JP4115769B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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【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係り、特にCMOS構造を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近時では、微細化に伴い、MOSトランジスタのゲート長が短くなる傾向にある。
【0003】
しかし、ゲート長を単に短くした場合には、トランジスタをオフさせることができなくなってしまう。
【0004】
このため、ゲート電極の側面にサイドウォールスペーサを形成し、サイドウォールスペーサが形成されたゲート電極に自己整合でドーパント不純物をイオン注入することにより、ソース/ドレイン拡散層のエクステンション領域を形成することが行われている。
【0005】
側面にサイドウォールスペーサが形成されたゲート電極に自己整合でドーパント不純物を導入すれば、ドーパント不純物が導入される領域をオフセットすることができるため、ゲート電極を短くした場合であっても、トランジスタをオフさせることが可能となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、PMOSトランジスタのエクステンション領域を形成する際にドーパント不純物として用いられるBは、熱処理時における拡散速度が速い一方、NMOSトランジスタのエクステンション領域を形成する際にドーパント不純物として用いられるAsは、熱処理時における拡散速度が遅い。このため、CMOS構造を有する半導体装置においては、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタのいずれか一方において良好な電気的特性を得ることができない場合があった。
【0007】
図12(a)に示すように、ゲート電極120の側面にサイドウォールスペーサ122を薄めに形成した場合には、ゲート長の短い良好な電気的特性を有するNMOSトランジスタ116bが得られる一方、PMOSトランジスタ116aにおいてはチャネル長が極めて短くなってしまい、正常にオフすることができなくなってしまう。
【0008】
一方、図12(b)に示すように、ゲート電極120の側面にサイドウォールスペーサ122を厚めに形成した場合には、NMOSトランジスタ126bとPMOSトランジスタ126aのいずれもオン・オフは可能であるものの、NMOSトランジスタ126bにおいてはエクステンション領域130とゲート電極120とがオーバーラップする部分の長さが短くなりすぎてしまう。
【0009】
図13は、ゲート電極とエクステンション領域とがオーバーラップしている部分の長さと、飽和電流との関係を示すグラフである(参考文献:S. Thompson et al. Symp. on VLSI Tech. P.132, 1998)。横軸はゲート電極とエクステンション領域とがオーバーラップしている部分の長さを示しており、縦軸は飽和電流IDSATを示している。なお、図13は、NMOSトランジスタについて測定したものである。図中の■は、ゲート絶縁膜の膜厚TOXが4.5nm、電源電圧VCCが1.8V、ゲート長LEが0.12μmの場合であり、▲はTOX、VCC、LEをそれぞれ0.7倍した場合であり、●はTOX、VCC、LEをそれぞれ0.5倍した場合である。いずれの場合も、電源電圧VCCは1.8Vであり、ゲート長LEは0.12μmである。図13から分かるように、エクステンション領域とゲート電極とがオーバーラップしている部分の長さが短くなりすぎると、寄生抵抗の増加を招き、オン電流の低下を招いてしまう。このように、サイドウォールスペーサを厚めに形成した場合には、良好な電気的特性を有するPMOSトランジスタは得られる一方、NMOSトランジスタにおいてはオン電流の低下を招いてしまう。
【0010】
このように、CMOS構造を有する半導体装置では、ゲート長を更に短くしよとすると、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタのいずれかにおいて良好な電気的特性が得られなくなってしまっていた。
【0011】
本発明の目的は、ゲート長を短くした場合であっても、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタのいずれにおいても良好な電気的特性を実現し得るCMOS構造を有する半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
記目的は、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタとを半導体基板上に形成する半導体装置の製造方法において、前記半導体基板上に絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の側面にサイドウォールスペーサを形成する工程と、前記PMOSトランジスタの前記ゲート電極の両側の前記半導体基板内に、前記サイドウォールスペーサが形成された前記ゲート電極をマスクにして、ドーパント不純物としてBを導入した第1のエクステンション領域と、ドーパント不純物としてAsを導入した第1のポケット領域とを形成する工程と、前記NMOSトランジスタの前記ゲート電極の両側の前記半導体基板内に、前記サイドウォールスペーサが形成された前記ゲート電極をマスクにして、ドーパント不純物としてAsを導入した第2のエクステンション領域を形成する工程と、前記第2のエクステンション領域を形成する工程の後に、前記第2のエクステンション領域を包含するようにドーパント不純物としてInを導入することにより非晶質領域を含む第2のポケット領域を形成する工程と、前記第1のエクステンション領域より深い第1の不純物拡散領域を前記PMOSトランジスタの前記ゲート電極の両側の前記半導体基板内に形成することにより、前記第1のエクステンション領域と前記第1の不純物拡散領域とを有する前記PMOSトランジスタの第1のソース/ドレイン領域を形成し、前記第2のエクステンション領域より深い第2の不純物拡散領域を前記NMOSトランジスタの前記ゲート電極の両側の前記半導体基板内に形成することにより、前記第2のエクステンション領域と前記第2の不純物拡散領域とを有する前記NMOSトランジスタの第2のソース/ドレイン領域を形成する工程と、前記第1のソース/ドレイン領域と前記第2のソース/ドレイン領域とを形成する工程の後に、前記ドーパント不純物を活性化する熱処理を行う工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法により達成される。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態による半導体装置及びその製造方法を図1乃至図6を用いて説明する。図1は、本実施形態による半導体装置を示す断面図である。
【0015】
(半導体装置)
まず、本実施形態による半導体装置について図1を用いて説明する。
【0016】
図1に示すように、p形のシリコン基板10には、n形ウェル12が形成されている。
【0017】
シリコン基板10には、素子領域14a、14bを画定する素子分離領域15が形成されている。
【0018】
紙面右側の素子領域14aには、PMOSトランジスタ16aが形成されており、紙面左側の素子領域14bには、NMOSトランジスタ16bが形成されている。
【0019】
まず、紙面右側の素子領域14aに形成されたPMOSトランジスタ16aについて説明する。
【0020】
素子領域14a上には、例えばSiO2より成るゲート絶縁膜18が形成されている。
【0021】
ゲート絶縁膜18上には、例えばポリシリコンより成るゲート電極20aが形成されている。
【0022】
ゲート電極20aの側面には、例えばSiNより成るサイドウォールスペーサ22aが形成されている。サイドウォールスペーサ22aの厚さは、例えば5〜20nmとなっている。
【0023】
側面にサイドウォールスペーサ22aが形成されたゲート電極20aの両側のシリコン基板10中には、エクステンションソース/ドレインの浅い領域を構成するp形のエクステンション領域24aが形成されている。エクステンション領域24aには、ドーパント不純物としてB(ボロン)が導入されている。Bのドーズ量は、例えば2×1014〜2×1015cm-2となっている。エクステンション領域24aの端部とゲート電極20aの端部とは、互いにオーバーラップしている。エクステンション領域24aとゲート電極20aとのオーバーラップ容量は、片側で例えば0.25[fF/μm]となっている。なお、オーバーラップ容量とは、ゲート電極とゲート電極下のソース/ドレインとがオーバーラップする領域、即ちオーバーラップ領域の容量のことである。オーバーラップ容量は、オーバーラップ領域の長さに比例する。
【0024】
また、サイドウォールスペーサ22aが形成されたゲート電極20aの両側のシリコン基板10中には、n形のポケット領域26が形成されている。ポケット領域26は、エクステンション領域24aに隣接して形成されている。ポケット領域26には、ドーパント不純物としてAsが導入されている。Asのドーズ量は、例えば1.6×1013〜8×1013cm-2となっている。なお、ポケット領域26は、空乏層の広がりを抑えて短チャネル効果を抑制するためのものである。
【0025】
サイドウォールスペーサ22の側面には、更にサイドウォールスペーサ28が形成されている。
【0026】
側面にサイドウォールスペーサ22、28が形成されたゲート電極20の両側のシリコン基板10には、エクステンションソース/ドレインの深い領域を構成するp形の不純物拡散領域24bが形成されている。不純物拡散領域24bには、ドーパント不純物としてBが導入されている。Bのドーズ量は、例えば4×1015〜1×1016cm-2となっている。
【0027】
エクステンション領域24aと不純物拡散領域24bとによりエクステンションソース/ドレイン構造のソース/ドレイン拡散層24が構成されている。
【0028】
こうして、紙面右側の素子領域14aに、PMOSトランジスタ16aが形成されている。
【0029】
次に、紙面左側の素子領域14bに形成されたNMOSトランジスタ16bについて説明する。
【0030】
素子領域14b上には、ゲート絶縁膜18を介して、ゲート電極20bが形成されている。
【0031】
ゲート電極20bの側面には、上記と同様に、サイドウォールスペーサ22bが形成されている。サイドウォールスペーサ22bの厚さは、上記と同様に、例えば5〜20nmとなっている。
【0032】
サイドウォールスペーサ22bが形成されたゲート電極20bの両側のシリコン基板10中には、エクステンションソース/ドレインの浅い領域を構成するn形のエクステンション領域30aが形成されている。エクステンション領域30aには、ドーパント不純物としてAsが導入されている。Asのドーズ量は、例えば4×1014〜2×1015cm-2となっている。エクステンション領域30aの端部とゲート電極20の端部とは、互いにオーバーラップしている。エクステンション領域30aとゲート電極20bとがオーバーラップしている部分の長さは、エクステンション領域24aとゲート電極20aとがオーバーラップしている部分の長さと、ほぼ等しくなっている。エクステンション領域30aとゲート電極20bとのオーバーラップ容量は、エクステンション領域24aとゲート電極20aとのオーバーラップ容量と同様に、片側で例えば0.25[fF/μm]となっている。
【0033】
側面にサイドウォールスペーサ22b、28bが形成されたゲート電極20bの両側のシリコン基板10中には、p形のポケット領域32が形成されている。ポケット領域32は、不純物拡散領域30aに隣接して形成されている。ポケット領域32には、ドーパント不純物としてInが導入されている。Inのドーズ量は、例えば4×1013〜8×1013cm-2と高くなっている。
【0034】
なお、本実施形態でInのドーズ量を高く設定している理由は、本実施形態による半導体装置の製造方法を説明する際に詳述する。
【0035】
サイドウォールスペーサ22bの側面には、上記と同様に、更にサイドウォールスペーサ28bが形成されている。
【0036】
サイドウォールスペーサ22b、28bが形成されたゲート電極20bの両側のシリコン基板10には、エクステンションソース/ドレインの深い領域を構成するn形の不純物拡散領域30bが形成されている。
【0037】
エクステンション領域30aと不純物拡散領域30bとによりエクステンションソース/ドレイン構造のソース/ドレイン拡散層30が構成されている。
【0038】
こうして、紙面左側の素子領域14bに、NMOSトランジスタ16bが形成されている。
【0039】
本実施形態による半導体装置は、エクステンション領域30aとゲート電極2bとが互いにオーバーラップしている部分の長さと、エクステンション領域24aとゲート電極2aとが互いにオーバーラップしている部分の長さとが、ほぼ等しく設定されていることに主な特徴がある。
【0040】
従来の半導体装置では、PMOSトランジスタにおいてエクステンション領域とゲート電極とがオーバーラップしている部分の長さと、NMOSトランジスタにおいてエクステンション領域とゲート電極とがオーバーラップしている部分の長さとが大きく異なるため、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタのいずれか一方において良好な電気的特性が得られない場合があった。
【0041】
これに対し、本実施形態では、エクステンション領域30aとゲート電極2bとが互いにオーバーラップしている部分の長さと、エクステンション領域24aとゲート電極2aとが互いにオーバーラップしている部分の長さとがほぼ等しくなっている。このため、本実施形態によれば、ゲート長を短くした場合であっても良好な電気的特性を実現し得るCMOS構造を有する半導体装置を提供することができる。
【0042】
(半導体装置の製造方法)
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法を図2乃至図6を用いて説明する。図2乃至図6は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0043】
まず、図2(a)に示すように、p型のシリコン基板10に、例えばイオン注入法によりn形ウェル12を形成する。
【0044】
次に、例えばSTI法により、素子領域14a、14bを画定する素子分離領域15を形成する。
【0045】
次に、素子領域14a、14bの表面に、例えば熱酸化法により、例えばSiO2より成る膜厚2nmのゲート絶縁膜18を形成する。
【0046】
次に、全面に、例えばCVD法により、膜厚100nmのポリシリコン膜を形成する。この後、フォトリソグラフィ技術を用い、ポリシリコン膜をパターニングする。これにより、ポリシリコンより成るゲート電極20a、20bが形成される。
【0047】
次に、全面に、例えばCVD法により、膜厚10〜25nmのSiN膜を形成する。この後、SiN膜を異方性エッチングする。こうして、ゲート電極20a、20bの側面に、SiNより成るサイドウォールスペーサ22a、22bが形成される(図2(b)参照)。サイドウォールスペーサ22a、22bの厚さは、例えば5〜20nm程度となるようにする。
【0048】
次に、全面に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜34を形成する。この後、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜34をパターニングする。こうして、フォトレジスト膜34に、PMOSトランジスタが形成される領域を露出する開口部36が形成される(図3(a)参照)。
【0049】
次に、側面にサイドウォールスペーサ22aが形成されたゲート電極20aとフォトレジスト膜34とをマスクとして、イオン注入法により、Bイオンを注入する。イオン注入条件は、例えば、加速電圧を0.2〜0.5keVとし、ドーズ量を2×1014〜2×1015とする。こうして、エクステンションソース/ドレインの浅い領域を構成するp型のエクステンション領域24aが形成される。
【0050】
なお、シリコン基板10の表面近傍領域は、Bイオンの注入により非晶質化される。Bイオンの注入により非晶質化された領域である非晶質領域25は、図中、破線を用いて表されている。Bは質量が小さい元素であるため、非晶質領域25はシリコン基板10の深い領域に形成されることはなく、シリコン基板10の表面近傍領域にのみ形成される。
【0051】
次に、図3(b)に示すように、側面にサイドウォールスペーサ22aが形成されたゲート電極20aとフォトレジスト膜34とをマスクとして、イオン注入法により、Asイオンを注入する。イオン注入条件は、例えば以下のようにする。加速電圧は、例えば30〜60keVとする。Asイオンを注入する角度は、シリコン基板10表面の法線に対して例えば30度とする。ドーズ量は、例えば1.6×1013〜8×1013cm-2とする。この際、Asイオンを4方向から注入する。1方向当たりのドーズ量は、0.4×1013〜2×1013cm-2とする。こうして、n型のポケット領域26が形成される。
【0052】
なお、Asは質量が比較的小さい元素であるため、シリコン基板10の深い領域まで非晶質領域25が形成されることはない。
【0053】
この後、フォトレジスト膜34を除去する。
【0054】
次に、全面に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜38を形成する。この後、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜38をパターニングする。こうして、フォトレジスト膜38に、NMOSトランジスタが形成される領域を露出する開口部40が形成される(図4(a)参照)。
【0055】
次に、側面にサイドウォールスペーサ22bが形成されたゲート電極20bとフォトレジスト膜38とをマスクとして、イオン注入法により、Asイオンを注入する。イオン注入条件は、例えば、加速電圧を0.5〜5keVとし、ドーズ量を4×1014〜2×1015とする。こうして、エクステンションソース/ドレインの浅い領域を構成するn型のエクステンション領域30aが形成される。
【0056】
なお、シリコン基板10の表面近傍領域は、Asイオンの注入により非晶質化される。Asイオンの注入により非晶質化された領域である非晶質領域31は、図中、破線を用いて表されている。Asは質量が比較的小さい元素であるため、非晶質領域31はシリコン基板10の深い領域に形成されることはなく、シリコン基板10の表面近傍領域にのみ形成される。
【0057】
次に、図4(b)に示すように、側面にサイドウォールスペーサ22bが形成されたゲート電極20bとフォトレジスト膜38とをマスクとして、イオン注入法により、Inイオンを導入する。Inイオンを導入するのは、ポケット領域32を形成するとともに、エクステンション領域30aを包含する領域を非晶質化するためである。InはB等と比較して質量が大きい元素であるため、エクステンション領域30aを包含する領域を非晶質化することが可能である。イオン注入条件は、例えば以下のように設定する。加速電圧は、例えば30〜120keVとする。Inイオンを注入する角度は、シリコン基板10の表面の法線に対して例えば15〜30度とする。ドーズ量は、例えば、4×1013〜8×1013cm-2とする。1方向当たりのドーズ量は、1×1013〜2×1013cm-2とする。こうして、p型のポケット領域32が形成されるとともに、エクステンション領域30aを包含するように非晶質領域33が形成される。
【0058】
なお、一般に、ポケット領域を形成するために導入されるInのドーズ量は2×1013cm-2程度であるが、本実施形態では、ポケット領域32を形成するのみならず、エクステンション領域30aを包含するように非晶質領域33を形成する必要もあるため、Inのドーズ量を4×1013〜8×1013cm-2と高く設定している。本実施形態では、Inのドーズ量が高いため、ポケット領域32が深くかつ広く形成される。
【0059】
また、Inのドーズ量は、4×1013〜8×1013cm-2に限定されるものではなく、更にドーズ量を高く設定してもよい。即ち、エクステンション領域30aを包含する非晶質領域33を形成し得るように、Inのドーズ量を適宜設定すればよい。
【0060】
次に、図5(a)に示すように、全面に、例えばCVD法により、膜厚40〜120nmのSiN膜を形成する。この後、SiN膜を異方性エッチングする。こうして、側面にサイドウォールスペーサ22a、22bが形成されたゲート電極20a、20bの側面に、SiNより成るサイドウォールスペーサ28a、28bが更に形成される。サイドウォールスペーサ28a、28bの厚さは、例えば30〜100nm程度となるようにする。
【0061】
次に、図5(b)に示すように、全面に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜42を形成する。この後、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜42をパターニングする。こうして、フォトレジスト膜42に、PMOSトランジスタが形成される領域を露出する開口部44が形成される。
【0062】
次に、側面にサイドウォールスペーサ28bが形成されたゲート電極20aとフォトレジスト膜42とをマスクとして、イオン注入法により、Bイオンを注入する。イオン注入条件は、例えば2〜4keVとし、ドーズ量を4×1015〜1×1016cm-2とする。こうして、エクステンションソース/ドレインの深い領域を構成するp型のエクステンション領域24bが形成される。エクステンション領域24aと不純物拡散領域24bとにより、エクステンションソース/ドレイン構造のソース/ドレイン領域24が形成される。
【0063】
次に、全面に、例えばスピンコート法により、フォトレジスト膜46を形成する。この後、フォトリソグラフィ技術を用い、フォトレジスト膜46をパターニングする。こうして、フォトレジスト膜46に、NMOSトランジスタ16bが形成される領域を露出する開口部48が形成される。
【0064】
次に、側面にサイドウォールスペーサ22a、28aが形成されたゲート電極20aとフォトレジスト膜46とをマスクとして、イオン注入法により、Pイオンを注入する。イオン注入条件は、例えば加速電圧を3〜8keVとし、ドーズ量を4×1015〜1×1016cm-2とする。こうして、エクステンションソース/ドレインの深い領域を構成するn型のエクステンション領域30bが形成される。エクステンション領域30aと不純物拡散領域30bとにより、エクステンションソース/ドレイン構造のソース/ドレイン領域30が形成される。
【0065】
次に、RTA(Rapid Thermal Annealing)法により、ドーパント不純物を活性化するための熱処理を行う。熱処理温度は、例えば950〜1100℃とする。熱処理時間は、例えば0.1〜10秒とする。
【0066】
PMOSトランジスタ16aが形成される領域では、エクステンション領域24aは特に非晶質化されていないため、熱処理の際、エクステンション領域24aのBは増速拡散することなく、通常の速度で拡散する。一方、NMOSトランジスタ16bが形成される領域においては、エクステンション領域30aを包含するように非晶質領域33が形成されているため、エクステンション領域30aのAsは増速拡散する。このため、NMOSトランジスタ16bが形成される領域に形成されたエクステンション領域30aのAsは、PMOSトランジスタ16aが形成される領域に形成されたエクステンション領域24aのBとほぼ同様の速度で拡散する。このため、エクステンション領域30aとゲート電極20bとが互いにオーバーラップしている部分の長さと、エクステンション領域24aとゲート電極20aとが互いにオーバーラップしている部分の長さとが、ほぼ等しくなる。
【0067】
こうして、本実施形態による半導体装置が製造される。
【0068】
このように、本実施形態によれば、ゲート電極20bの両側に高いドーズ量でInを導入するため、エクステンション領域30aを包含するように非晶質領域33を形成することができる。このため、本実施形態によれば、NMOSトランジスタ16aが形成される領域において、エクステンション領域30aのAsを増速拡散させることができる。一方、PMOSトランジスタが形成される領域においては、エクステンション領域24aは非晶質化されていないため、Bが増速拡散することはない。このため、本実施形態によれば、エクステンション領域30aとゲート電極20bとがオーバーラップしている部分の長さと、エクステンション領域24aとゲート電極20aとがオーバーラップしている部分の長さとをほぼ等しくすることができる。このため、本実施形態によれば、ゲート長を短くした場合であっても、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタのいずれにおいても所望の電気的特性を得ることが可能となる。従って、本実施形態によれば、ゲート長を短くした場合であっても良好な電気的特性を実現しうるCMOS構造を有する半導体装置を提供することができる。
【0069】
(評価結果)
次に、本実施形態による半導体装置の評価結果を図7及び図8を用いて説明する。
【0070】
図7は、ゲート長とオフ電流との関係を示すグラフである。横軸はゲート長Lsemを示しており、縦軸はオフ電流Ioffを示している。
【0071】
図8は、オン電流とオフ電流との関係を示すグラフである。横軸はオン電流Ionを示しており、縦軸はオフ電流Ioffを示している。
【0072】
図中の●は、本実施形態による半導体装置の場合、具体的には、ゲート電極の側面にサイドウォールスペーサを形成し、ポケット領域を形成する際のInのドーズ量を2×1014cm-2と高く設定した場合を示している。
【0073】
図中の□は、ゲート電極の側面にサイドウォールスペーサを形成し、ポケット領域を形成する際のInのドーズ量を2×1013cm-2と低く設定した場合を示している。
【0074】
図中の■は、ゲート電極の側面にサイドウォールスペーサを形成せず、ポケット領域を形成する際のInのドーズ量を2×1013cm-2と低く設定した場合を示している。
【0075】
なお、いずれの場合においても、ドレイン電圧Vdを1Vに設定して測定を行った。
【0076】
図7に示すように、オフ電流Ioffが例えば30nA/μmとなるときのゲート長Lsemは、■の場合より□の場合の方が短く、□の場合より●の場合の方が短い。このことから、●の場合、即ち本実施形態の場合には、ゲート電極を短くした場合であっても、オフ電流を抑制し得ることが分かる。
【0077】
また、図8に示すように、オフ電流Ioffが例えば30nA/μmとなる場合のオン電流は、□の場合より●や■の場合の方が大きい。このことから、●の場合、即ち本実施形態の場合には、オフ電流を小さく抑え得るとともに、オン電流を大きく確保し得ることが分かる。
【0078】
(変形例)
次に、本実施形態による半導体装置の変形例を図9を用いて説明する。図9は、本変形例による半導体装置を示す断面図である。
【0079】
本変形例による半導体装置は、サイドウォールスペーサ50が、ゲート電極20a、20bの側面から張り出すように形成されていることに主な特徴がある。
【0080】
図9に示すように、ゲート電極20a、20bの側面には、それぞれ、ゲート電極20a、20bの側面から張り出すように形成されたサイドウォールスペーサ50a、50bが形成されている。サイドウォールスペーサ50a、50bは、シリコン酸化膜52とシリコン窒化膜54とを積層した構造となっている。
【0081】
なお、このような形状のサイドウォールスペーサ50a、50bが形成されたゲート電極20aは、ノッチ型のゲート電極と称される。
【0082】
このように、サイドウォールスペーサ50a、50bがゲート電極20a、20bの側面から張り出すように形成されていてもよい。
【0083】
次に、本変形例による半導体装置の製造方法を図10及び図11を用いて説明する。図10及び図11は、本変形例による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0084】
まず、ゲート電極20a、20bを形成する工程までは、図2(a)を用いて上述した半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
【0085】
次に、図10(a)に示すように、全面に、例えばCVD法により、膜厚8nmのシリコン酸化膜52を形成する。
【0086】
次に、全面に、例えばCVD法により、膜厚6nmのシリコン窒化膜54を形成する。
【0087】
次に、図10(b)に示すように、シリコン酸化膜52に対して高い選択比で、シリコン窒化膜54を異方性エッチングする。
【0088】
次に、図11(a)に示すように、シリコン窒化膜54に対して高い選択比で、シリコン酸化膜52をウエットエッチングする。こうして、シリコン酸化膜52とシリコン窒化膜54とが積層されて成るサイドウォールスペーサ50a、50bが形成される。
【0089】
この後の半導体装置の製造方法は、図3(a)乃至図6(b)を用いて上述した半導体装置の製造方法と同様であるので、説明を省略する(図11(b)参照)。
【0090】
こうして本実施形態による半導体装置が製造される。
【0091】
[変形実施形態]
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【0092】
例えば、上記実施形態では、エクステンション領域30aのすべてを包含するように非晶質領域33を形成したが、必ずしもエクステンション領域30aのすべてを非晶質領域33により包含しなくてもよい。少なくともゲート電極20bの直下の近傍領域に非晶質領域33を形成すれば、ゲート電極20bの直下の近傍領域においてAsを増速拡散させることができるためである。少なくともゲート電極20bの直下の近傍領域においてAsを増速拡散させることができれば、NMOSトランジスタ16bにおいてエクステンション領域30aとゲート電極20bとがオーバーラップしている部分の長さと、PMOSトランジスタ16aにおいて不純物拡散領域24aとゲート電極20aとがオーバーラップしている部分の長さとを、ほぼ等しくすることが可能である。
【0093】
また、上記実施形態では、サイドウォールスペーサ22a、22bの材料としてSiNを用いる場合を例に説明したが、サイドウォールスペーサ22a、22bの材料はSiNに限定されるものではない。例えば、サイドウォールスペーサ22a、22bの材料としてSiO2等を用いてもよい。
【0094】
また、上記実施形態では、サイドウォールスペーサ22a、22bが単層構造の場合を例に説明したが、積層構造のサイドウォールスペーサ22a、22bを形成してもよい。例えば、SiO2膜とSiN膜とを積層して成る積層構造のサイドウォールスペーサ22a、22bを形成してもよい。
【0095】
また、上記実施形態では、エクステンション領域30aにドーパント不純物としてAsを導入する場合を例に説明したが、エクステンション領域30aに導入するドーパント不純物はAsに限定されるものではなく、例えばドーパント不純物としてPやSb等を用いてもよい。エクステンション領域30aにドーパント不純物としてPやSb等を導入した場合も、エクステンション領域30aにドーパント不純物としてAsを導入した場合と同様に、熱処理の際に、ドーパント不純物を増速拡散することが可能である。
【0096】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、NMOSトランジスタを形成する領域において、ゲート電極の両側に高いドーズ量でInを導入するため、エクステンション領域を包含するように非晶質領域を形成することができる。このため、本発明によれば、熱処理の際に、NMOSトランジスタが形成される領域において、エクステンション領域のAsを増速拡散させることができる。一方、PMOSトランジスタが形成される領域においては、エクステンション領域は非晶質化されていないため、熱処理の際に、Bが増速拡散することはない。このため、本発明によれば、NMOSトランジスタにおいてエクステンション領域とゲート電極とがオーバーラップしている部分の長さと、PMOSトランジスタにおいてエクステンション領域とゲート電極とがオーバーラップしている部分の長さとをほぼ等しくすることができる。このため、本発明によれば、ゲート長を短くした場合であっても、NMOSトランジスタとPMOSトランジスタのいずれにおいても所望の電気的特性を得ることが可能となる。従って、本発明によれば、ゲート長を短くした場合であっても良好な電気的特性を実現しうるCMOS構造を有する半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による半導体装置を示す断面図である。
【図2】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図3】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図4】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。
【図5】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その4)である。
【図6】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その5)である。
【図7】ゲート長とオフ電流との関係を示すグラフである。
【図8】オン電流とオフ電流との関係を示すグラフである。
【図9】本発明の一実施形態の変形例による半導体装置を示す断面図である。
【図10】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図11】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図12】提案されている半導体装置を示す概略図である。
【図13】ゲート電極とエクステンション領域とがオーバーラップしている部分の長さと、飽和電流との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
10…シリコン基板
12…n形ウェル
14a、14b…素子領域
15…素子分離領域
16a…PMOSトランジスタ
16b…NMOSトランジスタ
18…ゲート絶縁膜
20a、20b…ゲート電極
22a、22b…サイドウォールスペーサ
24…ソース/ドレイン拡散層
24a…エクステンション領域
24b…不純物拡散領域
25…非晶質領域
26…ポケット領域
28a、28b…サイドウォールスペーサ
30…ソース/ドレイン拡散層
30a…エクステンション領域
30b…不純物拡散領域
31…非晶質領域
32…ポケット領域
33…非晶質領域
34…フォトレジスト膜
36…開口部
38…フォトレジスト膜
40…開口部
42…フォトレジスト膜
44…開口部
46…フォトレジスト膜
48…開口部
50a、50b…サイドウォールスペーサ
52…シリコン酸化膜
54…シリコン窒化膜
116a…PMOSトランジスタ
116b…NMOSトランジスタ
120…ゲート電極
122…サイドウォールスペーサ
126a…PMOSトランジスタ
126b…NMOS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 having a CMOS structure and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Recently, with miniaturization, the gate length of a MOS transistor tends to be shortened.
[0003]
However, if the gate length is simply shortened, the transistor cannot be turned off.
[0004]
Therefore, an extension region of the source / drain diffusion layer can be formed by forming a sidewall spacer on the side surface of the gate electrode and implanting dopant impurities into the gate electrode on which the sidewall spacer is formed in a self-aligned manner. Has been done.
[0005]
If a dopant impurity is introduced in a self-aligned manner into a gate electrode having sidewall spacers formed on the side surfaces, the region into which the dopant impurity is introduced can be offset, so that even if the gate electrode is shortened, the transistor It can be turned off.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, while B used as a dopant impurity when forming the extension region of the PMOS transistor has a high diffusion rate during the heat treatment, As used as a dopant impurity when forming the extension region of the NMOS transistor is used during the heat treatment. The diffusion rate is slow. For this reason, in a semiconductor device having a CMOS structure, good electrical characteristics may not be obtained in either one of the NMOS transistor and the PMOS transistor.
[0007]
As shown in FIG. 12A, when the sidewall spacer 122 is formed thinly on the side surface of the gate electrode 120, an NMOS transistor 116b having a short gate length and good electrical characteristics can be obtained. In 116a, the channel length becomes extremely short and cannot be normally turned off.
[0008]
On the other hand, as shown in FIG. 12B, when the sidewall spacer 122 is formed thicker on the side surface of the gate electrode 120, both the NMOS transistor 126b and the PMOS transistor 126a can be turned on / off. In the NMOS transistor 126b, the length of the portion where the extension region 130 and the gate electrode 120 overlap is too short.
[0009]
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the length of the portion where the gate electrode and the extension region overlap and the saturation current (reference: S. Thompson et al. Symp. On VLSI Tech. P.132). , 1998). The horizontal axis indicates the length of the overlap between the gate electrode and the extension region, and the vertical axis indicates the saturation current I DSAT Is shown. FIG. 13 shows the measurement for the NMOS transistor. ■ in the figure indicates the thickness T of the gate insulating film OX Is 4.5nm, power supply voltage V CC Is 1.8V, gate length L E Is 0.12 μm, and ▲ is T OX , V CC , L E Is multiplied by 0.7, and ● is T OX , V CC , L E Is multiplied by 0.5. In either case, the power supply voltage V CC Is 1.8V and gate length L E Is 0.12 μm. As can be seen from FIG. 13, if the length of the portion where the extension region and the gate electrode overlap is too short, the parasitic resistance increases and the on-current decreases. As described above, when the sidewall spacer is formed thick, a PMOS transistor having good electrical characteristics can be obtained. On the other hand, the on-current of the NMOS transistor is reduced.
[0010]
As described above, in the semiconductor device having the CMOS structure, if the gate length is further reduced, it is impossible to obtain good electrical characteristics in either the NMOS transistor or the PMOS transistor.
[0011]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a CMOS structure capable of realizing good electrical characteristics in both NMOS and PMOS transistors even when the gate length is shortened, and a method for manufacturing the same. is there.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
Up The purpose is In the method for manufacturing a semiconductor device, the PMOS transistor and the NMOS transistor are formed on a semiconductor substrate. Forming a gate electrode on the semiconductor substrate via an insulating film; forming a sidewall spacer on a side surface of the gate electrode; In the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode of the PMOS transistor, a first extension region in which B is introduced as a dopant impurity using the gate electrode on which the sidewall spacer is formed as a mask, and As as a dopant impurity Forming a first pocket region into which the NMOS transistor is introduced, and the NMOS transistor In the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode And forming a second extension region in which As is introduced as a dopant impurity using the gate electrode on which the sidewall spacer is formed as a mask. And a process of After the step of forming the second extension region, the second extension region Include As dopant impurities Amorphous by introducing Forming a second pocket region including the region And a process of By forming a first impurity diffusion region deeper than the first extension region in the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode of the PMOS transistor, the first extension region, the first impurity diffusion region, and Forming a first source / drain region of the PMOS transistor having a second impurity diffusion region deeper than the second extension region in the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode of the NMOS transistor. Forming a second source / drain region of the NMOS transistor having the second extension region and the second impurity diffusion region, and the first source / drain region and the second source. After the step of forming the / drain region, the dopant impurity Heat treatment to activate Craft It is achieved by a method for manufacturing a semiconductor device, characterized by comprising:
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment.
[0015]
(Semiconductor device)
First, the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
[0016]
As shown in FIG. 1, an n-type well 12 is formed in a p-type silicon substrate 10.
[0017]
In the silicon substrate 10, element isolation regions 15 that define element regions 14a and 14b are formed.
[0018]
A PMOS transistor 16a is formed in the element region 14a on the right side of the drawing, and an NMOS transistor 16b is formed in the element region 14b on the left side of the drawing.
[0019]
First, the PMOS transistor 16a formed in the element region 14a on the right side of the page will be described.
[0020]
On the element region 14a, for example, SiO 2 A gate insulating film 18 is formed.
[0021]
On the gate insulating film 18, a gate electrode 20a made of, for example, polysilicon is formed.
[0022]
A side wall spacer 22a made of, for example, SiN is formed on the side surface of the gate electrode 20a. The thickness of the sidewall spacer 22a is, for example, 5 to 20 nm.
[0023]
In the silicon substrate 10 on both sides of the gate electrode 20a having side wall spacers 22a formed on the side surfaces, a p-type extension region 24a constituting a shallow region of the extension source / drain is formed. In the extension region 24a, B (boron) is introduced as a dopant impurity. The dose amount of B is, for example, 2 × 10 14 ~ 2x10 15 cm -2 It has become. The end portion of the extension region 24a and the end portion of the gate electrode 20a overlap each other. The overlap capacitance between the extension region 24a and the gate electrode 20a is, for example, 0.25 [fF / μm] on one side. The overlap capacitance is a region where the gate electrode overlaps with the source / drain below the gate electrode, that is, a capacitance of the overlap region. The overlap capacity is proportional to the length of the overlap region.
[0024]
An n-type pocket region 26 is formed in the silicon substrate 10 on both sides of the gate electrode 20a where the sidewall spacers 22a are formed. The pocket region 26 is formed adjacent to the extension region 24a. In the pocket region 26, As is introduced as a dopant impurity. The dose amount of As is, for example, 1.6 × 10 13 ~ 8x10 13 cm -2 It has become. The pocket region 26 is for suppressing the short channel effect by suppressing the spread of the depletion layer.
[0025]
A side wall spacer 28 is further formed on the side surface of the side wall spacer 22.
[0026]
In the silicon substrate 10 on both sides of the gate electrode 20 on which the side wall spacers 22 and 28 are formed on the side surfaces, a p-type impurity diffusion region 24b constituting a deep region of the extension source / drain is formed. B is introduced into the impurity diffusion region 24b as a dopant impurity. The dose amount of B is, for example, 4 × 10 15 ~ 1x10 16 cm -2 It has become.
[0027]
The extension region 24a and the impurity diffusion region 24b constitute a source / drain diffusion layer 24 having an extension source / drain structure.
[0028]
Thus, the PMOS transistor 16a is formed in the element region 14a on the right side of the drawing.
[0029]
Next, the NMOS transistor 16b formed in the element region 14b on the left side of the page will be described.
[0030]
A gate electrode 20b is formed on the element region 14b with a gate insulating film 18 interposed therebetween.
[0031]
Side wall spacers 22b are formed on the side surfaces of the gate electrode 20b in the same manner as described above. The thickness of the sidewall spacer 22b is, for example, 5 to 20 nm as described above.
[0032]
In the silicon substrate 10 on both sides of the gate electrode 20b on which the sidewall spacer 22b is formed, an n-type extension region 30a constituting a shallow region of the extension source / drain is formed. As is introduced into the extension region 30a as a dopant impurity. The dose amount of As is, for example, 4 × 10 14 ~ 2x10 15 cm -2 It has become. The end portion of the extension region 30a and the end portion of the gate electrode 20 overlap each other. The length of the portion where the extension region 30a and the gate electrode 20b overlap is substantially equal to the length of the portion where the extension region 24a and the gate electrode 20a overlap. Similar to the overlap capacitance between the extension region 24a and the gate electrode 20a, the overlap capacitance between the extension region 30a and the gate electrode 20b is, for example, 0.25 [fF / μm] on one side.
[0033]
A p-type pocket region 32 is formed in the silicon substrate 10 on both sides of the gate electrode 20b having side wall spacers 22b and 28b formed on the side surfaces. The pocket region 32 is formed adjacent to the impurity diffusion region 30a. In the pocket region 32, In is introduced as a dopant impurity. The dose amount of In is, for example, 4 × 10 13 ~ 8x10 13 cm -2 It is high.
[0034]
The reason why the In dose is set high in this embodiment will be described in detail when the method for manufacturing the semiconductor device according to this embodiment is described.
[0035]
A side wall spacer 28b is further formed on the side surface of the side wall spacer 22b in the same manner as described above.
[0036]
In the silicon substrate 10 on both sides of the gate electrode 20b on which the sidewall spacers 22b and 28b are formed, an n-type impurity diffusion region 30b constituting a deep region of the extension source / drain is formed.
[0037]
The extension region 30a and the impurity diffusion region 30b constitute a source / drain diffusion layer 30 having an extension source / drain structure.
[0038]
Thus, the NMOS transistor 16b is formed in the element region 14b on the left side of the drawing.
[0039]
The semiconductor device according to the present embodiment includes the extension region 30a and the gate electrode 2. 0 b overlaps with each other, the extension region 24a and the gate electrode 2 0 The main feature is that the lengths of the portions where a overlaps each other are set to be approximately equal.
[0040]
In the conventional semiconductor device, the length of the portion where the extension region and the gate electrode overlap in the PMOS transistor is greatly different from the length of the portion where the extension region and the gate electrode overlap in the NMOS transistor. In some cases, good electrical characteristics cannot be obtained in either one of the PMOS transistor and the NMOS transistor.
[0041]
On the other hand, in this embodiment, the extension region 30a and the gate electrode 2 0 b overlaps with each other, the extension region 24a and the gate electrode 2 0 The length of the portion where a overlaps with each other is substantially equal. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide a semiconductor device having a CMOS structure capable of realizing good electrical characteristics even when the gate length is shortened.
[0042]
(Method for manufacturing semiconductor device)
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 2 to 6 are process cross-sectional views illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment.
[0043]
First, as shown in FIG. 2A, an n-type well 12 is formed on a p-type silicon substrate 10 by, eg, ion implantation.
[0044]
Next, the element isolation region 15 that defines the element regions 14a and 14b is formed by, for example, the STI method.
[0045]
Next, on the surface of the element regions 14a and 14b, for example, by a thermal oxidation method, for example, SiO 2 2 A gate insulating film 18 having a thickness of 2 nm is formed.
[0046]
Next, a 100 nm-thickness polysilicon film is formed on the entire surface by, eg, CVD. Thereafter, the polysilicon film is patterned using a photolithography technique. Thereby, gate electrodes 20a and 20b made of polysilicon are formed.
[0047]
Next, a SiN film having a thickness of 10 to 25 nm is formed on the entire surface by, eg, CVD. Thereafter, the SiN film is anisotropically etched. Thus, sidewall spacers 22a and 22b made of SiN are formed on the side surfaces of the gate electrodes 20a and 20b (see FIG. 2B). The thickness of the side wall spacers 22a and 22b is, for example, about 5 to 20 nm.
[0048]
Next, a photoresist film 34 is formed on the entire surface by, eg, spin coating. Thereafter, the photoresist film 34 is patterned using a photolithography technique. Thus, an opening 36 exposing the region where the PMOS transistor is to be formed is formed in the photoresist film 34 (see FIG. 3A).
[0049]
Next, B ions are implanted by ion implantation using the gate electrode 20a having the sidewall spacers 22a formed on the side surfaces and the photoresist film 34 as a mask. The ion implantation conditions are, for example, an acceleration voltage of 0.2 to 0.5 keV and a dose amount of 2 × 10. 14 ~ 2x10 15 And Thus, the p-type extension region 24a constituting the shallow region of the extension source / drain is formed.
[0050]
Note that the region near the surface of the silicon substrate 10 is made amorphous by the implantation of B ions. The amorphous region 25 which is a region made amorphous by the implantation of B ions is represented by a broken line in the drawing. Since B is an element having a small mass, the amorphous region 25 is not formed in a deep region of the silicon substrate 10 and is formed only in a region near the surface of the silicon substrate 10.
[0051]
Next, as shown in FIG. 3B, As ions are implanted by an ion implantation method using the gate electrode 20a having the sidewall spacers 22a formed on the side surfaces and the photoresist film 34 as a mask. The ion implantation conditions are, for example, as follows. The acceleration voltage is, for example, 30 to 60 keV. The angle at which As ions are implanted is, for example, 30 degrees with respect to the normal of the surface of the silicon substrate 10. The dose amount is, for example, 1.6 × 10 13 ~ 8x10 13 cm -2 And At this time, As ions are implanted from four directions. The dose per direction is 0.4 × 10 13 ~ 2x10 13 cm -2 And Thus, the n-type pocket region 26 is formed.
[0052]
Since As is an element having a relatively small mass, the amorphous region 25 is not formed up to a deep region of the silicon substrate 10.
[0053]
Thereafter, the photoresist film 34 is removed.
[0054]
Next, a photoresist film 38 is formed on the entire surface by, eg, spin coating. Thereafter, the photoresist film 38 is patterned by using a photolithography technique. Thus, an opening 40 exposing the region where the NMOS transistor is to be formed is formed in the photoresist film 38 (see FIG. 4A).
[0055]
Next, As ions are implanted by ion implantation using the gate electrode 20b having the sidewall spacers 22b formed on the side surfaces and the photoresist film 38 as a mask. The ion implantation conditions are, for example, an acceleration voltage of 0.5 to 5 keV and a dose amount of 4 × 10. 14 ~ 2x10 15 And Thus, the n-type extension region 30a constituting the shallow region of the extension source / drain is formed.
[0056]
Note that the region near the surface of the silicon substrate 10 is made amorphous by the implantation of As ions. An amorphous region 31 which is an amorphous region by As ion implantation is represented by a broken line in the drawing. Since As is an element having a relatively small mass, the amorphous region 31 is not formed in a deep region of the silicon substrate 10 but is formed only in a region near the surface of the silicon substrate 10.
[0057]
Next, as shown in FIG. 4B, In ions are introduced by ion implantation using the gate electrode 20b having the side wall spacers 22b formed on the side surfaces and the photoresist film 38 as a mask. The reason why In ions are introduced is to form the pocket region 32 and to make the region including the extension region 30a amorphous. Since In is an element having a larger mass than B or the like, the region including the extension region 30a can be made amorphous. The ion implantation conditions are set as follows, for example. The acceleration voltage is, for example, 30 to 120 keV. The angle at which In ions are implanted is, for example, 15 to 30 degrees with respect to the normal of the surface of the silicon substrate 10. The dose amount is, for example, 4 × 10 13 ~ 8x10 13 cm -2 And The dose per direction is 1 × 10 13 ~ 2x10 13 cm -2 And Thus, the p-type pocket region 32 is formed, and the amorphous region 33 is formed so as to include the extension region 30a.
[0058]
In general, the dose of In introduced to form the pocket region is 2 × 10 13 cm -2 However, in this embodiment, not only the pocket region 32 but also the amorphous region 33 needs to be formed so as to include the extension region 30a. 13 ~ 8x10 13 cm -2 And set high. In this embodiment, since the dose amount of In is high, the pocket region 32 is formed deep and wide.
[0059]
The In dose is 4 × 10. 13 ~ 8x10 13 cm -2 However, the dose amount may be set higher. That is, the In dose may be set as appropriate so that the amorphous region 33 including the extension region 30a can be formed.
[0060]
Next, as shown in FIG. 5A, a SiN film having a thickness of 40 to 120 nm is formed on the entire surface by, eg, CVD. Thereafter, the SiN film is anisotropically etched. Thus, sidewall spacers 28a and 28b made of SiN are further formed on the side surfaces of the gate electrodes 20a and 20b on which the side wall spacers 22a and 22b are formed on the side surfaces. The thickness of the sidewall spacers 28a and 28b is set to, for example, about 30 to 100 nm.
[0061]
Next, as shown in FIG. 5B, a photoresist film 42 is formed on the entire surface by, eg, spin coating. Thereafter, the photoresist film 42 is patterned by using a photolithography technique. Thus, an opening 44 is formed in the photoresist film 42 to expose a region where the PMOS transistor is to be formed.
[0062]
Next, B ions are implanted by ion implantation using the gate electrode 20a having the sidewall spacers 28b formed on the side surfaces and the photoresist film 42 as a mask. The ion implantation conditions are, for example, 2 to 4 keV, and the dose amount is 4 × 10. 15 ~ 1x10 16 cm -2 And Thus, the p-type extension region 24b constituting the deep region of the extension source / drain is formed. The extension region 24a and the impurity diffusion region 24b form a source / drain region 24 having an extension source / drain structure.
[0063]
Next, a photoresist film 46 is formed on the entire surface by, eg, spin coating. Thereafter, the photoresist film 46 is patterned by using a photolithography technique. Thus, an opening 48 is formed in the photoresist film 46 to expose the region where the NMOS transistor 16b is to be formed.
[0064]
Next, P ions are implanted by ion implantation using the gate electrode 20a having the sidewall spacers 22a and 28a formed on the side surfaces and the photoresist film 46 as a mask. The ion implantation conditions are, for example, an acceleration voltage of 3 to 8 keV and a dose amount of 4 × 10 4. 15 ~ 1x10 16 cm -2 And Thus, the n-type extension region 30b constituting the deep region of the extension source / drain is formed. The extension region 30a and the impurity diffusion region 30b form a source / drain region 30 having an extension source / drain structure.
[0065]
Next, heat treatment for activating dopant impurities is performed by RTA (Rapid Thermal Annealing). The heat treatment temperature is, for example, 950 to 1100 ° C. The heat treatment time is, for example, 0.1 to 10 seconds.
[0066]
In the region where the PMOS transistor 16a is formed, since the extension region 24a is not particularly amorphous, B in the extension region 24a diffuses at a normal speed without being diffused at the time of heat treatment. On the other hand, since the amorphous region 33 is formed so as to include the extension region 30a in the region where the NMOS transistor 16b is formed, As in the extension region 30a is diffused at a high speed. For this reason, As in the extension region 30a formed in the region where the NMOS transistor 16b is formed is diffused at substantially the same speed as B in the extension region 24a formed in the region where the PMOS transistor 16a is formed. Therefore, the length of the portion where the extension region 30a and the gate electrode 20b overlap each other is substantially equal to the length of the portion where the extension region 24a and the gate electrode 20a overlap each other.
[0067]
Thus, the semiconductor device according to the present embodiment is manufactured.
[0068]
Thus, according to the present embodiment, since In is introduced at a high dose on both sides of the gate electrode 20b, the amorphous region 33 can be formed so as to include the extension region 30a. Therefore, according to the present embodiment, As in the extension region 30a can be diffused at a high speed in the region where the NMOS transistor 16a is formed. On the other hand, in the region where the PMOS transistor is formed, since the extension region 24a is not amorphous, B does not diffuse at a high speed. Therefore, according to the present embodiment, the length of the portion where the extension region 30a and the gate electrode 20b overlap is substantially equal to the length of the portion where the extension region 24a and the gate electrode 20a overlap. can do. For this reason, according to the present embodiment, it is possible to obtain desired electrical characteristics in both the NMOS transistor and the PMOS transistor even when the gate length is shortened. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to provide a semiconductor device having a CMOS structure capable of realizing good electrical characteristics even when the gate length is shortened.
[0069]
(Evaluation results)
Next, the evaluation results of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
[0070]
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the gate length and the off current. Horizontal axis is gate length L sem The vertical axis represents the off current I off Is shown.
[0071]
FIG. 8 is a graph showing the relationship between on-current and off-current. The horizontal axis is the on-current I on The vertical axis represents the off current I off Is shown.
[0072]
In the figure, in the semiconductor device according to the present embodiment, specifically, in the semiconductor device according to the present embodiment, a side wall spacer is formed on the side surface of the gate electrode, and the dose amount of In when the pocket region is formed is 2 × 10. 14 cm -2 It shows the case where it is set high.
[0073]
In the drawing, □ indicates the dose amount of In when the side wall spacer is formed on the side surface of the gate electrode and the pocket region is formed. 13 cm -2 It shows the case where it is set low.
[0074]
In the figure, ■ indicates the dose amount of In when the pocket region is formed without forming the side wall spacer on the side surface of the gate electrode. 13 cm -2 It shows the case where it is set low.
[0075]
In either case, the drain voltage V d Was set to 1V and measurement was performed.
[0076]
As shown in FIG. off For example, the gate length L is 30 nA / μm. sem Is shorter for □ than for ■ and shorter for ● than for □. From this, it can be seen that in the case of ●, that is, in the case of this embodiment, the off-current can be suppressed even when the gate electrode is shortened.
[0077]
Further, as shown in FIG. off For example, when ON is 30 nA / μm, the ON current is larger in the cases of ● and ■ than in the case of □. From this, it can be seen that in the case of ●, that is, in the case of the present embodiment, the off-current can be kept small and the on-current can be secured large.
[0078]
(Modification)
Next, a modification of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to this modification.
[0079]
The semiconductor device according to this modification is mainly characterized in that the sidewall spacer 50 is formed so as to protrude from the side surfaces of the gate electrodes 20a and 20b.
[0080]
As shown in FIG. 9, side wall spacers 50a and 50b are formed on the side surfaces of the gate electrodes 20a and 20b so as to protrude from the side surfaces of the gate electrodes 20a and 20b, respectively. The side wall spacers 50a and 50b have a structure in which a silicon oxide film 52 and a silicon nitride film 54 are stacked.
[0081]
The gate electrode 20a in which the sidewall spacers 50a and 50b having such shapes are formed is referred to as a notch-type gate electrode.
[0082]
Thus, the side wall spacers 50a and 50b may be formed so as to protrude from the side surfaces of the gate electrodes 20a and 20b.
[0083]
Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to this modification will be described with reference to FIGS. 10 and 11 are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to this modification.
[0084]
First, the steps up to forming the gate electrodes 20a and 20b are the same as the method for manufacturing the semiconductor device described above with reference to FIG.
[0085]
Next, as shown in FIG. 10A, an 8 nm-thickness silicon oxide film 52 is formed on the entire surface by, eg, CVD.
[0086]
Next, a 6 nm-thickness silicon nitride film 54 is formed on the entire surface by, eg, CVD.
[0087]
Next, as shown in FIG. 10B, the silicon nitride film 54 is anisotropically etched at a high selectivity with respect to the silicon oxide film 52.
[0088]
Next, as shown in FIG. 11A, the silicon oxide film 52 is wet-etched with a high selection ratio with respect to the silicon nitride film. Thus, sidewall spacers 50a and 50b formed by laminating the silicon oxide film 52 and the silicon nitride film 54 are formed.
[0089]
The subsequent method for manufacturing the semiconductor device is the same as the method for manufacturing the semiconductor device described above with reference to FIGS. 3A to 6B, and thus the description thereof is omitted (see FIG. 11B).
[0090]
Thus, the semiconductor device according to the present embodiment is manufactured.
[0091]
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
[0092]
For example, in the above embodiment, the amorphous region 33 is formed so as to include all of the extension regions 30 a, but it is not always necessary to include all of the extension regions 30 a by the amorphous region 33. This is because if the amorphous region 33 is formed at least in the region immediately below the gate electrode 20b, As can be diffused at a higher speed in the region immediately below the gate electrode 20b. If As can be accelerated and diffused at least in the region immediately below the gate electrode 20b, the length of the overlapping portion of the extension region 30a and the gate electrode 20b in the NMOS transistor 16b and the impurity diffusion region in the PMOS transistor 16a The length of the portion where 24a and the gate electrode 20a overlap can be made substantially equal.
[0093]
In the above embodiment, the case where SiN is used as the material of the sidewall spacers 22a and 22b has been described as an example. However, the material of the sidewall spacers 22a and 22b is not limited to SiN. For example, the material of the sidewall spacers 22a and 22b is SiO. 2 Etc. may be used.
[0094]
Moreover, although the case where the side wall spacers 22a and 22b have a single layer structure has been described as an example in the above embodiment, the side wall spacers 22a and 22b having a laminated structure may be formed. For example, SiO 2 Sidewall spacers 22a and 22b having a laminated structure in which a film and a SiN film are laminated may be formed.
[0095]
In the above-described embodiment, the case where As is introduced as the dopant impurity into the extension region 30a has been described as an example. However, the dopant impurity introduced into the extension region 30a is not limited to As. Sb or the like may be used. Even when P, Sb, or the like is introduced as a dopant impurity into the extension region 30a, the dopant impurity can be diffused at a higher rate during the heat treatment as in the case where As is introduced as the dopant impurity into the extension region 30a. .
[0096]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a region where an NMOS transistor is formed, In is introduced at a high dose on both sides of the gate electrode, so that an amorphous region can be formed so as to include the extension region. . Therefore, according to the present invention, the As in the extension region can be diffused at a high speed in the region where the NMOS transistor is formed during the heat treatment. On the other hand, in the region where the PMOS transistor is formed, since the extension region is not amorphized, B does not diffuse at the time of heat treatment. Therefore, according to the present invention, the length of the portion where the extension region and the gate electrode overlap in the NMOS transistor is approximately equal to the length of the portion where the extension region and the gate electrode overlap in the PMOS transistor. Can be equal. For this reason, according to the present invention, it is possible to obtain desired electrical characteristics in both the NMOS transistor and the PMOS transistor even when the gate length is shortened. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having a CMOS structure capable of realizing good electrical characteristics even when the gate length is shortened.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a process cross-sectional view (part 4) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a process cross-sectional view (part 5) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a graph showing the relationship between gate length and off current.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between on-current and off-current.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a modification of one embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention;
FIG. 11 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment of the present invention;
FIG. 12 is a schematic view showing a proposed semiconductor device.
FIG. 13 is a graph showing the relationship between the length of the portion where the gate electrode and the extension region overlap and the saturation current.
[Explanation of symbols]
10 ... Silicon substrate
12 ... n-type well
14a, 14b ... element region
15: Element isolation region
16a ... PMOS transistor
16b ... NMOS transistor
18 ... Gate insulating film
20a, 20b ... gate electrodes
22a, 22b ... sidewall spacer
24 ... Source / drain diffusion layer
24a ... Extension area
24b ... impurity diffusion region
25: Amorphous region
26 ... Pocket area
28a, 28b ... sidewall spacers
30 ... Source / drain diffusion layer
30a ... Extension area
30b ... impurity diffusion region
31 ... Amorphous region
32 ... Pocket area
33 ... Amorphous region
34 ... Photoresist film
36 ... opening
38 ... Photoresist film
40 ... opening
42. Photoresist film
44 ... opening
46. Photoresist film
48 ... Opening
50a, 50b ... sidewall spacer
52. Silicon oxide film
54 ... Silicon nitride film
116a ... PMOS transistor
116b ... NMOS transistor
120 ... Gate electrode
122 .. Side wall spacer
126a ... PMOS transistor
126b ... NMOS transistor

Claims (2)

PMOSトランジスタとNMOSトランジスタとを半導体基板上に形成する半導体装置の製造方法において、
前記半導体基板上に絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の側面にサイドウォールスペーサを形成する工程と、
前記PMOSトランジスタの前記ゲート電極の両側の前記半導体基板内に、前記サイドウォールスペーサが形成された前記ゲート電極をマスクにして、ドーパント不純物としてBを導入した第1のエクステンション領域と、ドーパント不純物としてAsを導入した第1のポケット領域とを形成する工程と、
前記NMOSトランジスタの前記ゲート電極の両側の前記半導体基板内に、前記サイドウォールスペーサが形成された前記ゲート電極をマスクにして、ドーパント不純物としてAsを導入した第2のエクステンション領域を形成する工程と、
前記第2のエクステンション領域を形成する工程の後に、前記第2のエクステンション領域を包含するようにドーパント不純物としてInを導入することにより非晶質領域を含む第2のポケット領域を形成する工程と、
前記第1のエクステンション領域より深い第1の不純物拡散領域を前記PMOSトランジスタの前記ゲート電極の両側の前記半導体基板内に形成することにより、前記第1のエクステンション領域と前記第1の不純物拡散領域とを有する前記PMOSトランジスタの第1のソース/ドレイン領域を形成し、前記第2のエクステンション領域より深い第2の不純物拡散領域を前記NMOSトランジスタの前記ゲート電極の両側の前記半導体基板内に形成することにより、前記第2のエクステンション領域と前記第2の不純物拡散領域とを有する前記NMOSトランジスタの第2のソース/ドレイン領域を形成する工程と、
前記第1のソース/ドレイン領域と前記第2のソース/ドレイン領域とを形成する工程の後に、前記ドーパント不純物を活性化する熱処理を行う工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a method for manufacturing a semiconductor device in which a PMOS transistor and an NMOS transistor are formed on a semiconductor substrate,
Forming a gate electrode via an insulating film on the semiconductor substrate,
Forming a sidewall spacer on a side surface of the gate electrode;
In the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode of the PMOS transistor, a first extension region in which B is introduced as a dopant impurity using the gate electrode on which the sidewall spacer is formed as a mask, and As as a dopant impurity Forming a first pocket region having introduced therein;
Forming a second extension region in which As is introduced as a dopant impurity in the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode of the NMOS transistor, using the gate electrode on which the sidewall spacer is formed as a mask ;
After the step of forming the second extension region, forming a second pocket region including an amorphous region by introducing In as a dopant impurity so as to include the second extension region ;
By forming a first impurity diffusion region deeper than the first extension region in the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode of the PMOS transistor, the first extension region, the first impurity diffusion region, and Forming a first source / drain region of the PMOS transistor having a second impurity diffusion region deeper than the second extension region in the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode of the NMOS transistor. Forming a second source / drain region of the NMOS transistor having the second extension region and the second impurity diffusion region;
Manufacturing a semiconductor device characterized by having said after the first source / drain region and the second source / drain regions and forming a row cormorants Engineering degree to a heat treatment to activate the dopant impurities Method.
請求項記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2のポケット領域を形成する工程では、ドーズ量が4×1013cm−2以上となるようにInを導入する
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 1 ,
In the method for forming the second pocket region , In is introduced so that the dose amount is 4 × 10 13 cm −2 or more.
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