JP2006261235A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 MISトランジスタのゲート電極として金属材料を用い、且つ必要とするデバイスに応じた仕事関数を簡易に実現する。
【解決手段】 半導体基板上にp型MISトランジスタが形成された半導体装置であって、MISトランジスタのゲート電極は、Ta,V,Nbの何れかとGeを含有している。
【選択図】 図1
【解決手段】 半導体基板上にp型MISトランジスタが形成された半導体装置であって、MISトランジスタのゲート電極は、Ta,V,Nbの何れかとGeを含有している。
【選択図】 図1
Description
本発明は、MIS(Metal Insulator Semiconductor)構造のトランジスタを有する半導体装置に係わり、特にMISトランジスタのゲート電極に金属材料を用いた半導体装置に関する。
シリコン集積回路素子の高機能化には、その構成要素であるMOSデバイスの高性能化が必要である。素子の高性能化は基本的には比例縮小則により行われてきたが、近年、種々の物性的限界により素子の極微細化による高性能化、及び素子そのものの動作が困難な状況になりつつある。
その一つとして、多結晶Siゲート電極の空乏化により、ゲート絶縁膜の電気的絶縁膜厚の薄膜化が阻害される問題がある。MOSデバイスの高性能化は、比例縮小測に従いゲート絶縁膜の薄膜化により達成されてきたが、多結晶Siゲート電極の空乏化と反転層容量の存在によって、次第に困難になってきている。ゲート酸化膜厚が1nmを切る技術世代では、酸化膜容量に対して多結晶Siゲート電極の空乏化容量は30%程度に達してしまう。
空乏化容量の低減は、多結晶Siゲート電極を金属ゲート電極で置き換えることで実現可能である。その場合、適正なトランジスタの閾値電圧を得るために、導電型により異なる仕事関数を有する金属電極が必要となる。それぞれの導電型のゲート電極として好ましい多結晶Siと同程度の仕事関数を有する金属材料が報告されている(例えば、非特許文献1,2参照)。しかし、それらを構成する元素は導電型により全く異なり、製造工程の煩雑化の発生による高コスト化が免れない状況にある。
S.B.Samavedam et al., Mat.Res.Soc.Symp.Proc. Vol.716 (2002) 85. C.H.Huang et al. Int.Electron.Devices Meet. 2003,p.319
S.B.Samavedam et al., Mat.Res.Soc.Symp.Proc. Vol.716 (2002) 85. C.H.Huang et al. Int.Electron.Devices Meet. 2003,p.319
このように、多結晶Siゲート電極の空乏化によるゲート容量低下によるデバイス性能低下の観点から、電子密度が多結晶Siよりも2桁程度大きな金属電極を、ゲート電極若しくはゲート電極/ゲート絶縁膜界面に用いることが望まれる。その場合、トランジスタの閾値電圧を適正なものとするため、n型及びp型で異なる仕事関数を有する金属ゲート電極材料が必要となる。また、その必要とされる仕事関数もトランジスタの用途、例えば高速論理回路用デバイスであるか、低消費電力用デバイスであるかで大きく異なり、かつデバイスの構造にも依存する。しかし、金属の仕事関数は、その材料固有の一意的な値に決まってしまうため、n型及びp型で異なる材料を用いなければならず、これが製造プロセスの複雑化・高コスト化を招く要因となっている。
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、MISトランジスタのゲート電極として金属材料を用い、且つ必要とするデバイスに応じた仕事関数を簡易に実現することができる半導体装置を提供することにある。
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
即ち、本発明の一態様は、半導体基板上にp型MISトランジスタが形成された半導体装置であって、前記MISトランジスタのゲート電極は、Ta,V,Nbの何れかとGeを含有していることを特徴とする。
また、本発明の別の一態様は、半導体基板上にp型MISトランジスタとn型MISトランジスタが形成された相補型の半導体装置であって、少なくとも前記p型MISトランジスタのゲート電極は、Ta,V,Nbの何れかとGeを含有していることを特徴とする。
本発明によれば、p型MISトランジスタのゲート電極として、Ta,V,Nbの何れかとGeを含有する金属材料を用いることにより、ゲート電極の仕事関数をデバイス及びその用途に必要な値に簡易に設定することができる。従って、金属ゲート電極の導入によるデバイスの高性能化に寄与することができる。
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す断面図である。
図1は、本発明の第1の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す断面図である。
p型Si基板10の表面部に、p型不純物領域(p型ウェル)201とn型不純物領域(n型ウェル)301が、Si酸化膜(素子分離絶縁膜)11により分離して形成されている。p型ウェル201の上にはゲート絶縁膜202が形成され、n型ウェル301の上にはゲート絶縁膜302が形成されている。これらのゲート絶縁膜202,302は、双方とも通常のSi熱酸化膜であり、2nm以下が望ましい。ゲート絶縁膜202の上にはゲート電極203が形成され、ゲート絶縁膜302の上にはゲート電極303が形成されている。ゲート電極203,303は、Ta(タンタル)−Ge(ゲルマニウム)化合物であるTaジャーマナイドから形成されている。
なお、ゲート絶縁膜202とゲート電極203から成るゲート構造部のソース・ドレイン間の長さ(ゲート長)は50nm以下が好ましい。同様に、ゲート絶縁膜302とゲート電極303から成るゲート構造部のソース・ドレイン間の長さ(ゲート長)も50nm以下が好ましい。
p型ウェル201上には、ゲート絶縁膜202を挟むように、n型高濃度不純物領域204からなるソース領域とドレイン領域が形成されている。また、ソース・ドレイン領域204の上部には、コンタクト電極であるNiシリサイド層205が形成されている。こうして、p型ウェル201にn型MOSトランジスタ200が作製されている。一方、n型ウェル301上には、ゲート絶縁膜302を挟むようにp型高濃度不純物領域304からなるソース領域とドレイン領域が形成され、ソース・ドレイン領域304の上部にはコンタクト材であるNiシリサイド層305が形成されている。こうして、n型ウェル301にp型MOSトランジスタ300が作製されている。なお、図中の206,306は側壁絶縁膜を示している。
図5に、本実施形態のTaジャーマナイドのゲートリーク電流特性を、Niジャーマナイドと比較して示す。Taジャーマナイドを用いることで、Niジャーマナイドに比較しゲートリーク電流を4桁程度改善できる。Niジャーマナイドでのリーク電流は電極からの原子拡散が原因である。このことは、TaジャーマナイドがNiジャーマナイドに比較し絶縁膜上で安定であることを示す。つまり、Taジャーマナイドをゲート電極に用いることで、電極中からの原子拡散が抑制され、それに起因するデバイス特性劣化、例えば電子及び正孔移動度の低下やデバイスの信頼性低下が抑制できる。このため、高性能で高信頼性のC−MOSデバイスが形成できる。用いる金属としてTaと同属元素であり化学的性質が類似しているV及びNbを用いても良い。
また、n型とp型のMOSトランジスタ200,300を相補的に動作させるC−MOSデバイスを構成する場合には、特に以下に述べるような簡便な方法で多品種のLSIが製造することができる。
本実施形態では、n型とp型のMOSトランジスタ200,300は相補的に働き、これらでC−MOSデバイスが構成される。本実施形態では、n型とp型のMOSトランジスタ200,300で同一のTaジャーマナイドのゲート電極を有している。詳細は後述する製造方法(図22)で述べるが、低温の熱処理(500℃以下)により形成したTaジャーマナイドの実効仕事関数(Φeff)は4.6±0.1eVである。実効仕事関数とは、MOSキャパシタの電極/絶縁膜界面での仕事関数であり、一般的にMOSキャパシタの容量−電圧特性、又は電流−電圧特性から求めることができる。物質表面における真空に対する真空仕事関数と区別し、ここでは実効仕事関数と記述する。
トランジスタの閾値電圧は、このゲート電極のΦeff 及びチャネル中の不純物濃度で制御することができる。50nmのゲート長を有する技術世代のトランジスタでは、短チャネル効果を抑制するために、チャネル中の不純物分布は厳密に制御する必要がある。このため、トランジスタ閾値調整はゲート電極のΦeff で行うことが望ましい。また、その世代(50nmのゲート長を有する技術世代)になると、図2に示すように、サーバー用LSIなどに用いる低閾値電圧の高速トランジスタ(HP)、PCなどのLSIに用いる低消費電力トランジスタ(LOP)、及び主にモバイル機器に用いるLSI用の低待機電力トランジスタ(LSTP)により、トランジスタの動作閾値電圧が異なるのに合わせて異なるΦeff が必要となる。
通常のSi基板上にトランジスタを形成した場合に必要となる実効仕事関数は、具体的には、HP用ではnMOSで4.1〜4.3eV、pMOSで4.9〜5.1eV、LOP用ではnMOSで4.2〜4.4eV、pMOSで4.7〜4.9eV、LSTP用ではnMOSで4.4〜4.6eV、pMOSで4.6〜4.8eVのΦeff が必要である。以上の範囲を全て含むように、Si禁制帯端の4eV及び5eVとSiのミッドギャップ付近の範囲でのΦeff 制御技術及びその材料が求められる。
図3に、Taジャーマナイドをゲート電極に有するMOSキャパシタの酸化膜厚−電圧特性から求めた実効仕事関数と形成温度との関係を示す。TaジャーマナイドはGeとTaを連続成膜し、その後の熱処理により固相反応を用いて形成した。TaとGeの膜厚比は1:2であった。TaジャーマナイドのΦeff は形成温度で簡単に制御でき、低温で形成した場合には、Φeff =4.6±0.1eVの実効仕事関数を有する。一方、400℃程度の以上の熱処理で形成するとその実効仕事関数は、5.1±0.1eVに変化する。
これは、図4のXRD分析(θ−2θ法)の結果から、Taジャーマナイドの結晶性の差異によるためであることが分かる。低温(400℃)で形成した場合には、絶縁膜に対してTaGe2 が強い配向を持って形成しており、絶縁膜に対してTaGe2 (102)面が接するように配向していることが分かる。比較的原子面密度の小さな面がゲート絶縁膜に接しているためにΦeff は比較的低い値を示す。一方、高温(600℃以上)で形成した場合には、その配向性がくずれTaGe2 のみならずTa5 Ge3 も形成され、配向の無い微結晶粒となることで実効仕事関数が上昇している。
つまり、1種類の材料であるTaジャーマナイドを用いて、その形成温度を制御するのみで、SiのミッドギャップからSi価電子帯までのΦeff を容易に実現することができる。詳しくは製造方法で述べるが、この効果によりC−MOSの製造工程が大幅に簡略化できる。また、ジャーマナイドはシリサイドと同様にGe中でドーパントとなる不純物元素(B,As,P,Sb,S,Al,In)を界面に導入することにより、Φeff の変調が可能である。但し、シリサイドと異なりBを導入してもΦeff は小さくなり、その最大変調幅は4eVである。不純物によるΦeff 変調は界面に偏析した不純物の量で決まり、ジャーマナイド層の配向性によるΦeff 変調とは異なるメカニズムであり、それぞれ独立な効果であるので、併用することが可能である。よって、図2に示す範囲でΦeff 変調幅を広げることが可能である。
図1の実施形態では、ゲート電極は導電型によらず、(102)配向したTaGe2 で構成されている。このことにより、LSTP用のトランジスタとして適正な閾値を有するC−MOSデバイスが形成できている。
図6は、第1の実施形態の変形例の概略構成を示す断面図である。基本的な構成は図1と同様であるが、n型MOSトランジスタ側のゲート電極213とp型MOSトランジスタ側のゲート電極313の構成材料が異なっている。即ち、ゲート電極213,313を成すTaジャーマナイド中に窒素(N)が添加されている。
窒素は、Taとの電気陰性度差が大きいことから、強い結合を形成し、これによりTaジャーマナイドの熱安定性が改善される。この場合、1050℃程度の熱処理後にも、その電極構造は安定に保つことが可能であるので、現状の多結晶Si電極と全く同じ製造プロセスがそのまま適用できる。つまり、ゲート電極の形成後にソース及びドレインの活性化を行なう従来の製造手順を用いることが可能である。また、窒素添加することによる電極の結晶粒の微結晶粒化により、結晶表面の影響による単位面積当たりのΦeff ばらつきが小さくなり、トランジスタの閾値制御がより容易になる。但し、窒素添加に伴う電極の非結晶化により電気抵抗の増大が生じるので、窒素添加量は50%以下が望ましい。ここで、組成に関して[%]と記しているのは、[原子(atom)%]を意味するものとする。また、以後の実施形態及びその変形例においても、特に言及しないが窒素添加は同様の効果を有し、無論有効である。
図7は、第1の実施形態の別の変形例の概略構成を示す断面図であり、Ge基板110に図1の電極構造を適用したものである。即ち、p型Ge基板110中に、p型不純物領域(p型ウェル)211とn型不純物領域(n型ウェル)311が、素子分離絶縁膜111により分離して形成されている。そして、前記図1と同様の(102)配向したTaジャーマナイドをゲート電極203,303に用いたn型とp型のMOSトランジスタが形成されて、C−MOSデバイスを構成している。なお、素子分離絶縁膜111はGeONである。
図7の変形例の場合には、トランジスタ製造における熱処理がGe活性化温度(500℃程度)まで低減でき、ゲート電極を構成するTaジャーマナイドとのプロセスの整合性も良い。このため、前記図1に示す構造よりもその製造工程は更に簡略化できる。
なお、本実施形態では、ソース・ドレイン部の拡散層上部のコンタクト材料にNiシリサイドを用いているが、金属的な性質を示すV,Cr,Mn,Y,Mo,Ru,Rh,Hf,Ta,W,Ir,Co,Ti,Er,Pt,Pd,Zr,Gd,Dy,Ho,Er等の種々のシリサイドを用いてもよい。以下の実施形態でも、Niシリサイドをコンタクト材料に用いているが、特に断わらない限り種々のシリサイドに置き換えることは無論有効である。各デバイスの技術世代に必要とされるコンタクト抵抗率、接合深さに適切な金属を選べばよい。
また、本実施形態ではゲート絶縁膜202,302としてSi酸化膜を用いているが、Si酸化膜よりも誘電率が高い絶縁膜材料(高誘電体絶縁膜)を用いることもできる。例えば、Si3 N4 ,Al2 O3 ,Ta2 O5 ,TiO2 ,La2 O5 ,CeO2 ,ZrO2 ,HfO2 ,SrTiO3 ,Pr2 O3 等を用いることができる。また、ZrシリケートやHfシリケートのように、Si酸化物に金属イオンを混ぜた材料も有効であるし、それらの材料を組み合わせたものでもよい。各世代のトランジスタで必要な材料を適宜選択して用いればよい。以下の実施形態でも、ゲート絶縁膜としてSi酸化膜を使っているが、特に断らない限り、高誘電体絶縁膜に置き換えることは無論有効である。
このように本実施形態によれば、ゲート電極としてTaジャーマナイドを用いることにより、デバイス及びその用途に必要な実効仕事関数Φeff を簡易に実現することができる。また、Taジャーマナイドに窒素を添加することにより、Taジャーマナイドの熱安定性の向上、微粒子化によるΦeff の均一性向上を実現することができ、これにより素子の高信頼化及び高性能化をはかることができる。
以下の実施例では、n型とp型のMOSトランジスタを相補的に動作させる、C−MOSデバイスを構成する場合についてのみ言及するが、図3に示したTaジャーマナイドの熱的安定性の効果からいずれの実施例の場合も、C−MOSを構成しない場合においても、デバイスの高性能化及び高信頼性化が達成できる。
(第2の実施形態)
図8は、本発明の第2の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
図8は、本発明の第2の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
本実施形態では、p型Si基板10上にSi酸化膜(埋め込み絶縁膜)12が形成され、その上にMOSトランジスタの活性領域となる単結晶Si層13が形成され、SOI(Silicon-On-Insulator)構造を成している。活性領域となる単結晶Si層13は5〜10nm程度が望ましい。このSOI基板に、前記図1と同様の(102)配向したTaジャーマナイドをゲート電極203,303に用いたn型とp型のMOSトランジスタが形成されて、C−MOSデバイス(SOIデバイス)を構成している。
本実施形態では、チャネル部は全て空乏化しており、いわゆる完全空乏型SOI−MOSトランジスタである。完全空乏型デバイスの場合にはチャンネル部の不純物濃度が低く、その閾値調整をチャネル部の不純物濃度で制御することが困難である。しかも、高不純物濃度のポリSiゲート電極では閾値電圧が負になってしまい素子の閾値制御ができない。故に、ゲート電極でのΦeff による閾値調整は通常のSi基板上に形成したトランジスタ(バルクデバイス)よりも更に必要となる。完全空乏型デバイスで必要となるゲート電極の実効仕事関数Φeff は、HP用においてnMOSで4.4〜4.6eV、pMOSで4.6〜4.8eV、LOP用ではnMOS及びpMOS共に、4.5〜4.7eV、LSTP用ではnMOSで4.7〜4.9eV、pMOSで4.3〜4.5eVとなり、バルクデバイスでそれぞれのデバイス用途で必要となるものとは異なる。
図8のゲート電極203,303は、LOP用のSOIデバイスとして必要とされる閾値電圧を有する。SOI基板を用いている場合もバルクデバイスの場合と同様の効果により、TaGex (0<x<3)のC−MOSの製造工程が大幅に簡略化できる。
図9は、第2の実施形態の変形例の概略構成を示す断面図である。本変形例は、図8に示したゲート電極形状をショットキーMOSトランジスタに適用したものである。ショットキーMOSトランジスタとは、ソース・ドレイン拡散層部を金属層に置き換えた構造である。即ち、図8のn型高濃度不純物領域204が金属層215に、p型高濃度不純物領域304が金属層315に置き換わっている。
この場合の金属層としては、n型MOSトランジスタでは電子に対してショットキー障壁高さが低いErを代表とする希土類金属及びその珪化物層を用いてもよい。また、p型MOSトランジスタに関しては、Pt珪化物などの貴金属珪化物が正孔に対してのショットキー障壁が低く、有効である。また、珪化物化反応時の雪かき現象を利用し金属/Si界面にPやAs,Bを高濃度に偏析させた偏析ショットキー構造を用いて、実効的にショットキー障壁を小さくしてもよい。各世代で必要とされるソース・ドレイン及びコンタクト構造を用いればよい。
ゲート電極構造に関しては、第1の実施形態と同じであり、それによる効果も同様である。本実施形態のゲート電極構造を逸脱しない限り、トランジスタの他要素に関してはデバイスの使用目的及び技術世代に応じて、最適な構造を用いればよい。
図9の変形例では、ソース・ドレインと基板との接合リーク電流の抑制のために、SOI構造を用いている。デバイス形状に関しても、SOIに代表される完全空乏型トランジスタや、FiN−FETに代表される3次元デバイスに用いても、無論有効である。
図10は、第2の実施形態の別の変形例の概略構成を示す断面図である。本変形例は、SOI基板の代わりにGOI(Germanium-On-Insulator)基板を用いたものであり、GOI基板に第1の実施形態の電極構造を適用したものである。
即ち、p型Si基板10上にSi酸化膜(埋め込み絶縁膜)12が形成され、その上にMOSトランジスタの活性領域となる単結晶Ge層113が形成され、GOI構造を成している。活性領域となる単結晶Ge層113は5〜10nm程度が望ましい。このGOI基板に、前記図1と同様の(102)配向したTaジャーマナイドをゲート電極203,303に用いたn型とp型のMOSトランジスタが形成されて、C−MOSデバイス(SOIデバイス)を構成している。なお、素子分離絶縁膜111はGeONである。
図10の変形例の場合には、トランジスタ製造における熱処理がGe活性化温度(500℃程度)まで低減でき、ゲート電極を構成するTaジャーマナイドとのプロセスの整合性も良い。このため、前記図8の構造よりもその製造工程は更に簡略化できる。
(第3の実施形態)
図11は、本発明の第3の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
図11は、本発明の第3の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
本実施形態が図1の実施形態と異なる点は、ゲート電極の構造にあり、それ以外の点は図1の構造と基本的に同様である。
図1の実施形態と同様に、p型Si基板10の表面部に、p型ウェル201とn型ウェル301が形成され、各々のウェル201,ウェル301の上部にゲート絶縁膜202,302がそれぞれ形成されている。
ゲート絶縁膜202の上にはゲート電極223が形成され、ゲート絶縁膜302の上にはゲート電極323が形成されている。ゲート電極223,323は2層構造から成っており、ゲート絶縁膜202,302と接する下層223a,323aは、TaジャーマノシリサイドTa(SiGe)、又はTaジャーマナイドであり、その中に含有されるGe比率はSiに対して80%以上である。また、上層223b,323bはTaシリサイド、又はSiに対するGe組成が50%以下のTaジャーマノシリサイド層である。
本実施形態では、n型とp型のMOSトランジスタ共にゲート絶縁膜界面のゲート電極223a,323aは、TaジャーマノシリサイドTa(SiGe)(Ge>80%)、又はTaジャーマナイドであり、それらは(102)配向したTaGe2 である。デバイスに与える効果は第1の実施形態と同様の効果であり、LSTP用トランジスタとして最適なデバイス構造である。また、Ta(SiGe)2 において、Ge組成が50%前後で600℃以上の熱工程が加わり配向性がなければ、Ge組成によりTaSi2 (4.2eV)からTaGe2 (5.0eV)のΦeff が変調可能となる。第1の実施形態で説明したの効果と合わせることで、更にΦeff の変調幅は大きくなり、適用できるデバイス及びその閾値電圧の範囲が大きく広がる。
図12は、第3の実施形態の変形例の概略構成を示す断面図であり、SOIデバイスに本実施形態のゲート電極構造を適用したものである。その効果は、第3の実施形態と同様である。この構造は、LOP用のトランジスタとして適切なデバイス構造である。
(第4の実施形態)
図13は、本発明の第4の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
図13は、本発明の第4の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
本実施形態が図1の実施形態と異なる点は、ゲート電極の材料にあり、それ以外の点は図1の構造と基本的に同様である。
p型ウェル201上に形成されたゲート電極233はTaシリサイドである。一方、n型ウェル301上に形成されたゲート電極383は、600℃以上の熱工程を経て形成された配向性を持たないTaジャーマナイドである。
本実施形態では、n型とp型の各MOSトランジスタで異なるゲート電極(Taシリサイド及びTaジャーマナイド)を有している。本実施形態では、Taシリサイド及びTaジャーマナイドのΦeff はそれぞれ、4.2eV及び5.1eVであり、第1の実施形態で述べたように、これはHP用のデバイスに必要となるΦeff である。
本実施形態の構成をとることで、第1の実施形態と同様に、トランジスタの高性能化及び高信頼性化の効果を有し、LSIの高性能化及び高信頼性化が達成できる。また、第1の実施形態と同様に、不純物をゲート電極/ゲート絶縁膜界面に導入することで、図2の矢印の範囲でΦeff を変調することができ、LOP用のデバイスに必要なΦeff も実現できる。
図14は、本実施形態の変形例の概略構成を示す断面図である。図13の構造と同様に、ゲート電極としてTaジャーマナイド又はTaシリサイドを有し、かつ少なくとも一方の導電型のゲート電極中に窒素が1%以上含有されている。例えば、pウェル201上のゲート電極243はTaSix Ny 、nウェル301上のゲート電極313はTaGex Ny となっている(0<y<0.5)。また、基板としてはSOI基板を用いている。本変形例では、N添加することによる電極の結晶粒の微結晶粒化により、結晶表面の影響による単位面積当たりのΦeff ばらつきが小さくなり、トランジスタの閾値制御がより容易になる。また、N添加によりゲート電極の耐熱性が向上し、現行の多結晶Si電極と同じ製造工程で形成可能となり、製造コスト及び開発コストの削減に繋がる。
図15は、第4の実施形態の別の変形例の概略構成を示す断面図であり、第4の実施形態の電極構造をSOIデバイスに適用し、かつBを添加したものである。即ち、ゲート電極としてのTaシリサイド及びTaジャーマナイド中及びゲート絶縁膜との界面にボロン(B)が添加されている。例えば、pウェル201上のゲート電極253はB添加のTaシリサイドであり、nウェル301上のゲート電極363はB添加のTaジャーマナイドとなっている。これにより、それぞれのΦeff はTaGex :4.8eV、TaSi:4.4eVとなり、高速動作(HP)用トランジスタとして閾値電圧が得られる。
また、図16は、図15のゲート電極をp型とn型で入れ替えたものである。即ち、pウェル201上のゲート電極263はB添加のTaジャーマナイドであり、nウェル301上のゲート電極353はB添加のTaシリサイドとなっている。このように、ゲート電極の材料を導電型で入れ替えるだけで、LSTP用のトランジスタも形成できる。SOI構造の場合にもN添加による効果は同様であり、上記変形例の組み合わせも、無論有効である。
(第5の実施形態)
図17は、本発明の第5の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
図17は、本発明の第5の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
本実施形態が図1の実施形態と異なる点は、ゲート電極の構造にあり、それ以外の点は図1の構造と基本的に同様である。
pウェル201上に形成されたゲート電極233はTaシリサイドである。一方、nウェル301上に形成されたゲート電極373は、2層構造から成っている。ゲート電極373のゲート絶縁膜302と接する下層373aは、TaジャーマノシリサイドTa(SiGe)、又はTaジャーマナイドであり、その中に含有されるGe比率はSiに対して80%以上である。また、上層373bは、Taシリサイド、又はSiに対するGe組成が50%以下のTaジャーマノシリサイド層である。
本実施形態では、ゲート電極のゲート絶縁膜界面に接している部分の物質は、p型MOSトランジスタでTaジャーマナイド又はTaジャーマノシリサイド(Ge>80%)であり、n型MOSトランジスタではTaシリサイドであり、前記図13に示した第4の実施形態と実質的に同様である。従って、図13の構造のトランジスタと同様の閾値電圧が必要とされるデバイスに適用可能であり、その効果も第4の実施形態と同様である。詳細は、後述する製造方法の説明で述べるが、本実施形態は、図13の実施形態に比べて製造方法が簡単にできることから、開発コストの更なる削減に繋がり、より好ましい構造である。
図18及び図19は、図17の実施形態の変形例の概略構成を示す断面図である。図18は、図17の実施形態をSOI基板に適用したものである。図18の構造では、高速動作(HP)用トランジスタとして閾値電圧が得られる。図19は、図18のゲート電極を導電型で入れ替えたものである。即ち、pウェル201上に形成されたゲート電極273は、Taジャーマノシリサイド(Ge≧80%)又はTaジャーマナイドからなる下層273aと、Taシリサイド又はTaジャーマノシリサイド(Ge≦50%)からなる上層273bの2層構造から成っている。nウェル301上に形成されたゲート電極333は、Taシリサイドである。
このように、SOIデバイスを用いてLSTP用のトランジスタを形成する場合には、通常のp型MISトランジスタのゲート電極に用いる仕事関数値を必要とするため、ゲート電極を導電型で入れ替えるだけで、LSTP用のトランジスタが形成できる。また、本実施形態の場合も、第1の実施形態と同様の高速化及び高信頼性の効果が得られる。
(第6の実施形態)
図20は、本発明の第6の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
図20は、本発明の第6の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
本実施形態が図1の実施形態と異なる点は、ゲート電極の材料にあり、それ以外の点は図1の構造と基本的に同様である。
p型ウェル201上に形成されたゲート電極283はAlである。一方、n型ウェル301上に形成されたゲート電極383は、600℃以上の熱工程を経て形成されたTaジャーマナイドである。
本実施形態では、ゲート電極283に用いたAlの実効仕事関数Φeff は4.3〜4.1eVである。よって、本デバイスのゲート電極283のΦeff は、HP用のトランジスタの電極として好ましい値である。Alの比抵抗は2.65μΩcmと、Taシリサイド(>10μΩcm)よりも十分に低いため、第1の実施形態よりも更に高速動作するC−MOSデバイスの作製が可能となる。また、Al電極は、多結晶Siの上部にAlを積層しTaGex 形成と同じ温度での熱処理を行うことで、Siと置き換わる効果を用いて形成できる。
また、p型MOSトランジスタのゲート電極383をTaジャーマナイドを用いて形成することで、両導電型を同時に形成することができる。このため、製造プロセスが簡略化でき、形成時の熱処理温度も現行の多結晶Si電極(1000℃程度)に比べ比較的低温(600℃程度)であるため、第1の実施形態と同様に信頼性の高いデバイスが形成できる。Alに代えてTaBを用いてもよい。TaBのΦeff は4.3〜4.4eVでありAlに比べてSi禁制帯中央付近よりのΦeff を有する(図2)。それゆえ、バルクデバイスのLSTPに相当するn型MISトランジスタに適用でき、SOIデバイスの場合には、HPのn型MOSトランジスタ及びLSTPのp型トランジスタに適用できる。また、TaBの融点は3000℃程度であり、ソース・ドレインの活性化熱処理に十分に耐え得るので、従来のゲート先作りの製造プロセスが適用できる。
図21及び図22は、図20の実施形態の変形例の概略構成を示す断面図である。図21は、図20のn型MOSトランジスタのゲート電極283をAl層293aとSi層293bの積層構造にしたC−MOSデバイスである。Al電極形成時にSiを除去する工程を省くと本実施形態の構造になる。デバイスの特性及びその効果は、図20の構造と同じである。
また、図22はSOI基板を用いており、p型MOSトランジスタに対しては、図21のn型MOSトランジスタのゲート電極と同じ構成のゲート電極393を用い、n型MOSトランジスタに対しては、図19のn型MOSトランジスタのゲート電極と同じ構成のゲート電極273を用いている。
即ち、n型MOSトランジスタのゲート電極273は、ゲート絶縁膜202と接する下層273aがTaジャーマノシリサイドTa(SiGe)、又はTaジャーマナイドであり、その中に含有されるGe比率はSiに対して80%以上である。さらに、上層273bはTaシリサイド、又はSiに対するGe組成が50%以下のTaジャーマノシリサイド層である。一方、p型MOSトランジスタのゲート電極393は、ゲート絶縁膜302と接する下層293aがAlであり、上層393bがGe又はSiGeとなっている。図21のSiと同様に、上部に形成したGe又はSiGe層のエッチングを省いて形成したものである。
なお、Al形成に際しては、ゲート電極として多結晶Siの代わりに多結晶Ge又はSiGeを用い、その上にAlを形成し、Alと多結晶Ge又はSiGeとの置き換えを行っている。また、p型MOSトランジスタに対しては、図21と同じようにTaGex 単層構造を用いても、無論有効であるしその場合の効果も同じである。
本変形例では、デバイス製造時に両導電型のトランジスタ共にそのゲート電極形成前のダミーゲート電極はGe又はSiGeで形成できAlとGeの置換はよりスムーズに起こるので、図20の第6の実施形態のデバイス特性を維持したまま製造プロセスが容易になる。
(第7の実施形態)
図23は、前記図8で示した半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
図23は、前記図8で示した半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
まず、図23(a)に示すように、p型Si基板10,Si酸化膜(埋め込み絶縁膜)12,及び単結晶Si層13からなるSOI基板を、張り合わせ法により作製する。次いで、単結晶Si層13に素子分離絶縁膜11を形成した後、イオン注入によりp型不純物領域(p型ウェル)201、n型不純物領域(n型ウェル)301を形成する。素子分離は局所酸化法やシャロー・トレンチ法で形成することもできるし、メサ型でも構わない。続いて、各々のウェル201,301の表面にSi熱酸化膜402を形成する。その後、CVD法により、基板全面上に多結晶Ge膜401を堆積する。
次に、図23(b)に示すように、リソグラフィによるパターニングを行い、異方性エッチングによりゲート部を加工する。即ち、ウェル201,301のそれぞれに対し、多結晶Ge膜401及び酸化膜402をゲート電極パターンに加工する。これにより、p型ウェル201上の酸化膜402がゲート絶縁膜202となり、n型ウェル301上の酸化膜402がゲート絶縁膜302となる。
次に、図23(c)に示すように、砒素(As)とボロン(B)のイオン注入によりn型及びp型MOSトランジスタのソース・ドレイン領域204,304をそれぞれ形成する。活性化の熱処理時には、Wのcapを行いゲートのGeを保護する。ソース・ドレイン拡散層形成には、より低温で形成できデバイス特性としても短チャネル効果の抑制が可能である選択エピタキシャル成長法を用い、その際同時に不純物を導入してもよい。
次いで、ゲート電極とソース・ドレイン領域の絶縁のための側壁絶縁膜206,306を形成した後、ソース・ドレイン層のコンタクト金属のNiシリサイド層205,305をそれぞれ形成する。次いで、ゲート電極高さよりも厚いSi酸化膜403をCVD法により堆積した後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いることで、ゲート電極の上端部が表面に露出した構造にする。その後、Ge層401を全てジャーマナイド化するために必要な膜厚のTa膜405及びその上部に酸化防止の保護膜であるW膜407をスパッタ成膜する。Ta膜405の膜厚はGe電極の高さに対しその半分程度であることが望ましい。
次に、500℃以下の熱処理を行った後、図23(d)に示すように、未反応のTa膜405及びW膜407を除去することで、(102)配向したTaGe2 をゲート電極203,303に有する構造を形成することができる。
本実施形態においては、ゲート電極を形成する際の熱処理温度が低く、かつTaの酸化物であるTa2 O5 の生成エネルギーの絶対値は、Si酸化膜又はHf,La,又はZrを含む高誘電率膜に比較し小さいので、ゲート絶縁膜の侵食は起きず、信頼性の高いデバイスが形成可能である。TaのSiO2 中への拡散係数は、現状のゲート電極中に存在する金属元素であるNiのそれに比較し、2桁程度小さい値であることから、チャネル中への原子拡散も電気特性に影響のない程度まで抑えることが可能である。
また、本実施形態ではSOI構造の作製に関して、張り合わせ法を用いているが、SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)や Epitaxial Layer Transfer などの方法によりSOI構造を作製してもよい。以下の実施形態においても張り合わせ法を用いてSOI構造を作製するが、特に断わらない限り、その他のSOI作製方法を用いることは無論有効である。
(第8の実施形態)
図24は、前記図12で示した半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
図24は、前記図12で示した半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
前記図23(a)と同様の方法を用いてSOI基板上に、p型ウェル201、n型ウェル301、素子分離及びゲート絶縁膜に用いるSi酸化膜11,12を形成する。その後、CVD法により、基板全面上に多結晶SiGe膜411を堆積する。SiGe膜411のGe組成は60%以下が好ましい。
次に、図24(b)に示すように、リソグラフィによるパターニングを行い、異方性エッチングによりゲート部を加工する。即ち、ウェル201,301のそれぞれに対し、多結晶SiGe膜411及び酸化膜402をゲート電極パターンに加工する。
次に、図24(c)に示すように、砒素とボロンのイオン注入によりn型及びp型MOSトランジスタのソース・ドレイン領域204,304をそれぞれ形成する。活性化の熱処理時には、Wのcapを行いゲートのSiGeを保護する。多結晶SiGe層411のGe組成が十分に高い場合、又はソース・ドレインをSiGeで形成する場合には、Geの融点はSiのそれに比較して低いので、不純物活性化熱処理はSiの場合に比べて低温で良いため、W保護膜を形成する必要はない。次いで、前記図23(c)と同じ方法で、側壁絶縁膜206,306及びNiシリサイド層205,305を形成した後、Si酸化膜403を堆積し、ゲート電極の上端部を露出させ、更にTa膜405及びW膜407をスパッタ成膜する。
次に、500℃以下の熱処理を行った後、図24(d)に示すように、未反応のTa膜405及びW膜407を除去する。この熱処理の際、TaSix の方がTaGex に比べ安定であることから、Taは反応初期にSiGe中のSiと優先的に反応し、未反応のGeは反応の界面に吐き出される。これにより、ゲート絶縁膜界面でのGe組成は、SiGe成膜時のGe組成よりも大きくなり、ゲート絶縁膜との界面付近では、TaSiGe(Ge>80%)又はTaジャーマナイドが形成される。従って、ゲート電極は、上部のGeを殆ど含まないTaシリサイド層又はTa(SiGe)(Ge<50%)と、下部のSiに対するGe組成が80%以上のTa(SiGe)x 、又はTaGex 層の2層構造となり、前記図12に示した実施形態のデバイス構造を形成できる。
(第9の実施形態)
図25は、前記図12で示した半導体装置の別の製造方法を示す工程断面図である。
図25は、前記図12で示した半導体装置の別の製造方法を示す工程断面図である。
前記図23(a)と同様の方法を用いて、SOI基板上に、p型ウェル201、n型ウェル301、素子分離及びゲート絶縁膜に用いるSi酸化膜11,12を形成する。その後、CVD法により、基板全面上に多結晶Si膜421を堆積する。
次に、図25(b)に示すように、リソグラフィによるパターニングを行い、異方性エッチングによりゲート部を加工する。即ち、ウェル201,301のそれぞれに対し、多結晶Si膜421及び酸化膜402をゲート電極パターンに加工する。続いて、砒素とボロンのイオン注入によりn型及びp型MOSトランジスタのソース・ドレイン領域204,304を形成する。その後、前記図23(c)と同じ方法で、側壁絶縁膜206,306及びNiシリサイド層205,305を形成した後、Si酸化膜403を堆積し、ゲート電極の上端部を露出させる。
そして、この状態で、Geをイオン注入し、ゲート電極の上部に30%以上のGeを導入する。これにより、ゲート部の多結晶Siの上部は多結晶SiGeとなる。
次に、図25(c)に示すように、基板上の全面にTa膜405及びW膜407をスパッタ成膜する。
次に、500℃以下の熱処理を行った後、図25(d)に示すように、未反応のTa膜405及びW膜407を除去する。この際、前記図24(d)と同様に、Geは反応界面に吐き出されながら反応が進行するので、ゲート絶縁膜界面でのGe組成は、SiGe成膜時のGe組成よりも大きくなり80%以上となり、ゲート絶縁膜との界面付近では、Ta(SiGe)x (Ge>80%)又はTaGex が形成される。従って、ゲート電極は、上部のGeを殆ど含まないTaシリサイド層と、下部のSiに対するGe組成が50%以上のTa(SiGe)x 、又はTaGex 層の2層構造となる。
この方法を用いれば、ソース・ドレインがSiである場合も活性化時のゲート電極時のW保護膜は不必要であり、製造工程がより簡略化されることになる。
(第10の実施形態)
図26は、前記図12で示した半導体装置の更に別の製造方法を示す工程断面図である。
図26は、前記図12で示した半導体装置の更に別の製造方法を示す工程断面図である。
まず、図26(a)に示すように、前記図23(a)と同様の方法を用いて、SOI基板上に、p型ウェル201、n型ウェル301、素子分離及びゲート絶縁膜に用いるSi酸化膜11,12を形成する。その上部にGe酸化膜422を形成する。Ge酸化膜422中には窒素を導入してもよい。その後、CVD法により、基板全面上に多結晶Si膜421を堆積する。
次に、図26(b)に示すように、リソグラフィによるパターニングを行い、異方性エッチングによりゲート部を加工する。即ち、ウェル201,301のそれぞれに対し、多結晶Si膜421,Ge酸化膜422及び酸化膜402をゲート電極パターンに加工する。
次に、図26(c)に示すように、砒素とボロンのイオン注入によりn型及びp型MOSトランジスタのソース・ドレイン領域204,304をそれぞれ形成する。その後、前記図23(c)と同じ方法で、側壁絶縁膜206,306及びNiシリサイド層205,305を形成した後、Si酸化膜403を堆積し、ゲート電極の上端部を露出させる。続いて、基板上の全面にTa膜405及びW膜407をスパッタ成膜する。
次に、500℃以下の熱処理を行った後、図26(d)に示すように、未反応のTa膜405及びW膜407を除去する。この際、ゲート上部のSiはTaシリサイドに変化し、ゲート絶縁膜側の界面のGe酸化物層は、Taジャーマナイドに比較し不安定であるため、TaGex を形成する。その際に、Ge酸化物を構成していた酸素は下層のゲート絶縁膜層に取り込まれ、ゲート電極/ゲート絶縁膜界面(上界面)及びゲート絶縁膜/Siチャネル界面(下界面)でSi酸化物を形成する。その結果、ゲート電極はその上部がTaシリサイド、その下部がTaジャーマナイドから成る2層構造をとり、前記図12で示した構造を有する半導体装置を実現することができる。
(第11の実施形態)
図27は、前記図13で示した半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。但し、本製造工程は、図13とは異なる基板がSOI構造となっている。
図27は、前記図13で示した半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。但し、本製造工程は、図13とは異なる基板がSOI構造となっている。
まず、図27(a)に示すように、前記図23(a)と同様の方法を用いて、SOI基板上に、p型ウェル201、n型ウェル301、素子分離及びゲート絶縁膜に用いるSi酸化膜11,12を形成する。その後、CVDとリソグラフィによるパターニングを組み合わせることにより、p型ウェル201上にはSi層431を形成し、n型ウェル301にはGe層432を形成する。
次いで、図27(b)に示すように、リソグラフィによるパターニングを行い、異方性エッチングによりゲート部を加工する。即ち、p型ウェル201に対し、Si層431及び酸化膜402をゲート電極パターンに加工し、n型ウェル301に対し、Ge層432及び酸化膜402をゲート電極パターンに加工する。
次に、図27(c)に示すように、砒素とボロンのイオン注入によりn型及びp型MOSトランジスタのソース・ドレイン領域204,304をそれぞれ形成する。この際、p型MOSトランジスタ領域のGe上部をWにより保護する。その後、前記図23(c)と同じ方法で、側壁絶縁膜206,306及びNiシリサイド層205,305を形成した後、Si酸化膜403を堆積し、ゲート電極の上端部を露出させる。続いて、基板上の全面にTa膜405及びW膜407をスパッタ成膜する。
次に、500℃以下の熱処理を行った後、図27(d)に示すように、未反応のTa膜405及びW膜407を除去する。この工程によりn型MOSトランジスタ領域ではTaシリサイドのゲート電極233が形成され、p型MOSトランジスタではTaジャーマナイドのゲート電極383が形成され、前記図13の構造を実現できる。
(第12の実施形態)
図28は、前記図18で示した半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
図28は、前記図18で示した半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
図28(a)〜(c)に示す工程は、前記図27(a)〜(c)に示す工程と実質的に同様であるが、Ge層432の代わりに多結晶SiGe層433を形成している。
図28(c)に示す構造の状態で、500℃以下の熱処理を行った後、図28(d)に示すように、未反応のTa膜405及びW膜407を除去する。この工程によりn型MOSトランジスタ領域ではTaシリサイドのゲート電極233が形成され、p型MOSトランジスタではTaジャーマナイドの2層構造のゲート電極373(373a,373b)が形成され、前記図18の構造を実現できる。
図29は、前記図18で示した半導体装置の別の製造方法を示す工程断面図である。
この例では、図29(a)に示すように、図28(a)とは異なり、Si層431を全面に形成する。そして、図29(b)に示すように、p型ウェル201上のSi層431をレジスト441でマスクした後、n型ウェル301上のSi層431にGeイオンを注入する。これ以降は、図28(b)(c)の工程と同様の処理を施すことにより、前記図18に示す構造が得られる。
図30は、前記図18で示した半導体装置の更に別の製造方法を示す工程断面図である。この例では、図30(a)に示すように、n型ウェル301上でSi層431とSi酸化膜402との間にGe酸化膜422を形成する。これ以降は、図28(b)〜(d)の工程と同様の処理を施すことにより、前記図18に示す構造が得られる。
(第13の実施形態)
図31は、前記図20で示した半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
図31は、前記図20で示した半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
前記図23(a)と同様の方法を用いて、SOI基板上に、p型ウェル201、n型ウェル301、素子分離及びゲート絶縁膜に用いるSi酸化膜11,12を形成する。その後、CVD法により、p型ウェル201上にはSi層431を形成し、n型ウェル301にはGe層432を形成する。
次に、図31(b)に示すように、リソグラフィによるパターニングを行い、異方性エッチングによりゲート部を加工する。p型ウェル201上にはSiのゲート電極が形成され、n型ウェル上にはGeのゲート電極が形成されることになる。
次に、図31(c)に示すように、砒素とボロンのイオン注入によりn型及びp型MOSトランジスタのソース・ドレイン領域204,304をそれぞれ形成する。その後、前記図23(c)と同じ方法で、側壁絶縁膜206,306及びNiシリサイド層205,305を形成した後、Si酸化膜403を堆積し、ゲート電極の上端部を露出させる。続いて、p型ウェル領域201上にはAl膜445をスパッタ成膜し、n型ウェル領域301上にはTa膜405をスパッタ成膜する。それぞれの膜厚は、ゲート電極と反応又は置換するのに最適な膜厚を選べばよい。例えば、ゲート電極の高さが60nmの場合にTa及びAlとも30〜50nmの膜厚をスパッタ成膜することで、目的とする構造が形成可能である。そして、これらの上部には酸化防止膜のW膜407を成膜する。Al膜445上には、後の熱処理時の反応促進のためにTi又はTiNをキャップ層として用いてもよい。
次に、図31(d)に示すように、600℃の熱処理により、p型ウェル領域201のSiゲート電極は、Alと上下が入れ替わりゲート絶縁膜界面付近にはAlのゲート電極283が形成される。一方、n型ウェル領域301のGeゲート電極383はTaとの固相反応によりTaジャーマナイドを形成する。その後、未反応の金属及び上部に形成したSi層又は、キャップTi層と反応し形成したTiシリサイド層を、化学エッチングにより除去することにより、前記図20の実施形態の構造を実現できる。またその場合、エッチャントとしてSi又はTiSi2 を溶解することのできない酸性溶液を用いると未反応のTaとWのみ除去され、図21の実施形態の構造が形成できる。
(第14の実施形態)
図32は、本発明の第14の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す斜視図である。
図32は、本発明の第14の実施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す斜視図である。
p型Si基板10上にはSi酸化膜(埋め込み絶縁膜)12が形成され、その上にトランジスタのソース・ドレインを成すFin構造が形成されている。本実施形態では、このFin構造は、SiとSiNの積層構造からなっている。即ち、n型MOSトランジスタ側では、p型単結晶Si層501とSiN層504の積層構造となっており、p型MOSトランジスタ側では、n型単結晶Si層601とSiN層604の積層構造となっている。Fin構造は、SiN以外の絶縁膜を用いても良いし、絶縁膜を用いることなくSi単層であっても良い。
Fin構造と交差するように、ゲート電極503,603が形成されており、その接触界面にはゲート絶縁膜502,602としてシリコン酸化膜が形成されている。この構造は、Fin部の両方の側面部分にチャネル部を有するMOSトランジスタが形成されている、いわゆるダブルゲートMOSトランジスタである。Fin構造部にSi単層を用いた場合にはFinの上部もチャネル領域となり、トライゲートMOSトランジスタとなる。
ゲート電極503,603は、ゲート絶縁膜502,602に対して垂直に(102)配向したTaGe2 であり、500℃以下の熱処理により形成されている。ソース・ドレイン部に関しては、図には示さないが、チャネル領域を挟むようにp型のFinにはn型高濃度不純物領域のソース領域とドレイン領域が形成され、一方、n型不純物のFinにはp型高濃度不純物領域のソース領域とドレイン領域が形成されている。また、本実施形態のような3次元構造のデバイス素子では、高さ方向へ不純物濃度を均一にすることがきわめて難しい。従って、第6の実施形態と同様にショットキー・ソース・ドレイン構造をとってもよい。
このような構造をとった場合も、第2の実施形態のSOI−MOSトランジスタと同様に完全空乏型デバイスとなり、その閾値調整をチャネル部の不純物濃度や高不純物濃度のポリSiゲート電極で制御することはできない。このため、ゲート電極の仕事関数での閾値制御は絶大な効果がある。本実施形態のTaジャーマナイドの実効仕事関数は、Si禁制帯中央付近であるので、HP及びLOP用トランジスタとして本構造のデバイスを用いることができる。
なお、本実施形態では、Fin構造のダブルゲートMOSトランジスタを用いたが、平面型ダブルゲートC−MOS、縦型ダブルゲートC−MOS等、その他の3次元構造のデバイス素子を用いることもできる。
(第15の実施形態)
図33は、図32で示した半導体装置の製造工程を示す斜視図である。
図33は、図32で示した半導体装置の製造工程を示す斜視図である。
まず、図33(a)に示すように、SOI基板を作製し、通常のFin構造の作製と同様に、Si窒化膜、Si酸化膜、Ge層の堆積、イオン注入、CMP及びリソグラフィを組み合わせて用いることで、図32の基本構造を形成する。なお、図中の511,611はゲート電極を形成するためのGe層である。
次に、図33(b)に示すように、基板上の全面にSi酸化膜703を堆積した後、CMPを行うことで、ゲート電極上部のGeのみ露出した構造を作製する。
次に、図33(c)に示すように、ゲート電極を全てジャーマナイド化するのに十分の量のTa膜705をスパッタ成膜する。
次に、熱処理を行うことでゲート電極部のみを全てジャーマナイド化し、Taジャーマナイドからなるゲート電極503,603を形成する。その後、未反応のTa膜705をエッチング除去することにより、前記図32に示す構造が得られる。
(変形例)
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、チャネル領域にはSiを用いているが、Siよりも移動度の大きい歪Siを用いても構わない。さらに、SiGeや歪みSiGeを用いることも可能である。また、実施形態中でも述べたが、本発明のゲート電極材料は特にp型MOSトランジスタに有効であることから、必ずしもC−MOSに限らずp型MOSトランジスタを有する半導体装置に適用することができる。さらに、ゲート絶縁膜として酸化膜以外の材料を用いることができ、従って本発明は、MOSトランジスタに限らずMISトランジスタに適用することが可能である。
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、チャネル領域にはSiを用いているが、Siよりも移動度の大きい歪Siを用いても構わない。さらに、SiGeや歪みSiGeを用いることも可能である。また、実施形態中でも述べたが、本発明のゲート電極材料は特にp型MOSトランジスタに有効であることから、必ずしもC−MOSに限らずp型MOSトランジスタを有する半導体装置に適用することができる。さらに、ゲート絶縁膜として酸化膜以外の材料を用いることができ、従って本発明は、MOSトランジスタに限らずMISトランジスタに適用することが可能である。
また、実施形態ではTaとGeを含む材料をゲート電極材料に用いることをメインに説明したが、Taの代わりに、バナジウム(V)又はニオブ(Nb)を用いても同様の効果が期待できる。さらに、各実施形態の構造に対する製造工程は図23〜図31、図33に何ら限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
10…p型Si基板
11…Si酸化膜(素子分離絶縁膜)
12…Si酸化膜(埋め込み絶縁膜)
13…単結晶Si層
110…p型Ge基板
111…GeON膜(素子分離絶縁膜)
113…単結晶Ge層
200…p型MOSトランジスタ
201,211…p型不純物領域(p型ウェル)
202,302,502,602…ゲート絶縁膜
203,303,503,603…ゲート電極(Taジャーマナイド)
204…n型高濃度不純物領域(ソース・ドレイン領域)
304…p型高濃度不純物領域(ソース・ドレイン領域)
205,305…Niシリサイド層
206.306…側壁絶縁膜
213,313…ゲート電極(N添加のTaジャーマナイド)
215,315…金属層(ソース・ドレイン部)
223a,323a…Ta(SiGe)x ゲート電極(Ge>80%)
223b,323b…Ta(SiGe)x ゲート電極(Ge<50%)
233,333…ゲート電極(Taシリサイド)
243…ゲート電極(N添加のTaシリサイド)
253,353…ゲート電極(B添加のTaシリサイド)
263,363…ゲート電極(B添加のTaジャーマナイド)
273,373…ゲート電極(2層構造)
283…ゲート電極(Al)
293,393…ゲート電極(Si/Alの2層構造)
300…n型MOSトランジスタ
301,311…n型不純物領域(n型ウェル)
383…ゲート電極(Taジャーマナイド又はTaジャーマノシリサイド)
401…多結晶Ge膜
402…Si酸化膜
403,703…Si酸化膜
405,705…Ta膜
407…W膜
411…多結晶SiGe膜
421…多結晶Si膜
422…Ge酸化膜
431…Si層
432,511,611…Ge層
433…SiGe層
441…レジスト
445…Al膜
501…p型単結晶Si層
601…n型単結晶Si層
504,604…SiN膜
11…Si酸化膜(素子分離絶縁膜)
12…Si酸化膜(埋め込み絶縁膜)
13…単結晶Si層
110…p型Ge基板
111…GeON膜(素子分離絶縁膜)
113…単結晶Ge層
200…p型MOSトランジスタ
201,211…p型不純物領域(p型ウェル)
202,302,502,602…ゲート絶縁膜
203,303,503,603…ゲート電極(Taジャーマナイド)
204…n型高濃度不純物領域(ソース・ドレイン領域)
304…p型高濃度不純物領域(ソース・ドレイン領域)
205,305…Niシリサイド層
206.306…側壁絶縁膜
213,313…ゲート電極(N添加のTaジャーマナイド)
215,315…金属層(ソース・ドレイン部)
223a,323a…Ta(SiGe)x ゲート電極(Ge>80%)
223b,323b…Ta(SiGe)x ゲート電極(Ge<50%)
233,333…ゲート電極(Taシリサイド)
243…ゲート電極(N添加のTaシリサイド)
253,353…ゲート電極(B添加のTaシリサイド)
263,363…ゲート電極(B添加のTaジャーマナイド)
273,373…ゲート電極(2層構造)
283…ゲート電極(Al)
293,393…ゲート電極(Si/Alの2層構造)
300…n型MOSトランジスタ
301,311…n型不純物領域(n型ウェル)
383…ゲート電極(Taジャーマナイド又はTaジャーマノシリサイド)
401…多結晶Ge膜
402…Si酸化膜
403,703…Si酸化膜
405,705…Ta膜
407…W膜
411…多結晶SiGe膜
421…多結晶Si膜
422…Ge酸化膜
431…Si層
432,511,611…Ge層
433…SiGe層
441…レジスト
445…Al膜
501…p型単結晶Si層
601…n型単結晶Si層
504,604…SiN膜
Claims (17)
- 半導体基板上にp型MISトランジスタが形成された半導体装置であって、
前記MISトランジスタのゲート電極は、Ta,V,Nbの何れかとGeを含有していることを特徴とする半導体装置。 - 前記ゲート電極中にNが添加され、Nの組成は50%以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記ゲート電極中にB,As,P,In,Sb,S,Alの何れかが添加され、その組成は10%以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記半導体基板はSOI基板であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の半導体装置。
- 前記MISトランジスタのチャネル部にはGeが含有されていることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の半導体装置。
- 前記ゲート電極は2層構造であり、上層側のGe組成が下層側のGe組成よりも低く、下層側のGe組成はSi組成に対して80%以上であることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の半導体装置。
- 同一の半導体基板上にp型MISトランジスタとn型MISトランジスタが形成された半導体装置であって、
少なくとも前記p型MISトランジスタのゲート電極は、Ta,V,Nbの何れかとGeを含有していることを特徴とする半導体装置。 - 前記p型及びn型の各MISトランジスタのゲート電極中にNが添加され、Nの組成は50%以下であることを特徴とする請求項7記載の半導体装置。
- 前記p型及びn型の各MISトランジスタのゲート電極中にB,As,P,In,Sb,S,Alの何れかが添加され、添加された元素の組成は10%以下であることを特徴とする請求項7記載の半導体装置。
- 前記半導体基板はSOI基板であることを特徴とする請求項7〜9の何れかに記載の半導体装置。
- 前記p型MISトランジスタのゲート電極はTa,V,又はNbジャーマナイドであり、前記n型MISトランジスタのゲート電極は前記p型MISトランジスタのゲート電極を構成する金属元素のシリサイドであることを特徴とする請求項7〜10の何れかに記載の半導体装置。
- 前記p型MISトランジスタのゲート電極はTa,V,又はNbジャーマナイドであり、前記n型MISトランジスタのゲート電極にはAlが含有されていることを特徴とする請求項7〜10の何れかに記載の半導体装置。
- 前記p型及びn型の各MISトランジスタのゲート電極は、同じ組成に形成されていることを特徴とする請求項7〜10の何れかに記載の半導体装置。
- 前記p型及びn型の各MISトランジスタのチャネル部には、Geが含有されていることを特徴とする請求項7〜13の何れかに記載の半導体装置。
- 前記Ta,V,Nbの何れかとGeを含有しているゲート電極は、2層構造に形成されており、上層側のGe組成が下層側のGe組成よりも低く、下層側のGe組成はSiに対して80%以上であることを特徴とする請求項7〜10何れかに記載の半導体装置。
- 前記半導体基板はSi又はGeであることを特徴とする請求項1又は7記載の半導体装置。
- 前記p型MISトランジスタとn型MISトランジスタは相補型MISデバイスを構成していることを特徴とする請求項7〜16の何れかに記載の半導体装置。
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