JP2004172179A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に、製造工程を複雑にすることなく、容易且つ確実にシリコンよりなる配線層やコンタクトプラグを金属に置換しうる半導体装置及びその製造方法を提供する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の高集積化・大容量化に伴い、設計ルール(ライン/スペース)が厳しくなってきており、それに伴って配線層の幅が細くなり、また、上下の配線層間を接続するコンタクトプラグを形成するためのビアホールの径が小さくなってきている。このため、配線層やコンタクトプラグを形成するための材料として、より低抵抗の材料を用いることが必要とされている。
【0003】
これまで、MISトランジスタのゲート電極材料には、ソース/ドレイン拡散層を自己整合的に形成しうる材料、すなわちソース/ドレイン拡散層を形成するための活性化熱処理に耐えうる材料として、多結晶シリコンが広く用いられてきた。しかしながら、多結晶シリコンは金属と比較すると2桁程度比抵抗が高いため、ゲート電極の低抵抗化することが望まれていた。
【0004】
近年、多結晶シリコンをアルミに置換する技術が提案されており、この技術を半導体装置の製造プロセスに適用する動きがある。本願発明者は、多結晶シリコンよりなるゲート電極を有するMISトランジスタを形成した後、上述の多結晶シリコンをアルミに置換する技術を用いてアルミ置換を行い、アルミよりなるゲート電極を有するMISトランジスタを形成する方法を特許文献1において提案している。
【0005】
次に、特許文献1に記載の従来の半導体装置の製造方法について図22乃至図25を用いて説明する。なお、図22及び図23はゲート電極に垂直な方向に沿った工程断面図であり、図24及び図25はゲート電極の延在方向に沿った工程断面図である。
【0006】
まず、シリコン基板100に、STI(Shallow Trench Isolation)法により、素子領域を確定する素子分離膜102を形成する。
【0007】
次いで、シリコン基板100内に、イオン注入により、Pウェル104を形成する。
【0008】
次いで、素子分離膜102及びPウェル104が形成されたシリコン基板100上に、通常のMOSトランジスタの形成方法と同様にして、多結晶シリコン膜よりなるゲート電極106と、ゲート電極106の両側のシリコン基板100内に形成されたソース/ドレイン拡散層108とを有するMOSトランジスタを形成する(図22(a))。
【0009】
次いで、MOSトランジスタが形成されたシリコン基板100上に、CVD法によりシリコン酸化膜を堆積する。
【0010】
次いで、CMP法によりこのシリコン酸化膜を平坦化し、表面が平坦化されたシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜110を形成する。
【0011】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、層間絶縁膜110にソース/ドレイン拡散層108に達するコンタクトホール112を形成する(図22(b)、図24(a))。
【0012】
次いで、CVD法により多結晶シリコン膜を堆積した後、CMP法により層間絶縁膜110の表面が露出するまでこの多結晶シリコン膜を平坦に除去し、コンタクトホール112内に多結晶シリコン膜を選択的に残存させる。こうして、コンタクトホール112内に、多結晶シリコン膜よりなるコンタクトプラグ114を形成する(図22(c))。
【0013】
次いで、CVD法によりコンタクトメタルとしてのチタン(Ti)膜及びバリアメタルとしての窒化チタン(TiN)膜を堆積する。
【0014】
次いで、フォトリソグラフィーにより、コンタクトプラグ114上を選択的に覆うフォトレジスト膜118を形成する。
【0015】
次いで、フォトレジスト膜118をマスクとして窒化チタン膜及びチタン膜をドライエッチングする。こうして、コンタクトプラグ114上を覆うTiN/Ti構造よりなるパッド116を形成する(図22(d))。
【0016】
次いで、パッド116が形成された層間絶縁膜110上に、CVD法によりシリコン酸化膜を堆積する。
【0017】
次いで、CMP法によりこのシリコン酸化膜を平坦化し、表面が平坦化されたシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜120を形成する。
【0018】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、層間絶縁膜120にパッド116に達するコンタクトホール122を、層間絶縁膜120,110にゲート電極106に達するコンタクトホール124を、それぞれ形成する(図23(a)、図24(b))。
【0019】
次いで、層間絶縁膜120上に、スパッタ法により、アルミ膜126及びチタン膜128を堆積する(図23(b)、図24(c))。なお、コンタクトホール122,124のアスペクト比が大きい場合、スパッタ法による成膜ではコンタクトホール122,124を完全に埋め込むことは困難であり、中央部に鬆142が残存することがある。
【0020】
次いで、窒素雰囲気中で400℃程度の熱処理を行う。この熱処理により、ゲート電極106とアルミ膜126との間で界面から反応が進行し、ゲート電極106を構成するシリコン原子がアルミ膜126方向に拡散するとともに、アルミ膜126を構成するアルミ原子がゲート電極106方向に拡散する(図25(a))。これにより、ゲート電極106を構成する多結晶シリコンはアルミに置換される。こうして、アルミよりなるゲート電極106′が形成される。
【0021】
このとき、アルミ膜126とコンタクトプラグ114との間にはバリアメタルとして機能するパッド116が形成されているため、コンタクトプラグ114やシリコン基板100がアルミに置換されることはない。したがって、ソース/ドレイン拡散層108の接合が破壊される等の不具合が生じることを防止することができる。
【0022】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜120上のアルミ膜126及びチタン膜128を除去する。この際、コンタクトホール122内にはアルミ膜よりなるコンタクトプラグ130が残存し、コンタクトホール124内にはゲート電極106′と一体形成されたコンタクトプラグ132が残存する(図23(c)、図25(b))。
【0023】
次いで、層間絶縁膜120上に、例えばスパッタ法により、例えば窒化チタン膜134及びアルミ膜136を堆積する。
【0024】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、窒化チタン膜134及びアルミ膜136をパターニングし、窒化チタン膜134及びアルミ膜136よりなり、コンタクトプラグ130、パッド116及びコンタクトプラグ114を介してソース/ドレイン拡散層108に接続された配線層138と、コンタクトプラグ132を介してゲート電極106′に接続された配線層140とを形成する(図23(d)、図25(c))。
【0025】
【特許文献】
特開平11−097535号公報
【非特許文献】
International Electron Devices Meeting 96, p.946−94
【0026】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の半導体装置の製造方法では、ソース/ドレイン拡散層108と配線層138とを接続するコンタクトプラグ114が多結晶シリコン膜により構成されており、トランジスタの高速動作のために更なる低抵抗化が望まれていた。
【0027】
また、上記従来の半導体装置の製造方法では、ゲート電極106を露出するコンタクトホール124が形成された層間絶縁膜120上にアルミ膜126を形成し、コンタクトホール124底で接するゲート電極106とアルミ膜126との界面からアルミ置換のための反応を進行させる。しかしながら、素子の微細化によりコンタクトホール124のアスペクト比が大きくなると、アルミ膜126をコンタクトホール124底まで十分に堆積することは困難となり、その後のアルミ置換が十分に行えなくなると懸念される。
【0028】
本発明の目的は、製造工程を複雑にすることなく、容易且つ確実に配線層やコンタクトプラグを低抵抗化しうる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0029】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、半導体基板上に形成された置換メタルよりなる第1のゲート電極と、前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、前記第1のゲート電極が形成された前記半導体基板上に形成され、前記不純物拡散領域に達する開口部が形成された絶縁膜と、前記開口部内に形成され、バリアメタルよりなるコンタクトプラグとを有することを特徴とする半導体装置によって達成される。
【0030】
また、上記目的は、半導体基板上に形成された置換メタルよりなる第1のゲート電極と、前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、前記第1のゲート電極が形成された前記半導体基板上に形成され、前記不純物拡散領域に達する開口部が形成された絶縁膜と、前記開口部内に形成され、前記開口部の少なくとも底部に形成されたバリアメタル層と、前記バリアメタル層上に形成された置換メタルよりなる膜とを有するコンタクトプラグとを有することを特徴とする半導体装置によっても達成される。
【0031】
また、上記目的は、半導体基板上に形成された置換メタルよりなる第1のゲート電極と、前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、前記第1のゲート電極が形成された前記半導体基板上に形成され、前記第1のゲート電極に達する開口部が形成された絶縁膜と、前記開口部内に形成された置換メタルよりなるコンタクトプラグとを有することを特徴とする半導体装置によっても達成される。
【0032】
また、上記目的は、半導体基板上に、金属に置換可能な被置換材料よりなる第1のゲート電極を形成する工程と、前記第1のゲート電極が形成された前記半導体基板上に、絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜に、前記半導体基板に達する第1の開口部を形成する工程と、前記第1の開口部内に、バリアメタル層を形成する工程と、前記絶縁膜に、前記第1のゲート電極の少なくとも一部を露出する第2の開口部を形成する工程と、前記絶縁膜上に、金属膜を形成する工程と、熱処理を行うことにより、前記第1のゲート電極を構成する前記被置換材料を前記金属膜を構成する金属材料に置換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によっても達成される。
【0033】
【発明の実施の形態】
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態による半導体装置及びその製造方法について図1乃至図6を用いて説明する。
【0034】
図1は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図2乃至図6は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0035】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図1を用いて説明する。なお、図1(a)はゲート電極に垂直な方向の断面図であり、図1(b)は図1(a)のA−A′線に沿った断面図である。また、図1(a)において、中央の素子分離膜12により画定された図面左側の素子領域がN型トランジスタ形成領域であり、図面右側の素子領域がP型トランジスタ形成領域である。
【0036】
シリコン基板10上には、素子領域を画定する素子分離膜12が形成されている。N型トランジスタ形成領域のシリコン基板10内には、Pウェル14が形成されている。N型トランジスタ形成領域のシリコン基板10上には、ゲート絶縁膜18を介して、アルミよりなるゲート電極22n′が形成されている。ゲート電極22n′の両側のシリコン基板10内には、ソース/ドレイン拡散層28nが形成されている。こうして、N型トランジスタ形成領域には、ゲート電極22n′及びソース/ドレイン拡散層28nを有するN型トランジスタが形成されている。
【0037】
P型トランジスタ形成領域のシリコン基板10上には、Nウェル16が形成されている。P型トランジスタ形成領域のシリコン基板10上には、ゲート絶縁膜18を介して、P型ポリシリコン膜よりなるゲート電極22pが形成されている。ゲート電極22pの両側のシリコン基板10内には、ソース/ドレイン拡散層28pが形成されている。こうして、P型トランジスタ形成領域には、ゲート電極22p及びソース/ドレイン拡散層28pを有するP型トランジスタが形成されている。
【0038】
N型トランジスタ及びP型トランジスタが形成されたシリコン基板10上には、層間絶縁膜30が形成されている。層間絶縁膜30には、ソース/ドレイン拡散層28n,28pに電気的に接続されたコンタクトプラグ38と、ゲート電極22n′に接続されたアルミよりなるコンタクトプラグ50とが埋め込まれている。コンタクトプラグ38は、バリアメタルとタングステン膜とにより構成されるタングステンプラグである。
【0039】
コンタクトプラグ38,50が埋め込まれた層間絶縁膜30上には、コンタクトプラグ38を介してソース/ドレイン拡散層28n,28pに電気的に接続された配線層56と、コンタクトプラグ50を介してゲート電極22n′に電気的に接続された配線層58とが形成されている。
【0040】
このように、本実施形態による半導体装置は、N型トランジスタのゲート電極22n′がアルミにより構成されているとともに、コンタクトプラグ38がバリアメタルとタングステン膜とからなるタングステンプラグであること主たる特徴がある。
【0041】
N型トランジスタのゲート電極22n′をアルミにより構成することにより、ゲート配線を低抵抗化することができ、トランジスタの高速化を図ることができる。なお、アルミの仕事関数は、N型トランジスタのゲート電極として好適でもある。
【0042】
ここで、ゲート電極22n′及びコンタクトプラグ50を構成する材料は、厳密にいえばアルミを主体的に含む導電体である。本発明では、ゲート電極22n′及びコンタクトプラグ50を、多結晶シリコンをアルミ置換する技術を用いて形成する。このため、ゲート電極22n′及びコンタクトプラグ50には、置換を行う際の熱処理の温度に応じたシリコンが含まれている。すなわち、アルミ中のシリコンの濃度は、材料の原子構造が熱処理温度で安定に保たれる状態(相状態図の相と相との間の線上)に収束し、例えば、約350℃の熱処理を行う場合には約0.2%のシリコンが含まれ、約400℃の熱処理を行う場合には約0.3%のシリコンが含まれ、約450℃の熱処理を行う場合には約0.5%のシリコンが含まれ、約500℃の熱処理を行う場合には約0.7%のシリコンが含まれることとなる。ただし、本明細書では、便宜上、多結晶シリコンをアルミ置換することにより形成した導電体をも「アルミ」と称する。
【0043】
タングステンプラグを構成するチタン、窒化チタン及びタングステンは、シリコンに比較してアルミに対して熱的に安定であり、シリコンをアルミに置換するための熱処理温度(350〜500℃程度)ではアルミとは反応しない。つまり、コンタクトプラグ38上に直にアルミ膜を堆積した状態でアルミ置換を行ってもコンタクトプラグ38に影響を与えることはない。
【0044】
したがって、本実施形態による半導体装置におけるコンタクトプラグ38は、図22乃至図25に示す従来の半導体装置におけるパッド116と同様の機能を有するため、本実施形態による半導体装置ではコンタクトプラグ38上を覆うパッドを設ける必要はない。したがって、製造工程を短縮化することができ、ひいては製造コストを削減することができる。また、多結晶シリコンプラグよりも導電率の高いタングステンプラグとすることによりコンタクト抵抗を低減できるので、トランジスタの高速化に寄与するところが大きい。
【0045】
なお、本実施形態では、TiN/Ti構造の膜をバリアメタルと称しているが、アルミとシリコンとの間の反応を防止するという観点からは、チタン、窒化チタン及びタングステンのすべてをバリアメタルと考えることができる。本明細書にいうバリアメタルとは、アルミとシリコンとの間の反応を防止しうる導電性の材料を意味するものである。
【0046】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図2乃至図6を用いて説明する。なお、図2乃至図4は図1(a)の断面における工程断面図、図5及び図6は図1(b)の断面における工程断面図である。
【0047】
まず、p型シリコン基板10に、例えばSTI法により、素子領域を画定する素子分離膜12を形成する。なお、図2乃至図4では、中央の素子分離膜12により画定された図面左側の素子領域がN型トランジスタ形成領域であり、図面右側の素子領域がP型トランジスタ形成領域である。
【0048】
次いで、イオン注入により、N型トランジスタ形成領域にPウェル14を形成し、P型トランジスタ形成領域にNウェル16を形成する(図2(a))。なお、ウェルの形成とともに、閾値制御のためのイオン注入やパンチスルー防止のための不純物領域を形成するためのイオン注入を行ってもよい。
【0049】
次いで、熱酸化法によりシリコン基板10の表面を熱酸化し、素子領域上に例えばシリコン酸化膜よりなるゲート絶縁膜18を形成する(図2(b))。なお、ゲート絶縁膜18は、シリコン窒化酸化膜、アルミナ膜、高誘電率膜、その他の絶縁膜により形成してもよい。
【0050】
次いで、全面に、例えばCVD法により、例えば膜厚100nmの多結晶シリコン膜20を堆積する。シリコンは、アルミ等の金属材料による置換が可能な被置換材料である。なお、多結晶シリコン膜の代わりに、アルミ置換が可能な他の材料、例えばゲルマニウム(Ge)膜、SiGe膜、カーボン(C)膜、及び炭化シリコン(SiC)膜や、CoxSiy膜,NixSiy膜,TixSiy膜等のシリサイド膜を形成してもよい。
【0051】
次いで、P型トランジスタ形成領域の多結晶シリコン膜にボロン(B)イオンをイオン注入する。これにより、P型トランジスタ形成領域の多結晶シリコン膜20をP型のドープト多結晶シリコン膜20pとする(図2(c))。なお、ノンドープの多結晶シリコン膜を形成してP型不純物をイオン注入するのに代えて、P型不純物が添加されたドープト多結晶シリコン膜を直に形成してもよい。
【0052】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、多結晶シリコン膜20及びドープト多結晶シリコン膜20pをパターニングし、N型トランジスタ形成領域に多結晶シリコン膜20よりなるゲート電極22nを形成し、P型トランジスタ形成領域にドープト多結晶シリコン膜20pよりなるゲート電極22pを形成する。
【0053】
次いで、ゲート電極22nをマスクとして、N型トランジスタ形成領域に例えば砒素(As)イオンをイオン注入し、ゲート電極22nの両側のシリコン基板10内に、LDD構造の低濃度不純物領域或いはエクステンションソース/ドレイン構造のエクステンション領域となる不純物拡散領域24nを形成する。
【0054】
同様にして、ゲート電極22pをマスクとして、P型トランジスタ形成領域に例えばボロンイオンをイオン注入し、ゲート電極22pの両側のシリコン基板10内に、LDD構造の低濃度不純物領域或いはエクステンションソース/ドレイン構造のエクステンション領域となる不純物拡散領域24pを形成する(図2(d))。
【0055】
次いで、例えばCVD法により例えば膜厚100nmのシリコン酸化膜を堆積した後、このシリコン酸化膜をエッチバックし、ゲート電極22n,22pの側壁部分に、シリコン酸化膜よりなる側壁絶縁膜26を形成する。
【0056】
次いで、ゲート電極22n及び側壁絶縁膜26をマスクとして、N型トランジスタ形成領域に例えば砒素(As)イオンをイオン注入し、ゲート電極20n及び側壁絶縁膜26の両側のシリコン基板10内に、高濃度のソース・ドレイン不純物領域を形成する。
【0057】
同様にして、ゲート電極22p及び側壁絶縁膜26をマスクとして、P型トランジスタ形成領域に例えば弗化ボロン(BF2)イオンをイオン注入し、ゲート電極22p及び側壁絶縁膜26の両側のシリコン基板10内に、高濃度のソース・ドレイン不純物領域を形成する。
【0058】
次いで、所定の熱処理を行い注入した不純物を活性化し、ゲート電極22nの両側のシリコン基板10内にLDD構造或いはエクステンションS/D構造を有するN型のソース/ドレイン拡散層28nを形成し、ゲート電極22pの両側のシリコン基板10内にLDD構造或いはエクステンションS/D構造を有するP型のソース/ドレイン拡散層28pを形成する(図3(a))。
【0059】
次いで、例えばCVD法により例えば膜厚500nmのシリコン酸化膜を堆積した後、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨)法によりこのシリコン酸化膜を平坦化し、表面が平坦化されたシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜30を形成する。
【0060】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、層間絶縁膜30に、ソース/ドレイン拡散層28n,28pに達するコンタクトホール32を形成する。
【0061】
次いで、例えばCVD法により、例えば膜厚5nmのチタン膜(Ti)と、例えば膜厚20nmの窒化チタン(TiN)膜とを堆積し、TiN/Ti構造のバリアメタル34を形成する(図3(b))。
【0062】
次いで、バリアメタル34上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚300nmのタングステン膜36を形成する(図3(c)、図5(a))。
【0063】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜30の表面が露出するまでタングステン膜36及びバリアメタル34を平坦に除去し、バリアメタル34及びタングステン膜36をコンタクトホール32内に選択的に残存させる。こうして、コンタクトホール32内に、バリアメタル34及びタングステン膜36よりなるコンタクトプラグ38を形成する(図3(d)、図5(b))。
【0064】
なお、コンタクトプラグ38を構成する材料は、後工程でゲート電極22nをアルミ置換する際の熱処理においてアルミ膜と反応しない導電性材料であればよい。バリアメタル層34としては、上層の窒化チタン膜の代わりに、例えば、窒化タングステン(WN)膜、窒化ニオブ(NbN)膜、窒化タンタル(TaN)膜等を用いるようにしてもよい。また、タングステン膜36の代わりに、窒化チタン膜、チタン膜、モリブデン(Mo)膜、ルテニウム(Ru)膜、ニッケル(Ni)膜、窒化タングステン膜、銅(Cu)膜、プラチナ(Pt)膜、銀(Ag)膜等を用いるようにしてもよい。
【0065】
次いで、フォトリソグラフィーにより、コンタクトプラグ38が埋め込まれた層間絶縁膜30上に、ゲート電極22n上に開口部42を有するフォトレジスト膜40を形成する(図4(a)、図5(c))。
【0066】
次いで、フォトレジスト膜40をマスクとして層間絶縁膜30を異方性エッチングし、層間絶縁膜30にゲート電極22nに達するコンタクトホール44を形成する。
【0067】
次いで、例えば酸素プラズマを用いたアッシングにより、フォトレジスト膜40を除去する(図5(d))。
【0068】
次いで、コンタクトプラグ38が埋め込まれ、ゲート電極22nに達するコンタクトホール44が形成された層間絶縁膜30上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚400nmのアルミ(Al)膜46と、例えば膜厚200nmのチタン膜48とを堆積する(図4(b)、図6(a))。これにより、コンタクトホール44内では、ゲート電極22nとアルミ膜46とが直接接触する。
【0069】
次いで、窒素雰囲気中で、350〜500℃、例えば400℃において、例えば30分間熱処理を行う。この熱処理により、ゲート電極22nとアルミ膜46との間で界面から反応が進行し、ゲート電極22nを構成するシリコン原子がアルミ膜46方向に拡散するとともに、アルミ膜46を構成するアルミ原子がゲート電極22n方向に拡散する(図4(b))。なお、ゲート長0.1μm、高さ0.15μmの多結晶シリコン膜よりなるゲート電極をアルミ置換する場合、窒素雰囲気中、400℃、30分間の熱処理を行うと、ゲート幅方向約10μmの領域をアルミ置換することができる。熱処理時間は、ゲート電極の形状及び熱処理温度等に応じて適宜選択することが望ましい。
【0070】
これにより、ゲート電極22n及びアルミ膜46は、熱処理温度に応じた濃度のシリコンを含むアルミ膜に置換される。また、過剰なシリコンはチタン膜48中に吸い出される。こうして、アルミよりなるゲート電極22n′が形成される。
【0071】
なお、コンタクトプラグ38は、図4(b)に示すようにその上面においてアルミ膜46と接触しているが、コンタクトプラグ38はTiN/Tiよりなるバリアメタル34及びタングステン膜36により構成されているため、多結晶シリコン膜をアルミ膜に置換するための熱処理において両者が反応することはない。したがって、コンタクトプラグ38上にシリコン基板10がアルミ置換されるのを防止するためのバリア層を設ける必要はない。また、アルミ置換の際の反応はコンタクトプラグ38により停止しシリコン基板10に達することはない。したがって、ソース/ドレイン拡散層28n,28pの接合が破壊される等の不具合が生じることもない。
【0072】
アルミ置換の熱処理は、上述のように350〜500℃の範囲で行うことが望ましい。350℃よりも低いと多結晶シリコンとアルミとの間の反応が起こらず、500℃よりも高いとアルミと層間絶縁膜とが反応するからである。
【0073】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜30上のアルミ膜46及びチタン膜48を除去する(図4(c)、図6(c))。この際、コンタクトホール44内には、ゲート電極22n′と一体形成されたアルミよりなるコンタクトプラグ50が残存する。
【0074】
次いで、層間絶縁膜30上に、例えばスパッタ法により、例えば窒化チタン膜52及びアルミ膜54を堆積する。
【0075】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、窒化チタン膜52及びアルミ膜54をパターニングし、窒化チタン膜52及びアルミ膜54よりなり、コンタクトプラグ38を介してソース/ドレイン拡散層28n,28pに電気的に接続された配線層56と、コンタクトプラグ50を介してゲート電極22n′に電気的に接続された配線層58とを形成する(図4(d)、図6(d))。
【0076】
このように、本実施形態によれば、多結晶シリコンをアルミ置換することによりアルミよりなるゲート電極を形成する半導体装置において、ソース/ドレイン拡散層に接続されるコンタクトプラグをタングステンプラグにより構成するので、コンタクトプラグがアルミ置換されるのを防止するバリアメタル層を形成する必要がない。したがって、製造工程を短縮することができ、製造コストを削減することができる。また、多結晶シリコンプラグよりも導電率の高いタングステンプラグを用いることによりコンタクト抵抗が低減され、トランジスタの高速化を図ることができる。
【0077】
なお、上記実施形態では、N型トランジスタのゲート電極のみをアルミ置換したが、P型トランジスタのゲート電極をもアルミ置換するようにしてもよい。
【0078】
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態による半導体装置及びその製造方法について図7乃至図9を用いて説明する。なお、図1乃至図6に示す第1実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【0079】
図7は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図8及び図9は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0080】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図7を用いて説明する。
【0081】
本実施形態による半導体装置は、基本的な構造は図1に示す第1実施形態による半導体装置と同様である。本実施形態による半導体装置の主たる特徴は、コンタクトプラグ38が、バリアメタル34と、アルミ膜62とにより構成されている点にある。
【0082】
バリアメタル34を構成する窒化チタンは、アルミに対して熱的に安定であり、シリコンをアルミに置換するための熱処理温度(350〜500℃程度)ではアルミとは反応しない。つまり、バリアメタル34は、図22乃至図25に示す従来の半導体装置におけるパッド116と同様の機能を有する。したがって、バリアメタル34上にアルミ膜62を形成しても、ソース/ドレイン拡散層28n,28pの接合が破壊される等の不具合が生じることはない。
【0083】
このように、本実施形態による半導体装置におけるコンタクトプラグ38は、図22乃至図25に示す従来の半導体装置におけるパッド116と同様の機能を有するため、本実施形態による半導体装置ではコンタクトプラグ38上を覆うパッドを設ける必要はない。したがって、製造工程を短縮化することができ、ひいては製造コストを削減することができる。
【0084】
また、CVD法で形成する場合のタングステンの比抵抗が約10[μΩcm]、窒化チタンの比抵抗が約50[μΩcm]、多結晶シリコン膜の比抵抗が約600[μΩcm]であるのに対し、アルミの比抵抗は約2.75[μΩcm]である。したがって、タングステンよりも導電率の高いアルミを用いてコンタクトプラグ38を構成することにより、第1実施形態による半導体装置よりもコンタクト抵抗を更に低減することができ、トランジスタの高速化を図ることができる。
【0085】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図8及び図9を用いて説明する。
【0086】
まず、例えば図2(a)乃至図3(b)に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、N型トランジスタ、P型トランジスタ、層間絶縁膜30、バリアメタル34等を形成する。
【0087】
次いで、バリアメタル34上に、例えばCVD法により、例えば膜厚300nmの多結晶シリコン膜60を形成する(図8(a))。
【0088】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜30の表面が露出するまで多結晶シリコン膜60及びバリアメタル34を平坦に除去し、バリアメタル34及び多結晶シリコン膜60をコンタクトホール32内に選択的に残存させる(図8(b))。
【0089】
次いで、例えば図5(c)乃至図5(d)に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ゲート電極22nに達するコンタクトホール44を形成する。
【0090】
次いで、層間絶縁膜30上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚400nmのアルミ(Al)膜46と、例えば膜厚200nmのチタン膜48とを堆積する。これにより、多結晶シリコン膜60とアルミ膜とが直接接触するとともに、コンタクトホール44内においてゲート電極22nとアルミ膜46とが直接接触する(図8(c))。
【0091】
次いで、窒素雰囲気中で、350〜500℃、例えば400℃において、例えば30分間熱処理を行う。この熱処理により、ゲート電極22n,22p及び多結晶シリコン膜60とアルミ膜46との間で界面から反応が進行し、ゲート電極22nがアルミよりなるゲート電極22n′に置換されるとともに、多結晶シリコン膜60がアルミ膜62に置換される(図9(a))。
【0092】
このとき、多結晶シリコン膜60の下層にはバリアメタル34が形成されているため、アルミ置換の反応はバリアメタル34により停止し、シリコン基板10に達することはない。したがって、ソース/ドレイン拡散層28n,28pの接合が破壊される等の不具合が生じることはない。
【0093】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜30上のアルミ膜62及びチタン膜48を除去する。これにより、コンタクトホール32内に、バリアメタル34とアルミ膜62とからなるコンタクトプラグ38を形成する(図9(b))。
【0094】
次いで、例えば図4(d)及び図6(d)に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、コンタクトプラグ38を介してソース/ドレイン拡散層28n,28pに電気的に接続された配線層56と、コンタクトプラグ50を介してゲート電極22n′に電気的に接続された配線層58とを形成する。
【0095】
なお、コンタクトプラグ38の形成過程において、上述のようなアルミ置換を用いずにスパッタ法によりアルミ膜を堆積することも考えられる。しかしながら、上述の通り、アルミ膜のスパッタ成膜では高いアスペクト比を有するコンタクトホールの埋め込みは容易ではない。アルミ置換を用いることにより、コンタクトホールを確実に埋め込むことができるというメリットがある。
【0096】
このように、本実施形態によれば、ゲート電極とともにコンタクトプラグをもアルミ置換するので、コンタクト抵抗を更に低減することができ、トランジスタの高速化を図ることができる。また、ゲート電極とコンタクトプラグとを同時にアルミ置換するので、工程増加による製造コストの増大を防止することができる。
【0097】
なお、上記実施形態では、N型トランジスタのゲート電極のみをアルミ置換したが、P型トランジスタのゲート電極をもアルミ置換するようにしてもよい。
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態による半導体装置の製造方法について図10及び図11を用いて説明する。なお、図1乃至図9に示す第1及び第2実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【0098】
図10及び図11は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0099】
本実施形態では、図7に示す第2実施形態による半導体装置の他の製造方法を示す。
【0100】
まず、例えば図2(a)乃至図3(b)に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、N型トランジスタ、P型トランジスタ、層間絶縁膜30、バリアメタル34等を形成する。
【0101】
次いで、バリアメタル34上に、フォトリソグラフィーにより、ゲート電極22n上に開口部42を有するフォトレジスト膜40を形成する。
【0102】
次いで、フォトレジスト膜40をマスクとしてバリアメタル34及び層間絶縁膜30を異方性エッチングし、バリアメタル34及び層間絶縁膜30にゲート電極22nに達するコンタクトホール44を形成する(図10(a)、図11(a))
次いで、例えば酸素プラズマを用いたアッシングにより、フォトレジスト膜40を除去する。
【0103】
次いで、バリアメタル34上に、例えばCVD法により、例えば膜厚300nmの多結晶シリコン膜60を形成する(図10(b)、図11(b))。
【0104】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜30の表面が露出するまで多結晶シリコン膜60及びバリアメタル34を平坦に除去し、バリアメタル34及び多結晶シリコン膜60をコンタクトホール32,44内に選択的に残存させる(図10(c)、図11(c))。
【0105】
なお、CVD法により形成する多結晶シリコン膜60は、表面被覆性に優れているため、コンタクトホール32,44のアスペクト比が大きい場合であっても容易に充填することができる。また、コンタクトホール44内に埋め込む多結晶シリコン膜60は、コンタクトホール32内に埋め込む多結晶シリコン膜60と同時に形成されるので、第2実施形態による半導体装置の製造方法と比較して製造工程数が増加することはない。
【0106】
次いで、層間絶縁膜30上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚400nmのアルミ膜46と、例えば膜厚200nmのチタン膜48とを堆積する。これにより、コンタクトホール32,44上において多結晶シリコン膜60とアルミ膜46とが直接接触することになる(図10(d)、図11(d))。
【0107】
なお、コンタクトホール32,44には多結晶シリコン膜60が充填されており、アルミ膜46が形成される表面は平坦化されている。したがって、アルミ膜46の形成過程でコンタクトホール32,44のアスペクト比が影響することはない。
【0108】
次いで、例えば図9(a)乃至図9(c)に示す第2実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ゲート電極22nをアルミよりなるゲート電極22n′に、多結晶シリコン膜60をアルミ膜62に、それぞれ置換した後、コンタクトプラグ38を介してソース/ドレイン拡散層28n,28pに電気的に接続された配線層56、コンタクトプラグ50を介してゲート電極22n′に電気的に接続された配線層58等を形成する。
【0109】
なお、コンタクトプラグ38,50の形成過程において、上述のようなアルミ置換を用いずにスパッタ法によりアルミ膜を堆積することも考えられる。しかしながら、上述の通り、アルミ膜のスパッタ成膜では高いアスペクト比を有するコンタクトホールの埋め込みは容易ではない。アルミ置換を用いることにより、コンタクトホールを確実に埋め込むことができるというメリットがある。
【0110】
このように、本実施形態によれば、ゲート電極とともにコンタクトプラグもアルミ置換するので、コンタクト抵抗を更に低減することができ、トランジスタの高速化を図ることができる。また、ゲート電極とコンタクトプラグとを同時にアルミ置換するので、工程増加による製造コストの増大を防止することができる。
【0111】
また、ゲート電極に接続されるコンタクトホール内に多結晶シリコン膜を充填し、アルミ置換に用いるアルミ膜が形成される面を平坦にするので、アルミ膜をコンタクトホール内に形成する必要はない。したがって、アスペクト比の大きいコンタクトホールを介してゲート電極をアルミ置換する場合であっても、容易且つ確実にアルミ置換を行うことができる。ゲート電極に接続されるコンタクトホール内に充填する多結晶シリコン膜は、シリコン基板に接続されるコンタクトホール内に充填する多結晶シリコン膜と同時に形成するので、製造工程数が増加することはない。
【0112】
なお、上記実施形態では、N型トランジスタのゲート電極のみをアルミ置換したが、P型トランジスタのゲート電極をもアルミ置換するようにしてもよい。
【0113】
[第4実施形態]
本発明の第4実施形態による半導体装置及びその製造方法について図12乃至図16を用いて説明する。なお、図1乃至図11に示す第1乃至第3実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【0114】
図12は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図13乃至図16は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0115】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図12を用いて説明する。なお、図12(a)はゲート電極に垂直な方向の断面図であり、図12(b)は図12(a)のA−A′線に沿った断面図である。また、図12(a)において、中央の素子分離膜12により画定された図面左側の素子領域がN型トランジスタ形成領域であり、図面右側の素子領域がP型トランジスタ形成領域である。
【0116】
シリコン基板10上には、素子領域を画定する素子分離膜12が形成されている。N型トランジスタ形成領域のシリコン基板10内には、Pウェル14が形成されている。N型トランジスタ形成領域のシリコン基板10上には、ゲート絶縁膜18を介して、アルミよりなるゲート電極22n′が形成されている。ゲート電極22n′の両側のシリコン基板10内には、ソース/ドレイン拡散層28nが形成されている。こうして、N型トランジスタ形成領域には、ゲート電極22n′及びソース/ドレイン拡散層28nを有するN型トランジスタが形成されている。
【0117】
P型トランジスタ形成領域のシリコン基板10上には、Nウェル16が形成されている。P型トランジスタ形成領域のシリコン基板10上には、ゲート絶縁膜18を介して、アルミよりなるゲート電極22p′が形成されている。ゲート電極22p′の両側のシリコン基板10内には、ソース/ドレイン拡散層28pが形成されている。こうして、P型トランジスタ形成領域には、ゲート電極22p′及びソース/ドレイン拡散層28pを有するP型トランジスタが形成されている。
【0118】
N型トランジスタ及びP型トランジスタが形成されたシリコン基板10上には、層間絶縁膜30が形成されている。層間絶縁膜30には、バリアメタル34及びアルミ膜62よりなり、ソース/ドレイン拡散層28n,28pに電気的に接続されたコンタクトプラグ38が埋め込まれている。また、ゲート電極22n′,22p′上の層間絶縁膜30には、ゲート電極22n′,22p′とほぼ等しいパターンを有するアルミ膜62が埋め込まれている。
【0119】
コンタクトプラグ38及びアルミ膜62が埋め込まれた層間絶縁膜30上には、コンタクトプラグ38を介してソース/ドレイン拡散層28n,28pに電気的に接続された配線層56と、ゲート電極66n,66pに接続された配線層58とが形成されている。
【0120】
このように、本実施形態による半導体装置は、N型トランジスタのゲート電極22n′及びP型トランジスタのゲート電極22p′がアルミ置換されているとともに、ゲート電極22n′,22p′上面上に層間絶縁膜30とほぼ等しい高さを有するアルミ膜62が形成されていることに主たる特徴がある。
【0121】
なお、ゲート電極22n′とこの上面上に形成されたアルミ膜62とを並びにゲート電極22p′とこの上面上に形成されたアルミ膜62とを、それぞれ一体として捉えれば、それぞれをゲート電極66n並びにゲート電極66pと考えることもできる。
【0122】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図13乃至図16を用いて説明する。なお、図13及び図14は図12(a)の断面における工程断面図、図15及び図16は図12(b)の断面における工程断面図である。
【0123】
まず、例えば図2(a)乃至図3(b)に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、N型トランジスタ、P型トランジスタ、層間絶縁膜30、バリアメタル34等を形成する。なお、本実施形態による半導体装置の製造方法では、第1乃至第3実施形態のように多結晶シリコン膜20に不純物を導入する必要は必ずしもない。
【0124】
次いで、バリアメタル34上に、フォトリソグラフィーにより、ゲート電極22n,22pの多結晶シリコン膜20上に開口部42を有するフォトレジスト膜40を形成する。開口部42は、図13(a)及び図15(a)に示すように、ゲート電極22n,22pとほぼ等しいパターンを有している。
【0125】
次いで、フォトレジスト膜40をマスクとしてバリアメタル34及び層間絶縁膜30を異方性エッチングし、バリアメタル34及び層間絶縁膜30にゲート電極22n,22pに達する開口部64を形成する(図13(a)、図15(a))。
【0126】
次いで、例えば酸素プラズマを用いたアッシングにより、フォトレジスト膜40を除去する(図13(b)、図15(b))。
【0127】
次いで、バリアメタル34上に、例えばCVD法により、例えば膜厚300nmの多結晶シリコン膜60を形成する(図13(c)、図15(c))。
【0128】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜30の表面が露出するまで多結晶シリコン膜60及びバリアメタル34を平坦に除去し、コンタクトホール32内にバリアメタル34及び多結晶シリコン膜60を、開口部64内に多結晶シリコン膜60を、それぞれ選択的に残存させる(図13(d)、図15(d))。
【0129】
なお、CVD法により形成する多結晶シリコン膜60は、表面被覆性に優れているため、コンタクトホール32、開口部64のアスペクト比が大きい場合であっても容易に充填することができる。また、開口部64内に埋め込む多結晶シリコン膜60は、コンタクトホール32内に埋め込む多結晶シリコン膜60と同時に形成されるので、第2実施形態による半導体装置の製造方法と比較して製造工程数が増加することはない。
【0130】
次いで、層間絶縁膜30上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚400nmのアルミ膜46と、例えば膜厚20nmのチタン膜48とを堆積する。これにより、コンタクトホール32上及び開口部64上において多結晶シリコン膜60とアルミ膜46とが直接接触することになる(図14(a)、図16(a))。
【0131】
なお、コンタクトホール32、開口部64には多結晶シリコン膜60が充填されており、アルミ膜46が形成される表面は平坦化されている。したがって、アルミ膜46の形成過程でコンタクトホール32、開口部64のアスペクト比が影響することはない。
【0132】
次いで、窒素雰囲気中で、350〜500℃、例えば400℃において、1〜48時間、例えば6時間熱処理を行う。この熱処理により、多結晶シリコン膜60とアルミ膜46との間で界面から反応が進行し、多結晶シリコン膜60がアルミ膜62に置換されるとともに、ゲート電極22n,22pがアルミよりなるゲート電極22n′,22p′に置換される(図14(b)、図16(b))。
【0133】
この際、開口部64に埋め込まれた多結晶シリコン膜62はゲート電極22n,22pとほぼ等しいパターンを有しているため、アルミ置換はゲート電極22n,22pの上面上から進行する。したがって、ゲート電極22n,22pのゲート幅が長い場合であっても、アルミ置換のための熱処理を短時間で行うことができる。
【0134】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜30上のアルミ膜62及びチタン膜48を除去する。これにより、コンタクトホール32内に埋め込まれバリアメタル34及びアルミ膜62よりなるコンタクトプラグ38と、上面にアルミ膜62が形成されたアルミよりなるゲート電極22n′,22p′とが形成される。
【0135】
なお、ゲート電極22n′,22p′とこれらの上面上に形成されたアルミ膜62とを一括してゲート電極66n,66pと考えることもできる。この場合、ゲート電極66n,66pは、層間絶縁膜30とほぼ等しい高さを有するといえる(図14(c)、図16(c))。
【0136】
次いで、例えば図4(d)及び図6(d)に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、コンタクトプラグ38を介してソース/ドレイン拡散層28n,28pに電気的に接続された配線層56と、ゲート電極66nに電気的に接続された配線層58とを形成する(図14(d)、図16(d))。
【0137】
このように、本実施形態によれば、ゲート電極とともにコンタクトプラグもアルミ置換するので、コンタクト抵抗を更に低減することができ、トランジスタの高速化を図ることができる。また、ゲート電極とコンタクトプラグとを同時にアルミ置換するので、工程増加による製造コストの増大を防止することができる。
【0138】
また、ゲート電極に接続される開口部内に多結晶シリコン膜を充填し、アルミ置換に用いるアルミ膜が形成される面を平坦にするので、アルミ膜をコンタクトホール内に形成する必要はない。したがって、アスペクト比の大きい開口部を介してゲート電極をアルミ置換する場合であっても、容易且つ確実にアルミ置換を行うことができる。ゲート電極に接続される開口部内に充填する多結晶シリコン膜は、シリコン基板に接続されるコンタクトホール内に充填する多結晶シリコン膜と同時に形成するので、製造工程数が増加することはない。
【0139】
また、ゲート電極に接続される開口部がゲート電極とほぼ等しいパターンを有するため、ゲート電極のアルミ置換をゲート電極の上面上から進行させることができる。これにより、ゲート電極のゲート幅が長い場合であっても、アルミ置換のための熱処理を短時間で行うことができる。
【0140】
なお、上記実施形態では、P型トランジスタのゲート電極もアルミ置換したが、第1乃至第3実施形態の場合と同様に、N型トランジスタのゲート電極のみをアルミ置換するようにしてもよい。アルミはN型トランジスタのゲート電極として好ましい仕事関数を有するが、P型トランジスタのゲート電極として必ずしも好ましいとはいえない。したがって、例えばp+ポリシリコンゲートによりP型トランジスタの所望の特性が得られるような場合には、N型トランジスタのゲート電極のみをアルミ置換するようにしてもよい。
【0141】
また、上記実施形態では、ゲート電極22n,22pとほぼ等しいパターンを有する開口部64を層間絶縁膜30に形成し、ゲート電極22n,22pの上面上からアルミ置換を進行するようにしたが、ゲート電極22n,22pに沿って複数の開口部を設け、これら開口部から同時にアルミ置換を進行するようにしてもよい。
【0142】
[第5実施形態]
本発明の第5実施形態による半導体装置及びその製造方法について図17乃至図21を用いて説明する。なお、図1乃至図16に示す第1乃至第4実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【0143】
図17は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図18乃至図21は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0144】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図17を用いて説明する。なお、図17(a)はゲート電極に垂直な方向の断面図であり、図17(b)は図17(a)のA−A′線に沿った断面図である。また、図12(a)において、中央の素子分離膜12により画定された図面左側の素子領域がN型トランジスタ形成領域であり、図面右側の素子領域がP型トランジスタ形成領域である。
【0145】
シリコン基板10上には、素子領域を画定する素子分離膜12が形成されている。N型トランジスタ形成領域のシリコン基板10内には、Pウェル14が形成されている。N型トランジスタ形成領域のシリコン基板10上には、ゲート絶縁膜18を介して、アルミよりなるゲート電極22n′が形成されている。ゲート電極22n′の両側のシリコン基板10内には、ソース/ドレイン拡散層28nが形成されている。こうして、N型トランジスタ形成領域には、ゲート電極22n′及びソース/ドレイン拡散層28nを有するN型トランジスタが形成されている。
【0146】
P型トランジスタ形成領域のシリコン基板10上には、Nウェル16が形成されている。P型トランジスタ形成領域のシリコン基板10上には、ゲート絶縁膜18を介して、アルミよりなるゲート電極22p′が形成されている。ゲート電極22p′の両側のシリコン基板10内には、ソース/ドレイン拡散層28pが形成されている。こうして、P型トランジスタ形成領域には、ゲート電極22p′及びソース/ドレイン拡散層28pを有するP型トランジスタが形成されている。
【0147】
N型トランジスタ及びP型トランジスタが形成されたシリコン基板10上には、ゲート電極22n′,22p′とほぼ等しい高さを有する層間絶縁膜30が形成されている。層間絶縁膜30には、バリアメタル34及びアルミ膜62よりなり、ソース/ドレイン拡散層28n,28pに接続されたコンタクトプラグ38が埋め込まれている。
【0148】
コンタクトプラグ38及びアルミ膜62が埋め込まれた層間絶縁膜30上には、コンタクトプラグ38を介してソース/ドレイン拡散層28n,28pに電気的に接続された配線層56と、ゲート電極22n′,22p′に接続された配線層58とが形成されている。
【0149】
このように、本実施形態による半導体装置は、N型トランジスタのゲート電極22n′及びP型トランジスタのゲート電極22p′がアルミ置換されているとともに、層間絶縁膜30がゲート電極22n′,22p′とほぼ等しい高さを有することに主たる特徴がある。
【0150】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図18乃至図21を用いて説明する。なお、図18及び図19は図17(a)の断面における工程断面図、図20及び図21は図17(b)の断面における工程断面図である。
【0151】
まず、例えば図2(a)乃至図3(a)に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、N型トランジスタ、P型トランジスタ等を形成する。なお、本実施形態による半導体装置の製造方法では、第1乃至第3実施形態の場合のように多結晶シリコン膜20に不純物を導入する必要は必ずしもない。
【0152】
次いで、N型トランジスタ及びP型トランジスタが形成されたシリコン基板10上に、例えばCVD法により、例えば膜厚500nmのシリコン酸化膜を堆積し、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜30を形成する。
【0153】
次いで、例えばCMP法により、ゲート電極22n,22pの上面が露出するまで層間絶縁膜30を平坦に除去する(図18(a)、図20(b)。これにより、層間絶縁膜30の高さがゲート電極22n,22pの高さとほぼ等しくなる。
【0154】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、層間絶縁膜30に、ソース/ドレイン拡散層28n,28pに達するコンタクトホール32を形成する。
【0155】
次いで、例えばCVD法により、例えば膜厚5nmのチタン膜と、例えば膜厚20nmの窒化チタン膜とを堆積し、TiN/Ti構造のバリアメタル34を形成する(図18(b)、20(b))。
【0156】
次いで、バリアメタル34上に、例えばCVD法により、例えば膜厚300nmの多結晶シリコン膜60を形成する(図18(c)、図20(c))。
【0157】
次いで、例えばCMP法により、ゲート電極22n,22p及び層間絶縁膜30の表面が露出するまで多結晶シリコン膜60及びバリアメタル34を平坦に除去し、コンタクトホール32内にバリアメタル34及び多結晶シリコン膜60を選択的に残存させる(図18(d)、図20(d))。
【0158】
次いで、層間絶縁膜30上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚400nmのアルミ膜46と、例えば膜厚200nmのチタン膜48とを堆積する。これにより、ゲート電極22n,22p及び多結晶シリコン膜60とアルミ膜46とが直接接触することになる(図19(a)、図21(a))。
【0159】
次いで、窒素雰囲気中で、350〜500℃、例えば400℃において、例えば5分間熱処理を行う。この熱処理により、ゲート電極22n,22p及び多結晶シリコン膜60とアルミ膜46との間で界面から反応が進行し、多結晶シリコン膜60がアルミ膜62に置換されるとともに、ゲート電極22n,22pがアルミよりなるゲート電極22n′,22p′に置換される(図19(b)、図21(b))。
【0160】
この際、アルミ膜46はゲート電極22n,22pの上面上に直に接しているため、アルミ置換はゲート電極22n,22pの上面上から進行する。したがって、ゲート電極22n,22pのゲート幅が長い場合であっても、アルミ置換のための熱処理を短時間で行うことができる。
【0161】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜30上のアルミ膜62及びチタン膜48を除去する。これにより、コンタクトホール32内に埋め込まれバリアメタル34及びアルミ膜62よりなるコンタクトプラグ38が形成される(図19(c)、図21(c))。
【0162】
次いで、例えば図4(d)及び図6(d)に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、コンタクトプラグ38を介してソース/ドレイン拡散層28n,28pに電気的に接続された配線層56と、ゲート電極22n′,22p′に電気的に接続された配線層58とを形成する(図19(d)、図21(d))。
【0163】
このように、本実施形態によれば、ゲート電極とともにコンタクトプラグもアルミ置換するので、コンタクト抵抗を更に低減することができ、トランジスタの高速化を図ることができる。また、ゲート電極とコンタクトプラグとを同時にアルミ置換するので、工程増加による製造コストの増大を防止することができる。
【0164】
また、ゲート電極の高さと層間絶縁膜の高さとをほぼ等しくし、アルミ置換に用いるアルミ膜が形成される面を平坦にするので、アルミ膜をコンタクトホール内に形成する必要はない。したがって、ゲート電極を容易且つ確実にアルミ置換することができる。
【0165】
また、ゲート電極の上面上に直にアルミ置換に用いるアルミ膜を形成するため、ゲート電極のアルミ置換をゲート電極の上面上から進行させることができる。これにより、ゲート電極のゲート幅が長い場合であっても、アルミ置換のための熱処理を短時間で行うことができる。
【0166】
なお、上記実施形態では、P型トランジスタのゲート電極もアルミ置換したが、第1乃至第3実施形態の場合と同様に、N型トランジスタのゲート電極のみをアルミ置換するようにしてもよい。アルミはN型トランジスタのゲート電極として好ましい仕事関数を有するが、P型トランジスタのゲート電極として必ずしも好ましいとはいえない。したがって、例えばp+ポリシリコンゲートによりP型トランジスタの所望の特性が得られるような場合には、N型トランジスタのゲート電極のみをアルミ置換するようにしてもよい。
【0167】
[変形実施形態]
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【0168】
例えば、上記実施形態では、アルミ置換前のゲート電極を多結晶シリコン膜により形成したが、形成直後の状態において必ずしも多結晶シリコンである必要はない。多結晶シリコン膜の代わりに、単結晶シリコン膜やアモルファスシリコン膜を形成するようにいてもよい。なお、アモルファスシリコン膜により構成する場合であっても、不純物の活性化熱処理の際に結晶化するので、アルミ置換を行う際には多結晶の状態である。また、多結晶シリコン膜の代わりに、アルミ置換が可能な他の材料、例えばゲルマニウム膜、SiGe膜、カーボン膜、及び炭化シリコン膜や、CoxSiy膜,NixSiy膜,TixSiy膜等のシリサイド膜を用いることもできる。
【0169】
また、上記実施形態では、多結晶シリコン膜をアルミ置換する際に、アルミ源となるアルミ膜上にチタン膜を形成しているが、必ずしもチタン膜を設ける必要はない。チタン膜には過剰なシリコンを吸い出す作用があり、アルミ置換を促進する効果を有するが、チタン膜がなくともアルミ置換を行うことは可能である。
【0170】
また、上記実施形態では、多結晶シリコンをアルミに置換したが、他の金属材料に置換することも可能である。例えば、アルミの代わりに、銅、銀、ルテニウム、プラチナ、パラジウム、金等の金属を用い、多結晶シリコンをこれら金属に置換するようにしてもよい。なお、被置換材料を金属材料に置換することにより形成した置換メタルは、膜中に僅かに被置換材料を含む。例えばシリコンをアルミに置換する場合、置換アルミ中には、熱処理温度に応じて約0.2〜0.7%のシリコンが含有される。換言すれば、膜中の被置換材料の濃度を測定することにより、被置換材料を金属材料に置換することにより形成した置換メタルであるか否かを推測することが可能である。
【0171】
また、上記実施形態では、ゲート電極及びシリコン基板に接続されるコンタクトプラグをアルミに置換する方法を示したが、他の配線層やコンタクトプラグをアルミに置換する場合に適用してもよい。
【0172】
以上、詳述した通り、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。
【0173】
(付記1) 半導体基板上に形成された置換メタルよりなる第1のゲート電極と、
前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、
前記第1のゲート電極が形成された前記半導体基板上に形成され、前記不純物拡散領域に達する開口部が形成された絶縁膜と、
前記開口部内に形成され、バリアメタルよりなるコンタクトプラグと
を有することを特徴とする半導体装置。
【0174】
(付記2) 付記1記載の半導体装置において、
前記コンタクトプラグは、前記開口部の少なくとも底部に形成されたバリアメタル層と、前記バリアメタル層上に形成されたタングステン膜とを有する
ことを特徴とする半導体装置。
【0175】
(付記3) 半導体基板上に形成された置換メタルよりなる第1のゲート電極と、
前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、
前記第1のゲート電極が形成された前記半導体基板上に形成され、前記不純物拡散領域に達する開口部が形成された絶縁膜と、
前記開口部内に形成され、前記開口部の少なくとも底部に形成されたバリアメタル層と、前記バリアメタル層上に形成された置換メタルよりなる膜とを有するコンタクトプラグと
を有することを特徴とする半導体装置。
【0176】
(付記4) 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記不純物拡散領域は、前記第1のゲート電極に対して自己整合で形成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【0177】
(付記5) 半導体基板上に形成された置換メタルよりなる第1のゲート電極と、
前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、
前記第1のゲート電極が形成された前記半導体基板上に形成され、前記第1のゲート電極に達する開口部が形成された絶縁膜と、
前記開口部内に形成された置換メタルよりなるコンタクトプラグと
を有することを特徴とする半導体装置。
【0178】
(付記6) 付記5記載の半導体装置において、
前記コンタクトプラグは、前記第1のゲート電極とほぼ等しい平面パターンを有する
ことを特徴とする半導体装置。
【0179】
(付記7) 付記1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記絶縁膜は、前記第1のゲート電極とほぼ等しい高さを有する
ことを特徴とする半導体装置。
【0180】
(付記8) 付記1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記半導体基板上に形成され、P型シリコン膜を含む第2のゲート電極を更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
【0181】
(付記9) 付記1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記半導体基板上に形成され、置換メタルよりなる第2のゲート電極を更に有し、
前記第1のゲート電極はN型トランジスタのゲート電極であり、前記第2のゲート電極はP型トランジスタのゲート電極である
ことを特徴とする半導体装置。
【0182】
(付記10) 付記1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記置換メタルは、0.2〜0.7%のシリコンを含むアルミである
ことを特徴とする半導体装置。
【0183】
(付記11) 半導体基板上に、金属に置換可能な被置換材料よりなる第1のゲート電極を形成する工程と、
前記第1のゲート電極が形成された前記半導体基板上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に、前記半導体基板に達する第1の開口部を形成する工程と、
前記第1の開口部内に、バリアメタル層を形成する工程と、
前記絶縁膜に、前記第1のゲート電極の少なくとも一部を露出する第2の開口部を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、金属膜を形成する工程と、
熱処理を行うことにより、前記第1のゲート電極を構成する前記被置換材料を前記金属膜を構成する金属材料に置換する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0184】
(付記12) 付記11記載の半導体装置の製造方法において、
前記バリアメタル層を形成する工程では、前記バリアメタル層により前記第1の開口部内を埋め込む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0185】
(付記13) 付記11記載の半導体装置の製造方法において、
前記バリアメタル層を形成する工程の後に、前記バリアメタル層が形成された前記第1の開口部内に前記被置換材料よりなる膜を形成する工程を更に有し、
前記熱処理を行う工程では、前記第1のゲート電極を構成する前記被置換材料を前記金属材料に置換するとともに、前記第1の開口部内の前記被置換材料を前記金属材料に置換する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0186】
(付記14) 付記13記載の半導体装置の製造方法において、
前記熱処理を行う工程の後に、前記絶縁膜上の前記金属膜を除去することにより、前記第1の開口部に埋め込まれ、前記バリアメタル層と、前記被置換材料よりなる前記膜を前記金属材料に置換してなる置換メタル膜とからなる第1のコンタクトプラグを形成する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0187】
(付記15) 付記13又は14記載の半導体装置の製造方法において、
前記被置換材料よりなる前記膜を形成する工程は、前記第2の開口部を形成する工程の後に行い、前記第2の開口部内にも前記被置換材料よりなる前記膜を形成し、
前記熱処理を行う工程では、前記第2の開口部内の前記前記被置換材料をも前記金属材料に置換する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0188】
(付記16) 付記15記載の半導体装置の製造方法において、
前記熱処理を行う工程の後に、前記絶縁膜上の前記金属膜を除去することにより、前記第2の開口部に埋め込まれ、前記被置換材料よりなる前記膜を前記金属材料に置換してなる置換メタル膜からなる第2のコンタクトプラグを形成する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0189】
(付記17) 付記16記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1のコンタクトプラグと前記第2のコンタクトプラグとを同時に形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0190】
(付記18) 付記11乃至17のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2の開口部を形成する工程では、前記第1のゲート電極とほぼ等しい平面パターンを有する前記第2の開口部を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0191】
(付記19) 付記11又は12記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2の開口部を形成する工程では、前記絶縁膜の高さが前記第1のゲート電極の高さとほぼ等しくなるように前記絶縁膜を平坦に除去することにより、前記第1のゲート電極の上面上を露出する前記第2の開口部を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0192】
(付記20) 付記11乃至19のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記半導体基板上に、P型シリコン膜を含む第2のゲート電極を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0193】
(付記21) 付記11乃至20のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記熱処理を行う工程では、350〜500℃の温度で熱処理を行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0194】
(付記22) 半導体基板上に、金属に置換可能な被置換材料よりなるゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極が形成された前記半導体基板上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に、前記ゲート電極の少なくとも一部を露出する開口部を形成する工程と、
前記絶縁膜上及び前記開口部内に、金属膜を形成する工程と、
熱処理を行うにより、前記被置換材料を前記金属膜を構成する金属材料に置換し、前記金属材料よりなる前記ゲート電極を形成するとともに、前記開口部内に前記金属材料よりなり前記ゲート電極に電気的に接続されたコンタクトプラグを形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0195】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、多結晶シリコンをアルミに置換してなるゲート電極を有する半導体装置において、ソース/ドレイン拡散層に接続されるコンタクトプラグをアルミ置換に対してバリア性のある導電性材料により構成するので、コンタクトプラグがアルミに置換されるのを防止するバリアメタル層を別途形成する必要がない。したがって、製造工程を短縮することができ、製造コストを削減することができる。また、多結晶シリコンプラグよりも導電率の高い材料を用いることによりコンタクト抵抗が低減され、トランジスタの高速化を図ることができる。
【0196】
また、ゲート電極とともにコンタクトプラグもアルミに置換することにより、コンタクト抵抗を更に低減することができ、トランジスタの高速化を図ることができる。また、ゲート電極とコンタクトプラグとを同時にアルミ置換するので、工程増加による製造コストの増大を防止することができる。
【0197】
また、ゲート電極に接続されるコンタクトホール内に多結晶シリコン膜を充填し、アルミ置換に用いるアルミ膜が形成される面を平坦にするので、アルミ膜をコンタクトホール内に形成する必要はない。したがって、アスペクト比の大きいコンタクトホールを介してゲート電極をアルミ置換する場合であっても、容易且つ確実にアルミ置換を行うことができる。ゲート電極に接続されるコンタクトホール内に充填する多結晶シリコン膜は、シリコン基板に接続されるコンタクトホール内に充填する多結晶シリコン膜と同時に形成するので、製造工程数が増加することはない。
【0198】
また、ゲート電極に接続される開口部をゲート電極とほぼ等しいパターンにし或いはゲート電極の高さと層間絶縁膜の高さとをほぼ等しくすることにより、ゲート電極のアルミ置換をゲート電極の上面上から進行させることができる。これにより、ゲート電極のゲート幅が長い場合であっても、アルミ置換のための熱処理を短時間で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図2】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図3】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図4】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。
【図5】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その4)である。
【図6】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その5)である。
【図7】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。
【図8】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図9】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図10】本発明の第3実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図11】本発明の第3実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図12】本発明の第4実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図13】本発明の第4実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図14】本発明の第4実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図15】本発明の第4実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。
【図16】本発明の第4実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その4)である。
【図17】本発明の第5実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図18】本発明の第5実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図19】本発明の第5実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図20】本発明の第5実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。
【図21】本発明の第5実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その4)である。
【図22】従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図23】従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図24】従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。
【図25】従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その4)である。
【符号の説明】
10…シリコン基板
12…素子分離膜
14…Pウェル
16…Nウェル
18…ゲート絶縁膜
20,60…多結晶シリコン膜
22,66…ゲート電極
24…不純物拡散領域
26…側壁絶縁膜
28…ソース/ドレイン拡散層
30…層間絶縁膜
32…コンタクトホール
34…バリアメタル
36…タングステン膜
38,50…コンタクトプラグ
40…フォトレジスト膜
42…開口部
44…コンタクトホール
46,54,62…アルミ膜
48…チタン膜
52…窒化チタン膜
56,58…配線層
64…開口部
100…シリコン基板
102…素子分離膜
104…Pウェル
106…ゲート電極
108…ソース/ドレイン拡散層
110,120…層間絶縁膜
112,122,124…コンタクトホール
114,130,132…コンタクトプラグ
116…パッド
118…フォトレジスト膜
126,136…アルミ膜
128…チタン膜
134…窒化チタン膜
138,140…配線層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can easily and reliably replace a wiring layer or contact plug made of silicon with a metal without complicating the manufacturing process. I do.
[0002]
[Prior art]
As the integration and capacity of semiconductor devices increase, the design rules (lines / spaces) are becoming stricter. As a result, the width of wiring layers is becoming narrower, and contact plugs for connecting upper and lower wiring layers are required. The diameter of via holes to be formed has been reduced. Therefore, it is necessary to use a material having a lower resistance as a material for forming the wiring layer and the contact plug.
[0003]
Heretofore, polycrystalline silicon has been used as a gate electrode material of a MIS transistor as a material capable of forming a source / drain diffusion layer in a self-aligned manner, that is, a material that can withstand activation heat treatment for forming a source / drain diffusion layer. Has been widely used. However, since the specific resistance of polycrystalline silicon is about two orders of magnitude higher than that of metal, it has been desired to reduce the resistance of the gate electrode.
[0004]
In recent years, a technique for replacing polycrystalline silicon with aluminum has been proposed, and there is a movement to apply this technique to a semiconductor device manufacturing process. The inventor of the present application forms an MIS transistor having a gate electrode made of polycrystalline silicon, and then performs aluminum substitution using the above-described technique of substituting polycrystalline silicon with aluminum, thereby forming an MIS transistor having a gate electrode made of aluminum.
[0005]
Next, a conventional method for manufacturing a semiconductor device described in
[0006]
First, an
[0007]
Next, a
[0008]
Next, on the
[0009]
Next, a silicon oxide film is deposited on the
[0010]
Next, the silicon oxide film is flattened by the CMP method, and an
[0011]
Next, a
[0012]
Next, after depositing a polycrystalline silicon film by the CVD method, the polycrystalline silicon film is removed flat by the CMP method until the surface of the
[0013]
Next, a titanium (Ti) film as a contact metal and a titanium nitride (TiN) film as a barrier metal are deposited by a CVD method.
[0014]
Next, a
[0015]
Next, the titanium nitride film and the titanium film are dry-etched using the
[0016]
Next, a silicon oxide film is deposited on the
[0017]
Next, the silicon oxide film is flattened by the CMP method to form an
[0018]
Next, by photolithography and dry etching, a
[0019]
Next, an
[0020]
Next, heat treatment at about 400 ° C. is performed in a nitrogen atmosphere. Due to this heat treatment, a reaction proceeds from the interface between the
[0021]
At this time, since the
[0022]
Next, the
[0023]
Next, a
[0024]
Next, the
[0025]
[Patent Document]
JP-A-11-097535
[Non-patent literature]
International Electron Devices Meeting 96, p. 946-94
[0026]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described conventional method of manufacturing a semiconductor device, the
[0027]
Further, in the above-described conventional method of manufacturing a semiconductor device, an
[0028]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method of manufacturing the same, which can easily and surely reduce the resistance of a wiring layer and a contact plug without complicating a manufacturing process.
[0029]
[Means for Solving the Problems]
The above object is achieved by providing a first gate electrode made of a substitution metal formed on a semiconductor substrate, an impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate, and a first gate electrode formed on the semiconductor substrate on which the first gate electrode is formed. This is achieved by a semiconductor device having an insulating film formed and having an opening reaching the impurity diffusion region, and a contact plug formed in the opening and made of a barrier metal.
[0030]
In addition, the object is to provide a first gate electrode made of a substitution metal formed on a semiconductor substrate, an impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate, and a semiconductor substrate on which the first gate electrode is formed. An insulating film formed thereon and having an opening reaching the impurity diffusion region, a barrier metal layer formed in the opening and formed at least at a bottom of the opening, and formed on the barrier metal layer The present invention is also achieved by a semiconductor device having a contact plug having a film made of a substituted metal.
[0031]
In addition, the object is to provide a first gate electrode made of a substitution metal formed on a semiconductor substrate, an impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate, and a semiconductor substrate on which the first gate electrode is formed. The invention is also attained by a semiconductor device having an insulating film formed thereon and having an opening reaching the first gate electrode, and a contact plug made of a replacement metal formed in the opening. You.
[0032]
Further, the object is to form a first gate electrode made of a material to be replaced with a metal on a semiconductor substrate, and to form an insulating film on the semiconductor substrate on which the first gate electrode is formed. Forming a first opening reaching the semiconductor substrate in the insulating film; forming a barrier metal layer in the first opening; forming the first opening in the insulating film; Forming a second opening exposing at least a part of the first gate electrode, forming a metal film on the insulating film, and performing a heat treatment to form the first gate electrode; Replacing the constituent material to be formed with a metal material forming the metal film.
[0033]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[First Embodiment]
The semiconductor device according to the first embodiment of the present invention and the method for fabricating the same will be described with reference to FIGS.
[0034]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIGS. 2 to 6 are process sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
[0035]
First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. 1A is a cross-sectional view in a direction perpendicular to the gate electrode, and FIG. 1B is a cross-sectional view along the line AA ′ in FIG. In FIG. 1A, the element region on the left side of the drawing defined by the
[0036]
An
[0037]
An N well 16 is formed on the
[0038]
An interlayer insulating
[0039]
On the
[0040]
As described above, the semiconductor device according to the present embodiment is characterized mainly in that the
[0041]
When the
[0042]
Here, the material constituting the
[0043]
Titanium, titanium nitride, and tungsten constituting the tungsten plug are more thermally stable with respect to aluminum than silicon, and are different from aluminum at a heat treatment temperature (about 350 to 500 ° C.) for replacing silicon with aluminum. no response. That is, even if the aluminum replacement is performed in a state where the aluminum film is directly deposited on the
[0044]
Therefore, since the
[0045]
In the present embodiment, a film having a TiN / Ti structure is referred to as a barrier metal. However, from the viewpoint of preventing a reaction between aluminum and silicon, all of titanium, titanium nitride, and tungsten are regarded as barrier metals. You can think. The barrier metal referred to in this specification means a conductive material that can prevent a reaction between aluminum and silicon.
[0046]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 2 to 4 are process cross-sectional views in the cross section of FIG. 1A, and FIGS. 5 and 6 are process cross-sectional views in the cross section of FIG. 1B.
[0047]
First, an
[0048]
Next, a P-
[0049]
Next, the surface of the
[0050]
Next, a
[0051]
Next, boron (B) ions are implanted into the polycrystalline silicon film in the P-type transistor formation region. As a result, the
[0052]
Next, the
[0053]
Then, using the
[0054]
Similarly, using the
[0055]
Next, after depositing a silicon oxide film having a thickness of, for example, 100 nm by, for example, the CVD method, the silicon oxide film is etched back, and a
[0056]
Next, for example, arsenic (As) ions are ion-implanted into the N-type transistor formation region using the
[0057]
Similarly, using the
[0058]
Next, a predetermined heat treatment is performed to activate the implanted impurities, and an N-type source /
[0059]
Next, after depositing a silicon oxide film having a thickness of, for example, 500 nm by, for example, a CVD method, the silicon oxide film is flattened by, for example, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method, and the silicon oxide film having a flattened surface is formed. An interlayer insulating
[0060]
Next, contact holes 32 reaching the source /
[0061]
Next, a titanium film (Ti) having a thickness of, for example, 5 nm and a titanium nitride (TiN) film having a thickness of, for example, 20 nm are deposited by, for example, a CVD method to form a barrier metal having a TiN / Ti structure (FIG. b)).
[0062]
Next, a 300 nm-
[0063]
Next, the
[0064]
The material forming the
[0065]
Next, a
[0066]
Next, the
[0067]
Next, the
[0068]
Next, on the
[0069]
Next, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 350 to 500 ° C., for example, 400 ° C., for 30 minutes, for example. By this heat treatment, a reaction proceeds from the interface between the
[0070]
As a result, the
[0071]
The
[0072]
The heat treatment for replacing aluminum is desirably performed in the range of 350 to 500 ° C. as described above. If the temperature is lower than 350 ° C., no reaction occurs between polycrystalline silicon and aluminum, and if the temperature is higher than 500 ° C., aluminum reacts with the interlayer insulating film.
[0073]
Next, the
[0074]
Next, for example, a
[0075]
Next, the
[0076]
As described above, according to the present embodiment, in a semiconductor device in which a gate electrode made of aluminum is formed by replacing polycrystalline silicon with aluminum, a contact plug connected to a source / drain diffusion layer is formed by a tungsten plug. In addition, there is no need to form a barrier metal layer for preventing the contact plug from being replaced with aluminum. Therefore, the manufacturing process can be shortened, and the manufacturing cost can be reduced. Further, by using a tungsten plug having higher conductivity than a polycrystalline silicon plug, contact resistance can be reduced and the speed of the transistor can be increased.
[0077]
In the above embodiment, only the gate electrode of the N-type transistor is replaced with aluminum. However, the gate electrode of the P-type transistor may be replaced with aluminum.
[0078]
[Second embodiment]
The semiconductor device according to the second embodiment of the present invention and the method for fabricating the same will be described with reference to FIGS. The same components as those in the semiconductor device and the method for fabricating the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
[0079]
FIG. 7 is a schematic sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIGS. 8 and 9 are process sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
[0080]
First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
[0081]
The semiconductor device according to the present embodiment has the same basic structure as the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. The main feature of the semiconductor device according to the present embodiment is that the
[0082]
Titanium nitride constituting the
[0083]
As described above, the
[0084]
Also, when formed by the CVD method, the specific resistance of tungsten is about 10 [μΩcm], the specific resistance of titanium nitride is about 50 [μΩcm], and the specific resistance of the polycrystalline silicon film is about 600 [μΩcm]. The specific resistance of aluminum is about 2.75 [μΩcm]. Therefore, by forming the
[0085]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
[0086]
First, an N-type transistor, a P-type transistor, an
[0087]
Next, a
[0088]
Next, the
[0089]
Next, a
[0090]
Next, an aluminum (Al)
[0091]
Next, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 350 to 500 ° C., for example, 400 ° C., for 30 minutes, for example. Due to this heat treatment, a reaction proceeds from the interface between the
[0092]
At this time, since the
[0093]
Next, the
[0094]
Next, for example, in the same manner as in the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIGS. 4D and 6D, the semiconductor device is electrically connected to the source /
[0095]
In the process of forming the
[0096]
As described above, according to the present embodiment, the contact plug is replaced with aluminum in addition to the gate electrode, so that the contact resistance can be further reduced and the speed of the transistor can be increased. Further, since the gate electrode and the contact plug are simultaneously replaced with aluminum, it is possible to prevent an increase in manufacturing cost due to an increase in the number of steps.
[0097]
In the above embodiment, only the gate electrode of the N-type transistor is replaced with aluminum. However, the gate electrode of the P-type transistor may be replaced with aluminum.
[Third embodiment]
The method for fabricating the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS. The same components as those in the semiconductor device according to the first and second embodiments and the method of manufacturing the same shown in FIGS. 1 to 9 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
[0098]
10 and 11 are process sectional views showing the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment.
[0099]
In the present embodiment, another method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. 7 will be described.
[0100]
First, an N-type transistor, a P-type transistor, an
[0101]
Next, a
[0102]
Next, using the
Next, the
[0103]
Next, a
[0104]
Next, the
[0105]
Since the
[0106]
Next, an
[0107]
The contact holes 32 and 44 are filled with a
[0108]
Next, in the same manner as in the method for fabricating the semiconductor device according to the second embodiment shown in FIGS. 9A to 9C, for example, the
[0109]
In the process of forming the contact plugs 38 and 50, it is conceivable to deposit an aluminum film by a sputtering method without using the above-described aluminum substitution. However, as described above, it is not easy to bury a contact hole having a high aspect ratio by sputtering an aluminum film. The use of aluminum substitution has an advantage that the contact hole can be reliably filled.
[0110]
As described above, according to the present embodiment, the contact plug is replaced with aluminum in addition to the gate electrode, so that the contact resistance can be further reduced and the speed of the transistor can be increased. Further, since the gate electrode and the contact plug are simultaneously replaced with aluminum, it is possible to prevent an increase in manufacturing cost due to an increase in the number of steps.
[0111]
Also, since a polycrystalline silicon film is filled in the contact hole connected to the gate electrode and the surface on which the aluminum film used for replacing aluminum is formed is flattened, it is not necessary to form an aluminum film in the contact hole. Therefore, even when the gate electrode is replaced with aluminum via a contact hole having a large aspect ratio, the aluminum can be easily and reliably replaced. Since the polycrystalline silicon film filling the contact hole connected to the gate electrode is formed simultaneously with the polycrystalline silicon film filling the contact hole connected to the silicon substrate, the number of manufacturing steps does not increase.
[0112]
In the above embodiment, only the gate electrode of the N-type transistor is replaced with aluminum. However, the gate electrode of the P-type transistor may be replaced with aluminum.
[0113]
[Fourth embodiment]
The semiconductor device and the method for fabricating the same according to the fourth embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS. The same components as those of the semiconductor device according to the first to third embodiments and the method for fabricating the same shown in FIGS. 1 to 11 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
[0114]
FIG. 12 is a schematic sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIGS. 13 to 16 are process sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
[0115]
First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. FIG. 12A is a cross-sectional view in a direction perpendicular to the gate electrode, and FIG. 12B is a cross-sectional view along the line AA ′ in FIG. In FIG. 12A, an element region on the left side of the drawing defined by the
[0116]
An
[0117]
An N well 16 is formed on the
[0118]
An interlayer insulating
[0119]
On the
[0120]
As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, the
[0121]
Incidentally, if the
[0122]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 13 and 14 are process cross-sectional views in the cross section of FIG. 12A, and FIGS. 15 and 16 are process cross-sectional views in the cross section of FIG.
[0123]
First, an N-type transistor, a P-type transistor, an
[0124]
Next, a
[0125]
Next, using the
[0126]
Next, the
[0127]
Next, a
[0128]
Next, the
[0129]
Since the
[0130]
Next, an
[0131]
The
[0132]
Next, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 350 to 500 ° C., for example, 400 ° C. for 1 to 48 hours, for example, 6 hours. Due to this heat treatment, a reaction proceeds from the interface between the
[0133]
At this time, since the
[0134]
Next, the
[0135]
The
[0136]
Next, for example, in the same manner as in the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIGS. 4D and 6D, the semiconductor device is electrically connected to the source /
[0137]
As described above, according to the present embodiment, the contact plug is replaced with aluminum in addition to the gate electrode, so that the contact resistance can be further reduced and the speed of the transistor can be increased. Further, since the gate electrode and the contact plug are simultaneously replaced with aluminum, it is possible to prevent an increase in manufacturing cost due to an increase in the number of steps.
[0138]
In addition, since the polycrystalline silicon film is filled in the opening connected to the gate electrode and the surface on which the aluminum film used for replacing aluminum is formed is flattened, it is not necessary to form the aluminum film in the contact hole. Therefore, even when the gate electrode is replaced with aluminum through the opening having a large aspect ratio, aluminum replacement can be performed easily and reliably. Since the polycrystalline silicon film filling the opening connected to the gate electrode is formed simultaneously with the polycrystalline silicon film filling the contact hole connected to the silicon substrate, the number of manufacturing steps does not increase.
[0139]
Further, since the opening connected to the gate electrode has a pattern substantially equal to that of the gate electrode, the replacement of the gate electrode with aluminum can proceed from above the upper surface of the gate electrode. Thus, even when the gate width of the gate electrode is long, heat treatment for replacing aluminum can be performed in a short time.
[0140]
In the above embodiment, the gate electrode of the P-type transistor is also replaced with aluminum. However, similarly to the first to third embodiments, only the gate electrode of the N-type transistor may be replaced with aluminum. Aluminum has a preferable work function as a gate electrode of an N-type transistor, but is not necessarily preferable as a gate electrode of a P-type transistor. Thus, for example, p + When the desired characteristics of the P-type transistor can be obtained by the polysilicon gate, only the gate electrode of the N-type transistor may be replaced with aluminum.
[0141]
In the above embodiment, the
[0142]
[Fifth Embodiment]
The semiconductor device and the method for fabricating the same according to the fifth embodiment of the present invention will be explained with reference to FIGS. The same components as those in the semiconductor device according to the first to fourth embodiments and the method for fabricating the same shown in FIGS. 1 to 16 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
[0143]
FIG. 17 is a schematic sectional view illustrating the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIGS. 18 to 21 are process sectional views illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
[0144]
First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. 17A is a cross-sectional view in a direction perpendicular to the gate electrode, and FIG. 17B is a cross-sectional view along the line AA ′ in FIG. In FIG. 12A, an element region on the left side of the drawing defined by the
[0145]
An
[0146]
An N well 16 is formed on the
[0147]
On the
[0148]
On the
[0149]
As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, the
[0150]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 18 and 19 are process cross-sectional views in the cross section of FIG. 17A, and FIGS. 20 and 21 are process cross-sectional views in the cross section of FIG. 17B.
[0151]
First, an N-type transistor, a P-type transistor, and the like are formed in the same manner as in the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment shown in, for example, FIGS. In the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment, it is not always necessary to introduce an impurity into the
[0152]
Next, a silicon oxide film having a thickness of, for example, 500 nm is deposited on the
[0153]
Next, the
[0154]
Next, contact holes 32 reaching the source /
[0155]
Next, a titanium film having a thickness of, for example, 5 nm and a titanium nitride film having a thickness of, for example, 20 nm are deposited by, for example, a CVD method to form a
[0156]
Next, a
[0157]
Next, the
[0158]
Next, an
[0159]
Next, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 350 to 500 ° C., for example, 400 ° C., for example, for 5 minutes. By this heat treatment, a reaction proceeds from the interface between the
[0160]
At this time, since the
[0161]
Next, the
[0162]
Next, for example, in the same manner as in the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIGS. 4D and 6D, the semiconductor device is electrically connected to the source /
[0163]
As described above, according to the present embodiment, the contact plug is replaced with aluminum in addition to the gate electrode, so that the contact resistance can be further reduced and the speed of the transistor can be increased. Further, since the gate electrode and the contact plug are simultaneously replaced with aluminum, it is possible to prevent an increase in manufacturing cost due to an increase in the number of steps.
[0164]
In addition, since the height of the gate electrode and the height of the interlayer insulating film are substantially equal to each other and the surface on which the aluminum film used for aluminum replacement is formed is flat, it is not necessary to form the aluminum film in the contact hole. Therefore, the gate electrode can be easily and reliably replaced with aluminum.
[0165]
Further, since the aluminum film used for aluminum replacement is formed directly on the upper surface of the gate electrode, aluminum replacement of the gate electrode can be advanced from the upper surface of the gate electrode. Thus, even when the gate width of the gate electrode is long, heat treatment for replacing aluminum can be performed in a short time.
[0166]
In the above embodiment, the gate electrode of the P-type transistor is also replaced with aluminum. However, similarly to the first to third embodiments, only the gate electrode of the N-type transistor may be replaced with aluminum. Aluminum has a preferable work function as a gate electrode of an N-type transistor, but is not necessarily preferable as a gate electrode of a P-type transistor. Thus, for example, p + When the desired characteristics of the P-type transistor can be obtained by the polysilicon gate, only the gate electrode of the N-type transistor may be replaced with aluminum.
[0167]
[Modified embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.
[0168]
For example, in the above embodiment, the gate electrode before aluminum replacement is formed of a polycrystalline silicon film, but it is not always necessary to use polycrystalline silicon immediately after the formation. Instead of the polycrystalline silicon film, a single crystal silicon film or an amorphous silicon film may be formed. Note that even in the case of using an amorphous silicon film, since it is crystallized at the time of heat treatment for activating impurities, it is in a polycrystalline state when aluminum replacement is performed. In place of the polycrystalline silicon film, other materials that can be replaced with aluminum, such as a germanium film, a SiGe film, a carbon film, a silicon carbide film, x Si y Film, Ni x Si y Film, Ti x Si y A silicide film such as a film can also be used.
[0169]
Further, in the above embodiment, when replacing the polycrystalline silicon film with aluminum, the titanium film is formed on the aluminum film serving as the aluminum source, but the titanium film is not necessarily provided. Although the titanium film has an effect of sucking out excess silicon and has an effect of promoting aluminum substitution, it is possible to perform aluminum substitution without the titanium film.
[0170]
Further, in the above embodiment, the polycrystalline silicon is replaced with aluminum, but it is also possible to replace it with another metal material. For example, instead of aluminum, a metal such as copper, silver, ruthenium, platinum, palladium, or gold may be used, and polycrystalline silicon may be substituted for these metals. The replacement metal formed by replacing the material to be replaced with a metal material includes the material to be replaced slightly in the film. For example, when replacing silicon with aluminum, about 0.2 to 0.7% of silicon is contained in the substituted aluminum depending on the heat treatment temperature. In other words, by measuring the concentration of the material to be replaced in the film, it is possible to estimate whether or not the material to be replaced is a replacement metal formed by replacing the material to be replaced with a metal material.
[0171]
In the above embodiment, the method of replacing the contact plug connected to the gate electrode and the silicon substrate with aluminum has been described. However, the present invention may be applied to a case where another wiring layer or contact plug is replaced with aluminum.
[0172]
As described above in detail, the features of the present invention are summarized as follows.
[0173]
(Supplementary Note 1) a first gate electrode made of a substitution metal formed on a semiconductor substrate;
An impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate;
An insulating film formed on the semiconductor substrate on which the first gate electrode is formed and having an opening reaching the impurity diffusion region;
A contact plug formed in the opening and made of a barrier metal;
A semiconductor device comprising:
[0174]
(Supplementary Note 2) In the semiconductor device according to
The contact plug has a barrier metal layer formed at least at the bottom of the opening, and a tungsten film formed on the barrier metal layer.
A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
[0175]
(Supplementary Note 3) a first gate electrode made of a substitution metal formed on the semiconductor substrate;
An impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate;
An insulating film formed on the semiconductor substrate on which the first gate electrode is formed and having an opening reaching the impurity diffusion region;
A contact plug formed in the opening, having a barrier metal layer formed at least at the bottom of the opening, and a film made of a substitution metal formed on the barrier metal layer;
A semiconductor device comprising:
[0176]
(Supplementary Note 4) In the semiconductor device according to any one of
The impurity diffusion region is formed in self-alignment with the first gate electrode.
A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
[0177]
(Supplementary Note 5) A first gate electrode made of a substitution metal formed on a semiconductor substrate;
An impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate;
An insulating film formed on the semiconductor substrate on which the first gate electrode is formed and having an opening reaching the first gate electrode;
A contact plug made of a substitution metal formed in the opening;
A semiconductor device comprising:
[0178]
(Supplementary Note 6) In the semiconductor device according to Supplementary Note 5,
The contact plug has a plane pattern substantially equal to the first gate electrode.
A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
[0179]
(Supplementary Note 7) In the semiconductor device according to any one of
The insulating film has a height substantially equal to the first gate electrode
A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
[0180]
(Supplementary Note 8) In the semiconductor device according to any one of
A second gate electrode formed on the semiconductor substrate and including a P-type silicon film;
A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
[0181]
(Supplementary Note 9) In the semiconductor device according to any one of
A second gate electrode formed on the semiconductor substrate and made of a substitution metal,
The first gate electrode is a gate electrode of an N-type transistor, and the second gate electrode is a gate electrode of a P-type transistor.
A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
[0182]
(Supplementary Note 10) In the semiconductor device according to any one of
The replacement metal is aluminum containing 0.2-0.7% silicon.
A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
[0183]
(Supplementary Note 11) A step of forming a first gate electrode made of a material to be replaced with a metal on a semiconductor substrate;
Forming an insulating film on the semiconductor substrate on which the first gate electrode is formed;
Forming a first opening reaching the semiconductor substrate in the insulating film;
Forming a barrier metal layer in the first opening;
Forming a second opening exposing at least a part of the first gate electrode in the insulating film;
Forming a metal film on the insulating film;
Replacing the material to be replaced constituting the first gate electrode with a metal material constituting the metal film by performing a heat treatment;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0184]
(Supplementary Note 12) In the method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 11,
In the step of forming the barrier metal layer, the inside of the first opening is filled with the barrier metal layer.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0185]
(Supplementary Note 13) In the method of manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 11,
After the step of forming the barrier metal layer, the method further includes a step of forming a film made of the material to be replaced in the first opening where the barrier metal layer is formed,
In the step of performing the heat treatment, the material to be replaced forming the first gate electrode is replaced with the metal material, and the material to be replaced in the first opening is replaced with the metal material.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0186]
(Supplementary Note 14) In the method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 13,
After the step of performing the heat treatment, the metal film on the insulating film is removed, so that the film formed of the barrier metal layer and the material to be replaced is embedded in the first opening. Forming a first contact plug made of a substituted metal film substituted for
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0187]
(Supplementary Note 15) In the method for manufacturing a semiconductor device according to
The step of forming the film made of the material to be replaced is performed after the step of forming the second opening, and the film made of the material to be replaced is also formed in the second opening,
In the step of performing the heat treatment, the material to be replaced in the second opening is also replaced with the metal material.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0188]
(Supplementary Note 16) In the method of manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 15,
After the step of performing the heat treatment, the metal film on the insulating film is removed, so that the metal film is replaced with the metal film that is embedded in the second opening and is replaced with the metal material. Forming a second contact plug made of a metal film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0189]
(Supplementary Note 17) In the method of manufacturing a semiconductor device according to
Forming the first contact plug and the second contact plug simultaneously;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0190]
(Supplementary Note 18) In the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary Notes 11 to 17,
In the step of forming the second opening, the second opening having a plane pattern substantially equal to that of the first gate electrode is formed.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0191]
(Supplementary Note 19) In the method of manufacturing a semiconductor device according to
In the step of forming the second opening, the first gate electrode is removed by flattening the insulating film so that the height of the insulating film is substantially equal to the height of the first gate electrode. Forming the second opening exposing the upper surface of the substrate
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0192]
(Supplementary Note 20) In the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary Notes 11 to 19,
Forming a second gate electrode including a P-type silicon film on the semiconductor substrate.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0193]
(Supplementary Note 21) In the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary Notes 11 to 20,
In the step of performing the heat treatment, the heat treatment is performed at a temperature of 350 to 500 ° C.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0194]
(Supplementary Note 22) A step of forming a gate electrode made of a material to be replaced with a metal on the semiconductor substrate;
Forming an insulating film on the semiconductor substrate on which the gate electrode is formed,
Forming an opening in the insulating film exposing at least a part of the gate electrode;
Forming a metal film on the insulating film and in the opening;
By performing the heat treatment, the material to be replaced is replaced with a metal material constituting the metal film, the gate electrode made of the metal material is formed, and the gate electrode made of the metal material in the opening is electrically connected to the gate electrode. Forming a contact plug connected to the
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0195]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a semiconductor device having a gate electrode in which polycrystalline silicon is replaced with aluminum, a contact plug connected to a source / drain diffusion layer has a conductive property having a barrier property against aluminum replacement. Since it is made of a conductive material, there is no need to separately form a barrier metal layer for preventing the contact plug from being replaced with aluminum. Therefore, the manufacturing process can be shortened, and the manufacturing cost can be reduced. In addition, by using a material having higher conductivity than a polycrystalline silicon plug, contact resistance can be reduced and the speed of a transistor can be increased.
[0196]
Further, by replacing the contact plug with the gate electrode by aluminum, the contact resistance can be further reduced, and the speed of the transistor can be increased. Further, since the gate electrode and the contact plug are simultaneously replaced with aluminum, it is possible to prevent an increase in manufacturing cost due to an increase in the number of steps.
[0197]
Also, since a polycrystalline silicon film is filled in the contact hole connected to the gate electrode and the surface on which the aluminum film used for replacing aluminum is formed is flattened, it is not necessary to form an aluminum film in the contact hole. Therefore, even when the gate electrode is replaced with aluminum via a contact hole having a large aspect ratio, the aluminum can be easily and reliably replaced. Since the polycrystalline silicon film filling the contact hole connected to the gate electrode is formed simultaneously with the polycrystalline silicon film filling the contact hole connected to the silicon substrate, the number of manufacturing steps does not increase.
[0198]
Also, by replacing the opening connected to the gate electrode with a pattern substantially equal to the gate electrode or making the height of the gate electrode almost equal to the height of the interlayer insulating film, aluminum replacement of the gate electrode proceeds from above the upper surface of the gate electrode. Can be done. Thus, even when the gate width of the gate electrode is long, heat treatment for replacing aluminum can be performed in a short time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process sectional view (part 1) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a process sectional view (part 2) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a process sectional view (part 3) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a process sectional view (part 4) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a process sectional view (part 5) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 7 is a schematic sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a process sectional view (part 1) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 9 is a process sectional view (part 2) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a process sectional view (part 1) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a process sectional view (part 2) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a schematic sectional view illustrating a structure of a semiconductor device according to a fourth embodiment;
FIG. 13 is a process sectional view (part 1) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention;
FIG. 14 is a process sectional view (part 2) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a process sectional view (part 3) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a process sectional view (part 4) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a schematic sectional view showing the structure of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention;
FIG. 18 is a process sectional view (part 1) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a process sectional view (part 2) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a process sectional view (part 3) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a process sectional view (part 4) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a process sectional view (part 1) for illustrating the conventional method of manufacturing a semiconductor device.
FIG. 23 is a process sectional view (2) showing the conventional method of manufacturing the semiconductor device;
FIG. 24 is a process sectional view (part 3) for illustrating the conventional method of manufacturing a semiconductor device.
FIG. 25 is a process sectional view (part 4) illustrating the conventional method for manufacturing a semiconductor device.
[Explanation of symbols]
10. Silicon substrate
12… Element isolation film
14 ... P well
16 ... N well
18 ... Gate insulating film
20, 60 ... polycrystalline silicon film
22, 66 ... gate electrode
24 ... impurity diffusion region
26 ... sidewall insulating film
28 ... Source / drain diffusion layer
30 ... interlayer insulating film
32 ... Contact hole
34 ... Barrier metal
36 ... Tungsten film
38, 50… Contact plug
40 ... Photoresist film
42 ... Opening
44… Contact hole
46, 54, 62: Aluminum film
48 ... Titanium film
52 ... Titanium nitride film
56, 58 ... wiring layer
64 ... opening
100 ... silicon substrate
102: Element isolation film
104 ... P well
106 ... Gate electrode
108: source / drain diffusion layer
110, 120 ... interlayer insulating film
112, 122, 124 ... contact holes
114, 130, 132 ... contact plug
116 ... Pad
118 ... Photoresist film
126,136 ... Aluminum film
128 ... Titanium film
134: titanium nitride film
138, 140 ... wiring layer
Claims (10)
前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、
前記第1のゲート電極が形成された前記半導体基板上に形成され、前記不純物拡散領域に達する開口部が形成された絶縁膜と、
前記開口部内に形成され、バリアメタルよりなるコンタクトプラグと
を有することを特徴とする半導体装置。A first gate electrode made of a substitution metal formed on a semiconductor substrate;
An impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate;
An insulating film formed on the semiconductor substrate on which the first gate electrode is formed and having an opening reaching the impurity diffusion region;
And a contact plug formed in the opening and made of a barrier metal.
前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、
前記第1のゲート電極が形成された前記半導体基板上に形成され、前記不純物拡散領域に達する開口部が形成された絶縁膜と、
前記開口部内に形成され、前記開口部の少なくとも底部に形成されたバリアメタル層と、前記バリアメタル層上に形成された置換メタルよりなる膜とを有するコンタクトプラグと
を有することを特徴とする半導体装置。A first gate electrode made of a substitution metal formed on a semiconductor substrate;
An impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate;
An insulating film formed on the semiconductor substrate on which the first gate electrode is formed and having an opening reaching the impurity diffusion region;
A semiconductor, comprising: a contact plug formed in the opening, having a barrier metal layer formed at least at the bottom of the opening, and a film made of a replacement metal formed on the barrier metal layer. apparatus.
前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、
前記第1のゲート電極が形成された前記半導体基板上に形成され、前記第1のゲート電極に達する開口部が形成された絶縁膜と、
前記開口部内に形成された置換メタルよりなるコンタクトプラグと
を有することを特徴とする半導体装置。A first gate electrode made of a substitution metal formed on a semiconductor substrate;
An impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate;
An insulating film formed on the semiconductor substrate on which the first gate electrode is formed and having an opening reaching the first gate electrode;
A contact plug made of a substitution metal formed in the opening.
前記絶縁膜は、前記第1のゲート電極とほぼ等しい高さを有する
ことを特徴とする半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein
The semiconductor device, wherein the insulating film has a height substantially equal to that of the first gate electrode.
前記第1のゲート電極が形成された前記半導体基板上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜に、前記半導体基板に達する第1の開口部を形成する工程と、
前記第1の開口部内に、バリアメタル層を形成する工程と、
前記絶縁膜に、前記第1のゲート電極の少なくとも一部を露出する第2の開口部を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、金属膜を形成する工程と、
熱処理を行うことにより、前記第1のゲート電極を構成する前記被置換材料を前記金属膜を構成する金属材料に置換する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a first gate electrode made of a material to be replaced with a metal on a semiconductor substrate;
Forming an insulating film on the semiconductor substrate on which the first gate electrode is formed;
Forming a first opening reaching the semiconductor substrate in the insulating film;
Forming a barrier metal layer in the first opening;
Forming a second opening exposing at least a part of the first gate electrode in the insulating film;
Forming a metal film on the insulating film;
Replacing the material to be replaced constituting the first gate electrode with a metal material constituting the metal film by performing a heat treatment.
前記バリアメタル層を形成する工程の後に、前記バリアメタル層が形成された前記第1の開口部内に前記被置換材料よりなる膜を形成する工程を更に有し、
前記熱処理を行う工程では、前記第1のゲート電極を構成する前記被置換材料を前記金属材料に置換するとともに、前記第1の開口部内の前記被置換材料を前記金属材料に置換する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
After the step of forming the barrier metal layer, the method further includes a step of forming a film made of the material to be replaced in the first opening where the barrier metal layer is formed,
In the step of performing the heat treatment, the material to be replaced forming the first gate electrode is replaced with the metal material, and the material to be replaced in the first opening is replaced with the metal material. Manufacturing method of a semiconductor device.
前記被置換材料よりなる前記膜を形成する工程は、前記第2の開口部を形成する工程の後に行い、前記第2の開口部内にも前記被置換材料よりなる前記膜を形成し、
前記熱処理を行う工程では、前記第2の開口部内の前記前記被置換材料をも前記金属材料に置換する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6,
The step of forming the film made of the material to be replaced is performed after the step of forming the second opening, and the film made of the material to be replaced is also formed in the second opening,
In the step of performing the heat treatment, the material to be replaced in the second opening is also replaced with the metal material.
前記熱処理を行う工程の後に、前記絶縁膜上の前記金属膜を除去することにより、前記第2の開口部に埋め込まれ、前記被置換材料よりなる前記膜を前記金属材料に置換してなる置換メタル膜からなる第2のコンタクトプラグを形成する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7,
After the step of performing the heat treatment, the metal film on the insulating film is removed, so that the metal film is replaced with the metal film that is embedded in the second opening and is replaced with the metal material. A method for manufacturing a semiconductor device, further comprising a step of forming a second contact plug made of a metal film.
前記第2の開口部を形成する工程では、前記第1のゲート電極とほぼ等しい平面パターンを有する前記第2の開口部を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein, in the step of forming the second opening, the second opening having a plane pattern substantially equal to that of the first gate electrode is formed.
前記第2の開口部を形成する工程では、前記絶縁膜の高さが前記第1のゲート電極の高さとほぼ等しくなるように前記絶縁膜を平坦に除去することにより、前記第1のゲート電極の上面上を露出する前記第2の開口部を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
In the step of forming the second opening, the first gate electrode is removed by flattening the insulating film so that the height of the insulating film is substantially equal to the height of the first gate electrode. Forming the second opening exposing the upper surface of the semiconductor device.
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DE102012217336A1 (en) * | 2011-12-05 | 2013-06-27 | International Business Machines Corporation | A method of replacing silicon with metal in the manufacture of integrated circuit chips |
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-
2002
- 2002-11-18 JP JP2002333129A patent/JP2004172179A/en active Pending
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