子キャリア層と、上記金属ソース・ドレイン電極との低抵抗接続を実現することができる。従って、良好な短チャネル効果特性と、低い寄生抵抗とを同時に実現することができる。   According to the present invention, since the cesium is segregated at the interface between the insulating layer and the semiconductor layer, a positive fixed charge can be formed in the vicinity of the interface between the insulating layer and the semiconductor layer. it can. Therefore, an electron carrier layer is induced on the surface of the semiconductor layer under a fixed charge, and functions as a very shallow source / drain extension. Therefore, very good short channel effect characteristics can be obtained. Also, due to the strong electric field effect due to the fixed charge, the thickness of the Schottky barrier against electrons between the semiconductor layer and the metal source / drain electrode is remarkably reduced, and further, the reduction of the Schottky barrier height due to the mirror effect is enhanced. Therefore, the effective Schottky barrier height is remarkably reduced, and a low resistance connection between the electron carrier layer and the metal source / drain electrodes can be realized. Therefore, good short channel effect characteristics and low parasitic resistance can be realized at the same time.

また、本発明の半導体装置の製造方法は、
本発明の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
上記半導体層の表面のうち、少なくとも上記ゲート電極に隣接する領域を、プラズマ状態の窒素、窒素ラジカル、および、窒素元素を含有する分子からなる酸化剤を含む気体のうちの少なくとも一つを含む雰囲気に暴露して、絶縁層を形成すると共に、正の固定電荷を形成する工程と、
上記半導体層の表面の一部が露出するように上記絶縁層を異方性エッチングして、上記絶縁層からなるゲート側壁を形成する工程と、
上記半導体層の表面が露出した領域にセシウムを導入してセシウム含有領域を形成する工程と、
上記セシウム含有領域に接するように金属ソース・ドレイン電極を形成する工程と
を含む
ことを特徴としている。
In addition, a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes:
In the manufacturing method of a semiconductor device for manufacturing the semiconductor device of the present invention,
Forming a gate electrode on the semiconductor layer via a gate insulating film;
At least a region adjacent to the gate electrode in the surface of the semiconductor layer includes an atmosphere containing at least one of a plasma state of nitrogen, a nitrogen radical, and a gas containing an oxidant composed of a molecule containing a nitrogen element. Exposing to an insulating layer to form a positive fixed charge;
Anisotropically etching the insulating layer such that a part of the surface of the semiconductor layer is exposed to form a gate sidewall made of the insulating layer;
Introducing cesium into a region where the surface of the semiconductor layer is exposed to form a cesium-containing region;
Forming a metal source / drain electrode in contact with the cesium-containing region.

本発明によれば、上記セシウム含有領域の表面のうち少なくとも上記ゲート電極に隣接する領域を、プラズマ状態の窒素、窒素ラジカル、および、窒素元素を含有する分子からなる酸化剤を含む気体のうちの少なくとも一つを雰囲気に暴露することによって、正の固定電荷を含む絶縁層を形成することができる。   According to the present invention, at least a region adjacent to the gate electrode in the surface of the cesium-containing region is a plasma state of nitrogen, a nitrogen radical, and a gas containing an oxidant composed of molecules containing a nitrogen element. By exposing at least one to the atmosphere, an insulating layer containing a positive fixed charge can be formed.

また、本発明の半導体装置の製造方法は、
本発明の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
上記半導体層の上部における上記ゲート電極の両側にセシウムを導入してセシウム含有領域を形成する工程と、
上記セシウム含有領域の上部を、上記セシウム含有領域を構成する元素とは異なる元素と反応させて絶縁層を形成することにより、上記セシウムを上記半導体層と上記絶縁層との界面に偏析させて正の固定電荷を形成する工程と、
上記絶縁層の一部をエッチングして上記半導体層における上記セシウム含有領域の表面の少なくとも一部が露出するように上記絶縁層の開口部を形成する工程と、
上記セシウム含有領域に接するように金属ソース・ドレイン電極を形成する工程と
を含むことを特徴としている。
In addition, a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes:
In the manufacturing method of a semiconductor device for manufacturing the semiconductor device of the present invention,
Forming a gate electrode on the semiconductor layer via a gate insulating film;
Introducing cesium on both sides of the gate electrode in the upper part of the semiconductor layer to form a cesium-containing region;
By reacting the upper part of the cesium-containing region with an element different from the elements constituting the cesium-containing region to form an insulating layer, the cesium is segregated at the interface between the semiconductor layer and the insulating layer to be positive. Forming a fixed charge of
Etching part of the insulating layer to form an opening of the insulating layer so that at least part of the surface of the cesium-containing region in the semiconductor layer is exposed;
Forming a metal source / drain electrode so as to be in contact with the cesium-containing region.

本発明によれば、上記セシウム含有領域を酸化、酸窒化または窒化すること等によって、上記セシウム含有領域を構成する元素とは異なる元素と反応させることにより、上記セシウム含有領域上に上記絶縁層を形成するのと同時に、上記セシウムの一部を上記絶縁層と上記セシウム含有領域との界面に偏析させて正の固定電荷を形成している。したがって、上記固定電荷を形成するために、上記セシウム含有領域を形成する工程とは別に上記セシウムを上記絶縁層中に導入する必要がないため、プロセスを簡素化することができる。また、同一の材料を用いて固定電荷とセシウム含有領域とを形成するため、製造コストを低減することができる。   According to the present invention, the insulating layer is formed on the cesium-containing region by reacting with an element different from the element constituting the cesium-containing region by oxidizing, oxynitriding, or nitriding the cesium-containing region. Simultaneously with the formation, a part of the cesium is segregated at the interface between the insulating layer and the cesium-containing region to form a positive fixed charge. Therefore, since it is not necessary to introduce the cesium into the insulating layer separately from the step of forming the cesium-containing region in order to form the fixed charge, the process can be simplified. Further, since the fixed charge and the cesium-containing region are formed using the same material, the manufacturing cost can be reduced.

また、本発明の半導体装置の製造方法は、
本発明の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
上記半導体層の上における上記ゲート電極の両側にセシウムを導入してセシウム含有領域を形成する工程と、
上記セシウム含有領域の表面のうちで少なくとも上記ゲート電極に隣接する領域を覆うように絶縁層を形成する工程と、
アニールを行うことにより、上記絶縁層と、上記半導体層との界面に上記セシウムを偏析させて正の固定電荷を形成する工程と、
上記絶縁層の一部をエッチングして上記半導体層における上記セシウム含有領域の表面の少なくとも一部が露出するように上記絶縁層の開口部を形成する工程と、
上記セシウム含有領域に接するように金属ソース・ドレイン電極を形成する工程と
を含むことを特徴としている。
In addition, a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes:
In the manufacturing method of a semiconductor device for manufacturing the semiconductor device of the present invention,
Forming a gate electrode on the semiconductor layer via a gate insulating film;
Introducing cesium on both sides of the gate electrode on the semiconductor layer to form a cesium-containing region;
Forming an insulating layer so as to cover at least a region adjacent to the gate electrode in the surface of the cesium-containing region;
Forming a positive fixed charge by segregating the cesium at the interface between the insulating layer and the semiconductor layer by annealing;
Etching part of the insulating layer to form an opening of the insulating layer so that at least part of the surface of the cesium-containing region in the semiconductor layer is exposed;
Forming a metal source / drain electrode so as to be in contact with the cesium-containing region.

本発明によれば、上記セシウム含有領域上に上記絶縁層を形成した後、アニールすることにより、上記セシウムの一部が上記絶縁層と上記セシウム含有領域との界面に偏析することによって正の固定電荷を形成している。したがって、上記固定電荷を形成するために、上記セシウム含有領域を形成する工程とは別に上記セシウムを上記絶縁層中に導入する必要がないため、プロセスを簡素化することができる。また、同一の材料を用いて固定電荷とセシウム含有領域を形成するため、製造コストを低減することができる。   According to the present invention, the insulating layer is formed on the cesium-containing region and then annealed, whereby a part of the cesium is segregated at the interface between the insulating layer and the cesium-containing region. A charge is formed. Therefore, since it is not necessary to introduce the cesium into the insulating layer separately from the step of forming the cesium-containing region in order to form the fixed charge, the process can be simplified. In addition, since the fixed charge and the cesium-containing region are formed using the same material, the manufacturing cost can be reduced.

また、本発明の半導体装置の製造方法は、
本発明の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
上記半導体層の表面のうち、上記ゲート電極の両側に絶縁層を形成する工程と、
上記半導体層の上における上記ゲート電極の両側、および、上記絶縁層中の両方にセシウムを導入して、セシウム含有領域を形成すると共に、上記絶縁層中に固定電荷を形成する工程と、
上記絶縁層の一部をエッチングして上記半導体層における上記セシウム含有領域の表面の少なくとも一部が露出するように上記絶縁層の開口部を形成する工程と、
上記セシウム含有領域に接するように金属ソース・ドレイン電極を形成する工程と
を含むことを特徴としている。
In addition, a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes:
In the manufacturing method of a semiconductor device for manufacturing the semiconductor device of the present invention,
Forming a gate electrode on the semiconductor layer via a gate insulating film;
Forming an insulating layer on both sides of the gate electrode of the surface of the semiconductor layer;
Introducing cesium on both sides of the gate electrode on the semiconductor layer and in the insulating layer to form a cesium-containing region and forming a fixed charge in the insulating layer;
Etching part of the insulating layer to form an opening of the insulating layer so that at least part of the surface of the cesium-containing region in the semiconductor layer is exposed;
Forming a metal source / drain electrode so as to be in contact with the cesium-containing region.

本発明によれば、上記固定電荷を形成するために、上記セシウム含有領域を形成する工程とは別に上記固定電荷を上記絶縁層中に形成する工程を導入する必要がないため、プロセスを簡素化することができる。また、同一の材料を用いて固定電荷とセシウム含有領域を形成するため、製造コストを低減することができる。   According to the present invention, it is not necessary to introduce a step of forming the fixed charge in the insulating layer separately from the step of forming the cesium-containing region in order to form the fixed charge, thereby simplifying the process. can do. In addition, since the fixed charge and the cesium-containing region are formed using the same material, the manufacturing cost can be reduced.

また、一実施形態では、
上記金属ソース・ドレイン電極を形成する工程は、
上記セシウム含有領域上に金属を堆積する工程と、
アニールを行って、上記半導体層を構成する半導体と、上記金属とを反応させる工程と、
上記金属のうちで上記半導体層を構成する半導体と反応しなかった未反応部分を除去する工程と
を含む。
In one embodiment,
The step of forming the metal source / drain electrode includes:
Depositing a metal on the cesium-containing region;
Performing annealing to react the semiconductor constituting the semiconductor layer with the metal;
And a step of removing an unreacted portion that has not reacted with the semiconductor constituting the semiconductor layer among the metals.

上記実施形態によれば、半導体層と、金属とを反応させて金属ソース・ドレイン電極を形成しているため、金属ソース・ドレイン電極と、半導体層との界面の密着性、接着性を高めることができると共に、界面準位密度を低減することができるため、良好な整流特性を得ることができる。また、ゲート電極に対して自己整合的な位置に金属ソース・ドレイン電極を形成することができる。   According to the embodiment, since the metal source / drain electrodes are formed by reacting the semiconductor layer and the metal, the adhesion and adhesion at the interface between the metal source / drain electrodes and the semiconductor layer are improved. In addition, since the interface state density can be reduced, good rectification characteristics can be obtained. Further, the metal source / drain electrodes can be formed at positions that are self-aligned with the gate electrode.

また、一実施形態では、
上記半導体層を構成する半導体は、シリコンおよびゲルマニウムのうちの少なくとも1つを含み、
上記金属は、ニッケル、コバルト、チタン、白金、エルビウムおよびイッテルビウムのうちの少なくとも1つを含んでいる。
In one embodiment,
The semiconductor constituting the semiconductor layer includes at least one of silicon and germanium,
The metal includes at least one of nickel, cobalt, titanium, platinum, erbium, and ytterbium.

上記実施形態によれば、自己整合シリサイドプロセス、自己整合ジャーマナイドプロセスを適用することができるため、上記浅い金属ソース・ドレイン電極を、上記ゲート電極に対して自己整合的な位置に容易に形成することができる。   According to the above embodiment, since the self-aligned silicide process and the self-aligned germanide process can be applied, the shallow metal source / drain electrodes are easily formed in a self-aligned position with respect to the gate electrode. can do.

本発明によれば、半導体層における金属ソース・ドレイン電極と接している領域の一部あるいは全部に、セシウムを含有するセシウム含有領域を有し、更に、ゲート絶縁膜と金属ソース・ドレイン電極とに挟まれた領域上に設けられた絶縁層中に正の固定電荷を有しているため、上記半導体層‐上記金属ソース・ドレイン電極間のリーク電流を著しく抑制できると共に、チャネル‐上記金属ソース・ドレイン電極間の抵抗を著しく減少させることができる。   According to the present invention, the semiconductor layer has a cesium-containing region containing cesium in part or all of the region in contact with the metal source / drain electrode, and further includes a gate insulating film and a metal source / drain electrode. Since the insulating layer provided on the sandwiched region has a positive fixed charge, leakage current between the semiconductor layer and the metal source / drain electrode can be remarkably suppressed, and the channel and the metal source / The resistance between the drain electrodes can be significantly reduced.

また、上記セシウムは上記半導体層(例えば、シリコン)のバルク中で殆どキャリアを発生しないので、上記セシウム含有領域を上記金属ソース・ドレイン電極よりも深く形成した場合であっても、短チャネル効果特性を劣化させることがない。すなわち、上記セシウムの注入深さよりも浅い領域にソース・ドレインを形成することができ、極めて浅いソース・ドレインを形成することができる。したがって、良好な短チャネル効果特性を得ることができる。   In addition, since the cesium hardly generates carriers in the bulk of the semiconductor layer (for example, silicon), even when the cesium-containing region is formed deeper than the metal source / drain electrode, the short channel effect characteristic is obtained. Will not deteriorate. That is, a source / drain can be formed in a region shallower than the cesium implantation depth, and an extremely shallow source / drain can be formed. Therefore, good short channel effect characteristics can be obtained.

また、ソース・ドレインエクステンションとして、固定電荷によって誘起される極めて浅い電子キャリア層を有しているため、極めて良好な短チャネル効果特性を得ることができる。また、金属ソース・ドレイン電極がゲート電極から横方向(チャネル長方向)に離れているため、ゲート電極からの電界の影響が金属ソース・ドレイン電極およびその近傍の半導体層に及びにくいこと、および、上記固定電荷下の半導体表面には強い電界があるため、オフ方向のゲート電圧(N型MOSFETの場合、負バイアス方向、P型MOSFETの場合、正バイアス方向)を印加しても固定電荷下の半導体層表面の電界の向きが反転しにくいことにより、GIDLが減少する。したがって、リーク電流を著しく低減することができる。   Further, since the source / drain extension has an extremely shallow electron carrier layer induced by a fixed charge, extremely good short channel effect characteristics can be obtained. In addition, since the metal source / drain electrode is separated from the gate electrode in the lateral direction (channel length direction), the influence of the electric field from the gate electrode is difficult to reach the metal source / drain electrode and the semiconductor layer in the vicinity thereof, and Since there is a strong electric field on the semiconductor surface under the fixed charge, even if a gate voltage in the off direction (negative bias direction in the case of N-type MOSFET, positive bias direction in the case of P-type MOSFET) is applied, Since the direction of the electric field on the surface of the semiconductor layer is not easily reversed, GIDL is reduced. Therefore, the leakage current can be significantly reduced.

第1実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 1st embodiment. 第1実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 1st embodiment. 第1実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 1st embodiment. 第1実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 1st embodiment. 第1実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 1st embodiment. 第1実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 1st embodiment. 図1A〜図1Fに示す製造方法によって製造された半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the semiconductor device manufactured by the manufacturing method shown to FIG. 1A-FIG. 1F. 本実施の形態の半導体装置と、従来技術(特許文献1に記載の不純物偏析技術)を用いた作製したMOSFET(DS−FET)とのドレイン電流−ゲート電圧特性を比較した図である。It is the figure which compared the drain current-gate voltage characteristic of the semiconductor device of this Embodiment, and MOSFET (DS-FET) produced using the prior art (impurity segregation technique of patent document 1). 図1Fにおける金属ソース・ドレイン電極と同様の方法で作製したダイオードの断面図を示す。2C is a cross-sectional view of a diode manufactured by a method similar to that for the metal source / drain electrodes in FIG. 図4におけるニッケルシリサイドと、P型シリコンの裏面との間で測定した電流‐電圧特性を示す。The current-voltage characteristic measured between the nickel silicide in FIG. 4 and the back surface of P-type silicon is shown. 図4におけるC‐C'断面でのエネルギーバンド図である。It is an energy band figure in the CC 'cross section in FIG. 図4において、セシウム含有領域が存在しない形態での図4におけるC‐C'断面に対応する断面でのエネルギーバンド図である。In FIG. 4, it is an energy band figure in the cross section corresponding to CC 'cross section in FIG. 4 in the form in which a cesium containing area | region does not exist. N型シリコンを用いたダイオードの電流‐電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic of the diode using N type silicon. 図4においてP型シリコンの代わりにN型シリコンを用いたダイオードのC‐C'断面でのエネルギーバンド図である。FIG. 5 is an energy band diagram in a CC ′ section of a diode using N-type silicon instead of P-type silicon in FIG. 4. 図4においてP型シリコンの代わりにN型シリコンを用い、かつ、セシウム含有領域が存在しない形態での図4におけるC‐C'断面に対応する断面でのエネルギーバンド図である。FIG. 5 is an energy band diagram in a cross section corresponding to a CC ′ cross section in FIG. 4 in which N type silicon is used instead of P type silicon in FIG. 4 and no cesium-containing region exists. 図2におけるB‐B'断面でのエネルギーバンド図である。It is an energy band figure in the BB 'cross section in FIG. 図2において、セシウム含有領域およびセシウム含有領域が存在しない形態におけるB‐B'断面に対応する断面でのエネルギーバンド図である。In FIG. 2, it is an energy band figure in the cross section corresponding to the BB 'cross section in the form which a cesium containing area | region and a cesium containing area | region do not exist. 第2実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 2nd embodiment. 第2実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 2nd embodiment. 第2実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 2nd embodiment. 第2実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 2nd embodiment. 第2実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 2nd embodiment. 第3実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 3rd embodiment. 第3実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 3rd embodiment. 第3実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 3rd embodiment. 第3実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 3rd embodiment. 第3実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 3rd embodiment. 第4実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 4th embodiment. 第4実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 4th embodiment. 第4実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 4th embodiment. 第4実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 4th embodiment. 第4実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 4th embodiment. 第5実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 5th embodiment. 第5実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 5th embodiment. 第5実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 5th embodiment. 第5実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 5th embodiment. 第5実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 5th embodiment. 第5実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 5th embodiment. 第6実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 6th embodiment. 第6実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 6th embodiment. 第6実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 6th embodiment. 第6実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 6th embodiment. 第6実施の形態の半導体装置の製造途中の状態を表す模式断面図である。It is a schematic cross section showing the state in the middle of manufacture of the semiconductor device of a 6th embodiment. 図17EのD‐D'矢視断面図である。It is DD 'arrow sectional drawing of FIG. 17E. 図17EのE‐E'矢視断面図である。It is EE 'arrow sectional drawing of FIG. 17E. 第6実施の形態の変形例の半導体装置における図17EのD‐D'矢視断面図に対応する図である。It is a figure corresponding to DD 'arrow sectional drawing of FIG. 17E in the semiconductor device of the modification of 6th Embodiment. 第6実施の形態の変形例の半導体装置における図17EのE‐E'矢視断面図に対応する図である。It is a figure corresponding to the EE 'arrow sectional view of Drawing 17E in the semiconductor device of the modification of a 6th embodiment.

以下、本発明を図示の形態により詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

尚、この発明に使用可能な半導体層は特に限定されるものではなく、例えば、半導体層としては、シリコン層,ゲルマニウム層,SiGe層,GaAs層,GaN層、カーボンナノチューブ層等を用いることができる。さらに、基板としては、SOI(Semiconductor On Insulator)基板、あるいは、結晶に歪みを加えることによってキャリア移動度を向上させた歪み半導体基板を好適に使用することができる。また、ガラス基板等の上に多結晶半導体を形成してなる基板を使用することもでき、また、ガラス基板等の上にアモルファス半導体を形成してなる基板を使用することもできる。   The semiconductor layer that can be used in the present invention is not particularly limited. For example, a silicon layer, a germanium layer, a SiGe layer, a GaAs layer, a GaN layer, a carbon nanotube layer, or the like can be used as the semiconductor layer. . Further, as the substrate, an SOI (Semiconductor On Insulator) substrate or a strained semiconductor substrate in which carrier mobility is improved by applying strain to the crystal can be suitably used. In addition, a substrate formed by forming a polycrystalline semiconductor on a glass substrate or the like can be used, and a substrate formed by forming an amorphous semiconductor on a glass substrate or the like can also be used.

(第1実施の形態)
図1A〜図1Fは、第1実施の形態の半導体装置における各製造工程中の断面図である。また、図2は、図1に示す製造方法によって製造された半導体装置の断面図である。以下、図1A〜図1Fおよび図2に従って、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明し、セシウム偏析による固定電荷形成について説明する。
(First embodiment)
1A to 1F are cross-sectional views in each manufacturing process of the semiconductor device of the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device manufactured by the manufacturing method shown in FIG. Hereinafter, the method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1A to 1F and FIG.

先ず、半導体層の一例としてのP型シリコン基板1の一主面上に、例えばSTI(Shallow Trench Isolation:浅い溝分離)法等の公知の方法によって素子分離領域(図示せず)を形成し、その素子分離領域によって素子形成領域を区分する。   First, an element isolation region (not shown) is formed on one main surface of a P-type silicon substrate 1 as an example of a semiconductor layer by a known method such as an STI (Shallow Trench Isolation) method. The element formation region is divided by the element isolation region.

次に、図1Aに示すように、熱酸化法,CVD(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長)法あるいはALD(Atomic Layer Deposition:原子層堆積)法等を用いることによって、上記素子形成領域の表面に、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜2を形成し、続いて、CVD法等を用いてN型多結晶シリコン膜をゲート絶縁膜2上に堆積する。次に、リソグラフィー法およびRIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)法等を用いて上記多結晶シリコン膜をパターニングして、ゲート電極3を形成する。次に、CVD法等を用いて酸化シリコン膜4を形成する。酸化シリコン膜4の膜厚は、例えば15nmとする。   Next, as shown in FIG. 1A, by using a thermal oxidation method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, an ALD (Atomic Layer Deposition) method, or the like, the element formation region is formed. A gate insulating film 2 made of silicon oxide is formed on the surface, and then an N-type polycrystalline silicon film is deposited on the gate insulating film 2 using a CVD method or the like. Next, the gate electrode 3 is formed by patterning the polycrystalline silicon film using a lithography method, a reactive ion etching (RIE) method, or the like. Next, a silicon oxide film 4 is formed using a CVD method or the like. The film thickness of the silicon oxide film 4 is 15 nm, for example.

上記ゲート絶縁膜2の材料として、酸化シリコンの代わりに、酸窒化シリコン、窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸化ランタン、または、これらの材料に窒素,シリコン,アルミニウム等を含有させたもの等を用いてもよい。   As the material of the gate insulating film 2, silicon oxynitride, silicon nitride, hafnium oxide, lanthanum oxide, or a material containing these materials containing nitrogen, silicon, aluminum, or the like may be used instead of silicon oxide. Good.

上記ゲート絶縁膜2の材料は、酸化シリコン膜4よりもセシウムが拡散しにくいものが好ましいため、窒素を含有しているのが好ましい。この場合、後の工程で、酸化シリコン膜4中に導入するセシウムがゲート絶縁膜2中に熱拡散するのを防ぐことができる。   Since the material of the gate insulating film 2 is preferably one in which cesium is less likely to diffuse than the silicon oxide film 4, it preferably contains nitrogen. In this case, it is possible to prevent cesium introduced into the silicon oxide film 4 from being thermally diffused into the gate insulating film 2 in a later step.

また、上記ゲート電極3の材料として多結晶シリコンを用いたが、アモルファスシリコン,ゲルマニウム,ゲルマニウムを含有したシリコン等を用いてもよい。   Further, although polycrystalline silicon is used as the material of the gate electrode 3, amorphous silicon, germanium, silicon containing germanium, or the like may be used.

次に、図1Bに示すように、例えば、イオン注入法を用いてセシウムを酸化シリコン膜4中に導入して、セシウム含有領域5を形成する。イオン注入条件は、例えば、加速エネルギー:5keV、ドーズ量:4×1014cm−2とすることができる。イオン注入条件は、イオン注入後のセシウム濃度分布のピーク位置が酸化シリコン膜4の中央付近に位置するように選べばよい。 Next, as shown in FIG. 1B, cesium-containing regions 5 are formed by introducing cesium into the silicon oxide film 4 using, for example, an ion implantation method. The ion implantation conditions can be, for example, acceleration energy: 5 keV, dose amount: 4 × 10 14 cm −2 . The ion implantation conditions may be selected so that the peak position of the cesium concentration distribution after ion implantation is located near the center of the silicon oxide film 4.

次に、図1Cに示すように、例えば、CVD法を用いて窒化シリコン膜6を形成する。続いて、例えば、RTA(Rapid Thermal Annealing)法等によってアニールする。アニール条件は、例えば750〜950℃、1〜10秒とすれば良い。これにより、セシウムは酸化シリコン膜4とP型シリコン基板1との界面に偏析し、正の固定電荷となる。尚、窒化シリコン中においてセシウムはほとんど拡散しないため、アニールによってセシウムが外方拡散するのを抑制することができる。   Next, as shown in FIG. 1C, a silicon nitride film 6 is formed using, for example, a CVD method. Subsequently, annealing is performed by, for example, RTA (Rapid Thermal Annealing) method. The annealing conditions may be, for example, 750 to 950 ° C. and 1 to 10 seconds. As a result, cesium is segregated at the interface between the silicon oxide film 4 and the P-type silicon substrate 1 and becomes a positive fixed charge. In addition, since cesium hardly diffuses in silicon nitride, it is possible to suppress cesium from diffusing outwardly by annealing.

尚、RTA法の代わりに、フラッシュランプアニール法、レーザーアニール法等を用いて、更に高温短時間のアニールとしてもよい。   Note that, instead of the RTA method, a flash lamp annealing method, a laser annealing method, or the like may be used to perform annealing at a higher temperature for a shorter time.

次に、図1Dに示すように、RIE法等により、窒化シリコン膜6と酸化シリコン膜4を異方性エッチングすることにより、ゲート側壁を形成する。本実施形態では、ゲート側壁中(酸化シリコン膜4中)に正の固定電荷が含まれているから、ゲート側壁下の半導体としてのシリコン表面には電子キャリア層が誘起される。この電子キャリア層は、極めて浅いソース・ドレインエクステンションとして機能するため、極めて良好な短チャネル効果特性を得ることができる。   Next, as shown in FIG. 1D, gate sidewalls are formed by anisotropically etching the silicon nitride film 6 and the silicon oxide film 4 by RIE or the like. In the present embodiment, since positive fixed charges are contained in the gate sidewall (in the silicon oxide film 4), an electron carrier layer is induced on the silicon surface as a semiconductor under the gate sidewall. Since this electron carrier layer functions as a very shallow source / drain extension, extremely good short channel effect characteristics can be obtained.

尚、上記ゲート側壁中(酸化シリコン膜4中)の固定電荷密度σFC(cm-2)は、ゲート電極3の端部近傍におけるシリコン中のP型不純物濃度NA(cm-3)のとき、下記の条件を満たすことにより、上記の電子キャリア層を形成することができる。
但し、
The fixed charge density σ FC (cm −2 ) in the gate side wall (in the silicon oxide film 4) is the P-type impurity concentration N A (cm −3 ) in the silicon near the end of the gate electrode 3. The above-mentioned electron carrier layer can be formed by satisfying the following conditions.
However,

ここで、κ:シリコン(半導体)の比誘電率、ε:真空の誘電率(F/cm)、q:電荷素量(C)、Ni:シリコン(半導体)の真性キャリア密度(cm-3)、kB:ボルツマン定数(eV/K)、T:絶対温度(K)である。例えば、NA=1×1018cm-3のとき、
σFC≧3.5×1012cm-2
とすることにより、上記電子キャリア層を形成することができる。
Where κ: relative dielectric constant of silicon (semiconductor), ε: dielectric constant of vacuum (F / cm), q: elementary charge (C), Ni : intrinsic carrier density of silicon (semiconductor) (cm −3) ), K B : Boltzmann constant (eV / K), T: absolute temperature (K). For example, when N A = 1 × 10 18 cm −3 ,
σ FC ≧ 3.5 × 10 12 cm -2
Thus, the electron carrier layer can be formed.

更に好ましくは、σFC=1×1013cm-2〜3×1013cm-2とするのがよい。このとき、上記電子キャリア層の抵抗が最も低くなり、最も効果的にソース・ドレインを低抵抗化することができる。尚、σFCが大きいほど、電子キャリア密度が増加するが、移動度が減少するため、σFC=1×1013cm-2〜3×1013cm-2で最も電子キャリア層の抵抗が低くなる。 More preferably, σ FC = 1 × 10 13 cm −2 to 3 × 10 13 cm −2 . At this time, the resistance of the electron carrier layer is the lowest, and the resistance of the source / drain can be reduced most effectively. As σ FC increases, the electron carrier density increases, but the mobility decreases. Therefore , the resistance of the electron carrier layer is lowest at σ FC = 1 × 10 13 cm −2 to 3 × 10 13 cm −2. Become.

次に、図1Eに示すように、半導体層と金属ソース・ドレイン電極間のショットキー障壁を変調する不純物としてのセシウムを、例えば、加速エネルギー5keV、ドーズ量1×1014cm-2の条件でイオン注入することによって、セシウム含有領域7を形成する。尚、イオン注入の条件は上記の条件に限定するものではないが、セシウム含有領域7が後の工程で形成するニッケルシリサイド8(図1F参照)よりも深い位置まで形成されるようにすればよい。 Next, as shown in FIG. 1E, cesium as an impurity that modulates the Schottky barrier between the semiconductor layer and the metal source / drain electrodes is subjected to, for example, acceleration energy of 5 keV and a dose of 1 × 10 14 cm −2 . A cesium-containing region 7 is formed by ion implantation. The ion implantation conditions are not limited to the above conditions, but the cesium-containing region 7 may be formed to a position deeper than nickel silicide 8 (see FIG. 1F) formed in a later step. .

尚、セシウム(質量数133)は、通常のドナー不純物であるP(質量数31)やAs(質量数75)等に比べて、質量数が大きいため、同じイオン注入エネルギーであればより浅い領域にイオン注入することができる。また、イオン注入では、イオン注入エネルギーが小さい程、また、注入種の質量数が小さい程、イオン注入時の電流量が小さくなるため、特に1keV以下等の極低エネルギー注入ではイオン注入時間が極端に長くなってしまうという問題がある。セシウムは通常のドナー不純物であるPやAsに比べて質量数が大きいため、電流量をより大きく取ることができ、したがって、イオン注入時間の大幅な短縮、あるいは、更に低いエネルギーでのイオン注入が可能となる。その結果、極めて浅い位置に金属ソース・ドレイン電極を形成することができるため、短チャネル効果特性を改善することができるのである。尚、同じ材料を用いてセシウム含有領域5とゲート側壁中の固定電荷を形成することにより、製造設備を簡略化することができる。   Cesium (mass number 133) has a larger mass number than P (mass number 31), As (mass number 75), etc., which are normal donor impurities. Can be ion-implanted. In ion implantation, the smaller the ion implantation energy and the smaller the number of implanted species, the smaller the amount of current during ion implantation. There is a problem that it becomes long. Cesium has a larger mass number than normal donor impurities such as P and As, so it can take a larger amount of current. Therefore, the ion implantation time can be greatly shortened or ion implantation can be performed at a lower energy. It becomes possible. As a result, since the metal source / drain electrodes can be formed at extremely shallow positions, the short channel effect characteristics can be improved. In addition, a manufacturing facility can be simplified by forming the fixed charge in the cesium containing area | region 5 and a gate side wall using the same material.

その後、注入ダメージを回復させるためにアニールを行っても差し支えない。その場合には、例えば、RTA法,FLA(Flash Lamp Annealing:フラッシュランプアニール)法,レーザーアニール法等を用いる。   Thereafter, annealing may be performed to recover the implantation damage. In that case, for example, RTA method, FLA (Flash Lamp Annealing) method, laser annealing method or the like is used.

次に、図1Fに示すように、スパッタ法等によってニッケルを例えば2nm程度堆積し、続いてTiN(窒化チタン)を例えば10nm程度堆積した後に、260℃〜350℃、30秒〜200秒の条件でアニールを行ってシリサイド化する。そして、その後、未反応のニッケルおよびTiNを除去することによって、金属ソース・ドレイン電極の一例としての上記ニッケルシリサイド8を形成する。その後、350℃〜500℃、30秒〜200秒の条件でアニールすることによって、ニッケルシリサイド8を低抵抗化する。その場合、金属ソース・ドレイン電極(ニッケルシリサイド8:以下、金属ソース・ドレイン電極8と言う場合もある)が、セシウム含有領域7を介して半導体層(P型シリコン基板1)と接するように、ニッケルシリサイド8は、少なくともその厚み(深さ)が、セシウム含有領域7よりも薄く(浅く)なるように形成する。尚、ニッケルシリサイド8の厚みは、スパッタしたニッケルの膜厚の3倍程度(例えば6nm程度)とする。   Next, as shown in FIG. 1F, nickel is deposited by, for example, about 2 nm by sputtering or the like, and then TiN (titanium nitride) is deposited by, for example, about 10 nm. Annealing is performed to form a silicide. Thereafter, unreacted nickel and TiN are removed to form the nickel silicide 8 as an example of a metal source / drain electrode. Thereafter, the resistance of the nickel silicide 8 is lowered by annealing under conditions of 350 ° C. to 500 ° C. and 30 seconds to 200 seconds. In that case, the metal source / drain electrode (nickel silicide 8: hereinafter may be referred to as the metal source / drain electrode 8) is in contact with the semiconductor layer (P-type silicon substrate 1) via the cesium-containing region 7. The nickel silicide 8 is formed so that at least its thickness (depth) is thinner (shallow) than the cesium-containing region 7. The thickness of the nickel silicide 8 is about 3 times the thickness of the sputtered nickel film (for example, about 6 nm).

尚、上記プロセスの結果、金属ソース・ドレイン電極(ニッケルシリサイド8)中には半導体層と金属ソース・ドレイン電極間のショットキー障壁を変調する不純物としてのセシウムの一部が含まれていても良い。この場合、セシウムの仕事関数(1.93eV)はニッケルシリサイド(NiSi)の仕事関数(4.9eV)よりも小さいため、金属ソース・ドレイン電極の仕事関数が小さくなり、電子に対するショットキー障壁高さを更に小さくすることができる。   As a result of the above process, the metal source / drain electrode (nickel silicide 8) may contain a part of cesium as an impurity that modulates the Schottky barrier between the semiconductor layer and the metal source / drain electrode. . In this case, since the work function of cesium (1.93 eV) is smaller than that of nickel silicide (NiSi) (4.9 eV), the work function of the metal source / drain electrodes is reduced, and the Schottky barrier height against electrons is increased. Can be further reduced.

上記ニッケルシリサイド8は、ソース・ドレインとして機能する。上記ニッケルシリサイド8を形成する際に、ゲート電極3上部もシリサイド化されて、ニッケルシリサイドが形成される。こうして、図2に示すような半導体装置が形成される。尚、図2において、セシウム含有領域5は、絶縁層を構成している。   The nickel silicide 8 functions as a source / drain. When the nickel silicide 8 is formed, the upper portion of the gate electrode 3 is also silicided to form nickel silicide. Thus, a semiconductor device as shown in FIG. 2 is formed. In FIG. 2, the cesium-containing region 5 constitutes an insulating layer.

尚、その場合、上記ゲート電極3を全てシリサイド化して、メタルゲート構造としてもよい。メタルゲート構造とする場合には、上記多結晶シリコン膜はi型あるいはP型の何れであってもよい。   In this case, the gate electrode 3 may be entirely silicided to have a metal gate structure. In the case of a metal gate structure, the polycrystalline silicon film may be either i-type or P-type.

上記金属ソース・ドレイン電極の一例として、ニッケルシリサイド8の代わりにコバルトシリサイドを形成する場合には、スパッタ法等によってコバルトを例えば3nm程度堆積し、続いてTiNを例えば10nm程度堆積した後に、そのTiNを堆積した材料を、400℃〜600℃、30秒〜200秒の条件でアニールすることによってシリサイド化する。そして、その後、未反応のコバルトを除去した後に、700℃〜900℃、30秒〜200秒の条件でアニールすることによって、コバルトシリサイドを低抵抗化すればよい。   As an example of the metal source / drain electrodes, when cobalt silicide is formed instead of nickel silicide 8, cobalt is deposited by, for example, about 3 nm by sputtering or the like, and then TiN is deposited by, for example, about 10 nm. The material deposited is annealed under conditions of 400 ° C. to 600 ° C. and 30 seconds to 200 seconds, thereby siliciding. Then, after removing unreacted cobalt, the resistance of cobalt silicide may be reduced by annealing under conditions of 700 ° C. to 900 ° C. and 30 seconds to 200 seconds.

その場合にも、金属ソース・ドレイン電極(コバルトシリサイド)がセシウム含有領域7を介して半導体層(P型シリコン基板1)と接するように、コバルトシリサイドは、少なくともその厚みがセシウム含有領域7よりも薄くなるように形成する。コバルトシリサイドの厚みは、スパッタしたコバルトの膜厚の2倍程度(例えば6nm程度)となる。   Also in this case, at least the thickness of the cobalt silicide is larger than that of the cesium-containing region 7 so that the metal source / drain electrode (cobalt silicide) is in contact with the semiconductor layer (P-type silicon substrate 1) via the cesium-containing region 7. It is formed to be thin. The thickness of the cobalt silicide is about twice the thickness of the sputtered cobalt (for example, about 6 nm).

以上、上記金属ソース・ドレイン電極の一例として、ニッケルシリサイド8とコバルトシリサイドとの場合について説明したが、上記金属ソース・ドレイン電極はこれらに限定されるものではない。例えば、Ni,Co,Ti,Er,Ybの元素群うちの1つ以上からなる金属を用いた金属シリサイドを用いてもよい。   As described above, the case of nickel silicide 8 and cobalt silicide has been described as an example of the metal source / drain electrode. However, the metal source / drain electrode is not limited thereto. For example, a metal silicide using a metal composed of one or more elements of Ni, Co, Ti, Er, and Yb may be used.

最後に、公知の方法で層間絶縁膜(図示せず)や上部配線(図示せず)等を形成して、本半導体装置が完成する。   Finally, an interlayer insulating film (not shown), an upper wiring (not shown), and the like are formed by a known method, thereby completing the semiconductor device.

本実施形態の半導体装置によれば、ゲート側壁中(酸化シリコン膜4)に正の固定電荷を含んでいるため、ゲート側壁下の半導体層(P型シリコン基板1)表面には極めて浅い電子キャリア層が誘起される。この電子キャリア層は、極めて浅いソース・ドレインエクステンションとして機能するため、極めて良好な短チャネル効果を得ることができる。また、固定電荷と半導体層(P型シリコン基板1)間に生じる強い電界により、金属ソース・ドレイン電極8と半導体層との間の電子に対するショットキー障壁高さが実効的に小さくなるため、金属ソース・ドレイン電極8と上記電子キャリア層との間の抵抗を著しく減少させることができる。更に、金属ソース・ドレイン電極8(ニッケルシリサイド8)と半導体層(P型シリコン基板1)との間にセシウム含有領域7が形成されているため、金属ソース・ドレイン電極7近傍のセシウムがイオン化することによって、正孔に対するエネルギー障壁高さが大きくなる。その結果、(セシウム含有領域7がない)単なるショットキー接合の場合に比べて、ソース・ドレインと半導体層との間のリーク電流を著しく低減することができる。また、同時に、チャネルとソース・ドレインとの間の電子に対するショットキー障壁高さが実効的に小さくなるため、ショットキー接合の場合に比べて寄生抵抗を著しく低減することができる。   According to the semiconductor device of the present embodiment, since positive fixed charges are included in the gate sidewall (silicon oxide film 4), the surface of the semiconductor layer (P-type silicon substrate 1) under the gate sidewall is extremely shallow. A layer is induced. Since this electron carrier layer functions as a very shallow source / drain extension, a very good short channel effect can be obtained. In addition, since the strong electric field generated between the fixed charge and the semiconductor layer (P-type silicon substrate 1) effectively reduces the Schottky barrier height against electrons between the metal source / drain electrode 8 and the semiconductor layer, the metal The resistance between the source / drain electrode 8 and the electron carrier layer can be significantly reduced. Further, since the cesium-containing region 7 is formed between the metal source / drain electrode 8 (nickel silicide 8) and the semiconductor layer (P-type silicon substrate 1), cesium near the metal source / drain electrode 7 is ionized. This increases the height of the energy barrier against holes. As a result, the leakage current between the source / drain and the semiconductor layer can be significantly reduced as compared with a simple Schottky junction (without the cesium-containing region 7). At the same time, since the Schottky barrier height for electrons between the channel and the source / drain is effectively reduced, the parasitic resistance can be significantly reduced as compared with the Schottky junction.

また、金属ソース・ドレイン電極8がゲート電極3から横方向に離れた位置に形成されること、および、上記固定電荷が形成されることにより、ソース・ドレインの一部である上記電子キャリア層とゲート電極3との間の電界強度が弱められ、GIDLが著しく減少する。したがって、リーク電流を著しく低減することができる。   Further, the metal source / drain electrode 8 is formed at a position laterally separated from the gate electrode 3, and the fixed charge is formed, whereby the electron carrier layer which is a part of the source / drain is formed The electric field strength between the gate electrode 3 is weakened and GIDL is significantly reduced. Therefore, the leakage current can be significantly reduced.

その場合、上記セシウム含有領域7の金属ソース・ドレイン電極8との界面におけるセシウムの濃度を1×1019cm-3以上にすれば、金属ソース・ドレイン電極8との界面でのセシウムの濃度を十分に大きくできる。したがって、ショットキー障壁をより大きく変調して、ソース・ドレインと半導体層との間のリーク電流の低減と、チャネルとソース・ドレインとの間の寄生抵抗の低減とを、より効果的に行うことができる。 In that case, if the concentration of cesium at the interface with the metal source / drain electrode 8 in the cesium-containing region 7 is set to 1 × 10 19 cm −3 or more, the concentration of cesium at the interface with the metal source / drain electrode 8 is increased. Can be big enough. Therefore, the Schottky barrier is modulated more greatly to reduce the leakage current between the source / drain and the semiconductor layer and to reduce the parasitic resistance between the channel and the source / drain more effectively. Can do.

また、上記セシウム含有領域7におけるセシウムの濃度を、セシウム含有領域7の金属ソース・ドレイン電極8との界面よりも深い位置にピークを有するように設定すれば、金属ソース・ドレイン電極8の広い範囲を高濃度のセシウム領域で覆うことができる。したがって、ソース・ドレインと半導体層との間のリーク電流を、さらに効果的に低減することができる。   Further, if the cesium concentration in the cesium-containing region 7 is set to have a peak at a position deeper than the interface with the metal source / drain electrode 8 in the cesium-containing region 7, a wide range of the metal source / drain electrode 8 can be obtained. Can be covered with a high concentration cesium region. Therefore, the leakage current between the source / drain and the semiconductor layer can be further effectively reduced.

また、セシウムはシリコンのドナーおよびアクセプターではないため、セシウム含有領域7のうち、金属ソース・ドレイン電極8から十分離れた領域においては、セシウムはイオン化しない。そのため、金属ソース・ドレイン電極8と半導体層(P型シリコン基板1)との間にあるセシウム含有領域7の厚みを極端に薄くする必要がなく(つまり、セシウムをイオン注入する際の制約がなく)、上記特許文献1に開示されているような不純物偏析技術を用いる必要はない。   In addition, since cesium is not a silicon donor and acceptor, cesium is not ionized in a region sufficiently distant from the metal source / drain electrode 8 in the cesium-containing region 7. Therefore, it is not necessary to extremely reduce the thickness of the cesium-containing region 7 between the metal source / drain electrode 8 and the semiconductor layer (P-type silicon substrate 1) (that is, there is no restriction in ion implantation of cesium). ), It is not necessary to use an impurity segregation technique as disclosed in Patent Document 1 above.

以上のごとく、本実施の形態の半導体装置においては、金属シリサイドの厚み(深さ)をイオン注入による制約なしに決定できるので、極めて浅い金属ソース・ドレインを形成することができ、その結果、短チャネル効果を極めてよく抑制することができるのである。   As described above, in the semiconductor device of the present embodiment, since the thickness (depth) of the metal silicide can be determined without restriction by ion implantation, it is possible to form extremely shallow metal sources / drains. The channel effect can be suppressed very well.

図3は、本実施の形態の半導体装置と、従来技術(特許文献1に記載の不純物偏析技術)を用いて作製したMOSFET(DS−FET)とのドレイン電流−ゲート電圧特性を比較した図である。以下、図3を用いて、固定電荷有り/なしでのGIDL比較(ドレイン電圧Vd=1V、ゲート長Lg=240nm)について説明する。   FIG. 3 is a diagram comparing drain current-gate voltage characteristics between the semiconductor device of the present embodiment and a MOSFET (DS-FET) manufactured using the conventional technique (impurity segregation technique described in Patent Document 1). is there. Hereinafter, a GIDL comparison (with drain voltage Vd = 1V, gate length Lg = 240 nm) with / without fixed charge will be described with reference to FIG.

本実施の形態の半導体装置におけるGIDL低減効果を確認するため、本実施の形態の半導体装置と、従来技術(特許文献1に記載の不純物偏析技術)を用いて作製したMOSFET(DS−FET)とのドレイン電流−ゲート電圧特性を比較する。ここで、GIDLに注目するため、短チャネル効果を無視できるように、ゲート長は240nmとした。また、ドレイン電圧1Vの条件化で測定を行った。   In order to confirm the GIDL reduction effect in the semiconductor device of the present embodiment, a MOSFET (DS-FET) manufactured using the semiconductor device of the present embodiment and a conventional technique (impurity segregation technique described in Patent Document 1) The drain current-gate voltage characteristics are compared. Here, in order to pay attention to GIDL, the gate length is set to 240 nm so that the short channel effect can be ignored. The measurement was performed under the condition of a drain voltage of 1V.

また、DS−FETは、ソース・ドレインの形成方法を除き、本実施の形態の半導体装置と同様の方法で作製した。即ち、ゲート電極をパターニング後、熱酸化法にて酸化シリコンを形成後、異方性エッチングを行うことにより、厚さ2nmのゲート側壁を形成した。次に、P型シリコン基板中に、加速エネルギー5keV、ドーズ量1×1015cm−2の条件にてAsをイオン注入した後、RTA法にて800℃、10秒のアニールを行った。次に、スパッタ法にてニッケルを5nm堆積し、続いて、TiNを10nm堆積した後、図1Fと同様の方法にてニッケルシリサイドを形成した。ニッケルシリサイドはAsの注入ピーク深さよりも深い位置まで形成されるため、ニッケルシリサイドとP型シリコン基板との界面にAsが偏析している。 The DS-FET was manufactured by a method similar to that of the semiconductor device of this embodiment except for a method of forming a source / drain. That is, after patterning the gate electrode, silicon oxide was formed by a thermal oxidation method, and anisotropic etching was performed to form a gate sidewall having a thickness of 2 nm. Next, As was ion-implanted into a P-type silicon substrate under conditions of an acceleration energy of 5 keV and a dose of 1 × 10 15 cm −2 , annealing was performed at 800 ° C. for 10 seconds by the RTA method. Next, after depositing 5 nm of nickel by sputtering and subsequently depositing 10 nm of TiN, nickel silicide was formed by the same method as in FIG. 1F. Since nickel silicide is formed to a position deeper than the implantation peak depth of As, As is segregated at the interface between the nickel silicide and the P-type silicon substrate.

図3に示すように、本実施の形態の半導体装置は、DS−FETに比べて、GIDL電流が著しく低減されていることが確認された。これは次のような理由によるものであると考えられる。即ち、DS−FETにおいては、ゲート電極に負バイアスを印加した場合、チャネル領域および金属ソース・ドレイン電極(ニッケルシリサイド)近傍の半導体層表面に蓄積層が形成され、蓄積層‐金属ソース・ドレイン電極間にトンネル電流が流れることにより、大きなリーク電流(GIDL)が発生する。これは、不純物偏析領域が極めて狭いため、容易に(正孔)蓄積層が形成されること、および、不純物偏析領域そのものの極性が反転しないとしても、不純物偏析領域の幅が極めて狭いため、容易にトンネル電流が流れることのよるものと考えられる。   As shown in FIG. 3, it was confirmed that the GIDL current was significantly reduced in the semiconductor device of the present embodiment as compared with the DS-FET. This is considered to be due to the following reason. That is, in the DS-FET, when a negative bias is applied to the gate electrode, a storage layer is formed on the surface of the semiconductor layer near the channel region and the metal source / drain electrode (nickel silicide), and the storage layer-metal source / drain electrode A large leak current (GIDL) occurs due to a tunnel current flowing between them. This is because the impurity segregation region is very narrow, so that a (hole) accumulation layer is easily formed, and even if the polarity of the impurity segregation region itself is not reversed, the width of the impurity segregation region is very narrow, It is thought that the tunnel current flows through the.

一方、本実施の形態の半導体装置は、金属ソース・ドレイン電極がゲート電極から横方向(チャネル長方向)に離れているため、ゲート電極に負バイアスを印加しても、ゲート電極からの電界の影響が金属ソース・ドレイン電極8およびその近傍の半導体層に及びにくいこと、および、固定電荷下の半導体表面には強い電界があるため、ゲート電極に負バイアスを印加しても固定電荷下の半導体層表面の電界の向きが反転しにくい(蓄積層が形成されにくい)ことにより、GIDLが発生しにくいためであると考えられる。   On the other hand, in the semiconductor device of this embodiment, since the metal source / drain electrodes are separated from the gate electrode in the lateral direction (channel length direction), even if a negative bias is applied to the gate electrode, the electric field from the gate electrode is reduced. The influence of the influence on the metal source / drain electrode 8 and the semiconductor layer in the vicinity thereof is difficult, and there is a strong electric field on the surface of the semiconductor under a fixed charge. Therefore, even if a negative bias is applied to the gate electrode, the semiconductor under the fixed charge This is probably because GIDL is unlikely to occur due to the fact that the direction of the electric field on the layer surface is difficult to reverse (the accumulation layer is difficult to form).

本発明者は、本実施の形態の半導体装置が、上記セシウム含有領域7を有することによる効果を確認するために、以下のような実験を行った。   The present inventor conducted the following experiment in order to confirm the effect of the semiconductor device of the present embodiment having the cesium-containing region 7.

図4は、図1Fにおける金属ソース・ドレイン電極8と同様の方法で作製したダイオードの断面図を示す。即ち、このダイオードは、P型シリコン11の表面上にセシウム含有領域12を形成し、その後に、ニッケルシリサイド13を形成したものである。ニッケルシリサイド13はセシウム含有領域12を介してP型シリコン11と接している。尚、SIMS(二次イオン質量分析法)による分析の結果、セシウム含有領域12中のセシウム濃度は、ニッケルシリサイド13との界面において1×1019cm-3であった。また、セシウムの分布は、ニッケルシリサイド13の外側のP型シリコン中11にピークを持つものであった。 FIG. 4 is a cross-sectional view of a diode manufactured by the same method as that for the metal source / drain electrode 8 in FIG. 1F. That is, this diode is obtained by forming a cesium-containing region 12 on the surface of P-type silicon 11 and then forming nickel silicide 13. Nickel silicide 13 is in contact with P-type silicon 11 through cesium-containing region 12. As a result of analysis by SIMS (secondary ion mass spectrometry), the cesium concentration in the cesium-containing region 12 was 1 × 10 19 cm −3 at the interface with the nickel silicide 13. Further, the distribution of cesium had a peak at 11 in the P-type silicon outside the nickel silicide 13.

図5は、図4におけるニッケルシリサイド13と、P型シリコン11の裏面との間で測定した電流‐電圧特性(I−V特性:P型Si)を示す(実線)。尚、図5には、比較のために、セシウム含有領域12を有しないダイオードの電流‐電圧特性をも併記している(破線)。また、横軸のバイアス電圧は、P型シリコン11を基準としてニッケルシリサイド13に印加した電圧である。   FIG. 5 shows current-voltage characteristics (IV characteristics: P-type Si) measured between the nickel silicide 13 in FIG. 4 and the back surface of the P-type silicon 11 (solid line). For comparison, FIG. 5 also shows the current-voltage characteristics of a diode that does not have the cesium-containing region 12 (broken line). The bias voltage on the horizontal axis is a voltage applied to the nickel silicide 13 with respect to the P-type silicon 11.

図5から分かるように、上記セシウム含有領域12を有する場合(実線)には、セシウム含有領域を有しない場合(破線)に比して、逆バイアス電流が著しく小さくなっている。これは、図2に示すソース・ドレイン構造では、金属ソース・ドレイン電極8と、P型シリコン基板1との間のリーク電流を著しく小さくできることを示している。   As can be seen from FIG. 5, the reverse bias current is significantly smaller when the cesium-containing region 12 is provided (solid line) than when the cesium-containing region is not provided (broken line). This indicates that in the source / drain structure shown in FIG. 2, the leakage current between the metal source / drain electrode 8 and the P-type silicon substrate 1 can be remarkably reduced.

以下、この理由を、図6および図7に従って説明する。   Hereinafter, the reason for this will be described with reference to FIGS.

図6は、図4におけるC‐C'断面でのエネルギーバンド図である。また、図7は、図4において、セシウム含有領域12が存在しない形態での図4におけるC‐C'断面に対応する断面でのエネルギーバンド図である。詳しくは、図6は、図2のP型シリコンとニッケルシリサイドの界面付近のエネルギーバンド図(図2のA−A’間)(セシウム含有領域7がある場合)に対応し、図7は、図2においてセシウム含有領域7がない場合のP型シリコンとニッケルシリサイドの界面付近のエネルギーバンド図(図2のA−A’間に相当)に対応する。   FIG. 6 is an energy band diagram in a CC ′ section in FIG. 4. FIG. 7 is an energy band diagram in a cross section corresponding to the CC ′ cross section in FIG. 4 in a form in which the cesium-containing region 12 does not exist in FIG. Specifically, FIG. 6 corresponds to the energy band diagram in the vicinity of the interface between the P-type silicon and nickel silicide in FIG. 2 (between AA ′ in FIG. 2) (when there is a cesium-containing region 7). FIG. 2 corresponds to an energy band diagram (corresponding to AA ′ in FIG. 2) in the vicinity of the interface between P-type silicon and nickel silicide when there is no cesium-containing region 7.

尚、図6および図7において、「E Si」は、シリコンの伝導帯下端を、「E Si」は、シリコンのフェルミ準位を、「E Si」は、シリコンの価電子帯上端を、「E 」は、ニッケルシリサイド13のフェルミ準位を、「φ 」は、正孔に対する障壁高さを、示している。 6 and 7, “E C Si ” is the lower conduction band of silicon, “E F Si ” is the Fermi level of silicon, and “E V Si ” is the upper end of the valence band of silicon. “E F M ” indicates the Fermi level of the nickel silicide 13, and “φ b h ” indicates the barrier height against holes.

図7に示すダイオードは、ショットキー障壁ダイオードであるので、逆バイアス電流Irpは、下記数式(1)で表される。
ここで、φ は、正孔に対するショットキー障壁高さであり、kは、ボルツマン定数であり、Tは、絶対温度である。尚、φ は、ニッケルシリサイド13と、P型シリコン11との界面におけるニッケルシリサイド13のフェルミ準位E と、P型シリコン11の価電子帯上端E Siとのエネルギー差である。
Since the diode shown in FIG. 7 is a Schottky barrier diode, the reverse bias current I rp is expressed by the following formula (1).
Where φ b h is the Schottky barrier height for holes, k B is the Boltzmann constant, and T is the absolute temperature. Incidentally, phi b h is the energy difference between the nickel silicide 13, and the Fermi level E F M of the nickel silicide 13 at the interface between the P-type silicon 11, and the valence band maximum E V Si of P-type silicon 11 .

図6を参照して、セシウムのイオン化ポテンシャルが3.89eVであるのに対して、シリコンの電子親和力は4.05eVであるので、セシウムはシリコンの伝導帯下端E Siよりも高エネルギー側にエネルギー準位を形成するものと考えられる。この場合、セシウムが作るエネルギー準位からニッケルシリサイド13側に電子が放出されて、セシウムは正にイオン化する。セシウムがイオン化した領域では、セシウムの密度に応じてシリコンのエネルギーバンドが大きく押し下げられる。すなわち、セシウムの密度が十分に大きい場合には、シリコンの伝導帯下端E Siの最下点がニッケルシリサイド13のフェルミ準位E と略一致するまで、シリコンのエネルギーバンドは曲げられる。 Referring to FIG. 6, the ionization potential of cesium is 3.89 eV, whereas the electron affinity of silicon is 4.05 eV. Therefore, cesium is on the higher energy side than the lower conduction band E C Si of silicon. It is thought to form an energy level. In this case, electrons are emitted from the energy level produced by cesium to the nickel silicide 13 side, and cesium is positively ionized. In the region where cesium is ionized, the energy band of silicon is greatly pushed down according to the density of cesium. That is, when the density of the cesium is sufficiently large, to the lowest point of the bottom of the conduction band E C Si of the silicon is substantially coincident with the Fermi level E F M of the nickel silicide 13, the energy band of the silicon is bent.

一方、セシウムはシリコンに対するドナーとしては活性化しないことから、セシウム含有領域12におけるニッケルシリサイド13から十分に遠い位置のセシウムは、中性のままである。また、セシウム含有領域12におけるP型シリコン11との界面から離れた位置にあるセシウムからニッケルシリサイド13への電子の放出は、主にトンネル効果によって起こるため、セシウムがイオン化するのは、ニッケルシリサイド13とセシウム含有領域12との界面から3nm程度の範囲に限られる。   On the other hand, since cesium does not activate as a donor for silicon, cesium at a position sufficiently far from nickel silicide 13 in cesium-containing region 12 remains neutral. In addition, since the emission of electrons from cesium at a position away from the interface with the P-type silicon 11 in the cesium-containing region 12 to the nickel silicide 13 mainly occurs due to the tunnel effect, the cesium ionizes the nickel silicide 13. And from the interface between the cesium-containing region 12 and the range of about 3 nm.

シリコン中におけるセシウムのドナーとしての活性化率を測定するために、ホール測定を実施した。試料は次のように作成した。シリコン上にSiO2を10nm形成した12mm角の試料に対して、セシウムをイオン注入エネルギー100keVでイオン注入した。その場合、セシウムの大部分がシリコン中に分布する。次に、試料の四隅を開口したレジストをマスクとしてPをイオン注入した。続いて、レジストを除去後、900℃、10秒のアニールを行うことによってn領域を形成すると共に、セシウムイオン注入によって生じたダメージを回復した。次に、リソグラフィー法とRIE法とを用いて4つのn領域上のSiO2を開口し、続いて、リフトオフ法を用いて夫々のn領域上にTi電極を形成した。この試料を用いて、Van der Pauw法にてホール測定を実施した結果、電子面密度3.0×1012cm-2が得られた。SIMS分析の結果、シリコン中に含まれるセシウムの量は1.7×1015cm-2であった。したがって、シリコン中におけるセシウムの活性化率は、0.18%という十分に低いものであった。但し、SiO2中に注入されたセシウムは正の固定電荷となり、シリコン中に電子キャリアを誘起するため、実際のシリコン中におけるセシウムのドナーとしての活性化率は0.18%よりも更に低いものであると考えられる。このように、セシウムは、半導体としてのシリコンのバルク中では殆どキャリアを発生しないことがわかった。 In order to measure the activation rate of cesium as a donor in silicon, hole measurement was performed. The sample was prepared as follows. Cesium was ion-implanted with an ion implantation energy of 100 keV on a 12-mm square sample in which SiO 2 was formed to 10 nm on silicon. In that case, most of the cesium is distributed in the silicon. Next, P ions were implanted using a resist having openings at the four corners of the sample as a mask. Subsequently, after removing the resist, annealing was performed at 900 ° C. for 10 seconds to form an n + region, and damage caused by cesium ion implantation was recovered. Next, SiO 2 on the four n + regions was opened using the lithography method and the RIE method, and subsequently, a Ti electrode was formed on each n + region using the lift-off method. Using this sample, hole measurement was performed by the Van der Pauw method. As a result, an electron surface density of 3.0 × 10 12 cm −2 was obtained. As a result of SIMS analysis, the amount of cesium contained in silicon was 1.7 × 10 15 cm −2 . Therefore, the activation rate of cesium in silicon was a sufficiently low 0.18%. However, since cesium injected into SiO 2 becomes a positive fixed charge and induces electron carriers in silicon, the activation rate of cesium in actual silicon as a donor is lower than 0.18%. It is thought that. Thus, it has been found that cesium hardly generates carriers in the bulk of silicon as a semiconductor.

この結果、図6に示すダイオードにおける正孔に対するエネルギー障壁高さは、図6中のφ (Cs)で表され、逆バイアス電流Irp(Cs)は、下記数式(2)で表される。 As a result, the energy barrier height against holes in the diode shown in FIG. 6 is represented by φ b h (Cs) in FIG. 6, and the reverse bias current I rp (Cs) is represented by the following formula (2). The

図6から分かるように、φ (Cs)>φ であるから、Irp(Cs)<<Irpとなる。多くの金属シリサイドの場合、φ は0.4eV〜0.5eV程度であるのに対し、φ (Cs)は最大でシリコンのバンドギャップ1.1eV程度まで大きくすることができるため、逆バイアス電流が著しく低減される。 As can be seen from FIG. 6, since φ b h (Cs)> φ b h , I rp (Cs) << I rp . In the case of many metal silicides, φ b h is about 0.4 eV to 0.5 eV, whereas φ b h (Cs) can be increased up to about 1.1 eV of silicon band gap. The reverse bias current is significantly reduced.

このように、金属と半導体層との界面の半導体層中にセシウム含有領域を有することによって、逆バイアス電流を著しく低減することできるのである。図2に示す半導体装置の構造においては、セシウム含有領域7を有することによって、金属ソース・ドレイン電極8とP型シリコン基板1との間のリーク電流を著しく低減できることが分かる。   Thus, the reverse bias current can be remarkably reduced by having the cesium-containing region in the semiconductor layer at the interface between the metal and the semiconductor layer. In the structure of the semiconductor device shown in FIG. 2, it can be seen that the leakage current between the metal source / drain electrode 8 and the P-type silicon substrate 1 can be remarkably reduced by having the cesium-containing region 7.

尚、図2に示す半導体装置におけるA‐A'断面でのエネルギーバンド図は、図6のエネルギーバンド図と同様になる。   2 is the same as the energy band diagram of FIG. 6 in the semiconductor device shown in FIG.

次に、図4に示すダイオードと同様の構造を、P型シリコン11の代わりにN型シリコンを用いて作製してなるダイオードについて説明する。   Next, a description will be given of a diode formed by using N-type silicon instead of P-type silicon 11 with the same structure as the diode shown in FIG.

図8の実線は、N型シリコンを用いたダイオードの電流‐電圧特性(I−V特性)を示している。また、図8の破線は、セシウム含有領域がない場合の電流‐電圧特性を示している。図8から分かるように、セシウム含有領域を有する場合には、セシウム含有領域を有しない場合に比して、逆バイアス電流が著しく増大している。これは、セシウム含有領域を形成することによって、ニッケルシリサイドとN型シリコンとの間の抵抗が小さくなることを示している。これは、図2に示すソース・ドレイン構造では、金属ソース・ドレイン電極8と、固定電荷によって誘起される電子キャリア層との間の抵抗を小さくできることを示している。   The solid line in FIG. 8 shows the current-voltage characteristics (IV characteristics) of a diode using N-type silicon. Moreover, the broken line of FIG. 8 has shown the current-voltage characteristic when there is no cesium containing area | region. As can be seen from FIG. 8, when the cesium-containing region is included, the reverse bias current is remarkably increased as compared with the case where the cesium-containing region is not included. This indicates that the resistance between nickel silicide and N-type silicon is reduced by forming the cesium-containing region. This indicates that the resistance between the metal source / drain electrode 8 and the electron carrier layer induced by the fixed charge can be reduced in the source / drain structure shown in FIG.

以下、この理由を図9および図10に従って説明する。   Hereinafter, this reason will be described with reference to FIGS.

図9は、図4においてP型シリコン11の代わりにN型シリコンを用いたダイオードのC‐C'断面に対応する断面でのエネルギーバンド図である。また、図10は、図4においてP型シリコン11の代わりにN型シリコンを用い、かつ、セシウム含有領域12が存在しない形態での図4におけるC‐C'断面に対応する断面でのエネルギーバンド図である。   FIG. 9 is an energy band diagram in a cross section corresponding to a CC ′ cross section of a diode using N-type silicon instead of P-type silicon 11 in FIG. FIG. 10 shows an energy band in a cross section corresponding to the CC ′ cross section in FIG. 4 in which N type silicon is used instead of P type silicon 11 in FIG. 4 and the cesium containing region 12 does not exist. FIG.

図10に示すダイオードはショットキー障壁ダイオードであるので、逆バイアス電流Irnは、下記数式(3)で表される。
ここで、φ は、電子に対するショットキー障壁高さであり、kは、ボルツマン定数であり、Tは、絶対温度である。尚、φ は、ニッケルシリサイド13と、N型シリコンとの界面におけるN型シリコンの伝導帯下端と、ニッケルシリサイド13のフェルミ準位とのエネルギー差である。
Since the diode shown in FIG. 10 is a Schottky barrier diode, the reverse bias current I rn is expressed by the following formula (3).
Here, phi b e is a Schottky barrier height for electrons, k B is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature. Incidentally, phi b e is the energy difference between the nickel silicide 13, and the bottom of the conduction band in N-type silicon at the interface between the N-type silicon, the Fermi level of nickel silicide 13.

図9を参照して、セシウムのイオン化ポテンシャルが3.89eVであるのに対して、シリコンの電子親和力は4.05eVであるので、セシウムは、シリコンの伝導帯下端よりも高エネルギー側にエネルギー準位を形成するものと考えられる。この場合、セシウムが作るエネルギー準位からニッケルシリサイド側に電子が放出されて、セシウムは正にイオン化する。セシウムがイオン化した領域では、セシウムの密度に応じてシリコンのエネルギーバンドが大きく押し下げられる。すなわち、セシウムの密度が十分に大きい場合には、シリコンの伝導帯下端E Siの最下点がニッケルシリサイド13のフェルミ準位E と略一致するまで、シリコンのエネルギーバンドは曲げられる。 Referring to FIG. 9, since the ionization potential of cesium is 3.89 eV, whereas the electron affinity of silicon is 4.05 eV, cesium has an energy level higher than the lower end of the conduction band of silicon. It is thought to form a position. In this case, electrons are emitted from the energy level produced by cesium to the nickel silicide side, and cesium is positively ionized. In the region where cesium is ionized, the energy band of silicon is greatly pushed down according to the density of cesium. That is, when the density of the cesium is sufficiently large, to the lowest point of the bottom of the conduction band E C Si of the silicon is substantially coincident with the Fermi level E F M of the nickel silicide 13, the energy band of the silicon is bent.

一方、セシウムはシリコンに対するドナーとしては活性化しないことから、セシウム含有領域12におけるニッケルシリサイド13から十分に遠い位置のセシウムは、中性のままである。また、セシウム含有領域12におけるN型シリコンとの界面から離れた位置にあるセシウムからニッケルシリサイド13への電子の放出は、主にトンネル効果によって起こるため、セシウムがイオン化するのは、ニッケルシリサイド13とセシウム含有領域12との界面から3nm程度の範囲に限られる。   On the other hand, since cesium does not activate as a donor for silicon, cesium at a position sufficiently far from nickel silicide 13 in cesium-containing region 12 remains neutral. In addition, since emission of electrons from cesium at a position away from the interface with the N-type silicon in the cesium-containing region 12 to the nickel silicide 13 is mainly caused by a tunnel effect, the cesium is ionized by the nickel silicide 13 It is limited to a range of about 3 nm from the interface with the cesium-containing region 12.

この結果、ショットキー障壁の幅が非常に薄くなり、更に、鏡像効果によるショットキー障壁高さの低下によって、ニッケルシリサイド13‐P型シリコン11間の電気伝導が主にトンネル電流によって起こるようになる。したがって、図9に示すように、電子に対するエネルギー障壁高さφ (Cs)は、シリコンの伝導帯下端E Siと、ニッケルシリサイド13のフェルミ準位E とのエネルギー差となる。また、その場合の逆バイアス電流Irn(Cs)は、下記数式(4)で表される。 As a result, the width of the Schottky barrier becomes very thin, and further, due to the reduction of the Schottky barrier height due to the mirror image effect, electrical conduction between the nickel silicide 13-P type silicon 11 is mainly caused by the tunnel current. . Accordingly, as shown in FIG. 9, the energy barrier height for electrons φ b e (Cs) becomes a conduction band minimum E C Si of the silicon, the energy difference between the Fermi level E F M of the nickel silicide 13. In this case, the reverse bias current I rn (Cs) is expressed by the following formula (4).

図9から分かるように、φ (Cs)<<φ であるから、Irn(Cs)>>Irnとなる。上記φ (Cs)は、シリコンの伝導帯下端E Siと、シリコンのフェルミ準位E Siとのエネルギー差程度の非常に小さい値となるため、図8のように、略オーミック特性の電流‐電圧特性が得られるのである。図2に示す半導体装置の構造においては、固定電荷によって誘起される電子キャリア層(固定電荷誘起電子キャリア層)は、高電子密度のN型領域と見なせるから、セシウム含有領域7を有することによって、固定電荷誘起キャリア層‐ソース・ドレイン間を低抵抗に接続することができ、従って、チャネル‐ソース・ドレイン間を低抵抗に接続可能であることが分かる。 As can be seen from FIG. 9, since it is φ b e (Cs) << φ b e, the I rn (Cs) >> I rn . The φ b e (Cs) is to become a conduction band minimum E C Si of the silicon, a very small value of about energy difference between the Fermi level E F Si of the silicon, as shown in FIG. 8, substantially ohmic properties The current-voltage characteristics can be obtained. In the structure of the semiconductor device shown in FIG. 2, since the electron carrier layer (fixed charge induced electron carrier layer) induced by the fixed charge can be regarded as a high electron density N-type region, by having the cesium containing region 7, It can be seen that the fixed charge-induced carrier layer-source / drain can be connected with low resistance, and therefore, the channel-source-drain can be connected with low resistance.

以下、図2に示す半導体装置におけるチャネル‐ソース・ドレイン間の抵抗について、図11および図12を用いて考察する。   Hereinafter, the channel-source / drain resistance in the semiconductor device shown in FIG. 2 will be considered with reference to FIGS.

図11は、図2におけるB‐B'断面でのエネルギーバンド図である。また、図12は、図2において、セシウム含有領域5およびセシウム含有領域7が存在しない(ショットキー接合トランジスタの)形態におけるB‐B'断面に対応する断面でのエネルギーバンド図である。   FIG. 11 is an energy band diagram in the BB ′ cross section in FIG. 2. FIG. 12 is an energy band diagram in a cross section corresponding to the BB ′ cross section in the form in which the cesium-containing region 5 and the cesium-containing region 7 do not exist (Schottky junction transistor) in FIG.

図12に示すように、上記ゲート電極3への電圧印加によって、シリコンのエネルギーバンドが曲げられて、チャネル領域には反転層が形成されている。その結果、ショットキー障壁厚さが薄くなり、また、鏡像効果によって電子に対するショットキー障壁高さが減少するために、トンネル電流が流れることができる。   As shown in FIG. 12, by applying a voltage to the gate electrode 3, the energy band of silicon is bent, and an inversion layer is formed in the channel region. As a result, the thickness of the Schottky barrier is reduced, and the height of the Schottky barrier for electrons is reduced due to the mirror image effect, so that a tunnel current can flow.

これに対して、上記セシウム含有領域7が存在している図11においては、ゲート電極3への電圧印加によって、シリコンのエネルギーバンドが曲げられて、チャネル領域には反転層が形成されている。また、ゲート側壁中には固定電荷が含まれているため、固定電荷から発する強い電界により半導体層の表面のエネルギーバンドは下方に曲げられ、チャネル領域とニッケルシリサイド8との間には、電子キャリア層(固定電荷誘起電子キャリア層)が形成される。また、少なくともソース電極側では、セシウム含有領域7のセシウムがニッケルシリサイド8に電子を放出することによって正にイオン化する。その結果、図12との比較で分かるように、セシウムがイオン化した領域では、シリコンのエネルギーバンドがさらに曲げられてその傾きは非常に急峻になる。これにより、ショットキー障壁厚さは非常に薄くなり、加えて、鏡像効果によって電子に対するショットキー障壁高さが大きく減少するため、ソース−電子キャリア層のトンネル電流が著しく大きくなる。更に、ゲート側壁中の固定電荷からの強い電界によってニッケルシリサイド8近傍の半導体層の表面のエネルギーバンドが曲げられることにより、ニッケルシリサイド8と半導体層との界面近傍におけるエネルギーバンドの傾きは更に急峻となり、電子に対するショットキー障壁高さの低減効果は更に大きくなる。   In contrast, in FIG. 11 where the cesium-containing region 7 exists, the energy band of silicon is bent by applying a voltage to the gate electrode 3, and an inversion layer is formed in the channel region. In addition, since a fixed charge is included in the gate side wall, the energy band on the surface of the semiconductor layer is bent downward by a strong electric field generated from the fixed charge, and an electron carrier is interposed between the channel region and the nickel silicide 8. A layer (fixed charge induced electron carrier layer) is formed. At least on the source electrode side, cesium in the cesium-containing region 7 is positively ionized by releasing electrons to the nickel silicide 8. As a result, as can be seen from comparison with FIG. 12, in the region where cesium is ionized, the energy band of silicon is further bent, and the inclination becomes very steep. As a result, the thickness of the Schottky barrier becomes very thin. In addition, the height of the Schottky barrier with respect to electrons is greatly reduced by the mirror image effect, so that the tunneling current of the source-electron carrier layer becomes significantly large. Further, the energy band at the surface of the semiconductor layer near the nickel silicide 8 is bent by a strong electric field from the fixed charge in the gate side wall, so that the slope of the energy band near the interface between the nickel silicide 8 and the semiconductor layer becomes steeper. In addition, the effect of reducing the height of the Schottky barrier for electrons is further increased.

このように、図2に示す半導体装置においては、セシウム含有領域7(およびセシウム含有領域5)を有することによって、チャネル‐ソース・ドレイン間の抵抗を著しく低減することができ、大きなオン電流を得ることができる。   As described above, in the semiconductor device shown in FIG. 2, by having the cesium-containing region 7 (and the cesium-containing region 5), the resistance between the channel, the source and the drain can be remarkably reduced, and a large on-current can be obtained. be able to.

以上のごとく、本実施の形態における半導体装置によれば、金属ソース・ドレイン電極(ニッケルシリサイド)8と、半導体層(P型シリコン基板1)との間に、ショットキー障壁を変調する不純物としてのセシウムを含有するセシウム含有領域7を形成している。したがって、金属ソース・ドレイン電極8近傍のセシウムがイオン化することによって、正孔に対するエネルギー障壁高さが大きくなり、ショットキー接合の場合に比して、金属ソース・ドレイン電極8とP型シリコン基板1との間のリーク電流を著しく低減できる。また、同時に、半導体層と、金属ソース・ドレイン電極8との間の電子に対するショットキー障壁高さが実効的に小さくなり、更に、固定電荷からの強い電界によって、金属ソース・ドレイン電極8近傍の半導体層の表面においてエネルギーバンドが曲げられるため、上記電子に対するショットキー障壁は更に小さくなる。この結果、通常のショットキー接合の場合に比べて寄生抵抗を著しく低減することができるのである。   As described above, according to the semiconductor device of the present embodiment, an impurity that modulates the Schottky barrier is provided between the metal source / drain electrode (nickel silicide) 8 and the semiconductor layer (P-type silicon substrate 1). A cesium-containing region 7 containing cesium is formed. Accordingly, ionization of cesium in the vicinity of the metal source / drain electrode 8 increases the height of the energy barrier against holes, and the metal source / drain electrode 8 and the P-type silicon substrate 1 as compared with the Schottky junction. Leakage current between the two can be significantly reduced. At the same time, the height of the Schottky barrier against electrons between the semiconductor layer and the metal source / drain electrode 8 is effectively reduced. Further, due to the strong electric field from the fixed charge, the vicinity of the metal source / drain electrode 8 is increased. Since the energy band is bent at the surface of the semiconductor layer, the Schottky barrier against the electrons is further reduced. As a result, the parasitic resistance can be remarkably reduced as compared with a normal Schottky junction.

尚、上記金属ソース・ドレイン電極(ニッケルシリサイド8)中にはセシウムの一部が含まれていても良い。この場合、セシウムの仕事関数(1.93eV)は、ニッケルシリサイド(NiSi)の仕事関数(4.9eV)よりも大きいため、金属ソース・ドレイン電極の仕事関数が小さくなり、電子に対するショットキー障壁高さを更に小さくすることができる。   The metal source / drain electrode (nickel silicide 8) may contain a part of cesium. In this case, since the work function (1.93 eV) of cesium is larger than the work function (4.9 eV) of nickel silicide (NiSi), the work function of the metal source / drain electrode is reduced, and the Schottky barrier against electrons is increased. The thickness can be further reduced.

また、セシウムはシリコンのドナーおよびアクセプターではなく、シリコンのバルク中では殆どキャリアを発生しないため、セシウム含有領域7のうち、金属ソース・ドレイン電極8から十分離れた領域においては、セシウムはキャリアとしての電子を放出してイオン化することはない。そのため、ソース・ドレインとして機能する領域がセシウムの拡散等によって拡大することを予め考慮して、セシウム含有領域7の厚みを極端に薄くする必要がない。つまり、セシウムをイオン注入する場合の条件に、特別な制約はないのである。したがって、セシウム含有領域7の厚みを薄くするために、上記特許文献1に開示されているような不純物偏析技術を用いる必要はない。   In addition, since cesium is not a silicon donor and acceptor and hardly generates carriers in the bulk of silicon, in the cesium-containing region 7, in a region sufficiently away from the metal source / drain electrode 8, cesium serves as a carrier. It does not ionize by emitting electrons. Therefore, it is not necessary to reduce the thickness of the cesium-containing region 7 extremely in consideration of the fact that the region functioning as the source / drain is expanded by cesium diffusion or the like. That is, there are no special restrictions on the conditions for ion implantation of cesium. Therefore, in order to reduce the thickness of the cesium-containing region 7, it is not necessary to use an impurity segregation technique as disclosed in Patent Document 1.

さらに、上記セシウム含有領域7はキャリアを誘起しないため、セシウム含有領域7を金属ソース・ドレイン電極8よりも深く形成しても短チャネル効果特性を劣化させることがない。すなわち、不純物(セシウム)のイオン注入深さよりも浅い領域に金属ソース・ドレイン電極8を形成することができるので、極めて浅いソース・ドレインを形成することができる。したがって、良好な短チャネル効果特性を得ることができるのである。   Further, since the cesium-containing region 7 does not induce carriers, even if the cesium-containing region 7 is formed deeper than the metal source / drain electrode 8, the short channel effect characteristic is not deteriorated. That is, since the metal source / drain electrode 8 can be formed in a region shallower than the ion implantation depth of impurities (cesium), an extremely shallow source / drain can be formed. Therefore, good short channel effect characteristics can be obtained.

また、上記セシウムは、シリコンの電子親和力(4.05eV)よりも小さいイオン化ポテンシャル(3.89eV)を有している。したがって、セシウムは、シリコンの伝導帯下端よりも高エネルギー側に不純物準位を形成し、この不純物準位から金属ソース・ドレイン電極8側に電子を放出することによって、正にイオン化してシリコンのエネルギーバンドを曲げる。こうして、シリコンのエネルギーバンドは、不純物準位と金属ソース・ドレイン電極のフェルミ準位とが一致する程度にまで曲げられる。そのため、ショットキー障壁を大きく変調することができ、上述したように、P型シリコン基板1‐金属ソース・ドレイン電極8間のリーク電流を著しく抑制できると共に、チャネル‐金属ソース・ドレイン電極8間の抵抗を著しく減少させることができるのである。   The cesium has an ionization potential (3.89 eV) smaller than the electron affinity (4.05 eV) of silicon. Therefore, cesium forms an impurity level on the higher energy side than the lower end of the conduction band of silicon, and discharges electrons from this impurity level to the metal source / drain electrode 8 side, thereby positively ionizing and cesium. Bend the energy band. Thus, the energy band of silicon is bent to such an extent that the impurity level matches the Fermi level of the metal source / drain electrode. Therefore, the Schottky barrier can be greatly modulated, and as described above, the leakage current between the P-type silicon substrate 1 and the metal source / drain electrode 8 can be remarkably suppressed, and between the channel and the metal source / drain electrode 8. The resistance can be significantly reduced.

また、図4におけるニッケルシリサイド13と接する位置におけるセシウム含有領域12中のセシウム濃度が1×1019cm-3であったことから、金属ソース・ドレイン電極8とP型シリコン基板1との界面におけるセシウムの濃度を、1×1019cm-3以上にすることによって、上記ショットキー障壁を十分大きく変調することができる。そのために、P型シリコン基板1‐金属ソース・ドレイン電極8間のリーク電流を著しく抑制できると共に、チャネル‐金属ソース・ドレイン電極8間の抵抗を著しく減少させることができるのである。 Further, since the cesium concentration in the cesium-containing region 12 at the position in contact with the nickel silicide 13 in FIG. 4 is 1 × 10 19 cm −3 , the interface between the metal source / drain electrode 8 and the P-type silicon substrate 1 is used. By setting the concentration of cesium to 1 × 10 19 cm −3 or more, the Schottky barrier can be modulated sufficiently large. Therefore, the leakage current between the P-type silicon substrate 1 and the metal source / drain electrode 8 can be remarkably suppressed, and the resistance between the channel-metal source / drain electrode 8 can be significantly reduced.

また、上記セシウムは、金属ソース・ドレイン電極8とP型シリコン基板1との界面よりも深い位置に濃度ピークを持つように分布している。したがって、金属ソース・ドレイン電極8の広い範囲を高濃度のセシウム含有領域で覆うことができ、リーク電流を効果的に低減することができる。   The cesium is distributed so as to have a concentration peak at a position deeper than the interface between the metal source / drain electrode 8 and the P-type silicon substrate 1. Therefore, a wide range of the metal source / drain electrodes 8 can be covered with the high concentration cesium-containing region, and the leakage current can be effectively reduced.

また、上記金属ソース・ドレイン電極8は、上記半導体であるシリコンと、金属であるニッケルとの化合物であるニッケルシリサイドで構成されている。したがって、堆積するニッケルの厚みを薄くすることによって、浅い金属ソース・ドレイン電極8を容易に形成することができる。   The metal source / drain electrode 8 is composed of nickel silicide which is a compound of silicon as the semiconductor and nickel as the metal. Therefore, the shallow metal source / drain electrodes 8 can be easily formed by reducing the thickness of the deposited nickel.

また、上記半導体層は、シリコンおよびゲルマニウムのうちの少なくとも一つを主成分として含み、上記金属は、Ni,Co,Ti,Er,Yb,Ptの元素群うちの1つ以上を含んでいる。この場合、自己整合シリサイドプロセスあるいは自己整合ジャーマナイドプロセスを用いることができるため、上記浅い金属ソース・ドレイン電極8を、上記ゲート電極3に対して自己整合的な位置に容易に形成することができる。   The semiconductor layer includes at least one of silicon and germanium as a main component, and the metal includes one or more elements of Ni, Co, Ti, Er, Yb, and Pt. In this case, since the self-aligned silicide process or the self-aligned germanide process can be used, the shallow metal source / drain electrodes 8 can be easily formed at a position self-aligned with respect to the gate electrode 3. it can.

以上のごとく、本実施の形態によれば、金属材料の種類に関わらずショットキー障壁の高さおよび幅を容易に制御できると共に、寄生抵抗が低く、且つ、短チャネル効果およびドレインリーク電流を効果的に抑制できる半導体装置、および、その製造方法を提供することができるのである。   As described above, according to the present embodiment, the height and width of the Schottky barrier can be easily controlled regardless of the type of metal material, the parasitic resistance is low, the short channel effect and the drain leakage current are effective. It is possible to provide a semiconductor device that can be suppressed and a manufacturing method thereof.

(第2実施の形態)
図13A〜13Eは、第2実施の形態の半導体装置における各製造工程中の断面図である。第2実施の形態では、半導体層としてのP型シリコン基板の表面のうち、ゲート電極に隣接する領域を、プラズマ状態の窒素、窒素ラジカル、および、窒素元素を含有する分子からなる酸化剤を含む気体のうちの少なくとも一つを含む雰囲気に暴露して、絶縁層を形成すると共に、固定電荷を形成する例について説明する。
(Second embodiment)
13A to 13E are cross-sectional views during each manufacturing process of the semiconductor device of the second embodiment. In the second embodiment, the region adjacent to the gate electrode in the surface of the P-type silicon substrate as the semiconductor layer includes nitrogen in the plasma state, nitrogen radicals, and an oxidant composed of molecules containing the nitrogen element. An example of forming an insulating layer and forming a fixed charge by exposure to an atmosphere containing at least one of gases will be described.

先ず、半導体層の一例としてのP型シリコン基板21の一主面上に、例えば上記STI法等の公知の方法によって素子分離領域(図示せず)を形成し、その素子分離領域によって素子形成領域を区分する。   First, an element isolation region (not shown) is formed on one main surface of a P-type silicon substrate 21 as an example of a semiconductor layer by a known method such as the STI method, and an element formation region is formed by the element isolation region. Is divided.

次に、図13Aに示すように、熱酸化法,CVD法あるいはALD法等を用いることによって、上記素子形成領域の表面に、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜22を形成し、続いて、CVD法等を用いてN型多結晶シリコン膜をゲート絶縁膜22上に堆積する。次に、リソグラフィー法およびRIE法等を用いて上記多結晶シリコン膜をパターニングして、ゲート電極23を形成する。   Next, as shown in FIG. 13A, a gate insulating film 22 made of silicon oxide is formed on the surface of the element formation region by using a thermal oxidation method, a CVD method, an ALD method, or the like, followed by a CVD method. Etc., an N-type polycrystalline silicon film is deposited on the gate insulating film 22. Next, the gate electrode 23 is formed by patterning the polycrystalline silicon film using a lithography method, an RIE method, or the like.

上記ゲート絶縁膜22の材料として、酸化シリコンの代わりに、酸窒化シリコン,窒化シリコン,酸化ハフニウム,酸化ランタン、および、これらの材料に窒素,シリコン,アルミニウム等を含有するもの等を用いてもよい。   As the material of the gate insulating film 22, silicon oxynitride, silicon nitride, hafnium oxide, lanthanum oxide, or a material containing nitrogen, silicon, aluminum, or the like may be used instead of silicon oxide. .

また、上記ゲート電極23の材料として多結晶シリコンを用いたが、アモルファスシリコン,ゲルマニウム,ゲルマニウムを含有したシリコン等を用いてもよい。   Further, although polycrystalline silicon is used as the material of the gate electrode 23, amorphous silicon, germanium, silicon containing germanium, or the like may be used.

次に、図13Bに示すように、窒素元素を含むラジカルあるいはプラズマ等をシリコン表面にさらすことによってシリコン表面を窒化して薄い窒化シリコン層24を形成する。窒化シリコンの屈折率は2.1以上とすることが好ましい。この場合、高密度の正の固定電荷を有する絶縁層としての窒化シリコン層24を形成することができる。例えば、PE‐CVD(Plasma Enhanced CVD)法において、300mTorr〜600mTorr、ガス流量比SiH4/NH3=0.04〜1.5、基板温度300℃〜450℃、プラズマパワー40W〜100Wの条件にて、屈折率2.1以上の窒化シリコンを形成することができる。 Next, as shown in FIG. 13B, the silicon surface is nitrided by exposing the silicon surface to radicals containing nitrogen element, plasma, or the like to form a thin silicon nitride layer 24. The refractive index of silicon nitride is preferably set to 2.1 or higher. In this case, the silicon nitride layer 24 as an insulating layer having a high-density positive fixed charge can be formed. For example, in PE-CVD (Plasma Enhanced CVD) method, the conditions are 300 mTorr to 600 mTorr, gas flow rate ratio SiH 4 / NH 3 = 0.04 to 1.5, substrate temperature 300 ° C. to 450 ° C., plasma power 40 W to 100 W. Thus, silicon nitride having a refractive index of 2.1 or more can be formed.

尚、P型素子の場合は、窒化シリコンの屈折率を1.8以下とすることにより、高密度の負の固定電荷を有する絶縁層としての窒化シリコン層24を形成することができる。また、窒化シリコン層24の代わりにALD法等によって酸化アルミニウム膜を形成することよって、負の固定電荷を有する絶縁膜を形成することができる。   In the case of a P-type element, by setting the refractive index of silicon nitride to 1.8 or less, the silicon nitride layer 24 as an insulating layer having a high density of negative fixed charges can be formed. Further, by forming an aluminum oxide film by an ALD method or the like instead of the silicon nitride layer 24, an insulating film having a negative fixed charge can be formed.

次に、上記CVD法等を用いて酸化シリコン膜を堆積し、続いて、RIE法によって異方性エッチングすることにより、ゲート側壁層24を形成する。酸化シリコン膜の代わりに、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜を用いても良い。尚、酸化シリコン膜を形成せずに、窒化シリコン層24を異方性エッチングしてゲート側壁層24を形成しても良い。以下、図13C〜図13Eに示す工程は、第1の実施の形態と同じように行うことで、半導体装置を製造することができる。尚、図13Eにおいて、ゲート側壁層24は、絶縁層を構成している。   Next, a silicon oxide film is deposited using the CVD method or the like, and then anisotropically etched by the RIE method, thereby forming the gate sidewall layer 24. A silicon nitride film or a silicon oxynitride film may be used instead of the silicon oxide film. Alternatively, the gate sidewall layer 24 may be formed by anisotropic etching of the silicon nitride layer 24 without forming the silicon oxide film. Hereinafter, the semiconductor device can be manufactured by performing the steps shown in FIGS. 13C to 13E in the same manner as in the first embodiment. In FIG. 13E, the gate sidewall layer 24 forms an insulating layer.

(実施の形態3)
図14A〜図14Eは、第3実施の形態の半導体装置における各製造工程中の断面図である。第3実施の形態では、半導体層としてのP型シリコン基板中に、ショットキー障壁を変調する不純物としてのセシウムをイオン注入してセシウム含有領域を形成した後、上記セシウム含有領域上を、上記セシウム含有領域を構成する元素とは異なる元素(例えば、酸素または窒素)と反応させて絶縁層を形成することにより、上記セシウムを絶縁層/半導体層界面に偏析させて固定電荷を形成する例について説明する。
(Embodiment 3)
14A to 14E are cross-sectional views in each manufacturing process of the semiconductor device of the third embodiment. In the third embodiment, cesium-containing regions are formed by ion-implanting cesium as an impurity that modulates the Schottky barrier into a P-type silicon substrate as a semiconductor layer, and then the cesium-containing regions are formed on the cesium-containing regions. An example in which the fixed charge is formed by segregating the cesium at the interface between the insulating layer and the semiconductor layer by forming an insulating layer by reacting with an element (for example, oxygen or nitrogen) different from the elements constituting the containing region. To do.

先ず、半導体層の一例としてのP型シリコン基板31の一主面上に、例えば上記STI法等の公知の方法によって素子分離領域(図示せず)を形成し、その素子分離領域によって素子形成領域を区分する。   First, an element isolation region (not shown) is formed on one main surface of a P-type silicon substrate 31 as an example of a semiconductor layer by a known method such as the STI method, and the element formation region is formed by the element isolation region. Is divided.

次に、図14Aに示すように、熱酸化法,CVD法あるいはALD法等を用いることによって、上記素子形成領域の表面に、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜32を形成し、続いて、CVD法等を用いてN型多結晶シリコン膜をゲート絶縁膜32上に堆積する。次に、リソグラフィー法およびRIE法等を用いて上記多結晶シリコン膜をパターニングして、ゲート電極33を形成する。   Next, as shown in FIG. 14A, a gate insulating film 32 made of silicon oxide is formed on the surface of the element formation region by using a thermal oxidation method, a CVD method, an ALD method, or the like, followed by a CVD method. Etc., an N-type polycrystalline silicon film is deposited on the gate insulating film 32. Next, the gate electrode 33 is formed by patterning the polycrystalline silicon film using a lithography method, an RIE method, or the like.

上記ゲート絶縁膜32の材料として、酸化シリコンの代わりに、酸窒化シリコン,窒化シリコン,酸化ハフニウム,酸化ランタン、および、これらの材料に窒素,シリコン,アルミニウム等を含有するもの等を用いてもよい。   As the material of the gate insulating film 32, silicon oxynitride, silicon nitride, hafnium oxide, lanthanum oxide, or a material containing nitrogen, silicon, aluminum, or the like may be used instead of silicon oxide. .

また、上記ゲート電極33の材料として多結晶シリコンを用いたが、アモルファスシリコン,ゲルマニウム,ゲルマニウムを含有したシリコン等を用いてもよい。   Further, although polycrystalline silicon is used as the material of the gate electrode 33, amorphous silicon, germanium, silicon containing germanium, or the like may be used.

次に、セシウムを、例えば、加速エネルギー5keV、ドーズ量1×1014cm-2の条件でイオン注入することによって、セシウム含有領域37を形成する。尚、イオン注入の条件は上記の条件に限定するものではないが、セシウム含有領域37が後の工程で形成するニッケルシリサイド38(図14E参照)よりも深い位置まで形成されるように設定すればよい。 Next, cesium-containing region 37 is formed by ion implantation of cesium, for example, under conditions of an acceleration energy of 5 keV and a dose of 1 × 10 14 cm −2 . The ion implantation conditions are not limited to the above conditions, but may be set so that the cesium-containing region 37 is formed to a position deeper than the nickel silicide 38 (see FIG. 14E) formed in a later step. Good.

尚、セシウム(質量数133)は、通常のドナー不純物であるP(質量数31)やAs(質量数75)等に比べて、質量数が大きいため、同じイオン注入エネルギーであればより浅い領域にイオン注入することができる。また、イオン注入では、イオン注入エネルギーが小さい程、また、注入種の質量数が小さい程、イオン注入時の電流量が小さくなるため、特に1keV以下等の極低エネルギー注入ではイオン注入時間が極端に長くなってしまうという問題がある。セシウムは通常のドナー不純物であるPやAsに比べて質量数が大きいため、電流量をより大きく取ることができ、したがって、イオン注入時間の大幅な短縮、あるいは、更に低いエネルギーでのイオン注入が可能となる。その結果、極めて浅い位置に金属ソース・ドレイン電極を形成することができるため、短チャネル効果特性を改善することができるのである。その後、注入ダメージを回復させるためにアニールを行っても差し支えない。その場合には、例えば、RTA法,FLA法,レーザーアニール法等を用いる。   Cesium (mass number 133) has a larger mass number than P (mass number 31), As (mass number 75), etc., which are normal donor impurities. Can be ion-implanted. In ion implantation, the smaller the ion implantation energy and the smaller the number of implanted species, the smaller the amount of current during ion implantation. There is a problem that it becomes long. Cesium has a larger mass number than normal donor impurities such as P and As, so it can take a larger amount of current. Therefore, the ion implantation time can be greatly shortened or ion implantation can be performed at a lower energy. It becomes possible. As a result, since the metal source / drain electrodes can be formed at extremely shallow positions, the short channel effect characteristics can be improved. Thereafter, annealing may be performed to recover the implantation damage. In that case, for example, RTA method, FLA method, laser annealing method or the like is used.

次に、図14Bに示すように、熱酸化法を用いて酸化して酸化シリコン膜34を形成する。このとき、セシウム含有領域37の表面が酸化され、セシウム含有領域37中のセシウムの一部が酸化シリコン34とセシウム含有領域37の界面に偏析して正の固定電荷35となる。酸化シリコン膜34を形成する代わりに、セシウム含有領域37表面を窒化して窒化シリコン膜を形成しても良い。この場合、セシウム含有領域37中のセシウムの一部が窒化シリコン膜とセシウム含有領域37との界面に偏析して正の固定電荷となるのと共に、窒化シリコン膜中にも正の固定電荷が形成されるため、高密度の固定電荷を形成することができる。   Next, as shown in FIG. 14B, a silicon oxide film 34 is formed by oxidation using a thermal oxidation method. At this time, the surface of the cesium-containing region 37 is oxidized, and a part of cesium in the cesium-containing region 37 is segregated at the interface between the silicon oxide 34 and the cesium-containing region 37 and becomes a positive fixed charge 35. Instead of forming the silicon oxide film 34, the surface of the cesium-containing region 37 may be nitrided to form a silicon nitride film. In this case, a part of cesium in the cesium-containing region 37 is segregated at the interface between the silicon nitride film and the cesium-containing region 37 and becomes a positive fixed charge, and a positive fixed charge is also formed in the silicon nitride film. Therefore, a high density fixed charge can be formed.

次に、図14Cに示すように、CVD法等を用いて窒化シリコン36を堆積する。窒化シリコン36の代わりの材料は、絶縁性がある限り何でも良いが、酸化シリコン、酸窒化シリコン等が挙げられる。尚、酸化シリコン膜34が十分に厚い場合は、窒化シリコン36を省略しても良い。   Next, as shown in FIG. 14C, a silicon nitride 36 is deposited using a CVD method or the like. Any material can be used as a substitute for the silicon nitride 36 as long as it has an insulating property, and examples thereof include silicon oxide and silicon oxynitride. If the silicon oxide film 34 is sufficiently thick, the silicon nitride 36 may be omitted.

次に、図14Dに示すように、RIE法等を用いて、窒化シリコン36および酸化シリコン膜34を異方性エッチングすることにより、ゲート側壁を形成する。以下、図14Eに示す工程は、第1の実施の形態と同じように行うことで、半導体装置を製造することができる。   Next, as shown in FIG. 14D, gate sidewalls are formed by anisotropically etching the silicon nitride 36 and the silicon oxide film 34 using RIE or the like. Hereinafter, the semiconductor device can be manufactured by performing the process shown in FIG. 14E in the same manner as in the first embodiment.

(実施の形態4)
図15A〜図15Eは、第4実施の形態の半導体装置における各製造工程中の断面図である。第4実施の形態では、半導体層としてのシリコン中にショットキー障壁を変調する不純物としてのセシウムをイオン注入してセシウム含有領域を形成した後、上記ゲート電極に隣接する領域に、絶縁層として窒化シリコン膜を形成し、アニールすることによって、絶縁層/半導体界面に上記セシウムを偏析させて固定電荷を形成する例について説明する。
(Embodiment 4)
15A to 15E are cross-sectional views in each manufacturing process of the semiconductor device of the fourth embodiment. In the fourth embodiment, cesium as an impurity for modulating a Schottky barrier is ion-implanted into silicon as a semiconductor layer to form a cesium-containing region, and then nitrided as an insulating layer in a region adjacent to the gate electrode. An example will be described in which a fixed charge is formed by segregating the cesium at the insulating layer / semiconductor interface by forming a silicon film and annealing.

先ず、半導体層の一例としてのP型シリコン基板41の一主面上に、例えば上記STI法等の公知の方法によって素子分離領域(図示せず)を形成し、その素子分離領域によって素子形成領域を区分する。   First, an element isolation region (not shown) is formed on one main surface of a P-type silicon substrate 41 as an example of a semiconductor layer by a known method such as the STI method, and the element isolation region is formed by the element isolation region. Is divided.

次に、図15Aに示すように、熱酸化法,CVD法あるいはALD法等を用いることによって、上記素子形成領域の表面に、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜42を形成し、続いて、CVD法等を用いてN型多結晶シリコン膜をゲート絶縁膜42上に堆積する。次に、リソグラフィー法およびRIE法等を用いて上記多結晶シリコン膜をパターニングして、ゲート電極43を形成する。   Next, as shown in FIG. 15A, a gate insulating film 42 made of silicon oxide is formed on the surface of the element formation region by using a thermal oxidation method, a CVD method, an ALD method, or the like, followed by a CVD method. Etc., an N-type polycrystalline silicon film is deposited on the gate insulating film. Next, the gate electrode 43 is formed by patterning the polycrystalline silicon film using a lithography method, an RIE method, or the like.

上記ゲート絶縁膜42の材料として、酸化シリコンの代わりに、酸窒化シリコン,窒化シリコン,酸化ハフニウム,酸化ランタン、および、これらの材料に窒素,シリコン,アルミニウム等を含有するもの等を用いてもよい。また、上記ゲート電極43の材料として多結晶シリコンを用いたが、アモルファスシリコン,ゲルマニウム,ゲルマニウムを含有したシリコン等を用いてもよい。   As the material of the gate insulating film 42, silicon oxynitride, silicon nitride, hafnium oxide, lanthanum oxide, or a material containing nitrogen, silicon, aluminum, or the like may be used instead of silicon oxide. . Further, although polycrystalline silicon is used as the material of the gate electrode 43, amorphous silicon, germanium, silicon containing germanium, or the like may be used.

次に、セシウムを、例えば、加速エネルギー5keV、ドーズ量1×1014cm-2の条件でイオン注入することによって、セシウム含有領域47を形成する。尚、イオン注入の条件は上記の条件に限定するものではないが、セシウム含有領域47が後の工程で形成するニッケルシリサイド48(図15E参照)よりも深い位置まで形成されるように設定すればよい。 Next, cesium-containing region 47 is formed by ion-implanting cesium, for example, under conditions of an acceleration energy of 5 keV and a dose of 1 × 10 14 cm −2 . The ion implantation conditions are not limited to the above conditions, but may be set so that the cesium-containing region 47 is formed to a position deeper than the nickel silicide 48 (see FIG. 15E) formed in a later step. Good.

尚、セシウム(質量数133)は、通常のドナー不純物であるP(質量数31)やAs(質量数75)等に比べて、質量数が大きいため、同じイオン注入エネルギーであればより浅い領域にイオン注入することができる。また、イオン注入では、イオン注入エネルギーが小さい程、また、注入種の質量数が小さい程、イオン注入時の電流量が小さくなるため、特に1keV以下等の極低エネルギー注入ではイオン注入時間が極端に長くなってしまうという問題がある。セシウムは通常のドナー不純物であるPやAsに比べて質量数が大きいため、電流量をより大きく取ることができ、したがって、イオン注入時間の大幅な短縮、あるいは、更に低いエネルギーでのイオン注入が可能となる。その結果、極めて浅い位置に金属ソース・ドレイン電極を形成することができるため、短チャネル効果特性を改善することができるのである。   Cesium (mass number 133) has a larger mass number than P (mass number 31), As (mass number 75), etc., which are normal donor impurities. Can be ion-implanted. In ion implantation, the smaller the ion implantation energy and the smaller the number of implanted species, the smaller the amount of current during ion implantation. There is a problem that it becomes long. Cesium has a larger mass number than normal donor impurities such as P and As, so it can take a larger amount of current. Therefore, the ion implantation time can be greatly shortened or ion implantation can be performed at a lower energy. It becomes possible. As a result, since the metal source / drain electrodes can be formed at extremely shallow positions, the short channel effect characteristics can be improved.

次に、CVD法等により、窒化シリコンからなる絶縁層44を堆積する。絶縁層44の材料は絶縁性を有する限り何でも良いが、セシウムが熱拡散しにくいものが好ましく、例えば、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸窒化ハフニウム等の窒素を含有した材料が好ましい。   Next, an insulating layer 44 made of silicon nitride is deposited by CVD or the like. Any material may be used for the insulating layer 44 as long as it has insulating properties, but cesium is difficult to thermally diffuse. For example, a material containing nitrogen such as silicon nitride, silicon oxynitride, or hafnium oxynitride is preferable.

次に、図15Bに示すように、RTA法を用いて、例えば700〜1000℃、1〜10秒のアニールを行う。このとき、セシウム含有領域47中のセシウムの一部が絶縁層44とP型シリコン基板41の界面に偏析し、正の固定電荷となる。
RTA法の代わりに、FLA法、レーザーアニール法を用いることにより、更に高温短時間のアニールを行っても良い。
Next, as shown in FIG. 15B, annealing is performed, for example, at 700 to 1000 ° C. for 1 to 10 seconds using the RTA method. At this time, a part of cesium in the cesium-containing region 47 is segregated at the interface between the insulating layer 44 and the P-type silicon substrate 41 and becomes a positive fixed charge.
Instead of the RTA method, annealing at a higher temperature and shorter time may be performed by using a FLA method or a laser annealing method.

次に、図15Cに示すように、CVD法等を用いて酸化シリコンからなる第2絶縁層46を形成する。酸化シリコンの代わりに、酸窒化シリコン、窒化シリコン等を用いても良い。また、絶縁層44が十分に厚い場合は、第2絶縁層46を省略することもできる。   Next, as shown in FIG. 15C, a second insulating layer 46 made of silicon oxide is formed by CVD or the like. Instead of silicon oxide, silicon oxynitride, silicon nitride, or the like may be used. Further, when the insulating layer 44 is sufficiently thick, the second insulating layer 46 can be omitted.

次に、図15Eに示すように、RIE法等を用いて絶縁層44、第2絶縁層46を異方性エッチングすることにより、ゲート側壁を形成する。以下、第1の実施の形態と同じように行うことで、半導体装置を製造することができる。   Next, as shown in FIG. 15E, the gate sidewalls are formed by anisotropically etching the insulating layer 44 and the second insulating layer 46 using the RIE method or the like. Hereinafter, the semiconductor device can be manufactured by performing the same process as in the first embodiment.

(実施の形態5)
図16A〜図16Fは、第5実施の形態の半導体装置における各製造工程中の断面図である。第5実施の形態では、半導体層としてのP型シリコン基板の上におけるゲート電極の両側、および、ゲート電極の両側の絶縁層中にセシウムを同時にイオン注入することにより、セシウム含有領域と固定電荷を同時に形成する例について説明する。
(Embodiment 5)
16A to 16F are cross-sectional views in each manufacturing process of the semiconductor device of the fifth embodiment. In the fifth embodiment, cesium-containing regions and fixed charges are implanted by simultaneously implanting cesium into both sides of the gate electrode on the P-type silicon substrate as the semiconductor layer and in the insulating layers on both sides of the gate electrode. An example of simultaneous formation will be described.

先ず、半導体層の一例としてのP型シリコン基板51の一主面上に、例えば上記STI法等の公知の方法によって素子分離領域(図示せず)を形成し、その素子分離領域によって素子形成領域を区分する。   First, an element isolation region (not shown) is formed on a main surface of a P-type silicon substrate 51 as an example of a semiconductor layer by a known method such as the STI method, and the element formation region is formed by the element isolation region. Is divided.

次に、図16Aに示すように、熱酸化法,CVD法あるいはALD法等を用いることによって、上記素子形成領域の表面に、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜52を形成し、続いて、CVD法等を用いてN型多結晶シリコン膜をゲート絶縁膜52上に堆積する。次に、リソグラフィー法およびRIE法等を用いて上記多結晶シリコン膜をパターニングして、ゲート電極53を形成する。   Next, as shown in FIG. 16A, a gate insulating film 52 made of silicon oxide is formed on the surface of the element formation region by using a thermal oxidation method, a CVD method, an ALD method, or the like, followed by a CVD method. Etc. is used to deposit an N-type polycrystalline silicon film on the gate insulating film 52. Next, the gate electrode 53 is formed by patterning the polycrystalline silicon film using a lithography method, an RIE method, or the like.

上記ゲート絶縁膜52の材料として、酸化シリコンの代わりに、酸窒化シリコン,窒化シリコン,酸化ハフニウム,酸化ランタン、および、これらの材料に窒素,シリコン,アルミニウム等を含有するもの等を用いてもよい。   As the material of the gate insulating film 52, silicon oxynitride, silicon nitride, hafnium oxide, lanthanum oxide, or a material containing nitrogen, silicon, aluminum, or the like may be used instead of silicon oxide. .

また、上記ゲート電極53の材料として多結晶シリコンを用いたが、アモルファスシリコン,ゲルマニウム,ゲルマニウムを含有したシリコン等を用いてもよい。
次に、CVD法等により、酸化シリコン膜54(例えば10〜15nm)堆積する。
Further, although polycrystalline silicon is used as the material of the gate electrode 53, amorphous silicon, germanium, silicon containing germanium, or the like may be used.
Next, a silicon oxide film 54 (for example, 10 to 15 nm) is deposited by a CVD method or the like.

次に、図16Bに示すように、CVD法等により、窒化シリコン膜56を堆積する。続いて、図16Cに示すように、RIE法等により、酸化シリコン膜54、および、窒化シリコン膜56を異方性エッチングすることにより、ゲート側壁を形成する。その後、図16Dに示すように、熱濃燐酸等を用いて、窒化シリコン膜56を選択的に除去する。   Next, as shown in FIG. 16B, a silicon nitride film 56 is deposited by CVD or the like. Subsequently, as shown in FIG. 16C, gate sidewalls are formed by anisotropically etching the silicon oxide film 54 and the silicon nitride film 56 by the RIE method or the like. Thereafter, as shown in FIG. 16D, the silicon nitride film 56 is selectively removed using hot concentrated phosphoric acid or the like.

次に、セシウムを、例えば、加速エネルギー5keV、ドーズ量1×1014cm-2の条件でイオン注入することによって、P型シリコン基板51中にセシウム含有領域57を形成すると同時に、酸化シリコン膜54中にセシウム含有領域55を形成する。尚、イオン注入の条件は上記の条件に限定するものではないが、セシウム含有領域57が後の工程で形成するニッケルシリサイド58(図16F参照)よりも深い位置まで形成されるように設定すればよい。このように、セシウム含有領域57と固定電荷(セシウム含有領域55)を同時に形成することにより、プロセスを簡素化することができるのと共に、同一の材料を用いて固定電荷とセシウム含有領域を形成するため、製造コストを低減することができる。 Next, cesium is ion-implanted, for example, under the conditions of an acceleration energy of 5 keV and a dose of 1 × 10 14 cm −2 to form a cesium-containing region 57 in the P-type silicon substrate 51 and at the same time, the silicon oxide film 54 A cesium-containing region 55 is formed therein. The ion implantation conditions are not limited to the above conditions, but may be set so that the cesium-containing region 57 is formed to a position deeper than the nickel silicide 58 (see FIG. 16F) formed in a later step. Good. Thus, by simultaneously forming the cesium-containing region 57 and the fixed charge (cesium-containing region 55), the process can be simplified, and the fixed charge and the cesium-containing region are formed using the same material. Therefore, manufacturing cost can be reduced.

尚、セシウム(質量数133)は、通常のドナー不純物であるP(質量数31)やAs(質量数75)等に比べて、質量数が大きいため、同じイオン注入エネルギーであればより浅い領域にイオン注入することができる。また、イオン注入では、イオン注入エネルギーが小さい程、また、注入種の質量数が小さい程、イオン注入時の電流量が小さくなるため、特に1keV以下等の極低エネルギー注入ではイオン注入時間が極端に長くなってしまうという問題がある。セシウムは通常のドナー不純物であるPやAsに比べて質量数が大きいため、電流量をより大きく取ることができ、したがって、イオン注入時間の大幅な短縮、あるいは、更に低いエネルギーでのイオン注入が可能となる。その結果、極めて浅い位置に金属ソース・ドレイン電極を形成することができるため、短チャネル効果特性を改善することができる。   Cesium (mass number 133) has a larger mass number than P (mass number 31), As (mass number 75), etc., which are normal donor impurities. Can be ion-implanted. In ion implantation, the smaller the ion implantation energy and the smaller the number of implanted species, the smaller the amount of current during ion implantation. There is a problem that it becomes long. Cesium has a larger mass number than normal donor impurities such as P and As, so it can take a larger amount of current. Therefore, the ion implantation time can be greatly shortened or ion implantation can be performed at a lower energy. It becomes possible. As a result, since the metal source / drain electrodes can be formed at extremely shallow positions, the short channel effect characteristics can be improved.

次に、RTA法を用いて、例えば、750〜950℃、1〜10秒のアニールを行う。これにより、注入ダメージが回復されるのと同時に、酸化シリコン膜54中のセシウムが酸化シリコン膜54と半導体層(P型シリコン基板51)との界面に偏析して正の固定電荷となる。尚、RTA法の代わりに、FLA法、レーザーアニール法を用いて更に高温短時間のアニールを行っても良い。   Next, for example, annealing is performed at 750 to 950 ° C. for 1 to 10 seconds using the RTA method. As a result, the cesium in the silicon oxide film 54 is segregated at the interface between the silicon oxide film 54 and the semiconductor layer (P-type silicon substrate 51) and becomes positive fixed charges at the same time as the implantation damage is recovered. In addition, instead of the RTA method, annealing at a higher temperature and shorter time may be performed by using a FLA method or a laser annealing method.

次に、図16Fに示すように、実施の形態1と同様の方法にて、ニッケルシリサイド58を形成する。以下、第1の実施の形態と同じように行うことで、半導体装置を製造することができる。   Next, as shown in FIG. 16F, nickel silicide 58 is formed by the same method as in the first embodiment. Hereinafter, the semiconductor device can be manufactured by performing the same process as in the first embodiment.

(第6実施の形態)
第6実施の形態は、この発明は、Fin‐FET(立体構造‐FET(Field Effect Transistor:電界効果型トランジスタ)),トライゲート‐FET,ナノワイヤ‐FET等の立体チャネル構造を持つFETに適用されることができる。
(Sixth embodiment)
In the sixth embodiment, the present invention is applied to a FET having a three-dimensional channel structure such as a Fin-FET (three-dimensional structure-FET (Field Effect Transistor)), a tri-gate-FET, and a nanowire-FET. Can.

図17A〜図17Eは、第6実施の形態の半導体装置における各製造工程中の断面図である。以下、図17A〜図17Eに従って、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。   17A to 17E are cross-sectional views during each manufacturing process of the semiconductor device of the sixth embodiment. Hereinafter, a method for manufacturing the semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 17A to 17E.

まず、図17Aに示すように、例えば、シリコン61と、酸化シリコン62と、SOI層としてのシリコンとがこの順に積層されたSOI基板において、上記SOI層をパターニングして、アルファベットの「I」字状の半導体領域63を形成する。尚、SOI層(半導体領域33)の厚さは、例えば20nmとし、半導体領域33のうちチャネルとなる領域の幅(Fin幅)は、例えば10nmとする。   First, as shown in FIG. 17A, for example, in an SOI substrate in which silicon 61, silicon oxide 62, and silicon as an SOI layer are stacked in this order, the SOI layer is patterned to form an alphabet “I” character. A semiconductor region 63 is formed. The thickness of the SOI layer (semiconductor region 33) is, for example, 20 nm, and the width (Fin width) of the channel region in the semiconductor region 33 is, for example, 10 nm.

次に、図17Bに示すように、熱酸化法,CVD法あるいはALD法等を用いることによって、半導体領域63の表面に、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜64を形成する。続いて、CVD法等を用いてN型多結晶シリコン膜をゲート絶縁膜64上に堆積する。次に、リソグラフィー法およびRIE法等を用いて上記多結晶シリコン膜をパターニングして、ゲート電極65を形成する。続いて、ゲート電極65に覆われていない領域のゲート絶縁膜64を、フッ酸水溶液によるウェットエッチ等によって除去する。   Next, as shown in FIG. 17B, a gate insulating film 64 made of silicon oxide is formed on the surface of the semiconductor region 63 by using a thermal oxidation method, a CVD method, an ALD method, or the like. Subsequently, an N-type polycrystalline silicon film is deposited on the gate insulating film 64 using a CVD method or the like. Next, the gate electrode 65 is formed by patterning the polycrystalline silicon film using a lithography method, an RIE method, or the like. Subsequently, the gate insulating film 64 in a region not covered with the gate electrode 65 is removed by wet etching or the like using a hydrofluoric acid aqueous solution.

上記ゲート絶縁膜64の材料として、酸化シリコンの代わりに、酸窒化シリコン,窒化シリコン,酸化ハフニウム,酸化ランタン、および、これらの材料に窒素,シリコン,アルミニウム等を含有するもの等を用いてもよい。   As the material of the gate insulating film 64, silicon oxynitride, silicon nitride, hafnium oxide, lanthanum oxide, or a material containing nitrogen, silicon, aluminum, or the like may be used instead of silicon oxide. .

また、上記ゲート電極65の材料として多結晶シリコンを用いたが、アモルファスシリコン,ゲルマニウム,ゲルマニウムを含有したシリコン等を用いてもよい。   Further, although polycrystalline silicon is used as the material of the gate electrode 65, amorphous silicon, germanium, silicon containing germanium, or the like may be used.

次に、図17Cに示すように、上記CVD法等を用いて酸化シリコン膜66(例えば、10〜15nm)を堆積後、例えばイオン注入法を用いて、セシウムを酸化シリコン膜66中に導入し、セシウム含有領域67(図17C〜図17Eには図示せず。図18参照。)を形成する。イオン注入条件は、例えば、加速エネルギー:5keV、ドーズ量:4×1014cm−2とする。イオン注入条件は、イオン注入後のセシウム濃度分布のピーク位置が酸化シリコン膜66の中央付近に位置するように選べばよい。セシウムが半導体領域63中に入っても差し支えない。 Next, as shown in FIG. 17C, after depositing a silicon oxide film 66 (for example, 10 to 15 nm) using the CVD method or the like, cesium is introduced into the silicon oxide film 66 using, for example, an ion implantation method. , A cesium-containing region 67 (not shown in FIGS. 17C to 17E, see FIG. 18). The ion implantation conditions are, for example, acceleration energy: 5 keV, dose amount: 4 × 10 14 cm −2 . The ion implantation conditions may be selected so that the peak position of the cesium concentration distribution after ion implantation is located near the center of the silicon oxide film 66. Cesium may enter the semiconductor region 63.

次に、窒化シリコン膜68を堆積後、RTA法によって、例えば、750〜950℃、1〜10秒のアニールを行う。これにより、注入ダメージが回復されるのと同時に、酸化シリコン膜66中のセシウムが酸化シリコン膜66と半導体領域63との界面に偏析して正の固定電荷となる。尚、RTA法の代わりに、FLA法、レーザーアニール法を用いて更に高温短時間のアニールを行っても良い。
続いて、RIE法等を用いて、酸化シリコン膜66および窒化シリコン膜68の異方性エッチングを行うことにより、ゲート側壁を形成する。
Next, after depositing the silicon nitride film 68, for example, annealing is performed at 750 to 950 ° C. for 1 to 10 seconds by the RTA method. As a result, the cesium in the silicon oxide film 66 is segregated at the interface between the silicon oxide film 66 and the semiconductor region 63 and becomes positive fixed charges at the same time as the implantation damage is recovered. In addition, instead of the RTA method, annealing at a higher temperature and shorter time may be performed by using a FLA method or a laser annealing method.
Subsequently, anisotropic etching of the silicon oxide film 66 and the silicon nitride film 68 is performed using the RIE method or the like to form gate sidewalls.

次に、図17Dに示すように、セシウムを、例えば、加速エネルギー5keV、ドーズ量1×1014cm-2の条件でイオン注入することによって、セシウム含有領域69を形成する。尚、イオン注入の条件は上記の条件に限定するものではないが、セシウム含有領域69が少なくとも酸化シリコン62との境界まで広がるように設定すればよい。但し、イオン注入によって、半導体領域63がSOI層の厚さ方向全体に渡ってアモルファス化した場合、後の工程における熱処理によって、アモルファス化した領域が多結晶化してしまい、リーク電流や寄生抵抗が増大してしまうが、セシウムの濃度ピークがSOI層の厚さ方向の中央よりも浅い領域に位置するように加速エネルギーを選ぶことによって、半導体領域63がSOI層の厚さ方向全体に渡ってアモルファス化するのを防ぎ、少なくとも酸化シリコン62に接する領域の半導体領域63の結晶性を維持することができる。この場合、後の工程における熱処理によって単結晶シリコンの固相成長が促され、アモルファス化した領域を単結晶化する(注入ダメージを回復する)ことができる。 Next, as shown in FIG. 17D, cesium-containing region 69 is formed by ion implantation of cesium, for example, under the conditions of an acceleration energy of 5 keV and a dose of 1 × 10 14 cm −2 . The ion implantation conditions are not limited to the above conditions, but may be set so that the cesium-containing region 69 extends at least to the boundary with the silicon oxide 62. However, when the semiconductor region 63 is amorphized over the entire thickness direction of the SOI layer by ion implantation, the amorphized region is polycrystallized by heat treatment in a later process, and leakage current and parasitic resistance increase. However, by selecting the acceleration energy so that the concentration peak of cesium is located in a region shallower than the center in the thickness direction of the SOI layer, the semiconductor region 63 becomes amorphous throughout the thickness direction of the SOI layer. Therefore, at least the crystallinity of the semiconductor region 63 in the region in contact with the silicon oxide 62 can be maintained. In this case, solid phase growth of single crystal silicon is promoted by heat treatment in a later step, and the amorphous region can be single crystallized (implantation damage can be recovered).

尚、SOI層の厚さ、または、Fin幅が小さくなるほど、イオン注入によって、半導体領域33がSOI層の厚さ方向全体に渡ってアモルファス化し易く、上記多結晶化が起こりやすい。ゲート長の縮小に伴い、短チャネル効果抑制のため、Fin幅(およびSOI層厚さ)も縮小される必要があるため、上記多結晶化の問題は今後の微細化の進展によって益々顕著となる。本実施の形態では、通常のドナー不純物である砒素の質量数75よりも大きいセシウムを用いているため、同じイオン注入エネルギーにおいて上記砒素よりも浅い領域にイオン注入できる。従って、砒素等の高濃度不純物領域によってソース・ドレインを形成する場合や、上記特許文献1に開示されているような不純物偏析技術を用いる場合に比べて、SOI層の厚さ方向全体に渡るアモルファス化は起きにくく、上記多結晶化を防ぎやすい。   Note that as the thickness of the SOI layer or the Fin width decreases, the semiconductor region 33 is likely to be amorphous throughout the thickness direction of the SOI layer by ion implantation, and the above-described polycrystallization is likely to occur. As the gate length is reduced, the fin width (and SOI layer thickness) needs to be reduced in order to suppress the short channel effect, and thus the problem of polycrystallization becomes more prominent with the progress of miniaturization in the future. . In this embodiment mode, cesium having a mass number 75 larger than that of arsenic, which is a normal donor impurity, is used. Therefore, ions can be implanted into a region shallower than the arsenic with the same ion implantation energy. Therefore, compared to the case where the source / drain is formed by a high concentration impurity region such as arsenic or the case where the impurity segregation technique as disclosed in the above-mentioned Patent Document 1 is used, the amorphousness over the entire thickness direction of the SOI layer is achieved. It is difficult to cause crystallization, and it is easy to prevent the polycrystallization.

その後、注入ダメージを回復させるためにアニールを行っても差し支えない。その場合には、例えば、RTA法、FLA法、レーザーアニール法等を用いる。   Thereafter, annealing may be performed to recover the implantation damage. In that case, for example, RTA method, FLA method, laser annealing method or the like is used.

次に、図17Eに示すように、スパッタ法等によってニッケルを例えば3nm〜4nm程度堆積し、続いてTiN(窒化チタン)を例えば10nm程度堆積した後に、例えば260℃〜350℃、30秒〜200秒の条件でアニールしてシリサイド化する。その後、未反応のニッケルおよびTiNを除去することによって、金属ソース・ドレイン電極の一例としてのニッケルシリサイド610を形成する。その後に、350℃〜500℃、30秒〜200秒の条件でアニールすることによって、ニッケルシリサイド610を低抵抗化する。尚、本実施の形態において、ニッケルシリサイド610は、半導体領域63のうち最も幅が狭い領域(Fin領域)において、SOI層の厚さ方向に渡って全てのシリコンがニッケルシリサイド化するようにニッケルシリサイド610を形成したが、半導体領域63の表面部分のみをニッケルシリサイド化してニッケルシリサイド610を形成しても良い(この場合、図17EのD‐D'矢視断面図は、図18ではなく図20となる)。また、チャネル領域を除く半導体領域63を全てニッケルシリサイド化しても良い(この場合、図15EのD‐D'矢視断面図は、図18ではなく図21となる)。いずれの場合も、金属ソース・ドレイン電極(ニッケルシリサイド610)(以下、金属ソース・ドレイン電極610と言う場合もある)がセシウム含有領域69を介して半導体領域63と接するように、セシウムのイオン注入条件およびニッケルシリサイド610の形成条件を決めておけばよい。ニッケルシリサイド610の厚みは、シリコン表面から、スパッタしたニッケルの膜厚の3倍程度(例えば9nm〜12nm程度)の領域に形成される。尚、図18において、ニッケルシリサイド610層は、金属ソース・ドレイン電極を構成し、酸化シリコン層62は、絶縁層を構成し、半導体領域63は、半導体層を構成している。   Next, as shown in FIG. 17E, after depositing nickel, for example, about 3 nm to 4 nm by sputtering or the like, and subsequently depositing TiN (titanium nitride), for example, about 10 nm, for example, 260 ° C.-350 ° C., 30 seconds-200. Annealed and silicided for 2 seconds. Thereafter, unreacted nickel and TiN are removed to form a nickel silicide 610 as an example of a metal source / drain electrode. Thereafter, the nickel silicide 610 is lowered in resistance by annealing under conditions of 350 ° C. to 500 ° C. and 30 seconds to 200 seconds. In the present embodiment, the nickel silicide 610 is formed so that all silicon is nickel silicided in the thickness direction of the SOI layer in the narrowest region (Fin region) of the semiconductor region 63. However, only the surface portion of the semiconductor region 63 may be nickel-silicided to form the nickel silicide 610 (in this case, the DD ′ arrow cross-sectional view of FIG. 17E is not FIG. 18 but FIG. 20). Becomes). Further, the entire semiconductor region 63 except the channel region may be nickel-silicided (in this case, the cross-sectional view taken along the line DD ′ in FIG. 15E is FIG. 21 instead of FIG. 18). In either case, the cesium ion implantation is performed so that the metal source / drain electrode (nickel silicide 610) (hereinafter sometimes referred to as the metal source / drain electrode 610) is in contact with the semiconductor region 63 via the cesium-containing region 69. The conditions and the formation conditions of the nickel silicide 610 may be determined. The thickness of the nickel silicide 610 is formed in a region about three times (for example, about 9 nm to 12 nm) of the thickness of the sputtered nickel from the silicon surface. In FIG. 18, the nickel silicide 610 layer constitutes a metal source / drain electrode, the silicon oxide layer 62 constitutes an insulating layer, and the semiconductor region 63 constitutes a semiconductor layer.

上記ニッケルシリサイド610を形成する際に、ゲート電極65もシリサイド化されて、ニッケルシリサイド611が形成される。   When the nickel silicide 610 is formed, the gate electrode 65 is also silicided to form a nickel silicide 611.

尚、その場合、上記ゲート電極65を全てシリサイド化して、メタルゲート構造としてもよい。メタルゲート構造とする場合には、上記多結晶シリコン膜はi型またはP型の何れであってもよい。   In this case, the gate electrode 65 may be entirely silicided to have a metal gate structure. In the case of a metal gate structure, the polycrystalline silicon film may be either i-type or P-type.

上記金属ソース・ドレイン電極の一例として、ニッケルシリサイド610の代わりにコバルトシリサイドを形成する場合は、スパッタ法等によってコバルトを5nm程度堆積した後に、400℃〜600℃、30秒〜200秒の条件でアニールすることによってシリサイド化する。そして、その後、未反応のコバルトを除去した後に、700℃〜900℃、30秒〜200秒の条件でアニールすることによって、コバルトシリサイドを低抵抗化すればよい。その場合にも、金属ソース・ドレイン電極(コバルトシリサイド)がセシウム含有領域69を介して半導体層(半導体領域63)と接するように形成する。尚、コバルトシリサイドの厚みは、シリコン表面から、スパッタしたコバルトの膜厚の2倍程度(例えば10nm程度)の領域に形成される。   As an example of the metal source / drain electrodes, when cobalt silicide is formed instead of nickel silicide 610, cobalt is deposited by sputtering to about 5 nm, and then the conditions are 400 ° C. to 600 ° C. and 30 seconds to 200 seconds. Silicidation occurs by annealing. Then, after removing unreacted cobalt, the resistance of cobalt silicide may be reduced by annealing under conditions of 700 ° C. to 900 ° C. and 30 seconds to 200 seconds. Also in this case, the metal source / drain electrodes (cobalt silicide) are formed so as to be in contact with the semiconductor layer (semiconductor region 63) through the cesium-containing region 69. Note that the thickness of the cobalt silicide is formed in a region about twice the thickness of the sputtered cobalt (for example, about 10 nm) from the silicon surface.

以上、上記金属ソース・ドレイン電極の一例として、ニッケルシリサイド610とコバルトシリサイドとの場合について説明したが、上記金属ソース・ドレイン電極はこれらに限定されるものではない。例えば、Ni,Co,Ti,Er,Yb,Ptの元素群うちの1つ以上からなる金属を用いた金属シリサイドを用いてもよい。   As described above, the case of nickel silicide 610 and cobalt silicide has been described as an example of the metal source / drain electrode. However, the metal source / drain electrode is not limited thereto. For example, metal silicide using a metal composed of one or more elements of Ni, Co, Ti, Er, Yb, and Pt may be used.

最後に、公知の方法で層間絶縁膜(図示せず)や上部配線(図示せず)等を形成して、本半導体装置が完成する。尚、図18は、図17EのD‐D'矢視断面図である。また、図19は、図17EのE‐E'矢視断面図である。   Finally, an interlayer insulating film (not shown), an upper wiring (not shown), and the like are formed by a known method, thereby completing the semiconductor device. 18 is a cross-sectional view taken along the line DD ′ of FIG. 17E. FIG. 19 is a cross-sectional view taken along the line EE ′ of FIG. 17E.

本実施の形態の半導体装置によれば、金属ソース・ドレイン電極(ニッケルシリサイド)610と半導体層(半導体領域63)との間にセシウム含有領域(セシウム含有領域67)が形成されているため、金属ソース・ドレイン電極610と半導体層との間の正孔に対するエネルギー障壁高さが大きくなり、その結果、ショットキー接合の場合に比べて、金属ソース・ドレイン電極と半導体層との間のリーク電流を著しく低減することができる。また、固定電荷およびセシウム含有領域(セシウム含有領域67)を設けたことにより、固定電荷下の半導体層表面に誘起される電子キャリア層と金属ソース・ドレイン電極間の電子に対するショットキー障壁高さを著しく減少させることができるため、チャネル‐金属ソース・ドレイン電極間を低抵抗接続することができる。更に、上記電子キャリア層は極めて浅いソース・ドレインエクステンションとして機能するため、極めて良好な短チャネル効果特性を獲得することができる。更に、固定電荷による電界によってGIDLを著しく減少させることができる。従って、短チャネル効果を抑制した上で、寄生抵抗とリーク電流を著しく低減することができる。   According to the semiconductor device of the present embodiment, the cesium-containing region (cesium-containing region 67) is formed between the metal source / drain electrode (nickel silicide) 610 and the semiconductor layer (semiconductor region 63). As a result, the energy barrier height against holes between the source / drain electrode 610 and the semiconductor layer is increased. As a result, the leakage current between the metal source / drain electrode and the semiconductor layer is reduced as compared with the Schottky junction. It can be significantly reduced. Further, by providing the fixed charge and cesium-containing region (cesium-containing region 67), the Schottky barrier height against electrons between the electron carrier layer and the metal source / drain electrode induced on the surface of the semiconductor layer under the fixed charge can be increased. Since it can be significantly reduced, a low resistance connection can be established between the channel and the metal source / drain electrode. Furthermore, since the electron carrier layer functions as a very shallow source / drain extension, extremely good short channel effect characteristics can be obtained. Furthermore, GIDL can be significantly reduced by the electric field due to the fixed charge. Accordingly, it is possible to significantly reduce the parasitic resistance and the leakage current while suppressing the short channel effect.

また、本実施の形態における半導体装置によれば、ドナー不純物の拡散による短チャネル効果特性の劣化がないため、立体チャネル構造のFETにおいても、極めて良好な短チャネル効果特性を得ることができるのである。   In addition, according to the semiconductor device in this embodiment, since the short channel effect characteristic is not deteriorated due to the diffusion of the donor impurity, a very good short channel effect characteristic can be obtained even in a three-channel FET. .

尚、SOI基板を用いてプレーナー型のトランジスタを形成した場合は、図20と同じ断面構造が得られる。   Note that when a planar transistor is formed using an SOI substrate, the same cross-sectional structure as that in FIG. 20 is obtained.

また、上記各実施の形態においては、上記セシウム含有領域を、P型シリコン基板および半導体(シリコン)領域のうち、金属ソース・ドレイン電極と接する領域の全部に形成している。しかしながら、この発明は上記「接する領域」の全部に限定されるものではなく、上記「接する領域」の一部に形成しても同様の効果を奏することができる。   In each of the above embodiments, the cesium-containing region is formed in the entire region in contact with the metal source / drain electrode in the P-type silicon substrate and the semiconductor (silicon) region. However, the present invention is not limited to all of the “contact region”, and the same effect can be obtained even if it is formed on a part of the “contact region”.

尚、上述の複数の実施の形態および上述の複数の変形例で説明した内容のうちの二以上の構成(発明特定事項)を組み合わせて新たな本発明の半導体装置や新たな本発明の半導体装置の製造方法が導かれることができることは、勿論である。   Note that a new semiconductor device of the present invention or a new semiconductor device of the present invention can be obtained by combining two or more configurations (invention specific items) of the contents described in the above-described embodiments and the above-described modifications. Of course, the manufacturing method can be derived.

1 P型シリコン基板
2 ゲート絶縁膜
3 ゲート電極
4 酸化シリコン
5 セシウム含有領域
6 窒化シリコン膜
7 セシウム含有領域
8 金属ソース・ドレイン電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 P-type silicon substrate 2 Gate insulating film 3 Gate electrode 4 Silicon oxide 5 Cesium containing area | region 6 Silicon nitride film 7 Cesium containing area | region 8 Metal source / drain electrode

Claims (17)

半導体層と、
上記半導体層上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
上記半導体層上における上記ゲート電極の両側に形成された金属ソース・ドレイン電極と、
上記半導体層の表面のうちで、上記ゲート電極と、上記金属ソース・ドレイン電極とに挟まれた部分上に設けられた絶縁層と
を備え、
上記半導体層は、上記金属ソース・ドレイン電極と接する領域の一部または全部に、セシウムを含有するセシウム含有領域を有し、
上記絶縁層中には、正の固定電荷が存在していることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor layer;
A gate electrode formed on the semiconductor layer via a gate insulating film;
Metal source / drain electrodes formed on both sides of the gate electrode on the semiconductor layer;
Of the surface of the semiconductor layer, comprising an insulating layer provided on the portion sandwiched between the gate electrode and the metal source / drain electrode,
The semiconductor layer has a cesium-containing region containing cesium in part or all of a region in contact with the metal source / drain electrode,
A semiconductor device, wherein a positive fixed charge is present in the insulating layer.
請求項1に記載の半導体装置において、
上記半導体層は、3.89eVより大きい電子親和力を有する半導体からなることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the semiconductor layer is made of a semiconductor having an electron affinity greater than 3.89 eV.
請求項1または2に記載の半導体装置において、
上記半導体層は、シリコン、ゲルマニウム、シリコンゲルマニウム、ガリウム砒素、窒化ガリウムのうちのいずれか1つからなることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The semiconductor device is characterized in that the semiconductor layer is made of any one of silicon, germanium, silicon germanium, gallium arsenide, and gallium nitride.
請求項1から3までのいずれか1項に記載の半導体装置において、
上記固定電荷のうちの少なくとも一部を構成するのは、セシウムであることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
It is cesium that constitutes at least a part of the fixed charge.
請求項1から4までのいずれか1項に記載の半導体装置において、
上記絶縁層には、窒素元素が含まれていることを特徴とする半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
The semiconductor device, wherein the insulating layer contains a nitrogen element.
請求項1から5までのいずれか1項に記載の半導体装置において、
上記セシウム含有領域の上記金属ソース・ドレイン電極との界面における上記セシウムの濃度は、1×1019cm-3以上であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
A semiconductor device, wherein a concentration of the cesium at an interface between the cesium-containing region and the metal source / drain electrode is 1 × 10 19 cm −3 or more.
請求項1から6までのいずれか1項に記載の半導体装置において、
上記セシウム含有領域の上記セシウムの濃度は、上記セシウム含有領域の上記金属ソース・ドレイン電極との界面よりも深い位置にピークを有していることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 6,
A concentration of the cesium in the cesium-containing region has a peak at a position deeper than an interface between the cesium-containing region and the metal source / drain electrode.
請求項1から7までのいずれか1項に記載の半導体装置において、
上記金属ソース・ドレイン電極は、上記半導体層を構成する半導体と、金属との化合物で構成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
The metal source / drain electrode is composed of a compound of a semiconductor constituting the semiconductor layer and a metal.
請求項8に記載の半導体装置において、
上記半導体層を構成する半導体は、シリコンおよびゲルマニウムのうちの少なくとも1つを含んでおり、
上記金属は、ニッケル、コバルト、チタン、白金、エルビウムおよびイッテルビウムのうちの1つ以上を含んでいることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 8,
The semiconductor constituting the semiconductor layer includes at least one of silicon and germanium,
The semiconductor device includes one or more of nickel, cobalt, titanium, platinum, erbium, and ytterbium.
請求項1から9までのいずれか1項に記載の半導体装置において、
上記半導体層は、絶縁体上に設けられており、
上記金属ソース・ドレイン電極の少なくとも一部は、上記絶縁体に接していることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 9,
The semiconductor layer is provided on an insulator,
At least a part of the metal source / drain electrode is in contact with the insulator.
請求項1に記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
上記半導体層上における上記ゲート電極の両側に絶縁層を形成する工程と、
上記絶縁層中にセシウムを導入する工程と、
アニールを行うことにより、上記セシウムを上記絶縁層と上記半導体層との界面に偏析させて固定電荷を形成する工程と、
上記半導体層の表面の一部が露出するように上記絶縁層を異方性エッチングして、上記絶縁層からなるゲート側壁を形成する工程と、
上記半導体層の表面が露出した領域にセシウムを導入してセシウム含有領域を形成する工程と、
上記セシウム含有領域に接するように金属ソース・ドレイン電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device which manufactures the semiconductor device according to claim 1,
Forming a gate electrode on the semiconductor layer via a gate insulating film;
Forming an insulating layer on both sides of the gate electrode on the semiconductor layer;
Introducing cesium into the insulating layer;
Forming a fixed charge by segregating the cesium at the interface between the insulating layer and the semiconductor layer by annealing;
Anisotropically etching the insulating layer such that a part of the surface of the semiconductor layer is exposed to form a gate sidewall made of the insulating layer;
Introducing cesium into a region where the surface of the semiconductor layer is exposed to form a cesium-containing region;
Forming a metal source / drain electrode so as to be in contact with the cesium-containing region.
請求項1に記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
上記半導体層の表面のうち、少なくとも上記ゲート電極に隣接する領域を、プラズマ状態の窒素、窒素ラジカル、および、窒素元素を含有する分子からなる酸化剤を含む気体のうちの少なくとも一つを含む雰囲気に暴露して、絶縁層を形成すると共に、正の固定電荷を形成する工程と、
上記半導体層の表面の一部が露出するように上記絶縁層を異方性エッチングして、上記絶縁層からなるゲート側壁を形成する工程と、
上記半導体層の表面が露出した領域にセシウムを導入してセシウム含有領域を形成する工程と、
上記セシウム含有領域に接するように金属ソース・ドレイン電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device which manufactures the semiconductor device according to claim 1,
Forming a gate electrode on the semiconductor layer via a gate insulating film;
At least a region adjacent to the gate electrode in the surface of the semiconductor layer includes an atmosphere containing at least one of a plasma state of nitrogen, a nitrogen radical, and a gas containing an oxidant composed of a molecule containing a nitrogen element. Exposing to an insulating layer to form a positive fixed charge;
Anisotropically etching the insulating layer such that a part of the surface of the semiconductor layer is exposed to form a gate sidewall made of the insulating layer;
Introducing cesium into a region where the surface of the semiconductor layer is exposed to form a cesium-containing region;
Forming a metal source / drain electrode so as to be in contact with the cesium-containing region.
請求項1に記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
上記半導体層の上部における上記ゲート電極の両側にセシウムを導入してセシウム含有領域を形成する工程と、
上記セシウム含有領域の上部を、上記セシウム含有領域を構成する元素とは異なる元素と反応させて絶縁層を形成することにより、上記セシウムを上記半導体層と上記絶縁層との界面に偏析させて固定電荷を形成する工程と、
上記絶縁層の一部をエッチングして上記半導体層における上記セシウム含有領域の表面の少なくとも一部が露出するように上記絶縁層の開口部を形成する工程と、
上記セシウム含有領域に接するように金属ソース・ドレイン電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device which manufactures the semiconductor device according to claim 1,
Forming a gate electrode on the semiconductor layer via a gate insulating film;
Introducing cesium on both sides of the gate electrode in the upper part of the semiconductor layer to form a cesium-containing region;
The upper part of the cesium-containing region reacts with an element different from the element constituting the cesium-containing region to form an insulating layer, thereby segregating and fixing the cesium at the interface between the semiconductor layer and the insulating layer Forming a charge;
Etching part of the insulating layer to form an opening of the insulating layer so that at least part of the surface of the cesium-containing region in the semiconductor layer is exposed;
Forming a metal source / drain electrode so as to be in contact with the cesium-containing region.
請求項1に記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
上記半導体層の上における上記ゲート電極の両側にセシウムを導入してセシウム含有領域を形成する工程と、
上記セシウム含有領域の表面のうちで少なくとも上記ゲート電極に隣接する領域を覆うように絶縁層を形成する工程と、
アニールを行うことにより、上記絶縁層と、上記半導体層との界面に上記セシウムを偏析させて正の固定電荷を形成する工程と、
上記絶縁層の一部をエッチングして上記半導体層における上記セシウム含有領域の表面の少なくとも一部が露出するように上記絶縁層の開口部を形成する工程と、
上記セシウム含有領域に接するように金属ソース・ドレイン電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device which manufactures the semiconductor device according to claim 1,
Forming a gate electrode on the semiconductor layer via a gate insulating film;
Introducing cesium on both sides of the gate electrode on the semiconductor layer to form a cesium-containing region;
Forming an insulating layer so as to cover at least a region adjacent to the gate electrode in the surface of the cesium-containing region;
Forming a positive fixed charge by segregating the cesium at the interface between the insulating layer and the semiconductor layer by annealing;
Etching part of the insulating layer to form an opening of the insulating layer so that at least part of the surface of the cesium-containing region in the semiconductor layer is exposed;
Forming a metal source / drain electrode so as to be in contact with the cesium-containing region.
請求項1に記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
半導体層上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
上記半導体層の表面のうち、上記ゲート電極の両側に絶縁層を形成する工程と、
上記半導体層の上における上記ゲート電極の両側、および、上記絶縁層中の両方にセシウムを導入して、セシウム含有領域を形成すると共に、上記絶縁層中に正の固定電荷を形成する工程と、
上記絶縁層の一部をエッチングして上記半導体層における上記セシウム含有領域の表面の少なくとも一部が露出するように上記絶縁層の開口部を形成する工程と、
上記セシウム含有領域に接するように金属ソース・ドレイン電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device which manufactures the semiconductor device according to claim 1,
Forming a gate electrode on the semiconductor layer via a gate insulating film;
Forming an insulating layer on both sides of the gate electrode of the surface of the semiconductor layer;
Introducing cesium on both sides of the gate electrode on the semiconductor layer and in the insulating layer to form a cesium-containing region and forming a positive fixed charge in the insulating layer;
Etching part of the insulating layer to form an opening of the insulating layer so that at least part of the surface of the cesium-containing region in the semiconductor layer is exposed;
Forming a metal source / drain electrode so as to be in contact with the cesium-containing region.
請求項11から15までのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
上記金属ソース・ドレイン電極を形成する工程は、
上記セシウム含有領域上に金属を堆積する工程と、
アニールを行って上記半導体層を構成する半導体と、上記金属とを反応させる工程と、
上記金属のうちで上記半導体層を構成する半導体と反応しなかった未反応部分を除去する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 11 to 15,
The step of forming the metal source / drain electrode includes:
Depositing a metal on the cesium-containing region;
A step of reacting the semiconductor constituting the semiconductor layer by annealing and the metal;
And a step of removing an unreacted portion that has not reacted with the semiconductor constituting the semiconductor layer out of the metal.
請求項16に記載の半導体装置の製造方法において、
上記半導体層を構成する半導体は、シリコンおよびゲルマニウムのうちの少なくとも1つを含み、
上記金属は、ニッケル、コバルト、チタン、白金、エルビウムおよびイッテルビウムのうちの少なくとも1つを含んでいることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 16,
The semiconductor constituting the semiconductor layer includes at least one of silicon and germanium,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the metal contains at least one of nickel, cobalt, titanium, platinum, erbium, and ytterbium.
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