JP2010212376A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
CMISFET(Complimentary Metal Insulator Semiconductor Field Effect transistor)の高性能化は、これまで素子を微細化することで実現されてきた。しかし、素子の物理サイズ縮小による性能向上は限界を迎え、新材料の適用が不可避な状況にある。 High performance of CMISFETs (Complementary Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) has been realized by miniaturizing devices. However, the improvement in performance by reducing the physical size of the element has reached its limit, and the application of new materials is inevitable.
例えば、ゲート絶縁膜においては、従来使用されてきたシリコン酸化膜やシリコンオキシナイトライド膜では、薄膜化によって基板−電極間の電子・ホールトンネル確率が増加し、リーク電流が増加する問題が顕在化してきた。このため、ZrO2、HfO2、HfZrO、HfSiONといった、誘電率の高い絶縁膜の開発が進められている。 For example, in the gate insulating film, the conventional silicon oxide film and silicon oxynitride film have a problem of increasing leakage current due to an increase in the probability of electron-hole tunneling between the substrate and the electrode due to thinning. I have done it. For this reason, development of an insulating film having a high dielectric constant such as ZrO 2 , HfO 2 , HfZrO, and HfSiON has been underway.
またゲート電極では、シリコン空乏層による容量を減らすため、これまで用いられたB/P・As添加多結晶シリコン膜のような、Siの価電子帯端、伝導帯端と同程度の実効仕事関数を示し、且つ半導体素子製造プロセスに適合可能な、高耐熱性を有する金属材料については知られていない。例えば、AlやTi等の真空仕事関数の小さな材料は一般に反応性が高く、また真空仕事関数の大きな貴金属(白金等)等は融点が十分高くないため、これら材料を電極としてゲート絶縁膜上に形成し、チャネル拡散層の不純物活性化用の高温熱処理を施すと、ゲート絶縁膜の絶縁性低下が生じやすい。さらに、B/P・As添加多結晶シリコン膜や、Siの価電子帯端、伝導帯端に近い実効仕事関数を有する金属膜を、HfO2やHfSiONといった高誘電率絶縁膜上に形成して高温熱処理を施すと、実効仕事関数がSiのミッドギャップ付近に近い値に変化することが知られている。このように、ゲート電極の実効仕事関数がSiの価電子帯端、伝導帯端に近い実効仕事関数から外れると、FET(Field Effect Transistor)の閾値が増加して素子性能が劣化する。 In addition, in the gate electrode, the effective work function equivalent to the valence band edge and the conduction band edge of Si, such as the B / P · As-doped polycrystalline silicon film used so far, is reduced in order to reduce the capacitance due to the silicon depletion layer. A metal material having high heat resistance that can be adapted to a semiconductor element manufacturing process is not known. For example, materials having a low vacuum work function such as Al and Ti are generally highly reactive, and noble metals (platinum, etc.) having a high vacuum work function are not sufficiently high in melting point. Therefore, these materials are used as an electrode on the gate insulating film. If formed and subjected to a high-temperature heat treatment for activating the impurities in the channel diffusion layer, the insulating properties of the gate insulating film are likely to deteriorate. Further, a B / P · As-added polycrystalline silicon film or a metal film having an effective work function close to the valence band edge and the conduction band edge of Si is formed on a high dielectric constant insulating film such as HfO 2 or HfSiON. It is known that when high-temperature heat treatment is performed, the effective work function changes to a value close to the Si mid gap. As described above, when the effective work function of the gate electrode deviates from the effective work function close to the valence band edge and the conduction band edge of Si, the threshold value of the FET (Field Effect Transistor) increases and the device performance deteriorates.
そこで、真空仕事関数がシリコンのミッドギャップ付近に位置し、且つ融点が高い化合物材料(例えば、TiNやTaC)を、NMISFET(N Channel Metal Insulator Field Effect Transistor)とPMISFET(P Channel Metal Insulator Field Effect Transistor)共通の金属電極として用い、絶縁膜やチャネルの工夫により、FETのフラットバンド電圧を変化させる試みがなされている。一例として、NMISFETに対してはゲート絶縁膜への希土類・アルカリ土類元素の導入が、PMISFETに対してはゲート絶縁膜へのアルミニウムの導入が挙げられる。これは、高誘電率絶縁膜とシリコン界面層との間に、希土類・アルカリ土類元素/アルミニウムを存在させると、フラットバンド電圧が負/正にシフトする減少に基づく技術である。希土類元素については、ゲート絶縁膜中に導入しても素子性能の劣化はあまり見られず、実用化に向けた検討が進められている。ところがアルミニウムについては、絶縁膜に導入すると負の固定電荷を生成し、チャネル中のキャリア移動度の低下が生じやすい。 Therefore, a compound material (for example, TiN or TaC) whose vacuum work function is located in the vicinity of the silicon midgap and has a high melting point is selected from NMISFET (N Channel Metal Insulator Transistor) and PMISFET (P Channel Metal Insulator Transistor Element). Attempts have been made to change the flat band voltage of the FET by using a common metal electrode and devising an insulating film and a channel. As an example, for NMISFET, introduction of rare earth / alkaline earth elements into the gate insulating film, and for PMISFET, introduction of aluminum into the gate insulating film can be mentioned. This is a technique based on the decrease in which the flat band voltage shifts to negative / positive when a rare earth / alkaline earth element / aluminum is present between the high dielectric constant insulating film and the silicon interface layer. Even when rare earth elements are introduced into the gate insulating film, the device performance does not deteriorate so much, and studies for practical use are underway. However, when aluminum is introduced into an insulating film, negative fixed charges are generated, and the carrier mobility in the channel is likely to be lowered.
他方、酸素元素、窒素元素、ハロゲン元素は、金属元素に比べて電気陰性度が大きいことから、一般に金属を酸化・窒化・ハロゲン化すると仕事関数が増加する。そこでイオン注入により、PMISFETの金属電極のみに酸素や窒素、ハロゲンを導入する方法が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。但し、金属電極の仕事関数は、ゲート絶縁膜との界面近傍の膜組成で決定されるため、仕事関数を大きく増加させるためには、多量の酸素・窒素・ハロゲンを、ゲート絶縁膜界面近傍の金属膜に導入する必要がある。 On the other hand, oxygen elements, nitrogen elements, and halogen elements have a higher electronegativity than metal elements, so that generally the work function increases when a metal is oxidized, nitrided, or halogenated. Therefore, a method has been proposed in which oxygen, nitrogen, or halogen is introduced only into the metal electrode of the PMISFET by ion implantation (see, for example, Patent Document 1). However, since the work function of the metal electrode is determined by the film composition in the vicinity of the interface with the gate insulating film, in order to greatly increase the work function, a large amount of oxygen / nitrogen / halogen is added to the vicinity of the gate insulating film interface. It is necessary to introduce into the metal film.
しかし、イオン注入では、特定領域のみに元素を導入することはできない。すなわち、ゲート絶縁膜との界面近傍の金属膜に酸素・窒素・ハロゲンを導入すると、ゲート絶縁膜や、絶縁膜界面から離れた金属膜にもある程度の酸素イオン・窒素イオン・ハロゲンイオンが導入され、イオン照射によるゲート絶縁膜の絶縁性低下や、金属電極の抵抗増加の問題が生じる。 However, ion implantation cannot introduce an element only into a specific region. In other words, when oxygen, nitrogen, or halogen is introduced into the metal film near the interface with the gate insulating film, some oxygen ions, nitrogen ions, or halogen ions are also introduced into the gate insulating film or the metal film that is away from the insulating film interface. As a result, there arises a problem that the insulating property of the gate insulating film is reduced by ion irradiation and the resistance of the metal electrode is increased.
このように、従来のMISFETでは、金属膜をゲート電極として用いると、金属電極の仕事関数とSiの仕事関数が乖離し、閾値電圧が増加しやすい問題があった。 As described above, in the conventional MISFET, when the metal film is used as the gate electrode, there is a problem that the work function of the metal electrode and the work function of Si deviate and the threshold voltage is likely to increase.
そこで、本発明の目的は、イオン注入を用いることなく、閾値電圧の低い、金属ゲート電極のPMISFETを製造する方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a metal gate electrode PMISFET having a low threshold voltage without using ion implantation.
上記目的を達成するために、本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板上にPMISFETを作製する方法であって、前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体基板及び前記絶縁膜をハロゲン化合物を含むガスにさらして、前記絶縁膜上に吸着層を形成する工程と、前記吸着層上に金属を含むゲート電極を形成して、前記吸着層と前記ゲート電極を反応させて、前記吸着層をハロゲン含有金属層にする工程とを有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a PMISFET on a semiconductor substrate, and a step of forming an insulating film on the semiconductor substrate;
Exposing the semiconductor substrate and the insulating film to a gas containing a halogen compound to form an adsorption layer on the insulating film; forming a gate electrode containing a metal on the adsorption layer; and And reacting the gate electrode to make the adsorption layer a halogen-containing metal layer.
また、本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板上にPMISFET及びNMISFETを作製する方法であって、前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板及び前記絶縁膜をハロゲン化合物からなるガスにさらして、前記絶縁膜上に吸着層を形成する工程と、前記PMISFETを形成する領域に形成された前記吸着層上にレジストを形成する工程と、前記NMISFETを形成する領域に形成された前記吸着層を除去する工程と、前記PMISFETを形成する領域に形成された前記レジストを除去する工程と、前記PMISFETを形成する領域に形成された前記吸着層上及び前記NMISFETを形成する領域に形成された前記絶縁膜上にゲート電極を形成し、前記PMISFETを形成する領域の前記吸着層と前記ゲート電極を反応させて、前記PMISFETを形成する領域の前記吸着層をハロゲン含有金属層にする工程とを有することを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for producing a PMISFET and an NMISFET on a semiconductor substrate, the step of forming an insulating film on the semiconductor substrate, and the step of forming the semiconductor substrate and the insulating film with a halogen compound. Forming an adsorption layer on the insulating film by exposing to a gas comprising: forming a resist on the adsorption layer formed in the region for forming the PMISFET; and forming in the region for forming the NMISFET. A step of removing the adsorbed layer formed; a step of removing the resist formed in a region for forming the PMISFET; and a region on the adsorbing layer formed in the region for forming the PMISFET and a region for forming the NMISFET. A gate electrode is formed on the insulating film formed on the substrate, and the region for forming the PMISFET is formed. Said gate electrode is reacted with adhesive layer, characterized in that a step of the halogen-containing metal layer using the adsorption layer in the region for forming the PMISFET.
本発明の半導体装置の製造方法によれば、PMISFETの製造において、イオン注入を用いることなく、閾値電圧の低い金属ゲート電極のPMISFETを製造することができる。 According to the semiconductor device manufacturing method of the present invention, a metal gate electrode PMISFET having a low threshold voltage can be manufactured without using ion implantation in manufacturing the PMISFET.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1乃至図5は、本発明の半導体装置の製造方法に係わる第1の実施形態を示す。
(First embodiment)
1 to 5 show a first embodiment relating to a method of manufacturing a semiconductor device of the present invention.
図1は、第1の実施形態のPMISFETの断面図を示している。 FIG. 1 shows a cross-sectional view of the PMISFET of the first embodiment.
本実施形態に係わるPMISFETは、半導体基板10上に形成された絶縁膜20上に、ハロゲン含有金属層30を介してゲート電極40が形成され、絶縁膜20、ハロゲン含有金属層30及びゲート電極40の側壁にゲート側壁50が形成された構成としている。また、絶縁膜20下にはN型ウエル領域60が形成されており、このN型ウエル領域60を挟むようにP型エクステンション領域70が対向して形成され、このP型エクステンション領域70の外側に延長してP型拡散領域80が形成された構成としている。
In the PMISFET according to this embodiment, a
P型エクステンション領域70は、P型拡散領域80よりも不純物濃度が低くなっている。また、絶縁膜20は、界面層90と高誘電率絶縁膜100の積層構造から形成されている。
The P
半導体基板10としては、単結晶Siが一般的であるが、多結晶Si、アモルファスSi、Ge、グラフェン、化合物半導体、SOI(Silicon On Insulator)、有機高分子等から構成してもよい。
The
界面層90は、例えばシリコン酸化膜から構成される。また、高誘電率絶縁膜100は、例えばHfSiON、HfO2などのHf絶縁膜、LaAlOなどの希土類絶縁膜、LaOx/HfSiONやHfSiON/LaOxなどのHf絶縁膜と希土類絶縁膜の積層膜等によって構成される。Si上に形成してもシリコン酸化膜を形成しにくい、希土類絶縁膜を高誘電率絶縁膜100として用いた場合には、界面層90は形成しなくてもよい。
The
次に、本実施形態に係わるPMISFETの製造方法について、図2乃至図5を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing the PMISFET according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
まず、図2に示すように、半導体基板10上に形成されたN型ウエル領域60上に、主に酸化シリコンからなる界面層90と、主にHfSiONからなる高誘電率絶縁膜100を形成する。その後、絶縁膜20の改質を目的として、窒素などの不活性ガス、若しくは、微量の酸素が添加された不活性ガス雰囲気で高温熱処理(PDA(Post Deposition Anneal))を行う。
First, as shown in FIG. 2, an
次に、図3に示すように、ハロゲン化合物からなる吸着層110を高誘電率絶縁膜100上に形成する。吸着層110は、例えば、HFとNH3から構成されるNH4F固体粉末を加熱して生じる昇華ガス中にさらすことにより形成することができる。このとき、高誘電率絶縁膜100の表面にNH4Fの吸着層110が形成される。なお、吸着層110の膜厚は0.2nm〜1.0nmである。
Next, as shown in FIG. 3, an adsorption layer 110 made of a halogen compound is formed on the high dielectric constant
その後、図4に示すように、吸着層110の上に金属Mを堆積して、ゲート電極40を形成する。ゲート電極40としては、例えば、Mo、Ru、W、Ta、Nb、Ti、Hf、Zr、希土類元素のカーバイド、ナイトライド、シリサイド、窒化シリサイド、及びボライド、が挙げられる。以下、Moを例として説明する。
Thereafter, as shown in FIG. 4, a metal M is deposited on the adsorption layer 110 to form the
図5に示すように、ゲート電極40の堆積時には、吸着層110を構成するハロゲン化合物とゲート電極40を構成する金属が反応して、ハロゲン含有金属層30を形成する。また、この反応は、加熱処理をしても進行させることができる。なお、ハロゲン含有金属層30の膜厚は膜厚が0.2nm〜1.0nmである。
As shown in FIG. 5, when the
このとき、吸着層110としては、吸着層110を構成するハロゲン化合物のハロゲンと他原子との結合力よりも、ハロゲン化合物とゲート電極40を構成する金属が反応して作製されたハロゲン含有金属層30の、ハロゲンと金属との結合力の方が強くなる材料を使用する。例えば、吸着層110を形成するハロゲン化合物には、HFとNH3から構成されるNH4F固体粉末を、ゲート電極40を構成する金属にはMoを用いればよい。この場合、ハロゲン含有金属層30は、MoFとなる。
At this time, as the adsorption layer 110, a halogen-containing metal layer produced by the reaction between the halogen compound and the metal constituting the
これは、Mo−F結合の結合エネルギーの値が6.15eV、Mo−N結合のエネルギーの値が0.77eV、F−H結合の結合エネルギーの値が3.17eV、N−H結合の結合エネルギーが0.71eVと、Mo−F結合やMoN結合がF−H結合やN−H結合よりも結合エネルギーが大きいからである。 This is because the Mo—F bond energy value is 6.15 eV, the Mo—N bond energy value is 0.77 eV, the F—H bond energy value is 3.17 eV, and the N—H bond bond. This is because the energy is 0.71 eV, and the Mo—F bond or the MoN bond has a higher bond energy than the F—H bond or the N—H bond.
一般に、2つの元素Aと元素B間の結合エネルギーEA−Bは、元素Aと元素Bそれぞれの電気陰性度χ(A)、χ(B)の差に比例し、以下の式1を用いて表される。
となる。なお、電子ボルト(eV)を単位として結合エネルギーを表したときは、k=1となる。 It becomes. Note that k = 1 when the binding energy is expressed in units of electron volts (eV).
F、H、Mo、Nの電気陰性度は、順に3.98、2.20、2.16、3.04であるので、式1から上記の結合エネルギーの値が導かれる。
Since the electronegativity of F, H, Mo, and N is 3.98, 2.20, 2.16, and 3.04 in this order, the above binding energy value is derived from
その後、界面層90、高誘電率絶縁膜100、ハロゲン含有金属層30、及び金属ゲート電極40の側壁にゲート側壁50を形成し、金属ゲート電極40及びゲート側壁50をマスクとして、Bのイオン注入と活性加熱処理を行い、P型拡散領域80を形成して、図1に示すPMISFETを作製する。
Thereafter, gate sidewalls 50 are formed on the sidewalls of the
(第2の実施形態)
図6乃至図11は、本発明の半導体装置の製造方法に係わる第2の実施形態を示す。
(Second Embodiment)
6 to 11 show a second embodiment relating to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
図6は、本実施形態に係わるCMISFETの断面図を示している。 FIG. 6 shows a cross-sectional view of the CMISFET according to this embodiment.
図6に示すように、本実施形態に係わるCMISFETは、半導体基板10上に設けられ、この半導体基板10の表層部に素子分離領域120が選択的に形成されている。素子分離領域120にはSiO2等の絶縁膜が埋め込まれており、素子分離領域120をはさんで、PMISFET形成領域130及びNMISFET形成領域140が形成されている。PMISFET形成領域130及びNMISFET形成領域140の構成は、第1の実施形態と同じであるので、その説明は省略する。
As shown in FIG. 6, the CMISFET according to the present embodiment is provided on a
次に、本実施形態に係わるCMISFETの製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the CMISFET according to this embodiment will be described.
まず、図7に示すように、半導体基板10上に、STI構造(Shallow Trench Isolation)の素子分離領域120によって分離されたN型ウエル領域60とP型ウエル領域150を形成する。その後、N型ウエル領域60とP型ウエル領域150の上に界面層90を形成し、更に界面層90の上に高誘電率絶縁膜100を形成する。
First, as shown in FIG. 7, an N-
次に、図8に示すように、高誘電率絶縁膜100をNH4F固体粉末の昇華ガス中にさらすことで、高誘電率絶縁膜100表面にNH4Fの吸着層110を形成する。このとき、吸着層の膜厚は0.2nm〜1.0nmである
次に、図9に示すように、レジスト160でN型ウエル領域60上の吸着層110を被覆し、純水への浸漬処理を施すことで、P型ウエル領域150上に形成された吸着層110を除去する。
Next, as shown in FIG. 8, the high dielectric constant
さらに、図10に示すように、有機溶剤でN型ウエル領域60側のレジスト160を剥離した後、吸着層110および高誘電率絶縁膜100の上に、スパッタによりTaSiN膜を堆積してゲート電極40を形成する。
Further, as shown in FIG. 10, after removing the resist 160 on the N-
Ta−F結合の結合エネルギーが6.15eV、Si−F結合の結合エネルギーが4.33eV、Ta−N結合の結合エネルギーが2.37eV、Si−N結合の結合エネルギーが1.3eV、F−H結合の結合エネルギーが3.17eV、N−H結合の結合エネルギーが0.71eVと、Ta―F結合、Si−F結合の結合エネルギーの方が、Ta−N結合、Si−N結合、F−H結合又はN−H結合の結合エネルギーよりも大きい、。このため、TaSiN膜堆積の際に、NH4Fの吸着層110がTaSiN膜と反応し、N型ウエル領域60側の高誘電率絶縁膜100上のゲート電極40のみ、フッ素や窒素が含有されたTaSiN膜、つまりハロゲン含有金属層30が形成されることになる。このときの、ハロゲン含有金属層の膜厚は0.2nm〜1.0nmである。なお、上記結合エネルギーの値は第1の実施形態で説明した式1より求めることができ、Si、Taの電気陰性度は、順に1.9、1.5である。
The bond energy of Ta—F bond is 6.15 eV, the bond energy of Si—F bond is 4.33 eV, the bond energy of Ta—N bond is 2.37 eV, the bond energy of Si—N bond is 1.3 eV, F− The bond energy of H-bond is 3.17 eV, the bond energy of NH bond is 0.71 eV, and the bond energy of Ta-F bond and Si-F bond is Ta-N bond, Si-N bond, F It is larger than the bond energy of the —H bond or N—H bond. Therefore, when the TaSiN film is deposited, the NH 4 F adsorption layer 110 reacts with the TaSiN film, and only the
次に、図11に示すように、SiNハードマスクを用いたドライエッチングによってゲート電極40を加工する。次に、P型ウエル領域150へAsを、N型ウエル領域60へBをイオン注入し、高温スパイクアニールによって、N型エクステンション領域170及び、P型エクステンション領域70を形成する。その後、通常の製造工程で、ゲート側壁50、N型拡散領域180、P型拡散領域80、及び層間絶縁膜190形成とCMP(Chemical Mechanical Polishing)による表面平坦化を実施し、図6に示すCMISFETを形成する。
Next, as shown in FIG. 11, the
(第3の実施形態)
図12乃至図17は、本発明の半導体装置の製造方法に係わる第3の実施形態を示す。
(Third embodiment)
12 to 17 show a third embodiment relating to a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
図12は、本実施形態に係わるCMISFETの断面図を示している。 FIG. 12 shows a cross-sectional view of the CMISFET according to this embodiment.
図12に示すように、本実施形態に係わるCMISFETは、半導体基板10上に設けられ、この半導体基板10の表層部に素子分離領域120が選択的に形成されている。素子分離領域120にはSiO2等の絶縁膜が埋め込まれており、素子分離領域120をはさんで、PMISFET形成領域130及びNMISFET形成領域140が形成されている。PMISFET形成領域130及びNMISFET形成領域140の構成は、第2の実施形態と同じであるので、その説明は省略する。
As shown in FIG. 12, the CMISFET according to this embodiment is provided on a
次に、本実施形態に係わるCMISFETの製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the CMISFET according to this embodiment will be described.
まず、図13に示すように、半導体基板10上に、STI構造の素子分離領域120によって分離されたN型ウエル領域60とP型ウエル領域150を形成する。その後、N型ウエル領域60とP型ウエル領域150の上に界面層90を形成し、その界面層90の上に高誘電率絶縁膜100を形成する。さらに、高誘電率絶縁膜100の上に酸化ランタン層200を堆積して形成する。
First, as shown in FIG. 13, an N-
次に、図14に示すように、酸化ランタン層200をポリテトラフルオロエチレンの熱分解で生成したフロロカーボンガスにさらすことで、酸化ランタン層200の表面にフロロカーボン((−(CxFy)−)n層、つまり吸着層110を形成する。このときの吸着層110の膜厚は0.2nm〜1.0nmである。
Next, as shown in FIG. 14, the surface of the
その後、図15に示すように、レジスト160でN型ウエル領域60上の吸着層110を被覆し、P型ウエル領域150側の吸着層110をオゾンガスにさらすことにより、P型ウエル領域150側の吸着層110を除去する。
After that, as shown in FIG. 15, the adsorption layer 110 on the N-
次に、図16に示すように、有機溶剤でN型ウエル領域60側のレジスト160を剥離した後、TiN膜210を積層した後に、多結晶Si膜220を積層してゲート電極40を作製する。
Next, as shown in FIG. 16, after the resist 160 on the N-
このとき、吸着層110を構成するフロロカーボン((−(CxFy)−)nと、ゲート電極40を構成するTiN膜210において、Ta−F結合はC−F結合よりも結合エネルギーが大きいため、吸着層110を構成するフロロカーボン((−(CxFy)−)nがTiN膜210と反応して、TiFが生成し、フロロカーボン((−(CxFy)−)nからFが放出され、フロロカーボン((−(CxFy)−)n中に残留したCもTiN膜に取り込まれる。上記したように、式1よりTa−F結合の結合エネルギーは6.15eV、C−F結合の結合エネルギーは2.04eVである。なお、Cの電気陰性度は2.55である。これにより、N型ウエル領域60側の酸化ランタン層200との界面にハロゲン含有金属層30であるTiNCF層が形成される。このときのハロゲン含有金属層30の膜厚は0.2nm〜1.0nmである。
At this time, fluorocarbon constituting the adsorbing layer 110 ((- (C x F y) -) and n, in the
その後、図17に示すように、SiNハードマスクを用いたドライエッチングによってゲート電極40を加工する。次に、P型ウエル領域150へAsを、N型ウエル領域60へBをイオン注入し、高温スパイクアニールによって、N型エクステンション領域170及び、P型エクステンション領域70を形成する。その後、通常の製造工程で、ゲート側壁50、N型拡散領域180、P型拡散領域80、PMIS用多結晶シリコン膜230、NMIS用多結晶シリコン膜240、及び層間絶縁膜190形成とCMP(Chemical Mechanical Polishing)による表面平坦化を実施し、図6に示すCMISFETを形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 17, the
なお、本発明は、上述した第1の実施形態、第2の実施形態、又は第3の実施形態に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜設計変更又は組み合わせを行って良い。 The present invention is not limited to the first embodiment, the second embodiment, or the third embodiment described above, and appropriate design changes or combinations may be made without departing from the spirit of the invention. good.
以下、実施例1−3に基づいて、本発明の効果を具体的に説明する。 Hereinafter, based on Example 1-3, the effect of this invention is demonstrated concretely.
(実施例1)
まず、第1の実施形態の製造方法でPMISFETを作製した。吸着層110にはNH4Fを、高誘電率絶縁膜100にはHfSiONを、ゲート電極40にはMoを用いた。
Example 1
First, a PMISFET was manufactured by the manufacturing method of the first embodiment. NH 4 F was used for the adsorption layer 110, HfSiON was used for the high dielectric constant
第1の実施形態の製造方法で作製した試料のC−V特性を評価した。図18に、その結果を示す。図18の破線は高誘電率絶縁膜100上に、NH4吸着処理を行ったC−Vカーブを、実線はNH4吸着処理を行っていないC−Vカーブを示している。HfSiON膜表面へのNH4F吸着処理によって、C−Vカーブが、正電圧側に約0.3Vシフトしていることが明らかになった。さらに本処理を施して製造したPMISFETにおける閾値電圧が低下していることを確認した。
The CV characteristics of the sample produced by the manufacturing method of the first embodiment were evaluated. FIG. 18 shows the result. The broken line in FIG. 18 indicates a CV curve that has been subjected to NH 4 adsorption treatment on the high dielectric constant
さらに、フラットバンド電圧の絶縁膜20の膜厚依存性からゲート電極40の実効仕事関数を算出したところ、NH4吸着処理を行わないゲート電極40では約4.7Vであるのに対し、NH4F吸着処理後に電極形成を行ったものは約5Vであった。
Further, when the effective work function of the
また、XPSやHR−RBSを用いて、第1の実施形態の製造方法で作製したPMISFETについて評価を行ったところ、Mo/HfSiON界面に窒素やフッ素が局在しており、Moスペクトルに、束縛エネルギーの大きな成分が存在することを確認した。 In addition, when XPS and HR-RBS were used to evaluate the PMISFET manufactured by the manufacturing method of the first embodiment, nitrogen and fluorine were localized at the Mo / HfSiON interface, and the Mo spectrum was constrained. It was confirmed that a component with large energy was present.
これは、Mo−F結合、Mo−N結合はF−H結合やN−H結合よりも結合エネルギーが大きく、HfSiON膜上にNH4Fを吸着させた試料では、2Mo+NH4F→MoF+MoN+2H2の反応が生じ、Moよりも電気陰性度の大きなF、Nを含有する層がゲート電極40界面に生成することによって、ゲート電極40の実効仕事関数が増加しためである。
This, MoF bond, MoN bond larger bonding energy than the F-H bonds and NH bonds in the sample was adsorbed NH 4 F on HfSiON film, of 2Mo + NH 4 F → MoF + MoN +
(実施例2)
第2の実施形態の製造方法でCMISFETを作製した。吸着層110にはNH4Fを、高誘電率絶縁膜100にはHfSiONを、ゲート電極40にはTaSiNを用いた。
(Example 2)
A CMISFET was manufactured by the manufacturing method of the second embodiment. NH 4 F was used for the adsorption layer 110, HfSiON was used for the high dielectric constant
作製した試料のNMISFETとPMISFETのゲート電極40の実効仕事関数は、それぞれ約4.2V、約4.7Vであり、両者の閾値電圧は約0.2Vであった。PMISFET電極の実効仕事関数が約4.7Vと上昇したのは、Ta、Si、Nよりも大きな電気陰性度を有するFが含有されたハロゲン含有金属層30の形成によるためである。
The effective work functions of the NMISFET and
(実施例3)
第3の実施形態の製造方法でCMISFETを作製した。吸着層110にはフロロカーボン((−(CxFy)−)nを、高誘電率絶縁膜100にはHfO2を、ゲート電極40にはTiNを用いた。
Example 3
A CMISFET was manufactured by the manufacturing method of the third embodiment. Fluorocarbon in the adsorption layer 110 ((- (C x F y) -) and n, and HfO 2 in the high dielectric constant
作製した試料のNMISFETとPMISFETのゲート電極40の実効仕事関数は、それぞれ、約4V、約5Vであり、両者の閾値電圧はほぼ0Vであった。
The effective work functions of the NMISFET and
通常、TiN膜の真空仕事関数は約4.5Vである。しかしながら、第3の実施形態の製造方法でのNMISFETの仕事関数が約4Vであった。これは、界面層90近傍まで熱拡散したLaが誘起するダイポールによるものと考えられる。一方で、PMISETでは、Ti、Nよりも電気陰性度が大きなFが含有されたTiN層に起因しているためである。
Usually, the vacuum work function of the TiN film is about 4.5V. However, the work function of the NMISFET in the manufacturing method of the third embodiment was about 4V. This is considered to be due to a dipole induced by La diffused to the vicinity of the
(比較例1)
NH4Fで処理をしていないこと以外は実施例1と同様の作製方法で、PMISFETを作製した。ゲート電極の実効仕事関数は、NH4F処理を施した場合と比較して約4.7Vと0.約3V低下した。
(Comparative Example 1)
A PMISFET was produced by the same production method as in Example 1 except that it was not treated with NH 4 F. The effective work function of the gate electrode is about 4.7 V and 0. 0 compared with the case where NH 4 F treatment is performed. The voltage dropped by about 3V.
(比較例2)
NH4Fで処理をしていないこと以外は実施例2と同様の作製方法で、CMISFETを作製した。PMISFETのゲート電極の実効仕事関数は、NH4F処理を施した場合と比較して約4.2Vと約0.5V低下した。
(Comparative Example 2)
A CMISFET was produced by the same production method as in Example 2 except that it was not treated with NH 4 F. The effective work function of the gate electrode of the PMISFET was about 4.2 V, which was about 0.5 V lower than that when the NH 4 F treatment was performed.
(比較例3)
フロロカーボン((−(CxFy)−)nで処理をしていないこと以外は実施例3と同様の作製方法で、CMISFETを作製した。PMISFETのゲート電極の実効仕事関数は、フロロカーボン((−(CxFy)−)n処理を施した場合と比較して約4Vと約1V低下した。
(Comparative Example 3)
Fluorocarbon ((-(C x F y )-)) A CMISFET was produced by the same production method as in Example 3 except that n was not treated.The effective work function of the gate electrode of the PMISFET was fluorocarbon (( - (C x F y) - ) was reduced from about 4V and about 1V as compared to the case of applying the n processing.
本発明を用いることで、PMISFETの実効仕事関数を増加させ、閾値電圧を低下させることに成功した。 By using the present invention, the effective work function of the PMISFET was increased and the threshold voltage was successfully reduced.
10 … 半導体基板
20 … 界面層
30 … ハロゲン含有金属層
40 … ゲート電極
50 … ゲート側壁
60 … N型ウエル領域
70 … P型エクステンション領域
80 … P型拡散領域
90 … 界面層
100 … 高誘電率絶縁層
110 … 吸着層
120 … 素子分離領域
130 … PMISFET形成領域
140 … NMISFET形成領域
150 … P型ウエル領域
160 … レジスト
170 … N型エクステンション領域
180 … N型拡散領域
190 … 層間絶縁膜層
200 … 酸化ランタン層
210 … TiN膜
220 … 多結晶シリコン膜
230 … PMIS用多結晶シリコン膜
240 … NMIS用多結晶シリコン膜
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体基板及び前記絶縁膜をハロゲン化合物を含むガスにさらして、前記絶縁膜上に吸着層を形成する工程と、
前記吸着層上に金属を含むゲート電極を形成して、前記吸着層と前記ゲート電極を反応させて、前記吸着層をハロゲン含有金属層にする工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method for producing a PMISFET on a semiconductor substrate,
Forming an insulating film on the semiconductor substrate;
Exposing the semiconductor substrate and the insulating film to a gas containing a halogen compound to form an adsorption layer on the insulating film;
Forming a gate electrode containing a metal on the adsorption layer, and reacting the adsorption layer with the gate electrode to make the adsorption layer a halogen-containing metal layer. Method.
前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体基板及び前記絶縁膜をハロゲン化合物からなるガスにさらして、前記絶縁膜上に吸着層を形成する工程と、
前記PMISFETを形成する領域に形成された前記吸着層上に、レジストを形成する工程と、
前記NMISFETを形成する領域に形成された前記吸着層を除去する工程と、
前記PMISFETを形成する領域に形成された前記レジストを除去する工程と、
前記PMISFETを形成する領域に形成された前記吸着層上及び前記NMISFETを形成する領域に形成された前記絶縁膜上に金属を含むゲート電極を形成し、前記PMISFETを形成する領域の前記吸着層と前記ゲート電極を反応させて、前記PMISFETを形成する領域の前記吸着層をハロゲン含有金属層にする工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method for producing a PMISFET and an NMISFET on a semiconductor substrate,
Forming an insulating film on the semiconductor substrate;
Exposing the semiconductor substrate and the insulating film to a gas comprising a halogen compound to form an adsorption layer on the insulating film;
Forming a resist on the adsorption layer formed in the region for forming the PMISFET;
Removing the adsorption layer formed in the region for forming the NMISFET;
Removing the resist formed in the region for forming the PMISFET;
Forming a gate electrode containing a metal on the adsorption layer formed in the region for forming the PMISFET and the insulating film formed in the region for forming the NMISFET; and the adsorption layer in the region for forming the PMISFET Reacting the gate electrode to make the adsorption layer in the region for forming the PMISFET a halogen-containing metal layer;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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