JP5414036B2 - 絶縁ゲート型半導体装置の製造方法 - Google Patents
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例えば、不揮発メモリセルアレイと第1及び第2のロジックトランジスタを混載する場合に、基板上に絶縁膜-導電膜-絶縁膜の積層膜を形成し、メモリセルアレイ領域上の積層膜を残しメモリトランジスタ領域上の積層膜を選択的に除去していったん半導体基板を露出させた後、第1及び第2のロジックトランジスタ領域上に第1の絶縁膜を形成し、第1の絶縁膜を第1のトランジスタ領域上には残し、第2のトランジスタ領域上のみ選択的に第1の絶縁膜を除去し、新たに第2の絶縁膜を第1と第2の両方のトランジスタ領域上に同時に形成することで、第1のトランジスタは第1と第2の絶縁膜を重ねたものをゲート絶縁膜とし、第2のトランジスタは第2の絶縁膜のみをゲート絶縁膜とする方法(特許文献1、2参照)。
また、第2の発明の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法は、上記目的を達成するため、基板上のトランジスタ形成領域に、ゲート・基板間電圧対ドレイン電流特性がヒステリシス特性を示す膜厚で、強誘電体層と高誘電体層の積層からなる第1の絶縁膜を、前記基板の外部から原料を付着して形成する第1の絶縁膜形成工程と、前記第1の絶縁膜の上全面にゲート導体層を形成するゲート導体層形成工程と、前記基板上のトランジスタ形成領域のうち、ゲート・基板間電圧対ドレイン電流特性がヒステリシス特性を有する第1のトランジスタの形成領域における前記ゲート導体層を前記第1のトランジスタの第1のゲート電極として残すとともに、前記基板上のトランジスタ形成領域のうち、ゲート・基板間電圧対ドレイン電流特性が非ヒステリシス特性を有する第2のトランジスタの形成領域における前記ゲート導体層を除去し、前記ゲート導体層の除去により露出した前記第1の絶縁膜の前記強誘電体層を薄型化して、前記非ヒステリシス特性を有するロジックトランジスタのゲート絶縁膜として活用できる強誘電体膜と前記高誘電体層の積層からなる第2の絶縁膜を形成する第1のゲート電極及び第2の絶縁膜形成工程と、前記第2の絶縁膜の上に第2のゲート電極を形成して、前記第2のトランジスタを形成する第2のゲート電極形成工程とを含むことを特徴とする。
2 ヒステリシストランジスタのゲート導体
3 非ヒステリシストランジスタのゲート導体
4 拡散領域
5 素子分離領域
6 側壁保護膜
7 保護膜
8 層間絶縁膜
ヒステリシストランジスタのドレイン電流(Id)-ゲート電圧(Vg) 特性を測定したId-Vg特性は、ゲート電圧Vgを正負方向に往復して掃引したときのドレイン電流Idを測定して描いたループ曲線である。Vgを正負に往復して掃引したときの往時と復時のしきい値電圧の差をメモリウィンドウと呼ぶ。
図1はゲート導体としてPtを用い、ゲート絶縁膜として強誘電体であるSrBi2Ta2O9(SBT)膜を用いたヒステリシストランジスタについて、強誘電体膜厚とメモリウィンドウの関係を図示したものである。
図1の(a)、(b)、(c)は、強誘電体膜厚をそれぞれ700nm、480nm、200nmとしたときのメモリウィンドウを図示したものである。
図1によれば、強誘電体膜でありながら膜厚が小さくなるにしたがって非ヒステリシス特性を有する膜に近い特性を示すことが分かる。したがって膜厚が小さい強誘電体膜は、非ヒステリシス特性を有するロジックトランジスタ等のゲート絶縁膜として活用できることになる。
本発明の原理を図2にしたがって説明する。図2に示すように、この発明は、ゲート導体形成前の第1のトランジスタ(図2(a))を、ヒステリシストランジスタ領域と非ヒステリシストランジスタ領域のように機能の異なる2つ以上の複数の領域上に共通して作製し、ヒステリシストランジスタの領域では(図2(a))の絶縁膜の上にゲート導体を形成して図2(d)の第1のトランジスタを完成させ、非ヒステリシストランジスタの領域では図2(a)の絶縁膜の一部を図2(b)のようにドライエッチング等によりエッチング除去し、その上に再度ゲート導体を形成して図2(c)の第2のトランジスタを作製するものである。
図2(b)の工程で半導体基板を露出させないため基板界面への欠陥や不純物の混入のリスクを少なくすることができる。図2の絶縁膜に強誘電体層を含む場合には、前述の厚膜トランジスタはヒステリシストランジスタ、薄膜トランジスタは非ヒステリシストランジスタである。ドライエッチングの代表的な方法として、イオンミリング法、反応性イオンエッチング法、ECRプラズマスパッタエッチング法、などが挙げられる。
図3(b)の工程で半導体基板を露出させないため基板界面への欠陥や不純物の混入のリスクを少なくすることができる。
図4は本発明の実施の形態による絶縁ゲート型半導体装置の製造方法を説明するプロセスフローであり、非自己整合ゲート方式によりヒステリシストランジスタと非ヒステリシストランジスタを作製し混載する方法の一例である。
次に図4中にAで示す領域のヒステリシストランジスタ領域を保護膜で覆ってから、フォトリソグラフィとドライエッチングによって、図4中にBで示す領域の非ヒステリシストランジスタ領域上の高誘電体層と強誘電体層の積層を薄膜化する(図4(c))。次に非ヒステリシストランジスタのためのゲート導体層を成膜し、フォトリソグラフィとドライエッチングによってパタニングして非ヒステリシストランジスタのゲート導体3を形成する(図4(d))。保護膜7及び層間絶縁膜8でヒステリシストランジスタと非ヒステリシストランジスタの両領域を覆ってから(図4(e))、コンタクトホール形成、上部配線形成等の後工程に移行する。
高誘電体層と強誘電体層の積層は、例えばパルスレーザー蒸着法や、MOCVD法といった基板外部から原料を基板上に導入して基板表面に付着させる方法により成膜される。
図4(c)の工程の時、非ヒステリシストランジスタ領域上の半導体基板を露出させないことによって、欠陥や不純物混入のリスクの少ない良好な基板界面を保ったままヒステリシストランジスタと非ヒステリシストランジスタを同一基板上に混載することができる。
まず、清浄な半導体基板上に高誘電体層と強誘電体層の積層及びヒステリシストランジスタのためのゲート導体層を成膜し(図5(a))、フォトリソグラフィとドライエッチングによってパタニングしてヒステリシストランジスタのゲート導体2を含むヒステリシストランジスタのゲート積層構造を形成する(図5(b))。この時、非ヒステリシストランジスタ領域上の半導体基板を露出させない。
次にヒステリシストランジスタ領域を側壁保護膜6で覆ってから、非ヒステリシストランジスタのためのゲート導体層を成膜し、フォトリソグラフィとドライエッチングによってパタニングして非ヒステリシストランジスタのゲート導体3を含む非ヒステリシストランジスタのゲート積層構造を形成し(図5(c))、さらにドライエッチングしてイオン注入が可能な膜厚10nm程度以下まで基板上の絶縁膜を薄膜化する。その後エッチングマスクをイオン注入マスクとしても兼用し、上部からイオン注入を行うことにより、ヒステリシストランジスタと非ヒステリシストランジスタのソース及びドレインとなる拡散領域4を形成する(図5(d))。保護膜7及び層間絶縁膜8でヒステリシストランジスタと非ヒステリシストランジスタの両領域を覆ってから(図5(e))、コンタクトホール形成、上部配線形成等の後工程に移行する。
図5(b)の工程の時、非ヒステリシストランジスタ領域上の半導体基板を露出させないことによって、欠陥や不純物混入のリスクの少ない良好な基板界面を保ったままヒステリシストランジスタと非ヒステリシストランジスタを同一基板上に混載することができる。
側壁保護膜は強誘電体膜でもよく、強誘電体膜を側壁保護膜として用いた場合には、図5(c)のように、側壁保護膜を非ヒステリシストランジスタのゲート絶縁膜の一部に含むこともできる。
図6(b)の非ヒステリシストランジスタは、図6(a)のヒステリシストランジスタの往時と復時のしきい値電圧の平均値に近い値のしきい値Vth=1.5Vを示し、Id-Vg曲線の傾きすなわちサブスレショルド特性も図6(a)のヒステリシストランジスタに近い値のS値S=70mV/decadeを示した。このことは、ヒステリシストランジスタのゲート絶縁膜を厚さ方向に部分的にドライエッチングすることで非ヒステリシストランジスタのゲート絶縁膜を形成した場合に、欠陥や不純物の混入の少ない良好な基板界面を保ったまま非ヒステリシストランジスタを作製することができることを示している。
図7(b)の非ヒステリシストランジスタは、図7(a)のヒステリシストランジスタの往時と復時のしきい値電圧の平均値に近い値のしきい値Vth=0.4Vを示し、Id-Vg曲線の傾きすなわちサブスレショルド特性も図7(a)のヒステリシストランジスタに近い値のS値S=80mV/decadeを示した。このことは、ヒステリシストランジスタのゲート絶縁膜を厚さ方向に部分的にドライエッチングすることで非ヒステリシストランジスタのゲート絶縁膜を形成した場合に、欠陥や不純物の混入の少ない良好な基板界面を保ったまま非ヒステリシストランジスタを作製することができることを示している。
また強誘電体層の材料としてSBTを例示したが、強誘電体層の材料としてはSBTに代表されるビスマス層状構造強誘電体、PZTに代表されるペロブスカイト構造強誘電体、あるいはPVDFとTrFEの共重合体に代表される有機強誘電性ポリマーであってもよい。
Claims (3)
- 基板上のトランジスタ形成領域に、ゲート・基板間電圧対ドレイン電流特性がヒステリシス特性を示す膜厚で、強誘電体層と高誘電体層の積層からなる第1の絶縁膜を、前記基板の外部から原料を付着して形成する第1の絶縁膜形成工程と、
前記基板上のトランジスタ領域のうち、ゲート・基板間電圧対ドレイン電流特性がヒステリシス特性を有する第1のトランジスタの形成領域における前記第1の絶縁膜の上に第1のゲート電極を形成して、当該第1のトランジスタを形成する第1のゲート電極形成工程と、
前記基板上のトランジスタ形成領域のうち、ゲート・基板間電圧対ドレイン電流特性が非ヒステリシス特性を有する第2のトランジスタの形成領域における前記第1の絶縁膜を構成する前記強誘電体層を薄型化して、前記非ヒステリシス特性を有するロジックトランジスタのゲート絶縁膜として活用できる強誘電体膜と前記高誘電体層の積層からなる第2の絶縁膜を形成する第2の絶縁膜形成工程と、
前記第2の絶縁膜の上に第2のゲート電極を形成して、前記第2のトランジスタを形成する第2のゲート電極形成工程と
を含むことを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。 - 基板上のトランジスタ形成領域に、ゲート・基板間電圧対ドレイン電流特性がヒステリシス特性を示す膜厚で、強誘電体層と高誘電体層の積層からなる第1の絶縁膜を、前記基板の外部から原料を付着して形成する第1の絶縁膜形成工程と、
前記第1の絶縁膜の上全面にゲート導体層を形成するゲート導体層形成工程と、
前記基板上のトランジスタ形成領域のうち、ゲート・基板間電圧対ドレイン電流特性がヒステリシス特性を有する第1のトランジスタの形成領域における前記ゲート導体層を前記第1のトランジスタの第1のゲート電極として残すとともに、前記基板上のトランジスタ形成領域のうち、ゲート・基板間電圧対ドレイン電流特性が非ヒステリシス特性を有する第2のトランジスタの形成領域における前記ゲート導体層を除去し、前記ゲート導体層の除去により露出した前記第1の絶縁膜の前記強誘電体層を薄型化して、前記非ヒステリシス特性を有するロジックトランジスタのゲート絶縁膜として活用できる強誘電体膜と前記高誘電体層の積層からなる第2の絶縁膜を形成する第1のゲート電極及び第2の絶縁膜形成工程と、
前記第2の絶縁膜の上に第2のゲート電極を形成して、前記第2のトランジスタを形成する第2のゲート電極形成工程と
を含むことを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。 - 前記第2の絶縁膜の前記強誘電体膜は、前記強誘電体層を薄型化した50nm以下の膜厚であることを特徴とする請求項1又は2記載の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
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