JP4413809B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明者は、第1の活性領域には第1のゲート絶縁膜を、第2の活性領域には第2のゲート絶縁膜をそれぞれ分けて形成するに際して、第1のゲート絶縁膜上の第2のゲート絶縁膜をエッチング除去した後に、第1及び第2のゲート絶縁膜の全面を窒化処理又は酸窒化処理して、特に第2のゲート絶縁膜のエッチングによる、第1のゲート絶縁膜の受けた表面損傷を回復させる。このように本発明では、第1及び第2のゲート絶縁膜を分けて形成した状態で両者同時に表面回復処理、例えば窒化処理又は酸窒化処理を施す。この表面回復処理により、第1及び第2のゲート絶縁膜の表層は、窒化処理であれば窒化状態、酸窒化処理であれば酸窒化状態となって表面損傷が回復する。ここで、(酸)窒化状態とは、第1及び第2のゲート絶縁膜の表層に(酸素及び)窒素が混入して、(酸素及び)窒素の含有率が当該表層以外の部分と比べて高い状態を言う。このように本発明では、徒に工程増を招くことなく、第1及び第2のゲート絶縁膜を同時に表面回復処理することにより、第1のゲート絶縁膜のみならず、形成工程を通じて若干の表面損傷を受けがちな第2のゲート絶縁膜の電気特性も改善することができる。
以下、上述した本発明の基本骨子を踏まえ、本発明に適用した具体的な実施形態について説明する。
図3〜図5は、本実施形態によるMISトランジスタの製造方法を工程順に示す概略断面図である。なお、説明の便宜上、本実施形態では、MISトランジスタの構成を製造方法と共に説明する。
詳細には、半導体基板、ここではシリコン基板1上のSiO系トランジスタと高誘電率トランジスタとの素子分離領域に素子分離構造を形成し、SiO系トランジスタの第1の活性領域2と高誘電率トランジスタの第2の活性領域3とを画定する。素子分離構造としては、STI(Shallow Trench Isolation)法により、リソグラフィー及びドライエッチングにより素子分離領域に形成した溝4aをシリコン酸化物等の絶縁物で充填してなるSTI素子分離構造4を形成する。なお、このSTI素子分離構造4の代わりに、例えば素子分離領域をLOCOS法によりフィールド酸化してなるフィールド酸化膜を形成するようにしても良い。
詳細には、例えば熱酸化法により、第1及び第2の活性領域2,3上を含む全面にシリコン酸化膜(SiO膜)を膜厚(2)nm程度に形成する。このシリコン酸化膜がSiO系トランジスタの第1のゲート絶縁膜5となる。ここで、シリコン酸化膜の代わりに、例えばCVD法によりシリコン酸窒化膜(SiON膜)を形成しても良い。
詳細には、先ず、第1のゲート絶縁膜5上の全面にレジスト(不図示)を塗布する。
次に、レジストをリソグラフィーにより加工してレジストパターン11を形成する。ここで、レジストパターン11のリソグラフィーによる被加工端部11aが、第1の活性領域2における第1のゲート電極形成領域と、第2の活性領域3における第2のゲート電極形成領域とを除く任意の部位に位置する形状に形成すれば良い。従って、高い設計自由度をもってレジストパターン11を形成することができる。本実施形態では、第1の活性領域2の全体を覆うとともに、被加工端部11aが第2の活性領域3における第2のゲート電極形成領域以外の任意の部位に位置する形状に、レジストパターン11を形成する場合を例示する。
詳細には、レジストパターン11をエッチングマスクとして第1のゲート絶縁膜5をウェットエッチングし、レジストパターン11の形状に倣って第1のゲート絶縁膜5を加工する。このウェットエッチングにより、第1の活性領域2の全体を覆うとともに、第1のゲート絶縁膜5のウェットエッチングによる被加工端部5aが第2の活性領域3における第2のゲート電極形成領域以外の任意の部位に位置するように、第1のゲート絶縁膜5が残る。ここでは、被加工端部11aが前記任意の部位となるようにレジストパターン11を形成し、ウェットエッチングした結果、第1のゲート絶縁膜5の被加工端部5aが第2の活性領域3上に位置する場合を例示する。
詳細には、先ず、レジストパターン11をウェットエッチング等により除去する。
次に、例えばCVD法により、高誘電体膜を膜厚3nm程度に形成する。この高誘電体膜が高誘電体トランジスタの第2のゲート絶縁膜6となる。ここで、高誘電体膜としては、例えばHf,Zr,Si,Al,Taから選ばれた1種或いは2種以上の金属の酸化物又は酸窒化物の膜が挙げられる。ここでは、例えばハフニウム酸化物(HfO2)膜とする。
詳細には、先ず、第2のゲート絶縁膜6上の全面にレジスト(不図示)を塗布する。
次に、レジストをリソグラフィーにより加工してレジストパターン12を形成する。ここで、レジストパターン12のリソグラフィーによる被加工端部12aが、第1のゲート絶縁膜5の被加工端部5aと重畳する形状に、レジストパターン12を形成する。
詳細には、レジストパターン12をエッチングマスクとして第2のゲート絶縁膜6をパターニングし、レジストパターン12の形状に倣って第2のゲート絶縁膜6を加工する。このドライエッチングにより、当該ドライエッチングによる被加工端部6aが第2の活性領域3上で第1のゲート絶縁膜5の被加工端部5aと重畳するように、第2のゲート絶縁膜6が残る。
詳細には、レジストパターン12をウェットエッチング等により除去する。ここで、第1及び第2のゲート絶縁膜5,6の重畳部分をMとして図示する。本実施形態では、重畳部分Mは第1の活性領域2上に位置している。このように、第1及び第2のゲート絶縁膜5,6が重畳部分Mで重なるように形成されているため、第1のゲート絶縁膜5と第2のゲート絶縁膜6との間には隙間が生じることなく、第1及び第2のゲート絶縁膜5,6により第1及び第2の活性領域2,3の全面が確実に覆われている。
詳細には、表面回復処理として、窒化処理又は酸窒化処理を行う。具体的には、窒化処理の場合には、プラズマ窒化法による処理、NH3アニール法(NH3雰囲気下におけるアニール)による処理のうちから選ばれた一処理が好適である。酸窒化処理の場合には、プラズマ窒化法及びO2アニール法(酸素雰囲気下におけるアニール)による一連処理、NOアニール法(NO雰囲気下におけるアニール)による処理、NH3アニール法及びO2アニール法による一連処理のうちから選ばれた一処理が好適である。
詳細には、例えばCVD法により、第1及び第2のゲート絶縁膜5,6の全面を覆うように、多結晶シリコン膜7を膜厚100nm程度に堆積する。
詳細には、先ず、多結晶シリコン膜7上の全面にレジスト(不図示)を塗布する。
次に、レジストをリソグラフィーにより加工し、第1及び第2の活性領域2,3にそれぞれゲート電極形状のレジストパターン13を形成する。
詳細には、レジストパターン13をエッチングマスクとして多結晶シリコン膜7をドライエッチングし、第1及び第2のゲート絶縁膜5,6上にそれぞれゲート電極8をパターン形成する。
詳細には、レジストパターン13を灰化処理等により除去する。このとき、第1及び第2のゲート絶縁膜5,6上にそれぞれ多結晶シリコン膜7からなるゲート電極8が残存する。
詳細には、各ゲート電極8をエッチングマスクとして、第1及び第2のゲート絶縁膜5,6をそれぞれウェットエッチングする。このウェットエッチングにより、第1及び第2のゲート絶縁膜5,6が各ゲート電極8の形状に倣った形状にパターニングされる。
詳細には、各ゲート電極8をマスクとして、ゲート電極8の両側における第1の活性領域2の表層及びゲート電極8の両側における第2の活性領域3の表層に、それぞれ不純物、ここではN型不純物であるリン(P)を同時にイオン注入する。イオン注入の条件としては、ドーズ量を1×1016/cm2、加速エネルギーを10keVとする。そして、シリコン基板1をアニール処理することにより、注入された不純物を活性化する。以上により、各ゲート電極8の両側における第1及び第2の活性領域2,3の表層に、それぞれソース/ドレイン領域9が形成される。
詳細には、先ず、各トランジスタ21,22を覆うように、例えばCVD法により全面に絶縁膜、ここではシリコン酸化膜(不図示)を堆積する。そして、このシリコン酸化膜の全面を異方性ドライエッチング(エッチバック)し、各ゲート電極7及び第1,第2のゲート絶縁膜5,6の各両側面のみにシリコン酸化膜を残し、サイドウォールスペーサ10を形成する。
ここで、本実施形態の変形例について説明する。
本変形例では、本実施形態と同様にMISトランジスタの製造方法を開示するが、上記の表面回復処理に先立ち、予備的な表面回復処理を行う点で相違する。
図7は、本変形例によるMISトランジスタの製造方法のうち、主要工程のみを示す概略断面図である。なお、本実施形態で開示した構成部材等と同一のものについては、どう符号を記して詳しい説明を省略する。
前記第1の活性領域及び前記第2の活性領域に第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第1のゲート絶縁膜を加工し、前記第1のゲート絶縁膜の被加工端部が前記第1の活性領域における第1のゲート電極形成領域と前記第2の活性領域における第2のゲート電極形成領域とを除く任意の部位に位置するように、前記第1のゲート絶縁膜を残す工程と、
前記第1のゲート絶縁膜上を含む前記第1の活性領域及び前記第2の活性領域に第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第2のゲート絶縁膜を加工し、前記第2のゲート絶縁膜の被加工端部が前記第1のゲート絶縁膜の被加工端部と重畳するように、前記第2のゲート絶縁膜を残す工程と、
前記第1のゲート絶縁膜の表面及び前記第2のゲート絶縁膜の表面を同時に表面回復処理する工程と、
前記第1のゲート電極形成領域に前記第1のゲート絶縁膜を介して第1のゲート電極を、前記第2のゲート電極形成領域に前記第2のゲート絶縁膜を介して第2のゲート電極をそれぞれパターン形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第1のゲート絶縁膜を形成した後、前記第1のゲート絶縁膜を加工する前に、前記第1のゲート絶縁膜の全面に予備的な表面回復処理を施す工程と、
前記第2のゲート絶縁膜を形成した後、前記第2のゲート絶縁膜を加工する前に、前記第2のゲート絶縁膜の全面に予備的な表面回復処理を施す工程と
を更に含むことを特徴とする付記1〜9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
一方の前記トランジスタは、
シリコン酸化物又はシリコン酸窒化物からなり、表層が当該表層以外の部分に比して窒素の含有率の高い窒化状態又は酸素及び窒素の含有率の高い酸窒化状態とされてなる第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜を介してパターン形成された第1のゲート電極と
を含み、
他方の前記トランジスタは、
高誘電体材料からなり、表層が前記窒化状態又は前記酸窒化状態とされてなる第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜を介してパターン形成された第2のゲート電極と
を含むことを特徴とする半導体装置。
2,111 第1の活性領域
3,112 第2の活性領域
4 STI素子分離構造
5,101 第1のゲート絶縁膜
5a,6a 被加工端部
5b,6b 表層
6,102 第2のゲート絶縁膜
7 多結晶シリコン膜
8 ゲート電極
9 ソース/ドレイン領域
10 サイドウォールスペーサ
11,12,13 レジストパターン
14,105 シリサイド層
Claims (7)
- 半導体基板の表面を素子分離し、第1の活性領域及び第2の活性領域を画定する工程と、
前記第1の活性領域及び前記第2の活性領域に第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第1のゲート絶縁膜を加工し、前記第1のゲート絶縁膜の被加工端部が前記第1の活性領域における第1のゲート電極形成領域と前記第2の活性領域における第2のゲート電極形成領域とを除く任意の部位に位置するように、前記第1のゲート絶縁膜を残す工程と、
前記第1のゲート絶縁膜上を含む前記第1の活性領域及び前記第2の活性領域に第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第2のゲート絶縁膜を加工し、前記第2のゲート絶縁膜の被加工端部が前記第1のゲート絶縁膜の被加工端部と重畳するように、前記第2のゲート絶縁膜を残す工程と、
前記第1のゲート絶縁膜の表面及び前記第2のゲート絶縁膜の表面を同時に表面回復処理する工程と、
前記第1のゲート電極形成領域に前記第1のゲート絶縁膜を介して第1のゲート電極を、前記第2のゲート電極形成領域に前記第2のゲート絶縁膜を介して第2のゲート電極をそれぞれパターン形成する工程と
を含み、
前記表面回復処理に先立ち、
前記第1のゲート絶縁膜を形成した後、前記第1のゲート絶縁膜を加工する前に、前記第1のゲート絶縁膜の全面に予備的な表面回復処理を施す工程と、
前記第2のゲート絶縁膜を形成した後、前記第2のゲート絶縁膜を加工する前に、前記第2のゲート絶縁膜の全面に予備的な表面回復処理を施す工程と
を更に含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記表面回復処理は、窒化処理であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記表面回復処理は、酸窒化処理であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1のゲート絶縁膜を加工する工程において、前記第1のゲート絶縁膜の被加工端部が前記任意の部位となるように加工し、前記第1のゲート絶縁膜の被加工端部が前記第1の活性領域上又は前記第2の活性領域上に位置することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1のゲート絶縁膜及び前記第2のゲート絶縁膜は、一方がシリコン酸化物又はシリコン酸窒化物からなる膜であり、他方が高誘電体材料からなる膜であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 各々の前記予備的な表面回復処理は、窒化処理であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 各々の前記予備的な表面回復処理は、酸窒化処理であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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