JP2011181841A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
半導体装置の微細化に伴い、MISトランジスタのチャネル領域の不純物量も減少してくる。そのため、不純物量の統計的ゆらぎにより、トランジスタ間での閾値の変動が問題となってくる。このような問題に対して、チャネル領域の不純物量に依存しない完全空乏型のトランジスタとして、チャネル領域を両側から挟んだダブルゲート構造を有するフィン(Fin)型MISトランジスタが注目されている。 As the semiconductor device is miniaturized, the amount of impurities in the channel region of the MIS transistor also decreases. Therefore, the fluctuation of the threshold value between transistors becomes a problem due to the statistical fluctuation of the impurity amount. For such a problem, a fin type MIS transistor having a double gate structure in which the channel region is sandwiched from both sides is attracting attention as a fully depleted transistor that does not depend on the amount of impurities in the channel region.
しかしながら、フィン型MISトランジスタは、通常のプレーナ(Planar)型MISトランジスタとは異なり、3次元構造を有している。そのため、全ての回路をフィン型MISトランジスタで構成することは現実的ではない。そこで、SRAM等の閾値変動に厳しい回路にはフィン型MISトランジスタを用い、それ以外の回路にはプレーナ型MISトランジスタを用いた、ハイブリッド構造が注目されてきている(例えば、特許文献1参照)。 However, the fin type MIS transistor has a three-dimensional structure, unlike a normal planar type MIS transistor. Therefore, it is not realistic to configure all circuits with fin-type MIS transistors. In view of this, a hybrid structure using fin-type MIS transistors for circuits that are sensitive to threshold fluctuations, such as SRAM, and using planar-type MIS transistors for other circuits has attracted attention (for example, see Patent Document 1).
ところが、上述したハイブリッド構造では、フィン型MISトランジスタについてはミッドギャップ(mid gap)の仕事関数が、プレーナ型MISトランジスタではバンドエッジ(band edge)の仕事関数が求められる。そのため、ハイブリッド構造を実現しようとすると、非常に複雑な製造工程が必要となる。また、抵抗素子も集積化することを考えると、さらに多くの問題が生じることが想定される。 However, in the hybrid structure described above, a work function of a mid gap is required for the fin type MIS transistor, and a work function of a band edge is required for the planar type MIS transistor. Therefore, a very complicated manufacturing process is required to realize a hybrid structure. Considering that the resistance elements are also integrated, it is assumed that more problems will occur.
したがって、フィン型MISトランジスタ、プレーナ型MISトランジスタ及び抵抗素子を集積化した半導体装置(半導体集積回路装置)において、的確な製造方法の実現が求められている。 Therefore, in a semiconductor device (semiconductor integrated circuit device) in which a fin-type MIS transistor, a planar MIS transistor, and a resistance element are integrated, an accurate manufacturing method is required.
本発明は、フィン型MISトランジスタ、プレーナ型MISトランジスタ及び抵抗素子を集積化した半導体装置において、的確な製造方法を提供することを目的としている。 An object of the present invention is to provide an accurate manufacturing method in a semiconductor device in which a fin type MIS transistor, a planar type MIS transistor, and a resistance element are integrated.
本発明の一視点に係る半導体装置の製造方法は、フィン型MISトランジスタ形成領域にフィン部を形成する工程と、前記フィン部の側面にフィン型MISトランジスタ用の第1のゲート絶縁膜及び第1のゲート電極膜を形成する工程と、前記フィン部並びに前記フィン部の側面に形成された前記第1のゲート絶縁膜及び前記第1のゲート電極膜を囲み、前記第1のゲート電極膜に接する半導体導電部を形成する工程と、前記半導体導電部上並びにプレーナ型MISトランジスタ形成領域及び抵抗素子形成領域に、プレーナ型MISトランジスタ用の第2のゲート絶縁膜及び第2のゲート電極膜を形成する工程と、前記半導体導電部上及び前記抵抗素子形成領域に形成された前記第2のゲート絶縁膜及び前記第2のゲート電極膜を除去する工程と、前記第2のゲート絶縁膜及び前記第2のゲート電極膜を除去した後、前記半導体導電部上並びにプレーナ型MISトランジスタ形成領域及び抵抗素子形成領域に、抵抗素子用の半導体膜を形成する工程と、を備える。 According to one aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, including a step of forming a fin portion in a fin-type MIS transistor formation region, a first gate insulating film for a fin-type MIS transistor on the side surface of the fin portion, and a first Forming the gate electrode film, and surrounding the first gate insulating film and the first gate electrode film surrounding the first gate insulating film and the first gate electrode film formed on a side surface of the fin portion and the fin portion. Forming a semiconductor conductive portion; and forming a second gate insulating film and a second gate electrode film for the planar MIS transistor on the semiconductor conductive portion and in the planar MIS transistor formation region and the resistance element formation region. And a step of removing the second gate insulating film and the second gate electrode film formed on the semiconductor conductive portion and in the resistance element forming region. Then, after removing the second gate insulating film and the second gate electrode film, a semiconductor film for a resistive element is formed on the semiconductor conductive portion, and in the planar MIS transistor forming area and the resistive element forming area. A process.
本発明によれば、フィン型MISトランジスタ、プレーナ型MISトランジスタ及び抵抗素子を集積化した半導体装置において、的確な製造方法を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide an accurate manufacturing method in a semiconductor device in which a fin type MIS transistor, a planar type MIS transistor, and a resistance element are integrated.
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1〜図22は、本発明の実施形態に係る半導体装置(半導体集積回路装置)の製造工程を模式的に示した断面図である。図1〜図11は、プレーナ(Planar)型MISトランジスタ形成領域及び抵抗素子形成領域の製造工程を示しており、図12〜図22は、フィン(Fin)型MISトランジスタ形成領域の製造工程を示している。なお、図1〜図11において、図の左側はプレーナ型MISトランジスタ形成領域を示し、図の右側は抵抗素子形成領域を示している。また、図12〜図22において、図の左側はフィン部の長軸方向に垂直な断面を示し、図の右側はフィン部の長軸方向に平行な断面を示している。 1 to 22 are cross-sectional views schematically showing a manufacturing process of a semiconductor device (semiconductor integrated circuit device) according to an embodiment of the present invention. 1 to 11 show a manufacturing process of a planar type MIS transistor forming region and a resistance element forming region, and FIGS. 12 to 22 show a manufacturing process of a fin type MIS transistor forming region. ing. 1 to 11, the left side of the drawing shows a planar MIS transistor formation region, and the right side of the drawing shows a resistance element formation region. 12 to 22, the left side of the drawing shows a cross section perpendicular to the long axis direction of the fin portion, and the right side of the drawing shows a cross section parallel to the long axis direction of the fin portion.
まず、図1及び図12に示すように、単結晶シリコン基板(半導体基板)10の表面領域に素子分離領域11を形成する。続いて、シリコン基板10の表面に犠牲酸化膜12を形成する。さらに、全面にシリコン窒化膜13を形成する。
First, as shown in FIGS. 1 and 12, an
次に、図2及び図13に示すように、フィン型MISトランジスタ形成領域において、シリコン窒化膜13、犠牲酸化膜12及びシリコン基板10をパターニングする。これにより、シリコン基板10の表面領域にフィン部10aが形成される。すなわち、シリコン基板10の表面領域に島状の半導体部が形成される。
Next, as shown in FIGS. 2 and 13, the
次に、図3及び図14に示すように、フィン型MISトランジスタ用のゲート絶縁膜(第1のゲート絶縁膜)14を全面に形成する。このゲート絶縁膜14は、窒素を含有する界面層上にハフニウム酸化物膜を形成したものである。続いて、ゲート絶縁膜14上に、フィン型MISトランジスタ用のゲート電極膜(第1のゲート電極膜)15を形成する。このゲート電極膜15はTiNで形成されたメタル電極膜である。その結果、フィン部10aの側面を含む全面に、ゲート絶縁膜14及びゲート電極膜15の積層膜が形成される。さらに、ゲート電極膜15上に、シリコン膜(導電性半導体膜)16を形成する。
Next, as shown in FIGS. 3 and 14, a gate insulating film (first gate insulating film) 14 for the fin-type MIS transistor is formed on the entire surface. This
次に、図4及び図15に示すように、CMP(chemical mechanical polishing)或いはエッチバックによって平坦化処理を行う。これにより、図15に示すように、フィン部10a並びにフィン部10aの側面に形成されたゲート絶縁膜14及びゲート電極膜15を囲み、ゲート電極膜15に接する半導体導電部16aが形成される。また、図4に示すように、プレーナ型MISトランジスタ形成領域及び抵抗素子形成領域では、ゲート絶縁膜14、ゲート電極膜15及びシリコン膜16は除去される。
Next, as shown in FIGS. 4 and 15, a planarization process is performed by CMP (chemical mechanical polishing) or etch back. As a result, as shown in FIG. 15, the semiconductor
次に、図5及び図16に示すように、プレーナ型MISトランジスタ形成領域及び抵抗素子形成領域において、SiGe層17、界面層18及びLa層19を形成する。SiGe層17はp型MISトランジスタのゲート電極の仕事関数制御層として、La層19はn型MISトランジスタのゲート電極の仕事関数制御層として機能する。すなわち、SiGe層17はp型MISトランジスタの閾値制御層、La層19はn型MISトランジスタの閾値制御層として機能する。
Next, as shown in FIGS. 5 and 16, the
次に、図6及び図17に示すように、プレーナ型MISトランジスタ用のゲート絶縁膜(第2のゲート絶縁膜)20を全面に形成する。このゲート絶縁膜20は、ハフニウム酸化物膜で形成される。続いて、ゲート絶縁膜20上に、プレーナ型MISトランジスタ用のゲート電極膜(第2のゲート電極膜)21を形成する。このゲート電極膜21はTiNで形成されたメタル電極膜である。その結果、フィン型MISトランジスタ形成領域、プレーナ型MISトランジスタ形成領域及び抵抗素子形成領域に、ゲート絶縁膜20及びゲート電極膜21の積層膜が形成される。なお、図6の工程以後の図面では便宜上、La層19は省略している。
Next, as shown in FIGS. 6 and 17, a gate insulating film (second gate insulating film) 20 for the planar MIS transistor is formed on the entire surface. This
次に、図7及び図18に示すように、半導体導電部16a上及び抵抗素子形成領域に形成されたゲート絶縁膜20及びゲート電極膜21を除去する。すなわち、フィン型MISトランジスタ形成領域及び抵抗素子形成領域に形成されたゲート絶縁膜20及びゲート電極膜21を除去する。
Next, as shown in FIGS. 7 and 18, the
次に、図8及び図19に示すように、抵抗素子用のシリコン膜(導電性の半導体膜)22を全面に形成する。すなわち、半導体導電部16a上、並びにプレーナ型MISトランジスタ形成領域及び抵抗素子形成領域に、抵抗素子用のシリコン膜22を形成する。すなわち、フィン型MISトランジスタ形成領域、プレーナ型MISトランジスタ形成領域及び抵抗素子形成領域に、抵抗素子用のシリコン膜22を形成する。
Next, as shown in FIGS. 8 and 19, a silicon film (conductive semiconductor film) 22 for a resistance element is formed on the entire surface. That is, the resistive
次に、図9及び図20に示すように、プレーナ型MISトランジスタ形成領域では、シリコン膜22、ゲート電極膜21、ゲート絶縁膜20及び界面層18を異方性エッチングする。抵抗素子形成領域では、シリコン膜22を異方性エッチングする。また、フィン型MISトランジスタ形成領域では、シリコン膜22、半導体導電部16a、ゲート電極膜15及びゲート絶縁膜14を異方性エッチングする。これにより、プレーナ型MISトランジスタ形成領域では、プレーナ型MISトランジスタ用のゲート電極が形成される。抵抗素子形成領域では、シリコン膜22を用いた抵抗素子用の抵抗が形成される。また、フィン型MISトランジスタ形成領域では、フィン部10aを両側から挟んだダブルゲート構造のフィン型MISトランジスタ用のゲート電極が形成される。すでに述べたように、プレーナ型MISトランジスタについては仕事関数制御層としてSiGe層17及びLa層19を形成しているため、プレーナ型MISトランジスタのゲート電極の仕事関数とフィン型MISトランジスタのゲート電極の仕事関数とは互いに異なっている。すなわち、フィン型MISトランジスタについてはミッドギャップ(mid gap)の仕事関数となっており、プレーナ型MISトランジスタではバンドエッジ(band edge)の仕事関数となっている。
Next, as shown in FIGS. 9 and 20, the
なお、本実施形態では、プレーナ型MISトランジスタ用のゲート電極、抵抗素子形成領域の抵抗及びフィン型MISトランジスタ用のゲート電極を同一工程で加工したが、プレーナ型MISトランジスタ用のゲート電極とフィン型MISトランジスタ用のゲート電極とを別工程で加工してもよい。 In this embodiment, the gate electrode for the planar MIS transistor, the resistor in the resistance element formation region, and the gate electrode for the fin MIS transistor are processed in the same process, but the gate electrode for the planar MIS transistor and the fin type are used. The gate electrode for the MIS transistor may be processed in a separate process.
次に、図10及び図21に示すように、n型MISトランジスタ領域にはAsイオンをイオン注入し、p型MISトランジスタ領域にはBイオンをイオン注入する。さらに、800℃で5秒間の熱処理を行う。これにより、ソース/ドレイン用の浅い拡散層23が形成される。続いて、全面にシリコン窒化膜24及びシリコン酸化膜25を堆積した後、シリコン窒化膜24及びシリコン酸化膜25のエッチバックを行う。これにより、ゲート電極の側壁にシリコン窒化膜24及びシリコン酸化膜25からなる側壁部が形成される。その後、n型MISトランジスタ領域にはPイオンをイオン注入し、p型MISトランジスタ領域にはBイオンをイオン注入する。さらに、1030℃で5秒間の熱処理を行う。これにより、ソース/ドレイン用の深い拡散層26が形成される。
Next, as shown in FIGS. 10 and 21, As ions are implanted into the n-type MIS transistor region, and B ions are implanted into the p-type MIS transistor region. Further, heat treatment is performed at 800 ° C. for 5 seconds. Thereby, a
次に、図11及び図22に示すように、シリコン酸化膜27を全面に形成した後、抵抗素子形成領域以外の領域でシリコン酸化膜27のエッチバックを行う。続いて、全面に厚さ10nm程度のNiPt膜を堆積した後、350℃で30秒間の熱処理を行ってNiPtとシリコンとを反応させる。続いて、未反応のNiPt膜を塩酸と硝酸の混合液によって除去する。さらに、500℃で30秒間の熱処理を行う。これにより、シリサイド層28が形成される。このとき、抵抗素子形成領域の抵抗はシリコン酸化膜27で覆われているため、シリサイドは形成されない。
Next, as shown in FIGS. 11 and 22, after the
以上のようにして、図11及び図22に示すように、フィン型MISトランジスタ、プレーナ型MISトランジスタ及び抵抗素子が同一半導体基板上に形成されたハイブリッド構造の半導体装置が得られる。すなわち、フィン型MISトランジスタ形成領域に形成されたフィン型MISトランジスタ100、プレーナ型MISトランジスタ形成領域に形成されたプレーナ型MISトランジスタ(p型MISトランジスタ201、n型MISトランジスタ202)及び抵抗素子形成領域に形成された抵抗素子300を備えたハイブリッド構造の半導体装置が得られる。
As described above, as shown in FIGS. 11 and 22, a semiconductor device having a hybrid structure in which the fin-type MIS transistor, the planar MIS transistor, and the resistance element are formed on the same semiconductor substrate is obtained. That is, the
上述したように、本実施形態では、図7及び図18の工程で、フィン型MISトランジスタ形成領域及び抵抗素子形成領域に形成されたゲート絶縁膜20及びゲート電極膜21を除去している。仮に、これらのゲート絶縁膜20及びゲート電極膜21を除去しないとすると、以下のような問題が生じる。
As described above, in this embodiment, the
フィン型MISトランジスタ形成領域では、ゲート電極膜15及び半導体導電部16aと導電性のシリコン膜22との間にゲート絶縁膜20が介在するため、半導体導電部16aとシリコン膜22とが電気的に導通しなくなってしまう。その結果、フィン型MISトランジスタのゲート電極に適切な電圧を印加することができなくなってしまう。
In the fin-type MIS transistor formation region, since the
抵抗素子形成領域では、抵抗素子がシリコン膜22とメタル膜であるゲート電極膜21との積層構造となるため、抵抗素子の抵抗値が低抵抗のゲート電極膜21によって決まってしまう。そのため、シリコン膜中の不純物濃度によって抵抗素子の抵抗を制御することができなくなってしまう。その結果、適切な抵抗値を有する抵抗素子を得ることができなくなる。
In the resistance element formation region, the resistance element has a laminated structure of the
本実施形態では、図7及び図18の工程で、フィン型MISトランジスタ形成領域及び抵抗素子形成領域に形成されたゲート絶縁膜20及びゲート電極膜21を除去するため、上述したような問題を回避することができる。したがって、フィン型MISトランジスタ、プレーナ型MISトランジスタ及び抵抗素子を集積化した半導体装置(半導体集積回路装置)において、的確な製造方法を実現することが可能となる。したがって、プレーナ型MISトランジスタ及びフィン型MISトランジスタそれぞれで閾値制御(ゲート電極の仕事関数制御)がなされた半導体装置を的確に製造することが可能となる。
In the present embodiment, the
なお、上述した実施形態では、ゲート電極膜15及び21としてTiN膜を用いたが、一般的には、IV族元素(Ti、Zr、Hf)の窒化物、炭化物、シリコン窒化物及びシリコン炭化物を用いることが可能である。また、V族元素(V、Nb、Ta)の窒化物、炭化物、シリコン窒化物及びシリコン炭化物を用いることも可能である。さらに、VI族元素(Mo、W)の窒化物、炭化物、シリコン窒化物及びシリコン炭化物を用いることも可能である。
In the above-described embodiment, TiN films are used as the
また、上述した実施形態では、ゲート絶縁膜14及び20としてハフニウム酸化物膜を用いたが、一般的には、Hf、Zr、Ti、Ta、Al、Sr、Y、La等の酸化物を用いることが可能である。また、これらの元素とシリコンとの酸化物(例えば、ZrSixOy等)を用いることも可能である。或いは、これらの酸化物の任意の組み合わせの積層膜を用いることも可能である。
In the above-described embodiments, hafnium oxide films are used as the
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。 Although the embodiments of the present invention have been described above, 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. Furthermore, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining the disclosed constituent elements. For example, even if several constituent requirements are deleted from the disclosed constituent requirements, the invention can be extracted as an invention as long as a predetermined effect can be obtained.
10…シリコン基板 10a…フィン部 11…素子分離領域
12…犠牲酸化膜 13…シリコン窒化膜 14…ゲート絶縁膜
15…ゲート電極膜 16…シリコン膜 16a…半導体導電部
17…SiGe層 18…界面層 19…La層
20…ゲート絶縁膜 21…ゲート電極膜 22…シリコン膜
23…浅い拡散層 24…シリコン窒化膜 25…シリコン酸化膜
26…深い拡散層 27…シリコン酸化膜 28…シリサイド層
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記フィン部の側面にフィン型MISトランジスタ用の第1のゲート絶縁膜及び第1のゲート電極膜を形成する工程と、
前記フィン部並びに前記フィン部の側面に形成された前記第1のゲート絶縁膜及び前記第1のゲート電極膜を囲み、前記第1のゲート電極膜に接する半導体導電部を形成する工程と、
前記半導体導電部上並びにプレーナ型MISトランジスタ形成領域及び抵抗素子形成領域に、プレーナ型MISトランジスタ用の第2のゲート絶縁膜及び第2のゲート電極膜を形成する工程と、
前記半導体導電部上及び前記抵抗素子形成領域に形成された前記第2のゲート絶縁膜及び前記第2のゲート電極膜を除去する工程と、
前記第2のゲート絶縁膜及び前記第2のゲート電極膜を除去した後、前記半導体導電部上並びにプレーナ型MISトランジスタ形成領域及び抵抗素子形成領域に、抵抗素子用の半導体膜を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a fin portion in the fin-type MIS transistor formation region;
Forming a first gate insulating film and a first gate electrode film for a fin-type MIS transistor on a side surface of the fin portion;
Forming a semiconductor conductive portion that surrounds and contacts the first gate insulating film and the first gate electrode film formed on a side surface of the fin portion and the fin portion;
Forming a second gate insulating film and a second gate electrode film for a planar MIS transistor on the semiconductor conductive portion and in a planar MIS transistor formation region and a resistance element formation region;
Removing the second gate insulating film and the second gate electrode film formed on the semiconductor conductive portion and in the resistance element formation region;
Forming a semiconductor film for a resistance element on the semiconductor conductive portion and in a planar MIS transistor formation area and a resistance element formation area after removing the second gate insulating film and the second gate electrode film; ,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 The first gate insulating film, the first gate electrode film, the second gate electrode film, the second gate electrode film, and the second gate MIS transistor have a work function different from that of the planar MIS transistor. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a gate insulating film and the second gate electrode film are formed.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of patterning the semiconductor film and the first gate electrode film to form a gate electrode for the fin-type MIS transistor.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of patterning the semiconductor film and the second gate electrode film to form a gate electrode for the planar MIS transistor.
ことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 5. The semiconductor according to claim 4, wherein when forming the gate electrode for the planar MIS transistor, the semiconductor film in the resistance element formation region is patterned to form a resistance for the resistance element. 6. Device manufacturing method.
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