JP2008218836A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関するものであり、特に、フルシリサイドゲート電極を有するCMOS型の半導体装置の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a CMOS type semiconductor device having a full silicide gate electrode.
従来、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)デバイスでは、ゲート絶縁膜としてシリコン酸(窒)化膜が、またゲート電極の材料としてp型及びn型ポリシリコンが広く用いられている。ゲート電極の材料にポリシリコンを用いる場合には、不純物の注入種,注入量等を調整することにより、個々のトランジスタに最適な閾値制御を可能としている。しかしながら、ゲート電極の材料にポリシリコンを用いる場合には、電界印加時にポリシリコン自体が空乏化を起こし、実効的な電気的ゲート絶縁膜厚が増加するという問題が発生する。 Conventionally, in a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) device, a silicon oxynitride film is widely used as a gate insulating film, and p-type and n-type polysilicon are widely used as a material for a gate electrode. When polysilicon is used as the material of the gate electrode, the optimum threshold value control for each transistor is made possible by adjusting the implantation type, implantation amount, etc. of impurities. However, when polysilicon is used as the material for the gate electrode, there is a problem that the polysilicon itself is depleted when an electric field is applied, and the effective electrical gate insulating film thickness increases.
また、デバイス性能向上のため、ゲート絶縁膜として、シリコン酸(窒)化膜に代わり、HfSiONに代表される高誘電率(high−k)材料からなる高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜の実用化が検討されている。しかしながら、high−k材料とポリシリコン電極を併用した場合には、特にp型MISFET(Metal Insulator Semiconductor field effect transistor)において、トランジスタ動作時の閾値電圧の上昇が顕著に起こり(例えば文献1参照)、デバイス性能が劣化するという問題が発生する。 Further, in order to improve device performance, a high dielectric constant (high-k) gate insulating film made of a high dielectric constant (high-k) material typified by HfSiON is used as a gate insulating film instead of a silicon acid (nitride) film. The practical application of is being studied. However, when a high-k material and a polysilicon electrode are used in combination, a threshold voltage rises significantly during transistor operation particularly in a p-type MISFET (Metal Insulator Semiconductor field effect transistor) (see, for example, Reference 1) The problem that device performance deteriorates occurs.
このようなポリシリコンゲート電極の欠点を解決するため、金属シリサイドをゲート電極に用いる構造(フルシリサイド(FUSI:Fully Silicided)ゲート構造)が検討されている(例えば文献2参照)。フルシリサイドゲート構造では、ポリシリコン上にNi等のシリサイド化反応する金属を成膜して熱処理を行うことによりシリサイド膜を形成し、該シリサイド膜をゲート電極に用いる。これにより、上述したようなゲート電極の空乏化現象が抑制できるため、実効的な電気的ゲート絶縁膜厚の増加を解消することができる。 In order to solve such drawbacks of the polysilicon gate electrode, a structure using a metal silicide for the gate electrode (Fully Silicided (FUSI) gate structure) has been studied (for example, see Document 2). In the full silicide gate structure, a silicide film such as Ni is formed on polysilicon and subjected to heat treatment to form a silicide film, and the silicide film is used as a gate electrode. Thereby, since the depletion phenomenon of the gate electrode as described above can be suppressed, an increase in the effective electrical gate insulating film thickness can be eliminated.
また、ゲート絶縁膜にhigh−kゲート絶縁膜を用いる場合には、フルシリサイドゲート電極を形成する材料,相の組成,結晶構造,膜厚等により、その実効仕事関数の制御が可能であることが分かっており(例えば文献3参照)、p型,n型のそれぞれのトランジスタにおいて所望の閾値電圧を得ることができる。 Further, when a high-k gate insulating film is used as the gate insulating film, the effective work function can be controlled by the material for forming the full silicide gate electrode, the phase composition, the crystal structure, the film thickness, and the like. (See, for example, Reference 3), and a desired threshold voltage can be obtained in each of the p-type and n-type transistors.
ところで、前述のように、高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜とフルシリサイド(FUSI)ゲート構造とを用いる場合には、pMISFETとnMISFETとではゲート電極に用いるフルシリサイド膜の組成を変える必要がある。そこで従来は、p型,n型のそれぞれで所望の組成のFUSIゲートを形成するには、シリサイド化反応させるポリシリコン膜を部分的にエッチバックする、あるいは、シリサイド化金属を部分的に再堆積する等の方法により、p型領域,n型領域の膜厚比を異なるようにしてから、シリサイド化反応を行い、各々異なる組成のシリサイド膜を形成している。 By the way, as described above, when a high dielectric constant (high-k) gate insulating film and a full silicide (FUSI) gate structure are used, it is necessary to change the composition of the full silicide film used for the gate electrode between the pMISFET and the nMISFET. There is. Therefore, conventionally, in order to form a FUSI gate having a desired composition for each of the p-type and n-type, the polysilicon film to be silicidated is partially etched back, or the silicided metal is partially redeposited. By changing the film thickness ratio between the p-type region and the n-type region by such a method, silicidation reaction is performed to form silicide films having different compositions.
このため、シリサイド化反応させるポリシリコン膜を部分的にエッチバックする際には、工程の複雑化やエッチバックプロセスによるトランジスタ形状の悪化等の問題が発生する。また、シリサイド化金属を部分的に再堆積する場合には、再堆積しない領域を保護する膜を部分的に形成する必要があり、工程の複雑化や装置の不純物汚染等が懸念される。 For this reason, when the polysilicon film to be silicidized is partially etched back, problems such as complicated processes and deterioration of the transistor shape due to the etch back process occur. Further, when the metal silicide is partially redeposited, it is necessary to partially form a film that protects a region that is not redeposited, and there is a concern that the process may be complicated and the apparatus may be contaminated with impurities.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、フルシリサイドゲート電極を有し、電気特性に優れたCMOSデバイスを容易に製造することが可能な半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can easily manufacture a CMOS device having a full silicide gate electrode and excellent electrical characteristics. To do.
本発明の一実施例によれば、ゲート電極に金属シリサイド膜を用い、ゲート絶縁膜に高誘電率材料を用いるCMOSトランジスタを有する半導体装置の製造方法において、ニッケル(Ni)と反応させるポリシリコン層に対してシリサイド化反応の抑制効果を発揮する元素を予め注入しておくことで、従来技術と比べて簡単な工程によりp型、n型それぞれのMISFET上において、異なるNiSix相からなるゲート電極が形成される半導体装置の製造方法が提供される。 According to one embodiment of the present invention, in a method of manufacturing a semiconductor device having a CMOS transistor using a metal silicide film for a gate electrode and a high dielectric constant material for a gate insulating film, a polysilicon layer reacted with nickel (Ni) By previously injecting an element that exhibits a silicidation reaction suppressing effect, a gate electrode made of a different NiSix phase can be formed on each of the p-type and n-type MISFETs by a simple process compared to the prior art. A method for manufacturing a formed semiconductor device is provided.
本発明の一実施例によれば、ゲート電極に金属シリサイド膜を用い、ゲート絶縁膜に高誘電率材料を用いるCMOSトランジスタを有する半導体装置の製造方法において、pMISFETとnMISFETとの閾値をそれぞれ異なる値に制御して、各々に最適な閾値を有するトランジスタを容易に形成することができ、電気特性、信頼性に優れた半導体装置を容易に作製することができる半導体装置の製造方法を提供できる、という効果を奏する。 According to an embodiment of the present invention, in a method of manufacturing a semiconductor device having a CMOS transistor using a metal silicide film for a gate electrode and a high dielectric constant material for a gate insulating film, the threshold values of pMISFET and nMISFET are different from each other. It is possible to provide a method for manufacturing a semiconductor device that can easily form a transistor having an optimum threshold value for each, and can easily manufacture a semiconductor device having excellent electrical characteristics and reliability. There is an effect.
以下に、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。 Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following description, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can change suitably.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1にかかる半導体装置(CMOSデバイス)の構成を示す断面図であり、本発明を適用して作製した半導体装置(CMOSデバイス)の構成を示す断面図である。まず、半導体装置の構成について説明する。本実施の形態にかかる半導体装置10はCMOSトランジスタを有する半導体装置(CMOSデバイス)であり、半導体基板であるシリコン基板101の表層に、各トランジスタ素子を分離するための素子分離膜102と、MIS FET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)であるpMISFET100pとnMISFET100nとが形成されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device (CMOS device) according to a first embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device (CMOS device) manufactured by applying the present invention. . First, the structure of the semiconductor device will be described. A
pMISFET100pは、半導体基板であるシリコン基板101のpMISFET領域apに形成されており、シリコン基板101の表層に、素子分離膜102間の領域であってトランジスタ素子が形成される能動領域にチャネル領域を規定するように互いに距離を隔てて一対のソース・ドレイン領域103pが形成されている。
The
ソース・ドレイン領域103p上には、ニッケル(Ni)をシリサイド化したシリサイド層107pが形成されている。そして、シリコン基板101上において一対のソース・ドレイン領域103pにより規定されたチャネル領域には、図1に示すようにシリコン基板101側から、高誘電率材料からなる高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105pと、該高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105p上に形成されたニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極104pと、が形成されている。
A
高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105pとしては、例えばハフニウムシリケート(HfSiO)やハフニウムアルミネート(HfAlO)、またこれらを窒化処理したものなどが用いられる。また、ニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極104pは、例えばNi31Si12,Ni2SiやNi3Si等の組成を有するニッケル(Ni)リッチなニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極である。
As the high dielectric constant (high-k) gate
また、高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105pおよびニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極104pの側壁には、窒化膜からなるサイドウォール106pが形成されている。
A
一方、nMISFET100nは、半導体基板であるシリコン基板101のnMISFET領域apに形成され、シリコン基板101の表層に、素子分離膜102間の領域であってトランジスタ素子が形成される能動領域にチャネル領域を規定するように互いに距離を隔てて一対のソース・ドレイン領域103nが形成されている。
On the other hand, the
ソース・ドレイン領域103n上には、ニッケル(Ni)をシリサイド化したシリサイド層107nが形成されている。そして、シリコン基板101上において一対のソース・ドレイン領域103nにより規定されたチャネル領域には、図1に示すようにシリコン基板101側から、高誘電率材料からなる高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105nと、該高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105n上に形成されたニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極104nと、が形成されている。
A
高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105nとしては、例えばハフニウムシリケート(HfSiO)やハフニウムアルミネート(HfAlO)、またこれらを窒化処理したものなどが用いられる。また、ニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極104nは、NiSi(ニッケルモノシリサイド)の組成を有するニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極である。
As the high dielectric constant (high-k) gate
また、高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105nおよびニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極104nの側壁には、窒化膜からなるサイドウォール106nが形成されている。
A
そして、素子分離膜102、シリサイド化したシリサイド層107p,107n、を覆って層間絶縁膜108が形成されている。
An
以上のように構成された本実施の形態にかかる半導体装置10においては、ゲート絶縁膜として高誘電率材料からなる高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105p,105nを用いている。半導体装置の微細化に伴ってゲート絶縁膜(シリコン酸化膜)が薄くなった場合などには、トンネリングによる漏れ電流の発生や不純物がゲート電極から絶縁膜中への拡散などに起因した電気特性の低下、信頼性の低下が生じる。
In the
しかしながら、本実施の形態にかかる半導体装置10においてはゲート絶縁膜として電気特性を低下させずに半導体装置の微細化に対応可能な高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105p,105nを用いている。したがって、本実施の形態にかかる半導体装置においては、電気特性、信頼性に優れた半導体装置が実現されている。
However, in the
また、本実施の形態にかかる半導体装置10においては、金属シリサイドをゲート電極に用いたフルシリサイドゲート構造を有している。このようなフルシリサイドゲート構造を有することにより、本実施の形態にかかる半導体装置10は、ゲート電極材料としてポリシリコン系の材料を用いた場合のようにゲート電極材料の空乏化に起因した実効的な電気的ゲート絶縁膜の膜厚の増加が効果的に抑制されている。したがって、本実施の形態にかかる半導体装置10においては、実効的ゲート絶縁膜膜厚の薄膜化が可能な半導体装置が実現されている。
In addition, the
そして、本実施の形態にかかる半導体装置10においては、pMISFET100pにおけるゲート電極が、例えばNi31Si12,Ni2SiやNi3Si等の組成を有するニッケル(Ni)リッチなニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極104pとされ、nMISFET100nにおけるゲート電極が、NiSi(ニッケルモノシリサイド)やNiSi2の組成を有するニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極104nとされている。
In the
このように、本実施の形態にかかる半導体装置10においては、ニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極104pとニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極104nとがそれぞれ異なる組成を有する材料により構成される。そして、この組成の違いにより閾値がpMISFET100pとnMISFET100nとにおいてそれぞれ異なる値に制御され、各々に最適な閾値を有するトランジスタが形成されている。
Thus, in the
したがって、本実施の形態にかかる半導体装置10においては、pMISFET100pとnMISFET100nとがそれぞれ組成の異なるニッケル(Ni)シリサイドからなるゲート電極を備え、各々に最適な閾値を有するトランジスタが形成されている。
Therefore, in the
つぎに、以上のような本実施の形態にかかる半導体装置10の製造方法について図2−1〜図2−9に示す図面を用いて説明する。まず、図2−1に示すように、例えば表層部が(100)の面方位を有するシリコン基板101の表面にシャロウトレンチ分離(Shallow Trench Isolation:STI)法により素子分離膜102を形成する。
Next, a method for manufacturing the
続いて、イオン注入法を用いて、シリコン基板101のpMISFET領域apにはn型ウェルを、nMISFET領域anにはp型ウェルを形成し(図示せず)、一つのシリコン基板101上に複数のデバイス形成領域を形成する。
Subsequently, using an ion implantation method, an n-type well is formed in the pMISFET region ap of the
続いて、公知の洗浄技術を用いてシリコン基板101の表面を洗浄し、例えば有機金属気相堆積法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition :MOCVD)を用いて、図2−2に示すように高誘電率材料からなるゲート絶縁膜用の金属酸化膜111を形成する。この高誘電率材料からなる金属酸化膜111としては、例えばハフニウムシリケート(HfSiO)やハフニウムアルミネート(HfAlO)、またはこれらを窒化処理したものを用いることができる。
Subsequently, the surface of the
次に、図2−2に示すように金属酸化膜111上にゲート電極用のポリシリコン膜112を堆積する。このとき、ポリシリコン膜112に対しては、ゲート注入を行ってドーピングを行っても良い。そして、図2−2に示すように、このポリシリコン膜112上にシリコン窒化膜等からなるハードマスク113を形成する。このハードマスク113は、後述するソース・ドレイン領域103p,103nの形成時、およびニッケル(Ni)シリサイド層107p,107nの形成時における、ポリシリコンゲート電極112ap,112anに対するドーピングやシリサイド化反応を防止するための防止層(マスク)である。
Next, a
この後、公知のトランジスタ形成の工程を経て、トランジスタの形成までを行う。すなわち、公知の写真製版技術およびエッチング技術を用いて、高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105p,105nおよびポリシリコンゲート電極112ap,112anを形成するとともに、ハードマスク113をポリシリコンゲート電極112ap,112anの上部のみに残すように成形してハードマスク113ap,113anを形成する。ここで、pMISFET領域apおよびnMISFET領域anにおけるポリシリコンゲート電極112apとポリシリコンゲート電極112anの厚みは略同一とされている。次に公知の技術により、図2−3に示すようにソース・ドレイン領域103p,103nを形成する。なお、ソース・ドレインエクステンション層を設けても良い。
Thereafter, through a known transistor formation step, the formation of the transistor is performed. That is, the high dielectric constant (high-k)
つぎに、図2−3に示すように高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105p、ポリシリコンゲート電極112ap,およびハードマスク113apの側壁に窒化膜からなるサイドウォール106pを形成する。また、高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105n、ポリシリコンゲート電極112anおよびハードマスク113anの側壁に窒化膜からなるサイドウォール106nを形成する。
Next, as shown in FIG. 2C, sidewalls 106p made of a nitride film are formed on the sidewalls of the high dielectric constant (high-k)
そして、シリサイド化反応する金属としてニッケル膜をシリコン基板101の全面に体積してシリサイド化熱処理を行うことにより、ニッケル(Ni)をシリサイド化したニッケル(Ni)シリサイド層107pを図2−3に示すようにソース・ドレイン領域103p上に、ニッケル(Ni)をシリサイド化したニッケル(Ni)シリサイド層107nを図2−3に示すようにソース・ドレイン領域103n上に、形成する。
A nickel (Ni)
次に、層間絶縁膜108をシリコン基板101の全面に堆積し、CMP(Chemical Mechanical Polishing)技術を用いて、図2−4に示すようにポリシリコンゲート電極112ap,112an上部のハードマスク113ap,113anが露出するまで、層間絶縁膜108を研磨する。次に、ポリシリコンゲート電極112ap,112an上のハードマスク113ap,113anを写真製版技術、エッチング技術を用いて除去することにより、図2−5に示すようにポリシリコンゲート電極112ap,112anを露出させる。
Next, an
次に、シリコン基板101の全面にレジストを成膜し、図2−6に示すようにnMISFET領域anを開口させたレジストマスク114を、写真製版技術を用いて形成する。そして、該レジストマスク114をマスクとして用いて、図2−7に示すようにnMISFET領域anに対してイオン注入法によりフッ素(F)等の、シリサイド化反応を抑制する元素(シリサイド化反応抑制元素)を注入(プリドーピング)する。これにより、シリサイド化反応抑制元素が注入(プリドーピング)されたポリシリコンゲート電極112bを形成する。
Next, a resist film is formed on the entire surface of the
なお、ここでは、図2−6に示すようにnMISFET領域anを開口させたレジストマスク114を用いてnMISFET領域anに対してシリサイド化反応抑制元素を注入しているが、少なくともnMISFET領域anのポリシリコンゲート電極112anに対して、シリサイド化反応抑制元素を注入すればよい。
Here, as shown in FIG. 2-6, a silicidation reaction suppressing element is implanted into the nMISFET region an using a resist
イオン注入は、注入エネルギーを2keV〜30keVの範囲内として行う。また、ポリシリコンゲート電極112anに注入するシリサイド化反応抑制元素がシリコン基板101へ突き抜けることを防止するため、元素の種類により注入エネルギーを変えることが好ましい。また、シリサイド化反応抑制元素の注入量は、1×1014cm-2〜1×1016cm-2の範囲とすることが好ましい。
The ion implantation is performed with an implantation energy in the range of 2 keV to 30 keV. Further, in order to prevent the silicidation reaction suppressing element implanted into the polysilicon gate electrode 112an from penetrating into the
また、このnMISFET領域anに対するシリサイド化反応抑制元素の注入時にはpMISFET領域apはレジストマスクで覆われており、該pMISFET領域apに対してはシリサイド化反応抑制元素のイオン注入を行わない。すなわち、nMISFET領域anに対するシリサイド化反応抑制元素の注入時に、ポリシリコンゲート電極112apに対してはシリサイド化反応抑制元素のイオン注入を行わない。 Further, when the silicidation reaction suppressing element is implanted into the nMISFET region an, the pMISFET region ap is covered with a resist mask, and ion implantation of the silicidation reaction inhibiting element is not performed on the pMISFET region ap. That is, when the silicidation reaction suppressing element is implanted into the nMISFET region an, the silicidation reaction inhibiting element is not ion-implanted into the polysilicon gate electrode 112ap.
次に、レジストマスク114を除去し、シリサイド化反応する金属として例えばニッケル(Ni)膜115を図2−8に示すようにシリコン基板101の全面に堆積する。そして、シリサイド化熱処理の温度、時間、回数、選択的なニッケル(Ni)除去のタイミングなどの条件を制御して、シリサイド化熱処理および未反応ニッケル(Ni)の選択除去を行う。なお、ここでは、シリサイド化反応する金属としてニッケル(Ni)を用いる場合を例に説明するが、シリサイド化反応する金属はこれに限定されるものではなく、白金(Pt)、コバルト(Co)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、エルビウム(Er)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)などの金属を用いることも可能である。
Next, the resist
ここで、ポリシリコンゲート電極112a、112bをシリサイド化するためのニッケル(Ni)膜115の膜厚は、pMISFET領域apおよびnMISFET領域anにおいて略同一とされている。また、シリサイド化熱処理条件もpMISFET領域apおよびnMISFET領域anにおいて同一とされている。このように、熱処理によるポリシリコンゲート電極112a,112bとニッケル(Ni)とのシリサイド化反応と、未反応ニッケル(Ni)の選択的な除去とを組み合わせることにより、ゲート電極としてNixSiy(x,yは整数)の組成比を有するニッケル(Ni)シリサイドを形成する。
Here, the thickness of the nickel (Ni)
このとき、ポリシリコンゲート電極112apの膜厚、ニッケル(Ni)膜の堆積膜厚、シリサイド化熱処理の温度、時間、回数、選択的なニッケル(Ni)除去のタイミングなどの条件を制御することによりNixSiy(x,yは整数)の組成比を制御して、図2−9に示すようにpMISFET領域apにはNi31Si12,Ni2SiやNi3Si等のニッケル(Ni)リッチなニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極104pが形成される。
At this time, by controlling conditions such as the thickness of the polysilicon gate electrode 112ap, the deposition thickness of the nickel (Ni) film, the temperature, time, number of times of silicidation heat treatment, and the timing of selective nickel (Ni) removal. By controlling the composition ratio of Ni x Si y (x and y are integers), nickel (Ni) such as Ni 31 Si 12 , Ni 2 Si and Ni 3 Si is formed in the pMISFET region ap as shown in FIG. 2-9. A rich nickel (Ni) full
一方、nMISFET領域anには上述したようにフッ素(F)元素がイオン注入されている。フッ素(F)元素がシリコン(Si)中に注入されていると、ニッケル(Ni)のシリコン(Si)中への拡散速度が抑制されることが知られている(例えば、「M. Tsuchiaki et al., “Suppression of Thermally Induced Leakage of NiSi-Silicided Shallow Junctions by Pre-Silicide Fluorine Implantation” JJAP, 44(2005) p1673」参照)。したがって、ポリシリコンゲート電極112bの膜厚(元のポリシリコンゲート電極112anの膜厚)、ニッケル(Ni)膜の堆積膜厚、シリサイド化熱処理の温度、時間、回数、選択的なニッケル(Ni)除去のタイミングなどの条件を制御することにより、ゲート電極としてNixSiy(x,yは整数)の組成比を有するニッケル(Ni)シリサイドを形成する。
On the other hand, the fluorine (F) element is ion-implanted into the nMISFET region an as described above. It is known that when fluorine (F) element is implanted into silicon (Si), the diffusion rate of nickel (Ni) into silicon (Si) is suppressed (for example, “M. Tsuchiaki et al. al., “Suppression of Thermally Induced Leakage of NiSi-Silicide Shallow Junctions by Pre-Silicide Fluorine Implantation” JJAP, 44 (2005) p1673 ”). Therefore, the thickness of the
このとき、フッ素(F)元素が注入されたnMISFET領域anでは、フッ素(F)元素のシリサイド化反応抑制効果により図2−9に示すようにニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極104pが形成される。このニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極104pは、NiSi(ニッケルモノシリサイド)の組成を有する。以上により図1に示す本実施の形態にかかる半導体装置10を形成することができる。
At this time, in the nMISFET region an into which the fluorine (F) element is implanted, the nickel (Ni) full
上述したように、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法においては、ポリシリコンゲート電極112aをシリサイド化するためのシリサイド金属を堆積する前に、nMISFET領域anのポリシリコンゲート電極112aに対して、シリサイド化反応を抑制するフッ素(F)元素をイオン注入(プリドーピング)する。そして、シリサイド化反応する金属として例えばニッケル(Ni)膜115をシリコン基板101の全面に堆積し、シリサイド化熱処理を行う。
As described above, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment, before the silicide metal for siliciding the polysilicon gate electrode 112a is deposited, the polysilicon gate electrode 112a in the nMISFET region an is applied to the polysilicon gate electrode 112a. Then, fluorine (F) element that suppresses silicidation reaction is ion-implanted (pre-doping). Then, for example, a nickel (Ni)
これにより、フッ素(F)元素が注入されていないpMISFET領域apのポリシリコンゲート電極112apでは十分にゲートポリシリコンがシリサイド化反応するため、金属(ニッケル)リッチな(例えばNi31Si12,Ni2SiやNi3Siの組成を有する)ニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極104pが形成される。一方、nMISFET領域anのポリシリコンゲート電極112anはフッ素(F)元素が注入されたポリシリコンゲート電極112bとされているため、該フッ素(F)元素のシリサイド化反応抑制効果により、金属モノシリサイドの(NiSiの組成を有する)ニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極104nが形成される。
As a result, the gate polysilicon sufficiently undergoes a silicidation reaction in the polysilicon gate electrode 112ap of the pMISFET region ap in which no fluorine (F) element is implanted, so that the metal (nickel) rich (eg, Ni 31 Si 12 , Ni 2) A nickel (Ni) full
すなわち、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、ニッケル(Ni)と反応させるポリシリコン層に対してシリサイド化反応の抑制効果を発揮する元素を予め注入しておくことで、従来技術と比べて簡単な工程によりp型、n型それぞれのMISFET上において、異なるNiSix相からなるゲート電極を形成することが可能となる。そして、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、ポリシリコンゲート電極112aの膜厚,シリサイド金属の膜厚,シリサイド化熱処理条件をpMISFET領域apおよびnMISFET領域anにおいて同一としながら、p型、n型それぞれのMISFET上において、異なるNiSix相からなるゲート電極を形成することが可能となる。 That is, according to the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, an element that exhibits a silicidation reaction suppressing effect is previously implanted into a polysilicon layer that reacts with nickel (Ni). It is possible to form gate electrodes made of different NiSix phases on p-type and n-type MISFETs by a simple process compared to the technology. Then, according to the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment, the polysilicon gate electrode 112a, the silicide metal film thickness, and the silicidation heat treatment conditions are the same in the pMISFET region ap and the nMISFET region an. It is possible to form gate electrodes made of different NiSix phases on the MISFETs of the n-type and n-type.
これにより、pMISFET100apとnMISFET100anとの閾値をそれぞれ異なる値に制御して、各々に最適な閾値を有するトランジスタを容易に形成することができ、電気特性、信頼性に優れた半導体装置を容易に作製することができる。 Thereby, the threshold values of the pMISFET 100ap and the nMISFET 100an are controlled to different values, so that transistors having optimum threshold values can be easily formed, and a semiconductor device having excellent electrical characteristics and reliability can be easily manufactured. be able to.
また、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、工程の複雑化やエッチバックプロセスによるトランジスタ形状の悪化等の問題を生じることなく、製造装置の不純物汚染も発生させることなく、高品質の半導体装置を作製することができる。 In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, there is no problem such as a complicated process or deterioration of a transistor shape due to an etch-back process. A quality semiconductor device can be manufactured.
実施の形態2.
図3は、本発明の実施の形態2にかかる半導体装置(CMOSデバイス)の構成を示す断面図であり、本発明を適用して作製した半導体装置(CMOSデバイス)の構成を示す断面図である。実施の形態2にかかる半導体装置20は、後述する実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法により形成されたニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極204pを有するpMISFET200pと、後述する本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法により形成されたニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極204nを有するnMISFET200nと、を備えて構成される点である。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device (CMOS device) according to a second embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device (CMOS device) manufactured by applying the present invention. . A
なお、シリコン基板101、素子分離膜102、層間絶縁膜108、pMISFET200pにおけるニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極204p以外の構成およびnMISFET200nにおけるニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極204n以外の構成は、上述した実施の形態1にかかる半導体装置10と同じであるため、半導体装置10と同じ符号を付すことで、ここでは詳細な説明は省略する。
The configuration other than the
本実施の形態にかかる半導体装置20において、ニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極204pは、例えばNi31Si12,Ni2SiやNi3Si等の組成を有するニッケル(Ni)リッチなニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極である。また、ニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極204nは、NiSi(ニッケルモノシリサイド)の組成を有するニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極である。
In the
以上のように構成された本実施の形態にかかる半導体装置20においては、ゲート絶縁膜として高誘電率材料からなる高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105p,105nを用いている。高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105p,105nは、電気特性を低下させずに半導体装置の微細化に対応可能である。したがって、本実施の形態にかかる半導体装置20においては、上述した実施の形態1にかかる半導体装置10と同様に、電気特性、信頼性に優れた半導体装置が実現されている。
In the
また、本実施の形態にかかる半導体装置においては、金属シリサイドをゲート電極に用いたフルシリサイドゲート構造を有している。このようなフルシリサイドゲート構造を有することにより、本実施の形態にかかる半導体装置20は、ゲート電極材料としてポリシリコン系の材料を用いた場合のようにゲート電極材料の空乏化に起因した実効的な電気的ゲート絶縁膜の膜厚の増加が効果的に抑制されている。したがって、本実施の形態にかかる半導体装置20においては、上述した実施の形態1にかかる半導体装置10と同様に、実効的ゲート絶縁膜膜厚の薄膜化が可能な半導体装置が実現されている。
The semiconductor device according to the present embodiment has a full silicide gate structure using metal silicide as the gate electrode. By having such a full silicide gate structure, the
そして、本実施の形態にかかる半導体装置20においては、pMISFET200pにおけるゲート電極が、例えばNi31Si12,Ni2SiやNi3Si等の組成を有するニッケル(Ni)リッチなニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極204pとされ、nMISFET200nにおけるゲート電極が、NiSi(ニッケルモノシリサイド)やNiSi2の組成を有するニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極204nとされている。
In the
このように、本実施の形態にかかる半導体装置20においては、ニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極204pとニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極204nとがそれぞれ異なる組成を有する材料により構成される。そして、この組成の違いにより閾値がpMISFET200pとnMISFET200nとにおいてそれぞれ異なる値に制御され、各々に最適な閾値を有するトランジスタが形成されている。
Thus, in the
したがって、本実施の形態にかかる半導体装置20においては、pMISFET200pとnMISFET200nとがそれぞれ組成の異なるニッケル(Ni)シリサイドからなるゲート電極を備え、各々に最適な閾値を有するトランジスタが形成されている。
Therefore, in the
つぎに、以上のような本実施の形態にかかる半導体装置20の製造方法について図4−1〜図4−8に示す図面を用いて説明する。まず、上述した実施の形態1の場合と同様の工程を実施して(図2−1〜図2−5に対応)、図4−1に示すようにポリシリコンゲート電極112ap、112anを有する半導体装置(中間体)を作製する。
Next, a method for manufacturing the
次に、シリコン基板101の全面にレジストを成膜し、図4−2に示すようにpMISFET領域apを開口させたレジストマスク124を、写真製版技術を用いて形成する。そして、該レジストマスク124をマスクとして用いて、図4−3に示すようにpMISFET領域apに対してシリサイド化反応を促進する元素(シリサイド化反応促進元素)をイオン注入法により注入(プリドーピング)する。このようにシリサイド化反応促進元素を注入(プリドーピング)することにより、ポリシリコンゲート電極112apを、アモルファス化やポリシリコングレインの破壊によりシリサイド化反応が促進される状態にする。
Next, a resist film is formed on the entire surface of the
シリサイド化反応促進元素としては、例えばシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、タングステン(W)等の、シリサイド化反応を促進する元素を単独で、またはこれらの注入元素のうち2種類以上を用いることができる。これにより、pMISFET領域apのポリシリコンゲート電極112apを、シリサイド化反応促進元素が注入されたポリシリコンゲート電極112cとする。ここでは、シリサイド化反応促進元素として例えばシリコン(Si)を用いる。シリコンは半導体基板の材料としても用いられているおり、金属元素のように製造プロセス中に於ける汚染の原因となる虞が無いため、シリサイド化反応促進元素として一番好ましい。
As the silicidation reaction promoting element, for example, an element that promotes the silicidation reaction such as silicon (Si), germanium (Ge), nickel (Ni), platinum (Pt), tungsten (W) or the like alone or Two or more kinds of implanted elements can be used. Thereby, the polysilicon gate electrode 112ap in the pMISFET region ap is used as the
また、ここでは、図4−3に示すようにpMISFET領域apを開口させたレジストマスク124を用いてpMISFET領域apに対してシリサイド化反応促進元素を注入しているが、少なくともpMISFET領域apのポリシリコンゲート電極112apに対して、シリサイド化反応促進元素を注入すればよい。
Here, as shown in FIG. 4-3, the silicidation reaction promoting element is implanted into the pMISFET region ap using the resist
ポリシリコンゲート電極112ap,anを形成するためのポリシリコン膜112は数百度レベルの比較的高温の環境下で形成される。比較的高温で形成したポリシリコンに対して常温でシリコン(Si)を注入することにより、Si−Si間の結合力を弱まらせることができ、このあとニッケル(Ni)を堆積させた後に熱処理を施すと、ニッケル(Ni)とシリコン(Si)との反応が促進される。
The
イオン注入は、注入エネルギーを2keV〜30keVの範囲内として行う。また、ポリシリコンゲート電極112apに注入するシリサイド化反応促進元素がシリコン基板101へ突き抜けることを防止するため、元素の種類により注入エネルギーを変えることが好ましい。また、シリサイド化反応促進元素の注入量は、1×1014cm-2〜1×1016cm-2の範囲とすることが好ましい。
The ion implantation is performed with an implantation energy in the range of 2 keV to 30 keV. In order to prevent the silicidation reaction promoting element implanted into the polysilicon gate electrode 112ap from penetrating into the
また、このpMISFET領域apに対するシリサイド化反応促進元素の注入時にはnMISFET領域anはレジストマスクで覆われており、該nMISFET領域anに対してはシリサイド化反応促進元素のイオン注入を行わない。すなわち、pMISFET領域apに対するシリサイド化反応促進元素の注入時に、ポリシリコンゲート電極112anに対してはシリサイド化反応促進元素のイオン注入を行わない。 Further, when the silicidation reaction promoting element is implanted into the pMISFET region ap, the nMISFET region an is covered with a resist mask, and ion implantation of the silicidation reaction promoting element is not performed on the nMISFET region an. That is, when the silicidation reaction promoting element is implanted into the pMISFET region ap, the silicidation reaction promoting element is not ion implanted into the polysilicon gate electrode 112an.
次に、レジストマスク124を除去し、シリサイド化反応する金属として例えばニッケル(Ni)膜115を図4−4に示すようにシリコン基板101の全面に堆積する。そして、シリサイド化熱処理の温度、時間、回数、選択的なニッケル(Ni)除去のタイミングなどの条件を制御して、シリサイド化熱処理および未反応ニッケル(Ni)の選択除去を行う。なお、ここでは、シリサイド化反応する金属としてニッケル(Ni)を用いる場合を例に説明するが、シリサイド化反応する金属はこれに限定されるものではなく、白金(Pt)、コバルト(Co)、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、エルビウム(Er)、ジルコニウム(Zr)、タンタル(Ta)などの金属を用いることも可能である。
Next, the resist
ここで、ポリシリコンゲート電極112an、112cをシリサイド化するためのニッケル(Ni)膜115の膜厚は、pMISFET領域apおよびnMISFET領域anにおいて略同一とされている。また、シリサイド化熱処理条件もpMISFET領域apおよびnMISFET領域anにおいて同一とされている。このように、熱処理によるポリシリコンゲート電極112an,112cとニッケル(Ni)とのシリサイド化反応と、未反応ニッケル(Ni)の選択的な除去とを組み合わせることにより、ゲート電極としてNixSiy(x,yは整数)の組成比を有するニッケル(Ni)シリサイドを形成する。
Here, the thickness of the nickel (Ni)
pMISFET領域apには上述したようにシリサイド化反応促進元素としてシリコン(Si)元素がイオン注入されている。これにより、ポリシリコンゲート電極112cの膜厚(元のポリシリコンゲート電極112apの膜厚)、ニッケル(Ni)膜の堆積膜厚、シリサイド化熱処理の温度、時間、回数、選択的なニッケル(Ni)除去のタイミングなどの条件を制御することにより、ゲート電極としてNixSiy(x,yは整数)の組成比を有するニッケル(Ni)シリサイドを形成する。このとき、シリコン(Si)元素のシリサイド化反応促進効果により、図4−5に示すようにpMISFET領域apにはNi31Si12,Ni2SiやNi3Si等のニッケル(Ni)リッチなニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極204pが形成される。
As described above, silicon (Si) element is ion-implanted as a silicidation reaction promoting element in the pMISFET region ap. Thereby, the film thickness of the
一方、図4−5に示すようにnMISFET領域anには、NiSi(ニッケルモノシリサイド)の組成を有するニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極204nが形成される。以上により図3に示す本実施の形態にかかる半導体装置20を形成することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 4-5, a nickel (Ni) full
上述したように、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法においては、ポリシリコンゲート電極112aをシリサイド化するためのシリサイド金属を堆積する前に、pMISFET領域apのポリシリコンゲート電極112apに対して、シリサイド化反応を促進するシリサイド化反応促進元素をイオン注入(プリドーピング)する。そして、シリサイド化反応する金属として例えばニッケル(Ni)膜115をシリコン基板101の全面に堆積し、シリサイド化熱処理を行う。
As described above, in the manufacturing method of the semiconductor device according to the present embodiment, before the silicide metal for siliciding the polysilicon gate electrode 112a is deposited, the polysilicon gate electrode 112ap in the pMISFET region ap is applied to the polysilicon gate electrode 112ap. Then, the silicidation reaction promoting element for promoting the silicidation reaction is ion-implanted (pre-doping). Then, for example, a nickel (Ni)
pMISFET領域apのポリシリコンゲート電極112apは、シリサイド化反応促進元素が注入(プリドーピング)されたポリシリコンゲート電極112cとされているため、該シリサイド化反応促進元素のシリサイド化促進効果により、ポリシリコンゲート電極112cでは十分にゲートポリシリコンがシリサイド化反応する。これにより、pMISFET領域apには金属(ニッケル)リッチな(例えばNi31Si12,Ni2SiやNi3Siの組成を有する)ニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極204pが形成される。
Since the polysilicon gate electrode 112ap in the pMISFET region ap is a
一方、シリサイド化反応促進元素が注入されていないnMISFET領域anには、金属モノシリサイドの(NiSiの組成を有する)ニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極204nが形成される。
On the other hand, a nickel (Ni) full
すなわち、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、ニッケル(Ni)と反応させるポリシリコン層に対してシリサイド化反応の促進効果を発揮する元素を予め注入しておくことで、従来技術と比べて簡単な工程によりp型、n型それぞれのMISFET上において、異なるNiSix相からなるゲート電極を形成することが可能となる。そして、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、ポリシリコンゲート電極112aの膜厚,シリサイド金属の膜厚,シリサイド化熱処理条件をpMISFET領域apおよびnMISFET領域anにおいて同一としながら、p型、n型それぞれのMISFET上において、異なるNiSix相からなるゲート電極を形成することが可能となる。 That is, according to the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, by previously injecting an element that exhibits a silicidation reaction promoting effect into a polysilicon layer to be reacted with nickel (Ni), It is possible to form gate electrodes made of different NiSix phases on p-type and n-type MISFETs by a simple process compared to the technology. Then, according to the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment, the polysilicon gate electrode 112a, the silicide metal film thickness, and the silicidation heat treatment conditions are the same in the pMISFET region ap and the nMISFET region an. It is possible to form gate electrodes made of different NiSix phases on the MISFETs of the n-type and n-type.
これにより、pMISFET200apとnMISFET200anとの閾値をそれぞれ異なる値に制御して、各々に最適な閾値を有するトランジスタを容易に形成することができ、電気特性、信頼性に優れた半導体装置を容易に作製することができる。 Thus, the threshold values of the pMISFET 200ap and the nMISFET 200an can be controlled to different values, so that transistors having optimum threshold values can be easily formed, and a semiconductor device having excellent electrical characteristics and reliability can be easily manufactured. be able to.
また、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、工程の複雑化やエッチバックプロセスによるトランジスタ形状の悪化等の問題を生じることなく、製造装置の不純物汚染も発生させることなく、高品質の半導体装置を作製することができる。 In addition, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, there is no problem such as a complicated process or deterioration of a transistor shape due to an etch-back process. A quality semiconductor device can be manufactured.
実施の形態3.
図5は、本発明の実施の形態3にかかる半導体装置(CMOSデバイス)の構成を示す断面図であり、本発明を適用して作製した半導体装置(CMOSデバイス)の構成を示す断面図である。実施の形態3にかかる半導体装置30は、後述する実施の形態3にかかる半導体装置の製造方法により形成されたニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極304pを有するpMISFET300pと、後述する本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法により形成されたニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極304nを有するnMISFET300nと、を備えて構成される点である。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device (CMOS device) according to a third embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device (CMOS device) manufactured by applying the present invention. . A
なお、シリコン基板101、素子分離膜102、層間絶縁膜108、pMISFET200pにおけるニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極304p以外の構成およびnMISFET300nにおけるニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極304n以外の構成は、上述した実施の形態1にかかる半導体装置10と同じであるため、半導体装置10と同じ符号を付すことで、ここでは詳細な説明は省略する。
The configurations other than the
本実施の形態にかかる半導体装置30において、ニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極304pは、例えばNi31Si12,Ni2SiやNi3Si等の組成を有するニッケル(Ni)リッチなニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極である。また、ニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極304nは、NiSi(ニッケルモノシリサイド)やNiSi2の組成を有するニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極である。
In the
以上のように構成された本実施の形態にかかる半導体装置30においては、ゲート絶縁膜として高誘電率材料からなる高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105p,105nを用いている。高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜105p,105nは、電気特性を低下させずに半導体装置の微細化に対応可能である。したがって、本実施の形態にかかる半導体装置30においては、上述した実施の形態1,2にかかる半導体装置10,20と同様に、電気特性、信頼性に優れた半導体装置が実現されている。
In the
また、本実施の形態にかかる半導体装置においては、金属シリサイドをゲート電極に用いたフルシリサイドゲート構造を有している。このようなフルシリサイドゲート構造を有することにより、本実施の形態にかかる半導体装置30は、ゲート電極材料としてポリシリコン系の材料を用いた場合のようにゲート電極材料の空乏化に起因した実効的な電気的ゲート絶縁膜の膜厚の増加が効果的に抑制されている。したがって、本実施の形態にかかる半導体装置30においては、上述した実施の形態1,2にかかる半導体装置10,20と同様に、薄膜化が可能な半導体装置が実現されている。
The semiconductor device according to the present embodiment has a full silicide gate structure using metal silicide as the gate electrode. By having such a full silicide gate structure, the
そして、本実施の形態にかかる半導体装置30においては、pMISFET300pにおけるゲート電極が、例えばNi31Si12,Ni2SiやNi3Si等の組成を有するニッケル(Ni)リッチなニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極304pとされ、nMISFET300nにおけるゲート電極が、NiSi(ニッケルモノシリサイド)の組成を有するニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極304nとされている。
In the
このように、本実施の形態にかかる半導体装置30においては、ニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極304pとニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極304nとがそれぞれ異なる組成を有する材料により構成される。そして、この組成の違いにより閾値がpMISFET300pとnMISFET300nとにおいてそれぞれ異なる値に制御され、各々に最適な閾値を有するトランジスタが形成されている。
Thus, in the
したがって、本実施の形態にかかる半導体装置30においては、pMISFET300pとnMISFET300nとがそれぞれ組成の異なるニッケル(Ni)シリサイドからなるゲート電極を備え、各々に最適な閾値を有するトランジスタが形成されている。
Therefore, in the
つぎに、以上のような本実施の形態にかかる半導体装置30の製造方法について図6−1〜図6−8に示す図面を用いて説明する。まず、上述した実施の形態1の場合と同様の工程を実施して(図2−1〜図2−5に対応)、図6−1に示すようにポリシリコンゲート電極112ap、112anを有する半導体装置(中間体)を作製する。
Next, a method for manufacturing the
次に、シリコン基板101の全面にレジストを成膜し、図6−2に示すようにnMISFET領域anを開口させたレジストマスク114を、写真製版技術を用いて形成する。そして、該レジストマスク114をマスクとして用いて、図6−3に示すようにnMISFET領域anに対してイオン注入法によりフッ素(F)等の、シリサイド化反応抑制元素を注入(プリドーピング)する。これにより、シリサイド化反応抑制元素が注入(プリドーピング)されたポリシリコンゲート電極112bを形成する。
Next, a resist film is formed on the entire surface of the
なお、ここでは、図6−2に示すようにnMISFET領域anを開口させたレジストマスク114を用いてnMISFET領域anに対してシリサイド化反応抑制元素を注入しているが、少なくともnMISFET領域anのポリシリコンゲート電極112anに対して、シリサイド化反応抑制元素を注入すればよい。
Here, as shown in FIG. 6B, a silicidation reaction suppressing element is implanted into the nMISFET region an using a resist
イオン注入は、注入エネルギーを2keV〜30keVの範囲内として行う。また、ポリシリコンゲート電極112anに注入するシリサイド化反応抑制元素がシリコン基板101へ突き抜けることを防止するため、元素の種類により注入エネルギーを変えることが好ましい。また、シリサイド化反応抑制元素の注入量は、1×1014cm-2〜1×1016cm-2の範囲とすることが好ましい。
The ion implantation is performed with an implantation energy in the range of 2 keV to 30 keV. Further, in order to prevent the silicidation reaction suppressing element implanted into the polysilicon gate electrode 112an from penetrating into the
また、このnMISFET領域anに対するシリサイド化反応抑制元素の注入時にはpMISFET領域apはレジストマスクで覆われており、該pMISFET領域apに対してはシリサイド化反応抑制元素のイオン注入を行わない。すなわち、nMISFET領域anに対するシリサイド化反応抑制元素の注入時に、ポリシリコンゲート電極112apに対してはシリサイド化反応抑制元素のイオン注入を行わない。 Further, when the silicidation reaction suppressing element is implanted into the nMISFET region an, the pMISFET region ap is covered with a resist mask, and ion implantation of the silicidation reaction inhibiting element is not performed on the pMISFET region ap. That is, when the silicidation reaction suppressing element is implanted into the nMISFET region an, the silicidation reaction inhibiting element is not ion-implanted into the polysilicon gate electrode 112ap.
次に、レジストマスク114を除去し、シリコン基板101の全面に再度レジストを成膜し、図6−4に示すようにpMISFET領域apを開口させたレジストマスク124を、写真製版技術を用いて形成する。そして、該レジストマスク124をマスクとして用いて、図6−5に示すようにpMISFET領域apに対してシリサイド化反応を促進する元素(シリサイド化反応促進元素)をイオン注入法により注入(プリドーピング)する。このようにシリサイド化反応促進元素を注入(プリドーピング)することにより、ポリシリコンゲート電極112apを、アモルファス化やポリシリコングレインの破壊によりシリサイド化反応が促進される状態にする。
Next, the resist
シリサイド化反応促進元素としては、例えばシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、ニッケル(Ni)、白金(Pt)、タングステン(W)等の、シリサイド化反応を促進する元素を単独で、またはこれらの注入元素のうち2種類以上を用いることができる。これにより、pMISFET領域apのポリシリコンゲート電極112apを、シリサイド化反応促進元素が注入されたポリシリコンゲート電極112cとする。ここでは、シリサイド化反応促進元素として例えばシリコン(Si)を用いる。
As the silicidation reaction promoting element, for example, an element that promotes the silicidation reaction such as silicon (Si), germanium (Ge), nickel (Ni), platinum (Pt), tungsten (W) or the like alone or Two or more kinds of implanted elements can be used. Thereby, the polysilicon gate electrode 112ap in the pMISFET region ap is used as the
また、ここでは、図6−5に示すようにpMISFET領域apを開口させたレジストマスク124を用いてpMISFET領域apに対してシリサイド化反応促進元素を注入しているが、少なくともpMISFET領域apのポリシリコンゲート電極112apに対して、シリサイド化反応促進元素を注入すればよい。
Here, as shown in FIG. 6-5, the silicidation reaction promoting element is implanted into the pMISFET region ap using the resist
比較的高温で形成したポリシリコンに対して常温でシリコン(Si)を注入することにより、ポリシリコンゲート電極112apのSi−Si間の結合力を弱まらせることができ、このあとニッケル(Ni)を堆積させた後に熱処理を施すと、ニッケル(Ni)とシリコン(Si)との反応が促進される。 By injecting silicon (Si) at a room temperature into polysilicon formed at a relatively high temperature, the bonding force between the Si and Si of the polysilicon gate electrode 112ap can be weakened, and then nickel (Ni ) Is deposited and heat treatment is performed, the reaction between nickel (Ni) and silicon (Si) is promoted.
次に、レジストマスク124を除去し、シリサイド化反応する金属として例えばニッケル(Ni)膜115を図6−6に示すようにシリコン基板101の全面に堆積する。そして、シリサイド化熱処理の温度、時間、回数、選択的なニッケル(Ni)除去のタイミングなどの条件を制御して、シリサイド化熱処理および未反応ニッケル(Ni)の選択除去を行う。
Next, the resist
ここで、ポリシリコンゲート電極112an、112cをシリサイド化するためのニッケル(Ni)膜115の膜厚は、pMISFET領域apおよびnMISFET領域anにおいて略同一とされている。また、シリサイド化熱処理条件もpMISFET領域apおよびnMISFET領域anにおいて同一とされている。このように、熱処理によるポリシリコンゲート電極112b,112cとニッケル(Ni)とのシリサイド化反応と、未反応ニッケル(Ni)の選択的な除去とを組み合わせることにより、ゲート電極としてNixSiy(x,yは整数)の組成比を有するニッケル(Ni)シリサイドを形成する。
Here, the thickness of the nickel (Ni)
pMISFET領域apには上述したようにシリサイド化反応促進元素としてシリコン(Si)元素がイオン注入されている。これにより、ポリシリコンゲート電極112cの膜厚(元のポリシリコンゲート電極112apの膜厚)、ニッケル(Ni)膜の堆積膜厚、シリサイド化熱処理の温度、時間、回数、選択的なニッケル(Ni)除去のタイミングなどの条件を制御することにより、ゲート電極としてNixSiy(x,yは整数)の組成比を有するニッケル(Ni)シリサイドを形成する。このとき、シリコン(Si)元素のシリサイド化反応促進効果により、図6−7に示すようにpMISFET領域apにはNi31Si12,Ni2SiやNi3Si等のニッケル(Ni)リッチなニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極304pが形成される。
As described above, silicon (Si) element is ion-implanted as a silicidation reaction promoting element in the pMISFET region ap. Thereby, the film thickness of the
一方、nMISFET領域anには上述したようにフッ素(F)元素がイオン注入されている。これにより、ポリシリコンゲート電極112bの膜厚(元のポリシリコンゲート電極112anの膜厚)、ニッケル(Ni)膜の堆積膜厚、シリサイド化熱処理の温度、時間、回数、選択的なニッケル(Ni)除去のタイミングなどの条件を制御することにより、ゲート電極としてNixSiy(x,yは整数)の組成比を有するニッケル(Ni)シリサイドを形成する。
On the other hand, the fluorine (F) element is ion-implanted into the nMISFET region an as described above. Thereby, the film thickness of the
このとき、フッ素(F)元素が注入されたnMISFET領域anでは、フッ素(F)元素のシリサイド化反応抑制効果により図6−7に示すようにニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極304pが形成される。このニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極304pは、NiSi(ニッケルモノシリサイド)の組成を有する。以上により図5に示す本実施の形態にかかる半導体装置10を形成することができる。
At this time, in the nMISFET region an into which the fluorine (F) element is implanted, the nickel (Ni) full
上述したように、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法は上述した実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法と、実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法と、を組み合わせた半導体装置の製造方法である。本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、シリサイド化反応促進元素のシリサイド化促進効果により、pMISFET領域apには金属(ニッケル)含有量の多い(例えばNi31Si12,Ni2SiやNi3Siの組成を有する)ニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極304pが形成される。
As described above, the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment is a combination of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment and the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment. It is a manufacturing method. According to the manufacturing method of the semiconductor device according to the present embodiment, the pMISFET region ap has a high metal (nickel) content (for example, Ni 31 Si 12 , Ni 2 Si) due to the silicidation promoting effect of the silicidation reaction promoting element. And a nickel (Ni) full
一方、シリサイド化反応抑制元素のシリサイド化反応抑制効果により、nMISFET領域anには金属含有量の少ない(例えばNiSiやNiSi2の組成を有する)ニッケル(Ni)フルシリサイドゲート電極304nが形成される。これにより、pMISFET300apとnMISFET300anとの閾値をそれぞれ異なる値に制御して、各々に最適な閾値を有するトランジスタを容易に形成することができ、電気特性、信頼性に優れた半導体装置を容易に作製することができる。
On the other hand, due to the silicidation reaction suppressing effect of the silicidation reaction suppressing element, a nickel (Ni) full
そして、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、シリサイド化反応促進元素のシリサイド化促進効果とシリサイド化反応抑制元素のシリサイド化反応抑制効果との両方を用いているため、実施の形態1、実施の形態2の場合よりも、pMISFET300apとnMISFET300anとの閾値をそれぞれ異なる値により確実に制御して、各々に最適な閾値を有するトランジスタを容易に形成することができ、電気特性、信頼性に優れた半導体装置を容易に作製することができる。 According to the semiconductor device manufacturing method of the present embodiment, both the silicidation promoting effect of the silicidation reaction promoting element and the silicidation reaction inhibiting effect of the silicidation reaction suppressing element are used. As compared with the first and second embodiments, the threshold values of the pMISFET 300ap and the nMISFET 300an can be reliably controlled by different values, so that transistors having optimum threshold values can be easily formed. A semiconductor device having excellent properties can be easily manufactured.
また、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、シリサイド化反応促進元素のシリサイド化促進効果とシリサイド化反応抑制元素のシリサイド化反応抑制効果との両方を用いているため、製造プロセスにおける制御のマージンが広がり、製造プロセスにおける制御の自由度が大きくなる。 Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, both the silicidation promoting effect of the silicidation reaction promoting element and the silicidation reaction inhibiting effect of the silicidation reaction suppressing element are used. The control margin is increased, and the degree of freedom of control in the manufacturing process is increased.
以上のように、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、CMOSデバイスの製造に有用であり、特に、45nmノード以降のCMOSデバイスに適している。 As described above, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is useful for manufacturing a CMOS device, and is particularly suitable for a CMOS device of 45 nm node or later.
10 半導体装置
20 半導体装置
30 半導体装置
101 シリコン基板
102 素子分離膜
103p ソース・ドレイン領域
103n ソース・ドレイン領域
104p フルシリサイドゲート電極
104n フルシリサイドゲート電極
105p ゲート絶縁膜
105n ゲート絶縁膜
106p サイドウォール
106n サイドウォール
107p シリサイド層
107n シリサイド層
108 間絶縁膜
111 金属酸化膜
112 ポリシリコン膜
112ap ポリシリコンゲート電極
112an ポリシリコンゲート電極
112b ポリシリコンゲート電極
112c ポリシリコンゲート電極
113 ハードマスク
113ap ハードマスク
113an ハードマスク
114 レジストマスク
115 ニッケル膜
124 レジストマスク
204p フルシリサイドゲート電極
204n フルシリサイドゲート電極
304p フルシリサイドゲート電極
304n フルシリサイドゲート電極
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記第1のゲート絶縁膜上にポリシリコンからなる第1のポリシリコンゲート電極を、前記第2のゲート絶縁膜上にポリシリコンからなる第2のポリシリコンゲート電極を、形成するポリシリコンゲート電極形成工程と、
前記第1のポリシリコンゲート電極を形成した前記第1の導電型の領域に第1のソース・ドレイン領域を、前記第2のポリシリコンゲート電極を形成した前記第2の導電型の領域に第2のソース・ドレイン領域を、それぞれ形成するソース・ドレイン領域形成工程と、
シリサイド化反応を抑制するシリサイド化反応抑制金属の元素を、前記第2のポリシリコンゲート電極には注入せずに前記第1のポリシリコンゲート電極に注入する注入工程と、
前記シリサイド化反応抑制金属の元素の注入後、シリサイド化する第1の金属の膜を少なくとも前記第1および第2のポリシリコンゲート電極上に形成する第1の金属膜形成工程と、
前記第1の金属の膜の形成後、前記半導体基板を熱処理して前記第1および第2のポリシリコンゲート電極をシリサイド化させてそれぞれをフルシリサイド電極とする第1の熱処理工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first gate insulating film made of a high dielectric constant material is formed on a region of the first conductivity type in the semiconductor substrate, and a second gate made of a high dielectric constant material is formed on the region of the second conductivity type in the semiconductor substrate. A gate insulating film forming step of forming a gate insulating film;
A polysilicon gate electrode for forming a first polysilicon gate electrode made of polysilicon on the first gate insulating film and a second polysilicon gate electrode made of polysilicon on the second gate insulating film Forming process;
A first source / drain region is formed in the first conductivity type region where the first polysilicon gate electrode is formed, and a second conductivity type region is formed in the second conductivity type region where the second polysilicon gate electrode is formed. A source / drain region forming step of forming two source / drain regions,
An implantation step of injecting an element of a silicidation reaction suppressing metal that suppresses a silicidation reaction into the first polysilicon gate electrode without being injected into the second polysilicon gate electrode;
A first metal film forming step of forming a first metal film to be silicided on at least the first and second polysilicon gate electrodes after the implantation of the silicidation reaction suppressing metal element;
After the formation of the first metal film, the semiconductor substrate is heat-treated to silicidize the first and second polysilicon gate electrodes to form full silicide electrodes, respectively;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
を特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 Removing the unreacted first metal film in the first heat treatment step;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
を特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 The silicidation reaction suppressing metal is fluorine;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
を特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 The first metal to be silicided is nickel;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
前記第1および第2のポリシリコンゲート電極上に、該第1および第2のポリシリコンゲート電極のシリサイド化を防止する第1および第2の防止層をそれぞれ形成する防止層形成工程を有し、
前記ソース・ドレイン領域形成工程と前記注入工程との間に、
前記第1のゲート絶縁膜、第1のポリシリコンゲート電極および第1の防止層の側壁と、前記第2のゲート絶縁膜、第2のポリシリコンゲート電極および第2の防止層の側壁と、にサイドウォールをそれぞれ形成するサイドウォール形成工程と、
前記サイドウォールの形成後、シリサイド化する第2の金属の膜を少なくとも前記第1および第2のソース・ドレイン領域上に形成する第2の金属膜形成工程と、
前記第2の金属の膜を形成した前記半導体基板を熱処理して前記第1および第2のソース・ドレイン領域の表面をシリサイド化させる第2の熱処理工程と、
を有すること、
を特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 Between the polysilicon gate electrode forming step and the source / drain region forming step,
And a prevention layer forming step of forming first and second prevention layers for preventing silicidation of the first and second polysilicon gate electrodes on the first and second polysilicon gate electrodes, respectively. ,
Between the source / drain region forming step and the implantation step,
Sidewalls of the first gate insulating film, the first polysilicon gate electrode and the first prevention layer; and sidewalls of the second gate insulation film, the second polysilicon gate electrode and the second prevention layer; Forming sidewalls on the sidewalls; and
A second metal film forming step of forming a second metal film to be silicided on at least the first and second source / drain regions after forming the sidewall;
A second heat treatment step in which the surface of the first and second source / drain regions is silicided by heat-treating the semiconductor substrate on which the second metal film is formed;
Having
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
前記第1のゲート絶縁膜上にポリシリコンからなる第1のポリシリコンゲート電極を、前記第2のゲート絶縁膜上にポリシリコンからなる第2のポリシリコンゲート電極を、形成するポリシリコンゲート電極形成工程と、
前記第1のポリシリコンゲート電極を形成した前記第1の導電型の領域に第1のソース・ドレイン領域を、前記第2のポリシリコンゲート電極を形成した前記第2の導電型の領域に第2のソース・ドレイン領域を、それぞれ形成するソース・ドレイン領域形成工程と、
シリサイド化反応を促進するシリサイド化反応促進金属の元素を、前記第1のポリシリコンゲート電極には注入せずに前記第2のポリシリコンゲート電極に注入する注入工程と、
前記シリサイド化反応促進金属の元素の注入後、シリサイド化する第1の金属の膜を少なくとも前記第1および第2のポリシリコンゲート電極上に形成する第1の金属膜形成工程と、
前記第1の金属の膜の形成後、前記半導体基板を熱処理して前記第1および第2のポリシリコンゲート電極をシリサイド化させてそれぞれをフルシリサイド電極とする第1の熱処理工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first gate insulating film made of a high dielectric constant material is formed on a region of the first conductivity type in the semiconductor substrate, and a second gate made of a high dielectric constant material is formed on the region of the second conductivity type in the semiconductor substrate. A gate insulating film forming step of forming a gate insulating film;
A polysilicon gate electrode for forming a first polysilicon gate electrode made of polysilicon on the first gate insulating film and a second polysilicon gate electrode made of polysilicon on the second gate insulating film Forming process;
A first source / drain region is formed in the first conductivity type region where the first polysilicon gate electrode is formed, and a second conductivity type region is formed in the second conductivity type region where the second polysilicon gate electrode is formed. A source / drain region forming step of forming two source / drain regions,
An implantation step of injecting an element of a silicidation reaction promoting metal that promotes a silicidation reaction into the second polysilicon gate electrode without being implanted into the first polysilicon gate electrode;
A first metal film forming step of forming a first metal film to be silicided on at least the first and second polysilicon gate electrodes after the implantation of the silicidation reaction promoting metal element;
After the formation of the first metal film, the semiconductor substrate is heat-treated to silicidize the first and second polysilicon gate electrodes to form full silicide electrodes, respectively;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
を特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。 Removing the unreacted first metal film in the first heat treatment step;
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6.
を特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。 The silicidation reaction promoting metal is silicon;
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6.
を特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。 The first metal to be silicided is nickel;
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6.
前記第1および第2のポリシリコンゲート電極上に、該第1および第2のポリシリコンゲート電極のシリサイド化を防止する第1および第2の防止層をそれぞれ形成する防止層形成工程を有し、
前記ソース・ドレイン領域形成工程と前記注入工程との間に、
前記第1のゲート絶縁膜、第1のポリシリコンゲート電極および第1の防止層の側壁と、前記第2のゲート絶縁膜、第2のポリシリコンゲート電極および第2の防止層の側壁と、にサイドウォールをそれぞれ形成するサイドウォール形成工程と、
前記サイドウォールの形成後、シリサイド化する第2の金属の膜を少なくとも前記第1および第2のソース・ドレイン領域上に形成する第2の金属膜形成工程と、
前記第2の金属の膜を形成した前記半導体基板を熱処理して前記第1および第2のソース・ドレイン領域の表面をシリサイド化させる第2の熱処理工程と、
を有すること、
を特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 Between the polysilicon gate electrode forming step and the source / drain region forming step,
And a prevention layer forming step of forming first and second prevention layers for preventing silicidation of the first and second polysilicon gate electrodes on the first and second polysilicon gate electrodes, respectively. ,
Between the source / drain region forming step and the implantation step,
Sidewalls of the first gate insulating film, the first polysilicon gate electrode and the first prevention layer; and sidewalls of the second gate insulation film, the second polysilicon gate electrode and the second prevention layer; Forming sidewalls on the sidewalls; and
A second metal film forming step of forming a second metal film to be silicided on at least the first and second source / drain regions after forming the sidewall;
A second heat treatment step in which the surface of the first and second source / drain regions is silicided by heat-treating the semiconductor substrate on which the second metal film is formed;
Having
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
前記第1のゲート絶縁膜上にポリシリコンからなる第1のポリシリコンゲート電極を、前記第2のゲート絶縁膜上にポリシリコンからなる第2のポリシリコンゲート電極を、形成するポリシリコンゲート電極形成工程と、
前記第1のポリシリコンゲート電極を形成した前記第1の導電型の領域に第1のソース・ドレイン領域を、前記第2のポリシリコンゲート電極を形成した前記第2の導電型の領域に第2のソース・ドレイン領域を、それぞれ形成するソース・ドレイン領域形成工程と、
シリサイド化反応を抑制するシリサイド化反応抑制金属の元素を、前記第2のポリシリコンゲート電極には注入せずに前記第1のポリシリコンゲート電極に注入する第1の注入工程と、
シリサイド化反応を促進するシリサイド化反応促進金属の元素を、前記第1のポリシリコンゲート電極には注入せずに前記第2のポリシリコンゲート電極に注入する第2の注入工程と、
前記シリサイド化反応抑制金属および前記シリサイド化反応促進金属の元素の注入後、シリサイド化する金属の膜を少なくとも前記第1および第2のポリシリコンゲート電極上に形成する金属膜形成工程と、
前記金属の膜の形成後、前記半導体基板を熱処理して前記第1および第2のポリシリコンゲート電極をシリサイド化させてそれぞれをフルシリサイド電極とする熱処理工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A first gate insulating film made of a high dielectric constant material is formed on a region of the first conductivity type in the semiconductor substrate, and a second gate made of a high dielectric constant material is formed on the region of the second conductivity type in the semiconductor substrate. A gate insulating film forming step of forming a gate insulating film;
A polysilicon gate electrode for forming a first polysilicon gate electrode made of polysilicon on the first gate insulating film and a second polysilicon gate electrode made of polysilicon on the second gate insulating film Forming process;
A first source / drain region is formed in the first conductivity type region where the first polysilicon gate electrode is formed, and a second conductivity type region is formed in the second conductivity type region where the second polysilicon gate electrode is formed. A source / drain region forming step of forming two source / drain regions,
A first injection step of injecting an element of a silicidation reaction suppressing metal that suppresses a silicidation reaction into the first polysilicon gate electrode without being injected into the second polysilicon gate electrode;
A second injection step of injecting an element of a silicidation reaction promoting metal that promotes a silicidation reaction into the second polysilicon gate electrode without being injected into the first polysilicon gate electrode;
A metal film forming step of forming a metal film to be silicided on at least the first and second polysilicon gate electrodes after the implantation of the silicidation reaction suppressing metal and the silicidation reaction promoting metal element;
After the formation of the metal film, the semiconductor substrate is heat-treated to silicidize the first and second polysilicon gate electrodes so that each is a full silicide electrode;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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KR101049875B1 (en) * | 2008-11-18 | 2011-07-19 | 주식회사 동부하이텍 | Semiconductor element and manufacturing method thereof |
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2007
- 2007-03-06 JP JP2007056310A patent/JP2008218836A/en active Pending
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