JP2008135765A - Semiconductor device - 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関し、より詳細には、高誘電率の絶縁膜を有する半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having an insulating film having a high dielectric constant and a manufacturing method thereof.
近年、半導体集積回路装置における高集積化が大きく進展しており、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型半導体装置では高集積化に対応するためのトランジスタ等の素子の微細化、高性能化が図られている。特に、MOS構造を構成する要素の一つであるゲート絶縁膜に関しては、上記トランジスタの微細化、高速動作および低電圧化に対応すべく薄膜化が急速に進んでいる。 2. Description of the Related Art In recent years, high integration in semiconductor integrated circuit devices has greatly advanced, and in a MOS (Metal Oxide Semiconductor) type semiconductor device, elements such as transistors and the like for achieving high integration have been miniaturized and improved in performance. Yes. In particular, with regard to the gate insulating film which is one of the elements constituting the MOS structure, the thinning is rapidly progressing to cope with the miniaturization, high speed operation and low voltage of the transistor.
ゲート絶縁膜を構成する材料としては、従来よりシリコン酸化膜(SiO2膜)が用いられてきた。一方、ゲート電極の微細化に伴いゲート絶縁膜の薄膜化が進むと、キャリア(電子および正孔)がゲート絶縁膜を直接トンネリングすることによって生じるトンネル電流、すなわちゲートリーク電流が増大するようになる。例えば、130nmノードのデバイスで要求されるゲート絶縁膜の膜厚はシリコン酸化膜で2nm程度であるが、この領域はトンネル電流が流れ始める領域である。したがって、ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いた場合には、ゲートリーク電流を抑制することができずに消費電力の増大を招くことになる。 As a material constituting the gate insulating film, a silicon oxide film (SiO 2 film) has been conventionally used. On the other hand, when the gate insulating film becomes thinner with the miniaturization of the gate electrode, the tunnel current generated by the carriers (electrons and holes) directly tunneling through the gate insulating film, that is, the gate leakage current increases. . For example, a gate insulating film required for a 130 nm node device is about 2 nm in thickness of a silicon oxide film, but this region is a region where a tunnel current starts to flow. Therefore, when a silicon oxide film is used as the gate insulating film, the gate leakage current cannot be suppressed and the power consumption increases.
そこで、シリコン酸化膜に代えて、より誘電率の高い材料をゲート絶縁膜として使用する研究が行われている。 In view of this, research has been conducted in which a material having a higher dielectric constant is used as the gate insulating film instead of the silicon oxide film.
図20〜図23は、高誘電率絶縁膜をゲート絶縁膜として用いた場合の従来法による電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor)の製造工程を示す断面図である。 20 to 23 are cross-sectional views showing a manufacturing process of a field effect transistor by a conventional method when a high dielectric constant insulating film is used as a gate insulating film.
まず、シリコン基板41上に公知の方法を用いて素子分離領域43,43′および拡散層42を形成した後、熱酸化法によってシリコン酸化膜44を形成する。次に、高誘電率絶縁膜45、ゲート電極材料としての多結晶シリコン膜46およびハードマスクとしてのシリコン酸化膜47を順に成長させる。その後、フォトリソグラフィ法を用いてレジストパターン48を形成する(図20)。
First,
次に、レジストパターン48をマスクとしてシリコン酸化膜47をドライエッチングし、シリコン酸化膜パターン49を形成する(図21)。
Next, the
次に、シリコン酸化膜パターン49をマスクとして、多結晶シリコン膜46をドライエッチングする。これにより、ゲート電極50が形成される(図22)。その後、高誘電率絶縁膜45、シリコン酸化膜44を順にエッチングした後、エクステンション領域51,51′、ハロー層52,52′、サイドウォール53およびソース・ドレイン領域54,54′の形成を行い、図23の構造とする。
Next, the
ところで、従来は、ゲート電極50をマスクとしたイオン注入法によって、エクステンション領域51,51′の形成を行っていた。しかしながら、エクステンション注入領域は、ゲート電極から5nm〜30nm程度の間隔をおいて形成された方が、オフ時のリーク電流を小さくして高性能なデバイスとすることができる。
Conventionally, the
また、ハロー層52,52′は、エクステンション領域51とは逆のタイプの不純物領域(以下、ハロー層という)であり、接合の形状や深さを調節する役割を有している。ハロー層52,52′の形成は、シリコン基板41に対して斜めに不純物イオンを注入することにより行われる。従来は、ゲート電極50をマスクとし、シリコン基板41の法線方向55とイオンの入射方向56とのなす角度θが20度〜30度となるようにして、イオン注入が行われていた。しかしながら、この場合、隣接するハロー層52,52′がチャネル部分で重なり合う領域が大きくなり、部分的に不純物濃度の高い場所ができるという問題があった。
The
さらに、高誘電率絶縁膜45をエッチングする際に、高誘電率絶縁膜45と下地のシリコン酸化膜44との選択比が0.5以下の値でしか得られないために、シリコン酸化膜44、さらにはその下のシリコン基板41までエッチングされてしまうという問題もあった。
Further, when the high dielectric constant
また、一般に、半導体装置の製造工程では、エッチングレートや被加工膜の膜厚のばらつきなどに起因するエッチング残渣の発生を防止するために、オーバーエッチングをすることが行われる。高誘電率絶縁膜45の場合、その膜厚の最も大きい部分がエッチングされたときがジャストエッチングの状態であるとすると、これ以降はオーバーエッチングとなる。オーバーエッチング工程では、下地のシリコン酸化膜44がエッチングされ、シリコン酸化膜44の膜厚の最も小さい部分がエッチングによって消失するまでの時間がプロセスマージンとして考えられる。
In general, in the manufacturing process of a semiconductor device, over-etching is performed in order to prevent generation of etching residues due to variations in etching rate and film thickness of a film to be processed. In the case of the high dielectric constant
しかしながら、高誘電率絶縁膜45では、その成膜技術やエッチング技術などの周辺技術が成熟していないことから、予想されるばらつきは大きなものとなる。このため、計算によって求められるオーバーエッチングの時間が、プロセスマージンを容易に超えてしまうという問題があった。プロセスマージンを超えてエッチングが行われると、上記と同様にシリコン酸化膜44の下地のシリコン基板41がエッチングされて、半導体装置の電気的特性および信頼性は低下する。
However, the high dielectric constant
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、ゲート電極とエクステンション領域との間隔を大きくして、電気的特性に優れた半導体装置およびその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems. That is, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having excellent electrical characteristics by increasing the distance between a gate electrode and an extension region and a method for manufacturing the same.
また、本発明の目的は、チャネル部分でのハロー層の重なりを小さくして、電気的特性に優れた半導体装置およびその製造方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor device having excellent electrical characteristics by reducing the overlap of halo layers in the channel portion and a method for manufacturing the same.
さらに、本発明の目的は、下地の半導体基板にダメージを与えることなしに高誘電率絶縁膜をエッチングすることによって、電気的特性および信頼性に優れた半導体装置およびその製造方法を提供することにある。 Furthermore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device having excellent electrical characteristics and reliability and a method for manufacturing the same by etching a high dielectric constant insulating film without damaging the underlying semiconductor substrate. is there.
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。 Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.
本発明は、半導体基板の上に形成されたシリコンを含む酸化膜と、このシリコンを含む酸化膜の上に形成された高誘電率絶縁膜と、この高誘電率絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置であって、高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法がゲート電極の幅方向の寸法より大きいことを特徴としている。高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法とゲート電極の幅方向の寸法との差は5nm〜60nmの範囲内にあることが好ましい。 The present invention provides an oxide film containing silicon formed on a semiconductor substrate, a high dielectric constant insulating film formed on the oxide film containing silicon, and formed on the high dielectric constant insulating film. A semiconductor device having a gate electrode, characterized in that a dimension in the width direction of the high dielectric constant insulating film is larger than a dimension in the width direction of the gate electrode. The difference between the dimension in the width direction of the high dielectric constant insulating film and the dimension in the width direction of the gate electrode is preferably in the range of 5 nm to 60 nm.
また、本発明は、半導体基板の上に形成されたシリコンを含む酸化膜と、このシリコンを含む酸化膜の上に形成された高誘電率絶縁膜と、この高誘電率絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置であって、高誘電率絶縁膜の断面形状はシリコンを含む酸化膜に近付くほど幅方向の寸法が大きくなるテーパ形状を有していて、高誘電率絶縁膜がシリコンを含む酸化膜と接する部分における高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法はゲート電極の幅方向の寸法より大きいことを特徴としている。 The present invention also provides an oxide film containing silicon formed on a semiconductor substrate, a high dielectric constant insulating film formed on the oxide film containing silicon, and formed on the high dielectric constant insulating film. A high-dielectric-constant insulating film having a tapered shape in which the cross-sectional shape of the high-dielectric-constant insulating film increases in the width direction as it approaches the oxide film containing silicon. Is characterized in that the dimension in the width direction of the high dielectric constant insulating film in the portion in contact with the oxide film containing silicon is larger than the dimension in the width direction of the gate electrode.
本発明の半導体装置において、高誘電率絶縁膜は、ハフニウム酸化物、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物、ランタン酸化物、タンタル酸化物およびアルミニウム酸化物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の材料からなる膜とすることができる。また、シリコンを含む酸化膜は、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜およびシリケート膜よりなる群から選ばれる1の膜とすることができる。 In the semiconductor device of the present invention, the high dielectric constant insulating film is made of at least one material selected from the group consisting of hafnium oxide, titanium oxide, zirconium oxide, lanthanum oxide, tantalum oxide, and aluminum oxide. It can be a membrane. The oxide film containing silicon can be one film selected from the group consisting of a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, and a silicate film.
本発明の半導体装置の製造方法は、拡散層および素子分離領域が形成された半導体基板の上にシリコンを含む酸化膜を形成する工程と、このシリコンを含む酸化膜の上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、この高誘電率絶縁膜の上にゲート電極材料を形成する工程と、このゲート電極材料の上にハードマスクを形成する工程と、このハードマスクを用いてゲート電極材料をドライエッチングすることによってゲート電極を形成するとともに、このドライエッチングによって高誘電率絶縁膜の全体をダメージ層に変える工程と、このダメージ層をウェットエッチングによって除去する工程と、高誘電率絶縁膜をマスクとして半導体基板に不純物を注入しエクステンション領域を形成する工程と、高誘電率絶縁膜をマスクとして半導体基板にエクステンション領域とは逆のタイプの不純物を注入しハロー層を形成する工程とを有し、ゲート電極を形成する工程でゲート電極の側壁部方向へのエッチングを行うことによって、ゲート電極の幅方向の寸法を高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法より小さくすることを特徴とする。 A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an oxide film containing silicon on a semiconductor substrate on which a diffusion layer and an element isolation region are formed, and a high dielectric constant insulating film on the oxide film containing silicon. Forming a gate electrode material on the high dielectric constant insulating film, forming a hard mask on the gate electrode material, and drying the gate electrode material using the hard mask. The gate electrode is formed by etching, the step of changing the entire high dielectric constant insulating film into a damaged layer by this dry etching, the step of removing this damaged layer by wet etching, and the high dielectric constant insulating film as a mask Implanting impurities into the semiconductor substrate to form extension regions, and using the high dielectric constant insulating film as a mask, And a step of forming a halo layer by implanting an impurity of a type opposite to that of the tension region, and performing etching in the direction of the side wall of the gate electrode in the step of forming the gate electrode. The dimension is smaller than the dimension in the width direction of the high dielectric constant insulating film.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、拡散層および素子分離領域が形成された半導体基板の上にシリコンを含む酸化膜を形成する工程と、このシリコンを含む酸化膜の上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、この高誘電率絶縁膜の上にゲート電極材料を形成する工程と、このゲート電極材料の上にハードマスクを形成する工程と、このハードマスクを用いたゲート電極材料のドライエッチングによってゲート電極を形成する工程と、ハードマスクを用いて高誘電率絶縁膜をドライエッチングし、このドライエッチングによって高誘電率絶縁膜に形成されたダメージ層のみを残して高誘電率絶縁膜を除去する工程と、このダメージ層をウェットエッチングによって除去する工程と、高誘電率絶縁膜をマスクとして半導体基板に不純物を注入しエクステンション領域を形成する工程と、高誘電率絶縁膜をマスクとして半導体基板にエクステンション領域とは逆のタイプの不純物を注入しハロー層を形成する工程とを有し、ゲート電極を形成する工程でゲート電極の側壁部方向へのエッチングを行うことによって、ゲート電極の幅方向の寸法を高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法より小さくすることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an oxide film containing silicon on a semiconductor substrate on which a diffusion layer and an element isolation region are formed, and a high dielectric constant on the oxide film containing silicon. A step of forming an insulating film, a step of forming a gate electrode material on the high dielectric constant insulating film, a step of forming a hard mask on the gate electrode material, and a gate electrode material using the hard mask The process of forming the gate electrode by dry etching and dry etching the high dielectric constant insulating film using a hard mask and leaving only the damaged layer formed on the high dielectric constant insulating film by this dry etching Removing the film, removing the damaged layer by wet etching, and implanting impurities into the semiconductor substrate using the high dielectric constant insulating film as a mask A step of forming an extension region and a step of forming a halo layer by implanting an impurity of a type opposite to the extension region into a semiconductor substrate using a high dielectric constant insulating film as a mask, and forming a gate electrode. Etching in the direction of the side wall of the electrode makes the dimension in the width direction of the gate electrode smaller than the dimension in the width direction of the high dielectric constant insulating film.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、拡散層および素子分離領域が形成された半導体基板の上にシリコンを含む酸化膜を形成する工程と、このシリコンを含む酸化膜の上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、この高誘電率絶縁膜の上にゲート電極材料を形成する工程と、このゲート電極材料の上にハードマスクを形成する工程と、このハードマスクを用いてゲート電極材料をドライエッチングすることによってゲート電極を形成するとともに、このドライエッチングによって高誘電率絶縁膜の全体をダメージ層に変える工程と、このダメージ層をウェットエッチングによって除去する工程と、高誘電率絶縁膜をマスクとして半導体基板に不純物を注入しエクステンション領域を形成する工程と、高誘電率絶縁膜をマスクとして半導体基板にエクステンション領域とは逆のタイプの不純物を注入しハロー層を形成する工程とを有し、ゲート電極を形成する工程でゲート電極の側壁部方向へのエッチングを行うとともに、高誘電率絶縁膜の膜厚方向に与えるダメージ量を変えることによって、高誘電率絶縁膜の断面形状がシリコンを含む酸化膜に近付くほど幅方向の寸法が大きくなるテーパ形状であって、高誘電率絶縁膜がシリコンを含む酸化膜と接する部分における高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法がゲート電極の幅方向の寸法より大きくなるようにすることを特徴とする。ゲート電極を形成する工程におけるエッチング時間およびプラズマパワー密度の少なくとも一方を調整することによって、高誘電率絶縁膜の膜厚方向に与えるダメージ量を変えることができる。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an oxide film containing silicon on a semiconductor substrate on which a diffusion layer and an element isolation region are formed, and a high dielectric constant on the oxide film containing silicon. A step of forming an insulating film, a step of forming a gate electrode material on the high dielectric constant insulating film, a step of forming a hard mask on the gate electrode material, and a gate electrode material using the hard mask Forming a gate electrode by dry etching, changing the whole of the high dielectric constant insulating film into a damaged layer by dry etching, removing the damaged layer by wet etching, and forming a high dielectric constant insulating film Implanting impurities into the semiconductor substrate as a mask to form an extension region, and semiconductor substrate using a high dielectric constant insulating film as a mask A step of injecting impurities opposite to the extension region to form a halo layer, and in the step of forming the gate electrode, etching is performed in the direction of the sidewall of the gate electrode, and the film of the high dielectric constant insulating film By changing the amount of damage in the thickness direction, the cross-sectional shape of the high dielectric constant insulating film is a tapered shape in which the dimension in the width direction increases as it approaches the oxide film containing silicon, and the high dielectric constant insulating film contains silicon. The dimension in the width direction of the high dielectric constant insulating film in the portion in contact with the oxide film is made larger than the dimension in the width direction of the gate electrode. By adjusting at least one of the etching time and the plasma power density in the step of forming the gate electrode, the amount of damage in the film thickness direction of the high dielectric constant insulating film can be changed.
さらに、本発明の半導体装置の製造方法は、拡散層および素子分離領域が形成された半導体基板の上にシリコンを含む酸化膜を形成する工程と、このシリコンを含む酸化膜の上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、この高誘電率絶縁膜の上にゲート電極材料を形成する工程と、このゲート電極材料の上にハードマスクを形成する工程と、このハードマスクを用いたゲート電極材料のドライエッチングによってゲート電極を形成する工程と、ハードマスクを用いて高誘電率絶縁膜をドライエッチングし、このドライエッチングによって高誘電率絶縁膜に形成されたダメージ層のみを残して高誘電率絶縁膜を除去する工程と、このダメージ層をウェットエッチングによって除去する工程と、高誘電率絶縁膜をマスクとして半導体基板に不純物を注入しエクステンション領域を形成する工程と、高誘電率絶縁膜をマスクとして半導体基板にエクステンション領域とは逆のタイプの不純物を注入しハロー層を形成する工程とを有し、ゲート電極を形成する工程でゲート電極の側壁部方向へのエッチングを行うとともに、高誘電率絶縁膜をドライエッチングする工程で、高誘電率絶縁膜の断面形状をシリコンを含む酸化膜に近付くほど幅方向の寸法が大きくなるテーパ形状にすることによって、高誘電率絶縁膜がシリコンを含む酸化膜と接する部分における高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法がゲート電極の幅方向の寸法より大きくなるようにすることを特徴とする。 Further, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an oxide film containing silicon on a semiconductor substrate on which a diffusion layer and an element isolation region are formed, and a high dielectric constant on the oxide film containing silicon. A step of forming an insulating film, a step of forming a gate electrode material on the high dielectric constant insulating film, a step of forming a hard mask on the gate electrode material, and a gate electrode material using the hard mask The process of forming the gate electrode by dry etching and dry etching the high dielectric constant insulating film using a hard mask and leaving only the damaged layer formed on the high dielectric constant insulating film by this dry etching Removing the film, removing the damaged layer by wet etching, and injecting impurities into the semiconductor substrate using the high dielectric constant insulating film as a mask. A step of forming a gate electrode, and a step of forming a halo layer by implanting an impurity of a type opposite to the extension region into a semiconductor substrate using a high dielectric constant insulating film as a mask. A taper in which the dimension in the width direction increases as the cross-sectional shape of the high dielectric constant insulating film comes closer to the oxide film containing silicon in the step of performing etching in the direction of the side wall of the gate electrode and dry etching the high dielectric constant insulating film By making the shape, the dimension in the width direction of the high dielectric constant insulating film in the portion where the high dielectric constant insulating film is in contact with the oxide film containing silicon is larger than the dimension in the width direction of the gate electrode. .
本発明の半導体装置の製造方法において、ドライエッチングは、BCl3、Cl2、HBr、CF4、O2、Ar、N2およびHeよりなる群から選ばれる少なくとも1種のガスを用いて行うことができる。また、ウェットエッチングは、DHF溶液またはBHF溶液を用いて行うことができる。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, dry etching is performed using at least one gas selected from the group consisting of BCl 3 , Cl 2 , HBr, CF 4 , O 2 , Ar, N 2 and He. Can do. Further, wet etching can be performed using a DHF solution or a BHF solution.
本発明によれば、ゲート電極の幅方向の寸法を高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法より小さくすることによって、高誘電率絶縁膜をマスクとしたイオン注入を行う。これにより、ゲート電極から所定の間隔をおいてエクステンション領域を形成することができる。 According to the present invention, ion implantation using the high dielectric constant insulating film as a mask is performed by making the dimension in the width direction of the gate electrode smaller than the dimension in the width direction of the high dielectric constant insulating film. Thereby, the extension region can be formed at a predetermined interval from the gate electrode.
また、本発明によれば、高誘電率絶縁膜をテーパ形状に加工することによってイオンの入射角度と基板の法線方向とのなす角度を従来より小さくすることができる。これにより、チャネル部分での不純物の重なりを小さくして逆短チャネル効果を減少させることができる。 Further, according to the present invention, the angle formed between the incident angle of ions and the normal direction of the substrate can be made smaller than before by processing the high dielectric constant insulating film into a tapered shape. Thereby, the overlap of impurities in the channel portion can be reduced to reduce the reverse short channel effect.
さらに、本発明によれば、高誘電率絶縁膜にダメージ層を形成し、このダメージ層をウェットエッチングにより除去する。したがって、下地のシリコン基板にダメージを与えずに、高誘電率絶縁膜をエッチングすることができる。 Furthermore, according to the present invention, a damaged layer is formed on the high dielectric constant insulating film, and the damaged layer is removed by wet etching. Therefore, the high dielectric constant insulating film can be etched without damaging the underlying silicon substrate.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。 Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.
実施の形態1
図1は、本実施の形態にかかる半導体装置の断面図の一例である。
FIG. 1 is an example of a cross-sectional view of the semiconductor device according to this embodiment.
図1に示すように、シリコン基板1には、拡散層2、素子分離領域3,3′、ソース・ドレイン領域4,4′、エクステンション領域5,5′およびハロー層17,17′が形成されている。また、シリコン基板1の上には、シリコンを含む酸化膜としてのシリコン酸化膜6、高誘電率絶縁膜7およびゲート電極8がこの順に形成されており、これらの側壁にはサイドウォール9が形成されている。尚、図1において、10は層間絶縁膜、11はコンタクト、12は配線層である。
As shown in FIG. 1, a
本実施の形態においては、高誘電率絶縁膜7の幅方向の寸法W1が、ゲート電極8の幅方向の寸法W2よりも大きいことを特徴としている。このような構造とすることによって、ゲート電極8から各エクステンション領域5,5′までの距離を大きくするとともに、チャネル部分でのハロー層17,17′の重なりを小さくして、半導体装置の電気的特性を向上させることができる。
This embodiment is characterized in that the dimension W1 in the width direction of the high dielectric constant
尚、図1では、シリコン酸化膜6は高誘電率絶縁膜7と同じ幅方向の寸法W1を有しているが、本発明はこれに限られるものではない。本発明においては、高誘電率絶縁膜7とゲート電極8との間にW1>W2の関係があることが重要であり、シリコン酸化膜6の幅方向の寸法には特に制限はない。
In FIG. 1, the
図2は、本実施の形態による半導体装置(W1>W2)について、その電気的特性の一例を示したものである。また、比較例1として、従来法による半導体装置(W1=W2)の電気的特性も示している。図2において、電圧が0Vの時の電流値を比較すると、本実施の形態による半導体装置では、従来法による半導体装置よりも1桁程度小さい値を示しており、良好な電気的特性を有することが分かる。 FIG. 2 shows an example of the electrical characteristics of the semiconductor device (W1> W2) according to this embodiment. In addition, as Comparative Example 1, electrical characteristics of a semiconductor device (W1 = W2) according to a conventional method are also shown. In FIG. 2, when the current value when the voltage is 0 V is compared, the semiconductor device according to the present embodiment shows a value that is about one digit smaller than the semiconductor device according to the conventional method, and has good electrical characteristics. I understand.
次に、本実施の形態による半導体装置の製造方法について説明する。図3〜図13は、図1に示す半導体装置の製造工程の一例を示す断面図である。尚、これらの図において、図1と同じ符号を付した部分は同じ部分であることを示している。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described. 3 to 13 are cross-sectional views showing an example of manufacturing steps of the semiconductor device shown in FIG. In these drawings, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.
まず、図3に示すように、シリコン基板1の所定領域にシリコン酸化膜を埋め込み、STI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離領域3,3′を形成する。
First, as shown in FIG. 3, a silicon oxide film is embedded in a predetermined region of the
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、シリコン基板1に拡散層2を形成する。例えば、所定領域にレジストパターン(図示せず)を形成し、このレジストパターンをマスクとして、シリコン基板1内にN型またはP型の不純物を注入する。その後、熱処理により不純物を拡散させることによって、N型拡散層またはP型拡散層を形成することができる。
Next, the
次に、図4に示すように、シリコン基板1の表面にシリコン酸化膜6を形成する。ここで、シリコン酸化膜6は、極力薄く形成されることが好ましい。具体的には、800℃〜1,200℃の温度で行うドライ酸化、低温下でプラズマを用いたラジカル酸化、またはオゾン酸化などによって、膜厚0.5nm〜2nm程度に形成して用いることができる。尚、本実施の形態においては、シリコン酸化膜の代わりに、シリコン酸窒化膜またはシリケート膜などを形成してもよい。シリコン酸窒化膜としては、例えば、シリコン酸化膜に窒素を25atom%以下の濃度で添加したものを用いることができる。
Next, as shown in FIG. 4, a
シリコン酸化膜6を形成した後は、続いて高誘電率絶縁膜7を形成する(図4)。高誘電率絶縁膜7は、ハフニウム酸化物、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物、ランタン酸化物、タンタル酸化物およびアルミニウム酸化物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の材料からなる膜とすることができる。
After the
デザイン・ルールが0.15μm以下の次世代の半導体装置に対しては、例えば、ALD(Atomic Layer Deposition)法によって形成された、膜厚2nm〜10nm程度のハフニウム酸化膜(HfO2膜)を高誘電率絶縁膜として用いることが好ましい。 For next-generation semiconductor devices with a design rule of 0.15 μm or less, for example, a hafnium oxide film (HfO 2 film) with a film thickness of about 2 nm to 10 nm formed by ALD (Atomic Layer Deposition) is used. It is preferable to use it as a dielectric constant insulating film.
尚、半導体装置の電気的特性の点からは、シリコン酸化膜6および高誘電率絶縁膜7を合わせた膜厚が、シリコン酸化膜換算膜厚(EOT)にして1.0nm〜5.0nmの範囲内にあるようにすることが好ましい。
From the viewpoint of electrical characteristics of the semiconductor device, the total thickness of the
次に、図5に示すように、高誘電率絶縁膜7の上に、ゲート電極材料としての多結晶シリコン膜13を形成する。多結晶シリコン膜13は、例えばCVD法によって形成することができる。尚、多結晶シリコン膜13の代わりに、アモルファスシリコン膜をゲート電極として用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 5, a
多結晶シリコン膜13を形成した後は、この上に、ハードマスク材料としてのシリコン酸化膜14を形成する。
After the
シリコン酸化膜14を形成した後は、この上に反射防止膜(図示せず)を形成してもよい。反射防止膜は、次に形成するレジスト膜をパターニングする際に、レジスト膜を透過した露光光を吸収することによって、レジスト膜と反射防止膜との界面における露光光の反射をなくす役割を果たす。反射防止膜としては有機物を主成分とする膜を用いることができ、例えば、スピンコート法などによって形成することができる。
After the
次に、シリコン酸化膜14の上にレジスト膜(図示せず)を形成し、フォトリソグラフィ法によって所望の線幅を有するレジストパターン15を形成し、図6の構造とする。
Next, a resist film (not shown) is formed on the
次に、レジストパターン15をマスクとしてシリコン酸化膜14をドライエッチングする。その後、不要となったレジストパターン15を除去することによって、図7に示すように、ハードマスクとしてのシリコン酸化膜パターン16を形成することができる。
Next, the
次に、シリコン酸化膜パターン16をマスクとして、多結晶シリコン膜13のドライエッチングを行う。エッチングガスとしては、例えば、BCl3、Cl2、HBr、CF4、O2、Ar、N2およびHeよりなる群から選ばれる少なくとも1種のガスを用いて行われる。
Next, dry etching of the
ここで、多結晶シリコン膜13と下地の高誘電率絶縁膜7とのエッチング選択比は、一般に十分に大きい値を有している。したがって、オーバーエッチングとなるように多結晶シリコン膜13をエッチングすることが可能であるが、本実施の形態ではさらに進んで、高誘電率絶縁膜7の全体にドライエッチングによるダメージ層が形成されるようにする。この目的を達成するために、シリコン酸化膜14は従来より厚く形成することが好ましい。具体的には、シリコン酸化膜14の膜厚を10nm〜100nm程度とすることが好ましい。
Here, the etching selection ratio between the
高誘電率絶縁膜は、ドライエッチングの際のプラズマダメージやエッチング種の打ち込みなどによって変質し、ウェットエッチングにより除去可能なダメージ層を形成する。そこで、本実施の形態では、多結晶シリコン膜をドライエッチングするとともに、このドライエッチングによって高誘電率絶縁膜をダメージ層に変化させる。その後、ウェットエッチングを行ってダメージ層を除去することにより、従来のドライエッチングに代わる高誘電率絶縁膜のエッチングを終了することができる。この方法によれば、シリコン基板にダメージを与えることなく高誘電率絶縁膜をエッチングすることが可能となる。したがって、従来法のように、シリコン基板に加えられたダメージを回復するための熱処理などは不要である。 The high dielectric constant insulating film is altered by plasma damage during dry etching, implantation of an etching species, or the like, and forms a damage layer that can be removed by wet etching. Therefore, in the present embodiment, the polycrystalline silicon film is dry-etched, and the high dielectric constant insulating film is changed to a damaged layer by this dry etching. Thereafter, wet etching is performed to remove the damaged layer, thereby completing the etching of the high dielectric constant insulating film in place of the conventional dry etching. According to this method, the high dielectric constant insulating film can be etched without damaging the silicon substrate. Accordingly, unlike the conventional method, a heat treatment or the like for recovering the damage applied to the silicon substrate is unnecessary.
図8は、多結晶シリコン膜13をドライエッチングした後の状態を示したものである。図に示すように、多結晶シリコン膜13のドライエッチングによってゲート電極8が形成されるとともに、高誘電率絶縁膜7のプラズマに曝された部分にはダメージ層7′が形成されている。
FIG. 8 shows a state after the
ダメージ層7′のウェットエッチングには、例えば、DHF溶液(HFおよびH2Oの混合溶液)またはBHF溶液(HF、NH4FおよびH2Oの混合溶液)などを用いることができる。尚、このウェットエッチングによって、高誘電率絶縁膜7の下地であるシリコン酸化膜6の一部または全部が一緒に除去されてもよい。
For the wet etching of the damaged
また、本実施の形態においては、エッチングガスの組成比や圧力などを調整することによって、ゲート電極8の側壁部方向へのドライエッチングも行われるようにする。このようにすることによって、ゲート電極8の幅方向の寸法を小さくすることができる。一方、ゲート電極8の側壁部方向へのエッチングが行われた領域では、シリコン基板1の主面1aに垂直な方向へのプラズマダメージやエッチング種の衝突によるダメージが少なくなるので、この領域での高誘電率絶縁膜7に与えられるダメージ量は小さいものとなる。これにより、高誘電率絶縁膜7はウェットエッチングによって除去され難くなるので、ゲート電極8の幅方向の寸法に対して高誘電率絶縁膜7の幅方向の寸法を大きくすることができる。
In the present embodiment, dry etching in the direction of the side wall of the
図9は、ウェットエッチング後の状態を示した図である。図に示すように、高誘電率絶縁膜7の幅方向の寸法W1は、ゲート電極8の幅方向の寸法W2よりも大きい。ここで、寸法W1と寸法W2との差は、5nm〜60nmの範囲にあることが好ましい。尚、図9では、ウェットエッチングによってシリコン酸化膜6も除去された状態を示している。
FIG. 9 is a diagram showing a state after wet etching. As shown in the drawing, the dimension W 1 in the width direction of the high dielectric constant
また、本実施の形態においては、多結晶シリコン膜のドライエッチングに続いて高誘電率絶縁膜のドライエッチングを行い、その後、ダメージ層をウェットエッチングしてもよい。 In this embodiment, the high dielectric constant insulating film may be dry-etched subsequent to the dry etching of the polycrystalline silicon film, and then the damaged layer may be wet-etched.
具体的には、多結晶シリコン膜をドライエッチングした後、ハードマスクを用いて高誘電率絶縁膜のドライエッチングを行う。多結晶シリコン膜のドライエッチングは、上述したように、形成されるゲート電極の側壁部方向へのエッチングを伴うものとする。一方、高誘電率絶縁膜のドライエッチングは、ダメージ層のみが残るようにして終了する。その後、残ったダメージ層をウェットエッチングすることによって、全ての高誘電率絶縁膜を除去する。ここで、形成されるダメージ層の膜厚は、ドライエッチングの条件および高誘電率絶縁膜の種類によって変わる。一方、ダメージ層の膜厚が大きいほど、エッチングマージンを大きくすることができる。したがって、これらの条件を勘案した上で、ドライエッチングにより除去する高誘電率絶縁膜の膜厚を設定することが好ましい。 Specifically, after the polycrystalline silicon film is dry etched, the high dielectric constant insulating film is dry etched using a hard mask. As described above, dry etching of the polycrystalline silicon film is accompanied by etching in the direction of the side wall of the gate electrode to be formed. On the other hand, the dry etching of the high dielectric constant insulating film is completed so that only the damaged layer remains. Thereafter, all the high dielectric constant insulating films are removed by wet etching the remaining damaged layer. Here, the film thickness of the damage layer to be formed varies depending on the dry etching conditions and the type of the high dielectric constant insulating film. On the other hand, the larger the damage layer thickness, the larger the etching margin. Therefore, it is preferable to set the film thickness of the high dielectric constant insulating film to be removed by dry etching in consideration of these conditions.
尚、高誘電率絶縁膜をドライエッチングする際には、ゲート電極の側壁部も多少エッチングされる。したがって、高誘電率絶縁膜のドライエッチング前の時点において、予め、ゲート電極の幅方向の寸法がエッチングにより消失する分を加えた寸法となるようにしておく。このようにすることによって、所望のゲート電極パターンを形成することができる。具体的には、多結晶シリコン膜のドライエッチング工程におけるエッチングガスの組成比や圧力などを変えることによって、ゲート電極の寸法を制御することができる。 Note that when the high dielectric constant insulating film is dry-etched, the side walls of the gate electrode are also slightly etched. Therefore, before the dry etching of the high dielectric constant insulating film, the dimension in the width direction of the gate electrode is previously set to a dimension to which the amount disappeared by the etching is added. By doing so, a desired gate electrode pattern can be formed. Specifically, the dimensions of the gate electrode can be controlled by changing the composition ratio or pressure of the etching gas in the dry etching process of the polycrystalline silicon film.
次に、図10に示すように、シリコン基板1内の拡散層2に不純物をイオン注入した後、熱処理による活性化を行うことによってエクステンション領域5,5′を形成する。本実施の形態においては、ゲート電極の幅方向の寸法W2と高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法W1との間にW2<W1の関係があるので、エクステンション領域5,5′形成の際のマスクとなるのは、ゲート電極8ではなく高誘電率絶縁膜7である。
Next, as shown in FIG. 10, after ion-implanting impurities into the
デバイス特性の点からは、エクステンション領域5,5′がゲート電極8から離れて形成されていることが好ましい。具体的には、エクステンション領域5とゲート電極8の間隔およびエクステンション領域5′とゲート電極8の間隔が、それぞれ5nm〜30nm程度の範囲内にあれば、リーク電流の発生を抑えて高性能な半導体装置を製造することが可能となる。本実施の形態によれば、高誘電率絶縁膜7をマスクとしたイオン注入によってエクステンション領域5,5′を形成するので、ゲート電極8から離れた位置にエクステンション領域5,5′を形成することができる。
From the viewpoint of device characteristics, the
次に、公知の方法に従ってサイドウォール9の形成を行い、図11に示す構造とする。この際、サイドウォール9は、ゲート電極8、高誘電率絶縁膜7およびシリコン酸化膜6の側壁に形成されるようにする。尚、高誘電率絶縁膜7のウェットエッチング後において、シリコン基板1上にシリコン酸化膜6の一部が残っている場合には、高誘電率絶縁膜7およびサイドウォール9の下を除いて、シリコン酸化膜6はサイドウォール9形成の際に除去される。
Next, the
サイドウォール9の形成を行った後は、図12に示すように、高誘電率絶縁膜7をマスクとしたハロー注入を行う。本実施の形態によれば、高誘電率絶縁膜7はゲート電極8よりも幅方向の寸法が大きいので、ゲート電極8をマスクとして行う従来のハロー注入に比べて、チャネル部でのハロー層17,17′の重なりを小さくすることが可能となる。尚、図12において、18,18′は、イオンの入射方向を示している。
After the
尚、本実施の形態においては、エクステンション領域5,5′の形成に続いてハロー注入を行った後で、サイドウォール9を形成してもよい。また、エクステンション領域5,5′の形成およびハロー注入工程では、高誘電率絶縁膜7による阻止能を考慮して、イオンの入射エネルギーを高く設定することが好ましい。
In the present embodiment, the
次に、従来法と同様にして、シリコン基板1内の拡散層2に不純物をイオン注入する。続いて、熱処理による活性化を行うことによって、ソース・ドレイン拡散領域4,4′を形成することができる(図13)。その後、公知の方法によって、層間絶縁膜10、コンタクト11および配線12を形成することによって、図1に示す構造を得ることができる。
Next, as in the conventional method, impurities are ion-implanted into the
本実施の形態によれば、ゲート電極の幅方向の寸法を高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法より小さくし、高誘電率絶縁膜をマスクとしてエクステンション領域の形成およびハロー注入を行うので、ゲート電極とエクステンション領域との間隔を大きくすることができる。また、チャネル部分でのハロー層の重なりを小さくすることもできる。これにより、オフ時のリーク電流を小さくすることが可能となる。尚、本実施の形態によれば、従来、微細化に伴い必要とされていたオフセットスペーサの形成は不要である。 According to the present embodiment, the dimension in the width direction of the gate electrode is made smaller than the dimension in the width direction of the high dielectric constant insulating film, and the extension region is formed and the halo implantation is performed using the high dielectric constant insulating film as a mask. The distance between the electrode and the extension region can be increased. In addition, the overlap of the halo layers in the channel portion can be reduced. Thereby, it becomes possible to reduce the leakage current at the time of OFF. Note that according to the present embodiment, it is not necessary to form an offset spacer, which has been conventionally required with miniaturization.
また、本実施の形態によれば、ゲート電極を形成する際のドライエッチング工程において高誘電率絶縁膜をダメージ層に変え、これをウェットエッチングすることによって高誘電率絶縁膜を所望のパターンに加工する。これにより、シリコン基板にダメージを与えることなく、高誘電率絶縁膜をエッチングすることが可能となる。 Further, according to the present embodiment, the high dielectric constant insulating film is changed into a damaged layer in the dry etching process when forming the gate electrode, and the high dielectric constant insulating film is processed into a desired pattern by wet etching. To do. As a result, the high dielectric constant insulating film can be etched without damaging the silicon substrate.
実施の形態2.
図14は、本実施の形態にかかる半導体装置の断面図の一例である。
FIG. 14 is an example of a cross-sectional view of the semiconductor device according to this embodiment.
図14に示すように、シリコン基板21には、拡散層22、素子分離領域23,23′、ソース・ドレイン領域24,24′、エクステンション領域25,25′およびハロー層37,37′が形成されている。また、シリコン基板21の上には、シリコンを含む膜としてのシリコン酸化膜26、高誘電率絶縁膜27およびゲート電極28がこの順に形成されており、これらの側壁にはサイドウォール29が形成されている。尚、図14において、30は層間絶縁膜、31はコンタクト、32は配線層である。
As shown in FIG. 14, a
本実施の形態においては、高誘電率絶縁膜27の断面形状がシリコン酸化膜26に近付くほど幅方向の寸法が大きくなるテーパ形状を有していて、さらに、高誘電率絶縁膜27がシリコン酸化膜26と接する部分における幅方向の寸法W3がゲート電極28の幅方向の寸法W4より大きいことを特徴としている。このような構造とすることによって、ハロー注入工程でのイオンの入射方向とシリコン基板21の法線方向とがなす角度を小さくして、チャネル部分でのハロー層37,37′の重なりを小さくすることができる。
In the present embodiment, the high dielectric constant insulating
従来は、シリコン基板の法線方向とイオンの入射方向とのなす角度が20度〜30度となるようにしてハロー注入を行っていた。しかしながら、微細化された半導体装置では、ゲート電極パターンの線幅が小さくなるとともに、各集積回路も接近した状態で配置される。したがって、イオン注入の際のシャドーイングを考慮すると、シリコン基板の法線方向とイオンの入射方向とのなす角度は0度となることが好ましい。 Conventionally, halo implantation has been performed so that the angle formed by the normal direction of the silicon substrate and the incident direction of ions is 20 degrees to 30 degrees. However, in a miniaturized semiconductor device, the line width of the gate electrode pattern is reduced, and the integrated circuits are arranged close to each other. Therefore, in consideration of shadowing during ion implantation, the angle formed by the normal direction of the silicon substrate and the ion incident direction is preferably 0 degrees.
図15は、本実施の形態による半導体装置について、ゲート長に対する閾値電圧の変化を測定した結果の一例を示したものである。図の例では、シリコン基板の法線方向とイオンの入射方向とのなす角度が0度となるようにしてハロー注入を行っている。また、比較例2として、図23に示す従来法による半導体装置についての結果も示している。比較例2において、シリコン基板の法線方向とイオンの入射方向とのなす角度は20度である。図15から分かるように、本実施の形態によれば、従来と同等なロールオフ特性を保ちつつ、逆短チャネル効果を良好に抑制することが可能である。 FIG. 15 shows an example of the result of measuring the change in threshold voltage with respect to the gate length for the semiconductor device according to the present embodiment. In the example shown in the figure, the halo implantation is performed so that the angle formed by the normal direction of the silicon substrate and the incident direction of ions is 0 degrees. Further, as Comparative Example 2, the result of the semiconductor device according to the conventional method shown in FIG. 23 is also shown. In Comparative Example 2, the angle formed by the normal direction of the silicon substrate and the incident direction of ions is 20 degrees. As can be seen from FIG. 15, according to the present embodiment, it is possible to satisfactorily suppress the reverse short channel effect while maintaining the roll-off characteristics equivalent to the conventional one.
次に、本実施の形態による半導体装置の製造方法について、図16〜図19を用いて説明する。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、実施の形態1で説明した図3〜図7に示す方法に従って、シリコン基板21に素子分離領域23,23′および拡散層22を形成した後、この上に、シリコン酸化膜26、高誘電率絶縁膜27、ゲート電極材料としての多結晶シリコン膜33、およびハードマスクとしてのシリコン酸化膜パターン36を順に形成し、図16の構造とする。
First,
尚、本実施の形態においては、シリコン酸化膜の代わりに、シリコン酸窒化膜またはシリケート膜を形成してもよい。シリコン酸窒化膜としては、例えば、シリコン酸化膜に窒素を25atom%以下の濃度で添加したものを用いることができる。また、高誘電率絶縁膜27としては、例えば、ハフニウム酸化物、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物、ランタン酸化物、タンタル酸化物およびアルミニウム酸化物よりなる群から選ばれる少なくとも1種の材料からなる膜を用いることができる。
In this embodiment, a silicon oxynitride film or a silicate film may be formed instead of the silicon oxide film. As the silicon oxynitride film, for example, a silicon oxide film added with nitrogen at a concentration of 25 atom% or less can be used. The high dielectric constant insulating
次に、シリコン酸化膜パターン36をマスクとして、多結晶シリコン膜33のドライエッチングを行う。エッチングガスとしては、例えば、BCl3、Cl2、HBr、CF4、O2、Ar、N2およびHeよりなる群から選ばれる少なくとも1種のガスを用いて行うことができる。
Next, the
また、実施の形態1と同様に、多結晶シリコン膜33のドライエッチングの際に、高誘電率絶縁膜27の全体にドライエッチングによるダメージ層27′が形成されるようにする(図17)。このため、ハードマスクとしてのシリコン酸化膜パターン36は、実施の形態1と同様に、従来より厚く形成されることが好ましい。
Similarly to the first embodiment, when the
次に、ウェットエッチングを行ってダメージ層を除去することにより高誘電率絶縁膜のエッチングを終了する。ウェットエッチングには、例えば、DHF溶液(HFおよびH2Oの混合溶液)またはBHF溶液(HF、NH4FおよびH2Oの混合溶液)などを用いることができる。尚、このウェットエッチングによって、高誘電率絶縁膜27の下地であるシリコン酸化膜26の一部または全部が一緒に除去されてもよい。
Next, the etching of the high dielectric constant insulating film is completed by removing the damaged layer by wet etching. For wet etching, for example, a DHF solution (a mixed solution of HF and H 2 O) or a BHF solution (a mixed solution of HF, NH 4 F and H 2 O) can be used. Note that a part or all of the
また、実施の形態1と同様に、エッチングガスの組成比や圧力などを調整することによって、ゲート電極28の側壁部方向にもドライエッチングが行われるようにする。このようにすることによって、ゲート電極28の幅方向の寸法を小さくすることができる。一方、ゲート電極28の側壁部方向へのエッチングが行われた領域では、シリコン基板21の主面21aに垂直な方向へのプラズマダメージやエッチング種の衝突によるダメージが少なくなるので、この領域での高誘電率絶縁膜27に与えられるダメージ量は小さいものとなる。これにより、高誘電率絶縁膜27はウェットエッチングによって除去され難くなるので、ゲート電極28の幅方向の寸法に対して高誘電率絶縁膜27の幅方向の寸法を大きくすることができる。
Similarly to the first embodiment, dry etching is also performed in the direction of the side wall of the
本実施の形態においては、さらに、ドライエッチング工程でのエッチング時間およびプラズマパワー密度の少なくとも一方を調整することによって、図17に示すように、高誘電率絶縁膜27に加わるダメージ量をその膜厚方向にも変化させる。このようにすることによって、図18に示すように、ウェットエッチング後における高誘電率絶縁膜27の断面形状がテーパ形状となるようにすることができる。ここで、ゲート電極28の側壁部方向へのエッチングによって、ゲート電極28の幅方向の寸法は小さくなっているので、高誘電率絶縁膜27がシリコン酸化膜26と接する部分における高誘電率絶縁膜27の幅方向の寸法W3はゲート電極28の幅方向の寸法W4より大きくなる。
In the present embodiment, further, by adjusting at least one of the etching time and the plasma power density in the dry etching process, the amount of damage applied to the high dielectric constant insulating
また、本実施の形態においては、多結晶シリコン膜のドライエッチングに続いて高誘電率絶縁膜のドライエッチングを行い、その後、ダメージ層をウェットエッチングしてもよい。 In this embodiment, the high dielectric constant insulating film may be dry-etched subsequent to the dry etching of the polycrystalline silicon film, and then the damaged layer may be wet-etched.
具体的には、多結晶シリコン膜をドライエッチングした後、ハードマスクを用いて高誘電率絶縁膜のドライエッチングを行う。この際、エッチング条件を調整して、高誘電率絶縁膜の断面形状がテーパ形状になるようにする。そして、ドライエッチングによって形成されたダメージ層のみが残るようにしてドライエッチングを終了する。その後、残ったダメージ層をウェットエッチングすることによって、全ての高誘電率絶縁膜を除去する。ここで、形成されるダメージ層の膜厚は、ドライエッチングの条件および高誘電率絶縁膜の種類によって変わる。一方、ダメージ層の膜厚が大きいほど、エッチングマージンを大きくすることができる。したがって、これらの条件を勘案した上で、ドライエッチングにより除去する高誘電率絶縁膜の膜厚を設定することが好ましい。 Specifically, after the polycrystalline silicon film is dry etched, the high dielectric constant insulating film is dry etched using a hard mask. At this time, the etching conditions are adjusted so that the cross-sectional shape of the high dielectric constant insulating film is tapered. Then, the dry etching is finished so that only the damaged layer formed by the dry etching remains. Thereafter, all the high dielectric constant insulating films are removed by wet etching the remaining damaged layer. Here, the film thickness of the damage layer to be formed varies depending on the dry etching conditions and the type of the high dielectric constant insulating film. On the other hand, the larger the damage layer thickness, the larger the etching margin. Therefore, it is preferable to set the film thickness of the high dielectric constant insulating film to be removed by dry etching in consideration of these conditions.
尚、高誘電率絶縁膜をドライエッチングする際には、ゲート電極の側壁部もエッチングされる。したがって、高誘電率絶縁膜のドライエッチング前の時点において、予め、ゲート電極の幅方向の寸法がエッチングにより消失する分を加えた寸法となるようにしておく。このようにすることによって、所望のゲート電極パターンを形成することができる。具体的には、多結晶シリコン膜のドライエッチング工程におけるエッチングガスの組成比や圧力などを変えることによって、ゲート電極の寸法を制御できる。 When the high dielectric constant insulating film is dry-etched, the side wall portion of the gate electrode is also etched. Therefore, before the dry etching of the high dielectric constant insulating film, the dimension in the width direction of the gate electrode is previously set to a dimension to which the amount disappeared by the etching is added. By doing so, a desired gate electrode pattern can be formed. Specifically, the dimensions of the gate electrode can be controlled by changing the composition ratio or pressure of the etching gas in the dry etching process of the polycrystalline silicon film.
次に、シリコン基板21内の拡散層22に、高誘電率絶縁膜27をマスクとして不純物を注入した後、熱処理による活性化を行うことによってエクステンション領域25,25′を形成する。本実施の形態によれば、高誘電率絶縁膜27の断面形状がテーパ形状に加工されているので、ゲート電極28と各エクステンション領域25,25′までの距離を従来より大きくすることができる。
Next, after implanting impurities into the
エクステンション領域25,25′を形成した後は、公知の方法に従ってサイドウォール29の形成を行った後、高誘電率絶縁膜27をマスクとしたハロー注入を行う(図19)。
After the
尚、高誘電率絶縁膜27のウェットエッチング後において、シリコン基板21上にシリコン酸化膜26の一部が残っている場合には、高誘電率絶縁膜27およびサイドウォール29の下を除いて、シリコン酸化膜26はサイドウォール29形成の際に除去される。
If a part of the
本実施の形態によれば、高誘電率絶縁膜7の断面形状がテーパ形状となるように加工されているので、ハロー注入の際のシリコン基板21の法線方向39とイオンの入射方向38,38′とのなす角度θが0度になるまで小さくすることが可能である。このようにすることによって、チャネル部分での不純物が重なり合う領域を極力小さくして逆短チャネル効果を減少させることができる。また、オフ時のリーク電流を小さくすることもできる。
According to the present embodiment, since the cross-sectional shape of the high dielectric constant
尚、本実施の形態においては、エクステンション領域5,5′の形成に続いてハロー注入を行った後で、サイドウォール9を形成してもよい。また、エクステンション領域5,5′の形成およびハロー注入工程では、高誘電率絶縁膜7による阻止能を考慮して、イオンの入射エネルギーを高く設定することが好ましい。
In the present embodiment, the
次に、実施の形態1と同様にして、シリコン基板21内の拡散層22に不純物をイオン注入する。続いて、熱処理による活性化を行い、ソース・ドレイン拡散領域24,24′を形成した後、層間絶縁膜30、コンタクト31および配線32を形成することによって、図14に示す構造を得ることができる。
Next, as in the first embodiment, impurities are ion-implanted into the
本実施の形態によれば、高誘電率絶縁膜の断面形状をテーパ形状とすることによって、ゲート電極とエクステンション領域との距離を大きくすることができる。また、ハロー注入工程において、イオンの入射方向とシリコン基板の法線方向とのなす角度を0度まで小さくすることができる。これにより、オフ時のリーク電流を小さくすることができるとともに、チャネル部分でのハロー層の重なりを小さくして逆短チャネル効果を抑えることが可能となる。また、従来必要とされていたオフセットスペーサの形成を不要とすることもできる。 According to the present embodiment, the distance between the gate electrode and the extension region can be increased by making the cross-sectional shape of the high dielectric constant insulating film a tapered shape. Further, in the halo implantation step, the angle formed by the ion incident direction and the normal direction of the silicon substrate can be reduced to 0 degrees. As a result, it is possible to reduce the leakage current at the off time, and to reduce the overlap of the halo layers in the channel portion and suppress the reverse short channel effect. Further, it is possible to eliminate the formation of the offset spacer which has been conventionally required.
また、本実施の形態によれば、ゲート電極を形成する際のドライエッチング工程において高誘電率絶縁膜をダメージ層に変え、これをウェットエッチングすることによって高誘電率絶縁膜を所望のパターンに加工する。これにより、シリコン基板にダメージを与えることなく、高誘電率絶縁膜をエッチングすることが可能となる。 Further, according to the present embodiment, the high dielectric constant insulating film is changed into a damaged layer in the dry etching process when forming the gate electrode, and the high dielectric constant insulating film is processed into a desired pattern by wet etching. To do. As a result, the high dielectric constant insulating film can be etched without damaging the silicon substrate.
実施の形態1および2においては、トランジスタのゲート絶縁膜として高誘電率絶縁膜を用いた例について述べたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、受動素子としてのキャパシタ膜として高誘電率絶縁膜を用いた場合にも適用可能である。
In
1,21,41 シリコン基板
2,22,42 拡散層
3,3′,23,23′,43,43′ 素子分離領域
4,4′,24,24′,43,43′ ソース・ドレイン領域
5,5′,25,25′,51,51′ エクステンション領域
6,26,44 シリコン酸化膜
7,27,45 高誘電率絶縁膜
8,28,50 ゲート電極
9,29,53 サイドウォール
10,30 層間絶縁膜
11,31 コンタクト
12,32 配線層
17,17′,37,37′,52,52′ ハロー層
1, 21, 41
Claims (12)
前記シリコンを含む酸化膜の上に形成された高誘電率絶縁膜と、
前記高誘電率絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置であって、
前記高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法が前記ゲート電極の幅方向の寸法より大きいことを特徴とする半導体装置。 An oxide film containing silicon formed on a semiconductor substrate;
A high dielectric constant insulating film formed on the oxide film containing silicon;
A semiconductor device having a gate electrode formed on the high dielectric constant insulating film,
2. A semiconductor device according to claim 1, wherein a dimension in the width direction of the high dielectric constant insulating film is larger than a dimension in the width direction of the gate electrode.
前記シリコンを含む酸化膜の上に形成された高誘電率絶縁膜と、
前記高誘電率絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置であって、
前記高誘電率絶縁膜の断面形状は前記シリコンを含む酸化膜に近付くほど幅方向の寸法が大きくなるテーパ形状を有していて、前記高誘電率絶縁膜が前記シリコンを含む酸化膜と接する部分における前記高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法は前記ゲート電極の幅方向の寸法より大きいことを特徴とする半導体装置。 An oxide film containing silicon formed on a semiconductor substrate;
A high dielectric constant insulating film formed on the oxide film containing silicon;
A semiconductor device having a gate electrode formed on the high dielectric constant insulating film,
The cross-sectional shape of the high dielectric constant insulating film has a tapered shape in which the dimension in the width direction increases as it approaches the oxide film containing silicon, and the portion where the high dielectric constant insulating film is in contact with the oxide film containing silicon The semiconductor device according to claim 1, wherein a dimension in the width direction of the high dielectric constant insulating film is larger than a dimension in the width direction of the gate electrode.
前記シリコンを含む酸化膜の上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、
前記高誘電率絶縁膜の上にゲート電極材料を形成する工程と、
前記ゲート電極材料の上にハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを用いて前記ゲート電極材料をドライエッチングすることによってゲート電極を形成するとともに、前記ドライエッチングによって前記高誘電率絶縁膜の全体をダメージ層に変える工程と、
前記ダメージ層をウェットエッチングによって除去する工程と、
前記高誘電率絶縁膜をマスクとして前記半導体基板に不純物を注入しエクステンション領域を形成する工程と、
前記高誘電率絶縁膜をマスクとして前記半導体基板に前記エクステンション領域とは逆のタイプの不純物を注入しハロー層を形成する工程とを有し、
前記ゲート電極を形成する工程で前記ゲート電極の側壁部方向へのエッチングを行うことによって、前記ゲート電極の幅方向の寸法を前記高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法より小さくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an oxide film containing silicon on a semiconductor substrate on which a diffusion layer and an element isolation region are formed;
Forming a high dielectric constant insulating film on the oxide film containing silicon;
Forming a gate electrode material on the high dielectric constant insulating film;
Forming a hard mask on the gate electrode material;
Forming a gate electrode by dry etching the gate electrode material using the hard mask, and changing the whole of the high dielectric constant insulating film into a damaged layer by the dry etching;
Removing the damaged layer by wet etching;
Injecting impurities into the semiconductor substrate using the high dielectric constant insulating film as a mask to form extension regions;
Using the high dielectric constant insulating film as a mask, injecting an impurity of a type opposite to the extension region into the semiconductor substrate to form a halo layer,
Etching in the direction of the side wall of the gate electrode in the step of forming the gate electrode makes the dimension in the width direction of the gate electrode smaller than the dimension in the width direction of the high dielectric constant insulating film. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記シリコンを含む酸化膜の上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、
前記高誘電率絶縁膜の上にゲート電極材料を形成する工程と、
前記ゲート電極材料の上にハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを用いた前記ゲート電極材料のドライエッチングによってゲート電極を形成する工程と、
前記ハードマスクを用いて前記高誘電率絶縁膜をドライエッチングし、該ドライエッチングによって前記高誘電率絶縁膜に形成されたダメージ層のみを残して前記高誘電率絶縁膜を除去する工程と、
前記ダメージ層をウェットエッチングによって除去する工程と、
前記高誘電率絶縁膜をマスクとして前記半導体基板に不純物を注入しエクステンション領域を形成する工程と、
前記高誘電率絶縁膜をマスクとして前記半導体基板に前記エクステンション領域とは逆のタイプの不純物を注入しハロー層を形成する工程とを有し、
前記ゲート電極を形成する工程で前記ゲート電極の側壁部方向へのエッチングを行うことによって、前記ゲート電極の幅方向の寸法を前記高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法より小さくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an oxide film containing silicon on a semiconductor substrate on which a diffusion layer and an element isolation region are formed;
Forming a high dielectric constant insulating film on the oxide film containing silicon;
Forming a gate electrode material on the high dielectric constant insulating film;
Forming a hard mask on the gate electrode material;
Forming a gate electrode by dry etching of the gate electrode material using the hard mask;
Dry etching the high dielectric constant insulating film using the hard mask, removing the high dielectric constant insulating film leaving only a damaged layer formed on the high dielectric constant insulating film by the dry etching;
Removing the damaged layer by wet etching;
Injecting impurities into the semiconductor substrate using the high dielectric constant insulating film as a mask to form extension regions;
Using the high dielectric constant insulating film as a mask, injecting an impurity of a type opposite to the extension region into the semiconductor substrate to form a halo layer,
Etching in the direction of the side wall of the gate electrode in the step of forming the gate electrode makes the dimension in the width direction of the gate electrode smaller than the dimension in the width direction of the high dielectric constant insulating film. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記シリコンを含む酸化膜の上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、
前記高誘電率絶縁膜の上にゲート電極材料を形成する工程と、
前記ゲート電極材料の上にハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを用いて前記ゲート電極材料をドライエッチングすることによってゲート電極を形成するとともに、前記ドライエッチングによって前記高誘電率絶縁膜の全体をダメージ層に変える工程と、
前記ダメージ層をウェットエッチングによって除去する工程と、
前記高誘電率絶縁膜をマスクとして前記半導体基板に不純物を注入しエクステンション領域を形成する工程と、
前記高誘電率絶縁膜をマスクとして前記半導体基板に前記エクステンション領域とは逆のタイプの不純物を注入しハロー層を形成する工程とを有し、
前記ゲート電極を形成する工程で前記ゲート電極の側壁部方向へのエッチングを行うとともに、前記高誘電率絶縁膜の膜厚方向に与えるダメージ量を変えることによって、前記高誘電率絶縁膜の断面形状が前記シリコンを含む酸化膜に近付くほど幅方向の寸法が大きくなるテーパ形状であって、前記高誘電率絶縁膜が前記シリコンを含む酸化膜と接する部分における前記高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法が前記ゲート電極の幅方向の寸法より大きくなるようにすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an oxide film containing silicon on a semiconductor substrate on which a diffusion layer and an element isolation region are formed;
Forming a high dielectric constant insulating film on the oxide film containing silicon;
Forming a gate electrode material on the high dielectric constant insulating film;
Forming a hard mask on the gate electrode material;
Forming a gate electrode by dry etching the gate electrode material using the hard mask, and changing the whole of the high dielectric constant insulating film into a damaged layer by the dry etching;
Removing the damaged layer by wet etching;
Injecting impurities into the semiconductor substrate using the high dielectric constant insulating film as a mask to form extension regions;
Using the high dielectric constant insulating film as a mask, injecting an impurity of a type opposite to the extension region into the semiconductor substrate to form a halo layer,
The cross-sectional shape of the high dielectric constant insulating film is obtained by performing etching in the direction of the side wall of the gate electrode in the step of forming the gate electrode and changing the amount of damage in the film thickness direction of the high dielectric constant insulating film. Has a taper shape in which the dimension in the width direction increases as it approaches the oxide film containing silicon, and in the width direction of the high dielectric constant insulation film in a portion where the high dielectric constant insulation film is in contact with the oxide film containing silicon A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that a dimension is larger than a dimension in a width direction of the gate electrode.
前記シリコンを含む酸化膜の上に高誘電率絶縁膜を形成する工程と、
前記高誘電率絶縁膜の上にゲート電極材料を形成する工程と、
前記ゲート電極材料の上にハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクを用いた前記ゲート電極材料のドライエッチングによってゲート電極を形成する工程と、
前記ハードマスクを用いて前記高誘電率絶縁膜をドライエッチングし、該ドライエッチングによって前記高誘電率絶縁膜に形成されたダメージ層のみを残して前記高誘電率絶縁膜を除去する工程と、
前記ダメージ層をウェットエッチングによって除去する工程と、
前記高誘電率絶縁膜をマスクとして前記半導体基板に不純物を注入しエクステンション領域を形成する工程と、
前記高誘電率絶縁膜をマスクとして前記半導体基板に前記エクステンション領域とは逆のタイプの不純物を注入しハロー層を形成する工程とを有し、
前記ゲート電極を形成する工程で前記ゲート電極の側壁部方向へのエッチングを行うとともに、前記高誘電率絶縁膜をドライエッチングする工程で、前記高誘電率絶縁膜の断面形状を前記シリコンを含む酸化膜に近付くほど幅方向の寸法が大きくなるテーパ形状にすることによって、前記高誘電率絶縁膜が前記シリコンを含む酸化膜と接する部分における前記高誘電率絶縁膜の幅方向の寸法が前記ゲート電極の幅方向の寸法より大きくなるようにすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an oxide film containing silicon on a semiconductor substrate on which a diffusion layer and an element isolation region are formed;
Forming a high dielectric constant insulating film on the oxide film containing silicon;
Forming a gate electrode material on the high dielectric constant insulating film;
Forming a hard mask on the gate electrode material;
Forming a gate electrode by dry etching of the gate electrode material using the hard mask;
Dry etching the high dielectric constant insulating film using the hard mask, removing the high dielectric constant insulating film leaving only a damaged layer formed on the high dielectric constant insulating film by the dry etching;
Removing the damaged layer by wet etching;
Injecting impurities into the semiconductor substrate using the high dielectric constant insulating film as a mask to form extension regions;
Using the high dielectric constant insulating film as a mask, injecting an impurity of a type opposite to the extension region into the semiconductor substrate to form a halo layer,
In the step of forming the gate electrode, etching is performed in the direction of the side wall of the gate electrode, and in the step of dry etching the high dielectric constant insulating film, the cross-sectional shape of the high dielectric constant insulating film is oxidized with silicon. By forming a taper shape in which the dimension in the width direction increases as approaching the film, the dimension in the width direction of the high dielectric constant insulating film in the portion where the high dielectric constant insulating film is in contact with the oxide film containing silicon is the gate electrode. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the size is larger than the dimension in the width direction.
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JP2008182187A (en) * | 2006-10-23 | 2008-08-07 | Interuniv Micro Electronica Centrum Vzw | SELECTIVE REMOVAL FOR DyScO MATERIAL IN SEMICONDUCTOR DEVICE |
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- 2007-12-21 JP JP2007330759A patent/JP2008135765A/en active Pending
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