JP4713078B2 - Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device - Google Patents
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Description
この発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、特にMIS(Metal insulator semiconductor)型電界効果トランジスタ等の半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device , and more particularly to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device such as a MIS (Metal insulator semiconductor) field effect transistor.
近年、半導体集積回路の高集積化に伴い、MIS型電界効果トランジスタのゲート長の微細化が進んでいる。このような微細ゲート長を有する電界効果トランジスタでは、閾値電圧のゲート長依存性が大きい、ソース・ドレイン間のパンチスルーが起こりやすい等の短チャネル効果が顕在化する。 In recent years, with the high integration of semiconductor integrated circuits, the gate length of MIS field effect transistors has been miniaturized. In a field effect transistor having such a fine gate length, short channel effects such as a large dependency of the threshold voltage on the gate length and a tendency of punch-through between the source and the drain appear.
このような短チャネル効果を防ぐ方法の1つとして、ゲート電極側壁に第2のゲート電極を備えたMIS型電界効果トランジスタが提案されている(例えば、(非特許文献1)参照)。この従来のMIS型電界効果トランジスタの断面図を図6に示す。 As one method for preventing such a short channel effect, an MIS field effect transistor having a second gate electrode on the side wall of the gate electrode has been proposed (see, for example, (Non-Patent Document 1)). A cross-sectional view of this conventional MIS type field effect transistor is shown in FIG.
上記MIS型電界効果トランジスタによれば、図6に示すように、シリコン基板101上に形成された第1のゲート絶縁膜114と、上記第1のゲート絶縁膜114上に形成された第1のゲート電極115と、第2のゲート絶縁膜116を介して、上記第1のゲート電極115を覆うように形成された第2のゲート電極117と、シリコン基板1の表面のうち、第1のゲート電極1115下のチャネル領域から離れた位置に形成されたソース領域109およびドレイン領域110からなる。
According to the MIS field effect transistor, as shown in FIG. 6, the first gate
上記構成によれば、第1のゲート電極115とは独立に、第2のゲート電極117に電圧を加えることによって、第2のゲート電極117直下のシリコン基板101表面に反転層が形成され、極めて浅いソース・ドレインエクステンションを形成することができる。これにより、短チャネル効果を極めて抑制することができる。
According to the above configuration, an inversion layer is formed on the surface of the
しかしながら、上記MIS型電界効果トランジスタでは、第2のゲート電極117を形成することにより、第1のゲート電極115と第2のゲート電極117との間に発生する寄生容量が負荷となり、例えば、集積回路等を形成した場合に動作速度の低下を招いてしまうという問題がある。また、通常のMIS型電界効果トランジスタに比べて、第2のゲート電極117用のコンタクトおよび配線を余分に形成する必要があるため、素子サイズの増大や配線設計の自由度の減少を招くという問題がある。
この発明は、上記問題を解決すべくなされたものであり、その目的は、寄生容量や素子サイズの増大を招くことなく、短チャネル効果を抑制できるMIS型電界効果トランジスタ等の半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device such as a MIS field effect transistor capable of suppressing the short channel effect without causing an increase in parasitic capacitance or element size. Another object is to provide a semiconductor device .
上記目的を達成するため、第1の発明の半導体装置の製造方法は、
P型若しくはイントリンシックの半導体基板と、
上記半導体基板の一主面上に第1の絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
上記半導体基板の一主面側の上記ゲート電極に覆われていない領域に設けられたN型のソース領域およびドレイン領域と、
上記ゲート電極下のチャネル領域と上記ソース領域およびドレイン領域とに挟まれた領域上に、固定電荷となる不純物としてセシウム,バリウムおよびルビジウムのうちの少なくとも1つを含む第2の絶縁膜を備え、上記第2の絶縁膜に接する上記P型若しくはイントリンシックの半導体基板の表面付近で反転層が形成された半導体装置の製造方法であって、
上記半導体基板の一主面上に設けられた上記第1の絶縁膜の上に選択的に上記ゲート電極を形成する工程と、
上記半導体基板の一主面上の上記ゲート電極に覆われていない領域に上記第2の絶縁膜を形成する工程と、
上記ゲート電極をマスクとして上記第2の絶縁膜中に上記固定電荷となる不純物を注入する工程と、
上記第2の絶縁膜中に上記固定電荷となる不純物を注入する工程の後に、上記第2の絶縁膜中の上記固定電荷となる不純物の再分布を促すアニール工程と
を含み、
上記第1の絶縁膜は、上記第2の絶縁膜とは異なる組成であって、かつ、上記第2の絶縁膜中の固定電荷となる不純物が上記第2の絶縁膜よりも拡散しにくい膜質であることを特徴としている。
In order to achieve the above object, a method for manufacturing a semiconductor device according to a first invention comprises:
A P-type or intrinsic semiconductor substrate;
A gate electrode formed on one main surface of the semiconductor substrate via a first insulating film;
An N-type source region and drain region provided in a region not covered by the gate electrode on one main surface side of the semiconductor substrate;
A second insulating film including at least one of cesium, barium, and rubidium as an impurity that becomes a fixed charge on a region sandwiched between the channel region under the gate electrode and the source region and the drain region ; A method of manufacturing a semiconductor device in which an inversion layer is formed near the surface of the P-type or intrinsic semiconductor substrate in contact with the second insulating film ,
Selectively forming the gate electrode on the first insulating film provided on one main surface of the semiconductor substrate;
Forming the second insulating film in a region not covered by the gate electrode on one main surface of the semiconductor substrate;
Implanting the impurity serving as the fixed charge into the second insulating film using the gate electrode as a mask;
An annealing step for promoting redistribution of the impurity as the fixed charge in the second insulating film after the step of injecting the impurity as the fixed charge into the second insulating film;
Including
The first insulating film has a composition different from that of the second insulating film, and a film quality in which impurities serving as fixed charges in the second insulating film are less likely to diffuse than the second insulating film. It is characterized by being.
上記構成の半導体装置の製造方法によれば、上記チャネル領域とN型のソース領域に挟まれた領域およびチャネル領域とドレイン領域に挟まれた領域のP型(若しくはイントリンシック)の半導体表面上に形成した上記第2の絶縁膜中に、固定電荷となる不純物としてセシウム,バリウムおよびルビジウムのうちの少なくとも1つを含むことにより固定電荷を実現している。 According to the method for manufacturing a semiconductor device having the above-described configuration, the region sandwiched between the channel region and the N-type source region and the region sandwiched between the channel region and the drain region are formed on the P-type (or intrinsic) semiconductor surface. The fixed charge is realized by including at least one of cesium, barium, and rubidium as an impurity that becomes a fixed charge in the formed second insulating film.
上記セシウム、バリウム、ルビジウムは、アルカリ金属またはアルカリ土類金属に属しているため、第1イオン化エネルギーが小さく、正の電荷を持つイオンになりやすい性質を持っている。また、上記セシウム、バリウム、ルビジウムは、室温でも移動しやすいナトリウム等の軽元素とは異なり、原子番号が大きいため、通常の素子動作温度領域においては電荷が移動することはない。従って、セシウム、バリウム、ルビジウムは、正の固定電荷として働くため、上記セシウム,バリウムおよびルビジウムのうちの少なくとも1つを含む第2の絶縁膜下の半導体基板表面付近でバンドベンディングが起こることによって反転層(キャリアは電子)が形成され、極めて浅いソース・ドレインエクステンションが形成される。これにより、短チャネル効果を極めてよく抑制することができる。また、通常のMIS型電界効果トランジスタに対して、余分な電極等を付加する必要がないため、寄生容量の増大や素子面積の増大等をまねくことはない。
また、上記第1の絶縁膜と上記第2の絶縁膜との間に界面を形成している。このため、上記第2の絶縁膜中に含まれる不純物が熱拡散等によって第1の絶縁膜方向へ拡散しても、上記界面にトラップされるため、第1の絶縁膜中に拡散するのを防ぐことができる。更に、第1の絶縁膜が第2の絶縁膜中の固定電荷となる不純物が拡散しにくい膜質であることが好ましい。従って、ゲート電極と、上記不純物によって誘起される反転層とのオーバーラップはほとんどないため、ゲート電極とソース領域,ドレイン領域との間に生じる寄生容量を小さくすることができ、回路動作の高速化を図ることができる。また、上記不純物による固定電荷によって誘起される反転層の端がゲート電極端とほぼ一致することにより、理想的なソース・ドレイン構造となり、良好な短チャネル効果特性と大きな駆動電流を同時に得ることができる。
Since the above cesium, barium, and rubidium belong to alkali metals or alkaline earth metals, the first ionization energy is small and they tend to be ions having a positive charge. The cesium, barium, and rubidium have a large atomic number, unlike light elements such as sodium, which easily move even at room temperature, and therefore, charges do not move in the normal device operating temperature region. Therefore, since cesium, barium, and rubidium serve as positive fixed charges, inversion occurs due to band bending occurring near the semiconductor substrate surface under the second insulating film containing at least one of cesium, barium, and rubidium. Layers (carriers are electrons) are formed, and very shallow source / drain extensions are formed. Thereby, the short channel effect can be suppressed very well. Further, since there is no need to add an extra electrode or the like to a normal MIS type field effect transistor, it does not cause an increase in parasitic capacitance or an element area.
An interface is formed between the first insulating film and the second insulating film. For this reason, even if impurities contained in the second insulating film are diffused toward the first insulating film by thermal diffusion or the like, they are trapped at the interface, so that they are diffused into the first insulating film. Can be prevented. Furthermore, it is preferable that the first insulating film has a film quality in which impurities serving as fixed charges in the second insulating film are difficult to diffuse. Therefore, since there is almost no overlap between the gate electrode and the inversion layer induced by the impurities, the parasitic capacitance generated between the gate electrode and the source and drain regions can be reduced, and the circuit operation speed is increased. Can be achieved. In addition, the end of the inversion layer induced by the fixed charges due to the impurities substantially coincides with the end of the gate electrode, so that an ideal source / drain structure is obtained, and good short channel effect characteristics and a large driving current can be obtained simultaneously. it can.
従って、寄生容量や素子サイズの増大を招くことなく、短チャネル効果を抑制できるN型チャネルMIS型電界効果トランジスタ等の半導体装置が提供することができる。 Therefore, it is possible to provide a semiconductor device such as an N-type channel MIS type field effect transistor that can suppress the short channel effect without causing an increase in parasitic capacitance or element size.
更に、上記セシウム、バリウム、ルビジウムは、半導体製造装置として一般的なイオン注入装置を用いて上記第2の絶縁膜中に導入することが可能であり、注入量を精密に制御しながら容易に短チャネル効果特性に優れたN型チャネルMIS型電界効果トランジスタ等の半導体装置を製造することが可能である。 Furthermore, the cesium, barium, and rubidium can be introduced into the second insulating film using a general ion implantation apparatus as a semiconductor manufacturing apparatus, and can be easily reduced while precisely controlling the implantation amount. It is possible to manufacture a semiconductor device such as an N-type channel MIS field effect transistor having excellent channel effect characteristics.
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、第1の発明の半導体装置の製造方法において、上記固定電荷は、上記セシウムからなる正の固定電荷であって、上記セシウムの面密度が5.3×1012cm-2以上かつ3×1014cm-2以下であることを特徴としている。 In one embodiment of the method of manufacturing a semiconductor device , the fixed charge is a positive fixed charge made of the cesium , and the surface density of the cesium is 5. It is characterized by being 3 × 10 12 cm −2 or more and 3 × 10 14 cm −2 or less.
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記第2の絶縁膜に含まれる固定電荷となる不純物の面密度が5.3×1012cm-2以上かつ3×1014cm-2以下であるため、セシウムの正の固定電荷によって誘起される反転層のシート抵抗を十分に小さくでき、非常に高い駆動電流を得ることができる。 According to the method of manufacturing a semiconductor device of the above embodiment, the surface density of the impurity serving as the fixed charge contained in the second insulating film is 5.3 × 10 12 cm −2 or more and 3 × 10 14 cm −2 or less. because it is, is the be sufficiently reduced sheet resistance of the inversion layer induced by the positive fixed charge of cesium, it is possible to obtain a very high drive currents.
また、第2の発明の半導体装置の製造方法は、
N型若しくはイントリンシックの半導体基板と、
上記半導体基板の一主面上に第1の絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
上記半導体基板の一主面側の上記ゲート電極に覆われていない領域に設けられたP型のソース領域およびドレイン領域と、
上記ゲート電極下のチャネル領域と上記ソース領域およびドレイン領域とに挟まれた領域上に、固定電荷となる不純物としてのヨウ素を含む第2の絶縁膜を備え、上記第2の絶縁膜に接する上記N型若しくはイントリンシックの半導体基板の表面付近で反転層が形成された半導体装置の製造方法であって、
上記半導体基板の一主面上に設けられた上記第1の絶縁膜の上に選択的に上記ゲート電極を形成する工程と、
上記半導体基板の一主面上の上記ゲート電極に覆われていない領域に上記第2の絶縁膜を形成する工程と、
上記ゲート電極をマスクとして上記第2の絶縁膜中に上記固定電荷となる不純物を注入する工程と、
上記第2の絶縁膜中に上記固定電荷となる不純物を注入する工程の後に、上記第2の絶縁膜中の上記固定電荷となる不純物の再分布を促すアニール工程と
を含み、
上記第1の絶縁膜は、上記第2の絶縁膜とは異なる組成であって、かつ、上記第2の絶縁膜中の固定電荷となる不純物が上記第2の絶縁膜よりも拡散しにくい膜質であることを特徴としている。
A method for manufacturing a semiconductor device according to a second aspect of the invention includes
An N-type or intrinsic semiconductor substrate;
A gate electrode formed on one main surface of the semiconductor substrate via a first insulating film;
A P-type source region and drain region provided in a region not covered by the gate electrode on one main surface side of the semiconductor substrate;
A second insulating film containing iodine as an impurity serving as a fixed charge is provided on a region sandwiched between the channel region under the gate electrode and the source region and the drain region, and is in contact with the second insulating film A method of manufacturing a semiconductor device in which an inversion layer is formed near the surface of an N-type or intrinsic semiconductor substrate ,
Selectively forming the gate electrode on the first insulating film provided on one main surface of the semiconductor substrate;
Forming the second insulating film in a region not covered by the gate electrode on one main surface of the semiconductor substrate;
Implanting the impurity serving as the fixed charge into the second insulating film using the gate electrode as a mask;
An annealing step for promoting redistribution of the impurity as the fixed charge in the second insulating film after the step of injecting the impurity as the fixed charge into the second insulating film;
Including
The first insulating film has a composition different from that of the second insulating film, and a film quality in which impurities serving as fixed charges in the second insulating film are less likely to diffuse than the second insulating film. It is characterized by being.
上記構成の半導体装置の製造方法によれば、上記チャネル領域とP型のソース領域に挟まれた領域およびチャネル領域とP型のドレイン領域に挟まれた領域のN型(若しくはイントリンシック)の半導体表面上に形成した上記第2の絶縁膜中に、固定電荷となる不純物としてのヨウ素が含まれている。 According to the method of manufacturing a semiconductor device having the above configuration, an N-type (or intrinsic) semiconductor in a region sandwiched between the channel region and a P-type source region and a region sandwiched between the channel region and a P-type drain region. The second insulating film formed on the surface contains iodine as an impurity that becomes a fixed charge.
上記ヨウ素は、周期表第VIIB族に属しているハロゲン元素であるため、電子親和力が大きく、負の電荷を持つイオンになりやすい性質を持っている。また、上記ヨウ素は、原子番号が大きいため、室温でも移動しやすい弗素、塩素等の軽元素とは異なり、通常の素子動作温度領域において電荷が移動することがない。従って、ヨウ素は負の固定電荷として働くため、ヨウ素を含む第2の絶縁膜下の半導体基板表面付近でバンドベンディングが起こることによって反転層(キャリアは正孔)が形成され、極めて浅いソース・ドレインエクステンションが形成される。これにより、短チャネル効果を極めてよく抑制することができる。また、通常のMIS型電界効果トランジスタに対して、余分な電極等を付加する必要がないため、寄生容量の増大や素子面積の増大等をまねくことはない。
また、上記第1の絶縁膜と上記第2の絶縁膜との間に界面を形成している。このため、上記第2の絶縁膜中に含まれる不純物が熱拡散等によって第1の絶縁膜方向へ拡散しても、上記界面にトラップされるため、第1の絶縁膜中に拡散するのを防ぐことができる。更に、第1の絶縁膜が第2の絶縁膜中の固定電荷となる不純物が拡散しにくい膜質であることが好ましい。従って、ゲート電極と、上記不純物によって誘起される反転層とのオーバーラップはほとんどないため、ゲート電極とソース領域,ドレイン領域との間に生じる寄生容量を小さくすることができ、回路動作の高速化を図ることができる。また、上記不純物による固定電荷によって誘起される反転層の端がゲート電極端とほぼ一致することにより、理想的なソース・ドレイン構造となり、良好な短チャネル効果特性と大きな駆動電流を同時に得ることができる。
Since iodine is a halogen element belonging to Group VIIB of the periodic table, it has a high electron affinity and tends to be an ion having a negative charge. In addition, since iodine has a large atomic number, unlike light elements such as fluorine and chlorine, which easily move at room temperature, charges do not move in a normal device operating temperature region. Therefore, since iodine acts as a negative fixed charge, inversion layers (carriers are holes) are formed by band bending near the surface of the semiconductor substrate under the second insulating film containing iodine, and extremely shallow source / drain regions are formed. An extension is formed. Thereby, the short channel effect can be suppressed very well. Further, since there is no need to add an extra electrode or the like to a normal MIS type field effect transistor, it does not cause an increase in parasitic capacitance or an element area.
An interface is formed between the first insulating film and the second insulating film. For this reason, even if impurities contained in the second insulating film are diffused toward the first insulating film by thermal diffusion or the like, they are trapped at the interface, so that they are diffused into the first insulating film. Can be prevented. Furthermore, it is preferable that the first insulating film has a film quality in which impurities serving as fixed charges in the second insulating film are difficult to diffuse. Therefore, since there is almost no overlap between the gate electrode and the inversion layer induced by the impurities, the parasitic capacitance generated between the gate electrode and the source and drain regions can be reduced, and the circuit operation speed is increased. Can be achieved. In addition, the end of the inversion layer induced by the fixed charges due to the impurities substantially coincides with the end of the gate electrode, so that an ideal source / drain structure is obtained, and good short channel effect characteristics and a large driving current can be obtained simultaneously. it can.
従って、寄生容量や素子サイズの増大を招くことなく、短チャネル効果を抑制できるP型チャネルMIS型電界効果トランジスタ等の半導体装置を提供することができる。 Therefore, it is possible to provide a semiconductor device such as a P-type channel MIS type field effect transistor that can suppress the short channel effect without causing an increase in parasitic capacitance or element size.
更に、上記ヨウ素は、半導体製造装置として一般的なイオン注入装置を用いて上記第2の絶縁膜中に導入することが可能であり、注入量を精密に制御しながら容易に短チャネル効果特性に優れたP型チャネルMIS型電界効果トランジスタ等の半導体装置を製造することが可能である。 Further, the iodine can be introduced into the second insulating film by using a general ion implantation apparatus as a semiconductor manufacturing apparatus, and easily has a short channel effect characteristic while precisely controlling the implantation amount. It is possible to manufacture a semiconductor device such as an excellent P-type channel MIS type field effect transistor.
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、第2の発明の半導体装置において、上記ヨウ素の面密度が8×1012cm-2以上であることを特徴としている。 In one embodiment of the method of manufacturing a semiconductor device, the surface density of iodine is 8 × 10 12 cm −2 or more in the semiconductor device of the second invention.
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記ヨウ素の面密度が8×1012cm-2以上であるため、上記ヨウ素による固定電荷によって誘起される反転層のシート抵抗を十分に小さくでき、非常に高い駆動電流を得ることができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the above embodiment, since the surface density of iodine is 8 × 10 12 cm −2 or more, the sheet resistance of the inversion layer induced by the fixed charge due to iodine can be sufficiently reduced. A very high drive current can be obtained.
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、第1または第2の発明の半導体装置の製造方法において、少なくとも上記第2の絶縁膜上の一部または全部を覆うように形成された第3の絶縁膜を備え、
上記第3の絶縁膜は、上記第2の絶縁膜上の一部または全部を覆うように形成されているシリコン窒化膜であるか、または上記第2の絶縁膜上の一部を覆うように形成されているシリコン酸窒化膜であることを特徴としている。
A method of manufacturing a semiconductor device of one embodiment provides a method of manufacturing a semiconductor device of the first or second invention, the third formed to cover at least some or all of the above second insulating film Insulating film
The third insulating film is a silicon nitride film formed so as to cover a part or all of the second insulating film, or covers a part of the second insulating film. The silicon oxynitride film is formed.
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記第2の絶縁膜上の一部または全部を覆うように、シリコン窒化膜を第3の絶縁膜として設けているか、または、第2の絶縁膜上の一部を覆うように、シリコン酸窒化膜を第3の絶縁膜として設けていることによって、上記第2の絶縁膜に含まれる不純物が、後の熱工程等によって外方へ拡散するのを防ぐことができる。従って、上記第2の絶縁膜の不純物は効率よく固定電荷として作用することができる。 According to the method of manufacturing the semiconductor device of the above embodiment, the silicon nitride film is provided as the third insulating film so as to cover a part or all of the second insulating film, or the second insulating film is provided. By providing the silicon oxynitride film as the third insulating film so as to cover a part of the film, impurities contained in the second insulating film diffuse outward by a subsequent thermal process or the like. Can be prevented. Therefore, the impurities in the second insulating film can efficiently act as fixed charges.
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、第1または第2の発明の半導体装置の製造方法において、上記第2の絶縁膜の膜厚が上記第1の絶縁膜の膜厚よりも大きいことを特徴としている。 A method of manufacturing a semiconductor device of one embodiment provides a method of manufacturing a semiconductor device of the first or second aspect of the invention, the thickness of the second insulating film is larger than the thickness of the first insulating film It is characterized by that.
上記実施形態の半導体装置の製造方法によれば、上記第2の絶縁膜の膜厚が、上記第1の絶縁膜の膜厚よりも大きいため、第2の絶縁膜中に含まれる固定電荷となる不純物が、第1の絶縁膜方向に拡散する場合、上記不純物から見た断面積が第1の絶縁膜において小さくなるため、上記不純物が第1の絶縁膜中に拡散するのを防ぐことができる。従って、ゲート電極と、上記不純物によって誘起される反転層とのオーバーラップはほとんどないため、ゲート電極とソース・ドレイン領域との間に生じる寄生容量を小さくすることができ、回路動作の高速化を図ることができる。また、上記不純物による固定電荷によって誘起される反転層の端がゲート電極端とほぼ一致することにより、理想的なソース・ドレイン構造となり、良好な短チャネル効果特性と大きな駆動電流を同時に得ることができる。
また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、第1または第2の発明の半導体装置において、上記半導体基板に、歪を印加したシリコン基板を用いたことを特徴としている。
According to the method of manufacturing a semiconductor device of the above embodiment, since the film thickness of the second insulating film is larger than the film thickness of the first insulating film, the fixed charge contained in the second insulating film and When the impurity to be diffused in the direction of the first insulating film, the cross-sectional area viewed from the impurity becomes small in the first insulating film, so that the impurity can be prevented from diffusing into the first insulating film. it can. Therefore, since there is almost no overlap between the gate electrode and the inversion layer induced by the impurities, the parasitic capacitance generated between the gate electrode and the source / drain regions can be reduced, and the circuit operation speed can be increased. Can be planned. In addition, the end of the inversion layer induced by the fixed charges due to the impurities substantially coincides with the end of the gate electrode, so that an ideal source / drain structure is obtained, and good short channel effect characteristics and a large driving current can be obtained simultaneously. it can.
In one embodiment, the semiconductor device manufacturing method is characterized in that a strained silicon substrate is used as the semiconductor substrate in the semiconductor device of the first or second invention.
また、第3の発明の半導体装置は、上記のいずれか1つの半導体装置の製造方法により得られることを特徴とする。According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device obtained by any one of the above semiconductor device manufacturing methods.
尚、本明細書中における固定電荷となる不純物とは、第2の絶縁膜中で固定電荷として作用する不純物のことを意味し、N型チャネル素子の場合は、セシウム、バリウム、ルビジウムのうちの少なくともいずれか一つを意味し、P型チャネル素子の場合は、ヨウ素を意味する。 In the present specification, an impurity that becomes a fixed charge means an impurity that acts as a fixed charge in the second insulating film, and in the case of an N-type channel element, of the cesium, barium, and rubidium. It means at least one of them, and in the case of a P-type channel element, means iodine.
以上より明らかなように、この発明の半導体装置の製造方法および半導体装置によれば、寄生容量や素子サイズの増大を招くことなく、短チャネル効果を抑制できるMIS型電界効果トランジスタ等の半導体装置を提供することにある。 As is clear from the above, according to the semiconductor device manufacturing method and the semiconductor device of the present invention, a semiconductor device such as a MIS field effect transistor that can suppress the short channel effect without causing an increase in parasitic capacitance or element size. It is to provide.
以下、この発明の半導体装置の製造方法および半導体装置を図示の実施の形態により詳細に説明する。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device according to the present invention will be described in detail below with reference to the illustrated embodiments.
この発明に使用できる半導体基板は、特に限定されないが、シリコン基板が好ましい。更に、SOI(Semiconductor On Insulator)基板、または、シリコン結晶に歪みを加えることによってキャリア移動度を向上させた歪みシリコン基板であってもよい。尚、各実施の形態では、セシウムを用いたN型チャネル素子を中心に説明するが、不純物の導電型を逆にし、セシウムをヨウ素に置き換えることにより、P型チャネル素子を形成することができる。また、N型チャネル素子の場合、セシウムの代わりにバリウム、ルビジウムを用いるか、または、これら3つのうちの少なくとも2種を含む混合物を用いても同様の効果が得られる。無論、両型の素子が同一基板上に形成されてもよいし、相補型MIS型電界効果トランジスタを形成してもよいし、集積回路を形成してもよい。 The semiconductor substrate that can be used in the present invention is not particularly limited, but a silicon substrate is preferable. Furthermore, an SOI (Semiconductor On Insulator) substrate or a strained silicon substrate in which carrier mobility is improved by applying strain to the silicon crystal may be used. In each embodiment, the description will focus on an N-type channel element using cesium, but a P-type channel element can be formed by reversing the conductivity type of impurities and replacing cesium with iodine. In the case of an N-type channel element, the same effect can be obtained even when barium or rubidium is used instead of cesium or a mixture containing at least two of these three is used. Of course, both types of elements may be formed on the same substrate, a complementary MIS field effect transistor may be formed, or an integrated circuit may be formed.
(第1実施形態)
この発明の第1実施形態の半導体装置は、セシウムによる固定電荷によって誘起される反転層をソース・ドレインエクステンションとするN型チャネルMIS型電界効果トランジスタを、簡単な工程により実現したものである。例えば、酸化シリコン膜中のセシウムは、通常の素子動作温度領域においては安定な固定電荷として機能する。更に、例えば酸化シリコン膜中のセシウムは、高温処理(例えば、700℃以上)によって熱拡散し、例えばシリコン基板との界面付近にパイルアップし、自己整合的な分布を形成することができるという優位性を持つ。尚、N型チャネル素子の場合のバリウム,ルビジウムについても同様の効果があり、P型チャネル素子の場合のヨウ素についても同様の効果がある。
(First embodiment)
In the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, an N-type channel MIS field effect transistor having a source / drain extension as an inversion layer induced by a fixed charge of cesium is realized by a simple process. For example, cesium in a silicon oxide film functions as a stable fixed charge in a normal device operating temperature region. Further, for example, cesium in a silicon oxide film is thermally diffused by high-temperature processing (for example, 700 ° C. or more), and piles up near the interface with a silicon substrate, for example, and can form a self-aligned distribution. Have sex. Incidentally, barium and rubidium in the case of the N-type channel element have the same effect, and iodine in the case of the P-type channel element has the same effect.
図1(a)〜(d)はこの発明の第1実施形態の半導体装置の製造方法を説明するための工程順に示した半導体装置の一例としてのN型チャネルMIS型電界効果トランジスタの断面図である。 1A to 1D are cross-sectional views of an N-type channel MIS field effect transistor as an example of a semiconductor device shown in the order of steps for explaining the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. is there.
まず、図1(a)に示すように、半導体基板の一例としてのP型シリコン基板1(単結晶)の一主面に公知の方法によってSTI(Shallow Trench Isolation)領域2を形成し、素子形成領域を区分する。次にこの素子形成領域の表面に設けた第1の絶縁膜の一例としての酸窒化シリコンからなるゲート絶縁膜3の上に多結晶シリコン膜を堆積してパターニングし、ゲート電極4を形成する。尚、ゲート電極4に覆われていない領域のゲート絶縁膜3は、必ずしも除去しなくてもよい。
First, as shown in FIG. 1A, an STI (Shallow Trench Isolation)
ゲート絶縁膜3の材質は、絶縁性がある限り何でも良く、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、ハフニウム酸化物、アルミニウム酸化物、タンタル酸化物等であっても良い。また、ゲート電極4の材質は、導電性である限り何でも良く、アルミニウム等の金属、ニッケルシリサイド等のシリサイド等であってもよい。
The material of the
次に、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長)法にて第2の絶縁膜の一例としての酸化シリコン膜5を堆積する。上記酸シリコン膜5の膜厚は、例えば、ゲート絶縁膜3の膜厚の2倍以上50倍以下程度が好ましい。上記酸化シリコン膜5の膜厚をゲート絶縁膜3の膜厚より大きくすることにより、後の工程で酸化シリコン膜5中に注入するセシウム等の固定電荷となる不純物が、熱工程等において拡散する場合に、ゲート絶縁膜3中の拡散速度より酸化シリコン膜5中の拡散速度が大きくなるため、ゲート絶縁膜3中に固定電荷となる不純物が拡散するのを抑制することができ、酸化シリコン膜5中の固定電荷となる不純物の分布を非常に容易に制御することができる。
Next, a
また、上記酸化シリコン膜5の膜厚をゲート絶縁膜3の膜厚とは独立に制御しているため、後の工程で、酸化シリコン膜5中にセシウム等の固定電荷となる不純物をイオン注入するときに、注入エネルギーに対する制約が少なく、容易に製造することができる。
In addition, since the thickness of the
尚、上記酸化シリコン膜5の代わりに、セシウム等の固定電荷となる不純物を含む絶縁膜を堆積しても良い。例えば、セシウムを含む雰囲気中でCVD法により酸化シリコン膜等を堆積すればよい。この場合、後の工程でセシウム等の固定電荷となる不純物をイオン注入する必要はないので、上記絶縁膜の膜厚を自由に設計することができる。
Instead of the
次に、図1(b)に示すように、シリコン基板表面にレジストを塗布した後、STI領域2を覆い、かつ、素子形成領域のうちの少なくともソース・ドレインエクステンションを形成する領域を開口するようにレジストをパターニングすることによって、レジストマスク6を形成する。その後、ゲート電極4およびレジストマスク6をマスクとして、酸化シリコン膜5中にセシウムをイオン注入する。上記セシウムは、第1イオン化エネルギーが非常に小さいため、正の電荷を持つイオンとして安定に存在することができる。従って、上記酸化シリコン膜5に、セシウムからなる正の固定電荷を含む領域7が形成される。
Next, as shown in FIG. 1B, after a resist is applied to the surface of the silicon substrate, the
尚、上記セシウムの代わりにバリウムまたはルビジウムを用いてもよいし、セシウム、バリウム、ルビジウムのうち少なくとも2種を用いても良い。 Note that barium or rubidium may be used instead of cesium, or at least two of cesium, barium, and rubidium may be used.
上記正の固定電荷を含む領域7から発せられる電界により、上記正の固定電荷を含む領域7下のシリコン基板1表面でバンドベンディングが起こる。上記シリコン基板1表面の電位が、シリコン基板1のフェルミポテンシャルと真性フェルミポテンシャルとの差の2倍程度に達することにより、正の固定電荷を含む領域7下のシリコン基板1表面に反転層が形成される。尚、上記反転層は、ソース・ドレインエクステンションとして機能することになる。
Band bending occurs on the surface of the
次に、図1(c)に示すように、レジストマスク6(図1(b)に示す)を剥離した後、CVD法(化学的気相成長法:Chemical Vapor Deposition)にて酸化シリコン膜を所望の厚さ堆積し、RIE(Reactive Ion Etch)によりエッチバックすることによってゲート電極4の両側にゲート側壁8を形成する。但し、上記酸化シリコン膜は、絶縁性を有する限り材質は何でも良いが、固定電荷となる不純物(セシウム等)の拡散を防ぐ酸窒化シリコン膜や窒化シリコン膜等の材質が好ましい。その後、ゲート電極4およびゲート側壁8をマスクとして砒素イオンをイオン注入し、ソース領域9およびドレイン領域10を形成後、活性化アニールを行う。
Next, as shown in FIG. 1C, after removing the resist mask 6 (shown in FIG. 1B), a silicon oxide film is formed by a CVD method (Chemical Vapor Deposition). A desired thickness is deposited and etched back by RIE (Reactive Ion Etch) to form gate sidewalls 8 on both sides of the
セシウムは、高温処理(例えば、700℃以上)によって酸化シリコン膜5中を熱拡散し、例えばシリコン基板1との界面付近にパイルアップするため、自己整合的な固定電荷分布を形成することができる。更に、ゲート絶縁膜3の材質をセシウムの拡散しにくい酸窒化シリコンとしているので、ゲート絶縁膜3中ではセシウムの拡散速度は非常に遅くなり、また、ゲート絶縁膜3と酸化シリコン膜5との間にはセシウムをトラップする界面が存在している。更に、上記酸化シリコン膜5をゲート絶縁膜3よりも厚く形成したため、セシウムのゲート絶縁膜3への拡散はほとんどおこらず、極めて高精度に酸化シリコン膜5中のセシウムの分布を制御することができる。従って、ゲート電極4と、セシウムからなる正の固定電荷を含む領域7によって誘起される反転層とのオーバーラップはほとんどないため、ゲート電極4と上記反転層との間に生じる寄生容量を極めて小さくすることができ、この発明のMIS型電界効果トランジスタからなる回路動作の高速化を図ることができる。また、上記セシウムによる固定電荷によって誘起される反転層の端がゲート電極4端とほぼ一致することにより、理想的なソース・ドレイン構造となり、良好な短チャネル効果特性と大きな駆動電流を同時に得ることができる。
Cesium thermally diffuses in the
尚、活性化アニールは、RTA(Rapid Thermal Annealing:瞬間アニール)、スパイクアニール、フラッシュランプアニール、レーザーアニール等による高温短時間のアニールが好ましい。例えば、800℃〜1100℃、1秒〜180秒程度のアニールを行う。また、ソース領域9およびドレイン領域10形成前、かつ、セシウムを酸化シリコン膜5にイオン注入した後に、活性化アニールとは別に、セシウムの再分布を促すアニールを行ってもよい。例えば、700℃〜1100℃、1秒〜2時間程度のアニールを行ってもよい。無論、上記砒素イオンは、リン、アンチモン等のドナーとなる注入種であってもよい。活性化アニール後にサリサイドを形成しても良い。
The activation annealing is preferably high-temperature short-time annealing such as RTA (Rapid Thermal Annealing), spike annealing, flash lamp annealing, or laser annealing. For example, annealing is performed at 800 ° C. to 1100 ° C. for about 1 second to 180 seconds. In addition to the activation annealing, annealing for promoting redistribution of cesium may be performed before the
次に、図1(d)に示すように、公知の方法で層間絶縁膜11,上部配線12等を形成して、半導体装置が完成する。
Next, as shown in FIG. 1D, the
図2は、ゲート長37nm、ゲート絶縁膜の酸化シリコン換算膜厚1nm、セシウムのドーズ量3×1013cm-2として作成したこの第1実施形態の半導体装置(N型チャネル素子)の電気特性を示す。図2において、横軸はゲート電圧[V]を表し、縦軸はドレイン端子電流[A/μm]を表している。ドレイン電圧は1Vとし、そのときのオン電流は974μA/μmであった。図2からわかるように、非常に良好なトランジスタ特性を得ることができた。 FIG. 2 shows the electrical characteristics of the semiconductor device (N-type channel element) of the first embodiment prepared with a gate length of 37 nm, a gate oxide equivalent silicon oxide thickness of 1 nm, and a cesium dose of 3 × 10 13 cm −2. Indicates. In FIG. 2, the horizontal axis represents the gate voltage [V], and the vertical axis represents the drain terminal current [A / μm]. The drain voltage was 1 V, and the on-current at that time was 974 μA / μm. As can be seen from FIG. 2, very good transistor characteristics could be obtained.
図1(d)からわかるように、この発明の第1実施形態の半導体装置は、ゲート電極4に覆われたチャネル領域とソース領域9およびドレイン領域10との間にある酸化シリコン膜5中にセシウムからなる正の固定電荷を含む領域7を有している。
As can be seen from FIG. 1D, the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is formed in the
セシウムは、原子番号55と質量が大きく、また、周期律表の中で最も低い第1イオン化エネルギー(3.89eV)を持っているため、通常の素子動作温度領域においては、酸化シリコン膜等の絶縁膜中を移動するようなことはなく、正の電荷を持つイオンとして安定に存在することができる。従って、絶縁膜中で正の固定電荷として極めて安定に存在することができる。尚、バリウム、ルビジウムに関しても、同様の効果が得られる。 Cesium has a large atomic number 55 and a mass, and has the lowest first ionization energy (3.89 eV) in the periodic table. Therefore, in a normal device operating temperature range, a silicon oxide film or the like is used. It does not move in the insulating film and can exist stably as positively charged ions. Therefore, it can exist very stably as a positive fixed charge in the insulating film. Similar effects can be obtained with barium and rubidium.
上記正の固定電荷を含む領域7から発せられる電界により、上記正の固定電荷を含む領域7下のシリコン基板1表面でバンドベンディングが起こり、正の固定電荷を含む領域7下のシリコン基板1表面に反転層が形成される。
Band bending occurs on the surface of the
上記反転層は、チャネル領域とソース領域9との間およびチャネル領域とドレイン領域10との間に形成されているので、極めて浅いソース・ドレインエクステンションとして機能する。
Since the inversion layer is formed between the channel region and the
但し、反転層が形成されるためには、例えば固定電荷によってシリコン基板1内に形成される空乏層内の不純物濃度が均一の場合、固定電荷密度が、
ε : 真空の誘電率[F/cm]
NA : 空乏層中のアクセプター濃度[cm-3]
ND : 空乏層中のドナー濃度[cm-3]
q : 電荷素量[C]
φB : 2(kBT/q)ln(|NA-ND|/Ni)
Ni : 真性キャリア濃度[cm-3]
kB : ボルツマン定数[eV/K]
T : 温度[K]
VR : シリコン基板−ソース領域9間にかかる逆バイアス電圧(>0)[V]
(チャネル領域−ソース領域9間の反転層の場合)
または、シリコン基板−ドレイン領域間にかかる逆バイアス電圧(>0)[V]
(チャネル領域−ドレイン領域10間の反転層の場合)
よりも大きいことが必要である。例えば、チャネル領域−ソース領域9間に反転層を形成するためには、VR=0[V]、|NA-ND|=1×1018[cm-3]の場合(NA>ND)、固定電荷密度は3.5×1012[cm-2]以上必要である。
However, in order to form the inversion layer, for example, when the impurity concentration in the depletion layer formed in the
ε: dielectric constant of vacuum [F / cm]
N A : Acceptor concentration in the depletion layer [cm -3 ]
N D : Donor concentration in the depletion layer [cm -3 ]
q: Elementary charge [C]
φ B: 2 (k B T / q) ln (| N A -N D | / N i)
Ni : Intrinsic carrier concentration [cm -3 ]
k B : Boltzmann constant [eV / K]
T: Temperature [K]
V R : reverse bias voltage (> 0) [V] applied between the silicon substrate and the
(In the case of an inversion layer between the channel region and the source region 9)
Alternatively, the reverse bias voltage (> 0) [V] applied between the silicon substrate and the drain region
(In the case of an inversion layer between the channel region and the drain region 10)
Must be greater than For example, in order to form an inversion layer between the channel region and the
また、固定電荷によって誘起される反転層のシート抵抗は、低ければ低いほど素子特性は向上する。固定電荷密度が大きいほど反転層として誘起されるキャリア密度は上昇するが、逆に基板表面に対して垂直方向の電界が大きくなるため、キャリア移動度の劣化が起こる。このため、シート抵抗を低くするために最適な固定電荷密度が現われる。 Further, the lower the sheet resistance of the inversion layer induced by the fixed charge, the better the device characteristics. The carrier density induced as the inversion layer increases as the fixed charge density increases, but conversely, the electric field in the direction perpendicular to the substrate surface increases, so that the carrier mobility deteriorates. For this reason, an optimum fixed charge density appears to lower the sheet resistance.
図3にセシウムからなる正の固定電荷によって誘起される反転層のシート抵抗の固定電荷密度依存性の測定結果を示す。図3において、横軸は正の固定電荷密度[cm-2]を表し、縦軸は反転層のシート抵抗[Ω/□]を表している。尚、測定に用いた試料は、次のように作成した。まず、P型シリコン基板(基板濃度:1×1018cm-3)を熱酸化することにより酸化シリコン膜(350Å)を形成し、その上にLP−CVD法(減圧CVD法)により窒化シリコン膜(100Å)を形成した後、セシウムを40keVにてイオン注入し、窒素雰囲気中でアニールを行った。固定電荷として活性化したセシウムの量は、酸化シリコン膜とシリコン基板との界面から約50Å以内に分布する酸化シリコン膜中のセシウム量にほぼ一致した。図3からわかるように、基板濃度一定の条件のもとでは、ある固定電荷密度において、固定電荷によって誘起される反転層のシート抵抗は最小値となる。例えば、基板濃度が1×1018[cm-2]の場合、固定電荷密度を5.3×1012以上かつ3×1014cm-2以下とすることにより、10[kΩ/□]以下の低シート抵抗値を得ることができる。更に好ましくは、1×1013cm-2以上かつ3×1013cm-2以下とすることにより、十分に小さなシート抵抗値を得ることができ、従って、N型チャネルMIS型電界効果トランジスタの駆動電流を非常に大きくすることができる。
同様に、基板濃度1.2×1016cm-3、1.1×1019cm-3のP型シリコン基板を用いて測定した結果、反転層のシート抵抗が10kΩ/□以下となる固定電荷密度はそれぞれ、1.3×1012cm-2以上かつ3.0×1014cm-2以下(基板濃度:1.2×1016cm-3)、2.3×1013cm-2以上かつ3.0×1014cm-2以下(基板濃度:1.1×1019cm-3)であった。
FIG. 3 shows the measurement result of the fixed charge density dependence of the sheet resistance of the inversion layer induced by the positive fixed charge made of cesium. In FIG. 3, the horizontal axis represents positive fixed charge density [cm −2 ], and the vertical axis represents sheet resistance [Ω / □] of the inversion layer. The sample used for the measurement was prepared as follows. First, a P-type silicon substrate (substrate concentration: 1 × 10 18 cm −3 ) is thermally oxidized to form a silicon oxide film (350 mm), and a silicon nitride film is formed thereon by LP-CVD (low pressure CVD). After forming (100 cm), cesium was ion-implanted at 40 keV and annealed in a nitrogen atmosphere. The amount of cesium activated as a fixed charge substantially coincided with the amount of cesium in the silicon oxide film distributed within about 50 cm from the interface between the silicon oxide film and the silicon substrate. As can be seen from FIG. 3, under a certain substrate concentration condition, the sheet resistance of the inversion layer induced by the fixed charge becomes a minimum value at a certain fixed charge density. For example, when the substrate concentration is 1 × 10 18 [cm −2 ], the fixed charge density is set to 5.3 × 10 12 or more and 3 × 10 14 cm −2 or less to 10 [kΩ / □] or less. A low sheet resistance value can be obtained. More preferably, a sheet resistance value sufficiently small can be obtained by setting it to 1 × 10 13 cm −2 or more and 3 × 10 13 cm −2 or less. Therefore, driving of an N-type channel MIS type field effect transistor is possible. The current can be very large.
Similarly, fixed charges with a sheet resistance of the inversion layer of 10 kΩ / □ or less as a result of measurement using a P-type silicon substrate with a substrate concentration of 1.2 × 10 16 cm −3 and 1.1 × 10 19 cm −3. The density is 1.3 × 10 12 cm −2 or more and 3.0 × 10 14 cm −2 or less (substrate concentration: 1.2 × 10 16 cm −3 ), 2.3 × 10 13 cm −2 or more, respectively. In addition, it was 3.0 × 10 14 cm −2 or less (substrate concentration: 1.1 × 10 19 cm −3 ).
P型チャネル素子の場合は、上記セシウムをヨウ素に置き換えることにより、固定電荷の極性は負となる。この場合、反転層が形成されるためには、固定電荷によって形成される空乏層内の不純物濃度が均一の場合、固定電荷密度が、
ε : 真空の誘電率[F/cm]
NA : アクセプター濃度[cm-3]
ND : ドナー濃度[cm-3]
q : 電荷素量[C]
ψB : 2(kBT/q)ln(NA/Ni)
Ni : 真性キャリア濃度[cm-3]
kB : ボルツマン定数[eV/K]
T : 温度[K]
VR : シリコン基板−ソース領域間にかかる逆バイアス電圧(>0)[V]
(またはシリコン基板−ドレイン領域間にかかる逆バイアス電圧)
よりも大きいことが必要である。例えば、チャネル領域−ソース領域9間に反転層を形成するためには、VR=0[V]、|NA−ND|=1×1018[cm-3]の場合(NA<ND)、固定電荷密度は3.5×1012[cm-2]以上必要である。
In the case of a P-type channel element, the polarity of the fixed charge becomes negative by replacing the cesium with iodine. In this case, in order to form the inversion layer, when the impurity concentration in the depletion layer formed by the fixed charge is uniform, the fixed charge density is
ε: dielectric constant of vacuum [F / cm]
N A : Acceptor concentration [cm -3 ]
N D : Donor concentration [cm -3 ]
q: Elementary charge [C]
ψ B: 2 (k B T / q) ln (N A / N i)
Ni : Intrinsic carrier concentration [cm -3 ]
k B : Boltzmann constant [eV / K]
T: Temperature [K]
V R : Reverse bias voltage (> 0) [V] applied between the silicon substrate and the source region
(Or reverse bias voltage between silicon substrate and drain region)
Must be greater than For example, in order to form an inversion layer between the channel region and the
図4にヨウ素からなる負の固定電荷によって誘起される反転層のシート抵抗の固定電荷密度依存性の測定結果を示す。図4において、横軸は負の固定電荷密度[cm-2]を表し、縦軸は反転層のシート抵抗[Ω/□]を表している。尚、測定に用いた試料は、次のように作成した。まず、N型シリコン基板(基板濃度:1×1018cm-3)を熱酸化することにより酸化シリコン膜(350Å)を形成し、その上にLP−CVD法(減圧CVD法)により窒化シリコン膜(100Å)を形成した後、ヨウ素を40keVにてイオン注入し、窒素雰囲気中でアニールを行った。固定電荷として活性化したヨウ素量は、酸化シリコン膜とシリコン基板との界面から約50Å以内に分布する酸化シリコン膜中のヨウ素量にほぼ一致した。
図4からわかるように、固定電荷密度を8×1012cm-2以上とすることにより、20[kΩ/□]以下の低いシート抵抗値を得ることができる。更に好ましくは、1×1014cm-2以上とすることにより、ほぼ最小のシート抵抗を得ることができる。従って、P型チャネルMIS型電界効果トランジスタの駆動電流を大きくすることができる。
同様に、基板濃度1.2×1016cm-3、1.1×1019cm-3のN型シリコン基板を用いて測定した結果、反転層のシート抵抗が20kΩ/□以下となる固定電荷密度はそれぞれ、3.0×1012cm-2以上、2.2×1013cm-2以上であった。
FIG. 4 shows the measurement result of the fixed charge density dependence of the sheet resistance of the inversion layer induced by the negative fixed charge made of iodine. In FIG. 4, the horizontal axis represents the negative fixed charge density [cm −2 ], and the vertical axis represents the sheet resistance [Ω / □] of the inversion layer. The sample used for the measurement was prepared as follows. First, an N-type silicon substrate (substrate concentration: 1 × 10 18 cm −3 ) is thermally oxidized to form a silicon oxide film (350 mm), and a silicon nitride film is formed thereon by LP-CVD (low pressure CVD). After forming (100 cm), iodine was ion-implanted at 40 keV and annealing was performed in a nitrogen atmosphere. The amount of iodine activated as a fixed charge almost coincided with the amount of iodine in the silicon oxide film distributed within about 50 mm from the interface between the silicon oxide film and the silicon substrate.
As can be seen from FIG. 4, by setting the fixed charge density to 8 × 10 12 cm −2 or more, a low sheet resistance value of 20 [kΩ / □] or less can be obtained. More preferably, by setting it to 1 × 10 14 cm −2 or more, a substantially minimum sheet resistance can be obtained. Therefore, the drive current of the P-type channel MIS type field effect transistor can be increased.
Similarly, fixed charges with a sheet resistance of the inversion layer of 20 kΩ / □ or less as a result of measurement using an N-type silicon substrate with a substrate concentration of 1.2 × 10 16 cm −3 and 1.1 × 10 19 cm −3. The densities were 3.0 × 10 12 cm −2 or more and 2.2 × 10 13 cm −2 or more, respectively.
尚、シリコン基板1の代わりに、歪みシリコン基板を用いた場合は、キャリア移動度増大の効果により、上記シート抵抗は更に低下し、より大きな駆動電流を得ることができる。
When a strained silicon substrate is used instead of the
(第2実施形態)
図5(a)〜(c)はこの発明の第2実施形態の半導体装置の製造方法を説明するための工程順に示した半導体装置の一例としてのN型チャネルMIS型電界効果トランジスタの断面図である。
(Second Embodiment)
FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views of an N-type channel MIS field effect transistor as an example of a semiconductor device shown in the order of steps for explaining the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. is there.
図5(a)に示すように、半導体基板の一例としてのP型シリコン基板1の一主面に公知の方法によってSTI(Shallow Trench Isolation)領域2を形成し、素子形成領域を区分する。次にこの素子形成領域の表面に設けた酸窒化シリコンからなる第1の絶縁膜の一例としてのゲート絶縁膜3の上に多結晶シリコン膜を堆積してパターニングし、ゲート電極4を形成する。また、上記ゲート絶縁膜3の材質は酸化シリコンであってもよいが、酸窒化シリコンを用いることにより、後の工程での熱処理等によって、セシウム等の固定電荷となる不純物がゲート絶縁膜3中に拡散するのを防ぐことができる。尚、ゲート電極4に覆われていない領域のゲート絶縁膜3は除去してもよい。
As shown in FIG. 5A, an STI (Shallow Trench Isolation)
次に、図5(b)に示すように、上記シリコン基板1全面に、例えばCVD法を用いて第2の絶縁膜の一例としての酸化シリコン膜5を形成する。上記酸化シリコン膜5は、酸窒化シリコン膜であってもよい。また、上記酸化シリコン膜5は、NO、N2O、NH3、窒素ラジカルのうちの少なくとも1つを含む雰囲気中で熱処理することによって酸窒化しても良い。上記酸化シリコン膜5の膜厚は、ゲート絶縁膜3の膜厚よりも大きくすることが好ましい。上記酸化シリコン膜5の膜厚を、ゲート絶縁膜3の膜厚より大きくすることにより、後の工程で上記酸化シリコン膜10中に注入するセシウム等の固定電荷が、熱工程等によりゲート電極4方向へ拡散する場合、酸化シリコン膜5中を拡散するセシウム等の固定電荷から見た断面積が、ゲート絶縁膜3において小さくなるため、ゲート絶縁膜3中に拡散するのを防ぐことができる。従って、固定電荷の分布を高精度に制御することが可能となる。また、ゲート絶縁膜3の膜厚は通常数ナノメートル程度以下の極薄であるが、ゲート絶縁膜3とは独立に酸化シリコン膜5の膜厚を制御できるため、後の工程で酸化シリコン膜5中にセシウム等をイオン注入するときに、例えば注入エネルギーを比較的高くできるため、製造条件の制限が少なく、容易に製造することが可能となる。
Next, as shown in FIG. 5B, a
次に、上記シリコン基板1全面に、例えばLP-CVD(減圧CVD)法によって、第3の絶縁膜の一例としての窒化シリコン膜13を堆積する。窒化シリコン膜中では、後の工程で酸化シリコン膜5中に注入するセシウム等の固定電荷となる不純物が、高温においてもほとんど拡散しないので、酸化シリコン膜5中の上記固定電荷となる不純物が上記シリコン基板1に対して反対方向に拡散することを防ぐことができる。従って、酸化シリコン膜5中の固定電荷分布の制御が容易となる。
Next, a
次に、図5(b)に示すように、シリコン基板表面にレジストを塗布した後、STI領域2を覆い、かつ、素子形成領域のうちの少なくともソース・ドレインエクステンションを形成する領域が開口するようにレジストをパターニングすることによって、レジストマスク6を形成する。その後、ゲート電極4およびレジストマスク6をマスクとして、酸化シリコン膜5中にセシウムイオンをイオン注入する。そうして、上記酸化シリコン膜5に、セシウムからなる正の固定電荷を含む領域7が形成される。
Next, as shown in FIG. 5B, after a resist is applied to the surface of the silicon substrate, the
次に、図5(c)に示すように、レジストマスク6(図5(b)に示す)を剥離後、CVD法により酸化シリコン膜を所望の厚さ堆積し、RIEによりエッチバックすることによってゲート側壁8を形成する。但し、上記酸化シリコン膜は絶縁性を有する限り材質は何でも良いが、セシウム等の拡散を防ぐ酸窒化シリコン膜や窒化シリコン膜等の材質が好ましい。その後、ゲート電極4およびゲート側壁8をマスクとして砒素イオンをイオン注入し、ソース領域9およびドレイン領域10を形成後、活性化アニールを行う。これにより、酸化シリコン膜5中のセシウムは、酸化シリコン膜5と半導体基板1との界面付近、酸化シリコン膜5とゲート絶縁膜3との界面付近等にパイルアップするため、自己整合的に固定電荷分布を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 5C, after removing the resist mask 6 (shown in FIG. 5B), a silicon oxide film is deposited to a desired thickness by the CVD method and etched back by RIE.
尚、活性化アニールは、RTA(Rapid Thermal Annealing:瞬間アニール)、スパイクアニール、フラッシュランプアニール、レーザーアニール等による高温短時間のアニールが好ましい。例えば、800℃〜1100℃、1秒〜180秒程度のアニールを行う。また、ソース領域9およびドレイン領域10形成前、かつ、セシウムを酸化シリコン膜5にイオン注入した後に、活性化アニールとは別に、セシウムの再分布を促すアニールを行ってもよい。例えば、700℃〜1100℃、1秒〜2時間程度のアニールを行ってもよい。活性化アニール後にサリサイドを形成しても良い。
The activation annealing is preferably high-temperature short-time annealing such as RTA (Rapid Thermal Annealing), spike annealing, flash lamp annealing, or laser annealing. For example, annealing is performed at 800 ° C. to 1100 ° C. for about 1 second to 180 seconds. In addition to the activation annealing, annealing for promoting redistribution of cesium may be performed before the
次に、図5(d)に示すように、層間絶縁膜11、上部配線12等を形成して半導体装置が完成する。
Next, as shown in FIG. 5D, the
この発明の第2実施形態の半導体装置は、ゲート電極4に覆われたチャネル領域とソース領域9,ドレイン領域10との間にある酸化シリコン膜5中にセシウムからなる正の固定電荷を含む領域7を有している。上記正の固定電荷を含む領域7から発せられる電界により、上記正の固定電荷を含む領域7下のシリコン基板1表面でバンドベンディングが起こり、正の固定電荷を含む領域7下のシリコン基板1表面に反転層が形成される。上記反転層は、チャネル領域とソース領域9およびドレイン領域10との間に形成されているので、極めて浅いソース・ドレインエクステンションとして機能する。
The semiconductor device according to the second embodiment of the present invention includes a region containing positive fixed charges made of cesium in a
この第2実施形態では、酸化シリコン膜5上に酸化シリコン膜13を形成した後、上記酸化シリコン膜5中にセシウムをイオン注入し、アニールしている。窒化シリコン膜13中では、セシウム等の固定電荷となる不純物は拡散しないため、上記酸化シリコン膜5中のセシウムが、シリコン基板1に対して反対方向に拡散するのを防ぐことができる。
In the second embodiment, after the
また、ゲート絶縁膜3として酸窒化シリコンを用いているため、酸窒化シリコン中ではセシウム等の固定電荷となる不純物が拡散しにくいのに加えて、ゲート絶縁膜3と酸化シリコン膜5との間には材質の違いから界面が存在するため、ゲート絶縁膜3方向に熱拡散するセシウム等の不純物が、上記界面にパイルアップし、ゲート絶縁膜3中に拡散するのを防ぐことができる。
In addition, since silicon oxynitride is used as the
更に、酸化シリコン膜5の膜厚をゲート絶縁膜3の膜厚より大きくしているため、セシウムのゲート絶縁膜3中への拡散をより効果的に抑制することができる。
Furthermore, since the thickness of the
従って、酸化シリコン膜5中の固定電荷分布を自己整合的に制御することができるため、ゲート電極4とソース・ドレインエクステンションとのオフセットまたはオーバーラップを極めて抑制した、短チャネル効果特性に優れたMIS型電界効果トランジスタを容易に提供することができる。
Accordingly, since the fixed charge distribution in the
(第3実施形態)
図6(a)〜(d)はこの発明の第3実施形態の半導体装置の製造方法を説明するための工程順に示した半導体装置の一例としてのN型チャネルMIS型電界効果トランジスタの断面図である。
(Third embodiment)
6A to 6D are cross-sectional views of an N-type channel MIS field effect transistor as an example of a semiconductor device shown in the order of steps for explaining the method of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. is there.
図6(a)に示すように、半導体基板の一例としてのP型シリコン基板1の一主面に公知の方法によってSTI(Shallow Trench Isolation)領域2を形成し、素子形成領域を区分する。次にこの素子形成領域の表面に設けた酸窒化シリコンからなる第1の絶縁膜の一例としてのゲート絶縁膜3の上に多結晶シリコン膜を堆積してパターニングし、ゲート電極4を形成する。ゲート電極4に覆われていない領域のゲート絶縁膜3は必ずしも除去しなくても良い。
As shown in FIG. 6A, an STI (Shallow Trench Isolation)
次に、図6(a)に示すように、上記シリコン基板1全面に、例えばCVD法を用いて第2の絶縁膜の一例としての酸化シリコン膜5を形成する。次に、例えば、LP−CVD法により、第3の絶縁膜の一例としての窒化シリコン膜13を形成する。次に、CVD法により、酸化シリコン膜を所望の膜厚に堆積した後、RIEによってエッチバックし、ゲート側壁8を形成する。
Next, as shown in FIG. 6A, a
次に、図6(b)に示すように、ゲート電極4およびゲート側壁8をマスクとして、砒素イオンをイオン注入し、ソース領域9およびドレイン領域10を形成し、活性化アニールを行う。
Next, as shown in FIG. 6B, arsenic ions are ion-implanted using the
次に、図6(c)に示すように、RIEまたは弗酸溶液等により、酸化シリコンからなるゲート側壁8を除去する。窒化シリコン膜13がシリコン基板全面を覆っているため、容易にゲート側壁14を除去することができる。次に、シリコン基板全面にレジストを塗布し、STI領域2を覆い、かつ、素子形成領域のうちの少なくともソース・ドレインエクステンションを形成する領域が開口するようにレジストをパターニングすることによって、レジストマスク6を形成する。その後、ゲート電極4およびレジストマスク6をマスクとして上記酸化シリコン膜5中にセシウムイオンをイオン注入する。
Next, as shown in FIG. 6C, the
次に、図6(d)に示すように、レジストを剥離した後、セシウムの再分布のためのアニールを行う。 Next, as shown in FIG. 6D, after removing the resist, annealing for redistribution of cesium is performed.
上記ソース領域9およびドレイン領域10を形成して活性化アニールを行った後に、セシウムイオン注入、およびセシウムの再分布のためのアニールを行うことができるため、セシウムの分布を精密に制御することができる。セシウム再分布のためのアニールは、例えばRTA等の高温短時間のアニールが好ましい。
After the
次に、公知の方法で、層間絶縁膜11、上部配線12等を形成して半導体装置が完成する。
Next, the
この発明の第3実施形態の半導体装置は、ゲート電極4に覆われたチャネル領域とソース領域9,ドレイン領域10との間にある酸化シリコン膜5中にセシウムからなる正の固定電荷を含む領域7を有している。上記正の固定電荷を含む領域7から発せられる電界により、上記正の固定電荷を含む領域7下のシリコン基板1表面でバンドベンディングが起こり、正の固定電荷を含む領域7下のシリコン基板1表面に反転層が形成される。上記反転層は、チャネル領域とソース領域9およびドレイン領域10との間に形成されているので、極めて浅いソース・ドレインエクステンションとして機能する。
The semiconductor device according to the third embodiment of the present invention includes a region containing positive fixed charges made of cesium in a
この第3実施形態では、ソース領域9およびドレイン領域10の形成、および活性化アニールを行った後、セシウムを酸化シリコン膜5中にイオン注入し、セシウムの再配置のためのアニールを行っている。従って、セシウムの再配置のためのアニールは、ソース領域9およびドレイン領域10等の不純物の活性化のための活性化アニール条件に影響されることなく、独立に制御することができるため、酸化シリコン膜5中の固定電荷分布を極めて精度よく制御することが可能となる。従って、短チャネル効果特性に極めて優れたMIS型電界効果トランジスタを提供することができる。
In the third embodiment, after forming the
1…シリコン基板
2…STI領域
3…ゲート絶縁膜
4…ゲート電極
5…酸化シリコン膜
6…レジストマスク
7…正の固定電荷を含む領域
8…ゲート側壁
9…ソース領域
10…ドレイン領域
11…層間絶縁膜
12…上部配線
13…窒化シリコン膜
101…シリコン基板
109…ソース領域
110…ドレイン領域
114…第1のゲート絶縁膜
115…第1のゲート電極
116…第2のゲート絶縁膜
117…第2のゲート電極
DESCRIPTION OF
Claims (8)
上記半導体基板の一主面上に第1の絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
上記半導体基板の一主面側の上記ゲート電極に覆われていない領域に設けられたN型のソース領域およびドレイン領域と、
上記ゲート電極下のチャネル領域と上記ソース領域およびドレイン領域とに挟まれた領域上に、固定電荷となる不純物としてセシウム,バリウムおよびルビジウムのうちの少なくとも1つを含む第2の絶縁膜を備え、上記第2の絶縁膜に接する上記P型若しくはイントリンシックの半導体基板の表面付近で反転層が形成された半導体装置の製造方法であって、
上記半導体基板の一主面上に設けられた上記第1の絶縁膜の上に選択的に上記ゲート電極を形成する工程と、
上記半導体基板の一主面上の上記ゲート電極に覆われていない領域に上記第2の絶縁膜を形成する工程と、
上記ゲート電極をマスクとして上記第2の絶縁膜中に上記固定電荷となる不純物を注入する工程と、
上記第2の絶縁膜中に上記固定電荷となる不純物を注入する工程の後に、上記第2の絶縁膜中の上記固定電荷となる不純物の再分布を促すアニール工程と
を含み、
上記第1の絶縁膜は、上記第2の絶縁膜とは異なる組成であって、かつ、上記第2の絶縁膜中の固定電荷となる不純物が上記第2の絶縁膜よりも拡散しにくい膜質であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A P-type or intrinsic semiconductor substrate;
A gate electrode formed on one main surface of the semiconductor substrate via a first insulating film;
An N-type source region and drain region provided in a region not covered by the gate electrode on one main surface side of the semiconductor substrate;
A second insulating film including at least one of cesium, barium, and rubidium as an impurity that becomes a fixed charge on a region sandwiched between the channel region under the gate electrode and the source region and the drain region ; A method of manufacturing a semiconductor device in which an inversion layer is formed near the surface of the P-type or intrinsic semiconductor substrate in contact with the second insulating film ,
Selectively forming the gate electrode on the first insulating film provided on one main surface of the semiconductor substrate;
Forming the second insulating film in a region not covered by the gate electrode on one main surface of the semiconductor substrate;
Implanting the impurity serving as the fixed charge into the second insulating film using the gate electrode as a mask;
An annealing step for promoting redistribution of the impurity as the fixed charge in the second insulating film after the step of injecting the impurity as the fixed charge into the second insulating film;
Including
The first insulating film has a composition different from that of the second insulating film, and a film quality in which impurities serving as fixed charges in the second insulating film are less likely to diffuse than the second insulating film. the method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that it.
上記固定電荷は、上記セシウムからなる正の固定電荷であって、
上記セシウムの面密度が5.3×1012cm-2以上かつ3×1014cm-2以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1,
The fixed charge is a positive fixed charge made of the cesium,
A method of manufacturing a semiconductor device , wherein the surface density of the cesium is 5.3 × 10 12 cm −2 or more and 3 × 10 14 cm −2 or less.
上記半導体基板の一主面上に第1の絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
上記半導体基板の一主面側の上記ゲート電極に覆われていない領域に設けられたP型のソース領域およびドレイン領域と、
上記ゲート電極下のチャネル領域と上記ソース領域およびドレイン領域とに挟まれた領域上に、固定電荷となる不純物としてのヨウ素を含む第2の絶縁膜を備え、上記第2の絶縁膜に接する上記N型若しくはイントリンシックの半導体基板の表面付近で反転層が形成された半導体装置の製造方法であって、
上記半導体基板の一主面上に設けられた上記第1の絶縁膜の上に選択的に上記ゲート電極を形成する工程と、
上記半導体基板の一主面上の上記ゲート電極に覆われていない領域に上記第2の絶縁膜を形成する工程と、
上記ゲート電極をマスクとして上記第2の絶縁膜中に上記固定電荷となる不純物を注入する工程と、
上記第2の絶縁膜中に上記固定電荷となる不純物を注入する工程の後に、上記第2の絶縁膜中の上記固定電荷となる不純物の再分布を促すアニール工程と
を含み、
上記第1の絶縁膜は、上記第2の絶縁膜とは異なる組成であって、かつ、上記第2の絶縁膜中の固定電荷となる不純物が上記第2の絶縁膜よりも拡散しにくい膜質であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 An N-type or intrinsic semiconductor substrate;
A gate electrode formed on one main surface of the semiconductor substrate via a first insulating film;
A P-type source region and drain region provided in a region not covered by the gate electrode on one main surface side of the semiconductor substrate;
A second insulating film containing iodine as an impurity serving as a fixed charge is provided on a region sandwiched between the channel region under the gate electrode and the source region and the drain region, and is in contact with the second insulating film A method of manufacturing a semiconductor device in which an inversion layer is formed near the surface of an N-type or intrinsic semiconductor substrate ,
Selectively forming the gate electrode on the first insulating film provided on one main surface of the semiconductor substrate;
Forming the second insulating film in a region not covered by the gate electrode on one main surface of the semiconductor substrate;
Implanting the impurity serving as the fixed charge into the second insulating film using the gate electrode as a mask;
An annealing step for promoting redistribution of the impurity as the fixed charge in the second insulating film after the step of injecting the impurity as the fixed charge into the second insulating film;
Including
The first insulating film has a composition different from that of the second insulating film, and a film quality in which impurities serving as fixed charges in the second insulating film are less likely to diffuse than the second insulating film. the method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that it.
上記ヨウ素の面密度が8×1012cm-2以上であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 3,
A method for manufacturing a semiconductor device , wherein the iodine has an areal density of 8 × 10 12 cm −2 or more.
上記第2の絶縁膜上の一部または全部を覆うように形成された第3の絶縁膜を備え、
上記第3の絶縁膜は、上記第2の絶縁膜上の一部または全部を覆うように形成されているシリコン窒化膜であるか、または上記第2の絶縁膜上の一部を覆うように形成されているシリコン酸窒化膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
A third insulating film formed so as to cover part or all of the second insulating film;
The third insulating film is a silicon nitride film formed so as to cover a part or all of the second insulating film, or covers a part of the second insulating film. A method for manufacturing a semiconductor device , which is a silicon oxynitride film formed.
上記第2の絶縁膜の膜厚が上記第1の絶縁膜の膜厚よりも大きいことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
A method for manufacturing a semiconductor device , wherein the thickness of the second insulating film is larger than the thickness of the first insulating film.
上記半導体基板に、歪を印加したシリコン基板を用いたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to any one of claims 1 to 6,
A method for manufacturing a semiconductor device , wherein a strained silicon substrate is used as the semiconductor substrate.
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