JP3114613B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体装置およびその製造方法Info
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Description
タを用いた半導体装置の構造に関し、特に、そのゲート
酸化膜をサージから保護するための構造に関する。
導体装置におけるインバータ回路の基本レイアウトを示
す図である。図12において、入力信号は、第1のアル
ミ層104−aからコンタクト103−aを介してゲー
ト電極102に伝達される。一方、インバータの出力
は、NMOS、PMOSのドレイン領域からコンタクト
103−d、103−eを介して、第1のアルミ層10
4−dから伝達される。
を3段接続した場合の模式的レイアウト図である。尚、
図13において、ウェルに電位を与えるための拡散層と
ウェル領域は、省略してある。また、第1〜第3のイン
バータを図中インバータ1〜3と示し、また、各インバ
ータをそれぞれ構成する第1〜第3のNMOSおよび第
1〜第3のPMOSを図中NMOS1〜3およびPMO
S1〜3と示す。第1のインバータの出力は、第1のア
ルミ層114−aにより第2のインバータのゲート電極
112−bに接続される。一方、第2のインバータの出
力は、第1のアルミ層114−dから第2のアルミ層1
16、第1のアルミ層114−fを介してゲート電極1
12−c接続される。第2のアルミ層116を介すの
は、第1のアルミ層114−eが間に存在するため、第
1のアルミ層114−dのみで接続することができない
ためである。
ウトによる制約から、出力信号を次段の入力に接続する
のに、上層の配線層を介することが多い。また、接続部
の配線長が長くなるときは、寄生容量による信号の配線
遅延を低減するため、意図的に上層配線を利用すること
もある。
造においては、サージが直接印加されると、ゲート酸化
膜が破壊したり、膜質が劣化する。このため、サージが
LSIの外部から直接印加される可能性のある入力バッ
ファや出力バッファのトランジスタには、専用に静電保
護素子が設けられる。一方、外部のサージが直接印加さ
れることのない内部回路のトランジスタについては、専
用の保護素子を設けないが、前段のトランジスタのドレ
イン拡散層とウェル領域で形成されるPNダイオードが
保護素子としての役割を果たしている。
す。第2のインバータを構成する第2のNMOS、第2
のPMOSのゲート酸化膜に対しては、前段の第1のN
MOS、第1のPMOSのドレイン接合が保護ダイオー
ドD1、D2として働く。第3のインバータを構成する
NMOS3、第3のPMOSのゲート酸化膜に対しては
前段の第2のNMOS、第2のPMOSのドレイン接合
が保護ダイオードD3、D4として働き、これは第2の
アルミ層により接続されている。
利用した製造工程があるが、この製造工程においては、
MOSトランジスタのゲート酸化膜にダメージを与え、
その信頼性に悪い影響を及ぼすことがある。例えば、配
線として用いるアルミニウムのエッチング工程において
は、保護素子の接続されていない孤立ゲート電極のゲー
ト酸化膜に対してオーバーエッチング時に電気的なスト
レスが加わる。この電気的帯電は、ゲート酸化膜−シリ
コン界面の電荷の捕獲や界面準位の発生の原因となり、
この結果、VT やgm 等の特性変動やホットキャリア寿
命の劣化等の信頼性の低下を引き起こす。特性変動の大
部分は製造工程中の水素アロイにより回復するが、水素
アロイの時間、温度にはストレスマイグレーションのよ
うな配線材料に影響を受ける制限がある。したがって、
プラズマダメージに起因するMOSトランジスタの特性
変動を完全に回復するのは、ダメージが大きくなる程困
難になっていく。さらに、中性の捕獲準位等は水素アロ
イを実施しても残存するため、ホットキャリア寿命の劣
化は大きな問題点となっている。
第3のインバータを構成する第3のNMOS、第3のP
MOSのゲート酸化膜は、第1のアルミ層114−fを
パターニングする際のオーバーエッチングと第1スルー
ホール115−b開孔時のオーバーエッチングによるダ
メージを受けるという問題点がある。第1のアルミ層1
14−fのアルミ膜厚および配線長が大きい程、また、
第1スルーホール115−bの数が多い程、ダメージ量
は増加する。また、エッチング時のマイクロローディン
グ効果やパターン依存性に起因したエッチ残りを防止す
るためには通常オーバーエッチングが必要であるが、そ
の量が多い程、ダメージ量が増加する。図中では、第3
のインバータは第2のアルミ層116により前段のトラ
ンジスタに接続されているが、ファンクションブロック
間やマクロ間の配線ではさらに上層の配線層を用いて接
続することも多く、それに対応してプラズマダメージに
さらされる工程も増加するという問題点もある。
トランジスタを図13の第1のインバータと第2のイン
バータとの間のごとく、第1のアルミ層で接続すれば、
第1のアルミ層のパターニング以降のプラズマダメージ
に対しては保護機能が働くため、ダメージにさらされる
ことはない。しかし、レイアウトが著しく制約され、高
集積化が阻害されるために現実的な解決策ではない。ま
た、第1のアルミ層114−fの配線長や第1スルーホ
ール数の制限、第1のアルミ層の薄膜化によりダメージ
を低減させることは可能であるが、レイアウトや性能の
面での犠牲が大きく、問題点が多い。プラズマ工程にお
けるオーバーエッチング量の低減も有効ではあるが、生
産性や歩留りとのトレードオフとなるため、限界があ
る。
ラズマ工程においてゲート酸化膜がダメージを受ける問
題点を完全に回避することはできない。さらに、LSI
の高性能化により、その配線数が増加する傾向にあるた
め、ゲート酸化膜はより多くのプラズマ工程にさらされ
易くなる。しかも、配線の微細化や平坦性の向上のため
に、高密度プラズマ源を利用したエッチングや層間絶縁
間の形成等により、電気的ストレスも増大していく傾向
にあるのが実情である。
には、ゲート酸化膜の薄膜化が必須である。この結果、
電気的ストレスに対する特性変動や信頼性の低下がより
顕著になるだけではなく、ゲート酸化膜の真性破壊電圧
がゲート酸化膜厚に比例して低下していくため、プラズ
マ工程中での酸化膜破壊という新たな問題が生じる。
ジをとり上げてきたが、それ以外のゲート電極加工時や
コンタクト開孔時のエッチング工程についても、プラズ
マダメージを考慮する必要がある。図13における第1
のインバータと第2のインバータとの間のように電極最
下層の第1アルミ層でトランジスタ間を接続しても、ゲ
ート電極形成時やコンタクト開孔時には保護素子が接続
していないため、オーバーエッチング時にゲート酸化膜
がプラズマダメージにさらされるという問題点もある。
る構造の半導体装置を提供することである。
態様1〜2の半導体装置、ならびに態様3の半導体装置
の製造方法が得られる。
OSトランジスタを有し前記第1導電型および第2導電
型のMOSトランジスタのゲート電極が連続した同一の
電極層によって構成されたCMOS構成となっている半
導体装置において、孤立ゲート電極が、直接保護素子に
接続されており、前記保護素子は、第1導電型のMOS
トランジスタが設けられる第2導電型のウェル領域、お
よび該第2導電型のウェル領域中に前記孤立ゲート電極
と同一層である配線層からの不純物拡散により形成され
る第1導電型の拡散層から成る第1のダイオードと、第
2導電型のMOSトランジスタが設けられる第1導電型
のウェル領域、および該第1導電型のウェル領域中に前
記孤立ゲート電極と同一層である配線層からの不純物拡
散により形成される第2導電型の拡散層から成る第2の
ダイオードとの2種類のダイオードにより構成されるこ
とを特徴とする半導体装置。
電極の直下に形成されることを特徴とする請求項1に記
載の半導体装置。
装置を製造するための半導体装置の製造方法において、
前記保護素子を形成する工程は、前記ゲート電極自身の
配線層からの2種類の導電型の不純物拡散により2種類
のダイオードを形成する工程であり、ソース・ドレイン
を形成した時点で完了していることを特徴とする半導体
装置の製造方法。
実施の形態による半導体装置を説明する。
態1の模式的レイアウト図であり、図2はその等価回路
図である。図1および2を参照して、第1、第2、およ
び第3のインバータ(図中、インバータ1、2、および
3と示す)が3段接続されており、第1のインバータの
出力と第2のインバータの入力とは、第1のアルミ層7
−aで接続される。第2のインバータの出力と第3のイ
ンバータの入力とは、第1のアルミ層7−bから第2の
アルミ層9を介して、第1のアルミ層7−dに接続され
る。
3のPMOS(図中、PMOS1、2、および3と示
す)が形成される。Pウェル2中には、第1、第2、お
よび第3のNMOS(図中、NMOS1、2、および3
と示す)が形成される。そして、全てのトランジスタの
ゲート電極5−a〜5−cには、保護ダイオードが第1
のアルミ層により接続される。
電極5−bには、Nウェル1中に形成されたP+ 拡散層
3−fとPウェル2中に形成されたN+ 拡散層4−fと
が保護ダイオードとなり、これには図2に示すPN1、
PN2が対応する。また、第3のPMOSと第3のNM
OSのゲート電極5−cには、Nウェル1中のP+ 拡散
層3−gとPウェル2中のN+ 拡散層4−gとが保護ダ
イオードとなり、これには図2に示すPN3、PN4が
対応する。
層のエッチング以降のプラズマ工程で発生する電荷は、
保護ダイオードを通してシリコン基板へ逃げるため、従
来のようにゲート電極に蓄積されてゲート酸化膜に対す
る電気的なストレスとなることはない。例えば、第1の
アルミ層のオーバーエッチング時に、第1アルミ層7−
dに正の電荷供給された場合、順バイアスされる保護ダ
イオードPN3が働き、P+ 拡散層3−gからNウェル
1へ電荷を逃がすことができる。また、保護ダイオード
PN3が無くても、保護ダイオードPN4が働き、MO
Sダイオードよりもインピーダンスの低いPN逆方向電
流により、電荷をPウェル2へ逃がすことができる。
層とウェルとの間で形成される保護ダイオードの追加の
みで実現できるため、新たな製造工程を追加する必要は
ない。
態2について図面を参照して説明する。
イアウト図であり、図4は基本トランジスタの等価回路
図であり、図5は図3の切断面a−a′による構造図で
ある。尚、これら図面において、実施の形態1と同一部
または同様部には、図1および図2と同符号を付してい
る。
は、PMOSトランジスタと、ウェル電位(VDD)を
供給するためのN+ 拡散層4とが設けられている。Pウ
ェル2中には、NMOSトランジスタと、ウェル電位
(GND)を供給するたるのP+拡散層3とが設けられ
ている。
NMOSにまたがって形成される。即ち、ゲート電極
は、図5に示すように、PMOSトランジスタ上では、
P+ 多結晶シリコン22と金属シリサイド26との2層
構造から成っている。また、NMOSトランジスタ上で
は、N+ 多結晶シリコン23と金属シリサイド26との
2層構造から成っている。
ば、TiシリサイドやCoシリサイドを用いる。また、
ゲート電極13、14(図3)は、直接コンタクト1
1、12(図3)を介してシリコンに接している。ま
た、直接コンタクト11(図3)の領域では、N+ 多結
晶シリコン23からの不純物拡散により形成されるN+
拡散領域25とPウェル2とがPN接合を形成してい
る。また、直接コンタクト12(図3)の領域では、P
+ 多結晶シリコン22からの不純物拡散により形成され
るP+ 拡散領域24とNウェル1とがPN接合を形成し
ている。このように、全ての孤立ゲート電極には、直接
コンタクト11、12を介してNウェル1、Pウェル2
に対するPNダイオードが形成される。これを等価回路
で示したのが図4であり、この構造は、ゲートアレイの
下地形成の段階でつくり込むことが可能である。
造方法を、図6(a)〜(c)および図7(a)および
(b)を参照して説明する。
に、公知の技術を用いて、厚さ300nm程度の素子分
離酸化膜20を形成後、イオン注入によりNウェル1と
Pウェル2とを形成する。例えば、Nウェル1、Pウェ
ル2の各表面濃度を3×1017〜5×1017cm-3に設
定する。そして、厚さ6nm程度のゲート酸化膜21を
熱酸化法により形成する。
ト工程を用いて、図3の直接コンタクト11、12領域
のゲート酸化膜をウェットエッチングにより選択的に除
去後、全面にN型の不純物(例えばヒ素)を1018〜1
019cm-3含んだ厚さ100〜150nmのN型多結晶
シリコン30を成長する。この工程中の熱印加により、
N拡散領域31がN型多結晶シリコン30からの不純物
拡散により形成される。
リコン30のパターニング、サイドウォールの形成(図
示せず)を行ない、全面に20nm程度のシリコン酸化
膜を成長する(図示せず)。
スト32をマスクとしてBF2 のイオン注入により、P
MOSトランジスタのソース・ドレイン領域とPウェル
のウェルコンタクト領域を形成する。イオン注入には、
例えば、加速電圧20kV、ドーズ量3×1015cm-2
の条件を用いる。このとき、ゲート電極に対しても図6
(c)に示すような領域にイオン注入を施すことによ
り、P+ 多結晶シリコン22が形成される。
ト33をマスクとして、ヒ素のイオン注入により、NM
OSトランジスタのソース・ドレイン領域とNウェルの
ウェルコンタクト領域を形成する。イオン注入には、例
えば加速電圧30kV、ドーズ量3×1015cm-2条件
を用いる。このとき、ゲート電極に対しても図7(a)
に示すような領域にイオン注入を施すことによりN+ 多
結晶シリコン23が形成される。
された不純物を電気的に活性化するために、例えば、1
000℃、15秒のランプアニールを行なう。このと
き、P+ 多結晶シリコン22から不純物がNウェル1中
へ拡散すると共に、N+ 多結晶シリコン23から不純物
がPウェル2中へ拡散し、P+ 拡散領域24とN+ 拡散
領域25が形成される。
結晶シリコンの表面に、金属シリサイドを設け、シリサ
イド構造を実現した後、絶縁膜27の形成、コンタクト
の開孔、コンタクトの埋込電極28の形成、ならびに第
1のアルミ層7の形成を行ない、図5に示した構造が完
成する。
は、全ての孤立ゲート電極に対してトランジスタのソー
ス・ドレインを形成した時点で保護素子が接続される。
したがって、この後の絶縁膜形成以降の製造工程では、
プラズマに起因するダメージから、全てのゲート酸化膜
を保護することが可能となる。
態3について図面を用いて説明する。実施の形態3は、
実施の形態2と同様に、ゲートアレイの基本セルに保護
素子を接続した構造を有している。図8は基本セルの等
価回路図であり、図9は断面構造図であり、図10は製
造工程を示す図である。
り、ゲート電極に対する保護素子は、N+ 多結晶シリコ
ン23からの拡散により形成されたN+ 拡散領域41と
Pウェル2とから成るPNダイオードのみで構成されて
いる。尚、図9中、符号27は絶縁膜であり、符号28
は埋込電極であり、符号42はWシリサイドである。
ても、N+ 多結晶シリコン23を用いるため、PMOS
トランジスタのソース・ドレイン形成のためのBF2 イ
オン注入時に、PMOSトランジスタのゲート電極をP
+ 型化する必要がない。このため、ゲート電極加工前に
成長した多結晶シリコンに900℃程度の熱拡散法によ
り1020〜1021cm-3のリンを不純物として添加する
と同時に、Pウェル2中に深いN+ 拡散領域41を形成
することができる(図10)。
なり、ソース・ドレインを形成する前の長時間の熱処理
により深いPN接合を有することが可能なため、保護ダ
イオードの接合周囲部の結晶欠陥に起因した接合リーク
電流を低減することができる。また、ゲートポリ電極の
加工以降のプラズマに起因する各種ダメージからゲート
酸化膜を保護することが可能である。
装置は、MOSトランジスタに使用する孤立ゲート電極
に最下層の配線層により接続された保護素子を有してい
る。したがって、最下層の配線層のパターニング以降の
工程でプラズマに起因する電気的なダメージから全ての
ゲート酸化膜を保護することが可能となる。この効果の
一例を図11に示す。第1のアルミ層から第4層アルミ
までがゲート電極に接続されたNMOSトランジスタに
おいて、ゲート電極からその保護素子への接続配線と、
MOSトランジスタのしきい値電圧(VT )の関係を示
したものである。
ージ回復のために400℃、20分程度の水素処理を施
した後の特性である。保護素子へ第1のアルミ層で接続
した場合を基準にすると、接続配線層が上層になるほ
ど、水素アロイで回復しきれないダメージが蓄積し、し
きい値電圧VT が上昇していく。保護素子のない従来の
構造では、配線長300μmの第1のアルミ層から第2
のアルミ層を介して前段のトランジスタの出力に接続さ
れたNMOSトランジスタは、第1のアルミ層のみで接
続された場合に比較してしきい値電圧VT が30mV以
上上昇する。一方、全てのゲート電極に最下層の配線で
保護素子が接続された本発明の構造では、しきい値電圧
VT の上昇を防止することが可能である。
関しては、ゲート酸化膜厚9nm、ゲート長0.35μ
m、ゲート幅20μmの基本セルにおいて、容量増加を
2%以下に抑制できる。
スタを有する半導体装置において、孤立ゲート電極に最
下層の配線層により接続された保護素子を有している。
したがって、最下層の配線層のパターニング以降の工程
でプラズマに起因する電気的なダメージからゲート酸化
膜を保護することが可能となる。そして、本発明は、プ
ラズマ工程による電気的なダメージに起因した特性のば
らつきを低減することができる。
やTDDB特性などのゲート酸化膜の信頼性もプラズマ
ダメージにより劣化する。よって、本発明では、配線レ
イアウトに起因したゲート酸化膜の信頼性低下を防止す
ることが可能である。
ール開孔時のエッチング工程の時点で既に、ダメージを
受けることがなく、十分なオーバーエッチングを施すこ
とが可能であり、歩留りが向上する。また、高密度なプ
ラズマ源を用いた配線層間膜を導入し、平坦化を図るこ
とが容易である。
用いれば、本発明をゲートアレイタイプの半導体装置へ
容易に適用することができる。第1導電型のMOSトラ
ンジスタが形成される第2導電型のウェル領域と、この
ウェル領域中にゲート電極からの不純物の熱拡散により
形成される第1導電型の拡散層によるPNダイオードと
を保護素子として用いることにより、コンタクト開孔工
程前にゲート電極に対して保護素子を接続することが可
能である。したがって、コンタクト開孔以降の工程に
て、プラズマダメージからゲート酸化膜が保護される。
子が形成されるため、セル面積の増加が少なく、また、
配線レイアウトへの制約が少い。ゲート容量の増加に関
しては、例えば、ゲート酸化膜厚9nm、ゲート長0.
35μm、ゲート幅20μmの基本セルにおいて、容量
増加を2%以下に抑制できるため、その影響は非常に小
さいといえる。
ルミ層迄)である。
程断面図である。
の工程断面図である。
護素子への接続配線層としきい値電圧の変動量との関係
を示す。
る。
図である。
る。
Claims (3)
- 【請求項1】 第1導電型および第2導電型のMOSト
ランジスタを有し前記第1導電型および第2導電型のM
OSトランジスタのゲート電極が連続した同一の電極層
によって構成されたCMOS構成となっている半導体装
置において、孤立ゲート電極が、直接保護素子に接続さ
れており、前記保護素子は、第1導電型のMOSトラン
ジスタが設けられる第2導電型のウェル領域、および該
第2導電型のウェル領域中に前記孤立ゲート電極と同一
層である配線層からの不純物拡散により形成される第1
導電型の拡散層から成る第1のダイオードと、第2導電
型のMOSトランジスタが設けられる第1導電型のウェ
ル領域、および該第1導電型のウェル領域中に前記孤立
ゲート電極と同一層である配線層からの不純物拡散によ
り形成される第2導電型の拡散層から成る第2のダイオ
ードとの2種類のダイオードにより構成されることを特
徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 前記保護素子は、引き出しゲート電極の
直下に形成され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3】 請求項1または2に記載の半導体装置を
製造するための半導体装置の製造方法において、前記保
護素子を形成する工程は、前記ゲート電極自身の配線層
からの2種類の導電型の不純物拡散により2種類のダイ
オードを形成する工程であり、ソース・ドレインを形成
した時点で完了していることを特徴とする半導体装置の
製造方法。
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JP2002141421A (ja) | 2000-10-31 | 2002-05-17 | Toshiba Corp | 半導体集積回路装置 |
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