JP2005347631A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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この発明は半導体装置の製造方法及び半導体装置に関するものである。更に、具体的には、それぞれ、異なる金属を含む2種類のメタルゲートを有する半導体装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device. More specifically, the present invention relates to a semiconductor device having two types of metal gates containing different metals and a method for manufacturing the same.
近年、半導体装置の高度集積化、微細化に伴い、トランジスタのゲート絶縁膜においても、薄膜化が進められている。具体的に、トランジスタのゲート絶縁膜は、EOT(等価酸化膜厚)で、約2.0nm以下にまでなっている。 In recent years, with the high integration and miniaturization of semiconductor devices, the gate insulating film of transistors is also being thinned. Specifically, the gate insulating film of the transistor has an EOT (equivalent oxide film thickness) of about 2.0 nm or less.
一方、半導体装置の微細化及びゲート絶縁膜の薄膜化に伴い、ゲート電極においては、電極の空乏化による容量の低下が問題となる。ゲート電極材料として、従来のポリシリコンを用いた場合、この容量の低下は、シリコン酸化膜の膜厚に換算すると、約0.5nmの膜厚増に相当する。この値は、薄膜化するゲート絶縁膜の膜厚と比較すると、無視できない大きさである。そこで、ゲート電極の空乏化を抑えるため、ゲート電極の材料として、ポリシリコンに代えて、金属を用いることが考えられている。 On the other hand, with the miniaturization of a semiconductor device and the thinning of a gate insulating film, a reduction in capacity due to depletion of the electrode becomes a problem in the gate electrode. When conventional polysilicon is used as the gate electrode material, this decrease in capacitance corresponds to an increase in film thickness of about 0.5 nm in terms of the thickness of the silicon oxide film. This value is not negligible compared with the thickness of the gate insulating film to be thinned. Therefore, in order to suppress depletion of the gate electrode, it is considered to use a metal instead of polysilicon as the material of the gate electrode.
一方、半導体装置の多機能化、高集積化に伴い、1の半導体に、n型のMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor:以下、nMISとする)とp型のMISFET(以下、pMISとする)の両方が搭載されたcMIS(complementary MIS)が用いられている。このcMISにおいては、微細化に伴う、閾値電圧の低下(ロールオフ)が著しくなっている。このため、nMISのゲート電極をn型とし、pMISのゲート電極をp型とする、デュアルゲート構造が用いられるようになっている。 On the other hand, with the increase in functionality and integration of semiconductor devices, one semiconductor includes an n-type MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor: hereinafter referred to as nMIS) and a p-type MISFET (hereinafter referred to as pMIS). CMIS (complementary MIS) in which both of the above are installed is used. In this cMIS, the threshold voltage is significantly lowered (rolled off) with the miniaturization. Therefore, a dual gate structure is used in which the nMIS gate electrode is n-type and the pMIS gate electrode is p-type.
例えば、ゲート電極材料として、従来のようにポリシリコンを用いたポリシリコンゲート電極の場合には、nMISのゲート電極には、n型の不純物を、pMISのゲート電極には、p型の不純物を、それぞれイオン注入することで、容易にデュアルゲート構造を形成することができる(Dual Work Function)。 For example, in the case of a conventional polysilicon gate electrode using polysilicon as the gate electrode material, an n-type impurity is applied to the nMIS gate electrode, and a p-type impurity is applied to the pMIS gate electrode. Each can be ion-implanted to easily form a dual gate structure (Dual Work Function).
しかしながら、ゲート電極材料として金属を用いたメタルゲート電極の場合、ポリシリコンゲート電極のような方法、即ち、1種の膜(ポリシリコン膜)を堆積した後、イオン注入等により、容易に仕事関数を制御できるような方法は、確立されていない。従って、メタルゲート電極を形成する場合には、2種類の金属膜を別々に堆積して形成するのが一般的である。 However, in the case of a metal gate electrode using a metal as a gate electrode material, a work function can be easily obtained by a method such as a polysilicon gate electrode, that is, by depositing one kind of film (polysilicon film) and then ion implantation. No method has been established to control the above. Therefore, when forming a metal gate electrode, it is common to deposit two types of metal films separately.
図18〜図21は、メタルゲート電極を有するcMISの、従来の形成方法について説明するための断面摸式図である。
以下、図を用いて、従来の、異なる金属からなる2種のメタルゲートを、別々に形成するメタルゲートの形成方法について簡単に説明する。
18 to 21 are schematic cross-sectional views for explaining a conventional method of forming cMIS having a metal gate electrode.
Hereinafter, a conventional method for forming a metal gate in which two types of metal gates made of different metals are separately formed will be described with reference to the drawings.
まず、図18に示すように、Si基板102の、nMISを形成する領域、pMISを形成する領域のそれぞれに、pウェル104、nウェル106がそれぞれ形成され、更に、Si基板102上に、HfO2膜108等がゲート絶縁膜材料として形成され、TiN膜110がpMISのゲート電極材料として形成される。
First, as shown in FIG. 18, a p well 104 and an
次に、図19に示すように、pMIS領域側のTiN膜110を残して、nMIS領域側のTiN膜は、リソグラフィ工程、エッチング工程等により除去する。次に、図20に示すように、nMISのゲート電極材料であるTaSiN膜112を全面に成膜する。
Next, as shown in FIG. 19, the TiN
次に図21に示すように、TaSiN膜112上にポリシリコン膜114を形成し、通常の工程により、ゲート電極の加工を行う。
これにより、pMIS領域には、TiN膜110とポリシリコン膜114の積層膜からなるゲート電極が形成され、nMIS領域には、TaSiN膜112とポリシリコン膜114の積層膜からなるゲート電極が形成される(例えば、非特許文献1参照)。
Next, as shown in FIG. 21, a
As a result, a gate electrode composed of a laminated film of the TiN
また、他のメタルゲート電極の形成方法として、ポリシリコン全体を金属と熱反応させて、金属シリサイドに置換する方法が提案されている。
図22〜図24は、金属シリサイドを用いたメタルゲート電極の形成方法を説明するための断面模式図である。
以下、この方法について図22〜図24を用いて簡単に説明する。
As another method for forming a metal gate electrode, there has been proposed a method in which the entire polysilicon is thermally reacted with a metal and replaced with a metal silicide.
22 to 24 are schematic cross-sectional views for explaining a method of forming a metal gate electrode using metal silicide.
Hereinafter, this method will be briefly described with reference to FIGS.
まず、図22に示すように、従来通りの手法により、Si基板122にウェル124、不純物拡散層126、ゲート絶縁膜128、ポリシリコンゲート電極130、サイドウォール132、等を形成し、ポリシリコンゲート電極130、サイドウォール132等を埋め込むようにして、絶縁膜134を堆積する。その後、CMPにより、ポリシリコンゲート電極130の表面が露出するまで、CMPによる研磨を行う。
First, as shown in FIG. 22, a well 124, an
次に、図23に示すように、絶縁膜134及びポリシリコンゲート電極130上に、金属膜136を形成する。そして、非酸化雰囲気中でアニールすることにより、ポリシリコンゲート電極130のシリコンと金属膜136の金属とが反応し、ポリシリコンゲート電極130が、金属シリサイドからなる金属シリサイドゲート電極138に変換される。その後、図24に示すように、シリサイド化されずに残った金属膜136を除去する。これにより、金属シリサイドをゲート電極とするトランジスタが形成される(例えば、非特許文献2参照)。
Next, as shown in FIG. 23, a
ところで、異なる金属からなるメタルゲート電極を別々に形成する方法を用いる場合、ゲート電極用の金属の堆積方法としては、PVD(Physical Vapor Deposition; 物理的気相成長)法あるいはCVD(Chemical Vapor Deposition; 化学的気相成長)法を用いる。しかしながら、例えば、PVD法による成膜を行う場合には、運動エネルギーの大きな金属粒子や荷電した金属粒子が、直接、薄いゲート絶縁膜表面に衝突することになる。従って、金属とゲート絶縁膜との界面や、ゲート絶縁膜中に、欠陥が生じる場合がある。 By the way, when using the method of forming separately the metal gate electrode which consists of a different metal, as a deposition method of the metal for gate electrodes, PVD (Physical Vapor Deposition) method or CVD (Chemical Vapor Deposition; Chemical vapor deposition method is used. However, for example, when film formation is performed by the PVD method, metal particles with large kinetic energy or charged metal particles directly collide with the surface of the thin gate insulating film. Therefore, defects may occur in the interface between the metal and the gate insulating film or in the gate insulating film.
一方、CVD法による場合、その原料ガスには、一般に、FやCl等のハロゲンや有機物が含まれる。ゲート絶縁膜の材料膜、例えば、SiO2やSiON、あるいは、HfやZrの酸化物及びそれにSi、N、Alを添加した膜等は、ハロゲンを含む雰囲気中でエッチングされる可能性がある。また、堆積された金属膜中には、ハロゲンやCが含有される。ハロゲンや、Cが金属膜中に取り込まれると、後の熱工程で、絶縁膜中に拡散し、欠陥を生じさせる可能性がある。また、仕事関数や熱的、化学的安定性の観点から、好適な金属に対して、十分蒸気圧の高い原料化合物が得られるとは限らない。 On the other hand, in the case of the CVD method, the source gas generally contains halogens such as F and Cl, and organic substances. The material film of the gate insulating film, for example, SiO 2 or SiON, or an oxide of Hf or Zr and a film to which Si, N, or Al is added may be etched in an atmosphere containing halogen. The deposited metal film contains halogen and C. If halogen or C is taken into the metal film, it may diffuse into the insulating film and cause defects in the subsequent thermal process. In addition, from the viewpoint of work function, thermal and chemical stability, a raw material compound having a sufficiently high vapor pressure is not always obtained for a suitable metal.
更に、この方法では、ゲート絶縁膜に堆積した金属の一部(即ち、上述の場合、pMIS領域側のTiN膜110)を、エッチングにより除去する必要がある。従って、一度堆積されたゲート絶縁膜を、エッチング液あるいはエッチングガスに曝すこととなる。これにより、ゲート絶縁膜のゲート耐圧性等を低下させるなど、ゲート絶縁膜の膜特性を劣化させる可能性がある。
Further, in this method, it is necessary to remove a part of the metal deposited on the gate insulating film (that is, the
一方、ポリシリコン膜上に金属膜を形成し、金属シリサイドを形成する方法の場合には、ゲート絶縁膜上に直接金属膜を形成する必要はない。従って、ゲート絶縁膜に、直接PVDを行うことがなく、ゲート絶縁膜へのダメージを避けることができる。また、ゲート絶縁膜直上に形成するのは、ポリシリコン膜である。ゲート絶縁膜直上にCVD法によりポリシリコン膜を成膜しても、用いられる原料ガスは、SiH4や、Si2H6等であり、FやCl等のハロゲンを含有するガスの使用を避けることができる。このため、ハロゲンガスによる、ゲート絶縁膜等の膜質劣化を避けることができる。 On the other hand, in the method of forming a metal film on a polysilicon film and forming a metal silicide, it is not necessary to form a metal film directly on the gate insulating film. Therefore, PVD is not directly performed on the gate insulating film, and damage to the gate insulating film can be avoided. A polysilicon film is formed immediately above the gate insulating film. Even if a polysilicon film is formed directly on the gate insulating film by the CVD method, the source gas used is SiH 4 , Si 2 H 6, etc., and avoids the use of gases containing halogen such as F and Cl be able to. For this reason, film quality deterioration of the gate insulating film and the like due to the halogen gas can be avoided.
しかしながら、この方法においては、2種類のメタルゲートからなるデュアルゲート構造を形成する方法が確立されていない。例えば、ポリシリコン膜上の各領域にnMIS用の金属膜と、pMIS用の金属膜とを別々に形成し、それぞれシリサイド化することも考えられる。しかしながら、同一のポリシリコン膜を、異なる金属でシリサイド化する場合、別種の金属が混合し、各ゲート電極の仕事関数の制御が困難になる場合がある。 However, in this method, a method for forming a dual gate structure composed of two types of metal gates has not been established. For example, it is conceivable that an nMIS metal film and a pMIS metal film are separately formed in each region on a polysilicon film and then silicided. However, when the same polysilicon film is silicided with different metals, different types of metals may be mixed, making it difficult to control the work function of each gate electrode.
従って、この発明は、上述のような問題を解決し、ゲート絶縁膜のダメージを抑えつつ、異なる金属からなる2種のゲート電極を有する半導体装置及びその製造方法を提供するものである。 Therefore, the present invention provides a semiconductor device having two types of gate electrodes made of different metals and a method for manufacturing the same while solving the above-described problems and suppressing damage to the gate insulating film.
この発明の半導体装置の製造方法は、第1の領域と第2の領域とを有する基板に、ゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、前記ゲート絶縁膜上に、シリコン膜を形成するシリコン膜形成工程と、前記第1の領域の前記シリコン膜上に、第1の金属からなる第1の金属膜を形成する第1の金属膜形成工程と、前記第1の金属膜上と前記第2の領域の前記シリコン膜上とに、第2の金属からなる第2の金属膜を形成する第2の金属膜形成工程と、前記第1の領域における前記シリコン膜と、前記第1の金属膜とを反応させて、前記第1の金属のシリサイドを形成する第1のシリサイド化工程と、前記第2の領域における前記シリコン膜と、前記第2の金属膜とを反応させて、前記第2の金属のシリサイドを形成する第2のシリサイド化工程とを備える。また、ここで、第2の金属は、シリコンと反応して化合物を形成する場合のシリコン1mol当りの生成熱が、前記第1の金属とシリコンとの反応におけるシリコン1mol当りの生成熱の絶対値よりも小さくなる金属である。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a gate insulating film forming step for forming a gate insulating film on a substrate having a first region and a second region, and a silicon film is formed on the gate insulating film. A silicon film forming step, a first metal film forming step of forming a first metal film made of a first metal on the silicon film in the first region, the first metal film, and the A second metal film forming step of forming a second metal film made of a second metal on the silicon film in a second region; the silicon film in the first region; A first silicidation step of forming a silicide of the first metal by reacting with a metal film; reacting the silicon film in the second region with the second metal film; Second silicidation to form second metal silicide And a degree. Here, the second metal has an absolute value of the heat generated per 1 mol of silicon in the reaction between the first metal and silicon when the second metal reacts with silicon to form a compound. It is a smaller metal.
あるいは、また、この発明の半導体装置の製造方法は、前記第1の反応工程と、前記第2の反応工程が、熱処理により同時に行われるものであってもよい。 Alternatively, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first reaction step and the second reaction step may be performed simultaneously by heat treatment.
また、この発明の半導体装置は、第1の領域と、第2の領域とを含む基板と、第1のトランジスタと、第2のトランジスタとを備える。また、第1のトランジスタは、前記第1の領域に形成され、かつ、第1のゲート絶縁膜と、第1のゲート電極と、第1の不純物拡散層とを含み、第2のトランジスタは、前記第2の領域に形成され、かつ、第2のゲート絶縁膜と、第2のゲート電極と、第2の不純物拡散層とを含む。また、前記第1のゲート電極は、第1の金属を含む第1の金属シリサイド膜を含み、前記第2のゲート電極は、第2の金属を含む第2の金属シリサイド膜を含む。
更に、第2の金属は、シリコンと反応して化合物を形成する場合の、シリコン1mol当りの生成熱の絶対値が、前記第1の金属とシリコンとを反応させた場合の、シリコン1mol当りの生成熱の絶対値よりも小さくなる金属である。
The semiconductor device of the present invention includes a substrate including a first region and a second region, a first transistor, and a second transistor. The first transistor is formed in the first region and includes a first gate insulating film, a first gate electrode, and a first impurity diffusion layer, and the second transistor includes: The second region is formed in the second region and includes a second gate insulating film, a second gate electrode, and a second impurity diffusion layer. The first gate electrode includes a first metal silicide film including a first metal, and the second gate electrode includes a second metal silicide film including a second metal.
Furthermore, when the second metal reacts with silicon to form a compound, the absolute value of the heat generated per mol of silicon is equal to that per mol of silicon when the first metal reacts with silicon. It is a metal that is smaller than the absolute value of the heat of formation.
この発明においては、ゲート絶縁膜上に、シリコン膜を形成した後、適切な領域に第1の金属膜、第2の金属膜を形成し、シリコンとこれらの金属とを反応させることにより、金属シリサイドのゲート電極を形成する。ここで、第1の金属膜上には、第2の金属膜も形成される。また、第1の金属としては、シリサイド化における生成熱の絶対値が、第2の金属とシリコンとの反応の場合の生成熱の絶対値よりも、大きくなるものを選択して用いる。従って、第1の金属を形成した領域では、第1の金属シリサイドからなるゲート電極を形成し、第2の金属を形成した領域では、第2の金属シリサイドからなるゲート電極を形成することができる。これにより、容易に異なる金属からなる2種のゲート電極を有する半導体装置を得ることができる。 In the present invention, after a silicon film is formed on the gate insulating film, a first metal film and a second metal film are formed in appropriate regions, and silicon and these metals are reacted to form a metal. A gate electrode of silicide is formed. Here, a second metal film is also formed on the first metal film. In addition, as the first metal, a metal whose absolute value of heat generated in silicidation is larger than the absolute value of heat generated in the reaction between the second metal and silicon is selected and used. Accordingly, a gate electrode made of the first metal silicide can be formed in the region where the first metal is formed, and a gate electrode made of the second metal silicide can be formed in the region where the second metal is formed. . Thereby, a semiconductor device having two kinds of gate electrodes made of different metals can be easily obtained.
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is simplified or omitted.
実施の形態.
図1は、この発明の実施の形態における半導体装置を説明するための断面模式図である。
まず、図1を用いて実施の形態における半導体装置について説明する。
Embodiment.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
First, the semiconductor device in the embodiment will be described with reference to FIG.
この実施の形態における半導体装置は、n型のMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor:以下、nMISとする)と、p型のMISFET(以下、pMISとする)とが、混在するcMISFET(complementary MIS:以下、cMISとする)である。この明細書においては、簡略化のため、nMISが形成される領域を、nMIS領域、pMISが形成される領域をpMIS領域と称することとする。また、各図においては、左側をnMIS、右側をpMIS領域とし、各領域に、それぞれ1ずつのnMIS、pMISを表している。しかし、実際の半導体装置においては、基板上が、複雑にpMIS、nMIS領域に分けられ、それぞれの領域に、多数のトランジスタが形成されることは言うまでもない。 The semiconductor device in this embodiment includes an n-type MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor: hereinafter referred to as nMIS) and a p-type MISFET (hereinafter referred to as pMIS) which are mixed. Hereinafter, it is referred to as cMIS). In this specification, for simplification, a region where nMIS is formed is referred to as an nMIS region, and a region where pMIS is formed is referred to as a pMIS region. In each figure, the left side is an nMIS and the right side is a pMIS region, and one nMIS and one pMIS are shown in each region. However, in an actual semiconductor device, it is needless to say that the substrate is complicatedly divided into pMIS and nMIS regions, and a large number of transistors are formed in each region.
図1に示す断面形状において、Si基板2には、STI(Shallow Trench Isolation)4が形成されて、Si基板2は、nMIS領域、pMIS領域に分離されている。また、nMIS領域には、p型の不純物が注入されたpウェル6、pMIS領域には、n型の不純物が注入されたnウェル8が形成されている。また、各領域のSi基板2表面付近には、エクステンション10が形成されている。エクステンション10は、比較的接合深さの浅い低濃度不純物拡散層である。エクステンション10の外側には、ソース/ドレイン12が形成されている。ソース/ドレイン12は、エクステンション10よりも接合深さが深い高濃度の不純物拡散層である。また、エクステンション10の下部を囲むように、Halo14が形成されている。
In the cross-sectional shape shown in FIG. 1, an STI (Shallow Trench Isolation) 4 is formed on the
また、Si基板2上には、エッチングストッパ膜16を介して、第1の層間絶縁膜18が形成されている。第1の層間絶縁膜18の膜厚は、約100nmである。第1の層間絶縁膜18には、ゲートが埋め込まれて形成されている。具体的には、nMIS領域においては、Si基板2のエクステンション10に挟まれたチャネル部上において、第1の層間絶縁膜18に、ゲート溝20が形成され、このゲート溝20の内壁面に沿って、ゲート絶縁膜22が形成されている。Si基板2上、即ち、ゲート溝20底部におけるゲート絶縁膜22の物理的膜厚は、約2nmである。また、このゲート溝20内部のゲート絶縁膜22上には、ゲート電極24が形成されている。このゲート電極24のゲート長は、約30nmであり、全膜厚は、約100nmである。ゲート電極24は、ゲート溝20内部のゲート絶縁膜22に沿って形成されたTiSi2膜26と、Ti膜28、更に、その上に、ゲート溝20内を埋め込んで形成されたNi膜30とで構成される。
A first
また、pMIS領域においては、同様に、Si基板2のチャネル領域上において、第1の層間絶縁膜18にゲート溝20が形成され、このゲート溝20内壁面に沿って、ゲート絶縁膜22が形成されている。ゲート絶縁膜22の膜厚は、nMIS領域と同様であり、ゲート溝20底部において約2nmである。ゲート溝20内部のゲート絶縁膜22上には、ゲート電極32が形成されている。ゲート電極32のゲート長は、約30nmであり、膜厚は、約100nmである。ゲート電極32は、ゲート溝20内部のゲート絶縁膜22上に沿って形成されたNiSi2膜34と、ゲート溝20内を埋め込んで形成されたNi膜36とにより構成される。
Similarly, in the pMIS region, a
各領域において、ゲート電極24、32の側面には、ゲート絶縁膜22を介して、サイドウォール38が形成されている。サイドウォール38の側面と、Si基板2表面には、エッチングストッパ膜16が配置され、更に、その上に、第1の層間絶縁膜18が形成されている。
In each region,
また、第1の層間絶縁膜18上には、第2の層間絶縁膜40が形成されている。第2の層間絶縁膜40及び/または第1の層間絶縁膜18とを貫通して、ソース/ドレイン12や、ゲート電極24等に接続するコンタクトプラグが形成されている。コンタクトプラグは、第2の層間絶縁膜40及び/又は第1の層間絶縁膜18の、所定の位置を貫通するコンタクトホールに、バリアメタル44を介して、メタル46を埋め込むことにより形成されている。
A second
図2は、この発明の実施の形態における半導体装置の製造方法を説明するためのフロー図である。また、図3〜図17は、半導体装置の各製造工程における状態を説明するための断面模式図である。
以下、図1〜図17を用いて、上述した半導体装置の製造方法について説明する。
FIG. 2 is a flowchart for illustrating the method for manufacturing a semiconductor device in the embodiment of the present invention. 3 to 17 are schematic cross-sectional views for explaining states in each manufacturing process of the semiconductor device.
Hereinafter, the manufacturing method of the above-described semiconductor device will be described with reference to FIGS.
まず、図3に示すように、Si基板2上に、STI4を形成して、Si基板2上を、nMIS領域、pMIS領域に分離し、更に、各領域に、p型、n型の不純物を注入し、pウェル6、nウェル8を形成する(ステップS2)。
First, as shown in FIG. 3, the
次に、熱酸化によりダミーゲート酸化膜50aを形成する(ステップS4)。また、ダミーゲート酸化膜50a上に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法により、ポリシリコン膜52aを形成する(ステップS6)。
Next, a dummy
図4に示すように、ポリシリコン膜52aを加工して、ダミーゲート電極52を形成する。具体的には、フォトリソグラフィ法により、レジストマスク54を形成し、これをマスクとして、RIE(Reactive Ion Etching; 反応性イオンエッチング)により、ポリシリコン膜52aの異方性エッチングを行う。その後、レジストマスク54を除去する。このとき、ダミーゲート電極52のゲート長は、nMIS領域、pMIS領域、共に約30nmとする。
As shown in FIG. 4, the
次に、図5に示すように、nMIS領域に、エクステンション10とHalo14とを形成する(ステップS10)。具体的には、リソグラフィ法によりpMIS領域を覆うレジストマスクを形成した後、このレジストマスクとダミーゲート電極52とをマスクとして、まずn型不純物をイオン注入し、更に、その下方に、p型不純物をイオン注入することにより、n型のエクステンション10と、p型のHalo14とを、nMIS領域に形成する。
Next, as shown in FIG. 5, the
次に、pMIS領域に、エクステンション10とHalo14とを形成する(ステップS12)。具体的には、nMIS領域を覆うレジストマスクを形成し、ダミーゲート電極52をマスクとして、p型の不純物をイオン注入し、更に、その下方に、n型のイオンを注入する。これにより、pMIS領域に、p型のエクステンション10と、n型のHalo14とを形成する。
Next, the
次に、図6に示すように、ダミーゲート電極52の側面に、サイドウォール38を形成する(ステップS14)。ここでは、まず、SiN等の絶縁膜を、LPCVD(Low Pressure CVD)法により堆積する。その後、この絶縁膜に、RIE(Reactive Ion Etching; 反応性イオンエッチング)等の異方性エッチングによる、所謂側壁残しエッチングを行うことにより、サイドウォール38が形成される。また、このとき、同時に、ダミーゲート酸化膜50aのSi基板2上に露出する部分も除去され、サイドウォール38及びダミーゲート電極52直下にのみ、ダミーゲート酸化膜50が残る。
Next, as shown in FIG. 6, a
次に、nMIS領域に、ソース/ドレイン12を形成する(ステップS16)。ここでは、pMIS領域にレジストマスクを形成し、このレジストマスクと、ダミーゲート電極52及びサイドウォール38とをマスクとして、n型のイオン注入を行うことにより、エクステンション10より外側に、ソース/ドレイン12が形成される。
Next, the source /
次に、pMIS領域に、ソース/ドレイン12を形成する(ステップS18)。ここでは、nMIS領域にレジストマスクを形成し、このレジストマスクと、ダミーゲート電極52及びサイドウォール38とをマスクとして、p型のイオン注入を行うことにより、pMIS領域のエクステンション10より外側に、ソース/ドレイン12が形成される。
その後、エクステンション10及びソース/ドレイン12の不純物の活性化のため、約1000℃、約1秒間のアニールを行う(ステップS20)。
Next, the source /
Thereafter, annealing is performed at about 1000 ° C. for about 1 second in order to activate the impurities in the
次に、図7に示すように、ダミーゲート電極52、サイドウォール38、Si基板2等の表面に露出する部分全面に沿って、エッチングストッパ膜16aを形成する(ステップS22)。エッチングストッパ膜16aとしては、SiN膜等を用いる。更に、このエッチングストッパ膜16a上に、ダミーゲート電極52等を埋めるように、第1の層間絶縁膜18aを、CVD法により堆積する(ステップS24)。
Next, as shown in FIG. 7, the etching stopper film 16a is formed along the entire surface exposed on the surfaces of the
次に、図8に示すように、第1の層間絶縁膜18aの表面を、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法等により研磨する(ステップS26)。ここでは、まず、第1の層間絶縁膜18a表面のCMPを行い、エッチングストッパ膜16aにより、このCMPによる研削を止める。更に、エッチングストッパ膜16aの表面を、ウェットエッチングあるいはドライエッチングにより除去する。これにより、第1の層間絶縁膜18の表面に、ダミーゲート電極52が露出する。CMP後の、最終的な、Si基板2表面から、第1の層間絶縁膜18表面までの膜厚は、約100nmである。
Next, as shown in FIG. 8, the surface of the first
次に、図9に示すように、ダミーゲート電極52及びその直下のダミーゲート酸化膜50を除去する(ステップS28)。これにより、第1の層間絶縁膜18に、ゲート電極を形成するためのゲート溝20が形成される。
Next, as shown in FIG. 9, the
次に、図10に示すように、少なくともゲート溝20底面は完全に被覆するように、ゲート溝20内壁も含む全面に、ZrO2若しくはHfO2又はそれに、Si、Al、N等を添加したゲート絶縁膜22を形成し(ステップS30)、その上に、シリコン膜(アモルファス又はポリシリコン)60を形成する(ステップS32)。ここでは、CVD法により、約5nm程度に堆積する。
Next, as shown in FIG. 10, at least the bottom surface of the
次に、図11に示すように、シリコン膜60の表面全面に、第1の金属膜としてTi膜62を形成する(ステップS34)。Ti膜62は、PVD(Physical Vapor Deposition)法を用いて、膜厚約5nmに形成する。
Next, as shown in FIG. 11, a
次に、図12に示すように、pMIS領域のTi膜62を除去する(ステップS36)。ここでは、リソグラフィ法によりnMIS領域を覆うレジストマスク64を形成し、これをマスクとして、pMIS領域側のTi膜62のみを選択的にエッチングして除去する。その後、レジストマスク64を剥離する。
Next, as shown in FIG. 12, the
次に、図13に示すように、基板表面全面に、Ni膜66を形成する(ステップS38)。Ni膜66は、PVD法を用いて、膜厚約50nmに形成する。これにより、ゲート溝20内部は、Ti膜62、Ni膜66等により埋め込まれた状態となる。
Next, as shown in FIG. 13, a
次に、非酸化雰囲気中でアニールを行う(ステップS40)。ここでのアニール温度は、約800℃とし、アニール時間は、約10秒間とする。この条件は、Ti膜62及びNi膜66が、シリコン60の全膜厚分シリサイド化される条件である。
Next, annealing is performed in a non-oxidizing atmosphere (step S40). The annealing temperature here is about 800 ° C., and the annealing time is about 10 seconds. This condition is a condition in which the
このアニールにおいて、nMIS領域で、Ti膜62と、シリコン膜60とは、次の(1)式のような反応を起こす。
Ti+2Si→TiSi2+ΔHfn ・・・・ (1)
なお、(1)式において、ΔHfnは、生成熱を表す。
In this annealing, the
Ti + 2Si → TiSi 2 + ΔHf n (1)
In the formula (1), ΔHf n represents heat of formation.
また、pMIS領域で、Ni膜66と、シリコン膜60とは、次の(2)式のような反応を起こす。
Ni+2Si→NiSi2+ΔHfp ・・・・ (2)
なお、(2)式において、ΔHfpは、生成熱を表す。
Further, in the pMIS region, the
Ni + 2Si → NiSi 2 + ΔHf p ···· (2)
Note that in equation (2), .DELTA.Hf p represents the generated heat.
ここで、上述のようなTiまたはNiと、Siとの反応において、シリコン1mol当りの生成熱の絶対値は、Tiの場合、即ち、(1)式の場合の方が大きい。即ち、生成熱ΔHfnの絶対値は、生成熱ΔHfpの絶対値より大きい。具体的に、Tiの生成熱の絶対値は、16(kcal/mol)であり、Niの生成熱の絶対値は、10.4(kcal/mol)である。 Here, in the reaction between Ti or Ni and Si as described above, the absolute value of the heat generated per mol of silicon is larger in the case of Ti, that is, in the case of equation (1). That is, the absolute value of the generated heat ΔHf n is larger than the absolute value of the generated heat ΔHf p . Specifically, the absolute value of the heat of formation of Ti is 16 (kcal / mol), and the absolute value of the heat of formation of Ni is 10.4 (kcal / mol).
従って、図14に示すように、nMIS領域においては、Ti膜62上に、Ni膜64が形成されているが、アニールを行っても、シリサイド化するのは、Ti膜62のみであり、Ni膜66はシリサイド化されずにそのまま残される。従って、nMIS領域においては、ゲート絶縁膜22上に、TiSi2膜26aと、反応せずに残ったTi膜28aと、Ni膜30aとが積層された状態となり、pMIS領域においては、NiSi2膜34aと反応せずに残ったNi膜36aとが積層された状態となる。
Therefore, as shown in FIG. 14, in the nMIS region, the
次に、図15に示すように、ゲート溝20内部以外の部分に形成された、TiSi2膜26a、Ti膜28a、Ni膜20a、NiSi2膜34a、Ni膜66を除去する(ステップS42)。ここでは、CMPによる研磨を行うことにより、第1の層間絶縁膜18上のこれらの膜を除去することができる。
Next, as shown in FIG. 15, the TiSi 2 film 26a, the
次に、図16に示すように、第1の層間絶縁膜上に、第2の層間絶縁膜40を堆積する(ステップS44)。ここでは、CVD法等を用いて第2の層間絶縁膜40を形成する。第2の層間絶縁膜40形成後、第2の層間絶縁膜40を貫通して、ゲート電極24の表面に至るコンタクトホール70や、第1、第2の層間絶縁膜40、18及びエッチングストッパ膜16を貫通して、ソース/ドレイン12に至るコンタクトホール72等を開口する(ステップS46)。ここでは、フォトリソグラフィ法により所定のパターンを有するレジストマスクを形成した後、これをマスクとして、第1、第2の層間絶縁膜18、40及びエッチングストッパ膜16にエッチングを施す。
Next, as shown in FIG. 16, a second
次に、図17に示すように、コンタクトホール70、72内壁を含む表面全面に、バリアメタル44aを形成する(ステップS48)。ここでは、スパッタ法によりバリアメタルの成膜を行う。その後、コンタクトホール70、72内壁を埋め込む深さで、コンタクトホール内に、金属を埋め込む(ステップS50)。
Next, as shown in FIG. 17, the
次に、少なくとも、層間絶縁膜42の表面の一部が露出するように、CMPによる平坦化を行う(ステップS52)。これにより、図1に示すような半導体装置が形成される。その後、必要に応じて、多層配線等を形成すればよい。 Next, planarization by CMP is performed so that at least a part of the surface of the interlayer insulating film 42 is exposed (step S52). Thereby, the semiconductor device as shown in FIG. 1 is formed. Thereafter, multilayer wiring or the like may be formed as necessary.
以上説明したように、この実施の形態においては、nMIS領域には、Ti膜62、Ni膜66を積層し、pMIS領域には、Ni膜66を形成した状態で、シリサイド化のためのアニールを行う。ここで、TiとSiとの反応におけるシリコン1mol当たりの生成熱の絶対値は、Niの場合よりも大きい。従って、nMIS領域においては、Ti膜62とNi膜66とが積層された状態のままアニールを行うが、Ni膜はシリサイド化されず、そのまま残る。一方、pMIS領域においては、Ni膜66のみが形成されていることから、Niがシリサイド化される。
従って、この実施の形態においては、一度のアニールで、容易に、仕事関数の異なる金属からなる2種のメタルゲートを形成することができる。
As described above, in this embodiment, the
Therefore, in this embodiment, two kinds of metal gates made of metals having different work functions can be easily formed by one annealing.
また、メタルゲート形成過程において、ゲート絶縁膜22上に直接形成するのは、シリコン膜60である。従って、その後の金属膜(例えば、Ti膜62やNi膜66等)の形成の工程で、シリコン膜60上に、PVD法を用いることはあるが、これは、ゲート絶縁膜22への直接のスパッタを行うものではない。従って、金属膜形成時、即ち、ゲート電極24、32形成時において、ゲート絶縁膜22に与えるダメージを、抑えることができる。
また、同様に、金属膜を、PVD法ではなく、CVD法を用いて形成する場合に、そのCVD成膜の工程で、ハロゲンが含まれるガスを用いる場合がある。しかし、この成膜においても、ゲート絶縁膜22上に、既に、シリコン膜60が成膜されているため、ハロゲンのゲート絶縁膜22への混入を抑えることができる。
従って、金属膜の成膜において、PVD法、CVD法、いずれの方法を用いる場合にも、ゲート絶縁膜22へのダメージ等を抑えることができ、膜質のよいゲート絶縁膜を有する半導体装置を形成することができる。
In addition, the
Similarly, in the case where the metal film is formed using the CVD method instead of the PVD method, a gas containing halogen may be used in the CVD film forming process. However, even in this film formation, since the
Accordingly, in any of the PVD method and the CVD method used for forming the metal film, damage to the
なお、この実施の形態においては、nMIS領域側に、Ti膜62、Ni膜66が積層され、pMIS領域側にNi膜66のみが形成された状態で、アニールを行う場合について説明した。しかし、この発明は、これに限るものではない。しかしながら、形成する金属膜は、シリサイド化された場合に、そのゲート電極に必要な仕事関数を有する金属であることが好ましい。
In this embodiment, the case where the annealing is performed in the state where the
具体的に、例えば、この発明を適用して、2種のゲート電極を形成する場合には、例えば、まず、仕事関数等から、条件の適切な2種の金属を選択する。そして、各金属とシリコンとのシリサイド化の反応において、シリコン1mol当りの生成熱の絶対値が大きい方の金属からなる膜を、先に、ポリシリコン膜上に形成する。その後、その生成熱の絶対値が大きいほうの金属のシリサイドを、ゲート電極として用いる領域以外の領域の金属を除去する。そして、全面に、他方の生成熱の絶対値が小さい方の金属からなる膜を形成する。その後アニールを行うことにより、各領域に、所望の金属シリサイドを含むゲート電極が形成される。 Specifically, for example, when two types of gate electrodes are formed by applying the present invention, for example, first, two types of metals having appropriate conditions are selected from the work function and the like. Then, in the silicidation reaction between each metal and silicon, a film made of a metal having a larger absolute value of heat generated per mol of silicon is first formed on the polysilicon film. Thereafter, the metal silicide having the larger absolute value of the generated heat is removed from the region other than the region used as the gate electrode. Then, a film made of a metal having the smaller absolute value of the other heat generated is formed on the entire surface. Thereafter, annealing is performed to form a gate electrode containing a desired metal silicide in each region.
表1は、Shottky barrier height から計算した仕事関数を示す。ここで、Shottky barrier heightから計算した仕事関数は、ゲート電極を形成した場合のものとは若干異なるが、大まかな傾向は一致する。また、表2は、各シリサイドのシリコン1mol当りの生成熱を示す。
nMIS、pMIS用のゲート電極形成用の金属を決定する場合、例えば、まず、表1の金属の中から、それぞれ、適切な金属を選択する。そして、選択した金属のを比較して、表2の各元素の右欄に示す生成熱の絶対値が大きな方の金属を先に成膜し、その後、不要な領域から、その金属を削除し、生成熱の小さな方を全面に形成した後、アニールを行うことにより、ゲート電極を形成することができる。
Table 1 shows the work function calculated from the Shotky barrier height. Here, the work function calculated from the Shotky barrier height is slightly different from that in the case where the gate electrode is formed, but the rough tendency coincides. Table 2 shows the heat of formation of each silicide per 1 mol of silicon.
When determining the metal for forming the gate electrode for nMIS and pMIS, for example, first, an appropriate metal is selected from the metals in Table 1, respectively. Then, by comparing the selected metals, the metal having the larger absolute value of the generated heat shown in the right column of each element in Table 2 is formed first, and then the metal is deleted from the unnecessary region. The gate electrode can be formed by forming the surface with the smaller generation heat on the entire surface and then performing annealing.
また、この実施の形態においては、ゲート溝20を形成した後、ゲート溝20内に、ゲート絶縁膜22と、ゲート電極24、32とを埋め込んで形成する場合について説明した。しかし、この発明は、これに限るものではなく、例えば、Si基板上にゲート絶縁膜を形成し、その上に、ポリシリコン膜、第1の金属膜、第2の金属膜を適切な領域に堆積した後、シリサイド化したものを、それぞれ、ゲート加工し、これをマスクに、拡散層を形成するような方法にも用いることができる。また、ゲート電極に限らず、2種類の金属シリサイド膜を積層する必要のある他の部分に形成することもできる。
Further, in this embodiment, the case where the
また、この実施の形態においては、nMIS領域、pMIS領域に1ずつのトランジスタの断面を図示して説明した。しかし、この発明において、半導体装置は、このような形状に限るものではない。また、この発明において、各膜の膜種や膜厚や形成方法等は、実施の形態において説明したものに限るものではない。これらは、この発明の範囲内において、適宜選択しうるものである。 In this embodiment, the cross section of each transistor in the nMIS region and the pMIS region is illustrated and described. However, in the present invention, the semiconductor device is not limited to such a shape. In the present invention, the film type, film thickness, formation method, and the like of each film are not limited to those described in the embodiment. These can be appropriately selected within the scope of the present invention.
なお、例えば、この実施の形態において、nMIS領域、pMIS領域は、それぞれ、この発明の「第1の領域」、「第2の領域」に該当し、シリコン膜60、Ti62、Ni膜66は、それぞれ、この発明における「シリコン膜」、「第1の金属膜」、「第2の金属膜」に該当する。
For example, in this embodiment, the nMIS region and the pMIS region correspond to the “first region” and the “second region” of the present invention, respectively, and the
また、例えば、実施の形態において、nMIS領域に形成されたゲート絶縁膜22、ゲート電極24は、この発明の「第1のゲート絶縁膜」、「第1のゲート電極」に該当し、nMIS領域のエクステンション10及びソース/ドレイン12は、「第1の不純物拡散層」に該当する。また、例えば、実施の形態において、pMIS領域に形成されたゲート絶縁膜22、ゲート電極32は、この発明の「第2のゲート絶縁膜」、「第2のゲート電極」に該当し、pMIS領域のエクステンション10及びソース/ドレイン12は、「第2の不純物拡散層」に該当する。また、例えば、TiSi2膜26、NiSi2膜34は、それぞれ、この発明の、「第1の金属シリサイド」、「第2の金属シリサイド」に該当する。
Further, for example, in the embodiment, the
また、例えば、実施の形態において、ステップS30、S32を実行することにより、それぞれ、この発明の「ゲート絶縁膜形成工程」、「シリコン膜形成工程」が実行される。また、例えば、ステップS34、S38を実行することにより、それぞれ、この発明の「第1の金属膜形成工程」、「第2の金属膜形成工程」が実行される。また、例えば、ステップS40を実行することにより、この発明の「第1のシリサイド化工程」及び「第2のシリサイド化工程」が実行される。 Further, for example, in the embodiment, by executing steps S30 and S32, the “gate insulating film forming step” and the “silicon film forming step” of the present invention are executed, respectively. Further, for example, by executing steps S34 and S38, the “first metal film forming step” and the “second metal film forming step” of the present invention are executed, respectively. Further, for example, by executing step S40, the “first silicidation process” and the “second silicidation process” of the present invention are performed.
2 Si基板
4 STI
6 pウェル
8 nウェル
10 エクステンション
12 ソース/ドレイン
14 Halo
16 エッチングストッパ膜
18 第1の層間絶縁膜
20 ゲート溝
22 ゲート絶縁膜
24 ゲート電極
26 TiSi2膜
28 Ti膜
30 Ni膜
32 ゲート電極
34 NiSi2膜
36 Ni膜
38 サイドウォール
40 第2の層間絶縁膜
44 バリアメタル
46 メタル
50 ダミーゲート酸化膜
52 ダミーゲート電極
54 レジストマスク
60 シリコン膜
62 Ti膜
64 レジストマスク
66 Ni膜
2
6 p-well 8 n-well 10
16
Claims (4)
前記ゲート絶縁膜上に、シリコン膜を形成するシリコン膜形成工程と、
前記第1の領域の前記シリコン膜上に、第1の金属からなる第1の金属膜を形成する第1の金属膜形成工程と、
シリコンと反応して化合物を形成する場合のシリコン1mol当りの生成熱が、前記第1の金属とシリコンとの反応におけるシリコン1mol当りの生成熱の絶対値よりも小さくなる第2の金属からなる第2の金属膜を、前記第1の金属膜上と前記第2の領域の前記シリコン膜上とに形成する第2の金属膜形成工程と、
前記第1の領域における前記シリコン膜と、前記第1の金属膜とを反応させて、前記第1の金属のシリサイドを形成する第1のシリサイド化工程と、
前記第2の領域における前記シリコン膜と、前記第2の金属膜とを反応させて、前記第2の金属のシリサイドを形成する第2のシリサイド化工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A gate insulating film forming step of forming a gate insulating film on a substrate having a first region and a second region;
A silicon film forming step of forming a silicon film on the gate insulating film;
A first metal film forming step of forming a first metal film made of a first metal on the silicon film in the first region;
When a compound is formed by reacting with silicon, the generated heat per 1 mol of silicon is a second metal composed of a second metal that is smaller than the absolute value of the generated heat per 1 mol of silicon in the reaction between the first metal and silicon. A second metal film forming step of forming a second metal film on the first metal film and on the silicon film in the second region;
A first silicidation step of reacting the silicon film in the first region with the first metal film to form a silicide of the first metal;
A second silicidation step of reacting the silicon film in the second region with the second metal film to form a silicide of the second metal;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第1の領域に形成され、かつ、第1のゲート絶縁膜と、第1のゲート電極と、第1の不純物拡散層とを含む第1のトランジスタと、
前記第2の領域に形成され、かつ、第2のゲート絶縁膜と、第2のゲート電極と、第2の不純物拡散層とを含む第2のトランジスタと、
を備える半導体装置であって、
前記第1のゲート電極は、第1の金属を含む第1の金属シリサイド膜を含み、
前記第2のゲート電極は、シリコンと反応して化合物を形成する場合の、シリコン1mol当りの生成熱の絶対値が、前記第1の金属とシリコンとを反応させた場合の、シリコン1mol当りの生成熱の絶対値よりも小さくなる第2の金属を含む第2の金属シリサイドを含むことを特徴とする半導体装置。
A substrate including a first region and a second region;
A first transistor formed in the first region and including a first gate insulating film, a first gate electrode, and a first impurity diffusion layer;
A second transistor formed in the second region and including a second gate insulating film, a second gate electrode, and a second impurity diffusion layer;
A semiconductor device comprising:
The first gate electrode includes a first metal silicide film including a first metal,
When the second gate electrode reacts with silicon to form a compound, the absolute value of the heat generated per mol of silicon is equal to that per mol of silicon when the first metal reacts with silicon. A semiconductor device comprising: a second metal silicide containing a second metal that is smaller than an absolute value of generated heat.
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