半導体装置および半導体装置の製造方法
【課題】構造を工夫することにより、ストレスライナー膜がチャネルに印加する応力を高め、電流駆動力が向上した半導体装置を得ることを目的とする。
【解決手段】本発明の半導体装置では、半導体基板1と、この半導体基板1に形成された素子分離絶縁膜2と、半導体基板1上から素子分離絶縁膜2上にかけて形成されたゲート電極4とを備えている。素子分離絶縁膜2は、ゲート電極4下以外の該素子分離絶縁膜2の上部を掘り下げることによって上段部と下段部の段差構造を有している。この半導体装置1は、ゲート電極4の両側の半導体基板1に形成されたソースあるいはドレインとなる半導体領域と、半導体領域、素子分離絶縁膜2の下段部、およびゲート電極4を覆って形成されたストレスライナー膜3とをさらに備えている。
【解決手段】本発明の半導体装置では、半導体基板1と、この半導体基板1に形成された素子分離絶縁膜2と、半導体基板1上から素子分離絶縁膜2上にかけて形成されたゲート電極4とを備えている。素子分離絶縁膜2は、ゲート電極4下以外の該素子分離絶縁膜2の上部を掘り下げることによって上段部と下段部の段差構造を有している。この半導体装置1は、ゲート電極4の両側の半導体基板1に形成されたソースあるいはドレインとなる半導体領域と、半導体領域、素子分離絶縁膜2の下段部、およびゲート電極4を覆って形成されたストレスライナー膜3とをさらに備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ストレスライナー膜を有する半導体装置およびその半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、MOSトランジスタの高集積化および高機能化の要求に伴い、MOSトランジスタの性能を向上させるためにスケーリングを行ってきた。しかしながら、スケーリングによる性能向上が限界に近づいている現在の半導体集積回路では、スケーリング以外の技術によってMOSトランジスタの性能を向上させる試みがなされている。その1つがストレスライナー膜を使ったローカル歪みの印加であり、シリコン基板に機械的に応力を加えて、電子や正孔の移動度を向上させる技術である。下記非特許文献1,2に、このストレスライナー膜を使ってローカル歪みを印加した半導体装置が開示されている。以下、ストレスライナー膜を形成したMOSトランジスタについて説明する。
【0003】
図8(a)は、従来の技術におけるストレスライナー膜の付加方法を用いて形成したMOSトランジスタを示した図である。図8(b)は、図8(a)のMOSトランジスタをC−Dに沿った断面図である。図8(c)は、図8(a)のMOSトランジスタをE−Fに沿った断面図である。このMOSトランジスタは、シリコン基板1、シリコン基板1に形成されたSTI(Shallow Trench Isolation)2、シリコン基板1およびSTI2上に形成されたゲート電極4、ゲート電極4の側面上であってシリコン基板1およびSTI2上に形成されたサイドウォール5、シリコン基板1、STI2、およびゲート電極4の上に形成されたストレスライナー膜3を備えている。ここで、寸法Lはゲート長、寸法Wはチャネル幅である。
【0004】
図9,10は、このMOSトランジスタの製造方法を示したプロセスフローである。図9は、図8(a)のC−Dに沿った断面を表し、図10は、図8(a)のE−Fに沿った断面を表した図である。図を参照して、このMOSトランジスタの製造方法について説明する。はじめに、一般的なMOSトランジスタの製造方法を用いてSTI2を形成し、ウェル・チャネル注入、ゲート酸化、ポリシリコン堆積を経て、フォトリソグラフィ工程と異方性エッチングによってゲート電極4を形成する(図9(a),図10(a))。次に、ゲート電極4をマスクとしてextension注入およびhalo注入を行う(図9(b),図10(b))。次に、ゲート電極4の側面上であってシリコン基板1およびSTI2上にサイドウォール5を形成する(図9(c),図10(c))。次に、シリコン基板1およびサイドウォール5をマスクとしてイオン注入を行い、不純物活性化のためのアニールを行って、ゲート電極4の両側の下に位置するシリコン基板1の領域にソースあるいはドレインとなる半導体領域を形成する(図9(d),図10(d))。次に、ストレスライナー膜3を堆積する(図9(e),図10(e))。
【0005】
図11は、図9,10に示した工程をプロセスシミュレーションを用いて計算した結果を示した図である。図11は、図8の点線で囲まれた部分に相当し、ゲート長Lは0.06μm、チャネル幅Wは0.25μmの場合である。図11(a)は、異方性エッチングによってゲート電極4を形成した後の形状である。図11(b)は、ストレスライナー膜3を堆積した後の形状である。図11(a)において、STI2の上端面がシリコン基板1の上端面よりやや低くなっているのは、実際のSTI2形状を模擬するために便宜的にそのようにしているものである。実際のSTI2の形状は、図12のような形状をしている。STI2形成後の犠牲酸化、エッチングによる酸化膜除去、ゲート酸化、エッチングによる酸化膜除去を繰り返した結果、STI2端には図12に示すようなくぼみを生じる。このくぼみを模擬するために図11(a)では便宜的にSTI2上端面をシリコン基板1上端よりやや低くしている。
【0006】
このような工程を経て形成されるMOSトランジスタがNMOSの場合には、ストレスライナー膜3が引っ張りの真性応力(自らが縮もうとする)を持つように成膜条件を調整する。このとき、MOSFETのチャネルには、チャネル方向には引っ張り、ウエハ垂直方向には圧縮の応力が印加される。従って、このMOSチャネルに印加される応力によって、電子の移動度が向上し、MOSFETの電流駆動能力を向上することができる。PMOSの場合には、ストレスライナー膜3が圧縮の真性応力を持つように成膜条件を調整することで、MOSのチャネルには、チャネル方向に圧縮、ウエハ垂直方向には引っ張りの応力が印加され、電流駆動能力を向上することができる。
【0007】
【非特許文献1】高木信一、“Si系高移動度MOSトランジスタ技術”、応用物理、2005年7月4日、第74巻、第9号
【非特許文献2】F.Ootsuka、“A Highly Dense, High-Performance 130nm node CMOS Technology for Large Scale System-on-a-Chip Applications”、IEDM 2000、Tech.Digest、p575
【非特許文献3】S.T.Ahn,H,W.Kennel,J.D.Plummer,W.A.Tiller、“Film stress-related vacancy supersaturation in silicon under low-pressure chemical vapor deposited silicon nitride films”1988年11月15日、Volume 64、Issue 10、p4914−4919
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
従来の技術におけるストレスライナー膜を用いたMOSトランジスタの電流駆動力は、ストレスライナー膜中の真性応力が高いほど、電流駆動力は大きくなる。このストレスライナー膜中の真性応力は、流量比などの成膜条件の調整によって高めることができる(非特許文献3参照)。
【0009】
しかしながら、流量比などの成膜条件の調整によって真性応力を高めることは、現在の技術ではほぼ限界に達しているという問題があった。
【0010】
そこで本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、MOSトランジスタの構造を工夫することにより、ストレスライナー膜がチャネルに印加する応力を高め、電流駆動力が向上した半導体装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の一実施形態における半導体装置では、半導体基板と、半導体基板に形成された素子分離絶縁膜と、半導体基板上から素子分離絶縁膜上にかけて形成されたゲート電極とを備えている。素子分離絶縁膜は、ゲート電極下以外の該素子分離絶縁膜の上部を掘り下げることによって上段部と下段部の段差構造を有している。この半導体装置は、ゲート電極の両側の半導体基板に形成されたソースあるいはドレインとなる半導体領域と、半導体領域、素子分離絶縁膜の下段部、およびゲート電極を覆って形成されたストレスライナー膜とをさらに備えている。
【0012】
本発明の一実施形態における半導体装置の製造方法では、半導体基板に素子分離絶縁膜を形成されるとともに、この半導体基板および素子分離絶縁膜上にゲート電極が形成される。次に、異方性エッチングを行ってゲート電極下以外の素子分離絶縁膜の上部をエッチングして上段部と下段部の段差構造が形成される。次に、ゲート電極の両側の下に位置する半導体基板の領域にソースあるいはドレインとなる半導体領域が形成される。その後、半導体基板、素子分離絶縁膜の下段部、およびゲート電極の上にストレスライナー膜が形成される。
【発明の効果】
【0013】
本発明の一実施形態における半導体装置では、素子分離絶縁膜は上部を掘り下げることによって上段下段を有する段差構造を形成するため、素子分離絶縁膜上に堆積するストレスライナー膜は、この掘り下げられた深い位置に配置することができる。従って、従来よりもより大きい応力をMOSチャネルに印加できることになり、より高い電流駆動力を得ることができる。
【0014】
本発明の一実施形態における半導体装置の製造方法によれば、素子分離絶縁膜の上部をエッチングした部分に堆積したストレスライナー膜もMOSチャネルへの応力に寄与することになる。従って、従来よりもより大きい応力をMOSチャネルに印加できることになり、より高い電流駆動力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
<実施の形態1>
図1(a)は、本発明の実施の形態1におけるストレスライナー膜の付加方法を用いて形成したMOSトランジスタの構成を示した図である。図1(b)は、図1(a)のMOSトランジスタをC−Dに沿った断面図である。図1(c)は、図1(a)のMOSトランジスタをE−Fに沿った断面図である。このMOSトランジスタは、半導体基板(以下、シリコン基板1と記載)、シリコン基板1に形成された素子分離絶縁膜(以下、STI(Shallow Trench Isolation)2と記載)、シリコン基板1上からSTI2上にかけて形成されたゲート電極4、ゲート電極4の側面上であってシリコン基板1およびSTI2上に形成されたサイドウォール5、シリコン基板1、STI2、およびゲート電極4を覆って形成されたストレスライナー膜3を備えている。
【0016】
ここで、本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタの構造の特徴は、STI2がゲート電極4下以外の上部を掘り下げることによって上段部と下段部の段差を有した構造となっており、また、STI2上に堆積するストレスライナー膜3は、STI2の下段部上に堆積する構造となっている点である。ここで、寸法Lはゲート長、寸法Wはチャネル幅である。
【0017】
図2,3は、このMOSトランジスタの製造方法を示したプロセスフローである。図2は、図1(a)のC−Dに沿った断面を表し、図3は、図1(a)のE−Fに沿った断面を表した図である。図を参照して、このMOSトランジスタの製造方法について説明する。はじめに、一般的なMOSトランジスタの製造方法を用いてSTI2を形成し、ウェル・チャネル注入、ゲート酸化、ポリシリコン堆積を経て、フォトリソグラフィ工程と異方性エッチングによってゲート電極4を形成する(図2(a),図3(a))。次に、ゲート電極4をマスクとして、ゲート電極4下以外のSTI2の上部を部分的にエッチングして除去する(図2(b),図3(b))。次に、ゲート電極4をマスクとしてextension注入およびhalo注入を行う(図2(c),図3(c))。次に、ゲート電極4の側面上であってシリコン基板1およびSTI2上にサイドウォール5を形成する(図2(d),図3(d))。次に、ゲート電極4およびサイドウォール5をマスクとしてイオン注入を行い、不純物活性化のためのアニールを行って、ゲート電極4の両側の下に位置するシリコン基板1の領域にソースあるいはドレインとなる半導体領域を形成する(図2(e),図3(e))。次に、ストレスライナー膜3を堆積する(図2(f),図3(f))。
【0018】
図4は、図2,3に示した工程をプロセスシミュレーションを用いて計算した結果を示した図である。図4は、図1の点線で囲まれた部分に相当し、ゲート長Lは0.06μm、チャネル幅Wは0.25μmの場合である。図4では、簡単のため、STI2側壁に付着したサイドウォール5は示していない。図4(a)は、異方性エッチングによってゲート電極4を形成した後の形状である。図4(b)は、STI2上部をエッチングによって除去した形状である。図4(c)は、ストレスライナー膜3を堆積した後の形状である。以上のような工程によりMOSトランジスタを製造することにより、STI2は、ゲート電極4下以外の上部を掘り下げた上段部と下段部の段差を有した構造となる。また、STI2上に堆積するストレスライナー膜3は、STI2の下段部上に堆積する構造となる。
【0019】
図5は、MOSトランジスタのMOSチャネル6分布を示した図である。図5は、図1の点線で囲まれた部分のゲート電極に対し対角の位置に相当し、ゲート電極側から見た図である。本実施の形態の製造方法により形成されるMOSトランジスタは、STI2上部の酸化膜をエッチングし、STI2の下段部分にストレスライナー膜3が埋め込まれる構造である。よって、この掘り下げられた下段部分に堆積するストレスライナー膜3もMOSチャネルへの応力に寄与することになるので、MOSチャネル6に印加される応力が増加する。
【0020】
図6は、プロセスシミュレーションによって計算したMOSチャネル6中の応力分布を示した図である。図6(a)のA−Bに沿った応力分布が図6(b)および図6(c)である。図6(b)がチャネル方向の応力成分であり、図6(c)がウエハ垂直方向の応力成分である。正の応力値は引っ張り応力を、負の応力値は圧縮応力を表す。これらの計算結果から分かるように、いずれの成分も従来の技術におけるストレスライナー膜3の付加方法よりも、本発明の方法におけるストレスライナー膜3の付加方法の方が、応力が大きくなっていることが分かる。
【0021】
図7は、応力の増加によるMOS電流の変化をデバイスシミュレーションによって計算した結果を示した図である。本発明の方法におけるストレスライナー膜3の付加方法を用いることによって、MOS駆動電流が約3%増加することが分かる。
【0022】
以上より、本発明におけるMOSトランジスタの製造方法によれば、STI2の上部をエッチングした部分(下段部分)に堆積したストレスライナー膜3もMOSチャネル6への応力に寄与することになる。従って、従来よりもより大きい応力をMOSチャネル6に印加できることになり、より高い電流駆動力を得ることができる。
【0023】
<実施の形態2>
実施の形態1では、ソース・ドレインのシリコン上に直接ストレスライナー膜3を付加したが、シリコン表面にはシリサイドを形成してもよい。すなわち、図2(e),図3(e)の工程後に、ソース・ドレイン領域の表面にシリサイド層を形成する。また、シリサイド層の代わりに、熱酸化によって薄く酸化膜を形成してもよい。また、薄く酸化膜を堆積してもよい。このような構造であっても、実施の形態1と同様に、STI2の上部をエッチングした部分(下段部分)に堆積したストレスライナー膜3もMOSチャネル6への応力に寄与することになる。従って、従来よりもより大きい応力をMOSチャネル6に印加できることになり、より高い電流駆動力を得ることができる。
【0024】
また、実施の形態1では、NMOSを想定して引っ張り応力を持ったストレスライナー膜3を堆積しているが、PMOSも場合には、圧縮応力を持ったストレスライナー膜3を堆積する。
【0025】
また、図2,3に示すプロセス・フローにおいて、工程(b)のSTI2上部のエッチングと工程(c)のextension/halo注入の順序は逆にしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0026】
本発明は、STIを用いて素子分離を行い、ストレスライナー膜を用いてMOS電流駆動力を向上させている半導体集積回路全般に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタの構造を示した図である。
【図2】本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタの製造方法を示した図である。
【図3】本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタの製造方法を示した図である。
【図4】本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタのストレスライナー膜の付加方法を示した図である。
【図5】本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタのチャネル分布を示した図である。
【図6】本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタと従来技術におけるMOSトランジスタとのチャネル表面の応力分布を比較した図である。
【図7】本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタと従来技術におけるMOSトランジスタとの駆動電流を比較した図である。
【図8】従来技術におけるMOSトランジスタの構造を示した図である。
【図9】従来技術におけるMOSトランジスタの製造方法を示した図である。
【図10】従来技術におけるMOSトランジスタの製造方法を示した図である。
【図11】従来技術におけるMOSトランジスタのストレスライナー膜の付加方法を示した図である。
【図12】実際のシリコン基板とSTIの形状を示した断面図である。
【符号の説明】
【0028】
1 シリコン基板、2 STI、3 ストレスライナー膜、4 ゲート電極、5 サイドウォール、6 MOSチャネル。
【技術分野】
【0001】
本発明は、ストレスライナー膜を有する半導体装置およびその半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、MOSトランジスタの高集積化および高機能化の要求に伴い、MOSトランジスタの性能を向上させるためにスケーリングを行ってきた。しかしながら、スケーリングによる性能向上が限界に近づいている現在の半導体集積回路では、スケーリング以外の技術によってMOSトランジスタの性能を向上させる試みがなされている。その1つがストレスライナー膜を使ったローカル歪みの印加であり、シリコン基板に機械的に応力を加えて、電子や正孔の移動度を向上させる技術である。下記非特許文献1,2に、このストレスライナー膜を使ってローカル歪みを印加した半導体装置が開示されている。以下、ストレスライナー膜を形成したMOSトランジスタについて説明する。
【0003】
図8(a)は、従来の技術におけるストレスライナー膜の付加方法を用いて形成したMOSトランジスタを示した図である。図8(b)は、図8(a)のMOSトランジスタをC−Dに沿った断面図である。図8(c)は、図8(a)のMOSトランジスタをE−Fに沿った断面図である。このMOSトランジスタは、シリコン基板1、シリコン基板1に形成されたSTI(Shallow Trench Isolation)2、シリコン基板1およびSTI2上に形成されたゲート電極4、ゲート電極4の側面上であってシリコン基板1およびSTI2上に形成されたサイドウォール5、シリコン基板1、STI2、およびゲート電極4の上に形成されたストレスライナー膜3を備えている。ここで、寸法Lはゲート長、寸法Wはチャネル幅である。
【0004】
図9,10は、このMOSトランジスタの製造方法を示したプロセスフローである。図9は、図8(a)のC−Dに沿った断面を表し、図10は、図8(a)のE−Fに沿った断面を表した図である。図を参照して、このMOSトランジスタの製造方法について説明する。はじめに、一般的なMOSトランジスタの製造方法を用いてSTI2を形成し、ウェル・チャネル注入、ゲート酸化、ポリシリコン堆積を経て、フォトリソグラフィ工程と異方性エッチングによってゲート電極4を形成する(図9(a),図10(a))。次に、ゲート電極4をマスクとしてextension注入およびhalo注入を行う(図9(b),図10(b))。次に、ゲート電極4の側面上であってシリコン基板1およびSTI2上にサイドウォール5を形成する(図9(c),図10(c))。次に、シリコン基板1およびサイドウォール5をマスクとしてイオン注入を行い、不純物活性化のためのアニールを行って、ゲート電極4の両側の下に位置するシリコン基板1の領域にソースあるいはドレインとなる半導体領域を形成する(図9(d),図10(d))。次に、ストレスライナー膜3を堆積する(図9(e),図10(e))。
【0005】
図11は、図9,10に示した工程をプロセスシミュレーションを用いて計算した結果を示した図である。図11は、図8の点線で囲まれた部分に相当し、ゲート長Lは0.06μm、チャネル幅Wは0.25μmの場合である。図11(a)は、異方性エッチングによってゲート電極4を形成した後の形状である。図11(b)は、ストレスライナー膜3を堆積した後の形状である。図11(a)において、STI2の上端面がシリコン基板1の上端面よりやや低くなっているのは、実際のSTI2形状を模擬するために便宜的にそのようにしているものである。実際のSTI2の形状は、図12のような形状をしている。STI2形成後の犠牲酸化、エッチングによる酸化膜除去、ゲート酸化、エッチングによる酸化膜除去を繰り返した結果、STI2端には図12に示すようなくぼみを生じる。このくぼみを模擬するために図11(a)では便宜的にSTI2上端面をシリコン基板1上端よりやや低くしている。
【0006】
このような工程を経て形成されるMOSトランジスタがNMOSの場合には、ストレスライナー膜3が引っ張りの真性応力(自らが縮もうとする)を持つように成膜条件を調整する。このとき、MOSFETのチャネルには、チャネル方向には引っ張り、ウエハ垂直方向には圧縮の応力が印加される。従って、このMOSチャネルに印加される応力によって、電子の移動度が向上し、MOSFETの電流駆動能力を向上することができる。PMOSの場合には、ストレスライナー膜3が圧縮の真性応力を持つように成膜条件を調整することで、MOSのチャネルには、チャネル方向に圧縮、ウエハ垂直方向には引っ張りの応力が印加され、電流駆動能力を向上することができる。
【0007】
【非特許文献1】高木信一、“Si系高移動度MOSトランジスタ技術”、応用物理、2005年7月4日、第74巻、第9号
【非特許文献2】F.Ootsuka、“A Highly Dense, High-Performance 130nm node CMOS Technology for Large Scale System-on-a-Chip Applications”、IEDM 2000、Tech.Digest、p575
【非特許文献3】S.T.Ahn,H,W.Kennel,J.D.Plummer,W.A.Tiller、“Film stress-related vacancy supersaturation in silicon under low-pressure chemical vapor deposited silicon nitride films”1988年11月15日、Volume 64、Issue 10、p4914−4919
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
従来の技術におけるストレスライナー膜を用いたMOSトランジスタの電流駆動力は、ストレスライナー膜中の真性応力が高いほど、電流駆動力は大きくなる。このストレスライナー膜中の真性応力は、流量比などの成膜条件の調整によって高めることができる(非特許文献3参照)。
【0009】
しかしながら、流量比などの成膜条件の調整によって真性応力を高めることは、現在の技術ではほぼ限界に達しているという問題があった。
【0010】
そこで本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、MOSトランジスタの構造を工夫することにより、ストレスライナー膜がチャネルに印加する応力を高め、電流駆動力が向上した半導体装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の一実施形態における半導体装置では、半導体基板と、半導体基板に形成された素子分離絶縁膜と、半導体基板上から素子分離絶縁膜上にかけて形成されたゲート電極とを備えている。素子分離絶縁膜は、ゲート電極下以外の該素子分離絶縁膜の上部を掘り下げることによって上段部と下段部の段差構造を有している。この半導体装置は、ゲート電極の両側の半導体基板に形成されたソースあるいはドレインとなる半導体領域と、半導体領域、素子分離絶縁膜の下段部、およびゲート電極を覆って形成されたストレスライナー膜とをさらに備えている。
【0012】
本発明の一実施形態における半導体装置の製造方法では、半導体基板に素子分離絶縁膜を形成されるとともに、この半導体基板および素子分離絶縁膜上にゲート電極が形成される。次に、異方性エッチングを行ってゲート電極下以外の素子分離絶縁膜の上部をエッチングして上段部と下段部の段差構造が形成される。次に、ゲート電極の両側の下に位置する半導体基板の領域にソースあるいはドレインとなる半導体領域が形成される。その後、半導体基板、素子分離絶縁膜の下段部、およびゲート電極の上にストレスライナー膜が形成される。
【発明の効果】
【0013】
本発明の一実施形態における半導体装置では、素子分離絶縁膜は上部を掘り下げることによって上段下段を有する段差構造を形成するため、素子分離絶縁膜上に堆積するストレスライナー膜は、この掘り下げられた深い位置に配置することができる。従って、従来よりもより大きい応力をMOSチャネルに印加できることになり、より高い電流駆動力を得ることができる。
【0014】
本発明の一実施形態における半導体装置の製造方法によれば、素子分離絶縁膜の上部をエッチングした部分に堆積したストレスライナー膜もMOSチャネルへの応力に寄与することになる。従って、従来よりもより大きい応力をMOSチャネルに印加できることになり、より高い電流駆動力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
<実施の形態1>
図1(a)は、本発明の実施の形態1におけるストレスライナー膜の付加方法を用いて形成したMOSトランジスタの構成を示した図である。図1(b)は、図1(a)のMOSトランジスタをC−Dに沿った断面図である。図1(c)は、図1(a)のMOSトランジスタをE−Fに沿った断面図である。このMOSトランジスタは、半導体基板(以下、シリコン基板1と記載)、シリコン基板1に形成された素子分離絶縁膜(以下、STI(Shallow Trench Isolation)2と記載)、シリコン基板1上からSTI2上にかけて形成されたゲート電極4、ゲート電極4の側面上であってシリコン基板1およびSTI2上に形成されたサイドウォール5、シリコン基板1、STI2、およびゲート電極4を覆って形成されたストレスライナー膜3を備えている。
【0016】
ここで、本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタの構造の特徴は、STI2がゲート電極4下以外の上部を掘り下げることによって上段部と下段部の段差を有した構造となっており、また、STI2上に堆積するストレスライナー膜3は、STI2の下段部上に堆積する構造となっている点である。ここで、寸法Lはゲート長、寸法Wはチャネル幅である。
【0017】
図2,3は、このMOSトランジスタの製造方法を示したプロセスフローである。図2は、図1(a)のC−Dに沿った断面を表し、図3は、図1(a)のE−Fに沿った断面を表した図である。図を参照して、このMOSトランジスタの製造方法について説明する。はじめに、一般的なMOSトランジスタの製造方法を用いてSTI2を形成し、ウェル・チャネル注入、ゲート酸化、ポリシリコン堆積を経て、フォトリソグラフィ工程と異方性エッチングによってゲート電極4を形成する(図2(a),図3(a))。次に、ゲート電極4をマスクとして、ゲート電極4下以外のSTI2の上部を部分的にエッチングして除去する(図2(b),図3(b))。次に、ゲート電極4をマスクとしてextension注入およびhalo注入を行う(図2(c),図3(c))。次に、ゲート電極4の側面上であってシリコン基板1およびSTI2上にサイドウォール5を形成する(図2(d),図3(d))。次に、ゲート電極4およびサイドウォール5をマスクとしてイオン注入を行い、不純物活性化のためのアニールを行って、ゲート電極4の両側の下に位置するシリコン基板1の領域にソースあるいはドレインとなる半導体領域を形成する(図2(e),図3(e))。次に、ストレスライナー膜3を堆積する(図2(f),図3(f))。
【0018】
図4は、図2,3に示した工程をプロセスシミュレーションを用いて計算した結果を示した図である。図4は、図1の点線で囲まれた部分に相当し、ゲート長Lは0.06μm、チャネル幅Wは0.25μmの場合である。図4では、簡単のため、STI2側壁に付着したサイドウォール5は示していない。図4(a)は、異方性エッチングによってゲート電極4を形成した後の形状である。図4(b)は、STI2上部をエッチングによって除去した形状である。図4(c)は、ストレスライナー膜3を堆積した後の形状である。以上のような工程によりMOSトランジスタを製造することにより、STI2は、ゲート電極4下以外の上部を掘り下げた上段部と下段部の段差を有した構造となる。また、STI2上に堆積するストレスライナー膜3は、STI2の下段部上に堆積する構造となる。
【0019】
図5は、MOSトランジスタのMOSチャネル6分布を示した図である。図5は、図1の点線で囲まれた部分のゲート電極に対し対角の位置に相当し、ゲート電極側から見た図である。本実施の形態の製造方法により形成されるMOSトランジスタは、STI2上部の酸化膜をエッチングし、STI2の下段部分にストレスライナー膜3が埋め込まれる構造である。よって、この掘り下げられた下段部分に堆積するストレスライナー膜3もMOSチャネルへの応力に寄与することになるので、MOSチャネル6に印加される応力が増加する。
【0020】
図6は、プロセスシミュレーションによって計算したMOSチャネル6中の応力分布を示した図である。図6(a)のA−Bに沿った応力分布が図6(b)および図6(c)である。図6(b)がチャネル方向の応力成分であり、図6(c)がウエハ垂直方向の応力成分である。正の応力値は引っ張り応力を、負の応力値は圧縮応力を表す。これらの計算結果から分かるように、いずれの成分も従来の技術におけるストレスライナー膜3の付加方法よりも、本発明の方法におけるストレスライナー膜3の付加方法の方が、応力が大きくなっていることが分かる。
【0021】
図7は、応力の増加によるMOS電流の変化をデバイスシミュレーションによって計算した結果を示した図である。本発明の方法におけるストレスライナー膜3の付加方法を用いることによって、MOS駆動電流が約3%増加することが分かる。
【0022】
以上より、本発明におけるMOSトランジスタの製造方法によれば、STI2の上部をエッチングした部分(下段部分)に堆積したストレスライナー膜3もMOSチャネル6への応力に寄与することになる。従って、従来よりもより大きい応力をMOSチャネル6に印加できることになり、より高い電流駆動力を得ることができる。
【0023】
<実施の形態2>
実施の形態1では、ソース・ドレインのシリコン上に直接ストレスライナー膜3を付加したが、シリコン表面にはシリサイドを形成してもよい。すなわち、図2(e),図3(e)の工程後に、ソース・ドレイン領域の表面にシリサイド層を形成する。また、シリサイド層の代わりに、熱酸化によって薄く酸化膜を形成してもよい。また、薄く酸化膜を堆積してもよい。このような構造であっても、実施の形態1と同様に、STI2の上部をエッチングした部分(下段部分)に堆積したストレスライナー膜3もMOSチャネル6への応力に寄与することになる。従って、従来よりもより大きい応力をMOSチャネル6に印加できることになり、より高い電流駆動力を得ることができる。
【0024】
また、実施の形態1では、NMOSを想定して引っ張り応力を持ったストレスライナー膜3を堆積しているが、PMOSも場合には、圧縮応力を持ったストレスライナー膜3を堆積する。
【0025】
また、図2,3に示すプロセス・フローにおいて、工程(b)のSTI2上部のエッチングと工程(c)のextension/halo注入の順序は逆にしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0026】
本発明は、STIを用いて素子分離を行い、ストレスライナー膜を用いてMOS電流駆動力を向上させている半導体集積回路全般に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタの構造を示した図である。
【図2】本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタの製造方法を示した図である。
【図3】本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタの製造方法を示した図である。
【図4】本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタのストレスライナー膜の付加方法を示した図である。
【図5】本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタのチャネル分布を示した図である。
【図6】本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタと従来技術におけるMOSトランジスタとのチャネル表面の応力分布を比較した図である。
【図7】本発明の実施の形態1におけるMOSトランジスタと従来技術におけるMOSトランジスタとの駆動電流を比較した図である。
【図8】従来技術におけるMOSトランジスタの構造を示した図である。
【図9】従来技術におけるMOSトランジスタの製造方法を示した図である。
【図10】従来技術におけるMOSトランジスタの製造方法を示した図である。
【図11】従来技術におけるMOSトランジスタのストレスライナー膜の付加方法を示した図である。
【図12】実際のシリコン基板とSTIの形状を示した断面図である。
【符号の説明】
【0028】
1 シリコン基板、2 STI、3 ストレスライナー膜、4 ゲート電極、5 サイドウォール、6 MOSチャネル。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成された素子分離絶縁膜と、
前記半導体基板上から前記素子分離絶縁膜上にかけて形成されたゲート電極と、を備え、
前記素子分離絶縁膜は、前記ゲート電極下以外の該素子分離絶縁膜の上部を掘り下げることによって上段部と下段部の段差構造を有し、
前記ゲート電極の両側の前記半導体基板に形成されたソースあるいはドレインとなる半導体領域と、
前記半導体領域、前記素子分離絶縁膜の下段部、および前記ゲート電極を覆って形成されたストレスライナー膜と、をさらに備える半導体装置。
【請求項2】
前記ゲート電極の側面上であって前記半導体基板上および素子分離絶縁膜上に形成されたサイドウォールをさらに備える請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記半導体領域の上部に形成されたシリサイド層をさらに備える請求項1または2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記半導体領域上に形成された絶縁膜をさらに備える請求項1または2に記載の半導体装置。
【請求項5】
(a)半導体基板に素子分離絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記半導体基板および前記素子分離絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
(c)異方性エッチングを行って前記ゲート電極下以外の前記素子分離絶縁膜の上部をエッチングして上段部と下段部の段差構造を形成する工程と、
(d)前記ゲート電極の両側の下に位置する前記半導体基板の領域にソースあるいはドレインとなる半導体領域を形成する工程と、
(e)前記半導体基板、前記素子分離絶縁膜の下段部、および前記ゲート電極の上にストレスライナー膜を形成する工程と、を備える半導体装置の製造方法。
【請求項6】
(f)前記工程(c)の後に、前記ゲート電極の側面上であって前記半導体基板上および前記素子分離絶縁膜上にサイドウォールを形成する工程をさらに備える請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項7】
(g)前記工程(d)の後に、前記半導体領域の上部にシリサイド層を形成する工程をさらに備える請求項5または6に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項8】
(h)前記工程(d)の後に、前記半導体領域上に絶縁膜を形成する工程をさらに備える請求項5または6に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項1】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成された素子分離絶縁膜と、
前記半導体基板上から前記素子分離絶縁膜上にかけて形成されたゲート電極と、を備え、
前記素子分離絶縁膜は、前記ゲート電極下以外の該素子分離絶縁膜の上部を掘り下げることによって上段部と下段部の段差構造を有し、
前記ゲート電極の両側の前記半導体基板に形成されたソースあるいはドレインとなる半導体領域と、
前記半導体領域、前記素子分離絶縁膜の下段部、および前記ゲート電極を覆って形成されたストレスライナー膜と、をさらに備える半導体装置。
【請求項2】
前記ゲート電極の側面上であって前記半導体基板上および素子分離絶縁膜上に形成されたサイドウォールをさらに備える請求項1に記載の半導体装置。
【請求項3】
前記半導体領域の上部に形成されたシリサイド層をさらに備える請求項1または2に記載の半導体装置。
【請求項4】
前記半導体領域上に形成された絶縁膜をさらに備える請求項1または2に記載の半導体装置。
【請求項5】
(a)半導体基板に素子分離絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記半導体基板および前記素子分離絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
(c)異方性エッチングを行って前記ゲート電極下以外の前記素子分離絶縁膜の上部をエッチングして上段部と下段部の段差構造を形成する工程と、
(d)前記ゲート電極の両側の下に位置する前記半導体基板の領域にソースあるいはドレインとなる半導体領域を形成する工程と、
(e)前記半導体基板、前記素子分離絶縁膜の下段部、および前記ゲート電極の上にストレスライナー膜を形成する工程と、を備える半導体装置の製造方法。
【請求項6】
(f)前記工程(c)の後に、前記ゲート電極の側面上であって前記半導体基板上および前記素子分離絶縁膜上にサイドウォールを形成する工程をさらに備える請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項7】
(g)前記工程(d)の後に、前記半導体領域の上部にシリサイド層を形成する工程をさらに備える請求項5または6に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項8】
(h)前記工程(d)の後に、前記半導体領域上に絶縁膜を形成する工程をさらに備える請求項5または6に記載の半導体装置の製造方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2009−71228(P2009−71228A)
【公開日】平成21年4月2日(2009.4.2)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−240799(P2007−240799)
【出願日】平成19年9月18日(2007.9.18)
【出願人】(503121103)株式会社ルネサステクノロジ (4,790)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年4月2日(2009.4.2)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年9月18日(2007.9.18)
【出願人】(503121103)株式会社ルネサステクノロジ (4,790)
【Fターム(参考)】
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