JP2004221114A

JP2004221114A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2004221114A
Application number: JP2003003213A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Shimada; 浩行島田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】半導体装置の製造方法に関し、特にゲート電極に特徴を有する絶縁ゲート電界効果トランジスタを有する半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置１０００の製造方法は、基板１２に設けられた半導体層１６上に、ゲート絶縁層２０を形成する工程と、前記ゲート絶縁層２０上にゲート電極３０を形成する工程と、を含み、前記ゲート電極３０は、仕事関数が異なる少なくとも２種の金属のターゲットを用いて同時スパッタリング法により形成される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特にゲート電極の形成に特徴を有する絶縁ゲート電界効果トランジスタを有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
現在の半導体集積回路に用いられる絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）では、そのゲート電極として、低抵抗化のために不純物を高濃度でドープした多結晶シリコン層が用いられることが多い。具体的なＣＭＯＳ回路（ＣｏｍｐｌｉｍｅｎｔａｒｙＭＯＳＦＥＴ回路）に用いられる半導体プロセスにおいて、特性バランスをとるために、ゲート電極材料としては、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＮＭＯＳＦＥＴ）にはＮ型多結晶シリコンが、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ（ＰＭＯＳＦＥＴ）にはＰ型多結晶シリコンが採用されている。また、ゲート電極は、さらなる低抵抗化を目的として、前記ゲート電極の上層に高融点金属シリサイド層を有する構造を採るのが一般的である。
【０００３】
しかしながら、ゲート電極を構成するポリシリコン層は不純物を高濃度でドープしているにもかかわらず、空乏化を起こしてしまうことが知られている。空乏化が発生してしまうと、ゲート電極と直列に容量が挿入されていることと等価になり、チャネルにかかる実効的な電界が低下してしまう。その結果、ＭＯＳＦＥＴの電流駆動能力が低下する。
【０００４】
これらの問題点を解決するために、低抵抗でゲート空乏化を起こさず、かつ様々な仕事関数を持つゲート電極材料が提案されている。例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）層を用いた構造（非特許文献１参照）や、ベータタンタル（β−Ｔａ）層を用いた構造（非特許文献２参照）が提案されている。
【０００５】
【非特許文献１】
ＩＥＤＭＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ１９９２年、３４５頁（Ｊｅｏｎｇ‐ＭｏＨｗａｎｇ等）
【非特許文献２】
ＩＥＤＭＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ１９９６年，１１７頁（牛木等）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ゲート電極に用いられる金属の仕事関数は、シリコンの真性ミッドギャップエネルギー４．６１ｅＶの前後の値のものが多い。そのため、しきい値電圧の絶対値が大きくなってしまうという問題がある。この問題は、チャネル領域の不純物濃度を下げることにより回避することができるが、チャネル領域の不純物濃度を下げるとパンチスルーを抑制できなくなってしまう。
【０００７】
一方、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、すなわち絶縁体上に形成された半導体層上にＭＩＳＦＥＴを形成された完全空乏化ＳＯＩ‐ＭＩＳＦＥＴでは、チャネル領域の濃度が低くても、パンチスルーを抑制することができるが、この場合は、ゲート電極材料の仕事関数値でしきい値が決定されてしまい、しきい値の調整が困難となる。
【０００８】
本発明は、ＭＩＳＦＥＴを有する半導体装置の製造方法に関し、特に、ゲート電極材料にメタルゲートを用いた場合、しきい値の調整を良好に行なうことができる製造方法に関する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、
基板に設けられた半導体層上に、ゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層上にゲート電極を形成する工程と、を含み、
前記ゲート電極は、仕事関数が異なる少なくとも２種の金属のターゲットを用いて同時スパッタリング法により形成される。
【００１０】
本発明によれば、ゲート電極は、仕事関数の異なる金属をターゲットとした同時スパッタリング法により形成される。そのため、ゲート電極として、少なくとも２種の仕事関数の異なる金属を含む合金層が形成される。また、ターゲットとして用いる金属を適宜選択することにより、所望の仕事関数のゲート電極を形成することができる。すなわち、ゲート電極のしきい値を調整することができる。その結果、性能の高い半導体装置を製造することができる。
【００１１】
本発明の半導体装置の製造方法は、Ｎチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタと、Ｐチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタとが混載された、相補型半導体装置の製造方法であって、
基板に設けられた半導体層上に、ゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層上に、前記Ｎチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記Ｐチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極を同時に形成する工程と、を含み、
前記ゲート電極は、仕事関数が異なる少なくとも２種の金属のターゲットを用いて同時スパッタリング法により形成される。
【００１２】
本発明によれば、ゲート電極は、仕事関数の異なる金属をターゲットとした同時スパッタリング法により形成される。そのため、ゲート電極として、少なくとも２種の仕事関数の異なる金属を含む合金層が形成される。また、ターゲットとして用いる金属を適宜選択することにより、所望の仕事関数のゲート電極を形成することができる。すなわち、ゲート電極のしきい値の調整をすることができる。その結果、性能の高い半導体装置を製造することができる。
【００１３】
本発明は、下記の態様をとることができる。
【００１４】
（Ａ）本発明の半導体装置の製造方法において、前記ゲート電極は、前記ターゲットのスパッタリング時間（比率）および高周波電力の少なくともいずれか一方を調整することにより形成されることができる。この態様によれば、所望の仕事関数のゲート電極を形成するために、異なる金属の混合割合の調整を良好に行なうことができる。
【００１５】
（Ｂ）本発明の半導体装置の製造方法において、前記同時スパッタリング法により前記ゲート電極が形成された後、熱処理を行なうこと、を含むことができる。この態様によれば、ゲート電極を形成している少なくとも２種の金属を均一に混合させることができる。つまり、より良好な合金層となったゲート電極を形成することができる。
【００１６】
（Ｃ）本発明の半導体装置の製造方法において、前記基板は、ＳＯＩ基板を用いることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
１．半導体装置の構造
まず、本実施の形態の製造方法により得られる半導体装置の構造について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る半導体装置１０００を模式的に示す断面図である。半導体装置１０００は、ＣＭＯＳ型の半導体装置であって、Ｎチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＮＭＯＳＦＥＴ）１００Ａと、Ｐチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＰＭＯＳＦＥＴ）１００Ｂとを含む。ＮＭＯＳＦＥＴ１００ＡおよびＰＭＯＳＦＥＴ１００Ｂは、ＳＯＩ基板１０に形成されている。ＳＯＩ基板１０は、支持基板１２上に、絶縁層（酸化シリコン層）１４および半導体層１６が積層されて構成されている。本実施の形態では、半導体層１６として、低濃度のＰ型のシリコン層１６が形成されている。そして、ＮＭＯＳＦＥＴ１００ＡおよびＰＭＯＳＦＥＴ１００Ｂは、それぞれＳＯＩ基板１０のシリコン層１６に形成された素子分離領域１８によって電気的に分離されている。
【００１９】
各ＭＯＳＦＥＴ１００Ａおよび１００Ｂは、シリコン層１６上に、ゲート絶縁層２０を介して、ゲート電極３０が形成された構造を有する。ゲート電極３０は、仕事関数が異なる少なくとも２種の金属を含むものである。たとえば、タンタルとニッケルとの合金層であることができる。
【００２０】
本実施の形態による半導体装置においては、ゲート電極３０は、仕事関数が異なる少なくとも２種の金属のターゲットを用いて同時スパッタリングすることにより形成されている。ターゲットの金属を適宜選択することや、各々のスパッタリング時間（比率）または高周波電力を調整することにより、所望の仕事関数を有するゲート電極が形成されている。
【００２１】
ゲート電極３０の上面には、キャップ層（図示せず）が形成されていることが好ましい。ゲート絶縁層２０の直下のシリコン層１６には、チャネル領域（図示せず）が設けられる。シリコン層１６には、チャネル領域を挟んでソースまたはドレイン領域を構成する不純物拡散層５０、６０が設けられている。
【００２２】
そして、ゲート電極３０の両側面に、サイドウォール絶縁層４０が形成されている。ＮＭＯＳＦＥＴ１００Ａにおいては、不純物拡散層５０、６０はＮ型に、ＰＭＯＳＦＥＴ１００Ｂでは、不純物拡散層５０、６０はＰ型に形成されている。不純物拡散層５０、６０の上部には、シリサイド層７０が形成されている。
【００２３】
２．半導体装置の製造方法
次に、図１に示す半導体装置１０００の製造方法について、図２および図３を参照して説明する。図２および図３は、図１に示す半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図である。
【００２４】
（１）ＳＯＩ基板１０は、支持基板１２の上に、膜厚が１００ｎｍの絶縁層（酸化シリコン層）１４と、絶縁層（酸化シリコン層）１４の上に膜厚が３０ｎｍのシリコン層１６を有するものを用いる。まず、図２に示すように、シリコン層１６に公知の素子分離技術、たとえば、ＳＴＩ（ＳｈａｌｌｏｗＴｒｅｎｃｈＩｓｏｌａｔｉｏｎ）法により素子分離領域１８を形成する。
【００２５】
（２）ついで、図２に示すように、ゲート絶縁層２０となるゲート絶縁層２０ａを形成する。ゲート絶縁層２０ａとしては、たとえば、熱酸化法により酸化シリコン層が形成される。ついで、ゲート絶縁層２０ａの上に、ゲート電極３０となるゲート電極層３０ａを形成する。ゲート電極層３０ａは、仕事関数が異なる少なくとも２種の金属を用いて同時スパッタリング法により形成される。同時スパッタリング法によれば、異なった成分元素をターゲットとして、同時にスパッタリングすることができ、また、それぞれのターゲットのスパッタリング時間を独立に制御することができる。すなわち、その組成が制御されたゲート電極層３０ａが形成される。ゲート電極層３０ａとしては、ゲート電極として機能する材質であれば、特に制限はされず、抵抗が低く、後の工程での熱処理に耐えることができるものが好ましい。たとえば、一方の金属種としては、アルミニウム、銅、タンタル、チタンおよびそれらの窒化物など挙げることができる。また、同時にスパッタされる他方の金属種としては、ニッケル、コバルト、白金、鉄、亜鉛、ガリウムおよびそれらの窒化物などを挙げることができる。ゲート電極層３０ａの組成は、ゲート電極３０の仕事関数がシリコンの真性ミッドギャップエネルギーの値になるように制御される。
【００２６】
ゲート電極層３０ａの上には、ゲート電極層３０ａが後の酸化工程で酸化によるダメージを受けることを防止するため、キャップ層（図示せず）を形成することが好ましい。キャップ層としては、窒化シリコン層などを挙げることができる。
【００２７】
ついで、約４５０〜５５０℃の温度で熱処理を行なう。この熱処理により、ゲート電極層３０ａを構成している金属が均一に拡散された、良好な合金層を形成することができる。
【００２８】
ついで、図３に示すように、リソグラフィおよびエッチングによりゲート電極３０のパターニングを行なう。このようにして、ゲート絶縁層２０およびゲート電極３０を形成することができる。
【００２９】
（３）ついで、図３に示すように、ゲート電極３０をマスクとして不純物を導入し、ソース領域またはドレイン領域を構成する不純物拡散層５０、６０を形成する。具体的には、ＮＭＯＳＦＥＴ１００Ａでは、たとえば、砒素イオン（Ａｓ^＋）などのＮ型の不純物を導入し、ＰＭＯＳＦＥＴ１００Ｂでは、たとえば、二フッ化ホウ素イオン（ＢＦ^２＋）などのＰ型の不純物をイオン注入する。ＮＭＯＳＦＥＴ１００ＡおよびＰＭＯＳＦＥＴ１００Ｂの不純物拡散層を形成する際には、逆極性の不純物イオンがドープされないように、レジスト層などのマスク層（図示せず）が所定領域に形成される。この後、７００℃以下、好ましくは４５０〜５５０℃の低温アニールを施すことにより、セルフアラインで不純物拡散層５０、６０を形成することができる。
【００３０】
次に、たとえば、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法にて、酸化シリコン層を、ゲート電極３０が形成されたＳＯＩ基板１０上に全面的に堆積した後、ドライエッチング法によりエッチバックを行い、サイドウォール絶縁層４０（図１参照）を形成する。
【００３１】
ついで、遷移金属層、例えばＮｉ層をスパッタ法にて成膜し、アニールを経て不純物拡散層５０、６０の露出部にシリサイド層７０（図１参照）を形成する。シリサイド層形成用金属としては、チタン（Ｔｉ）やコバルト（Ｃｏ）等、シリサイドを形成できるものであればよい。その後、未反応の遷移金属層を除去し、セルフアラインでシリサイド層７０を形成する。以上の工程により本実施の形態の半導体装置１０００を形成することができる。この後、通常のＣＭＯＳプロセス技術による配線工程を経ることにより、層間絶縁層（図示せず）や配線層（図示せず）を形成することができる。
【００３２】
本実施の形態の製造方法の利点は以下の通りである。
【００３３】
本発明によれば、ゲート電極３０は、仕事関数の異なる少なくとも２種の金属をターゲットとして同時スパッタリング法により形成される。そのため、ゲート電極３０として、少なくとも２種の仕事関数の異なる金属が含まれた合金層が形成される。そして、ターゲットとして用いる金属を適宜選択し、各々のターゲットのスパッタリング時間（比率）または高周波電力を調整することにより、所望の仕事関数のゲート電極３０を形成することができる。そして、これによりしきい値の調整をすることができる。その結果、性能の高い半導体装置を製造することができる。
【００３４】
また、本実施の形態では、ゲート電極３０の仕事関数の制御を、ゲート電極３０の形成の際に行なうことができるため、工程数の増加を防ぐことができる。たとえば、メタルゲートを用いた相補型半導体装置では、ＰＭＯＳＦＥＴ１００ＢとＮＭＯＳＦＥＴ１００Ａとでゲート電極を形成する材質を変えることで、仕事関数の異なるゲート電極を形成し、しきい値を調整する方法もある。しかし、この方法によると、たとえば、ＰＭＯＳＦＥＴ１００Ｂのゲート電極を形成した後、ＮＭＯＳＦＥＴ１００Ａを形成する領域に形成されているゲート電極層を剥離しなくてはならない。ゲート電極層を剥離することによりゲート絶縁層が露出することとなり、半導体装置の性能が低下してしまう。本実施の形態の製造方法によれば、製造工程を増加させることなく、所望の仕事関数を有するゲート電極３０が形成され、しきい値の調整をすることができる。その結果、性能の高い半導体装置を提供することができる。
【００３５】
なお、本発明は、上述の実施の形態に制限されず、本発明の要旨の範囲内で変更することができる。たとえば、半導体層としては、ＳＯＩ基板１０を用いた例について説明したが、バルク状の半導体基板を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかる半導体装置を模式的に示す断面図。
【図２】図１に示す半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図。
【図３】図１に示す半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１０ＳＯＩ基板、１２支持基板、１４絶縁層、１６半導体層、１８素子分離領域、２０ゲート絶縁層、３０ゲート電極、４０サイドウォール絶縁層、５０、６０不純物拡散層、７０シリサイド層、１００ＡＮＭＯＳＦＥＴ、１００ＢＰＭＯＳＦＥＴ、１０００半導体装置

Claims

基板に設けられた半導体層上に、ゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層上にゲート電極を形成する工程と、を含み、
前記ゲート電極は、仕事関数が異なる少なくとも２種の金属のターゲットを用いて同時スパッタリング法により形成される、半導体装置の製造方法。
Ｎチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタと、Ｐチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタとが混載された、相補型半導体装置の製造方法であって、
基板に設けられた半導体層上に、ゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層上に前記Ｎチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタおよび前記Ｐチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極を同時に形成する工程と、を含み、
前記ゲート電極は、仕事関数が異なる少なくとも２種の金属のターゲットを用いて同時スパッタリング法により形成される、半導体装置の製造方法。
請求項１または２において、
前記ゲート電極は、前記ターゲットのスパッタリング時間（比率）および高周波電力の少なくともいずれか一方を調整することにより形成される、半導体装置の製造方法。
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記同時スパッタリング法により前記ゲート電極が形成された後、熱処理を行なう工程、を含む、半導体装置の製造方法。
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記基板は、ＳＯＩ基板を用いる、半導体装置の製造方法。