JP2005093816A - Semiconductor device manufacturing method and the semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、より詳細には、メタルゲート電極を有する半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device and a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device having a metal gate electrode and the semiconductor device.
近年、半導体集積回路装置における高集積化が大きく進展しており、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型半導体装置では、高集積化に対応するためにトランジスタ等の素子の微細化、高性能化が図られている。特に、MOS構造を構成する要素の一つであるゲート絶縁膜に関しては、上記トランジスタの微細化、高速動作および低電圧化に対応すべく薄膜化が急速に進んでいる。ゲート絶縁膜を薄膜化するとシリコン基板中に形成される空乏層の制御が容易となるので、MOSFETの短チャネル効果を抑制できるようになる。 2. Description of the Related Art In recent years, high integration in semiconductor integrated circuit devices has greatly advanced. In MOS (Metal Oxide Semiconductor) type semiconductor devices, miniaturization and high performance of elements such as transistors have been achieved in order to cope with high integration. ing. In particular, with regard to the gate insulating film which is one of the elements constituting the MOS structure, the thinning is rapidly progressing to cope with the miniaturization, high speed operation and low voltage of the transistor. When the gate insulating film is made thinner, the depletion layer formed in the silicon substrate can be easily controlled, and the short channel effect of the MOSFET can be suppressed.
しかしながら、ゲート絶縁膜の薄膜化によって相対的にゲート電極側にかかる電場が強くなると、ゲート電極中で十分なキャリア濃度が得られない場合に空乏層が形成されるという問題があった。特に、多結晶シリコン中への不純物の注入量には限界があることから、多結晶シリコンを用いてゲート電極を構成した場合、上記のようなゲート電極の空乏化の問題が生じる。 However, if the electric field applied to the gate electrode side becomes relatively strong due to the thinning of the gate insulating film, there is a problem that a depletion layer is formed when a sufficient carrier concentration cannot be obtained in the gate electrode. In particular, since there is a limit to the amount of impurities implanted into polycrystalline silicon, when the gate electrode is formed using polycrystalline silicon, the above-described problem of depletion of the gate electrode occurs.
ゲート電極の空乏化は、実効的なゲート絶縁膜の膜厚を大きくして電流駆動力の減少を引き起こす。このため、ゲート絶縁膜を薄膜化するに際しては、空乏層分を考慮した上で予めゲート絶縁膜を数Å程度薄くしておくことが必要となる。しかし、ゲート絶縁膜の薄膜化が進むと、キャリア(電子および正孔)がゲート絶縁膜を直接トンネリングすることによって生じるトンネル電流、すなわちゲートリーク電流が増大するようになるという問題があった。また、P型の多結晶シリコン中に含まれる不純物としてのB(ボロン)がゲート絶縁膜を突き抜けて半導体基板のチャネル層に到達し、トランジスタの閾値電圧をばらつかせるという問題もあった。 The depletion of the gate electrode increases the effective gate insulating film thickness and causes a decrease in current driving force. For this reason, when the gate insulating film is thinned, it is necessary to make the gate insulating film thin about several kilometers in advance in consideration of the depletion layer. However, when the gate insulating film is made thinner, there is a problem that a tunnel current, that is, a gate leakage current generated by carriers (electrons and holes) directly tunneling through the gate insulating film increases. Another problem is that B (boron) as an impurity contained in the P-type polycrystalline silicon penetrates the gate insulating film and reaches the channel layer of the semiconductor substrate, thereby varying the threshold voltage of the transistor.
そこで、多結晶シリコンに代えて、金属をゲート電極材料として使用することが考えられている。これにより、ゲート電極の低抵抗化を図ることができるとともに、上述したゲート電極の空乏化の問題やBの突き抜けの問題も解消することができる。 Therefore, it has been considered to use metal as a gate electrode material instead of polycrystalline silicon. As a result, the resistance of the gate electrode can be reduced, and the above-described problems of depletion of the gate electrode and problems of penetration of B can be solved.
しかしながら、金属をゲート電極材料として用いた場合、後工程におけるソース・ドレイン領域への活性化アニール処理の際に金属がゲート絶縁膜と反応し、MOSトランジスタの電気的特性を低下させるという問題があった。そこで、活性化アニール処理を行った後にゲート電極を形成するプロセスとして、ダマシン法またはリプレースメント法によるMOSトランジスタの形成方法が提案されている(非特許文献1〜2参照。)。
However, when metal is used as the gate electrode material, there is a problem that the metal reacts with the gate insulating film during the activation annealing process to the source / drain regions in a later process, and the electrical characteristics of the MOS transistor are deteriorated. It was. Therefore, as a process for forming the gate electrode after performing the activation annealing treatment, a MOS transistor forming method using a damascene method or a replacement method has been proposed (see
図35は、従来のダミーゲート電極の断面図である。図に示すように、シリコン基板61の表面には、PMOS領域とNMOS領域とを区画する素子分離領域62が形成されている。そして、シリコン基板61のPMOS領域にはNウェル63が、NMOS領域にはPウェル64がそれぞれ形成されている。また、シリコン基板61の上には、ダミーゲート絶縁膜65を介してダミーゲート電極66が設けられている。ここで、ダミーゲート電極66は、フォトリソグラフィ法によるパターニング工程を経て形成される。
FIG. 35 is a cross-sectional view of a conventional dummy gate electrode. As shown in the figure, an
一方、シリコン基板61内に形成されたポケット領域67,68と、エクステンション領域69,70の形成は、ダミーゲート電極66をマスクとするイオン注入法によって、PMOS領域とNMOS領域とに分けて行われる。また、ソース・ドレイン領域71,72の形成は、ダミーゲート電極66の側壁部にサイドウォール73を形成した後に、これらをマスクとするイオン注入法によって、再びPMOS領域とNMOS領域とに分けて行われる。
On the other hand, the
このように、従来法によれば、不純物領域形成のためのイオン注入を、PMOSおよびNMOSに対して各々少なくとも2回行わなければならないという問題があった。 As described above, according to the conventional method, there is a problem that ion implantation for forming the impurity region must be performed at least twice for each of the PMOS and NMOS.
また、ダミーゲート電極の側壁部に設けられたサイドウォールの存在によって、微細化されたデバイスではコンタクトとゲート電極との間の線間容量が大きくなり、デバイスの動作速度が低下するという問題もあった。 In addition, due to the presence of the sidewall provided on the side wall portion of the dummy gate electrode, the miniaturized device has a problem that the line capacitance between the contact and the gate electrode increases, and the operation speed of the device decreases. It was.
さらには、ダミーゲート電極はフォトリソグラフィ工程を経て形成されるので、得られるゲート長やゲート幅はフォトリソグラフィ工程による律則を受ける。したがって、微細なトランジスタを製造するためには、高価な露光装置が必要となるという問題もあった。 Furthermore, since the dummy gate electrode is formed through a photolithography process, the obtained gate length and gate width are subject to the rules of the photolithography process. Therefore, there is a problem that an expensive exposure apparatus is required to manufacture a fine transistor.
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、ソース・ドレイン領域を簡便に形成することのできる半導体装置の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems. That is, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device in which source / drain regions can be easily formed.
また、本発明の目的は、配線間容量を小さくすることのできる半導体装置の製造方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of reducing the capacitance between wirings.
さらに、本発明の目的は、高価な露光装置を必要とせずに微細なトランジスタを製造することのできる半導体装置の製造方法およびこの方法により製造された半導体装置を提供することにある。 A further object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of manufacturing a fine transistor without requiring an expensive exposure apparatus, and a semiconductor device manufactured by this method.
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。 Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板に素子分離領域を形成してNMOS領域とPMOS領域とに区画する工程と、半導体基板の上にダミーゲート絶縁材料膜を形成する工程と、このダミーゲート絶縁材料膜の上にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、このアモルファスシリコン膜の上にハードマスク材料膜を形成する工程と、フォトリソグラフィ法によりハードマスク材料膜をエッチングして、アモルファスシリコン膜上に開口部を有するハードマスクを形成する工程と、このハードマスクをマスクとしてアモルファスシリコン膜をエッチングしダミーゲート電極を形成する工程と、このダミーゲート電極の表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、シリコン酸化膜形成後のダミーゲート電極を被覆するようにしてダミーゲート絶縁膜の上に酸化防止膜を形成する工程と、この酸化防止膜をエッチバックしてダミーゲート電極の上部を露出させる工程と、露出したダミーゲート電極を加熱酸化して、少なくとも幅方向の寸法が非酸化部分よりも大きい酸化部分を形成する工程と、酸化防止膜を除去する工程と、ダミーゲート絶縁材料膜をエッチングしてダミーゲート絶縁膜を形成する工程と、ダミーゲート電極の酸化部分をマスクとして半導体基板の斜め上方向から半導体基板のPMOS領域に不純物を注入し、PMOSのエクステンション領域を形成する工程と、ダミーゲート電極の酸化部分をマスクとして半導体基板の斜め上方向から半導体基板のPMOS領域に不純物を注入し、PMOSのエクステンション領域の端部にPMOSのポケット領域を形成する工程と、ダミーゲート電極の酸化部分をマスクとし、PMOSのエクステンション領域形成の際の注入角度およびPMOSのポケット領域形成の際の注入角度よりも小さい角度で半導体基板のPMOS領域に不純物を注入し、PMOSのソース・ドレイン領域を形成する工程と、ダミーゲート電極の酸化部分をマスクとして半導体基板の斜め上方向から半導体基板のNMOS領域に不純物を注入し、NMOSのエクステンション領域を形成する工程と、ダミーゲート電極の酸化部分をマスクとして半導体基板の斜め上方向から半導体基板のNMOS領域に不純物を注入し、NMOSのエクステンション領域の端部にNMOSのポケット領域を形成する工程と、ダミーゲート電極の酸化部分をマスクとし、NMOSのエクステンション領域形成の際の注入角度およびNMOSのポケット領域形成の際の注入角度よりも小さい角度で半導体基板のNMOS領域に不純物を注入し、NMOSのソース・ドレイン領域を形成する工程と、ダミーゲート電極を被覆するように層間絶縁膜を形成する工程と、この層間絶縁膜およびダミーゲート電極の酸化部分を研磨して、ダミーゲート電極の非酸化部分の上面を露出させる工程と、露出したダミーゲート電極を除去してダミーゲート絶縁膜を露出させる工程と、露出したダミーゲート絶縁膜を除去して半導体基板に至る溝部を形成する工程と、この溝部の内面にゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜形成後の溝部を埋め込むようにしてメタルゲート電極を形成する工程とを有することを特徴とするものである。 The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an element isolation region on a semiconductor substrate and partitioning it into an NMOS region and a PMOS region, a step of forming a dummy gate insulating material film on the semiconductor substrate, and the dummy A step of forming an amorphous silicon film on the gate insulating material film; a step of forming a hard mask material film on the amorphous silicon film; and etching the hard mask material film by photolithography to form an amorphous silicon film on the amorphous silicon film. Forming a hard mask having an opening in the substrate, etching the amorphous silicon film using the hard mask as a mask to form a dummy gate electrode, forming a silicon oxide film on the surface of the dummy gate electrode, A dummy gate electrode is formed so as to cover the dummy gate electrode after the silicon oxide film is formed. Forming an anti-oxidation film on the insulating film, etching back the anti-oxidation film to expose the upper portion of the dummy gate electrode, and thermally oxidizing the exposed dummy gate electrode to at least in the width direction. Forming an oxidized portion having a size larger than the non-oxidized portion, removing the antioxidant film, etching the dummy gate insulating material film to form a dummy gate insulating film, and an oxidized portion of the dummy gate electrode Using the mask as a mask, impurities are implanted into the PMOS region of the semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate to form an extension region of the PMOS, and the oxidized portion of the dummy gate electrode as a mask from the obliquely upward direction of the semiconductor substrate. Impurities are implanted into the PMOS region, and a PMOS pocket region is formed at the end of the PMOS extension region. Then, using the oxidized portion of the dummy gate electrode as a mask, impurities are implanted into the PMOS region of the semiconductor substrate at an angle smaller than the implantation angle when forming the PMOS extension region and the implantation angle when forming the PMOS pocket region, A step of forming a source / drain region of the PMOS, a step of implanting impurities into the NMOS region of the semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate using the oxidized portion of the dummy gate electrode as a mask, and a step of forming an NMOS extension region; Implanting impurities into the NMOS region of the semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate using the oxidized portion of the gate electrode as a mask, forming an NMOS pocket region at the end of the NMOS extension region, and an oxidized portion of the dummy gate electrode To form an extension region for NMOS A step of implanting impurities into the NMOS region of the semiconductor substrate at an angle smaller than the implantation angle at the time of forming the NMOS pocket region and forming the NMOS source / drain region, and covering the dummy gate electrode Forming an interlayer insulating film, polishing the interlayer insulating film and the oxidized portion of the dummy gate electrode to expose the upper surface of the non-oxidized portion of the dummy gate electrode, and removing the exposed dummy gate electrode. A step of exposing the dummy gate insulating film; a step of removing the exposed dummy gate insulating film to form a groove reaching the semiconductor substrate; a step of forming a gate insulating film on the inner surface of the groove; and And a step of forming a metal gate electrode so as to fill the trench.
上記発明においては、ダミーゲート電極を加熱酸化する工程の前に、アモルファスシリコン膜にシリコンを注入する工程をさらに有することができる。また、ハードマスク材料膜を形成する工程は、550℃以下の温度でシリコン窒化膜を堆積する工程とすることができる。さらに、酸化防止膜はシリコン窒化膜とすることができる。 In the above invention, a step of injecting silicon into the amorphous silicon film can be further included before the step of heating and oxidizing the dummy gate electrode. The step of forming the hard mask material film can be a step of depositing a silicon nitride film at a temperature of 550 ° C. or lower. Furthermore, the antioxidant film can be a silicon nitride film.
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板に素子分離領域を形成して、NMOS領域とPMOS領域とに区画する工程と、半導体基板の上にダミーゲート絶縁材料膜を形成する工程と、このダミーゲート絶縁材料膜の上にダミーゲート電極を形成する工程と、このダミーゲート電極の側壁部に第1のスペーサを形成する工程と、ダミーゲート絶縁材料膜をダミーゲート電極の下を除いて除去し、ダミーゲート絶縁膜を形成する工程と、ダミーゲート電極および第1のスペーサをマスクとして半導体基板の斜め上方向から半導体基板のPMOS領域に不純物を注入し、PMOSのエクステンション領域を形成する工程と、ダミーゲート電極および第1のスペーサをマスクとして半導体基板の斜め上方向から半導体基板のPMOS領域に不純物を注入し、PMOSのエクステンション領域の端部にPMOSのポケット領域を形成する工程と、ダミーゲート電極および第1のスペーサをマスクとし、PMOSのエクステンション領域形成の際の注入角度およびPMOSのポケット領域形成の際の注入角度よりも小さい角度で半導体基板のPMOS領域に不純物を注入し、PMOSのソース・ドレイン領域を形成する工程と、ダミーゲート電極および第1のスペーサをマスクとして半導体基板の斜め上方向から半導体基板のNMOS領域に不純物を注入し、NMOSのエクステンション領域を形成する工程と、ダミーゲート電極および第1のスペーサをマスクとして半導体基板の斜め上方向から半導体基板のNMOS領域に不純物を注入し、NMOSのエクステンション領域の端部にNMOSのポケット領域を形成する工程と、ダミーゲート電極および第1のスペーサをマスクとし、NMOSのエクステンション領域形成の際の注入角度およびNMOSのポケット領域形成の際の注入角度よりも小さい角度で半導体基板のNMOS領域に不純物を注入し、NMOSのソース・ドレイン領域を形成する工程と、ダミーゲート電極を被覆するように層間絶縁膜を形成する工程と、この層間絶縁膜を研磨してダミーゲート電極の上面を露出させる工程と、露出したダミーゲート絶縁膜を除去してダミーゲート絶縁膜に至る溝部を形成する工程と、この溝部から露出したダミーゲート絶縁膜を所定膜厚残して除去する工程と、溝部を埋め込むように第2のスペーサ材料膜を形成する工程と、第2のスペーサ材料膜およびゲート絶縁膜をエッチングし、半導体基板を露出させるとともに溝部の側面に第2のスペーサを形成する工程と、溝部の内面にゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜形成後の溝部を埋め込むようにしてメタルゲート電極を形成する工程とを有することを特徴とするものである。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming an element isolation region in a semiconductor substrate and partitioning it into an NMOS region and a PMOS region, and a step of forming a dummy gate insulating material film on the semiconductor substrate. A step of forming a dummy gate electrode on the dummy gate insulating material film, a step of forming a first spacer on the side wall of the dummy gate electrode, and removing the dummy gate insulating material film under the dummy gate electrode Forming a dummy gate insulating film, and implanting impurities into the PMOS region of the semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate using the dummy gate electrode and the first spacer as a mask to form a PMOS extension region. Process and PMOS region of semiconductor substrate from diagonally upward direction of semiconductor substrate using dummy gate electrode and first spacer as mask Implanting impurities to form a PMOS pocket region at the end of the PMOS extension region, and using the dummy gate electrode and the first spacer as a mask, the implantation angle when forming the PMOS extension region and the PMOS pocket region Impurities are implanted into the PMOS region of the semiconductor substrate at an angle smaller than the implantation angle at the time of formation, and a source / drain region of the PMOS is formed, and the semiconductor substrate is obliquely formed using the dummy gate electrode and the first spacer as a mask Impurities are implanted into the NMOS region of the semiconductor substrate from the direction to form an NMOS extension region, and impurities are implanted into the NMOS region of the semiconductor substrate from the diagonally upward direction of the semiconductor substrate using the dummy gate electrode and the first spacer as a mask. The end of the NMOS extension region Forming a pocket region of the NMOS, and using the dummy gate electrode and the first spacer as a mask, the semiconductor is formed at an angle smaller than the implantation angle when forming the NMOS extension region and the implantation angle when forming the NMOS pocket region. Implanting impurities into the NMOS region of the substrate to form an NMOS source / drain region, forming an interlayer insulating film so as to cover the dummy gate electrode, and polishing the interlayer insulating film to dummy gate electrode Removing the exposed dummy gate insulating film to form a groove reaching the dummy gate insulating film, and removing the dummy gate insulating film exposed from the groove leaving a predetermined film thickness. Forming a second spacer material film so as to fill the trench, and the second spacer material film and gate insulation Etching the film to expose the semiconductor substrate and forming a second spacer on the side surface of the groove; forming a gate insulating film on the inner surface of the groove; and embedding the groove after forming the gate insulating film And a step of forming a metal gate electrode.
上記発明において、ダミーゲート絶縁材料膜の膜厚は10nm以上100nm以下とすることが好ましい。また、ダミーゲート電極はポリシリコンからなるものとすることができる。また、第1のスペーサはシリコン窒化膜からなるものとすることができる。さらに、第2のスペーサはシリコン窒化膜からなるものとすることができる。 In the above invention, the thickness of the dummy gate insulating material film is preferably 10 nm or more and 100 nm or less. The dummy gate electrode can be made of polysilicon. The first spacer can be made of a silicon nitride film. Further, the second spacer can be made of a silicon nitride film.
本発明の半導体装置の製造方法において、ゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜、アルミニウム酸化膜、ハフニウム酸化膜、ジルコニウム酸化膜、ストロンチウム酸化膜およびチタン酸化膜並びにこれらの窒素添加膜よりなる群から選ばれるいずれか1つの単層膜または2つ以上の膜により構成される積層膜とすることができる。 In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the gate insulating film is selected from the group consisting of a silicon oxide film, an aluminum oxide film, a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, a strontium oxide film, a titanium oxide film, and a nitrogen-added film thereof. Any one single-layer film or a laminated film composed of two or more films can be used.
さらに、本発明の半導体装置は、ダミーゲート電極の側壁部に設けられた第1のスペーサと、半導体基板内にダミーゲート電極および第1のスペーサをマスクとしたイオン注入により形成されたポケット領域、エクステンション領域およびソース・ドレイン領域と、半導体基板の上にダミーゲート電極および第1のスペーサを埋め込んで形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜のダミーゲート電極を除去した溝部に、この溝部の内壁に沿って設けられた第2のスペーサと、溝部内の半導体基板および第2のスペーサを被覆するゲート絶縁膜と、溝部内にゲート絶縁膜を介して設けられたメタルゲート電極とを有することを特徴とするものである。 Furthermore, the semiconductor device of the present invention includes a first spacer provided on the side wall of the dummy gate electrode, a pocket region formed by ion implantation in the semiconductor substrate using the dummy gate electrode and the first spacer as a mask, An extension region, a source / drain region, an interlayer insulating film formed by embedding a dummy gate electrode and a first spacer on a semiconductor substrate, and a groove portion from which the dummy gate electrode of the interlayer insulating film has been removed, A second spacer provided along the gate, a gate insulating film covering the semiconductor substrate and the second spacer in the groove, and a metal gate electrode provided in the groove via the gate insulating film. It is a feature.
本発明の半導体装置は、半導体基板と第2のスペーサとの間に絶縁膜が設けられていてもよい。 In the semiconductor device of the present invention, an insulating film may be provided between the semiconductor substrate and the second spacer.
この発明は以上説明したように、ダミーゲート部分を加熱酸化して、少なくとも幅方向の寸法が非酸化部分よりも大きい酸化部分を形成し、この酸化部分をマスクとして半導体基板内に不純物を注入することにより、ポケット領域およびエクステンション領域の形成に続いて、ソース・ドレイン領域の形成を行うことができる。したがって、サイドウォールの形成工程をなくすとともに、ポケット領域およびエクステンション領域形成のためのフォトリソグラフィ工程と、ソース・ドレイン領域形成のためのフォトリソグラフィ工程とを1つにすることができるので、全体の工程数を従来より少なくすることができる。 As described above, according to the present invention, the dummy gate portion is thermally oxidized to form an oxidized portion having a dimension at least in the width direction larger than that of the non-oxidized portion, and impurities are implanted into the semiconductor substrate using the oxidized portion as a mask. Thus, the source / drain regions can be formed following the formation of the pocket region and the extension region. Therefore, the side wall forming step can be eliminated, and the photolithography step for forming the pocket region and the extension region and the photolithography step for forming the source / drain region can be integrated into one. The number can be made smaller than before.
また、本発明によれば、ダミーゲート電極の側壁部に第1のスペーサを形成し、ダミーゲート電極と第1のスペーサとをマスクとして半導体基板内に不純物を注入することにより、ポケット領域およびエクステンション領域の形成に続いて、ソース・ドレイン領域の形成を行うことができる。したがって、ポケット領域およびエクステンション領域形成のためのフォトリソグラフィ工程と、ソース・ドレイン領域形成のためのフォトリソグラフィ工程とを1つにすることができるので、全体の工程数を従来より少なくすることができる。 In addition, according to the present invention, the first spacer is formed on the side wall of the dummy gate electrode, and impurities are implanted into the semiconductor substrate using the dummy gate electrode and the first spacer as a mask, so that the pocket region and the extension are formed. Subsequent to the formation of the region, a source / drain region can be formed. Therefore, since the photolithography process for forming the pocket region and the extension region and the photolithography process for forming the source / drain regions can be made one, the total number of processes can be reduced as compared with the conventional method. .
さらに、本発明によれば、層間絶縁膜のダミーゲート電極を除去した領域に第2のスペーサを設けることによって、微細なゲート電極パターンを形成することが可能となる。すなわち、第2のスペーサの幅方向の寸法を制御することによって、ゲート電極の幅方向の寸法を制御することができるので、フォトリソグラフィ工程による律則を受けない微細なゲート電極パターンの形成が可能となる。 Furthermore, according to the present invention, it is possible to form a fine gate electrode pattern by providing the second spacer in the region where the dummy gate electrode of the interlayer insulating film is removed. That is, by controlling the dimension in the width direction of the second spacer, the dimension in the width direction of the gate electrode can be controlled, so that it is possible to form a fine gate electrode pattern that is not subject to the rules of the photolithography process. It becomes.
実施の形態1.
図1〜図17を用いて、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する。尚、これらの図における各構成要素の寸法比は実際の半導体装置を限定するものではない。特に、図1〜図16では、説明のために、ゲート電極が形成される部分を強調して表わしている。
A method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. Note that the dimensional ratios of the components in these drawings do not limit the actual semiconductor device. In particular, in FIGS. 1 to 16, the portion where the gate electrode is formed is emphasized for the sake of explanation.
まず、図1に示すように、半導体基板としてのシリコン基板1の表面に素子分離領域2を形成する。これにより、CMOSトランジスタを構成するNMOS領域とPMOS領域とにシリコン基板1を区画する。その後、PMOS領域にNウェル3を、NMOS領域にPウェル4をそれぞれ形成する。
First, as shown in FIG. 1, an
次に、半導体基板1の上に、ダミーゲート絶縁材料膜としてのシリコン酸化膜5を形成する(図2)。シリコン酸化膜5は、例えば、膜厚10nm程度とすることができ、900℃程度の温度の酸化性ガス雰囲気中でシリコン基板1の表面を酸化することによって形成することができる。
Next, a
次に、シリコン酸化膜5の上に、ダミーゲート電極材料膜としてのアモルファスシリコン膜6を形成する。アモルファスシリコン膜6としては、例えば、530℃程度の温度で成膜した膜厚150nm程度の膜を用いることができる。
Next, an
アモルファスシリコン膜6を形成した後は、この上にハードマスク材料膜としてのシリコン窒化膜7を形成する。ここで、シリコン窒化膜7は、下地のアモルファスシリコン膜6の多結晶化を防ぐために550℃以下の低温で成膜することが好ましい。尚、シリコン窒化膜7の膜厚は、アモルファスシリコン膜6の膜厚との関係で適宜決定される。具体的には、シリコン窒化膜7の膜厚は、アモルファスシリコン膜6のエッチング終了とともに消滅する膜厚であることが好ましい。例えば、アモルファスシリコン膜6の膜厚が150nm程度である場合には、シリコン窒化膜7の膜厚は30nm〜50nmの範囲にあることが好ましい。
After the
シリコン窒化膜7を形成した後は、この上に反射防止膜(図示せず)を形成してもよい。反射防止膜は、次に形成するレジスト膜をパターニングする際に、レジスト膜を透過した露光光を吸収することによって、レジスト膜と反射防止膜との界面における露光光の反射をなくす役割を果たす。反射防止膜としては有機物を主成分とする膜を用いることができ、例えば、スピンコート法などによって形成することができる。
After the
次に、シリコン窒化膜7の上にレジスト膜(図示せず)を形成し、フォトリソグラフィ法によって所望の線幅を有するレジストパターン8を形成し、図3の構造とする。ここで、レジストパターン8はダミーゲート電極パターンに対応している。
Next, a resist film (not shown) is formed on the
次に、レジストパターン8をマスクとしてシリコン窒化膜7をドライエッチングする。その後、不要となったレジストパターン8を除去することによって、ハードマスクとしてのシリコン窒化膜パターン9を形成することができる(図4)。シリコン窒化膜パターン9は、図4に示すように、アモルファスシリコン膜6上に開口部9aを有するパターンである。
Next, the
次に、シリコン窒化膜パターン9をマスクとして、アモルファスシリコン膜6をドライエッチングする。これにより、NMOS領域およびPMOS領域に、ダミーゲート電極としてのアモルファスシリコン膜パターン10が形成される(図5)。尚、図5においては、シリコン窒化膜パターン9は、アモルファスシリコン膜パターン10の形成とともに消失している。
Next, the
次に、熱酸化処理を行い、アモルファスシリコン膜パターン10の表面にシリコン酸化膜11を形成する(図6)。例えば、800℃程度の温度の酸化性ガス雰囲気中でアモルファスシリコン膜パターン10の表面を酸化し、膜厚5nm程度のシリコン酸化膜11を形成することができる。シリコン酸化膜11は、後述する酸化防止膜を除去する際に、アモルファスシリコン膜パターン10を保護する役割を有している。
Next, thermal oxidation is performed to form a
次に、酸化防止膜としてのシリコン窒化膜12を、アモルファスシリコン膜パターン10を埋め込むようにして全面に形成する(図7)。ここで、酸化防止膜とは、後工程でアモルファスシリコン膜パターン10を加熱酸化する際に、シリコン基板1の表面が一緒に熱酸化されるのを防ぐ膜をいう。シリコン窒化膜12の膜厚は例えば400nm程度とすることができ、成膜温度400℃程度のプラズマCVD法によって堆積することができる。
Next, a
シリコン窒化膜12を形成した後は、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法によってシリコン窒化膜12の表面を平坦化した後、エッチバックを行うことによってダミーゲート電極の上部を露出させる。これにより、図8に示すように、シリコン酸化膜11の形成されたアモルファスシリコン膜パターン10の上部が露出する。ここで、アモルファスシリコン膜パターン10は、シリコン酸化膜11の存在によってドライエッチングによるダメージから保護される。
After the
次に、露出したダミーゲート電極について、アモルファスシリコン膜パターン10の加熱酸化を進め、シリコン酸化膜13を形成する(図9)。尚、シリコン酸化膜13の形成によって、シリコン酸化膜11はシリコン酸化膜13と同一化する。
Next, the amorphous
ここで、アモルファスシリコンは熱膨張率が大きいことから、熱処理によってシリコン酸化膜13が形成されるとともにダミーゲート電極は全体に膨張した形状となる。本実施の形態においては、熱処理後のダミーゲート電極の幅方向の寸法Lが、従来のサイドウォール形成後のダミーゲート電極の幅方向の寸法に実質的に等しくなるようにする。したがって、図8で露出させるダミーゲート電極の高さhは、熱処理後のダミーゲート電極の幅方向の寸法Lを考慮して適宜設定する。高さhを小さくすれば幅方向の寸法Lも小さくなり、高さhを大きくすれば幅方向の寸法Lも大きくなる。
Here, since amorphous silicon has a large coefficient of thermal expansion, the
シリコン酸化膜13形成のための熱処理条件は、例えば、バッチ処理の場合には、900℃程度の温度の酸化性ガス雰囲気下で2時間程度とすることができる。尚、所望とするシリコン酸化膜13の膜厚が得られ難い場合には、図2に示すアモルファスシリコン膜6の形成後であってシリコン窒化膜7の形成前に、シリコンをアモルファスシリコン膜6内に注入しておくことが好ましい。この際のドーズ量は、例えば1×1016atoms/cm2程度とすることができる。
For example, in the case of batch processing, the heat treatment conditions for forming the
また、上記のシリコン酸化膜13形成のための熱処理によって、Nウェル3およびPウェル4の活性化を行うことができる。
The N well 3 and the P well 4 can be activated by the heat treatment for forming the
次に、ドライエッチングおよびウェットエッチングによって、シリコン窒化膜12を除去する。この際、図9に示すように、アモルファスシリコン膜パターン10の表面にはシリコン酸化膜11が形成されているので、アモルファスシリコン膜パターン10はエッチングによるダメージから保護される。続いて、ダミーゲート電極下を除いてシリコン酸化膜5をエッチングにより除去することによって、ダミーゲート絶縁膜を形成する(図10)。
Next, the
次に、シリコン基板1内への不純物注入工程へと進む。本実施の形態においては、PMOS(またはNMOS)のポケット領域およびエクステンション領域の形成に続いてソース・ドレイン領域の形成を行った後、NMOS(またはPMOS)のポケット領域およびエクステンション領域の形成に続いてソース・ドレイン領域の形成を行うことを特徴としている。
Next, the process proceeds to an impurity implantation process into the
例えば、PMOS領域への注入を先に行う場合には、図11に示すようにNMOS領域をレジスト膜14で覆う。次に、PMOS領域にあるシリコン基板1内に不純物をイオン注入することによって、PMOSのポケット領域15およびエクステンション領域16を形成する。具体的には、シリコン酸化膜13の形成されたダミーゲート電極部分(すなわち、ダミーゲート電極の酸化部分。以下、同様。)をマスクとして、PMOS領域にあるシリコン基板1内に不純物を斜め上方向からイオン注入する。ここで、注入イオンの入射方向Aとシリコン基板1の主面に垂直な方向Bとがなす角度θ(以下、注入角度θという。)は、ダミーゲート絶縁膜としてのシリコン酸化膜5の膜厚と、ダミーゲート電極としてのアモルファスシリコン膜パターン10のパターンピッチとに依存する。そして、注入角度θは、後工程で形成するゲート電極の端部に、所望の不純物プロファイルを形成することのできる角度となるように設定する。これにより、PMOSのエクステンション領域16を形成することができる。次に、注入角度θを大きくして(例えば、θ=45度程度にして)、エクステンション領域16の端部にPMOSのポケット領域15を形成する。
For example, when the implantation into the PMOS region is performed first, the NMOS region is covered with a resist
ポケット領域15およびエクステンション領域16の形成を終えた後は、レジスト膜14を剥離しない状態でソース・ドレイン領域17の形成を行う(図12)。具体的には、シリコン酸化膜13の形成されたゲート電極部分をマスクとして、シリコン基板1内に不純物をイオン注入する。この場合、注入角度θ′は、ポケット注入およびエクステンション注入の際の注入角度θよりも小さい角度とする。例えば、注入角度θが45度であるのに対して、注入角度θ′を0度とすることができる。
After the formation of the
以上の工程によって、PMOS領域に不純物をイオン注入した後は、同様にしてNMOS領域にも不純物をイオン注入して、NMOSのポケット領域18、エクステンション領域19およびソース・ドレイン領域20を形成する(図13)。
After the impurities are ion-implanted in the PMOS region by the above steps, the impurity is also ion-implanted in the NMOS region in the same manner to form the
このように、本実施の形態によれば、半導体装置の製造工程を従来より少なくすることが可能となる。すなわち、従来は、ポケット領域およびエクステンション領域を形成した後、ダミーゲート電極の側壁部にサイドウォールを形成し、その後、このダミーゲート電極をマスクとしてソース・ドレイン領域形成のためのイオン注入を行っていた。一方、本実施の形態によれば、シリコン酸化膜13の形成されたダミーゲート電極部分をマスクとした斜めイオン注入によって、ポケット領域15,18およびエクステンション領域16,19を形成することができる。また、注入角度を変えることにより、同じダミーゲート電極部分をマスクとしてソース・ドレイン領域17,20を形成することができる。したがって、サイドウォールの形成工程をなくすとともに、ポケット領域およびエクステンション領域形成のためのフォトリソグラフィ工程と、ソース・ドレイン領域形成のためのフォトリソグラフィ工程とを1つにすることができるので、全体の工程数を従来より少なくすることができる。
Thus, according to the present embodiment, it is possible to reduce the number of manufacturing steps of the semiconductor device as compared with the conventional case. That is, conventionally, after forming a pocket region and an extension region, a sidewall is formed on the side wall portion of the dummy gate electrode, and thereafter, ion implantation for forming a source / drain region is performed using the dummy gate electrode as a mask. It was. On the other hand, according to the present embodiment,
PMOSおよびNMOSの不純物注入工程を終えた後は、加熱処理を行うことによってソース・ドレイン領域17,20の活性化を行う。
After completing the PMOS and NMOS impurity implantation steps, the source /
次に、エッチングストッパとしてのシリコン窒化膜21および層間絶縁膜としてのHDP(High Density Plasma)酸化膜22を、ダミーゲート電極を被覆するようにして順に全面に形成し、図14に示す構造とする。シリコン窒化膜21の膜厚は、例えば30nm程度とすることができる。一方、HDP酸化膜22の膜厚は、例えば400nm程度とすることができる。また、これらは、減圧CVD法などによって形成することができる。尚、エッチングストッパおよび層間絶縁膜は、上記以外の他の物質からなる膜を用いてもよい。また、本実施の形態においてはエッチングストッパはなくてもよい。
Next, a
次に、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法によってHDP酸化膜22、シリコン窒化膜21、シリコン酸化膜13を研磨し、ダミーゲート電極の非酸化部分の上面を表面に露出させる。これにより、図15に示すように、アモルファスシリコン膜パターン10が表面に露出する。
Next, the
次に、ドライエッチングによってアモルファスシリコン膜パターン10の除去を行う。
Next, the amorphous
アモルファスシリコン膜パターン10を除去した後は、露出したシリコン酸化膜5を除去し、図16に示す構造とする。図16において、溝部23は、実際にトランジスタが形成されるゲート溝であり、側面がシリコン窒化膜21で底面がシリコン基板1となっている。
After the removal of the amorphous
以上の工程によって、ゲート溝としての溝部23を形成した後は、溝部23の内面にゲート絶縁膜24を形成する。次に、溝部23にゲート電極材料を埋め込んでメタルゲート電極25を形成する。
After forming the
メタルゲート電極25を形成するためには、図16において、溝部23を含むHDP酸化膜20の全面にメタルゲート電極材料を成膜する。ここで、メタルゲート電極材料は、溝部23の深さよりも厚い膜厚で形成することが好ましい。次に、CMP法などによって、メタルゲート電極材料をHDP酸化膜20の表面が露出するまで研磨する。これにより、メタルゲート電極25を形成することができる(図17)。
In order to form the
次に、再び層間絶縁膜としてのHDP酸化膜22を形成してから、メタルゲート電極25およびソース・ドレイン領域17,20の上にコンタクトを開口し、コンタクトの内部にバリアメタルを介してタングステンなどの配線材料を埋め込むことによってインターコネクト26を形成する(図18)。その後、配線材料の堆積およびパターニング工程を経ることによって、配線構造を形成することができる。
Next, after forming the
図18において、ゲート絶縁膜24としては、シリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜などを用いることができる。また、ゲート絶縁膜24として、金属酸化膜および金属珪酸化膜などの高誘電率絶縁膜を用いることもできる。具体的には、Si(シリコン)、Al(アルミニウム)、Hf(ハフニウム)、Zr(ジルコニウム)、Sr(ストロンチウム)、Ti(チタン)およびTa(タンタル)よりなる群から選ばれるいずれか1の元素の酸化物を用いることができる。また、これらの元素の酸化物に窒素を添加したものをゲート絶縁膜24として用いてもよい。さらに、ゲート絶縁膜24は単層膜に限らず、上記いずれかの物質からなる膜を2種以上組み合わせて積層させた積層膜であってもよい。
In FIG. 18, as the
また、図18において、メタルゲート電極25は、1種類の金属の膜から構成されていてもよいし、2種以上の金属膜を積層させた積層膜から構成されていてもよい。メタルゲート電極材料として使用可能な金属は、トランジスタの閾値電圧およびゲート配線抵抗値を所望の値にすることのできるものであれば特に限定されるものではない。具体的には、Al(アルミニウム)、W(タングステン)、Cs(セシウム)、Co(コバルト)またはTiN(窒化チタン)などを用いることができる。
In FIG. 18, the
実施の形態2.
図19は、本実施の形態にかかる半導体装置の断面図の一例である。
FIG. 19 is an example of a cross-sectional view of the semiconductor device according to this embodiment.
図19において、メタルゲート電極55は、層間絶縁膜としてのHDP酸化膜50のダミーゲート電極(図示せず)を除去した領域に設けられている。ダミーゲート電極の側壁部に設けられた第1のスペーサとしてのシリコン窒化膜41は、ダミーゲート電極とともに、シリコン基板31内にイオン注入してポケット領域43,46、エクステンション領域44,47およびソース・ドレイン領域45,48を形成する際のマスクとして使用される。このような構造をとることによって、注入角度を変更するだけで、ポケット領域およびエクステンション領域の形成に続いて、ソース・ドレイン領域の形成を行うことが可能となる。
In FIG. 19, the
また、図19において、メタルゲート電極55の周囲には、ゲート絶縁膜54とともに、第2のスペーサとしてのシリコン窒化膜52が設けられている。換言すると、シリコン窒化膜52は、HDP酸化膜50のダミーゲート電極を除去した溝部の内壁に沿って設けられる。また、ゲート絶縁膜54は、溝部内のシリコン基板31とシリコン窒化膜52とを被覆して設けられる。このような構造をとることにより、シリコン窒化膜の幅方向の寸法を制御することによって、メタルゲート電極55の幅方向の寸法を制御することができるので、フォトリソグラフィ工程による律則を受けない微細なゲート電極パターンの形成が可能となる。
In FIG. 19, a
次に、図20〜図34を用いて、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する。これらの図において、図19と同じ符号を付した部分は同じ部分であることを示している。尚、図19〜図34における各構成要素の寸法比は実際の半導体装置を限定するものではない。特に、図20〜図34では、説明のために、ゲート電極が形成される部分を強調して表わしている。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In these drawings, the parts denoted by the same reference numerals as those in FIG. 19 indicate the same parts. In addition, the dimensional ratio of each component in FIGS. 19 to 34 does not limit an actual semiconductor device. In particular, in FIGS. 20 to 34, the portion where the gate electrode is formed is emphasized for the sake of explanation.
まず、図20に示すように、半導体基板としてのシリコン基板31の表面に素子分離領域32を形成する。これにより、CMOSトランジスタを構成するNMOS領域とPMOS領域とにシリコン基板31を区画する。その後、PMOS領域にNウェル33を、NMOS領域にPウェル34をそれぞれ形成する。
First, as shown in FIG. 20, an
次に、半導体基板31の上に、ダミーゲート絶縁材料膜としてのシリコン酸化膜35を形成する(図21)。本実施の形態においては、ダミーゲート絶縁材料膜の膜厚を従来より厚くすることを特徴としている。例えば、シリコン酸化膜35は、900℃程度の温度の酸化性ガス雰囲気中でシリコン基板1の表面を酸化することによって得られる、膜厚50nm程度の膜とすることができる。
Next, a
次に、シリコン酸化膜35の上に、ダミーゲート電極材料膜としてのポリシリコン膜36を形成する(図21)。ポリシリコン膜36としては、例えば、620℃程度の温度で成膜した膜厚150nm程度の膜を用いることができる。
Next, a
ポリシリコン膜36を形成した後は、この上にハードマスク材料膜としてのシリコン窒化膜37を形成する(図21)。シリコン窒化膜37の膜厚はポリシリコン膜36の膜厚との関係で適宜決定される。具体的には、シリコン窒化膜37の膜厚は、ポリシリコン膜36のエッチング終了とともに消滅する膜厚であることが好ましい。例えば、ポリシリコン膜36の膜厚が150nm程度である場合には、シリコン窒化膜37の膜厚は30nm〜50nmの範囲にあることが好ましい。
After forming the
シリコン窒化膜37を形成した後は、この上に反射防止膜(図示せず)を形成してもよい。反射防止膜は、次に形成するレジスト膜をパターニングする際に、レジスト膜を透過した露光光を吸収することによって、レジスト膜と反射防止膜との界面における露光光の反射をなくす役割を果たす。反射防止膜としては有機物を主成分とする膜を用いることができ、例えば、スピンコート法などによって形成することができる。
After forming the
次に、シリコン窒化膜37の上にレジスト膜(図示せず)を形成し、フォトリソグラフィ法によって所望の線幅を有するレジストパターン38を形成し、図22の構造とする。ここで、レジストパターン38はダミーゲート電極パターンに対応している。
Next, a resist film (not shown) is formed on the
次に、レジストパターン38をマスクとしてシリコン窒化膜37をドライエッチングする。その後、不要となったレジストパターン38を除去することによって、ハードマスクとしてのシリコン窒化膜パターン39を形成することができる(図23)。シリコン窒化膜パターン39は、図23に示すように、ポリシリコン膜36上に開口部39aを有するパターンである。
Next, the
次に、シリコン窒化膜パターン39をマスクとして、ポリシリコン膜36をドライエッチングする。これにより、NMOS領域およびPMOS領域に、ダミーゲート電極としてのポリシリコン膜パターン40が形成される(図24)。尚、図24においては、シリコン窒化膜パターン39は、ポリシリコン膜パターン40の形成とともに消失している。
Next, the
次に、ポリシリコン膜パターン40の側壁部に、第1のスペーサとしてのシリコン窒化膜41を形成する(図25)。具体的には、まず、ポリシリコン膜パターン40を埋め込むようにして全面にシリコン窒化膜を堆積する。例えば、500℃程度の成膜温度で40nm程度のシリコン窒化膜を堆積する。その後、ポリシリコン膜パターン40の側壁部を残してシリコン窒化膜のドライエッチングを行うことによって、図24のシリコン窒化膜41を形成することができる。
Next, a
次に、シリコン窒化膜41の形成されたダミーゲート電極をマスクとしてシリコン酸化膜35のエッチングを行い、シリコン基板31の表面を露出させる。この際、図26に示すように、シリコン窒化膜41の下側にあるシリコン酸化膜35の除去も行う。これは、シリコン基板31の主面に対して水平方向へのドライエッチングまたはウェットエッチングによって行うことができる。
Next, the
次に、シリコン基板31内への不純物注入工程へと進む。本実施の形態においては、PMOS(またはNMOS)のポケット領域およびエクステンション領域の形成に続いてソース・ドレイン領域の形成を行った後、NMOS(またはPMOS)のポケット領域およびエクステンション領域の形成に続いてソース・ドレイン領域の形成を行うことを特徴としている。
Next, the process proceeds to an impurity implantation process into the
例えば、PMOS領域への注入を先に行う場合には、図27に示すように、NMOS領域をレジスト膜42で覆う。次に、PMOS領域にあるシリコン基板31内に不純物をイオン注入することによって、PMOSのポケット領域43およびエクステンション領域44を形成する。
For example, when the implantation into the PMOS region is performed first, the NMOS region is covered with a resist
具体的には、シリコン窒化膜41の形成されたダミーゲート電極をマスクとして、PMOS領域にあるシリコン基板31内に不純物を斜め上方向からイオン注入する。ここで、注入イオンの入射方向とシリコン基板31の主面に垂直な方向とがなす角度θ(以下、注入角度θという。)は、ダミーゲート絶縁膜としてのシリコン酸化膜35の膜厚と、ダミーゲート電極としてのポリシリコン膜パターン36のパターンピッチとに依存する。そして、注入角度θは、後工程で形成するゲート電極の端部に、所望の不純物プロファイルを形成するのに十分な角度となるように適宜設定する。このようにすることによって、PMOSのエクステンション領域44を形成することができる。次に、注入角度θを大きくして(例えば、θ=45度程度にして)、エクステンション領域44の端部にPMOSのポケット領域43を形成する。注入角度θの値は大きいほど好ましいが、実用上は45度程度がとり得る最大値となる。
Specifically, using the dummy gate electrode on which the
本実施の形態においては、ダミーゲート絶縁材料膜の膜厚の最小値は、ゲート電極の幅方向の寸法(以下、ゲート幅という。)と注入角度θによって決定される。例えば、ゲート幅が30nmであり、注入角度θが45度である場合には、ダミーゲート絶縁材料膜の膜厚の最小値は5nm〜10nm程度であることが好ましい。また、ゲート幅が100nmであり、注入角度θが45度である場合には、ダミーゲート絶縁材料膜の膜厚の最小値は10nm〜100nm程度であることが好ましい。 In the present embodiment, the minimum value of the thickness of the dummy gate insulating material film is determined by the dimension in the width direction of the gate electrode (hereinafter referred to as the gate width) and the implantation angle θ. For example, when the gate width is 30 nm and the implantation angle θ is 45 degrees, the minimum value of the thickness of the dummy gate insulating material film is preferably about 5 nm to 10 nm. When the gate width is 100 nm and the implantation angle θ is 45 degrees, the minimum value of the thickness of the dummy gate insulating material film is preferably about 10 nm to 100 nm.
一方、ダミーゲート絶縁材料膜の最大値は、その加工性によって決定されるところが大きい。すなわち、ダミーゲート絶縁材料膜の膜厚が大きくなりすぎると、エッチングによって除去し難くなるので加工性は低下する。具体的には、ダミーゲート絶縁材料膜の膜厚は、100nm以下であることが好ましい。したがって、ゲート幅が100nmである場合には、注入角度θを45度とすると、ダミーゲート絶縁材料膜の膜厚は10nm以上100nm以下であることが好ましい。 On the other hand, the maximum value of the dummy gate insulating material film is largely determined by its workability. That is, if the thickness of the dummy gate insulating material film becomes too large, it becomes difficult to remove by etching, so that workability is lowered. Specifically, the thickness of the dummy gate insulating material film is preferably 100 nm or less. Therefore, when the gate width is 100 nm, the thickness of the dummy gate insulating material film is preferably 10 nm or more and 100 nm or less when the implantation angle θ is 45 degrees.
ここで、図27において、第1のスペーサとしてのシリコン窒化膜41の幅方向の寸法の最大値をwとし、ダミーゲート絶縁材料膜の膜厚をtとすると、注入角度θが45度である場合にはw=tである。一方、注入角度θが45度より小さい値としたい場合には、w<tとすればよい。これにより、シリコン基板内に形成する不純物領域の深さを大きくせずに注入角度を小さくすることが可能となる。以上より、本実施の形態においては、第1のスペーサの幅方向の寸法が、ダミーゲート絶縁材料膜の膜厚より小さくなるように形成することが好ましい。
Here, in FIG. 27, when the maximum value in the width direction of the
ポケット領域43およびエクステンション領域44の形成を終えた後は、レジスト膜42を剥離しない状態でソース・ドレイン領域45の形成を行う(図28)。具体的には、シリコン窒化膜41の形成されたダミーゲート電極をマスクとして、シリコン基板31内に不純物をイオン注入する。この場合、注入角度θ′は、ポケット注入およびエクステンション注入の際の注入角度θよりも小さい角度とする。例えば、注入角度θが45度であるのに対して、注入角度θ′を0度とすることができる。
After the formation of the
以上の工程によって、PMOS領域に不純物をイオン注入した後は、同様にしてNMOS領域にも不純物をイオン注入して、NMOSのポケット領域46、エクステンション領域47およびソース・ドレイン領域48を形成する(図29)。
After the impurities are ion-implanted in the PMOS region by the above steps, the impurity is also ion-implanted in the NMOS region in the same manner to form the
このように、本実施の形態によれば、ダミーゲート絶縁膜を厚く形成するとともに、このダミーゲート絶縁膜を第1のスペーサ下に設けない構造とすることによって、ポケット注入およびエクステンション注入の際の注入角度を大きくすることが可能となる。すなわち、ダミーゲート電極による遮蔽を受けることなしに、大きな注入角度でシリコン基板内にイオン注入することができるので、高集積度・高密度デバイスに対応した非常に浅い不純物プロファイルを形成することができる。 Thus, according to the present embodiment, the dummy gate insulating film is formed thick, and the dummy gate insulating film is not provided under the first spacer, so that the pocket injection and extension injection can be performed. The injection angle can be increased. In other words, ions can be implanted into the silicon substrate at a large implantation angle without being shielded by the dummy gate electrode, so that a very shallow impurity profile corresponding to a high integration / high density device can be formed. .
また、本実施の形態によれば、注入角度を変えることによって、同じダミーゲート電極をマスクとしてソース・ドレイン領域形成のためのイオン注入をすることができる。したがって、ポケット領域およびエクステンション領域形成のためのフォトリソグラフィ工程と、ソース・ドレイン領域形成のためのフォトリソグラフィ工程とを1つにすることができるので、全体の工程数を従来より少なくすることができる。 Further, according to the present embodiment, by changing the implantation angle, ion implantation for forming the source / drain regions can be performed using the same dummy gate electrode as a mask. Therefore, since the photolithography process for forming the pocket region and the extension region and the photolithography process for forming the source / drain regions can be made one, the total number of processes can be reduced as compared with the conventional method. .
PMOSおよびNMOSの不純物注入工程を終えた後は、加熱処理を行うことによってソース・ドレイン領域45,48の活性化を行う。
After completing the PMOS and NMOS impurity implantation steps, the source /
次に、エッチングストッパとしてのシリコン窒化膜49および層間絶縁膜としてのHDP(High Density Plasma)酸化膜50を、ポリシリコン膜パターン36を被覆するようにして順に全面に形成し、図30に示す構造とする。シリコン窒化膜49の膜厚は、例えば30nm程度とすることができる。一方、HDP酸化膜50の膜厚は、例えば400nm程度とすることができる。また、これらは、減圧CVD法などによって形成することができる。尚、エッチングストッパおよび層間絶縁膜は、上記以外の他の物質からなる膜を用いてもよい。また、本実施の形態においてはエッチングストッパはなくてもよい。
Next, a
次に、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法によってシリコン窒化膜49およびHDP酸化膜50を研磨し、ダミーゲート電極の上面を露出させる。これにより、図31に示すように、ポリシリコン膜パターン36が表面に露出する。
Next, the
次に、ドライエッチングによってポリシリコン膜パターン36を除去した後、シリコン酸化膜35も所定の膜厚になるまで除去して、図32に示す構造とする。シリコン酸化膜35を残すことにより、次に形成するシリコン窒化膜をエッチングして第2のスペーサを形成する際に、下地のシリコン基板1がエッチングされるのを防ぐことができる。
Next, after the
次に、図32の開口部51を埋め込むようにシリコン窒化膜を20nm程度の膜厚で堆積した後、このシリコン窒化膜とシリコン酸化膜35とをドライエッチングする。これにより、図33に示すように、第2のスペーサとしてのシリコン窒化膜52を形成することができる。図33において、溝部53は、実際にトランジスタが形成されるゲート溝であり、側面がシリコン窒化膜52,41で底面がシリコン基板21となっている。
Next, after a silicon nitride film is deposited to a thickness of about 20 nm so as to fill the
尚、図33においては、シリコン窒化膜52の上部先端はHDP酸化膜50の表面よりも低い位置に形成されているが、本発明はこれに限られるものではない。シリコン窒化膜52の上部先端は、HDP酸化膜50の表面と同一面上にあってもよい。
In FIG. 33, the upper tip of the
このように、ゲート溝に第2のスペーサを設けることによって、微細なゲート電極パターンを形成することが可能となる。すなわち、ゲート溝の幅方向の寸法は、フォトリソグラフィ工程を経て形成されたダミーゲート電極の幅方向の寸法によって決定されるが、ゲート電極の幅方向の寸法は、ゲート溝に対して第2のスペーサ分だけ小さい寸法となって形成される。換言すると、第2のスペーサの幅方向の寸法を制御することによって、ゲート電極の幅方向の寸法を制御することができるので、フォトリソグラフィ工程による律則を受けない微細なゲート電極パターンの形成が可能となる。 Thus, by providing the second spacer in the gate groove, a fine gate electrode pattern can be formed. That is, the dimension in the width direction of the gate groove is determined by the dimension in the width direction of the dummy gate electrode formed through the photolithography process, but the dimension in the width direction of the gate electrode is the second dimension with respect to the gate groove. It is formed in a size that is smaller by the amount of the spacer. In other words, since the dimension in the width direction of the gate electrode can be controlled by controlling the dimension in the width direction of the second spacer, it is possible to form a fine gate electrode pattern that is not subject to the rules of the photolithography process. It becomes possible.
以上より、シリコン窒化膜52の幅方向の寸法は、形成するゲート電極の幅方向の寸法によって適宜設定すればよい。また、これに応じて、ポケット領域43,46およびエクステンション領域44,47形成の際の注入角度や注入エネルギーなども適宜設定する。具体的には、注入角度をθとすると、注入角度0度の場合に比較して、注入エネルギーはcosθ、ドーズ量はsinθそれぞれ減少させることになる。
As described above, the dimension in the width direction of the
以上の工程によって、ゲート溝としての溝部53を形成した後は、溝部53から露出しているシリコン基板31、シリコン窒化膜52,41およびHDP酸化膜50の上にゲート絶縁膜54を形成する。次に、溝部53にゲート電極材料を埋め込んでメタルゲート電極55を形成する。
After forming the
メタルゲート電極55を形成するためには、図33において、溝部53を含むHDP酸化膜50の全面にメタルゲート電極材料を成膜する。ここで、メタルゲート電極材料は、溝部53の深さよりも厚い膜厚で形成することが好ましい。次に、CMP法などによって、メタルゲート電極材料をHDP酸化膜50の表面が露出するまで研磨する。これにより、メタルゲート電極55を形成することができる(図34)。
In order to form the
その後、実施の形態1で説明したのと同様にして、再び層間絶縁膜としてのHDP酸化膜50を形成してから、メタルゲート電極55およびソース・ドレイン領域45,48の上にコンタクトを開口し、コンタクトの内部にバリアメタルを介してタングステンなどの配線材料を埋め込むことによってインターコネクト56を形成する。これにより、図19に示す構造が得られる。その後、配線材料の堆積およびパターニング工程を経ることによって、配線構造を形成することができる。
Thereafter,
図34において、ゲート絶縁膜54としては、シリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜などを用いることができる。また、ゲート絶縁膜54として、金属酸化膜および金属珪酸化膜などの高誘電率絶縁膜を用いることもできる。具体的には、Si(シリコン)、Al(アルミニウム)、Hf(ハフニウム)、Zr(ジルコニウム)、Sr(ストロンチウム)およびTi(チタン)よりなる群から選ばれるいずれか1の元素の酸化物を用いることができる。また、これらの元素の酸化物に窒素を添加したものをゲート絶縁膜54として用いてもよい。さらに、ゲート絶縁膜54は単層膜に限らず、上記いずれかの物質からなる膜を2種以上組み合わせて積層させた積層膜であってもよい。
In FIG. 34, as the
また、図34において、メタルゲート電極55は、1種類の金属の膜から構成されていてもよいし、2種以上の金属膜を積層させた積層膜から構成されていてもよい。メタルゲート電極材料として使用可能な金属は、トランジスタの閾値電圧およびゲート配線抵抗値を所望の値にすることのできるものであれば特に限定されるものではない。具体的には、Al(アルミニウム)、W(タングステン)、Cs(セシウム)、Co(コバルト)またはTiN(窒化チタン)などを用いることができる。
In FIG. 34, the
尚、本実施の形態においては、第1のスペーサと第2のスペーサとを同じ材料を用いて形成したが、本発明はこれに限られるものではない。第1のスペーサと第2のスペーサとは異なる材料からなっていてもよい。但し、第2のスペーサは、ゲート絶縁膜を構成する材料と異なる材料からなっている必要がある。 In the present embodiment, the first spacer and the second spacer are formed using the same material, but the present invention is not limited to this. The first spacer and the second spacer may be made of different materials. However, the second spacer needs to be made of a material different from the material constituting the gate insulating film.
1,31,61 シリコン基板
2,32,62 素子分離領域
3,33,63 Nウェル
4,34,64 Pウェル
5,35 シリコン酸化膜
6 アモルファスシリコン膜
7,12,21,37,52 シリコン窒化膜
8,38 レジストパターン
9,39 シリコン窒化膜パターン
10 アモルファスシリコン膜パターン
11,13,41,49 シリコン酸化膜
14,42 レジスト膜
15,18,43,46,67,68 ポケット領域
16,19,44,47,69,70 エクステンション領域
17,20,45,48,71,72 ソース・ドレイン領域
22,50 HDP酸化膜
23,53 溝部
24,54 ゲート絶縁膜
25,55 メタルゲート電極
26,56 インターコネクト
36 ポリシリコン膜
40 ポリシリコン膜パターン
65 ダミーゲート絶縁膜
66 ダミーゲート電極
73 サイドウォール
1,31,61
Claims (12)
前記半導体基板の上にダミーゲート絶縁材料膜を形成する工程と、
前記ダミーゲート絶縁材料膜の上にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、
前記アモルファスシリコン膜の上にハードマスク材料膜を形成する工程と、
フォトリソグラフィ法により前記ハードマスク材料膜をエッチングして、前記アモルファスシリコン膜上に開口部を有するハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクをマスクとして前記アモルファスシリコン膜をエッチングし、ダミーゲート電極を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極の表面にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜形成後のダミーゲート電極を被覆するようにして前記ダミーゲート絶縁膜の上に酸化防止膜を形成する工程と、
前記酸化防止膜をエッチバックして前記ダミーゲート電極の上部を露出させる工程と、
露出した前記ダミーゲート電極を加熱酸化して、少なくとも幅方向の寸法が非酸化部分よりも大きい酸化部分を形成する工程と、
前記酸化防止膜を除去する工程と、
前記ダミーゲート絶縁材料膜をエッチングしてダミーゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極の前記酸化部分をマスクとして前記半導体基板の斜め上方向から前記半導体基板のPMOS領域に不純物を注入し、PMOSのエクステンション領域を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極の前記酸化部分をマスクとして前記半導体基板の斜め上方向から前記半導体基板のPMOS領域に不純物を注入し、前記PMOSのエクステンション領域の端部にPMOSのポケット領域を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極の前記酸化部分をマスクとし、前記PMOSのエクステンション領域形成の際の注入角度および前記PMOSのポケット領域形成の際の注入角度よりも小さい角度で前記半導体基板のPMOS領域に不純物を注入し、PMOSのソース・ドレイン領域を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極の前記酸化部分をマスクとして前記半導体基板の斜め上方向から前記半導体基板のNMOS領域に不純物を注入し、NMOSのエクステンション領域を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極の前記酸化部分をマスクとして前記半導体基板の斜め上方向から前記半導体基板のNMOS領域に不純物を注入し、前記NMOSのエクステンション領域の端部にNMOSのポケット領域を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極の前記酸化部分をマスクとし、前記NMOSのエクステンション領域形成の際の注入角度および前記NMOSのポケット領域形成の際の注入角度よりも小さい角度で前記半導体基板のNMOS領域に不純物を注入し、NMOSのソース・ドレイン領域を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極を被覆するように層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜および前記ダミーゲート電極の前記酸化部分を研磨して、前記ダミーゲート電極の非酸化部分の上面を露出させる工程と、
露出した前記ダミーゲート電極を除去して前記ダミーゲート絶縁膜を露出させる工程と、
露出した前記ダミーゲート絶縁膜を除去して前記半導体基板に至る溝部を形成する工程と、
前記溝部の内面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜形成後の前記溝部を埋め込むようにしてメタルゲート電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an element isolation region in a semiconductor substrate and partitioning it into an NMOS region and a PMOS region;
Forming a dummy gate insulating material film on the semiconductor substrate;
Forming an amorphous silicon film on the dummy gate insulating material film;
Forming a hard mask material film on the amorphous silicon film;
Etching the hard mask material film by a photolithography method to form a hard mask having an opening on the amorphous silicon film;
Etching the amorphous silicon film using the hard mask as a mask to form a dummy gate electrode;
Forming a silicon oxide film on the surface of the dummy gate electrode;
Forming an antioxidant film on the dummy gate insulating film so as to cover the dummy gate electrode after the silicon oxide film is formed;
Etching back the antioxidant film to expose the upper portion of the dummy gate electrode;
Heating and oxidizing the exposed dummy gate electrode to form an oxidized portion having a dimension at least in the width direction larger than the non-oxidized portion;
Removing the antioxidant film;
Etching the dummy gate insulating material film to form a dummy gate insulating film;
Injecting impurities into the PMOS region of the semiconductor substrate from the obliquely upward direction of the semiconductor substrate using the oxidized portion of the dummy gate electrode as a mask, and forming a PMOS extension region;
Injecting impurities into the PMOS region of the semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate using the oxidized portion of the dummy gate electrode as a mask, and forming a PMOS pocket region at an end of the PMOS extension region;
Using the oxidized portion of the dummy gate electrode as a mask, impurities are implanted into the PMOS region of the semiconductor substrate at an angle smaller than the implantation angle when forming the PMOS extension region and the implantation angle when forming the PMOS pocket region. Forming a PMOS source / drain region;
Implanting impurities into the NMOS region of the semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate using the oxidized portion of the dummy gate electrode as a mask, and forming an NMOS extension region;
Injecting impurities into the NMOS region of the semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate using the oxidized portion of the dummy gate electrode as a mask, and forming an NMOS pocket region at an end of the NMOS extension region;
Using the oxidized portion of the dummy gate electrode as a mask, impurities are implanted into the NMOS region of the semiconductor substrate at an angle smaller than the implantation angle when forming the NMOS extension region and the implantation angle when forming the NMOS pocket region. And forming a source / drain region of the NMOS,
Forming an interlayer insulating film so as to cover the dummy gate electrode;
Polishing the oxidized portion of the interlayer insulating film and the dummy gate electrode to expose the upper surface of the non-oxidized portion of the dummy gate electrode;
Removing the exposed dummy gate electrode to expose the dummy gate insulating film;
Removing the exposed dummy gate insulating film to form a groove reaching the semiconductor substrate;
Forming a gate insulating film on the inner surface of the groove,
And a step of forming a metal gate electrode so as to fill the groove after the gate insulating film is formed.
前記半導体基板の上にダミーゲート絶縁材料膜を形成する工程と、
前記ダミーゲート絶縁材料膜の上にダミーゲート電極を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極の側壁部に第1のスペーサを形成する工程と、
前記ダミーゲート絶縁材料膜を前記ダミーゲート電極の下を除いて除去し、ダミーゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極および前記第1のスペーサをマスクとして前記半導体基板の斜め上方向から前記半導体基板のPMOS領域に不純物を注入し、PMOSのエクステンション領域を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極および前記第1のスペーサをマスクとして前記半導体基板の斜め上方向から前記半導体基板のPMOS領域に不純物を注入し、前記PMOSのエクステンション領域の端部にPMOSのポケット領域を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極および前記第1のスペーサをマスクとし、前記PMOSのエクステンション領域形成の際の注入角度および前記PMOSのポケット領域形成の際の注入角度よりも小さい角度で前記半導体基板のPMOS領域に不純物を注入し、PMOSのソース・ドレイン領域を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極および前記第1のスペーサをマスクとして前記半導体基板の斜め上方向から前記半導体基板のNMOS領域に不純物を注入し、NMOSのエクステンション領域を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極および前記第1のスペーサをマスクとして前記半導体基板の斜め上方向から前記半導体基板のNMOS領域に不純物を注入し、前記NMOSのエクステンション領域の端部にNMOSのポケット領域を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極および前記第1のスペーサをマスクとし、前記NMOSのエクステンション領域形成の際の注入角度および前記NMOSのポケット領域形成の際の注入角度よりも小さい角度で前記半導体基板のNMOS領域に不純物を注入し、NMOSのソース・ドレイン領域を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極を被覆するように層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜を研磨して前記ダミーゲート電極の上面を露出させる工程と、
露出した前記ダミーゲート絶縁膜を除去して前記ダミーゲート絶縁膜に至る溝部を形成する工程と、
前記溝部から露出した前記ダミーゲート絶縁膜を所定膜厚残して除去する工程と、
前記溝部を埋め込むように第2のスペーサ材料膜を形成する工程と、
前記第2のスペーサ材料膜および前記ゲート絶縁膜をエッチングし、前記半導体基板を露出させるとともに前記溝部の側面に第2のスペーサを形成する工程と、
前記溝部の内面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜形成後の前記溝部を埋め込むようにしてメタルゲート電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an element isolation region in a semiconductor substrate and partitioning it into an NMOS region and a PMOS region;
Forming a dummy gate insulating material film on the semiconductor substrate;
Forming a dummy gate electrode on the dummy gate insulating material film;
Forming a first spacer on the side wall of the dummy gate electrode;
Removing the dummy gate insulating material film except under the dummy gate electrode, and forming a dummy gate insulating film;
Using the dummy gate electrode and the first spacer as a mask, implanting impurities into the PMOS region of the semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate, and forming a PMOS extension region;
Implanting impurities into the PMOS region of the semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate using the dummy gate electrode and the first spacer as a mask to form a PMOS pocket region at the end of the PMOS extension region When,
Using the dummy gate electrode and the first spacer as a mask, impurities are introduced into the PMOS region of the semiconductor substrate at an angle smaller than an implantation angle when forming the PMOS extension region and an implantation angle when forming the PMOS pocket region. And forming a PMOS source / drain region; and
Using the dummy gate electrode and the first spacer as a mask, implanting impurities into the NMOS region of the semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate, and forming an NMOS extension region;
Using the dummy gate electrode and the first spacer as a mask, implanting impurities into the NMOS region of the semiconductor substrate from an obliquely upward direction of the semiconductor substrate to form an NMOS pocket region at the end of the NMOS extension region When,
Using the dummy gate electrode and the first spacer as a mask, impurities are introduced into the NMOS region of the semiconductor substrate at an angle smaller than an implantation angle when forming the NMOS extension region and an implantation angle when forming the NMOS pocket region. And forming NMOS source / drain regions; and
Forming an interlayer insulating film so as to cover the dummy gate electrode;
Polishing the interlayer insulating film to expose the upper surface of the dummy gate electrode;
Removing the exposed dummy gate insulating film to form a groove reaching the dummy gate insulating film;
Removing the dummy gate insulating film exposed from the trench leaving a predetermined thickness;
Forming a second spacer material film so as to fill the groove;
Etching the second spacer material film and the gate insulating film to expose the semiconductor substrate and forming a second spacer on a side surface of the groove;
Forming a gate insulating film on the inner surface of the groove,
And a step of forming a metal gate electrode so as to fill the trench after the gate insulating film is formed.
半導体基板内に前記ダミーゲート電極および前記第1のスペーサをマスクとしたイオン注入により形成されたポケット領域、エクステンション領域およびソース・ドレイン領域と、
前記半導体基板の上に前記ダミーゲート電極および前記第1のスペーサを埋め込んで形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜の前記ダミーゲート電極を除去した溝部に、該溝部の内壁に沿って設けられた第2のスペーサと、
前記溝部内の前記半導体基板および前記第2のスペーサを被覆するゲート絶縁膜と、
前記溝部内に前記ゲート絶縁膜を介して設けられたメタルゲート電極とを有することを特徴とする半導体装置。 A first spacer provided on the side wall of the dummy gate electrode;
A pocket region, an extension region, and a source / drain region formed by ion implantation using the dummy gate electrode and the first spacer as a mask in a semiconductor substrate;
An interlayer insulating film formed by embedding the dummy gate electrode and the first spacer on the semiconductor substrate;
A second spacer provided along an inner wall of the groove in the groove from which the dummy gate electrode of the interlayer insulating film is removed;
A gate insulating film covering the semiconductor substrate and the second spacer in the groove;
A semiconductor device comprising: a metal gate electrode provided in the trench through the gate insulating film.
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