JP5419139B2

JP5419139B2 - 半導体集積装置およびその作製方法

Info

Publication number: JP5419139B2
Application number: JP2009080735A
Authority: JP
Inventors: 大輔赤井; 賢朗菊池; 誠石田; 和明澤田
Original assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2009-03-29
Filing date: 2009-03-29
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2029-03-29
Also published as: JP2010232567A

Description

本発明は、同一基板上に回路部とセンサ部が形成されてなる半導体集積装置およびその作製方法に関し、特に、センサ部を非鉛強誘電材料で構成してなる半導体集積装置およびその作製方法に関する。

周知のとおり、半導体集積装置に使用される強誘電体材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３−ＰｂＺｒＯ_３：以下、ＰＺＴと略称する）が一般的であった（特許文献１参照）。しかし、ＥＵが２００６年７月１日施行した有害物質規制（ＲｏＨＳ）において鉛が有害物質として指定されたように、鉛含有材料を使用することが躊躇されつつあり、ＰＺＴには鉛が含有されているため、他の材料への置換が検討されている。

特開２００５−３２２９４１号公報

一般に、センシングデバイスを作製する場合には、回路部とセンサ部は個別に作製され、これら両部を電気的に接続することによって、一体的なセンシングデバイスが構成されていた。この場合、回路部およびセンサ部のそれぞれに必要な材料を成膜、パターン形成、エッチング等の技術を用いて形成されるのである。しかし、同一基板上に回路部とセンサ部を形成する場合には、半導体プロセスに沿って作製されることから、成膜技術により基板全体に所望材料を積層した後に不要個所をエッチング等によって除去するという手法で作製されていた。従って、回路部形成領域およびセンサ部形成領域のうち、一方に必要な材料が他方には不要となる材料であっても、エッチング等により除去されるまでは基板上に積層されることとなり、使用する材料により、積層直後または熱処理段階において、下層の材料に対する影響が懸念されるところであった。特に、アルカリ金属を含む強誘電体材料を使用するときには、アルカリ金属イオンが回路部のゲート酸化膜等に拡散し、そのしきい値電圧を変動させるなどの問題を招来させていた。そのため、ＰＺＴに代わる非鉛強誘電体材料をセンサ部に使用するとしても、同一の半導体基板上に回路部とともにセンサ部を形成することは困難なものとされていた。

そこで、本発明は、上記諸点にかんがみてなされたものであって、その目的とするところは、回路部とセンサ部を同一基板上に形成した半導体集積装置において、非鉛材料を使用した半導体集積装置を提供するとともに、当該半導体集積装置の作製方法をも提供することである。

半導体集積装置にかかる本発明は、同一半導体基板上に回路部とセンサ部が形成されてなる半導体集積装置であって、前記回路部は、表面に保護層が成膜された回路部であり、前記センサ部は、前記保護層が成膜されていないセンサ部形成領域と前記保護層が成膜された回路部とを含む半導体基板全体に成膜されたアルカリ金属を含む非鉛強誘電体材料のうち、該回路部に成膜された部分を除去した残余部により構成されたセンサ部であることを特徴とする半導体集積装置を要旨とする。

上記構成によれば、回路部表面には保護層が予め成膜されていることから、非鉛強誘電体材料を回路部に積層したとしても、当該非鉛強誘電体材料に含有される金属イオンが回路部に拡散することを防止できる。また、所望の領域に積層された非鉛強誘電体材料を残し、それ以外の非鉛強誘電体材料をエッチング等によって除去することにより、当該領域にセンサ部が形成されることとなる。なお、回路部における保護層は、非鉛強誘電体材料を除去した後は、外部環境に対する保護層としてそのまま使用される。

また、非鉛強誘電体材料がアルカリ金属を含む非鉛強誘電体であることから、鉛を含まない強誘電体材料のうち、アルカリ金属を含む強誘電体材料によってセンサ部を構成することができる。このアルカリ金属を含む強誘電体材料を使用する場合であっても、回路部表面には保護層が存在するため、アルカリ金属が回路部に拡散することを防止できる。

また、上記発明のアルカリ金属を含む非鉛強誘電体材料としてチタン酸ビスマスナトリウム（（Ｎａ，Ｂｉ）ＴｉＯ_３：以下、ＮＢＴと略称する）を使用することができる。このような構成の場合には、ペロブスカイト構造を有する非鉛強誘電体材料によってセンサ部を構成することができ、焦電型赤外センサを回路部と同一基板上に作製することができる。しかも、ＮＢＴはキュリー温度が高く赤外線センサとしての適性を有することとなる。

前記各発明において、センサ部は、エピタキシャルγ−Ａｌ_２Ｏ_３／Ｓｉ基板上に、導電性酸化物を含む下部電極を積層したうえで、さらに前記非鉛強誘電体材料を成膜してなる構成とすることができる。このような構成の場合には、γ−Ａｌ_２Ｏ_３の結晶構造が立方晶で欠損スピネル構造を持ち、ＬａＮｉＯ_３（以下、ＬＮＯと略称する）、ＳｒＲｕＯ_３（以下、ＳＲＯと略称する）またはＰｔなどを下部電極として用いることにより、非鉛強誘電体材料のエピタキシャル成長が実現できる。なお、ＬＮＯ、ＳＲＯおよびＰｔのいずれかを含んだ積層構造を下部電極として使用してもよい。

さらに上記構成における導電性酸化物としてＬＮＯやＳＲＯとすることができる。このような構成の場合には、下部電極であるＬＮＯやＳＲＯの薄膜は、ペロブスカイト構造に結晶化し、かつ（１００）に配向することから、上層にＮＢＴを積層するとき、５００°Ｃ以上による本焼成温度により、当該ＮＢＴはペロブスカイト相に結晶化し、また、下部電極のＬＮＯ（１００）やＳＲＯ（１００）の配向を引き継ぎ、（１００）に配向し、良好な焦電特性を得ることができる。

他方、半導体集積装置にかかる本発明は、同一半導体基板上に回路部とセンサ部が形成されてなる半導体集積装置の作製方法であって、回路部形成領域に回路部を形成するための回路部形成工程と、回路部形成領域およびセンサ部形成領域の全体に、ボロン・リン添加酸化シリコン（ＢｏｒｏｎＰｈｏｓｐｈｏｒＳｉｌｉｃａｔｅＧｌａｓｓ：以下、ＢＰＳＧと略称する）層、応力緩和層およびシリコン窒化膜を順次積層する保護層構築工程と、前記センサ部形成領域に積層されたＢＰＳＧ層、応力緩和層およびシリコン窒化膜を除去する保護層除去工程と、回路部形成領域およびセンサ部形成領域の全体に下部電極層を形成する下部電極形成工程と、前記下部電極層の表面に非鉛強誘電体材料層を形成するセンサ部形成工程と、前記センサ部に上部電極層を形成する上部電極形成工程と、前記回路部形成領域に積層される上部電極層、非鉛強誘電体材料層および下部電極層を順次除去する除去工程と、前記回路部形成領域およびセンサ部形成領域に配線電極を形成してなる配線形成工程と、からなることを特徴とする半導体集積装置の作製方法を要旨としている。

上記構成によれば、半導体プロセスに沿った作製手順に、下部電極層形成工程、センサ部形成工程、除去工程および上部電極層形成工程を追加することにより、同一基板上に回路部およびセンサ部を形成することができる。また、センサ部を構成する非鉛強誘電体材料がアルカリ金属を含む場合であっても、回路部には保護層が積層されていることから、アルカリ金属イオンの拡散を防止できることとなる。従って、回路部のしきい値電圧の変動その他回路の性能に影響を与えるような原因を排除しつつ、同一基板上において半導体集積装置を作成することができる。

また、前記発明におけるセンサ部形成工程は、ＮＢＴをゾルゲル法により成膜してなるセンサ部形成工程とすることができる。このような構成の場合、ゾルゲル溶剤をスピンコーティングした後、アニールすることにより、センサ部にＮＢＴを成膜することができる。また、ＮＢＴは、非鉛の強誘電体材料であることから、ＰＺＴに代わる非鉛材料によるセンシングデバイスを構成することができるとともに、回路部の表面にシリコン窒化膜による保護層を構築することにより、ＮＢＴから拡散されるナトリウムイオンが回路部のゲート酸化膜に侵入することなどを防止できる。

なお、上記各発明における回路部としては接合型およびＭＯＳ型のいずれを使用してもよく、ＭＯＳＦＥＴまたはＪＦＥＴとすると、センサ部によってセンシングされた信号の読み出しが可能となるセンシングデバイスを構成することができる。

半導体集積装置にかかる本発明によれば、非鉛材料によるセンサ部を回路部と同一基板上に形成してなる構成とすることができる。また、回路部が形成されるべき基板上に上記非鉛材料を成膜した後、エッチングによって除去することが可能であることから半導体プロセスに沿って作製することができる。

また、半導体集積装置の作製方法にかかる本発明によれば、非鉛強誘電体材料にアルカリ金属が含まれるもの（例えば、ＮＢＴ）を使用したとしても、回路部表面の保護層がアルカリ金属イオン（例えば、ナトリウムイオン）の拡散を防止することとなり、回路部のゲート酸化膜等にアルカリ金属イオンが侵入することがないため、半導体集積装置の性能に悪影響を与えないものを作製することができる。

半導体集積装置の実施形態を示す断面図である。半導体集積装置の作製方法の実施形態を示す説明図である。半導体集積装置の作製方法の実施形態を示す説明図である。半導体集積装置の作製方法の実施形態を示す説明図である。回路部の回路特性を示すグラフである。ＮＢＴ薄膜のヒステリシス特性を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明にかかる半導体集積装置の実施形態を示す断面図である。この図に示すように、同一半導体基板１の上に回路部２とセンサ部３が形成されており、センサ部３を構成する非鉛強誘電体材料３１としてはアルカリ金属を含む材料が使用されている。回路部２には、読み出し回路としてｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１およびｎ−ＪＦＥＴ２２が形成されており、所望の集積装置が構成できるようになっている。なお、センサ部３の用途に応じて、ＭＯＳＦＥＴ２１およびＪＦＥＴ２２のいずれか一方のみを形成してもよく、また、他の種類の回路部を形成してもよい。

ここで、強誘電体材料３１としてＮＢＴを使用することができる。このＮＢＴは、キュリー温度が３２０°Ｃであり、かつ焦電特性を有することから、例えば、赤外線センサを構成することが可能となる。また、ＮＢＴは圧電素子として機能するため超音波センサを含むトランスデューサを構成することもできる。

なお、下部電極３２にはＰｔ、ＬＮＯ、ＳＲＯまたはこれら材料のいずれかを含んだ積層構造を使用することができる。強誘電体材料３１としてＮＢＴを、下部電極３２にＬＮＯを、それぞれ選択して使用するときには、シリコン基板上にエピタキシャルγ−Ａｌ_２Ｏ_３膜４１を形成し、その上層に導電性酸化物であるＬＮＯを下部電極材料として積層するのである。このような構成の場合には、下部電極であるＬＮＯの薄膜は、ペロブスカイト構造に結晶化し、かつ（１００）に配向することから、上層に積層されるＮＢＴは、５００°Ｃ以上の本焼成温度により、ペロブスカイト相に結晶化するとともに、下部電極のＬＮＯ（１００）の配向を引き継いで（１００）に配向することとなるから、良好な焦電特性を得ることができるのである。

次に、作製方法の実施形態について説明する。ここでは、回路部として接合型およびＭＯＳ型の回路を同時に構成した場合を説明する。また、同一半導体基板上に回路部とセンサ部を形成することから、作製方法の概略は、半導体プロセスにＮＢＴ成膜工程を挿入することとなり、これを図２ないし図４に示す。

そこで、第一の工程としては、図２に示すような回路部形成工程である。この回路部形成工程では、半導体基板としてシリコン基板１を使用し、センサ部形成領域には、γ−Ａｌ_２Ｏ_３４１を成膜し、回路部形成領域２には、読み出し回路としてｎ−ＭＯＳＦＥＴ２１とｎ−ＪＦＥＴ２２を形成する。なお、γ−Ａｌ_２Ｏ_３膜４１にはシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）４２を積層し、回路部形成領域２におけるフィールド酸化膜４３の形成におけるγ−Ａｌ_２Ｏ₃膜４１を保護している（図２（ａ）参照）。回路部形成領域２にフィールド酸化膜４３を形成した後に、回路部形成領域２に読み出し回路２１，２２を形成するのである（図２（ｂ）参照）。

第二の工程は図３（ａ）に示す保護層構築工程である。この保護層構築工程は、回路部形成領域２およびセンサ部形成領域３の全体に、ＢＰＳＧ層４４、応力緩和層４５およびシリコン窒化膜層４６を順次積層するものである。ＢＰＳＧ層４４は、ボロン（Ｂ）とリン（Ｐ）をドープしたシリコン酸化膜であり、ゲッタリング作用を得るとともに、平坦化（リフロー）のために使用する。また、応力緩和層４５としてはシリコン酸化膜（ＳｉＯ）が使用されている。これらの上層にはシリコン窒化膜４６が成膜されて保護層が構築される。シリコン窒化膜４６は一般的に保護膜として多用されているが、本発明者らの研究により非鉛強誘電体材料に含まれるアルカリ金属イオンの侵入に対しても有効に機能することが判明したため、最外層に使用することとしている。なお、上記応力緩和層４５は、熱処理時に発生するシリコン窒化膜４６の応力ひずみを緩和するために設けられるものである。

第三の工程としては、図３（ｂ）に示すように、センサ部形成領域３の保護層除去工程、下部電極形成工程およびセンサ部形成工程である。この工程では、まず、上述の保護層構築工程により積層されたＢＰＳＧ層４４、応力緩和層４５およびシリコン窒化膜層４６を、センサ部形成領域３について、エッチング技術等を利用して除去し、さらに、シリコン窒化膜（Ｎｉ_３Ｎ_４）４２についても同様にエッチング技術等により除去する。このときの状態は、センサ部形成領域３において、シリコン基板１の上面にγ−Ａｌ_２Ｏ_３膜４１が露出することとなり、回路部形成領域２において上述の保護層４４〜４６が積層されている。この状態から、回路部形成領域２およびセンサ部形成領域３の全体に下部電極層３２を形成し（下部電極形成工程）、また、非鉛強誘電体材料層３１を積層し（センサ部形成工程）、さらに、上部電極４７となる電極材料を積層する（上部電極形成工程）のである。

第四の工程としては、図４（ａ）に示すように、回路部形成領域２における上部電極層４７、非鉛強誘電体材料３１および下部電極３２の除去工程である。これらの除去工程では、エッチング技術等を利用して行われる。

最後の工程として、図４（ｂ）に示すような配線形成工程が行われる。具体的には、回路部の絶縁膜にコンタクトホール（ビア）を形成するとともに、蒸着またはスパッタ法によりアルミニウム（Ａｌ）薄膜を形成し、パターンニングおよびエッチングにより、所定の配線５１を形成するのである。なお、センサ部と回路部との電気的との配線時には、両者の境界部分に層間絶縁膜５２が形成され、その表面に配線が形成されることとなる。

以上の各工程を順次行うことにより、同一の半導体基板１上に回路部２とセンサ部３を形成することができるのであり、センサ部３に強誘電体材料３１としてアルカリ金属を含む非鉛強誘電体材料（例えば、ＮＢＴ）を使用する場合であっても、回路部２にシリコン窒化膜４６による保護層の形成により、アルカリ金属イオン（例えば、ナトリウムイオン）が拡散することを防止できるのである。なお、シリコン窒化膜４６を含む保護層は、作製段階においてはアルカリ金属イオンの拡散防止のための保護層であるが、完成後においては外部環境に対する保護膜として機能することとなる。

次に、実施例について説明する。本実施例は、上述の作製方法に従って図１に示す構成の焦電型赤外センサを作製したものである。まず、シリコン基板のセンサ部形成領域に表面にＡｌ_２Ｏ₃をヘテロエピタキシャル成長させγ−Ａｌ_２Ｏ_３を形成する。回路部形成領域は、表面を酸化させてシリコン酸化膜を形成する。次に、シリコン酸化膜を一部的にエッチングする。このエッチングには、ドライエッチングまたはウェットエッチングによって行うことができ、パターニングにより、フォトレジスト開口部から露出した部分をバッファードフッ酸（ＢＨＦ）液によりエッチングする方法を用いることができる。その後、半導体プロセスに応じて回路部を形成する。

次に、回路部形成領域およびセンサ部形成領域の双方に、ＢＰＳＧ層および応力緩和層を成膜し、さらに、シリコン窒化膜を上層に成膜する。成膜方法は、ＣＶＤ法またはスパッタ法により行うが、その中でも減圧ＣＶＤ（ＬＰＣＶＤ）法またはプラズマＣＶＤ法を用いることができる。本実施例ではプラズマＣＶＤ法により成膜した。さらに、引き続き、センサ部形成領域に積層される上記保護層をエッチングにより除去した。各層ごとにエッチング液を変更しつつγ−Ａｌ_２Ｏ₃が露出するまで各層を除去する。

次に、下部電極となるべきＬＮＯおよび強誘電体材料であるＮＢＴをいずれもゾルゲル法により積層する。ゾルゲル法による薄膜作製プロセスは、最初に前駆体溶液の作製、次に溶液によるコーティング、最後にコーティング膜の結晶化による。

最後に、ＮＢＴの表面に上部電極を積層し、回路部形成領域の上部電極、ＬＮＯおよびＮＢＴを除去することによって、当該回路形成領域の再外層をシリコン窒化膜にするととともに、センサ部形成領域にセンサの全体構造を形成し、所望範囲にＡｌを配線した。

このようにして作製した焦電型赤外線センサの性能を評価するための試験を行った。回路部に形成したｎ−ＪＦＥＴおよびｎ−ＭＯＳＦＥＴの回路特性を図５に示す。この図から判るように、ｎ−ＪＦＥＴのしきい値電圧は−１．０Ｖであり（図５（ａ）参照）、ＰＺＴ薄膜を使用した際のしきい値電圧が−０．９Ｖであることと比較すると、ＮＢＴ薄膜を使用した場合においても、ほぼ同一のしきい値電圧であった。また、ｎ−ＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧は、１．１Ｖであり（図５（ｂ）参照）、ＰＺＴ薄膜を使用した際のしきい値電圧と同じであった。これにより、接合型およびＭＯＳ型の回路部は正常に作動することが判明した。なお、ＮＢＴ薄膜のヒステリシス特性（１ｋＨｚ）を図６に示す。この図から明らかなように、ＮＢＴ薄膜は強誘電性を有するものであり、残留分極値は９μＣ／ｃｍ^２である（図６（ａ）参照）。なお、下部電極をＬＮＯに代えてＰｔ／Ｔｉ／ＴｉＮの積層電極とした場合のヒステリシス特性は、図６（ｂ）に示すように、残留分極値が２μＣ／ｃｍ^２となり、ＬＮＯの場合よりも小さくなるが強誘電性を有することができる。

１半導体基板
２回路部（回路部形成領域）
３センサ部（センサ部形成領域）
２１ｎ−ＭＯＳＦＥＴ
２２ｎ−ＪＦＥＴ
３１強誘導体材料
３２下部電極
４１ γ−Ａｌ_２Ｏ_３膜
４２シリコン窒化膜
４３フィールド酸化膜
４４ＢＰＳＧ層
４５応力緩和層
４６シリコン窒化膜層
４７上部電極
５１配線材料
５２層間絶縁膜

Claims

同一半導体基板上に回路部とセンサ部が形成されてなる半導体集積装置であって、前記回路部は、表面に保護層が成膜された回路部であり、前記センサ部は、前記保護層が成膜されていないセンサ部形成領域と前記保護層が成膜された回路部とを含む半導体基板全体に成膜されたアルカリ金属を含む非鉛強誘電体材料のうち、該回路部に成膜された部分を除去した残余部により構成されたセンサ部であることを特徴とする半導体集積装置。
前記アルカリ金属を含む非鉛強誘電体材料は、チタン酸ビスマスナトリウム（ＮＢＴ）である請求項１記載の半導体集積装置。
前記センサ部は、エピタキシャルγ−Ａｌ２Ｏ３／Ｓｉ基板上に、導電性酸化物を含む下部電極を積層したうえで、さらに前記アルカリ金属を含む非鉛強誘電体材料を成膜してなるセンサ部であることを特徴とする請求項１に記載の半導体集積装置。
前記導電性酸化物は、ＬａＮｉＯ_３（ＬＮＯ）またはＳｒＲｕＯ_３（ＳＲＯ）である請求項３記載の半導体集積装置。
同一半導体基板上に回路部とセンサ部が形成されてなる半導体集積装置の作製方法であって、
回路部形成領域に回路部を形成するための回路部形成工程と、
回路部形成領域およびセンサ部形成領域の全体に、ボロン・リン添加酸化シリコン（ＢＰＳＧ）層、応力緩和層およびシリコン窒化膜を順次積層する保護層構築工程と、
前記センサ部形成領域に積層されたボロン・リン添加酸化シリコン（ＢＰＳＧ）層、応力緩和層およびシリコン窒化膜を除去する保護層除去工程と、
回路部形成領域およびセンサ部形成領域の全体に下部電極層を形成する下部電極形成工程と、
前記下部電極層の表面に非鉛強誘電体材料層を形成するセンサ部形成工程と、
前記センサ部に上部電極層を形成する上部電極形成工程と、
前記回路部形成領域に積層される上部電極層、非鉛強誘電体材料層および下部電極層を順次除去する除去工程と、
前記回路部形成領域およびセンサ部形成領域に配線電極を形成してなる配線形成工程と、
からなることを特徴とする半導体集積装置の作製方法。
前記センサ部形成工程は、チタン酸ビスマスナトリウム（ＮＢＴ）をゾルゲル法により成膜してなることを特徴とする請求項５記載の半導体集積装置の作製方法。