JP4822982B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に、異なる拡散層接合深さを有する複数の半導体素子を含む半導体装置製造方法に関する。
半導体装置の高速化、低消費電力化を実現するために、ソース/ドレイン拡散層にシリサイド層、例えば、コバルトシリサイド層を設け拡散層の寄生抵抗を低減させる技術が使用されている。
半導体装置が微細化され、隣接するゲート電極の間隔が0.5μm以下の領域と、ゲート電極間隔が広い領域とにおいて、シリサイド層のシート抵抗値が一様でなくなるという問題が指摘されている(例えば、特許文献1参照)。これは、ゲート電極間隔が狭くなると表面に堆積されるシリサイド用金属の膜厚が薄くなり、形成されるシリサイド層が薄くなるためである。特許文献1に開示された技術では、シリサイド層を形成する拡散層の表面に極薄い酸化膜(厚さ0.7nm程度)を形成し、基板加熱(約200℃)しながらシリサイド用金属を堆積させている。これによって、ゲート電極間隔の広い部分でのシリサイド化反応を抑制して、半導体ウェハ全面にわたりゲート電極間隔に依存しない一様なシート抵抗を有するシリサイド層を形成している。
特開2000−269482号公報
本発明は、拡散層の接合深さに応じた厚さのシリサイド層を有する半導体装置及びその製造方法を提供する。
本発明の1態様による半導体装置の製造方法は、第1導電型の半導体基板表面を第1の半導体領域及び第2の半導体領域に区画し、その上部が前記半導体基板から突き出している素子分離を形成する工程と、前記第1の半導体領域の前記半導体基板上に第1の絶縁膜を介して複数の第1のゲート電極を形成し、前記第2の半導体領域の前記半導体基板上に複数の第2の絶縁膜を介して第2のゲート電極を形成する工程であって、前記複数の第1のゲート電極間の間隔を前記複数の第2のゲート電極間の間隔より狭く形成する工程と、前記第1のゲート電極を挟んで前記第1の半導体領域の前記半導体基板中に、第1の接合深さを有する第2導電型の第1の拡散層を形成し、前記第2のゲート電極を挟んで前記第2の半導体領域の前記半導体基板中に、前記第1の接合深さをよりも深い第2の接合深さを有する第2導電型の第2の拡散層を形成する工程と、前記第1及び第2のゲート電極の側面にそれぞれ第1の側壁絶縁膜を形成する工程と、前記第1のゲート電極及び前記第1の側壁絶縁膜を挟んで前記第1の半導体領域の前記半導体基板中に、前記第1の接合深さよりも深い第3の接合深さを有する第2導電型の第3の拡散層を形成し、前記第2のゲート電極及び前記第1の側壁絶縁膜を挟んで前記第2の半導体領域の前記半導体基板中に、前記第2及び第3の接合深さよりも深い第4の接合深さを有する第2導電型の第4の拡散層を形成する工程と、少なくとも前記第1の半導体領域において前記第1の側壁絶縁膜及び前記素子分離のそれぞれの側面に第2の側壁絶縁膜を形成する工程と、前記第1のゲート電極及び前記第1及び第2の側壁絶縁膜をマスクとして前記第3の拡散層中に第1の厚さを有する第1のシリサイド層を形成し、少なくとも前記第2のゲート電極及び前記第1の側壁絶縁膜をマスクとして前記第4の拡散層中に前記第1の厚さよりも厚い第2の厚さを有する第2のシリサイド層を形成する工程とを具備することを特徴とする。
本発明によって、拡散層の接合深さに応じた厚さのシリサイド層を有する半導体装置及びその製造方法が提供される。
本発明は、異なる拡散層の接合深さを有する複数の半導体素子を含む半導体装置において、拡散層の接合深さに応じて異なる厚さのシリサイド層を有する半導体装置及びその製造方法を提供する。
本発明の実施形態を、添付した図面を参照して以下に詳細に説明する。図では、対応する部分は、対応する参照符号で示している。以下の実施形態は、一例として示されたもので、本発明の精神から逸脱しない範囲で種々の変形をして実施することが可能である。
半導体装置が微細化して、隣接するMISFET(metal insulator semiconductor field effect transistor)のゲート電極間隔が、例えば、0.4μmよりも狭くなると、接合リーク電流が大きくなること知られている。これは、半導体装置が微細化すると、拡散層の接合界面とシリサイド層の下面との距離が小さくなることに起因することが、発明者らによって明らかにされてきている。以下に具体的に説明する。
ゲート電極間隔と拡散層深さの関係を図1に示した断面図を用いて説明する。一般に、拡散層は、イオン注入とそれに続く活性化アニールによって形成される。ゲート電極120間隔Xが狭い半導体素子100(添え字1で表す)とゲート電極220間隔Xが広い半導体素子200(添え字2で表す)とを考える。イオン注入の場合、図1(a)に示したように、単位面積当りのドーパントの注入量(ドーズ量)D(ions/cm)は、ゲート電極間隔Xによらず一定である。活性化アニールにおいて、注入されたドーパントは、図1(b)に示したように、等方的に拡散する。言い換えると、深さ方向に拡散するだけでなく横方向にも拡散する。その結果、ゲート電極間隔が狭くなると、イオン注入した面積S0に対して拡散される面積Sxの比率が増加する(すなわち、Sx/S0>Sx/S0)。(Sは、実際には面積を表すが、図示した例では紙面に垂直な方向は素子分離により分離されているため横方向拡散は生じない。したがって、面積の比は、実効的に図1の長さの比に等しくなる。)その結果、ゲート電極120間隔Xが狭い半導体素子100では、拡散面積Sxに対する実効的なドーパント濃度Cが減少する(C=D*S0/Sx<C=D*S0/Sx)。ドーパント濃度の減少は、拡散速度を実効的に低下させ、拡散層の接合深さdが浅くなることを意味する。すなわち、ゲート電極120間隔Xが狭い半導体素子100の拡散層130の接合深さdは、ゲート電極220間隔Xが広い半導体素子200の拡散層230の接合深さdよりも浅くなる(d<d)。図2は、ゲート電極間隔Xと拡散層の接合深さdとの関係をシミュレーションにより求めた結果である。図2に示されたように、ゲート電極間隔が0.4μmより狭くなると、拡散層の接合深さdは急激に浅くなることが理解される。
一方、シリサイド層の形成も基本的には拡散層と同様に、ゲート電極間隔が狭くなるほどシリサイド層の厚さも薄くなる傾向がある。しかし、一般的に、シリサイド層の厚さは、拡散層の接合深さの1/5程度以下になるように形成される。このため、シリサイド層形成過程において、拡散種である金属元素のシリコン基板中の拡散距離は、拡散層形成時のドーパントの拡散距離ほど大きくない。その結果、金属元素の横方向拡散によるシリサイド層の薄膜化の量は、拡散層の接合深さが浅くなる量に比べて小さくなる。
したがって、ゲート電極間隔が狭くなるにしたがい、拡散層の接合界面とシリサイド層の下面との間の距離が小さくなる。
接合リーク電流は、一般に、拡散層の接合界面から生成される空乏層とシリサイド層の下面との間の距離が減少するほど増大する。したがって、シリサイド層が厚いほど、接合深さが浅いほど、そして印加電圧が高いほどリーク電流は増大する。図3は、接合界面とシリサイド層との間の距離と接合リーク電流との関係を示す図である。許容される接合リーク電流の大きさは、半導体装置の設計によって異なるが、例えば、0.1mA/cmである。接合リーク電流を上記の値以下にするためには、例えば、図3から接合界面とシリサイド層の下面との間の距離を70nm以上にする必要がある。
上記の理由から、拡散層の接合深さが浅い場合には、シリサイド層を薄くする必要がある。半導体装置内でシリサイド層の厚さが一定である場合に、接合深さの浅い拡散層でリーク電流が大きくならないようにシリサイド層の厚さを薄くすると、別の問題が生じる。ゲート電極間隔の広い領域に形成される半導体素子の電流駆動力は、拡散層抵抗に大きく依存する。電流駆動力の劣化を防ぐためには、シリサイド層を厚くして拡散層の寄生抵抗を低減することが好ましい。しかし、シリサイド層の薄層化は、電流駆動力からの要求とは相反する。
本発明の実施形態によれば、上記の相反するシリサイド層に対する要求を満足させる半導体装置及びその製造方法が提供される。本発明の1実施形態による半導体装置は、図4に示したように、拡散層134の接合深さが浅い第1の半導体素子100と、拡散層234の接合深さが深い第2の半導体素子200とを備える。第1の半導体素子100の拡散層134には、薄いシリサイド層140が設けられ、第1の半導体素子100の接合リーク電流が、所望の値以下になるように設計されている。第2の半導体素子200の拡散層234には、第1の半導体素子100よりも厚いシリサイド層240が設けられ、第2の半導体素子200の電流駆動力が、所望の値以上になるように設計されている。第1の半導体素子100は、ゲート電極120間隔が、例えば、0.4μm以下であるような低電圧で駆動されるトランジスタに適しており、第2の半導体素子200は、高電圧で駆動されるトランジスタに適している。
本実施形態による半導体装置の製造方法の一例を図5から図6に示した工程断面図を参照して説明する。
(1)図5(a)を参照して、半導体基板10、例えば、シリコン基板に素子分離16を形成する。
素子分離16は、例えば、STI(shallow trench isolation)とすることが好ましい。まず、シリコン基板10の全面に第1のマスク絶縁膜14、例えば、厚さ150nmのシリコン窒化膜(Si膜)を堆積する。素子分離16を形成する領域の第1のマスク絶縁膜14をリソグラフィ及びエッチングにより除去して、シリコン基板10を露出させる。さらに第1のマスク絶縁膜14をマスクとして、シリコン基板10を、例えば、RIE(reactive ion etching)によりエッチングして素子分離溝16tを形成する。素子分離溝16tを埋めるように素子分離絶縁膜16、例えば、シリコン酸化膜(SiO膜)をCVD(chemical vapor deposition)により厚く堆積する。表面に堆積した素子分離絶縁膜16を、例えば、CMP(chemical mechanical polishing)により第1のマスク絶縁膜14をストッパとして除去する。
このようにして、図5(a)に示したように、素子分離16を形成できる。素子分離16は、隣接する半導体素子を分離するだけでなく、第1の半導体素子100を形成する第1の素子領域110と第2の半導体素子200を形成する第2の素子領域210とを区画する。
その後、第1のマスク絶縁膜14を除去すると、素子分離16は、図5(b)に示されているように、シリコン基板10表面から上部が突き出した形状になる。
(2)次に、第1及び第2のトランジスタのゲート電極120,220を形成する。
図5(b)を参照して、第1の素子領域110に第1のゲート絶縁膜122を、第2の素子領域210に第2のゲート絶縁膜222を、例えば、シリコン基板10の熱酸化によって形成する。第1及び第2のゲート絶縁膜122、222は、同時に形成した同じ膜厚の絶縁膜を使用することもできる。第1及び第2のゲート絶縁膜122、222上に導電性膜を形成する。導電性膜として、例えば、リン(P)を高濃度にドープしたポリシリコンを使用できる。導電性膜上に第2のマスク絶縁膜(図示せず)、例えば、Si膜を堆積し、第2のマスク絶縁膜にリソグラフィ及びエッチングにより第1及び第2のゲート電極のパターンを形成する。第2のマスク絶縁膜をマスクとして、例えば、RIEにより導電性膜をエッチングして第1のゲート絶縁膜122及び第1の導電性膜124からなる第1のゲート電極120並びに第2のゲート絶縁膜222及び第2の導電性膜224からなる第2のゲート電極220を形成する。ここで、素子分離16を挟まないで形成した隣接する第1のゲート電極120の間隔Xは、第2のゲート電極220の間隔Xより狭く、例えば、0.4μm以下である。
(3)次に、第1の半導体素子領域110及び第2の半導体素子領域210に接合深さの異なる拡散層を形成する。
図6(a)を参照して、第1のゲート電極120をマスクとして、第1の素子領域110の半導体基板10に第1のドーパント、例えば、ヒ素(As)を浅くイオン注入する。そして、第2のゲート電極220をマスクとして、第2の素子領域210の半導体基板10に、第2のドーパントを浅くイオン注入する。第1のドーパント及び第2のドーパントのイオン注入は、同じドーパントを同時に注入することができる。あるいは、第2のドーパントは、第1のドーパントと異なる不純物を使用することができる。その後、熱処理を行い、イオン注入したドーパントを電気的に活性化させると同時に浅く拡散させて、第1の素子領域110に第1の拡散層130を、第2の素子領域210に第2の拡散層230を形成する。尚、この熱処理は、単独で行わずに後で実施される熱工程により兼ねることができる。
ここで、第1のドーパント及び第2のドーパントのイオン注入を、同じドーパントを用いて同時に行った場合でも、第1の拡散層130では、第1のゲート電極間隔が0.4μm以下であるため、上記に図1、図2を用いて説明したように、第1の拡散層130の接合深さは、第2の拡散層230の接合深さよりも浅くなる。
(4)次に、第1及び第2のゲート電極120,220の側面に第1の側壁絶縁膜132,232を形成するために第1の絶縁膜を全面に堆積する。第1の絶縁膜として、例えば、Si膜、SiO膜、又はこれらの積層膜を使用できる。第1の絶縁膜を異方性エッチング、例えば、RIEによりエッチングして、平面部に堆積した第1の絶縁膜を除去して第1及び第2のゲート電極120,220の側面に第1の側壁絶縁膜132,232を形成する。第1の側壁絶縁膜132,232は、シリコン基板10表面から突き出した素子分離16の側壁部分にも形成されるが、素子分離16の側壁絶縁膜は、一般にこの後の洗浄工程で除去される。
次に、第1の側壁絶縁膜132,232と第1及び第2のゲート電極120,220をマスクとしてイオン注入を行い、第1の拡散層130の大部分に重なるように第3の拡散層134を、第2の拡散層230の大部分に重なるように第4の拡散層234を形成する。イオン注入は、上記の第1及び第2の拡散層130,230のイオン注入よりも高濃度で深く注入する。注入するドーパントは、上記の第1及び第2のドーパントと同じものを使用できる。その後、上記のように、熱処理を行い、イオン注入したドーパントを電気的に活性化させると同時に第1及び第2の拡散層130,230よりも深く拡散させて、第1の素子領域110に第3の拡散層134を、そして第2の素子領域210に第4の拡散層234を形成する。この熱処理も上記と同様に、単独で行わずに後で実施される熱工程と兼ねることができる。
ここで、第3の拡散層134では、第1のゲート電極120間隔Xが0.4μm以下である上に第1の側壁絶縁膜132が形成されているために、イオン注入される領域がさらに狭くなる。その結果、図1、図2を用いて説明したように拡散層が浅くなる効果が第1の拡散層130の場合よりもさらに顕著になる。一方、第4の拡散層234では、第2のゲート電極220間隔Xが広いため、第1の側壁絶縁膜232が形成されていても拡散層が浅くなる効果は小さい。したがって、図6(a)に示したように、第1の半導体素子100の第3の拡散層134の接合深さdは、第2の半導体素子200の第4の拡散層234の接合深さdと比較して顕著に浅くなる。
このようにして、拡散層134,234の接合深さd,dが異なる第1及び第2の半導体素子100,200を形成できる。
(5)次に、接合深さが異なる第3及び第4の拡散層134,234に接合深さに応じて厚さが異なるシリサイド層140,240を形成する。
図6(b)を参照して、第3の拡散層134に形成するシリサイド層140を薄く形成するために第2の側壁絶縁膜136を形成する。第2の側壁絶縁膜136,236は、第1の側壁絶縁膜132,232と同様に形成することができる。第2のゲート側壁絶縁膜136,236は、第1及び第2のゲート電極120,220の側面(136a,236a)だけでなくシリコン基板10表面から突き出した素子分離16の側面(136b、236b)にも形成される。ここで、第2のゲート側壁絶縁膜136,236形成後の洗浄において、素子分離16の側面に形成された第2の側壁絶縁膜136b、236bが除去されないように注意する。第2の側壁絶縁膜136,236は、次のシリサイド形成工程においてシリサイド用金属とシリコンとの反応を制限する機能を有する。
次に、全面にシリサイド用金属(図示せず)を、例えば、スパッタリングにより堆積させる。シリサイド用金属として、例えば、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、白金(Pt)等を使用することができる。ここでは、Niを使用する。
その後、熱処理を行ってシリサイド用金属とシリコンが直接接触している第3及び第4の拡散層134,234及び第1及び第2のゲート電極120,220表面にシリサイド層140,240及び142,242を形成する。このシリサイド化反応において、シリサイド層は、シリサイド用金属とシリコンとが直接接触している部分にだけ形成される。そしてシリサイド化反応は、シリコン基板中に等方的に進行する。したがって、上に説明したメカニズムにより、シリサイド用金属とシリコンとの接触面積が狭い第1の半導体素子100では、シリサイド層140の厚さtは、接触面積が広い第2の半導体素子200のシリサイド層240の厚さtよりも薄く形成される。
このようにして、接合深さが浅い第3の拡散層134には、厚さが薄いシリサイド層140を形成でき、接合深さが深い第4の拡散層234には、厚さが厚いシリサイド層240を形成することができる。
熱処理後、シリコンと反応していないシリサイド用金属を、例えば、ウェットエッチングにより除去する。このようにして図6(b)に示した構造を形成することができる。
本実施形態では、ゲート電極間隔が狭い第1の半導体素子100において、第3の拡散層134の面積よりもシリサイド用金属とシリコンとの接触面積を狭く制限している。その結果、拡散面積が狭くなって拡散層134の接合深さが浅くなると、シリサイド層140を形成する面積を自動的に狭くできる。そのため、接合深さに応じてシリサイド層140を自動的に薄く形成できる。したがって、シリサイド層140が拡散層の接合界面を突き抜けることを防止できる。
その後、層間絶縁膜の形成、多層配線の形成等の半導体装置に必要な工程を行って、本実施形態の半導体装置を完成する。
本発明によれば、シリサイド用金属とシリコンとの接触面積を制御することによって、半導体素子の拡散層上に形成するシリサイド層の厚さを、制御することができる。本発明では、上記の接触面積を第2の側壁絶縁膜によって制御している。一定膜厚の第2のゲート側壁絶縁膜を形成した場合、ゲート電極間隔が狭くなるほど、接触面積が縮小する割合が大きくなる。その結果、形成されるシリサイド層の厚さをより薄くすることができる。
したがって、ゲート電極間隔が狭く拡散層の接合深さが浅い半導体素子では、シリサイド層を薄くすることにより、接合リーク電流を低減することが可能になる。一方で、ゲート電極間隔が広く拡散層の接合深さが深い半導体素子では、シリサイド層を厚く形成することができるため、拡散層の寄生抵抗の増加を抑制でき、電流駆動力を向上できる。
本発明の実施形態は、種々の変形をして実行することができる。そのいくつかの例を以下に説明するが、これらに限定されることはない。
ゲート電極間隔が広い第2の半導体素子200において、第2のゲート側壁絶縁膜236を第2の半導体素子200に形成しない又は形成後に除去することができる。これにより、シリサイド層240をより深く形成する又はより広く形成することが可能になり、電流駆動力をさらに向上することができる。
ゲート電極の構造は、ポリシリコンとシリサイドの積層構造で説明してきたが、ゲート電極全体をシリサイド化するフルシリサイド構造と上に説明した拡散層の接合深さに応じた厚さを有するシリサイド層とを組み合せることができる。
以上説明してきたように本発明によって、異なる拡散層の接合深さを有する複数の半導体素子を含む半導体装置であって、拡散層の接合深さに応じて異なる厚さのシリサイド層を有する半導体装置及びその製造方法が提供される。これにより、拡散層の接合深さが浅い半導体素子において、接合リーク電流を低減させることと、拡散層の接合深さが深い半導体素子において、電流駆動力を向上させることとを両立できる。
本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の精神及び範囲から逸脱しないで、種々の変形を行って実施することができる。それゆえ、本発明は、ここに開示された実施形態に制限することを意図したものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において他の実施形態にも適用でき、広い範囲に適用されるものである。
図1(a),(b)は、ゲート電極間隔と拡散層深さの関係を説明するために示す半導体装置の断面図の一例である。 図2は、ゲート電極間隔と拡散層の接合深さとの関係を説明するために示す図である。 図3は、シリサイド層と接合界面との間の距離と接合リーク電流との関係を示す図である。 図4は、本発明の実施形態による半導体装置の断面構造の一例を説明するために示す図である。 図5(a),(b)は、本発明の実施形態による半導体装置の製造工程を説明するために示す工程断面図の一例である。 図6(a),(b)は、図5(b)に続く、本発明の実施形態による半導体装置の製造工程を説明するために示す工程断面図の一例である。
符号の説明
10…半導体基板,14…マスク絶縁膜,16…素子分離,100…第1の半導体素子,110…第1の素子領域,120…第1のゲート電極,122…第1のゲート絶縁膜,124…第1の導電性膜,130…第1の拡散層,132,232…第1の側壁絶縁膜,134…第3の拡散層,136,236…第2の側壁絶縁膜,140…第1のシリサイド層,142,242…シリサイド層,200…第2の半導体素子,210…第2の素子領域,220…第2のゲート電極,222…第2のゲート絶縁膜,224…第2の導電性膜,230…第2の拡散層,234…第4の拡散層,240…第2のシリサイド層。

Claims (3)

  1. 第1導電型の半導体基板表面を第1の半導体領域及び第2の半導体領域に区画し、その上部が前記半導体基板から突き出している素子分離を形成する工程と、
    前記第1の半導体領域の前記半導体基板上に第1の絶縁膜を介して複数の第1のゲート電極を形成し、前記第2の半導体領域の前記半導体基板上に複数の第2の絶縁膜を介して第2のゲート電極を形成する工程であって、前記複数の第1のゲート電極間の間隔を前記複数の第2のゲート電極間の間隔より狭く形成する工程と、
    前記第1のゲート電極を挟んで前記第1の半導体領域の前記半導体基板中に、第1の接合深さを有する第2導電型の第1の拡散層を形成し、前記第2のゲート電極を挟んで前記第2の半導体領域の前記半導体基板中に、前記第1の接合深さをよりも深い第2の接合深さを有する第2導電型の第2の拡散層を形成する工程と、
    前記第1及び第2のゲート電極の側面にそれぞれ第1の側壁絶縁膜を形成する工程と、
    前記第1のゲート電極及び前記第1の側壁絶縁膜を挟んで前記第1の半導体領域の前記半導体基板中に、前記第1の接合深さよりも深い第3の接合深さを有する第2導電型の第3の拡散層を形成し、前記第2のゲート電極及び前記第1の側壁絶縁膜を挟んで前記第2の半導体領域の前記半導体基板中に、前記第2及び第3の接合深さよりも深い第4の接合深さを有する第2導電型の第4の拡散層を形成する工程と、
    少なくとも前記第1の半導体領域において前記第1の側壁絶縁膜及び前記素子分離のそれぞれの側面に第2の側壁絶縁膜を形成する工程と、
    前記第1のゲート電極及び前記第1及び第2の側壁絶縁膜をマスクとして前記第3の拡散層中に第1の厚さを有する第1のシリサイド層を形成し、少なくとも前記第2のゲート電極及び前記第1の側壁絶縁膜をマスクとして前記第4の拡散層中に前記第1の厚さよりも厚い第2の厚さを有する第2のシリサイド層を形成する工程と
    を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記第1のシリサイド層を形成する工程は、前記第の拡散層の接合界面と前記第1のシリサイド層との下面との距離を、70nm以上に形成するものであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記複数の第1のゲート電極間の間隔は、0.4μm以下に形成するものであることを特徴とする請求項1若しくは2に記載の半導体装置の製造方法。
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