説明

半導体装置の製造方法

【課題】互いに膜厚の異なる複数のゲート絶縁膜を1つの半導体基板に形成する場合に、シャロートレンチ素子分離の上面に段差が発生するのを抑制し、かつ、エッジ部での肩落ちも抑制する。
【解決手段】本発明の一形態の半導体装置の製造方法では、半導体基板1の上全体にI/O用厚膜ゲート酸化膜3を形成した後、その上に開口を有するレジスト膜4を形成する。低リークトランジスタ形成領域Tr1におけるレジストの開口の幅Aは、高速トランジスタ形成領域Tr3における開口の幅よりも小さくする。その後、低リークトランジスタ形成領域Tr1におけるI/O用厚膜ゲート酸化膜3が途中の深さまで除去され、高速トランジスタ形成領域Tr3におけるI/O用厚膜ゲート酸化膜3が全体的に除去されるまでエッチングを行う。その後、さらに酸化を行う。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、膜厚の異なる複数のゲート絶縁膜を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、半導体装置の分野において急速な微細化による高速化および低消費電力化が進んでいる。それに伴い、トランジスタの搭載のバリエーションが多彩になり、膜厚の違う複数のゲート酸化膜を形成しなければならなくなってきている。
【0003】
しかし、複数のゲート酸化膜を形成するためには、酸化膜堆積工程、マスク合わせ工程およびウェットエッチ工程を繰り返し実施しなければならず、工程数の増加が問題となっている。また、ウェットエッチ工程が繰り返されることにより、シャロートレンチ素子分離と半導体層との界面における段差が大きくなり、ゲート電極材料のエッチング残りによってブリッジが形成されたり、シャロートレンチ素子分離エッジ部での肩落ちによって特性が変動することも問題となっている。
【0004】
図6(a)〜図7(c)は、従来における半導体装置の製造工程を示す断面図である。従来の製造方法では、まず、図6(a)に示す工程で、半導体基板101に通常のシャロートレンチ素子分離102を形成することにより、低リークトランジスタ形成領域Tr1、I/Oトランジスタ形成領域Tr2、高速トランジスタ形成領域Tr3を互いに電気的に分離する。
【0005】
次に、図6(b)に示す工程で、半導体基板101の上全体に、I/Oトランジスタ用厚膜ゲート酸化膜103を形成する。
【0006】
次に、図6(c)に示す工程で、I/Oトランジスタ用厚膜ゲート酸化膜103のうちI/Oトランジスタ形成領域Tr2に位置する部分の上のみを第1のレジスト104で覆い、低リークトランジスタ形成領域Tr1および高速トランジスタ形成領域Tr3のI/Oトランジスタ用厚膜ゲート酸化膜103をウェットエッチングにより除去する。
【0007】
次に、図7(a)に示す工程で、半導体基板101の上に、低リークトランジスタ用ゲート酸化膜105を形成する。
【0008】
次に、図7(b)に示す工程で、高速トランジスタ形成領域Tr3以外の領域を第2のレジスト106で覆い、高速トランジスタ形成領域Tr3における低リークトランジスタ用ゲート酸化膜105をウェットエッチで除去する。
【0009】
次に、図7(c)に示す工程で、高速トランジスタ形成領域Tr3に、高速トランジスタ用ゲート酸化膜107を形成する。
【0010】
以上に述べた方法の他にも、ゲート酸化膜形成領域の面積を規定して酸化膜の成長レート差から複数のゲート酸化膜を形成する方法も提案されている(例えば特許文献1参照)。
【特許文献1】特開2000−4009号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
しかしながら、上記従来の構成では、ウェットエッチ工程を繰り返すことにより、シャロートレンチ素子分離102の上面に段差が生じるといった不具合が生じていた。シャロートレンチ素子分離102の上面に段差が生じると、その段差部分にゲート電極材料が残り、リークが発生するおそれがある。また、シャロートレンチ素子分離102のエッジ部が半導体基板101の活性領域より低下するといった不具合、いわゆる肩落ちが発生し、トランジスタの特性が変動してしまう。
【0012】
そこで、本発明では、互いに膜厚の異なる複数のゲート絶縁膜を1つの半導体基板に形成する場合に、シャロートレンチ素子分離の上面に段差が発生するのを抑制することができ、かつ、シャロートレンチ素子分離のエッジ部での肩落ちも抑制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。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明における一形態の半導体装置の製造方法は、半導体基板に、第1トランジスタ形成領域、第2トランジスタ形成領域および第3トランジスタ形成領域を区画する素子分離領域を形成する工程(a)と、前記第1トランジスタ形成領域、前記第2トランジスタ形成領域および前記第3トランジスタ形成領域において、前記半導体基板からなる活性領域上に酸化膜を形成する工程(b)と、前記工程(b)の後に、前記半導体基板上に、前記第2トランジスタ形成領域の少なくとも活性領域上を覆い、前記第1トランジスタ形成領域の少なくとも活性領域上に第1の開口を有し、前記第3トランジスタ形成領域の少なくとも活性領域上に前記第1の開口よりも開口幅の広い第2の開口を有するレジストを形成する工程(c)と、前記レジストをマスクにして、前記第1トランジスタ形成領域の前記酸化膜と前記第3トランジスタ形成領域の前記酸化膜を同時にエッチングする工程(d)と、前記工程(d)の後に、前記半導体基板を酸化して、前記第1トランジスタ形成領域、前記第2トランジスタ形成領域および前記第3トランジスタ形成領域の各活性領域上にそれぞれ膜厚の異なるゲート酸化膜を形成する工程(e)とを備え、前記工程(d)では、前記エッチングによって、前記第3トランジスタ形成領域の活性領域上の前記酸化膜は完全に除去するとともに、前記第1トランジスタ形成領域の活性領域上における前記酸化膜の一部を除去する。
【0014】
本発明における一形態の製造方法によると、従来と比較して、エッチングの量を低減することができる。したがって、素子分離の上面に段差が生じるのを防止することができ、段差部分にエッチング液が残ってリークが発生するのを防止することができる。また、シャロートレンチ素子分離のエッジ部の位置が半導体基板の活性領域の位置よりも低下すること(肩落ち)を防止することができる。したがって、トランジスタの特性の変動を防止することができる。
【0015】
なお、本明細書および特許請求の範囲における「ゲート酸化膜」には、窒素が含まれていてもよい。
【0016】
本発明における一形態の製造方法において、前記工程(e)では、前記酸化前の前記半導体基板において、前記第1トランジスタ形成領域の活性領域上には前記酸化膜の一部が残存しており、前記第2トランジスタ形成領域の活性領域上には前記酸化膜の全部が残存しており、前記第3トランジスタ形成領域の活性領域上には前記酸化膜が残存していなくてもよい。
【0017】
本発明における一形態の製造方法において、前記工程(e)では、前記酸化によって、前記第2トランジスタ形成領域の活性領域上には第2のゲート酸化膜が形成され、前記第1トランジスタ形成領域の活性領域上には前記第2のゲート酸化膜よりも膜厚の薄い第1のゲート酸化膜が形成され、前記第3トランジスタ形成領域の活性領域上には前記第1のゲート酸化膜よりも膜厚の薄い第3のゲート酸化膜が形成されてもよい。
【0018】
本発明における一形態の製造方法において、前記工程(c)では、前記第1の開口の開口幅を5μm以下にしてもよい。
【0019】
本発明における一形態の製造方法において、前記工程(c)では、前記第2の開口の開口幅を10μm以下にしてもよい。
【0020】
本発明における一形態の製造方法において、前記工程(d)では、バッファードフッ酸を用いて上記エッチングを行ってもよい。
【0021】
本発明における一形態の製造方法において、前記素子分離領域は、シャロートレンチ素子分離であってもよい。
【発明の効果】
【0022】
本発明によると、リークの発生を防止することができ、トランジスタの特性の変動も防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0023】
以下、本発明の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【0024】
図1(a)〜図3(b)は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【0025】
本実施形態の製造方法では、まず、図1(a)に示す工程で、半導体基板1に通常のシャロートレンチ素子分離2を形成する。これにより、半導体基板1における低リークトランジスタ形成領域Tr1、I/Oトランジスタ形成領域Tr2、高速トランジスタ形成領域Tr3を互いに電気的に分離する。
【0026】
次に、図1(b)に示す工程で、厚さ8nmのI/Oトランジスタ用厚膜ゲート酸化膜3を形成する。このとき、半導体基板1の上部全体を酸化するため、I/Oトランジスタ形成領域Tr2だけでなく、低リークトランジスタ形成領域Tr1および高速トランジスタ形成領域Tr3にもI/Oトランジスタ用厚膜ゲート酸化膜3が形成される。
【0027】
次に、図1(c)に示す工程で、I/Oトランジスタ用厚膜ゲート酸化膜3の上にレジストを塗布した後、リソグラフィー法により、低リークトランジスタ形成領域Tr1と高速トランジスタ形成領域Tr3に開口を有し、I/Oトランジスタ形成領域Tr2を覆うレジスト膜4を形成する。その際、高速トランジスタ形成領域Tr3におけるレジスト膜4の開口線幅は10μm以上に設定する。また、低リークトランジスタ形成領域Tr1におけるレジスト膜4の開口線幅Aは5μm以下に設定する。次に、レジスト膜4をマスクにして露出しているI/Oトランジスタ用厚膜ゲート酸化膜3を、バッファードフッ酸を用いたウェットエッチング法によって20秒間エッチングする。
【0028】
このエッチングによって、高速トランジスタ形成領域Tr3のI/Oトランジスタ用厚膜ゲート酸化膜3は完全に除去されるが、低リークトランジスタ形成領域Tr1のI/Oトランジスタ用厚膜ゲート酸化膜3は一部がゲート酸化膜3aとして残存する。このエッチング作用について、図4及び図5を用いて説明する。
【0029】
図4は、ゲート酸化膜の上に形成されるレジストの開口幅(線幅A)と除去されるゲート酸化膜の厚さ(レジストに覆われている領域と覆われていない領域との段差)との関係を示す図である。この図に示す結果は、厚さ3.2nmのシリコン酸化膜の上に開口を有するレジストを形成してウェットエッチングを行った場合に、残存するシリコン酸化膜の膜厚をAFMにより測定したものである。また、このウェットエッチングは、バッファードフッ酸を用いて6秒間行った。図4に示すように、線幅Aが20μmのときは段差が2.65nmとなる。この段差の値は、線幅Aが10μmのときの段差2.72nmと比較的近い値であるのに対し、線幅Aが5μmのときは段差が2.06nmであって、他の2つの値より小さい。これらのゲート絶縁膜に対しては同一の条件でエッチングを行っていることから、線幅5μm以下ではウェットエッチングのレートが低下していることがわかる。
【0030】
図5は、それぞれの開口幅におけるエッチングレートを計算した結果を示すグラフ図である。図5に示すように、線幅が10μm以上の場合にはエッチングレートは約30nm/minであり、線幅が5μm以下である場合にはエッチングレートは約20nmである。
【0031】
図1(c)に示す工程では、ウェットエッチングを20秒間行う。このとき除去されるシリコン酸化膜の膜厚を、図5に示すエッチングレートを用いて計算する。開口線幅が10μm以上である高速トランジスタ形成領域Tr3では、除去される膜厚は30nm/min×20秒/60秒=10nmとなる。したがって、厚さが8nmのI/O用厚膜ゲート酸化膜3は完全にエッチオフされる。
【0032】
一方、開口線幅Aが5μm以下である低リークトランジスタ形成領域Tr1では、除去されるシリコン酸化膜の膜厚は、20nm/min×20秒/60秒=6.7nmとなる。したがって、厚さが8nmのI/O用厚膜ゲート酸化膜3のうち6.7nmの厚さだけ除去されて、1.3nmのゲート酸化膜3aが残る。
【0033】
なお、本実施形態では、低リークトランジスタ形成領域Tr1における開口線幅Aが5μm以下であり、他の領域、つまりI/Oトランジスタ形成領域Tr3における開口線幅を10μm以上としている。しかしながら、本発明では、2つの領域における線幅はその範囲に限られない。つまり、本発明では、2つの領域のうち一方の幅を他方よりも狭くすることにより、図1(c)に示す工程において、一方のゲート酸化膜が途中の深さまで除去され、他方のゲート酸化膜が全体的(ゲート酸化膜の厚さの全範囲)に除去することが可能となればよい。
【0034】
次に、図2(a)に示す工程で、高速トランジスタ用薄膜ゲート酸化膜5を2nmの厚さで形成する。このとき、半導体基板1の上全体に酸化膜が形成されるため、低リークトランジスタ形成領域Tr1では、もともと存在していた厚さ1.3nmのゲート酸化膜3a(図1(c)に示す)の厚さが2nm厚くなって、厚さ3.3nmの低リークトランジスタ用ゲート絶縁膜7が形成される。また、I/Oトランジスタ形成領域Tr2におけるI/O用厚膜ゲート酸化膜3の膜厚も2nm熱くなり、10nmとなる。
【0035】
次に、図2(b)に示す工程で、各ゲート酸化膜3、5、7の上にポリシリコン膜(図示せず)を200nmの厚さで形成する。その後、ポリシリコン膜の上にゲート電極形成用マスク(図示せず)を形成してドライエッチング法を用いてポリシリコン膜をエッチングすることにより、ポリシリコン膜からなる低リークトランジスタ用ゲート電極8、I/Oトランジスタ用ゲート電極9および高速トランジスタ用ゲート電極10を形成する。
【0036】
次に、図2(c)に示す工程で、半導体基板1上に、低リークトランジスタ形成領域Tr1及び高速トランジスタ形成領域Tr3を覆い、I/Oトランジスタ形成領域Tr2に開口を有するレジスト膜(図示せず)を形成する。その後、レジスト膜を及びI/Oトランジスタ用ゲート電極9をマスクにして、I/Oトランジスタ形成領域Tr2の半導体基板1に、例えばn型不純物であるリンイオンを、加速エネルギー45KeV、ドーズ量3.5×1012個/cm2、TILT角38度の条件で4回転注入(ウェハを回転させて4方向から注入)する。これにより、I/Oトランジスタ形成領域Tr2に位置する半導体基板1のうちI/Oトランジスタ電極9の外側に位置する領域に、低濃度リン拡散層からなるn型低濃度不純物領域11を形成する。続いて、I/Oトランジスタ形成領域Tr2に、n型不純物であるヒ素イオンを、加速エネルギー45KeV、ドーズ量3.5×1012個/cm2、TILT角38度の注入条件で4回転注入して、半導体基板1のうちn型低濃度不純物領域11の上に位置する部分に、低濃度ヒ素拡散層からなるn型エクステンション領域12を形成する。
【0037】
次に、図3(a)に示す工程で、半導体基板1の上および各電極8、9、10の上を覆う厚さ13nmのシリコン酸化膜(図示せず)を形成する。その後、シリコン酸化膜に対してエッチバックを行うことにより、低リークトランジスタ用ゲート電極8、I/Oトランジスタ用ゲート電極9、高速トランジスタ用ゲート電極10のそれぞれの側面上に、板状の第1のサイドウォール13を形成する。
【0038】
その後、半導体基板1上に、I/Oトランジスタ形成領域Tr2を覆い、低リークトランジスタ形成領域Tr1及び高速トランジスタ形成領域Tr3に開口を有するレジスト膜(図示せず)を形成する。その後、レジスト膜、低リークトランジスタ用ゲート電極8及びその側面上の第1のサイドウォール13、高速トランジスタ用ゲート電極10及びその側面上の第1のサイドウォール13をマスクにして、半導体基板1における低リークトランジスタ形成領域Tr1および高速トランジスタ形成領域Tr3に、n型不純物であるヒ素イオンを、加速エネルギー5KeV、ドーズ量2.0×1014個/cm2、TILT角0度の注入条件で4回転注入する。これにより、低リークトランジスタ形成領域Tr1および高速トランジスタ形成領域Tr3のうち第1のサイドウォール13の外側に位置する領域に、低濃度ヒ素拡散層からなるn型エクステンション領域15を形成する。続けて、低リークトランジスタ形成領域Tr1および高速トランジスタ形成領域Tr3に、p型不純物であるボロンイオンを、加速エネルギー12KeV、ドーズ量7.0×1012個/cm2、TILT角25°の注入条件で4回転注入する。これにより、低リークトランジスタ形成領域Tr1および高速トランジスタ形成領域Tr3のうちn型エクステンション領域15の下に位置する領域に、P型ポケット拡散層14を形成する。
【0039】
次に、図3(b)に示す工程で、半導体基板1上の全面に、厚さ60nmのシリコン窒化膜(図示せず)を形成する。その後、シリコン窒化膜に対してエッチバックを行うことにより、各電極8、9、10のそれぞれの第1のサイドウォール13の側面上に第2のサイドウォール16を形成する。
【0040】
その後、各領域Tr1〜Tr3に対して、n型不純物であるヒ素イオンを、加速エネルギー20KeV、ドーズ量3.0×1014個/cm2、TILT角7°の注入条件で注入する。続いて、n型不純物であるヒ素イオンを、加速エネルギー50KeV、ドーズ量1.25×1015個/cm2、TILT角7°の注入条件で4回転注入する。さらに、n型不純物であるリンイオンを、加速エネルギー40KeV、ドーズ量2.5×1012個/cm2、TILT角7°の注入条件で注入する。これにより、低リークトランジスタ形成領域Tr1、I/Oトランジスタ形成領域Tr2および高速トランジスタ形成領域Tr3のうち第2のサイドウォール16の外側に位置する領域に、高濃度N型拡散層(高濃度N型ソース・ドレイン領域)17を形成する。以上の工程により、本実施形態の半導体装置が製造される。
【0041】
本実施形態では、従来と比較して、ウェットエッチングの量を軽減することができる。したがって、シャロートレンチ素子分離2の上に段差が生じるのを抑制することができ、段差部分にゲート電極材料が残ってリークが発生するのを防止することができる。また、シャロートレンチ素子分離2のエッジ部の位置が半導体基板1の活性領域の位置よりも低下すること(肩落ち)を防止することができる。これにより、トランジスタの特性の変動を防止することができる。
【0042】
なお、本実施形態では、NチャネルMOSトランジスタを形成する場合について説明した。しかしながら、本発明はPチャネルMOSトランジスタにも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【0043】
以上のように、本発明の半導体装置の製造方法は、リークの発生を防止することができる点および特性の変動を防止することができる点で、産業上の利用可能性は高い。
【図面の簡単な説明】
【0044】
【図1】(a)〜(c)は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図2】(a)〜(c)は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図3】(a)、(b)は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図4】ゲート絶縁膜の上に形成されるレジストの開口幅(線幅A)と除去されるゲート絶縁膜の深さとの関係を示す図である。
【図5】それぞれの開口幅におけるエッチングレートを計算した結果を示すグラフ図である。
【図6】(a)〜(c)は、従来の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図7】(a)〜(c)は、従来の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【0045】
1 半導体基板
2 シャロートレンチ素子分離
3 I/Oトランジスタ用厚膜ゲート酸化膜
3a ゲート酸化膜
4 レジスト膜
5 高速トランジスタ用薄膜ゲート酸化膜
7 低リークトランジスタ用ゲート絶縁膜
8 低リークトランジスタ用ゲート電極
9 I/Oトランジスタ用ゲート電極
10 高速トランジスタ用ゲート電極
11 n型低濃度不純物領域
12 n型エクステンション領域
13 第1のサイドウォール
14 P型ポケット拡散層
15 n型エクステンション領域
16 第2のサイドウォール

【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体基板に、第1トランジスタ形成領域、第2トランジスタ形成領域および第3トランジスタ形成領域を区画する素子分離領域を形成する工程(a)と、
前記第1トランジスタ形成領域、前記第2トランジスタ形成領域および前記第3トランジスタ形成領域において、前記半導体基板からなる活性領域上に酸化膜を形成する工程(b)と、
前記工程(b)の後に、前記半導体基板上に、前記第2トランジスタ形成領域の少なくとも活性領域上を覆い、前記第1トランジスタ形成領域の少なくとも活性領域上に第1の開口を有し、前記第3トランジスタ形成領域の少なくとも活性領域上に前記第1の開口よりも開口幅の広い第2の開口を有するレジストを形成する工程(c)と、
前記レジストをマスクにして、前記第1トランジスタ形成領域の前記酸化膜と前記第3トランジスタ形成領域の前記酸化膜を同時にエッチングする工程(d)と、
前記工程(d)の後に、前記半導体基板を酸化して、前記第1トランジスタ形成領域、前記第2トランジスタ形成領域および前記第3トランジスタ形成領域の各活性領域上にそれぞれ膜厚の異なるゲート酸化膜を形成する工程(e)とを備え、
前記工程(d)では、前記エッチングによって、前記第3トランジスタ形成領域の活性領域上の前記酸化膜は完全に除去するとともに、前記第1トランジスタ形成領域の活性領域上における前記酸化膜の一部を除去する、半導体装置の製造方法。
【請求項2】
請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程(e)では、前記酸化前の前記半導体基板において、前記第1トランジスタ形成領域の活性領域上には前記酸化膜の一部が残存しており、前記第2トランジスタ形成領域の活性領域上には前記酸化膜の全部が残存しており、前記第3トランジスタ形成領域の活性領域上には前記酸化膜が残存していない、半導体装置の製造方法。
【請求項3】
請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程(e)では、前記酸化によって、前記第2トランジスタ形成領域の活性領域上には第2のゲート酸化膜が形成され、前記第1トランジスタ形成領域の活性領域上には前記第2のゲート酸化膜よりも膜厚の薄い第1のゲート酸化膜が形成され、前記第3トランジスタ形成領域の活性領域上には前記第1のゲート酸化膜よりも膜厚の薄い第3のゲート酸化膜が形成される、半導体装置の製造方法。
【請求項4】
請求項1〜3のうちいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程(c)では、前記第1の開口の開口幅を5μm以下にする、半導体装置の製造方法。
【請求項5】
請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程(c)では、前記第2の開口の開口幅を10μm以下にする、半導体装置の製造方法。
【請求項6】
請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記工程(d)では、バッファードフッ酸を用いて上記エッチングを行う、半導体装置の製造方法。
【請求項7】
請求項1〜6のうちいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記素子分離領域は、シャロートレンチ素子分離である、半導体装置の製造方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2007−48781(P2007−48781A)
【公開日】平成19年2月22日(2007.2.22)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−228617(P2005−228617)
【出願日】平成17年8月5日(2005.8.5)
【出願人】(000005821)松下電器産業株式会社 (73,050)
【Fターム(参考)】