JP2014229750A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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【課題】半導体装置の性能を向上させる。【解決手段】半導体基板SBの表面に酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1を形成し、絶縁膜GI1上にマスク層MKを形成する。それから、高誘電率MISFET形成領域1Bのマスク層MKを除去しかつ低耐圧MISFET形成領域1Aのマスク層MKを残す。それから、低耐圧MISFET形成領域1Aのマスク層MK上と高誘電率MISFET形成領域1Bの絶縁膜GI1上とに金属膜MFを形成する。それから、熱処理により、高誘電率MISFET形成領域1Bの絶縁膜GI1と金属膜MFとを反応させて高誘電率ゲート絶縁膜用の金属含有絶縁膜を形成する。【選択図】図8
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、例えば、MISFETを有する半導体装置の製造方法に好適に利用できるものである。
半導体基板上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、イオン注入によりソース・ドレインの半導体領域を形成することで、MISFETを形成することができる。
特開2007−234740号公報(特許文献1)には、酸化膜30、窒化膜または酸窒化膜が設けられた第1の領域、および、半導体材料が露出した第2の領域を含む主面を有する半導体基板10を準備し、200〜260℃のもとでHfSiO膜を堆積することによって、ハフニウム濃度の異なるHfSiO膜40,50を、第1の領域および第2の領域に形成する技術が記載されている。
特開2008−270700号公報(特許文献2)には、半導体基板上に金属シリケート層を含むトンネル層を形成する工程と、前記金属シリケート層上に電荷トラップ層を形成する工程と、前記電荷トラップ層上に電荷ブロック層を形成する工程と、前記電荷ブロック層上にゲート電極を形成する工程とを含んで非揮発性メモリ素子を製造する技術が記載されている。
非特許文献1には、ポリシリコンと金属酸化物の界面におけるフェルミレベルピニングに関する技術が記載されている。
C. Hobbs, et al., Fermi Level Pinning at the PolySi/Metal Oxide Interface, Digest of VLSI Tech Symp., 2003
MISFETを有する半導体装置においても、できるだけ性能を向上させることが望まれる。または、MISFETを有する半導体装置においても、半導体装置の性能を高めるとともに、その半導体装置を的確に製造できるようにすることが望まれる。あるいは、MISFETを有する半導体装置においても、半導体装置の性能を高めるとともに、その半導体装置を容易に製造できるようにすることが望まれる。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態によれば、半導体基板の表面に酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる第1絶縁膜を形成し、前記第1絶縁膜上にマスク層を形成し、第2領域の前記マスク層を除去しかつ第1領域の前記マスク層を残し、前記第1領域の前記マスク層上と前記第2領域の前記第1絶縁膜上とに金属膜を形成する。熱処理により、前記第2領域の前記第1絶縁膜と前記金属膜とを反応させて金属含有絶縁膜を形成してから、前記第1領域の前記マスク層と前記金属膜とを除去する。前記第1領域の前記第1絶縁膜上と前記第2領域の前記金属含有絶縁膜上とに導電膜を形成してから、前記導電膜をパターニングすることにより、前記第1領域の前記半導体基板上に前記第1絶縁膜を介して第1MISFET用の第1ゲート電極を形成し、前記第2領域の前記半導体基板上に前記金属含有絶縁膜を介して第2MISFET用の第2ゲート電極を形成する。
また、一実施の形態によれば、半導体基板の表面に酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる第1絶縁膜を形成し、前記第1絶縁膜上に金属膜を形成し、第1領域の前記金属膜を除去しかつ第2領域の前記金属膜を残してから、熱処理により、前記第2領域の前記第1絶縁膜と前記金属膜とを反応させて金属含有絶縁膜を形成する。前記第1領域の前記第1絶縁膜上と前記第2領域の前記金属含有絶縁膜上とに導電膜を形成してから、前記導電膜をパターニングすることにより、前記第1領域の前記半導体基板上に前記第1絶縁膜を介して第1MISFET用の第1ゲート電極を形成し、前記第2領域の前記半導体基板上に前記金属含有絶縁膜を介して第2MISFET用の第2ゲート電極を形成する。
一実施の形態によれば、半導体装置の性能を向上させることができる。
また、半導体装置を的確に製造することができる。
また、半導体装置を容易に製造することができる。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。
また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。
(実施の形態1)
<半導体装置の製造工程について>
本実施の形態の半導体装置の製造工程を、図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態の半導体装置の製造工程の一部を示す工程フロー図である。図2〜図19は、本実施の形態の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
<半導体装置の製造工程について>
本実施の形態の半導体装置の製造工程を、図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態の半導体装置の製造工程の一部を示す工程フロー図である。図2〜図19は、本実施の形態の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
まず、図2に示されるように、例えば1〜10Ωcm程度の比抵抗を有するp型の単結晶シリコンなどからなる半導体基板(半導体ウエハ)SBを用意(準備)する(図1のステップS1)。
半導体基板SBは、低耐圧のMISFETQ1が形成される領域である低耐圧MISFET形成領域1Aと、高誘電率ゲート絶縁膜を有するMISFETQ2が形成される領域である高誘電率MISFET形成領域1Bと、高耐圧のMISFETQ3が形成される領域である高耐圧MISFET形成領域1Cとを有している。高耐圧MISFET形成領域1Cに形成されるMISFETQ3の耐圧は、低耐圧MISFET形成領域1Aに形成されるMISFETQ1の耐圧よりも高い。
低耐圧MISFET形成領域1Aと高誘電率MISFET形成領域1Bと高耐圧MISFET形成領域1Cとは、同一の半導体基板SBの主面における互いに異なる領域に対応している。図2においては、理解を簡単にするために、低耐圧MISFET形成領域1Aと高誘電率MISFET形成領域1Bと高耐圧MISFET形成領域1Cとを互いに隣接して示しているが、これらは互いに隣り合っていてもいなくてもよい。半導体基板SBにおける低耐圧MISFET形成領域1Aと高誘電率MISFET形成領域1Bと高耐圧MISFET形成領域1Cとの実際の位置関係は、必要に応じて変更することができる。
なお、高誘電率ゲート絶縁膜を有するMISFETを、高誘電率MISFETと称することとする。このため、MISFETQ2は、高誘電率MISFETである。
また、高耐圧のMISFETQ3の動作電圧は、低耐圧のMISFETQ1の動作電圧よりも高い。換言すれば、高耐圧のMISFETQ3は、第1の電源電圧で動作するMISFETであり、低耐圧のMISFETQ1は、この第1の電源電圧よりも低い第2の電源電圧で動作するMISFETである。後述するように、高耐圧のMISFETQ3のゲート絶縁膜の厚みは、低耐圧のMISFETQ1のゲート絶縁膜の厚みよりも厚い。
また、高耐圧のMISFETQ3の動作電圧は、高誘電率ゲート絶縁膜を有するMISFETQ2の動作電圧よりも高い。換言すれば、高耐圧のMISFETQ3は、第1の電源電圧で動作するMISFETであり、高誘電率ゲート絶縁膜を有するMISFETQ2は、この第1の電源電圧よりも低い第3の電源電圧で動作するMISFETである。高誘電率ゲート絶縁膜を有するMISFETQ2の動作電圧は、低耐圧のMISFETQ1の動作電圧と同じか、あるいは相違している。換言すれば、上記第2の電源電圧と上記第3の電源電圧とは、同じか、あるいは相違している。
なお、本実施の形態では、各MISFETがnチャネル型のMISFETである場合について説明するが、導電型を逆にして、pチャネル型のMISFETを形成することもできる。また、nチャネル型のMISFETとpチャネル型のMISFETの両方を形成することもできる。
次に、半導体基板SBの主面に、活性領域を規定(画定)する素子分離領域(素子間分離絶縁領域)STを形成する(図1のステップS2)。
素子分離領域STは、酸化シリコンなどの絶縁体(絶縁膜)からなり、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法またはLOCOS(Local Oxidization of Silicon )法などにより形成することができる。例えば、半導体基板SBの主面に素子分離用の溝を形成した後、この素子分離用の溝内に、例えば酸化シリコンからなる絶縁膜を埋め込むことで、素子分離領域STを形成することができる。より具体的には、半導体基板SBの主面に素子分離用の溝を形成した後、半導体基板SB上に、この素子分離用の溝を埋めるように、素子分離領域形成用の絶縁膜(例えば酸化シリコン膜)を形成する。それから、素子分離用の溝の外部の絶縁膜(素子分離領域形成用の絶縁膜)を除去することで、素子分離用の溝に埋め込まれた絶縁膜からなる素子分離領域STを形成することができる。
素子分離領域STによって、半導体基板SBの活性領域が規定される。低耐圧MISFET形成領域1Aにおいて、素子分離領域STで規定された活性領域に、後述するようにしてMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)Q1が形成される。また、高誘電率MISFET形成領域1Bにおいて、素子分離領域STで規定された活性領域に、後述するようにしてMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)Q2が形成される。また、高耐圧MISFET形成領域1Cにおいて、素子分離領域STで規定された活性領域に、後述するようにしてMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)Q3が形成される。
次に、図3に示されるように、半導体基板SBにp型ウエル(p型半導体領域)PW1,PW2,PW3をイオン注入法などを用いて形成する(図1のステップS3)。
p型ウエルPW1は、低耐圧MISFET形成領域1Aの半導体基板SBに形成され、p型ウエルPW2は、高誘電率MISFET形成領域1Bの半導体基板SBに形成され、p型ウエルPW3は、高耐圧MISFET形成領域1Cの半導体基板SBに形成される。p型ウエルPW1,PW2,PW3は、例えばホウ素(B)などのp型の不純物を半導体基板SBにイオン注入することなどによって形成することができる。p型ウエルPW1,PW2,PW3は、それぞれ、半導体基板SBの主面から所定の深さにわたって形成される。
p型ウエルPW1を形成するためのイオン注入とp型ウエルPW2を形成するためのイオン注入とp型ウエルPW3を形成するためのイオン注入とは、同じイオン注入工程で行なえば工程数を低減できるが、異なるイオン注入工程として行なってもよい。
次に、半導体基板SBの主面(p型ウエルPW1,PW2,PW3の表面)に、ゲート絶縁膜用の絶縁膜GI1,GI2を形成する(図1のステップS4)。
絶縁膜GI1は、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高誘電率MISFET形成領域1Bにおける半導体基板SBの表面(すなわちp型ウエルPW1,PW2の表面)に形成される。一方、絶縁膜GI2は、高耐圧MISFET形成領域1Cにおける半導体基板SBの表面(すなわちp型ウエルPW3の表面)に形成される。絶縁膜GI1,GI2は、それぞれ酸化シリコン膜からなる。他の形態として、絶縁膜GI1,GI2を、酸窒化シリコン膜とすることもできる。
ステップS4のゲート絶縁膜用の絶縁膜GI1,GI2の形成工程は、例えば、次のようにして行うことができる。
まず、例えばフッ酸(HF)水溶液を用いたウェットエッチングなどにより半導体基板SB(p型ウエルPW1,PW2,PW3)の表面を清浄化(洗浄)した後、図4に示されるように、半導体基板SBの表面(p型ウエルPW1,PW2,PW3の表面も含む)に、酸化シリコン膜からなる絶縁膜GI2を形成する。
絶縁膜GI2は、高耐圧MISFET形成領域1Cに形成されるMISFETのゲート絶縁膜用の絶縁膜である。絶縁膜GI2は、例えば、熱酸化法により形成することができるが、熱酸化膜形成後に熱酸化膜上にCVD膜(CVD法で形成した酸化シリコン膜)を更に堆積して絶縁膜GI2を形成することもできる。
次に、フォトリソグラフィ法を用いて形成したフォトレジスト層(図示せず)をエッチングマスクとして用いて絶縁膜GI2をエッチングすることにより、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高誘電率MISFET形成領域1Bの絶縁膜GI2を除去し、高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2を残す。前記フォトレジスト層は、図示はしないが、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高誘電率MISFET形成領域1Bを露出しかつ高耐圧MISFET形成領域1Cを覆うフォトレジスト層である。
次に、半導体基板SBの熱酸化処理を行うことにより、半導体基板SBの主面上に酸化シリコン膜を形成する。これにより、図5に示されるように、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高誘電率MISFET形成領域1Bの半導体基板SB上(すなわちp型ウエルPW1,PW2上)に酸化シリコン膜(熱酸化膜)からなる絶縁膜GI1が形成されるとともに、高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2が厚くなる。すなわち、高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2は、絶縁膜GI1の形成時に厚みが増加する。高耐圧MISFET形成領域1Cに形成されている絶縁膜GI2の厚みは、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高誘電率MISFET形成領域1Bに形成されている絶縁膜GI1の厚みよりも厚い状態になる。
このようにして、ステップS4のゲート絶縁膜用の絶縁膜GI1,GI2形成工程が行われ、図5に示される構造が得られる。これにより、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高誘電率MISFET形成領域1Bにおける半導体基板SBの表面(すなわちp型ウエルPW1,PW2の表面)に絶縁膜GI1が形成され、高耐圧MISFET形成領域1Cにおける半導体基板SBの表面(すなわちp型ウエルPW3の表面)に絶縁膜GI2が形成された状態が得られる。このとき、絶縁膜GI2の厚みは、絶縁膜GI1の厚みよりも厚くなっている。このときの絶縁膜GI1,GI2の厚みの一例をあげると、絶縁膜GI1の厚みは、例えば1〜3nm程度とすることができ、絶縁膜GI2の厚みは、例えば3〜100nm程度とすることができる。素子分離領域ST上には、絶縁膜GI1,GI2は形成されても、されなくてもよい。
高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2の厚みは、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1の厚みよりも厚いので、高耐圧MISFET形成領域1Cに形成されるMISFETQ3のゲート絶縁膜の厚みは、低耐圧MISFET形成領域1Aに形成されるMISFETQ1のゲート絶縁膜の厚みよりも厚くなる。このため、高耐圧MISFET形成領域1Cに形成されるMISFETQ3の耐圧は、低耐圧MISFET形成領域1Aに形成されるMISFETQ1の耐圧よりも高くなる。なお、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1の厚みと、高誘電率MISFET形成領域1Bの絶縁膜GI1の厚みとは、ほぼ同じである。
次に、図6に示されるように、半導体基板SBの主面上にマスク層MKを形成する(図1のステップS5)。
ステップS5において、マスク層MKは半導体基板SBの主面全面に形成されるため、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高誘電率MISFET形成領域1Bでは、マスク層MKは絶縁膜GI1上に形成され、高耐圧MISFET形成領域1Cでは、マスク層MKは絶縁膜GI2上に形成されることになる。また、素子分離領域STが形成された領域では、マスク層MKは素子分離領域ST上に形成されることになる。
マスク層MKは、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1や高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2が、後で形成する金属膜MFと反応するのを防止するために設けるものである。この反応防止の機能や、後で除去しやすいことなどを考慮すると、マスク層MKとしては、窒化金属層(窒化金属膜)または炭化金属層(炭化金属膜)が好ましく、特に好ましいのは窒化チタン(TiN)層(窒化チタン膜)である。また、マスク層MKとしては、窒化チタン層が最も好ましいが、それ以外にも、TiAlN(窒化チタンアルミニウム)層またはTaC(炭化タンタル)層を用いることもできる。あるいは、マスク層MKとして、TiN層とTiAlN層とTaC層とから選択した2層以上を積層した積層膜を用いることもでき、あるいは、TiNとTiAlNとTaCとから選択した2つ以上の合金膜を用いることもできる。
マスク層MKは、例えば、スパッタリング法のようなPVD(Physical Vapor Deposition:物理気相成長)法などを用いて形成することができる。マスク層MKの成膜法にスパッタリング法を用いれば、加熱を抑えながらマスク層MKを成膜することができるため、マスク層MKの成膜時にマスク層MKが下地と反応してしまうのを、より的確に抑制または防止することができる。マスク層MKの膜厚は、例えば3〜10nm程度とすることができる。
次に、図7に示されるように、高誘電率MISFET形成領域1Bのマスク層MKをエッチングによって選択的に除去し、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cのマスク層MKを残す(図1のステップS6)。これにより、高誘電率MISFET形成領域1Bでは絶縁膜GI1が露出され、一方、低耐圧MISFET形成領域1Aでは、絶縁膜GI1上にマスク層MKが形成された状態が維持され、また、高耐圧MISFET形成領域1Cでは、絶縁膜GI2上にマスク層MKが形成された状態が維持される。
具体的には、ステップS6では、次のようにして行うことができる。すなわち、まず、マスク層MK上に、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cを覆いかつ高誘電率MISFET形成領域1Bを露出するフォトレジストパターン(図示せず)を、フォトリソグラフィ法を用いて形成する。それから、このフォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて、高誘電率MISFET形成領域1Bのマスク層MKをエッチングして除去する。その後、このフォトレジストパターンを除去する。
また、ステップS6では、高誘電率MISFET形成領域1Bの絶縁膜GI1は、除去されないようにする。すなわち、ステップS6では、絶縁膜GI1がエッチングされるのをできるだけ抑制することが好ましい。
このため、ステップS6では、マスク層MKよりも絶縁膜GI1がエッチングされにくい条件(エッチング条件)で、高誘電率MISFET形成領域1Bのマスク層MKをエッチングすることが好ましい。すなわち、ステップS6では、マスク層MKのエッチング速度よりも絶縁膜GI1のエッチング速度が小さくなる条件(エッチング条件)で、高誘電率MISFET形成領域1Bのマスク層MKをエッチングすることが好ましい。これにより、ステップS6で高誘電率MISFET形成領域1Bのマスク層MKをエッチングにより除去した際に、露出した絶縁膜GI1がエッチングされるのを抑制または防止することができる。
このため、マスク層MKは、絶縁膜GI1に対してエッチング選択比を確保できるような材料により形成しておくことが好ましい。この観点で、マスク層MKとして、窒化金属層(窒化金属膜)または炭化金属層(炭化金属膜)は好ましく、窒化チタン層(窒化チタン膜)は特に好適である。
また、ステップS6では、ウェットエッチングを用いて高誘電率MISFET形成領域1Bのマスク層MKを除去することが好ましい。ウェットエッチングを用いることにより、マスク層MKを除去することで露出された高誘電率MISFET形成領域1Bの絶縁膜GI1に対するダメージを抑制または防止できる。また、絶縁膜GI1に対するマスク層MKのエッチング選択比を確保しやすくなる。マスク層MKが窒化チタン(TiN)膜の場合は、ステップS6のウェットエッチングで用いるエッチング液としては、例えばAPM液(ammonium hydrogen-peroxide mixture:アンモニア・過酸化水素水混合液)などを好適に用いることができる。
このように、ステップS5およびステップS6を行うと、高誘電率MISFET形成領域1Bの絶縁膜GIは、マスク層MKで覆われずに露出された状態になり、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1および高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2は、マスク層MKで覆われた状態(すなわち露出されていない状態)になる。
次に、図8に示されるように、半導体基板SBの主面上に、金属膜MFを形成する(図1のステップS7)。
金属膜MFは、高誘電率ゲート絶縁膜として用いるための後述の金属含有絶縁膜MGに対して、金属元素を供給するための金属膜である。金属膜MFとしては、後述のステップS8の熱処理で絶縁膜GI1と反応して、高誘電率ゲート絶縁膜として相応しい金属含有絶縁膜MGを的確に形成できるような金属材料により構成することが望ましい。金属膜MFは、好ましくは、ハフニウム(Hf)膜である。また、金属膜MFとしては、ハフニウム(Hf)膜が最も好ましいが、それ以外にも、ジルコニウム(Zr)膜、チタン(Ti)膜、アルミニウム(Al)膜、ランタン(La)膜またはイットリウム(Y)膜などを用いることもできる。あるいは、ハフニウム(Hf)とジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)とアルミニウム(Al)とランタン(La)とイットリウム(Y)とからなる群から選択された2種以上の元素の合金膜を、金属膜MFとして用いることもできる。
上記ステップS6のエッチング工程で高誘電率MISFET形成領域1Bのマスク層MKを除去しかつ低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cのマスク層MKを残していたので、ステップS7では、金属膜MFは、高誘電率MISFET形成領域1Bでは絶縁膜GI1上に形成される。一方、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cでは、金属膜MFは、マスク層MK上に形成される。
このため、高誘電率MISFET形成領域1Bでは、金属膜MFと絶縁膜GI1とが接触した状態となる。一方、低耐圧MISFET形成領域1Aでは、金属膜MFと絶縁膜GI1とは、間にマスク層MKが介在するため互いに接触していない状態となり、また、高耐圧MISFET形成領域1Cでは、金属膜MFと絶縁膜GI2とは、間にマスク層MKが介在するため互いに接触していない状態となる。
金属膜MFは、例えば、スパッタリング法のようなPVD(Physical Vapor Deposition:物理気相成長)法などを用いて形成することができる。金属膜MFの膜厚(形成膜厚)は、好ましくは0.5〜2nm程度とすることができる。
次に、半導体基板SBに対して熱処理を施す(図1のステップS8)。
ステップS8の熱処理により、高誘電率MISFET形成領域1Bにおいて、金属膜MFと絶縁膜GI1とが反応(混合、ミキシング、相互拡散)して、図9に示されるように、金属膜MFと絶縁膜GI1との反応層(混合層、ミキシング層)である金属含有絶縁膜MGが形成される。すなわち、高誘電率MISFET形成領域1Bでは、金属膜MFの金属元素が絶縁膜GI1に導入されて、絶縁膜GI1が金属含有絶縁膜MGとなる。
ステップS8の熱処理工程は、熱処理温度を、好ましくは500〜900℃の範囲内とすることができる。熱処理温度が低すぎると、反応不足になる虞があり、熱処理温度が高すぎると、金属含有絶縁膜MGが、金属酸化物(または金属酸窒化物)の相と、酸化シリコン(または酸窒化シリコン)の相とに分離してしまう懸念がある。この観点で、ステップS8の熱処理温度は、500〜900℃が好適であり、これにより、高誘電率ゲート絶縁膜として相応しい金属含有絶縁膜MGを、より的確に形成することができる。
また、ステップS8の熱処理工程は、酸素(O2)を含有する雰囲気中で行うことが好ましい。酸素(O2)を含有する雰囲気中でステップS8の熱処理を行うことで、金属元素とシリコン(Si)と酸素(O)とを含有する金属含有絶縁膜MGを、より的確に形成することができる。すなわち、高誘電率ゲート絶縁膜として相応しい金属含有絶縁膜MGを、より的確に形成することができる。例えば、ステップS8において、酸素(O2)ガス雰囲気中、酸素ガスと不活性ガスとの混合ガス雰囲気中、酸素ガスと窒素ガスとの混合ガス雰囲気中、酸素ガスと不活性ガスと窒素ガスとの混合ガス雰囲気中、あるいは、エア雰囲気中(すなわち空気中)で、半導体基板SBを熱処理することができる。
また、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cでは、金属膜MFはマスク層MK上に形成されているため、ステップS8の熱処理を行っても、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1は金属膜MFと反応せず、また、高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2は金属膜MFと反応しない。このため、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1と高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2とは、ステップS8の熱処理を行っても、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜のままである。また、絶縁膜GI1と金属膜MFとの反応層である金属含有絶縁膜MGの厚みは、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1の厚みよりも厚くなっている。
高誘電率MISFET形成領域1Bにおいて金属膜MFと絶縁膜GI1とが反応して形成された金属含有絶縁膜MGは、金属膜MFの構成元素と絶縁膜GI1の構成元素とにより形成された絶縁膜である。絶縁膜GI1は、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜であるため、金属含有絶縁膜MGは、金属とシリコン(Si)と酸素(O)とを主成分として含有する絶縁膜であるか、あるいは、金属とシリコン(Si)と酸素(O)と窒素(N)とを主成分として含有する絶縁膜である。なお、金属含有絶縁膜MGが含んでいる金属(金属元素)は、金属膜MFが含んでいた金属(金属元素)と同じである。すなわち、金属膜MFがハフニウム(Hf)膜であった場合は、金属含有絶縁膜MGが含んでいる金属(金属元素)はハフニウム(Hf)である。
具体的には、次のようになる。すなわち、絶縁膜GI1が酸化シリコン膜であった場合は、金属含有絶縁膜MGは、金属(金属膜MFが含んでいた金属元素)とシリコン(Si)と酸素(O)とからなる絶縁膜、すなわち金属シリケート膜(MeSiO膜)である。また、絶縁膜GI1が酸化シリコン膜であり、かつ金属膜MFがハフニウム(Hf)膜であった場合は、金属含有絶縁膜MGは、ハフニウム(Hf)とシリコン(Si)と酸素(O)とからなる絶縁膜、すなわちハフニウムシリケート膜(HfSiO膜)である。また、絶縁膜GI1が酸窒化シリコン膜であった場合は、金属含有絶縁膜MGは、金属(金属膜MFが含んでいた金属元素)とシリコン(Si)と酸素(O)と窒素(N)とからなる絶縁膜、すなわち、金属シリコンオキシナイトライド膜(MeSiON膜)である。また、絶縁膜GI1が酸窒化シリコン膜であり、かつ金属膜MFがハフニウム(Hf)膜であった場合は、金属含有絶縁膜MGは、ハフニウム(Hf)とシリコン(Si)と酸素(O)と窒素(N)とからなる絶縁膜、すなわちハフニウムシリコンオキシナイトライド膜(HfSiON膜)である。ここで、金属シリケート膜は、金属シリコンオキサイド膜と称することもでき、ハフニウムシリケート膜は、ハフニウムシリコンオキサイド膜と称することもできる。また、金属シリコンオキシナイトライド膜は、窒素添加金属シリケート膜、あるいは、窒素を含有する金属シリケート膜と称することもでき、また、ハフニウムシリコンオキシナイトライド膜は、窒素添加ハフニウムシリケート膜、あるいは、窒素を含有するハフニウムシリケート膜と称することもできる。
つまり、絶縁膜GI1が酸化シリコン膜である場合は、金属含有絶縁膜MGは、MeSiO膜であり、また、絶縁膜GI1が酸窒化シリコン膜(SiON膜)である場合は、金属含有絶縁膜MGは、MeSiON膜である。ここで、金属膜MFが含んでいる金属元素をMeと表記するものとする。金属膜MFがハフニウム(Hf)膜の場合は、Me=Hfである。すなわち、絶縁膜GI1が酸化シリコン膜で、かつ、金属膜MFがハフニウム(Hf)膜である場合は、金属含有絶縁膜MGは、HfSiO膜であり、また、絶縁膜GI1が酸窒化シリコン膜(SiON膜)で、かつ、金属膜MFがハフニウム(Hf)膜である場合は、金属含有絶縁膜MGは、HfSiON膜である。すなわち、絶縁膜GI1は酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜であるため、金属含有絶縁膜MGは、MeSiO膜またはMeSiON膜となり、金属膜MFがハフニウム(Hf)膜の場合は、金属含有絶縁膜MGは、HfSiO膜またはHfSiON膜となる。
ここで、MeSiO膜は、金属元素(Me)とシリコン(Si)と酸素(O)とで構成された絶縁材料膜であり、MeSiON膜は、金属元素(Me)とシリコン(Si)と酸素(O)と窒素(N)とで構成された絶縁材料膜である。また、HfSiO膜は、ハフニウム(Hf)とシリコン(Si)と酸素(O)とで構成された絶縁材料膜であり、HfSiON膜は、ハフニウム(Hf)とシリコン(Si)と酸素(O)と窒素(N)とで構成された絶縁材料膜である。但し、MeSiO膜と表記した場合、MeSiO膜におけるMeとSiとOの原子比は1:1:1に限定されるものではなく、また、MeSiON膜と表記した場合、MeSiON膜におけるMeとSiとOとNの原子比は1:1:1:1に限定されるものではない。また、HfSiO膜と表記した場合、HfSiO膜におけるHfとSiとOの原子比は1:1:1に限定されるものではなく、また、HfSiON膜と表記した場合、HfSiON膜におけるHfとSiとOとNの原子比は1:1:1:1に限定されるものではない。これは、上記TiN層、TiAlN層およびTaC層についても同様である。
金属含有絶縁膜MGは、窒化シリコンよりも誘電率(比誘電率)が高い絶縁材料膜、いわゆるHigh−k膜(高誘電率膜)である。なお、本願において、High−k膜、高誘電率膜あるいは高誘電率ゲート絶縁膜と言うときは、窒化シリコンよりも誘電率(比誘電率)が高い膜を意味する。また、本願において、Hfを含有するゲート絶縁膜をHf系ゲート絶縁膜と称する場合もある。
また、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cでは、金属膜MFはマスク層MK上に形成されているため、ステップS8の熱処理を行っても、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1は金属膜MFと反応せず、また、高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2は金属膜MFと反応しない。しかしながら、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1と高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2とがマスク層MKに接した状態でステップS8の熱処理を行うことになるため、マスク層MKは、熱処理を行っても絶縁膜GI1,GI2とは反応しにくい材料により形成されていることが好ましい。この観点で、マスク層MKとしては、窒化金属膜または炭化金属膜が好ましく、窒化チタン(TiN)膜は特に好適である。これにより、ステップS8の熱処理で低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1と高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2とがマスク層MKと反応してしまうのを防止することができる。
また、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cでは、金属膜MFはマスク層MK上に形成されているため、ステップS8の熱処理を行うと、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cの金属膜MFは、マスク層MKとほとんど反応せずにマスク層MK上に残存するか、あるいは、マスク層MKの上層部と反応する。
但し、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cの金属膜MFがマスク層MKの上層部と反応する場合であっても、マスク層MKの下層部(絶縁膜GI1または絶縁膜GI2に接する部分)は、金属膜MFと反応しておらず、金属膜MFと反応していないマスク層MKのままであることが好ましい。例えば、マスク層MKが窒化チタン(TiN)膜からなる場合は、ステップS8の熱処理で低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cの金属膜MFがマスク層MKの上層部と反応すると、マスク層MKの上層部分は、MeTiN層(金属膜MFがハフニウム膜の場合はHfTiN層)となり得るが、マスク層MKの下層部分はTiN層のままであることが好ましい。これにより、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1や高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2に接する部分のマスク層MKは、金属膜MFと反応していないマスク層MKのままであるため、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1中や高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2中に、金属膜MFを構成する金属元素が拡散してしまうのを的確に防止することができる。
このため、マスク層MKの材料として、ステップS8の熱処理工程の熱処理温度でも安定で、絶縁膜GI1,GI2および金属膜MFのいずれとも反応し難い材料を選択しておけば、より好ましく、このような材料として、窒化金属または炭化金属はふさわしく、窒化チタン(TiN)は特に好適である。
また、ステップS7でマスク層MKを除去した領域に素子分離領域STがあると、その素子分離領域ST上にも金属膜MFが形成されることになるため、ステップS8の熱処理を行うと、その素子分離領域ST上にも金属含有絶縁膜MGが形成され得る。その場合、素子分離領域ST上に形成された部分の金属含有絶縁膜MGは、素子分離領域STの上層部(表層部)と金属膜MFとが反応した反応層であり、MeSiO膜(金属膜MFがハフニウム膜の場合はHfSiO膜)で構成されることになる。これは、素子分離領域STが主として酸化シリコンからなるためである。なお、活性領域に形成された絶縁膜GI1とその上に形成された金属膜MFとの反応層である金属含有絶縁膜MG、すなわち、活性領域に形成された金属含有絶縁膜MGは、トランジスタのゲート絶縁膜として機能することが可能であるが、素子分離領域ST上に形成された部分の金属含有絶縁膜MGは、トランジスタのゲート絶縁膜としては機能しない。
ステップS8の熱処理工程を行った後、図10に示されるように、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cの金属膜MFとマスク層MKとを、エッチング(好ましくはウェットエッチング)によって除去する(図1のステップS9)。これにより、低耐圧MISFET形成領域1Aでは絶縁膜GI1が露出し、高耐圧MISFET形成領域1Cでは絶縁膜GI2が露出し、高誘電率MISFET形成領域1Bでは金属含有絶縁膜MGが露出した状態となる。
ステップS9では、ウェットエッチングを用いて低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cのマスク層MKを除去することが好ましい。ウェットエッチングを用いることにより、マスク層MKを除去することで露出された低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1と高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2とに対するダメージを抑制または防止できる。また、絶縁膜GI1、GI2に対するマスク層MKのエッチング選択比を確保しやすくなる。マスク層MKが窒化チタン(TiN)膜の場合は、ステップS9のウェットエッチングで用いるエッチング液としては、例えば、APM液(アンモニア・過酸化水素水混合液)などを好適に用いることができる。
また、ステップS8の熱処理を行うと、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cの金属膜MFは、マスク層MKとほとんど反応せずにマスク層MK上に残存する場合と、マスク層MKの上層部と反応する場合とがあり得る。低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cの金属膜MFが、ステップS8の熱処理でマスク層MKとほとんど反応せずにマスク層MK上に残存した場合は、マスク層MK上に残存した金属膜MFとマスク層MKとが、ステップS9でエッチングされて除去される。低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cの金属膜MFが、ステップS8の熱処理でマスク層MKの上層部と反応した場合は、その反応層(金属膜MFとマスク層MKとの反応層)と、反応層の下部に残存するマスク層MKの未反応層とが、ステップS9でエッチングされて除去される。いずれにしても、ステップS9のエッチングを行うことで、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cからマスク層MKや、金属膜MFあるいはマスク層MKと金属膜MFとの反応層などが除去されて、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1と高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2とが露出される。
また、ステップS9においては、エッチング条件(例えばエッチング液の種類など)を変えた2段階のエッチングを行うこともできる。この場合、1段階目のエッチング(好ましくはウェットエッチング)により、ステップS8の熱処理工程で反応しなかった金属膜MF(未反応の金属膜MF、特にマスク層MK上に残存する金属膜MF)を除去するか、あるいは、ステップS8の熱処理工程による金属膜MFとマスク層MKとの反応層を除去することができる。そして、2段階目のエッチング(好ましくはウェットエッチング)により、マスク層MK(あるいはマスク層の未反応層)を除去することができる。これにより、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1と高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2とが露出される。
このように、ステップS9を行うことで、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1と、高誘電率MISFET形成領域1Bの金属含有絶縁膜MGと、高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2とが、露出した状態になる。
また、ステップS9では、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1と高誘電率MISFET形成領域1Bの金属含有絶縁膜MGと高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2とは、除去されないようにする。すなわち、ステップS9では、絶縁膜GI1と金属含有絶縁膜MGと絶縁膜GI2とがエッチングされるのをできるだけ抑制することが好ましい。
このため、ステップS9では、マスク層MKよりも絶縁膜GI1,GI2および金属含有絶縁膜MGがエッチングされにくい条件(エッチング条件)で、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cのマスク層MKをエッチングして除去することが好ましい。すなわち、ステップS9では、マスク層MKのエッチング速度よりも絶縁膜GI1、絶縁膜GI2および金属含有絶縁膜MGの各エッチング速度が小さくなる条件(エッチング条件)で、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cのマスク層MKをエッチングすることが好ましい。これにより、ステップS9で低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cのマスク層MKをエッチングにより除去した際に、露出した絶縁膜GI1,GI2および金属含有絶縁膜MGがエッチングされるのを抑制または防止することができる。
このため、マスク層MKは、絶縁膜GI1,GI2および金属含有絶縁膜MGに対してエッチング選択比を確保できるような材料により形成しておくことが好ましい。この観点で、マスク層MKとして、窒化金属層(窒化金属膜)または炭化金属層(炭化金属膜)は好ましく、窒化チタン層(窒化チタン膜)は特に好適である。
また、高誘電率MISFET形成領域1Bにおいて、絶縁膜GI1と金属膜MFとの反応層である金属含有絶縁膜MGの上に金属膜MFの未反応部分が残存していた場合は、その金属膜MFの未反応部分は、ステップS9のエッチングにより除去することができる。このとき、金属含有絶縁膜MGは、絶縁膜GI1と金属膜MFとの反応層であるため、金属膜MFの未反応部分を選択的に除去し、金属含有絶縁膜MGについてはエッチングを抑制または防止することが可能である。
このようにステップS4〜S9を行うことで、低耐圧MISFET形成領域1Aの半導体基板SB(p型ウエルPW1)の表面に絶縁膜GI1が形成され、高誘電率MISFET形成領域1Bの半導体基板SB(p型ウエルPW2)の表面に金属含有絶縁膜MGが形成され、高耐圧MISFET形成領域1Cの半導体基板SB(p型ウエルPW3)の表面に絶縁膜GI2が形成された構造が得られる。
従って、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜をゲート絶縁膜とするMISFETを形成する予定の領域(低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1C)には金属含有絶縁膜MGを形成せずに、高誘電率ゲート絶縁膜を有するMISFETを形成する予定の領域(高誘電率MISFET形成領域1B)にのみ選択的に金属含有絶縁膜MGを形成することができる。
次に、図11に示されるように、半導体基板SBの主面全面上に、ゲート電極形成用の導電膜(導電性材料膜)CDを形成(堆積)する(図1のステップS10)。
ステップS10においては、低耐圧MISFET形成領域1Aでは、絶縁膜GI1上に導電膜CDが形成され、高誘電率MISFET形成領域1Bでは、金属含有絶縁膜MG上に導電膜CDが形成され、高耐圧MISFET形成領域1Cでは、絶縁膜GI2上に導電膜CDが形成されることになる。導電膜CDは、例えば多結晶シリコン膜(ポリシリコン膜)からなるが、この多結晶シリコン膜は、成膜時または成膜後に不純物を導入して低抵抗の半導体膜(導電性材料膜)とされている。また、この多結晶シリコン膜は、成膜時にはアモルファスシリコン膜であったものを、成膜後の熱処理により多結晶シリコン膜に変えることもできる。導電膜CDは、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition:化学的気相成長)法などを用いて形成することができる。
次に、図12に示されるように、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて導電膜CDをパターニングすることにより、ゲート電極GE1,GE2,GE3を形成する(図1のステップS11)。ゲート電極GE1,GE2,GE3は、パターニングされた導電膜CDからなる。
ステップS11のパターニング工程は、具体的には次のようにして行うことができる。すなわち、まず、フォトリソグラフィ法を用いて導電膜CD上にフォトレジストパターン(図示せず)を形成する。このフォトレジストパターンは、ゲート電極GE1,GE2,GE3を形成する予定の領域に形成される。それから、このフォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて、導電膜CDをエッチング(好ましくはドライエッチング)してパターニングすることにより、図12に示されるように、パターニングされた導電膜CDからなるゲート電極GE1,GE2,GE3を形成する。その後、このフォトレジストパターンは除去し、図12は、このフォトレジストパターンが除去された状態が示されている。
ゲート電極GE1は、低耐圧MISFET形成領域1Aにおいて、半導体基板SB上(すなわちp型ウエルPW1上)に絶縁膜GI1を介して形成される。すなわち、ゲート電極GE1は、低耐圧MISFET形成領域1Aにおいて、半導体基板SB(p型ウエルPW1)の表面の絶縁膜GI1上に形成される。また、ゲート電極GE2は、高誘電率MISFET形成領域1Bにおいて、半導体基板SB上(すなわちp型ウエルPW2上)に金属含有絶縁膜MGを介して形成される。すなわち、ゲート電極GE2は、高誘電率MISFET形成領域1Bにおいて、半導体基板SB(p型ウエルPW2)の表面の金属含有絶縁膜MG上に形成される。また、ゲート電極GE3は、高耐圧MISFET形成領域1Cにおいて、半導体基板SB上(すなわちp型ウエルPW3上)に絶縁膜GI2を介して形成される。すなわち、ゲート電極GE3は、高耐圧MISFET形成領域1Cにおいて、半導体基板SB(p型ウエルPW3)の表面の絶縁膜GI2上に形成される。導電膜CDを多結晶シリコン膜(ポリシリコン膜)とした場合は、ゲート電極GE1,GE2,GE3は、ポリシリコンゲート電極(ポリシリコンからなるゲート電極)となる。
ステップS11では、導電膜CDをパターニングするドライエッチング工程の後に、ウェットエッチングを行うこともできる。導電膜CDをパターニングするためのドライエッチング、あるいはそのドライエッチングの後のウェットエッチングにより、ゲート電極GE1,GE2,GE3で覆われていない領域の絶縁膜GI1,GI2および金属含有絶縁膜MGは除去され得る。すなわち、ゲート電極GE1で覆われていない部分の絶縁膜GI1と、ゲート電極GE2で覆われていない部分の金属含有絶縁膜MGと、ゲート電極GE3で覆われていない部分の絶縁膜GI2とは、導電膜CDをパターニングするためのドライエッチング、あるいはそのドライエッチングの後のウェットエッチングにより、除去され得る。一方、ゲート電極GE1の下に位置する絶縁膜GI1と、ゲート電極GE2の下に位置する金属含有絶縁膜MGと、ゲート電極GE3の下に位置する絶縁膜GI2とは、導電膜CDをパターニングするためのドライエッチングおよびその後のウェットエッチングで除去されずに残存する。
導電膜CDは、一層の導電膜からなる単体膜とすることができるが、他の形態として、導電膜CDを、複数の導電膜からなる積層膜(積層導電膜)とすることもできる。また、導電膜CDとしては、多結晶シリコン膜を好適に用いることができるが、多結晶シリコン膜以外にも、金属膜または金属化合物膜を用いることもできる。このため、導電膜CDは、多結晶シリコン膜、金属膜、または金属化合物膜の単体膜、あるいはそれらの積層膜とすることもできる。
図13および図14は、ゲート電極GE1,GE2,GE3を形成する他の手法を示す要部断面図である。上記図11に示されるステップS10で導電膜CDを形成してから、図13に示されるように、導電膜CD上に絶縁膜IL1を形成する。それから、フォトリソグラフィ法を用いて絶縁膜IL1上にフォトレジストパターン(ここでは図示しないが、ゲート電極GE1,GE2,GE3を形成する予定の領域に形成される)を形成してから、このフォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて、絶縁膜IL1をエッチング(好ましくはドライエッチング)してパターニングする。その後、フォトレジストパターンを除去してから、パターニングされた絶縁膜IL1をエッチングマスク(ハードマスク)として用いて、導電膜CDをエッチング(好ましくはドライエッチング)してパターニングする。これにより、図14に示されるように、パターニングされた導電膜CDからなるゲート電極GE1,GE2、GE3が形成される。図14の場合が、上記図12の場合と相違しているのは、図14の場合は、ゲート電極GE1,GE2,GE3のそれぞれの上には、絶縁膜IL1が形成されていることである。すなわち、図14の場合は、ゲート電極GE1上には、ゲート電極GE1とほぼ同じ平面形状の絶縁膜IL1が存在し、ゲート電極GE2上には、ゲート電極GE2とほぼ同じ平面形状の絶縁膜IL1が存在し、ゲート電極GE3上には、ゲート電極GE3とほぼ同じ平面形状の絶縁膜IL1が存在している。
このようにして、図12または図14に示されるように、低耐圧MISFET形成領域1Aの半導体基板SB(p型ウエルPW1)上に絶縁膜GI1を介してゲート電極GE1が形成される。また、高誘電率MISFET形成領域1Bの半導体基板SB(p型ウエルPW2)上に金属含有絶縁膜MGを介してゲート電極GE2が形成される。また、高耐圧MISFET形成領域1Cの半導体基板SB(p型ウエルPW3)上に絶縁膜GI2を介してゲート電極GE3が形成される。ゲート電極GE1がMISFETQ1のゲート電極となり、ゲート電極GE1の下の絶縁膜GI1がMISFETQ1のゲート絶縁膜となる。また、ゲート電極GE2がMISFETQ2のゲート電極となり、ゲート電極GE2の下の金属含有絶縁膜MGがMISFETQ2のゲート絶縁膜(高誘電率ゲート絶縁膜)となる。また、ゲート電極GE3がMISFETQ3のゲート電極となり、ゲート電極GE3の下の絶縁膜GI2がMISFETQ3のゲート絶縁膜となる。
MISFETQ3のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE3の下の絶縁膜GI2)の厚みは、MISFETQ1のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE1の下の絶縁膜GI1)の厚みよりも大きい(厚い)。また、MISFETQ2のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE2の下の金属含有絶縁膜MG)の厚みは、MISFETQ1のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE1の下の絶縁膜GI1)の厚みよりも大きい(厚い)。また、MISFETQ2のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE2の下の金属含有絶縁膜MG)の誘電率は、MISFETQ1のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE1の下の絶縁膜GI1)の誘電率よりも大きい。また、MISFETQ2のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE2の下の金属含有絶縁膜MG)の誘電率は、MISFETQ3のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE3の下の絶縁膜GI2)の誘電率よりも大きい。また、金属含有絶縁膜MGは高誘電率膜(High−k膜)であるため、MISFETQ2のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE2の下の金属含有絶縁膜MG)は、高誘電率ゲート絶縁膜である。
このように、本実施の形態では、ステップS4で半導体基板SBの表面に、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1,GI2を形成してから、ステップS5,S6,S7,S8,S9を行うことにより、高誘電率MISFET形成領域1Bの絶縁膜GI1を選択的に金属含有絶縁膜MGに変えている。このため、高誘電率MISFET形成領域1Bに形成されるMISFETQ2のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE2の下の金属含有絶縁膜MG)は、MeSiO膜またはMeSiON膜となり、金属膜MFがハフニウム(Hf)膜の場合は、HfSiO膜またはHfSiON膜となる。一方、低耐圧MISFET形成領域1Aに形成されるMISFETQ1のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE1の下の絶縁膜GI1)は、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜となり、高耐圧MISFET形成領域1Cに形成されるMISFETQ3のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE3の下の絶縁膜GI2)は、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜となる。
これまでの工程で、MISFETQ1,Q2,Q3のゲート絶縁膜とゲート電極とが形成される。以降の工程で、ソース・ドレイン用の半導体領域を形成するなどして、MISFETQ1,Q2,Q3が完成するが、その一例を、図15〜図19を参照して説明する。なお、ここでは、上記図12に続く工程として図15〜図19を図示しているが、上記図14に続く工程として図15〜図19の工程を行うこともできる。
図15に示されるように、n−型半導体領域(n型不純物拡散層、ソース・ドレインエクステンション領域)EX1,EX2,EX3を、イオン注入法などを用いて形成する。
例えば、ヒ素(As)またはリン(P)などのn型の不純物を、ゲート電極GE1,GE2,GE3をマスク(イオン注入阻止マスク)として用いて半導体基板SB(p型ウエルPW1,PW2,PW3)にイオン注入法で導入することにより、n−型半導体領域EX1,EX2,EX3を形成することができる。この際、n−型半導体領域EX1は、低耐圧MISFET形成領域1Aにおいて、ゲート電極GE1がマスク(イオン注入阻止マスク)として機能することにより、ゲート電極GE1の側壁に自己整合して形成される。このため、低耐圧MISFET形成領域1Aにおいて、半導体基板SB(p型ウエルPW1)におけるゲート電極GE1の両側の領域に、n−型半導体領域EX1が形成される。また、n−型半導体領域EX2は、高誘電率MISFET形成領域1Bにおいて、ゲート電極GE2がマスク(イオン注入阻止マスク)として機能することにより、ゲート電極GE2の側壁に自己整合して形成される。このため、高誘電率MISFET形成領域1Bにおいて、半導体基板SB(p型ウエルPW2)におけるゲート電極GE2の両側の領域に、n−型半導体領域EX2が形成される。また、n−型半導体領域EX3は、高耐圧MISFET形成領域1Cにおいて、ゲート電極GE3がマスク(イオン注入阻止マスク)として機能することにより、ゲート電極GE3の側壁に自己整合して形成される。このため、高耐圧MISFET形成領域1Cにおいて、半導体基板SB(p型ウエルPW3)におけるゲート電極GE3の両側の領域に、n−型半導体領域EX3が形成される。
n−型半導体領域EX1とn−型半導体領域EX2とn−型半導体領域EX3とは、同じイオン注入工程で形成することができるが、異なるイオン注入工程で形成することも可能である。n−型半導体領域EX1,EX2,EX3のうちの任意の組み合わせのものを、同じイオン注入で形成することもできる。
次に、図16に示されるように、ゲート電極GE1,GE2,GE3の側壁上に、絶縁膜からなるサイドウォールスペーサ(サイドウォール、側壁絶縁膜)SWを形成する。サイドウォールスペーサSWは、側壁絶縁膜とみなすことができる。
サイドウォールスペーサSW形成工程は、例えば次のようにして行うことができる。すなわち、まず、半導体基板SBの主面全面上に、ゲート電極GE1,GE2,GE3を覆うように、サイドウォールスペーサSW形成用の絶縁膜を形成(堆積)する。このサイドウォールスペーサSW形成用の絶縁膜は、例えば、酸化シリコン膜または窒化シリコン膜あるいはそれらの積層膜などからなり、CVD法などを用いて形成することができる。それから、このサイドウォールスペーサSW形成用の絶縁膜を、異方性エッチング技術によりエッチバック(エッチング、ドライエッチング、異方性エッチング)する。これにより、ゲート電極GE1,GE2,GE3の各側壁上に、選択的にこの絶縁膜(すなわちサイドウォールスペーサSW形成用の絶縁膜)が残存して、サイドウォールスペーサSWが形成される。
次に、n+型半導体領域(n型不純物拡散層)SD1,SD2,SD3を、イオン注入法などを用いて形成する。
例えば、ヒ素(As)またはリン(P)等のn型不純物を、ゲート電極GE1,GE2,GE3およびサイドウォールスペーサSWをマスク(イオン注入阻止マスク)として用いて半導体基板SB(p型ウエルPW1,PW2,PW3)にイオン注入法で導入することにより、n+型半導体領域SD1,SD2,SD3を形成することができる。この際、n+型半導体領域SD1は、低耐圧MISFET形成領域1Aにおいて、ゲート電極GE1とその側壁上のサイドウォールスペーサSWとがマスク(イオン注入阻止マスク)として機能することにより、ゲート電極GE1の両側壁上のサイドウォールスペーサSWに自己整合して形成される。このため、低耐圧MISFET形成領域1Aにおいて、半導体基板SB(p型ウエルPW1)におけるゲート電極GE1およびその側壁上のサイドウォールスペーサSWの両側の領域に、n+型半導体領域SD1が形成される。また、n+型半導体領域SD2は、高誘電率MISFET形成領域1Bにおいて、ゲート電極GE2とその側壁上のサイドウォールスペーサSWとがマスク(イオン注入阻止マスク)として機能することにより、ゲート電極GE2の両側壁上のサイドウォールスペーサSWに自己整合して形成される。このため、高誘電率MISFET形成領域1Bにおいて、半導体基板SB(p型ウエルPW2)におけるゲート電極GE2およびその側壁上のサイドウォールスペーサSWの両側の領域に、n+型半導体領域SD2が形成される。また、n+型半導体領域SD3は、高耐圧MISFET形成領域1Cにおいて、ゲート電極GE3とその側壁上のサイドウォールスペーサSWとがマスク(イオン注入阻止マスク)として機能することにより、ゲート電極GE3の両側壁上のサイドウォールスペーサSWに自己整合して形成される。このため、高耐圧MISFET形成領域1Cにおいて、半導体基板SB(p型ウエルPW3)におけるゲート電極GE3およびその側壁上のサイドウォールスペーサSWの両側の領域に、n+型半導体領域SD3が形成される。これにより、LDD(Lightly doped Drain)構造が形成される。
n+型半導体領域SD1とn+型半導体領域SD2とn+型半導体領域SD3とは、同じイオン注入工程で形成することができるが、異なるイオン注入工程で形成することも可能である。n+型半導体領域SD1,SD2,SD3のうちの任意の組み合わせのものを、同じイオン注入で形成することもできる。
このようにして、n−型半導体領域EX1とそれよりも高不純物濃度のn+型半導体領域SD1とにより、低耐圧MISFET形成領域1AのMISFETQ1のソース・ドレイン領域(ソースまたはドレイン領域)として機能するn型の半導体領域が形成される。n+型半導体領域SD1は、n−型半導体領域EX1よりも不純物濃度が高くかつ接合深さが深い。また、n−型半導体領域EX2とそれよりも高不純物濃度のn+型半導体領域SD2とにより、高誘電率MISFET形成領域1BのMISFETQ2のソース・ドレイン領域(ソースまたはドレイン領域)として機能するn型の半導体領域が形成される。n+型半導体領域SD2は、n−型半導体領域EX2よりも不純物濃度が高くかつ接合深さが深い。また、n−型半導体領域EX3とそれよりも高不純物濃度のn+型半導体領域SD3とにより、高耐圧MISFET形成領域1CのMISFETQ3のソース・ドレイン領域(ソースまたはドレイン領域)として機能するn型の半導体領域が形成される。n+型半導体領域SD3は、n−型半導体領域EX3よりも不純物濃度が高くかつ接合深さが深い。
また、ここでは、MISFETQ1,Q2,Q3のソース・ドレイン領域がLDD(Lightly doped Drain)構造を有する場合について説明した。他の形態として、MISFETQ1,Q2,Q3のうちの1つ以上について、LDD構造でないソース・ドレイン領域を適用することもできる。
次に、ソース・ドレイン用の半導体領域(n−型半導体領域EX1,EX2,EX3およびn+型半導体領域SD1,SD2,SD3)などに導入された不純物を活性化するための熱処理である活性化アニールを行う。
このようにして、低耐圧MISFET形成領域1Aに、ゲート電極としてゲート電極GE1を有し、ゲート絶縁膜として絶縁膜GI1を有し、ソース・ドレイン領域としてn−型半導体領域EX1およびn+型半導体領域SD1を有するMISFETQ1が形成される。また、高誘電率MISFET形成領域1Bに、ゲート電極としてゲート電極GE2を有し、ゲート絶縁膜として金属含有絶縁膜MGを有し、ソース・ドレイン領域としてn−型半導体領域EX2およびn+型半導体領域SD2を有するMISFETQ2が形成される。また、高耐圧MISFET形成領域1Cに、ゲート電極としてゲート電極GE3を有し、ゲート絶縁膜として絶縁膜GI2を有し、ソース・ドレイン領域としてn−型半導体領域EX3およびn+型半導体領域SD3を有するMISFETQ3が形成される。
次に、必要に応じて、サリサイド(Salicide:Self Aligned Silicide)技術を用いて金属シリサイド層(図示せず)を、n+型半導体領域SD1,SD2,SD2上やゲート電極GE1,GE2,GE3上などに選択的に形成することもできる。この金属シリサイド層は、拡散抵抗やコンタクト抵抗の低減効果を有しているが、不要であれば、その形成を省略することもできる。
次に、図17に示されるように、半導体基板SBの主面上に、ゲート電極GE1,GE2,GE3およびサイドウォールスペーサSWを覆うように、絶縁膜(層間絶縁膜)IL2を形成する。絶縁膜IL2は、例えば、酸化シリコン膜の単体膜や、あるいは、窒化シリコン膜とそれよりも厚い酸化シリコン膜との積層膜(窒化シリコン膜が下層側で酸化シリコン膜が上層側)などからなる。絶縁膜IL2の形成後、絶縁膜IL2の表面(上面)をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により研磨するなどして、絶縁膜IL2の上面を平坦化することもできる。
次に、絶縁膜IL2上に形成したフォトレジスト層(図示せず)をエッチングマスクとして用いて、絶縁膜IL2をドライエッチングすることにより、図18に示されるように、絶縁膜IL2にコンタクトホール(貫通孔、孔)CTを形成する。
次に、コンタクトホールCT内に、タングステン(W)などからなる導電性のプラグ(接続用導体部)PGを形成する。プラグPGを形成するには、例えば、コンタクトホールCTの内部(底部および側壁上)を含む絶縁膜IL2上に、スパッタリング法またはプラズマCVD法などによりバリア導体膜(例えばチタン膜、窒化チタン膜、あるいはそれらの積層膜)を形成する。それから、タングステン膜などからなる主導体膜をCVD法などによってバリア導体膜上にコンタクトホールCTを埋めるように形成する。その後、コンタクトホールCTの外部(絶縁膜IL2上)の不要な主導体膜およびバリア導体膜をCMP法またはエッチバック法などによって除去する。これにより、絶縁膜IL2のコンタクトホールCT内に埋め込まれて残存するバリア導体膜および主導体膜により、プラグPGが形成される。図18では、図面の簡略化のために、プラグPGは、主導体膜とバリア導体膜を一体化して示してある。コンタクトホールCTおよびそれを埋め込むプラグPGは、n+型半導体領域SD1,SD2,SD3やゲート電極GE1,GE2,GE3の上に形成される。プラグPGは、その底部で、ゲート電極GE1,GE2,GE3またはn+型半導体領域SD1,SD2,SD3などと接して、電気的に接続される。
次に、図19に示されるように、プラグPGが埋め込まれた絶縁膜IL2上に、配線形成用の絶縁膜IL3を形成する。絶縁膜IL3は、単体膜(単体絶縁膜)または積層膜(積層絶縁膜)とすることができる。
次に、シングルダマシン法により第1層目の配線である配線M1を形成する。具体的には、例えば次のようにして配線M1を形成することができる。まず、フォトレジスト層(図示せず)をマスクとしたドライエッチングによって絶縁膜IL3の所定の領域に配線溝を形成した後、配線溝の底部および側壁上を含む絶縁膜IL3上にバリア導体膜(例えば窒化チタン膜、タンタル膜または窒化タンタル膜など)を形成する。続いて、CVD法またはスパッタリング法などによりバリア導体膜上に銅のシード層を形成し、さらに電解めっき法などを用いてシード層上に銅めっき膜を形成して、銅めっき膜により配線溝の内部を埋め込む。それから、配線溝以外の領域の主導体膜(銅めっき膜およびシード層)とバリア導体膜をCMP法により除去して、配線溝に埋め込まれた銅を主導電材料とする第1層目の配線M1を形成する。なお、図面の簡略化のために、図19では、配線M1を構成する銅めっき膜、シード層およびバリアメタル膜を一体化して示してある。
配線M1は、プラグPGに接続され、プラグPGを介して、n+型半導体領域SD1,SD2,SD3またはゲート電極GE1,GE2,GE3などと電気的に接続される。
その後、デュアルダマシン法により2層目の配線を形成するが、ここでは図示およびその説明は省略する。また、配線M1および2層目以降の配線は、ダマシン配線に限定されず、配線用の導電体膜をパターニングして形成することもでき、例えばタングステン配線またはアルミニウム配線などとすることもできる。
以上のようにして、本実施の形態の半導体装置が製造される。
また、本実施の形態では、金属含有絶縁膜MGをゲート絶縁膜とするMISFETQ2と、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1をゲート絶縁膜とするMISFETQ1と、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなりかつ絶縁膜GI1よりも厚い絶縁膜GI2をゲート絶縁膜とするMISFETQ3とを同一の半導体基板SBに形成する場合について説明した。
他の形態として、絶縁膜GI2をゲート絶縁膜とするMISFETQ3の形成を省略することもできる。この場合、上記ステップS4において、絶縁膜GI2を形成せずに、絶縁膜GI1を形成すればよい。この場合、金属含有絶縁膜MGをゲート絶縁膜とするMISFETQ2と、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1をゲート絶縁膜とするMISFETQ1とが同一の半導体基板SBに形成される。
<本実施の形態の主要な特徴と効果について>
トランジスタの駆動能力を高めるためには、ゲート絶縁膜の薄膜化が有効であるが、ゲート絶縁膜を薄膜化することは、ゲートリーク電流の増加を招いてしまう。そこで、ゲート絶縁膜の誘電率を高めると、ゲート絶縁膜の電気的な膜厚とみなせるゲート絶縁膜のEOT(Equivalent Oxide Thickness:等価酸化膜厚)を抑制しながら、ゲート絶縁膜の物理的な厚みを厚くすることができるため、ゲートリーク電流を抑制することができる。このため、MISFETのゲート絶縁膜として高誘電率ゲート絶縁膜を適用することで、そのMISFETの特性を向上させることができる。
トランジスタの駆動能力を高めるためには、ゲート絶縁膜の薄膜化が有効であるが、ゲート絶縁膜を薄膜化することは、ゲートリーク電流の増加を招いてしまう。そこで、ゲート絶縁膜の誘電率を高めると、ゲート絶縁膜の電気的な膜厚とみなせるゲート絶縁膜のEOT(Equivalent Oxide Thickness:等価酸化膜厚)を抑制しながら、ゲート絶縁膜の物理的な厚みを厚くすることができるため、ゲートリーク電流を抑制することができる。このため、MISFETのゲート絶縁膜として高誘電率ゲート絶縁膜を適用することで、そのMISFETの特性を向上させることができる。
しかしながら、高誘電率ゲート絶縁膜を適用したMISFETの場合、高誘電率ゲート絶縁膜を採用したことに伴う課題が発生する虞がある。高誘電率ゲート絶縁膜を採用したことに伴う課題としては、例えば、フェルミレベルピニングに関する課題がある。高誘電率ゲート絶縁膜を適用すると、高誘電率ゲート絶縁膜とゲート電極との界面でフェルミレベルピニングが生じてフェルミレベルが固定されて動かなくなるため、高誘電率ゲート絶縁膜を適用したMISFETのしきい値電圧が高くなってしまう。このフェルミレベルピニングによるしきい値電圧(しきい値電圧の絶対値)の増大は、nチャネル型MISFETとpチャネル型MISFETのどちらでも生じ得るが、特にpチャネル型MISFETで生じやすい。
このため、半導体装置には複数のMISFETが含まれているが、その全てのMISFETに対して高誘電率ゲート絶縁膜を適用するのではなく、高誘電率ゲート絶縁膜を適用したMISFETと、高誘電率ゲート絶縁膜を適用せずに酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜をゲート絶縁膜に用いたMISFETとを、混在させたい場合もある。
例えば、半導体装置に形成されている複数のMISFETのうち、高誘電率ゲート絶縁膜を適用することが望ましいMISFETについては、ゲート絶縁膜として高誘電率ゲート絶縁膜を用い、ゲート絶縁膜として酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜を適用することが望ましいMISFETについては、ゲート絶縁膜として酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜を用いる。これにより、MISFETの要求特性に応じてゲート絶縁膜を使い分けることができるため、複数のMISFETを含む半導体装置の総合的な性能を向上させることができる。
そこで、本実施の形態では、高誘電率ゲート絶縁膜(ここでは金属含有絶縁膜MG)を適用したMISFET(ここではMISFETQ2)と、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜をゲート絶縁膜として用いたMISFET(ここではMISFETQ1)とを、同一の半導体基板(SB)に形成する場合の製造工程を提供している。これにより、MISFETの要求特性に応じてゲート絶縁膜を選択することができるため、複数のMISFETを含む半導体装置の総合的な性能を向上させることができる。
以下、本実施の形態の主要な特徴と効果について説明する。
本実施の形態は、半導体基板SBと、半導体基板SBの第1領域(ここでは低耐圧MISFET形成領域1A)に形成された第1MISFET(ここではMISFETQ1)と、半導体基板SBの第2領域(ここでは高誘電率MISFET形成領域1B)に形成された第2MISFET(ここではMISFETQ2)とを有する半導体装置を製造する工程(方法)に関するものである。
本実施の形態では、ステップS1で半導体基板SBを用意し、ステップS4で、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)および第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の半導体基板SBの表面に、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1(第1絶縁膜)を形成する。それから、ステップS5で、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)および第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の絶縁膜GI1上に、マスク層MKを形成し、ステップS6で、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)のマスク層MKを除去し、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)のマスク層MKを残す。それから、ステップS7で、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)のマスク層MK上と第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の絶縁膜GI1上とに、金属膜MFを形成し、ステップS8で、熱処理により、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の絶縁膜GI1と金属膜MFとを反応させて、金属含有絶縁膜MGを形成する。それから、ステップS9で、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)のマスク層MKと金属膜MFとを除去し、ステップS10で、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の絶縁膜GI1上と第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の金属含有絶縁膜MG上とに、導電膜CDを形成する。それから、ステップS11で、導電膜CDをパターニングすることにより、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の半導体基板SB上に絶縁膜GI1を介してゲート電極GE1(第1ゲート電極)を形成し、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の半導体基板SB上に金属含有絶縁膜MGを介してゲート電極GE2(第2ゲート電極)を形成する。
このように、本実施の形態では、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)および第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の半導体基板SBの表面に、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1を形成してから、ステップS5,S6,S7,S8,S9を行うことにより、第2領域の絶縁膜GI1を選択的に金属含有絶縁膜MGに変えている。これにより、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の半導体基板SBの表面には、ゲート絶縁膜用の絶縁膜GI1が形成され、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の半導体基板SBの表面には、高誘電率ゲート絶縁膜用の金属含有絶縁膜MGが形成された構造を得ることができる。その後、ステップS10,S11を行うことにより、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の半導体基板SB上には、絶縁膜GI1を介してゲート電極GE1(第1ゲート電極)が形成され、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の半導体基板SB上には、金属含有絶縁膜MGを介してゲート電極GE2(第2ゲート電極)が形成された構造を得ることができる。このようにして、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)に、高誘電率ゲート絶縁膜を適用したMISFET用のゲート電極GE2とゲート絶縁膜(金属含有絶縁膜MG)とが形成され、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)に、高誘電率ゲート絶縁膜を適用しないMISFET用のゲート電極GE1とゲート絶縁膜(絶縁膜GI1)とが形成された構造を得ることができる。その後は、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)におけるMISFETと第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)におけるMISFETとを、任意の工程により完成させればよい。
本実施の形態では、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)および第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の半導体基板SBの表面に、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1を形成してから、ステップS5,S6,S7,S8,S9を行うことにより、第2領域の絶縁膜GI1を選択的に金属含有絶縁膜MGに変えている。このため、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)には金属含有絶縁膜MGを形成せずに絶縁膜GI1を残してそれをゲート絶縁膜として用いることができ、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)に選択的に金属含有絶縁膜MGを形成して、これをゲート絶縁膜(高誘電率ゲート絶縁膜)として用いることができる。これにより、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)に形成するMISFETのゲート絶縁膜(絶縁膜GI1)と、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)に形成するMISFETのゲート絶縁膜(金属含有絶縁膜MG)とを、容易かつ的確に作り分けることができる。このため、金属含有絶縁膜MGをゲート絶縁膜とするMISFETと絶縁膜GI1をゲート絶縁膜とするMISFETとを有する半導体装置を、的確に形成することができる。従って、半導体装置の性能を高めるとともに、その半導体装置を容易に製造することができる。また、半導体装置の性能を高めるとともに、その半導体装置を的確に製造することができる。
また、本実施の形態では、ステップS4で、半導体基板SBの表面に酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1を形成してから、ステップS5で絶縁膜GI1上にマスク層MKを形成し、ステップS6で第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)のマスク層MKを選択的に除去してから、ステップS7で金属膜MFを形成している。このため、ステップS7で金属膜MFを形成すると、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の絶縁膜GI1は金属膜MFに接するが、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の絶縁膜GI1は、金属膜MFには接しない状態を得ることができる。この状態で、ステップS8で熱処理を行うことにより、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の絶縁膜GI1と金属膜MFとを反応させて、金属含有絶縁膜MGを形成することができる。そして、ステップS9で、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)のマスク層MKと金属膜MFとを除去することで、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の半導体基板SBの表面には絶縁膜GI1が形成され、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の半導体基板SBの表面には金属含有絶縁膜MGが形成された状態を得ることができる。この第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)に形成されている絶縁膜GI1を、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)に形成するMISFET(Q1)のゲート絶縁膜として用い、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)に形成されている金属含有絶縁膜MGを、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)に形成するMISFET(Q2)のゲート絶縁膜として用いる。これにより、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)に形成するMISFET(Q1)のゲート絶縁膜は、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1により形成されることになり、一方、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)に形成するMISFET(Q2)のゲート絶縁膜は、金属含有絶縁膜MGにより形成されるため、高誘電率ゲート絶縁膜となる。これにより、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)に形成するMISFETのゲート絶縁膜(絶縁膜GI1)と、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)に形成するMISFETのゲート絶縁膜(金属含有絶縁膜MG)とを、容易かつ的確に作り分けることができる。
また、本実施の形態では、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の半導体基板SBの表面に絶縁膜GI1が形成され、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の半導体基板SBの表面に金属含有絶縁膜MGが形成された状態を得た後、ステップS10で導電膜CDを形成してから、ステップS11で導電膜CDをパターニングする。これにより、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の半導体基板SB上に絶縁膜GI1を介してゲート電極GE1(第1ゲート電極)を形成し、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の半導体基板SB上に金属含有絶縁膜MGを介してゲート電極GE2(第2ゲート電極)を形成することができる。つまり、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)に形成するMISFETのゲート電極GE1と、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)に形成するMISFETのゲート電極GE2とを、同じ導電膜CDを用いて形成することができる。このため、半導体装置の製造工程数を抑制でき、半導体装置の製造工程を簡略化することができる。
つまり、本実施の形態では、第1領域および第2領域の半導体基板SBの表面に、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1を形成してから、ステップS5,S6,S7,S8,S9を行うことで、第2領域の絶縁膜GI1を選択的に金属含有絶縁膜MGに変え、その後、共通の導電膜CDを用いて第1領域のゲート電極GE1と第2領域のゲート電極GE2とを形成している。このため、高誘電率ゲート絶縁膜を適用したMISFETのゲート絶縁膜(ここでは金属含有絶縁膜MG)およびゲート電極GE2と、高誘電率ゲート絶縁膜を適用しないMISFETのゲート絶縁膜(ここでは絶縁膜GI1)およびゲート電極GE1とを、簡略な工程で、容易かつ的確に形成することができる。従って、半導体装置の性能を高めるとともに、その半導体装置を容易に製造することができる。また、半導体装置の性能を高めるとともに、その半導体装置を的確に製造することができる。
また、本実施の形態では、ステップS10でゲート電極形成用の導電膜CDを形成する前に、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)に金属含有絶縁膜MGを選択的に形成する工程を完了することができる。このため、ゲート絶縁膜用の絶縁膜の形成が完了した後でゲート電極を形成することができるため、ゲート絶縁膜用の絶縁膜を形成する工程が、ゲート電極に影響するのを防止することができる。
また、本実施の形態では、ステップS8の熱処理で第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の絶縁膜GI1と金属膜MFとを反応させて金属含有絶縁膜MG形成しているが、このときの熱処理条件を調整することにより、金属含有絶縁膜MG中の金属元素を、半導体基板SBから(具体的には半導体基板SBと金属含有絶縁膜MGとの界面から)遠ざけることも可能である。これにより、半導体基板SBと高誘電率ゲート絶縁膜(金属含有絶縁膜MG)との間の良好な界面を形成することができる。
(実施の形態2)
本実施の形態2の半導体装置の製造工程を、図面を参照して説明する。図20は、本実施の形態2の半導体装置の製造工程の一部を示す工程フロー図であり、上記実施の形態1の上記図1に相当するものである。図21〜図26は、本実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図であり、上記実施の形態1の上記図2〜図19に相当する断面領域が示されている。
本実施の形態2の半導体装置の製造工程を、図面を参照して説明する。図20は、本実施の形態2の半導体装置の製造工程の一部を示す工程フロー図であり、上記実施の形態1の上記図1に相当するものである。図21〜図26は、本実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図であり、上記実施の形態1の上記図2〜図19に相当する断面領域が示されている。
本実施の形態2の製造工程は、上記ステップS4で絶縁膜GI1,GI2を形成して上記図5と同じ図21の構造を得るまでは、上記実施の形態1の製造工程とほぼ同様であるので、ここではその繰り返しの説明を省略し、上記図5と同じ図21の構造を得た後の工程について説明する。
本実施の形態2においても、上記実施の形態1と同様にして上記ステップS4(絶縁膜GI1,GI2形成工程)までの工程を行って上記図5と同じ図21の構造を得る。この段階では、図21に示されるように、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高誘電率MISFET形成領域1Bにおける半導体基板SBの表面(すなわちp型ウエルPW1,PW2の表面)に絶縁膜GI1が形成され、高耐圧MISFET形成領域1Cにおける半導体基板SBの表面(すなわちp型ウエルPW3の表面)に絶縁膜GI2が形成された状態になっている。絶縁膜GI2の厚みは、絶縁膜GI1の厚みよりも厚い。
それから、本実施の形態2では、図22に示されるように、半導体基板SBの主面上に金属膜MFを形成する(図2のステップS7a)。
ステップS7aにおいて、金属膜MFは半導体基板SBの主面全面に形成されるため、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高誘電率MISFET形成領域1Bでは、金属膜MFは絶縁膜GI1上に形成され、高耐圧MISFET形成領域1Cでは、金属膜MFは絶縁膜GI2上に形成されることになる。また、素子分離領域STが形成された領域では、金属膜MFは素子分離領域ST上に形成されることになる。
金属膜MFの材料、成膜法および膜厚などについては、上記実施の形態1と同様であるので、ここではその繰り返しの説明は省略する。
次に、図23に示されるように、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cの金属膜MFをエッチングによって選択的に除去し、高誘電率MISFET形成領域1Bの金属膜MFを残す(図2のステップS7b)。これにより、低耐圧MISFET形成領域1Aでは絶縁膜GI1が露出され、高耐圧MISFET形成領域1Cでは絶縁膜GI2が露出され、一方、高誘電率MISFET形成領域1Bでは、絶縁膜GI1上に金属膜MFが形成された状態が維持される。
具体的には、ステップS7bは、次のようにして行うことができる。すなわち、まず、金属膜MF上に、高誘電率MISFET形成領域1Bを覆いかつ低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cを露出するフォトレジストパターン(図示せず)を、フォトリソグラフィ法を用いて形成する。それから、このフォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いて、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cの金属膜MFをエッチングして除去する。その後、このフォトレジストパターンを除去する。
ステップS7bでは、金属膜MFよりも絶縁膜GI1,GI2がエッチングされにくい条件(エッチング条件)で、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cの金属膜MFをエッチングすることが好ましい。すなわち、ステップS7bでは、金属膜MFのエッチング速度よりも絶縁膜GI1,GI2の各エッチング速度が小さくなる条件(エッチング条件)で、低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cの金属膜MFをエッチングすることが好ましい。これにより、ステップS7bで低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cの金属膜MFをエッチングにより除去した際に、露出した絶縁膜GI1,GI2がエッチングされるのを抑制または防止することができる。
また、ステップS7bでは、ウェットエッチングを用いて低耐圧MISFET形成領域1Aおよび高耐圧MISFET形成領域1Cの金属膜MFを除去することが好ましい。ウェットエッチングを用いることにより、金属膜MFを除去することで露出された低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1と高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2とに対するダメージを抑制または防止できる。また、絶縁膜GI1,GI2に対する金属膜MFのエッチング選択比を確保しやすくなる。金属膜MFがハフニウム(Hf)膜の場合は、ステップS7bのウェットエッチングで用いるエッチング液としては、例えば硫酸(硫酸の水溶液)などを好適に用いることができる。
このように、ステップS7aおよびステップS7bを行うと、高誘電率MISFET形成領域1Bの絶縁膜GI1は、金属膜MFで覆われた状態になり、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1および高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2は、金属膜MFで覆われずに露出した状態になる。
次に、半導体基板SBに対して熱処理を施す(図2のステップS8a)。
ステップS8aの熱処理条件(温度や雰囲気など)については、上記実施の形態1の上記ステップS8の熱処理条件(温度や雰囲気など)と同様であるので、ここではその繰り返しの説明は省略する。
ステップS8aの熱処理により、高誘電率MISFET形成領域1Bにおいて、金属膜MFと絶縁膜GI1とが反応(混合、ミキシング、相互拡散)して、図24に示されるように、金属膜MFと絶縁膜GI1との反応層(混合層、ミキシング層)である金属含有絶縁膜MGが形成される。すなわち、高誘電率MISFET形成領域1Bでは、金属膜MFの金属元素が絶縁膜GI1に導入されて、絶縁膜GI1が金属含有絶縁膜MGとなる。
また、低耐圧MISFET形成領域1Aでは絶縁膜GI1上に金属膜MFは形成されておらず、高耐圧MISFET形成領域1Cでは絶縁膜GI2上に金属膜MFは形成されていないため、ステップS8aの熱処理を行っても、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1は金属膜MFと反応せず、また、高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2は金属膜MFと反応しない。このため、低耐圧MISFET形成領域1Aの絶縁膜GI1と高耐圧MISFET形成領域1Cの絶縁膜GI2とは、ステップS8aの熱処理を行っても、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜のままである。
金属含有絶縁膜MGの構成については、上記実施の形態1と同様であるので、ここではその繰り返しの説明は省略する。
簡単に述べると、絶縁膜GI1が酸化シリコン膜である場合は、金属含有絶縁膜MGは、MeSiO膜であり、また、絶縁膜GI1が酸窒化シリコン膜(SiON膜)である場合は、金属含有絶縁膜MGは、MeSiON膜である。ここで、金属膜MFが含んでいる金属元素をMeと表記するものとする。金属膜MFがハフニウム(Hf)膜の場合は、Me=Hfである。すなわち、絶縁膜GI1が酸化シリコン膜で、かつ、金属膜MFがハフニウム(Hf)膜である場合は、金属含有絶縁膜MGは、HfSiO膜であり、また、絶縁膜GI1が酸窒化シリコン膜(SiON膜)で、かつ、金属膜MFがハフニウム(Hf)膜である場合は、金属含有絶縁膜MGは、HfSiON膜である。すなわち、絶縁膜GI1は酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜であるため、金属含有絶縁膜MGは、MeSiO膜またはMeSiON膜となり、金属膜MFがハフニウム(Hf)膜の場合は、金属含有絶縁膜MGは、HfSiO膜またはHfSiON膜となる。
このようにして、ステップS4,S7a,S7b,S8aを行う。これにより、低耐圧MISFET形成領域1Aの半導体基板SB(p型ウエルPW1)の表面に絶縁膜GI1が形成され、高誘電率MISFET形成領域1Bの半導体基板SB(p型ウエルPW2)の表面に金属含有絶縁膜MGが形成され、高耐圧MISFET形成領域1Cの半導体基板SB(p型ウエルPW3)の表面に絶縁膜GI2が形成された構造が得られる。低耐圧MISFET形成領域1Aでは絶縁膜GI1が露出し、高耐圧MISFET形成領域1Cでは絶縁膜GI2が露出し、高誘電率MISFET形成領域1Bでは金属含有絶縁膜MGが露出する。
以降の工程は、上記実施の形態1の上記ステップS10およびそれ以降の工程と基本的には同じである。
すなわち、ステップS10で、図25に示されるように、半導体基板SBの主面全面上に、ゲート電極形成用の導電膜CDを形成(堆積)する。導電膜CDの材料や製法などについては、上記実施の形態1と同様であるので、ここではその繰り返しの説明は省略する。
ステップS10においては、低耐圧MISFET形成領域1Aでは、絶縁膜GI1上に導電膜CDが形成され、高誘電率MISFET形成領域1Bでは、金属含有絶縁膜MG上に導電膜CDが形成され、高耐圧MISFET形成領域1Cでは、絶縁膜GI2上に導電膜CDが形成されることになる。
それから、ステップS11で、図26に示されるように、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法を用いて導電膜CDをパターニングすることにより、ゲート電極GE1,GE2,GE3を形成する。ゲート電極GE1,GE2,GE3は、パターニングされた導電膜CDからなる。ステップS11のパターニング工程の具体的な手法やゲート電極GE1,GE2,GE3の構成については、上記実施の形態1と同様であるので、ここではその繰り返しの説明は省略する。また、本実施の形態2において、上記実施の形態1で説明した上記図13および図14の工程を適用することもできる。
上記実施の形態1と同様に、本実施の形態2においても、ステップS11では、導電膜CDをパターニングするドライエッチング工程の後に、ウェットエッチングを行うこともできる。導電膜CDをパターニングするためのドライエッチング、あるいはそのドライエッチングの後のウェットエッチングにより、ゲート電極GE1,GE2,GE3で覆われていない領域の絶縁膜GI1,GI2および金属含有絶縁膜MGは除去され得る。すなわち、ゲート電極GE1で覆われていない部分の絶縁膜GI1と、ゲート電極GE2で覆われていない部分の金属含有絶縁膜MGと、ゲート電極GE3で覆われていない部分の絶縁膜GI2とは、導電膜CDをパターニングするためのドライエッチング、あるいはそのドライエッチングの後のウェットエッチングにより、除去され得る。一方、ゲート電極GE1の下に位置する絶縁膜GI1と、ゲート電極GE2の下に位置する金属含有絶縁膜MGと、ゲート電極GE3の下に位置する絶縁膜GI2とは、導電膜CDをパターニングするためのドライエッチングおよびその後のウェットエッチングで除去されずに残存する。
このようにして、図26(または上記図14)に示されるように、低耐圧MISFET形成領域1Aの半導体基板SB(p型ウエルPW1)上に絶縁膜GI1を介してゲート電極GE1が形成される。すなわち、低耐圧MISFET形成領域1Aにおいて、半導体基板SB(p型ウエルPW1)の表面の絶縁膜GI1上にゲート電極GE1が形成される。また、高誘電率MISFET形成領域1Bの半導体基板SB(p型ウエルPW2)上に金属含有絶縁膜MGを介してゲート電極GE2が形成される。すなわち、高誘電率MISFET形成領域1Bにおいて、半導体基板SB(p型ウエルPW2)の表面の金属含有絶縁膜MG上にゲート電極GE2が形成される。また、高耐圧MISFET形成領域1Cの半導体基板SB(p型ウエルPW3)上に絶縁膜GI2を介してゲート電極GE3が形成される。すなわち、高耐圧MISFET形成領域1Cにおいて、半導体基板SB(p型ウエルPW3)の表面の絶縁膜GI2上にゲート電極GE3が形成される。
ゲート電極GE1がMISFETQ1のゲート電極となり、ゲート電極GE1の下の絶縁膜GI1がMISFETQ1のゲート絶縁膜となる。また、ゲート電極GE2がMISFETQ2のゲート電極となり、ゲート電極GE2の下の金属含有絶縁膜MGがMISFETQ2のゲート絶縁膜(高誘電率ゲート絶縁膜)となる。また、ゲート電極GE3がMISFETQ3のゲート電極となり、ゲート電極GE3の下の絶縁膜GI2がMISFETQ3のゲート絶縁膜となる。
MISFETQ3のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE3の下の絶縁膜GI2)の厚みは、MISFETQ1のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE1の下の絶縁膜GI1)の厚みよりも大きい(厚い)。また、MISFETQ2のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE2の下の金属含有絶縁膜MG)の厚みは、MISFETQ1のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE1の下の絶縁膜GI1)の厚みよりも大きい(厚い)。また、MISFETQ2のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE2の下の金属含有絶縁膜MG)の誘電率は、MISFETQ1のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE1の下の絶縁膜GI1)の誘電率よりも大きい。また、MISFETQ2のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE2の下の金属含有絶縁膜MG)の誘電率は、MISFETQ3のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE3の下の絶縁膜GI2)の誘電率よりも大きい。また、金属含有絶縁膜MGは高誘電率膜(High−k膜)であるため、MISFETQ2のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE2の下の金属含有絶縁膜MG)は、高誘電率ゲート絶縁膜である。
このように、本実施の形態2では、ステップS4で半導体基板SBの表面に、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1,GI2を形成してから、ステップS7a,S7b,S8aを行うことにより、高誘電率MISFET形成領域1Bの絶縁膜GI1を選択的に金属含有絶縁膜MGに変えている。このため、高誘電率MISFET形成領域1Bに形成されるMISFETQ2のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE2の下の金属含有絶縁膜MG)は、MeSiO膜またはMeSiON膜となり、金属膜MFがハフニウム(Hf)膜の場合は、HfSiO膜またはHfSiON膜となる。一方、低耐圧MISFET形成領域1Aに形成されるMISFETQ1のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE1の下の絶縁膜GI1)は、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜となり、高耐圧MISFET形成領域1Cに形成されるMISFETQ3のゲート絶縁膜(すなわちゲート電極GE3の下の絶縁膜GI2)は、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜となる。
これまでの工程で、MISFETQ1,Q2,Q3のゲート絶縁膜とゲート電極とが形成される。以降の工程で、ソース・ドレイン用の半導体領域を形成するなどして、MISFETQ1,Q2,Q3が完成するが、その一例は上記実施の形態1と同様であり、ここではその図示および繰り返しの説明は省略する。
また、上記実施の形態1と同様、本実施の形態2でも、金属含有絶縁膜MGをゲート絶縁膜とするMISFETQ2と、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1をゲート絶縁膜とするMISFETQ1と、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなりかつ絶縁膜GI1より厚い絶縁膜GI2をゲート絶縁膜とするMISFETQ3とを同一の半導体基板SBに形成している。
他の形態として、絶縁膜GI1よりも厚い絶縁膜GI2をゲート絶縁膜とするMISFETQ3の形成を省略することもできる。この場合、上記ステップS4において、絶縁膜GI2を形成せずに、絶縁膜GI1を形成すればよい。この場合、金属含有絶縁膜MGをゲート絶縁膜とするMISFETQ2と、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1をゲート絶縁膜とするMISFETQ1とが同一の半導体基板SBに形成される。
上記実施の形態1と同様、本実施の形態2も、半導体基板SBと、半導体基板SBの第1領域(ここでは低耐圧MISFET形成領域1A)に形成された第1MISFET(MISFETQ1)と、半導体基板SBの第2領域(ここでは高誘電率MISFET形成領域1B)に形成された第2MISFET(MISFETQ2)とを有する半導体装置を製造する工程(方法)に関するものである。
本実施の形態2では、ステップS1で半導体基板SBを用意し、ステップS4で、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)および第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の半導体基板SBの表面に、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1(第1絶縁膜)を形成する。それから、ステップS7aで、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)および第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の絶縁膜GI1上に、金属膜MFを形成し、ステップS7bで、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の金属膜MFを除去し、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の金属膜MFを残す。それから、ステップS8aで、熱処理により、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の絶縁膜GI1と金属膜MFとを反応させて、金属含有絶縁膜MGを形成し、ステップS10で、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の絶縁膜GI1上と第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の金属含有絶縁膜MG上とに、導電膜CDを形成する。それから、ステップS11で、導電膜CDをパターニングすることにより、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の半導体基板SB上に絶縁膜GI1を介してゲート電極GE1(第1ゲート電極)を形成し、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の半導体基板SB上に金属含有絶縁膜MGを介してゲート電極GE2(第2ゲート電極)を形成する。
上記実施の形態1では、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)および第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の半導体基板SBの表面に、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1を形成してから、ステップS5,S6,S7,S8,S9を行うことにより、第2領域の絶縁膜GI1を選択的に金属含有絶縁膜MGに変えている。これにより、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の半導体基板SBの表面には、ゲート絶縁膜用の絶縁膜GI1が形成され、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の半導体基板SBの表面には、高誘電率ゲート絶縁膜用の金属含有絶縁膜MGが形成された構造を得ることができる。
一方、本実施の形態2では、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)および第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の半導体基板SBの表面に、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1を形成してから、ステップS7a,S7b,S8aを行うことにより、第2領域の絶縁膜GI1を選択的に金属含有絶縁膜MGに変えている。これにより、上記実施の形態1と同様に、本実施の形態2においても、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の半導体基板SBの表面には、ゲート絶縁膜用の絶縁膜GI1が形成され、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の半導体基板SBの表面には、高誘電率ゲート絶縁膜用の金属含有絶縁膜MGが形成された構造を得ることができる。
このため、本実施の形態2においても、基本的には上記実施の形態1とほぼ同様の効果を得ることができる。
但し、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の絶縁膜GI1を選択的に金属含有絶縁膜MGに変えること自体は、本実施の形態2と上記実施の形態1とで共通であるが、その具体的な手法が、本実施の形態2と上記実施の形態1とで相違している。
すなわち、上記実施の形態1では、ステップS4で、半導体基板SBの表面に酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1を形成してから、ステップS5でマスク層MKを形成し、ステップS6で第2領域のマスク層MKを選択的に除去してから、ステップS7で金属膜MFを形成している。これにより、第2領域の絶縁膜GI1は金属膜MFに接するが、第1領域の絶縁膜GI1は、金属膜MFには接しない状態を得ることができる。この状態で、ステップS8で熱処理を行うことにより、第2領域の絶縁膜GI1と金属膜MFとを反応させて、金属含有絶縁膜MGを形成することができる。そして、ステップS9で、第1領域のマスク層MKと金属膜MFとを除去することで、第1領域の半導体基板SBの表面には絶縁膜GI1が形成され、第2領域の半導体基板SBの表面には金属含有絶縁膜MGが形成された状態を得ることができる。
一方、本実施の形態2では、ステップS4で、半導体基板SBの表面に酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1を形成してから、ステップS7aで金属膜MFを形成し、ステップS7bで第1領域の金属膜MFを選択的に除去している。これにより、第2領域の絶縁膜GI1は金属膜MFに接するが、第1領域の絶縁膜GI1は、金属膜MFには接しない状態を得ることができる。この状態で、ステップS8aで熱処理を行うことにより、第2領域の絶縁膜GI1と金属膜MFとを反応させて、金属含有絶縁膜MGを形成することができる。これにより、第1領域の半導体基板SBの表面には絶縁膜GI1が形成され、第2領域の半導体基板SBの表面には金属含有絶縁膜MGが形成された状態を得ることができる。
つまり、本実施の形態2では、第1領域および第2領域の半導体基板SBの表面に、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1を形成してから、ステップS7a,S7b,S8aを行うことで、第2領域の絶縁膜GI1を選択的に金属含有絶縁膜MGに変え、その後、共通の導電膜CDを用いて第1領域のゲート電極GE1と第2領域のゲート電極GE2とを形成している。このため、高誘電率ゲート絶縁膜を適用したMISFETのゲート絶縁膜(ここでは金属含有絶縁膜MG)およびゲート電極GE2と、高誘電率ゲート絶縁膜を適用しないMISFETのゲート絶縁膜(ここでは絶縁膜GI1)およびゲート電極GE1とを、簡略な工程で、容易かつ的確に形成することができる。従って、半導体装置の性能を高めるとともに、その半導体装置を容易に製造することができる。また、半導体装置の性能を高めるとともに、その半導体装置を的確に製造することができる。
但し、上記実施の形態1と本実施の形態2とでは、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の絶縁膜GI1を選択的に金属含有絶縁膜MGに変える手法が相違しているため、それぞれ次のような利点を有している。
すなわち、第2領域(高誘電率MISFET形成領域1B)の絶縁膜GI1を選択的に金属含有絶縁膜MGに変えるのに要する工程数は、上記実施の形態1よりも本実施の形態2の方が少なくて済む。つまり、ステップS4で半導体基板SBの表面に酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1を形成した後に、上記実施の形態1の場合は、ステップS5,S6,S7,S8,S9が必要であるが、本実施の形態2の場合は、ステップS7a,S7b,S8aを行えばよい。このため、本実施の形態2では、半導体装置の製造工程数を、より低減することができる。従って、半導体装置のスループットを向上させることができる。また、半導体装置の製造コストの低減にも有利となる。
一方、上記実施の形態1では、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の絶縁膜GI1中に、金属膜MFを構成する金属元素が導入されてしまうのを、より確実に防止することができる。
すなわち、本実施の形態2では、ステップS7aで金属膜MFを形成する際に、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の絶縁膜GI1上にも金属膜MFが形成される。このため、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の絶縁膜GI1が金属膜MFに接することになるため、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の絶縁膜GI1中に、金属膜MFを構成する金属元素が導入されてしまう可能性がある。第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の絶縁膜GI1中に金属膜MFを構成する金属元素が導入されてしまうと、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)に形成するMISFETのゲート絶縁膜(ここでは絶縁膜GI1)中に、金属元素が導入されていることに繋がってしまう。これを防ぐには、ステップS7aの金属膜MFの成膜工程などの厳格な管理が必要になる。
それに対して、上記実施の形態1では、ステップS8で金属膜MFを形成しても、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の絶縁膜GI1は金属膜MFには接しないで済む。このため、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の絶縁膜GI1中に、金属膜MFを構成する金属元素が導入されてしまうのを、より確実に防止することができる。また、金属膜MFは、ステップS8,S8aの熱処理で絶縁膜GIと反応する必要があるが、上記マスク層MKは、ステップS8の熱処理で絶縁膜GIと反応しない方が好ましく、金属膜MFと上記マスク層MKの各材料は、これを考慮して選択することができる。このため、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の絶縁膜GI1が金属膜MFに接すると、第1領域の絶縁膜GI1中に、金属膜MFを構成する金属元素が導入されてしまう可能性が生じるが、第1領域の絶縁膜GI1がマスク層MKに接しても、第1領域の絶縁膜GI1中には、マスク層MKを構成する元素は導入されにくい。
このように、上記実施の形態1では、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)の絶縁膜GI1中に、金属膜MFを構成する金属元素が導入されてしまうのを、より確実に防止することができる。このため、第1領域(低耐圧MISFET形成領域1A)に形成するMISFETのゲート絶縁膜(ここでは絶縁膜GI1)中に、金属元素が導入されてしまうのを、より確実に防止することができる。また、半導体装置の製造工程を管理しやすくなる。
(実施の形態3)
本実施の形態3は、DRAM(Dynamic Random Access Memory)を含む半導体装置の製造工程に、上記実施の形態1または上記実施の形態2の製造工程を適用したものである。
本実施の形態3は、DRAM(Dynamic Random Access Memory)を含む半導体装置の製造工程に、上記実施の形態1または上記実施の形態2の製造工程を適用したものである。
本実施の形態3の半導体装置の製造工程を、図面を参照して説明する。図27〜図34は、本実施の形態3の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。図27〜図34には、メモリ領域1Dの要部断面図と周辺回路領域1Eの要部断面図とが示されている。
なお、メモリ領域(メモリセル領域)1Dは、半導体基板SB(の主面)において、DRAMのメモリセルが形成される領域である。なお、DRAMは、揮発性メモリである。また、周辺回路領域1Eは、半導体基板SB(の主面)において、周辺回路が形成される領域である。メモリ領域1Dと周辺回路領域1Eとは、同じ半導体基板SBに存在している。すなわち、メモリ領域1Dと周辺回路領域1Eとは、同一の半導体基板SBの主面の互いに異なる平面領域に対応している。
ここで、周辺回路とは、メモリ以外の回路であり、例えば、CPUなどのプロセッサ、制御回路、センスアンプ、カラムデコーダ、ロウデコーダ、入出力回路などである。周辺回路領域1Eに形成されるMISFETは、周辺回路用のMISFETである。
また、メモリ領域1Dに形成するメモリセル選択用のMISFETQ4は、nチャネル型MISFETであることが好ましい。また、本実施の形態3においては、周辺回路領域1Eにnチャネル型のMISFETQ5を形成する場合について説明するが、導電型を逆にしてpチャネル型のMISFETを周辺回路領域1Eに形成することもできる。また、周辺回路領域1Eにnチャネル型のMISFETとpチャネル型のMISFETの両方、すなわちCMISFET(Complementary MISFET)を形成することもできる。
本実施の形態3においては、図27に示されるように、上記実施の形態1,2と同様の半導体基板SBを用意してから、上記ステップS2に相当する工程を行って、半導体基板SBに素子分離領域STを形成する。それから、上記ステップS3に相当する工程を行って、半導体基板SBにp型ウエルPW4,PW5を形成する。p型ウエルPW4は、メモリ領域1Dの半導体基板SBに形成され、p型ウエルPW5は、周辺回路領域1Eの半導体基板SBに形成され、それぞれ、半導体基板SBの主面から所定の深さにわたって形成される。
次に、上記実施の形態1の上記ステップS4,S5,S6,S7,S8,S9,S10,S11に相当する工程を行うか、あるいは上記実施の形態2の上記ステップS4,S7a,S7b,S8a,S10,S11に相当する工程を行うかして、半導体基板SB上にゲート絶縁膜を介してゲート電極GE1,GE2を形成して、図27の構造を得る。
メモリ領域1Dでは、半導体基板SB(p型ウエルPW4)上に金属含有絶縁膜MGを介してゲート電極GE2が形成され、周辺回路領域1Eでは、半導体基板SB(p型ウエルPW5)上に絶縁膜GI1を介してゲート電極GE1が形成される。
メモリ領域1Dに形成されたゲート電極GE2が、メモリセル選択用のMISFETQ4のゲート電極となり、ゲート電極GE2の下の金属含有絶縁膜MGが、メモリセル選択用のMISFETQ4のゲート絶縁膜(高誘電率ゲート絶縁膜)となる。また、周辺回路領域1Eに形成されたゲート電極GE1が、周辺回路用のMISFETQ5のゲート電極となり、ゲート電極GE1の下の絶縁膜GI1が、周辺回路用のMISFETQ5のゲート絶縁膜となる。なお、メモリセル選択用のMISFETQ4のゲート電極(GE2)は、DRAMのワード線として機能することができる。
ゲート絶縁膜(絶縁膜GI1および金属含有絶縁膜MG)とゲート電極GE1,GE2とをどのようにして形成するかは、上記実施の形態1または上記実施の形態2で説明した通りであるので、ここではその繰り返しの説明は省略する。
なお、本実施の形態3では、上記図13および図14の工程を適用しているため、ゲート電極GE1上には、ゲート電極GE1とほぼ同じ平面形状の絶縁膜IL1がキャップ絶縁膜として存在し、ゲート電極GE2上には、ゲート電極GE2とほぼ同じ平面形状の絶縁膜IL1がキャップ絶縁膜として存在している。
次に、本実施の形態3においては、図28に示されるように、メモリ領域1Dの半導体基板SB(p型ウエルPW4)に、イオン注入法を用いて、メモリセル選択用のMISFETQ4のソース・ドレイン用のn型半導体領域SD4を形成する。また、周辺回路領域1Eの半導体基板SB(p型ウエルPW5)に、イオン注入法を用いて、n−型半導体領域EX5を形成する。
n型半導体領域SD4を形成するためのイオン注入と、n−型半導体領域EX5を形成するイオン注入とは、同じイオン注入工程であっても、異なるイオン注入工程であってもよい。n型半導体領域SD4を形成するためのイオン注入では、ゲート電極GE2とその上のキャップ絶縁膜(絶縁膜IL1)とがマスク(イオン注入阻止マスク)として機能し、n−型半導体領域EX5を形成するためのイオン注入では、ゲート電極GE1とその上のキャップ絶縁膜(絶縁膜IL1)とがマスク(イオン注入阻止マスク)として機能する。このため、メモリ領域1Dの半導体基板SB(p型ウエルPW4)において、ゲート電極GE2の両側の領域にn型半導体領域SD4が形成され、周辺回路領域1Eの半導体基板SB(p型ウエルPW5)において、ゲート電極GE1の両側の領域にn−型半導体領域EX5が形成される。
ここまでの工程により、メモリセル選択用のMISFETQ4が略完成する。
次に、半導体基板SBの主面全面上に、例えば窒化シリコン膜などからなる絶縁膜IL4を形成してから、メモリ領域1Dの絶縁膜IL4をフォトレジスト層で覆った状態で、周辺回路領域1Eの絶縁膜IL4を異方性エッチング技術によりエッチバックすることにより、周辺回路領域1Eのゲート電極GE1の側壁上にサイドウォールスペーサSWを形成する。サイドウォールスペーサSWは、ゲート電極GE1の側壁上に残存する絶縁膜IL4からなる。続いて、周辺回路領域1Eの半導体基板SB(p型ウエルPW5)に、イオン注入法を用いて、n+型半導体領域SD5を形成する。n+型半導体領域SD5を形成するためのイオン注入では、ゲート電極GE1およびその上のキャップ絶縁膜(絶縁膜IL1)と、ゲート電極GE1の側壁上のサイドウォールスペーサSWとがマスク(イオン注入阻止マスク)として機能する。このため、周辺回路領域1Eの半導体基板SB(p型ウエルPW5)において、ゲート電極GE1およびその側壁上のサイドウォールスペーサSWの両側の領域にn+型半導体領域SD5が形成される。n−型半導体領域EX5とそれよりも高不純物濃度のn+型半導体領域SD5とにより、周辺回路領域1EのMISFETQ5のソース・ドレイン領域として機能するn型の半導体領域が形成される。
ここまでの工程により、周辺回路領域1EのMISFETQ5が略完成する。
なお、ここでは、周辺回路領域1Eにnチャネル型のMISFETQ5が形成される場合について説明したが、実際には、周辺回路領域1Eにpチャネル型のMISFETも形成される。周辺回路領域1Eに形成されるpチャネル型のMISFETのゲート絶縁膜は、nチャネル型のMISFETQ5と同様に、絶縁膜GI1により形成される。
次に、必要に応じて、サリサイド技術を用いて金属シリサイド層(図示せず)を、n+型半導体領域SD5上などに選択的に形成することもできる。この金属シリサイド層は、拡散抵抗やコンタクト抵抗の低減効果を有しているが、不要であれば、その形成を省略することもできる。
次に、図29に示されるように、半導体基板SBの主面上に、ゲート電極GE1,GE2およびサイドウォールスペーサSWを覆うように、上記絶縁膜IL2と同様の絶縁膜(層間絶縁膜)IL5を形成する。絶縁膜IL5の形成後、絶縁膜IL5の表面(上面)をCMP法により研磨するなどして、絶縁膜IL5の上面を平坦化することもできる。
次に、絶縁膜IL5上に形成したフォトレジスト層(図示せず)をエッチングマスクとして用いて、絶縁膜IL5をドライエッチングすることにより、絶縁膜IL5にコンタクトホール(貫通孔)CT1を形成する。コンタクトホールCT1は、メモリ領域1Dにおいて、n型半導体領域SD4の上部に形成され、コンタクトホールCT1の底部では、n型半導体領域SD4が露出される。コンタクトホールCT1を形成した後に、コンタクトホールCT1の底部で露出するn型半導体領域SD4に対して、n型不純物をイオン注入することもできる。このイオン注入でn型半導体領域SD4に不純物が注入されることや、後述のプラグPG1を形成した後の熱処理でプラグPG1からn型半導体領域SD4へ不純物が拡散することにより、n型半導体領域SD4を低抵抗化することができる。
次に、絶縁膜IL5上に、コンタクトホールCT1内を埋めるように、n型不純物を導入した多結晶シリコン膜(ドープトポリシリコン膜)を形成してから、コンタクトホールCT1の外部の多結晶シリコン膜をCMP法などを用いて除去することにより、コンタクトホールCT1内に導電性のプラグPG1を形成する。プラグPG1は、その底部で、n型半導体領域SD4と接して、電気的に接続される。
次に、図30に示されるように、プラグPG1が埋め込まれた絶縁膜IL5上に、絶縁膜IL6を形成する。
次に、絶縁膜IL6上に形成したフォトレジスト層(図示せず)をエッチングマスクとして用いて、絶縁膜IL6をドライエッチングすることにより、メモリ領域1Dの絶縁膜IL6にスルーホール(貫通孔)SH1を形成する。スルーホールSH1はプラグPG1の上に形成され、スルーホールSH1の底部では、プラグPG1が露出される。それから、絶縁膜IL6上に形成した他のフォトレジスト層(図示せず)をエッチングマスクとして用いて、絶縁膜IL6,IL5をドライエッチングすることにより、絶縁膜IL5,IL6にコンタクトホール(貫通孔)CT2を形成する。コンタクトホールCT2は、n+型半導体領域SD5上や、ゲート電極GE1,GE2上などに形成される。
次に、コンタクトホールCT2内に導電性のプラグPG2を形成し、スルーホールSH1内に導電性のプラグPG3を形成する。プラグPG2とプラグPG3とは、同工程で形成することができ、例えば、上記実施の形態1で上記プラグPGを形成したのと同様にして形成することができる。
次に、プラグPG2,PG3が埋め込まれた絶縁膜IL6上に、上記配線M1に相当する配線M3を形成する。配線M3は、例えば、プラグPG2,PG3が埋め込まれた絶縁膜IL6上に配線用の導電膜(具体的には金属膜)を形成してから、この配線用の導電膜をフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いてパターニングすることにより、形成することができる。配線M3のうち、プラグPG3に接するように設けられた配線M3は、DRAMのビット線BLとして機能することができる。
次に、図31に示されるように、絶縁膜IL6上に、配線M3を覆うように、絶縁膜IL7を形成する。
次に、絶縁膜IL7上に形成したフォトレジスト層(図示せず)をエッチングマスクとして用いて、絶縁膜IL7,IL6をドライエッチングすることにより、メモリ領域1Dの絶縁膜IL6にスルーホール(貫通孔)SH2を形成する。スルーホールSH2はプラグPG1の上に形成され、スルーホールSH2の底部では、プラグPG1が露出される。それから、スルーホールSH2内に導電性のプラグPG4を、上記プラグPG1と同様にして形成する。スルーホールSH2内に埋め込まれたプラグPG4は、その底部でプラグPG1と接して電気的に接続される。
ここで、メモリセル選択用のMISFETQ4のソース・ドレイン領域(n型半導体領域SD4)のうち、一方の上部に形成されたプラグPG1上にプラグPG3が形成され、他方の上部に形成されたプラグPG1上にプラグPG4が形成される。このため、メモリセル選択用のMISFETQ4のソース・ドレイン領域(n型半導体領域SD4)のうち、一方は、プラグPG1とプラグPG3とを介してビット線BLに電気的に接続され、他方は、プラグPG1とプラグPG4とを介して後述の容量素子CPに電気的に接続される。
次に、図32に示されるように、プラグPG4が埋め込まれた絶縁膜IL7上に、絶縁膜IL8を形成する。絶縁膜IL8は、積層絶縁膜とすることもできる。
次に、絶縁膜IL8上に形成したフォトレジスト層(図示せず)をエッチングマスクとして用いて、絶縁膜IL8をドライエッチングすることにより、メモリ領域1Dの絶縁膜IL8に、容量素子用の溝(開口部)TRを形成する。溝TRの底部では、プラグPG4が露出される。
次に、溝TRの内部(底部および側壁上)を含む絶縁膜IL8上に、容量素子の下部電極形成用の導電膜として、例えばn型不純物を導入した多結晶シリコン膜(ドープトポリシリコン膜)などからなる下部電極用導電膜を形成する。それから、溝TRの外部の下部電極用導電膜を除去し、溝TRの内部に下部電極用導電膜を残して容量素子CPの下部電極LEとする。溝TRの外部の下部電極用導電膜を除去するには、例えば、溝TR内を絶縁膜などで埋め込んでから、溝TRの外部の下部電極用導電膜をエッチングなどで除去すれば、溝TRの内壁(底部および側壁)に沿って下部電極用導電膜が残って下部電極LEとなる。その後、溝TR内を埋めた絶縁膜を除去する。
次に、溝TRの内壁(底部および側壁)の下部電極LE上を含む絶縁膜IL8上に、容量素子の誘電体膜(容量絶縁膜)用の絶縁膜として、絶縁膜IL9を形成する。絶縁膜IL9は、高誘電率膜であることが好ましく、例えば、金属酸化物膜などを用いることができる。
次に、絶縁膜IL9上に、容量素子の上部電極形成用の導電膜として、例えば窒化チタン膜などからなる上部電極用導電膜を形成する。その後、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、上部電極用導電膜および絶縁膜IL9をパターニングすることにより、容量素子CPの上部電極UEと容量絶縁膜(誘電体膜)YZとを形成する。これにより、図33の構造が得られる。上部電極UEは、パターニングされた上部電極用導電膜からなり、容量絶縁膜YZは、パターニングされた絶縁膜IL9からなる。
下部電極LEと、上部電極UEと、下部電極LEと上部電極UEとの間の容量絶縁膜YZとにより、情報蓄積用の容量素子(キャパシタ)CPが形成される。
メモリセル選択用のMISFETQ4のソース、ドレインの一方は、プラグPG1,PG4を介して容量素子CP(具体的には容量素子CPの下部電極LE)と電気的に接続され、他方は、プラグPG1,PG3を介してビット線BLに電気的に接続される。メモリセル選択用のMISFETQ4は、情報蓄積用の容量素子CPが接続されたトランジスタである。
次に、図34に示されるように、絶縁膜IL8上に、上部電極UEを覆うように、絶縁膜IL10を形成する。
次に、絶縁膜IL10上に形成したフォトレジスト層(図示せず)をエッチングマスクとして用いて、絶縁膜IL10,IL8,IL7をドライエッチングすることにより、スルーホール(貫通孔)SH3を形成する。スルーホールSH3の底部では、配線M3が露出される。それから、スルーホールSH3内に導電性のプラグPG5を、上記プラグPGと同様にして形成する。スルーホールSH3内に埋め込まれたプラグPG5は、その底部で配線M3と接して電気的に接続される。また、図示はしないが、上部電極UEの一部を露出するスルーホールを絶縁膜IL10に形成し、そのスルーホールを埋めるプラグPG5(すなわち上部電極UEに電気的に接続されたプラグPG5)を形成することもできる。
次に、プラグPG5が埋め込まれた絶縁膜IL10上に、配線M4を形成する。配線M4は、例えば、プラグPG5が埋め込まれた絶縁膜IL10上に配線用の導電膜(具体的には金属膜)を形成してから、この配線用の導電膜をフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いてパターニングすることにより、形成することができる。
その後、更に上層の絶縁膜や配線を形成するが、ここでは図示およびその説明は省略する。
また、上記図27までの工程で、メモリセル選択用のMISFET(Q4)のゲート絶縁膜(金属含有絶縁膜MG)およびゲート電極(GE2)と、周辺回路用のMISFET(Q5)のゲート絶縁膜(絶縁膜GI1)およびゲート電極(GE1)とが形成される。その後、上記図28〜図34の工程で、メモリセル選択用のMISFET(Q4)と周辺回路用のMISFET(Q5)とが完成し、更に、層間絶縁膜、プラグ、配線および容量素子(情報蓄積用の容量素子)などが形成されるが、この図28〜図34の工程は一例を示したものであり、種々変更可能である。
図35は、DRAMの等価回路図である。
図35に示されるように、DRAMのメモリアレイ(メモリセルアレイ)は、マトリクス状に配置された複数のワード線WLと複数のビット線とそれらの交点に配置された複数のメモリセルMCとにより構成されている。このため、DRAMのメモリアレイでは、メモリセルMCがアレイ(行列)状に複数配置されている。1ビットの情報を記憶する1このメモリセルMCは、1個の容量素子CPとその容量素子CPに直列に接続された1個のメモリセル選択用のMISFETQ4とにより構成されている。メモリセル選択用のMISFETQ4のソース、ドレインの一方は、容量素子CPと電気的に接続され、他方はビット線BLと電気的に接続されている。メモリセル選択用のMISFETQ4のゲート電極は、ワード線WLと電気的に接続されている。メモリセル選択用のMISFETQ4のゲート電極が、DRAMのワード線WLとして機能することができる。
なお、図35では、2行×2列の合計4個のメモリセルMCが示されているが、実際には更に多数のメモリセルMCがアレイ状に配列している。
本実施の形態3では、メモリセル選択用のMISFETQ4に高誘電率ゲート絶縁膜を適用し、金属含有絶縁膜MGをメモリセル選択用のMISFETQ4のゲート絶縁膜として用いている。一方、周辺回路用のMISFET(Q5)には、高誘電率ゲート絶縁膜を適用せずに、絶縁膜GI1を周辺回路用のMISFET(Q5)のゲート絶縁膜として用いている。こうしたのは、以下の理由のためである。
すなわち、DRAMは揮発性のメモリであり、DRAMのメモリセル選択用のMISFETQ4は、リーク電流を低減することが極めて重要である。これは、メモリセル選択用のMISFETQ4のリーク電流の増大は、情報蓄積用の容量素子CPが蓄積している電荷の流出につながり、ひいては蓄積情報の消失につながるためである。このため、メモリセル選択用のMISFETQ4のゲート絶縁膜には、高誘電率ゲート絶縁膜である金属含有絶縁膜MGを用いている。これにより、メモリセル選択用のMISFETQ4のゲート絶縁膜(金属含有絶縁膜MG)については、電気的な膜厚であるEOTを抑制しながら、物理的な膜厚を確保することができるため、メモリセル選択用のMISFETQ4のゲートリーク電流を抑制することができる。
一方、周辺回路用のMISFETは、メモリセル選択用のMISFETQ4ほどには、リーク電流が悪影響を与えない。また、上記実施の形態1で説明したように、高誘電率ゲート絶縁膜を採用した場合は、例えばフェルミレベルピニングに関する課題などが発生する虞がある。このため、周辺回路用のMISFETのゲート絶縁膜には、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1を用いている。
また、フェルミレベルピニングによるしきい値電圧(しきい値電圧の絶対値)の増大は、nチャネル型MISFETよりもpチャネル型MISFETで、より発生しやすい。メモリセル選択用のMISFETQ4はnチャネル型MISFETで構成することが可能である。それに対して、周辺回路用のMISFETは、nチャネル型MISFETだけでなくpチャネル型MISFETも含んでいる場合が多く、周辺回路用のMISFETが含むpチャネル型MISFETに高誘電率ゲート絶縁膜を適用すると、そのpチャネル型MISFETのしきい値電圧(しきい値電圧の絶対値)が、フェルミレベルピニングによりかなり大きくなってしまう。この観点でも、周辺回路用のMISFETのゲート絶縁膜には、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる絶縁膜GI1を用いている。
つまり、本実施の形態3では、DRAMを含む半導体装置の製造工程に、上記実施の形態1または上記実施の形態2を適用している。そして、メモリセル選択用のMISFET(Q4)のゲート絶縁膜に上記金属含有絶縁膜MGを用い、メモリセル選択用のMISFET以外のMISFET(すなわち周辺回路用のMISFET)のゲート絶縁膜に上記絶縁膜GI1を用いている。これにより、DRAMを含む半導体装置において、MISFETの要求特性に応じてゲート絶縁膜を使い分けることができるため、DRAMを含む半導体装置の総合的な性能を向上させることができる。
なお、本実施の形態3においても、上記実施の形態1,2のように、周辺回路用のMISFETとして、絶縁膜GI1をゲート絶縁膜に用いたMISFETだけでなく、絶縁膜GI1よりも厚い絶縁膜GI2をゲート絶縁膜に用いた高耐圧のMISFETを更に形成することもできる。
また、本実施の形態3では、DRAMを含む半導体装置を製造する場合について説明した。DRAMを含む半導体装置においては、メモリセル選択用のMISFET(Q4)は、情報蓄積用の容量素子(CP)が接続されたトランジスタである。メモリセル選択用のMISFET(Q4)に情報蓄積用の容量素子(CP)が接続されてDRAMのメモリセル(MC)が形成されている。
また、本実施の形態3では、揮発性メモリとして、メモリセル選択用のMISFET(Q4)に情報蓄積用の容量素子(CP)が接続されてメモリセル(MC)が構成されたDRAMの場合について説明したが、それ以外の揮発性メモリについても適用することができる。
すなわち、本実施の形態3は、メモリセル選択用のMISFETQ4が、揮発性メモリのメモリセル選択用トランジスタである場合に適用可能である。すなわち、揮発性メモリでは、メモリセル選択用トランジスタのリーク電流の増大は、蓄積情報の消失につながるため、メモリセル選択用のMISFETのリーク電流を低減することが極めて重要である。このため、揮発性メモリを含む半導体装置の製造工程に、上記実施の形態1または上記実施の形態2を適用し、揮発性メモリのメモリセル選択用のMISFETのゲート絶縁膜に上記金属含有絶縁膜MGを用い、メモリセル選択用のMISFET以外のMISFET(すなわち周辺回路用のMISFET)のゲート絶縁膜に上記絶縁膜GI1を用いることができる。これにより、揮発性メモリを含む半導体装置において、MISFETの要求特性に応じてゲート絶縁膜を使い分けることができるため、揮発性メモリを含む半導体装置の総合的な性能を向上させることができる。
以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
1A 低耐圧MISFET形成領域
1B 高誘電率MISFET形成領域
1C 高耐圧MISFET形成領域
1D メモリ領域
1E 周辺回路領域
BL ビット線
CD 導電膜
CP 容量素子
CT,CT1,CT2 コンタクトホール
EX1,EX2,EX3,EX5 n−型半導体領域
GE1,GE2,GE3 ゲート電極
GI1,GI2 絶縁膜
IL1,IL2,IL3,IL4,IL5 絶縁膜
IL6,IL7,IL8,IL9,IL10 絶縁膜
LE 下部電極
M1,M3,M4 配線
MC メモリセル
MF 金属膜
MG 金属含有絶縁膜
MK マスク層
PG,PG1,PG2,PG3,PG4,PG5 プラグ
PW1,PW2,PW3,PW4,PW5 p型ウエル
Q1,Q2,Q3,Q4,Q5 MISFET
SB 半導体基板
SD1,SD2,SD3,SD5 n+型半導体領域
SD4 n型半導体領域
SH1,SH2,SH3 スルーホール
ST 素子分離領域
SW サイドウォールスペーサ
TR 溝
UE 上部電極
WL ワード線
YZ 容量絶縁膜
1B 高誘電率MISFET形成領域
1C 高耐圧MISFET形成領域
1D メモリ領域
1E 周辺回路領域
BL ビット線
CD 導電膜
CP 容量素子
CT,CT1,CT2 コンタクトホール
EX1,EX2,EX3,EX5 n−型半導体領域
GE1,GE2,GE3 ゲート電極
GI1,GI2 絶縁膜
IL1,IL2,IL3,IL4,IL5 絶縁膜
IL6,IL7,IL8,IL9,IL10 絶縁膜
LE 下部電極
M1,M3,M4 配線
MC メモリセル
MF 金属膜
MG 金属含有絶縁膜
MK マスク層
PG,PG1,PG2,PG3,PG4,PG5 プラグ
PW1,PW2,PW3,PW4,PW5 p型ウエル
Q1,Q2,Q3,Q4,Q5 MISFET
SB 半導体基板
SD1,SD2,SD3,SD5 n+型半導体領域
SD4 n型半導体領域
SH1,SH2,SH3 スルーホール
ST 素子分離領域
SW サイドウォールスペーサ
TR 溝
UE 上部電極
WL ワード線
YZ 容量絶縁膜
Claims (14)
- 半導体基板と、前記半導体基板の第1領域に形成された第1MISFETと、前記半導体基板の第2領域に形成された第2MISFETと、を有する半導体装置の製造方法であって、
(a)前記半導体基板を用意する工程、
(b)前記第1および第2領域の前記半導体基板の表面に、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる第1絶縁膜を形成する工程、
(c)前記第1および第2領域の前記第1絶縁膜上に、マスク層を形成する工程、
(d)前記第2領域の前記マスク層を除去し、前記第1領域の前記マスク層を残す工程、
(e)前記(d)工程後、前記第1領域の前記マスク層上と前記第2領域の前記第1絶縁膜上とに、金属膜を形成する工程、
(f)熱処理により、前記第2領域の前記第1絶縁膜と前記金属膜とを反応させて、金属含有絶縁膜を形成する工程、
(g)前記(f)工程後、前記第1領域の前記マスク層と前記金属膜とを除去する工程、
(h)前記(g)工程後、前記第1領域の前記第1絶縁膜上と前記第2領域の前記金属含有絶縁膜上とに、導電膜を形成する工程、
(i)前記導電膜をパターニングすることにより、前記第1領域の前記半導体基板上に前記第1絶縁膜を介して前記第1MISFETの第1ゲート電極を形成し、前記第2領域の前記半導体基板上に前記金属含有絶縁膜を介して前記第2MISFETの第2ゲート電極を形成する工程、
を有する、半導体装置の製造方法。 - 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属膜はハフニウム膜である、半導体装置の製造方法。 - 請求項2記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属含有絶縁膜は、HfSiO膜またはHfSiON膜である、半導体装置の製造方法。 - 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記マスク層は窒化金属層または炭化金属層である、半導体装置の製造方法。 - 請求項4記載の半導体装置の製造方法において、
前記マスク層は窒化チタン層である、半導体装置の製造方法。 - 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1ゲート電極の下の前記第1絶縁膜により、前記第1MISFETのゲート絶縁膜が形成され、
前記第2ゲート電極の下の前記金属含有絶縁膜により、前記第2MISFETの高誘電率ゲート絶縁膜が形成される、半導体装置の製造方法。 - 請求項1記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2MISFETは、揮発性メモリのメモリセル選択用トランジスタである、半導体装置の製造方法。 - 請求項7記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2MISFETは、情報蓄積用の容量素子が接続されたトランジスタである、半導体装置の製造方法。 - 半導体基板と、前記半導体基板の第1領域に形成された第1MISFETと、前記半導体基板の第2領域に形成された第2MISFETと、を有する半導体装置の製造方法であって、
(a)前記半導体基板を用意する工程、
(b)前記第1および第2領域の前記半導体基板の表面に、酸化シリコン膜または酸窒化シリコン膜からなる第1絶縁膜を形成する工程、
(c)前記第1および第2領域の前記第1絶縁膜上に、金属膜を形成する工程、
(d)前記第1領域の前記金属膜を除去し、前記第2領域の前記金属膜を残す工程、
(e)前記(d)工程後、熱処理により、前記第2領域の前記第1絶縁膜と前記金属膜とを反応させて、金属含有絶縁膜を形成する工程、
(f)前記第1領域の前記第1絶縁膜上と前記第2領域の前記金属含有絶縁膜上とに、導電膜を形成する工程、
(g)前記導電膜をパターニングすることにより、前記第1領域の前記半導体基板上に前記第1絶縁膜を介して前記第1MISFETの第1ゲート電極を形成し、前記第2領域の前記半導体基板上に前記金属含有絶縁膜を介して前記第2MISFETの第2ゲート電極を形成する工程、
を有する、半導体装置の製造方法。 - 請求項9記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属膜はハフニウム膜である、半導体装置の製造方法。 - 請求項10記載の半導体装置の製造方法において、
前記金属含有絶縁膜は、HfSiO膜またはHfSiON膜である、半導体装置の製造方法。 - 請求項9記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1ゲート電極の下の前記第1絶縁膜により、前記第1MISFETのゲート絶縁膜が形成され、
前記第2ゲート電極の下の前記金属含有絶縁膜により、前記第2MISFETの高誘電率ゲート絶縁膜が形成される、半導体装置の製造方法。 - 請求項9記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2MISFETは、揮発性メモリのメモリセル選択用トランジスタである、半導体装置の製造方法。 - 請求項13記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2MISFETは、情報蓄積用の容量素子が接続されたトランジスタである、半導体装置の製造方法。
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US11532624B2 (en) | 2018-05-23 | 2022-12-20 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Semiconductor device |
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