JP2001135734A - 電界効果トランジスタの製造方法 - Google Patents

電界効果トランジスタの製造方法

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JP2001135734A JP31383799A JP31383799A JP2001135734A JP 2001135734 A JP2001135734 A JP 2001135734A JP 31383799 A JP31383799 A JP 31383799A JP 31383799 A JP31383799 A JP 31383799A JP 2001135734 A JP2001135734 A JP 2001135734A
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ferroelectric
intermediate layer
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effect transistor
interlayer insulating
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拓 古田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】通常の加工装置で、パターニングし、強誘電体
がダメージを受けない、パターンの微細化ができる電界
効果トランジスタの製造方法を提供する。 【解決手段】シリコン基板1上に中間層3を成膜し、ぞ
の上の層間絶縁膜4を異方性エッチングで、シリコン基
板1に対して垂直に加工し、開口部11を形成し
(d)、強誘電体5をその開口部11に形成する
(e)。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、電界効果トラン
ジスタに関し、特に、ゲートの層構成が金属電極/強誘
電体/中間層の三層からなっている電界効果トランジス
タの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体メモリ・デバイスとして、ゲート
に強誘電体の層を成膜し、強誘電体の分極現象によりオ
ン・オフ動作を行うMFS(Metal ferroe
lectrics Semiconductor)−電
界効果トランジスタ(FET)が知られている。このタ
イプの電界効果トランジスタは、シリコン基板上に直接
強誘電体の薄膜を成長させ、その上に金属電極を形成し
て、ゲート電極を構成し、さらに、そのゲート電極の両
側のシリコン基板上にドレインおよびソースの拡散領域
を形成し、それぞれに金属電極を形成してドレイン電極
およびソース電極としている。
【0003】シリコン基板上に、強誘電体を直接形成す
ることは、それぞれの結晶の格子定数の違いなどの理由
から困難であり、また、強誘電体を結晶化するために、
熱処理を行うが、その際にシリコン基板と強誘電体との
間で元素の相互拡散が生じ、結晶性が崩れることにより
所望の特性を得ることができないことがある。さらに、
シリコン基板と強誘電体との界面に不要な準位ができ
て、動作不良の原因となるということが一般に言われて
いる。
【0004】そのために、シリコン基板と強誘電体との
間に緩衝層として、酸化膜より誘電率の大きな中間層を
設ける構造が採用されている。図3は、従来の電界効果
トランジスタのゲートを形成する製造方法で、同図
(a)から同図(g)は工程順に示した要部製造工程断
面図である。まず、シリコン基板51にイオン注入を行
い、ソース領域52aとドレイン領域52bを形成す
る。(同図(a))。
【0005】つぎに、中間層53を成膜し、その上にス
ピンコーティングにより強誘電体55のゾル・ゲル液
(ゾル・ゲル法で用いられる溶液)を塗布し乾燥する。
これを数回繰り返し、所望の膜厚にして、最終的に熱処
理を行う(同図(b))。つぎに、強誘電体55と中間
層53をドライエッチングによりパターニングする(同
図(c))。
【0006】つぎに、層間絶縁膜54を成膜する(同図
(d))。つぎに、コンタクト孔7aを形成する。(同
図(e))。つぎに、金属膜56を成膜する(同図
(f))。つぎに、金属膜56をパターニングし、ソー
ス電極58a、ドレイン電極58b、ゲート電極58c
を形成する(同図(g))。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】この製造方法におけ
る、強誘電体55のパターニングには、特殊で高価な加
工装置(ドライエッチャー)が必要となり、また、加工
した後の形状は、図4に示すように、側面はテーパー状
61となる。そのため、パターンの微細化は困難とな
る。
【0008】また、エッチングで強誘電体55がダメー
ジを受けるためにダメージ回復処理が必要となる。この
発明の目的は、前記の課題を解決して、通常の加工装置
で、パターニングし、強誘電体がダメージを受けない、
パターンの微細化ができる電界効果トランジスタの製造
方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、半導体基板の表面上に形成された中間層をマスク
として、ソース領域とドレイン領域を前記半導体基板の
表面層に形成する工程と、前記半導体基板の表面上全面
に層間絶縁膜を形成し、ソース領域とドレイン領域に挟
まれた前記半導体基板上の前記層間絶縁膜を除去する工
程と、前記層間絶縁膜が除去された箇所の前記中間層上
に前記強誘電体を積層する工程とを含む製造工程とす
る。
【0010】半導体基板の表面上に形成された中間層を
マスクとして、ソース領域とドレイン領域を前記半導体
基板の表面層に形成する工程と、前記半導体基板表面に
半導体熱酸化膜を成長させる工程と、前記半導体熱酸化
膜が成長しない前記中間層上に前記強誘電体を積層する
工程とを含む製造工程とする。前記強誘電体が、YMn
3 で前記中間層がY2 3 であるか、または、前記強
誘電体がBi4 Ti3 12で、前記中間層がBi2 Si
5 であるとよい。
【0011】前記のように、中間層上の層間絶縁膜を除
去し、中間層が露出した井戸状にし、その井戸の中に強
誘電体を堆積させることで、強誘電体をドライエッチで
加工する必要がなくなる。そのため、ドライエッチによ
る強誘電体がダメージを受けることがない。また、加工
のために高価な加工装置も不要となる。また、熱酸化膜
を層間絶縁膜とする場合は、中間層上には酸化膜が成長
せず、前記の井戸に当たる箇所が自然に形成される。そ
のため、層間絶縁膜をパターニングする必要はない。
【0012】
【発明の実施の形態】図1は、この発明の第1実施例の
電界効果トランジスタの製造方法で、同図(a)から同
図(h)は工程順に示した要部製造工程断面図である。
この一連のプロセスにおいて、強誘電体5にYMnO3
を用い、中間層3にY 2 3 を用いた場合である。
【0013】まず、シリコン基板1上に中間層3をレー
ザーアブレーション(LaserAblation:レ
ーザー光を固体原料(ターゲット)に照射し、放出した
粒子を基板上に堆積させて成膜する方法で、PLD(P
ulsed LaserDeposition)法のこ
と)で成膜し、パターニングする(同図(a))。
【0014】つぎに、中間層3をマスクにして、イオン
注入を行い、ソース領域2a、ドレイン領域2bを形成
する(同図(b))。これにより、セルフアラインでソ
ース領域2a、ドレイン領域2bが形成される。つぎ
に、層間絶縁膜4となるSiO2 を減圧CVDで堆積成
膜させ、CMP(Chemical Mechanic
al Polishing)でエッチバックで層間絶縁
膜4を平坦化する(同図(c))。
【0015】つぎに、パターニングし、層間絶縁膜4を
異方性エッチングする。エッチングは異方的に進行する
ため、層間絶縁膜4はシリコン基板1に対して垂直に加
工され、壁面が垂直となる開口部11が形成される(同
図(d))。つぎに、スピンコーティングにより、強誘
電体5のゾル・ゲル液を数回塗布する。この塗布で開口
部11にゾル・ゲル液を堆積する(同図(e))。
【0016】つぎに、350℃から450℃の範囲(4
00℃程度が望ましい)で熱処理し、層間絶縁膜4上に
残っている図示されていない強誘電体を、CMPまたは
エッチングを全面に行なって除去する。その後、RTA
(Rapid Thermal Anneal)を用い
て酸素雰囲気中で800℃で1分間熱処理を行う。その
後、コンタクト孔7を形成する(同図(f))。
【0017】つぎに、金属膜6を形成する(同図
(g))。つぎに、金属膜6をパターニングし、ソース
電極8a、ドレイン電極8bおよびゲート電極8cを形
成する(同図(h))。この第1実施例の製造方法で
は、層間絶縁膜4に開けた開口部11の側壁は垂直にな
るために、この開口部11を枠として形成された強誘電
体5の側面は垂直になる。そのため、微細化が可能とな
る。また、強誘電体5をエッチングしないために、エッ
チングのための特殊な加工装置は不要となり、また強誘
電体5はダメージを受けない。
【0018】尚、前記の強誘電体5にBi4 Ti
3 3 、中間層3にBi2 SiO5 を用いても構わな
い。図2は、この発明の第2実施例の電界効果トランジ
スタの製造方法で、同図(a)から同図(g)は工程順
に示した要部製造工程断面図である。この一連のプロセ
スにおいて、強誘電体にYMnO3 を用い、中間層にY
2 3 を用いた場合である。
【0019】まず、シリコン基板1上に中間層3をレー
ザーアブレーションで成膜し、パターニングする(同図
(a))。つぎに、中間層3をマスクがわりとして、イ
オン注入を行い、ソース領域2a、ドレイン領域2bを
形成する。(同図(b))。つぎに、層間絶縁膜4aを
熱酸化膜で成膜する。このとき、中間層3であるY 2
3 は酸化されず、シリコン基板1のみ酸化されるため
に、中間層3上には、酸化膜が形成されず、中間層3以
外のシリコン基板1上に熱酸化膜が成長する。そのため
に、中間層3上には天井が広い井戸のような開口部11
aが形成される(同図(c))。
【0020】つぎに、スピンコーティングにより、強誘
電体5aのゾル・ゲル液を数回塗布する。この塗布で開
口部11aにゾル・ゲル液が堆積する(同図(d))。
つぎに、350℃から450℃の範囲(400℃程度が
望ましい)で熱処理し、層間絶縁膜4a上に残っている
図示されていない強誘電体を、CMPまたはエッチング
を全面に行って除去する。その後、RTAを用いて酸素
雰囲気中で800℃で1分間熱処理を行う。その後、コ
ンタクト孔7を形成する(同図(e))。
【0021】つぎに、金属膜6を形成する(同図
(f))。つぎに、金属膜6をパターニングし、ソース
電極8a、ドレイン電極8bおよびゲート電極8cを形
成する。(同図(g))。この第2実施例の製造方法で
は、第1実施例の製造方法より、強誘電体5aの形状は
好ましくないが、従来のテーパー状の形状よりは強誘電
体の側壁は垂直になっている。また、この第2実施例で
は、中間層3上の層間絶縁膜4aのエッチング工程は不
要となるために、製造コストを低減できる。また、強誘
電体5をエッチングしないために、エッチングのための
特殊な加工装置は不要となり、また強誘電体5はダメー
ジを受けない。尚、前記の強誘電体5にBi4 Ti3
3 、中間層3にBi2 SiO5 を用いても構わない。
【0022】
【発明の効果】この発明によれば、強誘電体をエッチン
グすることなく、電界効果トランジスタを製作できる。
そのために、従来必要とした強誘電体を加工する特殊で
高価な加工装置は不要となる。また、強誘電体はエッチ
ングされないので、従来のようなエッチングによるダメ
ージも受けず、従って回復処理も不要となる。また、中
間層をマスクにセルフアラインでソース領域およびドレ
イン領域を形成するのでパターンの微細化ができる。さ
らに、強誘電体の側面の形状が垂直またはそれに近くな
るために、微細化ができる。また、熱酸化膜を層間絶縁
膜に用いることで、中間層上の層間層上の層間絶縁膜の
エッチング工程を不要にできる。
【0023】つまり、本発明の製造工程を用いること
で、通常の加工装置で、パターニングし、強誘電体がダ
メージを受けない、パターンの微細化ができる。また、
製造コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1実施例の電界効果トランジスタ
の製造方法で、(a)から(h)は工程順に示した要部
製造工程断面図
【図2】この発明の第2実施例の電界効果トランジスタ
の製造方法で、(a)から(g)は工程順に示した要部
製造工程断面図
【図3】従来の電界効果トランジスタのゲートを形成す
る製造方法で、(a)から(g)は工程順に示した要部
製造工程断面図
【図4】従来のゲートの層構造の拡大図
【符号の説明】
1 シリコン基板 2a ソース領域 2b ドレイン領域 3 中間層 4、4a 層間絶縁膜 5、5a 強誘電体 6 金属膜 7 コンタクト孔 8a ソース電極 8b ドレイン領域 8c ゲート電極 11、11a 開口部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/8242

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ゲートの層構成が金属電極/強誘電体/中
    間層からなる電界効果トランジスタの製造方法におい
    て、 半導体基板の表面上に形成された中間層をマスクとし
    て、ソース領域とドレイン領域を前記半導体基板の表面
    層に形成する工程と、前記半導体基板の表面上全面に層
    間絶縁膜を形成し、ソース領域とドレイン領域に挟まれ
    た前記半導体基板上の前記層間絶縁膜を除去する工程
    と、前記層間絶縁膜が除去された箇所の前記中間層上に
    前記強誘電体を積層する工程とを含むことを特徴とする
    電界効果トランジスタの製造方法。
  2. 【請求項2】ゲートの層構成が金属電極/強誘電体/中
    間層からなる電界効果トランジスタの製造方法におい
    て、 半導体基板の表面上に形成された中間層をマスクとし
    て、ソース領域とドレイン領域を前記半導体基板の表面
    層に形成する工程と、前記半導体基板表面に半導体熱酸
    化膜を成長させる工程と、前記半導体熱酸化膜が成長し
    ない前記中間層上に前記強誘電体を積層する工程とを含
    むことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
  3. 【請求項3】前記強誘電体が、YMnO3 で前記中間層
    がY2 3 であるか、または、前記強誘電体がBi4
    3 12で、前記中間層がBi2 SiO5 であることを
    特徴とする請求項1または2に記載の電界効果トランジ
    スタの製造方法。
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