JP4723182B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

この発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特にMIS(Metal insulator semiconductor)型電界効果トランジスタ等の半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device such as a MIS (Metal insulator semiconductor) field effect transistor and a manufacturing method thereof.

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7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7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101の表面のうち、第1のゲート電極115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. 7, the first gate insulating film 114 formed on the silicon substrate 101 and the first gate insulating film 114 formed on the first gate insulating film 114 are formed. Of the surface of the silicon substrate 101, the first gate electrode 115 and the second gate electrode 117 formed so as to cover the first gate electrode 115 with the second gate insulating film 116 interposed therebetween. The source region 109 and the drain region 110 are formed at positions away from the channel region under the electrode 115.

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 silicon substrate 101 immediately below the second gate electrode 117 by applying a voltage to the second gate electrode 117 independently of the first gate electrode 115. Shallow source / drain extensions can be formed. Thereby, the short channel effect can be extremely suppressed.

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。
Hisao Kawamura,Toshisugu Sakamoto,Toshio Baba,Yukinori Ochiai,Jun'ich Fujita,and Jun'ich Sone著,「アイトリプルイー・トランザクション・オン・エレクトロン・デバイセズ(IEEE TRANSACTION ON ELETRON DEVICES)」,米国,アイトリプルイー(IEEE),第47巻(VOL.47),第4号(NO.4),2000年4月(APRIL2000),P.856-860
However, in the MIS field effect transistor, by forming the second gate electrode 117, a parasitic capacitance generated between the first gate electrode 115 and the second gate electrode 117 becomes a load, and for example, an integrated circuit is integrated. When a circuit or the like is formed, there is a problem that the operation speed is reduced. Further, compared to a normal MIS type field effect transistor, it is necessary to form an extra contact and wiring for the second gate electrode 117, which causes an increase in element size and a decrease in the degree of freedom in wiring design. There is.
Hisao Kawamura, Toshisugu Sakamoto, Toshio Baba, Yukinori Ochiai, Jun'ich Fujita, and Jun'ich Sone, "IEEE TRANSACTION ON ELETRON DEVICES", USA (IEEE), Volume 47 (VOL.47), Issue 4 (NO.4), April 2000 (APRIL2000), P.856-860

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およびその製造方法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 manufacture a semiconductor device such as a MIS field effect transistor that can suppress a short channel effect without causing an increase in parasitic capacitance or element size, and its manufacture. It is to provide a method.

上記目的を達成するため、第1の発明の半導体装置は、第1導電型の半導体基板と、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第2導電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に挟まれた領域上および上記チャネル領域とドレイン領域に挟まれた領域上に、上記チャネル領域を通過するキャリアと異なる極性の固定電荷を含んだ第2の絶縁膜を備え、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域と上記半導体基板との界面が、上記第1の絶縁膜と上記半導体基板との界面よりも上記半導体基板側の深い位置にあると共に、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り、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域に接する上記第1導電型の半導体基板の表面付近で反転層が形成されることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to a first invention includes a first conductivity type semiconductor substrate, a gate electrode formed on one main surface of the semiconductor substrate via a first insulating film, A source region and a drain region of a second conductivity type provided in a region not covered by the gate electrode on one main surface side of the semiconductor substrate; a channel region under the gate electrode; and a region sandwiched between the source regions And a second insulating film containing a fixed charge having a polarity different from that of carriers passing through the channel region on a region sandwiched between the channel region and the drain region, and including the fixed charge of the second insulating film The interface between the region and the semiconductor substrate is at a deeper position on the semiconductor substrate side than the interface between the first insulating film and the semiconductor substrate, and the first insulating film is the second insulating film. With a different composition I, and a said second diffusion hard film quality than impurities above a fixed charge second insulating film in the insulating film, the first contact with the region containing the fixed charge of the second insulating film An inversion layer is formed in the vicinity of the surface of the one conductivity type semiconductor substrate.

なお、本明細書において、第1導電型および第2導電型とは、半導体の導電型を表す。第2導電型がP型の場合、第1導電型はN型またはイントリンシック(真性半導体)を意味し、第2導電型がN型の場合、第1導電型はP型またはイントリンシックを意味する。   In the present specification, the first conductivity type and the second conductivity type represent semiconductor conductivity types. When the second conductivity type is P type, the first conductivity type means N type or intrinsic (intrinsic semiconductor), and when the second conductivity type is N type, the first conductivity type means P type or intrinsic. To do.

上記構成の半導体装置によれば、上記半導体基板の一主面側のゲート電極下のチャネル領域とソース領域に挟まれた領域上およびチャネル領域とドレイン領域に挟まれた領域上に、上記チャネル領域を通過するキャリアと異なる極性の固定電荷を含んだ第2の絶縁膜を備えている。このため、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域下の第1導電型半導体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。更に、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域と上記半導体基板との界面が、上記第1の絶縁膜と上記半導体基板との界面よりも上記半導体基板側に位置することによって、固定電荷(特に第2の絶縁膜と半導体基板との界面付近にある固定電荷)とゲート電極との間の距離を大きく取ることができる。このため、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域から伸びる電気力線がゲート電極で終端されることがほとんどなく、半導体基板側で終端することができ、高キャリア密度の反転層が形成可能である。従って、上記反転層は、極浅かつ低抵抗のソース・ドレインエクステンションとして機能することができる。   According to the semiconductor device having the above structure, the channel region is formed on the region sandwiched between the channel region and the source region under the gate electrode on the one main surface side of the semiconductor substrate and on the region sandwiched between the channel region and the drain region. A second insulating film containing a fixed charge having a polarity different from that of the carrier passing through the substrate. For this reason, band inversion occurs in the vicinity of the surface of the first conductivity type semiconductor below the region including the fixed charge of the second insulating film, whereby an inversion layer is formed, and extremely shallow source / drain extensions are formed. Further, the interface between the region including the fixed charge of the second insulating film and the semiconductor substrate is located closer to the semiconductor substrate than the interface between the first insulating film and the semiconductor substrate, thereby fixing the fixed charge. The distance between the gate electrode (particularly, the fixed charge near the interface between the second insulating film and the semiconductor substrate) and the gate electrode can be increased. For this reason, the electric lines of force extending from the region including the fixed charge of the second insulating film are hardly terminated at the gate electrode, can be terminated at the semiconductor substrate side, and a high carrier density inversion layer is formed. Is possible. Therefore, the inversion layer can function as a very shallow and low resistance source / drain extension.

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がない。   Further, since there is no need to add an extra electrode or the like to a normal MIS type field effect transistor, there is no increase in parasitic capacitance or an element area.

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した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。   Accordingly, it is possible to provide a semiconductor device such as a MIS field effect transistor in which the short channel effect is suppressed without causing an increase in parasitic capacitance or element size.

また、一実施形態の半導体装置は、上記固定電荷となる不純物としてセシウムを用い、上記キャリアが電子であるとき、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域の上記固定電荷の面密度が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 , when the cesium is used as the impurity that becomes the fixed charge and the carrier is an electron , the surface density of the fixed charge in the region including the fixed charge of the second insulating film is 5 It is characterized by being not less than 3 × 10 12 cm −2 and not more than 3 × 10 14 cm −2 .

上記実施形態の半導体装置によれば、この半導体装置が電子をキャリアとするN型チャネル素子の場合に、上記第2の絶縁膜の正の固定電荷を含む領域の上記固定電荷の面密度が5.3×1012cm-2以上かつ3×1014cm-2以下とすることにより、正の固定電荷を含む領域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 semiconductor device of the above embodiment, when the semiconductor device is an N-type channel element using electrons as carriers, the surface density of the fixed charge in the region including the positive fixed charge of the second insulating film is 5 By setting it to 3 × 10 12 cm −2 or more and 3 × 10 14 cm −2 or less, the sheet resistance of the inversion layer induced by the region including the positive fixed charge can be sufficiently reduced, and the driving current is extremely high. Can be obtained.

また、一実施形態の半導体装置は、上記キャリアが電子であるとき、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域の一部または全部に、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つを用いたことを特徴としている。   In one embodiment, when the carrier is an electron, a part or all of the region including the fixed charge in the second insulating film includes cesium, barium, and rubidium as impurities that become the fixed charge. It is characterized by using at least one of the following.

上記実施形態の半導体装置によれば、この半導体装置がN型チャネル素子の場合に、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つを用いて、正の固定電荷を実現している。   According to the semiconductor device of the above embodiment, when this semiconductor device is an N-type channel element, positive fixed charges are realized using at least one of cesium, barium, and rubidium.

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電荷が移動することがない。従って、上記セシウム、バリウム、ルビジウムは、正の固定電荷となる不純物として極めて有効な物質である。更に、高温においては、例えば酸化シリコン膜等の絶縁膜中で拡散する性質や、例えば酸化シリコンと半導体基板との界面等の界面付近にパイルアップする性質がある。従って、熱拡散を用いることによって、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域と半導体基板との界面付近に固定電荷を分布させることが自己整合的に実現される。従って、ゲート電極から遠く、半導体基板に非常に近い位置に正の固定電荷を分布させることが非常に容易である。   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 are easy to move even at room temperature, so that charges do not move in the normal device operating temperature region. Therefore, the above cesium, barium, and rubidium are extremely effective substances as impurities that become positive fixed charges. Further, at a high temperature, there is a property of diffusing in an insulating film such as a silicon oxide film, and a property of pile-up near an interface such as an interface between a silicon oxide and a semiconductor substrate. Therefore, by using thermal diffusion, the distribution of the fixed charges near the interface between the region including the fixed charges of the second insulating film and the semiconductor substrate is realized in a self-aligned manner. Therefore, it is very easy to distribute positive fixed charges at positions far from the gate electrode and very close to the semiconductor substrate.

また、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るため、特別な装置を必要とせず、注入量を精密に制御しながら容易に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。   Moreover, since the cesium, barium, and rubidium can be introduced into the second insulating film using a general ion implantation apparatus as a semiconductor manufacturing apparatus, a special apparatus is not required and the implantation amount It is possible to easily manufacture a semiconductor device such as an N-type channel MIS type field effect transistor while precisely controlling.

また、一実施形態の半導体装置は、上記固定電荷となる不純物としてヨウ素を用い、上記キャリアが正孔であるとき、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域の面密度が8×1012cm-2以上であることを特徴としている。 In one embodiment of the present invention, when iodine is used as the impurity that becomes the fixed charge and the carrier is a hole, the area density of the region including the fixed charge of the second insulating film is 8 × 10 12. It is characterized by being cm −2 or more.

上記実施形態の半導体装置によれば、この半導体装置が正孔をキャリアとするP型チャネル素子の場合に、上記第2の絶縁膜の負の固定電荷を含む領域の面密度が8×1012cm-2以上にすることにより、負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 semiconductor device of the above embodiment, when the semiconductor device is a P-type channel element using holes as carriers, the area density of the region including the negative fixed charge of the second insulating film is 8 × 10 12. By setting it to cm −2 or more, the sheet resistance of the inversion layer induced by the negative fixed charge can be sufficiently reduced, and a very high driving current can be obtained.

また、一実施形態の半導体装置は、上記キャリアが正孔であるとき、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域の一部または全部に、固定電荷となる不純物としてヨウ素を用いたことを特徴としている。   In one embodiment, when the carrier is a hole, iodine is used as an impurity that becomes a fixed charge in part or all of the region including the fixed charge in the second insulating film. It is a feature.

上記実施形態の半導体装置によれば、この半導体装置が正孔をキャリアとするP型チャネル素子の場合に、ヨウ素を用いて、負の固定電荷を実現している。   According to the semiconductor device of the above embodiment, when the semiconductor device is a P-type channel element using holes as carriers, negative fixed charges are realized using iodine.

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、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はない。従って、上記ヨウ素は、負の固定電荷として極めて有効な物質であると共に、高温において、例えば酸化シリコン膜等の絶縁膜中で拡散する性質や、例えば酸化シリコンと半導体基板との界面等の界面付近にパイルアップする性質がある。従って、熱拡散を用いることによって、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域と半導体基板との界面付近に固定電荷を分布させることが自己整合的に実現される。従って、ゲート電極から遠く、半導体基板に非常に近い位置に負の固定電荷を分布させることが非常に容易である。   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 the atomic number is large, unlike light elements such as fluorine and chlorine, which easily move at room temperature, charges do not move in the normal device operating temperature region. Therefore, the iodine is a substance that is extremely effective as a negative fixed charge, diffuses in an insulating film such as a silicon oxide film at a high temperature, and near the interface such as an interface between a silicon oxide and a semiconductor substrate. Has the property of pile-up. Therefore, by using thermal diffusion, the distribution of the fixed charges near the interface between the region including the fixed charges of the second insulating film and the semiconductor substrate is realized in a self-aligned manner. Therefore, it is very easy to distribute negative fixed charges at positions far from the gate electrode and very close to the semiconductor substrate.

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るため、特別な装置を必要とせず、注入量を精密に制御しながら容易に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。   Since the iodine can be introduced into the second insulating film using a general ion implantation apparatus as a semiconductor manufacturing apparatus, a special apparatus is not required and the implantation amount is precisely controlled. A semiconductor device such as a P-type channel MIS field effect transistor can be easily manufactured.

また、第2の発明の半導体装置の製造方法は、上記半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、半導体基板の一主面に設けられた第1の絶縁膜の上に選択的にゲート電極を形成する工程と、上記半導体基板の一主面のうちの上記ゲート電極に覆われていない領域に、上記半導体基板との化学反応によって第2の絶縁膜を形成する工程と、上記第2の絶縁膜中に固定電荷となる不純物を注入する工程とを含むことを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method for manufacturing the semiconductor device, wherein the semiconductor device is selectively formed on the first insulating film provided on one main surface of the semiconductor substrate. A step of forming a gate electrode; a step of forming a second insulating film in a region of the main surface of the semiconductor substrate that is not covered with the gate electrode by a chemical reaction with the semiconductor substrate; And the step of injecting an impurity which becomes a fixed charge into the insulating film.

上記半導体装置の製造方法によれば、上記第1の絶縁膜の上に選択的にゲート電極を形成後に、上記半導体基板の一主面のうち上記ゲート電極に覆われていない領域に、半導体基板との化学反応(例えば半導体基板表面の酸化)によって第2の絶縁膜を形成するため、第2の絶縁膜と半導体基板との界面を、第1の絶縁膜と半導体基板との界面よりも深い位置(半導体基板側)に容易に形成することができる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device, after a gate electrode is selectively formed on the first insulating film, a semiconductor substrate is formed in a region of the main surface of the semiconductor substrate that is not covered with the gate electrode. In order to form the second insulating film by a chemical reaction (for example, oxidation of the surface of the semiconductor substrate), the interface between the second insulating film and the semiconductor substrate is deeper than the interface between the first insulating film and the semiconductor substrate. It can be easily formed at the position (semiconductor substrate side).

これにより、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域下の半導体表面付近でバンドベンディングにより反転層が形成され、極めて浅いソース・ドレインエクステンションが形成される。更に、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域から伸びる電気力線がゲート電極で終端されることがほとんどなく、半導体基板側で終端することができ、高キャリア密度の反転層が形成可能である。   As a result, an inversion layer is formed by band bending near the semiconductor surface under the region including the fixed charge of the second insulating film, and extremely shallow source / drain extensions are formed. Furthermore, the lines of electric force extending from the region including the fixed charge in the second insulating film are hardly terminated at the gate electrode, can be terminated at the semiconductor substrate side, and a high carrier density inversion layer can be formed. It is.

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した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できる。   Therefore, it is possible to manufacture a semiconductor device such as a MIS field effect transistor in which the short channel effect is suppressed without causing an increase in parasitic capacitance or element size.

また、一実施形態の半導体装置の製造方法は、上記第2の絶縁膜中に固定電荷となる不純物を注入する工程の後に、アニール工程を含むことを特徴としている。   In one embodiment, the method of manufacturing a semiconductor device includes an annealing step after the step of injecting impurities that become fixed charges into the second insulating film.

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の絶縁膜中に固定電荷となる不純物を注入する工程の後にアニールを行うため、上記第2の絶縁膜中で上記固定電荷の再分布が起き、第2の絶縁膜と半導体基板の界面付近に自己整合的に固定電荷を分布させることが容易にできる。   According to the method of manufacturing a semiconductor device of the above embodiment, since the annealing is performed after the step of injecting impurities that become fixed charges into the second insulating film, the fixed charges are regenerated in the second insulating film. Distribution occurs, and fixed charges can be easily distributed in the vicinity of the interface between the second insulating film and the semiconductor substrate in a self-aligning manner.

また、第3の発明の半導体装置の製造方法は、上記半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、半導体基板の一主面に設けられた第1の絶縁膜の上に選択的にゲート電極を形成する工程と、上記半導体基板の一主面のうちの上記ゲート電極に覆われていない領域に、上記半導体基板との化学反応によって第2の絶縁膜を形成する工程と、上記第2の絶縁膜を形成した後、窒素,一酸化窒素,一酸化二窒素,アンモニアおよび窒素ラジカルのうちの少なくとも1つを含む雰囲気にさらす工程を含むことを特徴としている。   According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method for manufacturing the semiconductor device, wherein the semiconductor device is selectively formed on the first insulating film provided on one main surface of the semiconductor substrate. A step of forming a gate electrode; a step of forming a second insulating film in a region of the main surface of the semiconductor substrate that is not covered with the gate electrode by a chemical reaction with the semiconductor substrate; After forming the two insulating films, the method includes a step of exposing to an atmosphere containing at least one of nitrogen, nitric oxide, dinitrogen monoxide, ammonia, and nitrogen radicals.

上記半導体装置の製造方法によれば、第1の絶縁膜の上に選択的にゲート電極を形成した後に、上記半導体基板の一主面のうち上記ゲート電極に覆われていない領域に、上記半導体基板との化学反応(例えば半導体基板表面の酸化)によって第2の絶縁膜を形成し、その後、窒素、一酸化窒素、一酸化二窒素、アンモニア、窒素ラジカルのうち少なくとも1つを含む雰囲気にさらすことによって、上記第2の絶縁膜中、特に上記第2の絶縁膜と半導体基板との界面付近に窒素原子が導入され、シリコン−窒素間結合等の原子間の結合欠陥、歪み等に由来する固定電荷を容易に形成することができる。また、上記半導体基板との化学反応によって第2の絶縁膜を形成するため、第2の絶縁膜と半導体基板との界面を、第1の絶縁膜と半導体基板との界面よりも深い位置(半導体基板側)に容易に形成することができる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device, after the gate electrode is selectively formed on the first insulating film, the semiconductor substrate is formed in a region of the main surface of the semiconductor substrate that is not covered with the gate electrode. A second insulating film is formed by a chemical reaction with the substrate (for example, oxidation of the surface of the semiconductor substrate), and then exposed to an atmosphere containing at least one of nitrogen, nitrogen monoxide, dinitrogen monoxide, ammonia, and nitrogen radicals. As a result, nitrogen atoms are introduced into the second insulating film, particularly in the vicinity of the interface between the second insulating film and the semiconductor substrate, resulting from bond defects between atoms, such as silicon-nitrogen bonds, and strain. A fixed charge can be easily formed. In addition, since the second insulating film is formed by a chemical reaction with the semiconductor substrate, the interface between the second insulating film and the semiconductor substrate is positioned deeper than the interface between the first insulating film and the semiconductor substrate (semiconductor It can be easily formed on the substrate side).

これにより、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域下の半導体表面付近でバンドベンディングにより反転層が形成され、極めて浅いソース・ドレインエクステンションが形成される。更に、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域から伸びる電気力線がゲート電極で終端されることがほとんどなく、半導体基板側で終端することができ、高キャリア密度の反転層が形成可能である。   As a result, an inversion layer is formed by band bending near the semiconductor surface under the region including the fixed charge of the second insulating film, and extremely shallow source / drain extensions are formed. Furthermore, the lines of electric force extending from the region including the fixed charge in the second insulating film are hardly terminated at the gate electrode, can be terminated at the semiconductor substrate side, and a high carrier density inversion layer can be formed. It is.

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した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できる。   Therefore, it is possible to manufacture a semiconductor device such as a MIS field effect transistor in which the short channel effect is suppressed without causing an increase in parasitic capacitance or element size.

また、通常の半導体製造材料、半導体製造装置を用いて製造することができるため、汚染等に対する問題もなく、非常に容易に製造することが可能である。   Moreover, since it can be manufactured using a normal semiconductor manufacturing material and a semiconductor manufacturing apparatus, it can be manufactured very easily without problems with respect to contamination and the like.

以上より明らかなように、この発明の半導体装置およびその製造方法によれば、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ができる。   As is clear from the above, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof of the present invention, 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 is provided. be able to.

以下、この発明の半導体装置およびその製造方法を図示の実施の形態により詳細に説明する。   Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings.

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、固定電荷となる不純物としてセシウムを用いた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(Metal insulator semiconductor)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 as an impurity serving as a fixed charge. However, by reversing the conductivity type of the impurity and replacing cesium with iodine, the P-type channel element is changed. Can be formed. 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 (Metal insulator semiconductor) 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。
(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.

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られた第1の絶縁膜の一例としての酸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することにより、ゲート電極4を形成する。ゲート絶縁膜3の材質は、絶縁性を有する限り何でも良いが、固定電荷となる不純物(セシウム等)が拡散しにくい酸窒化シリコンや窒化シリコン等の材質であることが望ましい。   First, as shown in FIG. 1A, an STI (Shallow Trench Isolation) region 2 is formed on one main surface of a P-type silicon substrate 1 as an example of a semiconductor substrate by a known method, and an element formation region is divided. . Next, a polycrystalline silicon film is deposited and patterned on the gate insulating film 3 made of silicon oxide as an example of the first insulating film provided on the surface of the element formation region, thereby forming the gate electrode 4. To do. Any material may be used for the gate insulating film 3 as long as it has an insulating property, but it is desirable that the material (such as cesium) that becomes a fixed charge hardly diffuses, such as silicon oxynitride or silicon nitride.

次に、シリコン基板全面を酸化する化学反応によって、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とシリコン基板1との界面は、上記ゲート絶縁膜3とシリコン基板1との界面よりも深い位置に形成される。尚、上記酸化シリコン膜5の膜厚は、ゲート絶縁膜3の膜厚より大きいことが望ましい。これにより、後の工程で、酸化シリコン膜5中にある固定電荷となる不純物(セシウム等)が熱拡散する場合に、上記固定電荷となる不純物を含む酸化シリコン膜5側から見たゲート絶縁膜3の断面積が小さくなるので、上記固定電荷となる不純物がゲート絶縁膜3中に侵入するのを抑制することができる。したがって、固定電荷となる不純物(セシウム等)の分布を容易に制御することができる。   Next, a silicon oxide film 5 as an example of a second insulating film is formed by a chemical reaction that oxidizes the entire surface of the silicon substrate. The interface between the silicon oxide film 5 and the silicon substrate 1 is formed at a position deeper than the interface between the gate insulating film 3 and the silicon substrate 1. The film thickness of the silicon oxide film 5 is preferably larger than the film thickness of the gate insulating film 3. Thus, when an impurity (cesium or the like) that becomes a fixed charge in the silicon oxide film 5 is thermally diffused in a later process, the gate insulating film viewed from the silicon oxide film 5 side containing the impurity that becomes the fixed charge. Since the cross-sectional area of 3 becomes small, it is possible to suppress the impurity that becomes the fixed charge from entering the gate insulating film 3. Therefore, it is possible to easily control the distribution of impurities (such as cesium) that become fixed charges.

尚、上記酸化シリコン膜5は、シリコン基板1を熱酸化することにより形成したが、例えば、シリコン基板1を熱酸化した後にCVD(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長)法等によって酸化シリコンを堆積した積層膜であっても良い。これにより、酸化シリコン膜5の膜厚と、酸化シリコン膜5とシリコン基板1との界面の深さを独立に制御することができる。   The silicon oxide film 5 is formed by thermally oxidizing the silicon substrate 1. For example, after the silicon substrate 1 is thermally oxidized, silicon oxide is deposited by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like. A laminated film may be deposited. Thereby, the film thickness of the silicon oxide film 5 and the depth of the interface between the silicon oxide film 5 and the silicon substrate 1 can be controlled independently.

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べき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。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。   Next, as shown in FIG. 1B, after a resist is applied to the surface of the silicon substrate, the STI region 2 is covered, and at least the region where the source / drain extension is to be formed in the element formation region is opened. The resist mask 6 is formed by patterning the resist in this manner. Thereafter, cesium ions are implanted into the silicon oxide film 5 using the gate electrode 4 and the resist mask 6 as a mask. Since the first ionization energy is very small, the cesium can exist stably as an ion having a positive charge. Therefore, a region 7 containing positive fixed charges made of cesium is formed in the silicon oxide film 5. 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 silicon substrate 1 under the region 7 containing the positive fixed charge due to the electric field generated from the region 7 containing the positive fixed charge. When the potential of the surface of the silicon substrate 1 reaches about twice the difference between the Fermi potential and the intrinsic Fermi potential of the silicon substrate 1, an inversion layer is formed on the surface of the silicon substrate 1 under the region 7 containing positive fixed charges. Is done. The inversion layer functions as a source / drain extension.

また、上記イオン注入の前に、シリコン基板全面に窒化シリコン膜を形成してもよい。固定電荷となる不純物(セシウム等)を酸化シリコン膜5中に注入する前に窒化シリコン膜を形成することにより、上記不純物を注入した後の工程における熱処理等によって、上記不純物がシリコン基板1に対して反対側に熱拡散するのを防ぐことができる。尚、上記窒化シリコン膜は、セシウム等の不純物が拡散しない材質であれば何でも良い。また、この場合、窒化シリコン膜越しに、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ため、上記窒化シリコン膜の膜厚は、上記酸化シリコン膜5の膜厚の1/2以下であることが好ましい。例えば、酸化シリコン膜5が350Å〜500Åの場合、窒化シリコン膜を100Å、セシウムイオンの注入エネルギー30〜50keV程度とすることにより、セシウムイオンは、酸化シリコン膜5の膜厚方向のほぼ中央付近に分布することができる。   Further, a silicon nitride film may be formed on the entire surface of the silicon substrate before the ion implantation. By forming a silicon nitride film before injecting an impurity (cesium or the like) that becomes a fixed charge into the silicon oxide film 5, the impurity is applied to the silicon substrate 1 by a heat treatment or the like in a process after the impurity is injected. Heat diffusion to the opposite side. The silicon nitride film may be made of any material that does not diffuse impurities such as cesium. In this case, since the cesium ions are ion-implanted into the silicon oxide film 5 through the silicon nitride film, the film thickness of the silicon nitride film is ½ or less of the film thickness of the silicon oxide film 5. Is preferred. For example, when the silicon oxide film 5 has a thickness of 350 to 500 mm, the silicon nitride film has a thickness of 100 mm and the implantation energy of cesium ions is about 30 to 50 keV, so that the cesium ions are approximately near the center in the film thickness direction of the silicon oxide film 5. Can be distributed.

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(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長)法にて酸化シリコン膜を所望の厚さ堆積し、RIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)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、固定電荷を含む領域7の一部を覆うようにゲート側壁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や窒化シリコン等の材料が好ましい。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、図1(d)に示すソース領域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、セシウムは酸化シリコン膜5中を拡散し、酸化シリコン膜5とシリコン基板1との界面付近にパイルアップし、シリコン基板1表面により近い位置に固定電荷を分布させることができる。従って、セシウムは効率よく固定電荷として活性化することができ、十分なキャリア密度を持つ反転層を形成することができる。   Next, as shown in FIG. 1 (c), after removing the resist mask 6 (shown in FIG. 1 (b)), a silicon oxide film is desired by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The gate sidewalls 8 are formed on both sides of the gate electrode 4 so as to cover a part of the region 7 including the fixed charge by depositing the thickness of the gate electrode 4 and etching back by RIE (Reactive Ion Etching). . However, any material may be used for the silicon oxide film as long as it has an insulating property, but a material such as silicon oxynitride or silicon nitride that prevents diffusion of impurities (such as cesium) serving as a fixed charge is preferable. Thereafter, arsenic ions are ion-implanted using the gate electrode 4 and the gate sidewall 8 as a mask to form the source region 9 and the drain region 10 shown in FIG. 1D, and then activation annealing is performed. As a result, cesium diffuses in the silicon oxide film 5, piles up near the interface between the silicon oxide film 5 and the silicon substrate 1, and can distribute the fixed charges closer to the surface of the silicon substrate 1. Therefore, cesium can be efficiently activated as a fixed charge, and an inversion layer having a sufficient carrier density can be formed.

更に、図1(c)に示すように、酸化シリコン膜5とシリコン基板1との界面は、ゲート絶縁膜3とシリコン基板1との界面よりも深い位置にあるため、固定電荷はゲート電極4から離れた位置で、かつシリコン基板1に近接した位置に分布することができる。これにより、ゲート電極−固定電荷間の静電容量を小さくすることができるので、固定電荷から伸びる電気力線がゲート電極4で終端することがほとんどなく、効果的にシリコン基板1側で終端することが可能となる。従って、低抵抗反転層からなるソース・ドレインエクステンションを形成することができる。   Further, as shown in FIG. 1C, since the interface between the silicon oxide film 5 and the silicon substrate 1 is deeper than the interface between the gate insulating film 3 and the silicon substrate 1, the fixed charge is transferred to the gate electrode 4. It can be distributed at a position away from the silicon substrate 1 and close to the silicon substrate 1. As a result, the capacitance between the gate electrode and the fixed charge can be reduced, so that the lines of electric force extending from the fixed charge hardly end at the gate electrode 4 and effectively end on the silicon substrate 1 side. It becomes possible. Therefore, a source / drain extension composed of a low resistance inversion layer can be formed.

また、固定電荷によって誘起される反転層とゲート電極4との間の静電容量が小さくなるため、寄生容量が小さくなり、素子動作速度の向上を図ることができる。   Moreover, since the electrostatic capacitance between the inversion layer induced by the fixed charge and the gate electrode 4 is reduced, the parasitic capacitance is reduced, and the device operation speed can be improved.

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うことによって、セシウムを十分に拡散させることができる。   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 source region 9 and the drain region 10 are formed and after ion implantation of cesium into the silicon oxide film 5. For example, cesium can be sufficiently diffused by annealing at 700 ° C. to 1100 ° C. for about 1 second to 2 hours.

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 interlayer insulating film 11, the upper wiring 12, and the like are formed by a known method, thereby completing the semiconductor device.

図2は、ゲート長35nm、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1.2mA/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 35 nm, a silicon oxide equivalent film 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 1.2 mA / μm. As can be seen from FIG. 2, very good transistor characteristics could be obtained.

また、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。   Further, as can be seen from FIG. 1 (d), the semiconductor device of the first embodiment of the present invention has a silicon oxide film 5 between the channel region covered with the gate electrode 4 and the source region 9 and the drain region 10. A region 7 containing a positive fixed charge made of cesium is included therein.

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、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 is large in mass with atomic number 55, and has the lowest first ionization energy (3.89 eV) in the periodic table. Therefore, in the normal device operating temperature region, the insulation of a silicon oxide film or the like is used. It does not move in the 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。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。   Band bending occurs on the surface of the silicon substrate 1 below the region 7 containing the positive fixed charge due to the electric field generated from the region 7 containing the positive fixed charge, and the surface of the silicon substrate 1 below the region 7 containing the positive fixed charge. An inversion layer is formed. Since the inversion layer is formed between the channel region and the source region 9 and between the channel region and the drain region 10, it functions as a very shallow source / drain extension.

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、

Figure 0004723182
κ : 基板の比誘電率
ε : 真空の誘電率[F/cm]
A : 空乏層中のアクセプター濃度[cm-3]
D : 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)
i : 真性キャリア濃度[cm-3]
B : ボルツマン定数[eV/K]
T : 温度[K]
R :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10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。
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。 However, in order to form the inversion layer, for example, when the impurity concentration in the depletion layer formed in the silicon substrate 1 by the fixed charge is uniform, the fixed charge density is
Figure 0004723182
κ: dielectric constant of the substrate
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 source region 9
(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 10
(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 source region 9, V R = 0 [V], | N A -N D | = 1 × 10 18 [cm −3 ] (N A > N D ) and a fixed charge density of 3.5 × 10 12 [cm −2 ] or more is required.
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(セシウム)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5.3×1012cm-2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 the positive fixed charge (cesium) 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, 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 cm −2 or more and 3 × 10 14 cm −2 or less to 10 [kΩ / □ The following low sheet resistance values can be obtained. More preferably, a sufficiently small sheet resistance value can be obtained by setting it to 1 × 10 13 cm −2 or more and 3 × 10 13 cm −2 or less, and accordingly, the driving current of the N-type channel MIS type field effect transistor 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、

Figure 0004723182
ただし κ : 基板の比誘電率
ε : 真空の誘電率[F/cm]
A : アクセプター濃度[cm-3]
D : ドナー濃度[cm-3]
q : 電荷素量[C]
φB : 2(kBT/q)ln(NA/Ni)
i : 真性キャリア濃度[cm-3]
B : ボルツマン定数[eV/K]
T : 温度[K]
R : 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,
Fixed charge density is
Figure 0004723182
Where κ is the dielectric constant of the substrate
ε: dielectric constant of vacuum [F / cm]
N A : Acceptor concentration [cm -3 ]
N D : Donor concentration [cm -3 ]
q: Elementary charge [C]
φ 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 source region 9, in the case of V R = 0 [V], | N A −N D | = 1 × 10 18 [cm −3 ] (N A < N D ) and a fixed charge density of 3.5 × 10 12 [cm −2 ] or more is required.

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(ヨウ素)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、固定電荷密度を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 (iodine) 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, a substantially minimum sheet resistance can be obtained by setting the fixed charge density to 1 × 10 14 cm −2 or more. 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 silicon substrate 1, the sheet resistance is further reduced due to the effect of increasing carrier mobility, and a larger driving current can be obtained.

また、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、酸化シリコン膜5とシリコン基板1との界面を、ゲート絶縁膜3とシリコン基板1との界面よりも深い位置に形成しているが、この構造の優位性について図5(a),(b)を用いて説明する。   Further, as can be seen from FIG. 1 (d), the semiconductor device of the first embodiment of the present invention has the interface between the silicon oxide film 5 and the silicon substrate 1 more than the interface between the gate insulating film 3 and the silicon substrate 1. Although it is formed at a deep position, the superiority of this structure will be described with reference to FIGS. 5 (a) and 5 (b).

固定電荷によって反転層が形成されている状況を考える。図5(a)にソース領域側のゲート電極4端近傍を拡大した図を示す。ゲート電極4と固定電荷18との間の静電容量をC1[F/cm2]とし、固定電荷18と反転層19との間の実効的な静電容量をC2[F/cm2]とすると、ゲート電極4、固定電荷18、シリコン基板1に至る等価回路図5(b)のように表される。但し、ゲート電極4の電位をV[V]、シリコン基板1の電位を0[V]とする。ゲート絶縁膜3の膜厚(酸化シリコン換算膜厚)をtox[cm]、固定電荷18と反転層19との実効的な距離(酸化シリコン換算膜厚)をtinv[cm]、ゲート絶縁膜3とシリコン基板1界面から見た酸化シリコン膜5とシリコン基板1との界面の深さをd[cm]、とすると、ソース領域側のゲート電極4端近傍では、近似的に次のように表される。
1 = κSiO2ε/(tox+d)
2 = κSiO2ε/tinv
但し、κSiO2 : 酸化シリコンの比誘電率
ε : 真空の誘電率[F/cm2
Consider a situation where an inversion layer is formed by a fixed charge. FIG. 5A shows an enlarged view of the vicinity of the end of the gate electrode 4 on the source region side. The capacitance between the gate electrode 4 and the fixed charge 18 is C 1 [F / cm 2 ], and the effective capacitance between the fixed charge 18 and the inversion layer 19 is C 2 [F / cm 2]. ], An equivalent circuit diagram reaching the gate electrode 4, the fixed charge 18, and the silicon substrate 1 is represented as shown in FIG. However, the potential of the gate electrode 4 is V [V], and the potential of the silicon substrate 1 is 0 [V]. The film thickness (silicon oxide equivalent film thickness) of the gate insulating film 3 is t ox [cm], the effective distance (silicon oxide equivalent film thickness) between the fixed charge 18 and the inversion layer 19 is t inv [cm], and gate insulation Assuming that the depth of the interface between the silicon oxide film 5 and the silicon substrate 1 viewed from the interface between the film 3 and the silicon substrate 1 is d [cm], in the vicinity of the end of the gate electrode 4 on the source region side, It is expressed in
C 1 = κ SiO2 ε / (t ox + d)
C 2 = κ SiO2 ε / t inv
However, κ SiO2 : Dielectric constant of silicon oxide
ε: dielectric constant of vacuum [F / cm 2 ]

ここで、固定電荷密度を+QFC[C/cm2]、ゲート電極4に誘起される電荷密度を−Q1[C/cm2]、シリコン基板1側に誘起される電荷密度を−Q2[C/cm2]、反転層19の電荷密度をQinv[C/cm2]、ゲート電極4に印加される電圧をV[V]、固定電荷18の電位をVFC[V]、ゲート電極4のフラットバンド電圧をVFB(<0)[V]とすると、次式が成り立つ。
FC = Q1+Q2
1 = C1(VFC−V+VFB)
2 = Qinv+QB
inv = C2(VFC−2φB)
但し、QB[C/cm2]は空乏層20内の空間電荷密度であり、次のように表される。

Figure 0004723182
κSi:シリコン基板1の比誘電率 Here, the fixed charge density is + Q FC [C / cm 2 ], the charge density induced in the gate electrode 4 is −Q 1 [C / cm 2 ], and the charge density induced on the silicon substrate 1 side is −Q 2. [C / cm 2 ], the charge density of the inversion layer 19 is Q inv [C / cm 2 ], the voltage applied to the gate electrode 4 is V [V], the potential of the fixed charge 18 is V FC [V], the gate When the flat band voltage of the electrode 4 is V FB (<0) [V], the following equation is established.
Q FC = Q 1 + Q 2
Q 1 = C 1 (V FC −V + V FB )
Q 2 = Q inv + Q B
Q inv = C 2 (V FC -2φ B )
However, Q B [C / cm 2 ] is a space charge density in the depletion layer 20 and is expressed as follows.
Figure 0004723182
κ Si : dielectric constant of silicon substrate 1

上式より、Qinvは次のように表される。
inv = [C2/(C1+C2)][QFC+C1(V−VFB−2φB−QB/C1)]
ここで、C1(V−VFB−2φB−QB/C1)はゲート電極4から漏れ出た電界によって生じる電荷密度に相当するが、固定電荷18によって誘起される反転層19をソース・ドレインエクステンションとして用いる場合、反転層19の電荷密度は、
1(V−VFB−2φB−QB/C1)
よりも十分大きくとることが好ましい。この場合、固定電荷密度QFCを十分大きくとることになる。
FCが十分大きい場合は、
inv = [C2/(C1+C2)]QFC
と近似できる。従って、C1を小さくする、即ち、dを大きく設計ことによって、効率的に反転層19を形成することができ、より大きな反転層電荷密度Qinvを得ることができる。
From the above equation, Q inv is expressed as follows.
Q inv = [C 2 / (C 1 + C 2 )] [Q FC + C 1 (V−V FB −2φ B −Q B / C 1 )]
Here, C 1 (V−V FB −2φ B −Q B / C 1 ) corresponds to the charge density generated by the electric field leaking from the gate electrode 4, but the inversion layer 19 induced by the fixed charge 18 is used as the source. When used as a drain extension, the charge density of the inversion layer 19 is
C 1 (V−V FB −2φ B −Q B / C 1 )
It is preferable to take a sufficiently large value. In this case, the fixed charge density QFC is sufficiently large.
If Q FC is large enough,
Q inv = [C 2 / (C 1 + C 2 )] Q FC
Can be approximated. Therefore, by reducing C 1, that is, by increasing d, the inversion layer 19 can be formed efficiently, and a larger inversion layer charge density Q inv can be obtained.

上記からわかるように、酸化シリコン膜5とシリコン基板1との界面を、ゲート絶縁膜3とシリコン基板1との界面よりも深い位置に形成することにより、ゲート電極4と固定電荷18との間の静電容量C1を小さくすることができ、ゲート電極4端近傍における効率的な反転層19の形成を実現することができ、素子性能を向上することができる。
例えば、C1/C2=1/5と設計する場合、
d = 5tinv−tox
とすればよい。例えば、tox=1[nm]、tinv=0.5[nm]の場合、d=1.5[nm]とすればよい。
As can be seen from the above, by forming the interface between the silicon oxide film 5 and the silicon substrate 1 at a position deeper than the interface between the gate insulating film 3 and the silicon substrate 1, the gap between the gate electrode 4 and the fixed charge 18 is obtained. The capacitance C 1 can be reduced, the formation of the efficient inversion layer 19 in the vicinity of the end of the gate electrode 4 can be realized, and the device performance can be improved.
For example, when designing with C 1 / C 2 = 1/5,
d = 5t inv −t ox
And it is sufficient. For example, when t ox = 1 [nm] and t inv = 0.5 [nm], d = 1.5 [nm] may be set.

(第2実施形態)
この発明の第2実施形態の半導体装置は、原子間の結合欠陥、歪み等に由来す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。
(Second Embodiment)
The semiconductor device according to the second embodiment of the present invention is an N-type channel MIS field effect transistor having a source / drain extension as an inversion layer induced by a fixed charge derived from bond defects between atoms, strain, and the like. It is realized by the process.

図6(a)〜(d)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。   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 second embodiment of the present invention. is there.

まず、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することにより、ゲート電極4を形成する。ゲート絶縁膜3の材質は、絶縁性を有する限り何でも良いが、固定電荷となる不純物(セシウム等)が拡散しにくい酸窒化シリコンや窒化シリコン等の材質であっても良い。   First, as shown in FIG. 6A, an STI (Shallow Trench Isolation) region 2 is formed on one main surface of a P-type silicon substrate 1 as an example of a semiconductor substrate by a known method, and an element formation region is divided. . Next, a gate electrode 4 is formed by depositing and patterning a polycrystalline silicon film on the gate insulating film 3 made of silicon oxide provided on the surface of the element formation region. The material of the gate insulating film 3 may be anything as long as it has insulating properties, but may be a material such as silicon oxynitride or silicon nitride in which impurities (cesium or the like) that become fixed charges are difficult to diffuse.

次に、シリコン基板全面を酸化する化学反応によって、酸化シリコン膜5を形成する。上記酸化シリコン膜5とシリコン基板1との界面は、上記ゲート絶縁膜3とシリコン基板1との界面よりも深い位置に形成される。   Next, a silicon oxide film 5 is formed by a chemical reaction that oxidizes the entire surface of the silicon substrate. The interface between the silicon oxide film 5 and the silicon substrate 1 is formed at a position deeper than the interface between the gate insulating film 3 and the silicon substrate 1.

次に、図6(b)に示すように、アンモニア雰囲気中で1080℃、300秒のアニールを行う。アニール条件は、例えば900℃以上かつ1100℃以下、5秒以上1000秒以下であっても良い。これにより、酸化シリコン膜5中に窒素原子が導入され、低密度の固定電荷が発生する第2の絶縁膜の一例としての酸窒化シリコン膜13が形成される。尚、シリコン基板1との界面付近での酸窒化シリコン膜13中の窒素濃度は、10atom%以上であることが好ましい。次に、窒素雰囲気中、1080℃、300秒のアニールを行う。これにより、固定電荷が増加し、反転層を形成するのに十分な密度の固定電荷を発生することができる。尚、固定電荷密度が増加する原因の詳細については不明であるが、シリコン−窒素、シリコン−酸素、窒素−酸素等の間の結合欠陥、歪み等に由来しているものと考えられる。   Next, as shown in FIG. 6B, annealing is performed at 1080 ° C. for 300 seconds in an ammonia atmosphere. The annealing conditions may be, for example, 900 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower, and 5 seconds or longer and 1000 seconds or shorter. As a result, a silicon oxynitride film 13 is formed as an example of a second insulating film in which nitrogen atoms are introduced into the silicon oxide film 5 and low-density fixed charges are generated. The nitrogen concentration in the silicon oxynitride film 13 near the interface with the silicon substrate 1 is preferably 10 atom% or more. Next, annealing is performed in a nitrogen atmosphere at 1080 ° C. for 300 seconds. As a result, the fixed charge increases, and a fixed charge having a density sufficient to form the inversion layer can be generated. The details of the cause of the increase in the fixed charge density are unknown, but are thought to be derived from bond defects, strain, etc. between silicon-nitrogen, silicon-oxygen, nitrogen-oxygen, and the like.

これにより、正の固定電荷が発生し、チャネル領域とソース領域との間およびチャネル領域とドレイン領域との間のシリコン基板1表面に反転層が形成される。   As a result, positive fixed charges are generated, and an inversion layer is formed on the surface of the silicon substrate 1 between the channel region and the source region and between the channel region and the drain region.

尚、上記アンモニアは、窒素、一酸化窒素、一酸化二窒素、窒素ラジカルのうちのいずれかであってもよい。   The ammonia may be nitrogen, nitric oxide, dinitrogen monoxide, or a nitrogen radical.

また、上記酸化シリコン膜5中に、少なくともセシウム、バリウム、ルビジウムのうちのいずれか1つをイオン注入法等によって導入しても良い。   Further, at least one of cesium, barium, and rubidium may be introduced into the silicon oxide film 5 by an ion implantation method or the like.

次に、図6(c)に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長)法にて酸化シリコン膜を所望の厚さ堆積し、RIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)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、上記ゲート側壁8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や窒化シリコン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. 6C, a silicon oxide film is deposited to a desired thickness by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and RIE (Reactive Ion Etching) is performed. Etchback is performed to form gate sidewalls 8 on both sides of the gate electrode 4. However, the gate sidewall 8 may be made of any material as long as it has an insulating property, but a material such as silicon oxynitride or silicon nitride that prevents diffusion of impurities (cesium or the like) that becomes a fixed charge is preferable. Thereafter, arsenic ions are ion-implanted using the gate electrode 4 and the gate sidewall 8 as a mask to form the source region 9 and the drain region 10, and then activation annealing is performed.

尚、活性化アニールは、RTA(Rapid Thermal Annealing:瞬間アニール)等の高温短時間のアニールが好ましい。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). Of course, the arsenic ions may be implanted species serving as donors such as phosphorus and antimony. Salicide may be formed after the activation annealing.

次に、図6(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. 6D, the interlayer insulating film 11, the upper wiring 12, and the like are formed by a known method to complete the semiconductor device.

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との間およびチャネル領域とドレイン領域10との間にある酸窒化シリコン膜13中に正の固定電荷を含む領域17を有している。上記正の固定電荷を含む領域17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17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17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 is positively fixed in the silicon oxynitride film 13 between the channel region covered by the gate electrode 4 and the source region 9 and between the channel region and the drain region 10. It has the area | region 17 containing an electric charge. Band bending occurs on the surface of the silicon substrate 1 below the region 17 including the positive fixed charge due to the electric field generated from the region 17 including the positive fixed charge, and the surface of the silicon substrate 1 below the region 17 including the positive fixed charge. An inversion layer is formed. Since the inversion layer is formed between the channel region and the source region 9 and the drain region 10, it functions as a very shallow source / drain extension.

図1は、この発明の第1実施形態の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製造方法の手順を説明する図である。FIG. 1 is a diagram for explaining the procedure of a method of manufacturing an N-type channel MIS field effect transistor as an example of the semiconductor device according to the first embodiment of the invention. 図2は、上記半導体装置(N型チャネル素子)の電気特性を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the electrical characteristics of the semiconductor device (N-type channel element). 図3は、セシウムを用いて発生させた正の固定電荷によって誘起される反転層シート抵抗の固定電荷密度依存性を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the fixed charge density dependence of the inversion layer sheet resistance induced by the positive fixed charge generated using cesium. 図4は、ヨウ素を用いて発生させた負の固定電荷によって誘起される反転層シート抵抗の固定電荷密度依存性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the fixed charge density dependence of the inversion layer sheet resistance induced by the negative fixed charge generated using iodine. 図5(a)は、この発明の第1実施形態の半導体装置のソース側のゲート電極端近傍を拡大した図であり、図5(b)は、図5(a)の等価回路を示す図である。FIG. 5 (a) is an enlarged view of the vicinity of the gate electrode end on the source side of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 5 (b) is a diagram showing an equivalent circuit of FIG. 5 (a). It is. 図6は、この発明の第2実施形態の半導体装置の製造方法のの手順を説明する図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the procedure of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment of the present invention. 図7は、ゲート電極側壁に第2のゲート電極を備えた従来のMIS型電界効果トランジスタの断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional MIS field effect transistor having a second gate electrode on the side wall of the gate electrode.

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
7,17…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…酸窒化シリコン膜
18…固定電荷
19…反転層
20…空乏層
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 SYMBOLS 1 ... Silicon substrate 2 ... STI area | region 3 ... Gate insulating film 4 ... Gate electrode 5 ... Silicon oxide film 6 ... Resist mask 7,17 ... Area | region containing positive fixed electric charge 8 ... Gate side wall 9 ... Source area 10 ... Drain area | region 11 ... Interlayer insulating film 12 ... Upper wiring 13 ... Silicon oxynitride film 18 ... Fixed charge 19 ... Inversion layer 20 ... Depletion layer 101 ... Silicon substrate 109 ... Source region 110 ... Drain region 114 ... First gate insulating film 115 ... First Gate electrode 116 ... second gate insulating film 117 ... second gate electrode

Claims (8)

第1導電型の半導体基板と、
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第2導電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に挟まれた領域上および上記チャネル領域とドレイン領域に挟まれた領域上に、上記チャネル領域を通過するキャリアと異なる極性の固定電荷を含んだ第2の絶縁膜を備え、
上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域と上記半導体基板との界面が、上記第1の絶縁膜と上記半導体基板との界面よりも上記半導体基板側の深い位置にあると共に、
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り、
上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域に接する上記第1導電型の半導体基板の表面付近で反転層が形成されることを特徴とする半導体装置。
A first conductivity type semiconductor substrate;
A gate electrode formed on one main surface of the semiconductor substrate via a first insulating film;
A source region and a drain region of a second conductivity type provided in a region not covered with the gate electrode on one main surface side of the semiconductor substrate;
A second charge containing a fixed charge having a polarity different from that of a carrier passing through the channel region, on a region sandwiched between the channel region and the source region under the gate electrode and on a region sandwiched between the channel region and the drain region. Insulating film
The interface between the region including the fixed charge of the second insulating film and the semiconductor substrate is located deeper on the semiconductor substrate side than the interface between the first insulating film and the semiconductor substrate,
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. And
A semiconductor device, wherein an inversion layer is formed in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate of the first conductivity type in contact with the region containing the fixed charge of the second insulating film.
請求項1に記載の半導体装置において、
上記固定電荷となる不純物としてセシウムを用い、
上記キャリアが電子であるとき、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域の上記固定電荷の面密度が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。
The semiconductor device according to claim 1,
Using cesium as an impurity that becomes the fixed charge,
When the carrier is an electron, the surface density of the fixed charge in the region including the fixed charge of the second insulating film is 5.3 × 10 12 cm −2 or more and 3 × 10 14 cm −2 or less. A semiconductor device characterized by the above.
請求項1に記載の半導体装置において、
上記キャリアが電子であるとき、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域の一部または全部に、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つを用いたことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 ,
When the carrier is an electron, at least one of cesium, barium, and rubidium is used as an impurity that becomes a fixed charge in part or all of the region including the fixed charge of the second insulating film. A semiconductor device.
請求項1に記載の半導体装置において、
上記固定電荷となる不純物としてヨウ素を用い、
上記キャリアが正孔であるとき、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域の面密度が8×1012cm-2以上であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
Using iodine as an impurity that becomes the fixed charge,
When the carrier is a hole, a surface density of a region including a fixed charge of the second insulating film is 8 × 10 12 cm −2 or more.
請求項1または4に記載の半導体装置において、
上記キャリアが正孔であるとき、上記第2の絶縁膜の固定電荷を含む領域の一部または全部に、固定電荷となる不純物としてヨウ素を用いたことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 4,
A semiconductor device, wherein when the carrier is a hole, iodine is used as an impurity which becomes a fixed charge in a part or all of a region including the fixed charge of the second insulating film.
請求項1に記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
半導体基板の一主面に設けられた第1の絶縁膜の上に選択的にゲート電極を形成する工程と、
上記半導体基板の一主面のうちの上記ゲート電極に覆われていない領域に、上記半導体基板との化学反応によって第2の絶縁膜を形成する工程と、
上記第2の絶縁膜中に固定電荷となる不純物を注入する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A semiconductor device manufacturing method for manufacturing the semiconductor device according to claim 1,
Selectively forming a gate electrode on the first insulating film provided on one main surface of the semiconductor substrate;
Forming a second insulating film by a chemical reaction with the semiconductor substrate in a region of the main surface of the semiconductor substrate that is not covered with the gate electrode;
And a step of injecting an impurity which becomes a fixed charge into the second insulating film.
請求項6に記載の半導体装置の製造方法において、
上記第2の絶縁膜中に固定電荷となる不純物を注入する工程の後に、アニール工程を含む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 6,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising an annealing step after the step of injecting impurities that become fixed charges into the second insulating film.
請求項1に記載の半導体装置を製造する半導体装置の製造方法であって、
半導体基板の一主面に設けられた第1の絶縁膜の上に選択的にゲート電極を形成する工程と、
上記半導体基板の一主面のうちの上記ゲート電極に覆われていない領域に、上記半導体基板との化学反応によって第2の絶縁膜を形成する工程と、
上記第2の絶縁膜を形成した後、窒素,一酸化窒素,一酸化二窒素,アンモニアおよび窒素ラジカルのうちの少なくとも1つを含む雰囲気にさらす工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A semiconductor device manufacturing method for manufacturing the semiconductor device according to claim 1,
Selectively forming a gate electrode on the first insulating film provided on one main surface of the semiconductor substrate;
Forming a second insulating film by a chemical reaction with the semiconductor substrate in a region of the main surface of the semiconductor substrate that is not covered with the gate electrode;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising the step of exposing to an atmosphere containing at least one of nitrogen, nitrogen monoxide, dinitrogen monoxide, ammonia, and nitrogen radicals after forming the second insulating film. .
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