JP2008258423A - Semiconductor device, and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.
従来、メタルゲート電極の一種として、ゲート電極にシリサイドを用いることは良く知られている。シリサイドの形成方法は、あらかじめ、ポリシリコンでダミーのゲート電極を形成し、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)のソース・ドレイン形成後、ポリシリコンにシリサイド材料となるメタルを拡散させ完全にシリサイド化(フルシリサイド化)したゲート電極を形成する。シリサイドは、既存のMISFET形成に近い技術で形成できるために、他のメタルゲート材料に比較して、適用するのが容易である。 Conventionally, it is well known to use silicide for a gate electrode as a kind of metal gate electrode. Silicide is formed in advance by forming a dummy gate electrode with polysilicon, forming the source / drain of MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor), and then diffusing the metal that becomes the silicide material into the polysilicon to completely silicide it. A (fully silicided) gate electrode is formed. Since silicide can be formed by a technique close to the existing MISFET formation, it is easier to apply compared to other metal gate materials.
しかし、ゲート長方向のゲート電極寸法が異なると、メタルとシリコンとの組成比が異なるシリサイドが出現、あるいは、フルシリサイド化が起こらない場合が生じる。シリサイドの組成が異なると、ゲート長に依存して仕事関数が異なるゲート電極が形成されることになり、MISFETの閾値電圧が異なり、所望の特性を得ることが難しくなる。 However, when the gate electrode dimension in the gate length direction is different, silicide having a different composition ratio between metal and silicon may appear or full silicidation may not occur. If the silicide composition is different, gate electrodes having different work functions depending on the gate length are formed, and the threshold voltage of the MISFET is different, making it difficult to obtain desired characteristics.
そこで、ゲート電極の寸法によらずメタルを行き渡らせることが可能な半導体装置が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。例えば、開示された半導体装置は、半導体基板と、ゲート絶縁膜と、第1のゲート電極と、第2のゲート電極とを備え、第2のゲート電極は、第1のゲート電極よりも面積が大きく、すなわち、奥行きを一定としたときのゲート長が大きく形成されるが、第2のゲート電極の膜厚は、第1のゲート電極の膜厚よりも薄く形成されている。 Therefore, a semiconductor device capable of spreading metal regardless of the dimensions of the gate electrode is disclosed (for example, see Patent Document 1). For example, the disclosed semiconductor device includes a semiconductor substrate, a gate insulating film, a first gate electrode, and a second gate electrode, and the second gate electrode has an area larger than that of the first gate electrode. Although the gate length is large, that is, when the depth is constant, the second gate electrode is formed thinner than the first gate electrode.
開示された半導体装置は、ある時点で、第1のゲート電極及び第2のゲート電極が共にフルシリサイド化を達成できると考えられる。しかしながら、複数のゲート長を有する半導体装置の場合、ゲート長に合わせてゲート電極の複数の膜厚を調整する必要があるために、半導体装置の製造工程が複雑になるという問題がある。一方、メタルとシリコンとの反応が進んで、ゲート長に依存して組成が異なるシリサイドが出現した場合の閾値電圧の差異等に対応する技術は、開示されていない。
本発明は、シリサイドゲート電極のゲート長に依存する閾値電圧の差異を小さくすることが可能な半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供する。 The present invention provides a semiconductor device and a semiconductor device manufacturing method capable of reducing a difference in threshold voltage depending on the gate length of a silicide gate electrode.
本発明の一態様の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の表面に不純物がドープされた第1のチャネル領域と、前記半導体基板の表面に不純物がドープされ、第1のチャネル領域より不純物濃度が低い第2のチャネル領域と、前記第1のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート長の大きい、全体がシリサイドからなる第1のゲート電極と、前記第2のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート長の小さい、全体がシリサイドからなる第2のゲート電極とを備えていることを特徴とする。 A semiconductor device of one embodiment of the present invention includes a semiconductor substrate, a first channel region in which impurities are doped on a surface of the semiconductor substrate, and impurities in the surface of the semiconductor substrate. A second channel region having a low concentration; a first gate electrode having a large gate length formed on the first channel region through a gate insulating film; and made entirely of silicide; and the second channel region And a second gate electrode having a small gate length and entirely made of silicide, which is formed via a gate insulating film.
また、本発明の別態様の半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面に第1のチャネル領域、及び、第1のチャネル領域より低い不純物濃度を有する第2のチャネル領域を形成する工程と、前記第1のチャネル領域の上に、ゲート絶縁膜を介して、第1のゲート電極となる予定の第1のシリコン材料膜を形成し、前記第2のチャネル領域の上に、ゲート絶縁膜を介して、前記第1のシリコン材料膜よりゲート長の小さい第2のゲート電極となる予定の第2のシリコン材料膜を形成する工程と、前記第1及び第2のシリコン材料膜の側部に、それぞれ、前記第1及び第2のチャネル領域を挟んで、互いに離間したソース・ドレイン領域を形成する工程と、前記第1及び第2のシリコン材料膜上に接触して金属を堆積し、前記第1及び第2のシリコン材料膜が前記金属と化合して、それぞれ、全体が実質的にシリサイド化された前記第1及び第2のゲート電極が形成される工程とを備えていることを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a first channel region and a second channel region having an impurity concentration lower than that of the first channel region on a surface of a semiconductor substrate; A first silicon material film to be a first gate electrode is formed on the first channel region via a gate insulating film, and a gate insulating film is formed on the second channel region. A step of forming a second silicon material film to be a second gate electrode having a gate length smaller than that of the first silicon material film, and a side portion of the first and second silicon material films. Forming a source / drain region spaced from each other across the first and second channel regions, depositing a metal in contact with the first and second silicon material films, 1st and 2nd series And emission material layer is combined with the metal, respectively, the whole is characterized by comprising the step of substantially silicided first and second gate electrodes are formed.
本発明によれば、シリサイドゲート電極のゲート長に依存する閾値電圧の差異を小さくすることが可能な半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することが可能である。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is possible to provide the semiconductor device which can reduce the difference in the threshold voltage depending on the gate length of a silicide gate electrode, and the manufacturing method of a semiconductor device.
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。各図では、同一の構成要素には同一の符号を付す。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same components are denoted by the same reference numerals.
本発明の実施例に係る半導体装置及び半導体装置の製造方法について、図1乃至図6を参照しながら説明する。図1は半導体装置の構造を模式的に示す断面図である。図2は、半導体装置の製造方法を工程順に模式的に示す構造断面図である。図3は、図2に続く、半導体装置の製造方法を工程順に模式的に示す構造断面図である。図4は、図3に続く、半導体装置の製造方法を工程順に模式的に示す構造断面図である。図5は、図4に続く、半導体装置の製造方法を工程順に模式的に示す構造断面図である。図6は、図5に続く、半導体装置の製造方法を工程順に模式的に示す構造断面図である。 A semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a semiconductor device. FIG. 2 is a structural cross-sectional view schematically showing the semiconductor device manufacturing method in the order of steps. FIG. 3 is a structural cross-sectional view schematically showing the semiconductor device manufacturing method in the order of steps, following FIG. 2. FIG. 4 is a structural cross-sectional view schematically showing the semiconductor device manufacturing method in the order of steps, following FIG. 3. FIG. 5 is a structural cross-sectional view schematically showing the semiconductor device manufacturing method in the order of steps, following FIG. 4. FIG. 6 is a structural cross-sectional view schematically showing the semiconductor device manufacturing method in the order of steps, following FIG. 5.
図1に示すように、半導体装置1は、半導体基板11と、半導体基板11の表面に不純物がドープされた第1のチャネル領域であるチャネル領域15aと、半導体基板11の表面に不純物がドープされ、チャネル領域15aより不純物濃度が低い第2のチャネル領域であるチャネル領域15bと、チャネル領域15a上にゲート絶縁膜23を介して形成されたゲート長の大きい、全体がシリサイドからなる第1のゲート電極であるゲート電極25aと、チャネル領域15b上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート長の小さい、全体がシリサイドからなる第2のゲート電極であるゲート電極25bとを備えている。
As shown in FIG. 1, the
半導体基板11は、例えば、表面に素子形成領域を有するシリコン基板である。nチャネルMISFET(以下、n‐MISFETという。同様に、p‐MISFETという。)のチャネル領域15a、15bを含む領域には、ボロンまたはインジウム等の不純物がドープされ、p‐MISFETのチャネル領域15a、15bを含む領域には、砒素、燐、またはアンチモン等の不純物がドープされて形成されている。ゲート長(ゲート長方向のゲート電極の長さをゲート長という)が大きい(例えば、約100nm以上)MISFETが形成される領域(A領域または[A])の不純物濃度は、ゲート長の小さい(例えば、約100nm未満)MISFETが形成される領域(B領域または[B])の不純物濃度の約2倍である。
The
半導体基板11の素子形成領域は、素子分離領域13で分離されている。素子形成領域には、ゲート絶縁膜23に近い側にソースまたはドレインエクステンション領域(以下、エクステンション領域17という)、エクステンション領域17と接してゲート絶縁膜23から遠い側にソースまたはドレインとなるソース・ドレイン領域19が、チャネル領域15a、15bの両側に、それぞれ、離間して形成されている。ソース・ドレイン領域19の表面に、ニッケル、コバルト、及び、パラジウムの内の少なくとも1つを有するシリサイド21が形成されている。
The element formation region of the
チャネル領域15a、15bの上面にゲート絶縁膜23が形成されている。ゲート絶縁膜23は、シリコン酸窒化膜(SiON)、ハフニウム酸化膜(HfO2)、ハフニウムシリコン酸窒化膜(HfSiON)等を含む高誘電体絶縁膜である。
A
A領域のゲート電極25aは、フルシリサイドであって、シリコンに対してメタルの組成比が相対的に小さな、例えば、NiSiである。一方、B領域のゲート電極25bは、フルシリサイドであって、シリコンに対してメタルの組成比が相対的に大きな、例えば、Ni2Siである。なお、ゲート電極25aは、シリコンが1に対してニッケルがほぼ1であるNiSiが主要なシリサイドであればよく、ゲート電極25bは、シリコンが1に対してニッケルが2以上であるNixSiy(x≧2y)が主要なシリサイドであればよい。ゲート電極25aは、ゲート長が、例えば、約180nm、ゲート電極25bは、ゲート長が、例えば、約40nmに形成されている。
The
ゲート電極25a、25b及びゲート絶縁膜23の両側部、エクステンション領域17及びソース・ドレイン領域19の上部に、シリコン窒化膜からなる側壁絶縁膜31が形成されている。なお、側壁絶縁膜31は、シリコン酸化膜、または、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層構造等であってもよい。
A
ゲート電極25a、25b、側壁絶縁膜31、及び、半導体基板11の表面等を覆うように、シリコン窒化膜等からなるライナ膜33が形成されている。ライナ膜33の上部に、シリコン酸化膜等からなる層間絶縁膜41が形成されている。なお、図示を省略するが、半導体装置1は、層間絶縁膜41及びライナ膜33等を貫通して、コンタクトプラグがシリサイド膜21に接続するように形成され、層間絶縁膜41の上部には配線層等が形成されている。
A
次に、半導体装置1の製造方法について説明する。図2(a)に示すように、半導体基板11上に素子分離領域13を形成する。以降、各図において、ゲート長が大きいA領域を[A]、ゲート長が小さいB領域を[B]で示す。
Next, a method for manufacturing the
図2(b)に示すように、半導体基板11の表面にシリコン酸化膜51を形成し、ウェルを形成するためのイオン注入を行う。
As shown in FIG. 2B, a
図2(c)に示すように、フォトレジスト53を塗布し、A領域のフォトレジスト53が残るように、パターニングを行う。その後、B領域に素子の閾値電圧を決めるのに大きな役割を持つチャネルを形成するためのイオン注入(矢印の方向)を行う。n‐MISFETのチャネルとなる領域には、ボロンまたはインジウム等の不純物を、p‐MISFETのチャネルとなる領域には、砒素、燐、またはアンチモン等の不純物をイオン注入する。
As shown in FIG. 2C, a
図2(d)に示すように、フォトレジスト53を剥離後、フォトレジスト55を塗布し、B領域のフォトレジスト55が残るように、パターニングを行う。その後、A領域に素子の閾値電圧を決めるのに大きな役割を持つチャネルを形成するためのイオン注入(矢印の方向)を行う。B領域と同様、n‐MISFETのチャネルとなる領域には、ボロンまたはインジウム等の不純物を、p‐MISFETのチャネルとなる領域には、砒素、燐、またはアンチモン等の不純物をイオン注入する。A領域及びB領域のイオン注入は、どちらが先でも差し支えない。
As shown in FIG. 2D, after removing the
ここで、A領域の不純物濃度は、チャネル領域に同種の不純物を有するB領域の不純物濃度よりも大きくなるように、例えば、2倍乃至それ以上となるように、イオン注入条件を設定する。そして、フォトレジスト55を剥離した後、ウェル及びチャネル領域のイオン注入された不純物の活性化を行う。
Here, the ion implantation conditions are set so that the impurity concentration of the A region is larger than the impurity concentration of the B region having the same kind of impurities in the channel region, for example, twice or more. Then, after the
図3(a)に示すように、シリコン酸化膜51を除去し、ゲート絶縁膜23となるSiON、HfO2、HfSiON等を含む高誘電体絶縁膜からなる絶縁膜123を半導体基板11の表面に形成する。
As shown in FIG. 3A, the
図3(b)に示すように、絶縁膜123の上に、ゲート電極25となるポリシリコン膜125を成長させる。そして、n‐MISFETとなるポリシリコン膜125の領域に、砒素または燐等の不純物を、p‐MISFETとなるポリシリコン膜125の領域に、ボロンまたはフッ化ボロン(BF2)等の不純物をイオン注入する。その後、ポリシリコン膜125をゲート電極形状とするための加工用マスク材として、シリコン窒化膜58を形成する。なお、ポリシリコン膜125は、アモルファスシリコン膜で代替することが可能である。
As shown in FIG. 3B, a
図3(c)に示すように、フォトリソグラフィ工程を用いてシリコン窒化膜58のパターニングを行い、RIE(Reactive Ion Etching)工程等を経て、ポリシリコン膜125を加工してゲート電極25の形状をなす第1のシリコン材料膜であるポリシリコン膜125a、第2のシリコン材料膜であるポリシリコン膜125bを形成し、絶縁膜123を加工してゲート絶縁膜23を形成する。マスク材のシリコン窒化膜58は取り除かず、残しておく。
As shown in FIG. 3C, the
図3(d)に示すように、半導体基板11の表面の浅い位置に、エクステンション領域17を形成するために、n‐MISFETの場合、砒素または燐等の不純物を、p‐MISFETの場合、ボロンまたはフッ化ボロン等の不純物をイオン注入する。この際、パンチスルーを抑制するために、n‐MISFETの場合、ボロン、インジウム、またはフッ化ボロン等の不純物を、p‐MISFETの場合、砒素または燐等の不純物をイオン注入する。
As shown in FIG. 3D, in order to form the
図4(a)に示すように、シリコン窒化膜等の絶縁膜を全面に形成し、その後、RIE工程にて、シリコン窒化膜58、ポリシリコン膜125a、125b、及び、ゲート絶縁膜23の側部に、側壁絶縁膜31を形成する。なお、側壁絶縁膜31は、ゲート電極に接する膜がシリコン窒化膜であれば、その上にシリコン酸化膜等を積層した多層構造であってもよい。
As shown in FIG. 4A, an insulating film such as a silicon nitride film is formed on the entire surface, and then in the RIE process, the
図4(b)に示すように、ソース・ドレイン領域19となる領域に、n‐MISFETの場合、砒素または燐等の不純物を、p‐MISFETの場合、ボロンまたはフッ化ボロン等の不純物をイオン注入する。その後、イオン注入した不純物を活性化するために、アニールを行い、エクステンション領域17及びソース・ドレイン領域19が形成される。
As shown in FIG. 4B, impurities such as arsenic or phosphorus in the case of n-MISFET and impurities such as boron or boron fluoride in the case of p-MISFET are ionized in the region to be the source /
図4(c)に示すように、ソース・ドレイン領域19の表面等に、ニッケル、コバルト、及び、パラジウムをスパッタリング法で形成し、その後、アニールを行い、ソース・ドレイン領域19の表面に、シリサイド膜21を形成する。その後、シリサイド膜21の形成に使用されなかったメタルは除去される。
As shown in FIG. 4C, nickel, cobalt, and palladium are formed on the surface of the source /
図5(a)に示すように、シリコン窒化膜59、及び、シリコン酸化膜等からなる絶縁膜60を、順次形成し、絶縁膜60の表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法等で平坦化する。
As shown in FIG. 5A, a
図5(b)に示すように、RIE工程にて、ポリシリコン膜125a、125b上のシリコン窒化膜58等を取り除く。
As shown in FIG. 5B, the
図5(c)に示すように、RIE工程にて、絶縁膜60を取り除く。
As shown in FIG. 5C, the insulating
図6(a)に示すように、ポリシリコン膜125a、125bの上面等を含む全面にニッケル61をスパッタリング法で形成し、次に、アニールを行って、ポリシリコン膜125a、125b表面のニッケルとシリコンとを反応させる。ポリシリコン膜125a、125bの膜厚に対して、例えば、ニッケル61の膜厚は約60%である。ゲート長が大きいMISFETの場合、NiSiが主に形成される。一方、ゲート長が小さいMISFETの場合、Ni2Si及びNixSiy(x>2y)が主に形成される。つまり、ポリシリコン膜125a、125bは、全面的にシリサイド化されたゲート電極25a、25bとなる。
As shown in FIG. 6A,
図6(b)に示すように、表面のシリサイド化されなかったニッケル61を除去し、ゲート電極25a、25b、及び、シリコン窒化膜59等の上に、シリコン窒化膜を堆積する。シリコン窒化膜59の上に新しいシリコン窒化膜が積層され、両者を合わせたライナ膜33が形成される。ライナ膜33の上に、層間絶縁膜41が形成され、表面がCMP法等で平坦化され、その後、図示を省略するが、周知のコンタクトプラグ形成工程、配線工程等を行い、図1に示すように、半導体装置1が完成する。
As shown in FIG. 6B, the
上述したように、半導体装置1は、半導体基板11の表面に不純物がドープされたチャネル領域15aと、半導体基板11の表面に不純物がドープされ、チャネル領域15aより不純物濃度が低いチャネル領域15bと、チャネル領域15a上にゲート絶縁膜23を介して形成されたゲート長の大きい、NiSiが主であるフルシリサイド化されたゲート電極25aと、第2のチャネル領域15b上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート長の小さい、NixSiy(x≧2y)が主であるフルシリサイド化されたゲート電極25bとを備えている。
As described above, the
つまり、半導体装置1は、ゲート長が大きいNiSiを主とするフルシリサイドのゲート電極25aとチャネル領域15aの高い不純物濃度を組み合わせ、ゲート長が小さいNi2Siを主とするフルシリサイドのゲート電極25bとチャネル領域15bの低い不純物濃度を組み合わせる結果、組成の異なるシリサイドの仕事関数が変調されて、A領域とB領域との閾値電圧の差を小さくすることが可能となる。閾値電圧の差を小さくできるために、半導体装置1は、ゲート長の異なるMISFETを混載可能となり、使い勝手のよい半導体装置となる。
In other words, the
また、ゲート長が、例えば、約100nm以上であるか、約100nmより小さいかを境界として、大きいゲート長を有するチャネル領域15aの不純物濃度を、小さいゲート長を有するチャネル領域15bの不純物濃度の約2倍とするように、チャネル領域15a、15b形成時にイオン注入条件を変えるだけで、比較的容易に、半導体装置1を形成することが可能となる。すなわち、半導体装置1の製造方法は、従来の半導体装置の製造工程を、大きく変更する必要がないので、半導体装置1の製造方法は、製造歩留まり低下等を抑制することが可能となる。
In addition, the impurity concentration of the
本発明は、上述した実施例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内で、種々、変形して実施することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
1 半導体装置
11 半導体基板
13 素子分離領域
15a、15b チャネル領域
17 エクステンション領域
19 ソース・ドレイン領域
21 シリサイド膜
23 ゲート絶縁膜
25a、25b ゲート電極
31 側壁絶縁膜
33 ライナ膜
41 層間絶縁膜
51 シリコン酸化膜
53、55 フォトレジスト
58、59 シリコン窒化膜
60、123 絶縁膜
61 ニッケル
125、125a、125b ポリシリコン膜
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記半導体基板の表面に不純物がドープされた第1のチャネル領域と、
前記半導体基板の表面に不純物がドープされ、第1のチャネル領域より不純物濃度が低い第2のチャネル領域と、
前記第1のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート長の大きい、全体がシリサイドからなる第1のゲート電極と、
前記第2のチャネル領域上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート長の小さい、全体がシリサイドからなる第2のゲート電極と、
を備えていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
A first channel region doped with impurities on the surface of the semiconductor substrate;
A second channel region doped with impurities on the surface of the semiconductor substrate and having a lower impurity concentration than the first channel region;
A first gate electrode having a large gate length formed on the first channel region via a gate insulating film and made entirely of silicide;
A second gate electrode having a small gate length formed on the second channel region through a gate insulating film and made entirely of silicide;
A semiconductor device comprising:
前記第1のチャネル領域の上に、ゲート絶縁膜を介して、第1のゲート電極となる予定の第1のシリコン材料膜を形成し、前記第2のチャネル領域の上に、ゲート絶縁膜を介して、前記第1のシリコン材料膜よりゲート長の小さい第2のゲート電極となる予定の第2のシリコン材料膜を形成する工程と、
前記第1及び第2のシリコン材料膜の側部に、それぞれ、前記第1及び第2のチャネル領域を挟んで、互いに離間したソース・ドレイン領域を形成する工程と、
前記第1及び第2のシリコン材料膜上に接触して金属を堆積し、前記第1及び第2のシリコン材料膜が前記金属と化合して、それぞれ、全体が実質的にシリサイド化された前記第1及び第2のゲート電極が形成される工程と、
を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first channel region and a second channel region having an impurity concentration lower than that of the first channel region on a surface of the semiconductor substrate;
A first silicon material film to be a first gate electrode is formed on the first channel region via a gate insulating film, and a gate insulating film is formed on the second channel region. A step of forming a second silicon material film to be a second gate electrode having a gate length smaller than that of the first silicon material film,
Forming source and drain regions spaced apart from each other across the first and second channel regions, respectively, on the side portions of the first and second silicon material films;
A metal is deposited on and in contact with the first and second silicon material films, and the first and second silicon material films combine with the metal, respectively, so that the whole is substantially silicided. Forming first and second gate electrodes;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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