JP2008078347A - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法および半導体装置 Download PDF

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Abstract

【課題】チャネル領域の両側からチャネル領域に応力を効果的に印加する半導体装置の製造方法および半導体装置を提供する。
【解決手段】まず、シリコン基板11上にゲート絶縁膜12を介してゲート電極13を形成する工程を行う。次に、ゲート電極13をマスクにした異方性のリセスエッチングにより、シリコン基板11を掘り下げて、リセス領域18を形成する。リセス領域18の表面に、SiGe層19をエピタキシャル成長させる工程とを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法およびこれにより得られる半導体装置である。
【選択図】図2

Description

本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、さらに詳しくは、特にはゲート電極の両側のシリコン基板に埋め込まれたシリコンゲルマニウム(SiGe)層をソース/ドレインとして用いた構成の半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。
MOS型のトランジスタを備えた半導体装置においては、シリコン基板への応力印加によってキャリア移動度を向上させる技術が積極的に利用されている。このような技術の一つとして、例えばp型のMOSトランジスタ(PMOS)においては、トランジスタのソース/ドレイン(S/D)として、シリコン(Si)よりも格子定数の大きいシリコンゲルマニウム(SiGe)層をエピタキシャル成長によって形成し、チャネル領域に局所的に応力を与えて歪みを発生させる手法が提案されている(例えば、下記非特許文献1、2参照)。この方法は、現在の90nm世代、65nm世代の技術に利用されて、量産まで進められている。さらには、45nm世代およびそれ以降に向けての技術開発の中でも、重要技術として検討されている。
一方、面方位(110)のSi基板の正孔移動度が、従来から用いられている面方位(100)のSi基板の正孔移動度よりも高いことを利用する方法もある。この方法によれば、面方位を変えたSi基板を用いるだけで、PMOSの性能向上が図れる。
以上のことから、SiGe層によりチャネル領域に局所的な応力をかける方法と、面方位(110)のSi基板を用いる方法とを組み合わせることが、次世代の高性能PMOSに対して有望と考えられており、検討されている。
このような構成の半導体装置の製造方法について、図5の断面図を用いて説明する。まず、面方位(110)のシリコン基板11の表面側に素子分離領域(図示省略)を形成し、シリコン基板11上にゲート絶縁膜12を介して上部にハードマスク14、15が順次積層されたゲート電極13を形成する。その後、これらの側壁に絶縁性のオフセットスペーサー16を介してサイドウォール17を形成する。以上までは、通常のMOSプロセスと同様に行う。
次に、ハードマスク15およびサイドウォール17をマスクにして、シリコン基板11の表面をエッチングによって掘り下げる、いわゆるリセスエッチングを行い、リセス領域18’を形成する。この際、等方性のリセスエッチングを行うことで、サイドウォール17の下方にまでリセス領域18’が広がるようにする。これにより、リセス領域18’のゲート電極13側の側壁は斜面を有した状態となり、この斜面に面方位(100)面が自然に露出される。
以上の後、ここでの図示は省略したが、エッチングによって掘り下げたリセス領域18’の表面に、SiGe層をエピタキシャル成長させてS/Dを形成する。
T.Ghani他,「A 90nm High Volume Manufacturing Logic Technology Featuring Novel 45nm Gate Length Strained Silicon CMOS Transistors」,International Electron Devices Meeting Technical Digest, 2003年,p.978 S.Tyagi他,「An advanced low power, high performance, strained chanel 65nm technology」, International Electron Devices Meeting Technical Digest, 2005年,p.1070
しかし、上述したような半導体装置の製造方法では、図6(a)のTEM写真および図6(b)の領域Aの拡大TEM写真に示すように、リセス領域18'のゲート電極13側の側壁に露出された面方位(100)の面へのSiGe層19のエピタキシャル成長のレートは、面方位(110)の面へのSiGe層19のエピタキシャル成長のレートよりも速い。このため、面方位(100)の面にSiGe層19が優先成長され、アクティブ領域のボトムとなるリセス領域18’の底部には、SiGe層19が成長し難くなる。このため、ゲート電極13の直下のシリコン基板11に形成されるチャネル領域Chに横方向からの応力がかかり難いという問題があった。
以上のような課題を解決するために、本発明は、チャネル領域に横方向から応力を効果的に印加する半導体装置の製造方法および半導体装置を提供することを目的とする。
上述したような目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、第1工程では、シリコン(Si)基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程を行う。次に、第2工程では、ゲート電極をマスクにした異方性のリセスエッチングにより、Si基板を掘り下げて、リセス領域を形成する。次いで、第3工程では、リセス領域の表面に、SiとSiとは格子定数の異なる原子とからなる混晶層をエピタキシャル成長させる工程を行う。
このような半導体装置の製造方法によれば、第2工程において、ゲート電極をマスクにした異方性のリセスエッチングにより、Si基板を掘り下げてリセス領域を形成するため、リセス領域のゲート電極側の側壁が略垂直に加工される。このため、この側壁が斜面を有する場合と比較して、リセス領域に埋め込まれる混晶層により、ゲート電極の直下のSi基板に形成されるチャネル領域に横方向からの応力をかけ易い。また、面方位(110)のSi基板を用いた場合であっても、リセス領域のゲート電極側の側壁が略垂直に加工されるため、面方位(100)の面の露出が抑制される。これにより、リセス領域の表面に混晶層をエピタキシャル成長させることで、表面が平坦化された混晶層を形成することが可能となる。よって、チャネル領域に横方向からの応力を効果的にかけることができる。
また、本発明の半導体装置は、Si基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられた半導体装置であって、ゲート電極側の側壁が略垂直となるように、ゲート電極の両側のシリコン基板が掘り下げられたリセス領域に、シリコンとシリコンとは格子定数の異なる原子とからなる混晶層が設けられていることを特徴としている。
このような半導体装置によれば、リセス領域のゲート電極側の側壁が略垂直に加工されているため、この側壁が斜面を有する場合と比較して、チャネル領域に横方向からの応力をかけ易い。したがって、チャネル領域に横方向からの応力を効果的にかけることができる。
以上、説明したように、本発明の半導体装置の製造方法および半導体装置によれば、チャネル領域に横方向からの応力を効果的にかけることができることから、キャリア移動度を高くすることができるため、半導体装置の高性能化、高品質化が図れる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明の半導体装置の製造方法に係わる実施の形態の一例を、図1〜図4の製造工程断面図によって説明する。なお、本実施形態においては、半導体装置の構成を製造工程順に説明する。また、背景技術で説明したものと同様の構成には、同一の番号を付して説明する。
まず、図1(a)に示すように、単結晶シリコンからなる面方位(110)のSi基板11を用意し、その表面側に素子分離領域(図示省略)を形成する。この際、例えば、Si基板11の表面側に溝を形成し、この溝内に例えば酸化シリコン(SiO2)膜からなる絶縁膜を埋め込んだSTI(shallow trench isolation)構造の素子分離領域を形成する。
次に、素子分離領域で分離されたSi基板11上に、例えばSiO2からなるゲート絶縁膜12を介して、例えばポリシリコンからなるゲート電極13をパターン形成する。この際、ゲート電極13を微細なパターンとするために、2層のハードマスク14、15を用い、シリコン基板11上に、ゲート絶縁膜12、ゲート電極13、およびハードマスク14、15を構成する各材料膜を積層成膜した後に、これらの積層膜をパターンエッチングする。なお、このゲート絶縁膜12とゲート電極13とは、後工程で、ダミーとして除去される。
次いで、ゲート絶縁膜12、ゲート電極13、およびハードマスク14、15の側壁に、例えば窒化シリコン(SiN)からなるスペーサー16を介して、例えばTEOS(Tetraethoky Silane)からなる絶縁性のサイドウォール17aを形成する。
次に、ゲート電極13をマスクにしたリセスエッチングにより、Si基板11の表面を掘り下げて、リセス領域を形成する。ここで、本発明の特徴的な構成は、異方性のリセスエッチングを行うことであり、ここでは、2段階の異方性のリセスエッチングを行うこととする。
まず、ハードマスク15およびサイドウォール17aをマスクにした異方性のリセスエッチングにより、Si基板11の表面を掘り下げて、50nm以下の深さのリセス領域18aを形成する。これにより、リセス領域18aのゲート電極13側の側壁は、略垂直に加工される。
次いで、図1(b)に示すように、サイドウォール17aの両側のSi基板11上に、例えばSiNからなるサイドウォール17bを形成する。続いて、ハードマスク15およびサイドウォール17bをマスクとして、異方性のリセスエッチングにより、Si基板11の表面を掘り下げることで、リセス領域18aをさらに掘り下げてリセス領域18bを形成する。これにより、リセス領域18aのゲート電極13側の側壁は、略垂直に加工され、リセス領域18a、18bと順次掘り込まれたリセス領域18となる。この際、リセス領域18のゲート電極13側の側壁は、上記サイドウォール17bの膜厚分、段差を有して形成される。上記異方性のリセスエッチングは、NF3 Basedエッチングガスを用いて行われる。
上述したように、2段階の異方性のリセスエッチングにより形成されたリセス領域18a、18bのゲート電極13側の側壁が略垂直に加工されることで、背景技術で図5を用いて説明したように、リセス領域18’のゲート電極13側の側壁が斜面を有する場合と比較して、リセス領域18に埋め込まれるSiGe層により、ゲート電極13の直下のSi基板11に形成されるチャネル領域に、横方向からの応力をかけ易くなる。また、リセス領域18のゲート電極13側の側壁に斜面が露出しないことで、面方位(100)の面の露出が抑制されるため、後述するように、SiGe層をほぼ均等なレートでエピタキシャル成長させることが可能となる。
ここで、リセス領域18aの深さd1は5nm以上で50nmより小さく(5nm≦d1<50nm)、リセス領域18の深さd2はd1以上で、120nmよりも小さくなるように(d1≦d2<120nm)形成される。また、リセス領域18のゲート電極13側の側壁の段差の肩部分の幅d3は40nmより小さい幅で形成されることとする。これにより、リセス領域18bに埋め込まれる第1のSiGe層が近付きすぎることによる短チャネル効果が防止されるとともに、ゲート電極13の直下のSi基板11に形成されるチャネル領域に横方向からの応力を効果的にかけることが可能となる。
なお、ここでは、サイドウォールの形成工程と異方性のリセスエッチング工程を2回繰り返すこととするが、本発明はこれに限定されず、1回のみの異方性のリセスエッチングにより、側壁に段差のないリセス領域18を形成してもよく、上記工程を3回以上繰り返すことで、側壁に複数の段差が形成されるように、リセス領域を形成してもよい。ただし、上述したような短チャネル効果の防止と応力の印加の効果およびスループットの向上を考えると上記工程を2回繰り返すことが、最も好ましい。
また、ここでは、サイドウォール17aが設けられた状態で、1回目の異方性のリセスエッチングを行う例について説明するが、サイドウォール17aを設けずに、上記リセスエッチングを行う場合であっても、本発明は適用可能である。ただし、この場合には、不純物の拡散による短チャネル効果の悪化を防ぐために、後工程でリセス領域18にSiGe層をエピタキシャル成長させる際に、不純物イオンを含有させないで行うこととする。
次いで、図1(c)に示すように、リセス領域18bの表面、すなわち掘り下げられたSi基板11の表面に、SiとSiとは格子定数の異なる原子との混晶層をエピタキシャル成長させる。ここでは、PMOSFETを形成することから、この混晶層に挟まれるチャネル領域に圧縮応力を印加するため、シリコン(Si)とシリコンよりも格子定数の大きいゲルマニウム(Ge)とからなるSiGe層(混晶層)をエピタキシャル成長させる。また、この際、不純物としてボロンを含んだ状態でSiGe層をエピタキシャル成長させる。
この際、まず、2回目のリセスエッチングにより掘り下げられたリセス領域18bに、第1のSiGe層19aをエピタキシャル成長させる。この際、リセス領域18bのゲート電極13側には、面方位(100)の面が露出されていないことから、均等なレートでエピタキシャル成長されるため、リセス領域18bは第1のSiGe層19aで埋め込まれた状態となり、その表面は平坦に形成される。
上記第1のSiGe層19の成膜条件としては、成膜ガスとして、ジクロロシラン(Dichlorosilane(DCS))、塩化水素(HCl)、水素(H2)によりに希釈された水素化ゲルマニウム(GeH4)、水素(H2)により希釈されたジボラン(B26)を用い、処理温度を600℃〜900℃、処理圧力を1.3kPa〜13.3kPaに設定する。
次に、図2(d)に示すように、サイドウォール17b(前記図1(c)参照)を除去することで、リセス領域18aの側壁側を露出させる。
続いて、図2(e)に示すように、露出されたリセス領域18aの表面および第1のSiGe層19a上に第2のSiGe層19bをエピタキシャル成長させる。この際、リセス領域18aのゲート電極13側の側壁には、面方位(100)の面が露出されていないことから、均等なレートでエピタキシャル成長されるため、リセス領域18aは第1のSiGe層19bで埋め込まれた状態となり、その表面は平坦に形成される。上記第2のSiGe層19bの成膜条件としては、上記第1のSiGe層19aの成膜条件と同様の条件で行うことができる。これにより、リセス領域18が、第1のSiGe層19aと第2のSiGe層19bとで構成されるSiGe層19(混晶層)で埋め込まれた状態となる。
ここで、チャネル領域に横方向からの応力を効果的にかけるため、第2のSiGe層19bの表面の高さは、マージンをとってシリコン基板11の表面よりも高くなるように形成することが好ましい、高さは50nm以下とする。また、これと同様の理由により、第1のSiGe層19aよりも第2のSiGe層19bのGe濃度が高い方が好ましい。この場合には、第1のSiGe層19aの成膜条件よりも、GeH4のガス流量を高くして、第2のSiGe層19bのGe濃度を高濃度化する。
その後、第2のSiGe層19b上にSi層20を成膜する。このSi層20には、後述するようにシリサイド層が形成される。
次いで、図2(f)に示すように、ハードマスク15とオフセットスペーサー16をマスクに用いて、例えば斜め方向からn型の不純物を導入することで、空乏層を広げるとともに、p型の不純物イオンを注入することで、ゲート電極13の両側のSi基板11の表面にエクステンション領域(図示省略)を形成する。
その後、図3(g)に示すように、ゲート電極13の両側にオフセットスペーサー16を介して例えばSiNからなるサイドウォール17cを形成するとともに、サイドウォール17cの両側に、例えばSiO2からなるサイドウォール17dを形成する。なお、ここでは、2層のサイドウォール17c、17dを積層形成することとしたが、単層のサイドウォールを形成してもよい。ただし、この場合には、配線間容量を低減するために、SiNではなくSiO2からなるサイドウォールを形成することが好ましい。
次に、図3(h)に示すように、SiGe層19に導入したボロン濃度が十分でない場合には、ハードマスク15およびサイドウォール17dをマスクに用いて、SiGe層19およびSi層20にボロンを導入しS/Dを形成する。次いで、サイドウォール17dの両側のSi層20をシリサイド化し、シリサイド層21を形成する。
続いて、図3(i)に示すように、洗浄処理により、SiO2からなるハードマスク15(前記図3(h)参照)を除去し、ハードマスク14を露出させる。この際、SiO2からなサイドウォール17dの上部も除去される。
次に、図4(j)に示すように、例えばCVD法により、Si基板11上の全域を覆う状態で、例えばSiO2からなる層間絶縁膜22を形成する。続いて、例えば化学的機械的研磨(Chemical Mechanical Polishing(CMP))法により、ハードマスク14の表面が露出するまで、層間絶縁膜22を平坦化する。
次いで、ハードマスク14(前記図4(j)参照)を除去することで、ポリシリコンからなるゲート電極13(前記図4(j)参照)の表面を露出する。この際、ハードマスク14の両側のオフセットスペーサー16とサイドウォール17cの上部は、ハードマスク14とともに除去される。続いて、ゲート電極13とゲート絶縁膜12(前記図4(j)参照)を除去し、Si基板11の表面を露出する凹部23を形成する。
次に、図4(m)に示すように、凹部23の内壁を覆う状態で、層間絶縁膜22上に、例えば原子層蒸着(Atomic Layer Deposition(ALD))法により、例えば、酸化ハフニウム(HfO2)等のhigh−k材料からなるゲート絶縁膜24を新たに成膜する。
続いて、凹部23を埋め込む状態で、ゲート絶縁膜24上に、例えばポリシリコンあるいは金属のゲート電極膜を成膜した後、CMP法により、層間絶縁膜22の表面が露出するまで、ゲート電極膜を除去することで、凹部23に、ゲート絶縁膜24を介して、ゲート電極25を形成する。これにより、ゲート電極25の直下のSi基板11がチャネル領域Chとなる。
このような半導体装置の製造方法およびこれにより得られる半導体装置によれば、異方性のリセスエッチングにより、面方位(110)のSi基板11を掘り下げてリセス領域18を形成するため、リセス領域18のゲート電極13側の側壁が略垂直に加工される。このため、この側壁が斜面を有する場合と比較して、リセス領域18に埋め込まれるSiGe層により、ゲート電極13の直下のSi基板11に形成されるチャネル領域に横方向からの応力をかけ易い。また、リセス領域18のゲート電極13側の側壁が略垂直に加工されるため、面方位(100)の面の露出が抑制される。これにより、リセス領域18の表面にSiGe層19をエピタキシャル成長させることで、表面が平坦化されたSiGe層19を形成することが可能となる。よって、チャネル領域Chに横方向からの応力を効果的にかけることができる。したがって、正孔移動度を高くすることができるため、半導体装置の高性能化、高品質化が図れる。
また、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、サイドウォールの形成工程と異方性のリセスエッチング工程を2回繰り返すことで、リセス領域18のゲート電極13側の側壁に段差が形成される。これにより、短チャネル効果の防止と応力の印加の効果の両方の効果を奏することができる。
なお、上記実施形態においては、PMOSFETの製造方法を例にとり説明したが、本発明は、NMOSFETの製造方法としても適用可能である。この場合には、面方位(100)のSi基板11を用い、リセス領域18を埋め込む混晶層としては、シリコンとシリコンよりも格子定数の小さい炭素(C)とからなるSiC層をエピタキシャル成長させる。また、不純物としてはn型の不純物を用いる。これにより、ゲート電極25の直下のチャネル領域に引っ張り応力が印加される。この場合であっても、異方性のリセスエッチングにより、リセス領域のゲート電極側の側壁が略垂直に加工されるため、上記実施形態と同様の効果を奏する。
本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態を説明するための製造工程断面図(その1)である。 本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態を説明するための製造工程断面図(その2)である。 本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態を説明するための製造工程断面図(その3)である。 本発明の半導体装置の製造方法に係る実施形態を説明するための製造工程断面図(その4)である。 従来の半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。 従来の半導体装置の製造方法を問題点を説明するための写真である。
符号の説明
11…シリコン基板、12、24…ゲート絶縁膜、13、25…ゲート電極、18,18a、18b…リセス領域、19…SiGe層(混晶層)、19a…第1のSiGe層、19b…第2のSiGe層、22…層間絶縁膜

Claims (7)

  1. シリコン基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する第1工程と、
    前記ゲート電極をマスクにした異方性のリセスエッチングにより、前記シリコン基板を掘り下げてリセス領域を形成する第2工程と、
    前記リセス領域の表面に、シリコンとシリコンとは格子定数の異なる原子とからなる混晶層をエピタキシャル成長させる第3工程とを行う
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記半導体装置はp型の電界効果トランジスタであり、前記混晶層はシリコンとゲルマ
    ニウムとからなる
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記シリコン基板の面方位は(110)である
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第1工程と前記第2工程との間に、前記ゲート電極の両側にサイドウォールを形成する工程を行い、
    前記第2工程では、前記サイドウォールが設けられた前記ゲート電極をマスクにした異方性のリセスエッチングを行う
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  5. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第2工程と前記第3工程との間に、
    前記ゲート電極の両側にサイドウォールを形成する工程と、
    前記サイドウォールが設けられた前記ゲート電極をマスクにした異方性のリセスエッチングにより、前記リセス領域を掘り下げる工程とを行う
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第3工程の後に、
    前記ゲート電極を覆う状態で、前記混晶層上に、絶縁膜を形成し、当該ゲート電極の表面が露出するまで、当該絶縁膜を除去する工程と、
    露出された前記ゲート電極と前記ゲート絶縁膜とをダミーとして除去することで、前記絶縁膜にシリコン基板を露出する凹部を形成する工程と、
    前記凹部内に、新たにゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程とを行う
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. シリコン基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられた半導体装置であって、
    前記ゲート電極側の側壁が略垂直となるように、当該ゲート電極の両側の前記シリコン基板が掘り下げられたリセス領域に、シリコンとシリコンとは格子定数の異なる原子とからなる混晶層が設けられている
    ことを特徴とする半導体装置。
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