JP2009141040A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】相補型半導体装置の製造方法が、シリコン基板を準備する工程と、ゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜を覆うようにAl含有膜を形成する工程と、nチャネル型MOSFET形成領域の上のAl含有膜を、過酸化水素水を用いて選択的に除去する工程と、シリコン基板の上にゲート導電層を形成する工程と、ゲート絶縁膜、Al含有膜、およびゲート導電層をエッチングして、ゲート絶縁膜、Al含有膜、およびゲート導電層を含むpチャネル型MOSFETのゲート電極と、ゲート絶縁膜、およびゲート導電層を含むnチャネル型MOSFETのゲート電極とを形成する工程と、pチャネル型MOSFETのゲート電極において、Al含有膜のAl元素をゲート絶縁膜中に拡散させる工程とを含む。
【選択図】図1
Description
ここで、ゲート絶縁膜が薄くなり、SiO2換算膜厚(EOT)で1nmに近くなると、pチャネル型MOSFETで閾値電圧が上昇するという問題があった。これはゲート絶縁膜上に積層したメタルゲート電極の仕事関数が、ピンニングにより実質的に低下するためと考えられている。
これに対して、ゲート絶縁膜中に、Al(Al2O3)を含有させることにより、閾値電圧の上昇を防止する方法が提案されている。具体的には、ゲート絶縁膜上に極薄のAl2O3やAlNを積層し、その後の熱処理によってゲート絶縁膜中にAlを拡散させる方法(例えば、非特許文献1参照)や、TiAlN等のAl含有メタルゲート電極を用いて、メタルゲート電極からゲート絶縁膜中にAlを拡散させる方法(例えば、非特許文献2参照)が提案されている。
2006 SYMPOSIUM ON VLSI TECHNOLOGY, DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, pp.202. 2007 SYMPOSIUM ON VLSI TECHNOLOGY, DIGEST OF TECHNICAL PAPERS, pp.160.
図1は、全体が100で表される、本発明の実施の形態1にかかるCMOSFETの製造工程の断面図である。CMOSFET100の製造工程は、以下の工程1〜5を含む。
図2から、熱処理工程により、TiAlN膜中のAlが、HfSiON膜(ゲート絶縁膜)中に拡散していることがわかる。また、HfSiON膜下部(シリコン層との界面)のAl濃度は増加せず、シリコン層(チャネル領域)中にはAlが拡散していないことも分かる。
ここで、例えばTiAlN膜中のAlのカチオン比は、陽イオン(Ti、Al)の原子数に対するAlの原子数の比で表される。
図4は、全体が200で表される、本発明の実施の形態2にかかるCMOSFETの製造工程の断面図である。図4中、図1と同一符号は、同一または相当箇所を示す。CMOSFET200の製造工程は、以下の工程1〜7を含む。
上述の実施の形態1、2では、Al含有膜としてTiAlN膜5を用いたが、代わりに、TiN(上層)/AlN(下層)からなる2層膜を用いることもできる。かかる2層膜を用いる場合、HfSiON膜4の上に、例えばスパッタ法を用いて、1nm以下の膜厚のAlNを形成し、その上に例えば20nm以下、好適には10nmの膜厚のTiN膜を形成する。pチャネル型MOSFETの閾値電圧の低減と、SiO2換算膜厚(EOT)増加の低減とを両立させるには、AlNの膜厚を0.2nm以上、1nm以下とすることが好ましい。
Claims (15)
- pチャネル型MOSFET形成領域とnチャネル型MOSFET形成領域とを有するシリコン基板を準備する工程と、
該pチャネル型MOSFET形成領域および該nチャネル型MOSFET形成領域を覆うように、ゲート絶縁膜を形成する工程と、
該ゲート絶縁膜を覆うようにAl含有膜を形成する工程と、
該nチャネル型MOSFET形成領域の上のAl含有膜を、過酸化水素水を用いて選択的に除去する除去工程と、
該シリコン基板の上にゲート導電層を形成する工程と、
該ゲート絶縁膜、該Al含有膜、および該ゲート導電層をエッチングして、該ゲート絶縁膜、該Al含有膜、および該ゲート導電層を含むpチャネル型MOSFETのゲート電極と、該ゲート絶縁膜、および該ゲート導電層を含むnチャネル型MOSFETのゲート電極とを形成する工程と、
該pチャネル型MOSFETのゲート電極において、該Al含有膜のAl元素を該ゲート絶縁膜中に拡散させる熱処理工程と、を含むことを特徴とする相補型半導体装置の製造方法。 - 上記熱処理工程後の上記ゲート絶縁膜が、カチオン比で5%以上のAl元素を含むことを特徴とする請求項1に記載の相補型半導体装置の製造方法。
- 上記除去工程が、40℃から80℃に加熱した過酸化水素水を用いたウエットエッチング工程であることを特徴とする請求項1に記載の相補型半導体装置の製造方法。
- pチャネル型MOSFET形成領域とnチャネル型MOSFET形成領域とを有するシリコン基板を準備する工程と、
該pチャネル型MOSFET形成領域および該nチャネル型MOSFET形成領域を覆うように、ゲート絶縁膜を形成する工程と、
該ゲート絶縁膜を覆うようにAl含有膜を形成する工程と、
該nチャネル型MOSFET形成領域の上のAl含有膜を、過酸化水素水を用いて選択的に除去する第1除去工程と、
該pチャネル型MOSFET形成領域において、該Al含有膜のAl元素を該ゲート絶縁膜中に拡散させる熱処理工程と、
該pチャネル型MOSFET形成領域の上の該Al含有膜を、過酸化水素水を用いて選択的に除去する第2除去工程と、
該シリコン基板の上にゲート導電層を形成する工程と、
該ゲート絶縁膜および該ゲート導電層をエッチングして、該ゲート絶縁膜および該ゲート導電層を含む、pチャネル型MOSFETのゲート電極およびnチャネル型MOSFETのゲート電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする相補型半導体装置の製造方法。 - 上記熱処理工程後の上記ゲート絶縁膜が、カチオン比で5%以上のAl元素を含むことを特徴とする請求項4に記載の相補型半導体装置の製造方法。
- 上記第1および第2除去工程が、40℃から80℃に加熱した過酸化水素水を用いたウエットエッチング工程であることを特徴とする請求項4に記載の相補型半導体装置の製造方法。
- 上記Al含有膜が、TiAlN膜、またはTiN/AlN二層膜からなることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の相補型半導体装置の製造方法。
- 上記TiAlN膜は、カチオン比で10%以上50%以下のAl元素を含むことを特徴とする請求項7に記載の相補型半導体装置の製造方法。
- 上記ゲート絶縁膜が、Hf元素を含むhigh−k材料からなることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の相補型半導体装置の製造方法。
- pチャネル型MOSFETとnチャネル型MOSFETとを含む相補型半導体装置であって、
該pチャネル型MOSFETおよび該nチャネル型MOSFETのゲート電極は、ゲート絶縁膜とゲート導電層とを含み、
該pチャネル型MOSFETのゲート電極のゲート絶縁膜が、Al元素を含むことを特徴とする相補型半導体装置。 - 上記pチャネル型MOSFETのゲート電極は、上記ゲート絶縁膜と上記ゲート導電層との間に、Al含有膜を含むことを特徴とする請求項10に記載の相補型半導体装置。
- 上記Al含有膜は、TiAlN膜、またはTiN/AlN二層膜からなることを特徴とする請求項11に記載の相補型半導体装置。
- 上記TiAlN膜は、カチオン比で10%以上50%以下のAl元素を含むことを特徴とする請求項12に記載の相補型半導体装置。
- 上記pチャネル型MOSFETのゲート電極に含まれる上記ゲート絶縁膜は、カチオン比で5%以上のAl元素を含むことを特徴とする請求項10または11に記載の相補型半導体装置。
- 上記ゲート絶縁膜が、Hf元素を含むhigh−k材料からなることを特徴とする請求項10〜14のいずれかに記載の相補型半導体装置。
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