JP2009038103A - 半導体装置の製造方法と半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
CMOS装置の製造工程におけるコンタクト不良発生を抑制する。
【解決手段】
半導体装置の製造方法は、(a)Si基板に、n型の第1の活性領域、p型の第2の活性領域を形成する工程と、(b)活性領域に、第1、第2のゲート電極構造、第1、第2のソース・ドレイン領域をそれぞれ形成する工程と、(c)第1のソース/ドレイン領域に、凹部を形成する工程と、(d)凹部にSi−Geを含むp型の圧縮応力を有する半導体エピタキシャル層を形成する工程と、(e)半導体基板上に引張応力を有する窒化シリコンのエッチストッパ膜、層間絶縁膜を形成する工程と、(f)層間絶縁膜、エッチストッパ膜を貫通して、コンタクト孔をエッチングする工程と、(g)半導体基板上方に酸素を含むプラズマを発生する工程と、(h)コンタクト孔に導電性プラグを埋め込む工程と、を有する。
【選択図】 図1−3
CMOS装置の製造工程におけるコンタクト不良発生を抑制する。
【解決手段】
半導体装置の製造方法は、(a)Si基板に、n型の第1の活性領域、p型の第2の活性領域を形成する工程と、(b)活性領域に、第1、第2のゲート電極構造、第1、第2のソース・ドレイン領域をそれぞれ形成する工程と、(c)第1のソース/ドレイン領域に、凹部を形成する工程と、(d)凹部にSi−Geを含むp型の圧縮応力を有する半導体エピタキシャル層を形成する工程と、(e)半導体基板上に引張応力を有する窒化シリコンのエッチストッパ膜、層間絶縁膜を形成する工程と、(f)層間絶縁膜、エッチストッパ膜を貫通して、コンタクト孔をエッチングする工程と、(g)半導体基板上方に酸素を含むプラズマを発生する工程と、(h)コンタクト孔に導電性プラグを埋め込む工程と、を有する。
【選択図】 図1−3
Description
本発明は、半導体装置の製造方法と半導体装置に関し、特に応力印加機構を有するMOSトランジスタを含む半導体装置の製造方法と半導体装置に関する。なお、半導体活性領域上に、ゲート絶縁膜と導電体の積層を含むゲート電極を有する電界効果トランジスタをMOSトランジスタと呼ぶ。
シリコン半導体集積回路の集積度向上、動作速度向上のために微細化が進められてきた。微細化と共にMOSトランジスタのゲート長は短縮化されている。ゲート長65nm以下では、微細化で性能向上を期待することに限界が見えてきた。
微細化以外で、MOSトランジスタの性能向上を行う技術として、歪(応力印加)によってキャリアの移動度を向上する歪トランジスタが注目されている。MOSトランジスタのチャネル領域に応力を印加して歪を発生させ、電子やホールの移動度を上げることにより、オン電流を向上する。
nチャネル(N)MOSトランジスタは引っ張り応力により電子の移動度が向上する。pチャネル(P)MOSトランジスタは、圧縮応力によりホールの移動度が向上する。
特開2003−86708号は、Si(001)面上,〈110〉方向にゲート長方向を配置した場合,NMOSはゲート長方向の引張歪みに対してオン電流が増大し、ゲート幅方向の引張歪みに対してオン電流が増大し、PMOSはゲート長方向の引張歪みに対してオン電流は減少し(ゲート長方向の圧縮歪みに対してオン電流は増大し),ゲート幅方向の引張歪みに対してオン電流は増大することを開示している。特開2003−86708号は、さらにNMOS領域上方には引張応力膜でコンタクトエッチストッパ膜を形成し、PMOS領域上方には圧縮応力膜でコンタクトエッチストッパ膜を形成し、CMOS全体の特性を向上させること、コンタクトエッチストッパ膜の面積によって応力を調整することを開示する。
PMOSトランジスタのソース/ドレイン領域をエッチングで掘り下げて、Si−Ge結晶を成長し、NMOSトランジスタのソース/ドレイン領域をエッチングで掘り下げて、Si−C結晶を成長すれば、PMOS,NMOSそれぞれにおいて望ましい応力を印加できるが、製造プロセスは複雑化する。より簡便な製造プロセスが望まれる。
そこで、PMOSトランジスタのソース/ドレイン領域をエッチングで掘り下げて、Si−Ge結晶を成長して圧縮応力を印加し、シリサイド層を形成した後、コンタクトエッチストッパとして引張応力を有する窒化膜を堆積し、NMOSトランジスタに引張応力を印加する構造が研究されている。
PMOSのソース/ドレインにはSi−Ge混晶を埋め込み、NMOS上には引張応力窒化シリコン膜を形成したCMOS半導体装置において、多くのコンタクト不良が発生した。
本発明の目的は、PMOSトランジスタにはSi−Geを含むエピタキシャル層を埋め込み、NMOSトランジスタ上には引っ張り応力窒化シリコン膜を形成する半導体装置の製造工程におけるコンタクト不良発生を抑制することである。
本発明の1観点によれば、
(a)Si表面を有する半導体基板に、n型の第1の活性領域、p型の第2の活性領域を形成する工程と、
(b)前記第1、第2の活性領域に、第1、第2のゲート電極構造、および第1、第2のソース/ドレイン領域をそれぞれ形成する工程と、
(c)前記第1のソース/ドレイン領域に、凹部を形成する工程と、
(d)前記凹部にSi−Ge含有層を形成する工程と、
(e)前記Si-Ge含有層上に窒化シリコン膜、層間絶縁膜を形成する工程と、
(f)前記層間絶縁膜、前記窒化シリコン膜をエッチングして、コンタクト孔を形成する工程と、
(g)工程(f)に続き、前記半導体基板を酸素プラズマに晒す工程と、
(h)前記コンタクト孔に導電材を埋め込んでプラグを形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法
が提供される。
(a)Si表面を有する半導体基板に、n型の第1の活性領域、p型の第2の活性領域を形成する工程と、
(b)前記第1、第2の活性領域に、第1、第2のゲート電極構造、および第1、第2のソース/ドレイン領域をそれぞれ形成する工程と、
(c)前記第1のソース/ドレイン領域に、凹部を形成する工程と、
(d)前記凹部にSi−Ge含有層を形成する工程と、
(e)前記Si-Ge含有層上に窒化シリコン膜、層間絶縁膜を形成する工程と、
(f)前記層間絶縁膜、前記窒化シリコン膜をエッチングして、コンタクト孔を形成する工程と、
(g)工程(f)に続き、前記半導体基板を酸素プラズマに晒す工程と、
(h)前記コンタクト孔に導電材を埋め込んでプラグを形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法
が提供される。
本発明の他の観点によれば、
n型の第1の活性領域、p型の第2の活性領域を含む半導体基板と、
前記第1の活性領域上に形成された第1のゲート電極構造と、前記第1のゲート電極構造両側の前記第1の活性領域に形成された第2導電型の第1のソース/ドレイン領域と、前記第1のソース/ドレイン領域に形成された凹部と、前記凹部に形成されたSi−Ge含有層とを有する第1のMOSトランジスタと、
前記第2の活性領域上に形成された第2のゲート電極構造と、前記第2のゲート電極構造両側の前記第2の活性領域に形成された第1導電型の第2のソース/ドレイン領域と、を有する第2のMOSトランジスタと、
前記第1、第2のMOSトランジスタを覆う酸化シリコンライナと、その上に形成された窒化シリコン膜と、その上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜、窒化シリコン膜、酸化シリコンライナを貫通する導電性プラグ、
を有する半導体装置
が提供される。
n型の第1の活性領域、p型の第2の活性領域を含む半導体基板と、
前記第1の活性領域上に形成された第1のゲート電極構造と、前記第1のゲート電極構造両側の前記第1の活性領域に形成された第2導電型の第1のソース/ドレイン領域と、前記第1のソース/ドレイン領域に形成された凹部と、前記凹部に形成されたSi−Ge含有層とを有する第1のMOSトランジスタと、
前記第2の活性領域上に形成された第2のゲート電極構造と、前記第2のゲート電極構造両側の前記第2の活性領域に形成された第1導電型の第2のソース/ドレイン領域と、を有する第2のMOSトランジスタと、
前記第1、第2のMOSトランジスタを覆う酸化シリコンライナと、その上に形成された窒化シリコン膜と、その上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜、窒化シリコン膜、酸化シリコンライナを貫通する導電性プラグ、
を有する半導体装置
が提供される。
コンタクト不良発生が抑制できる。
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図1A〜1Mは、第1の実施例による半導体装置の製造方法の主要工程を示す半導体基板の概略断面図である。
シリコン基板に、活性領域を画定する素子分離領域を形成する。素子分離領域は、例えばシャロートレンチアイソレーション(STI)により形成する。
図1Aに示すように、シリコン基板1表面上に、酸化シリコン膜2aを介して素子分離領域上に開口を有する窒化シリコン膜パターン2bを形成し、開口内のシリコン基板1をエッチングして、例えば深さ240nm〜350nmのトレンチTを形成する。
図1Bに示すように、高密度プラズマ(HDP)CVDによりトレンチ内を酸化シリコン膜3で埋め込む。基板表面上に堆積した不要な酸化シリコン膜を化学機械研磨(CMP)により研磨、除去する。このCMPの際、窒化シリコン膜パターン2bがストッパとして機能する。CMP後、窒化シリコン膜2bを例えば熱燐酸により除去する。さらに、酸化シリコン膜2aを希フッ酸等により除去する。このようにして、STIによる素子分離領域3を形成することができる。素子分離領域3を形成した後、レジストマスクにより領域を分け、p型不純物をイオン注入してNMOSトランジスタ領域にp型ウエルPW、n型不純物をイオン注入してPMOSトランジスタ領域にn型ウエルNWを形成する。
図1Cに示すように、活性領域表面上の酸化シリコン膜を希フッ酸等により除去し、新たに熱酸化を行い、例えば厚さ1nm〜15nmのゲート絶縁膜4を形成する。複数種類の厚さのゲート絶縁膜を形成する場合は、例えば一番厚いゲート絶縁膜を形成し、一部エッチングで除去し、二番目に厚いゲート絶縁膜を形成する、というようにエッチングと熱酸化の工程を繰り返す。酸化シリコン膜に窒素を導入してもよい。酸化シリコン膜上に誘電率の高い他の絶縁体膜を積層してもよい。このゲート絶縁膜4の上に、例えば厚さ75〜120nm程度のポリシリコン層5を形成し、ゲート電極層とする。ポリシリコン層5の上に、ゲート電極形状のホトレジストパターンPRを形成し、その下のポリシリコン層5を異方性エッチングによりパターニングし、ゲート電極5を形成する。ゲート絶縁膜4もエッチングしてもよい。その後ホトレジストパターンはアッシング等により除去する。PMOSトランジスタ領域を覆うホトレジストパターンを形成し、n型不純物をイオン注入してn型エクステンション領域Exnを形成する。例えば、Asを加速エネルギ5keV、ドーズ量1×1015cm−3(1E15と表記する)でイオン注入する。NMOSトランジスタ領域を覆うホトレジストパターンを形成し、PMOSトランジスタ領域に、p型不純物をイオン注入してp型エクステンション領域Expを形成する。例えば、p型不純物、Bを加速エネルギ5keV、ドーズ量1E15でイオン注入し、p型エクステンション領域Expを形成する。
図1Dに示すように、ゲート電極を覆って、基板上に窒化シリコン膜等の絶縁膜からなるサイドウォールスペーサSWを形成する。例えばジクロルシランSiH2Cl2とアンモニアNH3をソースガスとし、温度600℃〜800℃の熱CVDにより厚さ15nm〜 75nmの窒化シリコン膜6を、ゲート電極構造を覆って基板上に堆積する。なお、窒化シリコン膜に代え、酸化シリコン膜としても、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の積層等としてもよい。酸化シリコン膜は、例えばテトラエトキシシラン(TEOS)と酸素をソースガスとし、温度550℃〜700℃の熱CVDにより堆積できる。ハイドロフルオロカーボンをエッチングガスとしたリアクティブイオンエッチング(RIE)により、窒化シリコン膜6を異方性エッチングし、ゲート電極構造側壁上にサイドウォールスペーサSWを残す。
レジストマスクでNMOS領域を覆い、p型不純物、例えばBをp型エクステンション領域より深く、高濃度にイオン注入し、ソース/ドレイン領域S/Dpを形成する。また、レジストマスクでPMOS領域を覆い、NMOSトランジスタ領域にn型不純物、例えばPをn型エクステンション領域より深く、高濃度にイオン注入し、ソース/ドレイン領域S/Dnを形成する。
図1Eに示すように、例えば高密度プラズマ化学気相堆積(HDP−CVD)により酸化シリコン膜11を厚さ約40nm堆積する。NMOS領域を覆うレジストパターンを形成し、PMOS領域の酸化シリコン膜11をエッチング除去する。この酸化シリコン膜11はSi基板をエッチングし、さらにSi−Ge層をエピタキシャル成長する時のマスクとして機能するハードマスクである。HDP以外の方法で形成してもよい。
酸化シリコン膜11をエッチングマスクとし、PMOS領域で、基板のSiをエッチングする。例えば、HBrをエッチングガスとし、RIEにより深さ約35nmのエッチングを行う。続いてHClを用いたケミカルエッチ等により、Si表面を清浄化する。このようにして、凹部12を形成する。
図1Fに示すように、減圧熱CVDにより、PMOSトランジスタ領域の凹部12に露出したシリコン表面上にSi−Ge又はSi−Ge−Cのエピタキシャル成長を行い、エピタキシャル層13を形成する。例えば、成膜温度は500℃〜800℃とし、SiH2Cl2(Siのソースガス)を流量50sccm〜300sccm、GeH4(Geのソースガス)を流量50sccm〜300sccm、HClガスを流量30sccm〜300sccm、他にH2ガスを流す。Si−Ge−Cエピタキシャル成長時には、例えばSiH3(CH3)(Cのソースガス)も流量2sccm〜50sccm程度流す。成長時に、ジボラン等Bのソースガスも流して、p型不純物Bもドープする。CVD成膜室内の圧力は、例えば100Pa〜5000Paとする。
Si−GeのGe組成は5〜40at%とするのがよい。Cを少し添加すると、歪量は下がるが、熱安定性が上がる。バランスの良い組成のSi−Ge−Cを用いるのも有効である。
エピタキシャル成長は、Si表面にのみ生じ、絶縁物表面には生じない。初め凹部12表面に沿って成長が進み、サイドウォールスペーサSWを回りこんで、隆起した表面を有するようにエピタキシャル層が成長する。その後、エッチング、エピタキシャル成長のマスクとして用いた酸化シリコン膜11は除去する。
SiソースガスとしてSiH2Cl2の代わりに、SiH4、Si2H6、Si3H8、Si3Cl6を用いてもよい。HClの代わりにCl2を用いてもよい。GeH4の代わりに、GeH2Cl2を用いてもよい。
なお、ソース/ドレイン領域のエッチング工程でPMOSトランジスタのポリシリコンゲート電極もエッチされるが、Si−Ge成長工程でポリシリコン上にも多結晶Si−Geが成長する。一旦形成された窪みは埋め戻される。
図1Gに示すように、Si表面およびエピタキシャル層13表面にNiSiシリサイド層16を形成する。例えば、厚さ10nm〜20nmのNi層をスパッタリングで堆積し、450℃以下の温度でアニールすることによってニッケルモノシリサイド(NiSi)層16に変換する。450℃を越えると、高抵抗のニッケルダイシリサイドが形成され、スパイク状の成長を生じることがある。未反応Ni層は、過酸化水素と硫酸の混合液等によりウォッシュアウトする。
図1Hに示すように、エピタキシャル成長工程、シリサイド形成工程を経た基板上に酸化シリコンライナ21を形成する。酸化シリコンライナは、本実施例で追加した構成要素である。成膜条件は、例えば、以下の通りである。
成膜方法:プラズマCVD、
成膜装置:平行平板型プラズマ装置
ソースガス:SiH4,N2O
基板温度:450℃未満、
膜厚:10nm〜20nm、
450℃以上の温度では、Niシリサイドが高抵抗になる可能性がある。厚さ10nm以下の酸化シリコン膜をPE−CVDで成長することは困難である。酸化シリコン膜の厚さが20nmを越えると、基板に有効に応力を印加することが困難になる。
成膜方法:プラズマCVD、
成膜装置:平行平板型プラズマ装置
ソースガス:SiH4,N2O
基板温度:450℃未満、
膜厚:10nm〜20nm、
450℃以上の温度では、Niシリサイドが高抵抗になる可能性がある。厚さ10nm以下の酸化シリコン膜をPE−CVDで成長することは困難である。酸化シリコン膜の厚さが20nmを越えると、基板に有効に応力を印加することが困難になる。
図1Iに示すように、酸化シリコンライナ21の上に、引張応力を有する窒化シリコンのエッチストッパ膜22を堆積する。成膜条件は、例えば、以下の通りである。
成膜方法:プラズマCVD、
成膜装置:平行平板プラズマ装置
ソースガス:SiH4,NH3,N2
基板温度:450℃未満、
膜厚:40nm〜90nm、
図1Jに示すように、エッチストッパ膜22の上に、酸化膜で層間絶縁膜23を形成する。例えば、成膜条件は、以下の通りである。
成膜方法:プラズマCVD
成膜装置:誘導結合(ICP)プラズマチャンバ
ソースガス:PH3,SiH4,O2
基板温度:450℃未満、
膜材料:PSG
膜厚:500nm〜700nm、
この後、PSG膜をCMPで平坦化し、層間絶縁膜23表面を平らにする。
成膜方法:プラズマCVD、
成膜装置:平行平板プラズマ装置
ソースガス:SiH4,NH3,N2
基板温度:450℃未満、
膜厚:40nm〜90nm、
図1Jに示すように、エッチストッパ膜22の上に、酸化膜で層間絶縁膜23を形成する。例えば、成膜条件は、以下の通りである。
成膜方法:プラズマCVD
成膜装置:誘導結合(ICP)プラズマチャンバ
ソースガス:PH3,SiH4,O2
基板温度:450℃未満、
膜材料:PSG
膜厚:500nm〜700nm、
この後、PSG膜をCMPで平坦化し、層間絶縁膜23表面を平らにする。
層間絶縁膜23の上にコンタクト孔の開口を有するレジストパターンPR2を形成する。シリコン基板をエッチング装置の反応室内に装荷する。レジストパターンPR2をエッチングマスクとし、エッチストッパ層22をエッチストッパとして、層間絶縁膜23をエッチングしてコンタクト孔を形成する。エッチング条件は、例えば以下の通りである。
エッチング方法:リアクティブイオンエッチング
エッチング装置:容量結合(マグネトロンRIE)プラズマチャンバ、
エッチングガス:C4F6,Ar,O2
層間絶縁膜23のエッチングが終了した後、酸素ガスを導入し、アッシングでレジストパターンPR2を除去する。さらに後処理として、アッシングでは除去できなかったコンタクトホール内に付着しているフロロカーボン等を燐酸アンモニウムで完全に除去する。
エッチング方法:リアクティブイオンエッチング
エッチング装置:容量結合(マグネトロンRIE)プラズマチャンバ、
エッチングガス:C4F6,Ar,O2
層間絶縁膜23のエッチングが終了した後、酸素ガスを導入し、アッシングでレジストパターンPR2を除去する。さらに後処理として、アッシングでは除去できなかったコンタクトホール内に付着しているフロロカーボン等を燐酸アンモニウムで完全に除去する。
コンタクト孔が形成された層間絶縁膜23をエッチングマスクとして、エッチストッパ層22のエッチングを行なう。エッチング条件は、例えば以下の通りである。
エッチング方法:リアクティブイオンエッチング、
エッチング装置:容量結合(マグネトロンRIE)プラズマチャンバ、
エッチングガス:CH3FとO2の混合ガス、
エッチングガスは、さらにArやCF4を加えてもよい。CH3FとO2の混合比率はCH3F:O2=1:1〜1:2が適切である。
エッチング方法:リアクティブイオンエッチング、
エッチング装置:容量結合(マグネトロンRIE)プラズマチャンバ、
エッチングガス:CH3FとO2の混合ガス、
エッチングガスは、さらにArやCF4を加えてもよい。CH3FとO2の混合比率はCH3F:O2=1:1〜1:2が適切である。
エッチストッパ層22のエッチングの後、酸化シリコンライナ21のエッチングを行なう。コンタクト孔の底面にNiSi層16が露出する。エッチング条件は、例えば以下の通りである。
エッチング方法:リアクティブイオンエッチング、
エッチング装置:容量結合(マグネトロンRIE)プラズマチャンバ、
エッチングガス:C4F8とArとO2の混合ガス、
エッチングガスは、さらにCF4やCHF3を加えてもよい。Arは400sccm〜800sccm、C4F8は3sccm〜10sccm、O2は1sccm〜5sccmの流量で行うのが適切である。
エッチング方法:リアクティブイオンエッチング、
エッチング装置:容量結合(マグネトロンRIE)プラズマチャンバ、
エッチングガス:C4F8とArとO2の混合ガス、
エッチングガスは、さらにCF4やCHF3を加えてもよい。Arは400sccm〜800sccm、C4F8は3sccm〜10sccm、O2は1sccm〜5sccmの流量で行うのが適切である。
図1Kに示すように、同一反応室内で短時間酸素プラズマ24を発生させる(O2フラッシュプラズマと呼ぶ)。O2フラッシュプラズマ処理は、本実施例で導入した処理である。例えばプラズマ条件は以下の通りである。
処理装置:マグネトロンRIEプラズマチャンバ、
圧力:40mTorr〜150mTorr、
RFパワー:100W〜500W,
ガス:O2:90sccm〜300sccm、
電極温度:−10℃〜50℃、
ギャップ:27mm〜47mm。
処理装置:マグネトロンRIEプラズマチャンバ、
圧力:40mTorr〜150mTorr、
RFパワー:100W〜500W,
ガス:O2:90sccm〜300sccm、
電極温度:−10℃〜50℃、
ギャップ:27mm〜47mm。
以下に述べる実験例においては、
圧力:90mTorr、
RFパワー:200W,
ガス:O2、流量:180sccm、
電極温度:25℃、
ギャップ:27mm、
とした。処理時間を変えてその効果を調べた。
圧力:90mTorr、
RFパワー:200W,
ガス:O2、流量:180sccm、
電極温度:25℃、
ギャップ:27mm、
とした。処理時間を変えてその効果を調べた。
層間絶縁膜23のエッチングから、O2フラッシュプラズマ処理まで、シリコン基板は同一反応室内の真空(ないし減圧)雰囲気中に保たれるのが好ましい。
本実施例では、アッシングを行なうのみでなく、O2フラッシュプラズマ処理を追加したことになる。
図1Lに示すように、リン酸アンモニウム液25でウェット処理を行ない、アッシングで除去できなかったフロロカーボン等の残渣を除去する。
図1Mに示すように、コンタクト孔にバリアメタル層としてTiN層をスパッタリングで堆積し、その上にWF6/H2ガスの還元反応CVDでW層を形成してコンタクト孔を埋め戻す。層間絶縁膜23上の不要金属層をCMPで除去して、導電性プラグ26を形成する。
さらに、酸化シリコンの層間絶縁膜28を堆積し、配線用トレンチを形成し、TaN等のバリア層とCuシード層をスパッタリングした後、Cuメッキを行い、不要部をCMPで除去して、シングルダマシン銅配線27を形成する。さらに、スピンオングラス(ナノクリスタルシリカ)の層間絶縁膜29を形成し、配線溝とビア孔をエッチングし、デュアルダマシン銅配線30を埋め込む。
このようにして、Wプラグと銅2層配線を備えた半導体装置を得る。なお、配線は必要に応じて任意の層数形成できる。
上述の第1の実施例においては、窒化シリコンエッチストッパ膜の下に酸化シリコンライナを敷き、コンタクト孔形成後フラッシュO2プラズマ処理を行なった。窒化シリコンエッチストッパ膜下の酸化シリコンライナなし、かつフラッシュO2プラズマ処理無しの参考例を作成し、チェーンコンタクトでコンタクト抵抗を測定した。
図2A,2Bは、参考例によるストレス窒化シリコン膜単層を用い、O2フラッシュプラズマ処理を行なわなかった場合のPMOSのゲートおよびNMOSのゲートのチェーンコンタクト抵抗(横軸)とその発生確率(縦軸)を示すグラフである。複数枚のウエハを真空(低圧)雰囲気から取り出し、順にアッシング処理を行なった結果を示している。p+ポリにおいては、処理順による変化は比較的に小さかったが、n+ポリにおいては、処理順依存性が大きく表れた。
図2C,2Dは、第1の実施例に従い、ストレス窒化シリコン膜の下に酸化シリコン膜を形成し、さらにO2フラッシュプラズマ処理を行なったPMOSのゲート(p+ポリ)およびNMOSのゲート(n+ポリ)のサンプルのチェーンコンタクト抵抗(横軸)とその発生確率(縦軸)を示すグラフである。図2Cのp+ポリにおいて、処理順依存性は小さい。図2Dのn+ポリにおいて、図2Bと較べると、明らかに処理順依存性は小さい。チェーンコンタクト抵抗の増大が抑制されていることが判る。
図2Eは、フラッシュO2プラズマ処理の時間を0秒(処理なし)から60秒まで変化させ、エッチング装置から取り出した後、アッシング装置に挿入するまでの大気中放置時間を0時間から6時間まで変化させた時の、コンタクト抵抗を示す。各図中、横軸は抵抗を、縦軸はシグマで表わした確率を示す。NMOSトランジスタのゲートコンタクト(G)とソース/ドレインコンタクト(SD)の特性を示す。なお、コンタクト孔内に露出するNiSiは、酸化しやすい材料である。
放置時間が6時間の場合、処理時間0秒でも、60秒でもNMOSのコンタクト抵抗は高くなってしまう。放置時間が0時間(真空雰囲気を保った場合)、処理時間0秒で、僅かコンタクト抵抗上昇が認められ、処理時間を20秒、40秒と増加するとコンタクト抵抗は低減していく。即ち、フラッシュO2プラズマ処理により、コンタクト抵抗増加を抑制する効果が認められる。但し、処理時間60秒では再びコンタクト抵抗が増加する。処理時間20秒で、放置時間を0時間から2時間、4時間と増加すると、コンタクト抵抗はかなり増大する。20秒の処理時間は、効果は有るが不十分といえる。処理時間60秒は、放置時間0時間でもコンタクト抵抗が増大しており、フラッシュO2プラズマ処理によって、NiSi表面が酸化している可能性を示している。
処理時間40秒は、放置時間に依存せず、コンタクト抵抗が低い。フラッシュO2プラズマ処理により、コンタクト孔の特性が安定化したと考えられる。フラッシュO2プラズマ処理の好適な量は、i線用レジストのアッシング量に換算すると、305nm〜463nmであった。
上述の第1の実施例においては、窒化シリコンエッチストッパ膜の下に酸化シリコンライナを敷き、コンタクト孔形成後フラッシュO2プラズマ処理を行なった。
図3A,3B,3Cは、第1の実施例の酸化シリコンライナを省略した、第2の実施例による簡略化した処理を示す。
第1の実施例における図1A〜1Hの工程を行い、Si−Ge混晶を埋め込み、NiSi層を形成する。
図3Aに示すように、NiSi層16を覆って、シリコン基板上に窒化シリコンのエッチストッパ22を形成する。
図3Bに示すように、エッチストッパ22の上に層間絶縁膜23を形成し、その上にホトレジストパターンPR2を形成する。ホトレジストパターンPR2をエッチングマスクとし、エッチストッパ22をエッチングストッパとして、層間絶縁膜23のエッチングを行い、ホトレジストパターンPR2は除去する。コンタクト孔を形成した層間絶縁膜23をマスクとして、エッチストッパ22のエッチングを行なう。
図3Cに示すように、エッチング終了後同一反応室内で酸素プラズマ24を発生させ、フラッシュO2プラズマ処理を行なう。
第2の実施例によっても、コンタクト抵抗増大を抑制できた。
図4A,4Bは、第3の実施例による処理を示す。第1の実施例の図1A〜1Hに示す工程を、酸化シリコンライナ21のエッチングを除いて行う。NiSi層16は酸化シリコンライナ21に覆われた状態を保つ。
図4Aに示すように、エッチング反応室内で酸素プラズマ24を発生させ、フラッシュO2プラズマ処理を行なう。その後、後処理を行ない、スパッタリングチャンバにシリコン基板を搬入する。
図4Bに示すように、スパッタリングチャンバ内でまずArプラズマを発生させ、RFスパッタ処理により、コンタクト孔内に残っている酸化シリコンライナ21の除去を行なう。RFスパッタ処理の条件は、例えば、以下の通りである。
反応室:誘導結合型プラズマ(ICP)チャンバ、
ガス:Ar/100sccm〜20sccm、
圧力:3mTorr〜1mTorr、
RFパワー:上部電極/下部電極=750W/200W〜250W,
処理時間:3秒〜20秒。
反応室:誘導結合型プラズマ(ICP)チャンバ、
ガス:Ar/100sccm〜20sccm、
圧力:3mTorr〜1mTorr、
RFパワー:上部電極/下部電極=750W/200W〜250W,
処理時間:3秒〜20秒。
その後導電性プラグ形成、上部配線形成の工程を第1の実施例同様に行う。
第3の実施例が、最も安定して、コンタクト抵抗増加の抑制効果を示した。
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限らない。例えば種々の変更、置換、改良、組み合わせ等が可能なことは、当業者に自明であろう。
以下、本発明の特徴を付記する。
(付記1)
(a)Si表面を有する半導体基板に、n型の第1の活性領域、p型の第2の活性領域を形成する工程と、
(b)前記第1、第2の活性領域に、第1、第2のゲート電極構造及び第1、第2のソース/ドレイン領域をそれぞれ形成する工程と、
(c)前記第1のソース/ドレイン領域に、凹部を形成する工程と、
(d)前記凹部にSi−Ge含有層を形成する工程と、
(e)前記Si-Ge含有層上に窒化シリコン膜、層間絶縁膜を形成する工程と、
(f)前記層間絶縁膜、前記窒化シリコン膜をエッチングして、コンタクト孔を形成する工程と、
(g)工程(f)に続き、前記半導体基板を酸素プラズマに晒す工程と、
(h)前記コンタクト孔に導電材を埋め込んでプラグを形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
(a)Si表面を有する半導体基板に、n型の第1の活性領域、p型の第2の活性領域を形成する工程と、
(b)前記第1、第2の活性領域に、第1、第2のゲート電極構造及び第1、第2のソース/ドレイン領域をそれぞれ形成する工程と、
(c)前記第1のソース/ドレイン領域に、凹部を形成する工程と、
(d)前記凹部にSi−Ge含有層を形成する工程と、
(e)前記Si-Ge含有層上に窒化シリコン膜、層間絶縁膜を形成する工程と、
(f)前記層間絶縁膜、前記窒化シリコン膜をエッチングして、コンタクト孔を形成する工程と、
(g)工程(f)に続き、前記半導体基板を酸素プラズマに晒す工程と、
(h)前記コンタクト孔に導電材を埋め込んでプラグを形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
(付記2)
前記窒化シリコン膜は、引張応力を有することを特徴とする付記1記載の半導体装置の製造方法。
前記窒化シリコン膜は、引張応力を有することを特徴とする付記1記載の半導体装置の製造方法。
(付記3)
工程(f)は、
(f−1)前記層間絶縁膜上に開口を有するホトレジストパターンを形成する工程と、
(f−2)前記ホトレジストパターンをマスクとし、前記窒化シリコン膜をストッパとして、前記層間絶縁膜をエッチングする工程と、
(f−3)工程(f−2)の後、前記ホトレジストパターンを除去する工程と、
(f−4)次いで前記層間絶縁膜をマスクとして、前記窒化シリコン膜をエッチングする工程と、
を含む付記2記載の半導体装置の製造方法。
工程(f)は、
(f−1)前記層間絶縁膜上に開口を有するホトレジストパターンを形成する工程と、
(f−2)前記ホトレジストパターンをマスクとし、前記窒化シリコン膜をストッパとして、前記層間絶縁膜をエッチングする工程と、
(f−3)工程(f−2)の後、前記ホトレジストパターンを除去する工程と、
(f−4)次いで前記層間絶縁膜をマスクとして、前記窒化シリコン膜をエッチングする工程と、
を含む付記2記載の半導体装置の製造方法。
(付記4)
(i)工程(d)と(e)の間に、前記Si−Ge層表面及び前記第2のソース/ドレイン領域上に金属シリサイド層を形成する工程、
をさらに含む付記3記載の半導体装置の製造方法。
(i)工程(d)と(e)の間に、前記Si−Ge層表面及び前記第2のソース/ドレイン領域上に金属シリサイド層を形成する工程、
をさらに含む付記3記載の半導体装置の製造方法。
(付記5)前記プラグは、TiN層とW層からなり、前記TiN層はスパッタ法で形成されることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(付記6)
(k)工程(d)と(e)の間に、前記半導体基板上に厚さ20nm以下の酸化シリコン膜を形成する工程、
をさらに含む付記3〜5のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
(k)工程(d)と(e)の間に、前記半導体基板上に厚さ20nm以下の酸化シリコン膜を形成する工程、
をさらに含む付記3〜5のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
(付記7)
工程(f−4)は、さらに前記酸化シリコン膜もエッチングする付記6記載の半導体装置の製造方法。
工程(f−4)は、さらに前記酸化シリコン膜もエッチングする付記6記載の半導体装置の製造方法。
(付記8)
工程(h)は、前処理として前記半導体基板をArガスプラズマに晒す工程を有する付記6記載の半導体装置の製造方法。
(付記9)
Si表面を有する半導体基板に、ゲート電極、ソース領域、及びドレイン領域を有するトランジスタを形成する工程と、
前記トランジスタを覆うように窒化シリコン膜を堆積する工程と、
前記窒化シリコン膜上に層間絶縁膜を堆積する工程と、
前記層間絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、
前記層間絶縁膜をエッチングして、コンタクト孔を形成する工程と、
前記レジストパターンを除去する工程と、
前記窒化シリコン膜をエッチングする工程と、
前記半導体基板を酸素プラズマに晒す工程と、
前記コンタクト孔に導電材を埋め込む工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
(付記10)
前記トランジスタを形成する工程において、前記ソース領域及び前記ドレイン領域上に金属シリサイドを形成する工程をさらに含む付記9記載の半導体装置の製造方法。
(付記11)
前記窒化シリコン膜を堆積する工程の前に、前記半導体基板全面に酸化シリコン膜を堆積する工程をさらに含む付記9または10記載の半導体装置の製造方法。
(付記12)
Si表面を有する半導体基板に、ゲート電極、ソース領域、及びドレイン領域を有するトランジスタを形成する工程と、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域に凹部を形成する工程と、
前記凹部にSi−Ge含有層を形成する工程と、
前記Si-Ge含有層上に窒化シリコン膜及び層間絶縁膜を堆積する工程と、
前記層間絶縁膜及び前記窒化シリコン膜をエッチングして、コンタクト孔を形成する工程と、
前記半導体基板を酸素プラズマに晒す工程と、
前記コンタクト孔に導電材を埋め込む工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
(付記13)
前記コンタクト孔を形成する工程は、
前記層間絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクとして前記層間絶縁膜をエッチングする工程と、
前記レジストパターンを除去する工程と、
前記窒化シリコン膜をエッチングする工程と、
を含む付記12記載の半導体装置の製造方法。
(付記14)
前記トランジスタを形成する工程において、前記Si−Ge含有層上に金属シリサイドを形成する工程をさらに含む付記12または13記載の半導体装置の製造方法。
(付記15)
前記窒化シリコン膜を堆積する工程の前に、前記半導体基板全面に酸化シリコン膜を堆積する工程をさらに含む付記12〜14のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
(付記16)
n型の第1の活性領域、p型の第2の活性領域を含む半導体基板と、
前記第1の活性領域上に形成された第1のゲート電極構造と、前記第1のゲート電極構造両側の前記第1の活性領域に形成された第2導電型の第1のソース/ドレイン領域と、前記第1のソース/ドレイン領域に形成された凹部と、前記凹部に形成されたSi−Ge含有層とを有する第1のMOSトランジスタと、
前記第2の活性領域上に形成された第2のゲート電極構造と、前記第2のゲート電極構造両側の前記第2の活性領域に形成された第1導電型の第2のソース/ドレイン領域と、を有する第2のMOSトランジスタと、
前記第1、第2のMOSトランジスタを覆う酸化シリコン膜と、その上に形成された窒化シリコン膜と、その上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜を貫通する導電性プラグ、
を有する半導体装置。
(付記17)
前記窒化シリコン膜は引張り応力を有することを特徴とする付記16に記載の半導体装置。
(付記18)
前記第2のMOSトランジスタのシリコン表面および前記第1のMOSトランジスタのSi−Ge層表面に形成されたNiSi層をさらに含み、前記導電性プラグは前記NiSi層にコンタクトすることを特長とするし、付記16又は17に記載の半導体装置。
(付記19)
前記酸化シリコン膜は、20nm以下の厚さを有することを特長とする付記16乃至19のいずれか1項に記載の半導体装置。
工程(h)は、前処理として前記半導体基板をArガスプラズマに晒す工程を有する付記6記載の半導体装置の製造方法。
(付記9)
Si表面を有する半導体基板に、ゲート電極、ソース領域、及びドレイン領域を有するトランジスタを形成する工程と、
前記トランジスタを覆うように窒化シリコン膜を堆積する工程と、
前記窒化シリコン膜上に層間絶縁膜を堆積する工程と、
前記層間絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、
前記層間絶縁膜をエッチングして、コンタクト孔を形成する工程と、
前記レジストパターンを除去する工程と、
前記窒化シリコン膜をエッチングする工程と、
前記半導体基板を酸素プラズマに晒す工程と、
前記コンタクト孔に導電材を埋め込む工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
(付記10)
前記トランジスタを形成する工程において、前記ソース領域及び前記ドレイン領域上に金属シリサイドを形成する工程をさらに含む付記9記載の半導体装置の製造方法。
(付記11)
前記窒化シリコン膜を堆積する工程の前に、前記半導体基板全面に酸化シリコン膜を堆積する工程をさらに含む付記9または10記載の半導体装置の製造方法。
(付記12)
Si表面を有する半導体基板に、ゲート電極、ソース領域、及びドレイン領域を有するトランジスタを形成する工程と、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域に凹部を形成する工程と、
前記凹部にSi−Ge含有層を形成する工程と、
前記Si-Ge含有層上に窒化シリコン膜及び層間絶縁膜を堆積する工程と、
前記層間絶縁膜及び前記窒化シリコン膜をエッチングして、コンタクト孔を形成する工程と、
前記半導体基板を酸素プラズマに晒す工程と、
前記コンタクト孔に導電材を埋め込む工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
(付記13)
前記コンタクト孔を形成する工程は、
前記層間絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクとして前記層間絶縁膜をエッチングする工程と、
前記レジストパターンを除去する工程と、
前記窒化シリコン膜をエッチングする工程と、
を含む付記12記載の半導体装置の製造方法。
(付記14)
前記トランジスタを形成する工程において、前記Si−Ge含有層上に金属シリサイドを形成する工程をさらに含む付記12または13記載の半導体装置の製造方法。
(付記15)
前記窒化シリコン膜を堆積する工程の前に、前記半導体基板全面に酸化シリコン膜を堆積する工程をさらに含む付記12〜14のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
(付記16)
n型の第1の活性領域、p型の第2の活性領域を含む半導体基板と、
前記第1の活性領域上に形成された第1のゲート電極構造と、前記第1のゲート電極構造両側の前記第1の活性領域に形成された第2導電型の第1のソース/ドレイン領域と、前記第1のソース/ドレイン領域に形成された凹部と、前記凹部に形成されたSi−Ge含有層とを有する第1のMOSトランジスタと、
前記第2の活性領域上に形成された第2のゲート電極構造と、前記第2のゲート電極構造両側の前記第2の活性領域に形成された第1導電型の第2のソース/ドレイン領域と、を有する第2のMOSトランジスタと、
前記第1、第2のMOSトランジスタを覆う酸化シリコン膜と、その上に形成された窒化シリコン膜と、その上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜を貫通する導電性プラグ、
を有する半導体装置。
(付記17)
前記窒化シリコン膜は引張り応力を有することを特徴とする付記16に記載の半導体装置。
(付記18)
前記第2のMOSトランジスタのシリコン表面および前記第1のMOSトランジスタのSi−Ge層表面に形成されたNiSi層をさらに含み、前記導電性プラグは前記NiSi層にコンタクトすることを特長とするし、付記16又は17に記載の半導体装置。
(付記19)
前記酸化シリコン膜は、20nm以下の厚さを有することを特長とする付記16乃至19のいずれか1項に記載の半導体装置。
1 半導体(Si)基板
2 エッチングマスク
2a 酸化シリコン膜、
2b 窒化シリコン膜、
3 素子分離領域(STI)
4 ゲート絶縁膜
5 ゲート電極(ポリシリコン層)
6 サイドウォールスペーサ用絶縁膜(窒化シリコン膜)
11 酸化シリコン膜
12 凹部
13 Si−Geエピタキシャル層
21 酸化シリコンライナ
22 窒化シリコン膜(エッチストッパ)
24 酸素プラズマ
PW p型ウェル
NW n型ウェル
Ex エクステンション領域
S/Dソース/ドレイン領域
SW サイドウォールスペーサ
2 エッチングマスク
2a 酸化シリコン膜、
2b 窒化シリコン膜、
3 素子分離領域(STI)
4 ゲート絶縁膜
5 ゲート電極(ポリシリコン層)
6 サイドウォールスペーサ用絶縁膜(窒化シリコン膜)
11 酸化シリコン膜
12 凹部
13 Si−Geエピタキシャル層
21 酸化シリコンライナ
22 窒化シリコン膜(エッチストッパ)
24 酸素プラズマ
PW p型ウェル
NW n型ウェル
Ex エクステンション領域
S/Dソース/ドレイン領域
SW サイドウォールスペーサ
Claims (11)
- (a)Si表面を有する半導体基板に、n型の第1の活性領域、p型の第2の活性領域を形成する工程と、
(b)前記第1、第2の活性領域に、第1、第2のゲート電極構造、および第1、第2のソース/ドレイン領域をそれぞれ形成する工程と、
(c)前記第1のソース/ドレイン領域に、凹部を形成する工程と、
(d)前記凹部にSi−Ge含有層を形成する工程と、
(e)前記Si-Ge含有層上に窒化シリコン膜、層間絶縁膜を形成する工程と、
(f)前記層間絶縁膜、前記窒化シリコン膜をエッチングして、コンタクト孔を形成する工程と、
(g)工程(f)に続き、前記半導体基板を酸素プラズマに晒す工程と、
(h)前記コンタクト孔に導電材を埋め込んでプラグを形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - 前記窒化シリコン膜は、引張応力を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 工程(f)は、
(f−1)前記層間絶縁膜上に開口を有するホトレジストパターンを形成する工程と、
(f−2)前記ホトレジストパターンをマスクとし、前記窒化シリコン膜をストッパとして、前記層間絶縁膜をエッチングする工程と、
(f−3)工程(f−2)の後、前記ホトレジストパターンを除去する工程と、
(f−4)次いで前記層間絶縁膜をマスクとして、前記窒化シリコン膜をエッチングする工程と、
を含む請求項2記載の半導体装置の製造方法。 - (i)工程(d)と(e)の間に、前記Si−Ge層表面にNiSi層を形成する工程、
をさらに含む請求項3記載の半導体装置の製造方法。 - 前記プラグは、TiN層とW層からなり、前記TiN層はスパッタ法で形成されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- (k)工程(d)と(e)の間に、前記半導体基板上に厚さ20nm以下の酸化シリコン膜を形成する工程、
をさらに含む請求項3〜5のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。 - 工程(f−4)は、さらに前記酸化シリコン膜もエッチングする請求項6記載の半導体装置の製造方法。
- 工程(h)は、前処理としてArプラズマに前記半導体基板を晒す請求項6記載の半導体装置の製造方法。
- Si表面を有する半導体基板に、ゲート電極、ソース領域、及びドレイン領域を有するトランジスタを形成する工程と、
前記トランジスタを覆うように窒化シリコン膜及び層間絶縁膜を堆積する工程と、
前記層間絶縁膜上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクとして前記層間絶縁膜をエッチングし、その後前記レジストパターンを除去する工程と、
前記窒化シリコン膜をエッチングして、コンタクト孔を形成する工程と、
前記半導体基板を酸素プラズマに晒す工程と、
前記コンタクト孔に導電材を埋め込む工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - Si表面を有する半導体基板に、ゲート電極、ソース領域、及びドレイン領域を有するトランジスタを形成する工程と、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域に、凹部を形成する工程と、
前記凹部にSi−Ge含有層を形成する工程と、
前記Si-Ge含有層上に窒化シリコン膜を堆積する工程と、
前記窒化シリコン膜をエッチングして、コンタクト孔を形成する工程と、
前記半導体基板を酸素プラズマに晒す工程と、
前記コンタクト孔に導電材を埋め込む工程と、
を有する半導体装置の製造方法。 - n型の第1の活性領域、p型の第2の活性領域を含む半導体基板と、
前記第1の活性領域上に形成された第1のゲート電極構造と、前記第1のゲート電極構造両側の前記第1の活性領域に形成された第2導電型の第1のソース/ドレイン領域と、前記第1のソース/ドレイン領域に形成された凹部と、前記凹部に形成されたSi−Ge含有層とを有する第1のMOSトランジスタと、
前記第2の活性領域上に形成された第2のゲート電極構造と、前記第2のゲート電極構造両側の前記第2の活性領域に形成された第1導電型の第2のソース/ドレイン領域と、を有する第2のMOSトランジスタと、
前記第1、第2のMOSトランジスタを覆う酸化シリコンライナと、その上に形成された窒化シリコン膜と、その上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜、窒化シリコン膜、酸化シリコンライナを貫通する導電性プラグ、
を有する半導体装置。
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