JP5440169B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置、及び、その製造方法に関し、更に、電離衝突によるキャリアのアバランシェ増倍を原理とするインパクトイオン化MISFETを有する半導体装置、及び、その製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and further relates to a semiconductor device having an impact ionization MISFET based on the principle of carrier avalanche multiplication by ionization collision , and a manufacturing method thereof .
近年、インパクトイオン化MISFETが提案・研究されている。インパクトイオン化MISFETは、電離衝突(インパクトイオン化)によるキャリア(電子および正孔)のアバランシェ増倍の原理を用いた半導体素子であり、アバランシェ増倍が発生すると流れる電流が急激に増加する特性を有する半導体素子のオン‐オフ特性を利用する。インパクトイオン化MISFETは、オン−オフの際の電流の急峻な変化を利用した高速作動が可能であり、MISFETに代わる高速半導体スイッチ素子としての応用が期待されている。 In recent years, impact ionization MISFETs have been proposed and studied. The impact ionization MISFET is a semiconductor element that uses the principle of avalanche multiplication of carriers (electrons and holes) by ionization collision (impact ionization), and has a characteristic that a flowing current increases rapidly when avalanche multiplication occurs. Utilizes the on-off characteristics of the device. The impact ionization MISFET can operate at high speed using a steep change in current during on-off, and is expected to be applied as a high-speed semiconductor switching element in place of the MISFET.
以下、図7A及び7Bを参照して、典型的なインパクトイオン化MISFETの構造および動作原理を説明する。図7A及び7Bは、プレーナ型のインパクトイオン化MISFETの概略断面図であり、夫々、そのオフ状態及びオン状態を示している。 Hereinafter, the structure and operating principle of a typical impact ionization MISFET will be described with reference to FIGS. 7A and 7B. 7A and 7B are schematic cross-sectional views of a planar-type impact ionization MISFET, and show an off state and an on state, respectively.
図7A及び7Bにおいて、不純物濃度の低いp型シリコン基板101の表面領域には、高濃度n型拡散層で構成されるドレイン領域103と、高濃度p型拡散層で構成されるソース領域104とが形成される。p型シリコン基板101上には、ゲート酸化膜105を介して、ゲート電極106が形成される。図示を省略したが、半導体装置内には、素子分離領域や、全体を覆う層間絶縁膜、ゲート電極,n型ドレイン領域,ソース領域への配線等の他の要素がある。ゲート電極106は、p型ソース領域104よりもn型ドレイン領域103に近い位置に形成されている。
7A and 7B, a
図7Aのオフ状態では、ゲート絶縁膜105の下にはチャネルは形成されていない。ドレイン電圧(VD)がソース電圧(VS)より高い電圧条件下で、ドレイン‐ソース間の電位差(VDS)を増加させていくと、ほとんどの電圧は、n型ドレイン領域103とp型ソース領域104との間のp型シリコン基板に加わる。VDSが十分に大きくなるとp型シリコン基板101は完全に空乏化される。この状態では、ドレイン電流は、P‐I‐N接合の逆バイアス状態における逆方向飽和電流となるため、ほとんど流れない。
In the off state of FIG. 7A, no channel is formed under the
ドレイン‐ソース間電圧VDSをある程度高い電圧に保った状態で、ゲート電圧(VG)を高くしていくと、図7Bに示すように、ゲート絶縁膜105の下のp型シリコン基板101の表面付近がn型に反転しチャネル120が形成される。これによって、p型シリコン基板101に形成された空乏層の水平方向の実効的な幅が狭くなるため、空乏層内の電界強度が強くなり、ソース領域104から空乏層に注入された電子110がインパクトイオン化を発生させる。インパクトイオン化は、アバランシェ増倍により、空乏層の中で連鎖的に発生し、ドレイン電流を急激に増加させる。
When the gate voltage (VG) is increased while the drain-source voltage VDS is maintained at a relatively high voltage, as shown in FIG. 7B, in the vicinity of the surface of the p-
ドレイン‐ソース間電圧VDSは、チャネル120が形成されていないときにはインパクトイオン化を発生させず、且つ、チャネル120が形成された場合にはインパクトイオン化が発生するような電圧範囲に設定される。
The drain-source voltage VDS is set to a voltage range in which impact ionization does not occur when the
本明細書では、以降、チャネル120を形成するために必要なゲート電圧をゲートしきい値電圧と呼び、チャネル120が形成された状態で、インパクトイオン化を発生させるために必要なドレイン‐ソース間電圧VDSをドレインしきい値電圧と呼ぶ。さらに、n型ドレイン領域103とp型ソース領域104との間のp型シリコン基板101の表面領域のうち、ゲート電圧の増加によってチャネルが形成される領域をチャネル領域、チャネルが形成されない側の領域をインパクトイオン化領域121と呼ぶ。
In the present specification, the gate voltage necessary for forming the
ドレインしきい値電圧は、インパクトイオン化領域121の材料と距離とに依存する。材料に関しては、シリコンよりも、シリコンゲルマニウムやゲルマニウムのようなバンドギャップの狭いものが好ましい。これは、これら材料が、シリコンよりもインパクトイオン化率が大きく、ドレインしきい値電圧が小さいからである。また、インパクトイオン化領域121の距離が短いほど、電界が強くなるので、ドレインしきい値電圧は小さい。例えば、ドレインしきい値電圧を1V以下とするには、材料としてゲルマニウムを用い、インパクトイオン化領域121の長さを50nm以下にする。
The drain threshold voltage depends on the material and distance of the
インパクトイオン化MISFETでは、チャネル120は、通常のMOSFETと同様にチャネル領域の表面付近にのみ形成される。しかし、チャネル120からソース104までの間はゲートの支配力が弱いため、キャリアはチャネル120からソース104に向かって拡がりを持って伝導する。p型基板101の深い部分を伝導する電子110は、チャネル120に向かって伝導するため、基板内部からゲート電極に向かう基板深さ方向(垂直方向)の速度成分を持つ。
In the impact ionization MISFET, the
インパクトイオン化は基板の表面領域に限らず、深い領域でも発生し、図示するように基板の深い領域で発生したエネルギーの高い電子は、ゲート電極106に向かう基板深さ方向の速度成分を持つ。このため、インパクトイオン化MISFETでは、ゲート絶縁膜105に電子が注入される確率が高くなり、しきい値電流やオン電流などの特性変動により、素子の信頼性を低下させるという問題があった。前述したように、ドレインしきい値電圧を低下させるには、インパクトイオン化領域を微細化することが好ましい。ソース領域の深さが同じ場合では、微細化に伴い、深い領域を流れる電子の速度ベクトルの垂直成分が相対的に大きくなり、垂直成分を持つ電子の割合の増加が、信頼性の問題を大きくする。
Impact ionization occurs not only in the surface region of the substrate but also in a deep region. As shown in the figure, high energy electrons generated in the deep region of the substrate have a velocity component in the substrate depth direction toward the
本発明の目的は、電離衝突によるキャリアのアバランシェ増倍を原理とするインパクトイオン化MISFETを有する半導体装置、及び、その製造方法であって、信頼性が高い半導体装置、及び、その製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device having an impact ionization MISFET based on the principle of carrier avalanche multiplication by ionization collision , and a method for manufacturing the semiconductor device , and a semiconductor device having high reliability , and a method for manufacturing the semiconductor device . There is.
本発明は、第1導電型または真性半導体で構成される半導体領域の表面上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の一方の側面と隣接して前記半導体領域上に形成された第2導電型の高濃度不純物領域と、前記ゲート電極の他方の側面と離隔して前記半導体領域上に形成され、前記半導体領域との界面が、前記ゲート絶縁膜と前記半導体領域の界面に対する法線方向に見て、オン状態時の、前記ゲート電極下の前記半導体領域におけるキャリア濃度のピーク位置と等しい位置か、又は、該ピーク位置よりも前記ゲート電極に近い位置にある第1導電型の高濃度不純物領域と、を有し、前記第1導電型の高濃度不純物領域と前記半導体領域の界面と、前記ゲート電極と前記第1導電型の高濃度不純物領域との間の前記半導体領域の表面の一部とが、前記ゲート絶縁膜と前記半導体領域の界面よりも、該界面に対する前記法線方向に見て前記ゲート電極に近い側にあることを特徴とする半導体装置を提供する。
The present invention includes a gate insulating film formed on a surface of a semiconductor region composed of a first conductivity type or an intrinsic semiconductor,
A gate electrode formed on the gate insulating film; a second conductivity type high-concentration impurity region formed on the semiconductor region adjacent to one side surface of the gate electrode; and the other side surface of the gate electrode is formed spaced apart from on the semiconductor region and the interface between the semiconductor region, as viewed in the direction normal to the interface between the semiconductor region and the gate insulating film, the on state, the semiconductor under the gate electrode position equal or the peak position of carrier concentration in the region, or, have a, a high concentration impurity region of the first conductivity type at a position closer to the gate electrode than the peak position, the high concentration of the first conductivity type The interface between the impurity region and the semiconductor region and a part of the surface of the semiconductor region between the gate electrode and the high-concentration impurity region of the first conductivity type are the interface between the gate insulating film and the semiconductor region. Also provides a semiconductor device comprising a side near Rukoto closer to the gate electrode when viewed in the direction normal to the interface.
本発明は、また、第1導電型の半導体領域上にゲート絶縁膜及びゲート電極を形成する工程と、前記半導体領域の、前記ゲート電極の一方の側面に隣接した位置に、第2導電型の高濃度不純物領域を形成する工程と、前記半導体領域の表面上に、前記ゲート電極の他方の側面から離れた位置で第1導電型の高濃度不純物層を選択成長する工程と、熱処理により、前記第1導電型の高濃度不純物層から前記半導体領域に不純物を拡散して、前記高濃度不純物層及び前記半導体領域の表面部分を含む第1導電型の高濃度不純物領域を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。 The present invention also includes a step of forming a gate insulating film and a gate electrode on the first conductivity type semiconductor region, and a second conductivity type at a position adjacent to one side surface of the gate electrode in the semiconductor region. forming a high concentration impurity region, on the surface of the semiconductor region, a step of selectively growing the high concentration impurity layer of the first conductivity type at a position away from the other side before Symbol gate electrode, by heat treatment, forming said first conductivity type high concentration impurity layer by diffusing impurities into the semiconductor region, the high concentration impurity region of a first conductivity type including a surface portion of said high concentration impurity layer and the semiconductor region, A method for manufacturing a semiconductor device is provided.
本発明は、更に、半導体基板の表面部分に第1導電型の拡散領域を形成する工程と、前記第1導電型の拡散領域の表面上に、順次に第1の絶縁膜及びゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極を覆って第2の絶縁膜を堆積する工程と、前記第2の絶縁膜、前記ゲート電極、及び、前記第1の絶縁膜を貫通する開口を形成して、前記第1導電型の拡散領域を露出する工程と、前記ゲート電極の開口の側壁にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記開口内に、前記ゲート電極と一部オーバーラップする第1導電型の高濃度不純物層と、真性又は低ドープ半導体層とを順次に堆積する工程と、前記第2の絶縁膜の一部を除去して前記真性又は低ドープ半導体層の側壁を露出させる工程と、前記ゲート電極及び前記第2の絶縁膜の上部に、前記露出した真性又は低ドープ半導体層の側壁を囲む第2導電型の高濃度不純物層を成長する工程と、熱処理により、前記第2導電型の高濃度不純物層から前記真性又は低ドープ半導体層に不純物を拡散して、前記第2導電型の高濃度不純物層及び前記真性又は低ドープ半導体層の表面部分を含む第2導電型の高濃度不純物領域を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。 The present invention further includes a step of forming a first conductivity type diffusion region on a surface portion of a semiconductor substrate, and sequentially forming a first insulating film and a gate electrode on the surface of the first conductivity type diffusion region. a step of, depositing a second insulating film covering the gate electrode, the second insulating film, said gate electrode, and, by forming an opening through said first insulating film, the A step of exposing a diffusion region of the first conductivity type, a step of forming a gate insulating film on a side wall of the opening of the gate electrode, and a height of the first conductivity type partially overlapping the gate electrode in the opening. A step of sequentially depositing a concentration impurity layer and an intrinsic or lightly doped semiconductor layer; a step of removing a part of the second insulating film to expose a sidewall of the intrinsic or lightly doped semiconductor layer; and the gate the upper electrode and the second insulating film, the exposed An impurity is introduced into the intrinsic or low-doped semiconductor layer from the high-concentration impurity layer of the second conductivity type by a step of growing a high-concentration impurity layer of the second conductivity type surrounding the sidewall of the intrinsic or low-doped semiconductor layer and heat treatment. diffusion to, and having a step of forming a high-concentration impurity region of the second conductivity type which includes a surface portion of said high concentration impurity layer of the second conductivity type and the intrinsic or lightly doped semiconductor layer semiconductor An apparatus manufacturing method is provided.
本発明によれば、電離衝突によるキャリアのアバランシェ増倍を原理とするインパクトイオン化MISFETを有し、且つ、信頼性を高めた半導体装置、及び、その製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device having an impact ionization MISFET based on the principle of avalanche multiplication of carriers due to ionization collision and having improved reliability, and a method for manufacturing the same.
本発明の上記、及び、他の目的、特徴及び利益は、図面を参照する以下の説明により明らかになる。 The above and other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the drawings.
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同様な要素には同様な参照符号を付して示す。図1は、本発明の第一の実施の形態の半導体装置のインパクトイオン化MISFETを示す断面図である。不純物濃度の低いp型のシリコン基板10の内部及びその上に、不純物濃度が1×1020cm−3以上のn型のドレイン領域11およびp型のソース領域12が形成されている。p型シリコン領域1上の、n型ドレイン領域11とp型ソース領域12との間の一部に、ゲート絶縁膜13およびゲート電極14が形成される。また、その開口がp型ソース領域12を規定する絶縁膜15が形成されている。なお、図示を省略しているが、半導体装置内には、インパクトイオン化MISFETを相互から分離するためのシャロートレンチ等の素子分離領域や、ソース,ドレイン,ゲート上のシリサイド層、全体を覆うシリコン酸化膜等の層間絶縁膜、及び、各インパクトイオン化MISFETと他の素子等とを電気的に接続するための配線等の他の要素が形成される。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same referential mark is attached | subjected and shown to the same element. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an impact ionization MISFET of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. An n-
図示されているように、p型ソース領域12の、p型シリコン基板10の表面と接する面(底面)の位置は、p型シリコン基板10の内部にある。インパクトイオン化MISFETでは、ゲート電圧にしきい値電圧以上の正の電圧を印加してオン状態とすると、ゲート電極下にチャネル20が形成される。チャネル領域の内部の電子濃度の深さ方向分布は、深さ2〜10nmの位置に濃度ピークを持つ。
As shown in the figure, the position of the surface (bottom surface) of the p-
p型ソース領域12とp型基板11との界面の位置は、ゲート絶縁膜13とp型シリコン基板10の界面に対する法線方向に見て、チャネル20の電子濃度の深さ方向分布のピーク位置(ピーク深さ)とほぼ等しいか、又は、ピーク位置よりもゲート電極14に近い側にあればよい。換言すると、p型ソース領域12の底面の位置は、チャネル領域の電子濃度の深さ方向分布のピーク位置か、又は、ピーク位置よりも浅い位置に形成される。この構成により、チャネル領域とp型ソース領域12との間を伝導するキャリアは、ほぼp型シリコン基板10の表面に沿って流れ、キャリアの速度ベクトルは、p型シリコン領域1の表面に平行である。従って、インパクトイオン化は表面近傍で起こり、インパクトイオン化のベクトルはp型シリコン領域1の表面に平行である。エネルギーの高いキャリアが、ゲート電極14の厚み方向の速度成分を持たないため、ゲート絶縁膜13に注入される確率が低くなり、信頼性が向上する。
The position of the interface between the p-
本実施形態においては、p型ソース領域12の底面をシリコン基板10の内部に形成した。この底面は、ゲート絶縁膜と半導体領域との界面よりも、界面に対する法線方向に見てゲート電極に近い側に、換言すれば、ゲート絶縁膜13とシリコン基板10の界面位置より上方に形成してもよい。この場合、p型ソース領域12の底面から、ゲート絶縁膜13とシリコン基板10との界面までの領域が抵抗に加わる。しかし、インパクトイオン化領域21を伝導するキャリアの速度ベクトルはp型シリコン領域1の表面に平行であり、このためゲート絶縁膜13に注入される確率が低く、信頼性が向上するという本発明の効果が得られる。
In the present embodiment, the bottom surface of the p-
更に、インパクトイオン化領域をシリコン基板10で形成したが、シリコンよりもバンドギャップが小さいシリコンゲルマニウムやゲルマニウムで形成してもよい。シリコンゲルマニウムやゲルマニウムは、シリコンよりもインパクトイオン化率が高いので、ドレインしきい値電圧を低減することができる。この場合、p型ソース領域12も基板と同じシリコンゲルマニウムやゲルマニウムとすることも出来る。後述するように、p型ソース領域12はエピタキシャル成長法で形成する。基板と同じ材料でエピタキシャル成長を行うと、転位等の欠陥形成が起こらず好ましい。
Furthermore, although the impact ionization region is formed of the
また、本実施の形態においては、基板をシリコン基板10としたが、基板は、シリコンの下にシリコン酸化膜等の絶縁膜が形成されたSOI(silicon on insulator)基板でもよく、或いは、シリコンゲルマニウムやゲルマニウムの下にシリコン酸化膜等の絶縁膜が形成されたSGOI(silicon-germanium on insulator)基板やGOI(germanium on insulator)基板でもよい。
In this embodiment, the
更に、本実施の形態においては、n型インパクトイオン化MISFETについて説明したが、本発明はn型に限定するものではなく、p型インパクトイオン化MISFETに適用することも可能である。この場合には、基板領域にn型領域を採用し、ドレイン領域にp型高濃度不純物領域を、ソース領域にn型高濃度不純物領域を採用する。 Further, in the present embodiment, the n-type impact ionization MISFET has been described. However, the present invention is not limited to the n-type, and can be applied to a p-type impact ionization MISFET. In this case, an n-type region is adopted as the substrate region, a p-type high concentration impurity region is adopted as the drain region, and an n-type high concentration impurity region is adopted as the source region.
図2A〜2Dは、図1に示したインパクトイオン化MISFETの製造方法の一例を示す。1×1015cm−3以下の不純物濃度のp型のシリコン基板10の表面に、シリコン酸化膜等の絶縁膜、及び、ポリシリコン膜を形成した後、一般に用いられているフォトリソグラフィー技術とエッチング技術で、ゲート絶縁膜13およびゲート電極14を形成する(図2A)。次に図2Bに示すように、フォトレジストマスク50を形成し、注入エネルギーが10keV程度,ドーズ量が1×1013cm−2以上で、ヒ素をイオン注入して、n型ドレイン領域11を形成する。次にフォトレジストマスク50を除去する。
2A to 2D show an example of a manufacturing method of the impact ionization MISFET shown in FIG. After an insulating film such as a silicon oxide film and a polysilicon film are formed on the surface of the p-
次いで、図2Cに示すように、シリコン酸化膜等の絶縁膜を堆積し、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術で、絶縁膜15を形成する。その後、フォトレジストマスク51を除去した後、図2Dに示すように、ボロンが1×1020cm−3以上ドープされたシリコンエピタキシャル層を選択成長して、高濃度p型領域41を形成する。これに代えて、ノンドープのシリコンエピタキシャル層を選択成長したのち、ボロンをイオン注入して、高濃度p型領域41を形成してもよい。その後、1000℃,10秒程度の熱処理を施す。これにより、高濃度p型領域41からp型のシリコン基板10中にボロンが拡散し、図1に示したインパクトイオン化MISFETが形成される。
Next, as shown in FIG. 2C, an insulating film such as a silicon oxide film is deposited, and an insulating
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図3は、本発明の第2実施形態に係るインパクトイオン化MISFETを示す断面図である。なお、図3について以下に示す事項以外は第1の実施形態と同様であるので、その詳細な説明は省略する。なお、図示は省略するが、実際には、半導体装置には、インパクトイオン化MISFETを相互から分離するためのシャロートレンチ等の素子分離領域、ソース,ドレイン,ゲート上のシリサイド層、全体を覆うシリコン酸化膜等の層間絶縁膜、及び各インパクトイオン化MISFETと他の素子等とを電気的に接続するための配線等の他の要素が形成される。(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view showing an impact ionization MISFET according to the second embodiment of the present invention. 3 is the same as that of the first embodiment except for the items described below, and detailed description thereof is omitted. Although illustration is omitted, in practice, a semiconductor device includes an element isolation region such as a shallow trench for isolating impact ionized MISFETs from each other, a silicide layer on the source, drain and gate, and silicon oxide covering the whole. Other elements such as an interlayer insulating film such as a film and wiring for electrically connecting each impact ionized MISFET and other elements are formed.
本実施形態のインパクトイオン化MISFETは、p型ソース領域44の表面だけでなく、チャネル領域とp型ソース領域44との間のインパクトイオン化領域21の表面の一部も、ゲート絶縁膜13と半導体領域との界面よりも、界面に対する法線方向に見てゲート電極に近い側、つまり上方側に形成されている。p型ソース領域44の底面の位置は、第1の実施の形態で記述したように、チャネル20の電子濃度のピーク深さと同じかそれよりも上方にする。上方に選択成長するインパクトイオン化領域の位置を規定するために、ゲート電極14の側面にシリコン酸化膜等の側壁絶縁膜16が形成されている。ゲート電極14と側壁絶縁膜16以外の、表面にシリコン基板10が露出している領域に、シリコンエピタキシャル層が形成される。
In the impact ionization MISFET of this embodiment, not only the surface of the p-
図示されているように、p型ソース領域44がチャネル20よりも上に形成されるとともに、p型ソース領域44と接続しているp型シリコン領域がチャネル20よりも上方に形成されている。このため、p型ソース領域44からチャネル領域に向かう電子の方向は、水平から下向きとなる。従って、インパクトイオン化で発生した高エネルギーの電子がゲート絶縁膜13に注入する確率が、第1の実施形態に比して更に減少し、より信頼性が向上する。
As shown in the figure, a p-
本実施形態においては、p型ソース領域44の底面をシリコン基板10の内部に形成したが、この底面を、ゲート絶縁膜13と半導体領域との界面よりも、界面に対する法線方向に見てゲート電極に近い側、換言すれば、ゲート絶縁膜13とシリコン基板10の界面位置より上方に形成してもよい。この場合でも、インパクトイオン化領域21を伝導するキャリアの速度ベクトルは、p型シリコン領域1の表面に平行又は下向きであり、ゲート絶縁膜13に注入される確率が低く、信頼性が向上するという本発明の効果が得られる。
In the present embodiment, the bottom surface of the p-
なお、インパクトイオン化領域をシリコンで形成したが、シリコンよりもバンドギャップが小さいシリコンゲルマニウムやゲルマニウムで形成してもよい。後述するように、チャネルとソースとの間のインパクトイオン化領域の内、チャネル領域よりも上方に形成されている領域は、エピタキシャル成長で形成する。このエピタキシャル成長では、シリコンに代えて、シリコンゲルマニウムやゲルマニウムを成長してもよい。シリコンゲルマニウムやゲルマニウムは、シリコンよりもインパクトイオン化率が高いので、ドレインしきい値電圧を低減することができる。この場合、基板もエピタキシャル層と同じシリコンゲルマニウムやゲルマニウムとすることも出来る。基板と同じ材料のエピタキシャル成長を行うと、転位等の欠陥形成が起こらず好ましい。 Although the impact ionization region is formed of silicon, it may be formed of silicon germanium or germanium having a band gap smaller than that of silicon. As will be described later, a region formed above the channel region in the impact ionization region between the channel and the source is formed by epitaxial growth. In this epitaxial growth, silicon germanium or germanium may be grown instead of silicon. Since silicon germanium and germanium have a higher impact ionization rate than silicon, the drain threshold voltage can be reduced. In this case, the substrate can be the same silicon germanium or germanium as the epitaxial layer. Epitaxial growth of the same material as that of the substrate is preferable because no defect formation such as dislocation occurs.
本実施の形態においては、基板をシリコン基板10としたが、シリコン基板に代えて、シリコンの下にシリコン酸化膜等の絶縁膜が形成されたSO基板でもよい。また、シリコンゲルマニウムやゲルマニウムの下にシリコン酸化膜等の絶縁膜が形成されたSGOI基板やGOI基板を採用してもよい。
In the present embodiment, the
本実施の形態においては、n型インパクトイオン化MISFETについて説明したが、本発明はn型に限定するものではなく、p型インパクトイオン化MISFETに適用することも可能である。 In the present embodiment, the n-type impact ionization MISFET has been described. However, the present invention is not limited to the n-type, and can be applied to a p-type impact ionization MISFET.
図4A〜4Eは、図3に示したインパクトイオン化MISFETの製造方法の一例を示す。図2A及び2Bを参照して説明した工程と同様な工程で、図4Aに示すように、1×1015cm−3以下の不純物濃度を有するp型のシリコン基板10の表面に、ゲート絶縁膜13,ゲート電極14および高濃度n型領域31を形成する。次に、ウェハ全面にシリコン酸化膜等の絶縁膜を形成し、それをエッチバックすることで、図4Bに示すように、側壁絶縁膜16を形成する。ゲート電極14と側壁絶縁膜16以外の、表面にシリコン基板10が露出している部分に、図4Cに示すように、厚さ50〜100nmのノンドープシリコン層17を、選択エピタキシャル成長する。次に図4Dに示すように、フォトレジストマスク52を形成した後、ヒ素をイオン注入して、高濃度n型領域32を形成する。このとき、上側の高濃度n型領域32が下側の高濃度n型領域31と電気的に接続されるようにし、最終的にはn型ドレイン領域33として一体として働くようにする。
4A to 4E show an example of a manufacturing method of the impact ionization MISFET shown in FIG. In a process similar to that described with reference to FIGS. 2A and 2B, as shown in FIG. 4A, a
次に、フォトレジストマスク52を除去した後、フォトレジストマスク53を形成し、ボロンをイオン注入することで高濃度p型領域42を形成する。その後、フォトレジストマスク53を除去して、イオン注入した不純物を活性化するために、1000℃,10秒程度の熱処理を施す。これによって、高濃度p型領域42からp型のシリコン基板10中にボロンが拡散し、図3に示したインパクトイオン化MISFETが形成される。
Next, after removing the
(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図5は、本発明の第3実施形態に係るインパクトイオン化MISFETを示す断面図である。本実施形態のインパクトイオン化MISFETは、図1および図3に示した、第1および第2実施形態がプレーナ型であるのとは異なり、縦型のMISFETを構成する。不純物濃度の低いp型のシリコン基板10中に、ヒ素濃度が1×1019cm−3以上の高濃度n型領域34が形成される。この高濃度n型領域34と接続するように、リン濃度が1×1020cm−3以上のn型のドレイン領域35、及び、ノンドープシリコンエピタキシャル層91が順次に堆積される。更に、このノンドープエピタキシャル層の上部周囲に、ボロン濃度が1×1020cm−3以上のp型のソース領域47が形成される。更に、n型ドレイン領域35とノンドープエピタキシャル層の側面に、ゲート絶縁膜51およびゲート電極61が形成される。更に、シリコン基板10,ゲート電極61,p型ソース領域47を電気的に絶縁するための絶縁膜71および72が形成されている。なお、図示は省略するが、実際には、各インパクトイオン化MISFET半導体装置を素子分離するためのシャロートレンチ等の素子分離領域、ソース,ドレイン,ゲート上のシリサイド層、全体を覆うシリコン酸化膜等の層間絶縁膜、及び各インパクトイオン化MISFETと他の素子等とを電気的に接続するための配線等の他の要素が形成される。なお、ノンドープシリコンエピタキシャル層91に代えて、低ドープシリコンエピタキシャル層を堆積してもよい。(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view showing an impact ionization MISFET according to the third embodiment of the present invention. Unlike the planar type in the first and second embodiments shown in FIGS. 1 and 3, the impact ionization MISFET of this embodiment constitutes a vertical MISFET. A high concentration n-
図1および図3にそれぞれ示した第1および第2実施形態がプレーナ型MISFETであり、そこでは、インパクトイオン化領域21の位置は、フォトリソグラフィーの位置合わせ精度に依存する。先に述べたように、インパクトイオン化領域が短いほどドレインしきい値電圧が低下するので好ましいが、微細化に伴い露光装置を始めとするフォトリソグラフィー装置のために、高額な設備投資が必要となる問題がある。これに対し、本実施形態のMISFETは縦型であり、インパクトイオン化領域21は絶縁膜72の膜厚で制御できる。このため、少なくともインパクトイオン化領域21の形成には、高価なフォトリソグラフィー装置や露光マスクは必要がない。従って、コストが削減でき、また膜厚の制御のみで製造できるので、ばらつきも小さいという利点がある。
The first and second embodiments shown in FIGS. 1 and 3 are planar MISFETs, in which the position of the
図示されているように、p型ソース領域47がノンドープエピタキシャル層91の側面に形成されている。従って、チャネル領域22とソース間を伝導するキャリアは、ほぼ側面を流れる。つまり、キャリアの速度ベクトルはノンドープエピタキシャル層91の側面に平行である。インパクトイオン化も側面近傍で起こり、そのベクトルはノンドープエピタキシャル層91の側面に平行である。エネルギーの高いキャリアが、ゲート電極61の厚み方向の速度成分を持たないため、ゲート絶縁膜51に注入される確率が低くなり、信頼性が向上する。p型ソース領域47の底面の位置は、第1の実施の形態で記述したものと同様であり、その説明を省略する。
As shown, a p-type source region 47 is formed on the side surface of the
本実施形態においては、インパクトイオン化領域をノンドープシリコンエピタキシャル層91で形成した。しかし、インパクトイオン化領域は、シリコンよりもバンドギャップの小さいシリコンゲルマニウムやゲルマニウムで形成してもよい。シリコンゲルマニウムやゲルマニウムは、シリコンよりインパクトイオン化率が高いので、ドレインしきい値電圧を低減することができる。この場合、n型ドレイン領域35および基板10もシリコンゲルマニウムやゲルマニウムとすることも出来る。
In the present embodiment, the impact ionization region is formed by the non-doped
また、本実施の形態においては、基板をシリコン基板10としたが、基板は、シリコンの下にシリコン酸化膜等の絶縁膜が形成されたSOI基板でもよい。或いは、基板は、シリコンゲルマニウムやゲルマニウムの下にシリコン酸化膜等の絶縁膜が形成されたSGOI基板や、GOI基板でもよい。
In the present embodiment, the substrate is the
本実施の形態においては、n型インパクトイオン化MISFETについて説明したが、本発明は、n型に限定するものではなく、p型インパクトイオン化MISFETに適用することも可能である。 In the present embodiment, the n-type impact ionization MISFET has been described. However, the present invention is not limited to the n-type, and can be applied to a p-type impact ionization MISFET.
次に、図5に示したインパクトイオン化MISFETの製造方法の一例を、図6A〜6Fに示す。図6Aに示すように、1×1015cm−3以下のp型のシリコン基板10の表面に、一般に用いられているフォトリソグラフィー技術とイオン注入技術で、1×1019cm−3以上の濃度の高濃度n型領域34を形成した後、シリコン酸化膜等の絶縁膜71を形成する。次に、リンが1×1020cm−3以上ドープされたポリシリコン膜を形成した後、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術で、ゲート電極61を形成する。次に、図6Bに示すように、シリコン窒化膜72やシリコン酸化膜73からなる絶縁膜を形成した後、選択エピタキシャル成長する領域90を、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術で、高濃度n型領域34が露出するまで開口する。
Next, an example of a manufacturing method of the impact ionization MISFET shown in FIG. 5 is shown in FIGS. As shown in FIG. 6A, a high concentration n of 1 × 10 19 cm −3 or more is formed on the surface of a p-
次に、図6Cに示すように、ゲート電極61を酸化することで、ゲート絶縁膜51を形成する。次いで、リンが1×1020cm−3以上ドープされたシリコンエピタキシャル層を選択成長してn型ドレイン領域35を形成し、続いてノンドープのシリコンエピタキシャル層91を選択成長する。次に、シリコン酸化膜73を除去した後、ボロンが1×1020cm−3以上ドープされた高濃度p型ポリシリコン層46を形成する。次に、フォトレジストを塗布した後、エッチバックして高濃度p型ポリシリコン層46の表面を露出した後、フォトリソグラフィー技術により、フォトレジストマスク53を形成する。
Next, as illustrated in FIG. 6C, the
次に、図6Fに示すように、高濃度p型ポリシリコン層46をエッチングした後、イオン注入した不純物を活性化するために1000℃,10秒程度の熱処理を施す。これにより、高濃度p型ポリシリコン層46からシリコンエピタキシャル層91中にボロンが拡散し、図5に示したインパクトイオン化MISFETが形成される。
Next, as shown in FIG. 6F, after the high-concentration p-
エピタキシャル成長で形成されるn型ドレイン領域35およびノンドープエピタキシャル層91は、基板と同じ材料のエピタキシャル成長を採用することが好ましい。同じ材料のエピタキシャル成長は、転位等の欠陥形成を防止する。
The n-
本発明を特別に示し且つ例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明は、その実施形態及びその変形に限定されるものではない。当業者に明らかなように、本発明は、添付のクレームに規定される本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、種々の変更が可能である。 Although the invention has been particularly shown and described with reference to illustrative embodiments, the invention is not limited to these embodiments and variations thereof. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims.
本出願は、2007年8月10日出願に係る日本特許出願2007−209326号を基礎とし且つその優先権を主張するものであり、引用によってその開示の内容の全てを本出願の明細書中に加入する。 This application is based on and claims the priority of Japanese Patent Application No. 2007-209326 filed on Aug. 10, 2007, the entire contents of which are incorporated herein by reference. join.
Claims (8)
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の一方の側面と隣接して前記半導体領域上に形成された第2導電型の高濃度不純物領域と、
前記ゲート電極の他方の側面と離隔して前記半導体領域上に形成され、前記半導体領域との界面が、前記ゲート絶縁膜と前記半導体領域の界面に対する法線方向に見て、オン状態時の、前記ゲート電極下の前記半導体領域におけるキャリア濃度のピーク位置と等しい位置か、又は、該ピーク位置よりも前記ゲート電極に近い位置にある第1導電型の高濃度不純物領域と、を有し、
前記第1導電型の高濃度不純物領域と前記半導体領域の界面と、前記ゲート電極と前記第1導電型の高濃度不純物領域との間の前記半導体領域の表面の一部とが、前記ゲート絶縁膜と前記半導体領域の界面よりも、該界面に対する前記法線方向に見て前記ゲート電極に近い側にあることを特徴とする半導体装置。 A gate insulating film formed on a surface of a semiconductor region composed of a first conductivity type or an intrinsic semiconductor;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A second conductivity type high-concentration impurity region formed on the semiconductor region adjacent to one side surface of the gate electrode;
Formed on the semiconductor region spaced apart from the other side surface of the gate electrode, and the interface with the semiconductor region is in the normal direction with respect to the interface between the gate insulating film and the semiconductor region. A high-concentration impurity region of a first conductivity type at a position equal to the peak position of the carrier concentration in the semiconductor region under the gate electrode or a position closer to the gate electrode than the peak position;
The interface between the high-concentration impurity region of the first conductivity type and the semiconductor region, and a part of the surface of the semiconductor region between the gate electrode and the high-concentration impurity region of the first conductivity type are the gate insulation. A semiconductor device, wherein the semiconductor device is closer to the gate electrode than the interface between the film and the semiconductor region in the normal direction to the interface.
前記半導体領域の、前記ゲート電極の一方の側面に隣接した位置に、第2導電型の高濃度不純物領域を形成する工程と、
前記半導体領域の表面上に、前記ゲート電極の他方の側面から離れた位置で第1導電型の高濃度不純物層を選択成長する工程と、
熱処理により、前記第1導電型の高濃度不純物層から前記半導体領域に不純物を拡散して、前記高濃度不純物層及び前記半導体領域の表面部分を含む第1導電型の高濃度不純物領域を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a gate insulating film and a gate electrode on the semiconductor region of the first conductivity type;
Forming a second conductivity type high concentration impurity region at a position adjacent to one side surface of the gate electrode of the semiconductor region;
Selectively growing a high-concentration impurity layer of the first conductivity type on the surface of the semiconductor region at a position away from the other side surface of the gate electrode;
By heat treatment, impurities are diffused from the first conductivity type high concentration impurity layer into the semiconductor region to form a first conductivity type high concentration impurity region including the high concentration impurity layer and a surface portion of the semiconductor region. And a method of manufacturing a semiconductor device.
前記第1導電型の拡散領域の表面上に、順次に第1の絶縁膜及びゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極を覆って第2の絶縁膜を堆積する工程と、
前記第2の絶縁膜、前記ゲート電極、及び、前記第1の絶縁膜を貫通する開口を形成して、前記第1導電型の拡散領域を露出させる工程と、
前記ゲート電極の開口の側壁にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記開口内に、前記ゲート電極と一部オーバーラップする第1導電型の高濃度不純物層と、真性又は低ドープ半導体層とを順次に堆積する工程と、
前記第2の絶縁膜の一部を除去して前記真性又は低ドープ半導体層の側壁を露出させる工程と、
前記ゲート電極及び前記第2の絶縁膜の上部に、前記露出した真性又は低ドープ半導体層の側壁を囲む第2導電型の高濃度不純物層を成長する工程と、
熱処理により、前記第2導電型の高濃度不純物層から前記真性又は低ドープ半導体層に不純物を拡散して、前記第2導電型の高濃度不純物層及び前記真性又は低ドープ半導体層の表面部分を含む第2導電型の高濃度不純物領域を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a diffusion region of the first conductivity type on the surface portion of the semiconductor substrate;
Sequentially forming a first insulating film and a gate electrode on the surface of the diffusion region of the first conductivity type;
Depositing a second insulating film over the gate electrode;
Forming an opening penetrating the second insulating film, the gate electrode, and the first insulating film to expose the diffusion region of the first conductivity type;
Forming a gate insulating film on the sidewall of the opening of the gate electrode;
Sequentially depositing a first conductivity type high concentration impurity layer partially overlapping with the gate electrode and an intrinsic or lightly doped semiconductor layer in the opening;
Removing a portion of the second insulating film to expose a side wall of the intrinsic or lightly doped semiconductor layer;
Growing a second conductivity type high-concentration impurity layer surrounding the exposed intrinsic or low-doped semiconductor layer on the gate electrode and the second insulating film;
By heat treatment, impurities are diffused from the second conductivity type high-concentration impurity layer into the intrinsic or low-doped semiconductor layer, and surface portions of the second conductivity type high-concentration impurity layer and the intrinsic or low-doped semiconductor layer are formed. And a step of forming a high-concentration impurity region of the second conductivity type including the semiconductor device manufacturing method.
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