JP2007208079A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の製造方法では、同一の絶縁膜内に引張応力と圧縮応力とが共存した半導体装置を得ることが困難であった。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る製造方法は、ｎＦＥＴ９およびｐＦＥＴ７をシリコン基板１に形成する工程と、ｎＦＥＴ９およびｐＦＥＴ７の双方を覆うとともに、所定波長の光が照射されることにより応力値が変化する絶縁膜２０を形成する工程と、絶縁膜２０の部分１２（第１部分）または部分１０（第２部分）のうち何れか一方に上記光を照射することにより、部分１２の応力値と部分１０の応力値とを相異ならしめる工程とを含んでいる。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。

インターネットの急速な普及により、ネットワークサーバ等のＩＴ関連デジタル機器に使用される半導体装置に対し、さらなる高集積化、高周波数化が要求されている。このような半導体装置においては近年、応力を加えることによりチャネルを歪ませ、トランジスタの移動度を高めるといった方法が検討されている。ｎチャネル型電界効果トランジスタ（以下、ｎＦＥＴと記す）の場合、チャネルと平行方向に引張り応力を加えて歪ませることによりドレイン電流が向上することが知られている。ｐチャネル型電界効果トランジスタ（以下、ｐＦＥＴと記す）の場合、チャネルと平行方向に圧縮応力を加えて歪ませることによりドレイン電流が向上することが知られている。

この現象を利用してｎＦＥＴおよびｐＦＥＴの両方のトランジスタの電流特性を向上させるいくつかの提案がなされている。例えば、特許文献１に記載されている半導体装置においては、電界効果トランジスタの上面に形成した絶縁膜の応力を利用している。特に、ｎＦＥＴの上面に形成した絶縁膜の応力値とｐＦＥＴの上面に形成した絶縁膜の応力値とを相異なるものにすることにより、ｎＦＥＴおよびｐＦＥＴの両方でドレイン電流を向上させることができる。

このようにｎＰＥＴ上とｐＦＥＴ上とで応力値が相異なる絶縁膜を備える半導体装置は、従来、次のように製造されていた。はじめに、シリコン基板上にｎＦＥＴおよびｐＦＥＴを形成する。次に、ｎＦＥＴおよびｐＦＥＴの両方の上面に絶縁膜を成膜する。次に、ｎＦＥＴの上面に位置する絶縁膜にのみマスクを形成した後、絶縁膜にアルゴン等の不活性元素をイオン注入する。それにより、ｐＦＥＴの上面に位置する絶縁膜の応力値を変化させる。最後に、マスクを除去することにより、上記半導体装置が得られる。
特開２００５−５７３０１号公報

上述のように、従来の半導体装置の製造方法においては、ｎＰＥＴ上とｐＦＥＴ上とで絶縁膜の応力値を相異ならしめるための手法として、絶縁膜に不活性元素をイオン注入するという手法が採られていた。すなわち、この手法は、イオン注入によってｐＦＥＴ上の絶縁膜の引張応力を緩和し、それによりｐＦＥＴ上の絶縁膜の応力をｎＦＥＴ上の絶縁膜のそれよりも圧縮応力側に変化させるというものである。しかしながら、この変化は応力緩和によるものであるが故に、引張応力を圧縮応力に転じさせることまではできない。それゆえ、従来の製造方法では、同一の絶縁膜内に引張応力と圧縮応力とが共存した半導体装置を得ることが困難であった。

本発明による半導体装置の製造方法は、ｎチャネル型電界効果トランジスタおよびｐチャネル型電界効果トランジスタを半導体基板に形成するトランジスタ形成工程と、上記ｎチャネル型電界効果トランジスタおよび上記ｐチャネル型電界効果トランジスタの双方を覆うとともに、所定波長の光が照射されることにより応力値が変化する絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、上記絶縁膜の上記ｎチャネル型電界効果トランジスタ上に形成された部分である第１部分または上記ｐチャネル型電界効果トランジスタ上に形成された部分である第２部分のうち何れか一方に上記光を照射することにより、上記第１部分の応力値と上記第２部分の応力値とを相異ならしめる光照射工程と、を含むことを特徴とする。

この製造方法では、絶縁膜形成工程において、所定波長の光が照射されることにより応力値が変化する絶縁膜が形成される。そして、光照射工程においては、上記絶縁膜のうちｎＦＥＴ上に形成された部分（第１部分）またはｐＦＥＴ上に形成された部分（第２部分）の一方にのみ上記光が照射される。すると、第１部分および第２部分のうち光が照射された方の応力値が変化し、それにより第１部分と第２部分とで応力値が相異なることとなる。かかる手法によれば、引張応力を圧縮応力に転じさせたり、圧縮応力を引張応力に転じさせたりすることも可能である。したがって、同一の絶縁膜内に引張応力と圧縮応力とが共存した半導体装置を容易に製造することが可能となる。

また、本発明による半導体装置は、半導体基板と、上記半導体基板に設けられたｎチャネル型電界効果トランジスタおよびｐチャネル型電界効果トランジスタと、上記ｎチャネル型電界効果トランジスタおよび上記ｐチャネル型電界効果トランジスタの双方を覆う一体の絶縁膜と、を備え、上記絶縁膜の上記ｎチャネル型電界効果トランジスタ上に設けられた部分である第１部分の応力は、引張応力であり、上記絶縁膜の上記ｐチャネル型電界効果トランジスタ上に設けられた部分である第２部分の応力は、圧縮応力であることを特徴とする。

この半導体装置においては、一体の絶縁膜がｎＦＥＴおよびｐＦＥＴの双方を覆っている。そして、その絶縁膜の応力値は、ｎＦＥＴ上に設けられた部分（第１部分）とｐＦＥＴ上に設けられた部分（第２部分）とで相異なる。具体的には、第１部分の応力は引張応力であり、その一方で第２部分の応力は圧縮応力である。したがって、ｎＦＥＴおよびｐＦＥＴのそれぞれにおいて、優れた電流特性を得ることができる。

本発明によれば、同一の絶縁膜内に引張応力と圧縮応力とが共存した半導体装置およびその製造方法が実現される。

以下、図面を参照しつつ、本発明による半導体装置およびその製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明による半導体装置の第１実施形態を示す断面図である。半導体装置１００は、シリコン基板１（半導体基板）と、シリコン基板１に設けられたｎチャネル型電界効果トランジスタ（ｎＦＥＴ）９およびｐチャネル型電界効果トランジスタ（ｐＦＥＴ）７と、ｎＦＥＴ９およびｐＦＥＴ７の双方を覆う一体の絶縁膜２０と、を備えている。

ｐＦＥＴ７は、ソース・ドレイン領域として機能するｐ型不純物層３、ゲート絶縁膜４、サイドウォール５、およびゲート電極６を含んでいる。また、ｎＦＥＴ９は、ソース・ドレイン領域として機能するｎ型不純物層８、ゲート絶縁膜４、サイドウォール５、およびゲート電極６を含んでいる。これらのｐＦＥＴ７およびｎＦＥＴ９は、素子分離領域２によって互いに隔離されている。素子分離領域２は、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）である。

絶縁膜２０のｎＦＥＴ９上に設けられた部分１２（第１部分）の応力と、絶縁膜２０のｐＦＥＴ７上に設けられた部分１０（第２部分）の応力とは、相異なる。具体的には、部分１２および部分１０は共に圧縮応力を有しているが、部分１２は部分１０よりも引張応力側にある。ここで、部分１２および部分１０の応力は、それぞれ引張応力および圧縮応力であることが好ましい。

絶縁膜２０は、所定波長の光が照射されることにより当該絶縁膜２０中での濃度が変化する特定元素を含んでいる。また、絶縁膜２０において、部分１２での特定元素の濃度と部分１０での特定元素の濃度とは、相異なる。本実施形態においては、部分１２での特定元素の濃度の方が、部分１０でのそれよりも低い。絶縁膜２０に上記光が照射されると、照射された部分で特定元素の濃度が変化し、それによりその部分の応力値が変化する。ここで、特定元素としては、例えば水素が挙げられる。特定元素が水素の場合、上記光としては、例えば紫外光（ＵＶ光）を用いることができる。

図２〜図５を参照しつつ、本発明による半導体装置の製造方法の第１実施形態として、半導体装置１００の製造方法の一例を説明する。概括すると、この製造方法は、下記工程（ａ）〜（ｃ）を含むものである。
（ａ）ｎＦＥＴ９およびｐＦＥＴ７をシリコン基板１に形成する工程（トランジスタ形成工程）
（ｂ）ｎＦＥＴ９およびｐＦＥＴ７の双方を覆うとともに、所定波長の光が照射されることにより応力値が変化する絶縁膜２０を形成する工程（絶縁膜形成工程）
（ｃ）絶縁膜２０の部分１２または部分１０のうち何れか一方に上記光を照射することにより、部分１２の応力値と部分１０の応力値とを相異ならしめる工程（光照射工程）

より詳細に説明すると、まず、シリコン基板１に素子分離領域２を形成する。その後、シリコン基板１にｎＦＥＴ９およびｐＦＥＴ７を形成する（図２）。次に、ｎＦＥＴ９およびｐＦＥＴ７の上面に、圧縮応力を有する絶縁膜２０を成膜する（図３）。

絶縁膜２０としてＳｉＮ膜を用いる場合を例にとって、絶縁膜２０を形成する方法の一例を説明する。ＳｉＮ膜は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により成膜する。原料ガスとしては、シラン［ＳｉＨ_４］、メチルシラン［Ｓｉ（ＣＨ_３）_４］、アンモニア［ＮＨ_３］、窒素［Ｎ_２］、アルゴン［Ａｒ］および水素［Ｈ_２］等からなる群の中から選ばれる２種類以上のガスを使用する。また、成膜温度は２００℃〜５００℃とし、水素を過剰に含むＳｉＮ膜を１０ｎｍ〜２００ｎｍの膜厚になるように成膜する。すなわち、本例において上記特定元素は、水素である。

続いて、ｐＦＥＴ７上にマスク１１を形成する。マスク１１は、上記光（本例ではＵＶ光）を遮断する。マスク１１の材料としては、例えばアモルファスカーボンが挙げられる（図４）。その状態で、ＵＶ光照射およびアニール処理を、２００℃〜５００℃の温度範囲で、１分〜６０分程度実行する（図５）。同図においては、ＵＶ光照射およびアニール処理の様子を模式的に矢印１３で示している。このとき、絶縁膜２０の上記部分１２および上記部分１０のうち、マスク１１で覆われていない方の部分１２にのみＵＶ光が照射される。

照射するＵＶ光のエネルギーは、絶縁膜２０（の部分１２）中の水素に含まれる電子を遷移させて、絶縁膜２０と水素との反結合状態を得るのに等しいエネルギーとする。そうすることにより、絶縁膜２０と水素とを反結合状態にし、水素を絶縁膜２０から脱離させることができる。水素の脱離が起こると、絶縁膜２０の組成が変化することにより、応力値の変化が起こる。このため、本例においては、部分１２の応力が引張応力側に変化する。このとき、部分１２の応力および部分１０の応力がそれぞれ引張応力および圧縮応力となるようにすることが好ましい。

その後、マスク１１を除去することにより、図１に示した半導体装置１００が得られる。ここで、マスク１１としてアモルファスカーボンを利用した場合、マスク１１は、例えば、酸素プラズマ等によるエッチングで除去することができる。

本実施形態の効果を説明する。絶縁膜形成工程において、所定波長の光が照射されることにより応力値が変化する絶縁膜２０が形成される。そして、光照射工程においては、絶縁膜２０の部分１２および部分１０のうち、ｎＦＥＴ９上に形成された部分１２にのみ上記光が照射される。すると、部分１２の応力値が変化し、それにより部分１２と部分１０とで応力値が相異なることとなる。かかる手法によれば、圧縮応力を引張応力に転じさせることも可能である。したがって、同一の絶縁膜内に引張応力と圧縮応力とが共存した半導体装置を容易に製造することが可能となる。

部分１２および部分１０の応力がそれぞれ引張応力および圧縮応力である場合、ｎＦＥＴ９およびｐＦＥＴ７のそれぞれにおいて、特に優れた電流特性を得ることができる。

絶縁膜２０は、所定波長の光の照射により絶縁膜２０中での濃度が変化する特定元素を含んでいる。これにより、絶縁膜２０の応力値を容易に変化させることができる。実際、シリコン基板１においては、部分１２と部分１０とで特定元素の濃度が相異なっており、それにより応力値も相異なっている。水素は、かかる性質を有する特定元素として好適に用いることができる。

光照射工程においては、絶縁膜２０の部分１０をマスク１１で覆った状態で、光の照射を行っている。これにより、部分１２または部分１０のうち何れか一方に光を照射する工程を、容易に実現することができる。アモルファスカーボンは、ＵＶ光を遮断するマスク１１の材料として好適に用いることができる。

図６および図７を参照しつつ、所定波長の光の照射により絶縁膜の応力値が変化する機構を説明する。本説明では、所定波長の光がＵＶ光であり、特定元素が水素である場合を例にとることにする。

図６は、絶縁膜にＵＶ光照射およびアニール処理を施す前（線Ｃ１）と後（線Ｃ２）でそれぞれ、フーリエ変換赤外分光（ＦＴＩＲ）測定をした結果を示すグラフである。グラフの縦軸および横軸は、それぞれ吸収度［任意スケール］および波数［ｃｍ^−１］を表している。絶縁膜としては、水素を過剰に含むものを用いた。このグラフを見ると、ＵＶ光の照射後、水素起因のスペクトル強度（点線Ｃ３で囲まれた部分を参照）が減少していることから、ＵＶ光照射により絶縁膜から水素が脱離したことが分かる。

すなわち、絶縁膜とその中の特定元素とが反結合状態をとるために必要なエネルギーを有する光を絶縁膜の上面から照射することにより、かかる反結合状態を誘起して絶縁膜から特定元素を脱離させることができるのである。

図７は、ＵＶ光照射の前（左側の２本の棒グラフ）と後（右側の２本の棒グラフ）とでそれぞれ、応力値を測定した結果を示すグラフである。縦軸は、引張応力の応力値［ＧＰａ］を表している。応力値は、例えば、ＳｉＮ等のアモルファス膜の場合、レーザ光を照射したときの反射角から求められるウエハの反り（すなわち曲率半径）に基づいて算出することができる。詳細には、まず、被測定試料にレーザ光を照射する。膜付きウエハでは、膜からの応力により基板の変形（反り）が生じているため、照射されたレーザ光は反り量に応じたある反射角で反射される。上記レーザ光の照射・反射角測定をウエハの端から端までスキャンする。この結果から、ウエハ全体の反り量を求める。膜を付ける前にも同じ測定をしておくことで、成膜前後での反り量の変化を求める。この値を、成膜後の試料の曲率半径に変換する。得られた曲率半径から、下記式（Stoneyの式）で薄膜の応力σを算出する。
σ＝（Ｅ・ｈ_ｓ ^２）／｛６（１−γ）ｒ・ｈ_ｆ｝
ここで、Ｅ：基板のヤング率、ｈ_ｓ：基板の厚さ、γ：基板のポアソン比、ｒ：曲率半径、ｈ_ｆ：薄膜の膜厚である。

このグラフから、ＵＶ光の照射によって絶縁膜の応力値が変化したことが分かる。このように、ＵＶ光照射による絶縁膜の組成変化によって、応力値を変化させることができるのである。また、特定元素や光照射条件等を適宜選択することにより、引張応力を圧縮応力に転じさせたり、圧縮応力を引張応力に転じさせたりできる。

（第２実施形態）
図８は、本発明による半導体装置の第２実施形態を示す断面図である。半導体装置２００は、シリコン基板１、ｎＦＥＴ９、ｐＦＥＴ７、および絶縁膜２０を備えている。これらのうち、シリコン基板１、ｎＦＥＴ９およびｐＦＥＴ７の構成は、図１で説明したとおりである。

絶縁膜２０の部分１２の応力と部分１０の応力とは、相異なる。具体的には、部分１２および部分１０は共に引張応力を有しているが、部分１０は部分１２よりも圧縮応力側にある。ここで、部分１２および部分１０の応力は、それぞれ引張応力および圧縮応力であることが好ましい。

本実施形態においても絶縁膜２０は、所定波長の光が照射されることにより当該絶縁膜２０中での濃度が変化する特定元素を含んでいる。また、絶縁膜２０において、部分１２での特定元素の濃度と部分１０での特定元素の濃度とは、相異なる。本実施形態においては、部分１０での特定元素の濃度の方が、部分１２でのそれよりも低い。

図９〜図１２を参照しつつ、本発明による半導体装置の製造方法の第２実施形態として、半導体装置２００の製造方法の一例を説明する。この製造方法も、上記工程（ａ）〜（ｃ）を含むものである。

より詳細に説明すると、まず、シリコン基板１に素子分離領域２を形成する。その後、シリコン基板１にｎＦＥＴ９およびｐＦＥＴ７を形成する（図９）。次に、ｎＦＥＴ９およびｐＦＥＴ７の上面に、引張応力を有する絶縁膜２０を成膜する（図１０）。絶縁膜２０は、半導体装置１００の場合と同様の方法により形成することができる。

続いて、ｎＦＥＴ９上にマスク１１を形成する。（図１１）。その状態で、ＵＶ光照射およびアニール処理を実行することにより、部分１０の応力を圧縮応力側に変化させる（図１２）。このとき、部分１２の応力および部分１０の応力がそれぞれ引張応力および圧縮応力となるようにすることが好ましい。その後、マスク１１を除去することにより、図８に示した半導体装置２００が得られる。

本実施形態の効果を説明する。絶縁膜形成工程において、所定波長の光が照射されることにより応力値が変化する絶縁膜２０が形成される。そして、光照射工程においては、絶縁膜２０の部分１２および部分１０のうち、ｐＦＥＴ７上に形成された部分１０にのみ上記光が照射される。すると、部分１０の応力値が変化し、それにより部分１２と部分１０とで応力値が相異なることとなる。かかる手法によれば、引張応力を圧縮応力に転じさせることも可能である。したがって、同一の絶縁膜内に引張応力と圧縮応力とが共存した半導体装置を容易に製造することが可能となる。なお、本実施形態のその他の効果は、第１実施形態と同様である。

本発明による半導体装置およびその製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、絶縁膜２０の材料は、ＳｉＮに限られない。所定波長の光（光照射工程において用いられる光）を吸収し、それにより応力変化が起こる材料でありさえすれば、その他の材料を用いてもよい。

また、マスク１１の材料は、アモルファスカーボンに限られない。上記光を透過しない材料でありさえすれば、その他の材料を用いてもよい。

本発明による半導体装置の第１実施形態を示す断面図である。 本発明による半導体装置の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。 本発明による半導体装置の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。 本発明による半導体装置の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。 本発明による半導体装置の製造方法の第１実施形態を示す工程図である。 所定波長の光の照射により絶縁膜の応力値が変化する機構を説明するためのグラフである。 所定波長の光の照射により絶縁膜の応力値が変化する機構を説明するためのグラフである。 本発明による半導体装置の第２実施形態を示す断面図である。 本発明による半導体装置の製造方法の第２実施形態を示す工程図である。 本発明による半導体装置の製造方法の第２実施形態を示す工程図である。 本発明による半導体装置の製造方法の第２実施形態を示す工程図である。 本発明による半導体装置の製造方法の第２実施形態を示す工程図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ 素子分離領域
３ ｐ型不純物層
４ ゲート絶縁膜
５ サイドウォール
６ ゲート電極
７ ｐＦＥＴ
８ ｎ型不純物層
９ ｎＦＥＴ
１０ 絶縁膜の第２部分
１１ マスク
１２ 絶縁膜の第１部分
１３ 光照射およびアニール処理
２０ 絶縁膜
１００ 半導体装置
２００ 半導体装置

Claims (11)

1. ｎチャネル型電界効果トランジスタおよびｐチャネル型電界効果トランジスタを半導体基板に形成するトランジスタ形成工程と、
   前記ｎチャネル型電界効果トランジスタおよび前記ｐチャネル型電界効果トランジスタの双方を覆うとともに、所定波長の光が照射されることにより応力値が変化する絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
   前記絶縁膜の前記ｎチャネル型電界効果トランジスタ上に形成された部分である第１部分または前記ｐチャネル型電界効果トランジスタ上に形成された部分である第２部分のうち何れか一方に前記光を照射することにより、前記第１部分の応力値と前記第２部分の応力値とを相異ならしめる光照射工程と、
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記光照射工程においては、前記絶縁膜の前記第１部分の応力および前記第２部分の応力がそれぞれ引張応力および圧縮応力となるようにする半導体装置の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記絶縁膜は、前記光が照射されることにより当該絶縁膜中での濃度が変化する特定元素を含む半導体装置の製造方法。
4. 請求項３に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記特定元素は、水素である半導体装置の製造方法。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記光は、紫外光である半導体装置の製造方法。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記絶縁膜形成工程においては、圧縮応力を有する前記絶縁膜を形成し、
   前記光照射工程においては、前記絶縁膜の前記第１部分に前記光を照射することにより、前記第１部分の応力を引張応力側に変化させる半導体装置の製造方法。
7. 請求項１乃至５いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記絶縁膜形成工程においては、引張応力を有する前記絶縁膜を形成し、
   前記光照射工程においては、前記絶縁膜の前記第２部分に前記光を照射することにより、前記第２部分の応力を圧縮応力側に変化させる半導体装置の製造方法。
8. 請求項１乃至７いずれかに記載の半導体装置の製造方法において、
   前記光照射工程においては、前記絶縁膜の前記第１部分または前記第２部分の一方を、前記光を遮断するマスクで覆った状態で、前記光の照射を行う半導体装置の製造方法。
9. 請求項８に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記光は、紫外光であり、
   前記マスクの材料は、アモルファスカーボンである半導体装置の製造方法。
10. 半導体基板と、
    前記半導体基板に設けられたｎチャネル型電界効果トランジスタおよびｐチャネル型電界効果トランジスタと、
    前記ｎチャネル型電界効果トランジスタおよび前記ｐチャネル型電界効果トランジスタの双方を覆う一体の絶縁膜と、を備え、
    前記絶縁膜の前記ｎチャネル型電界効果トランジスタ上に設けられた部分である第１部分の応力は、引張応力であり、
    前記絶縁膜の前記ｐチャネル型電界効果トランジスタ上に設けられた部分である第２部分の応力は、圧縮応力であることを特徴とする半導体装置。
11. 請求項１０に記載の半導体装置において、
    前記絶縁膜は、所定波長の光が照射されることにより当該絶縁膜中での濃度が変化する特定元素を含んでおり、
    前記第１部分での前記特定元素の濃度と前記第２部分での前記特定元素の濃度とは、相異なる半導体装置。

Images