(57)【要約】【課題】ＳＴＩ部からＨｉｇｈ−ｋ膜部への酸化剤の侵入を効果的に抑制するための構造を有する半導体装置を提供する。【解決手段】分離膜で素子分離されたシリコン基板上にゲート電極を有する半導体装置であって、該シリコン基板の分離膜が、酸化物層（酸化膜）の上に酸化剤を透過させにくい材料層を積層した構造を有することを特徴とする半導体装置。【選択図】図１
2013101997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離膜で素子分離されたシリコン基板上にゲート電極を有する半導体装置であって、
該シリコン基板の分離膜が、酸化物層の上に酸化剤を透過させにくい材料層を積層した構造を有することを特徴とする、半導体装置。
【請求項２】
前記ゲート電極は、その一部が前記酸化剤を透過させにくい材料層の上に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記酸化剤を透過させにくい材料層は、窒化膜又は酸化アルミニウム膜であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ゲート電極は、高誘電率ゲート絶縁膜を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記分離膜の側面方向に延在するシリコン基板と、該分離膜の下方に存在するシリコン基板との間に、境界面を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記分離膜の側面方向に延在するシリコン基板は、前記分離膜の下方に存在するシリコン基板の上に、エピタキシャル成長により形成されたものであることを特徴とする、請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
分離膜で分離されたシリコン基板上にゲート電極を有する半導体装置の、該分離膜の製造方法であって、
シリコン基板の分離膜を構成する酸化物層及び酸化剤を透過させにくい材料層を、この順で基礎シリコン体の上に積層形成する工程と、
該酸化物層及び酸化剤を透過させにくい材料層を、分離膜としての所定の形状を残して除去する工程と、
該残された酸化物層及び酸化剤を透過させにくい材料層の周囲を埋めるように、シリコン基板となるシリコン層を形成する工程と、
を含むことを特徴とする、シリコン基板分離膜の製造方法。
【請求項８】
前記シリコン層を形成する工程は、前記基礎シリコン体の上にエピタキシャル成長により形成する工程であることを特徴とする、請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記酸化剤を透過させにくい材料層は、窒化膜又は酸化アルミニウム膜であることを特徴とする、請求項７又は８に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、特にシリコン基板にＳＴＩ分離膜を有する半導体装置とその分離膜の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置のゲート絶縁膜としては従来からシリコン酸化膜が用いられてきたが、その薄膜化に伴ってリーク電流の問題が発生してきている。このため、シリコン酸化膜よりも誘電率の大きな材料を用いて膜厚を大きくできる、高誘電率ゲート絶縁膜（Ｈｉｇｈ−ｋ膜）が研究されている。このようなＨｉｇｈ−ｋ膜において、この膜厚と電気的に等価なシリコン酸化物（ＳｉＯ２）膜に換算した膜厚を等価酸化膜厚（電気的膜厚、Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  Ｏｘｉｄｅ  Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ、ＥＯＴ）という。
【０００３】
さらに、ゲート電極はこれまでポリシリコンが主流であるが、これを金属電極として上記のＨｉｇｈ−ｋ膜と組み合わせる技術も開発されてきている。このようなＨｉｇｈ−ｋ膜／金属ゲート（ＨＫＭＧ）構造のＭＯＳ型トランジスタの場合、後工程において酸化剤がＨｉｇｈ−ｋ膜部へ侵入することで、ＥＯＴが厚膜化するという問題が知られている。
【０００４】
上記に記載の技術を開示する文献のうち、例えば特開２００８−２１９００６号公報（特許文献１）には、ＨｆＯ２からなるゲート絶縁層と、ポリシリコンキャッピング層と金属窒化物層とを備えるゲートを有するＣＭＯＳ半導体が開示されている。また、特開２０１１−００３６６４号公報（特許文献２）には、金属膜とシリコン膜との積層構造のゲート電極と、Ｈｆを含有するゲート絶縁層を含むＭＩＳＦＥＴにおいて、ｐ型とｎ型とでＨｆ含有絶縁膜の成分を変えたＭＩＳＦＥＴが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２１９００６号公報
【特許文献２】特開２０１１−００３６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、Ｈｉｇｈ−ｋ膜ゲート電極（又はＨＫＭＧ構造）を有する例えばＭＯＳ型トランジスタでは、後工程において酸化剤がＨｉｇｈ−ｋ膜部へ侵入するという問題があるが、その酸化剤の侵入経路は複数存在することが知られている。その中でも、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）部からの侵入は、従来のＳＴＩ構造では抑制しにくいという問題があった。
【０００７】
これは、従来のＳＴＩ構造では、酸化膜等で形成したＳＴＩの直上にＨｉｇｈ−ｋ膜であるゲート絶縁膜が成膜されるため、ＳＴＩから酸化剤が侵入することを防止できなかったためである。
【０００８】
本発明は、上記の構造を有する半導体装置において、ＳＴＩ部からＨｉｇｈ−ｋ膜部への酸化剤の侵入を効果的に抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の視点において、本発明に係る半導体装置は、分離膜で素子分離されたシリコン基板上にゲート電極を有する半導体装置であって、該シリコン基板の分離膜が、酸化物層（酸化膜）の上に酸化剤を透過させにくい材料層（窒化膜等）を積層した構造を有することを特徴とする。
【００１０】
第２の視点において、本発明に係る半導体装置の製造方法は、分離膜で分離されたシリコン基板上にゲート電極を有する半導体装置の、該分離膜の製造方法であって、シリコン基板の分離膜を構成する酸化物層（酸化膜）及び酸化剤を透過させにくい材料層（窒化膜等）を、この順で基礎シリコン体の上に積層形成する工程と、該酸化物層及び酸化剤を透過させにくい材料層を、分離膜としての所定の形状を残して除去する工程と、該残された酸化物層及び酸化剤を透過させにくい材料層の周囲を埋めるように、シリコン基板となるシリコン層を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
このような構成により、ＳＴＩ部からＨｉｇｈ−ｋ膜部への酸化剤（特に酸素）の侵入を効果的に抑制するための構造を有する半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施例に係る、シリコン基板分離膜構造とゲート電極の構造とその製造方法を示す断面図である。
【図２】従来技術におけるシリコン基板分離膜構造とゲート電極の構造とその製造方法を示す断面図である。
【図３】従来技術におけるシリコン基板分離膜構造とゲート電極の構造とその製造方法を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態を説明する前に、従来技術のＨＫＭＧ構造の半導体装置のＳＴＩ分離膜の製造方法例と、この構造が有する問題について説明する。
【００１４】
図２、３は従来の典型的なＨＫＭＧ構造を有する半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。まず図２（ａ）に示すように、シリコン基板１０の上にパッド酸化膜１２及びマスク窒化膜１４を順に積層したのち、トレンチ形成のためのレジスト１６を配置する。次に図２（ｂ）に示すように、マスク窒化膜１４、パッド酸化膜１２、さらにシリコン基板１０をドライエッチし、シリコン基板１０にトレンチ１８を形成する。次に図２（ｃ）に示すように、全面にＳＴＩのための酸化膜２０を成長させる。
【００１５】
次に、図３（ｄ）に示すように、ＳＴＩ酸化膜２０をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）によりマスク窒化膜１４が露出するまで平坦化するか、又はＳＴＩ酸化膜２０のみをウェットエッチする。次に図３（ｅ）に示すようにマスク窒化膜１４をウェットエッチにて除去する。さらに図３（ｆ）に示すように、上面が平坦になるようにパッド酸化膜１２を除去した後、ＳＴＩ酸化膜２０を含む表面上にＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜２２、ゲートメタル２４、ポリシリコン電極２６を順に形成して完成する。
【００１６】
このような製造方法により形成されたＨＫＭＧ構造では、ＳＴＩ酸化膜２０とＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜２２が直接接しているので、ＳＴＩ酸化膜２０から酸化剤がＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜２２に侵入しやすく、そのＥＯＴが厚膜化するおそれがある。
【００１７】
これに対し、本発明における、ＳＴＩ構造を有する半導体基板の製造方法では、シリコン基板上に酸化膜および酸化剤を透過させにくい材料層（窒化膜等）を順に堆積後、ＳＴＩとなる領域に当該積層膜を残すようにパターニングする。それをエッチングして露出した基板上にシリコン層を例えばエピタキシャル成長させて積層膜の周囲を埋めることで、ＳＴＩを形成する。
【００１８】
即ち、本発明における製造方法では、最初にシリコン基板を分離するための酸化膜の構造体を先に形成し、その後にシリコン層を形成するという、通常とは逆の手順を用いる。さらにこのとき、分離用の酸化膜の上に酸化剤を透過させにくい材料層（窒化膜等）を成膜しておく。酸化膜上に形成された、酸化剤、特に酸素の透過率の低い材料層（窒化膜等）により、酸化膜からの酸化剤の侵入を抑制し、ＳＴＩ上のＨｉｇｈ−ｋ膜の酸化を抑制することができる。
【００１９】
なお、本発明において酸化剤とは主に酸化膜から由来する酸素であり、酸化剤を透過させにくい材料層とは、特に酸素を透過させにくい窒化物層（シリコン窒化膜等）が好適に用いられるが、ＡｌＯ（酸化アルミニウム）等でもよい。
【００２０】
こうして得られる半導体装置は、シリコン基板を素子分離する分離膜が、酸化物層の上に酸化剤を透過させにくい材料層（窒化膜等）を積層したものである。そしてその上にＨｉｇｈ−ｋ膜（金属膜をさらに有しても良い）ゲート電極が形成されても、この窒化物層等が、酸化物層からゲート電極への酸化剤の侵入を抑制する。
【００２１】
本発明における第１の視点において、前記ゲート電極は、高誘電率ゲート絶縁膜を含むことが好ましい。さらに金属層を含むことも好ましい。
【００２２】
また、前記ゲート電極は、その一部が前記酸化剤を透過させにくい材料層の上に形成されていることが好ましい。
【００２３】
また、前記酸化剤を透過させにくい材料層は、窒化膜又は酸化アルミニウム膜であることが好ましい。
【００２４】
また、前記分離膜の側面方向に延在するシリコン基板と、該分離膜の下方に存在するシリコン基板との間に、境界面を有することが好ましい。これは、分離膜の側面方向に延在するシリコン基板と、分離膜の下方に存在するシリコン基板とは、連続的に形成されたものではなく、別々の工程で形成されたものであることを意味する。なお、「分離膜の側面方向」とは、シリコン基板面に平行な方向であり、「分離膜の下方」とは、シリコン基板面に分離膜が現われる側とは反対側の方向である。
【００２５】
また、前記分離膜の側面方向に延在するシリコン基板は、前記分離膜の下方に存在するシリコン基板の上に、エピタキシャル成長により形成されたものであることが好ましい。これにより、分離膜の下方に存在するシリコン基板の上にのみ、さらにシリコン層を形成することができる。
【００２６】
本発明における第２の視点において、前記シリコン層を形成する工程は、前記基礎シリコン体の上にエピタキシャル成長により形成する工程であることが好ましい。
【実施例】
【００２７】
図１は、本発明の一実施例に係る、シリコン基板分離膜構造とゲート電極の構造とその製造方法を示す断面図である。
【００２８】
図１に従ってその製造方法を説明する。まず図１（ａ）に示すように、基礎シリコン体３０（分離膜の下方に存在するシリコンに相当）の上に、シリコン基板分離膜の下層となるＳＴＩ酸化膜３２と、分離膜の上層となるＳＴＩ窒化膜３４をこの順に積層形成する。次いでＳＴＩ窒化膜３４の上面の、シリコン基板分離膜として残したい範囲にレジスト３６を形成する。
【００２９】
次に、図１（ｂ）に示すように、ＳＴＩ酸化膜３２とＳＴＩ窒化膜３４を基礎シリコン体３０が露出するまでエッチングする。そしてレジスト３６を除去する。
【００３０】
図１（ｃ）に示すように、残したＳＴＩ酸化膜３２とＳＴＩ窒化膜３４の周囲を埋めるように、シリコン基板４０（分離膜の側面方向に延在するシリコンに相当）をエピタキシャル成長させる。シリコン基板４０をこのように形成することにより、基礎シリコン体３０の上にのみシリコン基板４０を形成することができる。ここまでで、ＳＴＩ分離されたシリコン基板構造が形成できる。
【００３１】
さらに図１（ｄ）に示すように、ＳＴＩ窒化膜３４とシリコン基板４０の上にわたってＨｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜４２、ゲートメタル４４、ポリシリコン電極４６を順に形成し、Ｈｉｇｈ−ｋ膜／金属ゲート電極が完成する。その後は半導体の公知の構造を必要に応じて形成すればよい。
【００３２】
このようにして形成されたＨｉｇｈ−ｋ膜／金属ゲート電極は、ＳＴＩ窒化膜３４がシリコン分離膜から酸化剤が進入することを阻止するため、Ｈｉｇｈ−ｋ膜のＥＯＴの厚膜化が抑制される。
【００３３】
以上、本発明を上記実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態の構成にのみ制限されるものではなく、本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせないし選択が可能である。即ち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正及び開示した要素ないし組成の、目的に応じた任意の選択、組み合わせを含むことは勿論である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  シリコン基板
１２  パッド酸化膜
１４  マスク窒化膜
１６  レジスト
１８  トレンチ
２０  ＳＴＩ酸化膜
２２  Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜
２４  ゲートメタル
２６  ポリシリコン電極
３０  基礎シリコン体
３２  ＳＴＩ酸化膜
３４  ＳＴＩ窒化膜
３６  レジスト
４０  シリコン基板
４２  Ｈｉｇｈ−ｋゲート絶縁膜
４４  ゲートメタル
４６  ポリシリコン電極
【図１】
2013101997.tif 000003
【図２】
2013101997.tif 000004
【図３】
2013101997.tif 000005