JPWO2008108339A1 - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
半導体装置では、ゲート長方向に並んだMISFET群(11)を覆う、応力を有するコンタクトのストッパー膜(15)が形成される。ストッパー膜は、MISFET群(11)の最端部のMISFETのゲート電極(14)からL=1μm以上外側に延長された延長部分(12)を有する。【選択図】図1A
Description
本発明は、半導体装置に関し、更に詳しくは、チャネル領域に歪みを与える応力具有膜が形成されたMISFETを備える半導体装置の構造に関する。
近年、情報通信機器の発達に伴いLSIに要求される処理能力はますます高いものになっており、トランジスタの高速化が図られている。従来、この高速化は主として構造の微細化によって進められてきたが、リソグラフィー技術の限界からゲート長を短くすることが困難になり、また、物理的な要因からゲート絶縁膜の薄膜化が困難になっている。このため、微細化以外の新しい高性能化技術が必要となっている。そのような技術の1つとして、電界効果トランジスタ(MISFET)のチャネルに応力を加えることによって、チャネルを歪ませて移動度を向上させるという、ピエゾ抵抗効果を利用する手法が提案されている。
MISFETのチャネルと平行な方向に引っ張り応力(圧縮応力)を加えて歪ませると、電子の移動度は向上(劣化)し、正孔の移動度は劣化(向上)する。この現象を利用した技術として、例えば、特開2002−198368号公報では、コンタクトのストッパー膜として窒化膜を用い、この窒化膜に強い引っ張り応力を持たせることでチャネルを歪ませることによって、nチャネル型MISFETの移動度を向上させている。また、特開2003−086708号公報では、コンタクトのストッパー膜として、nチャネル型MISFETでは引っ張り応力を有する窒化膜を、pチャネル型MISFETでは圧縮応力を有する窒化膜をそれぞれ用いて、nチャネル型及びpチャネル型MISFETの双方の移動度を向上させている。
特開2003−086708号公報に記載されたような、n型チャネルMISFETに引っ張り応力の窒化膜を、p型チャネルMISFETに圧縮応力の窒化膜をそれぞれ用いる半導体装置では、n型チャネルMISFETとp型チャネルMISFETとが隣接して配設される領域では、各トランジスタの近くに応力極性が逆な窒化膜が存在して、チャネルに与えられる応力が相殺されるという問題が生じる。
特開2003−086708号公報に記載された方法を採用することによって、単体のトランジスタの移動度を向上させ、その性能の向上が可能である。しかし、単に特開2003−086708号公報に記載された方法のみによっては、全てのMISFETのチャネルに有効な応力を与え、それによって回路レベル全体の性能を向上させることは困難なことがある。
上記に鑑み、本発明の目的は、MISFETのチャネルに応力を与える応力具有膜を有する半導体装置を改良し、もって回路全体のMISFETのチャネルに有効な応力を与えることが出来るように改良された応力具有膜を備える半導体装置を提供することにある。
本発明は、応力具有膜で覆われた複数のMISFETを有する半導体装置であって、前記複数のMISFETがゲート長方向に並ぶMISFET群(MISFETアレイ)を含み、該MISFET群のゲート長の端部は、前記応力具有膜が前記MISFET群の外側に1μm以上延びる延長部分が配置されていることを特徴とする半導体装置を提供する。
本発明の上記、及び、他の目的、特徴及び利益は、図面を参照する以下の説明により明らかになる。
以下、図面を参照して本発明の例示的な実施形態例について詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1A及び1Bはそれぞれ、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置を示す平面図、及び,その断面図である。同図では、形成されるMISFET(MOSFET)の内でゲート長方向に並ぶMISFET群の端部構造を、コンタクトストッパー膜のレイアウトと共に示す。各MISFETは、ソース・ドレイン拡散層13、及び、ゲート電極14を有し、ゲート長方向に並んでMISFET群11を構成している。本明細書では、用語「ゲート長方向」とは、MISFETのチャネルの延在方向と同義である。コンタクトのストッパー膜15は、内部応力を持ち、MISFET群11を覆い、各MISFETのチャネルに応力を与える。ストッパー膜15は、シリコン窒化膜を含む応力具有膜として構成され、MISFET群11の最端部のMISFETのゲート電極14の側壁からの距離でL1=1μm以上外側に延びる応力具有膜延長部分12を有している。つまり、応力具有膜は、前記MISFET群の外側に1μm以上延びる延長部分12を有している。なお、ストッパ膜15は、厚さが例えば数十nm程度であり、同様にサイドウオールの幅も数十nmであるため、延長部分の距離1μm以上として、ゲート側壁からの距離、又は、ゲートの端部からの距離の何れを採用しても、実質的な違いはない。
(第1の実施の形態)
図1A及び1Bはそれぞれ、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置を示す平面図、及び,その断面図である。同図では、形成されるMISFET(MOSFET)の内でゲート長方向に並ぶMISFET群の端部構造を、コンタクトストッパー膜のレイアウトと共に示す。各MISFETは、ソース・ドレイン拡散層13、及び、ゲート電極14を有し、ゲート長方向に並んでMISFET群11を構成している。本明細書では、用語「ゲート長方向」とは、MISFETのチャネルの延在方向と同義である。コンタクトのストッパー膜15は、内部応力を持ち、MISFET群11を覆い、各MISFETのチャネルに応力を与える。ストッパー膜15は、シリコン窒化膜を含む応力具有膜として構成され、MISFET群11の最端部のMISFETのゲート電極14の側壁からの距離でL1=1μm以上外側に延びる応力具有膜延長部分12を有している。つまり、応力具有膜は、前記MISFET群の外側に1μm以上延びる延長部分12を有している。なお、ストッパ膜15は、厚さが例えば数十nm程度であり、同様にサイドウオールの幅も数十nmであるため、延長部分の距離1μm以上として、ゲート側壁からの距離、又は、ゲートの端部からの距離の何れを採用しても、実質的な違いはない。
上記構造を採用することによる作用効果について、図4〜図6を参照して説明する。図4は、チャネルからどのくらい離れたところまで窒化膜がチャネル応力に寄与しているかを示す計算結果である。この計算には、2次元応力シミュレータを用いた。図5は、n型チャネルMISFETの構造を断面で示している。n型チャネルMISFETは、シリコン基板101上に形成されており、素子分離絶縁膜102によって互いに区画されている。MISFETは、シリコン基板10内に形成されたソース・ドレイン拡散層103、ソース・ドレイン拡張領域108、ゲート絶縁膜105、ゲート電極106、及び、サイドウォール104から構成され、その上には引っ張り応力を有する窒化膜107が形成されている。
図5の構造は、引っ張り応力を有する窒化膜107を採用する。図4に示した横軸の窒化膜長さとは、図5に示すように、サイドウォール104を覆って形成された窒化膜107の側部表面から、チャネル方向に沿ってその端部まで計測した窒化膜107の長さL1である。また、縦軸のチャネル応力は、引っ張り応力を正として示してある。図4から、チャネルに窒化膜の応力を十分に享受させるには、窒化膜が5μm程度の長さを必要とすることが理解できる。
ヤング率の高い窒化膜は、チャネルを歪ませることで、窒化膜自身ではその内部応力が緩和する。特に、ゲート電極近傍の窒化膜の部分は、内部応力が大きく緩和してチャネルを歪ませる力を失う。このため、ゲート電極から離れた、応力が緩和していない窒化膜の部分がチャネル応力に寄与するようになる。このようにして、比較的に遠くにある窒化膜の部分、つまり、図4のグラフでは、窒化膜の側部表面から5μm程度離れた部分も、チャネル応力に寄与することになる。図6は、これに関連し、チャネルからどのくらい離れたところまで窒化膜がチャネル応力に寄与しているかについて実験した結果を示す。横軸の定義は図4と同じであり、縦軸は、規格化されたMISFETのオン電流を示す。図6からは、窒化膜の長さ(L1)が1μm以下になると、オン電流が大きく劣化することが理解できる。この結果は、定性的には図4の計算結果を再現している。
図1A及び1Bに示した実施形態では、ゲート長方向に並ぶMISFET群11のゲート長方向の外側に、応力を有するストッパー膜15が十分な長さだけ延びている。このため、MISFET群のゲート長方向(列方向)の端部に位置するMISFETにも充分な応力が印加される。また、仮に列方向の隣に逆の応力を有するストッパー膜に覆われた、反対導電型のMISFET群が存在したとしても、図4に示されるようにチャネル応力が減衰するということはなく、その結果、図6に示されるようにオン電流が劣化するということもない。従って、回路全体のMISFETのチャネルに所望の応力が得られる。このため、回路全体でオン電流の高いMISFETの実現が可能である。
なお、コンタクトのストッパー膜15としては、nチャネル型MISFETでは、引っ張り応力を有する応力具有膜が、pチャネル型MISFETでは、圧縮応力を有する応力具有膜が、それぞれMISFETの性能向上に有効である。これは、引っ張り応力を有する膜は、nチャネル型MISFETのチャネルに引っ張り歪みを与えて、電子の移動度を向上させ、圧縮応力を有する膜は、p型チャネルのMISFETのチャネルに圧縮歪みを与えて、正孔の移動度を向上させるためである。
なお、本実施の形態における試料での効果は、例えば、特開2000−9664号公報に記載されているように、収束電子回折法を用いて確認が可能である。この方法は、収束した電子を試料中に照射し、得られた回折図形から歪み量を求めるもので、約10nmの空間分解能で特定部位の歪みを測定することができる。本実施の形態における試料において、MISFET群の中央にあるMISFETと、末端にあるMISFETとの間で、収束電子回折法により測定した歪み量を比較することで、本実施の形態における実試料での効果を確認することができる。
次に、本実施の形態に係わる半導体装置の製造方法について説明する。コンタクトのストッパー膜を成膜するまでは通常のMISFETと作製方法が同じであるため、ここでは説明を省略する。コンタクトのストッパー膜として、nチャネル型MISFETに引っ張り応力膜、pチャネル型MISFETに圧縮応力膜を用いる半導体装置の製造方法は、基本的には、例えば、特開2003−60076号公報に記載されているような方法で作製することができるので、ここでは説明を省略する。
コンタクトのストッパー膜として、引っ張り応力を有する膜は主として、熱化学気相成長法又は原子層堆積法によって成膜された窒化珪素膜で、圧縮応力を有する膜は主として、プラズマ化学気相成長法によって成膜された窒化珪素膜である。その他の膜として、例えば、窒化珪素を代表とする、炭素、水素、酸素、窒素のいずれかを含有する珪素化合物、或いは、酸化珪素を代表とする、アルミニウム、ハフニウム、タンタル、ジルコニウム、珪素、窒素のいずれかを含有する酸化物などが挙げられる。基本的には、MISFETの配置、及び、ストッパー膜の配置のみを変更すれば、本実施の形態に係わる半導体装置の製造が可能である。
図2は、上記実施の形態の変形例を示す。この変形例では、コンタクトのストッパー膜25の延長部分12には、MISFETのソース・ドレイン拡散層23及びゲート電極24とそれぞれ同様な構造を有するダミー拡散層及びダミーゲートを形成したダミー構造26を配置する。ここで、ダミー拡散層及びダミーゲートとは、回路中に、正規の拡散層やゲートと同様な構造として存在はするが、配線が引きまわされておらず、他のMISFETの回路とは電気的に完全に独立している構造をいう。ダミー拡散層やダミーゲートの存在により、MISFET群21の端部にあるMISFETの応力に起因する特性ばらつきを低減することができる。
(第2の実施の形態)
図3は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置を示す。本実施形態では、半導体装置は、CMOS半導体装置として構成され、ゲート長方向に並んだnチャネル型MOSFET群31、及び、pチャネル型MOSFET群32を有し、これらMOSFET群31、32は互いに隣接している。nチャネル型MOSFETは、ソース・ドレイン35、及び、ゲート電極36を有し、pチャネル型MOSFETは、ソース・ドレイン拡散層37、及び、ゲート電極38を有する。引っ張り応力を有するコンタクトのストッパー膜39が、nチャネル型MOSFET群31を、圧縮応力を有するストッパー膜40が、pチャネル型MOSFET群32を覆う。また、双方のストッパー膜39、40は、nチャネル型MOSFET群31及びpチャネル型MOSFET群32の最端部のMOSFETのゲート電極の側壁から1μm以上外部に延長された延長部分33、34を有する。
図3は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置を示す。本実施形態では、半導体装置は、CMOS半導体装置として構成され、ゲート長方向に並んだnチャネル型MOSFET群31、及び、pチャネル型MOSFET群32を有し、これらMOSFET群31、32は互いに隣接している。nチャネル型MOSFETは、ソース・ドレイン35、及び、ゲート電極36を有し、pチャネル型MOSFETは、ソース・ドレイン拡散層37、及び、ゲート電極38を有する。引っ張り応力を有するコンタクトのストッパー膜39が、nチャネル型MOSFET群31を、圧縮応力を有するストッパー膜40が、pチャネル型MOSFET群32を覆う。また、双方のストッパー膜39、40は、nチャネル型MOSFET群31及びpチャネル型MOSFET群32の最端部のMOSFETのゲート電極の側壁から1μm以上外部に延長された延長部分33、34を有する。
本実施の形態では、nチャネル型MOSFET群31の外側に引っ張り応力を有するストッパー膜39が十分な長さだけ延長されているので、仮に隣に圧縮応力を有するストッパー膜に覆われたMOSFET群が存在したとしても、第1の実施の形態と同様に、図4に見られるようにチャネル応力が減衰するということはなく、その結果、図6に見られるようにオン電流が劣化するということもない。同様に、pチャネル型MOSFET群32の外側に圧縮応力を有するストッパー膜40が十分な長さだけ延長されているので、仮に隣に引っ張り応力を有するストッパー膜に覆われたMOSFET群が存在したとしても、第1の実施の形態と同様に、図4に見られるようにチャネル応力が減衰するということはなく、その結果、図6に見られるようにオン電流が劣化するということもない。従って、回路全体に亘ってCMOSFETに所望の応力がかかるので、オン電流の高いCMOSFETの実現が可能である。
上記のように、コンタクトのストッパー膜39、40としては、nチャネル型MOSFETでは引っ張り応力を有する膜が、pチャネル型MOSFETでは圧縮応力を有する膜が、MOSFETの性能向上に有効である。これは、引っ張り応力を有する膜はMOSFETのチャネルに引っ張り歪みを与え、電子(nチャネル型MOSFET)の移動度を向上させ、圧縮応力を有する膜はMOSFETのチャネルに圧縮歪みを与え、正孔(pチャネル型MOSFET)の移動度を向上させるためである。
次に、本実施の形態に係わる半導体装置の製造方法について説明する。コンタクトのストッパー膜を成膜するまでは、通常のCMOSFETと作製方法が同じであるため、ここでは説明を省略する。コンタクトのストッパー膜として、nチャネル型MOSFETに引っ張り応力膜を、pチャネル型MOSFETに圧縮応力膜をそれぞれ用いる。このような構造の半導体装置の製造方法は、基本的には、例えば、特開2003−60076号公報に記載されているような方法で作製することができるので、ここでは説明を省略する。
コンタクトのストッパー膜として、引っ張り応力を有する膜は主として、熱化学気相成長法又は原子層堆積法によって成膜された窒化珪素膜で構成する。圧縮応力を有する膜は主として、プラズマ化学気相成長法によって成膜された窒化珪素膜で構成する。その他の膜として、例えば、窒化珪素を代表とする、炭素、水素、酸素、窒素のいずれかを含有する珪素化合物、或いは、酸化珪素を代表とする、アルミニウム、ハフニウム、タンタル、ジルコニウム、珪素、窒素の酸化物などが挙げられる。基本的には、MOSFETの配置とストッパー膜の配置のみを変更すれば、本実施の形態に係わる半導体装置の製造が可能である。
また、本実施の形態の変形例として、第1の実施の形態の変形例と同様に、コンタクトのストッパー膜延長部分にダミー拡散層やダミーゲートを配置することも可能である。ダミー拡散層やダミーゲートの存在により、MOSFET群の端部にあるMOSFETの応力に起因する特性ばらつきを低減することができる。
上記実施形態に係る半導体装置では、回路全体のMISFETのチャネルに所望の応力を与えることが容易になり、オン電流が高く且つ特性が揃ったMISFETの実現が可能である。より詳細には、半導体装置では、MISFET群の端部においても、応力具有膜の応力がチャネルに有効に印加されるため、半導体装置の回路全体に亘ってオン電流が高いnチャネル型MISFET及び/又はpチャネル型MISFETの実現が可能である。
以上、説明したように本発明は、以下の態様の採用が可能である。
本発明の半導体装置では、前記MISFETがnチャネル型MISFETであり、前記応力具有膜が引っ張り応力を有する構成が採用できる。この場合、nチャネル型MISFETに引っ張り応力が加わり、移動度及びオン電流が向上する。
また、前記MISFETがpチャネル型MISFETであり、前記応力具有膜が圧縮応力を有する構成も採用できる。この場合、pチャネル型MISFETに圧縮応力が加わり、移動度及びオン電流が向上する。
また、前記応力具有膜延長部分には、ダミー拡散層又はダミーゲートが配置される構成も採用できる。これにより、前記MISFET群の端部にあるMISFETの特性ばらつきを低減することができる。
また、前記応力具有膜を絶縁膜とすることが好ましく、この場合には、前記絶縁膜が、炭化水素、水素化珪素、酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、及び、酸化窒素から選択される少なくとも1種の化合物を含む構成が採用できる。
また、前記MISFET群が、nチャネル型MISFET群、及び、pチャネル型MISFET群を含み、該nチャネル型MISFET群、及び、pチャネル型MISFET群のそれぞれの端部に、前記応力具有膜延長部分が形成される構成も採用できる。この場合、pチャネル型及びnチャネル型の各MISFET群の端部においてストッパー膜の応力がチャネルに有効にかかるため、回路全体に亘ってオン電流が高いnチャネル型MISFET及びpチャネル型MISFETの実現が可能である。
上記の場合には、前記nチャネル型MISFET群を覆う応力具有膜が引っ張り応力を有し、前記pチャネル型MISFET群を覆う応力具有膜が圧縮応力を有する構成が採用できる。この場合、nチャネル型MISFET群に引っ張り応力が加わり、pチャネル型MISFET群に圧縮応力が加わり、双方のMISFET群の移動度及びオン電流が向上する。
上記構成の場合には、前記nチャネル型MISFET群、及び、pチャネル型MISFET群の各応力具有膜延長部分には、ダミー拡散層又はダミーゲートが配置される構成が採用できる。この場合には、各MISFET群の端部にあるMISFETの特性ばらつきを低減することができる。
本発明を特別に示し且つ例示的な実施形態を参照して説明したが、本発明は、その実施形態及びその変形に限定されるものではない。当業者に明らかなように、本発明は、添付のクレームに規定される本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、種々の変更が可能である。
本出願は、2007年3月5日出願に係る日本特許出願2007−054037号を基礎とし且つその優先権を主張するものであり、引用によってその開示の内容の全てを本出願の明細書中に加入する。
Claims (9)
- 応力具有膜で覆われた複数のMISFETを有する半導体装置であって、前記複数のMISFETがゲート長方向に並ぶMISFET群を含み、該MISFET群の前記ゲート長方向の端部には、前記応力具有膜が前記MISFET群の外側に1μm以上延びる延長部分が配置されていることを特徴とする半導体装置。
- 請求項1に記載の半導体装置において、前記MISFETがnチャネル型MISFETであり、前記応力具有膜が引っ張り応力を有することを特徴とする半導体装置。
- 請求項1に記載の半導体装置において、前記MISFETがpチャネル型MISFETであり、前記応力具有膜が圧縮応力を有することを特徴とする半導体装置。
- 請求項1から3の何れか一に記載の半導体装置において、前記応力具有膜延長部分には、ダミー拡散層又はダミーゲートが配置されることを特徴とする半導体装置。
- 請求項1から4の何れか一に記載の半導体装置において、前記応力具有膜が絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。
- 請求項5に記載の半導体装置において、前記絶縁膜が、炭化水素、水素化珪素、酸化珪素、窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、及び、酸化窒素から選択される少なくとも1種の化合物を含むことを特徴とする半導体装置。
- 請求項1に記載の半導体装置において、前記MISFET群が、nチャネル型MISFET群、及び、pチャネル型MISFET群を含み、該nチャネル型MISFET群、及び、pチャネル型MISFET群のそれぞれの端部に、前記応力具有膜延長部分が形成されることを特徴とする半導体装置。
- 請求項7に記載の半導体装置において、前記nチャネル型MISFET群を覆う応力具有膜が引っ張り応力を有し、前記pチャネル型MISFET群を覆う応力具有膜が圧縮応力を有することを特徴とする半導体装置。
- 請求項7又は8に記載の半導体装置において、前記nチャネル型MISFET群、及び、pチャネル型MISFET群の各応力具有膜延長部分には、ダミー拡散層又はダミーゲートが配置されることを特徴とする半導体装置。
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