JP2004087877A - Field effect semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は電界効果型半導体装置及びその製造方法に関するものであり、特に、多結晶Si/WSi/WN/W構造からなるポリメタル(POLY−METAL)構造のゲート電極におけるWSiとWNの層厚の相関に特徴のある電界効果型半導体装置及びその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、シリコン半導体装置において、素子の微細化と高速化が要求されており、その要求に応えるものとして、ゲート電極の低抵抗化があり、その一つに多結晶Si/WN/Wからなるポリメタル構造のゲート電極を有するFETを用いたDRAM(ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ)が提案されているので、ここで、図4を参照して、従来のポリメタルゲートFETを説明する。
【0003】
図4(a)参照
まず、p型シリコン基板31素子分離絶縁膜32を形成したのち、n型ウエル領域33を形成し、次いで、ゲート絶縁膜34を形成したのち、厚さが、例えば、70nmのアモルファスシリコン層を堆積させ、Bをイオン注入してBドープアモルファスシリコン層とする。
【0004】
次いで、厚さが、例えば、5nmのWN層36、厚さが、例えば、40nmのW層37、及び、厚さが、例えば、200nmのSiN膜38を順次堆積させたのち、パターニングすることによって、ゲート電極39を形成する。
このSiN膜38の堆積工程或いは上述のイオン注入後のアニール工程でBドープアモルファス層は結晶化されてBドープ多結晶シリコン層35に変換されることによってポリメタルゲート構造が形成される。
【0005】
図4(b)参照
次いで、Bをイオン注入したのち、活性化のためにアニール処理を施すことによってp型ソース・ドレイン領域40を形成する。
【0006】
このポリメタルゲート構造ではWを用いているために、従来の多結晶Si電極や、多結晶Si/WSi電極電極よりもはるかにシート抵抗の低抵抗化が可能になり、それによって、シリコン半導体装置の微細化及び高速化が実現される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のポリメタルゲート電極においては、多結晶シリコン層にドーパントとしてBをドープしているので、Bドープ多結晶シリコン層35とWN層36の界面において、B(ボロン)とN(窒素)が結合してB−Nを形成してしまう。
【0008】
このB−N結合は化学的に安定であり、一度形成されると他と反応することは少なく、また、電気的に不活性なために、不純物としてドーピングしたBが不活性化してしまい、その結果、Bドープ多結晶シリコン層35とWN層36の界面の抵抗が大きく上昇してしまうという問題がある。
【0009】
そこで、この様な界面のコンタクト抵抗を下げるために、WSiを挿入し多結晶Si/WSi/WN/W構造とすることが考えられるが、この構造では耐熱性の確保が難しく、Wと多結晶Siとが反応してしまうという問題が発生する。
【0010】
即ち、WN層36は、Bドープ多結晶シリコン層35を構成するSiと反応してWSiNを構成し、このWSiNを構成するSi−N結合がSiのさらなる拡散に対するバリアとして作用するが、B−N結合の形成抑制のためにWN層36を介在させた場合に、WSiNが形成されにくくなるため耐熱性が低下するという問題がある。
【0011】
したがって、本発明は、コンタクト抵抗が低く且つ熱的に安定なSi/WSi/WN/高融点金属構造のゲート電極を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
図1は本発明の原理的構成図であり、この図1を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図における符号3は、ソース・ドレイン領域である。
図1参照
上記目的を達成するため、本発明は、ゲート絶縁膜2側からSi/WSi/WN/高融点金属構造のゲート電極4を有する少なくともSiを主成分とする半導体1からなる電界効果型半導体装置において、前記WSi層6の層厚をdWSi 〔nm〕とし、前記WN層7の層厚をdWN〔nm〕とした場合、
dWSi ≦(1.25dWN)1/2
の関係を満たすことを特徴とする。
【0013】
この様に、WSi層6の層厚dWSi 〔nm〕と前記WN層7の層厚dWN〔nm〕との関係を、
dWSi ≦(1.25dWN)1/2
とすることによって、注入不純物の活性化工程等の熱処理温度において、Si層5を構成するSiの高融点金属層8への拡散を実効的に抑制することができる。なお、少なくともSiを主成分とする半導体1とは、典型的にはSiであり、その他にSiGe等の半導体を含むものである。
【0014】
この場合、WSi層6は薄い方が耐熱性が良好であるが、B−N結合の形成を抑制するためにはある程度の層厚が必要であるので、WSi層6の層厚dWSi を、2.5nm〜5nmとすることが望ましい。
【0015】
なお、このSi層5/WSi/WN/高融点金属構造のゲート電極4においては、通常の熱処理温度においては、WN層7の少なくとも一部がWSiNに変換されている。
【0016】
また、上記のSi層5/WSi/WN/高融点金属構造のゲート電極4における高融点金属としては、W,Ti,Ta,Mo,Nb,TiN,TaN,NbNのいずれかが好適である。
【0017】
また、ゲート絶縁膜2側からSi/WSi/WN/高融点金属構造を順次堆積させる際に、WSi層6の層厚dWSi とWN層7の層厚dWNの層厚比を、ゲート電極4の形成後のプロセスで使用する最高使用温度において前記Si層5を構成するSiが前記高融点金属層8に実効的に拡散しない比に設定することを特徴とする。
【0018】
この様に、WSi層6の層厚dWSi とWN層7の層厚dWNの層厚比を、ゲート電極4の形成後のプロセスで使用する最高使用温度において前記Si層5を構成するSiが前記高融点金属層8に実効的に拡散しない比に設定することによって、耐熱性を保ったままで、B−N結合の生成を抑制することができるので、ポリメタル構造のゲート電極4の低抵抗化が可能になる。
なお、この場合、実効的に拡散を抑制するとは、熱処理後の高融点金属層8における比抵抗の変化が測定誤差の範囲内である場合を意味する。
【0019】
また、WSi層6の層厚dWSi 〔nm〕とWN層7の層厚dWN〔nm〕が、
dWSi ≦(1.25dWN)1/2
の関係を満たすことによって、注入不純物の活性化工程における通常の熱処理温度である950℃のプロセスを保証することが可能になる。
【0020】
【発明の実施の形態】
ここで、図2及び図3を参照して、本発明の実施の形態のポリメタルゲートFETを説明する。
図2(a)参照
まず、p型シリコン基板11に素子分離絶縁膜12を形成したのち、n型ウエル領域13を形成し、次いで、n型ウエル領域13の表面をウエット酸化することによって、厚さが、例えば、3.5nmのゲート酸化膜14を形成する。
なお、この場合、例えば、1:1の流量比でH2 ガスとO2 ガスを流し、燃焼させて発生させた750℃の水蒸気雰囲気により酸化を行う。
【0021】
次いで、CVD法を用いて、全面に厚さが、例えば、70nmのアモルファスシリコン膜を堆積させたのち、例えば、Bを1×1015cm−2〜3×1015cm−2のドーズ量で注入してBドープアモルファスシリコン層15とする。
この時の加速エネルギーは、Bイオンがアモルファスシリコン層を突き抜けないように、例えば、3〜5keVとする。
【0022】
図2(b)参照
次いで、スパッタ法を用いて厚さが2.5〜5nmのWSi層16、WN層17、W層18を堆積させたのち、プラズマCVD法を用いて厚さが、例えば、200nmのSiN膜19を形成し、次いで、パターニングすることによってゲート電極20を形成する。
なお、W層18の層厚は任意の層厚で良いが、シート抵抗に影響されるトランジスタの特性が設計要求を満たすように決定するものであり、通常は、40〜60nm、例えば、40nmとする。
このSiN膜19の堆積工程或いは上述のイオン注入後のアニール工程において、Bドープアモルファスシリコン層15はBドープ多結晶シリコン層21に変換される。
【0023】
この時、WN層17の層厚dWN〔nm〕は、後述するように、WSi層16の層厚dWSi 〔nm〕に対して、
dWSi ≦(1.25dWN)1/2
の関係を満たすように設定する。
即ち、WSi層16の層厚dWSi が2.5nmの場合には、WN層17の層厚dWNは5nm以上とし、WSi層16の層厚dWSi が5nmの場合には、WN層17の層厚dWNは20nm以上とする。
【0024】
図2(c)参照
次いで、Bをイオン注入したのち、RTA(Rapid Thermal Anneal)法を用いてN2 雰囲気中で例えば、950℃で30〜120秒間熱処理を行うことによって注入したBイオンを活性化してp型ソース・ドレイン領域22を形成するとともに、注入ダメージを回復させることによって、ポリメタル構造のゲート電極20を備えたpチャネル型FETの基本構成が完成する。
【0025】
上述のようにWSi層16とWN層17の層厚の関係に設定する理由は、プロセスに使われる最高温度に耐えられるものとするためであるが、一般的にプロセスに用いられる最高温度はソース・ドレイン領域の活性化アニール工程であり、このアニール工程において、ゲート電極20を構成するBドープ多結晶シリコン層21とW層18とが反応しないように各層厚を設定する。
【0026】
この層厚の関係を図3を参照して説明する。
図3参照
図3は、RTA法を用いてN2 雰囲気中で950℃、975℃、1000℃、及び、1025℃において120秒間アニールした場合に、Bドープ多結晶シリコン層21とW層18とが反応しない温度の境界を示した図であり、透過型顕微鏡観察で、W層18の界面で反応が見られなかった層厚比を示したものである。この場合、ある程度のアニール時間は必要であるが、固相拡散はアニール温度によって実効的に規制される。
【0027】
一般に、ソース・ドレイン領域を形成するボロン,リン,砒素,アンチモン等の不純物の活性化及び欠陥回復には950℃以上の温度が必要とされているため、少なくとも975℃における相関曲線の下側の領域になるようにWSi層16とWN層17の層厚の関係を設定することによって、950℃プロセスを保証することが可能になる。
【0028】
図3における975℃における相関曲線を近似した場合、WSi層16の層厚をdWSi 〔nm〕とし、WN層17の層厚をdWN〔nm〕とすると、
dWSi ≒(1.25dWN)1/2
で近似できるので、
dWSi ≦(1.25dWN)1/2
の関係を満たすように設定すれば良い。
【0029】
この様な層厚の関係に設定することによって、WSi層16を設けることによるB−N結合の形成によるコンタクト抵抗の増大を抑制することができるとともに、WSi層16を設けることによる耐熱性の低下を抑制することができる。
【0030】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は実施の形態に記載した構成及び条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、ポリメタルゲート電極を構成する高融点金属としてWを用いているが、必ずしもWである必要はなく、Ti、Ta、Mo、Nb、TiN、TaN、或いは、NbNを用いても良いものである。
【0031】
また、上記の実施の形態においては、半導体基板をp型シリコン基板として、n型ウエル領域にpチャネル型FETを形成する場合を説明しているが、n型シリコン基板に直接pチャネル型FETを形成する場合も同様であり、また、p型ウエル領域或いはp型シリコン基板にnチャネル型FETを形成する場合も同様であることはいうまでもない。
【0032】
また、上記の実施の形態においては、シリコン半導体装置として説明しているが、シリコン半導体装置に限られるものではなく、Siの拡散が問題となるSiGe半導体装置等の少なくともSiを主成分とする半導体装置にも適用されるものである。
【0033】
また、上記の実施の形態においては、注入イオンの活性化のための熱処理工程をRTA法によって行っているが、RTA法に限られるものではなく、通常の熱処理炉を用いた熱処理の場合も同様である。
【0034】
【発明の効果】
本発明によれば、多結晶Si/WSi/WN/高融点金属構造のポリメタルゲート電極におけるWSi層とWN層の層厚の関係を、少なくとも950℃のプロセスを保証する関係に設定しているので、界面コンタクト抵抗が低く、且つ、熱的にも安定なポリメタルゲート電極を実現することができ、それによって、DRAM等の半導体集積回路装置の高集積化、高速化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。
【図2】本発明の実施の形態のポリメタルゲートFETの製造工程の説明図である。
【図3】ポリメタルゲート構造における多結晶Si層とW層との反応温度の層厚依存性の説明図である。
【図4】従来のポリメタルゲートFETの製造工程の説明図である。
【符号の説明】
1 Siを主成分とする半導体基板
2 ゲート絶縁膜
3 ソース・ドレイン領域
4 ゲート電極
5 多結晶Si層
6 WSi層
7 WN層
8 高融点金属層
11 p型シリコン基板
12 素子分離絶縁膜
13 n型ウエル領域
14 ゲート酸化膜
15 Bドープアモルファスシリコン層
16 WSi層
17 WN層
18 W層
19 SiN膜
20 ゲート電極
21 Bドープ多結晶シリコン層
22 p型ソース・ドレイン電極
31 p型シリコン基板
32 素子分離絶縁膜
33 n型ウエル領域
34 ゲート絶縁膜
35 Bドープ多結晶シリコン層
36 WN層
37 W層
38 SiN膜
39 ゲート電極
40 p型ソース・ドレイン電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a field-effect semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a correlation between the layer thicknesses of WSi and WN in a polymetal (POLY-METAL) structure gate electrode having a polycrystalline Si / WSi / WN / W structure. And a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, in a silicon semiconductor device, miniaturization and high-speed operation of an element have been demanded. To meet the demand, a resistance of a gate electrode has been reduced. One of them is a polymetal made of polycrystalline Si / WN / W. Since a DRAM (Dynamic Random Access Memory) using an FET having a gate electrode having a structure has been proposed, a conventional polymetal gate FET will be described with reference to FIG.
[0003]
Referring to FIG. 4A, first, after forming an element
[0004]
Next, a
The B-doped amorphous layer is crystallized in the deposition step of the
[0005]
Referring to FIG. 4B, after B ions are implanted, a p-type source / drain region 40 is formed by performing an annealing process for activation.
[0006]
Since W is used in this polymetal gate structure, the sheet resistance can be much lower than that of a conventional polycrystalline Si electrode or a polycrystalline Si / WSi electrode electrode. And speeding up are realized.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-mentioned polymetal gate electrode, B is doped as a dopant into the polycrystalline silicon layer. Therefore, at the interface between the B-doped
[0008]
This BN bond is chemically stable, rarely reacts with other elements once formed, and is electrically inactive, so that B doped as an impurity is inactivated. As a result, there is a problem that the resistance at the interface between the B-doped
[0009]
Therefore, in order to reduce the contact resistance at such an interface, it is conceivable to insert WSi into a polycrystalline Si / WSi / WN / W structure. However, it is difficult to secure heat resistance with this structure. There is a problem that Si reacts with Si.
[0010]
That is, the
[0011]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a gate electrode having a low contact resistance and a thermally stable Si / WSi / WN / high melting point metal structure.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is a diagram showing the basic configuration of the present invention, and means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
Reference numeral 3 in the figure is a source / drain region.
Referring to FIG. 1, in order to achieve the above object, the present invention provides a field effect type semiconductor comprising at least a Si-based semiconductor 1 having a
d WSi ≦ (1.25d WN ) 1/2
Is satisfied.
[0013]
As described above, the relationship between the layer thickness d WSi [nm] of the
d WSi ≦ (1.25d WN ) 1/2
By doing so, the diffusion of Si constituting the Si layer 5 into the high melting point metal layer 8 can be effectively suppressed at the heat treatment temperature such as the activation step of the implanted impurity. The semiconductor 1 containing at least Si as a main component is typically Si, and includes a semiconductor such as SiGe.
[0014]
In this case, the
[0015]
In the
[0016]
Further, as the high melting point metal in the
[0017]
When a Si / WSi / WN / high melting point metal structure is sequentially deposited from the
[0018]
As described above, the layer thickness ratio between the layer thickness d WSi of the
In this case, effectively suppressing the diffusion means that the change in the specific resistance of the refractory metal layer 8 after the heat treatment is within the range of the measurement error.
[0019]
Also, the layer thickness d WSi [nm] of the
d WSi ≦ (1.25d WN ) 1/2
By satisfying the relationship, it is possible to guarantee a process of 950 ° C. which is a normal heat treatment temperature in the activation step of the implanted impurities.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Here, a polymetal gate FET according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
Referring to FIG. 2A, first, an element
In this case, for example, oxidation is performed in a 750 ° C. steam atmosphere generated by flowing and burning H 2 gas and O 2 gas at a flow ratio of 1: 1.
[0021]
Next, after depositing an amorphous silicon film having a thickness of, for example, 70 nm on the entire surface by using the CVD method, for example, B is doped at a dose of 1 × 10 15 cm −2 to 3 × 10 15 cm −2. It is implanted to form a B-doped
The acceleration energy at this time is, eg, 3 to 5 keV so that B ions do not penetrate the amorphous silicon layer.
[0022]
Referring to FIG. 2B, a
The layer thickness of the
In the step of depositing the
[0023]
At this time, the layer thickness d WN [nm] of the
d WSi ≦ (1.25d WN ) 1/2
Is set so as to satisfy the relationship.
That is, when the layer thickness d WSi of the
[0024]
Next, as shown in FIG. 2 (c), B ions are implanted, and the implanted B ions are activated by performing a heat treatment at 950 ° C. for 30 to 120 seconds in a N 2 atmosphere using a rapid thermal anneal (RTA) method. To form the p-type source /
[0025]
The reason for setting the relationship between the thickness of the
[0026]
The relationship between the layer thicknesses will be described with reference to FIG.
FIG. 3 shows that the B-doped
[0027]
Generally, activation of impurities such as boron, phosphorus, arsenic, antimony and the like forming the source / drain regions and recovery of defects require a temperature of 950 ° C. or higher. By setting the relationship between the thicknesses of the
[0028]
When the correlation curve at 975 ° C. in FIG. 3 is approximated, assuming that the thickness of the
d WSi ≒ (1.25d WN ) 1/2
Can be approximated by
d WSi ≦ (1.25d WN ) 1/2
May be set so as to satisfy the relationship.
[0029]
By setting such a relation of the layer thickness, it is possible to suppress an increase in contact resistance due to the formation of a BN bond due to the provision of the
[0030]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications are possible.
For example, in the above embodiment, W is used as the refractory metal constituting the polymetal gate electrode. However, it is not always necessary to use W, and Ti, Ta, Mo, Nb, TiN, TaN, or NbN may be used.
[0031]
Further, in the above embodiment, the case where the p-channel FET is formed in the n-type well region using the semiconductor substrate as the p-type silicon substrate has been described, but the p-channel FET is directly formed on the n-type silicon substrate. It is needless to say that the same applies to the case of forming the n-channel FET in the p-type well region or the p-type silicon substrate.
[0032]
Further, in the above embodiment, a silicon semiconductor device is described. However, the present invention is not limited to a silicon semiconductor device, and a semiconductor containing at least Si as a main component, such as a SiGe semiconductor device in which diffusion of Si is a problem. It is also applied to the device.
[0033]
Further, in the above embodiment, the heat treatment step for activating the implanted ions is performed by the RTA method. However, the heat treatment step is not limited to the RTA method. It is.
[0034]
【The invention's effect】
According to the present invention, the relationship between the thickness of the WSi layer and the thickness of the WN layer in the polymetal gate electrode having the polycrystalline Si / WSi / WN / high melting point metal structure is set so as to ensure a process of at least 950 ° C. Therefore, a polymetal gate electrode having low interface contact resistance and being thermally stable can be realized, which greatly contributes to high integration and high speed of a semiconductor integrated circuit device such as a DRAM.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a manufacturing process of the polymetal gate FET according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a layer thickness dependence of a reaction temperature between a polycrystalline Si layer and a W layer in a polymetal gate structure.
FIG. 4 is an explanatory diagram of a manufacturing process of a conventional polymetal gate FET.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate containing Si as a
Claims (5)
dWSi ≦(1.25dWN)1/2
の関係を満たすことを特徴とする電界効果型半導体装置。In a field-effect semiconductor device comprising a semiconductor containing at least Si as a main component and having a gate electrode having a Si / WSi / WN / high melting point metal structure from the gate insulating film side, the thickness of the WSi layer is d WSi [nm]. When the thickness of the WN layer is d WN [nm],
d WSi ≦ (1.25d WN ) 1/2
A field-effect-type semiconductor device characterized by satisfying the following relationship:
dWSi ≦(1.25dWN)1/2
の関係を満たすことを特徴とする請求項4記載の電界効果型半導体装置の製造方法。The maximum use temperature is 975 ° C. or lower, and the layer thickness d WSi [nm] of the WSi layer and the layer thickness d WN [nm] of the WN are:
d WSi ≦ (1.25d WN ) 1/2
5. The method according to claim 4, wherein the following relationship is satisfied.
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