JP2007335784A - 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係わるものであり、例えば65nmノード以降の先端CMOSを用いた半導体装置、および半導体装置の製造方法に適用することができる。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and can be applied to, for example, a semiconductor device using a leading-edge CMOS having a 65 nm node or later and a manufacturing method of the semiconductor device.
近年のCMOSデバイスでは、一つの半導体装置に複数のpMOSトランジスタおよびnMOSトランジスタが形成されている。より具体的には、一つの半導体装置には、入出力回路部と、当該入出力回路部よりも低い電圧が印加される高速動作回路部とが形成され、各回路部において各々、pMOSトランジスタおよびnMOSトランジスタが複数形成されている。 In recent CMOS devices, a plurality of pMOS transistors and nMOS transistors are formed in one semiconductor device. More specifically, an input / output circuit portion and a high-speed operation circuit portion to which a voltage lower than that of the input / output circuit portion is applied are formed in one semiconductor device. A plurality of nMOS transistors are formed.
なお、本発明に関連する先行技術として、特許文献1,2および非特許文献1が存在する。
Note that
しかし、近年の先端CMOSデバイスの信頼性を律速する最重要問題の一つに、pMOSトランジスタに負のゲートバイアスを加えた場合の寿命、いわゆるNBTI(Negative Bias Temperature Instability)寿命がある。技術世代が進むにつれ、当該NBTI寿命の確保はますます困難になりつつある。 However, one of the most important problems that control the reliability of advanced CMOS devices in recent years is a life when a negative gate bias is applied to a pMOS transistor, that is, a so-called NBTI (Negative Bias Temperature Instability) life. As the technology generation advances, it is becoming increasingly difficult to ensure the NBTI life.
ところで、高速動作回路のMOSトランジスタは、高周波動作を実現するために高いオン電流が要求される。SRAM(Static Random Access Memory)では、特にnMOSトランジスタにおいてその要求が強い。 By the way, a MOS transistor of a high-speed operation circuit is required to have a high on-current in order to realize a high-frequency operation. In the SRAM (Static Random Access Memory), the demand is particularly strong in an nMOS transistor.
そこで、本発明は、pMOSトランジスタのNBTI寿命の向上およびnMOSトランジスタの高性能化を両立することができる半導体装置を提供することを目的とする。また当該半導体装置の性能に影響を与えること無く、より簡易な方法によって前記半導体装置を製造することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can achieve both improvement in the NBTI life of a pMOS transistor and improvement in performance of an nMOS transistor. It is another object of the present invention to provide a semiconductor device manufacturing method that can manufacture the semiconductor device by a simpler method without affecting the performance of the semiconductor device.
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項1に記載の半導体装置は、入出力回路部と、前記入出力回路部よりも低い電圧が印加され、前記入出力回路部よりも膜厚の薄いゲート絶縁膜を有する高速動作回路部とを備えた半導体装置であって、前記高速動作回路部は、半導体基板表面上の第1の領域に形成され、フッ素が導入されていない第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜表面上に形成された第1のゲート電極と、前記第1のゲート電極に対向する前記半導体基板を挟んで、前記半導体基板表面中に形成された一対のn型不純物拡散領域とを有する、nMOSトランジスタと、前記半導体基板表面上の第2の領域に形成され、前記第1のゲート絶縁膜よりも膜厚が厚く、その膜中に前記フッ素が導入された第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜表面上に形成され、不純物を含み、少なくとも構成要素として珪素を含む第2のゲート電極と、前記第2のゲート電極に対向する前記半導体基板を挟んで、前記半導体基板表面中に形成された一対のp型不純物拡散領域とを有する、pMOSトランジスタと、を備えている。
In order to achieve the above object, a semiconductor device according to
また、本発明に係る請求項7に記載の半導体装置の製造方法は、pMOSトランジスタおよびnMOSトランジスタを備えた、半導体装置の製造方法であって、半導体基板表面上に、第1のゲート絶縁膜を介してゲート電極材料を形成する工程と、前記nMOSトランジスタ形成領域表面上を覆い、前記pMOSトランジスタ形成領域表面上の少なくとも一部を開口するマスクを形成する工程と、前記マスク形成後、前記半導体基板上面に対してフッ素を注入して、前記pMOSトランジスタ形成領域の少なくとも一部の前記ゲート電極材料中に前記フッ素を導入し、前記フッ素導入後に熱処理を行う工程と、前記熱処理を行う工程の後に、前記pMOSトランジスタ形成領域の前記ゲート電極材料中に不純物を導入する工程とを備えている。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method comprising a pMOS transistor and an nMOS transistor, wherein the first gate insulating film is provided on the surface of the semiconductor substrate. Forming a gate electrode material, forming a mask covering the surface of the nMOS transistor formation region and opening at least a part of the surface of the pMOS transistor formation region, and after forming the mask, the semiconductor substrate Injecting fluorine into the upper surface, introducing the fluorine into at least a part of the gate electrode material of the pMOS transistor formation region, performing a heat treatment after the fluorine introduction, and performing the heat treatment, And introducing an impurity into the gate electrode material in the pMOS transistor formation region.
また、本発明に係る請求項11に記載の半導体装置の製造方法は、pMOSトランジスタおよびnMOSトランジスタを備えた半導体装置の製造方法であって、半導体基板表面上に、第1のゲート絶縁膜を介してゲート電極材料を形成する工程と、前記nMOSトランジスタ形成領域表面上を覆い、前記pMOSトランジスタ形成領域表面上の少なくとも一部を開口するマスクを形成する工程と、前記マスク形成後、前記半導体基板上面に対して酸素を注入して、前記pMOSトランジスタ形成領域の少なくとも一部の前記ゲート電極材料中に前記酸素を導入し、前記酸素導入後に熱処理を行う工程と、前記熱処理を行う工程の後に、前記pMOSトランジスタ形成領域の前記ゲート電極材料中に不純物を導入する工程とを備えている。 A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 11 of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device having a pMOS transistor and an nMOS transistor, and the first gate insulating film is interposed on the surface of the semiconductor substrate. Forming a gate electrode material; forming a mask covering the surface of the nMOS transistor formation region and opening at least a part of the surface of the pMOS transistor formation region; and after forming the mask, Injecting oxygen into the pMOS transistor formation region, introducing the oxygen into at least a part of the gate electrode material, performing a heat treatment after the oxygen introduction, and after performing the heat treatment, and a step of introducing an impurity into the gate electrode material in the pMOS transistor formation region.
本発明の請求項1に記載の半導体装置は、入出力回路部と、前記入出力回路部よりも低い電圧が印加され、前記入出力回路部よりも膜厚の薄いゲート絶縁膜を有する高速動作回路部とを備えた半導体装置であって、前記高速動作回路部は、半導体基板表面上の第1の領域に形成され、フッ素が導入されていない第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜表面上に形成された第1のゲート電極と、前記第1のゲート電極に対向する前記半導体基板を挟んで、前記半導体基板表面中に形成された一対のn型不純物拡散領域とを有する、nMOSトランジスタと、前記半導体基板表面上の第2の領域に形成され、前記第1のゲート絶縁膜よりも膜厚が厚く、その膜中に前記フッ素が導入された第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜表面上に形成され、不純物を含み、少なくとも構成要素として珪素を含む第2のゲート電極と、前記第2のゲート電極に対向する前記半導体基板を挟んで、前記半導体基板表面中に形成された一対のp型不純物拡散領域とを有する、pMOSトランジスタと、を備えている。
The semiconductor device according to
したがって、pMOSトランジスタのNBTI寿命の向上およびnMOSトランジスタの高性能化を両立することができる半導体装置を提供することができる。 Therefore, it is possible to provide a semiconductor device that can simultaneously improve the NBTI lifetime of the pMOS transistor and improve the performance of the nMOS transistor.
本発明の請求項7に記載の半導体装置の製造方法は、pMOSトランジスタおよびnMOSトランジスタを備えた、半導体装置の製造方法であって、半導体基板表面上に、第1のゲート絶縁膜を介してゲート電極材料を形成する工程と、前記nMOSトランジスタ形成領域表面上を覆い、前記pMOSトランジスタ形成領域表面上の少なくとも一部を開口するマスクを形成する工程と、前記マスク形成後、前記半導体基板上面に対してフッ素を注入して、前記pMOSトランジスタ形成領域の少なくとも一部の前記ゲート電極材料中に前記フッ素を導入し、前記フッ素導入後に熱処理を行う工程と、前記熱処理を行う工程の後に、前記pMOSトランジスタ形成領域の前記ゲート電極材料中に不純物を導入する工程とを備えている。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device manufacturing method comprising a pMOS transistor and an nMOS transistor, wherein the gate is formed on the surface of the semiconductor substrate via the first gate insulating film. Forming an electrode material; forming a mask covering the surface of the nMOS transistor formation region and opening at least a part of the surface of the pMOS transistor formation region; and after forming the mask, Injecting fluorine into the gate electrode material in at least a part of the pMOS transistor formation region, performing a heat treatment after the fluorine introduction, and after performing the heat treatment, the pMOS transistor And a step of introducing impurities into the gate electrode material in the formation region.
したがって、半導体装置の性能に影響を与えること無く、より簡易な方法に請求項1に記載の半導体装置を製造することができる。また、当該方法を採用することにより、pMOSトランジスタを構成するゲート電極に含まれる不純物が、半導体基板へ拡散することを抑制することができる。
Therefore, the semiconductor device according to
本発明の請求項11に記載の半導体装置の製造方法は、pMOSトランジスタおよびnMOSトランジスタを備えた半導体装置の製造方法であって、半導体基板表面上に、第1のゲート絶縁膜を介してゲート電極材料を形成する工程と、前記nMOSトランジスタ形成領域表面上を覆い、前記pMOSトランジスタ形成領域表面上の少なくとも一部を開口するマスクを形成する工程と、前記マスク形成後、前記半導体基板上面に対して酸素を注入して、前記pMOSトランジスタ形成領域の少なくとも一部の前記ゲート電極材料中に前記酸素を導入し、前記酸素導入後に熱処理を行う工程と、前記熱処理を行う工程の後に、前記pMOSトランジスタ形成領域の前記ゲート電極材料中に不純物を導入する工程とを備えている。 A method for manufacturing a semiconductor device according to an eleventh aspect of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device including a pMOS transistor and an nMOS transistor, wherein the gate electrode is formed on the surface of the semiconductor substrate via the first gate insulating film. Forming a material; forming a mask covering the surface of the nMOS transistor formation region and opening at least a part of the surface of the pMOS transistor formation region; and after forming the mask, Injecting oxygen to introduce oxygen into at least a part of the gate electrode material of the pMOS transistor formation region, performing a heat treatment after the oxygen introduction, and forming the pMOS transistor after the heat treatment step And a step of introducing impurities into the gate electrode material in the region.
したがって、半導体装置の性能に影響を与えること無く、より簡易な方法に請求項1に記載の半導体装置を製造することができる。また、当該方法を採用することにより、pMOSトランジスタを構成するゲート電極に含まれる不純物が、半導体基板へ拡散することを抑制することができる。
Therefore, the semiconductor device according to
pMOSトランジスタのNBTI寿命を長くする手段として、本発明では当該pMOSトランジスタのゲート絶縁膜の厚膜化を採用している。しかし、nMOSトランジスタのゲート絶縁膜を前記と同様に厚膜化すると、nMOSトランジスタの性能を落ちてしまう(つまり、オン電流が低下する)。したがって、トランジスタのゲート絶縁膜に着目すると、NBTI寿命とトランジスタ性能との関係はトレードオフの関係があると言える。 As a means for extending the NBTI lifetime of the pMOS transistor, the present invention employs a thick gate insulating film of the pMOS transistor. However, when the gate insulating film of the nMOS transistor is made thick as described above, the performance of the nMOS transistor is degraded (that is, the on-current is decreased). Therefore, focusing on the gate insulating film of the transistor, it can be said that there is a trade-off relationship between the NBTI lifetime and the transistor performance.
ところで、CMOSデバイスにおけるトランジスタ性能(オン電流の向上)の要求は、nMOSトランジスタにおいて特に厳しい場合が少なくない(なお、以下では、pMOSトランジスタを単にpMOSと称し、nMOSトランジスタを単にnMOSと称することにする)。 By the way, the demand for transistor performance (improvement of on-current) in a CMOS device is often particularly severe in an nMOS transistor (hereinafter, a pMOS transistor is simply referred to as a pMOS and an nMOS transistor is simply referred to as an nMOS). ).
例えば、nMOS4つとpMOS2つとでメモリセルを構成する、いわゆる6トランジスタ型のSRAM(Static Random Access Memory)回路の場合には、高周波動作のためにnMOSに高いオン電流が求められる一方で、pMOSのオン電流に対する要求はnMOSほどには高くない。 For example, in the case of a so-called six-transistor type SRAM (Static Random Access Memory) circuit in which a memory cell is composed of four nMOS and two pMOS, a high on-current is required for the nMOS for high-frequency operation, while the pMOS is turned on. The demand for current is not as high as nMOS.
そこで、本発明に係わる半導体装置では、例えばSRAM回路等の高速論理回路といった極薄ゲート絶縁膜を有するMOSトランジスタが使われる部分において、pMOSのゲート絶縁膜をnMOSのそれよりも厚くする構成を採用する。これにより、高いオン電流を示す高性能なnMOSと、高いNBTI信頼性を有するpMOSとを同時に実現することができる。 Therefore, the semiconductor device according to the present invention adopts a configuration in which the gate insulating film of the pMOS is made thicker than that of the nMOS in the portion where the MOS transistor having an extremely thin gate insulating film such as a high-speed logic circuit such as an SRAM circuit is used. To do. As a result, a high-performance nMOS exhibiting a high on-current and a pMOS having high NBTI reliability can be realized at the same time.
以下、上記構成を有する半導体装置の製造方法について、図面に基づいて具体的に説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device having the above-described configuration will be specifically described with reference to the drawings.
<実施の形態1>
実施の形態1に係わる半導体装置の製造方法を、説明の一部において工程断面図を用いて説明する。本実施の形態では、同一シリコン基板上にnMOSとpMOSとを同時に作製し、それぞれが単一種類のゲート絶縁膜を有する場合の半導体装置の製造方法について、説明する。当該実施の形態に係わる半導体装置の製造方法および当該製造方法により作製される半導体装置は、本発明の核であり、CMOS集積回路の高速素子部の形成を念頭に置いたものである。
<
A method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment will be described with reference to process cross-sectional views in part of the description. In the present embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device in the case where an nMOS and a pMOS are simultaneously manufactured on the same silicon substrate and each has a single type of gate insulating film will be described. The semiconductor device manufacturing method according to the embodiment and the semiconductor device manufactured by the manufacturing method are the core of the present invention, and are intended for the formation of a high-speed element portion of a CMOS integrated circuit.
図1を参照して、シリコン基板(半導体基板と把握できる)101にp型基板を用いて、その表面に周知の浅溝素子分離法を用いて素子分離溝102を形成する。続いてフォトリソグラフィーを用いて所望の領域をレジストで覆った状態で硼素(B)イオンを打ち込んで、nMOSを形成する領域(第1の領域と把握できる)にpウェル(図示せず)を形成する。また、上記pウェル以外の所望の領域に燐(P)イオンを打ち込んで、pMOSを形成する領域(第2の領域と把握できる)にnウェル(図示せず)を形成する。
Referring to FIG. 1, a p-type substrate is used as a silicon substrate (which can be grasped as a semiconductor substrate) 101, and an
また、トランジスタのしきい電圧を調整するために、nMOSを形成する領域(以下、単にnMOS形成領域と称する)にはBイオンを、pMOSを形成する領域(以下、単にpMOS形成領域と称する)には砒素(As)イオンを所望の量だけ注入し、窒素雰囲気中において約850℃で約10秒間の熱処理を行うことによって、これらの不純物を活性化させる。 Further, in order to adjust the threshold voltage of the transistor, B ions are applied to a region for forming an nMOS (hereinafter simply referred to as an nMOS formation region), and a region for forming a pMOS (hereinafter simply referred to as a pMOS formation region). Implants a desired amount of arsenic (As) ions and activates these impurities by performing a heat treatment at about 850 ° C. for about 10 seconds in a nitrogen atmosphere.
しかる後に、酸素を含有する雰囲気中における熱処理によって所望の膜厚の酸化シリコン膜を形成し、続いて周知のプラズマ窒化処理を行うことによって、シリコン基板101上におけるnMOS形成領域にSiONゲート絶縁膜(第1のゲート絶縁膜と把握できる)103を形成し、シリコン基板101上におけるpMOS形成領域にSiONゲート絶縁膜(第2のゲート絶縁膜)104を形成する。そして、モノシランをソース・ガスとして用いる周知の化学気相成長法により、当該ゲート絶縁膜103,104上に、厚さ120nmの多結晶シリコン膜120を堆積する(つまり、シリコン基板101上に、ゲート絶縁膜103,104を介してゲート電極材料120を形成する)。
Thereafter, a silicon oxide film having a desired film thickness is formed by heat treatment in an oxygen-containing atmosphere, and then a well-known plasma nitriding process is performed to form a SiON gate insulating film (in the nMOS formation region on the silicon substrate 101). 103 (which can be grasped as a first gate insulating film) is formed, and a SiON gate insulating film (second gate insulating film) 104 is formed in the pMOS formation region on the
以上までの工程により、図2に示す製造途中の半導体装置が形成される。 Through the above steps, the semiconductor device in the middle of manufacture shown in FIG. 2 is formed.
この段階で、本発明の本質と言える処理を行う。まず、フッ素イオン注入を用いる方法について述べる。 At this stage, processing that is the essence of the present invention is performed. First, a method using fluorine ion implantation will be described.
図3に示すように、フォトリソグラフィーを用いてnMOS形成領域をレジスト125で覆った状態で(つまり、nMOS形成領域表面上を覆い、pMOS形成領域表面上の少なくとも一部を開口するマスク125を形成した状態で)、フッ素イオンを10kVの加速電圧でイオン注入する(つまり、前記マスク125形成後、シリコン基板101上面に対してフッ素イオンを注入して、pMOS形成領域の少なくとも一部のゲート電極材料(多結晶シリコン膜)120中にフッ素イオンを導入する)。その後、当該レジスト125を除去した後に窒素雰囲気中で熱処理を行う。この熱処理の目的は、注入したフッ素イオンをpMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜104に到達させて、当該SiONゲート絶縁膜104の膜厚を増加させることと、多結晶シリコン膜120中に残る余剰フッ素イオンを可能な限り減らすことである。
As shown in FIG. 3, a
次に本発明のもう一つの手法(つまり、フッ素イオン注入とは別の手法)である酸素イオン注入を用いる場合について述べる。 Next, the case of using oxygen ion implantation which is another method of the present invention (that is, a method different from fluorine ion implantation) will be described.
図4に示すように、多結晶シリコン膜120上に化学気相成長法によりテトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4)を用いて酸化シリコン膜130を40nm堆積した後に、フォトリソグラフィーを用いてnMOS形成領域をレジスト125で覆った状態で(つまり、nMOS形成領域表面上を覆い、pMOS形成領域表面上の少なくとも一部を開口するマスク125を形成した状態で)、酸素イオンを70kVの加速電圧でイオン注入する(つまり、前記マスク125形成後、シリコン基板101上面に対して酸素イオンを注入して、pMOS形成領域の少なくとも一部のゲート電極材料(多結晶シリコン膜)120中に酸素イオンを導入する)。その後(つまり、酸素イオン導入後)、レジスト125および酸化シリコン膜130を除去した後に窒素雰囲気中で熱処理を行う。この熱処理の目的は、注入した酸素イオンをpMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜104に到達させて、当該SiONゲート絶縁膜104の膜厚を増加させることである。なお、上記酸化シリコン膜130を形成するのは、浅く酸素イオンを注入することができる装置が現在ではないので、当該酸化シリコン膜130で高速注入される酸素イオンの注入距離を調整するためである。
As shown in FIG. 4, after depositing a 40 nm
なお、上記フッ素イオン、酸素イオン導入後、熱処理を施すことにより、図5に示すように、pMOS形成領域に形成されているSiONゲート絶縁膜104の膜厚が増膜する。
In addition, by introducing a heat treatment after introducing the fluorine ions and oxygen ions, the thickness of the SiON
しかる後に(つまり、フッ素イオンまたは酸素イオンの導入後の熱処理後に)、多結晶シリコン膜120中のうち、nMOS形成領域に5×1015/cm2のPイオンを15kVの加速電圧でイオン注入し、他方pMOS形成領域には2×1015/cm2のBイオンを2kVの加速電圧でイオン注入する。その後に、フォトリソグラフィーとドライエッチングを用いて、多結晶シリコン膜120および各SiONゲート絶縁膜103,104を所望の寸法に加工する。こうして、nMOS形成領域にn+ゲート電極(第1のゲート電極と把握できる)105が形成され、pMOS形成領域にはp+ゲート電極(第2のゲート電極と把握できる)106が形成される(図6参照)。
Thereafter (that is, after heat treatment after introduction of fluorine ions or oxygen ions), 5 × 10 15 / cm 2 of P ions are implanted into the nMOS formation region in the
ここで、nMOS形成領域には3×1014/cm2のAsを5kVの加速電圧でイオン注入し、pMOS形成領域には3×1014/cm2のBを1kVの加速電圧でイオン注入する。これにより、シリコン基板101の表面内の所定の箇所に、n型拡散層107およびp型拡散層108の低濃度領域を形成する(図6参照)。
Here, 3 × 10 14 / cm 2 As is ion-implanted into the nMOS formation region with an acceleration voltage of 5 kV, and 3 × 10 14 / cm 2 B is ion-implanted into the pMOS formation region with an acceleration voltage of 1 kV. . As a result, low concentration regions of the n-
次に、化学気相成長法によりテトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4)を用いて酸化シリコン膜100nmを形成し、続いてこれを異方性ドライエッチングすることにより、酸化シリコンからなるサイドウォール109を形成する(図6参照)。
Next, a
しかる後に、nMOS形成領域に5×1015/cm2のAsイオンを10kVの加速電圧でイオン注入し、pMOS形成領域に5×1015/cm2のBイオンを3kVの加速電圧でイオン注入する。これにより、シリコン基板101の表面内の所定の箇所に、n型拡散層107およびp型拡散層108の高濃度領域を形成する(つまり、2段階(高濃度・低濃度)の濃度分布を有する、n型拡散層107およびp型拡散層108を形成する)(図6参照)。
Thereafter, 5 × 10 15 / cm 2 As ions are implanted into the nMOS formation region with an acceleration voltage of 10 kV, and 5 × 10 15 / cm 2 B ions are implanted into the pMOS formation region with an acceleration voltage of 3 kV. . As a result, high concentration regions of the n-
次に、1025℃で10秒間の熱処理を行って、n型拡散層107およびp型拡散層108にイオン注入した不純物を電気的に活性化する。上記熱処理を行った後に、プラズマ化学気相成長法によりテトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4)を用いて酸化シリコン膜を600nm堆積して、これを化学機械研磨することによって平坦化することにより、層間絶縁膜110を形成する。フォトリソグラフィーとドライエッチングを用いて層間絶縁膜110にコンタクトホールを形成する。さらに、化学気相成長法およびスパッタリングを用いてタングステンを当該コンタクトホール内まで堆積して、これをフォトリソグラフィーとドライエッチングとによって加工することにより、配線111を形成する(図6参照)。
Next, heat treatment is performed at 1025 ° C. for 10 seconds to electrically activate the impurities implanted into the n-
以上の工程を経て、図6に示す構造を有するnMOSおよびpMOSが完成する。なお、実際の先端CMOS集積回路の形成には、より複雑な構造のサイドウォールの形成、自己整合シリサイデーション、多層銅配線形成等の工程が必要だが、ここでは省略している。 Through the above steps, the nMOS and pMOS having the structure shown in FIG. 6 are completed. The actual formation of the advanced CMOS integrated circuit requires steps such as formation of sidewalls having a more complicated structure, self-aligned silicidation, and multilayer copper wiring, but they are omitted here.
図6の構成において、nMOS形成領域に形成されているSiONゲート絶縁膜103に着目すると、上記工程から明らかなように、当該SiONゲート絶縁膜103には、フッ素(もしくは酸素)が導入されていない。また、当該SiONゲート絶縁膜104の膜厚は、図を用いて後述するように、SiONゲート絶縁膜103の膜厚よりも厚く、当該SiONゲート絶縁膜104には、上記工程から明らかなように、フッ素(もしくは酸素)が導入されている。
In the configuration of FIG. 6, when attention is paid to the SiON
また、SiONゲート絶縁膜103表面上にはゲート電極105が形成され、SiONゲート絶縁膜104表面上にはゲート電極106が形成されている。ここで、上記構成および工程から分かるように、ゲート電極105,106は、少なくとも構成要素として珪素を含んでいる。また、ゲート電極105には不純物として少なくともP(燐)が含まれており、ゲート電極106には不純物として少なくともB(硼素(ボロン))が含まれている。
A
また、ゲート電極105に対向するシリコン基板101を挟んで、シリコン基板101表面中には一対のn型の不純物拡散層(拡散領域)107が形成されている。他方、ゲート電極106に対向するシリコン基板101を挟んで、シリコン基板101表面中には一対のp型の不純物拡散層(領域)108が形成されている。
A pair of n-type impurity diffusion layers (diffusion regions) 107 are formed in the surface of the
なお、上記から明らかなように、SiONゲート絶縁膜103、ゲート電極105、および不純物拡散層107により、nMOSが構成されている。他方、SiONゲート絶縁膜104、ゲート電極106、および不純物拡散層108により、pMOSが構成されている。
As is apparent from the above, the SiON
次に、上記フッ素注入を用いた手法で作製したpMOSの特性について、実験データを用いて述べる。 Next, the characteristics of the pMOS fabricated by the technique using fluorine implantation will be described using experimental data.
pMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜104の酸化膜容量換算膜厚(EOT、Equivalent Oxide Thickness)とフッ素注入量との関係を示す実験結果を、図7に示す。なお図7の実験結果は、フッ素注入後に850℃で10分間の熱処理を行うことにより作製された試料に関するものであり、4種類の膜厚のSiONゲート絶縁膜104をベースとして用いている。また、EOTとは、電気的容量測定から求めた電気的膜厚であり、電気的容量測定はpMOSを用いて行った。そして、当該EOTの導出は、S.Saitoらが、IEEE Electron Device Letters Vol.23(2002)のpp348に開示した方法を採用した。
FIG. 7 shows the experimental results showing the relationship between the oxide film capacity equivalent film thickness (EOT, Equivalent Oxide Thickness) of the SiON
図7に示すように、注入フッ素量に概ね比例してpMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜104が増膜している。また、当該増膜量は、ベースとなるSiONゲート絶縁膜の膜厚(増膜前の膜厚)に大きくは依存しない。また、図7に示したデータ点よりも多くのフッ素を注入すると、電気的容量測定が困難となる程に、界面準位密度が急激に増加することが分かった。当該界面準位密度の急激な増加が、上記増膜量の上限を決定していると考えられる。
As shown in FIG. 7, the SiON
この増膜量の上限は、ベース(増膜前)のSiONゲート絶縁膜104のEOTが1.24nmの場合には、0.16nmである。また、ベースのSiONゲート絶縁膜104のEOTが1.54nmの場合には、0.20nmである。また、ベースのSiONゲート絶縁膜104のEOTが3.1nmの場合には、0.48nmである。また、ベースのSiONゲート絶縁膜104のEOTが7.0nmの場合には、0.92nmである。
The upper limit of the amount of film increase is 0.16 nm when the EOT of the base (before film increase) SiON
これらの結果から、上記上限は、ベース(増膜前)のSiONゲート絶縁膜104のEOTに対して、16%未満であると結論付けられる。
From these results, it can be concluded that the upper limit is less than 16% with respect to the EOT of the base (before film increase) SiON
フッ素導入によるEOT増加のメカニズムとしては、SiONゲート絶縁膜104にフッ素が導入されることによる誘電率の低下と、物理的な膜厚増加との2つが考えられる。しかし、P.J. Wrightらが、IEEE Transactions on Electron Devices Vol.36(1989)のpp879に開示したり、Y.Mitaniらが、IEEE Transactions on Electron Devices Vol.50(2003)のpp2221に開示しているように、増膜のメカニズムは、物理膜厚の増加ではないかと考えられている。
There are two possible mechanisms for the increase in EOT due to the introduction of fluorine: a decrease in dielectric constant due to the introduction of fluorine into the SiON
すなわち、多結晶シリコン膜(ゲート電極材料)120に注入されたフッ素がその後の熱処理でSiONゲート絶縁膜104に到達し、SiON中の酸素と置換して、あまった酸素が基板界面を酸化して増膜するという理解である。
That is, the fluorine implanted into the polycrystalline silicon film (gate electrode material) 120 reaches the SiON
発明者らの検討でも、透過型電子顕微鏡で観察してSiONゲート絶縁膜104の物理膜厚の変化を測定した結果、フッ素導入による物理膜厚の増加が確認されており、EOTの増加の原因は物理膜厚の増加が主だと考えている。ただし、K.Awazuらが、Journal of applied physics vol.69(8),1991のpp4183に開示しているように、SiO2へのフッ素添加は、その基本構造を変化させることが知られており、フッ素が酸素を単純に置換する以外の影響もあると推測される。一定量以上のフッ素添加が電気特性(界面準位密度)に悪影響を与えるのはこの構造変化が原因であり、そのために増膜量の上限が、ベースSiONゲート絶縁膜104の16%未満になるのではないかと考えている。
Even in the inventors' investigation, as a result of measuring the change in the physical film thickness of the SiON
ここで、上記製造工程から分かるように、ベースSiONゲート絶縁膜の膜厚は、SiONゲート絶縁膜103の膜厚と同等である。したがって、電気特性(界面準位密度)の低下の観点から、増膜後(つまり完成品)において、SiONゲート絶縁膜104の膜厚は、SiONゲート絶縁膜103の膜厚よりも、16%未満厚くなっている。
Here, as can be seen from the above manufacturing process, the thickness of the base SiON gate insulating film is equal to the thickness of the SiON
次に、フッ素注入後の熱処理が、SiONゲート絶縁膜104の電気特性に与える影響について説明する。
Next, the influence of the heat treatment after fluorine implantation on the electrical characteristics of the SiON
ここで、フッ素注入条件は加速電圧10kV、ドーズ量は1.5×1015/cm2である。EOTの増加量およびB漏れ量を種々の熱処理条件に対して調べた結果を図8に示す。 Here, the fluorine implantation conditions are an acceleration voltage of 10 kV and a dose of 1.5 × 10 15 / cm 2 . FIG. 8 shows the results of examining the amount of increase in EOT and the amount of B leakage with respect to various heat treatment conditions.
なお、n型拡散層107およびp型拡散層108にイオン注入した不純物を電気的に活性化するために、1025℃で10秒間の活性化アニール処理後に、B漏れ加速のために1050℃で10秒間のアニール処理を追加した。図8の実験結果では、当該追加アニール処理によるフラットバンド電圧Vfbの変化を測定することによって、B漏れ量を求めている。
In order to electrically activate the impurities ion-implanted into the n-
図8の下図では、850℃、10分の熱処理条件において、EOT増加量が最大となっており、効果的な増膜が実現されている。また、図8の上図に示されているように、当該850℃より熱処理を高温化することでEOT増加量は小さくなるが、B漏れは抑制される傾向にある。これは、多結晶シリコン膜(ゲート電極材料)中に注入されたフッ素が外方拡散によって減少し、フッ素とBとが多結晶シリコン中に共存することによるB拡散の増速が抑制されているからだと考えられる。ただ、1000℃、10分という熱処理を施した場合でも、フッ素注入を行っていない場合に比べると、約2.3倍のB漏れが生じている。 In the lower diagram of FIG. 8, the increase in EOT is maximized under the heat treatment conditions at 850 ° C. for 10 minutes, and an effective film increase is realized. Further, as shown in the upper diagram of FIG. 8, by increasing the temperature of the heat treatment from 850 ° C., the amount of increase in EOT is reduced, but B leakage tends to be suppressed. This is because fluorine injected into the polycrystalline silicon film (gate electrode material) is reduced by outward diffusion, and the acceleration of B diffusion due to the coexistence of fluorine and B in the polycrystalline silicon is suppressed. It is considered to be a body. However, even when the heat treatment is performed at 1000 ° C. for 10 minutes, B leakage is about 2.3 times that of the case where fluorine implantation is not performed.
このことから、多結晶シリコン膜中の余剰フッ素を完全に追い出したとしても、フッ素がSiONゲート絶縁膜104におよぼす構造変化によって、若干B漏れが加速するのではないかと推測している。
From this, it is estimated that even if the excess fluorine in the polycrystalline silicon film is completely expelled, the B leakage may be slightly accelerated by the structural change of fluorine on the SiON
なお、熱処理をまったく行わない場合には、pMOSとして動作しないほど著しいB漏れが生じていたので、増膜が生じるほど多量のフッ素注入を行う場合にはフッ素注入後の熱処理は必須である。すなわち、例えばT.Aoyamaらが、Journal of applied physics vol.77(1),1995のpp417、または、T.Sasakiらが、Extended Abstracts of the 2003 International Conference on Solid State Devices and Materials,2003のpp66に開示しているように、フッ素イオン注入に引き続いて(つまり、熱処理工程を行わず)、硼素注入を行ったりBF2イオンの形で注入する手法では、B漏れの抑制とSiONゲート絶縁膜104の増膜を両立することはできない。
In the case where no heat treatment is performed, B leakage has occurred so much that it does not operate as a pMOS. Therefore, when a large amount of fluorine is implanted so as to increase the film thickness, the heat treatment after the fluorine implantation is essential. That is, for example, T.W. Aoyama et al., Journal of applied physics vol. 77 (1), 1995, pp417, or T.W. As described by Sasaki et al. In Extended Abstracts of the 2003 International Conference on Solid State Devices and Materials, pp66 of 2003, a fluorine treatment is performed (ie, a boron heat treatment step). In the method of implanting in the form of BF 2 ions, it is impossible to achieve both the suppression of B leakage and the increase in the thickness of the SiON
図8に示したように、本発明の技術によるEOT増加とB漏れの加速は概ねトレードオフの関係にあるが、発明者らの詳細な検討により、1050℃で10秒間の熱処理後に、900℃で10分間の熱処理を加える、すなわち二段階の熱処理によって効果的なEOT増膜とB漏れの抑制ができることが分かっている。 As shown in FIG. 8, the increase in EOT and the acceleration of B leakage according to the technique of the present invention are generally in a trade-off relationship. However, according to detailed investigations by the inventors, after heat treatment at 1050 ° C. for 10 seconds, 900 ° C. It is known that an EOT film increase and B leakage can be effectively suppressed by applying a heat treatment for 10 minutes, that is, a two-step heat treatment.
また、実際にどの程度のB漏れまで実用可能かということは、pMOSのしきい電圧Vtのばらつきによって決定される。すなわち、当該しきい電圧Vtのばらつきが増加しない範囲のB漏れは許容される。図8に示した熱処理条件をこの観点で調べた結果、850℃以上の条件は許容可能であることが分かった。ただし、許容可能な熱処理条件は、SiONゲート絶縁膜のプラズマ窒化条件や、プロセスフローの熱履歴によって左右される。 Also, how much B leakage can actually be used is determined by variations in the threshold voltage Vt of the pMOS. That is, B leakage in a range where the variation of the threshold voltage Vt does not increase is allowed. As a result of examining the heat treatment conditions shown in FIG. 8 from this viewpoint, it was found that conditions of 850 ° C. or higher are acceptable. However, allowable heat treatment conditions depend on the plasma nitridation conditions of the SiON gate insulating film and the thermal history of the process flow.
次に、フッ素注入によるpMOS形成領域に形成されたSiONゲート絶縁膜104の増膜が、pMOSの性能およびNBTI信頼性に与える影響について説明する。
Next, the influence of the increase in the SiON
ここで、熱処理条件としては、900℃で10分間を用いている。フッ素注入を行わない場合のSiONゲート絶縁膜のEOTは1.30nmであり、これが従来技術に相当する。 Here, as heat treatment conditions, 900 ° C. for 10 minutes is used. When the fluorine implantation is not performed, the EOT of the SiON gate insulating film is 1.30 nm, which corresponds to the prior art.
さて、フッ素注入ドーズ量が1×1015/cm2の場合には、SiONゲート絶縁膜104のEOTは1.35nmに増加し、pMOSのオン電流が従来技術比約97.5%となり、pMOSのNBTI寿命が従来技術比約2.2倍となった。また、フッ素注入ドーズ量が2×1015/cm2の場合には、SiONゲート絶縁膜104のEOTは1.44nmに増加し、pMOSのオン電流が従来技術比約94%となり、pMOSのNBTI寿命が従来技術比約7倍となった。
When the fluorine implantation dose is 1 × 10 15 / cm 2 , the EOT of the SiON
つまり、わずか6%程度のオン電流の犠牲によって、NBTI寿命を7倍にまで延ばせる本発明の技術は、高速動作回路部のうち特にSRAM回路などのpMOSの性能要求が高くない場合に、大きな利点をもたらすと言える(換言すれば、本発明により、SRAM回路を構成するpMOSのSiONゲート絶縁膜104のみを増膜させると、当該本発明の効果はより大きく働く)。また、フッ素はnMOS形成領域には注入されないので、nMOS特性に対する悪影響が無いのは当然である。
That is, the technology of the present invention that can extend the NBTI life to 7 times at the expense of only about 6% of the on-current is a great advantage when the performance requirement of the pMOS such as the SRAM circuit in the high-speed operation circuit unit is not high. (In other words, according to the present invention, when only the pMOS SiON
ここで、フッ素イオン注入直後のSIMS分析結果およびフッ素イオン注入後に熱処理を施した後のSIMS分析結果を、図9に示す。また、図10は、フッ素イオン注入後に熱処理を施した状態におけるSiON膜付近のフッ素分布をSIMS分析した結果を示す。膜厚方向の分布をわかりやすくするために、実際のSiON膜よりも厚い約20nmのSiON膜を用いて分布している。また、SiON膜の位置を示すために、図10には、酸素の濃度分布を併記している。 Here, the SIMS analysis result immediately after fluorine ion implantation and the SIMS analysis result after heat treatment after fluorine ion implantation are shown in FIG. FIG. 10 shows the result of SIMS analysis of the fluorine distribution in the vicinity of the SiON film in a state where heat treatment is performed after fluorine ion implantation. In order to make the distribution in the film thickness direction easy to understand, the distribution is made using a SiON film of about 20 nm thicker than the actual SiON film. In order to show the position of the SiON film, FIG. 10 also shows the oxygen concentration distribution.
図9、10から分かるように、フッ素イオン注入直後(熱処理前)には、フッ素イオンは、ゲート電極106内に多く分布している。しかし、フッ素イオン注入後熱処理を施すことにより、SiONゲート絶縁膜104内に分布ピークを有するように、フッ素イオンは再分布する。
As can be seen from FIGS. 9 and 10, a large amount of fluorine ions are distributed in the
次に、本発明の技術のうちフッ素注入以外のもう一つの手法である、酸素イオン注入を用いた手法で作製したpMOSの特性について説明する。 Next, the characteristics of a pMOS fabricated by a technique using oxygen ion implantation, which is another technique other than fluorine implantation among the techniques of the present invention, will be described.
酸素イオン注入ドーズ量が2.5×1015/cm2、酸素イオン注入後の熱処理が1050℃で30秒間の場合に、SiONゲート絶縁膜104のEOTが0.08nm増加した。多結晶シリコン膜120中に注入された酸素イオンがpMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜104に到達して増膜に寄与したと考えられる。また、フッ素イオン注入の場合と違って、酸素イオン注入の場合にはB漏れは加速されなかった。
When the oxygen ion implantation dose was 2.5 × 10 15 / cm 2 and the heat treatment after oxygen ion implantation was 1050 ° C. for 30 seconds, the EOT of the SiON
なお、以下の観点から、酸素イオン注入よりもフッ素イオン注入の方がより実用的であると考える。 From the following viewpoint, it is considered that fluorine ion implantation is more practical than oxygen ion implantation.
つまり、酸素イオン注入の場合には、完成状態におけるp+ゲート電極106のシート抵抗が約1.7倍に上昇した。これは、注入された酸素イオンの一部が多結晶シリコン120内に残留していて、おそらくは酸化シリコンの微細な析出物となっているからだと推測される。このような酸化シリコンの析出物を完全に排出するためには1200℃以上の高温熱処理が必要であることが知られている。しかし、実際のCMOSデバイス作製フローにおいて、このような高温熱処理を加えることはできない。したがって、多結晶シリコン膜120中に酸素析出物が存在する形でpMOSを用いざるを得ず、大規模集積回路に用いるには不安が残る。
That is, in the case of oxygen ion implantation, the sheet resistance of the p +
また、酸素イオン注入は主にSIMOX(Separation by Implanted Oxygen)ウェハと呼ばれるSOI(Silicon on Insulator)ウェハを製造するメーカで用いられているものの、デバイスメーカでは殆ど用いられていない。よって、本発明の技術のうち酸素イオン注入を用いる手法は、デバイスメーカにとっては新たな投資が必要となるケースが多いと予想され、フッ素イオン注入を用いた手法の方が簡単に実施可能であると考えられる。 In addition, oxygen ion implantation is mainly used by manufacturers that manufacture SOI (Silicon on Insulator) wafers called SIMOX (Separation by Implanted Oxygen) wafers, but is rarely used by device manufacturers. Therefore, the technique using oxygen ion implantation among the techniques of the present invention is expected to require a new investment for device manufacturers in many cases, and the technique using fluorine ion implantation is easier to implement. it is conceivable that.
以上のように、本実施の形態に係わる半導体装置は、pMOSを構成するSiONゲート絶縁膜104にはフッ素が含まれており、当該フッ素に起因して、nMOSを構成するSiONゲート絶縁膜103よりも当該SiONゲート絶縁膜104は増膜している。したがって、上述したように、pMOSのNBTI寿命の向上を図ることができる。
As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, the SiON
他方、SiONゲート絶縁膜103内にはフッ素が含まれておらず、よって増膜も行われず、またnMOS特性に対する悪影響も無い。したがって、SiONゲート絶縁膜104の増膜に依らず、nMOSトランジスタの高性能化を維持することができる。
On the other hand, the SiON
つまり、pMOSのNBTI寿命の向上とnMOSの高性能化を両立することができる半導体装置を提供することができる。 That is, it is possible to provide a semiconductor device that can achieve both improvement in the NBTI lifetime of the pMOS and high performance of the nMOS.
なお、電気特性(界面準位密度)の観点から、増膜後(つまり完成品)において、SiONゲート絶縁膜104の膜厚は、SiONゲート絶縁膜103の膜厚よりも、16%未満厚くなっていることが望ましい。
From the viewpoint of electrical characteristics (interface state density), the thickness of the SiON
本実施の形態に係わる技術は、高速動作回路部のうち特にSRAM回路などのpMOSの性能要求が高くない場合に、大きな利点をもたらすと言える。換言すれば、本発明により、SRAM回路を構成するpMOSのSiONゲート絶縁膜104のみを増膜させると、当該本発明の効果はより大きく働く。
It can be said that the technique according to the present embodiment brings a great advantage when the performance requirement of the pMOS such as the SRAM circuit is not high in the high-speed operation circuit unit. In other words, according to the present invention, when only the pMOS SiON
ところで、同一半導体基板上に膜厚の異なるゲート絶縁膜103,104を形成する方法として、フォトリソグラフィーとウェットエッチングとを組み合わせによる方法が考えられる。しかしながら、この方法は、SRAMのメモリセル内のnMOSやpMOS、あるいは高速論理回路のnMOSやpMOSといった100nmオーダーの微細領域の作り分けには適さない。なぜならば、微細加工用リソグラフィーに用いるレジスト材料に、ウェットエッチング耐性が不足しているからである。
By the way, as a method of forming the
また、同一半導体基板上に膜厚の異なるゲート絶縁膜103,104を形成する他の方法として、例えば特許文献1に開示されている技術が存在する。当該特許文献1に係わる技術では、ゲート酸化工程の前に半導体基板にフッ素などのイオンを注入しておき、イオン注入ダメージによる酸化レートの向上を用いることにより、膜厚の異なるゲート絶縁膜を形成している。しかしながら、発明者らが検討した結果、この方法を用いて形成したゲート絶縁膜は界面準位が多く、電気特性の面で著しく劣り実用に耐えないことが分かった。
As another method for forming the
また、同一半導体基板上に膜厚の異なるゲート絶縁膜103,104を形成するさらに他の方法として、ゲート酸化膜上に多結晶シリコン膜を堆積した後に、この多結晶シリコン膜にフッ素をイオン注入し、連続してゲート電極(多結晶シリコン膜)へのB等の不純物イオンの導入を行った後に、あるいはBF2イオンの形でホウ素とフッ素とを同時に注入した後に、熱処理を施す方法も考えられる。
As yet another method for forming
しかし、フッ素イオン導入、他の不純物イオンの導入、熱処理という順序の工程を実施した場合には、ゲート電極からシリコン基板へのB等の拡散が、フッ素イオンの導入によって劇的に加速される。 However, when the sequence of fluorine ion introduction, introduction of other impurity ions, and heat treatment is performed, the diffusion of B or the like from the gate electrode to the silicon substrate is dramatically accelerated by the introduction of fluorine ions.
そこで、上記のように、本実施の形態に係わる半導体装置の製造方法では、フッ素イオンまたは酸素イオン導入後、熱処理を施し、当該熱処理後に所定の不純物イオン等の注入を行っている。 Therefore, as described above, in the method of manufacturing a semiconductor device according to this embodiment, after introducing fluorine ions or oxygen ions, heat treatment is performed, and after the heat treatment, predetermined impurity ions and the like are implanted.
したがって、当該方法では、ウェットエッチング処理を実施すること無く、SiONゲート絶縁膜103の膜厚を変化させること無く、SiONゲート絶縁膜104の増膜を行っている。つまり、本発明の方法では、nMOSを構成する増膜していないゲート絶縁膜103とpMOSを構成する増膜したゲート絶縁膜104とを作り分けは、レジスト125をマスクとして使用したフッ素イオン注入もしくは酸素イオン注入を用いる。
Therefore, in this method, the SiON
よって、上記本発明に係わる方法は、SRAMのメモリセル内のnMOSとゲート絶縁膜が増膜したpMOS、あるいは高速論理回路のnMOSとゲート絶縁膜が増膜したpMOSといった、100nmオーダーの微細領域の作り分けに適している。 Therefore, the method according to the present invention can be applied to a fine region of 100 nm order such as an nMOS in a SRAM memory cell and a pMOS with an increased gate insulating film, or an nMOS in a high-speed logic circuit and a pMOS with an increased gate insulating film. Suitable for making properly.
さらに、SiONゲート絶縁膜104にダメージを与えること無く、当該SiONゲート絶縁膜104の増膜を可能としているので、pMOSの電気特性が著しく劣化することも防止できる。
Further, since the SiON
さらに、本発明に係わる方法では、上述の通り、フッ素イオン注入または酸素イオン、加熱処理、他の不純物イオンの注入という手順を施している。したがって、上記実験結果(図8)が示すように、pMOSのNBTI特性を向上しつつ、当該ゲート電極106に注入された不純物のシリコン基板101への拡散を抑制することができる。
Further, in the method according to the present invention, as described above, the procedures of fluorine ion implantation or oxygen ion, heat treatment, and other impurity ions are performed. Therefore, as shown in the experimental result (FIG. 8), diffusion of impurities implanted into the
なお、ゲート電極106にBを不純物イオンとして導入する際に、シリコン基板101への拡散がより問題となるが、本発明では、図8で示したように、当該Bの拡散も劇的に抑制することができる(よって、完成品のpMOSのゲート電極106にもBがより残存している)。
Note that when B is introduced as impurity ions into the
このように、本発明に係わる半導体装置の製造方法は、半導体装置の性能に著しい悪影響を与えること無く、より簡易な方法により、pMOSを構成するSiONゲート絶縁膜104のみが増膜された半導体装置を製造することができる。なお、上述の通り、微細領域に、nMOSを構成する増膜していないゲート絶縁膜103とpMOSを構成する増膜したゲート絶縁膜104とを作り分けすることができ、ゲート電極106に不純物として導入されるB等のシリコン基板101への拡散をより抑制することができるので、本発明に係わる方法はより効果的である。
As described above, the semiconductor device manufacturing method according to the present invention is a semiconductor device in which only the SiON
また、本実施の形態に係わる半導体装置の製造方法では、フッ素イオン等の注入処理後に行われる熱処理によって、当該フッ素イオン等をSiONゲート絶縁膜104に到達させている。したがって、当該フッ素イオン等の到達に起因した当該SiONゲート絶縁膜104の増膜をより効果的に行うことができる。
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to this embodiment, the fluorine ions and the like reach the SiON
<実施の形態2>
上記実施の形態1は、同一シリコン基板101上にnMOSとpMOSとを同時に作製し、それぞれが単一種類のゲート絶縁膜(ただし、pMOSを構成するゲート絶縁膜104の膜厚とnMOSを構成するゲート絶縁膜103の膜厚とは異なる)を有する場合について述べたものであり、CMOS集積回路の高速動作回路部の素子形成を念頭において説明した。
<Embodiment 2>
In the first embodiment, an nMOS and a pMOS are simultaneously formed on the
当該実施の形態1の説明は、見通しを良くするためのものであり、実際の先端CMOS集積回路の製造を考えると現実的ではない。実際には、高速動作回路部よりも膜厚の厚いnMOSとpMOSとをも同一半導体基板上に形成し、これらを組み合わせて集積回路を構成する必要がある。 The description of the first embodiment is for the purpose of improving the outlook, and is not realistic in view of manufacturing an actual advanced CMOS integrated circuit. Actually, it is necessary to form an nMOS and a pMOS having a thickness larger than that of the high-speed operation circuit portion on the same semiconductor substrate, and combine them to constitute an integrated circuit.
例えば、高速動作回路素子を入出力電圧1Vで動作させる場合には、その入出力回路には2.5V動作の素子を用いたり、あるいは3.3Vおよび1.8Vの二種類の入出力回路用素子を用意することもある。すなわち、高速動作回路素子部とは別に、一もしくは二水準以上の厚いゲート絶縁膜を有するnMOSおよびpMOSが求められる。つまり、高速動作回路部は、入出力回路部よりも低い電圧が印加され、入出力回路部よりも膜厚の薄いゲート絶縁膜を有する。 For example, when a high-speed operation circuit element is operated at an input / output voltage of 1V, an element operating at 2.5V is used for the input / output circuit, or for two types of input / output circuits of 3.3V and 1.8V. An element may be prepared. That is, apart from the high-speed operation circuit element portion, nMOS and pMOS having a thick gate insulating film of one or more levels are required. That is, the high-speed operation circuit portion has a gate insulating film to which a voltage lower than that of the input / output circuit portion is applied and is thinner than the input / output circuit portion.
また、高速動作回路部と入出力回路部といったデジタル回路に加え、アナログ回路をも同一半導体基板上に形成することが求められるケースも増えており、アナログ回路部の素子には入出力回路部と同じく厚いゲート絶縁膜を用いるのが一般的である。 In addition to digital circuits such as a high-speed operation circuit section and an input / output circuit section, there is an increasing number of cases in which an analog circuit is required to be formed on the same semiconductor substrate. A thick gate insulating film is also generally used.
以上を鑑みて、高速動作回路部において形成されているゲート絶縁膜よりも厚いゲート絶縁膜を有する素子をも同一半導体基板上に形成する形態について、本実施の形態では説明する。入出力回路部等において形成される、より厚いゲート絶縁膜の膜厚を一種類用意する場合について述べるが、二種類以上用意することも可能であり、その基本的な手法はすでに公知である。 In view of the above, an embodiment in which an element having a gate insulating film thicker than a gate insulating film formed in a high-speed operation circuit portion is formed over the same semiconductor substrate will be described in this embodiment. Although the case where one kind of thicker gate insulating film formed in the input / output circuit portion is prepared will be described, two or more kinds of film thicknesses can be prepared, and the basic method is already known.
なお、高速動作回路に形成されるゲート絶縁膜としては少なくとも、実施の形態1で説明した、nMOSを構成する増膜がされないゲート絶縁膜103と、pMOSを構成する増膜がされたゲート絶縁膜104とが含まれている。
Note that, as the gate insulating film formed in the high-speed operation circuit, at least the
図11において、シリコン基板(半導体基板)41上において素子分離溝42によってお互いに分離された、高速動作回路のnMOS形成領域(以下、コアnMOS形成領域)および高速動作回路のpMOS形成領域(以下、コアpMOS形成領域)と、入出力回路のnMOS形成領域(以下、I/OnMOS形成領域)および入出力回路のpMOS形成領域(以下、I/OpMOS形成領域)との、4つの領域すべてについて、通常の洗浄処理および希フッ酸を用いた溶解処理によって、当該シリコン基板41の表面を露出させる。そして、酸素を含有する雰囲気中における熱処理によって、当該シリコン基板41の表面に例えば膜厚7.5nmの酸化シリコン膜43を形成する(図11)。
In FIG. 11, on the silicon substrate (semiconductor substrate) 41, the nMOS formation region (hereinafter referred to as a core nMOS formation region) and the pMOS formation region (hereinafter referred to as a core operation region) of the high-speed operation circuit which are separated from each other by the
当該酸化シリコン膜43が形成されたシリコン基板41上にレジスト44を全面塗布して、通常のフォトリソグラフィーによって、コアnMOS形成領域およびコアpMOS形成領域のレジスト44を選択的に除去する(図12)。
A resist 44 is applied over the entire surface of the
その後、希フッ酸中の溶解処理によって、コアnMOS形成領域およびコアpMOS形成領域上の酸化シリコン膜43を除去して、当該除去した領域からシリコン基板41の表面を露出させる。続いて、硫酸と過酸化水素水の水溶液を用いた溶解処理によって、レジスト44をすべて除去し(図13)、当該図13に示したシリコン基板41に対して、アンモニアと過酸化水素水の水溶液および塩酸と過酸化水素水の水溶液を用いた、洗浄処理を続けて行う。
Thereafter, the
ここまでの一連の洗浄処理によって、I/OnMOS形成領域およびI/OpMOS形成領域上の酸化シリコン膜43の膜厚は、7.5nmから7.2nmに減少する。そして、酸素を含有する雰囲気中の熱処理によって、例えば膜厚1.4nmの酸化シリコン膜を
コアnMOS形成領域およびコアpMOS形成領域に形成する。その後に、プラズマ窒化処理によって窒素を導入することより、コアnMOS形成領域およびコアpMOS形成領域にSiONゲート絶縁膜45が形成され、I/OnMOS形成領域およびI/OpMOS形成領域にSiONゲート絶縁膜46が形成される(図14)。
Through the series of cleaning processes so far, the film thickness of the
各々の酸化膜容量換算膜厚は、コアnMOS形成領域およびコアpMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜45は1.24nm、I/OnMOS形成領域およびI/OpMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜46は7.3nmとなった。
The respective equivalent oxide film thicknesses are 1.24 nm for the SiON
以上のゲート絶縁膜形成手順と、コアnMOS形成領域およびコアpMOS形成領域に対する実施の形態1に述べた半導体装置の製造方法とを組み合わせることによって、高速動作回路部を形成するnMOSとpMOS、入出力回路を形成するnMOSとpMOSとを同一シリコン基板41上に形成することができる。
By combining the above gate insulating film formation procedure and the method of manufacturing the semiconductor device described in the first embodiment for the core nMOS formation region and the core pMOS formation region, the nMOS, pMOS, and input / output forming the high-speed operation circuit portion An nMOS and a pMOS that form a circuit can be formed on the
ここで、I/O形成領域に形成されるゲート絶縁膜46の膜厚は、上述の通り、コア形成領域に形成されるゲート絶縁膜45の膜厚よりも総じて厚い。さらに、コア形成領域(高速動作回路部)に対しては実施の形態1で説明した方法が実施されるので、コアnMOS形成領域(第1の領域と把握できる)に形成されるゲート絶縁膜(第1のゲート絶縁膜と把握できる)45aの膜厚よりも、コアpMOS形成領域(第2の領域と把握できる)に形成されるゲート絶縁膜(第2のゲート絶縁膜と把握できる)45Bの膜厚の方が厚い(当該膜厚の差は、図14では明示されていない)。
Here, as described above, the thickness of the
以上の手順によって形成された高速動作回路部のpMOS(コアpMOS)において、実施の形態1で述べたような効果があることは自明である。 It is obvious that the pMOS (core pMOS) of the high-speed operation circuit section formed by the above procedure has the effects described in the first embodiment.
また、本実施の形態に係わる半導体装置(MOSトランジスタを有する入出力回路部とpMOS、nMOSを有する高速動作回路部とを、備える半導体装置)の製造方法では、SiONゲート絶縁膜45(SiONゲート絶縁膜46との関係で、第1のゲート絶縁膜と把握できる)を形成する工程の前に、I/O形成領域(MOSトランジスタ形成領域)のシリコン基板41表面上に、SiONゲート絶縁膜46(SiONゲート絶縁膜45との関係で、第2のゲート絶縁膜と把握できる)を形成する工程を備えている。
In the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment (a semiconductor device including an input / output circuit section having a MOS transistor and a high-speed operation circuit section having a pMOS and an nMOS), the SiON gate insulating film 45 (SiON gate insulating film) is used. Before the step of forming the first gate insulating film in relation to the
そして、コアnMOS形成領域に加えて当該I/O形成領域をも覆うように、レジスタを形成し、当該レジストをマスクとして、フッ素イオンもしくは酸素イオンの注入処理を行う。 Then, a register is formed so as to cover the I / O formation region in addition to the core nMOS formation region, and a fluorine ion or oxygen ion implantation process is performed using the resist as a mask.
これにより、本実施の形態に係わる方法を採用することにより、高速動作回路と、当該高速動作回路に形成されるゲート絶縁膜よりも膜厚の厚いゲート絶縁膜を有する入出力回路とを備え、高速動作回路において、増膜されないゲート絶縁膜を有するnMOSと増膜されたゲート絶縁膜を有するpMOSとを有する、より実用的な半導体装置を製造することができる。 Thereby, by adopting the method according to the present embodiment, a high-speed operation circuit and an input / output circuit having a gate insulating film thicker than the gate insulating film formed in the high-speed operation circuit, In a high-speed operation circuit, a more practical semiconductor device having an nMOS having a gate insulating film that has not been increased and a pMOS having a gate insulating film that has been increased can be manufactured.
なお、SiONゲート絶縁膜45aを増膜させるためのフッ素イオン注入あるいは酸素イオン注入は、フォトリソグラフィーとイオン注入の組み合わせによって行うので、実施の形態1で述べた例に限らず所望の範囲に導入することができる。例えば、コアpMOSを構成するSiONゲート絶縁膜45aだけでなく、I/OpMOSを構成するSiONゲート絶縁膜46に対しても増膜処理を施すことができる、当該場合には、実施の形態1で説明したようにpMOSのオン電流が若干減少するが、NBTI寿命を飛躍的に向上させることができる。
Since fluorine ion implantation or oxygen ion implantation for increasing the thickness of the SiON
また、高速動作回路部は、シリコン基板(半導体基板)41表面上の所定の領域(第3の領域と把握できる)に形成され、フッ素が導入されておらず、SiONゲート絶縁膜45a(第1のゲート絶縁膜と把握できる)と同等の膜厚を有する他のゲート絶縁膜(第3のゲート絶縁膜と把握できる)と、当該他のゲート絶縁膜表面上に形成されたゲート電極(第3のゲート電極と把握できる)と、他のゲート電極に対向するシリコン基板を挟んでシリコン基板表面中に形成された一対のp型不純物拡散領域とを有する、pMOSを備えていても良い。
The high-speed operation circuit portion is formed in a predetermined region (which can be grasped as a third region) on the surface of the silicon substrate (semiconductor substrate) 41, fluorine is not introduced, and the SiON
つまり、シリコン基板41上に形成される複数コアpMOSのうち、SRAMを構成するpMOSのみに増膜処理を施し、オン電流の要求値が高い高速論理回路部のpMOSのSiONゲート絶縁膜は増膜させない、といった選択肢もある。これにより、より実用的な半導体装置を提供できる。
In other words, among the multi-core pMOSs formed on the
また、一つの大規模集積回路には、動作中にさまざまなパターンで電圧が加えられるトランジスタがあり、NBTI寿命の劣化を引き起こすpMOS(すなわち、ゲート電極に負電圧がかかる状態が長く続くように使われるpMOS)に対して、本発明の(実施の形態1で説明した)増膜処理を施すことも可能である。なお、6トランジスタ型SRAM中のpMOSトランジスタは、ゲート電圧に負電圧がかかる状態で長く使われる可能性があり、NBTI寿命の観点から、上記増膜処理がより必要である。 In addition, one large-scale integrated circuit has a transistor to which a voltage is applied in various patterns during operation, and is used so that a state in which a negative voltage is applied to the gate electrode lasts for a long time. PMOS) can be subjected to the film-increasing treatment (described in the first embodiment) of the present invention. Note that the pMOS transistor in the 6-transistor type SRAM may be used for a long time in a state where a negative voltage is applied to the gate voltage, and from the viewpoint of the NBTI life, the above-described film increasing process is more necessary.
<実施の形態3>
本実施の形態では、実施の形態1に述べた例を基本として、SiONゲート絶縁膜103,104の形成を別の手法で行う場合について述べる。
<Embodiment 3>
In the present embodiment, the case where the formation of the SiON
具体的には、酸化シリコン膜を形成してから、プラズマ窒化処理によってSiON膜に転化させるという一般的な手法とは逆に、窒化シリコン膜を形成してから、これに酸化処理を施してSiON膜に転化させる手法である。後者の手法として作製したSiONゲート絶縁膜は、例えばS.Tsujikawaらが、Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers 2002、pp202に開示しているように、高い窒素濃度を有し、ゲートリーク電流特性やゲート電極に不純物として含まれているBの基板への漏れ耐性に、優れることが知られている。以下、本実施の形態に係わるSiONゲート絶縁膜の形成方法について簡単に言及する。 Specifically, contrary to the general method of forming a silicon oxide film and then converting it to a SiON film by plasma nitriding treatment, the silicon nitride film is formed and then oxidized to give SiON This is a method of converting into a film. The SiON gate insulating film produced as the latter method is, for example, S.I. As disclosed in Tsukikawa et al. In Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers 2002, pp202, it has a high nitrogen concentration and leaks into the substrate of B, which is included as an impurity in the gate leakage current characteristics and gate electrode. It is known to be excellent in resistance. Hereinafter, a method for forming a SiON gate insulating film according to the present embodiment will be briefly described.
実施の形態1にて述べたnMOSおよびpMOSの形成方法において、nMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜103とpMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜104を次にのように形成する。
In the nMOS and pMOS formation method described in the first embodiment, the SiON
プラズマ窒化処理によって約0.8nmの窒化シリコン膜を形成し、これを酸素を含有する雰囲気中1000℃で熱処理を行う。この手法を用いた場合においても、本発明の技術のうちフッ素注入を用いる手法によって、pMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜104を選択的に増膜させることができる。
A silicon nitride film with a thickness of about 0.8 nm is formed by plasma nitriding, and this is heat-treated at 1000 ° C. in an atmosphere containing oxygen. Even when this method is used, the SiON
pMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜104の酸化膜容量換算膜厚(EOT)と注入フッ素量の関係は、図15に示すようになった。なお図15に示したデータは、フッ素注入後の熱処理条件として、850℃、10分を用いた試料に関する。
The relationship between the equivalent oxide thickness (EOT) of the SiON
実施の形態1の場合の結果(図7に示した結果)と比べて、増膜量が小さくなっているものの、本実施の形態に係わる方法により作製されたSiONゲート絶縁膜に対してフッ素注入を行うことにより、当該SiONゲート絶縁膜のEOTが増加していることが分かる。 Although the amount of film increase is smaller than the result in the case of the first embodiment (result shown in FIG. 7), fluorine implantation is performed on the SiON gate insulating film produced by the method according to the present embodiment. It can be seen that the EOT of the SiON gate insulating film is increased by performing.
フッ素注入を行わない場合のSiONゲート絶縁膜(図15に示すベースSiON膜)のEOTは1.11nmであり、これが従来技術に相当する。フッ素注入ドーズ量が1×1015/cm2の場合には、SiONゲート絶縁膜のEOTが1.15nmに増加し、オン電流が従来技術比約98.5%、NBTI寿命が約3倍となった。また、フッ素注入ドーズ量が2×1015/cm2の場合には、SiONゲート絶縁膜のEOTが1.21nmに増加し、オン電流が従来技術比約97.5%、NBTI寿命が約10倍になった。当該実験結果から分かるように、わずか2.5%のオン電流の犠牲によって、NBTI寿命を10倍にまで延ばせたことになる。 The EOT of the SiON gate insulating film (base SiON film shown in FIG. 15) without fluorine implantation is 1.11 nm, which corresponds to the prior art. When the fluorine implantation dose is 1 × 10 15 / cm 2 , the EOT of the SiON gate insulating film increases to 1.15 nm, the on-current is about 98.5% of the conventional technology, and the NBTI life is about three times as long. became. When the fluorine implantation dose is 2 × 10 15 / cm 2 , the EOT of the SiON gate insulating film increases to 1.21 nm, the on-current is about 97.5% of the conventional technology, and the NBTI life is about 10%. Doubled. As can be seen from the experimental results, the NBTI lifetime can be extended by a factor of 10 at the expense of only 2.5% on-current.
<実施の形態4>
本実施の形態では、実施の形態1に述べた例を基本として、完成状態におけるゲート電極105,106の全域を多結晶シリコンではなく、珪化ニッケルとする場合について述べる。なお、ここでは珪化ニッケルを、ゲート電極材料に用いる金属の珪化物の例として挙げるが、コバルト、チタンなどの珪化物も使用可能であり、珪化ニッケルにコバルトを添加する等の多元系材料も考えられる(つまり、ゲート電極がフルシリサイド膜である場合について言及する)。
<Embodiment 4>
In this embodiment, the case where the entire region of the
また、多結晶シリコン膜へのフッ素等注入およびその後の熱処理を用いてpMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜104を選択的に増膜させる工程までは、実施の形態1と共通なので、その後の工程について工程断面図を用いて説明する。
Since the process up to selectively increasing the thickness of the SiON
図16を参照して、実施の形態1に述べた方法によって、シリコン基板101の表面領域に、素子分離溝102、nMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜103、pMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜104、および多結晶シリコン膜605が形成されている。ここで、多結晶シリコン膜605は、現段階では図16に示すようにゲート電極構造にパターニングされていない。
Referring to FIG. 16, by the method described in the first embodiment,
上記多結晶シリコン膜605形成後、本発明の技術(つまり、実施の形態1で説明した技術)によって、フッ素イオン注入を用いてpMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜104を選択的に増膜させる(図16参照)。また、nMOS形成領域の多結晶シリコン膜605に対して、Pイオンを濃度8×1015/cm2、加速電圧15kVの条件で、イオン注入処理を施す。また、pMOS形成領域の多結晶シリコン膜605に対して、Bイオンを濃度5×1015/cm2、加速電圧2kVの条件で、イオン注入処理を施す。
After the formation of the
次に、周知の化学気相成長法により、ジクロルシランおよびアンモニアガスを用いて膜厚60nmの窒化シリコン膜606を堆積する。その後、フォトリソグラフィーとドライエッチングを用いて、窒化シリコン膜606および多結晶シリコン膜605を所望の寸法(形状)にパターニングする(図16参照)。
Next, a
次に、nMOS形成領域に対して、Asイオンを濃度3×1014/cm2、加速電圧5kVの条件でイオン注入し、pMOS形成領域に対しては、Bイオンを濃度3×1014/cm2、加速電圧1kVの条件でイオン注入する。当該各イオン注入処理により、n型拡散層107およびp型拡散層108の低濃度領域を形成する(図16参照)。
Next, the nMOS forming area, the As ion concentration 3 × 10 14 / cm 2, the ion implanted at an acceleration voltage of 5 kV, with respect to the pMOS forming region, B ions concentration 3 × 10 14 / cm 2. Ion implantation is performed under the condition of an acceleration voltage of 1 kV. Low concentration regions of the n-
次に、化学気相成長法により、テトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4)を用いて膜厚100nmの酸化シリコン膜を形成し、続いて当該酸化シリコン膜を異方性ドライエッチングすることにより、酸化シリコンからなるサイドウォール109を形成する(図16参照)。
Next, a 100 nm-thickness silicon oxide film is formed using tetraethoxysilane (Si (OC2H5) 4) by chemical vapor deposition, and then the silicon oxide film is anisotropically dry etched.
しかる後に、nMOS形成領域に対して、Asイオンを濃度5×1015/cm2、加速電圧10kVの条件でイオン注入し、pMOS形成領域に対して、Bイオンを濃度5×1015/cm2、加速電圧3kVの条件でイオン注入する。当該各イオン注入処理により、n型拡散層107およびp型拡散層108の高濃度領域を形成する。つまり、図16に示すように、n型拡散層107およびp型拡散層108は、低濃度領域と高濃度領域との2段構成を有する。次に、1025℃で10秒間の熱処理を行い、n型拡散層107およびp型拡散層608にイオン注入された不純物を電気的に活性化させる。
Thereafter, As ions are implanted into the nMOS formation region at a concentration of 5 × 10 15 / cm 2 and an acceleration voltage of 10 kV, and B ions are implanted into the pMOS formation region at a concentration of 5 × 10 15 / cm 2. Then, ions are implanted under the condition of an acceleration voltage of 3 kV. By the respective ion implantation processes, high concentration regions of the n-
上記熱処理を行った後に、プラズマ化学気相成長法により、テトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4)を用いて酸化シリコン膜を300nm堆積して、これを化学機械研磨することによって平坦化して層間絶縁膜110を形成する(図16参照)。当該化学機械研磨処理の際、研磨を止めるストッパーとして窒化シリコン膜606を用いる。
After performing the above heat treatment, a silicon oxide film having a thickness of 300 nm is deposited by plasma chemical vapor deposition using tetraethoxysilane (Si (OC2H5) 4), and this is planarized by chemical mechanical polishing for interlayer insulation. A
次に、リン酸(H3PO4)水溶液を用いて窒化シリコン膜606を選択的に除去し、ドライエッチングおよびアンモニアと過酸化水素水との水溶液を用いた溶解処理によって、多結晶シリコン膜605を部分的に除去して、当該多結晶シリコン膜605の膜厚を75nmにまで減少させる(図17参照)。
Next, the
続いて、スパッタリングを用いてニッケル膜611を堆積し(図17参照)、350℃の窒素雰囲気中における熱処理を行って、ニッケル膜611を多結晶シリコン膜605と反応させる。リン酸、硝酸(HN3)、酢酸(CH3COOH)、過酸化水素水を混合した水溶液による溶解処理によって、不要なニッケル膜611を除去した後に、550℃の窒素雰囲気中における熱処理を行って、多結晶シリコン膜605の全域を珪化ニッケルに転化させる(フルシリサイド化)。
Subsequently, a
こうして、図18に示すように、nMOS形成領域にはリンを含有する珪化ニッケルゲート電極612が、pMOS形成領域には硼素を含有する珪化ニッケルゲート電極613が形成される。ここで、上述したように各ゲート電極612,613は、その全域が実質的に珪化ニッケルで構成されているので、フルシリサイドと呼ばれる。
Thus, as shown in FIG. 18, a nickel
しかる後に、プラズマ化学気相成長法により、酸化シリコン膜を堆積して、化学機械研磨を行うことにより層間絶縁膜110の膜厚を600nmにまで増加させる。その後、フォトリソグラフィーとドライエッチングを用いて、層間絶縁膜110にコンタクトホールを開口する。その後、化学気相成長法およびスパッタリングを用いて、タングステンを当該コンタクトホール内まで堆積して、これをフォトリソグラフィーとドライエッチングによって加工することにより、配線111を形成する(図18参照)。
Thereafter, a silicon oxide film is deposited by plasma chemical vapor deposition and chemical mechanical polishing is performed to increase the thickness of the
以上の工程を経て、同一基板上に珪化ニッケルをゲート電極とするnMOSおよびpMOSが完成し、本発明の技術によってpMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜104は、nMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜103よりも厚く仕上がっている。なお、実際の先端CMOS集積回路の形成には、より複雑な構造のサイドウォールの形成、拡散層表面における金属珪化物の形成、多層銅配線形成等の工程が必要だが、ここでは省略している。
Through the above steps, an nMOS and a pMOS using nickel silicide as a gate electrode are completed on the same substrate. By the technique of the present invention, the SiON
SiON膜をゲート絶縁膜として用い、珪化ニッケルをゲート電極として用いる場合、pMOSのゲート電極の仕事関数を所望の値に近づける手段として、硼素(B)添加が有効であることが知られている。したがって、多結晶シリコンゲート電極を用いる場合と同様に、多結晶シリコン膜605に硼素(B)を添加した状態で高温熱処理を行っており、しかる後に珪化ニッケルに転化させているので、珪化ニッケル等から成るフルシリサイドゲート電極を用いる場合においても、その途中の工程におけるシリコン基板101へのB漏れの抑制は、多結晶シリコンゲート電極を用いる場合と等しく重要である。
When a SiON film is used as a gate insulating film and nickel silicide is used as a gate electrode, it is known that boron (B) addition is effective as a means for bringing the work function of the gate electrode of the pMOS close to a desired value. Therefore, as in the case of using the polycrystalline silicon gate electrode, the high temperature heat treatment is performed in a state where boron (B) is added to the
したがって、ゲート電極としてフルシリサイド膜を用い、所定の領域にフッ素注入を用いる場合には、フッ素注入に引き続いて、硼素(B)注入を行ったりBF2イオン注入を行ったりすることは現実的ではない。本発明の技術のように(つまり、実施の形態で説明したように)、フッ素注入後、硼素(B)導入前に熱処理を行って、余分な硼素(B)を除去することがB漏れ抑制の上で必須である。さらに言うなら、フルシリサイド膜をゲート電極として用いた場合の方が、ポリシリコン膜をゲート電極として用いた場合よりも電界が直接的に印加されるために、NBTI信頼性の懸念がより大きくなる。したがって、実施の形態1で説明した効果の必要性が高くなる。 Therefore, when a full silicide film is used as a gate electrode and fluorine implantation is used in a predetermined region, it is not realistic to perform boron (B) implantation or BF2 ion implantation following fluorine implantation. . As in the technique of the present invention (that is, as described in the embodiment), it is possible to suppress the B leakage by removing the excess boron (B) by performing heat treatment after the fluorine implantation and before introducing boron (B). Essential on. Furthermore, since the electric field is directly applied in the case where the full silicide film is used as the gate electrode than in the case where the polysilicon film is used as the gate electrode, there is a greater concern about NBTI reliability. . Therefore, the necessity for the effect described in the first embodiment is increased.
また、本実施の形態においては、多結晶シリコン膜605へのフッ素注入を用いて、pMOS形成領域のSiONゲート絶縁膜104を増膜させている。したがって、実施の形態1で述べた当該増膜に起因する効果は保たれる。ゲート絶縁膜の増膜効果は、増膜後の工程で多結晶シリコン膜605を珪化ニッケルに転化させるか否かには左右されないので、当然の結果と言える。
Further, in this embodiment, the SiON
101,41 シリコン基板、102,42 素子分離溝、103,104,45,46 SiONゲート絶縁膜、105,106 ゲート電極、107 n型拡散層、108 p型拡散層、109 サイドウォール、110 層間絶縁膜、111 配線、43 酸化シリコン膜、605 多結晶シリコン膜、606 窒化シリコン膜、611 ニッケル膜、612 (リンを含有する)珪化ニッケルゲート電極、613 (硼素を含有する)珪化ニッケルゲート電極。
101, 41 silicon substrate, 102, 42 element isolation trench, 103, 104, 45, 46 SiON gate insulating film, 105, 106 gate electrode, 107 n-type diffusion layer, 108 p-type diffusion layer, 109 sidewall, 110 interlayer insulation Film, 111 wiring, 43 silicon oxide film, 605 polycrystalline silicon film, 606 silicon nitride film, 611 nickel film, 612 nickel silicide gate electrode (containing phosphorus), 613 nickel silicide gate electrode (containing boron)
Claims (14)
前記高速動作回路部は、
半導体基板表面上の第1の領域に形成され、フッ素が導入されていない第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜表面上に形成された第1のゲート電極と、
前記第1のゲート電極に対向する前記半導体基板を挟んで、前記半導体基板表面中に形成された一対のn型不純物拡散領域とを有する、nMOSトランジスタと、
前記半導体基板表面上の第2の領域に形成され、前記第1のゲート絶縁膜よりも膜厚が厚く、その膜中に前記フッ素が導入された第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜表面上に形成され、不純物を含み、少なくとも構成要素として珪素を含む第2のゲート電極と、
前記第2のゲート電極に対向する前記半導体基板を挟んで、前記半導体基板表面中に形成された一対のp型不純物拡散領域とを有する、pMOSトランジスタと、を備えた、
半導体装置。 A semiconductor device comprising: an input / output circuit unit; and a high-speed operation circuit unit having a gate insulating film that is applied with a lower voltage than the input / output circuit unit and is thinner than the input / output circuit unit
The high-speed operation circuit unit includes:
A first gate insulating film formed in a first region on the surface of the semiconductor substrate and into which fluorine is not introduced;
A first gate electrode formed on the surface of the first gate insulating film;
An nMOS transistor having a pair of n-type impurity diffusion regions formed in the semiconductor substrate surface across the semiconductor substrate facing the first gate electrode;
A second gate insulating film formed in a second region on the surface of the semiconductor substrate, having a thickness greater than that of the first gate insulating film, wherein the fluorine is introduced into the film;
A second gate electrode formed on the surface of the second gate insulating film, containing an impurity and containing at least silicon as a component;
A pMOS transistor having a pair of p-type impurity diffusion regions formed in the surface of the semiconductor substrate across the semiconductor substrate facing the second gate electrode.
Semiconductor device.
前記第2のゲート絶縁膜の膜厚は、前記第1のゲート絶縁膜の膜厚よりも、16%未満厚くなっている、
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 The second gate insulating film is a SiON film;
The film thickness of the second gate insulating film is less than 16% thicker than the film thickness of the first gate insulating film.
The semiconductor device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 As the impurity contained in the second gate electrode, at least boron is contained,
The semiconductor device according to claim 1.
前記半導体基板表面上の第3の領域に形成され、フッ素が導入されておらず前記第1のゲート絶縁膜と同等の膜厚を有する第3のゲート絶縁膜と、前記第3のゲート絶縁膜表面上に形成された第3のゲート電極と、前記第3のゲート電極に対向する前記半導体基板を挟んで前記半導体基板表面中に形成された一対のp型不純物拡散領域とを有する、pMOSトランジスタを、さらに備えた、
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 The high-speed operation circuit unit includes:
A third gate insulating film formed in a third region on the surface of the semiconductor substrate and having a thickness equivalent to that of the first gate insulating film without introduction of fluorine; and the third gate insulating film A pMOS transistor having a third gate electrode formed on the surface and a pair of p-type impurity diffusion regions formed in the surface of the semiconductor substrate across the semiconductor substrate facing the third gate electrode Further equipped with
The semiconductor device according to claim 1.
前記第2の領域に形成される前記pMOSトランジスタは、前記SRAM回路部のみに用いられる、
ことを特徴とする請求項4記載の半導体装置。 The high-speed operation circuit unit includes an SRAM circuit unit,
The pMOS transistor formed in the second region is used only for the SRAM circuit portion.
The semiconductor device according to claim 4.
完成状態において、その全域が金属珪化物になっている、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の半導体装置。 The second gate electrode is
In the completed state, the entire area is metal silicide,
6. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 5, wherein:
半導体基板表面上に、第1のゲート絶縁膜を介してゲート電極材料を形成する工程と、
前記nMOSトランジスタ形成領域表面上を覆い、前記pMOSトランジスタ形成領域表面上の少なくとも一部を開口するマスクを形成する工程と、
前記マスク形成後、前記半導体基板上面に対してフッ素を注入して、前記pMOSトランジスタ形成領域の少なくとも一部の前記ゲート電極材料中に前記フッ素を導入し、前記フッ素導入後に熱処理を行う工程と、
前記熱処理を行う工程の後に、前記pMOSトランジスタ形成領域の前記ゲート電極材料中に不純物を導入する工程とを備えた、
半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device including a pMOS transistor and an nMOS transistor,
Forming a gate electrode material on the semiconductor substrate surface via a first gate insulating film;
Forming a mask covering the surface of the nMOS transistor formation region and opening at least a part of the surface of the pMOS transistor formation region;
After the mask formation, implanting fluorine into the upper surface of the semiconductor substrate, introducing the fluorine into at least a part of the gate electrode material in the pMOS transistor formation region, and performing a heat treatment after the fluorine introduction;
A step of introducing impurities into the gate electrode material in the pMOS transistor formation region after the heat treatment step;
A method for manufacturing a semiconductor device.
ことを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。 The impurity introduced into the second gate electrode contains at least boron.
8. A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein:
ことを特徴とする、請求項7または請求項8に記載の半導体装置の製造方法。 Causing the fluorine to reach the first gate insulating film by the heat treatment;
9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the method is a semiconductor device manufacturing method.
MOSトランジスタを有する入出力回路部と、
前記入出力回路部よりも低い電圧が印加され、前記pMOSトランジスタおよび前記nMOSトランジスタとを有する高速動作回路部とを、備えており、
前記第1のゲート絶縁膜を形成する工程の前に、前記MOSトランジスタ形成領域の前記半導体基板表面上に前記第2のゲート絶縁膜を形成する工程を備え、
前記マスクは、前記MOSトランジスタ表面上も覆うように形成する、
ことを特徴とする、請求項7ないし請求項9のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 The semiconductor device includes:
An input / output circuit having a MOS transistor;
A voltage lower than that of the input / output circuit unit is applied, and a high-speed operation circuit unit including the pMOS transistor and the nMOS transistor is provided.
Before the step of forming the first gate insulating film, comprising the step of forming the second gate insulating film on the surface of the semiconductor substrate in the MOS transistor formation region,
The mask is formed so as to cover the surface of the MOS transistor.
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the method is a semiconductor device manufacturing method.
半導体基板表面上に、第1のゲート絶縁膜を介してゲート電極材料を形成する工程と、
前記nMOSトランジスタ形成領域表面上を覆い、前記pMOSトランジスタ形成領域表面上の少なくとも一部を開口するマスクを形成する工程と、
前記マスク形成後、前記半導体基板上面に対して酸素を注入して、前記pMOSトランジスタ形成領域の少なくとも一部の前記ゲート電極材料中に前記酸素を導入し、前記酸素導入後に熱処理を行う工程と、
前記熱処理を行う工程の後に、前記pMOSトランジスタ形成領域の前記ゲート電極材料中に不純物を導入する工程とを備えた、
半導体装置の製造方法。 In a method for manufacturing a semiconductor device including a pMOS transistor and an nMOS transistor,
Forming a gate electrode material on the semiconductor substrate surface via a first gate insulating film;
Forming a mask covering the surface of the nMOS transistor formation region and opening at least a part of the surface of the pMOS transistor formation region;
After the mask is formed, oxygen is implanted into the upper surface of the semiconductor substrate, the oxygen is introduced into at least a part of the gate electrode material in the pMOS transistor formation region, and a heat treatment is performed after the oxygen introduction;
A step of introducing impurities into the gate electrode material in the pMOS transistor formation region after the heat treatment step;
A method for manufacturing a semiconductor device.
ことを特徴とする、請求項11記載の半導体装置の製造方法。 The impurity introduced into the second gate electrode contains at least boron.
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein:
ことを特徴とする請求項11または請求項12に記載の半導体装置の製造方法。 Causing the oxygen to reach the first gate insulating film by the heat treatment;
13. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein the semiconductor device is manufactured.
MOSトランジスタを有する入出力回路部と、
前記入出力回路部よりも低い電圧が印加され、前記pMOSトランジスタおよび前記nMOSトランジスタとを有する高速動作回路部とを、備えており、
前記第1のゲート絶縁膜を形成する工程の前に、前記MOSトランジスタ形成領域の前記半導体基板表面上に前記第2のゲート絶縁膜を形成する工程を備え、
前記マスクは、前記MOSトランジスタ表面上も覆うように形成する、
ことを特徴とする請求項11ないし請求項13のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
The semiconductor device includes:
An input / output circuit having a MOS transistor;
A voltage lower than that of the input / output circuit unit is applied, and a high-speed operation circuit unit including the pMOS transistor and the nMOS transistor is provided.
Before the step of forming the first gate insulating film, comprising the step of forming the second gate insulating film on the surface of the semiconductor substrate in the MOS transistor formation region,
The mask is formed so as to cover the surface of the MOS transistor.
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 11, wherein the method is a semiconductor device manufacturing method.
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