JP2002359295A - デュアルゲートを有するcmos型半導体装置形成方法 - Google Patents
デュアルゲートを有するcmos型半導体装置形成方法Info
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Abstract
形成方法を提供する。 【解決手段】 本発明では、素子分離が形成された基板
全面に第1ゲート絶縁膜と第1金属含有膜を順次にスタ
ックする。第2不純物型トランジスタ領域で第1金属含
有膜と第1ゲート絶縁膜を除去する。第2不純物型トラ
ンジスタ領域に第2ゲート絶縁膜と第2金属含有膜をス
タックする。第1及び第2金属含有膜をパターニングし
て第1及び第2不純物型トランジスタ領域に各々第1又
は第2ゲート電極を形成する。この時、第1不純物型ト
ランジスタ領域の不純物型がP型であれば、第1金属含
有膜のフェルミ準位はP型不純物で高濃度ドーピングさ
れたシリコンの平衡バンド準位と近接したエネルギー準
位を有するようにする。
Description
置に関するものである。
SトランジスタとNチャネルMOSトランジスタを、一
つの半導体装置に共に形成して相補的な動作をするよう
にした半導体装置である。従って、半導体装置全体の効
率を高めて動作スピードを改善でき、バイポーラトラン
ジスタと類似の特性を示すことができるので、CMOS
型半導体装置は高速の高性能半導体装置として使用され
る。特に、CMOS型半導体装置で集積化を高め、かつ
電圧特性、スピードを高めるために素子の大きさが小さ
くなっているので、各チャネル型毎にゲートを形成する
ポリシリコンに各チャネル型と同一な型の不純物をドー
ピングさせてなるデュアルポリゲート方式CMOS型半
導体装置が多く使用されている。デュアルポリゲート方
式はチャネル表層の機能を強化させて対称的な動作を可
能にする利点がある。
MOS型半導体装置では、ポリシリコンゲートのドーピ
ング型に対して反対の動作電圧が与えられるので、ポリ
シリコンゲートとゲート絶縁膜との間に薄い空乏層が存
在する。特に、ゲート絶縁膜が薄いほど、このポリシリ
コンゲートのディプリーション問題がひどくなる。
タでのゲート絶縁膜は、場合によって、10Å程度でか
なり薄く形成されることが必要であるのでこのような問
題は非常に深刻である。例えば、ゲートを形成するポリ
シリコン層からボロンが抜け出る場合、ゲート絶縁膜周
辺でゲートを形成するポリシリコン層のボロン濃度が減
るようになって、ポリゲートディプリーション効果(po
ly-gate deplation effect:PDE)を起こす可能性があ
る。ポリゲートディプリーション効果が発生してポリシ
リコンゲートの下方3Å程度が電気的に絶縁膜になる場
合を想定すれば、ゲート絶縁膜は所望の厚さよりも数十
%も厚く形成される。
OSトランジスタを製作する間に、CMOSトランジス
タ内に、PMOSトランジスタのゲート電極を形成する
時、ポリシリコンのドーピング不純物としてボロンを通
常使用する。ところで、トランジスタのゲートを形成す
るポリシリコンパターンに不純物としてボロンBを使用
する場合、ボロンが十分にドーピングされないか、活性
化されないといった問題以外に、ドーピングされたボロ
ンが拡散されて薄いゲート絶縁膜を過ぎてチャネルに抜
け出る問題が生じる可能性がある。即ち、ボロンがゲー
トを形成するポリシリコン層から抜け出る場合、ゲート
絶縁膜周辺でゲートを形成するシリコン層のボロン濃度
が減るようになってポリシリコンゲートディプリーショ
ン効果がさらに深刻化する。
効果を防止するため、ディプリーションの原因になるポ
リシリコンゲートに代えて金属ゲートを使用する方法が
提案されてきた。ゲート電極としてポリシリコンに代え
て金属を使用すれば、ポリシリコンゲートディプリーシ
ョンの問題がなくなり、ゲートラインの抵抗を減らして
抵抗―コンデンサー遅延による信号歪曲等を減らすこと
ができる。
金属ゲートのスレショルド電圧が高くなり、金属成分が
ゲート絶縁膜を通じて拡散する可能性があるので、ゲー
ト絶縁膜の信頼性が低下するといった問題がある。従っ
て、低電力、高速動作のため、スレショルド電圧を低く
する半導体装置では金属ゲートの使用が問題になる。
スタ領域とNMOSトランジスタ領域にゲート金属とし
て一種類の金属が使用されるので、スレショルド電圧の
問題が発生する。即ち、ゲート金属で、半導体層の伝導
バンド(conduction band)レベルと平
衡バンド(balance band)レベルとの間に
フェルミレベルを有する一つの金属を使用すれば、半導
体層がチャネルドーピングと同一な場合にもデュアルポ
リゲート方式に比べて、スレショルド電圧が0.5V程
度高くなる。
電極として使用する場合、スレショルド電圧を低くする
ためには、チャネル層にドーピングされた不純物と反対
の型の不純物をチャネル層にドーピングする方法を考え
ることができる。しかし、このような場合、スレショル
ド電圧は低くなるとか、チャネルが表面だけではなく、
本体部にも形成されて素子特性が低下する可能性があ
る。
るフェルミレベル、又は、仕事関数を有する他の二種類
の金属をPMOSトランジスタ領域とNMOSトランジ
スタ領域に各々ゲート電極として形成する方法が提示さ
れる。即ち、NMOSトランジスタ領域には、ゲート電
極にN+でドーピングされたシリコン層の伝導バンドと
類似のレベルのフェルミ水準を有する金属を、PMOS
トランジスタ領域にはゲート電極にP+でドーピングさ
れたシリコン層の平衡バンドと類似のレベルのフェルミ
水準を有する金属を使用する方法が提示される。
形成する過程を見ると、先ず、図1のように第1不純物
型トランジスタ領域14と第2不純物型トランジスタ領
域12が形成され、素子分離膜16が形成されて素子分
離になった基板10に、ゲート絶縁膜18と第1ゲート
膜20を形成する。図2のように第2不純物型トランジ
スタ領域12の基板10の表面から第1ゲート膜20を
除去し、第1不純物型トランジスタ領域14の基板10
の表面にのみ第1ゲート膜21を残す。図3のように第
2不純物型トランジスタ領域12の基板10の表面上に
第2ゲート膜30を形成する。図4のように第1不純物
型及び第2不純物型トランジスタ領域で、パターニング
を通じて各々第1ゲート膜21及び第2ゲート膜30か
らなったゲート電極23、33を形成する。このような
過程で、第1ゲート膜20が部分的に除去される場合
に、第2ゲート膜下のゲート絶縁膜18が損傷し、汚染
される可能性が大きい。従って、第2不純物型トランジ
スタの特性を低下させる問題がある。
MOS型半導体装置の問題点を解消するためのものであ
り、ポリゲートディプリーションを防止できるCMOS
型半導体装置の形成方法を提供することを目的とする。
ンを防止すると同時に、トランジスタのスレショルド電
圧を低くして、高速動作、低電力駆動が可能なCMOS
型半導体装置の形成方法を提供することを目的とする。
めることができるCMOS型半導体装置の形成方法を提
供することを目的とする。
めの本発明は、素子分離が形成された基板の少なくとも
第1及び第2不純物型トランジスタ領域に第1ゲート絶
縁膜と第1金属含有膜を順次にスタックする段階、第1
金属含有膜に対する選択的異方性エッチングを実施して
第2不純物型トランジスタ領域の第1ゲート絶縁膜を露
出させる段階、第2不純物型トランジスタ領域の第1ゲ
ート絶縁膜を除去する段階、第2不純物型トランジスタ
領域に第2ゲート絶縁膜を形成する段階、第2ゲート絶
縁膜が形成された基板に第2金属含有膜をスタックする
段階、第1金属含有膜をパターニングして第1不純物型
トランジスタ領域に第1ゲート電極を形成する段階、第
2金属含有膜をパターニングして第2不純物型トランジ
スタ領域に第2ゲート電極を形成する段階を備えてい
る。
に金属の導電性窒化膜や酸化膜を含むことができる。又
は、ゲート絶縁膜は基板を熱酸化して形成する以外に、
シリコン窒化物や、例えば、非誘電率10以上である高
誘電率の絶縁性金属酸化物で形成できる。この時、CV
D、スパッタリング、ALD(Atomic Laye
r Deposition)等を使用できる。第2ゲー
ト絶縁膜が熱酸化を通じて形成され、第1金属含有膜に
絶縁性酸化膜が形成されない場合、第1ゲート電極は順
次にスタックされた第1及び第2金属含有膜で構成され
る。即ち、第1金属含有膜をパターニングしてゲート電
極を形成する時、第1金属含有膜上側の第2金属含有膜
が別途に除去されない状態で、パターニングを通じて第
1ゲート電極を形成できる。
電極をパターニングにより形成する前に、ゲート電極の
導電性を高めるために、良好な導電性を有するアルミニ
ウムやタングステンのような金属膜をさらにスタックで
きる。この時、第1ゲート電極と第2ゲート電極は同一
のパターニング段階で共に行われることが望ましい。
n型不純物である場合、第1不純物型トランジスタ領域
のチャネル層はn型不純物でドーピングされ、第1金属
含有膜のフェルミ準位はP+ドーピングシリコン領域の
平衡バンドと近接したエネルギー準位、例えば、0.2
V以内と接近したエネルギー準位を有する。第2金属含
有膜のフェルミ準位は第2不純物型トランジスタ領域の
N+型でドーピングされたソース/ドレイン領域の平衡
バンド準位と近接したエネルギー準位を(ΔV<0.2
ボルト)を有することが望ましい。
去は湿式、又は乾式により進行される。
形態を通じて本発明をより詳細に説明する。
つかの工程段階を示す工程断面図である。
領域別イオン注入を通じて不純物ウェル(Well)、
即ち、PMOSトランジスタ領域114、NMOSトラ
ンジスタ領域112及び素子分離膜が形成される。素子
分離膜116が形成された基板100に熱酸化を実施し
てゲート絶縁膜118を形成する。熱酸化膜に代えて窒
素雰囲気でシリコン窒化膜を形成することができる。ゲ
ート絶縁膜118の厚さは10乃至数十Å程度で薄く形
成する。ゲート絶縁膜が形成された基板100の全面に
かけてタングステン窒化膜120をCVDスタックす
る。タングステン窒化膜120はPMOSトランジスタ
領域114のP+型不純物でドーピングされたシリコン
層の平衡バンドのエネルギー準位と類似のフェルミ準位
を有する他の金属含有物質に代替することができる。
20上に示されないフォトレジストエッチングマスクを
形成し、エッチングを実施してNMOSトランジスタ領
域112でタングステン窒化膜120をRIEのような
異方性乾式エッチングを通じて除去する。そして、次い
で、NMOSトランジスタ領域112にあるゲート絶縁
膜118を湿式エッチングで除去する。この時、湿式エ
ッチングはゲート絶縁膜下部の基板がゲート絶縁膜をエ
ッチングする時に損傷することを防止する役割を果たす
ことができる。ゲート絶縁膜は薄い弗酸溶液やシリコン
酸化膜に対してエッチング力を有する洗浄液を使用して
除去できる。
ンジスタ領域114を含む基板に対して、前記PMOS
トランジスタ114にはNMOSトランジスタ112と
違い、ゲート絶縁膜118とタングステン窒化膜121
が残存する。この時、熱酸化温度を調節して残留タング
ステン窒化膜121表面には不導体である酸化膜が形成
されずシリコン基板が露出されたNMOSトランジスタ
領域112にのみ熱酸化によるゲート絶縁膜128が形
成されるようにする。熱酸化に代えて窒素雰囲気での熱
処理を通じてシリコン窒化膜を形成することもできる。
シリコン窒化膜が形成される場合、NMOSトランジス
タ領域にのみシリコン窒化膜が形成される。
ジスタ領域112のゲートを形成するモリブデン層13
0を、スパッタリングを利用してスタックする。モリブ
デン層130はNMOSトランジスタ領域のN+型不純
物でドーピングされたシリコン層の伝導バンドのエネル
ギー準位と類似のフェルミ準位を有する金属物質として
使用されたものである。モリブデン層130上に下部金
属との接合が容易であり、導電性が良好な金属膜として
タングステン層140をスパッタリングを使用してスタ
ックする。タングステンに代えてアルミニウムを使用す
ることができる。
140上に示されないフォトレジストパターンを形成し
て、これをエッチングマスクでタングステン層140、
モリブデン層130、タングステン窒化膜121、ゲー
ト絶縁膜118、128を順次にエッチングしてゲート
電極123、133を形成する。従って、PMOSトラ
ンジスタ領域114にはタングステン窒化膜、モリブデ
ン層、タングステン層が順次にスタックされたゲート電
極123が形成され、NMOSトランジスタ領域112
にはモリブデン層とタングステン層が順次にスタックさ
れたゲート電極133が形成される。
OSトランジスタ領域に各々N型不純物又はP型不純物
で低濃度イオン注入を実施して、ゲート電極側壁にスペ
ーサを形成する。NMOSトランジスタ領域とPMOS
トランジスタ領域に各々N型不純物又はP型不純物で高
濃度イオン注入を実施してLDD構造のソース/ドレイ
ン領域を形成する。この時、ゲート電極及びゲートスペ
ーサは二種類のトランジスタ領域に同時に形成される。
重要工程段階を示す工程断面図である。
領域別イオン注入を通じて不純物ウェル112、114
が形成され、素子分離膜116が形成される。素子分離
膜116が形成された基板に第1ゲート絶縁膜138を
形成する。第1ゲート絶縁膜138はシリコン酸化膜に
比べて高い非誘電率を有する高誘電膜をCVD、スパッ
タリング、ALD等の方法でスタックできる。高誘電膜
としてはAl2O3、HfO2、HfSiO4、ZiO2、
ZiSiO4、La2O3を使用できる。第1ゲート絶縁
膜138の厚さは非誘電率に従って異なるが、100Å
以下厚さで形成することが望ましい。第1ゲート絶縁膜
138が形成された基板の全面に渡って第1金属含有膜
120をスタックする。第1金属含有膜120はPMO
Sトランジスタ領域114のP+型不純物でドーピング
されたシリコン層の平衡バンドのエネルギー準位と類似
のフェルミ準位を有するRiP2、WN、Pt、Ir、
Ni等を使用できる。
膜120上に示されないフォトレジストエッチングマス
クを形成して、エッチングを実施してNMOSトランジ
スタ領域112で第1金属含有膜120をRIE(re
active ion etching)のような異方
性乾式エッチングを通じて除去する。そして、次いでN
MOSトランジスタ領域112にある第1ゲート絶縁膜
138を湿式エッチングで除去する。
トランジスタ領域114に限定的に、第1ゲート絶縁膜
148と第1金属含有膜121が残留する基板に第2ゲ
ート絶縁膜158をスタックする。第2ゲート絶縁膜1
58は、第1ゲート絶縁膜148と同一な物質でなくと
も構わない。
ジスタ領域112のゲートを形成する第2金属含有膜1
30をスタックする。第2含有膜130はNMOSトラ
ンジスタ領域112の、N+型不純物でドーピングされ
たシリコン層の伝導バンドのエネルギー準位と類似のフ
ェルミ準位を有する金属物質としてTa、Zr、Hf、
Ti等を使用できる。
が、基板にフォトレジストをスタックして、PMOSト
ランジスタ領域で第2金属含有膜を露出させるフォトレ
ジストパターンを形成する。そして、第2ゲート絶縁膜
158をエッチング阻止膜にするエッチングを実施して
PMOSトランジスタ領域114で第2金属含有膜13
0を除去して、次いで、エッチング阻止膜で使用された
第2ゲート絶縁膜158をエッチングで除去する。その
後、フォトレジストパターンを除去する。従って、PM
OSトランジスタ領域114には第1ゲート絶縁膜14
8と第1金属含有膜121が、NMOSトランジスタ領
域112には第2ゲート絶縁膜158と第2金属含有膜
131が残留するようになる。
ゲート電極の導電性を高めるために、金属膜141であ
るタングステン層又はアルミニウム層をスタックする。
そして、パターニング作業を通じて領域により金属膜1
41と第2金属含有膜131、金属膜141と第1金属
含有膜121を順次にエッチングして第1及び第2ゲー
ト電極125、135を形成するようにする。
ンジスタ領域とPMOSトランジスタ領域に各々N型不
純物又はP型不純物で低濃度イオン注入を実施する。ゲ
ート電極側壁にスペーサを形成する。NMOSトランジ
スタ領域とPMOSトランジスタ領域に各々N型不純物
又はP型不純物で高濃度イオン注入を実施してLDD構
造のソース/ドレイン領域を形成する。
含有膜のスタック順序は特別な効果の差なく、互いに変
えることができる。
ションの問題を根本的に防止でき、同時にトランジスタ
のスレショルド電圧を低くして高速動作、低電力駆動を
可能にし、又、ゲート絶縁膜の信頼性を高めることがで
きるCMOS型半導体装置を形成できる。
装置形成方法の工程段階を示す工程断面図である。
装置形成方法の工程段階を示す工程断面図である。
装置形成方法の工程段階を示す工程断面図である。
置形成方法の工程段階を示す工程断面図である。
面図である。
面図である。
面図である。
面図である。
工程断面図である。
す工程断面図である。
す工程断面図である。
す工程断面図である。
す工程断面図である。
Claims (16)
- 【請求項1】 素子分離が形成された基板の少なくとも
第1及び第2不純物型トランジスタ領域に第1ゲート絶
縁膜と第1金属含有膜を順次にスタックする段階、 前記第1金属含有膜に対する選択的異方性エッチングを
実施して前記第2不純物型トランジスタ領域の前記第1
ゲート絶縁膜を露出させる段階、 前記第2不純物型トランジスタ領域の前記第1ゲート絶
縁膜を除去する段階、 前記第1ゲート絶縁膜が除去された前記第2不純物型ト
ランジスタ領域に第2ゲート絶縁膜を形成する段階、 前記第2ゲート絶縁膜が形成された基板に第2金属含有
膜をスタックする段階、 前記第1金属含有膜をパターニングして前記第1不純物
型トランジスタ領域に第1ゲート電極を形成する段階及
び、 前記第2金属含有膜をパターニングして前記第2不純物
型トランジスタ領域に第2ゲート電極を形成する段階を
備えて成るCMOS型半導体装置形成方法。 - 【請求項2】 前記第1及び第2ゲート絶縁膜は前記基
板の熱酸化を通じて形成されることを特徴とする請求項
1に記載のCMOS型半導体装置形成方法。 - 【請求項3】 前記第1金属含有膜で前記第2ゲート絶
縁膜を形成する前記基板熱酸化段階で絶縁性酸化物を形
成しない物質を使用することを特徴とする請求項2に記
載のCMOS型半導体装置形成方法。 - 【請求項4】 前記第2不純物型トランジスタ領域を含
む基板全面にかけて前記第2金属含有膜をスタックし、 前記第1ゲート電極を形成する段階及び前記第2ゲート
電極を形成する段階は一つのパターニング過程を通じて
同時に実施することを特徴とする請求項3に記載のCM
OS型半導体装置形成方法。 - 【請求項5】 前記第1ゲート絶縁膜と前記第2ゲート
絶縁膜は各々絶縁性金属化合物からなった高誘電膜で形
成することを特徴とする請求項1に記載のCMOS型半
導体装置形成方法。 - 【請求項6】 前記高誘電膜はAl2O3、HfO2、H
fiO4、ZrO2、ZrSiO4、La2O3のうち一つ
で形成されることを特徴とする請求項5に記載のCMO
S型半導体装置。 - 【請求項7】 前記第2金属含有膜をスタックする段階
に次いで金属層をスタックする段階をさらに備えること
を特徴とする請求項1に記載のCMOS型半導体装置。 - 【請求項8】 前記第1ゲート電極を形成する段階及び
前記第2ゲート電極を形成する段階は、一つのパターニ
ング過程を通じて同時に実施することを特徴とする請求
項1に記載のCMOS型半導体装置形成方法。 - 【請求項9】 前記第2不純物領域で前記第1ゲート絶
縁膜を除去する段階は湿式エッチングからなることを特
徴とする請求項1に記載のCMOS型半導体装置形成方
法。 - 【請求項10】 前記第2ゲート絶縁膜を形成する段階
と前記第2金属含有膜を形成する段階に次いでパターニ
ングを通じて前記第1不純物型トランジスタ領域で前記
第2金属含有膜を除去する段階をさらに備えることを特
徴とする請求項1に記載のCMOS型半導体装置形成方
法。 - 【請求項11】 前記第2ゲート絶縁膜と前記第2金属
含有膜が基板全面に渡って形成され、 前記第2金属含有膜を除去する段階で前記第2ゲート絶
縁膜がエッチング阻止膜として作用し、 前記第2金属含有膜除去に次いで前記第1不純物型トラ
ンジスタ領域で前記第2ゲート絶縁膜を除去する段階を
さらに備えることを特徴とする請求項10に記載のCM
OS型半導体装置。 - 【請求項12】 前記第1不純物型トランジスタ領域の
チャネル層はN型不純物によりドーピングされ、 前記第1金属含有膜はRuO2、Mo,TaN、WN,
Pt、Ir、Niのうち一つで形成されることを特徴と
する請求項1に記載のCMOS型半導体装置形成方法。 - 【請求項13】 前記第2不純物型トランジスタ領域の
チャネル層はP型不純物によりドーピングされ、 前記第2金属含有膜はTa、Zr、Hf、Tiのうち一
つにより形成されることを特徴とする請求項1に記載の
CMOS型半導体装置形成方法。 - 【請求項14】 前記第1及び第2不純物型トランジス
タ領域で各々P型不純物又はN型不純物により低濃度イ
オン注入を実施する段階、 前記ゲート電極側壁にスペーサを形成する段階、 前記第1及び第2不純物型トランジスタ領域に各々P型
不純物又はN型不純物により高濃度イオン注入を実施す
る段階がさらに備えられることを特徴とする請求項1に
記載のCMOS型半導体装置形成方法。 - 【請求項15】 素子分離が形成された基板の少なくと
も第1及び第2不純物型トランジスタ領域に第1ゲート
絶縁膜と第1金属含有膜を順次にスタックする段階、 前記第1金属含有膜に対する選択的異方性エッチングを
実施して前記第2不純物型トランジスタ領域の前記第1
ゲート絶縁膜を露出させる段階、 前記第2不純物型トランジスタ領域の前記第1ゲート絶
縁膜を除去する段階、 前記第1ゲート絶縁膜が除去された前記第2不純物型ト
ランジスタ領域に基板を選択的に熱酸化させて第2ゲー
ト絶縁膜を形成する段階、 前記第2ゲート絶縁膜が形成された基板全面に第2金属
含有膜をスタックする段階、 前記第2金属含有膜上にフォトレジストパターンを形成
して、前記第2金属含有膜と前記第1金属含有膜をエッ
チングして前記第1不純物型トランジスタ領域に第1ゲ
ート電極を、前記第2不純物型トランジスタ領域に第2
ゲート電極を形成する段階を備えて行われるCMOS型
半導体装置形成方法。 - 【請求項16】 素子分離が形成された基板の少なくと
も第1及び第2不純物型トランジスタ領域に第1ゲート
絶縁膜と第1金属含有膜を順次にスタックする段階、 前記第1金属含有膜に対する選択的異方性エッチングを
実施して前記第2不純物型トランジスタ領域の前記第1
ゲート絶縁膜を露出させる段階、 前記第2不純物型トランジスタ領域の前記第1ゲート絶
縁膜を除去する段階、 前記第1ゲート絶縁膜が除去された基板全面に第2ゲー
ト絶縁膜と第2金属含有膜を形成する段階、 前記第2不純物型トランジスタ領域をフォトレジストパ
ターンエッチングマスクで保護しながら、前記金属含有
膜と前記第2ゲート絶縁膜を除去する段階、 フォトレジストでゲート電極パターンを形成して前記第
1及び第2金属含有膜をエッチングして前記第1不純物
型トランジスタ領域に第1ゲート電極を形成し、前記第
2不純物型トランジスタ領域に第2ゲート電極を形成す
る段階を備えて行われるCMOS型半導体装置形成方
法。
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