JP2007049143A - Dual gate structure and its manufacturing method, and semiconductor device with dual gate structure and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子の製造に係り、より詳細には、デュアルゲート構造を有する半導体素子に関する。 The present invention relates to the manufacture of semiconductor devices, and more particularly to a semiconductor device having a dual gate structure.
半導体素子の大きさが次第に小さくなり、半導体素子の速度が速くなるにつれて、従来のポリシリコンゲート電極でドープ剤の不足と高い抵抗による信号遅延が増加している。したがって、信号遅延減少は、半導体産業で重要な問題となった。 As the size of the semiconductor device gradually decreases and the speed of the semiconductor device increases, the signal delay due to the lack of dopant and high resistance in the conventional polysilicon gate electrode increases. Therefore, signal delay reduction has become an important issue in the semiconductor industry.
このような趨勢によって、半導体素子で信号遅延を減らし、抵抗をさらに減らすためにポリメタルゲートまたは金属(メタル)ゲートが追求される。しかし、金属ゲートの場合に、金属層がゲート誘電膜の上部に直ちに形成される場合、ゲート誘電膜が汚染されうる。したがって、金属層は一般的にドーピングされたポリシリコン層上に形成される。低い面抵抗を有するタングステンのような金属がゲート物質として使われるならば、RC信号遅延時間は顕著に減るということは一般的に知られている。 With this trend, polymetal gates or metal gates are pursued to reduce signal delay and further reduce resistance in semiconductor devices. However, in the case of a metal gate, the gate dielectric can be contaminated if the metal layer is formed immediately on top of the gate dielectric. Thus, the metal layer is generally formed on a doped polysilicon layer. It is generally known that the RC signal delay time is significantly reduced if a metal such as tungsten with low sheet resistance is used as the gate material.
しかし、相変らず先行技術の問題点、例えば、ゲート電極の高い抵抗とポリ空乏を減らすことなどを克服せねばならない。
本発明が解決しようとする技術的課題は、デュアルゲート構造及びその製造方法、デュアルゲート構造を備える半導体素子及びその製造方法を提供することである。 The technical problem to be solved by the present invention is to provide a dual gate structure and a manufacturing method thereof, a semiconductor device having a dual gate structure, and a manufacturing method thereof.
本発明の技術的課題は、以上で言及した技術的課題に制限されず、言及されていない他の技術的課題は下の記載から当業者に明確に理解されうる。 The technical problem of the present invention is not limited to the technical problem mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
前記技術的課題を達成するための本発明の一実施形態による半導体素子は、半導体基板と、前記基板上に形成された少なくとも2つのスタックゲート構造と、を含み、前記2つのスタックゲート構造は、各々前記基板上に形成されたゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜上に形成された半導体層、前記半導体層上に形成された反応バリア層及び前記バリア層上に形成された金属層を含み、前記2つのスタックゲート構造のうち1つの構造は、前記半導体層と前記反応バリア層との間に備えられたオーミック層をさらに含み、前記2つのスタックゲート構造のうち他の1つの構造は、その間にオーミック層を含まない。 A semiconductor device according to an embodiment of the present invention for achieving the technical problem includes a semiconductor substrate and at least two stack gate structures formed on the substrate, and the two stack gate structures include: Each including a gate insulating film formed on the substrate, a semiconductor layer formed on the gate insulating film, a reaction barrier layer formed on the semiconductor layer, and a metal layer formed on the barrier layer, One of the two stacked gate structures further includes an ohmic layer provided between the semiconductor layer and the reaction barrier layer, and the other one of the two stacked gate structures is interposed therebetween. Does not include ohmic layer.
前記技術的課題を達成するための本発明の他の実施形態による半導体素子は、基板上に形成された少なくとも2つのスタックゲート構造であって、前記2つのスタックゲート構造各々は、半導体層と半導体層上に形成された金属層とを含み、前記2つのスタックゲート構造のうち1つの構造はオーミック層を含み、前記2つのスタックゲート構造のうち他の1つの構造はオーミック層を含まず、前記基板上の前記2つのスタックゲート構造は、相異なる中間層を有することを特徴とする。 According to another embodiment of the present invention, there is provided a semiconductor device having at least two stack gate structures formed on a substrate, wherein each of the two stack gate structures includes a semiconductor layer and a semiconductor. A metal layer formed on the layer, wherein one structure of the two stack gate structures includes an ohmic layer, and one other structure of the two stack gate structures does not include an ohmic layer, The two stacked gate structures on the substrate are characterized by having different intermediate layers.
前記技術的課題を達成するための本発明の一実施形態による半導体素子の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜上にポリシリコン層を形成し、前記ポリシリコン層を第1不純物型ポリシリコン層と第2不純物型ポリシリコン層とに画定し、前記第1不純物型ポリシリコン層上に選択的にオーミック層を形成し、前記オーミック層及び前記第2不純物形ポリシリコン層上に反応バリア層を形成し、前記バリア層上に金属層を形成し、前記第1及び第2不純物型ポリシリコン層を備える構造を連続的にパターニングして第1型ゲートスタックと第2型ゲートスタックとを各々形成する。 According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a gate insulating film on a semiconductor substrate; forming a polysilicon layer on the gate insulating film; A first impurity type polysilicon layer and a second impurity type polysilicon layer are formed, an ohmic layer is selectively formed on the first impurity type polysilicon layer, and the ohmic layer and the second impurity type are formed. A reaction barrier layer is formed on the polysilicon layer, a metal layer is formed on the barrier layer, and a structure including the first and second impurity type polysilicon layers is continuously patterned to form a first type gate stack A second type gate stack is formed.
前記技術的課題を達成するための本発明の他の実施形態による半導体素子の製造方法は、基板上に少なくとも2つのスタックゲート構造を形成し、それぞれのゲート構造は、記基板上にゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜上に半導体層、前記半導体層上のバリア膜、前記バリア層上に金属層を含み、前記2つのスタックゲート構造のうち1つの構造は、選択的にオーミック層を備える。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, wherein at least two stacked gate structures are formed on a substrate, and the gate structures are formed on a gate insulating film on the substrate. The semiconductor device includes a semiconductor layer on the gate insulating film, a barrier film on the semiconductor layer, and a metal layer on the barrier layer, and one structure of the two stacked gate structures selectively includes an ohmic layer.
その他の実施例の具体的な事項は詳細な説明及び図面に含まれている。 Specific details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.
本発明によれば、次のような効果が1つあるいはそれ以上ある。 The present invention has one or more of the following effects.
第1に、本発明の半導体素子では、N型トランジスタにのみ選択的にオーミック層が形成され、P型トランジスタには、オーミック層が形成されない。したがって、N型トランジスタとP型トランジスタとの性能がいずれも最適化されて、さらに安定した半導体素子が具現され、半導体素子の特性が向上しうる。 First, in the semiconductor element of the present invention, an ohmic layer is selectively formed only in the N-type transistor, and no ohmic layer is formed in the P-type transistor. Accordingly, the performances of the N-type transistor and the P-type transistor are both optimized, and a more stable semiconductor device can be realized, and the characteristics of the semiconductor device can be improved.
第2に、N型トランジスタ領域にのみオーミック層を形成する工程がマスク工程なしに行われるために、コストダウンとなって工程が単純化されうる。 Second, since the process of forming the ohmic layer only in the N-type transistor region is performed without a mask process, the cost can be reduced and the process can be simplified.
第3に、N型トランジスタ領域にのみオーミック層を形成する工程とデュアルポリシリコンを形成する工程とが一回のマスク工程で行われるために、工程が簡単になり、時間が短縮されて生産性が向上しうる。 Third, the process of forming an ohmic layer only in the N-type transistor region and the process of forming dual polysilicon are performed in a single mask process, which simplifies the process, reduces the time, and increases productivity. Can be improved.
本発明の利点及び特徴、そしてこれを達成する方法は添付された図面に基づいて詳細に後述されている実施例を参照すれば明確になる。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限定されるものではなく、この実施例から外れて多様な形に具現でき、本明細書で説明する実施例は本発明の開示を完全にし、本発明が属する技術分野の当業者に発明の範ちゅうを完全に報せるために提供されるものであり、本発明は請求項及び発明の詳細な説明により定義されるだけである。一方、明細書全体に亘って同一な参照符号は同一な構成要素を示す。 Advantages and features of the present invention and methods of achieving the same will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and can be embodied in various forms that deviate from the embodiments, and the embodiments described herein complete the disclosure of the present invention. It is provided so that the scope of the invention may be fully disclosed to those skilled in the art to which the invention pertains, and the invention is only defined by the claims and the detailed description of the invention. On the other hand, the same reference numerals denote the same components throughout the specification.
前述したように、ポリメタルゲート構造は、半導体素子で抵抗をさらに減らし、それにより信号遅延を減らすために選択される現在主流の構造である。しかし、タングステンのような金属は、高温でポリシリコンと反応して所望しない化合物を形成しうる。それにより、その間の界面抵抗が増加して、半導体素子の動作速度が遅くなりうる。それにより、金属とポリシリコンとの間に形成されうる反応バリア層は、金属とシリコンとの相互拡散を抑制して、その間の反応、例えば、タングステンシリサイドのようなシリサイド物質の形成を減らすか、防止しうる。 As described above, the polymetal gate structure is the current mainstream structure selected to further reduce resistance in semiconductor devices and thereby reduce signal delay. However, metals such as tungsten can react with polysilicon at high temperatures to form undesired compounds. As a result, the interfacial resistance therebetween increases, and the operation speed of the semiconductor element can be reduced. Thereby, the reaction barrier layer that can be formed between the metal and the polysilicon suppresses the interdiffusion between the metal and the silicon and reduces the reaction between them, for example, the formation of a silicide material such as tungsten silicide, It can be prevented.
残念ながら、反応バリア層の界面抵抗は、非常に高く、この問題は、トランジスタの大きさが次第に小さくなるにつれて、さらに著しくなる。出願人は、特にN型トランジスタの場合(P型トランジスタと異なって)、高い界面抵抗は、素子不良を引き起こすということを発見した。したがって、ポリシリコン層と反応バリア層との間のコンタクトまたは界面の抵抗を減らすために、N型トランジスタのポリシリコン層と反応バリア層との間にオーミック層を形成する。 Unfortunately, the interfacial resistance of the reaction barrier layer is very high, and this problem becomes more pronounced as the size of the transistor gets progressively smaller. Applicants have found that high interface resistance causes device failure, especially in the case of N-type transistors (unlike P-type transistors). Accordingly, an ohmic layer is formed between the polysilicon layer of the N-type transistor and the reaction barrier layer in order to reduce the resistance of the contact or interface between the polysilicon layer and the reaction barrier layer.
一方、P型トランジスタの場合、オーミック層、例えば、金属シリサイドをPMOSゲート積層に形成するならば、いわゆる、“ポリ空乏”問題を悪化させて、ドープ剤の拡散経路として使われうる。特に、ボロン(B)のようなドープ剤は、ポリシリコン層からRTPのような工程により熱処理を行う間、ポリシリコン層から外部に広がって適していない(受け入れられない)C−V特性を導く。これは、P型トランジスタの特性と半導体素子の全体的な特性とを低下させる結果を招く。 On the other hand, in the case of a P-type transistor, if an ohmic layer, for example, a metal silicide is formed on the PMOS gate stack, the so-called “poly depletion” problem is exacerbated and can be used as a diffusion path for the dopant. In particular, a dopant such as boron (B) leads to unsuitable (unacceptable) CV characteristics spreading from the polysilicon layer to the outside during heat treatment from the polysilicon layer by a process such as RTP. . This results in degradation of the characteristics of the P-type transistor and the overall characteristics of the semiconductor element.
さらに、ポリ空乏は、P型トランジスタに比べてN型トランジスタで問題が少ない一方、P型トランジスタの素子特性はN型トランジスタと異なって、界面抵抗により影響を少なく受ける。すなわち、半導体素子の全体的な特性は、P型トランジスタの場合に、ポリ空乏が界面抵抗よりさらに重要な問題であり、N型トランジスタの場合には、界面抵抗がポリ空乏問題よりさらに重要な問題である。 Furthermore, poly-depletion is less problematic with N-type transistors than P-type transistors, while the element characteristics of P-type transistors are less affected by interface resistance, unlike N-type transistors. In other words, the overall characteristics of the semiconductor device are such that poly depletion is more important than interface resistance in the case of P-type transistors, and interface resistance is more important than poly depletion in the case of N-type transistors. It is.
前記観点で、本発明の実施形態は前記問題、すなわち、N型トランジスタの高い界面抵抗問題とP型トランジスタの適していないC−V特性を招くポリ空乏問題と分けて扱うことによって素子特性を向上させる。 In view of the above, the embodiments of the present invention improve the device characteristics by separately treating the above problems, that is, the high interface resistance problem of the N-type transistor and the poly-depletion problem causing the unsuitable CV characteristic of the P-type transistor. Let
図1は、本発明の一実施形態によるスタックゲートを有する半導体素子、例えば、トランジスタ構造100、101を示す断面図である。詳細には、P型トランジスタ101とN型トランジスタ100は、NMOS領域とPMOS領域とを備えた半導体基板105上に形成される。N型トランジスタ100は、NMOS領域に形成され、P型トランジスタ101は、PMOS領域に形成される。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a semiconductor device having stacked gates, for example,
N型トランジスタ100は、NMOS領域の不純物領域、例えば、ソース/ドレイン領域160間のチャンネル領域上に連続的に形成されたゲート絶縁膜110とゲートスタック130Nを含む。ゲートスタック130Nは、燐(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)などのN型不純物がドーピングされたN型ポリシリコン層120N、金属シリサイド層などのオーミック層132、金属窒化膜などの反応バリア層134及び金属層136などをさらに含み、前記したものは連続的に積層されている。
The N-
一方、P型トランジスタ101は、PMOS領域の不純物領域間のチャンネル領域に形成されたゲート絶縁膜110とゲートスタック130Pを備える。ゲートスタック130Pは、ボロンのようなP型不純物がドーピングされたP型ポリシリコン層120P、反応バリア層134、金属層136などをさらに備え、前記したものは連続的に積層されている。
On the other hand, the P-
金属層136は、W、Ta、Re、Os、Mo、Nb、V、Hf、Zr及びTiのような低い面抵抗を有する金属より形成される。シリコン窒化膜などの物質で形成された一般的なハードマスク層140は、それぞれのゲートスタック100、101上に形成され、絶縁スペーサ150はそれぞれのゲートスタック130N、130Pの側面に沿って形成される。
The
本発明の一部実施形態によれば、反応バリア層134は、WN、TiNまたはTaNなどの金属窒化膜であり得る。前述したように、反応バリア層134は、金属層136とドーピングされたシリコン層120Nまたは120Pの間に形成され、金属とシリコンとの相互内部拡散を抑制することにより、その間での反応、例えば、タングステンシリサイドなどのシリサイド物質の反応形成を減らすか、防止しうる。シリサイド物質は、一般的に金属より高い抵抗値を有するので、ゲート電極で抵抗を増加させてしまう。
According to some embodiments of the present invention, the
ゲートスタック130Pとゲートスタック130Nとの重要な差は、ゲートスタック130Pにはゲートスタック130Nでドーピングされたシリコン層120Pと反応バリア層134との間に備えられたオーミック層132のようなオーミック層がないということである。それにより、ゲートスタック130Pでは、反応バリア層134がその間に備えられたオーミック層132無しに、直接ドーピングされたポリシリコン層120Pと接する。
An important difference between the
ゲートスタック130Nのオーミック層132は、ドーピングされたポリシリコン層120Nと反応バリア層134との間の接触抵抗または界面抵抗を減少させる。ドーピングされたポリシリコン層120NとWNまたはTiNなどの反応バリア層134との間の界面抵抗は高いために、ゲートスタック130Nでオーミック層132は選択的にその間に界面抵抗を減らすために形成される。オーミック層132は、WSix、TiSix、CoSixなどの耐熱性の金属シリサイドであり得る。望ましくは、耐熱性の金属シリサイドは、タングステン(W)とシリコン(Si)とを含む。オーミック層132の厚さは、約30〜200Åであって、望ましくは、約80Åであり得る。
The
しかし、前述したように、金属シリサイドのオーミック層132がP型トランジスタ101のゲートスタック130Pに形成されるならば、オーミック層132は、ボロン(B)などのドープ剤の拡散経路として使われうる。具体的に、ドーピングされたポリシリコン層120Pからドープ剤は、例えば、金属シリサイドの粒界を通じて金属シリサイドに迅速に拡散されるか、吸収される。これは、ドーピングされたポリシリコン層120Pの内部のドープ剤の密度を減らし、トランジスタ、例えば、CMOSトランジスタ(“ポリ空乏”)のスレショルド電圧を変えられる。それにより、半導体素子のインバージョンキャパシタンス(反転容量)がさらに低くなって、望ましくないC−V特性が現れる。
However, as described above, if the metal
前記の観点で、本発明の一側面によれば、本発明の半導体素子は、選択的、意図的にゲートスタック130Pの反応バリア層134とドーピングされたポリシリコン層120Pとの間にオーミック層132を含まない。それにより、実質的にドープ剤の拡散が減る。すなわち、本発明によれば、相異なる中間層を有する2つの異なるスタックゲート構造の特徴である。このような重要な差は、以下で簡単に要約する。
In view of the above, according to one aspect of the present invention, the semiconductor device of the present invention is selectively and intentionally formed between the
一般的に、P型とN型スタックゲート構造間の主な構造的な差は供給されるP型またはN型ドープ剤である。 In general, the main structural difference between P-type and N-type stacked gate structures is the supplied P-type or N-type dopant.
本発明によれば、追加的な構造差は、スタックゲート構造内にシリコン層と反応バリア層のような半導体層の間にオーミックコンタクト層の追加または除外を伴う相異なる中間層を備える。中間層構造のこのような差は、N型スタックゲート構造では、ポリ空乏問題より界面抵抗がさらに重要であるということを強調し、P型スタックゲート構造では、界面抵抗よりポリ空乏がさらに重要であるということを強調する。 In accordance with the present invention, the additional structural differences comprise different intermediate layers with the addition or exclusion of ohmic contact layers between the semiconductor layers, such as the silicon layer and the reaction barrier layer, in the stacked gate structure. This difference in the intermediate layer structure emphasizes that the interface resistance is more important than the poly-depletion problem in the N-type stack gate structure, and that the poly-depletion is more important than the interface resistance in the P-type stack gate structure. Emphasize that there is.
結果的に、本発明の実施形態による半導体素子は、N型トランジスタのN型ゲート電極130Nには、N型ポリシリコン層120Nと反応バリア層134との間にオーミック層132を選択的に含めることにより、N型トランジスタ100の界面抵抗特性を向上させる一方、P型トランジスタ(図11の101)のP型ゲート電極130Pには、オーミック層132を形成しないために、P型トランジスタ101のインバージョンキャパシタンスを増加させうる。
As a result, in the semiconductor device according to the embodiment of the present invention, the N-
図2ないし図6は、本発明の一実施形態による相異なる中間層を有するP型ゲートスタックとN型ゲートスタックとのデュアルゲート構造を有する半導体素子を製造する連続的な過程を示す。図1のような機能を有する構成要素は、同一か類似した図面符号を付し、その詳細な説明は省略する。 2 to 6 illustrate a continuous process of manufacturing a semiconductor device having a dual gate structure of a P-type gate stack and an N-type gate stack having different intermediate layers according to an embodiment of the present invention. 1 having the same or similar functions are denoted by the same or similar reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図2を参照すれば、素子分離膜(図示せず)は、半導体基板105上に形成されてアクティブ領域を画定する。半導体基板105は、一般的にセル領域のためのNMOS領域と周辺/コア領域のためのPMOS領域を有する。基板105は、Si、Ge、SiGe、GaP、GaAs、SiC、SiGeC、InAs、InPまたはこれらの結合で形成されうる。また、基板105は、SOI基板でありうる。
Referring to FIG. 2, an isolation layer (not shown) is formed on the
半導体基板105上にゲート絶縁膜110を形成する。ゲート絶縁膜110は、HfO2のような高k(high−k)絶縁物質を含む適切なゲート絶縁物質で形成されうる。次いで、ゲート絶縁膜110上に燐または砒素などのN型不純物がドーピングされたN型ポリシリコン層120Nを形成する。知られたように、N型ポリシリコン層120Nは、ポリシリコン層を形成する間にN型ドーピングをインサイチュで進行するか、ポリシリコン層を形成した後にN型不純物をイオン注入して形成する。選択的に、プラズマドーピング工程が使われうる。N型ポリシリコン層120Nは、N型不純物を含みうる。選択的にN型ポリシリコン層は、P型不純物よりN型不純物の濃度がさらに大きい。
A
図3を参照すれば、基板105上にフォトレジストパターン310を形成するが、一般的な写真エッチング技術を用いてNMOS領域を覆うように形成する。次いで、矢印122により表示されたPカウンター注入工程を実行し、すなわち、フォトレジストパターン310をマスクとして用いてN型ポリシリコン層120Nのうち、P型不純物をイオン注入してPMOS領域にP型ポリシリコン層120Pを形成する。Pカウンター注入工程122は、3KeVより大きいエネルギーで約1.0×1015〜1017/cm2の濃度でホウ素(B)、ホウ素フッ化物(BF2、BF3)、インジウム(In)などのP型不純物を使用する。したがって、全体的にP型不純物の濃度がN型不純物の濃度より濃くなり、イオン注入層の導電型はP型となって、PMOS地域にP型ポリシリコン層120Pが形成される。選択的に、P型ポリシリコン層120Pは、単にP型不純物のみを含みうる。
Referring to FIG. 3, a
結果的に、N型シリコン層とP型シリコン層、すなわち、デュアルポリシリコン層は、図示されたように、基板105上に形成される。そして、N型またはP型不純物を活性化させるために、RTPまたは一般的なアニーリング工程などの熱処理を行う。温度は、例えば、約600℃以上であり得る。
As a result, an N-type silicon layer and a P-type silicon layer, i.e., a dual polysilicon layer, are formed on the
選択的に、デュアルポリシリコン層は、P型ポリシリコン層120Pを形成した後、連続的にN型トランジスタ領域にN型不純物を注入して形成でき、反対の場合も可能である。また、デュアルポリシリコン層を形成するためにN型トランジスタ領域とP型トランジスタ領域とを各々露出させる2枚のマスクを用いてN型不純物とP型不純物とを各々注入して形成しうる。しかし、前述したように、1枚のマスクのみを用いて形成することが、工程を単純化し、製造コストを減少させうる。それぞれの場合に、イオン注入以後に一般的な方法を含む適切な方法でマスクを除去する。また、当業者に知られたように、イオン注入工程段階を完璧にするために急速窒化処理及び洗浄工程を行える。
Alternatively, the dual polysilicon layer can be formed by continuously implanting N-type impurities into the N-type transistor region after forming the P-
図4を参照すれば、N型ポリシリコン層120N上にオーミック層132を形成する。オーミック層132は、例えば、SiH4の代りに、ヘキサフルオロタングステン(WF6)とジクロロシラン(SiH2Cl2)を使用したCVD(Chemical Vapor Deposition)の方法によりN型ポリシリコン層120N上に選択的に形成しうる。望ましくは、WF6とSiH2Cl2のガスフロー比が約1:25〜160であり得る。選択的なCVD工程で、200mtorr以上の部分圧力を有するキャリアガスとしてArを使用しうる。工程を進行する間、ウェーハは、約450℃より高温に加熱しうる。このような場合、P型ポリシリコン層120P上には、オーミック層132が形成されないか、無視できるほどに形成される。オーミック層132は、チタンシリサイド(TiSix)、タンタルシリサイド(TaSix)、コバルトシリサイド(CoSix)、タングステンシリサイド(WSix)、モリブデンシリサイド(MoSix)のような金属シリサイドを含む。オーミック層132の厚さは、約30〜200Åであり得る。
Referring to FIG. 4, an
択一的に、オーミック層132は、N型及びP型ポリシリコン層120P上にいずれも形成した後、P型ポリシリコン層120P上のオーミック層132を、例えば、エッチング工程で除去することにより形成しうる。この場合、オーミック層132は、連続して熱処理を行う一般的なCVD工程やPVD方法により形成されうる。
Alternatively, the
しかし、前述した選択的な蒸着工程では、オーミック層132は、エッチング工程なしに選択的にNMOS領域に形成される。それにより、製造コストを低減し、製造工程を単純化しうる。
However, in the selective deposition process described above, the
図5を参照すれば、約50〜100Åの厚さを有する反応バリア層134をNMOS領域のオーミック層132上に、PMOS領域の反応バリア層134上にCVD、PVDまたはALDのような一般的な技術を用いて形成する。引続き、反応バリア層上に耐熱性金属のような金属で形成された金属層136を形成する。金属層は、約300〜600Åの厚さに形成される。反応バリア層134は、タングステン窒化物(WN)、チタン窒化物(TiN)、タンタル窒化物(TaN)から少なくとも1つを含みうる。金属層136は、W、Re、Ta、Os、Mo、Nb、V、Hf、Zr、Tiから少なくとも1つを含みうる。
Referring to FIG. 5, a
次いで、ゲート電極を画定するためのハードマスクパターン140を耐熱性金属層136上に形成する。ハードマスクパターン140は、PE−SiN(Plasma Enhenced−SiN)またはLP−SiN(Low Pressure−SiN)より形成されうる。
Next, a
図6を参照すれば、ハードマスクパターン140を用いて、金属層136、反応バリア層134、オーミック層132、N型及びP型ポリシリコン層120P、ゲート絶縁膜110を順次にパターニングしてNMOS領域とPMOS領域に各々ゲート構造を形成する。次いで、NMOS領域とPMOS領域それぞれの不純物領域(図1の160)、例えば、LDD領域にイオン注入過程を行う。次いで、図1に示されたように、ソース/ドレイン領域のような高濃度不純物領域(図示せず)を形成するために、それぞれのNMOS領域とPMOS領域上に形成されたゲート構造の側壁に側壁スペーサを形成する。
Referring to FIG. 6, using the
結果的に、基板105上にスタックゲート、すなわち、N型ゲート電極130NとP型ゲート電極130Pとが形成される。N型ゲート電極130NとP型ゲート電極130Pは、レイアップは類似しているが、異なるものである。N型ゲート電極130Nは、オーミック層132を含むが、P型ゲート電極130Pは含まない。前述したように、半導体素子の全体的な特性面で、界面抵抗は、P型トランジスタの場合で、ポリ空乏は、N型トランジスタの場合で、あまり重要な問題ではない。それにより、発明はCMOSトランジスタのゲート電極をペアで形成して二領域にいずれも最適の条件、(従来より低い抵抗のN型ゲート電極とポリ空乏が減るか、さらに改善されたP型ゲート電極)を形成する。
As a result, a stack gate, that is, an N-
さらに、区別された中間スタックゲート構造で引き起こされるポテンシャルネガティブ効果、例えば、N型トランジスタのポリ空乏やP型トランジスタの界面抵抗は、後述されるように素子特性に合わせて決定される。 Further, the potential negative effect caused by the differentiated intermediate stack gate structure, for example, the poly-depletion of the N-type transistor and the interface resistance of the P-type transistor are determined according to the element characteristics as described later.
簡単に要約すれば、2つのスタックゲート構造の1つはポリシリコン層と反応バリア層のような半導体層間に形成されたオーミック層を含み、他の1つはそうでない。すなわち、2つのスタックゲート構造のうち、ただ1つのみがポリシリコン層と反応バリア層のような半導体層の間に形成されたオーミック層を備える。後述する図11に示されたように、区分されたスタックゲート構造ペアの素子特性の向上は、従来の技術と比較して顕著である。 Briefly summarized, one of the two stacked gate structures includes an ohmic layer formed between semiconductor layers such as a polysilicon layer and a reaction barrier layer, the other is not. That is, only one of the two stacked gate structures includes an ohmic layer formed between a polysilicon layer and a semiconductor layer such as a reaction barrier layer. As shown in FIG. 11, which will be described later, the improvement in device characteristics of the segmented stacked gate structure pair is remarkable as compared with the conventional technique.
連続的な入出力を可能にする配線を形成する段階、基板をパッケージする段階などの工程段階をさらに行って半導体素子を完成する。しかし、これらは、当業者に広く知られているので、ここではその詳細な説明を省略する。 A semiconductor device is completed by further performing process steps such as a step of forming wiring that enables continuous input / output and a step of packaging a substrate. However, since these are well known to those skilled in the art, a detailed description thereof is omitted here.
図7ないし図10は、本発明の一実施形態と同様に他の中間層を有するP型ゲートスタック及びN型ゲートスタックのデュアルゲート構造を有するが、他の工程段階を使用する半導体素子を製造するための連続的な工程段階を示している。同じ機能を有する構成要素は、図2ないし図6と同じか、類似した図面符号を用いて、その詳細な説明は省略する。 7-10 illustrate a semiconductor device having a dual gate structure of a P-type gate stack and an N-type gate stack having other intermediate layers, similar to an embodiment of the present invention, but using other process steps. It shows the continuous process steps to do. Components having the same functions are denoted by the same or similar reference numerals as those in FIGS. 2 to 6, and detailed description thereof is omitted.
本発明の当業者ならば、図2ないし図6に示された工程が、オーミック層132が単にN型スタックゲート構造が形成される基板領域のシリコン層にのみ形成される、選択的な部が工程(蒸着)を伴うものであるということが分かる。
Those skilled in the art will understand that the process shown in FIGS. 2 to 6 can be performed by selectively forming the
本発明の当業者ならば、図7ないし図10に示された工程がオーミック層132を全体的にシリコン層上に形成し、P型スタックゲート構造が形成される基板領域には選択的に除去するものである、一般的な蒸着工程ということが分かる。
Those skilled in the art of the present invention can form the
オーミック層の選択的蒸着、または全体的な蒸着及び選択的除去は、詳細な説明、図面及び請求項と同様に、結果的に同じ構造を提供して素子特性の向上が招かれるということを理解できるであろう。これは、P型スタックゲート構造では、オーミック層を選択的に除去し、N型スタックゲート構造では、オーミック層を残しておくからである。 Understand that selective deposition of ohmic layers, or overall deposition and selective removal, as well as detailed description, drawings and claims, results in the same structure and improved device characteristics. It will be possible. This is because the ohmic layer is selectively removed in the P-type stack gate structure and the ohmic layer is left in the N-type stack gate structure.
図7を参照すれば、前述した実施形態と同様に、セル領域のためのNMOS領域と周辺/コア領域のためのPMOS領域を有する半導体基板上に素子分離膜(図示せず)を形成する。 Referring to FIG. 7, an isolation layer (not shown) is formed on a semiconductor substrate having an NMOS region for a cell region and a PMOS region for a peripheral / core region, as in the above-described embodiment.
次いで、半導体基板105上にゲート絶縁膜110を形成する。次いで、本発明の一実施形態に描写された方法で、ゲート絶縁膜110上に燐または砒素のようなN型不純物をドーピングしてN型ポリシリコン120Nを形成する。
Next, a
図8を参照すれば、N型ポリシリコン120Nの全面にオーミック層132を形成する。ここで、オーミック層132は、CVDまたはPVD(Physical Vapor Deposition)方法で積層した後、熱工程を経ることによって形成しうる。
Referring to FIG. 8, an
図9を参照すれば、NMOS領域を覆うようにフォトレジストパターン330を形成する。フォトレジストパターン330をエッチングマスクとして用いてPMOS領域のオーミック層132を乾式エッチングまたは湿式エッチングで除去する。結果的に、PMOS領域にはN型シリコン層が露出される。
Referring to FIG. 9, a
図10を参照すれば、フォトレジストパターン330をマスクとして用いて、露出されたN型ポリシリコン層120NにPカウンターイオン注入工程を行い、P型トランジスタ領域にP型不純物がドーピングされたP型ポリシリコン層120Pを形成する。イオン注入されたポリシリコン層の全体的な導電性は望ましくは、P型である。すなわち、P型不純物の濃度がN型不純物の濃度より大きくなる。結果的に、NMOS領域のN型ポリシリコン層120NとPMOS領域のP型ポリシリコン層120Pを有するデュアルポリシリコン層が形成される。連続的に、前記の構造に急速窒化処理及び洗浄工程(フォトレジストパターン330の除去を含む)を行える。
Referring to FIG. 10, using the
前述した工程段階は、1つのイオン注入マスクを使用することによって、デュアルポリシリコン層を形成するためにNMOS領域とPMOS領域とを各々露出する2つの異なるマスクを使用する必要がないために、コストダウンとなり、製造工程を単純化しうる。 The process steps described above are cost effective because the use of a single ion implantation mask eliminates the need to use two different masks that respectively expose the NMOS and PMOS regions to form a dual polysilicon layer. It can go down and simplify the manufacturing process.
N型トランジスタ100及びP型トランジスタ101を形成するための残りの製造工程は、本発明の一実施形態の説明と同じである。
The remaining manufacturing steps for forming the N-
図11は、オーミック層の具備如何によるPMOSタングステンポリメタルゲートのキャパシタンス−電圧(C−V)曲線を示すグラフである。 FIG. 11 is a graph showing a capacitance-voltage (CV) curve of a PMOS tungsten polymetal gate depending on whether an ohmic layer is provided.
図11を参照すれば、本発明の実験テスト結果を示す曲線D(オーミック層無し)は、先行技術の構造の実験テスト結果を示す曲線C(オーミック層を含む)と対照される。実験的なスタックゲート電極はいずれもゲート電極としては、Wポリ−金属を用いて、選択的に含まれるオーミック層としては、WSixを使用する。本発明の当業者ならば、縦軸はゲート電極ジャクションを横切るキャパシタンスを測定した値をFと表し、横軸は、ゲート電極を横切るゲート電極電圧が表す値をVと表したということが分かる。図11に図示されたように、例えば、−1.5Vの電圧で、曲線Dのキャパシタンスは、2.0×10−10Fであり、曲線Cのキャパシタンスは、105×10−10Fである。したがって、オーミック層のないゲート電極構造を使用すれば、ゲート空乏は−1.5Vで約33%に減少し(向上し)、全体的なインバージョンキャパシタンス値が増加する結果を招く。 Referring to FIG. 11, curve D (no ohmic layer) showing experimental test results of the present invention is contrasted with curve C (including ohmic layers) showing experimental test results of prior art structures. All experimental stacked gate electrodes use W poly-metal as the gate electrode and WSix as the selectively included ohmic layer. Those skilled in the art will understand that the vertical axis represents the measured capacitance across the gate electrode junction as F, and the horizontal axis represents the value represented by the gate electrode voltage across the gate electrode as V. . As illustrated in FIG. 11, for example, at a voltage of −1.5 V, the capacitance of the curve D is 2.0 × 10 −10 F, and the capacitance of the curve C is 10 5 × 10 −10 F. is there. Thus, using a gate electrode structure without an ohmic layer, gate depletion is reduced (improved) to approximately 33% at -1.5V, resulting in an increase in overall inversion capacitance value.
下記の表は3つの異なるケースの実験的な算出データを示す。
(1)オーミック層を非選択的に(全体的に)形成した場合。
(2)NMOSスタックゲート構造にのみ選択的にオーミック層を形成した場合。
(3)選択的にまたは全体的にオーミック層を形成していない場合。
The table below shows experimental calculated data for three different cases.
(1) When the ohmic layer is formed non-selectively (entirely).
(2) When an ohmic layer is selectively formed only on the NMOS stack gate structure.
(3) The ohmic layer is not formed selectively or entirely.
ここで、収率は、ウェーハでテストしたダイ全体の数に対して正常に機能する半導体ダイのパーセントを表したものである。 Here, the yield represents the percentage of semiconductor dies that function normally relative to the total number of dies tested on the wafer.
また、3つの異なるケースの実験的な結果は、統計的に意味のあるサンプル数を提供するために複数のウェーハを用いて得られたものである。 Also, experimental results in three different cases were obtained using multiple wafers to provide a statistically meaningful sample number.
したがって、さらに速い速度と低い電力を消費する素子は、本明細書で開示され、図示された多様な実施形態により唯一の半導体スタックゲート層構造により得られる。オーミック層の半導体スタックゲート層構造の唯一の選択的な含みと構造のN型スタックゲート層領域にのみオーミック層を選択的に含めるということは、N型トランジスタの界面抵抗を顕著に減らす一方、P型トランジスタでポリ空乏問題を減らせる。また、本発明の一部実施形態と同様に、NMOS領域とPMOS領域にいずれも非選択的にオーミック層を形成して、マスクを用いてPMOS領域のオーミック層を選択的に除去する一般的な方法を使用せず(図7ないし図10に説明された工程)、1つのマスクを用いてNMOS領域にのみ選択的にオーミック層を形成する方法(図2ないし図6に説明された工程)を通じて工程段階が単純化されうる。また、一部の実施形態によれば、本発明は、DRAMなどの揮発性メモリの製造時、またはフラッシュメモリなどの不揮発性メモリの製造時に使用しうる。 Thus, devices that consume even faster speeds and lower power are obtained with a single semiconductor stack gate layer structure according to the various embodiments disclosed and illustrated herein. The only selective inclusion of the ohmic semiconductor stack gate layer structure and the selective inclusion of the ohmic layer only in the N-type stacked gate layer region of the structure significantly reduces the interface resistance of the N-type transistor, while P The poly-depletion problem can be reduced with a type transistor. Further, as in some embodiments of the present invention, it is a general practice to form an ohmic layer non-selectively in both the NMOS region and the PMOS region and selectively remove the ohmic layer in the PMOS region using a mask. Without using the method (steps described in FIGS. 7 to 10), through a method of selectively forming an ohmic layer only in the NMOS region using one mask (steps described in FIGS. 2 to 6). Process steps can be simplified. Further, according to some embodiments, the present invention can be used when manufacturing a volatile memory such as a DRAM or when manufacturing a non-volatile memory such as a flash memory.
以上、添付図を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明が属する技術分野で当業者ならば本発明がその技術的思想や必須特徴を変更せずとも他の具体的な形に実施されうるということが理解できるであろう。したがって、前述した実施例は全ての面で例示的なものであって、限定的なものではないと理解せねばならない。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings. However, those skilled in the art to which the present invention pertains may have other specific forms without changing the technical idea and essential features thereof. It will be understood that this can be implemented. Accordingly, it should be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not limiting.
本発明に適用される素子は、高集積回路の半導体素子、プロセッサー、MEM’s(Micro Electro Mechanical)素子、光電子素子、ディスプレイ素子などである。 The element applied to the present invention is a semiconductor element of a highly integrated circuit, a processor, a MEM's (Micro Electro Mechanical) element, an optoelectronic element, a display element, or the like.
100 N型トランジスタ
101 P型トランジスタ
105 基板
110 ゲート絶縁膜
120N N型ポリシリコン
120P P型ポリシリコン
130N N型ゲート電極
130P P型ゲート電極
132 オーミック層
134 バリア層
136 金属層
140 ハードマスク
150 スペーサ
160 ソース/ドレイン領域
100 N-type transistor 101 P-
Claims (28)
前記基板上に形成された少なくとも2つのスタックゲート構造と、を含み、
前記2つのスタックゲート構造は各々前記基板上に形成されたゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜上に形成された半導体層、前記半導体層上に形成された反応バリア層及び前記バリア層上に形成された金属層を備え、
前記2つのスタックゲート構造のうち1つの構造は、前記半導体層と前記反応バリア層との間に備えられたオーミック層をさらに備え、
前記2つのスタックゲート構造のうち他の1つの構造は、その間にオーミック層を備えない半導体素子。 A semiconductor substrate;
And at least two stacked gate structures formed on the substrate;
Each of the two stack gate structures is formed on a gate insulating film formed on the substrate, a semiconductor layer formed on the gate insulating film, a reaction barrier layer formed on the semiconductor layer, and the barrier layer. With a metal layer
One of the two stack gate structures further includes an ohmic layer provided between the semiconductor layer and the reaction barrier layer,
The other one of the two stacked gate structures is a semiconductor device that does not include an ohmic layer therebetween.
前記2つのスタックゲート構造のうち1つの構造はオーミック層を含み、前記2つのスタックゲート構造のうち他の1つの構造はオーミック層を含まず、前記基板上の前記2つのスタックゲート構造は、相異なる中間層を有することを特徴とする半導体素子。 At least two stack gate structures formed on a substrate, each of the two stack gate structures including a semiconductor layer and a metal layer formed on the semiconductor layer;
One of the two stacked gate structures includes an ohmic layer, the other one of the two stacked gate structures does not include an ohmic layer, and the two stacked gate structures on the substrate have a phase structure. A semiconductor element having different intermediate layers.
前記ゲート絶縁膜上にポリシリコン層を形成し、
前記ポリシリコン層を第1不純物型ポリシリコン層と第2不純物型ポリシリコン層とに画定し、
前記第1不純物型ポリシリコン層上に選択的にオーミック層を形成し、
前記オーミック層及び前記第2不純物形ポリシリコン層上に反応バリア層を形成し、
前記バリア層上に金属層を形成し、
前記第1及び第2不純物型ポリシリコン層を備える構造を連続的にパターニングして第1型ゲートスタックと第2型ゲートスタックとを各々形成する半導体素子の製造方法。 Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a polysilicon layer on the gate insulating film;
Defining the polysilicon layer into a first impurity type polysilicon layer and a second impurity type polysilicon layer;
Forming an ohmic layer selectively on the first impurity type polysilicon layer;
Forming a reaction barrier layer on the ohmic layer and the second impurity type polysilicon layer;
Forming a metal layer on the barrier layer;
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a structure including the first and second impurity type polysilicon layers is continuously patterned to form a first type gate stack and a second type gate stack, respectively.
前記それぞれのゲート構造は、前記基板上にゲート絶縁膜、前記ゲート絶縁膜上に半導体層、前記半導体層上のバリア膜、前記バリア層上に金属層を含み、
前記2つのスタックゲート構造のうち1つの構造は、選択的にオーミック層を備える半導体素子の製造方法。 Forming at least two stack gate structures on the substrate;
Each of the gate structures includes a gate insulating film on the substrate, a semiconductor layer on the gate insulating film, a barrier film on the semiconductor layer, and a metal layer on the barrier layer,
One of the two stacked gate structures is a method of manufacturing a semiconductor device that selectively includes an ohmic layer.
The ohmic layer is deposited on a semiconductor layer in a region where the two stacked gate structures are formed, and the ohmic layer formed in a region where the other one of the two stacked gate structures is formed is The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 23, wherein the semiconductor device is removed by selective etching.
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JP2008244009A (en) * | 2007-03-26 | 2008-10-09 | Fujitsu Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
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