JP2009302320A - Semiconductor device, and manufacturing method thereof - 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し、特にMIPS(Metal Inserted Poly-Si Stack)構造を有する半導体装置およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a MIPS (Metal Inserted Poly-Si Stack) structure and a manufacturing method thereof.
従来より、ゲート電極におけるしきい値電圧を調整する構造として、ゲート絶縁膜と多結晶シリコン膜との間に金属膜を有するMIPS(Metal Inserted Poly-Si Stack)構造が知られている。 Conventionally, as a structure for adjusting a threshold voltage in a gate electrode, a MIPS (Metal Inserted Poly-Si Stack) structure having a metal film between a gate insulating film and a polycrystalline silicon film is known.
図4は、MIPS構造を有する従来の半導体装置の構成を示した断面図である。図に示すように、MIPS構造(ゲート絶縁膜3と多結晶シリコン膜5との間に金属膜4を有する構造)を有する従来の半導体装置は、ゲートコンタクトプラグ12が多結晶シリコン膜5の表層に形成されたシリサイド膜10とのみ接触する構造である。すなわち、ゲートコンタクトプラグ12に印加された電界は、多結晶シリコン膜5/金属膜4の接触を介してチャネル部に及ぶこととなる。このMIPS構造に関連した技術が下記非特許文献1に開示されている。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional semiconductor device having a MIPS structure. As shown in the figure, in the conventional semiconductor device having the MIPS structure (the structure having the metal film 4 between the gate
しかしながら、金属膜と多結晶シリコン膜との間の接触抵抗が大きい場合においては、特に微細なMOSデバイスでは、コンタクトプラグからゲート上部の多結晶シリコン膜に印加した電界が十分な速度で十分に金属膜に伝わらないという問題があった。 However, in the case where the contact resistance between the metal film and the polycrystalline silicon film is large, the electric field applied from the contact plug to the polycrystalline silicon film on the gate is sufficiently high at a sufficient speed, particularly in a fine MOS device. There was a problem of not being transmitted to the membrane.
そこで本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、ゲート電極である金属膜/多結晶シリコン膜間の接触抵抗が大きい場合であっても、ゲートコンタクトプラグに印加した電界を十分な速度で十分に金属膜に伝えることができる半導体装置、およびその製造方法を得ることを目的とする。 Therefore, the present invention has been made to solve such a problem, and even when the contact resistance between the metal film as the gate electrode / polycrystalline silicon film is large, the electric field applied to the gate contact plug is sufficient. It is an object of the present invention to obtain a semiconductor device that can be sufficiently transmitted to a metal film at a high speed and a manufacturing method thereof.
本発明の一実施形態における半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成された金属膜、当該金属膜上に形成された多結晶シリコン膜、を有するゲート電極と、ゲート電極上に形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜および多結晶シリコン膜を貫通して金属膜と接触するように形成されたコンタクトプラグと、を備える。 A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, a metal film formed on the gate insulating film, and a polycrystalline silicon film formed on the metal film , An interlayer insulating film formed on the gate electrode, and a contact plug formed to contact the metal film through the interlayer insulating film and the polycrystalline silicon film.
本発明の一実施形態における半導体装置の製造方法は、はじめに半導体基板を準備し、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に金属膜、多結晶シリコン膜をこの順で積層してゲート電極を形成する。次に、ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する。次に、金属膜が露出するように、層間絶縁膜および多結晶シリコン膜にエッチングを行いコンタクトホールを形成する。次に、コンタクトホールに金属を堆積してコンタクトプラグを形成する。 In one embodiment of the present invention, a semiconductor device manufacturing method includes first preparing a semiconductor substrate, forming a gate insulating film on the semiconductor substrate, and laminating a metal film and a polycrystalline silicon film on the gate insulating film in this order. To form a gate electrode. Next, an interlayer insulating film is formed over the gate electrode. Next, a contact hole is formed by etching the interlayer insulating film and the polycrystalline silicon film so that the metal film is exposed. Next, metal is deposited in the contact hole to form a contact plug.
本発明の一実施形態における半導体装置およびその製造方法によれば、ゲート電極のコンタクトプラグを多結晶シリコン膜を貫通して形成することで、コンタクトプラグとゲート電極との接触がMetal/Metal接触となる。これにより、接触抵抗は、〜10-9ohm・cm2となり、多結晶シリコン膜/金属膜間の接触抵抗に対して1桁〜7桁の低減を図ることができる。また、接触抵抗の低減を可能にすることにより、ゲートコンタクトに印加した電界を十分な速度で十分に金属膜に伝えることができる。 According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof in one embodiment of the present invention, the contact plug of the gate electrode is formed through the polycrystalline silicon film, so that the contact between the contact plug and the gate electrode is the metal / metal contact. Become. As a result, the contact resistance becomes 10 −9 ohm · cm 2 , and the contact resistance between the polycrystalline silicon film and the metal film can be reduced by 1 to 7 digits. Further, by making it possible to reduce the contact resistance, the electric field applied to the gate contact can be sufficiently transmitted to the metal film at a sufficient speed.
<実施の形態1>
図1は、本発明の実施の形態における半導体装置の構成を示した断面図である。以下、図1を参照して本実施の形態における半導体装置の構成について説明する。本実施の形態における半導体装置は、素子分離領域2が形成されたシリコン基板1(半導体基板)、シリコン基板1上に形成されたhigh−kゲート絶縁膜3(ゲート絶縁膜)、high−kゲート絶縁膜3上に形成された金属膜4(本実施の形態ではTiN),多結晶シリコン膜5(poly−Si)からなるゲート電極6を備える。すなわち、本実施の形態における半導体装置はMIPS構造を有する。
<
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, the configuration of the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The semiconductor device according to the present embodiment includes a silicon substrate 1 (semiconductor substrate) on which an
さらに、ゲート電極6の側面に形成されたオフセットスペーサー7およびサイドウォール8(本実施の形態では第1のサイドウォール8a、第2のサイドウォール8bからなる2層構造)、多結晶シリコン膜5の一部の領域の表層に形成されたシリサイド膜10(本実施の形態ではNi)、多結晶シリコン膜5の他の領域上(シリサイド膜10の形成されていない領域)及びサイドウォール8上に形成されたハードマスク9(本実施の形態ではシリコン酸化膜)、ハードマスク9上に形成された層間絶縁膜11(本実施の形態では第1の層間絶縁膜11a(シリコン窒化膜)、第2の層間絶縁膜11b(シリコン酸化膜)からなる2層構造)を備える。
Further, the
さらに、層間絶縁膜11、ハードマスク9および多結晶シリコン膜5を貫通して金属膜4と接触するように形成されたコンタクトプラグ12(本実施の形態ではバリアメタル膜12a(TiN)と金属プラグ12b(タングステン)からなる)を備える。
Further, a contact plug 12 (
図1に示すように、ゲート電極6のコンタクトプラグ12を多結晶シリコン膜5を貫通して形成することにより、コンタクトプラグ12とゲート電極6との接触はMetal/Metal接触となる。
As shown in FIG. 1, when the
図2、図3は、本実施の形態における半導体装置の製造方法を示した断面図である。以下図1〜図3を参照して本実施の形態における半導体装置の製造方法について説明する。はじめにシリコン基板1に素子分離領域2、ウェル領域(図示せず)を形成する(図2(a))。
2 and 3 are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor device in the present embodiment. A method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment will be described below with reference to FIGS. First, an
次に、シリコン基板1上にhigh−kゲート絶縁膜3、金属膜4および多結晶シリコン膜5をこの順で積層し、フォト/ドライエッチング工程によりMIPS構造のゲート電極6を形成する(図2b))。次に、ゲート電極6の側面にオフセットスペーサー7、サイドウォール8を形成する(図2(c))。
Next, a high-k gate
次に、ゲートコンタクトを形成する領域のゲート電極6、オフセットスペーサー7およびサイドウォール8上にハードマスク9を形成する。次に、このシリコン基板1上に金属膜を成膜した後に熱処理を行い、ハードマスク8が形成されていない多結晶シリコン膜5の表層にシリサイド層10を形成する(図3(d))。
Next, a
次に、シリコン窒化膜11a、シリコン酸化膜11b等のコンタクト層間絶縁膜11を堆積し、フォト/ドライエッチング工程により層間絶縁膜11、ハードマスク9および多結晶シリコン膜5を貫通して金属層4が露出するようにコンタクトホール13を形成する(図3(e))。
Next, a contact
次に、バリアメタル膜12aのTiNおよび金属プラグ12bのタングステンを堆積し、CMP法によりコンタクトホール13内のみにTiN12a/タングステン12bを残してコンタクトプラグ12を形成することで、図1に示す半導体装置が形成される。
Next, TiN of the
ここで、金属膜4は高融点金属の合金、高融点金属と希土類金属の合金、その窒化物、酸化物および炭化物を含む合金のいずれかを用いて形成する。さらに詳しくは、TiN、TaC、TaN、La化合物、Mg化合物およびAl化合物のいずれかを用いる。これらを金属膜として用いることにより、生産性の向上とともにしきい値電圧の低減を可能とする。 Here, the metal film 4 is formed using any one of an alloy of a refractory metal, an alloy of a refractory metal and a rare earth metal, and an alloy containing a nitride, oxide and carbide thereof. More specifically, any one of TiN, TaC, TaN, La compound, Mg compound and Al compound is used. By using these as a metal film, productivity can be improved and the threshold voltage can be reduced.
以上より、本実施の形態における半導体装置、およびその製造方法によれば、ゲート電極6のコンタクトプラグ12を多結晶シリコン膜5を貫通して形成することで、コンタクトプラグ12とゲート電極6との接触がMetal/Metal接触となる。これにより、接触抵抗は、〜10-9ohm・cm2となり、多結晶シリコン膜5/金属膜4間の接触抵抗に対して1桁〜7桁の低減を図ることができる。また、接触抵抗の低減を可能にすることにより、ゲートコンタクトプラグ12に印加した電界を十分な速度で十分に金属膜4に伝えることができる。
As described above, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof in the present embodiment, the
本発明は、MOSトランジスタを利用した製品全般に適用することができる。特に、45nmノード以降のSoC(System-on-chip)製品全般に適用することができる。 The present invention can be applied to all products using MOS transistors. In particular, the present invention can be applied to SoC (System-on-chip) products in general after the 45 nm node.
1 シリコン基板、2 素子分離領域、3 high−kゲート絶縁膜、4 金属膜、5 多結晶シリコン膜、6 ゲート電極、7 オフセットスペーサー、8 サイドウォール、8a 第1のサイドウォール、8b 第2のサイドウォール、9 ハードマスク、10 シリサイド膜、11 層間絶縁膜、11a 第1の層間絶縁膜、11b 第2の層間絶縁膜、12 コンタクトプラグ、12a バリアメタル膜、12b 金属プラグ、13 コンタクトホール。 1 silicon substrate, 2 element isolation region, 3 high-k gate insulating film, 4 metal film, 5 polycrystalline silicon film, 6 gate electrode, 7 offset spacer, 8 sidewall, 8a first sidewall, 8b second Side wall, 9 hard mask, 10 silicide film, 11 interlayer insulating film, 11a first interlayer insulating film, 11b second interlayer insulating film, 12 contact plug, 12a barrier metal film, 12b metal plug, 13 contact hole.
Claims (8)
前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成された金属膜、当該金属膜上に形成された多結晶シリコン膜、を有するゲート電極と、
前記ゲート電極上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜および前記多結晶シリコン膜を貫通して前記金属膜と接触するように形成されたコンタクトプラグと、を備える半導体装置。 A semiconductor substrate;
A gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
A gate electrode having a metal film formed on the gate insulating film, a polycrystalline silicon film formed on the metal film, and
An interlayer insulating film formed on the gate electrode;
And a contact plug formed so as to penetrate the interlayer insulating film and the polycrystalline silicon film and come into contact with the metal film.
前記多結晶シリコン膜の他の領域上に形成されたハードマスクと、をさらに備え、
前記コンタクトプラグは、前記層間絶縁膜、前記ハードマスクおよび前記多結晶シリコン膜を貫通して前記金属膜と接触するように形成される、請求項1に記載の半導体装置。 A silicide layer formed in a surface layer of a partial region of the polycrystalline silicon film;
A hard mask formed on another region of the polycrystalline silicon film, and
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the contact plug is formed so as to penetrate through the interlayer insulating film, the hard mask, and the polycrystalline silicon film and to contact the metal film.
(b)前記半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記ゲート絶縁膜上に金属膜、多結晶シリコン膜をこの順で積層してゲート電極を形成する工程と、
(d)前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成する工程と、
(e)前記金属膜が露出するように、前記層間絶縁膜および前記多結晶シリコン膜にエッチングを行いコンタクトホールを形成する工程と、
(f)前記コンタクトホールに金属を堆積してコンタクトプラグを形成する工程と、を備える半導体装置の製造方法。 (A) preparing a semiconductor substrate;
(B) forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
(C) forming a gate electrode by laminating a metal film and a polycrystalline silicon film in this order on the gate insulating film;
(D) forming an interlayer insulating film on the gate electrode;
(E) etching the interlayer insulating film and the polycrystalline silicon film to form a contact hole so that the metal film is exposed;
And (f) forming a contact plug by depositing a metal in the contact hole.
(h)前記工程(g)の後、前記多結晶シリコン膜の表層であって前記ハードマスクが形成されていない領域にシリサイド層を形成する工程と、をさらに備え、
前記工程(e)は、前記金属膜が露出するように、前記層間絶縁膜、前記ハードマスクおよび前記多結晶シリコン膜にエッチングを行いコンタクトホールを形成する、請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 (G) after the step (c), forming a hard mask on the polycrystalline silicon film in a region where the contact plug is to be formed;
(H) after the step (g), further comprising a step of forming a silicide layer in a region of the polycrystalline silicon film where the hard mask is not formed,
6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the step (e) forms a contact hole by etching the interlayer insulating film, the hard mask, and the polycrystalline silicon film so that the metal film is exposed. Method.
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WO2011036828A1 (en) * | 2009-09-28 | 2011-03-31 | パナソニック株式会社 | Method for manufacturing semiconductor device, and semiconductor device manufactured using same |
JP2013524529A (en) * | 2010-04-09 | 2013-06-17 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション | Method for forming a field effect transistor and field effect transistor device |
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2008
- 2008-06-13 JP JP2008155521A patent/JP2009302320A/en active Pending
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