JP2007096060A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】シリサイド膜を有するデュアルゲート構造の半導体装置において、PN接合の部分におけるシリサイド膜の断線を抑制する。
【解決手段】半導体装置は、基板の第1領域107に形成されたPチャネル型電界効果トランジスタ及び基板の第2領域108に形成されたNチャネル型電界効果トランジスタを備えるデュアルゲート構造の半導体装置であって、基板101上に、第1領域107及び第2領域108に亘って連続的に形成された多結晶シリコン膜103と、その上に形成された金属シリサイド膜とからなるゲート電極を備え、多結晶シリコン膜103は、第1領域107内に位置するP型部分103aと、P型部分103aに接し且つ第2領域108内に位置するN型部分103bとを有し、P型部分103aに、P型部分103aの導電型を決定するP型不純物よりも重い元素が更に注入されている。
【選択図】図2

Description

本発明は、シリサイド化された領域(シリサイド領域)を有する半導体装置の製造方法に関し、特にニッケルシリサイドを有する半導体装置及びその製造方法に関する。
近年、半導体装置の微細化に伴い、最小加工寸法が50nmといったディープサブミクロン領域に達している。しかし、半導体装置の微細化を妨げる要因の1つとして、ゲート電極の細線抵抗上昇による回路速度遅延等、集積回路の性能向上を阻害する問題が発生している。そこで、細線抵抗上昇の抑制を目的として、電界効果トランジスタ(FET)のゲート電極を構成する多結晶ポリシリコン膜の表面を金属シリサイド化し、ゲート電極の低抵抗化を図る取組みが多くなされている。
しかしながら、金属シリサイド膜は配線幅が細くなると凝集により断線しやすくなる。特に、デュアルゲート構造の場合に、多結晶シリコン膜をシリサイド化して形成された金属シリサイド膜について、多結晶シリコン膜のPN接合の部分において顕著に断線が生じやすいことが報告されている。デュアルゲート構造とは、ここでは単一のゲート電極がP型部分とN型部分とを共に有する構造を言い、PN接合の部分における不純物濃度の変化等が、この部分における断線の生じやすい原因と考えられている。
PN接合の部分において金属シリサイド膜の断線が発生している場合、PN接合に逆バイアスが印加されるとゲート電極が極めて高抵抗になるという大きな問題が生じる。そこで、このような断線によるゲート電極の高抵抗化を回避するための製造方法が提案されている。
例えば、特許文献1には、図7に模式的な平面構成を示す構造が開示されている。これは、N型領域11とP型領域12との境界13の付近において、ゲート電極14の幅を太くし、これによってPN接合の部分における金属シリサイドの断線を抑制するものである。
また、特許文献2には、PN接合の部分における断線を抑制する別の技術が開示されている。これについて、図8(a)〜(e)を参照して説明する。
まず、図8(a)に示すように、シリコン基板21を素子分離領域22によって区画し、表面にゲート絶縁膜23を形成する。更に、ゲート絶縁膜23上に、多結晶シリコン膜24を形成する。ここで、素子分離領域22によって区画された領域の一部をNチャネル型電界効果トランジスタの形成されるN型FET領域25、他の一部をPチャネル型電界効果トランジスタの形成されるP型FET領域26とする。
次に、図8(b)に示すように、P型FET領域26において、多結晶シリコン膜24上にレジスト27を形成する。続いて、レジスト27をマスクとして、N型FET領域25において多結晶シリコン膜24にN型不純物であるリンをイオン注入する。更に、図8(c)に示すように、P型FET領域26のレジスト27を除去した後、N型FET領域25にレジスト28を形成する。続いて、レジスト28をマスクとして、P型FET領域26において多結晶シリコン膜24にP型不純物であるボロンをイオン注入する。
ここで、注入されたリンについての濃度ピーク位置よりも、ボロンについての濃度ピーク位置の方がシリコン基板21の表面に近い位置となるように、それぞれのイオン注入の条件を設定する。これにより、多結晶シリコン膜24中に形成されるPN接合29と、多結晶シリコン膜24の表面におけるP型FET領域25とN型FET領域26との境界29aとは、ずれた位置に存在することになる。
この後、図8(d)に示すように、レジスト28を除去した後に多結晶シリコン膜24上にシリサイド化を行なうためのコバルト等の金属膜30を形成する。更に、図8(e)に示すように、熱処理によってシリサイド膜31を形成する。
このとき、境界29aが存在した位置においては、シリサイド膜31に断線32が生じやすい。しかし、断線32は、PN接合29とはずれた位置に形成されることになるため、著しい抵抗の上昇は抑制することができる。
特開2001−77210号公報 特開2005−129615号公報
しかしながら、前記2つの従来の技術には、それぞれ以下の欠点があった。
まず、特許文献1の技術の場合、境界13付近において断線防止のためにゲート電極14の幅を太くしている。このため、ゲート電極の配線ピッチは、実質的に、境界13付近におけるゲート電極14の幅によって決定されてしまう。このことから、半導体装置の高集積化が阻害されている。
また、特許文献2の技術の場合、PN接合29と断線32とが同じ位置になるのを防ぐことにより大幅な抵抗上昇は回避しているが、断線が発生すること自体については解決されておらず、抵抗が上昇していることには変わりない。今後、半導体装置が更に微細化すると、このような小幅の抵抗上昇であっても回路動作に関して致命的な影響を及ぼす場合が考えられる。
そこで、以上の欠点を伴うことなくPN接合の部分におけるシリサイドの断線を抑制することが課題となっている。
このような課題に鑑み、本発明の目的は、不純物を含む金属シリサイド膜を有するゲート電極等の配線を太くすることなしに、金属シリサイド膜のPN接合の部分における断線を抑制することができる半導体装置及びそのような半導体装置の製造方法を提供することである。
本願発明者が、前記の目的を達成するためにP型領域とN型領域との境界部分について詳細な調査を行なった結果、以下のことが発見された。
まず、FETを形成する際のソース領域及びドレイン領域を形成するための注入工程において、P型FET領域とN型FET領域とでは、注入による多結晶シリコン膜の削れ量の違いから、ゲート電極を構成する多結晶シリコン膜の厚さが異なるようになることが判った。例えば、P型不純物としてボロン、N型不純物としてリン及びヒ素の少なくとも一方を用いた場合、N型FET領域において注入を受けた多結晶シリコン膜は、P型FET領域において注入を受けた多結晶シリコン膜に比べて25nm以上、厚さが薄いようになっている。
また、P型及びN型の不純物をそれぞれ個別に導入するために、通常はレジストマスクを設ける。レジストマスクは、注入の後、例えば硫酸と過酸化水素水との混合液又はアンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いて除去される。このようなレジストマスクの除去工程において、N型不純物の導入されたゲート電極は、0〜5nm程度、更に削られることが確認された。
以上から、ソース領域及びドレイン領域を形成した後には、N型のゲート電極はP型のゲート電極に比べて30nm程度薄くなり、N型とP型との境界において上面に段差が生じることが見出された。
また、多結晶シリコン膜の上面に意図的に段差を設けてシリサイド化する実験を行なったところ、多結晶シリコン膜の段差及び該段差部分の形状が、シリサイドの断線と大きく相関することを発見した。特に、シリサイド化するために形成する金属膜の膜厚に比べて段差の大きさが三倍以上となると、断線が顕著に発生しやすくなることが発見された。これは、段差がある位置において、金属シリサイド膜を形成するための金属膜の被覆が劣化するためと考えられる。また、段差が、結果として金属シリサイド膜の膜厚の二倍以上であった場合にも、断線が生じやすくなることもが見された。
本発明は、以上の新たな知見に基づいて成されたものである。
具体的には、前記の目的を達成するための本発明に係る第1の半導体装置は、基板の第1領域に形成されたPチャネル型電界効果トランジスタ及び基板の第2領域に形成されたNチャネル型電界効果トランジスタを備えるデュアルゲート構造の半導体装置であって、基板上に、第1領域及び第2領域に亘って連続的に形成された多結晶シリコン膜と、その上に形成された金属シリサイド膜とからなるゲート電極を備え、多結晶シリコン膜は、第1領域内に位置するP型部分と、P型部分に接し且つ第2領域内に位置するN型部分とを有し、P型部分に、P型部分の導電型を決定するP型不純物よりも重い元素が更に注入されている。
第1の半導体装置によると、P型不純物よりも重い元素をP型部分に更に注入していることにより、多結晶シリコン膜の上面における段差が小さくなっており、このことから多結晶シリコン膜上に形成されるシリサイドの断線が抑制されている。これについて、以下に説明する。
先に述べたように、多結晶シリコン膜からなるゲート電極の上面に段差が存在すると、その位置においてシリサイドの断線が発生しやすいことを本願発明者は見出した。また、従来の半導体装置の場合、P型不純物の注入されたP型部分と、N型不純物の注入されたN型部分とでは、注入の際の多結晶シリコン膜の削れ量の違いから、P型部分の方がN型部分よりもゲート電極を構成する多結晶シリコン膜は厚くなる。
これに対し、第1の半導体装置では、第1領域において、P型不純物に比べて重い元素が注入されることにより、多結晶シリコン膜が削られ、P型部分の厚さが薄くなっている。このため、P型部分とN型部分とにおける厚さの差が小さくなっており、P型部分とN型部分との境界における段差も小さくなっている。この結果として、シリサイド膜の断線は抑制されている。
尚、P型部分とN型部分との厚さの差が、金属シリサイド膜の厚さの2倍以下であることが好ましい。
ゲート電極の部分による厚さの違いにより生じる段差が十分小さければ、ゲート電極上に形成される金属シリサイド膜の断線は抑制される。この効果は、段差の大きさ(厚さの差)が金属シリサイド膜の厚さの2倍以下である場合に顕著に表れるため、そのようになっているのが良い。更には、P型部分とN型部分とにおいて多結晶シリコン膜の厚さが等しく、境界にも段差の存在しないようになっていても良く、より好ましい。
前記の目的を達成するための本発明に係る第2の半導体装置は、基板の第1領域に形成されたPチャネル型電界効果トランジスタ及び基板の第2領域に形成されたNチャネル型電界効果トランジスタを備えるデュアルゲート構造の半導体装置であって、基板上に、第1領域及び第2領域に亘って連続的に形成された多結晶シリコン膜と、その上に形成された金属シリサイド膜とからなるゲート電極を備え、多結晶シリコン膜は、第1領域内に位置するP型部分と、P型部分に接し且つ第2領域内に位置するN型部分とを有し、多結晶シリコン膜のP型部分とN型部分との境界部分に、P型部分の導電型を決定するP型不純物よりも重い元素が更に注入されている。
第2の半導体装置によると、多結晶シリコン膜のP型部分とN型部分との境界部分に、P型不純物に比べて重い元素が注入されている。これにより、P型部分とN型部分との厚さの違いから境界に生じていた段差が滑らかになっているか又は取り除かれており、この結果、シリサイド膜の断線が抑制されている。
多結晶シリコン膜上に金属シリサイド膜を形成する際の断線の生じやすさは、多結晶シリコン膜の上面における段差の大きさに加えて、段差部分の形状にも依存する。特に、段差部分が直角に近いような急な角度をもって立ち上がった形状又は逆テーパー形状となっている場合に、多結晶シリコン膜の薄い側の境界付近において断線が発生しやすいことが見出された。これは、多結晶シリコン膜上に金属膜を形成する際に、このような部分において金属膜の被覆が劣化しやすい(例えば、金属膜が薄くなる又は全く覆わなくなることがある)ためと考えられる。これに対し、第2の半導体装置のように、段差部分についてP型不純物よりも重い元素が注入されることによって削り取られ、ゲート電極上に金属膜を形成する際の被覆が良い形状となっていると、シリサイド化した際の断線は抑制される。
尚、多結晶シリコン膜における前記境界部分の上面が、連続した1つの面となっていることが好ましい。このようにして、境界部分における上面が滑らかになっていると、金属シリサイド膜の断線が顕著に抑制される。
また、P型不純物よりも重い元素は、ガリウム、インジウム、砒素、アンチモン、アルゴン及びクリプトンのうちの少なくとも1つであることが好ましい。
このような元素を用いると、確実にイオン注入を行なって多結晶シリコン膜の膜厚を削減することができる。但し、これら以外にも、確実に多結晶シリコン膜を削って膜厚を削減することが可能であると共に、イオン注入が可能な元素であれば用いることができる。
前記の目的を達成するための本発明に係る第3の半導体装置は、基板の第1領域に形成されたPチャネル型電界効果トランジスタ及び基板の第2領域に形成されたNチャネル型電界効果トランジスタを備えるデュアルゲート構造の半導体装置であって、基板上に、第1領域及び第2領域に亘って連続的に形成された多結晶シリコン膜と、その上に形成された金属シリサイド膜とからなるゲート電極を備え、多結晶シリコン膜は、第1領域内に位置するP型部分と、P型部分に接し且つ第2領域内に位置するN型部分とを有し、P型部分は、N型部分よりも厚く、多結晶シリコン膜のP型部分とN型部分との境界において、N型部分よりも上側に位置するP型部分の端部が順テーパー形状を有している。
第3の半導体装置によると、多結晶シリコン膜のP型部分とN型部分との境界における上面の段差が順テーパー形状を有していることから、段差部分における金属シリサイド膜の断線が抑制されている。
先に説明したように、段差部分が直角に近いような急な角度をもって立ち上がった形状又は逆テーパー形状となっている場合に、多結晶シリコン膜の薄い側の端部付近において断線が発生しやすい。これに対し、第3の半導体装置においては、多結晶シリコン膜におけるP型部分がN型部分よりも厚く、N型部分よりも上側に位置するP型部分の端部が順テーパー形状となっているために、断線が抑制されている。
尚、段差のテーパー角は、40度以上であり且つ60度以下であることが好ましい。
ここで、段差のテーパー角とは、多結晶シリコン膜における膜厚が薄い側の領域の上面に対し、段差部分が斜めに立ち上がっている角度をいうものとする。このような角度が40度以上であり且つ60度以下である場合、シリサイド化するための金属膜の被覆の劣化を抑えることができるため、金属シリサイド膜の断線を確実に防ぐことができる。
前記の目的を達成するため、本発明に係る第1の半導体装置の製造方法は、基板の第1領域に形成されたPチャネル型電界効果トランジスタ及び基板の第2領域に形成されたNチャネル型電界効果トランジスタを備えるデュアルゲート構造の半導体装置の製造方法であって、基板上に、第1領域及び第2領域に亘って多結晶シリコン膜を連続的に形成する工程と、多結晶シリコン膜の第1領域内に位置する部分にP型不純物を注入してP型部分を形成する工程と、多結晶シリコン膜の第2領域内に位置し且つP型部分と接する部分にN型不純物を注入してN型部分を形成する工程と、多結晶シリコン膜上に金属膜を形成する工程と、金属膜をシリサイド化することにより金属シリサイド膜を形成する工程とを備え、P型不純物の注入及びN型不純物の注入によって、P型部分とN型部分との厚さの差が生じ、金属膜を形成する工程の前に、厚さの差を縮小する工程を更に備える。
多結晶シリコン膜におけるP型部分とN型部分とは、それぞれ異なる不純物(順にP型及びN型の不純物)が注入されることにより、異なる厚さとなる場合が多い。このようにゲート電極の厚さが部分によって異なり、それらの境界において段差が存在していると、多結晶シリコン膜上に金属シリサイド膜を形成した際に断線が生じやすい。これは、金属膜を多結晶シリコン膜上に形成した際に、段差の部分において被覆が劣化しやすいためである。
そこで、P型部分とN型部分との多結晶シリコン膜の厚さの差を縮小することにより、境界における段差が小さくなるため、金属シリサイド膜の断線を抑制することができる。この結果、金属シリサイド膜の断線を抑制した半導体装置を製造することができる。
尚、P型部分とN型部分との厚さの差を、金属膜の厚さの2倍以下にすることが好ましい。
このようにすると、多結晶シリコン膜上に形成する金属膜の被覆が段差の部分においても確実になることから、金属シリサイド膜の断線を確実に抑制することができる。
また、厚さの差を縮小する工程において、P型部分に、P型不純物よりも重い元素を更に注入してP型部分の厚さを小さくすることが好ましい。
多結晶シリコン膜のP型部分とN型部分とを比較すると、通常、P型不純物が導入されるP型部分が、N型部分に比べて厚くなる。そこで、P型部分にP型不純物よりも重い元素を注入することによってP型部分の膜厚を薄くすると、P型部分とN型部分の膜厚の差を縮小することができる。これにより、金属シリサイド膜の断線を確実に抑制することができる。
前記の目的を達成するため、本発明に係る第2の半導体装置の製造方法は、基板の第1領域に形成されたPチャネル型電界効果トランジスタ及び基板の第2領域に形成されたNチャネル型電界効果トランジスタを備えるデュアルゲート構造の半導体装置の製造方法であって、基板上に、第1領域及び第2領域に亘って多結晶シリコン膜を連続的に形成する工程と、多結晶シリコン膜の第1領域内に位置する部分にP型不純物を注入してP型部分を形成する工程と、多結晶シリコン膜の第2領域内に位置し且つP型部分と接する部分にN型不純物を注入してN型部分を形成する工程と、多結晶シリコン膜上に金属膜を形成する工程と、金属膜をシリサイド化することにより金属シリサイド膜を形成する工程とを備え、P型不純物の注入及びN型不純物の注入によって、P型部分とN型部分との厚さの差が生じ、金属シリサイド膜を形成する工程の前に、厚さの差のためにP型部分とN型部分との境界に生じている段差部分を除去する工程を更に備える。
第2の半導体装置の製造方法によると、金属シリサイド膜の断線を抑制した半導体装置を製造することができる。これは、次のような理由による。
既に説明したように、P型部分とN型部分との境界における多結晶シリコン膜の上面の段差が、金属シリサイド膜に断線が生じる原因となっている。そこで、P型部分とN型部分との境界において、多結晶シリコン膜の上部の一部を取り除き、段差部分を取り除く又は滑らかにすることにより、金属シリサイド膜の断線を抑制することができる。これは、段差部分を取り除く又は滑らかにすることによって、シリサイド化を行なう金属膜の被覆を良好にすることができるためである。
尚、段差部分を除去する工程において、段差部分にP型不純物よりも重い元素を注入することが好ましい。
P型不純物よりも重い元素を段差部分に注入し、多結晶シリコン膜の上部の一部を削り取ることにより、段差部分を削り取ることができる。このため、境界の段差が取り除かれる又は滑らかにされ、その上に形成される金属膜の被覆が良くなる。この結果、金属シリサイド膜の断線が抑制される。
尚、P型不純物よりも重い元素は、ガリウム、インジウム、砒素、アンチモン、アルゴン及びクリプトンのうちの少なくとも1つであることが好ましい。
このような元素を用いると、確実にイオン注入を行なって多結晶シリコン膜を削減することができる。但し、これら以外にも、確実に多結晶シリコン膜を削って膜厚を削減することが可能であると共に、イオン注入が可能な元素であれば用いることができる。ここで、P型又はN型の不純物となる元素であれば、それぞれの導電型の不純物としても機能させることができる。また、電荷の無い不純物となる元素を用いると、注入される領域の導電型に影響することなく膜厚を削減することができる。
前記の目的を達成するため、本発明に係る第3の半導体装置の製造方法は、基板の第1領域に形成されたPチャネル型電界効果トランジスタ及び基板の第2領域に形成されたNチャネル型電界効果トランジスタを備えるデュアルゲート構造の半導体装置の製造方法であって、基板上に、第1領域及び第2領域に亘って多結晶シリコン膜を連続的に形成する工程と、多結晶シリコン膜の第1領域内に位置する部分にP型不純物を注入してP型部分を形成する工程と、多結晶シリコン膜の第2領域内に位置し且つP型部分と接する部分にN型不純物を注入してN型部分を形成する工程と、多結晶シリコン膜上に金属膜を形成する工程と、金属膜をシリサイド化することにより金属シリサイド膜を形成する工程とを備え、P型不純物の注入及びN型不純物の注入によって、P型部分とN型部分との厚さの差が生じ、金属シリサイド膜を形成する工程の前に、多結晶シリコン膜のP型部分とN型部分との境界において、N型部分よりも上側に位置するP型部分の端部を順テーパー形状とする工程を更に備える。
第3の半導体装置の製造方法によると、P型部分とN型部分との境界において、N型部分よりも上側に位置するP型部分の端部をテーパー形状とすることにより、この部分の上に形成する金属膜の被覆を確実にすることができる。このため、該金属膜をシリサイド化して形成する金属シリサイド膜について、断線が発生するのを抑制することができる。
尚、段差を選択的にエッチングすることにより順テーパー形状とすることが好ましい。また、エッチングは、CF4 とO2 との混合ガス又はArガスを用いるドライエッチングであることが好ましい。
このようにすると、段差の部分において、膜厚の厚い側の領域の端を一部取り除き、テーパー形状とすることが確実にできる。このため、金属シリサイド膜の断線を抑制することが確実にできる。
以上のように、本発明によると、ゲート電極上に形成される金属シリサイド膜の断線を抑制することができるため、PN接合の部分における抵抗の上昇を抑制することができる。このとき、ゲート電極の幅を太くすることは不要であるから、半導体装置の高集積化が阻害されることも無い。
本発明の半導体装置及びその製造方法によると、多結晶シリコン膜上に金属シリサイド膜が形成された構成であるゲート電極等のシリサイド配線において、ゲート電極のPN接合位置における金属シリサイド膜の断線を抑制することができる。このため、電気的な断線を抑制し、配線の抵抗上昇を回避することができる。従って、配線幅(ゲート電極幅)が太くなって高集積化を妨げることもなく、金属シリサイド膜のPN接合部分における断線による配線の高抵抗化を抑制することができ、集積回路不良の防止を実現することができる。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置とその製造方法について、図面を参照して説明する。
まず、図1に、本実施形態の半導体装置が備えるデュアルゲート構造の電界効果トランジスタを模式的に示す。該電界効果トランジスタは、半導体基板101を用いて形成されており、半導体基板101上に絶縁膜であるゲート酸化膜102と、ゲート酸化膜102上に形成された多結晶シリコン膜103及びその上に形成された金属シリサイド膜104からなるゲート電極105とを備えている。また、ゲート電極105を挟むように、サイドウォール106が形成されている。
更に、半導体装置は、Pチャネル型トランジスタを形成する第1領域107と、第1領域107に接し且つNチャネル型トランジスタを形成する第2領域108とを有している。
尚、半導体基板101は、ゲート電極105を挟むように形成されたソース領域及びドレイン領域を備えると共に、素子分離により区画されているが、これらの図示は省略している。
次に、図2(a)〜(f)は、本実施形態の半導体装置が備える電界効果トランジスタの製造工程を説明する図である。これらは、電界効果トランジスタをゲート電極の長手方向に沿って基板101に垂直に切断した断面、つまり、図1におけるII-II'線のような断面をもって示されている。
図2(a)には、ゲート電極105を構成する多結晶シリコン膜103まで形成された様子が示されている。ここまでの形成のためには、まず、半導体基板101上に公知の方法により素子分離110を形成し、閾値電圧の制御等のための素子に必要なイオン注入を行なう。次に、ゲート酸化膜102の形成の後、その上にゲート電極105を形成する。この後、図2(a)には現われないが、図1において示しているように、多結晶シリコン膜103を挟むようにサイドウォール106を形成する。尚、多結晶シリコン膜103の膜厚は、例えば150nmである。
次に、図2(b)に示すように、第2領域108において多結晶シリコン膜103上にレジスト111をパターニングした後、レジスト111をマスクとして、第1領域107において多結晶シリコン膜103にP型不純物であるボロン(B+ )イオンを注入し、P型部分103aを形成する。このときの注入の条件は、例えば、注入エネルギー約3keVで且つドーズ量3×102 /cm2 とする。P型部分103aを形成するためのこのイオン注入により、第1領域107に位置する多結晶シリコン膜103は5nm程度削られる。
続いて、図2(c)に示すように、同様に、レジスト111をマスクとして、P型部分103a(第1領域107に位置する多結晶シリコン膜103)にインジウムを注入する。注入の条件は、例えば注入エネルギー約30keVで且つドーズ量5×1014/cm2 とする。
このイオン注入により、P型部分103aは30nm程度削られる。この後、通常の方法によりレジスト111を除去する。例えば、通常の方法でアッシングを行った後に、硫酸と過酸化水素水との混合液又はアンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いた洗浄を行なえばよい。洗浄については、二種の混合液の両方を用いてもよい。
次に、図2(d)に示すように、第1領域107において多結晶シリコン膜103上にレジスト112をパターニングし、該レジスト112をマスクとして、第2領域108に位置する多結晶シリコン膜103にN型不純物であるヒ素(As)イオンの注入を行なう。注入の条件は、例えば注入エネルギー約20keVで且つドーズ量5×102 /cm2 とする。これによって、N型部分103bが形成される。
N型部分103bを形成するためのこのイオン注入により、第2領域108の多結晶シリコン膜103は、35nm程度削られる。この後、レジスト112を通常の方法で除去する。この際、第2の領域に位置する多結晶シリコン膜103(つまり、N型部分103b)は0〜5nm程度削られる。
以上の結果、図2(e)に示すように、P型不純物が注入されたP型部分103aと、N型不純物が注入されたN型部分103bとの厚さの差は、0〜5nm程度となっている。この後、注入したイオンを活性化するための熱処理を、1050℃で且つ数秒間の条件をもって行なう。
続いて、図2(f)に示すように、P型部分103a上及びN型部分103b上に亘ってシリサイド膜を形成するためのニッケル膜113を膜厚10nmに成膜する。この後、熱処理により、ニッケル膜113のニッケルとP型部分103a及びN型部分103b(多結晶シリコン膜103)のシリコンとを反応させて、ニッケルシリサイド膜(図示せず)を形成する。
以上の方法によると、図2(e)に示したように、P型部分103aとN型部分103bとの厚さの差(第1領域107と第2領域108とにおける、多結晶シリコン膜103の厚さの差)を0〜5nm程度とすることができる。この結果、多結晶シリコン膜103上にニッケル膜113を形成した際に、段差の部分においても被覆は確実に行なわれる。このため、ニッケル膜113をシリサイド化してニッケルシリサイド膜としたとき、断線が生じることはない。このようにして、シリサイド膜の断線及び高抵抗化が抑制された半導体装置を製造することができる。
ここで、多結晶シリコン膜103上に発生する段差の大きさと、ニッケルシリサイド膜の断線の発生し易さについて説明する。
まず、図3(a)に、上面に段差203を有する基板201上に金属膜202が形成された様子を示している。金属膜202は、シリサイド化を行なって金属シリサイド膜とするためのものである。また、段差の大きさをd1 nm、基板201の平坦な部分における金属膜202の厚さをt1 nmとする。
図3(a)に示すように、金属膜202は、段差203の下部において、金属膜202の被覆が劣化しやすい。つまり、膜厚が薄くなりやすく、場合によっては金属膜202に穴が開いて基板201が露出したような状態になることも考えられる。このことが、金属膜202をシリサイド化した際に金属シリサイド膜が断線する原因となっている。
図3(b)には、段差203の大きさd1 及び金属膜202の厚さt1 と、金属膜202をシリサイド化した際の断線の発生について例示している。図中、d1 、及びt1 が白丸で示された値である場合には金属膜202をシリサイド化した時にも断線は発生しない。これに対し、d1 、及びt1 が黒丸で示した値である場合には、金属膜202をシリサイド化すると断線が発生する。
このような結果から、金属膜202の厚さt1 に比べて段差203の大きさd1 が3倍程度以上大きい場合には断線が発生しやすいものと考えられる。このため、d1 をt1 の2倍以下にまで縮小すると、確実にシリサイド膜の断線を抑制することができる。
また、図4(a)には、上面に段差203を有する金属膜202上に金属シリサイド膜204が形成された様子を示している。つまり、図3(a)に示した金属膜203のシリサイド化を行なった後の様子を示している。ここで、段差203の大きさをd2 nm、基板201の平坦な部分における金属シリサイド膜204の厚さをt2 nmとする。
更に、図4(b)には、段差203の大きさd2 及び金属シリサイド膜204の厚さt2 と、金属シリサイド膜204の断線の発生について示している。図中、d2 、及びt2 が白丸で示された値である場合には金属シリサイド膜204は断線していない。これに対し、d2 、及びt2 が黒丸で示した値である場合には、金属シリサイド膜204に断線が発生する。
このような結果から、段差203の大きさd2 が、金属シリサイド膜204の厚さt2 の2倍以下となるようにすると、金属シリサイド膜204の断線を抑制することができると考えられる。
尚、本実施形態においては、多結晶シリコン膜103の第1の領域に対し、インジウムを注入することによって多結晶シリコン膜103を削り、膜厚を減少させた。しかし、イオン注入を行なうことの可能な元素であり且つP型不純物よりも重い元素であって多結晶シリコン膜を削ることができる元素であればよく、インジウムに限定するものではない。具体的には、例えば、ガリウム、ヒ素、アンチモン、アルゴン又はクリプトン等を用いることができる。
また、本実施形態においては、注入したイオンを活性化するためのアニールの後、すぐにシリサイド化するための金属膜(ニッケル膜113)を形成した。しかし、シリサイド化を行なわない領域を設けるために、多結晶シリコン膜103上に酸化膜又は窒化膜を形成した後、シリサイド化しない領域にレジストをパターニングしてもよい。この後、レジストを形成していない、シリサイド化を行なう領域について、先に形成した酸化膜又は窒化膜を除去し、更にレジストを除去した後、金属膜を形成して更にシリサイド化を行なう。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置とその製造方法について、図面を参照して説明する。
本実施形態の半導体装置が備えるデュアルゲート構造の電界効果トランジスタも、図1によって模式的に示されるものである。第1の実施形態の場合と同様であるから、詳しい説明は省略する。
次に、図5(a)〜(f)に、本実施形態の半導体装置が備える電界効果トランジスタの製造工程を説明する図を示す。これらも第1の実施形態と同様に、図1にII-II'線のような断面をもって示されている。また、図5(a)及び(b)に示す工程は、第1の実施形態において図2(a)及び(b)を参照して説明したのと同様の工程であるため、同様の符号を付すことによって説明を省略する。ここまでの工程により、ゲート電極を構成するための多結晶シリコン膜103について、第1領域107に位置する部分にはP型不純物であるボロン(B+ )が注入されてP型部分103aとなっていると共に、5nm程度上面が削られている。
次に、レジスト111を除去した後、図5(c)に示すように、第1領域107において多結晶シリコン膜103上にレジスト112を形成する。続いて、レジスト112をマスクとして、第2領域108に位置する多結晶シリコン膜103にN型不純物としてヒ素(As)を注入する。注入の条件は、例えば注入エネルギー約20keVで且つドーズ量5×102 /cm2 とする。
このイオン注入により、第2領域108の多結晶シリコン膜103をN型部分103bとすると共に、その上面が35nm程度削られる。この後、レジスト112を通常の方法で除去する。この際、N型部分103bは上面が0〜5nm程度削られる。
以上の結果、図5(d)に示すように、P型不純物が注入されたP型部分103aと、N型不純物が注入されたN型部分103bとの厚さの差は、30nm以上となっている。このように、第1領域107と第2領域108との境界において、多結晶シリコン膜103の上面に段差121が生じている。この後、注入したイオンを活性化するための熱処理を、1050℃で且つ数秒間の条件をもって行なう。
次に、エッチングにより、段差121の角の部分を取り除き、順テーパー形状とする。このためには、例えば、流量3sccmのCF4 と、流量30sccmのO2 とを含む混合ガスを用いると共に、13.56MHzの高周波電源によりパワー3kWの電力を印加し、基板温度100℃で且つ10秒間のプラズマ照射を行なう。ここで、sccmは、流量を0℃で且つ1気圧での体積に換算し、ミリリットル毎分で表す単位である。
このようなエッチングにより、図5(e)に示すように、段差121の角がエッチングされ、テーパー形状となる。ここで、テーパー角A(多結晶シリコン膜103の膜厚が薄い側である第2領域108の上面に対し、テーパー形状部分が立ち上がっている角度)は、約43度となっている。
この後、通常の洗浄を行なった後、シリサイド化を行なうための金属膜としてニッケル膜113を多結晶シリコン膜103上(P型部分103a上及びN型部分103b上)に形成する。更に、熱処理により、ニッケルとシリコンとの反応によってニッケルシリサイド膜(図示せず)を形成する。
以上の方法によると、図5(e)に示したように、P型部分103aとN型部分103bとの境界に生じる段差121について、順テーパー形状とすることができる。このため、シリサイド化のためのニッケル膜113を多結晶シリコン膜103上に形成した際、段差121の部分においてもニッケル膜113の被覆が劣化するのを抑制している。この結果、ニッケル膜113をシリサイド化してニッケルシリサイド膜としたとき、断線が生じるのを抑制することができる。このようにして、シリサイド膜の断線及び高抵抗化が抑制された半導体装置を製造することができる。
尚、本実施形態においては、エッチングはCF4 とO2 との混合ガスを用いた。しかし、これに限るものではなく、例えばArを用いるエッチングを行なっても良い。また、エッチングの条件によって、テーパー角Aを調整することが可能であり、テーパー角Aは、40度以上で且つ60度以下にするのがよい。
また、シリサイド化しない領域を形成するために、ニッケル膜113を形成するのに先だって、シリサイド化しない領域を覆うレジストを形成しても良い。このことは、第1の実施形態と同様であるから、詳しい説明は省略する。
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置とその製造方法について、図面を参照して説明する。
本実施形態の半導体装置が備えるデュアルゲート構造の電界効果トランジスタも、図1によって模式的に示されるものである。第1の実施形態の場合と同様であるから、詳しい説明は省略する。
次に、図6(a)〜(d)に、本実施形態の半導体装置が備える電界効果トランジスタの製造工程を説明する図を示す。ここで、本実施形態において、はじめに第2の実施形態の図5(a)〜(d)に示した工程と同様の工程を行なう。図6(a)には、図5(d)と同じ図を示している。つまり、ゲート電極を構成する多結晶シリコン膜103について、第1領域107においてはP型不純部としてボロン(B+ )が注入されてP型部分103aとなると共に、5nm程度上面が削られている。また、第2領域108においては、N型不純物としてヒ素(As)が注入されてN型部分103bとなると共に、35nm程度上面が削られている。このことから、第1領域107と第2領域108との境界において、多結晶シリコン膜103の上面に段差121が生じている。
次に、図6(b)に示すように、シリコン膜103上に、段差121を含む領域が開口したレジスト122をパターニングする。更に、図6(c)に示すように、レジスト122をマスクとして、多結晶シリコン膜103の段差121を含む領域にインジウムを注入する。この時の注入の条件は、例えば注入エネルギー約30keVで且つドーズ量5×1014/cm2 とする。これによって、多結晶シリコン膜103の上面の一部が段差121を含めて削られ、滑らかに凹んだ面となる。言い換えると、第1領域107と第2領域108との境界(P型部分103aとN型部分103bとの境界)において、順テーパー状の形状となる。この時、テーパー角は、例えば約57度となる。
この後、通常の方法によりレジスト122を除去し、シリサイドを形成するための金属膜として、多結晶シリコン膜103上に第1領域107と第2領域108とに亘ってニッケル膜113を例えば厚さ10nmに形成する。更に、熱処理により、ニッケル膜113のニッケルと多結晶シリコン膜103のシリコンとを反応させて、ニッケルシリサイド膜(図示せず)を形成する。
以上の方法によると、図6(c)に示すように、第1領域107と第2領域108との境界を含む領域において多結晶シリコン膜103上面の一部を取り除くことにより、境界に生じていた段差121を除き、順テーパー状の形状とすることができる。このため、多結晶シリコン膜103上にニッケル膜113を形成した際に、境界の部分においても被覆は確実に行なわれる。この結果、ニッケル膜113をシリサイド化してニッケルシリサイド膜としたとき、断線が生じることはない。このようにして、シリサイド膜の断線及び高抵抗化が抑制された半導体装置を製造することができる。
更に、境界の部分以外にはイオン注入が行われないため、安定した素子特性を得ることが可能である。
尚、本実施形態において、段差121を含む領域にはインジウムを注入した。しかし、第1の実施形態の場合と同様、インジウムに限るものではなく、例えば、ガリウム、ヒ素、アンチモン、アルゴン又はクリプトン等を用いることができる。また、注入の条件によってテーパー角を調整することが可能であり、40度以上で且つ60度以下にするのが良い。
また、シリサイド化しない領域を形成するために、ニッケル膜113を形成するのに先だって、シリサイド化しない領域を覆うレジストの形成等を行なっても良い。このことは、第1及び第2の実施形態と同様であるから、詳しい説明は省略する。
以上の各実施形態に説明したように、本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、金属シリサイド膜を備えるデュアルゲート構造の半導体装置において、集積度の低下を招くことなく金属シリサイド膜の断線を防ぐことができる。
尚、以上のいずれの実施形態においても、金属膜としてニッケル膜を形成し、これと多結晶シリコン膜との反応によりニッケルシリサイド膜を形成している。しかし、ニッケル以外の金属、例えばコバルト、チタン又は白金を用いて、それぞれの金属シリサイド膜を形成することも可能である。
また、以上ではいずれもデュアルゲート構造を有するFETのゲート電極におけるPN接合の位置に発生する段差について説明したが、この他にも、シリサイド膜を形成する面に段差が存在するような場合には適用可能である。つまり、多結晶シリコン膜の膜厚を揃えて段差を小さくする、段差の角の部分を除いてテーパー形状とする又は段差を含む領域の表面を一部取り除いて段差のない滑らかな面を形成する等の方法により、シリサイド膜の断線を軽減できる。
本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、PN接合の部分におけるシリサイド膜の断線の抑制が実現されていることから、シリサイド膜を有するデュアルゲート構造の半導体装置等に有用である。
図1は、本発明の各実施形態に係る半導体装置が備える電界効果トランジスタを示す図である。 図2(a)〜(f)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明する図である。 図3(a)は、段差のある基板上にシリサイド化のための金属膜が形成された様子を示す図であり、図3(b)は、段差の大きさ及び金属膜の厚さと、金属シリサイド膜の断線発生との関係を示す図である。 図4(a)は、段差のある基板上に金属シリサイド膜が形成された様子を示す図であり、図4(b)は、段差の大きさ及び金属シリサイド膜の厚さと、断線の発生との関係を示す図である。 図5(a)〜(f)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明する図である。 図6(a)〜(d)は、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明する図である。 図7は、一従来技術の半導体装置におけるゲート電極の構成を示す平面図である。 図8(a)〜(e)は、他の従来技術である半導体装置の製造工程を説明する図である。
符号の説明
101 半導体基板
102 ゲート酸化膜
103 多結晶シリコン膜
103a P型部分
103b N型部分
104 金属シリサイド膜
105 ゲート電極
106 サイドウォール
107 第1の領域
108 第2の領域
110 素子分離
111 レジスト
112 レジスト
113 ニッケル膜
121 段差
201 基板
202 金属膜
203 段差
204 金属シリサイド膜

Claims (16)

  1. 基板の第1領域に形成されたPチャネル型電界効果トランジスタ及び前記基板の第2領域に形成されたNチャネル型電界効果トランジスタを備えるデュアルゲート構造の半導体装置であって、
    前記基板上に、前記第1領域及び第2領域に亘って連続的に形成された多結晶シリコン膜と、その上に形成された金属シリサイド膜とからなるゲート電極を備え、
    前記多結晶シリコン膜は、前記第1領域内に位置するP型部分と、前記P型部分に接し且つ前記第2領域内に位置するN型部分とを有し、
    前記P型部分に、前記P型部分の導電型を決定するP型不純物よりも重い元素が更に注入されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 請求項1において、
    前記P型部分と前記N型部分との厚さの差が、前記金属シリサイド膜の厚さの2倍以下であることを特徴とする半導体装置。
  3. 基板の第1領域に形成されたPチャネル型電界効果トランジスタ及び前記基板の第2領域に形成されたNチャネル型電界効果トランジスタを備えるデュアルゲート構造の半導体装置であって、
    前記基板上に、前記第1領域及び第2領域に亘って連続的に形成された多結晶シリコン膜と、その上に形成された金属シリサイド膜とからなるゲート電極を備え、
    前記多結晶シリコン膜は、前記第1領域内に位置するP型部分と、前記P型部分に接し且つ前記第2領域内に位置するN型部分とを有し、
    前記多結晶シリコン膜の前記P型部分と前記N型部分との境界部分に、前記P型部分の導電型を決定するP型不純物よりも重い元素が更に注入されていることを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項3において、
    前記多結晶シリコン膜における前記境界部分の上面が、連続した1つの面となっていることを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項1〜4のいずれか1つにおいて、
    前記元素は、ガリウム、インジウム、砒素、アンチモン、アルゴン及びクリプトンのうちの少なくとも1つであることを特徴とする半導体装置。
  6. 基板の第1領域に形成されたPチャネル型電界効果トランジスタ及び前記基板の第2領域に形成されたNチャネル型電界効果トランジスタを備えるデュアルゲート構造の半導体装置であって、
    前記基板上に、前記第1領域及び第2領域に亘って連続的に形成された多結晶シリコン膜と、その上に形成された金属シリサイド膜とからなるゲート電極を備え、
    前記多結晶シリコン膜は、前記第1領域内に位置するP型部分と、前記P型部分に接し且つ前記第2領域内に位置するN型部分とを有し、
    前記P型部分は、前記N型部分よりも厚く、
    前記多結晶シリコン膜の前記P型部分と前記N型部分との境界において、前記N型部分よりも上側に位置する前記P型部分の端部が順テーパー形状を有していることを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項6において、
    前記順テーパー形状のテーパー角は、40度以上であり且つ60度以下であることを特徴とする半導体装置。
  8. 基板の第1領域に形成されたPチャネル型電界効果トランジスタ及び前記基板の第2領域に形成されたNチャネル型電界効果トランジスタを備えるデュアルゲート構造の半導体装置の製造方法であって、
    前記基板上に、前記第1領域及び前記第2領域に亘って多結晶シリコン膜を連続的に形成する工程と、
    前記多結晶シリコン膜の前記第1領域内に位置する部分にP型不純物を注入してP型部分を形成する工程と、
    前記多結晶シリコン膜の前記第2領域内に位置し且つ前記P型部分と接する部分にN型不純物を注入してN型部分を形成する工程と、
    前記多結晶シリコン膜上に金属膜を形成する工程と、
    前記金属膜をシリサイド化することにより金属シリサイド膜を形成する工程とを備え、
    前記P型不純物の注入及び前記N型不純物の注入によって、前記P型部分と前記N型部分との厚さの差が生じ、
    前記金属膜を形成する工程の前に、前記厚さの差を縮小する工程を更に備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 請求項8において、
    前記P型部分と前記N型部分との厚さの差を、前記金属膜の厚さの2倍以下にすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 請求項8又は9において、
    前記厚さの差を縮小する工程において、
    前記P型部分に、前記P型不純物よりも重い元素を更に注入して前記P型部分の厚さを小さくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 基板の第1領域に形成されたPチャネル型電界効果トランジスタ及び前記基板の第2領域に形成されたNチャネル型電界効果トランジスタを備えるデュアルゲート構造の半導体装置の製造方法であって、
    前記基板上に、前記第1領域及び前記第2領域に亘って多結晶シリコン膜を連続的に形成する工程と、
    前記多結晶シリコン膜の前記第1領域内に位置する部分にP型不純物を注入してP型部分を形成する工程と、
    前記多結晶シリコン膜の前記第2領域内に位置し且つ前記P型部分と接する部分にN型不純物を注入してN型部分を形成する工程と、
    前記多結晶シリコン膜上に金属膜を形成する工程と、
    前記金属膜をシリサイド化することにより金属シリサイド膜を形成する工程とを備え、
    前記P型不純物の注入及び前記N型不純物の注入によって、前記P型部分と前記N型部分との厚さの差が生じ、
    前記金属シリサイド膜を形成する工程の前に、前記厚さの差のために前記P型部分と前記N型部分との境界に生じている段差部分を除去する工程を更に備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  12. 請求項11において、
    前記段差部分を除去する工程において、
    前記段差部分に前記P型不純物よりも重い元素を注入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  13. 請求項10又は12において、
    前記元素は、ガリウム、インジウム、砒素、アンチモン、アルゴン及びクリプトンのうちの少なくとも1つであることを特徴とする半導体装置。
  14. 基板の第1領域に形成されたPチャネル型電界効果トランジスタ及び前記基板の第2領域に形成されたNチャネル型電界効果トランジスタを備えるデュアルゲート構造の半導体装置の製造方法であって、
    前記基板上に、前記第1領域及び前記第2領域に亘って多結晶シリコン膜を連続的に形成する工程と、
    前記多結晶シリコン膜の前記第1領域内に位置する部分にP型不純物を注入してP型部分を形成する工程と、
    前記多結晶シリコン膜の前記第2領域内に位置し且つ前記P型部分と接する部分にN型不純物を注入してN型部分を形成する工程と、
    前記多結晶シリコン膜上に金属膜を形成する工程と、
    前記金属膜をシリサイド化することにより金属シリサイド膜を形成する工程とを備え、
    前記P型不純物の注入及び前記N型不純物の注入によって、前記P型部分と前記N型部分との厚さの差が生じ、
    前記金属シリサイド膜を形成する工程の前に、前記多結晶シリコン膜の前記P型部分と前記N型部分との境界において、前記N型部分よりも上側に位置する前記P型部分の端部を順テーパー形状とする工程を更に備えることを特長とする半導体装置の製造方法。
  15. 請求項14において、
    前記端部を順テーパー形状とする工程において、
    前記端部を選択的にエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  16. 請求項15において、
    前記エッチングは、CF4 とO2 との混合ガス又はArガスを用いるドライエッチングであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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