JPH1117165A - 半導体装置の積層ゲート構造 - Google Patents

半導体装置の積層ゲート構造

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JPH1117165A
JPH1117165A JP16423297A JP16423297A JPH1117165A JP H1117165 A JPH1117165 A JP H1117165A JP 16423297 A JP16423297 A JP 16423297A JP 16423297 A JP16423297 A JP 16423297A JP H1117165 A JPH1117165 A JP H1117165A
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JP
Japan
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layer
etching stopper
polysilicon layer
gate electrode
gate
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Application number
JP16423297A
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English (en)
Inventor
Nobuyoshi Takeuchi
信善 竹内
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JFE Engineering Corp
Original Assignee
NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Publication date
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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来、低抵抗で薄膜化されたゲート電極は、ポ
リシリコン層が薄くされ、ゲート電極形成のエッチング
時に、不必要にポリシリコン層が除去され、ポリシリコ
ン層のみならず、さらに下層のゲート絶縁膜も除去さ
れ、ゲート絶縁膜が無くなったり、下の不純物拡散部分
の結晶構造が壊れたり、荒れてしまう。 【解決手段】本発明は、下層からポリシリコン層5、エ
ッチングストッパ層6、金属層9が積層され、ポリシリ
コン層5に対してエッチングレートが低い酸化膜や窒化
膜をエッチングストッパ層6とし、ゲート電極12の形
成時に、ポリシリコン層5のオーバーエッチングやゲー
ト絶縁膜4への損傷が防止され、エッチングストッパ層
6を金属層9で覆い、ポリシリコン層5と金属層9を電
気的に導通する領域が設けられ、ポリシリコン層5が薄
くされ、薄膜化された半導体装置の積層ゲート構造であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板に形成
されるトランジスタの積層ゲート構造に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、初期のMOSトランジスタのゲ
ート電極には、ゲート酸化膜上に金属層が形成されてい
た。しかし集積化が進み、且つ形成方法にセルフアライ
メントの手法が導入されるに従い、具体的には、不純物
を注入する拡散層(アクティブ領域)をセルフアライメ
ント的に形成する手法が用いられたため、ゲート電極が
金属からポリシリコンに移行して形成されるようになっ
た。
【0003】そして、さらなる微細化や高速処理の要求
に伴い、ゲート電極はポリシリコン層単体からシリサイ
ド・ポリサイドを積層した構造で用いられるようにな
り、特に、低抵抗なゲート電極が必要とされるときは、
膜厚が厚いポリサイドを用いている。
【0004】また微細化とともに、回路素子を階層的に
形成する多層構造も取り入れられており、各層の平坦化
の影響から段差緩和のためにゲート電極を薄膜化するこ
とが重要となっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】前述したポリサイドを
用いたゲート電極は、通常、ポリシリコン層を形成した
後、上層にポリサイド層を積層した構造となっている。
また、前述した膜厚の厚いポリサイド層を形成する方法
もある。
【0006】一般的に、低抵抗を維持しつつ、ゲート電
極の薄膜化を図る場合、上層のポリサイド層は、ある程
度の膜厚が必要であるため、下層のポリシリコン層を薄
くすることとなる。
【0007】しかし、ゲート電極を形成するエッチング
処理を行った際、ポリサイド層をエッチングするプロセ
スガスは、ポリシリコン層もエッチングする。このため
ポリシリコン層はストッパとしては機能せず、薄膜化を
狙って下層のポリシリコン層を薄くしすぎると、後の製
造工程のゲート電極を形成するためのエッチングの時
に、ポリシリコン層のみならず、さらに下層のゲート絶
縁膜もエッチングされてしまう場合があり、ゲート酸化
膜が無くなったり、その下層の不純物拡散部分の結晶構
造が壊れたり、荒れてしまうという問題が生じることと
なる。
【0008】そこで本発明は、ゲート電極の積層構造内
に低抵抗を維持しつつ、エッチングストッパ層を設け
て、下層のポリシリコン層及びゲート絶縁層を保護し、
ゲート電極の薄膜化を実現する半導体装置の積層ゲート
構造を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、半導体基板上に形成されるトランジスタに
おいて、ゲート電極が、ゲート酸化膜上に形成されるポ
リシリコン層と、前記ポリシリコン層上に形成され、該
ポリシリコン層の面積よりも小さい面積で、該ポリシリ
コン層に対してエッチングストッパとして機能する、シ
リコン酸化膜、シリコン窒化膜、窒化チタン、窒化タン
グステンのいずれかからなるエッチングストッパ層と、
前記ポリシリコン層と同じ面積で、前記エッチングスト
ッパ層が露出しないように覆いつつ、前記ポリシリコン
層に電気的に接続するコンタクト領域が少なくとも1ヶ
所以上有するように前記ポリシリコン層上に形成される
金属層とからなる半導体装置の積層ゲート構造を提供す
る。
【0010】以上のような構成の半導体装置の積層ゲー
ト構造は、コンタクト孔はトランジスタのゲート部分が
金属層オーバエッチング時にエッチングダメージを受け
ないように、ゲートのエッジになる部分に少なくとも1
ヶ所開口する。コンタクト孔形成条件は、例えば、RI
E法でCHF3 /C26混合のプロセスガスを用いる。
次ら金属層を堆積する。例えば、タングステンポリサイ
ドをLPCVD法を用いて、成膜条件WF6 /SiH4
の混合プロセスガス、成膜温度600℃で膜厚150nm
堆積させる。
【0011】続いて、エッチングによりゲートを切り出
す。例えば、フォトリソグラフィ技術で前記コンタクト
孔を含むようにマスクパターンを形成し、RIE法を用
いて、前記タングステンポリサイドを、HBr/CL2
若しくは、HBr/SF6 の混合プロセスガスで、酸化
膜をCHF3 /26の混合プロセスガスで、ポリシリ
コンは、HBr/CL2 でエッチングを行う。コンタク
ト孔はゲートエッジにあるため、つまり素子分領域の上
にあるためポリサイドオーバーエッチングの影響は少な
い。また、アクティブ領域は、酸化膜エッチングストッ
パがあるためポリサイドオーバーエッチングの影響なし
に切り出せる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について詳細に説明する。
【0013】図1には、本発明による半導体装置の積層
ゲート構造の実施形態の構成を示し説明する。図1
(a)は、正面から見た断面構造を示し、同図(b)
は、同図(a)のA−Aにおける側面から見た断面構造
を示し、同図(c)は、上から見た上面図を示してい
る。
【0014】図1は、半導体基板1上で素子分離領域2
により電気的に分離されている素子形成領域3に形成さ
れたトランジスタの積層ゲートを示しており、ゲート酸
化膜4上にポリシリコン層5と、前記ポリシリコン層5
の面積よりも小さい面積で表面に露出せず、該ポリシリ
コン層5よりもエッチングレートとが低いエッチングス
トッパ層6と、前記ポリシリコン層5に接続するコンタ
クト領域が少なくとも1ヶ所以上あり、該ポリシリコン
層5と同じ面積でエッチングストッパ層6が露出しない
ように覆いつつポリシリコン層5上に形成されるポリサ
イドからなる金属層9と、の積層構造からなるゲート電
極12を形成する。このゲート電極12の両サイドに
は、ソース・ドレイン13となるアクティブ領域が形成
される。
【0015】前記エッチングストッパ層6は、ポリシリ
コン層5よりもエッチングされにくい部材で有ればよ
く、例えば、シリコン酸化膜等の酸化物や窒化チタン
(TiN)、窒化タングステン(WN)等の金属窒化物
があり、好ましくは、ポリシリコンやポリサイドと密着
性が高く、熱膨張率等が等しい方がよい。
【0016】このような積層構造において、前記ポリシ
リコン層5とポリサイドからなる前記金属層9との両端
部が電気的に接続するコンタクト領域の一方の長さは、
ゲート電極12の長方向の長さに対して、少なくとも1
/10〜1/20程度の長さが好ましい。
【0017】また、ゲート電極の形成を行う時のエッチ
ングの際にエッチングストッパ層は、断面側の表面に露
出しないようにパターニングする必要がある。これは、
素子分離領域2の溝を形成するまでエッチングする時
に、エッチングストッパ層が露出していると、その部分
がエッチングされてしまうためである。
【0018】図2及び図3に示す製造工程図を参照し
て、本実施形態の積層ゲートの製造工程について説明す
る。
【0019】図2(a)に示すように、半導体基板1上
にLOCOSによる素子分離領域2で区分された素子形
成領域3を形成する。
【0020】そして、熱酸化処理により、素子形成領域
3上に膜厚7nm程度のゲート酸化膜4を形成した後、L
PCVD法により膜厚50nm程度のポリシリコン層5を
堆積させる。その後、必要に応じて、このポリシリコン
層5にin-situドープやイオン注入により不純物を導入
する。
【0021】図2(b)に示すように、本発明の特徴と
なるエッチングストッパ層を形成する。このエッチング
ストッパ層6は、熱酸化処理やLPCVD法等を用い
て、例えば膜厚10nmの酸化膜(LTO膜)により形成
される。
【0022】次に図2(c)に示すように、後の工程で
積層される金属層と前記ポリシリコン層5がエッチング
ストッパ層6を挟んで接続するためのコンタクト領域を
形成するためにフォトリソグラフィ技術によりレジスト
マスク7を形成する。そして、RIE等の異方性エッチ
ングにより、ポリシリコン層5の表面が露出するように
エッチングストッパ層6の一部を除去し、図2(d)に
示すようなコンタクト孔8を形成する。ここで、コンタ
クト孔8は、径が0.3〜0.4μm程度であり、のト
ランジスタのゲート部分が金属層オーバーエッチング時
にエッチンググメージを受けないように、ゲートのエッ
ジに成る部分に少なくとも1ヶ所を開口する。 図3
(a)に示すように、エッチングストッパ層6を含むポ
リシリコン層5上にLPCVD法等を用いて、例えば、
膜厚150nm程度のタングステンポリサイドからなる金
属層9を堆積させる。
【0023】続いて、図3(b)に示すように、前記金
属層9上にフォトリソグラフィ技術によるレジストマス
ク10を形成し、異方性エッチングを用いて、素子分領
域2をオーバーエッチングして溝11ができる程度まで
掘り下げて、電気的に分離したゲート電極12を形成す
る。
【0024】このレジストマスク10は、コンタクト孔
8の一部を含むようにマスクをパターン形成し、まず、
プロセスガスにHBr/CL2 又はHBr/SF6 ガス
を用いて除去し、引き続き、ポリシリコン膜5をHBr
/CL2ガスを用いて除去する。
【0025】この様なエッチングにより、素子分離領域
2が露出し、さらに、CHF3 /C22 を用いて素子
分離領域2に対して、オーバーエッチングを行い、溝1
1を形成して、ゲート電極12を電気的に分離し形成す
る。
【0026】この様なエッチング処理により、コンタク
ト孔8は、ゲート電極12のエッジ部分有り、つまり、
素子分離領域2の上にあるため、ポリサイドオーバーエ
ッチが発生しても、その影響は少ない、また、素子形成
領域3上でゲート電極12を挟んで形成されるアクティ
ブ部(図示せず)は、エッチングストッパ層がゲート電
極を構成する積層構造内の形成されているため、ポリサ
イドオーバーエッチングの影響なしにゲート電極12を
形成することができる。
【0027】以上説明したように、本実施形態のゲート
電極の積層構造によれば、ポリシリコン層5に対してエ
ッチングレートが低い材料により、エッチングストッパ
として機能するエッチングストッパ層を設け、ゲート電
極の形成時に発生する恐れがあるオーバーエッチングに
よるポリシリコン層及びゲート絶縁膜への損傷を防止す
る。
【0028】さらにエッチングストッパ層の表面への露
出を避けて、金属層で覆い、ポリシリコン層と金属層を
電気的に導通させるコンタクト領域が両端に設けられる
構造により、ゲート電極を形成する際の素子分離領域へ
のエッチング時に、エッチングストッパ層により下層へ
の影響を与えず、下層のポリシリコン層をいかに薄くし
ようとも、所望する積層構造のゲート電極を形成するこ
とができる。
【0029】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、ゲ
ート電極の積層構造内に低抵抗を維持しつつ、エッチン
グストッパ層を設けて、下層のポリシリコン層及びゲー
ト絶縁層を保護し、ゲート電極の薄膜化を実現する半導
体装置の積層ゲート構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による半導体装置の積層ゲート構造の一
実施形態の構成例を示す図である。
【図2】図1に示した積層ゲート電極の製造工程の前半
を示す図である。
【図3】図1に示した積層ゲート電極の製造工程の後半
を示す図である。
【符号の説明】
1…半導体基板 2…素子分離領域 3…素子形成領域 4…ゲート酸化膜 5…ポリシリコン層 6…エッチングストッパ層 9…金属層 12…ゲート電極 13…ソース・ドレイン(アクティブ領域)

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に形成されるトランジスタ
    において、 ゲート電極は、ゲート酸化膜上に形成される第1の導電
    体からなる下層導電層と、前記下層導電層上に形成され
    る前記第1の導電体よりもエッチングレートが低くエッ
    チングストッパとして機能するエッチングストッパ層
    と、前記エッチングストッパ層上に形成され、前記第1
    の導電体と電気的に導通する第2の導電体からなる上層
    導電層とが積層され、 前記積層構造の中間にエッチングストッパ層を有するこ
    とを特徴とする半導体装置の積層ゲート構造。
  2. 【請求項2】 半導体基板上に形成されるトランジスタ
    において、 前記エッチングストッパ層が酸化物により形成されるこ
    とを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の積層ゲー
    ト構造。
  3. 【請求項3】 半導体基板上に形成されるトランジスタ
    において、 前記エッチングストッパ層が金属窒化物により形成され
    ることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の積層
    ゲート構造。
  4. 【請求項4】 半導体基板上に形成されるトランジスタ
    において、 ゲート電極が、ゲート酸化膜上に形成されるポリシリコ
    ン層と、 前記ポリシリコン層上に形成され、該ポリシリコン層の
    面積よりも小さい面積で、該ポリシリコン層に対してエ
    ッチングストッパとして機能するエッチングストッパ層
    と、 前記ポリシリコン層と同じ面積で、前記エッチングスト
    ッパ層が露出しないように覆いつつ、前記ポリシリコン
    層に電気的に接続するコンタクト領域が少なくとも1ヶ
    所以上有するように前記ポリシリコン層上に形成される
    金属層と、の積層構造からなることを特徴とする半導体
    装置の積層ゲート構造。
  5. 【請求項5】 半導体基板上に形成されるトランジスタ
    において、 前記エッチングストッパ層が、シリコン酸化膜、窒化チ
    タン、窒化タングステンのいずれかからなることを特徴
    とする請求項4に記載の半導体装置の積層ゲート構造。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7429777B2 (en) 2005-02-25 2008-09-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device with a gate electrode having a laminate structure
US8294238B2 (en) 2009-04-24 2012-10-23 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonvolatile semiconductor memory device with reduced size of peripheral circuit area

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