JP2005093856A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1素子領域および第2素子領域を有する半導体基板上にゲート絶縁膜を形成し、全面にマスク材を形成した後、マスク材を選択的にエッチングして第1素子領域に位置するゲート絶縁膜部分を露出させるための開口部を形成する工程と、開口部を含むマスク材の全面に第1導電材料膜を形成し、パターニングして少なくとも第1素子領域に位置するゲート絶縁膜部分にパターン状の第1導電材料膜を形成した後、露出したマスク材をエッチング除去する工程と、パターン状の第1導電材料膜を含むゲート絶縁膜上に第1導電材料膜と仕事関数の異なる第2導電材料膜を形成する工程と、第1素子領域のゲート絶縁膜上に第1導電材料膜を有する第1ゲート電極、第2素子領域のゲート絶縁膜上に第2導電材料膜からなる第2ゲート電極を形成する工程とを含む。
【選択図】 図1
Description
前記ゲート絶縁膜の全面にこのゲート絶縁膜に対してエッチング選択比を有するマスク材を形成した後、このマスク材を選択的にエッチングして前記第1素子領域に位置する前記ゲート絶縁膜部分を露出させるための開口部を形成する工程と、
前記開口部を含むマスク材の全面に第1導電材料膜を形成する工程と、
前記第1導電材料膜をパターニングして少なくとも前記第1素子領域に位置する前記ゲート絶縁膜部分にパターン状の第1導電材料膜を形成した後、露出したマスク材をエッチング除去する工程と、
前記パターン状の第1導電材料膜を含む前記ゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜と仕事関数の異なる第2導電材料膜を形成し,この第2導電材料膜で前記第2素子領域に位置する前記ゲート絶縁膜部分を覆う工程と、
前記第1素子領域のゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜を有する第1ゲート電極を形成すると共に、前記第2素子領域のゲート絶縁膜上に前記第2導電材料膜からなる第2ゲート電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
前記各ゲート溝を含む全面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の全面にこのゲート絶縁膜に対してエッチング選択比を有するマスク材を形成した後、このマスク材を選択的にエッチングして前記第1素子領域に位置する前記ゲート溝のゲート絶縁膜部分を露出させるための開口部を形成する工程と、
前記開口部を含むマスク材の全面に第1導電材料膜を形成する工程と、
前記第1導電材料膜をパターニングして前記第1素子領域に位置する前記ゲート溝を含む前記開口部内にパターン状の第1導電材料膜を形成すると共に、前記マスク材を露出させる工程と、
露出したマスク材をエッチング除去して前記第2素子領域に位置するゲート溝を露出させる工程と、
前記パターン状の第1導電材料膜および前記第2素子領域に位置するゲート溝を含む前記ゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜と仕事関数の異なる第2導電材料膜を形成する工程と、
前記第1素子領域のゲート溝内のゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜を有する第1ゲート電極を形成すると共に、前記第2素子領域のゲート溝内のゲート絶縁膜上に前記第2導電材料膜からなる第2ゲート電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
前記各ゲート溝を含む全面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記各ゲート溝内のゲート絶縁膜上にこのゲート絶縁膜に対してエッチング選択比を有するマスク材をそれぞれ選択的に形成する工程と、
前記第1素子領域に位置する前記ゲート溝内のマスク材を選択的にエッチング除去してそのゲート溝内のゲート絶縁膜部分を露出させる工程と、
前記露出したゲート溝内のゲート絶縁膜、前記層間絶縁膜および残存したマスク材の上に薄い第1導電材料膜を形成する工程と、
前記第1導電材料膜をパターニングして前記第1素子領域に位置する前記ゲート溝内のゲート絶縁膜を含む前記層間絶縁膜上にパターン状の第1導電材料膜を形成すると共に、前記残存したマスク材を露出させる工程と、
露出した残存マスク材をエッチング除去して前記第2素子領域に位置するゲート溝を露出させる工程と、
前記パターン状の第1導電材料膜および前記第2素子領域に位置するゲート溝を含む前記ゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜と仕事関数の異なる第2導電材料膜を形成する工程と、
前記第1素子領域のゲート溝内のゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜を有する第1ゲート電極を形成すると共に、前記第2素子領域のゲート溝内のゲート絶縁膜上に前記第2導電材料膜からなる第2ゲート電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
(第1工程)
第1素子領域および第2素子領域を有する半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する。つづいて、このゲート絶縁膜の全面にこのゲート絶縁膜に対してエッチング選択比を有するマスク材を形成した後、このマスク材を選択的にエッチングして前記第1素子領域に位置する前記ゲート絶縁膜部分を露出させるための開口部を形成する。
前記開口部を含むマスク材の全面に第1導電材料膜を形成する。つづいて、この第1導電材料膜をパターニングして少なくとも前記第1素子領域に位置する前記ゲート絶縁膜部分にパターン状の第1導電材料膜を形成する。この時、前記マスク材が露出される。露出したマスク材をエッチング除去することにより、前記マスク材で覆われた前記第2素子領域が位置するゲート絶縁膜部分が露出する。
前記パターン状の第1導電材料膜を含む前記ゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜と仕事関数の異なる第2導電材料膜を形成する。この時、第2導電材料膜の一部は前記第2素子領域に位置するゲート絶縁膜部分に直接接する。つづいて、前記パターン状の第1導電材料膜および第2導電材料膜を例えばレジストパターンをマスクとしたリアクティブイオンエッチング(RIE)によりパターニングすることにより前記第1素子領域のゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜および第2導電材料膜の積層膜からなる第1ゲート電極を形成すると共に、前記第2素子領域のゲート絶縁膜上に前記第2導電材料膜からなる第2ゲート電極を形成する。形成された第1ゲート電極は、績層構造を有するが、その仕事関数はゲート絶縁膜に接する第1導電材料膜により決定される。
(第1工程)
第1素子領域および第2素子領域を有する半導体基板上の層間絶縁膜に複数のゲート溝をそれら底部に前記各素子領域が位置する前記半導体基板表面をそれぞれ露出させるように形成する。つづいて、これらゲート溝を含む全面にゲート絶縁膜を形成する。ひきつづき、このゲート絶縁膜の全面にこのゲート絶縁膜に対してエッチング選択比を有するマスク材を形成する。この後、前記マスク材を選択的にエッチングして前記第1素子領域に位置する前記ゲート溝のゲート絶縁膜部分を露出させるための開口部を形成する。
前記開口部を含むマスク材の全面に第1導電材料膜を形成する。つづいて、この第1導電材料膜をパターニングして前記第1素子領域に位置する前記ゲート溝を含む前記開口部内にパターン状の第1導電材料膜を形成する。同時に、前記マスク材が露出される。この後、露出したマスク材をエッチング除去して第2素子領域に位置するゲート溝を露出させる。
前記パターン状の第1導電材料膜および前記第2素子領域に位置するゲート溝を含む前記ゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜と仕事関数の異なる第2導電材料膜を形成する。この時、第2導電材料膜の一部は前記第2素子領域に位置するゲート溝内のゲート絶縁膜部分に直接接する。つづいて、前記パターン状の第1導電材料膜および第2導電材料膜を例えばレジストパターンをマスクとしたRIEによりパターニングすることにより前記第1素子領域のゲート溝内にゲート絶縁膜を介して第1導電材料膜が埋め込まれた構造の第1ゲート電極を形成すると共に、前記第2素子領域のゲート溝内にゲート絶縁膜を介して第2導電材料膜が埋め込まれた構造の第2ゲート電極を形成する。形成された第1ゲート電極は、績層構造を有するが、その仕事関数はゲート絶縁膜に接する第1導電材料膜により決定される。
(第1工程)
第1素子領域および第2素子領域を有する半導体基板上の層間絶縁膜に複数のゲート溝をそれら底部に前記各素子領域が位置する前記半導体基板表面をそれぞれ露出させるように形成する。つづいて、これらゲート溝を含む全面にゲート絶縁膜を形成する。ひきつづき、各ゲート溝内のゲート絶縁膜上にこのゲート絶縁膜に対してエッチング選択比を有するマスク材をそれぞれ選択的に形成する。つまり,マスク材を前記ゲート溝内に埋め込む。
前記第1素子領域に位置する前記ゲート溝内のマスク材を選択的にエッチング除去してそのゲート溝内のゲート絶縁膜部分を露出させる。つづいて、この露出したゲート溝内のゲート絶縁膜、前記層間絶縁膜および残存したマスク材の上に薄い第1導電材料膜を形成する。この第1導電材料膜をパターニングして前記第1素子領域に位置する前記ゲート溝内のゲート絶縁膜を含む前記層間絶縁膜上にパターン状の第1導電材料膜を形成する。同時に、残存したマスク材を露出させる。
露出した残存マスク材をエッチング除去して前記第2素子領域に位置するゲート溝を露出させる。つづいて、前記パターン状の第1導電材料膜および前記第2素子領域に位置するゲート溝を含む前記ゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜と仕事関数の異なる第2導電材料膜を形成する。この時、第2導電材料膜の一部は前記第2素子領域に位置するゲート溝内のゲート絶縁膜部分に直接接する。ひきつづき、前記パターン状の第1導電材料膜および第2導電材料膜を例えばレジストパターンをマスクとしたRIEによりパターニングすることにより前記第1素子領域のゲート溝内にゲート絶縁膜を介して第1導電材料膜が埋め込まれた構造の第1ゲート電極を形成すると共に、前記第2素子領域のゲート溝内にゲート絶縁膜を介して第2導電材料膜が埋め込まれた構造の第2ゲート電極を形成する。形成された第1ゲート電極は、績層構造を有するが、その仕事関数はゲート絶縁膜に接する第1導電材料膜により決定される。
まず、図1の(A)に示すようにN型の半導体基板(例えばN型シリコンウェハ)1にバッファ酸化膜、窒化シリコン膜(いずれも図示せず)を形成し、この窒化シリコン膜上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして窒化シリコン膜を選択的にエッチングして前記バッファ酸化膜の素子領域に窒化シリコン膜パターンを形成した。この窒化シリコン膜パターンをマスクとしてリアクティブイオンエッチングにより前記バッファ酸化膜およびシリコンウェハ1をエッチングして溝を形成した。つづいて、全面の酸化シリコン膜を堆積し、CMP処理を施して窒化シリコン膜パターン上面まで平坦化する。その後、窒化シリコン膜パターンとバッファ酸化膜を除去することにより図1の(A)の左側から第1素子領域2、第2素子領域3に分離するための浅溝型素子分離(STI)領域4を形成した。つづいて、前記第1素子領域2にP型不純物、例えばボロンをイオン注入し、活性化することによりP型素子領域とした。なお、前記第2素子領域3はN型素子領域となる。必要に応じて、シリコンウェハ1の各素子領域2,3にチャンネル制御のためのP型またはN型不純物、例えばボロンまたはリンのイオン注入、活性化アニールを実施して各素子領域2,3の不純物濃度の調整を行った。ひきつづき、前記バッファ酸化膜を除去し、CVD法により例えば厚さ4〜8nmのTa2O5からなるゲート絶縁膜5を前記シリコンウェハ1の各素子領域2,3上に形成した。
まず、図3の(A)に示すようにN型の半導体基板(例えばN型シリコンウェハ)21に前述した実施例1と同様な方法で左側から第1,第2の素子領域22、23に分離するための浅溝型素子分離(STI)領域24を形成した。つづいて、前記第1素子領域22にP型不純物、例えばボロンをイオン注入し、活性化することによりP型素子領域とした。なお、前記第2素子領域23はN型素子領域となる。必要に応じて、シリコンウェハ21の各素子領域22,23にチャンネル制御のためのP型またはN型不純物、例えばボロンまたはリンのイオン注入、活性化アニールを実施して各素子領域22,23の不純物濃度の調整を行った。なお、チャンネルイオン注入は通常、ゲート電極の形成前に行なわれるが、ダマシンゲートプロセスでは後述するゲート溝を形成した後での実施できるために必ずしもこの段階で行わなくてもよい。つづいて、バッファ酸化膜を残存させた状態で全面にCVD法により厚さ200nmの多結晶シリコン膜、厚さ40nmの窒化シリコン膜のこの順序で堆積した。ひきつづき、図示しないレジストパターンを前記窒化シリコン膜上に形成し、RIE等の異方性エッチングにより前記窒化シリコン膜および多結晶シリコン膜をエッチングし、前記各素子領域22,23に多結晶シリコン膜25および窒化シリコン膜26の積層膜からなるダミーゲート27を形成した。このダミ−ゲート27は、例えば前記P型素子領域22およびN型素子領域23をそれぞれ横切るように平面的に見て略U形をなしている。レジストパターンを剥離、除去し、再度、図示しないレジストパターンをN型素子領域23に形成し、このレジストパターンおよびP型素子領域22側に位置するダミーゲート27部分をマスクとしてN型不純物、例えば砒素をP型素子領域22にイオン注入し、活性化して低濃度のN型のソース、ドレイン拡散層28,29を形成した。ひきつづき、レジストパターンを剥離、除去し、再度、図示しないレジストパターンをP型素子領域22に形成し、このレジストパターンおよびN型素子領域23側のダミーゲート27部分をマスクとしてP型不純物、例えばボロンをN型素子領域23にイオン注入し、活性化して低濃度のP型のソース、ドレイン拡散層30,31を形成した。
前述した実施例2と同様な方法によりP型素子領域22およびN型素子領域23に一部がそれぞれ延出され,平面的に見て略U形をなすゲート溝39を形成した。つづいて、前記ゲート溝39底面に露出したP型素子領域22およびN型素子領域23を含む層間絶縁膜38上にTa2O5からなるゲート絶縁膜40を形成した。ひきつづき、前記ゲート溝39内を含む第1層の層間絶縁膜38にマスク材であるTEOS膜41をそのゲート溝39を埋め込む、例えば100nmの厚さに堆積した(図9の(A)図示)。
Claims (9)
- 第1素子領域および第2素子領域を有する半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の全面にこのゲート絶縁膜に対してエッチング選択比を有するマスク材を形成した後、このマスク材を選択的にエッチングして前記第1素子領域に位置する前記ゲート絶縁膜部分を露出させるための開口部を形成する工程と、
前記開口部を含むマスク材の全面に第1導電材料膜を形成する工程と、
前記第1導電材料膜をパターニングして少なくとも前記第1素子領域に位置する前記ゲート絶縁膜部分にパターン状の第1導電材料膜を形成した後、露出したマスク材をエッチング除去する工程と、
前記パターン状の第1導電材料膜を含む前記ゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜と仕事関数の異なる第2導電材料膜を形成し,この第2導電材料膜で前記第2素子領域に位置する前記ゲート絶縁膜部分を覆う工程と、
前記第1素子領域のゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜を有する第1ゲート電極を形成すると共に、前記第2素子領域のゲート絶縁膜上に前記第2導電材料膜からなる第2ゲート電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 第1素子領域および第2素子領域を有する半導体基板上の層間絶縁膜に複数のゲート溝をそれら底部に前記各素子領域が位置する前記半導体基板表面をそれぞれ露出させるように形成する工程と、
前記各ゲート溝を含む全面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の全面にこのゲート絶縁膜に対してエッチング選択比を有するマスク材を形成した後、このマスク材を選択的にエッチングして前記第1素子領域に位置する前記ゲート溝のゲート絶縁膜部分を露出させるための開口部を形成する工程と、
前記開口部を含むマスク材の全面に第1導電材料膜を形成する工程と、
前記第1導電材料膜をパターニングして前記第1素子領域に位置する前記ゲート溝を含む前記開口部内にパターン状の第1導電材料膜を形成すると共に、前記マスク材を露出させる工程と、
露出したマスク材をエッチング除去して前記第2素子領域に位置するゲート溝を露出させる工程と、
前記パターン状の第1導電材料膜および前記第2素子領域に位置するゲート溝を含む前記ゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜と仕事関数の異なる第2導電材料膜を形成する工程と、
前記第1素子領域のゲート溝内のゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜を有する第1ゲート電極を形成すると共に、前記第2素子領域のゲート溝内のゲート絶縁膜上に前記第2導電材料膜からなる第2ゲート電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 第1素子領域および第2素子領域を有する半導体基板上の層間絶縁膜に複数のゲート溝をそれら底部に前記各素子領域が位置する前記半導体基板表面をそれぞれ露出させるように形成する工程と、
前記各ゲート溝を含む全面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記各ゲート溝内のゲート絶縁膜上にこのゲート絶縁膜に対してエッチング選択比を有するマスク材をそれぞれ選択的に形成する工程と、
前記第1素子領域に位置する前記ゲート溝内のマスク材を選択的にエッチング除去してそのゲート溝内のゲート絶縁膜部分を露出させる工程と、
前記露出したゲート溝内のゲート絶縁膜、前記層間絶縁膜および残存したマスク材の上に薄い第1導電材料膜を形成する工程と、
前記第1導電材料膜をパターニングして前記第1素子領域に位置する前記ゲート溝内のゲート絶縁膜を含む前記層間絶縁膜上にパターン状の第1導電材料膜を形成すると共に、前記残存したマスク材を露出させる工程と、
露出した残存マスク材をエッチング除去して前記第2素子領域に位置するゲート溝を露出させる工程と、
前記パターン状の第1導電材料膜および前記第2素子領域に位置するゲート溝を含む前記ゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜と仕事関数の異なる第2導電材料膜を形成する工程と、
前記第1素子領域のゲート溝内のゲート絶縁膜上に前記第1導電材料膜を有する第1ゲート電極を形成すると共に、前記第2素子領域のゲート溝内のゲート絶縁膜上に前記第2導電材料膜からなる第2ゲート電極を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記ゲート絶縁膜は、高比誘電率絶縁材料から作られることを特徴とする請求項1ないし3いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 前記マスク材は、TEOSから作られることを特徴とする請求項1ないし3いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 前記マスク材のエッチングは、湿式エッチングまたはケミカルドライエッチングによりなされることを特徴とする請求項1ないし3いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1導電材料膜は、窒化金属膜であり、前記第2導電材料膜は金属膜であることを特徴とする請求項1ないし3いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1導電材料膜のパターニングは、前記第1導電材料膜を前記開口部を除く前記マスク材表面が露出するまで化学機械研磨することによりなされることを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。
- 前記各ゲート電極の形成工程は、前記第2導電材料膜、パターン状の第1導電材料膜およびゲート絶縁膜を前記各ゲート溝を除く前記層間絶縁膜の表面が露出するまで化学機械研磨することによりなされることを特徴とする請求項2または3記載の半導体装置の製造方法。
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