JP4725451B2 - 絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製法 - Google Patents

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Description

この発明は、エクステンションドレイン(Extention Drain)構造等の絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製法に関するものである。
一般に、絶縁ゲート型電界効果トランジスタとしては、いわゆるLDD(Lightly Doped Drain)構造のものが周知である。エクステンションドレイン構造は、基本的にはLDD構造と同じであるが、LDD領域より不純物濃度を高くして寄生抵抗による性能劣化を回避した(ソース,ドレイン領域より低エネルギーでイオン注入を行なうことにより短チャンネル効果を抑制した)ものである。ちなみに、LDD領域のドーズ量は、5×1013cm−2程度までであり、エクステンションドレイン領域のドーズ量は、1×1014〜1×1015cm−2程度であり、ソース,ドレイン領域のドーズ量は、1×1015cm−2程度以上である。ゲート電極(配線)幅0.25μm前後の世代からエクステンションドレイン構造に変わったのは、LDD部の寄生抵抗による性能劣化が見過ごせなくなったためであると一般的にいわれている。
従来、LDD構造の絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製法としては、図17〜19に示すものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
図17の工程では、P型半導体基板1の一方の主表面に素子孔2aを有するフィールド絶縁膜2を形成した後、素子孔2a内の半導体表面にシリコンオキサイド等のゲート絶縁膜3を形成する。絶縁膜3の上にポリシリコン層を堆積形成した後、レジスト層5をマスクとするエッチング処理をポリシリコン層に施すことによりポリシリコン層の残存部からなるゲート電極層4を形成する。このとき、ゲート絶縁膜3は、ゲート電極層4の直下の部分が残存するが、それ以外の部分はエッチング除去される。
次に、レジスト層5、ゲート電極層4及びゲート絶縁膜3の積層とフィールド絶縁膜2とをマスクとするリンイオン注入処理により電極層4の一方側及び他方側のP型部分にそれぞれN型ソース領域6及びN型ドレイン領域7を形成する。
図18の工程では、ゲート電極層4をレジスト層5で覆った状態で電極層4に等方性エッチング処理を施して電極層4の端縁をサイドエッチングによりレジスト層5の端縁から距離Δd=0.15μm程度後退させる。この結果、電極層4の幅(ゲート幅)は、一例として0.8μmから0.5μmに低減される。
図19の工程では、レジスト層5を除去した後、ゲート電極層4及びゲート絶縁膜3の積層とフィールド絶縁膜2とをマスクとするリンイオン注入処理により電極層4のソース側及びドレイン側のP型部分にそれぞれN型ソース領域8及びN型ドレイン領域9を形成する。ドレイン領域9は、通常、LDD領域と称されるものである。
特開平6−275635号公報
上記した従来技術によると、製造歩留りが低いという問題点がある。すなわち、レジスト層5は、図17及び図18のエッチング工程で合計2回もエッチングにさらされるので、ゲート電極層4のサイドエッチ量の制御が容易でなく、サイドエッチ量のばらつきが大きい。このため、ゲート幅のばらつきも大きい。また、図17のイオン注入工程では、素子孔2a内に露呈された半導体部分に対してイオン注入を行なうので、いわゆるチャンネリング現象により注入イオンの到達深さのばらつきが大きい。このため、N型領域6,7の深さのばらつきも大きい。
その上、図17のソース,ドレイン領域形成工程と、図19のLDD形成工程とで合計2回のイオン注入処理が必要であり、工程数が多いこと、図19のLDD形成工程では低エネルギーイオン注入装置が必要になることなどの問題点もある。
この発明の目的は、少ない工程数で歩留り良くエクステンションドレイン構造又はLDD構造を得ることができる新規な絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製法を提供することにある。
この発明に係る絶縁ゲート型電界効果トランジスタの法は、
一方の主表面側の少なくとも一部が第1導電型である半導体基板を用意する工程と、
前記半導体基板の一方の主表面に前記一部に対応した素子配置部を画定するように素子分離部を形成する工程と、
前記素子配置部内の半導体表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の上に導電材層を介してハードマスク材層を形成する工程と、
前記ハードマスク材層の上に所望のゲート電極パターンに従ってレジスト層をホトリソグラフィ処理により形成する工程と、
前記レジスト層をマスクとするエッチング処理を前記ハードマスク材層に施すことにより前記ゲート電極パターンに従って残存する前記ハードマスク材層の残存部からなるハードマスクを形成する工程と、
前記レジスト層をマスクとする異方性エッチング処理を前記導電材層に施すことにより前記導電材層の一部を前記ゲート電極パターンに従って残存させる工程と、
前記レジスト層を除去した後、前記ハードマスクを用いる等方性エッチング処理により前記導電材層の残存部の幅を前記ハードマスクより幅が狭くなるように減少させることにより該幅の減少した残存部からなるゲート電極層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極層及び前記ハードマスクの積層と前記素子分離部とをマスクとする1度の不純物イオン注入処理により前記ゲート電極層の一方側及び他方側の第1導電型部分に前記第1導電型とは反対の第2導電型を有するソース領域及びドレイン領域をそれぞれ形成する工程であって、前記ソース領域及び前記ドレイン領域のいずれの領域においても前記ハードマスクにて前記ゲート電極層に重ならないマスク部分の下方に位置する部分では該マスク部分を介して不純物イオンを注入することにより該マスク部分の下方に位置しない部分に比べてイオン注入深さを浅くして、エクステンションドレイン構造またはLDD構造を形成する工程と、
を含み、
前記ハードマスクを形成する工程では、前記エッチング処理として等方性エッチング処理を用いて前記ハードマスクを前記レジスト層より幅が狭くなるように形成する
ものである。
この発明の法によれば、レジスト層をマスクとするエッチング処理によりハードマスク材層をパターニングしてハードマスクを形成した後、レジスト層をマスクとする異方性エッチング処理により導電材層をパターニングして導電材層の一部をゲート電極パターンに従って残存させる。そして、レジスト層を除去してから、ハードマスクを用いる等方性エッチング処理により導電材層の残存部の幅を減少させてゲート電極層を形成するようにしたので、等方性エッチング処理は、ハードマスクを用いて精確に行なうことができ、幅の狭いゲート電極層を精度良く形成することができる。
また、ゲート絶縁膜、ゲート電極層及びハードマスクの積層と素子分離部とをマスクとする不純物イオン注入処理によりソース領域及びドレイン領域を形成する際には、ソース領域及びドレイン領域のいずれの領域においてもハードマスクにてゲート電極層に重ならないマスク部分の下方に位置する部分では該マスク部分を介して不純物イオンを注入することにより該マスク部分の下方に位置しない部分に比べてイオン注入深さを浅くするようにしたので、ソース領域及びドレイン領域の形成と、エクステンションドレイン構造又はLDD構造の形成とを1回の不純物イオン注入処理により達成することができ、工程の短縮が可能になる。
また、前記ハードマスクを形成する工程では前記エッチング処理として等方性エッチング処理を用いて前記ハードマスクを前記レジスト層より幅が狭くなるように形成したので、レジスト層より幅の狭いハードマスクが簡単に得られ、ゲート電極層の幅を一層狭くしてトランジスタの微細化を図るのに有効である。
この発明によれば、幅の狭いゲート電極層を精度良く形成できるので、トランジスタの微細化が可能になると共に製造歩留りが向上する効果が得られる。また、1回のイオン注入処理によりエクステンションドレイン部又はLDD部を有するドレイン領域を形成できるので、工程の短縮によりコスト低減を達成できること、低エネルギーイオン注入装置を必要としないことなどの効果も得られる。
図1〜9は、この発明の一実施形態に係るNチャンネル絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製法を示すもので、各々の図に対応する工程(1)〜(9)を順次に説明する。
(1)例えばシリコンからなる半導体基板10は、全体としてP型を有するか又はP型ウエル領域を有するもので、一方の主表面には周知の選択酸化法によりシリコンオキサイドからなるフィールド絶縁膜12を形成する。フィールド絶縁膜12は、基板10のP型部分に対応する素子配置部としての素子孔12aを画定する。フィールド絶縁膜12は、基板10の表面に形成した溝にCVD(ケミカル・ベーパー・デポジション)法によりシリコンオキサイド等の絶縁材を充填して形成してもよい。また、この実施形態では、素子分離部としてフィールド絶縁膜を用いているが、例えば周知のシャロウ・トレンチ・アイソレーション(STI)法による素子分離部を設けてもよいし、あるいはSOI基板(絶縁板上にシリコン層を堆積した基板)を用い、予め基板表面のシリコン層の一部を酸化することにより素子分離部を設けてもよい。
フィールド絶縁膜12の素子孔12a内のP型半導体の表面には、熱酸化処理によりシリコンオキサイドからなるゲート絶縁膜14を形成する。フィールド絶縁膜12の上には、ゲート絶縁膜14を覆ってポリシリコン層16をCVD法により堆積形成する。ポリシリコン層16には、堆積中又は堆積後に導電型決定不純物をドープする。これは、ポリシリコン層16を電極又は配線として使用可能な程度に低抵抗化するためである。ポリシリコン層16の厚さは、2000〜6000Å(好ましくは2500〜4500Å(より好ましくは3500Å))とすることができる。
(2)ポリシリコン層16の表面には、一例として熱酸化処理によりシリコンオキサイド層18を形成する。シリコンオキサイド層18の厚さは、100〜500Å 程度とすることができる。
(3)シリコンオキサイド層18の上には、所望のゲート電極パターンに従ってレジスト層20をホトリソグラフィ処理により形成する。そして、レジスト層20をマスクとする等方性エッチング処理をシリコンオキサイド層18に施すことによりシリコンオキサイド層18の一部18Aをゲート電極パターンに従って残存させる。残存するシリコンオキサイド層18Aの端縁をレジスト層20の端縁より距離ΔD=0.015〜0.075μm程度後退させることによりシリコンオキサイド層18Aの幅をレジスト層20の幅より狭くする。シリコンオキサイド層18Aは、図6のエッチング処理において、ハードマスクとして用いられるもので、以下では「ハードマスク」と称する。
(4)レジスト層20をマスクとする異方性ドライエッチング処理をポリシリコン層16に施すことによりポリシリコン層16の一部16Aをゲート電極パターンに従って残存させる。このときのエッチングによりフィールド絶縁膜12及びゲート絶縁膜14がいずれもわずかに薄くなる。
(5)アッシング処理等によりレジスト層20を除去する。この結果、ポリシリコン層16Aの上には、ハードマスク18Aが残される。
(6)ハードマスク18Aを用いる等方性エッチング処理をポリシリコン層16Aに施すことによりポリシリコン層16Aの両側部をエッチングする。すなわち、サイドエッチングによりポリシリコン層16Aの端縁をシリコンオキサイド層18Aの端縁から距離ΔL=0.05〜0.15μm程度後退させてポリシリコン層16Aの幅をハードマスク18Aの幅より減少させることによりポリシリコン層16Aの残存部からなるゲート電極層16aを形成する。
(7)ゲート絶縁膜14、ゲート電極層16a及びハードマスク18Aの積層とフィールド絶縁膜12とをマスクとする不純物イオン注入処理によりN型のソース領域22及びドレイン領域24とN型のソース領域26及びドレイン領域28とを同時的に形成する。この場合、ソース領域22及びドレイン領域24のいずれの領域においても、ハードマスク18Aにてゲート電極層16aに重ならないマスク部分の下方に位置する部分では、該マスク部分及びゲート絶縁膜14を介して不純物イオンを注入して該マスク部分の下方に位置しない部分に比べてイオン注入深さを浅くすることによりN型のソース領域26及びドレイン領域28をそれぞれN型のソース領域22及びドレイン領域24より浅く且つ低不純物濃度となるように形成する。このときの不純物イオンの注入は、一例としてリンを加速エネルギー35keV、ドーズ量4×1015cm−2の条件で行なうことができる。
図7の工程において、イオン注入は、ゲート絶縁膜14を介して行なわれるので、チャンネリング現象が抑制され、ソース,ドレイン深さのばらつきが低減される。また、N型のソース,ドレイン領域26,28は、N型のソース,ドレイン領域22,24の形成工程を流用して形成されるので、低エネルギーイオン注入装置を用いなくても済む。
(8)等方性エッチング処理によりゲート絶縁膜14の露呈部とハードマスク18Aとを除去する。この結果、ゲート電極層16aの上面が露呈されると共に、ソース領域22,26及びドレイン領域24,28がいずれも露呈される。
(9)CVD法又は塗布法あるいは両者の組合せによりシリコンオキサイド等の層間絶縁膜30を基板上面に形成した後、ソース領域22及びドレイン領域24にそれぞれ対応する接続孔30s及び30dを絶縁膜30にホトリソグラフィ及びドライエッチング処理により形成する。そして、基板上面にAl又はAl合金等の配線材層を被着してパターニングすることによりソース配線層32及びドレイン配線層34を形成する。配線層32,34は、それぞれ接続孔30s,30dを介してソース,ドレイン領域22,24に接続される。
上記した実施形態によれば、図3の等方性エッチング工程でハードマスク18Aをサイドエッチングすると共に、図6の等方性エッチング工程でポリシリコン層16Aをサイドエッチングするようにしたので、幅の狭いゲート電極層16aを精度良く形成することができ、トランジスタの微細化が可能になると共に製造歩留りが向上する。また、図7のイオン注入工程では、N型の深いソース,ドレイン領域22,24とN型の浅いソース,ドレイン領域26,28とを同時的に形成するので、工程の短縮によりコスト低減が可能となる。
図10〜16は、この発明の他の実施形態に係るNチャンネル絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製法を示すもので、図1〜7と同様の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。
図10の工程において、半導体基板10の表面を覆うフィールド絶縁膜12の上には、ゲート絶縁膜14を覆ってポリシリコン層16をCVD法により堆積形成する。ポリシリコン層16の厚さは、500〜5000Å(好ましくは800〜2500Å(より好ましくは1500Å))とすることができる。
図11の工程では、ポリシリコン層の16の上にタングステンシリサイド(以下、「WSi」と表記する)層19をスパッタ法等により被着する。WSi層19の厚さは、500〜5000Å(好ましくは1000〜3000Å(より好ましくは2000Å))とすることができる。
図12の工程では、WSi層19の上に所望のゲート電極パターンに従ってレジスト層20をホトリソグラフィ処理により形成する。
図13の工程では、レジスト層20をマスクとする異方性ドライエッチング処理をWSi層19及びポリシリコン層16に施すことによりWSi層19の一部19A及びポリシリコン層16の一部16Aをゲート電極パターンに従って残存させる。このときのエッチングによりフィールド絶縁膜12及びゲート絶縁膜14がいずれもわずかに薄くなる。
図14の工程では、アッシング処理等によりレジスト層20を除去する。この結果、WSi層19Aの上面が露呈される。WSi層19Aは、図15のエッチング処理において、ハードマスクとして用いられるもので、以下では「ハードマスク」と称する。
図15の工程では、ハードマスク19Aを用いる等方性エッチング処理によりポリシリコン層16Aの両側部をエッチングすることによりポリシリコン層16Aの端縁をWSi層19Aの端縁から所定量ΔLだけ後退させる。すなわち、ポリシリコン層16Aの幅をWSi層19Aの幅より減少させてポリシリコン層16Aの残存部からなるゲート電極層16aを得る。
図16の工程では、ゲート絶縁膜14、ゲート電極層16a及びハードマスク19Aの積層とフィールド絶縁膜12とをマスクとする不純物イオン注入処理によりN型のソース領域22及びドレイン領域24とN型のソース領域26及びドレイン領域28とを同時的に形成する。この場合、ソース領域22及びドレイン領域24のいずれの領域においても、ハードマスク19Aにてゲート電極層16aに重ならないマスク部分の下方に位置する部分では、該マスク部分及びゲート絶縁膜14を介して不純物イオンを注入して該マスク部分の下方に位置しない部分に比べてイオン注入深さを浅くすることによりN型のソース領域26及びドレイン領域28をそれぞれN型のソース領域22及びドレイン領域24より浅く且つ低不純物濃度となるように形成する。このときの不純物イオンの注入は、一例としてリンを加速エネルギー100keV,ドーズ量3×1015cm−2の条件で行なうことができる。
図16の工程において、イオン注入は、ゲート絶縁膜14を介して行なわれるので、チャンネリング現象が抑制され、ソース,ドレイン深さのばらつきが低減される。また、N型のソース,ドレイン領域26,28は、N型のソース,ドレイン領域22、24の形成工程を流用して形成されるので、低エネルギーイオン注入装置を用いなくて済む。
図16の工程の後は、図8に関して前述したようにゲート絶縁膜14の露呈部を除去してソース領域22,26及びドレイン領域24、28をいずれも露呈させる。そして、図9に関して前述したように層間絶縁膜形成処理及びソース,ドレイン配線形成処理を順次に行なう。この場合、ハードマスク(WSi層)19Aは、ゲート電極層(ポリシリコン層)16a上に残され、いわゆるポリサイドゲートを構成する。
図10〜16に関して上記した実施形態によれば、図15の等方性エッチング工程でポリシリコン層16Aをサイドエッチングするようにしたので、幅の狭いゲート電極層16aを精度良く形成することができ、トランジスタの微細化が可能になると共に製造歩留りが向上する。また、図16のイオン注入工程では、N型の深いソース,ドレイン領域22,24とN型の浅いソース,ドレイン領域26,28とを同時的に形成するので、工程の短縮によりコスト低減が可能となる。さらに、図13の工程ではWSi層19及びポリシリコン層16を一緒にパターニングするので、図3,4の場合に比べてエッチング処理が1回少なくて済み、工程の短縮によりコスト低減が可能となる。
この発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、種々の改変形態で実施可能なものである。例えば、次のような変更が可能である。
(a)ハードマスク材としては、熱酸化法によるシリコンオキサイドやタングステンシリサイドに限らず、CVD法によるシリコンオキサイドを用いてもよく、あるいはシリコン窒化物、シリコン酸化窒化物、アルミナ、TiOx、TiN、Mo,W,Ti等の高融点金属、モリブデンシリサイド、チタンシリサイド等の材料を用いてもよい。
(b)ゲート電極材料としては、ポリシリコンに限らず、Mo,W,Ti等の高融点金属及びこれらの金属シリサイドを含む材料群中から選択した1つの材料を用いてもよく、あるいは該1つの材料をポリシリコンに重ねた積層を用いてもよい。
(c)絶縁ゲート型電界効果トランジスタとしては、Nチャンネル形式のものを例示したが、導電型を反転することでPチャンネル形式のものも製作可能である。
(d)図8の工程でハードマスク18Aを除去する例を示したが、ハードマスク18Aは、残しておいて層間絶縁膜30の一部として用いてもよい。また、ハードマスク18Aを導電材で形成したときは、ハードマスク18Aを残しておいてゲート電極の一部として用いてもよい。さらに、ハードマスク19Aは、絶縁材で形成してもよく、この場合には、図16の工程の後ハードマスク19Aを除去してもよく、あるいは残しておいてもよい。
(e)浅いソース,ドレイン領域26,28をN型としたが、エクステンションドレイン構造をとれる範囲でN型としてもよく、任意に設定できる。
この発明の一実施形態に係る絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製法におけるポリシリコン堆積工程を示す基板断面図である。 図1の工程に続くポリシリコン酸化工程を示す基板断面図である。 図2の工程に続くレジスト層形成工程及び等方性エッチング工程を示す基板断面図である。 図3の工程に続くドライエッチング工程を示す基板断面図である。 図4の工程に続くレジスト除去工程を示す基板断面図である。 図5の工程に続く等方性エッチング工程を示す基板断面図である。 図6の工程に続くイオン注入工程を示す基板断面図である。 図7の工程に続く等方性エッチング工程を示す基板断面図である。 図8の工程に続く層間絶縁膜形成工程及び配線形成工程を示す基板断面図である。 この発明の他の実施形態に係る絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製法におけるポリシリコン堆積工程を示す基板断面図である。 図10の工程に続くWSi堆積工程を示す基板断面図である。 図11の工程に続くレジスト層形成工程を示す基板断面図である。 図12の工程に続くドライエッチング工程を示す基板断面図である。 図13の工程に続くレジスト除去工程を示す基板断面図である。 図14の工程に続く等方性エッチング工程を示す基板断面図である。 図15の工程に続くイオン注入工程を示す基板断面図である。 従来のLDD構造の絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製法における第1のイオン注入工程を示す基板断面図である。 図17の工程に続く等方性エッチング工程を示す基板断面図である。 図18の工程に続くレジスト除去工程及び第2のイオン注入工程を示す基板断面図である。
符号の説明
10:半導体基板、12:フィールド絶縁膜、14:ゲート絶縁膜、16:ポリシリコン層、16a:ゲート電極層、18:シリコンオキサイド層、19:WSi層、20:レジスト層、22,24:N型ソース,ドレイン領域、26,28:N型ソース,ドレイン領域、30:層間絶縁膜、32,34:ソース,ドレイン配線層。

Claims (1)

  1. 一方の主表面側の少なくとも一部が第1導電型である半導体基板を用意する工程と、
    前記半導体基板の一方の主表面に前記一部に対応した素子配置部を画定するように素子分離部を形成する工程と、
    前記素子配置部内の半導体表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
    前記ゲート絶縁膜の上に導電材層を介してハードマスク材層を形成する工程と、
    前記ハードマスク材層の上に所望のゲート電極パターンに従ってレジスト層をホトリソグラフィ処理により形成する工程と、
    前記レジスト層をマスクとするエッチング処理を前記ハードマスク材層に施すことにより前記ゲート電極パターンに従って残存する前記ハードマスク材層の残存部からなるハードマスクを形成する工程と、
    前記レジスト層をマスクとする異方性エッチング処理を前記導電材層に施すことにより前記導電材層の一部を前記ゲート電極パターンに従って残存させる工程と、
    前記レジスト層を除去した後、前記ハードマスクを用いる等方性エッチング処理により前記導電材層の残存部の幅を前記ハードマスクより幅が狭くなるように減少させることにより該幅の減少した残存部からなるゲート電極層を形成する工程と、
    前記ゲート絶縁膜、前記ゲート電極層及び前記ハードマスクの積層と前記素子分離部とをマスクとする1度の不純物イオン注入処理により前記ゲート電極層の一方側及び他方側の第1導電型部分に前記第1導電型とは反対の第2導電型を有するソース領域及びドレイン領域をそれぞれ形成する工程であって、前記ソース領域及び前記ドレイン領域のいずれの領域においても前記ハードマスクにて前記ゲート電極層に重ならないマスク部分の下方に位置する部分では該マスク部分を介して不純物イオンを注入することにより該マスク部分の下方に位置しない部分に比べてイオン注入深さを浅くして、エクステンションドレイン構造またはLDD構造を形成する工程と、
    を含み、
    前記ハードマスクを形成する工程では、前記エッチング処理として等方性エッチング処理を用いて前記ハードマスクを前記レジスト層より幅が狭くなるように形成する
    絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製法。
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