JPH0595113A - Semiconductor device and its manufacture - Google Patents

Semiconductor device and its manufacture

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Publication number
JPH0595113A
JPH0595113A JP25347191A JP25347191A JPH0595113A JP H0595113 A JPH0595113 A JP H0595113A JP 25347191 A JP25347191 A JP 25347191A JP 25347191 A JP25347191 A JP 25347191A JP H0595113 A JPH0595113 A JP H0595113A
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JP
Japan
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gate electrode
semiconductor device
film
forming
transistor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP25347191A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akihiro Shimizu
昭博 清水
Toshiaki Yamanaka
俊明 山中
Naotaka Hashimoto
直孝 橋本
Koji Hashimoto
孝司 橋本
Nagatoshi Ooki
長斗司 大木
Hiroshi Ishida
浩 石田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi ULSI Engineering Corp
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi ULSI Engineering Corp
Hitachi Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi ULSI Engineering Corp, Hitachi Ltd filed Critical Hitachi ULSI Engineering Corp
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Publication of JPH0595113A publication Critical patent/JPH0595113A/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/7833Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with lightly doped drain or source extension, e.g. LDD MOSFET's; DDD MOSFET's
    • H01L29/7834Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with lightly doped drain or source extension, e.g. LDD MOSFET's; DDD MOSFET's with a non-planar structure, e.g. the gate or the source or the drain being non-planar

Abstract

PURPOSE:To provide a MIS-type field effect transistor having high reliability and high current driving ability and is proper for high integration. CONSTITUTION:A source and a drain have an LDD structure, a sidewall spacer 6 is provided to an area near the sidewall of a gate electrode above a low concentration diffusion layer 2 thereof, a gate electrode bottom part protrudes and a gate electrode protruding part is buried inside a semiconductor substrate 1 in a self-alignment manner. Thereby, it is possible to bury an overlapping part of the low concentration diffusion layer 2 and a gate electrode 5 inside the silicon substrate 1 in a self-alignment manner and to realize a semiconductor device having high reliability and high current driving ability through the plane occupied area of a transistor is small. Furthermore, contact between the transistor and an upper wiring layer can be formed in a self-alignment manner and a plane occupied area of the transistor can be further reduced.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置及びその製造
方法に係り、特に高信頼度化,高電流駆動能力化と共に
高集積化に好適な絶縁ゲート型(以下MIS型と略す)
電界効果トランジスタを有する半導体装置及びその製造
方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and particularly to an insulated gate type (hereinafter abbreviated as MIS type) suitable for high reliability and high current driving capability and high integration.
The present invention relates to a semiconductor device having a field effect transistor and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】MIS型電界効果トランジスタの高信頼
度化には、ドレイン構造の改良により素子内部の電界を
緩和するのが有効である。従来MIS型電界効果トラン
ジスタの高信頼度化構造としては、例えば特開昭54−44
482号において論じられているような低濃度ドレイン構
造、いわゆるLDD(Lightly Doped Drain)構造、ある
いはアイ・イー・イー・イー、エレクトロン、デバイ
ス、レターズ、4号、1987年、第151項から153項
(IEEE,Electron Device Letters,Vol.EDL−4,p
p.151−153,1987)において論じられてい
るような上記LDD構造の改良型としてその低濃度ドレ
インとゲート電極を十分にオーバーラップさせた構造が
上げられる。このうち後者を図2に示す。1がシリコン
基板、2が低不純物濃度のソース,ドレイン拡散層(以
後、低濃度拡散層と略す)、3が高不純物濃度のソー
ス,ドレイン拡散層(以後、高濃度拡散層と略す)、4
がゲート絶縁膜、7が張出し部付きゲート電極、そして
8が絶縁膜からなるサイドウォールスペーサである。
2. Description of the Related Art To improve the reliability of a MIS field effect transistor, it is effective to relax the electric field inside the device by improving the drain structure. As a structure for improving the reliability of the conventional MIS field effect transistor, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 54-44
Low concentration drain structure as discussed in No. 482, so-called LDD (Lightly Doped Drain) structure, or IEE, Electron, Device, Letters, No. 4, 1987, 151-153. (IEEE, Electron Device Letters, Vol.EDL-4, p
p. 151-153, 1987), an improved structure of the LDD structure described above is a structure in which the low-concentration drain and the gate electrode are sufficiently overlapped. Of these, the latter is shown in FIG. 1 is a silicon substrate, 2 is a low impurity concentration source / drain diffusion layer (hereinafter abbreviated as low concentration diffusion layer), 3 is a high impurity concentration source / drain diffusion layer (hereinafter abbreviated as high concentration diffusion layer), 4
Is a gate insulating film, 7 is a gate electrode with an overhang, and 8 is a sidewall spacer made of an insulating film.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術におい
て、前者LDD構造の低濃度拡散層3は、素子内部電界
を緩和しトランジスタの長期的動作の信頼性を向上させ
るが、トランジスタに直列に接続された抵抗として働き
電流駆動能力の低下を招く。また、このLDD構造でも
ゲート長が0.5μm 以下になってくると従来電源電圧
5Vで使用するのは困難になってきている。これに対し
て図2のような改良LDD構造は上記LDD構造よりも
高信頼度化と共に高電流駆動能力化が期待できる。LD
D構造の低濃度拡散層とゲート電極とを十分にオーバー
ラップさせると、ドレイン近傍でのチャネル方向電界を
緩和でき、かつ注入されたホットキャリアが絶縁膜中に
捕獲されることなくゲート電極中に注入されるため、L
DD構造における固有の劣化現象(スペーサ中で捕獲さ
れたホットキャリアに起因する特性変動)を防止でき
る。しかしながら、本構造はオーバーラップ用のゲート
電極7aがリソグラフィーで定まる本来のゲート電極7
bから張り出しているため、自己整合的に拡散層とのコ
ンタクト孔を形成するとき、あるいは通常のコンタクト
孔がずれてスペーサ上に開口したときに、上層配線と上
記張り出し電極7bが接触するという問題があった。こ
れを図3(a)を用いてより詳細に説明する。図3
(a)は図2に示した公知例のドレイン近傍のみを拡大
して示した断面図である。この図ではnチャネルの場合
を示しており、さらにコンタクト孔をサイドウォールス
ペーサ8と重なるように開口し上層の多結晶シリコンか
らなる配線層17を形成してある。この図から明らかな
ようにゲート電極の張出し部19と配線層17が18に
おいて短絡している。なお16は層間絶縁膜である。こ
のため、従来技術ではサイドウォールスペーサ端とコン
タクト孔間が接触しないように、余裕を設けねばならず
トランジスタの占有面積が大きくなるという問題があっ
た。また、本構造では、低濃度拡散層をシリコン基板表
面に平面的に配置しているため、その占有面積を小さく
することが、信頼性確保上困難であるという問題もあっ
た。
In the above-mentioned prior art, the former low-concentration diffusion layer 3 of the LDD structure relaxes the electric field inside the element and improves the reliability of long-term operation of the transistor, but is connected in series to the transistor. Functioning as a resistance, causing a decrease in current drive capability. Further, even with this LDD structure, when the gate length becomes 0.5 μm or less, it becomes difficult to use the conventional power supply voltage of 5V. On the other hand, the improved LDD structure as shown in FIG. 2 is expected to have higher reliability and higher current driving capability than the above LDD structure. LD
When the low-concentration diffusion layer of the D structure and the gate electrode are sufficiently overlapped, the electric field in the channel direction near the drain can be relaxed, and the injected hot carriers are trapped in the gate electrode without being trapped in the insulating film. L is injected
It is possible to prevent an inherent deterioration phenomenon in the DD structure (characteristic variation caused by hot carriers captured in the spacer). However, in this structure, the gate electrode 7a for overlapping is the original gate electrode 7a determined by lithography.
Since it projects from b, when the contact hole with the diffusion layer is formed in a self-aligned manner, or when the normal contact hole is shifted and opened on the spacer, the upper wiring is in contact with the projecting electrode 7b. was there. This will be described in more detail with reference to FIG. Figure 3
FIG. 3A is an enlarged sectional view showing only the vicinity of the drain of the known example shown in FIG. This drawing shows the case of an n channel, and further, a contact hole is opened so as to overlap with the sidewall spacer 8 and an upper wiring layer 17 made of polycrystalline silicon is formed. As is clear from this figure, the overhang 19 of the gate electrode and the wiring layer 17 are short-circuited at 18. Reference numeral 16 is an interlayer insulating film. Therefore, in the conventional technique, there is a problem that the occupied area of the transistor becomes large because a margin must be provided so that the end of the sidewall spacer and the contact hole do not come into contact with each other. Further, in this structure, since the low-concentration diffusion layer is arranged on the surface of the silicon substrate in a plane, it is difficult to reduce the occupied area in terms of ensuring reliability.

【0004】本発明の目的は0.3μm プロセス以降の
基本デバイスとして、容易なプロセスで形成でき、上記
制約を受けずに高信頼度高電流駆動能力を共に有するM
IS型電界効果トランジスタを提供することにある。
An object of the present invention is to form a basic device after a process of 0.3 μm by an easy process, and to have a high reliability and a high current driving capability without being restricted by the above-mentioned process.
An object is to provide an IS field effect transistor.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記目的は、ソース,ド
レインが上記LDD構造を有しかつその低濃度拡散層上
部ゲート電極側壁近傍にサイドウォールスペーサを設
け、かつ該ゲート電極底部が張り出しており、かつ該ゲ
ート電極張出し部が半導体基板内に自己整合的に埋め込
まれていることをより達成される。
In order to solve the above-mentioned problems, the source and drain have the above LDD structure, a sidewall spacer is provided near the side wall of the upper gate electrode of the low concentration diffusion layer, and the bottom of the gate electrode is projected. Further, it is further achieved that the gate electrode projecting portion is embedded in the semiconductor substrate in a self-aligned manner.

【0006】[0006]

【作用】上記手段において、上記ゲート電極底部の張り
出し部分、いわゆる低濃度拡散層との重なり部分がシリ
コン基板内に埋め込まれることにより、上層配線層と張
り出し部分が直接接触することを防ぐことができる。こ
れを、図3(b)で詳細に説明する。図中の5がゲート
電極、6がサイドウォールスペーサ、他は図3(a)と
同一である。この図からゲート電極の張り出し部分がシ
リコン基板1内に埋め込まれているため、上層の配線層
17とはサイドウォールスペーサ6で十分に絶縁されて
おり、両者が短絡することはない。また、ゲート電極5
と低濃度拡散層2とのオーバーラップ部分がシリコン基
板1内に埋め込まれることにより、オーバーラップ長を
深さ方向で立体的に稼ぐことできる。
In the above means, the protruding portion of the bottom portion of the gate electrode, that is, the overlapping portion with the so-called low-concentration diffusion layer is embedded in the silicon substrate, so that the upper wiring layer and the protruding portion can be prevented from directly contacting each other. .. This will be described in detail with reference to FIG. In the figure, 5 is a gate electrode, 6 is a sidewall spacer, and the others are the same as in FIG. From this figure, since the protruding portion of the gate electrode is embedded in the silicon substrate 1, it is sufficiently insulated from the upper wiring layer 17 by the sidewall spacer 6, and both are not short-circuited. In addition, the gate electrode 5
By embedding the overlap portion of the low concentration diffusion layer 2 with the silicon substrate 1, the overlap length can be three-dimensionally obtained in the depth direction.

【0007】[0007]

【実施例】以下に本発明の代表的な実施例を、図1,4
を用いて説明する。図1は本発明をnチャネルMOS型
電界効果トランジスタに適用したときの代表的な断面構
造を示したものであり、図4はその構造を形成する代表
的な形成工程の概略を示したものである。図1でサイド
ウォールスペーサ6の幅は約0.15μm 、ゲート絶縁
膜4は二酸化シリコン膜で約15nm、n型の低濃度拡
散層(不純物領域)2の表面不純物濃度は約1×1018
/cm3 であった。これにより、ゲート電極と低濃度拡散
層との重なりは、シリコン基板内で深さ方向に形成され
約0.1μmであり、上層配線層18との絶縁はサイド
ウォールスペーサ6により自己整合的に行われている。
この結果、従来公知例のLDD構造のMOS型電界効果
トランジスタに比べると、信頼性の指標であるホットキ
ャリア耐圧(伝達コンダクタンスGmが10年で10%
変動するドレイン電圧で定義)がゲートフリンジ電界の
上昇とLDD固有のホットキャリア劣化現象の低減によ
り約2V向上させることができた。さらに、本実施例で
は実質的な低濃度拡散層の長さを小さくすることがで
き、電流駆動能力も通常のLDD構造に比べて約10%
向上させることができ、また平面的な低濃度拡散層の長
さを小さくすることができたためトランジスタの占有面
積をも小さくすることができた。
EXAMPLE A typical example of the present invention will be described below with reference to FIGS.
Will be explained. FIG. 1 shows a typical sectional structure when the present invention is applied to an n-channel MOS field effect transistor, and FIG. 4 shows an outline of a typical forming process for forming the structure. is there. In FIG. 1, the sidewall spacer 6 has a width of about 0.15 μm, the gate insulating film 4 is a silicon dioxide film of about 15 nm, and the surface impurity concentration of the n-type low concentration diffusion layer (impurity region) 2 is about 1 × 10 18.
It was / cm 3 . As a result, the overlap between the gate electrode and the low-concentration diffusion layer is about 0.1 μm formed in the depth direction in the silicon substrate, and the insulation with the upper wiring layer 18 is performed by the sidewall spacer 6 in a self-aligned manner. It is being appreciated.
As a result, as compared with the conventionally known LDD structure MOS field effect transistor, the hot carrier breakdown voltage (transfer conductance Gm is 10% in 10 years), which is an index of reliability.
The variable drain voltage) was improved by about 2V due to the rise of the gate fringe electric field and the reduction of the hot carrier deterioration phenomenon peculiar to LDD. Further, in this embodiment, the length of the low-concentration diffusion layer can be substantially reduced, and the current driving capability is about 10% as compared with the normal LDD structure.
Since the length of the planar low-concentration diffusion layer can be reduced, the area occupied by the transistor can be reduced.

【0008】なお、上記はnチャネルについての実施例
であったが、pチャネルにおいても導電型を逆にするこ
とにより同様の電界緩和効果を得ることができる。ま
た、ゲート電極材料についても金属,金属とシリコンと
の多層膜等いずれでも良く、ゲート酸化膜及びサイドウ
ォールスペーサ材料も別の高誘電体膜でも良い。特に、
今後シリコン酸化膜厚がその薄膜化限界に近づきつつあ
るため、他の高誘電体膜(シリコン窒化膜,タンタル酸
化膜等)が用いられることが考えられるが、そのときス
ペーサ材料も高誘電体に変更した方が良好な特性を得る
ことができる。さらに、高濃度拡散層3は埋め込みゲー
ト電極部に達していても良い。この場合、電流駆動能力
はさらに向上する。
Although the above is the embodiment for the n-channel, the same electric field relaxation effect can be obtained by reversing the conductivity type also in the p-channel. Further, the gate electrode material may be any of metal, a multi-layer film of metal and silicon, and the gate oxide film and the sidewall spacer material may be another high dielectric film. In particular,
Since the silicon oxide film thickness is approaching its thinning limit in the future, other high dielectric films (silicon nitride film, tantalum oxide film, etc.) may be used. At that time, the spacer material should also be a high dielectric film. The better the characteristics, the better. Further, the high concentration diffusion layer 3 may reach the embedded gate electrode portion. In this case, the current drive capacity is further improved.

【0009】次に、図4を用いて第1の実施例を形成す
る代表的な工程を説明する。
Next, a typical process for forming the first embodiment will be described with reference to FIG.

【0010】図4(a)は、p型10Ω−cmのシリコン
基板1上に素子分離領域を形成後、公知の化学気相成長
(CVD)法を用いて全面にシリコン窒化膜10を30
0〜350nm被膜し、公知のリソグラフィー技術を用
いて幅300〜350nmの溝11を形成後、続いてシ
リコン基板を等方性のドライエッチングで約0.1μm
加工し、さらに二酸化シリコンからなるゲート絶縁膜4
を熱酸化法で10〜13nm形成した後の断面図を示し
たものである。図のようにシリコン基板は横方向にも約
0.1μm エッチングされている。
In FIG. 4A, after forming an element isolation region on a p-type 10 Ω-cm silicon substrate 1, a silicon nitride film 10 is formed on the entire surface by a known chemical vapor deposition (CVD) method.
After coating the film with a thickness of 0 to 350 nm and forming a groove 11 having a width of 300 to 350 nm by using a known lithography technique, the silicon substrate is subsequently subjected to isotropic dry etching to a depth of about 0.1 μm.
Processed and further gate insulating film 4 made of silicon dioxide
3 is a cross-sectional view after forming 10 to 13 nm by thermal oxidation. As shown in the figure, the silicon substrate is also laterally etched by about 0.1 μm.

【0011】次に図4(b)のごとく多結晶シリコンの
被膜(約400〜500nm)とエッチバックにより、
シリコン窒化膜とシリコン基板内に形成した溝11内に
多結晶シリコンを埋め込む。続いてこの多結晶シリコン
中に高濃度に燐を拡散させ、電極とする。この結果、ゲ
ート電極は、底部の張り出し部がシリコン基板内に埋め
込まれた逆T字型となっている。
Next, as shown in FIG. 4 (b), a polycrystalline silicon film (about 400 to 500 nm) and etch back are applied to
Polycrystalline silicon is embedded in the groove 11 formed in the silicon nitride film and the silicon substrate. Subsequently, phosphorus is diffused into this polycrystalline silicon at a high concentration to form an electrode. As a result, the gate electrode has an inverted T shape in which the protruding portion at the bottom is embedded in the silicon substrate.

【0012】次に図4(c)の如くシリコン窒化膜10
を除去後、二酸化シリコンからなる薄膜12を5〜10
nm被膜し、燐の1〜2×1013/cm2 イオン打ち込み
と、その後の窒素雰囲気中の熱処理で低濃度拡散層2を
形成する。
Next, as shown in FIG. 4C, the silicon nitride film 10 is formed.
After removing, the thin film 12 made of silicon dioxide is added to the thin film 5-10.
to form a low-concentration diffusion layer 2 by ion-implanting phosphorus with 1 to 2 × 10 13 / cm 2 and then performing heat treatment in a nitrogen atmosphere.

【0013】最後に図4(d)の如く、150〜170
nmの二酸化シリコン膜の被膜とその膜厚分の異方性ド
ライエッチングによりサイドウォールスペーサ6を形成
する。このときサイドウォールスペーサ6の幅は130
〜150nmであった。次に2〜5×1015/cm2
砒素のイオン打ち込みとその後の熱処理で高濃度拡散層
3を形成する。後の工程は、公知の方法により層間絶縁
膜の被膜,コンタクト孔の開口,金属配線層の形成によ
り完成する。
Finally, as shown in FIG.
The side wall spacers 6 are formed by a silicon dioxide film having a thickness of nm and anisotropic dry etching corresponding to the film thickness. At this time, the width of the sidewall spacer 6 is 130.
Was ~ 150 nm. Then, a high concentration diffusion layer 3 is formed by ion implantation of arsenic of 2 to 5 × 10 15 / cm 2 and subsequent heat treatment. The subsequent steps are completed by forming a film of an interlayer insulating film, opening of contact holes, and a metal wiring layer by a known method.

【0014】以上により、従来LDD構造形成プロセス
と同様自己整合的に、埋め込み逆T字型ゲート電極を有
するゲート/ドレインオーバーラップLDD構造を形成
できた。この結果、第1の実施例と同様の効果を得るこ
とができた。
As described above, a gate / drain overlap LDD structure having a buried inverted T-shaped gate electrode could be formed in a self-aligning manner similar to the conventional LDD structure forming process. As a result, the same effect as that of the first embodiment could be obtained.

【0015】また、上記実施例において、溝の幅11の
最小値は通常リソグラフィーの解像限界で定まることに
なる。このため、通常の光リソグラフィーでは幅約0.
3μm以下の溝を形成するのは困難である。このとき図
4(e)の如く、(a)におけるシリコン窒化膜10の
加工において、予めシリコン窒化膜の上に別のマスクと
なる層13例えばレジスト0.5〜1μm 、あるいは二
酸化シリコン膜130〜150nmの被膜と加工で溝を形
成し、次にシリコン窒化膜上レジストの側壁に二酸化シ
リコン膜の被膜とその膜厚分の異方性ドライエッチング
によりサイドウォール14を形成する。そして、(a)
と同様に13,14をマスクにシリコン窒化膜を加工す
る。これにより、サイドウォールスペーサ14の幅を制
御することにより、リソグラフィーの解像限界以下の任
意の幅の溝を形成できる。
Further, in the above embodiment, the minimum value of the groove width 11 is usually determined by the resolution limit of lithography. Therefore, the width is about 0.
It is difficult to form a groove of 3 μm or less. At this time, as shown in FIG. 4E, in the processing of the silicon nitride film 10 in FIG. 4A, another mask layer 13 such as a resist of 0.5 to 1 μm or a silicon dioxide film 130 to is previously formed on the silicon nitride film. A 150 nm film and a groove are formed by processing, and then a sidewall 14 is formed on the side wall of the resist on the silicon nitride film by a film of a silicon dioxide film and anisotropic dry etching corresponding to the film thickness. And (a)
Similarly, the silicon nitride film is processed using 13 and 14 as a mask. Thus, by controlling the width of the sidewall spacers 14, it is possible to form a groove having an arbitrary width equal to or smaller than the resolution limit of lithography.

【0016】さらに本発明のゲート電極上部のみに二酸
化シリコン膜等の絶縁膜を形成する場合には、シリコン
基板上のシリコン窒化膜10を除去する前に図4(f)
の如く、二酸化シリコン膜の被膜とエッチバックにより
形成すれば良い。また、多結晶シリコンからなるゲート
電極上部に金属あるいは金属シリサイドを形成する場合
も同様な工程で形成できる。これにより、ゲート電極上
部の膜が二酸化シリコン膜であるならば図4(d)以降
に上層配線層を形成するとき自己整合的にコンタクト孔
を開口できる。また、ゲート電極上部の膜が金属あるい
は金属シリサイドであるならば、低抵抗ゲート電極を実
現できる。
Further, in the case where an insulating film such as a silicon dioxide film is formed only on the gate electrode of the present invention, before removing the silicon nitride film 10 on the silicon substrate, FIG.
As described above, it may be formed by etching back with the film of the silicon dioxide film. Also, when a metal or metal silicide is formed on the gate electrode made of polycrystalline silicon, it can be formed by the same process. As a result, if the film above the gate electrode is a silicon dioxide film, the contact holes can be opened in a self-aligned manner when the upper wiring layer is formed after FIG. If the film on the gate electrode is made of metal or metal silicide, a low resistance gate electrode can be realized.

【0017】次に、本発明の他の実施例を図5を用いて
説明する。
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

【0018】まず、図5(a)は前記実施例においてゲ
ート電極底部張り出し部の大きさを変えたものである。
これは、図4(a)において、シリコン基板を露出させ
た後、シリコン基板をまず異方性ドライエッチングによ
り深さ約0.2μm 加工し、続いて等方性エッチングに
より約0.1μm 加工することにより、図5(a)の如
き溝を形成したものである。後の工程は前記の実施例と
同様の工程で完成する。なお、本実施例では低濃度拡散
層21を前記実施例に比べてシリコン基板1内深く形成
し、ゲート電極20との重なり部分を大きくすると共
に、低濃度拡散層21を高濃度拡散層3よりも深く形成
してある。これにより、ゲート電極20と低濃度拡散層
21との重なり部の長さを自己整合的に深さ方向のみに
長くすることができるため、トランジスタの占有面積を
拡大させることなく、さらに信頼度の高いトランジスタ
を得ることができる。そして、ソース,ドレインとシリ
コン基板間の接合容量を小さくできる。
First, FIG. 5 (a) shows that the size of the protruding portion of the bottom portion of the gate electrode is changed in the above embodiment.
In FIG. 4A, after the silicon substrate is exposed, the silicon substrate is first processed by anisotropic dry etching to a depth of about 0.2 μm, and then isotropically etched to about 0.1 μm. As a result, a groove as shown in FIG. 5 (a) is formed. The subsequent steps are completed by the same steps as in the above embodiment. In this embodiment, the low-concentration diffusion layer 21 is formed deeper in the silicon substrate 1 than in the above-mentioned embodiments, the overlapping portion with the gate electrode 20 is increased, and the low-concentration diffusion layer 21 is formed more than the high-concentration diffusion layer 3. Is also deeply formed. As a result, the length of the overlapping portion of the gate electrode 20 and the low-concentration diffusion layer 21 can be lengthened only in the depth direction in a self-aligned manner, so that the area occupied by the transistor is not increased and the reliability is further increased. A high transistor can be obtained. Then, the junction capacitance between the source / drain and the silicon substrate can be reduced.

【0019】次に、図5(b)は前記実施例において高
濃度拡散層22をゲート電極下部まで到達させたもので
ある。これは、図4(d)において、高濃度拡散層用の
不純物を斜めイオン打込みにより形成したものである。
これによりこの高濃度拡散層22は深さ方向に比べて横
方向に伸ばすことができるため、上記実施例と同様に低
濃度拡散層2よりも接合深さを浅くできる。これによ
り、接合容量を小さくできると共に、電流駆動能力を大
幅に向上できる。本発明では、高濃度拡散層はゲート電
極下部まで到達してもしていなくても良い。これは、信
頼度と用いられる電源電圧との兼ね合いで定めれば良
い。
Next, FIG. 5 (b) shows the high-concentration diffusion layer 22 reaching the lower part of the gate electrode in the above embodiment. This is formed by oblique ion implantation of impurities for the high-concentration diffusion layer in FIG. 4 (d).
As a result, the high-concentration diffusion layer 22 can be extended in the lateral direction as compared with the depth direction, so that the junction depth can be made shallower than that in the low-concentration diffusion layer 2 as in the above embodiment. As a result, the junction capacitance can be reduced and the current drive capability can be significantly improved. In the present invention, the high concentration diffusion layer may or may not reach the lower portion of the gate electrode. This may be determined in consideration of the reliability and the power supply voltage used.

【0020】次に、図5(c)は前記実施例においてサ
イドウォールスペーサ材料を二酸化シリコン膜から高誘
電体膜であるタンタル酸化膜23に変えたものである。
これにより、高濃度拡散層3をゲート電極下部まで到達
させなくとも、ゲート電極からのフリンジ電界を大きく
することができ電流駆動能力を大幅に向上できる。
Next, FIG. 5C shows that the sidewall spacer material is changed from the silicon dioxide film to the tantalum oxide film 23 which is a high dielectric film in the above-mentioned embodiment.
As a result, the fringe electric field from the gate electrode can be increased and the current drive capability can be greatly improved without the high-concentration diffusion layer 3 reaching the lower part of the gate electrode.

【0021】最後に、図5(d)は前記実施例において
シリコン基板内深部のゲート電極下部のみにパンチスル
ーストッパ用の高濃度埋込層24を形成したものであ
る。これは、図4(a)において、シリコン基板1を露
出させた後、シリコン窒化膜10をマスクに高エネルギ
ーのイオン打込みにより形成したものである。これによ
り、パンチスルーストッパ用の高濃度埋込層24をゲー
ト電極下部のみに形成できるため、接合容量を増大させ
ることなく微細なトランジスタを形成できる。以上説明
してきたように、本発明の構造はこれら実施例を組合せ
ることにより、0.2μm レベル以降においても、高信
頼度,高電流駆動能力、そして高集積性を備えたMIS
型半導体装置を形成できる。これは、ロジックのみなら
ず汎用的なメモリ等のメモリセルにも好適な半導体装置
となる。
Finally, FIG. 5 (d) shows the high-concentration buried layer 24 for a punch-through stopper formed only in the deep portion of the silicon substrate below the gate electrode in the above embodiment. This is formed by exposing the silicon substrate 1 in FIG. 4A and then by ion implantation with high energy using the silicon nitride film 10 as a mask. As a result, the high-concentration buried layer 24 for punch-through stopper can be formed only under the gate electrode, so that a fine transistor can be formed without increasing the junction capacitance. As described above, the structure of the present invention is a MIS having high reliability, high current drive capability, and high integration even after the level of 0.2 μm by combining these embodiments.
Type semiconductor device can be formed. This is a semiconductor device suitable not only for logic but also for memory cells such as general-purpose memories.

【0022】[0022]

【発明の効果】本発明によれば、低濃度拡散層とゲート
電極との重なり部分をシリコン基板内に自己整合的に埋
め込み、その重なり部分の長さを立体的に稼ぐことがで
きるため、トランジスタの平面的な占有面積が小さくて
も高信頼度,高電流駆動能力を有する半導体装置を実現
できる。また、本トランジスタと上部配線層とのコンタ
クトも自己整合的に容易に形成でき、コンタクト孔とゲ
ート電極との余裕を最小にできるため、トランジスタの
平面的な占有面積をさらに小さくできる。このため、
0.3μm 以下のレベルでも容易なプロセスで形成でき
かつ高集積可能な半導体装置を得ることができる。
According to the present invention, the overlapping portion of the low-concentration diffusion layer and the gate electrode can be embedded in the silicon substrate in a self-aligned manner, and the length of the overlapping portion can be earned three-dimensionally. It is possible to realize a semiconductor device having high reliability and high current drive capability even if the area occupied by the plane is small. Further, the contact between the transistor and the upper wiring layer can be easily formed in a self-aligning manner, and the margin between the contact hole and the gate electrode can be minimized, so that the planar occupied area of the transistor can be further reduced. For this reason,
Even at a level of 0.3 μm or less, it is possible to obtain a semiconductor device which can be formed by a simple process and can be highly integrated.

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

【図1】本発明の代表的な実施例の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a representative embodiment of the present invention.

【図2】従来公知例の断面図である。FIG. 2 is a sectional view of a conventionally known example.

【図3】従来公知例の課題と本発明の作用を示した図。FIG. 3 is a diagram showing a problem of a conventionally known example and an operation of the present invention.

【図4】本発明の代表的な実施例を形成する工程図であ
る。
FIG. 4 is a process drawing for forming a representative embodiment of the present invention.

【図5】本発明の他の実施例の断面図である。FIG. 5 is a sectional view of another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…シリコン基板、2,21…低濃度拡散層、3,22
…高濃度拡散層、4…ゲート絶縁膜、5,7,20…ゲ
ート電極、6,8,14…二酸化シリコンからなるサイ
ドウォールスペーサ、10…シリコン窒化膜、11…シ
リコン窒化膜の開口部、12…二酸化シリコン膜、13
…レジスト、15…金属シリサイド膜、16…層間絶縁
膜、17…多結晶シリコンからなる上層配線層、23…
タンタル酸化膜からなるサイドウォールスペーサ、24
…高濃度埋込層。
1 ... Silicon substrate, 2, 21 ... Low concentration diffusion layer, 3, 22
... high-concentration diffusion layer, 4 ... gate insulating film, 5,7,20 ... gate electrode, 6,8,14 ... sidewall spacers made of silicon dioxide, 10 ... silicon nitride film, 11 ... opening portion of silicon nitride film, 12 ... Silicon dioxide film, 13
... resist, 15 ... metal silicide film, 16 ... interlayer insulating film, 17 ... upper wiring layer made of polycrystalline silicon, 23 ...
Sidewall spacers made of tantalum oxide film, 24
… High-concentration buried layer.

フロントページの続き (72)発明者 山中 俊明 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 橋本 直孝 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 橋本 孝司 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 大木 長斗司 東京都小平市上水本町5丁目20番1号 日 立超エル・エス・アイ・エンジニアリング 株式会社内 (72)発明者 石田 浩 東京都小平市上水本町5丁目20番1号 日 立超エル・エス・アイ・エンジニアリング 株式会社内Front page continuation (72) Inventor Toshiaki Yamanaka 1-280, Higashi Koikekubo, Kokubunji, Tokyo Inside Hitachi Central Research Laboratory (72) Inventor Naotaka Hashimoto 1-280, Higashi Koikeku, Tokyo Kokubunji City Inside Hitachi Research Laboratory (72) Inventor Takashi Hashimoto 1-280 Higashi Koigokubo, Kokubunji, Tokyo, Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Nagatoshi Oki 5-20-1, Kamimizuhoncho, Kodaira-shi, Tokyo SII Engineering Co., Ltd. (72) Inventor Hiroshi Ishida 5-20-1 Kamimizuhonmachi, Kodaira-shi, Tokyo Hirate Super LSI Engineering Co., Ltd.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板に設けられたソース領域とドレ
イン領域とその間に形成されたチャネルと、該チャネル
に電界効果を及ぼすゲート電極とをもつ絶縁ゲート型電
界効果トランジスタを有する半導体装置において、該ゲ
ート電極底部が張り出した形状を有し、かつ該ゲート電
極底部の張り出し部が該半導体基板内に埋め込まれてい
ることを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device having an insulated gate field effect transistor having a source region and a drain region provided on a semiconductor substrate, a channel formed between the source region and the drain region, and a gate electrode exerting a field effect on the channel. A semiconductor device, wherein the bottom portion of the gate electrode has a projecting shape, and the projecting portion of the bottom portion of the gate electrode is embedded in the semiconductor substrate.
【請求項2】上記半導体装置のソース,ドレインの少な
くとも一方が、ゲート電極から離れた高濃度不純物領域
と、該高濃度不純物領域に接し該ゲート電極直下に延在
する低濃度不純物領域のあることを特徴とする請求項1
記載の半導体装置。
2. At least one of a source and a drain of the semiconductor device has a high-concentration impurity region distant from a gate electrode and a low-concentration impurity region which is in contact with the high-concentration impurity region and extends immediately below the gate electrode. Claim 1 characterized by the above-mentioned.
The semiconductor device described.
【請求項3】上記半導体装置の該ゲート電極側壁に該ゲ
ート電極張り出し部上部を覆うように絶縁膜あるいは、
高誘電率の絶縁膜、あるいは高抵抗の半導体膜からなる
サイドウォールスペーサのあることを特徴とする請求項
2記載の半導体装置。
3. An insulating film on the side wall of the gate electrode of the semiconductor device so as to cover the upper portion of the protruding portion of the gate electrode, or
The semiconductor device according to claim 2, further comprising a sidewall spacer made of a high dielectric constant insulating film or a high resistance semiconductor film.
【請求項4】上記半導体装置の該ゲート電極張り出し部
の長さが、該トランジスタのチャネル方向よりも半導体
基板深さ方向に長いことを特徴とする請求項1記載の半
導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the length of the protruding portion of the gate electrode of the semiconductor device is longer in the depth direction of the semiconductor substrate than in the channel direction of the transistor.
【請求項5】上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタを
有する半導体装置を形成する方法において、素子分離領
域を形成後、該半導体基板上に耐酸化性膜を被膜する工
程と、続いて該耐酸化性膜にゲート電極となる部分を開
口する工程と、続いて該半導体基板に該開口部よりも平
面的に大きな溝を形成する工程と、続いて該溝表面にゲ
ート絶縁膜を形成する工程と、続いて該溝内に導電性膜
を埋め込む工程とを具備することを特徴とする請求項1
記載の半導体装置の製造方法。
5. A method of forming a semiconductor device having an insulated gate field effect transistor, comprising the steps of forming an element isolation region and then coating an oxidation resistant film on the semiconductor substrate, followed by the oxidation resistance. A step of opening a portion to be a gate electrode in the film, a step of subsequently forming a groove in the semiconductor substrate which is larger than the opening in a plane, and a step of subsequently forming a gate insulating film on the groove surface, Next, a step of burying a conductive film in the groove is provided.
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
【請求項6】上記該半導体基板に該開口部よりも平面的
に大きな溝を形成する方法において、異方性のエッチン
グに続いて等方性のエッチングにて形成することを特徴
とする請求項5記載の半導体装置の製造方法。
6. A method of forming a groove larger in plan view than the opening in the semiconductor substrate, wherein anisotropic etching is followed by isotropic etching. 5. The method for manufacturing a semiconductor device according to 5.
【請求項7】上記絶縁ゲート型電界効果トランジスタを
有する半導体装置を形成する方法において、該ゲート電
極形成後に該ゲート電極側壁にサイドウォールスペーサ
を形成する工程を具備することを特徴とする請求項1記
載の半導体装置の製造方法。
7. The method for forming a semiconductor device having the insulated gate field effect transistor, comprising the step of forming a sidewall spacer on a side wall of the gate electrode after forming the gate electrode. A method for manufacturing a semiconductor device as described above.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004502295A (en) * 2000-03-23 2004-01-22 マイクロン テクノロジー インコーポレイテッド Method of forming silicide gate stack for use in etching for forming self-aligned contacts
JP2008192985A (en) * 2007-02-07 2008-08-21 Seiko Instruments Inc Semiconductor device and method of manufacturing same
US9543427B2 (en) 2014-09-04 2017-01-10 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Semiconductor device and method for fabricating the same

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