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JP2004207613A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2004207613A
JP2004207613A JP2002377251A JP2002377251A JP2004207613A JP 2004207613 A JP2004207613 A JP 2004207613A JP 2002377251 A JP2002377251 A JP 2002377251A JP 2002377251 A JP2002377251 A JP 2002377251A JP 2004207613 A JP2004207613 A JP 2004207613A
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JP
Japan
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nitrogen
semiconductor device
sidewall
manufacturing
insulating film
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Withdrawn
Application number
JP2002377251A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Tsuguo Sebe
紹夫 瀬部
Hiroaki Nakaoka
弘明 中岡
Kentaro Nakanishi
賢太郎 中西
Atsuhiro Kajitani
敦宏 柁谷
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device and the manufacturing method thereof wherein its operational delay is suppressed and the deterioration of its characteristic caused by hot carriers is suppressed. <P>SOLUTION: The semiconductor device has a gate insulation film 6a provided on a semiconductor substrate 1, a gate electrode 5a provided on the gate insulation film 6a, offset side walls 9a comprising silicon oxide films containing nitrogen and provided on the side surfaces of the gate electrode 5a and the gate insulation film 6a, and side walls 8 comprising silicon nitride films and provided on the side surfaces of the offset side walls 9a. Since nitrogen is introduced into the offset side walls 9a, the deterioration of the electric characteristic of the semiconductor device which is caused by hot carriers is suppressed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特にダブルサイドウォール構造を有するMOSトランジスタ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
微細化に伴うMOSトランジスタの信頼性を低下させる要因の1つにゲート絶縁膜へのホットキャリアの注入がある。半導体装置の寸法が小さくなると、ソース−ドレイン間のチャネル領域に沿った方向の電界が強くなり、チャネル領域に存在するキャリアがこの電界によって加速され高いエネルギーを持つようになる。このようなキャリアはホットキャリアと呼ばれる。このホットキャリアは、高いエネルギーを有しているので、半導体基板とゲート絶縁膜界面のエネルギー障壁を越えて容易にMOSトランジスタのゲート絶縁膜に注入される。ゲート絶縁膜に注入されたキャリアは、ゲート絶縁膜中に捕獲されたり、界面準位を発生させて半導体の閾値電圧を変動させたりして、MOSトランジスタの電流駆動能力を低下させる。
【0003】
以下、このようなホットキャリアによる信頼性の向上が図られた半導体装置について説明する(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
図9は、第1の従来例に係るMOSトランジスタの構造を示す断面図である。
【0005】
同図に示すように、従来のMOSトランジスタは、P型シリコンからなる半導体基板101と、半導体基板101上に設けられ、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜106aと、ポリシリコンからなり、ゲート絶縁膜106a上に設けられたゲート電極105aと、ゲート電極105aの側面上に設けられた絶縁膜からなるサイドウォール108と、半導体基板101のうちゲート電極105aの両側方に位置する領域に設けられ、n型不純物を含む高濃度不純物拡散領域103と、半導体基板101のうち、高濃度不純物拡散領域103及びゲート絶縁膜106aの端部に接する領域に設けられ、高濃度不純物拡散領域103よりも低濃度のn型不純物を含む低濃度不純物拡散領域102と、ゲート絶縁膜106aのうちゲート電極105aの両下端部の下に位置する領域に設けられた窒素含有領域106bとを備えている。また、半導体基板101の活性領域は、素子分離用絶縁膜104に囲まれている。
【0006】
第1の従来例に係るMOSトランジスタの特徴は、ゲート絶縁膜106aに窒素含有領域106bが設けられていることである。MOSトランジスタの動作時には、ゲート絶縁膜のうち、ゲート電極の下端部の下に位置する領域に電界が集中するので、ホットキャリアが発生しやすくなっている。そのため、電界が集中しやすい領域に窒素を導入することにより、ホットキャリアがゲート絶縁膜106a中にトラップされるのを防ぐことができる。このように、第1の従来例に係るMOSトランジスタでは、ホットキャリア耐性の向上が図られている。
【0007】
次に、第1の従来例に係るMOSトランジスタの製造方法について簡単に説明する。
【0008】
図10(a)〜(c)及び図11(a),(b)は、第1の従来例に係るMOSトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【0009】
まず、図10(a)に示すように、P型の半導体基板101上に通常のトレンチ分離法により素子分離用絶縁膜104を形成した後、熱酸化法により、半導体基板101上に酸化膜106を形成する。その後、基板上にポリシリコン膜105を形成する。
【0010】
続いて、図10(b)に示すように、ポリシリコン膜105の全面上にレジスト膜を塗布し、リソグラフィー技術を用いて所定の形状にパターニングを行う。次に、このレジスト膜をマスクにしてポリシリコン膜105及び酸化膜106のエッチングを行った後、レジスト膜を除去し、ゲート絶縁膜106aとゲート電極105aとを形成する。
【0011】
次に、図10(c)に示すように、アンモニアを含む雰囲気中で基板を熱処理し、ゲート絶縁膜106aのうち、ゲート電極105aの下端部の下に位置する領域を窒化することにより窒素含有領域106aを形成する。なお、この際には、ゲート電極105aや半導体基板101の露出部分も窒化される(図示せず)。
【0012】
次いで、図11(a)に示すように、ゲート電極105aをマスクとして半導体基板101に砒素イオンを注入し、半導体基板101のうち、ゲート電極105aの両側下方に位置する領域にn型の低濃度不純物拡散領域102を形成する。
【0013】
次に、図11(b)に示すように、ゲート電極105aの側面上にサイドウォール108を形成する。図示しないが、その後、ゲート電極105a及びサイドウォール108をマスクとして半導体基板101に砒素イオンを注入し、n型の高濃度不純物拡散領域103を形成する。そして、基板に熱処理を加えることにより、図9に示す従来のMOSトランジスタが作製できる。
【0014】
一方、素子の微細化が進む近年においては、図12に示すような、いわゆるダブルサイドウォール構造を有するMOSトランジスタが広く用いられてきている。
【0015】
図12は、第2の従来例に係るMOSトランジスタの構造を示す断面図である。同図では、第1の従来例に係るMOSトランジスタと同様の部材または領域については同じ符号を使用している。
【0016】
図12に示すように、第2の従来例に係るMOSトランジスタは、P型シリコンからなる半導体基板101と、半導体基板101上に設けられたゲート絶縁膜106aと、ゲート絶縁膜106aの上に設けられたポリシリコンからなるゲート電極105aと、n型不純物を含み、半導体基板101のうちゲート電極105aの両側下方に位置する領域に設けられた高濃度不純物拡散領域103と、高濃度不純物拡散領域103よりも低濃度のn型不純物を含み、半導体基板101のうちゲート電極105aの両側下方に位置する領域に設けられた低濃度不純物拡散領域102と、ゲート電極105aの側面上に設けられたオフセットサイドウォール119と、オフセットサイドウォール119の側面上に設けられたサイドウォール118とを備えている。オフセットサイドウォール119は例えばシリコン酸化物からなり、サイドウォール118はシリコン窒化物からなっている。
【0017】
第2の従来例に係るMOSトランジスタでは、第1の従来例に比べてゲート電極105aと低濃度不純物拡散領域102とのオーバーラップ領域を小さくするために、サイドウォール118とオフセットサイドウォール119とが設けられている。このオーバーラップ領域が大きくなると、ゲート電極105aと半導体基板101との間の寄生容量が増大し、回路遅延の原因となる。このため、第2の従来例に係るMOSトランジスタでは寄生容量の低減が図られている。
【0018】
次に、第2の従来例に係るMOSトランジスタの製造方法について、簡単に説明する。
【0019】
図13(a)〜(c)及び図14(a),(b)は、第2の従来例に係るMOSトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【0020】
まず、図13(a)に示すように、P型の半導体基板101上に公知のトレンチ分離法により素子分離用絶縁膜104を形成した後に、基板の熱酸化により酸化膜106を形成する。次いで、酸化膜106上にポリシリコン膜105を形成する。
【0021】
次に、図13(b)に示すように、基板の上面全体にレジストを塗布し、リソグラフィー技術を用いて所定の形状にパターニングを行う。次に、このレジスト膜をマスクにしてポリシリコン膜105及び酸化膜106のエッチングを行い、不要となったレジストを除去することにより、ゲート電極105a及びゲート絶縁膜106aをそれぞれ形成する。
【0022】
次いで、図13(c)に示すように、ゲート電極105aの側面上に酸化シリコンからなるオフセットサイドウォール119を形成する。
【0023】
その後、図14(a)に示すように、ゲート電極105a及びオフセットサイドウォール119をマスクとして、半導体基板101に砒素イオンを注入し、n型不純物を含む低濃度不純物拡散領域102を形成する。
【0024】
次に、図14(b)に示すように、オフセットサイドウォール119の側面上にシリコン窒化膜などからなるサイドウォール118を形成する。これに続き、ゲート電極105a及びオフセットサイドウォール119及びサイドウォール118をマスクにして砒素イオンを注入し、n型の高濃度不純物拡散領域103を形成する(図示せず)。次いで、基板に熱処理を加えることにより、第2の従来例に係るMOSトランジスタが作製できる。
【0025】
【特許文献1】
特開平9−312393号公報(第1図、第3図〜第8図)
【0026】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、第2の従来例に係るMOSトランジスタは、ゲート電極105aと低濃度不純物拡散領域102との間の容量が小さくできるので、第1の従来例に比べて動作遅延が抑えられている。
【0027】
しかしながら、第2の従来例に係るMOSトランジスタにおいては、ゲート絶縁膜がシリコン酸化膜で構成されているので、ホットキャリアによる不具合は改善されていない。そこで、本願発明者らは、第1の従来例と同様にゲート絶縁膜106aのうち、ゲート電極105aの両下端の下に位置する領域に窒素を導入することを試みたが、ホットキャリアによるMOSトランジスタの性能劣化を十分に抑えることができなかった。
【0028】
本発明は上記の不具合を解決するためになされたものであり、動作遅延が抑えられ、且つホットキャリアによる特性劣化が抑制された、信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0029】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置は、半導体基板と、上記半導体基板上に設けられ、絶縁体からなるゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜上に設けられ、導電体からなるゲート電極と、上記ゲート電極及び上記ゲート絶縁膜の側面上に設けられ、窒素が導入された絶縁体からなる第1のサイドウォールと、第1のサイドウォールの側面上に設けられ、絶縁体からなる第2のサイドウォールと、上記半導体基板のうち、上記ゲート電極の両側下方に位置する領域に設けられ、第1導電型の不純物を含む第1の不純物拡散領域とを備えている。
【0030】
これにより、第1のサイドウォールに窒素が導入されているので、例えば第1のサイドウォールがシリコン酸化膜から構成される場合に比べ、動作中に生じるホットキャリアが第1のサイドウォール内にトラップされにくくなっている。このため、本発明の半導体装置は、ホットキャリアによるしきい値の変化や動作性能の劣化が抑えられ、信頼性が向上している。また、本発明の半導体装置はダブルサイドウォール構造を有しているので、ゲート電極と第1の不純物拡散領域との間に生じる寄生容量が低減されているので、回路遅延が抑えられている。
【0031】
上記第1のサイドウォールは、シリコン酸窒化膜からなっていることにより、ダブルサイドウォール構造を取る場合でも、ホットキャリアによる電気的特性の劣化を低減することができる。
【0032】
上記ゲート絶縁膜のうち少なくとも一部にシリコン酸窒化物からなる窒素含有領域が設けられていることにより、第1のサイドウォールにトラップされるホットキャリアだけでなく、ゲート絶縁膜にトラップされるホットキャリアも低減することができるので、半導体基板とゲート絶縁膜間に生じる界面準位の発生も抑えられる。そのため、この構成によれば、動作時にホットキャリアが生じた場合に、より電気的特性の劣化を受けにくくすることができる。
【0033】
上記ゲート絶縁膜のうち、上記第1の不純物拡散領域に接する両端部に上記窒素含有領域が設けられており、上記ゲート絶縁膜のうち、上記窒素含有領域以外の部分は、シリコン酸化膜からなっていることにより、ゲート絶縁膜の全域がシリコン酸化膜からなる構成に比べて、ホットキャリアによる性能劣化をより小さくすることができる。
【0034】
上記半導体基板のうち、上記第2のサイドウォールの両側下方であって上記第1の不純物拡散領域に隣接する位置に設けられ、上記第1の不純物拡散領域よりも高濃度で第1導電型の不純物を含む第2の不純物拡散領域をさらに備えていることにより、いわゆるLDD(lightly-doped drain)構造となるので、耐圧を向上させることができる。
【0035】
本発明の第1の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に設けられ、絶縁体からなるゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜上に設けられ、導電体からなるゲート電極とを形成する工程(a)と、上記工程(a)の後に、基板上の全面に上記ゲート電極の露出面上及び上記半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する工程(b)と、上記シリコン酸化膜をエッチングして、上記ゲート電極の側面上に第1のサイドウォールを形成する工程(c)と、上記第1のサイドウォール中に窒素を導入する工程(d)と、上記ゲート電極及び上記第1のサイドウォールをマスクとして上記半導体基板に第1導電型の不純物イオンを注入し、第1の不純物拡散領域を形成する工程(e)と、上記工程(d)及び(e)の後に、上記第1のサイドウォールの側面上に絶縁体からなる第2のサイドウォールを形成する工程(f)とを含んでいる。
【0036】
この方法により、工程(d)でシリコン酸化膜からなる第1のサイドウォールに窒素を導入するので、第1のサイドウォールでのキャリアのトラップが低減され、ホットキャリアによる影響を受けにくい半導体装置を製造することができる。
【0037】
上記工程(d)では、アンモニア雰囲気中で上記半導体基板を加熱することにより上記第1のサイドウォール中に窒素を導入するので、簡便に第1のサイドウォールに窒素を導入することができる。
【0038】
上記工程(d)では、窒素イオンの斜めイオン回転注入により上記第1のサイドウォールに窒素を導入する場合、所望の量の窒素を所望の場所に制御性よく導入することができる。
【0039】
上記工程(d)では、窒素ラジカルを含むプラズマ中に上記半導体基板をさらすことにより上記第1のサイドウォールに窒素を導入する場合、アンモニア雰囲気中で加熱する方法に比べて低温での処理が可能となるので、しきい値制御用に半導体基板に不純物が注入されている際などには、該不純物の拡散を抑えることができる。
【0040】
上記工程(a)の後、上記工程(b)の前に、上記ゲート絶縁膜の両端部に窒素を導入する工程をさらに含み、上記工程(a)で形成する上記ゲート絶縁膜はシリコン酸化膜からなっていることにより、ゲート絶縁膜の全域がシリコン酸化膜からなる構成に比べて、さらにホットキャリアによる性能の劣化を受けにくい半導体装置を製造することができる。
【0041】
上記工程(a)で形成する上記ゲート絶縁膜はシリコン酸化膜からなっており、上記工程(d)では、窒素イオンの斜めイオン回転注入により、上記第1のサイドウォールに窒素を導入すると同時に上記ゲート絶縁膜の両端部に窒素を導入する場合、より少ない工程でホットキャリアによる性能の劣化を受けにくい半導体装置を製造することができる。
【0042】
上記工程(f)の後に、上記ゲート電極,上記第1のサイドウォール及び上記第2のサイドウォールをマスクとして第1導電型の不純物イオンを上記半導体基板に注入し、上記第1の不純物拡散領域よりも高濃度の不純物イオンを含む第2の不純物拡散領域を形成することにより、耐圧性を向上させたLDD構造を有する半導体装置を製造することができる。
【0043】
本発明の第2の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に設けられ、絶縁体からなるゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜上に設けられ、導電体からなるゲート電極とを形成する工程(a)と、上記工程(a)の後に、基板上の全面に上記ゲート電極の露出面上及び上記半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する工程(b)と、上記シリコン酸化膜に窒素を導入し、窒素含有酸化膜を形成する工程(c)と、上記窒素含有酸化膜をエッチングして、上記ゲート電極の側面上に第1のサイドウォールを形成する工程(d)と、上記ゲート電極及び上記第1のサイドウォールをマスクとして上記半導体基板に第1導電型の不純物イオンを注入し、第1の不純物拡散領域を形成する工程(e)と、上記工程(e)の後に、上記第1のサイドウォールの側面上に絶縁体からなる第2のサイドウォールを形成する工程(f)とを含んでいる。
【0044】
この方法により、工程(c)でシリコン酸化膜に窒素が導入されるので、第1のサイドウォールの構成材料を窒素含有酸化膜とすることができ、ホットキャリアによる影響を受けにくい半導体装置を製造することができる。
【0045】
上記工程(c)では、アンモニア雰囲気中で上記半導体基板を加熱することにより上記シリコン酸化膜に窒素を導入してもよい。
【0046】
上記工程(c)では、窒素イオンの斜めイオン回転注入により上記シリコン酸化膜に窒素を導入してもよい。
【0047】
また、上記工程(c)では、窒素ラジカルを含むプラズマ中に上記半導体基板をさらすことにより上記シリコン酸化膜に窒素を導入してもよい。
【0048】
上記工程(a)の後、上記工程(b)の前に、上記ゲート絶縁膜の両端部に窒素を導入する工程をさらに含み、上記工程(a)で形成する上記ゲート絶縁膜はシリコン酸化膜からなっていることにより、さらにホットキャリアによる性能の劣化を受けにくい半導体装置を製造することができる。
【0049】
上記工程(a)で形成する上記ゲート絶縁膜はシリコン酸化膜からなっており、上記工程(c)では、窒素イオンの斜めイオン回転注入により、上記第1のサイドウォールに窒素を導入すると同時に上記ゲート絶縁膜の両端部に窒素を導入する場合、より少ない工程でホットキャリアによる性能の劣化を受けにくい半導体装置を製造することができる。
【0050】
上記工程(f)の後に、上記ゲート電極,上記第1のサイドウォール及び上記第2のサイドウォールをマスクとして第1導電型の不純物イオンを上記半導体基板に注入し、上記第1の不純物拡散領域よりも高濃度の不純物イオンを含む第2の不純物拡散領域を形成することにより、耐圧性を向上させたLDD構造を有する半導体装置を製造することができる。
【0051】
【発明の実態の形態】
−不具合の原因についての検討−
まず、本願発明者らは、図12に示す第2の従来例において、ホットキャリアによる特性劣化が生じやすくなる原因について調べた。その結果、第2の従来例に係るMOSトランジスタにおいては、ホットキャリアがオフセットサイドウォール119の下部にトラップされることによって、半導体基板101とオフセットサイドウォール119との間に界面準位が発生し、電気的特性が劣化することが分かった。これは、オフセットサイドウォール119が酸化シリコンから構成されているために生じると考えられる。そこで、本願発明者らは、オフセットサイドウォール119にトラップされるキャリアを低減する手段を考え、本発明に想到した。
【0052】
以下、図を参照して、本発明の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について説明する。
【0053】
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るMOSトランジスタの構造を示す断面図である。本実施形態のMOSトランジスタの特徴は、オフセットサイドウォール9aとサイドウォール8のダブルサイドウォール構造を有し、オフセットサイドウォール9aに窒素が導入されていることである。
【0054】
すなわち、図1に示すように、本実施形態のMOSトランジスタは、活性領域を有し、P型シリコンからなる半導体基板1と、半導体基板1の活性領域上に設けられた厚さ3nmのゲート絶縁膜6aと、ゲート絶縁膜6a上に設けられたポリシリコンからなるゲート電極5aと、半導体基板1上に設けられ、且つゲート電極5a及びゲート絶縁膜6aの側面上に形成されたオフセットサイドウォール9aと、半導体基板1上に設けられ、オフセットサイドウォール9aの側面上に形成されたサイドウォール8とを備えている。また、半導体基板1のうち、ゲート電極5aの両側方に位置する領域には、例えば5×1018cm-3程度の低濃度でN型不純物を含む低濃度不純物拡散領域2と、低濃度不純物拡散領域2と接し、例えば5×1020cm-3程度の高濃度でN型不純物を含む高濃度不純物拡散領域3とがそれぞれ設けられている。そして、活性領域は、素子分離用絶縁膜4に囲まれている。
【0055】
また、オフセットサイドウォール9aは約10nmの厚み(ゲート長方向の幅)を有し、窒素を含有した酸化膜(窒素含有酸化膜)からなっている。一方、サイドウォール8は例えばシリコン窒化膜からなっている。
【0056】
上述のように、本実施形態のMOSトランジスタは、窒素含有酸化膜からなるオフセットサイドウォール9aを有しているので、第2の従来例に係るMOSトランジスタに比べ、ホットキャリアがオフセットサイドウォール9a中にトラップされにくくなっている。従って、本実施形態のMOSトランジスタでは、ホットキャリアによるしきい値の変動や電流駆動特性の変化などを受けにくく、信頼性の向上が図られている。
【0057】
加えて、本実施形態のMOSトランジスタは、第2の従来例に係るMOSトランジスタと同様に低濃度不純物拡散領域2とゲート電極5aとのオーバーラップが小さくなっているので、第1の従来例と比べて動作速度が向上している。
【0058】
次に、本実施形態のMOSトランジスタの製造方法について、図を用いて説明する。
【0059】
図2(a)〜(d)及び図3(a)〜(c)は、本実施形態のMOSトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【0060】
まず、図2(a)に示すように、P型の半導体基板1上に公知のトレンチ分離法により素子分離用絶縁膜4を形成後、熱酸化により半導体基板1上に酸化膜6を形成する。その後、基板上に厚さ160nm程度のポリシリコン膜5を形成する。
【0061】
次に、図2(b)に示すように、ポリシリコン膜5の上面全体にレジスト(図示せず)を塗布し、リソグラフィー技術を用いて所定の形状にパターニングを行う。次に、このレジスト膜をマスクにしてポリシリコン膜5及び酸化膜6のエッチングを行い、不要となったレジストを除去して、ゲート電極5a及びゲート絶縁膜6aをそれぞれ形成する。
【0062】
次に、図2(c)に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によって基板上に厚さ約14nmのシリコン酸化膜9を形成する。なお、ここで堆積するシリコン酸化膜9は、例えば高温で堆積したHTO膜(High temperature oxcide)である。
【0063】
次いで、図2(d)に示すように、酸化膜9をエッチバックすることにより、ゲート電極5a及びゲート絶縁膜6aの側面上に酸化膜からなるオフセットサイドウォール9Aを残す。ここで、オフセットサイドウォール9Aの幅は、約10nmとなる。
【0064】
次に、図3(a)に示すように、アンモニア(NH3)を含む雰囲気中、600℃以上900℃以下の温度で基板を熱処理する。これにより、酸化膜からなるオフセットサイドウォール9Aに窒素が導入され、窒素含有酸化膜からなるオフセットサイドウォール9aとなる。なお、本工程では、半導体基板1の露出部及びゲート電極5aの露出部にも窒素が導入されるが、発明の本質ではないので図示していない。
【0065】
次に、図3(b)に示すように、ゲート電極5a及びオフセットサイドウォール9aをマスクとして半導体基板1に砒素イオンなどのN型不純物イオンを注入し、低濃度不純物拡散領域2を形成する。ここでは、オフセットサイドウォール9aの厚みの分、上面から見た場合の低濃度不純物拡散領域2とゲート電極5aとのオーバーラップが小さくなっている。
【0066】
続いて、図3(c)に示すように、基板全体に厚さ約60nmのシリコン窒化膜を堆積後、該シリコン窒化膜をエッチバックすることにより、オフセットサイドウォール9aの側面上にサイドウォール8を形成する。その後、ゲート電極5a,オフセットサイドウォール9a及びサイドウォール8をマスクとして砒素イオンを注入し、高濃度不純物拡散領域3を形成する(図示せず)。これに続いて、基板に熱処理を加えることにより、図1に示す本実施形態のMOSトランジスタが作製できる。
【0067】
本実施形態のMOSトランジスタの製造方法では、酸化膜からなるオフセットサイドウォール9Aを形成した後に、図3(a)に示す工程で、窒素を導入することによって窒素含有酸化膜からなるオフセットサイドウォール9aにしている。この方法をとるのは、シリコン酸窒化膜を直接CVD法などで堆積するのが困難であるためである。
【0068】
また、上述の方法では、オフセットサイドウォール9Aへの窒素の導入を酸化膜9のエッチバック後に行っているが、図2(c)に示す酸化膜9の形成工程の後、酸化膜9のエッチバック前に行ってもよい。この場合には、半導体基板1の露出部やゲート電極5aの上面部に窒化膜が形成されることはない。ただし、酸化膜9のエッチバック後に窒素を導入する方法の方が、酸化膜9のエッチングを制御性良く行なうことができるので好ましい。
【0069】
なお、以上の説明では、N型のMOSトランジスタの場合についてのみ示したが、P型のMOSトランジスタの場合にも、同様の工程により窒素含有酸化膜からなるオフセットサイドウォールを形成することができる。
【0070】
また、本実施形態では、MOSFETを用いて説明したが、フラッシュEEPROMでも上述と同様な方法でダブルサイドウォール構造を形成すれば、同様な効果を得ることができる。
【0071】
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係るMOSトランジスタの製造方法について以下に説明する。
【0072】
本実施形態のMOSトランジスタの製造方法は、オフセットサイドウォール9Aへの窒素の導入工程のみ第1の実施形態の方法と異なり、それ以外の工程は第1の実施形態の方法と同じである。
【0073】
すなわち、図2(a)に示すように、P型の半導体基板1上に公知のトレンチ分離法により素子分離用絶縁膜4を形成後、熱酸化により半導体基板1上に酸化膜6を形成する。その後、基板上にポリシリコン膜5を形成する。
【0074】
次に、図2(b)に示すように、ポリシリコン膜5の上面全体にレジスト(図示せず)を塗布し、リソグラフィー技術を用いて所定の形状にパターニングを行う。次に、このレジスト膜をマスクにしてポリシリコン膜5及び酸化膜6のエッチングを行い、不要となったレジストを除去して、ゲート電極5a及びゲート絶縁膜6aをそれぞれ形成する。
【0075】
次に、図2(c)に示すように、CVD法によって基板上にHTOからなる酸化膜9を形成する。
【0076】
次いで、図2(d)に示すように、酸化膜9をエッチバックすることにより、ゲート電極5a及びゲート絶縁膜6aの側面上にオフセットサイドウォール9Aを残す。
【0077】
次に、オフセットサイドウォール9Aに窒素を導入する。
【0078】
図4は、本実施形態のMOSトランジスタの製造方法における、斜めイオン注入工程を示す断面図である。
【0079】
同図に示す工程では、基板に対して3度以上45度以下傾けた位置から、基板を回転させながら窒素イオンを注入する。これによって、オフセットサイドウォール9Aに窒素が導入される。この際の窒素イオンの注入量は5×1014cm-2以上1×1016cm-2以下とするのが好ましく、注入エネルギーは5keV以上20keV以下とするのが好ましい。これにより、オフセットサイドウォール9Aを構成する酸化膜に窒素が導入されて、窒素含有酸化膜からなオフセットサイドウォール9aとなる。ここで、注入エネルギーを大きくする場合には、後に説明するように、ゲート絶縁膜6aの両端部にも窒素イオンが注入される。
【0080】
なお、本工程の後、図3(b),(c)に示すように、N型イオンの注入による低濃度不純物拡散領域2の形成工程、シリコン窒化膜からなるサイドウォール8の形成工程、高濃度不純物拡散領域3の形成工程及び熱処理による不純物の活性化工程を順に経て本実施形態のMOSトランジスタ(第1の実施形態のMOSトランジスタ)が作製される。なお、高濃度不純物拡散領域3を形成後の熱処理は、オフセットサイドウォール9aに導入された窒素に対する熱処理も兼ねている。
【0081】
以上の窒素注入によって形成した窒素含有酸化膜からなるオフセットサイドウォール9aの場合でも、第1の実施形態の方法と同様に、ホットキャリアのオフセットサイドウォール9aへのトラップによる電気的特性の変化が抑えられた信頼性の高いMOSトランジスタを作製することができる。
【0082】
特に、本実施形態のMOSトランジスタの製造方法では、イオン注入によりオフセットサイドウォール9Aに窒素を導入するので、導入する窒素量の制御が容易になっている。また、オフセットサイドウォール9Aの膜厚に合わせて注入エネルギーを調節できるので、オフセットサイドウォール9a膜中の窒素プロファイルを任意に制御できる。なお、窒素イオンの注入エネルギーをより大きくすることで、オフセットサイドウォール9aだけでなくゲート絶縁膜6aの両端部にも同時に窒素を導入することができる。
【0083】
また、上述の説明において、図4に示す窒素イオンの注入工程で形成するレジストマスクを図3(b)に示す低濃度不純物拡散領域2の形成工程でも利用することができる。これにより、別々にマスクを形成する場合に比べ、工程数を減らすことができる。また、所定の領域にレジストをパターニングする工程をイオン注入の前に追加するだけで、例えばNMOS領域のみ、例えばI/O領域(入出力回路領域)のみのオフセットサイドウォールに窒素を含有させることができる。
【0084】
なお、本実施形態の方法においても、窒素イオンの注入工程を、酸化膜9の形成後、該酸化膜9のエッチバック前に行ってもよい。ただし、酸化膜9のエッチバック後に窒素を導入する方法の方が、酸化膜9のエッチングを制御性良く行なうことができるのでより好ましい。
【0085】
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態として、第1の実施形態のMOSトランジスタのさらに別の製造方法について説明する。
【0086】
本実施形態のMOSトランジスタの製造方法では、オフセットサイドウォール9aへの窒素導入をプラズマ窒化で行い、それ以外の工程は、第1及び第2の実施形態の方法と同様である。
【0087】
すなわち、図2(a)に示すように、P型の半導体基板1上に公知のトレンチ分離法により素子分離用絶縁膜4を形成後、熱酸化により半導体基板1上に酸化膜6を形成する。その後、基板上にポリシリコン膜5を形成する。
【0088】
次に、図2(b)に示すように、ポリシリコン膜5の上面全体にレジスト(図示せず)を塗布し、リソグラフィー技術を用いて所定の形状にパターニングを行う。次に、このレジスト膜をマスクにしてポリシリコン膜5及び酸化膜6のエッチングを行い、不要となったレジストを除去して、ゲート電極5a及びゲート絶縁膜6aをそれぞれ形成する。
【0089】
次に、図2(c)に示すように、CVD法によって基板上にHTOからなる酸化膜9を形成する。
【0090】
次いで、図2(d)に示すように、酸化膜9をエッチバックすることにより、ゲート電極5a及びゲート絶縁膜6aの側面上にオフセットサイドウォール9Aを残す。
【0091】
次に、オフセットサイドウォール9Aに窒素を導入する。
【0092】
図5は、本実施形態のMOSトランジスタの製造方法における、プラズマ窒化工程を示す断面図である。
【0093】
本工程では、図5に示すように、窒素ラジカルを含むプラズマ中に基板をさらすことにより、オフセットサイドウォール9Aを窒化する。この際には、例えば、圧力を約1.27Pa(950mTorr)、温度を200℃以上400℃以下、処理時間を20secとすることが好ましい。また、アルゴン(Ar)ガスと窒素(N2)ガスの流量は、それぞれ2.0×103ml/minと1.5×102ml/minとし、パワーは1.5kWとするのが好ましい。本工程では、反応性の高い窒素プラズマによってオフセットサイドウォール9Aの側面を含む基板の表面から急速に窒化が進む。
【0094】
なお、本工程の後、図3(b),(c)に示すように、N型イオンの注入による低濃度不純物拡散領域2の形成工程、シリコン窒化膜からなるサイドウォール8の形成工程、高濃度不純物拡散領域3の形成工程及び熱処理による不純物の活性化工程を順に経て本実施形態のMOSトランジスタ(第1の実施形態のMOSトランジスタ)が作製される。
【0095】
以上のプラズマ窒化によって形成した窒素含有酸化膜からなるオフセットサイドウォール9aの場合でも、ホットキャリアのオフセットサイドウォール9aへのトラップによる電気的特性の変化が抑えられた信頼性の高いMOSトランジスタを作製することができる。
【0096】
これに加え、本実施形態の方法によれば、プラズマ窒化を行なうことで、第1の実施形態の方法に比べ、低温でオフセットサイドウォール9aに窒素を導入することができるので、半導体基板1内に注入されたしきい値制御用不純物などの拡散を防止することができる。
【0097】
(第4の実施形態)
本発明の第4の実施形態として、オフセットサイドウォールだけでなくゲート絶縁膜の両端部にも窒素が導入されたMOSトランジスタ及びその製造方法を説明する。
【0098】
図6は、本発明の第4の実施形態に係るMOSトランジスタの構造を示す断面図である。
【0099】
同図に示すように、本実施形態のMOSトランジスタは、活性領域を有し、P型シリコンからなる半導体基板1と、半導体基板1の活性領域上に設けられた厚さ3nmのゲート絶縁膜6aと、ゲート絶縁膜6a上に設けられたポリシリコンからなるゲート電極5aと、半導体基板1上に設けられ、且つゲート電極5a及びゲート絶縁膜6aの側面上に形成されたオフセットサイドウォール9aと、半導体基板1上に設けられ、オフセットサイドウォール9aの側面上に形成されたサイドウォール8とを備えている。また、半導体基板1のうち、ゲート電極5aの両側方に位置する領域には、例えば5×1018cm-3程度の低濃度でN型不純物を含む低濃度不純物拡散領域2と、低濃度不純物拡散領域2と接し、例えば5×1020cm-3程度の高濃度でN型不純物を含む高濃度不純物拡散領域3とがそれぞれ設けられている。そして、活性領域は、素子分離用絶縁膜4に囲まれている。また、オフセットサイドウォール9aは約10nmの厚みを有し、窒素含有酸化膜からなっている。
【0100】
そして、本実施形態のMOSトランジスタにおいては、ゲート絶縁膜6aのうち両端部、すなわち低濃度不純物拡散領域2と接する部分に窒素含有領域6bが設けられ、ゲート絶縁膜6aのそれ以外の部分はシリコン酸化膜からなっている。
【0101】
このため、本実施形態のMOSトランジスタでは、ホットキャリアがオフセットサイドウォール9aだけでなくゲート絶縁膜6aの両端部にもトラップされにくくなっている。そのため、本実施形態のMOSトランジスタでは、ホットキャリアが生じた場合の電気的特性の劣化が第1の実施形態のMOSトランジスタに比べてさらに効果的に低減されている。
【0102】
次に、本実施形態のMOSトランジスタの製造方法について説明する。
【0103】
図7(a)〜(d)及び図8(a)〜(d)は、本実施形態のMOSトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【0104】
まず、図7(a)に示すように、P型の半導体基板1上に公知のトレンチ分離法により素子分離用絶縁膜4を形成後、熱酸化により半導体基板1上に酸化膜6を形成する。その後、基板上に厚さ160nm程度のポリシリコン膜5を形成する。
【0105】
次に、図7(b)に示すように、ポリシリコン膜5の上面全体にレジスト(図示せず)を塗布し、リソグラフィー技術を用いて所定の形状にパターニングを行う。次に、このレジスト膜をマスクにしてポリシリコン膜5及び酸化膜6のエッチングを行い、不要となったレジストを除去して、ゲート電極5a及びゲート絶縁膜6aをそれぞれ形成する。ここまでの工程は第1の実施形態と同様である。
【0106】
次に、図7(c)に示すように、アンモニア雰囲気中で基板を熱処理してゲート絶縁膜6aの両端部に窒素を導入し、窒素含有領域6bを形成する。ただし、この方法に代えて、プラズマ窒化や窒素イオンの注入などの窒素導入法を用いてもよい。
【0107】
続いて、図7(d)に示すように、CVD法によって基板上に厚さ約14nmの酸化膜9を形成する。
【0108】
次いで、図8(a)に示すように、酸化膜9をエッチバックすることにより、ゲート電極5a及びゲート絶縁膜6aの側面上にオフセットサイドウォール9Aを残す。
【0109】
次に、図8(b)に示すように、オフセットサイドウォール9Aに窒素を導入する。ここで、窒素の導入方法としては、第1〜第3の実施形態で説明したいずれの方法を用いてもよい。すなわち、アンモニア雰囲気中での熱処理、窒素イオンの斜めイオン注入及び窒素プラズマ処理のいずれを用いてもよい。これにより、オフセットサイドウォール9Aに窒素が導入され、窒素含有酸化膜からなるオフセットサイドウォール9aとなる。
【0110】
次いで、図8(c)に示すように、ゲート電極5a及びオフセットサイドウォール9aをマスクとして半導体基板1に砒素イオンなどのN型不純物イオンを注入し、低濃度不純物拡散領域2を形成する。
【0111】
次に、図8(d)に示すように、基板全体に厚さ約60nmのシリコン窒化膜を堆積後、該シリコン窒化膜をエッチバックすることにより、オフセットサイドウォール9aの側面上にサイドウォール8を形成する。その後、ゲート電極5a,オフセットサイドウォール9a及びサイドウォール8をマスクとして砒素イオンを注入し、高濃度不純物拡散領域3を形成する(図示せず)。これに続いて、基板に熱処理を加えることにより、図6に示す本実施形態のMOSトランジスタが作製できる。
【0112】
なお、上述の説明では、ゲート絶縁膜6aの両端部に窒素を導入する工程とオフセットサイドウォール9aに窒素を導入する工程とを別々に行う例を示したが、斜めイオン注入回転法を用いる場合には、両工程を同時に行なうことができる。その場合には、図7(c)に示す工程を行わず、図8(b)に示す工程においてゲート絶縁膜9aの端部に到達できるだけのエネルギーで窒素イオンを注入すればよい。この際には、注入エネルギーを20keV程度とし、基板に対して3度以上45度以下傾けた位置から注入する。
この方法によれば、より少ない工程で本実施形態のMOSトランジスタを製造することが可能となる。
【0113】
また、本実施形態のMOSトランジスタでは、ゲート絶縁膜6aのうち端部に窒素含有領域6bが設けられていたが、ゲート絶縁膜6a全体に窒素を含むシリコン酸窒化膜からなる窒素含有領域6bであってもよい。このようなMOS(MIS)トランジスタにおいては、ホットキャリアによる性能の低下はより低減される。なお、図7(c)に示す工程を行う代わりに、図7(a)に示す工程において、酸化膜6の形成後、ポリシリコン膜5の形成前に窒素を導入する工程を行なうこと等によりこのMISトランジスタを作製できる。
【0114】
【発明の効果】
本発明の第1の半導体装置は、ゲート電極の側面を覆うオフセットサイドウォールと、オフセットサイドウォールの側面上に設けられたサイドウォールとを備えたMOSトランジスタであって、オフセットサイドウォールに窒素が導入されている。そのため、オフセットサイドウォールにキャリアがトラップされにくくなっているので、ホットキャリアの注入による電気的特性の劣化が低減することができる。
【0115】
本発明の第2の半導体装置は、ゲート電極の側面を覆うオフセットサイドウォールと、オフセットサイドウォールの側面上に設けられたサイドウォールとを備えたMOSトランジスタであって、オフセットサイドウォール及びゲート絶縁膜の両端部に窒素が導入されている。これにより、オフセットサイドウォールだけでなく、ゲート絶縁膜の両端部にキャリアがトラップされにくくなっているので、ホットキャリアの注入による電気的特性の劣化をより効果的に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係るMOSトランジスタの構造を示す断面図である。
【図2】(a)〜(d)は、本発明の第1の実施形態に係るMOSトランジスタの製造工程のうち、オフセットサイドウォールを形成するまでの工程を示す断面図である。
【図3】(a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態に係るMOSトランジスタの製造工程のうち、サイドウォールを形成するまでの工程を示す断面図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係るMOSトランジスタの製造方法における、斜めイオン注入工程を示す断面図である。
【図5】本発明の第3の実施形態に係るMOSトランジスタの製造方法における、プラズマ窒化工程を示す断面図である。
【図6】本発明の第4の実施形態に係るMOSトランジスタの構造を示す断面図である。
【図7】(a)〜(d)は、第4の実施形態に係るMOSトランジスタの製造工程のうち、酸化膜を形成する工程までを示す断面図である。
【図8】(a)〜(d)は、第4の実施形態に係るMOSトランジスタの製造工程のうち、サイドウォールを形成するまでの工程を示す断面図である。
【図9】第1の従来例に係るMOSトランジスタの構造を示す断面図である。
【図10】(a)〜(c)は、第1の従来例に係るMOSトランジスタの製造工程のうち、ゲート絶縁膜に窒素を導入するまでを示す断面図である。
【図11】(a),(b)は、第1の従来例に係るMOSトランジスタの製造工程のうち、サイドウォールを形成するまでを示す断面図である。
【図12】第2の従来例に係るMOSトランジスタの構造を示す断面図である。
【図13】(a)〜(c)は、第2の従来例に係るMOSトランジスタの製造工程のうち、オフセットサイドウォールを形成するまでを示す断面図である。
【図14】(a),(b)は、第2の従来例に係るMOSトランジスタの製造工程のうち、サイドウォールを形成するまでを示す断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 低濃度不純物拡散領域
3 高濃度不純物拡散領域
4 素子分離用絶縁膜
5 ポリシリコン膜
5a ゲート電極
6 酸化膜
6a ゲート絶縁膜
6b 窒素導入領域
8 サイドウォール
9 酸化膜
9A オフセットサイドウォール(酸化膜)
9a オフセットサイドウォール(窒素含有酸化膜)
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a MOS transistor having a double sidewall structure and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
One of the factors that lower the reliability of MOS transistors due to miniaturization is injection of hot carriers into the gate insulating film. As the size of the semiconductor device decreases, the electric field in the direction along the channel region between the source and the drain increases, and carriers existing in the channel region are accelerated by the electric field to have high energy. Such a carrier is called a hot carrier. Since the hot carriers have high energy, they are easily injected into the gate insulating film of the MOS transistor over the energy barrier at the interface between the semiconductor substrate and the gate insulating film. The carriers injected into the gate insulating film are trapped in the gate insulating film or generate an interface state to change the threshold voltage of the semiconductor, thereby lowering the current driving capability of the MOS transistor.
[0003]
Hereinafter, a semiconductor device in which reliability is improved by such hot carriers will be described (for example, see Patent Document 1).
[0004]
FIG. 9 is a sectional view showing the structure of a MOS transistor according to a first conventional example.
[0005]
As shown in FIG. 1, a conventional MOS transistor includes a semiconductor substrate 101 made of P-type silicon, a gate insulating film 106a made of silicon oxide provided on the semiconductor substrate 101, and a gate insulating film 106a made of polysilicon. A gate electrode 105a provided thereon, a sidewall 108 formed of an insulating film provided on a side surface of the gate electrode 105a, and an n-type provided in a region of the semiconductor substrate 101 located on both sides of the gate electrode 105a. A high-concentration impurity diffusion region 103 containing impurities and an n-type semiconductor layer provided in a region of the semiconductor substrate 101 in contact with the high-concentration impurity diffusion region 103 and the end of the gate insulating film 106a and having a lower concentration than the high-concentration impurity diffusion region 103. Low-concentration impurity diffusion region 102 containing a p-type impurity, and gate electrode 105 And a nitrogen-containing region 106b provided in a region located under both the lower end of the. The active region of the semiconductor substrate 101 is surrounded by the isolation insulating film 104.
[0006]
A feature of the MOS transistor according to the first conventional example is that a nitrogen-containing region 106b is provided in the gate insulating film 106a. During the operation of the MOS transistor, an electric field is concentrated in a region of the gate insulating film located below the lower end of the gate electrode, so that hot carriers are easily generated. Therefore, by introducing nitrogen into a region where an electric field is likely to be concentrated, hot carriers can be prevented from being trapped in the gate insulating film 106a. As described above, in the MOS transistor according to the first conventional example, the hot carrier resistance is improved.
[0007]
Next, a method of manufacturing the MOS transistor according to the first conventional example will be briefly described.
[0008]
FIGS. 10A to 10C and FIGS. 11A and 11B are cross-sectional views showing a process for manufacturing a MOS transistor according to a first conventional example.
[0009]
First, as shown in FIG. 10A, an isolation insulating film 104 is formed on a P-type semiconductor substrate 101 by a normal trench isolation method, and then an oxide film 106 is formed on the semiconductor substrate 101 by a thermal oxidation method. To form After that, a polysilicon film 105 is formed on the substrate.
[0010]
Subsequently, as shown in FIG. 10B, a resist film is applied on the entire surface of the polysilicon film 105, and is patterned into a predetermined shape using a lithography technique. Next, after the polysilicon film 105 and the oxide film 106 are etched using this resist film as a mask, the resist film is removed, and a gate insulating film 106a and a gate electrode 105a are formed.
[0011]
Next, as shown in FIG. 10C, the substrate is heat-treated in an atmosphere containing ammonia, and a region of the gate insulating film 106a located under the lower end portion of the gate electrode 105a is nitrided to contain nitrogen. The region 106a is formed. At this time, the exposed portions of the gate electrode 105a and the semiconductor substrate 101 are also nitrided (not shown).
[0012]
Then, as shown in FIG. 11A, arsenic ions are implanted into the semiconductor substrate 101 using the gate electrode 105a as a mask, and an n-type low-concentration An impurity diffusion region 102 is formed.
[0013]
Next, as shown in FIG. 11B, a sidewall 108 is formed on a side surface of the gate electrode 105a. Although not shown, after that, arsenic ions are implanted into the semiconductor substrate 101 using the gate electrode 105a and the sidewalls 108 as a mask to form an n-type high-concentration impurity diffusion region 103. Then, by applying heat treatment to the substrate, the conventional MOS transistor shown in FIG. 9 can be manufactured.
[0014]
On the other hand, in recent years, as elements have been miniaturized, MOS transistors having a so-called double sidewall structure as shown in FIG. 12 have been widely used.
[0015]
FIG. 12 is a sectional view showing a structure of a MOS transistor according to a second conventional example. In the figure, the same reference numerals are used for members or regions similar to those of the MOS transistor according to the first conventional example.
[0016]
As shown in FIG. 12, a MOS transistor according to a second conventional example includes a semiconductor substrate 101 made of P-type silicon, a gate insulating film 106a provided on the semiconductor substrate 101, and a gate insulating film 106a provided on the gate insulating film 106a. A high concentration impurity diffusion region 103 provided in a region of the semiconductor substrate 101 which is located below both sides of the gate electrode 105a and contains a high concentration impurity diffusion region 103. A low-concentration impurity diffusion region 102 provided in a region of the semiconductor substrate 101 which is lower than both sides of the gate electrode 105a and contains an n-type impurity at a lower concentration, and an offset side provided on a side surface of the gate electrode 105a. The wall 119 and the side wall 118 provided on the side surface of the offset side wall 119 Eteiru. The offset sidewall 119 is made of, for example, silicon oxide, and the sidewall 118 is made of silicon nitride.
[0017]
In the MOS transistor according to the second conventional example, the side wall 118 and the offset side wall 119 are formed to reduce the overlap region between the gate electrode 105a and the low concentration impurity diffusion region 102 as compared with the first conventional example. Is provided. When the overlap region increases, the parasitic capacitance between the gate electrode 105a and the semiconductor substrate 101 increases, causing a circuit delay. For this reason, the parasitic capacitance is reduced in the MOS transistor according to the second conventional example.
[0018]
Next, a method of manufacturing the MOS transistor according to the second conventional example will be briefly described.
[0019]
FIGS. 13A to 13C and FIGS. 14A and 14B are cross-sectional views showing a process for manufacturing a MOS transistor according to a second conventional example.
[0020]
First, as shown in FIG. 13A, an insulating film 104 for element isolation is formed on a P-type semiconductor substrate 101 by a known trench isolation method, and then an oxide film 106 is formed by thermal oxidation of the substrate. Next, a polysilicon film 105 is formed on the oxide film 106.
[0021]
Next, as shown in FIG. 13B, a resist is applied to the entire upper surface of the substrate, and is patterned into a predetermined shape using lithography. Next, the polysilicon film 105 and the oxide film 106 are etched using the resist film as a mask, and the unnecessary resist is removed, thereby forming the gate electrode 105a and the gate insulating film 106a, respectively.
[0022]
Next, as shown in FIG. 13C, an offset sidewall 119 made of silicon oxide is formed on the side surface of the gate electrode 105a.
[0023]
Thereafter, as shown in FIG. 14A, arsenic ions are implanted into the semiconductor substrate 101 using the gate electrode 105a and the offset side walls 119 as a mask, thereby forming a low-concentration impurity diffusion region 102 containing an n-type impurity.
[0024]
Next, as shown in FIG. 14B, a side wall 118 made of a silicon nitride film or the like is formed on the side surface of the offset side wall 119. Subsequently, arsenic ions are implanted using the gate electrode 105a, the offset sidewalls 119, and the sidewalls 118 as masks to form n-type high-concentration impurity diffusion regions 103 (not shown). Next, by subjecting the substrate to heat treatment, a MOS transistor according to the second conventional example can be manufactured.
[0025]
[Patent Document 1]
JP-A-9-313393 (FIG. 1, FIG. 3 to FIG. 8)
[0026]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the MOS transistor according to the second conventional example, the capacitance between the gate electrode 105a and the low-concentration impurity diffusion region 102 can be reduced, so that the operation delay is suppressed as compared with the first conventional example. I have.
[0027]
However, in the MOS transistor according to the second conventional example, since the gate insulating film is formed of the silicon oxide film, the problem caused by hot carriers is not improved. Therefore, the inventors of the present application tried to introduce nitrogen into a region located under both lower ends of the gate electrode 105a in the gate insulating film 106a as in the first conventional example. The performance degradation of the transistor could not be sufficiently suppressed.
[0028]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device in which operation delay is suppressed and characteristic deterioration due to hot carriers is suppressed, and a method for manufacturing the same. And
[0029]
[Means for Solving the Problems]
The semiconductor device of the present invention includes a semiconductor substrate, a gate insulating film provided on the semiconductor substrate and made of an insulator, a gate electrode made of a conductor provided on the gate insulating film, and the gate electrode and the gate electrode. A first sidewall provided on a side surface of the gate insulating film and made of an insulator into which nitrogen is introduced; a second sidewall provided on a side surface of the first sidewall and made of an insulator; The semiconductor substrate includes a first impurity diffusion region provided in a region located below both sides of the gate electrode and containing a first conductivity type impurity.
[0030]
Thus, since nitrogen is introduced into the first sidewall, hot carriers generated during operation are trapped in the first sidewall, for example, as compared with the case where the first sidewall is formed of a silicon oxide film. It is hard to be done. Therefore, in the semiconductor device of the present invention, a change in threshold value and a deterioration in operation performance due to hot carriers are suppressed, and the reliability is improved. Further, since the semiconductor device of the present invention has a double sidewall structure, parasitic capacitance generated between the gate electrode and the first impurity diffusion region is reduced, so that circuit delay is suppressed.
[0031]
Since the first sidewall is made of the silicon oxynitride film, even when a double sidewall structure is adopted, deterioration of electrical characteristics due to hot carriers can be reduced.
[0032]
Since the nitrogen-containing region made of silicon oxynitride is provided in at least a part of the gate insulating film, not only the hot carriers trapped in the first sidewall but also the hot carriers trapped in the gate insulating film are formed. Since carriers can also be reduced, the generation of interface states generated between the semiconductor substrate and the gate insulating film can be suppressed. Therefore, according to this configuration, when hot carriers are generated during operation, it is possible to make the electrical characteristics less susceptible to deterioration.
[0033]
The nitrogen-containing region is provided at both ends of the gate insulating film in contact with the first impurity diffusion region, and a portion of the gate insulating film other than the nitrogen-containing region is formed of a silicon oxide film. By doing so, performance degradation due to hot carriers can be reduced as compared with a configuration in which the entire region of the gate insulating film is formed of a silicon oxide film.
[0034]
The semiconductor substrate is provided at a position below both sides of the second sidewall and adjacent to the first impurity diffusion region, and is higher in concentration than the first impurity diffusion region and of the first conductivity type. By further providing the second impurity diffusion region containing impurities, a so-called lightly-doped drain (LDD) structure is provided, so that the withstand voltage can be improved.
[0035]
According to a first method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming a gate insulating film provided on a semiconductor substrate and made of an insulator and a gate electrode provided on the gate insulating film and made of a conductor ( a), after the step (a), a step (b) of forming a silicon oxide film on the exposed surface of the gate electrode and on the semiconductor substrate over the entire surface of the substrate, and etching the silicon oxide film. (C) forming a first sidewall on the side surface of the gate electrode, (d) introducing nitrogen into the first sidewall, and forming the first sidewall on the gate electrode and the first sidewall. Forming a first impurity diffusion region by implanting impurity ions of the first conductivity type into the semiconductor substrate using the mask as a mask, and after the steps (d) and (e), the first side On the side of the wall And a step (f) forming a second side wall made of an insulating material.
[0036]
By this method, nitrogen is introduced into the first sidewall made of the silicon oxide film in the step (d), so that carrier trapping on the first sidewall is reduced, and the semiconductor device hardly affected by hot carriers can be obtained. Can be manufactured.
[0037]
In the step (d), nitrogen is introduced into the first sidewall by heating the semiconductor substrate in an ammonia atmosphere, so that nitrogen can be easily introduced into the first sidewall.
[0038]
In the step (d), when nitrogen is introduced into the first sidewall by oblique ion rotation implantation of nitrogen ions, a desired amount of nitrogen can be introduced into a desired place with good controllability.
[0039]
In the step (d), when nitrogen is introduced into the first sidewall by exposing the semiconductor substrate to a plasma containing nitrogen radicals, a process at a lower temperature can be performed as compared with a method of heating in an ammonia atmosphere. Therefore, when an impurity is implanted into the semiconductor substrate for controlling the threshold value, the diffusion of the impurity can be suppressed.
[0040]
After the step (a) and before the step (b), the method further comprises introducing nitrogen to both ends of the gate insulating film, and the gate insulating film formed in the step (a) is a silicon oxide film. With this configuration, it is possible to manufacture a semiconductor device that is less susceptible to deterioration in performance due to hot carriers as compared with a configuration in which the entire region of the gate insulating film is formed of a silicon oxide film.
[0041]
The gate insulating film formed in the step (a) is made of a silicon oxide film. In the step (d), nitrogen is introduced into the first sidewall by oblique ion rotation implantation of nitrogen ions, and simultaneously the nitrogen is introduced into the first sidewall. When nitrogen is introduced into both ends of the gate insulating film, it is possible to manufacture a semiconductor device which is less susceptible to deterioration in performance due to hot carriers in fewer steps.
[0042]
After the step (f), impurity ions of the first conductivity type are implanted into the semiconductor substrate using the gate electrode, the first sidewall, and the second sidewall as a mask, and the first impurity diffusion region is formed. By forming the second impurity diffusion region containing a higher concentration of impurity ions, a semiconductor device having an LDD structure with improved withstand voltage can be manufactured.
[0043]
According to a second method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming a gate insulating film provided on a semiconductor substrate and made of an insulator, and a gate electrode provided on the gate insulating film and made of a conductor ( a), after the step (a), a step (b) of forming a silicon oxide film on the exposed surface of the gate electrode and on the semiconductor substrate over the entire surface of the substrate, and introducing nitrogen into the silicon oxide film (C) forming a nitrogen-containing oxide film; (d) etching the nitrogen-containing oxide film to form a first sidewall on a side surface of the gate electrode; A step (e) of implanting first conductivity type impurity ions into the semiconductor substrate using the first sidewall as a mask to form a first impurity diffusion region; Of the sidewall And a step (f) forming a second side wall made of an insulating material on a surface.
[0044]
According to this method, nitrogen is introduced into the silicon oxide film in the step (c), so that the constituent material of the first sidewall can be a nitrogen-containing oxide film, and a semiconductor device which is not easily affected by hot carriers is manufactured. can do.
[0045]
In the step (c), nitrogen may be introduced into the silicon oxide film by heating the semiconductor substrate in an ammonia atmosphere.
[0046]
In the step (c), nitrogen may be introduced into the silicon oxide film by oblique ion rotation implantation of nitrogen ions.
[0047]
In the step (c), nitrogen may be introduced into the silicon oxide film by exposing the semiconductor substrate to plasma containing nitrogen radicals.
[0048]
After the step (a) and before the step (b), the method further comprises introducing nitrogen to both ends of the gate insulating film, and the gate insulating film formed in the step (a) is a silicon oxide film. With this configuration, a semiconductor device that is less susceptible to deterioration in performance due to hot carriers can be manufactured.
[0049]
The gate insulating film formed in the step (a) is made of a silicon oxide film. In the step (c), nitrogen is introduced into the first sidewall by oblique ion rotation implantation of nitrogen ions, and simultaneously the nitrogen is introduced into the first sidewall. When nitrogen is introduced into both ends of the gate insulating film, it is possible to manufacture a semiconductor device which is less susceptible to deterioration in performance due to hot carriers in fewer steps.
[0050]
After the step (f), impurity ions of the first conductivity type are implanted into the semiconductor substrate using the gate electrode, the first sidewall, and the second sidewall as a mask, and the first impurity diffusion region is formed. By forming the second impurity diffusion region containing a higher concentration of impurity ions, a semiconductor device having an LDD structure with improved withstand voltage can be manufactured.
[0051]
Embodiment of the present invention
-Examination of the cause of the defect-
First, the inventors of the present application examined the cause of the tendency of characteristic deterioration due to hot carriers in the second conventional example shown in FIG. As a result, in the MOS transistor according to the second conventional example, hot carriers are trapped below the offset sidewall 119, so that an interface state is generated between the semiconductor substrate 101 and the offset sidewall 119, It was found that the electrical characteristics deteriorated. It is considered that this occurs because the offset sidewall 119 is made of silicon oxide. Therefore, the present inventors have considered means for reducing carriers trapped in the offset sidewall 119 and have arrived at the present invention.
[0052]
Hereinafter, a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0053]
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of the MOS transistor according to the first embodiment of the present invention. The feature of the MOS transistor of this embodiment is that it has a double sidewall structure of the offset sidewall 9a and the sidewall 8, and nitrogen is introduced into the offset sidewall 9a.
[0054]
That is, as shown in FIG. 1, the MOS transistor according to the present embodiment has an active region, a semiconductor substrate 1 made of P-type silicon, and a gate insulating film having a thickness of 3 nm provided on the active region of the semiconductor substrate 1. A film 6a, a gate electrode 5a made of polysilicon provided on the gate insulating film 6a, and an offset sidewall 9a provided on the semiconductor substrate 1 and formed on side surfaces of the gate electrode 5a and the gate insulating film 6a. And a sidewall 8 provided on the semiconductor substrate 1 and formed on a side surface of the offset sidewall 9a. In the semiconductor substrate 1, regions located on both sides of the gate electrode 5a are, for example, 5 × 10 18 cm -3 A low-concentration impurity diffusion region 2 containing an N-type impurity at a low concentration; 20 cm -3 And a high-concentration impurity diffusion region 3 containing an N-type impurity at a high concentration. The active region is surrounded by the isolation insulating film 4.
[0055]
The offset sidewall 9a has a thickness (width in the gate length direction) of about 10 nm and is made of an oxide film containing nitrogen (a nitrogen-containing oxide film). On the other hand, the sidewall 8 is made of, for example, a silicon nitride film.
[0056]
As described above, since the MOS transistor of the present embodiment has the offset sidewall 9a made of a nitrogen-containing oxide film, hot carriers are generated in the offset sidewall 9a as compared with the MOS transistor according to the second conventional example. It is hard to be trapped. Therefore, the MOS transistor of the present embodiment is less susceptible to a change in the threshold value or a change in the current driving characteristic due to the hot carriers, and the reliability is improved.
[0057]
In addition, the MOS transistor according to the present embodiment has a small overlap between the low-concentration impurity diffusion region 2 and the gate electrode 5a similarly to the MOS transistor according to the second conventional example. The operation speed is improved as compared with the above.
[0058]
Next, a method for manufacturing the MOS transistor according to the present embodiment will be described with reference to the drawings.
[0059]
2A to 2D and 3A to 3C are cross-sectional views showing the steps of manufacturing the MOS transistor according to the present embodiment.
[0060]
First, as shown in FIG. 2A, an element isolation insulating film 4 is formed on a P-type semiconductor substrate 1 by a known trench isolation method, and then an oxide film 6 is formed on the semiconductor substrate 1 by thermal oxidation. . Thereafter, a polysilicon film 5 having a thickness of about 160 nm is formed on the substrate.
[0061]
Next, as shown in FIG. 2B, a resist (not shown) is applied to the entire upper surface of the polysilicon film 5, and is patterned into a predetermined shape by using a lithography technique. Next, the polysilicon film 5 and the oxide film 6 are etched using the resist film as a mask, and the unnecessary resist is removed to form a gate electrode 5a and a gate insulating film 6a, respectively.
[0062]
Next, as shown in FIG. 2C, a silicon oxide film 9 having a thickness of about 14 nm is formed on the substrate by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The silicon oxide film 9 deposited here is, for example, an HTO film (High temperature oxcide) deposited at a high temperature.
[0063]
Next, as shown in FIG. 2D, the oxide film 9 is etched back to leave an offset sidewall 9A made of an oxide film on the side surfaces of the gate electrode 5a and the gate insulating film 6a. Here, the width of the offset sidewall 9A is about 10 nm.
[0064]
Next, as shown in FIG. Three The substrate is heat-treated at a temperature of 600 ° C. or more and 900 ° C. or less in an atmosphere including As a result, nitrogen is introduced into the offset sidewall 9A made of an oxide film, and the offset sidewall 9a made of a nitrogen-containing oxide film is formed. In this step, nitrogen is also introduced into the exposed portion of the semiconductor substrate 1 and the exposed portion of the gate electrode 5a, but this is not shown because it is not essential to the invention.
[0065]
Next, as shown in FIG. 3B, N-type impurity ions such as arsenic ions are implanted into the semiconductor substrate 1 using the gate electrode 5a and the offset sidewalls 9a as a mask to form the low concentration impurity diffusion region 2. Here, the overlap between the low-concentration impurity diffusion region 2 and the gate electrode 5a when viewed from above is reduced by the thickness of the offset sidewall 9a.
[0066]
Subsequently, as shown in FIG. 3C, a silicon nitride film having a thickness of about 60 nm is deposited on the entire substrate, and the silicon nitride film is etched back to form a sidewall 8 on the side surface of the offset sidewall 9a. To form Thereafter, arsenic ions are implanted using the gate electrode 5a, the offset sidewalls 9a, and the sidewalls 8 as masks to form the high-concentration impurity diffusion regions 3 (not shown). Subsequently, by subjecting the substrate to a heat treatment, the MOS transistor of the present embodiment shown in FIG. 1 can be manufactured.
[0067]
In the method for manufacturing a MOS transistor according to the present embodiment, after the offset sidewall 9A made of an oxide film is formed, the offset sidewall 9a made of a nitrogen-containing oxide film is introduced by introducing nitrogen in the step shown in FIG. I have to. This method is used because it is difficult to directly deposit a silicon oxynitride film by a CVD method or the like.
[0068]
Further, in the above-described method, the introduction of nitrogen into the offset sidewall 9A is performed after the oxide film 9 is etched back. However, after the oxide film 9 is formed as shown in FIG. You may go before the back. In this case, no nitride film is formed on the exposed portion of the semiconductor substrate 1 or on the upper surface of the gate electrode 5a. However, the method of introducing nitrogen after etching back the oxide film 9 is preferable because the etching of the oxide film 9 can be performed with good controllability.
[0069]
In the above description, only the case of an N-type MOS transistor has been described. However, also in the case of a P-type MOS transistor, an offset sidewall made of a nitrogen-containing oxide film can be formed by a similar process.
[0070]
In the present embodiment, the description has been made using the MOSFET. However, the same effect can be obtained in a flash EEPROM by forming a double sidewall structure in the same manner as described above.
[0071]
(Second embodiment)
A method for manufacturing a MOS transistor according to the second embodiment of the present invention will be described below.
[0072]
The method of manufacturing the MOS transistor of the present embodiment is different from the method of the first embodiment only in the step of introducing nitrogen into the offset sidewall 9A, and the other steps are the same as the method of the first embodiment.
[0073]
That is, as shown in FIG. 2A, after an insulating film 4 for element isolation is formed on a P-type semiconductor substrate 1 by a known trench isolation method, an oxide film 6 is formed on the semiconductor substrate 1 by thermal oxidation. . After that, a polysilicon film 5 is formed on the substrate.
[0074]
Next, as shown in FIG. 2B, a resist (not shown) is applied to the entire upper surface of the polysilicon film 5, and is patterned into a predetermined shape by using a lithography technique. Next, the polysilicon film 5 and the oxide film 6 are etched using the resist film as a mask, and the unnecessary resist is removed to form a gate electrode 5a and a gate insulating film 6a, respectively.
[0075]
Next, as shown in FIG. 2C, an oxide film 9 made of HTO is formed on the substrate by a CVD method.
[0076]
Then, as shown in FIG. 2D, the oxide film 9 is etched back to leave an offset sidewall 9A on the side surfaces of the gate electrode 5a and the gate insulating film 6a.
[0077]
Next, nitrogen is introduced into the offset sidewall 9A.
[0078]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an oblique ion implantation step in the method for manufacturing a MOS transistor according to the present embodiment.
[0079]
In the step shown in the figure, nitrogen ions are implanted while rotating the substrate from a position inclined at 3 degrees or more and 45 degrees or less with respect to the substrate. Thereby, nitrogen is introduced into the offset sidewall 9A. At this time, the injection amount of nitrogen ions is 5 × 10 14 cm -2 More than 1 × 10 16 cm -2 The implantation energy is preferably not more than 5 keV, and the implantation energy is preferably not less than 5 keV and not more than 20 keV. As a result, nitrogen is introduced into the oxide film forming the offset sidewall 9A, and the offset sidewall 9a is formed from a nitrogen-containing oxide film. Here, when the implantation energy is increased, nitrogen ions are implanted into both ends of the gate insulating film 6a as described later.
[0080]
After this step, as shown in FIGS. 3B and 3C, a step of forming a low-concentration impurity diffusion region 2 by implanting N-type ions, a step of forming a sidewall 8 made of a silicon nitride film, and a step shown in FIG. The MOS transistor of the present embodiment (the MOS transistor of the first embodiment) is manufactured through the step of forming the impurity diffusion region 3 and the step of activating the impurities by heat treatment in this order. Note that the heat treatment after the formation of the high-concentration impurity diffusion region 3 also serves as a heat treatment for nitrogen introduced into the offset sidewall 9a.
[0081]
Even in the case of the offset sidewall 9a made of the nitrogen-containing oxide film formed by the nitrogen implantation described above, similarly to the method of the first embodiment, the change in the electrical characteristics due to the trapping of the hot carriers into the offset sidewall 9a is suppressed. A highly reliable MOS transistor can be manufactured.
[0082]
In particular, in the method for manufacturing a MOS transistor according to the present embodiment, since nitrogen is introduced into the offset sidewall 9A by ion implantation, it is easy to control the amount of nitrogen to be introduced. Further, since the implantation energy can be adjusted according to the thickness of the offset sidewall 9A, the nitrogen profile in the offset sidewall 9a film can be arbitrarily controlled. By increasing the implantation energy of nitrogen ions, nitrogen can be simultaneously introduced into both ends of the gate insulating film 6a as well as the offset sidewalls 9a.
[0083]
In the above description, the resist mask formed in the step of implanting nitrogen ions shown in FIG. 4 can also be used in the step of forming the low-concentration impurity diffusion region 2 shown in FIG. Accordingly, the number of steps can be reduced as compared with the case where masks are separately formed. Further, only by adding a step of patterning a resist in a predetermined region before ion implantation, nitrogen can be contained in an offset sidewall only in, for example, only an NMOS region, for example, only an I / O region (input / output circuit region). it can.
[0084]
In the method of the present embodiment, the nitrogen ion implantation step may be performed after the oxide film 9 is formed and before the oxide film 9 is etched back. However, the method of introducing nitrogen after the etch back of the oxide film 9 is more preferable because the etching of the oxide film 9 can be performed with good controllability.
[0085]
(Third embodiment)
As a third embodiment of the present invention, another method of manufacturing the MOS transistor according to the first embodiment will be described.
[0086]
In the method for manufacturing a MOS transistor according to the present embodiment, nitrogen is introduced into the offset sidewalls 9a by plasma nitridation, and the other steps are the same as those in the first and second embodiments.
[0087]
That is, as shown in FIG. 2A, after an insulating film 4 for element isolation is formed on a P-type semiconductor substrate 1 by a known trench isolation method, an oxide film 6 is formed on the semiconductor substrate 1 by thermal oxidation. . After that, a polysilicon film 5 is formed on the substrate.
[0088]
Next, as shown in FIG. 2B, a resist (not shown) is applied to the entire upper surface of the polysilicon film 5, and is patterned into a predetermined shape by using a lithography technique. Next, the polysilicon film 5 and the oxide film 6 are etched using the resist film as a mask, and the unnecessary resist is removed to form a gate electrode 5a and a gate insulating film 6a, respectively.
[0089]
Next, as shown in FIG. 2C, an oxide film 9 made of HTO is formed on the substrate by a CVD method.
[0090]
Then, as shown in FIG. 2D, the oxide film 9 is etched back to leave an offset sidewall 9A on the side surfaces of the gate electrode 5a and the gate insulating film 6a.
[0091]
Next, nitrogen is introduced into the offset sidewall 9A.
[0092]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a plasma nitriding step in the method for manufacturing a MOS transistor according to the present embodiment.
[0093]
In this step, as shown in FIG. 5, the offset sidewall 9A is nitrided by exposing the substrate to a plasma containing nitrogen radicals. In this case, for example, it is preferable that the pressure is about 1.27 Pa (950 mTorr), the temperature is 200 ° C. or more and 400 ° C. or less, and the processing time is 20 seconds. In addition, argon (Ar) gas and nitrogen (N Two ) The gas flow rate was 2.0 × 10 Three ml / min and 1.5 × 10 Two ml / min and the power is preferably 1.5 kW. In this step, nitridation proceeds rapidly from the surface of the substrate including the side surface of the offset sidewall 9A by the highly reactive nitrogen plasma.
[0094]
After this step, as shown in FIGS. 3B and 3C, a step of forming a low-concentration impurity diffusion region 2 by implanting N-type ions, a step of forming a sidewall 8 made of a silicon nitride film, and a step shown in FIG. The MOS transistor of the present embodiment (the MOS transistor of the first embodiment) is manufactured through the step of forming the impurity diffusion region 3 and the step of activating the impurities by heat treatment in this order.
[0095]
Even in the case of the offset sidewall 9a made of a nitrogen-containing oxide film formed by the above-described plasma nitriding, a highly reliable MOS transistor in which a change in electrical characteristics due to trapping of hot carriers to the offset sidewall 9a is manufactured. be able to.
[0096]
In addition, according to the method of the present embodiment, by performing plasma nitridation, nitrogen can be introduced into the offset sidewall 9a at a lower temperature than in the method of the first embodiment. Diffusion of threshold control impurities and the like implanted in the semiconductor device can be prevented.
[0097]
(Fourth embodiment)
As a fourth embodiment of the present invention, a description will be given of a MOS transistor in which nitrogen is introduced into both ends of a gate insulating film as well as an offset sidewall and a method of manufacturing the same.
[0098]
FIG. 6 is a sectional view showing the structure of the MOS transistor according to the fourth embodiment of the present invention.
[0099]
As shown in the figure, the MOS transistor of this embodiment has an active region, a semiconductor substrate 1 made of P-type silicon, and a gate insulating film 6a having a thickness of 3 nm provided on the active region of the semiconductor substrate 1. A gate electrode 5a made of polysilicon provided on the gate insulating film 6a, and an offset sidewall 9a provided on the semiconductor substrate 1 and formed on the side surface of the gate electrode 5a and the gate insulating film 6a. A side wall provided on the semiconductor substrate and formed on a side surface of the offset side wall. In the semiconductor substrate 1, regions located on both sides of the gate electrode 5a are, for example, 5 × 10 18 cm -3 A low-concentration impurity diffusion region 2 containing an N-type impurity at a low concentration; 20 cm -3 And a high-concentration impurity diffusion region 3 containing an N-type impurity at a high concentration. The active region is surrounded by the isolation insulating film 4. The offset sidewall 9a has a thickness of about 10 nm and is made of a nitrogen-containing oxide film.
[0100]
In the MOS transistor of the present embodiment, a nitrogen-containing region 6b is provided at both ends of the gate insulating film 6a, that is, at a portion in contact with the low-concentration impurity diffusion region 2, and other portions of the gate insulating film 6a are formed of silicon. It is made of an oxide film.
[0101]
For this reason, in the MOS transistor of the present embodiment, it is difficult for hot carriers to be trapped not only at the offset sidewalls 9a but also at both ends of the gate insulating film 6a. Therefore, in the MOS transistor of the present embodiment, the deterioration of the electrical characteristics when hot carriers are generated is more effectively reduced than in the MOS transistor of the first embodiment.
[0102]
Next, a method for manufacturing the MOS transistor of the present embodiment will be described.
[0103]
7A to 7D and 8A to 8D are cross-sectional views showing the steps of manufacturing the MOS transistor according to the present embodiment.
[0104]
First, as shown in FIG. 7A, after an insulating film 4 for element isolation is formed on a P-type semiconductor substrate 1 by a known trench isolation method, an oxide film 6 is formed on the semiconductor substrate 1 by thermal oxidation. . Thereafter, a polysilicon film 5 having a thickness of about 160 nm is formed on the substrate.
[0105]
Next, as shown in FIG. 7B, a resist (not shown) is applied to the entire upper surface of the polysilicon film 5, and is patterned into a predetermined shape by using a lithography technique. Next, the polysilicon film 5 and the oxide film 6 are etched using the resist film as a mask, and the unnecessary resist is removed to form a gate electrode 5a and a gate insulating film 6a, respectively. The steps so far are the same as in the first embodiment.
[0106]
Next, as shown in FIG. 7C, the substrate is heat-treated in an ammonia atmosphere, and nitrogen is introduced into both ends of the gate insulating film 6a to form a nitrogen-containing region 6b. However, instead of this method, a nitrogen introduction method such as plasma nitridation or nitrogen ion implantation may be used.
[0107]
Subsequently, as shown in FIG. 7D, an oxide film 9 having a thickness of about 14 nm is formed on the substrate by the CVD method.
[0108]
Next, as shown in FIG. 8A, the oxide film 9 is etched back to leave an offset sidewall 9A on the side surfaces of the gate electrode 5a and the gate insulating film 6a.
[0109]
Next, as shown in FIG. 8B, nitrogen is introduced into the offset sidewall 9A. Here, as a method for introducing nitrogen, any of the methods described in the first to third embodiments may be used. That is, any of heat treatment in an ammonia atmosphere, oblique ion implantation of nitrogen ions, and nitrogen plasma treatment may be used. As a result, nitrogen is introduced into the offset sidewall 9A, and the offset sidewall 9a made of a nitrogen-containing oxide film is obtained.
[0110]
Next, as shown in FIG. 8C, N-type impurity ions such as arsenic ions are implanted into the semiconductor substrate 1 using the gate electrode 5a and the offset sidewalls 9a as a mask to form the low concentration impurity diffusion region 2.
[0111]
Next, as shown in FIG. 8D, a silicon nitride film having a thickness of about 60 nm is deposited on the entire substrate, and the silicon nitride film is etched back to form a sidewall 8 on the side surface of the offset sidewall 9a. To form Thereafter, arsenic ions are implanted using the gate electrode 5a, the offset sidewalls 9a, and the sidewalls 8 as masks to form the high-concentration impurity diffusion regions 3 (not shown). Subsequently, by subjecting the substrate to a heat treatment, the MOS transistor of the present embodiment shown in FIG. 6 can be manufactured.
[0112]
In the above description, an example in which the step of introducing nitrogen into both ends of the gate insulating film 6a and the step of introducing nitrogen into the offset sidewall 9a are performed separately is described. , Both steps can be performed simultaneously. In this case, the step shown in FIG. 7C is not performed, and nitrogen ions may be implanted with an energy that can reach the end of the gate insulating film 9a in the step shown in FIG. 8B. At this time, the implantation energy is set to about 20 keV, and the implantation is performed at a position inclined from 3 degrees to 45 degrees with respect to the substrate.
According to this method, the MOS transistor of the present embodiment can be manufactured with fewer steps.
[0113]
In the MOS transistor of the present embodiment, the nitrogen-containing region 6b is provided at the end of the gate insulating film 6a. There may be. In such a MOS (MIS) transistor, a decrease in performance due to hot carriers is further reduced. Note that instead of performing the step shown in FIG. 7C, in the step shown in FIG. 7A, a step of introducing nitrogen after forming the oxide film 6 and before forming the polysilicon film 5 is performed. This MIS transistor can be manufactured.
[0114]
【The invention's effect】
A first semiconductor device according to the present invention is a MOS transistor including an offset sidewall covering a side surface of a gate electrode and a sidewall provided on a side surface of the offset sidewall, wherein nitrogen is introduced into the offset sidewall. Have been. Therefore, carriers are less likely to be trapped in the offset sidewalls, so that deterioration of electrical characteristics due to hot carrier injection can be reduced.
[0115]
A second semiconductor device according to the present invention is a MOS transistor including an offset sidewall covering a side surface of a gate electrode, and a sidewall provided on a side surface of the offset sidewall, the MOS transistor including an offset sidewall and a gate insulating film. Are introduced at both ends. This makes it difficult for carriers to be trapped not only at the offset sidewalls but also at both ends of the gate insulating film, so that deterioration of electrical characteristics due to hot carrier injection can be reduced more effectively.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a MOS transistor according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2D are cross-sectional views illustrating a process up to forming an offset sidewall in a process of manufacturing the MOS transistor according to the first embodiment of the present invention.
FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views illustrating a process up to formation of a sidewall in a manufacturing process of the MOS transistor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an oblique ion implantation step in a method for manufacturing a MOS transistor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a plasma nitriding step in a method for manufacturing a MOS transistor according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a structure of a MOS transistor according to a fourth embodiment of the present invention.
FIGS. 7A to 7D are cross-sectional views showing up to a step of forming an oxide film in a manufacturing process of a MOS transistor according to a fourth embodiment.
FIGS. 8A to 8D are cross-sectional views illustrating a process up to formation of a sidewall in a process of manufacturing a MOS transistor according to a fourth embodiment.
FIG. 9 is a sectional view showing a structure of a MOS transistor according to a first conventional example.
FIGS. 10A to 10C are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing a MOS transistor according to a first conventional example until nitrogen is introduced into a gate insulating film.
FIGS. 11A and 11B are cross-sectional views showing a process of manufacturing a MOS transistor according to a first conventional example until a sidewall is formed.
FIG. 12 is a sectional view showing a structure of a MOS transistor according to a second conventional example.
FIGS. 13A to 13C are cross-sectional views showing a process of manufacturing a MOS transistor according to a second conventional example until an offset sidewall is formed.
FIGS. 14A and 14B are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing a MOS transistor according to a second conventional example until a sidewall is formed.
[Explanation of symbols]
1 semiconductor substrate
2 Low concentration impurity diffusion region
3 High concentration impurity diffusion region
4 Insulating film for element isolation
5 Polysilicon film
5a Gate electrode
6 oxide film
6a Gate insulating film
6b Nitrogen introduction area
8 Side wall
9 oxide film
9A offset sidewall (oxide film)
9a Offset sidewall (nitrogen-containing oxide film)

Claims (19)

半導体基板と、
上記半導体基板上に設けられ、絶縁体からなるゲート絶縁膜と、
上記ゲート絶縁膜上に設けられ、導電体からなるゲート電極と、
上記ゲート電極及び上記ゲート絶縁膜の側面上に設けられ、窒素が導入された絶縁体からなる第1のサイドウォールと、
第1のサイドウォールの側面上に設けられ、絶縁体からなる第2のサイドウォールと、
上記半導体基板のうち、上記ゲート電極の両側下方に位置する領域に設けられ、第1導電型の不純物を含む第1の不純物拡散領域と
を備えている半導体装置。
A semiconductor substrate;
A gate insulating film provided on the semiconductor substrate and made of an insulator,
A gate electrode provided on the gate insulating film and made of a conductor,
A first sidewall provided on a side surface of the gate electrode and the gate insulating film and made of an insulator into which nitrogen is introduced;
A second sidewall provided on a side surface of the first sidewall and made of an insulator;
A semiconductor device, comprising: a first impurity diffusion region including an impurity of a first conductivity type, provided in a region of the semiconductor substrate located below both sides of the gate electrode.
請求項1に記載の半導体装置において、
上記第1のサイドウォールは、シリコン酸窒化膜からなっていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first sidewall is made of a silicon oxynitride film.
請求項1または2に記載の半導体装置において、
上記ゲート絶縁膜のうち少なくとも一部に窒素含有領域が設けられていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein
A semiconductor device, wherein a nitrogen-containing region is provided in at least a part of the gate insulating film.
請求項3に記載の半導体装置において、
上記ゲート絶縁膜のうち、上記第1の不純物拡散領域に接する両端部に上記窒素含有領域が設けられており、
上記ゲート絶縁膜のうち、上記窒素含有領域以外の部分は、シリコン酸化膜からなっていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3,
The nitrogen-containing region is provided at both ends of the gate insulating film in contact with the first impurity diffusion region,
A semiconductor device, wherein a portion of the gate insulating film other than the nitrogen-containing region is made of a silicon oxide film.
請求項1〜4のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
上記半導体基板のうち、上記第2のサイドウォールの両側下方であって上記第1の不純物拡散領域に隣接する位置に設けられ、上記第1の不純物拡散領域よりも高濃度で第1導電型の不純物を含む第2の不純物拡散領域をさらに備えていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
The semiconductor substrate is provided at a position below both sides of the second sidewall and adjacent to the first impurity diffusion region, and is higher in concentration than the first impurity diffusion region and of the first conductivity type. A semiconductor device further comprising a second impurity diffusion region containing an impurity.
半導体基板上に設けられ、絶縁体からなるゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜上に設けられ、導電体からなるゲート電極とを形成する工程(a)と、
上記工程(a)の後に、基板上の全面にシリコン酸化膜を形成する工程(b)と、
上記シリコン酸化膜をエッチングして、上記ゲート電極の側面上に第1のサイドウォールを形成する工程(c)と、
上記第1のサイドウォール中に窒素を導入する工程(d)と、
上記ゲート電極及び上記第1のサイドウォールをマスクとして上記半導体基板に第1導電型の不純物イオンを注入し、第1の不純物拡散領域を形成する工程(e)と、
上記工程(d)及び(e)の後に、上記第1のサイドウォールの側面上に絶縁体からなる第2のサイドウォールを形成する工程(f)と
を含む半導体装置の製造方法。
(A) forming a gate insulating film provided on a semiconductor substrate and made of an insulator, and a gate electrode made of an electric conductor provided on the gate insulating film;
A step (b) of forming a silicon oxide film on the entire surface of the substrate after the step (a);
(C) forming a first sidewall on the side surface of the gate electrode by etching the silicon oxide film;
A step (d) of introducing nitrogen into the first sidewall;
(E) implanting a first conductivity type impurity ion into the semiconductor substrate using the gate electrode and the first sidewall as a mask to form a first impurity diffusion region;
Forming a second sidewall made of an insulator on the side surface of the first sidewall after the steps (d) and (e), a method for manufacturing a semiconductor device.
請求項6に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(d)では、アンモニア雰囲気中で上記半導体基板を加熱することにより上記第1のサイドウォール中に窒素を導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6,
In the step (d), a method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that nitrogen is introduced into the first sidewall by heating the semiconductor substrate in an ammonia atmosphere.
請求項6に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(d)では、窒素イオンの斜めイオン回転注入により上記第1のサイドウォール中に窒素を導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6,
In the step (d), nitrogen is introduced into the first side wall by oblique ion rotation implantation of nitrogen ions.
請求項6に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(d)では、窒素ラジカルを含むプラズマ中に上記半導体基板をさらすことにより上記第1のサイドウォール中に窒素を導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6,
In the above step (d), a method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that nitrogen is introduced into the first sidewall by exposing the semiconductor substrate to plasma containing nitrogen radicals.
請求項6〜9のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(a)の後、上記工程(b)の前に、上記ゲート絶縁膜の両端部に窒素を導入する工程をさらに含み、
上記工程(a)で形成する上記ゲート絶縁膜はシリコン酸化膜からなっていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of claims 6 to 9,
After the step (a) and before the step (b), the method further includes a step of introducing nitrogen to both ends of the gate insulating film,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the gate insulating film formed in the step (a) is made of a silicon oxide film.
請求項8に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(a)で形成する上記ゲート絶縁膜はシリコン酸化膜からなっており、
上記工程(d)では、窒素イオンの斜めイオン回転注入により、上記第1のサイドウォールに窒素を導入すると同時に上記ゲート絶縁膜の両端部に窒素を導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8,
The gate insulating film formed in the step (a) is made of a silicon oxide film,
In the step (d), a method of manufacturing a semiconductor device is characterized in that nitrogen is introduced into the first sidewall and simultaneously nitrogen is introduced into both ends of the gate insulating film by oblique ion rotation implantation of nitrogen ions. .
請求項6〜11のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(f)の後に、上記ゲート電極,上記第1のサイドウォール及び上記第2のサイドウォールをマスクとして第1導電型の不純物イオンを上記半導体基板に注入し、上記第1の不純物拡散領域よりも高濃度の不純物イオンを含む第2の不純物拡散領域を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6,
After the step (f), impurity ions of the first conductivity type are implanted into the semiconductor substrate using the gate electrode, the first sidewall, and the second sidewall as a mask, and the first impurity diffusion region is formed. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a second impurity diffusion region containing a higher concentration of impurity ions.
半導体基板上に設けられ、絶縁体からなるゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜上に設けられ、導電体からなるゲート電極とを形成する工程(a)と、
上記工程(a)の後に、基板上の全面にシリコン酸化膜を形成する工程(b)と、
上記シリコン酸化膜に窒素を導入し、窒素含有酸化膜を形成する工程(c)と、
上記窒素含有酸化膜をエッチングして、上記ゲート電極の側面上に第1のサイドウォールを形成する工程(d)と、
上記ゲート電極及び上記第1のサイドウォールをマスクとして上記半導体基板に第1導電型の不純物イオンを注入し、第1の不純物拡散領域を形成する工程(e)と、
上記工程(e)の後に、上記第1のサイドウォールの側面上に絶縁体からなる第2のサイドウォールを形成する工程(f)と
を含む半導体装置の製造方法。
(A) forming a gate insulating film provided on a semiconductor substrate and made of an insulator, and a gate electrode made of an electric conductor provided on the gate insulating film;
A step (b) of forming a silicon oxide film on the entire surface of the substrate after the step (a);
(C) introducing nitrogen into the silicon oxide film to form a nitrogen-containing oxide film;
(D) forming a first sidewall on the side surface of the gate electrode by etching the nitrogen-containing oxide film;
(E) implanting a first conductivity type impurity ion into the semiconductor substrate using the gate electrode and the first sidewall as a mask to form a first impurity diffusion region;
Forming a second sidewall made of an insulator on the side surface of the first sidewall after the step (e).
請求項13に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(c)では、アンモニア雰囲気中で上記半導体基板を加熱することにより上記シリコン酸化膜に窒素を導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13,
In the step (c), a method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that nitrogen is introduced into the silicon oxide film by heating the semiconductor substrate in an ammonia atmosphere.
請求項13に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(c)では、窒素イオンの斜めイオン回転注入により上記シリコン酸化膜に窒素を導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13,
In the step (c), a method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that nitrogen is introduced into the silicon oxide film by oblique ion rotation implantation of nitrogen ions.
請求項13に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(c)では、窒素ラジカルを含むプラズマ中に上記半導体基板をさらすことにより上記シリコン酸化膜に窒素を導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 13,
In the step (c), a method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that nitrogen is introduced into the silicon oxide film by exposing the semiconductor substrate to a plasma containing nitrogen radicals.
請求項13〜16のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(a)の後、上記工程(b)の前に、上記ゲート絶縁膜の両端部に窒素を導入する工程をさらに含み、
上記工程(a)で形成する上記ゲート絶縁膜はシリコン酸化膜からなっていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13,
After the step (a) and before the step (b), the method further includes a step of introducing nitrogen to both ends of the gate insulating film,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the gate insulating film formed in the step (a) is made of a silicon oxide film.
請求項15に記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(a)で形成する上記ゲート絶縁膜はシリコン酸化膜からなっており、
上記工程(c)では、窒素イオンの斜めイオン回転注入により、上記第1のサイドウォールに窒素を導入すると同時に上記ゲート絶縁膜の両端部に窒素を導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 15,
The gate insulating film formed in the step (a) is made of a silicon oxide film,
In the step (c), a method of manufacturing a semiconductor device is characterized in that nitrogen is introduced into the first sidewall and simultaneously nitrogen is introduced into both ends of the gate insulating film by oblique ion rotation implantation of nitrogen ions. .
請求項13〜18のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
上記工程(f)の後に、上記ゲート電極,上記第1のサイドウォール及び上記第2のサイドウォールをマスクとして第1導電型の不純物イオンを上記半導体基板に注入し、上記第1の不純物拡散領域よりも高濃度の不純物イオンを含む第2の不純物拡散領域を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13,
After the step (f), impurity ions of the first conductivity type are implanted into the semiconductor substrate using the gate electrode, the first sidewall, and the second sidewall as a mask, and the first impurity diffusion region is formed. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a second impurity diffusion region containing a higher concentration of impurity ions.
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JP2014135494A (en) * 2013-01-14 2014-07-24 Samsung Electronics Co Ltd Semiconductor element having dual parallel channel structure and method of manufacturing the same
US8927372B2 (en) 2012-05-09 2015-01-06 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor device and method of fabricating the same

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