JP6652451B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/785Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate having a channel with a horizontal current flow in a vertical sidewall of a semiconductor body, e.g. FinFET, MuGFET
    • H01L29/7851Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate having a channel with a horizontal current flow in a vertical sidewall of a semiconductor body, e.g. FinFET, MuGFET with the body tied to the substrate
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/78Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate
    • H01L29/792Field effect transistors with field effect produced by an insulated gate with charge trapping gate insulator, e.g. MNOS-memory transistors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B43/00EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators
    • H10B43/40EEPROM devices comprising charge-trapping gate insulators characterised by the peripheral circuit region

Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、フィン型トランジスタを含む半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。
動作速度が速く、リーク電流および消費電力の低減および微細化が可能な電界効果トランジスタとして、フィン型のトランジスタが知られている。フィン型のトランジスタ(FINFET:Fin Field Effect Transistor)は、例えば、基板上に突出する板状(壁状)の半導体層のパターンをチャネル層として有し、当該パターン上を跨ぐように形成されたゲート電極を有する半導体素子である。
また、電気的に書込・消去が可能な不揮発性半導体記憶装置として、EEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)が広く使用されている。現在広く用いられているフラッシュメモリに代表されるこれらの記憶装置は、MISFETのゲート電極下に、酸化膜で囲まれた導電性の浮遊ゲート電極あるいはトラップ性絶縁膜を有しており、浮遊ゲートあるいはトラップ性絶縁膜での電荷蓄積状態を記憶情報とし、それをトランジスタのしきい値として読み出すものである。このトラップ性絶縁膜とは、電荷の蓄積可能な絶縁膜を言い、一例として、窒化シリコン膜などが挙げられる。このような電荷蓄積領域への電荷の注入・放出によってMISFETのしきい値をシフトさせ記憶素子として動作させる。このフラッシュメモリとしては、MONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Semiconductor)膜を用いたスプリットゲート型セルがある。
特許文献1(米国特許出願公開第2011/0001169号明細書)には、FINFETにおいて、フィンの表面にシリサイド層を形成することが記載されている。
特許文献2(特開2011−210790号公報)には、半導体基板の主面をチャネル領域とするトランジスタのソース・ドレイン領域の表面を覆うシリサイド層を、2度の加熱工程を行って形成することで、シリサイド層の異常成長を防ぐことが記載されている。
特許文献3(特開2006−041354号公報)には、FINFETを備えたスプリットゲート型のMONOSメモリにおいて、フィンの表面を覆うシリサイド層を形成することが記載されている。
米国特許出願公開第2011/0001169号明細書 特開2011−210790号公報 特開2006−041354号公報
FETでは、ソース・ドレイン領域の表面をシリサイド層により覆うことで、素子の低抵抗化が可能である。シリサイド層を形成するために行うサリサイドプロセスでは、シリサイド化の対象であるシリコン層の表面を金属膜により覆う必要があるが、フィンの側壁は当該金属膜の被覆性が悪い。このため、当該側壁を覆い、十分な膜厚を有する金属膜を基板上に形成する場合、金属膜の膜厚が大きくなるため、金属膜の形成により生じる応力によりFINFETの性能および信頼性が低下する問題がある。FINFETにより構成されるメモリセルでは、このような問題が記憶素子としての信頼性の低下に繋がる。
その他の目的と新規な特徴は、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。
本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
一実施の形態である半導体装置は、第1フィンの上部に形成されたメモリセルのソース・ドレイン領域の表面をシリサイド層により覆い、第2フィンの上部に形成されたトランジスタのソース・ドレイン領域の表面を半導体層により覆うものである。
また、一実施の形態である半導体装置の製造方法は、第1フィンの上部に形成されたメモリセルのソース・ドレイン領域の表面をシリサイド層により覆い、第2フィンの上部に形成されたトランジスタのソース・ドレイン領域の表面をエピタキシャル層により覆うものである。
本願において開示され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。
本発明の実施の形態1である半導体チップのレイアウト構成を示す概略図である。 本発明の実施の形態1である半導体装置を示す平面図である。 本発明の実施の形態1である半導体装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態1である半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態1である半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図6に続く半導体装置の製造工程を説明する斜視図である。 図7に示す製造工程中の半導体装置のY方向に沿う断面図である。 図8に続く半導体装置の製造工程を説明する斜視図である。 図9に示す製造工程中の半導体装置のY方向に沿う断面図である。 図10に続く半導体装置の製造工程を説明する斜視図である。 図11に示す製造工程中の半導体装置のY方向に沿う断面図である。 図12に続く半導体装置の製造工程を説明する斜視図である。 図13に続く半導体装置の製造工程を説明する斜視図である。 図14に示す製造工程中の半導体装置のY方向に沿う断面図である。 図15に続く半導体装置の製造工程を説明する斜視図である。 図16に示す製造工程中の半導体装置のY方向に沿う断面図である。 図17に続く半導体装置の製造工程を説明する斜視図である。 図18に示す製造工程中の半導体装置のY方向に沿う断面図である。 図19に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図20に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図21に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図22に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図23に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図24に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図25に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図26に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図27に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図28に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図29に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図30に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図31に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図32に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図33に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図34に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図35に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図36に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図37に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図38に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図39に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 本発明の実施の形態1である半導体装置の製造工程に用いるスパッタリング装置の模式的な平面図である。 図40に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図42に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図43に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図44に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図45に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図46に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図47に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図48に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図49に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図50に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図51に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図52に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 不揮発性メモリのメモリセルMCの等価回路図である。 「書込」、「消去」および「読出」時における選択メモリセルの各部位への電圧の印加条件の一例を示す表である。 本発明の実施の形態2である半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 図56に続く半導体装置の製造工程を説明する断面図である。 比較例である半導体装置の製造工程を説明する断面図である。
以下、本発明の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、特に必要なときを除き、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。
(実施の形態1)
<半導体チップのレイアウト構成例>
本実施の形態における不揮発性メモリを有する半導体装置について図面を参照しながら説明する。まず、不揮発性メモリを含むシステムが形成された半導体装置(半導体チップ)のレイアウト構成について説明する。図1は、本実施の形態における半導体チップCHPのレイアウト構成例を示す概略図である。図1において、半導体チップCHPは、CPU(Central Processing Unit)CC1、RAM(Random Access Memory)CC2、アナログ回路CC3を有している。また、半導体チップCHPは、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)CC4、フラッシュメモリCC5およびI/O(Input/Output)回路CC6を有し、半導体装置を構成している。
CPU(回路)CC1は、中央演算処理装置とも呼ばれ、記憶装置から命令を読み出して解読し、それに基づいて多種多様な演算および制御などを行なうものである。
RAM(回路)CC2は、記憶情報をランダムに、すなわち随時記憶されている記憶情報を読み出すこと、および、記憶情報を新たに書き込むことができるメモリであり、随時書き込み読み出しができるメモリとも呼ばれる。RAMとしては、スタティック回路を用いたSRAM(Static RAM)を用いる。
アナログ回路CC3は、時間的に連続して変化する電圧および電流の信号、すなわちアナログ信号を扱う回路であり、例えば増幅回路、変換回路、変調回路、発振回路、電源回路などから構成されている。
EEPROMCC4およびフラッシュメモリCC5は、書き込み動作および消去動作において、記憶情報を電気的に書き換え可能な不揮発性メモリの一種であり、電気的消去可能なプログラマブル読み出し専用メモリとも呼ばれる。このEEPROMCC4およびフラッシュメモリCC5のメモリセルは、記憶(メモリ)用の例えばMONOS(Metal Oxide Nitride Oxide Semiconductor)型トランジスタまたはMNOS(Metal Nitride Oxide Semiconductor)型トランジスタなどから構成される。EEPROMCC4とフラッシュメモリCC5の相違点は、EEPROMCC4が、例えば、バイト単位で消去のできる不揮発性メモリであるのに対し、フラッシュメモリCC5が、例えば、ワード線単位で消去できる不揮発性メモリである点である。一般に、フラッシュメモリCC5には、CPUCC1で種々の処理を実行するためのプログラムなどが記憶されている。これに対し、EEPROMCC4には、書き換え頻度の高い各種データが記憶されている。EEPROMCC4またはフラッシュメモリCC5は、複数の不揮発性メモリセルが行列状に配置されたメモリセルアレイと、それ以外の、アドレスバッファ、行デコーダ、列デコーダ、ベリファイセンスアンプ回路、センスアンプ回路および書込み回路などとを有している。
I/O回路CC6は、入出力回路であり、半導体チップCHP内から半導体チップCHPの外部に接続された機器へのデータの出力、または、半導体チップCHPの外部に接続された機器から半導体チップ内へのデータの入力などを行なうための回路である。
本実施の形態の半導体装置は、メモリセル領域とロジック回路領域とを有している。メモリセル領域には、複数の不揮発性メモリセルが行列状に配置されたメモリセルアレイが形成されている。ロジック回路領域には、CPUCC1、RAMCC2、アナログ回路CC3、I/O回路CC6、および、EEPROMCC4またはフラッシュメモリCC5のアドレスバッファ、行デコーダ、列デコーダ、ベリファイセンスアンプ回路、センスアンプ回路または書込み回路などが形成されている。
<半導体装置のデバイス構造>
以下に、図2〜図5を用いて、本実施の形態の半導体装置の構造について説明する。図2は、本実施の形態における半導体装置の平面図である。図3は、本実施の形態における半導体装置の斜視図である。図4および図5は、本実施の形態における半導体装置の断面図である。なお、図3、図5では、ウェルの図示を省略する。また、図5では、ソース・ドレイン領域の図示を省略する。
図2において、メモリセル領域1Aにはメモリセルアレイの平面図を示し、nMIS領域1Bには、ロジック回路領域のロジック回路などを構成するn型トランジスタQNの平面図を示し、pMIS領域1Cには、ロジック回路領域のロジック回路などを構成するp型トランジスタQPの平面図を示している。n型トランジスタQNとしては、n型のMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を例示する。p型トランジスタQPとしては、p型のMISFETを例示する。本願では、n型のMISFETをnMISと呼び、p型のMISFETをpMISと呼ぶ場合がある。
メモリセル領域1Aに形成されるメモリセルMCは、例えば図1のフラッシュメモリCC5に形成されている。また、nMIS領域1Bのn型トランジスタQNおよびpMIS領域1Cのp型トランジスタQPは、例えばRAMCC2、CPUCC1などに形成されている。
図2に示すように、メモリセル領域1Aには、X方向に延在する複数のフィンFAが、Y方向に等間隔に配置されている。X方向およびY方向は、半導体基板SBの主面に沿う方向であり。X方向はY方向に対して直交している。フィンFAは、例えば、半導体基板SBの主面から選択的に突出した直方体の突出部(凸部)であり、壁状(板)の形状を有している。フィンFAの下端部分は、半導体基板SBの主面を覆う素子分離膜EIで囲まれている。フィンFAは、半導体基板SBの一部であり、半導体基板SBの活性領域である。平面視において、隣り合うフィンFA同士の間は、素子分離膜EIで埋まっており、フィンFAの周囲は、素子分離膜EIで囲まれている。フィンFAは、メモリセルMCを形成するための活性領域である。
複数のフィンFA上には、Y方向に延在する複数の制御ゲート電極CGおよび複数のメモリゲート電極MGが配置されている。フィンFAの上面には、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGを挟むように、制御ゲート電極CGの側のドレイン領域MDと、メモリゲート電極側のソース領域MSとが形成されている。すなわち、X方向において、互いに隣り合う1つの制御ゲート電極CGおよび1つのメモリゲート電極MGは、ソース領域MSとドレイン領域MDとの間に位置している。
ドレイン領域MDおよびソース領域MSは、n型の半導体領域である。ドレイン領域MDは、X方向において隣り合う2つの制御ゲート電極CG同士の間に形成されており、ソース領域MSは、X方向において隣り合う2つのメモリゲート電極MG同士の間に形成されている。メモリセルMCは、制御ゲート電極CG、メモリゲート電極MG、ドレイン領域MDおよびソース領域MSを有する不揮発性記憶素子である。以下では、1つのメモリセルMCを構成するソース領域MSおよびドレイン領域MDを、ソース・ドレイン領域と呼ぶ場合がある。
X方向に隣接する2つのメモリセルMCは、ドレイン領域MDまたはソース領域MSを共有している。ドレイン領域MDを共有する2つのメモリセルMCは、Y方向に延在するドレイン領域MDを軸として、X方向に線対称となっており、ソース領域MSを共有する2つのメモリセルMCは、Y方向に延在するソース領域MSを軸として、X方向に線対称となっている。
各フィンFAには、X方向に並ぶ複数のメモリセルMCが形成されている。各メモリセルMCのドレイン領域MDは、メモリセルMC上に形成された層間絶縁膜(図示しない)を貫通するコンタクトホール内に形成されたプラグ(コンタクトプラグ)PG1を介して、X方向に延在する配線MWからなるソース線SLに電気的に接続されている。また、Y方向に配列された複数のメモリセルMCのソース領域MSは、Y方向に延在する配線MWからなるビット線BLに電気的に接続されている。
また、nMIS領域1Bには、例えば、X方向に延在するフィンFBが形成されている。フィンFBは、フィンFAと同様に半導体基板SBの一部であり、半導体基板SBの主面上に突出した壁状(板)の形状を有している。また、フィンFBは、半導体基板SBの活性領域であり、フィンFBの下端部分は、半導体基板SBの主面を覆う素子分離膜EIで囲まれている。フィンFB上には、Y方向に延在するゲート電極G1が配置され、ゲート電極G1を挟むように、フィンFBの上面にはドレイン領域LD1およびソース領域LS1が形成されている。ドレイン領域LD1およびソース領域LS1は、n型の半導体領域である。
n型トランジスタQNは、ゲート電極G1、ドレイン領域LD1およびソース領域LS1を有する。ゲート電極G1、ドレイン領域LD1およびソース領域LS1は、それぞれ、コンタクトホール内に形成されたプラグPGを介して、配線MWに電気的に接続されている。フィンFBは、n型トランジスタQNを形成するための活性領域である。
また、pMIS領域1Cには、X方向に延在するフィンFCと、その上部のp型トランジスタQPが形成されている。ゲート電極G2、ドレイン領域LD2およびソース領域LS2により構成されるp型トランジスタQPのレイアウトは、例えば、n型トランジスタQNと同様である。
フィンFA、FBおよびFCは、半導体基板SBの主面から、主面に対して垂直な方向に突出する、例えば、直方体の突出部である。フィンFA、FBおよびFCは、必ずしも直方体である必要はなく、短辺方向における断面視にて、長方形の角部が丸みを帯びていてもよい。また、図5に示すように、フィンFA、FBおよびFCのそれぞれの側壁は半導体基板SBの主面に対して垂直であってもよいが、垂直に近い傾斜角度を有していてもよい。つまり、フィンFA、FBおよびFCのそれぞれの断面形状は、直方体であるか、または台形である。ここでは、フィンFA、FBおよびFCのそれぞれの側壁は、半導体基板SBの主面に対して斜めに傾斜している。
また、図2に示すように、平面視でフィンFA、FBおよびFCが延在する方向が各フィンの長辺方向であり、当該長辺方向に直交する方向が各フィンの短辺方向である。つまり、フィンの長さは、フィンの幅よりも大きい。フィンFA、FBおよびFCは、長さ、幅、および、高さを有する突出部であれば、その形状は問わない。例えば、平面視で、蛇行するレイアウトを有していてもよい。
図3〜図5では、左側から右側に向かって順にメモリセル領域1A、nMIS領域1BおよびpMIS領域1Cが並んで示されている。図3では、素子分離膜EIおよび各素子の上の層間絶縁膜および配線の図示を省略している。メモリセル領域1Aの半導体基板SBを構成するフィンFAの上部にはメモリセルMCが形成され、nMIS領域1Bの半導体基板SBを構成するフィンFBの上部にはn型トランジスタQNが形成され、pMIS領域1Cの半導体基板SBを構成するフィンFCの上部にはp型トランジスタQPが形成されている。
図4は、図2のA−A線、B−B線およびC−C線における半導体素子の断面を示すものである。図5は、図2のD−D線、E−E線およびF−F線における半導体素子の断面を示すものである。1つのフィン上には複数の素子が並んで形成されているが、図3、4では、フィン上に素子を1つのみ示している。
図3に示すように、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGは、フィンFAを跨ぐようにY方向に延在し、ゲート電極G1はフィンFBを跨ぐようにY方向に延在し、ゲート電極G2はフィンFCを跨ぐようにY方向に延在している。制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGのそれぞれの上面は、シリサイド層S2により覆われている。シリサイド層S2は、例えばNiSi(ニッケルシリサイド)からなる。なお、シリサイド層S2はPt(白金)を含んでいてもよい。
図3〜図5に示すように、メモリセル領域1Aのソース・ドレイン領域を構成する拡散領域D1が形成されたフィンFAの側壁および上面は、シリサイド層S1により覆われている。シリサイド層S1は、例えばNiSi(ニッケルシリサイド)からなる。また、nMIS領域1Bのソース・ドレイン領域を構成する拡散領域D2が形成されたフィンFBの側壁および上面は、エピタキシャル層(半導体層)EP1により覆われている。同様に、pMIS領域1Cのソース・ドレイン領域を構成する拡散領域D3が形成されたフィンFCの側壁および上面は、エピタキシャル層(半導体層)EP2により覆われている。
シリサイド層S1、エピタキシャル層EP1およびEP2は、いずれも素子分離膜EI上に形成されている。シリサイド層S1は、フィンFAの上面および側壁に沿って延在する層からなる。
これに対し、エピタキシャル成長法により形成されたエピタキシャル層EP1、EP2は、Y方向に沿う断面(図5参照)において、菱形の形状を有している。すなわち、nMIS領域1Bのエピタキシャル層EP1の側壁であって、フィンFBに接していない側壁は、下部の側壁および上部の側壁を有している。当該下部の側壁は素子分離膜EI側から上方に向かうにつれて、半導体基板SBの主面に沿う方向においてフィンFBから離れるような傾斜を有しており、当該上部の側壁は素子分離膜EI側から上方に向かうにつれて、半導体基板SBの主面に沿う方向においてフィンFBに近付くような傾斜を有している。当該下部の側壁の上端と、当該上部の側壁の下端は接続されている。
言い換えれば、Y方向において、エピタキシャル層EP1の左側の終端部と右側の終端部との間の幅は、エピタキシャル層EP1の上端および下端に比べて、当該上端および当該下端の間の中心部の方が大きい。なお、pMIS領域1Cのエピタキシャル層EP2も、nMIS領域1Bのエピタキシャル層EP1と同様の形状を有している。nMIS領域1Bのエピタキシャル層EP1は、例えばSiP(リン化シリコン)またはSiC(炭化シリコン)からなり、pMIS領域1Cのエピタキシャル層EP2は、SiGe(シリコンゲルマニウム)からなる。
nMIS領域1Bのエピタキシャル層EP1は、n型の不純物(例えばP(リン)またはAs(ヒ素))が導入された半導体層であり、n型トランジスタQNの拡散領域D2を構成している。pMIS領域1Cのエピタキシャル層EP2は、p型の不純物(例えばB(ホウ素))が導入された半導体層であり、p型トランジスタQPの拡散領域D3を構成している。
図3および図4に示すように、フィンFA、FBおよびFCのそれぞれの側壁の下部は、半導体基板SBの主面上に形成された素子分離膜EIで囲まれている。つまり、各フィン同士の間は、素子分離膜EIで分離されている。フィンFA内には、フィンFAの上面から下部に亘ってp型の半導体領域であるp型ウェルPW1が形成されている。同様に、フィンFB内には、フィンFBの上面から下部に亘ってp型の半導体領域であるp型ウェルPW2が形成されている。また、フィンFCには、フィンFCの上面から下部に亘ってn型の半導体領域であるn型ウェルNWが形成されている。
フィンFAの上面上および側面上には、ゲート絶縁膜GFを介して制御ゲート電極CGが形成されており、フィンFAの長辺方向(X方向)において、制御ゲート電極CGに隣り合う領域には、絶縁膜ONを介してメモリゲート電極MGが形成されている。制御ゲート電極CGとメモリゲート電極MGとの間には、絶縁膜ONが介在しており、制御ゲート電極CGとメモリゲート電極MGとの間は、絶縁膜ONで電気的に分離されている。また、メモリゲート電極MGとフィンFAの上面との間には、絶縁膜ONが介在している。絶縁膜ONはメモリゲート電極MGの側壁および底面を覆うように連続的に形成されている。このため、絶縁膜ONはL字型の断面形状を有する。
ゲート絶縁膜GFは、シリコンからなる半導体基板SBの突出部であるフィンFAの主面および側面を熱酸化して形成した熱酸化膜(酸化シリコン膜)であり、その膜厚は例えば2nmである。また、絶縁膜ONは、シリコンからなる半導体基板SBの突出部であるフィンFAの主面および側面を熱酸化して形成した4nmの膜厚を有する熱酸化膜(酸化シリコン膜)からなる酸化シリコン膜X1と、酸化シリコン膜X1上に形成された窒化シリコン膜NFと、窒化シリコン膜NF上に形成された酸化シリコン膜X2とからなる。窒化シリコン膜NFは、メモリセルMCの電荷蓄積部(電荷蓄積層)である。窒化シリコン膜は、例えば7nmの膜厚を有し、酸化シリコン膜X2は、例えば9nmの膜厚を有する。
つまり、絶縁膜ONは、フィンFAの上面側および制御ゲート電極CGの側壁側から順に積層された酸化シリコン膜X1、窒化シリコン膜NFおよび酸化シリコン膜X2からなる積層構造を有する。絶縁膜ONの膜厚は、例えば20nmであり、制御ゲート電極CG下のゲート絶縁膜GFの膜厚よりも大きい。酸化シリコン膜X2は、酸窒化シリコン膜により形成してもよい。
メモリセル領域1Aに示すように、フィンFAの短辺方向(Y方向)において、制御ゲート電極CGは、ゲート絶縁膜GFを介して、フィンFAの上面、側面および素子分離膜EIの上面に沿って延在している。同様に、フィンFAの短辺方向において、メモリゲート電極MGは、絶縁膜ONを介して、フィンFAの主面、側面および素子分離膜EIの上面に沿って延在している。制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGのそれぞれの主面上にはシリサイド層S2が形成されている。
また、制御ゲート電極CG、メモリゲート電極MG、ゲート絶縁膜GF、絶縁膜ONおよびシリサイド層S2を含むパターンの側壁は、サイドウォール(サイドウォールスペーサ)SWにより覆われている。サイドウォールSWは、例えば窒化シリコン膜および酸化シリコン膜の積層構造からなる。シリサイド層S1は、制御ゲート電極CGを含む当該パターンおよび上記サイドウォールSWから露出するフィンFAの表面を覆っている。
図4に示すように、制御ゲート電極CGを含む当該パターンの直下のフィンFAの上面を挟むように、一対のソース・ドレイン領域がフィンFAの上面に形成されている。ソース領域およびドレイン領域のそれぞれは、n型半導体領域であるエクステンション領域EX1およびn型半導体領域である拡散領域D1を有する。拡散領域D1は、エクステンション領域EX1に比べて不純物濃度が高く、形成深さが深い。ソース領域およびドレイン領域のそれぞれにおいてエクステンション領域EX1および拡散領域D1は互いに接しており、エクステンション領域EX1は、拡散領域D1よりも上記パターンの直下のフィンFAの上面、つまりチャネル領域側に位置している。
このように、不純物濃度が低いエクステンション領域EX1と、不純物濃度が高い拡散領域D1とを備えた構造、つまりLDD(Lightly Doped Drain)構造を有するソース・ドレイン領域を形成することで、当該ソース・ドレイン領域を有するトランジスタの短チャネル特性を改善することができる。当該ソース領域は、図2に示すソース領域MSに相当し、当該ドレイン領域は、図2に示すドレイン領域MDに相当する。
フィンFA上および素子分離膜EI上には、例えば酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜IL1が形成されている。また、層間絶縁膜IL1、制御ゲート電極CG、メモリゲート電極MG、サイドウォールSWおよびシリサイド層S2のそれぞれの上面上には、例えば酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜IL2が形成されている。層間絶縁膜IL1の上面は、絶縁膜ON、サイドウォールSWおよびシリサイド層S2のそれぞれの上面と略同一の面において平坦化されている。
層間絶縁膜IL2上には複数の配線M1が形成され、配線M1は、層間絶縁膜IL2およびIL1を貫通するコンタクトホールCH内に設けられたプラグPG1を介して、メモリセルMCの上記ソース領域および上記ドレイン領域に電気的に接続されている。すなわち、プラグPG1の底面は、シリサイド層S1の上面に直接接しており、プラグPG1はシリサイド層S1を介してソース・ドレイン領域に電気的に接続されている。シリサイド層S1は、例えばタングステン(W)を主に含む金属膜からなる接続部であるプラグPG1と、半導体からなるフィンFA内のソース・ドレイン領域との間の接続抵抗を低減する役割を有する。
ここでは、コンタクトホールCH、プラグPG1およびPG2のそれぞれが平面視において丸い形状を有する場合について説明するが、コンタクトホールCH、プラグPG1およびPG2の平面視における形状は矩形であってもよい。また、コンタクトホールCH、プラグPG1およびPG2が、各フィンの短辺方向(Y方向)において、シリサイド層S1、エピタキシャル層EP1およびEP2よりも大きい幅を有していてもよい。
また、ソース・ドレイン領域が形成されたフィンFAをシリサイド層S1により覆うことで、ソース・ドレイン領域を低抵抗化し、これによりメモリセルMCの性能を向上させることができる。
メモリセルMCは、制御ゲート電極CG、メモリゲート電極MG、ドレイン領域およびソース領域を有する。制御ゲート電極CGおよびソース・ドレイン領域は制御トランジスタを構成し、メモリゲート電極MGおよびソース・ドレイン領域はメモリトランジスタを構成し、メモリセルMCは制御トランジスタおよびメモリトランジスタにより構成されている。つまり、制御トランジスタとメモリトランジスタとは、ソース・ドレイン領域を共有している。また、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGのゲート長方向(X方向)のドレイン領域とソース領域との間の距離が、メモリセルMCのチャネル長に相当する。
nMIS領域1Bにおいて、フィンFBの主面および側面上には、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜HKを介してゲート電極G1が形成されている。なお、絶縁膜HKはゲート電極G1の底面と側壁とを連続的に覆っている。絶縁膜HK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。また、ゲート電極G1は、絶縁膜HKの表面を覆う金属膜MF1と、絶縁膜HK上に金属膜MF1上を介して形成された金属膜MF2とからなる。金属膜MF1は例えばTiAl(チタンアルミニウム)からなり、金属膜MF2は例えばAl(アルミニウム)からなる。なお、フィンFBと絶縁膜HKとの間に酸化シリコン膜がゲート絶縁膜の一部として形成されていてもよいが、ここでは図示しない。
フィンFBの短辺方向(Y方向)において、ゲート電極G1は、絶縁膜HKを介して、フィンFBの上面、側面および素子分離膜EIの上面のそれぞれに沿って連続的に延在している。また、ゲート電極G1の側壁は、サイドウォールSWにより覆われている。
また、X方向においてゲート電極G1を挟むように、ゲート電極G1の横の領域に設けられたソース領域およびドレイン領域のそれぞれは、n型半導体領域であるエクステンション領域EX2と、n型半導体領域である拡散領域D2とを有し、LDD構造を有している。拡散領域D2は、フィンFB内と、ゲート電極G1の横にサイドウォールSWを介して形成されたエピタキシャル層EP1内とに亘って形成されている。エクステンション領域EX2は、フィンFB内に形成されている。当該ソース領域は、図2に示すソース領域LS1に相当し、当該ドレイン領域は、図2に示すドレイン領域LD1に相当する。
また、nMIS領域1Bにおいて、フィンFB上および素子分離膜EI上には、メモリセル領域1Aと同様に層間絶縁膜IL1、IL2が順に形成されている。ただし、層間絶縁膜IL1と層間絶縁膜IL2との間には、ゲート電極G1の上面を覆うように絶縁膜IF9が形成されている。層間絶縁膜IL1の上面は、ゲート電極G1、絶縁膜HKおよびサイドウォールSWのそれぞれの上面と共に平坦化されている。層間絶縁膜IL1は、エピタキシャル層EP1の上面を覆っており、エピタキシャル層EP1の上面と層間絶縁膜IL1とは直接接している。つまり、エピタキシャル層EP1の上面と層間絶縁膜IL1との間にはシリサイド層は介在していない。
層間絶縁膜IL2上には、配線M1が形成され、配線M1は、層間絶縁膜IL2およびIL1を貫通するコンタクトホールCH内に設けられたプラグPG2を介して、ソース領域およびドレイン領域に電気的に接続されている。プラグPG2とエピタキシャル層EP1との間には、シリサイド層S3が介在している。シリサイド層S3は、例えばTiSi(チタンシリサイド)からなる。
シリサイド層S3は、プラグPG2の直下、つまり、コンタクトホールCHの底部にのみ形成されており、プラグPG2の横の領域のエピタキシャル層EP1の上面は、シリサイド層S3から露出している。シリサイド層S3は、例えばタングステン(W)を主に含む金属膜からなる接続部であるプラグPG2と、半導体からなるエピタキシャル層EP1内のソース・ドレイン領域との間の接続抵抗を低減する役割を有する。
n型トランジスタQNは、ゲート電極G1、ドレイン領域および、ソース領域を有する。そして、ゲート電極G1のゲート長方向(X方向)のドレイン領域とソース領域との間の距離が、n型トランジスタQNのチャネル長に相当する。
pMIS領域1Cにおいて、フィンFCの主面および側面上には、ゲート絶縁膜として機能する絶縁膜HKを介してゲート電極G2が形成されている。なお、絶縁膜HKはゲート電極G2の底面と側壁とを連続的に覆っている。絶縁膜HK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。また、ゲート電極G2は、絶縁膜HKの表面を覆う金属膜MF3と、絶縁膜HK上に金属膜MF3上を介して形成された金属膜MF4とからなる。金属膜MF3は例えばTiAl(チタンアルミニウム)からなり、金属膜MF4は例えばAl(アルミニウム)からなる。なお、フィンFCと絶縁膜HKとの間に酸化シリコン膜がゲート絶縁膜の一部として形成されていてもよいが、ここでは図示しない。
フィンFCの短辺方向(Y方向)において、ゲート電極G2は、絶縁膜HKを介して、フィンFCの上面、側面および素子分離膜EIの上面のそれぞれに沿って連続的に延在している。また、ゲート電極G2の側壁は、サイドウォールSWにより覆われている。
また、X方向においてゲート電極G2を挟むように、ゲート電極G2の横の領域に設けられたソース領域およびドレイン領域のそれぞれは、p型半導体領域であるエクステンション領域EX3と、p型半導体領域である拡散領域D3とを有し、LDD構造を有している。拡散領域D3は、フィンFC内と、ゲート電極G2の横にサイドウォールSWを介して形成されたエピタキシャル層EP2内とに亘って形成されている。エクステンション領域EX3は、フィンFC内に形成されている。当該ソース領域は、図2に示すソース領域LS2に相当し、当該ドレイン領域は、図2に示すドレイン領域LD2に相当する。
また、pMIS領域1Cにおいて、フィンFC上および素子分離膜EI上には、nMIS領域1Bと同様に層間絶縁膜IL1、絶縁膜IF9およびIL2が順に形成されている。層間絶縁膜IL1の上面は、ゲート電極G2、絶縁膜HKおよびサイドウォールSWのそれぞれの上面と共に平坦化されている。層間絶縁膜IL1は、エピタキシャル層EP2の上面を覆っており、エピタキシャル層EP2の上面と層間絶縁膜IL1とは直接接している。つまり、エピタキシャル層EP2の上面と層間絶縁膜IL1との間にはシリサイド層は介在していない。
層間絶縁膜IL2上には、配線M1が形成され、配線M1は、層間絶縁膜IL2およびIL1を貫通するコンタクトホールCH内に設けられたプラグPG2を介して、ソース領域およびドレイン領域に電気的に接続されている。プラグPG2とエピタキシャル層EP2との間には、シリサイド層S3が介在している。シリサイド層S3は、例えばTiSi(チタンシリサイド)からなる。
シリサイド層S3は、プラグPG2の直下、つまり、コンタクトホールCHの底部にのみ形成されており、プラグPG2の横の領域のエピタキシャル層EP2の上面は、シリサイド層S3から露出している。シリサイド層S3は、例えばタングステン(W)を主に含む金属膜からなる接続部であるプラグPG2と、半導体からなるエピタキシャル層EP2内のソース・ドレイン領域との間の接続抵抗を低減する役割を有する。
p型トランジスタQPは、ゲート電極G2、ドレイン領域および、ソース領域を有する。そして、ゲート電極G2のゲート長方向(X方向)のドレイン領域とソース領域との間の距離が、p型トランジスタQPのチャネル長に相当する。
<半導体装置の効果について>
nMIS領域1BおよびpMIS領域1Cに形成されたエピタキシャル層EP1、EP2のそれぞれの上面であって、シリサイド層S3を介してプラグPG2に接続された面の位置は、シリサイド層S1の上面であって、プラグPG1に接続された面の位置よりも高い。これは、フィンFA上に形成されたシリサイド層S1の膜厚よりも、フィンFB上またはフィンFC上に形成されたエピタキシャル層EP1、EP2のそれぞれの膜厚の方が大きいためである。
このように、厚いエピタキシャル層EP1、EP2を形成することで、本実施の形態では、ロジック領域のn型トランジスタQNおよびp型トランジスタQPのそれぞれのソース・ドレイン領域のそれぞれの断面積を増大させ、これにより当該ソース・ドレイン領域の抵抗を低減している。また、メモリセル領域1Aでは、半導体よりも低抵抗なシリサイド層S1によりフィンFAを覆うことで、ソース・ドレイン領域の抵抗を低減している。
このようにメモリセル領域1Aと、ロジック領域であるnMIS領域1BおよびpMIS領域1Cとで、ソース・ドレイン領域を低抵抗化するための構造が異なるのは、後述するように、応力の発生を防ぐ必要があるためである。すなわち、FINFETのソース・ドレイン領域を低抵抗化するためには、ソース・ドレイン領域を覆うエピタキシャル層を形成することが考えられるが、MONOS型のメモリセルにおいてエピタキシャル層を形成すると素子内に応力が発生し、これにより記憶装置としての性能および信頼性が低下する問題がある。
そこで、本実施の形態では、MONOSメモリ型のメモリセルMCが形成されたフィンFAに対してはシリサイド層S1を形成することでソース・ドレイン領域の低抵抗化を実現し、ロジック領域のトランジスタ形成されたフィンFB、FCに対しては、体積の大きいエピタキシャル層EP1、EP2を形成することで、ソース・ドレイン領域の低抵抗化を実現している。
以上より、メモリセルMC、n型トランジスタQNおよびp型トランジスタQPのそれぞれの低抵抗化を実現し、かつ、メモリセルの性能が低下することを防ぐことができる。したがって、半導体装置の性能を向上させることができる。
なお、ロジック領域では、シリサイド層によりフィンFB、FC、エピタキシャル層EP1およびEP2を覆うことによる応力の増大を防ぐため、コンタクトホールCHの底部にのみシリサイド層S3を形成している。この場合、CVD法により形成することが可能な材料であるTi(チタン)膜を用いてサリサイドプロセスを行うことでシリサイド層S3を形成するため、シリサイド層S1とシリサイド層S3とは互いに異なる材料で形成される。また、シリサイド層S1の上面と、プラグPG1との間には、コンタクトホールCH内においてTi(チタン)膜が形成されていてもよい。
<半導体装置の製造工程について>
以下に、図6〜図53を用いて、本実施の形態の半導体装置の製造方法について説明する。図6、図8、図10、図12、図15、図17、図19、図20〜図40および図42〜図53は、本実施の形態の半導体装置の形成工程中の断面図である。図7、図9、図11、図13、図14、図16および図18は、本実施の形態の半導体装置の形成工程中の斜視図である。図41は、本実施の形態の半導体装置の形成工程に用いるスパッタリング装置の模式的な平面図である。図8、図10、図12、図15、図17および図19は、図7、図9、図11、図14、図16および図18の同じ位置におけるY方向に沿う断面を示す図である。上記斜視図、図42および図44では、ウェルの図示を省略する。
図6〜図20では、左側から右側に向かって順に並ぶメモリセル領域1Aおよびロジック領域1Dを示している。また、図21〜図40、図42〜図53では、左側から右側に向かって順に並ぶメモリセル領域1A、nMIS領域1BおよびpMIS領域1Cを示している。nMIS領域1BおよびpMIS領域1Cは、ロジック領域1Dを構成する領域である。
ここではまず、図6に示すように、半導体基板SBを用意し、半導体基板SBの主面上に、絶縁膜IF1、絶縁膜IF2および半導体膜SI1を順に形成する。半導体基板SBは、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。絶縁膜IF1は、例えば酸化シリコン膜からなり、例えば酸化法またはCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて形成することができる。絶縁膜IF1の膜厚は、2〜10nm程度である。絶縁膜IF2は、例えば窒化シリコン膜からなり、その膜厚は、20〜100nm程度である。絶縁膜IF2は、例えばCVD法により形成する。半導体膜SI1は、例えばシリコン膜からなり、例えばCVD法により形成する。半導体膜SI1の膜厚は、例えば20〜200nmである。
次に、図7および図8に示すように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて、メモリセル領域1Aおよびロジック領域1Dの半導体膜SI1を加工する。これにより、絶縁膜IF2上には、X方向に延在する複数の半導体膜SI1のパターンが、Y方向に並んで複数形成される。図8は、図7に示す複数の半導体膜SI1のパターンを含む断面図である。
メモリセル領域1Aの当該パターンのY方向の幅は、ロジック領域1Dの当該パターンのY方向の幅よりも大きい。また、Y方向において、メモリセル領域1Aに並ぶ当該パターン同士の間隔は、ロジック領域1Dに並ぶ当該パターン同士の間隔よりも大きい。後の工程では、Y方向において半導体膜SI1に近接する領域にフィンが形成されるため、当該パターンの幅および間隔を変更することにより、隣り合うフィン同士の間隔を調整することができる。
次に、図9および図10に示すように、複数の半導体膜SI1のそれぞれの側壁を覆うハードマスクHM1を形成する。ここでは、例えば、半導体基板SB上にCVD法を用いて、10〜40nmの膜厚を有する酸化シリコン膜を形成した後、異方性エッチングであるドライエッチングを行う。これにより絶縁膜IF2および半導体膜SI1のそれぞれの上面を露出させることで、半導体膜SI1の側壁に残った当該酸化シリコン膜からなるハードマスクHM1を形成する。ハードマスクHM1は、隣り合う半導体膜SI1同士の間を完全に埋め込んではいない。図9に示すように、ハードマスクHM1は、各半導体膜SI1を囲むように環状に形成されている。
次に、図11および図12に示すように、ウェットエッチング法を用いて半導体膜SI1を除去する。続いて、メモリセル領域1AのハードマスクHM1を覆い、ロジック領域1DのハードマスクHM1を露出するフォトレジスト膜PR1を形成する。続いて、ウェットエッチングを行うことで、ハードマスクHM1の表面を一部除去する。これにより、ロジック領域1DのハードマスクHM1の幅を細くする。なお、本願でいう幅とは、半導体基板SBの主面に沿う方向におけるパターンなどの長さを指す。
ハードマスクHM1は、その直下にフィンを形成するために用いられるマスクである。このため、上記のようにしてメモリセル領域1AのハードマスクHM1の幅とロジック領域1DのハードマスクHM1の幅とに差を設けることで、メモリセル領域1Aおよびロジック領域1Dに形成するフィンの幅に差を設けることができる。
次に、図13に示すように、フォトレジスト膜PR1を除去した後、メモリセル領域1Aおよびロジック領域1Dにおいて各ハードマスクHM1の一部を覆うフォトレジスト膜PR2を形成する。フォトレジスト膜PR2は、ハードマスクHM1のうち、X方向に延在する部分を覆い、X方向に延在する当該部分の端部と、Y方向に延在する部分とを露出するレジストパターンである。つまり、X方向におけるハードマスクHM1の両端は、フォトレジスト膜PR2から露出している。
次に、図14および図15に示すように、フォトレジスト膜PR2をマスクとして用いてエッチングを行うことで、各ハードマスクHM1の一部を除去し、その後、フォトレジスト膜PR2を除去する。これにより、ハードマスクHM1は、X方向に延在する部分のみが残る。すなわち、絶縁膜IF2上には、X方向に延在するパターンであるハードマスクHM1が、Y方向に複数並んで配置されている。
次に、図16および図17に示すように、ハードマスクHM1をマスクとして、絶縁膜IF2、IF1および半導体基板SBに対して異方性ドライエッチングを行う。これにより、ハードマスクHM1の直下に、板状(壁状)に加工された半導体基板SBの一部であるパターン、つまりフィンFA、FBおよびFCを形成する。ここでは、ハードマスクHM1から露出した領域の半導体基板SBの主面を100〜250nm掘り下げることで、半導体基板SBの主面からの高さ100〜250nmを有するフィンFA、FBおよびFCが形成できる。
次に、図18および図19に示すように、半導体基板SBの上に、フィンFA、FB、FC、絶縁膜IF1およびIF2を完全に埋めるように、酸化シリコン膜などからなる絶縁膜を堆積する。続いて、この絶縁膜に対してCMP(Chemical Mechanical Polishing)法による研磨処理を行い、絶縁膜IF2の上面を露出させる。これにより、当該絶縁膜からなる素子分離膜EIを形成する。当該CMP工程により、ハードマスクHM1は除去される。なお、素子分離膜EIを構成する絶縁膜を形成する前にハードマスクHM1を除去してもよい。
次に、図20に示すように、絶縁膜IF1、IF2を除去する。続いて、素子分離膜EIの上面に対しエッチング処理を施すことで、素子分離膜EIの上面を高さ方向に後退(下降)させる。これにより、フィンFA、FBおよびFCのそれぞれの側面の一部および上面を露出させる。
続いて、イオン注入法を用いて半導体基板SBの主面に不純物を導入することにより、メモリセル領域1AのフィンFA内にp型ウェルPW1を形成し、ロジック領域1DのフィンFB内にp型ウェルPW2を形成し、ロジック領域1DのフィンFC内にn型ウェルNWを形成する。p型ウェルPW1、PW2は、p型の不純物(例えばB(ホウ素))を打ち込むことで形成する。n型ウェルNWは、n型の不純物(例えばP(リン)またはAs(ヒ素))を打ち込むことで形成する。各ウェルは、各フィン内の全体および各フィンの下部の半導体基板SBの一部に広がって形成される。
次に、図21に示すように、フィンFA、FBおよびFCのそれぞれの上面および側壁を覆う絶縁膜IF3を形成する。絶縁膜IF3は、例えば熱酸化法により形成することができ、例えば2nm程度の膜厚を有する酸化シリコン膜からなる。続いて、絶縁膜IF3上に、フィンFA、FBおよびFCのそれぞれの高さ以上の膜厚を有する半導体膜SI2をCVD法などにより堆積した後、半導体膜SI2の上面をCMP法などにより平坦化することにより、平坦な上面を有する半導体膜SI2を形成する。その後、半導体膜SI2上に、例えばCVD法を用いて絶縁膜IF4を形成する。半導体膜SI2は、例えばポリシリコン膜(シリコン膜)からなり、絶縁膜IF4は、例えば窒化シリコン膜からなる。上記のように半導体膜SI2に対してCMP法による研磨工程を行った後においても、フィンFA、FBおよびFCのそれぞれの上面上に半導体膜SI2が残っている。
次に、図22に示すように、メモリセル領域1AのフィンFAの一部の直上と、nMIS領域1BおよびpMIS領域1Cとを覆うフォトレジスト膜(図示しない)を形成する。当該フォトレジスト膜は、メモリセル領域1Aにおいて、Y方向(図の奥行き方向)に並ぶ複数のフィンFAのそれぞれの一部を覆うように形成された、Y方向に延在するレジストパターンを含んでいる。当該レジストパターンの横の領域において、フィンFAの上面がフォトレジスト膜から露出している。
続いて、当該フォトレジスト膜をマスクとして用いてエッチングを行うことにより、メモリセル領域1Aの絶縁膜IF4、半導体膜SI2のそれぞれの一部を除去し、これによりメモリセル領域1Aの素子分離膜EIの上面および絶縁膜IF3の表面を露出させる。すなわち、フィンFAの上面の一部および側壁の一部は、絶縁膜IF4および半導体膜SI2から露出する。これにより、フィンFA上には、半導体膜SI2からなる制御ゲート電極CGが形成される。また、これにより、制御ゲート電極CGとフィンFAとの間の絶縁膜IF3からなるゲート絶縁膜GFが形成される。
なお、ここでは、制御ゲート電極CGから露出するフィンFAの表面を覆う絶縁膜IF3が、上記エッチングおよびその後に行う洗浄工程により除去され、フィンFAの表面が露出される場合について説明するが、フィンFAの上面および側壁は絶縁膜IF3に覆われたままでもよい。
次に、図23に示すように、半導体基板SB上に酸化シリコン膜(ボトム酸化膜)X1、窒化シリコン膜NFおよび酸化シリコン膜(トップ酸化膜)X2を順に形成することにより、酸化シリコン膜X1、窒化シリコン膜NFおよび酸化シリコン膜X2からなる積層構造を有する絶縁膜ONを形成する。すなわち、絶縁膜ONはONO(Oxide Nitride Oxide)膜である。酸化シリコン膜X1は、酸化法またはCVD法などにより形成することができる。窒化シリコン膜NFおよび酸化シリコン膜X2は、例えばCVD法により形成(堆積)する。
絶縁膜ONは、素子分離膜EIの上面、並びに、フィンFAの上面および側壁を覆っている。また、絶縁膜ONは、制御ゲート電極CGおよび絶縁膜IF4からなる積層パターンの上面および側壁を覆っている。なお、窒化シリコン膜NFは、後に形成するメモリセルの電荷蓄積部(電荷蓄積膜)として機能する膜であるが、窒化シリコン膜NFの代わりに、HfSiOなどからなるhigh−k膜を形成してもよい。また、酸化シリコン膜X2の代わりに、AlO(酸化アルミニウム)膜を形成してもよい。
次に、図24に示すように、半導体基板SB上に、例えばCVD法を用いて、半導体膜SI3を形成する。半導体膜SI3は、例えばポリシリコン膜からなり、制御ゲート電極CGおよび絶縁膜IF4を含む積層体の高さよりも膜厚が大きい。続いて、半導体膜SI3の上面をCMP法により研磨することで、絶縁膜IF4上の絶縁膜ONの上面を露出させる。
次に、図25に示すように、エッチバック工程を行うことで、半導体膜SI3の上面を後退させる。これにより、半導体膜SI3の上面の位置は、例えば、制御ゲート電極CGの上面の位置とほぼ等しい高さとなる。
次に、図26に示すように、半導体基板SB上に、例えばCVD法を用いて、絶縁膜IF5を形成する。絶縁膜IF5は、例えば窒化シリコン膜からなり、半導体膜SI3の上面を覆い、かつ、絶縁膜IF4の側壁および上面を、絶縁膜ONを介して覆っている。
次に、図27に示すように、ドライエッチングを行うことで、絶縁膜IF5の一部を除去し、これにより絶縁膜ONの上面と半導体膜SI3の上面の一部とを露出させる。すなわち、絶縁膜IF5は、絶縁膜IF4の側壁に絶縁膜ONを介してサイドウォール状に残る。続いて、絶縁膜IF5をマスクとしてエッチングを行うことで、半導体膜SI3を加工する。これにより、制御ゲート電極CGの両側の側壁に近接する領域に半導体膜SI3が残り、制御ゲート電極CGの両側の側壁に近接する領域以外の領域において、フィンFAの上面は半導体膜SI3から露出する。
制御ゲート電極CGのゲート長方向(X方向)における一方の側壁に絶縁膜ONを介して近接する半導体膜SI3は、メモリゲート電極MGを構成する。メモリゲート電極MGは、制御ゲート電極CGと並んで、複数のフィンFAに跨がるようにY方向に延在している。
次に、図28に示すように、メモリゲート電極MGおよびその直上の絶縁膜IF5を覆うレジストパターン(図示しない)を形成した後、当該レジストパターンをマスクとして用いてエッチングを行うことにより、当該レジストパターンから露出する絶縁膜IF5および半導体膜SI3を除去する。これにより、ゲート長方向において、制御ゲート電極CGの一方の側壁には絶縁膜ONを介してメモリゲート電極MGが残り、制御ゲート電極CGの他方の側壁は半導体膜SI3から露出する。
続いて、エッチングを行うことで、絶縁膜IF5およびメモリゲート電極MGに覆われていない絶縁膜ONを除去する。これにより、絶縁膜IF4の上面、フィンFAの上面、フィンFAの側壁、素子分離膜EIの上面が露出する。また、メモリゲート電極MGに覆われていない絶縁膜IF4の側壁および制御ゲート電極CGの側壁が露出する。
次に、図29に示すように、メモリセル領域1Aと、nMIS領域1BおよびpMIS領域1CのフィンFB、FCのそれぞれの一部の直上とを覆うフォトレジスト膜(図示しない)を形成する。当該フォトレジスト膜は、Y方向(図の奥行き方向)に並ぶ複数のフィンFBのそれぞれの一部を覆うように形成された、Y方向に延在するレジストパターンと、Y方向に並ぶ複数のフィンFCのそれぞれの一部を覆うように形成された、Y方向に延在するレジストパターンとを含んでいる。当該レジストパターンの横の領域において、フィンFB、FCのそれぞれの上面がフォトレジスト膜から露出している。
続いて、当該フォトレジスト膜をマスクとして用いてエッチングを行うことにより、nMIS領域1BおよびpMIS領域1Cの絶縁膜IF4、半導体膜SI2のそれぞれの一部を除去し、これによりnMIS領域1BおよびpMIS領域1Cの素子分離膜EIの上面および絶縁膜IF3の表面を露出させる。すなわち、フィンFB、FCのそれぞれの上面の一部および側壁の一部は、絶縁膜IF4および半導体膜SI2から露出する。これにより、フィンFB、FCのそれぞれの上には、絶縁膜IF3を介して、半導体膜SI2からなるダミーゲート電極DGが形成される。
ダミーゲート電極DGは、後の工程で除去され、メタルゲート電極に置換される膜であり、完成した半導体装置には残らない。つまり、ダミーゲート電極DGは、擬似的なゲート電極である。なお、ここでは、ダミーゲート電極DGから露出するフィンFB、FCのそれぞれの表面を覆う絶縁膜IF3が除去される場合について説明する。その後、図示は省略するが、ダミーゲート電極DGの側壁を覆う酸化シリコン膜を形成する。
次に、図30に示すように、絶縁膜IF4、IF5、制御ゲート電極CG、メモリゲート電極MGおよびダミーゲート電極DGをマスクとして用いて、フィンFA、FBおよびFCのそれぞれの上面に対しイオン注入を行う。これにより、フィンFAの上面には、n型の半導体領域である一対のエクステンション領域EX1を形成する。また、フィンFBの上面には、n型の半導体領域である一対のエクステンション領域EX2を形成する。フィンFCの上面には、p型の半導体領域である一対のエクステンション領域EX3を形成する。
少なくとも、エクステンション領域EX3は、エクステンション領域EX1、EX2の形成工程とは別の工程で形成される。エクステンション領域EX1、EX2は、n型の不純物(例えばP(リン)またはAs(ヒ素))を打ち込むことで形成することができる。エクステンション領域EX3は、p型の不純物(例えばB(ホウ素))を打ち込むことで形成することができる。
続いて、半導体基板SB上に、例えばCVD法を用いて絶縁膜IF6を形成する。絶縁膜IF6は、例えば窒化シリコン膜からなる。絶縁膜IF6は、素子分離膜EI、フィンFA、FB、FC、制御ゲート電極CG、メモリゲート電極MG、ダミーゲート電極DG、絶縁膜IF4およびIF5のそれぞれの表面を覆っている。
次に、図31に示すように、nMIS領域1Bを露出し、メモリセル領域1AおよびpMIS領域1Cを覆うフォトレジスト膜PR3を形成した後、フォトレジスト膜PR3をマスクとしてドライエッチングを行うことで、nMIS領域1Bの絶縁膜IF6の一部を除去し、これにより、素子分離膜EI、フィンFBおよび絶縁膜IF4のそれぞれの上面を露出させる。ここで、nMIS領域1Bのダミーゲート電極DGおよび当該ダミーゲート電極DG上の絶縁膜IF4からなる積層体の側壁には、絶縁膜IF6からなるサイドウォールSWが形成される。
このとき、フィンFBの側壁に絶縁膜IF6からなるサイドウォールが形成されてもよいが、図ではフィンFBの側壁に形成されるサイドウォールの図示を省略している。後の工程でフィンFA、FCの側壁にサイドウォールが形成される場合も、サイドウォールの図示は省略する。
次に、図32に示すように、フォトレジスト膜PR3、絶縁膜IF4およびサイドウォールSWをマスクとしてドライエッチングを行うことで、nMIS領域1Bのダミーゲート電極DGおよびサイドウォールSWを含むパターンの横に露出するフィンFBの上面を後退させる。これにより、当該パターンから露出するフィンFBの上面は、素子分離膜EIの上面よりも高く、ダミーゲート電極DGの直下のフィンFBの上面よりも低い位置まで後退する。
次に、図33に示すように、エピタキシャル成長法を用いて、MIS領域1Bのダミーゲート電極DGおよびサイドウォールSWを含むパターンの横に露出するフィンFBの上面および側壁を覆うエピタキシャル層EP1を形成する。エピタキシャル層EP1は、例えばSi(シリコン)からなる。また、ここでは例えばSiP(リン化シリコン)膜またはSiC(炭化シリコン)膜からなるエピタキシャル層EP1を形成してもよい。
エピタキシャル層EP1は、図5を用いて説明したように、菱形の断面形状を有する半導体層であり、Y方向におけるフィンFBの側壁を覆っている。図33では、エピタキシャル層EP1はX方向におけるフィンFBの側壁を覆っていないが、当該側壁をエピタキシャル層EP1が覆っていてもよい。X方向におけるフィンFBの側壁が酸化シリコン膜などにより覆われている場合には、当該側壁はエピタキシャル層EP1に覆われないことが考えられる。
次に、図34に示すように、フォトレジスト膜PR3を除去した後、半導体基板上に、例えば窒化シリコン膜からなる絶縁膜IF7を形成する。絶縁膜IF7は、例えばCVD法を用いて形成することができる。メモリセル領域1AおよびpMIS領域1Cでは、絶縁膜IF6の表面を覆う様に絶縁膜IF7が形成されるが、図では絶縁膜IF7は絶縁膜IF6と一体となっているものとして、メモリセル領域1AおよびpMIS領域1Cの絶縁膜IF7の図示を省略する。
次に、図35に示すように、pMIS領域1Cを露出し、メモリセル領域1AおよびnMIS領域1Bを覆うフォトレジスト膜PR4を形成した後、フォトレジスト膜PR4をマスクとしてドライエッチングを行うことで、pMIS領域1Cの絶縁膜IF6の一部を除去し、これにより、素子分離膜EI、フィンFCおよび絶縁膜IF4のそれぞれの上面を露出させる。ここで、pMIS領域1Cのダミーゲート電極DGおよび当該ダミーゲート電極DG上の絶縁膜IF4からなる積層体の側壁には、絶縁膜IF6からなるサイドウォールSWが形成される。
次に、図36に示すように、フォトレジスト膜PR4、絶縁膜IF4およびサイドウォールSWをマスクとしてドライエッチングを行うことで、pMIS領域1Cのダミーゲート電極DGおよびサイドウォールSWを含むパターンの横に露出するフィンFCの上面を後退させる。これにより、当該パターンから露出するフィンFCの上面は、素子分離膜EIの上面よりも高く、ダミーゲート電極DGの直下のフィンFCの上面よりも低い位置まで後退する。
次に、図37に示すように、エピタキシャル成長法を用いて、pMIS領域1Cのダミーゲート電極DGおよびサイドウォールSWを含むパターンの横に露出するフィンFCの上面および側壁を覆うエピタキシャル層EP2を形成する。エピタキシャル層EP2は、例えばSiGe(シリコンゲルマニウム)からなる。
エピタキシャル層EP2は、図5を用いて説明したように、菱形の断面形状を有する半導体層であり、Y方向におけるフィンFCの側壁を覆っている。図37では、エピタキシャル層EP2はX方向におけるフィンFCの側壁を覆っていないが、当該側壁をエピタキシャル層EP2が覆っていてもよい。X方向におけるフィンFCの側壁が酸化シリコン膜などにより覆われている場合には、当該側壁はエピタキシャル層EP2に覆われないことが考えられる。
次に、図38に示すように、フォトレジスト膜PR4を除去した後、半導体基板上に、例えば窒化シリコン膜からなる絶縁膜IF8を形成する。絶縁膜IF8は、例えばCVD法を用いて形成することができる。絶縁膜IF8は、メモリセル領域1Aにおいて絶縁膜IF6の表面を覆い、nMIS領域1Bにおいて絶縁膜IF7の表面を覆う様に形成される。ただし、図では、絶縁膜IF8はメモリセル領域1Aの絶縁膜IF6およびnMIS領域1Bの絶縁膜IF7と一体となっているものとして、メモリセル領域1AおよびnMIS領域1Bの絶縁膜IF8の図示を省略する。
次に、図39に示すように、nMIS領域1BおよびpMIS領域1Cを覆い、メモリセル領域1Aを露出するフォトレジスト膜PR5を形成する。その後、フォトレジスト膜PR5をマスクとしてドライエッチングを行うことで、メモリセル領域1Aの絶縁膜IF6の一部を除去し、これにより、素子分離膜EI、フィンFA、絶縁膜IF4およびIF5のそれぞれの上面を露出させる。ここで、メモリセル領域1Aの制御ゲート電極CG、メモリゲート電極MG、絶縁膜IF4およびIF5を含む積層体の側壁には、絶縁膜IF6からなるサイドウォールSWが形成される。
次に、図40に示すように、フォトレジスト膜PR5を除去した後、絶縁膜IF4、IF5、ダミーゲート電極DG、制御ゲート電極CG、メモリゲート電極MGおよびサイドウォールSWをマスクとして用いて、フィンFA、FBおよびFCの上面に対しイオン注入を行う。これにより、フィンFAの上面には、n型の半導体領域である一対の拡散領域D1を形成する。また、フィンFBの上面には、n型の半導体領域である一対の拡散領域D2を形成する。フィンFCの上面には、p型の半導体領域である一対の拡散領域D3を形成する。ここでは、nMIS領域1BおよびpMIS領域1Cでは、絶縁膜IF7、IF8を貫通してフィンFB、FCに不純物が打ち込まれる。
少なくとも、拡散領域D3は、拡散領域D1、D2の形成工程とは別の工程で形成される。拡散領域D1、D2は、n型の不純物(例えばP(リン)またはAs(ヒ素))を打ち込むことで形成することができる。拡散領域D3は、p型の不純物(例えばB(ホウ素))を打ち込むことで形成することができる。拡散領域D1、D2の形成工程では、エクステンション領域EX1、EX2を形成する際に行うイオン注入工程よりも高い不純物濃度でイオン注入を行う。また、拡散領域D3の形成工程では、エクステンション領域EX3を形成する際に行うイオン注入工程よりも高い不純物濃度でイオン注入を行う。
これにより、拡散領域D1およびエクステンション領域EX1を含むソース・ドレイン領域と、拡散領域D2およびエクステンション領域EX2を含むソース・ドレイン領域と、拡散領域D3およびエクステンション領域EX3を含むソース・ドレイン領域とを形成する。このイオン注入工程では、拡散領域D2は、エピタキシャル層EP1と、エピタキシャル層EP1の下のフィンFBのそれぞれに形成される。また、拡散領域D3は、エピタキシャル層EP2と、エピタキシャル層EP2の下のフィンFCのそれぞれに形成される。
メモリセル領域1Aにおいて、ソース・ドレイン領域および制御ゲート電極CGは、制御トランジスタを構成し、当該ソース・ドレイン領域およびメモリゲート電極MGは、メモリトランジスタを構成する。また、制御トランジスタおよびメモリトランジスタは、メモリセルMCを構成する。
ここでは、エピタキシャル層EP1、EP2を形成した後に拡散領域D1〜D3を形成しているが、拡散領域D2は、例えば図31を用いて説明したサイドウォールSWを形成した後であって、図32を用いて説明したエッチング工程の前に形成してもよい。また、拡散領域D3は、例えば図35を用いて説明したサイドウォールSWを形成した後であって、図36を用いて説明したエッチング工程の前に形成してもよい。
次に、メモリセル領域のフィンFAに形成されたソース・ドレイン領域を覆うシリサイド層を形成する。ここでは、まず、図41に示すスパッタリング装置SDを用いて、図42に示すように、フィンFAを覆う金属膜MS1を形成する。図41に示すスパッタリング装置SDは、ロードポートLP、チャンバCH1〜CH5、ロボットアームRA1、RA2を有し、スパッタリング装置SDが含む各チャンバCH1〜CH5のそれぞれは、密閉することが可能である。また、各チャンバCH1〜CH5と、ロボットアームRA1およびRA2のそれぞれが配置されている搬送室とのそれぞれの内部は、いずれも真空ポンプなどを用いて所望の気圧および温度に保つことが可能である。
上記金属膜MS1を形成する際には、まず、スパッタリング装置SDとその外部とを接続するロードポートLPに、メモリセルMC(図40参照)などが形成された半導体基板(半導体ウェハ)を配置する。続いて、ロードポートLP内の半導体ウェハは、ロボットアームRA1により搬送室内を搬送され、前処理室であるチャンバCH2内に置かれ、チャンバCH2内で洗浄される。ここで、フィンFA(図40参照)の表面に形成されていた自然酸化膜が除去され、フィンFAの上面および側壁が露出する。続いて、半導体ウェハはロボットアームRA1によりチャンバCH3内に移される。
続いて、半導体ウェハは、ロボットアームRA2によりチャンバCH3内からチャンバ(熱処理用チャンバ)CH4内に移され、チャンバCH4内において熱処理を施される。この熱処理は、例えば200℃で90秒間行うRTA(Rapid Thermal Annealing)である。その後、加熱された半導体ウェハは、ロボットアームRA2により、チャンバCH4内からチャンバ(成膜用チャンバ)CH5内に移される。続いて、チャンバCH5内において、半導体ウェハ(半導体基板)の主面に対し、スパッタリング法によりNiPtからなる金属膜MS1(図42参照)を堆積する。
当該スパッタリング法による成膜は、チャンバCH4でも熱処理工程の終了後、30秒〜60秒以内に開始する。ここで、チャンバCH4、CH5のそれぞれの内部と、ロボットアームRA2が配置された搬送室の内部とは、真空状態が維持されている。つまり、半導体ウェハは、周囲の真空状態を保ったまま、チャンバCH4内からチャンバCH5内に搬送することが可能である。よって、半導体ウェハをチャンバCH4内からチャンバCH5内に搬送する際、半導体ウェハの温度が低下することを防ぐことができる。すなわち、当該熱処理の後、短時間で搬送を済ませて当該成膜を開始することで、熱処理により加熱された半導体ウェハの温度(例えば200℃)が低下する前にスパッタリングを行うことができる。
図42に示すように、高温の半導体基板SBに対してスパッタリング法により金属膜MS1を成膜すると、高温のフィンFAの表面の一部と金属膜MS1の一部とが反応して、薄いシリサイド層SSが、フィンFAの側壁および上面を覆うように形成される。シリサイド層SSは、例えばNiSi(ニッケルシリサイド)とPt(白金)とを含む。つまり、シリサイド層SSは、NiPtシリサイド層である。
このとき、金属膜MS1は、フィンFAの側壁および上面を連続的に覆ってはおらず、フィンFAを覆う金属膜MS1は、複数に分離している。すなわち、フィンFAの上面の全体および素子分離膜EIの上面の全体は、金属膜MS1により覆われているのに対し、フィンFAの側壁は、当該側壁に対して垂直な方向に延在する柱状の複数の金属膜MS1により部分的に覆われている。つまり、当該側壁を覆う金属膜MS1は、当該側壁に沿う方向において互いに離間して並ぶ複数の膜(パターン)により構成されている。
フィンFAの側壁に形成された金属膜MS1が柱状となっているのは、スパッタリング法により形成する金属膜MS1が、フィンFAの側壁のような、半導体基板SBの主面に対して垂直に近い角度で形成された面に対し成膜されにくいことと、フィンFAの側壁がシリサイド層SSにより覆われていることとに起因する。フィンFAの側壁に形成された柱状の複数の金属膜MS1同士は互いに離間しているため、金属膜MS1が応力を有していたとしても、フィンFAがその応力により影響を受けることを防ぐことができる。
上記スパッタリング工程では、フィンFAの上面上および素子分離膜EIの上面上に、例えば60nmの膜厚を有する金属膜MS1を形成する。上記のように、金属膜MS1はフィンFAの側壁に対する被膜性が低い、つまりカバレッジが悪いため、フィンFAの側壁に接して形成される金属膜MS1の膜厚は、フィンFA上の金属膜MS1の膜厚(例えば60nm)よりも小さい。ここでは、後述するシリサイド層S1を、フィンFAの側壁および上面において所望の膜厚で形成するために必要な膜厚の金属膜MS1を形成する。
次に、図43および図44に示すように、2回の熱処理を行うことで、フィンFAの側壁および上面を覆うシリサイド層S1を形成する。すなわち、第1熱処理として、260℃で11〜35秒間のRTAを行うことで、金属膜MS1とフィンFAの上面および側壁とを反応させ、これによりNiSi(ダイニッケルシリサイド)を主に含むシリサイド層S1を形成する。ここでは、第1熱処理の時間を調整することで、シリサイド層S1の膜厚を調整することができる。続いて、未反応の金属膜MS1を薬液により除去した後、第2熱処理として、500℃で11秒間のRTAを行う。これにより、シリサイド層S1の主な組成はNiSi(モノニッケルシリサイド)となり、シリサイド層S1は、第2熱処理を行う前よりも低抵抗化する。図44は、図42と同じ位置におけるフィンFAの断面図である。
フィンFAの側壁に沿うシリサイド層S1の膜厚は、フィンFAの上面に沿うシリサイド層S1の膜厚とほぼ同等である。なお、nMIS領域1BおよびpMIS領域1Cでは、フィンFB、FC、エピタキシャル層EP1およびEP2などは絶縁膜(保護膜)IF7、IF8に覆われているため、絶縁膜IF7、IF8の上に金属膜MS1が堆積され、熱処理が行われたとしても、フィンFB、FC、エピタキシャル層EP1およびEP2のそれぞれの表面がシリサイド化されることはない。シリサイド層S1の最上面の位置は、エピタキシャル層EP1、EP2の最上面の位置よりも低い。
ここでは、フィンFAの側壁に沿って複数並ぶ柱状の金属膜MS1とフィンFAの側壁とを反応させてシリサイド層S1を形成しているが、当該側壁に沿う方向に隣り合う金属膜MS1同士の間隔は小さく、また、シリサイド層S1は第1熱処理の際に上下方向および横方向に大きくなるため、形成されたシリサイド層S1は、当該側壁を連続的に覆っている。
続いて、半導体基板SBの主面上に、例えば窒化シリコン膜からなるライナー膜(図示しない)と、酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜IL1とを順に形成する。当該ライナー膜および層間絶縁膜IL1は、例えばCVD法により形成することができる。層間絶縁膜IL1は、素子分離膜EI上のフィンFAの高さと、制御ゲート電極CGおよび絶縁膜IF4からなる積層体の高さとの合計の高さよりも大きい膜厚を有する。その後、例えばCMP法を用いて層間絶縁膜IL1の上面を平坦化する。
次に、図45に示すように、例えばCMP法により層間絶縁膜IL1の上面および絶縁膜IF4、IF5およびサイドウォールSWに対して研磨を行うことで、nMIS領域1BおよびpMIS領域1Cのダミーゲート電極DGの上面を露出させる。これにより、絶縁膜IF4、IF5は除去されるため、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGのそれぞれの上面も露出する。
次に、図46に示すように、pMIS領域1Cにおいて露出したダミーゲート電極DGの除去工程を実施する。すなわち、半導体基板SB上に例えばCVD法によりハードマスクHM2を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて、pMIS領域1CのハードマスクHM2を除去し、これによりpMIS領域1Cのダミーゲート電極DGを露出させる。ハードマスクHM2は、例えば酸化シリコン膜またはTiN(窒化チタン)膜からなり、nMIS領域1Bおよびメモリセル領域1Aの各ゲート電極はハードマスクHM2に覆われている。
続いて、ハードマスクHM2から露出するダミーゲート電極DGをウェットエッチングにより除去する。なお、ここではダミーゲート電極DGの下の絶縁膜IF3も除去するが、絶縁膜IF3は残しておいてもよい。また、絶縁膜IF3を除去した後、ダミーゲート電極DGが除去されて形成された溝の底面を覆う絶縁膜を形成してもよい。
次に、図47に示すように、当該溝内に、ゲート絶縁膜である絶縁膜HKと、メタルゲート電極であるゲート電極G2とを形成する。すなわち、まず、ハードマスクHM2上を含む半導体基板SB上に、例えばCVD法およびスパッタリング法を用いて、絶縁膜HK、金属膜MF3およびMF4を順に形成する。絶縁膜HKは、窒化シリコン膜よりも誘電率が高いhigh−k膜であり、ここでは酸化ハフニウム膜からなるが、その他、酸化ジルコニウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜または酸化ランタン膜などの金属酸化物により形成されていてもよい。
金属膜MF3は、ここでは窒化チタン(TiN)膜からなるが、その他に、窒化タンタル(TaN)膜、窒化タングステン(WN)膜、炭化チタン(TiC)膜、炭化タンタル(TaC)膜、炭化タングステン(WC)膜、窒化炭化タンタル(TaCN)膜、チタン(Ti)膜、タンタル(Ta)膜またはチタンアルミニウム(TiAl)膜などを用いてもよい。金属膜MF4は、例えばアルミニウム(Al)膜からなる。
pMIS領域1Cのダミーゲート電極DGが除去されることで形成された溝は、絶縁膜HK、金属膜MF3およびMF4からなる積層膜により、完全に埋め込まれる。その後、例えばCMP法により層間絶縁膜IL1上の不要な膜を除去し、pMIS領域1Cの層間絶縁膜IL1の上面を露出させることで、当該溝内に埋め込まれた絶縁膜HKからなるゲート絶縁膜と、当該溝内に埋め込まれた金属膜MF3、MF4からなるゲート電極G2とを形成する。これにより、ゲート電極G2と、pMIS領域1Cのソース・ドレイン領域とを含むp型トランジスタQPが形成される。
次に、図48に示すように、nMIS領域1Bにおいて露出したダミーゲート電極DGの除去工程を実施する。すなわち、ハードマスクHM2を除去し、続いて、半導体基板SB上に例えばCVD法によりハードマスクHM3を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて、nMIS領域1BのハードマスクHM3を除去し、これによりnMIS領域1Bのダミーゲート電極DGを露出させる。ハードマスクHM3は、例えば酸化シリコン膜またはTiN(窒化チタン)膜からなり、pMIS領域1Cおよびメモリセル領域1Aの各ゲート電極はハードマスクHM3に覆われている。
続いて、ハードマスクHM3から露出するダミーゲート電極DGをウェットエッチングにより除去する。なお、ここではダミーゲート電極DGの下の絶縁膜IF3も除去するが、絶縁膜IF3は残しておいてもよい。また、絶縁膜IF3を除去した後、ダミーゲート電極DGが除去されて形成された溝の底面を覆う絶縁膜を形成してもよい。
次に、図49に示すように、当該溝内に、ゲート絶縁膜である絶縁膜HKと、メタルゲート電極であるゲート電極G1とを形成する。すなわち、まず、ハードマスクHM3上を含む半導体基板SB上に、例えばCVD法およびスパッタリング法を用いて、絶縁膜HK、金属膜MF1およびMF2を順に形成する。絶縁膜HKは、窒化シリコン膜よりも誘電率が高いhigh−k膜であり、ここでは酸化ハフニウム膜からなるが、その他、酸化ジルコニウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化タンタル膜または酸化ランタン膜などの金属酸化物により形成されていてもよい。
金属膜MF1は、ここではチタンアルミニウム(TiAl)膜からなるが、その他に、窒化チタン(TiN)膜、窒化タンタル(TaN)膜、窒化タングステン(WN)膜、炭化チタン(TiC)膜、炭化タンタル(TaC)膜、炭化タングステン(WC)膜、窒化炭化タンタル(TaCN)膜、チタン(Ti)膜またはタンタル(Ta)膜などを用いてもよい。金属膜MF2は、例えばアルミニウム(Al)膜からなる。
nMIS領域1Bのダミーゲート電極DGが除去されることで形成された溝は、絶縁膜HK、金属膜MF1およびMF2からなる積層膜により、完全に埋め込まれる。その後、例えばCMP法により層間絶縁膜IL1上の不要な膜を除去し、nMIS領域1Bの層間絶縁膜IL1の上面を露出させることで、当該溝内に埋め込まれた絶縁膜HKからなるゲート絶縁膜と、当該溝内に埋め込まれた金属膜MF1、MF2からなるゲート電極G1とを形成する。これにより、ゲート電極G1と、nMIS領域1Bのソース・ドレイン領域とを含むn型トランジスタQNが形成される。
次に、図49に示すように、ハードマスクHM3を除去し、続いて、半導体基板SB上に例えばCVD法により絶縁膜IF9を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて、メモリセル領域1Aの絶縁膜IF9を除去する。したがって、nMIS領域1BおよびpMIS領域1Cのゲート電極G1、G2は絶縁膜IF9に覆われているが、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGは絶縁膜IF9から露出する。
続いて、周知のサリサイドプロセスを行うことで、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGのそれぞれの上面にシリサイド層S2を形成する。ここでは、例えば図41に示すようなスパッタリング装置SDを用いて、絶縁膜IF9上を含む半導体基板SB上に、スパッタリング法によりNiPt膜を堆積した後、第1熱処理を行ってシリサイド層S2を形成する。続いて、余分なNiPt膜を除去した後、第2熱処理を行うことで、低抵抗なシリサイド層S2を形成することができる。シリサイド層S2は、例えばNiPtシリサイド層である。すなわち、シリサイド層S1、S2は互いに同じ材料からなる。
ここで、上記サリサイドプロセスにおいて、第1熱処理の前に制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGのそれぞれの上の堆積するNiPt膜(金属膜)の膜厚は、図42に示すフィンFA上の金属膜MS1の膜厚より小さい。このように、シリサイド層S2を形成する際に堆積する金属膜の膜厚を小さく抑えることで、フィンFAなどを含む半導体基板SBが当該金属膜の応力により影響を受けることを防ぐことができる。
次に、図50に示すように、例えばCVD法を用いて、絶縁膜IF9上を含む半導体基板SB上に、層間絶縁膜IL2を形成する。層間絶縁膜IL2は、例えば酸化シリコン膜からなる。続いて、層間絶縁膜IL2の上面をCMP法などにより平坦化する。続いて、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング法を用いて、層間絶縁膜IL2、IL1を貫通するコンタクトホールCHを複数形成する。なお、nMIS領域1BおよびpMIS領域1CのコンタクトホールCHは、絶縁膜IF9も貫通している。
メモリセル領域1Aにおいて、コンタクトホールCHの底部には、ソース・ドレイン領域の直上のシリサイド層S1の上面の一部が露出している。nMIS領域1Bにおいて、コンタクトホールCHの底部には、ソース・ドレイン領域の一部であるエピタキシャル層EP1の上面の一部が露出している。pMIS領域1Cにおいて、コンタクトホールCHの底部には、ソース・ドレイン領域の一部であるエピタキシャル層EP2の上面の一部が露出している。
また、図示していない領域において、ゲート電極G1、G2、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGのそれぞれの上面の一部を露出するコンタクトホールCHが形成されている。これらのコンタクトホールCHは、層間絶縁膜IL1を貫通していない。また、半導体基板SBの主面に対して垂直な方向において、エピタキシャル層EP1、EP2のそれぞれの直上のコンタクトホールCHの長さは、シリサイド層S1の直上のコンタクトホールCHの長さよりも小さい。
次に、図51に示すように、周知のサリサイドプロセスを用いて、nMIS領域1BおよびpMIS領域1CのコンタクトホールCHの底部において露出するエピタキシャル層EP1、EP2のそれぞれの上面に、シリサイド層S3を形成する。すなわち、コンタクトホールCHの内部を含む半導体基板SBの主面上に、例えばCVD法を用いて金属膜を形成した後、熱処理を行うことで、当該金属膜とエピタキシャル層EP1、EP2のそれぞれの上面とを反応させることで、コンタクトホールCHの底部にシリサイド層S3を形成する。その後、当該金属膜を除去する。
ここでは、コンタクトホールCHのような細い開口部内にスパッタリング法に金属膜を形成することが困難であるため、CVD法により上記金属膜を形成している。ただし、Ni(ニッケル)膜はCVD法で形成することが困難であるため、ここではCVD法により形成することが容易なTi(チタン)膜を当該金属膜として形成している。したがって、シリサイド層Sは、TiSi(チタンシリサイド)膜からなる。すなわち、シリサイド層S3は、シリサイド層S1、S2とは異なる材料からなる。なお、シリサイド層S3の形成工程において、Ti(チタン)膜がメモリセル領域1Aのシリサイド層S1の直上のコンタクトホールCHの底部に残ってもよい。
次に、図52に示すように、コンタクトホールCH内に、接続用の導電部材として、タングステン(W)などからなる導電性のプラグPG1、PG2を形成する。プラグPG1、PG2のそれぞれは、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)と、バリア導体膜上に位置する主導体膜(例えばタングステン膜)との積層構造となっている。
プラグPG1は、メモリセルMCのソース領域およびドレイン領域に、シリサイド層S1を介して電気的に接続されている。上記のようにシリサイド層S1上にTi膜が残っている場合は、プラグPG1とシリサイド層S1との間にTi膜が介在する。プラグPG2は、nMIS領域1BのコンタクトホールCH内に埋め込まれ、シリサイド層S3を介してエピタキシャル層EP1に電気的に接続されている。つまり、プラグPG2はn型トランジスタQNのソース・ドレイン領域に電気的に接続されている。プラグPG2は、pMIS領域1CのコンタクトホールCH内に埋め込まれ、シリサイド層S3を介してエピタキシャル層EP2に電気的に接続されている。つまり、プラグPG2はp型トランジスタQPのソース・ドレイン領域に電気的に接続されている。
半導体基板SBの主面に対して垂直な方向において、エピタキシャル層EP1、EP2のそれぞれの直上のコンタクトホールCHの長さは、シリサイド層S1の直上のコンタクトホールCHの長さよりも小さい。これは、半導体基板SBの主面に対するシリサイド層S1の上面の高さが、半導体基板SBの主面に対するエピタキシャル層EP1、RP2のそれぞれの上面の高さよりも低いためである。
エピタキシャル層EP1、EP2のそれぞれの上面の高さがシリサイド層S1の上面の高さよりも高いのは、エピタキシャル層EP1、EP2を大きい体積で形成することにより、n型トランジスタQNおよびp型トランジスタQPのそれぞれのソース・ドレイン領域を低抵抗化するためである。すなわち、メモリセル領域1Aのシリサイド層S1は、半導体層に比べて抵抗値が低い材料からなるため、大きな体積および膜厚を有していなくてもメモリセルMCのソース・ドレイン領域を十分に低抵抗化することができる。
これに対し、エピタキシャル層EP1、EP2はシリサイド層S1に比べて高抵抗である。よって、n型トランジスタQNおよびp型トランジスタQPのそれぞれのソース・ドレイン領域を低抵抗化するためには、シリサイド層S1に比べて大きな体積および膜厚が必要となる。言い換えれば、エピタキシャル層EP1、EP2のそれぞれの上面の高さを、シリサイド層S1の上面の高さよりも高く形成することで、n型トランジスタQNおよびp型トランジスタQPのそれぞれのソース・ドレイン領域を低抵抗化することができる。
なお、シリサイド層S3を形成するために堆積した金属膜(チタン膜)がシリサイド層S1上のコンタクトホールCH内の底部に残っている場合には、シリサイド層S1の上面とプラグPG1との間にTi(チタン)膜が介在する。
次に、図53に示すように、層間絶縁膜IL2上に配線M1を形成する。配線M1は、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)と、バリア導体膜上に形成された主導体膜(銅膜)の積層構造からなる。図3では、図面の簡略化のために、配線M1は、バリア導体膜および主導体膜を一体化して示してある。また、プラグPG1、PG2も同様である。
配線M1は、例えばいわゆるシングルダマシン法により形成することができる。すなわち、層間絶縁膜IL2上に、配線溝を有する層間絶縁膜を形成し、当該配線溝内に金属膜を埋め込むことで、配線M1を形成することができる。ただし、ここでは配線M1の横の層間絶縁膜の図示を省略している。
<不揮発性メモリの動作について>
次に、不揮発性メモリの動作例について、図54および図55を参照して説明する。
図54は、不揮発性メモリのメモリセルMCの等価回路図である。図55は、「書込」、「消去」および「読出」時における選択メモリセルの各部位への電圧の印加条件の一例を示す表である。図55の表には、「書込」、「消去」、「読出」時のそれぞれにおいて、図54に示すメモリセル(選択メモリセル)MCのメモリゲート電極MG(図53参照)に印加する電圧Vmg、ソース領域に印加する電圧Vs、制御ゲート電極CG(図53参照)に印加する電圧Vcg、ドレイン領域に印加する電圧Vd、およびp型ウェルPW1(図4参照)に印加する電圧Vbが記載されている。なお、図55の表に示したものは電圧の印加条件の好適な一例であり、これに限定されるものではなく、必要に応じて種々変更可能である。また、本実施の形態では、メモリトランジスタの絶縁膜ON中の電荷蓄積部である窒化シリコン膜NF(図53参照)への電子の注入を「書込」、ホール(hole:正孔)の注入を「消去」と定義する。
書込み方式は、いわゆるSSI(Source Side Injection:ソースサイド注入)方式と呼ばれる、ソースサイド注入によるホットエレクトロン注入で書込みを行う書込み方式(ホットエレクトロン注入書込み方式)を用いることができる。例えば図55の「書込」の欄に示されるような電圧を、書込みを行う選択メモリセルの各部位に印加し、選択メモリセルの絶縁膜ON中の窒化シリコン膜中に電子を注入することで書込みを行う。
この際、ホットエレクトロンは、2つのゲート電極(メモリゲート電極MGおよび制御ゲート電極CG)間の下のチャネル領域(ソース、ドレイン間)で発生し、メモリゲート電極MGの下の絶縁膜ON中の電荷蓄積部である窒化シリコン膜にホットエレクトロンが注入される。注入されたホットエレクトロン(電子)は、絶縁膜ON中の窒化シリコン膜中のトラップ準位に捕獲され、その結果、メモリトランジスタのしきい値電圧が上昇する。すなわち、メモリトランジスタは書込み状態となる。
消去方法は、いわゆるBTBT方式と呼ばれる、BTBT(Band-To-Band Tunneling:バンド間トンネル現象)によるホットホール注入により消去を行う消去方式(ホットホール注入消去方式)を用いることができる。すなわち、BTBT(バンド間トンネル現象)により発生したホール(正孔)を電荷蓄積部(絶縁膜ON中の窒化シリコン膜NF)に注入することにより消去を行う。例えば図55の「消去」の欄に示されるような電圧を、消去を行う選択メモリセルの各部位に印加し、BTBT現象によりホール(正孔)を発生させ電界加速することで選択メモリセルの絶縁膜ON中の窒化シリコン膜中にホールを注入し、それによってメモリトランジスタのしきい値電圧を低下させる。すなわち、メモリトランジスタは消去状態となる。
読出し時には、例えば図55の「読出」の欄に示されるような電圧を、読出しを行う選択メモリセルの各部位に印加する。読出し時のメモリゲート電極MGに印加する電圧Vmgを、書込み状態におけるメモリトランジスタのしきい値電圧と消去状態におけるメモリトランジスタのしきい値電圧との間の値にすることで、書込み状態と消去状態とを判別することができる。
<半導体装置の製造方法の効果について>
次に、本実施の形態の半導体装置の製造方法の主要な特徴および効果について、比較例として図58を用いて説明する。図58は、比較例の半導体装置の製造工程中の断面図であって、図42に示す断面図に対応する。
フィンを有さず、半導体基板の主面にソース・ドレインおよびチャネル領域を形成するトランジスタでは、ソース・ドレイン領域の低抵抗化、および、ソース・ドレイン領域とプラグとの間の接続抵抗の低減を目的として、ソース・ドレイン領域の上面をシリサイド層により覆うことが考えられる。ここでシリサイド層を形成する場合には、例えば半導体基板上に25nmの膜厚を有する金属膜をスパッタリング法により堆積し、その後熱処理を行うことで金属膜と半導体とを反応させ、これによりシリサイド層を形成する。
そこで、フィン上に形成されたトランジスタ(FINFET)においても、ソース・ドレイン領域の表面を覆うシリサイド層を形成することが考えられる。しかし、半導体基板の主面上に突出するフィンの側壁は、シリサイド層を形成することが容易ではない。これは、シリサイド層を形成するためにフィンの表面に金属膜をスパッタリング法により堆積させようとすると、スパッタリング法による堆積膜のフィンの側壁に対するカバレッジの悪さに起因して、当該側壁に殆ど金属膜が堆積しないためである。例えば、当該金属膜を半導体基板上に堆積した場合、フィンの側壁を覆う金属膜の膜厚は、フィンの上面を覆う金属膜の膜厚の20%程度となる場合がある。
したがって、熱処理を行って金属膜とフィンの表面とを反応させ、これによりシリサイド層を形成しようとしても、フィンの側壁の金属膜の膜厚が小さいため、当該側壁には、ソース・ドレイン領域を十分に低抵抗化するために必要な膜厚のシリサイド層を形成することができない。
そこで、スパッタリング法により形成する金属膜の膜厚を大きくすることで、フィンの側壁に十分な膜厚の金属膜を形成する方法が考えられる。すなわち、比較例として図58に示すように、メモリセル領域1AのフィンFAの上面および側壁を覆うように、厚い金属膜MS2を形成することが考えられる。金属膜MS2は、NiPt膜であり、フィンFAの上面上における金属膜MS2の膜厚は、例えば60nmである。金属膜MS2を形成する際には、室温の半導体基板SBに対してNiPt膜をスパッタリング法により堆積する。これにより、素子分離膜EIの上面、フィンFAの側壁およびフィンFAの上面を連続的に覆う厚い金属膜MS2を形成することができる。金属膜MS2はフィンFAに直接接しており、金属膜MS2とフィンFAとの間にシリサイド層は形成されていない。
その後、熱処理を行うことでシリサイド層を形成する。ここでは、フィンFAの側壁を覆う金属膜MS2が、所望の膜厚のシリサイド層を形成ために十分な膜厚を有するため、メモリセルのソース・ドレイン領域の低抵抗化を実現するために必要な膜厚を有するシリサイド層によりフィンFAの側壁を覆うことができる。
しかし、例えばNiなどを含む金属膜MS2は内部応力が大きいため、フィンFAの表面上に堆積する金属膜MS2の膜厚を大きくすると、金属膜MS2が有する応力が増大する。この場合、フィンFAが当該応力の影響を受けることで、フィンFAに形成されるFINFETの性能および信頼性が低下する問題が生じる。
これに対し、フィンの表面にシリサイド層を形成せず、代わりにエピタキシャル層(せり上げ層)を形成することで、FINFETのソース・ドレイン領域を構成する半導体領域の体積を増大させることができる。したがって、ソース・ドレイン領域の低抵抗化を実現することができる。エピタキシャル層は、上記の方法でシリサイド層を形成する場合に比べて、フィンに対して与える応力の影響が少ないため、FINFETの性能および信頼性を向上させることができる。
しかし、当該FINFETがスプリットゲート型のMONOSメモリを構成する場合、電荷蓄積部であるONO膜はエピタキシャル層を形成したことによる応力の増大により影響を受ける。このため、メモリセルの性能および信頼性が低下する問題が生じる。そこで、本発明者は、フィン上のMONOSメモリにおいては、ソース・ドレイン領域を低抵抗化するために、エピタキシャル層を形成せずにシリサイド層を形成することについて検討した。
ここで、FINFETからなるスプリットゲート型のMONOSメモリでは、フィンの側壁を均一に十分な膜厚の金属膜で連続的に覆った場合、当該金属膜の内部応力が増大するため、その後に形成されるシリサイド層が異常成長する虞がある。つまり、フィン内においてシリサイド層が異常成長すると、例えば短絡などが生じてメモリセルが正常に動作しなくなり、メモリセルの性能および信頼性が低下する問題が生じる。また、応力の大きい金属膜MS2を形成すると、メモリセルの電荷蓄積部を含むONO膜が当該応力に影響を受け、メモリセルの性能および信頼性が低下する。
これに対し、本実施の形態では、図41および図42を用いて説明したように、半導体ウェハを例えば200℃に加熱した状態で、金属膜MS1のスパッタリング法による成膜を行っている。これにより、当該スパッタリング法による成膜工程中に、フィンFAの表面に薄いシリサイド層SSを形成し、その後堆積される金属膜MS1の被膜性を向上させることができる。このとき、フィンFAの側壁には、シリサイド層SSを介して複数の金属膜MS1が柱状に形成される。フィンFAの側壁に形成された複数の柱状の金属膜MS1同士は互いに離間しているため、金属膜MS1がフィンFAの上面上に例えば60nm程度の大きい膜厚で形成されても、金属膜MS1の内部応力の増大を抑えることができ、さらに、金属膜MS1の内部応力がフィンFA全体に対し与える影響を低減することができる。
よって、その後、当該金属膜MS1を反応させて図53に示すシリサイド層S1を形成しても、メモリセルMCのフィンFAが、金属膜MS1の応力により影響を受けることを防ぐことができる。よって、メモリトランジスタおよび制御トランジスタの性能および信頼性が低下することを防ぎ、かつ、メモリセルMCのソース・ドレイン領域を低抵抗化することができる。また、ONO膜が当該応力の影響を受けることに起因して、メモリセルMCの性能および信頼性が低下することを防ぐことができる。加えて、金属膜MS1の応力により影響を受けることに起因して、シリサイド層S1を形成した際にシリサイド層S1が異常成長することを防ぐことができる。
よって、メモリセルMCの信頼性が低下することを防ぎつつ、メモリセルMCの性能を向上させることができる。また、ロジック領域では、n型トランジスタQNのソース・ドレイン領域の一部としてエピタキシャル層EP1を形成し、p型トランジスタQPのソース・ドレイン領域の一部としてエピタキシャル層EP2を形成することで、n型トランジスタQNおよびp型トランジスタQPのそれぞれのソース・ドレイン領域の低抵抗化を実現している。これにより、メモリセルMCおよびロジック領域のトランジスタのそれぞれを低抵抗化することができるため、半導体装置の性能を向上させることができる。
また、ここでは、ロジック領域のゲート絶縁膜をhigh−k膜により形成し、ダミーゲート電極を低抵抗なメタルゲート電極に置き換えることで、短チャネル効果を抑制しつつ、トランジスタの微細化およびゲート電極の低抵抗化を実現することができる。
(実施の形態2)
以下に、図56および図57を用いて、本実施の形態2の半導体装置の製造方法について説明する。図56および図57は、本実施の形態2の半導体装置の形成工程中の断面図である。なお、図57では図を分かりやすくするため、図56に示す積層膜である絶縁膜ONを1つの膜として示している。
ここではまず、図6〜図48を用いて説明した工程を行う。ただし、ここでは制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MG(図48)を、ポリシリコン膜からなるダミーゲート電極として形成する。
次に、図56に示すように、ハードマスクHM3を除去し、続いて、メモリセル領域1Aを露出し、nMIS領域1BおよびpMIS領域1Cを覆うハードマスクHM4を、半導体基板SB上に形成する。その後、当該ハードマスクHMをマスクとして用いてエッチングを行うことにより、ダミーゲート電極である制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGを除去することで、制御ゲート電極CGおよびメモリゲート電極MGが形成されていた領域のそれぞれに溝を形成する。
次に、図57に示すように、図48を用いて説明した工程と同様の工程を行う。すなわち、半導体基板SB上に絶縁膜HK、金属膜MF1および金属膜MF2を順に形成することで、上記溝を埋め込んだ後、CMP法による研磨を行うことで、絶縁膜HKからなるゲート絶縁膜と、金属膜MF1および金属膜MF2からなる制御ゲート電極CGMと、金属膜MF1および金属膜MF2からなるメモリゲート電極MGMとを形成する。
次に、ハードマスクHM4を除去した後、図50〜図53を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、図57に示す半導体装置が完成する。ここでは、メモリセルMCを構成する制御ゲート電極CGMおよびメモリゲート電極MGMをメタルゲート電極により形成するため、これらのゲート電極の上面にシリサイド層を形成する必要はない。
本実施の形態では、前記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。また、制御トランジスタのゲート絶縁膜をhigh−k膜により形成し、メモリセルMCのダミーゲート電極を低抵抗なメタルゲート電極に置き換えることで、短チャネル効果を抑制しつつ、トランジスタの微細化およびゲート電極の低抵抗化を実現することができる。つまり、制御トランジスタおよびメモリトランジスタの性能を高めることができる。
以上、本発明者らによってなされた発明を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いうまでもない。
1A メモリセル領域
1B nMIS領域
1C pMIS領域
CG 制御ゲート電極
D1〜D3 拡散領域
EI 素子分離膜
EX1〜EX3 エクステンション領域
FA〜FC フィン
G1、G2 ゲート電極
GF ゲート絶縁膜
MC メモリセル
MG メモリゲート電極
ON 絶縁膜(ONO膜)
QN n型トランジスタ
QP p型トランジスタ
S1〜S3、SS シリサイド層
SB 半導体基板

Claims (15)

  1. 主面に沿って並ぶ第1領域および第2領域を有する半導体基板と、
    前記第1領域の前記半導体基板の一部分であって、前記半導体基板の上面から突出し、前記半導体基板の前記主面に沿う第1方向に延在する第1突出部と、
    前記第1突出部の上面上に第1絶縁膜を介して形成され、前記第1方向に直交する第2方向に延在する第1ゲート電極と、
    前記第1突出部の前記上面上に電荷蓄積部である第2絶縁膜を介して形成され、前記第1ゲート電極の一方の側壁に前記第2絶縁膜を介して隣接し、前記第2方向に延在する第2ゲート電極と、
    前記第1ゲート電極および前記第2ゲート電極からなるパターンを前記第1方向において挟むように前記第1突出部の前記上面に形成された第1ソース・ドレイン領域と、
    前記第2領域の前記半導体基板の一部分であって、前記半導体基板の前記上面から突出し、前記第1方向に延在する第2突出部と、
    前記第2突出部の上面上に第3絶縁膜を介して形成され、前記第2方向に延在する第3ゲート電極と、
    前記第3ゲート電極を前記第1方向において挟むように前記第2突出部の前記上面に形成された第2ソース・ドレイン領域と、
    前記第1ソース・ドレイン領域のそれぞれの上面および側壁を覆い、前記第1突出部に接する第1シリサイド層と、
    前記第2ソース・ドレイン領域のそれぞれの上面および側壁を覆い、前記第2突出部に接する半導体層と、
    を有し、
    前記第1ゲート電極、前記第2ゲート電極および前記第1ソース・ドレイン領域は、不揮発性記憶素子を構成し、
    前記第3ゲート電極および前記第2ソース・ドレイン領域は、トランジスタを構成する、半導体装置。
  2. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記半導体層の上面の位置は、前記第1シリサイド層の上面の位置よりも高い、半導体装置。
  3. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記半導体基板上に形成され、前記不揮発性記憶素子および前記トランジスタを覆う第4絶縁膜と、
    前記第4絶縁膜を貫通し、前記第1シリサイド層を介して、前記第1ソース・ドレイン領域に電気的に接続された第1接続部と、
    前記第4絶縁膜を貫通し、前記第2ソース・ドレイン領域に電気的に接続された第2接続部と、
    をさらに有し、
    前記第2接続部の底面の位置は、前記第1接続部の底面の位置よりも高い、半導体装置。
  4. 請求項3記載の半導体装置において、
    前記第1接続部と前記第1シリサイド層とは、互いに接しており、
    前記第2接続部は、前記第2接続部および前記半導体層の間に形成された第2シリサイド層と前記半導体層とを介して前記第2突出部内の前記第2ソース・ドレイン領域に接続されている、半導体装置。
  5. 請求項4記載の半導体装置において、
    前記第2接続部の横の前記半導体層の前記上面は、前記第2シリサイド層から露出している、半導体装置。
  6. 請求項4記載の半導体装置において、
    前記第1シリサイド層は、ニッケルシリサイドからなり、前記第2シリサイド層は、チタンシリサイドからなる、半導体装置。
  7. 請求項3記載の半導体装置において、
    前記第1接続部と前記第1シリサイド層との間には、チタンを含む第1金属膜が介在しており、
    前記第2接続部は、前記第2接続部および前記半導体層の間に形成された第2シリサイド層と前記半導体層とを介して前記第2突出部内の前記第2ソース・ドレイン領域に接続されている、半導体装置。
  8. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記半導体層は、前記第2ソース・ドレイン領域の一部を構成している、半導体装置。
  9. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記第3ゲート電極は、第2金属膜を含む、半導体装置。
  10. 請求項1記載の半導体装置において、
    前記第1ゲート電極は、第3金属膜を含み、前記第2ゲート電極は、第4金属膜を含む、半導体装置。
  11. (a)半導体基板を準備する工程、
    (b)前記半導体基板の上面の一部を後退させることで、前記半導体基板の一部分であって、前記半導体基板の前記上面から突出し、前記半導体基板の前記上面に沿う第1方向に延在する第1突出部と、前記半導体基板の前記上面から突出し、前記第1方向に延在する第2突出部とを形成する工程、
    (c)前記第1突出部および前記第2突出部の間の溝内を埋め込む素子分離膜を形成する工程、
    (d)前記(c)工程の後、前記第1突出部の直上に第1絶縁膜を介して第1ゲート電極を形成し、前記第1ゲート電極の一方の側壁に電荷蓄積部である第2絶縁膜を介して隣接する領域の前記第1突出部の直上に前記第2絶縁膜を介して第2ゲート電極を形成し、前記第2突出部の直上に第3絶縁膜を介して第3ゲート電極を形成する工程、
    (e)前記第3ゲート電極の横の前記第2突出部の上面および側壁を覆うエピタキシャル層を形成する工程、
    (f)前記第3ゲート電極の横の前記第2突出部の上面に第2ソース・ドレイン領域を形成する工程、
    (g)前記第1ゲート電極および前記第2ゲート電極からなるパターンの横の前記第1突出部の上面に第1ソース・ドレイン領域を形成する工程、
    (h)前記(g)工程の後、前記第2突出部を保護膜により覆った状態で、前記パターンの横の前記第1ソース・ドレイン領域のそれぞれの上面および側壁を覆う第1シリサイド層を形成する工程、
    を有し、
    前記第1ゲート電極、前記第2ゲート電極および前記第1ソース・ドレイン領域は、不揮発性記憶素子を構成し、
    前記第3ゲート電極および前記第2ソース・ドレイン領域は、トランジスタを構成する、半導体装置の製造方法。
  12. 請求項11記載の半導体装置の製造方法において、
    前記エピタキシャル層の上面の位置は、前記第1シリサイド層の上面の位置よりも高い、半導体装置の製造方法。
  13. 請求項11記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(h)工程は、
    (h1)前記第2突出部を保護膜により覆う工程、
    (h2)前記(h1)工程の後、第1熱処理を行って前記第1突出部を加熱した状態で、前記第1突出部を覆う金属膜を形成することで、前記金属膜と前記第1突出部の表面とを反応させ、これにより前記金属膜と前記第1突出部の表面との間に第3シリサイド層を形成する工程、
    (h3)前記(h2)工程の後、第2熱処理を行うことで、前記金属膜と前記第1突出部の表面とを反応させ、これにより前記第1シリサイド層を形成する工程、
    を有する、半導体装置の製造方法。
  14. 請求項13記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(h2)工程では、前記第1突出部の側壁を覆う前記金属膜は、前記側壁に沿う方向において互いに離間して並ぶ複数の膜からなる、半導体装置の製造方法。
  15. 請求項13記載の半導体装置の製造方法において、
    前記(h2)工程は、
    (h4)熱処理用チャンバ内で前記第1熱処理を行う工程、
    (h5)前記(h4)工程の後、前記半導体基板を、前記熱処理用チャンバ内から成膜用チャンバ内まで真空状態が維持された経路を通って搬送する工程、
    (h6)前記(h5)工程の後、前記成膜用チャンバ内でスパッタリング法により前記金属膜の形成を行う工程、
    を有する、半導体装置の製造方法。
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