説明

周辺領域のMOSFET素子の製造方法

【課題】電気特性の低下を防止できる周辺領域のMOSFET素子の製造方法を提供すること。
【解決手段】基板21の適所に素子分離膜22を形成ステップ、領域Aのゲートが形成される部分の基板表面に溝を形成ステップ、素子分離膜及び溝を含む基板全面上にゲート絶縁膜26、ゲート導電膜27,28、ハードマスク膜29を順次形成ステップ、それら膜をパターニングして領域Aの溝と領域Bの基板の表面上に各々ゲート40a、40bを形成ステップ、ゲート両側の基板の表面内にLDD領域32を形成ステップ、基板全面上にゲートバッファ酸化膜33、ゲートスペーサ窒化膜34、ゲートスペーサ酸化膜35を順次蒸着ステップ、それら膜をエッチングしてゲートの両側壁にゲートスペーサ36を形成ステップ、及びゲートスペーサを含むゲート両側の基板の表面内にソース/ドレーン領域37を形成ステップを含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体素子の製造方法に関し、より詳細には、周辺領域内のMOSFET素子の電気特性の低下を防止できる周辺領域のMOSFET素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
最近、開発されているMOSFET素子のデザインルールがサブ-100nm以下に減少するにつれて、それに対応する周辺領域内の高密度パターン領域と低密度パターン領域との間のパターンの密度差が急激に増大している。このようなパターンの密度差は、例えば、ゲートスペーサの厚さに変化をきたし、その結果、周辺領域における高密度パターン領域と低密度パターン領域との間の MOSFET素子の特性が不均一となる。
【0003】
この点に関して、現在行われている周辺領域のMOSFET素子の製造方法を図1A〜図1Dを参照して説明する。
【0004】
まず、図1Aに示されているように、周辺領域において、高密度パターン領域A及び低密度パターン領域Bを有するシリコン基板1の適所に公知のSTI(Shallow Trench Isolation)によりトレンチ型の素子分離膜2を形成する。その後、素子分離膜2を含む基板1の全面上にゲート絶縁膜3と、ドーピングされたポリシリコン膜4及びタングステンシリサイド膜5の積層膜からなるゲート導電膜と、ハードマスク膜6とを順次形成した後、これらをパターニングして基板1の高密度パターン領域A及び低密度パターン領域Bに、各々、ゲート7を形成する。
【0005】
次に、図1Bに示されているように、ゲート再酸化処理を行って、ゲート7の側壁及び基板1の表面上にスクリーン酸化膜8を成長させた後、LDD(Lightly Doped Drain)イオン注入を行って、ゲート7の両側の基板の表面内にLDD領域9を形成する。
【0006】
次に、図1Cに示されているように、基板1の全面上にゲートバッファ酸化膜10、ゲートスペーサ窒化膜11、及びゲートスペーサ酸化膜12を順次蒸着してONO(Oxide−Nitride−Oxide)構造のゲートスペーサ積層膜を形成する。
【0007】
そして、図1Dに示されているように、公知の一連のMOSFET製造工程、即ち、N+/P+マスク処理、スペーサエッチング及びN+/P+イオン注入を順次行ってゲート7の両側壁にゲートスペーサ13を形成すると共に、ゲートスペーサ13を含むゲート7の両側の基板の表面内にソース/ドレーン領域14を形成する。以上で、周辺領域内の高密度パターン領域A及び低密度パターン領域BへのMOSFET素子の製造を完了する。
【0008】
ところが、上記の従来の周辺領域のMOSFET素子の製造方法は、次のような問題がある。
【0009】
図1Cに示すように、通常ゲートスペーサ酸化膜12は、ゲートバッファ酸化膜10及びゲートスペーサ窒化膜11に比べて著しく厚く形成されることが通常である。一方、薄膜蒸着は一般的に、パターン密度によって蒸着ローディングエフェクト(loading effect)が異なり、蒸着厚がパターン密度に対して依存性を有する。即ち、パターン密度が高いほど蒸着厚は薄くなる。このようなパターン密度に対する依存性は、蒸着される薄膜の厚さが増大するほど一層顕著に現れる。
【0010】
従って、MOSFET素子のデザインルールがサブ−100nm以下に減少すると、ゲートスペーサ酸化膜の周辺領域内の高密度パターン領域と低密度パターン領域間の蒸着厚の差は数百Åに達し、その結果、最後に形成された周辺領域内のMOSFET素子のゲートスペーサの厚さは不均一になる。これは、最終的にMOSFET素子のVtsat(saturation threshold voltage)の特性を含む電気特性の低下を引き起こしてしまう。このような問題は、特に今後の高集積MOSFET素子の開発に致命的な問題として作用することになる。
【0011】
このように、高集積MOSFET素子を製造するためには、周辺領域内のMOSFET素子の電気特性を確保することが必要である。しかし、ゲートスペーサ酸化膜の蒸着時のローディングエフェクトは物質固有の特性であって、改善するには限界があるので、上記の問題を解決するためにMOSFET素子に対する構造面での取り組みが求められる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
本発明は、上記のような従来の技術の問題点を解決するために案出されたものであって、周辺領域内のMOSFET素子の電気特性の低下を防止できる周辺領域のMOSFET素子の製造方法を提供することをその目的とする。
【0013】
また、本発明の別の目的は、周辺領域内のMOSFET素子の電気特性の低下を防止することにより、サブ−100nm級以下の高集積MOSFET素子を製造することを可能にする、周辺領域のMOSFET素子の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0014】
上記の課題を解決するために、本発明は、 周辺領域内の高密度パターン領域と低密度パターン領域とを有するシリコン基板にアクティブ領域を画定する素子分離膜を形成する第1ステップと、前記高密度パターン領域のゲートが形成される部分の前記シリコン基板の表面にリセスチャネルが得られるように溝を形成する第2ステップと、前記素子分離膜及び溝を含む前記シリコン基板の全面上に、ゲート絶縁膜、ゲート導電膜及びハードマスク膜を順次形成する第3ステップと、前記ハードマスク膜、ゲート導電膜及びゲート絶縁膜をパターニングして、前記高密度パターン領域の溝と低密度パターン領域の前記シリコン基板の表面上に各々ゲートを形成する第4ステップと、前記ゲート両側の前記シリコン基板の表面内にLDD領域を形成する第5ステップと、前記第1〜第5ステップによって形成された結果物上にゲートバッファ酸化膜、ゲートスペーサ窒化膜及びゲートスペーサ酸化膜を順次蒸着する第6ステップと、前記ゲートスペーサ酸化膜、ゲートスペーサ窒化膜及びゲートバッファ酸化膜をエッチングして、前記ゲートの両側壁にゲートスペーサを形成する第7ステップと、前記ゲートスペーサを含む前記ゲートの両側の前記シリコン基板の表面内にソース/ドレーン領域を形成する第8ステップとを含むことを特徴とする周辺領域のMOSFET素子の製造方法を提供する。
【0015】
ここで、前記第2ステップは、前記素子分離膜が形成された前記シリコン基板の全面上に犠牲酸化膜及びマスク用ポリシリコン膜を順次形成する第9ステップと、前記高密度パターン領域のゲートが形成される部分の前記シリコン基板上の前記マスク用ポリシリコン膜及びその下の犠牲酸化膜をエッチングすると共に、前記シリコン基板を所定の深さまでエッチングする第10ステップと、前記マスク用ポリシリコン膜及び犠牲酸化膜を除去する第11ステップとを含む。
【0016】
好ましくは、前記犠牲酸化膜は、100〜200Åの厚さに形成され、前記マスク用ポリシリコン膜は1000〜1500Åの厚さに形成され、前記溝は300〜1000Åの深さに形成される。
【0017】
また、本発明に係る周辺領域のMOSFET素子の製造方法は、前記第2ステップの後、かつ、前記第3ステップの前に、ウェルイオン注入、チャネルストップイオン注入、及びしきい値電圧調節イオン注入を行うステップを更に含むことを特徴とする。
【0018】
好ましくは、前記ゲート絶縁膜は酸化膜であり、前記ゲート導電膜はドーピングされたポリシリコン膜及びタングステンシリサイド膜の積層膜であり、前記ハードマスク膜は窒化膜である。前記酸化膜は30〜50Åの厚さに形成され、前記ドーピングされたポリシリコン膜は400〜700Åの厚さに形成され、前記タングステンシリサイド膜は1000〜1500Åの厚さに形成され、前記窒化膜は2000〜2500Åの厚さに形成される。
【0019】
尚、本発明に係る周辺領域のMOSFET素子の製造方法は、前記第4ステップの後、かつ、前記第5ステップの前に、前記ゲートが形成された前記結果物に対し、ゲート再酸化処理を行って、前記ゲートの側壁及び前記シリコン基板の表面上にスクリーン酸化膜を形成するステップを更に含み、前記ゲート再酸化処理は前記スクリーン酸化膜が30〜60Åの厚さに成長するまで行われることを特徴とする。
【0020】
好ましくは、前記ゲートバッファ酸化膜は80〜120Åの厚さに蒸着され、前記ゲートスペーサ窒化膜は90〜150Åの厚さに蒸着され、そして、前記ゲートスペーサ酸化膜は400〜600Åの厚さに蒸着される。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、高密度パターン領域に選択的にリセスチャネルを有するMOSFET素子を形成することにより、周辺領域内のMOSFET素子の電気特性を安定化させることができ、これによって、今後、サブ−100nm以下の高集積MOSFET素子の製造を可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0022】
以下、添付の図2A〜図2Fを参照しながら本発明の好ましい実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明及び図面において、同じ参照符号は同じ又は同様の構成要素を示すこととし、よって、同じ又は同様の構成要素に関する説明を省略する。
【0023】
本発明は、周辺領域の高密度パターン領域に選択的にリセスチャネルを適用して、MOSFET素子の有効チャネル長を増加させることにより、周辺領域の高密度パターン領域に形成されるMOSFET素子のVtsatを増大させる。この場合、パターン密度への依存性により高密度パターン領域のMOSFET素子のゲートスペーサの厚さが相対的に薄くなることを原因に低下したMOSFET素子のVtsatを、リセスチャネルの形成を通じて補償することができるので、結果的に、周辺領域のMOSFET素子の電気特性の低下を防止し、高集積MOSFET素子の製造を可能にしている。
【0024】
図2A〜図2Fは、本発明に係る周辺領域のMOSFET素子の製造方法を説明するための工程別断面図であって、なお、各図面では、周辺領域についてのみ図示している。また、基板に対して複数の処理が順次行われるが、途中段階における基板及び基板上に形成された物を合わせて「結果物」という。
【0025】
まず、図2Aに示されているように、セル領域及び周辺領域に区画され、周辺領域に高密度パターン領域Aと低密度パターン領域Bとを有するシリコン基板(以下、単に「基板」とも記す)21に対して、シリコン基板21の適所に公知のSTIによってアクティブ領域を画定するトレンチ型の素子分離膜22を形成する。
【0026】
次に、図2Bに示されているように、素子分離膜22を含む基板21の全面上に、高密度パターン領域Aに選択的にリセスチャネルを形成するためのエッチング障壁としての犠牲酸化膜23とマスク用ポリシリコン膜24を、各々、100〜200Å及び1000〜1500Åの厚さに形成する。次に、リセスチャネルが形成される基板部分、即ち、高密度パターン領域Aのゲートが形成される基板部分の上方のマスク用ポリシリコン膜24とその下の犠牲酸化膜23をエッチングし、続いて、露出した基板部分を所定の深さ、例えば、300〜1000Åの深さにエッチングして溝25を形成する。
【0027】
次に、図2Cに示されているように、ウェットエッチング及びドライエッチングを行って、残留したマスク用ポリシリコン膜23及び犠牲酸化膜24を除去した後、公知の一連のイオン注入、即ち、ウェル(Well)イオン注入、チャネルストップ(Channel stop)イオン注入、及びしきい値電圧(Vt)調節イオン注入を順次行う。
【0028】
次に、高密度パターン領域Aに選択的にリセスされた溝25が形成された基板を備えた結果物上に酸化膜からなるゲート絶縁膜26と、ドーピングされたポリシリコン膜27及びタングステンシリサイド膜28の積層膜からなるゲート導電膜と、窒化膜からなるハードマスク膜29とを順次形成した後、これら積層された膜をパターニングして高密度パターン領域Aの溝25及び低密度パターン領域Bの基板の表面上に各々ゲート30a、30bを形成する。この際、積層された膜のパターニング時には、高密度パターン領域Aの溝25上にゲート30aが形成できるように、正確なアラインメントが非常に重要である。
【0029】
ここで、酸化膜を30〜50Åの厚さに形成し、ドーピングされたポリシリコン膜を400〜700Åの厚さに形成し、タングステンシリサイド膜を1000〜1500Åの厚さに形成し、また、窒化膜を2000〜2500Åの厚さに形成する。
【0030】
次に、図2Dに示されているように、図2Cに示した結果物に対し、ゲート再酸化処理を行って、ゲート30a、30bの側壁及び基板21の表面上にスクリーン酸化膜31を成長させる。この際、ゲート再酸化処理は、スクリーン酸化膜31が30〜60Åの厚さに成長するまで行うことが好ましい。
【0031】
次に、この状態の結果物に対し、LDDイオン注入を行って、ゲート30a、30bの両側の基板21の表面内にLDD領域32を形成する。
【0032】
次に、図2Eに示すように、図2Dに示した結果物上に、80〜120Åの厚さのゲートバッファ酸化膜33、90〜150Åの厚さのゲートスペーサ窒化膜34、及び400〜600Åの厚さのゲートスペーサ酸化膜35を順次蒸着してONO構造のゲートスペーサ積層膜を形成する。ここでは詳細に図示されてはいないが、ゲートスペーサ酸化膜35はパターン密度への依存性によって周辺領域内の高密度パターン領域A及び低密度パターン領域Bの間では、相異する厚さに蒸着される。即ち、ゲートスペーサ酸化膜35は、高密度パターン領域Aで低密度パターン領域Bより相対的に薄い厚さに蒸着される。
【0033】
次に、図2Fに示されているように、図2Eに示した結果物に対し、N+/P+マスクキング、スペーサエッチング、及びN+/P+イオン注入を含む公知の一連の処理を順次行ってゲート30a、30bの両側壁にゲートスペーサ36を形成し、併せて、ゲートスペーサ36を含むゲート30a、30bの両側の基板の表面内にソース/ドレーン領域37を形成する。以上で、周辺領域の高密度パターン領域A及び低密度パターン領域Bに、各々、高集積MOSFET素子40a、40bが形成されることになる。
【0034】
ここで、周辺領域内の高密度パターン領域Aに形成されたMOSFET素子40aのゲートスペーサ36の厚さがパターン密度への依存性によって低密度パターン領域Bに形成されたMOSFET素子40bのそれと相異し、これによって、高密度パターン領域Aに形成されたMOSFET素子40aのVtsatを含む電気特性が低下することがありうる。
【0035】
一方、高密度パターン領域Aに形成されたMOSFET素子40aはリセスチャネルを有するので、有効チャネル長が低密度パターン領域Bに形成されたMOSFET素子40bのそれより長く、これによって、高密度パターン領域Aに形成されたMOSFET素子40aのVtsatが増大する。
【0036】
従って、有効チャネル長の増大によるVtsatの増大がゲートスペーサの厚さの差に起因するVtsatの減少を補償することになり、その結果、本発明に係る高密度パターン領域Aに形成されるMOSFET素子40aは安定した電気特性を有する。
【0037】
以上では、本発明を特定の実施の形態に関連して図示し、説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、特許請求の範囲により定められる技術的思想と分野から逸脱しない範囲内で、上記の実施の形態を多様に改変できることは、当技術分野で通常の知識を有する者であれば容易に分る。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1A】従来の周辺領域のMOSFET素子の製造方法を説明する断面図である。
【図1B】従来の周辺領域のMOSFET素子の製造方法を説明する断面図である。
【図1C】従来の周辺領域のMOSFET素子の製造方法を説明する断面図である。
【図1D】従来の周辺領域のMOSFET素子の製造方法を説明する断面図である。
【図2A】本発明の実施の形態に係る周辺領域のMOSFET素子の製造方法を説明する断面図である。
【図2B】本発明の実施の形態に係る周辺領域のMOSFET素子の製造方法を説明する断面図である。
【図2C】本発明の実施の形態に係る周辺領域のMOSFET素子の製造方法を説明する断面図である。
【図2D】本発明の実施の形態に係る周辺領域のMOSFET素子の製造方法を説明する断面図である。
【図2E】本発明の実施の形態に係る周辺領域のMOSFET素子の製造方法を説明する断面図である。
【図2F】本発明の実施の形態に係る周辺領域のMOSFET素子の製造方法を説明する断面図である。
【符号の説明】
【0039】
1、21 シリコン基板
2、22 素子分離膜
23 犠牲酸化膜
24 マスク用ポリシリコン膜
25 溝
3、26 ゲート酸化膜
4、27 ドーピングされたポリシリコン膜
5、28 タングステンシリサイド膜
6、29 ハードマスク膜
7、30a、30b ゲート
8、31 スクリーン酸化膜
9、32 LDD領域
10、33 ゲートバッファ酸化膜
11、34 ゲートスペーサ窒化膜
12、35 ゲートスペーサ酸化膜
13、36 ゲートスペーサ
14、37 ソース/ドレーン領域
40a、40b MOSFET素子
A 高密度パターン領域
B 低密度パターン領域

【特許請求の範囲】
【請求項1】
周辺領域内の高密度パターン領域と低密度パターン領域とを有するシリコン基板にアクティブ領域を画定する素子分離膜を形成する第1ステップと、
前記高密度パターン領域のゲートが形成される部分の前記シリコン基板の表面にリセスチャネルが得られるように溝を形成する第2ステップと、
前記素子分離膜及び溝を含む前記シリコン基板の全面上に、ゲート絶縁膜、ゲート導電膜、及びハードマスク膜を順次形成する第3ステップと、
前記ハードマスク膜、ゲート導電膜、及びゲート絶縁膜をパターニングして、前記高密度パターン領域の溝と前記低密度パターン領域の前記シリコン基板の表面上に各々ゲートを形成する第4ステップと、
前記ゲートの両側の前記シリコン基板の表面内にLDD領域を形成する第5ステップと、
前記第1〜第5ステップによって形成された結果物上に、ゲートバッファ酸化膜、ゲートスペーサ窒化膜、及びゲートスペーサ酸化膜を順次蒸着する第6ステップと、
前記ゲートスペーサ酸化膜、ゲートスペーサ窒化膜、及びゲートバッファ酸化膜をエッチングして前記ゲートの両側壁にゲートスペーサを形成する第7ステップと、
前記ゲートスペーサを含む前記ゲート両側の前記シリコン基板の表面内にソース/ドレーン領域を形成する第8ステップとを含むことを特徴とする周辺領域のMOSFET素子の製造方法。
【請求項2】
前記第2ステップは、
前記素子分離膜が形成された前記シリコン基板の全面上に犠牲酸化膜及びマスク用ポリシリコン膜を順次形成する第9ステップと、
前記高密度パターン領域のゲートが形成される部分の前記シリコン基板上の前記マスク用ポリシリコン膜及びその下の犠牲酸化膜をエッチングすると共に、前記シリコン基板を所定の深さまでエッチングする第10ステップと、
前記マスク用ポリシリコン膜及び犠牲酸化膜を除去する第11ステップとを含むことを特徴とする請求項1に記載の周辺領域のMOSFET素子の製造方法。
【請求項3】
前記犠牲酸化膜は、100〜200Åの厚さに形成され、前記マスク用ポリシリコン膜は1000〜1500Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項2に記載の周辺領域のMOSFET素子の製造方法。
【請求項4】
前記溝は300〜1000Åの深さに形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の周辺領域のMOSFET素子の製造方法。
【請求項5】
前記第2ステップの後、かつ、前記第3ステップの前に、ウェルイオン注入、チャネルストップイオン注入、及びしきい値電圧調節イオン注入を行うステップを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の周辺領域のMOSFET素子の製造方法。
【請求項6】
前記ゲート絶縁膜は酸化膜であり、前記ゲート導電膜はドーピングされたポリシリコン膜及びタングステンシリサイド膜の積層膜であり、前記ハードマスク膜は窒化膜であることを特徴とする請求項1に記載の周辺領域のMOSFET素子の製造方法。
【請求項7】
前記酸化膜は30〜50Åの厚さに形成され、前記ドーピングされたポリシリコン膜は400〜700Åの厚さに形成され、前記タングステンシリサイド膜は1000〜1500Åの厚さに形成され、前記窒化膜は2000〜2500Åの厚さに形成されることを特徴とする請求項6に記載の周辺領域のMOSFET素子の製造方法。
【請求項8】
前記第4ステップの後、かつ、前記第5ステップの前に、前記ゲートが形成された結果物に対し、ゲート再酸化処理を行って、前記ゲートの側壁及び前記シリコン基板の表面上にスクリーン酸化膜を形成するステップを更に含むことを特徴とする請求項1に記載の周辺領域のMOSFET素子の製造方法。
【請求項9】
前記ゲート再酸化処理は、前記スクリーン酸化膜が30〜60Åの厚さに成長するまで行われることを特徴とする請求項8に記載の周辺領域のMOSFET素子の製造方法。
【請求項10】
前記ゲートバッファ酸化膜は80〜120Åの厚さに蒸着され、前記ゲートスペーサ窒化膜は90〜150Åの厚さに蒸着され、前記ゲートスペーサ酸化膜は400〜600Åの厚さに蒸着されることを特徴とする請求項1に記載の周辺領域のMOSFET素子の製造方法。

【図1A】
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【図1B】
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【図1C】
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【図1D】
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【図2A】
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【図2B】
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【図2C】
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【図2D】
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【図2E】
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【図2F】
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【公開番号】特開2006−135304(P2006−135304A)
【公開日】平成18年5月25日(2006.5.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−281364(P2005−281364)
【出願日】平成17年9月28日(2005.9.28)
【出願人】(591024111)株式会社ハイニックスセミコンダクター (1,189)
【Fターム(参考)】