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JP2007158259A - Semiconductor device and method of manufacturing same - Google Patents

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JP2007158259A JP2005355274A JP2005355274A JP2007158259A JP 2007158259 A JP2007158259 A JP 2007158259A JP 2005355274 A JP2005355274 A JP 2005355274A JP 2005355274 A JP2005355274 A JP 2005355274A JP 2007158259 A JP2007158259 A JP 2007158259A
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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which makes a control of inclined plane and reduction of TAT, or Turn Around Time, compatible, and to provide a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: The semiconductor device concerning the present embodiment comprises: a gate electrode 12 formed on a semiconductor substrate 1 through a gate insulating film 11; an extension portion 20 formed on the semiconductor substrate 1 in both sides of the gate electrode 12; and a source drain portion 30 formed on the semiconductor substrate 1 in an exterior of the extension portion. And, the extension portion 20 comprises: a first epitaxially-grown layer 21, which is formed on the semiconductor substrate 1, having an inclined plane 21a at gate electrode 12 side; and a second epitaxially-grown layer 22, which is formed on the first epitaxially-grown layer 21, having an end surface 22a steeper than the inclined plane 21a at gate electrode side. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、半導体基板の上にエクステンション部を有する半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having an extension portion on a semiconductor substrate and a manufacturing method thereof.

従来型のMOSFETでは、エクステンション部やソース・ドレイン部からの不純物の拡散により、チャネル長が短くなるにつれて短チャネル効果が大きくなり、微細化が困難となる。   In the conventional MOSFET, due to the diffusion of impurities from the extension part and the source / drain part, the short channel effect increases as the channel length becomes shorter, and miniaturization becomes difficult.

従来のMOSFETにおけるエクステンション部やソース・ドレイン部は、ゲート電極をマスクとして、基板と逆導電型の不純物をイオン注入して、この不純物を熱処理により活性化させることにより形成される。この手法では、イオン注入した不純物は、熱拡散によりゲート絶縁膜下にまで拡散してしまい、短チャネル効果が大きくなってしまう。   Extension portions and source / drain portions in a conventional MOSFET are formed by ion-implanting impurities having a conductivity type opposite to that of the substrate using the gate electrode as a mask, and activating these impurities by heat treatment. In this method, the ion-implanted impurities are diffused under the gate insulating film due to thermal diffusion, and the short channel effect is increased.

短チャネル効果を抑制するため、チャネルよりもエクステンション部やソース・ドレイン部を上方に持ち上げる技術が提案されている(特許文献1,2,3参照)。この技術では、ゲート絶縁膜とゲート電極を形成後にサイドウォール絶縁膜を形成して、エクステンション部をエピタキシャル成長させている。この構造では、イオン注入や熱処理工程を通して不純物が拡散したとしても、チャネル部にまでは拡散しないため、短チャネル効果を抑制することができる。
特開2000−82813号公報 特開2000−269495号公報 特開2001−144290号公報
In order to suppress the short channel effect, a technique for lifting the extension part and the source / drain part upward from the channel has been proposed (see Patent Documents 1, 2, and 3). In this technique, a sidewall insulating film is formed after forming the gate insulating film and the gate electrode, and the extension portion is epitaxially grown. In this structure, even if impurities are diffused through ion implantation or a heat treatment process, the short channel effect can be suppressed because the impurity does not diffuse into the channel portion.
JP 2000-82813 A JP 2000-269495 A JP 2001-144290 A

上記した半導体装置では、エクステンション部となるエピタキシャル成長層における、ゲート電極側の傾斜面(ファセット)が調整される。この傾斜面の角度は寄生容量の大きさに影響するため、トランジスタの性能に大きく影響する。   In the semiconductor device described above, the inclined surface (facet) on the gate electrode side in the epitaxial growth layer serving as the extension portion is adjusted. Since the angle of the inclined surface affects the size of the parasitic capacitance, it greatly affects the performance of the transistor.

エピタキシャル成長の原料ガスには、HClガスが含まれる。HClガス流量が少ない場合には、エピタキシャル成長層は垂直成長し、端面は90°となる。傾斜面(90°未満)を形成する場合には、HClのガス流量を増やす必要がある。しかしながら、HClガスを増やすと、成長レートがそれだけ減少してしまい、TAT(Turn Around Time)が大きくなるという不利益がある。   The source gas for epitaxial growth includes HCl gas. When the HCl gas flow rate is small, the epitaxial growth layer grows vertically and the end face becomes 90 °. When forming an inclined surface (less than 90 °), it is necessary to increase the gas flow rate of HCl. However, when the HCl gas is increased, the growth rate is reduced accordingly, and there is a disadvantage that TAT (Turn Around Time) is increased.

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、傾斜面の制御とTATの短縮を両立した半導体装置およびその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device that achieves both control of an inclined surface and shortening of TAT and a method for manufacturing the same.

上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の両側における前記半導体基板上に形成されたエクステンション部と、前記エクステンション部の外側における前記半導体基板に形成されたソース・ドレイン部とを有し、前記エクステンション部は、前記半導体基板上に形成され、前記ゲート電極側に傾斜面をもつ第1エピタキシャル成長層と、前記第1エピタキシャル成長層上に形成され、前記傾斜面よりも急峻な端面を前記ゲート電極側にもつ第2エピタキシャル成長層とを有する。   In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention includes a gate electrode formed on a semiconductor substrate via a gate insulating film, an extension portion formed on the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode, A source / drain portion formed on the semiconductor substrate outside the extension portion, and the extension portion is formed on the semiconductor substrate and has a first epitaxial growth layer having an inclined surface on the gate electrode side; And a second epitaxial growth layer formed on the first epitaxial growth layer and having an end face on the gate electrode side that is steeper than the inclined surface.

上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の両側における前記半導体基板上に、前記ゲート電極側に傾斜面を有し、導電性不純物を含有する第1エピタキシャル成長層を形成する工程と、前記第1エピタキシャル成長層の傾斜面上に前記ゲート電極の側壁を覆う側壁スペーサを形成する工程と、前記第1エピタキシャル成長層上に、前記傾斜面よりも急峻な端面をもち、導電性不純物を含有する第2エピタキシャル成長層を形成する工程と、前記第2エピタキシャル成長層上であって前記側壁スペーサの側壁に、サイドウォール絶縁膜を形成する工程と、前記第1および第2エピタキシャル成長層を含むエクステンション部の外側に、ソース・ドレイン部を形成する工程とを有する。   In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a gate electrode on a semiconductor substrate through a gate insulating film, and the gate on the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode. Forming a first epitaxial growth layer having an inclined surface on the electrode side and containing a conductive impurity; forming a sidewall spacer covering the sidewall of the gate electrode on the inclined surface of the first epitaxial growth layer; Forming a second epitaxial growth layer having an end surface steeper than the inclined surface and containing a conductive impurity on the first epitaxial growth layer; and on the second epitaxial growth layer and on a sidewall of the sidewall spacer. , Forming a sidewall insulating film, and outside the extension portion including the first and second epitaxial growth layers, And a step of forming a over scan and drain portions.

上記の本発明では、エクステンション部は、ゲート電極側に傾斜面をもつ第1エピタキシャル成長層と、第2エピタキシャル成長層の積層構造からなる。第1エピタキシャル成長層は、エクステンション部に要求される傾斜面をもつ。第2エピタキシャル成長層は、エクステンション部を低抵抗化するのに要求される膜厚をもつ。第2エピタキシャル成長層の端面は、傾斜面である必要はないため、成長レートが速くなる。   In the present invention described above, the extension portion has a laminated structure of a first epitaxial growth layer having an inclined surface on the gate electrode side and a second epitaxial growth layer. The first epitaxial growth layer has an inclined surface required for the extension portion. The second epitaxial growth layer has a thickness required to reduce the resistance of the extension portion. Since the end surface of the second epitaxial growth layer does not have to be an inclined surface, the growth rate is increased.

本発明によれば、傾斜面の制御とTATの短縮を両立した半導体装置を実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize a semiconductor device that achieves both control of an inclined surface and shortening of TAT.

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。本実施形態では、n型のMISトランジスタを例として図面を参照して述べる。なお、p型のMISトランジスタについては、適宜導電型を逆にすることによって、以下の記述が同様に適用される。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this embodiment, an n-type MIS transistor will be described as an example with reference to the drawings. For the p-type MIS transistor, the following description is similarly applied by appropriately reversing the conductivity type.

図1は、本実施形態に係る半導体装置の断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment.

例えばシリコンからなる半導体基板1には、活性領域を区画する例えばSTI(Shallow Trench Isolation)からなる素子分離絶縁膜2が形成されている。なお、半導体基板1の材料は、シリコン(Si)以外に、ゲルマニウム(Ge)、GeとSiの化合物、あるいは歪Siを用いても良い。素子分離絶縁膜2が形成されていない活性領域に、p型ウェルが形成されている。   For example, an element isolation insulating film 2 made of, for example, STI (Shallow Trench Isolation) that partitions an active region is formed on a semiconductor substrate 1 made of silicon. In addition to silicon (Si), the material of the semiconductor substrate 1 may be germanium (Ge), a compound of Ge and Si, or strained Si. A p-type well is formed in the active region where the element isolation insulating film 2 is not formed.

半導体基板1上には、ゲート絶縁膜11を介してゲート電極12が形成されている。ゲート絶縁膜11は、例えばHfSiONや、HfOなどの高誘電率膜からなる。ゲート電極12は、例えば、Hf、Ta、Ti、W、あるいはこれらの窒化物、W、Ruなどの元素を含む金属膜からなる。 A gate electrode 12 is formed on the semiconductor substrate 1 via a gate insulating film 11. The gate insulating film 11 is made of a high dielectric constant film such as HfSiON or HfO 2 . The gate electrode 12 is made of, for example, a metal film containing elements such as Hf, Ta, Ti, W, or nitrides thereof, W, Ru, and the like.

ゲート電極12の両側における半導体基板1上には、エクステンション部20が形成されている。エクステンション部20は、第1エピタキシャル成長層21と第2エピタキシャル成長層22からなる。エピタキシャル成長層21,22には、n型不純物が導入されている。第1エピタキシャル成長層21と第2エピタキシャル成長層22の合計膜厚は、40nm〜50nmである。   Extension portions 20 are formed on the semiconductor substrate 1 on both sides of the gate electrode 12. The extension portion 20 includes a first epitaxial growth layer 21 and a second epitaxial growth layer 22. An n-type impurity is introduced into the epitaxial growth layers 21 and 22. The total film thickness of the first epitaxial growth layer 21 and the second epitaxial growth layer 22 is 40 nm to 50 nm.

第1エピタキシャル成長層21は、ゲート電極側に傾斜面(第1傾斜面)21aを有する。傾斜面21aの角度は、20〜70°の範囲で調整される。ゲート電極12は、第1エピタキシャル成長層21の傾斜面21aにオーバーラップして配置される。これにより、トランジスタを駆動させる際に、エクステンション部20に蓄積層ができ、チャネルへのキャリアの注入量が大幅に増加する。傾斜面21aの角度は、トランジスタの性能に影響する。このため、傾斜面21aの角度は、短チャネル効果を抑制しつつ、駆動電流が最も大きくなるように最適化する。   The first epitaxial growth layer 21 has an inclined surface (first inclined surface) 21a on the gate electrode side. The angle of the inclined surface 21a is adjusted in the range of 20 to 70 °. The gate electrode 12 is disposed so as to overlap the inclined surface 21 a of the first epitaxial growth layer 21. As a result, when the transistor is driven, a storage layer is formed in the extension portion 20, and the amount of carriers injected into the channel is greatly increased. The angle of the inclined surface 21a affects the performance of the transistor. For this reason, the angle of the inclined surface 21a is optimized so as to maximize the drive current while suppressing the short channel effect.

第2エピタキシャル成長層22のゲート電極側の端面の角度は、略90°である。ただし、端面22aは、傾斜していてもよい。ただし、端面22aが傾斜している場合であっても、傾斜面21aに比べて端面22aが急峻となるようにする。   The angle of the end surface of the second epitaxial growth layer 22 on the gate electrode side is approximately 90 °. However, the end surface 22a may be inclined. However, even when the end surface 22a is inclined, the end surface 22a is made steeper than the inclined surface 21a.

ゲート電極12の側面は、第2エピタキシャル成長層22上に形成されたサイドウォール絶縁膜8により覆われている。サイドウォール絶縁膜8は、例えば、窒化シリコン膜8aと、酸化シリコン膜8bの2層構造からなる。   The side surface of the gate electrode 12 is covered with a sidewall insulating film 8 formed on the second epitaxial growth layer 22. For example, the sidewall insulating film 8 has a two-layer structure of a silicon nitride film 8a and a silicon oxide film 8b.

サイドウォール絶縁膜8の外側の第2エピタキシャル成長層22上には、ソース・ドレイン部となる第3エピタキシャル成長層23が形成されている。第3エピタキシャル成長層23には、n型不純物が導入されている。サイドウォール絶縁膜8は、ゲート電極12と第3エピタキシャル成長層23との距離を確保するために設けられている。   On the second epitaxial growth layer 22 outside the sidewall insulating film 8, a third epitaxial growth layer 23 serving as a source / drain portion is formed. An n-type impurity is introduced into the third epitaxial growth layer 23. The sidewall insulating film 8 is provided to ensure a distance between the gate electrode 12 and the third epitaxial growth layer 23.

図示はしないが、第3エピタキシャル成長層23の表面には、シリサイド層が形成されている。シリサイド層は、コバルトシリサイドや、ニッケルシリサイドからなる。また、上記のMISトランジスタを被覆して全面に酸化シリコンからなる層間絶縁膜が形成されている。層間絶縁膜には、ソース・ドレイン部(第3エピタキシャル成長層23)、ゲート電極12に接続するコンタクトが埋め込まれ、層間絶縁膜上には当該コンタクトに接続する配線が形成されている。   Although not shown, a silicide layer is formed on the surface of the third epitaxial growth layer 23. The silicide layer is made of cobalt silicide or nickel silicide. An interlayer insulating film made of silicon oxide is formed on the entire surface so as to cover the MIS transistor. A contact connected to the source / drain portion (third epitaxial growth layer 23) and the gate electrode 12 is embedded in the interlayer insulating film, and a wiring connected to the contact is formed on the interlayer insulating film.

上記の本実施形態に係る半導体装置は、半導体基板1上に形成されたエピタキシャル成長層によりエクステンション部20が構成される、いわゆるRaised Extension構造を採用する。本実施形態では、このエクステンション部20が、2段のエピタキシャル成長層21,22からなることを特徴とする。   The semiconductor device according to this embodiment employs a so-called Raised Extension structure in which the extension portion 20 is formed by an epitaxial growth layer formed on the semiconductor substrate 1. This embodiment is characterized in that the extension portion 20 includes two stages of epitaxial growth layers 21 and 22.

次に、上記の半導体装置の製造方法について、図2〜図9を参照して説明する。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device will be described with reference to FIGS.

まず、図2(a)に示すように、例えばSTI技術を用いて、半導体基板1に例えば酸化シリコンからなる素子分離絶縁膜2を形成する。続いて、半導体基板1にボロンなどのp型不純物をイオン注入し、さらに必要に応じて閾値電圧調整のためのイオン注入を行った後、活性化アニールを行うことにより不図示のp型ウェルを形成する。   First, as shown in FIG. 2A, the element isolation insulating film 2 made of, for example, silicon oxide is formed on the semiconductor substrate 1 by using, for example, the STI technique. Subsequently, a p-type impurity such as boron is ion-implanted into the semiconductor substrate 1, and further ion implantation for adjusting the threshold voltage is performed as necessary, and then activation annealing is performed to form a p-type well (not shown). Form.

次に、図2(b)に示すように、半導体基板1上に、例えば熱酸化法により3〜5nmの膜厚の酸化シリコン膜3aを形成する。続いて、酸化シリコン膜3a上に例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により、150nm〜200nmの膜厚のポリシリコン層4aを形成する。後述するポリシリコン層4aの加工時の型崩れを防止するために、必要に応じてアニール処理を行う。続いて、ポリシリコン層4a上に例えば窒化シリコン膜を堆積させ、リソグラフィ技術およびエッチング技術により窒化シリコン膜を加工して、ゲート電極に対応したパターンのハードマスク5を形成する。ハードマスク5の厚さは、例えば30〜100nmの範囲から選択される。   Next, as shown in FIG. 2B, a silicon oxide film 3a having a thickness of 3 to 5 nm is formed on the semiconductor substrate 1 by, eg, thermal oxidation. Subsequently, a polysilicon layer 4a having a thickness of 150 nm to 200 nm is formed on the silicon oxide film 3a by, eg, CVD (Chemical Vapor Deposition). In order to prevent the deformation of the polysilicon layer 4a, which will be described later, during the processing, an annealing process is performed as necessary. Subsequently, for example, a silicon nitride film is deposited on the polysilicon layer 4a, and the silicon nitride film is processed by a lithography technique and an etching technique to form a hard mask 5 having a pattern corresponding to the gate electrode. The thickness of the hard mask 5 is selected from a range of 30 to 100 nm, for example.

次に、図3(a)に示すように、ハードマスク5をエッチングマスクとして、ポリシリコン層4aおよび酸化シリコン膜3aをドライエッチングすることにより、ゲート電極4およびゲート絶縁膜3を形成する。本実施形態では、ゲート電極4およびゲート絶縁膜3をダミーゲートおよびダミーゲート絶縁膜として用いて最終的には除去する例について説明する。ただし、ゲート電極4およびゲート絶縁膜3をそのまま用いても良い。   Next, as shown in FIG. 3A, the gate electrode 4 and the gate insulating film 3 are formed by dry etching the polysilicon layer 4a and the silicon oxide film 3a using the hard mask 5 as an etching mask. In the present embodiment, an example will be described in which the gate electrode 4 and the gate insulating film 3 are finally removed using the dummy gate and the dummy gate insulating film. However, the gate electrode 4 and the gate insulating film 3 may be used as they are.

次に、図3(b)に示すように、半導体基板1の全面に、例えばCVD法により窒化シリコン膜を堆積した後に、異方性のドライエッチング(エッチバック)を行うことにより、ゲート電極4の側壁に第1側壁スペーサ6を形成する。第1側壁スペーサ6の厚さは、例えば1〜2nmである。その後、必要に応じて、短チャネル効果を抑制するために、半導体基板1へのイオン注入および活性化アニール処理を行う。   Next, as shown in FIG. 3B, a silicon nitride film is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 1 by, for example, a CVD method, and then anisotropic dry etching (etchback) is performed, whereby the gate electrode 4 First sidewall spacers 6 are formed on the sidewalls. The thickness of the first sidewall spacer 6 is, for example, 1 to 2 nm. Thereafter, in order to suppress the short channel effect, ion implantation into the semiconductor substrate 1 and activation annealing treatment are performed as necessary.

次に、図4(a)に示すように、半導体基板1の表面に、第1エピタキシャル成長層21を形成する。チャネルへの不純物の拡散を抑制するために、Si(Ge)のエピタキシャル成長時にIn−Situで不純物をドーピングする。不純物濃度は、例えば1×1018〜1×1020/cmである。ここで、nMOSとpMOSで異なる不純物をドーピングするために一方を酸化シリコン等のハードマスクにより保護して、nMOSとpMOSとで別々にエピタキシャル成長させる。nMOSにおいてドーピングする不純物は、砒素またはリンである。pMOSにおいてドーピングする不純物はボロンである。例えば、2nm〜10nmの第1エピタキシャル成長層21を形成する。 Next, as shown in FIG. 4A, a first epitaxial growth layer 21 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1. In order to suppress the diffusion of impurities into the channel, impurities are doped with In-Situ during the epitaxial growth of Si (Ge). The impurity concentration is, for example, 1 × 10 18 to 1 × 10 20 / cm 3 . Here, in order to dope different impurities between the nMOS and the pMOS, one is protected by a hard mask such as silicon oxide, and the nMOS and the pMOS are separately epitaxially grown. An impurity to be doped in the nMOS is arsenic or phosphorus. The impurity doped in the pMOS is boron. For example, the first epitaxial growth layer 21 having a thickness of 2 nm to 10 nm is formed.

このエピタキシャル成長は、800℃以下の低温プロセスで行われるため、成長中に導入された不純物は半導体基板1内にほとんど拡散しない。この結果、第1エピタキシャル成長層21と半導体基板1との間に急峻な濃度勾配をもつpn接合を形成することができる。また、不純物は活性化しているために、その後の工程で活性化のための熱処理を行う必要がないことから、半導体基板1への不純物拡散をさらに抑制することができる。これにより、低抵抗の第1エピタキシャル成長層21を形成しつつ、トランジスタの短チャネル効果を抑制することができる。   Since this epitaxial growth is performed at a low temperature process of 800 ° C. or less, impurities introduced during the growth hardly diffuse into the semiconductor substrate 1. As a result, a pn junction having a steep concentration gradient can be formed between the first epitaxial growth layer 21 and the semiconductor substrate 1. Further, since the impurities are activated, it is not necessary to perform a heat treatment for activation in the subsequent steps, so that impurity diffusion into the semiconductor substrate 1 can be further suppressed. Thereby, the short channel effect of the transistor can be suppressed while forming the low-resistance first epitaxial growth layer 21.

ここで、エピタキシャル条件を調節して、半導体基板1に垂直ではなく斜めに成長させることで、ゲート電極4とエクステンション部(ソース・ドレイン部)間のフリンジ容量を最小にする。傾斜面21aの長さdは、例えば3〜5nmである。   Here, the fringe capacitance between the gate electrode 4 and the extension part (source / drain part) is minimized by adjusting the epitaxial conditions and growing the film obliquely rather than perpendicularly to the semiconductor substrate 1. The length d of the inclined surface 21a is, for example, 3 to 5 nm.

n型シリコン層のエピタキシャル成長では、原料ガスとして、HCl、ジクロルシラン、H、アルシンを用いる。p型シリコン層のエピタキシャル成長ではアルシンの変わりにジボランを用いる。エピタキシャル成長時におけるHClの流量を大きくすればそれだけ傾斜面21aの角度を小さくすることができる。 In the epitaxial growth of the n-type silicon layer, HCl, dichlorosilane, H 2 , and arsine are used as source gases. In the epitaxial growth of the p-type silicon layer, diborane is used instead of arsine. If the flow rate of HCl during epitaxial growth is increased, the angle of the inclined surface 21a can be reduced accordingly.

次に、図4(b)に示すように、全面に酸化シリコン膜を堆積し、ドライエッチング(エッチバック)することにより、ゲート電極4の側壁に第2側壁スペーサ7を形成する。第2側壁スペーサ7の膜厚は、例えば4〜6nmである。第2側壁スペーサ7の膜厚は、最終的にゲート電極12とエクステンション部20とのオーバーラップ量を規定する。   Next, as shown in FIG. 4B, a second sidewall spacer 7 is formed on the sidewall of the gate electrode 4 by depositing a silicon oxide film on the entire surface and performing dry etching (etchback). The film thickness of the second sidewall spacer 7 is, for example, 4 to 6 nm. The film thickness of the second sidewall spacer 7 ultimately defines the amount of overlap between the gate electrode 12 and the extension portion 20.

次に、図5(a)に示すように、第1エピタキシャル成長層21上に、第2エピタキシャル成長層22を形成する。チャネルへの不純物の拡散を抑制するために、Si(Ge)のエピタキシャル成長時にIn−Situで不純物をドーピングする。不純物濃度は、例えば1×1018〜1×1020/cmである。ここで、nMOSとpMOSで異なる不純物をドーピングするために一方を酸化シリコン等のハードマスクにより保護して、nMOSとpMOSとで別々にエピタキシャル成長させる。nMOSにおいてドーピングする不純物は、砒素またはリンである。pMOSにおいてドーピングする不純物はボロンである。 Next, as shown in FIG. 5A, the second epitaxial growth layer 22 is formed on the first epitaxial growth layer 21. In order to suppress the diffusion of impurities into the channel, impurities are doped with In-Situ during the epitaxial growth of Si (Ge). The impurity concentration is, for example, 1 × 10 18 to 1 × 10 20 / cm 3 . Here, in order to dope different impurities between the nMOS and the pMOS, one is protected by a hard mask such as silicon oxide, and the nMOS and the pMOS are separately epitaxially grown. An impurity to be doped in the nMOS is arsenic or phosphorus. The impurity doped in the pMOS is boron.

第1エピタキシャル成長層21と第2エピタキシャル成長層22の合計膜厚が、エクステンション部20に必要な厚さとなるように、第2エピタキシャル成長層22の厚さを設定する。第2エピタキシャル成長層22の厚さは、例えば30nm〜50nmであり、エクステンション部20の厚さは40〜50nmである。エピタキシャル成長条件に用いる原料ガスの種類については、第1エピタキシャル成長層21と同様である。このとき、第1エピタキシャル成長層21とはエピタキシャル成長条件を変え、HCl流量を減らすことで成長レートが高い条件を選択する。HCl流量を減らすことにより、半導体基板1に第2エピタキシャル成長層22が垂直成長する。ただし、必ずしも垂直に限定されず、端面22aの角度を傾斜面21aよりも大きく設定する(垂直に近づける)ことにより、成長レートを向上させることができる。   The thickness of the second epitaxial growth layer 22 is set so that the total film thickness of the first epitaxial growth layer 21 and the second epitaxial growth layer 22 becomes a thickness necessary for the extension portion 20. The thickness of the second epitaxial growth layer 22 is, for example, 30 nm to 50 nm, and the thickness of the extension portion 20 is 40 to 50 nm. The type of source gas used for the epitaxial growth conditions is the same as that of the first epitaxial growth layer 21. At this time, the first epitaxial growth layer 21 is selected under a condition where the growth rate is high by changing the epitaxial growth conditions and reducing the HCl flow rate. By reducing the HCl flow rate, the second epitaxial growth layer 22 grows vertically on the semiconductor substrate 1. However, the growth rate is not necessarily limited to the vertical direction, and the growth rate can be improved by setting the angle of the end surface 22a to be larger than that of the inclined surface 21a (approaching the vertical direction).

次に、図5(b)に示すように、半導体基板1の全面に、窒化シリコン膜8aおよび酸化シリコン膜8bを成膜した後、異方性ドライエッチング(エッチバック)を行うことにより、第2側壁スペーサ7の側面にサイドウォール絶縁膜8を形成する。窒化シリコン膜8aの膜厚は、例えば20nmであり、酸化シリコン膜8bの膜厚は例えば50nmである。窒化シリコン膜8aは、第2側壁スペーサ7のエッチングの際のストッパとして作用する。   Next, as shown in FIG. 5B, a silicon nitride film 8a and a silicon oxide film 8b are formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1, and then anisotropic dry etching (etchback) is performed. A sidewall insulating film 8 is formed on the side surface of the two sidewall spacer 7. The film thickness of the silicon nitride film 8a is, for example, 20 nm, and the film thickness of the silicon oxide film 8b is, for example, 50 nm. The silicon nitride film 8 a functions as a stopper when the second sidewall spacer 7 is etched.

次に、図6に示すように、第2エピタキシャル成長層22上に、例えば20nm〜40nmの膜厚の第3エピタキシャル成長層23を形成する。ソース・ドレイン部となる第3エピタキシャル成長層23の形成においても、活性化アニールなどの熱処理をしないことが好ましいため、In−Situで不純物を導入することが好ましい。導入する不純物については、エピタキシャル成長層21,22で説明したのと同様である。あるいは、製造工程を短縮する観点から、不純物を含まないSiをエピタキシャル成長させた後に、イオン注入してもよい。さらに、第3エピタキシャル成長層23を形成せずに、サイドウォール絶縁膜8をマスクとしたイオン注入により、半導体基板1内にソース・ドレイン部を形成してもよい。   Next, as shown in FIG. 6, a third epitaxial growth layer 23 having a thickness of, for example, 20 nm to 40 nm is formed on the second epitaxial growth layer 22. Also in the formation of the third epitaxial growth layer 23 to be the source / drain portion, it is preferable not to perform heat treatment such as activation annealing, and therefore it is preferable to introduce impurities by In-Situ. The impurities to be introduced are the same as described in the epitaxial growth layers 21 and 22. Alternatively, from the viewpoint of shortening the manufacturing process, ion implantation may be performed after epitaxially growing Si not containing impurities. Further, the source / drain portion may be formed in the semiconductor substrate 1 by ion implantation using the sidewall insulating film 8 as a mask without forming the third epitaxial growth layer 23.

次に、図示はしないが、第3エピタキシャル成長層23の表面に、CoSiあるいはNiSiからなるシリサイド層を形成する。シリサイド層の形成では、CoあるいはNiからなる金属膜を形成した後に熱処理して、シリサイド層を形成した後に、不要な金属膜を除去する。   Next, although not shown, a silicide layer made of CoSi or NiSi is formed on the surface of the third epitaxial growth layer 23. In the formation of the silicide layer, after forming a metal film made of Co or Ni, heat treatment is performed, and after forming the silicide layer, the unnecessary metal film is removed.

本発明の半導体装置は、以上のようにして製造された半導体装置を含む。すなわち、半導体基板1上にゲート絶縁膜3を介して形成されたゲート電極4が、エクステンション部20とオーバーラップしていない構造でもよい。この場合には、ハードマスク5を除去して、ゲート電極4の上面もシリサイド化することが好ましい。ただし、本実施形態では、以降の処理を経ることによりゲートオーバーラップ構造を作製する例について説明する。   The semiconductor device of the present invention includes the semiconductor device manufactured as described above. That is, a structure in which the gate electrode 4 formed on the semiconductor substrate 1 via the gate insulating film 3 does not overlap the extension portion 20 may be employed. In this case, it is preferable that the hard mask 5 is removed and the upper surface of the gate electrode 4 is also silicided. However, in the present embodiment, an example in which the gate overlap structure is manufactured through the subsequent processing will be described.

図7(a)に示すように、全面に層間絶縁膜9を形成する。ハードマスク5よりも高い位置に層間絶縁膜9の表面がくるように、層間絶縁膜9の膜厚を設定する。   As shown in FIG. 7A, an interlayer insulating film 9 is formed on the entire surface. The film thickness of the interlayer insulating film 9 is set so that the surface of the interlayer insulating film 9 comes to a position higher than the hard mask 5.

次に、図7(b)に示すように、エッチバックあるいはCMP(Chemical Mechanical Polishing)により、層間絶縁膜9を平坦化し、ハードマスク5を露出させる。   Next, as shown in FIG. 7B, the interlayer insulating film 9 is planarized by etching back or CMP (Chemical Mechanical Polishing), and the hard mask 5 is exposed.

次に、図8(a)に示すように、例えばドライエッチングにより、ハードマスク5およびゲート電極4を除去する。これにより、層間絶縁膜9にゲート開口部10が形成される。   Next, as shown in FIG. 8A, the hard mask 5 and the gate electrode 4 are removed by dry etching, for example. As a result, a gate opening 10 is formed in the interlayer insulating film 9.

次に、図8(b)に示すように、例えばウェットエッチングにより、ゲート開口部10に露出した窒化シリコンからなる第1側壁スペーサ6を除去し、さらに、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜3および第2側壁スペーサ7を除去する。窒化シリコンのウェットエッチングでは例えばホット燐酸を用い、酸化シリコンのウェットエッチングでは例えばフッ酸を用いる。これにより、第1エピタキシャル成長層21の傾斜面21aおよび第2エピタキシャル成長層22の端面22aが、ゲート開口部10に露出する。   Next, as shown in FIG. 8B, the first sidewall spacer 6 made of silicon nitride exposed in the gate opening 10 is removed by, for example, wet etching, and the gate insulating film 3 made of silicon oxide and the first The two side wall spacers 7 are removed. For example, hot phosphoric acid is used for wet etching of silicon nitride, and hydrofluoric acid is used for wet etching of silicon oxide. As a result, the inclined surface 21 a of the first epitaxial growth layer 21 and the end surface 22 a of the second epitaxial growth layer 22 are exposed to the gate opening 10.

図示はしないが、ゲート開口部10内に露出した半導体基板1の表面をラジカル酸化して酸化膜を形成した後に、当該酸化膜を除去する。これにより、エクステンション部20から不純物が拡散したチャネル部の部位が取り除かれる。また、第1エピタキシャル成長層21の傾斜面21aの形状を最適化することができる。   Although not shown, after the surface of the semiconductor substrate 1 exposed in the gate opening 10 is radically oxidized to form an oxide film, the oxide film is removed. As a result, the portion of the channel portion where impurities are diffused is removed from the extension portion 20. In addition, the shape of the inclined surface 21a of the first epitaxial growth layer 21 can be optimized.

次に、図9(a)に示すように、全面にゲート絶縁膜11aを形成した後、ゲート開口部10を埋め込むゲート電極層12aを形成する。ゲート絶縁膜11aの形成では、ALD(Atomic Layer Deposition)法により、HfO膜や、HfSiON膜などの高誘電率膜を形成する。ゲート電極層12aの形成では、Hf,Ta,Ti、これらの窒化物、あるいはW,Ruを含む金属層を形成する。 Next, as shown in FIG. 9A, a gate insulating film 11a is formed on the entire surface, and then a gate electrode layer 12a that fills the gate opening 10 is formed. In the formation of the gate insulating film 11a, a high dielectric constant film such as an HfO 2 film or an HfSiON film is formed by an ALD (Atomic Layer Deposition) method. In forming the gate electrode layer 12a, a metal layer containing Hf, Ta, Ti, nitrides thereof, or W, Ru is formed.

次に、図9(b)に示すように、層間絶縁膜9上の堆積した不要なゲート絶縁膜11aおよびゲート電極層12aをCMP法により除去する。これにより、ゲート開口部10内のみにゲート絶縁膜(第2ゲート絶縁膜)11およびゲート電極(第2ゲート電極)12が残る。   Next, as shown in FIG. 9B, the unnecessary gate insulating film 11a and gate electrode layer 12a deposited on the interlayer insulating film 9 are removed by CMP. As a result, the gate insulating film (second gate insulating film) 11 and the gate electrode (second gate electrode) 12 remain only in the gate opening 10.

以降の工程としては、層間絶縁膜9を積み増した後に、ゲート電極12およびソース・ドレイン部(第3エピタキシャル成長層23)に接続するコンタクトを形成し、上層配線を形成することにより、半導体装置が完成する。   In the subsequent steps, after the interlayer insulating film 9 is stacked, contacts connected to the gate electrode 12 and the source / drain (third epitaxial growth layer 23) are formed, and the upper wiring is formed, thereby completing the semiconductor device. To do.

上記の本実施形態に係る半導体装置の製造方法の効果について説明する。   The effects of the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment will be described.

図10は、エピタキシャル成長層の形成の際のHCl流量と、成長レートとの関係を示す図である。   FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the HCl flow rate during the formation of the epitaxial growth layer and the growth rate.

HCl流量が40cc以下の場合には、成長レートは速くなるが、垂直成長するため傾斜面をもつエピタキシャル成長層が得られない。一方で、HCl流量が45cc以上の場合には、傾斜面(90°未満)が得られるが、成長レートが1nm以下と非常に遅くなってしまう。低抵抗化の観点からエクステンション部20の厚さは40〜50nm必要であるため、エクステンション部20を形成するのに40〜50分かかることとなる。   When the HCl flow rate is 40 cc or less, the growth rate is increased, but an epitaxial growth layer having an inclined surface cannot be obtained because of vertical growth. On the other hand, when the HCl flow rate is 45 cc or more, an inclined surface (less than 90 °) is obtained, but the growth rate is very slow, 1 nm or less. Since the thickness of the extension portion 20 needs to be 40 to 50 nm from the viewpoint of reducing resistance, it takes 40 to 50 minutes to form the extension portion 20.

本実施形態では、所望の角度の傾斜面21aをもつ第1エピタキシャル成長層21を形成した後に、第2エピタキシャル成長層22を垂直成長させることにより、所望の膜厚のエクステンション部20を得ている。このようにエクステンション部20のエピタキシャル成長工程を、傾斜面21aを重視した斜め成長工程と、成長レートを重視した垂直成長工程とに分けることにより、所望の傾斜面および膜厚をもつエクステンション部20の成膜時間を短縮することができる。   In the present embodiment, after the first epitaxial growth layer 21 having the inclined surface 21a having a desired angle is formed, the second epitaxial growth layer 22 is vertically grown to obtain the extension portion 20 having a desired film thickness. In this way, the epitaxial growth process of the extension portion 20 is divided into an oblique growth step in which the inclined surface 21a is emphasized and a vertical growth step in which the growth rate is emphasized, thereby forming the extension portion 20 having a desired inclined surface and film thickness. The film time can be shortened.

例えば、従来40〜60分かけてエクステンション部20をエピタキシャル成長していたのに比べて、半分以下の時間(例えば10分〜20分)でエクステンション部20をエピタキシャル成長することができ、TATを短縮することができる。   For example, the extension portion 20 can be epitaxially grown in less than half the time (for example, 10 minutes to 20 minutes) compared to the conventional case where the extension portion 20 is epitaxially grown over 40 to 60 minutes, and TAT is shortened. Can do.

最も成長レートが速いのは第2エピタキシャル成長層22を垂直成長させることであるが、第2エピタキシャル成長層22の端面22aは若干傾斜してもよい。ただし、端面22aが傾斜をもつ場合であっても、傾斜面21aに比べて端面22aが急峻となるようにする。これにより、第1エピタキシャル成長層21よりも速い成長レートで第2エピタキシャル成長層22を形成することができ、全体としてエクステンション部20の成長時間を短縮することができる。   The fastest growth rate is that the second epitaxial growth layer 22 is vertically grown, but the end face 22a of the second epitaxial growth layer 22 may be slightly inclined. However, even when the end surface 22a has an inclination, the end surface 22a is made steeper than the inclined surface 21a. As a result, the second epitaxial growth layer 22 can be formed at a faster growth rate than the first epitaxial growth layer 21, and the growth time of the extension portion 20 can be shortened as a whole.

以上説明したように、本実施形態に係る半導体装置の製造方法によれば、傾斜面の制御とTATの短縮を両立した半導体装置を実現することができる。これにより、トランジスタの特性の向上およびコストの低減を両立させることができる。   As described above, according to the manufacturing method of the semiconductor device according to the present embodiment, it is possible to realize a semiconductor device that achieves both the control of the inclined surface and the shortening of the TAT. As a result, both improvement in transistor characteristics and cost reduction can be achieved.

本発明は、上記の実施形態の説明に限定されない。
例えば、エピタキシャル成長層21〜23は、Si以外にも、Geや、SiGeであってもよい。また、使用する材料や膜厚は一例であり、これに限定されるものではない。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
The present invention is not limited to the description of the above embodiment.
For example, the epitaxial growth layers 21 to 23 may be Ge or SiGe in addition to Si. Moreover, the material and film thickness to be used are examples, and are not limited thereto.
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本実施形態に係る半導体装置の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the semiconductor device which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る半導体装置の製造における工程断面図である。It is process sectional drawing in manufacture of the semiconductor device which concerns on this embodiment. HCl流量と成膜レートとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between HCl flow volume and the film-forming rate.

符号の説明Explanation of symbols

1…半導体基板、2…素子分離絶縁膜、3…ゲート絶縁膜、3a…酸化シリコン膜、4…ゲート電極、4a…ポリシリコン層、5…ハードマスク、6…第1側壁スペーサ、7…第2側壁スペーサ、8…サイドウォール絶縁膜、8a…窒化シリコン膜、8b…酸化シリコン膜、9…層間絶縁膜、10…ゲート開口部、11,11a…ゲート絶縁膜、12…ゲート電極、12a…ゲート電極層、20…エクステンション部、21…第1エピタキシャル成長層、21a…傾斜面、22…第2エピタキシャル成長層、22a…端面、23…第3エピタキシャル成長層   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, 2 ... Element isolation insulating film, 3 ... Gate insulating film, 3a ... Silicon oxide film, 4 ... Gate electrode, 4a ... Polysilicon layer, 5 ... Hard mask, 6 ... 1st side wall spacer, 7 ... 1st 2 side wall spacers, 8 side wall insulating films, 8a silicon nitride films, 8b silicon oxide films, 9 interlayer insulating films, 10 gate openings, 11 and 11a gate insulating films, 12 gate electrodes, 12a ... Gate electrode layer, 20 ... extension portion, 21 ... first epitaxial growth layer, 21a ... inclined surface, 22 ... second epitaxial growth layer, 22a ... end face, 23 ... third epitaxial growth layer

Claims (9)

半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側における前記半導体基板上に形成されたエクステンション部と、
前記エクステンション部の外側における前記半導体基板に形成されたソース・ドレイン部と
を有し、
前記エクステンション部は、
前記半導体基板上に形成され、前記ゲート電極側に傾斜面をもつ第1エピタキシャル成長層と、
前記第1エピタキシャル成長層上に形成され、前記傾斜面よりも急峻な端面を前記ゲート電極側にもつ第2エピタキシャル成長層と
を有する半導体装置。
A gate electrode formed on a semiconductor substrate via a gate insulating film;
An extension portion formed on the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode;
A source / drain part formed on the semiconductor substrate outside the extension part, and
The extension part is
A first epitaxial growth layer formed on the semiconductor substrate and having an inclined surface on the gate electrode side;
A semiconductor device comprising: a second epitaxial growth layer formed on the first epitaxial growth layer and having an end face that is steeper than the inclined surface on the gate electrode side.
前記第2エピタキシャル成長層の前記端面は、前記半導体基板の表面に対して略垂直である
請求項1記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein the end surface of the second epitaxial growth layer is substantially perpendicular to a surface of the semiconductor substrate.
前記第2エピタキシャル成長層上であって前記ゲート電極側に形成されたサイドウォール絶縁膜と、
前記第2エピタキシャル成長層上に形成され、前記ソース・ドレイン部となる第3エピタキシャル成長層と
を有する請求項1記載の半導体装置。
A sidewall insulating film formed on the second epitaxial growth layer and on the gate electrode side;
The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a third epitaxial growth layer formed on the second epitaxial growth layer and serving as the source / drain portion.
前記ゲート電極は、前記第1エピタキシャル成長層の前記傾斜面に重なっている
請求項1記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode overlaps the inclined surface of the first epitaxial growth layer.
半導体基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の両側における前記半導体基板上に、前記ゲート電極側に傾斜面を有し、導電性不純物を含有する第1エピタキシャル成長層を形成する工程と、
前記第1エピタキシャル成長層の傾斜面上に前記ゲート電極の側壁を覆う側壁スペーサを形成する工程と、
前記第1エピタキシャル成長層上に、前記傾斜面よりも急峻な端面をもち、導電性不純物を含有する第2エピタキシャル成長層を形成する工程と、
前記第2エピタキシャル成長層上であって前記側壁スペーサの側壁に、サイドウォール絶縁膜を形成する工程と、
前記第1および第2エピタキシャル成長層を含むエクステンション部の外側に、ソース・ドレイン部を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
Forming a gate electrode on a semiconductor substrate via a gate insulating film;
Forming a first epitaxial growth layer having an inclined surface on the gate electrode side and containing a conductive impurity on the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode;
Forming a sidewall spacer covering the sidewall of the gate electrode on the inclined surface of the first epitaxial growth layer;
Forming on the first epitaxial growth layer a second epitaxial growth layer having a steeper end surface than the inclined surface and containing a conductive impurity;
Forming a sidewall insulating film on the second epitaxial growth layer and on the sidewall of the sidewall spacer;
Forming a source / drain portion outside an extension portion including the first and second epitaxial growth layers.
前記ソース・ドレイン部を形成する工程の後に、
前記ゲート電極の上面を露出させる層間絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート電極、前記ゲート絶縁膜、前記側壁スペーサを除去して、前記第1エピタキシャル成長層の傾斜面および前記半導体基板を露出させるゲート開口部を形成する工程と、
前記ゲート開口部内の前記半導体基板上および前記傾斜面上に第2ゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート開口部を埋め込む第2ゲート電極を形成する工程と
を有する請求項5記載の半導体装置の製造方法。
After the step of forming the source / drain portion,
Forming an interlayer insulating film exposing an upper surface of the gate electrode;
Removing the gate electrode, the gate insulating film, and the sidewall spacer to form an inclined surface of the first epitaxial growth layer and a gate opening exposing the semiconductor substrate;
Forming a second gate insulating film on the semiconductor substrate and on the inclined surface in the gate opening;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, further comprising: forming a second gate electrode that fills the gate opening.
前記ソース・ドレイン部を形成する工程において、前記第2エピタキシャル成長層上に、導電性不純物を添加した第3エピタキシャル成長層を形成する
請求項5記載の半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein in the step of forming the source / drain portion, a third epitaxial growth layer to which a conductive impurity is added is formed on the second epitaxial growth layer.
前記ソース・ドレイン部を形成する工程は、
前記第2エピタキシャル成長層上に、第3エピタキシャル成長層を形成する工程と、
前記第3エピタキシャル成長層に導電性不純物をイオン注入する工程と
を有する請求項5記載の半導体装置の製造方法。
The step of forming the source / drain portion includes:
Forming a third epitaxial growth layer on the second epitaxial growth layer;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, further comprising ion-implanting a conductive impurity into the third epitaxial growth layer.
前記ソース・ドレイン部を形成する工程において、前記ゲート電極および前記サイドウォール絶縁膜をマスクとして、前記半導体基板に導電性不純物をイオン注入する
請求項5記載の半導体装置の製造方法。
6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein in the step of forming the source / drain portion, conductive impurities are ion-implanted into the semiconductor substrate using the gate electrode and the sidewall insulating film as a mask.
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