JP2009065020A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】導電型が異なるMISトランジスタにそれぞれ異なる応力を生じさせる半導体装置をより簡便に製造できるようにする。
【解決手段】半導体基板11のn型トランジスタ領域Aの上に、サイドウォール24a及びn型ゲート電極16を覆うように応力歪み生成膜27を形成する。その後、半導体基板11を加熱することにより、応力歪み生成膜27によりn型トランジスタ領域Aの活性領域11aに応力歪みを与える。続いて、n型トランジスタ領域Aにおいては応力歪み生成膜27をマスクとし、p型トランジスタ領域Bにおいてはp型ゲート電極17及びサイドウォール24bをマスクとして、活性領域11bの上部をエッチングすることにより、活性領域11bにおけるサイドウォール24bの外側方にリセス部14aを形成する。その後、形成されたリセス部14aに、シリコンゲルマニウムからなる半導体層28Aを形成する。
【選択図】図2
【解決手段】半導体基板11のn型トランジスタ領域Aの上に、サイドウォール24a及びn型ゲート電極16を覆うように応力歪み生成膜27を形成する。その後、半導体基板11を加熱することにより、応力歪み生成膜27によりn型トランジスタ領域Aの活性領域11aに応力歪みを与える。続いて、n型トランジスタ領域Aにおいては応力歪み生成膜27をマスクとし、p型トランジスタ領域Bにおいてはp型ゲート電極17及びサイドウォール24bをマスクとして、活性領域11bの上部をエッチングすることにより、活性領域11bにおけるサイドウォール24bの外側方にリセス部14aを形成する。その後、形成されたリセス部14aに、シリコンゲルマニウムからなる半導体層28Aを形成する。
【選択図】図2
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、MIS(metal-insulator semiconductor)トランジスタのチャネル領域に応力歪みを付与する半導体装置及びその製造方法に関する。
近年、半導体集積回路装置の高集積化、高機能化及び高速化に伴って、半導体基板に応力歪みを与えることにより、キャリア移動度を向上する技術が提案されている。例えば、主面の面方位が(100)面であるシリコン基板の主面上に形成されたn型MISトランジスタに対して、引張り応力歪みを与えることにより電子の移動度が向上し、トランジスタ駆動力が増大する。
しかしながら、n型MISトランジスタ(以下、n型トランジスタと称する。)とp型MISトランジスタ(以下、p型トランジスタと称する。)とでは、最適な応力歪みの方向が異なる。
そこで、n型トランジスタとp型トランジスタとに対して、それぞれに適切な応力歪みを生じさせる技術が提案されている。
以下、図8〜図10を参照しながら、n型トランジスタとp型トランジスタとで応力歪みを作り分ける半導体装置の製造方法を説明する(例えば、非特許文献1を参照。)。
まず、図8(a)に示すように、シリコンからなる半導体基板101の主面を、素子分離領域102によってn型トランジスタ領域A及びp型トランジスタ領域Bに区画する。続いて、半導体基板101のn型トランジスタ領域Aにはp型ウェル103を形成し、p型トランジスタ領域Bにはn型ウェル104を形成する。その後、n型トランジスタ領域A及びp型トランジスタ領域Bの上に、ゲート絶縁膜105をそれぞれ介在させたポリシリコンからなるn型ゲート電極106及びp型ゲート電極107をハードマスク108によりパターニングして形成する。その後、各ゲート電極106、107の側面上にそれぞれ側壁膜109を形成し、n型トランジスタ領域Aには、側壁膜109、ハードマスク108及びn型ゲート電極106をマスクとして、n型エクステンション領域110を形成する。また、p型トランジスタ領域Bには、側壁膜109、ハードマスク108及びp型ゲート電極107をマスクとして、p型エクステンション領域111を形成する。
次に、図8(b)に示すように、半導体基板101の上に全面にわたって2層の絶縁膜を堆積し、堆積した絶縁膜をエッチバックすることにより、n型ゲート電極106及びp型ゲート電極107の各側面上にそれぞれ側壁膜109を介在させたサイドウォール112を形成する。
次に、図8(c)に示すように、半導体基板101の上に、n型トランジスタ領域Aに開口部を有する第1のレジストパターン201を形成する。続いて、開口部から露出するn型ゲート電極106の上のハードマスク108を除去した後、第1のレジストパターン201、n型ゲート電極106、側壁膜109及びサイドウォール112をマスクとして、半導体基板101に砒素(As)を注入することにより、p型ウェル103の上部におけるサイドウォール112の外側方にn型ソースドレイン領域113を形成する。
次に、図8(d)に示すように、第1のレジストパターン201を除去した後、半導体基板101の上の全面にシリコン酸化膜114及びシリコン窒化膜115を堆積する。ここで、シリコン窒化膜115は、n型ゲート電極106の下側のチャネル領域にゲート長方向に沿った引っ張り応力歪みを生じさせる形成条件で成膜する。
次に、図9(a)に示すように、半導体基板101の上に、p型トランジスタ領域Bに開口部を有する第2のレジストパターン202を形成する。続いて、第2のレジストパターン202をマスクとして、p型トランジスタ領域Bに形成されたシリコン窒化膜115を除去する。さらに、第2のレジストパターン202を除去した後、半導体基板101に対してアニールを行って、n型ゲート電極106の下側のチャネル領域にゲート長方向に沿った引っ張り応力歪みを生じさせる。
次に、図9(b)に示すように、シリコン窒化膜115及びシリコン酸化膜114を順次除去する。
次に、図9(c)に示すように、半導体基板101の上に全面にわたって、酸化シリコンからなる保護膜116を形成する。
次に、図9(d)に示すように、半導体基板101の上に、p型トランジスタ領域Bに開口部を有する第3のレジストパターン203を形成し、形成した第3のレジストパターン203をマスクとして、p型トランジスタ領域Bに形成された保護膜116を除去する。さらに、第3のレジストパターン203、ハードマスク108、側壁膜109及びサイドウォール112をマスクとして、半導体基板101をエッチングする。これにより、半導体基板101のn型ウェル104の上部で且つサイドウォール112の外側方の領域にリセス部104aが形成される。
次に、図10(a)に示すように、第3のレジストパターン203を除去した後、n型トランジスタ領域Aを保護膜116で覆った状態で、p型トランジスタ領域Bに形成した各リセス部104aに、シリコンゲルマニウム(SiGe)からなる半導体層117Aを選択的なエピタキシャル成長により形成する。これにより、p型ゲート電極107の下側のチャネル領域には、半導体層117AがSiよりも格子定数が大きいGeを含む混晶となることから、ゲート長方向に圧縮応力歪みが生じる。
次に、図10(b)に示すように、n型トランジスタ領域Aを覆う保護膜116を除去する。
次に、図10(c)に示すように、半導体基板101の上に、p型トランジスタ領域Bに開口部を有する第4のレジストパターン204を形成し、形成した第4のレジストパターン204をマスクとして、p型ゲート電極107の上のハードマスク108を除去する。続いて、第4のレジストパターン204、p型ゲート電極107、側壁膜109及びサイドウォール112をマスクとして、半導体基板101にボロン(B)を注入することにより、SiGeからなる半導体層117Aにp型ソースドレイン領域117を形成する。
次に、図10(d)に示すように、第4のレジストパターン204を除去した後、半導体基板101の上に金属層を堆積し、堆積した金属層をアニールすることにより、n型ソースドレイン領域113、n型ゲート電極106、p型ソースドレイン領域117及びp型ゲート電極107の各上部に金属シリサイド層118を形成する。
以上のようにして、n型トランジスタ領域Aには引っ張り応力歪みを生じさせる一方、p型トランジスタ領域Bには圧縮応力歪みを生じさせることができる。
International Electron Devices Meeting (IEDM) 2005 technical digest pp.61-64
International Electron Devices Meeting (IEDM) 2005 technical digest pp.61-64
しかしながら、前記従来の半導体装置の製造方法は、n型トランジスタ領域Aとp型トランジスタ領域Bとの各チャネル領域に対して、互いに異なる応力を生じさせる必要から、製造工程が複雑化するという問題がある。
本発明は、前記従来の問題に鑑み、導電型が異なるMISトランジスタにそれぞれ異なる応力を生じさせる半導体装置をより簡便に製造できるようにすることを目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明は、半導体装置の製造方法を、第1のトランジスタのチャネル領域に引っ張り応力歪みを生じさせるために設ける絶縁膜をマスクとして、第2のトランジスタのソースドレイン形成領域にシリコンゲルマニウム層を選択的に形成する際のマスクとする構成とする。
具体的に、本発明に係る半導体装置は、半導体基板における第1導電型の第1の領域に形成された第1のMISトランジスタと、半導体基板における第2導電型の第2の領域に形成された第2のMISトランジスタとを備え、第1のMISトランジスタは、第1の領域の上に形成された第1のゲート絶縁膜及び第1のゲート電極と、第1のゲート電極の側面上に形成された第1のサイドウォールと、第1の領域における第1のサイドウォールの外側方の領域に形成され、且つシリコンからなる第2導電型の第1のソースドレイン領域とを有し、第2のMISトランジスタは、第2の領域の上に形成された第2のゲート絶縁膜及び第2のゲート電極と、第2のゲート電極の側面上に形成された第2のサイドウォールと、第2の領域における第2のサイドウォールの外側方の領域に形成され、且つシリコンゲルマニウムを含む第1導電型の第2のソースドレイン領域とを有し、第2のサイドウォールは、第1のサイドウォールと比べて高さ寸法が小さいことを特徴とする。
本発明の半導体装置によると、本発明の製造方法により、第1のゲート電極及び第1のサイドウォールは製造中に応力歪みを発生させる絶縁膜により覆われている。これに対し、第2のゲート電極及び第2のサイドウォールは応力歪みを発生させる該絶縁膜により覆われておらず、製造中の種々のエッチング等により、第2のサイドウォールは第1のサイドウォールと比べて少なくとも高さ寸法が小さくなる。
本発明の半導体装置において、第2のサイドウォールは、第1のサイドウォールと比べて幅寸法が小さい。
本発明の半導体装置は、第2の領域における第2のサイドウォールの外側方の領域に形成されたリセス部と、リセス部内に半導体基板と接して形成され、シリコンゲルマニウムからなる半導体領域とをさらに備え、第2のソースドレイン領域は、半導体領域に形成されていることが好ましい。
この場合に、半導体領域におけるゲルマニウムの組成比は、15%以上且つ30%以下であることが好ましい。
また、この場合に、半導体領域の上面は、第2のゲート電極の直下に位置する第2の領域の表面よりも上方に突き出ていてもよい。
本発明の半導体装置において、第1の領域における第1のゲート電極の下側に位置するチャネル領域には、ゲート長方向に引っ張り応力歪みが生じており、第2の領域における第2のゲート電極の下側に位置するチャネル領域には、ゲート長方向に圧縮応力歪みが生じている。
本発明の半導体装置において、第1のゲート電極及び第2のゲート電極の主成分はシリコンであり、第1のゲート電極におけるシリコン結晶のグレインサイズは、第2のゲート電極におけるシリコン結晶のグレインサイズよりも大きいことが好ましい。
このようにすると、第1の領域における第1のゲート電極の下側に位置するチャネル領域に、ゲート長方向に沿った引っ張り応力歪みをさらに生じさせることができる。
本発明の半導体装置は、第1の領域の上に第1のサイドウォール及び第1のゲート絶縁膜を覆うように形成され、且つゲート長方向に引っ張り応力歪みを生じさせる第1の絶縁膜と、第2の領域の上に第2のサイドウォール及び第2のゲート絶縁膜を覆うように形成され、且つゲート長方向に圧縮応力歪みを生じさせる第2の絶縁膜とをさらに備えていることが好ましい。
本発明の半導体装置において、第1のソースドレイン領域、第1のゲート電極、第2のソースドレイン領域及び第2のゲート電極の上部には、それぞれ金属シリサイド層が形成されていることが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板における第1導電型の第1の領域の上に第1のゲート絶縁膜及び該第1のゲート絶縁膜の上に第1のゲート電極を形成すると共に、半導体基板における第2導電型の第2の領域の上に第2のゲート絶縁膜及び該第2のゲート絶縁膜の上に第2のゲート電極を形成する工程(a)と、第1のゲート電極の両側面上及び第2のゲート電極の両側面上に、それぞれ絶縁性の第1のサイドウォール及び第2のサイドウォールを形成する工程(b)と、第1の領域の上に、第1のサイドウォール及び第1のゲート電極を覆うと共に、第1の領域に応力歪みを与える第1の絶縁膜を形成する工程(c)と、半導体基板を加熱することにより、第1の絶縁膜により第1の領域に応力歪みを与える工程(d)と、工程(d)よりも後に、第1の領域においては第1の絶縁膜をマスクとし、且つ、第2の領域においては第2のサイドウォールをマスクとして、第2の領域の上部をエッチングすることにより、第2の領域における第2のサイドウォールの両側方にリセス部を形成する工程(e)と、第2の領域に形成したリセス部に、シリコンゲルマニウムからなる半導体領域を形成する工程(f)とを備えていることを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法によると、第1の絶縁膜により第1の領域に応力歪みを与えた後、第1の領域においては第1の絶縁膜をマスクとし、且つ、第2の領域においては第2のゲート電極及び第2のサイドウォールをマスクとして、第2の領域の上部をエッチングすることにより、第2の領域における第2のサイドウォールの外側方にリセス部を形成する。このように、第1の領域に応力歪みを発生させる第1の絶縁膜をそのまま、第2の領域にリセス部を形成する際のマスク膜として用いるため、新たなレジストパターン等のマスク膜が不要となる。従って、互いに異なる導電型を有する第1の領域及び第2の領域にそれぞれ異なる応力を生じさせる半導体装置をより簡便に製造することができる。
本発明の半導体装置の製造方法において、工程(a)は、第1のゲート電極の上に第1のハードマスクを形成すると共に、第2のゲート電極の上に第2のハードマスクを形成する工程を含み、工程(e)において、第2のハードマスク及び第2のサイドウォールをマスクとして、第2の領域の上部をエッチングすることによりリセス部を形成することが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(b)と工程(c)との間に、第1のゲート電極及び第1のサイドウォールをマスクとして、第1の領域に第2導電型の不純物を選択的に注入することにより、第2導電型の第1のソースドレイン領域を形成する工程(g)をさらに備えていることが好ましい。
この場合に、第1のゲート電極の主成分はシリコンであり、工程(g)において、第1のハードマスクを除去した後に、第2導電型の不純物を注入することにより、第1のゲート電極にも第2導電型の不純物を注入することが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(f)よりも後に、第2のゲート電極及び第2のサイドウォールをマスクとして、第2の領域の半導体領域に第1導電型の不純物を選択的に注入することにより、半導体領域に第1導電型の第2のソースドレイン領域を形成する工程(h)をさらに備えていることが好ましい。
この場合に、工程(h)において、第1の領域は、第1の絶縁膜によりマスクすることが好ましい。
このようにすると、レジスト等によるマスクパターンを新たに形成する工程を省くことができる。
また、この場合に、工程(h)において、第1の領域は、第1の絶縁膜を覆うマスクパターンを用いてマスクすることが好ましい。
このようにすると、第1の絶縁膜を薄膜化することができるため、より微細化を実現することができる。
本発明の半導体装置の製造方法は、工程(f)よりも後に、第1の領域の上の第1の絶縁膜を除去する工程(i)をさらに備え、工程(i)において、第2のサイドウォールは、第1のサイドウォールと比べて高さ寸法が小さくなる。
この場合に、本発明の半導体装置の製造方法は、工程(i)よりも後に、第1のサイドウォール及び第2のサイドウォールを除去する工程(j)をさらに備えていることが好ましい。
この場合に、工程(b)において、第1のサイドウォール及び第2のサイドウォールは、互いに組成が異なる複数の絶縁膜により形成し、工程(j)において、第1のサイドウォール及び第2のサイドウォールをそれぞれ構成する複数の絶縁膜のそれぞれ外側部分のみを選択的に除去することが好ましい。
本発明の半導体装置の製造方法において、工程(c)は、第1の絶縁膜を形成する前に、第1の絶縁膜とは組成が異なる第2の絶縁膜を形成する工程を含むことが好ましい。
本発明に係る半導体装置及びその製造方法によると、導電型が異なる素子にそれぞれ異なる応力を生じさせる半導体装置をより簡便に製造することができる。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法ついて図面を参照しながら説明する。
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法ついて図面を参照しながら説明する。
図1〜図3は本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。
まず、図1(a)に示すように、例えば面方位が(100)面の主面を持つシリコン(Si)からなる半導体基板11の主面を、素子分離領域12によってn型トランジスタ領域A及びp型トランジスタ領域Bに区画する。これにより、n型トランジスタ領域Aには、素子分離領域12によって囲まれた半導体基板11からなる活性領域11aが形成され、p型トランジスタ領域Bには、素子分離領域12によって囲まれた半導体基板11からなる活性領域11bが形成される。続いて、半導体基板11のn型トランジスタ領域Aにはp型ウェル13を形成し、p型トランジスタ領域Bにはn型ウェル14を形成する。その後、n型トランジスタ領域Aにおける活性領域11aの上に、ゲート絶縁膜15aを介在させたポリシリコンからなるn型ゲート電極16をハードマスク18aによりパターニングして形成すると共に、p型トランジスタ領域Bにおける活性領域11bの上に、ゲート絶縁膜15bを介在させたポリシリコンからなるp型ゲート電極17をハードマスク18bによりパターニングして形成する。ここで、ハードマスク18a、18bには、厚さが60nm〜80nm程度の酸化シリコン(SiO2)を用いることができる。その後、各ゲート電極16、17の側面上にそれぞれ酸化シリコン(SiO2)からなる側壁膜(側壁スペーサ)19a、19bを形成し、n型トランジスタ領域Aの活性領域11aには、側壁膜19a、ハードマスク18a及びn型ゲート電極16をマスクとして、n型不純物を注入することによりn型エクステンション領域20を形成する。また、p型トランジスタ領域Bの活性領域11bには、側壁膜19b、ハードマスク18b及びp型ゲート電極17をマスクとして、p型不純物を注入することによりp型エクステンション領域21を形成する。
次に、図1(b)に示すように、半導体基板11の上に全面にわたって、例えばシリコン酸化膜22とシリコン窒化膜23とからなる積層膜を堆積し、堆積した積層膜をエッチバックすることにより、n型ゲート電極16及びp型ゲート電極17の各側面上にそれぞれ側壁膜19a、19bを介在させたサイドウォール24a、24bを形成する。ここで、サイドウォール24a、24bは、シリコン酸化膜22からなる断面L字状の内側サイドウォールと、該内側サイドウォールの上に形成されたシリコン窒化膜23からなる外側サイドウォールとから構成されている。なお、サイドウォール24a、24bは必ずしも積層膜とする必要はない。
次に、図1(c)に示すように、半導体基板11の上に、n型トランジスタ領域Aに開口部を有する第1のレジストパターン51を形成する。続いて、第1のレジストパターン51の開口部から露出するn型ゲート電極16の上のハードマスク18aをバッファーフッ酸(BHF)等によるウェットエッチングにより除去した後、第1のレジストパターン51、n型ゲート電極16、側壁膜19a及びサイドウォール24aをマスクとして、活性領域11aに砒素(As)を注入することにより、p型ウェル13の上部におけるサイドウォール24aの外側方にn型ソースドレイン領域25を形成する。このとき、n型ゲート電極16にも砒素が注入されるため、n型ゲート電極16を構成するポリシリコンのグレインサイズは、p型ゲート電極17を構成するポリシリコンのグレインサイズよりも粗大化する。このポリシリコンの粗大化によって、活性領域11aのn型ゲート電極16の下側に形成されるチャネル領域にゲート長方向に沿った引っ張り応力歪みが生じる。
次に、図1(d)に示すように、第1のレジストパターン51を除去し、その後、化学気相堆積(CVD)法により、半導体基板11の上の全面にn型ゲート電極16とその側壁膜19a及びサイドウォール24a、並びにp型ゲート電極16の上のハードマスク18bと側壁膜19b及びサイドウォール24bを覆うように、酸化シリコンからなる下地膜26と窒化シリコンからなる応力歪み生成膜27とを順次堆積する。ここで、下地膜26の膜厚は5nm〜15nm程度とし、応力歪み生成膜27の膜厚は15nm〜20nm程度、ここでは20nm程度としている。また、応力歪み生成膜27は、活性領域11aにおけるn型ゲート電極16の下側に位置するチャネル領域にゲート長方向に沿った引っ張り応力歪みを生じさせる形成条件で成膜する。なお、下地膜26は必ずしも設ける必要はない。
次に、図2(a)に示すように、半導体基板11の上に、p型トランジスタ領域Bに開口部を有する第2のレジストパターン52を形成する。続いて、第2のレジストパターン52をマスクとして、p型トランジスタ領域Bに形成された応力歪み生成膜27を熱リン酸等により除去する。
次に、図2(b)に示すように、第2のレジストパターン52を除去した後、半導体基板11に対して1050℃程度で約0秒〜10秒のアニールを行うことにより、活性領域11aにおけるn型ゲート電極16の下側のチャネル領域にゲート長方向に沿った引っ張り応力歪みを生じさせる。
次に、図2(c)に示すように、n型トランジスタ領域Aにおける応力歪み生成膜27をマスクとして、p型トランジスタ領域Bに形成された下地膜26をバッファーフッ酸(BHF)等により除去する。さらに、n型トランジスタ領域Aにおける応力歪み生成膜27と、p型トランジスタ領域Bにおけるハードマスク18b、側壁膜19b及びサイドウォール24bをマスクとして、p型トランジスタ領域Bから露出する活性領域11b(半導体基板11)をエッチングする。これにより、活性領域11bにおけるn型ウェル14の上部で且つサイドウォール24bの外側方の領域にリセス部14aが形成される。ここで、リセス部14aの深さは、p型ゲート電極17の高さが100nmの場合は、40nm〜60nm程度が望ましい。
次に、図2(d)に示すように、n型トランジスタ領域Aにおける活性領域11aの上を応力歪み生成膜27及び下地膜26で覆った状態で、活性領域11bに形成した各リセス部14aに、例えば有機金属気相堆積(MOCVD)法を用いて、シリコンゲルマニウム(SiGe)からなる半導体層28Aを選択的なエピタキシャル成長により形成する。これにより、活性領域11bにおけるp型ゲート電極17の下側のチャネル領域には、半導体層28AがSiよりも格子定数が大きいGeを含む混晶となるため、ゲート長方向に圧縮応力歪みが生じる。なお、SiGeにおけるGeの組成比は、15%〜30%程度が望ましい。また、半導体層28Aの半導体基板11の主面からの突き出し量は、p型ゲート電極17の高さの20%〜30%程度が望ましい。
次に、図3(a)に示すように、半導体基板11の上に、p型トランジスタ領域Bに開口部を有する第3のレジストパターン53を形成し、形成した第3のレジストパターン53をマスクとして、p型ゲート電極17の上のハードマスク18bを除去する。続いて、第3のレジストパターン53、p型ゲート電極17、側壁膜19b及びサイドウォール24bをマスクとして、活性領域11bにボロン(B)を注入することにより、SiGeからなる半導体層28Aを含む活性領域11bにp型ソースドレイン領域28を形成する。
次に、図3(b)に示すように、第3のレジストパターン53を除去した後、半導体基板11上のn型トランジスタ領域Aを覆う応力歪み生成膜27及び下地膜26を異方性エッチング、例えばフッ化イオウ(SH6)を主成分とするドライエッチングにより除去する。このとき、応力歪み生成膜27及び下地膜26を除去するドライエッチングにより、p型ゲート電極17の側面上に形成されたシリコン酸化膜22及びシリコン窒化膜23からなるサイドウォール24b並びに酸化シリコンからなる側壁膜19bも膜減りするため、サイドウォール24bの高さ寸法及び幅寸法は、n型ゲート電極16の側面上に形成されたサイドウォール24aの高さ寸法及び幅寸法よりも小さくなる。
次に、図3(c)に示すように、スパッタ法等により、半導体基板11の上に、例えばニッケル(Ni)、コバルト(Co)又は白金(Pt)等からなる金属層を堆積し、堆積した金属層をアニールすることにより、n型ソースドレイン領域25、n型ゲート電極16、p型ソースドレイン領域28(SiGeからなる半導体層28Aを含む)及びp型ゲート電極17の各上部に金属シリサイド層29を形成する。
以上のようにして、n型トランジスタ領域Aにおける活性領域11aのチャネル領域にゲート長方向に沿った引っ張り応力歪みが生じる一方、p型トランジスタ領域Bにおける活性領域11bのチャネル領域にゲート長方向に沿った圧縮応力歪みが生じる半導体装置を得ることができる。
その上、第1の実施形態においては、図2(c)に示すように、n型トランジスタ領域Aのチャネル領域に対して引っ張り応力歪みを生じさせる応力歪み生成膜27を、p型トランジスタ領域Bのリセス部14aを形成する際のエッチングマスクに用いるため、半導体装置の製造工程を短縮して簡略化することができる。
(第1の実施形態の一変形例)
以下、本発明の第1の実施形態の一変形例に係る半導体装置の製造方法について図4を参照しながら説明する。図4において、図3に示した構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
以下、本発明の第1の実施形態の一変形例に係る半導体装置の製造方法について図4を参照しながら説明する。図4において、図3に示した構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。
図4(a)は、第1の実施形態の一変形例であって、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法に示した図3(b)の後工程を示している。
すなわち、n型ゲート電極16及びp型ゲート電極17の各サイドウォール24a、24bを構成するシリコン酸化膜22及びシリコン窒化膜23のうちの外側に位置するシリコン窒化膜23のみを選択的に、例えば熱リン酸により除去する。
次に、図4(b)に示すように、第1の実施形態と同様に、スパッタ法等により、半導体基板11の上に、例えばNi、Co又はPtからなる金属層を堆積し、堆積した金属層をアニールすることにより、n型ソースドレイン領域25、n型ゲート電極16、p型ソースドレイン領域28(SiGeからなる半導体層28Aを含む)及びp型ゲート電極17の各上部に金属シリサイド層29を形成する。
次に、図4(c)に示すように、半導体基板11上のn型トランジスタ領域Aには、n型ゲート電極16の下側のチャネル領域にゲート長方向に沿った引っ張り応力歪みを生じさせる第1の応力歪み生成膜30Aを選択的に形成する。一方、半導体基板11上のp型トランジスタ領域Bには、p型ゲート電極17の下側のチャネル領域にゲート長方向に沿った圧縮応力歪みを生じさせる第2の応力歪み生成膜30Bを選択的に形成する。
このように、サイドウォール24a、24bを構成するシリコン酸化膜22及びシリコン窒化膜23のうち、外側に位置する比較的に膜厚が厚いシリコン窒化膜23を除去し、後工程でそれぞれ引っ張り応力歪み及び圧縮応力歪みを生じさせる第1の応力歪み生成膜30A及び第2の応力歪み生成膜30Bを半導体基板11の上に選択的に形成する。これにより、第1の応力歪み生成膜30A及び第2の応力歪み生成膜30Bをn型ゲート電極16及びp型ゲート電極17の下側のそれぞれのチャネル領域により近づけることができるため、活性領域11a及び活性領域11bに対する歪み量を独立して、且つより効果的に増大させることができる。
ここで、第1の応力歪み生成膜30A及び第2の応力歪み生成膜30Bは、いずれも窒化シリコン(SiN)により成膜することができる。例えば、引っ張り応力歪みを生じさせる第1の応力歪み生成膜30Aは、CVD法により、例えば400℃〜450℃の温度において窒化シリコン(SiN)により成膜した後、紫外線(UV)照射等により窒化シリコン中に含有されている水素(H)とSi及びNとの結合割合において、SiとHとの結合割合を増大させることにより実現することができる。また、圧縮応力歪みを生じさせる第2の応力歪み生成膜30Bは、第1の応力歪み生成膜30Aとは逆に、SiとHとの結合割合を減少させることにより実現することができる。
また、本変形例においては、第1の応力歪み生成膜30A及び第2の応力歪み生成膜30Bの各膜厚は20nm〜50nm程度としている。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法ついて図面を参照しながら説明する。
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法ついて図面を参照しながら説明する。
図5〜図7は本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の工程順の断面構成を示している。
まず、図5(a)に示すように、例えば面方位が(100)面の主面を持つシリコン(Si)からなる半導体基板11の主面を、素子分離領域12によってn型トランジスタ領域A及びp型トランジスタ領域Bに区画する。これにより、n型トランジスタ領域Aには素子分離領域12によって囲まれた半導体基板11からなる活性領域11aが形成され、p型トランジスタ領域Bには素子分離領域12によって囲まれた半導体基板11からなる活性領域11bが形成される。続いて、半導体基板11のn型トランジスタ領域Aにはp型ウェル13を形成し、p型トランジスタ領域Bにはn型ウェル14を形成する。その後、n型トランジスタ領域Aにおける活性領域11aの上に、ゲート絶縁膜15aを介在させたポリシリコンからなるn型ゲート電極16をハードマスク18aによりパターニングして形成すると共に、p型トランジスタ領域Bにおける活性領域11bの上に、ゲート絶縁膜15bを介在させたポリシリコンからなるp型ゲート電極17をハードマスク18bによりパターニングして形成する。ここで、ハードマスク18a、18bには、厚さが60nm〜80nm程度の酸化シリコン(SiO2)を用いることができる。その後、各ゲート電極16、17の側面上にそれぞれ酸化シリコン(SiO2)からなる側壁膜(側壁スペーサ)19a、19bを形成し、n型トランジスタ領域Aの活性領域11aには、側壁膜19a、ハードマスク18a及びn型ゲート電極16をマスクとして、n型不純物を注入することによりn型エクステンション領域20を形成する。一方、p型トランジスタ領域Bの活性領域11bには、側壁膜19b、ハードマスク18b及びp型ゲート電極17をマスクとして、p型不純物を注入することによりp型エクステンション領域21を形成する。
次に、図5(b)に示すように、半導体基板11の上に全面にわたって、例えばシリコン酸化膜22とシリコン酸窒化膜23Aとからなる積層膜を堆積し、堆積した積層膜をエッチバックすることにより、n型ゲート電極16及びp型ゲート電極17の各側面上にそれぞれ側壁膜19a、19bを介在させたサイドウォール24a、24bを形成する。ここで、サイドウォール24a、24bは、シリコン酸化膜22からなる断面L字状の内側サイドウォールと、該内側サイドウォールの上に形成されたシリコン酸窒化膜23Aからなる外側サイドウォールとから構成されている。なお、サイドウォール24a、24bは必ずしも積層膜とする必要はない。
次に、図5(c)に示すように、半導体基板11の上に、n型トランジスタ領域Aに開口部を有する第1のレジストパターン51を形成する。続いて、第1のレジストパターン51の開口部から露出するn型ゲート電極16の上のハードマスク18aを除去した後、第1のレジストパターン51、n型ゲート電極16、側壁膜19a及びサイドウォール24aをマスクとして、活性領域11aに砒素(As)を注入することにより、p型ウェル13の上部におけるサイドウォール24aの外側方にn型ソースドレイン領域25を形成する。このとき、n型ゲート電極16にも砒素が注入されるため、n型ゲート電極16を構成するポリシリコンのグレインサイズは、p型ゲート電極17を構成するポリシリコンのグレインサイズよりも粗大化する。このポリシリコンの粗大化によって、活性領域11aのn型ゲート電極16の下側に形成されるチャネル領域にゲート長方向に沿った引っ張り応力歪みが生じる。
次に、図5(d)に示すように、第1のレジストパターン51を除去し、その後、CVD法により、半導体基板11の上の全面にn型ゲート電極16とその側壁膜19a及びサイドウォール24a、並びにp型ゲート電極16の上のハードマスク18bと側壁膜19b及びサイドウォール24bを覆うように、酸化シリコンからなる下地膜26と窒化シリコンからなる応力歪み生成膜27Aとを順次堆積する。ここで、下地膜26の膜厚は5nm〜15nm程度とし、応力歪み生成膜27Aの膜厚は15nm〜50nm程度としている。また、応力歪み生成膜27Aは、活性領域11aにおけるn型ゲート電極16の下側に位置するチャネル領域にゲート長方向に沿った引っ張り応力歪みを生じさせる形成条件で成膜する。なお、下地膜26は必ずしも設ける必要はない。
次に、図6(a)に示すように、半導体基板11の上に、p型トランジスタ領域Bに開口部を有する第2のレジストパターン52を形成する。続いて、第2のレジストパターン52をマスクとして、p型トランジスタ領域Bに形成された応力歪み生成膜27Aを熱リン酸等により除去する。
次に、図6(b)に示すように、第2のレジストパターン52を除去した後、半導体基板11に対して1050℃程度で約0秒〜10秒のアニールを行うことにより、活性領域11aにおけるn型ゲート電極16の下側のチャネル領域にゲート長方向に沿った引っ張り応力歪みを生じさせる。
次に、図6(c)に示すように、n型トランジスタ領域Aにおける応力歪み生成膜27Aをマスクとして、p型トランジスタ領域Bに形成された下地膜26をバッファーフッ酸(BHF)等により除去する。さらに、n型トランジスタ領域Aにおける応力歪み生成膜27Aと、p型トランジスタ領域Bにおけるハードマスク18b、側壁膜19b及びサイドウォール24bをマスクとして、p型トランジスタ領域Bから露出する活性領域11b(半導体基板11)をエッチングする。これにより、活性領域11bにおけるn型ウェル14の上部で且つサイドウォール24bの外側方の領域にリセス部14aが形成される。ここで、リセス部14aの深さは、p型ゲート電極17の高さが100nmの場合は、40nm〜60nm程度が望ましい。
次に、図6(d)に示すように、n型トランジスタ領域Aにおける活性領域11aの上を応力歪み生成膜27A及び下地膜26で覆った状態で、活性領域11bに形成した各リセス部14aに、シリコンゲルマニウム(SiGe)からなる半導体層28Aを選択的なエピタキシャル成長により形成する。これにより、活性領域11bにおけるp型ゲート電極17の下側のチャネル領域には、半導体層28AがSiよりも格子定数が大きいGeを含む混晶となるため、ゲート長方向に圧縮応力歪みが生じる。なお、SiGeにおけるGeの組成比は、15%〜30%程度が望ましい。また、半導体層28Aの半導体基板11の主面からの突き出し量は、p型ゲート電極17の高さの20%〜30%程度が望ましい。
次に、図7(a)に示すように、半導体基板11上のn型トランジスタ領域Aを覆う応力歪み生成膜27Aをマスクとして、p型ゲート電極17の上のハードマスク18bを除去する。続いて、応力歪み生成膜27A、p型ゲート電極17、側壁膜19b及びサイドウォール24bをマスクとして、活性領域11bにボロン(B)を注入することにより、SiGeからなる半導体層28Aを含む活性領域11bにp型ソースドレイン領域28を形成する。
次に、図7(b)に示すように、半導体基板11上のn型トランジスタ領域Aを覆う応力歪み生成膜27A及び下地膜26を異方性エッチング、例えばフッ化イオウ(HF6)を主成分とするドライエッチングにより除去する。このとき、応力歪み生成膜27A及び下地膜26を除去するドライエッチングにより、p型ゲート電極17の側面上に形成されたシリコン酸化膜22及びシリコン酸窒化膜23Aからなるサイドウォール24b並びに酸化シリコンからなる側壁膜19bも膜減りするため、サイドウォール24bの高さ寸法及び幅寸法は、n型ゲート電極16の側面上に形成されたサイドウォール24aの高さ寸法及び幅寸法よりも小さくなる。
次に、図7(c)に示すように、スパッタ法等により、半導体基板11の上に、例えばニッケル(Ni)、コバルト(Co)又は白金(Pt)等からなる金属層を堆積し、堆積した金属層をアニールすることにより、n型ソースドレイン領域25、n型ゲート電極16、p型ソースドレイン領域28(SiGeからなる半導体層28Aを含む)及びp型ゲート電極17の各上部に金属シリサイド層29を形成する。
以上のようにして、n型トランジスタ領域Aにおける活性領域11aのチャネル領域にゲート長方向に沿った引っ張り応力歪みが生じる一方、p型トランジスタ領域Bにおける活性領域11bのチャネル領域にゲート長方向に沿った圧縮応力歪みが生じる半導体装置を得ることができる。
その上、第2の実施形態においては、n型トランジスタ領域Aの活性領域11aにおけるチャネル領域に対して引っ張り応力歪みを生じさせる応力歪み生成膜27Aを、図6(c)に示すp型トランジスタ領域Bの活性領域11bにリセス部14aを形成する際のエッチングマスクと、図7(a)に示すp型トランジスタ領域Bの活性領域11bにボロンを注入する際のマスクとに用いるため、半導体装置の製造工程をさらに簡略化することができる。
なお、第2の実施形態においては、応力歪み生成膜27Aの膜厚を15nm〜50nmとして、p型トランジスタ領域Bのイオン注入の際のマスクとしたが、応力歪み生成膜27Aはイオン注入時のイオンが貫通しない範囲で薄膜化することができる。これにより、n型ゲート電極16とp型ゲート電極17との間隔を小さくする微細化に対応できるようになる。
また、さらなる微細化により、応力歪み生成膜27Aをイオン注入時のイオンが貫通する程度に薄膜化する必要が生じる場合は、第1の実施形態により対応可能である。
また、以上の第1の実施形態とその変形例及び第2の実施形態においては、p型ソースドレイン領域28は、半導体層28Aと同一の大きさ(接合深さ)で設けたが、半導体層28Aよりも小さく半導体層28Aの内部(上部)にのみ形成してもよく、また、半導体層28Aよりも大きく、すなわち半導体基板11(活性領域11b)に跨って形成してもよい。
また、n型ゲート電極16及びp型ゲート電極17にはポリシリコンを用いたが、ポリシリコンに限られず、例えばアモルファスシリコンでもよく、また金属ゲートとしてもよい。
本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、導電型が異なる素子にそれぞれ異なる応力を生じさせる半導体装置をより簡便に製造することができ、従って、例えばMISトランジスタにおけるチャネル領域に応力歪みを付与する半導体装置及びその製造方法等に有用である。
A n型トランジスタ領域
B p型トランジスタ領域
11 半導体基板
11a 活性領域
11b 活性領域
12 素子分離領域
13 p型ウェル
14 n型ウェル
14a リセス部
15a ゲート絶縁膜
15b ゲート絶縁膜
16 n型ゲート電極
17 p型ゲート電極
18a ハードマスク
18b ハードマスク
19a 側壁膜
19b 側壁膜
20 n型エクステンション領域
21 p型エクステンション領域
22 シリコン酸化膜
23 シリコン窒化膜
23A シリコン酸窒化膜
24a サイドウォール
24b サイドウォール
25 n型ソースドレイン領域
26 下地膜
27 応力歪み生成膜
28A 半導体層
28 p型ソースドレイン領域
29 金属シリサイド層
30A 第1の応力歪み生成膜
30B 第2の応力歪み生成膜
51 第1のレジストパターン
52 第2のレジストパターン
53 第3のレジストパターン
B p型トランジスタ領域
11 半導体基板
11a 活性領域
11b 活性領域
12 素子分離領域
13 p型ウェル
14 n型ウェル
14a リセス部
15a ゲート絶縁膜
15b ゲート絶縁膜
16 n型ゲート電極
17 p型ゲート電極
18a ハードマスク
18b ハードマスク
19a 側壁膜
19b 側壁膜
20 n型エクステンション領域
21 p型エクステンション領域
22 シリコン酸化膜
23 シリコン窒化膜
23A シリコン酸窒化膜
24a サイドウォール
24b サイドウォール
25 n型ソースドレイン領域
26 下地膜
27 応力歪み生成膜
28A 半導体層
28 p型ソースドレイン領域
29 金属シリサイド層
30A 第1の応力歪み生成膜
30B 第2の応力歪み生成膜
51 第1のレジストパターン
52 第2のレジストパターン
53 第3のレジストパターン
Claims (20)
- 半導体基板における第1導電型の第1の領域に形成された第1のMISトランジスタと、
前記半導体基板における第2導電型の第2の領域に形成された第2のMISトランジスタとを備え、
前記第1のMISトランジスタは、前記第1の領域の上に形成された第1のゲート絶縁膜及び第1のゲート電極と、前記第1のゲート電極の側面上に形成された第1のサイドウォールと、前記第1の領域における前記第1のサイドウォールの外側方の領域に形成され、且つシリコンからなる第2導電型の第1のソースドレイン領域とを有し、
前記第2のMISトランジスタは、前記第2の領域の上に形成された第2のゲート絶縁膜及び第2のゲート電極と、前記第2のゲート電極の側面上に形成された第2のサイドウォールと、前記第2の領域における前記第2のサイドウォールの外側方の領域に形成され、且つシリコンゲルマニウムを含む第1導電型の第2のソースドレイン領域とを有し、
前記第2のサイドウォールは、前記第1のサイドウォールと比べて高さ寸法が小さいことを特徴とする半導体装置。 - 前記第2のサイドウォールは、前記第1のサイドウォールと比べて幅寸法が小さいことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2の領域における前記第2のサイドウォールの外側方の領域に形成されたリセス部と、
前記リセス部内に前記半導体基板と接して形成され、前記シリコンゲルマニウムからなる半導体領域とをさらに備え、
前記第2のソースドレイン領域は、前記半導体領域に形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。 - 前記半導体領域におけるゲルマニウムの組成比は、15%以上且つ30%以下であることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
- 前記半導体領域の上面は、前記第2のゲート電極の直下に位置する前記第2の領域の表面よりも上方に突き出ていることを特徴とする請求項3又は4に記載の半導体装置。
- 前記第1の領域における前記第1のゲート電極の下側に位置するチャネル領域には、ゲート長方向に引っ張り応力歪みが生じており、
前記第2の領域における前記第2のゲート電極の下側に位置するチャネル領域には、ゲート長方向に圧縮応力歪みが生じていることを特徴とする請求項1〜5のうちのいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極の主成分はシリコンであり、
前記第1のゲート電極におけるシリコン結晶のグレインサイズは、前記第2のゲート電極におけるシリコン結晶のグレインサイズよりも大きいことを特徴とする請求項1〜6のうちのいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記第1の領域の上に前記第1のサイドウォール及び前記第1のゲート絶縁膜を覆うように形成され、且つゲート長方向に引っ張り応力歪みを生じさせる第1の絶縁膜と、
前記第2の領域の上に前記第2のサイドウォール及び前記第2のゲート絶縁膜を覆うように形成され、且つゲート長方向に圧縮応力歪みを生じさせる第2の絶縁膜とをさらに備えていることを特徴とする請求項1〜7のうちのいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記第1のソースドレイン領域、前記第1のゲート電極、前記第2のソースドレイン領域及び前記第2のゲート電極の上部には、それぞれ金属シリサイド層が形成されていることを特徴とする請求項1〜8のうちのいずれか1項に記載の半導体装置。
- 半導体基板における第1導電型の第1の領域の上に第1のゲート絶縁膜及び該第1のゲート絶縁膜の上に第1のゲート電極を形成すると共に、前記半導体基板における第2導電型の第2の領域の上に第2のゲート絶縁膜及び該第2のゲート絶縁膜の上に第2のゲート電極を形成する工程(a)と、
前記第1のゲート電極の両側面上及び前記第2のゲート電極の両側面上に、それぞれ絶縁性の第1のサイドウォール及び第2のサイドウォールを形成する工程(b)と、
前記第1の領域の上に、前記第1のサイドウォール及び前記第1のゲート電極を覆うと共に、前記第1の領域に応力歪みを与える第1の絶縁膜を形成する工程(c)と、
前記半導体基板を加熱することにより、前記第1の絶縁膜により前記第1の領域に応力歪みを与える工程(d)と、
前記工程(d)よりも後に、前記第1の領域においては前記第1の絶縁膜をマスクとし、且つ、前記第2の領域においては前記第2のサイドウォールをマスクとして、前記第2の領域の上部をエッチングすることにより、前記第2の領域における前記第2のサイドウォールの両側方にリセス部を形成する工程(e)と、
前記第2の領域に形成した前記リセス部に、シリコンゲルマニウムからなる半導体領域を形成する工程(f)とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記工程(a)は、前記第1のゲート電極の上に第1のハードマスクを形成すると共に、前記第2のゲート電極の上に第2のハードマスクを形成する工程を含み、
前記工程(e)において、前記第2のハードマスク及び前記第2のサイドウォールをマスクとして、前記第2の領域の上部をエッチングすることにより前記リセス部を形成することを特徴とする請求項10に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記工程(b)と前記工程(c)との間に、
前記第1のゲート電極及び前記第1のサイドウォールをマスクとして、前記第1の領域に第2導電型の不純物を選択的に注入することにより、第2導電型の第1のソースドレイン領域を形成する工程(g)をさらに備えていることを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1のゲート電極の主成分はシリコンであり、
前記工程(g)において、前記第1のハードマスクを除去した後に、前記第2導電型の不純物を注入することにより、前記第1のゲート電極にも前記第2導電型の不純物を注入することを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記工程(f)よりも後に、
前記第2のゲート電極及び前記第2のサイドウォールをマスクとして、前記第2の領域の前記半導体領域に第1導電型の不純物を選択的に注入することにより、前記半導体領域に第1導電型の第2のソースドレイン領域を形成する工程(h)をさらに備えていることを特徴とする請求項10〜13のうちのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記工程(h)において、前記第1の領域は、前記第1の絶縁膜によりマスクすることを特徴とする請求項14に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(h)において、前記第1の領域は、前記第1の絶縁膜を覆うマスクパターンを用いてマスクすることを特徴とする請求項14に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記工程(f)よりも後に、前記第1の領域の上の前記第1の絶縁膜を除去する工程(i)をさらに備え、
前記工程(i)において、前記第2のサイドウォールは、前記第1のサイドウォールと比べて高さ寸法が小さくなることを特徴とする請求項10〜16のうちのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記工程(i)よりも後に、
前記第1のサイドウォール及び前記第2のサイドウォールを除去する工程(j)をさらに備えていることを特徴とする請求項17に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記工程(b)において、前記第1のサイドウォール及び前記第2のサイドウォールは、互いに組成が異なる複数の絶縁膜により形成し、
前記工程(j)において、前記第1のサイドウォール及び前記第2のサイドウォールをそれぞれ構成する前記複数の絶縁膜のそれぞれ外側部分のみを選択的に除去することを特徴とする請求項18に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記工程(c)は、前記第1の絶縁膜を形成する前に、前記第1の絶縁膜とは組成が異なる第2の絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項10〜19のうちのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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