JP2006164998A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、より詳しくは、高誘電率絶縁膜を有する半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a high dielectric constant insulating film and a manufacturing method thereof.
近年、半導体集積回路装置における高集積化が大きく進展しており、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型半導体装置ではトランジスタ等の素子の微細化、高性能化が図られている。特に、MOS構造を構成する要素の一つであるゲート絶縁膜に関しては、上記トランジスタの微細化、高速動作および低電圧化に対応すべく薄膜化が急速に進んでいる。 In recent years, high integration in semiconductor integrated circuit devices has greatly advanced. In MOS (Metal Oxide Semiconductor) type semiconductor devices, miniaturization of elements such as transistors and high performance have been achieved. In particular, with regard to the gate insulating film which is one of the elements constituting the MOS structure, the thinning is rapidly progressing to cope with the miniaturization, high speed operation and low voltage of the transistor.
ゲート絶縁膜を構成する材料としては、従来よりシリコン酸化膜(SiO2膜)やシリコン酸窒化膜(SiON膜)などが用いられてきた。しかしながら、これらの材料を用いた場合には、薄膜化に伴うリーク電流の増大によって消費電力が増加するという問題があった。 Conventionally, a silicon oxide film (SiO 2 film), a silicon oxynitride film (SiON film), or the like has been used as a material constituting the gate insulating film. However, when these materials are used, there is a problem in that power consumption increases due to an increase in leakage current accompanying thinning.
一方、サブ0.1μm世代のCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)では、ゲート絶縁膜に対して、シリコン酸化膜換算膜厚で1.5nm以下の性能が必要とされる。しかし、シリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜をゲート絶縁膜として用いる従来の構造では、膜厚が1.5nm以下になると、キャパシタに流れるリーク電流が増加してしまう。このため、高速動作の実現は可能となるものの、その一方で低消費電力化を図ることが困難になるという問題があった。 On the other hand, a sub 0.1 μm generation CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) requires a performance of 1.5 nm or less in terms of a silicon oxide film with respect to a gate insulating film. However, in the conventional structure using a silicon oxide film or a silicon oxynitride film as a gate insulating film, when the film thickness is 1.5 nm or less, the leakage current flowing through the capacitor increases. For this reason, although high-speed operation can be realized, there is a problem that it is difficult to achieve low power consumption.
こうした問題に対しては、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)または亜鉛(Zn)といった金属の酸化物、窒化物または珪化物などからなる比誘電率の高い材料をゲート絶縁膜として用いることが提案されている。一般に、比誘電率が高くなると電荷蓄積量が多くなる。したがって、ゲート容量が同じである場合には、高誘電率絶縁膜を用いることにより、シリコン酸化膜よりも物理的膜厚を厚くすることが可能になる。すなわち、高誘電率絶縁膜をゲート絶縁膜として用いることによって、キャパシタのリーク電流が増加するのを抑制することができる。 To solve these problems, it is proposed to use a material having a high relative dielectric constant, such as a metal oxide such as hafnium (Hf), aluminum (Al), or zinc (Zn), nitride, or silicide, as the gate insulating film. Has been. In general, the amount of charge accumulation increases as the relative dielectric constant increases. Therefore, when the gate capacitance is the same, the physical film thickness can be made thicker than the silicon oxide film by using the high dielectric constant insulating film. That is, by using the high dielectric constant insulating film as the gate insulating film, an increase in the leakage current of the capacitor can be suppressed.
一方、従来より、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が様々なチャネル幅を有する場合に、これらのMOSFETによって構成される集積回路内では、閾値電圧の相違から各信号回路において生成される信号のタイミングが一致せず、回路動作に支障を来たすという問題があった。 On the other hand, conventionally, when MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) have various channel widths, in an integrated circuit constituted by these MOSFETs, the signal generated in each signal circuit is different from the threshold voltage. There was a problem that the timing was not matched and the circuit operation was hindered.
この問題に対しては、全てのMOSFETを実質的に1つの同じチャネル幅で形成することによって、閾値電圧を同じにする方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 To solve this problem, a method has been proposed in which all the MOSFETs are formed with substantially the same channel width so that the threshold voltages are the same (for example, see Patent Document 1).
しかしながら、高誘電率絶縁膜をゲート絶縁膜として用いた場合には、基板と絶縁膜または絶縁膜とゲート電極との界面に生じる固定電荷や界面準位の影響によって、閾値電圧にさらに変動が生じるという問題があった。 However, when a high dielectric constant insulating film is used as the gate insulating film, the threshold voltage further varies due to the influence of fixed charges and interface states generated at the interface between the substrate and the insulating film or between the insulating film and the gate electrode. There was a problem.
例えば、ハフニウムを含む高誘電率絶縁膜を用いた場合には、PMOSFET(P−channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の閾値電圧が上昇する。一方、アルミニウムを含む高誘電率絶縁膜を用いた場合には、NMOSFET(N−channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の閾値電圧が上昇する。 For example, when a high dielectric constant insulating film containing hafnium is used, the threshold voltage of a PMOSFET (P-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) increases. On the other hand, when a high dielectric constant insulating film containing aluminum is used, the threshold voltage of an NMOSFET (N-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) increases.
閾値電圧の上昇が不純物の濃度で制御できる範囲を超えると、MOSFETの駆動能力が低下するようになる。そのため、従来のシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜を用いた場合に比較して、ゲートリーク電流を低減することはできるものの、オン電流が低下して高速化および低消費電力化を達成できないという不具合が生じる。こうした問題は、上記従来の方法によっても十分に解決することは困難である。 When the increase of the threshold voltage exceeds the range that can be controlled by the impurity concentration, the driving capability of the MOSFET is lowered. Therefore, compared with the conventional silicon oxide film or silicon oxynitride film, the gate leakage current can be reduced, but the on-current is reduced and the high speed and low power consumption cannot be achieved. Occurs. It is difficult to sufficiently solve these problems even by the conventional method.
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、本発明の目的は、高誘電率絶縁膜を用いて、閾値電圧の変動を低減することのできる半導体装置およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems. That is, an object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can reduce fluctuations in threshold voltage using a high dielectric constant insulating film.
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。 Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.
本願第1の発明は、半導体基板の上に配置された複数のMOSFETを備える半導体装置において、MOSFETのゲート絶縁膜は高誘電率絶縁膜を含む絶縁膜であり、MOSFETのうちで、ゲート長およびゲート絶縁膜が同一であるものは、チャネル幅がWである単一のチャネルまたはチャネル幅がWであるチャネルを複数並列した構造を有し、チャネル幅の異なるMOSFETの素子分離領域端部における曲率が異なっていることを特徴とする半導体装置に関する。 A first invention of the present application is a semiconductor device including a plurality of MOSFETs arranged on a semiconductor substrate, wherein the MOSFET gate insulating film is an insulating film including a high dielectric constant insulating film, and among the MOSFETs, the gate length and Those having the same gate insulating film have a structure in which a single channel having a channel width W or a plurality of channels having a channel width W are arranged in parallel, and the curvature at the end of the element isolation region of MOSFETs having different channel widths The present invention relates to a semiconductor device characterized by having different values.
また、本願第2の発明は、半導体基板の上に配置された複数のMOSFETを備える半導体装置において、MOSFETのゲート絶縁膜は高誘電率絶縁膜を含む絶縁膜であり、MOSFETのうちで、ゲート長およびゲート絶縁膜が同一であるものは、チャネル幅がWである単一のチャネルまたはチャネル幅がWであるチャネルを複数並列した構造を有し、チャネル幅の異なるMOSFETについて、素子分離領域の底面が実質的に同一面をなし、且つ、素子分離領域の表面から底面までの深さが異なっていることを特徴とする半導体装置に関する。 According to a second aspect of the present invention, in a semiconductor device including a plurality of MOSFETs disposed on a semiconductor substrate, the gate insulating film of the MOSFET is an insulating film including a high dielectric constant insulating film. Those having the same length and gate insulating film have a structure in which a single channel having a channel width of W or a plurality of channels having a channel width of W are arranged in parallel. The present invention relates to a semiconductor device characterized in that the bottom surface is substantially the same surface and the depth from the surface of the element isolation region to the bottom surface is different.
また、本願第3の発明は、ゲート絶縁膜として高誘電率絶縁膜を有する半導体装置の製造方法であって、素子分離領域となる半導体基板の所定領域に溝部を形成する工程と、第1の酸化反応によって溝部の内面に第1の酸化膜を形成する工程と、チャネル幅の異なる領域にある溝部について、第1の酸化膜を選択的に除去する工程と、第2の酸化反応によって溝部の内面に第2の酸化膜を形成する工程と、溝部を埋め込むようにして絶縁膜を形成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に関する。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device having a high dielectric constant insulating film as a gate insulating film, the step of forming a groove portion in a predetermined region of a semiconductor substrate to be an element isolation region, A step of forming a first oxide film on the inner surface of the groove portion by an oxidation reaction, a step of selectively removing the first oxide film from the groove portions in regions having different channel widths, and a step of forming the groove portion by a second oxidation reaction. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of forming a second oxide film on an inner surface; and a step of forming an insulating film so as to fill a groove.
さらに、本願第4の発明は、ゲート絶縁膜として高誘電率絶縁膜を有する半導体装置の製造方法であって、素子分離領域となる半導体基板の所定領域に溝部を形成する工程と、酸化反応によって溝部の内面に酸化膜を形成する工程と、溝部に絶縁膜を埋め込む工程と、チャネル幅の異なる領域にある絶縁膜を所定膜厚まで選択的にエッチング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に関する。 Further, the fourth invention of the present application is a method of manufacturing a semiconductor device having a high dielectric constant insulating film as a gate insulating film, the step of forming a groove in a predetermined region of a semiconductor substrate to be an element isolation region, and an oxidation reaction. A semiconductor comprising: a step of forming an oxide film on an inner surface of a groove portion; a step of embedding an insulating film in the groove portion; and a step of selectively etching an insulating film in a region having a different channel width to a predetermined thickness The present invention relates to a device manufacturing method.
本願第1の発明によれば、閾値電圧が適正値となるので、高誘電率絶縁膜を用いた場合であってもオン電流の低下を抑制することができる。また、チャネル幅と曲率とを組み合わせて最適化することによって、閾値電圧を広い範囲で制御することが可能となる。 According to the first invention of this application, since the threshold voltage becomes an appropriate value, a decrease in on-current can be suppressed even when a high dielectric constant insulating film is used. Further, the threshold voltage can be controlled in a wide range by optimizing the combination of the channel width and the curvature.
また、本願第2の発明によれば、閾値電圧が適正値となるので、高誘電率絶縁膜を用いた場合であってもオン電流の低下を抑制することができる。また、チャネル幅と素子分離領域の表面から底面までの深さとを組み合わせて最適化することによって、閾値電圧を広い範囲で制御することが可能となる。 In addition, according to the second invention of the present application, since the threshold voltage becomes an appropriate value, it is possible to suppress a decrease in on-state current even when a high dielectric constant insulating film is used. Further, the threshold voltage can be controlled in a wide range by optimizing the channel width and the depth from the surface to the bottom surface of the element isolation region in combination.
また、本願第3の発明によれば、高誘電率絶縁膜を用いて、閾値電圧の変動を低減することのできる半導体装置を製造することができる。 Further, according to the third invention of the present application, it is possible to manufacture a semiconductor device capable of reducing the fluctuation of the threshold voltage by using the high dielectric constant insulating film.
さらに、本願第4の発明によれば、高誘電率絶縁膜を用いて、閾値電圧の変動を低減することのできる半導体装置を製造することができる。 Furthermore, according to the fourth invention of the present application, it is possible to manufacture a semiconductor device capable of reducing fluctuations in threshold voltage by using a high dielectric constant insulating film.
実施の形態1.
図1は、本実施の形態における半導体装置の平面図である。図に示すように、PMOSFETの活性領域1とNMOSFETの活性領域2の上には、ゲート電極3が設けられている。また、各MOSFETは、コンタクト4を介して配線層(図示せず)に接続する。
FIG. 1 is a plan view of the semiconductor device according to the present embodiment. As shown in the figure, a
図2(a)は、NMOSFETのチャネル幅と閾値電圧との関係を示す図である。また、図2(b)は、PMOSFETのチャネル幅と閾値電圧との関係を示す図である。本実施の形態においては、所望の閾値電圧に対応するチャネル幅を求め、この値からNMOSFETおよびPMOSFETそれぞれのチャネル幅WnおよびWpを決定することを第1の特徴としている。 FIG. 2A is a diagram showing the relationship between the channel width of NMOSFET and the threshold voltage. FIG. 2B is a diagram showing the relationship between the channel width of the PMOSFET and the threshold voltage. In the present embodiment has a first feature in that to determine the desired seek channel width corresponding to the threshold voltage, respectively NMOSFET and PMOSFET from this value the channel width W n and W p.
本実施の形態においては、NMOSFETが、チャネル幅がWnである単一のチャネルまたはこのチャネルを複数並列した構造を有することを特徴とする。同様に、PMOSFETについても、チャネル幅がWpである単一のチャネルまたはこのチャネルを複数並列した構造を有することを特徴とする。図1は、このようなNMOSFETおよびPMOSFETがそれぞれ1つずつある例である。また、図3は、チャネル幅Wnを有するNMOSFETが並列して2つあり、チャネル幅Wpを有するPMOSFETが並列して3つある例である。さらに、本実施の形態においては、このようなNMOSFETおよびPMOSFETのいずれか一方があればよい。例えば、NMOSFETとPMOSFETの内で、より閾値電圧の制御が困難な方にのみ本発明を適用することができる。 In the present embodiment, NMOSFET is characterized by having a structure in which channel width parallel a plurality of single channel or the channel is W n. Similarly, the PMOSFET, characterized by having a structure in which channel width parallel a plurality of single channel or the channel is W p. FIG. 1 shows an example in which there is one such NMOSFET and one PMOSFET. Further, FIG. 3, there one 2 NMOSFET is in parallel with the channel width W n, is an example one 3 PMOSFET is in parallel with a channel width W p. Furthermore, in the present embodiment, any one of such NMOSFETs and PMOSFETs is sufficient. For example, the present invention can be applied only to the NMOSFET and PMOSFET that are more difficult to control the threshold voltage.
但し、チャネル幅がWnである単一のチャネルまたはこのチャネルを複数並列した構造を有するNMOSFETは、同一のゲート長およびゲート絶縁膜であるとする。同様に、チャネル幅がWpである単一のチャネルまたはこのチャネルを複数並列した構造も、同一のゲート長およびゲート絶縁膜であるとする。 However, a single channel having a channel width W n or NMOSFETs having a structure in which a plurality of such channels are arranged in parallel have the same gate length and gate insulating film. Similarly, the structure in which the channel width is parallel a plurality of single channel or the channel is W p also, the same gate length and a gate insulating film.
チャネル幅WnまたはWpを有するトランジスタをどのように配列するかは、次のようにして決定することができる。一般に、半導体装置では、動作電圧および動作性能に応じて、ゲート絶縁膜の膜厚、ゲート長および基板濃度を変化させ、これにより異なる閾値電圧を有するトランジスタ群を作製する。そこで、同じ閾値電圧を有するトランジスタについて同一となるチャネル幅を決定し、トランジスタのドレイン電流が最適となるように、同一のチャネル幅で並列するトランジスタの個数を決定する。 How to arrange the transistors having the channel width W n or W p can be determined as follows. In general, in a semiconductor device, a transistor group having different threshold voltages is manufactured by changing the film thickness, gate length, and substrate concentration of a gate insulating film in accordance with an operating voltage and operating performance. Therefore, the same channel width is determined for transistors having the same threshold voltage, and the number of transistors in parallel with the same channel width is determined so that the drain current of the transistor is optimized.
このようにすることによって閾値電圧が適正値となるので、高誘電率絶縁膜を用いた場合であってもオン電流の低下を抑制することができる。したがって、回路速度を同じとすると、シリコン酸化膜をゲート絶縁膜として用いた場合に比較して、低減されたゲートリーク電流に相当する分の消費電力を抑制することが可能となる(図4)。 By doing so, the threshold voltage becomes an appropriate value, so that a decrease in on-current can be suppressed even when a high dielectric constant insulating film is used. Therefore, if the circuit speed is the same, it is possible to suppress the power consumption corresponding to the reduced gate leakage current as compared with the case where the silicon oxide film is used as the gate insulating film (FIG. 4). .
図5は、本実施の形態における半導体装置の断面図である。 FIG. 5 is a cross-sectional view of the semiconductor device in this embodiment.
図5において、半導体基板5には、活性領域を電気的に絶縁分離する素子分離領域6が設けられている。そして、P型不純物が導入された活性領域はPウェル7を、N型不純物が導入された活性領域はNウェル8をそれぞれ構成している。また、半導体基板5の上には、ゲート絶縁膜9を介してゲート電極10が設けられている。尚、図5において、11は層間絶縁膜、12はコンタクト、13は配線層である。
In FIG. 5, the
本実施の形態において、ゲート絶縁膜9は、高誘電率絶縁膜を含む絶縁膜であるとする。例えば、ゲート絶縁膜は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)または亜鉛(Zn)といった金属の酸化物、窒化物または珪化物などからなる単層膜であってもよいし、これらの高誘電率絶縁膜とシリコン酸化膜などとの積層膜であってもよい。
In the present embodiment, it is assumed that the
ゲート電極10は、例えば、ポリシリコン膜からなるものとすることができる。この場合、ポリシリコン膜の上に、ニッケルシリサイド膜やコバルトシリサイド膜などの金属シリサイド膜が形成されていてもよい。また、ポリシリコン膜の代わりに金属膜を用いてゲート電極10を形成してもよい。
The
本実施の形態においては、異なるチャネル幅を有するMOSFETについて、素子分離領域端部における曲率が異なることを第2の特徴としている。このことは、異なる閾値電圧を有するMOSFETについて、素子分離領域における曲率が異なることを特徴とすると言うこともできる。上述したように、本実施の形態は、チャネル幅を所定の閾値電圧から決定することを第1の特徴としているからである。 The second feature of the present embodiment is that MOSFETs having different channel widths have different curvatures at the end of the element isolation region. This can also be said to be characterized by the fact that MOSFETs having different threshold voltages have different curvatures in the element isolation region. This is because, as described above, the first feature of the present embodiment is that the channel width is determined from the predetermined threshold voltage.
図5の例では、Nウェル8における素子分離領域6の端部の曲率は、Pウェル7における素子分離領域6の端部の曲率より小さくなっている。
In the example of FIG. 5, the curvature of the end of the
また、図6は、図5において、NMOSFETとPMOSFETの境界にある素子分離領域6を拡大した断面図である。図6から分かるように、PMOSFET側にある端部の曲率は、NMOSFET側にある端部の曲率より小さい。
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the
図7は、曲率を変化させたときのチャネル幅と閾値電圧との関係を示す図である。図から分かるように、曲率が変わることによって、チャネル幅に対する閾値電圧の変化の度合いが変わるようになる。したがって、チャネル幅と曲率とを組み合わせて最適化することによって、閾値電圧を広い範囲で制御することが可能となる。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the channel width and the threshold voltage when the curvature is changed. As can be seen from the figure, the degree of change of the threshold voltage with respect to the channel width changes as the curvature changes. Therefore, the threshold voltage can be controlled in a wide range by optimizing the channel width and the curvature in combination.
例えば、ハフニウムを含む高誘電率絶縁膜を用いた場合、PMOSFETの閾値電圧が上昇することが知られているので、PMOSFETにおける素子分離領域端部の曲率を大きくすればよい。一方、アルミニウムを含む高誘電率絶縁膜を用いた場合には、NMOSFETの閾値電圧が上昇することが知られているので、NMOSFETにおける素子分離領域端部の曲率を大きくすればよい。 For example, when a high dielectric constant insulating film containing hafnium is used, it is known that the threshold voltage of the PMOSFET increases. Therefore, the curvature of the end portion of the element isolation region in the PMOSFET may be increased. On the other hand, when a high dielectric constant insulating film containing aluminum is used, it is known that the threshold voltage of the NMOSFET increases. Therefore, the curvature of the end portion of the element isolation region in the NMOSFET may be increased.
次に、図8〜図13を用いて、本実施の形態による半導体装置の製造方法の一例について説明する。尚、これらの図において、同じ符号で示した部分は同じものであることを示している。 Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In these drawings, the parts denoted by the same reference numerals are the same.
まず、シリコン基板21の上に、シリコン酸化膜22およびシリコン窒化膜23をこの順に積層した後、フォトリソグラフィー法を用いて、所定領域以外の部分にあるシリコン酸化膜22及びシリコン窒化膜23を除去する(図8)。尚、シリコン基板以外の他の半導体基板を用いてもよく、また、バルクのシリコン基板に限らず、例えばSOI(Silicon on Insulator)基板などを用いてもよい。
First, after a
次に、シリコン酸化膜22およびシリコン窒化膜23からなる積層膜をマスクとしたシリコン基板21のエッチングによって溝部24を形成する(図9)。
Next, the
次に、第1の酸化反応によって溝部24の内面に第1の酸化膜を形成する。具体的には、高温での熱酸化またはプラズマ酸化によって、溝部24の内壁にシリコン酸化膜25を形成する(図10)。尚、プラズマによるダメージを考慮すると、第1の酸化反応は高温での熱酸化の方が好ましい。
Next, a first oxide film is formed on the inner surface of the
次いで、素子分離領域端部における曲率を小さくしたい領域のシリコン酸化膜25を除去する。例えば、図11に示すように、NMOSFETとなる領域をレジスト膜26で覆い、露出しているPMOSFETとなる領域にあるシリコン酸化膜25をエッチングによって除去する。この際、シリコン酸化膜25とともに、下地のシリコン基板21の一部もエッチングされる。これにより、PMOSFETの素子分離領域が深くなるので、半導体装置の耐圧を向上させることができる。この場合、シリコン基板21について、20nm〜30nmの深さdでエッチングすることが好ましい(図11)。
Next, the
次に、不要となったレジスト膜26を除去した後、第2の酸化反応によって溝部24の内面に第2の酸化膜を形成する。具体的には、再び高温での熱酸化またはプラズマ酸化を行い、溝部24の内壁にシリコン酸化膜27を形成する(図12)。尚、図12においては、NMOSFETの領域にあるシリコン酸化膜25(図11)は、二度目の酸化によって形成されたシリコン酸化膜と区別できないので、これらを併せてシリコン酸化膜27としている。また、プラズマによるダメージを考慮すると、第2の酸化反応も第1の酸化反応と同様に高温での熱酸化の方が好ましい。
Next, after removing the resist
図12に示すように、PMOSFETの領域に形成されたシリコン酸化膜27は、バーズビークの侵入によって、溝部24の側壁上端部における曲率が小さくなる。一方、NMOSFETの領域に形成されたシリコン酸化膜27は、2度目の酸化反応が殆ど進行しないために、溝部24の側壁部上端部における曲率に変化は見られない。
As shown in FIG. 12, the
次に、溝部24を埋め込むようにして、絶縁膜としてのシリコン酸化膜28を全面に形成する(図13)。次いで、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法またはドライ若しくはウェットのエッチングを行うことによって、活性領域となる領域の上にあるシリコン酸化膜28、シリコン窒化膜23およびシリコン酸化膜22を除去する。以上の工程によって、図14に示すように、NMOSFETとPMOSFETとで、端部における曲率の異なる素子分離領域29を形成することができる。尚、素子分離領域29によって分離された領域が活性領域30となる。
Next, a
素子分離領域を形成した後は、ウェル、ゲート絶縁膜、ゲート電極およびソース・ドレイン領域の形成を行った後、コンタクトおよび配線の形成工程を経ることによって、半導体集積回路が完成する。 After the element isolation region is formed, a well, a gate insulating film, a gate electrode, and source / drain regions are formed, and then a contact and wiring formation process is performed to complete a semiconductor integrated circuit.
図14において、異なるチャネル幅を有するMOSFETでは、素子分離領域の表面が実質的に同一面をなし、且つ、素子分離領域の表面から底面までの深さが異なっている。本実施の形態においては、この深さの差は20nm〜30nmの範囲内であることが好ましい。尚、図11において、シリコン基板21の表面を故意にエッチングしない場合には、図5の構造のようになる。すなわち、図5においては、異なるチャネル幅を有するMOSFETであっても、素子分離領域の表面および底面は実質的に同一面をなしている。本実施の形態はいずれの構造であってもよいが、上述したように、耐圧性を向上させる観点からは図14の構造の方が好ましい。
In FIG. 14, in MOSFETs having different channel widths, the surface of the element isolation region is substantially the same surface, and the depth from the surface to the bottom surface of the element isolation region is different. In the present embodiment, the difference in depth is preferably in the range of 20 nm to 30 nm. In FIG. 11, the structure of FIG. 5 is obtained when the surface of the
また、本実施の形態は、図15に示すようなFinFET(Fin Field Effect Transistor)構造の半導体装置にも適用可能である。図15において、31はシリコン基板、32は素子分離領域、33はゲート絶縁膜、34はゲート電極である。 The present embodiment can also be applied to a semiconductor device having a FinFET (Fin Field Effect Transistor) structure as shown in FIG. In FIG. 15, 31 is a silicon substrate, 32 is an element isolation region, 33 is a gate insulating film, and 34 is a gate electrode.
図15に示すように、ゲート絶縁膜33およびゲート電極34は、活性領域35を挟み込む構造をとる。そして、素子分離領域32の端部は活性領域35の端部に対応している。したがって、異なる閾値電圧を有するMOSFETについて、活性領域の端部における曲率を変えることによって、本発明の効果を得ることができる。例えば、図15の例では、活性領域35の端部における曲率は、PMOSFETの方がNMOSFETより小さくなっている。
As shown in FIG. 15, the
実施の形態2.
図16は、本実施の形態による半導体装置の断面図である。尚、本実施の形態においても、所望の閾値電圧に対応するチャネル幅を求め、この値からNMOSFETおよびPMOSFETそれぞれのチャネル幅WnおよびWpを決定することを第1の特徴としている。
FIG. 16 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment. In this embodiment, too, it obtains a channel width corresponding to the desired threshold voltage, and the first determining means determines the NMOSFET and PMOSFET respective channel width W n and W p from this value.
図16において、半導体基板41には、活性領域を電気的に絶縁分離する素子分離領域42が設けられている。そして、P型不純物が導入された活性領域はPウェル43を、N型不純物が導入された活性領域はNウェル44をそれぞれ構成している。また、半導体基板41の上には、ゲート絶縁膜45を介してゲート電極46が設けられている。尚、図16において、47は層間絶縁膜、48はコンタクト、49は配線層である。
In FIG. 16, the
ゲート絶縁膜45は、高誘電率絶縁膜を含む絶縁膜であるとする。例えば、ゲート絶縁膜は、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)または亜鉛(Zn)といった金属の酸化物、窒化物または珪化物などからなる単層膜であってもよいし、これらの高誘電率絶縁膜とシリコン酸化膜などとの積層膜であってもよい。
The
また、ゲート電極46は、例えばポリシリコン膜からなるものとすることができる。尚、ポリシリコン膜の上に、ニッケルシリサイド膜やコバルトシリサイド膜などの金属シリサイド膜が形成されていてもよい。
The
本実施の形態においては、異なるチャネル幅を有するMOSFETについて、素子分離領域の底面が実質的に同一面をなし、且つ、素子分離領域の表面から底面までの深さが異なることを第2の特徴としている。このことは、異なる閾値電圧を有するMOSFETについて、素子分離領域の底面が実質的に同一面をなし、且つ、素子分離領域の表面から底面までの深さが異なることを特徴とすると言うこともできる。上述したように、本実施の形態は、チャネル幅を所定の閾値電圧から決定することを第1の特徴としているからである。 The second feature of the present embodiment is that MOSFETs having different channel widths have substantially the same bottom surface in the element isolation region and the depths from the surface to the bottom surface of the element isolation region are different. It is said. This can be said that MOSFETs having different threshold voltages are characterized in that the bottom surfaces of the element isolation regions are substantially the same and the depths from the surface to the bottom surface of the element isolation regions are different. . This is because, as described above, the first feature of the present embodiment is that the channel width is determined from the predetermined threshold voltage.
図16の例では、Pウェル43における素子分離領域42の表面から底面までの深さh1は、Nウェル44における素子分離領域42の表面から底面までの深さh2より小さくなっている。換言すると、NMOSFET側にある素子分離領域の表面から底面までの深さh1は、PMOSFET側にある素子分離領域の表面から底面までの深さh2より小さい。 In the example of FIG. 16, the depth h 1 from the surface to the bottom surface of the element isolation region 42 in the P well 43 is smaller than the depth h 2 from the surface to the bottom surface of the element isolation region 42 in the N well 44. In other words, the depth h 1 from the surface to the bottom surface of the element isolation region on the NMOSFET side is smaller than the depth h 2 from the surface to the bottom surface of the element isolation region on the PMOSFET side.
図17は、素子分離領域の表面から底面までの深さを変化させたときのチャネル幅と閾値電圧との関係を示す図である。図から分かるように、素子分離領域の表面から底面までの深さが変わることによって、チャネル幅に対する閾値電圧の変化の度合いが変わるようになる。したがって、チャネル幅と素子分離領域の表面から底面までの深さとを組み合わせて最適化することによって、閾値電圧を広い範囲で制御することが可能となる。 FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the channel width and the threshold voltage when the depth from the surface to the bottom surface of the element isolation region is changed. As can be seen from the figure, as the depth from the surface to the bottom surface of the element isolation region changes, the degree of change of the threshold voltage with respect to the channel width changes. Therefore, the threshold voltage can be controlled in a wide range by optimizing the channel width and the depth from the surface to the bottom surface of the element isolation region in combination.
次に、図18〜図24を用いて、本実施の形態による半導体装置の製造方法の一例について説明する。尚、これらの図において、同じ符号で示した部分は同じものであることを示している。 Next, an example of a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In these drawings, the parts denoted by the same reference numerals are the same.
まず、シリコン基板51の上に、シリコン酸化膜52およびシリコン窒化膜53をこの順に積層した後、フォトリソグラフィー法を用いて、所定領域以外の部分にあるシリコン酸化膜52及びシリコン窒化膜53を除去する(図18)。尚、シリコン基板以外の他の半導体基板を用いてもよく、また、バルクのシリコン基板に限らず、例えばSOI(Silicon on Insulator)基板などを用いてもよい。
First, after a
次に、シリコン酸化膜52およびシリコン窒化膜53からなる積層膜をマスクとしたシリコン基板51のエッチングによって溝部54を形成する(図19)。
Next, a
次に、高温での熱酸化またはプラズマ酸化によって、溝部54の内壁にシリコン酸化膜55を形成する(図20)。
Next, a
次に、溝部54を埋め込むようにして、絶縁膜としてのシリコン酸化膜56を全面に形成する(図21)。次いで、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法またはドライ若しくはウェットのエッチングを行うことによって、活性領域となる領域の上にあるシリコン酸化膜56、シリコン窒化膜53およびシリコン酸化膜52を除去する(図22)。尚、図22において、シリコン酸化膜55はシリコン酸化膜56と区別できないので、両者を合わせてシリコン酸化膜56としている。
Next, a
次いで、素子分離領域の表面から底面までの深さを小さくしたい領域のシリコン酸化膜56の一部を除去する。例えば、図23に示すように、PMOSFETの領域をレジスト膜57で覆い、露出しているNMOSFETの領域にあるシリコン酸化膜56を所定膜厚までエッチングする。
Next, a part of the
その後、レジスト膜57を除去することによって、図24に示すように、MNOSFETとPMOSFETとで、表面から底面までの深さが異なる素子分離領域58を形成することができる。尚、素子分離領域58によって分離された領域が活性領域59となる。
Thereafter, by removing the resist
素子分離領域を形成した後は、ウェル、ゲート絶縁膜、ゲート電極およびソース・ドレイン領域の形成を行った後、コンタクトおよび配線の形成工程を経ることによって、半導体集積回路が完成する。 After the element isolation region is formed, a well, a gate insulating film, a gate electrode, and source / drain regions are formed, and then a contact and wiring formation process is performed to complete a semiconductor integrated circuit.
尚、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。 The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
1,2,30,35,59 活性領域
3 ゲート電極
4 コンタクト
5,41 半導体基板
6,29,32,42,58 素子分離領域
7,43 Pウェル
8,44 Nウェル
9,33,45 ゲート絶縁膜
10,34,46 ゲート電極
11,47 層間絶縁膜
12,48 コンタクト
13,49 配線層
21,31,51 シリコン基板
22,25,27,52,55,56 シリコン酸化膜
23,53 シリコン窒化膜
24,54 溝部
26,57 レジスト膜
1, 2, 30, 35, 59
Claims (9)
前記MOSFETのゲート絶縁膜は高誘電率絶縁膜を含む絶縁膜であり、
前記MOSFETのうちで、ゲート長およびゲート絶縁膜が同一であるものは、チャネル幅がWである単一のチャネルまたはチャネル幅がWであるチャネルを複数並列した構造を有し、
チャネル幅の異なる前記MOSFETの素子分離領域端部における曲率が異なっていることを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device comprising a plurality of MOSFETs arranged on a semiconductor substrate,
The gate insulating film of the MOSFET is an insulating film including a high dielectric constant insulating film,
Among the MOSFETs, those having the same gate length and gate insulating film have a structure in which a single channel having a channel width of W or a plurality of channels having a channel width of W are arranged in parallel,
A semiconductor device characterized in that curvatures at the end portions of the element isolation regions of the MOSFETs having different channel widths are different.
前記MOSFETのゲート絶縁膜は高誘電率絶縁膜を含む絶縁膜であり、
前記MOSFETのうちで、ゲート長およびゲート絶縁膜が同一であるものは、チャネル幅がWである単一のチャネルまたはチャネル幅がWであるチャネルを複数並列した構造を有し、
チャネル幅の異なる前記MOSFETについて、前記素子分離領域の底面が実質的に同一面をなし、且つ、素子分離領域の表面から底面までの深さが異なっていることを特徴とする半導体装置。 In a semiconductor device comprising a plurality of MOSFETs arranged on a semiconductor substrate,
The gate insulating film of the MOSFET is an insulating film including a high dielectric constant insulating film,
Among the MOSFETs, those having the same gate length and gate insulating film have a structure in which a single channel having a channel width of W or a plurality of channels having a channel width of W are arranged in parallel,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the bottom surfaces of the element isolation regions are substantially coplanar and the depths from the surface to the bottom surface of the element isolation regions are different for the MOSFETs having different channel widths.
素子分離領域となる半導体基板の所定領域に溝部を形成する工程と、
第1の酸化反応によって前記溝部の内面に第1の酸化膜を形成する工程と、
チャネル幅の異なる領域にある前記溝部について、前記第1の酸化膜を選択的に除去する工程と、
第2の酸化反応によって前記溝部の内面に第2の酸化膜を形成する工程と、
前記溝部を埋め込むようにして絶縁膜を形成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。 A method for manufacturing a semiconductor device having a high dielectric constant insulating film as a gate insulating film,
Forming a groove in a predetermined region of the semiconductor substrate to be an element isolation region;
Forming a first oxide film on the inner surface of the groove by a first oxidation reaction;
Selectively removing the first oxide film for the trenches in regions having different channel widths;
Forming a second oxide film on the inner surface of the groove by a second oxidation reaction;
And a step of forming an insulating film so as to fill the groove.
素子分離領域となる半導体基板の所定領域に溝部を形成する工程と、
酸化反応によって前記溝部の内面に酸化膜を形成する工程と、
前記溝部に絶縁膜を埋め込む工程と、
チャネル幅の異なる領域にある前記絶縁膜を所定膜厚まで選択的にエッチング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。 A method for manufacturing a semiconductor device having a high dielectric constant insulating film as a gate insulating film,
Forming a groove in a predetermined region of the semiconductor substrate to be an element isolation region;
Forming an oxide film on the inner surface of the groove by an oxidation reaction;
Embedding an insulating film in the groove;
And a step of selectively etching the insulating film in regions having different channel widths to a predetermined thickness.
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