JPWO2009154242A1 - Manufacturing method of MIS field effect transistor - Google Patents
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Abstract
ソース・ドレイン拡張領域先端とゲート電極端とを短絡させることなく制御性良く接近させて、接合が浅く且つ寄生抵抗が低いMISFETを製造できるMIS型電界効果トランジスタの製造方法を提供する。半導体基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程(S1)と、ゲート電極表面を含む半導体基板上に絶縁膜を形成する工程(S2)と、絶縁膜のゲート電極の表面を覆う部分を、エッチング速度が遅くなるように改質する工程(S3)と、絶縁膜の改質されていない部分を、等方性エッチングによって半導体基板表面上から除去する工程(S4)と、改質された絶縁膜をマスクとして、半導体基板の表面上に選択的に半導体膜を形成する工程(S5)と、半導体膜を基にソース・ドレイン部を形成する工程と(S6)を有する。Provided is a method for manufacturing a MIS field effect transistor that can manufacture a MISFET having a shallow junction and low parasitic resistance by making the source / drain extension region tip and the gate electrode end approach each other with good controllability without short-circuiting. Forming a gate electrode on the semiconductor substrate via the gate insulating film (S1), forming an insulating film on the semiconductor substrate including the gate electrode surface (S2), and covering the surface of the gate electrode of the insulating film; A step (S3) of modifying the portion so that the etching rate is slow, a step (S4) of removing an unmodified portion of the insulating film from the surface of the semiconductor substrate by isotropic etching, and a modification. Using the formed insulating film as a mask, a step (S5) of selectively forming a semiconductor film on the surface of the semiconductor substrate, and a step of forming source / drain portions based on the semiconductor film (S6) are included.
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、短チャネル効果と呼ばれる劣化現象が無く、寄生抵抗も低いMIS(Metal Insulator Semiconductor)型電界効果トランジスタの製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a MIS (Metal Insulator Semiconductor) type field effect transistor having no deterioration phenomenon called a short channel effect and low parasitic resistance.
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くなっており、MIS型電界効果トランジスタの高速化が図られている。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、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。(以下、MIS型電界効果トランジスタのことをMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)とも表記する。) In recent years, with the development of information and communication equipment, the processing capability required for LSIs is increasing, and the speed of MIS field effect transistors has been increased. This speeding up has been promoted mainly by miniaturization of the structure, but it is difficult to reduce the thickness of the gate insulating film due to physical factors. (Hereinafter, the MIS field effect transistor is also referred to as MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor).)
このため、MISFETの寄生抵抗を減らし、特性を向上させることが重要となってきている。特に、ソース・ドレイン拡張領域は、短チャネル効果と呼ばれるMISFETの劣化現象を防ぐために接合を浅くしており、寄生抵抗は大きい。従って、ソース・ドレイン拡張領域の寄生抵抗を減らすことができれば、MISFETの性能を向上させられる。 For this reason, it has become important to reduce the parasitic resistance of the MISFET and improve the characteristics. In particular, the source / drain extension regions have shallow junctions to prevent a MISFET deterioration phenomenon called a short channel effect, and have a large parasitic resistance. Therefore, if the parasitic resistance of the source / drain extension region can be reduced, the performance of the MISFET can be improved.
一方、接合を浅く保ちつつ、ソース・ドレイン領域の寄生抵抗を低減させる方法としては、ソース・ドレイン拡張領域のせり上げ技術が知られている。この技術によれば、MISFETの電気的な動作に影響を与える接合深さは浅く保ちつつ、寄生抵抗を決めるソース・ドレイン拡張領域の物理的な厚さを厚くできるため、浅い接合と低い寄生抵抗とを両立させることが可能となる。 On the other hand, as a method for reducing the parasitic resistance of the source / drain region while keeping the junction shallow, a technique for raising the source / drain extension region is known. According to this technology, the physical depth of the source / drain extension region that determines the parasitic resistance can be increased while keeping the junction depth that affects the electrical operation of the MISFET shallow, so that the shallow junction and the low parasitic resistance can be achieved. It is possible to achieve both.
ソース・ドレイン拡張領域をせり上げる方法については、特許文献1〜4に開示されている。
Methods for raising the source / drain extension regions are disclosed in
特許文献1には最も簡単な方法が開示されている。半導体基板上にゲート絶縁膜を介して多結晶半導体膜からなるゲート電極を形成した後、そのまま直接、選択成長法によって半導体表面のみに選択的に半導体膜を堆積する方法である。ただし、この方法では、ゲート電極側面にも半導体膜が堆積するため、ソース・ドレイン拡張領域との短絡を防ぐため、せり上げ高さはゲート絶縁膜以下に設定しなければならない。
特許文献2には、このような制限を解消するために、ゲート電極材料を金属とすることが開示されている。この方法では、ゲート電極を多結晶半導体で形成できなくなるため、大きな制約を伴う。
特許文献3には、これらの二つの課題点、すなわち、多結晶半導体でゲート電極を形成しつつ、せり上げ高さをゲート絶縁膜以上とする方法が開示されている。すなわち、絶縁膜をゲート電極を含む全面に等方的に堆積後、異方性エッチングにより半導体基板表面を露出させ、ゲート電極の側面のみ絶縁膜スペーサで被覆された構造を形成する。その後、選択的に半導体膜を堆積すれば、ゲート電極とソース・ドレイン拡張領域との短絡を防ぎつつ、ゲート絶縁膜を超える高さのせり上げが可能である。
しかし、特許文献3に開示される方法は、せり上げたソース・ドレイン拡張領域先端がゲート電極端から絶縁膜スペーサ膜厚分だけ離れてしまう。すると、チャネルとソース・ドレイン拡張領域とが離れてしまい、寄生抵抗が大きくなる。これは、オフセットと呼ばれている。オフセットが生じると、寄生抵抗を小さくするという当初の目的が損なわれる。これを防ぐために、イオン注入や不純物拡散によってオフセットを解消しようとすれば、深さ方向にも接合が広がってしまうため、接合深さを浅くするという当初の目的がやはり損なわれてしまう。
However, in the method disclosed in
したがって、特許文献3に開示される方法では、絶縁膜スペーサ膜厚をできるだけ薄くすることが重要となる。絶縁膜スペーサの膜厚は設計事項ではあるが、プロセス制御性や安定性の観点で、実際には下限が存在する。例えば、絶縁膜スペーサの膜厚が2nm以下になると、異方性エッチングの時間が短すぎて(数秒程度)終点検出できず、基板をある程度エッチングせざるを得ない。これは、選択比が有限の異方性エッチング特有の現象である。この場合、基板エッチング分を埋め戻すために半導体膜を余計に堆積しなくてはならないため、コストアップを招く。また、基板のエッチング深さは時間制御になるため、エッチング速度の変動によって最終的なせり上げ高さにばらつきを生じることとなる。特に、後者(エッチング速度の変動によって最終的なせり上げ高さにばらつきを生じること)は大きな問題である。
Therefore, in the method disclosed in
図1〜図4は、ゲート電極側壁を単層の側壁保護膜で保護することによって、せり上げソース・ドレイン拡張領域を形成する方法(特許文献3に開示される方法)を示している。これは、ソース・ドレイン拡張領域をせり上げる方法としては、最も一般的な方法である。 1 to 4 show a method of forming a raised source / drain extension region (a method disclosed in Patent Document 3) by protecting the side wall of the gate electrode with a single-layer side wall protective film. This is the most common method for raising the source / drain extension regions.
まず、シリコン基板1に酸化膜を埋め込んだ素子分離領域2を形成した後、絶縁膜3、ノンドープ多結晶シリコン膜4、シリコン窒化膜21を成膜し(図1(a))、これらをパターニングして、ゲート絶縁膜6とゲート電極22とゲート電極頭頂部をシリコン成長から保護する頭頂部保護膜23とを形成する(図1(b))。
First, after forming an
次に、基板全面にシリコン酸化膜24を堆積する(図1(c))。ここで、シリコン酸化膜24の膜厚は、異方性ドライエッチングの際の終点検出の安定性を考慮し、5nm以上に設定する。その後、ゲート電極側壁をシリコン成長から保護する側壁保護膜25を異方性エッチングによって形成する(図2(a))。
Next, a
この際、エッチング速度とシリコン酸化膜24のシリコン基板内での膜厚のばらつきとを考慮し、オーバエッチングを必ず行う。オーバエッチングとは、エッチング速度から予想されるエッチング時間よりも長くエッチングを行うことである。典型的には、予想エッチング時間の1.5倍の時間、エッチングを行う。
At this time, overetching is always performed in consideration of the etching rate and the variation in the film thickness of the
なお、異方性エッチングの場合、シリコン基板1とシリコン酸化膜24とのエッチング選択比が有限のため、シリコン基板も少し削れてしまう。この削れ量は、シリコン酸化膜24の膜厚の面内ばらつきとシリコン基板1のエッチング速度の面内ばらつきとの影響を受けてばらつく。また、図2(a)に示すように、素子分離領域2内部の酸化膜も後退する。
In the case of anisotropic etching, since the etching selectivity between the
次に、選択成長法を用いて、シリコン基板1の露出面のみに、ボロンをドーピングしながらシリコンを選択的に成長させ、せり上げソース・ドレイン拡張領域10を形成する(図2(b))。
Next, by using a selective growth method, silicon is selectively grown only on the exposed surface of the
次に、基板全面にシリコン酸化膜11を堆積し(図2(c))、エッチバックによってサイドウォールスペーサ12を形成する(図3(a))。なお、素子分離領域2上にはエッチングによって除去されなかった酸化膜が残留酸化膜26として残存する。
Next, a silicon oxide film 11 is deposited on the entire surface of the substrate (FIG. 2C), and sidewall spacers 12 are formed by etch back (FIG. 3A). An oxide film that has not been removed by etching remains as a residual oxide film 26 on the
その後、ゲート電極22と側壁保護膜25とサイドウォールスペーサ12とをマスクとして、シリコン基板1にボロンをイオン注入し、深いソース・ドレイン領域13を形成する(図3(b))。このとき、ゲート電極22にも同時にボロンが注入され、ボロンドープゲート電極27となる。
Thereafter, boron is ion-implanted into the
このようにしてボロンドープゲート電極27を形成すると、せり上げソース・ドレイン拡張領域10とボロンドープゲート電極27との距離が、側壁保護膜25の膜厚分だけ離れてしまう(オフセットという)。この場合、MISFETのボロンドープゲート電極27直下のチャネルとせり上げソース・ドレイン拡張領域10との間に大きな寄生抵抗が生じてしまう。
When the boron-doped
これを防ぐために、深いソース・ドレイン拡張領域13を形成後、熱処理を加えて、せり上げソース・ドレイン拡張領域10から不純物を拡散させ、ソース・ドレイン拡張領域10とボロンドープゲート電極27直下のチャネルとをつなぐ(オーバラップ)ように不純物拡散領域14を形成する(図3(c))。この時、不純物拡散領域14は、深さ方向にも広がるため、浅い接合を形成するという目的に反することとなる。
In order to prevent this, after forming the deep source /
次に、リン酸などで頭頂部保護膜23を除去する(図4(a))。次に、ニッケルを堆積して熱処理を行い、深いソース・ドレイン領域13と、ボロンドープゲート電極27の表面とでシリサイド化反応を起こさせ、ニッケルシリサイド層15、15’を形成する。なお、余剰のニッケルは除去する(図4(b))。
Next, the top
図4(b)に示す構造では、ボロンドープゲート電極27の側壁が側壁保護膜25で保護されているため、せり上げソース・ドレイン拡張領域10とゲートボロンドープゲート電極27とが短絡することが無い。
In the structure shown in FIG. 4B, since the side wall of the boron doped
ただし、せり上げソース・ドレイン拡張領域10とボロンドープゲート電極27とをオーバラップさせようとすると、接合が深くなってしまう。ソース・ドレイン拡張領域の接合が深くなれば、短チャネル効果と呼ばれる様々なMISFETの劣化要因が出現する。
However, if the raised source /
特許文献4には、せり上げたソース・ドレイン拡張領域先端とゲート電極端との距離を縮める方法が開示されている。ゲート側壁を保護するスペーサを2層構造とし、1層目はL字型とする。異方性エッチングでゲート電極側壁にスペーサを形成後、等方性エッチングでL字型の1層目の基板と接する部分を横方向にエッチングし、ノッチを形成する。その後、選択的に半導体膜を堆積すれば、ノッチ部分に半導体膜が堆積するため、横方向エッチング量で、せり上げ部端とゲート電極端との距離を調整できる。
図5〜図8は、ゲート電極側壁の側壁保護膜を2層構造とし、1層目にノッチを入れることによって、せり上げソース・ドレイン拡張領域先端とゲート電極端とを接近させる方法(特許文献4に開示される方法)を示している。 5 to 8 show a method in which the side wall protective film on the side wall of the gate electrode has a two-layer structure, and a notch is made in the first layer to bring the tip of the raised source / drain extension region close to the gate electrode end (Patent Document). 4).
まず、シリコン基板1に酸化膜を埋め込んだ素子分離領域2を形成した後、絶縁膜3、ノンドープ多結晶シリコン膜4、シリコン窒化膜21を成膜し(図5(a))、これらをパターニングして、ゲート絶縁膜6とゲート電極22とゲート電極頭頂部をシリコン成長から保護する頭頂部保護膜23とを形成する(図5(b))。
First, after forming an
次に、基板全面にシリコン酸化膜31とシリコン窒化膜32とを順に堆積する(図5(c))。ここで、シリコン酸化膜31の膜厚は、異方性ドライエッチングの際の終点検出の安定性及び希フッ酸の薬液回り込み性を考慮し、5nm以上に設定する。シリコン窒化膜32の膜厚は、シリコン酸化膜31の被覆能力を考慮して3nm以上に設定する。その後、ゲート電極側壁をシリコン成長から保護する側壁保護膜34、35を、異方性エッチングによって形成する(図6(a))。
Next, a silicon oxide film 31 and a silicon nitride film 32 are sequentially deposited on the entire surface of the substrate (FIG. 5C). Here, the film thickness of the silicon oxide film 31 is set to 5 nm or more in consideration of the stability of end point detection during anisotropic dry etching and the spillability of dilute hydrofluoric acid. The film thickness of the silicon nitride film 32 is set to 3 nm or more in consideration of the covering ability of the silicon oxide film 31. Thereafter, sidewall
この際、エッチング速度とシリコン酸化膜31及びシリコン窒化膜32のシリコン基板内での膜厚のばらつきとを考慮し、オーバエッチングを必ず行う。上記のように、オーバエッチングとは、エッチング速度から予想されるエッチング時間よりも長くエッチングを行うことであり、典型的には、予想エッチング時間の1.5倍の時間、エッチングを行う。 At this time, overetching is always performed in consideration of the etching rate and the variation in the thickness of the silicon oxide film 31 and the silicon nitride film 32 in the silicon substrate. As described above, the over-etching is to perform etching longer than the etching time expected from the etching rate, and the etching is typically performed for 1.5 times the expected etching time.
また、異方性エッチングの場合、シリコン基板1とシリコン酸化膜31とのエッチング選択比が有限であるため、シリコン基板も少し削れてしまう。この削れ量は、シリコン酸化膜31及びシリコン窒化膜32の膜厚の面内ばらつきとシリコン基板1のエッチング速度の面内ばらつきとの影響を受けてばらつく。また、図6(a)に示すように、素子分離領域2内部の酸化膜も異方性エッチングの際に後退する。
In the case of anisotropic etching, since the etching selectivity between the
次に、希フッ酸を用いて側壁保護膜34の露出部を等方的にエッチングしてノッチ部36を形成し、シリコン基板1の露出部がゲート電極近傍まで後退した側壁保護膜34’を形成する(図6(b))。なお、実際には、ノッチは側壁保護膜34のゲート電極22の頭頂部近傍にも形成されるが、図6(c)以降では説明の簡略化のため省略する。
Next, the exposed portion of the sidewall
ノッチ部36を形成する際には、ノッチ部36の横方向深さと同程度、素子分離領域2内の酸化膜が後退する。また、図6(b)に示すように、エッチング速度のばらつきでエッチングが進みすぎてゲート電極露出部37が生じる可能性がある。
When the notch portion 36 is formed, the oxide film in the
次に、選択成長法を用いて、シリコン基板1の露出面のみに、ボロンをドーピングしながらシリコンを選択的に成長させ、せり上げソース・ドレイン拡張領域10を形成する(図6(c))。この際、ゲート電極露出部37が存在していると、その部分にもシリコンが成長してしまい、ソース・ドレイン拡張領域短絡部38が生じる。
Next, by using a selective growth method, silicon is selectively grown only on the exposed surface of the
次に、基板全面にシリコン酸化膜11を堆積させ(図7(a))、エッチバックによってサイドウォールスペーサ12を形成する(図7(b))。なお、素子分離領域2上にはエッチングによって除去されなかった酸化膜が残留酸化膜26として残存する。
Next, a silicon oxide film 11 is deposited on the entire surface of the substrate (FIG. 7A), and sidewall spacers 12 are formed by etch back (FIG. 7B). An oxide film that has not been removed by etching remains as a residual oxide film 26 on the
その後、ゲート電極22と側壁保護膜34’と側壁保護膜35とサイドウォールスペーサ12とをマスクとして、シリコン基板1にボロンをイオン注入し、深いソース・ドレイン領域13を形成する(図7(c))。この時、ゲート電極22にも同時にボロンが注入され、ボロンドープゲート電極27となる。
Thereafter, boron is ion-implanted into the
このようにしてボロンドープゲート電極27を形成すると、せり上げソース・ドレイン拡張領域10とボロンドープゲート電極27との距離が、側壁保護膜34’の膜厚分だけ離れてしまう(オフセットという)。この場合、MISFETのボロンドープゲート電極27直下のチャネルとせり上げソース・ドレイン拡張領域10との間に大きな寄生抵抗が生じてしまう。
When the boron-doped
これを防ぐために、ソース・ドレイン拡張領域とボロンドープゲート電極27直下のチャネルとをつなぐ(オーバラップ)ように、深いソース・ドレイン拡張領域13を形成後、熱処理を加えて、せり上げソース・ドレイン拡張領域10から不純物を拡散させ、不純物拡散領域14を形成する(図8(a))。この時、不純物拡散領域14は、深さ方向にも広がるため、浅い接合を形成するという目的に反することとなる。ただし、特許文献3(図3(c))と比較すると、せり上げソース・ドレイン拡張領域10とボロンドープゲート電極27との距離が近いため、不純物拡散領域14の拡散距離は小さく、影響も小さい。
In order to prevent this, a deep source /
次に、リン酸などで頭頂部保護膜23を除去する(図8(b))。次に、ニッケルを堆積して熱処理を行い、深いソース・ドレイン領域13と、ボロンドープゲート電極27の表面とでシリサイド化反応を起こさせ、ニッケルシリサイド層15、15’を形成する。なお、余剰のニッケルは除去する(図8(c))。
Next, the top
しかし、特許文献4に開示される方法のように、ノッチ構造を用いることは、量産上問題がある。まず、ノッチの深さはエッチングの時間で制御するため、エッチング速度にウエハ面内ばらつきがあると、ノッチ深さにばらつきを生じやすい。これは、特許文献3の問題とも共通するプロセス上の課題である。
However, using the notch structure as in the method disclosed in
また、シリコン酸化膜24をオーバエッチングする際にシリコン基板1が削れることも問題である。すなわち、シリコン基板1のエッチング分を埋め戻すために、シリコン膜を余計に堆積しなくてはならないため、コストアップを招く。また、シリコン基板1のエッチング深さのばらつきのため、最終的なせり上げ高さにばらつきが生じることとなる。これらは、MISFETの特性のばらつきを引き起こし、歩留まりを低下させる。これらのことは、異方性エッチングで形状を形成する限り必ず生じる問題である。
Another problem is that the
特に、せり上げたソース・ドレイン拡張領域10先端とゲート電極22端との距離をぎりぎりまで近づけるためにノッチ部36の深さを深くすれば、ゲート電極22と接する部分までノッチが進行し、ゲート電極22が露出してゲート電極露出部37が形成される可能性がある。ゲート電極露出部37が存在しているにもかかわらず半導体膜を堆積すれば、ソース・ドレイン拡張領域短絡部38が生成され、ソース・ドレイン拡張領域10とゲート電極22との短絡を引き起こす。上記の製造方法例では、ノッチ部36の形成がエッチング時間制御で行われるため、ゲート電極露出部37が生じやすく、ひいてはソース・ドレイン拡張領域短絡部38が形成されやすい。ソース・ドレイン拡張領域短絡部38が形成されると、MISFETのソース・ドレインとゲート電極間にリーク電流が流れ、MISFETのオフ特性が著しく劣化する。
In particular, if the depth of the notch portion 36 is increased in order to make the distance between the raised end of the source /
これを防ごうとすれば、せり上げたソース・ドレイン拡張領域10先端とゲート電極22端との距離をある程度離さざるを得ず、やはりソース・ドレイン拡張領域10先端とゲート電極22端との距離に下限を設ける必要がでてくる。
In order to prevent this, the distance between the raised tip of the source /
また、酸化膜エッチングが、スペーサ形成時の異方性エッチングと、ノッチ形成時の等方性エッチングとの2回行われるため、この間に素子分離領域2内の埋め込み酸化膜が後退する。すると、MISFETの製造方法によっては、サリサイドプロセス時にドレイン電極と基板との間で短絡を引き起こす場合がある。これによって、リーク電流が増加し、MISFETの消費電力が増加してしまう。
Further, since the oxide film etching is performed twice, that is, anisotropic etching at the time of forming the spacer and isotropic etching at the time of forming the notch, the buried oxide film in the
このように、各特許文献開示される方法では、せり上げたソース・ドレイン拡張領域先端とゲート電極端とを近づけるのに限界があり、寄生抵抗を低減することと、接合深さを浅くすることとにトレードオフの関係が生じる。また、上記のように製造プロセスに起因するいくつかの課題も生じる。 As described above, in the methods disclosed in each patent document, there is a limit in bringing the raised source / drain extension region tip and the gate electrode end close to each other, reducing parasitic resistance and reducing the junction depth. There is a trade-off relationship. In addition, some problems due to the manufacturing process occur as described above.
本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、ソース・ドレイン拡張領域先端とゲート電極端とを短絡させることなく制御性良く接近させて、接合が浅く且つ寄生抵抗が低いMISFETを製造できるMIS型電界効果トランジスタの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem. The MIS can manufacture a MISFET having a shallow junction and low parasitic resistance by bringing the tip of the source / drain extension region and the gate electrode end close to each other with good controllability without short-circuiting. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a type field effect transistor.
本発明は、上記目的を達成するために、MIS型電界効果トランジスタを製造する方法であって、半導体基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、ゲート電極表面を含む半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜のうちゲート電極の表面を覆う部分を、エッチング速度が遅くなるように改質する改質工程と、絶縁膜の改質されていない部分を、等方性エッチングによって半導体基板表面上から除去する工程と、ゲート電極の表面を覆う改質された絶縁膜をマスクとして、半導体基板の表面上に選択的に半導体膜を形成する工程と、半導体膜を基にソース・ドレイン部を形成する工程とを有することを特徴とするMIS型電界効果トランジスタの製造方法を提供するものである。 In order to achieve the above object, the present invention provides a method of manufacturing a MIS field effect transistor, which includes a step of forming a gate electrode on a semiconductor substrate through a gate insulating film, and a semiconductor substrate including a gate electrode surface A step of forming an insulating film thereon, a modification step of modifying the portion of the insulating film that covers the surface of the gate electrode so that the etching rate is slow, a portion of the insulating film that is not modified, etc. Removing from the surface of the semiconductor substrate by isotropic etching; selectively forming a semiconductor film on the surface of the semiconductor substrate using the modified insulating film covering the surface of the gate electrode as a mask; and The present invention provides a method for manufacturing a MIS type field effect transistor, which includes a step of forming a source / drain portion on the basis thereof.
本発明によれば、ソース・ドレイン拡張領域先端とゲート電極端とを短絡させることなく制御性良く接近させて、接合が浅く且つ寄生抵抗が低いMISFETを製造できるMIS型電界効果トランジスタの製造方法を提供できる。 According to the present invention, there is provided a method for manufacturing a MIS field effect transistor capable of manufacturing a MISFET having a shallow junction and low parasitic resistance by bringing the source / drain extension region tip and the gate electrode end close to each other with good controllability without short-circuiting. Can be provided.
図9に示すように、本発明に係るMIS型電界効果トランジスタの製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程(ステップS1)と、ゲート電極表面を含む半導体基板上に絶縁膜を形成する工程(ステップS2)と、絶縁膜のうちゲート電極の表面を覆う部分を、エッチング速度が遅くなるように改質する改質工程(ステップS3)と、絶縁膜の改質されていない部分を、等方性エッチングによって半導体基板表面上から除去する工程(ステップS4)と、ゲート電極の表面を覆う改質された絶縁膜をマスクとして、半導体基板の表面上に選択的に半導体膜を形成する工程(ステップS5)と、半導体膜を基にソース・ドレイン部を形成する工程と(ステップS6)とを有する。 As shown in FIG. 9, the method for manufacturing a MIS field effect transistor according to the present invention includes a step of forming a gate electrode on a semiconductor substrate via a gate insulating film (step S1), and a semiconductor substrate including a gate electrode surface. A step of forming an insulating film thereon (step S2), a modification step of modifying a portion of the insulating film covering the surface of the gate electrode so as to reduce the etching rate (step S3), and a modification of the insulating film; The step of removing the unpolished portion from the surface of the semiconductor substrate by isotropic etching (step S4) and the modified insulating film covering the surface of the gate electrode as a mask are selectively used on the surface of the semiconductor substrate. A step of forming a semiconductor film (step S5), and a step of forming source / drain portions based on the semiconductor film (step S6).
本発明によれば、半導体基板表面の絶縁膜のエッチングを等方性エッチングで行えるため、選択比が高いエッチャントを使用できる。
これは、次の理由による。まず、異方性エッチングは、異方性を出すために、エッチャントが特定方向により大きな運動エネルギーを持つ状態で行われる。従って、物理的作用によるスパッタリング効果を必ず含む。よって、どのような材料であろうとエッチングは必ず生じる。
一方、等方性エッチングの場合、純粋にエッチャントの化学的作用のみでエッチングが進行する。従って、異種材料間で無限大の選択比をとることが可能である。例えば、希フッ酸はシリコン酸化膜をエッチングするが、シリコン基板は全くエッチングしない。According to the present invention, since the insulating film on the surface of the semiconductor substrate can be etched by isotropic etching, an etchant having a high selectivity can be used.
This is due to the following reason. First, anisotropic etching is performed in a state where the etchant has a larger kinetic energy in a specific direction in order to produce anisotropy. Therefore, the sputtering effect by a physical action is necessarily included. Therefore, etching always occurs regardless of the material.
On the other hand, in the case of isotropic etching, the etching proceeds purely by the chemical action of the etchant. Therefore, an infinite selection ratio can be taken between different materials. For example, dilute hydrofluoric acid etches the silicon oxide film, but does not etch the silicon substrate at all.
選択比が高いエッチャントを使用できる結果、半導体基板表面がエッチングされる問題がないため、ゲート電極表面を自己整合的に覆う酸化膜の膜厚を十分薄くできる。従って、ゲート電極とせり上げソース・ドレイン拡張領域との距離を十分に近づけた構造を、両者を短絡させること無く簡便に実現できる。 As a result of using an etchant with a high selectivity, there is no problem that the surface of the semiconductor substrate is etched, so that the oxide film covering the gate electrode surface in a self-aligning manner can be made sufficiently thin. Therefore, a structure in which the distance between the gate electrode and the raised source / drain extension region is sufficiently close can be easily realized without short-circuiting the two.
また、異方性エッチングに比べて絶縁膜を制御良くエッチングできるため、オーバエッチングに伴って半導体基板の表面がエッチングされる問題や、素子分離領域内の酸化膜が後退する問題も生じない。 In addition, since the insulating film can be etched with better control than anisotropic etching, the problem of etching the surface of the semiconductor substrate due to overetching and the problem of the oxide film retreating in the element isolation region do not occur.
さらに、エッチング時間の制御ではなく、エッチング速度の差を利用して形状を形成するため、引用文献4とは異なり、エッチング速度やエッチング時間のばらつきの影響を受けにくい。
Further, since the shape is formed by utilizing the difference in etching rate instead of controlling the etching time, unlike the cited
また、ゲート電極に接する絶縁膜のみ選択的にエッチング速度を遅くできるため、ゲート電極表面を覆う絶縁膜を高精度に自己整合的に形成できる。 Further, since only the insulating film in contact with the gate electrode can be selectively slowed down, the insulating film covering the surface of the gate electrode can be formed with high accuracy in a self-aligning manner.
これらの効果により、ゲート電極とせり上げソース・ドレイン拡張領域との距離を十分に近づけた構造を、両者を短絡させることなく、安定的にかつ簡便に実現できる。この結果、寄生抵抗が低く、短チャネル効果が出現せず、なおかつばらつきの小さいMISFETを作成可能となる。 By these effects, a structure in which the distance between the gate electrode and the raised source / drain extension region is sufficiently close can be realized stably and simply without short-circuiting the two. As a result, it is possible to create a MISFET with low parasitic resistance, no short channel effect, and small variations.
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
図10〜図13に、本発明の好適な実施の形態に係るMIS型電界効果トランジスタの製造方法の工程の一例を示す。
まず、シリコン基板1に、酸化膜を埋め込んだ素子分離領域2を形成した後、絶縁膜3、ノンドープ多結晶シリコン膜4を成膜する(図10(a))。その後、ノンドープ多結晶シリコン膜4にイオン注入法によってボロンを添加し、ボロン添加多結晶シリコン膜5に変換する(図10(b))。FIG. 10 to FIG. 13 show an example of the steps of the method for manufacturing the MIS field effect transistor according to the preferred embodiment of the present invention.
First, after an
次に、これらをパターニングして、ゲート絶縁膜6とゲート電極7とを形成する(図10(c))。図10(a)〜(c)に示す各工程は、図9のステップS1の処理に相当する。
Next, these are patterned to form the
次に、基板全面にシリコン酸化膜8を堆積する(図11(a))。この際、ゲート電極7の表面が露出してさえいなければ良く、シリコン酸化膜8の膜厚に下限はない。例えば、1.5nm程度の非常に薄い膜を形成しても構わない。図11(a)に示す工程は、図9のステップS2の処理に相当する。
Next, a
その後、熱処理により、シリコン酸化膜8のゲート電極7表面と接する部分にゲート電極7からボロンを拡散させ、ボロン添加ゲート電極保護膜9に改質する(図11(b))。図11(b)に示す工程は、図9のステップS3の処理に相当する。
Thereafter, boron is diffused from the
その後、シリコン基板1の表面のシリコン酸化膜8のみを希フッ酸によって選択的に除去する(図11(c))。すなわち、ボロン添加シリコン酸化膜のエッチング速度が、ボロンがドープされていないシリコン酸化膜に比べて小さくなるため、エッチング時間を調節することにより、ゲート電極の表面のみ自己整合的にシリコン酸化膜で被覆された構造を形成できる。このような技術は、特開昭56−042346号公報や、「ジャーナル・オブ・ザ・コリアン・フィジカル・ササイアティ(Journal of the Korean Physical Society)」、韓国、1998、11月、vol.33、p.S99、に開示されている。図11(c)に示す工程は、図9のステップS4の処理に相当する。
Thereafter, only the
なお、希フッ酸は、シリコン酸化膜とシリコンとのエッチング選択比を無限大にできるので、シリコン基板1のエッチングは起こらない。また、希フッ酸の濃度を低く調整すれば、シリコン酸化膜のエッチング速度を十分低く抑えられるため、素子分離領域2の酸化膜の後退を起こすことなく、シリコン基板1の表面上のシリコン酸化膜8のみを除去可能である。
Since dilute hydrofluoric acid can make the etching selectivity between the silicon oxide film and silicon infinite, the etching of the
次に、選択成長法を用いて、シリコン基板1の露出面のみに、ボロンをドーピングしながらシリコンを選択的に成長させ、せり上げソース・ドレイン拡張領域10を形成する(図12(a))。なお、シリコン基板1の露出面にノンドープのシリコンを成長させた後に、ゲート電極7をマスクとしてボロンをイオン注入することによって、シリコン基板1上にボロンがドープされたシリコン層を形成してせり上げソース・ドレイン拡張領域10としても良い。すなわち、シリコンの堆積とボロンのドーピングとを並行して行っても良いし、シリコンを堆積し終えた後でボロンをドーピングしても良い。図12(a)に示す工程は、図9のステップS5の処理に相当する。
Next, by using a selective growth method, silicon is selectively grown only on the exposed surface of the
次に、基板全面にシリコン酸化膜11を堆積させ(図12(b))、エッチバックによって、サイドウォールスペーサ12を形成する(図12(c))。この際、ゲート電極頭頂部上のボロン添加ゲート電極保護膜9は、シリコン酸化膜11とともにエッチングされる。
Next, a silicon oxide film 11 is deposited on the entire surface of the substrate (FIG. 12B), and sidewall spacers 12 are formed by etch back (FIG. 12C). At this time, the boron-added gate electrode
その後、ゲート電極7とボロン添加ゲート電極保護膜9とサイドウォールスペーサ12とをマスクとして、シリコン基板1にボロンをドーピングし(例えばイオン注入で)、深いソース・ドレイン領域13を形成する(図13(a))。
Thereafter, using the
せり上げソース・ドレイン拡張領域10とゲート電極7の水平方向の距離は、ちょうどゼロでオフセットしていないため、MISFETとしての動作に問題は無い。ただし、ソース・ドレイン拡張領域10とゲート電極7とをオーバラップさせた方が、寄生抵抗がさらに小さく、ばらつきの少ないMISFETとなる。
Since the horizontal distance between the raised source /
このため、深いソース・ドレイン領域13を形成した後、熱処理を加えて、せり上げソース・ドレイン拡張領域10から不純物を拡散させ、不純物拡散領域14を形成する(図13(b))。この時、不純物拡散領域14は、深さ方向にも広がるため、接合が深くなる。ただし、オーバラップを実現するために必要となる不純物拡散領域14の広がりは、特許文献3や特許文献4と比較して遙かに小さいため、接合深さはほとんど深くはならず、短チャネル効果と呼ばれる劣化要因は生じない。
図12(b)〜図13(b)に示す工程は、図9のステップS6の処理に相当する。For this reason, after forming the deep source /
The process shown in FIGS. 12B to 13B corresponds to the process of step S6 in FIG.
次に、ニッケルを堆積させて熱処理を行い、深いソース・ドレイン領域13と、ゲート電極7の表面とでシリサイド化反応を起こさせ、ニッケルシリサイド層15、15’を形成する。なお、余剰のニッケルは除去する(図13(c))。
Next, nickel is deposited and heat treatment is performed to cause a silicidation reaction between the deep source /
以上のように、本実施形態に係るMIS型電界効果トランジスタの製造方法は、シリコン基板1の表面の酸化膜を除去する際の等方性エッチングのエッチャントとして希フッ酸を用いたため、酸化膜を除去する際にシリコン基板1はエッチングされない。また、希フッ酸の濃度を低く調整すれば、シリコン酸化膜のエッチング速度を十分に低く抑えられるため、素子分離領域2内の酸化膜の後退を起こすことなく、シリコン基板1の表面上のシリコン酸化膜8のみ除去可能である。
As described above, the manufacturing method of the MIS field effect transistor according to this embodiment uses dilute hydrofluoric acid as an etchant for isotropic etching when the oxide film on the surface of the
また、せり上げソース・ドレイン拡張領域10とゲート電極7との水平方向の距離を、両者を短絡させることなくゼロとできる。
Further, the horizontal distance between the raised source /
これらにより、寄生抵抗が小さく、ばらつきが少なく、短チャネル効果が出現しないMISFETを形成可能である。 As a result, it is possible to form a MISFET having a small parasitic resistance, little variation, and no short channel effect.
本実施形態に係るMIS型電界効果トランジスタの製造方法を適用して製造した(又は製造途中の)MISFETの構造は、透過型電子顕微鏡などによるトランジスタの断面観察と、EDX(エネルギー分散型X線分析装置:Energy Dispersive X-ray spectrometer)などによる組成分析とを組み合わせることにより、確認可能である。 The structure of the MISFET manufactured by applying the manufacturing method of the MIS field effect transistor according to the present embodiment (or in the process of manufacturing) includes cross-sectional observation of the transistor with a transmission electron microscope and the like, and EDX (energy dispersive X-ray analysis). It can be confirmed by combining with the composition analysis by equipment: Energy Dispersive X-ray spectrometer).
なお、上記実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれに限定されることはない。
例えば、上記実施形態においては、エッチング速度を遅くする不純物としてボロンを用いたが、窒素を用いても良い。シリコン酸化膜に窒素が添加されると、シリコン窒化膜に性質が近くなるため、フッ酸によってエッチング選択比を取れるようになる。すなわち、科学的性質の異なる膜に改質できる不純物と、その科学的性質の違いをエッチング選択比として反映できるエッチャントとを組み合わせて用いるのであれば、不純物及びエッチャントの種類は任意である。
また、エッチング速度を遅くする不純物をシリコン酸化膜に取り込ませる方法として、上記実施形態においては熱拡散を用いているが、酸化反応を利用することも可能である。ボロンを含む多結晶シリコンゲート電極の表面を酸化すれば、ボロンを含む酸化膜が自動的に形成される。
また、上記実施形態においては、ソース・ドレイン領域にニッケルシリサイド層を形成しているが、抵抗成分が十分に小さいソース・ドレイン領域を形成できるのであれば、必ずしもニッケルシリサイド層を設ける必要はない。
また、上記の説明においてはPチャネル型のMISFETを例としたが、シリコン基板やソース・ドレイン拡張領域にドープする不純物を変えることにより、Nチャネル型MISFETを作成可能であることは言うまでもない。
このように、本発明は様々な変形が可能である。In addition, the said embodiment is an example of suitable implementation of this invention, and this invention is not limited to this.
For example, in the above embodiment, boron is used as an impurity for slowing the etching rate, but nitrogen may be used. When nitrogen is added to the silicon oxide film, the properties are close to those of the silicon nitride film, so that the etching selectivity can be obtained by hydrofluoric acid. That is, if impurities that can be modified into films having different scientific properties and an etchant that can reflect the difference in the scientific properties as an etching selectivity are used in combination, the types of impurities and etchants are arbitrary.
Further, although thermal diffusion is used in the above-described embodiment as a method for incorporating impurities that slow the etching rate into the silicon oxide film, an oxidation reaction can also be used. If the surface of the polycrystalline silicon gate electrode containing boron is oxidized, an oxide film containing boron is automatically formed.
In the above embodiment, the nickel silicide layer is formed in the source / drain region. However, if the source / drain region having a sufficiently small resistance component can be formed, the nickel silicide layer is not necessarily provided.
In the above description, a P-channel type MISFET is taken as an example. However, it goes without saying that an N-channel type MISFET can be formed by changing impurities doped in the silicon substrate and the source / drain extension regions.
As described above, the present invention can be variously modified.
この出願は、2008年6月18日に出願された日本出願特願2008−158956を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。 This application claims the priority on the basis of Japanese application Japanese Patent Application No. 2008-158956 for which it applied on June 18, 2008, and takes in those the indications of all here.
1 シリコン基板
2 素子分離領域
3 絶縁膜
4 ノンドープ多結晶シリコン膜
5 ボロン添加多結晶シリコン膜
6 ゲート絶縁膜
7、22 ゲート電極
8 シリコン酸化膜
9 ボロン添加ゲート電極保護膜
10 せり上げソース・ドレイン拡張領域
11、24、31 シリコン酸化膜
12 サイドウォールスペーサ
13 深いソース・ドレイン領域
14 不純物拡散領域
15、15’ ニッケルシリサイド層
21、32 シリコン窒化膜
23 頭頂部保護膜
25、34、35 側壁保護膜
26 残留酸化膜
27 ボロンドープゲート電極
34’ 後退した側壁保護膜
36 ノッチ部
37 ゲート電極露出部
38 ソース・ドレイン拡張領域短絡部
1
Claims (12)
半導体基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極表面を含む半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜のうち前記ゲート電極の表面を覆う部分を、エッチング速度が遅くなるように改質する改質工程と、
前記絶縁膜の改質されていない部分を、等方性エッチングによって前記半導体基板表面上から除去する工程と、
前記ゲート電極の表面を覆う前記改質された絶縁膜をマスクとして、前記半導体基板の表面上に選択的に半導体膜を形成する工程と、
前記半導体膜を基にソース・ドレイン部を形成する工程とを有することを特徴とするMIS型電界効果トランジスタの製造方法。A method of manufacturing a MIS field effect transistor, comprising:
Forming a gate electrode on a semiconductor substrate via a gate insulating film;
Forming an insulating film on a semiconductor substrate including the gate electrode surface;
A modification step of modifying a portion of the insulating film covering the surface of the gate electrode so as to reduce an etching rate;
Removing the unmodified portion of the insulating film from the surface of the semiconductor substrate by isotropic etching;
Forming a semiconductor film selectively on the surface of the semiconductor substrate using the modified insulating film covering the surface of the gate electrode as a mask;
Forming a source / drain portion based on the semiconductor film. A method of manufacturing a MIS field effect transistor.
前記ゲート電極の側面及び該ゲート電極近傍の前記半導体膜を覆うマスク層を形成する工程と、
前記マスク層をマスクとして、前記半導体膜に第1の不純物をドーピングする工程とを含むことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載のMIS型電界効果トランジスタの製造方法。The step of forming the source / drain portion includes:
Forming a mask layer covering the side surface of the gate electrode and the semiconductor film in the vicinity of the gate electrode;
4. The method of manufacturing a MIS field effect transistor according to claim 1, further comprising a step of doping the semiconductor film with a first impurity using the mask layer as a mask. 5.
前記ゲート電極中に添加されている前記絶縁膜のエッチング速度を遅くする性質を備えた第2の不純物を、前記絶縁膜のゲート電極の表面を覆う部分に取り込ませる工程を有することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項記載のMIS型電界効果トランジスタの製造方法。The reforming step includes
A step of incorporating a second impurity having a property of slowing down an etching rate of the insulating film added to the gate electrode into a portion of the insulating film covering the surface of the gate electrode. The method for manufacturing a MIS field effect transistor according to claim 1.
前記半導体基板上にゲート絶縁膜及びノンドープ半導体膜を形成する工程と、
前記ノンドープ半導体膜に前記第2の不純物を添加して不純物添加半導体膜に変質させる工程と、
前記ゲート絶縁膜及び前記不純物添加半導体膜を、所定の領域を除いて前記半導体基板上から除去する工程とを有することを特徴とする請求項6記載のMIS型電界効果トランジスタの製造方法。Forming the gate electrode on the semiconductor substrate,
Forming a gate insulating film and a non-doped semiconductor film on the semiconductor substrate;
Adding the second impurity to the non-doped semiconductor film to transform it into an impurity-added semiconductor film;
7. The method of manufacturing a MIS field effect transistor according to claim 6, further comprising a step of removing the gate insulating film and the impurity-added semiconductor film from the semiconductor substrate except for a predetermined region.
12. The method of manufacturing a MIS field effect transistor according to claim 1, further comprising a step of forming a conductive layer on a part of the source / drain portion.
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