JP2004014574A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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JP2004014574A
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insulating film
forming
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hard mask
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Koji Ozaki
小崎 浩司
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a semiconductor device into which ions are implanted without being shielded by a gate electrode, even in a device of high integration degree and high density. <P>SOLUTION: This method comprises a step for forming an insulating film 2 on a semiconductor substrate 1, a step for forming a conductive layer on the insulating film 2, a step for forming a hard mask 6 on the conductive layer, a step for forming the gate electrodes 8 and 8' by etching the insulating film 2 and the conductive layer by using the hard mask 6, a step for processing the hard mask 6 into a tapered shape, and a step for implanting the ions from a diagonally upward direction into the semiconductor substrate 1 with the gate electrodes 8 and 8' as masks. The conductive layer can have a structure in which a polysilicon layer 3, a tungsten nitride layer 4 and a tungsten layer 5 are laminated in this order. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、より詳しくは、ゲート電極等をマスクとして半導体基板の斜め上方向から半導体基板にイオンを注入する工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の集積度の増加に伴い個々のデバイスの寸法は微小化が進み、各デバイスを構成する半導体領域の寸法も微細化されている。このように微細化が進むとショートチャネル効果によってソース・ドレイン間にパンチスルーの問題が起こることから、これを解決するための技術の一つとして従来よりハロー注入法が用いられている。ハロー注入法は、例えば特開平11−214687号公報に記載されているように、ソース・ドレイン部を囲むように基板と同じタイプの濃度の高い不純物領域(以下、ポケット領域という)を形成することにより、ソース・ドレイン間のパンチスルーを抑える方法である。ポケット領域を形成する方法としては、特開平9−246539号公報に記載されているように、半導体基板に対して斜めに不純物イオンを注入する方法がある。
【0003】
ところで、ゲート電極材料としては、一般にポリシリコンが用いられる。また、ゲート電極の構造としては、シート抵抗を低減させてデバイスの高速化を図るために、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)などの高融点金属やこれらの金属のシリサイドをポリシリコンの上に形成した積層構造がとられる。このようなゲート電極の形成には、ハードマスクを使用するエッチング方法が採用されている。
【0004】
図11に従来の半導体装置の製造方法を示す。まず、半導体基板42の主面上にゲート絶縁膜43を形成した後、不純物をドープしたポリシリコン層44を形成する。続いて、窒化タングステン(WN)層45、タングステン(W)層46を堆積した後、酸化シリコン(SiO)膜などからなるハードマスク47を形成し、図11(a)の構造とする。次に、レジスト膜48を形成し、フォトリソグラフィ法によりレジスト膜48をパターニングする(図11(b))。パターニングしたレジスト膜48をマスクとしてハードマスク47をエッチングした後、レジスト膜48を除去する(図11(c))。ハードマスク47を用いてタングステン膜46、窒化タングステン膜45、ポリシリコン膜44およびゲート絶縁膜43をエッチングして、図11(d)の構造とする。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ハードマスクはレジスト膜のように選択的に除去することが困難であることから、ゲート電極上にハードマスクを残した場合には、ハードマスクの膜厚分だけゲート電極のアスペクト比は増大することになる。一方、高集積度・高密度デバイスではソース・ドレイン・プロファイルを非常に浅くする必要がある。したがって、図11において、ハロー注入法での注入イオンの入射方向(A方向)と半導体基板42の主面42aに垂直な方向(B方向)とがなす角度θ(以下、注入角度という)を大きくすることが求められる。しかしながら、ゲート電極のアスペクト比が増大することにより、注入角度θの大きい注入イオンはゲート電極49,49′によって遮蔽され、所望のポケット領域を形成することができなくなるという問題があった。すなわち、高集積度・高密度デバイスでは30°以上の注入角度でイオンを入射する必要があるのに対し、従来の半導体装置では注入角度を30°程度とするのが限界であって、これ以上大きくするとゲート電極によりイオンが遮蔽されてしまうという問題があった。
【0006】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明は、高集積度・高密度のデバイスであってもゲート電極に遮蔽されることなくイオンを注入することのできる半導体装置の製造方法を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明による第1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形成する工程と、このゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、このゲート電極をテーパ形状に加工する工程と、このテーパ形状に加工されたゲート電極をマスクとして半導体基板の斜め上方向から半導体基板にイオンを注入する工程とを有することを特徴とする。ゲート電極はポリシリコン層および高融点金属層を含む積層構造であってもよく、ゲート電極の加工はこの高融点金属層のみの加工であってもよい。また、ゲート電極はポリシリコン層およびシリサイド層を含む積層構造であってもよく、ゲート電極の加工はこのシリサイド層のみの加工であってもよい。
【0008】
また、ゲート電極はポリシリコン層、窒化タングステン層およびタングステン層をこの順に積層させた構造とすることができ、これらの層のうち上から順に少なくとも1層をテーパ形状に加工してもよい。ここで「上から順に少なくとも1層」とは、必ず最上層であるタングステン層が含まれる意であり、加工される順序には関係しない。例えば、最上層のタングステン層のみがテーパ形状になるように加工してもよく、タングステン層および窒化タングステン層がテーパ形状になるように加工してもよい。さらに、タングステン層、窒化タングステン層およびポリシリコン層がテーパ形状になるように加工してもよい。最終的にこれらがテーパ形状になるのであれば、加工順序はいずれが先であってもよい。
【0009】
テーパ形状に加工する工程は、高密度プラズマによる異方性エッチングにより行うことができる。また、半導体基板はSOI基板であってもよい。
【0010】
また、本発明による第2の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、この絶縁膜上に導電層を形成する工程と、この導電層上にハードマスクを形成する工程と、このハードマスクを用いて絶縁膜および導電層をエッチングしてゲート電極を形成する工程と、ハードマスクをテーパ形状に加工する工程と、ゲート電極をマスクとして半導体基板の斜め上方向から半導体基板にイオンを注入する工程とを有することを特徴とする。ハードマスクをテーパ形状に加工する工程はさらに導電層をテーパ形状に加工することを含むことができる。
【0011】
導電層はポリシリコン層および高融点金属層を含む積層構造であって、この高融点金属層の上にハードマスクが形成されていてもよく、ハードマスクをテーパ形状に加工する工程において、あわせて高融点金属層をテーパ形状に加工してもよい。また、導電層はポリシリコン層およびシリサイド層を含む積層構造であって、このシリサイド層の上にハードマスクが形成されていてもよく、ハードマスクをテーパ形状に加工する工程において、あわせてシリサイド層をテーパ形状に加工してもよい。
【0012】
また、導電層はポリシリコン層、窒化タングステン層およびタングステン層をこの順に積層させた構造とすることができ、ハードマスクの他に、これらの層のうち上から順に少なくとも1層をテーパ形状に加工してもよい。ここで「上から順に少なくとも1層」とは、必ず最上層であるタングステン層が含まれる意であり、加工される順序には関係しない。例えば、タングステン層がテーパ形状になるように加工してもよく、タングステン層および窒化タングステン層がテーパ形状になるように加工してもよい。さらに、タングステン層、窒化タングステン層およびポリシリコン層がテーパ形状になるように加工してもよい。最終的にこれらがテーパ形状になるのであれば、加工順序はいずれが先であってもよい。
【0013】
テーパ形状に加工する工程は、高密度プラズマによる異方性エッチングにより行うことができる。また、半導体基板はSOI基板であってもよい。
【0014】
また、本発明による第3の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に酸化膜を形成する工程と、この酸化膜上にダミーゲートパターンを形成する工程と、このダミーゲートパターンをテーパ形状に加工する工程と、このテーパ形状に加工されたダミーゲートパターンをマスクとして半導体基板の斜め上方向から半導体基板にイオンを注入する工程と、酸化膜およびダミーゲートパターンの上に層間絶縁膜を形成する工程と、ダミーゲートパターンの上面が露出するまで層間絶縁膜を除去する工程と、ダミーゲートパターンを選択的に除去して溝を形成する工程と、この溝の底面に露出している酸化膜を除去する工程と、溝の底面および側面並びに層間絶縁膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、溝をゲート電極材料で埋込む工程とを有することを特徴とする。テーパ形状に加工する工程は、高密度プラズマによる異方性エッチングにより行うことができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【0016】
実施の形態1
本実施の形態では、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型構造の半導体装置に本発明を適用した例について、図1および図2を用いて説明する。
【0017】
まず、図1(a)に示すように、半導体基板1の主面上にゲート絶縁膜2を形成する。半導体基板1としては、例えばシリコン基板を用いることができる。また、ゲート絶縁膜2としては、例えば酸化シリコンや窒化シリコンを用いることができ、化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition,以下、CVDという)などにより形成することができる。ゲート絶縁膜2の膜厚は、1〜15nmであるのが好ましい。
【0018】
次に、導電層を形成する。まず、ポリシリコン層3をゲート絶縁膜2の上に形成する。具体的には、例えば減圧CVD炉を用いてポリシリコンをゲート絶縁膜2の上に堆積させる。ポリシリコン層3の膜厚は、30〜100nmであるのが好ましい。また、ポリシリコン層でなく、アモルファスシリコン層をゲート絶縁膜の上に形成してもよい。
【0019】
ポリシリコン層3をゲート絶縁膜2の上に成膜する際、原料ガスに不純物を添加することによって、n+型またはp+型のポリシリコンとする。例えば、ホスフィン(PH)をドープ材に用いて、n+型のポリシリコンとすることができる。不純物濃度は、n+型およびp+型ともに5×1019cm−3以上であるのが好ましい。また、成膜時の不純物の添加以外に、イオン注入によってn+型またはp+型のポリシリコンとしてもよい。
【0020】
次に、シート抵抗を低減させるためにポリシリコン層3の上に、例えばスパッタ法またはCVD法により窒化タングステン層4を堆積し、続いてタングステン層5を堆積する。窒化タングステン層4の膜厚は3〜10nmであるのが好ましく、タングステン層5の膜厚は30〜100nmであるのが好ましい。ポリシリコン層3、窒化タングステン層4およびタングステン層5により導電層が形成される。
【0021】
ポリシリコン層3の上に形成する層は、窒化タングステン層やタングステン層に限らず、他の層であってもよい。例えば、タングステン、モリブデン、チタン、タンタル(Ta)などの高融点金属のシリサイド層(WSi,MoSi,TiSi,TaSi)をスパッタ法またはCVD法によりポリシリコン層3の上に形成してもよい。
【0022】
次に、ハードマスク6を形成して、図1(a)の構造とする。ハードマスク6としては、例えば酸化シリコンや窒化シリコンを用いることができ、減圧CVD法やプラズマCVD法により形成することができる。ハードマスク6の膜厚は、50〜200nmであるのが好ましい。
【0023】
次に、ハードマスク6の上にレジスト膜7を形成した後、フォトリソグラフィ法によりレジスト膜7をパターニングして、所望のパターンを形成する(図1(b))。続いて、レジスト膜7をマスクに用いて、ドライエッチング法によりハードマスク6をエッチングした後、例えばプラズマを用いた灰化処理によりレジスト膜7を除去する(図1(c))。その後、ハードマスク6を用いて、ドライエッチング法によりタングステン層5および窒化タングステン層4をエッチングして、図1(d)の構造とする。
【0024】
次に、ハードマスク6をテーパ形状に加工する。ここで、テーパ形状とは、具体的には、図2(a)に示すように、ゲート電極8とゲート電極8′の間の間隙9において、ハードマスク6の断面下部から断面上部に向かって開口寸法が拡大するような形状をいう。図では、ハードマスク6の断面が略三角形状になるように加工しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、ハードマスクの断面が台形状になるように加工してもよい。加工は、例えば高密度プラズマ(High Density Plasma)をプラズマ源とするCVD装置を用いて、ハードマスクを異方性エッチングすることにより行う。例えば、図1(d)に示す半導体装置をCVD装置の成膜チャンバ(図示せず)に載置する。次に、成膜チャンバ内を所定の真空度にした後、半導体基板に高周波の交流バイアスパワーを印加し、成膜チャンバ内に適当なエッチングガスを導入してエッチングを行う。この際、プラズマバイアスを制御することによって、半導体基板1の主面1aに平行な方向(C方向)からの傾き(θ′,以下、テーパ角度という)を変えることができる。
【0025】
ハードマスク6をテーパ形状に加工することによって、間隙9の開口径を図1(d)のLから図2(a)のLへと変化させて、開口面積を大きくすることができる。したがって、ハロー注入の際のイオンの注入角度θを大きくすることが可能となる。例えば、従来例では注入角度は30°が限界であり、これ以上の角度とするとイオンがゲート電極に遮蔽されてしまうのに対し、本実施の形態によれば注入角度を30°よりも大きくすることが可能となる。
【0026】
次に、ハードマスク6を用い、ドライエッチング法によりポリシリコン層3およびゲート絶縁膜2をエッチングして、図2(b)の構造とする。その後、エッチングにより受けたダメージからの回復、ゲート端ラウンディングによる電解集中回避およびソース・ドレイン注入のチャネリング回避を目的として、ポリシリコン3および半導体基板1のみを酸化する選択酸化処理を行い、酸化膜10を形成する(図2(c))。尚、図において、半導体基板1上に形成された酸化膜については省略している。
【0027】
次に、ゲート電極8,8′をマスクとして半導体基板1にエクステンション注入およびパンチスルーストッパ用のハロー注入を行い、ソース・ドレイン領域を形成する。具体的には、例えば二フッ化ホウ素(BF)を半導体基板1に対して垂直な方向からイオン注入して、p−型半導体領域11を形成する。続いて、リン(P)を半導体基板1に対して所望の注入角度θでイオン注入して、n+型のハロー注入層12を形成する。イオン注入方法は、ステップ回転注入法および連続回転注入法のいずれであってもよい。ハードマスク6をテーパ形状に加工することによって、ゲート電極8とゲート電極8′の間に形成される間隙9の開口径が大きくなっているので、半導体基板1に対して斜め方向(A方向)から入射するイオンがゲート電極8,8′によって遮蔽されることがない。
【0028】
本実施の形態ではポリシリコン層3およびゲート絶縁膜2をエッチングする前にハードマスク6をテーパ形状に加工したが、本発明はこれに限られるものではない。ハードマスク6をマスクとして、ドライエッチング法によりタングステン膜5、窒化タングステン膜4、ポリシリコン層3およびゲート絶縁膜2をエッチングした後に、ハードマスク6を加工してもよい。
【0029】
また、本実施の形態ではハードマスクをテーパ形状に加工することによりイオンの注入角度θを大きくとれるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図3に示すようにハードマスク6だけでなくタングステン層5もあわせた全体がテーパ形状になるように加工してもよく、ハードマスク6、タングステン層5および窒化タングステン層4をあわせた全体がテーパ形状になるように加工してもよい。また、図4に示すように、さらにエッチングを進めることによりハードマスク6を完全に消失させて、タングステン層5またはタングステン層5および窒化タングステン層4がテーパ形状になるように加工してもよい。さらに、図5に示すように、ゲート電極8,8′の薄膜化を図ることにより、タングステン膜5、窒化タングステン層4およびポリシリコン層3をあわせた全体がテーパ形状になるように加工してもよい。図3〜図5に示す形状とすることにより、イオンの注入角度θを図2に示す場合より大きくすることができる。例えば、図3の例によれば注入角度を45°程度まで大きくすることが可能となる。また、図4の例によれば注入角度を60°程度まで大きくすることが可能となる。さらに、図5の例によれば注入角度を60°よりも大きくすることが可能となる。
【0030】
テーパ角度θ′は7〜85°であるのが好ましく、例えば、エッチング加工時に高密度プラズマCVD装置におけるプラズマバイアスを制御することによって変化させることができる。
【0031】
実施の形態2.
本実施の形態では、SOI(Silicon on Insulating substrate)型構造の半導体装置に本発明を適用した例について、図6を用いて説明する。
【0032】
まず、SOI基板を準備する。図6に示すように、SOI基板13は、例えば、単結晶シリコンからなる支持基板14と、支持基板14の上に形成された絶縁層15と、絶縁層15の上に形成された単結晶シリコン層16から構成されており、例えば、貼合せ法やSIMOX(Separation by Implanted Oxygen)などにより製造することができる。ここで、貼合せ法とは、表面に絶縁層が形成されたシリコン基板を二つ用意し、これらのシリコン基板の絶縁層を互いに貼合せることによりSOI基板を製造する方法である。また、SIMOXとは、シリコン基板中に高濃度の酸素をイオン注入することによりシリコン基板内に酸化膜を形成して、SOI基板を製造する方法である。
【0033】
実施の形態1と同様にして、SOI基板13上に、ゲート絶縁膜17、ポリシリコン層18、窒化タングステン層19、タングステン層20およびハードマスク21を形成する。
【0034】
まず、SOI基板13の主面上にゲート絶縁膜17を形成する。ゲート絶縁膜17としては、例えば酸化シリコンや窒化シリコンを用いることができ、化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition,以下、CVDという)などにより形成することができる。ゲート絶縁膜17の膜厚は、1〜15nmであるのが好ましい。
【0035】
次に、導電層を形成する。まず、ポリシリコン層18をゲート絶縁膜17の上に形成する。具体的には、例えば減圧CVD炉を用いてポリシリコンをゲート絶縁膜17の上に堆積させる。ポリシリコン層18の膜厚は、30〜100nmであるのが好ましい。また、ポリシリコン層でなく、アモルファスシリコン層をゲート絶縁膜の上に形成してもよい。
【0036】
ポリシリコン層18をゲート絶縁膜17の上に成膜する際、原料ガスに不純物を添加することによって、n+型またはp+型のポリシリコンとする。例えば、ホスフィン(PH)をドープ材に用いて、n+型のポリシリコンとすることができる。不純物濃度は、n+型およびp+型ともに5×1019cm−3以上であるのが好ましい。また、成膜時の不純物の添加以外に、イオン注入によってn+型またはp+型のポリシリコンとしてもよい。
【0037】
次に、シート抵抗を低減させるためにポリシリコン層18の上に、例えばスパッタ法またはCVD法により窒化タングステン層19を堆積し、続いてタングステン層20を堆積する。窒化タングステン層19の膜厚は3〜10nmであるのが好ましく、タングステン層20の膜厚は30〜100nmであるのが好ましい。ポリシリコン層18、窒化タングステン層19およびタングステン層20により導電層が形成される。
【0038】
ポリシリコン層18の上に形成する層は、窒化タングステン層やタングステン層に限らず、他の層であってもよい。例えば、タングステン、モリブデン、チタン、タンタル(Ta)などの高融点金属のシリサイド層(WSi,MoSi,TiSi,TaSi)をスパッタ法またはCVD法によりポリシリコン層18の上に形成してもよい。
【0039】
次に、タングステン層20の上にハードマスク21を形成する。ハードマスク21としては、例えば酸化シリコンや窒化シリコンを用いることができ、減圧CVD法やプラズマCVD法により形成することができる。ハードマスク21の膜厚は、50〜200nmであるのが好ましい。
【0040】
次に、ハードマスク21を実施の形態1と同様にしてパターニングした後、ハードマスク21をテーパ形状に加工する。ここで、テーパ形状とは、具体的には、図6に示すように、ゲート電極22とゲート電極22′の間の間隙23において、ハードマスク21の断面下部から断面上部に向かって開口寸法が拡大するような形状をいう。図では、ハードマスク21の断面が略三角形状になるように加工しているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、ハードマスク21の断面が台形状になるように加工してもよい。加工は、例えば高密度プラズマをプラズマ源とするCVD装置を用いて、ハードマスク21を異方性エッチングすることにより行う。例えば、窒化タングステン層19およびタングステン層20のエッチングが済んだ半導体装置をCVD装置の成膜チャンバ(図示せず)に載置する。次に、成膜チャンバ内を所定の真空度にした後、SOI基板13に高周波の交流バイアスパワーを印加し、成膜チャンバ内に適当なエッチングガスを導入してエッチングを行う。この際、プラズマバイアスを制御することによって、テーパ角度θ′を変えることができる。
【0041】
ハードマスク21をテーパ形状に加工することによって、間隙23の開口径を変化させて、開口面積を大きくすることができる。したがって、ハロー注入の際のイオンの注入角度θを大きくすることが可能となる。例えば、従来例では注入角度は30°が限界であり、これ以上の角度とするとイオンがゲート電極に遮蔽されてしまうのに対し、本実施の形態によれば注入角度を30°よりも大きくすることが可能となる。
【0042】
次に、ハードマスク21を用い、ドライエッチング法によりポリシリコン層18およびゲート絶縁膜17をエッチングする。エッチングにより受けたダメージからの回復、ゲート端ラウンディングによる電解集中回避およびソース・ドレイン注入のチャネリング回避を目的として、ポリシリコン層18およびSOI基板13の単結晶シリコン層16のみを酸化する選択酸化処理を行い、酸化膜24を形成する(図6)。尚、図において、単結晶シリコン層16上に形成された酸化膜については省略している。
【0043】
次に、ゲート電極22,22′をマスクとしてSOI基板13にエクステンション注入およびパンチスルーストッパ用のハロー注入を行い、ソース・ドレイン領域を形成する。具体的には、例えば二フッ化ホウ素(BF)をSOI基板に対して垂直な方向からイオン注入して、p−型半導体領域25を形成する。続いて、リン(P)を半導体基板に対して所望の注入角度θでイオン注入して、n+型のハロー注入層26を形成する。イオン注入方法は、ステップ回転注入法および連続回転注入法のいずれであってもよい。
【0044】
本実施の形態によれば、ハードマスク21をテーパ形状に加工することによって、ゲート電極22とゲート電極22′の間に形成される間隙23の開口径が大きくなっているので、SOI基板13に対して斜め方向(A方向)から入射するイオンがゲート電極22,22′によって遮蔽されることがない。
【0045】
本実施の形態ではポリシリコン層18およびゲート絶縁膜17をエッチングする前にハードマスク21をテーパ形状に加工したが、本発明はこれに限られるものではない。ハードマスク21をマスクとして、ドライエッチング法によりタングステン膜20、窒化タングステン膜19、ポリシリコン層18およびゲート絶縁膜17をエッチングした後に、ハードマスク21を加工してもよい。
【0046】
また、本実施の形態ではハードマスクをテーパ形状に加工することによりイオンの注入角度θを大きくとれるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ハードマスク21だけでなくタングステン層20もあわせた全体がテーパ形状になるように加工してもよく、ハードマスク21、タングステン層20および窒化タングステン層19をあわせた全体がテーパ形状になるように加工してもよい。また、エッチングを進めることによりハードマスク21を完全に消失させて、タングステン層20またはタングステン層20および窒化タングステン層19がテーパ形状になるように加工してもよい。さらに、ゲート電極22,22′の薄膜化を図ることにより、タングステン膜20、窒化タングステン膜19およびポリシリコン18をあわせた全体がテーパ形状になるように加工してもよい。このような形状とすることにより、イオンの注入角度θをさらに大きくすることができる。
【0047】
テーパ角度θ′は7〜85°であるのが好ましく、エッチング加工時に高密度プラズマCVD装置におけるプラズマバイアスを制御することによって変化させることができる。
【0048】
実施の形態3.
本実施の形態では、ダマシントランジスタに本発明を適用する場合について述べる。図7〜図9を用いて、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。
【0049】
まず、図7(a)に示すように、半導体基板27として例えばシリコン基板を用い、この上に酸化膜28をCVD法などにより形成する。次に、ダミーゲート層29を酸化膜28の上に形成する。ダミーゲート層29としては、例えば、ポリシリコンを用いて形成することができ、減圧CVD炉などを用いて酸化膜28の上に堆積させることができる。
【0050】
次に、ダミーゲート層29の上にレジスト膜30を形成した後、フォトリソグラフィ法によりレジスト膜30に所望のパターニングを施して、図7(a)の構造とする。続いて、レジスト膜30をマスクに用いて、ドライエッチング法によりダミーゲート層29をエッチングし、ダミーゲートパターン31を形成する。その後、例えばプラズマを用いた灰化処理により、レジスト膜30を除去する(図7(b))。
【0051】
次に、図7(c)に示すように、ダミーゲートパターン31をテーパ形状に加工する。図では、ダミーゲートパターン31の断面を台形状に加工しているが、三角形状であってもよい。加工は、例えば高密度プラズマをプラズマ源とするCVD装置を用いて、ダミーゲートパターン31を異方性エッチングすることにより行う。例えば、図7(b)に示す半導体装置をCVD装置の成膜チャンバ(図示せず)に載置する。次に、成膜チャンバ内を所定の真空度にした後、半導体基板27に高周波の交流バイアスパワーを印加し、成膜チャンバ内に適当なエッチングガスを導入してエッチングを行う。この際、プラズマバイアスを制御することによって、テーパ角度θ′を変えることができる。テーパ角度θ′は7〜85°であるのが好ましい。
【0052】
次に、ダミーゲートパターン31をマスクとして半導体基板27にエクステンション注入およびパンチスルーストッパ用のハロー注入を行い、ソース・ドレイン領域を形成して図7(c)の構造とする。具体的には、例えば二フッ化ホウ素を半導体基板27に対して垂直な方向からイオン注入して、p−型半導体領域32を形成する。続いて、半導体基板27を回転させながら、リンを半導体基板27に対して所望の注入角度θでイオン注入して、n+型のハロー注入層33を形成する。イオン注入方法は、ステップ回転注入法および連続回転注入法のいずれであってもよい。ダミーゲートパターン31がテーパ形状に加工されていることによって、ハロー注入の際のイオンの注入角度θを大きくすることが可能となるので、半導体基板27に対して斜め方向(A方向)から入射するイオンがダミーゲートパターン31によって遮蔽されることがない。
【0053】
次に、図8(a)に示すように、ゲート絶縁膜28およびダミーゲートパターン31の上に層間絶縁膜34を形成する。層間絶縁膜34としては、例えばTEOS(Tetraethylorthosilicate)膜やBPSG(Borophosphosilicate glass)膜などを用いることができ、CVD法などにより形成することができる。
【0054】
次に、CMP(Chemical and Mechanical Polishing)法などによって層間絶縁膜34の平坦化を行って、ダミーゲートパターン31を層間絶縁膜34の表面に露出させた後(図8(b))、エッチングによってダミーゲートパターン31を除去し、溝35を形成する(図8(c))。
【0055】
次に、溝35の底部35aから露出している酸化膜28をエッチングにより除去した後、ゲート絶縁膜36を溝35が埋まらない程度の層になるように、溝35の底面35aおよび側面35b並びに層間絶縁膜34上にCVD法などによって堆積させる。続いて、溝35を埋め込むように、アルミニウム(Al)やタングステンなどのゲート電極材料37をCVD法などにより堆積させる(図9(b))。その後、CMP法などによりゲート電極材料37をゲート絶縁膜36と同じ高さになるように研磨して、ゲート電極38を形成する(図9(c))。
【0056】
エッチングによってダミーゲートパターン31を除去した後、図9(a)に示すように、溝35の断面下部から断面上部に向かって開口径が大きくなるように、層間絶縁膜34をテーパ形状に加工してもよい。加工は、例えば高密度プラズマをプラズマ源とするCVD装置を用いた異方性エッチングにより行うことができる。このような加工を施すことにより、溝35を完全に埋め込むようにゲート電極材料37を堆積させることができ、溝35にボイド(空隙)などが発生する不良をなくすことができる。
【0057】
実施の形態1〜3では、デバイス内の全てのゲート電極をテーパ形状に加工した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。本発明によれば、一つのデバイス内にテーパ形状を有するゲート電極とテーパ形状を有さないゲート電極とを共存させることも可能である。図10にハードマスクをテーパ形状に加工したゲート電極39,39′と加工していないゲート電極40,40′とが共存する例を示す。図の例では、ゲート電極39,39′とゲート電極40,40′とはトレンチ41によって電気的に分離されている。
【0058】
【発明の効果】
本発明によれば、ゲート電極やダミーゲートパターンなどをテーパ形状に加工することによって、ハロー注入の際のイオンの注入角度を大きくすることが可能となり、半導体基板に対して斜め上方向から入射するイオンがゲート電極やダミーゲートパターンによって遮蔽される問題を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図2】本実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図3】本実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図4】本実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図5】本実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図6】本実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図7】本実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図8】本実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図9】本実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図10】本発明にかかる他の半導体装置の製造方法を説明する図である。
【図11】従来の半導体装置の製造方法を説明する図である。
【符号の説明】
1,27,42 半導体基板、 2,17,36,43 ゲート絶縁膜、 3,18,44 ポリシリコン層、 4,19,45 窒化タングステン層、 5,20,46 タングステン層、 6,21,47 ハードマスク、 7,30,48 レジスト膜、 8,22,38,39,40,49 ゲート電極、 9,23 間隙、 10,24,28 酸化膜、 11,25,32 p−型半導体領域、 12,26,33 n+型ハロー注入層、 13 SOI基板、 14支持基板、 15 絶縁層、 16 単結晶シリコン層、 29 ダミーゲート層、 31 ダミーゲートパターン、 34 層間絶縁膜、 35 溝、 37 ゲート電極材料、 41 トレンチ。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device including a step of implanting ions into a semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate using a gate electrode or the like as a mask.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as the degree of integration of semiconductor devices has increased, the dimensions of individual devices have been miniaturized, and the dimensions of semiconductor regions constituting each device have also been miniaturized. As the miniaturization progresses, a short channel effect causes a problem of punch-through between the source and the drain. Therefore, a halo implantation method has been conventionally used as one of the techniques for solving this problem. In the halo implantation method, for example, as described in JP-A-11-214687, a high-concentration impurity region of the same type as a substrate (hereinafter, referred to as a pocket region) is formed so as to surround a source / drain portion. This is a method of suppressing punch-through between the source and the drain. As a method of forming a pocket region, there is a method of implanting impurity ions obliquely into a semiconductor substrate as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-246538.
[0003]
Incidentally, polysilicon is generally used as a gate electrode material. In addition, as a structure of the gate electrode, a high melting point metal such as tungsten (W), molybdenum (Mo), titanium (Ti) or a silicide of these metals is used in order to reduce the sheet resistance and increase the speed of the device. A laminated structure formed on polysilicon is taken. For forming such a gate electrode, an etching method using a hard mask is employed.
[0004]
FIG. 11 shows a conventional method for manufacturing a semiconductor device. First, after a gate insulating film 43 is formed on the main surface of the semiconductor substrate 42, a polysilicon layer 44 doped with impurities is formed. Subsequently, after a tungsten nitride (WN) layer 45 and a tungsten (W) layer 46 are deposited, silicon oxide (SiO 2) 2 11) A hard mask 47 made of a film or the like is formed, and the structure shown in FIG. Next, a resist film 48 is formed, and the resist film 48 is patterned by a photolithography method (FIG. 11B). After the hard mask 47 is etched using the patterned resist film 48 as a mask, the resist film 48 is removed (FIG. 11C). Using the hard mask 47, the tungsten film 46, the tungsten nitride film 45, the polysilicon film 44, and the gate insulating film 43 are etched to obtain the structure shown in FIG.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, since the hard mask is difficult to remove selectively like a resist film, when the hard mask is left on the gate electrode, the aspect ratio of the gate electrode increases by the thickness of the hard mask. Will do. On the other hand, in highly integrated and high density devices, the source / drain profile needs to be very shallow. Therefore, in FIG. 11, the angle θ (hereinafter, referred to as an implantation angle) between the incident direction (A direction) of the implanted ions by the halo implantation method and the direction (B direction) perpendicular to the main surface 42 a of the semiconductor substrate 42 is large. Is required. However, as the aspect ratio of the gate electrode increases, there is a problem that implanted ions having a large implantation angle θ are shielded by the gate electrodes 49 and 49 ′, and a desired pocket region cannot be formed. That is, in the case of a highly integrated and high-density device, ions need to be incident at an implantation angle of 30 ° or more, whereas in a conventional semiconductor device, the implantation angle is limited to about 30 °. When the size is increased, there is a problem that ions are shielded by the gate electrode.
[0006]
The present invention has been made in view of such a problem. That is, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device capable of implanting ions without being shielded by a gate electrode even in a highly integrated and high density device.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A first method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step of forming a gate electrode on the gate insulating film, and a step of processing the gate electrode into a tapered shape. And a step of implanting ions into the semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate using the gate electrode processed into the taper shape as a mask. The gate electrode may have a laminated structure including a polysilicon layer and a high melting point metal layer, and the processing of the gate electrode may be processing of only the high melting point metal layer. Further, the gate electrode may have a laminated structure including a polysilicon layer and a silicide layer, and the processing of the gate electrode may be processing of only the silicide layer.
[0008]
The gate electrode may have a structure in which a polysilicon layer, a tungsten nitride layer, and a tungsten layer are stacked in this order, and at least one of these layers may be processed into a tapered shape in order from the top. Here, “at least one layer in order from the top” means that the tungsten layer, which is the uppermost layer, is always included, and is not related to the processing order. For example, processing may be performed so that only the uppermost tungsten layer has a tapered shape, or the tungsten layer and the tungsten nitride layer may be processed so as to have a tapered shape. Further, the tungsten layer, the tungsten nitride layer, and the polysilicon layer may be processed so as to have a tapered shape. As long as these finally have a tapered shape, the processing order may be any one.
[0009]
The step of processing into a tapered shape can be performed by anisotropic etching using high-density plasma. Further, the semiconductor substrate may be an SOI substrate.
[0010]
According to a second method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming an insulating film on a semiconductor substrate, a step of forming a conductive layer on the insulating film, and forming a hard mask on the conductive layer Forming a gate electrode by etching the insulating film and the conductive layer using the hard mask, processing the hard mask into a tapered shape, and forming the semiconductor from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate using the gate electrode as a mask. Implanting ions into the substrate. The step of processing the hard mask into a tapered shape may further include processing the conductive layer into a tapered shape.
[0011]
The conductive layer has a laminated structure including a polysilicon layer and a high-melting point metal layer, and a hard mask may be formed on the high-melting point metal layer. The refractory metal layer may be processed into a tapered shape. Further, the conductive layer has a laminated structure including a polysilicon layer and a silicide layer, and a hard mask may be formed on the silicide layer. May be processed into a tapered shape.
[0012]
The conductive layer may have a structure in which a polysilicon layer, a tungsten nitride layer, and a tungsten layer are stacked in this order. In addition to the hard mask, at least one of these layers is processed into a tapered shape in order from the top. May be. Here, “at least one layer in order from the top” means that the tungsten layer, which is the uppermost layer, is always included, and is not related to the processing order. For example, the tungsten layer may be processed to have a tapered shape, or the tungsten layer and the tungsten nitride layer may be processed to have a tapered shape. Further, the tungsten layer, the tungsten nitride layer, and the polysilicon layer may be processed so as to have a tapered shape. As long as these finally have a tapered shape, the processing order may be any one.
[0013]
The step of processing into a tapered shape can be performed by anisotropic etching using high-density plasma. Further, the semiconductor substrate may be an SOI substrate.
[0014]
In a third method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of forming an oxide film on a semiconductor substrate, a step of forming a dummy gate pattern on the oxide film, and processing the dummy gate pattern into a tapered shape A step of implanting ions into the semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate using the dummy gate pattern processed into the tapered shape as a mask, and a step of forming an interlayer insulating film on the oxide film and the dummy gate pattern Removing the interlayer insulating film until the upper surface of the dummy gate pattern is exposed, selectively removing the dummy gate pattern to form a groove, and removing the oxide film exposed at the bottom of the groove. Forming a gate insulating film on the bottom and side surfaces of the trench and on the interlayer insulating film, and filling the trench with a gate electrode material. The features. The step of processing into a tapered shape can be performed by anisotropic etching using high-density plasma.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
Embodiment 1
In this embodiment, an example in which the present invention is applied to a semiconductor device having a MOS (Metal Oxide Semiconductor) structure will be described with reference to FIGS.
[0017]
First, as shown in FIG. 1A, a gate insulating film 2 is formed on a main surface of a semiconductor substrate 1. As the semiconductor substrate 1, for example, a silicon substrate can be used. The gate insulating film 2 can be made of, for example, silicon oxide or silicon nitride, and can be formed by a chemical vapor deposition method (hereinafter, referred to as CVD) or the like. The thickness of the gate insulating film 2 is preferably 1 to 15 nm.
[0018]
Next, a conductive layer is formed. First, a polysilicon layer 3 is formed on the gate insulating film 2. Specifically, polysilicon is deposited on the gate insulating film 2 using, for example, a low pressure CVD furnace. The thickness of the polysilicon layer 3 is preferably 30 to 100 nm. Further, instead of the polysilicon layer, an amorphous silicon layer may be formed on the gate insulating film.
[0019]
When the polysilicon layer 3 is formed on the gate insulating film 2, an impurity is added to the source gas to form n + type or p + type polysilicon. For example, phosphine (PH 3 ) Can be used as the doping material to form n + type polysilicon. The impurity concentration is 5 × 10 for both n + type and p + type. 19 cm -3 The above is preferable. In addition to the addition of impurities at the time of film formation, n + type or p + type polysilicon may be formed by ion implantation.
[0020]
Next, to reduce the sheet resistance, a tungsten nitride layer 4 is deposited on the polysilicon layer 3 by, for example, a sputtering method or a CVD method, and then a tungsten layer 5 is deposited. The thickness of the tungsten nitride layer 4 is preferably 3 to 10 nm, and the thickness of the tungsten layer 5 is preferably 30 to 100 nm. A conductive layer is formed by the polysilicon layer 3, the tungsten nitride layer 4, and the tungsten layer 5.
[0021]
The layer formed on the polysilicon layer 3 is not limited to the tungsten nitride layer or the tungsten layer, but may be another layer. For example, a silicide layer (WSi) of a refractory metal such as tungsten, molybdenum, titanium, tantalum (Ta), etc. 2 , MoSi 2 , TiSi 2 , TaSi 2 May be formed on the polysilicon layer 3 by a sputtering method or a CVD method.
[0022]
Next, a hard mask 6 is formed to obtain the structure shown in FIG. As the hard mask 6, for example, silicon oxide or silicon nitride can be used, and can be formed by a low-pressure CVD method or a plasma CVD method. The thickness of the hard mask 6 is preferably 50 to 200 nm.
[0023]
Next, after forming a resist film 7 on the hard mask 6, the resist film 7 is patterned by photolithography to form a desired pattern (FIG. 1B). Subsequently, the hard mask 6 is etched by a dry etching method using the resist film 7 as a mask, and then the resist film 7 is removed by, for example, an ashing process using plasma (FIG. 1C). Then, using the hard mask 6, the tungsten layer 5 and the tungsten nitride layer 4 are etched by a dry etching method to obtain a structure shown in FIG.
[0024]
Next, the hard mask 6 is processed into a tapered shape. Here, the tapered shape is, specifically, as shown in FIG. 2A, in the gap 9 between the gate electrode 8 and the gate electrode 8 ′, from the lower part of the cross section of the hard mask 6 to the upper part of the cross section. A shape whose opening size is enlarged. In the figure, the cross section of the hard mask 6 is processed so as to be substantially triangular, but the present invention is not limited to this. For example, the processing may be performed so that the cross section of the hard mask is trapezoidal. The processing is performed by anisotropically etching the hard mask using, for example, a CVD apparatus using a high density plasma (High Density Plasma) as a plasma source. For example, the semiconductor device shown in FIG. 1D is placed in a film forming chamber (not shown) of a CVD device. Next, after the inside of the film formation chamber is evacuated to a predetermined degree of vacuum, high-frequency AC bias power is applied to the semiconductor substrate, and etching is performed by introducing an appropriate etching gas into the film formation chamber. At this time, by controlling the plasma bias, the inclination (θ ′, hereinafter referred to as a taper angle) from a direction (direction C) parallel to the main surface 1 a of the semiconductor substrate 1 can be changed.
[0025]
By processing the hard mask 6 into a tapered shape, the opening diameter of the gap 9 is reduced to L in FIG. 1 From L in FIG. 2 To increase the opening area. Therefore, the ion implantation angle θ at the time of halo implantation can be increased. For example, in the conventional example, the implantation angle is limited to 30 °. If the angle is more than 30 °, ions are shielded by the gate electrode. On the other hand, according to the present embodiment, the implantation angle is made larger than 30 °. It becomes possible.
[0026]
Next, using the hard mask 6, the polysilicon layer 3 and the gate insulating film 2 are etched by a dry etching method to obtain a structure shown in FIG. Thereafter, for the purpose of recovering from damage caused by etching, avoiding electrolytic concentration due to gate edge rounding, and avoiding channeling of source / drain implantation, a selective oxidation process for oxidizing only the polysilicon 3 and the semiconductor substrate 1 is performed. 10 are formed (FIG. 2C). In the drawings, an oxide film formed on the semiconductor substrate 1 is omitted.
[0027]
Next, extension implantation and halo implantation for a punch-through stopper are performed on the semiconductor substrate 1 using the gate electrodes 8, 8 'as a mask to form source / drain regions. Specifically, for example, boron difluoride (BF 2 ) Is ion-implanted from the direction perpendicular to the semiconductor substrate 1 to form the p − type semiconductor region 11. Subsequently, phosphorus (P) is ion-implanted into the semiconductor substrate 1 at a desired implantation angle θ to form an n + -type halo implanted layer 12. The ion implantation method may be any of a step rotation implantation method and a continuous rotation implantation method. By processing the hard mask 6 into a tapered shape, the opening diameter of the gap 9 formed between the gate electrode 8 and the gate electrode 8 'is increased. Ions incident from the gate electrode 8 and 8 'are not shielded.
[0028]
In the present embodiment, the hard mask 6 is processed into a tapered shape before etching the polysilicon layer 3 and the gate insulating film 2, but the present invention is not limited to this. The hard mask 6 may be processed after the tungsten film 5, the tungsten nitride film 4, the polysilicon layer 3, and the gate insulating film 2 are etched by dry etching using the hard mask 6 as a mask.
[0029]
In the present embodiment, the hard mask is processed into a tapered shape to increase the ion implantation angle θ, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 3, not only the hard mask 6 but also the tungsten layer 5 may be processed so as to have an entire tapered shape, and the hard mask 6, the tungsten layer 5, and the tungsten nitride layer 4 may be entirely processed. May be processed to have a tapered shape. Further, as shown in FIG. 4, the hard mask 6 may be completely eliminated by further etching, and the tungsten layer 5 or the tungsten layer 5 and the tungsten nitride layer 4 may be processed so as to have a tapered shape. Further, as shown in FIG. 5, by reducing the thickness of the gate electrodes 8, 8 ', the whole of the tungsten film 5, the tungsten nitride layer 4, and the polysilicon layer 3 is processed into a tapered shape. Is also good. By adopting the shapes shown in FIGS. 3 to 5, the ion implantation angle θ can be made larger than that shown in FIG. For example, according to the example of FIG. 3, the injection angle can be increased to about 45 °. Further, according to the example of FIG. 4, it is possible to increase the injection angle to about 60 °. Further, according to the example of FIG. 5, the injection angle can be made larger than 60 °.
[0030]
The taper angle θ ′ is preferably 7 to 85 °, and can be changed, for example, by controlling the plasma bias in a high-density plasma CVD apparatus during etching.
[0031]
Embodiment 2 FIG.
In this embodiment, an example in which the present invention is applied to a semiconductor device having an SOI (Silicon on Insulating Substrate) structure will be described with reference to FIGS.
[0032]
First, an SOI substrate is prepared. As shown in FIG. 6, the SOI substrate 13 includes, for example, a support substrate 14 made of single crystal silicon, an insulating layer 15 formed on the support substrate 14, and a single crystal silicon formed on the insulating layer 15. It is composed of the layer 16 and can be manufactured by, for example, a bonding method or SIMOX (Separation by Implanted Oxygen). Here, the bonding method is a method for preparing an SOI substrate by preparing two silicon substrates each having an insulating layer formed on the surface and bonding the insulating layers of these silicon substrates to each other. SIMOX is a method for manufacturing an SOI substrate by forming an oxide film in a silicon substrate by ion-implanting high-concentration oxygen into the silicon substrate.
[0033]
As in the first embodiment, a gate insulating film 17, a polysilicon layer 18, a tungsten nitride layer 19, a tungsten layer 20, and a hard mask 21 are formed on an SOI substrate 13.
[0034]
First, a gate insulating film 17 is formed on the main surface of the SOI substrate 13. As the gate insulating film 17, for example, silicon oxide or silicon nitride can be used, and can be formed by a chemical vapor deposition method (hereinafter, referred to as CVD) or the like. The thickness of the gate insulating film 17 is preferably 1 to 15 nm.
[0035]
Next, a conductive layer is formed. First, a polysilicon layer 18 is formed on the gate insulating film 17. Specifically, polysilicon is deposited on the gate insulating film 17 using, for example, a low pressure CVD furnace. The thickness of the polysilicon layer 18 is preferably 30 to 100 nm. Further, instead of the polysilicon layer, an amorphous silicon layer may be formed on the gate insulating film.
[0036]
When the polysilicon layer 18 is formed on the gate insulating film 17, an impurity is added to the source gas to form n + type or p + type polysilicon. For example, phosphine (PH 3 ) Can be used as the doping material to form n + type polysilicon. The impurity concentration is 5 × 10 for both n + type and p + type. 19 cm -3 The above is preferable. In addition to the addition of impurities at the time of film formation, n + type or p + type polysilicon may be formed by ion implantation.
[0037]
Next, to reduce the sheet resistance, a tungsten nitride layer 19 is deposited on the polysilicon layer 18 by, for example, a sputtering method or a CVD method, and then a tungsten layer 20 is deposited. The thickness of the tungsten nitride layer 19 is preferably 3 to 10 nm, and the thickness of the tungsten layer 20 is preferably 30 to 100 nm. A conductive layer is formed by the polysilicon layer 18, the tungsten nitride layer 19, and the tungsten layer 20.
[0038]
The layer formed on the polysilicon layer 18 is not limited to the tungsten nitride layer or the tungsten layer, but may be another layer. For example, a silicide layer (WSi) of a refractory metal such as tungsten, molybdenum, titanium, tantalum (Ta), etc. 2 , MoSi 2 , TiSi 2 , TaSi 2 May be formed on the polysilicon layer 18 by a sputtering method or a CVD method.
[0039]
Next, a hard mask 21 is formed on the tungsten layer 20. As the hard mask 21, for example, silicon oxide or silicon nitride can be used, and can be formed by a low-pressure CVD method or a plasma CVD method. The thickness of the hard mask 21 is preferably 50 to 200 nm.
[0040]
Next, after patterning the hard mask 21 in the same manner as in the first embodiment, the hard mask 21 is processed into a tapered shape. Here, specifically, the tapered shape means that, as shown in FIG. 6, in the gap 23 between the gate electrode 22 and the gate electrode 22 ′, the opening dimension increases from the lower part of the cross section of the hard mask 21 to the upper part of the cross section. A shape that expands. In the drawing, the cross section of the hard mask 21 is processed so as to be substantially triangular, but the present invention is not limited to this. For example, the processing may be performed so that the cross section of the hard mask 21 is trapezoidal. The processing is performed by anisotropically etching the hard mask 21 using, for example, a CVD apparatus using high-density plasma as a plasma source. For example, the semiconductor device on which the tungsten nitride layer 19 and the tungsten layer 20 have been etched is placed in a deposition chamber (not shown) of a CVD apparatus. Next, after the inside of the film formation chamber is evacuated to a predetermined degree of vacuum, high-frequency AC bias power is applied to the SOI substrate 13 and an appropriate etching gas is introduced into the film formation chamber to perform etching. At this time, the taper angle θ ′ can be changed by controlling the plasma bias.
[0041]
By processing the hard mask 21 into a tapered shape, the opening diameter of the gap 23 can be changed, and the opening area can be increased. Therefore, the ion implantation angle θ at the time of halo implantation can be increased. For example, in the conventional example, the implantation angle is limited to 30 °. If the angle is more than 30 °, ions are shielded by the gate electrode. On the other hand, according to the present embodiment, the implantation angle is made larger than 30 °. It becomes possible.
[0042]
Next, using the hard mask 21, the polysilicon layer 18 and the gate insulating film 17 are etched by a dry etching method. Selective oxidation treatment for oxidizing only the polysilicon layer 18 and the single crystal silicon layer 16 of the SOI substrate 13 for the purpose of recovering from damage caused by etching, avoiding electrolytic concentration due to gate edge rounding, and avoiding channeling of source / drain implantation. To form an oxide film 24 (FIG. 6). In the figure, an oxide film formed on the single crystal silicon layer 16 is omitted.
[0043]
Next, using the gate electrodes 22, 22 'as a mask, extension implantation and halo implantation for a punch-through stopper are performed on the SOI substrate 13 to form source / drain regions. Specifically, for example, boron difluoride (BF 2 ) Is ion-implanted from a direction perpendicular to the SOI substrate to form a p − type semiconductor region 25. Subsequently, phosphorus (P) is ion-implanted into the semiconductor substrate at a desired implantation angle θ to form an n + type halo implanted layer 26. The ion implantation method may be any of a step rotation implantation method and a continuous rotation implantation method.
[0044]
According to the present embodiment, the opening diameter of the gap 23 formed between the gate electrode 22 and the gate electrode 22 ′ is increased by processing the hard mask 21 into a tapered shape. On the other hand, ions incident from an oblique direction (A direction) are not blocked by the gate electrodes 22 and 22 '.
[0045]
In the present embodiment, the hard mask 21 is processed into a tapered shape before etching the polysilicon layer 18 and the gate insulating film 17, but the present invention is not limited to this. The hard mask 21 may be processed after the tungsten film 20, the tungsten nitride film 19, the polysilicon layer 18, and the gate insulating film 17 are etched by dry etching using the hard mask 21 as a mask.
[0046]
In the present embodiment, the hard mask is processed into a tapered shape to increase the ion implantation angle θ, but the present invention is not limited to this. For example, not only the hard mask 21 but also the tungsten layer 20 may be processed so that the whole thereof has a tapered shape. The whole of the hard mask 21, the tungsten layer 20 and the tungsten nitride layer 19 may be formed into a tapered shape. May be processed. Further, the hard mask 21 may be completely eliminated by performing the etching, and the tungsten layer 20 or the tungsten layer 20 and the tungsten nitride layer 19 may be processed to have a tapered shape. Further, by reducing the thickness of the gate electrodes 22 and 22 ', the whole of the tungsten film 20, the tungsten nitride film 19 and the polysilicon 18 may be processed to have a tapered shape. With such a shape, the ion implantation angle θ can be further increased.
[0047]
The taper angle θ ′ is preferably 7 to 85 °, and can be changed by controlling a plasma bias in a high-density plasma CVD apparatus during etching.
[0048]
Embodiment 3 FIG.
In this embodiment, a case where the present invention is applied to a damascene transistor will be described. The method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0049]
First, as shown in FIG. 7A, for example, a silicon substrate is used as the semiconductor substrate 27, and an oxide film 28 is formed thereon by a CVD method or the like. Next, a dummy gate layer 29 is formed on the oxide film 28. The dummy gate layer 29 can be formed using, for example, polysilicon, and can be deposited on the oxide film 28 using a low-pressure CVD furnace or the like.
[0050]
Next, after a resist film 30 is formed on the dummy gate layer 29, desired patterning is performed on the resist film 30 by a photolithography method to obtain a structure shown in FIG. Subsequently, using the resist film 30 as a mask, the dummy gate layer 29 is etched by dry etching to form a dummy gate pattern 31. Thereafter, the resist film 30 is removed by, for example, an ashing process using plasma (FIG. 7B).
[0051]
Next, as shown in FIG. 7C, the dummy gate pattern 31 is processed into a tapered shape. In the figure, the cross section of the dummy gate pattern 31 is processed to be trapezoidal, but may be triangular. The processing is performed by anisotropically etching the dummy gate pattern 31 using, for example, a CVD apparatus using high-density plasma as a plasma source. For example, the semiconductor device shown in FIG. 7B is placed in a film forming chamber (not shown) of a CVD device. Next, after the inside of the film forming chamber is evacuated to a predetermined degree of vacuum, high frequency AC bias power is applied to the semiconductor substrate 27, and an appropriate etching gas is introduced into the film forming chamber to perform etching. At this time, the taper angle θ ′ can be changed by controlling the plasma bias. The taper angle θ ′ is preferably 7 to 85 °.
[0052]
Next, using the dummy gate pattern 31 as a mask, extension implantation and halo implantation for a punch-through stopper are performed on the semiconductor substrate 27 to form source / drain regions to obtain the structure shown in FIG. More specifically, for example, boron difluoride is ion-implanted from a direction perpendicular to the semiconductor substrate 27 to form the p − type semiconductor region 32. Subsequently, while rotating the semiconductor substrate 27, phosphorus is ion-implanted into the semiconductor substrate 27 at a desired implantation angle θ to form an n + type halo implanted layer 33. The ion implantation method may be any of a step rotation implantation method and a continuous rotation implantation method. Since the dummy gate pattern 31 is processed into a tapered shape, it becomes possible to increase the ion implantation angle θ at the time of halo implantation, so that the light enters the semiconductor substrate 27 from an oblique direction (A direction). The ions are not shielded by the dummy gate pattern 31.
[0053]
Next, as shown in FIG. 8A, an interlayer insulating film 34 is formed on the gate insulating film 28 and the dummy gate pattern 31. As the interlayer insulating film 34, for example, a TEOS (Tetraethylorthosilicate) film, a BPSG (Borophosphosilicate glass) film, or the like can be used, and can be formed by a CVD method or the like.
[0054]
Next, the dummy gate pattern 31 is exposed on the surface of the interlayer insulating film 34 by flattening the interlayer insulating film 34 by a CMP (Chemical and Mechanical Polishing) method or the like (FIG. 8B), and then etched. The dummy gate pattern 31 is removed to form a groove 35 (FIG. 8C).
[0055]
Next, after removing the oxide film 28 exposed from the bottom 35a of the groove 35 by etching, the bottom surface 35a and the side surface 35b of the groove 35 and the gate insulating film 36 are formed so that the groove 35 is not filled. It is deposited on the interlayer insulating film 34 by a CVD method or the like. Subsequently, a gate electrode material 37 such as aluminum (Al) or tungsten is deposited by a CVD method or the like so as to fill the groove 35 (FIG. 9B). Thereafter, the gate electrode material 37 is polished by a CMP method or the like so as to have the same height as the gate insulating film 36 to form the gate electrode 38 (FIG. 9C).
[0056]
After removing the dummy gate pattern 31 by etching, as shown in FIG. 9A, the interlayer insulating film 34 is processed into a tapered shape so that the opening diameter increases from the lower part of the cross section to the upper part of the cross section. You may. The processing can be performed, for example, by anisotropic etching using a CVD apparatus using high-density plasma as a plasma source. By performing such processing, the gate electrode material 37 can be deposited so as to completely fill the groove 35, and defects such as generation of voids (voids) in the groove 35 can be eliminated.
[0057]
In the first to third embodiments, all the gate electrodes in the device are processed into a tapered shape. However, the present invention is not limited to this. According to the present invention, a gate electrode having a tapered shape and a gate electrode having no tapered shape can coexist in one device. FIG. 10 shows an example in which the gate electrodes 39 and 39 ′ obtained by processing a hard mask into a tapered shape and the gate electrodes 40 and 40 ′ that are not processed coexist. In the example shown, the gate electrodes 39, 39 'and the gate electrodes 40, 40' are electrically separated by a trench 41.
[0058]
【The invention's effect】
According to the present invention, by processing a gate electrode, a dummy gate pattern, or the like into a tapered shape, it becomes possible to increase the implantation angle of ions at the time of halo implantation, and the ions are obliquely incident on the semiconductor substrate. The problem that ions are blocked by the gate electrode and the dummy gate pattern can be solved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating a method for manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating a method of manufacturing another semiconductor device according to the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
[Explanation of symbols]
1, 27, 42 semiconductor substrate, 2, 17, 36, 43 gate insulating film, 3, 18, 44 polysilicon layer, 4, 19, 45 tungsten nitride layer, 5, 20, 46 tungsten layer, 6, 21, 47 Hard mask, 7, 30, 48 resist film, 8, 22, 38, 39, 40, 49 gate electrode, 9, 23 gap, 10, 24, 28 oxide film, 11, 25, 32 p-type semiconductor region, 12 , 26, 33 n + type halo injection layer, 13 SOI substrate, 14 support substrate, 15 insulating layer, 16 single crystal silicon layer, 29 dummy gate layer, 31 dummy gate pattern, 34 interlayer insulating film, 35 groove, 37 gate electrode material , 41 trench.

Claims (8)

半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をテーパ形状に加工する工程と、
前記テーパ形状に加工されたゲート電極をマスクとして前記半導体基板の斜め上方向から前記半導体基板にイオンを注入する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a gate electrode on the gate insulating film;
Processing the gate electrode into a tapered shape;
Implanting ions into the semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate using the gate electrode processed into the taper shape as a mask.
前記ゲート電極はポリシリコン層、窒化タングステン層およびタングステン層をこの順に積層させた構造であり、これらの層のうち上から順に少なくとも1層をテーパ形状に加工する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode has a structure in which a polysilicon layer, a tungsten nitride layer, and a tungsten layer are stacked in this order, and at least one of these layers is tapered in order from the top. 3. Production method. 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に導電層を形成する工程と、
前記導電層上にハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを用いて前記絶縁膜および前記導電層をエッチングしてゲート電極を形成する工程と、
前記ハードマスクをテーパ形状に加工する工程と、
前記ゲート電極をマスクとして前記半導体基板の斜め上方向から前記半導体基板にイオンを注入する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a conductive layer on the insulating film;
Forming a hard mask on the conductive layer;
Forming a gate electrode by etching the insulating film and the conductive layer using the hard mask;
Processing the hard mask into a tapered shape;
Implanting ions into the semiconductor substrate from obliquely above the semiconductor substrate using the gate electrode as a mask.
前記ハードマスクをテーパ形状に加工する工程はさらに前記導電層をテーパ形状に加工することを含む請求項3に記載の半導体装置の製造方法。4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the step of processing the hard mask into a tapered shape further includes processing the conductive layer into a tapered shape. 前記導電層はポリシリコン層、窒化タングステン層およびタングステン層をこの順に積層させた構造であり、これらの層のうち上から順に少なくとも1層をテーパ形状に加工する請求項4に記載の半導体装置の製造方法。5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the conductive layer has a structure in which a polysilicon layer, a tungsten nitride layer, and a tungsten layer are stacked in this order, and at least one of these layers is tapered in order from the top. Production method. 前記半導体基板はSOI基板である請求項1〜5に記載の半導体装置の製造方法。The method according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is an SOI substrate. 半導体基板上に酸化膜を形成する工程と、
前記酸化膜上にダミーゲートパターンを形成する工程と、
前記ダミーゲートパターンをテーパ形状に加工する工程と、
前記テーパ形状に加工されたダミーゲートパターンをマスクとして前記半導体基板の斜め上方向から前記半導体基板にイオンを注入する工程と、
前記酸化膜および前記ダミーゲートパターンの上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記ダミーゲートパターンの上面が露出するまで前記層間絶縁膜を除去する工程と、
前記ダミーゲートパターンを選択的に除去して溝を形成する工程と、
前記溝の底面に露出している前記酸化膜を除去する工程と、
前記溝の前記底面および側面並びに前記層間絶縁膜上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記溝をゲート電極材料で埋込む工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an oxide film on the semiconductor substrate;
Forming a dummy gate pattern on the oxide film;
Processing the dummy gate pattern into a tapered shape;
Implanting ions into the semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate using the tapered dummy gate pattern as a mask,
Forming an interlayer insulating film on the oxide film and the dummy gate pattern;
Removing the interlayer insulating film until the upper surface of the dummy gate pattern is exposed;
Forming a groove by selectively removing the dummy gate pattern;
Removing the oxide film exposed on the bottom surface of the groove;
Forming a gate insulating film on the bottom and side surfaces of the trench and on the interlayer insulating film;
Filling the groove with a gate electrode material.
前記テーパ形状に加工する工程は高密度プラズマによる異方性エッチングである請求項1〜7に記載の半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step of processing into a tapered shape is anisotropic etching using high-density plasma.
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