JP2009182089A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ソース・ドレイン上のシリサイドの異常成長を抑制するとともに、ソース・ドレインの接合深さを浅く保つことができる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体装置の製造方法は、N型ウェル103a上にゲート絶縁膜104およびゲート電極105aを形成する工程と、N型ウェル103aのうちゲート電極105aの両側方の領域にシリコンよりも大きく、P型の導電性を示す第1の元素を注入して第1のソース・ドレイン領域111cを形成する工程と、N型ウェル103aのうちゲート電極105aの両側方の領域にシリコンより小さく、P型の導電性を示す第2の元素を注入して第2のソース・ドレイン領域111dを形成する工程と、ソース・ドレイン領域111a上に金属シリサイド層112を形成する工程とを備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特にニッケルシリサイドを用いた微細なPチャネル型MISトランジスタのソース・ドレインを形成する方法に関する。
近年、トランジスタの微細化に伴う短チャネル効果などを抑制するためにソース・ドレイン領域を構成する不純物拡散層をできるだけ浅く形成する構造が採用されているが、不純物拡散層を浅くした場合、不純物拡散層のシート抵抗が増大するため高速動作や低消費電力を実現することが困難になる。そこで、最近の半導体装置においてはソース・ドレイン領域の上部に金属膜を形成し、熱処理を施すことにより金属とシリコンを反応させてなるシリサイド膜を形成するシリサイド形成プロセスが用いられている。とりわけゲート長が100nm以下の半導体装置においては、
(1)活性化した不純物の不活性化を抑制する低温プロセス(<600℃)で形成できる(2)同一のシート抵抗において金属とシリコンを反応させた際のシリコン消費量が小さ
いため浅接合の形成に有利
といった利点を有するニッケルシリサイドプロセスが主流を占めている。
以下、図5を参照しながら、ニッケルシリサイドプロセスを適用した半導体装置の製造方法について説明する。図5(a)〜(e)は、従来の半導体装置の製造方法を示す断面図である。
まず、図5(a)に示すように、シリコン基板1101に素子分離領域1102を形成した後、フォトリソグラフィー工程及びイオン注入工程によりN型ウェル1103a及びP型ウェル1103bを形成する。
次に、図5(b)に示すように、シリコン基板1101の上面上に熱酸化法によりゲート酸化膜を形成し、さらにゲート酸化膜上にノンドープポリシリコン膜を堆積する。その後、フォトリソグラフィー工程及びイオン注入工程によりN型ウェル1103a上のノンドープポリシリコン膜にはボロンを、P型ウェル1103b上のノンドープポリシリコン膜にはリンを導入する。その後、フォトリソグラフィー工程及びドライエッチング工程によりN型ウェル1103a上にゲート酸化膜1104aおよびP型ゲート電極1105aを、P型ウェル1103b上にゲート酸化膜1104bおよびN型ゲート電極1105bをそれぞれ形成する。その後、フォトリソグラフィー工程及び注入工程により、N型ウェル1103aのうちP型ゲート電極1105aの両側の領域に二フッ化ボロン(BF)を導入してP型エクステンション領域1106aを形成し、リンを導入してP型エクステンション領域1106aの下にN型ポケット領域1107aを形成する。また、P型ウェル1103bのうちN型ゲート電極1105b両側の領域に砒素を導入してN型エクステンション領域1106bを形成し、ボロンを導入してN型エクステンション領域1106bの下にP型ポケット領域1107bを形成する。
次に、図5(c)に示すように、シリコン基板1101上にTEOS膜及びシリコン窒化膜を順次堆積した後、異方性エッチングによりエッチバックを行い、ゲート酸化膜1104aおよびP型ゲート電極1105aの側面上にTEOS膜1108aおよびシリコン窒化膜1109aで構成されたサイドウォール1110aを、ゲート酸化膜1104bおよびN型ゲート電極1105bの側面上にTEOS膜1108bおよびシリコン窒化膜1109bで構成されたサイドウォール1110bをそれぞれ形成する。
次に、図5(d)に示すように、フォトリソグラフィー工程及び注入工程により、フォトレジスト(図示せず)、P型ゲート電極1105aおよびサイドウォール1110aをマスクとしてN型ウェル1103aに二フッ化ボロン(BF)とボロンを導入してP型ソース・ドレイン領域1111aを形成し、フォトレジスト(図示せず)、N型ゲート電極1105bおよびサイドウォール1110bをマスクとしてP型ウェル1103bに砒素とリンを導入してN型ソース・ドレイン領域1111bを形成する。
次に、図5(e)に示すように、高温急速熱処理によりP型ゲート電極1105a、N型ゲート電極1105b、N型ウェル1103a及びP型ウェル1103bに導入された不純物の活性化アニール処理を行う。その後、シリコン基板1101の上面をフッ酸溶液にて洗浄処理し、基板表面に形成された自然酸化膜を除去した後、シリコン基板1101上にニッケル金属膜及び窒化チタン金属膜を堆積する。その後、窒素雰囲気中で熱処理を施し、ニッケルとシリコンを反応させる。その後、シリコンと未反応であるニッケル金属膜及び窒化チタン金属膜を硫酸と過酸化水素水の混合液で除去した後、再度窒素雰囲気中で熱処理を施し、P型ゲート電極1105a上、N型ゲート電極1105b上、P型ソース・ドレイン領域1111a上及びN型ソース・ドレイン領域1111b上にニッケルシリサイド1112を形成する。このようにして、ニッケルシリサイドを有するPチャネル型MOSトランジスタ1201及びNチャネル型MOSトランジスタ1202を備えた半導体装置が形成される。
しかしながら、上記方法で形成されたニッケルシリサイドを用いたPチャネル型MOSトランジスタにおいて、P型ソース・ドレイン領域からウェルへの接合リーク電流が増加してしまうという不具合があった。その原因を調査した結果、P型ソース・ドレイン領域上に形成されたニッケルシリサイドが逆ピラミッド形状を形成し、P型ソース・ドレイン領域を突き破っていることがわかった。P型ソース・ドレイン領域上に形成されたニッケルシリサイドの断面形状の一例を図6に示す(参考文献:日本顕微鏡学会第63回学術講演会MG20-E-1430)。このようなニッケルシリサイドの異常成長は、Pチャネル型MOSトランジスタのみに発生する現象であり、発生要因は未だ特定されていないが、
(1)シリサイド形成前のP型ソース・ドレイン領域における結晶欠陥の残存
(2)P型ソース・ドレイン領域はシリコンよりも原子半径が小さいボロンを多量に含むため、シリコン結晶の歪みが生じ、ニッケルの異常拡散が発生しやすい
の2点が発生要因であると推測される。
また、Pチャネル型MOSトランジスタのシリサイドの異常成長を抑制する方法としては、例えば特許第3033528号公報(特許文献1)に開示された方法がある。これはシリコンより原子半径の小さい不純物元素を含むシリコン結晶上にチタンシリサイドを形成する工程を有する半導体装置の製造方法において、シリコンより原子半径が大きく、シリコンと化学反応をすることがなく、かつシリコン中で準位を作らない元素を含むシリコン結晶中に、前記不純物元素を導入することにより、前記シリコン結晶の歪みを矯正し、続いて、このシリコン結晶上にチタンを成膜し、このチタンを成膜したシリコン結晶をアニールすることによりチタンシリサイドを形成する方法である。
特許第3033528号公報
しかしながら、シリコンより原子半径が大きく、シリコンと化学反応をすることがなくかつシリコン中で準位を作らない元素としてアルゴンを選択し、上記方法を用いてニッケルシリサイドを形成したところ、Pチャネル型MOSトランジスタのソース・ドレイン領域からウェルへの接合リークは改善されず、ニッケルシリサイド形成プロセスにおいては効果が確認できなかった。
また、上記の不具合を解決する方法として、P型ソース・ドレイン領域をニッケルシリサイドが異常成長する深さよりも深く形成する方法が考えられる。しかしながら、冒頭で述べたように微細化されたトランジスタにおいては、短チャネル効果などを抑制するためにソース・ドレインなどを形成する不純物拡散層をできるだけ浅く形成する必要があるため、ソース・ドレインを深く形成することは困難である。
本発明は上記不具合を解決するためになされたものであり、Pチャネル型MOSトランジスタにおいて、シリサイド形成時に発生するシリサイドの異常成長を抑制してソース・ドレイン領域からウェルへの接合リーク電流の増加を抑制すると同時に、ソース・ドレイン領域の浅接合が維持可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、第1のソース・ドレイン領域および第2のソース・ドレイン領域とで構成されるソース・ドレイン領域と、金属シリサイド層とを有するPチャネル型MISトランジスタを備えた半導体装置の製造方法であって、素子分離領域に囲まれたN型ウェルを有する半導体基板を準備する工程(a)と、前記N型ウェル上に前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極を形成する工程(b)と、前記N型ウェルのうち前記ゲート電極の両側方の領域にシリコンよりも大きく、P型の導電性を示す第1の元素を注入して前記第1のソース・ドレイン領域を形成する工程(c)と、前記工程(c)の後に、前記N型ウェルのうち前記ゲート電極の両側方の領域にシリコンより小さく、P型の導電性を示す第2の元素を注入して前記第2のソース・ドレイン領域を形成する工程(d)と、前記ソース・ドレイン領域の上に前記金属シリサイド層を形成する工程(e)とを備えている。
この方法によれば、ソース・ドレイン領域を形成する際にシリコンより大きい第1の元素を導入することで、シリコン結晶を一度アモルファス化し、その後の熱処理による再結晶化でソース・ドレイン領域に残存していた結晶欠陥を回復することができる。加えて、シリコンより大きな元素が多量に存在することになるため、ソース・ドレイン領域を金属が拡散する際の拡散速度を落とすことができる。そのため、工程(e)で金属シリサイド層を薄く形成することが可能となり、接合リーク電流の発生を抑えることが可能となる。
本発明の方法によれば、Pチャネル型MISトランジスタにおいて、金属シリサイド層の形成時に発生するシリサイドの異常成長を抑制し、ソース・ドレイン領域からウェルへの接合リーク電流の増加を抑制できると同時にソース・ドレイン領域の浅接合を維持することが可能となり、その結果、高歩留・高品質の半導体装置を提供することができる。
また、本発明の半導体装置では、金属シリサイド層の形成時に発生するシリサイドの異常成長が抑制され、ソース・ドレイン領域からウェルへの接合リーク電流を抑制できると同時に、熱処理時に発生するボロンの拡散も抑制されるので、ソース・ドレインの浅接合が維持できる。
(実施形態)
以下、図面を参照しながら本発明の半導体装置の製造方法の具体例を説明する。なお、トランジスタ形成工程においては、Pチャネル型MISトランジスタとNチャネル型MISトランジスタとを交互に形成していくが、本発明は、Pチャネル型MISトランジスタの形成に関するものであるため、Nチャネル型MISトランジスタの形成工程に関しては、説明を省略する。
図1(a)〜(e)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を示す断面図である。この半導体装置は、N型ウェル103a上に形成されたPチャネル型MOSトランジスタを備えている。
まず、図1(a)に示すように、シリコン等からなる半導体基板101に埋め込み絶縁膜などで構成された素子分離領域102を形成した後、フォトリソグラフィー工程及びイオン注入工程によりN型ウェル103aを形成する。
次に、図1(b)に示すように、半導体基板101の上面上に熱酸化法によりゲート絶縁膜を形成した後、ゲート絶縁膜上にノンドープポリシリコン膜を堆積する。その後、フォトリソグラフィー工程及びイオン注入工程によりN型ウェル103a上のノンドープポリシリコン膜にボロンを導入する。続いて、フォトリソグラフィー工程及びドライエッチング工程によりN型ウェル103a上に所定の幅を有するゲート絶縁膜104及びP型ゲート電極105aをそれぞれ形成する。次に、N型ウェル103aのうちP型ゲート電極105aの両側の領域に二フッ化ボロン(BF)を導入してP型エクステンション領域106aを形成し、当該領域にリンを導入してP型エクステンション領域106aの下にN型ポケット領域107aを形成する。
次に、図1(c)に示すように、半導体基板101上にTEOS膜及びシリコン窒化膜を順次堆積した後、異方性エッチングによりエッチバックを行い、ゲート絶縁膜104及びP型ゲート電極105aの側面上にTEOS膜108a及びシリコン窒化膜109で構成されたサイドウォール110を形成する。なお、ここまでの工程は図5(a)〜(c)に示す従来の製造方法と同じである。
次に、図1(d)に示すように、フォトリソグラフィー工程及びイオン注入工程により、フォトレジスト(図示せず)、P型ゲート電極105a及びサイドウォール110をマスクとしてN型ウェル103aにインジウムを注入して第1のP型ソース・ドレイン領域111cを形成し、続いてボロンを注入して第2のP型ソース・ドレイン領域111dを形成する。このときの注入条件は、例えば、インジウムについては、加速エネルギー30keV、ドーズ量1×1015cm−2とし、ボロンについては、加速エネルギー1.5KeV、ドーズ量4×1015cm−2とする。
なお、図1(d)では第1のP型ソース・ドレイン領域111cと第2のP型ソース・ドレイン領域111dとを合わせてP型ソース・ドレイン領域111aと表記している。
ここで、ボロンの注入深さがインジウムの注入深さよりも深くなってしまうとインジウムの外側にあるボロンは後の熱処理によって半導体基板101中に拡散するため、半導体基板101とP型ソース・ドレイン領域111aとの接合が深くなると同時にPチャネル型MOSトランジスタの短チャネル特性が悪化してしまう。そのため、ボロンの注入深さはインジウムの注入深さより浅くなるようにする。
次に、図1(e)に示すように、スパイクアニールによりP型ゲート電極105a、N型ウェル103aに導入された不純物の活性化アニール処理を行う。その時の処理温度は例えば1050℃である。その後、半導体基板101の表面をフッ酸溶液にて洗浄処理して半導体基板101上の自然酸化膜を除去した後、半導体基板101上にニッケル金属膜を例えば9nm、窒化チタン(TiN)金属膜を20nm順次堆積する。その後、窒素雰囲気中で例えば320℃、30秒の熱処理を施し、ニッケルとシリコンを反応させる。続いて、シリコンと未反応であるニッケル金属膜及び窒化チタン金属膜を硫酸と過酸化水素水の混合液で除去した後、再度窒素雰囲気中で例えば550℃、30秒の熱処理を施すことで、P型ゲート電極105a及びP型ソース・ドレイン領域111a上にニッケルシリサイド112が形成される。
図2(a)は、従来の製造方法においてP型ソース・ドレイン領域上に形成されたニッケルシリサイド膜を示す断面写真であり、(b)は、本発明の製造方法においてP型ソース・ドレイン領域上に形成されたニッケルシリサイド膜を示す断面写真である。両図の比較から、本実施形態の製造方法で形成したニッケルシリサイド膜の方が膜厚が薄くなっていることが分かる。本実施形態の製造方法によれば、結晶シリコンを一度アモルファス化し、その後の熱処理による再結晶化でソース・ドレイン領域に残存していた結晶欠陥を回復することができる。加えて、シリコンより大きな元素が多量に存在するためソース・ドレイン領域を金属が拡散する際の拡散速度が遅くなっていると考えられる。そのため、Niの異常拡散が抑えられ、結果としてニッケルシリサイド膜が薄く形成できたと考えられる。
また、図3は、従来の製造方法(線a)と本実施形態の製造方法(線b)で形成したPチャネル型MOSトランジスタアレイのソース・ドレイン領域からウェルへの接合リーク電流の正規確率分布を示す図である。同図から、本実施形態の製造方法で形成したPチャネル型MOSトランジスタアレイの方が、接合リーク電流が低減されていることが分かる。
以上の結果は、ニッケルシリサイド膜の膜厚が薄くなることにより接合界面からニッケルシリサイド底面の距離が遠くなるために接合リーク電流が低減することを示しており、本実施形態の製造方法の効果が示されている。
また、図4は、従来の製造方法(線a)と本実施形態の製造方法(線b)で形成したPチャネル型MOSトランジスタの短チャネル特性を示す図である。同図から、両者ともに差は見られず、本発明の製造方法においてもソース・ドレイン領域の浅接合は維持されていることが分かる。このように、本実施形態の製造方法を用いれば、ソース・ドレイン領域における接合深さを浅く保ったまま、シリサイド膜の異常形成を抑制し、リーク電流を低減することが可能となる。
以上の説明では、インジウムの注入条件の具体例を挙げたが、注入条件としては加速エネルギーが19KeVから40KeVの間であり、且つドーズ量が1×1014cm−2から1×1016cm−2の間であれば、上記効果を得ることができる。また、第1のP型ソース・ドレインを形成するためにインジウムを用いたが、シリコン中でインジウムと同様にP型の導電性を示し、且つシリコンよりも原子半径が大きいガリウムを用いても構わない。
さらに、ニッケル金属膜に白金、アルミニウム、銅、エルビウム、パラジウムのうち少なくても1種類以上が添加された金属膜を堆積して、ニッケルシリサイドを形成することにより、上記効果が得られるだけでなく、ニッケルシリサイドの耐熱性をも向上させることができる。
なお、本実施形態の製造方法において、ゲート電極のゲート長は特に限定されないが、特にシリサイド膜の不具合が顕著となる100nm以下であることが好ましい。
以上説明したように、本発明は、Pチャネル型MISトランジスタを備える種々の半導体装置の製造に有用である。
(a)〜(e)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を示す断面図である。 (a)は、従来の製造方法においてP型ソース・ドレイン領域上に形成されたニッケルシリサイド膜を示す断面写真であり、(b)は、本発明の製造方法においてP型ソース・ドレイン領域上に形成されたニッケルシリサイド膜を示す断面写真である。 従来の製造方法(線a)と本発明の製造方法(線b)で形成したPチャネル型MOSトランジスタアレイのソース・ドレイン領域からウェルへの接合リーク電流の正規確率分布を示す図である。 従来の製造方法(線a)と本発明の製造方法(線b)で形成したPチャネル型MOSトランジスタの短チャネル特性を示す図である。 (a)〜(e)は、従来の半導体装置の製造方法を示す断面図である。 従来の方法により製造されたPチャネル型MOSトランジスタのシリサイド層を示す断面写真である。
符号の説明
101 半導体基板
102 素子分離領域
103a N型ウェル
104 ゲート絶縁膜
105a P型ゲート電極
105a ゲート電極
106a P型エクステンション領域
107a N型ポケット領域
108a TEOS膜
109 シリコン窒化膜
110 サイドウォール
111a P型ソース・ドレイン領域
111c 第1のP型ソース・ドレイン領域
111d 第2のP型ソース・ドレイン領域
112 ニッケルシリサイド

Claims (8)

  1. ゲート絶縁膜と、ゲート電極と、第1のソース・ドレイン領域および第2のソース・ドレイン領域とで構成されるソース・ドレイン領域と、金属シリサイド層とを有するPチャネル型MISトランジスタを備えた半導体装置の製造方法であって、
    素子分離領域に囲まれたN型ウェルを有する半導体基板を準備する工程(a)と、
    前記N型ウェル上に前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極を形成する工程(b)と、
    前記N型ウェルのうち前記ゲート電極の両側方の領域にシリコンよりも大きく、P型の導電性を示す第1の元素を注入して前記第1のソース・ドレイン領域を形成する工程(c)と、
    前記工程(c)の後に、前記N型ウェルのうち前記ゲート電極の両側方の領域にシリコンより小さく、P型の導電性を示す第2の元素を注入して前記第2のソース・ドレイン領域を形成する工程(d)と、
    前記ソース・ドレイン領域の上に前記金属シリサイド層を形成する工程(e)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。
  2. 前記工程(b)で形成される前記ゲート電極のゲート長は100nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第1の元素はインジウムまたはガリウムであり、
    前記第2の元素はボロンであることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記金属シリサイド層はニッケルシリサイドで構成されていることを特徴とする請求項1〜3のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記ゲート電極をマスクとしてP型不純物を注入し、前記N型ウェルのうち前記ゲート電極の両側方の領域に前記ソース・ドレイン領域より低濃度のP型不純物を含むエクステンション領域を形成する工程(f)と、
    前記ゲート絶縁膜および前記ゲート電極の側面上にサイドウォールを形成する工程(g)とをさらに備え、
    前記工程(c)および前記工程(d)では、前記ゲート電極および前記サイドウォールをマスクとしてイオン注入を行うことを特徴とする請求項1〜4のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記工程(c)では、加速エネルギーが19keV以上40keV以下であり、ドーズ量が1×1014cm−2以上1×1016cm−2以下とすることを特徴とする請求項1〜5のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記第1のソース・ドレイン領域は、前記第2のソース・ドレイン領域よりも深い位置まで形成されていることを特徴とする請求項1〜6のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記工程(e)で形成される前記金属シリサイド層は、白金、アルミニウム、銅、エルビウム、パラジウムのうち少なくとも1つが添加されたニッケルシリサイドで構成されていることを特徴とする請求項1〜7のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
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