JP2008270625A - Method for manufacturing ferroelectric memory device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は強誘電体メモリ装置の製造方法に関し、特にMOS型トランジスタと電界効果トランジスタのゲート部に強誘電体層を利用した強誘電体ゲートトランジスタとを備える強誘電体メモリ装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a ferroelectric memory device, and more particularly to a method for manufacturing a ferroelectric memory device including a MOS transistor and a ferroelectric gate transistor using a ferroelectric layer in the gate portion of a field effect transistor.
電界効果トランジスタのゲート部に強誘電体層が用いられた1つの強誘電体ゲートトランジスタ(以下、強誘電体ゲートFET(Field Effect Transistor)と呼ぶ。)により構成される1T(Transistor)型の強誘電体メモリ装置は、これまでの1T・1C(Capacitor)型強誘電体メモリ装置と比べて、微細化および非破壊読み出しが可能であるという特徴があるため、次世代の強誘電体メモリ装置として開発されている。 A 1T (Transistor) type strong transistor composed of one ferroelectric gate transistor (hereinafter referred to as a ferroelectric gate FET (Field Effect Transistor)) in which a ferroelectric layer is used for the gate portion of the field effect transistor. The dielectric memory device is characterized by being capable of miniaturization and non-destructive reading as compared with the conventional 1T · 1C (Capacitor) type ferroelectric memory device. Has been developed.
一方、強誘電体ゲートFETのゲート部の強誘電体層は、シリコン(Si)基板上に形成される(これを“MFS(Metal/Ferroelectric/Semiconductor)構造”と言う。)。このため、強誘電体ゲートFETを形成するための強誘電体層を結晶化させる熱処理の際に、強誘電体層の金属原子がSi基板へ拡散し、強誘電体層とSi基板との界面が乱れて良好な特性を得ることができなかった。 On the other hand, the ferroelectric layer in the gate portion of the ferroelectric gate FET is formed on a silicon (Si) substrate (this is referred to as “MFS (Metal / Ferroelectric / Semiconductor) structure”). For this reason, during the heat treatment for crystallizing the ferroelectric layer for forming the ferroelectric gate FET, metal atoms of the ferroelectric layer diffuse into the Si substrate, and the interface between the ferroelectric layer and the Si substrate. As a result, it was impossible to obtain good characteristics.
そこで、強誘電体層とSi基板との間にバッファ層を形成(これを“MFIS(Metal/Ferroelectric/Insulator/Semiconductor)構造”と言う。)することが行われた。すなわち、形成されたバッファ層によって、強誘電体層の金属原子のSi基板への拡散が防止されることによって、強誘電体ゲートFETの安定した特性を得ることが可能となっている。 Therefore, a buffer layer is formed between the ferroelectric layer and the Si substrate (this is called “MFIS (Metal / Ferroelectric / Insulator / Semiconductor) structure”). In other words, the formed buffer layer prevents the diffusion of metal atoms in the ferroelectric layer into the Si substrate, whereby the stable characteristics of the ferroelectric gate FET can be obtained.
なお、このバッファ層には、デバイスの特性を向上させるために、低リーク電流、高誘電率、高温での特性安定性を有する絶縁体材料が用いられている。これらの特徴を満たす材料として、高誘電率(high−k)ゲート絶縁膜、例えば、酸化ハフニウム(HfO2)などが適用されていた。 Note that an insulator material having a low leakage current, a high dielectric constant, and a characteristic stability at high temperature is used for the buffer layer in order to improve device characteristics. As a material satisfying these characteristics, a high dielectric constant (high-k) gate insulating film such as hafnium oxide (HfO 2 ) has been applied.
そして、強誘電体メモリ装置を製造するためには、このような高誘電率ゲート絶縁膜が利用された強誘電体ゲートFETとともに、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)FETなどの周辺回路の搭載が必要となる(例えば、特許文献1参照。)。 In order to manufacture a ferroelectric memory device, peripheral circuits such as MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) FETs are mounted along with ferroelectric gate FETs using such a high dielectric constant gate insulating film. It is necessary (see, for example, Patent Document 1).
ところが、このような強誘電体メモリ装置において、強誘電体ゲートFETとMOSFETとを同時に形成するには、強誘電体ゲートFETとMOSFETとを構成する材料が大きく異なるために非常に困難であった。 However, in such a ferroelectric memory device, it is very difficult to form the ferroelectric gate FET and the MOSFET simultaneously because the materials constituting the ferroelectric gate FET and the MOSFET are greatly different. .
そこで、MOSFETを先に形成し、その後に、強誘電体ゲートFETを形成する方法が考えられていた。
以下に強誘電体ゲートFETとともにMOSFETが搭載された強誘電体メモリ装置の製造の概要を説明する。
Therefore, a method has been considered in which a MOSFET is formed first and then a ferroelectric gate FET is formed.
An outline of manufacturing a ferroelectric memory device in which a MOSFET is mounted together with a ferroelectric gate FET will be described below.
図10〜図14は、従来の強誘電体メモリ装置の製造方法の断面模式図である。
まず、P型Si基板101に、素子分離領域102を形成して、強誘電体ゲートFET領域100aとMOSFET領域100bとを設ける(図10(A))。
10 to 14 are schematic sectional views of a conventional method for manufacturing a ferroelectric memory device.
First, an element isolation region 102 is formed on a P-type Si substrate 101, and a ferroelectric
強誘電体ゲートFET領域100aにおいて、P型Si基板101上に、リソグラフィ工程によりN−ウェル用のパターンのレジスト103を形成する。そして、開口部に、例えば、リン(P)イオンを注入して、N−ウェル104を形成する(図10(B))。
In the ferroelectric
MOSFET領域100bにおいて、レジスト103の除去後、P型Si基板101上に、活性領域のゲート絶縁膜として、酸化シリコン(SiO2)を形成し、その上に、ゲート電極として、多結晶シリコン(Poly−Si)を形成する。
In the
リソグラフィ工程によるパターン形成後、エッチングを行って、サイドウォールを形成して、ゲート部105を形成する(図11(A))。
MOSFET領域100bにおいて、リソグラフィ工程によってN型導電領域用のパターンのレジスト103aを形成し、開口部に、例えば、砒素(As)イオンを注入して、N型導電領域106を形成する(図11(B))。
After pattern formation by a lithography process, etching is performed to form sidewalls, whereby a gate portion 105 is formed (FIG. 11A).
In the
強誘電体ゲートFET領域100aにおいて、リソグラフィ工程によってP型導電領域用のパターンのレジスト103bを形成し、開口部に、例えば、ボロン(B)イオンを注入して、P型導電領域107を形成する(図12(A))。
In the ferroelectric
強誘電体ゲートFET領域100aおよびMOSFET領域100bにおいて、レジスト103bを除去して、全面に、例えば、HfO2をバッファ層108として、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などを用いて形成する。バッファ層108の形成後、アニール処理を行って、バッファ層108の全面に、例えば、タンタル酸ビスマスストロンチウム(SBT)膜を強誘電体層109として、CVD法などを用いて形成して結晶化させる。さらに、強誘電体層109の全面に電極110を形成する(図12(B))。
In the ferroelectric
電極110の全面に、リソグラフィ工程によって電極パターンのレジスト103cを形成し、電極110および強誘電体層109を、RIE(Reactive Ion Etching)を用いてエッチングする(図13(A))。 An electrode pattern resist 103c is formed on the entire surface of the electrode 110 by a lithography process, and the electrode 110 and the ferroelectric layer 109 are etched using RIE (Reactive Ion Etching) (FIG. 13A).
レジスト103cを除去して、アニール処理を行う。全面に、層間層111を例えば低温CVD法により形成して、層間層111の表面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)により平坦化を行う(図13(B))。 The resist 103c is removed and an annealing process is performed. An interlayer layer 111 is formed on the entire surface by, for example, a low temperature CVD method, and the surface of the interlayer layer 111 is planarized by CMP (Chemical Mechanical Polishing) (FIG. 13B).
層間層111にソース、ドレインへの接続のためのコンタクトホール用のレジスト103dをマスクとしてコンタクトホール112aを形成する(図14(A))。
層間層111に形成したコンタクトホール112aにアルミニウム(Al)を用いて配線112を形成する(図14(B))。
A contact hole 112a is formed in the interlayer 111 using the contact hole resist 103d for connection to the source and drain as a mask (FIG. 14A).
A wiring 112 is formed using aluminum (Al) in the contact hole 112a formed in the interlayer 111 (FIG. 14B).
以上のような工程を経て、強誘電体ゲートFETとともにMOSFETが搭載されて構成される一般的な強誘電体メモリ装置が製造される。
しかし、このような強誘電体メモリ装置の作成プロセスでは、強誘電体ゲートFETを構成する電極、強誘電体層をエッチングする際に、MOSFETの表面までもエッチングされてしまい、MOSFETが損傷を受けて、MOSFETの特性が劣化して、結果的に強誘電体メモリ装置の特性が低下してしまうという問題点があった。 However, in the process of manufacturing such a ferroelectric memory device, when etching the electrodes and the ferroelectric layer constituting the ferroelectric gate FET, the surface of the MOSFET is also etched, and the MOSFET is damaged. As a result, the characteristics of the MOSFET deteriorate, and as a result, the characteristics of the ferroelectric memory device deteriorate.
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、良好な特性を持つ強誘電体メモリ装置の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these points, and an object thereof is to provide a method for manufacturing a ferroelectric memory device having good characteristics.
本発明では上記課題を解決するために、MOS型トランジスタ3と電界効果トランジスタのゲート部に強誘電体層を利用した強誘電体ゲートFET6とを備える強誘電体メモリ装置の製造方法において、図1に示すように、半導体基板1のMOS型トランジスタ領域1bに、MOS型トランジスタ3を形成する工程と、MOS型トランジスタ領域1bおよび半導体基板1の強誘電体ゲートFET領域1aに、層間層4を形成する工程と、層間層4の強誘電体ゲートFET領域1aを開口する工程と、強誘電体ゲートFET領域1aの開口部5に、強誘電体ゲートFET6を形成する工程と、を有することを特徴とする強誘電体メモリ装置の製造方法が提供される。
In the present invention, in order to solve the above problems, in a method for manufacturing a ferroelectric memory device including a MOS transistor 3 and a ferroelectric gate FET 6 using a ferroelectric layer in the gate portion of a field effect transistor, FIG. As shown in FIG. 2, a step of forming a MOS transistor 3 in the
このような強誘電体メモリ装置の製造方法によれば、MOS型トランジスタが、半導体基板のMOS型トランジスタ領域に形成され、層間層がMOS型トランジスタ領域および半導体基板の強誘電体ゲートFET領域に形成され、層間層の強誘電体ゲートFET領域が開口され、強誘電体ゲートFETが強誘電体ゲートFET領域の開口部に形成されるようになる。 According to such a method of manufacturing a ferroelectric memory device, the MOS transistor is formed in the MOS transistor region of the semiconductor substrate, and the interlayer layer is formed in the MOS transistor region and the ferroelectric gate FET region of the semiconductor substrate. Then, the ferroelectric gate FET region in the interlayer layer is opened, and the ferroelectric gate FET is formed in the opening of the ferroelectric gate FET region.
本発明では、MOS型トランジスタを半導体基板のMOS型トランジスタ領域に形成し、層間層をMOS型トランジスタ領域および半導体基板の強誘電体ゲートFET領域に形成し、層間層の強誘電体ゲートFET領域を開口し、強誘電体ゲートFETを強誘電体ゲートFET領域の開口部に形成するようにした。これにより、MOS型トランジスタの表面への損傷を低減でき、かつ、半導体基板および層間膜と、強誘電体膜との間に存在するバッファ層が強誘電体膜の特性の劣化を防ぐバリア層となり信頼性が向上した強誘電体メモリ装置を製造することができる。 In the present invention, the MOS transistor is formed in the MOS transistor region of the semiconductor substrate, the interlayer layer is formed in the MOS transistor region and the ferroelectric gate FET region of the semiconductor substrate, and the ferroelectric gate FET region of the interlayer layer is formed. The ferroelectric gate FET is formed in the opening of the ferroelectric gate FET region. As a result, damage to the surface of the MOS transistor can be reduced, and the buffer layer existing between the semiconductor substrate and the interlayer film and the ferroelectric film serves as a barrier layer that prevents deterioration of the characteristics of the ferroelectric film. A ferroelectric memory device with improved reliability can be manufactured.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
最初に、本発明の概要について説明した後に、実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
First, after describing the outline of the present invention, embodiments will be described. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the matters described in the claims and equivalents thereof.
図1は、本発明の概念図である。
図1は、本発明の製造方法を用いた強誘電体メモリ装置の製造工程を概念的に示したものである。以下に、図1を用いて、本発明における強誘電体メモリ装置の製造方法について説明する。
FIG. 1 is a conceptual diagram of the present invention.
FIG. 1 conceptually shows a manufacturing process of a ferroelectric memory device using the manufacturing method of the present invention. A method for manufacturing a ferroelectric memory device according to the present invention will be described below with reference to FIG.
まず、半導体基板1に素子分離領域2によって、強誘電体ゲートFET領域1aとMOS型トランジスタ領域1bとを設置する。
強誘電体ゲートFET領域1aにおいて、後に形成する強誘電体ゲートFET6用のウェル領域および導電領域を形成しておく。
First, a ferroelectric
In the ferroelectric
一方、MOS型トランジスタ領域1bにおいては、MOS型トランジスタ3を形成する(図1(A))。
強誘電体ゲートFET領域1aおよびMOS型トランジスタ領域1bの全面に、層間層4を形成する(図1(B))。
On the other hand, the MOS transistor 3 is formed in the
An interlayer 4 is formed on the entire surface of the ferroelectric
強誘電体ゲートFET領域1aおよびMOS型トランジスタ領域1bの全面に形成された層間層4の強誘電体ゲートFET領域1aに開口部5を形成する(図1(C))。
層間層4の開口部5に、強誘電体ゲートFET6を形成する(図1(D))。
An opening 5 is formed in the ferroelectric
A ferroelectric gate FET 6 is formed in the opening 5 of the interlayer layer 4 (FIG. 1D).
このようにして形成された強誘電体ゲートFET6およびMOS型トランジスタ3に配線工程などを行って、強誘電体ゲートFET6とともにMOS型トランジスタ3が搭載された強誘電体メモリ装置が完成する。 A wiring process is performed on the ferroelectric gate FET 6 and the MOS transistor 3 formed as described above, and a ferroelectric memory device in which the MOS transistor 3 is mounted together with the ferroelectric gate FET 6 is completed.
既に説明した通り、従来の強誘電体メモリ装置の製造方法では、MOS型トランジスタ、強誘電体ゲートFETをそれぞれ順に形成した後に、層間層を形成していた。しかし、この従来の製造方法では、MOS型トランジスタの形成後に、強誘電体ゲートFETを構成する強誘電体層などのエッチングを行っていた。この時、MOS型トランジスタの表面までもエッチングしてしまい、MOS型トランジスタが損傷を受けることによって、強誘電体メモリ装置の特性が低下していた。 As already described, in the conventional method for manufacturing a ferroelectric memory device, an MOS transistor and a ferroelectric gate FET are formed in this order, and then an interlayer is formed. However, in this conventional manufacturing method, after the formation of the MOS transistor, the ferroelectric layer constituting the ferroelectric gate FET is etched. At this time, even the surface of the MOS transistor is etched, and the MOS transistor is damaged, so that the characteristics of the ferroelectric memory device are deteriorated.
一方、本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法では、MOS型トランジスタが先に形成された半導体基板上に、層間層、強誘電体ゲートFETをそれぞれ順に形成している。この本発明の製造方法では、先に形成したMOS型トランジスタを含む半導体基板の全面に層間層を形成しているため、強誘電体ゲートFETを形成することによって生じるMOS型トランジスタへの損傷を、層間層によって、減少させることができる。このため、MOS型トランジスタへの損傷を低減して、強誘電体ゲートFETを形成することができる。したがって、良好な特性の強誘電体メモリ装置を製造することが可能となる。 On the other hand, in the method for manufacturing a ferroelectric memory device of the present invention, an interlayer layer and a ferroelectric gate FET are sequentially formed on a semiconductor substrate on which a MOS transistor has been formed. In the manufacturing method of the present invention, since the interlayer layer is formed on the entire surface of the semiconductor substrate including the previously formed MOS type transistor, damage to the MOS type transistor caused by forming the ferroelectric gate FET is reduced. This can be reduced by the interlayer. Therefore, it is possible to reduce the damage to the MOS transistor and form the ferroelectric gate FET. Therefore, it is possible to manufacture a ferroelectric memory device having good characteristics.
次に、本実施の概要を用いた2つの実施の形態について説明する。
まず、第1の実施の形態について説明する。
図2〜図7は第1の実施の形態における強誘電体メモリ装置の製造方法の断面模式図である。
Next, two embodiments using the outline of the present embodiment will be described.
First, the first embodiment will be described.
2 to 7 are schematic cross-sectional views of the method of manufacturing the ferroelectric memory device according to the first embodiment.
まず、P型に導電されたSi基板(以下、P型Si基板11とする。)に、素子分離領域12を形成することによって、後に形成する2種のトランジスタに応じて、強誘電体ゲートFET領域11aおよびMOSFET領域11bを設定する(図2(A))。
First, by forming an element isolation region 12 on a P-type conductive Si substrate (hereinafter referred to as a P-type Si substrate 11), a ferroelectric gate FET according to two types of transistors to be formed later.
強誘電体ゲートFET領域11aおよびMOSFET領域11bが設定されたP型Si基板11にリソグラフィ工程によって、強誘電体ゲートFET領域11aにN−ウェル用のパターンを形成する。そして、MOSFET領域11bを覆うレジスト13をマスクとして、例えば、Pイオンを注入して、N−ウェル14を形成する(図2(B))。
An N-well pattern is formed in the ferroelectric
レジスト13の除去後、MOSFET領域11bに、活性領域であるゲート膜として、SiO2膜(厚さ:7nm)を形成し、その上に、ゲート電極として、Poly−Si膜(厚さ:180nm)を形成する。
After removing the resist 13, a SiO 2 film (thickness: 7 nm) is formed as a gate film as an active region in the
Poly−Si膜上にリソグラフィ工程によるパターン形成後、パターンをマスクとしてエッチングを行って、さらにサイドウォールを形成して、ゲート部15を形成する(図3(A))。 After a pattern is formed on the Poly-Si film by a lithography process, etching is performed using the pattern as a mask, and a sidewall is formed to form the gate portion 15 (FIG. 3A).
さらに、リソグラフィ工程によって、MOSFET領域11bにN型導電領域用のパターンを形成する。そして、強誘電体ゲートFET領域11aを覆うレジスト13aをマスクとして、例えば、Asイオンを注入して、N型導電領域16を形成する(図3(B))。
Furthermore, a pattern for an N-type conductive region is formed in the
レジスト13aの除去後、再び、リソグラフィ工程によって強誘電体ゲートFET領域11aにP型導電領域用のパターンを形成する。そして、MOSFET領域11bを覆うレジスト13bをマスクとして、例えばBイオンを注入して、P型導電領域17を形成する(図4(A))。
After removing the resist 13a, a pattern for a P-type conductive region is formed again in the ferroelectric
なお、レジスト13bの除去後、N−ウェル14、N型導電領域16およびP型導電領域17を活性化させるために、例えば、1000℃で熱アニール処理を行う。
熱アニール処理後、強誘電体ゲートFET11aおよびMOSFET11bの全面に、例えば、熱CVD法を用いて層間層18(厚さ:300nm)を形成して、CMP法によって、平坦化処理を行う(図4(B))。
In addition, after removing the resist 13b, in order to activate the N-well 14, the N-type conductive region 16, and the P-type conductive region 17, for example, a thermal annealing process is performed at 1000 ° C.
After the thermal annealing process, an interlayer layer 18 (thickness: 300 nm) is formed on the entire surface of the
平坦化処理後、リソグラフィ工程によって、強誘電体ゲートFET領域11aにパターンを形成する。開口部19を有するレジスト13cをマスクとして、層間層18をエッチングして、P型Si基板11を表出させる(図5(A))。
After the planarization process, a pattern is formed in the ferroelectric
レジスト13cの除去後、開口部19を含むP型Si基板11の全面に、例えば、CVD法を用いて、窒化ハフニウムシリケート(HfSiON)をバッファ層20(厚さ:4nm)として形成する。 After removing the resist 13c, hafnium nitride silicate (HfSiON) is formed as a buffer layer 20 (thickness: 4 nm) on the entire surface of the P-type Si substrate 11 including the opening 19 by using, for example, a CVD method.
なお、バッファ層20には、HfSiONに替わって、HfO2、ハフニウムアルミネート(HfAlO)、HfO2/HfSiON、HfO2/HfAlOを用いても、HfSiONと同様の効果を得ることができる。また、形成方法のCVD法に替わって、e−ビーム法などでも同様に膜を形成することができる。
Even if HfO 2 , hafnium aluminate (HfAlO), HfO 2 / HfSiON, HfO 2 / HfAlO is used for the
バッファ層20に熱アニール処理を行った後に、例えば、CVD法を用いて、SBT膜を強誘電体層21(厚さ:300nm)として形成する(図5(B))。
なお、強誘電体層21にはSBT膜に替わって、チタン酸ビスマスランタン(BLT)膜、チタン酸ビスマスニオブ(BNT)膜などを形成してもSBT膜と同様の効果を得ることができる。また、形成方法のCVD法に替わって、ゾルゲル法、スパッタ法などでも同様に膜を形成することができる。
After the thermal annealing process is performed on the
Note that the same effect as that of the SBT film can be obtained even if a bismuth lanthanum titanate (BLT) film, a bismuth niobium titanate (BNT) film, or the like is formed on the ferroelectric layer 21 instead of the SBT film. Further, instead of the CVD method, the film can be formed similarly by a sol-gel method, a sputtering method, or the like.
ちなみに、ゾルゲル法を用いる場合は、ゾルゲル溶液をスピン塗布し、240℃の温度で約5分間乾燥させた後に、急速加熱装置(例えば、RTA炉など)にて750℃の温度で約1分間加熱する。この工程(塗布→乾燥→加熱)を5,6回繰り返すことにより、膜厚が300nmのSBT膜を形成することができる。膜を形成後、酸素雰囲気中で750℃の温度で30分程度加熱し、SBT膜を結晶化する。 By the way, when using the sol-gel method, the sol-gel solution is spin-coated, dried at a temperature of 240 ° C. for about 5 minutes, and then heated at a temperature of 750 ° C. for about 1 minute with a rapid heating apparatus (for example, an RTA furnace). To do. By repeating this process (coating → drying → heating) five or six times, an SBT film having a film thickness of 300 nm can be formed. After forming the film, the SBT film is crystallized by heating at a temperature of 750 ° C. for about 30 minutes in an oxygen atmosphere.
強誘電体層21の形成後、層間層18上の強誘電体層21を除去する(図6(A))。
なお、除去方法としては、アルゴン(Ar)−塩素(Cl2)ガス(流量比:Ar:Cl2=2:1、ガス圧:10mTorr、Rf Power:600W)を用いたRIEによるエッチングや、CMPなどによって強誘電体層21を除去することができる。なお、本実施例では、バッファ層20を層間膜18上に残す例を示しているが、強誘電体層21の除去工程で、強誘電体層21とバッファ層20との両方を除去するようにしてもよい。
After the formation of the ferroelectric layer 21, the ferroelectric layer 21 on the interlayer layer 18 is removed (FIG. 6A).
As a removal method, etching by RIE using argon (Ar) -chlorine (Cl 2 ) gas (flow ratio: Ar: Cl 2 = 2: 1, gas pressure: 10 mTorr, Rf Power: 600 W), or CMP For example, the ferroelectric layer 21 can be removed. In the present embodiment, an example is shown in which the
層間層18上の強誘電体層21の除去後、強誘電体層21a上に、スパッタ法や電子ビーム蒸着法などを用いて、例えば、白金(Pt)によって、上部電極を形成する。リソグラフィ工程によって、上部電極のパターンを形成し、形成したレジスト(不図示)をマスクとして不要部分をエッチングし、上部電極22を形成する(図6(B))。 After removing the ferroelectric layer 21 on the interlayer 18, an upper electrode is formed on the ferroelectric layer 21 a by using, for example, platinum (Pt), for example, by sputtering or electron beam evaporation. A pattern of the upper electrode is formed by a lithography process, and unnecessary portions are etched using the formed resist (not shown) as a mask to form the upper electrode 22 (FIG. 6B).
なお、上部電極22を形成したためのエッチングによる、強誘電体層21aへの損傷を除去するために、回復アニールを、例えば、酸素(O2)雰囲気中にて750℃の温度で約30分間行う。 In order to remove damage to the ferroelectric layer 21a due to etching for forming the upper electrode 22, recovery annealing is performed at a temperature of 750 ° C. for about 30 minutes, for example, in an oxygen (O 2 ) atmosphere. .
回復アニール後、配線工程のために、リソグラフィ工程によって配線用のパターンを形成する。形成されたレジスト13dをマスクとして、層間層18をエッチングして、ゲートのソース、ドレイン領域(N型導電領域16またはP型導電領域17)への配線を行うために、P型Si基板11を表出させる(図7(A))。 After the recovery annealing, a wiring pattern is formed by a lithography process for the wiring process. Using the formed resist 13d as a mask, the interlayer layer 18 is etched and wiring to the source and drain regions (N-type conductive region 16 or P-type conductive region 17) of the gate is performed. Express (FIG. 7A).
エッチング後、Al膜によって、配線23を形成する(図7(B))。
以上の工程によって、配線23が形成された強誘電体メモリ装置が製造される。
次に、第2の実施の形態について説明する。
After the etching, the wiring 23 is formed with an Al film (FIG. 7B).
Through the above steps, a ferroelectric memory device in which the wiring 23 is formed is manufactured.
Next, a second embodiment will be described.
第2の実施の形態では、第1の実施の形態において、ゲート部15の形成と同時に、強誘電体ゲートFET領域11aに、ダミーのゲート部を形成する場合を例に挙げて説明する。
In the second embodiment, a case where a dummy gate portion is formed in the ferroelectric
図8,図9は第2の実施の形態における強誘電体メモリ装置の製造方法の断面模式図である。
なお、第2の実施の形態の製造方法において、第1の実施の形態と共通した工程(図2,図5〜図7)については、第1の実施の形態で用いた図を用いるとともに、第1の実施の形態と同様の符号を用いることにする。
8 and 9 are schematic cross-sectional views of a method for manufacturing a ferroelectric memory device according to the second embodiment.
In the manufacturing method of the second embodiment, the steps used in the first embodiment (FIGS. 2, 5 to 7) are the same as those used in the first embodiment. The same reference numerals as those in the first embodiment are used.
まず、P型Si基板11に、素子分離領域12を形成することによって、後に形成する2種のトランジスタに応じて、強誘電体ゲートFET領域11aおよびMOSFET領域11bを設定する(図2(A))。
First, by forming the element isolation region 12 on the P-type Si substrate 11, the ferroelectric
強誘電体ゲートFET領域11aおよびMOSFET領域11bが設定されたP型Si基板11にリソグラフィ工程によって、強誘電体ゲートFET領域11aにN−ウェル用のパターンを形成する。そして、MOSFET領域11bを覆うレジスト13をマスクとして、例えば、Pイオンを注入して、N−ウェル14を形成する(図2(B))。
An N-well pattern is formed in the ferroelectric
レジスト13の除去後、強誘電体ゲートFET領域11aおよびMOSFET領域11bに、活性領域であるゲート膜として、SiO2膜(厚さ:7nm)を形成し、その上に、ゲート電極として、Poly−Si膜(厚さ:180nm)を形成する。
After the resist 13 is removed, a SiO 2 film (thickness: 7 nm) is formed as a gate film which is an active region in the ferroelectric
Poly−Si膜上にリソグラフィ工程によるパターン形成後、パターンをマスクとしてエッチングを行って、さらにサイドウォールを形成して、ダミーゲート部15aおよびゲート部15を形成する(図8(A))。 After a pattern is formed on the Poly-Si film by a lithography process, etching is performed using the pattern as a mask, and sidewalls are further formed to form dummy gate portions 15a and gate portions 15 (FIG. 8A).
さらに、リソグラフィ工程によって、MOSFET領域11bにN型導電領域用のパターンを形成する。そして、強誘電体ゲートFET領域11aのダミーゲート部15aを覆うレジスト13aをマスクとして、例えば、Asイオンを注入して、N型導電領域16を形成する(図8(B))。
Furthermore, a pattern for an N-type conductive region is formed in the
レジスト13aの除去後、再び、リソグラフィ工程によって強誘電体ゲートFET領域11aにP型導電領域用のパターンを形成する。そして、MOSFET領域11bを覆うレジスト13bをマスクとして、例えばBイオンを注入して、P型導電領域17を形成する(図9(A))。
After removing the resist 13a, a pattern for a P-type conductive region is formed again in the ferroelectric
なお、レジスト13bの除去後、N−ウェル14、N型導電領域16およびP型導電領域17を活性化させるために、例えば、1000℃で熱アニール処理を行う。
熱アニール処理後、強誘電体ゲートFET11aおよびMOSFET11bの全面に、例えば、熱CVD法を用いて層間層18(厚さ:300nm)を形成して、CMP法によって、平坦化処理を行う(図9(B))。
In addition, after removing the resist 13b, in order to activate the N-well 14, the N-type conductive region 16, and the P-type conductive region 17, for example, a thermal annealing process is performed at 1000 ° C.
After the thermal annealing process, an interlayer 18 (thickness: 300 nm) is formed on the entire surface of the
平坦化処理後、リソグラフィ工程によって、強誘電体ゲートFET領域11aにパターンを形成する。開口部19を有するレジスト13cをマスクとして、ダミーゲート部15aおよび層間層18をエッチングして、P型Si基板11を表出させる(図5(A))。
After the planarization process, a pattern is formed in the ferroelectric
レジスト13cの除去後、開口部19を含むP型Si基板11の全面に、例えば、CVD法を用いて、HfSiONをバッファ層20(厚さ:4nm)として形成する。
なお、バッファ層20には、HfSiONに替わって、HfO2、HfAlO、HfO2/HfSiON、HfO2/HfAlOを用いても、HfSiONと同様の効果を得ることができる。また、形成方法のCVD法に替わって、e−ビーム法などでも同様に膜を形成することができる。
After removing the resist 13c, HfSiON is formed as a buffer layer 20 (thickness: 4 nm) on the entire surface of the P-type Si substrate 11 including the opening 19 by using, for example, a CVD method.
Even if HfO 2 , HfAlO, HfO 2 / HfSiON, HfO 2 / HfAlO is used for the
以下、第1の実施の形態と同様の工程(図6,図7)を行うことによって、配線が形成された強誘電体メモリ装置が製造される。
以上のように、本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法では、MOS型トランジスタが先に形成された半導体基板上に、層間層、強誘電体ゲートFETをそれぞれ順に形成している。この本発明の製造方法では、先に形成したMOS型トランジスタを含む半導体基板の全面に層間層を形成しているため、強誘電体ゲートFETを形成することによって生じるMOS型トランジスタへの損傷を、層間層によって、減少させることができる。このため、MOS型トランジスタへの損傷を低減して、強誘電体ゲートFETを形成することができる。また、半導体基板および層間膜と、強誘電体膜との間に存在するバッファ層が強誘電体膜の特性の劣化を防ぐバリア層となるため、信頼性が向上した強誘電体ゲートFETの形成が可能となる。したがって、良好な特性の強誘電体メモリ装置を製造することが可能となる。
Thereafter, the same process (FIGS. 6 and 7) as in the first embodiment is performed to manufacture a ferroelectric memory device in which wiring is formed.
As described above, in the method for manufacturing a ferroelectric memory device according to the present invention, the interlayer layer and the ferroelectric gate FET are sequentially formed on the semiconductor substrate on which the MOS transistor has been formed. In the manufacturing method of the present invention, since the interlayer layer is formed on the entire surface of the semiconductor substrate including the previously formed MOS type transistor, damage to the MOS type transistor caused by forming the ferroelectric gate FET is reduced. This can be reduced by the interlayer. Therefore, it is possible to reduce the damage to the MOS transistor and form the ferroelectric gate FET. In addition, since the buffer layer that exists between the semiconductor substrate and interlayer film and the ferroelectric film serves as a barrier layer that prevents deterioration of the characteristics of the ferroelectric film, the ferroelectric gate FET with improved reliability can be formed. Is possible. Therefore, it is possible to manufacture a ferroelectric memory device having good characteristics.
1 半導体基板
1a 強誘電体ゲートFET領域
1b MOS型トランジスタ領域
2 素子分離領域
3 MOS型トランジスタ
4 層間層
5 開口部
6 強誘電体ゲートFET
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (7)
半導体基板のMOS型トランジスタ領域に、前記MOS型トランジスタを形成する工程と、
前記MOS型トランジスタ領域および前記半導体基板の強誘電体ゲートトランジスタ領域に、層間層を形成する工程と、
前記層間層の前記強誘電体ゲートトランジスタ領域を開口する工程と、
前記強誘電体ゲートトランジスタ領域の開口部に、前記強誘電体ゲートトランジスタを形成する工程と、
を有することを特徴とする強誘電体メモリ装置の製造方法。 In a method for manufacturing a ferroelectric memory device comprising a MOS type transistor and a ferroelectric gate transistor using a ferroelectric layer in a gate portion of a field effect transistor,
Forming the MOS transistor in the MOS transistor region of the semiconductor substrate;
Forming an interlayer in the MOS transistor region and the ferroelectric gate transistor region of the semiconductor substrate;
Opening the ferroelectric gate transistor region of the interlayer layer;
Forming the ferroelectric gate transistor in the opening of the ferroelectric gate transistor region;
A method for manufacturing a ferroelectric memory device, comprising:
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