JP3918218B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に係り、特にMIS(Metal InsulatorSemiconductor)トランジスタ及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
昨今の素子の微細化、高速化に伴い、寄生抵抗を低減する手段として自己整合的に高融点金属シリサイドを形成するサリサイド(Self Aligned Silicide )技術が広く提案され、既に製品化されている。また、素子の低消費電力化の要求から、N型及びP型ゲート電極を同時に有するデュアルゲート(Dual Gate )構造が必要になってきている。
【0003】
以下、従来のサリサイド技術を用いたデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を、図35〜図39の工程断面図を用いて説明する。
先ず、素子分離領域のSi(シリコン)基板51上に素子分離用酸化膜52を形成した後、この素子分離用酸化膜52によって分離された素子領域のうち、NMOSトランジスタを形成する領域(以下、「NMOS領域」という)のSi基板51表面にはP型ウェル(well)53を形成し、またPMOSトランジスタを形成する領域(以下、「PMOS領域」という)のSi基板51表面にはN型ウェル54を形成する。続いて、P型ウェル53及びN型ウェル54上に、それぞれゲート酸化膜55を介して多結晶シリコン膜からなるゲート電極56を形成する(図35参照)。
【0004】
次いで、PMOS領域をレジスト(図示せず)でカバーした後、このレジスト、素子分離用酸化膜52、及びNMOS領域のゲート電極56をマスクとして、NMOS領域のP型ウェル53表面にN型不純物イオンを選択的にイオン注入し、LDD(Lightly Doped Drain )構造をなす低濃度のN- 不純物領域(図示せず)を形成する。同様にして、PMOS領域のN型ウェル54表面にP型不純物イオンを選択的にイオン注入し、LDD構造をなす低濃度のP- 不純物領域(図示せず)を形成する。その後、NMOS領域及びPMOS領域のゲート電極56の各側面に絶縁膜からなるゲートサイドウォール57を形成し、更に基体全面に犠牲酸化膜としてのシリコン酸化膜58を堆積する。
【0005】
続いて、PMOS領域をレジスト59でカバーした後、このレジスト59、素子分離用酸化膜52、NMOS領域のゲート電極56、及びこのゲート電極56側面のゲートサイドウォール57をマスクとして、NMOS領域のP型ウェル53表面にN型不純物イオンとして例えばAs+ (砒素イオン)を選択的にイオン注入する。こうして、N- 不純物領域と一体となってLDD構造のソース/ドレインを構成する高濃度のN+ 不純物領域60a、60bを形成する。このとき、NMOS領域のゲート電極56にもAs+ がイオン注入されるため、このゲート電極56はN型ゲート電極56aとなる(図36参照)。
【0006】
次いで、レジスト59を除去し、NMOS領域をレジスト61でカバーした後、このレジスト61、素子分離用酸化膜52、PMOS領域のゲート電極56、及びこのゲート電極56側面のゲートサイドウォール57をマスクとして、PMOS領域のN型ウェル54表面にP型不純物イオンとして例えばBF2 + (弗化硼素イオン)を選択的にイオン注入する。こうして、P- 不純物領域と一体となってLDD構造のソース/ドレインを構成する高濃度のP+ 不純物領域62a、62bを形成する。このとき、PMOS領域のゲート電極56にもBF2 + がイオン注入されるため、ゲート電極56bはP型ゲート電極56bとなる(図37参照)。
【0007】
次いで、レジスト61を除去した後、熱処理を行い、N- 不純物領域及びN+不純物領域60a、60b、P- 不純物領域及びP+ 不純物領域62a、62b、並びにN型及びP型ゲート電極56a、56b中に注入された不純物イオンを活性化する。
続いて、シリコン酸化膜58を除去した後、基体全面に高融点金属膜として例えばTi(チタン)膜63を成膜する(図38参照)。
【0008】
次いで、2ステップアニール法を用いて、N+ 不純物領域60a、60b及びP+ 不純物領域62a、62b並びにN型及びP型ゲート電極56a、56b上に蒸着したTi膜63のシリサイド化を行う。
即ち、l回目の熱処理により、N+ 不純物領域60a、60b及びP+ 不純物領域62a、62b上のTi膜63のシリサイド化して、C49相のTiSi2(チタンシリサイド)膜63aを形成する。同時に、N型及びP型ゲート電極56a、56b上のTi膜63のシリサイド化してC49相のTiSi2 膜63bを形成する。このとき、素子分離用酸化膜52やゲートサイドウォール57の上のTi膜63はその下地膜と反応しないままTi膜63として残るが、この未反応のTi膜63はアンモニア過水等を用いて選択的に除去する。そして2回目の熱処理により、C49相のTiSi2 膜63a、63bを相対的に低抵抗のC54相のTiSi2 膜63a、63bに相転移させる。こうして、N+ 不純物領域60a、60b及びP+ 不純物領域62a、62b上にC54相のTiSi2 膜63aを、N型及びP型ゲート電極56a、56b上にC54相のTiSi2 膜63bを、それぞれ自己整合的に形成する。
【0009】
次いで、基体全面に層間絶縁膜64を形成する。その後、この層間絶縁膜64に、N+ 不純物領域60a、60b及びP+ 不純物領域62a、62b上のTiSi2 膜63a並びにN型及びP型ゲート電極56a、56b上のTiSi2 膜63bに達する接続孔を開口する。続いて、これらの接続孔内を例えばW(タングステン)プラグ65で埋め、更にこれらのWプラグ65に接続する配線層66をそれぞれ形成した後、基体全面に表面保護膜67を形成する(図39参照)。こうして、デュアルゲート構造のC−MOSトランジスタを作製する。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のサリサイド技術を用いてデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造した場合、幾つかの問題が生じる。
例えば、素子の微細化に伴い、ソース/ドレインを構成するN+ 不純物領域60a、60bの幅が狭くなると、TiSi2 膜63aを含めたN+ 不純物領域60a、60bのシート抵抗が高くなる。即ち、N+ 不純物領域60a、60b上に形成したTiSi2 膜63aのシート抵抗の線幅依存性、いわゆる細線効果が生じるという問題がある。
【0011】
なお、この細線効果を抑制するため、N+ 不純物領域60a、60b、P+ 不純物領域62a、62b、並びにN型及びP型ゲート電極56a、56bの表面に非晶質層を形成してシリサイド化反応を促進し、且つシリサイド化するための2段階の熱処理の中間に更に熱処理を追加することが提案されている(特開平5−291180号参照)。しかし、この場合、追加の熱処理によってTiSi2膜63a、63bがN+ 不純物領域60a、60b及びP+ 不純物領域62a、62b並びにN型及びP型ゲート電極56a、56b上から素子分離用酸化膜52やゲートサイドウォール57上にまではみ出して成長し、N+ 不純物領域60a、60b上のTiSi2 膜63aとN型ゲート電極56a上のTiSi2 膜63bとが短絡し、またP+ 不純物領域62a、62b上のTiSi2 膜63aとP型ゲート電極56b上のTiSi2 膜63bとが短絡するおそれが生じ、トランジスタ特性を劣化させるという問題がある。
【0012】
また、NMOS領域のP型ウェル53表面にN型不純物イオンとしてのAs+をイオン注入してソース/ドレインを構成するN+ 不純物領域60a、60bを形成する際、このAs+ の飛程はBF2 + の飛程よりも小さく、またN型不純物としてのAs(砒素)はP型不純物としてのB(硼素)よりもその拡散係数が小さいことから、N+ 不純物領域60a、60bの接合深さは浅くなる。このため、N+ 不純物領域60a、60b上にTiSi2 膜63aを形成する際にアロイスパイクが発生し易く、N+ 不純物領域60a、60bでの接合リークが生じ易くて、信頼性が低下するという問題がある。
【0013】
また、接合深さの浅いN+ 不純物領域60a、60bはその表面の不純物濃度を低くすることが困難であり、更にシリコン酸化膜58を通してAs+ をイオン注入することによるノックオン効果によってO(酸素)原子がSi基板50中に混入する。このため、N+ 不純物領域60a、60b上に蒸着したTi膜63のシリサイド化反応が抑制されて、そのシート抵抗を十分に低くすることが困難になり、トランジスタ特性が劣化するという問題がある。
【0014】
そこで本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、サリサイド技術を用いたデュアルゲート構造の半導体装置における細線効果を抑制すると共に、トランジスタ特性の劣化及び信頼性の低下を防止することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決するために、特願平8−75217号の「半導体装置の製造方法」を既に提案している。特願平8−75217号においては、ソース/ドレインを構成するN+ 不純物領域及びP+ 不純物領域、並びにN型及びP型ゲート電極の表面にイオン注入を行って非晶質層を形成する際に、これらの表面から犠牲酸化膜及び自然酸化膜を除去した状態でイオン注入を行うこととしている。
【0016】
このことにより、ノックオンされたO原子によってシリサイド化反応が抑制されることを防止することができると共に、十分な厚さの非晶質層を形成してシリサイド化反応を促進し、N+ 不純物領域及びP+ 不純物領域における細線効果を抑制することができる。また、シリサイド化するための2ステップアニール法の2段階の熱処理の中間に追加する熱処理が不要となるため、この追加の熱処理によるTiSi2 膜のはみ出し成長による短絡のおそれがなくなり、トランジスタ特性の劣化を防止することができる。
【0017】
このようにして、Si基板表面のN+ 不純物領域及びP+ 不純物領域上にTiSi2 膜を自己整合的形成する場合に、十分に低抵抗なTiSi2 膜を得ることができ、細線効果を抑制することができるようになった。
【0018】
しかし、本発明者のその後の実験によれば、ゲート電極上に形成された高融点金属シリサイド膜、特にAs+ を高濃度にイオン注入したN型ゲート電極上に形成された高融点金属シリサイド膜は、そのゲート幅が0.3μm以下の細線領域においては、そのシート抵抗が高くなる傾向を示す線幅依存性を発見した。従って、ゲート電極、特にN型ゲート電極上に形成された高融点金属シリサイド膜の細線効果をいかに抑制するかという新たな課題が生じた。
【0019】
この新たな課題について種々に検討した結果、本発明者は、ゲート電極の材質として、従来の多結晶シリコン膜の代わりに非晶質シリコン膜を用いることを想到した。そして従来の製造方法において、多結晶シリコン膜の代わりに非晶質シリコン膜を用い、この非晶質シリコン膜からなるゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を形成したところ、十分に低抵抗な高融点金属シリサイド膜を得ることができ、その細線効果が抑制されることを確認した。
【0020】
しかし、この非晶質シリコン膜からなるゲート電極の場合には、細線効果を抑制することができる代わりに、いわゆるゲート電極の空乏化が顕著に生じることが明らかになった。即ち、所定の印加電圧VCCにおけるゲート容量Cの量子力学的効果(Quantumn Mechanical Effect)を考慮したゲート酸化膜容量COXに対する比C/COXをとると、従来の多結晶シリコン膜からなるゲート電極の場合は90%以上であったものが、非晶質シリコン膜からなるゲート電極の場合は90%以下になった。そしてこの傾向は、P型ゲート電極よりもN型ゲート電極において顕著であった。
【0021】
こうしたゲート電極の空乏化、特に顕著なN型ゲート電極の空乏化の原因は、次のように考えられる。即ち、ゲート電極に例えばAs+ をイオン注入する際、このAs+ の飛程は相対的に小さく、またAsの拡散係数も相対的に小さいため、Asがゲート電極全体に十分に拡散しないこと、そして多結晶シリコン膜の場合はAs+ が結晶のグレインに沿って深くまで注入されるが、非晶質シリコン膜の場合はAs+ が多結晶シリコンに比べて浅い領域にしか注入されないため、ゲート電極の表面近傍だけが所望の高濃度のN型領域になっていること等により、N型ゲート電極の空乏化が顕著に生じると考えられる。
【0022】
こうしたゲート電極の空乏化を抑制する手段として、ゲート電極にP型及びN型不純物イオンを注入した後、その活性化のための熱処理を高温化、長時間化して、不純物の拡散を十分に行うことが考えられる。しかし、この場合は、特にP型不純物として拡散係数が大きいBを用いるPMOSトランジスタにおいて、不純物拡散によるパンチスルー(punch through )によりトランジスタ特性が劣化するという問題が生じる。
【0023】
また、ゲート電極の空乏化を抑制する他の手段として、ゲート電極の厚さを薄くすることが考えられる。しかし、この場合、ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を形成する際に、この高融点金属シリサイド膜の部分的な過成長(突き抜け)により、ゲート酸化膜の耐圧が劣化するという問題が生じる。このゲート酸化膜の耐圧劣化を抑制するためには、ゲート電極の厚さとして150nm以上が必要であるが、この厚さではゲート電極の空乏化が顕著になり、トランジスタ特性の劣化が避けられないという問題がある。
【0024】
以上のように、ゲート電極上に形成された高融点金属シリサイド膜の細線効果を抑制するために、ゲート電極の材質として従来の多結晶シリコン膜の代わりに非晶質シリコン膜を用いるとしても、従来の製造方法をそのまま使用したのではゲート電極の空乏化等の新たな問題が生じる。
【0025】
従って、本発明者は、ゲート電極の材質として従来の多結晶シリコン膜の代わりに非晶質シリコン膜を用いる場合に、ゲート電極上に形成された高融点金属シリサイド膜の細線効果の抑制に加えて、ゲート電極の空乏化を抑制すると共に、ゲート耐圧を確保し、トランジスタ特性の劣化を防止することが可能な製造方法を検討した。また、細線効果を抑制することが可能な非晶質シリコン膜とゲート電極の空乏化を抑制することが可能な多結晶シリコン膜との互いの長所を活用することが可能な複合的なゲート電極構造を検討した。そして、こうした検討の結果として、本発明者は、以下の本発明に係る半導体装置の製造方法を想到した。
【0026】
請求項1に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン膜を形成した後、前記多結晶シリコン膜に所定の不純物イオンを注入する工程と、前記多結晶シリコン膜上に非晶質シリコン膜を形成した後、これらの非晶質シリコン膜及び多結晶シリコン膜を所定の形状にパターニングして、下層の多結晶シリコン膜と上層の非晶質シリコン膜との2層膜構造からなるゲート電極を形成する第1の工程と、半導体基板表面及びゲート電極に所定の不純物を添加して、不純物領域を形成すると共にゲート電極を導電化する第2の工程と、基体全面に高融点金属膜を堆積した後、熱処理により不純物領域上及びゲート電極上の高融点金属膜をシリサイド化すると共に未反応の高融点金属膜をエッチング除去して、不純物領域上及びゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成する第3の工程とを具備することを特徴とする。
【0027】
このように請求項1に係る半導体装置の製造方法においては、下層の多結晶シリコン膜と上層の非晶質シリコン膜との2層膜構造からなるゲート電極を形成することにより、不純物イオンが結晶のグレインに沿って深くまで注入されるという性質をもつ多結晶シリコン膜がゲート電極の下層を構成するため、ゲート電極全体に不純物が均一性よく拡散されて、ゲート電極の空乏化を抑制することができる。また、ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成する際に、ゲート電極の上層を構成する非晶質シリコン膜上に高融点金属膜が直接に堆積されて、熱処理によりシリサイド化されるため、このシリサイド化反応が促進されて十分な低抵抗化を実現することが可能となり、ゲート電極上に形成された高融点金属シリサイド膜の細線効果を抑制することができる。
【0028】
このようにして、ゲート電極の空乏化を抑制することが可能な多結晶シリコン膜の長所と高融点金属シリサイド膜の細線効果を抑制することが可能な非晶質シリコン膜の長所を活用することが可能になるため、ゲート電極上に形成した高融点金属シリサイド膜の細線効果及びゲート電極の空乏化を同時に抑制することができる。
また、ゲート電極の空乏化を抑制するためにゲート電極の厚さを必要以上に薄くすことがなくなるため、ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を形成する際の高融点金属シリサイド膜の部分的な過成長(突き抜け)によるゲート酸化膜の耐圧劣化を防止することができる。更に、ゲート電極の空乏化を抑制するために不純物イオン活性化の際の高温、長時間の熱処理を行う必要がなくなるため、特にPMOSトランジスタにおける拡散係数の大きい不純物の拡散によるパンチスルーや短チャネル効果の発生を防止し、トランジスタ特性の劣化を防止することができる。
【0029】
また、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン膜を形成した後、この多結晶シリコン膜に所定の不純物イオンを注入する工程と、多結晶シリコン膜上に非晶質シリコン膜を形成した後、これらの非晶質シリコン膜及び多結晶シリコン膜を所定の形状にパターニングして、下層の多結晶シリコン膜と上層の非晶質シリコン膜との2層膜構造からなるゲート電極を形成する工程とを具備する構成とすることから、2層膜構造のゲート電極に所定の不純物を添加する前に、不純物濃度が低くなる傾向にあるゲート電極の下層を構成する多結晶シリコン膜に予め所定の不純物イオンを注入して、この下層の不純物濃度を高くすることが可能になるため、ゲート電極全体の不純物濃度が均一化されて、より効果的にゲート電極の空乏化を抑制することができる。
【0030】
また、請求項2に係る半導体装置の製造方法は、第1及び第2の素子領域の半導体基板上にゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン膜を形成した後、前記第1の素子領域における 前記多結晶シリコン膜に第1導電型の不純物イオンを選択的に注入する工程と、前記多結晶シリコン膜上に非晶質シリコン膜を形成した後、これらの非晶質シリコン膜及び多結晶シリコン膜を所定の形状にパターニングして、下層の多結晶シリコン膜と上層の非晶質シリコン膜との2層膜構造からなる第1及び第2のゲート電極をそれぞれ第1及び第2の素子領域に形成する第1の工程と、第1の素子領域の半導体基板表面及び第1のゲート電極に第1導電型の不純物イオンを選択的に注入し、第2の素子領域の半導体基板表面及び第2のゲート電極に第2導電型の不純物イオンを選択的に注入した後、熱処理により不純物イオンを活性化して、第1及び第2の素子領域にそれぞれ第1導電型及び第2導電型の不純物領域を形成すると共に、第1及び第2のゲート電極をそれぞれ第1導電型及び第2導電型のゲート電極にする第2の工程と、基体全面に高融点金属膜を堆積した後、熱処理により第1導電型及び第2導電型の不純物領域上並びに第1導電型及び第2導電型のゲート電極上の高融点金属膜をシリサイド化すると共に、未反応の高融点金属膜をエッチング除去して、第1導電型及び第2導電型の不純物領域上並びに第1導電型及び第2導電型のゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成する第3の工程とを具備することを特徴とする。
【0031】
このように請求項2に係る半導体装置の製造方法においては、第1及び第2の素子領域に第1導電型及び第2導電型の不純物領域を形成すると共に、下層の多結晶シリコン膜と上層の非晶質シリコン膜との2層膜構造からなる第1導電型及び第2導電型のゲート電極を形成し、これら第1導電型及び第2導電型の不純物領域上並びに第1導電型及び第2導電型のゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成することにより、N型及びP型ゲート電極を同時に有するいわゆるデュアルゲート構造であっても、ゲート電極の空乏化を抑制することが可能な多結晶シリコン膜の長所と高融点金属シリサイド膜の細線効果を抑制することが可能な非晶質シリコン膜の長所を活用して、ゲート電極上に形成した高融点金属シリサイド膜の細線効果及びゲート電極の空乏化を同時に抑制することが可能になるため、デュアルゲート構造の素子の微細化、高速化に寄与することができる。
【0032】
また、第1及び第2の素子領域の半導体基板上にゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン膜を形成した後、第1の素子領域における多結晶シリコン膜に第1導電型の不純物イオンを選択的に注入する工程と、多結晶シリコン膜上に非晶質シリコン膜を形成した後、これらの非晶質シリコン膜及び多結晶シリコン膜を所定の形状にパターニングして、下層の多結晶シリコン膜と上層の非晶質シリコン膜との2層膜構造からなる第1及び第2のゲート電極をそれぞれ前記第1及び第2の素子領域に形成する工程とを具備する構成とすることにより、第1の素子領域における2層膜構造の第1のゲート電極に第1導電型の不純物を添加する前に、不純物濃度が低くなる傾向にある第1のゲート電極の下層を構成する多結晶シリコン膜に予め第1導電型の不純物イオンを選択的に注入して、この下層の不純物濃度を高くすることが可能になるため、より効果的に第1導電型のゲート電極の空乏化を抑制することができる。
【0033】
また、請求項3に係る半導体装置の製造方法は、上記請求項8に係る半導体装置の製造方法において、第1の素子領域における多結晶シリコン膜に選択的に注入する第1導電型の不純物イオンがN型不純物イオンである構成とすることにより、特にゲート電極の空乏化が顕著に生じる傾向にあるN型ゲート電極の下層の不純物濃度を高くして、より効果的にN型ゲート電極の空乏化を抑制することができる。
【0034】
また、請求項4に係る半導体装置の製造方法は、上記請求項3に係る半導体装置の製造方法において、第1の素子領域における多結晶シリコン膜にN型不純物イオンを選択的に注入する工程の後、第2の素子領域における多結晶シリコン膜にP型不純物イオンを選択的に注入する工程を具備する構成とすることにより、N型ゲート電極の下層の不純物濃度のみならず、P型ゲート電極の下層の不純物濃度をも高くして、より効果的にN型及びP型双方のゲート電極の空乏化を抑制することができる。
【0035】
また、請求項5に係る半導体装置の製造方法は、第1及び第2の素子領域の半導体基板上にゲート絶縁膜を介して非晶質シリコン膜を堆積した後、この非晶質シリコン膜を所定の形状にパターニングして、非晶質シリコン膜からなる第1及び第2のゲート電極を形成する第1の工程と、第1の素子領域の半導体基板表面及び第1のゲート電極にN型不純物イオンを選択的に注入した後、N型不純物イオンを活性化する熱処理条件の気相成長法により基体全面に絶縁膜を形成し、同時に前記第1の素子領域の半導体基板表面にN型不純物領域を形成すると共に、第1のゲート電極をN型ゲート電極にする第2の工程と、前記絶縁膜を通して第2の素子領域の前記半導体基板表面及び第2のゲート電極にP型不純物イオンを選択的に注入した後、所定の熱処理によりP型不純物イオンを活性化して、第2の素子領域の半導体基板表面にP型不純物領域を形成すると共に、第2のゲート電極をP型ゲート電極にする第3の工程と、前記絶縁膜を除去してから基体全面に高融点金属膜を堆積した後、熱処理によりN型及びP型不純物領域上並びにN型及びP型ゲート電極上の高融点金属膜をシリサイド化すると共に、未反応の高融点金属膜をエッチング除去して、N型及びP型不純物領域上並びにN型及びP型ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成する第4の工程とを具備することを特徴とする。
【0036】
このように請求項5に係る半導体装置の製造方法においては、非晶質シリコン膜からなるN型及びP型ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成していることにより、これらN型及びP型ゲート電極上に形成された高融点金属シリサイド膜の細線効果を抑制することができる。
【0037】
また、第1のゲート電極にN型不純物イオンを選択的に注入し、このN型不純物イオンを活性化するための第1の熱処理を行った後に、第2のゲート電極にP型不純物イオンを選択的に注入し、このP型不純物イオンを活性化するための第2の熱処理を行うことにより、第1の熱処理の際には未だ第2のゲート電極にP型不純物は添加されていないため、イオン注入する際のN型不純物イオンの飛程が相対的に小さく、またN型不純物の拡散係数が相対的に小さくとも、拡散係数が大きいP型不純物の拡散によるパンチスルーや短チャネル効果の発生等によりPMOSトランジスタ特性の劣化を招くことなく、非晶質シリコン膜からなる第1のゲート電極全体にN型不純物を十分に拡散することが可能になるため、特に顕著に生じる傾向にあるN型ゲート電極の空乏化を抑制することができる。
【0038】
このようにして、N型ゲート電極の導電化をP型ゲート電極の導電化よりも先行させることによってN型ゲート電極の空乏化の抑制を可能にすると共に、ゲート電極上に形成した高融点金属シリサイド膜の細線効果を抑制することが可能な非晶質シリコン膜を長所を活用することにより、デュアルゲート構造であっても、N型ゲート電極の空乏化とゲート電極上に形成した高融点金属シリサイド膜の細線効果とを同時に抑制することができる。更に、ゲート電極の空乏化を抑制するためにゲート電極の厚さを薄くする必要がなくなるため、ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を形成する際の高融点金属シリサイド膜の部分的な過成長(突き抜け)によるゲート酸化膜の耐圧劣化を防止し、トランジスタ特性の劣化を防止することができる。
【0039】
また、非晶質シリコン膜からなるN型及びP型ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成していること、及び非晶質シリコン膜からなる第1のゲート電極にN型不純物イオンを選択的に注入した後に絶縁膜を形成しているが、この絶縁膜を形成する際の熱処理条件がN型不純物イオンを活性化するに足りる条件であることにより、N型及びP型ゲート電極上に形成された高融点金属シリサイド膜の細線効果を抑制し、N型ゲート電極の空乏化を抑制し、ゲート酸化膜の耐圧劣化によるトランジスタ特性の劣化を防止することができる。
また、第1のゲート電極へのN型不純物イオンの注入後に形成した絶縁膜は、第2の素子領域の半導体基板表面及び第2のゲート電極にP型不純物イオンを選択的に注入する際のスクリーン酸化膜となるため、拡散係数が大きいP型不純物であっても、第2の素子領域の半導体基板表面に形成するP型不純物領域の接合深さを容易に浅くすることが可能になり、PMOSトランジスタ特性を向上させることができる。
【0040】
なお、本発明に関連する先行技術として、特開平3−209834号の「MIS型半導体装置の製造方法」及び特開平7−37992号の「半導体装置の製造方法」がある。以下、本発明との本質的な差異について述べておく。
【0041】
特開平3−209834号の「MIS型半導体装置の製造方法」においては、その請求項1に「露出した多結晶シリコン表面にチタンシリサイドを自己整合的に形成する半導体装置の製造方法において、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン膜を形成する工程と、……多結晶シリコン膜に不純物イオンを注入することにより該多結晶シリコン膜の表面近傍をアモルファス化する工程と、該多結晶シリコン膜をフォトリソ技術とエッチング技術によりゲート電極および配線に加工する工程と、……半導体基板全面にチタン金属膜を形成する工程と、該チタン金属膜を形成した半導体基板を加熱処理することにより露出したシリコン表面および前記ゲート電極上のチタンをチタンシリサイドに変化させる工程と、該チタンシリサイド以外のチタン化合物及びチタン金属を選択的に除去する工程からなることを特徴とするMIS型半導体装置の製造方法」とある。
【0042】
特開平3−209834号に係る製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成した多結晶シリコン膜に不純物イオンを注入してその表面近傍をアモルファス化し、この表面近傍をアモルファス化した多結晶シリコン膜をゲート電極に加工し、このゲート電極上にチタン金属膜を形成し、加熱処理によりゲート電極表面のアモルファス化したシリコン層を全てチタンシリサイド化して、ゲート電極上にチタンシリサイドを自己整合的に形成するものである。
【0043】
従って、本発明の請求項1に係る半導体装置の製造方法、即ち、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して下層の多結晶シリコン膜と上層の非晶質シリコン膜との2層膜構造からなるゲート電極を形成し、このゲート電極上に高融点金属膜を堆積し、熱処理によりゲート電極上の高融点金属膜をシリサイド化して、ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法は、特開平3−209834号の製造方法と本質的に異なる。
【0044】
同様に、本発明の請求項5に係る半導体装置の製造方法、即ち、第1及び第2の素子領域の半導体基板上にゲート絶縁膜を介して非晶質シリコン膜からなる第1及び第2のゲート電極を形成し、第1のゲート電極にN型不純物イオンを選択的に注入した後、第1の熱処理によりN型不純物イオンを活性化して第1のゲート電極をN型ゲート電極にし、続いて、第2のゲート電極にP型不純物イオンを選択的に注入した後、第2の熱処理によりP型不純物イオンを活性化して第2のゲート電極をP型ゲート電極し、これらのN型及びP型ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法も、特開平3−209834号の製造方法と本質的に異なる。
【0045】
特開平7−37992号に係る製造方法は、ゲート絶縁膜が形成された半導体基板上にアモルファスシリコン層を形成した後、このアモルファスシリコン層を熱処理によって多結晶シリコン層にし、この多結晶シリコン層に金属シリサイド層を形成し、この金属シリサイド層および多結晶シリコン層をパターニングしてゲート電極を形成する形成するものである。
従って、本発明の請求項1に係る半導体装置の製造方法、即ち、半導体基板上にゲート絶縁膜を介して下層の多結晶シリコン膜と上層の非晶質シリコン膜との2層膜構造からなるゲート電極を形成し、このゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法は、特開平7−37992号の製造方法と本質的に異なる。
【0046】
同様に、本発明の請求項5に係る半導体装置の製造方法、即ち、第1及び第2の素子領域の半導体基板上にゲート絶縁膜を介して非晶質シリコン膜からなる第1及び第2のゲート電極を形成し、第1のゲート電極にN型不純物イオンを選択的に注入した後、第1の熱処理によりN型不純物イオンを活性化して第1のゲート電極をN型ゲート電極にし、続いて、第2のゲート電極にP型不純物イオンを選択的に注入した後、第2の熱処理によりP型不純物イオンを活性化して第2のゲート電極をP型ゲート電極し、これらのN型及びP型ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法も、特開平7−37992号の製造方法と本質的に異なる。
【0047】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施の形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタ及びその製造方法を、図1〜図14を用いて説明する。ここで、図1は本実施形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタを示す断面図であり、図2〜図12はそれぞれ図1のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図であり、図13は図1のC−MOSトランジスタのゲート電極の幅とシート抵抗との関係を示すグラフであり、図14は本実施形態の比較例の不純物領域及びゲート電極の幅とシート抵抗との関係を示すグラフである。
【0048】
図1に示すように、素子分離領域のSi基板11上には、素子分離用酸化膜12が形成されており、この素子分離用酸化膜12によって素子領域が分離されている。なお、この素子分離用酸化膜12の代わりに、トレンチ法を用いて形成した素子分離用溝によって素子領域を分離してもよい。
また、これらの素子領域のうち、NMOS領域のSi基板11表面にはP型ウェル13が形成され、PMOS領域のSi基板11表面にはN型ウェル14が形成されている。更に、MOSトランジスタのソース/ドレイン間のパンチスルーの抑制を目的とした埋め込み層(図示せず)も形成されている。
【0049】
また、NMOS領域のP型ウェル13表面には、N型不純物として例えばAsが添加された高濃度のN+ 不純物領域15a、15bが相対して形成され、これらN+ 不純物領域15a、15bに挟まれた領域がチャネル領域となっている。そして、これらN+ 不純物領域15a、15bに隣接して、そのチャネル領域側には、低濃度のN- 不純物領域(図示せず)が形成されている。こうして、N+不純物領域15a、15bとN- 不純物領域とが一体となってLDD構造のソース/ドレインを構成している。
【0050】
同様にして、PMOS領域のN型ウェル14表面には、P型不純物として例えばBが添加された高濃度のP+ 不純物領域16a、16b及び低濃度のP- 不純物領域(図示せず)が相対して形成され、これらP- 不純物領域に挟まれた領域がチャネル領域となっている。そしてP+ 不純物領域16a、16bとP- 不純物領域とが一体となってLDD構造のソース/ドレインを構成している。
また、P型ウェル13表面のN- 不純物領域に挟まれたチャネル領域上には、厚さ5nm程度のゲート酸化膜17が形成されている。そしてこのゲート酸化膜17上には、N型不純物が添加されている例えば厚さ100〜150nm程度の多結晶シリコン膜18aと例えば厚さ20〜50nm程度の非晶質シリコン膜19aとが順に積層された2層膜構造からなるN型ゲート電極20aが形成されている。
【0051】
同様にして、N型ウェル14表面のP- 不純物領域に挟まれたチャネル領域上には、厚さ5nm程度のゲート酸化膜17が形成され、このゲート酸化膜17上には、P型不純物が添加されている厚さ100〜150nm程度の多結晶シリコン膜18bと厚さ20〜50nm程度の非晶質シリコン膜19bとが順に積層された2層膜構造からなるP型ゲート電極20bが形成されている。
【0052】
ここで、多結晶シリコン膜18a、18bの厚さ100〜150nm程度は、N型及びP型ゲ−ト電極20a、20bの空乏化を防止し、且つゲート耐圧の劣化を防止するのに必要な膜厚として設定されたものである。また、非晶質シリコン膜19a、19bの厚さ20〜50nm程度は、N型及びP型ゲ−ト電極20a、20b上に高融点金属シリサイド膜を形成する場合に、これらN型及びP型ゲ−ト電極20a、20b上の高融点金属シリサイド膜を低抵抗化するのに十分であり、且つN型ゲ−ト電極20aへのN型不純物のイオン注入を行う際に、下層の多結晶シリコン膜18aへの十分な飛程を得るのに必要な薄い膜厚として設定されたものである。
【0053】
また、N型及びP型ゲート電極20a、20b側面には、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜からなるゲートサイドウォール21が形成されている。
【0054】
また、ソース/ドレインを構成するN+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16b上には、C54相のTiSi2 膜22aが形成され、N型及びP型ゲート電極20a、20b上には、C54相のTiSi2 膜22bが形成されている。なお、これらのTiSi2 膜22a、22bの代わりに、例えばCo(コバルト)、Ni(ニッケル)、Pt(白金)等の高融点金属のシリサイド膜、即ちCoSi2 膜、NiSi2 膜、PtSi膜等を用いてもよい。
【0055】
また、基体全面には層間絶縁膜23が形成されている。また、この層間絶縁膜23に開口された複数の接続孔内には、例えばWプラグ24がそれぞれに埋め込まれ、これらのWプラグ24は、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16b上のTiSi2 膜22a並びにN型及びP型ゲート電極20a、20b上のTiSi2 膜22bにそれぞれ接続してい。また、これらのWプラグ24には配線層25が接続されている。そしてこうした全体が表面保護膜26によって覆われている。
【0056】
次に、図1のデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を、図2〜図12を用いて説明する。
先ず、LOCOS(Local Oxidatin of Silicon )法を用いて、温度950℃の条件でウェット(wet )酸化を行い、素子分離領域のSi基板11上に素子分離用酸化膜12を形成する。なお、このLOCOS法を用いて素子分離用酸化膜12を形成する代わりに、トレンチ法を用いて素子分離用溝を形成して、素子分離を行ってもよい。
【0057】
続いて、素子分離用酸化膜12によって分離された素子領域のうち、NMOS領域のSi基板11表面にはP型ウェル13を形成し、PMOS領域のSi基板11表面にはN型ウェル14を形成する。更に、MOSトランジスタのソース/ドレイン間のパンチスルーの抑制を目的とした埋め込み層(図示せず)の形成や、閾値電圧Vthの調整のためのイオンインプランテーション等を行う。
【0058】
続いて、H2 /O2 ガスを用いるパイロジェニック(pyrogenic )酸化を例えば温度850℃の条件で行い、NMOS領域及びPMOS領域のP型ウェル13及びN型ウェル14上にそれぞれ厚さ5nm程度のゲート酸化膜17を形成する(図2参照)。
【0059】
次いで、CVD(Chemical Vapor Deposition )法を用いて、基体全面に例えば厚さ100〜150nm程度の多結晶シリコン膜18を成膜する。このときの多結晶シリコン膜18の成膜条件は、例えば、
圧力:50〜400Pa、
成膜温度:600〜650℃、
SiH4 ガス流量:50〜2000sccm
とする(図3参照)。
次いで、上記多結晶シリコン膜に所定の不純物イオンを注入する。
→段落0033に記載された「多結晶シリコン膜を形成した後、この多結晶シリコン膜に所定の不純物イオンを注入する」を根拠としている。
【0060】
次いで、この多結晶シリコン膜18上に、例えば厚さ20〜50nm程度の非晶質シリコン膜19を成膜する。このときの非晶質シリコン膜19の成膜条件は、例えば、
圧力:50〜400Pa、
成膜温度:500〜600℃、
SiH4 ガス流量:50〜2000sccm
とする(図4参照)。
【0061】
次いで、リソグラフィ技術及びドライエッチング法を用いて、非晶質シリコン膜19及び多結晶シリコン膜18をゲート形状にパターニングする。こうして、NMOS領域及びPMOS領域のP型ウェル13及びN型ウェル14上に、それぞれゲート酸化膜17を介して順に積層された多結晶シリコン膜18及び非晶質シリコン膜19からなるゲート電極20を形成する(図5参照)。
【0062】
次いで、PMOS領域をレジスト(図示せず)でカバーした後、このレジスト、素子分離用酸化膜12、及びNMOS領域のゲート電極20をマスクとして、N型不純物イオンとして例えばAs+ をP型ウェル13表面に選択的にイオン注入し、LDD構造をなす低濃度のN- 不純物領域(図示せず)を形成する。同様にして、P型不純物イオンとして例えばBF2 + をN型ウェル14表面に選択的にイオン注入し、LDD構造をなす低濃度のP- 不純物領域(図示せず)を形成する。
【0063】
続いて、例えばSiH4 /O2 ガス等を原料ガスとする常圧CVD法や、TEOS(tetaraethoxysilane;(C2 H5 O)4 Si)を原料とするTEOS減圧CVD法や、SiH4 /NH3 ガス等を原料ガスとする常圧CVD法等を用い、基体全面にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜を堆積した後、この絶縁膜をドライエッチング法を用いて異方性エッチングする。こうして、NMOS領域及びPMOS領域のゲート電極20の各側面に、絶縁膜からなるゲートサイドウォール21を形成する(図6参照)。
【0064】
次いで、PMOS領域をレジスト27でカバーした後、このレジスト27、素子分離用酸化膜12、NMOS領域のゲート電極20、及びこのゲート電極20側面のゲートサイドウォール21をマスクとして、N型不純物イオンとして例えばAs+ をP型ウェル13表面に選択的にイオン注入する。なお、このときのイオン注入の条件として、加速エネルギーを20〜80keV程度とし、ドーズ量を1×1015〜5×1015/cm2 程度とする。こうして、N- 不純物領域と一体となってLDD構造のソース/ドレインを構成する高濃度のN+ 不純物領域15a、15bを形成する。
【0065】
同時に、多結晶シリコン膜18及び非晶質シリコン膜19が積層されたNMOS領域のゲート電極20にもAs+ がイオン注入されるため、このNMOS領域のゲート電極20は、As+ がイオン注入された非晶質シリコン膜19a及び多結晶シリコン膜18aからなるN型ゲート電極20aとなる。このとき、上層の非晶質シリコン膜19の厚さは20〜50nm程度と極めて薄いため、ゲ−ト電極20にイオン注入したAs+ の飛程は下層の多結晶シリコン膜18にまで十分に達することができる。そして下層の多結晶シリコン膜18に達したAs+ は結晶のグレインに沿って深くまで注入されるため、N型ゲート電極20aの全体にわたってAs+ が均一性よく注入されることになる(図7参照)。
【0066】
次いで、レジスト27を除去する。続いて、NMOS領域をレジスト28でカバーした後、このレジスト28、素子分離用酸化膜12、PMOS領域のゲート電極20、及びこのゲート電極20側面のゲートサイドウォール21をマスクとして、P型不純物イオンとして例えばBF2 + をN型ウェル14表面に選択的にイオン注入する。このときのイオン注入の条件は、加速エネルギーを20〜40keV程度とし、ドーズ量を1×1015〜5×1015/cm2 程度とする。こうして、P- 不純物領域と一体となってLDD構造のソース/ドレインを構成する高濃度のP+ 不純物領域16a、16bを形成する。
同時に、多結晶シリコン膜18及び非晶質シリコン膜19が積層されたPMOS領域のゲート電極20にもBF2 + がイオン注入されるため、このPMOS領域のゲート電極20はBF2 + がイオン注入された非晶質シリコン膜19b及び多結晶シリコン膜18bからなるP型ゲート電極20bとなる(図8参照)。
【0067】
次いで、レジスト28を除去した後、RTA(Rapid Thermal Annealing)法を用いて、例えば温度1000℃、処理時間30秒間の熱処理を行い、N- 不純物領域及びN+ 不純物領域15a、15b、P- 不純物領域及びP+ 不純物領域16a、16b、並びにN型及びP型ゲート電極20a、20b中に注入された不純物イオンAs+ 、BF2 + を活性化する。
【0068】
続いて、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16b並びにN型及びP型ゲート電極20a、20b上に自然成長した自然酸化膜(図示せず)をフッ酸処理により完全に除去した後に、蒸着法を用いて、基体全面に高融点金属膜として例えば厚さ30nm程度のTi膜22を成膜する。なお、このTi膜22の代わりに、Co膜やNi膜やPt膜等の高融点金属膜を用いてもよい(図9参照)。
【0069】
次いで、2ステップアニール法を用いて、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16b並びにN型及びP型ゲート電極20a、20b上に蒸着したTi膜22のシリサイド化を行う。
【0070】
即ち、l回目の熱処理として、例えばN2 (窒素)ガス雰囲気中において温度650℃、処理時間30秒間のRTA処理を行い、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16bのSiとTi膜22のTiとを反応させてC49相のTiSi2 膜22aを形成し、またN型及びP型ゲート電極20a、20bのSiとTi膜22のTiとを反応させてC49相のTiSi2 膜22bを形成する。このとき、素子分離用酸化膜12やゲートサイドウォール21の上のTi膜22はその下地膜と反応しないため、未反応のTi膜22として残存する。この未反応のTi膜22をアンモニア過水(NH3 :H2 O2 :H2 O=1:2:6)等を用いて選択的に除去する。
その後、2回目の熱処理として、例えばN2 ガス雰囲気中において温度800℃、処理時間30秒間のRTA処理を行って、C49相のTiSi2 膜22a、22bを相対的に低抵抗のC54相のTiSi2 膜22a、22bに相転移させる。こうして、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16b上にC54相のTiSi2 膜22aを、またN型及びP型ゲート電極20a、20b上にC54相のTiSi2 膜22bを、それぞれ自己整合的に形成する(図10参照)。
【0071】
次いで、基体全面に層間絶縁膜23を形成する(図11参照)。次いで、この層間絶縁膜23に、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16b上のTiSi2 膜22aに達する接続孔並びにN型及びP型ゲート電極20a、20b上のTiSi2 膜22bに達する接続孔を開口した後、これらの接続孔内を例えばWプラグ24でそれぞれ埋める。そしてこのWプラグ24に接続する配線層25を形成した後、基体全面に表面保護膜26を形成する(図12参照)。このようにして、図1のデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタを作製する。
【0072】
以上のように本実施形態によれば、NMOS領域及びPMOS領域のSi基板11上にシリコン酸化膜17を介して多結晶シリコン膜18と非晶質シリコン膜19との2層膜構造からなるゲート電極20をそれぞれ形成し、これらのゲート電極20にそれぞれAs+ 及びBF2 + をイオン注入してN型及びP型ゲート電極20a、20bを形成しているが、このとき、これらのゲート電極20を構成する上層の非晶質シリコン膜19の厚さが20〜50nm程度と極めて薄いことにより、イオン注入されたAs+ 及びBF2 + の飛程は下層の多結晶シリコン膜18にまで十分に達することができ、また下層の多結晶シリコン膜18に達したAs+ 及びBF2 + は結晶のグレインに沿って深くまで注入される。このため、N型及びP型不純物が全体にわたって均一性よく拡散されているN型及びP型ゲート電極20a、20bを形成することができ、N型及びP型ゲート電極20a、20bの空乏化を抑制することができる。
【0073】
そしてこれらのN型及びP型ゲート電極20a、20b全体への不純物の均一性のよい拡散は、飛程が相対的に小さいAs+ がイオン注入され、拡散係数の相対的に小さいAsが拡散されるN型ゲート電極20aにおいて、より効果的である。このため、本実施形態は、特に顕著な空乏化を生じ易い傾向にあるN型ゲート電極20aの空乏化を抑制することに有効である。
【0074】
また、基体全面にTi膜22を成膜した後、熱処理によるシリサイド化反応と未反応のTi膜22の除去等により、N型及びP型ゲート電極20a、20b上にC54相のTiSi2 膜22bを自己整合的に形成しているが、このとき、N型及びP型ゲート電極20a、20bを構成する上層の厚さ20〜50nm程度の非晶質シリコン膜19a、19b上にTi膜22が直接に堆積されて、熱処理によりシリサイド化されるため、このシリサイド化反応が促進されて十分な低抵抗化を実現することができ、従ってN型及びP型ゲート電極20a、20b上に形成されたTiSi2 膜22bの細線効果を抑制することができる。
【0075】
本発明者が本実施形態に基づいて作製したデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタにおいて、N型及びP型ゲート電極20a、20bの幅を変化させてN型及びP型ゲート電極20a、20b上に形成されたTiSi2 膜22bのシート抵抗を測定したところ、図13のグラフに示す結果となった。このグラフから明らかなように、TiSi2 膜22bのシート抵抗の線幅依存性は、細線領域も含めてほぼ観察されないといえる。従って、N型及びP型ゲート電極20a、20b上に形成されたTiSi2 膜22bの細線効果が抑制されることが確認された。
【0076】
なお、比較のために、図14のグラフに、上述の特願平8−75217号に係る半導体装置の製造方法に基づいて作製したデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタにおいて、ソース/ドレインを構成するN+ 不純物領域及びP+ 不純物領域並びに多結晶シリコン膜からなるN型及びP型ゲート電極の幅を変化させてこれらの上に形成されたTiSi2 膜のシート抵抗を測定した結果を示す。このグラフからは、N+ 不純物領域及びP+ 不純物領域上に形成されたTiSi2膜のシート抵抗の線幅依存性は、細線領域も含めて観察されないものの、N型及びP型ゲート電極上に形成されたTiSi2 膜のシート抵抗の線幅依存性が観測され、細線領域においてはゲート幅の減少に伴ってシート抵抗が急激に上昇し、この傾向は特にN型ゲート電極の場合に顕著であることが判る。
従って、図13のグラフと図14のグラフとを比較することにより、N型及びP型ゲート電極20a、20b上に形成されたTiSi2 膜22bの細線効果、特にN型ゲート電極20b上に形成されたTiSi2 膜22bの細線効果が、本実施形態によって抑制されることが確認される。
【0077】
このようにして、下層の多結晶シリコン膜18a、18bと上層の非晶質シリコン膜19a、19bとの2層膜構造からなるN型及びP型ゲート電極20a、20bを形成することにより、ゲート電極の空乏化を抑制することが可能な多結晶シリコン膜18a、18bの長所とTiSi2 膜22bの細線効果を抑制することが可能な非晶質シリコン膜19a、19bの長所を活用して、N型及びP型ゲート電極20a、20bを同時に有するいわゆるデュアルゲート構造であっても、これらのN型及びP型ゲート電極20a、20b上に形成したTiSi2 膜22bの細線効果と、N型及びP型ゲート電極20a、20bの空乏化、特にN型ゲート電極20aの空乏化とを同時に抑制することが可能になるため、デュアルゲート構造の素子の微細化、高速化に寄与することができる。
【0078】
また、N型及びP型ゲート電極20a、20bの空乏化を抑制するためにその厚さを必要以上に薄くすことがなくなるため、N型及びP型ゲート電極20a、20b上にTiSi2 膜22bを形成する際にTiSi2 膜22bの部分的な過成長(突き抜け)によりゲート酸化膜17の耐圧劣化が発生することを防止することができる。
更に、特にN型ゲート電極20aの空乏化を抑制するために不純物イオン活性化の際の高温、長時間の熱処理を行う必要がなくなるため、PMOSトランジスタにおける拡散係数の大きいB等の不純物の拡散によるパンチスルーや短チャネル効果の発生を防止して、トランジスタ特性の劣化を防止することができる。
【0079】
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施の形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタ及びその製造方法を、図15〜図20を用いて説明する。ここで、図15は第2の実施の形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタを示す断面図、図16〜図20はそれぞれ図15のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図である。なお、上記第1の実施形態の構成要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略又は簡略にする。
【0080】
図15に示すように、Si基板11上に形成された素子分離用酸化膜12によって分離されているNMOS領域のP型ウェル13上には、ゲート酸化膜17を介して、N型不純物が添加されている多結晶シリコン膜18dと非晶質シリコン膜19aとが順に積層された2層膜構造からなるN型ゲート電極20dが形成されている。
即ち、N型ゲート電極20dが下層の多結晶シリコン膜18dと上層の非晶質シリコン膜19aとの2層膜構造になっている点は、上記第1の実施形態における下層の多結晶シリコン膜18aと上層の非晶質シリコン膜19aとの2層膜構造からなるN型ゲート電極20aと同様の構造であるが、N型ゲート電極20dを構成する下層の多結晶シリコン膜18dには、上記第1の実施形態におけるN型ゲート電極20aを構成する下層の多結晶シリコン膜18aよりも高濃度のN型不純物が添加されている点に特徴がある。そしてその他の構成は、上記第1の実施形態の図1に示す場合とほぼ同様である。
【0081】
次に、図15のデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を、図16〜図20を用いて説明する。
上記第1の実施形態の図2〜図3に示す工程と同様にして、素子分離領域のSi基板11上に素子分離用酸化膜12を形成した後、素子分離用酸化膜12によって分離されたNMOS領域のSi基板11表面にP型ウェル13を形成し、PMOS領域のSi基板11表面にN型ウェル14を形成する。続いて、NMOS領域及びPMOS領域のP型ウェル13及びN型ウェル14上に、それぞれゲート酸化膜17を形成した後、基体全面に多結晶シリコン膜18を成膜する(図16参照)。
【0082】
次いで、PMOS領域をレジスト29でカバーした後、このレジスト29をマスクとして、NMOS領域の多結晶シリコン膜18にN型不純物イオンとして例えばAs+ を選択的にイオン注入する。このときのイオン注入の条件として、加速エネルギーを10〜40keV程度とし、ドーズ量を1×1015〜5×1015/cm2 程度とする。なお、As+ の代わりに、例えばP+ (燐イオン)を用いてもよい。このP+ を用いる場合のイオン注入の条件は、加速エネルギーを10〜40keV程度、ドーズ量を1×1015〜5×10151/cm2 程度とする。こうして、NMOS領域における多結晶シリコン膜18はN型不純物イオンが注入された多結晶シリコン膜18cになる(図17参照)。
【0083】
次いで、レジスト29を除去した後、上記第1の実施形態の図4に示す工程と同様にして、多結晶シリコン膜18c、18上に非晶質シリコン膜19を成膜する(図18参照)。
次いで、上記第1の実施形態の図5に示す工程と同様にして、非晶質シリコン膜19及び多結晶シリコン膜18c、18をゲート形状にパターニングして、NMOS領域のP型ウェル13上にはゲート酸化膜17を介して順に積層された多結晶シリコン膜18c及び非晶質シリコン膜19からなるゲート電極20cを形成し、またPMOS領域のN型ウェル14上にはゲート酸化膜17を介して順に積層された多結晶シリコン膜18及び非晶質シリコン膜19からなるゲート電極20を形成する(図19参照)。
【0084】
次いで、上記第1の実施形態の図6〜図12に示す工程と同様にして、NMOS領域のP型ウェル13表面にAs+ を選択的にイオン注入して低濃度のN- 不純物領域(図示せず)及び高濃度のN+ 不純物領域15a、15bを形成し、LDD構造のソース/ドレインを構成する。
このとき、高濃度のN+ 不純物領域15a、15bを形成するためのAs+ は、ゲート電極20cにもイオン注入されるため、多結晶シリコン膜18c及び非晶質シリコン膜19からなるゲート電極20cはAs+ が更にイオン注入された多結晶シリコン膜18d及びAs+ がイオン注入された非晶質シリコン膜19aからなるN型ゲート電極20dとなる。即ち、下層の多結晶シリコン膜18dには、既にAs+ がイオン注入されているため、N型ゲート電極20dの空乏化を抑制するのに十分な量のAs+ がイオン注入されることになる。
【0085】
また、PMOS領域のN型ウェル14表面にBF2 + を選択的にイオン注入して低濃度のP- 不純物領域(図示せず)及び高濃度のP+ 不純物領域16a、16bを形成し、LDD構造のソース/ドレインを構成する。このとき、高濃度のP+ 不純物領域16a、16bを形成するためのBF2 + はゲート電極20にも注入されるため、共にBF2 + がイオン注入された多結晶シリコン膜18b及び非晶質シリコン膜19bからなるP型ゲート電極20bとなる。
【0086】
その後、RTA法を用いた熱処理により、N- 不純物領域及びN+ 不純物領域15a、15b、P- 不純物領域及びP+ 不純物領域16a、16b、並びにN型及びP型ゲート電極20d、20b中に注入された不純物イオンの活性化を行う。続いて、基体全面に高融点金属膜としてTi膜22を成膜した後、2ステップアニール法を用いて、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16b並びにN型及びP型ゲート電極20a、20b上のTi膜22をシリサイド化して、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16b上にC54相のTiSi2 膜22a、22bを、またN型及びP型ゲート電極20a、20b上にC54相のTiSi2 膜22bを、それぞれ自己整合的に形成する。
【0087】
続いて、基体全面に形成した層間絶縁膜23に、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16b上のTiSi2 膜22aに達する接続孔並びにN型及びP型ゲート電極20a、20b上のTiSi2 膜22bに達する接続孔を開口し、これらの接続孔内を埋めるWプラグ24を介してTiSi2 膜22a、22bに接続する配線層25を形成した後、基体全面に表面保護膜26を形成する(図20参照)。このようにして、図15のデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタを作製する。
【0088】
以上のように本実施形態によれば、Si基板11上にシリコン酸化膜17を介して形成した多結晶シリコン膜18のNMOS領域の部分のみにAs+ を選択的に注入して多結晶シリコン膜18cとし、この多結晶シリコン膜18c及びこの上に積層した非晶質シリコン膜19をパターニングして、NMOS領域に多結晶シリコン膜18c及び非晶質シリコン膜19からなるゲート電極20cを形成した後、このゲート電極20cにAs+ をイオン注入して、下層の多結晶シリコン膜18dと上層の非晶質シリコン膜19aとの2層膜構造からなるN型ゲート電極20dとすることにより、N型ゲート電極20dを構成する下層の多結晶シリコン膜18dには2重にAs+ がイオン注入されることになるため、一般にN型ゲート電極において最も不純物濃度が低くなる下層における不純物濃度を十分に高くすることができる。このため、N型不純物が全体にわたって均一性よく添加されているN型ゲート電極20dを形成することが可能になる。従って、特に顕著な空乏化を生じ易い傾向にあるN型ゲート電極20dの空乏化の抑制を、上記第1の実施形態の場合よりも更に効果的に達成することができる。
また、N型及びP型ゲート電極22d、22b上に形成されたTiSi2 膜22bの細線効果の抑制等は、上記第1の実施形態の場合と同様の効果を奏することができる。
【0089】
なお、上記第2の実施形態においては、特に顕著な空乏化を生じ易いN型ゲート電極の空乏化を抑制するために、N型ゲート電極20dを構成する下層の多結晶シリコン膜18dのみに2重のAs+ イオン注入を行っているが、同様のことをP型ゲート電極について行ってもよい。
即ち、多結晶シリコン膜18のNMOS領域の部分のみにAs+ を選択的に注入して多結晶シリコン膜18cとした後、他方のPMOS領域の部分のみに例えばBF2 + を選択的に注入して多結晶シリコン膜18eとし、こうした多結晶シリコン膜18c、18e及びこの上に積層した非晶質シリコン膜19をパターニングして、NMOS領域に多結晶シリコン膜18c及び非晶質シリコン膜19からなるゲート電極20cを形成すると共に、PMOS領域に多結晶シリコン膜18e及び非晶質シリコン膜19からなるゲート電極20eを形成する。続いて、上記第2の実施形態と同様の工程により、ゲート電極20cにAs+ を選択的にイオン注入してN型ゲート電極20dとした後、更にゲート電極20eに例えばBF2 + を選択的に注入して、BF2 + が2重にイオン注入された下層の多結晶シリコン膜18fとBF2 + がイオン注入された上層の非晶質シリコン膜19bとの2層膜構造からなるP型ゲート電極20fとする。
この場合、N型ゲート電極20dの空乏化の抑制に加えて、P型ゲート電極20fの空乏化の抑制をも、上記第1の実施形態の場合よりも更に効果的に達成することができる。
【0090】
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施の形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタ及びその製造方法を、図21〜図28を用いて説明する。ここで、図21は第3の実施の形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタを示す断面図、図22〜図28はそれぞれ図21のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図である。なお、上記第1の実施形態の構成要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略又は簡略にする。
【0091】
図21に示すように、Si基板11上に形成された素子分離用酸化膜12によって分離されている素子領域のうち、NMOS領域のP型ウェル13上には、ゲート酸化膜17を介してN型不純物が添加されている非晶質シリコン膜からなるN型ゲート電極30aが形成されている。同様にして、PMOS領域のn型ウェル14上には、ゲート酸化膜17を介してP型不純物が添加されている非晶質シリコン膜からなるP型ゲート電極30bが形成されている。
【0092】
即ち、上記第1の実施形態におけるN型ゲート電極20aがN型不純物が添加されている多結晶シリコン膜18aと非晶質シリコン膜19aとの2層構造からなり、P型ゲート電極20bがP型不純物が添加されている多結晶シリコン膜18bと非晶質シリコン膜19bとの2層構造からなっているのに対して、本実施形態においては、N型ゲート電極30a及びP型ゲート電極30bがそれぞれN型不純物及びP型不純物が添加されている単層の非晶質シリコン膜からなっている点に特徴がある。そしてその他の構成は、上記第1の実施形態の図1に示す場合とほぼ同様である。
【0093】
次に、図21のデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を、図22〜図28を用いて説明する。
上記第1の実施形態の図2に示す工程と同様にして、素子分離領域のSi基板11上に素子分離用酸化膜12を形成した後、素子分離用酸化膜12によって分離された素子領域のうち、NMOS領域のSi基板11表面にはP型ウェル13を形成し、PMOS領域のSi基板11表面にはN型ウェル14を形成する。続いて、P型ウェル13及びN型ウェル14上に、それぞれゲート酸化膜17を形成する(図22参照)。
【0094】
次いで、基体全面に非晶質シリコン膜を成膜した後、この非晶質シリコン膜をゲート形状にパターニングして、この非晶質シリコン膜からなるゲート電極30をNMOS領域及びPMOS領域のP型ウェル13及びN型ウェル14上にそれぞれゲート酸化膜17を介して形成する(図23参照)。
次いで、上記第1の実施形態の図6〜図7に示す工程と同様にして、NMOS領域のP型ウェル13表面には例えばAs+ を選択的にイオン注入してN- 不純物領域(図示せず)を形成し、更にPMOS領域のN型ウェル14表面には例えばBF2 + を選択的にイオン注入してP- 不純物領域(図示せず)を形成した後、NMOS領域及びPMOS領域のそれぞれのゲート電極30の各側面に、絶縁膜からなるゲートサイドウォール21を形成する。
【0095】
続いて、PMOS領域をレジスト31でカバーした後、このレジスト31、素子分離用酸化膜12、NMOS領域のゲート電極30、及びこのゲート電極30側面のゲートサイドウォール21をマスクとして、NMOS領域のP型ウェル13表面に例えばAs+ を選択的にイオン注入する。このときのイオン注入の条件として、加速エネルギーを20〜80keV程度とし、ドーズ量を1×1015〜5×1015/cm2 程度とする。こうして、N- 不純物領域と一体となってLDD構造のソース/ドレインを構成する高濃度のN+ 不純物領域15a、15bを形成する。同時に、NMOS領域のゲート電極30にもAs+ がイオン注入されるため、このゲート電極30はAs+ がイオン注入された非晶質シリコン膜からなるN型ゲート電極30aとなる(図24参照)。
【0096】
次いで、レジスト31を除去した後、RTA法を用いて、例えば温度1000〜1100℃、処理時間10〜30秒間の条件で熱処理を行い、N- 不純物領域及びN+ 不純物領域15a、15b並びにN型ゲート電極30a中に注入されたAs+ を活性化する。なお、このRTA法の代わりに、ファーネスアニール等を用いてもよい。この場合、例えば温度800〜950℃、処理時間10〜30分間の条件で熱処理を行う。このようにして、PMOS領域のゲート電極30にP型不純物イオンを注入する前に、N型ゲート電極30a中に注入されたAs+ を活性化する熱処理工程を設けている点に、本実施形態に係る製造方法の特徴がある(図25参照)。
【0097】
次いで、NMOS領域をレジスト32でカバーした後、このレジスト32、素子分離用酸化膜12、PMOS領域のゲート電極30、及びこのゲート電極30側面のゲートサイドウォール21をマスクとして、PMOS領域のN型ウェル14表面に例えばBF2 + を選択的にイオン注入する。このときのイオン注入の条件として、加速エネルギーを20〜40keV程度とし、ドーズ量を1×1015〜5×1015/cm2 程度とする。こうして、P- 不純物領域と一体となってLDD構造のソース/ドレインを構成するP+ 不純物領域16a、16bを形成する。同時に、PMOS領域のゲート電極30にもBF2 + がイオン注入されるため、このゲート電極30はP型ゲート電極30bとなる(図26参照)。
【0098】
次いで、上記第1の実施形態の図9に示す工程と同様にして、レジスト32を除去した後、RTA法を用いた熱処理を行い、P- 不純物領域及びP+ 不純物領域16a、16b並びにP型ゲート電極30b中に注入されたBF2 + を活性化する。
続いて、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16b並びにN型及びP型ゲート電極30a、30b上に自然成長した自然酸化膜を除去した後に、例えば蒸着法を用いて、基体全面に高融点金属膜として例えばTi膜22を成膜する。なお、このTi膜22の代わりに、Co膜やNi膜やPt膜等の高融点金属膜を用いてもよい(図27参照)。
【0099】
次いで、上記第1の実施形態の図10〜図12に示す工程と同様にして、2ステップアニール法を用いて、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16b並びにN型及びP型ゲート電極30a、30b上のTi膜22をシリサイド化する。こうして、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a上にC54相のTiSi2 膜22aを、またN型及びP型ゲート電極30a、30b上にC54相のTiSi2 膜22bを、それぞれ自己整合的に形成する。なお、Ti膜22の代わりに、Co膜やNi膜やPt膜等を用いた場合には、TiSi2 膜の代わりに、CoSi2 膜やNiSi2 膜やPtSi膜等が形成されることになる。
【0100】
続いて、基体全面に形成した層間絶縁膜23に、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16b上のTiSi2 膜22aに達する接続孔並びにN型及びP型ゲート電極30a、30b上のTiSi2 膜22bに達する接続孔を開口し、これらの接続孔内を埋めるWプラグ24を介してTiSi2 膜22a、22bに接続する配線層25を形成した後、基体全面に表面保護膜26を形成する(図28参照)。こうして、図21のデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタを作製する。
【0101】
以上のように本実施形態によれば、NMOS領域及びPMOS領域に非晶質シリコン膜からなるゲート電極30をそれぞれ形成し、このうちのNMOS領域のゲート電極30にAs+ を選択的にイオン注入してN型ゲート電極30aとし、更にこのAs+ を活性化するための熱処理を行った後に、PMOS領域のゲート電極30にBF2 + を選択的にイオン注入してP型ゲート電極30bとし、更にこのBF2 + を活性化するための熱処理を行っていることにより、NMOS領域のN型ゲート電極30aにイオン注入したAs+ を活性化するための熱処理を行う際には、未だPMOS領域のゲート電極30にはP型不純物は全く添加されていない。このため、イオン注入する際のAs+ の飛程がBF2 + の飛程と比較して相対的に小さく、またAsの拡散係数がBの拡散係数と比較して相対的に小さくとも、PMOSトランジスタにおいて拡散係数の大きいBの拡散によるパンチスルーや短チャネル効果が発生する等のトランジスタ特性の劣化を招くことなく、NMOS領域のN型ゲート電極30a全体に十分にAsを拡散することが可能になるため、特に顕著な空乏化を生じ易い傾向にあるN型ゲート電極30aの空乏化を抑制することができる。
【0102】
また、基体全面にTi膜22を成膜した後、熱処理によるシリサイド化反応と未反応のTi膜22の除去等により、N型及びP型ゲート電極30a、30b上にC54相のTiSi2 膜22bを自己整合的に形成しているが、このとき、N型及びP型ゲート電極30a、30bは非晶質シリコン膜からなり、この非晶質シリコン膜上にTi膜22が直接に堆積されて、熱処理によりシリサイド化されることになる。このため、このシリサイド化反応が促進されて十分な低抵抗化を実現することが可能になり、N型及びP型ゲート電極30a、30b上に形成されたTiSi2 膜22bの細線効果を抑制することができる。
【0103】
また、本発明者が本実施形態に基づいて作製したデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタにおいて、N型及びP型ゲート電極30a、30bの幅を変化させてN型及びP型ゲート電極30a、30b上に形成されたTiSi2 膜22bのシート抵抗を測定したところ、上記第1の実施形態における図13のグラフに示す場合と同様の結果となった。即ち、TiSi2 膜22bのシート抵抗の線幅依存性は、細線領域も含めて観察されず、N型及びP型ゲート電極30a、30b上に形成されたTiSi2 膜22bの細線効果が抑制されることが確認された。このことは、N型及びP型ゲート電極30a、30bを構成する非晶質シリコン膜とその上のTi膜22とのシリサイド化反応が、上記第1の実施形態におけるN型及びP型ゲート電極20a、20bを構成する上層の非晶質シリコン膜19a、19bとその上のTi膜22とのシリサイド化反応と実質的に同一である以上、当然のことと考えられる。
【0104】
このようにして、非晶質シリコン膜からなるN型及びP型ゲート電極30a、30bを形成する際に、N型ゲート電極30aの導電化をP型ゲート電極30bの導電化よりも先行させることにより、TiSi2 膜22bの細線効果を抑制することが可能な非晶質シリコン膜の長所を活用しつつ、N型ゲート電極30aの空乏化を抑制して、デュアルゲート構造におけるN型及びP型ゲート電極30a、30b上に形成したTiSi2 膜22bの細線効果とN型ゲート電極30aの空乏化とを同時に抑制することが可能になるため、デュアルゲート構造の素子の微細化、高速化に寄与することができる。
また、N型ゲート電極30aの空乏化を抑制するためにゲート電極の厚さを必要以上に薄くすことがなくなるため、N型及びP型ゲート電極30a、30b上にTiSi2 膜22bを形成する際にTiSi2 膜22bの部分的な過成長(突き抜け)を生じてゲート酸化膜17の耐圧劣化が発生することを防止することができる。
【0105】
(第4の実施形態)
本発明の第4の実施の形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を、図29〜図34を用いて説明する。ここで、図29〜図34はそれぞれ本実施形態に係るC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図である。なお、本実施形態に係る方法により製造したC−MOSトランジスタの構造は、上記第3の実施形態の図21に示す場合と同一であるため、その図示は省略する。また、上記第3の実施形態の構成要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略又は簡略にする。
【0106】
上記第3の実施形態の図22〜図23に示す工程と同様にして、素子分離領域のSi基板11上に素子分離用酸化膜12を形成した後、素子分離用酸化膜12によって分離された素子領域のうち、NMOS領域のSi基板11表面にはP型ウェル13を形成し、PMOS領域のSi基板11表面にはN型ウェル14を形成する。続いて、P型ウェル13及びN型ウェル14上に、それぞれゲート酸化膜17を介して非晶質シリコン膜からなるゲート電極30を形成する(図29参照)。
次いで、上記第3の実施形態の図24に示す工程と同様にして、NMOS領域のP型ウェル13表面に低濃度のN- 不純物領域(図示せず)を形成し、更にPMOS領域のN型ウェル14表面に低濃度のP- 不純物領域(図示せず)を形成した後、NMOS領域及びPMOS領域のそれぞれのゲート電極30の各側面に、絶縁膜からなるゲートサイドウォール21を形成する。
【0107】
続いて、PMOS領域をレジスト31でカバーした後、このレジスト31、素子分離用酸化膜12、NMOS領域のゲート電極30、及びこのゲート電極30側面のゲートサイドウォール21をマスクとして、NMOS領域のP型ウェル13表面に例えばAs+ を選択的にイオン注入する。なお、このときのイオン注入の条件は、上記第3の実施形態の場合と同様とする。こうして、N- 不純物領域と一体となってLDD構造のソース/ドレインを構成する高濃度のN+ 不純物領域15a、15bを形成する。同時に、NMOS領域のゲート電極30にもAs+ がイオン注入されるため、このゲート電極30はN型ゲート電極30aとなる(図30参照)。
【0108】
次いで、レジスト33を除去した後、例えばCVD法を用いて、基体全面に厚さ数〜100nm程度のHTO(High Temperature Oxide) と呼ばれるシリコン酸化膜34を成膜する。この成膜は、SiH4 ガス及びN2 Oガスを反応ガスとして使用し、例えば、
SiH4 ガス流量:20sccm、
N2 Oガス流量:1200sccm、
成膜温度:800〜850℃、
成膜時間:1〜3時間、
圧力:80Pa
の条件により行う。
また同時に、このシリコン酸化膜34の成膜の際の熱処理により、N- 不純物領域及びN+ 不純物領域15a、15b並びにN型ゲート電極30a中に注入されたN型不純物イオンが活性化される(図31参照)。
【0109】
次いで、NMOS領域をレジスト35でカバーした後、このレジスト35、素子分離用酸化膜12、PMOS領域のゲート電極30、及びこのゲート電極30側面のゲートサイドウォール21をマスクとして、更にシリコン酸化膜34を通して、PMOS領域のN型ウェル14表面に例えばBF2 + を選択的にイオン注入する。なお、このときのイオン注入の条件は、上記第3の実施形態の場合と同様とする。こうして、P- 不純物領域と一体となってLDD構造のソース/ドレインを構成する高濃度のP+ 不純物領域16a、16bを形成する。同時に、PMOS領域のゲート電極30にもBF2 + がイオン注入されるため、このゲート電極30はP型ゲート電極30bとなる。このように、PMOS領域のゲート電極30及びN型ウェル14表面にBF2 + をイオン注入する際に、このイオン注入に対するスクリーン酸化膜としてシリコン酸化膜34を用いる点に、本実施形態における製造方法の特徴がある(図32参照)。
【0110】
次いで、レジスト35を除去した後、更にシリコン酸化膜34を除去する。このシリコン酸化膜34の除去は、例えばフッ酸系の薬液を用いてエッチングすることで容易に行うことができる。このシリコン酸化膜34のエッチング除去の際に、同時にN+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16b並びにN型及びP型ゲート電極30a、30b上に自然成長した自然酸化膜を除去する。続いて、蒸着法を用いて、基体全面に高融点金属膜として例えばTi膜22を成膜する。なお、このTi膜22の代わりに、Co膜やNi膜やPt膜等の高融点金属膜を用いてもよい(図33参照)。
【0111】
次いで、上記第3の実施形態の図28に示す工程と同様にして、2ステップアニール法を用いて、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16b並びにN型及びP型ゲート電極30a、30b上のTi膜22をシリサイド化する。こうして、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a上にTiSi2 膜22aを、またN型及びP型ゲート電極30a、30b上にTiSi2 膜22bを、それぞれ自己整合的に形成する。なお、Ti膜22の代わりに、Co膜やNi膜やPt膜等を用いた場合には、TiSi2 膜の代わりに、CoSi2 膜やNiSi2 膜やPtSi膜等が形成されることになる。
【0112】
続いて、基体全面に形成した層間絶縁膜23に、N+ 不純物領域15a、15b及びP+ 不純物領域16a、16b上のTiSi2 膜22aに達する接続孔並びにN型及びP型ゲート電極30a、30b上のTiSi2 膜22bに達する接続孔を開口し、これらの接続孔内を埋めるWプラグ24を介してTiSi2 膜22a、22bに接続する配線層25を形成した後、基体全面に表面保護膜26を形成する(図34参照)。こうして、本実施形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタを作製する。
【0113】
以上のように本実施形態によれば、NMOS領域のゲート電極30にAs+ を選択的にイオン注入してN型ゲート電極30aとした後であって、PMOS領域のゲート電極30にBF2 + を選択的にイオン注入してP型ゲート電極30bとする前に、CVD法を用いてHTOと呼ばれるシリコン酸化膜34を成膜しているが、このときの成膜温度が800〜850℃であり、成膜時間が1〜3時間であることから、上記第3の実施形態においてAs+ を活性化するための熱処理を行った場合と同様の活性化効果を奏するため、PMOSトランジスタにおけるパンチスルーや短チャネル効果の発生等のトランジスタ特性の劣化を招くことなく、NMOS領域のN型ゲート電極30a全体に十分にAsを拡散することが可能になるため、上記第3の実施形態の場合と同様に、特に顕著な空乏化を生じ易い傾向にあるN型ゲート電極30aの空乏化を抑制することができる。
【0114】
また、上記第3の実施形態の場合と同様に、N型及びP型ゲート電極30a、30bは非晶質シリコン膜からなることからN型及びP型ゲート電極30a、30b上に形成されたTiSi2 膜22bの細線効果を抑制することができるため、N型及びP型ゲート電極30a、30b上に形成したTiSi2 膜22bの細線効果とN型ゲート電極30aの空乏化とを同時に抑制することが可能になり、上記第3の実施形態の場合と同様の効果を奏することができる。
更に、本実施形態によれば、PMOS領域のN型ウェル14表面及びゲート電極30にBF2 + を選択的にイオン注入する際に、シリコン酸化膜34を通していおん注入を行うことにより、このシリコン酸化膜34がBF2 + イオン注入に対するスクリーン酸化膜として機能するため、Bの拡散係数が大きくても、PMOSトランジスタのソース/ドレインを構成する高濃度のP+ 不純物領域16a、16bの接合深さを容易に浅くすることが可能になり、トランジスタ特性を向上させることができる。
【0115】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明に係る半導体装置及びその製造方法によれば、次のような効果を奏することができる。
【0116】
また、請求項1に係る半導体装置の製造方法によれば、下層の多結晶シリコン膜と上層の非晶質シリコン膜との2層膜構造からなるゲート電極を形成し、このゲート電極上に堆積した高融点金属膜を熱処理によりシリサイド化する等して、ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成することにより、不純物イオンが結晶のグレインに沿って深くまで注入される多結晶シリコン膜をゲート電極の下層とするため、ゲート電極全体に不純物が均一性よく拡散されて、ゲート電極の空乏化を抑制することができると共に、シリサイド化反応が促進され易い非晶質シリコン膜をゲート電極の上層とするため、十分な低抵抗化が実現されて、ゲート電極上に形成された高融点金属シリサイド膜の細線効果を抑制することができる。従って、微細化、高速化と共に、高駆動能力を実現することが可能なMISトランジスタを作製することができる。
また、ゲート電極の空乏化を抑制するためにゲート電極の厚さを必要以上に薄くすことがなくなるため、ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を形成する際の高融点金属シリサイド膜の部分的な過成長(突き抜け)によるゲート酸化膜の耐圧劣化を防止することができる。更に、ゲート電極の空乏化を抑制するために不純物イオン活性化の際の高温、長時間の熱処理を行う必要がなくなるため、特にPMOSトランジスタにおける拡散係数の大きい不純物の拡散によるパンチスルーや短チャネル効果の発生を防止し、トランジスタ特性の劣化を防止することができる。
【0117】
また、2層膜構造からなるゲート電極の下層を構成する多結晶シリコン膜に予め所定の不純物イオンを注入した後に、ゲート電極全体に改めて同種の不純物を添加することにより、不純物濃度が低くなる傾向にある下層の不純物濃度を高くすることが可能になるため、ゲート電極全体の不純物濃度が均一化されて、より効果的にゲート電極の空乏化を抑制することができる。
【0118】
また、請求項2に係る半導体装置の製造方法によれば、下層の多結晶シリコン膜と上層の非晶質シリコン膜との2層膜構造からなる第1導電型及び第2導電型のゲート電極を形成し、これらの第1導電型及び第2導電型のゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成することにより、N型及びP型ゲート電極を同時に有するデュアルゲート構造であっても、ゲート電極の空乏化を抑制することが可能な多結晶シリコン膜の長所と高融点金属シリサイド膜の細線効果を抑制することが可能な非晶質シリコン膜の長所を活用して、ゲート電極上に形成した高融点金属シリサイド膜の細線効果及びゲート電極の空乏化を同時に抑制することが可能になるため、デュアルゲート構造のMISトランジスタの微細化、高速化に寄与することができる。
【0119】
また、2層膜構造からなる第1及び第2のゲート電極のうち、第1のゲート電極の下層を構成する多結晶シリコン膜に予め第1導電型の不純物イオンを注入した後に、第1のゲート電極全体に改めて同種の不純物を添加することにより、不純物濃度が低くなる傾向にある下層の不純物濃度を高くすることが可能になるため、第1のゲート電極全体の不純物濃度が均一化されて、より効果的に第1のゲート電極の空乏化を抑制することができる。
【0120】
また、請求項3に係る半導体装置の製造方法によれば、2層膜構造からなる第1及び第2のゲート電極のうち、第1のゲート電極の下層を構成する多結晶シリコン膜に予めN型不純物イオンを注入した後に、第1のゲート電極全体に改めてN型不純物を添加することにより、特にゲート電極の空乏化が顕著に生じる傾向にあるN型ゲート電極の下層の不純物濃度を高くして、より効果的にN型ゲート電極の空乏化を抑制することができる。
【0121】
また、請求項4に係る半導体装置の製造方法によれば、2層膜構造からなる第1及び第2のゲート電極のうち、第1のゲート電極の下層を構成する多結晶シリコン膜に予めN型不純物イオンを注入するのに続いて、第2のゲート電極の下層を構成する多結晶シリコン膜に予めP型不純物イオンを注入した後、第1及び第2のゲート電極全体に改めてN型及びP型不純物をそれぞれ添加することにより、N型ゲート電極の下層のN型不純物濃度のみならず、P型ゲート電極の下層のP型不純物濃度をも高くして、より効果的にN型及びP型双方のゲート電極の空乏化を抑制することができる。
【0122】
また、N型不純物イオンを活性化する第1の熱処理とは別にP型不純物イオンを活性化する第2の熱処理を行うため、拡散係数が大きいP型不純物の拡散によるパンチスルーや短チャネル効果の発生を抑制する条件設定を従来技術を用いて行うことが可能になり、トランジスタ特性の劣化を防止することができる。更に、ゲート電極の空乏化を抑制するためにゲート電極の厚さを薄くする必要がなくなるため、ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を形成する際の高融点金属シリサイド膜の部分的な過成長(突き抜け)によるゲート酸化膜の耐圧劣化を防止し、トランジスタ特性の劣化を防止することができる。
【0123】
また、請求項5に係る半導体装置の製造方法によれば、非晶質シリコン膜からなる第1及び第2のゲート電極を形成し、第1のゲート電極にN型不純物イオンを選択的に注入した後、このN型不純物イオンを活性化するに足りる熱処理条件で絶縁膜を形成し、続いてこの絶縁膜を通して第2のゲート電極にP型不純物イオンを選択的に注入して第2の熱処理によって活性化し、これらのN型及びP型ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成していることにより、シリサイド化反応が促進され易い非晶質シリコン膜からN型及びP型ゲート電極を構成しているため、N型及びP型ゲート電極上に形成された高融点金属シリサイド膜の細線効果を抑制することができると共に、また第1のゲート電極に注入したN型不純物イオンを活性化する絶縁膜形成の際には未だ第2のゲート電極にP型不純物は添加されていないため、第1のゲート電極全体にN型不純物を十分に拡散することが可能になり、特に顕著に生じる傾向にあるN型ゲート電極の空乏化を抑制することができる。
また、第1のゲート電極へのN型不純物イオンの注入後に形成した絶縁膜は、第2のゲート電極にP型不純物イオンを選択的に注入する際のスクリーン酸化膜となるため、拡散係数が大きいP型不純物が添加されたP型不純物領域の接合深さを容易に浅くすることが可能になり、トランジスタ特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタを示す断面図である。
【図2】 図1のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その1)である。
【図3】 図1のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その2)である。
【図4】 図1のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その3)である。
【図5】 図1のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その4)である。
【図6】 図1のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その5)である。
【図7】 図1のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その6)である。
【図8】 図1のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その7)である。
【図9】 図1のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その8)である。
【図10】 図1のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その9)である。
【図11】 図1のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その10)である。
【図12】 図1のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その11)である。
【図13】 図1のC−MOSトランジスタのゲート電極の幅とシート抵抗との関係を示すグラフである。
【図14】 第1の実施形態の比較例の不純物領域及びゲート電極の幅とシート抵抗との関係を示すグラフである。
【図15】 第2の実施形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタを示す断面図である。
【図16】 図15のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その1)である。
【図17】 図15のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その2)である。
【図18】 図15のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その3)である。
【図19】 図15のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その4)である。
【図20】 図15のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その5)である。
【図21】 第3の実施形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタを示す断面図である。
【図22】 図21のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その1)である。
【図23】 図21のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その2)である。
【図24】 図21のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その3)である。
【図25】 図21のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その4)である。
【図26】 図21のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その5)である。
【図27】 図21のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その6)である。
【図28】 図21のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その7)である。
【図29】 第3の実施形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その1)である。
【図30】 第3の実施形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その2)である。
【図31】 第3の実施形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その3)である。
【図32】 第3の実施形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その4)である。
【図33】 第3の実施形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その5)である。
【図34】 第3の実施形態に係るデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その6)である。
【図35】 従来のサリサイド技術を用いたデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その1)である。
【図36】 従来のサリサイド技術を用いたデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その2)である。
【図37】 従来のサリサイド技術を用いたデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その3)である。
【図38】 従来のサリサイド技術を用いたデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その4)である。
【図39】 従来のサリサイド技術を用いたデュアルゲート構造のC−MOSトランジスタの製造方法を説明するための工程断面図(その5)である。
【符号の説明】
11・Si基板、12・素子分離用酸化膜、13・P型ウェル、14・N型ウェル、15a、15b・N+ 不純物領域、16a、16b・P+ 不純物領域、17・ゲート酸化膜、18、18a、18b、18c、18d・多結晶シリコン膜、19、19a、19b・非晶質シリコン膜、20・ゲート電極、20a、20c、20d・N型ゲート電極、20b・P型ゲート電極、21・ゲートサイドウォール、22・Ti膜、22a、22b・TiSi2 膜、23・層間絶縁膜、24・Wプラグ、25・配線層、26・表面保護膜、30・ゲート電極、30a・N型ゲート電極、30b・P型ゲート電極、31・レジスト、32・レジスト、33・レジスト、34・シリコン酸化膜、35・レジスト、51・Si基板、52・素子分離用酸化膜、53・P型ウェル、54・N型ウェル、55・ゲート酸化膜、56・ゲート電極、56a・N型ゲート電極、56b・P型ゲート電極、57・ゲートサイドウォール、58・シリコン酸化膜、59・レジスト、60a、60b・N+ 不純物領域、61・レジスト、62a、62b・P+不純物領域、63・Ti膜、63a、63b・TiSi2 膜、64・層間絶縁膜、65・Wプラグ、66・配線層、67・表面保護膜。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device.ofThe present invention relates to a manufacturing method, and more particularly, to a MIS (Metal Insulator Semiconductor) transistor and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
With the recent miniaturization and speeding up of elements, a salicide (Self Aligned Silicide) technique for forming a refractory metal silicide in a self-aligning manner has been widely proposed as a means for reducing parasitic resistance and has already been commercialized. In addition, due to the demand for low power consumption of elements, a dual gate structure having both N-type and P-type gate electrodes is required.
[0003]
Hereinafter, a method for manufacturing a C-MOS transistor having a dual gate structure using the conventional salicide technique will be described with reference to process cross-sectional views of FIGS.
First, after an element
[0004]
Next, after covering the PMOS region with a resist (not shown), N-type impurity ions are formed on the surface of the P-
[0005]
Subsequently, after covering the PMOS region with a resist 59, the resist 59, the element
[0006]
Next, after removing the resist 59 and covering the NMOS region with the
[0007]
Next, after removing the
Subsequently, after removing the
[0008]
Then, using a two-step annealing method, N+Impurity regions 60a, 60b and P+The Ti film 63 deposited on the
That is, by the first heat treatment, N+Impurity regions 60a, 60b and P+The Ti film 63 on the
[0009]
Next, an interlayer
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a dual-gate C-MOS transistor is manufactured using the conventional salicide technique, several problems occur.
For example, with the miniaturization of elements, N constituting source / drain+When the width of the
[0011]
In order to suppress this fine line effect, N+Impurity regions 60a, 60b, P+An amorphous layer is formed on the surfaces of the
[0012]
Further, As as N-type impurity ions is formed on the surface of the P-
[0013]
Also, N with a shallow junction depth+It is difficult to reduce the impurity concentration of the
[0014]
Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and can suppress the thin line effect in the dual gate semiconductor device using the salicide technology and prevent deterioration in transistor characteristics and reliability. Semiconductor deviceofAn object is to provide a manufacturing method.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present inventor has already proposed a “method for manufacturing a semiconductor device” of Japanese Patent Application No. 8-75217. In Japanese Patent Application No. 8-75217, N constituting a source / drain is disclosed.+Impurity region and P+When ion implantation is performed on the surface of the impurity region and the N-type and P-type gate electrodes to form an amorphous layer, the ion implantation is performed with the sacrificial oxide film and the natural oxide film removed from these surfaces. It is said.
[0016]
As a result, the silicidation reaction can be prevented from being suppressed by the knocked-on O atoms, and a sufficiently thick amorphous layer is formed to promote the silicidation reaction.+Impurity region and P+The fine line effect in the impurity region can be suppressed. Further, since a heat treatment added in the middle of the two-step heat treatment of the two-step annealing method for silicidation is not necessary, TiSi by this additional heat treatment2There is no risk of a short circuit due to the protruding growth of the film, and deterioration of transistor characteristics can be prevented.
[0017]
In this way, N on the surface of the Si substrate+Impurity region and P+TiSi on the impurity region2TiSi with sufficiently low resistance when the film is formed in a self-aligned manner2A film can be obtained and the thin line effect can be suppressed.
[0018]
However, according to the inventors' subsequent experiments, the refractory metal silicide film formed on the gate electrode, particularly As+The refractory metal silicide film formed on the N-type gate electrode implanted with a high concentration of ion has a line width dependency that tends to increase the sheet resistance in a thin line region having a gate width of 0.3 μm or less. I found Therefore, a new problem has arisen about how to suppress the thin line effect of the refractory metal silicide film formed on the gate electrode, particularly the N-type gate electrode.
[0019]
As a result of various studies on this new problem, the present inventor has conceived that an amorphous silicon film is used in place of the conventional polycrystalline silicon film as the material of the gate electrode. In the conventional manufacturing method, an amorphous silicon film is used in place of the polycrystalline silicon film, and a refractory metal silicide film is formed on the gate electrode made of the amorphous silicon film. It was confirmed that a refractory metal silicide film can be obtained and the thin line effect is suppressed.
[0020]
However, in the case of the gate electrode made of this amorphous silicon film, it has become clear that so-called depletion of the gate electrode occurs remarkably instead of being able to suppress the thin line effect. That is, a predetermined applied voltage VCCQuantum mechanical effect of gate capacitance C (Quantumn Gate effect capacitance C considering mechanical effectOXRatio to C / COXIn the case of the conventional gate electrode made of a polycrystalline silicon film, it was 90% or more, and in the case of a gate electrode made of an amorphous silicon film, it was 90% or less. This tendency is more remarkable in the N-type gate electrode than in the P-type gate electrode.
[0021]
The cause of such depletion of the gate electrode, particularly the remarkable depletion of the N-type gate electrode, is considered as follows. That is, for example, As+As this ion is implanted+Is relatively small, and the diffusion coefficient of As is relatively small. Therefore, As does not sufficiently diffuse throughout the gate electrode, and in the case of a polycrystalline silicon film, As+Is deeply implanted along the crystal grains, but in the case of an amorphous silicon film, As+Is implanted only in a shallow region as compared to polycrystalline silicon, and therefore, only the vicinity of the surface of the gate electrode is a desired high-concentration N-type region. Conceivable.
[0022]
As a means for suppressing such depletion of the gate electrode, after implanting P-type and N-type impurity ions into the gate electrode, the heat treatment for activating it is heated to a high temperature for a long time to sufficiently diffuse the impurity. It is possible. However, in this case, in the PMOS transistor using B having a large diffusion coefficient as a P-type impurity, there is a problem that transistor characteristics are deteriorated due to punch through due to impurity diffusion.
[0023]
Further, as another means for suppressing the depletion of the gate electrode, it is conceivable to reduce the thickness of the gate electrode. However, in this case, when the refractory metal silicide film is formed on the gate electrode, there arises a problem that the breakdown voltage of the gate oxide film deteriorates due to partial overgrowth (penetration) of the refractory metal silicide film. In order to suppress the breakdown voltage degradation of the gate oxide film, the thickness of the gate electrode is required to be 150 nm or more. However, at this thickness, the gate electrode is significantly depleted, and deterioration of the transistor characteristics is inevitable. There is a problem.
[0024]
As described above, in order to suppress the thin line effect of the refractory metal silicide film formed on the gate electrode, even if an amorphous silicon film is used instead of the conventional polycrystalline silicon film as the material of the gate electrode, If the conventional manufacturing method is used as it is, new problems such as depletion of the gate electrode occur.
[0025]
Therefore, the present inventor, in addition to suppressing the thin line effect of the refractory metal silicide film formed on the gate electrode, when using an amorphous silicon film instead of the conventional polycrystalline silicon film as the material of the gate electrode, Thus, a manufacturing method capable of suppressing depletion of the gate electrode, ensuring a gate breakdown voltage, and preventing deterioration of transistor characteristics was studied. Also, a composite gate electrode capable of utilizing the mutual advantages of an amorphous silicon film capable of suppressing the thin line effect and a polycrystalline silicon film capable of suppressing depletion of the gate electrode The structure was examined. As a result of such examination, the present inventor has made the following semiconductor device according to the present invention.ofI came up with a manufacturing method.
0026]
Claim1A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a polycrystalline silicon film on a semiconductor substrate via a gate insulating filmFormingAfterA step of implanting predetermined impurity ions into the polycrystalline silicon film, and after forming an amorphous silicon film on the polycrystalline silicon film,The amorphous silicon film and the polycrystalline silicon film are patterned into a predetermined shape to form a gate electrode having a two-layer structure of a lower polycrystalline silicon film and an upper amorphous silicon film. A second step of adding a predetermined impurity to the surface of the semiconductor substrate and the gate electrode to form an impurity region and making the gate electrode conductive, and depositing a refractory metal film on the entire surface of the substrate, followed by heat treatment To silicidize the refractory metal film on the impurity region and on the gate electrode and etch away the unreacted refractory metal film to form a refractory metal silicide film on the impurity region and on the gate electrode in a self-aligned manner. And a third step.
0027]
Thus claims1In the method of manufacturing a semiconductor device according to the above, by forming a gate electrode having a two-layer structure of a lower polycrystalline silicon film and an upper amorphous silicon film, impurity ions are deepened along the crystal grains. Since the polycrystalline silicon film having the property of being implanted to the bottom constitutes the lower layer of the gate electrode, impurities can be diffused uniformly throughout the gate electrode, and depletion of the gate electrode can be suppressed. In addition, when a refractory metal silicide film is formed on the gate electrode in a self-aligned manner, the refractory metal film is directly deposited on the amorphous silicon film constituting the upper layer of the gate electrode and silicided by heat treatment. Therefore, this silicidation reaction is promoted to realize a sufficiently low resistance, and the thin line effect of the refractory metal silicide film formed on the gate electrode can be suppressed.
0028]
In this way, the advantage of the polycrystalline silicon film that can suppress the depletion of the gate electrode and the advantage of the amorphous silicon film that can suppress the thin line effect of the refractory metal silicide film are utilized. Therefore, the thin line effect of the refractory metal silicide film formed on the gate electrode and the depletion of the gate electrode can be suppressed at the same time.
In addition, since it is not necessary to reduce the thickness of the gate electrode more than necessary in order to suppress the depletion of the gate electrode, a part of the refractory metal silicide film is formed when the refractory metal silicide film is formed on the gate electrode. The breakdown voltage of the gate oxide film due to excessive overgrowth (penetration) can be prevented. Furthermore, since it is not necessary to perform high-temperature and long-time heat treatment at the time of impurity ion activation in order to suppress depletion of the gate electrode, punch-through and short-channel effects due to diffusion of impurities with a large diffusion coefficient particularly in PMOS transistors Can be prevented, and deterioration of transistor characteristics can be prevented.
0029]
Also,semiconductorAfter forming a polycrystalline silicon film on the substrate via a gate insulating film, a step of implanting predetermined impurity ions into the polycrystalline silicon film, and after forming an amorphous silicon film on the polycrystalline silicon film, Patterning these amorphous silicon film and polycrystalline silicon film into a predetermined shape, and forming a gate electrode having a two-layer structure of a lower polycrystalline silicon film and an upper amorphous silicon film; To have a configuration comprisingFromBefore adding a predetermined impurity to the gate electrode of the two-layer film structure, a predetermined impurity ion is implanted in advance into the polycrystalline silicon film constituting the lower layer of the gate electrode that tends to have a low impurity concentration. Thus, the impurity concentration of the entire gate electrode can be made uniform, and depletion of the gate electrode can be more effectively suppressed.
0030]
Claims2According to the method for manufacturing a semiconductor device, a polycrystalline silicon film is formed on a semiconductor substrate in first and second element regions via a gate insulating film.FormingAfterIn the first element region Selectively implanting first conductivity type impurity ions into the polycrystalline silicon film; and forming an amorphous silicon film on the polycrystalline silicon film;These amorphous silicon film and polycrystalline silicon film are patterned into a predetermined shape to form first and second gates having a two-layer structure of a lower polycrystalline silicon film and an upper amorphous silicon film. A first step of forming electrodes in the first and second element regions, respectively, and a first conductivity type impurity ion is selectively implanted into the surface of the semiconductor substrate and the first gate electrode in the first element region; After selectively implanting impurity ions of the second conductivity type into the surface of the semiconductor substrate and the second gate electrode in the second element region, the impurity ions are activated by heat treatment, and are respectively applied to the first and second element regions. First impurity type and second conductivity type impurity regions are formed, and first and second gate electrodes are formed as first conductivity type and second conductivity type gate electrodes, respectively.2And after the refractory metal film is deposited on the entire surface of the substrate, the refractory metal film on the first conductivity type and second conductivity type impurity regions and on the first conductivity type and second conductivity type gate electrodes by heat treatment. And the unreacted refractory metal film is removed by etching, and the refractory metal is formed on the first conductivity type and second conductivity type impurity regions and on the first conductivity type and second conductivity type gate electrodes. First, the silicide film is formed in a self-aligned manner.3The process is comprised.
0031]
Thus claims2In the method of manufacturing a semiconductor device according to the first aspect, first and second conductivity type impurity regions are formed in the first and second element regions, and the lower polycrystalline silicon film and the upper amorphous silicon film are formed. Forming a first conductive type and a second conductive type gate electrode having a two-layer structure, and on the first conductive type and second conductive type impurity regions and the first conductive type and second conductive type gates. By forming a refractory metal silicide film on the electrode in a self-aligning manner, it is possible to suppress depletion of the gate electrode even in a so-called dual gate structure having both N-type and P-type gate electrodes. By utilizing the advantages of the crystalline silicon film and the amorphous silicon film capable of suppressing the thin line effect of the refractory metal silicide film, the thin line effect and gate of the refractory metal silicide film formed on the gate electrode are utilized. Since it is possible to simultaneously suppress the poles of depletion, it is possible to contribute miniaturization of elements of the dual-gate structure, the high speed.
0032]
In addition, after a polycrystalline silicon film is formed on the semiconductor substrate in the first and second element regions via a gate insulating film, the first conductivity type impurity ions are selected in the polycrystalline silicon film in the first element region. And a step of forming an amorphous silicon film on the polycrystalline silicon film, and then patterning the amorphous silicon film and the polycrystalline silicon film into a predetermined shape to form a lower polycrystalline silicon film Forming a first gate electrode and a second gate electrode having a two-layer structure of a first amorphous silicon film and an upper amorphous silicon film in the first and second element regions, respectively. The polycrystalline silicon film constituting the lower layer of the first gate electrode in which the impurity concentration tends to be lowered before the impurity of the first conductivity type is added to the first gate electrode having a two-layer film structure in one element region First conductivity type Selectively implanting impurity ions, since is possible to increase the impurity concentration of the lower layer permits, can be more effectively suppressed depletion of a first conductivity type gate electrode.
0033]
Claims3The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8 is the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the first conductivity type impurity ions to be selectively implanted into the polycrystalline silicon film in the first element region are N-type impurity ions. With this configuration, it is possible to increase the impurity concentration in the lower layer of the N-type gate electrode, which tends to cause depletion of the gate electrode particularly, and to more effectively suppress the depletion of the N-type gate electrode. Can do.
0034]
Claims4A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13In the method of manufacturing a semiconductor device according to the above, after the step of selectively implanting N-type impurity ions into the polycrystalline silicon film in the first element region, P-type impurity ions are implanted into the polycrystalline silicon film in the second element region. By adopting a structure including the step of selectively injecting, not only the impurity concentration of the lower layer of the N-type gate electrode but also the impurity concentration of the lower layer of the P-type gate electrode is increased, so that the N-type and Depletion of both P-type gate electrodes can be suppressed.
0035]
Claims5In the method of manufacturing a semiconductor device according to the first aspect, after depositing an amorphous silicon film via a gate insulating film on the semiconductor substrate in the first and second element regions, the amorphous silicon film is patterned into a predetermined shape. Then, the first step of forming the first and second gate electrodes made of an amorphous silicon film, and the surface of the semiconductor substrate in the first element region and the first gate electrode are selectively doped with N-type impurity ions. After injectingN-type impurity ionsActivatedAn insulating film is formed on the entire surface of the substrate by the vapor phase growth method under the heat treatment conditions, and at the same time,A second step of forming an N-type impurity region on the surface of the semiconductor substrate of the first element region and making the first gate electrode an N-type gate electrode;Through the insulating filmAfter selectively implanting P-type impurity ions into the surface of the semiconductor substrate and the second gate electrode in the second element region,PredeterminedA third step of activating P-type impurity ions by the heat treatment to form a P-type impurity region on the surface of the semiconductor substrate of the second element region and making the second gate electrode a P-type gate electrode;After removing the insulating filmAfter the refractory metal film is deposited on the entire surface of the substrate, the refractory metal film on the N-type and P-type impurity regions and the N-type and P-type gate electrodes is silicided by heat treatment, and an unreacted refractory metal film is formed. And a fourth step of forming a refractory metal silicide film in a self-aligned manner on the N-type and P-type impurity regions and on the N-type and P-type gate electrodes by etching away.
0036]
Thus claims5In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the refractory metal silicide film is formed in a self-aligned manner on the N-type and P-type gate electrodes made of an amorphous silicon film, so that these N-type and P-type gates are formed. The fine line effect of the refractory metal silicide film formed on the electrode can be suppressed.
0037]
In addition, after selectively injecting N-type impurity ions into the first gate electrode and performing a first heat treatment for activating the N-type impurity ions, P-type impurity ions are applied to the second gate electrode. By selectively implanting and performing the second heat treatment for activating the P-type impurity ions, the P-type impurity is not yet added to the second gate electrode during the first heat treatment. Even if the range of N-type impurity ions during ion implantation is relatively small and the diffusion coefficient of N-type impurities is relatively small, punch-through and short channel effects due to diffusion of P-type impurities having a large diffusion coefficient Since N-type impurities can be sufficiently diffused throughout the first gate electrode made of an amorphous silicon film without causing deterioration of the characteristics of the PMOS transistor due to generation or the like, it tends to occur particularly noticeably. It is possible to suppress the depletion of the N-type gate electrode.
0038]
In this way, depletion of the N-type gate electrode can be suppressed by making the N-type gate electrode conductive before the P-type gate electrode, and the refractory metal formed on the gate electrode. By utilizing the advantages of the amorphous silicon film that can suppress the thin line effect of the silicide film, even in a dual gate structure, the N-type gate electrode is depleted and the refractory metal formed on the gate electrode The fine line effect of the silicide film can be suppressed at the same time. Furthermore, since it is not necessary to reduce the thickness of the gate electrode in order to suppress depletion of the gate electrode, partial overgrowth of the refractory metal silicide film when the refractory metal silicide film is formed on the gate electrode. It is possible to prevent the breakdown voltage of the gate oxide film from being deteriorated due to (penetration) and to prevent the transistor characteristics from being deteriorated.
0039]
Also,A refractory metal silicide film is formed on the N-type and P-type gate electrodes made of an amorphous silicon film in a self-aligned manner, and an N-type impurity ion is formed on the first gate electrode made of the amorphous silicon film. The insulating film is formed after selectively injecting, but the heat treatment conditions for forming this insulating film are sufficient to activate the N-type impurity ions.N typeIn addition, the thin line effect of the refractory metal silicide film formed on the P-type gate electrode can be suppressed, the depletion of the N-type gate electrode can be suppressed, and the deterioration of the transistor characteristics due to the breakdown voltage degradation of the gate oxide film can be prevented. .
In addition, the insulating film formed after the N-type impurity ions are implanted into the first gate electrode is used when the P-type impurity ions are selectively implanted into the surface of the semiconductor substrate in the second element region and the second gate electrode. Since it becomes a screen oxide film, even if it is a P-type impurity having a large diffusion coefficient, it becomes possible to easily reduce the junction depth of the P-type impurity region formed on the semiconductor substrate surface of the second element region, The PMOS transistor characteristics can be improved.
0040]
As prior arts related to the present invention, there are “a manufacturing method of a MIS type semiconductor device” of Japanese Patent Laid-Open No. 3-209934 and “a method of manufacturing a semiconductor device” of Japanese Patent Laid-Open No. 7-37992. The essential differences from the present invention will be described below.
0041]
In “Manufacturing method of MIS type semiconductor device” of Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 3-20934, the method of manufacturing a semiconductor device in which titanium silicide is formed on the exposed polycrystalline silicon surface in a self-aligned manner is provided. A step of forming a polycrystalline silicon film over the gate insulating film, a process of amorphizing the vicinity of the surface of the polycrystalline silicon film by implanting impurity ions into the polycrystalline silicon film; A process of processing a silicon film into a gate electrode and wiring by photolithography and etching techniques, a process of forming a titanium metal film over the entire surface of the semiconductor substrate, and a heat treatment of the semiconductor substrate on which the titanium metal film is formed Changing the titanium on the silicon surface and titanium on the gate electrode into titanium silicide, and the titanium silicide Method for producing a MIS-type semiconductor device characterized by comprising the step of selectively removing the titanium compound and the titanium metal other than "a.
0042]
JPIn the manufacturing method according to Japanese Patent No. 3-209834, impurity ions are implanted into a polycrystalline silicon film formed on a semiconductor substrate via a gate insulating film to make the surface vicinity amorphous, and this surface vicinity is made amorphous silicon. The film is processed into a gate electrode, a titanium metal film is formed on the gate electrode, the amorphous silicon layer on the gate electrode surface is converted into titanium silicide by heat treatment, and titanium silicide is self-aligned on the gate electrode. To form.
0043]
Accordingly, the claims of the present invention1A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, ie, forming a gate electrode having a two-layer film structure of a lower polycrystalline silicon film and an upper amorphous silicon film on a semiconductor substrate via a gate insulating film, A semiconductor device characterized by depositing a refractory metal film on an electrode, siliciding the refractory metal film on the gate electrode by heat treatment, and forming a refractory metal silicide film on the gate electrode in a self-aligning manner. The manufacturing method is essentially different from the manufacturing method disclosed in JP-A-3-209834.
0044]
Similarly, the claims of the present invention5The first and second gate electrodes made of an amorphous silicon film are formed on the semiconductor substrate in the first and second element regions via the gate insulating film, and the first and second gate electrodes are formed. After selectively injecting N-type impurity ions into the first gate electrode, the N-type impurity ions are activated by a first heat treatment to make the first gate electrode an N-type gate electrode, and subsequently to the second gate electrode. After selectively implanting P-type impurity ions, the second heat treatment activates the P-type impurity ions to form a P-type gate electrode, and a high melting point is formed on these N-type and P-type gate electrodes. A method of manufacturing a semiconductor device characterized in that the metal silicide film is formed in a self-aligned manner is essentially different from the manufacturing method of Japanese Patent Laid-Open No. 3-209984.
0045]
JPIn the manufacturing method according to No. 7-37992, after an amorphous silicon layer is formed on a semiconductor substrate on which a gate insulating film is formed, the amorphous silicon layer is converted into a polycrystalline silicon layer by heat treatment, and a metal silicide is formed on the polycrystalline silicon layer. A layer is formed, and the metal silicide layer and the polycrystalline silicon layer are patterned to form a gate electrode.
Accordingly, the claims of the present invention1A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, ie, forming a gate electrode having a two-layer film structure of a lower polycrystalline silicon film and an upper amorphous silicon film on a semiconductor substrate via a gate insulating film, A manufacturing method of a semiconductor device characterized by forming a refractory metal silicide film on an electrode in a self-aligning manner is essentially different from the manufacturing method of Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-37992.
0046]
Similarly, the claims of the present invention5The first and second gate electrodes made of an amorphous silicon film are formed on the semiconductor substrate in the first and second element regions via the gate insulating film, and the first and second gate electrodes are formed. After selectively injecting N-type impurity ions into the first gate electrode, the N-type impurity ions are activated by a first heat treatment to make the first gate electrode an N-type gate electrode, and subsequently to the second gate electrode. After selectively implanting P-type impurity ions, the second heat treatment activates the P-type impurity ions to form a P-type gate electrode, and a high melting point is formed on these N-type and P-type gate electrodes. A method for manufacturing a semiconductor device characterized in that the metal silicide film is formed in a self-aligned manner is essentially different from the method described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-37992.
0047]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(First embodiment)
A dual-gate C-MOS transistor and a manufacturing method thereof according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 1 is a cross-sectional view showing a dual-gate C-MOS transistor according to this embodiment, and FIGS. 2 to 12 are process cross-sectional views for explaining a method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 13 is a graph showing the relationship between the width of the gate electrode and the sheet resistance of the C-MOS transistor of FIG. 1, and FIG. 14 is a graph showing the relationship between the impurity region and the width of the gate electrode and the sheet of the comparative example of this embodiment. It is a graph which shows the relationship with resistance.
0048]
As shown in FIG. 1, an element
Of these element regions, a P-
0049]
The surface of the P-type well 13 in the NMOS region has a high concentration of N added with, for example, As as an N-type impurity.+Impurity regions 15a and 15b are formed facing each other, and these N+A region sandwiched between the
0050]
Similarly, the surface of the N-type well 14 in the PMOS region has a high concentration of P to which, for example, B is added as a P-type impurity.+Impurity regions 16a and 16b and low concentration P-Impurity regions (not shown) are formed relative to each other.-A region sandwiched between the impurity regions is a channel region. And P+Impurity regions 16a and 16b and P-The impurity region is integrated with the source / drain of the LDD structure.
N on the surface of the P-type well 13-A
0051]
Similarly, P on the surface of the N-type well 14-On the channel region sandwiched between the impurity regions, a
0052]
Here, the thickness of the
0053]
Further, gate sidewalls 21 made of an insulating film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film are formed on the side surfaces of the N-type and P-
0054]
N constituting the source / drain+Impurity regions 15a, 15b and P+C54 phase TiSi is formed on the
0055]
An interlayer insulating
0056]
Next, a method for manufacturing the dual-gate C-MOS transistor of FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
First, using a LOCOS (Local Oxidatin of Silicon) method, wet oxidation is performed at a temperature of 950 ° C. to form an element
0057]
Subsequently, among the element regions separated by the element
0058]
Next, H2/ O2For example, pyrogenic oxidation using a gas is performed under the condition of a temperature of 850 ° C., and a
0059]
Next, a
Pressure: 50-400Pa,
Deposition temperature: 600-650 ° C,
SiHFourGas flow rate: 50-2000sccm
(See FIG. 3).
Next, predetermined impurity ions are implanted into the polycrystalline silicon film.
→ Based on “After forming a polycrystalline silicon film, a predetermined impurity ion is implanted into the polycrystalline silicon film” described in paragraph 0033.
0060]
Next, an
Pressure: 50-400Pa,
Deposition temperature: 500-600 ° C,
SiHFourGas flow rate: 50-2000sccm
(See FIG. 4).
0061]
Next, the
0062]
Next, after covering the PMOS region with a resist (not shown), the resist, the element
0063]
Subsequently, for example, SiHFour/ O2Atmospheric pressure CVD method using gas as raw material gas, TEOS (tetaraethoxysilane; (C2HFiveO)FourTEOS low pressure CVD method using Si) as raw material, SiHFour/ NHThreeAn insulating film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is deposited on the entire surface of the substrate using an atmospheric pressure CVD method using a gas or the like as a source gas, and then this insulating film is anisotropically etched using a dry etching method. Thus, gate sidewalls 21 made of an insulating film are formed on each side surface of the
0064]
Next, after covering the PMOS region with a resist 27, the resist 27, the element
0065]
At the same time, the
0066]
Next, the resist 27 is removed. Subsequently, after the NMOS region is covered with a resist 28, P-type impurity ions are formed using the resist 28, the element
At the same time, the BF is also applied to the
0067]
Next, after removing the resist 28, heat treatment is performed using a rapid thermal annealing (RTA) method, for example, at a temperature of 1000 ° C. for a treatment time of 30 seconds, and N-Impurity region and N+Impurity regions 15a, 15b, P-Impurity region and P+Impurity ions As implanted into the
0068]
Followed by N+Impurity regions 15a, 15b and P+A natural oxide film (not shown) that naturally grows on the
0069]
Then, using a two-step annealing method, N+Impurity regions 15a, 15b and P+The
0070]
That is, as the first heat treatment, for example, N2(Nitrogen) RTA treatment is performed in a gas atmosphere at a temperature of 650 ° C. for a treatment time of 30 seconds, and N+Impurity regions 15a, 15b and P+The Si in the
After that, as the second heat treatment, for example, N2Perform RTA treatment at a temperature of 800 ° C. and a treatment time of 30 seconds in a gas atmosphere to obtain C49 phase TiSi2The
0071]
Next, an
0072]
As described above, according to the present embodiment, a gate having a two-layer structure of the
0073]
Then, the diffusion of impurities with good uniformity into the entire N-type and P-
0074]
Further, after the
0075]
In the dual-gate C-MOS transistor manufactured by the present inventor based on the present embodiment, the widths of the N-type and P-
0076]
For comparison, in the graph of FIG. 14, the source / drain is configured in a C-MOS transistor having a dual gate structure manufactured based on the method of manufacturing a semiconductor device according to the above-mentioned Japanese Patent Application No. 8-75217. N+Impurity region and P+TiSi formed on the impurity regions and the N-type and P-type gate electrodes made of the polycrystalline silicon film by changing the width thereof2The result of having measured the sheet resistance of the film | membrane is shown. From this graph, N+Impurity region and P+TiSi formed on impurity region2Although the line width dependence of the sheet resistance of the film is not observed including the thin line region, TiSi formed on the N-type and P-type gate electrodes2The dependence of the sheet resistance of the film on the line width is observed, and in the thin line region, the sheet resistance increases rapidly as the gate width decreases, and this tendency is particularly noticeable in the case of the N-type gate electrode.
Therefore, by comparing the graph of FIG. 13 with the graph of FIG. 14, the TiSi formed on the N-type and P-
0077]
In this way, by forming the N-type and P-
0078]
In addition, since the thickness of the N-type and P-
In addition, since it is not necessary to perform high-temperature and long-time heat treatment at the time of impurity ion activation to suppress depletion of the N-
0079]
(Second Embodiment)
A dual-gate C-MOS transistor and a method for manufacturing the same according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 15 is a sectional view showing a dual-gate C-MOS transistor according to the second embodiment, and FIGS. 16 to 20 are steps for explaining a method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. It is sectional drawing. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element same as the component of the said 1st Embodiment, and description is abbreviate | omitted or simplified.
0080]
As shown in FIG. 15, an N-type impurity is added via a
That is, the point that the N-
0081]
Next, a method for manufacturing the dual-gate C-MOS transistor of FIG. 15 will be described with reference to FIGS.
The element
0082]
Next, after covering the PMOS region with a resist 29, using this resist 29 as a mask, the
0083]
Next, after removing the resist 29, an
Next, in the same manner as the process shown in FIG. 5 of the first embodiment, the
0084]
Next, in the same manner as the steps shown in FIGS. 6 to 12 of the first embodiment, As is formed on the surface of the P-type well 13 in the NMOS region.+Is selectively ion-implanted to form a low concentration of N-Impurity region (not shown) and high concentration N+Impurity regions 15a and 15b are formed to constitute the source / drain of the LDD structure.
At this time, high concentration of N+As for forming
0085]
In addition, BF is formed on the surface of the N-type well 14 in the PMOS region.2 +Selectively ion-implanted with a low concentration of P-Impurity region (not shown) and high concentration P+Impurity regions 16a and 16b are formed to constitute the source / drain of the LDD structure. At this time, a high concentration of P+BF for forming
0086]
Thereafter, N is performed by heat treatment using the RTA method.-Impurity region and N+Impurity regions 15a, 15b, P-Impurity region and P+The impurity ions implanted into the
0087]
Subsequently, the
0088]
As described above, according to the present embodiment, As is formed only in the NMOS region portion of the
Further, TiSi formed on the N-type and P-type gate electrodes 22d and 22b.2Suppression of the fine line effect of the
0089]
Note that in the second embodiment, in order to suppress the depletion of the N-type gate electrode, which is particularly likely to cause significant depletion, only the lower polycrystalline silicon film 18d constituting the N-
In other words, As is only applied to the NMOS region portion of the polycrystalline silicon film 18.+Is selectively implanted to form a polycrystalline silicon film 18c, and then, for example, BF is applied only to the other PMOS region.2 +Is selectively implanted to form a polycrystalline silicon film 18e, and the polycrystalline silicon films 18c and 18e and the
In this case, in addition to the suppression of depletion of the N-
[0090]
(Third embodiment)
A dual-gate C-MOS transistor and a method of manufacturing the same according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 21 is a sectional view showing a dual-gate C-MOS transistor according to the third embodiment, and FIGS. 22 to 28 are steps for explaining a method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. It is sectional drawing. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element same as the component of the said 1st Embodiment, and description is abbreviate | omitted or simplified.
[0091]
As shown in FIG. 21, among the element regions isolated by the element
[0092]
That is, the N-
[0093]
Next, a method for manufacturing the dual-gate C-MOS transistor of FIG. 21 will be described with reference to FIGS.
In the same manner as the process shown in FIG. 2 of the first embodiment, after the element
[0094]
Next, after forming an amorphous silicon film on the entire surface of the substrate, the amorphous silicon film is patterned into a gate shape, and the
Next, in the same way as the steps shown in FIGS. 6 to 7 of the first embodiment, the surface of the P-type well 13 in the NMOS region is, for example, As.+Selectively ion-implanted and N-An impurity region (not shown) is formed, and further, for example, BF is formed on the surface of the N-type well 14 in the PMOS region.2 +Selectively ion-implanted and P-After forming the impurity region (not shown), the
[0095]
Subsequently, after covering the PMOS region with a resist 31, the resist 31, the element
[0096]
Next, after removing the resist 31, heat treatment is performed using the RTA method under conditions of, for example, a temperature of 1000 to 1100 ° C. and a processing time of 10 to 30 seconds, and N-Impurity region and N+As implanted into
[0097]
Next, the NMOS region is covered with a resist 32, and then the resist 32, the element
[0098]
Next, in the same manner as the process shown in FIG. 9 of the first embodiment, after removing the resist 32, heat treatment using the RTA method is performed, and P-Impurity region and P+BF implanted into
Followed by N+Impurity regions 15a, 15b and P+After removing the natural oxide film naturally grown on the
[0099]
Next, in the same manner as the steps shown in FIGS. 10 to 12 of the first embodiment, N-step annealing is used.+
[0100]
Subsequently, the
[0101]
As described above, according to the present embodiment, the
[0102]
Further, after the
[0103]
In the dual-gate C-MOS transistor manufactured by the present inventor based on this embodiment, the widths of the N-type and P-
[0104]
In this way, when the N-type and P-
In addition, since the thickness of the gate electrode is not reduced more than necessary to suppress depletion of the N-
[0105]
(Fourth embodiment)
A method for manufacturing a dual-gate C-MOS transistor according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, FIG. 29 to FIG. 34 are process cross-sectional views for explaining the manufacturing method of the C-MOS transistor according to this embodiment, respectively. Note that the structure of the C-MOS transistor manufactured by the method according to the present embodiment is the same as that shown in FIG. The same components as those of the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted or simplified.
[0106]
In the same manner as the steps shown in FIGS. 22 to 23 of the third embodiment, the element
Next, in the same manner as the process shown in FIG. 24 of the third embodiment, a low concentration N is formed on the surface of the P-type well 13 in the NMOS region.-An impurity region (not shown) is formed, and a low concentration P is formed on the surface of the N-type well 14 in the PMOS region.-After forming the impurity region (not shown), the
[0107]
Subsequently, after covering the PMOS region with a resist 31, the resist 31, the element
[0108]
Next, after removing the resist 33, a
SiHFourGas flow rate: 20sccm,
N2O gas flow rate: 1200sccm,
Deposition temperature: 800-850 ° C,
Deposition time: 1-3 hours,
Pressure: 80Pa
Perform according to the conditions.
At the same time, the heat treatment during the formation of the
[0109]
Next, after covering the NMOS region with a resist 35, the
[0110]
Next, after removing the resist 35, the
[0111]
Next, in the same manner as the process shown in FIG. 28 of the third embodiment, N-step annealing is used.+
[0112]
Subsequently, the
[0113]
As described above, according to the present embodiment, the
[0114]
Similarly to the case of the third embodiment, since the N-type and P-
Further, according to the present embodiment, the surface of the N-type well 14 in the PMOS region and the
[0115]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0116]
Claims1According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a gate electrode having a two-layer structure of a lower polycrystalline silicon film and an upper amorphous silicon film is formed, and a refractory metal film deposited on the gate electrode By forming a refractory metal silicide film on the gate electrode in a self-aligned manner by, for example, siliciding by heat treatment, a polycrystalline silicon film into which impurity ions are implanted deep along the crystal grains is formed into the gate electrode. Therefore, an impurity is diffused uniformly in the entire gate electrode, so that depletion of the gate electrode can be suppressed, and an amorphous silicon film that facilitates silicidation reaction is formed as an upper layer of the gate electrode. Therefore, a sufficiently low resistance is realized, and the thin line effect of the refractory metal silicide film formed on the gate electrode can be suppressed. Therefore, it is possible to manufacture a MIS transistor capable of realizing high driving capability as well as miniaturization and high speed.
In addition, since it is not necessary to reduce the thickness of the gate electrode more than necessary in order to suppress the depletion of the gate electrode, a part of the refractory metal silicide film is formed when the refractory metal silicide film is formed on the gate electrode. The breakdown voltage of the gate oxide film due to excessive overgrowth (penetration) can be prevented. Furthermore, since it is not necessary to perform high-temperature and long-time heat treatment at the time of impurity ion activation in order to suppress depletion of the gate electrode, punch-through and short-channel effects due to diffusion of impurities with a large diffusion coefficient particularly in PMOS transistors Can be prevented, and deterioration of transistor characteristics can be prevented.
[0117]
Also,Double layer filmA predetermined impurity ion is previously implanted into the polycrystalline silicon film constituting the lower layer of the gate electrode having a structure, and then the same kind of impurity is added again to the entire gate electrode, so that the impurity concentration in the lower layer tends to decrease. Since the concentration can be increased, the impurity concentration of the entire gate electrode is made uniform, and depletion of the gate electrode can be suppressed more effectively.
[0118]
Claims2According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first conductivity type and the second conductivity type gate electrodes having a two-layer film structure of the lower polycrystalline silicon film and the upper amorphous silicon film are formed. Even if a dual gate structure having both N-type and P-type gate electrodes by forming a refractory metal silicide film on the first conductivity type and second conductivity type gate electrodes in a self-aligned manner, the gate electrode By using the advantages of a polycrystalline silicon film that can suppress depletion of the amorphous silicon film and the advantage of an amorphous silicon film that can suppress the thin line effect of a refractory metal silicide film, it was formed on the gate electrode. Since the thin line effect of the refractory metal silicide film and the depletion of the gate electrode can be suppressed at the same time, it is possible to contribute to miniaturization and higher speed of the MIS transistor having a dual gate structure.
[0119]
Also,Double layer filmOf the first and second gate electrodes having the structure, after first implanting impurity ions of the first conductivity type into the polycrystalline silicon film constituting the lower layer of the first gate electrode, the entire first gate electrode is reintroduced. By adding the same kind of impurities, it becomes possible to increase the impurity concentration of the lower layer, which tends to decrease the impurity concentration, so that the impurity concentration of the entire first gate electrode is made uniform and more effective. Depletion of the first gate electrode can be suppressed.
[0120]
Claims3According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, N-type impurity ions are implanted in advance into the polycrystalline silicon film constituting the lower layer of the first gate electrode out of the first and second gate electrodes having a two-layer film structure. After that, by adding an N-type impurity again to the entire first gate electrode, the impurity concentration in the lower layer of the N-type gate electrode, which tends to cause depletion of the gate electrode in particular, is increased, and it is more effective. In addition, depletion of the N-type gate electrode can be suppressed.
[0121]
Claims4According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, N-type impurity ions are implanted in advance into the polycrystalline silicon film constituting the lower layer of the first gate electrode out of the first and second gate electrodes having a two-layer film structure. Subsequently, P-type impurity ions are implanted in advance into the polycrystalline silicon film constituting the lower layer of the second gate electrode, and then the N-type and P-type impurities are respectively added to the entire first and second gate electrodes. By adding, not only the N-type impurity concentration in the lower layer of the N-type gate electrode but also the P-type impurity concentration in the lower layer of the P-type gate electrode is increased, so that both the N-type and P-type gate electrodes can be more effectively performed. Can be suppressed.
[0122]
Further, since the second heat treatment for activating the P-type impurity ions is performed separately from the first heat treatment for activating the N-type impurity ions, punch-through due to the diffusion of the P-type impurities having a large diffusion coefficient and the short channel effect. It is possible to set conditions for suppressing the occurrence by using the conventional technique, and it is possible to prevent deterioration of transistor characteristics. Furthermore, since it is not necessary to reduce the thickness of the gate electrode in order to suppress depletion of the gate electrode, partial overgrowth of the refractory metal silicide film when the refractory metal silicide film is formed on the gate electrode. It is possible to prevent the breakdown voltage of the gate oxide film from being deteriorated due to (penetration) and to prevent the transistor characteristics from being deteriorated.
[0123]
Claims5According to the manufacturing method of the semiconductor device according toAmorphousFirst and second gate electrodes made of a silicon film are formed, N-type impurity ions are selectively implanted into the first gate electrode, and then the insulating film is subjected to heat treatment conditions sufficient to activate the N-type impurity ions. Then, P-type impurity ions are selectively implanted into the second gate electrode through this insulating film and activated by a second heat treatment, and a refractory metal silicide is formed on these N-type and P-type gate electrodes. Since the film is formed in a self-aligned manner, the N-type and P-type gate electrodes are formed from an amorphous silicon film in which the silicidation reaction is easily promoted.While the fine line effect of the refractory metal silicide film formed on the N-type and P-type gate electrodes can be suppressed,In addition, since the P-type impurity is not yet added to the second gate electrode when forming the insulating film for activating the N-type impurity ions implanted into the first gate electrode,N-type impurities can be sufficiently diffused throughout the first gate electrode, and depletion of the N-type gate electrode, which tends to be particularly noticeable, can be suppressed.
The insulating film formed after the N-type impurity ions are implanted into the first gate electrode serves as a screen oxide film when the P-type impurity ions are selectively implanted into the second gate electrode. The junction depth of the P-type impurity region to which a large P-type impurity is added can be easily reduced, and the transistor characteristics can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a dual-gate C-MOS transistor according to a first embodiment.
2 is a process cross-sectional view (No. 1) for describing a method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 1; FIG.
3 is a process cross-sectional view (No. 2) for describing the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 1; FIG.
FIG. 4 is a process cross-sectional view (part 3) for explaining the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 1;
5 is a process cross-sectional view (No. 4) for describing the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 1; FIG.
6 is a process cross-sectional view (No. 5) for explaining the manufacturing method of the C-MOS transistor of FIG. 1; FIG.
7 is a process cross-sectional view (No. 6) for describing the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 1; FIG.
8 is a process cross-sectional view (No. 7) for describing the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 1; FIG.
9 is a process sectional view (No. 8) for explaining the production method of the C-MOS transistor of FIG. 1; FIG.
10 is a process cross-sectional view (No. 9) for explaining the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 1; FIG.
11 is a process cross-sectional view (No. 10) for describing the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 1; FIG.
12 is a process sectional view (No. 11) for explaining the production method of the C-MOS transistor of FIG. 1; FIG.
13 is a graph showing the relationship between the gate electrode width and sheet resistance of the C-MOS transistor of FIG. 1;
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the width of an impurity region and a gate electrode and a sheet resistance in a comparative example of the first embodiment.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a dual-gate C-MOS transistor according to a second embodiment.
16 is a process cross-sectional view (No. 1) for describing the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 15; FIG.
FIG. 17 is a process cross-sectional view (part 2) for explaining the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 15;
FIG. 18 is a process cross-sectional view (part 3) for explaining the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 15;
FIG. 19 is a process cross-sectional view (part 4) for explaining the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 15;
FIG. 20 is a process cross-sectional view (part 5) for explaining the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 15;
FIG. 21 is a cross-sectional view showing a dual-gate C-MOS transistor according to a third embodiment.
FIG. 22 is a process cross-sectional view (No. 1) for describing the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 21;
FIG. 23 is a process cross-sectional view (part 2) for explaining the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 21;
FIG. 24 is a process cross-sectional view (part 3) for explaining the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 21;
FIG. 25 is a process cross-sectional view (part 4) for explaining the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 21;
FIG. 26 is a process cross-sectional view (part 5) for explaining the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 21;
FIG. 27 is a process cross-sectional view (No. 6) for describing the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 21;
FIG. 28 is a process cross-sectional view (part 7) for explaining the method of manufacturing the C-MOS transistor of FIG. 21;
FIG. 29 is a process cross-sectional view (No. 1) for describing the method of manufacturing the dual-gate C-MOS transistor according to the third embodiment;
FIG. 30 is a process cross-sectional view (part 2) for explaining the method of manufacturing the dual-gate C-MOS transistor according to the third embodiment;
FIG. 31 is a process cross-sectional view (part 3) for explaining the method of manufacturing the dual-gate C-MOS transistor according to the third embodiment;
FIG. 32 is a process cross-sectional view (No. 4) for explaining the method of manufacturing the dual-gate C-MOS transistor according to the third embodiment;
FIG. 33 is a process cross-sectional view (part 5) for explaining the method of manufacturing the dual-gate C-MOS transistor according to the third embodiment;
FIG. 34 is a process cross-sectional view (No. 6) for explaining the method of manufacturing the dual-gate C-MOS transistor according to the third embodiment;
FIG. 35 is a process cross-sectional view (No. 1) for describing the method of manufacturing the dual-gate C-MOS transistor using the conventional salicide technology.
FIG. 36 is a process cross-sectional view (No. 2) for describing the method of manufacturing the dual-gate C-MOS transistor using the conventional salicide technology.
FIG. 37 is a process cross-sectional view (No. 3) for explaining the method of manufacturing the dual-gate C-MOS transistor using the conventional salicide technique.
FIG. 38 is a process cross-sectional view (No. 4) for describing the method of manufacturing the dual-gate C-MOS transistor using the conventional salicide technology.
FIG. 39 is a process cross-sectional view (No. 5) for describing the method of manufacturing the dual-gate C-MOS transistor using the conventional salicide technology.
[Explanation of symbols]
11 · Si substrate, 12 · Oxide film for element isolation, 13 · P type well, 14 · N type well, 15a, 15b · N+Impurity region, 16a, 16b · P+Impurity region, 17, gate oxide film, 18, 18a, 18b, 18c, 18d polycrystalline silicon film, 19, 19a, 19b amorphous silicon film, 20 gate electrode, 20a, 20c, 20d N gate Electrode, 20b · P-type gate electrode, 21 · gate sidewall, 22 · Ti film, 22a, 22b · TiSi2Film, 23. interlayer insulating film, 24. W plug, 25. wiring layer, 26. surface protective film, 30. gate electrode, 30a. N type gate electrode, 30b. P type gate electrode, 31. resist, 32. resist 33, resist, 34, silicon oxide film, 35, resist, 51, Si substrate, 52, oxide film for element isolation, 53, P type well, 54, N type well, 55, gate oxide film, 56,
Claims (5)
前記半導体基板表面及び前記ゲート電極に所定の不純物を添加して、不純物領域を形成すると共に、前記ゲート電極を導電化する第2の工程と、
基体全面に高融点金属膜を堆積した後、熱処理により前記不純物領域上及び前記ゲート電極上の前記高融点金属膜をシリサイド化すると共に、未反応の前記高融点金属膜をエッチング除去して、前記不純物領域上及び前記ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成する第3の工程と
を具備する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a polycrystalline silicon film on the semiconductor substrate through a gate insulating film, and then implanting predetermined impurity ions into the polycrystalline silicon film; and forming an amorphous silicon film on the polycrystalline silicon film Thereafter, the amorphous silicon film and the polycrystalline silicon film are patterned into a predetermined shape to form a gate electrode having a two-layer film structure of the lower polycrystalline silicon film and the upper amorphous silicon film. A first step of forming;
Adding a predetermined impurity to the surface of the semiconductor substrate and the gate electrode to form an impurity region, and making the gate electrode conductive;
After depositing a refractory metal film over the entire surface of the substrate, the refractory metal film on the impurity region and the gate electrode is silicided by heat treatment, and the unreacted refractory metal film is removed by etching, A third step of forming a refractory metal silicide film on the impurity region and on the gate electrode in a self-aligning manner;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第1の素子領域の前記半導体基板表面及び前記第1のゲート電極に第1導電型の不純物イオンを選択的に注入し、前記第2の素子領域の前記半導体基板表面及び前記第2のゲート電極に第2導電型の不純物イオンを選択的に注入した後、熱処理により不純物イオンを活性化して、前記第1及び第2の素子領域にそれぞれ第1導電型及び第2導電型の不純物領域を形成すると共に、前記第1及び第2のゲート電極をそれぞれ第1導電型及び第2導電型のゲート電極にする第2の工程と、
基体全面に高融点金属膜を堆積した後、熱処理により前記第1導電型及び第2導電型の不純物領域上並びに前記第1導電型及び第2導電型のゲート電極上の前記高融点金属膜をシリサイド化すると共に、未反応の前記高融点金属膜をエッチング除去して、前記第1導電型及び第2導電型の不純物領域上並びに前記第1導電型及び第2導電型のゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成する第3の工程と
を具備する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 After a polycrystalline silicon film is formed on the semiconductor substrate in the first and second element regions via a gate insulating film, impurity ions of the first conductivity type are selected in the polycrystalline silicon film in the first element region Implanting and forming an amorphous silicon film on the polycrystalline silicon film, and then patterning the amorphous silicon film and the polycrystalline silicon film into a predetermined shape to form the underlying polycrystalline film A first step of forming first and second gate electrodes having a two-layer structure of a silicon film and an upper amorphous silicon film in the first and second element regions, respectively;
Impurity ions of a first conductivity type are selectively implanted into the surface of the semiconductor substrate and the first gate electrode in the first element region, and the surface of the semiconductor substrate and the second gate in the second element region. After the second conductivity type impurity ions are selectively implanted into the electrodes, the impurity ions are activated by heat treatment, so that the first conductivity type and the second conductivity type impurity regions are respectively formed in the first and second element regions. A second step of forming the first and second gate electrodes into gate electrodes of the first conductivity type and the second conductivity type, respectively,
After the refractory metal film is deposited on the entire surface of the substrate, the refractory metal film on the first conductivity type and second conductivity type impurity regions and on the first conductivity type and second conductivity type gate electrodes is formed by heat treatment. In addition to silicidation, the unreacted refractory metal film is removed by etching, so that the high-concentration on the first conductivity type and second conductivity type impurity regions and on the first conductivity type and second conductivity type gate electrodes. A third step of forming a melting point metal silicide film in a self-aligning manner;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第1の素子領域における前記多結晶シリコン膜に選択的に注入する第1導電型の不純物イオンが、N型不純物イオンである
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2 .
The semiconductor device manufacturing method, wherein the first conductivity type impurity ions selectively implanted into the polycrystalline silicon film in the first element region are N type impurity ions.
前記第1の素子領域における前記多結晶シリコン膜にN型不純物イオンを選択的に注入する工程の後、前記第2の素子領域における前記多結晶シリコン膜にP型不純物イオンを選択的に注入する工程を具備する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 3 ,
After the step of selectively implanting N-type impurity ions into the polycrystalline silicon film in the first element region, P-type impurity ions are selectively implanted into the polycrystalline silicon film in the second element region. The manufacturing method of the semiconductor device characterized by comprising the process.
前記第1の素子領域の前記半導体基板表面及び前記第1のゲート電極にN型不純物イオンを選択的に注入した後、N型不純物イオンを活性化する熱処理条件の気相成長法により基体全面に絶縁膜を形成し、同時に前記第1の素子領域の前記半導体基板表面にN型不純物領域を形成すると共に、前記第1のゲート電極をN型ゲート電極にする第2の工程と、
前記絶縁膜を通して前記第2の素子領域の前記半導体基板表面及び前記第2のゲート電極にP型不純物イオンを選択的に注入した後、所定の熱処理によりP型不純物イオンを活性化して、前記第2の素子領域の前記半導体基板表面にP型不純物領域を形成すると共に、前記第2のゲート電極をP型ゲート電極にする第3の工程と、
前記絶縁膜を除去してから基体全面に高融点金属膜を堆積した後、熱処理により前記N型及びP型不純物領域上並びに前記N型及びP型ゲート電極上の前記高融点金属膜をシリサイド化すると共に、未反応の前記高融点金属膜をエッチング除去して、前記N型及びP型不純物領域上並びに前記N型及びP型ゲート電極上に高融点金属シリサイド膜を自己整合的に形成する第4の工程と
を具備する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 After depositing an amorphous silicon film via a gate insulating film on the semiconductor substrate in the first and second element regions, the amorphous silicon film is patterned into a predetermined shape, and the amorphous silicon film A first step of forming first and second gate electrodes comprising:
After selectively implanting N-type impurity ions into the surface of the semiconductor substrate and the first gate electrode in the first element region, the entire surface of the substrate is formed by a vapor phase growth method under a heat treatment condition for activating the N-type impurity ions. forming an insulating film, thereby forming an N-type impurity regions simultaneously on the semiconductor substrate surface of the first element region, a second step of the first gate electrode to the N-type gate electrode,
After selectively injecting P-type impurity ions into the surface of the semiconductor substrate and the second gate electrode in the second element region through the insulating film, the P-type impurity ions are activated by a predetermined heat treatment, and the first A third step of forming a P-type impurity region on the surface of the semiconductor substrate of the second element region and making the second gate electrode a P-type gate electrode ;
After the insulating film is removed, a refractory metal film is deposited on the entire surface of the substrate, and then the refractory metal film on the N-type and P-type impurity regions and the N-type and P-type gate electrodes is silicided by heat treatment. In addition, the unreacted refractory metal film is removed by etching, and a refractory metal silicide film is formed in a self-aligned manner on the N-type and P-type impurity regions and on the N-type and P-type gate electrodes. 4 steps and
A method for manufacturing a semiconductor device , comprising :
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