JP2008305837A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ゲート電極のゲート幅を大きくすることなく、金属シリサイド層の剥離、凝集の発生を抑制する半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体基板12には、N型領域14とP型領域16の境界線を斜めに横切るように、ゲート電極24が配置されている。これにより、N型領域14とP型領域16の境界線とゲート電極24が交差する領域幅(実効ゲート幅)が、ゲート電極24のゲート幅よりも大きくなる。したがって、ゲート電極24のゲート幅を物理的に大きくしなくても、N型領域14とP型領域16の境界線上のゲート電極24で電流が流れにくくなる抵抗異常の発生を抑制できる。また、抵抗異常の発生を抑制するために、ゲート電極24のゲート幅を大きくする必要性が低減でき、N型領域14とP型領域16の面積が大きくなることを抑え、半導体装置10全体として大型化することを低減できる。
【選択図】図1

Description

本発明は、デュアルゲート構造を有する半導体装置に関する。
近年の電子機器の軽薄短小化、高性能化に伴い、これらの電子機器に使用される半導体装置は、小型化、高機能化が要求されている。
図6(A)に示すようなN型導電層とP型導電層とを有するゲート電極からなるデュアルゲート構造を有する半導体装置100の場合、小型化に対応させるためには、N型トランジスタ形成領域102とP型トランジスタ形成領域104に渡って設けられたゲート電極106のゲート幅を小さくして、レイアウト面積(N型トランジスタ形成領域102及びP型トランジスタ形成領域104の面積)を小さくする必要がある。
しかし、ゲート電極106のゲート幅を小さくすると、ゲート電極106を形成する金属シリサイド層が、局所的に(N型トランジスタ形成領域102とP型トランジスタ形成領域104の境界線L近傍で)剥離、凝集するなどして、金属シリサイド層欠損領域が発生する。これにより、ゲート電極106の抵抗が異常に高くなるという問題が発生していた。
この問題を解決するため、図6(B)に示す平面構造を有する半導体装置110が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1の半導体装置110のゲート電極116は、N型トランジスタ形成領域112とP型トランジスタ形成領域114の境界線L近傍において、ゲート幅が広くされた構成となっている。これにより、ゲート電極116のゲート幅全体を大きくすることなく、ゲート電極116のゲート幅が広がるので、ゲート電極116を構成する金属シリサイド層が剥離、凝集せず、金属シリサイド層の欠損を抑制する。
しかし、レイアウト面積は、実質的に境界近傍におけるゲート電極116のゲート幅によって決定されてしまうため、ゲート電極116の境界線L近傍を広げると、レイアウト面積の増大を引き起こしてしまい、半導体装置110の大型化が避けられない。
特開2001−77210号公報
ゲート電極のゲート幅を大きくすることなく、金属シリサイド層の剥離、凝集の発生を抑制する半導体装置を提供することを課題とする。
請求項1に記載の半導体装置は、半導体基板に形成されたNチャネル型トランジスタ形成領域と、前記半導体基板に形成され、前記Nチャネル型トランジスタ形成領域に隣り合って配置された前記Pチャネル型トランジスタ形成領域と、前記Nチャネル型トランジスタ形成領域とPチャネル型トランジスタ形成領域に跨って延在するゲート電極と、を備え、前記ゲート電極は、前記Nチャネル型トランジスタ形成領域と前記Pチャネル型トランジスタ形成領域の境界線を斜めに横切るように配置されていることを特徴としている。
請求項1に記載の半導体装置によると、半導体基板には、Nチャネル型トランジスタ形成領域とPチャネル型トランジスタ形成領域が設けられている。また、半導体基板には、Nチャネル型トランジスタ形成領域とPチャネル型トランジスタ形成領域に跨るようにして延在するゲート電極が設けられ、デュアルゲート構造とされている。このゲート電極は、N型トランジスタ形成領域とP型トランジスタ形成領域の境界線を斜めに横切るように配置されている。
これにより、N型トランジスタ形成領域とP型トランジスタ形成領域の境界線とゲート電極が交差する領域幅が、ゲート電極のゲート幅よりも大きくなる。つまり、ゲート電極を、N型トランジスタ形成領域とP型トランジスタ形成領域の境界線と直交するように配置させたときと比較して、N型トランジスタ形成領域とP型トランジスタ形成領域の境界線とゲート電極が交差する領域幅、すなわち、実効ゲート幅が大きくなる。
したがって、ゲート電極のゲート幅を物理的に大きくしなくても、N型トランジスタ形成領域とP型トランジスタ形成領域の境界線上のゲート電極で電流が流れにくくなる抵抗異常の発生を抑制できる。また、抵抗異常の発生を抑制するために、ゲート電極のゲート幅を大きくする必要性が低減でき、N型トランジスタ形成領域とP型トランジスタ形成領域の面積が大きくなることを抑え、半導体装置全体として大型化することを低減できる。
請求項2に記載の半導体装置は、前記ゲート電極は、前記Pチャネル型トランジスタ形成領域と前記Nチャネル型トランジスタ形成領域の境界線に対して45度の角度をなして横切ることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
請求項2に記載の半導体装置によると、例えば、ゲート電極を、N型トランジスタ形成領域とP型トランジスタ形成領域の境界線に対して45度(境界線を基準に時計方向に測定)の角度をなすように配置したとき、N型トランジスタ形成領域とP型トランジスタ形成領域の境界線とゲート電極が交差する領域幅を、ゲート電極に抵抗異常を発生させないサイズとして半導体装置全体を小型化するにはより好適である。
請求項3に記載の半導体装置は、前記ゲート電極は、導電層上に金属シリサイド層を有する構成であることを特徴としている。
請求項4に記載の半導体装置は、前記Nチャネル型トランジスタ形成領域内のゲート電極の導電層はN型導電層であり、前記Pチャネル型トランジスタ形成領域内のゲート電極の導電層にはP型導電層であることを特徴としている。
請求項5に記載の半導体装置は、前記導電層はシリコン層からなることを特徴としている。
請求項6に記載の半導体装置は、前記Nチャネル型トランジスタ形成領域は複数の第1のアクティブ領域を有し、前記Pチャネル型トランジスタ形成領域は複数の第2のアクティブ領域を有し、該第1のアクティブ領域のそれぞれと該第2のアクティブ領域のそれぞれは互いにずらして配置されていることを特徴としている。
本発明によれば、ゲート電極のゲート幅を大きくすることなく、金属シリサイド層の剥離、凝集の発生を抑制できる。
以下に、本発明の半導体装置10について説明する。
図1(A)及び図1(B)に示すように、半導体装置10は、半導体基板12を備えており、半導体基板12の一方の領域にNチャネル型トランジスタ形成領域14(以下、N型領域と称する)が設けられ、他方の領域にPチャネル型トランジスタ形成領域16(以下、P型領域と称する)が設けられている。なお、本発明の例としては、Nチャネル型トランジスタ形成領域14は、第1導電型不純物領域であるPウェル(あるいはP型半導体基板)のようなP型基体の領域であり、Pチャネル型トランジスタ形成領域16は、第2導電型不純物領域であるNウェル(あるいはN型半導体基板)のようなN型基体の領域である。
N型領域14及びP型領域16には、それぞれ、第1の拡散層であるソース拡散層18及び第2の拡散層であるドレイン拡散層20が設けられ、このソース拡散層18とドレイン拡散層20間はチャンネル領域22となる。N型領域14に形成される拡散層はN型不純物を注入することで形成され、P型領域に形成される拡散層はP型不純物を注入して形成される。なお、図中では、導電型が異なるが、説明の簡略化のため、N型領域14のソース拡散層とドレイン拡散層とP型領域16のソース拡散層とドレイン拡散層を同じ符号を付して記載している。
半導体基板12のチャンネル領域22上には、チャンネル領域22に流れる電流を制御するためのゲート電極24が設けられている。
ゲート電極24は、半導体基板12上に形成された絶縁膜であるゲート酸化膜26上に設けられ、ゲート酸化膜26上に積層された導電層であるところのシリコン層としてポリシリコン28と、このポリシリコン28の上に積層された金属シリサイド層30で構成されている。また、ゲート酸化膜26、ポリシリコン28及び金属シリサイド層30を取り囲むようにして、SiN、SiON、SiO2等からなる絶縁膜32が形成されている。なお、金属シリサイド層30はソース拡散層18及びドレイン拡散層20上にも形成されている。
また、ゲート電極24は、N型領域14とP型領域16の境界線Lを跨いだ状態で、N型領域14のチャンネル領域22と、P型領域16のチャンネル領域22に渡って連続的に設けられている。
このように、N型領域14に形成されたソース拡散層18及びドレイン拡散層20と、ソース拡散層18及びドレイン拡散層20の間のチャネル領域22の上方に配置されたゲート電極24で構成されるNチャネル型MOSトランジスタと、P型領域16に形成されたソース拡散層18及びドレイン拡散層20と、ソース拡散層18及びドレイン拡散層20の間のチャネル領域22の上方に配置されたゲート電極24で構成されるPチャネル型MOSトランジスタとが、ゲート電極24を共通としている。N型領域14内のゲート電極24の導電層(ポリシリコン28)は、N型の不純物が導入されたN型導電層であり、P型領域16内のゲート電極24の導電層(ポリシリコン28)は、P型の不純物が導入されたP型導電層である。また、N型領域14とP型領域16の境界線Lと、その近傍に位置するゲート電極24の導電層は、P型不純物とN型不純物とが相互拡散して真性状態となり、高抵抗となっている。このようにしてデュアルゲート型のCMOSトランジスタが構成されている。
なお、金属シリサイド層30としては、例えば、チタンシリサイド層、コバルトシリサイド層、あるいはニッケルシリサイド層が挙げられる。
本実施形態では、ゲート電極24は、N型領域14とP型領域16の境界線Lを基準として図1の時計方向に45度傾いた状態で、境界線Lを斜めに横切るようにして設けられている。
これにより、図2に示すように、ゲート電極24の幅(以下、ゲート幅と称することもある)をdとしたとき、N型領域14とP型領域16の境界線Lとゲート電極24が交差する領域(NPバッティング部)の領域幅(NPバッティング部に対する実効ゲート幅)は√2dとなる。この境界線Lは、N型領域14とP型領域16の境界部分(P型基体とN型基体の境界部分)あるいはその近傍の位置をいう。
したがって、図6(A)に示すように、ゲート電極106をN型トランジスタ形成領域102とP型トランジスタ形成領域104の境界線Lに対して直交するように配置した場合と比較して、ゲート電極24のNPバッティング部に対する実効ゲート幅を約1.4倍にできる。
図3は、ゲート電極24のゲート幅に対するゲート電極24の抵抗値の累積確率を示したグラフである。図3のグラフから、ゲート電極24のゲート幅が0.18μmより小さくなると、ゲート電極24に抵抗異常が発生することがわかる。つまり、ゲート幅を0.18μm以上とすれば、ゲート電極24の抵抗異常の発生を抑制することができると考えられる。
ゲート電極24には、金属シリサイド層30(図1(B)参照)の周囲に絶縁膜32を形成した際や、その後の熱履歴によるストレスなどによって、ゲート電極24の側壁に沿って金属シリサイド層30の剥離、凝集が生じる。金属シリサイド層30が剥離、凝集が発生する領域Mは、図2に示す部分であり、領域Mの上下方向の寸法(N型領域14とP型領域16の境界線Lと平行とされた寸法)は、抵抗異常が発生するゲート幅サイズとほぼ同じ0.18μmとなる。
そこで、本実施形態では、半導体装置10の小型化に対応させるために、N型領域14とP型領域16の境界線Lに対して、ゲート電極24を斜めに配置すると共に、ゲート電極24のゲート幅(d)を0.18μmとした。これにより、ゲート電極24の実効ゲート幅は0.25μm(√2d)となり、金属シリサイド層の剥離、凝集がゲート電極24の全体に発生するのを抑え、ゲート電極24の抵抗異常の発生が抑制される。
したがって、ゲート電極24のゲート幅を大きくしなくとも、実効ゲート幅を大きくできるので、N型領域14とP型領域16の境界線L上のゲート電極24で、電流が流れにくくなる抵抗異常の発生を抑制できる。また、抵抗異常の発生を抑制するために、ゲート電極24のゲート幅を大きくする必要性が低減できるので、N型領域14とP型領域16の面積を大きくすることが抑えられ、半導体装置10が全体として大型化することを低減できる。
なお、本実施形態では、N型領域14とP型領域16の境界線Lを基準として、図の時計方向に45度傾けた状態でゲート電極24を設ける構成としたが、ゲート電極24は境界線Lを斜めに横切った状態とされていればよく、境界線Lを基準としてゲート電極24を傾ける角度は、必ずしも45度である必要はない。しかし、境界線Lを基準としてゲート電極24を傾ける角度を45度よりも大きくすると、ゲート電極24の実効ゲート幅を、ゲート電極24に抵抗異常を発生させないサイズとするためには、ゲート電極24のゲート幅を角度に応じた分大きくする必要性が生じる。また、境界線Lを基準としてゲート電極24を傾ける角度を45度よりも小さくすると、ゲート電極24を境界線Lに沿って長くなり、場合によってはレイアウト的にN型領域14とP型領域16のサイズを大きくする必要性が生じる。
これらの点を鑑みて、N型領域14とP型領域16の境界線Lを基準として、ゲート電極24を傾ける角度を45度とすることが、半導体装置10の小型化及びゲート電極24の抵抗異常の発生の抑制の観点からは好ましいものと言える。
また、ゲート電極24を傾ける角度が45度と極端に角度が変わらない程度であって、マスクずれによる実際に形成されるゲート電極と境界線Lとの交差角度のずれを考慮すれば、実際に形成されるゲート電極と境界線Lとの交差角度は45度の±5度の範囲(40度〜50度)であれば、上述したような懸念も無視できる程度である。なお、レイアウト的にゲート幅を大きくすることができる許容範囲内で、ゲート電極と境界線Lとの交差角度を45度より大きくしても構わないし、レイアウト的にN型領域とP型領域のサイズを大きくせずとも、ゲート電極と境界線Lとの交差角度を45度より小さくできるのであればそのようにしてもよい。
また、本実施形態では、図1(A)に示すように、ゲート電極24の長さをN型領域14とP型領域16とで等しくなる構成としているが、図4に示すように、N型領域34のソース拡散層及びドレイン拡散層と、P型領域36のソース拡散層及びドレイン拡散層を半導体基板12と平行なライン上に位置させ、ゲート電極38の長さをN型領域34とP型領域36とで異ならせてもよい。
このようなゲート電極38の構成とすることで、N型領域34及びP型領域36に設けられた拡散層のそれぞれが横方向に並んで配置されるので、例えば、ゲート電極38及びN型領域34、P型領域36上を覆うように形成された層間絶縁層にコンタクトホールを設けて、このコンタクトホールを介してN型領域14とP型領域16それぞれに形成されているトランジスタそれぞれに電気的に接続すべき配線を設ける際や、2つのトランジスタを横切るような配線をレイアウトする際に、あえて斜めにするような工夫を施すことが低減できる。
さらに、図1(A)に示すように、ゲート電極24をN型領域14とP型領域16の境界線Lに対して斜めに配置する構成は、図5(A)に示すようなMOS型半導体装置40においても有効となる。
ここで、図5(A)のMOS型半導体装置40について簡単に説明する。図5(A)は、MOS型半導体装置40の平面図である。
このMOS型半導体装置40は、それぞれに複数のN型MOSトランジスタが形成される2つのNチャネル型MOSトランジスタ形成領域42及び2つのNチャネル型MOSトランジスタ形成領域42に挟まれるように配置され、複数のP型MOSトランジスタが形成されるPチャネル型MOSトランジスタ形成領域44で構成されている。Nチャネル型MOSトランジスタ形成領域42及びPチャネル型MOSトランジスタ形成領域44のアクティブ領域に形成されるN型MOSトランジスタ及びP型MOSトランジスタのそれぞれは、8角形とされたアクティブ領域(ソース拡散層46とドレイン拡散層48と、このソース拡散層46及びドレイン拡散層48の間のチャネル領域上に設けられたゲート電極50で構成された領域)を有している。
例えば、多数のトランジスタを形成するための領域を小さくするために、アクティブ領域の形状を8角形とし、アクティブ領域が図面上で横方向に並ばないようにずらして配置(千鳥状に配置)することが考慮される。
これにより、図5(B)に示すように、アクティブ領域(ソース拡散層58とドレイン拡散層60と、このソース拡散層58及びドレイン拡散層60の間のチャネル領域上に設けられたゲート電極62で構成された領域)の形状が長方形とされたN型MOSトランジスタ54及びP型MOSトランジスタ56を備えた半導体装置52と比較して、レイアウトサイズを小さくできるため、MOS型半導体装置40が小型化される。
上述のように8角形のアクティブ領域を用いるに際して、各アクティブ領域が同一の導電型で複数のトランジスタが同じ導電型であれば、複数のトランジスタで共通に用いられるゲート電極が、異なる導電型の領域の境界を跨ぐことはないが、図5(A)に示すように、CMOS構造とすべく異なる導電型のアクティブ領域が隣り合うような場合、ゲート電極が、異なる導電型の領域の境界を跨がざるをえない場合には、ゲート電極のレイアウトに工夫を施す必要性が生じる。
このようなとき、ゲート電極のレイアウトによっては本発明の解決しようとする課題を生じてしまうこととなるが、本発明のように、ゲート電極50を、N型MOSトランジスタ形成領域42とP型MOSトランジスタ形成領域44の境界線を斜めに跨いだ状態で設ければよい。
これにより、ゲート電極50のゲート幅のサイズを大きくしなくとも、ゲート実効幅を広げることができるので、ゲート電極50のゲート幅を細くしても、ゲート電極50に抵抗異常が発生しにくくなる。したがって、MOS型半導体装置40の小型化が図れる。
特に、図5(A)のように、Nチャネル型MOSトランジスタ形成領域42のアクティブ領域とPチャネル型MOSトランジスタ形成領域44のアクティブ領域とが同一ライン上に設けられていない配置であっても、本発明を用いることで、ゲート電極のレイアウトを複雑化することがない。
ここで、Nチャネル型MOSトランジスタ形成領域42とPチャネル型MOSトランジスタ形成領域44の境界線を基準にして、ゲート電極50を傾ける角度をθとし、θを45度としたMOS型半導体装置40の場合、図5(B)に示す半導体装置52に対して、レイアウト面積の10%程度の縮小ができる。また、θを60度としたMOS型半導体装置40の場合、図5(B)に示す半導体装置52に対して、レイアウト面積の20%程度の縮小ができる。
この例においては、実効ゲート幅が十分確保できる程度のゲート電極の幅が確保できていたことから、θの角度を45度より大きくすることで、よりレイアウト面積を縮小化することができているものである。
本発明は上記実施の形態で説明した構成に限られたものではなく、本発明の作用・効果が得られる範囲で種々の変更が可能である。
例えば、図5においては更なるレイアウト面積の縮小化を考慮したものとして8角形のアクティブ領域を例に説明したが、四角形のアクティブ領域を、図5(A)のように配置して、本発明のゲート電極を適用してもよい。この場合には、8角形のアクティブ領域を適用したものほどレイアウト面積の縮小化の効果は得られないかもしれないが、本発明のゲート電極を用いることでのレイアウト面積の増加を抑える効果は得られるものである。また、図5のような8角形のアクティブ領域に限らず、6角形以上の多角形を適用してもよい。
また、図5(A)では、2つのN型領域にP型領域が挟まれるように配置された例で説明したが、2つのP型領域にN型領域が挟まれるものであってもよく、さらに、N型領域とP型領域とが交互に隣り合って配置されるものに対しても本発明を適用可能であることはいうまでもない。
本発明の実施形態に係る半導体装置を示す図であり、(A)は平面図であり、(B)は側面断面図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置のゲート電極の一部を示す平面図である。 本発明の実施形態に係る半導体装置を構成するゲート電極の、ゲート幅のサイズに対するゲート電極の抵抗値の累積確率を示したグラフである。 その他の形態の半導体装置を示す平面図である。 (A)はその他の形態の半導体装置を示す平面図であり、(B)は従来例における半導体装置を示す平面図である。 従来例における半導体装置の示す平面図である。
符号の説明
10 半導体装置
12 半導体基板
14 N型領域(Nチャネル型トランジスタ形成領域)
16 P型領域(Pチャネル型トランジスタ形成領域)
18 ソース拡散層
20 ドレイン拡散層
22 チャンネル領域
24 ゲート電極
28 ポリシリコン(導電層)
30 金属シリサイド層
40 MOS型半導体装置(半導体装置)
42 N型MOSトランジスタ形成領域(N型領域)
44 P型MOSトランジスタ形成領域(P型領域)
50 ゲート電極

Claims (6)

  1. 半導体基板に形成されたNチャネル型トランジスタ形成領域と、
    前記半導体基板に形成され、前記Nチャネル型トランジスタ形成領域に隣り合って配置されたPチャネル型トランジスタ形成領域と、
    前記Nチャネル型トランジスタ形成領域と前記Pチャネル型トランジスタ形成領域に跨って延在するゲート電極と、
    を備え、
    前記ゲート電極は、前記Nチャネル型トランジスタ形成領域と前記Pチャネル型トランジスタ形成領域の境界線を斜めに横切るように配置されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記ゲート電極は、前記Pチャネル型トランジスタ形成領域と前記Nチャネル型トランジスタ形成領域の境界線に対して45度の角度をなして横切ることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
  3. 前記ゲート電極は、導電層上に金属シリサイド層を有する構成であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置。
  4. 前記Nチャネル型トランジスタ形成領域内のゲート電極の導電層はN型導電層であり、前記Pチャネル型トランジスタ形成領域内のゲート電極の導電層にはP型導電層であることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
  5. 前記導電層はシリコン層からなることを特徴とする請求項3または請求項4記載の半導体装置。
  6. 前記Nチャネル型トランジスタ形成領域は複数の第1のアクティブ領域を有し、前記Pチャネル型トランジスタ形成領域は複数の第2のアクティブ領域を有し、該第1のアクティブ領域のそれぞれと該第2のアクティブ領域のそれぞれは互いにずらして配置されていることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
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