JP2006245306A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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真介 坂下
Kenichi Mori
健壹 森
Jiro Yoshigami
二郎 由上
Masao Inoue
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a semiconductor device for suppressing damage to a gate insulation film to reduce gate leakage current and having a gate electrode with a work function similar to that of p-type polysilicon. <P>SOLUTION: The gate insulation film 3 is formed on a silicon substrate 1. A TiN film 4 is formed on the gate insulation film 3 by a CVD method at a temperature of 450°C or lower. The TiN film 4 is etched to form the gate electrode 5. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、メタルゲート材料としてTiN(窒化チタン)を用いる半導体装置の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device using TiN (titanium nitride) as a metal gate material.

現在、CMOSデバイスとしては、ゲート絶縁膜にシリコン酸化膜を用い、ゲート電極にp型又はn型ポリシリコンが用いられている。このCMOSの45nmノード以降のロジックでは、オン電流の向上のため、例えば非特許文献1に示されるゲート電極に金属材料を用いるメタルゲート技術の実用化が求められている。なお、オン電流とは、MISFET(Metal-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor;金属−絶縁膜−半導体 電界効果トランジスタ)のゲート電極に電圧をかけた時にソース、ドレイン間に流れる電流のことであり、シリコン基板に形成されたチャネル領域に誘起される電荷量に比例して大きくなる。   Currently, as a CMOS device, a silicon oxide film is used as a gate insulating film, and p-type or n-type polysilicon is used as a gate electrode. In the logic after the 45 nm node of the CMOS, in order to improve the on-current, for example, the practical application of a metal gate technique using a metal material for the gate electrode shown in Non-Patent Document 1 is required. The on-current is the current that flows between the source and drain when a voltage is applied to the gate electrode of a MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor). It increases in proportion to the amount of charge induced in the channel region formed in the substrate.

そこで、この電荷量を大きくするため、ゲート絶縁膜として高誘電体(High−k)材料の実用化が検討されている。しかしながら、ゲート絶縁膜としてHigh−k材料を用い、ゲート電極にポリシリコンを用いると、p型MISFETにおいて閾値電圧の上昇が起こり、デバイス性能が低下してしまう。このため、ゲート電極に金属材料を用いる必要がある。   Therefore, in order to increase the amount of charge, practical application of a high dielectric (High-k) material as a gate insulating film has been studied. However, when a high-k material is used for the gate insulating film and polysilicon is used for the gate electrode, the threshold voltage increases in the p-type MISFET, and the device performance is degraded. For this reason, it is necessary to use a metal material for the gate electrode.

メタルゲート技術を実用化する上での大きな障害としては、閾値電圧の制御が困難なことが挙げられる。従来では、n型MISFETに対してはn型ポリシリコン、p型MISFETに対してはp型ポリシリコンを用いることで、基板チャネルと同等の仕事関数を得ていた。これにより、閾値電圧の低いMISFETを形成でき、低電圧動作が可能なCMOSトランジスタを実現できた。   A major obstacle in putting the metal gate technology into practical use is that it is difficult to control the threshold voltage. Conventionally, an n-type polysilicon is used for an n-type MISFET and a p-type polysilicon is used for a p-type MISFET, thereby obtaining a work function equivalent to that of a substrate channel. As a result, a MISFET having a low threshold voltage can be formed, and a CMOS transistor capable of low voltage operation can be realized.

また、p型MISFETにおける閾値電圧の上昇を制御するため、p型ポリシリコンに近い仕事関数を有するTiN(窒化チタン)が注目されている。従来のスパッタ法で成膜したTiNは、その仕事関数が約4.6eVであり、p型ポリシリコンの仕事関数との差が大きく、閾値電圧の上昇を十分に抑制できない。   Further, TiN (titanium nitride) having a work function close to that of p-type polysilicon has attracted attention in order to control an increase in threshold voltage in the p-type MISFET. TiN deposited by the conventional sputtering method has a work function of about 4.6 eV, and has a large difference from the work function of p-type polysilicon, and the increase in threshold voltage cannot be sufficiently suppressed.

これを解消するために、例えば非特許文献2にはTiN膜中の窒素濃度を制御することで仕事関数を制御する技術が提案されている。また、TiN膜をCVD法により成膜するにあたり、成膜温度が約600℃で行うのが主流であったが、例えば特許文献1に開示される分割成膜を適用すると、約450℃の低温でも成膜が可能である。   In order to solve this problem, for example, Non-Patent Document 2 proposes a technique for controlling the work function by controlling the nitrogen concentration in the TiN film. Further, when the TiN film is formed by the CVD method, the mainstream is that the film forming temperature is about 600 ° C. However, for example, when the divided film forming disclosed in Patent Document 1 is applied, the temperature is about 450 ° C. However, film formation is possible.

International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), 2003 Edition 2004年4月発行International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), 2003 Edition, April 2004 H.Wakabayashi, Y.Saito, K.Takeuchi, and T.Kunio, "A Dual-Metal Gate CMOS Technology Using Nitrogen-Concentration-Controlled TiNx Film", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No.10, Oct. 2001, p2363-p2369.H.Wakabayashi, Y.Saito, K.Takeuchi, and T.Kunio, "A Dual-Metal Gate CMOS Technology Using Nitrogen-Concentration-Controlled TiNx Film", IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 48, No. 10, Oct 2001, p2363-p2369. 特開2003−77864号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-77864

TiN(窒化チタン)はp型ポリシリコンに近い仕事関数を有しており、p型MISFETにおける閾値電圧の上昇を制御することができる。しかしながら、スパッタ法でゲート電極として成膜すると、ゲート絶縁膜のチャージアップによるダメージが入るため、ゲートリーク電流が増大するという課題があった。   TiN (titanium nitride) has a work function close to that of p-type polysilicon, and can control an increase in threshold voltage in the p-type MISFET. However, when the gate electrode is formed by sputtering, damage due to the charge-up of the gate insulating film is caused, which increases the gate leakage current.

また、スパッタ法で成膜したTiN膜では、その仕事関数が約4.6eVであり、p型ポリシリコンの仕事関数との差が大きいため、閾値電圧の上昇を十分に抑制できないという課題があった。   In addition, the TiN film formed by the sputtering method has a work function of about 4.6 eV and a large difference from the work function of p-type polysilicon. It was.

なお、非特許文献2のようにTiN膜中の窒素濃度を制御することにより、仕事関数を制御する方法も提案されている。しかしながら、非特許文献2に開示される方法では、n型ポリシリコンと同等の仕事関数での制御のみであり、p型ポリシリコンの仕事関数に相当するTiN膜は得られていない。このため、p型MISFETにおける閾値電圧の上昇を抑制することができないという課題がある。   A method for controlling the work function by controlling the nitrogen concentration in the TiN film as in Non-Patent Document 2 has also been proposed. However, in the method disclosed in Non-Patent Document 2, only a control with a work function equivalent to n-type polysilicon is performed, and a TiN film corresponding to the work function of p-type polysilicon is not obtained. For this reason, there exists a subject that the raise of the threshold voltage in p-type MISFET cannot be suppressed.

また、特許文献1に開示される従来の分割成膜では、TiN膜を約450℃で成膜するものであり、さらなる低温での成膜は開示されていない。   In the conventional split film formation disclosed in Patent Document 1, a TiN film is formed at about 450 ° C., and film formation at a lower temperature is not disclosed.

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、メタルゲート材料としてTiN膜を熱CVD法により成膜することで、ゲート絶縁膜へのダメージを抑制してゲートリーク電流を低減させ、且つp型ポリシリコンに近い仕事関数のゲート電極を有する半導体装置の製造方法を得ることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and by forming a TiN film as a metal gate material by a thermal CVD method, damage to the gate insulating film is suppressed and gate leakage current is reduced. An object of the present invention is to obtain a method of manufacturing a semiconductor device having a gate electrode having a work function close to that of p-type polysilicon.

この発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に450℃以下の温度でCVD法によりTiN膜を形成し、このTiN膜をエッチングしてゲート電極を形成するものである。   In the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, a gate insulating film is formed on a semiconductor substrate, a TiN film is formed on the gate insulating film by a CVD method at a temperature of 450 ° C. or lower, and the TiN film is etched to form a gate. An electrode is formed.

この発明によれば、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に450℃以下の温度でCVD法によりTiN膜を形成し、このTiN膜をエッチングしてゲート電極を形成するので、メタルゲート材料としてのTiN膜を熱CVD法により成膜することから、ゲート絶縁膜へのダメージを抑制することができる上、ゲートリーク電流を低減できるという効果がある。また、CVD法によるTiN成膜の温度を450℃以下に低温化することで、p型ポリシリコンに近い仕事関数を実現することができる。さらにCVD法によるTiN成膜の温度を350℃以下に低温化すると、低ストレスのTiN膜が得られる。これによってもゲートリーク電流を抑制することができる。   According to this invention, a gate insulating film is formed on a semiconductor substrate, a TiN film is formed on the gate insulating film by a CVD method at a temperature of 450 ° C. or less, and the TiN film is etched to form a gate electrode. Since the TiN film as the metal gate material is formed by the thermal CVD method, it is possible to suppress damage to the gate insulating film and reduce the gate leakage current. Further, by reducing the temperature of TiN film formation by CVD to 450 ° C. or lower, a work function close to that of p-type polysilicon can be realized. Further, when the temperature of TiN film formation by CVD is lowered to 350 ° C. or lower, a low stress TiN film can be obtained. This can also suppress the gate leakage current.

実施の形態1.
従来の課題を解決すべく、本発明者が研究解析を進めた結果、p型ポリシリコンに変わり、これに近い仕事関数を持つTiN(窒化チタン)をゲート電極材料とし、CVD(Chemical Vapor Deposition ;化学気相成長)法により成膜することで、その成膜条件により仕事関数を制御できることを見出した。本実施の形態1は、CVD法によるTiN膜の成膜条件を最適化し、その仕事関数をp型ポリシリコンとほぼ同等に制御するものである。
Embodiment 1 FIG.
As a result of the inventor's research and analysis in order to solve the conventional problem, TiN (titanium nitride) having a work function close to that of p-type polysilicon is used as a gate electrode material, and CVD (Chemical Vapor Deposition; It was found that the work function can be controlled by the film forming conditions by forming the film by the chemical vapor deposition method. In the first embodiment, the conditions for forming a TiN film by the CVD method are optimized, and the work function thereof is controlled substantially equal to that of p-type polysilicon.

図1から図5までは、この発明の実施の形態1による半導体装置の製造方法の各工程における構成を示す図であり、図1に示す製造工程から図10に示す製造工程のへ進むものとする。なお、各工程ともトランジスタの内部がわかるように断面図で表している。
図1に示す工程では、シリコン基板(半導体基板)1の表層部における所定の領域に素子分離酸化膜2を形成する。素子分離酸化膜2は、例えばSTI法(Shallow Trench Isolation法;シャロウトレンチ絶縁法)により形成する。
FIGS. 1 to 5 are diagrams showing a configuration in each step of the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, and the process proceeds from the manufacturing process shown in FIG. 1 to the manufacturing process shown in FIG. Note that each step is shown in a cross-sectional view so that the inside of the transistor can be seen.
In the process shown in FIG. 1, an element isolation oxide film 2 is formed in a predetermined region in the surface layer portion of a silicon substrate (semiconductor substrate) 1. The element isolation oxide film 2 is formed by, for example, the STI method (Shallow Trench Isolation method; shallow trench insulation method).

図2に示す工程では、シリコン基板1上にゲート絶縁膜3を形成し、その上にTiN膜4をCVD法により形成する。なお、ゲート絶縁膜3は、例えばHfO2(ハフニウム酸化膜)やHfSiON(ハフニウムシリコンオキサイド)、SiON(シリコンオキシナイトライド)である。 In the process shown in FIG. 2, the gate insulating film 3 is formed on the silicon substrate 1, and the TiN film 4 is formed thereon by the CVD method. The gate insulating film 3 is, for example, HfO 2 (hafnium oxide film), HfSiON (hafnium silicon oxide), or SiON (silicon oxynitride).

また、ゲート絶縁膜3上にCVD法によりTiN膜4を成膜するにあたり、CVD法によるTiN膜4の成膜は、例えばガスTiCl4とガスNH3とを用い、成膜温度は450℃以下とする。また、これらガスの成膜時における流量は、それぞれ1〜100sccm、1〜1000sccmの範囲とする。
なお、1sccmは、1.667×10-83/sに相当する。
Further, when the TiN film 4 is formed on the gate insulating film 3 by the CVD method, the TiN film 4 is formed by the CVD method using, for example, gas TiCl 4 and gas NH 3 and the film forming temperature is 450 ° C. or less. And The flow rates of these gases during film formation are in the range of 1 to 100 sccm and 1 to 1000 sccm, respectively.
1 sccm corresponds to 1.667 × 10 −8 m 3 / s.

なお、TiN膜4の成膜は、所望膜厚を一括により成膜しても良く、より薄い膜厚から所望膜厚まで段階的に成膜する分割成膜であっても良い。また、TiN膜4の成膜後にNH3雰囲気下で3秒間〜2分間の熱処理を施しても良い。さらに、分割成膜を行う場合、TiN膜4を成膜するステップと、NH3雰囲気下で3秒間〜2分間の熱処理を行うステップとを交互に繰り返して行うようにしても良い。
この熱処理について簡単に説明する。TiCl4ガスとNH3ガスとを用いてTiN膜を成膜すると、TiN膜中に塩素(Cl)が残留する。この残留塩素が多量に膜中に含まれていると、TiN膜の比抵抗が上昇したり、成膜後に大気に晒すとTiN膜が大気と反応して酸化されやすくなるという不具合が生じる。そこで、成膜後にNH3で熱処理することで、膜中の残留塩素を還元し低減させる必要がある。本願発明では、上述のようにTiN膜を成膜することにより、3秒間〜2分間程度の短時間のNH3熱処理により、十分な残留塩素の低減効果を得ることができる。さらに、TiN膜を分割成膜する場合、所望の膜厚で成膜した時点でNH3熱処理を施すことにより、十分な残留塩素の低減効果を短時間で発揮できる。
The TiN film 4 may be formed in a batch with a desired film thickness, or may be divided film formation in which the film is formed in steps from a thinner film thickness to a desired film thickness. In addition, after the TiN film 4 is formed, heat treatment may be performed for 3 seconds to 2 minutes in an NH 3 atmosphere. Furthermore, when performing the divided film formation, the step of forming the TiN film 4 and the step of performing the heat treatment for 3 seconds to 2 minutes in the NH 3 atmosphere may be alternately repeated.
This heat treatment will be briefly described. When a TiN film is formed using TiCl 4 gas and NH 3 gas, chlorine (Cl) remains in the TiN film. If the residual chlorine is contained in a large amount in the film, the specific resistance of the TiN film is increased, or if the TiN film is exposed to the air after film formation, the TiN film reacts with the air and is likely to be oxidized. Therefore, it is necessary to reduce and reduce residual chlorine in the film by heat treatment with NH 3 after the film formation. In the present invention, by forming the TiN film as described above, a sufficient residual chlorine reduction effect can be obtained by a short-time NH 3 heat treatment of about 3 seconds to 2 minutes. Furthermore, when the TiN film is dividedly formed, a sufficient residual chlorine reduction effect can be exhibited in a short time by performing NH 3 heat treatment at the time when the TiN film is formed with a desired film thickness.

図3に示す工程では、リソグラフィー及びエッチングの組み合わせにより、所望のパターンにTiN膜4をパターンニングする。この結果、パターンニングされたTiN膜4がゲート電極5に形成される。この後、ゲート電極5直下以外に形成されたゲート絶縁膜3を除去する。   In the process shown in FIG. 3, the TiN film 4 is patterned into a desired pattern by a combination of lithography and etching. As a result, a patterned TiN film 4 is formed on the gate electrode 5. Thereafter, the gate insulating film 3 formed other than immediately below the gate electrode 5 is removed.

図4に示す工程では、イオン注入法により第一の不純物拡散層6を形成する。この第一の不純物拡散層6の形成には、B又はBF2を、加速電圧が例えば1〜20keV、イオン注入量が例えば1×1013〜1×1014cm-2で注入する。 In the step shown in FIG. 4, the first impurity diffusion layer 6 is formed by ion implantation. In forming the first impurity diffusion layer 6, B or BF 2 is implanted at an acceleration voltage of, for example, 1 to 20 keV and an ion implantation amount of, for example, 1 × 10 13 to 1 × 10 14 cm −2 .

図5に示す工程では、ゲート電極5の周囲にシリコン窒化膜を堆積し、エッチバック法によりゲート電極5にサイドウォール7を形成する。この後、イオン注入法により、第二の不純物拡散層8を形成する。この第二の不純物拡散層8の形成には、B又はBF2を、加速電圧が5〜30keV、イオン注入量が例えば1×1015〜5×1015cm-2で注入する。 In the process shown in FIG. 5, a silicon nitride film is deposited around the gate electrode 5, and the sidewall 7 is formed on the gate electrode 5 by an etch back method. Thereafter, the second impurity diffusion layer 8 is formed by ion implantation. In forming the second impurity diffusion layer 8, B or BF 2 is implanted at an acceleration voltage of 5 to 30 keV and an ion implantation amount of, for example, 1 × 10 15 to 5 × 10 15 cm −2 .

そして、引き続き、RTA(Rapid Thermal Anneal;急速熱処理法)等により、例えば1000℃〜1100℃で10秒程の熱処理を施す。以降、周知の層間絶縁膜及びFETへと接続させる配線形成工程を経てデバイスが完成する。   Subsequently, for example, heat treatment is performed at 1000 ° C. to 1100 ° C. for about 10 seconds by RTA (Rapid Thermal Anneal). Thereafter, the device is completed through a wiring formation process for connecting to a known interlayer insulating film and FET.

図6は、MISキャパシタにおける容量−電圧(C−V;Capacitance-Voltage)特性を示すグラフである。図中の符号aを付した黒菱形のプロットをつないだ曲線は、CVD法により成膜したTiN膜を示しており、図中の符号bを付した黒四角形のプロットをつないだ曲線は、従来のスパッタ法により成膜したTiN膜を示している。   FIG. 6 is a graph showing capacitance-voltage (CV: Capacitance-Voltage) characteristics in the MIS capacitor. The curve connecting the black rhombus plots with the symbol a in the figure shows the TiN film formed by the CVD method, and the curve connecting the black square plots with the symbol b in the figure is the conventional curve. 2 shows a TiN film formed by the sputtering method.

スパッタ法によりTiN膜4を成膜した場合、C−V曲線bから見積もられるTiN膜4からなるゲート電極5の仕事関数は4.56eVである。この場合、仕事関数値がn型ポリシリコンとp型ポリシリコンとのほぼ真ん中に位置するため、n型、p型のどちらのMISFETにおいても性能向上は見込めない。   When the TiN film 4 is formed by the sputtering method, the work function of the gate electrode 5 made of the TiN film 4 estimated from the CV curve b is 4.56 eV. In this case, since the work function value is located almost in the middle between the n-type polysilicon and the p-type polysilicon, no improvement in performance can be expected in both the n-type and p-type MISFETs.

一方、CVD法によりTiN膜4を成膜した場合、スパッタ法で成膜した場合と比べてゲートバイアスが正の方向にシフトする。これは、C−V曲線aから見積もられるTiN膜4からなるゲート電極5の仕事関数がp型ポリシリコンの仕事関数に近づいてシフトしたことを現しており、その仕事関数は4.92eVである。これにより、CVD法により成膜したTiN膜からなるゲート電極5をp型MISFETに用いると、ゲート電極の空乏化を生じることがなく、閾値電圧を低減することができる。このため、デバイスの性能を向上させることができる。   On the other hand, when the TiN film 4 is formed by the CVD method, the gate bias is shifted in the positive direction as compared with the case where the TiN film 4 is formed by the sputtering method. This indicates that the work function of the gate electrode 5 made of the TiN film 4 estimated from the CV curve a has shifted toward the work function of p-type polysilicon, and the work function is 4.92 eV. . Accordingly, when the gate electrode 5 made of a TiN film formed by the CVD method is used for the p-type MISFET, the threshold voltage can be reduced without causing depletion of the gate electrode. For this reason, the performance of the device can be improved.

図7は、上記MISキャパシタにて測定した電流−電圧(I−V;Leakage Current Density-Voltage)曲線を示すグラフである。図中の符号cを付した黒四角形のプロットをつないだ曲線は、従来のスパッタ法により成膜したTiN膜を示しており、図中の符号dを付した黒菱形のプロットをつないだ曲線は、CVD法により成膜したTiN膜を示している。図7から明らかなように、CVD法によるTiN膜4からなるゲート電極5を用いたMISキャパシタは、スパッタ法により成膜した場合と比べてゲート絶縁膜3に対するダメージが小さく、ゲートリーク電流を抑制できていることがわかる。   FIG. 7 is a graph showing a current-voltage (IV) curve measured by the MIS capacitor. The curve connecting the black square plots with the symbol c in the figure shows a TiN film formed by the conventional sputtering method, and the curve connecting the black diamond plots with the symbol d in the figure is 2 shows a TiN film formed by a CVD method. As is clear from FIG. 7, the MIS capacitor using the gate electrode 5 made of the TiN film 4 by the CVD method has less damage to the gate insulating film 3 than the case where it is formed by the sputtering method, and suppresses the gate leakage current. You can see that it is made.

以上のように、この実施の形態1によれば、CVD法によりゲート電極としてのTiN膜4を形成するので、TiN膜4の成膜時におけるゲート絶縁膜3のダメージを、スパッタ法による成膜と比較して格段に抑制することができる。この結果、ゲート絶縁膜3の劣化が生じないため、ゲートリーク電流を抑制することができる。   As described above, according to the first embodiment, since the TiN film 4 as the gate electrode is formed by the CVD method, damage to the gate insulating film 3 at the time of forming the TiN film 4 is formed by the sputtering method. It can be significantly suppressed compared with. As a result, since the gate insulating film 3 is not deteriorated, the gate leakage current can be suppressed.

また、CVD法によりTiN膜4を形成することで、TiN膜4によるゲート電極の仕事関数を4.9〜5.0eVの範囲で制御することができ、p型MISFETの性能を向上させることができる。これにより、高性能のデバイスを提供することができる。   Further, by forming the TiN film 4 by the CVD method, the work function of the gate electrode by the TiN film 4 can be controlled in the range of 4.9 to 5.0 eV, and the performance of the p-type MISFET can be improved. it can. Thereby, a high-performance device can be provided.

実施の形態2.
本実施の形態2は、上記実施の形態1においてCVD法によるTiN膜の成膜後に水素雰囲気下で熱処理を施すことで、ゲート電極の仕事関数を制御するものである。
Embodiment 2. FIG.
In the second embodiment, the work function of the gate electrode is controlled by performing a heat treatment in a hydrogen atmosphere after the formation of the TiN film by the CVD method in the first embodiment.

図8は、この発明の実施の形態2による半導体装置製造における熱処理を説明する図である。図8に示す熱処理では、例えば水素のみあるいは水素と窒素の混合雰囲気での熱処理雰囲気で、例えば300℃〜800℃の熱処理温度、1分〜1時間の熱処理時間で実行される。また、この他、図9に示すように、上記実施の形態1で示した図5における第二の不純物拡散層8を形成した後に上述のような熱処理を施しても良い。   FIG. 8 is a diagram for explaining a heat treatment in manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The heat treatment shown in FIG. 8 is performed, for example, in a heat treatment atmosphere of hydrogen alone or a mixed atmosphere of hydrogen and nitrogen, for example, at a heat treatment temperature of 300 ° C. to 800 ° C. and a heat treatment time of 1 minute to 1 hour. In addition, as shown in FIG. 9, the heat treatment as described above may be performed after the second impurity diffusion layer 8 in FIG. 5 shown in the first embodiment is formed.

図10は、MISキャパシタにおける容量−電圧(C−V;Capacitance-Voltage)特性のグラフである。図中の符号eを付した黒四角形のプロットをつないだ曲線は、上記実施の形態1で示したCVD法によるTiN膜の形成後に水素雰囲気下で400℃、10分の熱処理を施した結果を示しており、図中の符号fを付した黒菱形のプロットをつないだ曲線は、上記熱処理を施さず、上記実施の形態1で示したCVD法によりTiN膜を成膜した結果を示している。   FIG. 10 is a graph of capacitance-voltage (CV: Capacitance-Voltage) characteristics in the MIS capacitor. The curve connecting the black square plots with the symbol e in the figure shows the result of heat treatment at 400 ° C. for 10 minutes in a hydrogen atmosphere after the formation of the TiN film by the CVD method shown in the first embodiment. The curve obtained by connecting the black rhombus plots with the symbol f in the figure shows the result of forming the TiN film by the CVD method shown in the first embodiment without performing the heat treatment. .

C−V曲線eは、上記実施の形態1で示したCVD法によるTiN膜4に対し、水素雰囲気下で400℃、10分の熱処理を施すことにより、C−V曲線fと比較して正の方向にシフトする。このときの仕事関数は5.03eVであり、さらにp型ポリシリコンの仕事関数に近づく。このため、さらなる性能向上を図ることができる。   The CV curve e is more positive than the CV curve f by performing a heat treatment at 400 ° C. for 10 minutes in a hydrogen atmosphere on the TiN film 4 formed by the CVD method shown in the first embodiment. Shift in the direction of. The work function at this time is 5.03 eV, which is closer to the work function of p-type polysilicon. For this reason, further performance improvement can be aimed at.

図11は、それぞれ、スパッタ法、CVD法、CVD法による成膜後に水素雰囲気下で熱処理を施したTiN膜電極の仕事関数を示す図である。このように、本実施の形態2による処理を施すことにより、従来のスパッタ法によるTiN膜よりも+0.47eVもの範囲でp型ポリシリコンと同等レベルまで制御することができる。   FIG. 11 is a diagram showing the work function of a TiN film electrode that has been heat-treated in a hydrogen atmosphere after film formation by sputtering, CVD, or CVD, respectively. As described above, by performing the processing according to the second embodiment, the level can be controlled to the same level as that of p-type polysilicon in the range of +0.47 eV as compared with the TiN film formed by the conventional sputtering method.

以上のように、この実施の形態2によれば、TiN膜4の成膜後に水素雰囲気下で熱処理することにより、図10に示すように、TiN膜4で形成されるゲート電極5の仕事関数が5.03eVまで上昇させることができる。この結果、p型ポリシリコンの仕事関数に更に近いゲート電極5を形成することができるため、さらなる閾値電極の低下による、デバイスの高性能化を実現することができる。   As described above, according to the second embodiment, the work function of the gate electrode 5 formed of the TiN film 4 is formed by performing heat treatment in a hydrogen atmosphere after the formation of the TiN film 4, as shown in FIG. Can be increased to 5.03 eV. As a result, the gate electrode 5 closer to the work function of p-type polysilicon can be formed, so that higher performance of the device can be realized by further lowering the threshold electrode.

なお、上記実施の形態2による処理を施すことにより、上記実施の形態1と比較して1工程増加することになるが、さらなる性能向上を実現することができ、要求されるデバイス仕様に合わせて、本実施の形態2に示すプロセスの採用を選択できる。   In addition, by performing the process according to the second embodiment, the number of steps is increased as compared with the first embodiment. However, further performance improvement can be realized, and the required device specifications are matched. The adoption of the process shown in the second embodiment can be selected.

実施の形態3.
本実施の形態3は、上記実施の形態1で示した図2の製造工程でTiN膜を成膜する際に成膜温度を350℃とし、所望の膜厚を分割成膜により形成するものである。
Embodiment 3 FIG.
In the third embodiment, when forming the TiN film in the manufacturing process of FIG. 2 shown in the first embodiment, the film forming temperature is set to 350 ° C., and the desired film thickness is formed by divided film formation. is there.

図12は、本実施の形態3によるTiN成膜工程で成膜温度を450℃及び350℃とした場合におけるTiN膜のストレスを測定した結果を示すグラフである。図12に示すように、TiN成膜温度を350℃と低温化することにより、TiN膜のストレスはほぼ0MPaと劇的に小さくなる。また、成膜温度を350℃と低温化しても分割成膜を用いているため、膜のシート抵抗の上昇を抑制することができる。   FIG. 12 is a graph showing the results of measuring the stress of the TiN film when the film forming temperature is 450 ° C. and 350 ° C. in the TiN film forming process according to the third embodiment. As shown in FIG. 12, when the TiN film formation temperature is lowered to 350 ° C., the stress of the TiN film is dramatically reduced to almost 0 MPa. Further, even when the film formation temperature is lowered to 350 ° C., the divided film formation is used, so that an increase in sheet resistance of the film can be suppressed.

図13は、MISキャパシタにおける電流−電圧(I−V)特性を示すグラフであり、図中の符号gを付した黒四角形のプロットをつないだ曲線は、成膜温度を450℃とした場合の結果を示しており、図中の符号hを付した黒菱形のプロットをつないだ曲線は、成膜温度を350℃とした場合の結果を示している。   FIG. 13 is a graph showing the current-voltage (IV) characteristics in the MIS capacitor. The curve connecting the black square plots with the symbol g in the figure shows the case where the film forming temperature is 450 ° C. The results show the results, and the curve connecting the black rhombus plots with the symbol h in the figure shows the results when the film forming temperature is 350 ° C.

上記2条件の成膜温度により形成したMISキャパシタを比較すると、350℃の条件でゲートリーク電流の低減効果がみられた。なお、このような低ストレスの膜が得られるのは、特に350℃以下で顕著である。このように、本実施の形態3による処理を施すことにより、低ストレスな膜が得られ、ゲートリーク電流を抑制することができる。これにより、デバイス性能の向上を実現することができる。   When comparing the MIS capacitors formed at the film forming temperatures under the above two conditions, the effect of reducing the gate leakage current was observed under the conditions of 350 ° C. Note that such a low-stress film can be obtained particularly at 350 ° C. or lower. As described above, by performing the processing according to the third embodiment, a low-stress film can be obtained and the gate leakage current can be suppressed. Thereby, the improvement of device performance is realizable.

以上のように、この実施の形態3によれば、低温で分割成膜した低ストレスのTiN膜をゲート電極5として用いるので、仕事関数をp型ポリシリコンと同等レベルに制御することが可能となり、且つ膜ストレスを劇的に低減することができる。これにより、p型MISFETにおいて閾値電圧の制御及びゲートリーク電流の抑制が可能となるため、高性能デバイスを得ることができる。   As described above, according to the third embodiment, the work function can be controlled to the same level as that of p-type polysilicon because the low-stress TiN film divided and formed at a low temperature is used as the gate electrode 5. In addition, membrane stress can be dramatically reduced. As a result, the threshold voltage can be controlled and the gate leakage current can be suppressed in the p-type MISFET, so that a high-performance device can be obtained.

この発明の実施の形態1による半導体装置の製造方法の各工程における構成を示す図である。It is a figure which shows the structure in each process of the manufacturing method of the semiconductor device by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1による半導体装置の製造方法の各工程における構成を示す図である。It is a figure which shows the structure in each process of the manufacturing method of the semiconductor device by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1による半導体装置の製造方法の各工程における構成を示す図である。It is a figure which shows the structure in each process of the manufacturing method of the semiconductor device by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1による半導体装置の製造方法の各工程における構成を示す図である。It is a figure which shows the structure in each process of the manufacturing method of the semiconductor device by Embodiment 1 of this invention. この発明の実施の形態1による半導体装置の製造方法の各工程における構成を示す図である。It is a figure which shows the structure in each process of the manufacturing method of the semiconductor device by Embodiment 1 of this invention. MISキャパシタにおけるC−V特性を示すグラフである。It is a graph which shows the CV characteristic in a MIS capacitor. MISキャパシタにて測定したI−V特性を示すグラフである。It is a graph which shows the IV characteristic measured with the MIS capacitor. この発明の実施の形態2による半導体装置製造における熱処理を説明する図である。It is a figure explaining the heat processing in the semiconductor device manufacture by Embodiment 2 of this invention. 実施の形態2による半導体装置製造における他の熱処理を説明する図である。It is a figure explaining the other heat processing in the semiconductor device manufacture by Embodiment 2. FIG. MISキャパシタにおけるC−V特性のグラフである。It is a graph of the CV characteristic in a MIS capacitor. スパッタ法、CVD法、CVD法による成膜後に水素雰囲気下で熱処理を施したTiN膜電極の仕事関数を示す図である。It is a figure which shows the work function of the TiN film | membrane electrode which heat-processed in the hydrogen atmosphere after film-forming by sputtering method, CVD method, and CVD method. この発明の実施の形態3によるTiN成膜で形成したTiN膜のストレスの測定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the stress of the TiN film | membrane formed by TiN film-forming by Embodiment 3 of this invention. MISキャパシタにおけるI−V特性を示すグラフである。It is a graph which shows the IV characteristic in a MIS capacitor.

符号の説明Explanation of symbols

1 シリコン基板(半導体基板)、2 分離酸化膜、3 ゲート絶縁膜、4 窒化チタン膜、5 ゲート電極、6 第一の不純物拡散層、7 サイドウォール、8 第二の不純物拡散層。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate (semiconductor substrate), 2 isolation oxide film, 3 gate insulating film, 4 titanium nitride film, 5 gate electrode, 6 1st impurity diffused layer, 7 side wall, 8 2nd impurity diffused layer.

Claims (8)

半導体基板上にゲート絶縁膜を形成するステップと、前記ゲート絶縁膜上に450℃以下の温度でCVD法により窒化チタン膜を形成するステップと、前記窒化チタン膜をエッチングしてゲート電極を形成するステップとを備えた半導体装置の製造方法。   Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate; forming a titanium nitride film on the gate insulating film by a CVD method at a temperature of 450 ° C. or less; and etching the titanium nitride film to form a gate electrode. And a method of manufacturing a semiconductor device. 窒化チタン膜は、CVD法において、TiCl4ガスとNH3ガスを用い、これらガスの成膜時における流量をそれぞれ1〜100sccm、1〜1000sccmの範囲で形成することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 2. The titanium nitride film is formed by using TiCl 4 gas and NH 3 gas in a CVD method, and forming the flow rates of these gases in the range of 1 to 100 sccm and 1 to 1000 sccm, respectively. Semiconductor device manufacturing method. 窒化チタン膜の形成後にNH3雰囲気下で3秒間〜2分間の熱処理を施すステップを備えたことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の半導体装置の製造方法。 3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of performing a heat treatment for 3 seconds to 2 minutes in an NH3 atmosphere after forming the titanium nitride film. 所望の膜厚まで一括に成膜する一括成膜、若しくは、より薄い膜厚から前記所望膜厚まで段階的に成膜する分割成膜により窒化チタン膜を形成することを特徴とする請求項1から請求項3のうちのいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。   2. The titanium nitride film is formed by batch film formation up to a desired film thickness, or division film formation in a stepwise manner from a thinner film thickness to the desired film thickness. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 分割成膜は、窒化チタン膜を成膜するステップと、NH3雰囲気下で3秒間〜2分間の熱処理を行うステップとを交互に繰り返して行うことを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。 5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the divisional film formation is performed by alternately repeating a step of forming a titanium nitride film and a step of performing a heat treatment for 3 seconds to 2 minutes in an NH 3 atmosphere. Production method. 350℃以下の温度で分割成膜を行うことを特徴とする請求項4又は請求項5記載の半導体装置の製造方法。   6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the divisional film formation is performed at a temperature of 350 [deg.] C. or less. 窒化チタン膜の形成後に水素雰囲気下で300℃以上の温度による熱処理を施すステップを備えたことを特徴とする請求項1から請求項6のうちのいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of performing a heat treatment at a temperature of 300 ° C. or higher in a hydrogen atmosphere after the formation of the titanium nitride film. 窒化チタン膜をエッチングしてゲート電極を形成した後に水素雰囲気下で300℃以上の温度による熱処理を施すステップを備えたことを特徴とする請求項1から請求項6のうちのいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
7. The method according to claim 1, further comprising a step of performing a heat treatment at a temperature of 300 ° C. or higher in a hydrogen atmosphere after the titanium nitride film is etched to form a gate electrode. Semiconductor device manufacturing method.
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