JP2005260264A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】 リーク電流が小さくかつ電流駆動能力に優れたMT−MOS構造を有する半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体基板1の基板領域1aの上には、ゲート絶縁膜7,ゲート電極8,サイドウォール13,ソース・ドレイン領域14,LDD領域11及びポケット領域9を有する第1,第2nMOSFETが設けられている。第1nMOSFETのみ、基板領域1aよりも高濃度のp型チャネル領域4をさらに備えている。第1nMOSFETの反転電圧は、チャネル領域4及びポケット領域9の不純物濃度によって定まる。第2nMOSFETの反転電圧は、基板領域1aとポケット領域9の不純物濃度によって定まるので、低濃度の基板領域1aをチャネル領域として利用することで、空乏層容量が小さくなり、サブスレッショルド特性を改善し、リーク電流を低減できる。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having an MT-MOS structure with a small leakage current and an excellent current driving capability, and a manufacturing method thereof.
SOLUTION: On a substrate region 1a of a semiconductor substrate 1, first and second nMOSFETs having a gate insulating film 7, a gate electrode 8, a sidewall 13, a source / drain region 14, an LDD region 11, and a pocket region 9 are provided. Is provided. Only the first nMOSFET further includes a p-type channel region 4 having a higher concentration than the substrate region 1a. The inversion voltage of the first nMOSFET is determined by the impurity concentration of the channel region 4 and the pocket region 9. Since the inversion voltage of the second nMOSFET is determined by the impurity concentration of the substrate region 1a and the pocket region 9, by using the low concentration substrate region 1a as the channel region, the depletion layer capacitance is reduced, the subthreshold characteristic is improved, Leakage current can be reduced.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、反転電圧の異なる2種類のMISFETを搭載して高速化及び低消費電力化に適しかつ製造コストの安価な半導体装置及びその製造方法を提供するものである。 The present invention provides a semiconductor device and a method for manufacturing the same, which are equipped with two types of MISFETs having different inversion voltages, are suitable for high speed and low power consumption, and are low in manufacturing cost.
近年、MISFETを高密度に搭載した半導体デバイスいわゆるLSIを開発するに際しては、高速化と低消費電力化が大きな目標であるが、この2つのファクターを同時に達成することは極めて困難である。すなわち、MOSデバイスの動作速度と、反転電圧と、消費電力との間には密接な関係があり、高速化のため反転電圧を下げると、拡散電流が増大しオフ時の消費電力が増えるというトレードオフ関係が存在する。 In recent years, when developing semiconductor devices so-called LSIs with MISFETs mounted at high density, high speed and low power consumption are major goals, but it is extremely difficult to achieve these two factors at the same time. In other words, there is a close relationship between the operating speed of the MOS device, the inversion voltage, and the power consumption. If the inversion voltage is lowered to increase the speed, the diffusion current increases and the power consumption during OFF increases. An off relationship exists.
そこで、このトレードオフを解決するため提案されている手法の1つにMultiThreshold Voltage CMOSデバイス(以下、略して、MT−CMOSデバイスという)がある。これは回路的に高速化を要求される部分には反転電圧の低いMOSFETを用い、リーク電流の経路を反転電圧の高いMOSFETで遮断するというものであり、この回路構成を実現するためには、nMOSデバイス,pMOSデバイス共に、少なくとも2種類の反転電圧を有するMOSFETにより構成されている必要がある。 Therefore, as one of the methods proposed to solve this trade-off, there is a Multithreshold Voltage CMOS device (hereinafter abbreviated as MT-CMOS device). This means that a MOSFET with a low inversion voltage is used for a portion that requires high speed in terms of circuit, and that a leakage current path is cut off with a MOSFET with a high inversion voltage. To realize this circuit configuration, Both the nMOS device and the pMOS device need to be composed of MOSFETs having at least two types of inversion voltages.
以下、図面を参照しながら、従来のMT−CMOSデバイスの製造方法の一例について説明する。 Hereinafter, an example of a conventional method for manufacturing an MT-CMOS device will be described with reference to the drawings.
図30(a)−(d)は、2種類の反転電圧を有するnMOSFETを搭載したnMOSデバイスの従来の製造方法の1例を示すものである。 30A to 30D show an example of a conventional manufacturing method of an nMOS device on which an nMOSFET having two types of inversion voltages is mounted.
図30(a)に示す工程で、p型不純物が予めドープされた半導体基板1を多数のMOSFET形成領域に区画する素子分離3を形成した後、反転電圧が高いnMOSFET(以下、第1nMOSFETとする)を形成する領域である第1nMOSFET形成領域Rn1の上を覆い、反転電圧が低いnMOSFET(以下、第2nMOSFETとする)を形成する領域である第2nMOSFET形成領域Rn2の上を開口したレジスト膜16aを形成し、このレジスト膜16aをマスクとして第2nMOSFET形成領域Rn2の半導体基板1内にホウ素イオン(B+ )を注入し、第2MOSFETのチャネル領域5を形成する。注入条件は、例えば20−60KeV,1−2×1012cm-2である。
In the step shown in FIG. 30A, after forming the
次に、図30(b)に示す工程で、第1MOSFET形成領域Rn1の上を開口したレジスト膜16bを形成し、第1nMOSFET形成領域Rn1に、上記第2nMOSFET形成領域Rn2のチャネル領域5よりも高濃度のホウ素イオン(B+ )を注入し、高反転電圧MOSFETのチャネル領域4を形成する。注入条件は、例えば20−60KeV,4−6×1012cm-2である。
Next, in the step shown in FIG. 30B, a
次に、図30(c)に示す工程で、半導体基板1の表面を酸化して厚みが8−12nmのゲート絶縁膜7を形成し、全面に厚みが200−300nmのポリシリコン膜を堆積した後、通常のフォトリソグラフィー工程、エッチング工程を経てゲート電極8を形成する。次に、ゲート電極8をマスクとして低濃度の燐イオン(P+ )を注入し、n- 型のLDD領域11を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 30C, the surface of the
次に、図30(d)に示す工程で、ゲート電極8の各側面上にサイドウォール13を形成し、ゲート電極8及びサイドウォール13をマスクとして高濃度のヒ素イオン(As+ )を注入し、n+ 型のソース・ドレイン領域14を形成する。次に、ソース・ドレイン領域14中のヒ素イオンを活性化し結晶欠陥を回復させるため900℃,30分の熱処理を導入する。
Next, in the step shown in FIG. 30D,
以上の製造工程によって形成されるnMOSデバイスの動作について,以下に説明する。 The operation of the nMOS device formed by the above manufacturing process will be described below.
かかる製造工程によって形成されるnMOSデバイスの構造では、第1MOSFET及び第2MOSFETの反転電圧は、チャネル領域4,5における不純物濃度によって決定され、それぞれ0.5−0.6V,0.2−0.3V程度である。一般的に、第2MOSFETは電流駆動力が大きく高速化に適しているがオフ時のリーク電流が大きい一方、第1MOSFETは電流駆動力は小さいがオフリーク電流が小さく低消費電力化に適している。したがって、これら2種類のMOSFETを回路構成で使い分けることにより、高速でかつ低消費電力のLSIを構成することができる。
In the structure of the nMOS device formed by such a manufacturing process, the inversion voltages of the first MOSFET and the second MOSFET are determined by the impurity concentration in the
また、通常の従来の相補型MOS(CMOS)デバイスは、基本的には、図31(a)〜(c)に示す製造工程によって形成されている。 Further, a normal conventional complementary MOS (CMOS) device is basically formed by the manufacturing process shown in FIGS.
まず、図31(a)に示す工程で、nMOSFET形成領域Rnにはp型基板領域22a(本従来例では、p型半導体基板21と同じ不純物濃度の領域)を、pMOSFET形成領域Rpにはn型基板領域22b(nウェル)をそれぞれ設け、p型基板領域22a−n型基板領域22b間を分離する素子分離23を設ける。次に、p型半導体基板21の上に、厚みが4〜8nmのゲート酸化膜24と、厚みが100〜200nmのゲート電極35とを形成する。
First, in the step shown in FIG. 31A, a p-
次に、図31(b)に示す工程で、nMOSFETのゲート電極35と、p型基板領域22a内のゲート電極35の両側方に位置する領域38とに砒素イオン(As+ )を注入する。注入条件は、例えば加速エネルギーが30〜60keV、注入量が6〜8×1015cm-2である。一方、pMOSFETのゲート電極35と、n型基板領域22b内のゲート電極35の両側方に位置する領域39とにフッ化ホウ素イオン(BF2+)を注入する。注入条件は、例えば加速エネルギーが10〜30keV、注入量が3〜6×1015cm-2である。
Next, in the step shown in FIG. 31B, arsenic ions (As +) are implanted into the
最後に,図31(c)に示す工程で、1000℃,10秒間の熱処理(RTA)を行い不純物イオンを活性化する。この熱処理により、nMOSFET形成領域Rnにおいては、ゲート電極35を低抵抗化してn型ゲート電極35aとし、p型基板領域22a中にn型ソース・ドレイン領域38aを形成する一方、pMOSFET形成領域Rpにおいては、ゲート電極35を低抵抗化してp型ゲート電極35bとし、n型基板領域22b中にp型ソース・ドレイン領域39aを形成する。
Finally, in the step shown in FIG. 31C, heat treatment (RTA) is performed at 1000 ° C. for 10 seconds to activate the impurity ions. By this heat treatment, in the nMOSFET formation region Rn, the resistance of the
しかしながら、上記図30(a)〜(d)に示すようなMT−MOSデバイス及びその製造方法では、以下に述べるような問題点がある。 However, the MT-MOS device as shown in FIGS. 30A to 30D and the manufacturing method thereof have the following problems.
1.通常のMOSデバイスに比べて工程数が増加する。特に反転電圧を制御するために2種類のフォトマスクを要し、コストが増加する。 1. The number of processes increases as compared with a normal MOS device. In particular, two types of photomasks are required to control the inversion voltage, which increases the cost.
2.低反転電圧MOSFETのチャネル領域として機能するチャネル領域の不純物濃度が高反転電圧MOSFETのそれに比べて小さいため耐圧が劣化し、短チャネル効果が大きくなる。ここで、短チャネル効果とは、短チャネル領域で長チャネル領域に比較してMOSFETの諸特性が劣化する現象のことであるが、例えば短チャネル領域での反転電圧が低下し、リーク電流が増大するという不具合がある。 2. Since the impurity concentration of the channel region functioning as the channel region of the low inversion voltage MOSFET is smaller than that of the high inversion voltage MOSFET, the breakdown voltage is degraded, and the short channel effect is increased. Here, the short channel effect is a phenomenon in which various characteristics of the MOSFET are deteriorated in the short channel region as compared with the long channel region. For example, the inversion voltage in the short channel region is lowered and the leakage current is increased. There is a problem of doing.
また、上記図31(a)〜(c)に示すMOSFET及びその製造方法においては、以下のような問題があった。 Further, the MOSFET and its manufacturing method shown in FIGS. 31A to 31C have the following problems.
3.nMOSFETのドレイン領域38aにおいて、砒素イオンの注入によって形成される結晶欠陥のために、ジャンクションにおけるリーク電流が大きい。
3. In the
4.nMOSFETのドレイン領域38aにおいて、電界が比較的大きくGIDL(Gate Induced Drain Leakage)電流が大きい。
4). In the
5.nMOSFETのドレイン領域38aにおいて、プロファイルが急峻なのでジャンクションの寄生容量が大きくなる。
5). Since the profile is steep in the
6.nMOSFETのドレイン領域38a付近の電界が大きく、キャリアがインパクトイオン化を起こしやすい。そのために、MOSFETのドレイン電流が減少したり、MOSFETのしきい値が変動するなどの経時劣化が大きい。つまり、信頼性が低い。
6). The electric field in the vicinity of the
また、CMOSデバイスおいては、さらに下記の問題7,8が生じる。
Further, the following
7.砒素の拡散係数とホウ素の拡散係数の差によって、p型MOSFETの実効チャネル長がnMOSFETの実効チャネル長よりも短くなり過ぎ、性能面で両トランジスタのバランスが悪化する。 7). Due to the difference between the diffusion coefficient of arsenic and the diffusion coefficient of boron, the effective channel length of the p-type MOSFET becomes too shorter than the effective channel length of the nMOSFET, and the balance of both transistors deteriorates in terms of performance.
8.nMOSFETのゲート電極35aの空乏化とpMOSFEゲート電極35bのホウ素イオンの突き抜けを同時に抑制できない。つまり、RTAのような短時間の熱処理(例えば1000℃,10秒)を行うと、nMOSFETのゲート電極35a中の砒素イオンの活性化が不十分で空乏化を起こし、駆動力が低下する虞れがある。その一方、長時間の熱処理(例えば900℃,30分)を行うと、pMOSFETのゲート電極35b中のホウ素イオンがチャネル領域に拡散しデバイスの特性を劣化させる虞れがある。
8). The depletion of the
本発明の第1の目的は、同一の半導体基板上に高反転電圧FETと低反転電圧FETという2種類のMOSFETを搭載しながら、低反転電圧MOSFETにおいても短チャネル領域における特性が良好で、かつ工程数の増大を招くことのない構造を有する半導体装置及びその製造方法を提供することにある。すなわち、上記問題点1〜2を解消することにある。
The first object of the present invention is to mount two types of MOSFETs, a high inversion voltage FET and a low inversion voltage FET, on the same semiconductor substrate, and also in the low inversion voltage MOSFET, the characteristics in the short channel region are good, and It is an object of the present invention to provide a semiconductor device having a structure that does not increase the number of steps and a method for manufacturing the same. That is, the
本発明の第2の目的は、不純物イオンをゲート電極とソース・ドレイン領域とに同時に注入して形成されるMIS型トランジスタにおいて、寄生容量の低減による動作速度の向上、リーク電流の低減及び信頼性の向上を図ることにある。すなわち、上記問題点3〜8を解消することにある。
The second object of the present invention is to improve the operation speed by reducing the parasitic capacitance, reduce the leakage current, and improve the reliability in the MIS transistor formed by simultaneously implanting impurity ions into the gate electrode and the source / drain regions. It is to improve. In other words, the
本発明に係る半導体装置は、半導体基板の一部に形成されたnMISFETを少なくとも有する半導体装置において、上記nMISFETは、上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜の上に形成され、少なくともフッ素を含む不純物と燐とが導入されたゲート電極と、上記半導体基板の上記ゲート電極の両側方に位置する領域に形成され、少なくともフッ素を含む不純物と燐とが導入されたn型ソース・ドレイン領域とを備える。 The semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device having at least an nMISFET formed on a part of a semiconductor substrate, wherein the nMISFET is formed on the gate insulating film formed on the semiconductor substrate and on the gate insulating film. A gate electrode into which at least fluorine-containing impurities and phosphorus are introduced, and an n-type semiconductor device formed in regions located on both sides of the gate electrode of the semiconductor substrate and into which at least fluorine-containing impurities and phosphorus are introduced. Source / drain regions.
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板内のnMISFET形成領域の上にゲート絶縁膜を形成する第1の工程と、上記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する第2の工程と、上記nMISFET形成領域内において、上記ゲート電極と上記半導体基板内の上記ゲート電極の両側方に位置する領域とに少なくともフッ素を含む不純物を導入する第3の工程と、上記第3の工程の後又は前に、上記nMISFET形成領域内において、上記ゲート電極と上記半導体基板内の上記ゲート電極の両側方に位置する領域とに燐を導入する第4の工程と、上記第3及び第4の工程の後に、熱処理により上記燐を拡散,活性化させて、上記ゲート電極を低抵抗のn型ゲート電極にするとともに上記半導体基板内の上記ゲート電極の両側方に位置する領域にn型ソース・ドレイン領域を形成する第5の工程とを備える。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a first step of forming a gate insulating film on an nMISFET formation region in a semiconductor substrate, and a second step of forming a gate electrode on the gate insulating film. A third step of introducing an impurity containing at least fluorine into the gate electrode and regions located on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate in the nMISFET formation region; and the third step. After or before, in the nMISFET formation region, a fourth step of introducing phosphorus into the gate electrode and regions located on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate; and the third and fourth steps After the step, the phosphorus is diffused and activated by heat treatment to make the gate electrode a low-resistance n-type gate electrode and on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate. And a fifth step of forming a n-type source and drain regions in the regions located.
以下の各実施形態では、ゲート絶縁膜が酸化膜である代表的な場合、つまりMOSFETを有する半導体装置についての実施形態を説明するが、本発明はMOSFETに限定されるものではなく、ゲート絶縁膜が酸窒化膜や窒化膜などについても適用できるものである。 In each of the following embodiments, a typical case where the gate insulating film is an oxide film, that is, an embodiment of a semiconductor device having a MOSFET will be described. However, the present invention is not limited to the MOSFET, and the gate insulating film However, it can also be applied to oxynitride films and nitride films.
(第1の実施形態)
以下、第1の実施形態について、図1,図2及び図3(a)〜(d)を参照しながら説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1, 2, and 3 (a) to 3 (d).
図1は、第1の実施形態に係るMT−nMOSデバイスの断面図である。図1に示すように、p型不純物がドープされたシリコン単結晶からなる半導体基板1の表面付近の領域は、酸化膜からなる素子分離3により、多数の活性領域に区画されている。各活性領域には、高反転電圧型の第1nMOSFETを形成するための第1nMOSFET形成領域Rn1と、低反転電圧型の第2nMOSFETを形成するための第2nMOSFET形成領域Rn2とが設けられている。第1及び第2nMOSFET形成領域Rn1,Rn2には、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜7と、該ゲート絶縁膜7の上に設けられたポリシリコン膜からなるゲート電極8と、該ゲート電極8の各側面上に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁体サイドウォール13とが設けられている。そして、第1nMOSFET形成領域Rn1においては、ゲート電極8の下方に、半導体基板1内の不純物濃度よりも高濃度のVT制御用p型不純物が注入されてチャネル領域4が形成されている。また、各活性領域及び素子分離の下方の領域が基板領域1aとなっており、第2nMOSFET形成領域Rn2においては、ゲート絶縁膜7の直下方の基板領域1aがチャネル領域として機能する。
FIG. 1 is a cross-sectional view of the MT-nMOS device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, a region in the vicinity of the surface of a
そして、各nMOSFET形成領域Rn1,Rn2において、半導体基板1内のゲート電極8の両側に位置する領域には、各々1対の、高濃度のn型不純物を注入して形成されるn+ 型のソース・ドレイン領域14と、チャネル領域−各ソース・ドレイン領域14間に形成され低濃度n型不純物を含むn- 型のLDD領域11と、LDD領域11及びソース・ドレイン領域14を囲むように形成されパンチスルーストッパとなるp型のポケット領域9とが形成されている。以上のように、第1nMOSFET形成領域Rn1に形成される第1nMOSFETは、チャネル領域4における不純物濃度が高いために反転電圧が高くなり、第2nMOSFET形成領域Rn2に形成されるMOSFETはチャネル領域となる半導体基板1における不純物濃度が低いので、反転電圧が低くなる。
In each of the nMOSFET formation regions Rn1 and Rn2, n + type regions formed by implanting a pair of high-concentration n-type impurities into regions located on both sides of the
なお、図1に示す構造において、本実施形態では第2nMOSFETのチャネル領域を半導体基板1自体つまり基板領域1aで構成したが、p型ウエルにより構成してもよい。そして、本実施形態では、第1及び第2nMOSFET形成領域Rn1,Rn2における基板領域1aは共通の領域となっているが、第1及び第2nMOSFET形成領域Rn1,Rn2の基板領域が互いに不純物濃度が異なる領域となるように仕切られていてもよい。
In the structure shown in FIG. 1, in this embodiment, the channel region of the second nMOSFET is configured by the
したがって、本実施形態に係るMT−nMOSデバイスの構造では、第n1MOSFETの反転電圧はチャネル領域4とポケット領域9におけるp型不純物の濃度により決定され、第2nMOSFETの反転電圧はチャネル領域となる基板領域1aとポケット領域9におけるp型不純物の濃度により決定される。その場合、ポケット領域9を設けたnMOSFETにおいては、チャネル領域の不純物濃度を通常のnMOSFETより低くしても、ポケット領域9の存在によりパンチスルーや短チャネル効果を抑制できるので、不具合は生じない。そして、チャネル領域の不純物濃度を低くすることにより、ゲート絶縁膜7直下の空乏層の延びが大きくなり、空乏層容量が小さくなる。したがって、サブスレッショルド特性が良好となり、リーク電流を低減することができる。この効果は第2nMOSFETにおいてより顕著である。
Therefore, in the structure of the MT-nMOS device according to this embodiment, the inversion voltage of the n1MOSFET is determined by the concentration of the p-type impurity in the
図2は、図1の構造を有するMT−nMOSデバイスの基板領域1aに基板バイアス−2Vを印加した状態を示す断面図である。なお、MT−pMOSデバイスの場合には、正の基板バイアス(例えば2V程度)を印加する。一般に、負の基板バイアスをnMOSFETに印加するか、あるいは正の基板バイアスをpMOSFETに印加すると、反転電圧は増大する。そして、基板バイアスの増大に対する反転電圧の増大率を示す比例定数は、基板効果定数と呼ばれる。この基板効果定数はMOSFETのチャネル領域の不純物濃度にほぼ比例するので、本実施形態では、第1nMOSFETの方が第2nMOSFETよりも基板効果定数が大きい。つまり、同じ基板バイアスをかけたときは第1nMOSFETの方が反転電圧が大きく正の方向にシフトする。これは基板バイアスをかけることにより第1nMOSFETと第2nMOSFETとの反転電圧の差がさらに大きくなることを意味し、MT−MOSデバイスの利点である高速性、低消費電力性などの特性がさらに向上する。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which a substrate bias of −2 V is applied to the
加えて、基板バイアスをかけると外部からの雑音に強くなり、メモリーなどの信頼性向上する。 In addition, applying a substrate bias makes it more resistant to external noise and improves the reliability of memory and the like.
特に、本実施形態のごとく、第2nMOSFETのチャネル領域を半導体基板1の基板領域1a(又はウエル)で構成した場合、従来の図30に示すMT−nMOSデバイスの構造に比べ、基板効果定数が極めて小さいという著効が得られる。例えば、従来のMT−nMOSデバイスの構造においては、基板バイアス−2Vを印加したときの反転電圧の増大量は、第1nMOSFETで0.3V,第2nMOSFETで0.2V程度である。それに対し、本実施形態に係るMT−nMOSデバイスの構造においては、第1nMOSFETの反転電圧の増大量を0.2Vとすると、第2nMOSFETの反転電圧の増大量は0.03V程度である。つまり、第2nMOSFETの反転電圧値はほとんど増大しないので、基板バイアスを印加することにより、第1nMOSFEとの反転電圧との差の拡大率が著しく大きくなることがわかる。
In particular, as in the present embodiment, when the channel region of the second nMOSFET is configured by the
次に、本実施形態に係るMT−nMOSデバイスの製造工程について、図3(a)−(d)を参照しながら説明する。 Next, a manufacturing process of the MT-nMOS device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図3(a)に示す工程で、第2nMOSFETのしきい値制御レベル濃度のp型不純物がドープされたシリコン単結晶で構成される半導体基板1の基板領域1a上に、LOCOS法,トレンチ分離法等を用いて厚みが約400nmのシリコン酸化膜からなる素子分離3を形成し、この素子分離3により、第1nMOSFET形成領域Rn1と第2nMOSFET形成領域Rn2とを区画する。そして、第1nMOSFET形成領域Rn1を開口したレジスト膜16cを通常のフォトリソグラフィー工程により形成し、このレジスト膜16cをマスクとして、第1nMOSFET形成領域Rn1にホウ素イオン(B+ )を注入する。これにより、第1nMOSFETのチャネル領域4が形成される。このときのイオン注入の条件は、20−60KeV,2−4×1012cm-2である。
First, in the step shown in FIG. 3A, a LOCOS method, a trench is formed on a
次に、図3(b)に示す工程で、基板の全面上に厚みが8−12nmのシリコン酸化膜を堆積し、さらにその上に厚みが250−300nmのポリシリコン膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィー工程、エッチング工程により、ゲート電極8及びゲート絶縁膜7をパターニングする。次に、このゲート電極8をマスクとしてホウ素イオン(B+ )(ただし、BF2+でもよく、以下においても同様である)を、20−30KeV,5−10×1012cm-2の条件で注入し、各nMOSFET形成領域Rn1,Rn2にp型ポケット領域9を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 3B, a silicon oxide film having a thickness of 8-12 nm is deposited on the entire surface of the substrate, and a polysilicon film having a thickness of 250-300 nm is further deposited thereon. The
次に、図3(c)に示す工程で、ゲート電極8をマスクとして燐イオン(P+)を30−40KeV,2−8×1013cm-2の条件で注入し、LDD領域11を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 3C, phosphorus ions (P +) are implanted under the conditions of 30-40 KeV, 2-8 × 10 13 cm −2 using the
次に、図3(d)に示す工程で、ゲート電極8の各側面上にサイドウォール13を形成し、ゲート電極8とそのサイドウォール13をマスクとしてヒ素イオンを40KeVで4−6X1014cm-2の条件で注入しソース・ドレイン領域14を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 3 (d), sidewalls 13 are formed on each side surface of the
以上の製造工程によって、図1に示す構造を有するMT−nMOSデバイスが容易に形成されることがわかる。特に、図3(a)−(d)に示す製造工程において、nMOSFETの反転電圧制御のための不純物イオンの注入に際しフォトマスクが1枚で済む。したがって、反転電圧制御のための不純物イオン注入に際し2枚のフォトマスク16a,16bを必要とする従来の方法(図30(a),(b)参照)と比較して、工程が簡略化でき製造コストの低減を図ることができるという利点がある。
It can be seen that the MT-nMOS device having the structure shown in FIG. In particular, in the manufacturing process shown in FIGS. 3A to 3D, only one photomask is required for implantation of impurity ions for controlling the inversion voltage of the nMOSFET. Therefore, the manufacturing process can be simplified compared with the conventional method (see FIGS. 30A and 30B) that requires two
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態に係るMT−nMOSデバイスについて、図4を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Next, an MT-nMOS device according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
図4に示すように、本実施形態においても、上記第1の実施形態に係るMT−nMOSデバイスと同様に、p型不純物がドープされた半導体基板1の表面付近の領域は、素子分離3により第1nMOSFET形成領域Rn1と第2nMOSFET形成領域Rn2とに区画されている。そして、第1nMOSFET形成領域Rn1には第1nMOSFETが形成され、第2nMOSFET形成領域Rn2には第2nMOSFETが形成されている。ここで、本実施形態では、第1nMOSFETの構造は上記第1の実施形態と同じであって、ゲート絶縁膜7,ゲート電極8,サイドウォール13,チャネル領域4,ソース・ドレイン領域14,LDD領域11及びポケット領域9が設けられている。しかし、第2nMOSFETにおいて、ゲート絶縁膜7,ゲート電極8,サイドウォール13,ソース・ドレイン領域14及びLDD領域11は設けられているものの、ポケット領域は設けられていない。そして、第2nMOSFETのゲート絶縁膜7の直下方には、半導体基板1内にp型不純物を注入してなるチャネル領域5が形成されている。つまり、本実施形態では、第1,第2nMOSFET双方において、基板領域1a上にチャネル領域4、5がそれぞれ形成されていて、両者における不純物濃度は同じである。また、ポケット領域は第1nMOSFETにのみ設けられている。
As shown in FIG. 4, in this embodiment as well, as in the MT-nMOS device according to the first embodiment, the region near the surface of the
本実施形態に係るMT−nMOSデバイスにおいて、第1nMOSFETの反転電圧はチャネル領域4とポケット領域9の不純物濃度により決定され、第2nMOSFETの反転電圧はチャネル領域5の不純物濃度により決定される。この場合、第1nMOSFETは、ポケット領域9を備えていることから、チャネル領域における不純物濃度を低くできるので、第1の実施形態と同様に、ゲート空乏層容量が小さく、サブスレッショルド特性が優れているという特徴を有する。一方、第2nMOSFETは通常のnMOSFETとほぼ同じ構成を有しているが、ゲート長が比較的大きい約0.5μmの領域ではこのような構造でも十分な特性が得られる。特に、本実施形態のような構造と長いチャネル領域(ゲート長)とを有するnMOSFETは、製造工程における特性のバラツキが少ないので、設計の容易化が図れる利点がある。
In the MT-nMOS device according to the present embodiment, the inversion voltage of the first nMOSFET is determined by the impurity concentration of the
なお、本実施形態に係るMT−nMOSデバイスの製造工程については詳細な説明及び図示を省略するが、図30(a)−(d)に示す従来のMT−nMOSデバイスの製造工程において、第1nMOSFETと第2nMOSFETに対してチャネル領域の形成のためのイオン注入をマスクを用いずに同時に行うことができるので、従来の製造方法に比べて工程数を低減することができる。ただし、第1nMOSFET形成領域Rn1におけるポケット領域9を形成するための工程は別途必要である。
Although detailed description and illustration of the manufacturing process of the MT-nMOS device according to the present embodiment are omitted, in the manufacturing process of the conventional MT-nMOS device shown in FIGS. Since the ion implantation for forming the channel region can be simultaneously performed on the second nMOSFET without using a mask, the number of steps can be reduced as compared with the conventional manufacturing method. However, a process for forming the
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態に係るMT−CMOSデバイスについて、図5,図6及び図7(a)−(d)を参照しながら説明する。
(Third embodiment)
Next, an MT-CMOS device according to a third embodiment will be described with reference to FIGS. 5, 6 and 7A to 7D.
図5に示すように、本実施形態では、半導体基板内に、p型不純物を含むp型ウエル2aと、n型不純物を含むn型ウエル2bが形成されている。そして、p型ウエル2aの表面付近の領域がnMOSFETを形成するためのnMOSFET形成領域Rn であり、n型ウエル2bの表面付近の領域がpMOSFETを形成するためのpMOSFET形成領域Rpである。さらに、素子分離3により、nMOSFET形成領域Rn は第1nMOSFET形成領域Rn1と第2nMOSFET形成領域Rn2とに区画され、pMOSFET形成領域Rp は第1pMOSFET形成領域Rp1と第2pMOSFET形成領域Rp2とに区画されている。上記第1,第2nMOSFET形成領域Rn1,Rn2にそれぞれ形成される第1,第2nMOSFETの構造は、上記第1の実施形態における図1に示す構造と同じである。また、第1,第2pMOSFETの構造は、それぞれ第1の実施形態における第1,第2nMOSFETの構造において、不純物の導電型を逆にしただけである。すなわち、第1pMOSFETは、ゲート電極8と、ゲート絶縁膜7と、サイドウォール13と、n型のチャネル領域6と、p+ 型のソース・ドレイン領域15と、p- 型のLDD領域12と、n型のポケット領域10とを備えている。一方、第2pMOSFETにおいては、第1の実施形態における基板領域1aに相当するn型ウエル2bがゲート電極8の下方領域でチャネル領域として機能する。
As shown in FIG. 5, in this embodiment, a p-
本実施形態に係るMT−CMOSデバイスのうちMT−nMOSデバイスの構造により、上記第1の実施形態と同様の効果が得られる。また、MT−pMOSデバイスの構造においても、第1pMOSFETの反転電圧はチャネル領域6とポケット領域10のn型不純物の濃度により決まり、第2pMOSFETの反転電圧はn型ウエル2bとポケット領域10のn型不純物の濃度により決定される。したがって、上記第1の実施形態と同様に、サブスレッショルド特性が良好でリーク電流を低減し得ることになる。
The same effect as that of the first embodiment can be obtained by the structure of the MT-nMOS device among the MT-CMOS devices according to the present embodiment. Also in the structure of the MT-pMOS device, the inversion voltage of the first pMOSFET is determined by the concentration of n-type impurities in the
また、図6は、本実施形態に係るMT−nMOSデバイスのp型ウエル2aに基板バイアス−2Vを、MT−pMOSデバイスのn型ウエル2bに基板バイアス2Vをそれぞれ印加した状態を示す。このように、MT−CMOSデバイスの場合、MT−nMOSデバイスのp型ウエル2aには負のバイアスを、MT−pMOSデバイスのn型ウエル2bには正のバイアスを印加することにより、いずれにおいても、各第1,第2MOSFET相互間の反転電圧の差が大きくなり、MT−CMOSデバイス構造を採用したことによる効果が大きくなる。また、外部からのノイズに強くなり、メモリーなどの信頼性が高くなる。
FIG. 6 shows a state in which a substrate bias of −2V is applied to the p-
しかも、p型ウエル2aとn型ウエル2bとがそれぞれ第2nMOSFETと第2pMOSFETのチャネル領域としても機能するので、上記第1の実施形態において説明したと同様に、第1,第2MOSFET間の基板効果定数の差が顕著となり、極めて優れた特性を有するMT−CMOSデバイスを構成することができるのである。
Moreover, since the p-
次に、本実施形態に係るMT−CMOSデバイスの製造工程について、図7(a)−(d)を参照しながら説明する。 Next, the manufacturing process of the MT-CMOS device according to this embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図7(a)に示す工程で、単結晶シリコンで構成される半導体基板上に、p型ウエル2aとn型ウエル2bとを形成し、厚みが約400nmのシリコン酸化膜からなる素子分離3を形成し、第1nMOSFET形成領域Rn1,第2nMOSFET形成領域Rn2,第2pMOSFET形成領域Rp2及び第1pMOSFET形成領域Rp1を区画する。そして、通常のフォトリソグラフィー工程により、第1nMOSFET形成領域Rn1のみを開口して他の領域Rn2, Rp2,Rp1を覆うレジスト膜16dを形成し,このレジスト膜16dをマスクとして、第1nMOSFET形成領域Rn1にホウ素イオン(B+ )を注入し、第1nMOSFETのチャネル領域4を形成する。不純物イオンの注入条件は、20−60KeV,2−4×1012cm-2である。
First, in the step shown in FIG. 7A, a p-
次に、図7(b)に示す工程で、通常のフォトリソグラフィー工程により、第1pMOSFET形成領域Rp1のみを開口したレジスト膜16eを形成し、このレジスト膜16eをマスクとして、第1pMOSFET形成領域Rp1に燐イオン(P+ )を注入し、第1pMOSFETのチャネル領域6を形成する。このときのイオン注入条件は、30−80KeV,2−4×1012cm-2である。
Next, in the process shown in FIG. 7B, a resist
次に、図7(c)に示す工程で、厚みが8−12nmのシリコン酸化膜を形成し、さらにその上に厚みが250−300nmのポリシリコン膜を堆積し、通常のリソグラフィー工程、エッチング工程により、ゲート絶縁膜7及びゲート電極8をパターニングする。次に、pMOSFET形成領域Rp の上を覆うレジスト膜と(図示せず)このゲート電極8とをマスクとして、nMOSFET形成Rnにホウ素イオン(B+ 又はBF2+ )を20−30KeV,5−10×1012cm-2の条件で注入し、p型のポケット領域9を形成する。次に、nMOSFET形成領域Rn の上を覆うレジスト膜(図示せず)とゲート電極8とをマスクとしてpMOSFET形成領域Rp に燐イオン(P+ )を80−120KeV,5−10×1012cm-2の条件で注入し、n型のポケット領域10を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 7C, a silicon oxide film having a thickness of 8-12 nm is formed, and a polysilicon film having a thickness of 250-300 nm is further deposited thereon, and a normal lithography process and etching process are performed. Thus, the
次に、図7(d)に示す工程で、nMOSFET形成領域Rn の上を開口したレジスト膜(図示せず)及びゲート電極8をマスクとしてnMOSFET形成領域Rn に燐イオン(P+ )を30−40KeV,2−8×1013cm-2の条件で注入し、各nMOSFETのLDD領域11を形成する。さらに、pMOSFET形成領域Rp の上を開口したレジスト膜(図示せず)及びゲート電極8をマスクとしてpMOSFET形成領域Rp にホウ素イオン(B+ )を10−20KeV,2−8×1013cm-2の条件で注入し、各pMOSFETのLDD領域12を形成する。ただし、この工程は、上記ポケット領域9,10の形成に用いたレジスト膜と同じレジスト膜を用い、不純物の導電型を変えることで、各領域Rn,Rp において、ポケット領域9,10の形成と連続的に行われる。
Next, in the step shown in FIG. 7D, a resist film (not shown) having an opening above the nMOSFET formation region Rn and the
次に、ゲート電極8の各側面上にサイドウォール13を形成した後、各領域Rn 又はRp を開口したレジスト膜(図示せず),ゲート電極8及びサイドウォール13をマスクとして、nMOSFET形成領域Rn にはヒ素イオン(As+ )を40KeV,4−6×1014cm-2の条件で注入し、pMOSFET形成領域Rp にはホウ素イオン(B+ )を10−20KeV,4−6×1014cm-2の条件で注入し、各nMOSFET,各pMOSFETの各ソース・ドレイン領域14,15を形成する。
Next, after forming the
以上の工程によって、上記図5に示すMT−CMOSデバイスの構造が容易に得られる。特に、本実施形態の製造方法では、図7(a),(b)に示す工程で、反転電圧制御のためのフォトマスクが2枚で済む。一方、従来の図30(a)−(d)に示す工程をMT−CMOSデバイスにそのまま適用すると、第1nMOSFETと、第2nMOSFETと、第1pMOSFETと、第2pMOSFETとにおけるチャネル領域を形成するために、各MOSFET形成領域Rn1,Rn2,Rp1,Rp2のみを開口した4種類のレジスト膜を形成する必要があることが容易に理解される。したがって、本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、従来の方法と比較して2回のフォトマスク形成工程を削減でき、工程が簡略化できる。 Through the above steps, the structure of the MT-CMOS device shown in FIG. 5 can be easily obtained. In particular, in the manufacturing method of the present embodiment, two photomasks for inversion voltage control are sufficient in the steps shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b). On the other hand, when the conventional process shown in FIGS. 30A to 30D is applied to an MT-CMOS device as it is, in order to form a channel region in the first nMOSFET, the second nMOSFET, the first pMOSFET, and the second pMOSFET, It is easily understood that it is necessary to form four types of resist films having openings only in the MOSFET formation regions Rn1, Rn2, Rp1, and Rp2. Therefore, in the method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment, two photomask forming steps can be reduced as compared with the conventional method, and the steps can be simplified.
(第4の実施形態)
次に、第4の実施形態に係るMT−CMOSデバイスの製造工程について、図8(a)−(c)を参照しながら説明する。
(Fourth embodiment)
Next, an MT-CMOS device manufacturing process according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS.
本実施形態においても、製造工程の途中までは上記第3の実施形態で説明した図7(a),(b)と同様の工程を行う。この工程については、図示及び説明を省略する。 Also in this embodiment, the same processes as those in FIGS. 7A and 7B described in the third embodiment are performed until the middle of the manufacturing process. About this process, illustration and description are abbreviate | omitted.
そして、図8(a)に示す工程で、pMOSFET形成領域Rp を覆うレジスト膜16fを形成し、このレジスト膜16fとゲート電極8とをマスクとしてnMOSFET形成領域Rn にホウ素イオン(B+ )を20−30KeV,5−10×1012cm-2の条件で注入し、各nMOSFETのポケット領域9を形成する。
8A, a resist
次に、図8(b)に示す工程で、各ゲート電極8をマスクとして各領域Rn1,Rn2,Rp2,Rp1に燐イオン(P+ )を30−40KeV,0.5−2×1013cm-2の条件で注入し、第1,第2nMOSFET形成領域Rn1,Rn2にはLDD領域11を、第1,第2pMOSFET形成領域Rp1,Rp2にはポケット領域10を同時に形成する。
Next, in the step shown in FIG. 8 (b), each region of each
次に、図8(c)に示す工程で、上記第3の実施形態における図7(d)に示す工程と同じ工程を行って、ゲート電極8の側面上のサイドウォール13と、第1,第2nMOSFETのソース・ドレイン領域14と、第1,第2pMOSFETのソース・ドレイン領域15とを形成する。ただし、ソース・ドレイン領域の形成時の条件は、上記第3の実施形態と同様である。
Next, in the step shown in FIG. 8C, the same step as the step shown in FIG. 7D in the third embodiment is performed, and the
以上の工程に形成されたMT−CMOSデバイスにおいて、第1nMOSFETの反転電圧はチャネル領域4とポケット領域9との不純物濃度で決定され、第2nMOSFETの反転電圧はp型ウエル2aとポケット領域9との不純物濃度で決定され、第1pMOSFETの反転電圧はチャネル領域6とポケット領域10との不純物濃度で決定され、第2pMOSFETの反転電圧はn型ウエル2bとポケット領域10との不純物濃度で決定される。すなわち、相異なる反転電圧を有する2つのMOSFETを搭載したMT−nMOSデバイスとMT−pMOSデバイスとからなるMT−CMOSデバイスが構成される。
In the MT-CMOS device formed in the above process, the inversion voltage of the first nMOSFET is determined by the impurity concentration of the
本実施形態の製造工程では、反転電圧制御のためのフォトマスクが2枚で済む点は上記第3の実施形態と同様である。加えて、本実施形態の製造工程では、nMOSFETのLDD領域11と、pMOSFETのポケット領域10とを自己整合的に同時に形成するので、他方の領域を覆うフォトマスク(レジスト膜)が不要となり、上記第3実施形態における図7(c)に示す工程に比べ、さらに2枚のフォトマスクを省略でき、工程が簡略化できる。
The manufacturing process of this embodiment is the same as that of the third embodiment in that only two photomasks for inversion voltage control are required. In addition, in the manufacturing process of this embodiment, the
また、本実施形態におけるMT−CMOSデバイスでは、第1,第2pMOSFETは、LDD構造とならずシングルドレイン構造になるが、通常、pMOSFETはドレイン近傍の電界強度がnMOSFETより低く、ホットキャリアの発生確率が低いので信頼性が低下する虞れはない。そして、本実施形態におけるMT−CMOSデバイスにおいても、nMOSFET及びpMOSFETの双方が、相異なる反転電圧を有する第1,第2nMOSFETと、第1,第2pMOSFETとを備えているので、上記第3の実施形態と同様の効果を発揮することができる。 In the MT-CMOS device according to the present embodiment, the first and second pMOSFETs have a single drain structure instead of an LDD structure. Usually, a pMOSFET has a lower electric field strength near the drain than an nMOSFET, and a hot carrier generation probability. Therefore, there is no possibility that the reliability is lowered. Also in the MT-CMOS device according to the present embodiment, both the nMOSFET and the pMOSFET include the first and second nMOSFETs having the different inversion voltages and the first and second pMOSFETs. The same effect as the form can be exhibited.
(第5の実施形態)
次に、第5の実施形態に係るMT−CMOSデバイスについて、図9(a)−(c)を参照しながら説明する。
(Fifth embodiment)
Next, an MT-CMOS device according to the fifth embodiment will be described with reference to FIGS.
本実施形態においても、製造工程の途中までは上記第3の実施形態で説明した図7(a),(b)と同様の工程を行う。この工程については、図示及び説明を省略する。 Also in this embodiment, the same processes as those in FIGS. 7A and 7B described in the third embodiment are performed until the middle of the manufacturing process. About this process, illustration and description are abbreviate | omitted.
そして、図9(a)に示す工程で、nMOSFET形成領域Rn を覆うレジスト膜16gを形成し、このレジスト膜16gとゲート電極8とをマスクとしてpMOSFET形成領域Rp に燐イオン(P+ )を80−120KeV,5−10×1012cm-2の条件で注入し、各pMOSFETのポケット領域10を形成する。
9A, a resist
次に、図9(b)に示す工程で、各ゲート電極8をマスクとして各領域Rn1,Rn2,Rp2,Rp1にホウ素イオン(B+ )を10−20KeV,2−8×1013cm-2の条件で注入し、第1,第1pMOSFET形成領域Rp1,Rp2にはLDD領域12を、第1,第2nMOSFET形成領域Rn1,Rn2にはポケット領域9を同時に形成する。
Next, in the step shown in FIG. 9B, boron ions (B +) are 10-20 KeV, 2-8 × 10 13 cm -2 in each region Rn1, Rn2, Rp2, Rp1 using each
次に、図9(c)に示す工程で、上記第3の実施形態における図7(d)に示す工程と同じ処理を行って、ゲート電極8の側面上のサイドウォール13と、第1,第2nMOSFETのソース・ドレイン領域14と、第1,第2pMOSFETのソース・ドレイン領域15とを形成する。ただし、ソース・ドレイン領域の形成時のイオン注入等の条件は、上記第3の実施形態と同様である。
Next, in the step shown in FIG. 9C, the same process as the step shown in FIG. 7D in the third embodiment is performed, and the
以上の工程によって形成されたMT−CMOSデバイスにおいて、第1nMOSFETの反転電圧はチャネル領域4とポケット領域9との不純物濃度で決定され、第2nMOSFETの反転電圧はp型ウエル2aとポケット領域9との不純物濃度で決定され、第1pMOSFETの反転電圧はチャネル領域6とポケット領域10との不純物濃度で決定され、第2pMOSFETの反転電圧はn型ウエル2bとポケット領域10との不純物濃度で決定される。すなわち、相異なる反転電圧を有する2つのMOSFETを搭載したMT−nMOSデバイスとMT−pMOSデバイスとからなるMT−CMOSデバイスが構成される。
In the MT-CMOS device formed by the above process, the inversion voltage of the first nMOSFET is determined by the impurity concentration of the
本実施形態の製造工程では、反転電圧制御のためのフォトマスクが2枚で済む点は上記第3の実施形態と同様である。加えて、本実施形態の製造工程では、pMOSFETのLDD領域12と、nMOSFETのポケット領域9とを自己整合的に同時に形成するので、他方の領域を覆うフォトマスク(レジスト膜)が不要となり、上記第3実施形態における図7(c)に示す工程に比べ、さらに2枚のフォトマスクを省略でき、工程が簡略化できる。
The manufacturing process of this embodiment is the same as that of the third embodiment in that only two photomasks for inversion voltage control are required. In addition, in the manufacturing process of the present embodiment, the
また、本実施形態におけるMT−CMOSデバイスでは、第1,第2nMOSFETは、LDD構造とならずシングルドレイン構造になるが、ソース・ドレイン領域14を形成するための不純物イオンとして燐イオンを用いており、砒素イオンを用いた場合と比較してドレイン近傍の電界強度が低くホットキャリアの発生確率が低いので信頼性が悪化する虞れはない。そして、本実施形態におけるMT−CMOSデバイスにおいても、nMOSFET及びpMOSFETの双方が、相異なる反転電圧を有する第1,第2nMOSFETと、相異なる反転電圧を有する第1,第2pMOSFETとを備えているので、上記第3の実施形態と同様の効果を発揮することができる。
In the MT-CMOS device according to the present embodiment, the first and second nMOSFETs have a single drain structure instead of an LDD structure, but use phosphorus ions as impurity ions for forming the source /
なお、最少ゲート長と電源電圧によっては砒素をもちいたシングルドレイン構造を採用できる場合も考えられる。 Depending on the minimum gate length and power supply voltage, a single drain structure using arsenic may be adopted.
(第6の実施形態)
次に、第6の実施形態に係るMT−nMOSデバイスについて、図10(a)−(c)を参照しながら説明する。
(Sixth embodiment)
Next, an MT-nMOS device according to the sixth embodiment will be described with reference to FIGS.
本実施形態においては、図10(a)に示す工程までに上記第1の実施形態で説明した図3(a)と同様の工程を行う。この工程については、図示及び説明を省略する。 In the present embodiment, the same steps as those in FIG. 3A described in the first embodiment are performed up to the step shown in FIG. About this process, illustration and description are abbreviate | omitted.
そして、図10(a)に示す工程で、半導体基板1の全面上に厚みが8−12nmのシリコン酸化膜を堆積し、さらにその上に厚みが250−300nmのポリシリコン膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィー工程、エッチング工程により、ゲート電極8及びゲート絶縁膜7をパターニングする。次に、このゲート電極8の側面上にサイドウォール13を形成した後、ゲート電極8とサイドウォール13をマスクとして砒素イオン(As+ )を40KeV,4−6X1014cm-2の条件で注入し、n+ 型のソース・ドレイン領域14を形成する。さらに、チタン膜を50nm程度の厚みで堆積した後、熱処理を行って、チタンとソース・ドレイン領域14及びゲート電極8を構成するシリコンとを反応させ、ゲート電極8とソース・ドレイン領域14との表面上に厚みが約100nmのチタンシリサイド膜17a,17bをそれぞれ形成する。その後、サイドウォール13を選択的エッチングにより除去する。
10A, a silicon oxide film having a thickness of 8-12 nm is deposited on the entire surface of the
次に、図10(b)に示す工程で、各チタンシリサイド膜17a,17bをマスクとして、BF2 イオン(BF2+)を100−150KeV,2−8×1012cm-2の条件で注入し、各pMOSFETのサイドウォール13が除去された領域の下方にp型のポケット領域9を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 10 (b), the
次に、図10(c)に示す工程で、各チタンシリサイド膜17a,17bをマスクとして、燐イオン(P+ )を30−40KeV,2−8×1013cm-2の条件で注入し、ポケット領域9で囲まれるn- 型のLDD領域11を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 10C, phosphorus ions (P +) are implanted under the conditions of 30-40 KeV, 2-8 × 10 13 cm -2 using the
以上の製造工程では、上記第1の実施形態と同様に、MT−nMOSデバイスにおける各nMOSFETの反転電圧制御のために必要なフォトマスクが1枚で済み、従来の方法と比較して工程が簡略化できる。 In the above manufacturing process, similarly to the first embodiment, only one photomask is required for controlling the inversion voltage of each nMOSFET in the MT-nMOS device, and the process is simplified compared to the conventional method. Can be
また、本実施形態の製造工程で形成されるMT−nMOSFETにおいて、第1nMOSFETの反転電圧はチャネル領域4とポケット領域9のp型不純物濃度により決定され、第2nMOSFETの反転電圧は基板領域1aとポケット領域9のp型不純物濃度により決定される。したがって、上記第1の実施形態で説明したと同様に、サブスレッショルド特性が良好でリーク電流を低減できるという効果を発揮することができる。この効果は第2nMOSFETにおいてより顕著である。また、ポケット領域9によりパンチスルーや短チャネル効果を抑制できる。
Further, in the MT-nMOSFET formed in the manufacturing process of this embodiment, the inversion voltage of the first nMOSFET is determined by the p-type impurity concentration of the
さらに、本実施形態では、ポケット領域9をゲート電極8とソース・ドレイン領域14上のチタンシリサイド膜17a,17bをマスクとして用いるイオン注入により形成するので、ポケット領域9が極めて局所的に形成される。つまり、図10(c)に示す構造では、第1実施形態における図1に示す構造と比較して、ポケット領域9がソース・ドレイン領域14の下方にまで延びていない。そのために、ソース・ドレイン領域14と基板領域1aとの間にpnジャンクションが形成されることになり、ソース・ドレイン領域14とポケット領域9との間にpnジャンクションが形成される第1の実施形態等に比べ、pnジャンクションのp側領域の不純物濃度を小さくできるため、寄生容量の低減を図ることができる。通常、MT−MOSデバイスは、1.0−2.0Vの低い電源電圧で動作させるため、pnジャンクションの空乏層の伸びが小さく寄生容量が大きくなるという不利な点を有するが、本実施形態では、上述のごとく寄生容量を低減し得るので、その効果は極めて大きく、高速で動作しかつ消費電力が非常に少ないLSIを実現できる。
Furthermore, in this embodiment, the
(第1〜第6の実施形態に関する変形形態)
上記第1,第2の実施形態で説明したMT−nMOSデバイスの構造は、MT−pMOSデバイスについても、同様に適用することができ、同様の効果を発揮することができる。
(Deformation regarding the first to sixth embodiments)
The structure of the MT-nMOS device described in the first and second embodiments can be similarly applied to the MT-pMOS device and can exhibit the same effect.
また、第2の実施形態の構造を有する第1,第2nMOSFETと、この第1,第2nMOSFETの不純物の導電型のみを逆にした構造を有する第1,第2pMOSFETとを設けて、MT−CMOSデバイスを構成してもよい。 Also, the first and second nMOSFETs having the structure of the second embodiment, and the first and second pMOSFETs having the structure in which only the impurity conductivity type of the first and second nMOSFETs is reversed are provided, and the MT-CMOS is provided. A device may be configured.
さらに、上記第6の実施形態では、第1の実施形態の図1に示すような第2nMOSFETでは基板領域1aがチャネル領域として機能するMT−nMOSデバイスについて説明したが、第6の実施形態において、第2nMOSFETに、第1nMOSFETのチャネル領域4における不純物濃度よりも不純物濃度の低いチャネル領域を設けてもよい。
Furthermore, in the sixth embodiment, the MT-nMOS device in which the
(第7の実施形態)
以下、第7の実施形態について、図11,図12及び図13(a)〜(d)を参照しながら説明する。
(Seventh embodiment)
Hereinafter, the seventh embodiment will be described with reference to FIGS. 11, 12, and 13A to 13D.
図11は、第7の実施形態に係るMT−nMOSデバイスの断面図である。図11に示すように、p型不純物がドープされたシリコン単結晶からなる半導体基板1の表面付近の領域は、シリコン酸化膜からなる素子分離3により、多数の活性領域に区画されている。各活性領域には、高反転電圧型の第1nMOSFETを形成するための第1nMOSFET形成領域Rn1と、低反転電圧型の第2nMOSFETを形成するための第2nMOSFET形成領域Rn2とが設けられている。第1及び第2nMOSFET形成領域Rn1,Rn2において、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜7と、該ゲート絶縁膜7の上に設けられたポリシリコン膜からなるゲート電極8と、該ゲート電極8の各側面上に形成されたシリコン酸化膜からなるサイドウォール13とが設けられている。そして、第1nMOSFET形成領域Rn1及び第2nMOSFET形成領域Rn2の双方において、ゲート絶縁膜7の直下方の基板領域1aがチャネル領域として機能する。
FIG. 11 is a cross-sectional view of an MT-nMOS device according to the seventh embodiment. As shown in FIG. 11, a region near the surface of the
そして、各nMOSFET形成領域Rn1,Rn2において、半導体基板1内のゲート電極8の両側方に位置する領域に形成され高濃度のn型不純物を含むn+ 型のソース・ドレイン領域14と、チャネル領域と各ソース・ドレイン領域14との間に形成され低濃度のn型不純物を含むn- 型のLDD領域11と、LDD領域11及びソース・ドレイン領域14を取り囲むように形成されp型の不純物を含むパンチスルーストッパとなるp型のポケット領域9a,9bとが設けられている。
In each of the nMOSFET formation regions Rn1 and Rn2, n + type source /
図12(a),(b)は、上記第1,第2nMOSFETにおける互いに逆導電型の2種類の不純物で相殺される分を除いた実効的な不純物の濃度の分布、つまりキャリアの濃度分布を示す。実線は本実施形態では第1導電型キャリアとなるn型キャリアの濃度分布を、破線は第2導電型キャリアであるp型キャリアの濃度分布をそれぞれ示す。また、図12(a),(b)では、各nMOSFETのチャネル方向を横軸にとっている。図12(a),(b)からわかるように、各nMOSFETを比較すると、LDD領域11及びソース・ドレイン領域14におけるn型キャリアの濃度は同じである。しかし、第1nMOSFETのポケット領域9aにおけるp型キャリアの濃度p1 は、第2nMOSFETのポケット領域9bにおけるp型キャリアの濃度p2 よりも高い。その結果、第1nMOSFETの反転電圧(しきい値電圧)は第2nMOSFETの反転電圧よりも高くなっている。そのため、従来の2種類の反転電圧を有するMOSFETを搭載したMT−MOSデバイスと同様に、動作速度が高いかつ消費電力の小さいMT−MOSデバイスを得ることができる。
12 (a) and 12 (b) show effective impurity concentration distributions, that is, carrier concentration distributions excluding the amount offset by two types of impurities of opposite conductivity types in the first and second nMOSFETs. Show. In the present embodiment, the solid line indicates the concentration distribution of the n-type carrier that is the first conductivity type carrier, and the broken line indicates the concentration distribution of the p-type carrier that is the second conductivity type carrier. 12A and 12B, the channel direction of each nMOSFET is on the horizontal axis. As can be seen from FIGS. 12A and 12B, when the nMOSFETs are compared, the n-type carrier concentrations in the
加えて、本実施形態では、反転電圧の異なる2種類のnMOSFETを同じ半導体基板1上に搭載するために、ポケット領域9a,9bにおける不純物濃度を制御することにより、以下の利点が得られる。すなわち、ソース・ドレイン領域(本実施形態ではLDD領域11)とチャネル領域との間にポケット領域を設けたトランジスタは、パンチスルーや短チャネル効果を抑制できる。このため、従来の半導体装置のごとく各MOSFETのチャネル領域に2種類の濃度でしきい値制御用の不純物イオンの注入を行なうものに比べ、微細化に有利な構造となる。また、いずれのnMOSFETにおいてもポケット領域9a又は9bが形成されているので、チャネル領域として機能する基板領域1aの不純物濃度を低くしても、パンチスルーや短チャネル効果を十分抑制できる。このように、チャネル領域における不純物濃度を通常のMOSFETより低くできるので、ゲート空乏層容量が小さくなり、サブスレッショルド特性が良好でリーク電流が小さいという効果が得られる。
In addition, in this embodiment, in order to mount two types of nMOSFETs having different inversion voltages on the
特に、本実施形態においては、第1の実施形態等とは異なり、第1,第2nMOSFETの双方についてもチャネル領域にしきい値制御用不純物の注入を行なわずに基板領域1aをそのままチャネル領域として利用している結果、チャネル領域の不純物濃度が極めて低くなることになり、上述の効果を顕著に発揮することができる。
In particular, in the present embodiment, unlike the first embodiment, both the first and second nMOSFETs use the
次に、本実施形態に係るMT−nMOSデバイスの製造工程について、図13(a)−(d)を参照しながら説明する。 Next, the manufacturing process of the MT-nMOS device according to this embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図13(a)に示す工程で、p型不純物がドープされたシリコン単結晶で構成される半導体基板1上に、LOCOS法,トレンチ分離法等を用いて厚みが約400nmのシリコン酸化膜からなる素子分離3を形成し、この素子分離3により、第1nMOSFET形成領域Rn1と第2nMOSFET形成領域Rn2とを区画する。そして、基板の全面上に厚みが8−12nmのシリコン酸化膜を堆積し、さらにその上に厚みが250−300nmのポリシリコン膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィー工程、エッチング工程により、ゲート電極8及びゲート絶縁膜7を形成する。さらに、このゲート電極8をマスクとして燐イオン(P+ )を30−40KeV,2−8×1013cm-2の条件で注入し、LDD領域11を形成する。
First, in the step shown in FIG. 13A, a silicon oxide film having a thickness of about 400 nm is formed on a
次に、図13(b)に示す工程で、ゲート電極8をマスクとして、各nMOSFET形成領域Rn1,Rn2にホウ素イオン(B+ )を20−30KeV,5−10×1012cm-2の条件で注入し、各nMOSFET形成領域Rn1,Rn2にp型ポケット領域9a,9bを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 13B, using the
次に、図13(c)に示す工程で、第2nMOSFET形成領域Pn2を覆い第1nMOSFET形成領域Rn1の上を開口したレジスト膜16hを形成した後、このレジスト膜16hとゲート電極8とをマスクとして、第1nMOSFET形成領域Rn1内にホウ素イオン(B+ )を20−30KeV,2−5×1012cm-2の条件で注入し、第1nMOSFETのポケット領域9aの不純物濃度つまりキャリアの濃度のみを濃くする。
Next, in the step shown in FIG. 13C, after forming a resist
次に、図13(d)に示す工程で、ゲート電極8の各側面上にサイドウォール13を形成し、ゲート電極8とそのサイドウォール13をマスクとしてヒ素イオンを40KeV,4−6×1014cm-2の条件で注入しソース・ドレイン領域14を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 13D, sidewalls 13 are formed on each side surface of the
以上の製造工程によって、図11に示す構造を有するMT−nMOSデバイスが容易に形成されることがわかる。特に、図13(a)−(d)に示す製造工程において、フォトマスクとなる1枚のレジスト膜16hのみで、nMOSFETの反転電圧制御のための不純物イオンの注入を行なうことができる。したがって、反転電圧制御のための不純物イオン注入に際し2枚のフォトマスク(図30(a),(b)に示すレジスト膜16a,16b)を必要とする従来の方法と比較して、工程が簡略化でき製造コストの低減を図ることができるという利点がある。
It can be seen that the MT-nMOS device having the structure shown in FIG. In particular, in the manufacturing steps shown in FIGS. 13A to 13D, impurity ions for controlling the inversion voltage of the nMOSFET can be implanted with only one resist
(第8の実施形態)
次に、第8の実施形態に係るMT−nMOSデバイスについて、図14を参照しながら説明する。
(Eighth embodiment)
Next, an MT-nMOS device according to the eighth embodiment will be described with reference to FIG.
図14に示すように、本実施形態においても、上記第7の実施形態に係るMT−nMOSデバイスと同様に、p型不純物がドープされた半導体基板1の表面付近の領域は、素子分離3により第1nMOSFET形成領域Rn1と第2nMOSFET形成領域Rn2とに区画されている。そして、第1nMOSFET形成領域Rn1に形成されている第1nMOSFETと、第2nMOSFET形成領域Rn2に形成されている第2nMOSFETとの構造は、基本的に上記第7の実施形態における各nMOSFETの構造と同じであって、ゲート絶縁膜7,ゲート電極8,サイドウォール13,ソース・ドレイン領域14,LDD領域11及びポケット領域9a,9bが設けられている。
As shown in FIG. 14, also in the present embodiment, as in the MT-nMOS device according to the seventh embodiment, the region near the surface of the
ここで、本実施形態の特徴として、第1nMOSFETのポケット領域9aの幅Wp1は、第2nMOSFETのポケット領域の幅Wp2よりも大きい。ただし、各ポケット領域9a,9bにおける不純物濃度は同じである。このような構造は、例えば上記第1の実施形態の製造工程において、図13(c)に示す工程で、第1nMOSFETのポケット領域9aに第1導電型不純物(ボロン)を再度注入する際に、半導体基板1の主面に垂直な方向に対してゲート電極8に対向する側に大きく傾いた方向からイオン注入を行なうことにより実現できる。あるいは、各nMOSFETのポケット領域9a,9bを形成する際のイオン注入を傾き角を変えて行なってもよい。
Here, as a feature of the present embodiment, the width Wp1 of the
本実施形態では、第1nMOSFETのポケット領域9aの幅Wp1が第2nMOSFETのポケット領域9bの幅Wp2よりも広いので、第1nMOSFETの反転電圧が第2nMOSFETの反転電圧よりも高くなる。このように、ポケット領域の幅を変えるだけで2種類の反転電圧を有するnMOSFETを同じ半導体基板上に形成できるので、簡素な工程で図14の構成を実現することができ、上記第7の実施形態の製造方法とほぼ同じ効果を発揮することができる。
In this embodiment, since the width Wp1 of the
(第9の実施形態)
次に、第9の実施形態に係るMT−CMOSデバイスについて、図15及び図16(a)−(f)を参照しながら説明する。
(Ninth embodiment)
Next, an MT-CMOS device according to a ninth embodiment will be described with reference to FIGS. 15 and 16 (a)-(f).
図15に示すように、本実施形態では、半導体基板内にp型不純物を含むp型ウエル2aと、n型不純物を含むn型ウエル2bとが形成されている。そして、半導体基板内には、nMOSFET形成領域Rn とpMOSFET形成領域Rpとが存在する。さらに、素子分離3により、nMOSFET形成領域Rn は第1nMOSFET形成領域Rn1と第2nMOSFET形成領域Rn2とに区画され、pMOSFET形成領域Rp は第1pMOSFET形成領域Rp1と第2pMOSFET形成領域Rp2とに区画されている。上記第1,第2nMOSFET形成領域Rn1,Rn2にそれぞれ形成される第1,第2nMOSFETの構造は、上記第7の実施形態における図11に示す構造と同じである。また、第1,第2pMOSFETの構造は、それぞれ図11に示す第1,第2nMOSFETの構造において不純物の導電型を逆にしただけである。すなわち、第1,第2pMOSFETは、それぞれゲート電極8と、ゲート絶縁膜7と、サイドウォール13と、p+ 型のソース・ドレイン領域15と、p- 型のLDD領域12と、n型のポケット領域10a,10bとを備えている。
As shown in FIG. 15, in this embodiment, a p-
本実施形態に係るMT−CMOSデバイスのうちMT−nMOSデバイスの構造により、上記第7の実施形態と同様の効果が得られる。また、MT−pMOSデバイスの構造においても、第1pMOSFETのポケット領域10aにおけるn型不純物の濃度(n型キャリアの濃度)を第2pMOSFETのポケット領域10bにおけるn型不純物の濃度よりも濃くしておくことで、第1pMOSFETの反転電圧を第2pMOSFETの反転電圧よりも高くするようにしている。したがって、上記第7の実施形態と同様に、サブスレッショルド特性が良好となりリーク電流を低減し得ることになる。現実に使用される半導体デバイスはほとんどCMOSデバイスの構造を有しているので、本実施形態に係るMT−CMOSデバイスの実用性は極めて大きい。
The same effects as those of the seventh embodiment can be obtained by the structure of the MT-nMOS device among the MT-CMOS devices according to the present embodiment. Also in the structure of the MT-pMOS device, the concentration of n-type impurities (concentration of n-type carriers) in the
次に、本実施形態に係るMT−CMOSデバイスの製造工程について、図16(a)−(d)を参照しながら説明する。 Next, the manufacturing process of the MT-CMOS device according to this embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図16(a)に示す工程で、単結晶シリコンで構成される半導体基板1上に、p型ウエル2aとn型ウエル2bとを形成した後、厚みが約400nmのシリコン酸化膜からなる素子分離3を形成し、第1nMOSFET形成領域Rn1,第2nMOSFET形成領域Rn2,第2pMOSFET形成領域Rp2及び第1pMOSFET形成領域Rp1を区画する。そして、半導体基板1上に厚みが8−12nmのシリコン酸化膜を形成し、さらにその上に厚みが250−300nmのポリシリコン膜を堆積し、通常のリソグラフィー工程、エッチング工程により、ゲート絶縁膜7及びゲート電極8を形成する。そして、通常のフォトリソグラフィー工程により、nMOSFET形成領域Rn の上のみを開口したレジスト膜16iを形成し,このレジスト膜16i及びゲート電極8をマスクとして第1及び第2nMOSFET形成領域Rn1,Rn2に燐イオン(P+ )を30−40KeV,2−8×1013cm-2の条件で注入し、各nMOSFETのLDD領域11を形成する。次に、同じレジスト膜16i及びゲート電極8とをマスクとして、第1及び第2nMOSFET形成領域Rn1,Rn2にホウ素イオン(B+ )を20−30KeV,2−5×1012cm-2の条件で注入し、p型のポケット領域9a,9bを形成する。
First, in the step shown in FIG. 16A, a p-
次に、図16(b)に示す工程で、第1nMOSFET形成領域Rn1の上のみを開口したレジスト膜16jを形成し、このレジスト膜16jをマスクとして、第1nMOSFET形成領域Rn1内にホウ素イオン(B+ )を20−30KeV,2−5×1012cm-2の条件で注入し、第1nMOSFETのポケット領域9aの不純物濃度のみを濃くする。
Next, in the step shown in FIG. 16B, a resist film 16j opened only on the first nMOSFET formation region Rn1 is formed, and boron ions (B) are formed in the first nMOSFET formation region Rn1 using the resist film 16j as a mask. +) Is implanted under the conditions of 20-30 KeV, 2-5 × 10 12 cm −2 to increase only the impurity concentration of the
次に、図16(c)に示す工程で、pMOSFET形成領域Rp の上のみを開口したレジスト膜16kを形成した後、このレジスト膜16k及びゲート電極8をマスクとしてpMOSFET形成領域Rp にホウ素イオン(B+ )を30−40KeV,2−8×1013cm-2の条件で注入し、各pMOSFETのLDD領域12を形成する。さらに、同じレジスト膜16k及びゲート電極8をマスクとしてpMOSFET形成領域Rp に燐イオン(P+ )を80−120KeV,5−10×1012cm-2の条件で注入し、各pMOSFETのn型のポケット領域10a,10bを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 16C, after a resist
次に、図16(d)に示す工程で、第1pMOSFET形成領域Rp1の上のみを開口したレジスト膜16lを形成し、このレジスト膜16l及びゲート電極8をマスクとして、第1pMOSFET形成領域Rp1内に燐イオン(P+ )を80−120KeV,2−5×1012cm-2の条件で注入し、第1pMOSFETのポケット領域10aのみ不純物濃度を濃くする。
Next, in the step shown in FIG. 16D, a resist film 16l having an opening only on the first pMOSFET formation region Rp1 is formed, and the resist
次に、図16(e)に示す工程で、各MOSFETのゲート電極8の各側面上にサイドウォール13を形成した後、nMOSFET形成領域Rn の上を開口したレジスト膜16mを形成し、このレジスト膜16m,ゲート電極8及びサイドウォール13をマスクとして、nMOSFET形成領域Rn にヒ素イオン(As+ )を40KeV,4−6×1014cm-2の条件で注入し、nMOSFETのソース・ドレイン領域14を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 16 (e), a
次に、図16(f)に示す工程で、pMOSFET形成領域Rp の上を開口したレジスト膜16nを形成した後、このレジスト膜16n,ゲート電極8及びサイドウォール13をマスクとして、pMOSFET形成領域Rp にホウ素イオン(B+ )を10−20KeV,4−6×1014cm-2の条件で注入し、各pMOSFETのソース・ドレイン領域15を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 16F, a resist
以上の工程によって、上記図15に示す構造を有するMT−CMOSデバイスが容易に形成される。 Through the above steps, the MT-CMOS device having the structure shown in FIG. 15 is easily formed.
本実施形態のMT−CMOSデバイスの製造工程では、反転電圧制御のためのレジスト膜が2枚で済む(レジスト膜16j,16l)ので、従来の方法と比較して工程が簡略化できる。 In the manufacturing process of the MT-CMOS device of this embodiment, since only two resist films for controlling the inversion voltage are required (resist films 16j and 16l), the process can be simplified as compared with the conventional method.
(第10の実施形態)
次に、第10の実施形態について、図17(a)−(d)を参照しながら説明する。図17(a)−(d)は、2種類の反転電圧を有するMT−pMOSデバイスの製造工程を示す断面図である。
(Tenth embodiment)
Next, a tenth embodiment will be described with reference to FIGS. FIGS. 17A to 17D are cross-sectional views showing a manufacturing process of an MT-pMOS device having two types of inversion voltages.
まず、図17(a)に示す工程で、シリコン単結晶で構成される半導体基板1中のn型ウエル2b上に、LOCOS法,トレンチ分離法等を用いて厚みが約400nmのシリコン酸化膜からなる素子分離3を形成し、この素子分離3により、第1pMOSFET形成領域Rp1と第2pMOSFET形成領域Rp2とを区画する。そして、基板の全面上に厚みが8−12nmのシリコン酸化膜を堆積し、さらにその上に厚みが250−300nmのポリシリコン膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィー工程、エッチング工程により、ゲート電極8及びゲート絶縁膜7を形成する。しかる後、ゲート電極8をマスクとしてBF2 イオン(BF2+)を30−40KeV,2−8×1013cm-2の条件で注入し、各pMOSFETのp型LDD層12を形成する。
First, in the step shown in FIG. 17A, a silicon oxide film having a thickness of about 400 nm is formed on the n-
次に、図17(b)に示す工程で、ゲート電極8をマスクとしてpMOSFET形成領域Rp に燐イオン(P+ )を80−120KeV,5−10×1012cm-2の条件で注入し、各pMOSFETのn型のポケット領域10a,10bを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 17B, phosphorus ions (P +) are implanted into the pMOSFET formation region Rp using the
次に、図示は省略するが、各pMOSFETのゲート電極8の各側面上にサイドウォール13を形成した後、ゲート電極及びサイドウォール13をマスクとしてボロンイオンを高濃度で注入し、各pMOSMOSFET形成領域Rp1,Rp2にp+ 型のソース・ドレイン領域15を形成する。その後、図17(c)に示す工程で第1pMOSFET形成領域Rp1の上のみを開口したレジスト膜16oを形成し、このレジスト膜16o,ゲート電極8及びサイドウォール13をマスクとして、第1pMOSFET形成領域Rp1内に窒素イオン(N+ )を10−20KeV,4−6×1014cm-2の条件で注入しする。
Next, although illustration is omitted, after forming the
次に、図17(d)に示す工程で、半導体基板1に850℃,30分間の熱処理を施すことにより、p+ 型のソース・ドレイン領域15を形成する際に第1,第2pMOSFETのゲート電極8内に導入された高濃度のホウ素イオンを半導体基板1内に拡散させる。そのとき、第1pMOSFETのゲート電極8内には窒素が導入されているので、ゲート絶縁膜7中に酸窒化膜が形成される等の作用によって、ホウ素のポケット領域10aへの拡散が阻止あるいは抑制される。一方、第2pMOSFETのゲート電極8には窒素が導入されていないので、ゲート電極8中のホウ素がポケット領域10bまで拡散し、その結果、第1pMOSFETのポケット領域10aよりも第2pMOSFETのポケット領域10bの方がn型不純物の実効的濃度つまりn型キャリアの濃度が低くなるので、第1pMOSFETに比べ第2pMOSFETの反転電圧が小さくなる。
Next, in the step shown in FIG. 17D, the
以上の工程により、2種類の反転電圧を有するpMOSFETからなるMT−pMOSデバイスが形成される。 Through the above steps, an MT-pMOS device composed of pMOSFETs having two types of inversion voltages is formed.
本実施形態に係るMT−pMOSデバイスは、上記第7〜第9の実施形態と同様に、パンチスルーや短チャネル効果を抑制でき、微細化に有利な構造となる。また、ゲート空乏層容量も小さく、サブスレッショルド特性が良好でリーク電流が小さい特性を有する。 As in the seventh to ninth embodiments, the MT-pMOS device according to the present embodiment can suppress punch-through and the short channel effect, and has a structure advantageous for miniaturization. In addition, the gate depletion layer capacitance is small, the subthreshold characteristic is good, and the leakage current is small.
本実施形態の製造方法では、反転電圧制御のためのレジスト膜が1枚で済むので(レジスト膜16o)、従来の方法と比較して工程が簡略化できるという利点がある。 The manufacturing method of this embodiment has an advantage that the process can be simplified as compared with the conventional method because only one resist film for controlling the inversion voltage is required (resist film 16o).
(第11の実施形態)
次に、第11の実施形態について、図18(a)−(d)を参照しながら説明する。図18(a)−(d)は、2種類の反転電圧を有するMT−pMOSデバイスの製造工程を示す断面図である。
(Eleventh embodiment)
Next, an eleventh embodiment will be described with reference to FIGS. 18 (a) to 18 (d) are cross-sectional views showing a manufacturing process of an MT-pMOS device having two types of inversion voltages.
まず、図18(a)に示す工程で、シリコン単結晶で構成される半導体基板1中のn型ウエル2b上に、LOCOS法,トレンチ分離法等を用いて厚みが約400nmのシリコン酸化膜からなる素子分離3を形成し、この素子分離3により、第1pMOSFET形成領域Rp1と第2pMOSFET形成領域Rp2とを区画する。そして、基板の全面上に厚みが8−12nmのシリコン酸化膜を堆積し、さらにその上に厚みが250−300nmのポリシリコン膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィー工程、エッチング工程により、ゲート電極8及びゲート絶縁膜7を形成する。しかる後、ゲート電極8をマスクとしてホウ素イオン(B+ )を30−40KeV,2−8×1013cm-2の条件で注入し、各pMOSFETのp型LDD層12を形成する。
First, in the step shown in FIG. 18A, a silicon oxide film having a thickness of about 400 nm is formed on the n-
次に、図18(b)に示す工程で、ゲート電極8をマスクとしてpMOSFET形成領域Rp に燐イオン(P+ )を80−120KeV,5−10×1012cm-2の条件で注入し、各pMOSFETにn型のポケット領域10a,10bを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 18B, phosphorus ions (P +) are implanted into the pMOSFET formation region Rp using the
次に、図示は省略するが、各pMOSFETのゲート電極8の各側面上にサイドウォール13を形成した後、ゲート電極8及びサイドウォール13をマスクとしてボロンイオンを高濃度で注入し、各pMOSMOSFET形成領域Rp1,Rp2にp+ 型のソース・ドレイン領域15を形成する。その後、図18(c)に示す工程で、第2pMOSFET形成領域Rp2の上を開口したレジスト膜16pを形成し、このレジスト膜16p,ゲート電極8及びサイドウォール13をマスクとして、第2pMOSFET形成領域Rp2内にフッ素イオン(F+ )を10−20KeV,4−6×1014cm-2の条件で注入する。
Next, although illustration is omitted, after sidewalls 13 are formed on each side surface of the
次に、図18(d)に示す工程で、半導体基板1に850℃,30分間の熱処理を施すことにより、各pMOSFET中のホウ素イオンを半導体基板1内に拡散させる。そのとき、第2pMOSFET形成領域Rp2のゲート電極8内にはフッ素が導入されているので、ホウ素のポケット領域10bへの拡散が促進される。一方、第1pMOSFETのゲート電極8にはフッ素が導入されていないので、ゲート電極8中のホウ素がポケット領域10aまで拡散するものの、その拡散量は第2pMOSFETのポケット領域10bへの拡散量よりも少ない。その結果、第1pMOSFETのポケット領域10aよりも第2pMOSFETのポケット領域10bの方がn型不純物の実効的濃度つまりn型キャリアの濃度が低くなるので、第1pMOSFETに比べ第2pMOSFETの反転電圧が小さくなる。
Next, in the step shown in FIG. 18D, the
以上の工程により、2種類の反転電圧を有するpMOSFETからなるMT−pMOSデバイスが形成される。 Through the above steps, an MT-pMOS device composed of pMOSFETs having two types of inversion voltages is formed.
本実施形態に係るMT−pMOSデバイスは、上記各実施形態と同様に、パンチスルーや短チャネル効果を抑制でき、微細化に有利な構造となる。また、ゲート空乏層容量も小さく、サブスレッショルド特性が良好でリーク電流が小さい特性を有する。 As in the above embodiments, the MT-pMOS device according to this embodiment can suppress punch-through and the short channel effect, and has a structure advantageous for miniaturization. In addition, the gate depletion layer capacitance is small, the subthreshold characteristic is good, and the leakage current is small.
本実施形態の製造方法では、反転電圧制御のためのレジスト膜が1枚で済むので(レジスト膜16p)、従来の方法と比較して工程が簡略化できるという利点がある。
The manufacturing method of this embodiment has an advantage that the process can be simplified as compared with the conventional method because only one resist film for controlling the inversion voltage is required (resist
(第12の実施形態)
次に、第12の実施形態について、図19(a)−(d)を参照しながら説明する。図19(a)−(d)は、2種類の反転電圧を有するMT−pMOSデバイスの製造工程を示す断面図である。
(Twelfth embodiment)
Next, a twelfth embodiment will be described with reference to FIGS. FIGS. 19A to 19D are cross-sectional views showing a manufacturing process of an MT-pMOS device having two types of inversion voltages.
まず、図19(a)に示す工程で、シリコン単結晶で構成される半導体基板1中のn型ウエル2b上に、LOCOS法,トレンチ分離法等を用いて厚みが約400nmのシリコン酸化膜からなる素子分離3を形成し、この素子分離3により、第1pMOSFET形成領域Rp1と第2pMOSFET形成領域Rp2とを区画する。そして、基板の全面上に厚みが8−12nmのシリコン酸化膜を堆積し、さらにその上に厚みが250−300nmのポリシリコン膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィー工程、エッチング工程により、ゲート電極8及びゲート絶縁膜7をパターニングする。しかる後、ゲート電極8をマスクとしてホウ素イオン(B+ )を30−40KeV,2−8×1013cm-2の条件で注入し、各pMOSFETのp型LDD層12を形成する。
First, in the step shown in FIG. 19A, a silicon oxide film having a thickness of about 400 nm is formed on the n-
次に、図19(b)に示す工程で、ゲート電極8をマスクとしてpMOSFET形成領域Rp に燐イオン(P+ )を80−120KeV,5−10×1012cm-2の条件で注入し、各pMOSFETにn型のポケット領域10a,10bを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 19B, phosphorus ions (P +) are implanted into the pMOSFET formation region Rp using the
次に、図示は省略するが、各pMOSFETのゲート電極8の各側面上にサイドウォール13を形成した後、ゲート電極8及びサイドウォール13をマスクとしてボロンイオンを高濃度で注入し、各pMOSFET形成領域Rp1,Rp2にp+ 型のソース・ドレイン領域15を形成する。その後、図19(c)に示す工程で、第2pMOSFET形成領域Rp2の上を開口したレジスト膜16qを形成し、このレジスト膜16q,ゲート電極8及びサイドウォール13をマスクとして、第2pMOSFET形成領域Rp2内にホウ素イオン(B+ )を10−20KeV,4−6×1014cm-2の条件で注入する。
Next, although illustration is omitted, after forming the
次に、図19(d)に示す工程で、半導体基板1に850℃,30分間の熱処理を施すことにより、各pMOSFET中のホウ素イオンを半導体基板1内に拡散させる。そのとき、第2pMOSFET形成領域Rp2のゲート電極8内には再度ホウ素が導入されているので、ホウ素の濃度が濃くなっている。したがって、第2pMOSFETのポケット領域10bへのホウ素の拡散量は第1pMOSFETのポケット領域10aへの拡散量よりも多い。このホウ素によるカウンタドープ量の相違によって、第1pMOSFETのn型ポケット領域10aよりも第2pMOSFETのn型ポケット領域10bの方がn型不純物の実効的濃度つまりn型キャリアの濃度が低くなるので、第1pMOSFETに比べ第2pMOSFETの反転電圧が小さくなる。
Next, in the step shown in FIG. 19D, the
以上の工程により、2種類の反転電圧を有するpMOSFETからなるMT−pMOSデバイスが形成される。 Through the above steps, an MT-pMOS device composed of pMOSFETs having two types of inversion voltages is formed.
本実施形態に係るMT−pMOSデバイスは、上記各実施形態と同様に、パンチスルーや短チャネル効果を抑制でき、微細化に有利な構造となる。また、ゲート空乏層容量も小さく、サブスレッショルド特性が良好でリーク電流が小さい特性を有する。 As in the above embodiments, the MT-pMOS device according to this embodiment can suppress punch-through and the short channel effect, and has a structure advantageous for miniaturization. In addition, the gate depletion layer capacitance is small, the subthreshold characteristic is good, and the leakage current is small.
本実施形態の製造方法では、反転電圧制御のためのレジスト膜が1枚で済むので(レジスト膜16q)、従来の方法と比較して工程が簡略化できるという利点がある。
The manufacturing method according to the present embodiment has an advantage that the process can be simplified as compared with the conventional method because only one resist film for controlling the inversion voltage is required (resist
(第13の実施形態)
次に、第13の実施形態に係るMT−nMOSデバイスについて、図20(a)−(d)を参照しながら説明する。
(13th Embodiment)
Next, an MT-nMOS device according to the thirteenth embodiment will be described with reference to FIGS.
本実施形態においては、図20(a)に示す工程までに上記第7の実施形態で説明した図13(a)と同様の工程を行う。この工程については、図示及び説明を省略する。 In the present embodiment, steps similar to those in FIG. 13A described in the seventh embodiment are performed up to the step shown in FIG. About this process, illustration and description are abbreviate | omitted.
そして、図20(a)に示す工程で、各nMOSFET形成領域Rn1,Rn2内の基板の全面上に厚みが8−12nmのシリコン酸化膜を堆積し、さらにその上に厚みが250−300nmのポリシリコン膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィー工程、エッチング工程により、ゲート電極8及びゲート絶縁膜7を形成する。次に、このゲート電極8の側面上にサイドウォール13を形成した後、ゲート電極8とサイドウォール13をマスクとして砒素イオン(As+ )を40KeV,4−6×1014cm-2の条件で注入し、n+ 型のソース・ドレイン領域14を形成する。さらに、チタン膜を50nm程度の厚みで堆積した後、熱処理によりチタンとソース・ドレイン領域14及びゲート電極8を構成するシリコンとを反応させ、ゲート電極8とソース・ドレイン領域14との表面上に厚みが約100nmのチタンシリサイド膜17a,17bをそれぞれ形成する。その後、サイドウォール13を選択的エッチングにより除去する。
Then, in the step shown in FIG. 20A, a silicon oxide film having a thickness of 8-12 nm is deposited on the entire surface of the substrate in each of the nMOSFET formation regions Rn1, Rn2, and a polycrystal having a thickness of 250-300 nm is further formed thereon. A silicon film is deposited, and a
次に、図20(b)に示す工程で、各チタンシリサイド膜17a,17bをマスクとして、燐イオン(P+ )を30−40KeV,2−8×1013cm-2の条件で注入し、各nMOSFETのサイドウォール13が除去された領域の下方にn- 型のLDD領域11を形成する。
Next, in the step shown in FIG. 20B, phosphorus ions (P +) are implanted under the conditions of 30-40 KeV, 2-8 × 10 13 cm -2 using the
次に、図20(c)に示す工程で、各チタンシリサイド膜17a,17bをマスクとして、BF2 イオン(BF2+)を100−150KeV,1−5×1012cm-2の条件で注入し、各nMOSFETのLDD領域11の奥方にp型のポケット領域9a,9bを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 20 (c), BF2 ions (BF2 +) are implanted under the conditions of 100-150 KeV, 1-5 × 10 12 cm -2 using the
次に、図20(d)に示す工程で、第1nMOSFET形成領域Rn1の上を開口したレジスト膜16rを形成し、このレジスト膜16r及びゲート電極8をマスクとして、BF2 イオン(BF2+)を100−150KeV,1−5×1012cm-2の条件で注入し、第1nMOSFETのポケット領域9aの不純物濃度のみを濃くする。その結果、第1nMOSFETの反転電圧が第2nMOSFETの反転電圧よりも高くなる。
Next, in the step shown in FIG. 20 (d), a resist film 16r having an opening above the first nMOSFET formation region Rn1 is formed, and BF2 ions (BF2 +) are 100-- using the resist film 16r and the
本実施形態の製造工程では、上記第7の実施形態と同様に、MT−nMOSデバイスにおける各nMOSFETの反転電圧制御のために必要なフォトマスクが1枚で済み、従来の方法と比較して工程が簡略化できる。 In the manufacturing process of this embodiment, as in the seventh embodiment, only one photomask is necessary for controlling the inversion voltage of each nMOSFET in the MT-nMOS device, which is a process compared to the conventional method. Can be simplified.
また、本実施形態の製造工程で形成されるMT−nMOSFETにおいて、第1,第2nMOSFETの各ポケット領域9a,9bの不純物濃度が異なることで、第1nMOSFETと第2nMOSFETの反転電圧が異なる。したがって、第1の実施形態と同様に、反転電圧の異なる2つのMOSFETを搭載しながら、各nMOSFETのポケット領域9a,9bによりパンチスルーや短チャネル効果を抑制できる。また、第1の実施形態と同様に、各nMOSFETの空乏層容量が小さい構成となっているので、サブスレッショルド特性が良好でリーク電流を低減できるという効果を発揮することができる。
Further, in the MT-nMOSFET formed in the manufacturing process of the present embodiment, the inversion voltages of the first nMOSFET and the second nMOSFET are different because the impurity concentrations of the
さらに、本実施形態の製造工程では、ポケット領域9a,9bをゲート電極8とソース・ドレイン領域14上のチタンシリサイド膜17a,17bをマスクとして用いるイオン注入により形成するので、ポケット領域9a,9bが極めて局所的に形成される。つまり、図20(d)に示す構造では、第7の実施形態における図11に示す構造と比較して、ポケット領域9a,9bがソース・ドレイン領域14の下方にまで延びていない。そのために、ソース・ドレイン領域14と基板領域1aとの間にpnジャンクションが形成されることになり、ソース・ドレイン領域14とポケット領域9a,9bとの間にpnジャンクションが形成される第7の実施形態等に比べ、pnジャンクションのp側領域の不純物濃度を小さくできるため、寄生容量を増大させることがない。通常、MT−MOSデバイスは、1.0−2.0Vの低い電源電圧で動作させるため、pnジャンクションの空乏層の伸びが小さく寄生容量が大きくなるという不利な点を有するが、本実施形態では、上述のごとく寄生容量を低減し得るので、その効果は極めて大きく、高速で動作しかつ消費電力が非常に少ないLSIを実現できる。
Furthermore, in the manufacturing process of this embodiment, the
(第7〜第13の実施形態に関する変形形態)
上記第13の実施形態で説明したMT−nMOSデバイスの構造は、MT−pMOSデバイスについても、同様に適用することができ、同様の効果を発揮することができる。また、それぞれ異なる2種類の反転電圧を有するnMOSFETとpMOSFETとを搭載したMT−CMOデバイスにも適用し得ることはいうまでもない。
(Modifications regarding the seventh to thirteenth embodiments)
The structure of the MT-nMOS device described in the thirteenth embodiment can be similarly applied to the MT-pMOS device and can exhibit the same effect. Needless to say, the present invention can also be applied to an MT-CMO device equipped with nMOSFETs and pMOSFETs having two different inversion voltages.
また、第7〜第13の実施形態において、各MOSFETのゲート電極8の下方のチャネル領域内にしきい値制御用不純物を導入して、VT制御用不純物拡散領域を設けてもよい。ただし、その場合にも、各MOSFETで不純物濃度を変える必要はなく、VT制御用不純物拡散領域の濃度が同じでもポケット領域における不純物濃度が異なることで、2種類の反転電圧を有するMOSFETを形成できる。
In the seventh to thirteenth embodiments, a threshold control impurity may be introduced into a channel region below the
上記第13の実施形態において、図20(d)に示す工程中のBF2 イオンの注入方向を大きく傾けて、第1nMOSFETのポケット領域9aの幅を第2nMOSFETのポケット領域9bの幅よりも大きくすることにより、2種類の反転電圧を有するMOSFETを形成してもよい。その場合にも、上述の第13の実施形態と同じ効果を発揮することができる。
In the thirteenth embodiment, the width of the
(第14の実施形態)
図21(a)〜図21R>1(d)は、第14の実施形態におけるnチャネルMOSFETの製造工程を示す断面図である。
(Fourteenth embodiment)
FIG. 21A to FIG. 21R> 1 (d) are cross-sectional views showing the manufacturing process of the n-channel MOSFET in the fourteenth embodiment.
まず図21(a)に示す工程で、p型半導体基板21の上に厚みが4〜8nmのシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜24と、厚みが100〜200nmのポリシリコン膜からなるゲート電極25とを形成する。
First, in the step shown in FIG. 21A, a
次に、図21(b)に示す工程で、ゲート電極25と、半導体基板21内のゲート電極25の両側方に位置する領域30とに砒素イオン(As+ )を注入する。
Next, in the step shown in FIG. 21B, arsenic ions (As +) are implanted into the
次に、図21(c)に示す工程で、CVD法によりゲート電極25及びp型半導体基板21の上にシリコン酸化膜(図示せず)を堆積した後、これをエッチバックして、ゲート電極25の両側面上にサイドウォール27を形成する。そして、このサイドウォール27をマスクとして、ゲート電極25と、p型半導体基板21内の各サイドウォール7の側方に位置する領域Rfとにフッ素イオン(F+)を注入する。このときの注入条件は、加速エネルギーが40〜60keVで、注入量が1〜5×1015cm-2である。
Next, in the step shown in FIG. 21C, after a silicon oxide film (not shown) is deposited on the
次に、図21(d)に示す工程で、サイドウォール27をマスクとして用いて燐イオン(P+ )の注入を行い、ゲート電極25と、p型半導体基板21内のゲート電極25の両側方に位置する領域とに燐を導入する。このときの注入条件は、加速エネルギーが5〜20keV、注入量が1〜4×1015cm-2である。さらに、図21(d)に示す状態で、975〜1050℃,10秒の条件、あるいは850℃,20〜30分の条件による熱処理を行い、不純物イオン(P+ )を活性化して、ゲート電極25を低抵抗化されたn型ゲート電極25aとするとともに、p型半導体基板21中にn型LDD領域30aとn型ソース・ドレイン領域32aとを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 21D, phosphorus ions (P +) are implanted using the
以下の工程は省略するが、層間絶縁膜を介して何層かの金属配線を形成することで、MOSFETが形成される。 Although the following steps are omitted, a MOSFET is formed by forming several layers of metal wiring through an interlayer insulating film.
本実施形態の製造工程によって形成されたnMOSFETは、以下のような特性を発揮することができる。 The nMOSFET formed by the manufacturing process of this embodiment can exhibit the following characteristics.
第1に、ソース・ドレイン領域32aにおいて、燐の導入によってソース・ドレイン領域32aを形成することで、砒素を導入して形成されたソース・ドレイン領域に比べ、ソース・ドレイン領域32aの不純物濃度の変化が緩やかとなる。したがって、キャリアのインパクトイオン化作用によるnMOSFETの特性の劣化や、寄生容量及びリーク電流の増大を抑制することができる。
First, in the source /
第2に,図21(d)に示す工程で、熱処理を行う際に燐が注入された領域と同じ領域にフッ素が導入されていると、燐の拡散が抑制される。この作用が生じる理由はまだ解明されていないが、例えば以下のような現象が生じるためと推定することができる。一般に、活性化のための熱処理を行うと、燐は格子間シリコンとのダングリングボンドを形成しながらシリコン基板内を拡散すると考えられている。ところが、燐と同じ部位にフッ素が存在すると、フッ素の方が燐よりも格子間シリコンとの親和力が強いので、格子間シリコンはフッ素によって取り込まれ、燐と格子間シリコンとのダングリングボンドの形成が妨げられる結果、燐の拡散が抑制されると推測される。したがって、燐イオンのみの注入によって形成されたソース・ドレイン領域に比べると、ソース・ドレイン領域32aの拡散層深さを抑制することができ、短チャネル効果を抑制することができる。すなわち、従来、nMOSFETのソース・ドレイン領域を砒素イオンの注入によって形成していたのは、単に燐イオンの注入のみでソース・ドレイン領域を形成すると短チャネル効果が顕著になるそれがあるためである。それに対し、本実施形態では、フッ素を燐とともに導入しているので、燐の導入によってソース・ドレイン領域32aを形成しながら短チャネル効果を抑制することができるのである。
Second, in the step shown in FIG. 21 (d), if fluorine is introduced into the same region where phosphorus is implanted during the heat treatment, phosphorus diffusion is suppressed. The reason why this action occurs has not yet been elucidated, but it can be assumed that, for example, the following phenomenon occurs. In general, it is considered that when heat treatment for activation is performed, phosphorus diffuses in the silicon substrate while forming dangling bonds with interstitial silicon. However, when fluorine is present at the same site as phosphorus, fluorine has a stronger affinity for interstitial silicon than phosphorus, so interstitial silicon is taken in by fluorine and forms a dangling bond between phosphorus and interstitial silicon. As a result, it is presumed that the diffusion of phosphorus is suppressed. Therefore, compared with the source / drain region formed by implantation of only phosphorus ions, the diffusion layer depth of the source /
第3に、フッ素及び燐の導入によって形成されたn型のゲート電極25aを有するため、高温,長時間の熱処理を行なわなくても燐が十分活性化される。したがって、砒素の不活性化に起因するゲート電極25aの空乏化を抑制することができ、nMOSFETの駆動力が高くなる。
Third, since the n-
なお、本実施形態では、フッ素及び燐の導入をイオン注入により行ったが、本発明は必ずしも斯かる実施形態に限定されるものではない。例えば、フッ素や燐をゲート電極や半導体基板に気相拡散法やプラズマ処理法を利用して導入することもできる。あるいは、ゲート電極を構成するポリシリコン膜をCVD法により堆積する際に、フッ素や燐をポリシリコン膜内に導入することもできる。 In this embodiment, fluorine and phosphorus are introduced by ion implantation. However, the present invention is not necessarily limited to such an embodiment. For example, fluorine or phosphorus can be introduced into a gate electrode or a semiconductor substrate using a vapor phase diffusion method or a plasma treatment method. Alternatively, fluorine or phosphorus can be introduced into the polysilicon film when the polysilicon film constituting the gate electrode is deposited by the CVD method.
また、上記第14の実施形態において、上記サイドウォール27やLDD領域30aは必ずしも形成する必要はない。ただし、サイドウォール27を形成し、かつLDD領域30aを形成しておくことで、微細化に適したMOSFETを形成することができるという著効を発揮することができる。
In the fourteenth embodiment, the
また、本実施形態では、サイドウォール27を形成した後にフッ素イオンの注入行っているが、フッ素の導入をサイドウォール27の形成前に行うことが可能である。ただし、サイドウォール用のシリコン酸化膜を堆積する際に高温でのCVDが行われると燐の拡散を抑制するというフッ素の機能が失われる可能性があるので、その場合には、光CVD法やプラズマCVD法等の低温成膜法を利用することが好ましい。
In the present embodiment, fluorine ions are implanted after the
さらに、本実施形態のごとくフッ素の導入を燐の導入の前に行う必要はなく、熱処理前であれば燐を導入してからフッ素を導入しても、本実施形態と同様に燐の拡散を抑制する機能を発揮することができる。 Further, it is not necessary to introduce fluorine before introducing phosphorus as in the present embodiment, and even if phosphorus is introduced after introduction of phosphorus before heat treatment, diffusion of phosphorus is performed as in this embodiment. The function to suppress can be exhibited.
なお、サイドウォール27を形成する前に、例えば図21(b)に示す状態で、チャネル長さ調整用サイドウォールを形成しておき、このサイドウォールに対してLDD領域を形成するようにしてもよい。特に、その場合には、LDD領域を燐イオンの注入によって形成しても、適切なチャネル長さを確保することができる。
Before forming the
(第15の実施形態)
図22(a)〜(e)は、第15の実施形態に係るCMOSFETの製造工程を示す断面図である。
(Fifteenth embodiment)
22A to 22E are cross-sectional views showing the manufacturing steps of the CMOSFET according to the fifteenth embodiment.
まず、図22(a)に示す工程で、単結晶シリコンで構成されるp型半導体基板21の上に、nMOSFET形成領域Rn にはp型半導体領域22a(p型ウエル或いは基板領域)を、pMOSFET形成領域Rp にはn型半導体領域22b(n型ウエル或いは基板領域)をそれぞれ形成し、厚みが約400nmのシリコン酸化膜からなる素子分離23を形成して、p型半導体領域22aとn型半導体領域22bとを区画する。ただし、本実施形態では、p型半導体領域22aはp型半導体基板21と同じ不純物濃度を有する領域である。上記p型半導体領域22a及びn型半導体領域22bの上に厚みが4〜8nmのシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜24と、厚みが100〜200nmのポリシリコン膜からなるゲート電極25とを形成する。
First, in the step shown in FIG. 22A, a p-
次に、図22(b)に示す工程で、nMOSFET形成領域Rn においては、砒素イオン(As+ )の注入を行い、ゲート電極25と、p型半導体領域22a内のゲート電極25の両側方に位置する領域30とに砒素を導入する。ただし、図示しないがp型半導体領域22aに不純物イオンの注入を行う間、n型半導体領域22bはレジストマスクで覆われている。また、n型半導体領域22bにおいては、ホウ素イオン(B+ )の注入を行い、ゲート電極25と、n型半導体領域22b内のゲート電極25の両側方に位置する領域31とにホウ素を導入する。ただし、図示しないがn型半導体領域22bに不純物イオンの注入を行う間、p型半導体領域22aはレジストマスクで覆われている。
Next, in the step shown in FIG. 22B, arsenic ions (As +) are implanted into the nMOSFET formation region Rn, and on both sides of the
次に、図22(c)に示す工程で、CVD法により基板の全面上にシリコン酸化膜を堆積した後、異方性ドライエッチングを行ってシリコン酸化膜をエッチバックしゲート電極25の両側面上にサイドウォール27を形成する。その後、n型半導体領域22bの上を覆うレジスト膜Rm1を形成し、このレジスト膜Rm1及び各サイドウォール27をマスクとして用いて、p型半導体領域22a内においてフッ素イオン(F+ )の注入を行い、ゲート電極25と、p型半導体領域22a内の各サイドウォール27の側方に位置する領域Rfとにフッ素を導入する。このときの注入条件は、加速エネルギーが40〜60keV程度、注入量が1〜5×1015cm-2である。続いて、同じレジスト膜Rm1及び各サイドウォール27をマスクとして用いて、p型半導体領域22a内において燐イオン(P+ )の注入を行い、ゲート電極25と、p型半導体領域22a内の各サイドウォール27の側方に位置する領域32とに燐を導入する。このときの注入条件は、加速エネルギーが5〜20keV、注入量が2〜4×1015cm-2である。
Next, in the step shown in FIG. 22C, a silicon oxide film is deposited on the entire surface of the substrate by CVD, and then anisotropic dry etching is performed to etch back the silicon oxide film. A
次に、図22(d)に示す工程で、p型半導体領域22aの上を覆うレジスト膜Rm2を形成し、このレジスト膜Rm2及び各サイドウォール27をマスクとして用いて、n型半導体領域22b内においてホウ素イオン(B+ )の注入を行い、ゲート電極5と、n型半導体領域22b内の各サイドウォール27の側方に位置する領域33とにホウ素を導入する。このときの注入条件は、加速エネルギーが5〜20keV、注入量が1〜4×1015cm-2である。
Next, in the step shown in FIG. 22D, a resist film Rm2 is formed to cover the p-
さらに、図22(e)に示す状態で、975〜1050℃,10秒の条件による熱処理を行い、不純物(P,B)を活性化する。この処理によって、nMOSFET形成領域Rn においては、ゲート電極25を低抵抗化されたn型ゲート電極25aとするとともに、n型LDD領域30aと、n型ソース・ドレイン領域32aとを形成する。また、pMOSFET形成領域Rp においては、ゲート電極25を低抵抗化されたp型ゲート電極25bとするとともに、p型LDD領域31aと、p型ソース・ドレイン領域33aとを形成する。
Further, in the state shown in FIG. 22E, heat treatment is performed under conditions of 975 to 1050 ° C. for 10 seconds to activate the impurities (P, B). By this process, in the nMOSFET formation region Rn, the
以下の工程は省略するが、層間絶縁膜を介して何層かの金属配線を形成することで、半導体装置が形成される。 Although the following steps are omitted, a semiconductor device is formed by forming several layers of metal wiring through an interlayer insulating film.
本実施形態に係るCMOS型半導体装置は、以下の特徴を有している。 The CMOS type semiconductor device according to this embodiment has the following features.
第1に、CMOSFET中のnMOSFETは、上記第1の実施形態と同様の効果を発揮することができる。 First, the nMOSFET in the CMOSFET can exhibit the same effect as the first embodiment.
第2に、nMOSFETのLDD領域30a及びソース・ドレイン領域32aは燐を導入して形成されているので、同じ条件下における熱処理後に、nMOSFETのLDD領域30a及びソース・ドレイン領域32aをpMOSFETのLDD領域31a及びソース・ドレイン領域33aとほぼ同様の形状とすることができ、各MOSFETの性能のバランスがよくなる。
Second, since the
第3に、nMOSFETのn型ゲート電極25aが燐イオンの注入により形成されているため、pMOSFETのp型ゲート電極25bにおいてホウ素が突き抜けを起こさない程度の短時間あるいは低温条件下の熱処理でも、n型ゲート電極25aが十分活性化される。すなわち、nMOSFETは高い駆動力を得ることができる。
Thirdly, since the n-
特に、pMOSFET形成領域Rp において、ゲート電極25内にBF2 イオンではなくホウ素イオンを注入しているので、ポリシリコン膜内におけるフッ素のようなホウ素の拡散促進作用が生じることがない。すなわち、従来、pMOSFETに導入する不純物としてBF2 が用いられてきた理由は、フッ素の存在によってシリコン基板中でのホウ素の拡散を抑制し、ソース・ドレイン領域の形状をnMOSFETのソース・ドレイン領域の形状と適合させることにより、良好な特性を得るためである。しかし、ソース・ドレイン領域はゲート電極に対してセルフアライメントで形成されるので、必然的にpMOSFETのゲート電極にもBF2 が導入されることになる。このBF2 中のフッ素は、シリコン単結晶内ではホウ素及び燐のいずれの拡散をも抑制する機能を有するが、ポリシリコン膜内では、燐の拡散は抑制するもののホウ素の拡散を促進するという悪影響を与える。そのため、pMOSFETのゲート電極におけるホウ素の突き抜けが促進される虞れがある。それに対し、本実施形態では、nMOSFETにおいてソース・ドレイン領域に砒素ではなく燐を導入して活性化のための熱処理条件を弱くしているので、pMOSFETのソース・ドレイン領域にBF2 を導入しなくても、ソース・ドレイン領域の形状を適正化することは容易である。よって、pMOSFETのゲート電極及びソース・ドレイン領域に導入する不純物をホウ素のみとすることができ、上述のような不具合を解消することができるのである。
In particular, in the pMOSFET formation region Rp, boron ions are implanted into the
(第16の実施形態)
次に、第16の実施形態について説明する。図23(a)〜(c)は、第3の実施形態に係るCMOS型半導体装置の製造工程を示す断面図である。
(Sixteenth embodiment)
Next, a sixteenth embodiment will be described. FIGS. 23A to 23C are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the CMOS type semiconductor device according to the third embodiment.
まず、図23(a)に示す工程で、単結晶シリコンで構成されるp型半導体基板21の上に、nMOSFET形成領域Rn にはp型半導体領域22aを、pMOSFET形成領域Rp にはn型半導体領域22bをそれぞれ形成し、厚みが約400nmのシリコン酸化膜からなる素子分離23を形成して、p型半導体領域22aとn型半導体領域22bとを区画する。ただし、本実施形態では、p型半導体領域22aはp型半導体基板21と同じ不純物濃度を有する領域である。上記p型半導体領域22a及びn型半導体領域22bの上に厚みが4〜8nmのシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜24と、厚みが100〜200nmのポリシリコン膜からなるゲート電極25とを形成する。
First, in the step shown in FIG. 23A, a p-
次に、図23(b)に示す工程で、nMOSFET形成領域Rn においては、砒素イオン(As+ )の注入を行い、ゲート電極25と、p型半導体領域22a内のゲート電極25の両側方に位置する領域30とに砒素を導入する。ただし、図示しないがp型半導体領域22aに不純物イオンの注入を行う間、n型半導体領域22bはレジストマスクで覆われている。また、pMOSFET形成領域Rp においては、ホウ素イオン(B+ )の注入を行い、ゲート電極25と、n型半導体領域22b内のゲート電極25の両側方に位置する領域31とにホウ素を導入する。ただし、図示しないがn型半導体領域22bに不純物イオンの注入を行う間、p型半導体領域22aはレジストマスクで覆われている。
Next, in the step shown in FIG. 23B, arsenic ions (As +) are implanted in the nMOSFET formation region Rn, and on both sides of the
次に、CVD法により基板の全面上にシリコン酸化膜を堆積した後、異方性ドライエッチングを行ってシリコン酸化膜をエッチバックしゲート電極25の両側面上にサイドウォール27を形成する。その後、p型半導体領域22a及びn型半導体領域22bの双方において、全面にフッ化ゲルマニュウムイオン(GeF4+)を注入し、ゲート電極25と、各半導体領域22a,22b内の各サイドウォール27の側方に位置する領域Rfgとにフッ素及びゲルマニウムを同時に導入する。注入条件は、加速エネルギーが20〜80keV、注入量が1〜4×1014cm-2である。
Next, after depositing a silicon oxide film on the entire surface of the substrate by CVD, anisotropic dry etching is performed to etch back the silicon oxide film and form sidewalls 27 on both side surfaces of the
その後、図23(c)に示す工程で、上記第15の実施形態における図22(c)〜(e)に示す工程と同じ工程を行って(ただし、再度フッ素イオンの注入は行わない)、nMOSFET形成領域Rn においては、ゲート電極25を低抵抗化されたn型ゲート電極25aとするとともに、n型低濃度ソース・ドレイン領域30aと、n型高濃度ソース・ドレイン領域32aとを形成する。また、pMOSFET形成領域Rp においては、ゲート電極25を低抵抗化されたp型ゲート電極25bとするとともに、p型低濃度ソース・ドレイン領域31aと、p型高濃度ソース・ドレイン領域33aとを形成する。
Thereafter, in the step shown in FIG. 23 (c), the same steps as those shown in FIGS. 22 (c) to 22 (e) in the fifteenth embodiment are performed (however, fluorine ions are not implanted again). In the nMOSFET formation region Rn, the
以下の工程は省略するが、層間絶縁膜を介して何層かの金属配線を形成することで、半導体装置が形成される。 Although the following steps are omitted, a semiconductor device is formed by forming several layers of metal wiring through an interlayer insulating film.
本実施形態のCMOS型半導体装置は、基本的に、各MOSトランジスタのゲート電極とソース・ドレイン領域とにフッ素とゲルマニウムとが導入されていることで以下のような特徴を有する。 The CMOS type semiconductor device of this embodiment basically has the following characteristics by introducing fluorine and germanium into the gate electrode and the source / drain regions of each MOS transistor.
まず、nMOSFETにおいては、n型ゲート電極25a及びソース・ドレイン領域32aに燐と共にフッ素が導入されていることで、上記第15の実施形態と同じ効果を発揮することができる。加えて、ゲルマニウムが導入されていることで、n型ゲート電極25a及び半導体基板内のソース・ドレイン領域32aを形成しようとする領域内が非晶質化されるので、その後に燐イオンを注入すると燐イオンのチャネリングが抑制される。したがって、燐イオンの注入時における注入深さを浅くでき、nMOSFETにおける上述の問題をより確実に解消できる。
First, in the nMOSFET, since fluorine is introduced into the n-
また、pMOSFETにおいては、p型ゲート電極25b及びソース・ドレイン領域33aにフッ化ゲルマニウムイオンがホウ素イオンの注入前に注入されている。このフッ化ゲルマニウム中のフッ素は、上述のようにゲート電極25b内におけるホウ素の拡散を促進する。しかし、ゲルマニウムも同時に注入されているので、ポリシリコン膜が非晶質化され、ホウ素イオンの注入深さが浅くなる。しかも、フッ化ゲルマニウムイオンの注入量は、ソース・ドレイン領域33aを形成する際のBF2 イオンの注入量ほど多くする必要はないので、pMOSFETのゲート電極25b内にフッ素が存在していても全体としてはホウ素の突抜けを抑制することができる。したがって、本実施形態では、フッ素の存在による拡散抑制機能に加えて、ゲルマニウムの存在による微細なソース・ドレイン領域33aの形状の調整が可能である。特に、フッ化ゲルマニウムイオンの注入を行うことで、フッ素の導入とゲルマニウムの導入とを同時に行うことができる利点がある。
In the pMOSFET, germanium fluoride ions are implanted into the p-
ただし、本実施形態における図23(b)に示す工程において、フッ化ゲルマニウムのイオン注入をp型半導体領域22a側においてのみ行うようにしてもよい。その場合には、pMOSFETにはフッ化ゲルマニウムは注入されないので、nMOSFETにおいてのみ、上述の燐イオンの注入深さの抑制効果と燐の拡散抑制機能とを発揮することができる。
However, in the step shown in FIG. 23B in this embodiment, germanium fluoride ion implantation may be performed only on the p-
また、本実施形態では、CMOS型半導体装置の製造工程について説明したが、nMOSFETのみを形成する場合についても、図21(b)に示すフッ素イオンの代わりにフッ化ゲルマニウムのイオン注入を行ってもよい。 In the present embodiment, the manufacturing process of the CMOS type semiconductor device has been described. However, even when only the nMOSFET is formed, germanium fluoride ion implantation may be performed instead of the fluorine ion shown in FIG. Good.
(第17の実施形態)図24は本実施形態に係るMT−CMOSデバイスの断面図、図25(a)〜(c)は、本実施形態に係るMT−CMOSデバイスの製造工程を示す断面図である。 (Seventeenth Embodiment) FIG. 24 is a cross-sectional view of an MT-CMOS device according to this embodiment, and FIGS. 25A to 25C are cross-sectional views showing a manufacturing process of the MT-CMOS device according to this embodiment. It is.
図24に示すように、本実施形態では、半導体基板41内に、p型不純物を含むp型ウエル42aと、n型不純物を含むn型ウエル42bが形成されている。そして、p型ウエル42aの付近の領域がnMOSFETを形成するためのnMOSFET形成領域Rn であり、n型ウエル42bの付近の領域がpMOSFETを形成するためのpMOSFET形成領域Rpである。さらに、素子分離43により、nMOSFET形成領域Rn は第1nMOSFET形成領域Rn1と第2nMOSFET形成領域Rn2とに区画され、pMOSFET形成領域Rp は第1pMOSFET形成領域Rp1と第2pMOSFET形成領域Rp2とに区画されている。第1nMOSFET形成領域Rn1に形成される第1nMOSFETは高反転電圧を有するMOSFETであり、第2nMOSFET形成領域Rn2に形成される第2nMOSFETは低反転電圧を有するMOSFETである。第1pMOSFET形成領域Rp1に形成される第1pMOSFETは高反転電圧を有するMOSFETであり、第2pMOSFET形成領域Rp2に形成される第2pMOSFETは低反転電圧を有するMOSFETである。
As shown in FIG. 24, in this embodiment, a p-
第1nMOSFETは、ゲート電極48と、ゲート絶縁膜47と、比較的高濃度のp型のチャネル領域44aと、n+ 型のソース・ドレイン領域54とを備えている。また、第2nMOSFETは、ゲート電極48と、ゲート絶縁膜47と、比較的低濃度のp型のチャネル領域44bと、n+ 型のソース・ドレイン領域54とを備えている。第1pMOSFETは、ゲート電極48と、ゲート絶縁膜47と、比較的高濃度のn型のチャネル領域46aと、p+ 型のソース・ドレイン領域55とを備えている。一方、第2pMOSFETは、ゲート電極48と、ゲート絶縁膜47と、比較的低濃度のn型のチャネル領域46bと、p+ 型のソース・ドレイン領域55とに加えて、ゲート絶縁膜47の直下方にホウ素イオンを導入してなるホウ素拡散領域Rboを備えている。
The first nMOSFET includes a
本実施形態のMT−CMOSデバイスは、それぞれ相異なる反転電圧を有する第1,第2nMOSFETと、第1,第2pMOSFETとを有している。そして、第1nMOSFETのチャネル領域44aには、第2nMOSFETのチャネル領域44bよりも高濃度のp型不純物(ホウ素)が導入されていて、この不純物濃度の差によって、第2nMOSFETに対する反転電圧の高低差を設けている。また、第2pMOSFETのチャネル領域46bには、ホウ素拡散領域Rboが設けられており、このカウンタドープされた結果生じるn型キャリア濃度の差によって第1pMOSFETに対する反転電圧の高低差を設けている。
The MT-CMOS device of this embodiment has first and second nMOSFETs and first and second pMOSFETs each having different inversion voltages. Then, a p-type impurity (boron) having a higher concentration than that of the
本実施形態では、第2pMOSFETのチャネル領域46bにホウ素拡散領域Rboが設けられているので、第2pMOSFETのチャネル領域46bにおけるn型不純物の濃度を第1pMOSFETのチャネル領域におけるn型不純物の濃度と同じ濃度にしても、第2pMOSFETの反転電圧を第1pMOSFETの反転電圧よりも小さくすることができる。そのため、通常低反転電圧MOSFETにとって避けがたい短チャネル効果を緩和することが可能になる。したがって、耐圧が大きく、かつ低反転電圧MOSFETの短チャネル効果を抑制しうるMT−CMOSデバイスの提供を図ることができる。
In this embodiment, since the boron diffusion region Rbo is provided in the
次に、本実施形態に係るMT−CMOSデバイスの製造工程について、図25(a)−(d)を参照しながら説明する。 Next, the manufacturing process of the MT-CMOS device according to this embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図25(a)に示す工程で、単結晶シリコンで構成される半導体基板41上に、p型ウエル42aとn型ウエル42bとを形成し、厚みが約400nmのシリコン酸化膜からなる素子分離43を形成し、第1nMOSFET形成領域Rn1,第2nMOSFET形成領域Rn2,第2pMOSFET形成領域Rp2及び第1pMOSFET形成領域Rp1を区画する。そして、通常のフォトリソグラフィー工程により、nMOSFET形成領域Rn のみを開口してpMOSFET形成領域Rp を覆うレジスト膜(図示せず)を形成し,このレジスト膜をマスクとして、nMOSFET形成領域Rn にホウ素イオン(B+ )を注入し、第1,第2nMOSFETのチャネル領域44a,44bを形成する。ホウ素イオンの注入条件は、10−40KeV,4−8×1012cm-2である。また、pMOSFET形成領域Rp のみを開口してnMOSFET形成領域Rn を覆うレジスト膜(図示せず)を形成し,このレジスト膜をマスクとして、pMOSFET形成領域Rp に燐イオン(P+ )を注入し、第1,第2pMOSFETのチャネル領域46a,46bを形成する。燐イオンの注入条件は、10−40KeV,4−8×1012cm-2である。
First, in the step shown in FIG. 25A, a p-
次に、図25(b)に示す工程で、通常のフォトリソグラフィー工程により、第1nMOSFET形成領域Rn1及び第2pMOSFET形成領域Rp2のみを開口したレジスト膜56aを形成し、このレジスト膜56aをマスクとして、第1nMOSFET形成領域Rn1及び第2pMOSFET形成領域Rp2にホウ素イオン(B+ )を注入し、第1nMOSFETのチャネル領域44aに追加注入を行う一方、第2pMOSFETのチャネル領域46bにカウンタードープを行う。このときのイオン注入条件は、10−40KeV,2−6×1012cm-2である。
Next, in the step shown in FIG. 25B, a resist
次に、図25(c)に示す工程で、厚みが8−12nmのシリコン酸化膜を形成し、さらにその上に厚みが150−250nmのポリシリコン膜を堆積し、通常のリソグラフィー工程、エッチング工程により、各MOSFETのゲート絶縁膜47及びゲート電極48をパターニングする。さらに、上記各実施形態に示される条件と同様の工程により、nMOSFET形成領域Rn には砒素を、pFET形成Rp にはホウ素イオン(B+ 又はBF2+ )をそれぞれ注入して、各nMOSFETのソース・ドレイン領域54と、各pMOSFETのソース・ドレイン領域55とを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 25C, a silicon oxide film having a thickness of 8-12 nm is formed, and a polysilicon film having a thickness of 150-250 nm is further deposited thereon, and a normal lithography process and etching process are performed. Thus, the
すなわち、図25(a)に示す工程において導入されたp型不純物、n型不純物の濃度をそれぞれp25a ,n25a とし、図25(b)に示す工程において導入されたp型不純物の濃度をp25bとすると、各領域の実効的な不純物濃度(キャリア濃度)は、それぞれ以下のようになる。ただし、各ウエルにおける不純物濃度は無視する。 That is, the concentrations of the p-type impurity and the n-type impurity introduced in the step shown in FIG. 25A are p25a and n25a, respectively, and the concentration of the p-type impurity introduced in the step shown in FIG. Then, the effective impurity concentration (carrier concentration) of each region is as follows. However, the impurity concentration in each well is ignored.
第1nMOSFETのチャネル領域44a p25a +p25b 第2nMOSFETのチャネル領域44b p25a 第1pMOSFETのチャネル領域46a n25a 第2pMOSFETのチャネル領域46b n25a −p25b 以上の工程によって、上記図24に示すMT−CMOSデバイスの構造が容易に得られる。特に、本実施形態の製造方法では、図25(a),(b)に示す工程で、反転電圧制御のためのフォトマスクが2枚で済む。一方、従来の図30(a)−(d)に示す工程をMT−CMOSデバイスにそのまま適用すると、第1nMOSFETと、第2nMOSFETと、第1pMOSFETと、第2pMOSFETとにおけるチャネル領域を形成するために、各MOSFET形成領域Rn1,Rn2,Rp1,Rp2のみを開口した4種類のレジスト膜を形成する必要があることが容易に理解される。したがって、本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、従来の方法と比較して2回のフォトマスク形成工程を削減でき、工程が簡略化できる。
First
(第18の実施形態)
図26は本実施形態に係るMT−CMOSデバイスの断面図、図27(a)〜(c)は、本実施形態に係るMT−CMOSデバイスの製造工程を示す断面図である。
(Eighteenth embodiment)
FIG. 26 is a cross-sectional view of the MT-CMOS device according to the present embodiment, and FIGS. 27A to 27C are cross-sectional views illustrating manufacturing steps of the MT-CMOS device according to the present embodiment.
図26に示すように、本実施形態に係るMT−CMOSデバイスの構造は、上記第17の実施形態に係るMT−CMOSデバイスの構造と基本的に同じである。すなわち、本実施形態における各MOSFETは、ゲート絶縁膜47と、ゲート電極48と、ソース・ドレイン領域54又は55を備えている点は、上記第17の実施形態と同じである。ここで、上記第17の実施形態と異なる点について説明すると、第1nMOSFETのチャネル領域44aは比較的高濃度のホウ素を含んでいるが、第2nMOSFETのチャネル領域44bには、燐がカウンタドープされてなる燐拡散領域Rphが設けられている。そして、この燐拡散領域Rphの存在により、第2nMOSFETの反転電圧を低下させるように構成されている。また、第1pMOSFETのチャネル領域46aには、第2pMOSFETのチャネル領域46bよりも高濃度のn型不純物(燐)が導入されていて、この不純物濃度の差によって、第2pMOSFETに対する反転電圧の高低差を設けている。
As shown in FIG. 26, the structure of the MT-CMOS device according to this embodiment is basically the same as the structure of the MT-CMOS device according to the seventeenth embodiment. That is, each MOSFET in the present embodiment is the same as the seventeenth embodiment in that it includes a
本実施形態では、第2nMOSFETのチャネル領域44bに燐拡散領域Rphが設けられているので、第2nMOSFETのチャネル領域44bにおけるp型不純物の濃度を第1nMOSFETのチャネル領域におけるp型不純物の濃度と同じ濃度にしても、第2nMOSFETの反転電圧を第1nMOSFETの反転電圧よりも小さくすることができる。そのため、通常低反転電圧MOSFETにとって避けがたい短チャネル効果を緩和することが可能になる。したがって、耐圧が大きく、かつ低反転電圧MOSFETの短チャネル効果を抑制しうるMT−CMOSデバイスの提供を図ることができる。
In the present embodiment, since the phosphorus diffusion region Rph is provided in the
次に、本実施形態に係るMT−CMOSデバイスの製造工程について、図27(a)−(d)を参照しながら説明する。 Next, a manufacturing process of the MT-CMOS device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図27(a)に示す工程で、上記図2525(a)に示す工程と同じ条件で、各種の処理を行う。各チャネル領域44a,44b及び46a,46bを形成するためのイオン注入の条件も、上述の第17の実施形態と同じである。
First, in the process shown in FIG. 27A, various processes are performed under the same conditions as in the process shown in FIG. 2525A. The ion implantation conditions for forming the
次に、図27(b)に示す工程で、通常のフォトリソグラフィー工程により、第2nMOSFET形成領域Rn2及び第1pMOSFET形成領域Rp1のみを開口したレジスト膜56bを形成し、このレジスト膜56bをマスクとして、第2nMOSFET形成領域Rn2及び第1pMOSFET形成領域Rp1に燐イオン(P+ )を注入し、第1pMOSFETのチャネル領域46aに追加注入を行う一方、第2nMOSFETのチャネル領域44bにカウンタードープを行う。このときのイオン注入条件は、20−60KeV,2−6×1012cm-2である。
Next, in the process shown in FIG. 27B, a resist
次に、図27(c)に示す工程で、厚みが8−12nmのシリコン酸化膜を形成し、さらにその上に厚みが150−250nmのポリシリコン膜を堆積し、通常のリソグラフィー工程、エッチング工程により、各MOSFETのゲート絶縁膜47及びゲート電極48をパターニングする。さらに、上記各実施形態に示される条件と同様の工程により、nMOSFET形成領域Rn には砒素を、pFET形成Rp にはホウ素イオン(B+ 又はBF2+ )をそれぞれ注入して、各nMOSFETのソース・ドレイン領域54と、各pMOSFETのソース・ドレイン領域55とを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 27C, a silicon oxide film having a thickness of 8-12 nm is formed, and a polysilicon film having a thickness of 150-250 nm is further deposited thereon, and a normal lithography process and etching process are performed. Thus, the
すなわち、図27(a)に示す工程において導入されたp型不純物、n型不純物の濃度をそれぞれp27a ,n27a とし、図27(b)に示す工程において導入されたp型不純物の濃度をp27bとすると、各領域の実効的な不純物濃度(キャリア濃度)は、それぞれ以下のようになる。ただし、各ウエルにおける不純物濃度は無視する。 That is, the concentrations of the p-type impurity and the n-type impurity introduced in the step shown in FIG. 27A are p27a and n27a, respectively, and the concentration of the p-type impurity introduced in the step shown in FIG. Then, the effective impurity concentration (carrier concentration) of each region is as follows. However, the impurity concentration in each well is ignored.
第1nMOSFETのチャネル領域44a p27a 第2nMOSFETのチャネル領域44b p27a −n27b 第1pMOSFETのチャネル領域46a n27a +n27b 第2pMOSFETのチャネル領域46b n27a 以上の工程によって、上記図26に示すMT−CMOSデバイスの構造が容易に得られる。特に、本実施形態の製造方法では、図27(a),(b)に示す工程で、反転電圧制御のためのフォトマスクが2枚で済む。一方、従来の図30(a)−(d)に示す工程をMT−CMOSデバイスにそのまま適用すると、第1nMOSFETと、第2nMOSFETと、第1pMOSFETと、第2pMOSFETとにおけるチャネル領域を形成するために、各MOSFET形成領域Rn1,Rn2,Rp1,Rp2のみを開口した4種類のレジスト膜を形成する必要があることが容易に理解される。したがって、本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、従来の方法と比較して2回のフォトマスク形成工程を削減でき、工程が簡略化できる。
26. First
(第19の実施形態)
図28は本実施形態に係るMT−CMOSデバイスの断面図、図29(a)〜(c)は、本実施形態に係るMT−CMOSデバイスの製造工程を示す断面図である。
(Nineteenth embodiment)
FIG. 28 is a cross-sectional view of an MT-CMOS device according to the present embodiment, and FIGS. 29A to 29C are cross-sectional views illustrating manufacturing steps of the MT-CMOS device according to the present embodiment.
図28に示すように、本実施形態では、p型ウエル42aと、n型ウエル42bとが形成され、p型ウエル42a(nMOSFET形成領域Rn )には高反転電圧型の第1nMOSFETと低反転電圧型の第2nMOSFETとが設けられている。p型ウエル42b(pMOSFET形成領域Rp )には高反転電圧型の第1pMOSFETと低反転電圧型の第2pMOSFETとが設けられている。
As shown in FIG. 28, in this embodiment, a p-
第1nMOSFETは、ポリシリコン膜からなるゲート電極48aと、酸化膜からなるゲート絶縁膜47aと、p型のチャネル領域44と、n+ 型のソース・ドレイン領域54とを備えている。また、第2nMOSFETは、窒素が導入されたポリシリコン膜からなるゲート電極48bと、窒素を含む酸化膜つまり窒化酸化膜からなるゲート絶縁膜47bと、p型のチャネル領域44と、n+ 型のソース・ドレイン領域54とを備えている。第1pMOSFETは、ポリシリコン膜からなるゲート電極48aと、酸化膜からなるゲート絶縁膜47aと、n型のチャネル領域46と、p+ 型のソース・ドレイン領域55とを備えている。一方、第2pMOSFETは、窒素が導入されたポリシリコン膜からなるゲート電極48bと、窒素を含む酸化膜つまり窒化酸化膜からなるゲート絶縁膜47bと、n型のチャネル領域46と、p+ 型のソース・ドレイン領域55とを備えている。
The first nMOSFET includes a
本実施形態では、低反転電圧型の第2nMOSFET及び第2pMOSFETのゲート絶縁膜47bを構成するシリコン酸化膜内に窒素を導入することによって反転電圧を低下させ、それぞれ第1nMOSFET,第1pMOSFETとの反転電圧に対する高低差を生じるように構成されている。すなわち、シリコン酸化膜よりもシリコン窒化膜の方が誘電率が高いので、シリコン窒化酸化膜をゲート絶縁膜として使用することにより、同じ膜厚でも反転電圧を低くできるのである。ここで、シリコン酸化膜の誘電率が約3.8であるのに対し、シリコン窒化膜の誘電率は約6.7であるので、窒素の注入量を適宜調整することにより、MOSFETの反転電圧が所望の値になるようにシリコン窒化酸化膜の誘電率を調整できる。また、窒化酸化膜は耐圧などの特性が酸化膜よりも良好であるので、半導体装置の信頼性の向上をも期待できる。
In this embodiment, the inversion voltage is reduced by introducing nitrogen into the silicon oxide film constituting the
次に、本実施形態に係るMT−CMOSデバイスの製造工程について説明する。 Next, the manufacturing process of the MT-CMOS device according to this embodiment will be described.
まず、図29(a)に示す工程で、上記図2525(a)に示す工程と同じ条件で、各種の処理を行う。ただし、第1,第2nMOSFETのチャネル領域44を形成する際のホウ素イオンの注入条件は、10−40KeV,2−8×1013cm-2である。また、第1,第2pMOSFETのチャネル領域46を形成する際の燐イオンの注入条件は、10−40KeV,2−8×1013cm-2である。
First, in the process shown in FIG. 29A, various processes are performed under the same conditions as in the process shown in FIG. 2525A. However, the boron ion implantation conditions for forming the
次に、図29(b)に示す工程で、厚みが8−12nmのシリコン酸化膜を形成し、さらにその上に厚みが150−250nmのポリシリコン膜を堆積し、通常のリソグラフィー工程、エッチング工程により、各MOSFETのゲート絶縁膜47a,47b及びゲート電極48a、48bをパターニングする。さらに、通常のフォトリソグラフィー工程により、第2nMOSFET形成領域Rn2及び第2pMOSFET形成領域Rp2のみを開口したレジスト膜56cを形成し、このレジスト膜56cをマスクとして、第2nMOSFET形成領域Rn2及び第2pMOSFET形成領域Rp2に窒素イオン(N+ )を注入する。このときのイオン注入条件は、20−60KeV,8×1015−2×1016cm-22−6×1012cm-2である。この窒素イオンの注入によって、導入された窒素は後の熱処理工程を経ると速やかに拡散して、第2nMOSFET及び第2pMOSFETのゲート絶縁膜47bまで到達するので、シリコン酸化膜が窒化され窒化酸化膜となる。
Next, in the step shown in FIG. 29B, a silicon oxide film having a thickness of 8-12 nm is formed, and a polysilicon film having a thickness of 150-250 nm is further deposited thereon, and a normal lithography process and etching process are performed. Thus, the
次に、図29(c)に示す工程で、さらに、上記各実施形態に示される条件と同様の工程により、nMOSFET形成領域Rn には砒素を、pFET形成Rpにはホウ素イオン(B+ 又はBF2+ )をそれぞれ注入して、各nMOSFETのソース・ドレイン領域54と、各pMOSFETのソース・ドレイン領域55とを形成する。
Next, in the step shown in FIG. 29C, arsenic is formed in the nMOSFET formation region Rn and boron ions (B + or BF2 + in the pFET formation Rp by the same steps as those described in the above embodiments. ) To form source /
以上の工程によって、上記図28に示すMT−CMOSデバイスの構造が容易に得られる。特に、本実施形態の製造方法では、図29(a),(b)に示す工程で、反転電圧制御のためのフォトマスクが2枚で済む。一方、従来の図30(a)−(d)に示す工程をMT−CMOSデバイスにそのまま適用すると、第1nMOSFETと、第2nMOSFETと、第1pMOSFETと、第2pMOSFETとにおけるチャネル領域を形成するために、各MOSFET形成領域Rn1,Rn2,Rp1,Rp2のみを開口した4種類のレジスト膜を形成する必要があることが容易に理解される。したがって、本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、従来の方法と比較して2回のフォトマスク形成工程を削減でき、工程が簡略化できる。 Through the above steps, the structure of the MT-CMOS device shown in FIG. 28 can be easily obtained. In particular, in the manufacturing method of the present embodiment, two photomasks for controlling the inversion voltage are sufficient in the steps shown in FIGS. On the other hand, when the conventional process shown in FIGS. 30A to 30D is applied to an MT-CMOS device as it is, in order to form a channel region in the first nMOSFET, the second nMOSFET, the first pMOSFET, and the second pMOSFET, It is easily understood that it is necessary to form four types of resist films having openings only in the MOSFET formation regions Rn1, Rn2, Rp1, and Rp2. Therefore, in the method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment, two photomask forming steps can be reduced as compared with the conventional method, and the steps can be simplified.
(第17〜第19の実施形態に関する変形形態)
上記第17〜第19の実施形態においては、各MOSFETにLDD領域やポケット領域を形成していないが、上述の第1〜第16の実施形態におけると同様のLDD領域やポケット領域を設けて、より微細化に適した構造とすることができることはいうまでもない。
(Modifications for the 17th to 19th embodiments)
In the seventeenth to nineteenth embodiments, LDD regions and pocket regions are not formed in each MOSFET, but the same LDD regions and pocket regions as those in the first to sixteenth embodiments are provided, It goes without saying that a structure suitable for further miniaturization can be obtained.
1 半導体基板
1a 基板領域
2a p型ウエル(p型基板領域)
2b n型ウエル(n型基板領域)
3 素子分離
4,6 チャネル領域
7 ゲート絶縁膜
8 ゲート電極
9,10 ポケット領域
11,12 LDD領域
13 サイドウォール
14,15 ソース・ドレイン領域
16 レジスト膜
17 チタンシリサイド膜
1
2b n-type well (n-type substrate region)
3
Claims (2)
上記nMISFETは、
上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
上記ゲート絶縁膜の上に形成され、少なくともフッ素を含む不純物と燐とが導入されたゲート電極と、
上記半導体基板の上記ゲート電極の両側方に位置する領域に形成され、少なくともフッ素を含む不純物と燐とが導入されたn型ソース・ドレイン領域とを備えることを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device having at least an nMISFET formed in a part of a semiconductor substrate,
The nMISFET is
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A gate electrode formed on the gate insulating film and introduced with at least fluorine-containing impurities and phosphorus;
A semiconductor device comprising: an n-type source / drain region formed in regions located on both sides of the gate electrode of the semiconductor substrate, into which impurities containing at least fluorine and phosphorus are introduced.
上記ゲート絶縁膜の上にゲート電極を形成する第2の工程と、
上記nMISFET形成領域内において、上記ゲート電極と上記半導体基板内の上記ゲート電極の両側方に位置する領域とに少なくともフッ素を含む不純物を導入する第3の工程と、
上記第3の工程の後又は前に、上記nMISFET形成領域内において、上記ゲート電極と上記半導体基板内の上記ゲート電極の両側方に位置する領域とに燐を導入する第4の工程と、
上記第3及び第4の工程の後に、熱処理により上記燐を拡散,活性化させて、上記ゲート電極を低抵抗のn型ゲート電極にするとともに上記半導体基板内の上記ゲート電極の両側方に位置する領域にn型ソース・ドレイン領域を形成する第5の工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first step of forming a gate insulating film on the nMISFET formation region in the semiconductor substrate;
A second step of forming a gate electrode on the gate insulating film;
A third step of introducing an impurity containing at least fluorine into the gate electrode and regions located on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate in the nMISFET formation region;
A fourth step of introducing phosphorous into the nMISFET formation region after or before the third step into the gate electrode and regions located on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate;
After the third and fourth steps, the phosphorus is diffused and activated by heat treatment to make the gate electrode a low-resistance n-type gate electrode and positioned on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate. And a fifth step of forming an n-type source / drain region in the region to be manufactured.
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