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JP2008004776A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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尚 山内
Atsuhiro Kinoshita
敦寛 木下
Yoshinori Tsuchiya
義規 土屋
Junji Koga
淳二 古賀
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Toshiba Corp
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Abstract


【課題】低抵抗な接合界面を具備し、ジャンクションリークが抑制された高性能なMIS型電界効果トランジスタを有する半導体装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】チャネル領域が形成される第1導電型の第1の半導体領域100と、ゲート絶縁膜101を介して形成されたゲート電極102,103と、チャネル領域の両側に形成されたSiGe1−X層106と、SiGe1−X層106上に形成された、不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cm以下の第2導電型の第2の半導体領域108と、第2の半導体領域上に形成されたNi(ニッケル)を含有するシリサイド層110を具備する電界効果トランジスタを有することを特徴とする半導体装置およびその製造方法。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置に係り、特にMIS型電界効果トランジスタのソース・ドレイン部分の改良をはかった半導体装置およびその製造方法に関する。
シリコン超集積回路(LSI)は、将来の高度情報化社会を支える基盤技術の一つである。集積回路の高機能化には、その構成要素であるMIS型電界効果トランジスタの高性能化が必要である。素子の高性能化は基本的には比例縮小則(スケーリング)により行われてきたが、近年、種々の物性的限界により素子の超微細化による高性能化だけでなく、素子そのものの動作も困難な状況にある。
そのような物性的限界の一つにソース・ドレイン領域の寄生抵抗の問題がある。図64に従来技術の典型的なMIS型電界効果トランジスタ構造を示す。図64に示すように、ソース・ドレイン電極部にはシリサイド膜110が形成されており、このシリサイド膜110と、シリサイド膜110の周辺に形成された高濃度不純物領域107およびエクステンション拡散層105との間にショットキー接合が形成される。そして、図に示すように、ソース・ドレイン電極の寄生抵抗はシリサイド膜自体の抵抗(Rs)、高濃度不純物領域の抵抗(Rd)というバルクの膜に起因した抵抗と、上記接合の界面抵抗(Rc)の3つに分解される。
このなかで、シリサイド膜自体の抵抗(Rs)については、従来のTiSi膜やCoSi膜より抵抗の低いNiSi膜が近年用いられるようになっている(非特許文献1)。このNiSi膜は、低抵抗に加え、低温での形成が可能である点、シリサイド形成時のSi消費量が少なく浅いシリサイド層が形成可能である点、また、仕事関数がSi(シリコン)バンドのミッドギャップ近傍にあり、n型・p型双方の電界効果トランジスタのシリサイド材料としての同時適用に好適な点からも材料として有望視されている。
そして、接合の界面抵抗(Rc)の低抵抗化については、シリサイド膜110と高濃度不純物層107の界面部分での不純物の高濃度化が重要であることが知られている。
図65にシリサイド膜110と高濃度不純物領域(Si膜)107との間に形成されるショットキー接合のバンド図を示す。電子は、ショットキー障壁高さに相当するエネルギーの山をトンネルすることにより、シリサイド膜−高濃度不純物領域間を移動する。この電子のトンネルしやすさは、トンネル確率と一般に言われており、トンネル確率の高い接合界面ほど界面抵抗は低くなる。さらに、トンネル確率は、ショットキー障壁高さとトンネル距離の積に対して指数的に減少することが知られており、ショットキー障壁高さおよびトンネル距離を実効的に低減させることが界面抵抗の低減につながる。シリサイド膜110と高濃度不純物領域107の界面における不純物濃度を高くすることにより、図66に示すように、Si層のバンドの曲がりを強める効果が生じトンネル距離が低減する。さらに、鏡像効果を取り入れて計算した図66のバンド図からも明らかなように、ショットキー障壁高さ自体も低減される。したがって、ショットキー障壁高さとトンネル距離の積が減少し、界面抵抗(Rc)の低減が実現される。
しかしながら、図67に示すような従来のNiSi層形成プロセス、すなわち、半導体層にソース・ドレイン拡散領域を形成後に、当該領域上にNiをスパッタし、シリサイド化するプロセスでは、シリサイド膜110と高濃度不純物領域107の界面における不純物の高濃度化が、特にp型Siの場合に困難であった。図68に、図67に示したプロセスで形成されたNiSi層と高濃度不純物Si層との界面を、裏面SIMS(Secondary Ion Mass Specropy)により観察した結果を示す。図68(a)に示すようにn型Siの代表的不純物であるAs(砒素)の場合は、界面に対して両側に分布する。これに対し、図68(b)に示すようにp型Siの代表的不純物であるB(ボロン)の場合は、シリサイド化中にNiSi膜に取り込まれるため、その多くがNiSi膜中に分布しており、Si側の不純物濃度が極めて低くなっている。
このように、接合の界面抵抗(Rc)を低下させることは従来のNiSi層形成プロセスでは困難であるという問題があった。
さらに、NiSi膜をソース・ドレイン電極に用いた場合、Ni原子がシリコン中を拡散しやすいことから、ジャンクションリーク電流の増大を招くおそれがあることが知られている。
P.Ranade et al.,International Electron Device Meeting 2005,Tech.Dig.
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであり、その目的とするところは、低抵抗な接合界面を具備し、ジャンクションリークが抑制された高性能なMIS型電界効果トランジスタを有する半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、
第1導電型の第1の半導体領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成するステップと、
前記ゲート電極の両側面に側壁絶縁膜を形成するステップと、
前記第1の半導体領域中または領域上に、不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cm以下の第2導電型の第2の半導体領域を形成するステップと、
前記第2の半導体領域上にSi(シリコン)層を形成するステップと、
前記Si(シリコン)層を、Ni(ニッケル)を含む金属と反応させシリサイド化するステップ、
を有することを特徴とする。
ここで、前記ゲート電極がSi(シリコン)で形成され、
前記Si(シリコン)層を、Ni(ニッケル)を含む金属と反応させシリサイド化するステップにおいて、前記ゲート電極を前記ゲート絶縁膜界面まで前記金属と反応させシリサイド化することが望ましい。
また、前記第2の半導体領域の厚さが0.55nm以上2nm以下であることが望ましい。
また、前記不純物がB(ボロン)であることが望ましい。
また、前記不純物がAs(砒素)およびC(カーボン)であることが望ましい。
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、
第1導電型の第1の半導体領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成するステップと、
前記ゲート電極の両側面に側壁絶縁膜を形成するステップと、
前記側壁絶縁膜をマスクに前記第1の半導体領域をエッチングするステップと、
前記第1の半導体領域をエッチングした領域にSiGe1−X(0<X<1)層を形成するステップと、
前記SiGe1−X(0<X<1)層上に不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cm以下の第2導電型の第2の半導体領域を形成するステップと、
前記第2の半導体領域上にSi(シリコン)層を形成するステップと、
前記Si(シリコン)層を、Ni(ニッケル)を含む金属と反応させシリサイド化するステップ、
を有することを特徴とする。
ここで、前記ゲート電極がSi(シリコン)で形成され、
前記Si(シリコン)層を、Ni(ニッケル)を含む金属と反応させシリサイド化するステップにおいて、前記ゲート電極を前記ゲート絶縁膜界面までNi(ニッケル)を含む金属と反応させシリサイド化することが望ましい。
また、前記第2の半導体領域の厚さが0.55nm以上2nm以下であることが望ましい。
また、前記不純物がB(ボロン)であることが望ましい。
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、
第1導電型の第1の半導体領域上にゲート絶縁膜を介してSi(シリコン)のゲート電極を形成するステップと、
前記ゲート電極の両側面に側壁絶縁膜を形成するステップと、
前記側壁絶縁膜をマスクに前記第1の半導体領域をエッチングするステップと、
前記第1の半導体領域をエッチングした領域にSiGe1−X(0<X<1)層を形成するステップと、
前記SiGe1−X(0<X<1)層上に不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cm以下の第2導電型の第2の半導体領域を形成するステップと、
前記ゲート電極を前記ゲート絶縁膜界面までNi(ニッケル)を含む金属と反応させシリサイド化するステップと、
前記第2の半導体領域上にSi(シリコン)層を形成するステップと、
前記Si(シリコン)層を、Ni(ニッケル)を含まない金属と反応させシリサイド化するステップ、
を有することを特徴とする。
本発明の一態様の半導体装置の製造方法は、
第1導電型の第1の半導体領域上にゲート絶縁膜を介してSi(シリコン)のゲート電極を形成するステップと、
前記ゲート電極の両側面に側壁絶縁膜を形成するステップと、
前記側壁絶縁膜をマスクに前記第1の半導体領域をエッチングするステップと、
前記第1の半導体領域をエッチングした領域にSiGe1−X(0<X<1)層を形成するステップと、
前記SiGe1−X(0<X<1)層上にSi(シリコン)層を形成するステップと、
前記Si(シリコン)層上に不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cm以下の第2導電型の第2の半導体領域を形成するステップと、
前記ゲート電極を前記ゲート絶縁膜界面までNi(ニッケル)を含む金属と反応させシリサイド化するステップと、
前記第2の半導体領域および前記Si(シリコン)層を、Ni(ニッケル)を含まない金属と反応させシリサイド化するステップ、
を有することを特徴とする。
本発明の一態様の半導体装置は、
チャネル領域が形成される第1導電型の第1の半導体領域と、
前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記チャネル領域の両側に形成されたSiGe1−X(0<X<1)層と、
前記SiGe1−X(0<X<1)層上に形成された、不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cm以下の第2導電型の第2の半導体領域と、
前記第2の半導体領域上に形成されたNi(ニッケル)を含有するシリサイド層、
を具備する電界効果トランジスタを有することを特徴とする。
ここで、前記第2の半導体領域の厚さが0.55nm以上2nm以下であることが望ましい。
また、前記不純物がB(ボロン)であることが望ましい。
また、前記Ni(ニッケル)を含有するシリサイド層がPt(プラチナ)を含有することが望ましい。
また、前記ゲート電極がシリサイド単層で形成されていることが望ましい。
本発明の一態様の半導体装置は、
半導体基板に形成され、第1のチャネル領域が形成されるn型の第3の半導体領域と、前記第1のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1のチャネル領域の両側に形成されたSiGe1−X(0<X<1)層と、前記SiGe1−X(0<X<1)層上に形成された不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cm以下のp型の第4の半導体領域と、前記第4の半導体領域上に形成されたNi(ニッケル)を含有する第1のシリサイド層を、具備するp型電界効果トランジスタと、
前記半導体基板に形成され、第2のチャネル領域が形成されるp型の第5の半導体領域と、前記第2のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第2のチャネル領域の両側に形成された第2のシリサイド層を、具備するn型電界効果トランジスタ、
を有することを特徴とする。
ここで、前記第2のシリサイド層がNi(ニッケル)を含有するシリサイド層であり、かつ、前記半導体基板上に形成され、不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cm以下のn型の第6の半導体領域上に形成されていることが望ましい。
また、前記不純物がAs(砒素)およびC(カーボン)であることが望ましい。
また、前記第2のシリサイド層が、Er(エルビウム)、Y(イットリウム)、またはYb(イッテリビウム)いずれかのシリサイド層であることが望ましい。
本発明によれば、低抵抗な接合界面を具備し、ジャンクションリークが抑制された高性能なMIS型電界効果トランジスタを有する半導体装置およびその製造方法を提供することが可能となる。
本発明の発明者らは、1021atoms/cm以上の高い不純物濃度を有する半導体層がNiの拡散バリアとして極めて有効に作用することを見出した。本発明の最大の特徴は、このNiの拡散バリアとなる高濃度不純物領域を半導体装置およびその製造方法に適用することにある。
最初に、この高濃度不純物領域の有するNiの拡散バリア性の原理について説明する。
まず、高濃度不純物領域の有するNiの拡散バリア性を検討するために、Ni原子もしくはB原子が、真空からSi中の格子間位置もしくはSi置換位置に移動する場合に得られるエネルギー利得(生成エネルギー)を計算した。計算方法は、局所密度汎関数近似を超えたところで、なおかつスピン分極も考慮したSP−GGA(Spin−Polarized Generalized Gradient Approximation)の手法を採用した。また、64個のSi原子を含む単位格子に関して計算を実行した。単位格子の一辺は1.086nmとして計算した。ここで、Siの単位格子に不純物(NiもしくはB)原子が入る場合の生成エネルギーは、以下の式により定義される。
格子間位置に不純物原子が入る場合には、
Int=−E(1個の不純物を含むSi64個のセル構造)
+E(Si64個のセル構造)
+E(真空中の1個の不純物)
Si置換位置に不純物原子が入る場合には、
Si=−E(1個の不純物を含むSi63個のセル構造)
−E(バルク中の1個のSi)
+E(Si64個のセル構造)
+E(真空中の1個の不純物)
ただし、不純物原子がSi置換位置に入る場合には、格子点から出たSi原子は再びバルクのSi(シリコン)層に戻るとして計算を実行した。
生成エネルギーに関する計算結果を表1に示す。
Figure 2008004776
一般的に、生成エネルギーが大きくなる状態が、現実の系では実現されやすいと考えられる。よって、表1の計算結果より、Si中においては、B原子はSi置換位置に入り、一方、Ni原子は格子間位置に入ると考えられる。さらに、両方の原子がSi中に混在した場合には、Si置換位置にはB原子が入り、格子間位置にはNi原子が入ることが予想される。しかしながら、Si基板上に設けられたMIS型電界効果トランジスタのソース・ドレインを形成する高濃度B領域のように、B濃度が非常に高くなり、ある所定の濃度を超えるような場合には、B原子はSi置換位置だけでなく、格子間位置にも相当量存在することになる。そして、そのような高濃度B領域にNi原子が拡散した場合には、Ni原子はSi置換位置だけでなく格子間位置にも入ることができないことが予想される。よって、格子間位置に相当量の不純物が存在する高濃度不純物領域は、Niの拡散バリア性を有することになる。
単位格子中に1個のB原子が含まれる濃度は7.8×1020atoms/cm−3の濃度に相当している。したがって、B濃度が1021atoms/cm−3以上であれば、B原子によって格子間位置が占有される蓋然性があがり、Niに対する拡散バリア性が顕著になると考えられる。一方、Si結晶中のSi原子よりも不純物としてのB濃度が高くなることはありえないので、B濃度の上限は、1022atoms/cmとなる。
また、単位格子の一辺は1.086nmであり、単位格子中でのB位置の任意性を考慮すれば、一辺の2倍に相当する2nm以下の膜厚であれば、Niの拡散バリア効果はより顕著になると考えられる。
ここで、高濃度不純物領域の厚さが薄くなればなる程、拡散したNi原子が入る格子間位置における安定サイトの数が減少するため、Ni原子の拡散をより効果的に抑制することが可能となる。もっとも、Si(シリコン)単結晶の格子定数(=0.543nm)よりも不純物領域を薄くすることは非現実的であるため、高濃度不純物領域の実際上の下限値は0.55nmとなる。
表1においては、Si(シリコン)単位格子中にB原子およびNi原子が含まれる場合の計算結果およびそこから導かれる効果を示したが、結晶構造が類似するSiGe単位格子においても、同様の効果が期待されることは容易に類推される。
また、p型不純物領域を形成するB原子のみならず、例えば、n型不純物領域において、Si置換位置に入るAsと、Si格子間位置に入るC(カーボン)を1:1の割合で合わせて1021atoms/cm−3以上の濃度とすることで、同様にNi拡散バリア性を実現することが可能となる。
その他、例えば、P、SbあるいはBi等の不純物についても理論上同様の効果が期待される。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るMIS型電界効果トランジスタを有する半導体装置の素子構造を示す断面図である。本実施の形態のMIS型電界効果トランジスタは、p型電界効果トランジスタであり、チャネルの両側にSiGe層を有し、そのSiGe層上に高濃度不純物領域を介してNiSi層が形成されていることを特徴とする。
具体的には、P(リン)が1015atoms/cm程度ドープされた面方位(100)面のn型のSi(シリコン)基板(第1の半導体領域)100に、Si酸化膜からなる素子分離領域(STI(Shallow Trench Isolation)120が形成されている。そして、Si基板100上にゲート絶縁膜101を介してポリシリコン・ゲート電極102が形成され、その上にゲート・シリサイド103が形成されている。
ゲート電極102、103の両側面には、Si窒化膜からなるゲート側壁絶縁膜104が形成されている。そして、ゲート電極102下のチャネル領域を挟んでSi基板100内には、p型のエクステンション拡散層105およびSiGe層106が形成されている。そして、SiGe層106上には、B(ボロン)をSiあるいはSiGe中の不純物として含有し、その不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cmであるp型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108が形成されている。さらに、p型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108の上に、ソース・ドレイン電極となるシリサイド層であるNiSi(ニッケルシリサイド)層110が形成されている。ここで、SiGe層106を形成したのは、キャリアのモビリティーを向上させるために、ソース・ドレイン領域にSiGe層を埋め込みすることによってチャネルシリコンに格子歪を与えるためである。
本実施の形態によれば、NiSi(ニッケルシリサイド)層110の界面で、不純物濃度が1021atoms/cm以上となっているため、ショットキー障壁高さとトンネル距離の積が十分に減少し、界面抵抗の低減が実現される。
さらに、NiSi(ニッケルシリサイド)層110の下に存在するp型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108が、上述したようにNi原子の拡散バリアとして機能する。したがって、NiSi(ニッケルシリサイド)層110を構成するNi原子が半導体基板100側に拡散して、ジャンクションリークが増大することを効果的に抑制する。
そして、p型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108が、Ni原子の拡散バリアとして機能するため、NiSi(ニッケルシリサイド)層110を構成するNi原子が下層のSiGe層あるいはp型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108中のSiGeと反応して高抵抗層であるNiSiGe層を形成し、接合の界面抵抗(Rc)が上昇するという問題が生じることもない。したがって、NiSi(ニッケルシリサイド)層110の界面抵抗の上昇による寄生抵抗の増加という問題も生じない。よって、SiGe層によるチャネル歪のモビリティー上昇効果を、寄生抵抗の増加という副作用なしに享受することが可能となる。
このように、本実施の形態によれば、低抵抗な接合界面とモビリティー上昇効果による高駆動力を有し、かつ、ジャンクションリークが抑制された高性能(高速かつ低消費電力)なp型MIS型電界効果トランジスタを有する半導体装置を実現することが可能である。
また、p型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108の厚さは、0.55nm以上2nm以下であることが望ましい。
これは、上述のように、単位格子中でのB位置の任意性を考慮すれば、単位格子の一辺の2倍に相当する2nm以下の膜厚であれば、Niの拡散バリア効果はより顕著になると考えられること、Si(シリコン)単結晶の格子定数(=0.543nm)よりも不純物領域を薄くすることは非現実的であることによる。
また、NiSi層中に存在するB(ボロン)濃度は、1018atoms/cm以下であることが望ましい。
これは、NiSi層中のB(ボロン)濃度を低く保つことにより、ショットキー障壁高さが低下し、NiSi層とシリコン(Si)の界面抵抗が低下するためである。図2は、NiSi層中のB(ボロン)濃度分布と、ショットキー障壁高さ(E−E=φB)との関係を示す図である。図上側には、NiSi層とSi層のB濃度分布、図下側にはそれぞれのB濃度分布におけるショットキー障壁高さを示している。
一般にBがドープされない場合のホールに対するショットキー障壁高さは、0.45eV程度であることが知られており、BがNiSi側に存在すると、0.3eV程度までショットキー障壁が低下する。これは、所謂、ショットキー障壁高さの変調効果によるものである。すなわち、NiSi/Si界面が形成される場合には、Si層側1〜2層のSi原子にダングリングボンドが多数発生するため、B原子は、そのようなSi原子に置換する方が安定となる。このB原子の置換により、界面のフェルミレベルは、界面に発生するダイポールによって価電子帯端にシフトし、図2の点線に示すようにショットキー障壁高さが大きく低下する。これにより、界面抵抗も低下する。しかしながら、図2の実線で示すように、界面を挟んで、両方の層にBが分布すると、電荷移動の効果が相殺され、ショットキー障壁高さを低減する効果がちいさくなってしまう。
なお、従来のNiSi層形成方法では、図2上側の実線で示したように、NiSi形成時に、Bがシリサイド中に取り込まれることにより、NiSi側にもBが広く分布してしまい、上記ショットキー障壁高さ低下の効果を十分に得ることが困難であった。しかしながら、後述する本実施の形態の製造方法によれば、NiSi層中のB濃度を低く保つことが可能となる。
また、NiSi層中には、10%程度のPt(プラチナ)を含有することが望ましい。Ptを含有することによりソース・ドレインのシリサイド層の抵抗が下がり、電界効果トランジスタの駆動力が向上するためである。加えて、シリサイド層の基板側との界面が原子レベルで平坦化され、シリサイド起因のソース・ドレイン/基板間のジャンクションリークが抑制できるからである。
また、本実施の形態において、エクステンション拡散層105は必ずしも必須ではなく、例えば、図3に示すよう変形例のようにエクステンション拡散層を省略した、いわゆるショットキーソース・ドレインp型電界効果トランジスタの構造とすることも可能である。
このような構造とすることにより、上記本実施の形態の作用・効果に加え、短チャネル効果を抑制するという効果が得られる。
次に、本実施の形態の電界効果トランジスタの製造方法について、図4〜図13を参照して説明する。
まず、図4に示すように、P(リン)が1015atoms/cm程度ドープされた面方位(100)面のn型のSi基板(第1の半導体領域)100に、Si酸化膜からなる素子分離領域(STI(Shallow Trench Isolation)120を形成する。その後、ゲート絶縁膜101をEOT(Equivalent Oxide Thickness)にして1nm程度形成し、ゲート電極102となるポリシリコン膜を減圧化学的気相堆積(以下LP−CVDともいう)法によって100〜150nm程度堆積する。
次に、図5に示すように、リソグラフィー技術および反応性イオンエッチング(以下RIEともいう)等のエッチング技術により、ゲート絶縁膜101及びゲート電極102をゲート長が30nm程度となるようにパターン形成する。必要ならば、ここで1〜2nmのポスト酸化を行う。
次に、図6に示すように、イオンインプランテーションにより、Bが1020atoms/cm程度ドープされたエクステンション拡散層105を形成し、1050℃程度の温度で活性化アニール(スパイクアニール)を行う。
次に、図7に示すように、Si窒化膜をLP−CVD法によって8nm程度堆積した後、RIE法によってエッチバックすることにより、Si窒化膜をゲート電極102の側面部にのみ残す。これにより、ゲート側壁絶縁膜104を形成する。
ここでは、Si窒化膜一層のみの側壁を用いているが、例えば、TEOS酸化膜3nm程度、Si窒化膜5nmを積層した積層側壁絶縁膜を形成すると、側壁絶縁膜下面へのキャリアトラップが抑制されるため、信頼性の観点からより望ましい。
次に、図8に示すように、ゲート電極102および側壁絶縁膜104をマスクにエクステンション拡散層105およびSi基板100を30nm程度エッチングし掘り下げる。この時、ポリシリコンのゲート電極102のエッチングを回避するためにゲート電極102上にマスク材を設けることも可能である。
次に、図9に示すように、エッチングにより掘り下げた領域に、基板側の結晶層に対して、SiGe層106を選択エピタキシャル成長させる。続いて、図10に示すようにBの原料ガスを添加して選択エピタキシャル層の成長を続行し、SiGe層上に1021atoms/cm以上のp型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108を1.5nm程度の厚さに形成する。さらに、図11に示すように原料ガスを切り替えて、選択エピタキシャル成長によりSi(シリコン)層130を形成する。
なお、プロセスの簡便性からは、SiGe層106/p型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108/Si層130を連続的に選択エピタキシャル成長により形成することが望ましいが、p型高濃度不純物領域をBのイオンインプランテーションによって形成することも可能である。
次に、図12に示すように、10nm程度のNi膜150のスパッタを行った後、400℃30秒のアニール、薬液での選択剥離を行い、図13に示すようにNi膜150とSi層130およびポリシリコンのゲート電極102を反応させ、ソース・ドレイン電極となるNiSi層110およびゲート・シリサイド103を形成する。
このような製造方法によれば、高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108がNiの拡散バリアとなるため、従来のNiSi層形成法と異なりBがNiSi層中に取り込まれず、NiSi層の基板側界面でのB濃度を高濃度に保つことができる。したがって、NiSi層の基板側界面の界面抵抗を低減することが可能となる。
また、BがNiSi層中に取り込まれないため、上述したようなNiSi層中にBが分布することによりショットキー障壁高さの低下を抑制するという現象を回避することができる。したがって、この観点においても、NiSi層の基板側界面の界面抵抗を低減することが可能となる。
そして、高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108がNiの拡散バリアとなるため、NiSi層110形成中に、エクステンション拡散層105やSi基板100中にNi原子が拡散し、Ni原子に起因するジャンクションリークの原因となることを抑制することが可能となる。
また、高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108がNiの拡散バリアとなるため、p型電界効果トランジスタの駆動力向上のため適用したSiGe層とNi原子が反応して、高抵抗のNiSiGe層が生成されることを防止する。したがって、チャネルに歪をあたえる埋め込み層として好適なSiGe層と、ソース・ドレイン電極として好適なNiSi層とを組み合わせても電界効果トランジスタの寄生抵抗が増大しないという効果が得られる。
以上のように、本実施の形態の製造方法により、低抵抗な接合界面とモビリティー上昇効果による高駆動力を有し、かつ、ジャンクションリークが抑制された高性能なp型MIS型電界効果トランジスタを有する半導体装置の製造が可能となる。
なお、本実施の形態において、SiGe層は必ずしもSiとGeが1対1の組成比でなくとも、任意の組成比をとるSiGe層、すなわち、SiGe1−X(0<X<1)で記載されるSiGe層を本実施の形態に適用することが可能である。
また、ソース・ドレインのシリサイド層についても、必ずしもNiSi層でなくとも、Niを含有するシリサイド層であれば本実施の形態の効果をえることができる。
また、ここではp型電界効果トランジスタに記載したが、n型電界効果トランジスタについてもNi原子のバリア性に伴う効果をえることができる。n型電界効果トランジスタの場合には、上述した理由より高濃度不純物領域の不純物としてAsとCを用いることが好適である。
また、高濃度不純物領域に導入される不純物としては、必ずしも、BやAsとCの組み合わせに限られることはなく、P、SbまたはBi等を適用することも可能である。
そして、高濃度不純物領域は、半導体であれば、必ずしもSiやSiGeに限られることはなく、GaAs、InP等そのほかの半導体材料を用いることも可能である。
(第2の実施の形態)
図14は、本発明の第2の実施の形態に係るMIS型電界効果トランジスタを有する半導体装置の素子構造を示す断面図である。ゲート電極がNiSiからなるゲート・シリサイド103単層のみによって形成されるFUSI(Fully Silicided)構造となっていること以外は、第1の実施の形態のp型電解効果トランジスタと同様であるので記述を省略する。
本実施の形態の半導体装置は、実施の形態1の作用・効果に加え、FUSI(Fully Silicided)構造をとることによりトランジスタ駆動時のゲート電極側の空乏化を高いゲート電圧まで抑制し、高いトランジスタ駆動力を実現することが可能となる。
本実施の形態の電界効果トランジスタを有する半導体装置の製造方法は、第1の実施の形態のNi膜150をスパッタし、アニールによりシリサイド化を行うステップ(図12)において、第1の実施の形態よりも長時間、すなわち、ポリシリコンのゲート電極102が完全にシリサイド化するまでアニールする以外は、第1の実施の形態の製造方法と同様である。
従来のシリサイド化技術では、ゲート電極のポリシリコンとSi基板を同時にシリサイド化する際に、ゲート・シリサイドとソース・ドレイン電極となるシリサイドの膜厚を異ならせることは困難であった。そのため、FUSI構造を製造しようとすると、必然的にソース・ドレイン電極となるシリサイドが厚くなり、ジャンクション突き抜けによるリーク電流の増大、ソース・ドレイン間のパンチスルー等の原因となっていた。
そして、この問題を回避するためには、ゲート・シリサイドとソース・ドレイン電極となるシリサイドの膜厚を異ならせるために、それぞれを別個に形成するなどの複雑な製造方法をとる必要があった。
本実施の形態の製造方法によれば、ソース・ドレイン電極となるシリサイドであるNiSi層110の膜厚は、下層にNiの拡散バリアとなるBの高濃度不純物領域(第2の半導体領域)が形成されることによりシリサイド反応が抑制されるため、選択エピタキシャル成長されたSi膜130(図12)によって限定される。したがって、ポリシリコンのゲート電極102(図12)を完全にシリサイド化する熱処理を行っても、ソース・ドレイン電極となるNiSi層の膜厚は一定膜厚以上には成長しない。よって、ゲート電極の完全なシリサイド化と、ゲート・シリサイドと膜厚の異なるソース・ドレイン電極となるNiSi膜の形成を同一のステップで容易に実現することが可能となる。
(第3の実施の形態)
図15は、本発明の第3の実施の形態に係る製造方法によって製造されるMIS型電界効果トランジスタを有する半導体装置の素子構造を示す断面図である。この半導体装置は、n型電界効果トランジスタを有し、ゲート電極がNiSiからなるゲート・シリサイド103単層のみによって形成されるFUSI(Fully Silicided)構造であり、ソース・ドレイン電極となるNiSi層110の下に、AsとCを不純物とする1021atoms/cm以上1022atoms/cmの不純物濃度のn型高濃度不純物領域208を有することを特徴とする。
このようなn型電界効果トランジスタは、n型高濃度不純物領域208を有することにより、NiSi層の基板界面での不純物濃度が高いため界面抵抗が低いという特徴がある。また、n型高濃度不純物領域208がNiのバリアとなるために、Niの拡散によるジャンクションリークが生じないという特徴がある。また、FUSI(Fully Silicided)構造をとることによりトランジスタ駆動時のゲート電極側の空乏化を高いゲート電圧まで抑制し、高いトランジスタ駆動力を実現することが可能となる。
以下、本実施の形態の半導体装置の製造方法について、図16〜図23を参照して説明する。
まず、図16に示すように、B(ボロン)が1015atoms/cm程度ドープされた面方位(100)面のp型のSi基板(第1の半導体領域)200に、シリコン酸化膜からなる素子分離領域(STI(Shallow Trench Isolation)120が形成する。その後、ゲート絶縁膜101をEOT(Equivalent Oxide Thickness)にして1nm程度形成し、ゲート電極102となるポリシリコン膜を減圧化学的気相堆積(以下LP−CVDともいう)法によって100〜150nm程度堆積する。
次に、図17に示すように、リソグラフィー技術および反応性イオンエッチング(以下RIEともいう)等のエッチング技術により、ゲート絶縁膜101及びゲート電極102をゲート長が30nm程度となるようにパターン形成する。必要ならば、ここで1〜2nmのポスト酸化を行う。
次に、図18に示すように、イオンインプランテーションにより、Asが1020atoms/cm程度ドープされたn型のエクステンション拡散層205を形成し、1050℃程度の温度で活性化アニール(スパイクアニール)を行う。
次に、図19に示すように、Si窒化膜をLP−CVD法によって8nm程度堆積した後、RIE法によってエッチバックすることにより、Si窒化膜をゲート電極102の側面部にのみ残す。これにより、ゲート側壁絶縁膜104を形成する。
次に、図20に示すように、ゲート電極102および側壁絶縁膜104をマスクに、As(砒素)とC(カーボン)をそれぞれ1:1の割合で、イオンインプランテーションによりSi基板(第1の半導体領域)200に導入することにより、1021atoms/cm以上のn型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)208を1.5nm程度の厚さに形成し、1050℃程度の温度で活性化アニール(スパイクアニール)を行う。
その後、図21に示すように、選択エピタキシャル成長によりSi(シリコン)層130を形成する。
次に、図22に示すように、10nm程度のNi膜150のスパッタを行った後、400℃90秒のアニール、薬液での選択剥離を行い、図23に示すようにNi膜150とSi層130を反応させシリサイド化する。同時に、ポリシリコンのゲート電極102をゲート絶縁膜101界面まで完全に反応させ、ゲート・シリサイド103を形成する。
本実施の形態の製造方法によれば、ソース・ドレイン電極となるシリサイドであるNiSi層110の膜厚は、下層にNiの拡散バリアとなるAsとCの高濃度不純物領域(第2の半導体領域)が形成されることにより反応が抑制されるため、選択エピタキシャル成長されたSi膜130(図21)によって限定される。したがって、ポリシリコンのゲート電極102(図21)を完全にシリサイド化する熱処理を行っても、ソース・ドレイン電極となるNiSi層110の膜厚は一定膜厚以上には成長しない。このため、ゲート電極の完全なシリサイド化と、ゲート・シリサイド103と膜厚の異なるソース・ドレイン電極となるNiSi層110の形成を同一のステップで容易に実現することが可能となる。
よって、寄生抵抗の低減とゲート電極の空乏化の抑制により高い駆動力を有し、かつ、ジャンクションリークも低減された高性能なn型電界効果トランジスタを容易に製造することが可能となる。
なお、ここでは、ポリシリコンのゲート電極102をゲート絶縁膜101界面まで完全に反応させ、ゲート・シリサイド103を形成するとしたが、ポリシリコンのゲート電極を1部残存させる製造方法であっても、ゲート電極の低抵抗化という効果を有するトランジスタ構造がえられる。したがって、本発明は、このような製造方法を排除するものではない。
また、本実施の形態はn型電界効果トランジスタについて記載しているが、本実施の形態をp型電界効果トランジスタに置き換えても同様の作用・効果が期待できる。
(第4の実施の形態)
図24は、本発明の第4の実施の形態に係る製造方法によって製造されるMIS型電界効果トランジスタを有する半導体装置の素子構造を示す断面図である。この半導体装置は、p型電界効果トランジスタのソース・ドレイン電極となるシリサイドがPtSi(プラチナシリサイド)層112である点およびBの高濃度不純物領域(第2の半導体領域)がシリサイド化されている以外は、第2の実施の形態の半導体装置と同様であるため、記述を省略する。
このような構造のp型電界効果トランジスタは、ゲート電極の空乏化抑制に加え、NiSiより低抵抗なPtSiをソース・ドレイン電極として用いることで、一層の寄生抵抗低減が図れ、さらに駆動力の高い電界効果トランジスタを実現することが可能となる。また、PtSiの仕事関数が、Siの価電子帯のエネルギーにNiSiより近いため、シリサイド/基板のショットキー障壁がNiSiの場合よりも低くなる。この点からも界面の抵抗が低減され、寄生抵抗が下がり高駆動力の実現が可能である。さらに、PtSi層のシリサイド界面は原子レベルで平坦となるため、ジャンクションリーク低減効果による低消費電力電界効果トランジスタの実現も可能である。
以下、本実施の形態の半導体装置の第1の製造方法について、図25〜図29を参照して説明する。なお、SiGe層106の上に、Bの高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108を形成するまでは実施の形態1(図4〜10)と同様であるので省略する。
選択エピタキシャル成長により、SiGe層上に、Bのp型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108を形成した後、図25に示すように、10nm程度のNi膜150のスパッタを行った後、400℃90秒のアニール、薬液での選択剥離を行い、図26に示すようにNi膜150とポリシリコンのゲート電極102をゲート絶縁膜101界面まで完全に反応させ、ゲート・シリサイド103を形成する。この時、Bのp型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108上のNi膜は、p型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108の有するNiバリア性ゆえにp型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108と反応することはない。したがって、NiSi層は、p型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108上には形成されない。
次に、図27に示すように、p型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108上に選択エピタキシャル成長により、Si層130を形成する。
次に、図28に示したように、10nm程度のPt膜152のスパッタを行った後に、350℃程度のアニールによるシリサイド化を行い、薬液での選択剥離を行うことによって、図29に示すように、ソース・ドレイン電極をPtSi層112とするp型電界効果トランジスタを形成する。
このとき、p型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108はPt原子の拡散バリアとはならないため、p型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108の一部または全部がシリサイド化されうる。
従来、ゲート・シリサイドとソース・ドレイン電極のシリサイド材料を異なるものにするためには、それぞれの、シリサイド工程の際に、シリサイド化を望まない領域をマスクするためのきわめて複雑な工程の追加が必要とされていた。
本実施の形態の半導体装置の第1の製造方法により、ゲート・シリサイドとソース・ドレイン電極のシリサイド材料を異なる材料とすることが容易となる。したがって、p型電界効果トランジスタのソース・ドレイン領域の寄生抵抗低減と、p型・n型電界効果トランジスタの閾値電圧の低減を容易に実現できるという効果がえられる。
次に、本実施の形態の半導体装置の第2の製造方法について、図30〜図34を参照して説明する。なお、SiGe層106を選択エピタキシャル成長によって形成するまでは実施の形態1(図4〜9)と同様であるので省略する。
選択エピタキシャル成長によりSiGe層を形成した後、図30に示すように、選択エピタキシャル成長により、連続してSi層130およびBのp型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108を形成する。その後、図31に示すように、10nm程度のNi膜150のスパッタを行った後、400℃90秒のアニール、薬液での選択剥離を行い、図32に示すようにNi膜150とポリシリコンのゲート電極102を、ゲート絶縁膜101界面まで完全に反応させ、ゲート・シリサイド103を形成する。この時、Bのp型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108上のNi膜は、p型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108の有するNiバリア性ゆえにp型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108と反応することはない。したがって、NiSi層は、p型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108上には形成されないし、また、p型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108下のSi層130もシリサイド化されることはない。
次に、図33に示したように、10nm程度のPt膜152のスパッタを行った後に、350℃程度のアニールによるシリサイド化を行い、薬液での選択剥離を行うことによって、図34に示すように、ソース・ドレイン電極をPtSi層112とするp型電界効果トランジスタを形成する。
このとき、p型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108はPt原子の拡散バリアとはならないため、p型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108およびSi層130がシリサイド化されPtSi層112となる。
本実施の形態の半導体装置の第2の製造方法によれば、第1の製造方法に比べ、Si層130の形成を、SiGe層106およびp型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)108と同時に連続して形成することにより、ゲート・シリサイドとソース・ドレイン電極のシリサイド材料を異なる材料とする構造の形成がさらに容易になる。したがって、p型電界効果トランジスタのソース・ドレイン領域の寄生抵抗低減と、p型・n型電界効果トランジスタの閾値電圧の低減をさらに容易に実現できるという効果がえられる。
本実施の形態において、ソース・ドレイン電極のシリサイド材料は、必ずしもPtSiである必要はなく、電界効果トランジスタの性能を最適化する観点から、例えば、PdSi等、その他のシリサイドも適用することが可能である。
(第5の実施の形態)
図35は、本発明の第5の実施の形態に係る製造方法によって製造されるMIS型電界効果トランジスタを有する半導体装置の素子構造を示す断面図である。この半導体装置は、ソース・ドレイン電極が希土類元素であるEr(エルビウム)のシリサイドであるErSi1.7層114である以外は、第3の実施の形態と同様であるので記述を省略する。
このようなn型電界効果トランジスタは、第3の実施の形態に記載したn型電界効果トランジスタの作用・効果に加え、NiSiより低抵抗なErSi1.7層をソース・ドレイン電極として用いることで、一層の寄生抵抗低減が図れ、さらに駆動力の高い電界効果トランジスタを実現することが可能となる。また、ErSi1.7層の仕事関数が、Siの伝導帯のエネルギーにNiSiより近いため、シリサイド/基板のショットキー障壁がNiSiの場合よりも低くなる。この点からも界面の抵抗が低減され、寄生抵抗が下がり高駆動力の実現が可能である。さらに、希土類元素のシリサイド界面は原子レベルで平坦となるため、ジャンクションリーク低減効果による低消費電力電界効果トランジスタの実現も可能である。
以下、本実施の形態の半導体装置の製造方法について、図36〜図39を参照して説明する。なお、AsとCのイオンインプランテーションにより、n型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)208を形成するまでは第3の実施の形態(図16〜20)と同様であるので記述を省略する。
n型高濃度不純物領域208を形成し、1050℃程度の温度で活性化アニール(スパイクアニール)を行った後、図36に示すように、10nm程度のNi膜150のスパッタを行う。その後、400℃90秒のアニール、薬液での選択剥離を行い、図37に示すようにNi膜150とSi層130を反応させシリサイド化する。同時に、ポリシリコンのゲート電極102をゲート絶縁膜101界面まで完全に反応させ、ゲート・シリサイド103を形成する。この時、n型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)208上のNi膜は、n型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)208の有するNiバリア性ゆえにn型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)208と反応することはない。したがって、NiSi層は、n型高濃度不純物領域(第2の半導体領域)208上には形成されない。
次に、図38に示したように、10nm程度のEr膜156のスパッタを行った後に、350℃程度のアニールによるシリサイド化を行い、薬液での選択剥離を行うことによって、図39に示すように、ソース・ドレイン電極をErSi1.7層114とするn型電界効果トランジスタを形成する。
このとき、n型高濃度不純物領域208はEr原子の拡散バリアとはならないため、n型高濃度不純物領域208がシリサイド化される。
従来、ゲート・シリサイドとソース・ドレイン電極のシリサイド材料を異なるものにするためには、それぞれの、シリサイド工程の際に、シリサイド化を望まない領域をマスクするためのきわめて複雑な工程の追加が必要とされていた。
本実施の形態の半導体装置の製造方法により、ゲート・シリサイドとソース・ドレイン電極のシリサイド材料を異なる材料とすることが容易となる。したがって、n型電界効果トランジスタのソース・ドレイン領域の寄生抵抗低減と、p型・n型電界効果トランジスタの閾値電圧の低減を容易に実現できるという効果がえられる。
本実施の形態において、ソース・ドレイン電極のシリサイド材料は、必ずしもErSi1.7である必要はなく、Y(イットリウム)、Yb(イッテリビウム)等の他の希土類元素のシリサイドを適用することが可能である。
(第6の実施の形態)
図40は、本発明の第6の実施の形態に係るMIS型電界効果トランジスタを有する半導体装置の素子構造を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置は、第2の実施の形態のp型電界効果トランジスタおよび第3の実施の形態のn型電界効果トランジスタ双方をひとつのp型Si基板200上に有するCMOSデバイスであることを特徴とする。
本実施の形態の半導体装置は、第1の実施の形態および第3の実施の形態の作用・効果をそれぞれ兼ね備えている。したがって、p型・n型電界効果トランジスタともに、低い界面抵抗、ゲート空乏化抑制による高駆動力およびNi拡散抑制による低ジャンクションリークを実現している。よって、本実施の形態によって、低消費電力で高速なCMOSデバイスの実現が可能となる。
次に、本実施の形態の電界効果トランジスタの製造方法について、図41〜図50を参照して説明する。
まず、図41に示すように、B(ボロン)が1015atoms/cm程度ドープされた面方位(100)面のp型のSi基板200に、Si酸化膜からなる素子分離領域(STI(Shallow Trench Isolation)120を形成する。その後、n型半導体領域(第3の半導体領域:n型ウェル)180およびp型半導体領域(第5の半導体領域:p型ウェル)280をイオンインプランテーションにより形成する。そして、ゲート絶縁膜101をEOT(Equivalent Oxide Thickness)にして1nm程度形成し、ゲート電極102となるポリシリコン膜を減圧化学的気相堆積(以下LP−CVDともいう)法によって100〜150nm程度堆積する。
次に、図42に示すように、リソグラフィー技術および反応性イオンエッチング(以下RIEともいう)等のエッチング技術により、ゲート絶縁膜101及びゲート電極102をゲート長が30nm程度となるようにパターン形成する。必要ならば、ここで1〜2nmのポスト酸化を行う。
次に、図43に示すように、n型半導体領域(第3の半導体領域:n型ウェル)180にはBが1020atoms/cm程度ドープされたp型のエクステンション拡散層105を、p型半導体領域(第5の半導体領域:p型ウェル)280にはAsが1020atoms/cm程度ドープされたn型のエクステンション拡散層205を、レジストマスクにより打ち分けたイオンインプランテーションにより形成し、1050℃程度の温度で活性化アニール(スパイクアニール)を行う。
次に、図44に示すように、Si窒化膜をLP−CVD法によって8nm程度堆積した後、p型半導体領域(第5の半導体領域:p型ウェル)280をレジストマスク(図示せず)で覆った状態でRIE法によってエッチバックすることにより、n型半導体領域(第3の半導体領域:n型ウェル)180にゲート側壁絶縁膜104を形成する。続けて、図45に示すようにゲート電極102および側壁絶縁膜104をマスクにp型のエクステンション拡散層105およびSi基板100を30nm程度エッチングし掘り下げる。
次に、レジストマスクを剥離し、図46に示すように、エッチングにより掘り下げた領域に、基板側の結晶層に対して、SiGe層106と、1.5nm程度のp型高濃度不純物領域(第4の半導体領域)108を選択エピタキシャル成長させる。
次に、図47に示すように、n型半導体領域(第3の半導体領域:n型ウェル)180をレジストマスク(図示せず)で覆った状態で、p型半導体領域(第5の半導体領域:p型ウェル)280上のSi窒化膜をRIE法によってエッチバックすることにより、p型半導体領域(第5の半導体領域:p型ウェル)280にゲート側壁絶縁膜104を形成する。続けて、p型半導体領域(第5の半導体領域:p型ウェル)280にAs(砒素)とC(カーボン)をイオンインプランテーションにより、Si基板200に導入することにより、1.5nm程度のn型高濃度不純物領域(第6の半導体領域)208を形成し、活性化アニール(スパイクアニール)を行う。
その後、図48に示すように、p型高濃度不純物領域(第4の半導体領域)108、および、n型高濃度不純物領域(第6の半導体領域)208上に選択エピタキシャル成長によりSi(シリコン)層130を形成する。
次に、図49に示すように、10nm程度のNi膜150のスパッタを行った後、400℃90秒のアニール、薬液での選択剥離を行い、図50に示すようにNi膜150とSi層130を反応させシリサイド化する。同時に、ポリシリコンのゲート電極102をゲート絶縁膜101界面まで完全に反応させ、ゲート・シリサイド103を形成する。
以上の本実施の形態の製造方法により、低消費電力で高速なCMOSデバイスを容易に製造することが可能となる。
(第7の実施の形態)
図51は、本発明の第7の実施の形態の半導体装置の製造方法によって製造されるMIS型電界効果トランジスタを有する半導体装置の素子構造を示す断面図である。この半導体装置は、第1の実施の形態にPtSi層ソース・ドレイン電極を加えたp型電界効果トランジスタおよび従来技術のNiSiのゲート電極、ソース・ドレイン電極構造のn型電界効果トランジスタ双方をひとつのp型Si基板200上に有するCMOSデバイスであることを特徴とする。
本実施の形態により製造される半導体装置のp型電界効果トランジスタは、第1の実施の形態に加え、PtSiをソース・ドレインに適用した作用・効果をそれぞれ兼ね備えている。したがって、p型トランジスタについて、低い界面抵抗・チャネル歪みによる高駆動力およびPtSi界面の平坦化よる低ジャンクションリークを実現している。よって、本実施の形態によって、低消費電力で高速なCMOSデバイスの実現が可能となる。
次に、本実施の形態の電界効果トランジスタの製造方法について、図52〜図56を参照して説明する。なお、n型半導体領域(n型ウェル)180に、SiGe層106と、1.5nm程度のp型高濃度不純物領域108を選択エピタキシャル成長させるまでは、第6の実施の形態と同様(図41〜図46)であるため記述を省略する。
n型半導体領域(n型ウェル)180に、SiGe層106と、1.5nm程度のp型高濃度不純物領域108を選択エピタキシャル成長させ後に、図52に示すように、n型半導体領域(n型ウェル)180をレジストマスク(図示せず)で覆った状態で、p型半導体領域(p型ウェル)280上のSi窒化膜をRIE法によってエッチバックすることにより、p型半導体領域(p型ウェル)280にゲート側壁絶縁膜104を形成する。続けて、p型半導体領域(p型ウェル)280にAsをイオンインプランテーションにより導入することにより、3×1020atoms/cm程度ドープされたn型拡散層領域206を形成し、活性化アニール(スパイクアニール)を行う。
次に、図53に示すように、10nm程度のNi膜150のスパッタを行った後、400℃30秒のアニール、薬液での選択剥離を行い、図54に示すようにNi膜150とp型半導体領域(p型ウェル)280のn型拡散層領域206およびポリシリコンのゲート電極102を反応させ、ソース・ドレイン電極となるNiSi層110およびゲート・シリサイド103を形成する。この時、Bのp型高濃度不純物領域108上のNi膜は、p型高濃度不純物領域108の有するNiバリア性ゆえにp型高濃度不純物領域108と反応することはない。したがって、NiSi層は、p型高濃度不純物領域108上には形成されない。
次に、図55に示すように、p型高濃度不純物領域108上に選択エピタキシャル成長により、Si層130を形成する。そして、10nm程度のPt膜152のスパッタを行った後に、350℃程度のアニールによるシリサイド化を行い、薬液での選択剥離を行うことによって、図56に示すように、ソース・ドレイン電極をPtSi層112とするp型電界効果トランジスタを形成する。
以上の本実施の形態の製造方法により、低消費電力で高速なCMOSデバイスを容易に製造することが可能となる。
(第8の実施の形態)
図57は、本発明の第8の実施の形態に係るMIS型電界効果トランジスタを有する半導体装置の素子構造を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置は、第2の実施の形態のp型電界効果トランジスタおよび第5の実施の形態のn型電界効果トランジスタ双方をひとつのp型Si基板200上に有するCMOSデバイスであることを特徴とする。
本実施の形態の半導体装置は、第2の実施の形態および第5の実施の形態の作用・効果をそれぞれ兼ね備えている。したがって、p型・n型電界効果トランジスタともに、低い界面抵抗、ゲート空乏化抑制による高駆動力を実現し、加えてp型電界効果トランジスタはチャネル歪みによる高駆動力およびNi拡散抑制による低ジャンクションリーク、n型電界効果トランジスタはErSi1.7層による電極低抵抗化による高駆動力およびシリサイド界面平坦化による低ジャンクションリークを実現している。よって、本実施の形態によって、低消費電力で高速なCMOSデバイスの実現が可能となる。
次に、本実施の形態の電界効果トランジスタの製造方法について、図58〜図63を参照して説明する。なお、n型半導体領域(第3の半導体領域:n型ウェル)180に、SiGe層106と、1.5nm程度のp型高濃度不純物領域(第4の半導体領域)108を選択エピタキシャル成長させるまでは、第6の実施の形態と同様(図41〜図46)であるため記述を省略する。
p型高濃度不純物領域(第4の半導体領域)108を選択エピタキシャル成長させた後、図58に示すように、p型高濃度不純物領域(第4の半導体領域)108上に連続して選択エピタキシャル成長により、Si層130を形成する。
次に、図59に示すように、n型半導体領域(第3の半導体領域:n型ウェル)180をレジストマスク(図示せず)で覆った状態で、p型半導体領域(第5の半導体領域:p型ウェル)280上のSi窒化膜をRIE法によってエッチバックすることにより、p型半導体領域(第5の半導体領域:p型ウェル)280にゲート側壁絶縁膜104を形成する。続けて、p型半導体領域(第5の半導体領域:p型ウェル)280にAs(砒素)とC(カーボン)を、イオンインプランテーションにより導入することにより、1.5nm程度のn型高濃度不純物領域(第6の半導体領域)208を形成し、活性化アニール(スパイクアニール)を行う。
次に、図60に示すように、10nm程度のNi膜150のスパッタを行った後、400℃90秒のアニール、薬液での選択剥離を行い、図61に示すようにNi膜150とn型半導体領域(第3の半導体領域:n型ウェル)180のSi層130を反応させシリサイド化する。同時に、ポリシリコンのゲート電極102をゲート絶縁膜101界面まで完全に反応させ、ゲート・シリサイド103を形成する。この時、n型高濃度不純物領域(第6の半導体領域)208上のNi膜150は、n型高濃度不純物領域(第6の半導体領域)208の有するNiバリア性ゆえにn型高濃度不純物領域(第6の半導体領域)208と反応することはない。したがって、NiSi層は、n型高濃度不純物領域(第6の半導体領域)208上には形成されない。
次に、図62に示したように、10nm程度のEr膜156のスパッタを行った後に、350℃程度のアニールによるシリサイド化を行い、薬液での選択剥離を行うことによって、図63に示すように、ソース・ドレイン電極をErSi1.7層114とするn型電界効果トランジスタを形成する。
このとき、n型高濃度不純物領域(第6の半導体領域)208はEr原子の拡散バリアとはならないため、n型高濃度不純物領域(第6の半導体領域)208がシリサイド化される。
以上の本実施の形態の製造方法により、低消費電力で高速なCMOSデバイスを容易に製造することが可能となる。
なお、本発明は上述した各実施の形態に限定されるものではない。実施の形態では、半導体基板材料としてシリコン(Si)を用いたが、必ずしもシリコン(Si)に限るものではなく、シリコンゲルマニウム(SiGe)、ゲルマニウム(Ge)、シリコンカーバイド(SiC)、ガリウム砒素(GaAs)、窒化アルミニウム(AlN)等を用いることが可能である。
また、基板材料の面方位は必ずしも(100)面に限るものではなく、(110)面あるいは(111)面等を適宜選択することができる。また本発明は、Fin型構造やダブルゲート構造などの三次元型も含み、あらゆるMIS型電界効果トランジスタに対して適用可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
第1の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す断面図。 NiSi層中のB(ボロン)濃度分布と、ショットキー障壁高さ(E−E=φB)との関係を示す図。 第1の実施の形態の変形例を示す断面図。 第1の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第1の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第1の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第1の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第1の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第1の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第1の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第1の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第1の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第1の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第2の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す断面図。 第3の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す断面図。 第3の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第3の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第3の実施の形態の半導体装置の第2の製造工程を示す断面図。 第3の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第3の実施の形態の半導体装置の製造工程の問題点を示す断面図。 第3の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第3の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第3の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第4の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す断面図。 第4の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す断面図。 第4の実施の形態の半導体装置の第1の製造方法の製造工程を示す断面図。 第4の実施の形態の半導体装置の第1の製造方法の製造工程を示す断面図。 第4の実施の形態の半導体装置の第1の製造方法の製造工程を示す断面図。 第4の実施の形態の半導体装置の第1の製造方法の製造工程を示す断面図。 第4の実施の形態の半導体装置の第2の製造方法の製造工程を示す断面図。 第4の実施の形態の半導体装置の第2の製造方法の製造工程を示す断面図。 第4の実施の形態の半導体装置の第2の製造方法の製造工程を示す断面図。 第4の実施の形態の半導体装置の第2の製造方法の製造工程を示す断面図。 第4の実施の形態の半導体装置の第2の製造方法の製造工程を示す断面図。 第5の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す断面図。 第5の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第5の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第5の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第5の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第6の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す断面図。 第6の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第6の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第6の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第6の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第6の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第6の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第6の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第6の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第6の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第6の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第7の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す断面図。 第7の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第7の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第7の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第7の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第7の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第8の実施の形態の半導体装置の素子構造を示す断面図。 第8の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第8の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第8の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第8の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第8の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 第8の実施の形態の半導体装置の製造工程を示す断面図。 従来技術の典型的なMIS型電界効果トランジスタ構造を示す図。 シリサイド膜と高濃度不純物領域(Si膜)との間のショットキー接合のバンド図 界面抵抗の低減効果を説明する図。 従来のNiSi層形成プロセスを説明する図。 従来のNiSi層形成プロセスにおける不純物分布を説明する図。
符号の説明
100 n型のSi基板(第1の半導体領域)
101 ゲート絶縁膜
102 ゲート電極
103 ゲート・シリサイド
104 ゲート側壁絶縁膜
105 p型のエクステンション拡散層
106 SiGe層
108 p型高濃度不純物領域(第2、第4の半導体領域)
110 NiSi(ニッケルシリサイド)層
120 素子分離領域
130 Si層
180 n型半導体領域(第3の半導体領域:n型ウェル)
200 p型のSi基板(第1の半導体領域)
205 n型のエクステンション拡散層
208 n型高濃度不純物領域(第2、第6の半導体領域)
280 p型半導体領域(第5の半導体領域:p型ウェル)

Claims (20)

  1. 第1導電型の第1の半導体領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成するステップと、
    前記ゲート電極の両側面に側壁絶縁膜を形成するステップと、
    前記第1の半導体領域中または領域上に、不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cm以下の第2導電型の第2の半導体領域を形成するステップと、
    前記第2の半導体領域上にSi(シリコン)層を形成するステップと、
    前記Si(シリコン)層を、Ni(ニッケル)を含む金属と反応させシリサイド化するステップ、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記ゲート電極がSi(シリコン)で形成され、
    前記Si(シリコン)層を、Ni(ニッケル)を含む金属と反応させシリサイド化するステップにおいて、前記ゲート電極を前記ゲート絶縁膜界面まで前記金属と反応させシリサイド化することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第2の半導体領域の厚さが0.55nm以上2nm以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記不純物がB(ボロン)であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記不純物がAs(砒素)およびC(カーボン)であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  6. 第1導電型の第1の半導体領域上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成するステップと、
    前記ゲート電極の両側面に側壁絶縁膜を形成するステップと、
    前記側壁絶縁膜をマスクに前記第1の半導体領域をエッチングするステップと、
    前記第1の半導体領域をエッチングした領域にSiGe1−X(0<X<1)層を形成するステップと、
    前記SiGe1−X(0<X<1)層上に不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cm以下の第2導電型の第2の半導体領域を形成するステップと、
    前記第2の半導体領域上にSi(シリコン)層を形成するステップと、
    前記Si(シリコン)層を、Ni(ニッケル)を含む金属と反応させシリサイド化するステップ、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 前記ゲート電極がSi(シリコン)で形成され、
    前記Si(シリコン)層を、Ni(ニッケル)を含む金属と反応させシリサイド化するステップにおいて、前記ゲート電極を前記ゲート絶縁膜界面まで前記金属と反応させシリサイド化することを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記第2の半導体領域の厚さが0.55nm以上2nm以下であることを特徴とする請求項記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記不純物がB(ボロン)であることを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。
  10. 第1導電型の第1の半導体領域上にゲート絶縁膜を介してSi(シリコン)のゲート電極を形成するステップと、
    前記ゲート電極の両側面に側壁絶縁膜を形成するステップと、
    前記側壁絶縁膜をマスクに前記第1の半導体領域をエッチングするステップと、
    前記第1の半導体領域をエッチングした領域にSiGe1−X(0<X<1)層を形成するステップと、
    前記SiGe1−X(0<X<1)層上に不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cm以下の第2導電型の第2の半導体領域を形成するステップと、
    前記ゲート電極を前記ゲート絶縁膜界面までNi(ニッケル)を含む金属と反応させシリサイド化するステップと、
    前記第2の半導体領域上にSi(シリコン)層を形成するステップと、
    前記Si(シリコン)層を、Ni(ニッケル)を含まない金属と反応させシリサイド化するステップ、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 第1導電型の第1の半導体領域上にゲート絶縁膜を介してSi(シリコン)のゲート電極を形成するステップと、
    前記ゲート電極の両側面に側壁絶縁膜を形成するステップと、
    前記側壁絶縁膜をマスクに前記第1の半導体領域をエッチングするステップと、
    前記第1の半導体領域をエッチングした領域にSiGe1−X(0<X<1)層を形成するステップと、
    前記SiGe1−X(0<X<1)層上にSi(シリコン)層を形成するステップと、
    前記Si(シリコン)層上に不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cm以下の第2導電型の第2の半導体領域を形成するステップと、
    前記ゲート電極を前記ゲート絶縁膜界面までNi(ニッケル)を含む金属と反応させシリサイド化するステップと、
    前記第2の半導体領域および前記Si(シリコン)層を、Ni(ニッケル)を含まない金属と反応させシリサイド化するステップ、
    を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  12. チャネル領域が形成される第1導電型の第1の半導体領域と、
    前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
    前記チャネル領域の両側に形成されたSiGe1−X(0<X<1)層と、
    前記SiGe1−X(0<X<1)層上に形成された、不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cm以下の第2導電型の第2の半導体領域と、
    前記第2の半導体領域上に形成されたNi(ニッケル)を含有するシリサイド層、
    を具備する電界効果トランジスタを有することを特徴とする半導体装置。
  13. 前記第2の半導体領域の厚さが0.55nm以上2nm以下であることを特徴とする請求項12記載の半導体装置。
  14. 前記不純物がB(ボロン)であることを特徴とする請求項12記載の半導体装置。
  15. 前記シリサイド層がPt(プラチナ)を含有することを特徴とする請求項12記載の半導体装置。
  16. 前記ゲート電極がシリサイド単層で形成されていることを特徴とする請求項12記載の半導体装置。
  17. 半導体基板に形成され、第1のチャネル領域が形成されるn型の第3の半導体領域と、前記第1のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第1のチャネル領域の両側に形成されたSiGe1−X(0<X<1)層と、前記SiGe1−X(0<X<1)層上に形成された不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cm以下のp型の第4の半導体領域と、前記第4の半導体領域上に形成されたNi(ニッケル)を含有する第1のシリサイド層を、具備するp型電界効果トランジスタと、
    前記半導体基板に形成され、第2のチャネル領域が形成されるp型の第5の半導体領域と、前記第2のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記第2のチャネル領域の両側に形成された第2のシリサイド層を、具備するn型電界効果トランジスタ、
    を有することを特徴とする半導体装置。
  18. 前記第2のシリサイド層がNi(ニッケル)を含有するシリサイド層であり、かつ、前記半導体基板に形成され、不純物の濃度が1021atoms/cm以上1022atoms/cm以下のn型の第6の半導体領域上に形成されていることを特徴とする請求項17記載の半導体装置。
  19. 前記不純物がAs(砒素)およびC(カーボン)であることを特徴とする請求項18記載の半導体装置。
  20. 前記第2のシリサイド層が、Er(エルビウム)、Y(イットリウム)、またはYb(イッテリビウム)いずれかのシリサイド層であることを特徴とする請求項17記載の半導体装置。




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