JP4065797B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。より具体的には、ゲート電極とソース、ドレイン領域との間の容量を減少した半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路において、絶縁ゲート型電界効果型トランジスタが基本素子として多く用いられている。近年、半導体素子の微細化が進むにつれて、短チャネル効果によるゲート長のばらつきや、サブスレッショルド特性の劣化によるリーク電流の増大等が問題になってきている。
【0003】
これらの問題を解決するためには、ソース、ドレイン領域と半導体基板との接合深さを浅くすることが有効であることがよく知られている。しかし、単にソース、ドレイン接合の浅接合化を行うと、短チャネル効果を抑制することは可能となるが、ソース、ドレイン領域(拡散層)の抵抗値が高くなるので、トランジスタの寄生抵抗が大きくなって、電流駆動力が低下するという問題がある。
【0004】
そこで、この問題を解決するために、ゲート電極直下のチャネル領域両側に存在するソース、ドレイン領域を半導体基板上方へ積み上げる構造、言い換えると、ゲート電極の両側にゲート電極側壁絶縁膜を介して設けられると共に、半導体基板まで達するソース、ドレイン拡散層を形成する積み上げ拡散層構造が、特開2000−82815号公報(特許文献1)に開示されている。こうして、ソース、ドレイン領域を半導体基板上方まで積み上げることによって、上記ソース、ドレイン拡散層の厚さを実効的に厚くして低抵抗化を図りつつ、上記ソース、ドレイン接合の深さを浅く形成できるのである。
【0005】
特開2000−82815号公報に開示されている従来のトランジスタの製造方法を、図12〜図14を用いて説明する。図12及び図13は、ゲート電極の長手方向とは垂直な方向の断面図で従来のトランジスタを製造する工程を示すものである。図14は平面図であって、図12(c)から図13(a)へ至る過程で不要な積み上げ層の部分を除去してソース、ドレイン領域が直接つながることを防ぐ工程を説明するものである。
【0006】
まず、図12(a)に示すように、周知の方法によって、半導体基板501に素子分離領域502を設けた後、この半導体基板501と同じ導電型のウェル領域503を形成する。次に、ゲート絶縁膜504、ゲート電極領域505、ゲート電極側壁絶縁膜507を形成する。ここで、上記ゲート電極領域505は多結晶シリコン膜であり、その上にはシリコン酸化膜506が形成されている。ゲート電極側壁絶縁膜507は、シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜で形成されている。
【0007】
次に、図12(b)に示すように、多結晶シリコン膜508が化学的気相成長法(CVD法)により堆積される。なお、上記多結晶シリコン膜508を堆積する場合、ウェル領域503の表面と、堆積した多結晶シリコン膜508との界面に自然酸化膜を極力排除する方法で多結晶シリコン膜508を堆積することが重要となる。何故なら、上記多結晶シリコン膜508にドナーまたはアクセプタとなる不純物を注入して、その後、この不純物を熱処理によりウェル領域503内に固相拡散させるが、ウェル領域503の活性領域表面と多結晶シリコン膜508との界面に自然酸化膜が存在すると、自然酸化膜が不純物拡散のバリアとなって、均一な不純物拡散が阻害されてトランジスタ特性がばらつくからである。この自然酸化膜を制御するために、多結晶シリコン膜508は、予備排気室と露点が常に−100℃以下に保たれた窒素パージ室と堆積炉を備えた低圧CVD(LPCVD)装置を用いて堆積している。
【0008】
次に、図12(c)に示すように、多結晶シリコン膜508を異方性エッチングによりエッチバックすると、シリコン酸化膜506上の多結晶シリコン膜508は除去されて、ゲート電極側壁絶縁膜507の側方に多結晶シリコン膜のサイドウォール509が形成される。このとき、上記サイドウォール509の端が素子分離領域502に重なるように加工される。
【0009】
次に、上記エッチバックを行っただけでは、図14(a)に示すように、ゲート電極領域505の周囲全域にわたって多結晶シリコン膜のサイドウォール509が形成されるため、この状態ではソースとドレインが直接ショートしてトランジスタが正常に動作しない。そこで、図14(b)に示すように、ゲート電極領域505の長手方向の両端の不要な領域520のサイドウォール509を除去してソース、ドレイン領域を分離している。
【0010】
次に、図12(c)に示すゲート電極領域505上のシリコン酸化膜506を、図13(a)に示すように、除去した後、ソース、ドレイン領域形成のための不純物イオン注入及び熱処理が行われる。こうして、ソース、ドレイン領域(拡散層)510及び不純物がドープされたゲート電極511が形成される。このとき、上記ゲート電極511を構成している多結晶シリコン膜の膜厚は、200nmから250nmである。Nチャネルトランジスタに関するイオン注入では、燐イオンが20keVから80keV程度のエネルギーで1×1015〜1×1016/cm程度のドーズ量で注入される。Pチャネルトランジスタに関するイオン注入では、ボロンイオンが10keVから40keV程度のエネルギーで1×1015〜1×1016/cm程度のドーズ量で注入される。注入後の熱処理は、800℃から950℃程度の温度で、10分から120分程度の時間で行われる。あるいは、950℃から1100℃程度の温度で、10秒から60秒程度の時間で急速加熱処理により行われる。
【0011】
上記ソース領域510及びドレイン領域510の各々のうち、ウェル領域503の活性領域とゲート絶縁膜504とが接する界面よりも上方に積み上げられた部分が積み上げ拡散層510aである。
【0012】
次に、図13(b)に示すように、周知のサリサイド工程により、ソース領域510、ドレイン領域510及びゲート電極511上に高融点金属シリサイド膜513が選択的に形成される。次に、周知の方法で、層間絶縁膜514が形成されると共に、コンタクト孔515が層間絶縁膜514の所望の位置にあけられ、さらに、図示していないが、周知の方法により、上部配線が形成される。
【0013】
【特許文献1】
特開2000−82815号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の積み上げ拡散層510aを有する半導体装置は、積み上げ拡散層を有さない半導体装置と比して、ゲート電極511と積み上げ拡散層510aとの間の容量(ひいては、ゲート電極511とソース、ドレイン領域510との間の容量)が大きくなるため、半導体装置の動作速度が遅くなってしまうという問題がある。
【0015】
そこで、本発明の課題は、積み上げ拡散層とゲート電極との間の容量を低減して、高速な半導体装置および製造方法を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の半導体装置は、
半導体基板と、この半導体基板の活性領域上に設けられたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、このゲート電極の両側に位置するソース領域及びドレイン領域とを備え、上記ソース領域及びドレイン領域の各一部は、上記活性領域とゲート絶縁膜との間の界面よりも上方に積み上げられた導電体からなる半導体装置において、
上記導電体と上記ゲート電極との間に、絶縁体を備え、
上記絶縁体の一部は上記ゲート電極よりも上方へ突き出ており、
上記絶縁体の他の一部と上記ゲート電極との間に、空洞が形成されており、
上記ゲート電極よりも上方へ突き出ている上記絶縁体の上記一部と、上記ゲート電極の側面の延長面との間の距離は、上記絶縁体の上記他の一部と上記ゲート電極の側面との間の距離よりも小さいことを特徴としている。
【0017】
上記構成によれば、上記絶縁体の他の一部とゲート電極との間に比誘電率が1と小さな空洞が存在するため、上記積み上げられた導電体とゲート電極との間の容量を低減することができる。したがって、上記ソース領域及びドレイン領域と、ゲート電極との間の容量が小さくなって、高速な半導体装置を得ることができる。
【0018】
【0019】
上記構成によれば、上記積み上げられた導電体とゲート電極との間に、比誘電率が1と小さな空洞に加えて、上記絶縁体を設けているため、両者間の容量を低減できることに加えて、両者の間の絶縁性を良好に保つことができる。
【0020】
【0021】
上記構成によれば、上記ゲート電極と積み上げられた導電体との間の実効的な距離が長いので、両者の絶縁性を良好に保つことができる。また、上記絶縁体がゲート電極よりも上方に突き出ているため、上記空洞を容易に形成することができる。また、上記ゲート電極と絶縁体との間に空洞を形成し、このゲート電極と絶縁体との間の距離が上方では狭く、下方では広いため、この空洞が埋め込まれにくく、確実に空洞を形成することができる。
【0022】
また、1実施の形態では、上記絶縁体の一部は上記導電体よりも上方へ突き出ている。
【0023】
上記実施の形態によれば、上記ゲート電極と積み上げられた導電体との間の実効的な距離が長いので、両者の絶縁性を良好に保つことができる。また、上記絶縁体が導電体よりも上方に突き出ているため、上記空洞を容易に形成することができる。
【0024】
【0025】
【0026】
また、1実施の形態では、上記空洞に面する上記ゲート電極の側壁に、高融点金属シリサイド膜を設けている。
【0027】
上記実施の形態によれば、上記空洞の存在を利用して、上記ゲート電極の側壁に高融点金属シリサイド膜を設けているので、ゲート電極を低抵抗化することができる。
【0028】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体基板上にゲート絶縁膜、ゲート電極及び絶縁膜を順次堆積する工程と、
上記絶縁膜及び上記ゲート電極をパターニングする工程と、
上記ゲート電極の側壁に接するゲート電極側壁絶縁膜を形成する工程と、
上記半導体基板上に導電膜を堆積する工程と、
上記ゲート電極上の上記導電膜が無くなるまでエッチングを行って、上記ゲート電極側壁絶縁膜に接する積み上げられた導電体を形成する工程と、
上記ゲート電極側壁絶縁膜の一部をエッチングして空洞領域を形成する工程と、
上記空洞領域が空洞になるような条件下にて層間絶縁膜を堆積する工程と
を備え
上記ゲート電極側壁絶縁膜を形成する工程は、第1のゲート電極側壁絶縁膜及び第2の ゲート電極側壁絶縁膜を順次形成する工程であり、
上記空洞領域を形成する工程は、上記第1のゲート電極側壁絶縁膜または上記第2のゲート電極側壁絶縁膜の何れかをエッチングする工程であり、
上記絶縁膜及び上記ゲート電極をパターニングする工程の後、かつ、上記第1のゲート電極側壁絶縁膜及び第2のゲート電極側壁絶縁膜を順次形成する工程の前に、上記絶縁膜の幅を上記ゲート電極の幅よりも小さくする工程を備えることを特徴としている。
【0029】
上記発明によれば、特殊なプロセス装置を用いることなく、上記ゲート電極と上記積み上げられた導電体との間に空洞を有する半導体装置を簡単かつ安価に製造することができる。
【0030】
【0031】
上記発明によれば、特殊なプロセス装置を用いることなく、上記ゲート電極と上記積み上げられた導電体との間に空洞及び絶縁膜を有する半導体装置を簡単かつ安価に製造することができる。また、上記発明によれば、上記絶縁膜の幅を上記ゲート電極の幅よりも小さくしているため、この幅の小さい絶縁膜に応じて、第2のゲート電極側壁絶縁膜の上部をゲート電極側に屈曲させて、空洞領域、つまり、窪みの開口幅を簡単に狭くすることができる。このように、上記空洞上部の開口幅を小さくすることができるため、層間絶縁膜を堆積する際に、空洞領域、つまり、窪み内に層間絶縁膜が混入することが無いので、再現性良く空洞を形成することができる。
【0032】
また、1実施の形態では、上記第1のゲート電極側壁絶縁膜はシリコン酸化膜であり、上記第2のゲート電極側壁絶縁膜はシリコン窒化膜であり、上記空洞領域を形成する工程は、上記シリコン酸化膜をエッチングする工程である。
【0033】
上記実施の形態によれば、特殊なプロセス装置を用いることなく、上記ゲート電極と上記積み上げられた導電体との間に、上記空洞及び上記シリコン窒化膜からなる絶縁体を有する半導体装置を簡単かつ安価に製造することができる。
【0034】
【0035】
【0036】
また、1実施の形態では、上記絶縁膜の幅を上記ゲート電極の幅よりも小さくする工程は、上記絶縁膜を700℃〜900℃で熱処理する工程である。
【0037】
上記実施の形態によれば、上記絶縁膜の幅を狭めるために熱処理を用いるため、通常のプロセス装置を利用することができると共に、再現性良く上記絶縁膜の幅を小さくすることができる。また、700℃以上で熱処理されるため、スループットを下げることがなく、かつ、900℃以下で熱処理されるため、ウェル領域の深さや不純物濃度に影響することがない。
【0038】
【発明の実施の形態】
参考例1
参考例1の半導体装置は、ゲート電極と、ソース、ドレイン領域の一部である積み上げられた導電体との間に空洞を形成することにより、両者に纏わる容量を著しく小さくしたものである。
【0039】
参考例1の半導体装置を、図1〜図3を用いて説明する。図1(a)は、本参考例1の半導体装置の平面レイアウトを示す平面図であり、図1(b)は、図1(a)におけるA−A’方向の断面図である。図1(a)では、空洞113の位置やコンタクト孔115とゲート電極111との位置関係などを明確にするために、層間絶縁膜114と高融点シリサイド膜112は省略している。図2及び図3は、本参考例1の半導体装置を作成する手順を説明する図である。
【0040】
図1(a)、(b)に示すように、本参考例1の半導体装置は、素子分離領域102と活性領域120とに大別された半導体基板101内において、上記活性領域120上に形成されたMIS(金属−絶縁膜−半導体:Metal Insulator Semiconductor)型半導体素子である。本半導体装置は、素子分離領域102、ウェル領域103、ゲート絶縁膜104、ソース領域110、ドレイン領域110及びゲート電極111を備えている。
【0041】
上記ソース領域110及びドレイン領域110は、ゲート電極111に隣接している。上記ソース領域110及びドレイン領域110の各々のほとんどの部分110aは、ゲート絶縁膜104とウェル領域103との界面よりも上方に位置する積み上げ拡散層110aであって、積み上げられた導電体の一例である。したがって、このMIS型半導体素子は、上記積み上げ拡散層110aの存在により、トランジスタの寄生抵抗が小さい構造なので、半導体素子の動作スピードを向上することができる。また、上記積み上げ拡散層110aの存在により、容易に浅い接合が形成できる構造なので、短チャネル効果を抑制して微細な半導体素子を形成することができる。さらに、高融点金属シリサイド膜112とソース、ドレイン領域(拡散層領域)110のPN接合とが十分離れているので、接合リーク電流の小さな半導体素子を実現できる。
【0042】
上記ゲート電極111と上記積み上げ拡散層110aとの間には空洞113が形成されている。この積み上げ拡散層110aは、半導体膜により形成されている。この空洞113は、図1(a)に示すように、上記ゲート電極111と積み上げ拡散層110aとが対向している領域に形成されている。
【0043】
上記ゲート電極111及びソース、ドレイン領域110上には高融点金属シリサイド膜112が形成され、さらに、層間絶縁膜114が形成されて、この層間絶縁膜114の所望の位置にコンタクト孔115が形成されている。なお、上部配線は一般的なトランジスタと同様なので省略している。
【0044】
以上の構成により、本参考例1の半導体装置は、上記ゲート電極111とソース、ドレイン領域110の積み上げ拡散層110aとの間に空洞113が形成されているため、その両者間の容量を低減することができる。したがって、半導体装置のスピードを向上できるとともに、消費電力を低減することができる。
【0045】
ここで、上記ゲート電極111とソース、ドレイン領域110との容量を低減する効果について説明する。図13に示す従来の半導体装置のようにソース、ドレイン領域510が積み上がった構造のトランジスタでは、その構造上、積み上げ拡散層510aを有さない通常のトランジスタと比して、ゲート電極511とソース、ドレイン領域510との対向面積が大きくなるので、両者間の容量が大きくなる。また、短チャネル効果を抑制するために、トランジスタの微細化が進むにつれて接合を浅くする必要があるが、接合が浅くてもトランジスタがオフセットして駆動力を落とさないように、ゲート電極側壁絶縁膜507の幅を小さくすることになるため、一層、ゲート電極511とソース、ドレイン領域510との容量が大きくなってしまう。このため、ソース、ドレイン領域510が積み上がった構造のトランジスタでは、容量を低減することは、極めて重要な課題である。
【0046】
参考例1の半導体装置は、空洞113を設けて容量を低減して、上記課題を解決するもので、極めて重要な技術思想を包含するものである。
【0047】
参考例1の半導体装置で、211段のリングオシュレータ回路を作成して、回路スピードを評価したところ、従来例と比較してスピードが約8%向上した。これは、図13に示す従来例では、ゲート電極側壁絶縁膜507に比誘電率εが6のシリコン窒化膜を用いていたが、本参考例1の半導体装置では、このゲート電極側壁絶縁膜の領域が空洞113、すなわち比誘電率εが1になる真空を形成している。このため、リングオシュレータ回路の容量が低減されて、スピードが向上したのである。
【0048】
また、この空洞113を設けることで、ソース、ドレイン領域110の積み上げ拡散層110a及び高融点シリサイド膜112による応力を緩和することができので、応力によるトランジスタのキャリアの移動度が劣化することがない。この理由を以下に説明する。
【0049】
図13に示す従来例のように、ゲート電極511とソース、ドレイン領域510の積み上げ拡散層510aとの間にゲート側壁絶縁膜507が形成されている場合、上記積み上げ拡散層510a及び高融点金属シリサイド膜513によって発生する応力がゲート電極側壁絶縁膜507を介してゲート電極511に伝わり、結果として、チャネル(ゲート電極511直下のウェル領域503の表面付近)におけるキャリアの移動度を劣化させるように応力が働いていた。これに反して、本参考例1の半導体装置では、空洞113がソース、ドレイン領域110で発生する応力を吸収するので、キャリアの移動度の劣化を防止できるのである。したがって、この半導体装置は、駆動力を低下させることなく本来の性能を維持できるので、高速で動作できるのである。
【0050】
次に、本参考例1の半導体装置を形成する手順を、図2及び図3を用いて説明する。
【0051】
まず、図2(a)に示すように、周知の方法によって、例えばシリコン基板からなる半導体基板101に素子分離領域102を設けた後、上記半導体基板101内にウェル領域103を形成する。次に、ゲート絶縁膜104、ゲート電極となる多結晶シリコン膜(以下、ゲート電極領域と言う。)105、ゲート電極側壁絶縁膜107を形成する。ここで、上記ゲート電極領域105の上にはシリコン酸化膜106が形成されている。上記ゲート電極側壁絶縁膜107は、図示しないが、ゲート電極領域105側及び底部に在るシリコン酸化膜と、それ以外の部分であるシリコン窒化膜とで形成され、上記シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜のそれぞれの膜厚は、3〜10nm、30〜60nmである。
【0052】
次に、図2(b)に示すように、多結晶シリコン膜をLPCVD(低圧化学的気相成長)法により全面に堆積した後、上記ゲート電極領域105の上方の上記多結晶シリコン膜が無くなるまで異方性エッチングバックを行うことにより、多結晶シリコン膜のサイドウォール109が形成される。このとき、上記多結晶シリコン膜は、上記半導体基板101との界面に自然酸化膜が成長しない、従来例において説明したのと同様な方法により堆積した。
【0053】
次に、本参考例1では図示していないが、従来例において図14を用いて説明したように、上記ゲート電極領域105の周囲全域にわたって形成される多結晶シリコン膜のサイドウォール109により、ソース領域とドレイン領域が直接ショートするのを防止するために、上記ゲート電極領域105の長手方向の両端の不要な領域のサイドウォール109を除去して、ソース、ドレイン領域を分離している。
【0054】
次に、図2(b)に示すゲート電極領域105上のシリコン酸化膜106を、図2(c)に示すように、除去した後、ゲート電極111、ソース領域110及びドレイン領域110となる部分、すなわち、ゲート電極領域105及びサイドウォール109に、ドナーもしくはアクセプタとなる不純物をイオン注入により同時に導入する。このときのイオン注入は、Nチャネルトランジスタに関しては、隣イオンを20keVから80keV程度のエネルギーで1×1015/cm〜1×1016/cm程度のドーズ量で、Pチャネルトランジスタに関しては、ボロンイオンを5keVから30keV程度のエネルギーで1×1015/cm〜1×1016/cm程度のドーズ量で行った。次に、イオン注入後、800℃から950℃程度の温度で、5分から120分程度の熱処理、もしくは、950℃から1100℃程度の温度で、5秒から60秒程度の急速熱処理を行い、注入した不純物を活性化すると共に、半導体基板101のウェル領域103まで拡散させることにより、活性化されたゲート電極111、ソース領域110及びドレイン領域110がそれぞれ形成される。
【0055】
次に、図3(a)に示すように、周知のサリサイド工程により、ソース領域110、ドレイン領域110及びゲート電極110の上に高融点金属シリサイド膜112を選択的に形成した後、熱リン酸によりゲート電極側壁絶縁膜107のうちのシリコン窒化膜を底部に若干のシリコン窒化膜の部分107’を残して、そのほとんどを除去する。ここで、図示はしていないが、上記ゲート電極111の側壁部及びウェル領域103の表面には、ゲート電極側壁絶縁膜107のうちの薄いシリコン酸化膜が3〜10nmの厚さで形成されている。このため、仮に、残すべきシリコン窒化膜の部分107’が全て除去されるまでエッチングされても、リン酸が直接シリコンに触れることがないので、表面荒れを起こすことがなくて、特性劣化の原因にはならない。一方、上記ソース領域110、ドレイン領域110の積み上げ拡散層110aを形成している多結晶シリコン膜のサイドウォール110aの側面にはシリコン酸化膜が存在しないので、リン酸により多少エッチングされるが、特性には影響を及ぼす領域ではないので問題にはならない。
【0056】
参考例1では、シリコン窒化膜を除去するのに熱リン酸を用いたが、これに限るものではなく、高融点金属シリサイド膜112及びシリコン酸化膜102に対して選択性の大きな他のウェットエッチングやドライエッチングを用いても良い。
【0057】
ここで、周知のサリサイド工程とは、チタンシリサイド膜を形成する場合は、チタンの堆積→第1の熱処理(600〜700℃)→選択エッチング(未反応高融点金属の除去)→第2の熱処理(850〜950℃)から構成されているが、ゲート電極側壁絶縁膜107を除去する工程を選択エッチングの後、第2の熱処理の前に行っても良い。そうすれば、高温の第2の熱処理時、すなわち高融点シリサイド膜112を高抵抗の結晶相から低抵抗の結晶相へ相転移させるときに、ゲート電極側壁絶縁膜107が存在しない構造になっているため、その相転移のときの応力を緩和することができる。したがって、高融点金属シリサイド膜112の形成が困難とされる微細なゲート電極111上にも高融点金属シリサイド膜112を制御性良く形成することができる。
【0058】
次に、図3(b)に示すように、層間絶縁膜114を堆積する。そうすると、ソース、ドレイン領域110の積み上げ拡散層110aとゲート電極111との間の窪みに空洞113が形成される。この空洞113は、幅50nm、深さ250nmと非常にアスペクト比が大きいため、層間絶縁膜114を堆積する通常の方法であるプラズマCVD法では埋め込みすることができないため形成される。ここで、通常のプラズマCVD法よりも段差被覆性の悪い方法、例えば、常圧CVD法や、プラズマCVD法で、モノシランと酸素により100Pa以上の圧力で層間絶縁膜114を形成することにより、より安定して空洞113を得ることができる。また、図示はしていないが、50nm〜300nm程度、上述した段差被覆性の悪い方法で層間絶縁膜を堆積した後、段差被覆性の良い方法で層間絶縁膜を堆積しても良い。その場合、上記空洞113を制御性良く形成しつつ、層間絶縁膜114の表面の段差を低減することができるという利点がある。
【0059】
その後、上記層間絶縁膜114の所望の位置にコンタクト孔115を形成する。図示はしていないが、周知の方法により、上部配線が形成されて、本参考例1の半導体装置が完成する。
【0060】
以上のように、本参考例1の製造方法によれば、特殊なプロセスを用いることなく、ゲート電極111と、ソース、ドレイン領域110の導電体である積み上げ拡散層110aとの間に空洞113を制御性良く形成することができる。
【0061】
参考例2
参考例2の半導体装置は、参考例1と同様に、ゲート電極と、ソース、ドレイン領域の積み上げ拡散層との間に空洞を形成することにより、両者に纏わる容量を著しく小さくしたものである。また、これに加えて、ゲート電極とソース、ドレイン領域との電気的な分離性を向上させた構造、及び、ゲート電極とソース、ドレイン領域の積み上げ拡散層との間に空洞が形成されやすい構造を提供するものである。
【0062】
参考例2の半導体装置を、図4〜図7を用いて説明する。図4は本参考例2の半導体装置を、ゲート電極211の長手方向に対して、垂直に切断した断面を示したものである。図5〜図7は、本参考例2の半導体装置を作成する手順を説明するものである。
【0063】
まず、図4を用いて、本参考例2の半導体装置の構成を説明する。
【0064】
参考例2の半導体装置は、素子分離領域202と活性領域とに大別された半導体基板201内において、上記活性領域上に形成されたMIS型半導体素子である。本半導体装置は、素子分離領域202、ウェル領域203、ゲート絶縁膜204、ソース領域210、ドレイン領域210及びゲート電極211を備えている。
【0065】
上記ソース領域210及びドレイン領域210は、上記ゲート電極211に隣接している。上記ソース領域210及びドレイン領域210の各々のほとんどの部分である積み上げ拡散層210aは、上記ゲート絶縁膜204とウェル領域203との界面よりも上方に位置している。上記積み上げ拡散層210aは、導電体の一例である。上記積み上げ拡散層210aとゲート電極211との間には、空洞212、絶縁体としてのゲート電極側壁絶縁膜208及び絶縁膜207’が存在する。上記空洞212は、上記ゲート電極211とゲート電極側壁絶縁膜208との間にあり、上記絶縁膜207’は、上記空洞207’及びゲート電極側壁絶縁膜208の下に配置されている。また、上記ゲート電極側壁絶縁膜208は、上記ゲート電極211及びソース、ドレイン領域210よりも上方に突き出ている。上記空洞212が形成されている領域は、平面図においては図1(a)に示す参考例1の半導体装置と同様に、ゲート電極211とソース、ドレイン領域210とが対向している領域なので、ここでは図示していない。
【0066】
上記構成によると、上記空洞212の存在により、ゲート電極211とソース、ドレイン領域210との間の容量を低減することができる。したがって、この半導体装置の動作スピードを向上させると共に、消費電力を低減することができる。また、参考例1とは異なり、上記ゲート電極211と、ソース、ドレイン領域210の積み上げ拡散層210aとの間にゲート電極側壁絶縁膜208が存在するため、ゲート電極211とソース、ドレイン領域210とを確実に絶縁できる。さらに、上記ゲート電極側壁絶縁膜208が、ゲート電極211及びソース、ドレイン領域210よりも上方に突き出しているので、層間絶縁膜214を堆積する際に、空洞212が形成されやすい。
【0067】
上記ゲート電極側壁絶縁膜208及び絶縁膜207’は、絶縁膜であれば良いが、本参考例2では、ゲート電極側壁絶縁膜208がシリコン窒化膜であり、絶縁膜207’がシリコン酸化膜である。この場合、素子分離領域202及びシリコン酸化膜207はシリコン酸化膜であるが、これらの上にシリコン窒化膜208が形成されているので、フッ酸などによる洗浄を行う際に、素子分離領域202やシリコン酸化膜207がエッチングされて膜減りすることがない、したがって、素子間(ソース領域210とドレイン領域210との間)のショートなどの特性劣化を防止することができる。また、上記素子分離領域202上のシリコン窒化膜208は、コンタクト孔215を形成する際に、エッチングストッパーとして機能するため、コンタクトエッチ時に素子分離領域202のシリコン酸化膜207を突き抜けてウェル領域203に到達して特性劣化を引き起こすことがない。
【0068】
上記ゲート電極211及びソース、ドレイン領域210上には高融点金属シリサイド膜213が形成され、さらに、層間絶縁膜214が形成され、この層間絶縁膜214の所望の位置にコンタクト孔215が形成されている。なお、上部配線は一般的なトランジスタと同様なので省略している。
【0069】
次に、本参考例2の半導体装置を形成する手順を、図5〜図7を用いて説明する。
【0070】
まず、図5(a)に示すように、周知の方法によって、半導体基板201に素子分離領域202を設けた後、上記半導体基板201内にウェル領域203を形成する。次に、上記半導体基板201上にゲート絶縁膜204、ゲート電極となる多結晶シリコン膜205及びシリコン酸化膜206を順次形成する。次に、周知のリソグラフィーとエッチング技術により、上記シリコン酸化膜206をパターニングした後、このシリコン酸化膜206をマスクとして多結晶シリコン膜205をパターニングして、ゲート電極領域205を形成する。図示はしていないが、その後、熱酸化により、上記ゲート電極領域205の側壁及びウェル領域203表面に2〜10nmの膜厚のシリコン酸化膜を形成しても良い。
【0071】
次に、図5(b)に示すように、通常のCVD法により、シリコン酸化膜207及びシリコン窒化膜208を、それぞれ10〜30nm、20〜50nm程堆積する。
【0072】
次に、図5(c)に示すように、周知のリソグラフィー及びエッチング技術により、素子分離領域202上にシリコン窒化膜208を残しつつ、第1のゲート電極側壁絶縁膜の一例としてのシリコン酸化膜207と、第2のゲート電極側壁絶縁膜の一例としてのシリコン窒化膜208とから構成されるゲート電極側壁絶縁膜を形成する。
【0073】
次に、図6(a)に示すように、多結晶シリコン膜をLPCVD法により全面に堆積した後、上記ゲート電極領域205の上方のその堆積した多結晶シリコン膜が無くなるまで異方性エッチングバックを行うことにより、多結晶シリコン膜のサイドウォール209を形成する。このとき、上記多結晶シリコン膜209は、半導体基板2201との界面に自然酸化膜が成長しない、従来例において説明した同様な方法により堆積した。
【0074】
次に、上記ゲート電極領域205上のシリコン酸化膜206(図5(c)及び図6(a)を参照)を除去する。このとき、上記ゲート電極側壁絶縁膜のシリコン酸化膜207も同時にゲート電極205上部付近まで除去される。上記シリコン酸化膜206を除去すると同時に空洞となる窪みを形成しても良いが、ソース、ドレイン領域及びゲート電極領域205への不純物イオン注入の際に、窪みの領域に注入される不純物イオンがウェル領域203の深い領域まで注入されることにより、ソース、ドレイン領域の接合深さが深くなってしまう危険性が大きいため、この窪みの形成は、不純物イオン注入が完了した後に行われるのが望ましい。
【0075】
次に、本参考例2では図示はしていないが、従来例において図14を用いて説明したように、上記ゲート電極領域205の周囲全域にわたって形成される多結晶シリコン膜のサイドウォール209により、ソース領域とドレイン領域が直接ショートするのを防止するために、ゲート電極領域205の長手方向の両端の不要な領域のサイドウォール209を除去してソース、ドレイン領域を分離している。
【0076】
次に、図6(b)に示すゲート電極211、ソース領域210及びドレイン領域210となる部分、つまり、図6(a)に示すゲート電極領域205、サイドフォール209、209に、ドナーもしくはアクセプタとなる不純物をイオン注入により同時に導入した後、所望の熱処理を施す。これにより、ゲート電極211、ソース領域210及びドレイン領域210がそれぞれ形成される。このときのイオン注入条件及び熱処理条件は、参考例1で説明した条件と同一なので、ここでは省略する。
【0077】
次に、図6(c)に示すように、上記ゲート電極211の側壁部のシリコン酸化膜207の一部を除去して、後に空洞となる窪みすなわち空洞領域を形成する。このとき、窪み及びシリコン窒化膜208の下部にはシリコン酸化膜207’が残る。
【0078】
次に、図7(a)に示すように、周知のサリサイド工程により、ソース領域210、ドレイン領域210、ゲート電極211の上に高融点金属シリサイド膜213を選択的に形成する。ここで、周知のサリサイド工程では一般的に高融点金属膜を物理的スパッタ法により堆積するが、段差被覆性が非常に悪いため、ゲート電極211の側壁には高融点金属シリサイド膜は形成されない。しかし、CVD法を用いれば、ゲート電極211の側壁にも高融点金属シリサイド膜を形成することができる。例えば、チタンの場合は、4塩化チタンと水素の熱CVD法にて、ゲート電極211の側壁にも高融点金属シリサイド膜を形成することができる。このように、ゲート電極211の側壁にも高融点金属シリサイド膜213を形成すると、ゲート電極211を低抵抗化することができる。また、ゲート長が小さくなっても凝集し難い高融点金属シリサイド膜を得ることができる。
【0079】
次に、図7(b)に示すように、層間絶縁膜214を堆積する。そうすると、上記ゲート電極211とゲート電極側壁絶縁膜208との間の窪みに空洞212が形成される。上記空洞212は、窪みが幅10〜30nm、深さ250nmと非常にアスペクト比が大きいため、通常の層間絶縁膜214を堆積するプラズマCVD法では埋め込みすることができないため、形成される。ここで、参考例1と同様に、通常のプラズマCVD法よりも段差被覆性の悪い方法、例えば、常圧CVD法や、プラズマCVD法で、モノシランと酸素により100Pa以上の圧力で層間絶縁膜214を形成することにより、より安定して空洞212を得ることができる。また、図示はしていないが、50nm〜300nm程度、上述した段差被覆性の悪い絶縁膜を堆積した後、段差被覆性の良い絶縁膜を堆積してもよい。その場合、空洞212を制御性良く形成しつつ、層間絶縁膜215の表面の段差を低減できるという利点がある。
【0080】
次に、上記層間絶縁膜214の所望の位置にコンタクト孔215を形成する。図示はしていないが、周知の方法により、上部配線が形成され、本参考例2の半導体装置が完成する。
【0081】
参考例2の半導体装置では、参考例1の半導体装置と比して、シリコン窒化膜208がゲート電極211及びソース、ドレイン領域210の積み上げ拡散層210aよりも上方に突き出た構造、すなわち、層間絶縁膜214が窪みに堆積されにくい構造になっているので、空洞212を制御性良く形成することができる。また、上記シリコン窒化膜208がゲート電極211及びソース、ドレイン領域210の積み上げ拡散層210aよりも上方に突き出ているため、上記ゲート電極211とソース、ドレイン領域210の積み上げ拡散層210aとの間の実効的な距離が長くなって、上記ゲート電極211とソース、ドレイン領域210との間の絶縁性が向上する。
【0082】
以上のように、本参考例2では、特殊なプロセスを用いることなく、ゲート電極211と第2のゲート電極側壁絶縁膜208との間の窪みに空洞212を制御性良く形成することができる。
【0083】
参考例3
図8に示す本参考例3の半導体装置は、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いた点が、参考例2の半導体装置と異なるが、他の点は、参考例2と同様である。したがって、図8において、図4に示す参考例2と同一構成部については、同一参照番号を付して、詳しい説明は省略する。
【0084】
図8に示すように、半導体基板201と、素子分離領域202及びウェル領域203(ボディ)との間に埋め込み用のシリコン酸化膜220が形成されている。上記ウェル領域203の厚さよりも、ソース、ドレイン領域210の接合深さを厚く形成している。したがって、参考例2の半導体装置の効果に加えて、接合に纏わる容量を小さくすることができる。また、上記埋め込みシリコン酸化膜220の存在により半導体素子のリーク電流を小さくすることができる。
【0085】
また、通常のSOI基板では、図示しないが、ボディ上に直接高融点金属シリサイド膜を形成している。このため、半導体素子が微細化されてボディの膜厚が薄くなると、高融点金属シリサイド膜がボディのシリコンを全て消費して埋め込みシリコン酸化膜まで到達して不良を起こしてしまう。これに反して、本参考例3の半導体装置では、ソース、ドレイ領域210の積み上げ拡散層210a上に高融点金属シリサイド膜213を形成しているので、高融点金属シリサイド膜213が埋め込みシリコン酸化膜220に到達することがない。したがって、不良を防止することができる。
【0086】
参考例3の半導体装置では、完全空乏化SOI基板上に形成した場合について記述したが、これに限るものではなく、部分空乏化SOI基板上に形成しても良い。また、SOI基板上に参考例2の半導体装置を形成した場合を記述したが、同じ効果が得られるので、SOI基板上に参考例1の半導体装置を形成しても良い。
【0087】
実施の形態1
以下に、実施の形態1の半導体装置を製造する手順を図9〜図11を用いて説明する。
【0088】
まず、図9(a)に示すように、周知の方法によって、半導体基板301に素子分離領域302を設けた後、半導体基板301内にウェル領域303を形成する。次に、ゲート絶縁膜304、ゲート電極となる多結晶シリコン膜305、及び、絶縁膜の一例としてのシリコン酸化膜306を順次形成する。ここで、上記シリコン酸化膜306は、CVD法により400℃の温度で堆積した。堆積温度は、400℃が好ましいが、700℃以下であればよい。次に、周知のリソグラフィーとエッチング技術により、上記シリコン酸化膜306をパターニングした後、シリコン酸化膜306をマスクとして、上記多結晶シリコン膜305をパターニングして、ゲート電極領域305を形成する。次に、700℃〜900℃の熱処理を施して、膜収縮により絶縁膜であるシリコン酸化膜306の幅を片側で約10〜30nm程小さくする。これは、400℃という低温で形成したシリコン酸化膜306の膜密度が小さいため、700℃〜900℃という高温で熱処理すると、膜収縮を起こす現象を利用している。上記シリコン酸化膜306を収縮させる熱処理温度は、700℃以下だと所望の幅に収縮させるのに時間がかかって、スループットが低下してしまう。一方、900℃以上だとウェル領域303の深さが深くなったり、ウェル領域303の表面濃度が薄くなったりして、所望の濃度と深さを有するウェル領域303が得られない。このため、熱処理温度は、700℃〜900℃で行われる。
【0089】
図示していないが、その後、熱酸化により、多結晶シリコン膜からなるゲート電極領域305及びウェル領域303表面に2〜10nmの膜厚のシリコン酸化膜を形成しても良い。また、この熱酸化処理をシリコン酸化膜306の幅を小さくする熱処理と兼ねても良い。
【0090】
次に、図9(b)に示すように、通常のCVD法により、シリコン酸化膜307、及び、絶縁体の一例であるシリコン窒化膜308を、それぞれ10〜30nm、20〜50nm程、順次堆積する。
【0091】
次に、図9(c)に示すように、周知のリソグラフィー及びエッチング技術により、上記素子分離領域302上にシリコン窒化膜308を残しつつ、第1のゲート電極側壁絶縁膜の一例としてのシリコン酸化膜307と第2のゲート電極側壁絶縁膜の一例としてのシリコン窒化膜308から構成されるゲート電極側壁絶縁膜を形成する。
【0092】
次に、図10(a)に示すように、多結晶シリコン膜をLPCVD法により全面に堆積した後、ゲート電極領域305の上方のその多結晶シリコン膜の部分が無くなるまで異方性エッチングバックを行うことにより、その多結晶シリコン膜のサイドウォール309を形成する。このとき、上記多結晶シリコン膜は、半導体基板301との界面に自然酸化膜が成長しない、従来例において説明した同様な方法により堆積した。
【0093】
次に、上記シリコン酸化膜306(図9(c)を参照。)を、図10(a)に示すように、除去する。このとき、上記第1のゲート電極側壁絶縁膜としてのシリコン酸化膜307も同時にゲート電極領域305の上部付近まで除去される。シリコン酸化膜306を除去すると同時に空洞となる窪みを形成しても良いが、上記ソース、ドレイン領域及びゲート電極領域への不純物イオンの注入の際に、窪みの領域に注入される不純物イオンがウェル領域303の深い領域まで注入されることにより、ソース、ドレインの接合深さが深くなってしまう危険性が大きいため、この窪みの形成は、不純物イオン注入が完了した後に行われるのが望ましい。
【0094】
次に、本実施の形態1では図示はしていないが、従来例において図14を用いて説明したように、ゲート電極領域305の周囲全域にわたって形成される多結晶シリコン膜のサイドウォール309により、ソースとドレインが直接ショートするのを防止するために、ゲート電極領域305の長手方向の両端の不要な領域のサイドウォール309を除去してソース、ドレイン領域を分離している。
【0095】
次に、図10(a)に示すゲート電極領域305及びサイドウォール309に、ドナーもしくはアクセプタとなる不純物の導入をイオン注入により同時に行い、その後、所望の熱処理を施す。これにより、ゲート電極311、ソース、ドレイン領域310がそれぞれ形成される。このときのイオン注入条件及び熱処理条件は、参考例1及び2で説明した条件と同一なので、ここでは省略する。
【0096】
次に、図10(c)に示すように、上記ゲート電極311の側面に接するシリコン酸化膜307の一部を除去して、後に空洞となる空洞領域つまり窪みを形成する。このとき、上記窪み及びシリコン窒化膜308の下にはシリコン酸化膜307’が残る。また、上記シリコン酸化膜306の前述の膜収縮により、上記シリコン酸化膜306の幅がゲート電極311の幅よりも小さくなっているため、上記シリコン窒化膜308の上部がゲート電極311側に屈曲している。したがって、上記ゲート電極311よりも上方へ突き出ているシリコン窒化膜308の一部と、上記ゲート電極311の側面の延長面との間の距離は、上記シリコン窒化膜308の下部と上記ゲート電極311の側面との間の距離よりも小さくなっている。
【0097】
次に、図11(a)に示すように、周知のサリサイド工程により、ソース領域310、ドレイン領域310、ゲート電極311の上に高融点金属シリサイド膜313を選択的に形成する。ここで、参考例2において説明したように、CVD法を用いて、ゲート電極311の側壁に高融点金属シリサイド膜を形成しても良い。
【0098】
次に、図11(b)に示すように、層間絶縁膜314を堆積する。そうすると、上記ゲート電極311と、第2のゲート電極側壁絶縁膜としてのシリコン窒化膜308との間の窪みに空洞312が形成される。本実施の形態1では、参考例2と比して、上記窪みの上部の入り口部分に上記第2のゲート電極側壁絶縁膜としてのシリコン窒化膜308がゲート電極311の方向にせり出してキャップの役目をし、層間絶縁膜314が堆積しにくい形状になっている。そのため、制御性良く空洞312を形成することができる。ここで、参考例1及び2と同様に、通常のプラズマCVD法よりも段差被覆性の悪い方法、例えば、常圧CVD法やプラズマCVD法で、モノシランと酸素により100Pa以上の圧力で層間絶縁膜314を形成することにより、より安定して空洞312を得ることができる。また、図示はしていないが、50nm〜300nm程度、上述した段差被覆性の悪い絶縁膜を堆積した後、段差被覆性の良い絶縁膜を堆積しても良い。その場合、空洞312を制御性良く形成しつつ、層間絶縁膜314の段差を低減できるという利点がある。
【0099】
その後、上記層間絶縁膜314の所望の位置にコンタクト孔315を形成する。図示はしていないが、周知の方法により、上部配線が形成され、本実施の形態1の半導体装置が完成する。
【0100】
以上のように、本実施の形態1では、特殊なプロセスを用いることなく、上記ゲート電極311とシリコン窒化膜308との間の窪みに空洞312を制御性良く形成することができる。
【0101】
上記参考例2から4では、ゲート電極211、311と絶縁体としてのシリコン窒化膜208、308との間に、空洞212、312を設けたが、絶縁体をゲート電極の側壁に接触させ、この絶縁体と積み上げ拡散層との間に空洞を設けてもよい。
【0102】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明の半導体装置によれば、ソース領域及びドレイン領域の各一部である積み上げられた導電体と、ゲート電極との間に比誘電率が1と小さな空洞を設けているので、上記積み上げられた導電体とゲート電極との間の容量を低減することができて、上記ソース領域及びドレイン領域と、ゲート電極とに纏わる容量を低減できる。したがって、高速な半導体装置を得ることができる。
【0103】
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、特殊なプロセス装置を用いることなく、一般的に広く使われているプロセス装置を用いて、ゲート電極と積み上げられた導電体との間に、空洞を形成しているので、新しいプロセス装置の設備投資などが不要で、簡単かつ安価に、空洞を有する半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1(a)、(b)は、本発明の参考例1の半導体装置の平面図と断面図である。
【図2】 図2(a)、(b)、(c)は、本発明の参考例1の半導体装置を作成する手順を説明する図である。
【図3】 図3(a)、(b)は、本発明の参考例1の半導体装置を作成する手順を説明する図である。
【図4】 本発明の参考例2の半導体装置の断面図である。
【図5】 図5(a)、(b)、(c)は、本発明の参考例2の半導体装置を作成する手順を説明する図である。
【図6】 図6(a)、(b)、(c)は、本発明の参考例2の半導体装置を作成する手順を説明する図である。
【図7】 図7(a)、(b)は、本発明の参考例2の半導体装置を作成する手順を説明する図である。
【図8】 本発明の参考例3の半導体装置の断面図である。
【図9】 図9(a)、(b)、(c)は、本発明の実施の形態1の半導体装置を作成する手順を説明する図である。
【図10】 図10(a)、(b)、(c)は、本発明の実施の形態1の半導体装置を作成する手順を説明する図である。
【図11】 図11(a)、(b)は、本発明の実施の形態1の半導体装置を作成する手順を説明する図である。
【図12】 図12(a)、(b)、(c)は、従来の半導体装置を作成する手順を説明する図である。
【図13】 図13(a)、(b)は、従来技術の半導体装置を作成する手順を説明する図である。
【図14】 図14(a)、(b)は、従来の半導体装置を作成する手順を説明する図である。
【符号の説明】
101、201、301 シリコン基板
102、106、202、206、207、302、306、307 シリコン酸化膜
103、203、303 ウェル領域
104、204、304 ゲート絶縁膜
105、109、205、209、305、309 多結晶シリコン膜
107、208、308 シリコン窒化膜
110、210、310 ソース領域、ドレイン領域
110a、210a、310a 積み上げ拡散層
111、211、311 ゲート電極
112、213、313 高融点金属シリサイド膜
113、212、312 空洞
114、214、314 層間絶縁膜
115、215、315 コンタクト孔
220 埋め込みシリコン酸化膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to a semiconductor device having a reduced capacitance between a gate electrode and a source / drain region and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
  In a semiconductor integrated circuit, an insulated gate field effect transistor is often used as a basic element. In recent years, with the progress of miniaturization of semiconductor elements, variations in gate length due to the short channel effect and an increase in leakage current due to deterioration of subthreshold characteristics have become problems.
[0003]
  In order to solve these problems, it is well known that it is effective to reduce the junction depth between the source and drain regions and the semiconductor substrate. However, if the source and drain junctions are simply shallowed, the short channel effect can be suppressed. However, since the resistance values of the source and drain regions (diffusion layers) increase, the parasitic resistance of the transistor increases. Thus, there is a problem that the current driving force is reduced.
[0004]
  Therefore, in order to solve this problem, a structure in which the source and drain regions existing on both sides of the channel region immediately below the gate electrode are stacked above the semiconductor substrate, in other words, provided on both sides of the gate electrode via the gate electrode sidewall insulating film. In addition, a stacked diffusion layer structure for forming source and drain diffusion layers reaching the semiconductor substrate is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-82815 (Patent Document 1). Thus, by stacking the source and drain regions above the semiconductor substrate, the source and drain diffusion layers can be effectively increased in thickness to reduce the resistance, and the depth of the source and drain junctions can be reduced. It is.
[0005]
  A conventional method for manufacturing a transistor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-82815 will be described with reference to FIGS. 12 and 13 are cross-sectional views in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the gate electrode, showing a process for manufacturing a conventional transistor. FIG. 14 is a plan view for explaining a process of removing unnecessary portions of the stacked layer and preventing the source and drain regions from being directly connected in the process from FIG. 12C to FIG. 13A. is there.
[0006]
  First, as shown in FIG. 12A, an element isolation region 502 is provided on a semiconductor substrate 501 by a well-known method, and then a well region 503 having the same conductivity type as that of the semiconductor substrate 501 is formed. Next, a gate insulating film 504, a gate electrode region 505, and a gate electrode sidewall insulating film 507 are formed. Here, the gate electrode region 505 is a polycrystalline silicon film, and a silicon oxide film 506 is formed thereon. The gate electrode side wall insulating film 507 is formed of a silicon oxide film and a silicon nitride film.
[0007]
  Next, as shown in FIG. 12B, a polycrystalline silicon film 508 is deposited by a chemical vapor deposition method (CVD method). When the polycrystalline silicon film 508 is deposited, the polycrystalline silicon film 508 may be deposited by a method that eliminates a natural oxide film as much as possible at the interface between the surface of the well region 503 and the deposited polycrystalline silicon film 508. It becomes important. This is because an impurity which becomes a donor or an acceptor is implanted into the polycrystalline silicon film 508, and then this impurity is solid-phase diffused into the well region 503 by heat treatment. The surface of the active region of the well region 503 and the polycrystalline silicon This is because when a natural oxide film exists at the interface with the film 508, the natural oxide film serves as a barrier for impurity diffusion, and uniform impurity diffusion is hindered and transistor characteristics vary. In order to control this natural oxide film, the polycrystalline silicon film 508 is formed by using a low pressure CVD (LPCVD) apparatus having a preliminary exhaust chamber, a nitrogen purge chamber in which the dew point is always kept at −100 ° C. or less, and a deposition furnace. It is accumulating.
[0008]
  Next, as shown in FIG. 12C, when the polycrystalline silicon film 508 is etched back by anisotropic etching, the polycrystalline silicon film 508 on the silicon oxide film 506 is removed and the gate electrode sidewall insulating film 507 is removed. A side wall 509 made of a polycrystalline silicon film is formed on the side. At this time, the side wall 509 is processed so that the end thereof overlaps the element isolation region 502.
[0009]
  Next, as shown in FIG. 14A, the polysilicon film side wall 509 is formed over the entire periphery of the gate electrode region 505 only by performing the above etch back. In this state, the source and drain are formed. Will directly short and the transistor will not operate normally. Therefore, as shown in FIG. 14B, the source and drain regions are separated by removing the side walls 509 of the unnecessary regions 520 at both ends in the longitudinal direction of the gate electrode region 505.
[0010]
  Next, after removing the silicon oxide film 506 on the gate electrode region 505 shown in FIG. 12C as shown in FIG. 13A, impurity ion implantation and heat treatment for forming the source and drain regions are performed. Done. Thus, the source and drain regions (diffusion layer) 510 and the gate electrode 511 doped with impurities are formed. At this time, the thickness of the polycrystalline silicon film constituting the gate electrode 511 is 200 nm to 250 nm. In ion implantation for an N-channel transistor, phosphorous ions are 1 × 10 with energy of about 20 keV to 80 keV.15~ 1x1016/ Cm2Implanted at a moderate dose. In ion implantation for a P-channel transistor, boron ions are 1 × 10 × 1 with an energy of about 10 keV to 40 keV.15~ 1x1016/ Cm2Implanted at a moderate dose. The heat treatment after the implantation is performed at a temperature of about 800 ° C. to 950 ° C. for a time of about 10 minutes to 120 minutes. Alternatively, it is performed by a rapid heating process at a temperature of about 950 ° C. to 1100 ° C. for a time of about 10 seconds to 60 seconds.
[0011]
  Of each of the source region 510 and the drain region 510, a portion of the well region 503 that is stacked above the interface between the active region of the well region 503 and the gate insulating film 504 is a stacked diffusion layer 510a.
[0012]
  Next, as shown in FIG. 13B, a refractory metal silicide film 513 is selectively formed on the source region 510, the drain region 510, and the gate electrode 511 by a known salicide process. Next, an interlayer insulating film 514 is formed by a well-known method, and a contact hole 515 is opened at a desired position of the interlayer insulating film 514. Further, although not shown, the upper wiring is formed by a well-known method. It is formed.
[0013]
[Patent Document 1]
          JP 2000-82815 A
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
  However, the semiconductor device having the conventional stacked diffusion layer 510a has a capacitance between the gate electrode 511 and the stacked diffusion layer 510a (and thus the gate electrode 511 and the source) as compared with a semiconductor device having no stacked diffusion layer. , The capacitance between the drain region 510 and the drain region 510 becomes large, and there is a problem that the operation speed of the semiconductor device becomes slow.
[0015]
  Therefore, an object of the present invention is to provide a high-speed semiconductor device and a manufacturing method by reducing the capacitance between the stacked diffusion layer and the gate electrode.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, a semiconductor device of the present invention is
  A semiconductor substrate, a gate insulating film provided on the active region of the semiconductor substrate, a gate electrode provided on the gate insulating film, and a source region and a drain region located on both sides of the gate electrode, In each of the source region and the drain region, in the semiconductor device made of a conductor stacked above the interface between the active region and the gate insulating film,
  An insulator is provided between the conductor and the gate electrode,
  A part of the insulator protrudes upward from the gate electrode,
  A cavity is formed between the other part of the insulator and the gate electrode,
  The distance between the part of the insulator protruding upward from the gate electrode and the extended surface of the side surface of the gate electrode is the distance between the other part of the insulator and the side surface of the gate electrode. Less than the distance betweenIt is characterized by that.
[0017]
  According to the above configuration, the aboveOther parts of insulatorSince a cavity with a relative dielectric constant of 1 is present between the gate electrode and the gate electrode, the capacitance between the stacked conductor and the gate electrode can be reduced. Accordingly, the capacitance between the source and drain regions and the gate electrode is reduced, and a high-speed semiconductor device can be obtained.
[0018]
[0019]
  the aboveConstitutionAccording to the above, since the insulator is provided between the stacked conductor and the gate electrode in addition to the cavity having a relative dielectric constant of 1 and small, the capacitance between the two can be reduced, The insulation between them can be kept good.
[0020]
[0021]
  the aboveConstitutionSince the effective distance between the gate electrode and the stacked conductors is long, the insulation between the two can be kept good. In addition, since the insulator protrudes above the gate electrode, the cavity can be easily formed.Also, a cavity is formed between the gate electrode and the insulator, and the distance between the gate electrode and the insulator is narrow at the top and wide at the bottom. can do.
[0022]
  Moreover, in one embodiment, a part of the insulator protrudes upward from the conductor.
[0023]
  According to the above embodiment, since the effective distance between the gate electrode and the stacked conductors is long, the insulation between them can be kept good. Further, since the insulator protrudes upward from the conductor, the cavity can be easily formed.
[0024]
[0025]
[0026]
  In one embodiment, a refractory metal silicide film is provided on the side wall of the gate electrode facing the cavity.
[0027]
  According to the embodiment, since the refractory metal silicide film is provided on the side wall of the gate electrode by utilizing the existence of the cavity, the resistance of the gate electrode can be reduced.
[0028]
  In addition, a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes
  Sequentially depositing a gate insulating film, a gate electrode, and an insulating film on a semiconductor substrate;
  Patterning the insulating film and the gate electrode;
  Forming a gate electrode sidewall insulating film in contact with the gate electrode sidewall;
  Depositing a conductive film on the semiconductor substrate;
  Etching until the conductive film on the gate electrode disappears to form a stacked conductor in contact with the gate electrode sidewall insulating film; and
  Gate electrode side wall insulating filmOneEtching the part to form a cavity region;
  Depositing an interlayer insulating film under conditions such that the cavity region becomes a cavity;
With,
  The step of forming the gate electrode sidewall insulating film includes a first gate electrode sidewall insulating film and a second gate electrode insulating film. A step of sequentially forming gate electrode sidewall insulating films,
The step of forming the cavity region is a step of etching either the first gate electrode sidewall insulating film or the second gate electrode sidewall insulating film,
  After the step of patterning the insulating film and the gate electrode, and before the step of sequentially forming the first gate electrode sidewall insulating film and the second gate electrode sidewall insulating film, the width of the insulating film is A step of making the width smaller than the width of the gate electrodeIt is characterized by that.
[0029]
  According to the above invention, a semiconductor device having a cavity between the gate electrode and the stacked conductor can be easily and inexpensively manufactured without using a special process device.
[0030]
[0031]
  the aboveinventionAccordingly, a semiconductor device having a cavity and an insulating film between the gate electrode and the stacked conductor can be easily and inexpensively manufactured without using a special process device.According to the invention, since the width of the insulating film is smaller than the width of the gate electrode, the upper portion of the second gate electrode sidewall insulating film is formed on the gate electrode in accordance with the insulating film having a small width. It is possible to easily narrow the hollow area, that is, the opening width of the recess, by bending the side. As described above, since the opening width of the upper part of the cavity can be reduced, when the interlayer insulating film is deposited, the interlayer insulating film is not mixed in the cavity region, that is, the depression. Can be formed.
[0032]
  In one embodiment, the first gate electrode sidewall insulating film is a silicon oxide film, the second gate electrode sidewall insulating film is a silicon nitride film, and the step of forming the cavity region includes This is a step of etching the silicon oxide film.
[0033]
  According to the above embodiment, a semiconductor device having an insulator made of the cavity and the silicon nitride film between the gate electrode and the stacked conductor can be simply and without using a special process device. It can be manufactured at low cost.
[0034]
[0035]
[0036]
  In one embodiment, the step of making the width of the insulating film smaller than the width of the gate electrode is a step of heat-treating the insulating film at 700 ° C. to 900 ° C.
[0037]
  According to the above embodiment, since heat treatment is used to narrow the width of the insulating film, a normal process apparatus can be used and the width of the insulating film can be reduced with good reproducibility. Further, since the heat treatment is performed at 700 ° C. or higher, the throughput is not lowered and the heat treatment is performed at 900 ° C. or lower, so that the depth of the well region and the impurity concentration are not affected.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  (Reference example 1)
  BookReference example 1In this semiconductor device, a cavity is formed between the gate electrode and the stacked conductors that are part of the source and drain regions, so that the capacity of both is remarkably reduced.
[0039]
  BookReference example 1The semiconductor device will be described with reference to FIGS. Figure 1 (a) shows the bookReference example 1FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. In FIG. 1A, the interlayer insulating film 114 and the refractory silicide film 112 are omitted in order to clarify the position of the cavity 113 and the positional relationship between the contact hole 115 and the gate electrode 111. 2 and 3 show the bookReference example 1It is a figure explaining the procedure which creates this semiconductor device.
[0040]
  As shown in FIGS.Reference example 1The semiconductor device of FIG. 1 is a MIS (metal-insulator-semiconductor) type semiconductor element formed on the active region 120 in a semiconductor substrate 101 roughly divided into an element isolation region 102 and an active region 120. It is. This semiconductor device includes an element isolation region 102, a well region 103, a gate insulating film 104, a source region 110, a drain region 110, and a gate electrode 111.
[0041]
  The source region 110 and the drain region 110 are adjacent to the gate electrode 111. Most portions 110a of each of the source region 110 and the drain region 110 are stacked diffusion layers 110a located above the interface between the gate insulating film 104 and the well region 103, and are examples of stacked conductors. is there. Therefore, since the MIS type semiconductor element has a structure in which the parasitic resistance of the transistor is small due to the presence of the stacked diffusion layer 110a, the operation speed of the semiconductor element can be improved. In addition, since the shallow diffusion can be easily formed by the existence of the stacked diffusion layer 110a, a fine semiconductor element can be formed while suppressing the short channel effect. Furthermore, since the refractory metal silicide film 112 and the PN junction of the source / drain region (diffusion layer region) 110 are sufficiently separated from each other, a semiconductor element having a small junction leakage current can be realized.
[0042]
  A cavity 113 is formed between the gate electrode 111 and the stacked diffusion layer 110a. The stacked diffusion layer 110a is formed of a semiconductor film. As shown in FIG. 1A, the cavity 113 is formed in a region where the gate electrode 111 and the stacked diffusion layer 110a face each other.
[0043]
  A refractory metal silicide film 112 is formed on the gate electrode 111 and the source / drain regions 110, an interlayer insulating film 114 is formed, and a contact hole 115 is formed at a desired position of the interlayer insulating film 114. ing. The upper wiring is omitted because it is the same as a general transistor.
[0044]
  With the above configuration, this bookReference example 1In this semiconductor device, since the cavity 113 is formed between the gate electrode 111 and the stacked diffusion layer 110a of the source / drain regions 110, the capacitance between them can be reduced. Therefore, the speed of the semiconductor device can be improved and the power consumption can be reduced.
[0045]
  Here, the effect of reducing the capacitance between the gate electrode 111 and the source / drain region 110 will be described. In the transistor having the structure in which the source and drain regions 510 are stacked as in the conventional semiconductor device shown in FIG. 13, the gate electrode 511 and the source are compared with a normal transistor having no stacked diffusion layer 510a due to the structure. Since the area facing the drain region 510 is increased, the capacitance between the two is increased. In addition, in order to suppress the short channel effect, it is necessary to make the junction shallower as the transistor becomes finer, but the gate electrode sidewall insulating film prevents the transistor from being offset and dropping the driving force even if the junction is shallow. Since the width of 507 is reduced, the capacitance between the gate electrode 511 and the source / drain region 510 is further increased. For this reason, in a transistor having a structure in which the source and drain regions 510 are stacked, reducing the capacitance is a very important issue.
[0046]
  BookReference example 1This semiconductor device solves the above problems by providing a cavity 113 to reduce the capacity, and includes a very important technical idea.
[0047]
  BookReference example 1In this semiconductor device, a 211-stage ring oscillator circuit was created and the circuit speed was evaluated. As a result, the speed was improved by about 8% compared to the conventional example. In the conventional example shown in FIG. 13, a silicon nitride film having a relative dielectric constant ε of 6 is used for the gate electrode sidewall insulating film 507.Reference example 1In this semiconductor device, the region of the gate electrode side wall insulating film forms a cavity 113, that is, a vacuum in which the relative dielectric constant ε is 1. For this reason, the capacity of the ring oscillator circuit is reduced and the speed is improved.
[0048]
  Further, by providing the cavity 113, stress due to the stacked diffusion layer 110a and the refractory silicide film 112 in the source and drain regions 110 can be relieved, so that the carrier mobility of the transistor due to the stress is not deteriorated. . The reason for this will be described below.
[0049]
  When the gate sidewall insulating film 507 is formed between the gate electrode 511 and the stacked diffusion layer 510a of the source / drain region 510 as in the conventional example shown in FIG. 13, the stacked diffusion layer 510a and the refractory metal silicide are formed. The stress generated by the film 513 is transmitted to the gate electrode 511 through the gate electrode sidewall insulating film 507, and as a result, the stress is deteriorated so that the mobility of carriers in the channel (near the surface of the well region 503 directly under the gate electrode 511) is deteriorated. Worked. Contrary to this, the bookReference example 1In this semiconductor device, since the cavity 113 absorbs the stress generated in the source / drain region 110, the deterioration of carrier mobility can be prevented. Therefore, the semiconductor device can maintain its original performance without reducing the driving force, and can operate at high speed.
[0050]
  Then bookReference example 1A procedure for forming the semiconductor device will be described with reference to FIGS.
[0051]
  First, as shown in FIG. 2A, an element isolation region 102 is provided in a semiconductor substrate 101 made of, for example, a silicon substrate by a well-known method, and then a well region 103 is formed in the semiconductor substrate 101. Next, a gate insulating film 104, a polycrystalline silicon film (hereinafter referred to as a gate electrode region) 105 to be a gate electrode, and a gate electrode sidewall insulating film 107 are formed. Here, a silicon oxide film 106 is formed on the gate electrode region 105. Although not shown, the gate electrode sidewall insulating film 107 is formed of a silicon oxide film on the gate electrode region 105 side and the bottom, and a silicon nitride film which is the other part, and the silicon oxide film and the silicon nitride film The film thickness of each is 3 to 10 nm and 30 to 60 nm.
[0052]
  Next, as shown in FIG. 2B, after the polycrystalline silicon film is deposited on the entire surface by LPCVD (low pressure chemical vapor deposition), the polycrystalline silicon film above the gate electrode region 105 disappears. By performing anisotropic etching back to the end, the sidewall 109 of the polycrystalline silicon film is formed. At this time, the polycrystalline silicon film was deposited by the same method as described in the conventional example in which a natural oxide film does not grow at the interface with the semiconductor substrate 101.
[0053]
  Then bookReference example 1Although not shown, the source region and the drain region are directly short-circuited by the side wall 109 of the polycrystalline silicon film formed over the entire periphery of the gate electrode region 105 as described with reference to FIG. In order to prevent this, the side walls 109 of unnecessary regions at both ends in the longitudinal direction of the gate electrode region 105 are removed to separate the source and drain regions.
[0054]
  Next, after the silicon oxide film 106 on the gate electrode region 105 shown in FIG. 2B is removed as shown in FIG. 2C, portions that become the gate electrode 111, the source region 110, and the drain region 110 are removed. That is, an impurity which becomes a donor or an acceptor is simultaneously introduced into the gate electrode region 105 and the sidewall 109 by ion implantation. The ion implantation at this time is 1 × 10 with an energy of about 20 keV to 80 keV for adjacent ions in the N channel transistor.15/ Cm2~ 1x1016/ Cm2For a P-channel transistor with a dose of about 1 × 10 5 with an energy of about 5 keV to 30 keV.15/ Cm2~ 1x1016/ Cm2It was performed at a dose amount of about. Next, after the ion implantation, a heat treatment is performed at a temperature of about 800 ° C. to 950 ° C. for about 5 minutes to 120 minutes, or a rapid heat treatment at a temperature of about 950 ° C. to 1100 ° C. for about 5 seconds to 60 seconds. The activated impurities are activated and diffused to the well region 103 of the semiconductor substrate 101, whereby the activated gate electrode 111, source region 110, and drain region 110 are formed.
[0055]
  Next, as shown in FIG. 3A, a refractory metal silicide film 112 is selectively formed on the source region 110, the drain region 110 and the gate electrode 110 by a known salicide process, and then hot phosphoric acid is used. Thus, most of the silicon nitride film of the gate electrode sidewall insulating film 107 is removed leaving a part of the silicon nitride film 107 ′ at the bottom. Although not shown, a thin silicon oxide film of the gate electrode sidewall insulating film 107 is formed to a thickness of 3 to 10 nm on the sidewall portion of the gate electrode 111 and the surface of the well region 103. Yes. For this reason, even if the etching is performed until the portion 107 ′ of the silicon nitride film to be left is completely removed, phosphoric acid does not directly contact silicon, so that surface roughness does not occur and the characteristics are deteriorated. It will not be. On the other hand, since there is no silicon oxide film on the side surface of the side wall 110a of the polycrystalline silicon film forming the stacked diffusion layer 110a of the source region 110 and the drain region 110, it is slightly etched by phosphoric acid. It is not a problem because it is not an influential area.
[0056]
  BookReference example 1Then, hot phosphoric acid was used to remove the silicon nitride film, but the present invention is not limited to this, and other wet etching or dry etching having high selectivity with respect to the refractory metal silicide film 112 and the silicon oxide film 102 is used. May be used.
[0057]
  Here, in the case of forming a titanium silicide film, the well-known salicide process is titanium deposition → first heat treatment (600 to 700 ° C.) → selective etching (removal of unreacted refractory metal) → second heat treatment. However, the step of removing the gate electrode sidewall insulating film 107 may be performed after the selective etching and before the second heat treatment. In this case, the gate electrode sidewall insulating film 107 does not exist at the time of the second high-temperature heat treatment, that is, when the refractory silicide film 112 is phase-shifted from the high-resistance crystal phase to the low-resistance crystal phase. Therefore, the stress at the phase transition can be relaxed. Therefore, the refractory metal silicide film 112 can be formed with good controllability even on the fine gate electrode 111 where it is difficult to form the refractory metal silicide film 112.
[0058]
  Next, as shown in FIG. 3B, an interlayer insulating film 114 is deposited. As a result, a cavity 113 is formed in a recess between the stacked diffusion layer 110 a of the source / drain region 110 and the gate electrode 111. The cavity 113 has a very large aspect ratio of 50 nm in width and 250 nm in depth. Therefore, the cavity 113 cannot be embedded by a plasma CVD method, which is a normal method for depositing the interlayer insulating film 114. Here, by forming the interlayer insulating film 114 at a pressure of 100 Pa or more with monosilane and oxygen by a method having a step coverage lower than that of the normal plasma CVD method, for example, atmospheric pressure CVD method or plasma CVD method, The cavity 113 can be obtained stably. Although not shown, the interlayer insulating film may be deposited by a method having a good step coverage after the interlayer insulating film is deposited by the above-described method having a poor step coverage for about 50 nm to 300 nm. In that case, there is an advantage that a step on the surface of the interlayer insulating film 114 can be reduced while the cavity 113 is formed with good controllability.
[0059]
  Thereafter, a contact hole 115 is formed at a desired position of the interlayer insulating film 114. Although not shown, the upper wiring is formed by a well-known method,Reference example 1This completes the semiconductor device.
[0060]
  As above, the bookReference example 1According to this manufacturing method, the cavity 113 can be formed with good controllability between the gate electrode 111 and the stacked diffusion layer 110a which is a conductor of the source / drain region 110 without using a special process.
[0061]
  (Reference example 2)
  BookReference example 2The semiconductor deviceReference example 1Similarly to the above, by forming a cavity between the gate electrode and the stacked diffusion layers of the source and drain regions, the capacitance combined with both is remarkably reduced. In addition to this, a structure in which the electrical isolation between the gate electrode and the source / drain region is improved, and a structure in which a cavity is easily formed between the gate electrode and the stacked diffusion layer of the source / drain region. Is to provide.
[0062]
  BookReference example 2The semiconductor device will be described with reference to FIGS. Figure 4 shows the bookReference example 22 shows a cross section of the semiconductor device taken perpendicularly to the longitudinal direction of the gate electrode 211. 5-7 show the bookReference example 2The procedure for producing the semiconductor device will be described.
[0063]
  First, using FIG.Reference example 2The configuration of the semiconductor device will be described.
[0064]
  BookReference example 2This semiconductor device is a MIS type semiconductor element formed on the active region in a semiconductor substrate 201 roughly divided into an element isolation region 202 and an active region. The semiconductor device includes an element isolation region 202, a well region 203, a gate insulating film 204, a source region 210, a drain region 210, and a gate electrode 211.
[0065]
  The source region 210 and the drain region 210 are adjacent to the gate electrode 211. The stacked diffusion layer 210 a, which is the most part of each of the source region 210 and the drain region 210, is located above the interface between the gate insulating film 204 and the well region 203. The stacked diffusion layer 210a is an example of a conductor. Between the stacked diffusion layer 210a and the gate electrode 211, there are a cavity 212, a gate electrode sidewall insulating film 208 and an insulating film 207 'as insulators. The cavity 212 is between the gate electrode 211 and the gate electrode sidewall insulating film 208, and the insulating film 207 ′ is disposed under the cavity 207 ′ and the gate electrode sidewall insulating film 208. The gate electrode sidewall insulating film 208 protrudes above the gate electrode 211 and the source / drain regions 210. The area where the cavity 212 is formed is shown in FIG.Reference example 1Similarly to the semiconductor device of FIG. 2, the gate electrode 211 and the source / drain region 210 are opposed to each other, and thus are not shown here.
[0066]
  According to the above configuration, the presence of the cavity 212 can reduce the capacitance between the gate electrode 211 and the source / drain region 210. Therefore, the operation speed of the semiconductor device can be improved and the power consumption can be reduced. Also,Reference example 1Unlike the gate electrode 211 and the stacked diffusion layer 210a of the source / drain region 210, the gate electrode sidewall insulating film 208 exists, so that the gate electrode 211 and the source / drain region 210 can be reliably insulated. . Further, since the gate electrode sidewall insulating film 208 protrudes above the gate electrode 211 and the source / drain regions 210, the cavity 212 is easily formed when the interlayer insulating film 214 is deposited.
[0067]
  The gate electrode sidewall insulating film 208 and the insulating film 207 ′ may be any insulating film, but thisReference example 2Then, the gate electrode sidewall insulating film 208 is a silicon nitride film, and the insulating film 207 'is a silicon oxide film. In this case, the element isolation region 202 and the silicon oxide film 207 are silicon oxide films. Since the silicon nitride film 208 is formed on these, the element isolation region 202 and the silicon oxide film 207 are formed when cleaning with hydrofluoric acid or the like. The silicon oxide film 207 is not etched to reduce the film thickness. Therefore, characteristic deterioration such as a short circuit between elements (between the source region 210 and the drain region 210) can be prevented. Since the silicon nitride film 208 on the element isolation region 202 functions as an etching stopper when forming the contact hole 215, the silicon oxide film 207 in the element isolation region 202 penetrates into the well region 203 during contact etching. It will not cause deterioration of characteristics.
[0068]
  A refractory metal silicide film 213 is formed on the gate electrode 211 and the source / drain regions 210, an interlayer insulating film 214 is formed, and a contact hole 215 is formed at a desired position of the interlayer insulating film 214. Yes. The upper wiring is omitted because it is the same as a general transistor.
[0069]
  Then bookReference example 2A procedure for forming the semiconductor device will be described with reference to FIGS.
[0070]
  First, as shown in FIG. 5A, an element isolation region 202 is provided in a semiconductor substrate 201 by a well-known method, and then a well region 203 is formed in the semiconductor substrate 201. Next, a gate insulating film 204, a polycrystalline silicon film 205 to be a gate electrode, and a silicon oxide film 206 are sequentially formed on the semiconductor substrate 201. Next, after patterning the silicon oxide film 206 by a known lithography and etching technique, the polycrystalline silicon film 205 is patterned using the silicon oxide film 206 as a mask to form a gate electrode region 205. Although not shown, a silicon oxide film having a thickness of 2 to 10 nm may be formed on the side wall of the gate electrode region 205 and the surface of the well region 203 by thermal oxidation.
[0071]
  Next, as shown in FIG. 5B, a silicon oxide film 207 and a silicon nitride film 208 are deposited to a thickness of 10 to 30 nm and 20 to 50 nm, respectively, by a normal CVD method.
[0072]
  Next, as shown in FIG. 5C, a silicon oxide film as an example of the first gate electrode sidewall insulating film while leaving the silicon nitride film 208 on the element isolation region 202 by a known lithography and etching technique. A gate electrode sidewall insulating film composed of 207 and a silicon nitride film 208 as an example of the second gate electrode sidewall insulating film is formed.
[0073]
  Next, as shown in FIG. 6A, after the polycrystalline silicon film is deposited on the entire surface by the LPCVD method, anisotropic etching back is performed until the deposited polycrystalline silicon film above the gate electrode region 205 disappears. As a result, a sidewall 209 of a polycrystalline silicon film is formed. At this time, the polycrystalline silicon film 209 was deposited by the same method described in the conventional example in which a natural oxide film does not grow on the interface with the semiconductor substrate 2201.
[0074]
  Next, the silicon oxide film 206 (see FIGS. 5C and 6A) on the gate electrode region 205 is removed. At this time, the silicon oxide film 207 of the gate electrode side wall insulating film is also removed to the vicinity of the upper portion of the gate electrode 205 at the same time. While the silicon oxide film 206 may be removed, a recess that becomes a cavity may be formed. However, when impurity ions are implanted into the source, drain region, and gate electrode region 205, the impurity ions implanted into the recess region are wells. Since there is a high risk that the junction depth of the source and drain regions will be deepened by implantation up to the deep region of the region 203, it is desirable that the formation of the recess be performed after the impurity ion implantation is completed.
[0075]
  Then bookReference example 2Although not shown in the figure, as described with reference to FIG. 14 in the conventional example, the source region and the drain region are directly connected by the sidewall 209 of the polycrystalline silicon film formed over the entire periphery of the gate electrode region 205. In order to prevent short-circuit, the source and drain regions are separated by removing the unnecessary side walls 209 at both ends in the longitudinal direction of the gate electrode region 205.
[0076]
  Next, a portion that becomes the gate electrode 211, the source region 210, and the drain region 210 illustrated in FIG. 6B, that is, the gate electrode region 205 and the sidefalls 209 and 209 illustrated in FIG. The impurity to be formed is simultaneously introduced by ion implantation, and then a desired heat treatment is performed. Thereby, the gate electrode 211, the source region 210, and the drain region 210 are formed, respectively. The ion implantation conditions and heat treatment conditions at this time are as follows:Reference example 1Since it is the same as the conditions described in, it is omitted here.
[0077]
  Next, as shown in FIG. 6C, a part of the silicon oxide film 207 on the side wall portion of the gate electrode 211 is removed to form a hollow, that is, a cavity region that will later become a cavity. At this time, the silicon oxide film 207 ′ remains below the depression and the silicon nitride film 208.
[0078]
  Next, as shown in FIG. 7A, a refractory metal silicide film 213 is selectively formed on the source region 210, the drain region 210, and the gate electrode 211 by a known salicide process. Here, in the known salicide process, a refractory metal film is generally deposited by physical sputtering, but the step coverage is very poor, so that the refractory metal silicide film is not formed on the sidewall of the gate electrode 211. However, if the CVD method is used, a refractory metal silicide film can be formed also on the side wall of the gate electrode 211. For example, in the case of titanium, a refractory metal silicide film can be formed on the side wall of the gate electrode 211 by thermal CVD using titanium tetrachloride and hydrogen. Thus, when the refractory metal silicide film 213 is formed also on the side wall of the gate electrode 211, the resistance of the gate electrode 211 can be reduced. Further, it is possible to obtain a refractory metal silicide film that hardly aggregates even when the gate length is reduced.
[0079]
  Next, as shown in FIG. 7B, an interlayer insulating film 214 is deposited. As a result, a cavity 212 is formed in a recess between the gate electrode 211 and the gate electrode sidewall insulating film 208. The cavity 212 is formed because the recess has a very large aspect ratio of 10 to 30 nm in width and 250 nm in depth, and cannot be filled by the plasma CVD method for depositing a normal interlayer insulating film 214. here,Reference example 1Similarly, by forming the interlayer insulating film 214 at a pressure of 100 Pa or more with monosilane and oxygen by a method having poor step coverage than the normal plasma CVD method, for example, atmospheric pressure CVD method or plasma CVD method, The cavity 212 can be obtained more stably. Although not shown, the insulating film with poor step coverage may be deposited after the above-described insulating film with poor step coverage is deposited by about 50 nm to 300 nm. In that case, there is an advantage that a step on the surface of the interlayer insulating film 215 can be reduced while the cavity 212 is formed with good controllability.
[0080]
  Next, a contact hole 215 is formed at a desired position of the interlayer insulating film 214. Although not shown, the upper wiring is formed by a well-known method,Reference example 2This completes the semiconductor device.
[0081]
  BookReference example 2In the semiconductor device ofReference example 1Compared with this semiconductor device, the silicon nitride film 208 protrudes above the stacked diffusion layer 210a of the gate electrode 211 and the source / drain regions 210, that is, the interlayer insulating film 214 is difficult to be deposited in the depression. Therefore, the cavity 212 can be formed with good controllability. Further, since the silicon nitride film 208 protrudes above the gate electrode 211 and the stacked diffusion layer 210 a of the source / drain region 210, it is between the gate electrode 211 and the stacked diffusion layer 210 a of the source / drain region 210. The effective distance is increased and the insulation between the gate electrode 211 and the source / drain region 210 is improved.
[0082]
  As above, the bookReference example 2Then, the cavity 212 can be formed with good controllability in the recess between the gate electrode 211 and the second gate electrode sidewall insulating film 208 without using a special process.
[0083]
  (Reference example 3)
  Book shown in FIG.Reference example 3This semiconductor device uses an SOI (Silicon On Insulator) substrate,Reference example 2Unlike other semiconductor devices, other points areReference example 2It is the same. Therefore, in FIG. 8, shown in FIG.Reference example 2The same reference numerals are assigned to the same components, and detailed description thereof is omitted.
[0084]
  As shown in FIG. 8, a buried silicon oxide film 220 is formed between the semiconductor substrate 201 and the element isolation region 202 and well region 203 (body). The junction depth of the source / drain region 210 is made thicker than the thickness of the well region 203. Therefore,Reference example 2In addition to the effects of the semiconductor device, the capacity of the junction can be reduced. Further, the presence of the buried silicon oxide film 220 can reduce the leakage current of the semiconductor element.
[0085]
  In a normal SOI substrate, although not shown, a refractory metal silicide film is formed directly on the body. For this reason, when the semiconductor element is miniaturized and the thickness of the body becomes thin, the refractory metal silicide film consumes all of the silicon in the body and reaches the buried silicon oxide film, causing a defect. Contrary to this, the bookReference example 3In this semiconductor device, since the refractory metal silicide film 213 is formed on the stacked diffusion layer 210 a in the source / drain region 210, the refractory metal silicide film 213 does not reach the buried silicon oxide film 220. Therefore, defects can be prevented.
[0086]
  BookReference example 3In this semiconductor device, the case where it is formed on a fully depleted SOI substrate has been described. However, the present invention is not limited to this, and it may be formed on a partially depleted SOI substrate. Also on the SOI substrateReference example 2Although the case where the semiconductor device is formed is described, since the same effect can be obtained, the semiconductor device is formed on the SOI substrate.Reference example 1The semiconductor device may be formed.
[0087]
  (Embodiment 1)
  less than,Embodiment 1A procedure for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to FIGS.
[0088]
  First, as shown in FIG. 9A, an element isolation region 302 is provided in a semiconductor substrate 301 by a well-known method, and then a well region 303 is formed in the semiconductor substrate 301. Next, a gate insulating film 304, a polycrystalline silicon film 305 to be a gate electrode, and a silicon oxide film 306 as an example of an insulating film are sequentially formed. Here, the silicon oxide film 306 was deposited at a temperature of 400 ° C. by a CVD method. The deposition temperature is preferably 400 ° C., but may be 700 ° C. or less. Next, after patterning the silicon oxide film 306 by a known lithography and etching technique, the polycrystalline silicon film 305 is patterned using the silicon oxide film 306 as a mask to form a gate electrode region 305. Next, heat treatment at 700 ° C. to 900 ° C. is performed to reduce the width of the silicon oxide film 306 that is an insulating film by about 10 to 30 nm on one side due to film shrinkage. This is because the film density of the silicon oxide film 306 formed at a low temperature of 400 ° C. is small, and therefore, a phenomenon that the film shrinks when heat-treated at a high temperature of 700 ° C. to 900 ° C. is used. If the heat treatment temperature for shrinking the silicon oxide film 306 is 700 ° C. or less, it takes time to shrink the silicon oxide film 306 to a desired width, resulting in a decrease in throughput. On the other hand, when the temperature is 900 ° C. or higher, the depth of the well region 303 is increased or the surface concentration of the well region 303 is decreased, and the well region 303 having a desired concentration and depth cannot be obtained. For this reason, heat processing temperature is performed at 700 to 900 degreeC.
[0089]
  Although not shown, a silicon oxide film having a thickness of 2 to 10 nm may be formed on the surfaces of the gate electrode region 305 and the well region 303 made of a polycrystalline silicon film by thermal oxidation. Further, this thermal oxidation treatment may be combined with a heat treatment for reducing the width of the silicon oxide film 306.
[0090]
  Next, as shown in FIG. 9B, a silicon oxide film 307 and a silicon nitride film 308, which is an example of an insulator, are sequentially deposited by a normal CVD method to about 10 to 30 nm and 20 to 50 nm, respectively. To do.
[0091]
  Next, as shown in FIG. 9C, silicon oxide as an example of the first gate electrode side wall insulating film is left while the silicon nitride film 308 is left on the element isolation region 302 by a known lithography and etching technique. A gate electrode sidewall insulating film including a film 307 and a silicon nitride film 308 as an example of a second gate electrode sidewall insulating film is formed.
[0092]
  Next, as shown in FIG. 10A, after the polycrystalline silicon film is deposited on the entire surface by LPCVD, anisotropic etching back is performed until the portion of the polycrystalline silicon film above the gate electrode region 305 disappears. As a result, sidewalls 309 of the polycrystalline silicon film are formed. At this time, the polycrystalline silicon film was deposited by the same method described in the conventional example in which a natural oxide film does not grow at the interface with the semiconductor substrate 301.
[0093]
  Next, the silicon oxide film 306 (see FIG. 9C) is removed as shown in FIG. At this time, the silicon oxide film 307 as the first gate electrode sidewall insulating film is also removed to the vicinity of the upper portion of the gate electrode region 305 at the same time. While the silicon oxide film 306 is removed, a hollow that becomes a cavity may be formed at the same time. However, when impurity ions are implanted into the source, drain region, and gate electrode region, the impurity ions implanted into the hollow region are wells. Since there is a high risk that the junction depth of the source and drain will be deepened by implantation up to the deep region of the region 303, it is desirable that the formation of the recess be performed after the impurity ion implantation is completed.
[0094]
  Then bookEmbodiment 1Although not shown, the source and drain are directly shorted by the side wall 309 of the polycrystalline silicon film formed over the entire periphery of the gate electrode region 305 as described with reference to FIG. 14 in the conventional example. In order to prevent this, the side wall 309 of the unnecessary region at both ends in the longitudinal direction of the gate electrode region 305 is removed to separate the source and drain regions.
[0095]
  Next, an impurity which becomes a donor or an acceptor is simultaneously introduced into the gate electrode region 305 and the sidewall 309 shown in FIG. 10A by ion implantation, and then a desired heat treatment is performed. Thereby, the gate electrode 311 and the source / drain regions 310 are formed. The ion implantation conditions and heat treatment conditions at this time are as follows:Reference example 1Since the conditions are the same as those described in 2 and 2, they are omitted here.
[0096]
  Next, as shown in FIG. 10C, a part of the silicon oxide film 307 that is in contact with the side surface of the gate electrode 311 is removed to form a cavity region, that is, a recess that will later become a cavity. At this time, the silicon oxide film 307 ′ remains under the depression and the silicon nitride film 308. Further, due to the film shrinkage of the silicon oxide film 306, the width of the silicon oxide film 306 is smaller than the width of the gate electrode 311. Therefore, the upper portion of the silicon nitride film 308 is bent toward the gate electrode 311. ing. Therefore, the distance between the part of the silicon nitride film 308 protruding upward from the gate electrode 311 and the extended surface of the side surface of the gate electrode 311 is such that the lower part of the silicon nitride film 308 and the gate electrode 311 It is smaller than the distance between the sides.
[0097]
  Next, as shown in FIG. 11A, a refractory metal silicide film 313 is selectively formed on the source region 310, the drain region 310, and the gate electrode 311 by a well-known salicide process. here,Reference example 2As described above, a refractory metal silicide film may be formed on the side wall of the gate electrode 311 by using the CVD method.
[0098]
  Next, as shown in FIG. 11B, an interlayer insulating film 314 is deposited. As a result, a cavity 312 is formed in the recess between the gate electrode 311 and the silicon nitride film 308 as the second gate electrode sidewall insulating film. BookEmbodiment 1ThenReference example 2In contrast, the silicon nitride film 308 as the second gate electrode side wall insulating film protrudes in the direction of the gate electrode 311 at the entrance portion at the upper part of the depression to serve as a cap, and the interlayer insulating film 314 is deposited. It has a difficult shape. Therefore, the cavity 312 can be formed with good controllability. here,Reference example 1As in (2) and (2), by forming the interlayer insulating film 314 with monosilane and oxygen at a pressure of 100 Pa or higher by a method having a step coverage lower than that of the normal plasma CVD method, for example, atmospheric pressure CVD method or plasma CVD method. The cavity 312 can be obtained more stably. Although not shown, the insulating film with poor step coverage may be deposited after the above-described insulating film with poor step coverage is deposited by about 50 nm to 300 nm. In that case, there is an advantage that the step of the interlayer insulating film 314 can be reduced while the cavity 312 is formed with good controllability.
[0099]
  Thereafter, contact holes 315 are formed at desired positions of the interlayer insulating film 314. Although not shown, the upper wiring is formed by a well-known method,Embodiment 1This completes the semiconductor device.
[0100]
  As above, the bookEmbodiment 1Then, the cavity 312 can be formed with good controllability in the recess between the gate electrode 311 and the silicon nitride film 308 without using a special process.
[0101]
  the aboveReference example 24 to 4, the cavities 212 and 312 are provided between the gate electrodes 211 and 311 and the silicon nitride films 208 and 308 as insulators. The insulators are in contact with the side walls of the gate electrodes and stacked with the insulators. A cavity may be provided between the diffusion layer.
[0102]
【The invention's effect】
  As is apparent from the above, according to the semiconductor device of the present invention, a cavity having a small relative dielectric constant of 1 is provided between the stacked conductors that are part of the source region and the drain region and the gate electrode. Therefore, the capacity between the stacked conductor and the gate electrode can be reduced, and the capacity of the source and drain regions and the gate electrode can be reduced. Therefore, a high-speed semiconductor device can be obtained.
[0103]
  In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, without using a special process device, using a generally widely used process device, between the gate electrode and the stacked conductors, Since the cavity is formed, a capital investment of a new process apparatus is unnecessary, and a semiconductor device having a cavity can be manufactured easily and inexpensively.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1 (a) and 1 (b) show the present invention.Reference example 1It is the top view and sectional drawing of a semiconductor device.
2 (a), (b), and (c) are diagrams of the present invention.Reference example 1It is a figure explaining the procedure which creates this semiconductor device.
FIGS. 3 (a) and 3 (b) show the present invention.Reference example 1It is a figure explaining the procedure which creates this semiconductor device.
FIG. 4 of the present inventionReference example 2It is sectional drawing of this semiconductor device.
FIGS. 5 (a), 5 (b), and 5 (c) show the present invention.Reference example 2It is a figure explaining the procedure which creates this semiconductor device.
6 (a), (b), and (c) are diagrams of the present invention.Reference example 2It is a figure explaining the procedure which creates this semiconductor device.
7 (a) and 7 (b) are views of the present invention.Reference example 2It is a figure explaining the procedure which creates this semiconductor device.
[Fig. 8] of the present inventionReference example 3It is sectional drawing of this semiconductor device.
9 (a), (b) and (c) are diagrams of the present invention.Embodiment 1It is a figure explaining the procedure which creates this semiconductor device.
FIGS. 10 (a), (b), and (c) show the present invention.Embodiment 1It is a figure explaining the procedure which creates this semiconductor device.
FIGS. 11 (a) and 11 (b) show the present invention.Embodiment 1It is a figure explaining the procedure which creates this semiconductor device.
FIGS. 12A, 12B, and 12C are views for explaining a procedure for producing a conventional semiconductor device. FIGS.
FIGS. 13A and 13B are diagrams illustrating a procedure for manufacturing a conventional semiconductor device.
FIGS. 14A and 14B are views for explaining a procedure for producing a conventional semiconductor device. FIGS.
[Explanation of symbols]
101, 201, 301 Silicon substrate
102, 106, 202, 206, 207, 302, 306, 307 Silicon oxide film
103, 203, 303 well region
104, 204, 304 Gate insulating film
105, 109, 205, 209, 305, 309 Polycrystalline silicon film
107, 208, 308 Silicon nitride film
110, 210, 310 Source region, drain region
110a, 210a, 310a Stacked diffusion layer
111, 211, 311 Gate electrode
112, 213, 313 Refractory metal silicide film
113, 212, 312 cavity
114, 214, 314 Interlayer insulating film
115, 215, 315 Contact hole
220 buried silicon oxide film

Claims (6)

半導体基板と、この半導体基板の活性領域上に設けられたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、このゲート電極の両側に位置するソース領域及びドレイン領域とを備え、上記ソース領域及びドレイン領域の各一部は、上記活性領域とゲート絶縁膜との間の界面よりも上方に積み上げられた導電体からなる半導体装置において、
上記導電体と上記ゲート電極との間に、絶縁体を備え、
上記絶縁体の一部は上記ゲート電極よりも上方へ突き出ており、
上記絶縁体の他の一部と上記ゲート電極との間に、空洞が形成されており、
上記ゲート電極よりも上方へ突き出ている上記絶縁体の上記一部と、上記ゲート電極の側面の延長面との間の距離は、上記絶縁体の上記他の一部と上記ゲート電極の側面との間の距離よりも小さいことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate, a gate insulating film provided on the active region of the semiconductor substrate, a gate electrode provided on the gate insulating film, and a source region and a drain region located on both sides of the gate electrode, In each of the source region and the drain region, in the semiconductor device made of a conductor stacked above the interface between the active region and the gate insulating film,
An insulator is provided between the conductor and the gate electrode,
A part of the insulator protrudes upward from the gate electrode,
A cavity is formed between the other part of the insulator and the gate electrode,
The distance between the part of the insulator protruding upward from the gate electrode and the extended surface of the side surface of the gate electrode is the distance between the other part of the insulator and the side surface of the gate electrode. wherein a smaller than the distance between.
請求項1に記載の半導体装置において、
上記絶縁体の一部は上記導電体よりも上方へ突き出ていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A part of the insulator protrudes upward from the conductor .
請求項1または2に記載の半導体装置において、
上記空洞に面する上記ゲート電極の側壁に、高融点金属シリサイド膜を設けていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2 ,
A semiconductor device, wherein a refractory metal silicide film is provided on a side wall of the gate electrode facing the cavity .
半導体基板上にゲート絶縁膜、ゲート電極及び絶縁膜を順次堆積する工程と、
上記絶縁膜及び上記ゲート電極をパターニングする工程と、
上記ゲート電極の側壁に接するゲート電極側壁絶縁膜を形成する工程と、
上記半導体基板上に導電膜を堆積する工程と、
上記ゲート電極上の上記導電膜が無くなるまでエッチングを行って、上記ゲート電極側壁絶縁膜に接する積み上げられた導電体を形成する工程と、
上記ゲート電極側壁絶縁膜の一部をエッチングして空洞領域を形成する工程と、
上記空洞領域が空洞になるような条件下にて層間絶縁膜を堆積する工程と
を備え
上記ゲート電極側壁絶縁膜を形成する工程は、第1のゲート電極側壁絶縁膜及び第2のゲート電極側壁絶縁膜を順次形成する工程であり、
上記空洞領域を形成する工程は、上記第1のゲート電極側壁絶縁膜または上記第2のゲート電極側壁絶縁膜の何れかをエッチングする工程であり、
上記絶縁膜及び上記ゲート電極をパターニングする工程の後、かつ、上記第1のゲート電極側壁絶縁膜及び第2のゲート電極側壁絶縁膜を順次形成する工程の前に、上記絶縁膜の幅を上記ゲート電極の幅よりも小さくする工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Sequentially depositing a gate insulating film, a gate electrode, and an insulating film on a semiconductor substrate;
Patterning the insulating film and the gate electrode;
Forming a gate electrode sidewall insulating film in contact with the gate electrode sidewall;
Depositing a conductive film on the semiconductor substrate;
Etching until the conductive film on the gate electrode disappears to form a stacked conductor in contact with the gate electrode sidewall insulating film; and
Forming a cavity region by etching a part of the gate electrode side wall insulating film,
And a step of depositing an interlayer insulating film under conditions such that the cavity region becomes a cavity ,
The step of forming the gate electrode sidewall insulating film is a step of sequentially forming a first gate electrode sidewall insulating film and a second gate electrode sidewall insulating film,
The step of forming the cavity region is a step of etching either the first gate electrode sidewall insulating film or the second gate electrode sidewall insulating film,
After the step of patterning the insulating film and the gate electrode, and before the step of sequentially forming the first gate electrode sidewall insulating film and the second gate electrode sidewall insulating film, the width of the insulating film is the method of manufacturing a semiconductor device characterized by comprising the step of smaller than the width of the gate electrode.
請求項に記載の半導体装置の製造方法において、
上記第1のゲート電極側壁絶縁膜はシリコン酸化膜であり、
上記第2のゲート電極側壁絶縁膜はシリコン窒化膜であり、
上記空洞領域を形成する工程は、上記シリコン酸化膜をエッチングする工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 4 ,
The first gate electrode sidewall insulating film is a silicon oxide film;
The second gate electrode sidewall insulating film is a silicon nitride film;
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the step of forming the cavity region is a step of etching the silicon oxide film .
請求項に記載の半導体装置の製造方法において、
上記絶縁膜の幅を上記ゲート電極の幅よりも小さくする工程は、上記絶縁膜を700℃〜900℃で熱処理する工程であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 4 ,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the step of making the width of the insulating film smaller than the width of the gate electrode is a step of heat-treating the insulating film at 700 ° C. to 900 ° C.
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