JP4167381B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、高集積化を可能とする高速で且つ低消費電力のMOS型の半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路の超高集積化に伴って、MOS型半導体装置、とりわけMOS型トランジスタを微細化することが強く要望されている。MOS型トランジスタの微細化には半導体基板に形成する拡散層の接合深さを浅くする、いわゆる浅接合を持つトランジスタの製造方法が必須となる。
【0003】
以下、従来のMOS型トランジスタの製造方法を図面に基づいて説明する。
【0004】
図8(a)〜図8(e)は従来のMOS型トランジスタの製造方法の工程順の断面構成を示している。
【0005】
まず、図8(a)に示すように、P型シリコンからなる半導体基板101上に、ゲート酸化膜102を介してポリシリコンからなるゲート電極103を選択的に形成する。
【0006】
次に、図8(b)に示すように、半導体基板101の上部に対してゲート電極103をマスクとしてN型の第1の不純物イオンを注入することにより、浅いN型のエクステンション拡散層101aを形成する。
【0007】
次に、図8(c)に示すように、半導体基板101上の全面に、温度が700℃前後の比較的低温でシリコン窒化膜又はシリコン酸化膜を堆積し、続いて、堆積したシリコン窒化膜に対して異方性のエッチバックを行なって、ゲート電極103の側面上にサイドウォール104を形成する。
【0008】
次に、図8(d)に示すように、半導体基板101の上部に対してゲート電極103及びサイドウォール104をマスクとしてN型の第2の不純物イオンをエクステンション拡散層101aよりも深くなるように注入することにより、高濃度ソースドレイン拡散層101bを形成する。その後、温度が900℃〜1000℃程度で加熱時間が10秒程度の熱処理である、いわゆる急速熱処理(RTA)を行なって、エクステンション拡散層101a及びソースドレイン拡散層101bにおける不純物イオンをそれぞれ活性化する。
【0009】
次に、図8(e)に示すように、スパッタリング法により、半導体基板101上の全面に膜厚が約10nmのコバルト又はチタンからなる金属膜及び膜厚が約20nmのチタン窒化膜を順次堆積し、続いて、温度が550℃程度で加熱時間が10秒間程度の熱処理を行ない、さらに、チタン窒化膜と未反応の金属膜を硫酸と過酸化水素と水との混合液で選択的にエッチングして除去する。次に、温度が約800℃で加熱時間が10秒間程度の熱処理を行なって、金属膜における半導体基板101及びゲート電極103との接合面に、膜厚が30nm程度の金属シリサイド105を自己整合的に形成する。
【0010】
従来のMOS型トランジスタは、このようにして第1の不純物イオン及び第2の不純物イオンの注入エネルギーを低エネルギー化することによりエクステンション拡散層101a及びソースドレイン拡散層101bの各接合深さを浅くしようとしている。このとき、ソースドレイン拡散層101bの寄生抵抗値を小さくするために、N型の第1及び第2の不純物イオンの注入ドーズ量を増やす傾向にある。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来のMOS型トランジスタの製造方法は、イオン注入を高ドーズ化し且つ低エネルギー化すると、サイドウォール形成時の低温熱処理によって不純物イオンの過渡増速拡散が起こり、設計通りの接合深さを得ることができないという問題がある。ここで、過度増速拡散とは、結晶格子中の格子間に過剰に存在する点欠陥と注入された不純物イオンとが相互作用によって拡散し、不純物イオンがその熱平衡状態の拡散係数以上に拡散してしまう現象のことをいう。
【0012】
この過度増速拡散により、各拡散層101a、101bの基板主面方向と深さ方向とのそれぞれの断面における不純物濃度分布が、不純物濃度の基板表面からの深さに対する傾きが一定値ではなく、不純物濃度が低濃度になるに連れて小さくなり、すそ広がりの形状を有していることにより、各拡散層101a、101bの抵抗値が高くなる。
【0013】
また、トランジスタの実際の動作に寄与しない不純物イオンの不活性領域が形成されるため、不純物イオンにおける注入濃度と拡散後の活性化濃度との比率(活性化率)が小さくなるという問題をも有している。活性化率が十分に大きくなっていないと、ソースドレイン拡散層101bの寄生抵抗が高くなってしまう。また、不純物イオンの活性化率が小さいと、これを補うために注入ドーズ量を多くする必要がでてくることは、前述した通りである。
【0014】
ところで、サイドウォール104の形成時の低温熱処理を回避する方法の1つとして、N型の第2の不純物を注入した後にサイドウォール104を除去し、N型のエクステンション用の第1の不純物を注入するという方法がある。しかしながら、この方法では、金属シリサイド105の形成時に、再びサイドウォールを形成する必要が生じ、このサイドウォール形成時の低温熱処理が加わって、結局過度増速拡散が生じることになる。
【0015】
このように、不純物イオンの過渡増速拡散を抑制しない限り、今以上の浅い接合深さを得ることはできない。例えば、0.1μmのCMOSプロセスにおいては、エクステンション拡散層101aの接合深さとして20nm〜30nmの値が要求される。ところが、サイドウォール形成時の低温熱処理によって生じる過渡増速拡散により、不純物イオンが数十nmも移動することが予測される。このことは、半導体装置の微細化を進めると、不純物イオンをいくら低エネルギー化しても、後工程の熱処理によって接合の界面が目標値よりも深くなってしまうことを意味している。
【0016】
本発明は、前記従来の問題を解決し、過度増速拡散を抑制することにより浅い接合深さを持つ半導体装置を実現できるようにすることを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体装置の製造方法を、ゲート電極のサイドウォールを除去した後、半導体基板におけるゲート電極の側面の下側に位置するエクステンション領域及びその下側のポケット領域に、チャネル領域と同一導電型の不純物を注入保護膜を通して注入することにより、エクステンション領域を積極的にアモルファス化する構成とする。
【0018】
具体的に、本発明に係る第1の半導体装置の製造方法は、半導体基板の上部に対して第1導電型の第1の不純物を注入することにより、チャネル領域となる第1導電型の拡散層を形成する工程と、半導体基板の上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、半導体基板の上に全面にわたって絶縁膜からなる注入保護膜を形成する工程と、ゲート電極の側面に注入保護膜を介してサイドウォールを形成する工程と、ゲート電極及びサイドウォールをマスクとして半導体基板に対して第2導電型の第2の不純物を注入保護膜を通して注入することにより、第2導電型の第1の高濃度拡散層を形成する工程と、サイドウォールを除去した後、ゲート電極をマスクとして半導体基板におけるゲート電極の側面の下側に位置するエクステンション領域に、第1導電型の第3の不純物を注入保護膜を通して注入することにより、エクステンション領域をアモルファス化する工程と、ゲート電極をマスクとして半導体基板に対して第2導電型の第4の不純物を注入保護膜を通して注入し熱処理を行なうことにより、エクステンション領域に第1の高濃度拡散層よりも浅い接合深さを持つ第2導電型の第2の高濃度拡散層を形成する工程とを備えている。
【0019】
第1の半導体装置の製造方法によると、ゲート電極及びサイドウォールをマスクとして半導体基板に対して不純物を注入保護膜を通して注入することにより、ソースドレイン領域となる第1の高濃度拡散層を形成しておき、サイドウォールを除去した後、半導体基板におけるゲート電極の側面の下側に位置するエクステンション領域にチャネル領域と同一導電型の不純物を注入保護膜を通して注入することにより、エクステンション領域をアモルファス化する。その後、ゲート電極をマスクとして半導体基板に対してソースドレイン領域と同一導電型の不純物を注入保護膜を通して注入し熱処理を行なうことにより、エクステンション領域に第1の高濃度拡散層よりも浅い接合深さを持つ第2の高濃度拡散層を形成する。これにより、エクステンション領域がプリアモルファス化されるため、過度増速拡散の原因となる過剰点欠陥が減少する。その上、サイドウォールを形成して除去した後に第2の高濃度拡散層を形成するため、該第2の高濃度拡散層がサイドウォール形成時の低温熱処理にさらされることがなくなるので、第2の高濃度拡散層を浅い接合にすることができる。さらに、ソースドレイン領域となる第1の高濃度拡散層の不純物注入を注入保護膜を通して行なうため、第1の高濃度拡散層をも浅い接合とすることができる。
【0020】
第1の半導体装置の製造方法において、第1の高濃度拡散層を形成する工程が、第2の不純物の注入を行なった半導体基板に対して熱処理を行なう工程を含むことが好ましい。このようにすると、増速拡散の原因となる過剰点欠陥を減少させることができるため、第1の高濃度拡散層の接合深さを浅くすることができる。加えて、後工程のエクステンション拡散層形成時に、過剰点欠陥がエクステンション領域に回り込むことを防ぐことができるので、エクステンション領域である浅い第2の高濃度拡散層の接合深さを確実に浅くすることができる。
【0021】
なお、本明細書において、プリアモルファス化とは、エクステンション領域である第2の高濃度拡散層を形成するよりも前に、エクステンション領域をアモルファス化することをいう。
【0022】
第1の半導体装置の製造方法は、半導体基板が少なくともその上部がシリコンからなり、第2の高濃度拡散層を形成する工程の後に、ゲート電極の側面に絶縁膜からなるサイドウォールを形成する工程と、注入保護膜における半導体基板の上に露出する部分を除去した後、半導体基板の上にゲート電極を含む全面にわたって金属膜を堆積し、堆積した金属膜とゲート電極及び半導体基板との接合面を互いに反応させることにより、ゲート電極及び第2の高濃度拡散層の上部にシリサイド膜を自己整合的に形成する工程とをさらに備えていることが好ましい。このようにすると、エクステンション領域及び注入条件によっては該エクステンション領域の下側のポケット領域までがアモルファス化されているため、シリサイド膜形成用の新たなサイドウォールを形成したとしても各高濃度拡散層の過度増速拡散を抑制できる。
【0023】
第1の半導体装置の製造方法において、第3の不純物が質量数が相対的に大きいイオンからなることが好ましい。このようにすると、エクステンション領域のプリアモルファス化を確実に行なうことができる。
【0024】
本発明に係る第2の半導体装置の製造方法は、少なくとも上部がシリコンからなる半導体基板における上部に対して第1導電型の第1の不純物を注入することにより、チャネル領域となる第1導電型の拡散層を形成する工程と、半導体基板の上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、半導体基板の上にゲート電極を含む全面にわたって絶縁膜からなる注入保護膜を形成する工程と、ゲート電極の側面に注入保護膜を介して絶縁膜からなるサイドウォールを形成する工程と、ゲート電極及びサイドウォールをマスクとして半導体基板に対して第2導電型の第2の不純物を注入保護膜を通して注入することにより、第2導電型の第1の高濃度拡散層を形成する工程と、注入保護膜における半導体基板の上に露出する部分を除去した後、半導体基板の上にゲート電極を含む全面にわたって金属膜を堆積し、堆積した金属膜とゲート電極及び半導体基板との接合面を互いに反応させることにより、ゲート電極及び第1の高濃度拡散層の上部にシリサイド膜を自己整合的に形成する工程と、サイドウォールを除去した後、ゲート電極及びシリサイド膜をマスクとして半導体基板におけるゲート電極の側面の下側に位置するエクステンション領域に、第1導電型の第3の不純物を注入保護膜を通して注入することにより、エクステンション領域を選択的にアモルファス化する工程と、ゲート電極をマスクとして半導体基板に対して第2導電型の第4の不純物を注入保護膜を通して注入し熱処理を行なうことにより、エクステンション領域に第1の高濃度拡散層よりも浅い接合深さを持つ第2導電型の第2の高濃度拡散層を形成する工程とを備えている。
【0025】
第2の半導体装置の製造方法によると、ゲート電極及びサイドウォールをマスクとして半導体基板に対して不純物を注入保護膜を通して注入することにより、ソースドレイン領域となる第1の高濃度拡散層を形成する。続いて、注入保護膜における半導体基板の上に露出する部分を除去した後、半導体基板の上にゲート電極を含む全面に金属膜を堆積し、堆積した金属膜とゲート電極及び半導体基板との接合面を互いに反応させて、ゲート電極及び第1の高濃度拡散層の上部にシリサイド膜を自己整合的に形成する。その後、サイドウォールを除去し、半導体基板におけるゲート電極の側面の下側に位置するエクステンション領域を選択的にアモルファス化しておき、続いて、ゲート電極をマスクとして半導体基板に対して不純物を注入保護膜を通して注入し熱処理を行なうことにより、エクステンション領域に第2の高濃度拡散層を形成する。このように、エクステンション領域がプリアモルファス化されるため、過度増速拡散の原因となる過剰点欠陥が減少する。その上、サイドウォールを形成して除去した後に第2の高濃度拡散層を形成するため、該第2の高濃度拡散層がサイドウォール形成時の低温熱処理にさらされることがなくなるので、第2の高濃度拡散層を浅い接合にすることができる。また、サイドウォールを除去するよりも前に、ゲート電極及び第1の高濃度拡散層の上部をシリサイド化するため、シリサイド化のためのサイドウォールを新たに設ける必要がなくなる。また、第1の高濃度拡散層の上部をシリサイド化した後に、エクステンション領域を選択的にプリアモルファス化するため、第1の高濃度拡散層の表面がシリサイド膜に保護されてアモルファス化されなくなるので、第1の高濃度拡散層の表面の近傍に転位ループが形成されず、該転位ループによるリーク電流の発生を防止することができる。
【0026】
第2の半導体装置の製造方法において、第1の高濃度拡散層を形成する工程が、第2の不純物の注入を行なった半導体基板に対して熱処理を行なう工程を含むことが好ましい。
【0027】
第2の半導体装置の製造方法において、金属膜がチタンとコバルトとからなる積層体又はチタンとコバルトとの合金からなることが好ましい。このようにすると、金属シリサイドの耐熱性が向上するため、シリサイド膜を確実に形成できる。
【0028】
第2の半導体装置の製造方法において、第3の不純物が質量数が相対的に大きいイオンからなることが好ましい。
【0029】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【0030】
図1(a)〜図1(d)及び図2(a)〜図2(d)は第1の実施形態に係るMOS型トランジスタの製造方法の工程順の断面構成を示している。
【0031】
まず、図1(a)に示すように、P型シリコンからなる半導体基板11に対して、P型で相対的に質量数が大きい不純物イオン、例えばインジウム(In)イオンを注入エネルギーが約200KeVで且つ注入ドーズ量が約1×1012/cm2 の注入条件で注入する。イオン注入に続いて、昇温レートが約100℃/秒で1025℃程度の高温にまで昇温し、この温度を最長で10秒間程度保持する短時間の熱処理、すなわち急速熱処理(RTA)を行なうことにより、半導体基板11の上部にチャネル領域となるP型拡散層11aを形成する。
【0032】
次に、図1(b)に示すように、半導体基板11の上に、膜厚が3nm程度のゲート絶縁膜12を形成し、該ゲート絶縁膜12の上に膜厚が250nm程度の多結晶シリコンからなるゲート電極13を形成する。続いて、半導体基板11の上にゲート電極13を含む全面にわたって膜厚が5nm程度のシリコン酸化膜からなる注入保護膜14を形成する。
【0033】
次に、図1(c)に示すように、ゲート電極13を覆うように注入保護膜14の上に全面にわたって膜圧が50nm程度のシリコン窒化膜を堆積し、堆積したシリコン窒化膜に対して、基板面に垂直な方向に強い異方性を有する異方性エッチングを行なうことにより、ゲート電極13のゲート長方向側の側面にシリコン窒化膜からなる第1のサイドウォール15を形成する。
【0034】
次に、図1(d)に示すように、ゲート電極13及び第1のサイドウォール15をマスクとして、半導体基板11に対してN型の不純物イオンである、例えばヒ素(As)イオンを注入保護膜14を通して、注入エネルギーが約30KeVで且つ注入ドーズ量が約3×1015/cm2 の注入条件で注入する。注入後に、昇温レートが約100℃/秒で1025℃程度の高温にまで昇温し、この温度を10秒間程度保持する急速熱処理を行なうことにより、半導体基板11のソースドレイン領域にN型の第1の高濃度拡散層16を形成する。
【0035】
次に、図2(a)に示すように、第1のサイドウォール15をフッ酸と熱リン酸との混合液を用いて除去し、その後、ゲート電極13をマスクとして半導体基板11におけるゲート電極13の側面の下側に位置するポケット領域に、P型で質量数が相対的に大きい不純物イオンである、例えばInイオンを注入保護膜14を通して、注入エネルギーが約200keVで且つ注入ドーズ量が約5×1013/cm2 の注入条件で注入することにより、P型のポケット拡散層17を形成する。この重イオンであるInイオンを用いた、いわゆるポケット注入を行なうことにより、上部にエクステンション領域を含むポケット拡散層17を選択的にプリアモルファス化する。
【0036】
次に、図2(b)に示すように、ゲート電極13をマスクとして半導体基板11に対して、N型の不純物イオンである、例えばAsイオンを注入保護膜14を通して、注入エネルギーが約10keVで且つ注入ドーズ量が約5×1014/cm2 の注入条件で注入する。Asイオンを注入した後に、昇温レートが約100℃/秒で1025℃程度の高温にまで昇温し、この温度を10秒間程度保持する急速熱処理を行なって、注入されたAsイオンを活性化することにより、半導体基板11におけるポケット拡散層17の上部に位置するエクステンション領域に、第1の高濃度拡散層16よりも浅い接合深さを持つN型の第2の高濃度拡散層18を形成する。
【0037】
次に、図2(c)に示すように、再度、ゲート電極13を覆うように注入保護膜14の上に全面にわたって膜圧が50nm程度のシリコン窒化膜を堆積し、堆積したシリコン窒化膜に対して、基板面に垂直な方向に強い異方性を有する異方性エッチングを行なうことにより、ゲート電極13のゲート長方向側の側面にシリコン窒化膜からなる第2のサイドウォール19を形成する。続いて、注入保護膜14におけるゲート電極13の上面部分及び第2の高濃度拡散層18の上面部分をエッチングにより除去する。
【0038】
次に、図2(d)に示すように、スパッタ法を用いて、半導体基板11の上にゲート電極13及び第2のサイドウォール19を含む全面にわたって、例えば膜厚が30nm程度のチタン(Ti)からなる金属膜を堆積し、その後、加熱温度が約680℃で10秒間程度の急速熱処理を行なうことにより、堆積した金属膜とゲート電極13及び半導体基板11の第2の高濃度拡散層18との接合面を互いに反応させる。続いて、ゲート電極13及び第2の高濃度拡散層18と未反応の金属膜を硫酸と過酸化水素と水との混合液により選択的にエッチングして除去する。その後、加熱温度が約900℃で10秒間程度の急速熱処理を行なうことにより、ゲート電極13及び第2の高濃度拡散層18の上部に膜厚が約50nmの金属シリサイド膜20を自己整合的に形成する。
【0039】
図3(a)及び図3(b)は、図2(d)に示すMOS型トランジスタにおける第2の高濃度拡散層18の不純物濃度分布であって、図3(a)はA1 −A2 線に沿った基板表面からの深さ方向の不純物濃度を表わし、図3(b)はB1 −B2 線に沿った基板面方向の不純物濃度を表わしている。ここで、各グラフにおける縦軸は不純物濃度CA の対数表示としている。
【0040】
図3(a)からも分かるように、第1の実施形態によると、図2(a)に示す工程においてN型の第1の高濃度拡散層16を形成した後に、半導体製造プロセスにおいて質量数が相対的に大きい重イオンであるInイオンを注入してP型のポケット拡散層17を形成する際に、その上部にエクステンション領域を含むポケット拡散層17をInイオンによる注入ダメージにより積極的にアモルファス化する。このように、上部にエクステンション領域を含むポケット拡散層17を、エクステンション拡散層である第2の高濃度拡散層17を形成する前にアモルファス化、すなわちプリアモルファス化するため、第2の高濃度拡散層17を形成する際の過度増速拡散の原因となる過剰点欠陥を減少させることができる。さらに、プリアモルファス化により、第2の高濃度拡散層17のAsイオンの注入時に発生するチャネリングをも抑制でき、その結果、第2の高濃度拡散層17の接合面が浅くなるので、短チャネル効果を抑制することができる。
【0041】
その上、ゲート電極13の形成後に半導体基板11上の全面にシリコン酸化膜からなる注入保護膜14を設けているため、第1の高濃度拡散層16及び第2の高濃度拡散層18の接合深さをそれぞれ浅くできると共に、図3(b)からも分かるように、第2の高濃度拡散層18におけるAsイオンのゲート電極13の下側の領域への回り込みをも抑制できる。
【0042】
また、第1の実施形態においては、チャネル領域であるP型拡散層11aを形成する不純物イオンに質量数が相対的に大きいInイオンを用いているため、半導体基板11における表面近傍の領域では不純物濃度が小さく、表面近傍の領域から離れた領域では急峻な不純物濃度分布を形成できるので、トランジスタの駆動力を低下させることなく微細化を図ることができる。その上、チャネル領域に対する重イオンの注入後に急速熱処理を行なうため、半導体基板11のInイオンによる結晶ダメージを確実に且つ速やかに回復することができる。
【0043】
また、図1(d)に示すソースドレイン領域に対するイオン注入及び図2(b)に示すエクステンション領域に対するイオン注入の後に行なう、加熱温度が1000℃を超える急速熱処理によって、不純物の固溶限界を上げ、クラスタ化を抑制することができる。その上、100℃/秒の高い昇温レートとにより、注入ダメージが速やかに回復して拡散の増速が抑制されるため、第1の高濃度拡散層16及び第2の高濃度拡散層18の各不純物イオンの活性効率が向上し、各高濃度拡散層16、18における基板面方向と深さ方向との各接合面の不純物濃度勾配が1×106 (atom/cm3 )/μm以上となるプロファイルを実現できる。
【0044】
このように、不純物の注入濃度から拡散後の不純物濃度への指標である活性効率が上昇することにより、各高濃度拡散層16、18の寄生抵抗が小さくなり、トランジスタの駆動力が向上すると共に、第2の高濃度拡散層18が浅い接合深さを有することにより、短チャネル効果を抑制することができる。また、図2(d)に示す工程において、第2の高濃度拡散層18を形成した後に、金属シリサイド膜20の形成用の第2のサイドウォール19を形成しても、ポケット拡散層17がアモルファス化されているため、第2のサイドウォール19を形成する際の低温熱処理にさらされても、第2の高濃度拡散層18における過度増速拡散が抑制される。
【0045】
なお、第1の実施形態においては、第1の高濃度拡散層16及び第2の高濃度拡散層18の注入ごとに急速熱処理を行なっているが、第2の高濃度拡散層18の注入後のみに限って行なってもよい。
【0046】
また、図1(c)における第1のサイドウォール15の形成時に、注入保護膜14の露出部分を除去してもよい。但し、この場合には、第1の高濃度拡散層16の不純物プロファイルが除去する前と大きく変わることがないように、Asイオンの注入条件として、例えば、注入エネルギーを約30keVとし、注入ドーズ量を約3.6×1015/cm2 とすることが好ましい。
【0047】
また、ゲート電極13に多結晶シリコンを用いたが、ポリメタルを用いてもよい。
【0048】
また、第1のサイドウォール15及び第2のサイドウォール19にシリコン窒化膜を用いたが、TEOS膜を用いてもよい。なお、サイドウォール15、19をTEOS膜で形成する場合には、注入保護膜14をシリコン窒化膜により形成することが好ましい。
【0049】
また、金属シリサイド膜20にチタンシリサイドを用いたが、コバルトシリサイドであってもよい。
【0050】
また、MOS型トランジスタをNチャネルMOS型トランジスタとしたが、代わりにPチャネルMOS型トランジスタとしてもよい。PチャネルMOS型トランジスタとする場合には、チャネル領域及びポケット領域に注入するN型の重イオンとして、アンチモン(Sb)イオンを用いることが好ましい。
【0051】
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【0052】
図4(a)〜図4(d)及び図5(a)〜図5(d)は第2の実施形態に係るMOS型トランジスタの製造方法の工程順の断面構成を示している。
【0053】
まず、図4(a)に示すように、P型シリコンからなる半導体基板21に対して、P型不純物イオンである、例えばホウ素(B)イオンを、注入エネルギーが約200KeVで且つ注入ドーズ量が約1×1012/cm2 の注入条件で注入する。イオン注入に続いて、昇温レートが約100℃/秒で1025℃程度の高温にまで昇温し、この温度を最長で10秒間程度保持する急速熱処理を行なうことにより、半導体基板21の上部にチャネル領域となるP型拡散層21aを形成する。
【0054】
次に、図4(b)に示すように、半導体基板21の上に、膜厚が3nm程度のゲート絶縁膜22を形成し、該ゲート絶縁膜22の上に膜厚が250nm程度の多結晶シリコンからなるゲート電極23を形成する。続いて、半導体基板21の上にゲート電極23を含む全面にわたって膜厚が5nm程度のシリコン酸化膜からなる注入保護膜24を形成する。
【0055】
次に、図4(c)に示すように、ゲート電極23を覆うように注入保護膜24の上に全面にわたって膜圧が50nm程度のシリコン窒化膜を堆積し、堆積したシリコン窒化膜に対して異方性エッチングを行なうことにより、ゲート電極23のゲート長方向側の側面にシリコン窒化膜からなるサイドウォール25を形成する。
【0056】
次に、図4(d)に示すように、ゲート電極23及びサイドウォール25をマスクとして、半導体基板21に対してN型不純物イオンである、例えばAsイオンを注入保護膜24を通して、注入エネルギーが約30KeVで且つ注入ドーズ量が約3×1015/cm2 の注入条件で注入する。注入後に、昇温レートが約100℃/秒で1025℃程度の高温にまで昇温し、この温度を10秒間程度保持する急速熱処理を行なうことにより、半導体基板21のソースドレイン領域にN型の第1の高濃度拡散層26を形成する。
【0057】
次に、図5(a)に示すように、注入保護膜24におけるゲート電極23の上面部分及び第1の高濃度拡散層26の上面部分をエッチングにより除去し、続いて、スパッタ法を用いて、半導体基板21の上にゲート電極23及びサイドウォール25を含む全面にわたって、例えば膜厚が30nm程度のTiからなる金属膜27Aを堆積する。
【0058】
次に、図5(b)に示すように、加熱温度が約680℃で10秒間程度の急速熱処理を行なうことにより、堆積した金属膜27Aとゲート電極23及び半導体基板21の第1の高濃度拡散層26との接合面を互いに反応させる。続いて、ゲート電極23及び第1の高濃度拡散層26と未反応の金属膜を硫酸と過酸化水素と水との混合液により選択的にエッチングして除去する。その後、加熱温度が約900℃で10秒間程度の急速熱処理を行なうことにより、ゲート電極23及び第1の高濃度拡散層26の上部に膜厚が約50nmの金属シリサイド膜27Aを自己整合的に形成する。
【0059】
次に、図5(c)に示すように、サイドウォール25をフッ酸と熱リン酸との混合液を用いて除去し、その後、ゲート電極23をマスクとして半導体基板21におけるゲート電極23の側面の下側に位置するポケット領域に、P型で質量数が相対的に大きい不純物イオンである、例えばInイオンを注入保護膜24を通して、注入エネルギーが約200keVで且つ注入ドーズ量が約5×1013/cm2 の注入条件で注入することにより、P型のポケット拡散層28を形成する。この重イオンによるポケット注入を行なうことにより、上部にエクステンション領域を含むポケット拡散層28を選択的にプリアモルファス化する。
【0060】
次に、図5(d)に示すように、ゲート電極23及び金属シリサイド膜27Bをマスクとして半導体基板21に対して、N型の不純物イオンである、例えばAsイオンを注入保護膜24を通して、注入エネルギーが約10keVで且つ注入ドーズ量が約5×1014/cm2 の注入条件で選択的に注入する。Asイオンの選択的注入の後に、昇温レートが約100℃/秒で1025℃程度の高温にまで昇温し、この温度を10秒間程度保持する急速熱処理を行なって、注入されたAsイオンを活性化することにより、半導体基板21のエクステンション領域に、第1の高濃度拡散層26よりも浅い接合深さを持つN型の第2の高濃度拡散層29を形成する。
【0061】
この後に、ポケット拡散層28に対して、例えばBイオンを注入保護膜24を通して、注入エネルギーが約30keVで且つ注入ドーズ量が約1×1013/cm2 の注入条件で選択的に注入すると、短チャネル効果をさらに抑制できる。
【0062】
以上説明したように、第2の実施形態によると、図4(d)に示す工程においてN型の第1の高濃度拡散層26を形成し、図5(b)に示す工程においてゲート電極23及び第1の高濃度拡散層26の上に金属シリサイド膜27Bを形成する。その後、図5(c)に示す工程において、ゲート電極23及び金属シリサイド膜27Bをマスクとし、質量数が相対的に大きいInイオンを注入してP型のポケット拡散層28を形成する際に、その上部にエクステンション領域を含むポケット拡散層28をInイオンによる注入ダメージにより選択的に且つ積極的にアモルファス化する。このように、ポケット拡散層28を、エクステンション拡散層である第2の高濃度拡散層29を形成するよりも前にプリアモルファス化するため、第2の高濃度拡散層29を形成する際の過度増速拡散の原因となる過剰点欠陥を減少させることができる。さらに、プリアモルファス化により、第2の高濃度拡散層29のAsイオンの注入時に発生するチャネリングをも抑制できるので、第2の高濃度拡散層29の接合面を浅くでき、短チャネル効果を抑制できる。
【0063】
その上、ゲート電極23の形成後に半導体基板21上の全面にシリコン酸化膜からなる注入保護膜24を設けているため、第1の高濃度拡散層26及び第2の高濃度拡散層29の接合深さをそれぞれ浅くできると共に、第2の高濃度拡散層29におけるAsイオンのゲート電極23の下側の領域への回り込みをも抑制できる。
【0064】
加えて、比較的低温の熱処理を行なうサイドウォール25及び金属シリサイド膜27Bを形成した後に、エクステンション領域である第2の高濃度拡散層29を形成するため、第2の高濃度拡散層29が過度増速拡散の要因にもなる低温熱処理にさらされることがない。
【0065】
また、図4(d)に示すソースドレイン領域に対するイオン注入及び図5(d)に示すエクステンション領域に対するイオン注入後に行なう急速熱処理によって、第1の高濃度拡散層26及び第2の高濃度拡散層29の各不純物イオンの活性効率が向上するため、各高濃度拡散層26、29における基板面方向と深さ方向との各接合面の不純物濃度勾配が1×106 (atom/cm3 )/μm以上となるプロファイルを実現できる。
【0066】
このように、不純物の注入濃度から拡散後の不純物濃度への指標である活性効率が上昇することにより、トランジスタの駆動力が向上すると共に、第2の高濃度拡散層29が浅い接合深さを有することにより、短チャネル効果を抑制することができる。
【0067】
なお、第2の実施形態においては、第1の高濃度拡散層26及び第2の高濃度拡散層29の注入ごとに急速熱処理を行なっているが、第2の高濃度拡散層29の注入後のみに限って行なってもよい。
【0068】
また、第2の実施形態においては、図5(c)に示すように、Inイオンによるポケット注入を行なう際に、第1の高濃度拡散層26を金属シリサイド膜27Bによりマスクしながら行なうため、第1の高濃度拡散層26の表面の近傍がアモルファス化されることがない。これにより、第2の高濃度拡散層29を形成する際の熱処理時に、アモルファス層とクリスタル層との界面に転位ループが生じないため、該転位ループによる接合リークが発生する虞がない。
【0069】
また、図4(c)におけるサイドウォール25の形成時に、注入保護膜24における露出部分を除去してもよい。但し、この場合には、第1の高濃度拡散層26の不純物プロファイルが除去する前と大きく変わることがないように、Asイオンの注入条件として、例えば、注入エネルギーを約30keVとし、注入ドーズ量を約3.6×1015/cm2 とすることが好ましい。
【0070】
また、ゲート電極23に多結晶シリコンを用いたが、ポリメタルを用いてもよい。
【0071】
また、サイドウォール25にシリコン窒化膜を用いたが、TEOS膜を用いてもよい。なお、サイドウォール25をTEOS膜で形成する場合には、注入保護膜24をシリコン窒化膜により形成することが好ましい。
【0072】
また、金属シリサイド膜27Bにチタンシリサイドを用いたが、コバルトシリサイドであってもよい。さらに好ましくは、シリサイド化する金属膜27Aを、チタンとコバルトとからなる積層体又はこれらの合金から構成することが好ましい。このようにすると、金属シリサイド膜27Bの耐熱性が向上するため、安定した金属シリサイド膜27Bを形成できる。
【0073】
また、MOS型トランジスタをNチャネルMOS型トランジスタとしたが、代わりにPチャネルMOS型トランジスタとしてもよい。PチャネルMOS型トランジスタとする場合には、チャネル領域及びポケット領域に注入するN型の重イオンとして、アンチモン(Sb)イオンを用いることが好ましい。
【0074】
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。
【0075】
図6(a)〜図6(d)及び図7(a)〜図7(c)は第3の実施形態に係るMOS型トランジスタの製造方法の工程順の断面構成を示している。
【0076】
まず、図6(a)に示すように、P型シリコンからなる半導体基板31に対して、P型で質量数が相対的に大きい不純物イオンである、例えばインジウム(In)イオンを、注入エネルギーが約200KeVで且つ注入ドーズ量が約1×1012/cm2 の注入条件で注入する。イオン注入に続いて、昇温レートが約100℃/秒で1025℃程度の高温にまで昇温し、この温度を最長で10秒間程度保持する急速熱処理を行なうことにより、半導体基板31の上部にチャネル領域となるP型拡散層31aを形成する。
【0077】
次に、図6(b)に示すように、半導体基板31の上に、膜厚が3nm程度のゲート絶縁膜32を形成し、該ゲート絶縁膜32の上に膜厚が250nm程度の多結晶シリコンからなるゲート電極33を形成する。続いて、半導体基板31の上にゲート電極33を含む全面にわたって膜厚が5nm程度のシリコン酸化膜からなる注入保護膜34を形成する。
【0078】
次に、図6(c)に示すように、ゲート電極33を覆うように注入保護膜34の上に全面にわたって膜圧が50nm程度のシリコン窒化膜を堆積し、堆積したシリコン窒化膜に対して異方性エッチングを行なうことにより、ゲート電極33のゲート長方向側の側面にシリコン窒化膜からなるサイドウォール35を形成する。
【0079】
次に、図6(d)に示すように、ゲート電極33及びサイドウォール35をマスクとして、半導体基板31に対してN型不純物イオンである、例えばAsイオンを注入保護膜34を通して、注入エネルギーが約30KeVで且つ注入ドーズ量が約3×1015/cm2 の注入条件で注入する。注入後に、昇温レートが約100℃/秒で1025℃程度の高温にまで昇温し、この温度を10秒間程度保持する急速熱処理を行なうことにより、半導体基板31のソースドレイン領域にN型の第1の高濃度拡散層36を形成する。
【0080】
次に、図7(a)に示すように、注入保護膜34におけるゲート電極33の上面部分及び第1の高濃度拡散層36の上面部分をエッチングにより除去し、続いて、スパッタ法を用いて、半導体基板31の上にゲート電極33及びサイドウォール35を含む全面にわたって、例えば膜厚が30nm程度のTiからなる金属膜37Aを堆積する。
【0081】
次に、図7(b)に示すように、その後、加熱温度が約680℃で10秒間程度の急速熱処理を行なうことにより、堆積した金属膜37Aとゲート電極33及び半導体基板31の第1の高濃度拡散層36との接合面を互いに反応させる。続いて、ゲート電極33及び第1の高濃度拡散層36と未反応の金属膜を硫酸と過酸化水素と水との混合液により選択的にエッチングして除去する。その後、加熱温度が約900℃で10秒間程度の急速熱処理を行なうことにより、ゲート電極33及び第1の高濃度拡散層36の上部に膜厚が約50nmの金属シリサイド膜37Bを自己整合的に形成する。
【0082】
次に、図7(c)に示すように、サイドウォール35をフッ酸と熱リン酸との混合液を用いて除去し、その後、ゲート電極33をマスクとして半導体基板31におけるゲート電極33の側面の下側に位置するポケット領域に、P型で質量数が相対的に大きい不純物イオンである、例えばInイオンを注入保護膜34を通して、注入エネルギーが約200keVで且つ注入ドーズ量が約5×1013/cm2 の注入条件で注入することにより、P型のポケット拡散層38を形成する。この重イオンによるポケット注入を行なうことにより、上部にエクステンション領域を含むポケット拡散層38を選択的にプリアモルファス化する。
【0083】
次に、図7(d)に示すように、ゲート電極33及び金属シリサイド膜37Bをマスクとして半導体基板31に対して、N型の不純物イオンである、例えばAsイオンを注入保護膜34を通して、注入エネルギーが約10keVで且つ注入ドーズ量が約5×1014/cm2 の注入条件で選択的に注入する。Asイオンの注入後に、昇温レートが約100℃/秒で1025℃程度の高温にまで昇温し、この温度を10秒間程度保持する急速熱処理を行なって、注入されたAsイオンを活性化することにより、半導体基板31のエクステンション領域に、第1の高濃度拡散層36よりも浅い接合深さを持つN型の第2の高濃度拡散層39を形成する。
【0084】
この後に、ポケット拡散層38に対して、例えばBイオンを注入保護膜34を通して、注入エネルギーが約30keVで且つ注入ドーズ量が約1×1013/cm2 の注入条件で選択的に注入すると、短チャネル効果をさらに抑制できる。
【0085】
以上説明したように、第3の実施形態によると、図6(d)に示す工程においてN型の第1の高濃度拡散層36を形成し、図7(b)に示す工程においてゲート電極33及び第1の高濃度拡散層36の上に金属シリサイド膜37Bを形成する。その後、図7(c)に示す工程において、ゲート電極33及び金属シリサイド膜37Bをマスクとし、質量数が相対的に大きいInイオンを注入してP型のポケット拡散層38を形成する際に、その上部にエクステンション領域を含むポケット拡散層38をInイオンによる注入ダメージにより選択的に且つ積極的にアモルファス化する。このように、ポケット拡散層38を、エクステンション拡散層である第2の高濃度拡散層39を形成するよりも前にプリアモルファス化するため、第2の高濃度拡散層39を形成する際の過度増速拡散の原因となる過剰点欠陥を減少させることができる。さらに、プリアモルファス化により、第2の高濃度拡散層39のAsイオンの注入時に発生するチャネリングをも抑制できるので、第2の高濃度拡散層39の接合面を浅くでき、短チャネル効果を抑制できる。
【0086】
その上、ゲート電極33の形成後に半導体基板31上の全面にシリコン酸化膜からなる注入保護膜34を設けているため、第1の高濃度拡散層36及び第2の高濃度拡散層39の接合深さをそれぞれ浅くできると共に、第2の高濃度拡散層39におけるAsイオンのゲート電極33の下側の領域への回り込みをも抑制できる。
【0087】
加えて、比較的低温の熱処理を行なうサイドウォール35及び金属シリサイド膜37Bを形成した後に、エクステンション領域である第2の高濃度拡散層39を形成するため、第2の高濃度拡散層39が過度増速拡散の要因にもなる低温熱処理にさらされることがない。
【0088】
また、第3の実施形態の特徴として、チャネル領域であるP型拡散層31aを形成する不純物イオンに質量数が相対的に大きいInイオンを用いているため、半導体基板31における表面近傍の領域では不純物濃度が小さく、表面近傍の領域から離れた領域では急峻な不純物濃度分布を形成できるので、トランジスタの駆動力を低下させることなく微細化を図ることができる。その上、チャネル領域に対する重イオンの注入後に急速熱処理を行なうため、半導体基板31のInイオンによる結晶ダメージを確実に且つ速やかに回復することができる。
【0089】
また、図6(d)に示すソースドレイン領域に対するイオン注入及び図7(d)に示すエクステンション領域に対するイオン注入後に行なう急速熱処理によって、第1の高濃度拡散層36及び第2の高濃度拡散層39の各不純物イオンの活性効率が向上するため、各高濃度拡散層36、39における基板面方向と深さ方向との各接合面の不純物濃度勾配が1×106 (atom/cm3 )/μm以上となるプロファイルを実現できる。
【0090】
このように、不純物の注入濃度から拡散後の不純物濃度への指標である活性効率が上昇することにより、トランジスタの駆動力が向上すると共に、第2の高濃度拡散層39が浅い接合深さを有することにより、短チャネル効果を抑制することができる。
【0091】
なお、第3の実施形態においても、第1の高濃度拡散層36及び第2の高濃度拡散層39の注入ごとに急速熱処理を行なっているが、第2の高濃度拡散層39の注入後のみに限って行なってもよい。
【0092】
また、第3の実施形態においては、図7(c)に示すように、Inイオンによるポケット注入を行なう際に、第1の高濃度拡散層36を金属シリサイド膜37Bによりマスクしながら行なうため、第1の高濃度拡散層36の表面の近傍がアモルファス化されることがない。これにより、第2の高濃度拡散層39を形成する際の熱処理時に、アモルファス層とクリスタル層との界面に転位ループが生じないため、該転位ループによる接合リークが発生する虞がない。
【0093】
また、図6(c)におけるサイドウォール35の形成時に、注入保護膜34における露出部分を除去してもよい。但し、この場合には、第1の高濃度拡散層36の不純物プロファイルが除去する前と大きく変わることがないように、Asイオンの注入条件として、例えば、注入エネルギーを約30keVとし、注入ドーズ量を約3.6×1015/cm2 とすることが好ましい。
【0094】
また、ゲート電極33に多結晶シリコンを用いたが、ポリメタルを用いてもよい。
【0095】
また、サイドウォール35にシリコン窒化膜を用いたが、TEOS膜を用いてもよい。なお、サイドウォール35をTEOS膜で形成する場合には、注入保護膜34をシリコン窒化膜により形成することが好ましい。
【0096】
また、金属シリサイド膜37Bにチタンシリサイドを用いたが、コバルトシリサイドであってもよい。さらに好ましくは、シリサイド化する金属膜37Aを、チタンとコバルトとからなる積層体又はこれらの合金から構成することが好ましい。このようにすると、金属シリサイド膜37Bの耐熱性が向上するため、安定した金属シリサイド膜37Bを形成できる。
【0097】
また、MOS型トランジスタをNチャネルMOS型トランジスタとしたが、代わりにPチャネルMOS型トランジスタとしてもよい。PチャネルMOS型トランジスタとする場合には、チャネル領域及びポケット領域に注入するN型の重イオンとして、アンチモン(Sb)イオンを用いることが好ましい。
【0098】
【発明の効果】
本発明に係る半導体装置の製造方法によると、エクステンション領域をプリアモルファス化するため、該エクステンション領域に過度増速拡散の原因となる過剰点欠陥が減少する。その上、サイドウォールを形成して除去した後に、ソースドレイン領域である第1の高濃度拡散層におけるエクステンション領域である第2の高濃度拡散層を形成するため、該第2の高濃度拡散層がサイドウォール形成時の低温熱処理にさらされることがなくなるので、第2の高濃度拡散層を浅い接合にすることができる。さらに、第1の高濃度拡散層の不純物注入を注入保護膜を通して行なうため、第1の高濃度拡散層をも浅い接合とすることができる。これにより、第1及び第2のソースドレイン領域の寄生抵抗が減少し、半導体装置の駆動力を低下させることなく微細化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)〜(d)は本発明の第1の実施形態に係るMOS型半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図2】(a)〜(d)は本発明の第1の実施形態に係るMOS型半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図3】(a)及び(b)は本発明の第1の実施形態に係るMOS型半導体装置の不純物濃度分布を示し、(a)は基板の深さ方向の不純物濃度を表わすグラフであり、(b)は基板面方向の不純物濃度を表わすグラフである。
【図4】(a)〜(d)は本発明の第2の実施形態に係るMOS型半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図5】(a)〜(d)は本発明の第2の実施形態に係るMOS型半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図6】(a)〜(d)は本発明の第3の実施形態に係るMOS型半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図7】(a)〜(d)は本発明の第3の実施形態に係るMOS型半導体装置の製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【図8】(a)〜(e)は従来のMOS型トランジスタの製造方法を示す工程順の構成断面図である。
【符号の説明】
11 半導体基板
11a P型拡散層
12 ゲート絶縁膜
13 ゲート電極
14 注入保護層
15 第1のサイドウォール
16 第1の高濃度拡散層
17 ポケット拡散層
18 第2の高濃度拡散層
19 第2のサイドウォール
20 金属シリサイド膜
21 半導体基板
21a P型拡散層
22 ゲート絶縁膜
23 ゲート電極
24 注入保護層
25 サイドウォール
26 第1の高濃度拡散層
27A 金属膜
27B 金属シリサイド膜
28 ポケット拡散層
29 第2の高濃度拡散層
31 半導体基板
31a P型拡散層
32 ゲート絶縁膜
33 ゲート電極
34 注入保護層
35 サイドウォール
36 第1の高濃度拡散層
37A 金属膜
37B 金属シリサイド膜
38 ポケット拡散層
39 第2の高濃度拡散層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a high-speed and low power consumption MOS semiconductor device that enables high integration.
[0002]
[Prior art]
With the ultra-high integration of semiconductor integrated circuits, there is a strong demand for miniaturization of MOS type semiconductor devices, particularly MOS type transistors. In order to miniaturize a MOS transistor, a method for manufacturing a transistor having a so-called shallow junction in which the junction depth of a diffusion layer formed on a semiconductor substrate is reduced is essential.
[0003]
Hereinafter, a conventional method for manufacturing a MOS transistor will be described with reference to the drawings.
[0004]
FIG. 8A to FIG. 8E show cross-sectional structures in the order of steps of a conventional MOS transistor manufacturing method.
[0005]
First, as shown in FIG. 8A, a
[0006]
Next, as shown in FIG. 8B, a shallow N-type
[0007]
Next, as shown in FIG. 8C, a silicon nitride film or a silicon oxide film is deposited on the entire surface of the
[0008]
Next, as shown in FIG. 8D, the N-type second impurity ions are deeper than the
[0009]
Next, as shown in FIG. 8E, a metal film made of cobalt or titanium having a thickness of about 10 nm and a titanium nitride film having a thickness of about 20 nm are sequentially deposited on the entire surface of the
[0010]
In the conventional MOS transistor, the junction depths of the
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional method for manufacturing a MOS transistor, when ion implantation is performed at a high dose and energy is reduced, transient accelerated diffusion of impurity ions occurs due to low-temperature heat treatment during sidewall formation, and the junction depth as designed is reduced. There is a problem that cannot be obtained. Here, excessively enhanced diffusion means that point defects that exist excessively between lattices in the crystal lattice and the implanted impurity ions diffuse due to interaction, and the impurity ions diffuse beyond the diffusion coefficient of their thermal equilibrium state. The phenomenon that occurs.
[0012]
Due to this excessively enhanced diffusion, the impurity concentration distribution in each cross section of the substrate main surface direction and the depth direction of each
[0013]
In addition, since an inactive region of impurity ions that does not contribute to the actual operation of the transistor is formed, there is a problem that the ratio (activation rate) between the implantation concentration of impurity ions and the activation concentration after diffusion becomes small. is doing. If the activation rate is not sufficiently high, the parasitic resistance of the source /
[0014]
By the way, as one method of avoiding the low temperature heat treatment at the time of forming the
[0015]
Thus, unless the transient enhanced diffusion of impurity ions is suppressed, a shallower junction depth cannot be obtained. For example, in a 0.1 μm CMOS process, a junction depth of the
[0016]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and to realize a semiconductor device having a shallow junction depth by suppressing excessively enhanced diffusion.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device comprising: an extension region located under a side surface of a gate electrode in a semiconductor substrate; The impurity region having the same conductivity type as that of the channel region is implanted into the region through the implantation protective film so that the extension region is positively made amorphous.
[0018]
Specifically, in the first method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a first conductivity type diffusion serving as a channel region is formed by implanting a first conductivity type first impurity into an upper portion of a semiconductor substrate. A step of forming a layer, a step of forming a gate electrode on the semiconductor substrate via a gate insulating film, a step of forming an implantation protective film made of an insulating film over the entire surface of the semiconductor substrate, and a side surface of the gate electrode Forming a sidewall through an implantation protective film, and implanting a second impurity of the second conductivity type into the semiconductor substrate through the implantation protective film by using the gate electrode and the sidewall as a mask. Forming a first high-concentration diffusion layer of the mold, and after removing the sidewall, the extension located below the side surface of the gate electrode in the semiconductor substrate using the gate electrode as a mask A third impurity of the first conductivity type is implanted into the impurity region through the implantation protective film, and the step of amorphizing the extension region and the second conductivity type fourth impurity with respect to the semiconductor substrate using the gate electrode as a mask Forming a second high-concentration diffusion layer of the second conductivity type having a junction depth shallower than that of the first high-concentration diffusion layer in the extension region by injecting impurities through the implantation protective film and performing heat treatment. I have.
[0019]
According to the first method for manufacturing a semiconductor device, a first high-concentration diffusion layer serving as a source / drain region is formed by injecting impurities into the semiconductor substrate through the implantation protective film using the gate electrode and the sidewall as a mask. After removing the sidewall, the extension region is amorphized by implanting impurities of the same conductivity type as the channel region into the extension region located below the side surface of the gate electrode in the semiconductor substrate through the implantation protective film. . Thereafter, an impurity having the same conductivity type as that of the source / drain region is implanted into the semiconductor substrate through the implantation protective film using the gate electrode as a mask, and heat treatment is performed, so that the junction region shallower than the first high-concentration diffusion layer is formed in the extension region. Forming a second high-concentration diffusion layer having Thereby, since the extension region is preamorphized, excess point defects that cause excessively accelerated diffusion are reduced. In addition, since the second high-concentration diffusion layer is formed after the sidewall is formed and removed, the second high-concentration diffusion layer is not exposed to the low-temperature heat treatment during the formation of the sidewall. The high concentration diffusion layer can be formed into a shallow junction. Furthermore, since the impurity implantation of the first high-concentration diffusion layer serving as the source / drain region is performed through the implantation protective film, the first high-concentration diffusion layer can be formed into a shallow junction.
[0020]
In the first method for fabricating a semiconductor device, it is preferable that the step of forming the first high-concentration diffusion layer includes a step of performing a heat treatment on the semiconductor substrate into which the second impurity has been implanted. In this way, excess point defects that cause accelerated diffusion can be reduced, so that the junction depth of the first high-concentration diffusion layer can be reduced. In addition, since it is possible to prevent excess point defects from entering the extension region when forming the extension diffusion layer in a later step, the junction depth of the shallow second high-concentration diffusion layer that is the extension region is surely reduced. Can do.
[0021]
In the present specification, pre-amorphization means that the extension region is amorphized before the second high-concentration diffusion layer that is the extension region is formed.
[0022]
The first semiconductor device manufacturing method includes a step of forming a sidewall made of an insulating film on a side surface of the gate electrode after the step of forming the second high-concentration diffusion layer at least on the upper portion of the semiconductor substrate. And removing the exposed portion of the implantation protective film on the semiconductor substrate, and then depositing a metal film over the entire surface including the gate electrode on the semiconductor substrate, and joining the deposited metal film to the gate electrode and the semiconductor substrate. It is preferable to further comprise a step of forming a silicide film in a self-aligned manner on the gate electrode and the second high-concentration diffusion layer by reacting each other. In this way, depending on the extension region and the implantation conditions, even the pocket region below the extension region is amorphized, so even if a new sidewall for forming a silicide film is formed, each high-concentration diffusion layer Excessive diffusion can be suppressed.
[0023]
In the first method for fabricating a semiconductor device, the third impurity is preferably made of ions having a relatively large mass number. In this way, the extension region can be preamorphized reliably.
[0024]
According to the second method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first conductivity type serving as the channel region is formed by implanting the first impurity of the first conductivity type into the upper portion of the semiconductor substrate at least the upper portion made of silicon. Forming a diffusion layer, forming a gate electrode on the semiconductor substrate via a gate insulating film, and forming an implantation protective film made of an insulating film over the entire surface including the gate electrode on the semiconductor substrate And forming a sidewall made of an insulating film on the side surface of the gate electrode through an implantation protective film, and implanting and protecting the second impurity of the second conductivity type to the semiconductor substrate using the gate electrode and the sidewall as a mask. By implanting through the film, the step of forming the first high-concentration diffusion layer of the second conductivity type and the portion of the implantation protective film exposed on the semiconductor substrate were removed Then, a metal film is deposited over the entire surface including the gate electrode on the semiconductor substrate, and the bonded surfaces of the deposited metal film, the gate electrode, and the semiconductor substrate are caused to react with each other, thereby forming the gate electrode and the first high-concentration diffusion layer. A step of forming a silicide film on the upper surface in a self-aligned manner, and after removing the sidewalls, an extension region located below the side surface of the gate electrode in the semiconductor substrate using the gate electrode and the silicide film as a mask; Implanting the third impurity through the implantation protective film to selectively amorphize the extension region, and implanting the second impurity of the second conductivity type into the semiconductor substrate using the gate electrode as a mask. By implanting through and performing heat treatment, the extension region has a shallower junction depth than the first high-concentration diffusion layer. And a step of forming a second high concentration diffusion layer of the second conductivity type having.
[0025]
According to the second method for manufacturing a semiconductor device, a first high-concentration diffusion layer serving as a source / drain region is formed by injecting impurities into the semiconductor substrate through the implantation protective film using the gate electrode and the sidewall as a mask. . Subsequently, after removing the exposed portion of the implantation protective film on the semiconductor substrate, a metal film is deposited on the entire surface including the gate electrode on the semiconductor substrate, and the deposited metal film is bonded to the gate electrode and the semiconductor substrate. By reacting the surfaces with each other, a silicide film is formed in a self-aligned manner on the gate electrode and the first high-concentration diffusion layer. Thereafter, the sidewall is removed, and the extension region located under the side surface of the gate electrode in the semiconductor substrate is selectively amorphized, and then an impurity is implanted into the semiconductor substrate using the gate electrode as a mask and a protective film The second high-concentration diffusion layer is formed in the extension region by injecting through and performing heat treatment. Thus, since the extension region is preamorphized, excess point defects that cause excessively accelerated diffusion are reduced. In addition, since the second high-concentration diffusion layer is formed after the sidewall is formed and removed, the second high-concentration diffusion layer is not exposed to the low-temperature heat treatment during the formation of the sidewall. The high concentration diffusion layer can be formed into a shallow junction. Further, since the gate electrode and the upper portion of the first high-concentration diffusion layer are silicided before the sidewall is removed, it is not necessary to newly provide a sidewall for silicidation. In addition, since the extension region is selectively pre-amorphized after siliciding the upper portion of the first high-concentration diffusion layer, the surface of the first high-concentration diffusion layer is protected by the silicide film and is not amorphized. The dislocation loop is not formed in the vicinity of the surface of the first high-concentration diffusion layer, and the occurrence of leakage current due to the dislocation loop can be prevented.
[0026]
In the second method for fabricating a semiconductor device, it is preferable that the step of forming the first high-concentration diffusion layer includes a step of performing a heat treatment on the semiconductor substrate into which the second impurity has been implanted.
[0027]
In the second method for manufacturing a semiconductor device, the metal film is preferably made of a laminate made of titanium and cobalt or an alloy of titanium and cobalt. In this way, the heat resistance of the metal silicide is improved, so that the silicide film can be reliably formed.
[0028]
In the second method for fabricating a semiconductor device, the third impurity is preferably made of ions having a relatively large mass number.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0030]
FIG. 1A to FIG. 1D and FIG. 2A to FIG. 2D show cross-sectional structures in order of steps of the method for manufacturing a MOS transistor according to the first embodiment.
[0031]
First, as shown in FIG. 1A, an impurity ion such as indium (In) ion having a relatively large mass number is implanted into a
[0032]
Next, as shown in FIG. 1B, a
[0033]
Next, as shown in FIG. 1C, a silicon nitride film having a film pressure of about 50 nm is deposited on the entire surface of the
[0034]
Next, as shown in FIG. 1D, for example, arsenic (As) ions, which are N-type impurity ions, are implanted and protected into the
[0035]
Next, as shown in FIG. 2A, the
[0036]
Next, as shown in FIG. 2B, the
[0037]
Next, as shown in FIG. 2C, a silicon nitride film having a film pressure of about 50 nm is deposited over the entire surface of the implantation
[0038]
Next, as shown in FIG. 2D, titanium (Ti) having a film thickness of, for example, about 30 nm is formed on the entire surface including the
[0039]
3A and 3B are impurity concentration distributions of the second high-
[0040]
As can be seen from FIG. 3A, according to the first embodiment, after forming the N-type first high-
[0041]
In addition, since the implantation
[0042]
In the first embodiment, since In ions having a relatively large mass number are used as impurity ions forming the P-
[0043]
Further, the solid solution limit of impurities is increased by rapid heat treatment in which the heating temperature exceeds 1000 ° C., which is performed after the ion implantation into the source / drain region shown in FIG. 1D and the ion implantation into the extension region shown in FIG. Clustering can be suppressed. In addition, since the injection damage is quickly recovered and the increase in diffusion is suppressed by the high temperature increase rate of 100 ° C./second, the first high
[0044]
As described above, the activation efficiency, which is an index from the impurity implantation concentration to the impurity concentration after diffusion, increases, so that the parasitic resistance of each of the high concentration diffusion layers 16 and 18 is reduced, and the driving capability of the transistor is improved. Since the second high-
[0045]
In the first embodiment, rapid thermal processing is performed for each implantation of the first high-
[0046]
Further, the exposed portion of the implantation
[0047]
Further, although polycrystalline silicon is used for the
[0048]
Moreover, although the silicon nitride film is used for the
[0049]
Further, although titanium silicide is used for the
[0050]
Although the MOS transistor is an N-channel MOS transistor, it may be a P-channel MOS transistor instead. In the case of a P-channel MOS transistor, it is preferable to use antimony (Sb) ions as N-type heavy ions implanted into the channel region and the pocket region.
[0051]
(Second Embodiment)
A semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0052]
4 (a) to 4 (d) and FIGS. 5 (a) to 5 (d) show cross-sectional structures in the order of steps of the MOS transistor manufacturing method according to the second embodiment.
[0053]
First, as shown in FIG. 4A, for example, boron (B) ions, which are P-type impurity ions, are implanted into a
[0054]
Next, as shown in FIG. 4B, a gate insulating film 22 having a thickness of about 3 nm is formed on the
[0055]
Next, as shown in FIG. 4C, a silicon nitride film having a film pressure of about 50 nm is deposited on the entire surface of the implantation
[0056]
Next, as shown in FIG. 4D, the
[0057]
Next, as shown in FIG. 5A, the upper surface portion of the
[0058]
Next, as shown in FIG. 5B, the first high concentration of the deposited
[0059]
Next, as shown in FIG. 5C, the
[0060]
Next, as shown in FIG. 5D, N-type impurity ions, for example, As ions are implanted into the
[0061]
Thereafter, for example, B ions are implanted into the
[0062]
As described above, according to the second embodiment, the N-type first high-
[0063]
In addition, since the implantation
[0064]
In addition, after forming the
[0065]
Further, the first high-
[0066]
As described above, the activation efficiency, which is an index from the impurity implantation concentration to the impurity concentration after diffusion, increases, so that the driving capability of the transistor is improved and the second high-
[0067]
In the second embodiment, rapid thermal processing is performed every time the first high-
[0068]
Further, in the second embodiment, as shown in FIG. 5C, when performing pocket implantation with In ions, the first high-
[0069]
In addition, when the
[0070]
Further, although polycrystalline silicon is used for the
[0071]
Further, although the silicon nitride film is used for the
[0072]
Further, although titanium silicide is used for the
[0073]
Although the MOS transistor is an N-channel MOS transistor, it may be a P-channel MOS transistor instead. In the case of a P-channel MOS transistor, it is preferable to use antimony (Sb) ions as N-type heavy ions implanted into the channel region and the pocket region.
[0074]
(Third embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0075]
6 (a) to 6 (d) and FIGS. 7 (a) to 7 (c) show cross-sectional structures in the order of steps of the MOS transistor manufacturing method according to the third embodiment.
[0076]
First, as shown in FIG. 6A, for example, indium (In) ions, which are P type impurity ions having a relatively large mass number, are implanted into a
[0077]
Next, as shown in FIG. 6B, a
[0078]
Next, as shown in FIG. 6C, a silicon nitride film having a film pressure of about 50 nm is deposited on the entire surface of the
[0079]
Next, as shown in FIG. 6D, the
[0080]
Next, as shown in FIG. 7A, the upper surface portion of the
[0081]
Next, as shown in FIG. 7B, a rapid heat treatment is performed at a heating temperature of about 680 ° C. for about 10 seconds, so that the deposited
[0082]
Next, as shown in FIG. 7C, the
[0083]
Next, as shown in FIG. 7D, for example, As ions, which are N-type impurity ions, are implanted through the implantation
[0084]
Thereafter, for example, B ions are implanted into the
[0085]
As described above, according to the third embodiment, the N-type first high-
[0086]
In addition, since the implantation
[0087]
In addition, the second high-
[0088]
In addition, as a feature of the third embodiment, In ions having a relatively large mass number are used as impurity ions forming the P-
[0089]
Further, the first high-
[0090]
As described above, the activation efficiency which is an index from the impurity implantation concentration to the impurity concentration after diffusion increases, so that the driving capability of the transistor is improved and the second high-
[0091]
In the third embodiment, the rapid thermal treatment is performed every time the first high-
[0092]
Further, in the third embodiment, as shown in FIG. 7C, when performing pocket implantation with In ions, the first high-
[0093]
Further, the exposed portion of the implantation
[0094]
Further, although polycrystalline silicon is used for the
[0095]
Further, although the silicon nitride film is used for the
[0096]
Further, although titanium silicide is used for the
[0097]
Although the MOS transistor is an N-channel MOS transistor, it may be a P-channel MOS transistor instead. In the case of a P-channel MOS transistor, it is preferable to use antimony (Sb) ions as N-type heavy ions implanted into the channel region and the pocket region.
[0098]
【The invention's effect】
According to the semiconductor device manufacturing method of the present invention, since the extension region is preamorphized, excess point defects that cause excessively accelerated diffusion are reduced in the extension region. In addition, after forming and removing the sidewall, the second high concentration diffusion layer is formed to form the second high concentration diffusion layer that is the extension region in the first high concentration diffusion layer that is the source / drain region. Therefore, the second high-concentration diffusion layer can be formed into a shallow junction. Furthermore, since the impurity implantation of the first high concentration diffusion layer is performed through the implantation protective film, the first high concentration diffusion layer can be formed into a shallow junction. Thereby, the parasitic resistance of the first and second source / drain regions is reduced, and miniaturization can be realized without reducing the driving force of the semiconductor device.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1D are cross-sectional structural views showing a manufacturing method of a MOS semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2D are structural cross-sectional views in order of steps showing a method for manufacturing a MOS type semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 3A and 3B show impurity concentration distributions of the MOS type semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 3A is a graph showing impurity concentrations in the depth direction of the substrate. (B) is a graph showing the impurity concentration in the substrate surface direction.
FIGS. 4A to 4D are cross-sectional views in order of steps showing a method for manufacturing a MOS type semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIGS. 5A to 5D are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a MOS type semiconductor device according to a second embodiment of the present invention in order of processes.
FIGS. 6A to 6D are cross-sectional views in order of steps showing a method for manufacturing a MOS type semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIGS. 7A to 7D are structural cross-sectional views in order of steps showing a method for manufacturing a MOS type semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. FIGS.
FIGS. 8A to 8E are cross-sectional views illustrating a conventional MOS transistor manufacturing method in the order of steps.
[Explanation of symbols]
11 Semiconductor substrate
11a P-type diffusion layer
12 Gate insulation film
13 Gate electrode
14 Injection protective layer
15 First sidewall
16 First high-concentration diffusion layer
17 Pocket diffusion layer
18 Second high-concentration diffusion layer
19 Second sidewall
20 Metal silicide film
21 Semiconductor substrate
21a P-type diffusion layer
22 Gate insulation film
23 Gate electrode
24 Injection protective layer
25 sidewall
26 First high-concentration diffusion layer
27A metal film
27B Metal silicide film
28 Pocket diffusion layer
29 Second high concentration diffusion layer
31 Semiconductor substrate
31a P-type diffusion layer
32 Gate insulation film
33 Gate electrode
34 Injection protective layer
35 sidewall
36 First high-concentration diffusion layer
37A metal film
37B Metal silicide film
38 Pocket diffusion layer
39 Second high-concentration diffusion layer
Claims (8)
前記半導体基板の上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板の上に前記ゲート電極を含む全面にわたって絶縁膜からなる注入保護膜を形成する工程と、
前記ゲート電極の側面に前記注入保護膜を介してサイドウォールを形成する工程と、
前記ゲート電極及びサイドウォールをマスクとして前記半導体基板に対して第2導電型の第2の不純物を前記注入保護膜を通して注入することにより、第2導電型の第1の高濃度拡散層を形成する工程と、
前記サイドウォールを除去した後、前記ゲート電極をマスクとして前記半導体基板における前記ゲート電極の側面の下側に位置するエクステンション領域に、第1導電型の第3の不純物を前記注入保護膜を通して注入することにより、前記エクステンション領域をアモルファス化する工程と、
前記エクステンション領域をアモルファス化する工程よりも後に、前記ゲート電極をマスクとして前記半導体基板に対して第2導電型の第4の不純物を前記注入保護膜を通して注入し熱処理を行なうことにより、前記エクステンション領域に前記第1の高濃度拡散層よりも浅い接合深さを持つ第2導電型の第2の高濃度拡散層を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a first conductivity type diffusion layer to be a channel region by implanting a first conductivity type first impurity into the upper portion of the semiconductor substrate;
Forming a gate electrode on the semiconductor substrate via a gate insulating film;
Forming an implantation protective film made of an insulating film over the entire surface including the gate electrode on the semiconductor substrate;
Forming a sidewall on the side surface of the gate electrode via the injection protective film;
A second conductivity type second impurity is implanted into the semiconductor substrate through the implantation protective film using the gate electrode and the sidewall as a mask, thereby forming a second conductivity type first high concentration diffusion layer. Process,
After removing the sidewall, a third impurity of the first conductivity type is implanted through the implantation protective film into an extension region located below the side surface of the gate electrode in the semiconductor substrate using the gate electrode as a mask. A process of making the extension region amorphous;
After the step of amorphizing the extension region, a fourth impurity of the second conductivity type is implanted into the semiconductor substrate through the implantation protective film using the gate electrode as a mask, and a heat treatment is performed. Forming a second conductivity type second high-concentration diffusion layer having a junction depth shallower than that of the first high-concentration diffusion layer.
前記第2の高濃度拡散層を形成する工程の後に、
前記ゲート電極の側面に絶縁膜からなるサイドウォールを形成する工程と、
前記注入保護膜における前記半導体基板の上に露出する部分を除去した後、前記半導体基板の上に前記ゲート電極を含む全面にわたって金属膜を堆積し、堆積した金属膜と前記ゲート電極及び半導体基板との接合面を互いに反応させることにより、前記ゲート電極及び第2の高濃度拡散層の上部にシリサイド膜を自己整合的に形成する工程とをさらに備えていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。The semiconductor substrate is made of silicon at least at the top,
After the step of forming the second high concentration diffusion layer,
Forming a sidewall made of an insulating film on a side surface of the gate electrode;
After removing the exposed portion of the implantation protective film on the semiconductor substrate, a metal film is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate including the gate electrode, and the deposited metal film, the gate electrode and the semiconductor substrate, The method further comprises the step of forming a silicide film in a self-aligned manner on the gate electrode and the second high-concentration diffusion layer by causing the bonding surfaces of the first and second layers to react with each other. The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 1-3.
前記半導体基板の上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板の上に前記ゲート電極を含む全面にわたって絶縁膜からなる注入保護膜を形成する工程と、
前記ゲート電極の側面に前記注入保護膜を介して絶縁膜からなるサイドウォールを形成する工程と、
前記ゲート電極及びサイドウォールをマスクとして前記半導体基板に対して第2導電型の第2の不純物を前記注入保護膜を通して注入することにより、第2導電型の第1の高濃度拡散層を形成する工程と、
前記注入保護膜における前記半導体基板の上に露出する部分を除去した後、前記半導体基板の上に前記ゲート電極を含む全面にわたって金属膜を堆積し、堆積した金属膜と前記ゲート電極及び半導体基板との接合面を互いに反応させることにより、前記ゲート電極及び第1の高濃度拡散層の上部にシリサイド膜を自己整合的に形成する工程と、
前記サイドウォールを除去した後、前記ゲート電極及びシリサイド膜をマスクとして前記半導体基板における前記ゲート電極の側面の下側に位置するエクステンション領域に、第1導電型の第3の不純物を前記注入保護膜を通して注入することにより、前記エクステンション領域を選択的にアモルファス化する工程と、
前記エクステンション領域を選択的にアモルファス化する工程よりも後に、前記ゲート電極をマスクとして前記半導体基板に対して第2導電型の第4の不純物を前記注入保護膜を通して注入し熱処理を行なうことにより、前記エクステンション領域に前記第1の高濃度拡散層よりも浅い接合深さを持つ第2導電型の第2の高濃度拡散層を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a first conductivity type diffusion layer serving as a channel region by injecting a first impurity of the first conductivity type into the upper portion of the semiconductor substrate made of silicon at least at the top;
Forming a gate electrode on the semiconductor substrate via a gate insulating film;
Forming an implantation protective film made of an insulating film over the entire surface including the gate electrode on the semiconductor substrate;
Forming a sidewall made of an insulating film on the side surface of the gate electrode through the injection protective film;
A second conductivity type second impurity is implanted into the semiconductor substrate through the implantation protective film using the gate electrode and the sidewall as a mask, thereby forming a second conductivity type first high concentration diffusion layer. Process,
After removing the exposed portion of the implantation protective film on the semiconductor substrate, a metal film is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate including the gate electrode, and the deposited metal film, the gate electrode and the semiconductor substrate, Forming a silicide film in a self-aligned manner on the gate electrode and the first high-concentration diffusion layer by reacting the bonding surfaces of
After removing the sidewalls, a third impurity of the first conductivity type is implanted into the extension protective film in the extension region located below the side surface of the gate electrode in the semiconductor substrate using the gate electrode and the silicide film as a mask. Selectively amorphizing the extension region by implanting through;
After the step of selectively amorphizing the extension region, a fourth impurity of the second conductivity type is implanted into the semiconductor substrate through the implantation protective film using the gate electrode as a mask, and a heat treatment is performed. Forming a second high-concentration diffusion layer of the second conductivity type having a junction depth shallower than that of the first high-concentration diffusion layer in the extension region. Method.
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