JPH09148564A - Semiconductor device and its manufacture - Google Patents
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- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置およびそ
の製造方法に関し、特に絶縁ゲート電界効果トランジス
タのゲート電極構造とその形成方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a gate electrode structure of an insulated gate field effect transistor and a forming method thereof.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来のLDD(Lightly Dop
ed Drain)構造のソース・ドレインを有する絶
縁ゲート電界効果トランジスタ(以下、MOSトランジ
スタと呼称する)において、ゲートがオフの状態(MO
Sトランジスタが非導通の状態)で起こるゲート電極下
のドレイン領域の表面反転層の形成およびそれに起因す
る価電子帯と伝導帯との間での電子のハンド間トンネル
現象によるリーク電流を防止する方法として、ゲート電
極の仕事関数を変化させる手法が特開平1−26426
4号公報で提案されている。この方法では、MOSトラ
ンジスタのチャネル領域をゲート絶縁膜を介して被覆す
るゲート電極とソース・ドレイン領域をゲート絶縁膜を
介して被覆するゲート電極とが異種の導電体材で構成さ
れる。ここで、これらの異種の導電体材の仕事関数が互
いに異るように選択される。2. Description of the Related Art Conventional LDD (Lightly Dop)
In an insulated gate field effect transistor (hereinafter referred to as a MOS transistor) having a source / drain having an ed drain structure, the gate is in an off state (MO
Method for preventing leakage current due to formation of a surface inversion layer in a drain region under a gate electrode and a resulting inter-hand tunneling phenomenon of electrons between a valence band and a conduction band, which occurs when an S transistor is in a non-conducting state) As a method of changing the work function of the gate electrode, Japanese Patent Laid-Open No. 1-242626 is known.
No. 4 publication. In this method, the gate electrode that covers the channel region of the MOS transistor through the gate insulating film and the gate electrode that covers the source / drain regions through the gate insulating film are made of different conductive materials. Here, the work functions of these different kinds of conductor materials are selected so as to be different from each other.
【0003】以下、特開平1−264264号公報に記
載されている技術について、図面を参照して説明する。
図6は、このような従来の技術を適用したnチャネルM
OSトランジスタの断面図である。The technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 1-264264 will be described below with reference to the drawings.
FIG. 6 shows an n-channel M to which such a conventional technique is applied.
It is sectional drawing of an OS transistor.
【0004】図6に示すように、導電型がP型のシリコ
ン基板101の表面に、熱酸化法で10nm程度のシリ
コン酸化膜でゲート絶縁膜102が形成されている。そ
して、第1のゲート電極103がタングステンあるいは
モリブデン等で形成される。さらに、第2のゲート電極
104が第1のゲート電極103の側壁部に形成される
ている。ここで、この第2のゲート電極104は、リン
不純物を含有する導電型がN型の多結晶シリコンで構成
される。As shown in FIG. 6, a gate insulating film 102 of a silicon oxide film of about 10 nm is formed on the surface of a silicon substrate 101 having a P conductivity type by a thermal oxidation method. Then, the first gate electrode 103 is formed of tungsten, molybdenum, or the like. Further, the second gate electrode 104 is formed on the side wall of the first gate electrode 103. Here, this second gate electrode 104 is composed of N-type polycrystalline silicon containing phosphorus impurities.
【0005】そして、ソース・ドレインの一部を形成す
るn- 拡散領域105が、ゲート絶縁膜102を介して
第2のゲート電極104の下部のシリコン基板101表
面に形成される。さらに、n+ 拡散領域106が形成さ
れてMOSトランジスタのソース・ドレイン領域が形成
される。Then, an n − diffusion region 105 forming a part of the source / drain is formed on the surface of the silicon substrate 101 below the second gate electrode 104 via the gate insulating film 102. Further, the n + diffusion region 106 is formed to form the source / drain region of the MOS transistor.
【0006】ここで、第2のゲート電極104には、そ
の仕事関数が第1のゲート電極103の仕事関数より小
さくなるような導電体材料が選択される。Here, for the second gate electrode 104, a conductive material whose work function is smaller than that of the first gate electrode 103 is selected.
【0007】上記の場合では、フェルミ準位がシリコン
基板のバンドギャップの中間領域に位置する第1のゲー
ト電極103がMOSトランジスタのチャネル領域上を
被覆し、フェルミ準位が伝導帯に近いレベルとなる第2
のゲート電極104がMOSトランジスタのソース・ド
レイン上を被覆するようになる。すなわち、第2のゲー
ト電極104の仕事関数が第1のゲート電極103のそ
れより小さくなるように設定されている。このようにす
ることで、MOSトランジスタのゲートがオフ状態での
n- 拡散領域105表面のバンドの曲り(以下、バンド
・ベンディングと呼称する)量は緩和され、先述したバ
ンド間のトンネルによるリーク電流が低減される。In the above case, the first gate electrode 103 whose Fermi level is located in the intermediate region of the band gap of the silicon substrate covers the channel region of the MOS transistor, and the Fermi level is close to the conduction band. Become second
Gate electrode 104 covers the source / drain of the MOS transistor. That is, the work function of the second gate electrode 104 is set to be smaller than that of the first gate electrode 103. By doing so, the amount of band bending (hereinafter referred to as band bending) on the surface of the n − diffusion region 105 when the gate of the MOS transistor is in the off state is relaxed, and the leak current due to the tunnel between the bands described above is relaxed. Is reduced.
【0008】これに対し、MOSトランジスタがpチャ
ネル型の場合には、ソース・ドレインの拡散領域の導電
型はP型になるので、第1のゲート電極に対し、第2の
ゲート電極は導電型がP型の多結晶シリコンのような仕
事関数の大きな導電体材料が選択されることになる。On the other hand, when the MOS transistor is a p-channel type, the conductivity type of the source / drain diffusion regions is P-type, so that the second gate electrode has a conductivity type with respect to the first gate electrode. A conductive material having a large work function such as P-type polycrystalline silicon will be selected.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかし、半導体装置が
高集積化され、例えば256メガビットDRAMのよう
になると、使用されるMOSトランジスタのゲート絶縁
膜の膜厚は6nm程度になる。そして、例えば、nチャ
ネルMOSトランジスタの場合でゲートがオフ状態の場
合すなわちゲート電極に0Vが印加され、ドレインに3
V程度の電圧が印加されると、この電圧3Vは、そのま
まソース・ドレインの拡散領域の表面に印加されること
になる。そして、この電圧で拡散領域表面のバンド・ベ
ンディングが生じ易くなり、バンド間のトンネル電流が
増加する。これは、ゲート絶縁膜による容量とバンド・
ベンディング部の容量との比較でゲート絶縁膜による容
量の方が大きくなると、これらを直列にして印加される
電圧は容量分割によりバンド・ベンディングの方にほと
んど食われるようになるためである。However, when the semiconductor device is highly integrated and becomes a 256 megabit DRAM, for example, the thickness of the gate insulating film of the MOS transistor used is about 6 nm. Then, for example, in the case of an n-channel MOS transistor and the gate is in an off state, that is, 0 V is applied to the gate electrode and 3 V is applied to the drain.
When a voltage of about V is applied, this voltage of 3V is directly applied to the surface of the diffusion region of the source / drain. Then, this voltage easily causes band bending on the surface of the diffusion region, and the tunnel current between the bands increases. This is due to the capacitance and band
This is because when the capacitance due to the gate insulating film becomes larger than the capacitance at the bending portion, the voltage applied by connecting them in series is almost consumed by the band bending due to the capacitance division.
【0010】このように、MOSトランジスタが超微細
化していくと、従来の技術ではこのようなバンド間トン
ネルの防止は困難になる。As described above, as the MOS transistor becomes ultra-miniaturized, it becomes difficult to prevent such band-to-band tunnel by the conventional technique.
【0011】本発明の目的は、このようにMOSトラン
ジスタが超微細化した場合でも、このバンド間トンネル
を抑制できるようにすることにある。An object of the present invention is to make it possible to suppress this band-to-band tunnel even when the MOS transistor is extremely miniaturized.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】このために本発明の半導
体装置の絶縁ゲート電界効果トランジスタにおいて、ゲ
ート電極が互いに導通のとれた第1のゲート電極と第2
のゲート電極とで構成され、前記第1のゲート電極はゲ
ート絶縁膜を介してチャネル部の上に存在し、前記第2
のゲート電極は絶縁膜を介してソース・ドレイン領域の
上に存在し、前記第2のゲート電極が、前記ソース・ド
レイン領域の導電型とは逆の導電型の多結晶半導体膜で
形成される。For this purpose, in the insulated gate field effect transistor of the semiconductor device of the present invention, the first gate electrode and the second gate electrode whose gate electrodes are electrically connected to each other are provided.
The first gate electrode is present on the channel portion through the gate insulating film, and the second gate electrode
Exists on the source / drain regions via an insulating film, and the second gate electrode is formed of a polycrystalline semiconductor film having a conductivity type opposite to that of the source / drain regions. .
【0013】あるいは、本発明の半導体装置において
は、前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極を被
覆しこれらのゲート電極に導通した第3のゲート電極が
存在する。Alternatively, in the semiconductor device of the present invention, there is a third gate electrode which covers the first gate electrode and the second gate electrode and is electrically connected to these gate electrodes.
【0014】ここで、前記多結晶半導体膜が多結晶シリ
コン膜あるいは多結晶シリコン・ゲルマニウム膜であ
る。Here, the polycrystalline semiconductor film is a polycrystalline silicon film or a polycrystalline silicon-germanium film.
【0015】また、前記絶縁膜がゲート絶縁膜である。The insulating film is a gate insulating film.
【0016】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体基板の表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、前
記ゲート絶縁膜を被覆する一導電型の多結晶シリコン膜
を形成する工程と、前記多結晶シリコン膜上部に保護絶
縁膜とを堆積させる工程と、前記保護絶縁膜をゲート電
極のパターン形状に加工する工程と、前記パターニング
された保護絶縁膜をマスクにして逆導電型の不純物を前
記多結晶シリコン膜に選択的に導入し逆導電型に変換す
る工程と、前記パターニングされた保護絶縁膜をエッチ
ング用マスクにして前記多結晶シリコン膜を前記ゲート
電極のパターン形状に加工する工程と、前記パターニン
グされた保護絶縁膜および多結晶シリコン膜をマスクに
して前記半導体基板の表面に一導電型の不純物を導入し
ソース・ドレイン領域を形成すると共に前記逆導電型の
多結晶シリコン膜と前記ソース・ドレイン領域とを前記
ゲート絶縁膜を介してオーバラップさせる工程と、を含
むようになる。The semiconductor device manufacturing method of the present invention is
Forming a gate insulating film on the surface of the semiconductor substrate; forming a polycrystalline silicon film of one conductivity type for covering the gate insulating film; and depositing a protective insulating film on the polycrystalline silicon film. And a step of processing the protective insulating film into a pattern shape of a gate electrode, and using the patterned protective insulating film as a mask, impurities of a reverse conductivity type are selectively introduced into the polycrystalline silicon film to form a reverse conductivity type. A step of converting, a step of processing the polycrystalline silicon film into a pattern shape of the gate electrode using the patterned protective insulating film as an etching mask, and a mask of the patterned protective insulating film and the polycrystalline silicon film Then, impurities of one conductivity type are introduced into the surface of the semiconductor substrate to form source / drain regions, and the polycrystalline silicon film of the opposite conductivity type is formed. Consisting of said source and drain regions to include, a step of overlapping via the gate insulating film.
【0017】[0017]
【発明の実施の形態】次に、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図1は、本発明の第1の実施の形
態を説明するためのnチャネルMOSトランジスタの断
面図である。図1に示すように、導電型がP型のシリコ
ン基板1の表面にゲート絶縁膜2が形成されている。そ
して、このゲート絶縁膜2上に第1のゲート電極3と第
2のゲート電極4とが形成されている。ここで、第1の
ゲート電極3はリン不純物を含有する多結晶シリコン膜
で構成されている。また、第2のゲート電極はホウ素不
純物を含有する多結晶シリコン膜で構成されている。そ
して、このリン不純物の含有量は1019原子/cm3 程
度であり、ホウ不純物の含有量は1018原子/cm3 程
度である。なお、ここで、リン不純物の代りにヒ素不純
物が用いられてもよい。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of an n-channel MOS transistor for explaining the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a gate insulating film 2 is formed on the surface of a silicon substrate 1 having a P conductivity type. Then, the first gate electrode 3 and the second gate electrode 4 are formed on the gate insulating film 2. Here, the first gate electrode 3 is composed of a polycrystalline silicon film containing phosphorus impurities. The second gate electrode is composed of a polycrystalline silicon film containing boron impurities. The phosphorus impurity content is about 10 19 atoms / cm 3 and the boron impurity content is about 10 18 atoms / cm 3 . Here, arsenic impurities may be used instead of phosphorus impurities.
【0018】そして、MOSトランジスタのソース・ド
レインとなるn+ 拡散領域5および6が、図1に示すよ
うに形成されている。すなわち、n+ 拡散領域5および
6とゲート電極すなわち第2のゲート電極4とが、ゲー
ト絶縁膜2を介して互いにオーバラップする。そして、
このn+ 拡散領域5および6は、第1のゲート電極3と
はオーバラップしないように形成されている。ここで、
n+ 拡散領域のヒ素不純物の含有量は1020原子/cm
3 程度に設定されている。なお、このソース・ドレイン
用の拡散領域はLDD構造でもよい。Then, n + diffusion regions 5 and 6 serving as the source / drain of the MOS transistor are formed as shown in FIG. That is, n + diffusion regions 5 and 6 and the gate electrode, that is, second gate electrode 4 overlap each other with gate insulating film 2 interposed therebetween. And
The n + diffusion regions 5 and 6 are formed so as not to overlap with the first gate electrode 3. here,
The content of arsenic impurities in the n + diffusion region is 10 20 atoms / cm
It is set to about 3 . The source / drain diffusion region may have an LDD structure.
【0019】次に、図2に基づいて上記第1の実施の形
態の構造の製造方法を説明する。ここで、図2は、この
第1の実施の形態のMOSトランジスタの製造工程順の
断面図である。Next, a method of manufacturing the structure of the first embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 2 is a cross-sectional view in the order of manufacturing steps of the MOS transistor of the first embodiment.
【0020】図2(a)に示すように、導電型がP型の
シリコン基板1の表面に素子間分離領域がフィールド酸
化膜(図示されず)で形成されて、シリコン基板1の活
性領域となる表面にゲート絶縁膜2が設けられる。ここ
で、このゲート絶縁膜2は、公知の熱酸化法で形成され
る膜厚が6nm程度のシリコン酸化膜を熱窒化して形成
されるSiON絶縁膜である。あるいは、このゲート絶
縁膜2は、亜酸化窒素のような窒素を含む雰囲気ガス中
で熱酸化されることで形成されるSiON絶縁膜であ
る。As shown in FIG. 2A, an element isolation region is formed of a field oxide film (not shown) on the surface of a silicon substrate 1 having a conductivity type of P, and an active region of the silicon substrate 1 is formed. The gate insulating film 2 is provided on the surface. Here, the gate insulating film 2 is a SiON insulating film formed by thermally nitriding a silicon oxide film having a film thickness of about 6 nm formed by a known thermal oxidation method. Alternatively, the gate insulating film 2 is a SiON insulating film formed by thermal oxidation in an atmosphere gas containing nitrogen such as nitrous oxide.
【0021】次に、ゲート絶縁膜2を被覆するN型多結
晶シリコン膜3’が公知の化学気相成長(CVD)法で
堆積される。ここで、このN型多結晶シリコン膜3’の
膜厚は200nm程度に設定される。また、このN型多
結晶シリコン膜3’中には、リン不純物が1×1019原
子/cm3 程度の濃度で含有される。Next, an N-type polycrystalline silicon film 3'covering the gate insulating film 2 is deposited by a known chemical vapor deposition (CVD) method. Here, the film thickness of the N-type polycrystalline silicon film 3'is set to about 200 nm. Further, phosphorus impurities are contained in the N-type polycrystalline silicon film 3 ′ at a concentration of about 1 × 10 19 atoms / cm 3 .
【0022】次に、このN型多結晶シリコン膜3’の表
面に、MOSトランジスタのゲート電極のパターン形状
になった保護絶縁膜7が設けられる。ここで、この保護
絶縁膜7はCVD法で形成されるシリコン酸化膜であ
り、その膜厚は300nm程度に設定されている。ま
た、このパターン寸法はゲート電極の寸法であり0.3
μm程度に設定される。Next, a protective insulating film 7 having a pattern of the gate electrode of the MOS transistor is provided on the surface of the N-type polycrystalline silicon film 3 '. Here, this protective insulating film 7 is a silicon oxide film formed by a CVD method, and its film thickness is set to about 300 nm. The pattern size is the size of the gate electrode and is 0.3
It is set to about μm.
【0023】次に、図2(b)に示すように、保護絶縁
膜7の側壁にサイドウォール絶縁膜8が形成される。こ
こで、このサイドウォール絶縁膜8は膜厚が100nm
程度のシリコン窒化膜で構成される。このサイドウォー
ル絶縁膜8の形成は、初めにCVD法で膜厚が120n
m程度のシリコン窒化膜が堆積され、引続いて異方性の
ある反応性イオンエッチング(RIE)法でシリコン窒
化膜が全面エッチングされて行われる。Next, as shown in FIG. 2B, a sidewall insulating film 8 is formed on the sidewall of the protective insulating film 7. Here, the side wall insulating film 8 has a film thickness of 100 nm.
It is composed of a silicon nitride film. The sidewall insulating film 8 is first formed by a CVD method to a film thickness of 120 n.
A silicon nitride film of about m is deposited, and then the silicon nitride film is entirely etched by anisotropic reactive ion etching (RIE).
【0024】次に、図2(c)に示すように、ボロンイ
オン9がイオン注入される。ここで、このボロンイオン
9は斜めイオン注入でありその傾斜角度は45度程度に
設定される。また、このイオン注入の注入エネルギーは
50〜100keVに、ドーズ量は3×1014イオン/
cm2 程度にそれぞれ設定される。なお、このイオン注
入でのボロンイオンの飛程は200nm程度であり、こ
のイオンはゲート絶縁膜2の近傍まで達する。そして、
さらに熱処理が加えられる。このようにして、P型多結
晶シリコン膜4’が形成される。Next, as shown in FIG. 2 (c), boron ions 9 are ion-implanted. Here, this boron ion 9 is obliquely ion-implanted, and its inclination angle is set to about 45 degrees. The ion implantation energy is 50 to 100 keV, and the dose is 3 × 10 14 ions /
Each is set to about cm 2 . The range of boron ions in this ion implantation is about 200 nm, and the ions reach the vicinity of the gate insulating film 2. And
Further heat treatment is applied. In this way, the P-type polycrystalline silicon film 4'is formed.
【0025】このP型多結晶シリコン膜4’には、先述
した1×1019原子/cm3 のリン不純物と1.5×1
019原子/cm3 のホウ素不純物とが混入し、見掛け上
5×1018原子/cm3 のP型不純物が含有されること
になる。In the P-type polycrystalline silicon film 4 ', the phosphorus impurity of 1 × 10 19 atoms / cm 3 and the concentration of 1.5 × 1 are added.
Boron impurities of 0 19 atoms / cm 3 are mixed and apparently 5 × 10 18 atoms / cm 3 of P-type impurities are contained.
【0026】次に、サイドウォール絶縁膜8が選択的に
エッチング除去される。このエッチグはホット燐酸等の
化学薬液で行われる。そして、保護絶縁膜7をエッチン
グマスクにして、先述したN型多結晶シリコン膜3’お
よびP型多結晶シリコン膜4’がRIEでドライエッチ
ングされる。Next, the sidewall insulating film 8 is selectively removed by etching. This etching is performed with a chemical solution such as hot phosphoric acid. Then, using the protective insulating film 7 as an etching mask, the N-type polycrystalline silicon film 3 ′ and the P-type polycrystalline silicon film 4 ′ described above are dry-etched by RIE.
【0027】このようにして、図2(d)に示すよう
に、先述したN型多結晶シリコン膜3’の領域に第1の
ゲート電極3が形成され、P型多結晶シリコン膜4’の
領域に第2のゲート電極4が形成されるようになる。Thus, as shown in FIG. 2D, the first gate electrode 3 is formed in the region of the N-type polycrystalline silicon film 3'described above, and the P-type polycrystalline silicon film 4'is formed. The second gate electrode 4 is formed in the region.
【0028】次に、全面にヒ素不純物のイオン注入がな
され熱処理が施されて、n+ 拡散領域5および6が形成
される。ここで、n+ 拡散領域5および6はゲート絶縁
膜2を介して第2のゲート電極4とオーバラップする。Next, arsenic impurities are ion-implanted and heat-treated on the entire surface to form n + diffusion regions 5 and 6. Here, n + diffusion regions 5 and 6 overlap with second gate electrode 4 via gate insulating film 2.
【0029】最後に保護絶縁膜7が除去されて、図1で
説明した本発明の構造を有するMOSトランジスタが完
成する。Finally, the protective insulating film 7 is removed to complete the MOS transistor having the structure of the present invention described with reference to FIG.
【0030】次に、図3を参照して本発明の第2の実施
の形態について説明する。図3は、第1の実施の形態で
説明したのと同様のnチャネルMOSトランジスタの断
面図である。Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a sectional view of an n-channel MOS transistor similar to that described in the first embodiment.
【0031】図3に示すように、導電型がP型のシリコ
ン基板1の表面にゲート絶縁膜2が形成されている。そ
して、このゲート絶縁膜2上に第1のゲート電極3と第
2のゲート電極4とが形成されている。ここで、第1の
ゲート電極3はリン不純物を含有する多結晶シリコン膜
で構成されている。また、第2のゲート電極はホウ素不
純物を含有する多結晶シリコン膜で構成されている。そ
して、この場合には、第2のゲート電極4は第1のゲー
ト電極3の側壁に沿って形成される。ここで、リン不純
物の含有量は1020原子/cm3 程度であり、ホウ不純
物の含有量は1018原子/cm3 程度である。As shown in FIG. 3, a gate insulating film 2 is formed on the surface of a silicon substrate 1 whose conductivity type is P type. Then, the first gate electrode 3 and the second gate electrode 4 are formed on the gate insulating film 2. Here, the first gate electrode 3 is composed of a polycrystalline silicon film containing phosphorus impurities. The second gate electrode is composed of a polycrystalline silicon film containing boron impurities. Then, in this case, the second gate electrode 4 is formed along the side wall of the first gate electrode 3. The content of the phosphorus impurity is about 102 0 atoms / cm 3, the content of boric impurities is about 10 18 atoms / cm 3.
【0032】そして、この第1のゲート電極3および第
2のゲート電極4に電気的に接続する第3のゲート電極
10が形成されている。ここで、この第3のゲート電極
10はタングステンシリサイドあるいはチタンシリサイ
ドのような高融点金属シリサイド膜で形成される。Then, a third gate electrode 10 electrically connected to the first gate electrode 3 and the second gate electrode 4 is formed. Here, the third gate electrode 10 is formed of a refractory metal silicide film such as tungsten silicide or titanium silicide.
【0033】そして、MOSトランジスタのソース・ド
レインとなるn+ 拡散領域5および6が、第1の実施の
形態で説明したように形成されている。すなわち、n+
拡散領域5および6とゲート電極すなわち第2のゲート
電極4とが、ゲート絶縁膜2を介して互いにオーバラッ
プする。そして、このn+ 拡散領域5および6は、第1
のゲート電極3とはオーバラップしないように形成され
ている。ここで、n+拡散領域のヒ素不純物の含有量は
1020原子/cm3 程度に設定されている。Then, n + diffusion regions 5 and 6 serving as the source and drain of the MOS transistor are formed as described in the first embodiment. That is, n +
The diffusion regions 5 and 6 and the gate electrode, that is, the second gate electrode 4 overlap each other with the gate insulating film 2 interposed therebetween. The n + diffusion regions 5 and 6 are
Is formed so as not to overlap the gate electrode 3 of. Here, the content of arsenic impurities in the n + diffusion region is set to about 10 20 atoms / cm 3 .
【0034】次に、図4に基づいてこの第2の実施の形
態の構造の製造方法を説明する。ここで、図4は、この
第1の実施の形態のMOSトランジスタの製造工程順の
断面図である。Next, a method of manufacturing the structure of the second embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 4 is a sectional view of the MOS transistor of the first embodiment in the order of manufacturing steps.
【0035】図4(a)に示すように、第1の実施の形
態で説明したのと同様にして、P型のシリコン基板1の
表面に素子間分離領域がフィールド酸化膜で形成され
て、シリコン基板1の活性領域となる表面にゲート絶縁
膜2が設けられる。ここで、このゲート絶縁膜2は、膜
厚が6nm程度のSiON絶縁膜である。As shown in FIG. 4A, in the same manner as described in the first embodiment, an element isolation region is formed of a field oxide film on the surface of the P type silicon substrate 1, The gate insulating film 2 is provided on the surface of the silicon substrate 1 which becomes the active region. Here, the gate insulating film 2 is a SiON insulating film having a film thickness of about 6 nm.
【0036】次に、ゲート絶縁膜2を被覆するN型多結
晶シリコン膜3’がCVD法で堆積される。ここで、こ
のN型多結晶シリコン膜3’の膜厚は150nm程度に
設定される。また、このN型多結晶シリコン膜3’中に
は、リン不純物が1×1020原子/cm3 程度の濃度で
含有される。Next, an N-type polycrystalline silicon film 3'covering the gate insulating film 2 is deposited by the CVD method. Here, the film thickness of the N-type polycrystalline silicon film 3'is set to about 150 nm. Further, phosphorus impurities are contained in the N-type polycrystalline silicon film 3 ′ at a concentration of about 1 × 10 20 atoms / cm 3 .
【0037】次に、このN型多結晶シリコン膜3’の表
面に、MOSトランジスタのゲート電極のパターン形状
になった第3のゲート電極10と保護絶縁膜7とが積層
して設けられる。ここで、この第3のゲート電極10は
チタンシリサイド層であり、保護絶縁膜7はCVD法で
形成されるシリコン酸化膜である。そして、この第3の
ゲート電極10の膜厚は150nmに、保護絶縁膜の膜
厚は300nm程度にそれぞれ設定されている。また、
このパターン寸法は0.3μm程度に設定される。Next, on the surface of the N-type polycrystalline silicon film 3 ', a third gate electrode 10 having a pattern shape of the gate electrode of the MOS transistor and a protective insulating film 7 are laminated and provided. Here, the third gate electrode 10 is a titanium silicide layer, and the protective insulating film 7 is a silicon oxide film formed by the CVD method. The thickness of the third gate electrode 10 is set to 150 nm, and the thickness of the protective insulating film is set to about 300 nm. Also,
The pattern size is set to about 0.3 μm.
【0038】次に、二弗化ボロンイオン11がイオン注
入され、ホウ素不純物注入層12が形成される。ここ
で、このイオン注入の注入エネルギーは50keVであ
り、そのドーズ量は2×1015イオン/cm2 である。
そして、温度が800℃程度の熱処理が施され、図4
(b)に示すようなP型多結晶シリコン膜4’が形成さ
れる。この場合に、このP型多結晶シリコン膜4’と第
3のゲート電極10とのオーバラップする領域の寸法は
0.1μmである。また、リン不純物とホウ素不純物と
が混合した後の見掛け上のホウ素不純物の量は5×10
18原子/cm3 になるように設定される。Next, boron difluoride ions 11 are ion-implanted to form a boron impurity-implanted layer 12. Here, the implantation energy of this ion implantation is 50 keV, and the dose amount is 2 × 10 15 ions / cm 2 .
Then, heat treatment at a temperature of about 800 ° C. is performed, and FIG.
A P-type polycrystalline silicon film 4'as shown in (b) is formed. In this case, the size of the region where the P-type polycrystalline silicon film 4 ′ and the third gate electrode 10 overlap is 0.1 μm. Further, the apparent amount of boron impurities after the phosphorus impurities and the boron impurities are mixed is 5 × 10 5.
It is set to be 18 atoms / cm 3 .
【0039】次に、図4(c)に示すように、保護絶縁
膜7および第3のゲート電極10をエッチングのマスク
にして、P型多結晶シリコン膜4’がRIEでドライエ
ッチングされる。このようにして、先述したN型多結晶
シリコン膜3’の領域に第1のゲート電極3が形成さ
れ、P型多結晶シリコン膜4’の領域に第2のゲート電
極4が形成されるようになる。Next, as shown in FIG. 4C, the P-type polycrystalline silicon film 4'is dry-etched by RIE using the protective insulating film 7 and the third gate electrode 10 as an etching mask. In this way, the first gate electrode 3 is formed in the region of the N-type polycrystalline silicon film 3 ′ and the second gate electrode 4 is formed in the region of the P-type polycrystalline silicon film 4 ′. become.
【0040】次に、全面にヒ素不純物のイオン注入がな
され熱処理が施されて、n+ 拡散領域5および6が形成
される。最後に保護絶縁膜7が除去されて、図3で説明
した本発明の構造を有するMOSトランジスタが完成す
る。Next, arsenic impurities are ion-implanted over the entire surface and heat-treated to form n + diffusion regions 5 and 6. Finally, the protective insulating film 7 is removed to complete the MOS transistor having the structure of the present invention described with reference to FIG.
【0041】次に、図5を参照して本発明の効果につい
て詳細に説明する。図5(a)は、本発明のMOSトラ
ンジスタを拡大したところの断面図であり、図5(b)
は、図5(a)に記したA−B間のエネルギーバンド構
造を示す。なお、図5(c)は、従来のMOSトランジ
スタの場合の同様のエネルギーバンド構造である。Next, the effect of the present invention will be described in detail with reference to FIG. FIG. 5A is a cross-sectional view of an enlarged MOS transistor of the present invention, and FIG.
Shows the energy band structure between A and B shown in FIG. Note that FIG. 5C shows the same energy band structure as in the case of the conventional MOS transistor.
【0042】図5(a)に示すように、導電型がP型の
シリコン基板1の表面にnチャネルMOSトランジスタ
のゲート絶縁膜2、第1のゲート電極3、第2のゲート
電極4、n+ 拡散領域5および6が形成されている。こ
こで、n+ 拡散領域5はソース領域となり、n+ 拡散領
域6はドレイン領域となる。As shown in FIG. 5A, the gate insulating film 2, the first gate electrode 3, the second gate electrode 4, n of the n-channel MOS transistor are formed on the surface of the silicon substrate 1 whose conductivity type is P type. + Diffusion regions 5 and 6 are formed. Here, the n + diffusion region 5 becomes a source region and the n + diffusion region 6 becomes a drain region.
【0043】ここで、このようなMOSトランジスタの
第1のゲート電極3および第2のゲート電極4、n+ 拡
散領域5、シリコン基板1が接地電位にされ、n+ 拡散
領域6に3V程度の正電圧が印加されている場合につい
て説明する。この場合が先述したMOSトランジスタの
オフ状態である。Here, the first gate electrode 3 and the second gate electrode 4, the n + diffusion region 5, and the silicon substrate 1 of such a MOS transistor are set to the ground potential, and the n + diffusion region 6 has a voltage of about 3V. The case where a positive voltage is applied will be described. This is the OFF state of the MOS transistor described above.
【0044】上記のようにMOSトランジスタに電圧が
印加されると、第1のゲート電極3および第2のゲート
電極4とドレイン領域であるn+ 拡散領域6との間に3
V程度の電圧が印加されることになる。このため、P型
多結晶シリコンで構成される第2のゲート電極4には空
乏領域4aが形成されるようになる。また、N型多結晶
シリコンで形成される第1のゲート電極3と上記第2の
ゲート電極4間に形成されるPN接合は順方向に印加さ
れる。このようにして、第1のゲート電極3とn+ 拡散
領域6間の電圧は、そのほとんどが空乏領域4aに印加
されることになる。When a voltage is applied to the MOS transistor as described above, a voltage of 3 is applied between the first and second gate electrodes 3 and 4 and the n + diffusion region 6 which is a drain region.
A voltage of about V will be applied. Therefore, the depletion region 4a comes to be formed in the second gate electrode 4 made of P-type polycrystalline silicon. Further, the PN junction formed between the first gate electrode 3 made of N-type polycrystalline silicon and the second gate electrode 4 is applied in the forward direction. In this way, most of the voltage between the first gate electrode 3 and the n + diffusion region 6 is applied to the depletion region 4a.
【0045】この様子を図5(b)で説明する。図5
(b)に示すように、第2のゲート電極4のエネルギー
バンド24は、空乏領域4aで電子エネルギーが下がり
エネルギーバンド24aとなる。そして、ゲート絶縁膜
2のエネルギーバンド22は僅かに右下がりになる。そ
して、n+ 拡散領域6の表面のバンド・ベンディングに
よる僅かな右下がりのn+ 拡散領域6表面のエネルギー
バンド26aが形成される。そして、n+ 拡散領域6の
エネルギーバンド26と電子エネルギーの高いシリコン
基板1のエネルギーバンド21が形成される。This state will be described with reference to FIG. FIG.
As shown in (b), in the energy band 24 of the second gate electrode 4, the electron energy decreases in the depletion region 4a and becomes the energy band 24a. Then, the energy band 22 of the gate insulating film 2 slightly lowers to the right. Then, n + energy band 26a slight right edge of the n + diffusion region 6 surface by the band bending on the surface of the diffusion region 6 is formed. Then, the energy band 26 of the n + diffusion region 6 and the energy band 21 of the silicon substrate 1 having high electron energy are formed.
【0046】先述したように、MOSトランジスタの微
細化と共にゲート絶縁膜2は薄膜化され、n+ 拡散領域
6の不純物は高濃度化される。そして、ゲート絶縁膜2
で形成される容量およびバンド・ベンディングした領域
に形成される容量は増大する。このため、空乏領域4a
に形成される容量は相対的に小さくなるので、これらが
直列接続されると、電圧の降下は空乏領域4aで生じる
ようになる。そして、先述した空乏領域のエネルギーバ
ンド24aの曲りが大きくなり、バンド・ベンディング
量が小さくなる。As described above, the gate insulating film 2 is thinned as the MOS transistor is miniaturized, and the impurity concentration in the n + diffusion region 6 is increased. Then, the gate insulating film 2
And the capacitance formed in the band-bent region increases. Therefore, the depletion region 4a
Since the capacitance formed in the capacitor is relatively small, when these are connected in series, a voltage drop occurs in the depletion region 4a. Then, the bending of the energy band 24a in the depletion region becomes large, and the band bending amount becomes small.
【0047】このようにして、本発明では、上記バンド
・ベンディング量が低減されて、電子のバンド間トンネ
ル現象が防止されるようになる。As described above, according to the present invention, the band bending amount is reduced and the band-to-band tunneling phenomenon of electrons is prevented.
【0048】これに対し比較のため、従来の技術の場合
を図5(c)で説明する。この場合には、ゲート電極に
本発明のような空乏領域が形成されないため、ゲート電
極のエネルギーバンド24に曲りはない。このために、
図5(c)に示すようにn+ 拡散領域6表面のエネルギ
ーバンド26aの変化が大きくなる。すなわち、バンド
・ベンディング量が増大するようになる。そして、この
バンド・ベンディング部の電子の伝導帯から価電子帯へ
のバンド間トンネル現象が顕著になる。On the other hand, for comparison, in the case of the conventional technique
Will be described with reference to FIG. In this case, the gate electrode
Since the depletion region as in the present invention is not formed,
There is no bend in the polar energy band 24. For this,
As shown in FIG. 5C, n+ Energy of surface of diffusion area 6
The change of the band 26a becomes large. I.e. the band
・ The amount of bending will increase. And this
From electron conduction band to valence band in band bending section
The band-to-band tunneling phenomenon becomes remarkable.
【0049】以上の実施の形態では、nチャネルMOS
トランジスタの場合について説明されているが、pチャ
ネルMOSトランジスタでもその導電型を逆にするだけ
で同様に形成されることに言及しておく。In the above embodiments, the n-channel MOS is used.
Although the case of a transistor has been described, it should be noted that a p-channel MOS transistor can be similarly formed by reversing its conductivity type.
【0050】また、MOSトランジスタの第1のゲート
電極材料として多結晶シリコン膜が用いられているが、
この他、高融点金属あるいはそのシリサイド膜でも同様
に形成できる。さらに、第2のゲート電極材料として多
結晶のシリコン・ゲルマニウム膜でもよい。Further, a polycrystalline silicon film is used as the first gate electrode material of the MOS transistor,
Besides, a refractory metal or a silicide film thereof can be similarly formed. Further, a polycrystalline silicon-germanium film may be used as the second gate electrode material.
【0051】本発明のMOSトランジスタにおいては、
第2のゲート電極とソース・ドレイン領域とはゲート絶
縁膜を介してオーバラップしてもよいし、その他のゲー
ト絶縁膜より膜厚の厚い絶縁膜を介してオーバラップし
てもよい。In the MOS transistor of the present invention,
The second gate electrode and the source / drain region may overlap with each other via the gate insulating film, or may overlap with each other via an insulating film having a film thickness thicker than other gate insulating films.
【0052】ここで、第2のゲート電極とチャネル領域
とはオーバラップしないように形成される。このような
オーバラップがあると、MOSトランジスタのしきい値
電圧が高くなり、設定値からはずれるようになるためで
ある。Here, the second gate electrode and the channel region are formed so as not to overlap with each other. This is because such an overlap causes the threshold voltage of the MOS transistor to increase and deviate from the set value.
【0053】[0053]
【発明の効果】本発明の半導体装置では、絶縁ゲート電
界効果トランジスタにおいて、ゲート電極が互いに導通
のとれた第1のゲート電極と第2のゲート電極とで構成
され、前記第1のゲート電極はゲート絶縁膜を介してチ
ャネル部の上に存在し、前記第2のゲート電極は絶縁膜
を介してソース・ドレイン領域の上に存在し、前記第2
のゲート電極が、前記ソース・ドレイン領域の導電型と
は逆の導電型の多結晶半導体膜で形成される。According to the semiconductor device of the present invention, in the insulated gate field effect transistor, the gate electrode is composed of a first gate electrode and a second gate electrode which are electrically connected to each other, and the first gate electrode is The second gate electrode exists on the source / drain region via an insulating film, and the second gate electrode exists on the channel region via the gate insulating film;
Is formed of a polycrystalline semiconductor film having a conductivity type opposite to that of the source / drain regions.
【0054】ここで、絶縁ゲート電界効果トランジスタ
がオフ状態になるように、ゲート電極とドレイン領域間
に電圧が印加される場合、第2のゲート電極に空乏領域
が形成され、この空乏領域に上記電圧のほとんどが印加
されるようになる。Here, when a voltage is applied between the gate electrode and the drain region so that the insulated gate field effect transistor is turned off, a depletion region is formed in the second gate electrode, and the above-mentioned depletion region is formed in the depletion region. Most of the voltage will be applied.
【0055】このために、前述したように、ドレイン領
域でのバンド・ベンディングによるバンド間トンネル現
象は解消される。そして、ドレイン領域でのリーク電流
は大幅に低減されるようになる。Therefore, as described above, the band-to-band tunnel phenomenon due to band bending in the drain region is eliminated. Then, the leak current in the drain region is significantly reduced.
【0056】このようにして、絶縁ゲート電界効果トラ
ンジスタの微細化および半導体装置の高密度化あるいは
高集積化を容易にする。Thus, miniaturization of the insulated gate field effect transistor and high density or high integration of the semiconductor device are facilitated.
【図1】本発明の第1の実施の形態を説明するMOSF
ETの断面図である。FIG. 1 is a MOSF illustrating a first embodiment of the present invention.
It is sectional drawing of ET.
【図2】上記MOSFETの製造工程順の断面図であ
る。FIG. 2 is a cross-sectional view of the MOSFET in the order of manufacturing steps.
【図3】本発明の第2の実施の形態を説明するMOSF
ETの断面図である。FIG. 3 is a MOSF illustrating a second embodiment of the present invention.
It is sectional drawing of ET.
【図4】上記MOSFETの製造工程順の断面図であ
る。4A to 4C are cross-sectional views in the manufacturing process order of the MOSFET.
【図5】本発明の効果を説明するための断面図及びバン
ドダイヤグラムである。FIG. 5 is a cross-sectional view and a band diagram for explaining the effect of the present invention.
【図6】従来を技術を説明するためのMOSFETの断
面図である。FIG. 6 is a sectional view of a MOSFET for explaining a conventional technique.
1,101 シリコン基板 2,102 ゲート絶縁膜 3,103 第1のゲート電極 3’ N型多結晶シリコン膜 4,104 第2のゲート電極 4a 空乏領域 4’ P型多結晶シリコン膜 5,6,106 n+ 拡散領域 7 保護絶縁膜 8 サイドウォール絶縁膜 9 ボロンイオン 10 第3のゲート電極 11 二弗化ボロンイオン 12 ホウ素不純物注入層 21,22,24,24a,26,26a エネルギ
ーバンド 105 n- 拡散領域1, 101 Silicon substrate 2, 102 Gate insulating film 3, 103 First gate electrode 3 ′ N-type polycrystalline silicon film 4, 104 Second gate electrode 4a Depletion region 4 ′ P-type polycrystalline silicon film 5, 6, 106 n + diffusion region 7 protective insulating film 8 sidewall insulating film 9, boron ions 10 third gate electrode 11 boron difluoride ions 12 boron impurity implantation layer 21,22,24,24a, 26,26a energy band 105 n - Diffusion area
Claims (5)
て、ゲート電極が互いに導通のとれた第1のゲート電極
と第2のゲート電極とで構成され、前記第1のゲート電
極はゲート絶縁膜を介してチャネル部の上に存在し、前
記第2のゲート電極は絶縁膜を介してソース・ドレイン
領域の上に存在し、前記第2のゲート電極が、前記ソー
ス・ドレイン領域の導電型とは逆の導電型の多結晶半導
体膜で形成されていることを特徴とする半導体装置。1. In an insulated gate field effect transistor, a gate electrode is composed of a first gate electrode and a second gate electrode which are electrically connected to each other, and the first gate electrode is a channel via a gate insulating film. And the second gate electrode is present on the source / drain region via an insulating film, and the second gate electrode has a conductivity opposite to the conductivity type of the source / drain region. 1. A semiconductor device characterized by being formed of a polycrystalline semiconductor film of the type.
ト電極を被覆しこれらのゲート電極に導通した第3のゲ
ート電極が存在することを特徴とする請求項1記載の半
導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein there is a third gate electrode which covers the first gate electrode and the second gate electrode and is electrically connected to these gate electrodes.
あるいは多結晶シリコン・ゲルマニウム膜であることを
特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the polycrystalline semiconductor film is a polycrystalline silicon film or a polycrystalline silicon-germanium film.
特徴とする請求項1、請求項2または請求項3記載の半
導体装置。4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the insulating film is a gate insulating film.
する工程と、前記ゲート絶縁膜を被覆する一導電型の多
結晶シリコン膜を形成する工程と、前記多結晶シリコン
膜上部に保護絶縁膜とを堆積させる工程と、前記保護絶
縁膜をゲート電極のパターン形状に加工する工程と、前
記パターニングされた保護絶縁膜をマスクにして逆導電
型の不純物を前記多結晶シリコン膜に選択的に導入し逆
導電型に変換する工程と、前記パターニングされた保護
絶縁膜をエッチング用マスクにして前記多結晶シリコン
膜を前記ゲート電極のパターン形状に加工する工程と、
前記パターニングされた保護絶縁膜および多結晶シリコ
ン膜をマスクにして前記半導体基板の表面に一導電型の
不純物を導入しソース・ドレイン領域を形成すると共に
前記逆導電型の多結晶シリコン膜と前記ソース・ドレイ
ン領域とを前記ゲート絶縁膜を介してオーバラップさせ
る工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方
法。5. A step of forming a gate insulating film on a surface of a semiconductor substrate, a step of forming a polycrystalline silicon film of one conductivity type for covering the gate insulating film, and a protective insulating film on the polycrystalline silicon film. And a step of processing the protective insulating film into a pattern shape of a gate electrode, and using the patterned protective insulating film as a mask to selectively introduce impurities of opposite conductivity type into the polycrystalline silicon film. A step of converting to a reverse conductivity type, and a step of processing the polycrystalline silicon film into the pattern shape of the gate electrode using the patterned protective insulating film as an etching mask,
Using the patterned protective insulating film and the polycrystalline silicon film as a mask, impurities of one conductivity type are introduced into the surface of the semiconductor substrate to form source / drain regions, and the polycrystalline silicon film of the opposite conductivity type and the source are also formed. And a step of overlapping the drain region with the gate insulating film interposed therebetween, a method of manufacturing a semiconductor device.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7305343A JP2904081B2 (en) | 1995-11-24 | 1995-11-24 | Method for manufacturing semiconductor device |
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|---|---|---|---|---|
| JPS5286084A (en) * | 1976-01-12 | 1977-07-16 | Hitachi Ltd | Field effect transistor |
| JPS57148375A (en) * | 1981-03-09 | 1982-09-13 | Nissan Motor Co Ltd | Semiconductor device |
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1995
- 1995-11-24 JP JP7305343A patent/JP2904081B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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| US6876045B2 (en) | 2002-04-17 | 2005-04-05 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor device and process for manufacturing the same |
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