JP2008130963A - Semiconductor device and method for manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、ゲート電極の側壁に側壁絶縁膜(以下、適宜サイドウォールと称する)を、ゲート電極上に所定の属性の応力を有する応力印加用絶縁膜を備える半導体装置、及び、その製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and in particular, a side wall insulating film (hereinafter referred to as a side wall as appropriate) on a side wall of a gate electrode, and a stress applying insulating film having a stress having a predetermined attribute on the gate electrode. The present invention relates to a semiconductor device provided and a manufacturing method thereof.
近年、半導体装置の微細化に伴い、CMOS(相補型MOSトランジスタ素子)のオン電流に対する要求が一段と厳しくなっており、従来の半導体装置の構造では、その要求に応えることが困難となってきている。そこで、高移動度材料の使用、Si基板の面方位性制御、及び、歪み印加技術等に代表されるオン電流向上技術が提案されている。特に、歪み印加技術としては、ゲート電極の両サイドのソース・ドレインからの応力をチャネル部に印加する埋め込みSiGeソース・ドレイン技術や、高い引っ張り応力または圧縮応力を有する応力印加用絶縁膜(以下、適宜コンタクトエッチングストッパー膜と称する)をゲート電極上に形成しチャネル部に応力を印加する技術等が提案されている。 In recent years, with miniaturization of semiconductor devices, demands for on-current of CMOS (complementary MOS transistor elements) have become more severe, and it has become difficult to meet the demands of conventional semiconductor device structures. . Therefore, on-current improvement techniques represented by the use of high mobility materials, surface orientation control of Si substrates, strain application techniques, and the like have been proposed. In particular, as a strain application technique, a buried SiGe source / drain technique in which stress from the source / drain on both sides of the gate electrode is applied to the channel portion, or a stress applying insulating film having a high tensile stress or compressive stress (hereinafter, referred to as a stress application insulating film) A technique has been proposed in which a contact etching stopper film is appropriately formed on the gate electrode and stress is applied to the channel portion.
ここで、図9は、高い引っ張り応力または圧縮応力を有する応力印加用絶縁膜をゲート電極上に形成しチャネル部に応力を印加する技術における半導体装置の構成を示す断面図である。この半導体装置は、シリコン基板501上のPMOS領域(N型ウェル)503内にPチャネル型MOSトランジスタ518が、NMOS領域(P型ウェル)504内にNチャネル型MOSトランジスタ519が形成されており、Pチャネル型MOSトランジスタ518及びNチャネル型MOSトランジスタ519は素子分離領域502を介して配置されている。MOS型トランジスタ素子は、シリコン基板501上にゲート酸化膜505を介して形成されるゲート電極506、ゲート電極506の下部に形成されるチャネル部の両側に形成されるソース・ドレイン領域507、及び、ゲート電極506の側壁に酸化シリコン膜508を介して形成されるサイドウォール509を備えて構成される。この半導体装置は、更に、2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように形成されたコンタクトエッチングストッパー膜513、MOS型トランジスタ素子の上部に形成される層間絶縁膜514、ゲート電極506またはソース・ドレイン領域507とメタル配線516を接続するコンタクトホール515、及び、パッシベーション膜517を備えて構成されている。
Here, FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device in a technique in which a stress applying insulating film having high tensile stress or compressive stress is formed on a gate electrode and stress is applied to a channel portion. In this semiconductor device, a P-
この半導体装置において、応力印加用絶縁膜として引っ張り応力を有する窒化シリコン膜をゲート電極上に形成した場合には、引っ張り応力がゲート電極を介してチャネル部に印加されるため、Nチャネル型MOSトランジスタのオン電流が向上する。これは、ゲート電極上に形成される窒化シリコン膜の引っ張り応力がNチャネル型MOSトランジスタのチャネル部のSi格子間距離を広げ、電子の移動度を向上させるためである。しかし、Pチャネル型MOSトランジスタのオン電流は低下する。これは、ゲート電極上に形成される絶縁膜の引っ張り応力がPチャネル型MOSトランジスタのチャネル部のSi格子間距離を広げ、正孔の移動度を低下させるためである。 In this semiconductor device, when a silicon nitride film having tensile stress is formed on the gate electrode as the stress application insulating film, the tensile stress is applied to the channel portion through the gate electrode. The on-current is improved. This is because the tensile stress of the silicon nitride film formed on the gate electrode widens the distance between Si lattices in the channel portion of the N-channel MOS transistor and improves the mobility of electrons. However, the on-current of the P-channel MOS transistor decreases. This is because the tensile stress of the insulating film formed on the gate electrode widens the distance between the Si lattices of the channel portion of the P-channel MOS transistor and decreases the mobility of holes.
これに対し、応力印加用絶縁膜として圧縮応力を有する窒化シリコン膜をゲート電極上に形成した場合には、圧縮応力がゲート電極を介してチャネル部に印加されるため、Pチャネル型MOSトランジスタのオン電流が向上する。これは、ゲート電極上に形成される窒化シリコン膜の圧縮応力がPチャネル型MOSトランジスタのチャネル部のSi格子間距離を縮め、正孔の移動度を向上させるためである。しかし、Nチャネル型MOSトランジスタのオン電流は低下する。これは、ゲート電極上に形成される絶縁膜の圧縮応力がNチャネル型MOSトランジスタのチャネル部のSi格子間距離を縮め、電子の移動度を低下させるためである。 On the other hand, when a silicon nitride film having compressive stress is formed on the gate electrode as the stress applying insulating film, the compressive stress is applied to the channel portion through the gate electrode. The on-current is improved. This is because the compressive stress of the silicon nitride film formed on the gate electrode reduces the distance between the Si lattices in the channel portion of the P-channel MOS transistor and improves the hole mobility. However, the on-current of the N-channel MOS transistor decreases. This is because the compressive stress of the insulating film formed on the gate electrode shortens the distance between the Si lattices in the channel portion of the N-channel MOS transistor and decreases the mobility of electrons.
そこで、Nチャネル型MOSトランジスタ及びPチャネル型MOSトランジスタ両方のオン電流を向上させるための技術として、Nチャネル型MOSトランジスタのゲート電極の上面には引っ張り応力を有する絶縁膜を形成し、Pチャネル型MOSトランジスタのゲート電極の上面には圧縮応力を有する絶縁膜を形成する技術がある(例えば、非特許文献1参照)。 Therefore, as a technique for improving the on-current of both the N-channel MOS transistor and the P-channel MOS transistor, an insulating film having a tensile stress is formed on the upper surface of the gate electrode of the N-channel MOS transistor, and the P-channel type There is a technique for forming an insulating film having a compressive stress on the upper surface of the gate electrode of the MOS transistor (for example, see Non-Patent Document 1).
しかし、非特許文献1に記載の技術では、2種類のMOS型トランジスタ素子の夫々に、電流特性を向上させる応力を有する応力印加用絶縁膜を形成するため、半導体装置の製造に係る工程数が多く複雑となる。更に、Nチャネル型MOSトランジスタを形成するNMOS領域と、Pチャネル型MOSトランジスタを形成するPMOS領域の境界部分での加工精度が必要となり量産に適していない。 However, in the technique described in Non-Patent Document 1, a stress applying insulating film having a stress that improves current characteristics is formed in each of the two types of MOS transistor elements. A lot of complexity. Furthermore, processing accuracy is required at the boundary between the NMOS region for forming the N-channel MOS transistor and the PMOS region for forming the P-channel MOS transistor, which is not suitable for mass production.
これに対し、一種類の応力印加用絶縁膜のみを形成する場合には、製造工程の多数化及び複雑化を防止できるが、2種類のMOS型トランジスタ素子の何れのチャネル部にも同じ応力が印加されることとなるため、上述したように、Nチャネル型MOSトランジスタ及びPチャネル型MOSトランジスタの何れか一方のMOS型トランジスタ素子のオン電流しか向上させることが出来ず、且つ、他方のMOS型トランジスタ素子のオン電流は低下することとなる。 On the other hand, when only one type of stress application insulating film is formed, the manufacturing process can be prevented from becoming many and complicated, but the same stress is applied to any channel portion of the two types of MOS transistor elements. Therefore, as described above, only the on-current of one of the N-channel MOS transistor and the P-channel MOS transistor can be improved, and the other MOS transistor can be improved. The on-state current of the transistor element is reduced.
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、MOS型トランジスタ素子のゲート電極上面に応力印加用絶縁膜を備える半導体装置において、製造工程を複雑化させることなく電流特性の向上若しくは電流特性の悪化防止を図ることのできる半導体装置を提供する点にある。また、該半導体装置の具体的な製造方法を提供する点にある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a current characteristic of a semiconductor device having a stress applying insulating film on the upper surface of a gate electrode of a MOS transistor element without complicating the manufacturing process. The object is to provide a semiconductor device capable of improving or preventing deterioration of current characteristics. Another object is to provide a specific method for manufacturing the semiconductor device.
上記目的を達成するための本発明に係る半導体装置は、同一チップ内にPチャネル型MOSトランジスタとNチャネル型MOSトランジスタの2種類のMOS型トランジスタ素子が形成された半導体装置であって、半導体基板上の所定領域に形成される前記MOS型トランジスタ素子のゲート電極の上面に、引っ張り応力または圧縮応力の何れかの応力を有する応力印加用絶縁膜を有し、前記応力印加用絶縁膜によって電流特性が低下する前記MOS型トランジスタ素子のゲート電極の側壁に形成される側壁絶縁膜の膜厚が、前記応力印加用絶縁膜によって電流特性が向上する前記MOS型トランジスタ素子のゲート電極の側壁に形成される側壁絶縁膜の膜厚より厚くなるように設定されていることを第1の特徴とする。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device in which two types of MOS transistor elements, a P-channel MOS transistor and an N-channel MOS transistor, are formed in the same chip. A stress applying insulating film having either a tensile stress or a compressive stress is provided on the upper surface of the gate electrode of the MOS transistor element formed in the predetermined region above, and current characteristics are provided by the stress applying insulating film. The film thickness of the side wall insulating film formed on the side wall of the gate electrode of the MOS type transistor element is reduced on the side wall of the gate electrode of the MOS type transistor element whose current characteristics are improved by the stress applying insulating film. The first characteristic is that the thickness is set to be larger than the thickness of the sidewall insulating film.
上記特徴の本発明に係る半導体装置は、前記応力印加用絶縁膜の応力が0.1GPa〜3.0GPaであることを第2の特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention having the above characteristics is characterized in that the stress of the stress applying insulating film is 0.1 GPa to 3.0 GPa.
上記何れかの特徴の本発明に係る半導体装置は、前記応力印加用絶縁膜の膜厚が30nm〜100nmであることを第3の特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention having any one of the above characteristics is characterized in that the thickness of the stress applying insulating film is 30 nm to 100 nm.
上記第1〜第3の何れかの特徴の本発明に係る半導体装置は、前記応力は引っ張り応力であり、前記Pチャネル型MOSトランジスタの側壁絶縁膜の膜厚が、前記Nチャネル型MOSトランジスタの側壁絶縁膜の膜厚より厚くなるように設定されていることを第4の特徴とする。 In the semiconductor device according to the first to third aspects of the present invention, the stress is a tensile stress, and the thickness of the sidewall insulating film of the P-channel MOS transistor is equal to that of the N-channel MOS transistor. A fourth feature is that the thickness is set to be larger than the thickness of the sidewall insulating film.
上記第1〜第3の何れかの特徴の本発明に係る半導体装置は、前記応力は圧縮応力であり、前記Nチャネル型MOSトランジスタの側壁絶縁膜の膜厚が、前記Pチャネル型MOSトランジスタの側壁絶縁膜の膜厚より厚くなるように設定されていることを第5の特徴とする。 In the semiconductor device according to the first to third aspects of the present invention, the stress is a compressive stress, and the thickness of the sidewall insulating film of the N-channel MOS transistor is equal to that of the P-channel MOS transistor. A fifth feature is that the thickness is set to be larger than the thickness of the sidewall insulating film.
上記目的を達成するための本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記第4の特徴の半導体装置を製造するための方法であって、前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子のゲート電極の側壁に第1側壁絶縁膜を形成した後、前記所定領域内に位置する前記Nチャネル型MOSトランジスタを形成するNMOS領域が開口されたレジストパターンを有するレジストを形成するレジスト形成工程と、前記レジストをマスクとして、前記NMOS領域内の前記第1側壁絶縁膜をケミカルエッチングにより除去する第1側壁絶縁膜除去工程と、前記レジストを除去するレジスト除去工程と、前記所定領域内の全面に窒化シリコン膜を形成する窒化シリコン膜形成工程と、前記窒化シリコン膜を異方性エッチングし、前記所定領域内の前記Nチャネル型MOSトランジスタのゲート電極の側壁及び前記所定領域内の前記Pチャネル型MOSトランジスタの前記第1側壁絶縁膜の側壁に第2側壁絶縁膜を形成する第2側壁絶縁膜形成工程と、前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように、引っ張り応力を有する前記応力印加用絶縁膜を形成する応力印加用絶縁膜形成工程と、を順に実行することを第1の特徴とする。 In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing the semiconductor device of the fourth feature, wherein the two types of MOS transistor elements in the predetermined region are manufactured. Forming a resist having a resist pattern in which an NMOS region for forming the N-channel MOS transistor located in the predetermined region is formed after forming a first sidewall insulating film on the sidewall of the gate electrode; Using the resist as a mask, a first sidewall insulating film removing step for removing the first sidewall insulating film in the NMOS region by chemical etching, a resist removing step for removing the resist, and nitriding the entire surface in the predetermined region A silicon nitride film forming step of forming a silicon film, and anisotropically etching the silicon nitride film, A second sidewall insulating film forming step of forming a second sidewall insulating film on the sidewall of the gate electrode of the N-channel MOS transistor and the sidewall of the first sidewall insulating film of the P-channel MOS transistor in the predetermined region; A stress applying insulating film forming step of forming the stress applying insulating film having a tensile stress so as to cover the two types of MOS transistor elements in the predetermined region is performed in order. And
上記目的を達成するための本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記第4の特徴の半導体装置を製造するための方法であって、前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子のゲート電極の側壁に側壁絶縁膜を形成した後、前記所定領域内に位置する前記Nチャネル型MOSトランジスタを形成するNMOS領域が開口されたレジストパターンを有するレジストを形成するレジスト形成工程と、前記レジストをマスクとして、前記NMOS領域の前記Nチャネル型MOSトランジスタの前記側壁絶縁膜の膜厚を薄くするように、前記側壁絶縁膜をケミカルエッチングする側壁絶縁膜成形工程と、前記レジストを除去するレジスト除去工程と、前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように、引っ張り応力を有する前記応力印加用絶縁膜を形成する応力印加用絶縁膜形成工程と、を順に実行することを第2の特徴とする。 In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing the semiconductor device of the fourth feature, wherein the two types of MOS transistor elements in the predetermined region are manufactured. A resist forming step of forming a resist having a resist pattern in which an NMOS region for forming the N-channel MOS transistor located in the predetermined region is formed after forming a sidewall insulating film on the sidewall of the gate electrode; A sidewall insulating film forming step of chemically etching the sidewall insulating film so as to reduce the film thickness of the sidewall insulating film of the N channel type MOS transistor in the NMOS region, and removing the resist to remove the resist And a tensile stress so as to cover the two types of MOS transistor elements in the predetermined region And the stress applying insulating film forming step of forming the stress applying insulating film having, that the run in sequence as a second feature.
上記第1または第2の特徴の本発明に係る半導体装置の製造方法は、前記応力印加用絶縁膜形成工程において、前記応力印加用絶縁膜として窒化シリコン膜をプラズマCVDまたは熱CVDを用いて形成することを第3の特徴とする。 In the semiconductor device manufacturing method according to the first or second feature of the present invention, in the stress applying insulating film forming step, a silicon nitride film is formed as the stress applying insulating film by using plasma CVD or thermal CVD. This is a third feature.
上記目的を達成するための本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記第5の特徴の半導体装置を製造するための方法であって、前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子のゲート電極の側壁に第1側壁絶縁膜を形成した後、前記所定領域内に位置する前記Pチャネル型MOSトランジスタを形成するPMOS領域が開口されたレジストパターンを有するレジストを形成するレジスト形成工程と、前記レジストをマスクとして、前記PMOS領域内の前記第1側壁絶縁膜をケミカルエッチングにより除去する第1側壁絶縁膜除去工程と、前記レジストを除去するレジスト除去工程と、前記所定領域内の全面に窒化シリコン膜を形成する窒化シリコン膜形成工程と、前記窒化シリコン膜を異方性エッチングし、前記所定領域内の前記Pチャネル型MOSトランジスタのゲート電極の側壁及び前記所定領域内の前記Nチャネル型MOSトランジスタの前記第1側壁絶縁膜の側壁に第2側壁絶縁膜を形成する第2側壁絶縁膜形成工程と、前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように、圧縮応力を有する前記応力印加用絶縁膜を形成する応力印加用絶縁膜形成工程と、を順に実行することを第4の特徴とする。 In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing the semiconductor device having the fifth feature, wherein the two types of MOS transistor elements in the predetermined region are manufactured. Forming a resist having a resist pattern in which a PMOS region for forming the P-channel MOS transistor located in the predetermined region is formed after forming a first sidewall insulating film on the sidewall of the gate electrode; Using the resist as a mask, a first sidewall insulating film removing step for removing the first sidewall insulating film in the PMOS region by chemical etching, a resist removing step for removing the resist, and nitriding the entire surface in the predetermined region A silicon nitride film forming step of forming a silicon film, and anisotropically etching the silicon nitride film, A second sidewall insulating film forming step of forming a second sidewall insulating film on the sidewall of the gate electrode of the P-channel MOS transistor and the sidewall of the first sidewall insulating film of the N-channel MOS transistor in the predetermined region; A stress applying insulating film forming step of forming the stress applying insulating film having compressive stress so as to cover the two types of MOS transistor elements in the predetermined region is performed in order. And
上記目的を達成するための本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記第5の特徴の半導体装置を製造するための方法であって、前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子のゲート電極の側壁に側壁絶縁膜を形成した後、前記所定領域内に位置する前記Pチャネル型MOSトランジスタを形成するPMOS領域が開口されたレジストパターンを有するレジストを形成するレジスト形成工程と、前記レジストをマスクとして、前記PMOS領域の前記Pチャネル型MOSトランジスタの前記側壁絶縁膜の膜厚を薄くするように、前記側壁絶縁膜をケミカルエッチングする側壁絶縁膜成形工程と、前記レジストを除去するレジスト除去工程と、前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように、圧縮応力を有する前記応力印加用絶縁膜を形成する応力印加用絶縁膜形成工程と、を順に実行することを第5の特徴とする。 In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing the semiconductor device having the fifth feature, wherein the two types of MOS transistor elements in the predetermined region are manufactured. Forming a resist having a resist pattern in which a PMOS region for forming the P-channel MOS transistor located in the predetermined region is formed after forming a sidewall insulating film on the sidewall of the gate electrode; and A sidewall insulating film forming step of chemically etching the sidewall insulating film so as to reduce the film thickness of the sidewall insulating film of the P-channel MOS transistor in the PMOS region, and removing the resist to remove the resist A compressive stress so as to cover the two types of MOS transistor elements in the predetermined region. Wherein the stress applying insulating film stress applying insulating film forming step of forming a the a fifth feature to run in order that.
上記第4または第5の特徴の本発明に係る半導体装置の製造方法は、前記応力印加用絶縁膜形成工程において、前記応力印加用絶縁膜として窒化シリコン膜をプラズマCVDを用いて形成することを第6の特徴とする。 In the method of manufacturing a semiconductor device according to the fourth or fifth aspect of the present invention, in the stress applying insulating film forming step, a silicon nitride film is formed as the stress applying insulating film by using plasma CVD. The sixth feature.
本発明によれば、2種類のMOS型トランジスタ素子を覆う応力印加用絶縁膜の持つ応力が、引っ張り応力であるか圧縮応力であるかに応じて、電流特性が低下するMOS型トランジスタ素子の側壁絶縁膜(サイドウォール)の膜厚が、電流特性が向上するMOS型トランジスタ素子の側壁絶縁膜の膜厚より厚くなるように各種類のMOS型トランジスタ素子のサイドウォールの膜厚を調整する。即ち、従来技術に係る半導体装置では各種類のMOS型トランジスタ素子のサイドウォールの膜厚が同じ(図5においてi=j)であるのに対し、本発明に係る半導体装置では、電流特性が低下するMOS型トランジスタ素子の側壁絶縁膜の膜厚を厚くすることで、応力のチャネル部への伝達を減衰させ、電力特性の低下を抑制することができる。若しくは、本発明に係る半導体装置では、電流特性が向上するMOS型トランジスタ素子の側壁絶縁膜の膜厚を薄くすることで、応力をチャネル部へ良好に伝達させて、電力特性の向上を図ることができる。 According to the present invention, the side wall of the MOS transistor element whose current characteristics are lowered depending on whether the stress of the stress applying insulating film covering the two types of MOS transistor elements is a tensile stress or a compressive stress. The film thickness of each type of MOS transistor element is adjusted so that the film thickness of the insulating film (side wall) is larger than the film thickness of the side wall insulating film of the MOS transistor element that improves current characteristics. That is, in the semiconductor device according to the prior art, the thickness of the sidewall of each type of MOS transistor element is the same (i = j in FIG. 5), whereas in the semiconductor device according to the present invention, the current characteristics are reduced. By increasing the film thickness of the sidewall insulating film of the MOS transistor element, the transmission of stress to the channel portion can be attenuated, and the deterioration of power characteristics can be suppressed. Alternatively, in the semiconductor device according to the present invention, by reducing the film thickness of the sidewall insulating film of the MOS transistor element that improves the current characteristics, the stress can be transmitted to the channel portion and the power characteristics can be improved. Can do.
具体的には、応力印加用絶縁膜(コンタクトエッチングストッパー膜)が引っ張り応力を有する場合には、Nチャネル型MOSトランジスタのサイドウォールよりPチャネル型MOSトランジスタのサイドウォールの膜厚が厚くなるように調整する。これによって、Pチャネル型MOSトランジスタのチャネル部に印加される応力を小さくすることができ、引っ張り応力によるPチャネル型MOSトランジスタの電流特性(オン電流)の低下を抑制できる。若しくは、Pチャネル型MOSトランジスタのチャネル部に印加される応力を抑えた状態でNチャネル型MOSトランジスタのチャネル部に印加される応力を有効に作用させることができ、Nチャネル型MOSトランジスタのオン電流を向上させることができる。 Specifically, when the stress application insulating film (contact etching stopper film) has a tensile stress, the thickness of the sidewall of the P-channel MOS transistor is larger than the sidewall of the N-channel MOS transistor. adjust. As a result, the stress applied to the channel portion of the P-channel MOS transistor can be reduced, and the decrease in the current characteristics (ON current) of the P-channel MOS transistor due to the tensile stress can be suppressed. Alternatively, the stress applied to the channel portion of the N-channel MOS transistor can be effectively applied in a state where the stress applied to the channel portion of the P-channel MOS transistor is suppressed. Can be improved.
また、応力印加用絶縁膜が圧縮応力を有する場合には、Pチャネル型MOSトランジスタのサイドウォールよりNチャネル型MOSトランジスタのサイドウォールの膜厚が厚くなるように調整する。これによって、Nチャネル型MOSトランジスタのチャネル部に印加される応力を小さくすることができ、圧縮応力によるNチャネル型MOSトランジスタのオン電流の低下を抑制できる。若しくは、Nチャネル型MOSトランジスタのチャネル部に印加される応力を抑えた状態でPチャネル型MOSトランジスタのチャネル部に印加される応力を有効に作用させることができ、Pチャネル型MOSトランジスタのオン電流を向上させることができる。 Further, when the stress applying insulating film has compressive stress, the thickness of the sidewall of the N-channel MOS transistor is adjusted to be thicker than that of the P-channel MOS transistor. As a result, the stress applied to the channel portion of the N-channel MOS transistor can be reduced, and a decrease in on-current of the N-channel MOS transistor due to compressive stress can be suppressed. Alternatively, the stress applied to the channel portion of the P-channel MOS transistor can be effectively applied in a state where the stress applied to the channel portion of the N-channel MOS transistor is suppressed. Can be improved.
応力印加用絶縁膜の応力は、0.1GPaより小さい場合にはチャネル部に印加される応力が小さくMOS型トランジスタ素子の電流特性の向上に寄与せず、3.0GPaより大きい場合には、応力印加用絶縁膜自体に欠陥が生じてチャネル部に応力が印加出来ない等の問題が発生する。従って、本発明の如く、応力印加用絶縁膜の応力が0.1GPa〜3.0GPaとなるように半導体装置を構成することにより、MOS型トランジスタ素子の電流特性をより確実に向上させることが可能になる。 When the stress of the stress application insulating film is less than 0.1 GPa, the stress applied to the channel portion is small and does not contribute to the improvement of the current characteristics of the MOS transistor element. There is a problem that a defect occurs in the application insulating film itself and stress cannot be applied to the channel portion. Therefore, as in the present invention, by configuring the semiconductor device so that the stress of the stress applying insulating film is 0.1 GPa to 3.0 GPa, the current characteristics of the MOS transistor element can be improved more reliably. become.
以下、本発明に係る半導体装置及びその製造方法(以下、適宜「本発明装置」、「本発明方法」と略称する)の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、製造工程中で詳述しない部分については公知の手段を用いる。以下の実施例に示す材料、薬品、割合、操作条件等は、本発明から逸脱しない限り適宜変更が可能であり、本発明の範囲は、以下の実施例に制限されるものではない。 Embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention (hereinafter, abbreviated as “device of the present invention” and “method of the present invention” as appropriate) will be described below with reference to the drawings. In addition, a well-known means is used about the part which is not explained in full detail in a manufacturing process. The materials, chemicals, ratios, operating conditions, and the like shown in the following examples can be appropriately changed without departing from the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.
本発明装置は、同一チップ内にPチャネル型MOSトランジスタとNチャネル型MOSトランジスタの2種類のMOS型トランジスタ素子が形成された半導体装置であって、半導体基板上の所定領域に形成されるMOS型トランジスタ素子のゲート電極の上面に、引っ張り応力または圧縮応力の何れかの応力を有する応力印加用絶縁膜を有し、応力印加用絶縁膜によって電流特性が低下するMOS型トランジスタ素子のゲート電極の側壁に形成される側壁絶縁膜の膜厚が、応力印加用絶縁膜によって電流特性が向上するMOS型トランジスタ素子のゲート電極の側壁に形成される側壁絶縁膜の膜厚より厚くなるように構成されている。 The device of the present invention is a semiconductor device in which two types of MOS transistor elements, a P-channel MOS transistor and an N-channel MOS transistor, are formed in the same chip, and is a MOS type formed in a predetermined region on a semiconductor substrate. A side wall of the gate electrode of the MOS transistor element having a stress applying insulating film having a tensile stress or a compressive stress on the upper surface of the gate electrode of the transistor element, and current characteristics are lowered by the stress applying insulating film The thickness of the sidewall insulating film formed on the gate electrode is larger than the thickness of the sidewall insulating film formed on the sidewall of the gate electrode of the MOS transistor element whose current characteristics are improved by the stress applying insulating film. Yes.
〈第1実施形態〉
本発明装置の第1実施形態について図1及び図2を基に説明する。
<First Embodiment>
A first embodiment of the device of the present invention will be described with reference to FIGS.
先ず、本実施形態の本発明装置の構成について図1を基に説明する。ここで、図1は、本実施形態における本発明装置の断面構造を模式的に示している。図1に示すように、本発明装置は、シリコン基板101上のPMOS領域(N型ウェル)103内にPチャネル型MOSトランジスタ118が、NMOS領域(P型ウェル)104内にNチャネル型MOSトランジスタ119が形成されており、Pチャネル型MOSトランジスタ118及びNチャネル型MOSトランジスタ119は素子分離領域102を介して配置されている。MOS型トランジスタ素子は、シリコン基板101上にゲート酸化膜105を介して形成されるゲート電極106、ゲート電極106の下部に形成されるチャネル部の両側に形成されるソース・ドレイン領域107、及び、ゲート電極106の側壁に酸化シリコン膜108を介して形成される側壁絶縁膜(サイドウォール109及びサイドウォール111a)を備えて構成される。本発明装置は、更に、2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように形成されたコンタクトエッチングストッパー膜112(応力印加用絶縁膜に相当)、MOS型トランジスタ素子の上部に形成される層間絶縁膜114、ゲート電極106またはソース・ドレイン領域107とメタル配線116を接続するコンタクトホール115、及び、パッシベーション膜117を備えて構成される。
First, the configuration of the device of the present invention according to this embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 1 schematically shows a cross-sectional structure of the device of the present invention in the present embodiment. As shown in FIG. 1, the device according to the present invention includes a P channel
本実施形態では、コンタクトエッチングストッパー膜112が引っ張り応力を有する窒化シリコン膜である場合を想定して説明する。更に、本実施形態の本発明装置は、Nチャネル型MOSトランジスタ119の側壁絶縁膜(サイドウォール111a)の膜厚aより、Pチャネル型MOSトランジスタ118の側壁絶縁膜(サイドウォール109及びサイドウォール111a)の膜厚bの方が厚く(a<b)なるように設定されている。
In the present embodiment, the case where the contact
次に、本実施形態の本発明方法について図2を基に説明する。ここで、図2は、本実施形態における本発明方法の各工程における本発明装置の断面構造を模式的に示している。 Next, the method of the present invention of this embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 2 schematically shows a cross-sectional structure of the device of the present invention in each step of the method of the present invention in the present embodiment.
先ず、本発明方法実行前に、図2(A)に示すように、周知のCMOSトランジスタの製造方法により、シリコン基板101上の所定領域内の2種類のMOS型トランジスタ素子のゲート電極106の側壁にサイドウォール109(第1側壁絶縁膜に相当)を形成する工程までを実行する。ここでのサイドウォール109の形成は、例えば、LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)により、SiH2Cl2ガスとNH3ガスを用い、温度条件を700〜800℃に設定して、膜厚が50nmとなるように窒化シリコン膜を堆積させる。更に、堆積させた窒化シリコン膜を、マグネトロンRIE(Reactive Ion Etching) 装置により、CXHYFZガス、Arガス及びO2ガスを用いて異方性エッチングし、サイドウォール109を形成する。尚、CXHYFZガスのXは1〜2の整数、Yは0〜3の整数、Zは1〜8の整数である。
First, before executing the method of the present invention, as shown in FIG. 2A, the sidewalls of the
続いて、図2(B)に示すように、NMOS領域104が開口されたレジストパターンを有するレジスト110を形成し(レジスト形成工程に相当)、レジスト110をマスクとして、NMOS領域104内のサイドウォール109をケミカルエッチングにより除去する(第1側壁絶縁膜除去工程に相当)。より具体的には、レジスト110の形成後、CXFZガスとN2ガスを用いてケミカルドライエッチングを行い、NMOS領域104内のサイドウォール109のみを除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 2B, a resist 110 having a resist pattern in which the
引き続き、図2(C)に示すように、アッシング装置によりレジストを除去し(レジスト除去工程に相当)、所定領域内の全面に窒化シリコン膜を形成する(窒化シリコン膜形成工程)。具体的には、レジスト除去後、例えば、LPCVDにより、SiH2Cl2ガスとNH3ガスを用い、温度条件を700〜800℃に設定して、膜厚が50nmとなるように窒化シリコン膜111を堆積させる。
Subsequently, as shown in FIG. 2C, the resist is removed by an ashing device (corresponding to a resist removing step), and a silicon nitride film is formed on the entire surface in a predetermined region (silicon nitride film forming step). Specifically, after removing the resist, for example, by LPCVD, using SiH 2 Cl 2 gas and NH 3 gas, setting the temperature condition to 700 to 800 ° C., and the
引き続き、図2(D)に示すように、窒化シリコン膜111を異方性エッチングし、所定領域内のNチャネル型MOSトランジスタ119のゲート電極106の側壁及び所定領域内のPチャネル型MOSトランジスタのサイドウォール109の側壁にサイドウォール111a(第2側壁絶縁膜に相当)を形成する(第2側壁絶縁膜形成工程に相当)。より具体的には、窒化シリコン膜111を、マグネトロンRIE装置により、CXHYFWガスとArガスとO2ガスを用いて異方性エッチングし、サイドウォール111aを形成する。尚、Wは1〜6の整数である。この結果、Pチャネル型MOSトランジスタ118の側壁絶縁膜の膜厚は、サイドウォール109及びサイドウォール111aを合わせた厚さとなり、Nチャネル型MOSトランジスタ119の側壁絶縁膜の膜厚は、サイドウォール111aの厚さとなる。従って、Nチャネル型MOSトランジスタ119の側壁絶縁膜の膜厚より、Pチャネル型MOSトランジスタ118の側壁絶縁膜の膜厚の方が厚くなる。
Subsequently, as shown in FIG. 2D, the
引き続き、図2(E)に示すように、所定領域内の2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように、引っ張り応力を有するコンタクトエッチングストッパー膜112を形成する(応力印加用絶縁膜形成工程に相当)。具体的には、後の工程で形成されるシリコン酸化膜系の層間絶縁膜114の圧縮応力を緩和する為、例えば、LPCVD(熱CVDに相当)により、HCD(Hexa‐chloro‐disilane)ガスとNH3ガスを用い、温度条件を400〜500℃に設定して、膜厚が50nmとなるように窒化シリコン膜を堆積させ、コンタクトエッチングストッパー膜112を形成する。この場合、コンタクトエッチングストッパー膜112は、0.1GPa〜1.5GPaの引っ張り応力を有する。尚、コンタクトエッチングストッパー膜112の膜厚は、プロセスやトランジスタサイズ等に応じて、30nm〜100nmの範囲で適切に設定する。
Subsequently, as shown in FIG. 2E, a contact
本発明方法の実行後、周知のCMOSトランジスタの製造方法により、層間絶縁膜114、コンタクトホール115、メタル配線116、及び、パッシベーション膜117の形成を行う。このように、引っ張り応力を有する応力印加用絶縁膜112により電流特性が低下するPチャネル型MOSトランジスタ118の側壁絶縁膜の膜厚を厚くすることで、Nチャネル型MOSトランジスタ119の電流特性を応力印加用絶縁膜112により向上させつつ、Pチャネル型MOSトランジスタ118において、応力の伝達をおさえ、電流特性の低下を抑制することができる。
After the execution of the method of the present invention, the
〈第2実施形態〉
本発明装置の第2実施形態について図3及び図4を基に説明する。本実施形態では、上記第1実施形態とは、各MOS型トランジスタ素子のサイドウォールの形成方法が異なる場合について説明する。
Second Embodiment
A second embodiment of the device of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a case will be described in which the side wall forming method of each MOS transistor element is different from that of the first embodiment.
先ず、本実施形態の本発明装置の構成について説明する。ここで、図3は、本実施形態における本発明装置の断面構造を模式的に示している。図3に示すように、本発明装置は、シリコン基板201上のPMOS領域(N型ウェル)203内にPチャネル型MOSトランジスタ218が、NMOS領域(P型ウェル)204内にNチャネル型MOSトランジスタ219が形成されており、Pチャネル型MOSトランジスタ218及びNチャネル型MOSトランジスタ219は素子分離領域202を介して配置されている。MOS型トランジスタ素子は、シリコン基板201上にゲート酸化膜205を介して形成されるゲート電極206、ゲート電極206の下部に形成されるチャネル部の両側に形成されるソース・ドレイン領域207、及び、ゲート電極206の側壁に酸化シリコン膜208を介して形成される側壁絶縁膜(サイドウォール209またはサイドウォール209’)を備えて構成される。本発明装置は、更に、2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように形成されたコンタクトエッチングストッパー膜212(応力印加用絶縁膜に相当)、MOS型トランジスタ素子の上部に形成される層間絶縁膜214、ゲート電極206またはソース・ドレイン領域207とメタル配線216を接続するコンタクトホール215、及び、パッシベーション膜217を備えて構成される。
First, the configuration of the inventive device of the present embodiment will be described. Here, FIG. 3 schematically shows a cross-sectional structure of the device of the present invention in the present embodiment. As shown in FIG. 3, the device of the present invention includes a P-
本実施形態の本発明装置は、コンタクトエッチングストッパー膜212が引っ張り応力を有する窒化シリコン膜であり、Nチャネル型MOSトランジスタ219の側壁絶縁膜(サイドウォール209’)の膜厚cより、Pチャネル型MOSトランジスタ218の側壁絶縁膜(サイドウォール209)の膜厚dの方が厚く(c<d)なるように設定されている。
The device of the present invention of this embodiment is a silicon nitride film in which the contact
次に、本実施形態の本発明方法について図4を基に説明する。ここで、図4は、本実施形態における本発明方法の各工程における本発明装置の断面構造を模式的に示している。 Next, the method of the present invention of this embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 4 schematically shows a cross-sectional structure of the device of the present invention in each step of the method of the present invention in the present embodiment.
先ず、本発明方法実行前に、図4(A)に示すように、周知のCMOSトランジスタの製造方法により、所定領域内の2種類のMOS型トランジスタ素子のゲート電極206の側壁にサイドウォール209を形成する工程までを実行する。尚、サイドウォール209の形成方法は、上記第1実施形態におけるサイドウォール109の形成方法と同じである。
First, before executing the method of the present invention, as shown in FIG. 4A, a
続いて、図4(B)に示すように、NMOS領域204が開口されたレジストパターンを有するレジスト210を形成し(レジスト形成工程に相当)、レジスト210をマスクとして、NMOS領域204内のサイドウォール209の膜厚を薄くするように、サイドウォール209をケミカルエッチングする(側壁絶縁膜成形工程に相当)。より具体的には、レジスト210の形成後、CXFZガスとN2ガスを用いてケミカルドライエッチングを行い、NMOS領域204内のサイドウォール209を25nmエッチングし、サイドウォール209’を形成する。この結果、Pチャネル型MOSトランジスタ218の側壁絶縁膜の膜厚はサイドウォール209の厚さとなり、Nチャネル型MOSトランジスタ219の側壁絶縁膜の膜厚はサイドウォール209’の厚さとなる。サイドウォール209の膜厚はサイドウォール209’の膜厚より厚いことから、Nチャネル型MOSトランジスタ219の側壁絶縁膜の膜厚より、Pチャネル型MOSトランジスタ218の側壁絶縁膜の膜厚の方が厚くなる。
Subsequently, as shown in FIG. 4B, a resist 210 having a resist pattern in which the
引き続き、図4(C)に示すように、レジスト210を除去し(レジスト除去工程に相当)、所定領域内の2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように、引っ張り応力を有するコンタクトエッチングストッパー膜212を形成する(応力印加用絶縁膜形成工程に相当)。具体的には、後の工程で形成されるシリコン酸化膜系の層間絶縁膜214の圧縮応力を緩和する為、例えば、LPCVDにより、HCDガスとNH3ガスを用いて、温度条件を400〜500℃に設定して、膜厚が50nmとなるように窒化シリコン膜を堆積させ、コンタクトエッチングストッパー膜212を形成する。この場合、コンタクトエッチングストッパー膜212は、0.1GPa〜1.5GPaの引っ張り応力を有する。尚、コンタクトエッチングストッパー膜212の膜厚は、プロセスやトランジスタサイズ等に応じて、30nm〜100nmの範囲で適切に設定する。
Subsequently, as shown in FIG. 4C, the resist 210 is removed (corresponding to a resist removing step), and a contact
本発明方法の実行後、周知のCMOSトランジスタの製造方法により、層間絶縁膜214、コンタクト215、メタル配線216、及び、パッシベーション膜217の形成を行う。このように、Nチャネル型MOSトランジスタ219の側壁絶縁膜を薄くすることで、応力の伝達を良好にし、NチャネルMOSトランジスタ219の電流特性の向上を図ることができる。
After the execution of the method of the present invention, the
〈第3実施形態〉
本発明装置の第3実施形態について図5及び図6を基に説明する。尚、上記第1及び第2実施形態では応力印加用絶縁膜の応力が引っ張り応力である場合について説明したが、本実施形態では、応力印加用絶縁膜の応力が圧縮応力である場合について説明する。
<Third Embodiment>
A third embodiment of the device of the present invention will be described with reference to FIGS. In the first and second embodiments, the case where the stress of the stress application insulating film is a tensile stress has been described. In the present embodiment, the case where the stress of the stress application insulating film is a compressive stress will be described. .
先ず、本実施形態の本発明装置の構成について図5を基に説明する。ここで、図5は、本実施形態における本発明装置の断面構造を模式的に示している。図5に示すように、本発明装置は、シリコン基板301上のPMOS領域(N型ウェル)303内にPチャネル型MOSトランジスタ318が、NMOS領域(P型ウェル)304内にNチャネル型MOSトランジスタ319が形成されており、Pチャネル型MOSトランジスタ318及びNチャネル型MOSトランジスタ319は素子分離領域302を介して配置されている。MOS型トランジスタ素子は、シリコン基板301上にゲート酸化膜305を介して形成されるゲート電極306、ゲート電極306の下部に形成されるチャネル部の両側に形成されるソース・ドレイン領域307、及び、ゲート電極306の側壁に酸化シリコン膜308を介して形成される側壁絶縁膜(サイドウォール309及びサイドウォール311a)を備えて構成される。本発明装置は、更に、2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように形成されたコンタクトエッチングストッパー膜313(応力印加用絶縁膜に相当)、MOS型トランジスタ素子の上部に形成される層間絶縁膜314、ゲート電極306またはソース・ドレイン領域307とメタル配線316を接続するコンタクトホール315、及び、パッシベーション膜317を備えて構成される。
First, the configuration of the device of the present invention of this embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 5 schematically shows a cross-sectional structure of the device of the present invention in the present embodiment. As shown in FIG. 5, the device of the present invention has a P-
本実施形態の本発明装置は、コンタクトエッチングストッパー膜313が圧縮応力を有する窒化シリコン膜であり、Pチャネル型MOSトランジスタ318の側壁絶縁膜(サイドウォール311a)の膜厚fより、Nチャネル型MOSトランジスタ319の側壁絶縁膜(サイドウォール309及びサイドウォール311a)の膜厚eの方が厚く(f<e)なるように設定されている。
In the device of the present invention of this embodiment, the contact
次に、本実施形態の本発明方法について図6を基に説明する。ここで、図6は、本実施形態における本発明方法の各工程における本発明装置の断面構造を模式的に示している。 Next, the method of the present invention of this embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 6 schematically shows a cross-sectional structure of the device of the present invention in each step of the method of the present invention in the present embodiment.
先ず、本発明方法実行前に、図6(A)に示すように、周知のCMOSトランジスタの製造方法により、シリコン基板301上の所定領域内の2種類のMOS型トランジスタ素子のゲート電極306の側壁にサイドウォール309(第1側壁絶縁膜に相当)を形成する工程までを実行する。尚、サイドウォール309の形成方法は、上記第1及び第2実施形態におけるサイドウォール109及びサイドウォール209の形成方法と同じである。
First, before executing the method of the present invention, as shown in FIG. 6A, the sidewalls of the
続いて、図6(B)に示すように、PMOS領域303が開口されたレジストパターンを有するレジスト310を形成し(レジスト形成工程に相当)、レジスト310をマスクとして、PMOS領域303内のサイドウォール309をケミカルエッチングにより除去する(第1側壁絶縁膜除去工程に相当)。より具体的には、レジスト310の形成後、CXFZガスとN2ガスを用いてケミカルドライエッチングを行い、PMOS領域303内のサイドウォール309のみを除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 6B, a resist 310 having a resist pattern in which the
引き続き、図6(C)に示すように、アッシング装置によりレジストを除去し(レジスト除去工程に相当)、所定領域内の全面に窒化シリコン膜を形成する(窒化シリコン膜形成工程に相当)。具体的には、レジスト除去後、例えば、LPCVDにより、SiH2Cl2ガスとNH3ガスを用い、温度条件を700〜800℃に設定して、膜厚が50nmとなるように窒化シリコン膜311を堆積させる。
Subsequently, as shown in FIG. 6C, the resist is removed by an ashing device (corresponding to a resist removing process), and a silicon nitride film is formed on the entire surface in a predetermined region (corresponding to a silicon nitride film forming process). Specifically, after removing the resist, for example, by LPCVD, using a SiH 2 Cl 2 gas and an NH 3 gas, the temperature condition is set to 700 to 800 ° C., and the
引き続き、図6(D)に示すように、窒化シリコン膜311を異方性エッチングし、所定領域内のPチャネル型MOSトランジスタ318のゲート電極306の側壁及び所定領域内のNチャネル型MOSトランジスタ319のサイドウォール309の側壁にサイドウォール311aを形成する(第2側壁絶縁膜形成工程に相当)。より具体的には、窒化シリコン膜311を、マグネトロンRIE装置により、CXHYFWガスとArガスとO2ガスを用いて異方性エッチングし、サイドウォール311aを形成する。この結果、Pチャネル型MOSトランジスタ318の側壁絶縁膜の膜厚は、サイドウォール311aの厚さとなり、Nチャネル型MOSトランジスタ319の側壁絶縁膜の膜厚は、サイドウォール309及びサイドウォール311aを合わせた厚さとなる。従って、Pチャネル型MOSトランジスタ318の側壁絶縁膜の膜厚より、Nチャネル型MOSトランジスタ319の側壁絶縁膜の膜厚の方が厚くなる。
Subsequently, as shown in FIG. 6D, the
引き続き、図6(E)に示すように、所定領域内の2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように、圧縮応力を有するコンタクトエッチングストッパー膜313を形成する(応力印加用絶縁膜形成工程に相当)。具体的には、コンタクトエッチングストッパー膜313は、後の工程で形成されるシリコン酸化膜系の層間絶縁膜314の圧縮応力を緩和する為、例えば、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)により、SiH4ガスとNH3ガスを用い、温度条件を400〜500℃に設定して、膜厚が50nmとなるように窒化シリコン膜を堆積させて形成する。この場合、コンタクトエッチングストッパー膜313は0.1GPa〜3.0GPaの圧縮応力を有する。尚、コンタクトエッチングストッパー膜313の膜厚は、プロセスやトランジスタサイズ等に応じて、30nm〜100nmの範囲で適切に設定する。
Subsequently, as shown in FIG. 6E, a contact
尚、上記第1及び第2実施形態で使用するLPCVDでは、引っ張り応力を有する絶縁膜のみ形成可能であるが、本実施形態で使用するPECVDでは、条件によって、引っ張り応力を有する絶縁膜と圧縮応力を有する絶縁膜を形成可能である。これは、原理的には、LPCVD(熱LPCVD)では、形成される絶縁膜中に含まれる物質としてSi3N4・Si‐H・N‐Hがあるが、熱反応で各物質の結合がなされているために、この各々の含有量の変更範囲が狭くなる。更に、気相反応のためSi3N4が支配的に形成されることから、引っ張り応力を有する絶縁膜のみ形成可能となる。これに対し、PECVDでは、形成される絶縁膜中に含まれる物質としてSiXNY・Si‐H・N‐Hがあるが、この各々の含有量はプラズマで結合しているので可変範囲が広い。更に、Si3N4に限定されず任意のSiXNY(X、Yは整数)を形成可能であることから、条件によって、引っ張り応力を有する絶縁膜及び圧縮応力を有する絶縁膜の両方が形成可能となるものである。 In LPCVD used in the first and second embodiments, only an insulating film having tensile stress can be formed. However, in PECVD used in this embodiment, an insulating film having tensile stress and compressive stress can be used depending on conditions. It is possible to form an insulating film having This is because, in principle, LPCVD (thermal LPCVD) includes Si 3 N 4 , Si—H, and NH as substances contained in the insulating film to be formed. As a result, the range of change of each content is narrowed. Furthermore, since Si 3 N 4 is predominantly formed due to the gas phase reaction, only an insulating film having a tensile stress can be formed. On the other hand, in PECVD, there are Si X N Y , Si-H, and NH as substances contained in the insulating film to be formed. wide. Furthermore, since any Si X N Y (X and Y are integers) can be formed without being limited to Si 3 N 4 , both an insulating film having a tensile stress and an insulating film having a compressive stress can be formed depending on conditions. It can be formed.
本発明方法の実行後、周知のCMOSトランジスタの製造方法により、層間絶縁膜314、コンタクト315、メタル配線316、及び、パッシベーション膜317の形成を行う。このように、圧縮応力を有する応力印加用絶縁膜313により電流特性が低下するNチャネル型MOSトランジスタ319の側壁絶縁膜の膜厚を厚くすることで、Pチャネル型MOSトランジスタ318の電流特性を応力印加用絶縁膜313により向上させつつ、Nチャネル型MOSトランジスタ319において、応力の伝達をおさえ、電流特性の低下を抑制することができる。
After the execution of the method of the present invention, the
〈第4実施形態〉
本発明装置の第4実施形態について図7及び図8を基に説明する。本実施形態では、上記第3実施形態とは、各MOS型トランジスタ素子のサイドウォールの形成方法が異なる場合について説明する。
<Fourth embodiment>
A fourth embodiment of the device of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, a case will be described in which the side wall forming method of each MOS transistor element is different from that of the third embodiment.
先ず、本実施形態の本発明装置の構成について説明する。ここで、図7は、本実施形態における本発明装置の断面構造を模式的に示している。図7に示すように、本発明装置は、シリコン基板401上のPMOS領域(N型ウェル)403内にPチャネル型MOSトランジスタ418が、NMOS領域(P型ウェル)404内にNチャネル型MOSトランジスタ419が形成されており、Pチャネル型MOSトランジスタ418及びNチャネル型MOSトランジスタ419は素子分離領域402を介して配置されている。MOS型トランジスタ素子は、シリコン基板401上にゲート酸化膜405を介して形成されるゲート電極406、ゲート電極406の下部に形成されるチャネル部の両側に形成されるソース・ドレイン領域407、及び、ゲート電極406の側壁に酸化シリコン膜408を介して形成される側壁絶縁膜(サイドウォール409またはサイドウォール409’)を備えて構成される。本発明装置は、更に、2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように形成されたコンタクトエッチングストッパー膜413(応力印加用絶縁膜に相当)、MOS型トランジスタ素子の上部に形成される層間絶縁膜414、ゲート電極406またはソース・ドレイン領域407とメタル配線416を接続するコンタクトホール415、及び、パッシベーション膜417を備えて構成される。
First, the configuration of the inventive device of the present embodiment will be described. Here, FIG. 7 schematically shows a cross-sectional structure of the device of the present invention in the present embodiment. As shown in FIG. 7, the device of the present invention includes a P-
本実施形態の本発明装置は、コンタクトエッチングストッパー膜413が圧縮応力を有する窒化シリコン膜であり、Pチャネル型MOSトランジスタ418の側壁絶縁膜(サイドウォール409’)の膜厚hより、Nチャネル型MOSトランジスタ419の側壁絶縁膜(サイドウォール409)の膜厚gの方が厚く(h<g)なるように設定されている。
In the device of the present invention of this embodiment, the contact
次に、本実施形態の本発明方法について図8を基に説明する。ここで、図8は、本実施形態における本発明方法の各工程における本発明装置の断面構造を模式的に示している。 Next, the method of the present invention of this embodiment will be described with reference to FIG. Here, FIG. 8 schematically shows a cross-sectional structure of the device of the present invention in each step of the method of the present invention in the present embodiment.
先ず、本発明方法実行前に、図8(A)に示すように、周知のCMOSトランジスタの製造方法により、所定領域内の2種類のMOS型トランジスタ素子のゲート電極406の側壁にサイドウォール409を形成する工程までを実行する。尚、サイドウォール409の形成方法は、上記第1〜第3実施形態におけるサイドウォール109、209、309の形成方法と同じである。
First, before executing the method of the present invention, as shown in FIG. 8A, a
続いて、図8(B)に示すように、PMOS領域403が開口されたレジストパターンを有するレジスト410を形成し(レジスト形成工程に相当)、レジスト410をマスクとして、PMOS領域403内のサイドウォール409の膜厚を薄くするように、サイドウォール409をケミカルエッチングする(側壁絶縁膜成形工程に相当)。より具体的には、レジスト410の形成後、CXFZガスとN2ガスを用いてケミカルドライエッチングを行い、NMOS領域404内のサイドウォール409を25nmエッチングし、サイドウォール409’を形成する。この結果、Pチャネル型MOSトランジスタ418の側壁絶縁膜の膜厚はサイドウォール409’の厚さとなり、Nチャネル型MOSトランジスタ419の側壁絶縁膜の膜厚はサイドウォール409の厚さとなる。サイドウォール409の膜厚はサイドウォール409’の膜厚より厚いことから、Pチャネル型MOSトランジスタ418の側壁絶縁膜の膜厚より、Nチャネル型MOSトランジスタ419の側壁絶縁膜の膜厚の方が厚くなる。
Subsequently, as shown in FIG. 8B, a resist 410 having a resist pattern in which the
引き続き、図8(C)に示すように、レジスト410を除去し(レジスト除去工程に相当)、所定領域内の2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように、圧縮応力を有するコンタクトエッチングストッパー膜413を形成する(応力印加用絶縁膜形成工程に相当)。具体的には、後の工程で形成されるシリコン酸化膜系の層間絶縁膜414の圧縮応力を緩和する為、例えば、PECVDにより、SiH4ガスとNH3ガスを用いて、温度条件を400〜500℃に設定して、膜厚が50nmとなるように窒化シリコン膜を堆積させ、コンタクトエッチングストッパー膜413を形成する。この場合、コンタクトエッチングストッパー膜413は、0.1GPa〜3.0GPaの圧縮応力を有する。尚、コンタクトエッチングストッパー膜413の膜厚は、プロセスやトランジスタサイズ等に応じて、30nm〜100nmの範囲で適切に設定する。
Subsequently, as shown in FIG. 8C, the resist 410 is removed (corresponding to a resist removing step), and a contact
本発明の実行後、周知のCMOSトランジスタの製造方法により、層間絶縁膜414、コンタクト415、メタル配線形成416、及び、パッシベーション膜417の形成を行う。このように、Pチャネル型MOSトランジスタ418の側壁絶縁膜を薄くすることで、応力の伝達を良好にし、PチャネルMOSトランジスタ418の電流特性の向上を図ることができる。
After the execution of the present invention, the
〈別実施形態〉
〈1〉上記第1及び第2実施形態では、引っ張り応力を有する応力印加用絶縁膜としてのコンタクトエッチングストッパー膜112及び212をLPCVDで形成したがこれに限るものではない。
<Another embodiment>
<1> In the first and second embodiments, the contact
例えば、PECVDにより、SiH4ガスとNH3ガスを用い、温度条件を400〜500℃に設定して、膜厚が50nmとなるように窒化シリコン膜を堆積させて形成してもよい。この場合、コンタクトエッチングストッパー膜112及び212は0.1GPa〜1.5GPaの引っ張り応力を有する。
For example, the silicon nitride film may be deposited by PECVD using SiH 4 gas and NH 3 gas, setting the temperature condition to 400 to 500 ° C., and having a film thickness of 50 nm. In this case, the contact
また、例えば、PECVDにより、SiH4ガスとNH3ガスを用い、温度条件を400〜500℃に設定して窒化シリコン膜を堆積させた後に、UV照射を行い、温度条件を300〜400℃に設定して改質処理を行ってもよい。この場合、コンタクトエッチングストッパー膜112及び212は0.1GPa〜3.0GPaの引っ張り応力を有する。
Further, for example, by using SiH 4 gas and NH 3 gas by PECVD and setting the temperature condition to 400 to 500 ° C. and depositing a silicon nitride film, UV irradiation is performed and the temperature condition is set to 300 to 400 ° C. You may set and perform a modification process. In this case, the contact
〈2〉上記各実施形態では、第1及び第3実施形態において電流特性の低下を防止または低減するために電流特性が低下するMOS型トランジスタ素子の側壁絶縁膜を厚くする場合について、第2及び第4実施形態において電流特性をより向上させるために電流特性が向上するMOS型トランジスタ素子の側壁絶縁膜を薄くする場合について説明したが、第1及び第2実施形態を組み合わせる、若しくは、第3及び第4実施形態を組み合わせて実行しても良い。 <2> In each of the above-described embodiments, the thickness of the sidewall insulating film of the MOS transistor element in which the current characteristic is lowered in order to prevent or reduce the deterioration of the current characteristic in the first and third embodiments. In the fourth embodiment, the case where the sidewall insulating film of the MOS transistor element whose current characteristics are improved in order to further improve the current characteristics has been described. However, the first and second embodiments are combined, or the third and The fourth embodiment may be executed in combination.
101、201、301、401、501 シリコン基板
102、202、302、402、502 素子分離領域
103、203、303、403、503 PMOS領域
104、204、304、404、504 NMOS領域
105、205、305、405、505 ゲート酸化膜
106、206、306、406、506 ゲート電極
107、207、307、407、507 ソース・ドレイン領域
108、208、308、408、508 酸化シリコン膜
109、209、309、409、509 サイドウォール
110、210、310、410、510 レジスト
111、311 窒化シリコン膜
111a、311a サイドウォール
112、212 引っ張り応力印加用絶縁膜
313、413 圧縮応力印加用絶縁膜
512 応力印加用絶縁膜
114、214、314、414、514 層間絶縁膜
115、215、315、415、515 コンタクトホール
116、216、316、416、516 メタル配線
117、217、317、417、517 パッシベーション膜
118、218、318、418、518 Pチャネル型MOSトランジスタ
119、219、319、419、519 Nチャネル型MOSトランジスタ
101, 201, 301, 401, 501
Claims (11)
半導体基板上の所定領域に形成される前記MOS型トランジスタ素子のゲート電極の上面に、引っ張り応力または圧縮応力の何れかの応力を有する応力印加用絶縁膜を有し、
前記応力印加用絶縁膜によって電流特性が低下する前記MOS型トランジスタ素子のゲート電極の側壁に形成される側壁絶縁膜の膜厚が、前記応力印加用絶縁膜によって電流特性が向上する前記MOS型トランジスタ素子のゲート電極の側壁に形成される側壁絶縁膜の膜厚より厚くなるように設定されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device in which two types of MOS transistor elements, a P-channel MOS transistor and an N-channel MOS transistor, are formed in the same chip,
On the upper surface of the gate electrode of the MOS transistor element formed in a predetermined region on the semiconductor substrate, there is a stress applying insulating film having either a tensile stress or a compressive stress,
The MOS transistor in which the current characteristic is degraded by the stress application insulating film, and the current characteristic is improved by the stress application insulating film. A semiconductor device characterized in that it is set to be thicker than a film thickness of a sidewall insulating film formed on a sidewall of a gate electrode of the element.
前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子のゲート電極の側壁に第1側壁絶縁膜を形成した後、前記所定領域内に位置する前記Nチャネル型MOSトランジスタを形成するNMOS領域が開口されたレジストパターンを有するレジストを形成するレジスト形成工程と、
前記レジストをマスクとして、前記NMOS領域内の前記第1側壁絶縁膜をケミカルエッチングにより除去する第1側壁絶縁膜除去工程と、
前記レジストを除去するレジスト除去工程と、
前記所定領域内の全面に窒化シリコン膜を形成する窒化シリコン膜形成工程と、
前記窒化シリコン膜を異方性エッチングし、前記所定領域内の前記Nチャネル型MOSトランジスタのゲート電極の側壁及び前記所定領域内の前記Pチャネル型MOSトランジスタの前記第1側壁絶縁膜の側壁に第2側壁絶縁膜を形成する第2側壁絶縁膜形成工程と、
前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように、引っ張り応力を有する前記応力印加用絶縁膜を形成する応力印加用絶縁膜形成工程と、を順に実行することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4,
After forming the first sidewall insulating film on the sidewalls of the gate electrodes of the two types of MOS transistor elements in the predetermined region, an NMOS region for forming the N-channel MOS transistor located in the predetermined region is opened. A resist forming step of forming a resist having a resist pattern;
A first sidewall insulating film removing step of removing the first sidewall insulating film in the NMOS region by chemical etching using the resist as a mask;
A resist removing step for removing the resist;
A silicon nitride film forming step of forming a silicon nitride film on the entire surface in the predetermined region;
The silicon nitride film is anisotropically etched to form a sidewall on the sidewall of the gate electrode of the N-channel MOS transistor in the predetermined region and the sidewall of the first sidewall insulating film of the P-channel MOS transistor in the predetermined region. A second sidewall insulating film forming step of forming a two sidewall insulating film;
A stress applying insulating film forming step for sequentially forming the stress applying insulating film having a tensile stress so as to cover the two types of MOS transistor elements in the predetermined region. Device manufacturing method.
前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子のゲート電極の側壁に側壁絶縁膜を形成した後、前記所定領域内に位置する前記Nチャネル型MOSトランジスタを形成するNMOS領域が開口されたレジストパターンを有するレジストを形成するレジスト形成工程と、
前記レジストをマスクとして、前記NMOS領域の前記Nチャネル型MOSトランジスタの前記側壁絶縁膜の膜厚を薄くするように、前記側壁絶縁膜をケミカルエッチングする側壁絶縁膜成形工程と、
前記レジストを除去するレジスト除去工程と、
前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように、引っ張り応力を有する前記応力印加用絶縁膜を形成する応力印加用絶縁膜形成工程と、を順に実行することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4,
A resist in which an NMOS region for forming the N-channel MOS transistor located in the predetermined region is opened after a sidewall insulating film is formed on the side wall of the gate electrode of the two types of MOS transistor elements in the predetermined region. A resist forming step of forming a resist having a pattern;
A sidewall insulating film forming step of chemically etching the sidewall insulating film so as to reduce the film thickness of the sidewall insulating film of the N-channel MOS transistor in the NMOS region using the resist as a mask;
A resist removing step for removing the resist;
A stress applying insulating film forming step of forming the stress applying insulating film having a tensile stress so as to cover the two types of MOS transistor elements in the predetermined region. Device manufacturing method.
前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子のゲート電極の側壁に第1側壁絶縁膜を形成した後、前記所定領域内に位置する前記Pチャネル型MOSトランジスタを形成するPMOS領域が開口されたレジストパターンを有するレジストを形成するレジスト形成工程と、
前記レジストをマスクとして、前記PMOS領域内の前記第1側壁絶縁膜をケミカルエッチングにより除去する第1側壁絶縁膜除去工程と、
前記レジストを除去するレジスト除去工程と、
前記所定領域内の全面に窒化シリコン膜を形成する窒化シリコン膜形成工程と、
前記窒化シリコン膜を異方性エッチングし、前記所定領域内の前記Pチャネル型MOSトランジスタのゲート電極の側壁及び前記所定領域内の前記Nチャネル型MOSトランジスタの前記第1側壁絶縁膜の側壁に第2側壁絶縁膜を形成する第2側壁絶縁膜形成工程と、
前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように、圧縮応力を有する前記応力印加用絶縁膜を形成する応力印加用絶縁膜形成工程と、を順に実行することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
After forming a first sidewall insulating film on the sidewalls of the gate electrodes of the two types of MOS transistor elements in the predetermined region, a PMOS region for forming the P-channel MOS transistor located in the predetermined region is opened. A resist forming step of forming a resist having a resist pattern;
A first sidewall insulating film removing step of removing the first sidewall insulating film in the PMOS region by chemical etching using the resist as a mask;
A resist removing step for removing the resist;
A silicon nitride film forming step of forming a silicon nitride film on the entire surface in the predetermined region;
The silicon nitride film is anisotropically etched to form a sidewall on the sidewall of the gate electrode of the P-channel MOS transistor in the predetermined region and the sidewall of the first sidewall insulating film of the N-channel MOS transistor in the predetermined region. A second sidewall insulating film forming step of forming a two sidewall insulating film;
A stress applying insulating film forming step of forming the stress applying insulating film having compressive stress so as to cover the two types of MOS transistor elements in the predetermined region. Device manufacturing method.
前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子のゲート電極の側壁に側壁絶縁膜を形成した後、前記所定領域内に位置する前記Pチャネル型MOSトランジスタを形成するPMOS領域が開口されたレジストパターンを有するレジストを形成するレジスト形成工程と、
前記レジストをマスクとして、前記PMOS領域の前記Pチャネル型MOSトランジスタの前記側壁絶縁膜の膜厚を薄くするように、前記側壁絶縁膜をケミカルエッチングする側壁絶縁膜成形工程と、
前記レジストを除去するレジスト除去工程と、
前記所定領域内の前記2種類のMOS型トランジスタ素子を覆うように、圧縮応力を有する前記応力印加用絶縁膜を形成する応力印加用絶縁膜形成工程と、を順に実行することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
After forming a sidewall insulating film on the sidewalls of the gate electrodes of the two types of MOS transistor elements in the predetermined region, a resist in which a PMOS region for forming the P-channel MOS transistor located in the predetermined region is opened A resist forming step of forming a resist having a pattern;
A sidewall insulating film forming step of chemically etching the sidewall insulating film so as to reduce the film thickness of the sidewall insulating film of the P-channel MOS transistor in the PMOS region using the resist as a mask;
A resist removing step for removing the resist;
A stress applying insulating film forming step of forming the stress applying insulating film having compressive stress so as to cover the two types of MOS transistor elements in the predetermined region. Device manufacturing method.
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