説明

半導体集積回路

【課題】アニールプロセス時において、アニール温度の温度むらを低減することを目的とする。
【解決手段】 複数のトランジスタが形成された第1領域100と、第1領域100の周囲に配置され、複数のダミートランジスタが形成された第2領域200とを備え、第2領域200に形成された複数のダミートランジスタのピッチpが、複数のトランジスタを形成する際に用いるフラッシュランプ光の中心波長λc以下である。さらに、第2領域のダミートランジスタの素子形成領域の幅が、ダミートランジスタのピッチの半分以下。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体装置の素子の微細化に伴い、低抵抗かつ浅い不純物拡散層の形成が重要になって
きている。低抵抗かつ浅い不純物拡散層を形成するためのアニール法として、従来のRT
A(Rapid Thermal Anneal)に代わり、フラッシュランプやレーザ
ーを用いた超短時間アニール法が検討されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
超短時間アニールにより半導体基板をアニールする場合には、半導体基板上で半導体素
子が密に形成される領域と、半導体素子が疎に形成される領域とで、実効的なアニール温
度に温度むらが生じる場合がある。これにより、半導体素子が密に形成される領域のトラ
ンジスタと、半導体素子が疎に形成される領域のトランジスタとで、特性がばらつく等の
問題が生じるおそれがある。
【0004】
上記のアニール温度の温度むらを低減する方法として、例えば、アニール時に半導体基
板表面に光吸収膜を形成する方法が開示されている(例えば、特許文献2参照。)。しか
し、光吸収膜として、例えばcarbonを含有する膜を用いる場合には、十分な光吸収
性を得るためには高温で光吸収膜を成膜する必要がある。しかしながら、光吸収膜を高温
で成膜すると、不純物拡散層のドーパントの異常拡散や2次欠陥の成長を促し、低抵抗か
つ浅い不純物拡散層の形成が困難になる可能性がある。また、光吸収膜を用いると、アニ
ール工程の後に、光吸収膜を剥離する工程が必要になり、工程数とコストを引き上げるお
それがある。
【0005】
光吸収膜を用いる方法以外で、上記アニール温度の温度むらを低減する方法として、ト
ランジスタが形成される領域に、ダミートランジスタを配置することにより、半導体素子
の密度を均一にする半導体装置が開示されている(例えば、特許文献3参照。)。しかし
、特許文献3に開示された半導体装置では、十分にアニール温度の温度むらの低減が図ら
れていない可能性があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2007−123844号公報。
【特許文献2】特開2009−130243号公報。
【特許文献3】特開2008−211214号公報。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、アニールプロセス時において、アニール温度の温度むらを低減できる半導体
装置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】
【0008】
本発明の一態様の半導体装置は、複数のトランジスタが形成された第1領域と、
前記第1領域の周囲に配置され、複数のダミートランジスタが形成された第2領域とを
備え、前記第2領域に形成された前記複数のダミートランジスタのピッチが、前記複数の
トランジスタを形成する際に用いるフラッシュランプ光の中心波長以下であることを特徴
とする。
【0009】
本発明の別態様の半導体装置は、複数のトランジスタが形成された、半導体基板上の第
1領域と、複数のトランジスタが形成された、前記半導体基板上の第2領域と、前記第1
領域と前記第2領域を区画する素子分離領域とを備え、前記第1領域と前記第2領域の間
の前記素子分離領域の幅が、前記第1領域及び前記第2領域に形成された前記複数のトラ
ンジスタを形成する際に用いるフラッシュランプ光により前記半導体基板上に与えられる
熱の熱拡散長より広いことを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、アニールプロセス時において、アニール温度の温度むらを低減できる
半導体装置を提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の実施例1に係る半導体装置の一部を示す平面図である。
【図2】本発明の実施例1に係る半導体装置の一部を示す断面図である。
【図3】本発明の実施例1に係る第1領域に形成されるトランジスタの製造工程を示す断面図である。
【図4】本発明の実施例1に係るフラッシュランプ光の波長スペクトルである。
【図5】本発明の実施例1に係る半導体装置の第1領域、第2領域に対してフラッシュランプアニールした場合の半導体表面における温度分布を示す図である。
【図6】比較例の半導体装置の構造を示す平面図である。
【図7】比較例の半導体装置の第1領域、第2領域に対してフラッシュランプアニールした場合の半導体表面における温度分布を示す図である。
【図8】ダミートランジスタのパターン(ダミートランジスタのピッチpと、ピッチpに対するダミートランジスタの幅dの比率)と熱輻射率との関係を示す特性図である。
【図9】本発明の実施例2に係る半導体装置の一部を示す平面図である。
【図10】本発明の実施例2に係る半導体装置の一部を示す断面図である。
【図11】フラッシュランプ光によりシリコン基板をアニールする場合の、熱拡散長の温度依存性を示す特性図である。
【図12】本発明の実施例2に係る半導体装置に対しフラッシュランプアニールした場合の半導体表面における温度分布を示す図である。
【図13】比較例の半導体装置の構造を示す平面図である。
【図14】比較例の半導体装置に対してフラッシュランプアニールした場合の半導体表面における温度分布を示す図である。
【図15】本発明の実施例3に係る半導体装置の一製造工程を示す断面図である。
【図16】Ge注入有無でのフラッシュランプパワーに対するアニール温度の温度特性を示す特性図である。
【図17】本発明の実施例4に係る半導体装置の一製造工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【実施例1】
【0013】
図1、図2を参照して本発明の実施例1に係る半導体装置の構造について説明する。図
1は、本発明の実施例1に係る半導体装置の一部を示す平面図である。図2は、本発明の
実施例1に係る半導体装置の一部を示す断面図である。図1に示すように、本実施例の半
導体装置は、半導体基板10上に、複数のトランジスタが形成された第1領域100と、
第1領域100の周囲に配置された複数のダミートランジスタが形成された第2領域20
0とを備える。
【0014】
第1領域100には、複数のトランジスタが密に形成されている。第1領域に形成され
た複数のトランジスタは、例えば、メモリ機能を有する半導体集積回路、又は、ロジック
回路等を構成する。
【0015】
第2領域200には、複数のダミートランジスタDTが形成されている。図1、図2に
示すように、ダミートランジスタDTは、四方を素子分離領域20で区画された素子形成
領域の構造を有する。ダミートランジスタDTのピッチpは、隣接するダミートランジス
タDTの素子分離領域のエッジ間の距離で定義する。また、ダミートランジスタDTの幅
dは、ダミートランジスタDTの素子形成領域の幅で定義する。ダミートランジスタDT
のピッチpは、第1領域に形成された複数のトランジスタを形成する際に用いるフラッシ
ュランプ光の中心波長λc以下となるように形成されている。さらに、ダミートランジス
タDTの幅dは、ダミートランジスタのピッチpの半分以下となるように形成されている
。このように形成する理由については、後述する。
【0016】
次に、図3を参照して、本実施例の半導体装置の第1領域に形成されるトランジスタの
製造工程について説明する。図3は、図1、図2に示す第1領域に形成されるトランジス
タの製造工程を示す断面図である。
【0017】
まず、図3(a)に示すように、既知の方法により、半導体基板(p型シリコン基板)
31のnMOS領域とpMOS領域を区画する素子分離領域を形成し、次いで、nMOS
領域にpウェル層32、pMOS領域にnウェル層33を形成する。
【0018】
次に、図3(b)に示すように、既知の方法により、nMOS領域、pMOS領域の半
導体基板31上に、それぞれ、ゲート絶縁膜35、ゲート電極36を形成する。
【0019】
次に、図3(c)に示すように、ゲート電極36をマスクとして、pウェル層32の表
面にn型不純物となるV族原子、例えばAsをイオン注入する。Asのイオン注入の条件
は、例えば加速エネルギーが2keVで、ドーズ量が1×1015cm−2である。次いで、
nウェル層33の表面にp型不純物となるIII族原子、例えばBをイオン注入する。Bのイ
オン注入の条件は、例えば加速エネルギーが0.5keVで、ドーズ量が1×1015cm
である。以上の2度のイオン注入の結果、半導体基板31の表面から約15nmの深さの
不純物注入層37が形成される。
【0020】
次に、図3(d)に示すように、半導体基板31にフラッシュランプ光を照射すること
により、不純物注入層37に注入されたAsとBが格子位置に置換して取り込まれて活性
化する。これにより、n型及びp型の活性層38が形成される。なお、通常、半導体基板
31を補助加熱装置により補助加熱した状態で、フラッシュランプ光を照射する。
【0021】
次に、図3(e)に示すように、既知の方法により、ゲート電極36の側壁にSiO
膜39、及びSi膜からなる側壁スペーサ60を形成する。
【0022】
次に、図3(f)に示すように、ゲート電極36と側壁スペーサ60をマスクとして、
pウェル層32の表面にn型不純物となるV族原子、例えばPをイオン注入する。次にn
ウェル層33の表面にp型不純物となるIII族原子、例えばBをイオン注入する。これによ
り、ゲート電極36の端部から離間し素子分離領域34に接したソース・ドレイン不純物
領域61が形成される。また、これらのイオン注入により、ゲート電極36の中にも対応
する不純物イオンが注入される。
【0023】
次に、図3(g)に示すように、フラッシュランプ光を照射することにより、不純物注
入層37に注入されたAsとBが格子位置に置換して取り込まれて活性化する。フラッシ
ュランプ光は、半導体基板31の表面側から、例えばパルス幅が1ms及び照射エネルギー
が30J/cmの条件で照射される。この活性化熱処理により、不純物注入層61に注入さ
れたPとBが格子位置に置換して取り込まれ、活性化される。これにより、ゲート絶縁膜
35の両端及び素子分離領域34の間にn型及びp型の活性層62が形成される。
【0024】
以上のように、トランジスタの形成工程では、フラッシュランプ光によるアニールが行
われる。図4にフラッシュランプ光の波長スペクトルを示す。フラッシュランプ光は、図
1、図2に示す半導体装置の第1領域に形成される複数のトランジスタに照射される際に
、第1領域の周囲の領域(第2領域)にも照射される。このとき、従来のように、第1領
域にトランジスタが密に形成され、第2領域にトランジスタが疎に形成されている場合に
は、フラッシュランプ光によるアニール時に、第1領域と、第2領域との間でアニール温
度に温度むらが生じる。これに対し、本実施例では、図1、図2に示したように、第1領
域の周囲の領域(第2領域)に複数のダミートランジスタを形成することにより、フラッ
シュランプ光によるアニール時に、第1領域と、第2領域との間でアニール温度の温度む
らを低減することを可能としている。詳細は後述するが、第2領域に形成されるダミート
ランジスタDTのピッチpを、第1領域に形成された複数のトランジスタを形成する際に
用いるフラッシュランプ光の中心波長λc以下とし、さらに、ダミートランジスタDTの
幅dは、ダミートランジスタのピッチpの半分以下とすることにより、第1領域と、第2
領域との間のアニール温度の温度むらを低減することができる。
【0025】
次に、図5、図6、図7を参照して、本実施例の半導体装置の構造の、従来の半導体装
置(比較例)に対する優位性について説明する。図5は、図1、図2に示す半導体装置の
第1領域、第2領域に対してフラッシュランプアニールした場合の半導体表面における温
度分布のシミュレーション結果を示す図である。図6は、比較例の半導体装置の構造を示
す平面図である。図7は、図6に示す半導体装置の第1領域、第2領域に対してフラッシ
ュランプアニールした場合の半導体表面における温度分布のシミュレーション結果を示す
図である。
【0026】
図6に示す比較例の半導体装置は、複数のトランジスタが形成された第1領域101と
、第1領域の周囲の領域でトランジスタが形成されていない第2領域201を備える。
【0027】
図6に示す比較例の半導体装置に対して、アニール温度を1000℃に設定してフラッ
シュランプアニールを行った場合、図7に示すように、第1領域101では1060℃ま
で温度が上昇しているのに対し、第2領域201では1010℃となっている。このよう
に、第1領域と第2領域とで、約50℃の温度むらが生じる。
【0028】
一方、本実施例の半導体装置である図1、図2に示す半導体装置に対して、アニール温
度を1000℃に設定してフラッシュランプアニールを行った場合、図5に示すように、
第1領域100では1100℃程度であるのに対して、第2領域200では1095℃程
度となっている。このように、本実施例の半導体装置では、従来の半導体装置(比較例)
に比べ、第1領域と第2領域との間の温度むらを低減できる。
【0029】
次に、図8を参照して、図1、図2に示す本実施例の半導体装置のように、第2領域に
形成されるダミートランジスタDTのピッチpを、第1領域に形成された複数のトランジ
スタを形成する際に用いるフラッシュランプ光の中心波長λc以下、ダミートランジスタ
DTの幅dは、ダミートランジスタのピッチpの半分以下、とすることの望ましい理由に
ついて説明する。図8は、ダミートランジスタに対して、中心周波数450nmのフラッ
シュランプ光を照射した際の、ダミートランジスタのパターン(ダミートランジスタのピ
ッチpと、ピッチpに対するダミートランジスタの幅dの比率)と熱輻射率との関係を示
す特性図である。ここで、熱輻射率とは、フラッシュランプ光の半導体装置に対する入射
に対する反射率、半導体装置による吸収率、半導体装置を透過する透過率を用いて、熱輻
射率=1−反射率=吸収率+透過率で与えられる。
【0030】
図8に示すように、ダミートランジスタのピッチ(横軸)が、フラッシュランプアニー
ル光の中心波長以下となると、熱輻射率が大きくなっているのがわかる。また、ダミート
ランジスタのピッチpに対するダミートランジスタの幅dの比率(縦軸)が半分以下とな
ると、輻射率が大きくなっていることがわかる(最大輻射率0.82程度)。通常、素子
形成領域の熱輻射率は、0.58程度、素子分離領域の熱輻射率は、0.70程度である
から、上記のダミートランジスタのパターンとすることにより、光の回折効果により、各
材料から想定される以上の熱輻射率の増加が見込まれることが分かる。このように、第2
領域の輻射率を増加させることにより、第1領域の輻射率と同程度の輻射率を実現させる
ことができる。これにより、第1領域と第2領域とで、フラッシュランプアニール時のア
ニール温度の温度むらを低減することができる。
【0031】
このように、複数のトランジスタが密に形成された第1領域の周囲に、複数のダミート
ランジスタが形成された第2領域を配置し、この複数のダミートランジスタのパターンに
アニール時に用いるフラッシュランプ光の波長の概念を導入する。これにより、第1領域
と第2領域とで、フラッシュランプ時のアニール温度の温度むらを低減することが可能と
なる。
【実施例2】
【0032】
図9、図10を参照して本発明の実施例2に係る半導体装置の構造について説明する。
図9は、本発明の実施例2に係る半導体装置の一部を示す平面図である。図10は、本発
明の実施例1に係る半導体装置の一部を示す断面図である。図9に示すように、本実施例
の半導体装置は、半導体基板上に複数の領域300を備える。領域300には、複数のト
ランジスタが形成されている。領域300に形成された複数のトランジスタは、実施例1
の図3に示した半導体製造工程と同様にして形成される。領域300は、互いに素子分離
領域で区画されている。
【0033】
各領域300の間の素子分離領域の幅Dは、領域300に形成された複数のトランジス
タを形成する際に用いるフラッシュランプ光により半導体基板に与えられる熱の熱拡散長
より広くなるように形成されている。ここで、熱拡散長は、次式で与えられる。
【0034】

ここで、熱伝導率は、半導体基板の熱伝導率であり、密度は、シリコン基板の密度であ
り、比熱は半導体基板の比熱である。
【0035】
図11に、フラッシュランプ光によりシリコン基板をアニールする場合の、熱拡散長の
温度依存性を示す。図11は、上記の熱拡散長を与える式により得られる。図11に示す
ように、アニール温度が与えられることにより、熱拡散長が決まる。
【0036】
このように、領域300を互いに熱拡散長より広い幅で区画することにより、フラッシ
ュランプ光によりアニールする際に、各々の領域300を熱的に分離することができる。
これにより、各々の領域300の温度上昇を抑制することが可能となる。
【0037】
次に、図12、図13、図14を参照して、本実施例の半導体装置の構造の、従来の半
導体装置(比較例)に対する優位性について説明する。図12は、図9、図10に示す半
導体装置の領域300に対してフラッシュランプアニールした場合の半導体表面における
温度分布のシミュレーション結果を示す図である。図13は、比較例の半導体装置の構造
を示す平面図である。図14は、図13に示す半導体装置の領域に対してフラッシュラン
プアニールした場合の半導体表面における温度分布のシミュレーション結果を示す図であ
る。
【0038】
図13に示す比較例の半導体装置は、複数のトランジスタが形成された領域が素子分離
領域により区画されている。素子分離領域の幅は、上述の熱拡散長より狭くなるように形
成されている。なお、比較例は、複数のトランジスタが形成される領域を区画する素子分
離領域の幅は、熱拡散長とは無関係に決定されている。通常、半導体装置の省スペース化
のため、素子分離領域は狭くなるように形成される。
【0039】
図13に示す半導体装置に対して、フラッシュランプアニールを行った場合、図14に
示すように、複数のトランジスタが形成された領域が1130℃まで上昇し、周辺部との
温度差が110℃まで拡大している。
【0040】
一方、本実施例の半導体装置である図9、10に示す半導体装置に対して、図14と同
じ条件でフラッシュランプアニールを行った場合、複数のトランジスタが形成された領域
300の温度上昇が1060℃まで抑えられるとともに、周辺部との温度差も50℃にま
で低減されている。
【0041】
このように、本実施例では、複数のトランジスタが形成された複数の領域間を、熱拡散
長以上の幅を有する素子分離領域により分離する。これにより、フラッシュランプによる
アニール時の実効的なアニール温度のばらつきを低減することが可能となる。
【実施例3】
【0042】
図15を参照して本発明の実施例3に係る半導体装置の製造方法について説明する。図
15は、半導体装置の一製造工程を示す断面図である。半導体装置の第1領域には、複数
の半導体素子が密に形成されている。半導体装置の第2領域には、半導体素子が疎に形成
されている。実施例1で説明したように、密に半導体素子が形成された領域(第1領域)
と、疎に半導体素子が形成された領域(第2領域)に対してフラッシュランプアニール光
によりアニールを行うと、第1領域と、第2領域との間でアニール温度に温度むらが生じ
る。
【0043】
本実施例では、フラッシュランプ光によるアニール前に、第1領域に対してゲルマニウ
ム(Ge)等の非導電型元素によるイオン注入を実施する。このとき、第2領域はマスク
等で覆うことにより、第2領域に対してはイオン注入を行わない。これにより、第1領域
のGC poly部を非晶質化させることができる。次いで、第2領域に形成されたマス
クを剥離した後に、第1領域と第2領域に対してフラッシュランプ光によりアニールを実
施する。第1領域のGC poly部のみを非晶質化することにより、第1領域と第2領
域とで、フラッシュランプ光に対する熱輻射率を調整することが可能となり、第1領域と
第2領域とで、アニール温度の温度むらを低減することが可能となる。
【0044】
図16を用いて、ゲルマニウムイオン注入を行うことによるアニール温度の変化を示す
。図16は、加速電圧10keV、ドーズ量5E14cm−2の条件化におけるGe注入
有無でのフラッシュランプパワーに対するアニール温度の温度特性を示す。
【0045】
図16に示すように、Geイオン注入により、GC poly表面上の熱輻射率が低下
し、第1領域での実効的なアニール温度が30℃程度低下することがわかる。これにより
、アニール時に第1領域と第2領域と生じる実効的なアニール温度のむらを低減すること
が可能となる。
【実施例4】
【0046】
図17を参照して本発明の実施例4に係る半導体装置の製造方法について説明する。図
17は、半導体装置の一製造工程を示す断面図である。半導体装置の第1領域には、複数
の半導体素子が密に形成されている。半導体装置の第2領域には、半導体素子が疎に形成
されている。実施例1で説明したように、密に半導体素子が形成された領域(第1領域)
と、疎に半導体素子が形成された領域(第2領域)に対してフラッシュランプアニール光
によりアニールを行うと、第1領域と、第2領域との間でアニール温度に温度むらが生じ
る。
【0047】
本実施例では、フラッシュランプ光によるアニール前に、第1領域及び第2領域上に光
吸収膜(光反射膜であってもよい)を形成する。第2領域上の光吸収膜の表面には、フラ
ッシュランプア光の中心波長λ以下のピッチの凹凸を形成する。光吸収膜をこのように形
成することにより、第1領域と第2領域とで、フラッシュランプ光に対する熱輻射率を調
整することが可能となり、第1領域と第2領域とで、アニール温度の温度むらを低減する
ことが可能となる。
【0048】
なお、前述した各実施例は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限
定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更/改
良されうると共に、本発明にはその等価物も含まれる。例えば、実施例の説明では、アニ
ールの熱源としてフラッシュランプ光を用いているが、エキシマレーザー、YAGレーザ
ー、一酸化炭素ガス(CO)レーザー、二酸化炭素(CO)レーザー等のレーザーであ
ってもよい。或いは、ハロゲンランプ等のRTA光源であってもよい。また、フラッシュ
ランプ光の光源としては、キセノン(Xe)、その他の希ガス、水銀、水素等を用いたフ
ラッシュランプ光源がある。
【0049】
また、実施例の説明では、イオン注入された不純物の活性化熱処理工程を用いて説明し
たが、不純物の活性化熱処理工程に限定されない。例えば、酸化膜、窒化膜等の絶縁膜形
成や膜質の改善、アモルファスシリコン或いはポリシリコン結晶の大粒径化等の熱処理工
程にも適用できることは勿論である。
【符号の説明】
【0050】
10 半導体基板
20 素子分離領域
31 半導体基板
32 pウェル層
33 nウェル層
34 素子分離絶縁膜
35 ゲート絶縁膜
36 ゲート電極
37 不純物注入層
38、62 活性層
39 SiO
60 側壁スペーサ
61 不純物注入層
100、101 第1領域
200、201 第2領域
400 光吸収膜
DT ダミートランジスタ
p ピッチ
d ダミートランジスタの幅
D 素子分離領域の幅
λc 中心波長

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のトランジスタが形成された第1領域と、
前記第1領域の周囲に配置され、複数のダミートランジスタが形成された第2領域とを
備え、
前記第2領域に形成された前記複数のダミートランジスタのピッチが、前記複数のトラ
ンジスタを形成する際に用いるフラッシュランプ光の中心波長以下であることを特徴とす
る半導体装置。
【請求項2】
前記第2領域のダミートランジスタの素子形成領域の幅が、前記複数のダミートランジ
スタのピッチの半分以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項3】
複数のトランジスタが形成された、半導体基板上の第1領域と、
複数のトランジスタが形成された、前記半導体基板上の第2領域と、
前記第1領域と前記第2領域を区画する素子分離領域とを備え、
前記第1領域と前記第2領域の間の前記素子分離領域の幅が、前記第1領域及び前記第
2領域に形成された前記複数のトランジスタを形成する際に用いるフラッシュランプ光に
より前記半導体基板上に与えられる熱の熱拡散長より広いことを特徴とする半導体装置。
【請求項4】
熱伝導率k、密度n、比熱c、アニール時間Tとすると、前記熱拡散長Lが
L=√(k/n/c×T)
で与えられることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図6】
image rotate

【図9】
image rotate

【図10】
image rotate

【図13】
image rotate

【図15】
image rotate

【図16】
image rotate

【図17】
image rotate

【図5】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図11】
image rotate

【図12】
image rotate

【図14】
image rotate


【公開番号】特開2011−205049(P2011−205049A)
【公開日】平成23年10月13日(2011.10.13)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−73713(P2010−73713)
【出願日】平成22年3月26日(2010.3.26)
【出願人】(000003078)株式会社東芝 (54,554)
【Fターム(参考)】