JPH04370968A - Semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacture thereof

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JPH04370968A
JPH04370968A JP3176039A JP17603991A JPH04370968A JP H04370968 A JPH04370968 A JP H04370968A JP 3176039 A JP3176039 A JP 3176039A JP 17603991 A JP17603991 A JP 17603991A JP H04370968 A JPH04370968 A JP H04370968A
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JP
Japan
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region
drain
source
layer
semiconductor device
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Pending
Application number
JP3176039A
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Japanese (ja)
Inventor
Yuichi Ando
友一 安藤
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

PURPOSE:To control characteristics, and to inhibit a short channel effect in a MOS semiconductor device. CONSTITUTION:The bit lines 8 of N-type diffusion layers extended in the vertical direction of a paper surface are formed to a P-type silicon substrate 2, selectively formed epitaxial layers are formed among the bit lines 8, punch- through stopper layers 10 are shaped to the lower sections of the epitaxial layers 9, and channel layers 12 are formed on the surfaces of the epitaxial layers 9. A belt-like word line 18 extended in the direction orthogonal to the bit lines 8 is formed through gate oxide films 14 on the epitaxial layers 9 and insulating films 16 on the bit lines 8.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【0001】0001

【産業上の利用分野】本発明はMOS型半導体装置とそ
の製造方法に関し、特に高集積化が要求されるメモリな
どの半導体装置とその製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a MOS type semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor device such as a memory that requires high integration and a method of manufacturing the same.

【0002】0002

【従来の技術】半導体装置が高集積化されるにともなっ
て素子が微細化されると、ショートチャネル効果により
MOSトランジスタの特性が劣化する。ショートチャネ
ル効果による特性劣化を防ぐためには、LDD構造、デ
ィープチャネルドープ、又はポケットインプラントなど
が有効であるとされている。LDD構造では、ゲート電
極をマスクとしてまず低濃度のイオン注入を行ない、そ
の後高温CVDとRIEによりゲート電極の側面にサイ
ドフォールを形成し、次にそのサイドフォールをマスク
として高濃度のイオン注入を行なう。ディープチャネル
ドープでは50〜100KeVという高エネルギーでチ
ャネル領域の深いところまでイオン注入を行なう。ポケ
ットインプラントではゲート電極形成後にやはり高エネ
ルギーで深いところまでイオン注入を行なう。
2. Description of the Related Art As semiconductor devices become more highly integrated and their elements become smaller, the characteristics of MOS transistors deteriorate due to short channel effects. In order to prevent characteristic deterioration due to the short channel effect, it is said that an LDD structure, deep channel doping, pocket implant, etc. are effective. In the LDD structure, low concentration ions are first implanted using the gate electrode as a mask, then side falls are formed on the sides of the gate electrode by high temperature CVD and RIE, and then high concentration ions are implanted using the side falls as a mask. . In deep channel doping, ions are implanted deep into the channel region at high energy of 50 to 100 KeV. In the pocket implant, ions are implanted deep with high energy after the gate electrode is formed.

【0003】0003

【発明が解決しようとする課題】LDD構造はプロセス
が複雑になり、歩留まりなどに悪影響を与える。ディー
プチャネルドープとポケットインプラントでは基板表面
から基板の深いところにイオン注入するため、注入のば
らつきが大きく、また注入された不純物は基板の深さ方
向に分布をもつため、しきい値の均一性や制御性が悪く
、素子の微細化に不利である。本発明は特性を制御しや
すく、ショートチャネル効果を抑えた半導体装置を提供
することを目的とするものである。本発明はまたそのよ
うな半導体装置を製造する方法を提供することを目的と
するものである。
[Problems to be Solved by the Invention] The LDD structure requires a complicated process, which adversely affects yield and the like. In deep channel doping and pocket implants, ions are implanted deep into the substrate from the surface of the substrate, resulting in large variations in implantation, and the implanted impurities are distributed in the depth direction of the substrate, resulting in problems with threshold uniformity and Controllability is poor and it is disadvantageous to miniaturization of elements. An object of the present invention is to provide a semiconductor device whose characteristics can be easily controlled and whose short channel effect is suppressed. The present invention also aims to provide a method for manufacturing such a semiconductor device.

【0004】0004

【課題を解決するための手段】本発明のMOS型半導体
装置では、ソース領域及びドレイン領域が半導体基板の
拡散層にてなり、チャネル領域を含むソース・ドレイン
間領域がエピタキシャル成長層にてなり、かつパンチス
ルーストッパ層がチャネル領域の下部にのみ存在してい
る。
[Means for Solving the Problems] In the MOS type semiconductor device of the present invention, the source region and the drain region are made of a diffusion layer of a semiconductor substrate, the region between the source and drain including the channel region is made of an epitaxially grown layer, and A punch-through stopper layer is present only below the channel region.

【0005】このMOS型半導体装置が有効に利用され
る一つの例はプレーナ構造のROMであり、プレーナ構
造ではソース領域とドレイン領域が帯状に延びて互いに
平行に交互に配置され、チャネル領域上にゲート酸化膜
を介して設けられたゲート電極はワードラインを兼ねて
ソース領域及びドレイン領域と直交する方向に延びてい
る。
One example in which this MOS type semiconductor device is effectively utilized is a ROM having a planar structure. In the planar structure, source regions and drain regions extend in a band shape and are alternately arranged in parallel with each other, and are arranged on a channel region. The gate electrode provided through the gate oxide film also serves as a word line and extends in a direction perpendicular to the source and drain regions.

【0006】本発明の製造方法は、以下の工程(A)か
ら(H)を含んでいる。(A)ソース領域とドレイン領
域を形成するための不純物を半導体基板表面全面に導入
して拡散層を形成する工程、(B)基板表面に絶縁膜を
形成する工程、(C)ソース領域及びドレイン領域以外
の前記拡散層をエッチングにより除去して開口を設ける
工程、(D)前記開口の底部にソース・ドレインとは逆
導電型の不純物を導入する工程、(E)前記開口に選択
的にエピタキシャル成長層を形成する工程、(F)前記
エピタキシャル成長層の表面にゲート酸化膜を形成する
工程、(G)前記エピタキシャル成長層の表面付近にし
きい値制御の不純物を導入する工程、(H)前記ゲート
酸化膜上にゲート電極を形成する工程。
The manufacturing method of the present invention includes the following steps (A) to (H). (A) Step of introducing impurities to form the source region and drain region to the entire surface of the semiconductor substrate to form a diffusion layer, (B) Step of forming an insulating film on the substrate surface, (C) Source region and drain a step of removing the diffusion layer other than the region by etching to form an opening; (D) a step of introducing impurities of a conductivity type opposite to that of the source/drain into the bottom of the opening; (E) selective epitaxial growth in the opening. (F) forming a gate oxide film on the surface of the epitaxial growth layer; (G) introducing impurities for threshold control near the surface of the epitaxial growth layer; (H) the gate oxide film. The process of forming a gate electrode on top.

【0007】[0007]

【作用】チャネル領域の下部のパンチスルーストッパ層
の存在により耐圧が向上する。パンチスルーストッパ層
は基板をエッチングして開口を設け、その開口の底部表
面に不純物を導入するので、制御性よく導入することが
でき、ばらつきが少ない。パンチスルーストッパ層が導
入された開口部にエピタキシャル層が選択的に形成され
、そのエピタキシャル層にチャネル領域が形成されるの
で、チャネル領域のしきい値制御のための不純物導入は
パンチスルーストッパ層に関係なく均一に、制御性よく
形成することができる。
[Operation] The presence of the punch-through stopper layer below the channel region improves the breakdown voltage. In the punch-through stopper layer, an opening is formed by etching the substrate, and impurities are introduced into the bottom surface of the opening, so that the impurity can be introduced with good controllability and there is little variation. An epitaxial layer is selectively formed in the opening where the punch-through stopper layer is introduced, and a channel region is formed in the epitaxial layer, so impurities are introduced into the punch-through stopper layer to control the threshold value of the channel region. It can be formed uniformly and with good controllability regardless of the shape.

【0008】[0008]

【実施例】図1は本発明をプレーナ構造のROMに適用
した実施例を表わしている。ただし、層間絶縁膜、配線
、パッシベーション膜などの図示は省略されている。 P型シリコン基板2の表面でチャネルストッパ層4とフ
ィールド酸化膜6で囲まれた活性領域に紙面垂直方向に
延びるN型拡散層にてなるソース・ドレイン領域のビッ
トライン8が形成されている。ビットライン8はソース
領域とドレイン領域が交互に配置されたものである。ビ
ットライン8間の領域9は選択的に形成されたエピタキ
シャル成長層であり、そのエピタキシャル層9の下部に
はパンチスルーストッパ層10としてP型不純物拡散層
が形成されている。エピタキシャル層9の表面にはしき
い値電圧制御のためのP型不純物が導入されてチャネル
領域12が形成されている。エピタキシャル層9の表面
にはゲート酸化膜14が形成され、ビットライン8上に
はゲート酸化膜14よりも厚い絶縁膜16が形成されて
いる。ゲート酸化膜14及び絶縁膜16上にはビットラ
イン8と直交する方向に延びる帯状のワードライン18
が形成されている。ワードライン18は多結晶シリコン
膜にてなり、ゲート電極を兼ねている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows an embodiment in which the present invention is applied to a ROM having a planar structure. However, illustrations of interlayer insulating films, wiring, passivation films, etc. are omitted. In the active region surrounded by a channel stopper layer 4 and a field oxide film 6 on the surface of a P-type silicon substrate 2, a bit line 8 of a source/drain region made of an N-type diffusion layer extending perpendicular to the plane of the paper is formed. The bit line 8 has source regions and drain regions arranged alternately. A region 9 between bit lines 8 is a selectively formed epitaxial growth layer, and a P-type impurity diffusion layer is formed as a punch-through stopper layer 10 under the epitaxial layer 9. A channel region 12 is formed in the surface of the epitaxial layer 9 by introducing P-type impurities for threshold voltage control. A gate oxide film 14 is formed on the surface of the epitaxial layer 9, and an insulating film 16 thicker than the gate oxide film 14 is formed on the bit line 8. A band-shaped word line 18 extending in a direction perpendicular to the bit line 8 is formed on the gate oxide film 14 and the insulating film 16.
is formed. The word line 18 is made of a polycrystalline silicon film and also serves as a gate electrode.

【0009】図2により一実施例を製造する方法を説明
する。 (A)P型シリコン基板2上に既知のプロセスにより、
チャネルストッパ層4とフィールド酸化膜6を形成する
。メモリ部のソース・ドレイン形成のために、砒素やリ
ンなどのN型不純物20を全面にイオン注入する。この
ときの注入条件は、注入エネルギーが10〜100Ke
V、注入量が1015〜1020/cm3程度とする。
A method of manufacturing one embodiment will be explained with reference to FIG. (A) By a known process on a P-type silicon substrate 2,
A channel stopper layer 4 and a field oxide film 6 are formed. In order to form sources and drains in the memory section, N-type impurities 20 such as arsenic and phosphorus are ion-implanted into the entire surface. The implantation conditions at this time are that the implantation energy is 10 to 100Ke.
V, and the injection amount is about 1015 to 1020/cm3.

【0010】(B)熱処理を施して注入不純物によりN
型拡散層8を形成する。拡散層8が形成された基板上に
熱酸化又はCVD法などによりシリコン酸化膜16を成
膜する。酸化膜16の膜厚は後の工程で形成されるゲー
ト電極用の多結晶シリコン膜と拡散層8の間の酸化膜容
量に影響を与えるため、段差の点で問題の少ない程度に
厚くする。したがって、この酸化膜16の膜厚を100
0〜5000Åとする。
(B) N by heat treatment and implanted impurities
A mold diffusion layer 8 is formed. A silicon oxide film 16 is formed on the substrate on which the diffusion layer 8 is formed by thermal oxidation or CVD. The thickness of the oxide film 16 affects the oxide film capacitance between the polycrystalline silicon film for the gate electrode formed in a later step and the diffusion layer 8, so it is made thick enough to cause few problems in terms of steps. Therefore, the thickness of this oxide film 16 is set to 100
The thickness is 0 to 5000 Å.

【0011】(C)写真製版とエッチングにより、ソー
ス・ドレイン領域以外の拡散層8を除去して開口22を
形成する。その後、パンチスルー防止のために、ボロン
などのP型不純物24をイオン注入する。このときの注
入条件は、注入エネルギーを10〜50KeV、注入量
を1014〜1018/cm3程度とする。
(C) By photolithography and etching, the diffusion layer 8 other than the source/drain regions is removed to form an opening 22. Thereafter, P-type impurity 24 such as boron is ion-implanted to prevent punch-through. The implantation conditions at this time are that the implantation energy is 10 to 50 KeV and the implantation amount is approximately 1014 to 1018/cm3.

【0012】(D)低温選択エピタキシャル成長法によ
り開口部22のみにシリコンエピタキシャル層9を形成
する。このエピタキシャル層9は800〜1000℃の
低温で行ない、膜厚は拡散層8と同程度で1000〜5
000Åとする。また、前の工程で開口部22の底部に
注入された不純物は熱処理によりパンチスルーストッパ
層10となる。次に、メモリトランジスタのゲートのた
めに、エピタキシャル層9上にゲート酸化膜14を10
0〜500Å程度の厚さに形成する。その後、メモリト
ランジスタのしきい値制御のためのチャネルドープ26
を行なう。このときの注入条件は、注入エネルギーを1
0〜50KeV、注入量を1014〜1018/cm3
程度とする。熱処理を施してチャネルドープのための注
入不純物によりチャネル領域12を形成する。
(D) A silicon epitaxial layer 9 is formed only in the opening 22 by low temperature selective epitaxial growth. This epitaxial layer 9 is formed at a low temperature of 800 to 1000°C, and the film thickness is about the same as that of the diffusion layer 8, with a thickness of 1000 to 500°C.
000 Å. Further, the impurity implanted into the bottom of the opening 22 in the previous step becomes the punch-through stopper layer 10 by heat treatment. Next, a gate oxide film 14 is formed on the epitaxial layer 9 to form a gate of the memory transistor.
It is formed to a thickness of about 0 to 500 Å. After that, channel doping 26 for controlling the threshold value of the memory transistor is performed.
Do this. The implantation conditions at this time are that the implantation energy is 1
0-50KeV, injection amount 1014-1018/cm3
degree. Heat treatment is performed to form channel region 12 with implanted impurities for channel doping.

【0013】次に、ゲート電極を兼ねるワードラインの
ための多結晶シリコン膜を形成し、写真製版とエッチン
グによりビットライン8と直交する方向に延びる帯状に
パターン化してワードライン18とする。その後、既知
のプロセスにより層間絶縁膜を形成し、コンタクトホー
ルを形成し、メタル配線を形成し、パッシベーション膜
を形成すればメモリ装置が完成する。
Next, a polycrystalline silicon film for a word line which also serves as a gate electrode is formed and patterned into a band shape extending in a direction perpendicular to the bit line 8 by photolithography and etching to form a word line 18. Thereafter, a memory device is completed by forming an interlayer insulating film, forming contact holes, forming metal wiring, and forming a passivation film using known processes.

【0014】図2の工程(B)で、シリコン酸化膜16
に変えてシリコン窒化膜を形成してもよい。ワードライ
ン18は低抵抗化のために多結晶シリコン膜の表面にタ
ングステンなどの高融点金属膜を堆積し、ポリサイド化
してもよい。
In step (B) of FIG. 2, the silicon oxide film 16
A silicon nitride film may be formed instead. The word line 18 may be formed by depositing a high melting point metal film such as tungsten on the surface of the polycrystalline silicon film and converting it into a polycide in order to lower the resistance.

【0015】[0015]

【発明の効果】本発明はチャネル領域の下部にパンチス
トッパ層が存在するので、ソース・ドレイン耐圧が向上
する。そのパンチスルーストッパ層はシリコン基板をエ
ッチングし、その開口に浅く注入するため注入のばらつ
きが小さい。チャネル領域はパンチスルーストッパ層の
上に形成されたエピタキシャル層に作られるため、チャ
ネル領域の濃度がチャネルドープのみで制御でき、しき
い値の均一性が上がる。パンチスルーストッパ層はソー
ス・ドレイン間領域にのみ形成され、ソース領域やドレ
イン領域の下には入らないので、ソース領域やドレイン
領域と基板との間の接合容量は増加しない。本発明の製
造方法は確立された既知の技術のみの組合わせであるの
で、歩留まりよく実行することができる。
According to the present invention, since the punch stopper layer is present under the channel region, the source/drain breakdown voltage is improved. The punch-through stopper layer is formed by etching the silicon substrate and shallowly implanting the hole into the opening, so that variations in implantation are small. Since the channel region is formed in the epitaxial layer formed on the punch-through stopper layer, the concentration of the channel region can be controlled only by channel doping, and the uniformity of the threshold value is improved. Since the punch-through stopper layer is formed only in the region between the source and drain and does not go under the source or drain region, the junction capacitance between the source or drain region and the substrate does not increase. Since the manufacturing method of the present invention is a combination of only established and known techniques, it can be carried out with a high yield.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

【図1】一実施例を示す要部断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a main part showing one embodiment.

【図2】一実施例の製造方法を示す工程断面図である。FIG. 2 is a process sectional view showing a manufacturing method of one embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2      P型シリコン基板 8      ビットライン(ソース・ドレイン領域)
9      エピタキシャル層 10      パンチスルーストッパ層12    
  チャネル領域 14      ゲート酸化膜 18      ゲート電極を兼ねるワードライン22
      開口
2 P-type silicon substrate 8 Bit line (source/drain region)
9 Epitaxial layer 10 Punch-through stopper layer 12
Channel region 14 Gate oxide film 18 Word line 22 which also serves as a gate electrode
opening

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】  ソース領域及びドレイン領域が半導体
基板の拡散層にてなり、チャネル領域を含むソース・ド
レイン間領域がエピタキシャル成長層にてなり、かつパ
ンチスルーストッパ層がチャネル領域の下部にのみ存在
するMOS型半導体装置。
Claim 1: The source region and the drain region are made of a diffusion layer of a semiconductor substrate, the region between the source and drain including the channel region is made of an epitaxial growth layer, and the punch-through stopper layer is present only under the channel region. MOS type semiconductor device.
【請求項2】  ソース領域とドレイン領域が帯状に延
びて互いに平行に交互に配置され、チャネル領域上にゲ
ート酸化膜を介して設けられたゲート電極はワードライ
ンを兼ねてソース領域及びドレイン領域と直交する方向
に延びているプレーナ構造のROMである請求項1に記
載のMOS型半導体装置。
2. A source region and a drain region extend in a strip shape and are alternately arranged parallel to each other, and a gate electrode provided on the channel region with a gate oxide film serving as a word line serves as a source region and a drain region. 2. The MOS semiconductor device according to claim 1, which is a ROM having a planar structure extending in orthogonal directions.
【請求項3】  以下の工程(A)から(H)を含む半
導体装置の製造方法。 (A)ソース領域とドレイン領域を形成するための不純
物を半導体基板表面全面に導入して拡散層を形成する工
程、(B)基板表面に絶縁膜を形成する工程、(C)ソ
ース領域及びドレイン領域以外の前記拡散層をエッチン
グにより除去して開口を設ける工程、(D)前記開口の
底部にソース・ドレインとは逆導電型の不純物を導入す
る工程、(E)前記開口に選択的にエピタキシャル成長
層を形成する工程、(F)前記エピタキシャル成長層の
表面にゲート酸化膜を形成する工程、(G)前記エピタ
キシャル成長層の表面付近にしきい値制御の不純物を導
入する工程、(H)前記ゲート酸化膜上にゲート電極を
形成する工程。
3. A method for manufacturing a semiconductor device comprising the following steps (A) to (H). (A) Step of introducing impurities to form the source region and drain region to the entire surface of the semiconductor substrate to form a diffusion layer, (B) Step of forming an insulating film on the substrate surface, (C) Source region and drain a step of removing the diffusion layer other than the region by etching to form an opening; (D) a step of introducing impurities of a conductivity type opposite to that of the source/drain into the bottom of the opening; (E) selective epitaxial growth in the opening. (F) forming a gate oxide film on the surface of the epitaxial growth layer; (G) introducing impurities for threshold control near the surface of the epitaxial growth layer; (H) the gate oxide film. The process of forming a gate electrode on top.
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