JP2008258635A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、素子分離構造に特徴がある半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device characterized by an element isolation structure.
近年、コンピュ−タ−や通信機器の重要部分には、多数のトランジスタや抵抗等を電気回路を達成するようにむすびつけ、1チップ上に集積化して形成した大規模集積回路(LSI)が多用されている。このため、機器全体の性能は、LSI単体の性能と大きく結び付いている。LSI単体の性能向上は、集積度を高めること、つまり、素子の微細化により実現できる。 In recent years, large-scale integrated circuits (LSIs) formed by integrating a large number of transistors, resistors, and the like so as to achieve an electric circuit and integrating them on a single chip are often used in important parts of computers and communication devices. ing. For this reason, the performance of the entire device is greatly linked to the performance of the LSI alone. The improvement of the performance of a single LSI can be realized by increasing the degree of integration, that is, by miniaturizing elements.
素子の微細化は、例えばMOSトランジスタの場合であれば、ゲート長の短縮化およびソース・ドレイン拡散層の薄層化により実現できる。 For example, in the case of a MOS transistor, element miniaturization can be realized by shortening the gate length and thinning the source / drain diffusion layer.
浅いソース・ドレイン拡散層を形成する方法としては、低加速イオン注入法が広く用いられている。この方法により0.1μm以下の浅いソース・ドレイン拡散層を形成できる。 As a method for forming a shallow source / drain diffusion layer, a low acceleration ion implantation method is widely used. By this method, a shallow source / drain diffusion layer of 0.1 μm or less can be formed.
しかし、このように低加速イオン注入法で形成されるソース・ドレイン拡散層は、シート抵抗が100Ω/□以上という高い値になるため、このままでは微細化による高加速化は期待できない。 However, since the source / drain diffusion layer formed by the low acceleration ion implantation method has a high sheet resistance of 100Ω / □ or more, high acceleration due to miniaturization cannot be expected as it is.
そこで、ロジックLSIのように高速性を要求されるデバイスでは、ソース・ドレイン拡散層およびゲート電極(不純物がドープされた多結晶シリコン膜)の表面にシリサイド膜を自己整合的に形成するというサリサイド技術が用いられている。 Therefore, in devices that require high speed, such as logic LSIs, salicide technology that forms silicide films on the surfaces of source / drain diffusion layers and gate electrodes (polycrystalline silicon films doped with impurities) in a self-aligned manner. Is used.
デュアルゲートのMOSトランジスタ(同一基板に形成されたnチャネルおよびpチャネルのMOSトランジスタであって、nチャネルMOSトランジスタのゲート電極としてn型不純物がドープされた多結晶シリコン膜、pチャネルMOSトランジスタのゲート電極としてp型不純物がドープされた多結晶シリコン膜を用いたもの)を形成する場合には、サリサイド技術は単にゲート電極の抵抗化を図るだけではなく、工程数の削減化を図ることもできる。 Dual-gate MOS transistor (n-channel and p-channel MOS transistors formed on the same substrate, a polycrystalline silicon film doped with n-type impurities as the gate electrode of the n-channel MOS transistor, the gate of the p-channel MOS transistor When a p-type impurity doped polycrystalline silicon film is used as an electrode, the salicide technique can not only simply make the gate electrode resistive, but also reduce the number of processes. .
その理由は、ソース・ドレイン拡散層を形成するためのイオン注入工程において、ゲート電極(多結晶シリコン膜)に所定の導電型の不純物をドープできるからである。 This is because the gate electrode (polycrystalline silicon film) can be doped with impurities of a predetermined conductivity type in the ion implantation process for forming the source / drain diffusion layers.
これに対して、ポリサイドゲート電極(不純物がドープされた多結晶シリコン膜上にWシリサイド膜等の金属シリサイド膜を積層させたゲート電極)を用いてデュアルゲートのMOSトランジスタを形成する場合には、ソース・ドレイン拡散層を形成するためのイオン注入工程において、多結晶シリコン膜は金属シリサイド膜でマスクされるので、多結晶シリコン膜に所定の導電型の不純物をドープすることはできない。 On the other hand, when a dual gate MOS transistor is formed using a polycide gate electrode (a gate electrode in which a metal silicide film such as a W silicide film is laminated on a polycrystalline silicon film doped with impurities). In the ion implantation process for forming the source / drain diffusion layers, since the polycrystalline silicon film is masked with the metal silicide film, the polycrystalline silicon film cannot be doped with an impurity of a predetermined conductivity type.
したがって、ソース・ドレイン拡散層の形成前に、多結晶シリコン膜にあらかじめ所定の導電型の不純物をドープする必要がある。すなわち、ソース・ドレイン拡散層を形成するためのイオン注入工程と、多結晶シリコン膜に所定の導電型の不純物をドープするためのイオン注入工程とが別々の工程となり、工程数が増加する。 Therefore, before forming the source / drain diffusion layer, it is necessary to dope the polycrystalline silicon film with an impurity of a predetermined conductivity type in advance. That is, the ion implantation process for forming the source / drain diffusion layers and the ion implantation process for doping the polycrystalline silicon film with impurities of a predetermined conductivity type are separate processes, and the number of processes increases.
具体的には、サリサイド技術の場合よりも、フォトリソグラフィ工程が2回、イオン注入工程が2回、レジスト除去工程が2回それぞれ増加する。 Specifically, the photolithography process is increased twice, the ion implantation process is increased twice, and the resist removal process is increased twice as compared with the salicide technique.
一方、DRAM等のメモリLSIのように素子を高密度に集積形成することが要求されるデバイスにおいては、SAC(Self-Aligned Contact)構造を採用することが必須である。 On the other hand, it is indispensable to adopt a SAC (Self-Aligned Contact) structure in a device such as a memory LSI such as a DRAM that requires integrated formation of elements at a high density.
SAC構造を形成する工程には、一方のソース・ドレイン拡散層(通常はソースとして用いられる方)上の層間絶縁膜をRIE法にてエッチングし、上記ソース・ドレイン拡散層に対してのコンタクトホールを形成する工程がある。 In the step of forming the SAC structure, an interlayer insulating film on one source / drain diffusion layer (usually used as a source) is etched by the RIE method, and a contact hole for the source / drain diffusion layer is formed. There is a step of forming.
このとき、コンタクトホールに合わせずれが起きても、ゲート電極(多結晶シリコン膜)の表面が露出しないようにする必要がある。そのために、ゲート電極上にエッチングストッパ膜としてシリコン窒化膜をあらかじめ形成しておく。 At this time, it is necessary to prevent the surface of the gate electrode (polycrystalline silicon film) from being exposed even if misalignment occurs in the contact hole. For this purpose, a silicon nitride film is formed in advance as an etching stopper film on the gate electrode.
このようなシリコン窒化膜があると、ソース・ドレイン拡散層を形成する際のイオン注入工程において、ゲート電極に不純物が注入されなくなる。したがって、メモリLSIには、ロジックLSIで用いられているサリサイド技術を用いることができない。 When such a silicon nitride film is present, impurities are not implanted into the gate electrode in the ion implantation step when forming the source / drain diffusion layers. Therefore, the salicide technology used in the logic LSI cannot be used for the memory LSI.
ところで、メモリLSIでは、従来から、不純物がドープされた多結晶シリコン膜からなるゲート電極(多結晶シリコンゲート電極)が広く用いられ、また低抵抗化の必要性からポリサイドゲート電極も用いられている。 By the way, in memory LSI, conventionally, a gate electrode (polycrystalline silicon gate electrode) made of a polycrystalline silicon film doped with impurities has been widely used, and a polycide gate electrode has also been used because of the necessity of low resistance. Yes.
さらに低抵抗のゲート電極が必要な場合には、不純物がドープされた多結晶シリコン膜、バリアメタル膜、W膜等の金属膜を順次積層してなるポリメタルゲート電極が用いられる。ポリメタルゲート電極は、ポリサイドゲート電極よりも抵抗が低いことから、より薄い膜厚で所望のシート抵抗を実現できる。 In the case where a low resistance gate electrode is required, a polymetal gate electrode formed by sequentially laminating metal films such as a polycrystalline silicon film doped with impurities, a barrier metal film, and a W film is used. Since the polymetal gate electrode has a lower resistance than the polycide gate electrode, a desired sheet resistance can be realized with a thinner film thickness.
しかしながら、ポリメタルゲート電極には以下のような問題がある。ロジックLSIでは上述したデュアルゲート構造が用いられる。そのため、ポリサイドゲート電極の場合と同様に、ロジックLSIでポリメタルゲート電極を用いると、ポリメタルゲート電極の多結晶シリコン膜に不純物をイオン注入する工程と、ソース・ドレイン拡散層を形成するためにシリコン基板に不純物をイオン注入する工程をそれぞれ別々の工程で行なう必要が生じる。したがって、工程数が増大し、生産コストが上昇する。 However, the polymetal gate electrode has the following problems. The logic LSI uses the dual gate structure described above. Therefore, as in the case of the polycide gate electrode, when a polymetal gate electrode is used in the logic LSI, a process of ion-implanting impurities into the polycrystalline silicon film of the polymetal gate electrode and a source / drain diffusion layer are formed. In addition, it is necessary to perform the step of ion-implanting impurities into the silicon substrate in separate steps. Therefore, the number of processes increases and the production cost increases.
ところで、ロジックICとDRAMを混載させたLSIにおいて、DRAMのソース・ドレイン拡散層の表面にシリサイド膜を形成すると、メモリセルのpn接合リーク電流が大きくなり、データの保持特性が悪くなる。また、DRAMでは、上述したようにSAC構造が必要であることから、Wポリサイド電極が用いられる。 By the way, in an LSI in which a logic IC and a DRAM are mixedly mounted, if a silicide film is formed on the surface of the source / drain diffusion layer of the DRAM, the pn junction leakage current of the memory cell increases and the data retention characteristics deteriorate. In addition, since the DRAM requires a SAC structure as described above, a W polycide electrode is used.
一方、ロジックICでは、低電圧でできるだけ多くの電流を流すために、MOSトランジスタのしきい値電圧を低くする必要がある。そのためには、nチャネルMOSトランジスタのゲート電極の多結晶シリコン膜にはPやAsなどのn型不純物をドープしてn- 型とし、pチャネルMOSトランジスタのそれにはBF2 等のp型不純物をドープしてP+ 型とする必要がある。 On the other hand, in the logic IC, the threshold voltage of the MOS transistor needs to be lowered in order to pass as much current as possible at a low voltage. For this purpose, the polycrystalline silicon film of the gate electrode of the n-channel MOS transistor is doped with an n-type impurity such as P or As to make it n − -type, and the p-channel MOS transistor is doped with a p-type impurity such as BF 2. It is necessary to dope to make P + type.
トランジスタの高性能化は、ソース・ドレイン・ゲートを低抵抗化するだけでは不十分であり、トランジスタの特性ばらつきを小さくすることも非常に重要である。特性ばらつきの大きな原因の1つとしてしきい値電圧のばらつきがある。 In order to improve the performance of a transistor, it is not sufficient to reduce the resistance of the source, drain, and gate. It is also very important to reduce variations in transistor characteristics. One of the major causes of characteristic variation is threshold voltage variation.
ゲートの加工寸法(ゲート長)に対して、MOSトランジスタのしきい値電圧を測定すると、短チャネル領域でしきい値電圧の大きな低下が起こる。例えば、基板不純物濃度:5×1017cm-3、ゲート酸化膜厚:4.0nm、ゲート幅(w):10μm、ソース・ドレイン拡散層の不純物濃度:5×1017cm-3、ソース・ドレイン拡散層の接合深さ(xj ):0.15μmのnチャネルMOSトランジスタについて、しきい値電圧のチャネル長依存性を調べたところ、チャネル長が0.2μm以下になると、しきい値電圧が急激に低下することが分かった。 When the threshold voltage of the MOS transistor is measured with respect to the gate processing dimension (gate length), the threshold voltage is greatly reduced in the short channel region. For example, substrate impurity concentration: 5 × 10 17 cm −3 , gate oxide film thickness: 4.0 nm, gate width (w): 10 μm, source / drain diffusion layer impurity concentration: 5 × 10 17 cm −3 , source / drain Junction depth (x j ) of drain diffusion layer: n-channel MOS transistor of 0.15 μm was examined for channel length dependence of threshold voltage. When the channel length was 0.2 μm or less, the threshold voltage Was found to drop sharply.
チャネルのコンダクタンスはゲート長が短いほど高いため、LSI回路ではよりゲート長の短いMOSトランジスタを採用したい。ところが、ゲート長が10〜15nm変化しただけでしきい値電圧が50mV以上変化するため、このようなゲート長の短いMOSトランジスタを採用すると、加工寸法のばらつき、ゲート酸化膜の膜厚のばらつき、ソース・ドレイン拡散層の不純物濃度分布のばらつきなどの影響によって、しきい値電圧のばらつきが起こり易くなる。これはLSIの歩留り低下の大きな原因になる。 Since the conductance of the channel is higher as the gate length is shorter, it is desirable to employ a MOS transistor having a shorter gate length in the LSI circuit. However, since the threshold voltage changes by 50 mV or more just by changing the gate length by 10 to 15 nm, if such a short gate length MOS transistor is employed, variations in processing dimensions, variations in gate oxide film thickness, Variations in threshold voltage are likely to occur due to the influence of variations in the impurity concentration distribution of the source / drain diffusion layers. This is a major cause of LSI yield reduction.
加工寸法のばらつきの次にしきい値電圧のばらつきに大きく影響するのが、素子領域端部における素子分離絶縁膜の形状である。素子と素子の間の分離が0.3μm程度以下の高集積回路では、シリコン基板に0.2〜0.3μmの深さまでトレンチ(素子分離溝)を堀り、それを埋め込むように酸化膜をCVD法を用いて基板全面に堆積し、トレンチ外の余剰な酸化膜を化学的機械的研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)で除去することで素子分離を行うというSTI(Shallow Trench Isolation)が一般に用いられている。 The shape of the element isolation insulating film at the end portion of the element region has the greatest influence on the variation of the threshold voltage next to the variation in the processing dimension. In a highly integrated circuit in which isolation between elements is about 0.3 μm or less, a trench (element isolation groove) is dug to a depth of 0.2 to 0.3 μm in a silicon substrate, and an oxide film is embedded so as to fill the trench. Generally, STI (Shallow Trench Isolation) is used, which is deposited on the entire surface of the substrate using CVD, and removes excess oxide film outside the trench by chemical mechanical polishing (CMP). It has been.
従来、TEOS/オゾン系のCVD−SiO2 膜による埋込みが行われてきおり、図24(a)に示すように、シリコン基板91に形成したトレンチ(素子分離溝)のアスペクト比が1〜1.5程度の場合には、ボイドを招くことなく酸化膜92でトレンチを埋め込むことが可能である。
Conventionally, a TEOS / ozone-based CVD-SiO 2 film has been embedded, and as shown in FIG. 24A, the aspect ratio of the trench (element isolation groove) formed in the
しかし、素子の微細化に伴いトレンチのアスペクト比が1.5よりも高くなると、トレンチ内を隙間なく酸化膜で埋め込むことが困難になり、図24(b)に示すように、酸化膜92の中央部にボイド(す)93が生じ、不完全な埋込み形状となる。
However, if the aspect ratio of the trench becomes higher than 1.5 with the miniaturization of the element, it becomes difficult to fill the trench with an oxide film without a gap, and as shown in FIG. A
ボイド93が生じると、その隙間に水分が吸収されやすいために吸湿性が高くなり、素子特性が劣化する。さらに、ボイド93のできかたや吸湿の度合いにはばらつきがあるので、ボイド93は素子特性のばらつきを招く原因となる。
When the
これを解決するために、HDPプラズマTEOSを用いた埋め込みが提案されている。しかし、アスペクト比が2〜2.5を超えると、酸化膜の埋込みが不完全になり、この場合にも図24(b)に示したようなボイド93が生じる。
In order to solve this, embedding using HDP plasma TEOS has been proposed. However, when the aspect ratio exceeds 2 to 2.5, the oxide film is not completely embedded, and in this case, a
基板バイアスを印加し、堆積した酸化膜をエッチングしながら酸化膜92の成膜を行うと、酸化膜92の込み形状はよくなるが、図25に示すように、トレンチ底部の基板表面に結晶欠陥94が生じ、素子特性が劣化する。さらに、結晶欠陥94の程度にはばらつきがあるので、結晶欠陥94は素子特性のばらつきを招く原因となる。
When the
また、図24および図25で説明したSTIの場合、酸化膜(堆積絶縁膜)92のエッチング速度が速いため、LSIの製造工程にある複数回の希フッ酸または希釈した弗化アンモンなどによるウエットエッチング処理で、トレンチ上部のエッジに図26に示すようなディヴォット95が生じる。
In the case of the STI described with reference to FIGS. 24 and 25, the etching rate of the oxide film (deposited insulating film) 92 is high, so that the wet process is performed with a plurality of diluted hydrofluoric acids or diluted ammonium fluoride in the LSI manufacturing process. The etching process generates a
この場合、ディヴォット95にゲート電極が食い込み、ここに見かけ上しきい値電圧の低いトランジスタ(コーナトランジスタ)が形成される。ディヴォット95の深さや形状は、パターン依存性があるため、コーナトランジスタのしきい値電圧はゲート幅により大きくばらつき、これは本来のMOSトランジスタのしきい値電圧のばらつきを招く原因となる。さらに、コーナトランジスタが存在すると、図27に示すようにハンプが生じ、素子特性が劣化する。また、ディヴォット95の深さや形状はウェハ面内で不均一であるため、素子特性のばらつきをさらに大きくする。
In this case, the gate electrode bites into the
このような問題を解決するために、図28に示すように、素子領域と素子分離領域との界面に熱酸化膜96を挟む方法が行われるが、熱酸化膜96を介在させた場合においても程度は軽くなるが、酸化膜92のエッチング速度が大きいために、図28に示すように、トレンチ上部において酸化膜92,96の後退が起こり、しきい値電圧のばらつきが問題になる。
In order to solve such a problem, as shown in FIG. 28, a method of sandwiching the
また、図29に示すように、シリコン基板91上に酸化膜92を先に形成し、次に素子領域に対応した領域の酸化膜92をエッチングにより除去し、次にエッチングによって現れた基板表面(Si)を成長核に用いたエピタキシャル成長によって、素子領域にシリコン層97を選択成長させる方法が提案されている。しかし、この方法では、ファセット98(斜めの結晶面)が形成され、ファセット98の部分にゲート電極が食い込み、図26に示したディヴォット95のある構造の場合と同様な問題が生じる。
Also, as shown in FIG. 29, an
本発明の目的は、素子特性のばらつきが抑制されたMOS型素子を有する半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a MOS type element in which variation in element characteristics is suppressed.
本発明に係る半導体装置は、基板の半導体領域に埋め込まれた素子分離絶縁膜と、前記素子分離絶縁膜によって素子分離され、上部が前記素子分離絶縁膜の表面よりも上に突出し、前記半導体領域の半導体層と、この半導体層にソース・ドレイン領域、ゲート絶縁膜およびゲート電極が形成され、かつ、前記ゲート電極がチャネル幅方向に平行な面の断面において前記素子分離絶縁膜上に形成されてなるMOS型素子とを具備してなり、前記ゲート電極下の前記半導体層の上面位置が、前記ゲート電極下の前記素子分離絶縁膜の上面位置よりも、20nm以上高いことを特徴とする。 The semiconductor device according to the present invention includes an element isolation insulating film embedded in a semiconductor region of a substrate and an element isolation by the element isolation insulating film, the upper portion protruding above the surface of the element isolation insulating film, and the semiconductor region A semiconductor layer, a source / drain region, a gate insulating film, and a gate electrode are formed in the semiconductor layer, and the gate electrode is formed on the element isolation insulating film in a cross section of a plane parallel to the channel width direction. The upper surface position of the semiconductor layer under the gate electrode is 20 nm or more higher than the upper surface position of the element isolation insulating film under the gate electrode.
本発明によれば、素子分離絶縁膜の上面位置とMOS型素子が形成された半導体層(素子領域の半導体層)の上面位置との差を所定値にすることによって、素子特性のばらつきを効果的に抑制できるようになる。 According to the present invention, the variation in element characteristics can be effectively achieved by setting the difference between the upper surface position of the element isolation insulating film and the upper surface position of the semiconductor layer in which the MOS type element is formed (semiconductor layer in the element region) to a predetermined value. Can be suppressed.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1および図2は、本発明の第1の実施形態に係る素子分離構造の形成方法を示す工程断面図である。
(First embodiment)
1 and 2 are process cross-sectional views illustrating a method for forming an element isolation structure according to the first embodiment of the present invention.
まず、図1(a)に示すように、単結晶のシリコン基板1上に素子分離絶縁膜としての熱酸化膜2を形成する。熱酸化膜2を形成するための熱酸化は、900℃以上の雰囲気、通常は水蒸気/酸素雰囲気で行われ、これにより密度が高く、フッ酸や弗化アンモンに対するエッチング速度が遅い熱酸化膜2が得られる。よりエッチング速度の遅い酸化膜2は、10気圧以上の高圧酸化性雰囲気下で熱酸化を行うことで得られる。
First, as shown in FIG. 1A, a
次に図1(b)に示すように、フォトリソグラフィおよび異方性エッチングを用いて、素子形成領域に対応した部分の熱酸化膜2を選択的に除去し、熱酸化膜2に開口部を開口する。
Next, as shown in FIG. 1B, the portion of the
ここで、フォトレジストの露光には例えばKrFまたはArFエキシマレーザーを用い、異方性エッチングには例えば反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)を用いる。 Here, for example, KrF or ArF excimer laser is used for the exposure of the photoresist, and for example, reactive ion etching (RIE) is used for the anisotropic etching.
次に開口部底面の基板表面の炭素やフッ素からなる汚染層を酸化し、希釈したフッ酸または弗化アンモンにより、開口部底面の基板表面の自然酸化膜の除去を行う。この後、水素を含むガス雰囲気中での熱処理により、開口部底面の基板表面の自然酸化膜の除去をさらに行う。 Next, the contamination layer made of carbon or fluorine on the substrate surface at the bottom of the opening is oxidized, and the natural oxide film on the substrate surface at the bottom of the opening is removed with diluted hydrofluoric acid or ammonium fluoride. Thereafter, the natural oxide film on the substrate surface at the bottom of the opening is further removed by heat treatment in a gas atmosphere containing hydrogen.
次に図1(c)に示すように、露出した基板表面を成長核(シード)に用いてシリコン基板1上にエピタキシャル層3を選択成長させる。エピタキシャル層3は熱酸化膜2よりも厚く、かつ熱酸化膜2上にはみだすように選択成長させる。
Next, as shown in FIG. 1C, the
エピタキシャル層3は、シリコン層、シリコンゲルマニウム層(ゲルマニウムがシリコンに対して10〜90%の濃度範囲で固溶した合金膜)、またはゲルマニウム層である。
The
シリコンのソースガスとしてはジクロルシランを通常用いる。また、残留水蒸気分圧および酸素分圧が10-9Torr以下の成膜装置を用いる場合には、モノシラン、ジシランまたはトリシランを用いても良い。 Dichlorosilane is usually used as the source gas for silicon. In the case of using a film forming apparatus having a residual water vapor partial pressure and an oxygen partial pressure of 10 −9 Torr or less, monosilane, disilane, or trisilane may be used.
ゲルマニウムのソースガスとしては、ゲルマン(GeH4 )または四弗化ゲルマン(GeF4 )を用いる。シリコンゲルマ膜の形成は、いずれのソースガスの組み合わせも可能で、通常、モノシランとゲルマンとの組合せが用いられる。 As the germanium source gas, germane (GeH 4 ) or tetrafluoride germane (GeF 4 ) is used. The formation of the silicon germanium film can be any combination of source gases, and a combination of monosilane and germane is usually used.
選択成長を確実に行うためにHClを添加しても良い。エピタキシャル成長温度は700℃から1100℃までの範囲内で、使用するガスの種類と堆積する膜厚、膜質により所望の条件下で成膜すれば良い。 HCl may be added to ensure selective growth. The epitaxial growth temperature is in the range from 700 ° C. to 1100 ° C., and the film may be formed under desired conditions depending on the type of gas used, the film thickness to be deposited, and the film quality.
次に図2(d)に示すように、CMPまたは機械的研磨(MP:Mechanical Polishing)により、熱酸化膜2の開口部の外部の余剰なエピタキシャル層3を除去し、表面を平坦化する。
Next, as shown in FIG. 2D, the
次に図2(e)に示すように、素子形成領域に残ったエピタキシャル層3の表面を10−50nm程度エッチングして、図2(d)の工程でエピタキシャル層3の表面に形成された結晶損傷層を除去する。この結果、エピタキシャル層3の表面は熱酸化膜2の表面よりも下に位置するようになる。
Next, as shown in FIG. 2E, the surface of the
上記エッチングは、エピタキシャル層3がシリコン層およびシリコンゲルマニウム層の場合、例えば硝酸に10%以下のフッ酸を混合させた液を酢酸または純水で希釈した液を使用したウエットエッチングである。
In the case where the
また、ゲルマニウム層の場合には、硝酸に10%以下のフッ酸を混合させた液を酢酸または純水で希釈した液を用いたウエットエッチング、または硫酸(必要があれば加熱または水で希釈するなりして、エッチング速度を制御する。)を用いたウエットエッチングである。 In the case of a germanium layer, wet etching using a solution obtained by diluting nitric acid with 10% or less hydrofluoric acid with acetic acid or pure water, or sulfuric acid (diluting with heating or water if necessary) Thus, the etching rate is controlled.).
最後に、水素を含む雰囲気中での熱処理によって、エピタキシャル層3の表面を原子層レベルで平坦化するとともに、熱酸化膜2とエピタキシャル層3との界面の歪みを緩和し、界面準位密度を5×1010cm-2程度以下に低減する。この後は、従来と同様に、エピタキシャル層3に所望の半導体素子、例えばMOSトランジスタを形成する工程が続く。
Finally, the surface of the
以上述べたように本実施形態によれば、エピタキシャル層3によって開口部を充填しているので、ばらつきの原因となるボイドの発生を防止でき、さらにエピタキシャル層3を開口部外の熱酸化膜2上にはみだすように形成しているので、ばらつきの原因となるファセットの発生も防止できる。したがって、本実施形態によれば、素子の微細化を進めても、素子特性のばらつきを効果的に抑制できる素子分離構造を実現できるようになる。
As described above, according to the present embodiment, since the opening is filled with the
なお、本実施形態では、エピタキシャル層3の表面が熱酸化膜2の表面よりも下に位置するようにしたが、逆に熱酸化膜2の表面のほうが低くても良く、あるいは両者が同じ高さであっても良い。要は、エピタキシャル層3を熱酸化膜2よりも厚く、かつ熱酸化膜2上にはみだすように選択成長させた後、余剰なエピタキシャル層3を除去すれば、特性ばらつきの原因となるボイドおよびファセットを防止できるので、最終的な素子分離構造は適宜選択すれば良い。
In the present embodiment, the surface of the
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態に係る素子分離構造の形成方法を示す工程断面図である。なお、図1および図2と対応する部分には図1および図2と同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a process cross-sectional view illustrating a method for forming an element isolation structure according to a second embodiment of the present invention. Parts corresponding to those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2, and detailed description thereof is omitted.
まず、図1(a)〜図1(c)に示した工程を行う。 First, the steps shown in FIGS. 1A to 1C are performed.
次に図3(a)に示すように、表面を平坦にするために全面にシリコン膜4を形成する。シリコン膜4の代わりにシリコンゲルマニウム膜、またはゲルマニウム膜を形成しても良い。
Next, as shown in FIG. 3A, a
次に図3(b)に示すように、熱酸化膜2の開口部の外部のシリコン膜4およびエピタキシャル層3をCMPまたはMPによって除去し、表面を平坦にする。ここで、エピタキシャル層3の厚さは熱酸化膜2の開口部の寸法の違いや密度の違いによって変わるというパターン依存性を持っているが、シリコン膜4によって表面が平坦になっているので、パターン依存性が改善され、CMP等後の表面の平坦性は十分に高くなる。この後の工程は、第1の実施形態の図2(e)の工程以降と同じである。
Next, as shown in FIG. 3B, the
(第3の実施形態)
図4および図5は、本発明の第3の実施形態に係る素子分離構造の形成方法を示す工程断面図である。本実施形態は第1の実施形態をSOI基板に適用した例である。
(Third embodiment)
4 and 5 are process cross-sectional views illustrating a method for forming an element isolation structure according to the third embodiment of the present invention. This embodiment is an example in which the first embodiment is applied to an SOI substrate.
まず、図4(a)に示すように、単結晶のシリコン基板11上に、CeO2 、YSZ(Yttrium Stabilized Zirconia)、CaF2 またはダイヤモンドなどの絶縁物からなる単結晶絶縁膜12を形成した後、単結晶絶縁膜12上に素子分離絶縁膜としての酸化膜13を形成する。
First, as shown in FIG. 4A, after a single
酸化膜13は900℃以上の酸化性雰囲気で熱酸化により形成するか、あるいは堆積形成した後に900℃以上の過熱を行うことによって形成する。このような方法により、フッ酸や弗化アンモンに対するエッチング速度の遅い酸化膜13が得られる。さらにエッチング速度の遅い酸化膜13を得るためには、10気圧以上の高圧酸化性雰囲気下で熱酸化を行うと良い。
The
次に図4(b)に示すように、フォトリソグラフィおよび異方性エッチングを用いて、素子形成領域に対応した領域の酸化膜13を選択的に除去し、酸化膜13に開口部を開口する。フォトレジストの露光には例えばKrFまたはArFエキシマレーザーを用い、異方性エッチングには例えばRIEを用いる。
Next, as shown in FIG. 4B, the
次に単結晶絶縁膜12の表面の炭素やフッ素からなる汚染層を酸化し、希釈したフッ酸または弗化アンモンにより、開口部底面の単結晶絶縁膜12の表面の自然酸化膜の除去を行い、続いて水素を含むガス雰囲気中での熱処理により、開口部底面の単結晶絶縁膜12の表面の自然酸化膜の除去をさらに行う。
Next, the contamination layer made of carbon or fluorine on the surface of the single
次に図4(c)に示すように、露出した単結晶絶縁膜12の表面を成長核(シード)に用いてエピタキシャル層14を選択成長させる。エピタキシャル層14は酸化膜13よりも厚く、かつ酸化膜13上にはみだすように選択成長させる。
Next, as shown in FIG. 4C, the
エピタキシャル層14は、シリコン層、シリコンゲルマニウム層(ゲルマニウムがシリコンに対して10−90%の濃度範囲で固溶した合金膜)、またはゲルマニウム層である。
The
シリコンのソースガスとしてはジクロルシランを通常用いる。また、残留水蒸気分圧および酸素分圧が10-9Torr以下の成膜装置を用いる場合には、モノシラン、ジシランまたはトリシランを用いても良い。 Dichlorosilane is usually used as the source gas for silicon. In the case of using a film forming apparatus having a residual water vapor partial pressure and an oxygen partial pressure of 10 −9 Torr or less, monosilane, disilane, or trisilane may be used.
ゲルマニウムのソースガスとしては、ゲルマン(GeH4 )または四弗化ゲルマン(GeF4 )を用いる。シリコンゲルマ膜の形成は、いずれのソースガスの組み合わせも可能で、通常、モノシランとゲルマンとの組合せが用いられる。 As the germanium source gas, germane (GeH 4 ) or tetrafluoride germane (GeF 4 ) is used. The formation of the silicon germanium film can be any combination of source gases, and a combination of monosilane and germane is usually used.
選択成長を確実に行うためにHClを添加しても良い。エピタキシャル成長温度は700℃から1100℃までの範囲内で、使用するガスの種類と堆積する膜厚、膜質により所望の条件下で成膜すれば良い。 HCl may be added to ensure selective growth. The epitaxial growth temperature is in the range from 700 ° C. to 1100 ° C., and the film may be formed under desired conditions depending on the type of gas used, the film thickness to be deposited, and the film quality.
次に図5(d)に示すように、CMPまたはMPにより、酸化膜13の開口部の外部の余剰なエピタキシャル層14を除去し、表面を平坦化する。
Next, as shown in FIG. 5D, the
次に図5(e)に示すように、素子形成領域に残ったエピタキシャル層14の表面を10〜50nm程度エッチングして、図5(d)の工程でエピタキシャル層14の表面に生じた結晶損傷層を除去する。この結果、エピタキシャル層14の表面は酸化膜13の表面よりも下に位置するようになる。
Next, as shown in FIG. 5E, the surface of the
上記エッチングは、エピタキシャル層14がシリコン層およびシリコンゲルマニウム層の場合、例えば硝酸に10%以下のフッ酸を混合させた液を酢酸または純水で希釈した液を使用したウエットエッチングである。
In the case where the
また、ゲルマニウムの場合には、硝酸に10%以下のフッ酸を混合させた液を酢酸または純水で希釈した液を用いたウエットエッチング、または硫酸(必要があれば加熱または水で希釈するなりして、エッチング速度を制御する。)を用いたウエットエッチングである。 In the case of germanium, wet etching using a solution obtained by diluting nitric acid with 10% or less hydrofluoric acid with acetic acid or pure water, or sulfuric acid (diluted with heat or water if necessary). Then, the etching rate is controlled.).
最期に、水素を含む雰囲気中での熱処理によって、エピタキシャル層14の表面を原子層レベルで平坦化するとともに、酸化膜13とエピタキシャル層14との界面の歪みを緩和し、界面準位密度を5×1010cm-2程度以下に低減して、素子分離構造が完成する。この後は、従来と同様に、エピタキシャル層14に所望の半導体素子、例えばMOSトランジスタを形成する工程が続く。
Finally, the surface of the
なお、図4(c)の工程で、エピタキシャル層13の厚さのパターン依存性を改善するために、第2の実施形態と同様に、全面にシリコン膜等を形成しても良い。
In the step of FIG. 4C, in order to improve the pattern dependency of the thickness of the
本実施形態でも、同様に第1の実施形態と、ばらつきの原因となるボイド、ファセットの発生を防止でき、したがって素子の微細化を進めても、素子特性のばらつきを効果的に抑制できる素子分離構造を実現できるようになる。さらに、本実施形態によれば、従来よりもSOI基板における素子分離を容易に行えるようになる。 Similarly to the first embodiment, the present embodiment can prevent the occurrence of voids and facets that cause variations, and therefore element isolation that can effectively suppress variations in element characteristics even if the elements are miniaturized. The structure can be realized. Furthermore, according to the present embodiment, element isolation on the SOI substrate can be performed more easily than before.
(第4の実施形態)
図6〜図9は本発明の第4の実施形態に係るMOSトランジスタの製造方法を示す工程断面図である。
(Fourth embodiment)
6 to 9 are process sectional views showing a method of manufacturing a MOS transistor according to the fourth embodiment of the present invention.
まず、図6(a)に示すように、単結晶のシリコン基板21上に熱酸化により厚さ200〜300nm程度の熱酸化膜22を形成する。熱酸化後に、NO、N2 O、NH3 または窒素ラジカルなどを用いて、熱酸化膜22の表面から少なくとも10〜20nm程度の深さの領域をSiNO膜などに変えても良い。
First, as shown in FIG. 6A, a
次に同図(a)に示すように、第1の実施形態と同様に、フォトリソグラフィおよび異方性エッチングを用いて、素子形成領域に対応した領域の熱酸化膜22を選択的に除去し、次に熱酸化膜22よりも厚く、かつ熱酸化膜22上にはみだすようにエピタキシャル層23を選択成長させ、次に第2の実施形態と同様に、エピタキシャル層23の厚さのパターン依存性を改善するために、シリコン膜24を全面に形成する。
Next, as shown in FIG. 6A, as in the first embodiment, the
エピタキシャル層23は、シリコン層、シリコンゲルマニウム層、またはゲルマニウム層である。シリコン膜24の代わりにシリコンゲルマニウム膜、またはゲルマニウム膜を形成しても良い。
The
次に図6(b)に示すように、熱酸化膜22の開口部の外部のシリコン膜24およびエピタキシャル層23をCMPまたはMPによって除去し、表面を平坦にする。
Next, as shown in FIG. 6B, the
この後、エピタキシャル層23の表面の結晶性を改善するために、800℃以上の温度、好ましくは900℃以上の温度の水素雰囲気中で熱処理を行う。このような熱処理によって、Si原子が表面で移動して原子レベルで平坦化され、結晶性が改善される。
Thereafter, in order to improve the crystallinity of the surface of the
以上述べた方法を用いると、0.15μm以下の分離幅で容易に素子領域(エピタキシャル層23)と素子分離領域(熱酸化膜22)を形成できる(従来方法では0.18μm程度が限界)。 When the method described above is used, the element region (epitaxial layer 23) and the element isolation region (thermal oxide film 22) can be easily formed with an isolation width of 0.15 μm or less (the conventional method has a limit of about 0.18 μm).
この後は、MOSトランジスタの製造工程であり、まず、図6(c)に示すように、エピタキシャル層23上に厚さ3〜10nm程度の熱酸化膜25を形成する。
Thereafter, the manufacturing process of the MOS transistor is performed. First, as shown in FIG. 6C, a
次に図7(d)に示すように、熱酸化膜25上にゲート電極と同じパターンのダミーゲート膜26を形成する。ダミーゲート膜26にはシリコン窒化膜とアモルファスシリコン膜との積層膜(SiN/a−Si膜)を用い、これを異方性エッチングにより加工することでダミーゲート膜26を形成する。
Next, as shown in FIG. 7D, a
ここで、ダミーゲート膜26の上層の膜はシリコン窒化膜に限定されるものではなく、後工程(図7(f))の層間絶縁膜30の研磨による平坦化工程において、層間絶縁膜30よりも研磨速度が遅くなる膜を使用すれば良い。
Here, the upper layer film of the
また、ダミーゲート膜26の下層の膜はアモルファスシリコン膜に限定されるものではなく、熱酸化膜25よりもエッチング速度の速い膜を使用すれば良い。具体的には、多結晶シリコン膜等のSi系の膜であれば良い。
The film below the
次に同図(d)に示すように、熱酸化膜25およびダミーゲート膜26をマスクにして、イオン注入、プラズマドーピング、または気相拡散などの不純物導入法を用いて、基板表面に不純物を導入してソース・ドレイン領域のエクステンション領域(LDD)27を形成する。
Next, as shown in FIG. 5D, impurities are introduced into the substrate surface by using an impurity introduction method such as ion implantation, plasma doping, or vapor phase diffusion using the
上記不純物の電気的な活性化は、100℃/sec以上の昇温速度が可能なRTA(Rapid Thermal Annealing)を用いて、800〜1000℃、30秒以下の熱処理によって行う。 The electrical activation of the impurities is performed by heat treatment at 800 to 1000 ° C. for 30 seconds or less using RTA (Rapid Thermal Annealing) capable of a temperature rising rate of 100 ° C./sec or more.
次に図7(e)に示すように、厚さ5〜30nm程度のシリコン窒化膜またはシリコン窒化酸化膜からなるゲート側壁絶縁膜28をいわゆる側壁残しにより形成する。後工程のダミーゲート膜26の除去工程時に、ゲート側壁絶縁膜28が横方向に後退しないように、ゲート側壁絶縁膜28とダミーゲート膜26との間に厚さ10nm以下の酸化膜が介在していることが望ましい。
Next, as shown in FIG. 7E, a gate side
次に同図(e)に示すように、イオン注入、プラズマドーピングまたは気相拡散などの不純物導入法を用いて、基板表面に不純物を導入してソース・ドレイン領域の深い領域29を形成する。上記不純物の電気的な活性化は100℃/sec以上の昇温速度が可能なRTAを用いて、800〜900℃、30秒以下の熱処理によって行なう。
Next, as shown in FIG. 4E, an impurity is introduced into the substrate surface by using an impurity introduction method such as ion implantation, plasma doping, or vapor phase diffusion to form a deep source /
活性化した不純物の濃度を高めるために、電子ビームや紫外領域の波長を有するレーザー、水銀ランプまたはキセノランプを用いて、1000℃以上、1秒以下の熱処理を行なっても良い。図7(d)の工程における不純物の電気的な活性化を本工程で行っても良い。 In order to increase the concentration of the activated impurity, heat treatment at 1000 ° C. or more and 1 second or less may be performed using an electron beam, a laser having a wavelength in the ultraviolet region, a mercury lamp, or a xeno lamp. The electrical activation of impurities in the step of FIG. 7D may be performed in this step.
この後、同図(e)に示すように、ダミーゲート膜26よりも厚い層間絶縁膜30をCVD法により全面に堆積する。ここでは、層間絶縁膜30として、ダミーゲート膜26の上部の膜であるシリコン窒化膜よりも研磨速度を十分に速くできるSiO2 膜を用いる。
Thereafter, as shown in FIG. 4E, an
次に図7(f)に示すように、ダミーゲート膜26の表面が露出するまで、層間絶縁膜30をCMPにより研磨して表面を平坦にする。
Next, as shown in FIG. 7F, the
次に図8(g)に示すように、等方性エッチングと異方性エッチングを組み合わせたエッチングによりダミーゲート膜26を除去した後、熱酸化膜25をエピタキシャル層23に結晶欠陥を形成しないようにエッチングにより除去して、開口部31を形成する。
Next, as shown in FIG. 8G, after removing the
次に図8(h)に示すように、開口部51の底面にB、Ga、In、P、AsまたはSbのイオン32を注入して、チャネル不純物ドーピング層33を形成する。
Next, as shown in FIG. 8H, ions 32 of B, Ga, In, P, As, or Sb are implanted into the bottom surface of the opening 51 to form a channel
このイオン注入は低温で行うことが好ましい。具体的には、基板温度を−60℃以下、望ましくは−100℃以下になるようにシリコン基板21を冷却しながらイオン注入を行なう。
This ion implantation is preferably performed at a low temperature. Specifically, ion implantation is performed while cooling the
このような低温でイオン注入を行うと、原子空孔の集合化を抑制できるため、熱処理により結晶欠陥を完全に回復できる。注入角度はシリコン基板21の表面に対して垂直または垂線から5°以内であることが好ましい。
When ion implantation is performed at such a low temperature, aggregation of atomic vacancies can be suppressed, so that crystal defects can be completely recovered by heat treatment. The implantation angle is preferably perpendicular to the surface of the
上記不純物の活性化のための熱処理は、一度熱処理室を真空に引くか、またはNもしくはArなどの不活性ガスを十分に流して、酸素、水蒸気、二酸化炭素などの酸化剤が熱処理室内に混入しない状態で熱処理を開始することが望ましい。図8(i)に熱処理後の断面図を示す。 For the heat treatment for activating the impurities, the heat treatment chamber is once evacuated, or an inert gas such as N or Ar is sufficiently flowed, and oxygen, water vapor, carbon dioxide or other oxidizing agent is mixed in the heat treatment chamber. It is desirable to start the heat treatment in such a state. FIG. 8 (i) shows a cross-sectional view after the heat treatment.
この後、過酸化水素水、オゾン水を含む水溶液によるウエット処理、または酸素ラジカルもしくはオゾンを用によるドライ処理により、開口部31の底面のエピタキシャル層3の表面に厚さ1nm以下の図示しない酸化膜を形成する。
Thereafter, an oxide film (not shown) having a thickness of 1 nm or less is formed on the surface of the
次に図4(j)に示すように、開口部31の表面(底面および側面)を覆うように、Ta2 O5 、TiO2 、BSTOまたはCeO2 などSiO2 よりも比誘電率の高い絶縁材料からなる、厚さ1〜20nm程度のゲート絶縁膜34を形成する。
Next, as shown in FIG. 4 (j), insulation having a higher relative dielectric constant than SiO 2 such as Ta 2 O 5 , TiO 2 , BSTO, or CeO 2 so as to cover the surface (bottom surface and side surface) of the
ゲート絶縁膜34の膜厚が20nmを超えると、開口部31内に占めるゲート絶縁膜34の割合が大きくなりすぎて、ゲート抵抗が大きくなったり、あるいはゲート電圧によるチャネル部のキャリアの制御、すなわちしきい値電圧の制御が困難になる。
When the film thickness of the
ゲート絶縁膜34をCVD法で形成する場合、不均一成長を防止するために、ゲート絶縁膜34の形成前に、自然酸化膜やケミカルオキサイド膜等の表面酸化膜を除去し、次に酸素を1−2原子層分吸着させるか、もしくはSi−O結合層を形成すると良い。この後、CVD法でTa2 O5 、TiO2 、BSTOまたはCeO2 などの高誘電率絶縁物からなるゲート絶縁膜34を形成する。また、厚さ2〜3nm程度のSiOx Ny 膜を堆積したり、あるいは上記図示しない酸化膜の表面を500℃以下の温度で窒素ラジカルなどを用いて窒化しても良い。
When the
また、1nm以下のSiOx Ny 層上に上記Ta2 O5 、TiO2 などの高誘電率絶縁膜を形成しても良い。 Further, a high dielectric constant insulating film such as Ta 2 O 5 or TiO 2 may be formed on a SiO x N y layer of 1 nm or less.
次に同図(j)に示すように、ゲートの仕事関数を決定する金属導電性を有する導電性薄膜、例えば厚さ10nm以下のTiN膜35をゲート絶縁膜34上に形成する。
Next, as shown in FIG. 6J, a conductive thin film having metal conductivity for determining the work function of the gate, for example, a
このとき、TiN膜35の結晶粒径が30nm以下になるように、TiNの組成、堆積温度、圧力などの成膜条件を設定する。本実施形態では、300℃以下の温度でTiとNの比率が1:1よりもNが過剰になるように、ArとNの分圧比を制御してTiN膜をスパッタ法により形成し、このTiN膜に30%以下の酸素を添加することによってTiN膜35を形成する。
At this time, deposition conditions such as the composition of TiN, deposition temperature, and pressure are set so that the crystal grain size of the
添加する酸素の濃度を1%から10%にすることにより、TiN膜35の結晶粒径を10nm以下にすることが可能となる。酸素濃度をこれ以上に増加させると、電気導電率が低下して金属的な伝導を示さなくなるためそれ未満にすることが必要である。
By changing the concentration of oxygen to be added from 1% to 10%, the crystal grain size of the
また酸素以外にTiN膜にB(ボロン)やC(カーボン)を添加して、結晶粒径を無添加のTiN膜よりも小さくすることが可能であり、10−30%のBやCの添加によりアモルファスにすることができる。 In addition to oxygen, it is possible to add B (boron) or C (carbon) to the TiN film to make the crystal grain size smaller than that of the additive-free TiN film, and the addition of 10-30% B or C Can be made amorphous.
BやCの添加は、TiNをスパッタする際にBやCを含む化合物ガス、例えばボロン水素化物またはカーボン水素化物、B弗化物またはC弗化物を用いるか、スパッタターゲットとしてBまたはCを含むTiターゲットをArとNの混合ガス中で化成スパッタするか、BまたはCを含むTiNターゲットをArでスパッタすることにより可能である。TiNにO、B、Cなどの不純物を添加し、TiNの組成を制御することにより、仕事関数を4.5eV以下に設定することが可能である。 B or C is added by using a compound gas containing B or C when sputtering TiN, such as boron hydride or carbon hydride, B fluoride or C fluoride, or Ti containing B or C as a sputtering target. The target can be formed by chemical sputtering in a mixed gas of Ar and N, or a TiN target containing B or C can be sputtered by Ar. By adding impurities such as O, B, and C to TiN and controlling the composition of TiN, the work function can be set to 4.5 eV or less.
また、TiCl4 とNH3 を用いたCVD法を用いて600℃以下の温度でTiとNの比率が1:1よりもNが過剰になるように成膜しても良い。600℃よりも高い温度にすると、TiN膜の表面の凹凸が著しく大きくなり、その上に低抵抗金属膜を均一に形成することができなくなる。 Alternatively, a CVD method using TiCl 4 and NH 3 may be used to form a film at a temperature of 600 ° C. or less so that the ratio of Ti and N is more than 1: 1. When the temperature is higher than 600 ° C., the unevenness on the surface of the TiN film becomes remarkably large, and a low resistance metal film cannot be uniformly formed thereon.
また、スパッタ法で形成したTiN膜と同様に30%以下の酸素を添加する方法を用いて微結晶化しても良い。添加する酸素の濃度は望ましくは1〜10%の範囲であり、このような酸素量により結晶粒径を30nm以下にすることが可能となる。膜厚を10nm程度以下にすれば、結晶粒径を10nm以下に制御することが可能である。 Further, microcrystallization may be performed by using a method of adding oxygen of 30% or less, similarly to the TiN film formed by sputtering. The concentration of oxygen to be added is desirably in the range of 1 to 10%, and the crystal grain size can be reduced to 30 nm or less by such an amount of oxygen. If the film thickness is about 10 nm or less, the crystal grain size can be controlled to 10 nm or less.
また、ジメチルアミノチタン(Ti{N(CH3 )2 }4 やジメチルアミノチタン(Ti{N(CH3 )2 }4 を水素を含む雰囲気中で熱分解またはプラズマを用いてTiN膜およびTiCN膜を形成しても良い。 Further, dimethylaminotitanium (Ti {N (CH 3 ) 2 } 4 and dimethylamino titanium (Ti {N (CH 3 ) 2 } 4 ) are thermally decomposed in an atmosphere containing hydrogen or using TiN film and TiCN film using plasma. May be formed.
ゲート電極の比抵抗が50μΩ・cm以上でも良い場合には、ゲート電極すべてをTiN膜で形成しても良い。この場合には、膜厚が50nm以上のTiN膜を形成する必要があるため、柱状または針状結晶で配向性のある膜またはアモルファス膜であることが必要である。 When the specific resistance of the gate electrode may be 50 μΩ · cm or more, the entire gate electrode may be formed of a TiN film. In this case, since it is necessary to form a TiN film having a thickness of 50 nm or more, it is necessary to be a film having an orientation with columnar or needle-like crystals or an amorphous film.
TiN以外の電極材料としては、例えばTa窒化物、Nb窒化物、Zr窒化物、Hf窒化物などの金属窒化物、あるいは金属炭化物、金属硼化物、金属−Si窒化物、金属−Si炭化物、金属炭素窒化物などがある。 Examples of electrode materials other than TiN include metal nitrides such as Ta nitride, Nb nitride, Zr nitride, and Hf nitride, or metal carbide, metal boride, metal-Si nitride, metal-Si carbide, metal For example, carbon nitride.
望ましくは、これらの電極材料からなる、ゲートの仕事関数を決定する金属導電性を有する導電性薄膜とゲート絶縁膜34との熱的な安定性のためには、導電率を50%以上低下させない範囲内で酸素を添加することが有効である。また、これらの電極材料はTa酸化物、Ti酸化物、Zr酸化物、Hf酸化物、Ce酸化物との界面の熱的な安定性も優れている。
Desirably, the conductivity is not reduced by 50% or more for the thermal stability between the
最後に、図9(k)に示すように、開口部36内にゲート電極36を埋込み形成してMOSトランジスタが完成する。ゲート電極36の1つの形成方法としては、スパッタ法によりAl膜を全面に形成し、リフローにより開口部31内をAl膜で充填し、開口部31外の余剰なAl膜、ゲート絶縁膜34およびTiN膜35をCMPまたはMPにより除去する方法がある。他の方法としては、CVD法によりW膜など比抵抗が低い金属膜を開口部31内を充填するように全面に堆積した後、開口部31外の余剰な上記金属膜、ゲート絶縁膜34およびTiN膜35をCMPまたはMP用により除去する方法がある。
Finally, as shown in FIG. 9 (k), the
ソース・ドレイン領域を低抵抗化する必要がある場合には、図7(d)の工程と図7(e)の工程との間に、CoSi2 層またはTiSi2 層などの金属シリサイド層をソース・ドレイン領域の表面に形成する工程を追加すると良い。 When it is necessary to reduce the resistance of the source / drain region, a metal silicide layer such as a CoSi 2 layer or a TiSi 2 layer is used as a source between the step of FIG. 7D and the step of FIG. -A step of forming on the surface of the drain region may be added.
ここで、ソース・ドレイン領域29の深さが100nm以下の場合には、ソース・ドレイン領域29上にシリコン層、シリコンゲルマニウム層またはシリコンゲルマニウム炭素層をエピタキシャル成長させ、金属シリサイド層で侵食されるエピタキシャル層23を、ソース・ドレイン領域29とエピタキシャル23との界面(pn接合界面)から5nm以上遠ざけることが好ましい。
Here, when the depth of the source /
本実施形態では、ダマシンゲート型のMOSトランジスタの製造方法について説明したが、通常のMOSトランジスタを製造するには、図7(d)の工程でダミーゲート膜26の代わりに、通常のn型もしくはp型のポリシリコン膜、シリサイド膜/金属膜の積層膜、またはシリサイド膜/n型もしくはp型のポリシリコン膜の積層膜からなるゲート電極を形成すれば良い。ゲート電極上に酸化膜よりもエッチング速度の遅い窒化膜などを積層しても良い。
In the present embodiment, a method for manufacturing a damascene gate type MOS transistor has been described. However, in order to manufacture a normal MOS transistor, a normal n type or a normal type transistor is used instead of the
図10は、本発明の方法および従来の方法で形成したMOSトランジスタのしきい値電圧Vthのゲート長依存性を示す。本発明の方法で形成したMOSトランジスタは、ファセット等による、素子分離領域と素子領域との境界における素子分離絶縁膜の後退がないものである。また、素子領域のSi表面は素子分離絶縁膜表面より15nm下方に後退させている。 従来の方法で形成したMOSトランジスタは、ファセット等による、素子分離領域と素子領域との境界における素子分離絶縁膜の後退があるものである。 FIG. 10 shows the gate length dependence of the threshold voltage Vth of the MOS transistor formed by the method of the present invention and the conventional method. The MOS transistor formed by the method of the present invention is one in which the element isolation insulating film does not recede at the boundary between the element isolation regions due to facets or the like. Further, the Si surface in the element region is set back 15 nm below the element isolation insulating film surface. The MOS transistor formed by the conventional method has a recession of the element isolation insulating film at the boundary between the element isolation region and the element region due to facet or the like.
図から、本発明の方法の形成したMOSトランジスタのしきい値電圧Vthのばらつきは30mV以下で小さいが、従来の方法の形成したMOSトランジスタののそれは50〜100mV程度で大きいことが分かる。従来の方法でしきい値電圧Vthのばらつきが大きくなる理由は、従来の方法では素子分離絶縁膜の後退が生じ、その量がばらつきを持つためである。 From the figure, it can be seen that the variation of the threshold voltage Vth of the MOS transistor formed by the method of the present invention is small at 30 mV or less, but that of the MOS transistor formed by the conventional method is large at about 50 to 100 mV. The reason why the variation of the threshold voltage V th becomes large in the conventional method is that the element isolation insulating film retreats in the conventional method, and the amount thereof varies.
(第5の実施形態)
図11および図12は、本発明の第5の実施形態に係る素子分離構造の形成方法を示す工程断面図である。
(Fifth embodiment)
11 and 12 are process cross-sectional views illustrating a method for forming an element isolation structure according to the fifth embodiment of the present invention.
まず、図11(a)に示すように、単結晶のシリコン基板41の表面に厚さ200nm程度の酸化膜42を熱酸化により形成し、次に酸化膜42上に厚さ50nm程度のシリコン窒化膜43をCVD法により形成する。シリコン基板41の導電型はp型、面方位は(100)である。
First, as shown in FIG. 11A, an
ここでは、酸化膜42の膜厚を200nmとしたが400nmでも良く、その場合には例えば1000℃でシリコン基板41を酸化する。また、シリコン窒化膜43の膜厚を50nmとしたが15nmでも良く、その場合には例えばSiCl2 H2 とNH3 を用いた減圧CVD法で形成する。
Although the thickness of the
次に図11(b)に示すように、フォトリソグラフィとRIEを用いてシリコン窒化膜43、酸化膜42を加工して、素子形成領域に対応した領域にシリコン基板41に達する開口部44を形成する。ここで、シリコン窒化膜43はフォトレジストをマスクにしてエッチングし、酸化膜42は上記フォトレジストを剥離し、フォトレジストのパターンが転写されたシリコン窒化膜43をマスクにしてエッチングする。なお、フォトレジストをマスクにしてシリコン窒化膜43および酸化膜42をエッチングしても良い。
Next, as shown in FIG. 11B, the
次にエピタキシャル成長の前処理として、CF4 と酸素の混合ガスを用いたCDE(Chemical Dry Etching)法にて基板表面を10nmほどエッチングすることによって、RIEにより基板表面に生じたダメージ層を除去した後、希弗酸を用いたウエット処理により基板表面の自然酸化膜を除去する。CDEはO2 を用いたRIEで置き換えることもできる。 Next, as a pretreatment for epitaxial growth, the substrate surface is etched by about 10 nm by a CDE (Chemical Dry Etching) method using a mixed gas of CF 4 and oxygen to remove a damaged layer generated on the substrate surface by RIE. Then, the natural oxide film on the substrate surface is removed by wet treatment using dilute hydrofluoric acid. CDE can be replaced by RIE using O 2 .
次に図11(c)に示すように、露出した基板表面を成長核(シード)に用いてエピタキシャル層45を選択成長させる。エピタキシャル層45は、開口部44を充填し、シリコン窒化膜43上にはみだすように選択成長させる。エピタキシャル層45は、第1の実施形態と同様に、シリコン層、シリコンゲルマニウム層、またはゲルマニウム層である。シリコン層の場合には、例えばSiH4 とH2 との混合ガスを用いたり、SiH2 Cl2 とH2 の混合ガス、あるいはこれらにHClを添加したガスを用いる。
Next, as shown in FIG. 11C, the
次に図12(d)に示すように、開口部44の外部の余剰なエピタキシャル層45を、Siに対するSiNの研磨レートが十分に遅い条件のCMPにより除去し、表面を平坦にする。砥粒には例えばセリアを用いる。
Next, as shown in FIG. 12D, the
次に図12(e)に示すように、熱酸化により150nm程度の厚さの酸化層46を形成する。このとき、酸化層46とエピタキシャル層45との界面の位置は、シリコン窒化膜43の表面の位置よりもおよそ75nmだけ下方になる。
Next, as shown in FIG. 12E, an
次に図12(f)に示すように、酸化層46をRIEにより選択的に除去した後、シリコン窒化膜43を燐酸液を用いたウエットエッチングにより選択的に除去する。この結果、素子形成領域のエピタキシャル層45の表面の位置は素子分離領域の酸化膜42の表面の位置よりも25nmだけ下方になる。ここでは、酸化層46をRIEにて除去したが、BHFあるいはDHF溶液を用いたウエットエッチングにより除去しても良い。この後は、従来と同様に、エピタキシャル層45に所望の半導体素子を形成する工程が続く。
Next, as shown in FIG. 12F, after the
本実施形態でも、第1の実施形態と同様に、ボイドやファセットの発生を防止でき、第1の実施形態と同様の効果が得られる。 Also in this embodiment, generation of voids and facets can be prevented as in the first embodiment, and the same effect as in the first embodiment can be obtained.
(第6の実施形態)
図13は、本発明の第6の実施形態に係る素子分離構造の形成方法を示す工程断面図である。なお、図11および図12と対応する部分には図11および図12と同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
(Sixth embodiment)
FIG. 13 is a process sectional view showing a method for forming an element isolation structure according to the sixth embodiment of the present invention. 11 and 12 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 11 and 12, and detailed description thereof is omitted.
まず、第5の実施形態の図11(a)〜図12(d)に示した工程を行う。 First, the steps shown in FIGS. 11A to 12D of the fifth embodiment are performed.
次に図13(a)に示すように、熱酸化によって50nm程度の厚さの酸化層46を形成する。このとき、酸化膜42とシリコン窒化膜43との界面の位置は、酸化層46とエピタキシャル層45との界面の位置よりもおよそ25nmだけ下方になる。シリコン窒化膜43の膜厚を15nmとした場合には、例えば900℃で10nm程度の熱酸化をする。
Next, as shown in FIG. 13A, an
最期に、図13(b)に示すように、酸化層46をRIEにより選択的に除去して素子分離構造が完成する。この後に、第1の実施形態と同様に、表面を原子レベルで平坦化するための熱処理を行っても良い。素子形成領域のエピタキシャル層45の表面の位置は素子分離領域のシリコン窒化膜43の表面の位置よりも25nmだけ下方になる。10nm程の熱酸化した場合には、10nm程度だけ下方になる。
Finally, as shown in FIG. 13B, the
(第7の実施形態)
図14は、本発明の第7の実施形態に係る素子分離構造の形成方法を示す工程断面図である。なお、図11および図12と対応する部分には図11および図12と同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
(Seventh embodiment)
FIG. 14 is a process sectional view showing a method for forming an element isolation structure according to the seventh embodiment of the present invention. 11 and 12 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 11 and 12, and detailed description thereof is omitted.
まず、第5の実施形態の図11(a)〜図11(b)に示した工程(RIEにより生じたダメージ層の除去、自然酸化膜の除去を含む)を行う。 First, the steps (including removal of a damaged layer caused by RIE and removal of a natural oxide film) shown in FIGS. 11A to 11B of the fifth embodiment are performed.
次に図14(a)に示すように、露出した基板表面を成長核(シード)に用いて、シリコン窒化膜43上にはみださないように、エピタキシャル層45を選択成長させる。したがって、開口部44内にはファセットが生じることになる。また、ここでは、エピタキシャル層45の表面をシリコン酸化膜42の表面よりも少しだけ高くなるように選択成長を行う。
Next, as shown in FIG. 14A, the
次に図14(b)に示すように、10Torr程度の減圧H2 雰囲気中での1000℃、5分程度のアニールによりエピタキシャル層45を流動させ、エピタキシャル層45の表面を平坦にする。この結果、ファセットは消滅する。また、エピタキシャル層45の表面はシリコン酸化膜42の表面よりも低くなる。
Next, as shown in FIG. 14B, the
最後に、図14(c)に示すように、シリコン窒化膜43を燐酸によるウエットエッチングにより選択的に除去して、素子分離構造が完成する。
Finally, as shown in FIG. 14C, the
(第8の実施形態)
図15は、本発明の第8の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。なお、図11および図12と対応する部分には図11および図12と同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
(Eighth embodiment)
FIG. 15 is a process sectional view showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the eighth embodiment of the invention. 11 and 12 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 11 and 12, and detailed description thereof is omitted.
まず、第5の実施形態の図11(a)〜図12(d)までの工程を行う。 First, the steps from FIG. 11A to FIG. 12D of the fifth embodiment are performed.
次に図15(a)に示すように、シリコン窒化膜43を熱燐酸処理あるいはフッ酸グリセロール処理などによるエッチングによりプルバック(pull back)し、エピタキシャル層45の周囲のシリコン窒化膜43を除去し、開口部47を形成する。
Next, as shown in FIG. 15A, the
次に図15(b)に示すように、エピタキシャル層45の表面から150nm程度の深さまでの領域を熱酸化して酸化層46を形成する。この結果、酸化層46とエピタキシャル層45との界面の位置は、シリコン窒化膜42の表面の位置よりもおよそ75nmだけ下方になる。
Next, as shown in FIG. 15B, a region from the surface of the
このとき、酸化種が開口部47を通って酸化膜42とエピタキシャル層45との界面に拡散し、その界面を熱酸化することで、良好な素子分離特性を得ることができる。また、この熱酸化によってCMPにより劣化したエピタキシャル45の結晶性が回復する。
At this time, the oxidized species diffuse through the
最期に、図15(c)に示すように、酸化層46をRIEにより選択的に除去した後、シリコン窒化膜43を燐酸によるウエットリエッチングにより選択的に除去して、素子分離構造が完成する。素子形成領域のエピタキシャル層45の表面の位置は素子分離領域の酸化膜42の表面の位置よりも25nmだけ下方になる。
Finally, as shown in FIG. 15C, after the
(第9の実施形態)
図16および図17は、本発明の第9の実施形態に係る素子分離構造の形成方法を示す工程断面図である。なお、図11および図12と対応する部分には図11および図12と同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
(Ninth embodiment)
16 and 17 are process cross-sectional views illustrating a method for forming an element isolation structure according to the ninth embodiment of the present invention. 11 and 12 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 11 and 12, and detailed description thereof is omitted.
まず、図16(a)に示すように、第5の実施形態と同様に、シリコン基板41上に厚さ200nm程度の酸化膜42、厚さ10nm程度のシリコン窒化膜43を順次形成する。次に同図(a)に示すように、シリコン窒化膜43上に厚さ50nm程度のSiO2 膜48、厚さ50nm程度のシリコン窒化膜49をCVD法により順次形成する。
First, as shown in FIG. 16A, as in the fifth embodiment, an
次に図16(b)に示すように、フォトリソグラフィとRIEを用いて酸化膜42、シリコン窒化膜43、SiO2 膜48およびシリコン窒化膜49を加工して、シリコン基板41に達する開口部44を形成する。
Next, as shown in FIG. 16B, the
次にエピタキシャル成長の前処理として、RIEにより基板表面に生じたダメージ層をO2 −RIEにより除去した後、希弗酸を用いたウエット処理により基板表面の自然酸化膜を除去する。 Next, as a pretreatment for epitaxial growth, a damaged layer generated on the substrate surface by RIE is removed by O 2 -RIE, and then a natural oxide film on the substrate surface is removed by wet treatment using dilute hydrofluoric acid.
次に図16(c)に示すように、露出した基板表面を成長核(シード)に用いてエピタキシャル層45を選択成長させる。エピタキシャル層45は、開口部44を充填し、シリコン窒化膜49上にはみだすように選択成長させる。
Next, as shown in FIG. 16C, the
次に図16(d)に示すように、開口部44の外部の余剰なエピタキシャル層45を、Siに対するSiNの研磨レートが十分に遅い条件のCMPにより除去し、表面を平坦にする。
Next, as shown in FIG. 16D, the
次に図17(e)に示すように、エピタキシャル層45の表面から150nm程度の深さまでの領域を熱酸化して酸化層46を形成する。このとき、CMPにより劣化したエピタキシャル45の結晶性が回復する。
Next, as shown in FIG. 17E, a region from the surface of the
次に図17(f)に示すように、燐酸を用いたウエットエッチングによりシリコン窒化膜49を除去し、続いてフッ酸を用いたウエットエッチングにより酸化層46およびSiO2 膜48を除去する。
Next, as shown in FIG. 17F, the
この後、エピタキシャル層43を再び熱酸化し、酸化膜42とエピタキシャル層45との界面を改質する。これにより、良好な素子分離特性を得ることができる。このような界面改質が可能となる理由は、シリコン窒化膜43の膜厚が10nm程度と薄いからである。
Thereafter, the
最期に、図17(g)に示すように、上記再酸化で形成された図示しないSiO2 膜、シリコン窒化膜43を順次ウエットエッチングにより除去して、素子分離構造が完成する。 Finally, as shown in FIG. 17G, the SiO 2 film and the silicon nitride film 43 (not shown) formed by the re-oxidation are sequentially removed by wet etching to complete the element isolation structure.
(第10の実施形態)
図18は、本発明の第10の実施形態に係る素子分離構造の形成方法を示す工程断面図である。
(Tenth embodiment)
FIG. 18 is a process sectional view showing a method for forming an element isolation structure according to the tenth embodiment of the present invention.
まず、第5の実施形態の図11(a)〜図11(b)の工程を行う。 First, the steps of FIG. 11A to FIG. 11B of the fifth embodiment are performed.
次に図18(a)に示すように、CVD法により厚さ5nmのシリコン窒化膜を全面に形成した後、CHF3 ガスを用いたRIEにより上記シリコン窒化膜をエッチバックし、開口部44の側壁にシリコン窒化膜50を形成する。
Next, as shown in FIG. 18A, a silicon nitride film having a thickness of 5 nm is formed on the entire surface by CVD, and then the silicon nitride film is etched back by RIE using CHF 3 gas. A
次にエピタキシャル成長の前処理として、CF4 と酸素の混合ガスを用いたCDE法にて基板表面を10nmほどエッチングすることによって、RIEにより基板表面に生じたダメージ層を除去する。この後、希弗酸を用いたウエット処理により基板表面の自然酸化膜を除去する。 Next, as a pretreatment for epitaxial growth, the damaged layer generated on the substrate surface by RIE is removed by etching the substrate surface by about 10 nm by the CDE method using a mixed gas of CF 4 and oxygen. Thereafter, the natural oxide film on the substrate surface is removed by a wet process using dilute hydrofluoric acid.
次に図18(b)に示すように、開口部44内にエピタキシャル層45内に埋め込み形成する。この工程は、第5の実施形態の図11(c)の工程(エピタキシャル層45の選択成長)〜図12(d)の工程(CMPによる余剰なエピタキシャル45の除去)と同じである。ここで、開口部44の側壁にはシリコン窒化膜50が形成されているので、ピタキシャル層45の選択成長の際にファセットは生じない。この後の工程は、第5の実施形態の図12(e)の工程以降と同様である(図18(c),図18(d))。
Next, as shown in FIG. 18B, the
このようにして得られた素子領域のエピタキシャル43にゲート酸化膜の膜厚が4nmのMOSトランジスタを作成し、その電流電圧特性を調べたところ、ハンプは観察されず、良好なトランジスタ特性が得られた。また、ウェハ面内に100個のMOSトランジスタを作成し、これらを評価したところ、異常なリーク電流は観察されなかった。さらに、素子分離領域端部には結晶欠陥の発生は認められなかった。これは応力の集中がないためと思われる。
When a MOS transistor having a gate oxide film thickness of 4 nm was formed on the
(第11の実施形態)
図19は、本発明の第11の実施形態に係るMOSトランジスタを説明するための断面図である。これはチャネル幅方向に平行な面の断面図である。
(Eleventh embodiment)
FIG. 19 is a cross-sectional view for explaining a MOS transistor according to the eleventh embodiment of the present invention. This is a cross-sectional view of a plane parallel to the channel width direction.
図中、61は素子領域のシリコン層(基板表面の半導体領域の半導体層)、62は素子分離絶縁膜(シリコン酸化膜)、63はゲート酸化膜、64はゲート電極、PSiは基板(不図示)に対するシリコン層61の上面位置、Pins.は基板に対する素子分離絶縁膜62の上面位置をそれぞれ示している。シリコン層61は、例えば第1〜第10の実施形態のいずれかの方法で形成したものである。基板は通常のシリコン基板、SOI基板のいずれでも良い。
In the figure, 61 is a silicon layer in the element region (semiconductor layer in the semiconductor region on the substrate surface), 62 is an element isolation insulating film (silicon oxide film), 63 is a gate oxide film, 64 is a gate electrode, and P Si is a substrate (not shown). The upper surface position of the
本実施形態が従来と異なる点は、上面位置PSi.を基準にした上面位置Pinsの高さ(段差量)δがゲート酸化膜63の膜厚toxの3倍以上50nm以下(3tox≦δ≦50nm)に設定されていることにある。
This embodiment is different from the prior art in that the height (step difference) δ of the upper surface position Pins relative to the upper surface position P Si. Is 3 times or more and 50 nm or less (3t ox ) of the film thickness t ox of the
3tox≦δ≦50nmに設定した理由は、後述するように、デバイス特性の特性変動、特にしきい電圧Vthの変動を従来よりも小さくできるからである。これにより製造プロセスに対しマージンを与えることが可能となる。また、素子形成領域のコーナ部における酸化膜厚が大きくなるため、段差量δの変動がコーナトランジスタ(corner)に与える影響が緩和される。 The reason why 3t ox ≦ δ ≦ 50 nm is set is that, as will be described later, the characteristic variation of the device characteristics, in particular, the variation of the threshold voltage V th can be made smaller than before. This makes it possible to give a margin to the manufacturing process. Further, since the oxide film thickness in the corner portion of the element formation region becomes large, the influence of the variation in the step amount δ on the corner transistor is reduced.
図20は、図19のMOSトランジスタを改良したMOSトランジスタを示している。このMOSトランジスタでは、ディヴォットを防止するために、素子分離絶縁膜62が素子分離領域を越えてシリコン層61上にも形成されている。前記シリコン層61上における素子分離絶縁膜62のチャネル幅方向の寸法65はゲート酸化膜63の膜厚以上であり、その分ゲート電極64のチャネル幅方向の寸法が小さくなっている。
FIG. 20 shows a MOS transistor obtained by improving the MOS transistor of FIG. In this MOS transistor, an element
図21に、段差量δとしきい電圧Vthとの関係を三次元デバイスシミュレータにより解析した結果を示す。段差量δ≦0のMOSトランジスタは、本実施形態のそれとは異なり、上面位置Pins.が上面位置PSiと同じか、または上面位置PSiよりも低いタイプのものである。 FIG. 21 shows the result of analyzing the relationship between the step amount δ and the threshold voltage V th using a three-dimensional device simulator. MOS transistor of the step amount [delta] ≦ 0 is different from that of the present embodiment, the upper surface position P ins. Is of lower type than the same or upper surface position P Si and the upper surface position P Si.
図21には、シミュレーション条件も示してある。その他の条件は以下の通りである。すなわち、寸法65はゲート酸化膜63の膜厚と同じである。また、シリコン層61のp型不純物濃度(以下、基板濃度という。)は6.6×1017cm-3、ゲート酸化膜63の膜厚は6nm、ゲート電極64は7.0×1019cm-3の濃度の燐を含むポリシリコン膜、素子分離絶縁膜62の埋め込まれた部分の膜厚(トレンチの深さ)は300nm、ゲート酸化膜63および素子分離絶縁膜62はTEOS膜(比誘電率:3.9)である。
FIG. 21 also shows simulation conditions. Other conditions are as follows. That is, the dimension 65 is the same as the film thickness of the
図21から、20nm≦δの領域において、しきい電圧Vthの段差量δに対する変動が小さくなっていることが分かる。これは、この領域ではコーナートランジスタの影響によるしきい電圧Vthの低下の影響を効果的に回避できるからであると考えられる。段差量δをゲート酸化膜63の膜厚toxに置き換えると、上記不等式は3tox≦δとなる。
From FIG. 21, it can be seen that the variation of the threshold voltage V th with respect to the step amount δ is small in the region of 20 nm ≦ δ. This is presumably because in this region, it is possible to effectively avoid the influence of lowering of the threshold voltage V th due to the influence of the corner transistor. When the step amount δ is replaced with the thickness t ox of the
また、図21から、30nmを越える範囲ではしきい電圧Vthの段差量δに対する変動がさらに小さくなっていることが分かる。ただし、段差量δが大きすぎると露光焦点がぼけたり、あるいは素子領域の開口部の側壁に不要なゲートポリシリコンが残り、ショートを起こす場合がある。このようなプロセス上の観点から、段差量δの上限は100nmが好ましく、50nm以下がより好ましい。 Further, FIG. 21 shows that the fluctuation of the threshold voltage V th with respect to the step amount δ is further reduced in the range exceeding 30 nm. However, if the step amount δ is too large, the exposure focus may be blurred, or unnecessary gate polysilicon may remain on the side wall of the opening in the element region, causing a short circuit. From the viewpoint of such a process, the upper limit of the step amount δ is preferably 100 nm, and more preferably 50 nm or less.
なお、段差量δ≦0の構造の場合には、後述するように、段差量δ≦50nm以下であることが好ましい。 In the case of the structure where the step amount δ ≦ 0, it is preferable that the step amount δ ≦ 50 nm or less as described later.
本実施形態によれば、20〜30nmの段差量δを選択することにより、プロセスばらつきに伴って変わる段差量δがσ値で10nm程度ばらついたとしても、デバイスの特性であるしきい電圧Vthに与える影響、すなわちしきい電圧Vthのばらつきを50mV以下に抑制することが可能である。 According to the present embodiment, by selecting a step amount δ of 20 to 30 nm, even if the step amount δ that varies with process variation varies by about 10 nm in σ value, the threshold voltage V th that is a characteristic of the device is obtained. , That is, variation in threshold voltage V th can be suppressed to 50 mV or less.
また、しきい電圧Vthの制御性を改善できることから、オフリーク電流および飽和電流のばらつきを改善できる。 In addition, since the controllability of the threshold voltage V th can be improved, variations in off-leakage current and saturation current can be improved.
また、本素子を実現するために、新たなプロセスを追加する必要が無い。制御すべきプロセスパラメータは段差量δのみである。より詳細には、素子分離に用いる絶縁膜のCMP量等である。したがって、プロセスにかかるコストは従来のまま歩留まりを上げることが可能であり、製造コストの削減化を図れる。 Moreover, it is not necessary to add a new process in order to realize this element. The only process parameter to be controlled is the step amount δ. More specifically, it is the amount of CMP of the insulating film used for element isolation. Therefore, the process cost can be increased as it is conventionally, and the manufacturing cost can be reduced.
なお、本実施形態では、ゲート酸化膜の膜厚が6nmの場合について説明したが、6nmよりも薄い場合でも、段差量δを3tox〜50nmの範囲に設定することにより、しきい電圧Vthのばらつきを小さくできる。段差量δの標準偏差σが10nmより大きくなるような大きなばらつきを持つような場合については、これを補償するために、σだけ段差量の設定値をシフトし、σ+3tox 〜σ+50nm等とすれば良い。 In the present embodiment, although the film thickness of the gate oxide film has been described for the case of 6 nm, even thinner than 6 nm, by setting the step amount δ in the range of 3t ox up to 50 nm, the threshold voltage V th The variation of the can be reduced. In the case where there is a large variation such that the standard deviation σ of the step amount δ is larger than 10 nm, in order to compensate for this, the set value of the step amount is shifted by σ so that σ + 3t ox to σ + 50 nm or the like. good.
図21に示した傾向は素子分離溝の深さには依存しないので、素子分離溝の深さの値は任意である。 Since the tendency shown in FIG. 21 does not depend on the depth of the element isolation groove, the value of the depth of the element isolation groove is arbitrary.
図22に、接合深さXj の異なるMOSトランジスタについて、それらの段差量δとしきい電圧Vthとの関係を調べた結果を示す。図から、図21に示した傾向は接合深さXj に依存しないことが分かる。したがって、接合深さXj の値は任意である。 FIG. 22 shows the results of examining the relationship between the step amount δ and the threshold voltage V th for MOS transistors having different junction depths X j . From the figure, it can be seen that the tendency shown in FIG. 21 does not depend on the junction depth X j . Therefore, the value of the junction depth X j is arbitrary.
図23に、基板濃度Nsub の異なるMOSトランジスタについて、それらの段差量δとしきい電圧Vthとの関係を調べた結果を示す。図から、図21に示した傾向は基板濃度Nsub に依存しないことが分かる。基板濃度の値が本実施形態と異なる場合、あるいは基板濃度に分布がある場合には、段差量δを3tox 〜50nmの範囲に設定することにより、しきい電圧Vthのばらつきを小さくできる。 FIG. 23 shows the results of examining the relationship between the step amount δ and the threshold voltage V th for MOS transistors having different substrate concentrations N sub . From the figure, it can be seen that the tendency shown in FIG. 21 does not depend on the substrate concentration N sub . If the value of the substrate concentration is different from that of the present embodiment, or when the substrate concentration is distribution, by setting the step amount δ in the range of 3t ox up to 50 nm, can reduce variations in the threshold voltage V th.
さらに、図23から、段差量δ≦0nmの場合、すなわち上面位置PSiが上面位置Pins.よりも高い場合でも、段差量δの標準偏差をδ/10程度にコントロールすれば、段差量δ≦10nmの範囲においてしきい電圧Vthのばらつきを50mV以下にすることも可能である。 Further, from FIG. 23, when the step amount δ ≦ 0 nm, that is, when the upper surface position P Si is higher than the upper surface position Pins. , The step amount δ can be achieved by controlling the standard deviation of the step amount δ to about δ / 10. In the range of ≦ 10 nm, the variation of the threshold voltage V th can be 50 mV or less.
段差量が負となるような構造、すなわちゲート電極が素子領域を囲むような構造においては、段差量の増加によって縦方向に延びたゲートがコーナー部の空乏化に寄与のあるうちはしきい電圧Vthの急激な低下として観測されるが、基板濃度と酸化膜厚等できまる一定値を超えれば、それは縦方向のトランジスタをオンするだけでコーナー部に影響をもたらさない。偏差をしきい電圧Vthのばらつきが小さくなることが分かる。その理由は以下のように考えられる。 In a structure where the step amount is negative, that is, a structure in which the gate electrode surrounds the device region, the threshold voltage is applied while the gate extending in the vertical direction due to the increase in the step amount contributes to depletion of the corner portion. Although it is observed as a rapid drop in Vth , if it exceeds a certain value determined by the substrate concentration and the oxide film thickness, it only turns on the vertical transistor and does not affect the corner. It can be seen that the variation of the deviation threshold voltage V th becomes small. The reason is considered as follows.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、トランジスタの高性能化を図るために、しきい電圧のばらつきを抑制する場合について説明したが、このばらつきの抑制技術と従来技術で述べた低抵抗化の技術を適宜組み合わせても良い。これにより、トランジスタのさらなる高性能化を図ることが可能となる。 The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above-described embodiment, the case where the variation in threshold voltage is suppressed in order to improve the performance of the transistor has been described. However, the technology for suppressing the variation and the technology for reducing the resistance described in the conventional technology are appropriately combined. May be. Thereby, it is possible to further improve the performance of the transistor.
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。 In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
1…シリコン基板、2…熱酸化膜、3…エピタキシャル層、4…シリコン膜、11…シリコン基板、12…単結晶絶縁膜、13…酸化膜(素子分離絶縁膜)、14…エピタキシャル層、21…シリコン基板、22…熱酸化膜、23…エピタキシャル層、24…シリコン膜、25…熱酸化膜、26…ダミーゲート膜、27…ソース・ドレイン領域(エクステンション領域)、28…ゲート側壁絶縁膜、29…ソース・ドレイン領域、30…層間絶縁膜、31…開口部、32…イオン、33…チャネル不純物ドーピング層、34…ゲート絶縁膜、35…TiN膜、36…ゲート電極、41…シリコン基板、42…熱酸化膜、43…シリコン窒化膜、44…開口部、45…エピタキシャル層、46…酸化層、47…開口部、48…SiO2 膜、49,50…シリコン窒化膜、61…シリコン層、62…シリコン酸化膜(素子分離絶縁膜)、63…ゲート酸化膜、64…ゲート電極。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記素子分離絶縁膜によって素子分離され、上部が前記素子分離絶縁膜の表面よりも上に突出し、前記半導体領域の半導体層と、
この半導体層にソース・ドレイン領域、ゲート絶縁膜およびゲート電極が形成され、かつ、前記ゲート電極がチャネル幅方向に平行な面の断面において前記素子分離絶縁膜上に形成されてなるMOS型素子とを具備してなり、
前記ゲート電極下の前記半導体層の上面位置が、前記ゲート電極下の前記素子分離絶縁膜の上面位置よりも、20nm以上高いことを特徴とする半導体装置。 An element isolation insulating film embedded in a semiconductor region of the substrate;
The element is isolated by the element isolation insulating film, the upper part protrudes above the surface of the element isolation insulating film, and the semiconductor layer of the semiconductor region,
A MOS type element in which a source / drain region, a gate insulating film and a gate electrode are formed in the semiconductor layer, and the gate electrode is formed on the element isolation insulating film in a cross section of a plane parallel to the channel width direction; Comprising
A semiconductor device, wherein an upper surface position of the semiconductor layer under the gate electrode is 20 nm or more higher than an upper surface position of the element isolation insulating film under the gate electrode.
Priority Applications (1)
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JPH08335700A (en) * | 1995-06-08 | 1996-12-17 | Nec Corp | Mos field-effect transistor |
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