JP4446509B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は半導体LSI用の半導体装置に関するものであり、特にLightly Doped Drain(以後、LDDと称す)層構造とその形成技術とに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、MOSFETにおいては、ホットキャリア劣化対策としてLDD層構造が用いられている。例えば、図10は、従来技術1である1重LDD層構造のn型MOSFETを示す縦断面図である。同図10において、例えばボロン(B)を注入して形成したp−wellを有する半導体基板2Pの表面上にゲート絶縁膜11P及びゲート電極5Pが順次に形成された半導体装置1P1において、リン(P)又は砒素(As)を1回イオン注入してLDD層8P,10Pをほぼ左右対称に作り、その後、サイドウォール6Pを形成した上で、As等を更にイオン注入し拡散させることで高濃度(n+)のソース/ドレイン領域3P,4Pを形成している。尚、参考として、図10のn型MOSFETの製造フローを図11に示す。
【0003】
又、従来技術1の変形例にあたる従来技術2として、2重LDD層構造を有するn型MOSFETが、特開平7−297393号公報に提案されている。このn型MOSFET1P2の構造を図12に示す。同図12のn型MOSFET1P2では、Asを1回イオン注入して内側のLDD層8P,10Pを従来技術1と同様の方法で作った上で、熱処理による拡散を利用して拡散係数の大きいP層より成る外側のLDD層7P,9Pを作り、同層7P,8Pで以て内側のAs層8P,10Pを覆っている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
(1) 先ず、従来技術1の1重LDD層構造を有するMOSFETでは、LDD層(図10のAs層8P,10P)がドレイン電界を緩和する結果、ホットキャリア耐性及び耐圧が改善されるという利点がある。しかし、その反面として、上記LDD層がソースとドレイン間の寄生抵抗として働き、駆動能力を低下させてしまうという問題点を有している。
【0005】
(2) これに対して、従来技術2の2重LDD層構造のMOSFETにおいては、比較的低濃度の外側のP層とその内側の表面近傍に位置する比較的高濃度のAs層との2重構造によって階段状の不純物濃度分布が作られており、これにより、やや低濃度のPより成るLDD層でドレイン電界を緩和し、やや高濃度なAsより成るLDD層によって抵抗成分を低減化し、以て駆動能力を従来技術1よりも改善する試みが成されている。
【0006】
ところが、この構造では、やや高濃度のAs層と低濃度の外側のP層との濃度分布の和が階段状に変化する領域が半導体基板内部に生じてしまうため、その領域で局所的に強い電界が発生してしまう結果、ホットキャリア耐性は逆に従来技術1よりも劣化してしまうという、新たな問題点を生じさせてしまう。この点を、明らかにすべく、本願発明者は、特開平7−297393号公報の図2に記載の2重LDD層構造のn型MOSFETにおける、半導体基板表面に平行な水平方向に対する不純物濃度の分布(ゲート絶縁膜と半導体基板表面との界面から深さ0.05μmだけ半導体基板内部に入った位置での不純物濃度分布である)をシミュレーションした。その研究結果(非公知)を図13に示す。
【0007】
図13において、横軸xは図12に示す水平方向ないし横方向xを示し、図13中のx=0.00μmの位置は図12に於ける両P層7P,9P(n-(2))の端部で挟まれた半導体基板2Pの表面の中央部を示し、そこから半導体基板2Pの内部へ向かう垂直ないしは縦方向yが図13中のy方向にあたる。同図13に示すように、外側のLDD層の不純物成分たるPの濃度は1E16cm-3から1E18cm-3へ向けて比較的高い勾配で以て増大しており、図13のx=0.08μmの位置からは、Pの濃度勾配よりも更に高い濃度勾配で以てAsの濃度が急激に増加している。従って、図12の内側のLDD層8P,10PはAsとPとの両不純物を含むので、内側のLDD層8P、10Pの不純物濃度は、図13に示すx=0.08μmの位置(同LDD層8P,10Pの端部)から以降ではP及びAsの両濃度の和として与えられる結果、急激に両層8P,10P内の不純物濃度は増大し、特に図13に示す交点P1では両者の濃度は等しいので、図12のLDD層8P、10P内で不純物濃度がステップ状に約2倍にまで急増するという事態が生じている。更に、図13の領域P2は図12のLDD層8P(10P)とn+層3P(4P)との接合部分にあたるため、この領域でも濃度接続が階段状になる。
【0008】
この様に、従来技術2は、その駆動能力,耐圧及びホットキャリア耐性等の特性を総合的に評価した場合には、従来技術1の1重LDD層構造とシングルドレイン構造との中間的な特性しか発揮しえないという問題点を有している。
【0009】
この発明はこの様な問題状況を打開すべくなされたものであり、従来技術1及び2よりもより一層ドレイン電界を緩和してホットキャリア耐性の改善を図りつつ、駆動能力の低下をも防いで従来技術1よりも駆動能力の向上を図ることを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、第1導電型のチャネル不純物を有する半導体基板と、前記半導体基板の表面内の第1表面領域から前記半導体基板の内部に向けて形成され、前記チャネル不純物の濃度よりも高濃度の第2導電型の少なくとも1種類の不純物を有する第1高濃度不純物領域と、前記半導体基板の前記表面内の前記第1表面領域に隣接する第2表面領域上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の表面上に形成された制御電極と、前記半導体基板の前記表面内の前記第2表面領域に隣接する第3表面領域から前記半導体基板の内部に向けて前記第1高濃度不純物領域に対向して形成され、前記第1高濃度不純物領域と同一の前記少なくとも1種類の不純物を有する第2高濃度不純物領域と、前記第2表面領域中、前記第1表面領域と前記第2表面領域との境界側の第4表面領域から、少なくとも前記第2高濃度不純物領域に対向する前記第1高濃度不純物領域の端面の一部と接合しつつ、前記半導体基板の内部に向けて形成されており、且つ前記第1及び第2高濃度不純物領域内の前記少なくとも1種類の不純物の濃度よりも低濃度の前記第2導電型の第1不純物を有する第1LDD層と、前記第1表面領域と前記第2表面領域との前記境界から前記第1LDD層の前記第4表面領域の端よりも内側迄に位置する第5表面領域から前記第1高濃度不純物領域の前記端面と接合しつつ、前記第1LDD層の内部に向けて形成されており、且つ前記第1及び第2高濃度不純物領域内の前記少なくとも1種類の不純物の前記濃度よりも低濃度の前記第2導電型の第2不純物と、前記第1不純物とを有する第2LDD層とを備え、前記第1LDD層は、前記半導体基板の前記表面に平行に前記制御電極の中央部から前記制御電極の端面を眺めた水平方向に対する不純物濃度変化に相当する第1濃度勾配を有して前記第1不純物が前記半導体基板の内部に分布する第1主分布と、前記第1濃度勾配よりも小さく且つ前記チャネル不純物の前記濃度に向けて緩やかな前記第1不純物の濃度の増大を与える第2濃度勾配を有して、前記第1不純物が前記第1主分布よりも深く前記半導体基板の内部に分布する第1テイル分布とを備え、前記第2LDD層は、前記第1主分布と前記第1高濃度不純物領域の前記端面との接合付近の前記第1不純物の前記濃度の低減分を補填可能な前記水平方向に対する濃度分布を有して、前記第2不純物が前記第2LDD層の内部に分布する第2主分布を備えることを特徴とする。
【0012】
請求項2に係る発明は、請求項1記載の半導体装置であって、前記第5表面領域から前記第2LDD層の内部に向けて形成された第1窒素層を更に備えることを特徴とする。
【0013】
請求項3に係る発明は、請求項1又は2記載の半導体装置であって、前記第2表面領域中、前記第2表面領域と前記第3表面領域との境界側の第6表面領域から、少なくとも前記第2高濃度不純物領域の端面の一部と接合しつつ、前記半導体基板の内部に向けて形成されており、且つ前記第1及び第2高濃度不純物領域内の前記少なくとも1種類の不純物の濃度よりも低濃度の前記第2導電型の第3不純物を有する第3LDD層とを更に備え、前記第3LDD層は、第3濃度勾配を有して前記第3不純物が前記半導体基板の内部に分布する第3主分布と、前記第3濃度勾配よりも小さく且つ前記チャネル不純物の前記濃度に向けて緩やかな前記第3不純物の濃度の増大を与える第4濃度勾配を有して、前記第3不純物が前記第3主分布よりも深く前記半導体基板の内部に分布する第2テイル分布とを備えることを特徴とする。
【0014】
請求項4に係る発明は、請求項3記載の半導体装置であって、前記第2表面領域と前記第3表面領域との前記境界から前記第3LDD層の前記第6表面領域の端よりも内側迄に位置する第7表面領域から前記第2高濃度不純物領域の前記端面と接合しつつ、前記第3LDD層の内部に向けて形成されており、且つ前記第1及び第2高濃度不純物領域内の前記少なくとも1種類の不純物の前記濃度よりも低濃度の前記第2導電型の第4不純物と、前記第3不純物とを有する第4LDD層とを更に備え、前記第4LDD層は、前記第3主分布と前記第2高濃度不純物領域の前記端面との接合付近の前記第3不純物の前記濃度の低減分を補填可能な前記水平方向に対する濃度分布を有して、前記第4不純物が前記第3LDD層の内部に分布する第4主分布を備えることを特徴とする。
【0015】
請求項5に係る発明は、請求項4記載の半導体装置であって、前記第7表面領域から前記第4LDD層の内部に向けて形成された第2窒素層を更に備えることを特徴とする。
【0023】
【発明の実施の形態】
本実施の形態に係る半導体装置は、▲1▼ポリシリコン等より成るゲート電極(制御電極とも称す)及びSiO2膜等より成るゲート絶縁膜(単に絶縁膜とも称す)の両端面側から半導体基板のチャネル領域側の内部奥深くに(y方向に)向かって形成された、チャネル不純物と同程度の不純物濃度近傍に至るまで水平方向(x方向)に対して緩やかに増大する濃度勾配を以て不純物が分布する、主たるLDD層(後述の第1,第3LDD層に該当)と、▲2▼上記主LDD層が基板表面付近に作る低濃度領域の濃度を補うように、y方向に向かって新たに注入されて上記主LDD層内の比較的浅い所に分布する不純物を有する副LDD層(後述する第2,第4LDD層に該当)とを有する点に特徴がある。即ち、本発明に係る2重LDD層構造を有する半導体装置は、ホットキャリア耐性の改善に主眼をおくものであり、既述した従来技術1のものよりもホットキャリア耐性を改善しつつ、駆動能力をも改善せんとするものである。そのために、上記の主LDD層が有するチャネリングテイル分布によって十分な電界緩和を行うと共に、主LDD層とソース/ドレイン層等を成す高濃度不純物領域(n+層やp+層)との間にできる低濃度不純物分布を、上記の副LDD層に含まれる、新たに注入された不純物の濃度分布で補って、副LDD層内の全不純物の濃度がなめらかに上記高濃度不純物領域の不純物濃度と接続可能としている。
【0024】
以下、本半導体装置の代表例としてn型MOSFETを用いて、本半導体装置のより具体的な構造例と製造方法例とを、それぞれ実施の形態1及び2として詳述する。
【0025】
(実施の形態1)
図1は、本実施の形態に係るn型MOSFET1の構造を示す縦断面である。同図1において、ボロン(B)等のアクセプタ(第1導電型のチャネル不純物をなす)が予め活性領域内に注入されてp−wellを基板内部に形成する半導体基板2の表面SSは、ここでは説明の便宜上、第1〜第3表面領域SR1〜SR3に大別される。しかも、第1及び第3表面領域SR1,SR3に隣接して両者によって挟まれた第2表面領域SR2は、第1表面領域SR1と第2表面領域SR2との第1境界B1側から第2表面領域SR2の中央部分(点O)へ向けて広がった第4表面領域SR4と、第2表面領域SR2と第3表面領域SR3との第2境界B2側から上記中央部分へ向けて広がった第6領域SR6と、両領域SR4,SR6で挟まれた中央表面領域(その中心部分が、表面SSに平行な水平方向ないしは横方向に延びたx軸と、x軸に直交し半導体基板2の内部方向(縦方向)に延びたy軸との交点たる中心点Oをなす)とから成る。更に、第4表面領域SR4は、第1境界B1から、当該領域SR4の端部E4よりも内側(第1境界B1側)に位置する端部E5にまで広がった第5表面領域SR5と、両領域SR4,SR5とで挟まれた表面領域とを有する。又、対称的に、第6表面領域SR6もまた、第2境界B2から、当該領域SR6の端部E6よりも内側に位置する端部E7にまで広がった第7表面領域SR7と、両領域SR6、SR7で挟まれた表面領域とを有する。
【0026】
本n型MOSFET1は、従来のものと同様に、第1表面領域SR1から半導体基板2内部に向けて形成された、チャネル不純物濃度よりも高濃度の第2導電型(n型)の少なくとも1種類の不純物(ここでは、砒素(As)とリン(P)とを含む)より成る第1高濃度不純物領域(n+層)と、第2表面領域SR2の内の中央表面領域と第4及び第6表面領域SR4,SR6の一部との上に順次に形成されたゲート絶縁膜11及びゲート電極5と、ゲート電極5の両端面5E1,5E2とゲート絶縁膜11の両端面とに接合して両部5,11を取り囲むサイドウォール6と、第3表面領域SR3から半導体基板2内部に向けて形成され、且つ、その一方の端面4Eが第1高濃度不純物領域3の一方の端面3Eと対向して成り、しかも、同領域3と同一種類・同一濃度及び同一導電型の不純物を含む第2高濃度不純物領域(n+層)4とを有している。
【0027】
そして、本n型MOSFET1における特徴的構成要素は、次の第1〜第4LDD層7〜10にある。即ち、本n型MOSFET1は、先ず、▲1▼第4表面領域SR4から、少なくとも端面3Eの一部と接合しつつ(その深さは不純物注入条件によっては第1高濃度不純物領域3の深さないしは厚みよりも大きくなる場合があり、そのときには端面3Eの前面と接合する)、半導体基板2内部、特にチャネル領域側へ向けて奥深くまで広がった第1LDD層7を有する。同層7は、第1高濃度不純物領域3内の不純物濃度よりも低濃度(n-(1))の第2導電型(n型)の第1不純物(ここでは、比較的拡散係数の小さいAsに該当)を有する。
【0028】
ここで、ドーズ量3E13cm-2のAsを(100)表面SSに対して45゜のチルト角度(この定義は後述する)で且つ100keVのエネルギーで以てp−well内部にイオン注入して、ゲート長0.35μmのnチャネル型MOSFETを形成するとしたときのAsの濃度の二次元分布のシミュレーション結果を、図2に示す。尚、サイドウォール幅は60nmである。ここでは、チャネル不純物をなすBの濃度のオーダは1017cm-3であり、図2の横軸及び縦軸は各々図1のx軸及びy軸にあたり、Asの濃度の2次元分布中、左側部分が第1LDD層7のものにあたる。
【0029】
同シミュレーション結果より明らかな通り、x=0の位置から−x方向、即ち第1境界B1側方向(水平方向)に対する第1不純物Asの濃度変化として定義される濃度勾配は、基板表面SSからy方向へ比較的浅い範囲の所(0≦y≦0.1μm程度)では大きい(各濃度分布の間隔が非常に狭い、ないしはチャネル横方向の広がりは非常に小さい)。逆に、それよりもy方向に深く入った所では、Asの濃度分布の間隔はより広がっており(比喩的に言えば、あたかも等高線の間隔が広くなっているような状態が見られる)、第1境界B1側から眺めたAsの各濃度分布の頂点ないしは先端は、表面SSの法線方向からみて反時計方向に45゜の角度ないしは傾きをなす直線方向に沿ってなだらかに分布していることが、理解される。このなだらかなテイル分布は、実施の形態2で後述するチャネリング現象が起こり得るチルト角度((100)表面ではチルト角度は±45゜)でAsをイオン注入した結果、チャネル効果によって生じた分布、即ちチャネリングテイル分布であり、そのテイル分布をここでは「第1テイル分布」と呼ぶと共に、そのときのAsの濃度勾配を「第2濃度勾配」と呼ぶ。これに対して、浅い位置(0≦y≦0.1μm程度)でのAsの濃度分布を、ここでは、チャネリング現象によらない濃度分布である意味として、「第1主分布」と呼ぶと共に、そこでのAsの濃度勾配を「第1濃度勾配」と称す。
【0030】
図2より明らかな通り、第1LDD層7内には、基板表面SSから+y方向に対して第1主分布とそれに引き続く第1テイル分布という2種類の豊富なAsの濃度分布が広がっていることが理解される。この点を、図3に模式的に示す。即ち、Asの+y方向への濃度分布は、▲1▼チャネリング現象を伴わず基板表面SSから+y方向に向かって比較的に浅い所に注入イオンの飛程が存在する、ガウシャン形状の様な分布となる第1主分布SDと、▲2▼チャネリング現象によって基板内部奥深くにまで到達したAsの分布より成り、Asの濃度が+y方向に沿って緩やかに、ないしは単調に減少していく第2テイル分布TDとを有する。
【0031】
図4は、図3に示した深さ方向yに対するAsの不純物濃度分布を実証すべく行った実験結果であり、(100)面の半導体基板2に対してドーズ量2.8E13cm-2のAsを30keVのエネルギーで且つチルト角度45゜で注入して出来た第1LDD層7(又は後述の第3LDD層9)内のAsの不純物濃度を与えるSIMS分析データを示している。図4より、主分布の途中より基板内奥深くに至るまで緩やかにAsの濃度が減少していくチャネリング現象、即ち、テイル分布の発生が明瞭に確認される。
【0032】
更に、本MOSFET1は、▲2▼第5表面領域SR5から第1LDD層7の表面領域近傍の内部に至るまで形成された第2LDD層(n-(2))8を有している。しかも、同層8は、(i)第1高濃度不純物領域(n+)3の不純物濃度よりも低濃度の第2導電型(n型)の第2不純物(例えばリン(P))と、(ii)第1LDD層7に含まれている第1不純物Asとを有する。尚、第2不純物としては、リンに代えてAsを用いることも可能であるが、本願発明者のシミュレーションによる分析によれば、第2LDD層8内の第2不純物にはAsよりもPの方が好ましいこと、即ち、Pをチャネリング現象を起こさないチルト角度で第5表面領域SR5から第2不純物として注入する方が、後述するように、より好ましい濃度分布が得られることが、判明している。そして、第2LDD層8内の第2不純物たるPの濃度分布もまた飛程の極めて小さい第2主分布(図3の第1主分布SDに相当のガウス分布形状)をなす。ここで、特に重要なのは、第2不純物Pの濃度設定である。即ち、第2不純物Pの濃度分布は、基板表面SSよりy方向に向かって比較的浅い位置における領域にあたる、第1LDD層7と端面3Eとの接合付近における第1不純物Asの濃度減少分を補い得るような分布ないしは水平方向xに対する濃度勾配を有している。この点を、以下に、図5のシミュレーション結果を基に詳述する。
【0033】
図5は(100)面の基板表面SSとゲート絶縁膜11との界面から深さ10nmの位置における、不純物B,As,Pの各横方向(x方向)に対する濃度分布を示すシミュレーション結果(なお、ゲート長は0.35μmとして設定されている)である。ここで示されたシミュレーション結果は、シミュレーション条件によって図1の端部E4及びE5が一致する場合であり、便宜上、図1の−x方向を図5では+x方向に読み直す必要がある。図5に示す分布を有するPを第2不純物として用いる場合には、xが0.03μm〜0.15μmの範囲内ではAsとPの両濃度勾配はほぼ一致しているが、ここではPの濃度勾配は重要ではない。寧ろ重要な点は、図5中の領域P3(y方向に比較的浅い位置での端面3E付近領域に相当)におけるPとAsとの濃度分布の相関関係である。即ち、Asの濃度は、この領域P3では、極大値から極小値へ向けて一旦減少しているのに対して、Pの濃度は、この領域P3でも、上記As濃度の減少分を補いうるに足りる増大傾向を示している。この様に、領域P3において、As濃度の減少分を十分補填し得るように、Pの濃度が設定される点に、意義がある。その意味では、第2LDD層8内では、Pの濃度はAsの濃度とほぼ同程度であるとも言える。そして、第2LDD層8内では、第1及び第2不純物As,Pの両濃度の和が第2LDD層8内の不純物濃度となるので、表面付近の内部領域に生じ得る第1LDD層7(As)とn+層(As)3との不純物濃度間の溝(両不純物濃度値の段差)が第2LDD層8内のPの濃度によって実効的に補われ、第2LDD層8内では、n型不純物の水平方向(x)の濃度変化は、n+層3内の水平方向(x)に対するn型不純物濃度変化となめらかに接続されている。
【0034】
更に、y方向に対して図5の場合よりもより一層深い位置にあたる深さ80nmの位置に於ける、水平方向(x)に対する各不純物B,As,Pの濃度変化を示すシミュレーション結果を、図6に示す。同図6では、xの値が小さい範囲内では、Pの濃度はチャネル不純物Bや第1不純物Asのそれらよりも十分に小さいので、深さ80nmの位置での第1LDD層7内の不純物濃度勾配は第1不純物Asの第2濃度勾配で以てほぼ定まると言って良い。そして、重要なのは、第1不純物たるAsの第2濃度勾配は、第1主分布を形成する第1不純物たるAsの第1濃度勾配(図5参照)よりも小さく、且つ、チャネル不純物たるBの濃度値(約2.5E17cm-3)の前後に向けて緩やかに第1不純物たるAsの濃度の増大を与える勾配を有している点にある。そして、このような基板表面から深い位置では、第1不純物たるAsの濃度分布がチャネル不純物たるBの濃度と同程度からその1/10程度の範囲内であれば、互いに低濃度なAsとBとのPN接合が基板内部奥深くまでに生じ、これにより、実効的な接合濃度が低くなり、空乏層の範囲を十分に広げ得る結果、効果的にドレイン電界を緩和することができる。
【0035】
又、図1に示すように、本MOSFET1は、第1及び第2LDD層7,8と対称的な構造をなす様に、第3及び第4LDD層9(n-(1)),10(n-(2))を有している。即ち、第3LDD層9は、第6表面領域S6から第2高濃度不純物領域(n+層)4の端面4Eと少なくともその一部を接合しつつ、基板内部奥深くに至るまで、第3不純物たるAsのチャネル効果によって形成されており、その第3不純物たるAsの濃度の2次元分布のシミュレーション結果は既述した図2の右側部分(+x方向側)に該当し、同様に図3〜図5の結果が同層9についても妥当し、同層9は、▲1▼第1濃度勾配とほぼ同一のAsの第3濃度勾配を有する、第3主分布SDと、▲2▼上記第3濃度勾配よりも小さく、且つBの濃度(1017cm-3程度)前後に向けて緩やかに濃度を増大させうる傾斜を有する第4濃度勾配を有する第2テイル分布(TD)とを有する。この層9の存在によって、より一層のドレイン電界緩和がなされ、より一層のホットキャリア耐性の改善を可能とする。
【0036】
又、第4LDD層10は、第7表面領域SR7から端面4Eと全面的に接合しつつ、第3LDD層9内部の表面付近領域に向けて形成されており、同層10は、後述する様に新たに45゜以外のチルト角度でイオン注入された、低濃度(n-)の第2導電型(n型)の第4不純物たるP(又はAs)と、既存の第3不純物たるAsとが混在して成る部分である。そして、同層10についても既述の図5のシミュレーション結果が成立し、同層10内の第4不純物たるPは、第3LDD層9と第2高濃度不純物領域4との接合近傍における第3不純物Asの低濃度領域の濃度を補って足りる、水平方向(x)に対する濃度分布を有する第4主分布を形成する。これにより、第4LDD層10内では、第3及び第4不純物AS,Pの濃度の和より成る分布は、端面4E近傍においても、第2高濃度不純物領域(n+層)4中の不純物(ここではAs,P)の濃度分布となめらかに接続し、その結果、階段状の濃度分布は生せず、表面付近の浅い位置の領域をより一層低抵抗化することができる。
【0037】
以上の様に、本MOSFETは、ゲート電極端から半導体内部(チャネル領域)側へ45゜の方向に向かって延びた、(i)主分布と、(ii)水平方向に対する濃度分布がチャネル不純物濃度の1/10程度の濃度からチャネル不純物濃度と同程度の濃度までの範囲内で非常になだらかに変化するテイル分布とを持つ第1,第3LDD層7,9(第1低濃度不純物領域)と、同LDD層7,9の表面付近の低濃度領域の濃度を補い本層8,10内の不純物濃度を高濃度不純物領域中の不純物強度となめらかに接続し得る第2,第4LDD層(第2低濃度不純物領域)8,10とから成る、2重LDD層構造を有する。
【0038】
このような2重LDD層構造のn型MOSFETでは、第1,第3LDD層7,9が比較的深い位置において低濃度のPN接合を形成するために、効果的にドレイン電界を緩和することができる。また、第1,第3LDD層7,9が作る表面付近の低濃度層、つまり、高抵抗層を、第2,第4LDD層8,10が濃度減少分をなめらかに増大させる様に覆うために、局所的に電界の強い領域を発生させることなく、著しいオン電流の低下をも防ぐことができる。
【0039】
尚、n+層3,4の不純物濃度は、低抵抗を目的とするために、通常は1020cm-3以上の濃度値に設定される。
【0040】
最後に、上述した本MOSFET1の有する利点を既述した従来技術1,2と比較した結果を、次の表1に示す。
【0041】
【表1】
【0042】
(実施の形態1の変形例)
本変形例は、少なくとも第2及び第4LDD層8,10の表面付近領域内に窒素層を形成し、界面準位の低減を図ることを目的としてなされたものである。その具体的構造例を、以下に、図7を参照して説明する。
【0043】
同図7に示すように、半導体基板表面中の第5及び第1表面領域SR5,SR1から半導体基板2の内部へ向けて比較的浅く入った領域(表面付近領域)に第1窒素層20Aが形成されている。これと対称的に、第7及び第3表面領域SR7、SR3から半導体基板2内部の表面付近領域に、第2窒素層20Bが形成されている。
【0044】
このように第1及び第2窒素層20A,20Bを設けることにより、同層20A,20B内の窒素が半導体基板2とゲート絶縁膜11との界面(例えばSi/SiO2界面)付近に存在するラジカルの未結合手たるダングリングボンド(dangling bond)を終端する。これにより、界面準位が低減し、その低減効果によって、より一層のホットキャリア耐性改善を図ることができる。但し、プロセス工程の点では、後述する通り、窒素注入工程が増える。
【0045】
(実施の形態2)
以下、図8(A)〜図8(H)の工程図に従って、2重LDD層構造を有するn型MOSFETの製造方法について説明する。
【0046】
先ず、従来方法と同様にして図8(A)に示す分離酸化膜12を形成した上で、活性領域13内の半導体基板2の部に第1導電型のチャネル不純物たるボロン(B)をイオン注入して、p−wellを同基板2の内部に形成する(図8(B))。そして、p型の半導体基板の表面上にゲート絶縁膜となるべき絶縁層11A(厚み11t)を形成し、更にその表面上にゲート電極(制御電極)となるべき多結晶シリコン層5Aを堆積する(図8(C))。その後、ゲート電極用多結晶シリコン層5Aのドライエッチングを行ってゲート電極5及びゲート絶縁膜11を形成すると共に、更に絶縁層11Aの残留部分の厚み12tが50オングストローム以下になるように上記エッチングを制御し続けて、ゲート絶縁膜11の端面周辺の活性領域13に於ける半導体表面を被覆する絶縁性スルー膜12を形成する(図8(D))。
【0047】
次に、このスルー膜12を介して、第1チルト角度(tilt角)θ1を45゜に設定した上で、第1不純物の1例である砒素(As)を、そのドーズ量を3E13cm-2として且つ100keV程度のエネルギーで以てp−well内にイオン注入して、低濃度の第1不純物層7A,9Aを形成する(図8(E))。ここで、チルト角度とは、イオン注入角度であり、半導体基板2の表面の法線方向NLとイオン注入方向とのなす角度であり、例えば半導体基板の表面が(100)面のときには、注入したイオンの一部がいわゆるチャネリング現象を起こし得る確率が最も高い角度は丁度45゜である。このため、本表面は(100)面であるので、45゜の第1チルト角度で注入されたAsは、p−well内に、▲1▼基板表面付近の領域内にチャネル効果を伴わない主分布を形成すると共に、▲2▼チャネリング現象によってイオンがチャネル部分奥深くまで飛程した結果生じる、水平方向に対する不純物濃度がチャネル不純物濃度値(1017cm-3オーダ)に向けて非常になだらかに増大する(濃度勾配が▲1▼のAsの主分布のそれよりも十分に小さい)テイル分布をも作る。
【0048】
一方、Asは拡散係数が小さいため、半導体基板2の表面付近の第1不純物層7A,9A内には、チャネリング現象を引き起こし得ない注入Asの飛程(図3参照)に相当する深さ(即ち、Asの主分布が形成される深さ)まで、やや低濃度な領域が生じてしまう(図5の領域P3参照)。この低濃度領域は寄生抵抗として寄与し、MOSFETのオン電流を低下させる原因となる。
【0049】
そこで、この低濃度領域の不純物濃度を補填するために、例えば30keVから50keV程度のエネルギーでドーズ量1E13cm-2のリン(P)(第2不純物に該当)を、チャネリング現象を引き起こし得ない第2チルト角度θ2(≠45゜)をイオン注入角度として、スルー膜12を介して、第1不純物層7A、9Aの表面領域から同層7A,9Aの内部(主分布が生じうる深さまで)に向けてイオン注入する。これにより、同層7A,9Aの表面側近傍領域中にAsとPとが混在して分布した第2不純物層8A,9Aが形成される(図8(F))。この場合、注入されたPの水平方向(x)に対する濃度勾配は同一深さにおけるAsのそれとほぼ等しく、しかも、Asの濃度が水平方向(x)に対して極大から極小へと変化する位置においても、その減少分に相当した濃度だけPの濃度はなお増大するので(図5の領域P3参照)、注入したPはAsの低濃度領域における濃度低下を補って、Asの低濃度領域とAsのn+層との間の濃度勾配同士をなめらかに接続させることに十分に寄与し得る。
【0050】
その後、スルー膜12を除去した上で(図8(G))、ゲート絶縁膜11及びゲート電極5の両端面上に接合するサイドウォール6を半導体基板2の表面上に形成する。そして、例えばAsを、チャネリング現象を引き起こさないチルト角度で以て50keV程度のエネルギーでドーズ量4E15cm-2として、露出した半導体基板2の表面より、その直下の両層7A,8A(9A,10A)内に注入した上で拡散させることで、n+層3,4を形成する。
【0051】
この形成方法によれば、従来の1重及び2重LDD層構造のMOSFETに比べてイオン注入工程を1回追加するだけで(図8の工程(F)に相当)、実施の形態1の構造のn型MOSFETを確実且つ容易に形成することができる。
【0052】
(実施の形態2の変形例)
本変形例は、既述した実施の形態1の変形例を実現するための製造方法に関するものであり、その特徴点を要約すれば、絶縁性のスルー膜を介して、チャネル効果を生じさせない第3チルト角度(≠45゜)で以て高濃度の窒素(N2)を少なくとも第2不純物層(以下の例ではAsとPとが分布するLDD層)の表面領域、つまり半導体基板表面から第2不純物層内部の比較的浅い所へ向けてイオン注入して、高濃度の窒素層を半導体基板表面の近傍領域内に形成するものである。以下、図9の工程図を参照して、具体的工程を説明する。
【0053】
図9は、本変形例の製造方法を示す工程図である。但し、図8(A)〜図8(C)に示した工程は共通しているため、図9では、これらの工程を図示しておらず、それ以降の工程を描いている。
【0054】
先ず、厚さ5nm以下の絶縁性スルー膜12をドライエッチングによって形成し(図9(D))、(100)面の半導体基板表面に対してチャネル効果の生じ得る第1チルト角度θ1(=45゜)で以てAsをイオン注入し(図9(E))、更に第2チルト角度θ2(≠45゜)でPをイオン注入し(図9(F))、第1〜第4LDD層7A,8A,9A,10Aを形成する。ここまでの工程もまた、図8(D)〜図8(F)で述べた場合と同一である。
【0055】
その後、10keV〜20keV程度のエネルギーで1.0E15cm-2程度のドーズ量のN2を、第3チルト角度θ3(≠45゜)で以てn-層の第2及び第4LDD層8A,10Aの表面から同層8A,10A内部の浅い所へ向けて注入して、n-層の各LDD層8A,10Aの表面領域近傍部分に高濃度の第1及び第2窒素層(総称して窒素層)20A,20Bを形成する。これにより、既述した図7の半導体装置1Aを形成することができる。
【0056】
尚、先にN2注入を行った場合には、基板表面にアモルファス層が形成されてしまい、その後に第1チルト角度θ1(=45゜)でAs注入を行っても十分なチャネリング現象によるAsのテイル分布が形成されない。このため、本変形例では、窒素のイオン注入はAs及びPのイオン注入後に行っており、これにより、確実にチャネリング現象に起因するテイル分布を第1及び第3LDD層7,9内に形成することができる。
【0057】
この後は、図8(G)、図8(H)と同様に、図9(H),図9(I)に示す各工程を施せば良い。
【0058】
(実施の形態1,2に共通の変形例)
(1) 既述の説明ではn型MOSFETについて述べたが、p型MOSFETについても、勿論、既述した技術内容を適用可能である。この場合には、半導体基板内のn−wellをなすチャネル不純物の導電型(n型)が「第1導電型」に該当し、低濃度p-の各LDD層内の不純物やp+層の第1,第2高濃度不純物領域内の不純物の導電型(p型)が「第2導電型」に該当することになる。
【0059】
(2) 本発明は、半導体基板内部のチャネル領域とその直下部分にテイル分布を有する2重LDD層構造を形成し、且つテイル分布を有する第1(第3)LDD層の主分布が占める領域内の低濃度をも第2(第4)LDD層で以て補填するものである。従って、この特徴点を、パワートランジスタであるIGBTにも適用可能である。例えば、IGBTのゲート−エミッタ間の基板内に設けられた2つのn+層の一方に隣接する一方のp-層内に上記構造の二重LDD層を設ければ良い。同様に、V型MOSFETにも適用可能である。
【0060】
(3) 上述した2重LDD層構造を有する本半導体装置1,1Aを半導体集積回路(LSI)内に素子として組み込むことは可能である。
【0061】
【発明の効果】
請求項1に係る発明によれば、第1LDD層は半導体基板内の(チャネル部分の)比較的奥深い位置にまで延びた第1テイル分布を有しており、しかも、第1テイル分布は水平方向に関してはチャネル不純物濃度程度に達するまで緩やかに増大する濃度勾配を有しているので、第1LDD層の第1テイル分布を与える第1不純物と半導体基板内のチャネル不純物との接合は、互いに低濃度の不純物層同士間のPN接合となり、このPN接合において生じる空乏層の範囲を広げることができる。これにより、ドレイン電界を格段に緩和することが可能となり、従来の1重及び2重LDD層構造のMOSFETよりも耐圧及びホットキャリア耐性を格段に改善することができる。また、第1LLD層の第1主分布領域内で且つ第1LDD層と第1高濃度不純物領域との接合付近の領域に生じる低濃度分布を、第2LDD層内の同一導電型の第2不純物の濃度で以て補うことができ、これにより、半導体基板表面から比較的浅い、第1及び第2主分布が重畳し合う領域において、第1及び第2不純物の濃度の和より成る不純物濃度分布が第1高濃度不純物領域における不純物濃度に対してなめらかに接続し得る不純物濃度分布を作ることが可能となる。この結果、第1LDD層が半導体基板表面付近に作る低濃度層、即ち高抵抗層によってもたらされる局所的な高電界の発生を十分に防止してオン電流の低下を防ぎ、従来の1重LDD層構造のMOSFETよりも高駆動能力化することができる。
【0063】
請求項2及び5に係る発明によれば、半導体基板と絶縁膜との界面に生じるダングリングボンドを窒素で以て終端することができるので、界面準位の低減化を通じて、更なるホットキャリア耐性の改善を図ることができる。
【0064】
請求項3に係る発明によれば、第3LDD層内の第2テイル分布をなす低濃度の第3不純物と低濃度のチャネル不純物との接合が半導体基板表面から比較的深い所にまで生じて空乏層の範囲の拡大化を生じさせ得るので、より一層ドレイン電界を緩和して、ホットキャリア耐性の更なる改善化を達成することができる。
【0065】
請求項4に係る発明によれば、第3LDD層が半導体基板表面より比較的浅い所において本来的に作る低濃度領域内に第4LDD層が重畳的に形成されているので、第3不純物が作る上記低濃度を第4不純物の濃度で補填して、第3及び第4不純物の濃度の和より成る不純物濃度分布を第2高濃度不純物領域内の不純物濃度となめらかに接続させることができる。従って、第3LDD局が半導体基板表面から比較的浅い位置に作る高抵抗層の発生、従って、局所的な高電界の発生をも効果的に防止して、更なる高駆動能力化を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1に於ける2重LDD層構造を有するn型MOSFETを示す縦断面図である。
【図2】 本発明の実施の形態1に係る2重LDD層構造を有するn型MOSFETにおけるAsの濃度の二次元分布に関するシミュレーション結果を示す図である。
【図3】 本発明の実施の形態1に係る2重LDD層構造のn型MOSFETに於けるAsの主分布とテイル分布とを示す図である。
【図4】 本発明の実施の形態1に係る2重LDD層構造のn型MOSFETに於けるAsの主分布とテイル分布との測定結果を示す図である。
【図5】 本発明の実施の形態1に係る2重LDD層構造を有するn型MOSFETにおいて、ゲート絶縁膜と半導体基板との界面から深さ0.01μmのチャネル部内の位置に於ける、水平方向に対する各不純物の濃度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図6】 実施の形態1に係る2重LDD層構造のn型MOSFETについて、ゲート絶縁膜と半導体基板との界面から深さ0.08μmのチャネル部内の位置に於ける、水平方向に対する各不純物の濃度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図7】 本発明の実施の形態1の変形例に係る2重LDD層構造を有するn型MOSFETを示す縦断面図である。
【図8】 本発明の実施の形態2に係る2重LDD層構造を有するn型MOSFETの製造工程を示す縦断面図である。
【図9】 本発明の実施の形態2の変形例に係る2重LDD層構造を有するn型MOSFETの製造工程を示す縦断面図である
【図10】 従来技術1における1重LDD層構造を有するMOSFETを示す縦断面図である。
【図11】 図10の1重LDD層構造を有するn型MOSFETの形成プロセスフローを示す図である。
【図12】 従来技術2における2重LDD層構造を有するn型MOSFETを示す縦断面図である。
【図13】 従来技術2の2重LDD層構造を有するn型MOSFETにおける水平方向の不純物分布のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
1 半導体装置、2 半導体基板、3,4 高濃度不純物領域、5 ゲート電極、7,9 第1,第3LDD層、8,10 第2,第4LDD層、11 ゲート絶縁膜、12 スルー膜、13 活性領域、SS 表面、SR1〜SR7 表面領域、NL 法線方向、20A,20B 窒素層。
Claims (5)
- 第1導電型のチャネル不純物を有する半導体基板と、
前記半導体基板の表面内の第1表面領域から前記半導体基板の内部に向けて形成され、前記チャネル不純物の濃度よりも高濃度の第2導電型の少なくとも1種類の不純物を有する第1高濃度不純物領域と、
前記半導体基板の前記表面内の前記第1表面領域に隣接する第2表面領域上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜の表面上に形成された制御電極と、
前記半導体基板の前記表面内の前記第2表面領域に隣接する第3表面領域から前記半導体基板の内部に向けて前記第1高濃度不純物領域に対向して形成され、前記第1高濃度不純物領域と同一の前記少なくとも1種類の不純物を有する第2高濃度不純物領域と、
前記第2表面領域中、前記第1表面領域と前記第2表面領域との境界側の第4表面領域から、少なくとも前記第2高濃度不純物領域に対向する前記第1高濃度不純物領域の端面の一部と結合しつつ、前記半導体基板の内部に向けて形成されており、且つ前記第1及び第2高濃度不純物領域内の前記少なくとも1種類の不純物の濃度よりも低濃度の前記第2導電型の第1不純物を有する第1LDD層と、
前記第1表面領域と前記第2表面領域との前記境界から前記第1LDD層の前記第4表面領域の端よりも内側迄に位置する第5表面領域から前記第1高濃度不純物領域の前記端面と接合しつつ、前記第1LDD層の内部に向けて形成されており、且つ前記第1及び第2高濃度不純物領域内の前記少なくとも1種類の不純物の前記濃度よりも低濃度の前記第2導電型の第2不純物と、前記第1不純物とを有する第2LDD層とを備え、
前記第1LDD層は、
前記半導体基板の前記表面に平行に前記制御電極の中央部から前記制御電極の端面を眺めた水平方向に対する不純物濃度変化に相当する第1濃度勾配を有して前記第1不純物が前記半導体基板の内部に分布する第1主分布と、
前記第1濃度勾配よりも小さく且つ前記チャネル不純物の前記濃度に向けて緩やかな前記第1不純物の濃度の増大を与える第2濃度勾配を有して、前記第1不純物が前記第1主分布よりも深く前記半導体基板の内部に分布する第1テイル分布とを備え、
前記第2LDD層は、
前記第1主分布と前記第1高濃度不純物領域の前記端面との接合付近の前記第1不純物の前記濃度の低減分を補填可能な前記水平方向に対する濃度分布を有して、前記第2不純物が前記第2LDD層の内部に分布する第2主分布を備えることを特徴とする、
半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置であって、
前記第5表面領域から前記第2LDD層の内部に向けて形成された第1窒素層を更に備えることを特徴とする、
半導体装置。 - 請求項1又は2記載の半導体装置であって、
前記第2表面領域中、前記第2表面領域と前記第3表面領域との境界側の第6表面領域から、少なくとも前記第2高濃度不純物領域の端面の一部と接合しつつ、前記半導体基板の内部に向けて形成されており、且つ前記第1及び第2高濃度不純物領域内の前記少なくとも1種類の不純物の濃度よりも低濃度の前記第2導電型の第3不純物を有する第3LDD層とを更に備え、
前記第3LDD層は、
第3濃度勾配を有して前記第3不純物が前記半導体基板の内部に分布する第3主分布と、
前記第3濃度勾配よりも小さく且つ前記チャネル不純物の前記濃度に向けて緩やかな前記第3不純物の濃度の増大を与える第4濃度勾配を有して、前記第3不純物が前記第3主分布よりも深く前記半導体基板の内部に分布する第2テイル分布とを備えることを特徴とする、
半導体装置。 - 請求項3記載の半導体装置であって、
前記第2表面領域と前記第3表面領域との前記境界から前記第3LDD層の前記第6表面領域の端よりも内側迄に位置する第7表面領域から前記第2高濃度不純物領域の前記端面と接合しつつ、前記第3LDD層の内部に向けて形成されており、且つ前記第1及び第2高濃度不純物領域内の前記少なくとも1種類の不純物の前記濃度よりも低濃度の前記第2導電型の第4不純物と、前記第3不純物とを有する第4LDD層とを更に備え、
前記第4LDD層は、
前記第3主分布と前記第2高濃度不純物領域の前記端面との接合付近の前記第3不純物の前記濃度の低減分を補填可能な前記水平方向に対する濃度分布を有して、前記第4不純物が前記第3LDD層の内部に分布する第4主分布を備えることを特徴とする、
半導体装置。 - 請求項4記載の半導体装置であって、
前記第7表面領域から前記第4LDD層の内部に向けて形成された第2窒素層を更に備えることを特徴とする、
半導体装置。
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