JP2004273559A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置とその製造方法に関し、特に、二重サイドウォール構造を有するMOS型半導体デバイスとその作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
微細なCMOSデバイスの作製工程において、一般にゲート電極を形成し、ゲート電極の側壁に絶縁膜によるサイドウォールを形成した後、接触抵抗を下げるためにソース・ドレイン領域にシリサイドを形成する。シリサイドの形成に先立って、ソース・ドレイン上に存在する自然酸化膜や熱酸化膜を洗浄除去する前処理が行われる。
【0003】
サイドウォールの材料としては、シリコン酸化膜(SiO2 )やシリコン窒化膜(SiN)が用いられるが、シリコン酸化膜はフッ酸(HF)系の洗浄液を用いたウェット処理に弱く、洗浄工程でダメージを受ける。一方、シリコン窒化膜は耐フッ酸性には優れるが、内部応力が強く、直接シリコン基板上の活性領域に形成するとデバイス動作の信頼性に影響する。また、シリコン窒化膜中に存在する水素(H)がゲート酸化膜に影響し、これもデバイス動作の信頼性を劣化させる原因となる。サイドウォールがデバイスの信頼性に影響することなくエッチングストッパとしても機能するためには、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜を組み合わせた構成が必要となる。
【0004】
ゲート電極の側壁にサイドウォールを形成した後、別途エッチングストッパ膜を全面に形成し、後工程でソース・ドレイン領域上のエッチングストッパ膜をドライエッチング除去する方法も提案されている(たとえば、特許文献1および2参照)。しかし、微細化が進むと位置ずれの問題が顕著になるので、エッチングストッパ層もセルフアライン工程で形成されるのが望ましい。そこで、シリコン窒化膜の下地としてシリコン酸化膜を配置した二重サイドウォール構造が提案されている。
【0005】
図1は、従来の二重サイドウォール構造と、その問題点を説明するための図である。図1(a)に示すように、シリコン基板101上にゲート酸化膜102を介してゲート電極103が形成されている。ゲート電極103の側壁と、シリコン基板101のうちゲート電極103に隣接する領域に、シリコン酸化膜105が位置し、シリコン酸化膜105上にシリコン窒化膜106が位置する。シリコン窒化膜106は、ゲート電極103の上端部からシリコン基板101上のシリコン酸化膜105に向かってテーバ状に延びる。シリコン酸化膜105とシリコン窒化膜106で、二重サイドウォール107を構成している。
【0006】
このような構造は、たとえば、シリコン基板101とゲート電極103を覆って、比較的薄いシリコン酸化膜を全面に堆積した後、比較的膜厚の厚いシリコン窒化膜を全面に形成し、RIEなどの異方性エッチングでエッチバックすることにより得られる。シリコン窒化膜106は直接シリコン基板101とは接触せず、窒化膜中の水素や内部応力がデバイスの信頼性に影響するのを防止する。
【0007】
【特許文献1】
特開2001−185505号公報
【0008】
【特許文献2】
特開2002−110930号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図1(a)に示す二重サイドウォール構造107では、サークルA、Bで示すように、二重サイドウォール107の端部でシリコン酸化膜105が露出してしまう。このため、次工程でフッ酸(HF)系の洗浄液で前処理を行った場合、露出した部分からエッチングが進み、図1(b)に示すようにシリコン酸化膜105が後退する。この結果、二重サイドウォール107の基部と上部にくぼみ109が生じる。
【0010】
特に最近では、デバイスの微細化に伴って、選択エピタキシャル成長により基板上にせり上げソース・ドレイン(Elevated−SD)を作製する技術が注目されているが、シリコン基板上に選択エピタキシャル成長する際には、シリサイドの形成以上にフッ酸処理を長く行う必要がある。この場合、シリコン酸化膜105の後退はさらに進み、場合によってはリフトオフされてサイドウォール構造が完全に壊れてしまうという問題がある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、サイドウォール形成後のフッ酸処理によって変形しない二重サイドウォール構造を有する半導体装置とその製造方法を提供する。
【0012】
本発明の第1の側面では、半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して位置するゲート電極と、ゲート電極の側壁を覆う二重サイドウォールとを備え、二重サイドウォールは、
(a)ゲート電極の側壁に位置し、ゲート電極の高さよりも低い第1サイドウォールと、
(b)記第1サイドウォールの全面と、第1サイドウォールから突き出るゲート電極の上部側壁とを連続的に被覆する耐フッ酸性の第2サイドウォールと
により構成される。
【0013】
この構成によれば、第1サイドウォールは耐フッ酸性の第2サイドウォールによって完全に被覆され、後続のフッ酸処理による侵食、変形などのダメージを受けることがない。
【0014】
第2サイドウォールは、ゲート電極の上端部から上部側壁に沿って延び、さらに第1サイドウォールの表面に沿って前記半導体基板まで延びる。
【0015】
第1サイドウォールはシリコン酸化膜で形成される。第2サイドウォールは、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜、その他の耐フッ酸性の絶縁膜である。
【0016】
本発明の第2の側面では、半導体装置の製造方法は以下の工程を含む。
(a)半導体基板上にゲート電極を形成する工程、
(b)ゲート電極および半導体基板を覆う、第1の絶縁膜を形成する工程と、
(c)第1の絶縁膜を、ゲート電極の上部側壁が露出するまでエッチング除去して、ゲート電極の側壁にゲート電極の高さよりも低い第1サイドウォールを形成する工程、
(d)第1サイドウォールの全面と、ゲート電極の上部側壁とを連続的に覆う耐フッ酸性の第2サイドウォールを形成して二重サイドウォールを構成する工程、および
(e)半導体基板をフッ酸系の処理液で洗浄する工程。
【0017】
このような半導体装置の製造方法によれば、二重サイドウォール構造が後続のフッ酸処理によって侵食、変形等のダメージを受けることを確実に防止できる。
【0018】
上述した製造方法は、フッ酸処理による洗浄後に、基板上に選択エピタキシャル成長でせり上げソース・ドレインを形成する工程をさらに含む。選択エピタキシャル成長を行うには、基板表面に存在する自然酸化膜や熱酸化膜などを十分に除去して清浄な表面にする必要があるが、上述した二重サイドウォールによって第1サイドウォールが確実に保護されているので、フッ酸清浄を十分に行うことができる。この結果、基板上に良好な選択エピタキシャル成長層を成長させることができる。
【0019】
あるいは、半導体装置の製造方法は、フッ酸処理による洗浄後に、基板上にシリサイドを形成する工程をさらに含む。
【0020】
たとえば、二重サイドウォールをマスクとして半導体基板にソース・ドレインを形成すると、シリサイドは、ソース・ドレインを形成し、基板を洗浄した後にソース・ドレイン上に形成される。
【0021】
このように、選択エピタキシャル成長やシリサイドの形成など、その前処理としてフッ酸処理を必要とする工程を含むあらゆる半導体装置の製造に、本発明の方法を適用することができる。
【0022】
本発明のその他の特徴、効果は、以下で図面を参照して述べる詳細な説明によりいっそう明確になるものである。
【0023】
【発明の実施の形態】
図2は、本発明の二重サイドウォール構造を有する半導体デバイスの基本構造を示す図である。半導体デバイス1は、シリコン基板11上にゲート酸化膜12を介して位置するゲート電極13と、シリコン基板11に形成されたソース・ドレイン不純物拡散領域4と、ゲート電極13の側壁を覆う二重サイドウォール22を備える。二重サイドウォール22は、
(a)ゲート電極13の側壁に位置しゲート電極13の高さよりも低い第1サイドウォール18と、
(b)第1サイドウォール18の全面と、第1サイドウォール18から突き出るゲート電極13の上部側壁13aを連続的に覆う耐フッ酸性の第2サイドウォール20とで構成される。
【0024】
第2サイドウォール20は、ゲート電極13の上端部から上部側壁13aに沿って延び、さらに第1サイドウォール18の表面に沿ってシリコン基板11まで延びる。この二重サイドウォール22の構成では、第1サイドウォール18は完全に耐フッ酸性の第2サイドウォール20に覆われ、ゲート電極13の上端部(サークルC)においても、ゲート電極13直下のシリコン基板11上(サークルD)においても第1サイドウォール18が露出することはない。
【0025】
ソース・ドレイン不純物拡散領域4は、二重サイドウォール22の直下に位置するエクステンション2と、二重サイドウォール22の外側に位置するソース・ドレイン3を含み、第2サイドウォール20は、ソース・ドレイン3上には位置しない。
【0026】
第2サイドウォール20の膜厚は、第1サイドウォール18の膜厚の1/4〜1/2に設定する。これにより、フッ酸処理から第1サイドウォールを確実に保護するとともに、エクステンション2との接触面積を最小限に抑制することができる。
【0027】
このような二重サイドウォール構造は、選択エピタキシャル成長や、シリサイド形成など、その前処理にフッ酸処理を必要とする工程を経て作製されるあらゆる半導体装置に適用される。
【0028】
図3〜図5は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す。第1実施形態では、せり上げソース・ドレインを有するMOS型トランジスタに図2の二重サイドウォール構造を適用した例を説明する。
【0029】
まず、図3(a)に示すように、シリコン基板11上にゲート酸化膜12を介して100nmのポリシリコンを堆積する。ポリシリコン膜上に薄いシリコン窒化膜(SiN)のキャップ層を形成して、フォトリソグラフィ法によりゲートのパターニングおよびエッチングを行う。これによりゲート電極13を形成する。ゲート電極13上にはSiNのキャップ14が残る。その後、ゲート電極13およびSiNキャップ14をマスクとして、セルフアラインで不純物を注入し、浅いエクステンション15を形成する。
【0030】
次に、図3(b)に示すように、CVD法により膜厚50nmのシリコン酸化膜(SiO2 )17を全面に形成する。
【0031】
次に、図3(c)に示すように、シリコン酸化膜17をRIE法によりエッチバックする。このとき、ゲート電極13の側壁に残るシリコン酸化膜17の上端部が、ゲート電極13の高さよりも約20nm低くなるように、オーバーエッチングする。これにより、テーバ状の第1サイドウォール18が形成される。この状態では、ゲート電極13の上部側壁13aは第1サイドウォール18に覆われずに露出している。
【0032】
次に、図4(d)に示すように、CVD法によりシリコン窒化膜(SiN)19を膜厚20nmで全面に堆積する。これにより、前工程で露出されたゲート電極13の上部側壁13aおよびシリコン基板11の表面が被覆される。ゲート電極13上に形成されていたSiNキャップ14は、シリコン窒化膜19と一体化する
次に、図4(e)に示すように、RIEなどの異方性エッチングにより、シリコン窒化膜19をエッチングする。これにより、シリコン基板11上のシリコン窒化膜と、ゲート電極13の上面のシリコン窒化膜の一部が除去されるが、ゲート電極13の上部側壁13aと、第1のSiO2 サイドウォール18上には、シリコン窒化膜が残る。
【0033】
RIEの結果、図4(f)に示すように、第1サイドウォール(SO2 )18を完全に覆う第2サイドウォール(SiN)20が形成され、二重サイドウォール22が構成される。ゲート電極13上には、当初のSiNキャップと同程度の厚さでシリコン窒化膜19aが残っている。この状態で、フッ酸(HF)処理により、シリコン基板11上の自然酸化膜や熱酸化膜(不図示)10nm相当をエッチング除去する。このフッ酸処理は、次工程での選択エピタキシャル成長に先立つものであり、エクステンション15上に存在する酸化膜が確実に除去されるように行われる。フッ酸処理の間、シリコン酸化膜からなる第1サイドウォール18は、耐フッ酸性のシリコン窒化膜でできた第2サイドウォール20で完全に被覆されている。したがって、二重サイドウォール22の形状を変化させることなく、侵食から確実に保護することができる。第2のサイドウォール20の下端部で、シリコン窒化膜がエクステンション15の一部と接触するが、側壁保護の実益のほうがはるかに大きい。また、接触幅は高々20nm程度(すなわち窒化膜の膜厚程度)であり、かつ、ゲート酸化膜12から離れているので、デバイス動作に対する窒化膜の影響は最小限に抑制される。
【0034】
次に、図5(g)に示すように、ゲート電極13上のシリコン窒化膜19aと第2サイドウォール20をマスクとして、露出したシリコン基板11上に、選択エピタキシャル成長でシリコン層23を膜厚20nmまで形成する。エピタキシャル成長は、たとえばSiH2Cl2 とHClをH2 キャリアガスによりシリコン基板11上に供給し、減圧条件下で900℃以下の低温で行う。先の工程で、シリコン基板11の自然酸化膜が十分に洗浄除去されているので、良好なエピタキシャル成長層を形成することができる。
【0035】
次に、図5(h)に示すように、二重サイドウォール22とゲート電極13上の窒化膜19aをマスクとして、選択エピタキシャル成長のシリコン層23にセルフアラインでイオン注入を行う。その後熱拡散により、ゲート電極13の側面までせり上がったせき上がりソース・ドレイン領域25が形成される。せり上がりソース・ドレイン領域25とエクステンション15とでソース・ドレイン不純物拡散領域29を構成する。
【0036】
一般に、デバイスの微細化に伴い、ソース・ドレイン領域もそのスケール縮小に合わせて浅く設計される。ソース・ドレイン領域が浅くなると電気抵抗が高くなるが、せり上げソース・ドレイン構造とすることによって深さ方向の寸法を確保し、電気抵抗の上昇を防止して動作速度を維持できる。
【0037】
次に、図5(i)に示すように、ゲート電極13上の薄いシリコン窒化膜19aをリン酸で除去し、ゲート電極13の上部表面と、せり上げソース・ドレイン領域25の表面にシリサイド27を形成する。シリサイド27は金属をスパッタリングした後に熱処理することによって、あるいはCVD法によって形成され、コバルトシリサイド(CoSi2 )、白金シリサイド(PtSi2 )、チタンシリサイド(TiSi2 )など任意のシリサイドとすることができる。シリサイド27の形成前に、軽くフッ酸(HF)処理してもよい。このときも、シリコン酸化膜の第1サイドウォール18は全面が第2サイドウォール20で保護されているので、侵食の問題は生じない。
【0038】
その後、図示はしないが、全面に層間絶縁膜を形成し、せり上げソース・ドレイン領域25上のシリサイド27、およびゲート電極13上のシリサイド27に到達するプラグを形成し、層間絶縁膜上に配線層を形成して、ロジック回路を形成する。
【0039】
図6は、第1実施形態の二重サイドウォールを有するMOS型トランジスタで構成されるロジック領域の断面図である。半導体基板11のn型ウェル内に位置するPMOSトランジスタは、ゲート酸化膜12を介して形成されるゲート電極13と、ゲート電極13の側壁に位置する二重サイドウォール22と、ゲート電極13を挟む基板領域に形成されたソース・ドレイン不純物拡散領域29を有する。二重サイドウォール22は、上述したように、ゲート電極13の高さよりも低い第1サイドウォール18と、第1サイドウォールの前面および突出したゲート電極13の上部側壁を連続的に覆う第2サイドウォール20とで構成される。ソース・ドレイン不純物拡散領域29は、二重サイドウォール22の直下に位置する低濃度p型不純物のエクステンション15と、二重サイドウォール22の外側にせり上がる高濃度p型不純物がドープされたせり上げソース・ドレイン25とを含む。ゲート電極13の上面と、せり上げソース・ドレイン25の表面はシリサイド27で覆われている。
【0040】
同様に、素子分離領域51をはさんでp型ウェル内に、二重サイドウォール22を有するNMOSトランジスタが位置する。NMOSトランジスタは、低濃度のn型不純物が注入されたエクステンション15と、高濃度のn型せり上げソース・ドレイン25とから成るソース・ドレイン不純物拡散領域29を有する。
【0041】
PMOSおよびNMOSトランジスタのせり上げソース・ドレイン25は、層間絶縁膜53を貫通するプラグ54を介して上部配線55に接続され、論理回路を構成する。また、図示はしないが、ゲート電極13もシリサイド27とプラグを介して上部配線に接続される。
【0042】
このような論理回路は、セルフアラインで形成された二重サイドウォールにより、清浄工程から確実にゲート構造を保護することができる。したがって、微細な回路構成での動作の信頼性が維持される。また、耐フッ酸性の第2サイドウォール18はゲート酸化膜12から離れて位置し、活性領域と接触する面積も最小限に抑制される。この点でも、動作の信頼性を維持することができる。
【0043】
図7〜図9は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。第2実施形態では、一般的なシリサイドの形成に本発明を適用した例を説明する。
【0044】
まず、図7(a)に示すように、通常の方法でパターニングおよびエッチングを行って、シリコン基板11上にゲート酸化膜12を介してポリシリコンゲート電極13を形成する。ゲート電極の高さは、第1実施形態と同様に100nmとする。このゲート電極をマスクとして、セルフアラインで不純物を注入し、浅いエクステンション15を形成する。このとき、ポリシリコンゲート電極13にも不純物が注入される。
【0045】
次に、図7(b)に示すように、CVD法により全面に膜厚50nmのシリコン酸化膜(SiO2 )17を形成する。
【0046】
次に、図7(c)に示すように、シリコン酸化膜17をRIE法によりエッチバックする。このとき、ゲート電極13の側壁に残るシリコン酸化膜17の上端部が、ゲート電極13の高さよりも約20nm低くなるように、オーバーエッチングする。これにより、テーバ状の第1サイドウォール18が形成される。この状態では、ゲート電極13の上部側壁13aは第1サイドウォール18に覆われずに露出している。
【0047】
次に、図8(d)に示すように、CVD法によりシリコン窒化膜(SiN)19を膜厚20nmで全面に堆積する。これにより、前工程で露出されたゲート電極13の上面と、上部側壁13aと、シリコン基板11の表面がすべて被覆される。
【0048】
次に、図8(e)に示すように、RIEなどの異方性エッチングにより、シリコン窒化膜19をエッチングする。これにより、シリコン基板11上のシリコン窒化膜と、ゲート電極13の上面のシリコン窒化膜が除去されるが、ゲート電極13の上部側壁13aと、第1のSiO2 サイドウォール18上には、シリコン窒化膜が残る。
【0049】
RIEの結果、図8(f)に示すように、第1サイドウォール(SO2 )18を完全に覆う第2サイドウォール(SiN)20が形成され、二重サイドウォール22が構成される。この二重サイドウォール22をマスクとしてイオン注入を行い、ソース・ドレイン35を形成する。二重サイドウォール22直下のエクステンション15と、ソース・ドレイン35とでソース・ドレイン不純物拡散領域39を構成する。
【0050】
次に、図9(g)に示すように、シリコン基板11上およびゲート電極13上の自然酸化膜や熱酸化膜をフッ酸処理により洗浄除去し、ソース・ドレイン35上およびゲート電極13上にシリサイド37を形成する。フッ酸処理の間、第1サイドウォール18を構成するシリコン酸化膜は、第2サイドウォールにより完全に被覆されているので、侵食を懸念することなく十分に洗浄除去を行うことができる。したがって、清浄化された表面にシリサイドを良好に形成することができる。
【0051】
上述した実施形態では、ロジック回路に二重サイドウォール構造を適応した例を用いて説明してきたが、本発明の二重サイドウォール構造は、メモリセルのアクセストランジスタにも適用される。メモリ領域とロジック領域を同一チップ上に形成する場合は、メモリセルのアクセストランジスタの二重サイドウォールと、ロジック領域のMOSトランジスタの二重サイドウォールを、同時に形成することができる。
【0052】
さらに、ゲート積層絶縁膜に電荷トラップ絶縁膜を有するMONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)型あるいはSONOS(Poly−Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon)型の不揮発性半導体メモリにおいて、積層コントロールゲートの側壁保護に本発明の二重サイドウォールは好適に用いられる。特に、MONOS型、SONOS型のメモリでは、酸化膜に挟まれた窒化膜の界面での電荷のトラップが重要であり、洗浄工程から確実にゲート積層絶縁構造を保護できる二重サイドウォールの必要性は高い。
【0053】
なお、上述した実施形態では、第1サイドウォールにシリコン酸化膜を、第2サイドウォールにシリコン窒化膜を用いたが、第2サイドウォールはシリコン酸化窒化膜(SiON)など、絶縁性と耐フッ酸性のある任意の材料で形成することができる。
【0054】
最後に、以上の説明に関して、以下の付記を開示する。
(付記1) 半導体基板と、
半導体基板上にゲート絶縁膜を介して位置するゲート電極と、
ゲート電極の側壁を覆う二重サイドウォールと
を備え、前記二重サイドウォールは、
ゲート電極の側壁に位置し、ゲート電極の高さよりも低い第1サイドウォールと、
第1サイドウォールの全面と、第1サイドウォールから突き出たゲート電極の上部側壁とを連続的に被覆する耐フッ酸性の第2サイドウォールと
により構成されることを特徴とする半導体装置。
(付記2) 第2サイドウォールの膜厚は、第1サイドウォールの膜厚の1/4〜1/2であることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記3) 第2サイドウォールは、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜、その他任意の耐フッ酸性絶縁膜で形成されることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記4) 半導体基板上にゲート電極を形成する工程と、
ゲート電極および半導体基板を覆う第1の絶縁膜を形成する工程と、
第1の絶縁膜を、ゲート電極の上部側壁が露出するまでエッチング除去し、ゲート電極の側壁にゲート電極の高さよりも低い第1サイドウォールを形成する工程と、
第1サイドウォールの全面と、ゲート電極の上部側壁とを連続的に被覆する耐フッ酸性の第2サイドウォールを形成して、二重サイドウォールを構成する工程と、
半導体基板をフッ酸系の処理液で洗浄する工程と
を含む半導体装置の製造方法。
(付記5) 洗浄後に、半導体基板上に選択エピタキシャル成長でせり上げソース・ドレインを形成する工程をさらに含むことを特徴とする付記4に記載の半導体装置の製造方法。
(付記6) 洗浄後に、半導体基板上にシリサイドを形成する工程をさらに含むことを特徴とする付記4に記載の半導体装置の製造方法。
(付記7) 前記半導体基板に二重サイドウォールをマスクとしてソース・ドレインを形成する工程をさらに含み、前記シリサイドは、洗浄後に半導体基板のソース・ドレイン上に形成されることを特徴とする付記6に記載の半導体装置の製造方法。
(付記8) 前記せり上げソース・ドレイン上にシリサイドを形成する工程をさらに含むことを特徴とする付記5に記載の半導体装置の製造方法。
(付記9) 前記せり上げソース・ドレイン上のシリサイドの形成に先立って、フッ酸処理による洗浄をさらに行うことを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
(付記10) 前記第2サイドウォールを、シリコン窒化膜、シリコン酸化窒化膜、その他任意の耐フッ酸性絶縁膜で形成することを特徴とする付記4に記載の半導体装置の製造方法。
【0055】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば二重サイドウォールにより、後工程でフッ酸処理を行っても、サイドウォール構造が侵食されることがない。また、二重サイドウォールをセルフアラインで形成できるので、微細化に十分に対応できる。
【0056】
安定した二重サイドウォール構造により、フッ酸処理を十分に行うことができるので、選択エピタキシャル成長やシリサイド形成を良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の二重サイドウォールの構造とその問題点を説明するための図である。
【図2】本発明の二重サイドウォール構造を有する半導体デバイスの基本構造を示す図である。
【図3】本発明の第1実施形態に係る半導体デバイスの作製工程図(その1)である。
【図4】本発明の第1実施形態に係る半導体デバイスの作製工程図(その2)であり、図3(c)に続く工程を示す図である。
【図5】本発明の第1実施形態に係る半導体デバイスの作製工程図(その3)であり、図4(f)に続く工程を示す図である。
【図6】第1実施形態の二重サイドウォールを有する半導体デバイスで構成されるロジック回路の構成図である。
【図7】本発明の第2実施形態に係る半導体デバイスの作製工程図(その1)である。
【図8】本発明の第2実施形態に係る半導体デバイスの作製工程図(その2)であり、図7(c)に続く工程を示す図である。
【図9】本発明の第2実施形態に係る半導体デバイスの作製工程図(その3)であり、図8(f)に続く工程を示す図である。
【符号の説明】
1 半導体デバイス
2、15 エクステンション
3、35 ソース・ドレイン
4、29、39 ソース・ドレイン不純物拡散領域
11 シリコン基板(半導体基板)
12 ゲート酸化膜(ゲート絶縁膜)
13 ゲート電極
13a ゲート電極上部側壁
14 キャップ
17 シリコン酸化膜
18 第1サイドウォール
19 シリコン窒化膜
20 第2サイドウォール
22 二重サイドウォール
25 せり上げソース・ドレイン
27、37 シリサイド[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a MOS semiconductor device having a double sidewall structure and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In the process of manufacturing a fine CMOS device, a gate electrode is generally formed, a sidewall is formed by an insulating film on a side wall of the gate electrode, and then silicide is formed in source / drain regions to reduce contact resistance. Prior to the formation of silicide, a pretreatment for cleaning and removing a natural oxide film and a thermal oxide film existing on the source / drain is performed.
[0003]
As a material of the sidewall, a silicon oxide film (SiO 2 ) And a silicon nitride film (SiN) are used, but the silicon oxide film is weak to a wet process using a hydrofluoric acid (HF) -based cleaning solution and is damaged in the cleaning process. On the other hand, a silicon nitride film is excellent in hydrofluoric acid resistance, but has strong internal stress, and if formed directly in an active region on a silicon substrate, it affects the reliability of device operation. In addition, hydrogen (H) present in the silicon nitride film affects the gate oxide film, which also causes a reduction in device operation reliability. In order for the sidewall to function as an etching stopper without affecting the reliability of the device, a configuration combining a silicon oxide film and a silicon nitride film is required.
[0004]
A method has also been proposed in which after forming a sidewall on the side wall of a gate electrode, an etching stopper film is separately formed on the entire surface, and the etching stopper film on the source / drain regions is dry-etched and removed in a later step (for example, Patent Document 1). 1 and 2). However, as the miniaturization progresses, the problem of misalignment becomes remarkable. Therefore, it is preferable that the etching stopper layer is also formed by a self-alignment process. Therefore, a double sidewall structure in which a silicon oxide film is arranged as a base of a silicon nitride film has been proposed.
[0005]
FIG. 1 is a diagram for explaining a conventional double sidewall structure and its problems. As shown in FIG. 1A, a
[0006]
In such a structure, for example, after a relatively thin silicon oxide film is deposited on the entire surface to cover the
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2001-185505 A
[0008]
[Patent Document 2]
JP 2002-110930 A
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the
[0010]
In recent years, in particular, with the miniaturization of devices, a technique of raising a source / drain (Elevated-SD) on a substrate by selective epitaxial growth has attracted attention, but when performing selective epitaxial growth on a silicon substrate, It is necessary to perform hydrofluoric acid treatment longer than silicide formation. In this case, there is a problem that the retreat of the
[0011]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present invention provides a semiconductor device having a double side wall structure which is not deformed by hydrofluoric acid treatment after forming a side wall, and a method for manufacturing the same.
[0012]
According to a first aspect of the present invention, a semiconductor device includes a semiconductor substrate, a gate electrode located on the semiconductor substrate via a gate insulating film, and a double sidewall covering a side wall of the gate electrode. The wall is
(A) a first sidewall located on the side wall of the gate electrode and lower than the height of the gate electrode;
(B) a hydrofluoric acid-resistant second sidewall that continuously covers the entire surface of the first sidewall and the upper sidewall of the gate electrode protruding from the first sidewall;
It consists of.
[0013]
According to this configuration, the first sidewall is completely covered by the hydrofluoric acid-resistant second sidewall, and is not damaged by erosion or deformation due to the subsequent hydrofluoric acid treatment.
[0014]
The second sidewall extends from the upper end of the gate electrode along the upper sidewall, and further extends along the surface of the first sidewall to the semiconductor substrate.
[0015]
The first sidewall is formed of a silicon oxide film. The second sidewall is a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or another hydrofluoric acid-resistant insulating film.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, a method for manufacturing a semiconductor device includes the following steps.
(A) forming a gate electrode on a semiconductor substrate;
(B) forming a first insulating film covering the gate electrode and the semiconductor substrate;
(C) forming a first sidewall lower than the height of the gate electrode on the sidewall of the gate electrode by etching and removing the first insulating film until the upper sidewall of the gate electrode is exposed;
(D) forming a hydrofluoric acid-resistant second sidewall that continuously covers the entire first sidewall and the upper sidewall of the gate electrode to form a double sidewall;
(E) washing the semiconductor substrate with a hydrofluoric acid-based treatment liquid;
[0017]
According to such a method of manufacturing a semiconductor device, it is possible to reliably prevent the double sidewall structure from being damaged by erosion, deformation, and the like due to the subsequent hydrofluoric acid treatment.
[0018]
The above-described manufacturing method further includes a step of forming a source / drain by selective epitaxial growth on the substrate after cleaning by hydrofluoric acid treatment. In order to perform selective epitaxial growth, it is necessary to sufficiently remove a natural oxide film, a thermal oxide film, and the like existing on the substrate surface to obtain a clean surface. Since it is protected, hydrofluoric acid cleaning can be sufficiently performed. As a result, a good selective epitaxial growth layer can be grown on the substrate.
[0019]
Alternatively, the method for manufacturing a semiconductor device further includes a step of forming silicide on the substrate after cleaning by hydrofluoric acid treatment.
[0020]
For example, when a source / drain is formed in a semiconductor substrate using a double sidewall as a mask, silicide is formed on the source / drain after forming the source / drain and cleaning the substrate.
[0021]
As described above, the method of the present invention can be applied to the manufacture of any semiconductor device including a process requiring hydrofluoric acid treatment as a pretreatment such as selective epitaxial growth or silicide formation.
[0022]
Other features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description given below with reference to the drawings.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 2 is a diagram showing a basic structure of a semiconductor device having a double sidewall structure according to the present invention. The
(A) a
(B) It is composed of the entire surface of the
[0024]
The
[0025]
The source / drain
[0026]
The film thickness of the
[0027]
Such a double sidewall structure is applied to any semiconductor device manufactured through a process requiring hydrofluoric acid treatment for its pretreatment, such as selective epitaxial growth or silicide formation.
[0028]
3 to 5 show a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In the first embodiment, an example will be described in which the double sidewall structure of FIG. 2 is applied to a MOS transistor having a raised source / drain.
[0029]
First, as shown in FIG. 3A, 100 nm of polysilicon is deposited on a
[0030]
Next, as shown in FIG. 3B, a silicon oxide film (SiO 2 ) 17 is formed on the entire surface.
[0031]
Next, as shown in FIG. 3C, the
[0032]
Next, as shown in FIG. 4D, a silicon nitride film (SiN) 19 is deposited on the entire surface by a CVD method to a thickness of 20 nm. Thereby, the
Next, as shown in FIG. 4E, the silicon nitride film 19 is etched by anisotropic etching such as RIE. As a result, the silicon nitride film on the
[0033]
As a result of the RIE, as shown in FIG. 2 2) A second sidewall (SiN) 20 that completely covers 18 is formed, and a
[0034]
Next, as shown in FIG. 5G, using the
[0035]
Next, as shown in FIG. 5H, ions are implanted into the selectively epitaxially grown
[0036]
In general, as devices become finer, the source / drain regions are also designed to be shallower in accordance with the scale reduction. Although the electric resistance increases when the source / drain region becomes shallower, the raised source / drain structure secures the dimension in the depth direction, prevents the electric resistance from increasing, and maintains the operation speed.
[0037]
Next, as shown in FIG. 5I, the thin
[0038]
Thereafter, although not shown, an interlayer insulating film is formed on the entire surface, a
[0039]
FIG. 6 is a cross-sectional view of a logic region including a MOS transistor having a double sidewall according to the first embodiment. The PMOS transistor located in the n-type well of the
[0040]
Similarly, an NMOS transistor having the
[0041]
The raised source /
[0042]
In such a logic circuit, the gate structure can be surely protected from the cleaning step by the double sidewall formed by self-alignment. Therefore, the reliability of operation with a fine circuit configuration is maintained. In addition, the hydrofluoric acid-resistant
[0043]
7 to 9 are views showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, an example in which the present invention is applied to general silicide formation will be described.
[0044]
First, as shown in FIG. 7A, a
[0045]
Next, as shown in FIG. 7B, a 50 nm-thick silicon oxide film (SiO 2 ) 17 is formed.
[0046]
Next, as shown in FIG. 7C, the
[0047]
Next, as shown in FIG. 8D, a silicon nitride film (SiN) 19 is deposited on the entire surface by a CVD method to a thickness of 20 nm. Thus, the upper surface of the
[0048]
Next, as shown in FIG. 8E, the silicon nitride film 19 is etched by anisotropic etching such as RIE. Thereby, the silicon nitride film on the
[0049]
As a result of the RIE, as shown in FIG. 2 2) A second sidewall (SiN) 20 that completely covers 18 is formed, and a
[0050]
Next, as shown in FIG. 9G, the natural oxide film and the thermal oxide film on the
[0051]
In the above-described embodiment, the description has been made using the example in which the double sidewall structure is applied to the logic circuit. However, the double sidewall structure of the present invention is also applied to the access transistor of the memory cell. When the memory region and the logic region are formed on the same chip, the double sidewall of the access transistor of the memory cell and the double sidewall of the MOS transistor of the logic region can be formed at the same time.
[0052]
Further, the present invention is directed to protection of a side wall of a stacked control gate in a MONOS (Metal Oxide Nitride Semiconductor) type or SONOS (Poly-Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon) type non-volatile semiconductor memory having a charge trapping insulating film in a gate stacked insulating film. Is preferably used. In particular, in MONOS and SONOS memories, it is important to trap charges at the interface of the nitride film sandwiched between the oxide films, and the need for a double sidewall that can reliably protect the gate laminated insulating structure from the cleaning process is required. Is expensive.
[0053]
In the above-described embodiment, the silicon oxide film is used for the first sidewall and the silicon nitride film is used for the second sidewall. However, the second sidewall is made of silicon oxynitride (SiON) or the like. It can be formed of any acidic material.
[0054]
Finally, with regard to the above description, the following supplementary notes are disclosed.
(Supplementary Note 1) A semiconductor substrate,
A gate electrode located on a semiconductor substrate via a gate insulating film,
A double sidewall covering the side wall of the gate electrode;
Comprising, the double sidewall,
A first sidewall located on a side wall of the gate electrode and lower than the height of the gate electrode;
A hydrofluoric acid-resistant second sidewall that continuously covers the entire surface of the first sidewall and the upper sidewall of the gate electrode protruding from the first sidewall;
A semiconductor device comprising:
(Supplementary Note 2) The semiconductor device according to
(Supplementary Note 3) The semiconductor device according to
(Supplementary Note 4) a step of forming a gate electrode on the semiconductor substrate;
Forming a first insulating film covering the gate electrode and the semiconductor substrate;
Etching the first insulating film until the upper sidewall of the gate electrode is exposed, forming a first sidewall lower than the height of the gate electrode on the sidewall of the gate electrode;
Forming a hydrofluoric acid-resistant second sidewall that continuously covers the entire first sidewall and the upper sidewall of the gate electrode to form a double sidewall;
Cleaning the semiconductor substrate with a hydrofluoric acid-based processing solution;
A method for manufacturing a semiconductor device including:
(Supplementary Note 5) The method of manufacturing a semiconductor device according to
(Supplementary Note 6) The method for manufacturing a semiconductor device according to
(Supplementary Note 7) The method according to Supplementary Note 6, further comprising forming a source / drain on the semiconductor substrate using a double sidewall as a mask, wherein the silicide is formed on the source / drain of the semiconductor substrate after cleaning. 13. The method for manufacturing a semiconductor device according to item 5.
(Supplementary Note 8) The method of manufacturing a semiconductor device according to Supplementary Note 5, further comprising a step of forming a silicide on the elevated source / drain.
(Supplementary Note 9) The method for manufacturing a semiconductor device according to
(Supplementary Note 10) The method according to
[0055]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the double sidewalls do not erode the sidewall structure even when hydrofluoric acid treatment is performed in a subsequent step. Further, since the double sidewall can be formed in a self-alignment manner, it is possible to sufficiently cope with miniaturization.
[0056]
Since the hydrofluoric acid treatment can be sufficiently performed by the stable double sidewall structure, selective epitaxial growth and silicide formation can be favorably performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the structure of a conventional double sidewall and its problems.
FIG. 2 is a diagram showing a basic structure of a semiconductor device having a double sidewall structure according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram (part 1) illustrating a step of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a diagram (part 2) illustrating a step of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, illustrating a step following the step illustrated in FIG. 3 (c);
FIG. 5 is a diagram (part 3) illustrating a step of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, which is a view illustrating a step subsequent to FIG. 4 (f).
FIG. 6 is a configuration diagram of a logic circuit including a semiconductor device having a double sidewall according to the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram (part 1) illustrating a step of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a diagram (part 2) illustrating a step of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, which is a view illustrating a step following the step in FIG. 7 (c).
FIG. 9 is a diagram (part 3) illustrating a step of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, which is a view illustrating a step following FIG. 8 (f).
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor devices
2,15 extensions
3,35 source / drain
4, 29, 39 Source / drain impurity diffusion regions
11 Silicon substrate (semiconductor substrate)
12 Gate oxide film (gate insulating film)
13 Gate electrode
13a Gate electrode upper side wall
14 cap
17 Silicon oxide film
18 1st sidewall
19 Silicon nitride film
20 Second sidewall
22 Double sidewall
25 Source / Drain
27, 37 Silicide
Claims (5)
前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して位置するゲート電極と、
前記ゲート電極の側壁を覆う二重サイドウォールと
を備え、前記二重サイドウォールは、
ゲート電極の側壁に位置し、当該ゲート電極の高さよりも低い第1サイドウォールと、
前記第1サイドウォールの全面と、前記第1サイドウォールから突き出るゲート電極の上部側壁とを連続的に被覆する耐フッ酸性の第2サイドウォールと
により構成されることを特徴とする半導体装置。A semiconductor substrate;
A gate electrode located on the semiconductor substrate via a gate insulating film,
A double sidewall covering a side wall of the gate electrode, wherein the double sidewall comprises:
A first sidewall located on the side wall of the gate electrode and lower than the height of the gate electrode;
A semiconductor device comprising: a hydrofluoric acid-resistant second sidewall that continuously covers an entire surface of the first sidewall and an upper sidewall of a gate electrode protruding from the first sidewall.
前記ゲート電極および半導体基板を覆う、第1の絶縁膜を形成する工程と、
前記第1の絶縁膜を、前記ゲート電極の上部側壁が露出するまでエッチング除去し、前記ゲート電極の側壁に前記ゲート電極の高さよりも低い第1サイドウォールを形成する工程と、
前記第1サイドウォールの全面と、前記ゲート電極の上部側壁とを連続的に被覆する耐フッ酸性の第2サイドウォールを形成して二重サイドウォールを構成する工程と、
前記半導体基板をフッ酸系の処理液で洗浄する工程と
を含む半導体装置の製造方法。Forming a gate electrode on the semiconductor substrate;
Forming a first insulating film covering the gate electrode and the semiconductor substrate;
Removing the first insulating film by etching until an upper sidewall of the gate electrode is exposed, and forming a first sidewall lower than the height of the gate electrode on the sidewall of the gate electrode;
Forming a double side wall by forming a hydrofluoric acid-resistant second side wall that continuously covers the entire surface of the first side wall and the upper side wall of the gate electrode;
Cleaning the semiconductor substrate with a hydrofluoric acid-based treatment liquid.
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