JP3873771B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、不純物が高濃度にドープされたゲート電極を有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子の微細化により、スケーリング則に従って3年で2倍の集積度の向上がなされている。それに伴い、半導体装置の高速化・低消費電力化が達成され続けている。半導体素子の微細化は、トランジスタについては、ゲート電極サイズの微細化やゲート絶縁膜の薄膜化によって達成される。
【0003】
あるいは、トランジスタのチャネル形成領域またはその近傍の不純物プロファイルを精度良く制御し、浅い接合を形成することによっても、トランジスタの微細化が達成される。トランジスタの微細化によって、トランジスタの駆動能力の向上や寄生容量の低減等が図られている。
【0004】
従来、ゲート電極には不純物を高濃度にドープしたポリシリコンが多用されている。図5は、ドープトポリシリコンからなるゲート電極の断面図である。図5に示すように、シリコン基板21が素子分離領域22によって素子形成領域に分離されている。素子形成領域のシリコン基板21上にゲート絶縁膜23を介してゲート電極24が形成されている。ゲート電極24およびシリコン基板21上に層間絶縁膜25として、例えばシリコン酸化膜が形成されている。
【0005】
図6は、図5のゲート電極24部分の拡大図である。半導体素子の形成工程では、種々の熱処理が行われる。例えば、ホウ素(B)をドープしたp+ 型ポリシリコンをゲート電極24として用いた場合、ゲート電極24にホウ素をドープした後に行われる熱処理の条件によっては、ゲート電極24中のホウ素が層間絶縁膜25であるシリコン酸化膜等に析出し(ホウ素析出部分26)、かつホウ素が比較的速くシリコン酸化膜中を拡散していく(ホウ素拡散径路27)。
【0006】
熱処理に応じてゲート電極24から層間絶縁膜25へ不純物が拡散すると、層間絶縁膜25との界面近傍のゲート電極24で空乏化が起こる。これにより、トランジスタの駆動能力が低下したり、仕事関数(トランジスタ閾値)が変動したりする。
【0007】
ゲート電極の微細化に伴い、上記のようなドープトポリシリコンゲート電極における不純物の外方拡散の問題は、より顕著となる傾向がある。ゲート電極を微細化すると、ゲート電極のアスペクト比が増大する。これにより、ゲート電極中の不純物がゲート電極の側面から絶縁膜に拡散する量が大きくなる。その結果、デバイス性能の低下やばらつきを抑制するのが、より困難となる。
【0008】
ゲ−ト電極の側面からの不純物の拡散は、単層のp+ 型ポリシリコンをゲート電極に用いる場合だけでなく、p+ 型ポリシリコン上に高融点金属シリサイド層が形成されたポリサイド構造のゲート電極や、p+ 型ポリシリコン上にバリアメタルを介して高融点金属等のメタル層が形成されたポリメタル構造のゲート電極でも観察される。
【0009】
同じ組成(SiO2 )で表されるシリコン酸化膜であっても、ゲート酸化膜に比較して層間絶縁膜は緻密性が低く、一般に、ホウ素の拡散係数は層間絶縁膜中の方がゲート酸化膜中よりも大きい。したがって、p+ 型ポリシリコンゲート電極中のホウ素の濃度は、特に層間絶縁膜のシリコン酸化膜との界面近傍で低下しやすい。
【0010】
この場合、ゲート電極の表面あるいは側面近傍ではポリシリコンが空乏化したり、空乏化によりp+ 型ポリシリコンの仕事関数が局所的に変動したりする。これにより、p+ 型ポリシリコンをゲート電極に用いたトランジスタにおいて、閾値Vthのばらつきを始めとして、各特性のばらつきが増大する。
【0011】
一方、リン(P)をドープしたn+ 型ポリシリコンゲート電極の場合には、熱処理によってゲート電極中のリン原子がシリコン酸化膜との界面にパイルアップ(pile up)する。したがって、この場合にも、ポリシリコンとシリコン酸化膜の界面近傍でポリシリコン中の不純物濃度が減少する。
【0012】
上記のうち、特にゲート電極側面からの不純物の抜け量は、各ゲート電極パターンのゲート長Lg やゲート幅Wg に依存して変化する。したがって、LSI全体で一様に制御することができない。ゲート電極からの不純物の抜け量は、ゲート電極の微細化につれて相対的に大きくなる。特に、0.1μm以下の微細ゲート長では不純物の抜けによるゲート電極の空乏化が支配的となり、ゲート電極を微細化してもトランジスタの電流駆動能力が向上しなくなってしまう(村上他、信学技報 SDM 2001-48 PP. 25参照)。
【0013】
特開平10−303410号公報には、ゲート電極中の不純物の外方拡散を抑制する方法として、ゲート電極全体をキャッピング層により被覆する方法が提案されている。図7は、この公報に開示されているゲート電極構造を示す。
【0014】
図7の構造は、図5に示すゲート電極24にキャッピング層として、シリコン窒化膜28(Si34 膜)およびシリコン窒化膜からなるサイドウォールスペーサー29を設けたものである。シリコン窒化膜28およびサイドウォールスペーサー29は、低圧化学気相成長(LP−CVD)等により形成される。この方法によれば、ゲート電極の上面および側面からの不純物の抜けを効果的に抑制できる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特開平10−303410号公報に開示された構造および方法では、ゲート電極全体を比較的厚いシリコン窒化膜でキャッピングすることから、以下のような問題が起こり、次世代の微細デバイスすべてに適用するのは難しい。
【0016】
比較的厚いシリコン窒化膜によりゲート電極をキャッピングした場合、ゲート電極の微細化に伴い、シリコン窒化膜の応力が相対的に大きくなる。この応力の影響で、場合によってはゲート電極の剥離や、ゲート絶縁膜の界面準位の増大等が生じる。
【0017】
また、シリコン窒化膜でゲート電極をキャッピングするには、全面にシリコン窒化膜を形成した後、ゲート電極を被覆するシリコン窒化膜のみ残し、ドライエッチングによりシリコン窒化膜を除去する。このエッチングでは、下地のシリコン基板をストッパーとして異方性加工が行われる。
【0018】
シリコンに対する窒化シリコンのエッチング選択比は原理的に大きくすることが難しいため、シリコン窒化膜のエッチング時に下地のシリコンのエッチングを完全に防止することはできない。近年、接合容量を大幅に低減できるトランジスタとして、SOI構造のトランジスタが製造されている。
【0019】
薄膜のシリコン活性層を有するSOI上に、上記の特開平10−303410号公報記載のゲート電極を形成すると、シリコン窒化膜にドライエッチングを行ってキャッピング層を加工する工程で、下地の薄膜シリコン活性層が消失したり、許容できない程度にエッチングされたりする。したがって、上記の従来の方法は、SOI構造のデバイスへの適用が困難である。
【0020】
さらに、上記の特開平10−303410号公報記載の構造および方法によれば、ゲート電極の側面をシリコン窒化膜により完全に被覆するために、ゲート電極と不純物拡散層の間の実効的な誘電率を増大させることになる。この結果、両者間のFringe容量に起因する寄生容量が増大する。
【0021】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、したがって本発明は、ゲート電極を被覆する絶縁膜の応力を低減し、ゲート電極からの不純物の外方拡散を抑制し、かつ下地の半導体層の消失を防止して、デバイス性能を向上させることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、
シリコンである基板上にシリコン酸化膜であるゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にポリシリコンである半導体層または前記半導体層と導体層の積層体を形成する工程と、前記半導体層に不純物を拡散させる工程と、前記半導体層または前記半導体層と導体層の積層体をエッチングにより加工して、所定のパターンのゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極の上面と側面および前記基板を被覆し、前記ゲート電極からの前記不純物の外方拡散を前記ゲート電極が空乏化しない程度に抑制し、CVD(化学気相成長)法により形成したシリコン窒化膜より応力が小さく、2分子層の膜厚のシリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、または、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜である第1の絶縁膜を、原子層レベルで膜厚が制御される堆積手法、好適にはALD法により形成する工程と、前記第1の絶縁膜上にシリコン酸化膜である第2の絶縁膜を形成する工程と、前記第1および第2の絶縁膜を介して前記基板に不純物を導入し、前記ゲート電極に自己整合的にソース/ドレイン拡散層を形成する工程と、前記第2の絶縁膜上に、前記ゲート電極と前記基板との段差を解消する層間絶縁膜を形成する工程とを有することを特徴とする。
【0023】
好適には、前記第2の絶縁膜の形成後、前記ソース/ドレイン拡散層を形成する工程において、ソース/ドレイン拡散層のエクステンション部を形成し、前記エクステンション部の形成後、前記第2の絶縁膜上に第3の絶縁膜を形成する工程と、前記第3の絶縁膜のエッチバックを行い、前記ゲート電極の側面のみに前記第3の絶縁膜を残し、前記第3の絶縁膜からなるゲートサイドウォールスペーサーを形成する工程と、前記第1および第2の絶縁膜を介して前記基板に不純物を導入し、前記ゲートサイドウォールスペーサーに自己整合的にソース/ドレイン拡散層を形成する工程とをさらに有する。
【0024】
好適には、前記半導体層としてシリコン含有層を形成し、前記ソース/ドレイン拡散層を形成後、前記ソース/ドレイン拡散層上および前記ゲート電極上の前記第1および第2の絶縁膜を除去する工程と、前記ソース/ドレイン拡散層上および前記ゲート電極上に金属シリサイド層を形成する工程とを有する。
好適には、前記基板として、シリコン基板上にシリコン酸化膜を介してシリコン活性層が形成されたSOI基板を用い、前記ソース/ドレイン拡散層を前記シリコン活性層に形成する。
【0025】
これにより、絶縁膜の応力がゲート電極に与える影響を低減し、かつゲート電極から層間絶縁膜への不純物の外方拡散を抑制することが可能となる。ALD法等によれば、原子層あるいは分子層レベルで膜厚を制御することが可能であり、例えば2分子層程度の極めて薄い絶縁膜を形成できる。したがって、ALD法によりゲート電極の表面に例えばシリコン窒化膜を形成した場合、CVD法等によりシリコン窒化膜を形成した場合に比較して、シリコン窒化膜の応力の影響を低減できる。
【0026】
また、本発明においてゲートサイドウォールスペーサーを形成する場合、第3の絶縁膜にエッチングを行う際に第2の絶縁膜がエッチングストッパー層となる。第2の絶縁膜として、第3の絶縁膜に対するエッチング選択比が十分に小さいものを用いることにより、半導体基板等の下地の損傷が防止される。したがって本発明は、薄膜のシリコン活性層にソース/ドレイン拡散層が形成されるSOI構造のトランジスタに特に好適である。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の半導体装置の製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。図1(a)〜図4(h)は本実施形態の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。本実施形態は、nチャネル型MOSトランジスタ(nMOS)の製造工程を示す。
【0028】
まず、図1(a)に示すように、SOI基板1に素子分離領域2を形成する。SOI基板1はシリコン基板3上に埋め込み酸化膜4を介してシリコン活性層5を有し、例えばSIMOX法(separation by implanted oxygen)等の公知の方法によって作製される。SIMOX法によれば厚さ50nm以下、例えば42nm程度のシリコン活性層5を、厚さのばらつきを抑えて形成できる。
【0029】
素子分離領域2は、例えばSTI法(shallow trench isolation)により形成する。STI法では、埋め込み酸化膜4に達する溝(トレンチ)をシリコン活性層5に形成し、溝内を含む全面にCVDによりシリコン酸化膜を堆積する。その後、化学機械研磨(CMP;chemical mechanical polishing)を行い、溝内のみシリコン酸化膜が残るように、シリコン活性層5上のシリコン酸化膜を除去する。あるいは、シリコン活性層5にLOCOS法(local oxidation of silicon)により素子分離領域2を形成することもできる。シリコン活性層5の表面に、例えば熱酸化等によりゲート酸化膜6を形成する。
【0030】
次に、図1(b)に示すように、ゲート酸化膜6上にゲート電極7を形成する。ゲート電極7を形成するには、まず、全面にCVDによりポリシリコン膜を例えば厚さ150nmで形成する。ポリシリコン膜にn型不純物としてリン(P)をイオン注入してから、リソグラフィ工程によりポリシリコン膜上にゲート電極パターンでレジストを形成する。
【0031】
レジストをマスクとしてポリシリコン膜にドライエッチングを行うことにより、ゲート電極7が形成される。このドライエッチングは、例えばECR(electron cyclotron resonance)型エッチング装置を用いて行う。エッチング条件は例えば、マイクロ波出力を400W、高周波出力を25W、HBrガス流量を95sccm、Cl2 ガス流量を15sccm、温度を20℃、圧力を0.5Paとする。
【0032】
次に、図1(c)に示すように、ALD法によりシリコン窒化膜8を、例えば厚さ0.4nm(2分子層程度)堆積する。このALDでは、温度375℃でSiCl4 を30秒供給してから(exposure)、60秒排気(evacuate)し、次に、温度550℃でNH3 を30秒供給してから、60秒排気する。上記のSiCl4 の供給および排気と、NH3 の供給および排気を合わせて1サイクルとし、これを5サイクル繰り返す。
【0033】
さらに、シリコン窒化膜8上にチャネリング防止用の薄膜のシリコン酸化膜9を、例えば厚さ10nm堆積する。シリコン酸化膜9は、従来のチャネリング防止用の酸化膜と同様に、例えばTEOS(tetra ethyl ortho silicate)を原料に用いたCVDにより形成できる。
【0034】
次に、図2(d)に示すように、ゲート電極7に対して自己整合的にn型不純物をイオン注入する。これにより、ソース/ドレインのエクステンション部10が形成される。このイオン注入の条件は、例えばn型不純物のイオン種をAs+、加速電圧を2.5keV、ドーズ量を1.8×1015atoms/cm2 、注入角を0°とする。
【0035】
次に、図2(e)に示すように、ゲート電極7の側面にシリコン窒化膜8およびシリコン酸化膜9を介して、ゲートサイドウォールスペーサー11を形成する。ゲートサイドウォールスペーサー11は、全面にシリコン窒化膜を堆積してから、異方性加工のエッチバックを行って形成する。シリコン窒化膜のエッチバックにおいては、シリコン酸化膜9がエッチングストッパー層となり、エッチングによる下地の損傷が防止される。
【0036】
シリコン窒化膜の堆積は、例えば縦型CVD装置を用いて、温度760℃、圧力53Pa、SiH2 Cl2 ガス流量90sccm、NH3 ガス流量600sccm、N2 ガス流量500sccmの条件で行う。
シリコン窒化膜のエッチバックには、例えばマグネトロン型エッチング装置を用い、エッチングの条件は高周波出力を1000W、CHF3 ガス流量を45sccm、温度を20℃、圧力を2.7Paとする。
【0037】
次に、図3(f)に示すように、ゲートサイドウォールスペーサー11に対して自己整合的に、n型不純物として例えばリン(P)をイオン注入する。これにより、ソース/ドレイン拡散層12が形成される。
続いて、ゲート電極7、エクステンション部10およびソース/ドレイン拡散層12に導入された不純物を拡散させ、これらの部分を活性化するための熱処理を行う。この熱処理は例えば1000℃、10秒のN2 ガス雰囲気中でのRTA(rapid thermal annealing)処理とする。
【0038】
熱処理後、ゲート電極7上およびソース/ドレイン拡散層12上のシリコン酸化膜9を、フッ酸を用いたウェットエッチングにより除去する。また、ゲート電極7上およびソース/ドレイン拡散層12上のシリコン窒化膜8は、ALD法により形成された非常に薄い膜であるため、フッ酸を用いたウェットエッチングで除去できる。シリコン酸化膜のエッチングを抑え、シリコン窒化膜8を選択的に除去する場合には、例えばリン酸を用いたウェットエッチングを行う。
【0039】
次に、図3(g)に示すように、ゲート電極7上およびソース/ドレイン拡散層12上に自己整合的に、高融点金属シリサイド層として例えばコバルトシリサイド層(CoSi2 層)13を形成する。コバルトシリサイド層13は、全面に例えばスパッタリングによりコバルト層を形成してから、熱処理を行ってゲート電極のポリシリコンおよびソース/ドレイン拡散層12のシリコンと反応させることにより形成される。その後、未反応のコバルト層を除去する。
【0040】
次に、図4(h)に示すように、全面に層間絶縁膜14として例えばシリコン酸化膜を、CVDにより形成する。ソース/ドレイン拡散層12上の層間絶縁膜14にコンタクトホール15を形成し、コンタクトホール15内に例えばタングステン等のメタルからなるプラグ16を形成する。その後、プラグ16に接続するように、層間絶縁膜14上に配線17を形成する。以上の工程により、nMOSが形成される。
【0041】
上記の本発明の実施形態の半導体装置の製造方法によれば、ゲート電極を極めて薄いALD膜(シリコン窒化膜8)で被覆してから、チャネリング防止用の薄膜のシリコン酸化膜9を形成する。これにより、ゲート電極からの不純物の外方拡散が抑制され、ゲート電極7と層間絶縁膜14との界面近傍でゲート電極7の不純物濃度が局所的に低下するのが防止される。
【0042】
また、ゲート電極のキャッピング層として比較的厚膜のシリコン窒化膜をCVDにより形成する場合(従来の方法)に比較して、シリコン窒化膜の応力がゲート電極に与える影響を大幅に低減できる。したがって、ゲート電極を微細化しても、スケーリング則に従ってデバイス性能を向上させることができる。
【0043】
本発明の半導体装置の製造方法の実施形態は、上記の説明に限定されない。上記の実施形態では、ALD法によりシリコン窒化膜8を形成するが、シリコン窒化膜以外の絶縁膜、例えばシリコン酸化窒化膜(SiON膜)をALD法により形成してもよい。あるいは、ALD法により多層構造の絶縁膜、例えばシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜を形成してもよい。
【0044】
また、コバルトシリサイド層13はタングステンシリサイド層やチタンシリサイド層等、他の高融点金属シリサイド層に変更できる。上記の実施形態では、ポリシリコン膜上にコバルトシリサイド層13を形成し、2層構造のポリサイドゲート電極を形成するが、例えばタングステンシリサイド層等のシリサイド単層のゲート電極を形成してもよい。
【0045】
あるいは、タングステン等のメタル層がポリシリコン膜上にバリアメタルを介して形成された、ポリメタル構造のゲート電極を形成してもよい。これらの構造のゲート電極をALD膜(シリコン窒化膜)により被覆した場合も、ゲート電極からの不純物の外方拡散が防止される。
【0046】
また、上記の実施形態ではSOI基板にトランジスタを形成するが、バルクのシリコン基板に形成されるデバイスに本発明を適用することもできる。上記の実施形態ではnMOSの形成例を示したが、pMOSに本発明を適用することもできる。
【0047】
ゲート電極となるポリシリコン膜に不純物をイオン注入する工程において、レジストをマスクとしてpMOS形成領域にp型不純物を、nMOS形成領域にn型不純物を、それぞれ打ち分けて導入すれば、本発明をCMOSの形成に適用することもできる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
【0048】
【発明の効果】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、ゲート電極を被覆する絶縁膜の応力を低減し、ゲート電極からの不純物の外方拡散を抑制し、かつ下地の半導体層の消失を防止して、デバイス性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)〜(c)は本発明の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
【図2】図2(d)および(e)は本発明の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図であり、図1(c)に続く工程を示す。
【図3】図3(f)および(g)は本発明の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図であり、図2(e)に続く工程を示す。
【図4】図4(h)は本発明の半導体装置の製造方法の製造工程を示す断面図であり、図3(g)に続く工程を示す。
【図5】図5は従来の半導体装置の断面図である。
【図6】図6は図5のゲート電極部分の拡大図であり、熱処理による不純物の外方拡散を示す。
【図7】図7は従来の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
1…SOI基板、2…素子分離領域、3…シリコン基板、4…埋め込み酸化膜、5…シリコン活性層、6…ゲート酸化膜、7…ゲート電極、8…シリコン窒化膜、9…シリコン酸化膜、10…エクステンション部、11…ゲートサイドウォールスペーサー、12…ソース/ドレイン拡散層、13…コバルトシリサイド層、14…層間絶縁膜、15…コンタクトホール、16…プラグ、17…配線、21…シリコン基板、22…素子分離領域、23…ゲート絶縁膜、24…ゲート電極、25…層間絶縁膜、26…ホウ素析出部分、27…ホウ素拡散径路、28…シリコン窒化膜、29…サイドウォールスペーサー。

Claims (5)

  1. シリコンである基板上にシリコン酸化膜であるゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記ゲート絶縁膜上にポリシリコンである半導体層または前記半導体層と導体層の積層体を形成する工程と、
    前記半導体層に不純物を拡散させる工程と、
    前記半導体層または前記半導体層と導体層の積層体をエッチングにより加工して、所定のパターンのゲート電極を形成する工程と、
    前記ゲート電極の上面と側面および前記基板を被覆し、前記ゲート電極からの前記不純物の外方拡散を前記ゲート電極が空乏化しない程度に抑制し、CVD(化学気相成長)法により形成したシリコン窒化膜より応力が小さく、2分子層の膜厚のシリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、または、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜である第1の絶縁膜を、原子層レベルで膜厚が制御される堆積手法により形成する工程と、
    前記第1の絶縁膜上にシリコン酸化膜である第2の絶縁膜を形成する工程と、
    前記第1および第2の絶縁膜を介して前記基板に不純物を導入し、前記ゲート電極に自己整合的にソース/ドレイン拡散層を形成する工程と、
    前記第2の絶縁膜上に、前記ゲート電極と前記基板との段差を解消する層間絶縁膜を形成する工程とを有する
    半導体装置の製造方法。
  2. 前記堆積手法としてALD法(atomic layer deposition)を用いる
    請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第2の絶縁膜の形成後、前記ソース/ドレイン拡散層を形成する工程において、ソース/ドレイン拡散層のエクステンション部を形成し、
    前記エクステンション部の形成後、前記第2の絶縁膜上に第3の絶縁膜を形成する工程と、
    前記第3の絶縁膜のエッチバックを行い、前記ゲート電極の側面のみに前記第3の絶縁膜を残し、前記第3の絶縁膜からなるゲートサイドウォールスペーサーを形成する工程と、
    前記第1および第2の絶縁膜を介して前記半導体基板に不純物を導入し、前記ゲートサイドウォールスペーサーに自己整合的にソース/ドレイン拡散層を形成する工程とをさらに有する
    請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記半導体層としてシリコン含有層を形成し、
    前記ソース/ドレイン拡散層を形成後、前記ソース/ドレイン拡散層上および前記ゲート電極上の前記第1および第2の絶縁膜を除去する工程と、
    前記ソース/ドレイン拡散層上および前記ゲート電極上に金属シリサイド層を形成する工程とを有する
    請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記基板として、シリコン基板上にシリコン酸化膜を介してシリコン活性層が形成されたSOI(silicon on insulatorまたはsemiconductor on insulator)基板を用い、前記ソース/ドレイン拡散層を前記シリコン活性層に形成する
    請求項1記載の半導体装置の製造方法。
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