JP2008235925A - 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、特にダマシン型ゲートおよびリプレース型ゲート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 damascene gate and a replacement gate.
LSIの微細化に伴い、ゲート絶縁膜の薄膜化が進み、多結晶シリコンゲート電極の空乏化によるゲート容量低下が無視できなくなってきている。これを解決するために、ゲート電極を空乏化の無いメタルに置き換える検討が行われている。(例えば特許文献1参照) With the miniaturization of LSI, the gate insulating film has been made thinner, and the reduction in gate capacitance due to the depletion of the polycrystalline silicon gate electrode has become ignorable. In order to solve this, studies have been made to replace the gate electrode with a metal that is not depleted. (For example, see Patent Document 1)
通常、ソース/ドレインの形成はゲート電極形成後に行われるが、メタルは多結晶シリコンに比べ、シリコン酸化膜やAl2O3、HfO2などの高誘電体膜と反応しやすいため、高温熱処理を必要とするソース/ドレインの形成後にゲート電極を形成する方法が提案されており、ダマシン型ゲートまたはリプレース型ゲートと呼ばれている。(例えば、非特許文献1及び2参照)
Usually, the source / drain is formed after the formation of the gate electrode. However, metal is more likely to react with a silicon oxide film, a high dielectric film such as Al 2 O 3 , HfO 2, etc., as compared with polycrystalline silicon. A method of forming a gate electrode after forming a necessary source / drain has been proposed, which is called a damascene gate or a replace gate. (For example, see Non-Patent
図44〜54は、従来のダマシン型ゲートおよびリプレース型ゲートの製造方法を、順を追って説明する工程説明図である。
まず、図44に示すように、半導体基板1上に素子分離6aおよびP型ウェル8、N型ウェル10を形成し、ダミーゲート酸化膜11および多結晶シリコン膜12を形成する。
44 to 54 are process explanatory views for explaining a conventional method of manufacturing a damascene gate and a replace gate in order.
First, as shown in FIG. 44, an
次に、図45に示すように、リソグラフィによりレジストパターン13を形成し、これをマスクとしてドライエッチングを行い、ダミーゲート12aを形成する。
Next, as shown in FIG. 45, a
次に、図46に示すように、リソグラフィおよびイオン注入により、NMOSの低濃度拡散層領域(以下、エクステンションと称する)15およびNMOSのポケットイオン注入領域(以下、Haloと称する)16、PMOSのエクステンション17およびPMOSのHalo18を形成する。
Next, as shown in FIG. 46, an NMOS low-concentration diffusion layer region (hereinafter referred to as extension) 15, an NMOS pocket ion implantation region (hereinafter referred to as Halo) 16, and a PMOS extension by lithography and ion implantation. 17 and PMOS
次に、図47に示すように、シリコン窒化膜からなるスペーサー19を形成し、図48に示すように、リソグラフィおよびイオン注入によりNMOSのソース/ドレイン20およびPMOSのソース/ドレイン21を形成する。
Next, as shown in FIG. 47, a
次に、図49に示すように、シリコン窒化膜からなるコンタクトエッチのストッパー膜22およびシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜23を形成する。
Next, as shown in FIG. 49, a contact
次に、図50に示すように、化学機械的研磨(Chemical Mechanical Polishing:以下、CMPと称する)により層間絶縁膜23およびコンタクトエッチのストッパー膜22を研磨し、ダミーゲート12aの上面を露出させる。
次に、図51に示すように、ダミーゲート12aおよびダミーゲート酸化膜11(図50参照)を除去することにより、ゲート溝25を形成する。
Next, as shown in FIG. 50, the
Next, as shown in FIG. 51, the
次に、図52に示すように、ゲート溝25(図51参照)の内部を被覆するようにAl2O3、HfO2、ZrO2などからなる高誘電体絶縁膜あるいはSiO2、SiNなどからなるゲート絶縁膜26を形成し、次にTiNなどからなる第1の金属膜27を形成する。第1の金属膜は、MOSFETの閾値などを決定するものであり、仕事関数や高誘電体膜との反応性を勘案して決定する。
Next, as shown in FIG. 52, a high dielectric insulating film made of Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 or the like, or SiO 2 , SiN or the like so as to cover the inside of the gate groove 25 (see FIG. 51). A
さらに、溝を埋め込むように第2の金属膜28を堆積する。第2の金属は、電極の抵抗を下げるために堆積するものであり、W,Al、Cuなど通常配線に用いられる材料で良い。
Further, a
次に、図53に示すように、ダマシン型ゲートを形成する場合には、ゲート溝25(図51参照)の外部に堆積された第2の金属膜28、第1の金属膜27およびゲート絶縁膜26をCMPにより除去することによりダマシン型ゲート29を形成する。
Next, as shown in FIG. 53, when a damascene gate is formed, the
また、リプレース型ゲートを形成する場合には、図53の工程に代えて、図54に示すように、リソグラフィによりレジストパターン(図示しない)を形成し、これをマスクとしてドライエッチングにより第2の金属膜28、第1の金属膜27およびゲート絶縁膜26を選択エッチングしてリプレース型ゲート30を形成する。
これ以降は図示しないが、ダマシン型ゲートまたはリプレース型ゲートの上に層間絶縁膜を堆積し、コンタクト形成/配線形成を行う。
In the case of forming a replacement gate, a resist pattern (not shown) is formed by lithography as shown in FIG. 54 instead of the step of FIG. 53, and the second metal is formed by dry etching using this as a mask. The
Although not shown in the drawings, an interlayer insulating film is deposited on the damascene gate or the replace gate, and contact formation / wiring formation is performed.
図55に、従来のダマシン型ゲートの形成工程において、ダミーゲートの上面を露出させるためのCMP処理前の断面図を示す。また、図56に、ダミーゲートの上面を露出させるためのCMP処理後の断面図を示す(なお、図55は前述の従来技術の図49の工程に相当し、図56は従来技術の図50の工程に相当する工程である)。 FIG. 55 shows a cross-sectional view before CMP processing for exposing the upper surface of the dummy gate in a conventional damascene gate forming process. FIG. 56 shows a cross-sectional view after the CMP process for exposing the upper surface of the dummy gate (note that FIG. 55 corresponds to the step of FIG. 49 of the prior art, and FIG. It is a process corresponding to this process).
図55において、1はP型シリコン基板、7はN型チャネルトランジスタを形成する領域(以下、Nch領域と称する)、9はP型チャネルトランジスタを形成する領域(以下、Pch領域と称する)であり、Nch領域7およびPch領域9にダミーゲート12aを形成している。また、14はダミーゲートを形成していない領域を示す。また、8はP型ウェル、10はN型ウェル、6aは素子分離、12aはダミーゲート、22はコンタクトエッチのストッパー膜、23は層間絶縁膜を示す。
In FIG. 55, 1 is a P-type silicon substrate, 7 is a region for forming an N-type channel transistor (hereinafter referred to as an Nch region), and 9 is a region for forming a P-type channel transistor (hereinafter referred to as a Pch region). , Dummy
図56に示すように、ダミーゲート12aの上面をCMPにより露出させるとき、コンタクトエッチのストッパー膜22と層間絶縁膜23の研磨速度が異なるため、トランジスタとしてのゲートを形成してない領域14では、CMP後の層間絶縁膜の膜厚がディッシングにより薄くなり、窪み35が発生する。
この後、ダマシン型ゲートでは、ダミーゲート12aおよびその下に形成したダミーゲート酸化膜11を選択的に除去してゲート溝を形成し、ゲート溝を埋め込むようにゲート絶縁膜および金属膜を形成し、ゲート溝の外部に形成した部分を再度CMPにより除去する。
As shown in FIG. 56, when the upper surface of the
Thereafter, in the damascene gate, the
このとき、図57に示すように、窪み35(図56参照)に金属膜35aが残ってしまい、配線ショートを引き起こしたり、層間容量を変化させたりする。また、ダミーゲート占有密度によるCMPのパターン依存が発生するため、研磨量の制御が難しくなる。
また、図58に示すように、リプレース型ゲートにおいても、金属膜を選択エッチングする工程において、窪み35(図56参照)に金属膜35bが残ってしまい、ダマシン型ゲートの場合と同様の問題が生じると考えられる。
At this time, as shown in FIG. 57, the
As shown in FIG. 58, even in the replacement gate, the
上述したように、従来の技術では、上記ダマシン型ゲートまたはリプレース型ゲートを有する半導体装置の製造方法において、ダミーゲートを形成していない領域のCMPディッシング部に金属膜が残留し、配線ショート等を引き起こしてしまうという問題があった。 As described above, according to the conventional technique, in the method for manufacturing a semiconductor device having a damascene gate or a replace gate, a metal film remains in a CMP dishing portion in a region where a dummy gate is not formed, thereby causing a wiring short circuit or the like. There was a problem of causing it.
本発明は、上記従来の技術の課題を解決するためになされたもので、ダマシン型ゲートあるいはリプレース型ゲートを有する半導体装置において、配線ショート等を引き起こさない半導体装置を得ることを目的とする。また、ダマシン型ゲートあるいはリプレース型ゲートを有する半導体装置のダミーゲートを露出させる工程において、CMPによるディッシングが基板上で発生しないようにする製造方法を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to obtain a semiconductor device that does not cause a wiring short-circuit in a semiconductor device having a damascene gate or a replace gate. It is another object of the present invention to provide a manufacturing method in which dishing by CMP does not occur on a substrate in a step of exposing a dummy gate of a semiconductor device having a damascene gate or a replace gate.
本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板主面のダマシン型又はリプレース型のゲートを形成する第1の位置と、上記半導体基板主面の第1の位置とは異なり前記ゲートの密度が前記第1の位置より疎である第2の位置に、それぞれダミーゲートを形成する工程と、上記ダミーゲートを覆う層間絶縁膜を形成する工程と、上記層間絶縁膜を化学機械的研磨により研磨して上記第1と第2の位置のダミーゲートの上面を露出させる工程と、前記第1の位置に形成したダミーゲートを選択的に除去してゲート溝を形成する工程と、前記ゲート溝を埋め、前記第2の位置のダミーゲートの上を覆うように電極膜を形成し、この電極膜を前記第2の位置に形成したダミーゲートの上部が露出するように選択的に除去することにより、ダマシン型ゲート電極を形成するか、又は、上記ゲート溝より広い幅の電極を残してリプレース型ゲート電極を形成するエ程と、前記ダマシン型又はリプレース型ゲート電極の上に層間絶縁膜と配線とを形成する工程と、を備えたことを特徴とする。 The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is different from the first position where the damascene or replace gate on the main surface of the semiconductor substrate is formed and the first position of the main surface of the semiconductor substrate in that the density of the gate is Forming a dummy gate at a second position that is sparser than the first position; forming an interlayer insulating film covering the dummy gate; and polishing the interlayer insulating film by chemical mechanical polishing. Exposing the upper surfaces of the dummy gates at the first and second positions; selectively removing the dummy gates formed at the first position to form gate grooves; and filling the gate grooves; An electrode film is formed so as to cover the dummy gate at the second position, and the electrode film is selectively removed so that the upper part of the dummy gate formed at the second position is exposed. Forming a gate electrode or forming a replacement gate electrode leaving an electrode wider than the gate groove, and forming an interlayer insulating film and wiring on the damascene or replacement gate electrode And a step of performing.
また、本発明による別の半導体装置の製造方法は、半導体基板主面のダマシン型又はリプレース型のゲートを形成する第1の位置にダミーゲートを形成する工程と、上記半導体基板主面上に化学機械的研磨のストッパー膜を上記ダミーゲートの厚さに近い厚さに形成する工程と、上記化学機械的研磨のストッパー膜を所定の厚さに選択的にエッチングして上記化学機械的研磨のストッパー膜を一定厚さ残留させるとともに、上記第1の位置とは異なり前記ゲートの密度が前記第1の位置より疎である第2の位置に前記残留させたストッパー膜によってダミーパターンを形成する工程と、上記ストッパー膜及び上記ダミーパターンの上に層間絶縁膜を形成する工程と、上記層間絶縁膜及び上記ストッパー膜を化学機械的研磨により研磨して上記ダミーゲートの上面と前記ダミーパターンの上面とを露出させる工程と、上記ダミーゲートを選択的に除去してゲート溝を形成する工程と、上記ゲート溝を埋め、前記第2の位置のダミーパターンの上を覆うように電極膜を形成し、この電極膜を前記第2の位置に形成したダミーパターンの上部が露出するように選択的に除去することにより、ダマシン型ゲート電極を形成するか、又は、上記ゲート溝より広い幅の電極を残してリプレース型ゲート電極を形成する工程と、前記ダマシン型又はリプレース型ゲート電極の上に層間絶縁膜と配線とを形成する工程と、を備えたことを特徴とする。本発明のその他の特徴については以下に詳細に説明する。 Another method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a dummy gate at a first position for forming a damascene or replacement gate on the main surface of the semiconductor substrate, and a chemical on the main surface of the semiconductor substrate. A step of forming a mechanical polishing stopper film to a thickness close to the thickness of the dummy gate; and the chemical mechanical polishing stopper film by selectively etching the chemical mechanical polishing stopper film to a predetermined thickness. And a step of forming a dummy pattern by the left stopper film at a second position where the gate density is sparser than the first position, unlike the first position, A step of forming an interlayer insulating film on the stopper film and the dummy pattern, and polishing the interlayer insulating film and the stopper film by chemical mechanical polishing. A step of exposing the upper surface of the me gate and the upper surface of the dummy pattern; a step of selectively removing the dummy gate to form a gate groove; and filling the gate groove to form an upper surface of the dummy pattern at the second position. Forming a damascene gate electrode by selectively removing the electrode film so that the upper portion of the dummy pattern formed at the second position is exposed, or And a step of forming a replacement gate electrode leaving an electrode wider than the gate groove, and a step of forming an interlayer insulating film and a wiring on the damascene or replacement gate electrode. And Other features of the present invention are described in detail below.
本発明によれば、ダマシン型ゲート又はリプレース型ゲートを有する半導体装置の製造方法において、配線ショートや層間容量変化の抑制された、良好な半導体装置の製造方法を得ることができる。 According to the present invention, in a method for manufacturing a semiconductor device having a damascene type gate or a replacement type gate, it is possible to obtain a favorable method for manufacturing a semiconductor device in which wiring short-circuit and interlayer capacitance change are suppressed.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
実施の形態1.
図1〜16は、本発明実施の形態1による半導体装置の製造方法を、半導体装置の断面により、順を追って説明する工程説明図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 16 are process explanatory views for explaining the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment of the present invention step by step in accordance with the cross section of the semiconductor device.
半導体装置の製造にあたっては、一般にP型シリコン基板またはN型シリコン基板が用いられるが、ここではP型シリコン基板を用いる。素子分離形成方法として、素子領域をシリコン窒化膜で覆ったのち、いわゆる選択酸化法(LOCOS)によって分離してもよいし、シャロートレンチ分離法(STI)によって行ってもよい。ここでは、STIを用いた場合の例を示す。 In manufacturing a semiconductor device, a P-type silicon substrate or an N-type silicon substrate is generally used. Here, a P-type silicon substrate is used. As an element isolation formation method, after the element region is covered with a silicon nitride film, isolation may be performed by a so-called selective oxidation method (LOCOS) or by a shallow trench isolation method (STI). Here, an example of using STI is shown.
まず、図1に示すように、P型シリコン基板1の主面上に縦型拡散炉によりバッファ熱酸化膜2を20nm形成し、バッファ熱酸化膜2の上にLPCVDによりシリコン窒化膜3を150nm生成する。
次に、図示しないが、次に、リソグラフィによりシリコン窒化膜3の上にレジストパターンを形成し、これをマスクとして、シリコン窒化膜3およびバッファ熱酸化膜2を選択エッチングする。
First, as shown in FIG. 1, a buffer
Next, although not shown, a resist pattern is formed on the silicon nitride film 3 by lithography, and the silicon nitride film 3 and the buffer
次に、図2に示すように、選択エッチングされたシリコン窒化膜3aおよびバッファ熱酸化膜2aをマスクとして、反応性イオンエッチングにより、P型シリコン基板1にトレンチ4を350nm程度の深さで形成する。次に、トレンチ4の内壁に形成されたプラズマダメージ層除去のため、1100℃の希釈酸素雰囲気でシリコン内壁を酸化し、ライナー酸化膜5を縦型拡散炉により20nmの膜厚で生成する。
Next, as shown in FIG. 2, the
次に、図3に示すように、トレンチ4(図2参照)を埋め込むように、高密度プラズマCVDにより埋め込み酸化膜6を600nmの膜厚で生成する。このとき、トレンチ4、選択エッチングされたシリコン窒化膜3aおよびバッファ熱酸化膜2a(図2参照)が埋め込み酸化膜6により完全に埋め込まれ、且つ、次工程のCMPにより十分な平坦性が得られるように膜厚を設定する。
Next, as shown in FIG. 3, a buried oxide film 6 is formed with a thickness of 600 nm by high-density plasma CVD so as to fill the trench 4 (see FIG. 2). At this time, the
次に、図4に示すように、埋め込み酸化膜6をCMPにより研磨し、シリコン窒化膜3aの上面を露出させる。
Next, as shown in FIG. 4, the buried oxide film 6 is polished by CMP to expose the upper surface of the
次に、図5に示すように、シリコン窒化膜3a(図4参照)を熱燐酸により全面除去し、さらに希弗酸水溶液によりバッファ熱酸化膜2a(図4参照)を全面除去し、素子分離6aを形成する。
Next, as shown in FIG. 5, the
次に、図示しないが、リソグラフィによりP型ウェル形成領域以外の位置にレジストパターンを形成し、これをマスクとしてP型不純物のイオン注入を行う。ウェル内部の不純物濃度を均一化するため、イオン注入は3回に分けて行う。1回目は、ボロンを加速電圧400keV、ドーズ量5×1012cm−2の条件で行い、2回目は、ボロンを加速電圧250keV、ドーズ量5×1012cm−2の条件で行い、3回目は、ボロンを加速電圧40keV、ドーズ量5×1012cm−2の条件で行う。 Next, although not shown, a resist pattern is formed at a position other than the P-type well formation region by lithography, and ion implantation of P-type impurities is performed using this as a mask. In order to make the impurity concentration inside the well uniform, ion implantation is performed in three steps. First time, boron acceleration voltage 400 keV, carried out at a dose of 5 × 10 12 cm -2, a second time, boron acceleration voltage 250 keV, carried out at a dose of 5 × 10 12 cm -2, 3 th Is performed under conditions of an acceleration voltage of 40 keV and a dose of 5 × 10 12 cm −2 .
また、Nchトランジスタの閾値電圧調整のため、ボロンのイオン注入を加速電圧20keV、ドーズ量5×1012cm−2の条件で行い、図6に示すように、Nch領域7にP型ウェル8を形成する。
In order to adjust the threshold voltage of the Nch transistor, boron ion implantation is performed under the conditions of an acceleration voltage of 20 keV and a dose of 5 × 10 12 cm −2 , and a P-
次に、図示しないが、リソグラフィによりN型ウェル形成領域以外の位置にレジストパターンを形成し、これをマスクとしてN型不純物のイオン注入を行う。ウェル内部の不純物濃度を均一化するため、イオン注入は3回に分けて行う。1回目は、リンを加速電圧600keV、ドーズ量5×1012cm−2の条件で行い、2回目は、リンを加速電圧300keV、ドーズ量5×1012cm−2の条件で行い、3回目は、ヒ素を加速電圧150keV、ドーズ量5×1012cm−2の条件で行う。 Next, although not shown, a resist pattern is formed at a position other than the N-type well formation region by lithography, and N-type impurity ions are implanted using the resist pattern as a mask. In order to make the impurity concentration inside the well uniform, ion implantation is performed in three steps. The first time is phosphorous under conditions of acceleration voltage 600 keV and dose amount 5 × 10 12 cm −2 , and the second time is phosphorous under conditions of acceleration voltage 300 keV and dose amount 5 × 10 12 cm −2 Arsenic is performed under the conditions of an acceleration voltage of 150 keV and a dose of 5 × 10 12 cm −2 .
また、Pchトランジスタの閾値電圧調整のため、ヒ素のイオン注入を加速電圧100keV、ドーズ量2×1012cm−2の条件で行い、図6に示すように、Pch領域9にN型ウェル10を形成する。 Further, for adjusting the threshold voltage of the Pch transistor, arsenic ion implantation is performed under conditions of an acceleration voltage of 100 keV and a dose of 2 × 10 12 cm −2 , and as shown in FIG. Form.
次に、縦型の拡散炉により、ダミーゲート酸化膜11を5nm程度の膜厚で生成する。さらに、LPCVDにより、多結晶シリコン膜12を200nm程度の膜厚で生成する。
このとき、ダミーゲートの材料として、多結晶シリコン膜の代わりに、シリコンゲルマニウム等を用いても良い。
Next, a dummy
At this time, silicon germanium or the like may be used instead of the polycrystalline silicon film as the material of the dummy gate.
次に、図7に示すように、リソグラフィにより、Nch領域7及びPch領域9と、トランジスタとしてのゲートを形成しない領域14のそれぞれのゲート形成位置にレジストパターン13を形成し、これをマスクとしてドライエッチングを行い、Nch領域7、Pch領域9およびトランジスタとしてのゲートを形成しない領域14にダミーゲート12aを形成する。
Next, as shown in FIG. 7, a resist
このとき、Nch領域7及びPch領域9のゲート形成位置、およびトランジスタとしてのゲートを形成しない位置14に、ライン幅=0.2um程度、スペース幅=0.5um程度でダミーゲート12aを形成している。従って、Nch領域7、Pch領域9、およびトランジスタとしてのゲートを形成しない領域14のいずれの領域においても、ダミーゲート12aのパターン密度はほぼ一定となっている。
At this time, the
次に、図示しないが、Nch領域7以外の位置にリソグラフィによりレジストパターンを形成する。
次に、Nchエクステンション、NchのHaloのイオン注入を行う。Nchのエクステンションのイオン注入は、ヒ素を加速電圧20keV、ドーズ量2×1014cm−2の条件で行う。また、NchのHaloのイオン注入は、ボロンを加速電圧25keV、ドーズ量1×1013cm−2、注入角度30°程度の条件で行い、図8に示すように、Nch領域7にNchのエクステンション15、NchのHalo16を形成する。
Next, although not shown, a resist pattern is formed by lithography at a position other than the
Next, ion implantation of Nch extension and Nch Halo is performed. The ion implantation of the Nch extension is performed under the conditions of an acceleration voltage of 20 keV and a dose amount of 2 × 10 14 cm −2 . In addition, Nch Halo ion implantation is performed under the conditions of an acceleration voltage of 25 keV, a dose amount of 1 × 10 13 cm −2 , and an implantation angle of about 30 °, and as shown in FIG. 15,
次に、図示しないが、Pch領域9以外の位置にリソグラフィによりレジストパターンを形成する。
Next, although not shown, a resist pattern is formed by lithography at positions other than the
次に、Pchのエクステンション、PchのHaloのイオン注入を行う。Pchのエクステンションのイオン注入は、二弗化ボロンを加速電圧15keV、3×1013cm−2の条件で行う。また、PchのHaloのイオン注入は、ヒ素を加速電圧150keV、ドーズ量1×1013cm−2、注入角度30°程度の条件で行い、図8に示すように、Pch領域9にPchのエクステンション17、PchのHalo18を形成する。 Next, Pch extension and Pch Halo ion implantation are performed. The ion implantation of the Pch extension is performed using boron difluoride under the conditions of an acceleration voltage of 15 keV and 3 × 10 13 cm −2 . In addition, Pch Halo ion implantation is performed under the conditions of an arsenic acceleration voltage of 150 keV, a dose of 1 × 10 13 cm −2 , and an implantation angle of about 30 °. As shown in FIG. 17. Form Pch Halo18.
次に、図9に示すように、LPCVDによりシリコン窒化膜を100nm程度生成し、反応性イオンエッチングにより、Nch領域7、Pch領域9、およびトランジスタとしてのゲートを形成しない領域14のダミーゲート12aの側壁に、シリコン窒化膜からなるスペーサー19を形成する。
Next, as shown in FIG. 9, a silicon nitride film of about 100 nm is formed by LPCVD, and by reactive ion etching, the
次に、図示しないが、Nch領域7以外の位置にリソグラフィによりレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、Nch領域7にソース/ドレイン形成のためのイオン注入を行う。
Next, although not shown, a resist pattern is formed by lithography at a position other than the
Nchソース/ドレインのイオン注入は、ヒ素を加速電圧50keV、ドーズ量5×1015cm−2の条件で行い、図10に示すように、Nch領域7にNchソース/ドレイン20を形成する。
このとき、ゲートエッジの近傍は、スペーサー19により高濃度領域が形成されないので、ドレイン近傍におけるホットエレクトロンによるMOSの特性劣化を防止することができる。
Nch source / drain ion implantation is performed under the conditions of an arsenic acceleration voltage of 50 keV and a dose amount of 5 × 10 15 cm −2 to form an Nch source /
At this time, since the high concentration region is not formed by the
次に、図示しないが、Pch領域9以外の位置にリソグラフィによりレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとして、Pch領域9にソース/ドレイン形成のためのイオン注入を行う。
Next, although not shown, a resist pattern is formed by lithography at positions other than the
Pchソース/ドレインのイオン注入は、ボロンを加速電圧10keV、ドーズ量5×1015cm−2の条件で行い、図10に示すように、Pch領域9にPchソース/ドレイン21を形成する。
このとき、ゲートエッジの近傍は、スペーサー19により、高濃度領域が形成されないので、ドレイン近傍におけるホットエレクトロンによるMOSの特性劣化を防止することができる。
The ion implantation of the Pch source / drain is performed under the conditions of boron at an acceleration voltage of 10 keV and a dose of 5 × 10 15 cm −2 to form a Pch source /
At this time, since the high concentration region is not formed in the vicinity of the gate edge by the
次に、図11に示すように、Nch領域7、Pch領域9、およびトランジスタとしてのゲートを形成しない領域14全体を覆うように、シリコン窒化膜からなるコンタクトエッチのストッパー膜22をLPCVDにより30nm程度形成する。さらに、コンタクトエッチのストッパー膜22の上に、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜23を常圧CVDにより300〜500nm程度形成する。
Next, as shown in FIG. 11, a contact
次に、図12に示すように、層間絶縁膜23およびコンタクトエッチのストッパー膜22をCMPにより研磨し、Nch領域7、Pch領域9のダミーゲート12a、およびトランジスタとしてのゲートを形成しない領域14のダミーゲート12aの上面を露出させる。
このとき、Nch領域7、Pch領域9のダミーゲート12aと、トランジスタとしてのゲートを形成しない領域14のダミーゲート12aの高さはほぼ同じであり、また、P型シリコン基板1上のダミーゲート12aのパターン密度はどの箇所もほぼ一定となっているので、CMPによるディッシングが無い平坦な形状となっている。
Next, as shown in FIG. 12, the
At this time, the heights of the
次に、図13に示すように、トランジスタとしてのゲートを形成しない領域14の全体を覆うように、リソグラフィによりレジストパターン24を形成する。これをマスクとして、Nch領域7、Pch領域9のダミーゲート12aおよびダミーゲート酸化膜11(図12参照)を反応性イオンエッチングにより選択的に除去し、ゲート溝25を形成する。
Next, as shown in FIG. 13, a resist
次に、図14に示すように、ゲート溝25(図13参照)の内部を被覆するように、High−k膜やシリコン窒化膜などからなるゲート絶縁膜26を5nm形成する。次に、溝状のゲート絶縁膜26の内面に、TiNからなる第1の金属膜27を5nm形成する。このとき、第1の金属膜27も溝を残している。さらに、電気抵抗低減のため、第1の金属膜27の溝を埋め込むように、タングステンからなる第2の金属膜28を300nm生成する。
Next, as shown in FIG. 14, a
次に、図15に示すように、Nch領域7、Pch領域9のゲート溝25(図13参照)の外部に形成した第2の金属膜28、第1の金属膜27、およびゲート絶縁膜26をCMPにより除去することにより、ダマシン型ゲート29を形成する。
Next, as shown in FIG. 15, the
なお、図13に示す工程では、トランジスタとしてのゲートを形成しない領域14にレジストパターン24を形成したが、このレジストパターンを形成することなく、トランジスタとしてのゲートを形成しない領域14のダミーゲートもダマシン型に形成するようにしても良い。
In the step shown in FIG. 13, the resist
さらに図15の工程に代えて、図16に示すように、ゲート絶縁膜26、第1の金属膜27、および第2の金属膜28を形成後、リソグラフィによりNch領域7およびPch領域9のゲート形成位置にゲート幅より広い幅のレジストパターン(図示しない)を形成し、第2の金属膜28、第1の金属膜27およびゲート絶縁膜26をドライエッチングにより選択エッチングし、リプレース型ゲート30を形成するようにしても良い。
Further, in place of the process of FIG. 15, as shown in FIG. 16, after forming the
これ以降は、ダマシン型ゲートを形成する場合、及びリプレース型ゲートを形成する場合も、ともに、この上に第2の層間絶縁膜を堆積し、コンタクトおよび配線を形成する。これらの工程はこの分野で既知の工程であるので説明を省略する。 Thereafter, in both cases of forming a damascene gate and a replacement gate, a second interlayer insulating film is deposited thereon to form a contact and a wiring. Since these steps are known in this field, description thereof will be omitted.
以上述べたように、この実施の形態では、ダマシン型ゲートあるいはリプレース型ゲート構造を形成する半導体装置の製造方法において、ダマシン型ゲートあるいはリプレース型ゲートを形成するためのダミーゲートのほかに、トランジスタとしてのゲートを形成しない領域にも、ダミーゲートを追加して形成するようにした。このようにして、基板上のどの部分においても、複数のダミーゲートのパターンの分布の疎密差が小さくなるようにするので、ダミーゲートの上面を露出させるCMP工程で発生するディッシングが抑制され、ダマシン型ゲート形成工程において配線ショートや層間容量変化のない、良好な配線形成が可能な半導体装置およびその製造方法を得ることができる。 As described above, in this embodiment, in the method of manufacturing a semiconductor device for forming a damascene gate or a replacement gate structure, a transistor other than a dummy gate for forming a damascene gate or a replacement gate is used. A dummy gate is additionally formed in the region where the gate is not formed. In this way, the density difference in the distribution of the patterns of the plurality of dummy gates is reduced in any part on the substrate, so that dishing that occurs in the CMP process that exposes the upper surface of the dummy gates is suppressed, and damascene It is possible to obtain a semiconductor device and a method of manufacturing the same capable of forming a good wiring without wiring short-circuiting or interlayer capacitance change in the mold gate forming process.
また、別の言い方をすれば、基板上のどの部分においも、ダマシン型ゲート電極又はリプレース型電極を形成するためのダミーパターンと、これに追加したダミーパターンについて、各部分におけるダミーパターンの合計占有面積が同じまたはほぼ同じとなるようにしたものであり、これによりCMPのパターン依存性をなくし、あるいは改良するようにしたものである。 In other words, a dummy pattern for forming a damascene gate electrode or a replacement electrode and a dummy pattern added to the dummy pattern in any part on the substrate, and the total occupation of the dummy pattern in each part. The areas are the same or substantially the same, thereby eliminating or improving the CMP pattern dependency.
なお、上記の説明からも理解されるとおり、ここでダマシン型ゲート電極とは、ゲート形成位置にダミーゲート酸化膜およびダミーゲートを形成し、ゲート形成位置以外の位置にダミーゲートとほぼ同じ高さになるように層間絶縁膜を形成し、ダミーゲートおよびダミーゲート酸化膜を除去することにより形成したゲート形成位置の凹部の底部および側壁にゲート絶縁膜を形成し、このゲート絶縁膜で形成した溝が、電極膜により埋め込まれた構造の電極のことをいう。
また、リプレース型ゲート電極とは、ゲート形成位置にダミーゲート酸化膜およびダミーゲートを形成し、ゲート形成位置以外の位置にダミーゲートとほぼ同じ高さになるように層間絶縁膜を形成し、ダミーゲートおよびダミーダミーゲート酸化膜を除去することにより形成したゲート形成位置の凹部の底部および側壁にゲート絶縁膜を形成し、このゲート絶縁膜で形成した溝が、電極膜により埋め込まれ、ゲート絶縁膜および電極膜がそれぞれゲート形成位置の凹部の上部かつ外側に接続された状態で一定長さ横方向に積層されている構造の電極のことをいう。
As understood from the above description, the damascene gate electrode is a dummy gate oxide film and a dummy gate formed at the gate formation position, and substantially the same height as the dummy gate at a position other than the gate formation position. Forming a gate insulating film on the bottom and side walls of the recess at the gate forming position formed by removing the dummy gate and the dummy gate oxide film, and forming a groove formed by the gate insulating film Refers to an electrode having a structure embedded with an electrode film.
The replacement gate electrode is formed by forming a dummy gate oxide film and a dummy gate at a gate formation position, and forming an interlayer insulating film at a position substantially the same as the dummy gate at a position other than the gate formation position. A gate insulating film is formed on the bottom and side walls of the recess at the gate forming position formed by removing the gate and dummy dummy gate oxide film, and the groove formed by this gate insulating film is filled with the electrode film, and the gate insulating film And an electrode having a structure in which the electrode film is laminated in a lateral direction for a predetermined length in a state where the electrode film is connected to the upper part and the outside of the concave part at the gate formation position.
次に、この実施の形態により製造された半導体装置は図15または図16に示すような構造を有している。すなわち、この実施の形態による半導体装置は、ゲート電極をメタル材料で形成したダマシン型ゲート電極又はリプレース型電極を有する半導体装置であって、上記ダマシン型ゲート電極又はリプレース型電極を形成していない位置にダミーパターンの電極を形成しているものである。 Next, the semiconductor device manufactured according to this embodiment has a structure as shown in FIG. That is, the semiconductor device according to the present embodiment is a semiconductor device having a damascene gate electrode or a replace type electrode in which the gate electrode is formed of a metal material, and the position where the damascene type gate electrode or the replace type electrode is not formed. In this case, dummy pattern electrodes are formed.
これを言い換えると、ダマシン型ゲート電極又はリプレース型電極の分布の疎な領域において、図56に示したような絶縁膜の窪みが発生しないように、ダマシン型ゲート電極又はリプレース型電極と、これに追加したダミーパターンの電極とを合わせた全体としての電極分布について、その分布の疎密差を小さくしたものである。 In other words, the damascene gate electrode or the replace-type electrode and the damascene-type gate electrode or the replace-type electrode are arranged in such a manner that the depression of the insulating film as shown in FIG. In the electrode distribution as a whole including the added dummy pattern electrodes, the density difference of the distribution is reduced.
実施の形態2.
図17〜24は、本発明実施の形態2による半導体装置の製造方法を、半導体装置の断面により、順を追って説明する工程説明図である。
FIGS. 17-24 are process explanatory views for explaining the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment of the present invention step by step through the cross section of the semiconductor device.
素子分離形成に関しては、実施形態1の製造方法に従って形成するものとする。 The element isolation is formed according to the manufacturing method of the first embodiment.
その後、図17に示すように、P型シリコン基板1の主面に素子分離6aを形成し、リソグラフィおよびイオン注入により、Nch領域7、Pch領域9にそれぞれP型ウェル8、N型ウェル10を形成する。次に、Nch領域7、Pch領域9にそれぞれダミーゲート酸化膜11、ダミーゲート12aを形成する。また、5はライナー酸化膜である。
Thereafter, as shown in FIG. 17,
次に、リソグラフィおよびイオン注入により、Nch領域7にNchのエクステンション15、NchのHalo16を形成し、Pch領域9にPchのエクステンション17、PchのHalo18を形成する。
Next, an
次に、シリコン窒化膜をLPCVDにより100nm形成し、反応性イオンエッチングにより、Nch領域7およびPch領域9のダミーゲート12aの側壁に、シリコン窒化膜からなるスペーサー19を形成する。
Next, a silicon nitride film is formed to a thickness of 100 nm by LPCVD, and a
次に、リソグラフィおよびイオン注入により、Nch領域7にNchソース/ドレイン20を形成し、Pch領域9にPchソース/ドレイン21を形成する。
このとき、トランジスタとしてのゲートを形成しない領域14には、ダミーパターンを形成していない。
Next, Nch source /
At this time, no dummy pattern is formed in the
次に、図18に示すように、シリコン窒化膜22をLPCVDにより200nm程度の膜厚で生成する。このとき、シリコン窒化膜22の膜厚はダミーゲート酸化膜11の膜厚5nmとダミーゲート12aの膜厚200nmの合計205nmより、やや薄くなるように設定している。
Next, as shown in FIG. 18, a
次に、図19に示すように、トランジスタとしてのゲートを形成しない領域14に、リソグラフィによりレジストパターン13をライン幅=0.2um程度、スペース幅=0.5um程度で形成する。次に、これをマスクとしてシリコン窒化膜22を選択エッチングし、トランジスタとしてのゲートを形成しない領域14にシリコン窒化膜からなるダミーパターン22aを形成する。このとき、ダミーパターン22aは、Nch領域7、Pch領域9のダミーゲート12aとほぼ同じ密度で配置されている。
Next, as shown in FIG. 19, a resist
また、このとき、シリコン窒化膜22の選択エッチングにおいて、Nch領域7及びPch領域9にもCMPのストッパー膜を一定厚さ残留させるように所定の厚さをエッチングする。具体的には、実施形態1で用いたCMPのストッパー膜22の膜厚30nmとほぼ同じ膜厚だけ残るように、所定の膜厚分だけエッチングを行う。
At this time, in the selective etching of the
このエッチングを行うことにより、トランジスタとしてのゲートを形成しない領域14に、シリコン窒化膜からなるダミーパターン22aを形成する。このダミーパターン22aの高さはダミーゲート12aの高さに近く、やや低い程度になっている。また、ダミーパターン22aを形成する位置以外の位置では、30nm程度の膜厚でシリコン窒化膜が残るようにしたので、実施の形態1のコンタクトエッチのストッパー膜22に相当し、CMPのストッパー膜として機能する。
By performing this etching, a
次に、図20に示すように、Nch領域7、Pch領域9、およびトランジスタとしてのゲートを形成しない領域14、すなわち全面に、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜23を常圧CVDにより300〜500nm程度形成する。
Next, as shown in FIG. 20, an
次に、図21に示すように、層間絶縁膜23およびCMPのストッパー膜22をCMPにより研磨し、Nch領域7、Pch領域9のダミーゲート12aの上面を露出させる。
Next, as shown in FIG. 21, the
このとき、トランジスタとしてのゲートを形成しない領域14のダミーパターン22aの高さは、Nch領域7およびPch領域9のダミーゲート12aの高さとほぼ同じか、わずかに低い程度であり、また、トランジスタとしてのゲートを形成しない領域14のダミーパターン22aと、Nch領域7およびPch領域9のダミーゲート12aを合わせた全体としての密度がP型シリコン基板1上のどの箇所もほぼ一定となっているので、CMPによるディッシングが無い平坦な形状となっている。ここで、ダミーパターン22aの上面は、必ずしも露出している必要はない。
At this time, the height of the
次に、図22に示すように、反応性イオンエッチングによりNch領域7およびPch領域9のダミーゲート12aおよびダミーゲート酸化膜11(図21参照)を選択的に除去し、ゲート溝25を形成する。
Next, as shown in FIG. 22, the
次に、図23に示すように、ゲート溝25(図22参照)の内部を被覆するように、High−k膜やシリコン窒化膜などからなるゲート絶縁膜26を5nm形成する。次に、溝状のゲート絶縁膜26の内面に、TiNからなる第1の金属膜27を5nm形成する。このとき、第1の金属膜27も溝を残している。さらに、電気抵抗低減のため、第1の金属膜27の溝を埋め込むように、タングステンからなる第2の金属膜28を300nm生成する。
Next, as shown in FIG. 23, a
次に、図24に示すように、Nch領域7、Pch領域9のゲート溝25(図22参照)の外部に形成した第2の金属膜28、第1の金属膜27、およびゲート絶縁膜26をCMPにより除去することにより、ダマシン型ゲート29を形成する。
なお、ここではダマシン型ゲートの例を示したが、実施形態1で示したように、リプレース型ゲートの方式により形成しても良い。
Next, as shown in FIG. 24, the
Although an example of a damascene gate is shown here, it may be formed by a replacement gate system as shown in the first embodiment.
以上述べたように、この実施の形態では、ダマシン型ゲートあるいはリプレース型ゲート構造を有する半導体装置及びその製造方法において、トランジスタとしてのゲートを形成しない領域にも、CMPのストッパー膜と同一の材料によりダミーパターンを追加して形成するようにした。このようにすれば、トランジスタとしてのゲートを形成しない領域に、トランジスタとしてのゲートを形成する位置のダミーゲートと同じ密度でダミーパターンが配置される。
従ってダミーゲートの上面を露出させるCMP工程でディッシングが抑制され、ダマシン型ゲート形成工程において配線ショートや層間容量変化のない、良好な配線形成が可能な半導体装置およびその製造方法を得ることができる。
As described above, in this embodiment, in the semiconductor device having a damascene gate or replace gate structure and its manufacturing method, a region where a gate as a transistor is not formed is also made of the same material as the CMP stopper film. A dummy pattern was added to form. In this way, the dummy pattern is arranged at the same density as the dummy gate at the position where the gate as the transistor is formed in the region where the gate as the transistor is not formed.
Accordingly, dishing can be suppressed in the CMP process that exposes the upper surface of the dummy gate, and a semiconductor device and a manufacturing method thereof can be obtained in which a good wiring can be formed without a wiring short-circuit and interlayer capacitance change in the damascene gate forming process.
実施の形態3.
図25〜32は、本発明実施の形態3による半導体装置の製造方法を、半導体装置の断面により、順を追って説明する工程説明図である。
Embodiment 3 FIG.
25 to 32 are process explanatory views for explaining the semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment of the present invention step by step in accordance with the cross section of the semiconductor device.
図25において、P型シリコン基板1の主面に素子分離6aを形成するまでは、実施形態1と同様の製造方法によるものとする。
In FIG. 25, the same manufacturing method as in the first embodiment is used until the
その後、図25に示すように、P型シリコン基板1の主面上に、リソグラフィおよびイオン注入により、内部回路を形成する領域(以下、内部回路領域と称する)30、およびI/O回路を形成する領域(以下、I/O回路領域と称する)31にそれぞれP型ウェル8、N型ウェル10を形成する。それぞれのウェル形成のイオン注入は、実施形態1と同一の条件で行う。
次に、縦型の拡散炉により、ゲート酸化膜11を5nmの膜厚で生成し、多結晶シリコン膜12をLPCVDにより200nmの膜厚で生成する。
Thereafter, as shown in FIG. 25, an area for forming an internal circuit (hereinafter referred to as an internal circuit area) 30 and an I / O circuit are formed on the main surface of the P-
Next, the
次に、図26に示すように、リソグラフィにより、内部回路領域30およびI/O回路領域31にレジストパターン13を形成する。次に、これをマスクとしてドライエッチングを行い、内部回路領域30にダミーゲート12a、I/O回路領域31にゲート12bをそれぞれ形成する。このとき、P型シリコン基板1上の、全体におけるダミーゲート12aの分布の疎密差を解消するように、I/O回路領域31にI/O回路のゲート12bを配置する。
Next, as shown in FIG. 26, a resist
次に、図27に示すように、リソグラフィおよびイオン注入により、内部回路領域30にNchのエクステンション15、Pchのエクステンション17を形成し、I/O回路領域31にNchのエクステンション15、Pchのエクステンション17を形成する。
Next, as shown in FIG. 27, an
次に、シリコン窒化膜をLPCVDにより100nm生成し、反応性イオンエッチングを行うことにより、内部回路領域30のダミーゲート12aの側壁とI/O回路領域31のゲート12bの側壁にシリコン窒化膜のスペーサー19を形成する。
Next, a silicon nitride film is formed to 100 nm by LPCVD, and reactive ion etching is performed, so that a spacer of the silicon nitride film is formed on the side wall of the
次に、リソグラフィおよびイオン注入により、内部回路領域30にNchのソース/ドレイン20、Pchのソース/ドレイン21を形成し、I/O回路領域31にNchのソース/ドレイン20、Pchのソース/ドレイン21を形成する。
このとき、内部回路領域30およびI/O回路領域31で形成したエクステンションおよびソース/ドレイン形成のイオン注入は、実施形態1と同一の条件で行うものとする。
Next, the Nch source /
At this time, the ion implantation for forming the extension and source / drain formed in the
次に、図28に示すように、シリコン窒化膜からなるコンタクトエッチのストッパー膜22をLPCVDにより30nm程度生成する。さらに、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜23を常圧CVDにより300〜500nm程度形成する。
Next, as shown in FIG. 28, a contact
次に、図29に示すように、層間絶縁膜23およびコンタクトエッチのストッパー膜22をCMPにより研磨し、内部回路領域30のダミーゲート12a、およびI/O回路領域31のゲート12bの上面を露出させる。
Next, as shown in FIG. 29, the
このとき、内部回路領域30のダミーゲート12aと、I/O回路領域31のゲート12bの高さはほぼ同じであり、また、内部回路領域30のダミーゲート12aと、I/O回路領域31のゲート12bを合わせた密度はP型シリコン基板1上のどの部分もほぼ一定となっているので、CMPによるディッシングが無い平坦な形状となっている。
At this time, the height of the
次に、図30に示すように、内部回路領域30以外の領域に、リソグラフィによりレジストパターン24を形成する。次に、内部回路領域30のダミーゲート12aおよびゲート酸化膜11(図29参照)を選択的に除去し、ゲート溝25を形成する。
Next, as shown in FIG. 30, a resist
次に、図31に示すように、ゲート溝25(図30参照)の内部を被覆するように、High−k膜やシリコン窒化膜などからなるゲート絶縁膜26を5nm形成する。次に、溝状のゲート絶縁膜26の内面に、TiNからなる第1の金属膜27を5nm形成する。このとき、第1の金属膜27も溝を残している。さらに、電気抵抗低減のため、第1の金属膜27の溝を埋め込むように、タングステンからなる第2の金属膜28を300nm生成する。
Next, as shown in FIG. 31, a
次に、図32に示すように、内部回路領域30のゲート溝25(図30参照)の外部に形成した第2の金属膜28、第1の金属膜27、およびゲート絶縁膜26をCMPにより除去し、内部回路領域30にダマシン型ゲート29、I/O回路領域31にI/O回路のトランジスタ32を形成する。
Next, as shown in FIG. 32, the
なお、ここではダマシン型ゲートの例を示したが、内部回路領域30のダマシン型ゲートは、実施形態1で示したように、リプレース型ゲートの方式により形成しても良い。
Although an example of a damascene gate is shown here, the damascene gate in the
以上の製造方法によれば、内部回路を構成するダマシン型トランジスタやリプレース型トランジスタの製造工程途中のダミーゲートの形成工程を利用して、I/O回路のトランジスタを形成することにより、工程を増やすことなく、内部回路とゲート絶縁膜及びしきい値(Vt)の異なるI/O回路のトランジスタを形成することができる。 According to the above manufacturing method, the number of processes is increased by forming the transistors of the I / O circuit by using the dummy gate forming process in the process of manufacturing the damascene transistor and the replacement transistor constituting the internal circuit. Without this, transistors of an I / O circuit having different internal circuits, gate insulating films, and threshold values (Vt) can be formed.
これ以降は、第1の実施形態と同様に、第2の層間絶縁膜を堆積し、コンタクトおよび配線を形成する。 Thereafter, as in the first embodiment, a second interlayer insulating film is deposited to form contacts and wirings.
以上述べたように、この実施の形態では、ダマシン型ゲートあるいはリプレース型ゲート構造を有する半導体装置及びその製造方法において、内部回路として用いる領域のトランジスタとしてのゲートを形成する位置にダミーゲートを配置し、内部回路として用いない領域には、I/O回路で用いるゲート電極を配置し、パターンの疎密に偏りが出ないようにした。
このようにすれば、ダミーゲートの上面を露出させるCMP工程においてディッシング抑制され、配線ショートや層間容量変化のない、良好な配線形成が可能な半導体装置およびその製造方法を得ることができる。また、ダマシン型ゲートのダミーパターンと、I/O回路で用いるゲート電極を同時に形成できるので、工程を簡略化することができる。
As described above, in this embodiment, in a semiconductor device having a damascene gate or a replace gate structure and a manufacturing method thereof, a dummy gate is disposed at a position where a gate as a transistor in a region used as an internal circuit is formed. In a region not used as an internal circuit, a gate electrode used in an I / O circuit is arranged so that the pattern density is not biased.
In this way, it is possible to obtain a semiconductor device and a method for manufacturing the same, in which dishing is suppressed in the CMP process for exposing the upper surface of the dummy gate, and there is no wiring short-circuit and no change in interlayer capacitance. Further, since the damascene gate dummy pattern and the gate electrode used in the I / O circuit can be formed at the same time, the process can be simplified.
実施の形態4.
図33〜43は、本発明実施の形態4による半導体装置の製造方法を、半導体装置の断面により、順を追って説明する工程説明図である。
33 to 43 are process explanatory views for explaining the semiconductor device manufacturing method according to the fourth embodiment of the present invention step by step in accordance with the cross section of the semiconductor device.
素子分離形成に関しては、実施形態1の製造方法に従って形成するものとする。 The element isolation is formed according to the manufacturing method of the first embodiment.
その後、図33に示すように、P型シリコン基板1の主面に素子分離6aを形成し、リソグラフィおよびイオン注入により、Nch領域7、Pch領域9にそれぞれP型ウェル8、N型ウェル10を形成する。次に、ゲート酸化膜11を縦型拡散炉により5nm生成し、多結晶シリコン膜12をLPCVDにより200nm生成する。
Thereafter, as shown in FIG. 33,
次に、図34に示すように、Nch領域7、Pch領域9、さらにアナログ回路用容量を形成する領域(以下、アナログ回路容量領域と称する)33にそれぞれレジストパターン13を形成する。これをマスクとして、ドライエッチングによりNch領域7、Pch領域9にダミーゲート12aを形成し、アナログ回路容量領域33にアナログ回路用容量のゲート電極12cを形成する。
Next, as shown in FIG. 34, a resist
次に、図35に示すように、リソグラフィおよびイオン注入により、Nch領域7にNchのエクステンション15を形成し、Pch領域9にPchのエクステンション17を形成する。次に、シリコン窒化膜をLPCVDにより100nm程度形成し、反応性イオンエッチングにより、Nch領域7、Pch領域9のダミーゲート12a、アナログ回路容量領域33の容量ゲート電極12cの側壁にシリコン窒化膜からなるスペーサー19を形成する。
Next, as shown in FIG. 35, an
次に、リソグラフィおよびイオン注入によりNch領域7にNchソース/ドレイン20、Pch領域9にPchソース/ドレイン21を形成する。このとき、それぞれの領域に形成したエクステンションおよびソース/ドレイン形成のイオン注入は、実施形態1と同一条件で行う。
Next, an Nch source /
次に、図36に示すように、Nch領域7、Pch領域9およびアナログ回路容量領域33、すなわち全体を覆うように、シリコン窒化膜からなるコンタクトエッチのストッパー膜22をLPCVDにより30nm程度生成する。さらに、コンタクトエッチのストッパー膜22の上に、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜23を常圧CVDにより300〜500nm程度形成する。
Next, as shown in FIG. 36, a contact
次に、図37に示すように、層間絶縁膜23およびコンタクトエッチのストッパー膜22(図36参照)をCMPにより研磨し、Nch領域7およびPch領域9のダミーゲート12aの上面と、アナログ回路容量領域33のアナログ回路用容量電極12cの上面を露出させる。
Next, as shown in FIG. 37, the
このとき、Nch領域7およびPch領域9のダミーゲート12aと、アナログ回路容量領域33の容量電極12cの高さはほぼ同じであり、また、アナログ回路容量領域33に容量電極12cが配置されており、容量電極が無い場合と比較して、P型シリコン基板1上の疎密差が緩和されるようになっているので、CMPによるディッシングが抑えられた、平坦な形状となっている。
At this time, the height of the
次に、図38に示すように、リソグラフィによりアナログ回路容量領域33の上面を覆うようにレジストパターン24を形成し、ドライエッチングによりNch領域7およびPch領域9のダミーゲート12aおよびゲート酸化膜11(図37参照)を選択的に除去し、ゲート溝25を形成する。
Next, as shown in FIG. 38, a resist
次に、図39に示すように、リソグラフィによりNch領域7およびPch領域9にレジストパターン24を形成し、ドライエッチングにより、アナログ回路用容量電極12cの膜厚の半分、すなわち100nm程度を選択的にエッチングし、アナログ回路用容量電極の溝12dを形成する。
なお、実施の形態1〜3で示したように、Nch領域7およびPch領域9にリプレース型ゲート電極を形成する場合は、アナログ回路容量領域33にアナログ回路用容量電極の溝を形成する工程(図39の工程)を省略しても良い。
また、この実施の形態においては、図38に示すゲート溝を形成する工程を先に行い、その後、図39に示すアナログ回路用容量電極の溝を形成する工程を行うようにしたが、これらの工程順を入れ替えて形成しても良い。
Next, as shown in FIG. 39, a resist
As shown in the first to third embodiments, in the case where a replacement gate electrode is formed in the
Further, in this embodiment, the step of forming the gate groove shown in FIG. 38 is performed first, and then the step of forming the groove of the capacitor electrode for analog circuit shown in FIG. 39 is performed. You may form by changing process order.
次に、図40に示すように、ゲート溝25(図38参照)およびアナログ回路用容量電極の溝12d(図39参照)の内部を被覆するように、High−k膜やシリコン窒化膜などからなるゲート絶縁膜26を5nm形成する。次に、溝状のゲート絶縁膜26の内面に、TiNからなる第1の金属膜27を5nm形成する。このとき、第1の金属膜27も溝を残している。さらに、電気抵抗低減のため、第1の金属膜27の溝を埋め込むように、タングステンからなる第2の金属膜28を300nm生成する。
Next, as shown in FIG. 40, a high-k film, a silicon nitride film, or the like is formed so as to cover the inside of the gate groove 25 (see FIG. 38) and the analog circuit
次に、図41に示すように、ゲート溝25(図38参照)およびアナログ回路用容量電極の溝12d(図39参照)の外部に形成した第2の金属膜28、第1の金属膜27、およびゲート絶縁膜26をCMPにより除去し、Nch領域7、Pch領域9にダマシン型ゲート29を形成し、アナログ回路容量領域33に、アナログ回路用容量34を形成する。
Next, as shown in FIG. 41, the
なお、ここではダマシン型ゲートの例を示したが、Nch領域7、Pch領域9のゲートは、実施の形態1で示したように、リプレース型ゲートの方式により形成しても良い。また、このときは前述のように、アナログ回路容量領域33にアナログ回路用容量電極の溝を形成する工程を省略することも可能であり、この場合は図42に示すような構造になる。図42において、30はリプレース型ゲート、34aはアナログ回路用容量である。
Although an example of a damascene gate is shown here, the gates of the
以上のような製造方法によれば、ダマシン型トランジスタやリプレース型トランジスタの製造工程途中のダミーゲートトランジスタの形成工程を利用して、工程を増やすことなく、アナログ回路用容量を形成することができる。 According to the manufacturing method as described above, the analog circuit capacitor can be formed without increasing the number of processes by using the dummy gate transistor forming process in the process of manufacturing the damascene transistor or the replacement transistor.
これ以降は、第1の実施形態と同様に、第2の層間絶縁膜を堆積し、コンタクトおよび配線を形成する。 Thereafter, as in the first embodiment, a second interlayer insulating film is deposited to form contacts and wirings.
なお、本実施の形態では、図41や図42に示すように、アナログ回路用容量34または34aを能動(アクティブ)領域に形成するようにしたが、図43に示すように、これを素子分離6a(フィールド)領域に形成するようにしてもよい。このように、素子分離上にアナログ回路用容量を形成することにより、P型シリコン基板1を介してのノイズ耐性を向上させることができる。
In this embodiment, as shown in FIGS. 41 and 42, the
以上述べたように、この実施の形態によれば、ダマシン型ゲートあるいはリプレース型ゲート構造を有する半導体装置において、内部回路として用いる領域のトランジスタとしてのゲートを形成する位置にダミーゲートを配置し、内部回路として用いない領域には、アナログ回路で用いる容量電極を配置し、パターンの疎密に偏りが出ないようにした。
このようにすれば、ダミーゲートの上面を露出させるCMP工程で発生するディッシングが抑制され、ダマシン型ゲート形成工程において配線ショートや層間容量変化のない、良好な配線形成が可能な半導体装置およびその製造方法を提供することができる。
また、ダマシン型ゲートのダミーパターンと、アナログ回路で用いる容量の電極を同時に形成できるので、工程を簡略化することができる。また、アナログ回路用容量を素子分離上に形成することにより、半導体基板を介してのノイズ耐性を向上させることができる。
As described above, according to this embodiment, in a semiconductor device having a damascene type gate or a replacement type gate structure, a dummy gate is arranged at a position where a gate as a transistor in a region used as an internal circuit is formed, Capacitance electrodes used in analog circuits are arranged in areas not used as circuits so that the pattern density is not biased.
In this way, dishing that occurs in the CMP process that exposes the upper surface of the dummy gate is suppressed, and a semiconductor device capable of forming a favorable wiring without wiring short-circuit and interlayer capacitance change in the damascene gate forming process and its manufacture A method can be provided.
In addition, since the damascene gate dummy pattern and the capacitor electrode used in the analog circuit can be formed at the same time, the process can be simplified. Further, by forming the analog circuit capacitor on the element isolation, it is possible to improve the noise resistance through the semiconductor substrate.
なお、ダマシン型ゲートあるいはリプレース型ゲートの疎密差を解消するために、実施の形態3では、I/O回路で用いるゲート電極を配置し、実施の形態4では、アナログ回路用容量のゲート電極を配置した。しかし、ダマシン型ゲートあるいはリプレース型ゲートの疎密差を解消するために配置する電極は、これらに限られるものではなく、その他の回路素子の電極を配置するようにしてもよい。 In order to eliminate the density difference between the damascene type gate and the replacement type gate, the gate electrode used in the I / O circuit is arranged in the third embodiment, and the gate electrode of the capacitor for the analog circuit is arranged in the fourth embodiment. Arranged. However, the electrodes disposed to eliminate the density difference between the damascene gate and the replace gate are not limited to these, and electrodes of other circuit elements may be disposed.
1 P型シリコン基板、 2 バッファ熱酸化膜、 3 シリコン窒化膜、 5 ライナー酸化膜、 6a 素子分離、7 Nch領域、 8 P型ウェル、9 Pch領域、 10 N型ウェル、 11 ダミーゲート酸化膜またはゲート酸化膜、 12a ダミーゲート、 12b I/O回路のゲート、 12c アナログ回路用容量のゲート電極、 12d アナログ回路用容量電極の溝、 14 トランジスタとしてのゲートを形成しない領域、 19 スペーサー、 22 コンタクトエッチのストッパー膜またはCMPのストッパー膜 23 層間絶縁膜、 25 ゲート溝、 26 ゲート絶縁膜、 27 第1の金属膜、 28 第2の金属膜、 29 ダマシン型ゲート、 30 リプレース型ゲート、 32 I/O回路のゲート、34 アナログ回路用容量。
1 P-type silicon substrate, 2 buffer thermal oxide film, 3 silicon nitride film, 5 liner oxide film, 6a element isolation, 7 Nch region, 8 P-type well, 9 Pch region, 10 N-type well, 11 dummy gate oxide film or Gate oxide film, 12a dummy gate, 12b gate of I / O circuit, 12c gate electrode of capacitor for analog circuit, 12d groove of capacitor electrode for analog circuit, 14 region not forming gate as transistor, 19 spacer, 22 contact etch Stopper film or
Claims (2)
上記ダミーゲートを覆う層間絶縁膜を形成する工程と、
上記層間絶縁膜を化学機械的研磨により研磨して上記第1と第2の位置のダミーゲートの上面を露出させる工程と、
前記第1の位置に形成したダミーゲートを選択的に除去してゲート溝を形成する工程と、
前記ゲート溝を埋め、前記第2の位置のダミーゲートの上を覆うように電極膜を形成し、この電極膜を前記第2の位置に形成したダミーゲートの上部が露出するように選択的に除去することにより、ダマシン型ゲート電極を形成するか、又は、上記ゲート溝より広い幅の電極を残してリプレース型ゲート電極を形成するエ程と、
前記ダマシン型又はリプレース型ゲート電極の上に層間絶縁膜と配線とを形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Unlike the first position of the damascene or replacement gate on the main surface of the semiconductor substrate and the first position of the main surface of the semiconductor substrate, the density of the gate is sparser than the first position. Forming a dummy gate at each of the positions,
Forming an interlayer insulating film covering the dummy gate;
Polishing the interlayer insulating film by chemical mechanical polishing to expose the upper surfaces of the dummy gates at the first and second positions;
Selectively removing the dummy gate formed at the first position to form a gate groove;
An electrode film is formed so as to fill the gate groove and cover the dummy gate at the second position, and selectively expose the upper part of the dummy gate formed with the electrode film at the second position. Forming a damascene gate electrode by removing, or forming a replacement gate electrode leaving an electrode wider than the gate groove;
Forming an interlayer insulating film and wiring on the damascene or replacement gate electrode;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
上記半導体基板主面上に化学機械的研磨のストッパー膜を上記ダミーゲートの厚さに近い厚さに形成する工程と、
上記化学機械的研磨のストッパー膜を所定の厚さに選択的にエッチングして上記化学機械的研磨のストッパー膜を一定厚さ残留させるとともに、上記第1の位置とは異なり前記ゲートの密度が前記第1の位置より疎である第2の位置に前記残留させたストッパー膜によってダミーパターンを形成する工程と、
上記ストッパー膜及び上記ダミーパターンの上に層間絶縁膜を形成する工程と、
上記層間絶縁膜及び上記ストッパー膜を化学機械的研磨により研磨して上記ダミーゲートの上面と前記ダミーパターンの上面とを露出させる工程と、
上記ダミーゲートを選択的に除去してゲート溝を形成する工程と、
上記ゲート溝を埋め、前記第2の位置のダミーパターンの上を覆うように電極膜を形成し、この電極膜を前記第2の位置に形成したダミーパターンの上部が露出するように選択的に除去することにより、ダマシン型ゲート電極を形成するか、又は、上記ゲート溝より広い幅の電極を残してリプレース型ゲート電極を形成する工程と、
前記ダマシン型又はリプレース型ゲート電極の上に層間絶縁膜と配線とを形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a dummy gate at a first position for forming a damascene or replacement gate on the main surface of the semiconductor substrate;
Forming a chemical mechanical polishing stopper film on the semiconductor substrate main surface to a thickness close to the thickness of the dummy gate;
The chemical mechanical polishing stopper film is selectively etched to a predetermined thickness to leave the chemical mechanical polishing stopper film to a certain thickness, and the density of the gate is different from the first position. Forming a dummy pattern with the remaining stopper film at a second position that is sparser than the first position;
Forming an interlayer insulating film on the stopper film and the dummy pattern;
Polishing the interlayer insulating film and the stopper film by chemical mechanical polishing to expose the upper surface of the dummy gate and the upper surface of the dummy pattern;
Selectively removing the dummy gate to form a gate groove;
An electrode film is formed so as to fill the gate groove and cover the dummy pattern at the second position, and selectively expose the upper part of the dummy pattern formed at the second position. Forming a damascene gate electrode by removing, or forming a replacement gate electrode leaving an electrode wider than the gate groove;
Forming an interlayer insulating film and wiring on the damascene or replacement gate electrode;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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