JP2007019396A - Ｍｏｓ構造を有する半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造プロセスを煩雑にすることなく、閾値が異なるＭＯＳ構造のそれぞれのゲート電極に適した材料を採用して閾値を適切に制御でき、かつゲート電極からチャネル領域への拡散を顕著としない技術を提供する。
【解決手段】ＰＭＯＳトランジスタＱＰはゲート電極ＧＰ及びこれとゲート絶縁膜５を介して対峙するＮ型ウェル３１を、ＮＭＯＳトランジスタＱＮはゲート電極ＧＮ及びこれとゲート絶縁膜５を介して対峙するＰ型ウェル３２を、それぞれ有している。ゲート電極ＧＮは多結晶シリコン層６３で構成される一方、ゲート電極ＧＰは金属層６４／多結晶シリコン層６３の積層構造を備えている。
【選択図】図１
【解決手段】ＰＭＯＳトランジスタＱＰはゲート電極ＧＰ及びこれとゲート絶縁膜５を介して対峙するＮ型ウェル３１を、ＮＭＯＳトランジスタＱＮはゲート電極ＧＮ及びこれとゲート絶縁膜５を介して対峙するＰ型ウェル３２を、それぞれ有している。ゲート電極ＧＮは多結晶シリコン層６３で構成される一方、ゲート電極ＧＰは金属層６４／多結晶シリコン層６３の積層構造を備えている。
【選択図】図１
Description
この発明は複数のＭＯＳ構造を有する半導体装置に関する。この発明は例えば、しきい値が異なる複数のＭＯＳ電界効果トランジスタの、ゲート電極の構造に適用できる。
「ＭＯＳ」という用語は、古くは金属／酸化物／半導体の積層構造に用いられており、Metal-Oxide-Semiconductorの頭文字を採ったものとされている。しかしながら特にＭＯＳ構造を有する電界効果トランジスタ（以下、単に「ＭＯＳトランジスタ」と称す）においては、近年の集積化や製造プロセスの改善などの観点からゲート絶縁膜やゲート電極の材料が改善されている。
例えばＭＯＳトランジスタにおいては、主としてソース・ドレインを自己整合的に形成する観点から、ゲート電極の材料として金属の代わりに多結晶シリコンが採用されてきている。また電気的特性を改善する観点から、ゲート絶縁膜の材料として高誘電率の材料が採用されるが、当該材料は必ずしも酸化物には限定されない。
従って「ＭＯＳ」という用語は必ずしも金属／酸化物／半導体の積層構造のみに限定されて採用されているわけではなく、本明細書でもそのような限定を前提としない。即ち、技術常識に鑑みて、ここでは「ＭＯＳ」とはその語源に起因した略語としてのみならず、広く導電体／絶縁体／半導体の積層構造をも含む意義を有する。
このような背景において、ゲート電極として多結晶シリコンを採用した場合、その導電率を上げるために多結晶シリコンへと、その表面から不純物を注入する。しかしこの不純物をゲート絶縁膜近傍にまで注入すると、当該不純物がゲート絶縁膜を越えて半導体のチャネル領域へと拡散し、電気的特性を変動させることがある。この現象は特に近年のようにゲート絶縁膜が薄い程顕著となる。またＰＭＯＳトランジスタでゲート電極を多結晶シリコンで構成した場合、その不純物として硼素を採用されることがあるが、この場合にも上記拡散現象は顕著となる。
上記の拡散現象を回避するために、多結晶シリコンへと不純物を注入する深さをゲート絶縁膜から遠ざけることも考えられる。しかしこの手法では、多結晶シリコンのゲート絶縁膜側で発生する空乏層が増大してしまう。
あるいは上記の拡散現象や空乏層の発生を回避するために、ゲート電極として金属を採用することも考えられる。この手法では特にＣＭＯＳトランジスタを構成する際に問題が生じる。ＣＭＯＳトランジスタは、ＰＭＯＳトランジスタとＮＭＯＳトランジスタとの両方を備えており、それぞれのゲート電極には適切な仕事関数を有する金属材料を用いなければならない。これは両トランジスタの閾値を調整する必要性に基づくが、製造プロセスを煩雑にしてしまう。
本実施の形態はかかる背景に鑑みてなされたもので、ＭＯＳ構造のゲート電極構造を工夫することにより、製造プロセスを煩雑にすることなく、閾値が異なるＭＯＳ構造のそれぞれのゲート電極に適した材料を採用して閾値を適切に制御でき、かつゲート電極からチャネル領域への拡散を顕著としない技術を提供することを目的としている。
なお特許文献１には、ゲート絶縁膜上に接触するシリサイド膜を介して金属が設けられるゲート電極と、ゲート絶縁膜上に接触する金属が設けられるゲート電極とを、異なる導電型のＭＯＳトランジスタに適用する技術が紹介されている。特許文献２には、ゲート絶縁膜上に接触する金属の種類が異なる一対のゲート電極を、それぞれ導電型が異なるＭＯＳトランジスタに適用する技術が紹介されている。特許文献３には、ゲート絶縁膜上に接触する金属が含む不純物濃度が異なる一対のゲート電極を、それぞれ導電型が異なるＭＯＳトランジスタに適用する技術が紹介されている。
この発明にかかるＭＯＳ構造を有する半導体装置は、第１及び第２半導体層と、第１及び第２ゲート絶縁膜と、第１及び第２ゲート電極とを備える。前記第１ゲート絶縁膜は前記第１半導体層上に配置される。前記第１ゲート電極は金属層及び第３半導体層を有する。前記金属層は前記第１ゲート絶縁膜上に配置される。前記第３半導体層は前記金属層上に配置される。前記第２ゲート絶縁膜は前記第２半導体層上に配置される。前記第２ゲート電極は第４半導体層を有する。前記第４半導体層は前記第２ゲート絶縁膜上に配置される。
この発明にかかるＭＯＳ構造を有する半導体装置の製造方法は、下記工程（ａ）乃至（ｅ）を有する：（ａ）第１半導体層及び第２半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工程；（ｂ）前記ゲート絶縁膜上に金属層を形成する工程；（ｃ）前記第１半導体層の上方に前記金属層を残し、前記第２半導体層の上方から前記金属層を除去する工程；（ｄ）前記金属層及び前記第２半導体層上にゲート電極用半導体層を形成する工程；（ｅ）前記金属層及び前記ゲート電極用半導体層をパターニングして、前記第１半導体層の上方において第１ゲート電極を、前記第２半導体層の上方において第２ゲート電極を、それぞれ形成する工程。
この発明にかかる半導体装置によれば、第１半導体層と第１ゲート絶縁膜と第１ゲート電極は第１のＭＯＳ構造を提供し、第２半導体層と第２ゲート絶縁膜と第２ゲート電極は第２のＭＯＳ構造を提供する。第１のＭＯＳ構造において閾値は金属層によって選定でき、かつ第２のＭＯＳ構造におけるしきい値は第４半導体層によって選定できる。よって第１ゲート電極において第３半導体層を採用することによって金属層の厚さを薄くすることができる。これは第３半導体層及び第４半導体層をパターニングする際に、金属層も併せてパターニングでき、製造が容易である。しかも第１ゲート電極から第１ゲート絶縁膜へ不純物が拡散することもない。
この発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、この発明にかかる半導体装置を製造することができる。特に第１ゲート電極においてゲート電極用半導体層を採用することによって金属層の厚さを薄くすることができ、ゲート電極用半導体層をパターニングする際に、金属層も併せてパターニングでき、製造が容易である。しかも第１ゲート電極からゲート絶縁膜へ不純物が拡散することもない。
実施の形態１．
図１は本実施の形態にかかるＣＭＯＳトランジスタ５０１の構造を示す断面図である。ＣＭＯＳトランジスタ５０１はＰＭＯＳトランジスタＱＰとＮＭＯＳトランジスタＱＮとを備えている。
図１は本実施の形態にかかるＣＭＯＳトランジスタ５０１の構造を示す断面図である。ＣＭＯＳトランジスタ５０１はＰＭＯＳトランジスタＱＰとＮＭＯＳトランジスタＱＮとを備えている。
ＰＭＯＳトランジスタＱＰはＮ型ウェル３１において設けられており、ＮＭＯＳトランジスタＱＮはＰ型ウェル３２において設けられている。Ｎ型ウェル３１とＰ型ウェル３２とはともに半導体基板１の一方の主面（図１において上側）に設けられている。またＮ型ウェル３１とＰ型ウェル３２とは素子分離絶縁体２によってその上記主面側が分離されている。半導体基板１、Ｎ型ウェル３１、Ｐ型ウェル３２はいずれも、例えばシリコンを主成分として採用する。特に断らない限り他の不純物層についても同様にシリコンを採用することができる。素子分離絶縁体２には例えばシリコン酸化物を採用することができる。
Ｎ型ウェル３１にはＮ型素子分離拡散層４１が、Ｐ型ウェル３２にはＰ型素子分離拡散層４２が、それぞれ素子分離絶縁体２よりも前記主面から離れて設けられている。
ＰＭＯＳトランジスタＱＰはゲート電極ＧＰと、一対のＰ型ソース・ドレイン層１０１とを有している。一対のＰ型ソース・ドレイン層１０１で挟まれ、ゲート電極ＧＰと対峙するＮ型ウェル３１はＰＭＯＳトランジスタＱＰのチャネル領域として機能する。
ＮＭＯＳトランジスタＱＮはゲート電極ＧＮと、一対のＮ型ソース・ドレイン層１０２とを有している。一対のＮ型ソース・ドレイン層１０２で挟まれ、ゲート電極ＧＮと対峙するＰ型ウェル３２はＮＭＯＳトランジスタＱＮのチャネル領域として機能する。
Ｐ型ソース・ドレイン層１０１はＰ型の主層７４と、主層７４の底よりも上記主面からみて底が浅い副層７０，７１を含む。副層７０はＰ型のソース・ドレイン・エクステンションであり、主層７４よりもチャネル領域側に突出する。副層７１はＮ型のポケットであり、ソース・ドレイン・エクステンション７０の底よりも上記主面からみて底が深く、ソース・ドレイン・エクステンション７０よりもチャネル領域側に突出する。
Ｎ型ソース・ドレイン層１０２はＮ型の主層７５と、主層７５の底よりも上記主面からみて底が浅い副層７２２，７３を含む。副層７２はＮ型のソース・ドレイン・エクステンションであり、主層７５よりもチャネル領域側に突出する。副層７３はＰ型のポケットであり、ソース・ドレイン・エクステンション７２の底よりも上記主面からみて底が深く、ソース・ドレイン・エクステンション７２よりもチャネル領域側に突出する。
ゲート電極ＧＰ，ＧＮのいずれの周囲にも、断面がＬ字型のサイドウォール８と、サイドウォール８の入隅を埋めるスペーサ９とが設けられている。サイドウォール８、スペーサ９の材料としては、例えばそれぞれ酸化膜及び窒化膜が採用される。
素子分離絶縁体２、ソース・ドレイン・エクステンション７０，７２、サイドウォール８、スペーサ９、ゲート電極ＧＰ，ＧＮ上には層間絶縁膜１２が設けられている。層間絶縁膜１２の材料としては、例えば酸化膜が採用される。
コンタクトプラグ１３が層間絶縁膜１２を貫通して設けられる。コンタクトプラグ１３の下端（上記主面側）の位置においてソース・ドレイン・エクステンション７０，７２、ゲート電極ＧＰ，ＧＮにはシリサイド層１１が形成されている。当該シリサイド層１１を介してソース・ドレイン・エクステンション７０，７２、ゲート電極ＧＰ，ＧＮはコンタクトプラグ１３と電気的に接続されている。シリサイド層１１は例えばコバルトシリサイドでできている。シリサイド層１１は、電気的な接続を良好にする観点から、設けられることが望ましいものの、必須ではない。
コンタクトプラグ１３の上端の位置において層間絶縁膜１２上に配線層１４が設けられ、コンタクトプラグ１３と配線層１４とが電気的に接続される。コンタクトプラグ１３の材料、配線層１４の材料は、いずれも金属を採用することができる。
図１では、相互に隣接するソース・ドレイン層１０１，１０２が、配線層１０４によって直結された場合が例示されているが、本発明はかかる構成に限定されるものではない。ただし、更にゲート電極ＧＰ，ＧＮが相互に接続されてＣＭＯＳインバータが構成される場合に、本発明は好適である。複数のＭＯＳ構造について閾値を調整することが、本発明の背景として存在し、当該調整はＣＭＯＳインバータの動作に大きな影響を与えるからである。
ＰＭＯＳトランジスタＱＰはゲート電極ＧＰとＮ型ウェル３１のチャネル領域との間にゲート絶縁膜５を有している。ＮＭＯＳトランジスタＱＮはゲート電極ＧＮとＰ型ウェル４１のチャネル領域との間にゲート絶縁膜５を有している。ゲート絶縁膜５としては酸化シリコンの他、誘電率が高い酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）や、シリコン酸化ハフニウム（ＨｆxＳｉyＯz）、アルミニウム酸化ハフニウム（ＨｆxＡｌyＯz）を採用することができる。
ゲート電極ＧＰはゲート絶縁膜５側から順に、金属層６４、多結晶シリコン層６３、シリサイド層１１を含んでいる。またゲート電極ＧＮはゲート絶縁膜５側から順に、多結晶シリコン層６３、シリサイド層１１を含んでいる。
ＣＭＯＳトランジスタにおいてはゲート電極として多結晶シリコンを採用する場合、通常はこれらのゲート電極の導電型を異ならせる。ＰＭＯＳトランジスタとＮＭＯＳトランジスタとで相互の閾値を調整する必要があるからである。
しかし本実施の形態では、ＰＭＯＳトランジスタＱＰのゲート電極ＧＰの多結晶シリコン層６３とチャネル領域とはゲート絶縁膜５のみを介して対峙するとはいえない。よってゲート電極ＧＰの多結晶シリコン層６３の導電型が、直ちにＰＭＯＳトランジスタＱＰの閾値を決定することはない。他方、ゲート電極ＧＮはＮＭＯＳトランジスタＱＮが有するので、ゲート電極ＧＮの多結晶シリコン層６３の導電型にＮ型を採用することが望ましい。よって本発明ではゲート電極ＧＰ，ＧＮのいずれにおいても多結晶シリコン層６３の導電型を共通にすることができ、本実施の形態では当該導電型としてゲート電極ＧＮに適したＮ型を採用する。
もちろん、ゲート電極ＧＰの金属層６４とチャネル領域とはゲート絶縁膜５のみを介して対峙するため、金属層６４の材料としてはＰＭＯＳトランジスタＱＰに適した仕事関数を有する金属を採用することが望ましい。Ｎ型ウェル３１の主成分としてシリコンを採用する場合、当該金属としてはシリコンの価電子帯に近い仕事関数（約５．１ｅＶ）を有することが望ましい。かかる仕事関数を有する材料として、例えば窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タングステン（ＴｉＮ）レニウム（Ｒｅ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）、酸化イリジウム（ＩｒＯ2）、窒化モリブデン（ＭｏＮ）、酸化イリジウム（ＩｒＯ2）を挙げることができる。
このように、本実施の形態では、第１の閾値を有するＭＯＳトランジスタのゲート電極のうちでゲート絶縁膜に接触する部分を金属層とし、第２の閾値を有するＭＯＳトランジスタのゲート電極のうちでゲート絶縁膜に接触する部分を半導体層とし、第２の閾値を有するＭＯＳトランジスタが形成される半導体層と同じ導電型の半導体層を上記金属層上に設ける。よって当該金属層と当該半導体層とはＭＯＳトランジスタの閾値毎に適切な材料を選択して採用することができる。そして異なる閾値を有するＭＯＳトランジスタのうち、ゲート電極において採用される多結晶シリコンに導入された不純物のチャネル領域への拡散が顕著となる方を、第１の閾値を有するＭＯＳトランジスタとすることにより、当該不純物の拡散による電気的特性の変動を回避することができる。
特に、ゲート絶縁膜５としてハフニウム酸化物を採用した場合には、ゲート電極ＧＰの多結晶シリコン層６３がゲート絶縁膜５と接触した場合、いわゆるフェルミ・ピンニングという界面準位の問題が生じやすい。しかし本実施の形態ではゲート絶縁膜５と接触するのが金属層６４であるので、この問題も回避できる。よってゲート絶縁膜５としてハフニウム酸化物を採用してその誘電率を高める場合に、本発明は好適である。
しかも本発明にかかるＭＯＳトランジスタを製造するプロセスにおいて、ゲート電極において採用される多結晶シリコンに導入される不純物は、閾値が異なるＭＯＳトランジスタとで異ならせる必要はなく、この点において製造プロセスが簡略化できる。
図２乃至図１２はＣＭＯＳトランジスタ５０１の製造工程を順に示す断面図である。まず図２を参照して、半導体基板１の一方の主面に素子分離絶縁体２を離隔して複数設ける。素子分離絶縁体２の形成には、例えばＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）法を採用する。注入用酸化膜５１を主面に形成する。
ＮＭＯＳトランジスタＱＮを後に形成する領域で上記主面上にフォトレジスト９１を形成する。図２乃至図１２では、中央に示された素子分離絶縁体２の左側にはＰＭＯＳトランジスタＱＰを、右側にはＮＭＯＳトランジスタＱＮを、それぞれ形成する場合を例示する。
フォトレジスト９１をマスクとし、注入用酸化膜５１を介してＮ型不純物を主面に導入する。注入されるＮ型不純物としては例えば燐を採用できる。Ｎ型不純物の注入により、Ｎ型ウェル３１、Ｎ型素子分離拡散層４１が形成される。その後フォトレジスト９１を除去する。
図３を参照して、ＰＭＯＳトランジスタＱＰを後に形成する領域で主面上にフォトレジスト９２を形成する。フォトレジスト９２をマスクとし、注入用酸化膜５１を介してＰ型不純物を主面に導入する。注入されるＰ型不純物としては例えば硼素を採用できる。Ｐ型不純物の注入により、Ｐ型ウェル３２、Ｐ型素子分離拡散層４２が形成される。
図４を参照して、注入用酸化膜５１を除去し、Ｎ型ウェル３１及びＰ型ウェル３２の両方において、主面上にゲート絶縁膜５を形成する。ゲート絶縁膜５としては既述のように例えば酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）を採用できる。
図５を参照して、主面側で露出する面の全体に亘り、ゲート絶縁膜５上に金属層６４を後述する厚さで形成し、更に金属層６４上に窒化膜６１を例えば１０ｎｍの厚さで形成する。金属層６４には、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によって生成される窒化チタン（ＴｉＮ）を採用する。Ｎ型ウェル３１の上方で窒化膜６１上にフォトレジスト９３を形成する。
図６を参照し、フォトレジスト９３をマスクとして窒化膜６１をパターニングする。パターニングされた窒化膜６１をマスクとして金属層６４をエッチングすることで金属層６４をパターニングする。これにより窒化膜６１及び金属層６４はＰ型ウェル３２の上方では除去され、Ｎ型ウェル３１の上方では残される。その後フォトレジスト９３及び窒化膜６１は除去される。窒化膜６１を除去するには、熱燐酸を使用することができる。
図７を参照し、主面側で露出する面の全体に亘り、多結晶シリコン層６３を形成する。Ｎ型ウェル３１の上方では多結晶シリコン層６３は金属層６４上に、Ｐ型ウェル３２の上方ではゲート絶縁膜５上に、それぞれ設けられることとなる。多結晶シリコン層６３の導電型をＮ型にするには、Ｎ型の不純物（例えば燐）を導入しつつ多結晶シリコン層６３を形成することが望ましい。
一旦多結晶シリコン層６３を形成してからＮ型の不純物をその表面から注入することによっても、多結晶シリコン層６３の導電型をＮ型にすることはできる。しかし、イオン注入をゲート絶縁膜５近傍まで行う場合よりも、Ｎ型の不純物を導入しつつ多結晶シリコン層６３を形成する方が、ゲート電極ＧＮ（図１参照）のゲート絶縁膜５側における空乏層の発生を低減することができる。多結晶シリコン層６３の厚さ及び不純物濃度は、例えばそれぞれ１００ｎｍ、１０20ｃｍ-3に設定される。
図８を参照し、周知のフォトリソグラフィ技術を採用して、多結晶シリコン層６３、ゲート絶縁膜５をパターニングする。多結晶シリコン層６３をエッチングする工程で、金属層６４も併せてエッチングできる。金属層６４はゲート絶縁膜５を介してＮ型ウェル３１との間で適切なバンド構造を提供できれば足りるため、厚くする必要はなく、多結晶シリコン層６３の１／１０以下の厚さにできる。
ゲート電極として採用される多結晶シリコン層をエッチングする際、そのオーバーエッチ量が多結晶シリコン層の厚さの１／１０程度に設定されるのが通常であり、本実施の形態ではＰ型ウェル３２の上方、Ｎ型ウェル３１の上方のいずれにも同じ工程で多結晶シリコン層６３が形成されている。従って、Ｎ型ウェル３１の上方で多結晶シリコン層６３をパターニングする際のオーバーエッチ量以下に、金属層６４の厚さを設定することで、エッチング工程を簡略化できる。
図９を参照し、Ｎ型ウェル３１の上方において、パターニングされた金属層６４／多結晶シリコン層６３／ゲート絶縁膜５の積層構造をマスクとしてソース・ドレイン・エクステンション７０を形成する。またＰ型ウェル３２の上方においてパターニングされた多結晶シリコン層６３／ゲート絶縁膜５の積層構造をマスクとしてソース・ドレイン・エクステンション７２を形成する。
詳細には図示されないが、ソース・ドレイン・エクステンション７０を形成する際には、Ｐ型ウェル３２の上方をフォトレジストで覆い、Ｐ型不純物（例えば硼素）をイオン注入によってＮ型ウェル３１へ導入する。そして更に、短チャネル効果を抑制するため、Ｎ型不純物（例えば砒素）を主面に対して斜めにイオン注入を行ってポケット７１を形成する。同様に、ソース・ドレイン・エクステンション７２を形成する際には、Ｎ型ウェル３１の上方をフォトレジストで覆い、Ｎ型不純物（例えば砒素）をイオン注入によってＰ型ウェル３２へ導入する。そして更に、短チャネル効果を抑制するため、Ｐ型不純物（例えば硼素）を主面に対して斜めにイオン注入を行ってポケット７３を形成する。
これらのイオン注入のドーズ量や、注入エネルギーは、ソース・ドレイン・エクステンション７０，７２やポケット７１，７３に要求される深さや抵抗値で決まる。
酸化膜及び窒化膜をこの順に、主面側で露出する面の全面に亘って形成し、当該酸化膜及び窒化膜をエッチバックする。これにより、図１０に示されるように、サイドウォール８、スペーサ９が形成される。
図１１を参照し、Ｎ型ウェル３１の上方において、金属層６４／多結晶シリコン層６３／ゲート絶縁膜５の積層構造及びその周囲のサイドウォール８、スペーサ９をマスクとして主層７４を形成する。またＰ型ウェル３２の上方において、多結晶シリコン層６３／ゲート絶縁膜５の積層構造及びその周囲のサイドウォール８、スペーサ９をマスクとして主層７５を形成する。
詳細には図示されないが、主層７４を形成する際には、Ｐ型ウェル３２の上方をフォトレジストで覆い、Ｐ型不純物（例えば硼素）をイオン注入によって副層７０，７１をも含むＮ型ウェル３１へ導入する。同様に主層７５を形成する際には、Ｎ型ウェル３１の上方をフォトレジストで覆い、Ｎ型不純物（例えば砒素）をイオン注入によって副層７２，７３をも含むＰ型ウェル３２へ導入する。そしてソース・ドレイン層１０１，１０２を活性化するためのアニールを行う。アニールには例えばランプアニールが採用される。
シリサイド用の金属、例えばコバルトを、主面側で露出する面の全面に亘って形成し、アニールによって第１のシリサイド化を行う。そして未反応の上記シリサイド用の金属を除去し、更にアニールを行って第２のシリサイド化を行い、シリサイドの相転移を促してシリサイドの抵抗を下げる。これにより、図１２に示されるように、ソース・ドレイン・エクステンション７０，７２及び多結晶シリコン層６３の露出面にシリサイド層１１が形成される。
その後、周知の製造プロセスによって層間絶縁膜１２、コンタクトプラグ１３、配線層１４が形成され、図１に示されるＣＭＯＳトランジスタ５０１が得られる。
上述のように、金属層６４が多結晶シリコン層６３のエッチングに付随してエッチングされるためには、金属層６４は薄い方が望ましい。しかし金属層６４が適切な仕事関数を有する必要があり、かかる要求からは３ｎｍ以上の膜厚が必要と考えられる。
実施の形態２．
図１３は本実施の形態にかかるＣＭＯＳトランジスタ５０２の構造を示す断面図である。ＣＭＯＳトランジスタ５０２はＣＭＯＳトランジスタ５０１に対して、ゲート電極ＧＰにおいて特徴的な相違がある。
図１３は本実施の形態にかかるＣＭＯＳトランジスタ５０２の構造を示す断面図である。ＣＭＯＳトランジスタ５０２はＣＭＯＳトランジスタ５０１に対して、ゲート電極ＧＰにおいて特徴的な相違がある。
即ち、本実施の形態におけるゲート電極ＧＰは、実施の形態１におけるゲート電極ＧＰに対して、シリサイド層６５が金属層６４と多結晶シリコン層６３との間で追加されている。シリサイド層６５は、例えば、金属層６４と同じ金属材料とシリコンとの化合物で形成することができる。例えば金属層６４として窒化チタン（ＴｉＮ）を採用する場合にはシリサイド層６５としてチタンシリサイド（ＴｉＳｉ2）が形成される。例えば金属層６４として窒化タングステン（ＴｉＷ）を採用する場合にはシリサイド層６５としてタングステンシリサイド（ＷＳｉ2）が形成される。もちろん、金属層６４として窒化チタン（ＴｉＮ）を採用する場合にシリサイド層６５としてタングステンシリサイド（ＷＳｉ2）を、金属層６４として窒化タングステン（ＴｉＷ）を採用する場合にシリサイド層６５としてチタンシリサイド（ＴｉＳｉ2）を、それぞれ形成してもよい。
このようにシリサイド層６５を形成することにより、ゲート電極ＧＮの導電性を高めることができる。
図１４乃至図１８はＣＭＯＳトランジスタ５０２の製造工程を順に示す断面図である。例えば実施の形態１で説明された工程によって図４に示された構造を得る。その後、主面側で露出する面の全体に亘り、ゲート絶縁膜５上に金属層６４を上述した厚さで形成し、図１４に示された構造を得る。
図１５を参照して、金属層６４上に多結晶シリコン層６７を、更に多結晶シリコン層６７上に酸化膜６８を形成する。多結晶シリコン層６７、酸化膜６８の厚さは、例えばそれぞれ５ｎｍ、１０ｎｍ程度である。多結晶シリコン層６７は後にシリサイド層を形成するために用いられるので、厚くする必要はない。酸化膜６８は多結晶シリコン層６７のシリサイド化を阻止する機能を有する。また酸化膜６８を形成する際には金属層６４を変質させないよう、低温で、例えばＣＶＤ法を採用することが望ましい。
更にＰ型ウェル３２の上方において酸化膜６８上にフォトレジスト９４を形成し、これをマスクとして酸化膜６８をエッチングする。その後、フォトレジスト９４が除去される。これにより、酸化膜６８はＮ型ウェル３１の上方では多結晶シリコン層６７を露出させる一方、Ｐ型ウェル３２の上方では多結晶シリコン層６７を覆う。
図１６を参照して、主面側で露出する面の全体に亘って金属層６９を形成する。金属層６９は、多結晶シリコン層６７のシリサイド化に用いられるので、例えばチタン（Ｔｉ）やタングステン（Ｗ）が材料として採用される。またシリサイド層を形成するために用いられるので、５ｎｍ程度の厚さで足りる。
その後、全体に対して５００℃程度のアニーリングを施す。Ｎ型ウェル３１の上方では多結晶シリコン層６７、金属層６９が接触しているのでシリサイド化が進むが、Ｐ型ウェル３２の上方では多結晶シリコン層６７、金属層６９の間に酸化膜６８が介在しているのでシリサイド化は進まない。従って、図１７に示されるように、Ｎ型ウェル３１の上方では金属層６４上にシリサイド層６５が形成される一方、Ｐ型ウェル３２の上方では金属層６４上にポリシリコン層６７、酸化膜６８、金属層６９が残置する。この後、金属層６９、酸化膜６８、ポリシリコン層６７を除去する。
このように、酸化膜６８はシリサイド化を阻む機能を有しており、シリサイド化は自己整合的に生じる。よって、酸化膜６８は窒化膜６１のような、金属層をエッチングする際のマスクとしての機能を担わない。従って、酸化膜６８に代替して窒化膜を採用してもよい。
その後、主面側で露出する面の全体に亘り、多結晶シリコン層６３を形成する。Ｎ型ウェル３１の上方では多結晶シリコン層６３はシリサイド層６５上に、Ｐ型ウェル３２の上方ではゲート絶縁膜５上に、それぞれ設けられることとなる。多結晶シリコン層６３の形成、及び多結晶シリコン層６３、金属層６４、シリサイド層６５、ゲート絶縁膜５のパターニングは、実施の形態１と同様に行うことができ、図１８に示された構造が得られる。
その後、実施の形態１で図９乃至図１２を用いて説明された工程を採用し、図１３に示されるＣＭＯＳトランジスタ５０２が得られる。
上述の構造の他、金属層６４を形成する前に多結晶シリコン層６７、酸化膜６８、金属層６９を形成し、その後にシリサイド層６５を形成してから、金属層６４を形成してもよい。この場合には、ＣＭＯＳトランジスタ５０２は、ゲート電極ＧＰにおいてシリサイド層６５が金属層６４とゲート絶縁膜５の間に介在する。
実施の形態３．
図１９及び図２０は本実施の形態にかかるＣＭＯＳトランジスタ５０３，５０４の構造を示す断面図である。但しゲート電極ＧＰ，ＧＮの構成を拡大して示しており、図面の煩雑を避けるため、半導体基板１、Ｎ型ウェル３１、Ｐ型ウェル３２、層間絶縁膜１２、コンタクトプラグ１３、配線層１４を省略している。
図１９及び図２０は本実施の形態にかかるＣＭＯＳトランジスタ５０３，５０４の構造を示す断面図である。但しゲート電極ＧＰ，ＧＮの構成を拡大して示しており、図面の煩雑を避けるため、半導体基板１、Ｎ型ウェル３１、Ｐ型ウェル３２、層間絶縁膜１２、コンタクトプラグ１３、配線層１４を省略している。
ＣＭＯＳトランジスタ５０３は、実施の形態１にかかるＣＭＯＳトランジスタ５０１に対して、多結晶シリコン層６３を、多結晶シリコン層８１／シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層８２／多結晶シリコン層８３の多層構造で置換した点で特徴的な相違がある。多結晶シリコン層８１、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層８２、多結晶シリコン層８３の厚さは、それぞれ例えば１０ｎｍ，２０ｎｍ，７０ｎｍである。多結晶シリコン層８１，８３中には、例えば不純物として燐が１０20ｃｍ-3の濃度で導入されている。またシリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）層８２中のゲルマニウム（Ｇｅ）濃度は例えば１５原子％程度である。
上述の多層構造を得ることにより、ゲート電極ＧＰ，ＧＮのバンド構造を改善し、以て電気的特性を改選することができる。
ＣＭＯＳトランジスタ５０４は、ＣＭＯＳトランジスタ５０３の構造に対して、更にシリサイド層６５を金属層６４上に設けた構造を有している。シリサイド層６５は金属層６４とゲート絶縁膜５との間に設けても良い。シリサイド層６５の形成は、実施の形態２に示された方法を採用することができる。
かかる多層構造を得ることにより、ゲート電極ＧＰ，ＧＮのバンド構造を改善しつつ、ゲート電極ＧＮの導電性をも高めることができる。
実施の形態４．
実施の形態１乃至実施の形態３で示された多結晶シリコン層６３に代替して、アモルファスシリコン層を採用してもよい。アモルファスシリコンは多結晶シリコンと比較して微細加工が容易であり、ＣＭＯＳトランジスタの集積化に寄与する。
実施の形態１乃至実施の形態３で示された多結晶シリコン層６３に代替して、アモルファスシリコン層を採用してもよい。アモルファスシリコンは多結晶シリコンと比較して微細加工が容易であり、ＣＭＯＳトランジスタの集積化に寄与する。
実施の形態５．
図２１及び図２２は、本実施の形態にかかるＣＭＯＳトランジスタの製造方法を工程順に示す断面図である。本実施の形態で示される製造方法は、実施の形態１乃至実施の形態４に示されたＣＭＯＳトランジスタの製造工程において採用することができる。以下では図面の煩雑を避けるため、実施の形態１に示されたＣＭＯＳトランジスタ５０１を製造する場合を例にとって説明する。
図２１及び図２２は、本実施の形態にかかるＣＭＯＳトランジスタの製造方法を工程順に示す断面図である。本実施の形態で示される製造方法は、実施の形態１乃至実施の形態４に示されたＣＭＯＳトランジスタの製造工程において採用することができる。以下では図面の煩雑を避けるため、実施の形態１に示されたＣＭＯＳトランジスタ５０１を製造する場合を例にとって説明する。
図１１に示された構造を得た後、ソース・ドレイン層１０１，１０２を活性化するためのアニールを行う前に、酸化膜１５及び窒化膜１６をこの順に、主面側で露出する面の全面に亘って形成する。そしてフォトレジスト９５を金属層６４を覆って形成し、図２１に示された構造を得る。例えば酸化膜１５及び窒化膜１６の厚さはそれぞれ１０ｎｍ，２０ｎｍであり、いずれもＣＶＤ法で形成することができる。
図２２を参照して、フォトレジスト９５をマスクとするエッチングによって、酸化膜１５及び窒化膜１６をパターニングする。その後、フォトレジスト９５を除去し、ソース・ドレイン層１０１，１０２を活性化するためのランプアニールを行う。ランプアニールには、例えば１０００℃以上３秒以下との条件が採用され、窒化膜６の上方から行われる。
その後、例えば熱燐酸を用いて窒化膜１６を除去し、更に酸化膜１５も除去する。その後、シリサイド層１１（図１２）を形成する工程へと処理が進む。
窒化膜１６はランプアニールで採用されるランプに対して遮光膜として機能する。従って、ランプアニールの際には金属層６４の温度が上昇することを回避でき、金属層６４の溶解を回避できる。他方、ソース・ドレイン層１０１，１０２を活性化する必要があるため、窒化膜１６は金属層６４の上方を覆いつつも、ソース・ドレイン層１０１，１０２を覆わない寸法で形成することが望ましい。例えばフォトレジスト９５の端部がスペーサ９上に存在する。これにより窒化膜１６も同様の形状にパターニングされる。
変形．
上記の説明とは逆に、ＮＭＯＳトランジスタにおけるゲート電極において金属層を採用し、ＰＭＯＳトランジスタにおいて金属層を採用しない場合も本発明に含まれる。特にゲート絶縁膜として酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）やシリコン窒化アルミニウム（ＡｌＳｉＮ）を採用した場合、ＮＭＯＳトランジスタにおけるゲート電極に金属層を採用することが望ましい。Ｐ型ウェル３２の主成分としてシリコンを採用する場合、当該金属層の材料としては、シリコンの伝導帯に近い仕事関数（約４．０ｅＶ）を有することが望ましい。かかる仕事関数を有する材料として、チタン（Ｔｉ）、ジルコニア（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニオブ（Ｎｂ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、シリコン窒化タンタル（ＴａＳｉＮ）を挙げることができる。
上記の説明とは逆に、ＮＭＯＳトランジスタにおけるゲート電極において金属層を採用し、ＰＭＯＳトランジスタにおいて金属層を採用しない場合も本発明に含まれる。特にゲート絶縁膜として酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）やシリコン窒化アルミニウム（ＡｌＳｉＮ）を採用した場合、ＮＭＯＳトランジスタにおけるゲート電極に金属層を採用することが望ましい。Ｐ型ウェル３２の主成分としてシリコンを採用する場合、当該金属層の材料としては、シリコンの伝導帯に近い仕事関数（約４．０ｅＶ）を有することが望ましい。かかる仕事関数を有する材料として、チタン（Ｔｉ）、ジルコニア（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニオブ（Ｎｂ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、シリコン窒化タンタル（ＴａＳｉＮ）を挙げることができる。
特に、ゲート絶縁膜５としてアルミニウム窒化物を採用した場合には、ゲート電極ＧＮの多結晶シリコン層６３がゲート絶縁膜５と接触した場合、いわゆるフェルミ・ピンニングという界面準位の問題が生じやすい。しかしゲート絶縁膜５と多結晶シリコン層６３との間に上記の金属層を採用することにより、この問題も回避できる。よってゲート絶縁膜５としてアルミニウム窒化物を採用してその誘電率を高める場合に、本発明は好適である。
更に、本発明はＣＭＯＳトランジスタに限定されるものではなく、異なる閾値を採用する複数のＭＯＳトランジスタに対して適用することができる。更に、電界効果トランジスタに限定されることなく、ＭＯＳ構造を有するトランジスタであれば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）にも適用できることは明白である。
５ ゲート絶縁膜、１６ 窒化膜、３１ Ｎ型ウェル、３２ Ｐ型ウェル、６３，６７，８１，８３ 多結晶シリコン層、６４，６９ 金属層、６５ シリサイド層、６８ 酸化膜、８２ シリコンゲルマニウム層。
Claims (23)
- 第１半導体層と、
前記第１半導体層上に配置された第１ゲート絶縁膜と、
前記第１ゲート絶縁膜上に配置された金属層及び前記金属層上に配置された第３半導体層を有する第１ゲート電極と、
第２半導体層と、
前記第２半導体層上に配置された第２ゲート絶縁膜と、
前記第２ゲート絶縁膜上に配置された第４半導体層を有する第２ゲート電極と
を備えた、ＭＯＳ構造を有する半導体装置。 - 前記第３半導体層と前記第４半導体層とは同種の半導体層である、請求項１に記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置。
- 前記金属層の厚さは、前記半導体層の厚さの１０分の１以下である、請求項２に記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置。
- 前記金属層の厚さは、３ｎｍ以上である、請求項２又は請求項３に記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置。
- 前記半導体層はシリコン／ゲルマニウム／シリコンの積層構造を有する、請求項２乃至請求項４のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置。
- 前記半導体層はアモルファスシリコンである、請求項２乃至請求項５のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置。
- 前記金属層はその一部にシリサイド層を有する、請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置。
- 前記第１半導体層は導電型がＮ型のシリコンであり、前記金属層の仕事関数は約５．１ｅＶである、請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置。
- 前記第１ゲート絶縁膜はハフニウム酸化物である、請求項１乃至請求項８のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置。
- 前記第１半導体層は導電型がＰ型のシリコンであり、前記金属層の仕事関数は約４．０ｅＶである、請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置。
- 前記第１ゲート絶縁膜はアルミニウム窒化物である、請求項１乃至請求項７及び請求項１０のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置。
- （ａ）第１半導体層及び第２半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
（ｂ）前記ゲート絶縁膜上に金属層を形成する工程と、
（ｃ）前記第１半導体層の上方に前記金属層を残し、前記第２半導体層の上方から前記金属層を除去する工程と、
（ｄ）前記金属層及び前記第２半導体層上にゲート電極用半導体層を形成する工程と、
（ｅ）前記金属層及び前記ゲート電極用半導体層をパターニングして、前記第１半導体層の上方において第１ゲート電極を、前記第２半導体層の上方において第２ゲート電極を、それぞれ形成する工程と
を備えた、ＭＯＳ構造を有する半導体装置の製造方法。 - 前記金属層の厚さは、前記ゲート電極用半導体層の厚さの１０分の１以下である、請求項１２に記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置の製造方法。
- 前記金属層の厚さは、３ｎｍ以上である、請求項１２又は請求項１３に記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置の製造方法。
- 前記ゲート電極用半導体層はシリコン／ゲルマニウム／シリコンの積層構造を有する、請求項１２乃至請求項１４のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置の製造方法。
- 前記ゲート電極用半導体層はアモルファスシリコンである、請求項１２乃至請求項１５のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置の製造方法。
- 前記金属層はその一部にシリサイド層を有し、
前記シリサイド層は、前記工程（ｂ）と（ｃ）の間で実行される、
（ｆ）前記金属層の表面にシリコン層を形成する工程と、
（ｇ）前記第１半導体層の上方で前記シリコン層を露出させ、前記第２半導体層の上方で前記シリコン層を覆うシリサイド化阻止膜を形成する工程と、
（ｈ）前記工程（ｇ）で露出した前記シリコン層及び前記シリサイド化阻止膜上にシリサイド用金属層を形成する工程と、
（ｉ）前記シリコン層と前記シリサイド用金属層とから前記シリサイド層を形成する工程と、
（ｊ）前記第２半導体層の上方で、前記シリサイド用金属層、前記シリサイド化阻止膜、前記シリコン層を除去する工程と
を有する、請求項１２乃至請求項１６のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置の製造方法。 - 前記第１半導体層は導電型がＮ型のシリコンであり、前記金属層の仕事関数は約５．１ｅＶである、請求項１２乃至請求項１７のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置の製造方法。
- 前記ゲート絶縁膜はハフニウム酸化物である、請求項１２乃至請求項１８のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置の製造方法。
- 前記第１半導体層は導電型がＰ型のシリコンであり、前記金属層の仕事関数は約４．０ｅＶである、請求項１２乃至請求項１７のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置の製造方法。
- 前記ゲート絶縁膜はアルミニウム窒化物である、請求項１２乃至請求項１７及び請求項２０のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置の製造方法。
- 前記ゲート電極用半導体層は、不純物を導入しつつ形成された半導体層である、請求項１２乃至請求項２１のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置の製造方法。
- 前記工程（ｅ）の後に実行される、
（ｘ）前記第１ゲート電極をマスクとして前記第１半導体層に、前記第２ゲート電極をマスクとして前記第２半導体層に、それぞれ不純物を導入する工程と、
（ｙ）前記第１ゲート電極の上方を覆う遮光膜を形成する工程と、
（ｚ）前記遮光膜の上方からランプアニールする工程と
を備える、請求項１２乃至請求項２２のいずれか一つに記載のＭＯＳ構造を有する半導体装置の製造方法。
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