JP2008227165A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
近年、ゲート絶縁膜のEOT(Equivalent Oxide Thickness)の低減化(例えば、1.3nm以下)およびリーク電流の抑制のために、高誘電率材料をゲート絶縁膜に採用する提案がなされている。高誘電率材料は、例えば、比誘電率がシリコン酸化膜よりも高い金属酸化膜、比誘電率がシリコン酸化膜よりも高い金属珪酸化膜(金属シリケート膜)、あるいは、これらの窒化膜である。 In recent years, in order to reduce EOT (Equivalent Oxide Thickness) of a gate insulating film (for example, 1.3 nm or less) and suppress leakage current, proposals have been made to employ a high dielectric constant material for the gate insulating film. The high dielectric constant material is, for example, a metal oxide film having a relative dielectric constant higher than that of a silicon oxide film, a metal silicate film (metal silicate film) having a relative dielectric constant higher than that of a silicon oxide film, or a nitride film thereof. .
高誘電率材料をゲート絶縁膜に用いると、FET(Field-Effect Transistor)の閾値電圧がシフトしてしまう。n型MISFET(Metal-Insulator Semiconductor FET)においては、ゲート電極にリンまたは砒素を注入することによって、その閾値電圧を比較的適正な値に調節することができる。これに対し、p型MISFETにおいては、ゲート電極にホウ素またはフッ化ホウ素を注入しても、その閾値電圧が負側に大きくシフトしているため、適正値に調節することは困難である。さらに、高誘電率材料をゲート絶縁膜に用いたp型MISFETは、反転側の容量が低下する。閾値電圧が大きく負側にシフトし、かつ、反転容量が小さいp型MISFETは、所望のドレイン電流を確保することができなくなるという問題が生じる。 When a high dielectric constant material is used for the gate insulating film, the threshold voltage of the FET (Field-Effect Transistor) is shifted. In an n-type MISFET (Metal-Insulator Semiconductor FET), the threshold voltage can be adjusted to a relatively appropriate value by injecting phosphorus or arsenic into the gate electrode. On the other hand, in the p-type MISFET, even if boron or boron fluoride is implanted into the gate electrode, the threshold voltage is greatly shifted to the negative side, so that it is difficult to adjust to an appropriate value. Furthermore, the p-type MISFET using a high dielectric constant material for the gate insulating film has a reduced capacitance on the inversion side. A p-type MISFET having a large threshold voltage shifted to the negative side and a small inversion capacitance has a problem that a desired drain current cannot be secured.
反転容量の低下に対処するために、ゲート電極の材料として、金属を採用する技術が考えられている。ここで、金属は、金属単体または合金だけでなく、これらの窒化物または珪化物等をも含む。特に、ニッケルシリサイドを用いたフルシリサイドゲート電極は、ゲート絶縁膜形成工程において温度条件に制約がないため、良好なゲート絶縁膜を形成することが可能である。さらに、このようなフルシリサイドゲート電極は空乏化されないため、大きな反転容量を得ることができる。 In order to cope with a decrease in the inversion capacitance, a technique that employs a metal as a material of the gate electrode is considered. Here, the metal includes not only a simple metal or an alloy but also a nitride or silicide thereof. In particular, a full silicide gate electrode using nickel silicide can form a good gate insulating film because there is no restriction on temperature conditions in the gate insulating film forming step. Furthermore, since such a full silicide gate electrode is not depleted, a large inversion capacitance can be obtained.
しかしながら、ニッケルシリサイドを用いたフルシリサイドゲート電極を備えたn型MISFETおよびp型MISFETの閾値電圧はともに適正値からシフトしてしまうという問題が生じる。
高誘電体をゲート絶縁膜として有し、かつ、適正な閾値電圧を有する半導体装置およびその製造方法を提供する。 A semiconductor device having a high dielectric as a gate insulating film and having an appropriate threshold voltage and a method for manufacturing the same are provided.
本発明に係る実施形態に従った半導体装置は半導体基板は、前記半導体基板上に設けられ、シリコン酸化膜よりも比誘電率の高い高誘電体から成るゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられたアルミニウム層を含むN型FET用の第1のゲート電極と、前記ゲート絶縁膜上に設けられ、NiXSiY(X>Y)から成るP型FET用の第2のゲート電極とを備えている。 In a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, a semiconductor substrate is provided on the semiconductor substrate, and is formed on a gate insulating film made of a high dielectric having a relative dielectric constant higher than that of a silicon oxide film, and on the gate insulating film. A first gate electrode for an N-type FET including an aluminum layer provided; and a second gate electrode for a P-type FET provided on the gate insulating film and made of Ni X Si Y (X>Y); It has.
本発明に係る実施形態に従った半導体装置の製造方法は、シリコン酸化膜よりも比誘電率の高い高誘電体から成るゲート絶縁膜を半導体基板上に形成し、前記ゲート絶縁膜上にポリシリコンまたはアモルファスシリコンからなるゲート電極材料を堆積し、前記ゲート電極材料をゲート電極パターンに加工することによってN型FET用の第1のゲート電極およびP型FET用の第2のゲート電極を形成し、前記第2のゲート電極上にニッケル膜を堆積し、前記第1のゲート電極上にアルミニウム膜を堆積し、前記アルミニウム膜上にチタン膜またはバナジウム膜またはモリブデン膜またはロジウム膜またはハフニウム膜またはタングステン膜を堆積し、熱処理を施すことにより、前記第1のゲート電極の底部に前記アルミニウム膜を偏析させ、かつ該アルミニウム膜上にTiSi2膜またはVSi2膜またはMoSi2膜またはRhSi膜またはHfSi膜またはWSi2膜を形成し、前記第2のゲート電極のポリシリコンまたはアモルファスシリコンをNiXSiY(X>Y)にシリサイド化することを具備する。 A method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes forming a gate insulating film made of a high dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of a silicon oxide film on a semiconductor substrate, and forming polysilicon on the gate insulating film. Alternatively, a gate electrode material made of amorphous silicon is deposited, and a first gate electrode for an N-type FET and a second gate electrode for a P-type FET are formed by processing the gate electrode material into a gate electrode pattern, A nickel film is deposited on the second gate electrode, an aluminum film is deposited on the first gate electrode, and a titanium film, a vanadium film, a molybdenum film, a rhodium film, a hafnium film, or a tungsten film is deposited on the aluminum film. The aluminum film is segregated at the bottom of the first gate electrode by depositing and heat-treating. And wherein the TiSi 2 film or VSi 2 film or MoSi 2 film or RhSi film or HfSi film or WSi 2 film is formed on the aluminum film, a polysilicon or amorphous silicon of the second gate electrode Ni X Si Y (X > Y) comprising silicidation.
本発明に係る実施形態に従った半導体装置の製造方法は、シリコン酸化膜よりも比誘電率の高い高誘電体から成るゲート絶縁膜を半導体基板上に形成し、前記ゲート絶縁膜上にポリシリコンまたはアモルファスシリコンからなるゲート電極材料を堆積し、前記ゲート電極材料をゲート電極パターンに加工することによってN型FET用の第1のゲート電極およびP型FET用の第2のゲート電極を形成し、前記第2のゲート電極上に第1のニッケル膜を堆積し、前記第1のゲート電極上にアルミニウム膜を堆積し、前記アルミニウム膜上にチタン膜またはバナジウム膜またはモリブデン膜またはロジウム膜またはハフニウム膜またはタングステン膜を堆積し、前記チタン膜またはバナジウム膜またはモリブデン膜またはロジウム膜またはハフニウム膜またはタングステン膜上に第2のニッケル膜を堆積し、熱処理を施すことにより、前記第1のゲート電極の底部に前記アルミニウム膜を偏析させ、該アルミニウム膜上にNiXSiY(X≧Y/2)からなるシリサイド層を形成し、かつ該シリサイド層上にTiSi2膜またはVSi2膜またはMoSi2膜またはRhSi膜またはHfSi膜またはWSi2膜を形成し、前記第2のゲート電極のポリシリコンまたはアモルファスシリコンをNiXSiY(X>Y/2)にシリサイド化することを具備する。 A method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes forming a gate insulating film made of a high dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of a silicon oxide film on a semiconductor substrate, and forming polysilicon on the gate insulating film. Alternatively, a gate electrode material made of amorphous silicon is deposited, and a first gate electrode for an N-type FET and a second gate electrode for a P-type FET are formed by processing the gate electrode material into a gate electrode pattern, A first nickel film is deposited on the second gate electrode, an aluminum film is deposited on the first gate electrode, and a titanium film, vanadium film, molybdenum film, rhodium film, or hafnium film is deposited on the aluminum film. Alternatively, a tungsten film is deposited, and the titanium film, vanadium film, molybdenum film, rhodium film, A second nickel film deposited on um film or tungsten film, by heat treatment, the aluminum film is segregated, Ni X Si Y (X ≧ on the aluminum film on the bottom of the first gate electrode Y / 2) is formed, and a TiSi 2 film, a VSi 2 film, a MoSi 2 film, a RhSi film, a HfSi film, or a WSi 2 film is formed on the silicide layer, and the second gate electrode Siliciding polysilicon or amorphous silicon to Ni X Si Y (X> Y / 2).
本発明による半導体装置およびその製造方法は高誘電体をゲート絶縁膜として有し、かつ、適正な閾値電圧を有する。 The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention have a high dielectric as a gate insulating film and have an appropriate threshold voltage.
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment does not limit the present invention.
(第1の実施形態)
(第1の実施形態)
図1から図18は、第1の実施形態による半導体装置の製造方法を示す断面図である。まず、図1に示すように、シリコン基板101にトレンチを形成し、そのトレンチにシリコン酸化膜を埋め込むことによって、STI(Shallow Trench Isolation)102を形成する。シリコン基板101の表面に犠牲酸化膜103を形成する。
(First embodiment)
(First embodiment)
1 to 18 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment. First, as shown in FIG. 1, an STI (Shallow Trench Isolation) 102 is formed by forming a trench in a
次に、図2に示すようにn型MISFET形成領域をフォトレジスト104で被覆する。n型ウェルを形成するために、p型MISFET形成領域にn型不純物(例えば、燐)をイオン注入する。なお、燐の注入は拡散層形成の他、トランジスタの閾値電圧の調整のためにも行われる。トランジスタの閾値電圧の微調整のために、ボロンイオンまたはインジウムイオン等を注入する場合もある。続いて、図3に示すように、p型MISFET形成領域の表面にフッ素イオンを注入する。
Next, as shown in FIG. 2, the n-type MISFET formation region is covered with a
次に、図4に示すように、p型MISFET形成領域をフォトレジスト105で被覆する。p型ウェルを形成するために、n型MISFET形成領域にp型不純物(例えば、ホウ素)をイオン注入する。なお、ホウ素の注入は拡散層形成の他、トランジスタの閾値電圧の調整のためにも行われる。トランジスタの閾値電圧の微調整のために、砒素イオンまたは燐イオン等を注入する場合もある。続いて、図5に示すように、n型MISFET形成領域の表面に窒素イオンを注入する。これらの不純物を熱拡散させることによって、図6に示すように、n型ウェル106、p型ウェル107、フッ素含有層201および窒素含有層203を形成する。フッ素含有層201および窒素含有層203は、それぞれp型ウェル107およびn型ウェル106の表面部分に形成されている。フッ素含有層201はフラットバンド電位を正側にシフトさせ、窒素含有層203はフラットバンド電位を負側にシフトさせるという機能を有する。尚、閾値電圧を低くする必要が無い場合には、フッ素含有層201および窒素含有層203は設ける必要が無い。
Next, as shown in FIG. 4, the p-type MISFET formation region is covered with a
NH4F水溶液を用いて犠牲酸化膜103を除去する。0.5〜5%の希フッ酸で表面洗浄をした直後に、酸素雰囲気中において約0.5nm〜0.8nmのシリコン酸化膜108を形成する。さらにテトラキスジエチルアミノハフニウム、ジエチルシランおよび酸素を用いて、約2.0nmの膜厚のハフニウム珪酸化膜(HfSiO膜)をシリコン基板101上に形成する。
The
次に、窒素プラズマ雰囲気中あるいはNH3雰囲気中で処理を行ってHfSiO膜中に窒素を添加した後、熱処理を行ってHfSiO膜をハフニウム珪酸窒化(HfSiON)膜109に改質する。これにより、図7に示す構造が得られる。このHfSiON膜109およびシリコン酸化膜108がゲート絶縁膜として機能する。ゲート絶縁膜109は、HfSiON膜に代えて、HfSiON、ZrSiO、ZrSiON、HfZrSiOまたはHfZrSiONであってもよい。
Next, treatment is performed in a nitrogen plasma atmosphere or an NH 3 atmosphere to add nitrogen to the HfSiO film, and then heat treatment is performed to modify the HfSiO film into a hafnium silicate nitride (HfSiON)
次に、図8に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて、ゲート電極材料としてアモルファスシリコン膜またはポリシリコン膜110をHfSiON膜109上に堆積する。
Next, as shown in FIG. 8, an amorphous silicon film or a
次に、マスク材料として、シリコン酸化膜またはシリコン窒化膜(以下、マスク材料という)115をアモルファスシリコン膜またはポリシリコン膜110上に堆積する。続いて、フォトリソグラフィ技術を用いて、マスク材料115をゲート電極パターンにパターニングする。
Next, a silicon oxide film or silicon nitride film (hereinafter referred to as a mask material) 115 is deposited on the amorphous silicon film or the
次に、図9に示すように、マスク材料115をハードマスクとして用いて、アモルファスシリコン膜またはポリシリコン膜110をゲート電極パターンに加工する。このとき得られたn型MISFETの第1のゲート電極を110aとし、p型MISFETの第2のゲート電極を110bとする。第1のゲート電極110aおよび第2のゲート電極110bは、このときアモルファスシリコンまたはポリシリコンからなる。
Next, as shown in FIG. 9, using the
さらに、図10に示すように、マスク材料115およびゲート電極110a、110bをマスクとして用いてHfSiON膜109を希フッ酸等で除去する。このとき、マスク材料115が全部エッチングされないようにフッ酸濃度およびエッチング時間を選択する。即ち、エッチング液およびエッチング時間は、高誘電体(本実施形態ではHfSiON膜109)の膜種および膜厚に基づいて適宜決定される。例えば、フッ酸濃度は1%以下とし、エッチング時間は300秒以下とすることが好ましい。シリコン酸化膜108は約0.5nm〜0.8nmと非常に薄いため、通常、HfSiON膜109のエッチングによって除去されてしまう。しかし、シリコン酸化膜108はシリコン基板101の表面上に残っていても問題はない。尚、高誘電体とは、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を有する材料である。
Further, as shown in FIG. 10, the
次に、ゲート電極材料110a、110bの側面およびシリコン基板101の表面をわずかに酸化する。このとき、約0.2%の酸素を含む雰囲気中において約1000℃で約5秒間、酸化処理を行った。これにより形成された酸化膜の膜厚は約2nmであった。その後、図11に示すように、CVD法およびRIE法を用いてシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜からなるオフセットスペーサ116を形成する。さらに、CVD法およびRIE法を用いてそれぞれシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜からなるサイドウォールスペーサ121、122を形成する。
Next, the side surfaces of the
次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、n型MISFET形成領域をフォトレジスト(図示せず)で被覆し、p型MISFET形成領域にp型不純物(例えば、ホウ素)をイオン注入する。同様に、フォトリソグラフィ技術を用いて、p型MISFET形成領域をフォトレジストで被覆し、n型MISFET形成領域にn型不純物(例えば、燐または砒素)をイオン注入する。 Next, using an photolithography technique, the n-type MISFET formation region is covered with a photoresist (not shown), and p-type impurities (for example, boron) are ion-implanted into the p-type MISFET formation region. Similarly, by using photolithography technology, the p-type MISFET formation region is covered with a photoresist, and n-type impurities (for example, phosphorus or arsenic) are ion-implanted into the n-type MISFET formation region.
フォトレジストの除去後、シリコン基板101を熱処理し、不純物を活性化させることによって、図11に示すように、p型のソース・ドレイン拡散層117およびn型のソース・ドレイン拡散層118が形成される。
After removing the photoresist, the
次に、サイドウォール121、122の除去後、フォトリソグラフィ技術を用いて、n型MISFET形成領域をフォトレジスト(図示せず)で被覆し、p型MISFET形成領域にp型不純物(例えば、ホウ素)をイオン注入する。同様に、フォトリソグラフィ技術を用いて、p型MISFET形成領域をフォトレジストで被覆し、n型MISFET形成領域にn型不純物(例えば、燐または砒素)をイオン注入する。
Next, after the
フォトレジストの除去後、シリコン基板101を熱処理し、不純物を活性化させることによって、図11に示すように、p型のエクステンション領域119およびn型のエクステンション領域120が形成される。続いて、短チャネル効果抑制のために、ハロー注入を行ってもよい。
After removing the photoresist, the
次に、CVD法およびRIE法を用いて、サイドウォール121および122をゲート電極材料110aおよび110bの側面に再度形成する。本実施形態では、サイドウォールとしてシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜の二層膜を用いた。しかし、シリコン酸化膜およびシリコン窒化膜を積層した三層膜を、サイドウォールとして用いてもよい。さらに、シリコン窒化膜のみの単層膜をサイドウォールとして用いてもよい。サイドウォールの構造はデバイスに合わせて形成すればよい。
Next, the
本実施形態では、上記のように、エクステンション拡散層のイオン注入はソース・ドレイン拡散層のイオン注入後に実行されている。これは、エクステンション拡散層の過剰な拡散を防止することによって、短チャネル効果を抑制するためである。しかし、エクステンション拡散層は、ソース・ドレイン拡散層の形成前に形成してもよい。この場合、サイドウォール121および122を一旦除去する必要が無くなるので、製造工程が短縮される。
In the present embodiment, as described above, the ion implantation of the extension diffusion layer is performed after the ion implantation of the source / drain diffusion layer. This is to suppress the short channel effect by preventing excessive diffusion of the extension diffusion layer. However, the extension diffusion layer may be formed before forming the source / drain diffusion layer. In this case, it is not necessary to remove the
次に、図12に示すように、ソース・ドレイン拡散層117および118の表面に自己整合的にソース・シリサイド膜/ドレイン・シリサイド膜123(以下、SDシリサイド層という)を形成する。SDシリサイド膜123の材料は、例えば、NiPtSix、NiSix、PtSi(p型MISFET領域に用いる)、ErSi(n型MISFET領域に用いる)、NiErSi(n型MISFET領域に用いる)等のいずれかでよい。
Next, as shown in FIG. 12, a source / silicide film / drain / silicide film 123 (hereinafter referred to as an SD silicide layer) is formed on the surfaces of the source / drain diffusion layers 117 and 118 in a self-aligning manner. The material of the
次に、図13に示すように、CVD法を用いて、シリコン窒化膜124を堆積し、さらに、その上にシリコン酸化膜125を堆積する。シリコン窒化膜124はエッチストッパとして作用する。続いて、CMP法、ドライエッチング法またはウェットエッチング法を用いて、シリコン酸化膜125を平坦化する。このとき、シリコン酸化膜125、シリコン窒化膜124およびハードマスク115を研磨することによって、ゲート電極110aおよび110bの上面を露出させる。
Next, as shown in FIG. 13, a
次に、図14に示すように、ニッケル膜126を堆積する。ニッケル膜126の膜厚は、ゲート電極110bの厚みの1.1倍以上とする。これにより、後の熱工程において、第2のゲート電極110bをNiXSiY(X>Y)にシリサイド化することができる。例えば、ニッケル膜126の膜厚がゲート電極110bの厚みの1.1倍から1.4倍である場合、第2のゲート電極110bはNi2Siにシリサイド化することができる。ニッケル膜126の膜厚がゲート電極110bの厚みの1.65倍以上である場合、第2のゲート電極110bはNi3SiまたはNi31Si12にシリサイド化することができる。
Next, as shown in FIG. 14, a
続いて、シリコン窒化膜310をニッケル膜126上に堆積する。リソグラフィ技術およびRIE法を用いて、N型MISFET領域上にあるシリコン窒化膜310を除去する。さらに、シリコン窒化膜310をマスクとして用いて、ニッケル膜126をエッチングすることによって、図15に示すように、第2のゲート電極110bをニッケル膜126で被覆したまま、第1のゲート電極110aの上面を露出させる。
Subsequently, a
次に、図16に示すように、アルミニウム膜320をn型およびP型MISFET領域上に堆積し、さらに、チタン膜330をn型MISFET領域およびP型MISFET領域上に堆積する。
Next, as shown in FIG. 16, an
図16に示す構造を400℃〜500℃の温度で熱処理する。これによって、図17に示すように、第1のゲート電極110aの底部にはアルミニウム層が偏析し、さらにアルミニウム層111aの上には、チタンシリサイド(TiSi2)層112aが形成される。第2のゲート電極110bは、NiXSiY(X>Y)にシリサイド化される。図17に示すように、第2のゲート電極110bが大きい場合、第2のゲート電極110bは、Ni31Si12またはNi3Siから形成されると考えられる。
The structure shown in FIG. 16 is heat-treated at a temperature of 400 ° C. to 500 ° C. As a result, as shown in FIG. 17, the aluminum layer is segregated at the bottom of the
第1のゲート電極110aでは、次のように、アルミニウム層111aおよびチタンシリサイド112aが形成される。熱工程において、アルミニウム層320は、シリサイド化されること無く、シリコン内に拡散する。これにより、シリコンとアルミニウムとの混合物がチタン層330と接触する。チタン層330はシリコンと反応してシリサイド化されるため、シリコンとアルミニウムとの混合物のうちシリコンのみがチタン層330側へ吸収される。その結果、第1のゲート電極110aの下部にはアルミニウム層111aが偏析し、アルミニウム層111aの上には、チタンシリサイド(TiSi2)層112aが形成される。
In the
第2のゲート電極110bでは、ニッケル膜126が、シリコンと反応することによってNiXSiY(X>Y)にシリサイド化される。NiXSiYは、例えば、Ni2Si、Ni3SiまたはNi31Si12である。
In the
ここで、アルミニウム膜320の膜厚は、ポリシリコンまたはアモルファスシリコンからなる第1のゲート電極110aの厚みと等しいか、それよりも若干薄いことが好ましい。これにより、熱処理後に形成されるアルミニウム膜111aの厚みは、ポリシリコンまたはアモルファスシリコンからなる第1のゲート電極110aの厚みと等しいか、それよりも若干薄くなる。即ち、アルミニウム膜111aの上面の高さレベルは、スペーサ116、121や側壁膜122等の上面の高さレベルと等しいか、それよりも若干低くなる。これにより、アルミニウム膜111aは、チタンシリサイド112aで塞がれる。その結果、未反応のアルミニウム膜320および未反応のチタン膜330の除去工程において、アルミニウム膜111aはエッチングされない。即ち、チタンシリサイド112aがアルミニウム膜111aの保護膜として作用する。チタンシリサイド112aは、コンタクトホール形成工程においてもアルミニウム膜111aを保護することができる。さらに、チタンシリサイド112aは、アルミニウム膜111aの酸化防止膜としても機能する。
Here, the thickness of the
チタン膜330の膜厚は、ポリシリコンまたはアモルファスシリコンからなる第1のゲート電極110aの厚みの1/2以上であることが好ましい。これにより、チタン膜330は、第1のゲート電極110a内のポリシリコンまたはアモルファスシリコンの全体を吸収し、チタンシリサイド(TiSi2)層112aを形成することができる。尚、本実施形態では、チタン膜を用いたが、チタン膜に代えて、バナジウム膜またはモリブデン膜またはロジウム膜またはハフニウム膜またはタングステン膜を採用しても同様の効果を得ることができる。
The thickness of the
シリコン窒化膜310は、アルミニウム膜320およびチタン膜330からニッケル膜126を分離する分離膜として機能する。シリコン窒化膜310を設けることによって、第2のゲート電極110bは、第1のゲート電極110aとは独立にシリサイド化され得る。
The
次に、図18に示すように、未反応のチタン膜330および未反応のアルミニウム膜320を除去する。チタンシリサイド層112aは、上述のようにアルミニウム層111aの保護のために残してもよいが、後述するN型MISFETの仕事関数の観点からは除去しても差し支えない。
Next, as shown in FIG. 18, the
その後、公知の方法を用いて、層間絶縁膜(図示せず)を堆積し、層間絶縁膜にコンタクトを形成し、さらに配線等を形成する。後工程において、フォーミングガスを用いてアニールすることにより、第1の実施形態による半導体装置が完成する。 Thereafter, using a known method, an interlayer insulating film (not shown) is deposited, contacts are formed on the interlayer insulating film, and wirings and the like are further formed. In the subsequent process, the semiconductor device according to the first embodiment is completed by annealing using a forming gas.
第1の実施形態による半導体装置は、シリコン基板101と、シリコン基板101上に設けられ、HfSiO、HfSiON、ZrSiO、ZrSiON、HfZrSiOまたはHfZrSiONから成るゲート絶縁膜109と、ゲート絶縁膜109上に設けられたアルミニウム層111aを含む第1のゲート電極110aと、ゲート絶縁膜109上に設けられ、NiXSiY(X>Y)から成る第2のゲート電極110bとを備えている。チタンシリサイド膜112aがアルミニウム層111a上に設けられていてもよい。第2のゲート電極110bは、Ni2Si、Ni3SiまたはNi31Si12のいずれかから形成され得る。さらに、窒素含有層203が第1のゲート電極110aの下の半導体基板表面に設けられており、フッ素含有層201が第2のゲート電極110bの下の半導体基板表面に設けられている。
The semiconductor device according to the first embodiment is provided on a
図19を参照して上記構成を有する半導体装置の効果を説明する。図19は、第1の実施形態によるp型MISおよびn型MISのそれぞれのゲート電極の仕事関数を示すグラフである。第1の実施形態のように、ゲート電極がNi2Siの組成を有するニッケルシリサイドからなる場合、そのゲート電極の仕事関数は、約4.70eVである。 The effect of the semiconductor device having the above configuration will be described with reference to FIG. FIG. 19 is a graph showing work functions of the gate electrodes of the p-type MIS and the n-type MIS according to the first embodiment. When the gate electrode is made of nickel silicide having a composition of Ni 2 Si as in the first embodiment, the work function of the gate electrode is about 4.70 eV.
p型FETの第2のゲート電極110bは、その下のチャネル領域にフッ素含有層201が設けられている。フッ素含有層201により、フラットバンド電位が正側にシフトするため、第2のゲート電極110bの見かけ上の仕事関数は、5.02eV以上となり、領域Rpの範囲内に入る。第2のゲート電極110bがNi3Siから成る場合、第2のゲート電極110bの仕事関数は、4.80eVであり、第2のゲート電極110bがNi31Si12から成る場合、第2のゲート電極110bの仕事関数は、4.85eVである。さらに、フッ素含有層201を有する場合、第2のゲート電極110bの見かけ上の仕事関数は、5.10eV(Ni3Siの場合)、5.15eV(Ni31Si12の場合)となる。従って、第2のゲート電極110bがNi3SiまたはNi31Si12から成る場合も、第2のゲート電極110bの見かけ上の仕事関数は、領域Rpの範囲内に充分に入る。
The
Ni3SiおよびNi31Si12は、Ni2Siよりも仕事関数が高い。従って、仕事関数の観点においては、第2のゲート電極110bは、Ni2SiよりもNi3SiまたはNi31Si12で構成されたほうが好ましい。
Ni 3 Si and Ni 31 Si 12 have a higher work function than Ni 2 Si. Therefore, from the viewpoint of work function, the
しかし、Ni2SiはNi3SiおよびNi31Si12よりもニッケル含有量が少ない。このため、第2のゲート電極110bのシリサイド工程において未反応のニッケルを除去する際に、Ni2Siはエッチングされにくい。さらに、Ni2SiはNi3SiおよびNi31Si12よりも比抵抗が低い。このため、Ni2Siからなる第2のゲート電極110bは、Ni3SiまたはNi31Si12からなる第2のゲート電極110bよりも低抵抗になる。さらに、Ni2Siは、Ni3SiまたはNi31Si12よりも体積膨張が小さい。よって、Ni2Siからなる第2のゲート電極110bは変形しにくい。このように、製造の容易性の観点からすると、第2のゲート電極110bは、Ni3SiまたはNi31Si12よりもNi2Siのほうが好ましいと言うことができる。
However, Ni 2 Si has a lower nickel content than Ni 3 Si and Ni 31 Si 12 . Therefore, Ni 2 Si is not easily etched when removing unreacted nickel in the silicide process of the
n型MISの第1のゲート電極110aはアルミニウム層111aである。この場合、第1のゲート電極110aの仕事関数は、4.20eVとなる。チタンシリサイド層112aがアルミニウム層111a上に設けられていても、第1のゲート電極110aの仕事関数は変わらない。さらに、フラットバンド電位を負側にシフトさせる機能を有する窒素含有層203がチャネル領域に設けられているため、ゲート電極の仕事関数は充分に領域Rnの範囲内に入る。このように、ゲート絶縁膜として高誘電体を用いたとしても、p型MISFETおよびn型MISFETのそれぞれの閾値電圧を適正な値にすることができる。
The
フラットバンド電位のシフト量は、閾値電圧を調整するために使用されるイオン注入とフッ素や窒素のイオン注入とによって影響を受ける。例えば、フラットバンド電位全体のシフト量は、閾値電圧を調節するためのカウンターイオン注入によるシフト量とフッ素や窒素の注入によるシフト量との和になる。 The shift amount of the flat band potential is affected by the ion implantation used for adjusting the threshold voltage and the ion implantation of fluorine or nitrogen. For example, the shift amount of the entire flat band potential is the sum of the shift amount due to counter ion implantation for adjusting the threshold voltage and the shift amount due to fluorine or nitrogen implantation.
p型FETにおいて、フッ素濃度はチャネルとゲート絶縁膜との界面にピークがあり、p型FETの移動度は高くなる。これにより、さらに、信頼性が向上するという利点がある。 In the p-type FET, the fluorine concentration has a peak at the interface between the channel and the gate insulating film, and the mobility of the p-type FET increases. Thereby, there is an advantage that the reliability is further improved.
n型FETにおいて、窒素はゲート絶縁膜下部に拡散する。通常のn型FETの使用において、ゲート電界は、約0.6MV/cm2以上の高電界となる。このような、高いゲート電界で使用される場合には、窒素がゲート絶縁膜下部に拡散しても、移動度を高めることができる。その結果、p型FETおよびn型FETともに高電界側の移動度の劣化がなく、高い移動度が保たれるため、高いドレイン電流を得ることができる。 In the n-type FET, nitrogen diffuses under the gate insulating film. In the use of a normal n-type FET, the gate electric field becomes a high electric field of about 0.6 MV / cm 2 or more. When used in such a high gate electric field, the mobility can be increased even if nitrogen diffuses under the gate insulating film. As a result, both the p-type FET and the n-type FET have no deterioration in mobility on the high electric field side, and high mobility is maintained, so that a high drain current can be obtained.
通常、仕事関数の変調はゲート電極の組成の変更や不純物濃度の変更によってフラットバンド電位をシフトさせることを意味する。しかし、第1の実施形態では、チャネル領域の不純物濃度の変更によってフラットバンド電位をシフトさせている。本明細書では、このようなチャネル領域の変更によるフラットバンド電位のシフトも“仕事関数の変調”に含めている。このような仕事関数の変調を“見かけ上の仕事関数の変調”という。 Usually, the modulation of the work function means that the flat band potential is shifted by changing the composition of the gate electrode or the impurity concentration. However, in the first embodiment, the flat band potential is shifted by changing the impurity concentration of the channel region. In this specification, the shift of the flat band potential due to the change of the channel region is also included in the “work function modulation”. This kind of work function modulation is called “apparent work function modulation”.
第1の実施形態では、ゲート絶縁膜としてHfSiONを採用した。しかし、HfSiONに代えて、HfSiOをゲート絶縁膜として採用してもよい。また、HfをZrに代えて、ZrSiOまたはZrSiONをゲート絶縁膜として採用してもよい。さらに、HfおよびZrの両方を含んだHfZrSiOまたはHfZrSiONをゲート絶縁膜として採用してもよい。これらのゲート絶縁膜は、さらに、Ti、LaまたはTaを含んでいてもよい。 In the first embodiment, HfSiON is used as the gate insulating film. However, HfSiO may be employed as the gate insulating film instead of HfSiON. Further, Hr may be replaced with Zr, and ZrSiO or ZrSiON may be employed as the gate insulating film. Furthermore, HfZrSiO or HfZrSiON containing both Hf and Zr may be employed as the gate insulating film. These gate insulating films may further contain Ti, La, or Ta.
なお、HfSiONは、HfSiOに比較して、耐熱性において優れている。しかし、製造工程における熱処理の時間を短時間にすることによってHfSiOをゲート絶縁膜として採用することは可能である。 HfSiON is superior in heat resistance compared to HfSiO. However, it is possible to employ HfSiO as the gate insulating film by shortening the heat treatment time in the manufacturing process.
一般に、大規模集積回路の微細化は、ゲート絶縁膜の薄膜化を伴う。例えば、ゲート長が40nm以下になると、ゲート絶縁膜のEOT(Equivalent Oxide Thickness)は、1.3nm以下にしなければならない。このような状況下で、シリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜をゲート絶縁膜として用いた場合、リーク電流が増大する。このため、シリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜よりも比誘電率の高い金属酸化膜や金属珪酸化膜、あるいは、これらの窒化膜をゲート絶縁膜として採用することが検討されている。 In general, miniaturization of a large-scale integrated circuit is accompanied by thinning of a gate insulating film. For example, when the gate length is 40 nm or less, the EOT (Equivalent Oxide Thickness) of the gate insulating film must be 1.3 nm or less. Under such circumstances, when a silicon oxide film or a silicon oxynitride film is used as the gate insulating film, the leakage current increases. For this reason, it has been studied to employ a metal oxide film or metal silicate film having a relative dielectric constant higher than that of a silicon oxide film or silicon oxynitride film, or the use of these nitride films as a gate insulating film.
このような高誘電体をゲート絶縁膜に用いた場合、MISFETの閾値電圧がシフトするという問題が生じた。特に、P型MISFETでは、閾値電圧が大きく負側にシフトしてしまう。また、反転層の容量が小さく、ドレイン電流が小さくなるという問題もあった。 When such a high dielectric is used for the gate insulating film, there arises a problem that the threshold voltage of the MISFET shifts. In particular, in the P-type MISFET, the threshold voltage is greatly shifted to the negative side. There is also a problem that the capacity of the inversion layer is small and the drain current is small.
これらの問題に対処するために、メタルゲート電極を採用することが検討されている。この場合のメタルとは、金属単体や合金だけでなく、これらの窒化物や珪化物等をも含む。特に、ニッケルシリサイドを用いたフルシリサイドゲートは、大きな反転容量を確保することができる。しかしながら、ニッケルモノシリサイド(NiSi)の仕事関数は4.5eVであるので、N型FETやP型FETに必要なSiのバンドギャップ付近の仕事関数を得ることは難しかった。 In order to cope with these problems, it has been studied to employ a metal gate electrode. The metal in this case includes not only a single metal or an alloy but also a nitride or silicide thereof. In particular, a full silicide gate using nickel silicide can ensure a large inversion capacity. However, since the work function of nickel monosilicide (NiSi) is 4.5 eV, it is difficult to obtain a work function in the vicinity of the Si band gap necessary for the N-type FET and the P-type FET.
本実施形態は、N型FETのゲート電極にアルミニウムを採用し、かつ、P型FETのゲート電極にニッケルリッチシリサイド(NiXSiY(X>Y))を採用することによって、高誘電体をゲート絶縁膜に採用しつつも上記問題を解決することができる。即ち、本実施形態による半導体装置は、ゲート長を40nm以下に微細化しても、リーク電流を抑制しつつ、N型MISFETおよびP型MISFETの各閾値電圧を充分に低くすることを可能とする。 The present embodiment employs aluminum for the gate electrode of the N-type FET, and uses nickel-rich silicide (Ni X Si Y (X> Y)) for the gate electrode of the P-type FET. The above problem can be solved while adopting the gate insulating film. That is, the semiconductor device according to the present embodiment can sufficiently reduce the threshold voltages of the N-type MISFET and the P-type MISFET while suppressing the leakage current even if the gate length is reduced to 40 nm or less.
(第2の実施形態)
第2の実施形態では、図1から図15に示す工程の後、図20に示すようにチタン層330上にニッケル層340を堆積している点で第1の実施形態と異なる。その後、第1の実施形態と同様に400℃〜500℃の温度で熱処理する。これによって、図21に示すように、第1のゲート電極110aの底部にはアルミニウム層111aが偏析する。アルミニウム層111aの上には、ニッケルシリサイド(NiSi2)層113aが形成され、ニッケルシリサイド層113a上にチタンシリサイド(TiSi2)層112aが形成される。第2のゲート電極110bは、第1の実施形態と同様にNiXSiY(X>Y)にシリサイド化される。
(Second Embodiment)
The second embodiment is different from the first embodiment in that a
次に、図22に示すように、未反応のニッケル膜340、未反応のチタン膜330、未反応のアルミニウム膜320を除去する。その後、第1の実施形態と同様に、公知の方法を用いて、層間絶縁膜、コンタクト、配線等を形成する。後工程において、フォーミングガスを用いてアニールすることにより、第2の実施形態による半導体装置が完成する。
Next, as shown in FIG. 22, the
アルミニウム層320の膜厚は、アルミニウム層111aとアルミニウム膜320とが接続しないように、アモルファスシリコンまたはポリシリコンからなる第1のゲート電極110aの膜厚の2分の1以下であることが好ましい。アルミニウム層111aとアルミニウム層320とが接続すると、未反応のアルミニウム層320の除去時に、アルミニウム層111aがエッチングされるおそれがあるからである。
The film thickness of the
チタン膜330の膜厚は、5nm〜30nmであることが好ましい。チタン膜330がそれ以上厚い場合には、ニッケル膜340のニッケルがチタン膜330内を拡散してチタン膜330を通過することができないからである。
The thickness of the
ニッケル膜340の膜厚TNiは、TNi≧0.55(TSi−TAl)であることが好ましい。TSiはアモルファスシリコンまたはポリシリコンからなる第1のゲート電極110aの膜厚であり、TAlはアルミニウム膜320の膜厚である。ニッケル膜340の膜厚TNiがTNi≧0.5(TSi−TAl)を満たすことにより、アルミニウム層111aとチタンシリサイド層112aとの間に形成されるニッケルシリサイド層113aは、NiXSiY(X>Y/2)にフルシリサイド化される。例えば、ニッケルシリサイド層113aは、NiSi2、NiSi、Ni31Si12、Ni3Siにフルシリサイド化されてよい。
Thickness T Ni of the
熱処理において、アルミニウム膜320は、アモルファスシリコンまたはポリシリコン(110a)へ拡散し、第1のゲート電極110aの下部に偏析する。ニッケル膜340はチタン膜330を通過し、シリコンと反応する。これにより、ニッケルシリサイド膜113aがアルミニウム層111a上に形成される。さらに、チタン膜330は、アモルファスシリコンまたはポリシリコンを吸収し、チタンシリサイド層112aがニッケルシリサイド膜113a上に形成される。図22に示す第1のゲート電極110aはこのように形成される。
In the heat treatment, the
第2の実施形態では、ニッケルシリサイド膜113aがアルミニウム層111a上を被覆し、さらに、チタンシリサイド層112aがニッケルシリサイド膜113a上を被覆する。これにより、アルミニウム層111aは、より完全に保護される。例えば、アルミニウム膜320の除去時にアルミニウム層111aがエッチングされることをよりよく防止することができる。
In the second embodiment, the
ニッケルシリサイド層113aおよびチタンシリサイド層112aは、導電性材料であるので、完成品において残存させてもよい。
Since the
第2の実施形態による第1のゲート電極110aは、アルミニウム層111a上に設けられたNiXSiY(X≧Y/2)からなるシリサイド層113aと、シリサイド層113a上に設けられたチタンシリサイド層112aとを備えている。第2の実施形態のその他の構成は、第1の実施形態の構成と同様でよい。
The
第2の実施形態による第1および第2のゲート電極は、第1の実施形態のそれらと同様の仕事関数を有する。従って、第2の実施形態は、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。尚、第1のゲート電極110aは、その底部に設けられたアルミニウム層111aによって仕事関数が決定されるので、シリサイド層113aの組成はNiSi2またはNiSiであっても差し支えない。
The first and second gate electrodes according to the second embodiment have work functions similar to those of the first embodiment. Therefore, the second embodiment can obtain the same effects as those of the first embodiment. Note that the work function of the
第2の実施形態において、チタン膜330を用いたが、チタン膜に代えて、バナジウム膜またはモリブデン膜またはロジウム膜またはハフニウム膜またはタングステン膜を採用しても同様の効果を得ることができる。
In the second embodiment, the
101…半導体基板
109…HfSiON膜
110a…第1のゲート電極
111a…アルミニウム層
112a…チタンシリサイド層
110b…第2のゲート電極
201…フッ素含有層
203…窒素含有層
320…アルミニウム膜
330…チタン膜
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記半導体基板上に設けられ、シリコン酸化膜よりも比誘電率の高い高誘電体から成るゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられたアルミニウム層を含むN型FET用の第1のゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられ、NiXSiY(X>Y)から成るP型FET用の第2のゲート電極とを備えた半導体装置。 A semiconductor substrate;
A gate insulating film made of a high dielectric material provided on the semiconductor substrate and having a relative dielectric constant higher than that of the silicon oxide film;
A first gate electrode for an N-type FET including an aluminum layer provided on the gate insulating film;
A semiconductor device comprising: a second gate electrode for a P-type FET that is provided on the gate insulating film and made of Ni X Si Y (X> Y).
前記ゲート絶縁膜上にポリシリコンまたはアモルファスシリコンからなるゲート電極材料を堆積し、
前記ゲート電極材料をゲート電極パターンに加工することによってN型FET用の第1のゲート電極およびP型FET用の第2のゲート電極を形成し、
前記第2のゲート電極上にニッケル膜を堆積し、
前記第1のゲート電極上にアルミニウム膜を堆積し、
前記アルミニウム膜上にチタン膜またはバナジウム膜またはモリブデン膜またはロジウム膜またはハフニウム膜またはタングステン膜を堆積し、
熱処理を施すことにより、前記第1のゲート電極の底部に前記アルミニウム膜を偏析させ、かつ該アルミニウム膜上にTiSi2膜またはVSi2膜またはMoSi2膜またはRhSi膜またはHfSi膜またはWSi2膜を形成し、前記第2のゲート電極のポリシリコンまたはアモルファスシリコンをNiXSiY(X>Y)にシリサイド化することを具備した半導体装置の製造方法。 A gate insulating film made of a high dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of a silicon oxide film is formed on a semiconductor substrate,
Depositing a gate electrode material made of polysilicon or amorphous silicon on the gate insulating film,
Forming a first gate electrode for an N-type FET and a second gate electrode for a P-type FET by processing the gate electrode material into a gate electrode pattern;
Depositing a nickel film on the second gate electrode;
Depositing an aluminum film on the first gate electrode;
A titanium film, a vanadium film, a molybdenum film, a rhodium film, a hafnium film, or a tungsten film is deposited on the aluminum film;
By performing heat treatment, the aluminum film is segregated at the bottom of the first gate electrode, and a TiSi 2 film, VSi 2 film, MoSi 2 film, RhSi film, HfSi film, or WSi 2 film is formed on the aluminum film. A method of manufacturing a semiconductor device comprising: forming and siliciding polysilicon or amorphous silicon of the second gate electrode into Ni X Si Y (X> Y).
前記ゲート絶縁膜上にポリシリコンまたはアモルファスシリコンからなるゲート電極材料を堆積し、
前記ゲート電極材料をゲート電極パターンに加工することによってN型FET用の第1のゲート電極およびP型FET用の第2のゲート電極を形成し、
前記第2のゲート電極上に第1のニッケル膜を堆積し、
前記第1のゲート電極上にアルミニウム膜を堆積し、
前記アルミニウム膜上にチタン膜またはバナジウム膜またはモリブデン膜またはロジウム膜またはハフニウム膜またはタングステン膜を堆積し、
前記チタン膜またはバナジウム膜またはモリブデン膜またはロジウム膜またはハフニウム膜またはタングステン膜上に第2のニッケル膜を堆積し、
熱処理を施すことにより、前記第1のゲート電極の底部に前記アルミニウム膜を偏析させ、該アルミニウム膜上にNiXSiY(X≧Y/2)からなるシリサイド層を形成し、かつ該シリサイド層上にTiSi2膜またはVSi2膜またはMoSi2膜またはRhSi膜またはHfSi膜またはWSi2膜を形成し、前記第2のゲート電極のポリシリコンまたはアモルファスシリコンをNiXSiY(X>Y/2)にシリサイド化することを具備した半導体装置の製造方法。 A gate insulating film made of a high dielectric material having a relative dielectric constant higher than that of a silicon oxide film is formed on a semiconductor substrate,
Depositing a gate electrode material made of polysilicon or amorphous silicon on the gate insulating film,
Forming a first gate electrode for an N-type FET and a second gate electrode for a P-type FET by processing the gate electrode material into a gate electrode pattern;
Depositing a first nickel film on the second gate electrode;
Depositing an aluminum film on the first gate electrode;
A titanium film, a vanadium film, a molybdenum film, a rhodium film, a hafnium film, or a tungsten film is deposited on the aluminum film;
Depositing a second nickel film on the titanium film, vanadium film, molybdenum film, rhodium film, hafnium film or tungsten film;
By performing heat treatment, the aluminum film is segregated at the bottom of the first gate electrode, and a silicide layer made of Ni x Si Y (X ≧ Y / 2) is formed on the aluminum film, and the silicide layer A TiSi 2 film, a VSi 2 film, a MoSi 2 film, an RhSi film, an HfSi film, or a WSi 2 film is formed thereon, and the polysilicon or amorphous silicon of the second gate electrode is made of Ni X Si Y (X> Y / 2). And 4) a method for manufacturing a semiconductor device.
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