JP4228416B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特にMOS型電界効果トランジスタを有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置に用いられるトランジスタとしては、バイポーラトランジスタと金属−酸化膜−半導体積層電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)に大別される。MOSFETとしては、トランジスタのチャネルの導電型によりさらにnチャネル型とpチャネル型とに分類される。MOSFETは今日における代表的な半導体素子として広く使用されており、大規模集積化が進められてきている。
【0003】
今日において、半導体装置に要求される性能はより高速化、高性能化、大容量化が求められており、これに伴って上記のMOSFETも微細化、縮小化が進められて、半導体装置の製造プロセスにおいては微細加工技術が開発、研究されている。とりわけ、0.35μm世代以降のMOSFETの形成においては、ゲート電極の微細加工技術の開発が盛んである。ゲート長が1μm以下になるとポリシリコンとタングステンシリサイドなどのシリサイドを積層させて形成したポリサイド構造が用いられ、ゲート長が0.5μm以下になると、短チャネル効果の抑制とホットキャリアによるトランジスタ特性の劣化の抑制の目的で、ソース・ドレイン拡散層のチャネル形成領域側にソース・ドレイン拡散層よりも低濃度の不純物含有領域を形成したLDD(Lightly Doped Drain )構造が用いられるようになってきた。
【0004】
図11(a)は上記のLDD構造を用いたMOSFETを有する半導体装置の断面図である。例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法により形成された素子分離絶縁膜20で分離されたp型半導体基板10の活性領域(チャネル形成領域)上に、例えば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜21aが形成されている。その上層に、例えばポリシリコンからなるゲート電極30aが形成されている。ゲート電極30aの両側部には、例えば酸化シリコンからなるサイドウォール絶縁膜22が形成されている。ゲート電極の両側部の半導体基板10中には、例えばn型不純物を含有するソース・ドレイン拡散層13が形成されており、さらにそのチャネル形成領域側には例えばn型不純物をソース・ドレイン拡散層13よりも低濃度に含有するLDD(Lightly Doped Drain )拡散層12が形成されている。また、半導体基板10中のチャネル形成領域(ゲート電極30aの下部領域)においては、p型不純物を高濃度に含有して短チャネル効果の1つであるパンチスルーを防止するためのパンチスルー防止層11が形成されている。パンチスルー防止層11においては、図11(a)中のX−X’に沿った位置でのp型不純物濃度プロファイルである図11(b)に示すように、半導体基板10の表面から深くなるほど不純物濃度が高くなり、例えばLDD拡散層12の接合面の深さとソース・ドレイン拡散層13の接合面の深さの間の深さに極大値を有するようなプロファイルをとる。
【0005】
上記のMOSFETは、ゲート電極30aに電圧を印加することによりp型半導体基板10のチャネル形成領域にn型の反転層を誘起し、誘起された反転層がチャネルとなり、電流はソース拡散層からドレイン拡散層へと流れることが可能となるものである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のLDD構造のMOSFETにおいて、半導体装置の高集積化及び微細化のためにスケーリング則に従ってゲート長およびゲート絶縁膜の縮小化を行うと、トランジスタのチャネル抵抗は低下するものの、一方で短チャネル効果が顕著となってくるという問題が発生する。特に短チャネル効果の一つであるパンチスルー電流を抑制するためには、ソース・ドレインの接合深さを浅くして、ソース・ドレイン空乏層がチャネル側に張り出す量を少なくすること、あるいは、チャネル不純物濃度を高くしてパンチスルー防止層を形成することが効果的であることが知られている。
【0007】
しかし、上記の理由で接合深さを浅くした場合、接合領域の面抵抗が上昇し、スケーリング則に沿ってゲート長を縮小化したことでチャネル抵抗を低下させたにもかかわらず、接合部の面抵抗による寄生抵抗が増大し、トランジスタの電流駆動能力を低下させることになる。
【0008】
また、図11(a)の半導体装置のように、チャネル形成領域のチャネル不純物濃度はそれほど高くせず、チャネル形成領域の下部において基板表面から所定の深さに基板不純物の濃度極大を持つような濃度プロファイルを持つパンチスルー防止層を形成する場合、パンチスルー電流の抑制には効果があるが、このチャネル不純物をイオン注入により形成するのは通常ゲート電極の形成工程前であり、基板全面に上記のプロファイルの不純物が導入されるので、ソース・ドレイン拡散層の接合面近傍領域にも高濃度にチャネル不純物が導入されることになる。この場合、ソース・ドレイン拡散層の接合容量が大きくなり、トランジスタの電流駆動能力が低下してしまう。
【0009】
上記の問題を解決する方法として、特公平3−43787号公報には、フォトリソグラフィー工程を用いてソース・ドレインとなる領域をマスクし、チャネル形成領域のみに高濃度のチャネル不純物を導入する方法が開示されている。この方法によれば、チャネル形成領域のみに高濃度のチャネル不純物を導入してパンチスルー電流を抑制し、一方ソース・ドレイン拡散層の接合面近傍領域にはチャネル不純物を導入しないので接合容量の増大を防止できる。しかしながら、フォトリソグラフィー工程を用いるので製造コストが上昇し、また、半導体装置を微細化するにつれて合わせずれが許容できなくなってくるということが問題となっている。
【0010】
また、特開昭62−141778号公報には、高濃度のチャネル不純物の注入を基板全面に行った後に、ゲート電極およびソース・ドレイン拡散層の形成を行い、形成したトランジスタを被覆する層間絶縁膜を形成し、ソース・ドレイン拡散層に達するコンタクトホールを開口し、この開口部内にチャネル不純物と逆導電型の不純物をイオン注入し、ソース・ドレイン領域の下方にソース・ドレイン領域と半導体基板との中間的な不純物濃度の半導体層を形成する方法が開示されている。しかしながら、中間的な不純物濃度の半導体層の形成はコンタクトホールの開口部に限定され、しかもコンタクトホールもソース・ドレイン領域とのあわせずれを補償するためにソース・ドレイン領域よりも小さくせざるを得ないため、コンタクトホールの開口部以外のソース・ドレイン領域の接合容量を低減することはできない。
【0011】
また、特開平8−213600号公報には、高濃度のチャネル不純物の注入を基板全面に行った後に、ゲート電極の形成を行い、さらに、ゲート電極をマスクとして基板表面に対して垂直にチャネル不純物と逆の導電型の不純物イオンを注入し、チャネリングを起こさせることにより、チャネル不純物領域よりも深い位置に接合面を有するようにソース・ドレイン拡散層を形成する方法が開示されている。この方法によれば、不純物イオンの注入方向から横方向への広がりの好くないチャネリングを利用してソース・ドレイン拡散層を深く形成するので、ゲート電極下方のチャネル形成領域における実効的なチャネル不純物濃度は高く保て、パンチスルー電流を抑制することが可能であり、一方、ソース・ドレイン拡散層の接合容量を低減できる。ソース・ドレイン拡散層の形成用マスクと同じマスクを用いることができるので、ソース・ドレイン拡散層の下方に全面に不純物を注入でき、ソース・ドレイン拡散層の接合容量を低減する効果は特開昭62−141778号公報記載の方法よりも大きい。
【0012】
しかしながら、上記の特開平8−213600号公報に記載の方法は、ソース・ドレイン拡散層の形成のためのイオン注入時に、チャネリングを利用するので、イオン注入角度に対するプロセスマージンが小さく、さらに不純物イオンの注入量を制御することが困難である。例えば、面方位(100)面の半導体基板を用いる場合、チャネリングを起こさせるような基板表面の法線に対する注入角度は−2°〜2°程度に制限され、しかもこの角度範囲においても、チャネリングするイオンの割合は注入角度に対して大きく変動してしまう。ソース・ドレイン拡散層の接合容量の低減効果は注入する不純物イオンの量に大きく依存するので、この方法により安定にソース・ドレイン拡散層の接合容量を低減することは困難である。
【0013】
本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、パンチスルー電流を抑制するために、ソース・ドレイン拡散層を浅く形成し、チャネル不純物を高くしてパンチスルー防止層を形成しても、ソース・ドレインの接合容量を増大させないMOS型電界効果トランジスタを有する半導体装置を安定に製造することが可能な製造方法を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、チャネル形成領域を有する第1導電型の半導体基板と、前記チャネル形成領域の上層に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上層に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の両側部における前記半導体基板中に前記チャネル形成領域と接続して形成された第2導電型のソース・ドレイン領域と、前記チャネル形成領域において前記半導体基板中に形成された第1導電型のパンチスルー防止層と、前記ソース・ドレイン領域の接合面の下部に形成され、前記パンチスルー防止層よりも第1導電型の実効的キャリア濃度が低い第1導電型領域とを有する。
【0015】
上記の本発明の半導体装置は、半導体基板に形成されたMOS型電界効果トランジスタ(MOSFET)を有する半導体装置であり、チャネル形成領域において半導体基板中に形成された第1導電型のパンチスルー防止層が形成されていてパンチスルー電流が抑制され、また、ソース・ドレイン領域の接合面の下部が、パンチスルー防止層よりも第1導電型の実効的キャリア濃度が低い第1導電型領域となっているので、チャネル不純物を高くしてパンチスルー防止層を形成しても、ソース・ドレインの接合容量を増大させない。
【0016】
上記の本発明の半導体装置は、好適には、前記パンチスルー防止層よりも第1導電型の実効的キャリア濃度が低い第1導電型領域が、前記パンチスルー防止層中の第1導電型不純物濃度と同じオーダーでかつ低濃度の第2導電型不純物を含有している。これにより、ソース・ドレイン領域の接合面の下部をパンチスルー防止層よりも第1導電型の実効的キャリア濃度が低い第1導電型領域とすることができる。
【0017】
上記の本発明の半導体装置は、好適には、前記ソース・ドレイン領域の前記チャネル形成領域側における前記半導体基板中に、第2導電型不純物を前記ソース・ドレイン領域よりも低濃度に含有する第2導電型低濃度不純物含有領域が形成されている。これにより、LDD(Lightly Doped Drain )構造のMOSFETとすることができる。
【0018】
上記の本発明の半導体装置は、好適には、前記ゲート電極の側壁部にサイドウォール絶縁膜が形成されている。ゲート電極の側壁部のサイドウォール絶縁膜は、LDD構造の拡散層を形成するときのイオン注入用マスク(LDDスペーサ)とすることができるので、LDD構造のMOSFETを形成することが可能となる。
【0019】
上記の本発明の半導体装置は、好適には、前記第2導電型低濃度不純物含有領域の前記チャネル形成領域側における前記半導体基板中に、第1導電型不純物を前記パンチスルー防止層よりも高濃度に含有するポケット層が形成されている。これにより、第2導電型低濃度不純物含有領域(LDD拡散層)近傍におけるドレイン電界を緩和して、パンチスルー電流をさらに抑制することができる。
【0020】
また、上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、半導体基板上に第1トランジスタと前記第1トランジスタよりもしきい値電圧が高い第2トランジスタを有する半導体装置であって、前記第1トランジスタと第2トランジスタは、第1導電型の半導体基板上に形成され、前記半導体基板中のチャネル形成領域と、前記チャネル形成領域の上層に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上層に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の両側部における前記半導体基板中に前記チャネル形成領域と接続して形成された第2導電型のソース・ドレイン領域と、前記チャネル形成領域において前記半導体基板中に形成された第1導電型のパンチスルー防止層と、前記ソース・ドレイン領域の接合面の下部に形成され、前記パンチスルー防止層よりも第1導電型の実効的キャリア濃度が低い第1導電型領域とを有し、前記第2トランジスタのゲート電極が前記第1トランジスタのゲート電極よりも高く、前記第2トランジスタのチャネル形成領域における実効的キャリア濃度が前記第1トランジスタのチャネル形成領域における実効的キャリア濃度よりも高い。
【0021】
上記の本発明の半導体装置は、第1トランジスタと第1トランジスタよりもしきい値電圧が高い第2トランジスタを有する半導体装置であり、第1トランジスタと第2トランジスタにおいて、それぞれチャネル形成領域において半導体基板中に形成された第1導電型のパンチスルー防止層が形成されていてパンチスルー電流が抑制され、また、ソース・ドレイン領域の接合面の下部が、パンチスルー防止層よりも第1導電型の実効的キャリア濃度が低い第1導電型領域となっているので、チャネル不純物を高くしてパンチスルー防止層を形成しても、ソース・ドレインの接合容量を増大させない。また、第2トランジスタのチャネル形成領域における実効的キャリア濃度が前記第1トランジスタのチャネル形成領域における実効的キャリア濃度よりも高いことにより、第2トランジスタのしきい値電圧を第1トランジスタよりも高くすることが可能となっている。これは、第1トランジスタと第2トランジスタとでゲート電極の高さが異なることから、製造工程においてソース・ドレイン領域の接合面の下部をパンチスルー防止層よりも第1導電型の実効的キャリア濃度が低い第1導電型領域とする際に、各トランジスタのチャネル形成領域における実効的キャリア濃度を変えることが可能となっている。
【0022】
また、上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、チャネル形成領域を有する第1導電型の半導体基板に、パンチスルー防止層となる第1導電型の不純物を導入する工程と、前記チャネル形成領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜の上層にゲート電極を形成する工程と、前記半導体基板中に第2導電型の不純物を導入して前記チャネル形成領域に接続するソース・ドレイン領域を形成する工程と、前記半導体基板の表面に対して斜めに角度をつけて第2導電型不純物をイオン注入することにより、前記ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する工程とを有する。
【0023】
上記の本発明の半導体装置の製造方法は、チャネル形成領域を有する第1導電型の半導体基板に、パンチスルー防止層となる第1導電型の不純物を導入し、チャネル形成領域上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜の上層にゲート電極を形成する。次に、半導体基板中に第2導電型の不純物を導入してチャネル形成領域に接続するソース・ドレイン領域を形成し、半導体基板の表面に対して斜めに角度をつけて第2導電型不純物をイオン注入することにより、ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する。
【0024】
上記の本発明の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板上にMOS型電界効果トランジスタ(MOSFET)を形成することができ、第1導電型の不純物を導入してパンチスルー防止層を形成するのでパンチスルー電流が抑制され、また、チャネリングを起こさないように、半導体基板の表面に対して斜めに角度をつけて第2導電型不純物をイオン注入してソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入することから、導入する不純物の量がばらつくことなく安定に、ソース・ドレインの接合容量を増大させずにMOSFETを形成することが可能である。
【0025】
上記の本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する工程においては、前記半導体基板の表面の法線に対して3〜10°の角度をつけて第2導電型不純物をイオン注入する。これにより、チャネリングを起こさないように第2導電型の不純物を導入することができる。
【0026】
上記の本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する工程においては、前記ソース・ドレイン領域の下部を、前記パンチスルー防止層よりも第1導電型の実効的キャリア濃度が低い第1導電型領域とし、さらに好適には、前記ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する工程においては、前記ソース・ドレイン領域の下部に、前記パンチスルー防止層中の第1導電型不純物濃度と同じオーダーでありかつ低濃度となるように第2導電型不純物を導入する。これにより、パンチスルー防止層を形成しても、ソース・ドレインの接合容量を増大させないで形成することができる。
【0027】
上記の本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記ソース・ドレイン領域を形成する工程、および、前記ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する工程においては、前記ゲート電極をマスクとして第2導電型の不純物を導入する。これにより、ゲート電極に対して自己整合的にソース・ドレイン領域を形成することが可能であり、また、ソース・ドレイン領域の下部にソース・ドレインの接合容量を増加させないように第2導電型の不純物を導入することができる。
【0028】
上記の本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記ゲート電極を形成する工程の後、前記ソース・ドレイン領域を形成する工程の前に、前記ゲート電極をマスクとして前記半導体基板中に第2導電型の不純物を導入して前記ソース・ドレイン領域よりも低濃度の第2導電型不純物を含有する第2導電型低濃度不純物含有領域を形成する工程と、前記ゲート電極の側壁にサイドウォール絶縁膜を形成する工程とをさらに有し、前記ソース・ドレイン領域を形成する工程、および、前記ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する工程においては、前記サイドウォール絶縁膜をマスクとして第2導電型の不純物を導入する。これにより、LDD構造のMOSFETを形成することができる。
【0029】
上記の本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記ゲート電極を形成する工程の後、前記サイドウォール絶縁膜を形成する工程の前に、前記ゲート電極をマスクとして前記半導体基板の表面に対して斜めに角度をつけて第1導電型の不純物をイオン注入する工程をさらに有する。これにより、第2導電型低濃度不純物含有領域(LDD拡散層)のチャネル形成領域側にパンチスルー防止層よりも高濃度に第1導電型不純物を含有するポケット層を形成することができ、パンチスルー電流をさらに抑制することができる。
【0030】
上記の本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する工程においては、注入する不純物イオンの投影飛程距離Rp、不純物イオンの投影飛程距離のゆらぎΔRp、および、前記ソース・ドレイン領域の接合面の前記半導体基板表面からの深さXjに対して、Xj≦Rp≦Xj+ΔRpを満足するように第2導電型不純物をイオン注入する。ここで、不純物イオンの投影飛程距離のゆらぎΔRpとは、基板からの深さRpにおける不純物濃度の(1/e)1/2 の濃度となる深さの、深さRpからの距離である。Xj≦Rp≦Xj+ΔRpとすることで、ソース・ドレイン領域の下部に選択的に第2導電型の不純物を導入することが可能となり、また、この第2導電型の不純物のチャネル形成領域側への広がりを抑制して形成することができるので、効果的にパンチスルー電流を抑制することが可能である。
【0031】
上記の本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する工程においては、前記ゲート電極の高さH、注入する不純物イオンの投影飛程距離Rp、および、不純物イオンの投影飛程距離のゆらぎΔRpに対して、H<Rp+2ΔRpを満足するように第2導電型不純物をイオン注入する。これにより、ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する際に、同時にチャネル形成領域にも第2導電型不純物を導入して、しきい値電圧を調節することができる。
【0032】
上記の本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する工程においては、前記ゲート電極の高さH、注入する不純物イオンの投影飛程距離Rp、および、不純物イオンの投影飛程距離のゆらぎΔRpに対して、H≧Rp+2ΔRpを満足するように第2導電型不純物をイオン注入する。これにより、ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する際に、同時にチャネル形成領域にも第2導電型不純物が導入されるのを防ぐことができる。
【0033】
上記の本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記ゲート電極を形成する工程の後、前記ソース・ドレイン領域を形成する工程の前に、前記ゲート電極の上層にオフセット絶縁膜を形成する工程をさらに有し、前記ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する工程においては、前記ゲート電極と前記オフセット絶縁膜の高さの和H’、注入する不純物イオンの投影飛程距離Rp、および、不純物イオンの投影飛程距離のゆらぎΔRpに対して、H’<Rp+2ΔRpを満足するように第2導電型不純物をイオン注入する。これにより、ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する際に、同時にチャネル形成領域にも第2導電型不純物を導入して、しきい値電圧を調節することができる。
【0034】
上記の本発明の半導体装置の製造方法は、好適には、前記ゲート電極を形成する工程の後、前記ソース・ドレイン領域を形成する工程の前に、前記ゲート電極の上層にオフセット絶縁膜を形成する工程をさらに有し、前記ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する工程においては、前記ゲート電極と前記オフセット絶縁膜の高さの和H’、注入する不純物イオンの投影飛程距離Rp、および、不純物イオンの投影飛程距離のゆらぎΔRpに対して、H’≧Rp+2ΔRpを満足するように第2導電型不純物をイオン注入する。これにより、ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する際に、同時にチャネル形成領域にも第2導電型不純物が導入されるのを防ぐことができる。
【0035】
また、上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板に形成される、第1トランジスタと前記第1トランジスタとしきい値電圧が異なる第2トランジスタを有し、前記第1トランジスタと第2トランジスタは、それぞれ第1導電型の半導体基板に形成され、前記半導体基板中のチャネル形成領域と、前記チャネル形成領域の上層に形成されるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上層に形成されるゲート電極と、前記ゲート電極の両側部における前記半導体基板中に前記チャネル形成領域と接続して形成される第2導電型のソース・ドレイン領域と、前記チャネル形成領域において前記半導体基板中に形成される第1導電型のパンチスルー防止層と、前記ソース・ドレイン領域の接合面の下部に形成され、前記パンチスルー防止層よりも第1導電型の実効的キャリア濃度が低い第1導電型領域とを有し、前記しきい値が異なるように、前記第2トランジスタのゲート電極の高さが前記第1トランジスタのゲート電極の高さと異なり、前記第2トランジスタのチャネル形成領域における実効的キャリア濃度が前記第1トランジスタのチャネル形成領域における実効的キャリア濃度よりも高い半導体装置を製造するため、第1トランジスタ形成領域および第2トランジスタ形成領域のそれぞれにおいて、前記チャネル形成領域を有する第1導電型の半導体基板に、前記半導体基板の表面から所定の深さで濃度の極大値を有するように、パンチスルー防止層となる第1導電型の不純物を導入する第一の工程と、前記第1トランジスタ形成領域および第2トランジスタ形成領域のそれぞれにおいて、前記半導体基板の、前記チャネル形成領域上に、ゲート絶縁膜を形成する第二の工程と、前記第1トランジスタ形成領域において、前記ゲート絶縁膜の上層に第1ゲート電極を形成し、前記第2トランジスタ形成領域において、前記ゲート絶縁膜の上層に、前記第1ゲート電極の高さと異なる高さの第2ゲート電極を形成する第三の工程と、前記第1トランジスタ形成領域および第2トランジスタ形成領域のそれぞれにおいて、前記半導体基板中に第2導電型の不純物を導入して前記チャネル形成領域に接続するソース・ドレイン領域を形成する第四の工程と、前記第1トランジスタ形成領域および第2トランジスタ形成領域のそれぞれにおいて、高さの異なる前記第1ゲート電極および前記第2ゲート電極をマスクとして、注入する不純物イオンの投影飛程距離Rp、不純物イオンの投影飛程距離のゆらぎΔRp、第1ゲート電極の高さH1、および、第2ゲート電極の高さH2に対して、H1<Rp+2ΔRp≦H2を満足する同じ条件で、前記半導体基板と前記ソース・ドレイン領域の接合面の下部において前記パンチスルー防止層に接するように、第2導電型の不純物をイオン注入により導入し、前記第2トランジスタのしきい値と、前記第1トランジスタのしきい値とを異ならせる第五の工程とを有する。
【0036】
上記の本発明の半導体装置の製造方法は、第1トランジスタ形成領域および第2トランジスタ形成領域のそれぞれにおいて、チャネル形成領域を有する第1導電型の半導体基板に、前記半導体基板の表面から所定の深さで濃度の極大値を有するように、パンチスルー防止層となる第1導電型の不純物を導入し、第1トランジスタ形成領域および第2トランジスタ形成領域のそれぞれにおいて、半導体基板の、前記チャネル形成領域上に、にゲート絶縁膜を形成する。次に、第1トランジスタ形成領域において、ゲート絶縁膜の上層に第1ゲート電極を形成し、一方、第2トランジスタ形成領域において、ゲート絶縁膜の上層に第2ゲート電極よりも高い第2ゲート電極を形成する。次に、第1トランジスタ形成領域および第2トランジスタ形成領域のそれぞれにおいて、半導体基板中に第2導電型の不純物を導入してチャネル形成領域に接続するソース・ドレイン領域を形成し、さらに前記第1ゲート電極および第2ゲート電極をマスクとして、注入する不純物イオンの投影飛程距離Rp、不純物イオンの投影飛程距離のゆらぎΔRp、第1ゲート電極の高さH1、および、第2ゲート電極の高さH2に対して、H1<Rp+2ΔRp≦H2を満足する同じ条件で、前記半導体基板と前記ソース・ドレイン領域の接合面の下部において前記パンチスルー防止層に接するように、第2導電型の不純物をイオン注入により導入する。
【0037】
上記の本発明の半導体装置の製造方法によれば、第1トランジスタと第2トランジスタを形成する際に、各トランジスタのゲート電極の高さを変えることで、ソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入する際に、H1<Rp+2ΔRp≦H2を満足するように第2導電型の不純物をイオン注入することにより、第1トランジスタにおいては、同時にチャネル形成領域にも第2導電型不純物を導入して、しきい値電圧を調節し、第2トランジスタにおいては、同時にチャネル形成領域にも第2導電型不純物が導入されるのを防ぐ。これにより、互いにしきい値電圧の異なる第1トランジスタおよび第2トランジスタを有する半導体装置を製造することができる。
【0038】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の半導体装置の実施の形態について実施例により図面を参照して説明する。
【0039】
第1実施形態
図1(a)は本実施形態にかかるLDD構造を用いたnチャネル型MOSFETを有する半導体装置の断面図である。例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法により形成された素子分離絶縁膜20で分離されたp型半導体基板10の活性領域(チャネル形成領域)上に、例えば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜21aが形成されている。その上層に、例えばポリシリコンからなるゲート電極30aが形成されている。ゲート電極30aの両側部には、例えば酸化シリコンからなるサイドウォール絶縁膜22が形成されている。ゲート電極の両側部の半導体基板10中には、例えばn型不純物を含有するソース・ドレイン拡散層13が形成されており、さらにそのチャネル形成領域側には例えばn型不純物をソース・ドレイン拡散層13よりも低濃度に含有するLDD(Lightly Doped Drain )拡散層12が形成されている。また、半導体基板10中のチャネル形成領域(ゲート電極30aの下部領域)においては、p型不純物を高濃度に含有して短チャネル効果の1つであるパンチスルーを防止するためのパンチスルー防止層11が形成されている。パンチスルー防止層11においては、図1(a)中のX−X’に沿った位置でのp型不純物濃度プロファイルである図1(b)に示すように、半導体基板10の表面から深くなるほど不純物濃度が高くなり、例えばLDD拡散層12の接合面の深さとソース・ドレイン拡散層13の接合面の深さの間の深さに極大値を有するようなプロファイルをとる。また、ソース・ドレイン拡散層13の接合面の下部にはパンチスルー防止層11よりもp型の実効的キャリア濃度が低いp型領域14が形成されている。
【0040】
上記のMOSFETは、ゲート電極30aに電圧を印加することによりp型半導体基板10のチャネル形成領域にn型の反転層を誘起し、誘起された反転層がチャネルとなり、電流はソース拡散層からドレイン拡散層へと流れることが可能となるものである。ここで、チャネル形成領域において半導体基板中にp型のパンチスルー防止層11が形成されているのでパンチスルー電流を抑制することができ、また、ソース・ドレイン拡散層13の接合面の下部が、パンチスルー防止層11よりもp型の実効的キャリア濃度が低いp型領域14となっているので、チャネル不純物を高くしてパンチスルー防止層11を形成しても、ソース・ドレインの接合容量を増大させない。パンチスルー防止層11よりもp型の実効的キャリア濃度が低いp型領域14においては、パンチスルー防止層11と同じ濃度のp型不純物を含有し、さらにこのp型不純物と同じオーダーでかつ低濃度にn型不純物を含有させることで、パンチスルー防止層11よりもp型の実効的キャリア濃度を低くすることができる。
【0041】
次に、上記の半導体装置の製造方法について説明する。まず、図2(a)に示すように、例えばp型シリコン半導体基板10にSTI法などにより300nmの膜厚の素子分離絶縁膜20を形成する。
【0042】
次に、図2(b)に示すように、素子分離絶縁膜20により分離されたp型半導体基板10の活性領域上に、ウェル形成、チャネルストップ層の形成、パンチスルー防止層の形成、しきい値の調整のために、p型不純物D1をイオン注入する。図面上は、パンチスルー防止層11のみを表示している。パンチスル防止層を形成するためのイオン注入は、例えばホウ素を50keVのエネルギーでイオン注入し、例えばp型不純物の濃度プロファイルが図1(b)に示すように基板表面から所定の深さの位置で濃度の極大値を有するように導入する。
【0043】
次に、図3(c)に示すように、例えば熱酸化法により4nmの膜厚の酸化シリコンのゲート絶縁膜21を形成する。
【0044】
次に、図3(d)に示すように、ゲート絶縁膜21の上層に例えばCVD(Chemical Vapor Deposition )法により200nmの膜厚でポリシリコンを堆積させ、ゲート電極用層30を形成する。
【0045】
次に、図4(e)に示すように、フォトリソグラフィー工程によりゲート電極のパターンのレジスト膜を形成し、RIE(反応性イオンエッチング)などのエッチングを施して、ゲート電極30aを形成する。
【0046】
次に、図4(f)に示すように、ゲート電極30をマスクとしてn型不純物D2として例えば砒素を10keVのエネルギーでイオン注入し、LDD拡散層12を形成する。次に、例えば窒素雰囲気中で1000℃,10秒のランプアニールによるRTA(Rapid Thermal Annealing )処理を行うことで、半導体基板の結晶欠陥の回復や、導入した不純物D2の活性化などを行う。
【0047】
次に、図5(g)に示すように、例えばCVD法により酸化シリコン層を100nmの膜厚で酸化シリコンあるいは窒化シリコンを層を堆積させ、RIEなどのエッチングにより全面にエッチバックして、ゲート電極30aの側壁部分を残して酸化シリコンあるいは窒化シリコンを除去し、ゲート電極30aの側壁部に幅が100nm程度のサイドウォール絶縁膜22を形成する。
【0048】
次に、図5(h)に示すように、サイドウォール絶縁膜22をマスクとしてn型不純物D3として例えば砒素を50keVのエネルギーでイオン注入し、ソース・ドレイン拡散層13を形成する。
【0049】
次に、図6(i)に示すように、サイドウォール絶縁膜22をマスクとして、半導体基板10の表面の法線に対して3〜10°の角度をつけて、n型不純物D4として例えばリンを100keVのエネルギーでイオン注入し、ソース・ドレイン拡散層12の下部にパンチスルー防止層11中のp型不純物濃度と同じオーダーでありかつ低濃度となるようにn型不純物を導入することで、ソース・ドレイン拡散層13の下部を、パンチスルー防止層11よりもp型の実効的キャリア濃度が低いp型領域14とする。
【0050】
次に、例えば窒素雰囲気中で1000℃,10秒のランプアニールによるRTA処理を行うことで、半導体基板の結晶欠陥の回復や、導入した不純物D3,D4の活性化などを行う。以上で、図1(a)に示すMOSFETを有する半導体装置に至る。以降の工程としては、例えば、MOSFETと被覆して酸化シリコンの層間絶縁膜を形成し、層間絶縁膜にソース・ドレイン拡散層12に達するコンタクトホールを開口し、コンタクトホール内に埋め込み電極を形成し、さらに上層配線などを形成して所望の半導体装置を形成する。MOSFETとしては、SALICIDE(Self Aligned Silicide )プロセスにより、ゲート電極上部、ソース・ドレイン拡散層上部に高融点金属シリサイド領域を形成することもできる。
【0051】
ここで、上記の図6(i)に示すソース・ドレイン拡散層13の下部を、パンチスルー防止層11よりもp型の実効的キャリア濃度が低いp型領域14とするためのn型不純物のイオン注入について、図7(a)を参照して説明する。このイオン注入時の総不純物注入量をQ、注入する不純物イオンの投影飛程距離をRp、不純物イオンの投影飛程距離のゆらぎ(基板からの深さRpにおける不純物濃度の(1/e)1/2 の濃度となる深さの、深さRpからの距離)をΔRp、ソース・ドレイン領域の接合面の前記半導体基板表面からの深さをXjとすると、Rp−ΔRp〜Rp+ΔRpの範囲(図中の斜線部分)に約7割(0.7Q)の不純物が注入されることになり、Rp+ΔRpよりも深い領域には約1.5割(0.15Q)の少ない量の不純物しか注入されないことになる。ここで、RpをXj+ΔRpとなるように設定することで、約7割(0.7Q)の不純物がソース・ドレイン領域の直下の領域となるXj〜Xj+2ΔRpの範囲に注入され、これにより効果的にソース・ドレインの接合容量を低減することが可能となる。上記のイオン注入は、基板に対して角度をつけてチャネリングが起きないようにして注入するので、不純物の注入量を制御して安定に不純物注入を行うことが可能である。また、注入する不純物のチャネル形成領域側への広がり方にも上記と同様の関係があるので、Xj+2ΔRpよりも遠い領域にまで不純物が注入されることはなく、効果的にパンチスルー電流を抑制することができる。Rpとしては、Xj≦Rp≦Xj+ΔRpとなるように設定することが好ましい。
【0052】
また、上記のイオン注入においては、Rp+2ΔRpよりも深い領域には、約2.3%(0.023Q)以下しか注入されない。このことから、ゲート電極の高さ(ゲート電極の上層にオフセット絶縁膜が形成されている場合にはゲート電極とオフセット絶縁膜の高さの和)を調節することで、パンチスルー防止層11よりもp型の実効的キャリア濃度が低いp型領域14とするためのn型不純物のイオン注入において、同時にチャネル形成領域にもn型不純物を導入し、しきい値電圧を調節する、あるいは、チャネル形成領域にもn型不純物が導入されるのを防ぐことができる。即ち、図7(b)に示すように、ゲート電極の高さHについて、H<Rp+2ΔRpを満足するようにゲート電極を低くすることで、上記の不純物イオンの一部がゲート電極を突き抜けてチャネル形成領域に注入されることになり、これにより実効的キャリア濃度が低下してしきい値電圧を低くすることができる。逆に、H≧Rp+2ΔRpを満足するようにゲート電極を高くすることで、上記の不純物イオンの一部がゲート電極を突き抜けてチャネル形成領域に注入されることはなくなり、これにより実効的キャリア濃度を低下させないで形成することができる。ゲート電極の上層にオフセット絶縁膜が形成されている場合には、ゲート電極とオフセット絶縁膜の高さの和H’についてH’<Rp+2ΔRpを満足するように設定することで上記の不純物イオンの一部がゲート電極を突き抜けてチャネル形成領域に注入されることになり、H’≧Rp+2ΔRpを満足するように設定することで、上記の不純物イオンの一部がゲート電極を突き抜けてチャネル形成領域に注入されることはなくなる。
【0053】
また、上記のイオン注入において、ゲート電極の高さに応じてトランジスタのしきい値の調整が可能であることから、ゲート電極の高さの異なるトランジスタを形成し、例えばゲート電極の高さHについて、H<Rp+2ΔRpとなるトランジスタと、H≧Rp+2ΔRpとなるトランジスタを形成する(例えば200nmの高さのゲート電極と250nmの高さのゲート電極を形成する)ことで、前者は上記のイオン注入において不純物イオンの一部がチャネル形成領域に注入され、後者は上記のイオン注入において不純物イオンがチャネル形成領域に注入されることはなく、簡単な方法で互いにしきい値の異なるトランジスタを形成することが可能である。上記のように高さの異なるゲート電極を形成するためには、例えばフォトリソグラフィー工程によりレジストマスクを形成し、高さを低く形成するゲート電極のみをドライエッチングにより必要量エッチング除去することで形成することが可能である。この時、ゲート電極中に不純物を導入する場合には、あらかじめ不純物を注入しておくことが好ましい。
【0054】
上記の本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、半導体基板上にnチャネル型MOS型電界効果トランジスタ(MOSFET)を形成することができる。p型の不純物を導入してパンチスルー防止層を形成するのでパンチスルー電流が抑制され、また、チャネリングを起こさないように、半導体基板の表面に対して斜めに角度をつけてn型不純物をイオン注入してソース・ドレイン領域の下部にn型の不純物を導入することから、導入する不純物の量がばらつくことなく安定に、ソース・ドレインの接合容量を増大させずにMOSFETを形成することが可能である。
【0055】
上記の本実施形態においては、nチャネル型トランジスタについて説明しているが、n型不純物をp型不純物入れ替えることでpチャネル型トランジスタとすることもできる。製造工程において、例えば、n型半導体基板を用い、パンチスルー防止層の形成工程においてはリンを100keVでイオン注入し、LDD拡散層の形成工程においてはBF2 を10keVでイオン注入し、ソース・ドレイン拡散層の形成工程においてはBF2 を20keVでイオン注入し、ソース・ドレイン拡散層の下部を、パンチスルー防止層よりもn型の実効的キャリア濃度が低いn型領域とするためのp型不純物のイオン注入工程においては、ホウ素を40keVでイオン注入することで形成することが可能である。
【0056】
(実施例)
以下のようにして、p型シリコン半導体基板上にnチャネル型MOSFETを形成した。まず、図2(a)に示すように、p型シリコン半導体基板10にSTI法などにより300nmの膜厚の素子分離絶縁膜20を形成し、図2(b)に示すように、p型不純物D1としてホウ素を50keVのエネルギーでイオン注入し、パンチスルー防止層11を形成した。次に、図3(c)に示すように、熱酸化法により4nmの膜厚の酸化シリコンのゲート絶縁膜21を形成した。次に、図3(d)に示すように、ゲート絶縁膜21の上層に例えばCVD法により200nmの膜厚でポリシリコンを堆積させ、ゲート電極用層30を形成し、図4(e)に示すように、フォトリソグラフィー工程によりゲート電極のパターンのレジスト膜を形成し、RIE(反応性イオンエッチング)によりゲート電極30aのパターンに加工した。
【0057】
次に、図4(f)に示すように、ゲート電極30をマスクとしてn型不純物D2として砒素を10keVのエネルギーでイオン注入してLDD拡散層12を形成し、窒素雰囲気中で1000℃,10秒のランプアニールによるRTA処理を行った後、図5(g)に示すように、ゲート電極30aの側壁部に幅が100nm程度のサイドウォール絶縁膜22を形成した。次に、図5(h)に示すように、サイドウォール絶縁膜22をマスクとしてn型不純物D3として砒素を50keVのエネルギーでイオン注入し、ソース・ドレイン拡散層13を形成し、さらに図6(i)に示すように、サイドウォール絶縁膜22をマスクとして、半導体基板10の表面の法線に対して3〜10°の角度をつけて、n型不純物D4としてリンを100keVのエネルギーでイオン注入し、ソース・ドレイン拡散層12の下部にパンチスルー防止層11中のp型不純物濃度と同じオーダーでありかつ低濃度となるようにn型不純物を導入してソース・ドレイン拡散層13の下部をパンチスルー防止層11よりもp型の実効的キャリア濃度が低いp型領域14とした。次に、例えば窒素雰囲気中で1000℃,10秒のランプアニールによるRTA処理を行った。
【0058】
上記のソース・ドレイン拡散層13の下部をパンチスルー防止層11よりもp型の実効的キャリア濃度が低いp型領域14とするためのリンのイオン注入においては、ドーズ量を0(注入しない条件)、5×1012atoms/cm2 、1×1013atoms/cm2 の各条件とした。また、注入する不純物イオンの投影飛程距離をRpをソース・ドレイン領域の接合面の前記半導体基板表面からの深さをXj程度と設定し、また、ゲート電極の高さHは、H<Rp+2ΔRpとして注入するリンの一部がゲート電極を突き抜けてチャネル形成領域に注入される条件とした。
【0059】
図8(a)は、上記のようにして形成したnチャネル型トランジスタのソース・ドレイン拡散層の接合容量Cを累積確率に対して、各ドーズ量について、プロットした図である。このように、リンのイオン注入により効果的にソース・ドレイン拡散層の接合容量が低減されていることが確認された。
【0060】
図8(b)は、上記のようにして形成したnチャネル型トランジスタについて、ゲート長Lに対してトランジスタのしきい値Vthをプロットしたロールオフ特性を示す図である。このように、リンのイオン注入によりロールオフの増大を抑制する、即ち、パンチスルー電流の増大を抑制でき、また、リンのドーズ量を増加するにつれてトランジスタのしきい値が低電圧化できていることが確認された。
【0061】
第2実施形態
図9(a)は本実施形態にかかるLDD構造を用いたpチャネル型MOSFETを有する半導体装置の断面図である。実質的に第1実施形態にかかる半導体装置と同様であるが、さらに、LDD拡散層12のチャネル形成領域側において、パンチスルー防止層11よりも高濃度のp型不純物を含有するポケット層15が形成されている点が異なる。第1実施形態と同様に、パンチスルー防止層11においては、図9(a)中のX−X’に沿った位置でのp型不純物濃度プロファイルである図9(b)に示すように、半導体基板10の表面から深くなるほど不純物濃度が高くなり、例えばLDD拡散層12の接合面の深さとソース・ドレイン拡散層13の接合面の深さの間の深さに極大値を有するようなプロファイルをとり、また、ソース・ドレイン拡散層13の接合面の下部にはパンチスルー防止層11よりもp型の実効的キャリア濃度が低いp型領域14が形成されている。
【0062】
次に、上記の半導体装置の製造方法について説明する。第1実施形態と同様にして、LDD拡散層12を形成した後、図10(a)に示すように、半導体基板に対して斜めに(例えば45°程度)p型不純物としてホウ素をイオン注入し、パンチスルー防止層11よりも高濃度のp型不純物を含有するポケット層15を形成する。以降の工程は第1実施形態と同様であり、砒素などのn型不純物をイオン注入してソース・ドレイン拡散層13を形成し、さらにリンなどのn型不純物D4をイオン注入してソース・ドレイン拡散層13の下部をパンチスルー防止層11よりもp型の実効的キャリア濃度が低いp型領域14として、図9(a)に示す半導体装置に至る。
【0063】
上記の本実施形態の半導体装置は、LDD拡散層12のチャネル形成領域側において、パンチスルー防止層11よりも高濃度のp型不純物を含有するポケット層15が形成されているので、パンチスルー電流をさらに抑制することができる。
【0064】
本発明の半導体装置及びその製造方法は、上記の実施形態に限定されない。例えば、また、ゲート電極としては、本実施形態のように単層構成の他、ポリサイドなどの2層以上としてよい。ゲート電極の高さは特に限定されず、必要に応じて様々な高さとすることができる。この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【0065】
【発明の効果】
本発明の半導体装置によれば、チャネル形成領域において半導体基板中に形成された第1導電型のパンチスルー防止層が形成されていてパンチスルー電流が抑制され、また、ソース・ドレイン領域の接合面の下部が、パンチスルー防止層よりも第1導電型の実効的キャリア濃度が低い第1導電型領域となっているので、チャネル不純物を高くしてパンチスルー防止層を形成しても、ソース・ドレインの接合容量を増大させない。
【0066】
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、本発明の半導体装置を容易に製造することが可能である。第1導電型の不純物を導入してパンチスルー防止層を形成するのでパンチスルー電流が抑制され、また、チャネリングを起こさないように、半導体基板の表面に対して斜めに角度をつけて第2導電型不純物をイオン注入してソース・ドレイン領域の下部に第2導電型の不純物を導入することから、導入する不純物の量がばらつくことなく安定に、ソース・ドレインの接合容量を増大させずにMOSFETを形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は第1実施形態にかかる半導体装置の断面図であり、図1(b)は図1(a)中のX−X’における不純物プロファイルである。
【図2】図2は第1実施形態にかかる半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図であり、(a)は素子分離絶縁膜の形成工程まで、(b)はパンチスルー防止層の形成工程までを示す。
【図3】図3は図2の続きの工程を示し、(c)はゲート絶縁膜の形成工程まで、(d)はゲート電極用層の形成工程までを示す。
【図4】図4は図3の続きの工程を示し、(e)はゲート電極のパターン加工工程まで、(f)はLDD拡散層の形成工程までを示す。
【図5】図5は図4の続きの工程を示し、(g)はサイドウォール絶縁膜の形成工程まで、(h)はソース・ドレイン拡散層の形成工程までを示す。
【図6】図6は図5の続きの工程を示し、(i)はソース・ドレイン拡散層の下部に第1導電型不純物をイオン注入する工程までを示す。
【図7】図7(a)はソース・ドレイン拡散層の下部に第1導電型不純物をイオン注入する工程における注入位置を説明する模式図であり、図7(b)はゲート電極の高さによりチャネル形成領域への不純物の注入を制御する方法を説明する模式図である。
【図8】図8(a)は実施例において、トランジスタのソース・ドレイン拡散層の接合容量Cを累積確率に対してプロットした図であり、図8(b)はゲート長Lに対してトランジスタのしきい値Vthをプロットしたロールオフ特性を示す図である。
【図9】図9(a)は第2実施形態にかかる半導体装置の断面図であり、図9(b)は図9(a)中のX−X’における不純物プロファイルである。
【図10】図10は第2実施形態にかかる半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図であり、(a)はポケット層の形成工程まで、(b)はソース・ドレイン拡散層の下部に第1導電型不純物をイオン注入する工程までを示す。
【図11】図11(a)は従来例にかかる半導体装置の断面図であり、図11(b)は図11(a)中のX−X’における不純物プロファイルである。
【符号の説明】
10…p型半導体基板、11…p型パンチスルー防止層、12…n型LDD拡散層、13…n型ソース・ドレイン拡散層、14…p型領域、15…p型ポケット層、20…素子分離絶縁膜、21,21a…ゲート絶縁膜、22サイドウォール絶縁膜、30…ゲート電極用層、30a…ゲート電極、D1,D2,D3,D4,D5…不純物イオン。
[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 MOS field effect transistor and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Transistors used in semiconductor devices are roughly classified into bipolar transistors and metal-oxide-semiconductor field effect transistors (MOSFETs). MOSFETs are further classified into n-channel and p-channel types depending on the channel conductivity type of the transistor. MOSFETs are widely used as typical semiconductor devices today, and large-scale integration has been promoted.
[0003]
Today, there is a demand for higher performance, higher performance, and larger capacity for the performance required for semiconductor devices, and along with this, the above-mentioned MOSFETs are also being miniaturized and reduced in size. In the process, fine processing technology has been developed and studied. In particular, in the formation of MOSFETs of the 0.35 μm generation and beyond, development of microfabrication techniques for gate electrodes has been active. When the gate length is 1 μm or less, a polycide structure formed by stacking polysilicon and silicide such as tungsten silicide is used, and when the gate length is 0.5 μm or less, the short channel effect is suppressed and transistor characteristics are deteriorated due to hot carriers. In order to suppress this, an LDD (Lightly Doped Drain) structure in which an impurity-containing region having a lower concentration than the source / drain diffusion layer is formed on the channel formation region side of the source / drain diffusion layer has been used.
[0004]
FIG. 11A is a cross-sectional view of a semiconductor device having a MOSFET using the LDD structure. For example, a gate insulating film 21a made of, for example, silicon oxide is formed on the active region (channel forming region) of the p-type semiconductor substrate 10 separated by an element isolation insulating film 20 formed by STI (Shallow Trench Isolation). Yes. A gate electrode 30a made of, for example, polysilicon is formed on the upper layer. Side wall insulating films 22 made of, for example, silicon oxide are formed on both sides of the gate electrode 30a. A source / drain diffusion layer 13 containing, for example, an n-type impurity is formed in the semiconductor substrate 10 on both sides of the gate electrode. Further, for example, an n-type impurity is added to the source / drain diffusion layer on the channel formation region side. An LDD (Lightly Doped Drain) diffusion layer 12 containing a lower concentration than 13 is formed. Further, in the channel formation region (the lower region of the gate electrode 30a) in the semiconductor substrate 10, a punch-through prevention layer for containing a high concentration of p-type impurities to prevent punch-through which is one of the short channel effects. 11 is formed. In the punch-through prevention layer 11, as shown in FIG. 11 (b) which is a p-type impurity concentration profile at a position along XX ′ in FIG. The impurity concentration is increased, and for example, a profile having a maximum value in the depth between the junction surface of the LDD diffusion layer 12 and the junction surface of the source / drain diffusion layer 13 is taken.
[0005]
The above MOSFET induces an n-type inversion layer in the channel formation region of the p-type semiconductor substrate 10 by applying a voltage to the gate electrode 30a, the induced inversion layer becomes a channel, and current flows from the source diffusion layer to the drain. It is possible to flow to the diffusion layer.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the gate length and the gate insulating film are reduced in accordance with the scaling law in order to increase the integration density and miniaturization of the semiconductor device in the above-mentioned LDD structure MOSFET, the channel resistance of the transistor is reduced, but on the other hand, it is short. There arises a problem that the channel effect becomes prominent. In order to suppress punch-through current, which is one of the short channel effects, in particular, the source / drain junction depth should be reduced to reduce the amount of source / drain depletion layer protruding to the channel side, or It is known that it is effective to form a punch-through prevention layer by increasing the channel impurity concentration.
[0007]
However, when the junction depth is reduced for the above reasons, the surface resistance of the junction region increases, and the channel resistance is reduced by reducing the gate length in accordance with the scaling law. The parasitic resistance due to the surface resistance increases, and the current driving capability of the transistor is reduced.
[0008]
Further, unlike the semiconductor device of FIG. 11A, the channel impurity concentration in the channel formation region is not so high, and the substrate impurity concentration maximum is at a predetermined depth from the substrate surface below the channel formation region. When a punch-through prevention layer having a concentration profile is formed, it is effective in suppressing punch-through current. However, the channel impurity is usually formed by ion implantation before the gate electrode forming step, and the above-mentioned surface is formed on the entire surface of the substrate. Therefore, the channel impurity is also introduced at a high concentration in the vicinity of the junction surface of the source / drain diffusion layer. In this case, the junction capacitance of the source / drain diffusion layer increases, and the current driving capability of the transistor decreases.
[0009]
As a method for solving the above problem, Japanese Patent Publication No. 3-43787 discloses a method of masking a source / drain region using a photolithography process and introducing a high-concentration channel impurity only in a channel formation region. It is disclosed. According to this method, a high concentration of channel impurities is introduced only into the channel formation region to suppress the punch-through current, while the channel impurity is not introduced into the region near the junction surface of the source / drain diffusion layer, thereby increasing the junction capacitance. Can be prevented. However, since the photolithography process is used, the manufacturing cost increases, and the misalignment becomes unacceptable as the semiconductor device is miniaturized.
[0010]
Japanese Patent Laid-Open No. 62-141778 discloses an interlayer insulating film that covers a transistor formed by forming a gate electrode and a source / drain diffusion layer after implanting a high concentration of channel impurities over the entire surface of the substrate. A contact hole reaching the source / drain diffusion layer is formed, an impurity having a conductivity type opposite to that of the channel impurity is implanted into the opening, and the source / drain region and the semiconductor substrate are formed below the source / drain region. A method of forming a semiconductor layer having an intermediate impurity concentration is disclosed. However, the formation of a semiconductor layer having an intermediate impurity concentration is limited to the opening of the contact hole, and the contact hole must be smaller than the source / drain region in order to compensate for misalignment with the source / drain region. Therefore, the junction capacitance of the source / drain regions other than the contact hole opening cannot be reduced.
[0011]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-213600 discloses that a gate electrode is formed after implanting a high concentration of channel impurities over the entire surface of the substrate, and further, channel impurities perpendicular to the substrate surface are formed using the gate electrode as a mask. A method of forming source / drain diffusion layers so as to have a junction surface deeper than the channel impurity region by implanting impurity ions of the opposite conductivity type and causing channeling is disclosed. According to this method, since the source / drain diffusion layers are formed deeply by utilizing channeling that does not spread from the implantation direction of the impurity ions to the lateral direction, effective channel impurities in the channel formation region below the gate electrode are formed. The concentration can be kept high to suppress the punch-through current, while the junction capacitance of the source / drain diffusion layer can be reduced. Since the same mask as that for forming the source / drain diffusion layer can be used, impurities can be implanted into the entire surface under the source / drain diffusion layer, and the effect of reducing the junction capacitance of the source / drain diffusion layer is disclosed in It is larger than the method described in JP-A No. 62-141778.
[0012]
However, since the method described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-213600 uses channeling during ion implantation for forming the source / drain diffusion layer, the process margin with respect to the ion implantation angle is small, and impurity ions It is difficult to control the injection amount. For example, when a semiconductor substrate having a plane orientation (100) plane is used, the implantation angle with respect to the normal of the substrate surface that causes channeling is limited to about −2 ° to 2 °, and channeling is also performed in this angular range. The ratio of ions greatly varies with the implantation angle. Since the effect of reducing the junction capacitance of the source / drain diffusion layer greatly depends on the amount of impurity ions to be implanted, it is difficult to stably reduce the junction capacitance of the source / drain diffusion layer by this method.
[0013]
  The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to form a shallow source / drain diffusion layer and to increase a channel impurity to suppress a punch-through current, thereby increasing a punch impurity. Semiconductor device having a MOS field effect transistor that does not increase the source-drain junction capacitancePlaceIt is to provide a production method that can be produced stably.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention includes a first conductivity type semiconductor substrate having a channel formation region, a gate insulating film formed in an upper layer of the channel formation region, and an upper layer of the gate insulating film. A gate electrode formed in the semiconductor substrate, a source / drain region of a second conductivity type formed in the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode in connection with the channel formation region, and the semiconductor substrate in the channel formation region A first conductivity type punch-through prevention layer formed therein, and a first conductivity type effective carrier concentration lower than the punch-through prevention layer formed below the junction surface of the source / drain region. And a conductive type region.
[0015]
The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device having a MOS field effect transistor (MOSFET) formed on a semiconductor substrate, and a first conductivity type punch-through prevention layer formed in the semiconductor substrate in a channel formation region. And the punch-through current is suppressed, and the lower part of the junction surface of the source / drain region is the first conductivity type region having an effective carrier concentration of the first conductivity type lower than that of the punch-through prevention layer. Therefore, even if the channel impurity is increased and the punch-through prevention layer is formed, the source-drain junction capacitance is not increased.
[0016]
In the semiconductor device of the present invention, preferably, the first conductivity type region having an effective carrier concentration of the first conductivity type lower than that of the punch through prevention layer is the first conductivity type impurity in the punch through prevention layer. The second conductivity type impurity is contained in the same order as the concentration and at a low concentration. Thereby, the lower part of the junction surface of the source / drain region can be a first conductivity type region having an effective carrier concentration of the first conductivity type lower than that of the punch-through prevention layer.
[0017]
In the semiconductor device of the present invention, preferably, the semiconductor substrate on the channel formation region side of the source / drain region contains a second conductivity type impurity at a lower concentration than the source / drain region. A two-conductivity type low-concentration impurity-containing region is formed. As a result, a MOSFET having an LDD (Lightly Doped Drain) structure can be obtained.
[0018]
In the semiconductor device of the present invention, preferably, a sidewall insulating film is formed on the side wall portion of the gate electrode. Since the sidewall insulating film on the side wall portion of the gate electrode can be used as an ion implantation mask (LDD spacer) when forming the diffusion layer having the LDD structure, an MOSFET having the LDD structure can be formed.
[0019]
  In the semiconductor device of the present invention, preferably, the first conductivity type impurity is higher than the punch-through prevention layer in the semiconductor substrate on the channel formation region side of the second conductivity type low concentration impurity containing region. A pocket layer containing the concentration is formed. ThisThe secondThe punch-through current can be further suppressed by relaxing the drain electric field in the vicinity of the two-conductivity-type low-concentration impurity-containing region (LDD diffusion layer).
[0020]
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device having a first transistor and a second transistor having a threshold voltage higher than that of the first transistor on a semiconductor substrate. The transistor and the second transistor are formed on a first conductivity type semiconductor substrate, a channel formation region in the semiconductor substrate, a gate insulating film formed in an upper layer of the channel formation region, and an upper layer of the gate insulating film A gate electrode formed in the semiconductor substrate, a source / drain region of a second conductivity type formed in the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode in connection with the channel formation region, and the semiconductor substrate in the channel formation region A punch-through prevention layer of a first conductivity type formed therein and a lower portion of a joint surface of the source / drain region, A first conductivity type region having an effective carrier concentration of the first conductivity type lower than that of the anti-routing layer, the gate electrode of the second transistor being higher than the gate electrode of the first transistor, The effective carrier concentration in the channel formation region is higher than the effective carrier concentration in the channel formation region of the first transistor.
[0021]
The semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device having a first transistor and a second transistor having a threshold voltage higher than that of the first transistor. In the first transistor and the second transistor, respectively, in the channel formation region in the semiconductor substrate. The punch-through prevention layer of the first conductivity type formed in the first layer is formed to suppress the punch-through current, and the lower part of the junction surface of the source / drain region is more effective of the first conductivity type than the punch-through prevention layer. Since the first conductivity type region has a low target carrier concentration, even if the channel impurity is increased to form the punch-through prevention layer, the junction capacitance between the source and the drain is not increased. In addition, since the effective carrier concentration in the channel formation region of the second transistor is higher than the effective carrier concentration in the channel formation region of the first transistor, the threshold voltage of the second transistor is made higher than that of the first transistor. It is possible. This is because the height of the gate electrode is different between the first transistor and the second transistor, so that the effective carrier concentration of the first conductivity type is lower than the punch-through prevention layer at the lower part of the junction surface of the source / drain region in the manufacturing process. When the first conductivity type region is low, the effective carrier concentration in the channel formation region of each transistor can be changed.
[0022]
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of introducing a first conductivity type impurity serving as a punch-through prevention layer into a first conductivity type semiconductor substrate having a channel formation region. Forming a gate insulating film on the channel formation region; forming a gate electrode on the gate insulating film; and introducing the second conductivity type impurity into the semiconductor substrate to form the channel. Forming a source / drain region connected to the region, and ion-implanting a second conductivity type impurity at an angle to the surface of the semiconductor substrate, thereby forming a second under the source / drain region. And introducing a conductivity type impurity.
[0023]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a first conductivity type impurity serving as a punch-through prevention layer is introduced into a first conductivity type semiconductor substrate having a channel formation region, and a gate insulating film is formed on the channel formation region. And a gate electrode is formed on the gate insulating film. Next, a second conductivity type impurity is introduced into the semiconductor substrate to form source / drain regions connected to the channel formation region, and the second conductivity type impurity is formed at an angle with respect to the surface of the semiconductor substrate. By ion implantation, a second conductivity type impurity is introduced below the source / drain regions.
[0024]
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a MOS field effect transistor (MOSFET) can be formed on a semiconductor substrate, and a first conductivity type impurity is introduced to form a punch-through prevention layer. Therefore, the punch-through current is suppressed, and the second conductivity type impurity is ion-implanted at an oblique angle with respect to the surface of the semiconductor substrate so that channeling does not occur, and the second conductivity is formed below the source / drain regions. Since the impurity of the type is introduced, the MOSFET can be formed stably without increasing the amount of the introduced impurity and without increasing the source-drain junction capacitance.
[0025]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, preferably, in the step of introducing a second conductivity type impurity below the source / drain regions, a 3 to 3 normal to the surface of the semiconductor substrate is used. The second conductivity type impurity is ion-implanted at an angle of 10 °. Thereby, impurities of the second conductivity type can be introduced so as not to cause channeling.
[0026]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, preferably, in the step of introducing a second conductivity type impurity below the source / drain region, the punch-through prevention is provided below the source / drain region. In the step of introducing the first conductivity type region having a lower effective carrier concentration of the first conductivity type than that of the layer, and more preferably, in the step of introducing the second conductivity type impurity below the source / drain region, A second conductivity type impurity is introduced below the drain region so as to have the same order and low concentration as the first conductivity type impurity concentration in the punch-through prevention layer. Thereby, even if the punch-through prevention layer is formed, it can be formed without increasing the source-drain junction capacitance.
[0027]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, preferably, in the step of forming the source / drain region and the step of introducing a second conductivity type impurity below the source / drain region, A second conductivity type impurity is introduced using the gate electrode as a mask. As a result, the source / drain regions can be formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode, and the second conductivity type may be formed so as not to increase the source / drain junction capacitance below the source / drain regions. Impurities can be introduced.
[0028]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, preferably, after the step of forming the gate electrode and before the step of forming the source / drain region, the gate electrode is used as a mask in the semiconductor substrate. Introducing a second conductivity type impurity to form a second conductivity type low concentration impurity-containing region containing a second conductivity type impurity having a lower concentration than the source / drain region; A step of forming a wall insulating film, and in the step of forming the source / drain regions and the step of introducing impurities of the second conductivity type into the lower portions of the source / drain regions, the sidewall insulation is performed. Impurities of the second conductivity type are introduced using the film as a mask. Thereby, a MOSFET having an LDD structure can be formed.
[0029]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, preferably, after the step of forming the gate electrode and before the step of forming the sidewall insulating film, the surface of the semiconductor substrate using the gate electrode as a mask. The method further includes the step of ion-implanting the first conductivity type impurity at an angle to the first. As a result, a pocket layer containing the first conductivity type impurity at a higher concentration than the punch-through prevention layer can be formed on the channel formation region side of the second conductivity type low concentration impurity containing region (LDD diffusion layer). The through current can be further suppressed.
[0030]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, preferably, in the step of introducing the second conductivity type impurity below the source / drain region, the projected range distance Rp of impurity ions to be implanted, impurity ions The second conductivity type impurities are ionized so that Xj ≦ Rp ≦ Xj + ΔRp is satisfied with respect to the fluctuation ΔRp of the projected range distance of the substrate and the depth Xj of the junction surface of the source / drain region from the surface of the semiconductor substrate. inject. Here, the fluctuation ΔRp of the projected range distance of impurity ions is (1 / e) of the impurity concentration at the depth Rp from the substrate.1/2It is the distance from the depth Rp of the depth which becomes the density | concentration of. By setting Xj ≦ Rp ≦ Xj + ΔRp, it becomes possible to selectively introduce the second conductivity type impurity into the lower portion of the source / drain region, and this impurity of the second conductivity type is introduced into the channel forming region side. Since it can be formed while suppressing the spread, it is possible to effectively suppress the punch-through current.
[0031]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, preferably, in the step of introducing a second conductivity type impurity below the source / drain region, the height H of the gate electrode, the impurity ions to be implanted, The second conductivity type impurity is ion-implanted so that H <Rp + 2ΔRp is satisfied with respect to the projected range distance Rp and the fluctuation ΔRp of the projected range distance of impurity ions. Thus, when the second conductivity type impurity is introduced into the lower portion of the source / drain region, the threshold voltage can be adjusted by simultaneously introducing the second conductivity type impurity into the channel formation region.
[0032]
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, preferably, in the step of introducing a second conductivity type impurity below the source / drain region, the height H of the gate electrode, the impurity ions to be implanted, The second conductivity type impurity is ion-implanted so as to satisfy H ≧ Rp + 2ΔRp with respect to the projected range distance Rp and the fluctuation ΔRp of the projected range of impurity ions. Thus, when the second conductivity type impurity is introduced into the lower portion of the source / drain region, it is possible to prevent the second conductivity type impurity from being introduced into the channel formation region at the same time.
[0033]
In the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, preferably, after the step of forming the gate electrode, before the step of forming the source / drain region, an offset insulating film is formed on the upper layer of the gate electrode. In the step of introducing a second conductivity type impurity below the source / drain region, the sum H ′ of the height of the gate electrode and the offset insulating film, and the projection of impurity ions to be implanted The second conductivity type impurities are ion-implanted so as to satisfy H ′ <Rp + 2ΔRp with respect to the range Rp and the fluctuation ΔRp of the projected range of impurity ions. Thus, when the second conductivity type impurity is introduced into the lower portion of the source / drain region, the threshold voltage can be adjusted by simultaneously introducing the second conductivity type impurity into the channel formation region.
[0034]
In the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, preferably, after the step of forming the gate electrode, before the step of forming the source / drain region, an offset insulating film is formed on the upper layer of the gate electrode. In the step of introducing a second conductivity type impurity below the source / drain region, the sum H ′ of the height of the gate electrode and the offset insulating film, and the projection of impurity ions to be implanted The second conductivity type impurities are ion-implanted so as to satisfy H ′ ≧ Rp + 2ΔRp with respect to the range Rp and the fluctuation ΔRp of the projected range of impurity ions. Thus, when the second conductivity type impurity is introduced into the lower portion of the source / drain region, it is possible to prevent the second conductivity type impurity from being introduced into the channel formation region at the same time.
[0035]
  In order to achieve the above object, a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes:A first transistor formed on a semiconductor substrate and a second transistor having a threshold voltage different from that of the first transistor, wherein the first transistor and the second transistor are respectively formed on a first conductivity type semiconductor substrate; A channel forming region in the semiconductor substrate, a gate insulating film formed in an upper layer of the channel forming region, a gate electrode formed in an upper layer of the gate insulating film, and in the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode A second conductivity type source / drain region formed in connection with the channel formation region; a first conductivity type punch-through prevention layer formed in the semiconductor substrate in the channel formation region; A first conductor formed below the junction surface of the drain region and having a lower effective carrier concentration of the first conductivity type than the punch-through prevention layer. And the height of the gate electrode of the second transistor is different from the height of the gate electrode of the first transistor so that the threshold value is different. To manufacture a semiconductor device having a carrier concentration higher than the effective carrier concentration in the channel formation region of the first transistor, First transistor formation region and second transistor formation regionEach ofInAboveIn a first conductivity type semiconductor substrate having a channel formation region,To have a maximum value of concentration at a predetermined depth from the surface of the semiconductor substrateAnd introducing a first conductivity type impurity to be a punch-through prevention layerFirstProcess, first transistor formation region and second transistor formation regionEach ofIn the semiconductor substrateOn the channel formation region,Form a gate insulating filmSecondForming a first gate electrode on the gate insulating film in the first transistor forming region; and forming the first gate electrode on the gate insulating film in the second transistor forming region.Different height fromForming a second gate electrodeThirdProcess, first transistor formation region and second transistor formation regionEach ofIn the method, a source / drain region connected to the channel formation region is formed by introducing a second conductivity type impurity into the semiconductor substrate.the fourthProcess, first transistor formation region and second transistor formation regionEach ofInUsing the first gate electrode and the second gate electrode having different heights as masks,The projected range distance Rp of the impurity ions to be implanted, the fluctuation ΔRp of the projected range distance of the impurity ions, the height H1 of the first gate electrode, and the height H2 of the second gate electrode H1 <Rp + 2ΔRp ≦ H2 SatisfyUnder the same conditions, the semiconductor substrate andOf the source / drain regionJoint surfaceAt the bottomIn contact with the punch-through prevention layer,Impurities of the second conductivity typeBy ion implantationIntroducedAnd a fifth step of making the threshold value of the second transistor different from the threshold value of the first transistor.
[0036]
  The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a first transistor formation region and a second transistor formation region.Each ofIn the first conductivity type semiconductor substrate having a channel formation region,In order to have a maximum value of concentration at a predetermined depth from the surface of the semiconductor substrate,A first transistor type region and a second transistor region are formed by introducing a first conductivity type impurity to be a punch-through prevention layerEach ofIn the semiconductor substrateOn the channel formation region,A gate insulating film is formed. Next, in the first transistor formation region, a first gate electrode is formed above the gate insulating film, and in the second transistor formation region, a second gate electrode higher than the second gate electrode is formed above the gate insulating film. Form. Next, a first transistor formation region and a second transistor formation regionEach ofAnd introducing a second conductivity type impurity into the semiconductor substrate to form a source / drain region connected to the channel formation region,Further, using the first gate electrode and the second gate electrode as a mask,The projected range distance Rp of the impurity ions to be implanted, the fluctuation ΔRp of the projected range distance of the impurity ions, the height H1 of the first gate electrode, and the height H2 of the second gate electrode H1 <Rp + 2ΔRp ≦ H2 SatisfyUnder the same conditions, the semiconductor substrate andOf the source / drain regionJoint surfaceAt the bottomIn contact with the punch-through prevention layer,Impurities of the second conductivity typeBy ion implantationIntroduce.
[0037]
According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, when the first transistor and the second transistor are formed, the second conductive layer is formed below the source / drain region by changing the height of the gate electrode of each transistor. When the impurity of the type is introduced, the second conductivity type impurity is ion-implanted so as to satisfy H1 <Rp + 2ΔRp ≦ H2, so that in the first transistor, the second conductivity type impurity is simultaneously introduced into the channel formation region. Then, the threshold voltage is adjusted to prevent the second conductivity type impurity from being introduced into the channel formation region at the same time in the second transistor. Thereby, a semiconductor device having a first transistor and a second transistor having different threshold voltages can be manufactured.
[0038]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described below with reference to the drawings by way of examples.
[0039]
First embodiment
FIG. 1A is a cross-sectional view of a semiconductor device having an n-channel MOSFET using the LDD structure according to the present embodiment. For example, a gate insulating film 21a made of, for example, silicon oxide is formed on the active region (channel forming region) of the p-type semiconductor substrate 10 separated by an element isolation insulating film 20 formed by STI (Shallow Trench Isolation). Yes. A gate electrode 30a made of, for example, polysilicon is formed on the upper layer. Side wall insulating films 22 made of, for example, silicon oxide are formed on both sides of the gate electrode 30a. A source / drain diffusion layer 13 containing, for example, an n-type impurity is formed in the semiconductor substrate 10 on both sides of the gate electrode. Further, for example, an n-type impurity is added to the source / drain diffusion layer on the channel formation region side. An LDD (Lightly Doped Drain) diffusion layer 12 containing a lower concentration than 13 is formed. Further, in the channel formation region (the lower region of the gate electrode 30a) in the semiconductor substrate 10, a punch-through prevention layer for containing a high concentration of p-type impurities to prevent punch-through which is one of the short channel effects. 11 is formed. In the punch-through prevention layer 11, as the depth from the surface of the semiconductor substrate 10 increases, as shown in FIG. 1B, which is a p-type impurity concentration profile at a position along XX ′ in FIG. The impurity concentration is increased, and for example, a profile having a maximum value in the depth between the junction surface of the LDD diffusion layer 12 and the junction surface of the source / drain diffusion layer 13 is taken. A p-type region 14 having a lower p-type effective carrier concentration than the punch-through prevention layer 11 is formed below the junction surface of the source / drain diffusion layer 13.
[0040]
The above MOSFET induces an n-type inversion layer in the channel formation region of the p-type semiconductor substrate 10 by applying a voltage to the gate electrode 30a, the induced inversion layer becomes a channel, and current flows from the source diffusion layer to the drain. It is possible to flow to the diffusion layer. Here, since the p-type punch-through prevention layer 11 is formed in the semiconductor substrate in the channel formation region, the punch-through current can be suppressed, and the lower part of the junction surface of the source / drain diffusion layer 13 is Since the p-type region 14 has a lower p-type effective carrier concentration than the punch-through prevention layer 11, even if the channel impurity is increased to form the punch-through prevention layer 11, the source-drain junction capacitance is increased. Do not increase. The p-type region 14 having a lower p-type effective carrier concentration than the punch-through prevention layer 11 contains a p-type impurity having the same concentration as the punch-through prevention layer 11, and is in the same order and low as the p-type impurity. By containing an n-type impurity in the concentration, the p-type effective carrier concentration can be made lower than that of the punch-through prevention layer 11.
[0041]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device will be described. First, as shown in FIG. 2A, for example, an element isolation insulating film 20 having a thickness of 300 nm is formed on a p-type silicon semiconductor substrate 10 by an STI method or the like.
[0042]
Next, as shown in FIG. 2B, on the active region of the p-type semiconductor substrate 10 separated by the element isolation insulating film 20, well formation, channel stop layer formation, punch through prevention layer formation, In order to adjust the threshold value, p-type impurity D1 is ion-implanted. In the drawing, only the punch-through prevention layer 11 is shown. For example, boron is ion-implanted with an energy of 50 keV, and the concentration profile of the p-type impurity is, for example, at a predetermined depth from the substrate surface as shown in FIG. 1B. It is introduced so as to have a maximum value of concentration.
[0043]
Next, as shown in FIG. 3C, a silicon oxide gate insulating film 21 having a thickness of 4 nm is formed by, eg, thermal oxidation.
[0044]
Next, as shown in FIG. 3D, a gate electrode layer 30 is formed by depositing polysilicon with a thickness of 200 nm on the gate insulating film 21 by, for example, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method.
[0045]
Next, as shown in FIG. 4E, a resist film having a gate electrode pattern is formed by a photolithography process, and etching such as RIE (reactive ion etching) is performed to form the gate electrode 30a.
[0046]
  Next, as shown in FIG.aAs an n-type impurity D2, for example, arsenic is ion-implanted with an energy of 10 keV to form the LDD diffusion layer 12. Next, for example, RTA (Rapid Thermal Annealing) processing is performed by lamp annealing at 1000 ° C. for 10 seconds in a nitrogen atmosphere, thereby recovering crystal defects in the semiconductor substrate and activating the introduced impurity D2.
[0047]
Next, as shown in FIG. 5G, for example, a silicon oxide layer is deposited to a thickness of 100 nm by a CVD method, and the entire surface is etched back by etching such as RIE. Silicon oxide or silicon nitride is removed leaving the side wall portion of the electrode 30a, and a side wall insulating film 22 having a width of about 100 nm is formed on the side wall portion of the gate electrode 30a.
[0048]
Next, as shown in FIG. 5H, for example, arsenic is ion-implanted as an n-type impurity D3 with an energy of 50 keV using the sidewall insulating film 22 as a mask to form the source / drain diffusion layer 13.
[0049]
Next, as shown in FIG. 6I, the sidewall insulating film 22 is used as a mask and an angle of 3 to 10 ° is formed with respect to the normal of the surface of the semiconductor substrate 10 to form, for example, phosphorus as the n-type impurity D4. Is implanted at an energy of 100 keV, and an n-type impurity is introduced below the source / drain diffusion layer 12 in the same order as the p-type impurity concentration in the punch-through prevention layer 11 and at a low concentration. The lower part of the source / drain diffusion layer 13 is a p-type region 14 having a lower p-type effective carrier concentration than the punch-through prevention layer 11.
[0050]
Next, for example, by performing RTA treatment by lamp annealing at 1000 ° C. for 10 seconds in a nitrogen atmosphere, recovery of crystal defects in the semiconductor substrate, activation of the introduced impurities D3 and D4, and the like are performed. Thus, the semiconductor device having the MOSFET shown in FIG. As the subsequent steps, for example, an interlayer insulating film of silicon oxide is formed so as to cover the MOSFET, a contact hole reaching the source / drain diffusion layer 12 is opened in the interlayer insulating film, and a buried electrode is formed in the contact hole. Further, an upper layer wiring or the like is formed to form a desired semiconductor device. As the MOSFET, a refractory metal silicide region can be formed above the gate electrode and the source / drain diffusion layer by a SALICIDE (Self Aligned Silicide) process.
[0051]
Here, n-type impurities for forming a p-type region 14 having a lower p-type effective carrier concentration than the punch-through prevention layer 11 below the source / drain diffusion layer 13 shown in FIG. Ion implantation will be described with reference to FIG. The total impurity implantation amount at the time of ion implantation is Q, the projected range distance of impurity ions to be implanted is Rp, and the projected range distance of impurity ions fluctuates (impurity concentration (1 / e) at the depth Rp from the substrate).1/2Is a range of Rp−ΔRp to Rp + ΔRp (in the figure), where ΔRp is the depth of the depth at which the concentration of the source / drain region is from Rp and Xj is the depth of the junction surface of the source / drain region from the surface of the semiconductor substrate. About 70% (0.7Q) of impurities are implanted into the hatched portion), and only about 1.5% (0.15Q) of impurities are implanted into a region deeper than Rp + ΔRp. . Here, by setting Rp to be Xj + ΔRp, approximately 70% (0.7Q) of impurities are injected into the range of Xj to Xj + 2ΔRp, which is the region immediately below the source / drain region, thereby effectively It is possible to reduce the source / drain junction capacitance. Since the ion implantation is performed with an angle with respect to the substrate so that channeling does not occur, it is possible to stably perform the impurity implantation by controlling the amount of impurity implantation. Further, since there is a relationship similar to the above in the manner in which the impurity to be implanted spreads toward the channel formation region side, the impurity is not implanted into a region farther than Xj + 2ΔRp, and the punch-through current is effectively suppressed. be able to. Rp is preferably set to satisfy Xj ≦ Rp ≦ Xj + ΔRp.
[0052]
In the above ion implantation, only about 2.3% (0.023Q) or less is implanted into a region deeper than Rp + 2ΔRp. Therefore, by adjusting the height of the gate electrode (the sum of the height of the gate electrode and the offset insulating film when the offset insulating film is formed on the upper layer of the gate electrode), the punch-through preventing layer 11 In the ion implantation of the n-type impurity for forming the p-type region 14 having a low p-type effective carrier concentration, an n-type impurity is simultaneously introduced into the channel formation region to adjust the threshold voltage, or the channel It is possible to prevent the n-type impurity from being introduced into the formation region. That is, as shown in FIG. 7B, by reducing the gate electrode so that the height H of the gate electrode satisfies H <Rp + 2ΔRp, a part of the impurity ions penetrates through the gate electrode to form a channel. As a result, the effective carrier concentration is lowered and the threshold voltage can be lowered. On the contrary, by raising the gate electrode so as to satisfy H ≧ Rp + 2ΔRp, a part of the impurity ions does not penetrate the gate electrode and are implanted into the channel formation region, thereby reducing the effective carrier concentration. It can be formed without lowering. When the offset insulating film is formed on the upper layer of the gate electrode, the sum H ′ of the heights of the gate electrode and the offset insulating film is set so as to satisfy H ′ <Rp + 2ΔRp. The portion penetrates the gate electrode and is implanted into the channel formation region. By setting H ′ ≧ Rp + 2ΔRp, a part of the impurity ions penetrates the gate electrode and is implanted into the channel formation region. Will never be done.
[0053]
In the above ion implantation, since the threshold value of the transistor can be adjusted according to the height of the gate electrode, transistors with different gate electrode heights are formed, for example, with respect to the height H of the gate electrode. , H <Rp + 2ΔRp, and H ≧ Rp + 2ΔRp are formed (for example, a gate electrode having a height of 200 nm and a gate electrode having a height of 250 nm are formed). Part of the ions are implanted into the channel formation region, and the latter does not cause impurity ions to be implanted into the channel formation region in the above-described ion implantation, and transistors with different threshold values can be formed by a simple method. It is. In order to form gate electrodes having different heights as described above, for example, a resist mask is formed by a photolithography process, and only a gate electrode to be formed with a low height is removed by dry etching by a necessary amount. It is possible. At this time, when the impurity is introduced into the gate electrode, it is preferable to implant the impurity in advance.
[0054]
According to the semiconductor device manufacturing method of the present embodiment, an n-channel MOS field effect transistor (MOSFET) can be formed on a semiconductor substrate. The punch-through prevention layer is formed by introducing p-type impurities, so that the punch-through current is suppressed, and the n-type impurities are ionized at an angle to the surface of the semiconductor substrate so as not to cause channeling. Since n-type impurities are introduced into the lower portion of the source / drain region by implantation, MOSFETs can be formed stably without increasing the amount of impurities introduced and without increasing the junction capacitance of the source / drain. It is.
[0055]
  In the present embodiment, an n-channel transistor has been described. However, an n-type impurity is a p-type impurity.WhenA p-channel transistor can be obtained by replacement. In the manufacturing process, for example, an n-type semiconductor substrate is used, phosphorus is ion-implanted at 100 keV in the punch-through prevention layer forming process, and BF in the LDD diffusion layer forming process.2 Is implanted at 10 keV, and BF is formed in the source / drain diffusion layer forming process.2 Is implanted at 20 keV, and in the ion implantation step of the p-type impurity for making the lower part of the source / drain diffusion layer an n-type region having an n-type effective carrier concentration lower than that of the punch-through prevention layer, boron is implanted. It can be formed by ion implantation at 40 keV.
[0056]
(Example)
An n-channel MOSFET was formed on a p-type silicon semiconductor substrate as follows. First, as shown in FIG. 2A, an element isolation insulating film 20 having a thickness of 300 nm is formed on a p-type silicon semiconductor substrate 10 by STI or the like. As shown in FIG. Boron ions were implanted as D1 at an energy of 50 keV to form the punch-through prevention layer 11. Next, as shown in FIG. 3C, a silicon oxide gate insulating film 21 having a thickness of 4 nm was formed by thermal oxidation. Next, as shown in FIG. 3D, polysilicon is deposited to a thickness of 200 nm on the gate insulating film 21 by, for example, a CVD method to form a gate electrode layer 30, and FIG. As shown, a resist film having a gate electrode pattern was formed by a photolithography process and processed into a gate electrode 30a pattern by RIE (reactive ion etching).
[0057]
Next, as shown in FIG. 4F, arsenic is ion-implanted as an n-type impurity D2 with an energy of 10 keV using the gate electrode 30 as a mask to form an LDD diffusion layer 12, and the temperature is 1000 ° C., 10 ° C. in a nitrogen atmosphere. After performing the RTA process by the second lamp annealing, as shown in FIG. 5G, a sidewall insulating film 22 having a width of about 100 nm was formed on the sidewall of the gate electrode 30a. Next, as shown in FIG. 5 (h), arsenic is ion-implanted as an n-type impurity D3 with an energy of 50 keV using the sidewall insulating film 22 as a mask to form a source / drain diffusion layer 13, and FIG. As shown in i), phosphorus is ion-implanted with an energy of 100 keV as an n-type impurity D4 at an angle of 3 to 10 ° with respect to the normal of the surface of the semiconductor substrate 10 using the sidewall insulating film 22 as a mask. Then, an n-type impurity is introduced below the source / drain diffusion layer 12 so as to be in the same order as the p-type impurity concentration in the punch-through prevention layer 11 and to have a low concentration so that the lower part of the source / drain diffusion layer 13 is formed. The p-type region 14 has a lower p-type effective carrier concentration than the punch-through prevention layer 11. Next, for example, RTA treatment was performed by lamp annealing at 1000 ° C. for 10 seconds in a nitrogen atmosphere.
[0058]
In the ion implantation of phosphorus for forming the p-type region 14 having a lower p-type effective carrier concentration than the punch-through prevention layer 11 below the source / drain diffusion layer 13, the dose is set to 0 (conditions for not implanting). ) 5 × 1012atoms / cm21 × 1013atoms / cm2 The conditions were as follows. Further, the projected range distance of the impurity ions to be implanted is set to Rp, and the depth of the junction surface of the source / drain region from the surface of the semiconductor substrate is set to about Xj, and the height H of the gate electrode is H <Rp + 2ΔRp As a condition, a part of phosphorus to be implanted penetrates the gate electrode and is implanted into the channel formation region.
[0059]
FIG. 8A is a diagram in which the junction capacitance C of the source / drain diffusion layer of the n-channel transistor formed as described above is plotted for each dose with respect to the cumulative probability. Thus, it was confirmed that the junction capacitance of the source / drain diffusion layer was effectively reduced by phosphorus ion implantation.
[0060]
FIG. 8B is a diagram showing roll-off characteristics in which the threshold value Vth of the transistor is plotted against the gate length L for the n-channel transistor formed as described above. Thus, the increase in roll-off can be suppressed by phosphorus ion implantation, that is, the increase in punch-through current can be suppressed, and the threshold voltage of the transistor can be lowered as the phosphorus dose is increased. It was confirmed.
[0061]
Second embodiment
FIG. 9A is a cross-sectional view of a semiconductor device having a p-channel MOSFET using the LDD structure according to the present embodiment. Although substantially the same as the semiconductor device according to the first embodiment, a pocket layer 15 containing a p-type impurity at a higher concentration than the punch-through prevention layer 11 is further provided on the channel formation region side of the LDD diffusion layer 12. It differs in that it is formed. As in the first embodiment, in the punch-through prevention layer 11, as shown in FIG. 9B, which is a p-type impurity concentration profile at a position along XX ′ in FIG. As the depth from the surface of the semiconductor substrate 10 increases, the impurity concentration increases. For example, the profile has a maximum value in the depth between the junction surface of the LDD diffusion layer 12 and the junction surface of the source / drain diffusion layer 13. In addition, a p-type region 14 having a lower p-type effective carrier concentration than the punch-through prevention layer 11 is formed below the junction surface of the source / drain diffusion layer 13.
[0062]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device will be described. In the same manner as in the first embodiment, after forming the LDD diffusion layer 12, as shown in FIG. 10A, boron is ion-implanted as a p-type impurity obliquely (for example, about 45 °) with respect to the semiconductor substrate. Then, a pocket layer 15 containing a p-type impurity at a higher concentration than the punch-through prevention layer 11 is formed. The subsequent steps are the same as in the first embodiment, and n-type impurities such as arsenic are ion-implanted to form the source / drain diffusion layer 13, and further n-type impurities D4 such as phosphorus are ion-implanted to form the source / drain. The lower part of the diffusion layer 13 is the p-type region 14 having a lower p-type effective carrier concentration than the punch-through prevention layer 11, leading to the semiconductor device shown in FIG.
[0063]
In the semiconductor device of the present embodiment, the pocket layer 15 containing the p-type impurity having a higher concentration than the punch-through prevention layer 11 is formed on the channel formation region side of the LDD diffusion layer 12. Can be further suppressed.
[0064]
The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention are not limited to the above embodiments. For example, the gate electrode may have two or more layers such as polycide as well as a single layer configuration as in the present embodiment. The height of the gate electrode is not particularly limited, and can be various heights as necessary. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0065]
【The invention's effect】
According to the semiconductor device of the present invention, the punch-through prevention layer of the first conductivity type formed in the semiconductor substrate is formed in the channel formation region, the punch-through current is suppressed, and the junction surface of the source / drain region Is a first conductivity type region having an effective carrier concentration of the first conductivity type lower than that of the punch-through prevention layer. Therefore, even if the channel impurity is increased to form the punch-through prevention layer, the source Does not increase the drain junction capacitance.
[0066]
Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the semiconductor device of the present invention can be easily manufactured. Since the punch-through prevention layer is formed by introducing the first conductivity type impurity, the punch-through current is suppressed, and the second conductivity is formed at an angle with respect to the surface of the semiconductor substrate so as not to cause channeling. Since the second conductivity type impurity is introduced into the lower portion of the source / drain region by ion implantation of the type impurity, the MOSFET can be stably supplied without variation in the amount of the introduced impurity without increasing the junction capacitance of the source / drain. Can be formed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment, and FIG. 1B is an impurity profile at X-X ′ in FIG.
2A and 2B are cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment, wherein FIG. 2A shows the element isolation insulating film forming process, and FIG. 2B shows the punch-through prevention layer. The formation process is shown.
FIGS. 3A and 3B show a continuation process of FIG. 2, in which FIG. 3C shows the process up to the formation process of the gate insulating film, and FIG.
4 shows a process continued from FIG. 3, in which (e) shows up to the gate electrode patterning process and (f) shows up to the LDD diffusion layer forming process.
5 shows a process continued from FIG. 4, in which (g) shows the process up to the side wall insulating film formation process and (h) shows the process up to the process of forming the source / drain diffusion layer.
6 shows a step subsequent to FIG. 5, and (i) shows a step up to a step of ion-implanting a first conductivity type impurity under the source / drain diffusion layer. FIG.
FIG. 7A is a schematic diagram for explaining an implantation position in the step of ion-implanting the first conductivity type impurity below the source / drain diffusion layer, and FIG. 7B is a diagram illustrating the height of the gate electrode. FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a method for controlling the implantation of impurities into a channel formation region.
FIG. 8A is a diagram in which the junction capacitance C of the source / drain diffusion layer of the transistor is plotted against the cumulative probability in the example, and FIG. It is a figure which shows the roll-off characteristic which plotted the threshold value Vth.
9A is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the second embodiment, and FIG. 9B is an impurity profile at X-X ′ in FIG. 9A.
FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views showing a manufacturing process of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment, wherein FIG. 10A is a pocket layer forming process and FIG. 10B is a lower part of a source / drain diffusion layer; 1 to the step of ion-implanting the first conductivity type impurity.
11A is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device, and FIG. 11B is an impurity profile at X-X ′ in FIG. 11A.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... p-type semiconductor substrate, 11 ... p-type punch through prevention layer, 12 ... n-type LDD diffusion layer, 13 ... n-type source / drain diffusion layer, 14 ... p-type region, 15 ... p-type pocket layer, 20 ... element Isolation insulating films, 21, 21a ... gate insulating films, 22 sidewall insulating films, 30 ... gate electrode layers, 30a ... gate electrodes, D1, D2, D3, D4, D5 ... impurity ions.

Claims (1)

半導体基板に形成される、第1トランジスタと前記第1トランジスタとしきい値電圧が異なる第2トランジスタを有し、
前記第1トランジスタと第2トランジスタは、それぞれ第1導電型の半導体基板に形成され、前記半導体基板中のチャネル形成領域と、前記チャネル形成領域の上層に形成されるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上層に形成されるゲート電極と、前記ゲート電極の両側部における前記半導体基板中に前記チャネル形成領域と接続して形成される第2導電型のソース・ドレイン領域と、前記チャネル形成領域において前記半導体基板中に形成される第1導電型のパンチスルー防止層と、前記ソース・ドレイン領域の接合面の下部に形成され、前記パンチスルー防止層よりも第1導電型の実効的キャリア濃度が低い第1導電型領域とを有し、
前記しきい値が異なるように、前記第2トランジスタのゲート電極の高さが前記第1トランジスタのゲート電極の高さと異なり、
前記第2トランジスタのチャネル形成領域における実効的キャリア濃度が前記第1トランジスタのチャネル形成領域における実効的キャリア濃度よりも高い半導体装置を製造するため
第1トランジスタ形成領域および第2トランジスタ形成領域のそれぞれにおいて、前記チャネル形成領域を有する第1導電型の半導体基板に、前記半導体基板の表面から所定の深さで濃度の極大値を有するように、パンチスルー防止層となる第1導電型の不純物を導入する第一の工程と、
前記第1トランジスタ形成領域および第2トランジスタ形成領域のそれぞれにおいて、前記半導体基板の、前記チャネル形成領域上に、ゲート絶縁膜を形成する第二の工程と、
前記第1トランジスタ形成領域において、前記ゲート絶縁膜の上層に第1ゲート電極を形成し、前記第2トランジスタ形成領域において、前記ゲート絶縁膜の上層に、前記第1ゲート電極の高さと異なる高さの第2ゲート電極を形成する第三の工程と、
前記第1トランジスタ形成領域および第2トランジスタ形成領域のそれぞれにおいて、前記半導体基板中に第2導電型の不純物を導入して前記チャネル形成領域に接続するソース・ドレイン領域を形成する第四の工程と、
前記第1トランジスタ形成領域および第2トランジスタ形成領域のそれぞれにおいて、高さの異なる前記第1ゲート電極および前記第2ゲート電極をマスクとして、注入する不純物イオンの投影飛程距離Rp、不純物イオンの投影飛程距離のゆらぎΔRp、第1ゲート電極の高さH1、および、第2ゲート電極の高さH2に対して、H1<Rp+2ΔRp≦H2を満足する同じ条件で、前記半導体基板と前記ソース・ドレイン領域の接合面の下部において前記パンチスルー防止層に接するように、第2導電型の不純物をイオン注入により導入し、前記第2トランジスタのしきい値と、前記第1トランジスタのしきい値とを異ならせる第五の工程と
を有し、第一の工程から第五の工程の順序で処理を行う、半導体装置の製造方法。
A first transistor formed on a semiconductor substrate and a second transistor having a threshold voltage different from that of the first transistor;
The first transistor and the second transistor are each formed on a first conductivity type semiconductor substrate, a channel formation region in the semiconductor substrate, a gate insulating film formed in an upper layer of the channel formation region, and the gate insulation A gate electrode formed in an upper layer of the film; a source / drain region of a second conductivity type formed in the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode in connection with the channel formation region; and the channel formation region. A first conductivity type punch-through prevention layer formed in the semiconductor substrate and an effective carrier concentration of the first conductivity type formed below the junction surface of the source / drain region. A low first conductivity type region;
The height of the gate electrode of the second transistor is different from the height of the gate electrode of the first transistor so that the threshold values are different.
In order to manufacture a semiconductor device in which the effective carrier concentration in the channel formation region of the second transistor is higher than the effective carrier concentration in the channel formation region of the first transistor ,
In each of the first transistor forming region and a second transistor forming region, a first conductivity type semiconductor substrate having the channel formation region, so as to have a maximum value of the density from the semiconductor substrate surface at a given depth, A first step of introducing a first conductivity type impurity to be a punch-through prevention layer;
A second step of forming a gate insulating film on the channel formation region of the semiconductor substrate in each of the first transistor formation region and the second transistor formation region;
In the first transistor formation region, a first gate electrode is formed above the gate insulating film, and in the second transistor formation region, a height different from the height of the first gate electrode is formed on the gate insulating film. A third step of forming the second gate electrode;
A fourth step of forming a source / drain region connected to the channel formation region by introducing a second conductivity type impurity into the semiconductor substrate in each of the first transistor formation region and the second transistor formation region; ,
In each of the first transistor formation region and the second transistor formation region , the projection range distance Rp of the impurity ions to be implanted and the projection of the impurity ions with the first gate electrode and the second gate electrode having different heights as masks The semiconductor substrate and the source / drain are subjected to the same conditions that satisfy H1 <Rp + 2ΔRp ≦ H2 with respect to the range distance fluctuation ΔRp, the height H1 of the first gate electrode, and the height H2 of the second gate electrode. in contact with Oite the punch-through prevention layer in the lower portion of the joint surface region, a second conductivity type impurity is introduced by ion implantation, and the threshold of the second transistor, the first transistor threshold DOO possess a fifth step of varying the performs processing in the order of the fifth step from the first step, a method of manufacturing a semiconductor device.
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