JP3778810B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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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及びその製法方法に関し、より詳細には、閾値電圧が良好に制御された半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来から、同一半導体基板上にNMOSトランジスタとPMOSトランジスタとを混載したCMOSトランジスタにより、低消費電力性に優れたLSIを実現している。
【0003】
しかし、近年のCMOSトランジスタの微細化、高集積化により、CMOSトランジスタを構成するトランジスタのゲート長が短くなるにつれて閾値電圧が低下する短チャネル効果が問題となっている。また、特に、NMOSトランジスタにおいては、図10の白丸で示したように、チャネルドープ法によってp型不純物であるボロンをチャネル領域に導入することにより、チャネル長が短くなるにつれて閾値電圧が一旦上昇するという逆短チャネル効果が発生することが問題となっている。
【0004】
通常、NMOSトランジスタを形成する場合には、あらかじめチャネル領域に閾値電圧を調整するために、p型不純物としてボロンイオンを導入しており、その後、ゲート電極等を形成し、LDD領域やソース/ドレイン領域形成のために、1×1014〜1×1015cm-2程度のn型不純物を半導体基板にイオン注入し、さらにその後に不純物を活性化するために熱処理を行う。
【0005】
しかし、LDD領域やソース/ドレイン領域の形成のためのイオン注入によって半導体基板の結晶構造が破壊され、多量の点欠陥が生成され、このような点欠陥が存在すると、熱処理した際に、チャネル領域に存在するボロンイオンが点欠陥と対をなして、いわゆる増速拡散とよばれる著しい拡散が起こり、チャネル領域の両端部でボロン濃度が極端に高くなる(ボロンイオンのパイルアップ)。
【0006】
したがって、NMOSトランジスタにおいて、チャネル長が短いほどチャネル領域のボロン濃度が高くなりやすく、設計した値よりも閾値電圧が急激に上昇する(C. S. Rafferty et al. “Explanation of Reverse Short Channel Effect by Defect Gradients”、IEDM93、p311〜314、参照)。
【0007】
このようなNMOSトランジスタにおける逆短チャネル効果が顕著となると、わずかなゲート長の変動によって閾値電圧が大きく変動し、閾値電圧の制御性が悪くなる。
【0008】
そこで、逆短チャネル効果を抑制したCMOSトランジスタの製法方法が、例えば、特開平8−18047号公報及び特開平8−78682号公報等に提案されている。
【0009】
これらの方法によれば、図14に示したように、NMOS及びPMOSトランジスタ形成領域27、28において、ソース/ドレイン領域31、32形成のための不純物のイオン注入及び活性化アニールを行った後に、NMOSトランジスタ形成領域27において、ゲート電極33を貫通する注入エネルギーにより、ボロンイオンをチャネル領域に導入する(図14中、29参照)。これにより、ソース/ドレイン領域31、32形成のためのイオン注入時に生じた点欠陥を低減させることができ、増速拡散が防止される。
【0010】
しかし、このようなチャネル領域へのボロンイオンの注入を、NMOS及びPMOSトランジスタ形成領域27、28の双方に対して行うと、PMOSトランジスタ形成領域28に注入されたボロンイオンに起因して、PMOSトランジスタの閾値電圧が低下し、さらにパンチスルー耐圧も低下するのみならず、ソース/ドレイン領域32下に新たな接合が形成されることとなり、基板電位を適正に保つことができなくなるという問題が生じる。
【0011】
このような問題を回避するために、図15に示したように、PMOSトランジスタ形成領域28をレジストマスク30により被覆した後、NMOSトランジスタ形成領域27のチャネル領域にのみ、ボロンイオンを注入する(図15中、29参照)場合には、PMOSトランジスタ形成領域28を被覆するためのフォトリソグラフィ工程が増加するという問題が生じる。
【0012】
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、CMOSトランジスタにおいて、フォトリソグラフィ工程を追加することなく、さらにボロンイオンの増速拡散を防止して、NMOSトランジスタの逆短チャネル効果を抑制し、同時にPMOSトランジスタの閾値を所望の値に制御するとともにパンチスルー耐圧の劣化を防止して、PMOSトランジスタ特性を適正に維持することができる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、(a)シリコン半導体基板上のNMOS及びPMOSトランジスタ形成領域に、pウェル及びnウェル、ゲート絶縁膜及びゲート電極をそれぞれ形成する工程、
(b)前記NMOS及びPMOSトランジスタ形成領域に、該ゲート電極をマスクとしてそれぞれn型不純物及びB2 +をイオン注入し、熱処理を行ってソース/ドレイン領域をそれぞれ形成する工程、
(c)前記シリコン半導体基板全面に前記ゲート電極を貫通してボロンイオン又はBF2 +、その注入ピーク深さがゲート電極の下半分からソース/ドレイン領域の深さの上半分の範囲内となるとともにソース/ドレイン領域とウェルとの境界直下になるようにイオン注入し、熱処理を行って、前記ゲート電極直下のチャネル領域に深さ方向の幅が一定の帯状のボロンイオン又はBF2 +高濃度領域を、前記深さ方向の幅の一部又は全部で該チャネル領域と重複するように形成する工程をこの順序で含み、
工程(a)のnウェル形成の直前又は直後に、nウェル形成のためのマスクを利用して、PMOSトランジスタのゲート電極直下のチャネル領域に、工程(c)で注入されるボロンイオン又はBF2 +の濃度を上回る量のn型不純物を導入することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置は、半導体基板表面に形成されたpウェルとnウェルとの上に、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタがそれぞれ形成されて構成されるCMOSトランジスタである。
【0016】
本発明の半導体装置に使用される半導体基板は、シリコン、ゲルマニウム等の元素半導体基板、GaAs、InGaAs等の化合物半導体等からなる基板、SOI基板又は多層SOI基板等の種々の基板を用いることができる。なかでもシリコン基板が好ましい。また、半導体基板は、その表面にトランジスタ、キャパシタ等の半導体素子や回路;配線層;LOCOS膜、トレンチ素子分離膜、STI(Shallow Trench Isolation)膜等の素子分離領域;絶縁膜等が組み合わせられて形成されていてもよい。
【0017】
pウェルとnウェルとは、少なくとも1つずつ半導体基板表面に形成されていてばよく、これらのウェルの不純物濃度は、特に限定されるものではないが、例えば、1017〜1018cm-3程度である。
【0018】
pウェルとnウェルとの上には、それぞれNMOSトランジスタとPMOSトランジスタが形成されている。これらのトランジスタは、ゲート絶縁膜、ゲート電極、チャネル領域及びソース/ドレイン領域を有している。ここでのゲート絶縁膜、ゲート電極、ソース/ドレイン領域は、通常CMOSトランジスタに用いられるようなNMOSトランジスタやPMOSトランジスタを構成することができるものであれば、その材料、膜厚、形状及び大きさ、不純物濃度等は特に限定されない。例えば、ゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜により形成されていることが適当であり、膜厚は1〜10nm程度が挙げられる。ゲート電極は、ポリシリコンにより形成されていることが適当であり、膜厚は70〜500nm程度が挙げられる。ソース/ドレイン領域は、不純物濃度が、例えば、1018〜1020cm-3程度が挙げられる。なお、ゲート電極の側壁には、絶縁膜によりサイドウォールスペーサが形成されていてもよい。また、ソース/ドレイン領域は、チャネル領域側にLDD領域を備えていてもよい。
【0019】
チャネル領域には、NMOS及びPMOSトランジスタの何れにおいても、pウェルにおけるp型不純物よりも高濃度にp型不純物が含有された領域、つまりp型高濃度不純物領域が、一定の深さ方向の幅を有する帯状に配置している。ここで、チャネル領域とは、通常トランジスタがオンする場合に反転する領域のみならず、一般にチャネル注入で閾値電圧が制御できる範囲の領域をも包含する。例えば、チャネル領域の幅は、ゲート絶縁膜下の半導体基板表面から30nm程度の範囲が挙げられる。
【0020】
p型高濃度不純物領域は、得ようとするCMOSの特性、サイズ等により異なるが、少なくとも20nm程度の幅でチャネル領域に配置していることが好ましい。ただし、p型高濃度不純物領域の深さ方向の全幅がこれ以上の場合には、その深さ方向の全領域においてチャネル領域とオーバーラップしていてもよいが、p型高濃度不純物領域の一部がゲート絶縁膜やゲート電極内に及んでいてもよい。p型高濃度不純物領域の深さ方向の全幅は、50〜100nm程度が適当である。p型高濃度不純物領域に含有されるp型不純物濃度は、得ようとするNMOSトランジスタの動作電圧、閾値等によって適宜調整することができ、例えば、1017〜1018cm-3程度が挙げられる。ここで、p型高濃度不純物領域は、p型不純物の注入ピーク一を中心にして全注入量の50%程度のイオンを含む幅を意味する。例えば、ガウス分布関数によると、ピーク一から片側ΔRpの0.675倍の範囲内に全イオンの50%が存在することとなる。ΔRpは不純物の注入エネルギー等によって変動するので、例えば、ボロンでは、40keVのときΔRp=40nm、幅は54nmであり、70keVのときΔRp=60nm、幅は81nmである。
【0021】
なお、PMOSトランジスタのチャネル領域においては、p型高濃度不純物領域が、NMOSトランジスタのチャネル領域と同様に配置していたとしても、n型不純物がp型不純物濃度を上回る量で含有されており、結果として、n型の導電型を示す。ここでのn型不純物は、p型高濃度不純物領域におけるp型不純物により相殺された後の濃度として、1017〜1018cm-3程度が挙げられる。
【0022】
また、p型高濃度不純物領域は、NMOS及びPMOSトランジスタのチャネル領域のみならず、ソース/ドレイン領域とウェルとの境界を含む領域に、それぞれ配置していてもよい。また、LDD領域が形成されている場合には、LDD領域内の一部に又はLDD領域とウェルとの境界を含む領域に、それぞれ配置していてもよい。
【0023】
本発明の半導体装置の製造方法においては、まず、工程(a)において、半導体基板上のNMOS及びPMOSトランジスタ形成領域に、pウェル及びnウェル、ゲート絶縁膜及びゲート電極をそれぞれ形成する。pウェル及びnウェルは、公知の方法、例えば、フォトリソグラフィ及びエッチング工程により、各領域上に開口を有するレジストマスクを形成し、このレジストマスクを用いてp型又はn型の不純物をそれぞれイオン注入することにより形成することができる。また、ゲート絶縁膜及びゲート電極は、当該分野で公知の方法により成膜し、パターニングすることにより形成することができる。
【0024】
なお、特にPMOSトランジスタ形成領域には、nウェルを形成するためのn型不純物をイオン注入した後又はその前に、nウェルを形成するために使用するレジストマスクを利用して、半導体基板表面に、p型高濃度不純物領域に導入されるp型不純物濃度を上回る量のn型不純物を導入しておくことが好ましい。この場合のイオン注入は、例えば、得ようとするCMOSの特性、動作電圧、サイズ、p型高濃度不純物領域の不純物濃度等により適宜調整することができ、例えば、砒素イオンを、1〜5×1013cm-2程度のドーズ、120keV程度の加速エネルギーが挙げられる。
【0025】
また、LDD領域を形成する場合には、ゲート電極を形成した後、工程(b)の前に、ゲート電極をマスクとして用いてp型又はn型の不純物をイオン注入することにより、LDD領域を形成し、その後、ゲート電極を含む半導体基板上全面に絶縁膜を形成し、エッチバックすることにより、ゲート電極の側壁にサイドウォールスペーサを形成することが好ましい。LDD領域形成のイオン注入は、例えば、砒素イオンを5〜20keV程度の加速エネルギー、1×1014〜1015cm-2程度のドーズ又はBF2 +を5〜20keV程度の加速エネルギー、1×1014〜1015cm-2程度のドーズで行うことができる。
【0026】
次いで、工程(b)において、NMOS及びPMOSトランジスタ形成領域に、ゲート電極(あるいはゲート電極とサイドウォールスペーサ)をマスクとしてn型又はp型不純物をイオン注入し、熱処理を行ってソース/ドレイン領域をそれぞれ形成する。ここでのイオン注入の条件は特に限定されるものではなく、例えば、砒素イオンを30〜50keV程度の加速エネルギー、5×1014〜5×1015cm-2程度のドーズ又はBF2 +を10〜50keV程度の加速エネルギー、5×1014〜5×1015cm-2程度のドーズが挙げられる。熱処理は、ランプアニール、炉アニール、RTA法等の種々の方法によって行うことができる。例えば、ランプアニールにより、1000〜1100℃程度の温度範囲、5〜20秒間程度が挙げられる。
【0027】
工程(c)において、半導体基板全面にゲート電極を貫通してp型不純物をイオン注入し、熱処理を行って、ゲート電極直下のチャネル領域に深さ方向の幅が一定の帯状のp型高濃度不純物領域を、その一部又は全部が配置するように形成する。ここでのイオン注入は、ゲート電極の膜厚、ソース/ドレイン領域の深さ、イオン種等により適宜調整することができ、例えば、イオン注入の注入ピーク深さが、ゲート電極の下半分からソース/ドレイン領域の深さの上半分の範囲内になるように設定することができ、ゲート絶縁膜とチャネル領域表面との境界付近になるように設定することが好ましく、さらに、ソース/ドレイン領域とウェルとの境界付近になるように設定することが好ましく、ソース/ドレイン領域とウェルとの境界直下になるように設定することがより好ましい。具体的には、ボロンイオン又はBF2 +を、50〜90keV程度の加速エネルギー、1×1012〜1013cm-2程度のドーズでイオン注入することが挙げられる。また、別の観点から、上記ゲート絶縁膜及びゲート電極の膜厚、ソース/ドレイン領域の不純物濃度等を考慮して、イオン注入の注入ピーク深さが、100〜300nm程度に設定することができる。また、熱処理は、上記と同様の方法により行うことができる。このようなイオン注入及び熱処理を行うことにより、最終的に、p型高濃度不純物領域が、その一部又は全部をチャネル領域に配置することができる。
【0028】
本発明の半導体装置の製造方法では、上記一連の工程の後、さらに、層間絶縁膜の形成、コンタクトホールの形成、配線層の形成、半導体基板表面又は得られた半導体基板表面の洗浄等の半導体プロセスにおける工程を任意に組み合わせることにより、本発明の半導体装置を完成させることができる。
【0029】
以下に本発明の半導体装置及びその製造方法を、図面に基づいて詳しく説明する。
【0030】
この実施の形態における半導体装置であるCMOSトランジスタ37は、図1に示したように、素子分離絶縁膜1を有するシリコン基板4上に形成されたNMOSトランジスタ2とPMOSトランジスタ3とから構成される。
【0031】
NMOSトランジスタ2は、シリコン基板4表面に形成されたpウェル5上にゲート絶縁膜9を介してゲート電極10が形成されており、ゲート電極10の側壁にはサイドウォールスペーサ13が形成されている。また、チャネル領域7に隣接して、サイドウォールスペーサ13直下には、LDD領域11が形成されており、LDD領域11に隣接してソース/ドレイン領域14が形成されている。また、チャネル領域7には、深さ方向に一定の幅(例えば、80nm程度)を有し、1017〜1018cm-3程度のボロンイオンを含む帯状のp型高濃度不純物領域16が形成されている。
【0032】
なお、図2に示したように、p型高濃度不純物領域16は、その一部がチャネル領域7に配置しているのであれば、ゲート絶縁膜9やゲート電極10内に配置していてもよい。
【0033】
また、NMOSトランジスタ2の閾値電圧は、p型高濃度不純物領域16の不純物濃度を調整することにより制御することができる。
【0034】
PMOSトランジスタ3は、シリコン基板4表面に形成されたnウェル6上に、NMOSトランジスタ2と同様に、ゲート絶縁膜9、ゲート電極10、サイドウォールスペーサ13が形成されており、チャネル領域8に隣接して、LDD領域12、ソース/ドレイン領域15が形成されている。また、チャネル領域8には、NMOSトランジスタ2と同様に、p型高濃度不純物領域16が形成されている。
【0035】
なお、PMOSトランジスタ3のチャネル領域8は、砒素イオンが1017〜1018cm-3程度の濃度で導入されているため、p型高濃度不純物16の導電型は相殺されている。また、PMOSトランジスタ3のソース/ドレイン領域15では、p型高濃度不純物領域16は、ソース/ドレイン領域15の直下に位置するため、PMOSトランジスタ3のパンチスルー耐圧劣化を防止し、ソース/ドレイン領域15の下に新たな接合が形成されることはないので、基板電位を適正に保つことができる。
【0036】
このような半導体装置は、以下の方法により形成することができる。
【0037】
まず、図3(a)に示したように、p型シリコン基板4に素子分離絶縁膜1を形成し、NMOSトランジスタ形成領域17とPMOSトランジスタ形成領域18とに分離する。次いで、シリコン基板4全面に注入保護膜としてシリコン酸化膜19を形成する。
【0038】
その後、図3(b)に示したように、PMOSトランジスタ形成領域18を被覆するレジストマスク20を形成し、NMOSトランジスタ形成領域17にp型不純物としてボロンイオンを注入してpウェル5を形成する。
【0039】
同様に、図4(c)に示したように、PMOSトランジスタ形成領域18にn型不純物としてリンイオンを注入してnウェル6を形成する。
【0040】
次いで、砒素イオンを1013cm-2程度のドーズで注入してチャネル領域8を形成する。
【0041】
続いて、シリコン酸化膜19をウェットエッチングした後、図4(d)に示したように、シリコン基板4全面に膜厚3.4nm程度のゲート絶縁膜9及び膜厚150nm程度のポリシリコン膜22を形成する。
【0042】
次いで、図5(e)に示したように、ゲート絶縁膜9及びポリシリコン膜22をパターニングしてゲート電極10を形成する。
【0043】
その後、図5(f)に示したように、PMOSトランジスタ形成領域18を被覆するレジストマスク23を形成し、NMOSトランジスタ形成領域17にn型不純物として砒素イオンを、10keVの加速エネルギー、5×1014cm-2で注入して、LDD領域11をシリコン基板4表面に形成する。
【0044】
続いて、図6(g)に示したように、NMOSトランジスタ形成領域17を被覆するレジストマスク24を形成し、PMOSトランジスタ形成領域18にp型不純物としてBF2 +を、10keVの加速エネルギー、1.2×1014cm-2で注入して、LDD領域12をシリコン基板4表面に形成する。
【0045】
次いで、シリコン基板4全面にシリコン窒化膜を形成し、エッチバックすることにより、図6(h)に示したように、ゲート電極10の側壁にサイドウォールスペーサ13を形成する。
【0046】
その後、図7(i)に示したように、PMOSトランジスタ形成領域18を被覆するレジストマスク25を形成し、NMOSトランジスタ形成領域17にn型不純物として砒素イオンを、50keVの加速エネルギー、3×1015cm-2のドーズで注入して、ソース/ドレイン領域14をシリコン基板4表面に形成する。
【0047】
同様に、図7(j)に示したように、NMOSトランジスタ形成領域17を被覆するレジストマスク26を形成し、PMOSトランジスタ形成領域18にp型不純物としてBF2 +を、30keVの加速エネルギー、2×1015cm-2で注入して、ソース/ドレイン領域15をシリコン基板4表面に形成する。なお、この段階では、ソース/ドレイン領域14、15は電気的にまだ不活性であり、その周辺には多数の点欠陥が存在する。
【0048】
次に、例えば1050℃で10秒間のランプ加熱により、活性化アニールを行う。これにより、ソース/ドレイン領域14、15が活性化されるとともに、点欠陥が消滅する。
【0049】
続いて、図8(k)に示したように、ボロンイオンを、70keVの加速エネルギー、1012〜1013cm-2程度のドーズで、ゲート電極を貫通させてシリコン基板4全表面にイオン注入し、p型高濃度不純物領域16を形成する。このとき、ゲート電極10が形成された領域でのイオン注入のピーク深さは、ゲート電極10下方からソース/ドレイン領域14、15の深さの半分の範囲内にくるように設定し、p型高濃度不純物領域16の深さ方向の全部又は一部がチャネル領域7、8内に配置するように設定する。なお、ソース/ドレイン領域14、15でのイオン注入のピーク深さは、ソース/ドレイン領域14、15直下にくるように設定する。つまり、イオン注入のピーク深さはゲート電極の厚さとソース/ドレイン領域の深さに応じて調整する。
【0050】
その後、上記と同様に、再度活性化アニールを行い、p型高濃度不純物領域16を活性化させる。このとき、1回目の熱処理で点欠陥はすでに消滅しているので、ボロンイオンの増速拡散が起こることはない。
【0051】
上記のような半導体装置の製造方法で作成したCMOSトランジスタにおけるNMOSトランジスタでは、図9に示したように、ゲート電極10が形成された領域での深さ方向のボロンイオンの分布は、従来法で見られるような基板表面でのボロン濃度の急激な上昇が見られず、増速拡散が発生していないことを示す。
【0052】
また、このようなNMOSトランジスタの閾値電圧変動量(逆チャネル効果の度合い)を図10に示す。このようなNMOSトランジスタにおいては、増速拡散が発生していないので、従来法のようにチャネル長が短い場合でも、閾値上昇が見られず、逆短チャネル効果が十分に抑制されていることが分かる。
【0053】
さらに、上記のような半導体装置の製造方法で作成したCMOSトランジスタにおけるPMOSトランジスタにおけるパンチスルー耐圧のゲート依存性を、図11に示す。なお、ここでのパンチスルー耐圧とは、ゲート電圧が0V(Vgs=Vbs=Vs=0V)で1μAのドレイン電流Idが流れるときのドレイン電圧で定義される。この実施例では、電源電圧として1.8Vを使用している。
【0054】
図11によれば、このようなPMOSトランジスタでは従来法と比較しても、耐圧の劣化が見られない。
【0055】
また、このようなPMOSトランジスタの閾値電圧の基板バイアス電圧依存性を、図12に示す。ここでの基板バイアス電圧依存性とは、基板電圧を変動させたときの3極管閾値電圧の変動量で定義され、Vds=0.05V、Vs=0V、Vbsを変動させてGmMax時のVg−Id曲線の接線の外挿で閾値電圧を読み取った。
【0056】
図12によれば、このようなPMOSトランジスタでは、従来法と比較しても、差異はみられない。
【0057】
上記のような半導体装置の製造方法で作成したCMOSトランジスタにおけるNMOS及びPMOSトランジスタにおける接合ダイオード特性を、図13に示す。ここでの接合ダイオード特性とは、PN接合において逆バイアスを印加した場合のI−V特性であり、動作電圧(1.8V)時の電流量(漏れ電流量)の上限と真性破壊電圧に上限を設けている。基板電位Vbs=0Vに固定、ソース/ドレイン領域に0〜10Vの逆バイアスを印加してI−V曲線を得た。
【0058】
図13によれば、いずれのトランジスタにおいても適正な耐圧が得られている。従来法のように、PMOSトランジスタ領域をマスクすることなくNMOSトランジスタの閾値制御用のボロンイオンを、ゲート電極を貫いて全面注入しても、注入ピーク深さを調整することにより、PMOSトランジスタで適正な特性を得ることができる。
【0059】
【発明の効果】
本発明によれば、NMOS及びPMOSトランジスタのチャネル領域に、深さ方向の幅が一定の帯状のp型高濃度不純物領域が配置しており、かつ、前記PMOSトランジスタのチャネル領域に、前記p型高濃度不純物領域のp型不純物濃度を上回る量のn型不純物が存在するため、フォトリソグラフィ工程を最小限にとどめながら、NMOSトランジスタの逆短チャネル効果による閾値のシフトを防止することができるとともに、PMOSトランジスタにおいては、良好なパンチスルー耐圧を維持することができる。
【0060】
また、NMOSトランジスタのソース/ドレイン領域とpウェルとの境界を含む領域及びPMOSトランジスタのソース/ドレイン領域とnウェルとの境界を含む領域に、それぞれp型高濃度不純物領域が配置する場合には、特にPMOSトランジスタにおいてソース/ドレイン領域下に新たな接合が形成されることなく、ウェル電位を適切に制御することが可能となる。
【0061】
さらに、本発明によれば、ソース/ドレイン領域形成のためのイオン注入をした後、活性化のための熱処理を行い、その後、半導体基板上全面に、ゲート電極を貫通してp型不純物をイオン注入して熱処理を行うため、NMOSトランジスタにおける増速拡散による逆短チャネル効果による閾値のシフトを、フォトリソグラフィ工程を追加することなく簡便な方法によって、有効に防止することができる。よって、製造コストの削減及びCMOSトランジスタの特性の劣化を防止して歩留まりの向上を実現することができる。
【0062】
特に、工程(c)でのイオン注入における注入ピーク深さが、ゲート電極の下半分からソース/ドレイン領域の深さの上半分の範囲内となるとともに、ソース/ドレイン領域とウェルとの境界直下になるように設定する場合には、PMOSトランジスタにおいて新たなPN接合の形成を回避することができ、容易にウェル電位を適切に制御することが可能となるとともに、パンチスルー耐圧の劣化を回避することができる。
【0063】
また、工程(a)のnウェル形成の直前又は直後に、半導体基板表面に、p型高濃度不純物領域に導入されるp型不純物濃度を上回る量のn型不純物を導入する場合には、高濃度のp型不純物を確実に相殺することができ、PMOSトランジスタの閾値電圧を容易に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の要部の概略断面図である。
【図2】本発明の別の半導体装置の要部の概略断面図である。
【図3】本発明の半導体装置の製造方法を説明するための要部の概略断面工程図である。
【図4】本発明の半導体装置の製造方法を説明するための要部の概略断面工程図である。
【図5】本発明の半導体装置の製造方法を説明するための要部の概略断面工程図である。
【図6】本発明の半導体装置の製造方法を説明するための要部の概略断面工程図である。
【図7】本発明の半導体装置の製造方法を説明するための要部の概略断面工程図である。
【図8】本発明の半導体装置の製造方法を説明するための要部の概略断面工程図である。
【図9】本発明の半導体装置におけるNMOSトランジスタのゲート電極部分のボロンイオンの深さ方向の分布をシュミレーションした図である。
【図10】本発明の半導体装置におけるNMOSトランジスタの閾値電圧の変動を示す特性図である。
【図11】本発明の半導体装置におけるPMOSトランジスタのパンチスルー耐圧のゲート長依存性を示す特性図である。
【図12】本発明の半導体装置におけるPMOSトランジスタの閾値電圧の基板バイアス電圧依存性を示す特性図である。
【図13】本発明の半導体装置におけるNMOS及びPMOSトランジスタの接合ダイオード特性を示す図である。
【図14】従来のCMOSトランジスタの製造方法を説明するためのCMOSトランジスタの概略断面図である。
【図15】従来のCMOSトランジスタの構成を示す要部の概略断面図である。
【符号の説明】
1 素子分離絶縁膜
2 NMOSトランジスタ
3 PMOSトランジスタ
4 シリコン基板
5 pウェル
6 nウェル
7、8 チャネル領域
9 ゲート絶縁膜
10 ゲート電極
11、12 LDD領域
13 サイドウォールスペーサ
14、15 ソース/ドレイン領域
16 p型高濃度不純物領域
17 NMOSトランジスタ形成領域
18 PMOSトランジスタ形成領域
19 シリコン酸化膜
20、21、23、24、25、26 レジストマスク
22 ポリシリコン膜
37 CMOSトランジスタ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device in which a threshold voltage is well controlled and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art and problems to be solved by the invention]
Conventionally, an LSI excellent in low power consumption has been realized by a CMOS transistor in which an NMOS transistor and a PMOS transistor are mixedly mounted on the same semiconductor substrate.
[0003]
However, due to the recent miniaturization and higher integration of CMOS transistors, there is a problem of a short channel effect in which the threshold voltage decreases as the gate length of the transistors constituting the CMOS transistor becomes shorter. In particular, in the NMOS transistor, as shown by white circles in FIG. 10, the threshold voltage is temporarily increased as the channel length is shortened by introducing boron, which is a p-type impurity, into the channel region by the channel doping method. The problem is that the reverse short channel effect occurs.
[0004]
Usually, when forming an NMOS transistor, boron ions are introduced as a p-type impurity in advance in order to adjust the threshold voltage in the channel region, and then a gate electrode or the like is formed to form an LDD region or source / drain. 1 × 10 for area formation14~ 1x1015cm-2About n-type impurities are ion-implanted into the semiconductor substrate, and then heat treatment is performed to activate the impurities.
[0005]
However, the crystal structure of the semiconductor substrate is destroyed by the ion implantation for forming the LDD region and the source / drain region, and a large number of point defects are generated. The boron ions present in the crystal pair with point defects, and so-called "accelerated diffusion" occurs, and the boron concentration becomes extremely high at both ends of the channel region (boron ion pile-up).
[0006]
Therefore, in the NMOS transistor, the boron concentration in the channel region tends to increase as the channel length becomes shorter, and the threshold voltage increases more rapidly than the designed value (CS Rafferty et al. “Explanation of Reverse Short Channel Effect by Defect Gradients”). , IEDM93, p311-314).
[0007]
When the reverse short channel effect in such an NMOS transistor becomes significant, the threshold voltage largely fluctuates due to a slight gate length variation, and the controllability of the threshold voltage deteriorates.
[0008]
Therefore, a method for manufacturing a CMOS transistor in which the reverse short channel effect is suppressed has been proposed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-18047 and 8-78682.
[0009]
According to these methods, as shown in FIG. 14, in the NMOS and PMOS transistor formation regions 27 and 28, after performing impurity ion implantation and activation annealing for forming the source / drain regions 31 and 32, In the NMOS transistor formation region 27, boron ions are introduced into the channel region by the implantation energy penetrating the gate electrode 33 (see 29 in FIG. 14). As a result, point defects generated at the time of ion implantation for forming the source / drain regions 31 and 32 can be reduced, and accelerated diffusion is prevented.
[0010]
However, when boron ions are implanted into the channel region in both the NMOS and PMOS transistor formation regions 27 and 28, the PMOS transistor is attributed to the boron ions implanted into the PMOS transistor formation region 28. Not only lowers the punch-through breakdown voltage, but also forms a new junction under the source / drain region 32, resulting in a problem that the substrate potential cannot be maintained properly.
[0011]
In order to avoid such a problem, as shown in FIG. 15, after covering the PMOS transistor formation region 28 with a resist mask 30, boron ions are implanted only into the channel region of the NMOS transistor formation region 27 (FIG. 15). 15 (see 29, 15)), there arises a problem that the number of photolithography steps for covering the PMOS transistor formation region 28 increases.
[0012]
The present invention has been made in view of the above problems, and in the CMOS transistor, without adding a photolithography step, further prevents the accelerated diffusion of boron ions and suppresses the reverse short channel effect of the NMOS transistor, At the same time, an object of the present invention is to provide a semiconductor device which can control the threshold value of the PMOS transistor to a desired value and prevent the punch-through breakdown voltage from deteriorating and maintain the PMOS transistor characteristics appropriately, and a method for manufacturing the same.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  According to the present invention, (a) forming a p-well and an n-well, a gate insulating film and a gate electrode in NMOS and PMOS transistor formation regions on a silicon semiconductor substrate,
(B) In the NMOS and PMOS transistor formation regions, n-type impurities andAnd BF2 +Ion source and heat treatment to form source / drain regions,
(C) Boron ions or BF penetrating through the gate electrode all over the silicon semiconductor substrate2 +TheThe implantation peak depth is in the range from the lower half of the gate electrode to the upper half of the depth of the source / drain region, and immediately below the boundary between the source / drain region and the well.Ion implantation and heat treatment are performed to form a band-shaped boron ion or BF having a constant width in the depth direction in the channel region immediately below the gate electrode.2 +Forming a high-concentration region in this order so as to overlap the channel region in part or all of the width in the depth direction,
  Immediately before or immediately after the formation of the n-well in step (a), using the n-well formation mask, boron ions or BF implanted in the step (c) into the channel region immediately below the gate electrode of the PMOS transistor.2 +A method for manufacturing a semiconductor device is provided, wherein an n-type impurity in an amount exceeding the concentration is introduced.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The semiconductor device of the present invention is a CMOS transistor configured by forming an NMOS transistor and a PMOS transistor on a p-well and an n-well formed on the surface of a semiconductor substrate.
[0016]
As the semiconductor substrate used in the semiconductor device of the present invention, various substrates such as elemental semiconductor substrates such as silicon and germanium, substrates made of compound semiconductors such as GaAs and InGaAs, SOI substrates, and multilayer SOI substrates can be used. . Of these, a silicon substrate is preferable. The semiconductor substrate has a semiconductor element or circuit such as a transistor or a capacitor on its surface; a wiring layer; an element isolation region such as a LOCOS film, a trench element isolation film, or an STI (Shallow Trench Isolation) film; an insulating film or the like. It may be formed.
[0017]
It is sufficient that at least one p well and n well are formed on the surface of the semiconductor substrate. The impurity concentration of these wells is not particularly limited.17-1018cm-3Degree.
[0018]
An NMOS transistor and a PMOS transistor are formed on the p well and the n well, respectively. These transistors have a gate insulating film, a gate electrode, a channel region, and a source / drain region. The gate insulating film, the gate electrode, and the source / drain region here can be any material, film thickness, shape, and size as long as they can constitute an NMOS transistor or a PMOS transistor as used in a normal CMOS transistor. The impurity concentration is not particularly limited. For example, the gate insulating film is suitably formed of a silicon oxide film, and the film thickness is about 1 to 10 nm. The gate electrode is suitably formed of polysilicon, and the film thickness is about 70 to 500 nm. The source / drain region has an impurity concentration of, for example, 1018-1020cm-3Degree. Note that sidewall spacers may be formed on the sidewalls of the gate electrodes by insulating films. Further, the source / drain region may include an LDD region on the channel region side.
[0019]
In both the NMOS and PMOS transistors, the channel region contains a region containing p-type impurities at a higher concentration than the p-type impurity in the p-well, that is, the p-type high-concentration impurity region has a certain width in the depth direction. It arrange | positions in the strip | belt shape which has. Here, the channel region includes not only a region that is normally inverted when the transistor is turned on, but also a region in a range in which the threshold voltage can generally be controlled by channel implantation. For example, the channel region has a width of about 30 nm from the surface of the semiconductor substrate under the gate insulating film.
[0020]
The p-type high-concentration impurity region differs depending on the characteristics, size, etc. of the CMOS to be obtained, but is preferably arranged in the channel region with a width of at least about 20 nm. However, if the entire width in the depth direction of the p-type high-concentration impurity region is greater than this, the entire region in the depth direction may overlap the channel region. The portion may extend into the gate insulating film or the gate electrode. The total width in the depth direction of the p-type high concentration impurity region is suitably about 50 to 100 nm. The p-type impurity concentration contained in the p-type high-concentration impurity region can be appropriately adjusted depending on the operating voltage, threshold value, etc. of the NMOS transistor to be obtained.17-1018cm-3Degree. Here, the p-type high concentration impurity region means a width including ions of about 50% of the total implantation amount centering on one implantation peak of the p-type impurity. For example, according to the Gaussian distribution function, 50% of all ions are present within a range from the peak one to 0.675 times ΔRp on one side. Since ΔRp varies depending on the impurity implantation energy and the like, for example, in boron, ΔRp = 40 nm and the width are 54 nm at 40 keV, and ΔRp = 60 nm and the width are 81 nm at 70 keV.
[0021]
In the channel region of the PMOS transistor, even if the p-type high concentration impurity region is arranged similarly to the channel region of the NMOS transistor, the n-type impurity is contained in an amount exceeding the p-type impurity concentration. As a result, n-type conductivity is shown. Here, the n-type impurity has a concentration after being offset by the p-type impurity in the p-type high-concentration impurity region.17-1018cm-3Degree.
[0022]
Further, the p-type high concentration impurity region may be arranged not only in the channel region of the NMOS and PMOS transistors but also in a region including the boundary between the source / drain region and the well. Further, when the LDD region is formed, the LDD region may be arranged in a part of the LDD region or in a region including the boundary between the LDD region and the well.
[0023]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, first, in step (a), a p-well and an n-well, a gate insulating film, and a gate electrode are formed in NMOS and PMOS transistor formation regions on a semiconductor substrate, respectively. For the p-well and n-well, a resist mask having an opening on each region is formed by a known method, for example, photolithography and etching, and p-type or n-type impurities are ion-implanted using the resist mask. Can be formed. Further, the gate insulating film and the gate electrode can be formed by forming and patterning by a method known in the art.
[0024]
In particular, in the PMOS transistor formation region, a resist mask used for forming the n well is used on the surface of the semiconductor substrate after or before ion implantation of an n-type impurity for forming the n well. It is preferable to introduce an n-type impurity in an amount exceeding the p-type impurity concentration introduced into the p-type high concentration impurity region. The ion implantation in this case can be appropriately adjusted depending on, for example, the characteristics of the CMOS to be obtained, the operating voltage, the size, the impurity concentration of the p-type high-concentration impurity region, etc. 1013cm-2About a dose, about 120 keV acceleration energy.
[0025]
In the case of forming the LDD region, after forming the gate electrode and before the step (b), the LDD region is formed by ion implantation of p-type or n-type impurities using the gate electrode as a mask. After that, an insulating film is preferably formed on the entire surface of the semiconductor substrate including the gate electrode, and etched back to form sidewall spacers on the side walls of the gate electrode. The ion implantation for forming the LDD region is, for example, acceleration energy of about 5 to 20 keV for arsenic ions, 1 × 1014-1015cm-2Degree dose or BF2 +Acceleration energy of about 5 to 20 keV, 1 × 1014-1015cm-2It can be performed at a moderate dose.
[0026]
Next, in step (b), n-type or p-type impurities are ion-implanted into the NMOS and PMOS transistor formation regions using the gate electrode (or gate electrode and sidewall spacer) as a mask, and heat treatment is performed to form source / drain regions. Form each one. The ion implantation conditions here are not particularly limited. For example, arsenic ions are accelerated at an energy of about 30 to 50 keV and 5 × 10 5.14~ 5x1015cm-2Degree dose or BF2 +Acceleration energy of about 10 to 50 keV, 5 × 1014~ 5x1015cm-2About a dose. The heat treatment can be performed by various methods such as lamp annealing, furnace annealing, and RTA method. For example, a temperature range of about 1000 to 1100 ° C. and about 5 to 20 seconds may be mentioned by lamp annealing.
[0027]
In the step (c), a p-type impurity is ion-implanted through the gate electrode over the entire surface of the semiconductor substrate, heat treatment is performed, and a band-shaped p-type high concentration with a constant width in the depth direction is formed in the channel region immediately below the gate electrode. The impurity regions are formed so that part or all of them are arranged. The ion implantation here can be adjusted as appropriate depending on the film thickness of the gate electrode, the depth of the source / drain region, the ion species, and the like. Can be set to be within the upper half of the depth of the / drain region, preferably set to be near the boundary between the gate insulating film and the surface of the channel region, It is preferably set so that it is close to the boundary with the well, and more preferably set so that it is immediately below the boundary between the source / drain region and the well. Specifically, boron ions or BF2 +Acceleration energy of about 50 to 90 keV, 1 × 1012-1013cm-2It is possible to implant ions with a moderate dose. From another viewpoint, the implantation peak depth of ion implantation can be set to about 100 to 300 nm in consideration of the film thickness of the gate insulating film and the gate electrode, the impurity concentration of the source / drain regions, and the like. . Moreover, heat processing can be performed by the method similar to the above. By performing such ion implantation and heat treatment, a part or all of the p-type high concentration impurity region can be finally arranged in the channel region.
[0028]
In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, after the above-described series of steps, the semiconductor further includes the formation of an interlayer insulating film, the formation of contact holes, the formation of a wiring layer, and the cleaning of the surface of the semiconductor substrate or the surface of the obtained semiconductor substrate. The semiconductor device of the present invention can be completed by arbitrarily combining the steps in the process.
[0029]
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0030]
As shown in FIG. 1, the CMOS transistor 37 which is a semiconductor device in this embodiment includes an NMOS transistor 2 and a PMOS transistor 3 formed on a silicon substrate 4 having an element isolation insulating film 1.
[0031]
In the NMOS transistor 2, a gate electrode 10 is formed on a p-well 5 formed on the surface of a silicon substrate 4 via a gate insulating film 9, and a side wall spacer 13 is formed on the side wall of the gate electrode 10. . An LDD region 11 is formed adjacent to the channel region 7 and immediately below the sidewall spacer 13, and a source / drain region 14 is formed adjacent to the LDD region 11. The channel region 7 has a certain width (for example, about 80 nm) in the depth direction, and 1017-1018cm-3A band-shaped p-type high concentration impurity region 16 containing a certain amount of boron ions is formed.
[0032]
As shown in FIG. 2, the p-type high concentration impurity region 16 may be disposed in the gate insulating film 9 or the gate electrode 10 as long as a part thereof is disposed in the channel region 7. Good.
[0033]
The threshold voltage of the NMOS transistor 2 can be controlled by adjusting the impurity concentration of the p-type high concentration impurity region 16.
[0034]
In the PMOS transistor 3, a gate insulating film 9, a gate electrode 10, and a sidewall spacer 13 are formed on an n well 6 formed on the surface of the silicon substrate 4, adjacent to the channel region 8. Thus, the LDD region 12 and the source / drain region 15 are formed. Further, a p-type high concentration impurity region 16 is formed in the channel region 8 as in the NMOS transistor 2.
[0035]
In the channel region 8 of the PMOS transistor 3, arsenic ions are 1017-1018cm-3Since it is introduced at a certain concentration, the conductivity type of the p-type high concentration impurity 16 is offset. In the source / drain region 15 of the PMOS transistor 3, the p-type high concentration impurity region 16 is located immediately below the source / drain region 15. Since no new junction is formed under the substrate 15, the substrate potential can be kept appropriate.
[0036]
Such a semiconductor device can be formed by the following method.
[0037]
First, as shown in FIG. 3A, the element isolation insulating film 1 is formed on the p-type silicon substrate 4 and separated into the NMOS transistor formation region 17 and the PMOS transistor formation region 18. Next, a silicon oxide film 19 is formed as an implantation protection film on the entire surface of the silicon substrate 4.
[0038]
Thereafter, as shown in FIG. 3B, a resist mask 20 covering the PMOS transistor formation region 18 is formed, and boron ions are implanted as p-type impurities into the NMOS transistor formation region 17 to form the p well 5. .
[0039]
Similarly, as shown in FIG. 4C, phosphorus ions are implanted as n-type impurities into the PMOS transistor formation region 18 to form the n-well 6.
[0040]
Then, arsenic ions are13cm-2The channel region 8 is formed by implantation at a moderate dose.
[0041]
Subsequently, after the silicon oxide film 19 is wet etched, as shown in FIG. 4D, the gate insulating film 9 having a thickness of about 3.4 nm and the polysilicon film 22 having a thickness of about 150 nm are formed on the entire surface of the silicon substrate 4. Form.
[0042]
Next, as shown in FIG. 5E, the gate electrode 10 is formed by patterning the gate insulating film 9 and the polysilicon film 22.
[0043]
After that, as shown in FIG. 5F, a resist mask 23 covering the PMOS transistor formation region 18 is formed, and arsenic ions as n-type impurities are converted into an NMOS transistor formation region 17 with an acceleration energy of 10 keV, 5 × 10 5.14cm-2Then, the LDD region 11 is formed on the surface of the silicon substrate 4.
[0044]
Subsequently, as shown in FIG. 6G, a resist mask 24 covering the NMOS transistor formation region 17 is formed, and BF as a p-type impurity is formed in the PMOS transistor formation region 18.2 +10 keV acceleration energy, 1.2 × 1014cm-2Then, the LDD region 12 is formed on the surface of the silicon substrate 4.
[0045]
Next, a silicon nitride film is formed on the entire surface of the silicon substrate 4 and etched back to form side wall spacers 13 on the side walls of the gate electrode 10 as shown in FIG.
[0046]
Thereafter, as shown in FIG. 7 (i), a resist mask 25 covering the PMOS transistor formation region 18 is formed, and arsenic ions as n-type impurities are formed in the NMOS transistor formation region 17 with an acceleration energy of 50 keV and 3 × 10 3.15cm-2The source / drain regions 14 are formed on the surface of the silicon substrate 4.
[0047]
Similarly, as shown in FIG. 7J, a resist mask 26 covering the NMOS transistor formation region 17 is formed, and BF as a p-type impurity is formed in the PMOS transistor formation region 18.2 +With an acceleration energy of 30 keV, 2 × 1015cm-2Then, source / drain regions 15 are formed on the surface of the silicon substrate 4. At this stage, the source / drain regions 14 and 15 are still electrically inactive, and there are a number of point defects in the vicinity thereof.
[0048]
Next, activation annealing is performed by, for example, lamp heating at 1050 ° C. for 10 seconds. As a result, the source / drain regions 14 and 15 are activated and the point defects disappear.
[0049]
Subsequently, as shown in FIG. 8 (k), boron ions are converted into acceleration energy of 70 keV, 1012-1013cm-2The p-type high-concentration impurity region 16 is formed by implanting ions into the entire surface of the silicon substrate 4 through the gate electrode with a moderate dose. At this time, the peak depth of the ion implantation in the region where the gate electrode 10 is formed is set to be within a range of half the depth of the source / drain regions 14 and 15 from below the gate electrode 10, and is p-type. All or part of the high concentration impurity region 16 in the depth direction is set in the channel regions 7 and 8. Note that the peak depth of ion implantation in the source / drain regions 14 and 15 is set to be immediately below the source / drain regions 14 and 15. That is, the peak depth of ion implantation is adjusted according to the thickness of the gate electrode and the depth of the source / drain region.
[0050]
Thereafter, similarly to the above, activation annealing is performed again to activate the p-type high concentration impurity region 16. At this time, since point defects have already disappeared by the first heat treatment, accelerated diffusion of boron ions does not occur.
[0051]
As shown in FIG. 9, in the NMOS transistor in the CMOS transistor created by the semiconductor device manufacturing method as described above, the boron ion distribution in the depth direction in the region where the gate electrode 10 is formed is the conventional method. As can be seen, there is no rapid increase in the boron concentration on the substrate surface, indicating that no accelerated diffusion has occurred.
[0052]
FIG. 10 shows the threshold voltage fluctuation amount (degree of reverse channel effect) of such an NMOS transistor. In such an NMOS transistor, no accelerated diffusion occurs, so that even when the channel length is short as in the conventional method, the threshold is not increased, and the reverse short channel effect is sufficiently suppressed. I understand.
[0053]
Further, FIG. 11 shows the gate dependence of the punch-through breakdown voltage in the PMOS transistor in the CMOS transistor produced by the semiconductor device manufacturing method as described above. Here, the punch-through breakdown voltage is defined as a drain voltage when a gate voltage is 0 V (Vgs = Vbs = Vs = 0 V) and a drain current Id of 1 μA flows. In this embodiment, 1.8 V is used as the power supply voltage.
[0054]
According to FIG. 11, such a PMOS transistor does not show any deterioration in breakdown voltage even when compared with the conventional method.
[0055]
FIG. 12 shows the substrate bias voltage dependence of the threshold voltage of such a PMOS transistor. The substrate bias voltage dependency here is defined by the amount of change in the triode threshold voltage when the substrate voltage is varied. Vgs = 0.05V, Vs = 0V, Vbs are varied, and Vg at GMMax. The threshold voltage was read by extrapolation of the tangent line of the -Id curve.
[0056]
According to FIG. 12, such a PMOS transistor has no difference even when compared with the conventional method.
[0057]
FIG. 13 shows the junction diode characteristics of the NMOS and PMOS transistors in the CMOS transistor produced by the semiconductor device manufacturing method as described above. The junction diode characteristics here are IV characteristics when a reverse bias is applied in the PN junction, and the upper limit of the current amount (leakage current amount) at the operating voltage (1.8 V) and the upper limit to the intrinsic breakdown voltage. Is provided. The substrate potential Vbs was fixed at 0 V, and a reverse bias of 0 to 10 V was applied to the source / drain regions to obtain an IV curve.
[0058]
According to FIG. 13, an appropriate breakdown voltage is obtained in any transistor. Even if boron ions for controlling the threshold value of the NMOS transistor are implanted entirely through the gate electrode without masking the PMOS transistor region as in the conventional method, it is appropriate for the PMOS transistor by adjusting the implantation peak depth. Special characteristics can be obtained.
[0059]
【The invention's effect】
According to the present invention, a band-shaped p-type high concentration impurity region having a constant width in the depth direction is disposed in the channel regions of the NMOS and PMOS transistors, and the p-type is disposed in the channel region of the PMOS transistor. Since there is an n-type impurity in an amount exceeding the p-type impurity concentration in the high-concentration impurity region, the threshold shift due to the reverse short channel effect of the NMOS transistor can be prevented while minimizing the photolithography process, and In the PMOS transistor, a good punch-through breakdown voltage can be maintained.
[0060]
In the case where p-type high-concentration impurity regions are arranged in the region including the boundary between the source / drain region of the NMOS transistor and the p-well and the region including the boundary between the source / drain region of the PMOS transistor and the n-well, respectively. In particular, the well potential can be appropriately controlled without forming a new junction below the source / drain region in the PMOS transistor.
[0061]
Further, according to the present invention, after ion implantation for forming the source / drain regions, heat treatment for activation is performed, and then the p-type impurities are ionized through the gate electrode over the entire surface of the semiconductor substrate. Since the heat treatment is performed by implantation, the shift of the threshold due to the reverse short channel effect due to the enhanced diffusion in the NMOS transistor can be effectively prevented by a simple method without adding a photolithography process. Therefore, the manufacturing cost can be reduced and the deterioration of the characteristics of the CMOS transistor can be prevented, thereby improving the yield.
[0062]
In particular, the implantation peak depth in the ion implantation in the step (c) is in the range from the lower half of the gate electrode to the upper half of the depth of the source / drain region, and immediately below the boundary between the source / drain region and the well. Therefore, it is possible to avoid the formation of a new PN junction in the PMOS transistor, to easily control the well potential, and to avoid the deterioration of the punch-through breakdown voltage. be able to.
[0063]
Also, when an n-type impurity in an amount exceeding the p-type impurity concentration introduced into the p-type high-concentration impurity region is introduced into the surface of the semiconductor substrate immediately before or immediately after the n-well formation in the step (a), The p-type impurity having a concentration can be surely offset, and the threshold voltage of the PMOS transistor can be easily controlled.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a main part of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a main part of another semiconductor device of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional process diagram of the main part for explaining the method of manufacturing a semiconductor device of the invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional process diagram of the main part for explaining the method of manufacturing a semiconductor device according to the invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional process diagram of the main part for explaining the method of manufacturing a semiconductor device according to the invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional process diagram of the main part for explaining the method of manufacturing a semiconductor device according to the invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional process diagram of the main part for explaining the method of manufacturing a semiconductor device according to the invention.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional process diagram of the main part for explaining the method of manufacturing a semiconductor device according to the invention.
FIG. 9 is a diagram simulating the boron ion depth distribution in the gate electrode portion of the NMOS transistor in the semiconductor device of the present invention.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing variation in threshold voltage of an NMOS transistor in a semiconductor device of the present invention.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing the gate length dependence of the punch-through breakdown voltage of the PMOS transistor in the semiconductor device of the present invention.
FIG. 12 is a characteristic diagram showing the substrate bias voltage dependence of the threshold voltage of the PMOS transistor in the semiconductor device of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing junction diode characteristics of NMOS and PMOS transistors in the semiconductor device of the present invention.
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of a CMOS transistor for explaining a conventional method of manufacturing a CMOS transistor.
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view of a main part showing a configuration of a conventional CMOS transistor.
[Explanation of symbols]
1 Element isolation insulating film
2 NMOS transistor
3 PMOS transistor
4 Silicon substrate
5 p-well
6 n-well
7, 8 channel region
9 Gate insulation film
10 Gate electrode
11, 12 LDD region
13 Sidewall spacer
14, 15 Source / drain regions
16 p-type high concentration impurity region
17 NMOS transistor formation region
18 PMOS transistor formation region
19 Silicon oxide film
20, 21, 23, 24, 25, 26 Resist mask
22 Polysilicon film
37 CMOS transistor

Claims (1)

(a)シリコン半導体基板上のNMOS及びPMOSトランジスタ形成領域に、pウェル及びnウェル、ゲート絶縁膜及びゲート電極をそれぞれ形成する工程、
(b)前記NMOS及びPMOSトランジスタ形成領域に、該ゲート電極をマスクとしてそれぞれn型不純物及びB2 +をイオン注入し、熱処理を行ってソース/ドレイン領域をそれぞれ形成する工程、
(c)前記シリコン半導体基板全面に前記ゲート電極を貫通してボロンイオン又はBF2 +、その注入ピーク深さがゲート電極の下半分からソース/ドレイン領域の深さの上半分の範囲内となるとともにソース/ドレイン領域とウェルとの境界直下になるようにイオン注入し、熱処理を行って、前記ゲート電極直下のチャネル領域に深さ方向の幅が一定の帯状のボロンイオン又はBF2 +高濃度領域を、前記深さ方向の幅の一部又は全部で該チャネル領域と重複するように形成する工程をこの順序で含み、
工程(a)のnウェル形成の直前又は直後に、nウェル形成のためのマスクを利用して、PMOSトランジスタのゲート電極直下のチャネル領域に、工程(c)で注入されるボロンイオン又はBF2 +の濃度を上回る量のn型不純物を導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(A) forming a p-well and an n-well, a gate insulating film and a gate electrode in the NMOS and PMOS transistor formation regions on the silicon semiconductor substrate,
(B) step of the the NMOS and PMOS transistor formation region, an n-type impurity及beauty B F 2 + respectively the gate electrode as a mask by ion implantation, to form respectively the source / drain regions by heat treatment,
(C) Boron ions or BF 2 + are penetrated through the gate electrode over the entire surface of the silicon semiconductor substrate , and the implantation peak depth is within the range from the lower half of the gate electrode to the upper half of the depth of the source / drain region. At the same time, ion implantation is performed immediately below the boundary between the source / drain region and the well, and heat treatment is performed, so that a band-like boron ion or BF 2 + with a constant width in the depth direction is formed in the channel region immediately below the gate electrode. Forming a concentration region in this order so as to overlap the channel region in part or all of the width in the depth direction;
Immediately before or after the formation of the n-well in step (a), using the n-well formation mask, boron ions or BF 2 implanted in the step (c) into the channel region immediately below the gate electrode of the PMOS transistor. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising introducing an n-type impurity in an amount exceeding the concentration of + .
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