JP3737914B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、デュアルゲート構造を有し、かつシリコンゲート電極及びソース/ドレイン拡散層表面に金属シリサイド層を形成する半導体装置の製造方法及び当該製造方法によって製造された半導体装置に関する。特に、シリコンゲート電極の最小幅が約0.35μm以下であるMOSトランジスタのゲート電極の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近、半導体集積回路素子の高性能化のために、CMOSトランジスタの内NチャネルMOSトランジスタのゲート電極にN型不純物を導入したシリコン電極を用い、PチャネルMOSトランジスタにはP型不純物を導入したシリコン電極を用いるデュアルゲート構造が採用されつつある。このようなデュアルゲート構造をもつ半導体装置において、Nチャネル領域とPチャネル領域をまたいで形成される1つのシリコンゲート電極の境界部では、N型にもP型にもならない領域が必ず存在し、当該境界部での抵抗値は極めて高くなる。このためシリコンゲート電極単独ではNチャネル領域とPチャネル領域相互に電流を導通させたり、共通の電圧を与えることは困難となっている。
【0003】
そこで、N型シリコンゲート電極とP型シリコンゲート電極を電気的に接続するために、シリコンゲート電極表面に金属シリサイド層を形成し、金属シリサイド層を介してN型シリコンゲート電極とP型シリコンゲート電極の電気的な接続を実現している。
【0004】
以下、従来のデュアルゲート構造を有し、かつシリコンゲート電極及びソース/ドレイン拡散層表面を金属シリサイド化したCMOS半導体装置の製造方法について、図8から図12を参照しながら説明する。
【0005】
図8において、1はNチャネルMOSトランジスタの活性領域であり、この表面にNチャネルMOSトランジスタが形成される。同様に2はPチャネルMOSトランジスタの活性領域であり、この表面にPチャネルMOSトランジスタが形成される。3はトランジスタ素子を電気的に分離する分離絶縁膜である。また、図9において、4はゲート絶縁膜を示し、ゲート絶縁膜4の上にシリコン膜5を堆積する。
【0006】
かかるシリコン膜5に対して、Nチャネル領域側ではN型の不純物がイオン注入により導入され、Pチャネル領域側ではP型の不純物がイオン注入により導入される。Nチャネル活性領域とPチャネル活性領域の境界には電気伝導に寄与するキャリアがほとんど存在しない領域6が、図10に示すように必ず存在する。
【0007】
前記領域6は、NチャネルMOSトランジスタを形成すべき領域(以下、「Nチャネル領域」という。)とPチャネルMOSトランジスタを形成すべき領域(以下、「Pチャネル領域」という。)の間隔が広い場合には、イオン注入に用いるマスクの関係でN型不純物及びP型不純物とも導入されていない領域である。また、Nチャネル領域とPチャネル領域が接している場合、もしくはNチャネル領域とPチャネル領域がオーバーラップしている場合は、電気伝導に寄与しているN型不純物の濃度とP型不純物の濃度が一致している領域である。このように、Nチャネル領域とPチャネル領域の間隔の有無にかかわらず、前記領域6は必ず存在する。図10では、Nチャネル領域とPチャネル領域の間隔がない場合を例示している。
【0008】
前記不純物を注入したシリコン膜5をフォトリソグラフィー及びエッチングにより加工したものがシリコンゲート電極7であり、その後図11に示すように、前記シリコンゲート電極7の側壁に自己整合的にサイドウォール絶縁膜8、Nチャネル活性領域にNチャネル拡散層9、Pチャネル活性領域にPチャネル拡散層10が形成される。そして図12に示すように、シリコンゲート電極表面及び活性領域表面に自己整合的に金属シリサイド層11を形成する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シリコンゲート電極の最小幅が約0.35μm以下になると、界面応力により金属シリサイド層11がシリコンゲート電極7の表面から局部的に剥離する現象や、金属シリサイド層11がシリコンゲート電極7上で熱的に局所的に凝集し、金属シリサイドが存在しない領域ができる現象が発生しやすくなり、その結果、局部的に金属シリサイド層が断線したシリコンゲート電極ができるおそれが生じる。ここで金属シリサイドの熱的凝集は、シリコンゲート電極7上に金属膜を堆積し熱処理を加えてシリサイド化する工程の途中や、金属シリサイド層の短時間低抵抗化熱処理、金属シリサイド形成後の層間絶縁膜の熱処理工程で発生する可能性が高い。
【0010】
したがって、Nチャネル領域とPチャネル領域を接続するシリコンゲート電極上において、前記金属シリサイド層の断線箇所とNチャネル領域とPチャネルとの領域境界における高抵抗領域が一致した場合には、Nチャネル領域とPチャネル領域の電気的接続が失われ、境界部で電流が導通できないことから回路不良を発生させ、回路動作に深刻な影響を与えてしまうという問題点があった。
【0011】
本発明は、上記問題点を解消するべく、シリコンゲート電極の最小幅が約0.35μm以下であっても、局部的に金属シリサイド層が断線することなく、回路不良を発生させることのない半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明にかかる半導体装置は、下層がP型導電層からなる第1の部分とN型導電層からなる第2の部分と前記前記第1の部分と前記第2の部分の境界にある高抵抗部分とで構成され、上層が前記第1の部分と前記第2の部分と前記高抵抗部分にまたがる金属シリサイドで形成された電極が、半導体基板上に形成され、前記電極は、前記高抵抗部分の全体を含む幅広領域と、前記幅広領域の両側の幅狭領域とを有し、前記幅広領域の幅が前記幅狭領域の1倍より大きく3倍以下であり、かつ前記高抵抗部分の全体を含む前記電極の領域上にはコンタクトが形成されていないことを特徴とする。
【0013】
かかる構成により、シリコンゲート電極の最小幅0.35μm以下の微細なMOSトランジスタ回路においても、Nチャネル領域とPチャネル領域の境界近傍のみのシリコンゲート電極の幅を大きくすることによって、大幅な回路面積の増大を招くことなくシリコンゲート電極表面上に形成した金属シリサイド層の断線を抑制することができ、前記金属シリサイド層の断線による、回路不良を防止することが可能となる。
【0014】
また、本発明にかかる半導体装置は、P型導電層はPチャネルMOSトランジスタのゲート電極を構成し、N型導電層はNチャネルMOSトランジスタのゲート電極を構成することが好ましい。CMOS半導体集積回路装置においても同等の効果が期待できるからである。
【0015】
また、本発明にかかる半導体装置は、金属シリサイドは、チタンシリサイド、コバルトシリサイド又はニッケルシリサイドであることが好ましい。熱処理によって、ゲート配線上においてシリサイドで構成される部分とシリコンで構成される部分とに平面的に分かれて凝集しやすく、本発明においては効果的だからである。
【0016】
次に、上記課題を解決するために本発明にかかる半導体装置の製造方法は、半導体基板上に半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜における第1の部分にP型不純物を導入してP型導電層を形成し、かつ前記半導体膜における、前記第1の部分に隣り合った第2の部分にN型不純物を導入してN型導電層を形成することによって、前記半導体膜において、前記P型不純物及び前記N型不純物のどちらも導入していない部分、あるいは前記P型不純物及び前記N型不純物が相互拡散した部分である高抵抗部分を前記第1の部分と前記第2の部分の境界に形成する工程と、前記半導体膜を選択的にエッチングして、前記高抵抗部分の全体を含む幅広領域と前記幅広領域の両側の幅狭領域とを有する電極を形成し、前記形成された電極における前記幅広領域の幅を前記幅狭領域の幅の1倍より大きく3倍以下とする工程と、前記形成された電極の表面に金属シリサイドを形成する工程とを含み、前記高抵抗部分の全体を含む前記電極の領域上にコンタクトを形成しないことを特徴とする。
【0017】
かかる構成により、シリコンゲート電極の最小幅0.35μm以下の微細なMOSトランジスタ回路においても、Nチャネル領域とPチャネル領域の境界近傍のみのシリコンゲート電極の幅を大きくすることによって、大幅な回路面積の増大を招くことなくシリコンゲート電極表面上に形成した金属シリサイド層の断線を抑制することができ、前記金属シリサイド層の断線による、回路不良を防止することが可能な半導体装置を製造することができる。
この製造方法において、前記金属シリサイドは、前記形成された電極の表面に自己整合的に形成されるチタンシリサイド、コバルトシリサイド又はニッケルシリサイドであることが好ましい。
本発明にかかる半導体装置の他の製造方法は、半導体基板上に半導体膜を形成する工程と、前記半導体膜における第1の部分にP型不純物を導入してP型導電層を形成し、かつ前記半導体膜における、前記第1の部分に隣り合った第2の部分にN型不純物を導入してN型導電層を形成することによって、前記半導体膜において、前記P型不純物及び前記N型不純物のどちらも導入していない部分、あるいは前記P型不純物及び前記N型不純物が相互拡散した部分である高抵抗部分を前記第1の部分と前記第2の部分の境界に形成する工程と、前記半導体膜を選択的にエッチングして、前記高抵抗部分の全体を含む幅広領域と前記幅広領域の両側の幅狭領域とを有する電極を形成する工程と、前記形成された電極の表面に自己整合的にチタンシリサイド、コバルトシリサイド又はニッケルシリサイドを形成する工程とを含み、前記高抵抗部分の全体を含む前記電極の領域上にコンタクトを形成しないことを特徴とする。
この製造方法において、前記P型導電層はPチャネルMOSトランジスタのゲート電極を構成し、前記N型導電層はNチャネルMOSトランジスタのゲート電極を構成することが好ましい。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態にかかる半導体装置及びその製造方法について図面を参照しながら説明する。図1から図5は本発明の実施の形態にかかるCMOS半導体集積回路装置の製造方法を示す図であり、特にMOSトランジスタのNチャネル領域とPチャネル領域の境界近傍の断面図及び平面図を例示している。なお、断面図は平面図のA−A’線に沿った断面を示している。
【0019】
まず図1は、半導体基板1表面にNチャネルMOSトランジスタの活性領域1、PチャネルMOSトランジスタの活性領域2、分離絶縁膜3を形成した状態を示している。次に図2は、ゲート絶縁膜4を介して、不純物をほとんど含まないシリコン膜5を堆積した直後の状態を示している。
【0020】
図3は、堆積したシリコン膜5に対してフォトリソグラフィーを用いてPチャネル領域にレジストを形成し、それをマスクとしてNチャネル領域にN型不純物(例えばP―リン)を、また同様にNチャネル領域にレジストを形成し、それをマスクとしてPチャネル領域にP型不純物(例えばB―ボロン)をイオン注入した状態を示している。本工程以後に発生する熱処理によって、注入した不純物が活性化され、シリコン膜5はN型もしくはP型の電気伝導型を持つようになるが、Nチャネル領域とPチャネル領域の境界では、どちらの伝導型も持たない高抵抗の領域6が形成される。
【0021】
さらに図4は、不純物が導入されたシリコン膜5を、フォトリソグラフィー及びエッチングを用いてシリコンゲート電極7を形成した状態を示している。ここで、Nチャネル領域とPチャネル領域の境界部におけるシリコンゲート電極の幅Xを、その他の領域におけるシリコンゲート電極の幅Yよりも大きくしておく。シリコンゲート電極7の幅Xが大きいほどシリコンゲート電極表面の金属シリサイド層の断線を抑制する効果は高いが、反面、回路面積の増大を招くため、その他の領域におけるシリコンゲート電極7の幅Yの1倍より大きく、3倍以下程度にするのが好ましい。境界領域としてシリコンゲート電極の幅を大きくする部分は、少なくとも前記高抵抗の領域6上すべてを含む必要がある。
【0022】
図5は、シリコンゲート電極7に自己整合的にサイドウォール絶縁膜8、Nチャネル拡散層9、Pチャネル拡散層10を形成した状態を示している。図5において、シリコンゲート電極7、Nチャネル拡散層9、Pチャネル拡散層10の表面に自己整合的に金属シリサイド層11を形成している。この後、通常の製造工程に従って、シリコンゲート電極7を含む全面に絶縁膜を形成し、約600℃〜900℃の温度で熱処理を行い、さらにアルミニウムを主成分とする配線を形成することになる。
【0023】
本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造工程においては、Nチャネル領域とPチャネル領域の境界部でシリコンゲート電極の幅を大きくしていることが特徴である。かかる構成とすることにより、シリコンゲート電極のP型導電部とN型導電部の前記境界部において、シリコンゲートと金属シリサイド界面の応力や熱処理による金属シリサイド層の凝集現象によって生じる金属シリサイド層の断線を未然に防止することができる。そして、安定的にN型シリコンゲート電極とP型シリコンゲート電極の電気的な導通を実現できる。
【0024】
シリコンゲート電極の幅が小さい場合、例えば0.20μmの場合における金属シリサイド層の形成形状の走査型電子顕微鏡写真を図6に示す。シリコンゲート電極表面に形成された金属シリサイド層において、断線している領域があることが良くわかる。このような断線がNチャネル領域とPチャネル領域の境界のシリコンゲート電極上で発生した場合には、電気特性として不良となる。
【0025】
それに対して、本発明のようにシリコンゲート電極の幅を大きくした場合、例えば0.26μmとした場合における金属シリサイド層の形成形状の走査電子顕微鏡写真を図7に示す。図7においては、図6のような金属シリサイド層断線は見られず、シリコンゲート電極表面全体に均一な金属シリサイド層が形成されていることがわかる。このことから、Nチャネル領域とPチャネル領域の境界近傍において、シリコンゲート電極の幅を大きくすることによって、金属シリサイド層の断線を防止することができることを確認することができる。
【0026】
ここで、金属シリサイドとしては、チタンシリサイド、コバルトシリサイド、ニッケルシリサイド等が考えられる。熱処理によって、ゲート配線上においてシリサイドで構成される部分とシリコンで構成される部分とに平面的に分かれて凝集しやすく、本発明においては効果的だからである。なお、特にこれらに限定されるものではなく、凝集自体は半導体集積回路に用いる熱処理温度範囲及び熱処理時間内では起こりにくいが、モリブデンシリサイド、タングステンシリサイド等の金属シリサイドを用いる場合にも適用することが可能である。
【0027】
また、以上のような金属シリサイドの凝集や応力によるP型、N型境界におけるゲート電極上のシリサイドの断線は、シリサイド化やその後の熱処理条件に依存して発生状況が変化する。デュアルゲートが用いられ、半導体集積回路のシリコンゲートの電極幅が約0.35μm以下に小さくなると、それに対応する熱処理条件下においては、実際に断線する確率が無視できなくなるが、本発明を適用することによって断線を防止することが可能である。図7において、本来のトランジスタとして動作する活性領域及びその延長部分におけるシリコンゲートの電極幅が0.20μmの場合に、幅を0.26μmに拡大しただけで断線を防止することができたのは、電極幅0.20μmの半導体集積回路を製造するのに対応する熱処理時間及び温度が、電極幅0.35μmの半導体集積回路を製造する場合よりも短くあるいは低いからである。
【0028】
以上のように本実施の形態によれば、シリコンゲート電極の最小幅0.35μm以下の微細なMOSトランジスタ回路においても、Nチャネル領域とPチャネル領域の境界近傍のみのシリコンゲート電極の幅を大きくすることによって、大幅な回路面積の増大を招くことなくシリコンゲート電極表面上に形成した金属シリサイド層の断線を抑制することができ、前記金属シリサイド層の断線による、回路不良を防止することが可能となる。
【0029】
【発明の効果】
以上のように本発明にかかる半導体装置によれば、シリコンゲート電極の最小幅0.35μm以下の微細なMOSトランジスタ回路においても、Nチャネル領域とPチャネル領域の境界近傍のみのシリコンゲート電極の幅を大きくすることによって、大幅な回路面積の増大を招くことなくシリコンゲート電極表面上に形成した金属シリサイド層の断線を抑制することができ、前記金属シリサイド層の断線による、回路不良を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法における一工程を示す断面図及び平面図
【図2】 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法における一工程を示す断面図及び平面図
【図3】 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法における一工程を示す断面図及び平面図
【図4】 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法における一工程を示す断面図及び平面図
【図5】 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法における一工程を示す断面図及び平面図
【図6】 従来のシリコンゲート電極上での金属シリサイド層の断線状態を示す図
【図7】 本発明によるシリコンゲート電極上での金属シリサイド層の状態を示す図
【図8】 従来の半導体装置の製造方法における一工程を示す断面図及び平面図
【図9】 従来の半導体装置の製造方法における一工程を示す断面図及び平面図
【図10】 従来の半導体装置の製造方法における一工程を示す断面図及び平面図
【図11】 従来の半導体装置の製造方法における一工程を示す断面図及び平面図
【図12】 従来の半導体装置の製造方法における一工程を示す断面図及び平面図
【符号の説明】
1 Nチャネル活性領域
2 Pチャネル活性領域
3 分離絶縁膜
4 ゲート絶縁膜
5 シリコン膜
6 Nチャネル領域とPチャネル領域の境界部における高抵抗の領域
7 シリコンゲート電極
8 サイドウォール絶縁膜
9 Nチャネル拡散層
10 Pチャネル拡散層
11 金属
Claims (7)
- 下層がP型導電層からなる第1の部分とN型導電層からなる第2の部分と前記前記第1の部分と前記第2の部分の境界にある高抵抗部分とで構成され、上層が前記第1の部分と前記第2の部分と前記高抵抗部分にまたがる金属シリサイドで形成された電極が、半導体基板上に形成され、
前記電極は、前記高抵抗部分の全体を含む幅広領域と、前記幅広領域の両側の幅狭領域とを有し、前記幅広領域の幅が前記幅狭領域の幅の1倍より大きく3倍以下であり、かつ前記高抵抗部分の全体を含む前記電極の領域上にはコンタクトが形成されていないことを特徴とする半導体装置。 - 前記P型導電層はPチャネルMOSトランジスタのゲート電極を構成し、前記N型導電層はNチャネルMOSトランジスタのゲート電極を構成する請求項1記載の半導体装置。
- 前記金属シリサイドは、チタンシリサイド、コバルトシリサイド又はニッケルシリサイドである請求項1又は2記載の半導体装置。
- 半導体基板上に半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜における第1の部分にP型不純物を導入してP型導電層を形成し、かつ前記半導体膜における、前記第1の部分に隣り合った第2の部分にN型不純物を導入してN型導電層を形成することによって、前記半導体膜において、前記P型不純物及び前記N型不純物のどちらも導入していない部分、あるいは前記P型不純物及び前記N型不純物が相互拡散した部分である高抵抗部分を前記第1の部分と前記第2の部分の境界に形成する工程と、
前記半導体膜を選択的にエッチングして、前記高抵抗部分の全体を含む幅広領域と前記幅広領域の両側の幅狭領域とを有する電極を形成し、前記形成された電極における前記幅広領域の幅を前記幅狭領域の幅の1倍より大きく3倍以下とする工程と、
前記形成された電極の表面に金属シリサイドを形成する工程とを含み、
前記高抵抗部分の全体を含む前記電極の領域上にコンタクトを形成しないことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記金属シリサイドは、前記形成された電極の表面に自己整合的に形成されるチタンシリサイド、コバルトシリサイド又はニッケルシリサイドである請求項5記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体基板上に半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜における第1の部分にP型不純物を導入してP型導電層を形成し、かつ前記半導体膜における、前記第1の部分に隣り合った第2の部分にN型不純物を導入してN型導電層を形成することによって、前記半導体膜において、前記P型不純物及び前記N型不純物のどちらも導入していない部分、あるいは前記P型不純物及び前記N型不純物が相互拡散した部分である高抵抗部分を前記第1の部分と前記第2の部分の境界に形成する工程と、
前記半導体膜を選択的にエッチングして、前記高抵抗部分の全体を含む幅広領域と前記幅広領域の両側の幅狭領域とを有する電極を形成する工程と、
前記形成された電極の表面に自己整合的にチタンシリサイド、コバルトシリサイド又はニッケルシリサイドを形成する工程とを含み、
前記高抵抗部分の全体を含む前記電極の領域上にコンタクトを形成しないことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記P型導電層はPチャネルMOSトランジスタのゲート電極を構成し、前記N型導電層はNチャネルMOSトランジスタのゲート電極を構成する請求項4〜6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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