JP2002280548A - 電界効果型半導体装置の製造方法 - Google Patents
電界効果型半導体装置の製造方法Info
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Abstract
単な手段を採ることで、アブゾーバ膜プロセスを適用し
てソース領域やドレイン領域の不純物活性化熱処理を行
っても、ソース領域或いはドレイン領域のチャネル側先
端部分の不純物活性化を充分に行って、寄生抵抗を低減
することができるようにする。 【解決手段】 サイド・ウォール14を形成したゲート
電極13をマスクとしてシリコン半導体基板11表面に
ゲート電極チャネル方向両側から離隔してソース・エク
ステンション領域15及びドレイン・エクステンション
領域16を形成するイオン注入を行い、サイド・ウォー
ルを除去してからゲート電極13も含めて全体を覆う絶
縁膜17及び金属膜18からなるアブゾーバ膜を形成
し、アブゾーバ膜上にレーザ光を照射してソース・エク
ステンション領域15及びドレイン・エクステンション
領域16をレーザ・アニールする。
Description
〔μm〕以下となる世代のMOS(metalsemi
conductor)トランジスタに於けるソース及び
ドレインを形成するのに好適な電界効果型半導体装置の
製造方法に関する。
・アニール技術に代わる次世代の熱処理技術として期待
されている。
〜3〔nsec〕程度の超短時間での溶融再結晶を行う
ことができる非平衡な熱処理技術である為、通常は温度
で制限される半導体中に於ける不純物の固溶限界を越え
た高い電気的活性化と急峻な不純物濃度プロファイルを
実現することができる。
及びドレイン領域の形成、及び、より浅く且つ急峻な不
純物濃度プロファイルをもつソース・エクステンション
領域やドレイン・エクステンション領域の形成が可能と
なる。
ジスタを作成する場合、そのMOSトランジスタを囲む
素子間分離用絶縁膜のMOSトランジスタ側エッジの薄
くなっている部分の裏面側と接する半導体部分が加熱さ
れ且つ溶融状態となり、その状態では不純物の拡散が著
しく速くなって、不純物分布は均一、即ち、ボックス型
となる為、チャネル・ストッパ、ソース、ドレインなど
に於ける不純物の分布は著しく変わってしまう。尚、因
に、通常のランプ加熱では、不純物の活性化率が温度に
依って決まり、限界はあるものの、レーザ加熱で溶融し
た部分のような速い不純物拡散は起こらない。
する為、シリコン半導体基板全体をレーザ光吸収が良好
な金属膜、即ち、アブゾーバ膜で覆うことに依り、レー
ザ光が照射された場合、アブゾーバ膜でレーザ光を吸収
し、その熱を不純物活性化熱処理すべきシリコン表面の
みに選択的に伝えて溶融再結晶化し、その領域に於ける
不純物を活性化するという、いわゆるアブゾーバ膜プロ
セスが知られている。
膜との反応を抑止する厚さ20〔nm〕程度の酸化膜と
レーザ光を吸収する厚さ20〔nm〕程度のTaNなど
の金属膜との積層膜からなっていて、このようなアブゾ
ーバ膜を用いた場合のソース領域及びドレイン領域形成
プロセスは、ゲート電極形成→ソース・ドレイン形成の
為の不純物のイオン注入→アブゾーバ膜堆積→レーザ照
射、の順になる。
のMOSトランジスタを表す要部切断側面図であり、図
に於いて、1はシリコン半導体基板、2はゲート絶縁
膜、3はゲート電極、4はソース・エクステンション領
域、5はドレイン・エクステンション領域、6はSiO
2 などの酸化膜、7はTaNなどからなる金属膜をそれ
ぞれ示し、酸化膜6と金属膜7とでアブゾーバ膜を構成
している。
近傍、即ち、図に見られるように○で囲んだ領域に於い
ては、ソース・エクステンション領域4及びドレイン・
エクステンション領域5のチャネル側先端が深く入り込
んでいる。
からなる絶縁膜6の厚さ分も加わって、ソース・エクス
テンション領域4或いはドレイン・エクステンション領
域5などの不純物領域のチャネル側先端と金属膜7との
間は更に離隔しているので、このような状態でアブゾー
バ膜プロセスを適用した場合、熱が充分に不純物領域の
チャネル側先端に到達せず、従って、その部分の不純物
は活性化されず、寄生抵抗が増大する旨の問題が起こっ
ている。
段を採ることで、アブゾーバ膜プロセスを適用してソー
ス領域やドレイン領域の不純物活性化熱処理を行って
も、ソース領域或いはドレイン領域のチャネル側先端部
分の不純物活性化を充分に行って、寄生抵抗を低減する
ことができるようにする。
レイン領域を形成する為の不純物をゲート電極をマスク
としてイオン注入した場合、その不純物は深さ方向だけ
でなく横方向にも拡がるので、アブゾーバ膜プロセスを
適用した場合、ソース領域及びドレイン領域のチャネル
側先端は熱源であるアブゾーバ膜から更に離れてしま
い、従って、充分な不純物活性化熱処理が実施されない
ことになってしまう。
ャネル側先端がアブゾーバ膜から離隔しないように形成
することが肝要であり、その為には、アブゾーバ膜の厚
さを考慮に入れて、アブゾーバ膜からの熱が充分にソー
ス領域及びドレイン領域のチャネル側先端に到達するこ
とができるように不純物イオンの注入をゲート電極の両
端から離れる方向にオフセットして実施する。
ら離隔する方向にオフセットして行ってからアブゾーバ
膜プロセスを実施するには、 ゲート電極を形成してから、酸化膜或いは窒化膜から
なるゲート・サイド・ウォールを形成し、ゲート電極及
びゲート・サイド・ウォールをマスクとして不純物イオ
ンの注入を行ってソース領域及びドレイン領域を形成
し、その後、ゲート・サイド・ウォールを除去してから
アブゾーバ膜を形成してレーザ・アニールを行う。 ゲート電極を頭部のゲート長に比較して根元部のゲー
ト長を短くなるように加工したノッチ型とし、そのゲー
ト電極をマスクとして不純物のイオン注入を行ってソー
ス領域及びドレイン領域を形成し、その後、アブゾーバ
膜を形成してレーザ・アニールを行う。 の二つの方法があり、の方法では、ノッチ型ゲート電
極を1回の工程で形成することができるのに対し、の
方法では、サイド・ウォールの形成及び剥離の工程が増
加するので、の方法は工程数が少なくなるので有利で
ある。
プロセスを用いたレーザ・アニールを実施しても、ゲー
ト電極のゲート長方向両端近傍に於けるソース領域(ソ
ース・エクステンション領域)並びにドレイン領域(ド
レイン・エクステンション領域)のチャネル側先端まで
不純物を活性化して充分に高濃度にすることができるの
で、寄生抵抗を低減した高性能微細MOSトランジスタ
を実現することができる。
明する為の工程要所に於けるMOSトランジスタを表す
要部切断側面図であり、以下、図を参照しつつ説明す
る。
w trench isolation)法を適用する
ことに依って素子間分離領域(図示せず)を形成する。
尚、STI法はLOCOS(local oxidat
ion ofsilicon)法に代替しても良い。
さが2〔nm〕のSiO2 からなるゲート絶縁膜12を
形成する。尚、ここでは、ゲート絶縁膜12として酸化
膜を用いたが、これは窒化膜、酸窒化膜、高誘電体であ
る金属酸化物膜を用いることができる。
or deposition)法を適用することに依
り、ゲート絶縁膜12上に厚さ150〔nm〕の多結晶
シリコン層を形成する。尚、ここでゲート電極材料とし
て多結晶シリコンを用いるが、これは金属、多結晶シリ
コンゲルマニウムなどに代替することができる。
・プロセスを適用することに依り、ゲート電極パターン
のレジスト層を形成する。
するドライ・エッチング法を適用することに依り、前記
工程(3)で形成した多結晶シリコン層及びゲート絶縁
膜12の異方性エッチングを行って、ゲート電極13を
形成し、且つ、ゲート絶縁膜12のパターニングを行
う。
さ10〔nm〕のSiO2 からなる絶縁層を全面に形成
する。
3 +Arとするドライ・エッチング法を適用することに
依り、前記工程(6)で形成したSiO2 からなる絶縁
層の異方性エッチングを行ってゲート電極側面にサイド
・ウォール14を形成する。
り、サイド・ウォール14並びにゲート電極13をマス
クとして、加速エネルギを3〔keV〕、ドーズ量を1
×1016〔cm-2〕とするAsイオンの打ち込みを行っ
て、浅い高濃度の不純物領域、即ち、ソース・エクステ
ンション領域15及びドレイン・エクステンション領域
16を形成する。尚、イオン注入する不純物イオンがp
型不純物イオンであるBイオンであれば、加速エネルギ
を0.5〔keV〕、ドーズ量を1×1016〔cm-2〕と
すれば良い。
後、重原子イオンを浅く打ち込んで前記の浅い高濃度不
純物領域を非晶質化しても良く、具体的には、例えば加
速エネルギを15〔keV〕、ドーズ量を4×10
14〔cm-2〕としてGeイオンを注入する。このようにす
る理由は、非晶質にした場合、単結晶に比較して融点が
300〔℃〕程度低くなるので、レーザ・アニールする
場合のパワが少なくて済むことになる。
って形成したソース・エクステンション領域15及びド
レイン・エクステンション領域16は、イオン注入した
ことに依る横方向拡がりがあっても、従来の技術に依っ
た場合に比較し、チャネルから離隔する方向に向かって
オフセットされた状態に形成される。
るサイド・ウォール14を除去してから、アブゾーバ膜
プロセスを実施してアブゾーバ膜を形成する。
り、厚さが5〔nm〕〜50〔nm〕程度のSiO2 か
らなる絶縁膜17を形成し、次いで、スパッタリング法
を適用することに依り、厚さが20〔nm〕〜40〔n
m〕程度のTaNからなる金属膜18を形成する。
・レーザ、或いは、YAGレーザなどを用い、レーザ光
を1回以上照射してレーザ・アニールを行う。
の工程要所に於けるMOSトランジスタを表す要部切断
側面図であり、以下、図を参照しつつ説明する。尚、図
1に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは
同じ意味を持つものとする。
と全く変わりないので省略し、その次の工程から説明す
ることにする。 (1)ゲート絶縁膜12上に多結晶SiGe層と多結晶
Si層を積層形成する。
・プロセス、並びに、エッチング・ガスをHBr+O2
とするドライ・エッチング法を適用することに依り、前
記工程(1)で形成した多結晶Si層並びに多結晶Si
Ge層をゲート・パターンにエッチングする。
調整することで、多結晶Siと多結晶SiGeとに於け
るエッチングの異方性を制御することができ、これに依
ってノッチ型ゲート電極23を形成することができる。
Ge層をエッチング・ガスであるHBr+O2 に曝した
場合、O2 の作用でゲート電極側壁には被着物膜が形成
されてゆくのであるが、HBrの流量比を大きくした場
合、ゲート電極下部には前記被着物が生成され難いこと
とHBrの流量が大きいことが相俟ってゲート電極下部
の横方向エッチングが進むものである。
り、ノッチ型ゲート電極23に於ける頭部23Aをマス
クとして、加速エネルギを3〔keV〕、ドーズ量を1
×1016〔cm-2〕とするAsイオンの打ち込みを行っ
て、浅い高濃度の不純物領域、即ち、ソース・エクステ
ンション領域15及びドレイン・エクステンション領域
16を形成する。尚、イオン注入する不純物イオンがp
型不純物イオンであるBイオンであれば、加速エネルギ
を0.5〔keV〕、ドーズ量を1×1016〔cm-2〕と
すれば良い。
は、後、重原子イオンを浅く打ち込んで前記の浅い高濃
度不純物領域を非晶質化しても良い。
入を行って形成したソース・エクステンション領域15
及びドレイン・エクステンション領域16は、ノッチ型
ゲート電極23の根元部23Bに比較してゲート長が大
である頭部23Aをマスクとするイオン注入で形成した
ものである為、チャネルから離隔する方向に向かってオ
フセットされた状態に形成されることは云うまでもな
い。
プロセスを実施してアブゾーバ膜を形成する。即ち、C
VD法を適用することに依って、厚さが5〔nm〕〜5
0〔nm〕程度のSiO2 からなる絶縁膜17を形成
し、次いで、スパッタリング法を適用することに依り、
厚さが20〔nm〕〜40〔nm〕程度のTaNからな
る金属膜18を形成する。
レーザ、或いは、YAGレーザなどを用い、レーザ光を
1回以上照射してレーザ・アニールを行う。
ランジスタに於いても、ソース・エクステンション領域
及びドレイン・エクステンション領域の不純物は、それ
等のチャネル側先端まで充分に高濃度に活性化され、寄
生抵抗は従来の技術に依った場合に比較して小さくな
り、精密な実測ではないが、シミュレーションに依る寄
生抵抗は150〔Ω−cm〕から50〔Ω−cm〕へ1
/3程度に低減することが確認されている。
態を含め、多くの形態で実施することができ、以下、そ
れを付記として例示する。
コン半導体基板表面にゲート電極チャネル方向両側から
離隔してソース・エクステンション領域及びドレイン・
エクステンション領域を形成するイオン注入を行う工程
と、次いで、ゲート電極も含めて全体を覆うアブゾーバ
膜を形成する工程と、次いで、アブゾーバ膜上にレーザ
光を照射してソース・エクステンション領域及びドレイ
ン・エクステンション領域のレーザ・アニールを行う工
程とが含まれてなることを特徴とする電界効果型半導体
装置の製造方法。
ド・ウォール14:実施の形態1参照、以下同じ)を形
成したゲート電極(例えばゲート電極13)をマスクと
してシリコン半導体基板(例えばシリコン半導体基板1
1)表面にゲート電極チャネル方向両側から離隔してソ
ース・エクステンション領域(例えばソース・エクステ
ンション領域15)及びドレイン・エクステンション領
域(例えばドレイン・エクステンション領域16)を形
成するイオン注入を行う工程と、次いで、サイド・ウォ
ールを除去してからゲート電極も含めて全体を覆うアブ
ゾーバ膜(例えば絶縁膜17及び金属膜18)を形成す
る工程と、次いで、アブゾーバ膜上にレーザ光を照射し
てソース・エクステンション領域及びドレイン・エクス
テンション領域のレーザ・アニールを行う工程とが含ま
れてなることを特徴とする電界効果型半導体装置の製造
方法。
の形態2参照、以下同じ)のゲート長に比較して根元部
(例えば根元部23B)のゲート長が短いノッチ型ゲー
ト電極(例えばノッチ型ゲート電極23)をマスクとし
てシリコン半導体基板表面にゲート電極チャネル方向両
側から離隔してソース・エクステンション領域及びドレ
イン・エクステンション領域を形成するイオン注入を行
う工程と、次いで、ノッチ型ゲート電極も含めて全体を
覆うアブゾーバ膜を形成する工程と、次いで、アブゾー
バ膜上にレーザ光を照射してソース・エクステンション
領域及びドレイン・エクステンション領域のレーザ・ア
ニールを行う工程とが含まれてなることを特徴とする電
界効果型半導体装置の製造方法。
膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、シリコン酸化
膜に比較して誘電率が高い金属酸化物膜の何れか、或い
は、それ等から選択された膜の積層構造からなることを
特徴とする(付記1)乃至(付記3)の何れか1記載の
電界効果型半導体装置の製造方法。
ニウム、シリコン・ゲルマニウム混晶、金属の何れか、
或いは、それ等から選択された材料の積層構造からなる
ことを特徴とする(付記1)乃至(付記3)の何れか1
記載の電界効果型半導体装置の製造方法。
及びドレイン・エクステンション領域を形成する不純物
のイオン注入を行う前、或いは、後に当該領域のシリコ
ン半導体基板表面を非晶質化処理を施すことを特徴とす
る(付記1)乃至(付記3)の何れか1記載の電界効果
型半導体装置の製造方法。
ザ光の強度が非晶質シリコンを溶融し且つ単結晶シリコ
ンを溶融しない程度であることを特徴とする(付記1)
乃至(付記3)の何れか1記載の電界効果型半導体装置
の製造方法。
造方法に於いては、ゲート電極をマスクとしてシリコン
半導体基板表面にゲート電極チャネル方向両側から離隔
してソース・エクステンション領域及びドレイン・エク
ステンション領域を形成するイオン注入を行う工程と、
次いで、ゲート電極も含めて全体を覆うアブゾーバ膜を
形成する工程と、次いで、アブゾーバ膜上にレーザ光を
照射してソース・エクステンション領域及びドレイン・
エクステンション領域のレーザ・アニールを行う工程と
が含まれている。
プロセスを用いたレーザ・アニールを実施しても、ゲー
ト電極のゲート長方向両端近傍に於けるソース領域(ソ
ース・エクステンション領域)並びにドレイン領域(ド
レイン・エクステンション領域)のチャネル側先端まで
不純物を活性化して充分に高濃度にすることができるの
で、寄生抵抗を低減した高性能微細MOSトランジスタ
を実現することができる。
に於けるMOSトランジスタを表す要部切断側面図であ
る。
に於けるMOSトランジスタを表す要部切断側面図であ
る。
ランジスタを表す要部切断側面図である。
Claims (3)
- 【請求項1】ゲート電極をマスクとしてシリコン半導体
基板表面にゲート電極チャネル方向両側から離隔してソ
ース・エクステンション領域及びドレイン・エクステン
ション領域を形成するイオン注入を行う工程と、 次いで、ゲート電極も含めて全体を覆うアブゾーバ膜を
形成する工程と、 次いで、アブゾーバ膜上にレーザ光を照射してソース・
エクステンション領域及びドレイン・エクステンション
領域のレーザ・アニールを行う工程とが含まれてなるこ
とを特徴とする電界効果型半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】サイド・ウォールを形成したゲート電極を
マスクとしてシリコン半導体基板表面にゲート電極チャ
ネル方向両側から離隔してソース・エクステンション領
域及びドレイン・エクステンション領域を形成するイオ
ン注入を行う工程と、 次いで、サイド・ウォールを除去してからゲート電極も
含めて全体を覆うアブゾーバ膜を形成する工程と、 次いで、アブゾーバ膜上にレーザ光を照射してソース・
エクステンション領域及びドレイン・エクステンション
領域のレーザ・アニールを行う工程とが含まれてなるこ
とを特徴とする電界効果型半導体装置の製造方法。 - 【請求項3】頭部のゲート長に比較して根元部のゲート
長が短いノッチ型ゲート電極をマスクとしてシリコン半
導体基板表面にゲート電極チャネル方向両側から離隔し
てソース・エクステンション領域及びドレイン・エクス
テンション領域を形成するイオン注入を行う工程と、 次いで、ノッチ型ゲート電極も含めて全体を覆うアブゾ
ーバ膜を形成する工程と、 次いで、アブゾーバ膜上にレーザ光を照射してソース・
エクステンション領域及びドレイン・エクステンション
領域のレーザ・アニールを行う工程とが含まれてなるこ
とを特徴とする電界効果型半導体装置の製造方法。
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