JP2013175581A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電界効果トランジスタ間のしきい値を互いに異ならせるとともに、電界効果トランジスタのゲート長の増大を抑制しつつ、バンド間リークの増大を抑制する。
【解決手段】ゲート電極4a、4bおよびサイドウォール5a、6a、5bをマスクとして不純物の斜めイオン注入P2を半導体基板1に行うことにより、ゲート電極4a下に配置されたチャネル不純物層8aを半導体基板1に形成するとともに、ゲート電極4b下に配置されたチャネル不純物層8bを半導体基板1に形成する。
【選択図】 図2

Description

本発明の実施形態は半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
複数の電界効果トランジスタが集積された半導体装置において、電界効果トランジスタ間のしきい値を互いに異ならせるために、チャネルイオン注入が用いられることがある。このチャネルイオン注入では、チャネルの不純物濃度を上げると、バンド間リークが増大する。このため、電界効果トランジスタのゲート長を短くすることができず、電界効果トランジスタの集積化に支障をきたしていた。
特開2011−129811号公報
本発明の一つの実施形態の目的は、電界効果トランジスタ間のしきい値を互いに異ならせるとともに、電界効果トランジスタのゲート長の増大を抑制しつつ、バンド間リークの増大を抑制することが可能な半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することである。
実施形態の半導体装置によれば、第1のゲート電極と、第2のゲート電極と、第1のサイドウォールと、第2のサイドウォールと、第3のサイドウォールと、第1のチャネル不純物層と、第2のチャネル不純物層とが設けられている。第1のゲート電極は、第1のゲート絶縁膜を介して半導体基板上に形成されている。第2のゲート電極は、第2のゲート絶縁膜を介して前記半導体基板上に形成されている。第1のサイドウォールは、前記第1のゲート電極の側壁に形成されている。第2のサイドウォールは、前記第1のサイドウォールの側壁に形成されている。第3のサイドウォールは、前記第2のゲート電極の側壁に形成されている。第1のチャネル不純物層は、前記第2のサイドウォールに対して自己整合的に前記第1のゲート電極下に形成されている。第2のチャネル不純物層は、前記第3のサイドウォールに対して自己整合的に前記第2のゲート電極下に形成されている。前記第1のサイドウォールと前記第3のサイドウォールとはその膜厚が等しく、それぞれ半導体基板上に形成されている。
図1(a)〜図1(e)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図2(a)〜図2(d)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図3(a)〜図3(f)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図4(a)〜図4(e)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図5(a)〜図5(e)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図6(a)〜図6(d)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
以下、実施形態に係る半導体装置および半導体装置の製造方法について図面を参照しながら説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
(第1実施形態)
図1(a)〜図1(e)および図2(a)〜図2(d)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
図1(a)において、半導体基板1に素子分離層2を形成する。なお、半導体基板1の材料は、例えば、Si、Ge、SiGe、SiC、SiSn、PbS、GaAs、InP、GaP、GaN、GaAlAs、GaInAsPまたはZnSeなどの中から選択することができる。また、素子分離層2の材料は、例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。この素子分離層2は、例えば、STI(Shallow Trench Isolation)構造を用いることができる。
次に、熱酸化などの方法にてゲート絶縁膜3a、3bを半導体基板1上に形成する。なお、ゲート絶縁膜3a、3bの実効膜厚は互いに等しくすることができる。また、ゲート絶縁膜3a、3bの材料は、例えば、シリコン酸化膜を用いるようにしてもよいし、Hfなどの高誘電体膜を用いるようにしてもよい。
次に、CVDなどの方法にてゲート電極材を半導体基板1に形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術にてゲート電極材をパターニングすることにより、ゲート絶縁膜3a、3bをそれぞれ介してゲート電極4a、4bを半導体基板1上に形成する。なお、ゲート電極4a、4bのゲート長は互いに等しくすることができる。また、ゲート電極4a、4bの材料は、例えば、多結晶シリコン膜を用いるようにしてもよいし、Wなどの金属やシリサイドなどの合金を用いるようにしてもよい。
次に、図1(b)に示すように、CVDなどの方法にてゲート電極4a、4bが覆われるように絶縁膜5を半導体基板1上に形成する。さらに、CVDなどの方法にて絶縁膜6を絶縁膜5上に形成する。なお、絶縁膜5、6の材料は互いにエッチングレートが異なるように選択することができる。例えば、絶縁膜5としてシリコン酸化膜を用いた場合、絶縁膜6としてシリコン窒化膜を用いることができる。
次に、図1(c)に示すように、絶縁膜5、6の異方性エッチングを行うことにより、ゲート電極4aの側壁にサイドウォール5aを形成し、サイドウォール5aの側壁にサイドウォール6aを形成し、ゲート電極4bの側壁にサイドウォール5bを形成し、サイドウォール5bの側壁にサイドウォール6bを形成する。
次に、図1(d)に示すように、ゲート電極4a、4bおよびサイドウォール5a、5b、6a、6bをマスクとして不純物のイオン注入P1を半導体基板1に行うことにより、サイドウォール5a、6aを隔ててゲート電極4aの横に配置されたLDD層7aを半導体基板1上に形成するとともに、サイドウォール5b、6bを隔ててゲート電極4bの横に配置されたLDD層7bを半導体基板1上に形成する。なお、不純物としては、B、P、Asなどを用いることができる。また、サイドウォール5a、6a、5b、6bを形成した後にLDD層7a、7bを形成してもよいが、サイドウォール5a、6a、5b、6bを形成する前の図1(a)の段階でLDD層7a、7bを形成するようにしてもよい。
次に、図1(e)に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いることにより、ゲート電極4aおよびサイドウォール5a、6aを覆うとともに、ゲート電極4bおよびサイドウォール5b、6bを露出させるレジストパターンR1を半導体基板1上に形成する。
そして、サイドウォール6bを選択的にエッチングすることにより、サイドウォール5bの側壁からサイドウォール6bを除去する。
次に、図2(a)に示すように、レジストパターンR1を除去する。そして、ゲート電極4a、4bおよびサイドウォール5a、6a、5bをマスクとして不純物の斜めイオン注入P2を半導体基板1に行うことにより、ゲート電極4a下に配置されたチャネル不純物層8aを半導体基板1に形成するとともに、ゲート電極4b下に配置されたチャネル不純物層8bを半導体基板1に形成する。なお、斜めイオン注入P2の角度は、例えば、30°〜45°の範囲内に設定することができる。
この時、チャネル不純物層8aはサイドウォール6aに対して自己整合的に半導体基板1に形成され、チャネル不純物層8bはサイドウォール5bに対して自己整合的に半導体基板1に形成される。
ここで、ゲート電極4bの側壁ではサイドウォール6bが除去されているため、ゲート電極4bの側壁のサイドウォール5bの膜厚は、ゲート電極4aの側壁のサイドウォール5a、6a全体の膜厚よりも薄くなる。このため、ゲート電極4a下のチャネル不純物層8aの不純物濃度をゲート電極4b下のチャネル不純物層8bの不純物濃度よりも薄くすることができ、ゲート電極4aが用いられる電界効果トランジスタのしきい値電圧をゲート電極4bが用いられる電界効果トランジスタのしきい値電圧よりも低くすることができる。
また、斜めイオン注入P2にてチャネル不純物層8a、8bを半導体基板1に形成することにより、ゲート電極4a、4b下に形成されるチャネル領域とソース/ドレイン層10a、10bとの境界部分のチャネル不純物層8a、8bの不純物濃度をチャネル領域の中央部分よりも薄くすることができ、バンド間リークを抑制することができる。
また、チャネル不純物層8a、8b間の不純物濃度を互いに異ならせるために、斜めイオン注入P2を打ち分ける必要がなくなる。このため、ゲート電極4a下にチャネル不純物層8aを形成する際に、ゲート電極4bの周囲をレジストにて覆う必要がなくなることから、斜めイオン注入される不純物がレジストにて遮断されるのを防止することができる。このため、斜めイオン注入P2時にレジストによるシャドウイングがない分だけゲート電極4a、4b間の間隔を狭くすることができ、電界効果トランジスタの高集積化を図ることができる。
次に、図2(b)に示すように、CVDなどの方法にてゲート電極4a、4bが覆われるように絶縁膜9を半導体基板1上に形成する。なお、絶縁膜9の材料は、例えば、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を用いることができる。
次に、図2(c)に示すように、絶縁膜9の異方性エッチングを行うことにより、サイドウォール6aの側壁にサイドウォール9aを形成するとともに、サイドウォール5bの側壁にサイドウォール9bを形成する。
次に、図2(d)に示すように、ゲート電極4a、4bおよびサイドウォール5a、5b、6a、9a、9bをマスクとして不純物のイオン注入P3を半導体基板1に行うことにより、サイドウォール5a、6a、9aを隔ててゲート電極4aの横に配置されたソース/ドレイン層10aを半導体基板1上に形成するとともに、サイドウォール5b、9bを隔ててゲート電極4bの横に配置されたソース/ドレイン層10bを半導体基板1上に形成する。なお、不純物としては、B、P、Asなどを用いることができる。
(第2実施形態)
図3(a)〜図3(f)および図4(a)〜図4(e)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
図3(a)において、半導体基板11に素子分離層12を形成する。次に、ゲート絶縁膜13a、13bを半導体基板11上に形成した後、ゲート電極14a、14bを半導体基板11上に形成する。
次に、図3(b)に示すように、CVDなどの方法にてゲート電極14a、14bが覆われるように絶縁膜15を半導体基板11上に形成する。
次に、図3(c)に示すように、絶縁膜15の異方性エッチングを行うことにより、ゲート電極14aの側壁にサイドウォール15aを形成するとともに、ゲート電極14bの側壁にサイドウォール15bを形成する。
次に、図3(d)に示すように、ゲート電極14a、14bおよびサイドウォール15a、15bをマスクとして不純物のイオン注入P1を半導体基板11に行うことにより、サイドウォール15aを隔ててゲート電極14aの横に配置されたLDD層17aを半導体基板11上に形成するとともに、サイドウォール15bを隔ててゲート電極14bの横に配置されたLDD層17bを半導体基板11上に形成する。
次に、図3(e)に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いることにより、ゲート電極14aおよびサイドウォール15aを覆うとともに、ゲート電極14bおよびサイドウォール15bを露出させるレジストパターンR2を半導体基板11上に形成する。
そして、サイドウォール15bを選択的にエッチングすることにより、ゲート電極14bの側壁からサイドウォール15bを除去する。
次に、図3(f)に示すように、レジストパターンR2を除去する。そして、CVDなどの方法にてゲート電極14a、14bが覆われるように絶縁膜16を半導体基板11上に形成する。
次に、図4(a)に示すように、絶縁膜16の異方性エッチングを行うことにより、サイドウォール15aの側壁にサイドウォール16aを形成するとともに、ゲート電極14bの側壁にサイドウォール16bを形成する。なお、サイドウォール15a、15bとサイドウォール16a、16bの材料は互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。
次に、図4(b)に示すように、ゲート電極14a、14bおよびサイドウォール15a、16a、16bをマスクとして不純物の斜めイオン注入P2を半導体基板11に行うことにより、ゲート電極14a下に配置されたチャネル不純物層18aを半導体基板11に形成するとともに、ゲート電極14b下に配置されたチャネル不純物層18bを半導体基板11に形成する。
この時、チャネル不純物層18aはサイドウォール16aに対して自己整合的に半導体基板11に形成され、チャネル不純物層18bはサイドウォール16bに対して自己整合的に半導体基板11に形成される。
次に、図4(c)に示すように、CVDなどの方法にてゲート電極14a、14bが覆われるように絶縁膜19を半導体基板11上に形成する。
次に、図4(d)に示すように、絶縁膜19の異方性エッチングを行うことにより、サイドウォール16aの側壁にサイドウォール19aを形成するとともに、サイドウォール16bの側壁にサイドウォール19bを形成する。
次に、図4(e)に示すように、ゲート電極14a、14bおよびサイドウォール15a、16a、16b、19a、19bをマスクとして不純物のイオン注入P3を半導体基板11に行うことにより、サイドウォール15a、16a、19aを隔ててゲート電極14aの横に配置されたソース/ドレイン層20aを半導体基板11上に形成するとともに、サイドウォール16b、19bを隔ててゲート電極14bの横に配置されたソース/ドレイン層20bを半導体基板11上に形成する。
ここで、サイドウォール15a、15bに対してLDD層17a、17bをそれぞれ自己整合的に形成するとともに、サイドウォール16a、16bに対してチャネル不純物層18a、18bをそれぞれ自己整合的に形成することにより、LDD層17a、17bの位置とチャネル不純物層18a、18bの位置とを独立に設定することができる。
(第3実施形態)
図5(a)〜図5(e)および図6(a)〜図6(d)は、第3実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
図5(a)において、半導体基板21に素子分離層22を形成する。次に、ゲート絶縁膜23a、23bを半導体基板21上に形成した後、ゲート電極24a、24bを半導体基板21上に形成する。
次に、図5(b)に示すように、CVDなどの方法にてゲート電極24a、24bが覆われるように絶縁膜25を半導体基板21上に形成する。
次に、図5(c)に示すように、絶縁膜25の異方性エッチングを行うことにより、ゲート電極24aの側壁にサイドウォール25aを形成するとともに、ゲート電極24bの側壁にサイドウォール25bを形成する。
次に、図5(d)に示すように、ゲート電極24a、24bおよびサイドウォール25a、25bをマスクとして不純物のイオン注入P1を半導体基板21に行うことにより、サイドウォール25aを隔ててゲート電極24aの横に配置されたLDD層27aを半導体基板21上に形成するとともに、サイドウォール25bを隔ててゲート電極24bの横に配置されたLDD層27bを半導体基板21上に形成する。なお、サイドウォール25a、25bを形成した後にLDD層27a、27bを形成してもよいが、サイドウォール25a、25bを形成する前の図5(a)の段階でLDD層27a、27bを形成するようにしてもよい。
次に、図5(e)に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いることにより、ゲート電極24aおよびサイドウォール25aを覆うとともに、ゲート電極24bおよびサイドウォール25bを露出させるレジストパターンR3を半導体基板21上に形成する。
そして、サイドウォール25bを選択的にエッチングすることにより、ゲート電極24bの側壁からサイドウォール25bを除去する。
次に、図6(a)に示すように、レジストパターンR3を除去する。そして、ゲート電極24a、24bおよびサイドウォール25aをマスクとして不純物の斜めイオン注入P2を半導体基板21に行うことにより、ゲート電極24a下に配置されたチャネル不純物層28aを半導体基板21に形成するとともに、ゲート電極24b下に配置されたチャネル不純物層28bを半導体基板21に形成する。
この時、チャネル不純物層28aはサイドウォール25aに対して自己整合的に半導体基板21に形成され、チャネル不純物層28bはゲート電極24bに対して自己整合的に半導体基板21に形成される。なお、斜めイオン注入P2によるゲート電極24a、24bのダメージを抑制するため、斜めイオン注入P2を行う前にゲート電極24a、24b全体を覆う保護膜を形成するようにしてもよい。この保護膜としては、例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。
次に、図6(b)に示すように、CVDなどの方法にてゲート電極24a、24bが覆われるように絶縁膜29を半導体基板21上に形成する。
次に、図6(c)に示すように、絶縁膜29の異方性エッチングを行うことにより、サイドウォール25aの側壁にサイドウォール29aを形成するとともに、ゲート電極24bの側壁にサイドウォール29bを形成する。
次に、図6(d)に示すように、ゲート電極24a、24bおよびサイドウォール25a、29a、29bをマスクとして不純物のイオン注入P3を半導体基板21に行うことにより、サイドウォール25a、29aを隔ててゲート電極24aの横に配置されたソース/ドレイン層30aを半導体基板21上に形成するとともに、サイドウォール29bを隔ててゲート電極24bの横に配置されたソース/ドレイン層30bを半導体基板21上に形成する。なお、サイドウォール25a、29a、29bの材料は互いに同一であってもよいし、互いに異なっていてもよい。
ここで、ゲート電極24bにサイドウォール25bを設けることなく、チャネル不純物層28a、28bを形成することにより、エッチングレートが互いに異なる材料の積層構造にてサイドウォール25aを構成する必要がなくなり、サイドウォール25a、29a、29を同一の材料で構成することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1、11、21 半導体基板、2、12、22 素子分離層、3a、3b、13a、13b、23a、23b ゲート絶縁膜、4a、4b、14a、14b、24a、24b ゲート電極、5、6、9、15、16、19、25、29 絶縁膜、5a、5b、6a、6b、9a、9b、15a、15b、16a、16b、19a、19b、25a、25b、29a、29b サイドウォール、7a、7b、17a、17b、27a、27b LDD層、R1、R2、R3 レジストパターン、8a、8b、18a、18b、28a、28b チャネル不純物層、10a、10b、20a、20b、30a、30b ソース/ドレイン層

Claims (7)

  1. 第1のゲート絶縁膜を介して半導体基板上に形成された第1のゲート電極と、
    前記第1のゲート絶縁膜と実効膜厚が等しい第2のゲート絶縁膜を介して前記半導体基板上に形成され、前記第1のゲート電極とゲート長が等しい第2のゲート電極と、
    前記第1のゲート電極の側壁に形成された第1のサイドウォールと、
    前記第1のサイドウォールの側壁に形成された第2のサイドウォールと、
    前記第2のゲート電極の側壁に形成された第3のサイドウォールと、
    前記第2のサイドウォールの側壁に形成された第4のサイドウォールと、
    前記第3のサイドウォールの側壁に形成された第5のサイドウォールと、
    前記第2のサイドウォールに対して自己整合的に前記第1のゲート電極下に形成された第1のチャネル不純物層と、
    前記第3のサイドウォールに対して自己整合的に前記第2のゲート電極下に形成された第2のチャネル不純物層と、
    前記第4のサイドウォールに対して自己整合的に前記半導体基板に形成された第1のソース/ドレイン層と、
    前記第5のサイドウォールに対して自己整合的に前記半導体基板に形成された第2のソース/ドレイン層とを備え、
    前記第1のサイドウォールと前記第3のサイドウォールとはその膜厚が等しく、それぞれ半導体基板上に形成され、
    前記第2のサイドウォールと前記第5のサイドウォールとはその膜厚が等しく、それぞれ半導体基板上に形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 第1のゲート絶縁膜を介して半導体基板上に形成された第1のゲート電極と、
    第2のゲート絶縁膜を介して前記半導体基板上に形成された第2のゲート電極と、
    前記第1のゲート電極の側壁に形成された第1のサイドウォールと、
    前記第1のサイドウォールの側壁に形成された第2のサイドウォールと、
    前記第2のゲート電極の側壁に形成された第3のサイドウォールと、
    前記第2のサイドウォールに対して自己整合的に前記第1のゲート電極下に形成された第1のチャネル不純物層と、
    前記第3のサイドウォールに対して自己整合的に前記第2のゲート電極下に形成された第2のチャネル不純物層とを備え、
    前記第1のサイドウォールと前記第3のサイドウォールとはその膜厚が等しく、それぞれ半導体基板上に形成されていることを特徴とする半導体装置。
  3. 前記第1のゲート絶縁膜と前記第2のゲート絶縁膜は互いに実効膜厚が等しく、前記第1のゲート電極と前記第2のゲート電極は互いにゲート長が等しく、前記第1のゲート電極が設けられた第1の電界効果トランジスタと前記第2のゲート電極が設けられた第2の電界効果トランジスタとは互いにしきい値が異なることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
  4. 前記第1および第2のチャネル不純物層は前記半導体基板の表面に対して斜めに形成されていることを特徴とする請求項2または3に記載の半導体装置。
  5. 第1のゲート絶縁膜を介して半導体基板上に形成された第1のゲート電極と、
    第2のゲート絶縁膜を介して前記半導体基板上に形成された第2のゲート電極と、
    前記第1のゲート電極の側壁に形成されたサイドウォールと、
    前記サイドウォールに対して自己整合的に前記第1のゲート電極下に形成された第1のチャネル不純物層と、
    前記第2のゲート電極に対して自己整合的に前記第2のゲート電極下に形成された第2のチャネル不純物層とを備え、
    前記サイドウォールは半導体基板上に形成されていることを特徴とする半導体装置。
  6. 第1および第2のゲート電極を半導体基板上に形成する工程と、
    第1および第2のゲート電極が覆われるように第1の絶縁膜を前記半導体基板上に形成する工程と、
    前記第1の絶縁膜上に第2の絶縁膜を形成する工程と、
    前記第1および第2の絶縁膜の異方性エッチングを行うことにより、前記第1の絶縁膜にて構成された第1のサイドウォールを前記第1のゲート電極の側壁に形成し、前記第2の絶縁膜にて構成された第2のサイドウォールを前記第1のサイドウォール側壁に形成し、前記第1の絶縁膜にて構成された第3のサイドウォールを前記第2のゲート電極の側壁に形成し、前記第2の絶縁膜にて構成された第4のサイドウォールを前記第3のサイドウォール側壁に形成する工程と、
    前記第3のサイドウォールの側壁から前記第4のサイドウォールを選択的に除去する工程と、
    前記第1、第2および第3のサイドウォールならびに前記第1および第2のゲート電極をマスクとして前記半導体基板に斜めイオン注入を行うことにより、前記第1のゲート電極下に配置された第1のチャネル不純物層を形成するとともに、前記第2のゲート電極下に配置された第2のチャネル不純物層を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 第1および第2のゲート電極を半導体基板上に形成する工程と、
    第1および第2のゲート電極が覆われるように第1の絶縁膜を前記半導体基板上に形成する工程と、
    前記第1の絶縁膜の異方性エッチングを行うことにより、前記第1の絶縁膜にて構成された第1のサイドウォールを前記第1のゲート電極の側壁に形成するとともに、前記第1の絶縁膜にて構成された第2のサイドウォールを前記第2のゲート電極の側壁に形成する工程と、
    前記第2のゲート電極の側壁から前記第2のサイドウォールを選択的に除去する工程と、
    前記第1および第2のゲート電極ならびに前記第1のサイドウォールが覆われるように第2の絶縁膜を前記半導体基板上に形成する工程と、
    前記第2の絶縁膜の異方性エッチングを行うことにより、前記第2の絶縁膜にて構成された第3のサイドウォールを前記第1のサイドウォールの側壁に形成するとともに、前記第2の絶縁膜にて構成された第4のサイドウォールを前記第2のゲート電極の側壁に形成する工程と、
    前記第1、第3および第4のサイドウォールならびに前記第1および第2のゲート電極をマスクとして前記半導体基板に斜めイオン注入を行うことにより、前記第1のゲート電極下に配置された第1のチャネル不純物層を形成するとともに、前記第2のゲート電極下に配置された第2のチャネル不純物層を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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