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JP2008108891A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法 Download PDF

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JP2008108891A JP2006289961A JP2006289961A JP2008108891A JP 2008108891 A JP2008108891 A JP 2008108891A JP 2006289961 A JP2006289961 A JP 2006289961A JP 2006289961 A JP2006289961 A JP 2006289961A JP 2008108891 A JP2008108891 A JP 2008108891A
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Abstract

【課題】不純物注入領域を高濃度に活性化させるとともに、ゲートリーク電流を低減させ得る半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】浅いソース・ドレインエクステンションを活性化させる際に、nMOSにおいてスパイクRTA(第1のアニール)とこれより昇降温速度の大きい超高速昇降温アニール(第2のアニール)を併用し、pMOSにおいては超高速昇降温アニール(第2のアニール)のみを適用する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、pMOSとnMOSを有する半導体装置において、不純物注入領域を高濃度に活性化させるとともに、ゲートリーク電流を低減させたゲート電極を形成する半導体装置の製造方法に関する。
素子の微細化においては、素子寸法が縮小化されるに伴い、MOSFETにおける寄生抵抗及びショートチャネル効果が大きくなるため、ソース・ドレイン領域を低抵抗かつ浅く形成することが重要になる。不純物拡散領域の抵抗を下げるためには、不純物を十分に活性化させる必要があるが、一方で活性化のためのアニールによって不純物は拡散してしまうため、高温かつ超高速なアニールが要求される。
活性化に必要な熱エネルギーを瞬時に供給する手法として、キセノン(Xe)等の希ガスが封入されたフラッシュランプ、あるいはレーザーを用いたアニール技術が検討されている(例えば、特許文献1参照)。これらの光源は、ミリ秒のパルス幅で発光させることができるため、注入された不純物原子をほとんど拡散させずに活性化させることができる。照射光エネルギーを増加させることによって、拡散層抵抗を大きく低減できるとともに、イオン注入欠陥を回復させることができるため、MOSFETの駆動力向上が期待できる。
しかしながら一方で、瞬時にして高い熱エネルギーを供給できるという特徴が災いし、ゲート絶縁膜上のポリシリコンでは熱が逃げにくく高温になり易い。このため、十分に単結晶シリコン基板に熱エネルギーが供給できないうちに、ポリシリコンゲートに含まれる不純物が拡散し、ゲート絶縁膜中に浸透して耐圧劣化を起こすという問題に遭遇する。
この問題を解決する一つの手法として、ポリシリコンにイオン注入する不純物量を低減する方法があるが、ポリシリコンゲートの底部で空乏化による容量形成が起こり、実効的なゲート絶縁膜が厚くなるリスクを負う。すなわち、ソース・ドレイン領域の高濃度活性化とゲートリーク電流の抑制はトレードオフの関係にあり、現状の超高速光アニール技術では半導体素子の製造過程におけるプロセスウィンドウが確保できないことが問題となっている。
特開2004−63574
上記のように、現状の超高速光アニール技術には半導体素子の製造過程におけるプロセスウィンドウが確保できないという問題がある。本発明は、上記事情に鑑みて為されたもので、ゲートリーク電流を増大させることなく、ゲート電極と半導体基板に注入された不純物を高濃度に活性化させることができ、半導体素子の製造過程におけるプロセスウィンドウを広げることができる、高性能な半導体装置の製造方法を提供する。
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板にn型ウェルとpウェルを形成し、夫々の上部領域を素子分離膜で囲む工程と、前記素子分離膜で囲まれた前記n型ウェルとp型ウェル上に、ゲート絶縁膜を介して、ゲート電極を夫々形成する工程と、前記ゲート電極の側面に第1の側壁絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート電極及び前記第1の側壁絶縁膜をマスクにして、前記n型ウェルとp型ウェルの上面に、夫々第1のソース/ドレイン領域、第2のソース/ドレイン領域を形成する工程と、前記第1の側壁絶縁膜を除去した後、前記n型ウェルを第1のレジスト膜でマスクして、前記p型ウェルにのみ、n型不純物をイオン注入して、前記第1のソース/ドレイン領域よりも浅い第3のソース/ドレイン領域を形成する工程と、前記第1のレジスト膜を除去した後、第1の昇降温速度を有する第1のアニールを実施する工程と、前記第1のアニールを実施した後、前記p型ウェルを第2のレジスト膜でマスクし、前記n型ウェルにp型不純物をイオン注入して、前記第2のソース/ドレイン領域よりも浅い第4のソース/ドレイン領域を形成する工程と、前記第2のレジストマスクを除去した後、前記第1の昇降温速度より大きい第2の昇降温速度を有する第2のアニールを実施する工程とを具備する。
本発明によれば、ゲートリーク電流を増大させることなく、ゲート電極と半導体基板に注入された不純物を高濃度に活性化させることができる。このため、半導体素子の製造過程におけるプロセスウィンドウが広がり、高性能な微細MOSFETの製造が可能になる。
本発明の実施形態を、以下図面を参照しつつ説明する。図1は本発明の実施形態に係るCMOSトランジスタの製造工程を段階的に示す断面図である。
まず、図1(a)に示すように、p型シリコン基板1のnMOS領域内にpウェル層2を形成し、pMOS領域内にnウェル層3を形成する。pウェル層2の周囲とpウェル層3の周囲に素子分離領域4を形成し、チャネル部分に相当する部分に所望の不純物をイオン注入して、電気的に活性化させる。次に、シリコン基板1の表面にゲート絶縁膜5になるシリコン酸化膜SiO2あるいはシリコン酸窒化膜SiON(表層のN濃度<15%)を形成する。
次に、図1(b)に示すように、ゲート絶縁膜5上にLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法により、50nmから150nmの厚みのポリシリコンあるいはポリシリコンゲルマニウム(SiGe)(Ge濃度が10から30%)を堆積し、多結晶層6を形成する。
次いで、図示は省略するがレジストをマスクとしてnMOS領域にn型不純物となるV族原子、例えば燐(P)あるいは砒素(As)を1020/cm3 以上の濃度となるようイオン注入する。さらに、不図示のレジストをマスクとしてpMOS領域にp型不純物となるIII族原子、例えばボロン(B)を1020/cm3 以上の濃度となるようイオン注入する。その後、図1(c)に示すように、多結晶層6をRIE(Reactive Ion Etching)法によって選択的に加工し、ゲート電極7を形成する。
次に、酸化シリコン(SiO2)膜8と窒化シリコン(Si34)膜9を600℃以下のLPCVD法により、2〜10nm程度の範囲内で、例えば4nmの膜厚で堆積する。RIE技術を用いた側壁残しの方法により、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜をエッチングし、ゲート電極7とゲート絶縁膜5の側面に選択的に残置させる。これにより、図1(d)に示すような第1の側壁絶縁膜(スペーサ)8,9が形成される。
次に、図示は省略するが、n型ウェル層2の表面をフォトレジスト膜でマスクして、かつゲート電極7と側壁スペーサ8、9をマスクとして、p型ウェル層3の表面にn型不純物となるV族原子、例えば砒素(As)をイオン化しイオン注入する。イオン注入の条件は、加速エネルギー15eV、ドーズ3×1015/cm2である。
フォトレジスト膜を除去した後、同様にして、p型ウェル層3の表面をフォトレジスト膜(不図示)でマスクして、かつゲート電極7と側壁スペーサ8、9をマスクとして、n型ウェル層2の表面にp型不純物となるIII族原子、例えば硼素(B)をイオン化しイオン注入する。イオン注入の条件は、加速エネルギー2keV、ドーズ3×1015/cm2である。
これにより、図1(e)に示すようなゲート電極7の端部から離間し素子分離領域4に接した第1のソース・ドレイン不純物領域10と11が、n型ウェル2、p型ウェル3内に形成される。また、これらのイオン注入により、ゲート電極7中にも対応する不純物イオンが注入される。最終的にゲート電極には主要導電型の不純物(nMOSではPあるいはAs、pMOSではB)が5×1015〜1×1016/cm2程度含まれることになる。
次に、ハロゲンランプを熱源として、シリコン基板1の活性化アニール処理(スパイクRTA)を行う。スパイクRTA処理の条件は、1000〜1050℃とする。この活性化アニール処理により、ゲート電極7に注入された不純物をゲート絶縁膜5との界面まで拡散させることができ、イオン注入でシリコン基板1に発生した結晶欠陥を消滅させることができる。
次に、図2(f)に示すように、熱燐酸とフッ酸を用いて窒化シリコン膜9と酸化シリコン膜8からなる側壁スペーサを除去する。次に、図2(g)に示すように、pMOS領域をフォトレジスト膜21でマスクし、かつnMOS領域のゲート電極7をマスクとして、p型ウェル層2の表面にn型不純物となるV族原子、例えばAsをイオン化しイオン注入する。イオン注入の条件は、例えば加速エネルギー1.5keV、ドーズ1×1015/cm2とする。
フォトレジスト膜21を除去した後、図2(h)に示すように、昇降温速度100℃/秒以上、最高到達温度900℃以上、1050℃以下900℃以上1050℃以下、例えば1000℃でスパイク高速熱アニール(第1のアニール)を実施する。次いで、図2(i)に示すように、p型ウェル層2の表面をフォトレジスト膜22でマスクし、かつゲート電極7をマスクとして、n型ウェル層3の表面にn型不純物となるIII族原子、例えばBをイオン化しイオン注入する。イオン注入の条件は、例えば加速エネルギー0.3keV、ドーズ1×1015/cm2とする。これにより、図3(j)に示すようなゲート電極7と素子分離領域4に隣接した浅い(例えば、深さ20nm以下)ソース・ドレインエクステンション不純物領域12と13が、シリコン基板1内に形成される。
次に、図3(k)に示すように、600℃以下の成膜温度で酸化シリコン膜14及び窒化シリコン膜15をLPCVD法により順次堆積する。その後、図3(l)に示すように、昇降温速度が105 ℃/s以上、最高到達温度1100℃以上、1400℃以下であるフラッシュランプを熱源として、活性化のための第2のアニール(超高速昇降温アニール)を行う。このアニール処理では、シリコン基板1が裏面側から加熱された(補助加熱)状態のまま、フラッシュランプ光源から放射された光によりシリコン基板1が表面側から加熱される。
この場合のシリコン基板1の補助加熱温度は、概ね400℃から900℃までの範囲であることが好ましい。補助加熱温度が低すぎると表面から加熱するための高い光強度が必要となり、シリコン基板1の内部に発生する熱応力が増大して、スリップや転位等の結晶欠陥を誘発してしまうため好ましくない。逆に補助加熱温度が高すぎると、不純物が拡散してしまうため、やはり好ましくない。補助加熱手段としては、ホットプレート、ハロゲンランプ、アークランプ等を使用することができる。
フラッシュランプ光の照射は、例えばキセノンフラッシュランプを用いて、典型的には1回の発光(1パルス)によって行われる。パルスの持続時間については、半値幅(ピーク値の少なくとも2分の1の強度を保持している時間)が0.1msから100ms程度までであることが望ましい。パルス幅がこれより短ければ、より瞬間的に加熱することになり、シリコン基板1の表面に発生する熱応力が増大してしまい好ましくない。また長すぎれば不純物が拡散してしまい、やはり好ましくない。
シリコン基板1の表面の上方から照射されたキセノンフラッシュランプ光は、窒化シリコン膜15、酸化シリコン膜14からなる絶縁膜を透過し、ゲート電極7とシリコン基板1内のエクステンション領域12,13とソース・ドレイン領域10,11で吸収される。キセノンフラッシュランプ光を吸収したゲート電極7とエクステンション領域12,13、ソース・ドレイン領域10、11は昇温する。ゲート電極7とエクステンション領域12、13、ソース・ドレイン領域10、11の温度は、瞬間的に1200℃を超えると考えられ、この温度により、ゲート電極7とエクステンション領域12、13、ソース・ドレイン領域10、11に注入された不純物は電気的に活性化される。この活性化によりゲート電極7とエクステンション領域12、13、ソース・ドレイン領域10、11が低抵抗化される。酸化シリコン膜14、窒化シリコン膜15を介して、フラッシュランプによるアニールを行うことで、雰囲気層とシリコン基板1との間の屈折率の差を小さくすることができるため、それぞれの絶縁膜厚を調整することによって、シリコン基板界面での反射率を低減することが可能になる。また、酸化シリコン膜も窒化シリコン膜も光学的に透明な膜であるために、加熱効率を損失させず、反射率が小さくなった分、少ない照射エネルギーで加熱温度を上げることが可能になる。
次に、窒化シリコン膜15と酸化シリコン膜14をエッチングし、ゲート電極7の側面に選択的に残置させる。このことにより、図3(m)示すような酸化シリコン膜16と窒化シリコン膜17からなる積層構造の側壁スペーサが形成される。最終的に側壁スペーサとなる絶縁膜の膜厚は、酸化シリコン膜16及び窒化シリコン膜17とを合わせて20〜60nmになるように設定される。この側壁スペーサは、後工程のメタルシリサイド反応防止の役目を果たし、実施の形態に係る半導体装置の基本構造が完成する。
図3(m)以降の製造工程については特に図示しないが、サリサイド形成の工程では、10nm以下のNi膜、Co膜、Pt膜、Pd膜のいずれかの膜、またはそれぞれの合金を主とする金属膜を堆積して、SiまたはSiGeの露出部分に選択的にサリサイド(NiSi、NiSi2 、CoSi、CoSi2 、PtSiまたはPd2 Si)を形成する。
その後、図示は省略するが、層間絶縁膜となる酸化シリコン膜を堆積し、コンタクトホールを開口する。コンタクトホールを介してゲート電極7及びソース・ドレイン領域10,11に配線を接続する。以上のようにして、20nm以下の浅いエクステンション不純物領域を有するMOS構造を含む半導体装置を完成させる。
次に、本実施形態の具体例として実施例と比較例とを比較する。
[実施例]
上述のように、図2(g)の浅いソース・ドレインエクステンション不純物領域を形成する工程で、pMOS形成領域でAsをイオン注入した後、nMOS形成領域でBをイオン注入する前に、温度1000℃でスパイクRTA処理(第1のアニール)を行う(図2(h))。
[比較例1]
図2(g)の浅いソース・ドレインエクステンション不純物領域を形成する工程のあとで、図2(h)に示すようなスパイクRTA処理を行わない。
[比較例2]
図2(g)の浅いソース・ドレインエクステンション不純物領域を形成する工程で、pMOS形成領域でBをイオン注入し、図2(h)のスパイクRTAは飛ばして、図2(i)のnMOS形成領域でASをイオン注入した後で、温度1000℃でスパイクRTA処理を行う。
上記実施例、比較例1、2の方法で形成したMOSFETの電気特性(Vth roll-off特性、Ion−Ioff特性)を図4(nMOS)と図5(pMOS)に示す。ここで、Vth roll-off特性とは、ゲート長(Lgate)と閾値電圧Vthの関係を示す特性で、ゲート長小の領域で閾値電圧が上昇し、正常な値にフラット化する変曲点(roll-off)を示す図である。変曲点が短いゲート長で現れるほど良い特性ということができる。また、Ion−Ioff特性は、ゲートオン時のドレイン電流(Ion)と、ゲートオフ時のドレイン電流(リーク電流、Ioff)との関係を示す特性図で、Ioffが小さくIonが大きいほど、即ちリーク電流が小さくカーブが寝ているほど、駆動力が大きい優れたトランジスタということができる。
roll-off特性は、図4(a)からnMOSについては実施例と比較例の間に大差が無いが、図5(a)からpMOSの場合、実施例の方が比較例2より優れており、総合的に実施例の方が良いことがわかる。また、Ion−Ioff特性は、図4(b)、図5(b)から、nMOS.pMOSとも実施例の方が大きなオン電流を得ることができ、駆動力の高い高性能なトランジスタを形成できることがわかる。
次に、実施例において、駆動力が向上する理由を以下に考察する。
図6(a)、(b)は、nMOSとpMOSについて、ソース・ドレインエクステンション領域のシート抵抗のフラッシュランプ照射エネルギー(FLA Power)依存性を示す。図6(a)から、nMOSの場合、シート抵抗の照射エネルギー依存性は小さいことが分かる。nMOSでは、この寄生抵抗があまり減少しない結果を反映してか、図7(b)に示すように、駆動力を示すIonが、照射エネルギー(Power A, B(>A), C(>B))に対して、ほとんど変化していない。照射エネルギーをさらに上げることで、ソース・ドレインエクステンションの寄生抵抗を、駆動力に影響を及ぼす程度まで下げることは可能だが、この場合はゲートポリシリコン中の不純物(AsあるいはP)がゲート絶縁膜に拡散し、リークパスを形成することでゲートリーク電流を増大させてしまう。
一方、実施例では、スパイクRTA(第1のアニール)をフラッシュランプアニール(第2のアニール)直前の工程で行うことによって、ゲートポリシリコン中の不純物がそのボトムまでより一様に拡散する。さらに追加アニールとして、スパイクRTAより昇降温速度の大きいフラッシュランプアニール(第2のアニール)を行うことで、ゲート電極が一様に高濃度に活性化され、ゲート空乏化が抑制されたと考えられる。
ゲートポリシリコンは粒界を有するため、単結晶基板に比べ拡散係数が大きく、低温でも時間をかけることによって、粒界を経た拡散が可能になる。すなわち、ソース・ドレインエクステンション領域の不純物の基板への拡散を抑制しつつ、ゲート空乏化を抑制することが可能となる。
実施例では、見かけ上のゲート絶縁膜が薄くなり、反転層(チャネル)側のゲート容量が増加することで、駆動力が向上したと考えられる。フラッシュランプアニールによっても、照射エネルギーを高くすることによって、ゲートポリシリコン中の不純物は拡散するが、時間が短いために一様に拡散することはできない。むしろ、ゲート絶縁膜直上のゲートポリシリコンの不純物が拡散してしまう。これにより、ゲート絶縁膜の流動化や局所的な薄膜化あるいはピンホール形成が起こりやすくなり、ゲートリーク電流の増大を招く結果になる。超高速昇降温アニールでは、短時間でも高温条件下では、ゲート絶縁膜への拡散を制御することは困難であると考えられる。
一方、pMOSでは、図6(b)に示すように、シート抵抗の照射エネルギー依存性は大きいことが分かる。pMOSでは、この寄生抵抗が減少する結果を反映してか、図8(b)示すように、FLAパワーがA→C→Eと大きくなるにつれて、カーブが寝てくる。即ち、駆動力Ionの照射エネルギー依存性は大きい。しかしながら、pMOSに対して、スパイクRTAを併用させると、Bの拡散係数はAsのそれと比べて大きいために、ソース・ドレインエクステンション領域のBが拡散することで、Vth roll-off特性が大きく劣化してしまう(図5(a)比較例2がこれに相当する)。すなわち、pMOSでは、nMOSのようにソース・ドレインエクステンション領域を形成した後で、スパイクRTA工程を入れることは困難になる。
以上述べたように、本実施形態では、nMOSに対してのみ超高速昇降温アニール(第2のアニール)にスパイクRTA(第1のアニール)を併用させる。これにより、ゲートポリシリコン中に不純物が高濃度に存在しても、照射エネルギーを抑えることで、この不純物のゲート絶縁膜への拡散や浸透が抑制され、リークパス形成は起こりにくくなる。その一方、ゲートポリシリコン中の不純物濃度は同じでも、結晶欠陥を回復し活性化濃度を高くすることが可能になるため、ゲートリーク電流が増大しない範囲で、駆動力を向上させることができるようになる。
すなわち、本実施形態によれば、プロセスウィンドウの広い不純物領域の活性化プロセスを安定して実現することが可能となり、微細な高性能トランジスタを容易に製造することができるようになる。
なお、以上述べてきた実施形態では、照射する光の光源としてキセノンフラッシュランプを使ったアニール装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、他の希ガス、水銀、及び水素を用いたフラッシュランプ、あるいはアーク放電ランプ、エキシマレーザー、Arレーザー、N2レーザー、YAGレーザー、チタンサファイアレーザー、COレーザー、CO2レーザーのような光源についても適用することが可能である。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明の実施例に係るMOSFETの製造プロセスを示す図。 図1に続くMOSFETの製造プロセスを示す図。 図2に続くMOSFETの製造プロセスを示す図。 nMOSについて本実施例と比較例1,2を比較した特性図で、(a)はVth Roll-off特性図、(b)はIon-Ioff特性図。 pMOSについて本実施例と比較例1,2を比較した特性図で、(a)はVth Roll-off特性図、(b)はIon-Ioff特性図。 ソース・ドレインエクステンション領域のシート抵抗のフラッシュランプ照射エネルギー依存性を示した特性図で、(a)はnMOS,(b)はpMOSの特性図。 nMOSについてフラッシュランプ照射エネルギーを変化させた場合の特性図で、(a)はVth Roll-off特性図、(b)はIon-Ioff特性図。 pMOSについてフラッシュランプ照射エネルギーを変化させた場合の特性図で、(a)はVth Roll-off特性図、(b)はIon-Ioff特性図。
符号の説明
1…P型シリコン基板
2…pウェル
3…nウェル
4…素子分離領域
5…ゲート酸化膜
6…ポリシリコン層
7…ポリゲート電極
8、14、15…酸化シリコン膜
9、16、17…窒化シリコン膜
12、13…エクステンション
21,22…レジスト

Claims (5)

  1. 半導体基板にn型ウェルとp型ウェルを形成し、夫々の上部領域を素子分離膜で囲む工程と、
    前記素子分離膜で囲まれた前記n型ウェルとp型ウェル上に、ゲート絶縁膜を介して、ゲート電極を夫々形成する工程と、
    前記ゲート電極の側面に第1の側壁絶縁膜を形成する工程と、
    前記ゲート電極及び前記第1の側壁絶縁膜をマスクにして、前記n型ウェルとp型ウェルの上面に、夫々第1のソース/ドレイン領域、第2のソース/ドレイン領域を形成する工程と、
    前記第1の側壁絶縁膜を除去した後、前記n型ウェルを第1のレジスト膜でマスクして、前記p型ウェルにのみ、n型不純物をイオン注入して、前記第1のソース/ドレイン領域よりも浅い第3のソース/ドレイン領域を形成する工程と、
    前記第1のレジスト膜を除去した後、第1の昇降温速度を有する第1のアニールを実施する工程と、
    前記第1のアニールを実施した後、前記p型ウェルを第2のレジスト膜でマスクし、前記n型ウェルにp型不純物をイオン注入して、前記第2のソース/ドレイン領域よりも浅い第4のソース/ドレイン領域を形成する工程と、
    前記第2のレジストマスクを除去した後、前記第1の昇降温速度より大きい第2の昇降温速度を有する第2のアニールを実施する工程と、
    を具備する半導体装置の製造方法。
  2. 前記第1のアニールは、第1の昇降温速度として100℃/秒以上、最高到達温度900℃以上、1050℃以下で行われることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第2のアニールは、第2の昇降温速度として105 ℃/秒以上、最高到達温度1100℃以上、1400℃以下で行われることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第2のアニールはレーザー若しくはフラッシュランプを用いて行われ、発光パルスの半値幅が、0.1ms以上100ms以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記発光パルスは1回のみ発せられることを特徴とする請求項4の半導体装置の製造方法。
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