JP2006339597A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - 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するものであり、特にゲート電極の全体をシリサイド化したフルシリサイドゲート電極を用いた半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device using a fully silicided gate electrode in which the entire gate electrode is silicided and a manufacturing method thereof.
45nm世代以降のSoC向けトランジスタでは、スタンバイ時の消費電力低減と高電流駆動能力とを両立するため、高誘電率ゲート絶縁膜(High-k)とメタルゲート電極との適用が検討されている。これらを適用した技術としていくつかの手法が提案されている。たとえば、ダミーゲート絶縁膜およびダミーゲート電極を形成し、多結晶シリコン膜に自己整合的に不純物を注入してソース・ドレイン拡散層を形成し、ダミーゲート絶縁膜およびダミーゲート電極を除去した後、高誘電率ゲート絶縁膜およびメタルゲート電極を形成する方法が提案されている。 In SoC transistors of 45 nm generation and later, application of a high dielectric constant gate insulating film (High-k) and a metal gate electrode is being studied in order to achieve both low power consumption during standby and high current drive capability. Several techniques have been proposed as techniques to which these are applied. For example, after forming a dummy gate insulating film and a dummy gate electrode, implanting impurities in a polycrystalline silicon film in a self-aligned manner to form a source / drain diffusion layer, removing the dummy gate insulating film and the dummy gate electrode, A method of forming a high dielectric constant gate insulating film and a metal gate electrode has been proposed.
また、メタルゲート電極の形成法についてもいくつかの手法が提案されている。その中の一つの候補としてフルシリサイドゲート(Fully silicided gate、以下、FUSIゲートと称する)がある。FUSIゲートは、従来のCMOSプロセスと同様にポリシリコンで形成したゲート電極をシリサイド化することで形成するが、従来はゲート電極の上部のみをシリサイド化していたのに対して、FUSIではゲート電極の全体をシリサイド化する点が異なる。 Several methods for forming the metal gate electrode have been proposed. One candidate is a fully silicided gate (hereinafter referred to as a FUSI gate). The FUSI gate is formed by siliciding the gate electrode formed of polysilicon as in the conventional CMOS process. Conventionally, only the upper part of the gate electrode is silicidized, whereas in FUSI, the gate electrode is The difference is that the whole is silicided.
また、ダマシン・プロセスでメタルゲート電極を形成する手法と比べると、FUSIは従来のCMOSプロセスのノウハウが有用となるためプロセス構築の上でのメリットが大きい。 Compared with the method of forming a metal gate electrode by a damascene process, FUSI has a great advantage in process construction because the know-how of the conventional CMOS process becomes useful.
ところで、FUSIには上述したようなメリットがある反面、特有の問題もある。その一つがシリサイド膜厚の問題である。従来のCMOSプロセスにおいては、イオン注入によるソース・ドレイン拡散層の形成後、ゲート上部とソース・ドレイン拡散層を同時に、自己整合的にシリサイド化していた。 By the way, FUSI has the above-mentioned advantages, but also has a specific problem. One of them is the problem of silicide film thickness. In the conventional CMOS process, after forming the source / drain diffusion layer by ion implantation, the upper part of the gate and the source / drain diffusion layer are simultaneously silicided in a self-aligned manner.
一般に、ソース・ドレイン拡散層のシリサイド膜厚を厚くすることには問題がある。すなわち、シリサイド層からは微小なスパイク上のシリサイドが異常成長することがあり、これがソース・ドレイン拡散層−基板間のP/N接合を突きぬけると、接合リークの増大が生じ、その結果として回路の動作不良や消費電力の増加を招くことになる。このため、ソース・ドレイン拡散層はシリサイド層を十分カバーできる深さに形成する必要があり、シリサイド層が厚くなった場合には、ソース・ドレイン拡散層もこれに対応して深くしなければならない。 Generally, there is a problem in increasing the silicide film thickness of the source / drain diffusion layer. That is, the silicide on the minute spike may grow abnormally from the silicide layer, and if this penetrates the P / N junction between the source / drain diffusion layer and the substrate, junction leakage increases, resulting in a circuit failure. Cause malfunctions and increase in power consumption. For this reason, it is necessary to form the source / drain diffusion layer to a depth that can sufficiently cover the silicide layer. When the silicide layer becomes thicker, the source / drain diffusion layer must be deepened accordingly. .
しかしながら、ソース・ドレイン拡散層の深さを深く形成すると接合容量が増大し、回路スピードの低下に繋がることから、シリサイド層を厚くすることは好ましくない。そこで、ソース・ドレイン拡散層のシリサイド層を厚くすることなく、サイサイドプロセスでゲート電極とソース・ドレイン拡散層とを同時にシリサイド化するためには、ゲート電極のポリシリコン膜厚をFUSIに仕上がる程度に薄くする必要がある。 However, if the depth of the source / drain diffusion layer is formed deeply, the junction capacitance increases, leading to a reduction in circuit speed. Therefore, it is not preferable to increase the thickness of the silicide layer. Therefore, in order to simultaneously silicide the gate electrode and the source / drain diffusion layer by the side-side process without increasing the thickness of the silicide layer of the source / drain diffusion layer, the polysilicon film thickness of the gate electrode is finished to FUSI. It is necessary to make it thinner.
この場合、ゲート電極とソース・ドレイン拡散層との段差が小さくなることから、ソース・ドレイン拡散層のシリサイドが異常成長した場合には、ソース・ドレイン拡散層とゲート電極との間でのショート(以下、シリサイドの這い上がりと称する)が起き易くなる。これを回避するためには、ゲート電極とソース・ドレイン拡散層との段差を十分に確保し、一方、ソース・ドレイン拡散層のシリサイドを薄く保つ必要があり、ゲート電極を厚いポリシリコンで形成し、ソース・ドレイン拡散層のシリサイドとは別に、厚いゲート電極をシリサイド化するプロセスが必要となる。 In this case, since the level difference between the gate electrode and the source / drain diffusion layer is reduced, when the silicide of the source / drain diffusion layer abnormally grows, a short (between the source / drain diffusion layer and the gate electrode ( In the following, this will be referred to as “silicic scooping”). In order to avoid this, it is necessary to secure a sufficient level difference between the gate electrode and the source / drain diffusion layer, while keeping the silicide of the source / drain diffusion layer thin, and the gate electrode is formed of thick polysilicon. In addition to the silicide of the source / drain diffusion layer, a process for siliciding a thick gate electrode is required.
しかし、ゲート電極とソース・ドレイン拡散層とを別々にシリサイド化する場合には、工程数の増加に伴う製造コストの上昇に加え、NiSiなど耐熱性のないシリサイドを用いる場合にはプロセスフローの構築も難しくなる。 However, when siliciding the gate electrode and the source / drain diffusion layers separately, in addition to the increase in manufacturing cost associated with the increase in the number of processes, the construction of a process flow when using non-heat-resistant silicide such as NiSi is used. It becomes difficult.
このように、従来の技術では、サリサイドプロセスで、這い上がりのないソース・ドレイン拡散層のシリサイド化と、FUSIゲートと、を形成することが困難である、という問題がある。 As described above, the conventional technique has a problem in that it is difficult to form the silicide of the source / drain diffusion layer and the FUSI gate which do not creep up by the salicide process.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ゲート電極とソース・ドレイン拡散層との間でのショートが防止されたフルシリサイドゲートを有する半導体装置およびその製造方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to obtain a semiconductor device having a full silicide gate in which a short circuit between a gate electrode and a source / drain diffusion layer is prevented, and a method for manufacturing the same. To do.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の表層にチャネル領域を規定するように所定の間隔で形成された一対のソース・ドレイン拡散層と、一対のソース・ドレイン拡散層の表層にそれぞれ形成されたシリサイド層と、半導体基板上における、一対のソース・ドレイン拡散層に挟まれた領域に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上においてゲート絶縁膜に接するように形成されポリシリコンがシリサイド化されてなるゲート電極と、ゲート絶縁膜およびゲート電極の側面に設けられゲート電極の上面よりも上方に突出して形成された絶縁側壁と、を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate and a pair of source / drain formed at a predetermined interval so as to define a channel region in a surface layer of the semiconductor substrate. A diffusion layer; a silicide layer formed on a surface layer of the pair of source / drain diffusion layers; a gate insulating film formed in a region sandwiched between the pair of source / drain diffusion layers on the semiconductor substrate; and gate insulation A gate electrode formed on the film so as to be in contact with the gate insulating film and formed by siliciding polysilicon, and an insulating sidewall provided on the side surface of the gate insulating film and the gate electrode and protruding upward from the upper surface of the gate electrode And.
この発明によれば、ゲート絶縁膜およびゲート電極の側面に設けられるとともにゲート電極の上面よりも上方に突出して形成された絶縁側壁を備えることにより、フルシリサイドゲートを有する半導体装置においてゲート電極とソース・ドレイン拡散層との間でのショートが確実に防止された半導体装置を得ることができる、という効果を奏する。 According to the present invention, the gate electrode and the source in the semiconductor device having a full silicide gate are provided by providing the insulating sidewall provided on the side surfaces of the gate insulating film and the gate electrode and protruding upward from the upper surface of the gate electrode. -It is possible to obtain a semiconductor device in which a short circuit with the drain diffusion layer is reliably prevented.
以下に、本発明にかかる半導体装置およびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Embodiments of a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置であるトランジスタの構造を模式的に示す断面図である。図1に示すように本実施の形態にかかる半導体装置においては、半導体基板1の表層に、各素子を分離するための素子分離2と、該素子分離2間の領域であってトランジスタ素子が形成される能動領域にチャネル領域を規定するように互いに距離を隔ててソース・ドレイン拡散層10が形成されている。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a transistor which is a semiconductor device according to
また、ソース・ドレイン拡散層10間には、該ソース・ドレイン拡散層10に隣接してソース・ドレインエクステンション(Source/Drain Extension:SDE)層7が形成されている。そして、ソース・ドレイン拡散層10の表層部には互いに距離を隔てて金属をシリサイド化したシリサイド層10aが形成されている。
Between the source /
また、半導体基板1上のソース・ドレイン拡散層10上および該ソース・ドレイン拡散層10に挟まれた領域上には、図1に示すように半導体基板1側からたとえば高誘電率ゲート絶縁膜(High-k)からなるゲート絶縁膜4、ポリシリコン電極の全体をシリサイド化したフルシリサイドゲート電極(FUSIゲート電極)5がこの順で積層された積層構造を有するゲート構造が形成されている。
Further, on the source /
また、ゲート構造の外側、すなわち側面には、窒化膜などの絶縁膜からなるサイドウォールスペーサ9が形成されている。ここで、本実施の形態にかかる半導体装置においては、サイドウォールスペーサ9の高さが、ゲート電極に高さよりも高く設けられている。すなわち、この半導体装置においては、サイドウォールスペーサ9がゲート電極よりも上方に突き出した形状とされている。
Further,
半導体基板1上にはゲート構造および素子分離2を覆う層間絶縁膜13が形成されている。そして、層間絶縁膜13には、導電性材料からなり層間絶縁膜13の上面からシリサイド層10aまで達してソース・ドレイン拡散層10に導通するコンタクト15が形成され、さらに該層間絶縁膜13上にはコンタクト15と導通する配線層16が形成されている。
An
以上のように構成された本実施の形態にかかる半導体装置においては、フルシリサイドゲートを有する半導体装置において、ゲート絶縁膜4およびフルシリサイドゲート電極5の側面に設けられるとともにフルシリサイドゲート電極5の上面よりも上方に突出して形成されたサイドウォールスペーサ9を備えることにより、フルシリサイドゲート電極5とソース・ドレイン拡散層10との間でのショートが確実に防止されたトランジスタが実現されている。
In the semiconductor device according to the present embodiment configured as described above, in the semiconductor device having a full silicide gate, the upper surface of full
上記のように構成された本実施の形態にかかる半導体装置においては、ゲート電極としてポリシリコン電極の全体をシリサイド化したフルシリサイドゲート電極5(メタルゲート電極)を備え、ゲート絶縁膜として高誘電率ゲート絶縁膜(High-k)からなるゲート絶縁膜4を備えるため、電気特性、信頼性に優れ、スタンバイ時の消費電力低減と高電流駆動能力とを両立するトランジスタが実現されている。
The semiconductor device according to the present embodiment configured as described above includes a full silicide gate electrode 5 (metal gate electrode) obtained by siliciding the entire polysilicon electrode as a gate electrode, and a high dielectric constant as a gate insulating film. Since the
つぎに、図1に示す本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。図2〜図14は本実施の形態にかかる半導体装置の製造工程を説明する断面図である。まず、半導体基板1を準備し、たとえばSTI(shallow trench isolation:素子分離技術)工程などの公知に方法により、各半導体素子を分離するための素子分離2を図2に示すように半導体基板1上に選択的に形成する。
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment shown in FIG. 1 will be described with reference to the drawings. 2 to 14 are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the present embodiment. First, a
そして、素子分離2により区切られた領域に、ウエル形成用の不純物、しきい値調整用の不純物等の不純物のイオン注入を行い、図2に示すようにレトログレードウェル3を形成する。
Then, ion implantation of impurities such as well forming impurities and threshold adjusting impurities is performed in the regions delimited by the
つぎに、図3に示すように半導体基板1上に、ゲート絶縁膜となる高誘電率絶縁膜4aを堆積する。高誘電率絶縁膜4aとしては、たとえばHfO2、HfSiON、HfAlO、Al2O3などの膜を堆積する。また、このような高誘電率絶縁膜4aは、たとえば1nm〜5nm程度の膜厚で堆積する。
Next, as shown in FIG. 3, a high dielectric constant
そして、図3に示すように高誘電率絶縁膜4a上に、ゲート電極となるポリシリコン膜5aを堆積する。ポリシリコン膜5aは、後のサリサイドプロセスにおいてFUSIとなる程度に薄い膜厚に形成され、たとえば20nm〜50nm程度の膜厚で堆積する。
Then, as shown in FIG. 3, a
さらに、図3に示すようにポリシリコン膜5a上に、後のゲート電極のエッチング工程におけるマスクとなる層として、たとえばテトラエチルオルソシリケート(TEOS)酸化膜6aを堆積する。この際に堆積したTEOS酸化膜6aの膜厚により、後のゲート構造とソース・ドレイン拡散層とを分離するスペーサの高さを調整することができる。このようなTEOS酸化膜6aは、一例として20nm〜50nm程度の膜厚で堆積する。
Further, as shown in FIG. 3, for example, a tetraethylorthosilicate (TEOS)
そして、写真製版工程によってTEOS酸化膜6aをパターニングした後、該パターニングしたTEOS酸化膜6をマスクとしてポリシリコン膜5aと高誘電率絶縁膜4aとの異方性エッチングを行うことにより、図4に示すようにシリサイド前のゲート電極5b、およびゲート絶縁膜(高誘電率ゲート絶縁膜(High-k))4を形成する。なお、TEOS酸化膜6は、以下のサイドウォールスペーサ9の形成工程においてはサイドウォールスペーサ9を成形するためのダミー層として用いる。
Then, after patterning the
つぎに、通常のCMOS形成プロセスに従って、半導体基板1の所定の領域にイオン注入を行い、図5に示すようにソース・ドレインエクステンション層7を形成する。ソース・ドレインエクステンション層7の形成のための注入エネルギーやドーズ量は各世代で要求されるソース・ドレインエクステンション層7の深さや抵抗値により適宜決定される。
Next, in accordance with a normal CMOS formation process, ion implantation is performed on a predetermined region of the
ソース・ドレインエクステンション層7の形成後、たとえば窒化シリコン(Si3N4)などの絶縁膜8を図5に示すように半導体基板1上およびTEOS酸化膜6上に堆積する。絶縁膜8の膜厚は、たとえば10nm〜50nm程度とする。そして、絶縁膜8の異方性エッチングを行うことにより、図6に示すようにシリサイド前のゲート電極5b、ゲート絶縁膜4およびTEOS酸化膜6の外周部に、絶縁膜からなるサイドウォールスペーサ9が形成される。
After the source /
つぎに、通常のCMOS形成プロセスに従ってイオン注入を行い、さらに活性化アニール処理を行うことにより、図6に示すようにソース・ドレイン拡散層10を形成する。その後、図7に示すようにシリサイド前のゲート電極5b上部のTEOS酸化膜6を除去してシリサイド前のゲート電極5bの表面を露出させる。TEOS酸化膜6の除去は、たとえばフッ酸による等方性ウエットエッチングや、異方性ドライエッチングにより行うことができる。
Next, ion implantation is performed in accordance with a normal CMOS formation process, and activation annealing is performed, thereby forming the source /
ここでTEOS酸化膜6の除去を行う際に、素子分離2も同時にエッチングされてしまう。そこで、TEOS酸化膜6のエッチング量が多い場合(一例として50nm以上の場合)は、図8に示すように写真製版によりフォトレジスト11で素子分離2を覆い、その後TEOS酸化膜6のエッチングを行う。これにより、素子分離2をエッチングすることなく、TEOS酸化膜6のエッチングを行うことができる。
Here, when the
シリサイド前のゲート電極5bの表面を露出させた後、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、チタン(Ti)などの金属層12をスパッタリング法やCVD(Chemical Vapor Deposition)法により図9に示すように堆積する。金属層12の体積にスパッタリング法を用いた場合には、サイドウォールスペーサ9の高さが高くなった場合にシリサイド前のゲート電極5bの上面に堆積される金属層12の膜厚が薄くなるが、CVD法を用いた場合には、ソース・ドレイン拡散層10上と均一な膜厚の金属層12を堆積することが可能である。
After exposing the surface of the
その後、所定の温度でアニール処理を施すなどの通常のシリサイドプロセスを実施することにより、シリサイド前のゲート電極5bおよびソース・ドレイン拡散層10をシリサイド化する。ここで、シリサイド化は、シリサイド前のゲート電極5bの全体がシリサイド化されるように行う。これにより、ソース・ドレイン拡散層10の表層にシリサイド層10aが形成され、シリサイド前のゲート電極5b全体がシリサイド化されたフルシリサイドゲート電極(FUSIゲート電極)5が形成される。
Thereafter, by performing a normal silicide process such as annealing at a predetermined temperature, the
そして、未反応の金属層12を除去し、所定の温度でアニール処理を施すことによりシリサイド層10aおよびFUSIゲート電極の低抵抗化を行い、図10に示すような構造を形成する。
Then, the
その後、図11に示すように層間絶縁膜13として酸化膜を堆積し、図12に示すように該層間絶縁膜13の表面からシリサイド層10aまで達するコンタクトホール14を形成する。この際、ゲート電極5へのコンタクトホールも画面外の領域で形成されている。そして、少なくとも導電材料を含む材料により該コンタクトホール14を埋め込んで、図13に示すようにシリサイド層10a(ソース・ドレイン拡散層10)に導通するコンタクト15を形成する。さらに、図14に示すように層間絶縁膜13上にコンタクト15と導通する配線層16を形成することにより、図1に示す本実施の形態にかかる半導体装置を作製することができる。
Thereafter, an oxide film is deposited as an
以上のような半導体装置の製法方法においては、ゲート電極としてポリシリコン電極の全体をシリサイド化したフルシリサイドゲート電極5(メタルゲート電極)を形成し、ゲート絶縁膜として高誘電率ゲート絶縁膜(High-k)からなるゲート絶縁膜4を形成するため、電気特性、信頼性に優れ、スタンバイ時の消費電力低減と高電流駆動能力とを両立するトランジスタを作製することができる。
In the method of manufacturing a semiconductor device as described above, a full silicide gate electrode 5 (metal gate electrode) in which the entire polysilicon electrode is silicided is formed as a gate electrode, and a high dielectric constant gate insulating film (High Since the
また、以上のような半導体装置の製法方法においては、ゲート絶縁膜4およびフルシリサイドゲート電極5の側面に、フルシリサイドゲート電極5の上面よりも上方に突出したサイドウォールスペーサ9を形成するため、フルシリサイドゲート電極5とソース・ドレイン拡散層10との間でのショートが確実に防止されたトランジスタを作製することができる。
Further, in the manufacturing method of the semiconductor device as described above, the
また、以上のような半導体装置の製法方法においては、ゲート電極とソース・ドレイン拡散層とを同時にシリサイド化することができるため、ゲート電極とソース・ドレイン拡散層とを別々にシリサイド化する場合のように工程数の増加に伴う製造コストの上昇がなく、また、プロセスフローの構築も容易である。 In the method for manufacturing a semiconductor device as described above, since the gate electrode and the source / drain diffusion layer can be silicided simultaneously, the gate electrode and the source / drain diffusion layer are separately silicided. Thus, there is no increase in manufacturing cost due to an increase in the number of processes, and the construction of a process flow is easy.
実施の形態2.
実施の形態2では、上述した実施の形態1にかかる半導体装置の変形例について説明する。図15は、本発明の実施の形態2にかかる半導体装置であるトランジスタの構造を模式的に示す断面図である。本実施の形態にかかる半導体装置が、上述した実施の形態1にかかる半導体装置と異なる点は、サイドウォールスペーサの上部が平坦化されていることである。すなわち、図15に示すように本実施の形態にかかる半導体装置においては、半導体基板1の表層に、各素子を分離するための素子分離2と、該素子分離2間の領域であってトランジスタ素子が形成される能動領域にチャネル領域を規定するように互いに距離を隔ててソース・ドレイン拡散層10が形成されている。
In the second embodiment, a modified example of the semiconductor device according to the first embodiment will be described. FIG. 15 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a transistor which is a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor device according to the present embodiment is different from the semiconductor device according to the first embodiment described above in that the upper portion of the sidewall spacer is flattened. That is, in the semiconductor device according to the present embodiment as shown in FIG. 15, in the surface layer of the
また、ソース・ドレイン拡散層10間には、該ソース・ドレイン拡散層10に隣接してソース・ドレインエクステンション(Source/Drain Extension:SDE)層7が形成されている。そして、ソース・ドレイン拡散層10の表層部には互いに距離を隔てて金属をシリサイド化したシリサイド層10aが形成されている。
Between the source / drain diffusion layers 10, a source / drain extension (SDE)
また、半導体基板1上のソース・ドレイン拡散層10上および該ソース・ドレイン拡散層10に挟まれた領域上には、図15に示すように半導体基板1側からたとえば高誘電率ゲート絶縁膜(High-k)からなるゲート絶縁膜4、ポリシリコン電極の全体をシリサイド化したフルシリサイドゲート電極(FUSIゲート電極)5がこの順で積層された積層構造を有するゲート構造が形成されている。
Further, on the source /
また、ゲート構造の外側、すなわち側面には、窒化膜などの絶縁膜からなるサイドウォールスペーサ9aが形成されている。ここで、本実施の形態にかかる半導体装置においては、サイドウォールスペーサ9aの高さが、ゲート電極に高さよりも高く設けられている。そして、該サイドウォールスペーサ9aの上部は平坦化されている。
Further,
半導体基板1上にはゲート構造および素子分離2を覆う層間絶縁膜13が形成されている。そして、層間絶縁膜13には、導電性材料からなり層間絶縁膜13の上面からシリサイド層10aまで達してソース・ドレイン拡散層10に導通するコンタクト15が形成され、さらに該層間絶縁膜13上にはコンタクト15と導通する配線層16が形成されている。なお、実施の形態1と同様の部材については、上記と同じ符号を付してある。
An interlayer insulating
以上のように構成された本実施の形態にかかる半導体装置においては、フルシリサイドゲートを有する半導体装置において、ゲート絶縁膜4およびフルシリサイドゲート電極5の側面に設けられるとともにフルシリサイドゲート電極5の上面よりも上方に突出して形成されたサイドウォールスペーサ9を備えることにより、フルシリサイドゲート電極5とソース・ドレイン拡散層10との間でのショートが確実に防止されたトランジスタが実現されている。
In the semiconductor device according to the present embodiment configured as described above, in the semiconductor device having a full silicide gate, the upper surface of full
また、上記のように構成された本実施の形態にかかる半導体装置においては、ゲート電極としてポリシリコン電極の全体をシリサイド化したフルシリサイドゲート電極5(メタルゲート電極)を備え、ゲート絶縁膜として高誘電率ゲート絶縁膜(High-k)からなるゲート絶縁膜4を備えるため、電気特性、信頼性に優れ、スタンバイ時の消費電力低減と高電流駆動能力とを両立するトランジスタが実現されている。
In addition, the semiconductor device according to the present embodiment configured as described above includes a full silicide gate electrode 5 (metal gate electrode) obtained by siliciding the entire polysilicon electrode as a gate electrode, and a high gate insulating film. Since the
さらに、実施の形態1の構造においてサイドウォールスペーサ9の表面上を介してフルシリサイドゲート電極5とソース・ドレイン拡散層10との間でのショートが生じた場合においても、サイドウォールスペーサ9の上部を削り取り本実施の形態にかかるトランジスタの構造とすることによりショート状態から回復することができる。
Furthermore, even if a short circuit occurs between the full
つぎに、図15に示す本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。本実施の形態にかかる半導体装置を製造するには、まず、上述した実施の形態1において説明した製造方法に従って(図2〜図10に対応)図10に示す構造を形成する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment shown in FIG. 15 will be described with reference to the drawings. To manufacture the semiconductor device according to the present embodiment, first, the structure shown in FIG. 10 is formed according to the manufacturing method described in the first embodiment (corresponding to FIGS. 2 to 10).
つぎに、図16に示すように層間絶縁膜21を堆積する。そして、たとえばCMP(Chemical Mechanical Polish)により層間絶縁膜21の研磨を行い、サイドウォールスペーサ9の上部を平坦化する。層間絶縁膜21の研磨は、図17に示すようにフルシリサイドゲート電極5の上面からサイドウォールスペーサ9の平坦面までの距離Lが所定の距離になるまで行う。一例としては、フルシリサイドゲート電極5の上面5cからサイドウォールスペーサ9の平坦面9bまでの距離Lが0〜50nm程度になるまで層間絶縁膜21の研磨を行う。これにより、上部が平坦化されたサイドウォールスペーサ9aを形成することができる。
Next, an
これ以降は、上述した実施の形態1において説明した製造方法と同様に層間絶縁膜13を堆積し、該層間絶縁膜13の表面からシリサイド層10aまで達するコンタクトホール14を形成する。そして、少なくとも導電材料を含む材料により該コンタクトホール14を埋め込んで、シリサイド層10a(ソース・ドレイン拡散層10)に導通するコンタクト15を形成する。さらに、層間絶縁膜13上にコンタクト15と導通する配線層16を形成することにより、図15に示す本実施の形態にかかる半導体装置を作製することができる。
Thereafter, an
以上のような半導体装置の製法方法においては、ゲート電極としてポリシリコン電極の全体をシリサイド化したフルシリサイドゲート電極5(メタルゲート電極)を形成し、ゲート絶縁膜として高誘電率ゲート絶縁膜(High-k)からなるゲート絶縁膜4を形成するため、電気特性、信頼性に優れ、スタンバイ時の消費電力低減と高電流駆動能力とを両立するトランジスタを作製することができる。
In the method of manufacturing a semiconductor device as described above, a full silicide gate electrode 5 (metal gate electrode) in which the entire polysilicon electrode is silicided is formed as a gate electrode, and a high dielectric constant gate insulating film (High Since the
また、以上のような半導体装置の製法方法においては、ゲート絶縁膜4およびフルシリサイドゲート電極5の側面に、フルシリサイドゲート電極5の上面よりも上方に突出したサイドウォールスペーサ9を形成するため、フルシリサイドゲート電極5とソース・ドレイン拡散層10との間でのショートが確実に防止されたトランジスタを作製することができる。
Further, in the manufacturing method of the semiconductor device as described above, the
さらに、以上のような半導体装置の製法方法においては、サイドウォールスペーサ9の上部を削り取り平坦化するため、図10に示すような実施の形態1の構造を形成した際にサイドウォールスペーサ9の表面上を介してフルシリサイドゲート電極5とソース・ドレイン拡散層10との間でのショートが生じた場合においても、ショート状態から回復することができる。
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device as described above, the upper surface of the
実施の形態3.
実施の形態3では、上述した実施の形態2にかかる半導体装置の変形例について説明する。図18は、本発明の実施の形態3にかかる半導体装置であるトランジスタの構造を模式的に示す断面図である。本実施の形態にかかる半導体装置が、上述した実施の形態2にかかる半導体装置と異なる点は、トランジスタ回路素子部以外の領域に窒化シリコン膜の堆積部31を備えることである。すなわち、図18に示すように本実施の形態にかかる半導体装置においては、半導体基板1の表層に、各素子を分離するための素子分離2と、該素子分離2間の領域であってトランジスタ素子が形成される能動領域にチャネル領域を規定するように互いに距離を隔ててソース・ドレイン拡散層10が形成されている。
In the third embodiment, a modified example of the semiconductor device according to the second embodiment described above will be described. FIG. 18 is a cross-sectional view schematically showing a structure of a transistor which is a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. The semiconductor device according to the present embodiment differs from the semiconductor device according to the second embodiment described above in that a silicon nitride
また、ソース・ドレイン拡散層10間には、該ソース・ドレイン拡散層10に隣接してソース・ドレインエクステンション(Source/Drain Extension:SDE)層7が形成されている。そして、ソース・ドレイン拡散層10の表層部には互いに距離を隔てて金属をシリサイド化したシリサイド層10aが形成されている。
Between the source / drain diffusion layers 10, a source / drain extension (SDE)
また、半導体基板1上のソース・ドレイン拡散層10上および該ソース・ドレイン拡散層10に挟まれた領域上には、図15に示すように半導体基板1側からたとえば高誘電率ゲート絶縁膜(High-k)からなるゲート絶縁膜4、ポリシリコン電極の全体をシリサイド化したフルシリサイドゲート電極(FUSIゲート電極)5がこの順で積層された積層構造を有するゲート構造が形成されている。
Further, on the source /
また、ゲート構造の外側、すなわち側面には、窒化膜などの絶縁膜からなるサイドウォールスペーサ9aが形成されている。ここで、本実施の形態にかかる半導体装置においては、サイドウォールスペーサ9aの高さが、ゲート電極に高さよりも高く設けられている。そして、該サイドウォールスペーサ9aの上部は平坦化されている。
Further,
半導体基板1上にはゲート構造および素子分離2を覆う層間絶縁膜13が形成されている。そして、層間絶縁膜13には、導電性材料からなり層間絶縁膜13の上面からシリサイド層10aまで達してソース・ドレイン拡散層10に導通するコンタクト15が形成され、さらに該層間絶縁膜13上にはコンタクト15と導通する配線層16が形成されている。
An interlayer insulating
そして、半導体基板1上の、トランジスタ回路素子部以外の領域に窒化シリコン膜の堆積部31を備える。なお、実施の形態1と同様の部材については、上記と同じ符号を付してある。
A silicon nitride
以上のように構成された本実施の形態にかかる半導体装置においては、フルシリサイドゲートを有する半導体装置において、ゲート絶縁膜4およびフルシリサイドゲート電極5の側面に設けられるとともにフルシリサイドゲート電極5の上面よりも上方に突出して形成されたサイドウォールスペーサ9を備えることにより、フルシリサイドゲート電極5とソース・ドレイン拡散層10との間でのショートが確実に防止されたトランジスタが実現されている。
In the semiconductor device according to the present embodiment configured as described above, in the semiconductor device having a full silicide gate, the upper surface of full
また、上記のように構成された本実施の形態にかかる半導体装置においては、ゲート電極としてポリシリコン電極の全体をシリサイド化したフルシリサイドゲート電極5(メタルゲート電極)を備え、ゲート絶縁膜として高誘電率ゲート絶縁膜(High-k)からなるゲート絶縁膜4を備えるため、電気特性、信頼性に優れ、スタンバイ時の消費電力低減と高電流駆動能力とを両立するトランジスタが実現されている。
In addition, the semiconductor device according to the present embodiment configured as described above includes a full silicide gate electrode 5 (metal gate electrode) obtained by siliciding the entire polysilicon electrode as a gate electrode, and a high gate insulating film. Since the
そして、実施の形態1の構造においてサイドウォールスペーサ9の表面上を介してフルシリサイドゲート電極5とソース・ドレイン拡散層10との間でのショートが生じた場合においても、サイドウォールスペーサ9の上部を削り取り本実施の形態にかかるトランジスタの構造とすることによりショート状態から回復することができる。
Even when a short circuit occurs between the full
さらに、上記のように構成された本実施の形態にかかる半導体装置においては、半導体基板1上の、トランジスタ回路素子部以外の領域に窒化シリコン膜の堆積部31を備えるため、サイドウォールスペーサ9の高さが精度良くコントロールされて形成されており、高品質なトランジスタが実現されている。
Furthermore, in the semiconductor device according to the present embodiment configured as described above, since the silicon nitride
つぎに、図18に示す本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。本実施の形態にかかる半導体装置を製造するには、まず、上述した実施の形態1において説明した製造方法(図2〜図5に対応)に従って図5に示す構造を形成する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment shown in FIG. 18 will be described with reference to the drawings. In order to manufacture the semiconductor device according to the present embodiment, first, the structure shown in FIG. 5 is formed according to the manufacturing method (corresponding to FIGS. 2 to 5) described in the first embodiment.
つぎに、絶縁膜8の異方性エッチングを行う前に、半導体基板1上の、トランジスタ回路素子部以外の領域の一部を図19に示すようにフォトレジスト32で覆う。そして、実施の形態1の場合と同様に絶縁膜8の異方性エッチングを行うことにより、図20に示すようにシリサイド前のゲート電極5b、ゲート絶縁膜4およびTEOS酸化膜6の外周部に、絶縁膜からなるサイドウォールスペーサ9が形成される。また、これと同時に、窒化シリコン膜の堆積部31が形成される。
Next, before anisotropic etching of the insulating
その後、上述した実施の形態1および実施の形態2において説明した製造方法に従って図21に示す構造を形成する。そして、実施の形態2と同様にしてCMP(Chemical Mechanical Polish)により層間絶縁膜21の研磨を行い、サイドウォールスペーサ9の上部を平坦化する。ここで、本実施の形態においては、層間絶縁膜21の研磨を、対窒化膜シリコン膜選択比の大きな条件で行う。すなわち、窒化シリコン膜の堆積部31に対する選択比の大きな条件で行う。これにより、図22に示すように窒化シリコン膜の堆積部31をストッパーとして用いて、層間絶縁膜21の研磨を精度良くコントロールすることが可能である。これにより、図22に示すように上部が平坦化されたサイドウォールスペーサ9aを形成することができる。
Thereafter, the structure shown in FIG. 21 is formed in accordance with the manufacturing method described in the first and second embodiments. Then, similarly to the second embodiment, the
これ以降は、上述した実施の形態1において説明した製造方法と同様に層間絶縁膜13を堆積し、該層間絶縁膜13の表面からシリサイド層10aまで達するコンタクトホール14を形成する。そして、少なくとも導電材料を含む材料により該コンタクトホール14を埋め込んで、シリサイド層10a(ソース・ドレイン拡散層10)に導通するコンタクト15を形成する。さらに、層間絶縁膜13上にコンタクト15と導通する配線層16を形成することにより、図18に示す本実施の形態にかかる半導体装置を作製することができる。
Thereafter, an
以上のような半導体装置の製法方法においては、ゲート電極としてポリシリコン電極の全体をシリサイド化したフルシリサイドゲート電極5(メタルゲート電極)を形成し、ゲート絶縁膜として高誘電率ゲート絶縁膜(High-k)からなるゲート絶縁膜4を形成するため、電気特性、信頼性に優れ、スタンバイ時の消費電力低減と高電流駆動能力とを両立するトランジスタを作製することができる。
In the method of manufacturing a semiconductor device as described above, a full silicide gate electrode 5 (metal gate electrode) in which the entire polysilicon electrode is silicided is formed as a gate electrode, and a high dielectric constant gate insulating film (High Since the
また、以上のような半導体装置の製法方法においては、ゲート絶縁膜4およびフルシリサイドゲート電極5の側面に、フルシリサイドゲート電極5の上面よりも上方に突出したサイドウォールスペーサ9を形成するため、フルシリサイドゲート電極5とソース・ドレイン拡散層10との間でのショートが確実に防止されたトランジスタを作製することができる。
Further, in the manufacturing method of the semiconductor device as described above, the
そして、以上のような半導体装置の製法方法においては、サイドウォールスペーサ9の上部を削り取り平坦化するため、図10に示すような実施の形態1の構造を形成した際にサイドウォールスペーサ9の表面上を介してフルシリサイドゲート電極5とソース・ドレイン拡散層10との間でのショートが生じた場合においても、ショート状態から回復することができる。
In the method for manufacturing a semiconductor device as described above, the surface of the
さらに、以上のような半導体装置の製法方法においては、半導体基板1上の、トランジスタ回路素子部以外の領域に窒化シリコン膜の堆積部31を形成するため、サイドウォールスペーサ9の高さを精度良くコントロールして形成することができ、フルシリサイドゲート電極5を削ってしまうなどの不具合を効果的に防止して高品質なトランジスタを作製することができる。
Further, in the method for manufacturing a semiconductor device as described above, the
以上のように、本発明にかかる半導体装置は、ゲート電極の全体をシリサイド化したフルシリサイドゲート電極を用いた半導体装置に有用であり、特に、45nm世代以降のSoC向けトランジスタに適している。 As described above, the semiconductor device according to the present invention is useful for a semiconductor device using a fully silicided gate electrode in which the entire gate electrode is silicided, and is particularly suitable for a SoC transistor of the 45 nm generation or later.
1 半導体基板
2 素子分離
3 レトログレードウェル
4 ゲート絶縁膜
4a 高誘電率絶縁膜
5 フルシリサイドゲート電極
5a ポリシリコン膜
5c フルシリサイドゲート電極の上面
6 TEOS酸化膜
6a TEOS酸化膜
7 ソース・ドレインエクステンション層
8 絶縁膜
9 サイドウォールスペーサ
9a サイドウォールスペーサ
9b 平坦面
10 ソース・ドレイン拡散層
10a シリサイド層
11 フォトレジスト
12 金属層
13 層間絶縁膜
14 コンタクトホール
15 コンタクト
16 配線層
21 層間絶縁膜
31 堆積部
32 フォトレジスト
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記半導体基板の表層にチャネル領域を規定するように所定の間隔で形成された一対のソース・ドレイン拡散層と、
前記一対のソース・ドレイン拡散層の表層にそれぞれ形成されたシリサイド層と、
前記半導体基板上における、前記一対のソース・ドレイン拡散層に挟まれた領域に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上において前記ゲート絶縁膜に接するように形成され、ポリシリコンがシリサイド化されてなるゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極の側面に設けられ、前記ゲート電極の上面よりも上方に突出して形成された絶縁側壁と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
A pair of source / drain diffusion layers formed at predetermined intervals so as to define a channel region in a surface layer of the semiconductor substrate;
Silicide layers respectively formed on the surface layers of the pair of source / drain diffusion layers;
A gate insulating film formed in a region sandwiched between the pair of source / drain diffusion layers on the semiconductor substrate;
A gate electrode formed on and in contact with the gate insulating film on the gate insulating film, wherein the polysilicon is silicided;
An insulating sidewall provided on a side surface of the gate insulating film and the gate electrode, and protruding upward from an upper surface of the gate electrode;
A semiconductor device comprising:
を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film is a high dielectric constant gate insulating film.
を特徴とする請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein an upper surface of the insulating sidewall is flattened.
を特徴とする請求項3に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3, further comprising a stopper for polishing and forming the insulating sidewall on the semiconductor substrate.
前記絶縁膜上にゲート電極用のポリシリコン層を形成するポリシリコン層形成工程と、
前記ゲート絶縁膜用絶縁膜層および前記ポリシリコン層をパターニングしてゲート絶縁膜およびポリシリコンからなるゲート電極を成形する成形工程と、
前記ゲート絶縁膜およびポリシリコンからなるゲート電極の側面に、前記ポリシリコンからなるゲート電極の上面よりも上方に突出した絶縁側壁を形成する絶縁側壁形成工程と、
前記半導体基板の表層の前記ゲート絶縁膜の周辺領域に、チャネル領域を規定するように所定の間隔を隔てて一対のソース・ドレイン拡散層を形成する工程と、
前記一対のソース・ドレイン拡散層の表層をシリサイド化して該一対のソース・ドレイン拡散層の表層にシリサイド層を形成するシリサイド層形成工程と、
前記ポリシリコンからなるゲート電極の全体をシリサイド化してフルシリサイドゲート電極を形成するフルシリサイドゲート電極形成工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 An insulating film layer forming step of forming an insulating film layer for a gate insulating film on a semiconductor substrate;
A polysilicon layer forming step of forming a polysilicon layer for the gate electrode on the insulating film;
A molding step of patterning the gate insulating film insulating film layer and the polysilicon layer to form a gate electrode made of the gate insulating film and polysilicon;
Forming an insulating sidewall on the side surface of the gate electrode made of the gate insulating film and polysilicon, and forming an insulating sidewall protruding above the upper surface of the gate electrode made of polysilicon;
Forming a pair of source / drain diffusion layers at a predetermined interval so as to define a channel region in a peripheral region of the gate insulating film on a surface layer of the semiconductor substrate;
A silicide layer forming step of silicidizing the surface layer of the pair of source / drain diffusion layers to form a silicide layer on the surface layer of the pair of source / drain diffusion layers;
A full silicide gate electrode forming step of forming a full silicide gate electrode by siliciding the entire gate electrode made of polysilicon;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
を特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 Performing the silicide layer forming step and the full silicide gate electrode forming step simultaneously;
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5.
前記ポリシリコンからなるゲート電極上にダミー層を形成する工程と、
前記ダミー層上および前記半導体基板上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層を異方性エッチングすることにより前記ゲート絶縁膜およびポリシリコンからなるゲート電極の側面に該ポリシリコンからなるゲート電極の上面よりも上方に突出した絶縁側壁を形成する工程と、
前記ダミー層を除去する工程と、
を特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 Insulating sidewall forming process
Forming a dummy layer on the polysilicon gate electrode;
Forming an insulating layer on the dummy layer and on the semiconductor substrate;
Forming an insulating sidewall projecting above the upper surface of the gate electrode made of polysilicon on the side surface of the gate electrode made of polysilicon by anisotropically etching the insulating layer;
Removing the dummy layer;
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5.
を特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, further comprising a flattening step of flattening an upper surface of the insulating sidewall.
前記シリサイド層、フルシリサイドゲート電極および絶縁側壁上に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層とともに前記絶縁属壁を研磨して該絶縁側壁の上面を平坦化する工程と、
をさらに備えることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。 The planarization step comprises:
Forming an insulating layer on the silicide layer, the full silicide gate electrode and the insulating sidewall;
Polishing the insulating metal wall together with the insulating layer to planarize the upper surface of the insulating sidewall;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, further comprising:
前記平坦化工程において、前記ストッパを用いて前記絶縁層とともに前記絶縁属壁を研磨して該絶縁側壁の上面を平坦化すること、
を特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。 Forming a stopper for polishing the insulating sidewall on the semiconductor substrate;
Polishing the insulating metal wall together with the insulating layer using the stopper in the planarization step to planarize the upper surface of the insulating sidewall;
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9.
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Cited By (3)
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---|---|---|---|---|
US8419970B2 (en) | 2008-07-11 | 2013-04-16 | Fujifilm Corporation | Silicon nitride polishing liquid and polishing method |
US8911643B2 (en) | 2008-05-30 | 2014-12-16 | Fujifilm Corporation | Polishing liquid and polishing method |
US8932479B2 (en) | 2010-03-31 | 2015-01-13 | Fujifilm Corporation | Polishing liquid and polishing method |
-
2005
- 2005-06-06 JP JP2005165816A patent/JP2006339597A/en active Pending
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