JP2001060630A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高性能トランジスタとしての要請よりコア部
のゲート電極は金属ゲート構造とし、かつ、同一基板上
に異なる電源駆動を実現するために、複数の異なる膜厚
のゲート酸化膜を有する複数のトランジスタを、その信
頼性を損なうことなく製造する方法を提供する。 【解決手段】 p型ウェル領域13上にゲート絶縁膜3
1と多結晶シリコン膜41を成膜後、コア部のゲート絶
縁膜31と多結晶シリコン膜41とを選択的に除去す
る。前処理をおこなった後、熱酸化によりコア部用のゲ
ート絶縁膜32を形成する(a)。コア部のゲート電極
用としてタングステン等を堆積し金属膜42を成膜する
(b)。コア部をフォトレジスト膜14bにて覆いI/
O部上の金属膜42をエッチング除去する(c)。その
後、各ゲート電極をパターニングし、不純物のイオン注
入によりソース・ドレイン領域を形成する。
のゲート電極は金属ゲート構造とし、かつ、同一基板上
に異なる電源駆動を実現するために、複数の異なる膜厚
のゲート酸化膜を有する複数のトランジスタを、その信
頼性を損なうことなく製造する方法を提供する。 【解決手段】 p型ウェル領域13上にゲート絶縁膜3
1と多結晶シリコン膜41を成膜後、コア部のゲート絶
縁膜31と多結晶シリコン膜41とを選択的に除去す
る。前処理をおこなった後、熱酸化によりコア部用のゲ
ート絶縁膜32を形成する(a)。コア部のゲート電極
用としてタングステン等を堆積し金属膜42を成膜する
(b)。コア部をフォトレジスト膜14bにて覆いI/
O部上の金属膜42をエッチング除去する(c)。その
後、各ゲート電極をパターニングし、不純物のイオン注
入によりソース・ドレイン領域を形成する。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特に異なる電源電圧にて駆動される複数の
MOSトランジスタを同一基板上に形成する方法に関す
るものである。
方法に関し、特に異なる電源電圧にて駆動される複数の
MOSトランジスタを同一基板上に形成する方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】半導体集積回路装置の高集積化のため
に、そしてトランジスタの高性能化のために、トランジ
スタサイズの微細化が図られている。すなわち、MOS
構造のトランジスタにおいては、ゲート長の縮小化とゲ
ート酸化膜の薄膜化が進められている。而して、トラン
ジスタサイズの微細化は必然的にパンチスルー耐圧や絶
縁耐圧の劣化を招くため、微細化に伴ってトランジスタ
を駆動する電源電圧が低くなされる。ところで、ゲート
電極の材料としては従来より多結晶シリコンが主として
用いられてきた。そして、この多結晶シリコンに導電性
を付与するために不純物をイオン注入法などによってド
ーピングしていた。この不純物の量が不足するとゲート
多結晶シリコンとゲート絶縁膜との界面においてキャリ
ヤの存在しない空乏層が広がり実効的なゲート絶縁膜厚
が厚くなる、いわゆるゲート空乏化の問題が生ずる。こ
のゲート空乏化は、ゲート酸化膜の薄膜化と共に顕在化
してきた問題である。この空乏化問題を解決するための
手段として、ゲート電極を金属材料により形成する方法
が採用されるようになってきている。この場合に、ゲー
ト電極材料としては耐熱性が要求されることから、タン
グステン(W)やモリブデン(Mo)などの耐熱性金属
が用いられ、あるいは耐熱性金属との間にバリアメタル
として窒化チタンを挟んだ構造等が用いられてきてい
る。
に、そしてトランジスタの高性能化のために、トランジ
スタサイズの微細化が図られている。すなわち、MOS
構造のトランジスタにおいては、ゲート長の縮小化とゲ
ート酸化膜の薄膜化が進められている。而して、トラン
ジスタサイズの微細化は必然的にパンチスルー耐圧や絶
縁耐圧の劣化を招くため、微細化に伴ってトランジスタ
を駆動する電源電圧が低くなされる。ところで、ゲート
電極の材料としては従来より多結晶シリコンが主として
用いられてきた。そして、この多結晶シリコンに導電性
を付与するために不純物をイオン注入法などによってド
ーピングしていた。この不純物の量が不足するとゲート
多結晶シリコンとゲート絶縁膜との界面においてキャリ
ヤの存在しない空乏層が広がり実効的なゲート絶縁膜厚
が厚くなる、いわゆるゲート空乏化の問題が生ずる。こ
のゲート空乏化は、ゲート酸化膜の薄膜化と共に顕在化
してきた問題である。この空乏化問題を解決するための
手段として、ゲート電極を金属材料により形成する方法
が採用されるようになってきている。この場合に、ゲー
ト電極材料としては耐熱性が要求されることから、タン
グステン(W)やモリブデン(Mo)などの耐熱性金属
が用いられ、あるいは耐熱性金属との間にバリアメタル
として窒化チタンを挟んだ構造等が用いられてきてい
る。
【0003】前述のように、トランジスタの高性能化の
ためにゲート酸化膜の薄膜化がなされ、ゲート空乏化対
策として金属ゲート構造が採用されているが、半導体集
積回路内の全ての回路がこのような高性能なトランジス
タを必要としているわけではない。例えば、入出力部
(I/O部)においては、高い駆動能力が要求されるた
め、より高い電源電圧により駆動できるように、ゲート
長は若干長く、また、より厚いゲート酸化膜のトランジ
スタが必要となる。そこで、一つの集積回路チップ中に
複数の異なる電源電圧にて駆動される、異なる膜厚のゲ
ート絶縁膜を持つトランジスタが混在する半導体装置が
実用化されている。すなわち、同一半導体集積回路内に
おいて、I/O部のトランジスタは比較的大きなサイズ
に形成されて高い電源電圧にて駆動され、一方、演算処
理などの回路動作の実体を担うコア部と呼ばれる部分の
トランジスタは、高速動作が要求されるため微細に形成
され低い電源電圧にて駆動される。
ためにゲート酸化膜の薄膜化がなされ、ゲート空乏化対
策として金属ゲート構造が採用されているが、半導体集
積回路内の全ての回路がこのような高性能なトランジス
タを必要としているわけではない。例えば、入出力部
(I/O部)においては、高い駆動能力が要求されるた
め、より高い電源電圧により駆動できるように、ゲート
長は若干長く、また、より厚いゲート酸化膜のトランジ
スタが必要となる。そこで、一つの集積回路チップ中に
複数の異なる電源電圧にて駆動される、異なる膜厚のゲ
ート絶縁膜を持つトランジスタが混在する半導体装置が
実用化されている。すなわち、同一半導体集積回路内に
おいて、I/O部のトランジスタは比較的大きなサイズ
に形成されて高い電源電圧にて駆動され、一方、演算処
理などの回路動作の実体を担うコア部と呼ばれる部分の
トランジスタは、高速動作が要求されるため微細に形成
され低い電源電圧にて駆動される。
【0004】図8、図9は、異なる膜厚のゲート絶縁膜
を持つトランジスタを一つの基板上に形成する場合の従
来の製造方法を示す工程順の断面図である。なお、以下
には、n型の単体のトランジスタ製法について示すが、
p型の場合も、またn型とp型の両方のトランジスタを
有するCMOS回路の製法においても状況は同様であ
る。図8(a)に示すように、エピタキシャル成長層を
有する半導体基板11上に、シャロートレンチアイソレ
ーション(Shallow Trench Isolation)法を用いて酸
化シリコンからなる素子分離領域12を形成し、p型不
純物をドーピングしてp型ウェル領域13を形成する。
を持つトランジスタを一つの基板上に形成する場合の従
来の製造方法を示す工程順の断面図である。なお、以下
には、n型の単体のトランジスタ製法について示すが、
p型の場合も、またn型とp型の両方のトランジスタを
有するCMOS回路の製法においても状況は同様であ
る。図8(a)に示すように、エピタキシャル成長層を
有する半導体基板11上に、シャロートレンチアイソレ
ーション(Shallow Trench Isolation)法を用いて酸
化シリコンからなる素子分離領域12を形成し、p型不
純物をドーピングしてp型ウェル領域13を形成する。
【0005】その後、図8(b)に示すように、まず、
I/O部用のゲート酸化膜31を形成する。次に、図8
(c)に示すように、フォトレジスト膜14aによりI
/O部のみを覆って、ゲート酸化膜31をバッファード
フッ酸などによるウェットエッチングにより除去する。
その後、フォトレジスト膜14aを剥離し、フッ酸処理
を含む前処理を行って基板表面を清浄化した後、再度、
熱酸化を行ってコア部用のゲート酸化膜32を形成す
る。以上の工程によってコア部には低い電源電圧用の薄
いコア部用のゲート酸化膜32が形成され、一方、I/
O部には高い電源電圧用の厚いゲート酸化膜33が形成
される。尚、厚いゲート酸化膜33は最初のゲート酸化
膜31に、コア部用のゲート酸化膜32形成時の酸化膜
が加わるため最初の膜厚より厚くなる〔図9(a)〕。
I/O部用のゲート酸化膜31を形成する。次に、図8
(c)に示すように、フォトレジスト膜14aによりI
/O部のみを覆って、ゲート酸化膜31をバッファード
フッ酸などによるウェットエッチングにより除去する。
その後、フォトレジスト膜14aを剥離し、フッ酸処理
を含む前処理を行って基板表面を清浄化した後、再度、
熱酸化を行ってコア部用のゲート酸化膜32を形成す
る。以上の工程によってコア部には低い電源電圧用の薄
いコア部用のゲート酸化膜32が形成され、一方、I/
O部には高い電源電圧用の厚いゲート酸化膜33が形成
される。尚、厚いゲート酸化膜33は最初のゲート酸化
膜31に、コア部用のゲート酸化膜32形成時の酸化膜
が加わるため最初の膜厚より厚くなる〔図9(a)〕。
【0006】次に、例えばタングステンを堆積してゲー
ト電極用の金属膜42を形成する〔図9(b)〕。その
後、図9(c)に示すように、フォトレジスト膜14c
をマスクとしてパターニングを行い、I/O部のゲート
電極141とコア部のゲート電極142を形成する。フ
ォトレジスト膜14cを剥離して、その後、それぞれの
電源電圧のデバイス設計に基づき、反対側の領域をレジ
スト膜で被覆した状態でn型不純物のイオン注入を行
い、I/O部のLDD(Lightly Doped Drain)領域5
2とコア部のソース・ドレインエクステンション領域5
1を、それぞれI/O部とコア部のトランジスタ領域に
形成する。その後、サイドウォール15を形成し、n型
不純物のイオン注入を行って、I/O部のソース・ドレ
イン領域53およびコア部のソース・ドレイン領域54
を形成することにより、トランジスタの基本構造の製造
工程が完了する〔図9(d)〕。
ト電極用の金属膜42を形成する〔図9(b)〕。その
後、図9(c)に示すように、フォトレジスト膜14c
をマスクとしてパターニングを行い、I/O部のゲート
電極141とコア部のゲート電極142を形成する。フ
ォトレジスト膜14cを剥離して、その後、それぞれの
電源電圧のデバイス設計に基づき、反対側の領域をレジ
スト膜で被覆した状態でn型不純物のイオン注入を行
い、I/O部のLDD(Lightly Doped Drain)領域5
2とコア部のソース・ドレインエクステンション領域5
1を、それぞれI/O部とコア部のトランジスタ領域に
形成する。その後、サイドウォール15を形成し、n型
不純物のイオン注入を行って、I/O部のソース・ドレ
イン領域53およびコア部のソース・ドレイン領域54
を形成することにより、トランジスタの基本構造の製造
工程が完了する〔図9(d)〕。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】コア部のゲート酸化膜
は極めて薄い(例えば2nm)ため、このゲート酸化膜
を形成する際には、フッ酸を含む前処理を行って基板表
面を極めて清浄な状態とする必要があるが、上述した従
来の製造方法では、予め形成されていたI/O部のゲー
ト酸化膜にも前処理が施されてしまうため、I/O部の
ゲート酸化膜の信頼性は著しく劣化する。この問題は、
上記従来の技術の例とは逆に、先にコア部の酸化膜を形
成しても同様に起こる。また、ある駆動電圧に応じたト
ランジスタのゲート電極を先に形成し、その後に、別の
駆動電圧に応じたゲート酸化膜を形成し、そのゲート酸
化膜でのゲート電極を形成する手法を用いた場合にも、
後者のゲート酸化膜形成時の前処理により前者のゲート
酸化膜がダメージを受け、更にその後の後者のゲート酸
化膜の形成時に前者のゲート酸化膜の側部に追加の酸化
が行われる等の弊害が生じ、信頼性および均一性の低下
を招く。
は極めて薄い(例えば2nm)ため、このゲート酸化膜
を形成する際には、フッ酸を含む前処理を行って基板表
面を極めて清浄な状態とする必要があるが、上述した従
来の製造方法では、予め形成されていたI/O部のゲー
ト酸化膜にも前処理が施されてしまうため、I/O部の
ゲート酸化膜の信頼性は著しく劣化する。この問題は、
上記従来の技術の例とは逆に、先にコア部の酸化膜を形
成しても同様に起こる。また、ある駆動電圧に応じたト
ランジスタのゲート電極を先に形成し、その後に、別の
駆動電圧に応じたゲート酸化膜を形成し、そのゲート酸
化膜でのゲート電極を形成する手法を用いた場合にも、
後者のゲート酸化膜形成時の前処理により前者のゲート
酸化膜がダメージを受け、更にその後の後者のゲート酸
化膜の形成時に前者のゲート酸化膜の側部に追加の酸化
が行われる等の弊害が生じ、信頼性および均一性の低下
を招く。
【0008】本発明の課題は、上述した従来技術の問題
点を解決することであって、その目的は、複数の異なる
膜厚のゲート酸化膜を有するトランジスタを、信頼性を
損なうことなく、一つの基板上に形成しうるようにする
ことである。
点を解決することであって、その目的は、複数の異なる
膜厚のゲート酸化膜を有するトランジスタを、信頼性を
損なうことなく、一つの基板上に形成しうるようにする
ことである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明によれば、(1)第1の電圧にて動作する第
1種のトランジスタの形成領域である第1の領域と第1
の電圧とは異なる第2の電圧にて動作する第2種のトラ
ンジスタの形成領域である第2の領域とが設定されてい
る半導体基板上に、第1のゲート絶縁膜を形成する工程
と、(2)全面に第1のゲート電極材料層を形成する工
程と、(3)前記第2の領域上の第1のゲート電極材料
層と第1のゲート絶縁膜とを選択的に除去する工程と、
(4)前記第2の領域の半導体基板上に前記第1のゲー
ト絶縁膜とは異なる膜厚の第2のゲート絶縁膜を形成す
る工程と、(5)全面に第2のゲート電極材料層を形成
する工程と、(6)第1および第2のゲート電極材料層
をパターニングして、前記第1の領域と前記第2の領域
上とにゲート電極を形成する工程と、を有することを特
徴とする半導体装置の製造方法、が提供される。
め、本発明によれば、(1)第1の電圧にて動作する第
1種のトランジスタの形成領域である第1の領域と第1
の電圧とは異なる第2の電圧にて動作する第2種のトラ
ンジスタの形成領域である第2の領域とが設定されてい
る半導体基板上に、第1のゲート絶縁膜を形成する工程
と、(2)全面に第1のゲート電極材料層を形成する工
程と、(3)前記第2の領域上の第1のゲート電極材料
層と第1のゲート絶縁膜とを選択的に除去する工程と、
(4)前記第2の領域の半導体基板上に前記第1のゲー
ト絶縁膜とは異なる膜厚の第2のゲート絶縁膜を形成す
る工程と、(5)全面に第2のゲート電極材料層を形成
する工程と、(6)第1および第2のゲート電極材料層
をパターニングして、前記第1の領域と前記第2の領域
上とにゲート電極を形成する工程と、を有することを特
徴とする半導体装置の製造方法、が提供される。
【0010】そして、好ましくは、前記第(5)の工程
の後、前記第(6)の工程に先立って、前記第1の領域
上の前記第2のゲート電極材料層を除去する工程が付加
される。また、好ましくは、前記第1のゲート電極材料
層が、多結晶シリコンまたはポリサイドによって形成さ
れ、前記第2のゲート電極材料層が、高融点金属膜また
は高融点金属シリサイド膜を含んで形成される。
の後、前記第(6)の工程に先立って、前記第1の領域
上の前記第2のゲート電極材料層を除去する工程が付加
される。また、好ましくは、前記第1のゲート電極材料
層が、多結晶シリコンまたはポリサイドによって形成さ
れ、前記第2のゲート電極材料層が、高融点金属膜また
は高融点金属シリサイド膜を含んで形成される。
【0011】
【発明の実施の形態】次に、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。 [第1の実施の形態]図1〜図3は、本発明の第1の実
施の形態の半導体装置の製造過程を示す工程順の断面図
である。なお、ここでは、n型の単体のトランジスタ製
法について示すが、p型のトランジスタについても、n
型とp型のトランジスタを有するCMOSについても同
様に形成することができる。まず、図1(a)に示すよ
うに、抵抗率が10Ω・cm程度のエピタキシャル成長
層を有する半導体基板11上に例えばトレンチアイソレ
ーション法を用いて酸化シリコンからなる素子分離領域
12を形成し、続いてボロンを、エネルギー:150k
eV、ドーズ量:1E13/cm2 の条件でイオン注入
して、p型ウェル領域11を形成する。その後、コア部
のしきい値調整用にボロンを、エネルギー:30ke
V、ドーズ量:8E12/cm2の条件でイオン注入を
し、一方、I/O部に対してはボロンを、エネルギー:
30keV、ドーズ量:6E12/cm2の条件でイオ
ン注入する。
施の形態について説明する。 [第1の実施の形態]図1〜図3は、本発明の第1の実
施の形態の半導体装置の製造過程を示す工程順の断面図
である。なお、ここでは、n型の単体のトランジスタ製
法について示すが、p型のトランジスタについても、n
型とp型のトランジスタを有するCMOSについても同
様に形成することができる。まず、図1(a)に示すよ
うに、抵抗率が10Ω・cm程度のエピタキシャル成長
層を有する半導体基板11上に例えばトレンチアイソレ
ーション法を用いて酸化シリコンからなる素子分離領域
12を形成し、続いてボロンを、エネルギー:150k
eV、ドーズ量:1E13/cm2 の条件でイオン注入
して、p型ウェル領域11を形成する。その後、コア部
のしきい値調整用にボロンを、エネルギー:30ke
V、ドーズ量:8E12/cm2の条件でイオン注入を
し、一方、I/O部に対してはボロンを、エネルギー:
30keV、ドーズ量:6E12/cm2の条件でイオ
ン注入する。
【0012】その後、図1(b)に示すように、熱酸化
により、I/O部用のゲート酸化膜31を7nmの膜厚
に形成する。この膜厚はI/O部の駆動電圧の3.3V
に対応するものである。続いてその上にLPCVD(減
圧CVD)法により多結晶シリコンを400nmの膜厚
に堆積して多結晶シリコン膜41を形成する。続いて、
図1(c)に示すように、フォトレジスト膜14aにて
I/O部のみを覆い、コア部の多結晶シリコン膜41を
RIE(Reactive Ion Etching)により除去し、引き続
き酸化膜31をバッファフッ酸を用いたウェットエッチ
ングにより除去する。この後、フォトレジスト膜14a
を剥離し、フッ酸処理等の前処理を行った後、再度、熱
酸化を行ってコア部にコア部用のゲート酸化膜32を2
nmの膜厚に形成する〔図2(a)〕。この熱酸化の前
処理時において、I/O部のゲート酸化膜31はその表
面が多結晶シリコン膜41に覆われているためにその信
頼性が損なわれることはない。また、コア部にゲート酸
化膜32を形成する際の熱酸化時にI/O部のゲート酸
化膜31の膜厚が増加することがないので、ゲート酸化
膜31の膜厚は最初から設計どおりの膜厚に形成してお
くことができる。
により、I/O部用のゲート酸化膜31を7nmの膜厚
に形成する。この膜厚はI/O部の駆動電圧の3.3V
に対応するものである。続いてその上にLPCVD(減
圧CVD)法により多結晶シリコンを400nmの膜厚
に堆積して多結晶シリコン膜41を形成する。続いて、
図1(c)に示すように、フォトレジスト膜14aにて
I/O部のみを覆い、コア部の多結晶シリコン膜41を
RIE(Reactive Ion Etching)により除去し、引き続
き酸化膜31をバッファフッ酸を用いたウェットエッチ
ングにより除去する。この後、フォトレジスト膜14a
を剥離し、フッ酸処理等の前処理を行った後、再度、熱
酸化を行ってコア部にコア部用のゲート酸化膜32を2
nmの膜厚に形成する〔図2(a)〕。この熱酸化の前
処理時において、I/O部のゲート酸化膜31はその表
面が多結晶シリコン膜41に覆われているためにその信
頼性が損なわれることはない。また、コア部にゲート酸
化膜32を形成する際の熱酸化時にI/O部のゲート酸
化膜31の膜厚が増加することがないので、ゲート酸化
膜31の膜厚は最初から設計どおりの膜厚に形成してお
くことができる。
【0013】この後、基板全面に、反応性スパッタ法に
より窒化チタンを30nmの膜厚に、CVD法によりタ
ングステンを300nmの膜厚にそれぞれ堆積して、コ
ア部のゲート電極を形成するための金属膜42を形成す
る〔図2(b)〕。その後、図2(c)に示すように、
コア部をフォトレジスト膜14bにて覆いI/O部上の
金属膜42をエッチング除去する。そして、図3(a)
に示すように、新たなフォトレジスト膜14cを形成
し、これをマスクに多結晶シリコン膜41および金属膜
42をパターニングして、ゲート長が0.35μmのI
/O部のゲート電極141とゲート長が0.1μmのコ
ア部のゲート電極142を形成する。その後、I/O部
にはリンを、エネルギー:45keV、ドーズ量:6E
13/cm2の条件でイオン注入してI/O部のLDD
領域52を形成し、一方、コア部にはヒ素を、エネルギ
ー:3keV、ドーズ量:5E14/cm2の条件でイ
オン注入してコア部のソース・ドレインエクステンショ
ン領域51を形成する〔図3(b)〕。続いて、基板全
面にシリコン酸化膜を堆積し、バックエッチングしてサ
イドウォール15を形成した後、ゲート電極およびサイ
ドウォールをマスクに用いてヒ素を、エネルギー:20
keV、ドーズ量:1E15/cm2の条件でイオン注
入して、I/O部のソース・ドレイン領域53およびコ
ア部のソース・ドレイン領域54を形成して本実施の形
態のトランジスタの製造工程は完了する〔図3
(c)〕。
より窒化チタンを30nmの膜厚に、CVD法によりタ
ングステンを300nmの膜厚にそれぞれ堆積して、コ
ア部のゲート電極を形成するための金属膜42を形成す
る〔図2(b)〕。その後、図2(c)に示すように、
コア部をフォトレジスト膜14bにて覆いI/O部上の
金属膜42をエッチング除去する。そして、図3(a)
に示すように、新たなフォトレジスト膜14cを形成
し、これをマスクに多結晶シリコン膜41および金属膜
42をパターニングして、ゲート長が0.35μmのI
/O部のゲート電極141とゲート長が0.1μmのコ
ア部のゲート電極142を形成する。その後、I/O部
にはリンを、エネルギー:45keV、ドーズ量:6E
13/cm2の条件でイオン注入してI/O部のLDD
領域52を形成し、一方、コア部にはヒ素を、エネルギ
ー:3keV、ドーズ量:5E14/cm2の条件でイ
オン注入してコア部のソース・ドレインエクステンショ
ン領域51を形成する〔図3(b)〕。続いて、基板全
面にシリコン酸化膜を堆積し、バックエッチングしてサ
イドウォール15を形成した後、ゲート電極およびサイ
ドウォールをマスクに用いてヒ素を、エネルギー:20
keV、ドーズ量:1E15/cm2の条件でイオン注
入して、I/O部のソース・ドレイン領域53およびコ
ア部のソース・ドレイン領域54を形成して本実施の形
態のトランジスタの製造工程は完了する〔図3
(c)〕。
【0014】上記のように、本実施の形態においては、
I/O部のゲート電極は多結晶シリコンにて形成されて
いたが、I/O部ではゲート絶縁膜の膜厚が厚いために
多結晶シリコンを用いても空乏化問題は実質的に起こら
ない。図4は、本実施の形態および従来例により作製さ
れたI/O部のゲート酸化膜のQBDの累積頻度の特性を
示すグラフである。QBDとは酸化膜が絶縁破壊を起こす
のに要した注入電荷量であり、この値が高い、即ち、図
において特性が右側に寄っているほど酸化膜の信頼性は
高く、また、特性曲線の傾斜が急な(図において垂直
な)ほど均一性がよいことを意味する。本発明品の特性
は従来法によるものの特性に比べQBD値が高く、かつ、
特性の傾きが急であることから、本発明の方法によって
信頼性、均一性が改善できることが分かる。
I/O部のゲート電極は多結晶シリコンにて形成されて
いたが、I/O部ではゲート絶縁膜の膜厚が厚いために
多結晶シリコンを用いても空乏化問題は実質的に起こら
ない。図4は、本実施の形態および従来例により作製さ
れたI/O部のゲート酸化膜のQBDの累積頻度の特性を
示すグラフである。QBDとは酸化膜が絶縁破壊を起こす
のに要した注入電荷量であり、この値が高い、即ち、図
において特性が右側に寄っているほど酸化膜の信頼性は
高く、また、特性曲線の傾斜が急な(図において垂直
な)ほど均一性がよいことを意味する。本発明品の特性
は従来法によるものの特性に比べQBD値が高く、かつ、
特性の傾きが急であることから、本発明の方法によって
信頼性、均一性が改善できることが分かる。
【0015】[第2の実施の形態]図5〜図7は、本発
明の第2の実施の形態の半導体装置の製造過程を示す工
程順の断面図である。なお、本実施の形態においてもn
型の単体のトランジスタ製法について示す。第1の実施
の形態での方法と同様の方法により、図5(a)に示す
ように、半導体基板11上に素子分離領域12により分
離されたp型ウェル領域13形成する。
明の第2の実施の形態の半導体装置の製造過程を示す工
程順の断面図である。なお、本実施の形態においてもn
型の単体のトランジスタ製法について示す。第1の実施
の形態での方法と同様の方法により、図5(a)に示す
ように、半導体基板11上に素子分離領域12により分
離されたp型ウェル領域13形成する。
【0016】その後、図5(b)に示すように、まず、
熱酸化によりI/O部用のゲート酸化膜31を7nmの
膜厚に形成し、続いて多結晶シリコン膜41と窒化シリ
コン膜21とをLPCVD法により、それぞれ400n
m、40nmの膜厚に堆積する。続いて、図5(c)に
示すように、フォトレジスト膜14aにてI/O部のみ
覆い、コア部の窒化シリコン膜21、多結晶シリコン膜
41およびゲート酸化膜31をドライエッチング法およ
びウェットエッチング法により除去する。次に、フォト
レジスト膜14aを剥離し、前処理後、熱酸化を行って
コア部に膜厚2nmのゲート酸化膜32を形成する〔図
6(a)〕。この薄い酸化膜形成の際の前処理は、既に
I/O部のゲート絶縁膜表面が多結晶シリコン膜41と
窒化シリコン膜21に覆われているためにI/O部のゲ
ート絶縁膜の信頼性を劣化させることはない。また、多
結晶シリコン膜41の表面は窒化シリコン膜21によっ
て保護されているため、前処理時にダメージを受けるこ
とがないのみでなく、熱酸化時にその表面が酸化される
こともない。
熱酸化によりI/O部用のゲート酸化膜31を7nmの
膜厚に形成し、続いて多結晶シリコン膜41と窒化シリ
コン膜21とをLPCVD法により、それぞれ400n
m、40nmの膜厚に堆積する。続いて、図5(c)に
示すように、フォトレジスト膜14aにてI/O部のみ
覆い、コア部の窒化シリコン膜21、多結晶シリコン膜
41およびゲート酸化膜31をドライエッチング法およ
びウェットエッチング法により除去する。次に、フォト
レジスト膜14aを剥離し、前処理後、熱酸化を行って
コア部に膜厚2nmのゲート酸化膜32を形成する〔図
6(a)〕。この薄い酸化膜形成の際の前処理は、既に
I/O部のゲート絶縁膜表面が多結晶シリコン膜41と
窒化シリコン膜21に覆われているためにI/O部のゲ
ート絶縁膜の信頼性を劣化させることはない。また、多
結晶シリコン膜41の表面は窒化シリコン膜21によっ
て保護されているため、前処理時にダメージを受けるこ
とがないのみでなく、熱酸化時にその表面が酸化される
こともない。
【0017】この後、基板全面に、スパッタ法によりバ
リアメタルとなるチタンタングステン(TiW)とモリ
ブデンとをそれぞれ30nmと300nmの膜厚に堆積
して、コア部のゲート電極となる金属膜42を形成する
〔図6(b)〕。次に、多結晶シリコン膜41上の窒化
シリコン膜21をストッパとして化学的機械研磨(CM
P)を行なってI/O部上の金属膜42を除去する〔図
6(c)〕。その後、フォトレジスト膜14cをマスク
として、多結晶シリコン膜41と金属膜42のパターニ
ングを行って、ゲート長0.35μmのI/O部のゲー
ト電極141とコア部のゲート電極142と形成する
〔図7(a)〕。次いで、第1の実施の形態と同様の方
法を用いて、I/O部のLDD領域52とコア部のソー
ス・ドレインエクステンション領域51を有するソース
・ドレイン領域53、54を形成する〔図7(b)〕。
リアメタルとなるチタンタングステン(TiW)とモリ
ブデンとをそれぞれ30nmと300nmの膜厚に堆積
して、コア部のゲート電極となる金属膜42を形成する
〔図6(b)〕。次に、多結晶シリコン膜41上の窒化
シリコン膜21をストッパとして化学的機械研磨(CM
P)を行なってI/O部上の金属膜42を除去する〔図
6(c)〕。その後、フォトレジスト膜14cをマスク
として、多結晶シリコン膜41と金属膜42のパターニ
ングを行って、ゲート長0.35μmのI/O部のゲー
ト電極141とコア部のゲート電極142と形成する
〔図7(a)〕。次いで、第1の実施の形態と同様の方
法を用いて、I/O部のLDD領域52とコア部のソー
ス・ドレインエクステンション領域51を有するソース
・ドレイン領域53、54を形成する〔図7(b)〕。
【0018】以上好ましい実施の形態について説明した
が、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、特
許請求の範囲に記載された範囲内において適宜の変更が
可能なものである。例えば、実施の形態ではゲート絶縁
膜としてシリコン酸化膜を用いていたが、これを酸窒化
膜などの他の絶縁膜に変更することができる。また、ゲ
ート電極形成用の導電材料として多結晶シリコンに代え
てポリサイドを、高融点金属材料に代えて高融点金属シ
リサイドを用いることができる。また、高融点金属材料
はバリア層を介することなく直接ゲート絶縁膜上に形成
するようにしてもよい。更に、I/O部上に形成された
金属膜(またはシリサイド膜)を除去しないで、I/O
部上のゲート電極を多結晶シリコン/金属または多結晶
シリコン/シリサイドの多層膜として形成するようにし
てもよい。なお、実施の形態にて示した各数値は一例で
あって限定的な意味をもつものではない。
が、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、特
許請求の範囲に記載された範囲内において適宜の変更が
可能なものである。例えば、実施の形態ではゲート絶縁
膜としてシリコン酸化膜を用いていたが、これを酸窒化
膜などの他の絶縁膜に変更することができる。また、ゲ
ート電極形成用の導電材料として多結晶シリコンに代え
てポリサイドを、高融点金属材料に代えて高融点金属シ
リサイドを用いることができる。また、高融点金属材料
はバリア層を介することなく直接ゲート絶縁膜上に形成
するようにしてもよい。更に、I/O部上に形成された
金属膜(またはシリサイド膜)を除去しないで、I/O
部上のゲート電極を多結晶シリコン/金属または多結晶
シリコン/シリサイドの多層膜として形成するようにし
てもよい。なお、実施の形態にて示した各数値は一例で
あって限定的な意味をもつものではない。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、I/O
部上のゲート絶縁膜をゲート電極形成用材料にて被覆し
た状態にて、コア部上のゲート絶縁膜を形成するための
前処理と熱酸化を行うものであるので、前処理および熱
酸化によってI/O部のゲート絶縁膜が劣化することが
なくなり、信頼性の高い半導体装置を提供することが可
能になる。
部上のゲート絶縁膜をゲート電極形成用材料にて被覆し
た状態にて、コア部上のゲート絶縁膜を形成するための
前処理と熱酸化を行うものであるので、前処理および熱
酸化によってI/O部のゲート絶縁膜が劣化することが
なくなり、信頼性の高い半導体装置を提供することが可
能になる。
【図1】本発明の第1の実施の形態の半導体装置の製造
過程を示す工程順の断面図(その1)。
過程を示す工程順の断面図(その1)。
【図2】本発明の第1の実施の形態の半導体装置の製造
過程を示す工程順の断面図(その2)。
過程を示す工程順の断面図(その2)。
【図3】本発明の第1の実施の形態の半導体装置の製造
過程を示す工程順の断面図(その3)。
過程を示す工程順の断面図(その3)。
【図4】本発明の第1の実施の形態および従来法により
形成されたゲート酸化膜の特性を示すグラフ。
形成されたゲート酸化膜の特性を示すグラフ。
【図5】本発明の第1の実施の形態の半導体装置の製造
過程を示す工程順の断面図(その1)。
過程を示す工程順の断面図(その1)。
【図6】本発明の第1の実施の形態の半導体装置の製造
過程を示す工程順の断面図(その2)。
過程を示す工程順の断面図(その2)。
【図7】本発明の第1の実施の形態の半導体装置の製造
過程を示す工程順の断面図(その3)。
過程を示す工程順の断面図(その3)。
【図8】従来の半導体装置の製造過程を示す工程順の断
面図(その1)。
面図(その1)。
【図9】従来の半導体装置の製造過程を示す工程順の断
面図(その2)。
面図(その2)。
11 半導体基板 12 素子分離領域 13 p型ウェル領域 14a〜14c フォトレジスト膜 15 サイドウォール 21 窒化シリコン膜 31 I/O部用のゲート絶縁膜 32 コア部用のゲート絶縁膜 33 厚い酸化膜 41 多結晶シリコン膜 42 金属膜 51 コア部のソース・ドレインエクステンション領域 52 I/O部のLDD領域 53 I/O部のソース・ドレイン領域 54 コア部のソース・ドレイン領域 141 I/O部のゲート電極 142 コア部のゲート電極
フロントページの続き Fターム(参考) 4M104 AA01 BB01 BB18 BB24 CC05 DD08 DD43 DD65 EE03 EE06 EE17 FF14 GG09 GG14 HH20 5F048 AA01 AA07 AB06 AB07 AC01 AC03 BB04 BB05 BB08 BB09 BB10 BB12 BB16 BC06 BE03 BG13 DA19
Claims (8)
- 【請求項1】 (1)第1の電圧にて動作する第1種の
トランジスタの形成領域である第1の領域と第1の電圧
とは異なる第2の電圧にて動作する第2種のトランジス
タの形成領域である第2の領域とが設定されている半導
体基板上に、第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、 (2)全面に第1のゲート電極材料層を形成する工程
と、 (3)前記第2の領域上の第1のゲート電極材料層と第
1のゲート絶縁膜とを選択的に除去する工程と、 (4)前記第2の領域の半導体基板上に前記第1のゲー
ト絶縁膜とは異なる膜厚の第2のゲート絶縁膜を形成す
る工程と、 (5)全面に第2のゲート電極材料層を形成する工程
と、 (6)第1および第2のゲート電極材料層をパターニン
グして、前記第1の領域と前記第2の領域上とにゲート
電極を形成する工程と、を有することを特徴とする半導
体装置の製造方法。 - 【請求項2】 前記第(5)の工程の後、前記第(6)
の工程に先立って、前記第1の領域上の前記第2のゲー
ト電極材料層を除去する工程が付加されることを特徴と
する請求項1記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項3】 前記第2のゲート電極材料層の除去が、
研磨法により行われることを特徴とする請求項2記載の
半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】 前記第1のゲート電極材料層が、多結晶
シリコンまたはポリサイドによって形成されることを特
徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 前記第2のゲート電極材料層が、高融点
金属膜または高融点金属シリサイド膜を含んでいること
を特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項6】 前記高融点金属膜と前記第2のゲート絶
縁膜との間にバリアメタル層が形成されることを特徴と
する請求項5記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項7】 前記第1のゲート電極材料層の上に、保
護絶縁膜が形成されることを特徴とする請求項1、2、
3または4記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項8】 前記保護絶縁膜が窒化シリコン膜である
ことを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方
法。
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