JP4393109B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に関し、特に、PMOS(P−Channel Metal Oxide Semiconductor)およびNMOS(N−Channel MOS)を有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
PMOSおよびNMOSの結合回路で作った論理演算素子を通常、CMOS(Complementary MOS)デバイスという。
【0003】
以下に、デュアルゲートCMOSデバイスを有する半導体装置の従来の製造プロセスについて説明する。
【0004】
デュアルゲートCMOSデバイスを有する半導体装置においては、従来、ホットキャリア寿命劣化抑制の観点から、LDD(Lightly Doped Drain)構造が用いられていたが、近年、電源電圧の低下に伴なってホットキャリア特性が向上した結果、従来はLDD構造であったソース/ドレイン・エクステンション領域を高濃度化した構造が採用されている。
【0005】
また、ゲート長の微細化に伴うショートチャネル特性の改善の観点から、ゲート電極の側面に形成されたオフセットスペーサ越しにソース/ドレイン・エクステンション領域を形成する工程が採用されている。
【0006】
【特許文献1】
特開平10−163339号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のプロセスにおいては、以下のような問題があった。
【0008】
一般的に、p+ドーパント(たとえばボロンなど)は、n+ドーパント(たとえばヒ素など)に比べて熱拡散しやすいので、ショートチャネル特性は、NMOSに比べて、PMOSの方が劣化しやすい傾向にある。
【0009】
ショートチャネル特性が劣化した場合、製造プロセスのばらつきによってゲート長が短くなった場合にトランジスタの性能が仕様外のものとなるので、要求される性能の半導体装置を安定して製造することができない。
【0010】
ところで、特開平10−163339号公報(従来例1)において、NMOS領域のn+形高濃度不純物領域は薄い接合により形成して電流駆動力を向上させ、PMOS領域のp+形高濃度不純物領域はチャネルから離れて形成してショートチャネル特性を向上しうるようにした半導体素子の製造方法が開示されている。
【0011】
しかしながら、従来例1においては、不純物領域のイオン注入時におけるオフセットスペーサについて、NMOS領域とPMOS領域において同一の厚さを有する場合、およびPMOS領域のみがオフセットスペーサを有する場合のみが示されており、不純物領域のイオン注入時におけるオフセットスペーサの厚さをNMOS領域とPMOS領域とで異ならせることについては、何ら開示されていない。
【0012】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、不純物領域のイオン注入時におけるオフセットスペーサの厚さをNMOS領域とPMOS領域とで異ならせることにより、電流駆動力とショートチャネル特性を向上させた半導体装置を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、NMOS領域とPMOS領域とを有する半導体基板を準備する工程と、NMOS領域上に第1ゲート絶縁膜、PMOS領域上に第2ゲート絶縁膜を形成する工程と、第1ゲート絶縁膜上に側壁部を有する第1ゲート電極、第2ゲート絶縁膜上に側壁部を有する第2ゲート電極を形成する工程と、第1ゲート電極、第2ゲート電極を形成後、半導体基板を覆う酸化膜を形成する工程と、酸化膜を覆う第1窒化膜を形成する工程と、第1窒化膜を形成後、NMOS領域を覆う第1窒化膜を除去し、NMOS領域を覆う酸化膜を露出する工程と、第1窒化膜を除去する工程の後、第1ゲート電極の側壁部に形成された酸化膜を残して、NMOS領域上の酸化膜を除去し、NMOS領域の半導体基板を露出する工程と、NMOS領域の半導体基板を露出する工程の後、NMOS領域の半導体基板中に第1n+ドーパントを注入する工程と、第1n+ドーパントを注入した後、第2ゲート電極の側壁部に形成された酸化膜と第1窒化膜を残して、PMOS領域の酸化膜と第1窒化膜を除去し、PMOS領域の半導体基板を露出する工程と、PMOS領域の半導体基板を露出する工程の後、PMOS領域の半導体基板中に第1p+ドーパントを注入する工程と、第1p+ドーパントを注入した後、第1ゲート電極の側壁部に形成された酸化膜の側壁部に第2窒化膜を形成する工程と、第2ゲート電極の側壁部に形成された第1窒化膜の側壁部に第3窒化膜を形成する工程とを一緒に行う工程と、第2窒化膜と第3窒化膜を形成した後、PMOS領域の半導体基板中に、第1p+ドーパントよりも大きい加速電圧で、第2p+ドーパントを注入する工程と、第2窒化膜と第3窒化膜を形成した後、NMOS領域の半導体基板中に、第1n+ドーパントよりも大きい加速電圧で、第2n+ドーパントを注入する工程とを備える。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に基づく半導体装置の実施の形態について説明する。
【0015】
(実施の形態1)
図1から図10は、実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の各工程における断面図である。ここで、図1から図10において、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【0016】
本実施の形態に係る半導体装置は、CMOSデバイスを有する半導体装置であって、図10に示すように、第1のオフセットスペーサとしてのサイドウォールスペーサ12aを有するNMOSと、第2のオフセットスペーサとしてのサイドウォールスペーサ12bを有するPMOSとを備え、サイドウォールスペーサ12bの幅(W2)は、サイドウォールスペーサ12aの幅(W1)よりも5nm以上10nm以下程度大きくなるように形成されている。
【0017】
サイドウォールスペーサ12aは、酸化膜により形成されるオフセットスペーサ5aおよび窒化膜により形成されるオフセットスペーサ11によって構成されている。一方、サイドウォールスペーサ12bは、L形断面形状を有する酸化膜5および第1の窒化膜としての窒化膜6を含むオフセットスペーサ9と第2の窒化膜としてのオフセットスペーサ11とによって構成されている。
【0018】
図10に示す半導体装置の製造方法は、図1から図9に示すように、NMOSのゲート電極3側壁に第1のオフセットスペーサとしてのオフセットスペーサ5aを形成する工程と、オフセットスペーサ5aを用いてNMOSの不純物領域としてのn+ソース/ドレイン・エクステンション領域8をイオン注入によって形成する工程と、PMOSのゲート電極3側壁に、オフセットスペーサ5aよりも大きな幅を有する第2のオフセットスペーサとしてのオフセットスペーサ9を形成する工程と、オフセットスペーサ9を用いてPMOSの不純物領域としてのp+ソース/ドレイン・エクステンション領域10をイオン注入によって形成する工程とを備える。
【0019】
また、オフセットスペーサ5aは酸化膜5による単層構造を有し、オフセットスペーサ9は、酸化膜5および窒化膜6を含む積層構造を有する。
【0020】
以下、上記の製造方法について、図1から図9を用いて、さらに詳細に説明する。
【0021】
図1に示すように、CMOSデバイスに含まれるNMOSおよびPMOS領域において、シリコン基板1上にゲート酸化膜2およびゲート電極3およびシリサイド膜4を形成した後、10nm以上30nm以下程度の厚さを有する酸化膜5をCVD(Chemical Vapor Deposition)によって形成し、続いて、5nm以上10nm以下程度の厚さを有する窒化膜6をCVDによって形成する。
【0022】
図1の状態から、図2に示すように、リソグラフィによってPMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、RIE(Reactive Ion Etching)による等方性エッチングによって、NMOS領域における窒化膜6のみを選択的にエッチングして除去する。なお、この際、RIEの条件としては、窒化膜6のエッチンググレードが大きく、酸化膜5のエッチンググレードが小さい条件に設定する必要がある。
【0023】
図2の状態から、図3に示すように、RIEによる異方性エッチングによって、NMOS領域における酸化膜5をエッチングし、ゲート電極3の側面部のみに酸化膜5を残存させる。この残存した酸化膜5が、NMOS領域におけるn+ソース/ドレイン・エクステンション領域8のイオン注入時のオフセットスペーサ5aとなる。
【0024】
図3の状態から、図4に示すように、矢印に示す方向のイオン注入によって、NMOS領域におけるn+ソース/ドレイン・エクステンション領域8を形成する。なお、ここで、n+ドーパントとしては、たとえばAsなどが用いられる。この場合、イオン注入は、2.0keV以上4.0keV以下程度、イオン濃度1.0×1014cm-2以上1.0×1015cm-2以下程度の条件で行なわれる。
【0025】
次に、図5に示すように、PMOS領域上のフォトレジスト7を除去するとともに、リソグラフィによってNMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、RIEによる異方性エッチングによって、PMOS領域の酸化膜5および窒化膜6をエッチングして、ゲート電極3の側面部のみに酸化膜5および窒化膜6を残存させる。なお、この際、RIEの条件としては、酸化膜5と窒化膜6とのエッチンググレードがほぼ同じとなるように設定する必要がある。
【0026】
上記のエッチング工程の結果、PMOS領域においてシリコン基板1上の酸化膜5が、窒化膜6の厚さ分だけエッチングされずに残存するため、図5(b)に示すように、L形形状を有する酸化膜5が形成される。また、本工程の実施後に残存した酸化膜5および窒化膜6の積層構造が、PMOS領域におけるp+ソース/ドレイン・エクステンション領域10のイオン注入時のオフセットスペーサ9となる。該オフセットスペーサ9は、酸化膜5上に残存した窒化膜6の層厚分だけ、NMOS領域におけるオフセットスペーサ5aよりも厚く(幅が大きく)なるため、p+ソース/ドレイン・エクステンション領域10のイオン注入時において、ソース/ドレイン間のオフセット量を、n+ソース/ドレイン・エクステンション領域8のイオン注入時よりも大きく確保することができる。これにより、PMOSにおけるショートチャネル効果を抑制することができる。
【0027】
図5の状態から、図6に示すように、矢印に示す方向のイオン注入によって、PMOS領域におけるp+ソース/ドレイン・エクステンション領域10を形成する。なお、ここで、p+ドーパントとしては、たとえばB(ボロン)などが用いられる。この場合、イオン注入は、0.6keV以上1.0keV以下程度、イオン濃度1.0×1014cm-2以上3.0×1014cm-2以下程度の条件で行なわれる。
【0028】
図6の状態から、図7に示すように、NMOS領域のフォトレジスト7を除去した後、NMOSおよびPMOS領域上に30nm以上50nm以下程度の窒化膜をCVDによって形成し、RIEによる異方性エッチングによって、この窒化膜をエッチングして、ゲート電極3の側面部のみに窒化膜11を残存させる。これにより、NMOS領域においては、オフセットスペーサ5aと窒化膜11とを含むサイドウォールスペーサ12aが、PMOS領域においては、オフセットスペーサ9と窒化膜11とを含むサイドウォールスペーサ12bが形成される。
【0029】
図7の状態から、図8に示すように、リソグラフィによってNMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、矢印に示す方向のイオン注入によって、PMOS領域におけるp+ソース/ドレイン領域13を形成する。なお、ここで、p+ドーパントとしては、たとえばBまたはBF2などが用いられる。イオン注入は、ドーパントがBの場合は、2.0keV以上4.0keV以下程度、イオン濃度2.0×1014cm-2以上5.0×1015cm-2以下程度の条件で行なわれ、ドーパントがBF2の場合は、15.0keV以上30.0keV以下程度、イオン濃度2.0×1014cm-2以上5.0×1015cm-2以下程度の条件で行なわれる。
【0030】
図8の状態から、図9に示すように、NMOS領域上のフォトレジスト7を除去するとともに、リソグラフィによってPMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、矢印に示す方向のイオン注入によって、NMOS領域におけるn+ソース/ドレイン領域14を形成する。なお、ここで、n+ドーパントとしては、たとえばAsなどが用いられる。この場合、イオン注入は、30.0keV以上60.0keV以下程度、イオン濃度2.0×1015cm-2以上5.0×1015cm-2以下程度の条件で行なわれる。その後、PMOS領域上のフォトレジスト7を除去することで、図10に示すような、CMOSデバイスを有する半導体装置が形成される。
【0031】
本実施の形態においては、以上の構成により、PMOSにおけるソース/ドレイン領域間のオフセット量をNMOSよりも大きくすることができるので、NMOSにおける駆動特性を確保しながら、PMOSにおけるショートチャネル特性を向上させることができる。
【0032】
(実施の形態2)
図11から図19は、実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の各工程における断面図である。ここで、図11から図19(a)はNMOS領域の断面を示し、図11から図19(b)はPMOS領域の断面を示す。
【0033】
本実施の形態に係る半導体装置は、CMOSデバイスを有する半導体装置であって、図19に示すように、第1のオフセットスペーサとしてのサイドウォールスペーサ12aを有するNMOSと、第2のオフセットスペーサとしてのサイドウォールスペーサ12bを有するPMOSとを備える。ここで、サイドウォールスペーサ12a,12bの幅(W1,W2)は、ほぼ同じとなるように形成されている。
【0034】
サイドウォールスペーサ12a,12bは、酸化膜により形成されるオフセットスペーサ5a,5bおよび窒化膜により形成されるオフセットスペーサ11によって構成されている。
【0035】
図19に示す半導体装置の製造方法は、図11から図18に示すように、NMOSのゲート電極3側壁に第1のオフセットスペーサとしてのオフセットスペーサ5aを形成する工程と、オフセットスペーサ5aを用いてNMOSの不純物領域としてのn+ソース/ドレイン・エクステンション領域8をイオン注入によって形成する工程と、PMOSのゲート電極3側壁に、第2のオフセットスペーサとしてのオフセットスペーサ5a,5bを形成する工程と、オフセットスペーサ5a,5bを用いてPMOSの不純物領域としてのp+ソース/ドレイン・エクステンション領域10をイオン注入によって形成する工程とを備える。
【0036】
ここで、第2のオフセットスペーサとしてのオフセットスペーサ5a,5bは、酸化膜5による積層構造を有し、酸化膜5による単層構造を有する第1のオフセットスペーサとしてのオフセットスペーサ5aよりも大きな厚さを有する。
【0037】
以下、上記の製造方法について、図11から図18を用いて、さらに詳細に説明する。
【0038】
図11に示すように、CMOSデバイスに含まれるNMOSおよびPMOS領域において、シリコン基板1上にゲート酸化膜2およびゲート電極3およびシリサイド膜4を形成した後、10nm以上30nm以下程度の厚さを有する酸化膜5をCVDによって形成する。
【0039】
図11の状態から、図12に示すように、RIE(Reactive IonEtching)による異方性エッチングによって、酸化膜5をエッチングし、ゲート電極3の側面部のみに該酸化膜5を残存させた状態を示す。この残存した酸化膜5が、NMOS領域におけるn+ソース/ドレイン・エクステンション領域8のイオン注入時のオフセットスペーサ5aとなる。
【0040】
図12の状態から、図13に示すように、リソグラフィによってPMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、矢印に示す方向のイオン注入によって、NMOS領域におけるn+ソース/ドレイン・エクステンション領域8を形成する工程を示す。なお、ここで、n+ドーパントとしては、たとえばAsなどが用いられる。また、イオン注入は、実施の形態1と同等の条件で行なわれる。
【0041】
図13の状態から、図14に示すように、PMOS領域上のフォトレジスト7を除去した後、NMOSおよびPMOS領域において、5nm以上10nm以下程度の厚さを有する酸化膜5をCVDによって形成し、その後、RIEによる異方性エッチングによって、NMOSおよびPMOS領域の酸化膜5をエッチングして、ゲート電極3の側面部のみに酸化膜5bを残存させる。
【0042】
上記のエッチング工程の実施後に残存した酸化膜5a,5bの積層構造が、PMOS領域におけるp+ソース/ドレイン・エクステンション領域10のイオン注入時のオフセットスペーサ5a,5bとなる。該オフセットスペーサ5a,5bは、オフセットスペーサ5bの層厚分だけ、NMOS領域におけるオフセットスペーサ5aよりも厚く(幅が大きく)なるため、p+ソース/ドレイン・エクステンション領域10のイオン注入時において、ソース/ドレイン間のオフセット量を、n+ソース/ドレイン・エクステンション領域8のイオン注入時よりも大きく確保することができる。これにより、PMOSにおけるショートチャネル効果を抑制することができる。
【0043】
図14の状態から、図15に示すように、リソグラフィによってNMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、矢印に示す方向のイオン注入によって、PMOS領域におけるp+ソース/ドレイン・エクステンション領域10を形成する。なお、ここで、p+ドーパントとしては、たとえばB(ボロン)などが用いられる。また、イオン注入は、実施の形態1と同等の条件で行なわれる。
【0044】
図15の状態から、図16に示すように、NMOS領域上のフォトレジスト7を除去した後、NMOSおよびPMOS領域上に30nm以上50nm以下程度の窒化膜をCVDによって形成し、RIEによる異方性エッチングによって、この窒化膜をエッチングして、ゲート電極3の側面部のみに窒化膜11を残存させる。これにより、NMOSおよびPMOS領域において、オフセットスペーサ5a,5bと窒化膜11とを含むサイドウォールスペーサ12a,12bがそれぞれ形成される。
【0045】
図16の状態から、図17に示すように、リソグラフィによってNMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、矢印に示す方向のイオン注入によって、PMOS領域におけるp+ソース/ドレイン領域13を形成する。なお、ここで、p+ドーパントとしては、たとえばBまたはBF2などが用いられる。また、イオン注入は、実施の形態1と同等の条件で行なわれる。
【0046】
図17の状態から、図18に示すように、NMOS領域上のフォトレジスト7を除去するとともに、リソグラフィによってPMOS領域上にフォトレジスト7を形成し、その後、矢印に示す方向のイオン注入によって、NMOS領域におけるn+ソース/ドレイン領域14を形成する。なお、ここで、n+ドーパントとしては、たとえばAsなどが用いられる。また、イオン注入は、実施の形態1と同等の条件で行なわれる。その後、PMOS領域上のフォトレジスト7を除去することにより、図19に示すような、CMOSデバイスを有する半導体装置が形成される。
【0047】
本実施の形態においても、実施の形態1と同様に、PMOSにおけるソース/ドレイン領域間のオフセット量をNMOSよりも大きくすることができるので、NMOSにおける駆動特性を確保しながら、PMOSにおけるショートチャネル特性を向上させることができる。
【0048】
以下に、実施の形態1および実施の形態2に係る半導体装置における、駆動特性およびショートチャネル特性の向上に関する効果の一例について、図20から図23を用いて説明する。
【0049】
図20および図21は、不純物注入時のオフセットスペーサの厚さ(14nmおよび19nm)に対する半導体装置の駆動特性について示した図であり、図20はNMOS領域の駆動特性を示し、図21はPMOS領域の駆動特性を示す。
【0050】
図20および図21において、横軸(Idsn,Idsp)は、ON状態においてソース/ドレイン領域間に流れる電流であり、縦軸(Ioff)は、OFF状態においてトランジスタの表面を流れる表面リーク電流成分である。ここで、同一のIoffに対してIdsn,Idspがより大きい方が、駆動特性に優れたトランジスタであるといえる。
【0051】
NMOSについては、図20に示すように、スペーサの膜厚が5nm(=19−14nm)小さい場合に、トランジスタの駆動特性が改善されていることが分かる。一方、PMOSについては、図21に示すように、スペーサの膜厚が5nm変化しても、トランジスタの駆動特性には大きな変化はみられない。
【0052】
図22および図23は、トランジスタのゲート長Lgと閾値電圧Vtheとの関係を示した図である。ここで、図22は、NMOSにおける関係を示し、図23は、PMOS領域における関係を示す。なお、スペーサの膜厚については、NMOS、PMOSともに14nmである。
【0053】
ここで、閾値電圧Vtheが極端に小さくなると、ショートチャネル効果が生じやすくなる。しかし、NMOSについては、図22に示すように、ゲート長Lgが変化しても、閾値電圧Vtheが極端に小さくなることはない。一方、PMOSについては、図23に示すように、ゲート長Lgが0.10μm以下程度の場合に、ゲート長の減少に伴って、閾値電圧Vtheが極端に小さくなる傾向がみられる。
【0054】
以上の理由により、ソース/ドレイン領域間のオフセットスペーサの厚さは、ショートチャネル効果の抑制の観点からは、PMOS領域において大きくすることが望ましく、駆動特性向上の観点からは、NMOS領域においてPMOS領域よりも小さくすることが望ましい。ここで、図20から図23の結果より、該オフセットスペーサの厚さをNMOS領域においてPMOS領域よりも5nm程度小さくした場合、トランジスタのNMOSにおける駆動特性を向上させながら、PMOSにおけるショートチャネル効果を抑制することが可能であるといえる。なお、この際、PMOSにおける電流駆動特性の確保の観点などから、NMOS、PMOS領域間のオフセットスペーサの厚さの差は、上述の値(10nm)以下程度であることが好ましい。
【0055】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【0056】
【発明の効果】
本発明によれば、不純物領域のイオン注入時におけるオフセットスペーサの厚さがNMOS領域とPMOS領域とで異ならせることにより、半導体装置の電流駆動力とショートチャネル特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第1工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図2】 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第2工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図3】 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第3工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図4】 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第4工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図5】 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第5工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図6】 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第6工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図7】 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第7工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図8】 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第8工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図9】 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造工程の第9工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図10】 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図11】 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第1工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図12】 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第2工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図13】 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第3工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図14】 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第4工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図15】 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第5工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図16】 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第6工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図17】 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第7工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図18】 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造工程の第8工程を示す断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図19】 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の断面図であり、(a)はNMOS領域の断面を示し、(b)はPMOS領域の断面を示す。
【図20】 CMOSデバイスを有する半導体装置のNMOS領域において、不純物注入時のオフセットスペーサの厚さに対する半導体装置の駆動特性について示した図である。
【図21】 CMOSデバイスを有する半導体装置のPMOS領域において、不純物注入時のオフセットスペーサの厚さに対する半導体装置の駆動特性について示した図である。
【図22】 CMOSデバイスを有する半導体装置のNMOS領域におけるゲート長と閾値電圧との関係を示した図である。
【図23】 CMOSデバイスを有する半導体装置のPMOS領域におけるゲート長と閾値電圧との関係を示した図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板、2 ゲート酸化膜、3 ゲート電極、4 シリサイド膜、5 酸化膜、5a,5b,9,11 オフセットスペーサ、6 窒化膜、7 フォトレジスト、8 n+ソース/ドレイン・エクステンション領域、10 p+ソース/ドレイン・エクステンション領域、12a,12b サイドウォールスペーサ、13 p+ソース/ドレイン領域、14 n+ソース/ドレイン領域。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having a PMOS (P-Channel Metal Oxide Semiconductor) and an NMOS (N-Channel MOS).
[0002]
[Prior art]
A logical operation element made up of a combined circuit of PMOS and NMOS is usually called a CMOS (Complementary MOS) device.
[0003]
A conventional manufacturing process of a semiconductor device having a dual gate CMOS device will be described below.
[0004]
Conventionally, in a semiconductor device having a dual gate CMOS device, an LDD (Lightly Doped Drain) structure has been used from the viewpoint of suppressing deterioration of hot carrier lifetime. As a result of the improvement, a structure in which the concentration of the source / drain extension region, which has conventionally been an LDD structure, is adopted.
[0005]
Also, from the viewpoint of improving the short channel characteristics accompanying the miniaturization of the gate length, a step of forming source / drain extension regions through offset spacers formed on the side surfaces of the gate electrode is employed.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-10-163339
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above process has the following problems.
[0008]
In general, p + dopants (for example, boron) are more likely to thermally diffuse than n + dopants (for example, arsenic), and therefore, short channel characteristics tend to be more deteriorated in PMOS than in NMOS.
[0009]
When the short channel characteristic is deteriorated, the performance of the transistor becomes out of specification when the gate length is shortened due to variations in the manufacturing process, so that a semiconductor device having the required performance cannot be stably manufactured.
[0010]
By the way, in Japanese Patent Laid-Open No. 10-163339 (conventional example 1), the n + type high concentration impurity region in the NMOS region is formed by a thin junction to improve the current driving capability, and the p + type high concentration impurity region in the PMOS region is the channel. A method of manufacturing a semiconductor device is disclosed which is formed away from the semiconductor device so as to improve short channel characteristics.
[0011]
However, in the conventional example 1, as for the offset spacer at the time of ion implantation of the impurity region, only the case where the NMOS region and the PMOS region have the same thickness and the case where only the PMOS region has the offset spacer are shown. There is no disclosure about making the thickness of the offset spacer different between the NMOS region and the PMOS region during ion implantation of the impurity region.
[0012]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to make the current difference by making the thickness of the offset spacer different between the NMOS region and the PMOS region at the time of ion implantation of the impurity region. An object of the present invention is to provide a semiconductor device with improved driving force and short channel characteristics.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is as follows., NA step of preparing a semiconductor substrate having a MOS region and a PMOS region; a step of forming a first gate insulating film on the NMOS region; a second gate insulating film on the PMOS region; and a sidewall portion on the first gate insulating film Forming a first gate electrode having a sidewall and a second gate electrode having a sidewall on the second gate insulating film, and forming an oxide film covering the semiconductor substrate after forming the first gate electrode and the second gate electrode A step of forming a first nitride film covering the oxide film, a step of removing the first nitride film covering the NMOS region and exposing the oxide film covering the NMOS region after forming the first nitride film, (1) After removing the nitride film, leaving the oxide film formed on the sidewall of the first gate electrode, removing the oxide film on the NMOS region, exposing the semiconductor substrate in the NMOS region; Exposed semiconductor substrate After the step of implanting, the step of implanting the first n + dopant into the semiconductor substrate in the NMOS region, and the implantation of the first n + dopant, leaving the oxide film and the first nitride film formed on the side wall of the second gate electrode. After removing the oxide film and the first nitride film in the PMOS region, exposing the semiconductor substrate in the PMOS region, and exposing the semiconductor substrate in the PMOS region, a first p + dopant is implanted into the semiconductor substrate in the PMOS region. Forming a second nitride film on the sidewall of the oxide film formed on the sidewall of the first gate electrode after implanting the first p + dopant, and forming on the sidewall of the second gate electrode After the step of forming the third nitride film on the side wall portion of the first nitride film and the second nitride film and the third nitride film are formed, the first p + dopant is formed in the semiconductor substrate in the PMOS region. Too large After the second p + dopant is implanted at a high acceleration voltage, and the second nitride film and the third nitride film are formed, the second n + dopant is introduced into the semiconductor substrate in the NMOS region at a higher acceleration voltage than the first n + dopant. And injecting step.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described below.
[0015]
(Embodiment 1)
1 to 10 are cross-sectional views in each step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment. Here, in FIGS. 1 to 10, (a) shows the cross section of the NMOS region, and (b) shows the cross section of the PMOS region.
[0016]
The semiconductor device according to the present embodiment is a semiconductor device having a CMOS device, and as shown in FIG. 10, an NMOS having a
[0017]
The
[0018]
The semiconductor device manufacturing method shown in FIG. 10 includes a step of forming an
[0019]
The
[0020]
Hereinafter, the above manufacturing method will be described in more detail with reference to FIGS.
[0021]
As shown in FIG. 1, in the NMOS and PMOS regions included in the CMOS device, after forming the
[0022]
From the state of FIG. 1, as shown in FIG. 2, a
[0023]
From the state of FIG. 2, as shown in FIG. 3, the
[0024]
From the state of FIG. 3, as shown in FIG. 4, the n + source /
[0025]
Next, as shown in FIG. 5, the
[0026]
As a result of the above etching process, the
[0027]
As shown in FIG. 6, the p + source /
[0028]
From the state of FIG. 6, as shown in FIG. 7, after removing the
[0029]
From the state of FIG. 7, as shown in FIG. 8, a
[0030]
From the state of FIG. 8, as shown in FIG. 9, the
[0031]
In the present embodiment, with the above configuration, the offset amount between the source / drain regions in the PMOS can be made larger than that in the NMOS, so that the short channel characteristics in the PMOS are improved while ensuring the driving characteristics in the NMOS. be able to.
[0032]
(Embodiment 2)
11 to 19 are cross-sectional views in each step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment. Here, FIGS. 11 to 19A show cross sections of the NMOS region, and FIGS. 11 to 19B show cross sections of the PMOS region.
[0033]
The semiconductor device according to the present embodiment is a semiconductor device having a CMOS device, and as shown in FIG. 19, an NMOS having a
[0034]
The
[0035]
The semiconductor device manufacturing method shown in FIG. 19 uses a step of forming an offset
[0036]
Here, the offset
[0037]
Hereinafter, the above manufacturing method will be described in more detail with reference to FIGS.
[0038]
As shown in FIG. 11, in the NMOS and PMOS regions included in the CMOS device, after forming the
[0039]
From the state of FIG. 11, as shown in FIG. 12, the
[0040]
From the state of FIG. 12, as shown in FIG. 13, a
[0041]
From the state of FIG. 13, as shown in FIG. 14, after removing the
[0042]
The stacked structure of the
[0043]
From the state of FIG. 14, as shown in FIG. 15, a
[0044]
After removing the
[0045]
From the state of FIG. 16, as shown in FIG. 17, a
[0046]
From the state of FIG. 17, as shown in FIG. 18, the
[0047]
Also in the present embodiment, as in the first embodiment, the offset amount between the source / drain regions in the PMOS can be made larger than that in the NMOS, so that the short channel characteristics in the PMOS are ensured while ensuring the driving characteristics in the NMOS. Can be improved.
[0048]
Hereinafter, an example of the effect related to the improvement of the drive characteristics and the short channel characteristics in the semiconductor device according to the first and second embodiments will be described with reference to FIGS.
[0049]
20 and 21 are diagrams showing the driving characteristics of the semiconductor device with respect to the thickness (14 nm and 19 nm) of the offset spacer during impurity implantation. FIG. 20 shows the driving characteristics of the NMOS region, and FIG. 21 shows the PMOS region. The drive characteristics are shown.
[0050]
20 and 21, the horizontal axis (Idsn, Idsp) Is a current flowing between the source / drain regions in the ON state, and the vertical axis (Ioff) Is a surface leakage current component flowing on the surface of the transistor in the OFF state. Where the same IoffAgainst Idsn, IdspIt can be said that a transistor having a larger is a transistor having excellent driving characteristics.
[0051]
As shown in FIG. 20, in the case of NMOS, when the thickness of the spacer is 5 nm (= 19-14 nm) small, it can be seen that the drive characteristics of the transistor are improved. On the other hand, for PMOS, as shown in FIG. 21, even if the spacer film thickness changes by 5 nm, the transistor drive characteristics do not change significantly.
[0052]
22 and 23 show the gate length L of the transistor.gAnd threshold voltage VtheIt is the figure which showed the relationship. Here, FIG. 22 shows the relationship in the NMOS, and FIG. 23 shows the relationship in the PMOS region. The thickness of the spacer is 14 nm for both NMOS and PMOS.
[0053]
Where the threshold voltage VtheWhen becomes extremely small, a short channel effect tends to occur. However, for NMOS, as shown in FIG.gEven if the threshold voltage VtheIs never extremely small. On the other hand, for the PMOS, as shown in FIG.gIs about 0.10 μm or less, the threshold voltage VtheTend to be extremely small.
[0054]
For the above reasons, the thickness of the offset spacer between the source / drain regions is preferably large in the PMOS region from the viewpoint of suppressing the short channel effect, and from the viewpoint of improving the driving characteristics, the PMOS region in the NMOS region is desirable. It is desirable to make it smaller. From the results of FIGS. 20 to 23, when the thickness of the offset spacer is about 5 nm smaller than the PMOS region in the NMOS region, the short channel effect in the PMOS is suppressed while improving the NMOS driving characteristics of the transistor. It can be said that it is possible. At this time, from the viewpoint of securing current drive characteristics in the PMOS, the difference in the thickness of the offset spacer between the NMOS and PMOS regions is preferably about the above value (10 nm) or less.
[0055]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0056]
【The invention's effect】
According to the present invention, the current driving capability and the short channel characteristic of the semiconductor device can be improved by making the thickness of the offset spacer different between the NMOS region and the PMOS region at the time of ion implantation of the impurity region.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are cross-sectional views showing a first step of a manufacturing process of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, where FIG. 1A shows a cross section of an NMOS region and FIG. 1B shows a cross section of a PMOS region; .
FIGS. 2A and 2B are cross-sectional views showing a second step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the invention, in which FIG. 2A shows a cross section of an NMOS region and FIG. 2B shows a cross section of a PMOS region; .
FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views showing a third step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the invention, in which FIG. 3A shows a cross section of an NMOS region and FIG. 3B shows a cross section of a PMOS region; .
4 is a cross-sectional view showing a fourth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, where (a) shows a cross-section of an NMOS region and (b) shows a cross-section of a PMOS region. .
5A and 5B are cross-sectional views showing a fifth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, where FIG. 5A shows a cross section of an NMOS region, and FIG. 5B shows a cross section of a PMOS region. .
6 is a cross-sectional view showing a sixth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein (a) shows a cross section of the NMOS region and (b) shows a cross section of the PMOS region. FIG. .
7 is a cross-sectional view showing a seventh step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, where (a) shows a cross-section of the NMOS region and (b) shows a cross-section of the PMOS region. .
8 is a cross-sectional view showing an eighth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, where (a) shows a cross-section of the NMOS region and (b) shows a cross-section of the PMOS region. .
9 is a cross-sectional view showing a ninth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, wherein (a) shows a cross section of the NMOS region and (b) shows a cross section of the PMOS region. .
10A and 10B are cross-sectional views of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, where FIG. 10A shows a cross section of an NMOS region, and FIG. 10B shows a cross section of a PMOS region.
FIGS. 11A and 11B are cross-sectional views showing a first step of a manufacturing process of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, wherein FIG. 11A shows a cross section of an NMOS region, and FIG. 11B shows a cross section of a PMOS region; .
12 is a cross-sectional view showing a second step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, where (a) shows a cross-section of the NMOS region and (b) shows a cross-section of the PMOS region. .
13 is a cross-sectional view showing a third step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, where (a) shows a cross-section of the NMOS region and (b) shows a cross-section of the PMOS region. .
14A and 14B are cross-sectional views illustrating a fourth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, where FIG. 14A illustrates a cross-section of an NMOS region, and FIG. 14B illustrates a cross-section of a PMOS region. .
15 is a cross-sectional view showing a fifth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, wherein (a) shows a cross-section of the NMOS region and (b) shows a cross-section of the PMOS region. .
16 is a cross-sectional view showing a sixth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, where (a) shows a cross-section of the NMOS region and (b) shows a cross-section of the PMOS region. .
17 is a cross-sectional view showing a seventh step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, where (a) shows a cross-section of the NMOS region and (b) shows a cross-section of the PMOS region. .
18 is a cross-sectional view showing an eighth step of the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, where (a) shows a cross-section of the NMOS region and (b) shows a cross-section of the PMOS region. .
19A and 19B are cross-sectional views of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, where FIG. 19A shows a cross section of an NMOS region, and FIG. 19B shows a cross section of a PMOS region.
FIG. 20 is a diagram showing the driving characteristics of the semiconductor device with respect to the thickness of the offset spacer at the time of impurity implantation in the NMOS region of the semiconductor device having a CMOS device.
FIG. 21 is a diagram showing a driving characteristic of a semiconductor device with respect to a thickness of an offset spacer at the time of impurity implantation in a PMOS region of a semiconductor device having a CMOS device.
FIG. 22 is a diagram showing a relationship between a gate length and a threshold voltage in an NMOS region of a semiconductor device having a CMOS device.
FIG. 23 is a diagram showing a relationship between a gate length and a threshold voltage in a PMOS region of a semiconductor device having a CMOS device.
[Explanation of symbols]
1 silicon substrate, 2 gate oxide film, 3 gate electrode, 4 silicide film, 5 oxide film, 5a, 5b, 9, 11 offset spacer, 6 nitride film, 7 photoresist, 8 n + source / drain extension region, 10 p + Source / drain extension regions, 12a and 12b, sidewall spacers, 13p + source / drain regions, 14n + source / drain regions.
Claims (2)
前記NMOS領域上に第1ゲート絶縁膜、前記PMOS領域上に第2ゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第1ゲート絶縁膜上に側壁部を有する第1ゲート電極、前記第2ゲート絶縁膜上に側壁部を有する第2ゲート電極を形成する工程と、
前記第1ゲート電極、前記第2ゲート電極を形成後、前記半導体基板を覆う酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜を覆う第1窒化膜を形成する工程と、
前記第1窒化膜を形成後、前記NMOS領域を覆う前記第1窒化膜を除去し、前記NMOS領域を覆う前記酸化膜を露出する工程と、
前記第1窒化膜を除去する工程の後、前記第1ゲート電極の側壁部に形成された前記酸化膜を残して、前記NMOS領域上の前記酸化膜を除去し、前記NMOS領域の前記半導体基板を露出する工程と、
前記NMOS領域の前記半導体基板を露出する工程の後、前記NMOS領域の前記半導体基板中に第1n+ドーパントを注入する工程と、
前記第1n+ドーパントを注入した後、前記第2ゲート電極の側壁部に形成された前記酸化膜と前記第1窒化膜を残して、前記PMOS領域の前記酸化膜と前記第1窒化膜を除去し、前記PMOS領域の前記半導体基板を露出する工程と、
前記PMOS領域の前記半導体基板を露出する工程の後、前記PMOS領域の前記半導体基板中に第1p+ドーパントを注入する工程と、
前記第1p+ドーパントを注入した後、前記第1ゲート電極の側壁部に形成された前記酸化膜の側壁部に第2窒化膜を形成する工程と、前記第2ゲート電極の側壁部に形成された前記第1窒化膜の側壁部に第3窒化膜を形成する工程とを一緒に行う工程と、
前記第2窒化膜と前記第3窒化膜を形成した後、前記PMOS領域の前記半導体基板中に、前記第1p+ドーパントよりも大きい加速電圧で、第2p+ドーパントを注入する工程と、
前記第2窒化膜と前記第3窒化膜を形成した後、前記NMOS領域の前記半導体基板中に、前記第1n+ドーパントよりも大きい加速電圧で、第2n+ドーパントを注入する工程とを備えた、半導体装置の製造方法。Providing a semiconductor substrate having an NMOS (N-Channel Metal Oxide Semiconductor) region and a PMOS (P-Channel Metal Oxide Semiconductor) region;
Forming a first gate insulating film on the NMOS region and a second gate insulating film on the PMOS region;
Forming a first gate electrode having a sidewall portion on the first gate insulating film and a second gate electrode having a sidewall portion on the second gate insulating film;
Forming an oxide film covering the semiconductor substrate after forming the first gate electrode and the second gate electrode;
Forming a first nitride film covering the oxide film;
After forming the first nitride film, removing the first nitride film covering the NMOS region and exposing the oxide film covering the NMOS region;
After the step of removing the first nitride film, the oxide film on the NMOS region is removed, leaving the oxide film formed on the sidewall of the first gate electrode, and the semiconductor substrate in the NMOS region Exposing the step,
After the step of exposing the semiconductor substrate in the NMOS region, implanting a first n + dopant into the semiconductor substrate in the NMOS region;
After implanting the first n + dopant, the oxide film and the first nitride film in the PMOS region are removed, leaving the oxide film and the first nitride film formed on the sidewall of the second gate electrode. Exposing the semiconductor substrate in the PMOS region;
After the step of exposing the semiconductor substrate in the PMOS region, implanting a first p + dopant into the semiconductor substrate in the PMOS region;
After implanting the first p + dopant, forming a second nitride film on the sidewall of the oxide film formed on the sidewall of the first gate electrode, and forming on the sidewall of the second gate electrode Performing a step of forming a third nitride film on the side wall of the first nitride film,
After forming the second nitride film and the third nitride film, injecting a second p + dopant into the semiconductor substrate in the PMOS region with an acceleration voltage larger than the first p + dopant;
And a step of injecting a second n + dopant with an acceleration voltage larger than that of the first n + dopant into the semiconductor substrate in the NMOS region after forming the second nitride film and the third nitride film. Device manufacturing method.
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