JP3634320B2 - 半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置、及び半導体装置の製造方法に係り、トランジスタの閾値電圧の制御に関係するものである。
【0002】
【従来の技術】
現在、高性能の半導体トランジスタを製造するにあたって、動作速度の向上、消費電力の低減を実現するために、単結晶のシリコン基板に替わって、所謂SOI(Silicon−On−Insulator)基板(=シリコン支持基板と表面のシリコン層の間に、シリコン酸化膜等の埋め込み絶縁膜が介在する基板)が使われ始めている。
【0003】
SOI基板を用いた半導体トランジスタには、大きく分けて、完全空乏型SOI(Silicon−On−Insulator)トランジスタと部分空乏型SOIトランジスタ等がある。このなかで、完全空乏型SOIトランジスタには、低寄生容量による消費電力の低減、また、低閾値電圧であることによって、ゲート電極の材料を多結晶シリコンから金属へと替え、所謂メタルゲートの使用が可能となる等の特長があることが知られている。
【0004】
この完全空乏型SOIトランジスタでは、トランジスタの動作時に、ソース、ドレインの各領域、及び埋め込み絶縁膜によって囲まれる領域を略完全に空乏化するので、SOI基板のシリコン活性層の厚さは、部分空乏型SOIトランジスタの場合と比べて、自ずと薄くする必要がある。
【0005】
また、完全空乏型(FD:Fully−Depleted)のSOIトランジスタには、チャネル領域を二つのゲート電極層で挟んだダブルゲート構造を有する完全空乏型のSOIトランジスタが開発されている。これらの構造を用いれば、ゲート電極層の構造において、制御性を高め、微細化を更に進展させることが可能になる。また、チャネル領域の不純物濃度を低減させて、不純物の散乱、及びチャネル領域の深さ方向において電界を低減させることができる。従って、トランジスタにおいて、チャネル領域でのキャリアの移動度を高め、駆動電流を大きくすることができる。また、チャネル領域を完全に空乏化させた状態でトランジスタを動作させるので、所謂、S−factorを60mV/decade程度の理想的な値まで低減させ、トランジスタの閾値電圧の値を低くすることができる。
【0006】
また、完全空乏型のSOIトランジスタ等において、高速性を図り、制御性を高めるベく、ゲート電極層に金属材料(例:高融点金属材料)を用いた、所謂メタルゲート電極層を設けること、また、比誘電率の高い材料(以下、高誘電率の材料(=high−k材料))をゲート絶縁膜に用いる等の技術が開発されてきている。このような場合には、所謂、ダミーゲートプロセスを適用して、トランジスタを製造することが効果的である。
【0007】
ここで、ダミーゲートプロセスとは、ゲート電極層の設けられる所定の位置に、予め、同じ寸法形状のパターン(=ダミーゲートパターン)を形成し、次いで、このパターンをマスクにして不純物を導入し、ソース領域、及びドレイン領域を形成する。その後、ダミーゲートパターンを除去し、ゲート電極層に置き換える方法である。一般に、トランジスタを製造する過程では、ソース領域、及びドレイン領域に、1000℃前後の高温の熱処理を施し、不純物を活性化させる等の処理工程が必要となる。しかしながら、ダミーゲートプロセスでは、ゲート電極層に先んじて、ソース領域、及びドレイン領域を形成する。従って、この場合には、ゲート電極層を形成した後、450℃程度以下の比較的低い温度で熱処理を施すだけでよい。
【0008】
このように、ダミーゲートプロセスを用いれば、トランジスタにおいて、高融点金属材以外にも、耐熱性の低い金属材料を用い、所謂、メタルゲート電極層を形成することができる。また、高誘電率の材料(High−kの材料)を用いて、ゲート絶縁膜を形成することが容易になる。これより、完全空乏型のSOIトランジスタ等において、駆動性、及び制御性を高めることが可能となる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来の完全空乏型のSOIトランジスタでは、動作時に、チャネル領域(=シリコン活性層(SOI層))の部分を空乏化させる。従って、前述の如く、チャネル領域の不純物の濃度は低く抑えられ、駆動性等を維持するべく、その値には上限が設けられる。
【0010】
このような場合、イオン注入技術等を用いて、チャネル領域に不純物を導入し、トランジスタの閾値電圧の値を任意に制御することが困難である。従って、同一の半導体基板上に、異なる閾値電圧で複数のトランジスタを任意に形成することが困難である。
【0011】
また、所謂、メタルゲート電極層、及び高誘電率材料のゲート絶縁膜を用いたトランジスタでは、タングステン(W)等、ゲート電極層に用いられる金属材料の仕事関数は、シリコン(Si)のミッドギャップ(=バンドギャップの中間、4.6eV)に近い値を有する。また、単一の金属を材料に用いれば、ゲート電極層の仕事関数の値は固定される。ゲート電極層の材料に多結晶シリコンを用いた場合には、その内部に不純物を導入して、トランジスタの閾値電圧を適当な値に調整することができる。これより、従来、ゲート電極層に金属材料を用いると、多結晶シリコンを用いた場合より、トランジスタの閾値電圧の値(=絶対値)は高くなり易い。従って、トランジスタの閾値電圧をより低くする等、任意の値に制御することが困難であった。
【0012】
このように、完全空乏型のSOIトランジスタ等において、ゲート電極層に金属材料を、また、ゲート絶縁膜に高誘電率材料を用いた場合、駆動性、及び制御性を高めることができる。しかしながら、個々のトランジスタの閾値電圧を適正な値に制御し、同一の半導体基板上に、異なる閾値電圧で複数のトランジスタを形成することが困難である。
【0013】
以上の如く、従来の方法では、完全空乏型SOIトランジスタ等において、閾値電圧を適正な値に調整することが困難である。これより、同一の半導体基板上に閾値電圧の異なるトランジスタを形成する場合等、回路設計の自由度を高めることが困難である。
【0014】
以上より、本発明の目的は、このような問題を解決して、高性能な半導体装置を製造することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板と、半導体基板上に形成された絶縁膜と、この絶縁膜上に形成されたシリコン層と、このシリコン層上に形成されたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極層と、前記シリコン層に形成された、ソース領域、ドレイン領域、及びチャネル領域とを有する第一のトランジスタ及び第二のトランジスタを備え、前記第一のトランジスタのチャネル領域を構成するシリコン層の厚さは、前記第二のトランジスタのチャネル領域を構成するシリコン層の厚さよりも薄く、かつ、前記第一のトランジスタのチャネル領域を構成するシリコン層の厚さは10nm以下、前記第二のトランジスタのチャネル領域を構成するシリコン層の厚さは10nm以上であり、並びに前記第一のトランジスタの閾値電圧の絶対値は前記第二のトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きいことを特徴とする半導体装置を提供することができる。
また、本発明は、半導体基板と、半導体基板上に形成された絶縁膜と、この絶縁膜上に形成されたシリコン層と、このシリコン層の一側面、或いは前記一側面及び前記一側面と対向する側面に接するように形成されたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜の側面に接するように形成されたゲート電極層と、前記シリコン層に形成された、ソース領域、ドレイン領域、及びチャネル領域とを有する第一のトランジスタ及び第二のトランジスタを備え、前記第一のトランジスタのチャネル領域の厚さとなる前記シリコン層の幅は、前記第二のトランジスタのチャネル領域の厚さとなる前記シリコン層の幅よりも小さく、かつ、前記第一のトランジスタのチャネル領域の厚さは10nm以下、及び前記第二のトランジスタのチャネル領域の厚さは10nm以上であり、並びに前記第一のトランジスタの閾値電圧の絶対値は前記第二のトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きいことを特徴とする半導体装置を提供することができる。
また、半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたシリコン層に第一のシリコン薄膜パターン、及び第二のシリコン薄膜パターンを形成する工程と、前記第一のシリコン薄膜パターン、及び前記第二のシリコン薄膜パターンの側壁に絶縁膜を形成する工程と、前記第一のシリコン薄膜パターン、及び前記第二のシリコン薄膜パターンの上及び側壁に、第一のダミーゲートパターン、及び第二のダミーゲートパターンを選択的に形成する工程と、前記第一のダミーゲートパターン、及び前記第二のダミーゲートパターンをマスクにして、前記第一のシリコン薄膜パターン、及び前記第二のシリコン薄膜パターンに不純物を導入し、ソース領域、及びドレイン領域の位置に不純物拡散層を形成する工程と、前記第一及び第二のダミーゲートパターン並びに前記絶縁膜を除去する工程と、前記第一のシリコン薄膜パターン、及び前記第二のシリコン薄膜パターンの側壁にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜の側壁にゲート電極を形成する工程とを有し、前記第一のシリコン薄膜パターン、及び前記第二のシリコン薄膜パターンを形成する前記工程において、前記第一のシリコン薄膜パターンにおける前記ソース領域から前記ドレイン領域へ向かう方向と垂直方向の幅が、前記第二のシリコン薄膜パターンにおける前記ソース領域から前記ドレイン領域へ向かう方向と垂直方向の幅よりも小さく、かつ、前記第一のシリコン薄膜パターンの前記幅は10nm以下、前記第二のシリコン薄膜パターンの前記幅は10nm以上であるように、前記第一のシリコン薄膜パターン、及び前記第二のシリコン薄膜パターンが形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法を提供することができる。
【0016】
また、本発明は、半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたシリコン層上に、第一、及び第二のダミーゲートパターンを形成する工程と、前記第一、及び第二のダミーゲートパターンをマスクにして、前記シリコン層に不純物を導入し、ソース領域、及びドレイン領域の位置に不純物拡散層を形成する工程と、前記第一、及び第二のダミーゲートパターンを埋め込むように、前記シリコン層上に絶縁膜を形成する工程と、前記第一、及び第二のダミーゲートパターンを除去し、前記絶縁膜に第一、及び第二の溝を形成する工程と、前記第一の溝において、前記シリコン層をエッチングして、チャネル領域の部分の厚さを薄くする工程と、前記第一、及び第二の溝内において、前記シリコン層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第一、及び第二の溝内において、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極層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を提供することができる。
【0017】
また、本発明は、半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたシリコン層上に、第一、及び第二のダミーゲートパターンを形成する工程と、前記第一、第二のダミーゲートパターンをマスクにして、前記シリコン層に不純物を導入し、ソース領域、及びドレイン領域の位置に不純物拡散層を形成する工程と、前記第一、及び第二のダミーゲートパターンを埋め込むように、前記シリコン層上に絶縁膜を形成する工程と、前記第一のダミーゲートパターンを除去し、前記絶縁膜に、第一の溝を形成する工程と、前記第一の溝において、前記シリコン層のチャネル領域の位置にシリコン酸化膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜を除去し、前記シリコン層のチャネル領域の厚さを薄くする工程と、前記第二のダミーゲートパターンを除去し、前記絶縁膜に、第二の溝を形成する工程と、前記シリコン層のチャネル領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に、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を提供することができる。
【0018】
以上、本発明によれば、個々のトランジスタの閾値電圧を適正な値に制御し、同一の半導体基板上に、異なる閾値電圧で複数のトランジスタを形成することが可能となる。これより、同一の半導体基板上に閾値電圧の異なるトランジスタを形成する場合等、回路設計の自由度を高め、高性能な半導体装置を提供することが可能となる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の各実施の形態について詳細に説明する。
(第一の実施の形態)
本実施の形態について、図1乃至4を参照して説明する。本実施の形態では、一例に、同一の半導体基板(例:SOI(=Silicon−on−insulator)基板)に、閾値電圧の値が異なるように、N型のMOSトランジスタを複数形成する場合に付いて説明する。
【0020】
また、図2乃至4は、SOI基板に形成されたN型のMOSトランジスタにおいて、ゲート電極層の長さ方向に対して、垂直な方向の断面図である。
【0021】
先ず、図1(a)、(b)に示すように、前述の如く形成されたSOI基板において、所定の素子形成領域のゲート電極層を形成する領域に、ダミーゲートのパターンを形成する。SOI基板のシリコン活性層(=SOI)の厚さは、一例に、30nm程度とする。
【0022】
尚、図1(a)、(b)は、SOI(Silicon−On−Insulator)基板の深さ方向(=厚さ方向)を表す断面図である。
【0023】
図1(a)に示すように、シリコン支持基板101上には、埋め込みシリコン酸化膜102を介して、所定の厚さまで薄膜化処理の施されたシリコン活性層(=SOI層)103が形成されている。このようして、SOI基板104は、シリコン支持基板101/埋め込みシリコン酸化膜102/シリコン活性層(=SOI層)103から構成される。
【0024】
次に、図1(b)に示すように、シリコン活性層(=SOI層)103に、公知の方法で、浅い溝型の素子分離領域(=STI領域:Shallow−Trench−Isolation)105を複数形成する。また、各素子分離領域105の間は、MOS型トランジスタ等、半導体素子が形成される素子領域106として使用される。
【0025】
尚、本実施の形態では、公知の貼り合せ法やSIMOX(Separation by Implanted Oxygen)法等、設計条件等に応じ、適当な方法によって作成されたSOI(Silicon−On−Insulator)基板を使用する。
【0026】
次に、本実施の形態では、図2乃至4に示すように、一例に、SOI基板104に、完全空乏型のSOIトランジスタを複数形成する。ここでは、これらの完全空乏型のSOIトランジスタは、互いに異なる閾値電圧を有するN型のトランジスタとする。
【0027】
先ず、図2(a)に示すように、SOI基板104において、シリコン活性層(=SOI層)103上に、シリコン酸化膜107(=バッファ酸化膜)を介して、多結晶シリコン膜108、シリコン窒化膜(SiNx膜)109、次いで、フォトレジスト膜110を、各々、公知の方法で順次形成する。
【0028】
ここでは、先ず、SOI基板104において、シリコン活性層(=SOI層)103の表面に、3nm程度の厚さで、シリコン酸化膜107(=バッファ酸化膜)を薄く形成する。その後、多結晶シリコン膜108を厚さ150nm程度で、次いで、シリコン窒化膜(SiNx膜)109を厚さ30nm程度で形成する。
【0029】
次に、電子ビーム等により、フォトレジスト膜110をゲート電極層の寸法、及び形状に加工して、マスクパターンを形成する。その後、このマスクパターンを用いて、シリコン窒化膜109、多結晶シリコン膜108、次いで、シリコン酸化膜107(=バッファ酸化膜)の順に、RIE法等のドライエッチング技術による加工を施し、パターンを転写する。このようにして、図2(b)に示すように、シリコン活性層(=SOI層)103上の所定の位置に、ダミーゲートパターン111、112を形成する。また、ここでは、その後、ダミーゲートパターン111、112の両側面に沿って、シリコン窒化膜(=SiNx膜)等を用い、サイドウォール113、114を形成する。
【0030】
ここでは、ダミーゲートパターン111は、シリコン酸化膜107、多結晶シリコン膜108、及びシリコン窒化膜109から構成される積層のパターンとして、シリコン活性層(=SOI層)103上に形成される。また、ダミーゲートパターン112は、シリコン酸化膜107、多結晶シリコン膜108、及びシリコン窒化膜109から構成される積層のパターンとして、シリコン活性層(=SOI層)103上に形成される。
【0031】
尚、ここでは、ドライエッチング技術には、反応性イオンエッチング法(以下、RIE法とする)を用い、シリコン窒化膜109、多結晶シリコン膜108、シリコン酸化膜107の順にエッチングして、ゲートパターンを転写し、ダミーゲートパターン111、112を形成する。
【0032】
次に、図2(c)に示すように、ダミーゲートパターン111、112に沿い、その両側の位置において、エピタキシャル成長法を用い、シリコン活性層(=SOI)103上に、シリコンのエピタキシャル層115を形成する。このように、シリコン層103(=SOI層)において、ソース領域、及びドレイン領域を形成する部分の厚さを増やす。
【0033】
ここでは、シリコン活性層(=SOI)103にエピタキシャル成長法を施す前に、水素雰囲気によるアニール処理を行う。シリコン活性層(=SOI層)103は、その厚さが250Å以上であれば、凝集を起こすことはない。本実施の形態では、前述の如くシリコン活性層(=SOI層)103の厚さは、300Åであり、凝集を起こさずに、水素雰囲気によるアニ―ル処理を行うことができる。
【0034】
次に、イオン注入技術等を用い、ダミーゲートパターン112、113をマスクにして、図3(a)に示すように、シリコン活性層(=SOI)103のソース領域、及びドレイン領域の位置に、N型の不純物116(P(リン)、またはAs(砒素))を導入し、その後、熱処理を行い、不純物116を活性化させて、高濃度のN+型の不純物拡散層117a、117b、118a、118bを形成する。ここでは、高濃度のN+型の不純物拡散層117a、118aはソース領域を構成し、また、高濃度のN+型の不純物拡散層117b、118bは、ドレイン領域を構成する。
【0035】
次に、図3(b)に示すように、層間絶縁膜として、TEOS膜(=テトラエトキシシラン膜)119を230nm程度の膜厚で堆積させ、その後、全体をCMP法等で平坦化して、ダミーゲートパターン111、112の表面を露出させる。
【0036】
次に、図3(c)に示すように、ダミーゲートパターン111、112を除去し、シリコン活性層103に、ゲート溝120、121を形成する。
【0037】
ここでは、先ず、熱リン酸によるエッチング処理によって、シリコン窒化膜109a、109bのパターンを除去し、次いで、ケミカルドライエッチング法(CDE法:Chemical−Dry−Etching法)によって、TEOS膜119内に埋め込まれた多結晶シリコン膜108のパターンを除去する。
【0038】
次に、同一の半導体基板、即ち、SOI基板104上に、閾値電圧の異なるMOSトランジスタを作り分ける。ここでは、一例に、同一のSOI基板104上に、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタ、次いで、閾値電圧の低い方のMOSトランジスタの順に形成する。
【0039】
先ず一例に、図4(a)に示すように、フォトレジスト膜122で、閾値電圧の低い方のMOSトランジスタを形成する領域を覆う。その後、この状態で、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタを形成する領域において、ゲート溝120の底部に在るシリコン酸化膜107を弗酸(HF)等で除去し、その後、CDE法、またはRIE法等を用いてリセス処理を行い、深さ方向において、シリコン活性層(=SOI層)103の厚さを薄くする。ここでは、リセス処理を制御して、シリコン活性層(=SOI層)103の残りの厚さを50Å程度にまで薄くする。
【0040】
ここでは、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタにおいて、チャネル領域を構成するシリコン活性層(=SOI層)103の厚さをTa、また、閾値電圧の低い方のMOSトランジスタにおいて、シリコン活性層(=SOI層)103の厚さをTbとする。
【0041】
次に、酸素プラズマ等を用いたアッシング処理で、図4(b)に示すように、フォトレジスト膜122を除去する。ここでは、閾値電圧の低い方のトランジスタを形成する領域では、シリコン活性層(=SOI層)103にリセス処理等を施さず、その厚さTbを300Å程度に維持する。このとき、N型のMOSトランジスタにおいて、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタでは、シリコン活性層103の厚さTaは50Å程度、また、閾値電圧の低い方のMOSトランジスタでは、シリコン活性層103の厚さTbは、300Å程度となる。
【0042】
次に、図4(c)に示すように、ゲート溝120、121の各々において、ゲート絶縁膜、次いで、ゲート電極層を埋め込み形成し、閾値電圧の異なるN型のMOSトランジスタを形成する。ここでは、N型のMOSトランジスタにおいて、高速性と良好な制御性を図るべく、ゲート絶縁膜の材料には、所謂、高誘電率膜、または強誘電体膜等を用い、また、ゲート電極層の材料には金属を用いて、所謂、メタルゲート電極層を形成する。
【0043】
ここでは、ゲート溝120、121において、シリコン窒化膜123(例:窒化オキシナイトライド膜(=NO膜))介し、ゲート絶縁膜として、高誘電率膜であるTa2O5膜124を形成する。その後、バリアメタル層を構成する窒化チタン膜(=TiN膜)125、及びゲート電極層として、タングステン(W)膜126を埋め込み形成する。このように、ゲート絶縁膜の材料には、高誘電率のTa2O5、また、ゲート電極層の材料には、高融点金属であるタングステン(W)を用い、所謂、メタルゲート電極層を形成する。以上のようにして、SOI基板104上に、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタ127、閾値電圧の低い方のMOSトランジスタ128を形成する。
【0044】
具体的な手順としては、以下のように、公知のダマシンゲートプロセスを用いて、MOSトランジスタのゲート絶縁膜、埋め込みゲート電極を順番に形成する。
【0045】
先ず、ゲート溝120、121の各底部において、自然酸化膜等を除去するべく、弗酸(=HF)処理を施してシリコン活性層(=SOI層)103の表面を露出させる。その後、CVD法等を用いて、シリコン窒化膜124(例:窒化オキシナイトライド膜(=NO膜))を0.7nm程度の厚さで形成する。次いで、その上に、CVD法等を用い、ゲート絶縁膜として、Ta2O5膜125を3nm程度の膜厚で形成する。
【0046】
次に、CVD法等を用い、バリアメタル層の材料として、窒化チタン膜(TiN膜)126を5nmの膜厚で、その後、CVD法、またはブランケット成長法等を用い、ゲート電極層の材料として、タングステン膜(=W膜)127を150nm程度の膜厚で、積層状に形成する。
【0047】
次に、公知のCMP法によって、窒化チタン(TiN)膜126、及びタングステン(W)膜127を一部除去して、シリコン活性層(=SOI層)103上の面全体を平坦化し、ゲート溝120、121の内部にタングステン(W)を埋め込むように残して、ゲート電極層を形成する。
【0048】
MOS型トランジスタにおいて、ゲート溝120、121の内部に埋め込まれたタングステン(W)127は、ゲート電極層として、ソース領域、及びドレイン領域(=不純物拡散層117a、117b、118a、118b)とともに機能する。
【0049】
ここでは、Ta2O5膜125(=ゲート絶縁膜)において、シリコン酸化膜等の膜厚に換算して、1.5nm以下の膜厚に相当する制御性を有することになる。従って、トランジスタの制御性を高めることが可能となる。
【0050】
本実施の形態では、MOSトランジスタのゲート絶縁膜、及びゲート電極層を形成した後、特に、800乃至1000℃程度の高温で熱処理を行うと、ゲート電極層(=メタルゲート電極層)を構成する金属の原子が、ゲート絶縁膜の内部に拡散する。このような場合、所謂、ゲート絶縁膜の耐圧が劣化する。また、Ta2O5膜12等の高誘電率膜(=High−k膜)と、シリコン活性層(=SOI層)103との界面には、比誘電率の低い薄膜が形成され、機能上、ゲート絶縁膜の実行的な膜厚が著しく増大して、制御性が低下することにもなる。
【0051】
本実施の形態では、MOSトランジスタを製造する過程で、ゲート電極層よりも先に、ソース領域、及びドレイン領域を形成する。この場合、ゲート電極層を形成した後、特に450℃以上の高温で熱処理を行う必要がない。従って、ゲート絶縁膜には、高誘電率膜、または強誘電体膜として、Ta2O5膜の他に、TiO2膜、SiN膜、BaTiO3膜、SrTiO3膜、HfO2膜、ZrO2膜、La2O3膜、Gd2O3膜、Y2O3膜、CaF2膜、CaSnF2膜、CeO2膜、Yttria Stabilized Zirconiaの膜、Al2O3膜、ZrSiO4膜、HfSiO4膜、Gd2SiO5膜、2La2O3膜/3SiO2膜(=積層膜)等を使用することができる。また、ゲート電極層には、金属材料として、タングステン(W)の他に、TiN、WN、Al、Ru等を使用することができる。
【0052】
次に、公知の製造工程を適用して、前述の如く形成されたMOS型のトランジスタの上層に、配線層構造等を形成する。即ち、CVD法等で、層間絶縁膜としてTEOS膜を形成する。その後、TEOS膜において、ゲート電極層、ソース領域、ドレイン領域上の各位置に、コンタクトホールを開孔し、上層の金属配線層(例:銅(Cu)配線層)形成して、ゲート電極層、ソース領域、ドレイン領域と電気的に接続する。ここでは、所謂、デュアルダマシン配線構造を適用することが可能である。
【0053】
以上のようにして、SOI基板104上に、異なる閾値電圧を有する完全空乏型のN型MOSトランジスタを複数形成する。ここでは、閾値電圧の低い方のトランジスタ128は、チャネル領域を構成するシリコン活性層(=SOI層)103の厚さが300Å程度であり、閾値電圧の値は、0.15V程度となる。一方、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタ127は、チャネル領域を構成するシリコン活性層(=SOI層)103の厚さが50Å程度であり、閾値電圧の値は、0.5V程度となる。
【0054】
所謂、メタルゲート電極層等、ゲート電極層に金属材料を用いた場合には、前述の如く、多結晶シリコンを用いる場合よりも、トランジスタの閾値電圧の値が上昇し易くなる。本実施の形態では、前述の如く、チャネル領域を構成するシリコン活性層(=SOI層)103の厚さを300Å程度まで薄くして、トランジスタの閾値電圧の値を0.15V程度まで低くすることができる。
【0055】
また、本実施の形態では、一例に、前述の如くシリコン活性層(=SOI層)103の厚さを更に50Å程度まで薄くして、逆に、トランジスタの閾値電圧の値を0.5V程度まで高くする。チャネル領域の深さ(=シリコン活性層(=SOI層)103の厚さを100Å程度以下にすると、量子効果によってサブバンドが形成され、逆に、トランジスタの閾値電圧の値が上昇することになる。
【0056】
本実施の形態では、チャネル領域を構成するシリコン活性層(=SOI層)103の厚さを100Å程度まで薄くして、トランジスタの閾値電圧の値を徐々に低くすることができる。また、更に、シリコン活性層(=SOI層)103の厚さを100Å程度よりも薄くして、逆に、トランジスタの閾値電圧の値を徐々に高くするように調整することが可能となる。
【0057】
このような場合、本実施の形態では、前述の如く、ダマシンゲートプロセスを適用し、ドライエッチング技術等を用いて、チャネル領域を構成するシリコン活性層(=SOI層)103の厚さを100Å程度までの範囲で薄くして、トランジスタの閾値電圧の値を低くする。また、トランジスタの閾値電圧の値をより高くする場合には、前述の如くドライエッチング技術等を用いて、チャネル領域の深さ、即ち、シリコン活性層(=SOI層)103の厚さを更に100Å程度よりも薄くすれば良い。従って、完全空乏型のSOIトランジスタにおいて、同一の半導体基板(=SOI基板104)上に、異なる閾値電圧を有するトランジスタを複数形成し、半導体装置の性能を高めることができる。
【0058】
また、本実施の形態では、ソース領域、及びドレイン領域を形成した後、チャネル領域を構成するシリコン活性層(=SOI層)のみを薄くする。従って、ソース領域、及びドレイン領域を形成する過程で、シリコン層の厚さは十分に確保されており、水素雰囲気等によるアニール処理時、凝集が起こすことがない。
本実施の形態では、SOI基板104に形成された、LDD(Light−Doped−Drain)構造を有するトランジスタを製造する場合にも適用することが可能である。また、ゲート電極層に、多結晶シリコンを用いた場合にも、適用することができる。
【0059】
尚、本実施の形態では、導入する不純物を替えて、SOI基板104に、P型のMOSトランジスタを形成することも可能である。また、同一のSOI基板上に、N型、及びP型のMOSトランジスタを設け、SOI基板にCMOSトランジスタを形成することも可能である。
(第二の実施の形態)
本実施の形態について、図5乃至7を参照して説明する。本実施の形態では、(第一の実施の形態)と同様に、同一の半導体基板(例:SOI基板)に、閾値電圧の異なるようにして、N型のMOSトランジスタを複数形成する場合に付いて説明する。また、(第一の実施の形態)と同一の構造を有する部分に付いては、同じ符号を引用して、詳細な説明は省略するものとする。
【0060】
尚、図5乃至7は、SOI基板に形成されたN型のMOSトランジスタにおいて、ゲート電極層の長さ方向に、垂直な方向の断面図である。
【0061】
本実施の形態では、(第一の実施の形態)と同様に、SOI基板104(=シリコン支持基板101/埋め込みシリコン酸化膜102/シリコン活性層(=SOI層)103)を用いる。また、ここでは、シリコン活性層(=SOI層)103の厚さは、300Å程度の厚さにする。
【0062】
本実施の形態では、(第一の実施の形態)と同様に、シリコン活性層(=SOI層)103の表面に、3nm程度の厚さで、シリコン酸化膜107(=バッファ酸化膜)を形成する。その後、多結晶シリコン膜108を厚さ150nm程度で、次いで、シリコン窒化膜(SiNx膜)109を厚さ30nm程度で形成する。
【0063】
次に、(第一の実施の形態)と同様の手順で、電子ビーム等により、シリコン窒化膜109、多結晶シリコン膜108、次いで、シリコン酸化膜107(=バッファ酸化膜)の順に、RIE法等のドライエッチング技術による加工を施し、パターンを転写する。ゲートのパターンを形成し、図5(a)に示すように、形成する。ダミーゲートの側面にSiN側壁を形成する。また、ここでは、その後、ダミーゲートパターン111、112の両側面に沿って、シリコン窒化膜(=SiNx膜)等を用い、サイドウォール113、114を形成する。
【0064】
次に、図5(b)に示すように、ダミーゲートパターン111、112に沿い、その両側の位置において、エピタキシャル成長法を用い、シリコン活性層(=SOI層)103上に、シリコンのエピタキシャル層115を形成する。このように、シリコン活性層(=SOI層)103において、ソース領域、及びドレイン領域を形成する部分の厚さを増やす。
【0065】
ここでは、エピタキシャル成長法を施す前に、水素雰囲気によるアニール処理を行うが、(第一の実施の形態)で述べたように、シリコン活性層(=SOI層)103の厚さは300Åあり、凝集を起こさずに処理することができる。
【0066】
次に、イオン注入技術等を用い、ダミーゲートパターン111、112をマスクにして、図5(c)に示すように、N型の不純物116(P(リン)、またはAs(砒素))を導入し、ソース領域を構成する高濃度のN+型不純物拡散層117a、118a、及びドレイン領域を構成する高濃度のN+型不純物拡散層117b、118bを形成する。
【0067】
次に、図6(a)に示すように、層間絶縁膜として、TEOS膜119を230nm程度の厚さで堆積させ、その後、全体をCMP法等で平坦化して、ダミーゲートパターン111、112の表面を露出させる。
【0068】
次に、本実施の形態の方法を用い、同一の半導体基板、即ち、SOI基板104に、閾値電圧の異なるMOSトランジスタを作り分ける。ここでは、一例に、同一のSOI基板104上に、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタ、次いで、閾値電圧の低い方のMOSトランジスタの順に形成する。
【0069】
先ず、図6(b)に示すように、閾値電圧の低い方のトランジスタを形成する領域をフォトレジスト膜129で覆う。その後、この状態で、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタを形成する領域において、ダミーゲートパターン111を熱リン酸によるエッチング処理、CDE法等によって除去し、ゲート溝130を形成する。
【0070】
ここでは、先ず、熱リン酸によるエッチング処理によって、シリコン窒化膜109のパターンを除去し、次いで、ケミカルドライエッチング法(CDE法:Chemical−Dry−Etching法)によって、TEOS膜119内に埋め込まれた多結晶シリコン膜108のパターンを除去する。その後、ゲート溝130の底部に在るシリコン酸化膜107を弗酸(HF)等で除去する。
【0071】
次に、フォトレジスト膜129を除去し、図6(c)に示すように、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタを形成する領域において、熱処理を施し、ゲート溝130底部のシリコン活性層(=SOI層)103の一部を酸化して、シリコン酸化膜(=SiO2膜)131を形成する。ここでは、シリコン活性層(=SOI層)103が、50Å程度の厚さで残るように、シリコン酸化膜130の膜厚を制御する。一方、閾値電圧の低い方のMOSトランジスタを形成する領域では、シリコン活性層(=SOI層)103をリセス処理せずに、300Å程度の厚さに維持する。
【0072】
ここでは、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタにおいて、チャネル領域を構成するシリコン活性層(=SOI層)103の厚さをTa、また、閾値電圧の低い方のMOSトランジスタにおいて、シリコン活性層(=SOI層)103の厚さをTbとする。
【0073】
次に、図7(a)に示すように、閾値電圧の低い方のMOSトランジスタ領域において、ダミーゲートパターン112を除去する。ここでは、TEOS膜119内に熱リン酸によるエッチング処理によって、シリコン窒化膜109のパターンを除去し、次いで、ケミカルドライエッチング法(=CDE法)によって、埋め込まれた多結晶シリコン膜108のパターンを除去する。
【0074】
次に、この状態で、図7(b)に示すように、シリコン酸化膜107、131を弗酸(HF)等で同時に除去する。このとき、N型のMOSトランジスタにおいて、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタを形成する領域において、チャネル領域を構成するシリコン活性層(=SOI層)103の厚さTaは50Å程度、また、閾値電圧の低い方のMOSトランジスタでは、シリコン活性層103の厚さTbは300Å程度となる。
【0075】
次に、図7(c)に示すように、ゲート溝130、132の各々において、ゲート絶縁膜、次いで、ゲート電極層を埋め込み形成し、閾値電圧の異なるN型のMOSトランジスタを複数形成する。
【0076】
ここでは、(第一の実施の形態)と同様に、MOSトランジスタにおいて、高速性と良好な制御性を図るべく、ゲート絶縁膜の材料には、所謂、高誘電率膜、または強誘電体膜等を用い、また、ゲート電極層の材料には金属を用いて、所謂、メタルゲート電極層を形成する。
【0077】
また、ゲート溝130、132において、シリコン窒化膜133(例:窒化オキシナイトライド膜(=NO膜))介し、ゲート絶縁膜として、高誘電率のTa2O5膜134を形成する。その後、バリアメタル層を構成する窒化チタン膜(=TiN膜)135、及びゲート電極層として、タングステン(W)材136を埋め込み形成する。このように、ゲート絶縁膜の材料には、高誘電率のTa2O5、また、ゲート電極層の材料には、高融点金属であるタングステン(W)を用い、所謂、メタルゲート電極層を形成する。以上のようにして、SOI基板104上に、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタ137、閾値電圧の低い方のMOSトランジスタ138を形成する。
【0078】
具体的な手順としては、以下のように、公知のダマシンゲートプロセスを用いて、MOSトランジスタのゲート絶縁膜、埋め込みゲート電極を順番に形成する。
【0079】
先ず、ゲート溝130、132の各底部において、自然酸化膜等を除去するべく、弗酸(=HF)処理を施してシリコン活性層(=SOI)103の表面を露出させる。その後、CVD法等を用いて、シリコン窒化膜133(例:窒化オキシナイトライド膜(=NO膜))を0.7nm程度の厚さで形成する。次いで、その上に、CVD法等を用い、ゲート絶縁膜として、Ta2O5膜134を3nm程度の膜厚で形成する。
【0080】
次に、CVD法等を用い、バリアメタル層の材料として、窒化チタン膜(TiN膜)135を5nmの膜厚で、その後、CVD法、またはブランケット成長法等を用い、ゲート電極層の材料として、タングステン膜(=W膜)136を150nm程度の膜厚で、積層状に形成する。
【0081】
次に、公知のCMP法等によって、窒化チタン(TiN)膜135、及びタングステン(W)膜136を一部除去して、シリコン活性層(=SOI層)103上の面全体を平坦化し、ゲート溝130、132の内部にタングステン(W)を埋め込むように残して、ゲート電極層を形成する。
【0082】
MOS型トランジスタにおいて、ゲート溝130、132の内部に埋め込まれたタングステン(W)膜136は、ゲート電極層として、ソース領域、及びドレイン領域(=不純物拡散層117a、117b、118a、118b)とともに機能する。
【0083】
ここでは、Ta2O5膜125(=ゲート絶縁膜)において、酸化膜の膜厚に換算して、1.5nm以下の膜厚に相当する制御性を有することになる。従って、トランジスタの制御性を高めることが可能となる。
【0084】
本実施の形態では、トランジスタのゲート絶縁膜、及びゲート電極層を形成した後、特に、800乃至1000℃程度の高温で熱処理を行うと、ゲート電極層(=メタルゲート電極層)を構成する金属の原子が、ゲート絶縁膜の内部に拡散する。このような場合、所謂、ゲート絶縁膜の耐圧が劣化する。また、Ta2O5膜等の高誘電率膜(=High−k膜)と、シリコン活性層(=SOI層)103との界面には、比誘電率の低い薄膜が形成され、機能上、ゲート絶縁膜の実行的な膜厚が著しく増大して、制御性が低下することにもなる。
【0085】
その後、(第一の実施の形態)で説明したのと同様の手順で、MOS型のトランジスタの上層に、デュアルダマシン配線構造等を形成する。
【0086】
本実施の形態では、トランジスタにおいて、ゲート電極層よりも先に、ソース領域、及びドレイン領域を形成する。ゲート電極層を形成した後には、450℃以上の高温で熱処理を行う必要がない。従って、(第一の実施の形態)と同様に、ゲート絶縁膜には、高誘電率膜、または強誘電体膜として、Ta2O5膜の他に、TiO2膜、SiN膜、BaTiO3膜、SrTiO3膜、HfO2膜、ZrO2膜、La2O3膜、Gd2O3膜、Y2O3膜、CaF2膜、CaSnF2膜、CeO2膜、Yttria Stabilized Zirconiaの膜、Al2O3膜、ZrSiO4膜、HfSiO4膜、Gd2SiO5膜、2La2O3膜/3SiO2膜(=積層膜)等を使用することができる。また、ゲート電極層には、金属材料として、タングステン(W)の他に、TiN、WN、Al、Ru等を使用することができる。
【0087】
本実施の形態では、トランジスタのゲート絶縁膜、及びゲート電極層を形成した後、特に、800乃至1000℃程度の高温で熱処理を行うと、ゲート電極層(=メタルゲート電極層)を構成する金属の原子が、ゲート絶縁膜の内部に拡散する。このような場合、所謂、ゲート絶縁膜の耐圧が劣化する。また、Ta2O5膜12等の高誘電率膜(=High−k膜)と、シリコン活性層(=SOI層)103との界面には、比誘電率の低い薄膜が形成され、機能上、ゲート絶縁膜の実行的な膜厚が著しく増大して、制御性が低下することにもなる。
【0088】
以上のようにして、SOI基板104上に、異なる閾値電圧を有する完全空乏型のN型MOSトランジスタを複数形成する。ここでは、閾値電圧の低い方のトランジスタ128は、チャネル領域を構成するシリコン活性層(=SOI層)103の厚さTbが300Å程度であり、閾値電圧の値は、0.15V程度となる。一方、閾値電圧の高い方のトランジスタは、チャネル領域を構成するシリコン活性層(=SOI層)103の厚さが50Å程度であり、閾値電圧の値は、0.5V程度となる。
【0089】
所謂、メタルゲート電極層等、ゲート電極層に金属材料を用いた場合には、前述の如く、多結晶シリコンを用いる場合よりも、トランジスタの閾値電圧の値が上昇し易くなる。本実施の形態では、前述の如く、チャネル領域を構成するシリコン活性層(=SOI層)103の厚さを300Å程度まで薄くして、トランジスタの閾値電圧の値を0.15V程度まで低くすることができる。
【0090】
また、本実施の形態では、一例に、前述の如くシリコン活性層(=SOI層)103の厚さを更に50Å程度まで薄くして、逆に、トランジスタの閾値電圧の値を0.5V程度まで高くする。チャネル領域の深さ(=シリコン活性層(=SOI層)103の厚さを100Å程度以下にすると、量子効果によってサブバンドが形成され、逆に、トランジスタの閾値電圧の値が上昇することになる。
【0091】
本実施の形態では、チャネル領域を構成するシリコン活性層(=SOI層)103の厚さを100Å程度まで薄くして、トランジスタの閾値電圧の値を徐々に低くすることができる。また、更に、シリコン活性層(=SOI層)103の厚さを100Å程度よりも薄くして、逆に、トランジスタの閾値電圧の値を徐々に高くするように調整することが可能となる。
【0092】
このような場合、本実施の形態では、前述の如く、ダマシンゲートプロセスを適用し、酸化、次いでエッチング技術等を用いて、チャネル領域を構成するシリコン活性層(=SOI層)103の厚さを100Å程度までの範囲で薄くして、トランジスタの閾値電圧の値を低くする。また、トランジスタの閾値電圧の値をより高くする場合には、シリコン酸化膜の膜厚を前述の如くドライエッチング技術等を用いて、チャネル領域の深さ、即ち、シリコン活性層(=SOI層)103の厚さを更に100Å程度よりも薄くなるようにすれば良い。従って、完全空乏型のSOIトランジスタにおいて、同一の半導体基板(=SOI基板104)上に、異なる閾値電圧を有するトランジスタを複数形成し、半導体装置の性能を高めることができる。
【0093】
即ち、ダマシンゲートのプロセスにより、同一の半導体基板上において、シリコン活性層(=SOI層)のチャネル領域(SOI)の厚さに差を設けて、容易に、相互に異なる閾値電圧(Vth)を有する複数のSOI−MOSトランジスタを形成することができる。 また、本実施の形態では、シリコン活性層(=SOI層)103の表層部にシリコン酸化膜131を形成して、チャネル領域に相当するシリコン活性層(SOI)の厚さを薄くする。また、シリコン酸化膜131は、弗素(HF)等でウエットエッチング処理を行い、容易に除去することができる。このように、本実施の形態では、CDE法、またはRIE法等を用いる場合とは異なり、チャネル領域を構成するシリコン活性層103の部分を削らず、ゲート絶縁膜(例:Ta2O5膜)との界面に損傷を与えることはなく、半導体装置において、キャリア移動度等の電気特性を高めることができる。
【0094】
本実施の形態では、SOI基板に形成された、LDD(Light−Doped−Drain)構造を有するトランジスタを製造する場合にも適用することが可能である。また、ゲート電極層に、多結晶シリコンを用いた場合にも、適用することができる。
【0095】
尚、本実施の形態では、導入する不純物を替えて、SOI基板104に、P型のMOSトランジスタを形成することも可能である。また、同一のSOI基板上に、N型、及びP型のMOSトランジスタを設け、SOI基板にCMOSトランジスタを形成することも可能である。
(第三の実施の形態)
本実施の形態について、図8乃至10を参照して説明する。本実施の形態では、一例に、前述の各実施の形態と同様に、SOI基板を用い、チャネル領域をシリコン(Si)の薄膜(所謂、シリコン(Si)−fin膜)で構成するMOSトランジスタを形成する。
【0096】
尚、図8(a)、図9(a)、及び図10(a)は、ゲート電極層の長さ方向に、垂直な方向の断面図を表す。また、図8(b)、図9(b)、及び図10(b)は、チャネル領域の長さ方向に、垂直な方向の断面図を表す。
【0097】
先ず、図8(a)に示すように、シリコン支持基板201上には、埋め込みシリコン酸化膜202を介して、所定の厚さまで薄膜化処理の施されたシリコン活性層(=SOI層)203が形成されている。このようして、SOI基板204は、シリコン支持基板201/埋め込みシリコン酸化膜202/シリコン活性層(=SOI層)203から構成される。
【0098】
ここで、シリコン活性層(=SOI層)203の厚さは、一例に、50nm(=500Å)程度とする。また、シリコン活性層(=SOI層)203の表層部には、薄く、シリコン酸化膜205を3nm程度の膜厚で、次いで、CVD法等で、シリコン窒化膜206を10nm程度の膜厚で順次形成する。
【0099】
次に、シリコン窒化膜206上に、電子ビーム等によりフォトレジスト膜のパターンを形成し、このパターンをマスクにして、RIE法等のドライエッチング技術を用い、シリコン窒化膜206、シリコン酸化膜205、及びシリコン活性層(=SOI層)103を順次加工する。
【0100】
ここでは、図8(b)(=図8(a)に垂直な方向の断面図)に示すように、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタ領域において、埋め込みシリコン酸化膜202上に、幅50Å程度のシリコン薄膜パターン203a、シリコン酸化膜パターン205a、及びシリコン窒化膜パターン206aを形成する。また、このとき、同時に、閾値電圧の低い方のMOSトランジスタ領域においては、埋め込みシリコン酸化膜202上に、幅300Å程度のシリコン薄膜パターン203b、シリコン酸化膜パターン205b、及びシリコン窒化膜パターン206bを形成する。
【0101】
尚、ここでは、シリコン薄膜パターン203aの側面において、表層部に薄く、シリコン酸化膜207aを2nm程度の膜厚で形成する。また、シリコン薄膜パターン203bの側面においても、表層部に薄く、シリコン酸化膜207bを2nm程度の膜厚で形成する。
【0102】
次に、図9(a)に示すように、多結晶シリコン膜を材料とするダミーゲートパターン208a、208b、シリコン窒化膜パターン209a、b、及びそれらの側壁に沿って、サイドウォール210、211を形成する。また、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタ領域において、ソース領域、ドレイン領域の位置に不純物を導入して、高濃度のN+型不純物拡散層212a、212bを、また閾値電圧の低い方のMOSトランジスタ領域においては、同様にして、高濃度のN+型不純物拡散層213a、213bを形成する、その後、全体をTEOS膜214で覆い、平坦化させて、シリコン窒化膜パターン209a、209bを露出させる。
【0103】
尚、このとき、図9(b)(=図9(a)に垂直な方向の断面図)に示すように、チャネル領域を構成するシリコン薄膜パターン203aは、多結晶シリコン膜を材料とするダミーゲートパターン208a、シリコン窒化膜パターン209aによって覆われる。また、チャネル領域を構成するシリコン薄膜パターン203bは、多結晶シリコン膜を材料とするダミーゲートパターン208a、シリコン窒化膜パターン209bによって覆われる。
【0104】
具体的には、以下のように、公知のダマシンゲートプロセスを用い、閾値電圧の高い方、及び閾値電圧の低い方のN型のMOSトランジスタ領域に、ダミーゲートパターンを形成する。先ず、前述の如く設けられたシリコン薄膜パターン203a、203bを覆うようにして、シリコン窒化膜パターン206a、206b上に、多結晶シリコン膜を150nm程度の膜厚で所定領域に渡って形成する。その後、CMP法等を用いて、多結晶シリコン膜の表面を平坦化し、その上に、シリコン窒化膜を30nm程度の膜厚で形成する。その後、電子ビーム等によりフォトレジストのパターンを形成し、このパターンをマスクにして、RIE法等のドライエッチング技術を用い、シリコン窒化膜、次いで、多結晶シリコン膜の積層膜を順次、所定の形状、及び寸法に加工する。このようにして、前述の如く、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタ領域において、ダミーゲートパターン208a、及びシリコン窒化膜パターン209aを積層状に形成する。また、閾値電圧の低い方のMOSトランジスタ領域においても、ダミーゲートパターン208b、及びシリコン窒化膜パターン209bを積層状に形成する。ここでは、ダミーゲートパターン208a、208bを形成する過程で、シリコン窒化膜パターン206a、206bは、所謂、エッチングストッパーとして機能し、各々、シリコン薄膜パターン203a、203bを保護する。
【0105】
次いで、ダミーゲートパターン203a、203bの両側面に沿って、シリコン窒化膜等を用いて、サイドウォール210、211を形成する。その後、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタ領域において、ダミーゲートパターン208a、サイドウォール210をマスクにして、ソース領域、及びドレイン領域の位置にN型の不純物(=リン(P)、または、砒素(As))を導入し、前述の如く、高濃度のN+型不純物拡散層212a、212bを形成する。また、閾値電圧の低い方のMOSトランジスタ領域においても、同様に、ダミーゲートパターン208b、サイドウォール211をマスクにしてN型の不純物を導入し、高濃度のN+型不純物拡散層213a、213bを形成する。
【0106】
尚、ここでは、斜めイオン注入法、または固相拡散法等、公知の方法を用いて、N型の不純物を導入して、高濃度のN+型不純物拡散層212a、212b、213a、213bを形成することができる。
【0107】
次いで、TEOS膜214を200nm程度の膜厚で形成し、CMP法で平坦化して、ダミーゲートパターン208a、208bの表面を露出させる。
【0108】
また、その後、特に図示はしないが、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタ領域において、ダミーゲートパターン208a、シリコン窒化膜209aを、また、閾値電圧の低い方のMOSトランジスタ領域において、ダミーゲートパターン208b、シリコン窒化膜209bを、CDE法等を用いて同時に除去し、各々の領域にゲート溝を形成する。
【0109】
次に、各ゲート溝において、ゲート絶縁膜、次いで、ゲート電極層を埋め込み形成し、閾値電圧の高い方、及び閾値電圧の低い方のN型のMOSトランジスタを形成する。ここでは、前述の各実施の形態と同様に、MOSトランジスタにおいて、高速性と良好な制御性を図るべく、ゲート絶縁膜の材料には、所謂、高誘電率膜、強誘電体膜等を用い、また、ゲート電極層の材料には金属を用いて、所謂、メタルゲート電極層を形成する。
【0110】
ここでは、図10(a)に示すように、閾値電圧の高い方のN型のMOSトランジスタ領域において、ゲート溝の内面に沿って、ゲート絶縁膜として、高誘電率膜であるTa2O5膜215aを形成する。その後、その上に、バリアメタル層を構成する窒化チタン膜(=TiN膜)216a、次いで、ゲート電極層として、タングステン膜(=W膜)217aを順次埋め込み形成する。また、ここでは、閾値電圧の低い方のN型のMOSトランジスタ領域においても、同様に、ゲート溝の内面に沿って、ゲート絶縁膜として、高誘電率膜であるTa2O5膜215bを形成する。その後、その上に、バリアメタル層を構成する窒化チタン膜(=TiN膜)216b、次いで、ゲート電極層として、タングステン膜(=W膜)217bを順次埋め込み形成する。
【0111】
このように、一例に、ゲート絶縁膜の材料には、高誘電率膜であるTa2O5膜、また、ゲート電極層の材料には、高融点金属であるタングステン膜を用い、所謂、メタルゲート電極層を形成する。
【0112】
また、ここでは、チャネル領域を構成するシリコン薄膜パターン203a、203bの側面は、図10(b)(=図10(a)に垂直な方向の断面図)に示すように、シリコン窒化膜218、219によって予め保護されている。その後、この状態で、チャネル領域を構成するシリコン薄膜パターン203a、203bを左右両側、及び上方から覆うようして、Ta2O5膜215a、215b(=ゲート絶縁膜)、窒化チタン膜(=TiN膜)216a、216b(=バリアメタル層)、及びタングステン(W)217a、217b(=ゲート電極層)を、順次形成する。
【0113】
以上のようにして、閾値電圧の高い方のMOSトランジスタ220、及び閾値電圧の低い方のMOSトランジスタ221を形成する。なお、シリコン薄膜パターン203a、203bの幅であるWa及びWbがそれぞれ、MOSトランジスタ220、及びのMOSトランジスタ221のチャネル領域の厚さとなる。
【0114】
具体的な手順としては、以下のようにして、MOS型トランジスタのゲート絶縁膜、埋め込みゲート電極層を順番に形成する。
【0115】
先ず、閾値電圧の高い方のN型のMOSトランジスタ領域において、ゲート溝の底部に弗酸(=HF)処理を施し、シリコン薄膜203aの側面を露出させ、その後、CVD法等を用いて、その表層部にシリコン窒化膜218(例:窒化オキシナイトライド膜(=NO膜))を0.7nm程度の厚さで形成する。また、このとき、同時に、閾値電圧の低い方のN型のMOSトランジスタ領域において、ゲート溝の底部に弗酸(=HF)処理を施し、同様に、シリコン薄膜203bの側面の表層部にシリコン窒化膜219(例:窒化オキシナイトライド膜(=NO膜))を0.7nm程度の厚さで形成する(以上、図10(b)を参照する)。
【0116】
次いで、閾値電圧の高い方、及び閾値電圧の低い方のN型のMOSトランジスタ領域において、CVD法等を用い、ゲート絶縁膜として、Ta2O5膜215を3nm程度の膜厚で形成する。また、その後、バリアメタル層の材料として、窒化チタン膜(TiN膜)216a、216bを5nmの膜厚で、次いで、CVD法、またはブランケット成長法等を用い、ゲート電極層の材料として、タングステン膜(=W膜)217a、217bを150nm程度の膜厚で、積層状に形成する。
【0117】
次に、公知のCMP法によって、窒化チタン(TiN)膜216a、216b、及びタングステン(W)膜217a、217bを一部除去して、シリコン活性層(=SOI層)103上において全体を平坦化し、各ゲート溝内部にタングステン(W)を埋め込むように残して、ゲート電極層を形成する。このとき、ゲート絶縁膜の膜厚は、シリコン酸化膜の膜厚に換算して、1.5nm程度以下となる。
【0118】
本実施の形態では、MOSトランジスタを形成する過程では、ソース領域、及びドレイン領域、次いで、ゲート電極層を形成する。従って、その後、450℃以上の高温で熱処理を行う必要がない。前述の実施の形態で示した高誘電率膜、または強誘電体膜をゲート絶縁膜に使用することができ、またゲート電極にはメタル材料(TiN、WN、Al、W、Ru等)を使用することができる。
【0119】
次に、公知の製造工程を適用して、前述の如く形成されたMOS型のトランジスタの上層に、配線層構造等を形成する。即ち、CVD法等で、層間絶縁膜としてTEOS膜を形成する。その後、TEOS膜において、ゲート電極層、ソース領域、ドレイン領域上の各位置に、コンタクトホールを開孔し、上層の金属配線層(例:銅(Cu)配線層)形成して、ゲート電極層、ソース領域、ドレイン領域と電気的に接続する。ここでは、所謂、デュアルダマシン構造を適用することが可能である。
【0120】
本実施の形態では、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、その他の変更を行うことが可能である。
【0121】
【発明の効果】
本発明によれば、同一の半導体基板上に、互いに閾値電圧の異なるトランジスタを複数設けて、半導体装置の性能を高めることができる。また、本発明によれば、特に煩雑な製造工程を用いず、個々のトランジスタにおいて、容易に閾値電圧の値を変化させることができる。従って、回路設計上の自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施の形態に関係する半導体装置の製造工程を表す断面図である。
【図2】本発明の第一の実施の形態に関係する半導体装置の製造工程を表す断面図である。
【図3】本発明の第一の実施の形態に関係する半導体装置の製造工程を表す断面図である。
【図4】本発明の第一の実施の形態に関係する半導体装置の製造工程を表す断面図である。
【図5】本発明の第二の実施の形態に関係する半導体装置の製造工程を表す断面図である。
【図6】本発明の第二の実施の形態に関係する半導体装置の製造工程を表す断面図である。
【図7】本発明の第二の実施の形態に関係する半導体装置の製造工程を表す断面図である。
【図8】本発明の第三の実施の形態に関係する半導体装置の製造工程を表す断面図である。
【図9】本発明の第三の実施の形態に関係する半導体装置の製造工程を表す断面図である。
【図10】本発明の第三の実施の形態に関係する半導体装置の製造工程を表す断面図である。
【符号の説明】
101、201・・・シリコン支持基板
102、202・・・埋め込みシリコン酸化膜
103、203・・・シリコン活性層(=SOI層)
104、204・・・SOI基板
105・・・素子分離領域
106・・・素子形成領域
107、131、205・・・シリコン酸化膜
108・・・多結晶シリコン膜
109、133、206、218、219・・・シリコン窒化膜
110、122、129・・・フォトレジスト膜
111、112、208a、208b・・・ダミーゲートパターン
113、114・・・サイドウォール
115・・・シリコンのエピタキシャル層
116・・・N型の不純物
117a、118a、212a、213a・・・N+型不純物拡散層(=ソース領域)
117b、118b、212b、213b・・・N+型不純物拡散層(=ドレイン領域)
119、214・・・TEOS膜
120、121、130、132・・・ゲート溝
124、134、215a、215b・・・Ta2O5膜(=ゲート絶縁膜)
125、135、216a、216b・・・窒化チタン(TiN)膜(=バリアメタル層)
126、136、217a、217b・・・タングステン(W)膜(=ゲート電極層)
127、137、220・・・閾値電圧の高い方のMOSトランジスタ
128、138、221・・・閾値電圧の低い方のMOSトランジスタ
205a、205b、207a、207b・・・シリコン酸化膜パターン
209a、209b・・・シリコン窒化膜パターン
Claims (7)
- 半導体基板と、
半導体基板上に形成された絶縁膜と、
この絶縁膜上に形成されたシリコン層と、
このシリコン層上に形成されたゲート絶縁膜と、
このゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極層と、
前記シリコン層に形成された、ソース領域、ドレイン領域、及びチャネル領域とを有する第一のトランジスタ及び第二のトランジスタを備え、
前記第一のトランジスタのチャネル領域を構成するシリコン層の厚さは、前記第二のトランジスタのチャネル領域を構成するシリコン層の厚さよりも薄く、かつ、前記第一のトランジスタのチャネル領域を構成するシリコン層の厚さは10nm以下、及び前記第二のトランジスタのチャネル領域を構成するシリコン層の厚さは10nm以上であり、並びに前記第一のトランジスタの閾値電圧の絶対値は前記第二のトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きいことを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたシリコン層上に、第一、及び第二のダミーゲートパターンを形成する工程と、
前記第一、及び第二のダミーゲートパターンをマスクにして、前記シリコン層に不純物を導入し、ソース領域、及びドレイン領域の位置に不純物拡散層を形成する工程と、
前記第一、及び第二のダミーゲートパターンを埋め込むように、前記シリコン層上に絶縁膜を形成する工程と、
前記第一、及び第二のダミーゲートパターンを除去し、前記絶縁膜に第一、及び第二の溝を形成する工程と、
前記第一の溝において、前記シリコン層をエッチングして、チャネル領域の部分の厚さを薄くする工程と、
前記第一、及び第二の溝内において、前記シリコン層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第一、及び第二の溝内において、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極層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。 - 前記第一の溝において、前記シリコン層をエッチングして、その厚さを10nm以下に
薄くすることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたシリコン層上に、第一、及び第二のダミーゲートパターンを形成する工程と、
前記第一、第二のダミーゲートパターンをマスクにして、前記シリコン層に不純物を導入し、ソース領域、及びドレイン領域の位置に不純物拡散層を形成する工程と、
前記第一、及び第二のダミーゲートパターンを埋め込むように、前記シリコン層上に絶縁膜を形成する工程と、
前記第一のダミーゲートパターンを除去し、前記絶縁膜に、第一の溝を形成する工程と、
前記第一の溝において、前記シリコン層のチャネル領域の位置にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜を除去し、前記シリコン層のチャネル領域の厚さを薄くする工程と、
前記第二のダミーゲートパターンを除去し、前記絶縁膜に、第二の溝を形成する工程と、
前記シリコン層のチャネル領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に、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。 - 前記シリコン酸化膜を除去し、前記シリコン層のチャネル領域の厚さを10nm以下に薄くすることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体基板と、
半導体基板上に形成された絶縁膜と、
この絶縁膜上に形成されたシリコン層と、
このシリコン層の一側面、或いは前記一側面及び前記一側面と対向する側面に接するように形成されたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜の側面に接するように形成されたゲート電極層と、
前記シリコン層に形成された、ソース領域、ドレイン領域、及びチャネル領域とを有する第一のトランジスタ及び第二のトランジスタを備え、
前記第一のトランジスタのチャネル領域の厚さとなる前記シリコン層の幅は、前記第二のトランジスタのチャネル領域の厚さとなる前記シリコン層の幅よりも小さく、かつ、前記第一のトランジスタのチャネル領域の厚さは10nm以下、及び前記第二のトランジスタのチャネル領域の厚さは10nm以上であり、並びに前記第一のトランジスタの閾値電圧の絶対値は前記第二のトランジスタの閾値電圧の絶対値よりも大きいことを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたシリコン層に第一のシリコン薄膜パターン、及び第二のシリコン薄膜パターンを形成する工程と、
前記第一のシリコン薄膜パターン、及び前記第二のシリコン薄膜パターンの側壁に絶縁膜を形成する工程と、
前記第一のシリコン薄膜パターン、及び前記第二のシリコン薄膜パターンの上及び側壁に、第一のダミーゲートパターン、及び第二のダミーゲートパターンを選択的に形成する工程と、
前記第一のダミーゲートパターン、及び前記第二のダミーゲートパターンをマスクにして、前記第一のシリコン薄膜パターン、及び前記第二のシリコン薄膜パターンに不純物を導入し、ソース領域、及びドレイン領域の位置に不純物拡散層を形成する工程と、
前記第一及び第二のダミーゲートパターン並びに前記絶縁膜を除去する工程と、
前記第一のシリコン薄膜パターン、及び前記第二のシリコン薄膜パターンの側壁にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の側壁にゲート電極を形成する工程とを有し、
前記第一のシリコン薄膜パターン、及び前記第二のシリコン薄膜パターンを形成する前記工程において、前記第一のシリコン薄膜パターンにおける前記ソース領域から前記ドレイン領域へ向かう方向と垂直方向の幅が、前記第二のシリコン薄膜パターンにおける前記ソース領域から前記ドレイン領域へ向かう方向と垂直方向の幅よりも小さく、かつ、前記第一のシリコン薄膜パターンの前記幅は10nm以下、前記第二のシリコン薄膜パターンの前記幅は10nm以上であるように、前記第一のシリコン薄膜パターン、及び前記第二のシリコン薄膜パターンが形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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