JP3680417B2 - Semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法、特にMOS型トランジスタであってチャネル部と、高濃度の不純物拡散層からなるソース及びドレインの間に低濃度の不純物拡散層(以下これを仮にオフセットと呼ぶ。尚、Lightly DopedDrain(略してLDD)と呼ぶことも多い)を設けることで電界緩和効果を得てソース、ドレイン間の耐圧を向上した高耐圧な半導体装置(以下これをオフセットを有する半導体装置と略称する。)の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のオフセットを有する半導体装置の製造方法には、主なものとして以下に述べる2種類の方法がある。一つはゲート電極の側壁にサイドウオールスペーサを設けることでオフセットを作るいわゆるサイドウオール法であり、もう一つはゲート電極をフォトレジストで覆うことでオフセットを作るいわゆるマスクオフセット法である。
【0003】
まず、いわゆるサイドウオール法について、図1を用いて説明する。
【0004】
半導体基板101上にゲート絶縁膜102を形成し、次いでゲート電極103を形成する。ゲート電極103をマスクにイオン注入104を行い、半導体基板中101に低濃度の不純物拡散層105を形成する(図1a)。次に、絶縁膜106を堆積し(図2b)、この絶縁膜106を異方性エッチングで除去する。エッチング後には、ゲート電極の側壁にサイドウオールスペーサ107が残る(図1c)。サイドウオールスペーサ107及びゲート電極103をマスクにしてイオン注入108を行い、高濃度の不純物拡散層109を形成する。引き続き層間絶縁膜を形成し、層間絶縁膜に接続孔を開口し、金属配線を形成するなどして半導体装置を完成する。
【0005】
次に、いわゆるマスクオフセット法を図2を用いて説明する。
【0006】
半導体基板201上にゲート絶縁膜202を形成し、次いでゲート電極203を形成する。ゲート電極203をマスクにイオン注入を行い、半導体基板201中に低濃度の不純物拡散層204を形成する(図2a)。次いでゲート電極203を覆うようにフォトレジスト205を形成し、これをマスクにイオン注入206を行うことで高濃度の不純物拡散層207を形成する(図2b)。続いてフォトレジスト205を除去した後は上に述べたサイドウオール法と同様にして、半導体装置を完成する。
【0007】
サイドウオール法でもマスクオフセット法でも、チャネルと高濃度の不純物拡散層の間に低濃度の不純物拡散層(オフセット)を設けることで水平方向の電界を緩和してトランジスタのソース、ドレイン間の耐圧を向上している。また、オフセットを設けることでホットキャリアのゲート絶縁膜への注入を抑制し、半導体装置の特性変動を抑える効果もある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、サイドウオール法ではオフセットの大きさ、すなわち低濃度の不純物拡散層の水平方向(チャネルとドレインを結ぶ方向)の距離が小さく、十分な耐圧を得られない場合があるという問題があった。すなわち、オフセットの大きさがサイドウオールの水平方向(ソースとドレインを結ぶ方向)の長さで決まり、このサイドウオールの水平方向の長さが大きくてもゲート電極の厚さ程度で有ることから、オフセットの大きさを大きくしようとしても自ずと限界があった。
【0009】
また、マスクオフセット法では、任意の大きさのオフセットを設けて耐圧を向上することが可能ではあるが、高濃度の不純物拡散層を形成するためのイオン注入のマスク(図2のフォトレジスト205)をフォトリソグラフィで形成するため、露光の際に位置合わせずれが生じてオフセットの大きさが変わり、従って電気特性が不均一になるという問題があった。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上のカバー層とゲート電極とを同一寸法で同一工程のフォトリソグラフィで形成する工程と、前記カバー層及びゲート電極をマスクにして低不純物濃度の拡散層を形成する工程と、前記カバー層と前記ゲート電極との間にスペーサを形成する工程と、前記カバー層を除去する工程と、除去した前記カバー層の下の前記半導体層に不純物イオン注入を行って、ソース及びドレインの不純物拡散層となる高不純物濃度の拡散層を形成する工程と、を含む半導体装置の製造方法によって製造される半導体装置において、前記ソース及びドレインの不純物拡散層とチャネルとの間の部分に存在する前記低不純物濃度の拡散層のチャネル長方向の単位長さあたりの電気抵抗を、前記ゲート電極及び前記ドレインに規定の電圧を加えてオン状態にした場合のチャネルのチャネル長方向の単位長さあたりの電気抵抗の2分の1とすることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置の製造方法の第1の実施例を図3と図4を用いて詳しく説明する。
【0012】
図3と図4は本発明の半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。まず、半導体層301上に第1の絶縁膜302を形成し、次いで第1の絶縁膜302上に第1の導電膜303を堆積した(図3a)。本実施例では半導体層301は単結晶シリコン(Si)であり、第1の絶縁膜302は単結晶シリコンの表面を熱酸化した酸化シリコン(SiO2)である。第1の絶縁膜302はMOS型トランジスタのゲート絶縁膜である。第1の導電膜303は多結晶シリコンを用いた。
【0013】
次に、第1の導電膜303を一度のフォトリソグラフィを用いて加工成形し、第1の導電膜領域304と第2の導電膜領域305を同時に形成した。第1の導電膜領域304はMOS型トランジスタのゲート電極であり、第2の導電膜領域305は後に高濃度の不純物拡散層(MOSトランジスタのソース及びドレイン)を形成する部分を覆う領域である(以後、カバー層と略称する)。更に、第1の導電膜領域304と第2の導電膜領域305の上からイオン注入を行い、半導体層301中に低濃度の不純物拡散層306を形成した(図3b)。
【0014】
低濃度の不純物拡散層を形成する際のイオン注入の条件として、注入量は、好ましくは1010〜1014(1/cm2)、より好ましくは1012〜1013(1/cm2
である。注入エネルギーは、好ましくは10〜150keV、より好ましくは、30〜100keVである。イオン種は、B+、BF2 +、P+及びAs+等であるが、半導体基体にドナーあるいは、アクセプターとして機能し得る物質であれば特に限定されることはない。これらのイオン注入条件は、一例であり、一般に必要とするMOSトランジスタの耐圧、能力などにより決定される。
【0015】
たとえば、イオン種がBF2 +の場合、注入量は、好ましくは1010〜1014(1/cm2)、より好ましくは1012〜1013(1/cm2)、さらに好ましくは、4×1012〜1013(1/cm2)である。1010(1/cm2)未満では、拡散層抵抗が大きくなりすぎてMOSトランジスタとしての能力が不足してしまい、また希望する導電型が得られない場合もあるからである。1014(1/cm2)より大きいと電界緩和効果が小さくなり十分な耐圧が確保できないことが多いためである。注入エネルギーは、特に限定されないが、好ましくは20〜60keV、より好ましくは30〜50keV、さらに好ましくは40±5keVである。20keV未満では不純物がゲート絶縁膜を貫通しない場合があるためである。60keVより大きいとイオン注入のマスク層まで貫通する場合があるためである。もちろん、このような不都合が生じないのであれば、注入エネルギーは、求められるMOSトランジスタの特性にあわせ自由に設定することが可能であり、他のイオン種、他のイオン注入工程であっても事情は同じである。
【0016】
イオン種がB+の場合、注入量は、好ましくは1010〜1014(1/cm2)、より好ましくは1012〜1013(1/cm2)、さらに好ましくは、4×1012〜1013(1/cm2)である。注入エネルギーは、特に限定されないが、好ましくは10〜40keV、より好ましくは20〜30keVである。
【0017】
イオン種がP+の場合、注入量は、好ましくは1010〜1014(1/cm2)、より好ましくは5×1012〜5×1013(1/cm2)、さらに好ましくは1013〜4×1013(1/cm2)である。注入エネルギーは、特に限定されないが、好ましくは40〜80keV、より好ましくは50〜70keV、さらに好ましくは60±5keVである。
【0018】
イオン種がAs+の場合、注入量は、好ましくは1010〜1014(1/cm2)、より好ましくは5×1012〜5×1013(1/cm2)である。注入エネルギーは、特に限定されないが、好ましくは40〜80keV、より好ましくは50〜70keVである。
【0019】
次に、第2の絶縁膜307を堆積した(図3c)。この第2の絶縁膜307は、一部が後にオフセット形成のためのスペーサとなる、いわゆるスペーサ絶縁膜である。第2の絶縁膜307は気相成長法を用いて堆積した酸化シリコンである。この後、化学的機械的研磨(CMP)技術を用いて第2の絶縁膜307を頂部から徐々に除去し、第2の導電膜領域305の頂部を露出させた。この時第1の導電膜領域304と第2の導電膜領域305の間には第2の絶縁膜307の一部が残り、これが第1の導電膜領域304と後に形成する高濃度の不純物拡散層を離す(オフセットを形成する)為のスペーサ308である(図3d)。
【0020】
次に、第1の導電膜領域304を覆うように、かつ第2の導電膜領域305は露出するようにフォトレジスト309を形成してから、第2の導電膜領域305を除去した(図3e)。半導体層301の第1の導電膜領域304とスペーサ308に覆われていない部分にイオン注入を行い、高濃度の不純物拡散層310を形成した(図4a)。
【0021】
高濃度の不純物拡散層を形成する際のイオン注入の条件として、注入量は、好ましくは1014〜1017(1/cm2)、より好ましくは1015〜1016(1/cm2
である。注入エネルギーは、好ましくは10〜150keV、より好ましくは、30〜100keVである。イオン種は、B+、BF2 +、P+及びAs+等であるが、半導体基体にドナーあるいは、アクセプターとして機能し得る物質であれば特に限定されることはない。これらのイオン注入条件は、一例であり、一般に必要とする耐圧、能力などにより決定される。
【0022】
たとえば、イオン種がBF2 +の場合、注入量は、好ましくは1014〜1017(1/cm2)、より好ましくは1015〜1016(1/cm2)、さらに好ましくは1×1015〜8×1015(1/cm2)である。1014(1/cm2)未満では、拡散層抵抗(ソース、ドレインの寄生抵抗)が大きくなり、トランジスタの能力が阻害される場合があるためである。また、1017(1/cm2)より大きいと後の工程でイオン注入による結晶欠陥を回復することが困難になり、ジャンクションリークなどによりトランジスタの特性を阻害する場合があるからである。注入エネルギーは、特に限定されないが、好ましくは20〜60keV、より好ましくは30〜50keV、さらに好ましくは40±5keVである。20keV未満では不純物がゲート絶縁膜を貫通しない場合があるためである。また、60keVより大きいとイオン注入のマスク層まで貫通する場合があるためである。
【0023】
イオン種がB+の場合、注入量は、好ましくは1014〜1017(1/cm2)、より好ましくは1015〜1016(1/cm2)、さらに好ましくは1×1015〜8×1015(1/cm2)である。注入エネルギーは、特に限定されないが、好ましくは20〜60keV、より好ましくは30〜50keV、さらに好ましくは40±5keVである。
【0024】
イオン種がP+の場合、注入量は、好ましくは1014〜1017(1/cm2)、より好ましくは1015〜1016(1/cm2)、さらに好ましくは1×1015〜8×1015(1/cm2)である。注入エネルギーは、特に限定されないが、好ましくは50〜90keV、より好ましくは60〜80keV、さらに好ましくは70±5keVである。
【0025】
イオン種がAs+の場合、注入量は、好ましくは1014〜1017(1/cm2)、より好ましくは1015〜1016(1/cm2)、さらに好ましくは1×1015〜8×1015(1/cm2)である。注入エネルギーは、特に限定されないが、好ましくは30〜70keV、より好ましくは40〜60keV、さらに好ましくは、50±5keVである。
【0026】
この後、層間絶縁膜311を堆積し、不純物の活性化の為の加熱処理を施し、接続孔を開口し、金属配線312を形成して半導体装置を完成した(図4b)。
【0027】
本実施例では半導体層301は単結晶シリコンとしたが、他に、例えば多結晶シリコン薄膜トランジスタを製造する場合であって半導体層301がガラスや石英ガラスの基板上に形成した多結晶シリコンであっても、また非晶質シリコン薄膜トランジスタを製造する場合であって半導体層301がガラスや石英ガラスの基板上に形成した非晶質シリコンであってもよい。
【0028】
更に言えば、半導体層301の単結晶シリコンは、単結晶シリコン基板でも、SOI(Silicon on Insulator)やSOS(Silicon on Saphire)上に成長した単結晶シリコンであっても、本発明の方法で製造することで得られる効果にはなんら変わるところはない。
【0029】
しかしながら、実際に単結晶シリコン基板を用いて本発明の方法で半導体装置を製造する場合には、素子分離の方法等も考慮しなければならない。これは本実施例で示した図に含まれる部分以外、すなわち素子分離領域に段差を生じて、特に化学的機械的研磨(CMP)を用いる際に、素子分離絶縁膜上の第1の導電層領域304が薄くなってしまい、素子分離領域での配線に使えなくなってしまうためである。単結晶シリコン基板を用い、LOCOS(Local Oxidation Of Silicon)で素子分離を行う場合について後に別の実施例として述べる。
【0030】
また、本実施例では第2の絶縁膜307の除去に化学的機械的研磨(CMP)を用いたが、第2の導電膜領域305の頂部を露出し、かつスペーサ308になる第2の絶縁膜307をイオン注入の阻止マスクとなりうる膜厚で残せれば、他の技術を用いても構わない。例えば図3cの様に第2の絶縁膜307を堆積した状態で、上にフォトレジストを塗布してからフォトレジストと第2の絶縁膜307のエッチング速度がほぼ同じになるような条件で全面をエッチングする、いわゆるレジストエッチバック法でも本発明の目的にかなう。
【0031】
更にいえば、本実施例では第1の導電層303に多結晶シリコンを用いたが、これをモリブデン(Mo)、タングステン(W)、チタン(Ti)等の高融点金属のケイ化物(シリサイド)や、これらと多結晶シリコンとの積層構造とする事もある。
【0032】
本実施例の半導体装置の製造方法では、ゲート電極とソース、ドレインの位置関係、すなわちMOS型トランジスタにおけるソース、ドレインのオフセット長が、第1の導電膜303を加工、成形して第1の導電膜領域304と第2の導電膜領域305を形成する為の一度のフォトリソグラフィで決まる。そのため、ゲート電極とソース、ドレインの間隔(オフセット長)を、従来のマスクオフセット法のように露光装置の位置合わせ精度によらず、常に一定に保つことができ、従って電気的特性が均一な半導体装置を製造することができた。しかも、従来のサイドウオール法と違い、オフセットの大きさを任意に決めることが可能であり、必要に応じたソースドレイン間耐圧を得ることが容易にできた。
【0033】
以下、図5を用いて本発明の半導体装置の製造方法の第2の実施例について製造工程順に説明する。第2の実施例は単結晶シリコン基板上に素子分離の為の酸化シリコン膜をLOCOS法で形成した後、本発明の製造方法を適用した例である。これは先に述べた第1の実施例の方法を、素子分離のための酸化シリコン膜を基板から盛り上がるように形成しなければならない単結晶シリコン基板を用いた半導体装置の製造に適用すると、ゲート電極と同層でゲート電極から延びる配線部分が素子分離のための酸化シリコン膜上に有るために(第1の実施例を説明した図3、図4では図示されていない)、平坦化技術を用いる際にこの配線部分が薄くなったり無くなってしまうことがあることから、この問題を解決した製造方法の例である。
【0034】
単結晶シリコン基板501上に薄い酸化シリコン膜を形成した後、窒化シリコン膜をマスクとして露出したシリコン部分を熱酸化し、その後窒化シリコン膜を除去といういわゆるLOCOS法で素子分離絶縁膜502を形成して有り、素子分離絶縁膜502以外の部分にはゲート絶縁膜503を形成して有り、さらに多結晶シリコンからなる第1の導電膜504を堆積して有る(図5a)。
【0035】
第1の導電膜504を一度のフォトリソグラフィを用いて加工成形し、第1の導電膜領域505と第2の導電膜領域506を同時に形成した。第1の導電膜領域505はMOS型トランジスタのゲート電極であり、第2の導電膜領域506は後に高濃度の不純物拡散層(MOSトランジスタのソース及びドレイン)を形成する部分を覆うようにしてある。更に、第1の導電膜領域505と第2の導電膜領域506の上からイオン注入を行い、単結晶シリコン基板501中に低濃度の不純物拡散層507を形成し、第2の絶縁膜508を堆積した(図5b)。
【0036】
次に、化学的機械的研磨(CMP)技術を用いて第1の導電膜領域505と第2の導電膜領域506の頂部が露出するまで508を除いた(図5c)。
【0037】
次に、第1の導電膜領域505を覆い、第2の導電膜領域506が露出するように第1の配線509を形成し、第1の配線509をマスクに第2の導電膜領域506を除去した。続いて、第2の導電膜領域506の下にあった部分の単結晶シリコン501中にイオン注入で高濃度の不純物拡散層510を形成した(図5d)。低濃度及び高濃度の不純物拡散層を形成する際のイオン注入条件は、実施例1に準ずる。
【0038】
以後、層間絶縁膜511、接続孔512、金属配線513を形成し半導体装置を完成した(図5e)。
【0039】
第2の実施例で各部位に用いた材質、技術は単結晶シリコン基板501以外は基本的に第1の実施例の対応する部位と同じであり、材質や技術の変更も第1の実施例に準ずる。本第2の実施例にのみ必要な第1の配線509は多結晶シリコンとした。第1の配線509を多結晶シリコンとし、第1の導電膜504も多結晶シリコンであるので、本実施例では、第1の配線509の加工のためのエッチングで第2の導電膜領域506まで除去することが可能であった。しかし、第1の導電膜領域505と導通のとれる材質で有れば、他の材質を第1の配線509に用いて良い。
【0040】
第2の実施例の方法で製造した半導体装置では、第1の実施例の場合と同じ理由により、電気特性の均一性が良く、また、ゲート電極とソース、ドレインの間隔に応じて必要な耐圧を得ることができた。
【0041】
第2の実施例では単結晶シリコン基板を用いたが、例えば多結晶シリコン薄膜トランジスタを製造する場合であって半導体層がガラスや石英ガラスの基板上に形成した多結晶シリコンであっても、また非晶質シリコン薄膜トランジスタを製造する場合であって半導体層がガラスや石英ガラスの基板上に形成した非晶質シリコンであってもよい。
【0042】
更に言えば、半導体層の単結晶シリコンは、SOI(Silicon on Insulator)やSOS(Silicon on Saphire)上に成長した単結晶シリコンであっても、本実施例の方法で製造することで得られる、均一性が高く高耐圧な半導体装置が得られると言う効果にはなんら変わるところはない。
【0043】
その上、第2の実施例では第1の実施例と異なり、単結晶シリコン基板を用いた本発明の方法で半導体装置を製造する際に、素子分離の為にLOCOS法で素子分離絶縁膜を形成し、素子分離領域に段差を生じた場合でも、第1の配線509を形成しているので、素子分離領域の配線を確保することが出来る。
【0044】
なお、以上に述べた二つの実施例では、ゲート電極の中央を境に左右対象に図を描いて有るが、これは必要に応じて左右非対象にし、ソース側のオフセットとドレイン側のオフセットの長さを変え、ソース側とドレイン側を使い分けることも容易にできる。
【0045】
以下に本発明の半導体装置の製造方法のさらに別の実施例を、第3の実施例として図6を用いて説明する。第3の実施例は単結晶シリコン基板上に素子分離の為の酸化シリコン膜をLOCOS法で形成した後、本発明の製造方法を適用した例である。これは、先に述べた第1の実施例の方法を、素子分離のための酸化シリコン膜を基板から盛り上がるように形成しなければならない単結晶シリコン基板を用いた半導体装置の製造に適用すると、ゲート電極と同層でゲート電極から延びる配線部分が素子分離のための酸化シリコン膜の段差の上に有るために、平坦化技術を用いる際にこの配線部分が薄くなったり、無くなってしまうことがあることから、この問題を解決した製造方法の第2の実施例とは別の例である。
【0046】
単結晶シリコン基板601上に薄い酸化シリコン膜を形成した後、窒化シリコン膜をマスクとして露出したシリコン部分を熱酸化し、その後窒化シリコン膜を除去といういわゆるLOCOS法で素子分離絶縁膜602を形成して有り、素子分離絶縁膜602以外の部分にはゲート絶縁膜603を形成して有り、さらに多結晶シリコンからなる第1の導電膜604を堆積して有る(図6a)。
【0047】
第1の導電膜604を一度のフォトリソグラフィを用いて加工成形し、第1の導電膜領域605と第2の導電膜領域606を同時に形成した。
【0048】
ここで、素子分離のための酸化シリコン膜上に配線部分を有する構造とする場合には、第1の導電膜604をフォトリソグラフィを用いて加工成形し、上述の第1の導電膜領域605及び第2の導電膜領域606の他に、素子分離絶縁膜602上に導電膜領域を形成すればよい。第1の導電膜領域605はMOS型トランジスタのゲート電極であり、第2の導電膜領域606は後に高濃度の不純物拡散層(MOSトランジスタのソース及びドレイン)を形成する部分を覆うようにしてある。更に、第1の導電膜領域605と第2の導電膜領域606の上からイオン注入を行い、単結晶シリコン基板601中に低濃度の不純物拡散層607を形成し、第2の絶縁膜608を堆積した(図6b)。
【0049】
次に、フォトリソグラフィでフォトレジスト609を形成し、これをマスクとして第2の導電膜領域606の上の第2の絶縁膜608を、第2の導電膜領域606の頂部が露出するように、かつ第2の絶縁膜608が残るように上部から部分的に除去した(図6c)。残す第2の絶縁膜608の下部は、後の高濃度の不純物を形成するためのイオン注入で注入されるイオンが下の単結晶シリコン基板601に到達しないだけの厚さが必要である。
【0050】
さらに第2の導電膜領域606を除去し、できた空隙の下の単結晶シリコン基板601の部分にイオン注入で高濃度の不純物拡散層610を形成した(図6d)。低濃度及び高濃度の不純物拡散層を形成する際のイオン注入条件は、実施例1に準ずる。
【0051】
以降、層間絶縁膜611、接続孔612、金属配線613を形成し半導体装置を完成した(図6e)。
【0052】
第3の実施例で各部位に用いた材質、技術は単結晶シリコン基板601以外は基本的に第1の実施例の対応する部位と同じであり、材質や技術の変更も第1の実施例に準ずる。
【0053】
第3の実施例の方法で製造した半導体装置でも、第1の実施例や第2の実施例の場合と同じ理由により、電気特性の均一性が良く、また、ゲート電極とソース、ドレインの間隔に応じて必要な耐圧を得ることができた。
【0054】
第3の実施例の製造方法では、第2の実施例に比べ、新たな配線(第1の配線509)を形成する必要が無く、第1の導電膜領域605をそのまま配線として使えるという利点がある。
【0055】
また、第3の実施例でもゲート電極の中央を境に左右対象に図を描いて有るが、これは他の実施例同様、必要に応じて左右非対象にし、ソース側のオフセットとドレイン側のオフセットの長さを変え、ソース側とドレイン側を使い分けることも容易にできる。
【0056】
以上述べたような本発明の半導体装置の製造方法で製造したMOS型トランジスタはオフセットの長さがマスクオフセット法のようには露光装置の合わせずれの影響を受けないので電気特性の均一性が良く、しかもサイドウオール法よりも寸法の大きいオフセットを設けることが出来る。このような効果とは別に本発明の半導体製造方法を用いて製造するMOS型トランジスタでは、ゲート長の不均一による電気特性の不均一を軽減することが可能である。
【0057】
MOS型トランジスタ電気特性の不均一性の他の要因としてはゲート長の不均一性をあげることが出来る。ゲート長の不均一は主にゲート電極形成の為のフォトリソグラフィの不均一に起因し、一部はその後のエッチング工程の不均一にも起因する。ゲート長はMOS型トランジスタの電気特性を決定する大きな要素であり、ゲート長のわずかな変化はそのまま電気特性の変化となって現れてしまう。しかしながら、本発明の半導体装置の製造方法で製造したMOS型トランジスタであって、以下に第4の実施例として述べるように、ソース及びドレインの不純物拡散層とチャネルの間の部分(低濃度の不純物拡散層あるいはオフセットと呼んでいる)の、チャネル長方向の単位長さあたりの電気抵抗を、ゲート及びドレインに規定の電圧、例えば定格電圧、を加えた場合のチャネルの単位長さあたりの電気抵抗の概2分の1としたMOS型トランジスタでは、ゲート長の不均一に起因する電気特性の不均一を軽減することが可能である。
【0058】
以下に第4の実施例を図7を用いて説明する。
【0059】
図7は第2の本発明のMOS型トランジスタを第2の実施例の製造方法で製造した場合の断面図である。図の左右方向がMOS型トランジスタのチャネル長方向、すなわちゲート長方向である。
【0060】
低濃度の不純物拡散層701(オフセット)のチャネル長方向の単位長さあたりの抵抗をRoとする。また、ソース端子702を0Vとしてゲート端子703とドレイン端子704に規定の電圧を加えた場合の導通状態(以後オン状態と称す)のチャネル705の端から端までの平均の抵抗値をゲート長で割った、単位長さ当たりの抵抗をRcとする。本実施例のMOS型トランジスタでは、RoはRcの概ね2分の1とした。Roは低濃度の不純物拡散層を形成する際のイオン注入の注入イオン量を調整することで所望の値を得た。
【0061】
ここでゲート電極706の寸法が変動した場合を考える。図7におけるゲート電極706の横方向の幅、すなわちゲート長がdLだけ変動するとチャネル長もdL変動する。この時のオフセットの長さの変動はソース側、ドレイン側あわせて−2dLとなる。これは図7のMOS型トランジスタは第2の実施例に説明した方法で製造したので、図5bにあるようにMOS型トランジスタのゲート電極となる第1の導電膜領域505の寸法と第2の導電膜領域506の寸法が同一であり、第1の導電膜領域505の寸法がdLだけ変動すると、同時に形成された第2の導電膜領域506の寸法も同じくdL変動し、第1の導電膜領域505と第2の導電膜領域506の間隔、つまりオフセット片側分で−dLだけ変動することによる。このようにチャネル長がdL変動したとき、dLがゲート長に比べ十分小さく、例えばdLがゲート長の10%に満たない程度ならば、オン状態のチャネルの全抵抗の変動はRcにdLを乗じた大きさにほぼ等しい。これに対しオフセットの寸法の変動がソース側、ドレイン側あわせて−2dLであるからオフセットの抵抗の変動は−2dLにRoを乗じた大きさである。本実施例のMOS型トランジスタはRoがRcの概ね2分の1であるので、オン状態のチャネル抵抗の変動はオフセットの抵抗の変動でほぼ相殺される。すなわち第4の実施例のMOS型トランジスタではゲート長の変動による電気特性の変化を軽減できた。
【0062】
第4の実施例のMOS型トランジスタは、第2の実施例の製造方法で製造したのであるが、これに限らず本発明の他の実施例の製造方法で製造した場合でも同じ効果が得られる。
【0063】
なお、第4の実施例のMOS型トランジスタではオフセット(低濃度の不純物拡散層701)は必ずしもドレイン端の電界緩和による耐圧の向上を第1の目的とはしていない。なぜならRoをRcの概ね2分の1とするためにオフセットの不純物濃度を決定しなければならない場合、決定された濃度ではオフセットの電界緩和効果が十分得られない場合もあるためである。しかしながら、本発明の半導体装置の製造方法を用いた上で、MOS型トランジスタのオフセットに電界緩和効果を付加しつつゲート長の不均一による電気特性の不均一を軽減する効果を得たとすれば、それは本発明の効果の一端であることを付記しておく。
【0064】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の半導体装置の製造方法では、MOS型トランジスタのオフセットの大きさを均一に、しかも任意の大きさにする事ができる。従って、本発明の半導体装置の製造方法で、オフセットを有する半導体装置を製造すると、電気的特性が均一であり、ソース、ドレイン間耐圧の設定の自由度が大きい半導体装置を得ることができるという効果がある。これは本発明の半導体装置の製造方法のいずれの実施例でも得られる効果である。
【0065】
また、本発明の半導体装置の製造方法で製造し、ソース及びドレインの高濃度不純物拡散層とチャネルの間のいわゆるオフセット部分の、チャネル長方向の単位長さあたりの電気抵抗が、ゲート電極及びドレインに規定の電圧を加えた場合のチャネルの単位長さあたりの電気抵抗の概2分の1である本発明のMOS型トランジスタでは、フォトリソグラフィの不均一に由来するゲート長の変動で起こる電気特性の不均一を軽減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のオフセットを有する半導体装置の製造方法のうち、いわゆるサイドウオール法の工程を示す工程断面図。
【図2】従来のオフセットを有する半導体装置の製造方法のうち、いわゆるマスクオフセット法の工程を示す工程断面図。
【図3】本発明の半導体装置の製造方法の第1の実施例を説明する工程断面図。はじめから途中の工程までを示し、以後の工程は図4に示した。
【図4】本発明の半導体装置の製造方法の第1の実施例を説明する工程断面図。図3からの続きの工程を示す。
【図5】本発明の半導体装置の製造方法の第2の実施例を説明する工程断面図。
【図6】本発明の半導体装置の製造方法の第3の実施例を説明する工程断面図。
【図7】第4の実施例の本発明のMOS型トランジスタを説明する断面図。
【符号の説明】
101、201・・・半導体基板
102、202、503、603・・・ゲート絶縁膜
103、203、706・・・ゲート電極
104、108、206・・・イオン注入
105、204、306、507、607、701・・・低濃度の不純物拡散層
106・・・絶縁膜
107・・・サイドウオールスペーサ
109、207、310、510、610・・・高濃度の不純物拡散層
205、309、609・・・フォトレジスト
301・・・半導体層
302・・・第1の絶縁膜
303、504、604・・・第1の導電膜
304、505、605・・・第1の導電膜領域
305、506、606・・・第2の導電膜領域
307、508、608・・・第2の絶縁膜
308・・・スペーサ
311、511、611・・・層間絶縁膜
312、513、613・・・金属配線
501、601・・・単結晶シリコン基板
502、602・・・素子分離絶縁膜
509・・・第1の配線
512、612・・・接続孔
702・・・ソース端子
703・・・ゲート端子
704・・・ドレイン端子
705・・・チャネル
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, particularly a MOS transistor, which is a low-concentration impurity diffusion layer (hereinafter referred to as an offset) between a channel portion and a source and drain composed of a high-concentration impurity diffusion layer. Note that a high withstand voltage semiconductor device (hereinafter, abbreviated as a semiconductor device having an offset) in which the withstand voltage between the source and the drain is improved by providing a lightly doped drain (also often referred to as LDD for short) to obtain an electric field relaxation effect. )).
[0002]
[Prior art]
As a conventional method for manufacturing a semiconductor device having an offset, there are mainly two methods described below. One is a so-called side wall method for creating an offset by providing a side wall spacer on the side wall of the gate electrode, and the other is a so-called mask offset method for creating an offset by covering the gate electrode with a photoresist.
[0003]
First, the so-called side wall method will be described with reference to FIG.
[0004]
A gate insulating film 102 is formed over the semiconductor substrate 101, and then a gate electrode 103 is formed. Ion implantation 104 is performed using the gate electrode 103 as a mask to form a low-concentration impurity diffusion layer 105 in the semiconductor substrate 101 (FIG. 1a). Next, an insulating film 106 is deposited (FIG. 2b), and the insulating film 106 is removed by anisotropic etching. After the etching, the sidewall spacer 107 remains on the side wall of the gate electrode (FIG. 1c). Using the sidewall spacer 107 and the gate electrode 103 as a mask, ion implantation 108 is performed to form a high-concentration impurity diffusion layer 109. Subsequently, an interlayer insulating film is formed, a connection hole is opened in the interlayer insulating film, and a metal wiring is formed, thereby completing the semiconductor device.
[0005]
Next, a so-called mask offset method will be described with reference to FIG.
[0006]
A gate insulating film 202 is formed over the semiconductor substrate 201, and then a gate electrode 203 is formed. Ions are implanted using the gate electrode 203 as a mask to form a low-concentration impurity diffusion layer 204 in the semiconductor substrate 201 (FIG. 2a). Next, a photoresist 205 is formed so as to cover the gate electrode 203, and ion implantation 206 is performed using this as a mask to form a high-concentration impurity diffusion layer 207 (FIG. 2b). Subsequently, after removing the photoresist 205, the semiconductor device is completed in the same manner as the sidewall method described above.
[0007]
Regardless of the side wall method or mask offset method, by providing a low concentration impurity diffusion layer (offset) between the channel and the high concentration impurity diffusion layer, the horizontal electric field is alleviated and the breakdown voltage between the source and drain of the transistor is reduced. It has improved. In addition, the provision of an offset also has an effect of suppressing hot carrier injection into the gate insulating film and suppressing characteristic fluctuations of the semiconductor device.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the side wall method has a problem that the offset, that is, the distance in the horizontal direction (direction connecting the channel and the drain) of the low-concentration impurity diffusion layer is small, and a sufficient breakdown voltage may not be obtained. That is, the magnitude of the offset is determined by the length of the side wall in the horizontal direction (the direction connecting the source and drain), and even if the horizontal length of the side wall is large, it is about the thickness of the gate electrode. There was a limit to trying to increase the size of the offset.
[0009]
Further, in the mask offset method, an withstand voltage can be improved by providing an offset of an arbitrary size, but an ion implantation mask (photoresist 205 in FIG. 2) for forming a high concentration impurity diffusion layer. Is formed by photolithography, there is a problem that misalignment occurs at the time of exposure and the magnitude of the offset changes, so that the electrical characteristics become non-uniform.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  The semiconductor device of the present invention includes a step of forming a gate insulating film on a semiconductor layer, a step of forming a cover layer and a gate electrode on the gate insulating film by the same process and photolithography, and the cover layer. And a step of forming a low impurity concentration diffusion layer using the gate electrode as a mask, a step of forming a spacer between the cover layer and the gate electrode, a step of removing the cover layer, and the removed cover A semiconductor device manufactured by a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: implanting impurity ions into the semiconductor layer under the layer to form a high impurity concentration diffusion layer to be a source and drain impurity diffusion layer Per unit length in the channel length direction of the low impurity concentration diffusion layer present in the portion between the impurity diffusion layer of the source and drain and the channel The air resistance, characterized in that one of the electrical resistance of 2 minutes per unit length in the channel length direction of the channel in the case of the on state by the addition of specified voltage to the gate electrode and the drain.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment of the semiconductor device manufacturing method of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[0012]
3 and 4 are process cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. First, a first insulating film 302 was formed over the semiconductor layer 301, and then a first conductive film 303 was deposited over the first insulating film 302 (FIG. 3a). In this embodiment, the semiconductor layer 301 is single crystal silicon (Si), and the first insulating film 302 is silicon oxide (SiO 2) obtained by thermally oxidizing the surface of single crystal silicon.2). The first insulating film 302 is a gate insulating film of a MOS transistor. Polycrystalline silicon was used for the first conductive film 303.
[0013]
Next, the first conductive film 303 was processed using one photolithography, so that the first conductive film region 304 and the second conductive film region 305 were formed at the same time. The first conductive film region 304 is a gate electrode of a MOS transistor, and the second conductive film region 305 is a region that covers a portion where a high-concentration impurity diffusion layer (source and drain of a MOS transistor) will be formed later. Hereinafter, it is abbreviated as a cover layer). Further, ion implantation was performed from above the first conductive film region 304 and the second conductive film region 305 to form a low-concentration impurity diffusion layer 306 in the semiconductor layer 301 (FIG. 3b).
[0014]
As an ion implantation condition for forming the low concentration impurity diffusion layer, the implantation amount is preferably 10.Ten-1014(1 / cm2), More preferably 1012-1013(1 / cm2)
It is. The implantation energy is preferably 10 to 150 keV, more preferably 30 to 100 keV. The ion species is B+, BF2 +, P+And As+However, there is no particular limitation as long as it is a substance that can function as a donor or acceptor for the semiconductor substrate. These ion implantation conditions are an example, and are generally determined by the required breakdown voltage and capability of the MOS transistor.
[0015]
For example, if the ion species is BF2 +In this case, the injection amount is preferably 10Ten-1014(1 / cm2), More preferably 1012-1013(1 / cm2), More preferably 4 × 1012-1013(1 / cm2). 10Ten(1 / cm2This is because the diffusion layer resistance becomes too large and the capability as a MOS transistor is insufficient, and the desired conductivity type may not be obtained. 1014(1 / cm2This is because the electric field relaxation effect is small and a sufficient breakdown voltage cannot be secured in many cases. The implantation energy is not particularly limited, but is preferably 20 to 60 keV, more preferably 30 to 50 keV, and further preferably 40 ± 5 keV. This is because if it is less than 20 keV, impurities may not penetrate the gate insulating film. This is because if it exceeds 60 keV, it may penetrate to the mask layer for ion implantation. Of course, if such inconvenience does not occur, the implantation energy can be freely set in accordance with the required characteristics of the MOS transistor, and even in other ion species and other ion implantation processes, Are the same.
[0016]
Ion species is B+In this case, the injection amount is preferably 10Ten-1014(1 / cm2), More preferably 1012-1013(1 / cm2), More preferably 4 × 1012-1013(1 / cm2). The implantation energy is not particularly limited, but is preferably 10 to 40 keV, more preferably 20 to 30 keV.
[0017]
Ion species is P+In this case, the injection amount is preferably 10Ten-1014(1 / cm2), More preferably 5 × 1012~ 5x1013(1 / cm2), More preferably 1013~ 4x1013(1 / cm2). The implantation energy is not particularly limited, but is preferably 40 to 80 keV, more preferably 50 to 70 keV, and still more preferably 60 ± 5 keV.
[0018]
Ion species is As+In this case, the injection amount is preferably 10Ten-1014(1 / cm2), More preferably 5 × 1012~ 5x1013(1 / cm2). The implantation energy is not particularly limited, but is preferably 40 to 80 keV, more preferably 50 to 70 keV.
[0019]
Next, a second insulating film 307 was deposited (FIG. 3c). This second insulating film 307 is a so-called spacer insulating film, a part of which becomes a spacer for forming an offset later. The second insulating film 307 is silicon oxide deposited using a vapor deposition method. Thereafter, the second insulating film 307 was gradually removed from the top using a chemical mechanical polishing (CMP) technique to expose the top of the second conductive film region 305. At this time, part of the second insulating film 307 remains between the first conductive film region 304 and the second conductive film region 305, and this is a high-concentration impurity diffusion formed later with the first conductive film region 304. A spacer 308 for separating layers (forming an offset) (FIG. 3d).
[0020]
Next, a photoresist 309 is formed so as to cover the first conductive film region 304 and the second conductive film region 305 is exposed, and then the second conductive film region 305 is removed (FIG. 3e). ). Ion implantation was performed on a portion of the semiconductor layer 301 that is not covered with the first conductive film region 304 and the spacer 308 to form a high-concentration impurity diffusion layer 310 (FIG. 4a).
[0021]
As the ion implantation conditions for forming the high-concentration impurity diffusion layer, the implantation amount is preferably 1014-1017(1 / cm2), More preferably 1015-1016(1 / cm2)
It is. The implantation energy is preferably 10 to 150 keV, more preferably 30 to 100 keV. The ion species is B+, BF2 +, P+And As+However, there is no particular limitation as long as it is a substance that can function as a donor or acceptor for the semiconductor substrate. These ion implantation conditions are merely examples, and are generally determined by the required breakdown voltage, capacity, and the like.
[0022]
For example, if the ion species is BF2 +In this case, the injection amount is preferably 1014-1017(1 / cm2), More preferably 1015-1016(1 / cm2), More preferably 1 × 1015~ 8x1015(1 / cm2). 1014(1 / cm2This is because the diffusion layer resistance (parasitic resistance of the source and drain) increases and the capability of the transistor may be hindered. 1017(1 / cm2This is because it is difficult to recover crystal defects due to ion implantation in a later step, and the characteristics of the transistor may be hindered due to junction leakage or the like. The implantation energy is not particularly limited, but is preferably 20 to 60 keV, more preferably 30 to 50 keV, and further preferably 40 ± 5 keV. This is because if it is less than 20 keV, impurities may not penetrate the gate insulating film. Further, if it is higher than 60 keV, it may penetrate to the mask layer for ion implantation.
[0023]
Ion species is B+In this case, the injection amount is preferably 1014-1017(1 / cm2), More preferably 1015-1016(1 / cm2), More preferably 1 × 1015~ 8x1015(1 / cm2). The implantation energy is not particularly limited, but is preferably 20 to 60 keV, more preferably 30 to 50 keV, and further preferably 40 ± 5 keV.
[0024]
Ion species is P+In this case, the injection amount is preferably 1014-1017(1 / cm2), More preferably 1015-1016(1 / cm2), More preferably 1 × 1015~ 8x1015(1 / cm2). The implantation energy is not particularly limited, but is preferably 50 to 90 keV, more preferably 60 to 80 keV, and still more preferably 70 ± 5 keV.
[0025]
Ion species is As+In this case, the injection amount is preferably 1014-1017(1 / cm2), More preferably 1015-1016(1 / cm2), More preferably 1 × 1015~ 8x1015(1 / cm2). The implantation energy is not particularly limited, but is preferably 30 to 70 keV, more preferably 40 to 60 keV, and still more preferably 50 ± 5 keV.
[0026]
Thereafter, an interlayer insulating film 311 was deposited, heat treatment for impurity activation was performed, connection holes were opened, and metal wiring 312 was formed to complete the semiconductor device (FIG. 4b).
[0027]
In this embodiment, the semiconductor layer 301 is made of single crystal silicon. However, for example, when a polycrystalline silicon thin film transistor is manufactured, the semiconductor layer 301 is polycrystalline silicon formed on a glass or quartz glass substrate. Alternatively, amorphous silicon thin film transistors may be manufactured, and the semiconductor layer 301 may be amorphous silicon formed on a glass or quartz glass substrate.
[0028]
Furthermore, even if the single crystal silicon of the semiconductor layer 301 is a single crystal silicon substrate or a single crystal silicon grown on an SOI (Silicon on Insulator) or SOS (Silicon on Saphire), it is manufactured by the method of the present invention. There is no change in the effect obtained by doing.
[0029]
However, when a semiconductor device is actually manufactured by the method of the present invention using a single crystal silicon substrate, an element isolation method or the like must be considered. This is because the first conductive layer on the element isolation insulating film has a step in the element isolation region other than the part included in the drawing shown in this embodiment, particularly when chemical mechanical polishing (CMP) is used. This is because the region 304 becomes thin and cannot be used for wiring in the element isolation region. A case where element isolation is performed by LOCOS (Local Oxidation of Silicon) using a single crystal silicon substrate will be described later as another example.
[0030]
In this embodiment, chemical mechanical polishing (CMP) is used to remove the second insulating film 307. However, the second insulating film 305 exposes the top of the second conductive film region 305 and becomes the spacer 308. Other techniques may be used as long as the film 307 can be left with a film thickness that can serve as an ion implantation blocking mask. For example, in the state where the second insulating film 307 is deposited as shown in FIG. 3c, the entire surface is coated under the condition that the etching rate of the photoresist and the second insulating film 307 is almost the same after the photoresist is applied thereon. The so-called resist etch back method in which etching is performed also serves the purpose of the present invention.
[0031]
More specifically, in this embodiment, polycrystalline silicon is used for the first conductive layer 303, but this is made of silicide of a refractory metal such as molybdenum (Mo), tungsten (W), titanium (Ti) or the like. Alternatively, a laminated structure of these and polycrystalline silicon may be used.
[0032]
In the manufacturing method of the semiconductor device of this embodiment, the positional relationship between the gate electrode, the source, and the drain, that is, the offset length of the source and drain in the MOS transistor is processed and shaped to form the first conductive film 303. It is determined by one-time photolithography for forming the film region 304 and the second conductive film region 305. Therefore, the distance between the gate electrode, source and drain (offset length) can always be kept constant regardless of the alignment accuracy of the exposure apparatus as in the conventional mask offset method, and therefore the semiconductor has uniform electrical characteristics. The device could be manufactured. Moreover, unlike the conventional sidewall method, the magnitude of the offset can be arbitrarily determined, and the source-drain breakdown voltage can be easily obtained as required.
[0033]
The second embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention will be described below in the order of manufacturing steps with reference to FIG. In the second embodiment, a silicon oxide film for element isolation is formed on a single crystal silicon substrate by a LOCOS method, and then the manufacturing method of the present invention is applied. When the method of the first embodiment described above is applied to the manufacture of a semiconductor device using a single crystal silicon substrate in which a silicon oxide film for element isolation must be formed so as to rise from the substrate, Since the wiring portion extending from the gate electrode in the same layer as the electrode is on the silicon oxide film for element isolation (not shown in FIGS. 3 and 4 in which the first embodiment is described), a planarization technique is used. Since this wiring part may become thin or disappear when used, this is an example of a manufacturing method that solves this problem.
[0034]
After forming a thin silicon oxide film on the single crystal silicon substrate 501, the exposed silicon portion is thermally oxidized using the silicon nitride film as a mask, and then an element isolation insulating film 502 is formed by a so-called LOCOS method of removing the silicon nitride film. A gate insulating film 503 is formed in a portion other than the element isolation insulating film 502, and a first conductive film 504 made of polycrystalline silicon is further deposited (FIG. 5a).
[0035]
The first conductive film 504 was processed using one photolithography, and the first conductive film region 505 and the second conductive film region 506 were formed at the same time. The first conductive film region 505 is a gate electrode of the MOS transistor, and the second conductive film region 506 covers a portion where a high-concentration impurity diffusion layer (source and drain of the MOS transistor) will be formed later. . Further, ion implantation is performed from above the first conductive film region 505 and the second conductive film region 506, a low-concentration impurity diffusion layer 507 is formed in the single crystal silicon substrate 501, and the second insulating film 508 is formed. Deposited (Figure 5b).
[0036]
Next, using a chemical mechanical polishing (CMP) technique, 508 was removed until the tops of the first conductive film region 505 and the second conductive film region 506 were exposed (FIG. 5c).
[0037]
Next, a first wiring 509 is formed so as to cover the first conductive film region 505 and expose the second conductive film region 506, and the second conductive film region 506 is formed using the first wiring 509 as a mask. Removed. Subsequently, a high-concentration impurity diffusion layer 510 was formed by ion implantation in the portion of the single crystal silicon 501 that was under the second conductive film region 506 (FIG. 5d). The ion implantation conditions for forming the low-concentration and high-concentration impurity diffusion layers are the same as in Example 1.
[0038]
Thereafter, an interlayer insulating film 511, connection holes 512, and metal wirings 513 were formed to complete the semiconductor device (FIG. 5e).
[0039]
The materials and techniques used for each part in the second example are basically the same as the corresponding parts in the first example except for the single crystal silicon substrate 501, and changes in materials and techniques are also the first example. According to The first wiring 509 necessary only for the second embodiment is polycrystalline silicon. Since the first wiring 509 is made of polycrystalline silicon and the first conductive film 504 is also polycrystalline silicon, in this embodiment, etching up to the second conductive film region 506 is performed for the processing of the first wiring 509. It was possible to remove. However, another material may be used for the first wiring 509 as long as it is a material that can be electrically connected to the first conductive film region 505.
[0040]
In the semiconductor device manufactured by the method of the second embodiment, the electrical characteristics are uniform for the same reason as in the first embodiment, and the required withstand voltage according to the distance between the gate electrode, the source and the drain. Could get.
[0041]
In the second embodiment, a single crystal silicon substrate is used. For example, in the case of manufacturing a polycrystalline silicon thin film transistor, the semiconductor layer may be polycrystalline silicon formed on a glass or quartz glass substrate. In the case of producing a crystalline silicon thin film transistor, the semiconductor layer may be amorphous silicon formed on a glass or quartz glass substrate.
[0042]
Furthermore, even if the single crystal silicon of the semiconductor layer is single crystal silicon grown on SOI (Silicon on Insulator) or SOS (Silicon on Saphire), it can be obtained by manufacturing by the method of this embodiment. There is no change in the effect that a semiconductor device with high uniformity and high breakdown voltage can be obtained.
[0043]
Moreover, in the second embodiment, unlike the first embodiment, when a semiconductor device is manufactured by the method of the present invention using a single crystal silicon substrate, an element isolation insulating film is formed by LOCOS method for element isolation. Even when a step is formed in the element isolation region, since the first wiring 509 is formed, the wiring of the element isolation region can be secured.
[0044]
In the two embodiments described above, the right and left objects are drawn with the center of the gate electrode as a boundary. It is easy to change the length and use the source side and drain side properly.
[0045]
In the following, still another embodiment of the semiconductor device manufacturing method of the present invention will be described as a third embodiment with reference to FIG. In the third embodiment, a silicon oxide film for element isolation is formed on a single crystal silicon substrate by a LOCOS method, and then the manufacturing method of the present invention is applied. When the method of the first embodiment described above is applied to the manufacture of a semiconductor device using a single crystal silicon substrate in which a silicon oxide film for element isolation must be formed so as to rise from the substrate, Since the wiring part extending from the gate electrode in the same layer as the gate electrode is on the step of the silicon oxide film for element isolation, the wiring part may be thinned or lost when using the planarization technique. Therefore, this is an example different from the second embodiment of the manufacturing method that solves this problem.
[0046]
After forming a thin silicon oxide film on the single crystal silicon substrate 601, an element isolation insulating film 602 is formed by a so-called LOCOS method in which the exposed silicon portion is thermally oxidized using the silicon nitride film as a mask and then the silicon nitride film is removed. A gate insulating film 603 is formed in a portion other than the element isolation insulating film 602, and a first conductive film 604 made of polycrystalline silicon is further deposited (FIG. 6a).
[0047]
The first conductive film 604 was processed using one photolithography, and the first conductive film region 605 and the second conductive film region 606 were formed at the same time.
[0048]
Here, in the case where the wiring portion is provided over the silicon oxide film for element isolation, the first conductive film 604 is processed and formed using photolithography, and the above-described first conductive film region 605 and In addition to the second conductive film region 606, a conductive film region may be formed over the element isolation insulating film 602. The first conductive film region 605 is a gate electrode of a MOS transistor, and the second conductive film region 606 covers a portion where a high-concentration impurity diffusion layer (source and drain of a MOS transistor) will be formed later. . Further, ion implantation is performed from above the first conductive film region 605 and the second conductive film region 606, a low-concentration impurity diffusion layer 607 is formed in the single crystal silicon substrate 601, and the second insulating film 608 is formed. Deposited (FIG. 6b).
[0049]
Next, a photoresist 609 is formed by photolithography, and using this as a mask, the second insulating film 608 over the second conductive film region 606 is exposed so that the top of the second conductive film region 606 is exposed. In addition, the second insulating film 608 was partially removed from the upper part so as to remain (FIG. 6c). The lower portion of the remaining second insulating film 608 needs to have a thickness that prevents ions implanted by subsequent ion implantation for forming a high concentration impurity from reaching the lower single crystal silicon substrate 601.
[0050]
Further, the second conductive film region 606 was removed, and a high-concentration impurity diffusion layer 610 was formed by ion implantation in the portion of the single crystal silicon substrate 601 under the created gap (FIG. 6d). The ion implantation conditions for forming the low-concentration and high-concentration impurity diffusion layers are the same as in Example 1.
[0051]
Thereafter, the interlayer insulating film 611, the connection hole 612, and the metal wiring 613 were formed to complete the semiconductor device (FIG. 6e).
[0052]
The materials and techniques used for each part in the third example are basically the same as the corresponding parts in the first example except for the single crystal silicon substrate 601, and changes in materials and techniques are also the first example. According to
[0053]
Even in the semiconductor device manufactured by the method of the third embodiment, the uniformity of the electrical characteristics is good for the same reason as in the first and second embodiments, and the distance between the gate electrode and the source and drain is good. The required breakdown voltage could be obtained according to the conditions.
[0054]
The manufacturing method of the third embodiment has an advantage that the first conductive film region 605 can be used as a wiring as it is, without the need to form a new wiring (first wiring 509), as compared with the second embodiment. is there.
[0055]
Also, in the third embodiment, the left and right objects are drawn with the center of the gate electrode as the boundary. However, as in the other embodiments, the left and right objects are excluded as necessary. By changing the length of the offset, it is easy to use the source side and the drain side separately.
[0056]
The MOS transistor manufactured by the semiconductor device manufacturing method of the present invention as described above has good uniformity in electrical characteristics because the offset length is not affected by misalignment of the exposure apparatus unlike the mask offset method. In addition, an offset having a size larger than that of the side wall method can be provided. Apart from such effects, in a MOS transistor manufactured using the semiconductor manufacturing method of the present invention, it is possible to reduce non-uniform electrical characteristics due to non-uniform gate length.
[0057]
Another factor causing the non-uniformity of the MOS transistor electrical characteristics is the non-uniformity of the gate length. The non-uniformity of the gate length is mainly caused by non-uniformity of photolithography for forming the gate electrode, and partly due to non-uniformity of the subsequent etching process. The gate length is a large factor that determines the electrical characteristics of the MOS transistor, and a slight change in the gate length appears as a change in electrical characteristics. However, it is a MOS transistor manufactured by the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, and as described below as a fourth embodiment, a portion between the impurity diffusion layers of the source and drain and the channel (low concentration impurity) The electrical resistance per unit length in the channel length direction (referred to as a diffusion layer or offset) is the electrical resistance per unit length of the channel when a specified voltage, such as the rated voltage, is applied to the gate and drain. In the MOS transistor which is approximately one-half of the above, it is possible to reduce non-uniformity in electrical characteristics due to non-uniform gate length.
[0058]
A fourth embodiment will be described below with reference to FIG.
[0059]
FIG. 7 is a cross-sectional view when the MOS type transistor of the second invention is manufactured by the manufacturing method of the second embodiment. The horizontal direction in the figure is the channel length direction of the MOS transistor, that is, the gate length direction.
[0060]
Let Ro be the resistance per unit length in the channel length direction of the low-concentration impurity diffusion layer 701 (offset). Further, when the source terminal 702 is set to 0 V and a specified voltage is applied to the gate terminal 703 and the drain terminal 704, an average resistance value from end to end of the channel 705 in a conductive state (hereinafter referred to as an on state) is expressed as a gate length. The divided resistance per unit length is Rc. In the MOS transistor of this embodiment, Ro is approximately one half of Rc. Ro obtained a desired value by adjusting the amount of ions implanted during the formation of the low-concentration impurity diffusion layer.
[0061]
Here, a case where the dimension of the gate electrode 706 is changed is considered. When the lateral width of the gate electrode 706 in FIG. 7, that is, the gate length varies by dL, the channel length also varies by dL. The fluctuation of the offset length at this time is -2 dL for both the source side and the drain side. This is because the MOS type transistor of FIG. 7 is manufactured by the method described in the second embodiment, so that the dimensions of the first conductive film region 505 to be the gate electrode of the MOS type transistor as shown in FIG. When the dimensions of the conductive film region 506 are the same and the dimension of the first conductive film region 505 varies by dL, the dimension of the second conductive film region 506 formed at the same time also varies by dL. This is because the distance between the region 505 and the second conductive film region 506 varies by −dL in one offset side. Thus, when the channel length fluctuates by dL, if dL is sufficiently smaller than the gate length, for example, if dL is less than 10% of the gate length, the fluctuation of the total resistance of the channel in the on state multiplies Rc by dL. It is almost equal to the size. On the other hand, since the variation in the offset dimension is -2 dL for both the source side and the drain side, the variation in the offset resistance is the magnitude obtained by multiplying -2 dL by Ro. In the MOS transistor of this embodiment, Ro is approximately one half of Rc, so that the variation in the channel resistance in the on state is almost offset by the variation in the offset resistance. That is, in the MOS transistor of the fourth embodiment, the change in electrical characteristics due to the variation in gate length can be reduced.
[0062]
Although the MOS transistor of the fourth embodiment is manufactured by the manufacturing method of the second embodiment, the same effect can be obtained even when manufactured by the manufacturing method of another embodiment of the present invention. .
[0063]
In the MOS transistor of the fourth embodiment, the offset (low-concentration impurity diffusion layer 701) does not necessarily have the first purpose of improving the breakdown voltage by relaxing the electric field at the drain end. This is because when the impurity concentration of the offset must be determined in order to make Ro approximately one half of Rc, the offset electric field relaxation effect may not be sufficiently obtained with the determined concentration. However, if the effect of reducing the non-uniformity of the electrical characteristics due to the non-uniformity of the gate length is obtained while adding the electric field relaxation effect to the offset of the MOS transistor after using the manufacturing method of the semiconductor device of the present invention, It should be noted that this is one end of the effect of the present invention.
[0064]
【The invention's effect】
As described above, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the magnitude of the offset of the MOS transistor can be made uniform and arbitrary. Therefore, when a semiconductor device having an offset is manufactured by the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, it is possible to obtain a semiconductor device having uniform electrical characteristics and a high degree of freedom in setting a breakdown voltage between the source and drain. There is. This is an effect obtained in any of the embodiments of the semiconductor device manufacturing method of the present invention.
[0065]
Further, the electrical resistance per unit length in the channel length direction of the so-called offset portion between the high concentration impurity diffusion layers of the source and drain and the channel manufactured by the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention is the gate electrode and drain. In the MOS transistor of the present invention, which is approximately one half of the electrical resistance per unit length of the channel when a prescribed voltage is applied to the electrical characteristics, the electrical characteristics caused by the variation in the gate length due to non-uniform photolithography Can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process cross-sectional view showing a process of a so-called sidewall method in a conventional method of manufacturing a semiconductor device having an offset.
FIG. 2 is a process cross-sectional view showing a process of a so-called mask offset method in a conventional method of manufacturing a semiconductor device having an offset.
FIG. 3 is a process cross-sectional view illustrating a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention. The steps from the beginning to the middle are shown, and the subsequent steps are shown in FIG.
FIG. 4 is a process cross-sectional view illustrating a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention. FIG. 4 shows a continuation process from FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is a process cross-sectional view illustrating a second embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 6 is a process cross-sectional view illustrating a third embodiment of a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating a MOS transistor according to the fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
101, 201 ... Semiconductor substrate
102, 202, 503, 603... Gate insulating film
103, 203, 706... Gate electrode
104, 108, 206 ... ion implantation
105, 204, 306, 507, 607, 701... Low-concentration impurity diffusion layer
106 ... Insulating film
107 ... side wall spacer
109, 207, 310, 510, 610... High concentration impurity diffusion layer
205, 309, 609 ... Photoresist
301 ... Semiconductor layer
302... First insulating film
303, 504, 604 ... first conductive film
304, 505, 605 ... first conductive film region
305, 506, 606... Second conductive film region
307, 508, 608 ... second insulating film
308 ... Spacer
311, 511, 611... Interlayer insulating film
312, 513, 613 ... Metal wiring
501 601 ... single crystal silicon substrate
502, 602 ... Element isolation insulating film
509: First wiring
512, 612 ... connection hole
702 ... Source terminal
703: Gate terminal
704 ... Drain terminal
705 ... Channel

Claims (1)

半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上のカバー層とゲート電極とを同一寸法で同一工程のフォトリソグラフィで形成する工程と、
前記カバー層及びゲート電極をマスクにして低不純物濃度の拡散層を形成する工程と、
前記カバー層と前記ゲート電極との間にスペーサを形成する工程と、
前記カバー層を除去する工程と、
除去した前記カバー層の下の前記半導体層に不純物イオン注入を行って、ソース及びドレインの不純物拡散層となる高不純物濃度の拡散層を形成する工程と、を含む半導体装置の製造方法によって製造される半導体装置において、
前記ソース及びドレインの不純物拡散層とチャネルとの間の部分に存在する前記低不純物濃度の拡散層のチャネル長方向の単位長さあたりの電気抵抗を、前記ゲート電極及び前記ドレインに規定の電圧を加えてオン状態にした場合のチャネルのチャネル長方向の単位長さあたりの電気抵抗の2分の1とすることを特徴とする、半導体装置。
Forming a gate insulating film on the semiconductor layer;
Forming a cover layer and a gate electrode on the gate insulating film by the same process and the same photolithography; and
Forming a diffusion layer having a low impurity concentration using the cover layer and the gate electrode as a mask;
Forming a spacer between the cover layer and the gate electrode;
Removing the cover layer;
And a step of implanting impurity ions into the semiconductor layer under the removed cover layer to form a high impurity concentration diffusion layer to be an impurity diffusion layer of a source and a drain. In the semiconductor device
The electrical resistance per unit length in the channel length direction of the low impurity concentration diffusion layer existing between the impurity diffusion layer and the channel of the source and drain is set to a predetermined voltage on the gate electrode and the drain. In addition, the semiconductor device is characterized in that the electric resistance per unit length of the channel in the channel length direction when the channel is turned on is ½.
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