JP2718757B2 - MOS type semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
MOS type semiconductor device and method of manufacturing the sameInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、MOS型半導体装置に係わり、特にイオン注
入技術を利用してチャネル領域の不純物低減をはかった
MOS型半導体装置及びその製造方法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Purpose of the Invention] (Field of Industrial Application) The present invention relates to a MOS type semiconductor device, and in particular, to reduce impurity in a channel region by utilizing ion implantation technology.
The present invention relates to a MOS semiconductor device and a method for manufacturing the same.
(従来の技術) 従来、半導体回路素子の製造において、重金属,炭素
及び酸素等の不純物による汚染は、素子の電気的特性を
大きく劣化させる。例えば、MOS素子においては、これ
らの汚染は易動度,リーク電流及び閾値電圧等へ影響を
及ぼすことが知られている。そこで従来より、半導体単
結晶を作成する際に、これらの不純物の混入を抑えるた
めに種々の工夫がなされてきた。(Prior Art) Conventionally, in the manufacture of semiconductor circuit devices, contamination by impurities such as heavy metals, carbon, and oxygen greatly deteriorates electrical characteristics of the devices. For example, in a MOS device, it is known that such contamination affects mobility, leak current, threshold voltage, and the like. Therefore, conventionally, various methods have been devised in order to suppress the incorporation of these impurities when producing a semiconductor single crystal.
しかし、シリコン単結晶においては、依然として1018
atms/cm3度の酸素不純物が存在している。また、素子
作成の工程を経過する間に重金属や炭素等の不純物が単
結晶に混入していく可能性も大きい。このため、これら
不純物に基づく準位にキャリアがトラップされ、本来の
素子特性が十分に引き出されていないものが現状であっ
た。特に、MOSトランジスタにおいては、チャネル領域
に上記不純物の汚染があると、素子特性が著しく低下す
る問題があった。However, in silicon single crystal, 10 18
Oxygen impurities of atms / cm 3 degrees are present. In addition, there is a high possibility that impurities such as heavy metals and carbon will be mixed into the single crystal during the process of forming the element. For this reason, carriers are trapped in the levels based on these impurities, and the actual element characteristics have not been sufficiently brought out at present. Particularly, in the case of a MOS transistor, if the impurity is contaminated in the channel region, there is a problem that the device characteristics are significantly deteriorated.
(発明が解決しようとする課題) このように従来、MOS型半導体装置の形成において、
重金属,炭素及び酸素等の不純物によって素子形成領域
の単結晶が汚染され、この不純物汚染により素子特性が
劣化する問題があった。(Problems to be Solved by the Invention) As described above, conventionally, in forming a MOS type semiconductor device,
The single crystal in the element formation region is contaminated with impurities such as heavy metals, carbon, and oxygen, and there is a problem in that the element characteristics deteriorate due to the impurity contamination.
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その
目的とするところは、素子形成領域における半導体単結
晶の不純物汚染の低減することができ、素子特性の向上
をはかり得るMOS型半導体装置及びその製造方法を提供
することにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to reduce the impurity contamination of a semiconductor single crystal in an element formation region and to improve the element characteristics of a MOS semiconductor device. And a method for manufacturing the same.
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明の骨子は、イオン注入法を応用したゲッタリン
グ効果により、不純物汚染による素子特性の劣化を防止
することにある。[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) The gist of the present invention is to prevent deterioration of device characteristics due to impurity contamination by a gettering effect using an ion implantation method.
即ち本発明は、半導体基板のチャネル領域上にゲート
絶縁膜を介してゲート電極を形成すると共に、チャネル
領域の両側にソース・ドレイン領域を形成したMOS型半
導体装置において、ソース・ドレイン領域の一部に電気
的に不活性な元素のイオン注入を行うことにより、チャ
ネル領域の不純物をゲッタリングするためのゲッタリン
グ領域を形成するようにしたものである。That is, the present invention provides a MOS type semiconductor device in which a gate electrode is formed on a channel region of a semiconductor substrate via a gate insulating film, and source / drain regions are formed on both sides of the channel region. Then, a gettering region for gettering impurities in the channel region is formed by performing ion implantation of an electrically inactive element.
また本発明は、上記MOS型半導体装置の製造方法にお
いて、第1導電型半導体基板上にゲート絶縁膜を介して
ゲート電極を形成したのち、基板の表面におけるゲート
電極の両側に第2導電型の不純物を導入してソース・ド
レイン領域を形成し、次いでソース・ドレイン領域の一
部に電気的に不活性な元素をイオン注入し、次いで基板
を熱処理して不純物ゲッタリングのためのゲッタリング
領域を形成するようにした方法である。Further, according to the present invention, in the method for manufacturing a MOS type semiconductor device, after forming a gate electrode on the first conductive type semiconductor substrate via a gate insulating film, the second conductive type is formed on both sides of the gate electrode on the surface of the substrate. An impurity is introduced to form a source / drain region, then an electrically inactive element is ion-implanted into a part of the source / drain region, and then the substrate is heat-treated to form a gettering region for impurity gettering. This is a method of forming.
(作 用) 本発明によれば、ソース・ドレイン領域の一部(特
に、チャネル領域に近い部分)にシリコン等の不活性な
元素のイオン注入を行い、その後に熱処理を行うことに
より、イオン注入によるダメージで欠陥(ゲッタリング
層)を発生させる。そして、この欠陥に汚染不純物(重
金属,炭素,酸素等)をゲッタリングさせる。その結
果、素子のチャネル領域等の汚染が問題となる部分か
ら、素子特性を劣化させる不純物を取り除くことができ
る。(Operation) According to the present invention, ion implantation of an inert element such as silicon is performed on a part of the source / drain region (particularly, a portion close to the channel region), and thereafter, heat treatment is performed. A defect (a gettering layer) is generated by the damage caused by the light. Then, contaminant impurities (heavy metal, carbon, oxygen, etc.) are gettered at the defect. As a result, impurities that degrade the device characteristics can be removed from a portion where the contamination is a problem, such as a channel region of the device.
このようにして、チャネル領域の汚染が大きく取り除
かれ、シリコン基板におけるMOSトランジスタでは、従
来プロセスによる素子と比較して、リーク電流のレベル
で約1桁、易動度で約2割の向上が得られる。In this way, the contamination of the channel region is largely removed, and the MOS transistor on the silicon substrate has an improvement of about one digit in the leak current level and about 20% in the mobility as compared with the element manufactured by the conventional process. Can be
(実施例) 以下、実施例の詳細を図示の実施例によって説明す
る。(Example) Hereinafter, details of the example will be described with reference to the illustrated example.
第1図は本発明の一実施例に係わるMOSトランジスタ
の製造工程を示す断面図である。まず、第1図(a)に
示す如く、面方位(100),比抵抗6〜8Ωcmのp型Si
基板10上に素子分離用酸化膜11を形成し、素子形成領域
上にゲート酸化膜12を形成する。さらに、ゲート酸化膜
12上にポリSiからなるゲート電極13を形成し、ソース・
ドレイン形成のための不純物イオン注入を行う。その
後、不純物活性化のために、100℃で50分の熱処理を行
い、ソース・ドレイン領域14a,14bを形成する。FIG. 1 is a sectional view showing a manufacturing process of a MOS transistor according to one embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 1 (a), p-type Si having a plane orientation (100) and a specific resistance of 6 to 8 .OMEGA.cm is used.
An element isolation oxide film 11 is formed on a substrate 10, and a gate oxide film 12 is formed on an element formation region. In addition, gate oxide
A gate electrode 13 made of poly-Si is formed on
Impurity ion implantation for drain formation is performed. Thereafter, heat treatment is performed at 100 ° C. for 50 minutes to activate the impurities, thereby forming source / drain regions 14a and 14b.
ここまでは、通常のMOSトランジスタ製造工程と同様
であるが、本実施例では、この後に第1図(b)に示す
如く、ゲート電極13及びソース・ドレイン領域14a,14b
の一部を除く領域にレジスト15を形成し、このレジスト
15をマスクにソース・ドレイン領域14a,14bの約30%の
領域にSi+イオン注入を行い、ゲッタリング層16を形成
する。注入条件は、加速電圧50keV,ドーズ量1×1015cm
-2とした。また、注入領域はゲート電極下のチャネル領
域の近傍とした。Up to this point, the process is the same as the normal MOS transistor manufacturing process. However, in this embodiment, as shown in FIG. 1B, the gate electrode 13 and the source / drain regions 14a, 14b
A resist 15 is formed in an area excluding a part of
Using the mask 15 as a mask, Si + ions are implanted into about 30% of the source / drain regions 14a and 14b to form a gettering layer 16. The injection conditions are as follows: acceleration voltage 50 keV, dose amount 1 × 10 15 cm
-2 . Further, the implantation region was set near the channel region below the gate electrode.
次いで、窒素雰囲気中で900℃の熱処理を行い、第1
図(c)に示す如く、チャネル領域の汚染不純物をゲッ
タリング層16に集める。第2図は、熱処理温度によるゲ
ッタリング効果の違いを見るために、SIMSを用いてチャ
ネル領域の不純物分析を行った結果である。従来例(不
純物量1018cm-3)に比して、チャネル領域の汚染は、10
00℃以下の温度でも不純物量1014cm-3以下と十分に取り
除かれているのが判る。ここでは、不純物として特に鉄
(Fe)を示しているが、他の元素も略同様な傾向であっ
た。Next, a heat treatment at 900 ° C. is performed in a nitrogen atmosphere, and the first heat treatment is performed.
As shown in FIG. 3C, contaminant impurities in the channel region are collected in the gettering layer 16. FIG. 2 shows the result of impurity analysis of the channel region using SIMS in order to see the difference in the gettering effect depending on the heat treatment temperature. Compared to the conventional example (impurity amount 10 18 cm -3 ), the contamination of the channel region is 10
It can be seen that even at a temperature of 00 ° C. or less, the impurity amount was sufficiently removed to be 10 14 cm −3 or less. Here, iron (Fe) is particularly shown as an impurity, but other elements also have a similar tendency.
これ以降は、通常のMOSトランジスタ製造工程と同様
に、第1図(d)に示す如く、全面に層間絶縁膜17を形
成してこの絶縁膜17にコンタクトホールを設け、さらに
ソース・ドレイン領域14a,14bにそれぞれ接続されるAl
電極18を形成することにより、MOSトランジスタが完成
することになる。Thereafter, as shown in FIG. 1 (d), an interlayer insulating film 17 is formed on the entire surface, contact holes are provided in the insulating film 17, and the source / drain regions 14a are formed in the same manner as in a normal MOS transistor manufacturing process. , 14b respectively connected to
By forming the electrode 18, a MOS transistor is completed.
なお、本実施例では素子寸法は0.5μmルールで単体M
OSトランジスタを形成したが、この時の素子の特性結果
を第3図に示す。参考のために、ゲッタリングを行わず
に形成した素子の特性を図中に破線で示す。第3図か
ら、ゲッタリングによりゲート電圧Vgに対するドレイン
電流Idが増加し、駆動力が上がっていることが判る。こ
の時、相互コンダクタンスGmは、約2割程度増加してい
ることから、キャリアの易動度も2割程度増加している
ことが判る。また、リーク電流においても、Vg=0Vにお
いて、1桁近く低減していることが判り、素子特性の大
幅な改善が行われていることが判った。In this embodiment, the element size is 0.5 μm rule and a single element M
An OS transistor was formed, and the characteristic results of the element at this time are shown in FIG. For reference, the characteristics of the element formed without performing gettering are shown by broken lines in the figure. From FIG. 3, it can be seen that the drain current Id with respect to the gate voltage Vg increases due to gettering, and the driving force increases. At this time, since the transconductance Gm has increased by about 20%, it can be seen that the mobility of the carrier has also increased by about 20%. It was also found that the leakage current was reduced by almost one digit at Vg = 0 V, indicating that the device characteristics were significantly improved.
この効果はSi単結晶基板のみならず、絶縁膜上にSi単
結晶層を形成したSOI(Silicon On Insulator)にも応
用できる。特に、シラン(SiH4)ガスの熱分解による多
結晶シリコンを原料とし、2酸化シリコン(SiO2)を絶
縁膜及び保護膜として用いたSOI技術では、膜の堆積過
程或いは単結晶化過程に、酸素等が不純物として多量に
混入する。本実施例によれば、これらの汚染を効果的に
取り除くことができ、このようなSOI膜に形成した素子
の特性を大幅に向上できる。This effect can be applied not only to a Si single crystal substrate but also to an SOI (Silicon On Insulator) in which a Si single crystal layer is formed on an insulating film. In particular, in SOI technology using polycrystalline silicon obtained by thermal decomposition of silane (SiH 4 ) gas as a raw material and using silicon dioxide (SiO 2 ) as an insulating film and a protective film, the SOI technology involves a film deposition process or a single crystallization process. A large amount of oxygen or the like is mixed as impurities. According to this embodiment, these contaminations can be effectively removed, and the characteristics of an element formed on such an SOI film can be greatly improved.
また、前記イオン注入の条件として、イオン注入時の
基板温度を200℃以下に保つと、イオン注入による欠陥
を、ゲッタリング効果を得た後に熱処理により効果的に
消失させることができた。さらに、イオン注入時の加速
電圧は、上記以外に30〜400KVの範囲であれば、同様の
効果が得られた。When the substrate temperature at the time of ion implantation was maintained at 200 ° C. or lower as a condition for the ion implantation, defects due to ion implantation could be effectively eliminated by heat treatment after obtaining a gettering effect. Further, if the acceleration voltage at the time of ion implantation is in the range of 30 to 400 KV other than the above, the same effect was obtained.
かくして本実施例によれば、MOSトランジスタのソー
ス・ドレイン領域14a,14bのチャネル領域に近接する領
域にSiのイオン注入を行いゲッタリング層16を形成する
ことにより、チャネル領域の不純物をゲッタリングする
ことができ、チャネル領域における不純物量を著しく低
減することができる。また、ソース・ドレイン領域14a,
14bの一部に注入するイオンは基板10と同じSiであるの
で、該イオン注入によりソース・ドレイン領域14a,14b
の導電型が変化する等の不都合はない。従って、MOSト
ランジスタの特性を大幅に向上することができ、その有
用性は絶大である。Thus, according to the present embodiment, impurities in the channel region are gettered by implanting Si ions into the regions of the source / drain regions 14a and 14b of the MOS transistor close to the channel region to form the gettering layer 16. And the amount of impurities in the channel region can be significantly reduced. Also, the source / drain regions 14a,
Since the ions to be implanted into a part of 14b are the same Si as the substrate 10, the source / drain regions 14a, 14b
There is no inconvenience such as a change in the conductivity type. Therefore, the characteristics of the MOS transistor can be greatly improved, and its usefulness is enormous.
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものでは
ない。前記ソース・ドレイン領域の一部に注入するイオ
ンはSiに限るものではなく、不活性で且つ拡散係数が小
さいものであればよく、例えばゲルマニウム等を用いる
ことができる。また、イオン注入の深さ,面積及び注入
量等は仕様に応じて適宜変更可能である。但し、ゲッタ
リング層があまりに大きいとソース・ドレインに悪影響
を及ぼす虞れがあるため、一般にはイオン注入深さ及び
面積はソース・ドレイン領域の50%以下が望ましく、イ
オン注入量は1016〜1018cm-3の範囲が望ましい。また、
前記半導体単結晶基板としてサファイア上に形成したシ
リコン単結晶層(SOS)を用いることも可能であり、さ
らにゲルマニウム等の他の半導体基板を用いることも可
能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、
種々変形して実施することができる。The present invention is not limited to the embodiments described above. The ions to be implanted into a part of the source / drain regions are not limited to Si, and may be any inert ions having a small diffusion coefficient, such as germanium. Further, the depth, area, implantation amount, and the like of ion implantation can be appropriately changed according to specifications. However, if the gettering layer is too large, the source / drain may be adversely affected. In general, the ion implantation depth and area are desirably 50% or less of the source / drain region, and the ion implantation amount is 10 16 to 10 A range of 18 cm -3 is desirable. Also,
It is also possible to use a silicon single crystal layer (SOS) formed on sapphire as the semiconductor single crystal substrate, and it is also possible to use another semiconductor substrate such as germanium. In addition, without departing from the gist of the present invention,
Various modifications can be made.
[発明の効果] 以上詳述したように本発明によれば、ソース・ドレイ
ン領域の一部に不活性な元素のイオン注入を行いゲッタ
リング層を形成しているので、チャネル領域の不純物汚
染をゲッタリング効果により取り除くことができ、素子
特性の向上をはかり得る。[Effects of the Invention] As described above in detail, according to the present invention, since the gettering layer is formed by performing ion implantation of an inactive element in a part of the source / drain region, impurity contamination of the channel region can be reduced. It can be removed by the gettering effect, and the element characteristics can be improved.
第1図は本発明の一実施例に係わるMOSトランジスタの
製造工程を示す断面図、第2図及び第3図はそれぞれ上
記実施例の効果を説明するためのもので、第2図は温度
に対する不純物量の変化を示す特性図、第3図はゲート
電圧に対するドレイン電流の変化を示す特性図である。 10……Si基板、 11……素子分離用酸化膜、 12……ゲート酸化膜、 13……ゲート電極、 14a,14b……ソース・ドレイン領域、 15……レジスト、 16……ゲッタリング層、 17……層間絶縁膜、 18……Al電極。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a MOS transistor according to one embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are for explaining the effects of the above-described embodiment, respectively. FIG. 3 is a characteristic diagram showing a change in impurity amount, and FIG. 3 is a characteristic diagram showing a change in drain current with respect to a gate voltage. 10 ... Si substrate, 11 ... Oxide film for element isolation, 12 ... Gate oxide film, 13 ... Gate electrode, 14a, 14b ... Source / drain region, 15 ... Resist, 16 ... Gettering layer, 17 ... Interlayer insulating film, 18 ... Al electrode.
Claims (2)
膜を介してゲート電極を形成すると共に、チャネル領域
の両側にソース・ドレイン領域を形成したMOS型半導体
装置において、前記ソース・ドレイン領域の一部に電気
的に不活性な元素のイオン注入を行い、前記チャネル領
域の不純物をゲッタリングするためのゲッタリング領域
を形成してなることを特徴とするMOS型半導体装置。1. A MOS type semiconductor device in which a gate electrode is formed on a channel region of a semiconductor substrate via a gate insulating film and source / drain regions are formed on both sides of the channel region. A MOS type semiconductor device, wherein a gettering region for gettering impurities in said channel region is formed by ion-implanting an electrically inactive element into said portion.
介してゲート電極を形成する工程と、前記基板の表面に
おけるゲート電極の両側に第2導電型の不純物を導入し
てソース・ドレイン領域を形成する工程と、前記ソース
・ドレイン領域の一部に電気的に不活性な元素をイオン
注入したのち熱処理する工程とを含むことを特徴とする
MOS型半導体装置の製造方法。2. A step of forming a gate electrode on a semiconductor substrate of a first conductivity type via a gate insulating film; and introducing a second conductivity type impurity on both sides of the gate electrode on the surface of the substrate to form a source / drain. Forming a region, and ion-implanting an electrically inactive element into a part of the source / drain region and then performing a heat treatment.
A method for manufacturing a MOS type semiconductor device.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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