JP2008218661A - Field-effect semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電界効果型半導体装置及びその製造方法に関するものであり、特に、ゲート電極の主構成要素となるシリコン膜の結晶化を抑制するための構成に特徴のある電界効果型半導体装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a field effect semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a field effect semiconductor device characterized by a configuration for suppressing crystallization of a silicon film which is a main component of a gate electrode and a method for manufacturing the same. It is about the method.
近年、半導体集積回路装置の高性能化・高速化の要請に伴って、半導体集積回路装置を構成するMOSFETの微細化も要請されており、そのためには、MOSFETのゲート幅(チャネル長)の微細化が必要になり、昨今では、微細MOSFETのゲート幅のバラツキはnmオーダーで制御することが必要になっている。 In recent years, with the demand for higher performance and higher speed of semiconductor integrated circuit devices, there has also been a demand for miniaturization of MOSFETs constituting the semiconductor integrated circuit devices. To that end, the gate width (channel length) of MOSFETs has been reduced. In recent years, it has become necessary to control the variation in the gate width of a fine MOSFET on the order of nm.
従来よりゲート電極として用いられてきた多結晶シリコンは加工性に優れたゲート電極材料であるが、結晶粒径が影響したゲート幅のバラツキが問題となる。
即ち、低温で成膜した段階ではアモルファス膜であるが、注入イオンの活性化等の熱工程を経るとむしろ大きな結晶粒径の多結晶に変質してしまい、50nm以下、例えば、20〜30nmの幅のゲート電極のパターニング工程において、結晶粒界の影響が問題になる。
Polycrystalline silicon that has been conventionally used as a gate electrode is a gate electrode material with excellent workability, but there is a problem of variations in gate width affected by the crystal grain size.
That is, although it is an amorphous film at the stage of film formation at a low temperature, it undergoes a thermal process such as activation of implanted ions, but rather changes to a polycrystal having a large crystal grain size, and is 50 nm or less, for example, 20 to 30 nm. In the patterning process of the width gate electrode, the influence of the crystal grain boundary becomes a problem.
また、大きな結晶粒径に変質した多結晶シリコンに、導電性を付与するための不純物を均一に且つ多量にドープすることは困難であるため、低濃度化しやすく、したがって、空乏化しやすくなるため、ゲート電極/ゲート絶縁膜界面におけるゲート電極の空乏化の増大が問題となる。 In addition, it is difficult to uniformly and abundantly add impurities for imparting conductivity to polycrystalline silicon that has been transformed into a large crystal grain size. Increased depletion of the gate electrode at the gate electrode / gate insulating film interface becomes a problem.
このような熱工程に伴う結晶化を抑制するためには、シリコンに窒素を含有することが有効であり、それによりシリコン膜の結晶化の抑制は超微細多結晶(ナノクリスタル)の生成が可能になる。 In order to suppress the crystallization associated with such a thermal process, it is effective to contain nitrogen in silicon, thereby suppressing the crystallization of the silicon film, which can generate ultrafine polycrystals (nanocrystals). become.
また、低窒素濃度の窒素含有シリコン膜は、絶縁膜である窒化シリコン膜、即ち、Si3 N4 膜より半導体である多結晶シリコン膜或いはアモルファスシリコン膜に近く、ドーピングが可能であることも知られている(例えば、非特許文献1乃至非特許文献3参照)。
It is also known that a nitrogen-containing silicon film having a low nitrogen concentration is closer to a polycrystalline silicon film or an amorphous silicon film as a semiconductor than a silicon nitride film as an insulating film, that is, a Si 3 N 4 film, and can be doped. (For example, see Non-Patent
一方、微細化に伴う配線抵抗の増大の問題を解決するために、多結晶シリコンゲート電極に代えて、金属電極を用いるMOSFETの開発も進められており、この場合の金属電極にはゲート絶縁膜との反応性、耐熱性、或いは、耐バリア性等を考慮して金属シリサイドや、TiN等の窒化金属材料、もしくは金属窒化シリコン材料を用いることが検討されている。 On the other hand, in order to solve the problem of increase in wiring resistance due to miniaturization, MOSFETs using metal electrodes instead of polycrystalline silicon gate electrodes have been developed. In this case, a gate insulating film is used as the metal electrode. In view of reactivity with silicon, heat resistance, barrier resistance, and the like, use of metal silicide, metal nitride materials such as TiN, or metal silicon nitride materials has been studied.
金属ゲート電極のMOSFETの閾値電圧は用いる金属の仕事関数により規定されるが、金属窒化シリコン膜の仕事関数は膜組成に大きく依存することが知られており(例えば、非特許文献4或いは非特許文献5参照)、そのため、膜組成を制御することによって最適な仕事関数を有するゲート電極の形成が可能になる。
しかし、シリコンに窒素を含有する際には、ゲート絶縁膜の信頼性を確保するためには化学気相成長(CVD)法での成膜が望ましいが、窒素源としてNH3 を用いたCVD法では、NH3 とシリコン原料ガス(SiH4 ,Si2 H6 ,SiH2 Cl2 )の強い気相反応によりパーティクルが生成したり、或いは、窒素含有シリコン膜の組成ゆらぎや組成制御困難性の問題が生じる。 However, when nitrogen is contained in silicon, film formation by chemical vapor deposition (CVD) is desirable in order to ensure the reliability of the gate insulating film, but CVD using NH 3 as a nitrogen source Then, particles are generated by a strong gas phase reaction between NH 3 and silicon source gas (SiH 4 , Si 2 H 6 , SiH 2 Cl 2 ), or composition fluctuation of nitrogen-containing silicon film and composition control difficulty are problems. Occurs.
また、CVD法は一般的に組成制御性に乏しいため、金属窒化シリコン膜を成膜しても、必ずしもトランジスタ特性にとって最適な仕事関数を有する組成の膜が堆積できないという問題がある。 Further, since the CVD method generally has poor composition controllability, there is a problem that even if a metal silicon nitride film is formed, a film having a composition having an optimal work function for transistor characteristics cannot always be deposited.
したがって、本発明は、ゲート絶縁膜にダメージを与えることなく、少なくとも窒素を含有するとともにシリコンを主成分とする膜を組成制御性良く構成することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to configure a film containing at least nitrogen and containing silicon as a main component with good composition controllability without damaging the gate insulating film.
図1は本発明の原理的構成図であり、ここで図1を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図における符号1,5,6は、それぞれ半導体基板、ソース領域及びドレイン領域である。
図1参照
上記の課題を解決するために、本発明は、電界効果型半導体装置において、シリコンを主成分とするとともに、シリコンに対して5〜30原子数%の窒素を含有する導電膜をゲート電極4の少なくとも一部として用いたことを特徴とする。
FIG. 1 is a block diagram showing the principle of the present invention, and means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a field effect semiconductor device in which a conductive film containing silicon as a main component and containing 5 to 30 atomic% of nitrogen with respect to silicon is gated. It is used as at least a part of the
このように、シリコンに対して5〜30原子数%の窒素を含有する導電膜をゲート電極4の少なくとも一部として用いることにより、ゲート電極4の多結晶化を抑制することができるとともに、窒素の添加料を5〜30原子数%とすることによって、ゲート電極4として必要な導電性も保つことができる。
なお、「ゲート電極4の少なくとも一部」は、ゲート電極4の全体、ゲート電極4を構成する材料、或いは、積層構造のゲート電極4を構成する窒素含有シリコン層を意味する。
Thus, by using a conductive film containing nitrogen of 5 to 30 atomic% with respect to silicon as at least a part of the
Note that “at least a part of the
この場合のゲート電極4の構造としては、ゲート電極4全体を5〜30原子数%の窒素を含有するシリコン膜3で構成しても良く、従来の多結晶シリコンゲートMOSFETよりゲートの空乏化が抑制された安定な特性を得ることができる。
As the structure of the
或いは、ゲート電極4全体をシリコンに対して30〜200原子数%の金属元素を含む金属窒化シリコンで構成しても良く、膜組成を精度良く制御することによって、トランジスタ特性にとって最適な仕事関数を有する組成のゲート電極4を実現することができ、且つ、窒素含有シリコン膜より導電性を高めることができる。
Alternatively, the
或いは、ゲート電極4を、ゲート絶縁膜2側からシリコンに対して30〜200原子数%の金属元素を含む金属窒化シリコン膜と、5〜30原子数%の窒素を含有するシリコン膜3とを積層した積層構造から構成しても良い。
Alternatively, the
一般に、金属窒化シリコン膜はエッチング加工性が悪く、矩形状パターンが得にくく、肩部がだれたテーパ状になり、ゲート幅の制御性に劣るが、仕事関数が寄与するゲート絶縁膜2側のみを金属窒化シリコン膜にすることによって、ゲート幅のバラツキを少なくすることができる。 In general, a metal silicon nitride film has poor etching processability, it is difficult to obtain a rectangular pattern, has a tapered shoulder, and is inferior in controllability of the gate width. By using a metal silicon nitride film, variation in gate width can be reduced.
さらには、ゲート電極4を、ゲート絶縁膜2側からシリコンに対して30〜200原子数%の金属元素を含む金属窒化シリコン膜と金属膜とを積層した積層構造で構成しても良く、それによって、ゲート電極4の抵抗を小さくすることができるとともに、特に、CMOSに適用した場合には、pチャネル型MOSFETのゲート電極4を積層構造を構成する金属膜によって形成すれば良いので製造工程数の低減に寄与することになる。
Furthermore, the
なお、この場合の、金属窒化シリコン膜を構成する金属元素としては、CVD法を用いる場合には、Ti、Ta、W、Mo、Coを用い、また、PVD法を用いる場合には、前記の金属に加えてNi、Ru、及び、Ptの使用も可能になる。 In this case, as the metal element constituting the metal silicon nitride film, Ti, Ta, W, Mo, Co are used in the case of using the CVD method, and the above-mentioned in the case of using the PVD method. In addition to metals, Ni, Ru, and Pt can be used.
また、本発明は、電界効果型半導体装置の製造方法において、窒素を含有する無機シリコン原料を用いた化学気相堆積法を用いることによりNH3 を用いることなく、5〜30原子数%の窒素を含有するシリコン膜3を堆積する工程を有するとともに、前記堆積した5〜30原子数%の窒素を含有するシリコン膜3をゲート電極4として用いる工程を有することを特徴とする。
In addition, the present invention provides a method for manufacturing a field effect semiconductor device, in which 5-30 atomic% nitrogen is used without using NH 3 by using a chemical vapor deposition method using an inorganic silicon raw material containing nitrogen. And a step of using the deposited
このように、化学気相堆積法(CVD法)により成膜するのに際して、窒素を含有する無機シリコン原料を用いることにより、窒源として反応が過激なNH3 を用いる必要がなく、それによって、5〜30原子数%の窒素を含有するシリコン膜3をゲート絶縁膜2にダメージを与えることなく且つ多量のパーティクルを発生させることなく、また、組成バラツキを抑制するとともに、組成制御性良く堆積することが可能になる。
Thus, when forming a film by a chemical vapor deposition method (CVD method), by using an inorganic silicon raw material containing nitrogen, it is not necessary to use NH 3 whose reaction is radical as a nitrogen source. The
また、5〜30原子数%の窒素を含有するシリコン膜3を堆積する工程において、窒素を含有する無機シリコン原料に対して、SiH4 、Si2 H6 、Si3 H8 、或いは、SiH2 Cl2 のいずれを混合することにより、窒素を含有する無機シリコン原料におけるN:Si比に規定されることなく、5〜30原子数%の範囲内において任意の組成比の窒素を含有するシリコン膜3を堆積することが可能になる。
Further, in the step of depositing the
また、堆積した5〜30原子数%の窒素を含有するシリコン膜3をゲート電極4として用いる工程において、前記5〜30原子数%の窒素を含有するシリコン膜3の堆積工程と、金属膜の堆積工程を交互に繰り返したのち、熱処理によって金属窒化シリコン膜を形成する工程を含むように構成しても良く、それによって、金属窒化シリコン膜を組成制御性良く堆積することができる。
Further, in the step of using the deposited
なお、この場合の金属膜の堆積工程において、堆積メカニズムが良く知られているとともに炭素(C)の混入を抑えることのできるTi、Ta、W、Mo或いはCoの塩化物またはフッ化物のいずれかを用いることが望ましい。 In the metal film deposition process in this case, any of Ti, Ta, W, Mo, Co, or a chloride or fluoride of which the deposition mechanism is well known and carbon (C) contamination can be suppressed. It is desirable to use
また、窒素を含有する無機シリコン原料としては、トリシリルアミン(N〔SiH3 〕3 )が典型的である。
なお、窒素を含有する有機シリコン原料、例えば、シラザン結合を有する有機化合物を用いても窒素を含有するシリコン膜3の成膜は可能であるが、炭素が混入するので望ましくない。
Further, as an inorganic silicon raw material containing nitrogen, trisilylamine (N [SiH 3 ] 3 ) is typical.
It is possible to form the
本発明によれば、ゲート絶縁膜にダメージを与えることなく、組成が均一な窒素含有シリコン膜或いは金属窒化シリコン膜を成膜することができ、それによって、ゲート電極の多結晶化が抑制されるのでゲート幅のバラツキを小さくすることができるとともに、ゲート電極の空乏化を抑制することができる。 According to the present invention, a nitrogen-containing silicon film or metal silicon nitride film having a uniform composition can be formed without damaging the gate insulating film, thereby suppressing polycrystallization of the gate electrode. Therefore, variations in gate width can be reduced and depletion of the gate electrode can be suppressed.
本発明は、例えば、HfSiON等のHigh−k膜からなるゲート絶縁膜上に5〜30原子数%の窒素を含むシリコン膜をCVD法により堆積する際に、窒素を含有する無機シリコン原料、典型的にはトリシリルアミン(N〔SiH3 〕3 )を用い、必要に応じてSiH4 、Si2 H6 、Si3 H8 、或いは、SiH2 Cl2 等のシリコン源と混合して用いることによりNH3 を用いることなく、5〜30原子数%の窒素を含有するシリコン膜を堆積させ、この堆積させた5〜30原子数%の窒素を含有するシリコン膜をゲート電極とする、例えば、全体を窒素含有シリコン膜として、或いは、金属窒化シリコン膜を構成する材料として、さらには、積層構造のゲート電極を構成する窒素含有シリコン層とするものである。 The present invention provides, for example, an inorganic silicon raw material containing nitrogen when a silicon film containing nitrogen of 5 to 30 atomic% is deposited by CVD on a gate insulating film made of a high-k film such as HfSiON. In particular, trisilylamine (N [SiH 3 ] 3 ) is used and mixed with a silicon source such as SiH 4 , Si 2 H 6 , Si 3 H 8 , or SiH 2 Cl 2 as necessary. Without using NH 3 , a silicon film containing 5 to 30 atomic% nitrogen is deposited, and the deposited silicon film containing 5 to 30 atomic% nitrogen is used as a gate electrode. The whole is a nitrogen-containing silicon film, or as a material constituting the metal silicon nitride film, and further, a nitrogen-containing silicon layer constituting the gate electrode having a laminated structure.
なお、金属窒化シリコン膜を成膜する場合には、5〜30原子数%の窒素を含有するシリコン膜の堆積工程と、CVD法を用いる場合にはTi、Ta、W、Mo、Coを、また、PVD法を用いる場合には前記金属に加えてNi、Ru或いはPtを用いた金属膜の堆積工程を交互に繰り返したのち、熱処理によって金属窒化シリコン膜を形成するものである。 In the case of forming a metal silicon nitride film, a deposition process of a silicon film containing nitrogen of 5 to 30 atomic%, and Ti, Ta, W, Mo, Co when using a CVD method, When the PVD method is used, a metal silicon nitride film is formed by heat treatment after alternately repeating a deposition process of a metal film using Ni, Ru or Pt in addition to the metal.
ここで、図2乃至図4を参照して、本発明の実施例1のMISFETの製造工程を説明する。
図2参照
まず、p型シリコン基板11に素子分離領域12を形成したのち、全面にゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する。
例えば、減圧化学気相成長法(LPCVD法)を用いて厚さが、1.6nm〜5.0nm、例えば、2.4nmのゲート絶縁膜となるHfSiO2 膜13を堆積させる。
勿論、シリコン酸化膜等、他の材料からなる絶縁膜を形成しても良い。
Here, with reference to FIG. 2 thru | or FIG. 4, the manufacturing process of MISFET of Example 1 of this invention is demonstrated.
See Figure 2
First, after forming the
For example, the HfSiO 2 film 13 to be a gate insulating film having a thickness of 1.6 nm to 5.0 nm, for example, 2.4 nm is deposited by using a low pressure chemical vapor deposition method (LPCVD method).
Of course, an insulating film made of another material such as a silicon oxide film may be formed.
この堆積工程においては、Hf源として(t−C4 H9 O)4 Hfを用い、Si源としてSi2 H6 を用い、O源としてO2 またはO3 を用い、キャリアガスとしてN2 ガスを用いて成膜し、成膜のちに例えば、650℃でNH3 による窒化処理或いは450℃以下でのN2 プラズマ処理によりNを導入し、HfSiO2 膜13の組成比は(t−C4 H9 O)4 Hfの流量で制御する。 In this deposition step, (t-C 4 H 9 O) 4 Hf is used as the Hf source, Si 2 H 6 is used as the Si source, O 2 or O 3 is used as the O source, and N 2 gas is used as the carrier gas. After the film formation, N is introduced by, for example, nitriding with NH 3 at 650 ° C. or N 2 plasma processing at 450 ° C. or lower, and the composition ratio of the HfSiO 2 film 13 is (t-C 4 Control with a flow rate of H 9 O) 4 Hf.
次いで、原料ガスとしてトリシリルアミン(N〔SiH3 〕3 )を用いたCVD法により、500℃〜650℃、例えば、570℃の基板温度において、ゲート電極となる窒素を含有するシリコン膜であるSix N膜14を例えば、100nmの厚さに堆積させる。
この場合、Six N膜14の組成比xは、後述するように原料のトリシリルアミン(N〔SiH3 〕3 )の組成比を反映して、ほぼx=3(窒素の原子数%としては25原子数%)となる。
Next, it is a silicon film containing nitrogen that becomes a gate electrode at a substrate temperature of 500 ° C. to 650 ° C., for example, 570 ° C., by CVD using trisilylamine (N [SiH 3 ] 3 ) as a source gas. For example, the Si x N film 14 is deposited to a thickness of 100 nm.
In this case, the composition ratio x of the Si x N film 14 reflects the composition ratio of the raw material trisilylamine (N [SiH 3 ] 3 ) as will be described later, and is approximately x = 3 (the number of nitrogen atoms is%). Is 25 atomic percent).
次いで、フォトリソグラフィー工程とドライエッチング工程とを用いてSix N膜14及びHfSiO2 膜13を、50nm以下、例えば、30nmの幅に成形することによってゲート絶縁膜15及びゲート電極16からなるゲート構造を形成する。
Next, a gate structure including the
次いで、ゲート構造をマスクとして、P(リン)イオンを浅く注入することによってn型エクステンション領域17を形成する。
Next, the n-
図3参照
次いで、全面にSiO2 膜を形成したのち、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール18を形成し、次いで、ゲート構造及びサイドウォール18をマスクとしてPイオンを注入することによってn型ソース・ドレイン領域19を形成するともに、ゲート電極16にPをドープする。
See Figure 3
Next, after forming a SiO 2 film on the entire surface, anisotropic etching is performed to form sidewalls 18, and then n ions are implanted by using the gate structure and sidewalls 18 as a mask to implant P ions. The
次いで、全面にCo膜を堆積させたのち、熱処理により合金化することによって、n型ソース・ドレイン領域19の表面にCoシリサイド電極20を形成するとともに、ゲート電極16の表面に窒化Coシリサイド電極21を形成し、未反応のCo膜を除去する。
Next, a Co film is deposited on the entire surface and then alloyed by heat treatment to form a
次いで、全面にBPSGからなる層間絶縁膜22を堆積させたのち、Coシリサイド電極20及び窒化Coシリサイド電極21に対するビアホールを形成し、次いで、このビアホール内をTiN膜を介してWで埋め込んでプラグ23,24を形成することによって、本発明の実施例1のMISFETの基本構造が完成する。
Next, after an
図4参照
図4は、Six N膜における組成比xの成膜温度依存性の説明図であり、併せて成膜速度の温度依存性も示している。
図から明らかなように、Six N膜における組成比xは温度によらずほぼ一定のx=3を示しており、これは、原料のトリシリルアミン(N〔SiH3 〕3 )の原子数比Si/N=3を反映していると考えられる。
なお、図における多少のバラツキは測定精度に伴う測定誤差である。
See Figure 4
FIG. 4 is an explanatory diagram of the film formation temperature dependence of the composition ratio x in the Si x N film, and also shows the temperature dependence of the film formation rate.
As is apparent from the figure, the composition ratio x in the Si x N film is substantially constant x = 3 regardless of the temperature, which is the number of atoms of the starting material trisilylamine (N [SiH 3 ] 3 ). It is considered that the ratio Si / N = 3 is reflected.
Note that some variation in the figure is a measurement error associated with measurement accuracy.
したがって、本発明の実施例1においては、組成比が安定し、且つ、組成ムラのないSix N膜を精度良く成膜することができる。
また、Six N膜の成膜工程において、NH3 を用いないCVD法を用いているのでゲート絶縁膜がダメージを受けることがない。
Therefore, in Example 1 of the present invention, a Si x N film having a stable composition ratio and no composition unevenness can be accurately formed.
Further, in the film forming process of the Si x N film, since the CVD method not using NH 3 is used, the gate insulating film is not damaged.
また、Six N膜はソース・ドレイン形成等に伴う熱工程においても多結晶化せず、アモルファス状態に近いナノクリスタル或いはマイクロクリスタル的な状態あるので、不純物を高濃度にドープすることができ、それにより、ゲート絶縁膜との界面におけるゲート電極の空乏化の増大を抑制することができる。 In addition, the Si x N film is not polycrystallized in the thermal process associated with source / drain formation, and is in a nanocrystal or microcrystal state close to an amorphous state, so that impurities can be doped at a high concentration, Thereby, an increase in depletion of the gate electrode at the interface with the gate insulating film can be suppressed.
次に、図5を参照して、本発明の実施例2のMISFETの製造工程を説明する。
図5参照
まず、上記の実施例1と同様に、p型シリコン基板11に素子分離領域12を形成したのち、全面にLPCVD法を用いて厚さが1.6nm〜5.0nm、例えば、2.4nmのゲート絶縁膜となるHfSiO2 膜13を堆積させる。
Next, with reference to FIG. 5, the manufacturing process of the MISFET of Example 2 of the present invention will be described.
See Figure 5
First, in the same manner as in the first embodiment, after the
次いで、原料ガスとしてトリシリルアミン(N〔SiH3 〕3 )とSi2 H6 を用いたCVD法により500℃〜650℃、例えば、570℃の基板温度において、ゲート電極となる窒素を含有するシリコン膜であるSix N膜31を例えば、100nmの厚さに堆積させる。
この場合、Six N膜31の組成比xは、原料のトリシリルアミン(N〔SiH3 〕3 )とSi2 H6 の流量比を反映した値となり、ここでは、窒素の原子数%としては5〜25原子数%、例えば、15原子数%となるように流量比を設定する。
Next, nitrogen serving as a gate electrode is contained by a CVD method using trisilylamine (N [SiH 3 ] 3 ) and Si 2 H 6 as source gases at a substrate temperature of 500 ° C. to 650 ° C., for example, 570 ° C. A Si x N film 31 that is a silicon film is deposited to a thickness of, for example, 100 nm.
In this case, the composition ratio x of the Si x N film 31 is a value reflecting the flow rate ratio of the raw material trisilylamine (N [SiH 3 ] 3 ) and Si 2 H 6. Sets the flow rate ratio to be 5-25 atomic%, for example, 15 atomic%.
以降は、再び、上記の実施例1と全く同様に、フォトリソグラフィー工程とドライエッチング工程とを用いてSix N膜31及びHfSiO2 膜13を、50nm以下、例えば、30nmの幅に成形することによってゲート絶縁膜15及びゲート電極32からなるゲート構造を形成する。
Thereafter, the Si x N film 31 and the HfSiO 2 film 13 are again formed into a width of 50 nm or less, for example, 30 nm, using the photolithography process and the dry etching process, exactly as in the first embodiment. Thus, a gate structure including the
次いで、ゲート構造をマスクとして、P(リン)イオンを浅く注入することによってn型エクステンション領域17を形成し、次いで、全面にSiO2 膜を形成したのち、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール18を形成し、次いで、ゲート構造及びサイドウォール18をマスクとしてPイオンを注入することによってn型ソース・ドレイン領域19を形成するともに、ゲート電極32にPをドープする。
Next, using the gate structure as a mask, P-type (phosphorus) ions are implanted shallowly to form an n-
次いで、全面にCo膜を堆積させたのち、熱処理により合金化することによって、n型ソース・ドレイン領域19の表面にCoシリサイド電極20を形成するともに、ゲート電極32の表面に窒化Coシリサイド電極33を形成し、未反応のCo膜を除去する。
Next, a Co film is deposited on the entire surface, and then alloyed by heat treatment to form a
次いで、全面にBPSGからなる層間絶縁膜22を堆積させたのち、Coシリサイド電極20及び窒化Coシリサイド電極33に対するビアホールを形成し、次いで、このビアホール内をTiN膜を介してWで埋め込んでプラグ23,34を形成することによって、本発明の実施例2のMISFETの基本構造が完成する。
Next, after depositing an
本発明の実施例2においては、ゲート電極となるSix N膜を成膜する際に、原料ガスとしてトリシリルアミン(N〔SiH3 〕3 )だけではなく、Si源であるSi2 H6 も併せて用いているので、Six N膜の組成比xを3以上の任意の値に設定することができ、xが大きいほど低抵抗となる。
但し、xがあまり大きいと多結晶シリコンと変わらなくなり、熱工程に伴う多結晶化の問題が生ずるので、窒素の原子数%としては5原子数%以上、xとしては19以下にすることが望ましい。
In Example 2 of the present invention, when forming a Si x N film to be a gate electrode, not only trisilylamine (N [SiH 3 ] 3 ) but also Si 2 H 6 which is a Si source is used as a source gas. In addition, the composition ratio x of the Si x N film can be set to an arbitrary value of 3 or more, and the resistance increases as x increases.
However, if x is too large, it will not be different from polycrystalline silicon and the problem of crystallization due to the thermal process will occur. Therefore, it is desirable that the number of nitrogen atoms is 5 atomic percent or more and x is 19 or less. .
次に、図6及び図7を参照して、本発明の実施例3のMISFETの製造工程を説明する。
図6参照
まず、上記の実施例1と同様に、p型シリコン基板11に素子分離領域12を形成したのち、全面にLPCVD法を用いて厚さが、1.6nm〜5.0nm、例えば、2.4nmのゲート絶縁膜となるHfSiO2 膜13を堆積させる。
Next, with reference to FIGS. 6 and 7, the manufacturing process of the MISFET of Example 3 of the present invention will be described.
See FIG.
First, in the same manner as in the first embodiment, after forming the
次いで、原料ガスとしてトリシリルアミン(N〔SiH3 〕3 )とSi2 H6 を用いたCVD法により500℃〜650℃、例えば、570℃の基板温度において、厚さが、例えば、10nmのSiw N膜41を堆積させる。
この場合、Siw N膜41の組成比wは、窒素の原子数%としては5〜25原子数%、例えば、15原子数%となるように流量比を設定する。
Next, the thickness is, for example, 10 nm at a substrate temperature of 500 ° C. to 650 ° C., for example, 570 ° C., by a CVD method using trisilylamine (N [SiH 3 ] 3 ) and Si 2 H 6 as source gases. A Si w N film 41 is deposited.
In this case, the flow ratio is set so that the composition ratio w of the Si w N film 41 is 5 to 25 atomic%, for example, 15 atomic%, as the atomic% of nitrogen.
次いで、原料ガスとしてTiCl4 を用い、キャリアガスとしてH2 を用いた熱CVD法によって厚さが、例えば、10nmのTi膜42を堆積させる。
この工程をゲート絶縁膜として必要な回数だけ交互に繰り返して、全体の厚さを例えば、50nmとする。
Next, a Ti film 42 having a thickness of, for example, 10 nm is deposited by thermal CVD using TiCl 4 as a source gas and H 2 as a carrier gas.
This process is repeated alternately as many times as necessary as a gate insulating film, so that the total thickness is, for example, 50 nm.
次いで、H2 雰囲気中において500℃〜650℃、例えば、650℃の基板温度でアニールすることによって、(Siw N膜/Ti膜)n からなる積層膜43をTix Siy Nz 膜44に変換する。
Next, by annealing at a substrate temperature of 500 ° C. to 650 ° C., for example, 650 ° C. in an H 2 atmosphere, the
この場合のTix Siy Nz 膜44の組成比は、Siw N膜41の組成比wと、Siw N膜41とTi膜42の膜厚比とにより決まる。
なお、この時、H2 の還元作用によって、(Siw N膜/Ti膜)n に含まれるTiCl4 由来のClを還元除去することができる。
The composition ratio of Ti x Si y N z film 44 in this case, Si w composition ratio and w of the
At this time, the Cl derived from TiCl 4 contained in (Si w N film / Ti film) n can be reduced and removed by the reducing action of H 2 .
図7参照
以降は、再び、上記の実施例1と全く同様に、フォトリソグラフィー工程とドライエッチング工程とを用いてTix Siy Nz 膜44及びHfSiO2 膜13を、50nm以下、例えば、30nmの幅に成形することによってゲート絶縁膜15及びゲート電極45からなるゲート構造を形成する。
See FIG.
Thereafter, the Ti x Si y N z film 44 and the HfSiO 2 film 13 are again made to have a width of 50 nm or less, for example, 30 nm using the photolithography process and the dry etching process, exactly as in the first embodiment. A gate structure including the
次いで、ゲート構造をマスクとして、P(リン)イオンを浅く注入することによってn型エクステンション領域17を形成し、次いで、全面にSiO2 膜を形成したのち、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール18を形成し、次いで、ゲート構造及びサイドウォール18をマスクとしてPイオンを注入することによってn型ソース・ドレイン領域19を形成するともに、ゲート電極45にPをドープする。
Next, using the gate structure as a mask, P-type (phosphorus) ions are implanted shallowly to form an n-
次いで、全面にCo膜を堆積させたのち、熱処理により合金化することによって、n型ソース・ドレイン領域19の表面にCoシリサイド電極20を形成するとともに、ゲート電極45の表面に窒化Coシリサイド電極46を形成し、未反応のCo膜を除去する。
Next, a Co film is deposited on the entire surface and then alloyed by heat treatment to form a
次いで、全面にBPSGからなる層間絶縁膜22を堆積させたのち、Coシリサイド電極20及び窒化Coシリサイド電極46に対するビアホールを形成し、次いで、このビアホール内をTiN膜を介してWで埋め込んでプラグ23,47を形成することによって、本発明の実施例3のMISFETの基本構造が完成する。
Next, after depositing an
本発明の実施例3においては、ゲート電極をTix Siy Nz 膜、即ち、金属窒化シリコン膜で形成しており、且つ、Siw N原料としてトリシリルアミン(N〔SiH3 〕3 )を用いているので、組成ムラがなく且つ組成比が安定したTix Siy Nz 膜を形成することができ、トランジスタ特性にとって最適な仕事関数を有する組成のゲート電極を形成することが可能になる。 In Example 3 of the present invention, the gate electrode is formed of a Ti x Si y N z film, that is, a metal silicon nitride film, and trisilylamine (N [SiH 3 ] 3 ) is used as the Si w N raw material. Therefore, it is possible to form a Ti x Si y N z film having no composition unevenness and a stable composition ratio, and to form a gate electrode having a composition having an optimum work function for transistor characteristics. Become.
次に、図8を参照して、本発明の実施例4のMISFETを説明するが、ゲート電極構造が異なるだけで、基本的な製造工程は上記の実施例1乃至実施例3と同様であるので、ゲート電極構造のみを説明する。
図8参照
図8は、本発明の実施例4のMISFETの概略的断面図であり、ゲート電極51をTix Siy Nz 膜52からなる下層ゲートと、Six N膜53からなる上層ゲートとの2層構造によって形成したものである。
Next, a MISFET according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8. The basic manufacturing process is the same as that of the first to third embodiments except that the gate electrode structure is different. Therefore, only the gate electrode structure will be described.
See FIG.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a MISFET according to a fourth embodiment of the present invention. The
この場合のTix Siy Nz 膜52は、上記の実施例3と全く同じ方法で成膜するものであり、厚さは、例えば、10nmとし、一方、Six N膜53は上記の実施例1或いは実施例2と全く同じ方法で成膜するものであり、厚さは、例えば、100nmとする。 In this case, the Ti x Si y N z film 52 is formed by the same method as in the third embodiment, and the thickness is, for example, 10 nm, while the Si x N film 53 is formed as described above. The film is formed by exactly the same method as in Example 1 or Example 2, and the thickness is, for example, 100 nm.
この実施例4においては、ドライエッチング加工性に劣るTix Siy Nz 膜52を薄くして、ドライエッチング加工性が多結晶シリコンと同様なSix N膜53を厚くしているので、ゲート構造の加工精度を高く保つことができる。 In the fourth embodiment, the Ti x Si y N z film 52 that is inferior in dry etching processability is thinned, and the Si x N film 53 that has the same dry etching processability as polycrystalline silicon is thickened. The processing accuracy of the structure can be kept high.
また、トランジスタ特性に関与する仕事関数は、Tix Siy Nz 膜52の仕事関数が反映されるので、上記の実施例3と同様にトランジスタ特性にとって最適な仕事関数を有する組成のゲート電極を形成することが可能になる。 Further, since the work function related to the transistor characteristics reflects the work function of the Ti x Si y N z film 52, a gate electrode having a composition having an optimum work function for the transistor characteristics is formed as in the third embodiment. It becomes possible to form.
次に、図9を参照して、本発明の実施例5のMISFETを説明するが、この場合もゲート電極構造が異なるだけで、基本的な製造工程は上記の実施例3と同様であるので、ゲート電極構造のみを説明する。
図9参照
図9は、本発明の実施例5のMISFETの概略的断面図であり、ゲート電極61をTix Siy Nz 膜62からなる下層ゲートと、Ru膜63からなる上層ゲートとの2層構造によって形成したものである。
Next, referring to FIG. 9, the MISFET according to the fifth embodiment of the present invention will be described. In this case, the basic manufacturing process is the same as that of the third embodiment except that the gate electrode structure is different. Only the gate electrode structure will be described.
See FIG.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a MISFET according to Example 5 of the present invention, in which the
この場合のTix Siy Nz 膜62は、上記の実施例3と全く同じ方法で成膜するものであり、厚さは、例えば、10nmとし、一方、Ru膜63の厚さは、例えば、100nmとする。
In this case, the Ti x Si y N z film 62 is formed by exactly the same method as in the third embodiment, and the thickness is, for example, 10 nm. On the other hand, the thickness of the
この実施例5においては、上層ゲートとして金属膜の中ではドライエッチング加工性に優れるRuを用いているので、ゲート構造の加工精度を高く保つことができる。
また、トランジスタ特性に関与する仕事関数は、Tix Siy Nz 膜62の仕事関数が反映されるので、上記の実施例3と同様にトランジスタ特性にとって最適な仕事関数を有する組成のゲート電極を形成することが可能になる。
In the fifth embodiment, Ru having excellent dry etching processability is used as the upper gate in the metal film, so that the processing accuracy of the gate structure can be kept high.
In addition, since the work function related to the transistor characteristics reflects the work function of the Ti x Si y N z film 62, a gate electrode having a composition having an optimum work function for the transistor characteristics is formed as in the third embodiment. It becomes possible to form.
また、実施例5においては、上層ゲートとしてpチャネル型MISFETのゲート電極となるRuを用いているので、CMOSの製造工程に適用した場合には、この上層ゲートのRuの堆積工程においてpチャネル型MISFET側にも堆積させることによって、nチャネル型MISFETの上層ゲートとpチャネル型MISFETのゲート電極を同時に形成することが可能になる。 In the fifth embodiment, since Ru is used as the gate electrode of the p-channel type MISFET as the upper gate, when applied to the CMOS manufacturing process, the p-channel type is used in the Ru deposition process of the upper gate. By depositing also on the MISFET side, it becomes possible to simultaneously form the upper gate of the n-channel type MISFET and the gate electrode of the p-channel type MISFET.
以上、本発明の各実施例を説明したが、本発明は各実施例に示した構成、条件、数値に限られるものではなく、各種の変更が可能であり、例えば、上記の各実施例においては、nチャネル型MISFETとして説明しているが、仕事関数との関係はあるがpチャネル型MISFETに適用しても良いものである。 The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the configurations, conditions, and numerical values shown in the embodiments, and various modifications are possible. For example, in the above embodiments, Is described as an n-channel type MISFET, but may be applied to a p-channel type MISFET although it has a relationship with a work function.
また、上記の各実施例においては、窒素を含むシリコン原料として現在入手可能なトリシリルアミン(N〔SiH3 〕3 )を用いているが、原理的には、トリシリルアミン(N〔SiH3 〕3 )に限られるものではなく、C及びOを含まず、且つ、N及びSiを主成分とする無機化合物であれば良い。 Further, in the above-mentioned embodiments, although using the currently available trisilylamine (N [SiH 3] 3) as the silicon raw material containing nitrogen, in principle, trisilylamine (N [SiH 3 ] It is not limited to 3 ), and may be any inorganic compound that does not contain C and O and contains N and Si as main components.
また、上記の実施例2においては、トリシリルアミン(N〔SiH3 〕3 )に混合するSi源としてSi2 H6 を用いているが、Si2 H6 に限られるものではなく、SiH4 、Si3 H8 、或いは、SiH2 Cl2 等の他のシランを用いても良いものである。 In Example 2 described above, Si 2 H 6 is used as the Si source mixed with trisilylamine (N [SiH 3 ] 3 ), but is not limited to Si 2 H 6 , and SiH 4 Other silanes such as Si 3 H 8 or SiH 2 Cl 2 may be used.
また、上記の実施例3においては、金属源としてTiCl4 を用いているが、TiCl4 に限られるものではなく、TaCl5 等の他の金属塩化物等を用いても良いものである。
例えば、W、Mo、Coの塩化物、或いは、Ti、Ta、W、Mo、Coのフッ化物を用いても良いものである。
In the third embodiment, TiCl 4 is used as the metal source. However, it is not limited to TiCl 4 , and other metal chlorides such as TaCl 5 may be used.
For example, a chloride of W, Mo, Co or a fluoride of Ti, Ta, W, Mo, Co may be used.
また、上記の実施例4においては、金属をCVD法によって成膜しているが、蒸着法等のPVD法によって成膜して良いものであり、その場合には、上述の金属に加えてNi、Ru或いはPtを金属膜として堆積しても良いものである。 Further, in Example 4 described above, the metal is formed by the CVD method, but may be formed by the PVD method such as the evaporation method. In that case, in addition to the above-described metal, Ni , Ru or Pt may be deposited as a metal film.
また、上記の各実施例においては、ゲート絶縁膜としてHigh−k膜であるHfSiONを用いているが、HfSiONに限られるものではなく、例えば、HfO2 、HfSiO、HfAlO、或いはHfAlON等の他のHigh−k膜を用いても良いものである。 Further, in the above-mentioned embodiments, although using HfSiON a High-k film as a gate insulating film is not limited to the HfSiON, for example, HfO 2, HfSiO, HfAlO, or other such HfAlON A high-k film may be used.
さらには、ゲート絶縁膜はHigh−k膜に限られるものではなく、SiO2 ,SiON、或いは、Si3 N4 等の絶縁膜を用いても良いものである。 Furthermore, the gate insulating film is not limited to the high-k film, and an insulating film such as SiO 2 , SiON, or Si 3 N 4 may be used.
ここで、再び図1を参照して、改めて、本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図1参照
(付記1) シリコンと、前記シリコンに対して5〜30原子数%の窒素を含有する導電膜をゲート電極4の少なくとも一部として用いたことを特徴とする電界効果型半導体装置。
(付記2) シリコンと、前記シリコンに対して30〜200原子数%の金属元素を含む金属窒化シリコン層をゲート電極4として用いたことを特徴とする電界効果型半導体装置。
(付記3) 前記ゲート電極4が、ゲート絶縁膜2上に形成された前記金属窒化シリコン膜と、前記金属窒化シリコン膜上に形成された5〜30原子数%の窒素を含有するシリコン膜3とを積層した積層構造からなることを特徴とする付記2記載の電界効果型半導体装置。
(付記4) 前記ゲート電極4が、ゲート絶縁膜2上に形成された前記金属窒化シリコン膜と、前記金属窒化シリコン膜上に形成された金属膜との積層構造からなることを特徴とする付記2記載の電界効果型半導体装置。
(付記5) 前記金属窒化シリコン膜を構成する金属元素が、Ti、Ta、W、Mo、Co、Ni、Ru、或いは、Ptの少なくとも一つからなることを特徴とする付記2乃至4のいずれか1項に記載の電界効果型半導体装置。
(付記6) 半導体基板1上に、絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に、窒素を含有する無機シリコン原料を用いた化学気相堆積法を用いて5〜30原子数%の窒素を含有するシリコン膜3を堆積する工程と、前記シリコン膜3をパターニングする工程と、前記半導体基板1にソース領域5及びドレイン領域6を形成する工程と、を有することを特徴とする電界効果型半導体装置の製造方法。
(付記7) 前記シリコン膜3を堆積する工程において、窒素を含有する無機シリコン原料に対して、SiH4 、Si2 H6 、Si3 H8 、或いは、SiH2 Cl2 のいずれを混合することを特徴とする付記6記載の電界効果型半導体装置の製造方法。
(付記8) 前記シリコン膜3と積層状に金属膜を形成し、熱処理によって前記金属膜と前記シリコン膜を反応させる工程をさらに含むことを特徴とする付記6または7に記載の電界効果型半導体装置の製造方法。
(付記9) 前記金属膜の堆積工程は、原料としてTi、Ta、W、Mo或いはCoの塩化物またはフッ化物のいずれかを用いたCVD法によって行われることを特徴とする付記9記載の電界効果型半導体装置の製造方法。
(付記10) 前記窒素を含有する無機シリコン原料が、トリシリルアミン(N〔SiH3 〕3 )であることを特徴とする付記6乃至9のいずれか1に記載の電界効果型半導体装置の製造方法。
Here, referring to FIG. 1 again, the detailed features of the present invention will be described again.
Again see Figure 1
(Supplementary Note 1) A field effect semiconductor device using a conductive film containing silicon and nitrogen of 5 to 30 atomic% with respect to the silicon as at least a part of the
(Additional remark 2) The field effect type semiconductor device characterized by using as a
(Supplementary Note 3) The
(Additional remark 4) The said
(Supplementary note 5) Any one of
(Additional remark 6) Forming an insulating film on the
(Supplementary Note 7) In the step of depositing the
(Supplementary note 8) The field effect semiconductor according to
(Supplementary note 9) The electric field according to supplementary note 9, wherein the metal film deposition step is performed by a CVD method using a chloride or fluoride of Ti, Ta, W, Mo, or Co as a raw material. Method of manufacturing effect type semiconductor device.
(Supplementary Note 10) inorganic silicon raw material containing the nitrogen, producing a field effect semiconductor device according to any one of
本発明の活用例としては、絶縁ゲート型トランジスタのゲート電極が典型的なものであるが、ゲート電極に限られるものではなく、内部局所配線としても用いられるものである。 As a practical example of the present invention, the gate electrode of an insulated gate transistor is typical, but the invention is not limited to the gate electrode, and it is also used as an internal local wiring.
1 半導体基板
2 ゲート絶縁膜
3 窒素を含有するシリコン膜
4 ゲート電極
5 ソース領域
6 ドレイン領域
11 p型シリコン基板
12 素子分離領域
13 HfSiO2 膜
14 Six N膜
15 ゲート絶縁膜
16,32,45 ゲート電極
17 n型エクステンション領域
18 サイドウォール
19 n型ソース・ドレイン領域
20 Coシリサイド電極
21,33,46,54 窒化Coシリサイド電極
23,24,34,47,55,64 プラグ
31 Six N膜
41 Siw N膜
42 Ti膜
43 積層膜
44 Tix Siy Nz 膜
51 ゲート電極
52 Tix Siy Nz 膜
53 Six N膜
61 ゲート電極
62 Tix Siy Nz 膜
63 Ru膜
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A521 | Written amendment |
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A02 | Decision of refusal |
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