JPH0855918A - 電界効果型半導体メモリ装置の構造およびその製造方法 - Google Patents

電界効果型半導体メモリ装置の構造およびその製造方法

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JPH0855918A
JPH0855918A JP6189610A JP18961094A JPH0855918A JP H0855918 A JPH0855918 A JP H0855918A JP 6189610 A JP6189610 A JP 6189610A JP 18961094 A JP18961094 A JP 18961094A JP H0855918 A JPH0855918 A JP H0855918A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ソース・ドレイン領域に対し自己整合的に強
誘電体ゲート絶縁膜を設けることができ、ソース・ドレ
イン領域の不純物の活性化と強誘電体膜質の確保、トラ
ンジスタ特性の劣化防止を図った電界効果型半導体メモ
リ装置およびその製造方法を提供する。 【構成】 半導体基板101に溝102を形成し、溝を
Si酸化膜103で埋め込み、不純物を注入し、高温の
熱処理を行って、ソース・ドレイン領域104を形成
し、Si酸化膜を除去し、低誘電率絶縁膜105を設
け、ゲート電極107およびソース・ドレイン電極10
8を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置、特に、強
誘電体容量素子を有する半導体メモリ装置およびその製
造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】これまでに半導体メモリ装置、特に、強
誘電体を利用した不揮発性メモリ装置が提案されている
が、その情報保持方式は大きく分けて、2つの方法に分
けることができる。一つは、信号経路ゲートとなるスイ
ッチング素子と容量素子とを組み合わせ、情報を容量素
子電極に電荷として保持する方法(特開昭63−201
998号公報等)、もう一つは、電界効果型トランジス
タのゲート絶縁膜に強誘電体を使用しその強誘電性か
ら、しきい値電圧を制御する方法(特開昭48−919
83号公報、特開昭50−15446号公報等)であ
る。本発明は、後者の方法に関連している。
【0003】図4に、特開昭48−91983号公報で
示される半導体メモリ装置の例について説明する。素子
分離されたp型半導体基板301と、この基板の表面上
に形成された、n型の伝導型のソース・ドレイン領域3
04と、自発分極特性を有する強誘電体膜のゲート絶縁
膜306と、ゲート電極307と、ソース・ドレイン電
極308とにより構成されている。
【0004】ゲート電極307に正の電圧を強誘電体が
分極するに足る程度に印加すると、強誘電体膜下のp型
半導体領域301にチャネルが形成され、その後、ゲー
ト電極への電圧印加を止めても、強誘電体の分極特性の
ためにそのチャネルは形成された状態で保持されるか、
または、弱反転状態のような低抵抗状態になる。次に、
分極を反転させることができるだけ程度の負の電圧を印
加すると、チャネルは閉ざされ、そして電圧印加を止め
ても、チャネルは閉ざされたままである。そして、しき
い値電圧は正の値になり、エンハンスメント型のトラン
ジスタとなる。
【0005】以上説明した強誘電体をゲート絶縁膜とし
た電界効果型トランジスタのソース・ドレイン拡散層
を、ウー(S.Y.Wu)は、刊行物“Ferroel
ectrics 1976,Vol.11,pp.37
9−383”に記載されているように、ゲート絶縁膜お
よびゲート電極形成より前に形成している。Si基板表
面にソース・ドレインへの不純物拡散のマスクとして酸
化膜を成膜し、リソグラフィーとエッチングにより不純
物拡散マスクを形成し、熱拡散で不純物をSi基板表面
に導入する。その後、マスク酸化膜を除去し、強誘電体
膜を成膜している。
【0006】一方、高度に集積化された半導体集積回路
の電界効果トランジスタのソース・ドレインを形成する
場合、ゲートを形成した後、自己整合的にソース・ドレ
インが形成されるべき領域にイオン注入法等により不純
物をドープする技術は周知である。この方法によれば、
素子寸法の減少に伴い、リソグラフィー技術のみでは困
難になるトランジスタの不純物分布制御を容易にし、ソ
ース・ドレインの位置に対するゲートの位置ずれによる
特性の劣化・非対称性を回避することができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】以上説明した強誘電体
をゲート絶縁膜とした電界効果型トランジスタの前者の
製造方法では、ソース・ドレイン領域をゲート形成前に
行っているために、素子寸法を微細化するのは困難であ
る。一方、強誘電体膜の形成およびゲート電極形成後に
イオン注入法でソース・ドレイン領域を自己整合的に形
成しようとする後者の製造方法の場合、イオン注入後、
高温の熱処理を行って不純物を電気的に活性な状態にす
ることが必要となる。その場合、高温の熱処理によっ
て、強誘電体を構成する金属元素が一部の半導体基板中
に拡散してトランジスタ特性の変化や、膜外への蒸発に
よる膜特性の劣化、熱応力によるクラック発生による形
状変化等の問題が生じる。
【0008】本発明の目的は、ソース・ドレイン領域を
ゲート形成前に形成し、かつ、ソース・ドレイン領域に
対し自己整合的に強誘電体ゲート絶縁膜を設けることが
できる電界効果型半導体メモリ装置およびその製造方法
を提供することにある。
【0009】本発明の他の目的は、強誘電体をゲート絶
縁膜にした電界効果型半導体メモリ装置のソース・ドレ
イン領域の不純物の活性化と強誘電体膜質の確保、トラ
ンジスタ特性の劣化防止を図った電界効果型半導体メモ
リ装置およびその製造方法を提供することにある。
【0010】本発明のさらに他の目的は、素子寸法を微
細化した高度に集積化された強誘電体を用いた不揮発性
メモリ集積回路の実現を可能とする電界効果型半導体メ
モリ装置およびその製造方法を提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、強誘電体膜を
介して半導体と接続されるゲート電極を持つ電界効果型
半導体メモリ装置において、前記強誘電体膜と前記半導
体との界面が、ソース・ドレイン領域の表面より下方に
位置することを特徴とする。
【0012】この電界効果型半導体メモリ装置を製造す
るに際しては、前記ソース・ドレイン領域となる高濃度
不純物領域を形成した後、前記強誘電体膜の形成を行
う。
【0013】
【作用】ゲート絶縁膜の強誘電体とそれに接するかまた
は別の誘電体を介して接する半導体との界面の位置が、
そのソース・ドレイン領域の表面より下方に位置するの
で、ソース・ドレイン領域をゲート形成前に形成し、か
つ、ソース・ドレイン領域に対し自己整合的に強誘電体
ゲート絶縁膜を設けることが可能になる。
【0014】また、ソース・ドレイン領域をゲート形成
前に形成するので、ソース・ドレイン領域の不純物の活
性化と強誘電体膜質の確保、トランジスタ特性の劣化防
止が可能となる。
【0015】
【実施例】図1は、本発明の電界効果型半導体メモリ装
置の一実施例である電界効果トランジスタの断面図であ
る。この電界効果トランジスタは、p型半導体基板10
1と、ソース・ドレイン領域104と、低誘電率絶縁膜
105と、ゲート絶縁膜である強誘電体106と、ゲー
ト電極107と、ソース・ドレイン電極108とから構
成されており、強誘電体106の下の低誘電率絶縁膜1
05とp型半導体との界面が、ソース・ドレイン領域1
04の上面より下方に位置している。低誘電率絶縁膜1
05は、ソース・ドレイン間のバイアスで強誘電体10
6にかかる横方向の電界を弱めるためのものである。
【0016】この電界効果トランジスタの製造方法の第
1の実施例を、図2を参照して説明する。
【0017】まず、図2(a)に示すように、p型半導
体基板101にリソグラフィーとエッチングで溝102
を形成する。
【0018】次に、図2(b)に示すように、溝102
にSi酸化膜103を埋め込む。次に、半導体基板10
1にそれとは反対の伝導型にする不純物(n型ドーパン
ト)をイオン注入し、引き続き、高温の熱処理を行って
不純物を電気的に活性化し、ソース・ドレイン領域10
4とする。
【0019】次に、図2(c)に示すように、溝102
に埋め込んだSi酸化膜103を選択的に除去して溝を
形成した後、低誘電率絶縁膜であるSi酸化膜105を
全面に成膜する。
【0020】次に、図2(d)に示すように、強誘電体
106としてBi4 Ti3 12を溝にスパッタ成膜して
エッチバックして埋め込む。
【0021】次に、図2(e)に示すように、強誘電体
106の上にゲート電極107としてPtを成膜・加工
する。溝に強誘電体106を埋め込む方法としては、強
誘電体を成膜後に機械研磨、化学研磨あるいは機械化学
研磨することも可能である。
【0022】最後に、図2(f)に示すように、金属ソ
ース・ドレイン電極108を配線して完成する。
【0023】低誘電率層105は、前述したようにソー
ス・ドレイン間のバイアスで強誘電体にかかる横方向の
電界を弱めるためのものである。よって、Si酸化膜を
Si窒化膜にすることも、また、強誘電体より比較して
誘電率の小さいTa2 5 等の材料でも可能である。
【0024】強誘電体としてBi4 Ti3 12を用いた
が、PZT,PLAZT,BiSr2 Ta2 9 等でも
良い。
【0025】また、ゲート電極材料としてPtを用いた
が、Ru,Au等他の金属材料でも可能である。
【0026】以上、本発明の電界効果型半導体メモリ装
置の一実施例について説明したが、次のような構造をと
ることもできる。
【0027】例えば、低誘電率膜を成膜後、異方性エッ
チングにより溝の底部のみを除去することで溝側壁に低
誘電率の絶縁膜を配置した構造でもよい。そのとき、強
誘電体膜の下の半導体基板界面に別の誘電膜を配置する
ことも可能である。
【0028】また、強誘電体と半導体との界面に低誘電
率膜を配置しない構造とすることも可能である。
【0029】また、Ptをゲート絶縁膜上のみならずソ
ース・ドレインの上にも成膜し、適当な熱処理により強
誘電体と反応させずにソース・ドレインのSiとのシリ
サイドを形成することでソース・ドレインの寄生抵抗を
低減することも可能である。
【0030】図2の実施例では、p型半導体基板にリソ
グラフィーとエッチングにより溝102を形成したが、
図3(a)に示すように、p型半導体基板上201にS
iの多結晶または単結晶半導体膜211を成膜し、次
に、図3(b)に示すように、半導体膜211に溝20
2を形成することもできる。その後、図2の工程と同様
にして、電界効果型半導体メモリ装置を製造することが
できる。
【0031】なお、図1および図2において説明した製
造方法において、ソース・ドレイン形成法として、半導
体基板または半導体基板状に成膜されたSi膜にイオン
注入法または熱拡散により不純物をドープして、次に溝
を形成し、ソースとドレインを分離する方法も可能であ
る。
【0032】また本実施例の電界効果型半導体メモリ装
置は、n型半導体基板でp型のソース・ドレインを設け
たものでも可能である。
【0033】
【発明の効果】本発明によれば、ゲート絶縁膜がソース
・ドレイン領域に対して自己整合的に配置されるため
に、半導体基板上に多数個の素子を形成しても、その特
性のばらつきが少なかった。また、強誘電体膜には熱が
加えられないので、プロセス完了後にも強誘電体膜にク
ラック等の構造の変形は観察されず、また、不純物分析
によれば基板中への強誘電体材料元素の拡散も観察され
ず、リーク電流も増大しなかった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電界効果型半導体メモリ装置の一例で
ある電界効果トランジスタの断面図である。
【図2】図1の電界効果トランジスタの製造方法を示す
図である。
【図3】図1の電界効果トランジスタの他の製造方法を
示す図である。
【図4】従来の半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
101,201 p型半導体基板 211 単結晶または多結晶半導体膜 102 強誘電体を埋め込む溝 103 Si酸化膜 104,304 ソース・ドレイン領域 105 低誘電率絶縁膜 106,306 Bi4 Ti3 12強誘電体 107,307 ゲート電極 108,308 ソース・ドレイン電極

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】強誘電体膜を介して半導体と接続されるゲ
    ート電極を持つ電界効果型半導体メモリ装置において、 前記強誘電体膜と前記半導体との界面が、ソース・ドレ
    イン領域の表面より下方に位置することを特徴とする電
    界効果型半導体メモリ装置。
  2. 【請求項2】請求項1記載の電界効果型半導体メモリ装
    置の製造方法において、 前記ソース・ドレイン領域となる高濃度不純物領域を形
    成した後、前記強誘電体膜の形成を行うことを特徴とす
    る電界効果型半導体メモリ装置の製造方法。
  3. 【請求項3】半導体基板を準備するステップと、 前記半導体基板に溝を形成するステップと、 前記溝をSi酸化膜で埋め込むステップと、 前記半導体に不純物を注入し、不純物を活性化するため
    に高温の熱処理を行って、ソース・ドレイン領域を形成
    するステップと、 前記Si酸化膜を除去し、除去した後の溝に強誘電体を
    埋め込むステップと、 前記強誘電体上にゲート電極を、前記ソース・ドレイン
    領域上にソース・ドレイン電極を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする電界効果型半導体メモリ装置の
    製造方法。
  4. 【請求項4】半導体基板を準備するステップと、 前記半導体上にSiの多結晶または単結晶半導体膜を形
    成するステップと、 前記半導体膜に溝を形成するステップと、 前記溝をSi酸化膜で埋め込むステップと、 前記半導体に不純物を注入し、不純物を活性化するため
    に高温の熱処理を行って、ソース・ドレイン領域を形成
    するステップと、 前記Si酸化膜を除去し、除去した後の溝に強誘電体を
    埋め込むステップと、 前記強誘電体上にゲート電極を、前記ソース・ドレイン
    領域上にソース・ドレイン電極を形成するステップと、
    を含むことを特徴とする電界効果型半導体メモリ装置の
    製造方法。
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