JP4484392B2 - 半導体素子のゲート電極形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の製造方法において、配線抵抗とコンタクト抵抗を減少することができる半導体素子のゲート電極形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、半導体素子のゲート電極形成工程において、ゲート電極の抵抗を減少させるためにケイ化タングステン(WSix)より非抵抗の次数が1桁低い物質であるタングステン(W)をポリシリコンの上面に蒸着し、上記タングステン及びポリシリコンをパターニングしてゲート電極を形成する。
【0003】
しかしながら、上記タングステンとポリシリコンは、600℃以上で反応して該タングステンとポリシリコンとの界面にシリサイドが形成されることによってゲート電極の抵抗が増加するので、これを防止するために上記タングステンとポリシリコンとの間に拡散バリア層として機能する窒化タングステン(WNx)を介在させ、タングステンと窒化タングステンとポリシリコンとの積層構造を有するゲート電極を形成していた。
【0004】
尚、上記拡散バリア層としては、通常窒化タングステン又は窒化チタン(TiN)を用いるが、現在は主に窒化タングステンが用いられている。その理由は、窒化チタンの上面にスパッタリング法によりタングステンが蒸着された場合に、タングステンとポリシリコンの構造に比べてタングステンのグレインサイズが小さいため、ゲート電極の抵抗が純粋なタングステンの2倍以上に増加するという問題が発生するためであり、またポリシリコンの選択的酸化工程において窒化チタンが酸化されるという問題があるためである。(参考文献:(1)Y.Akasaka、″Low-Resistivity Poly−Metal Gate Electrode Durable for High-Temperature Processing″、IEEE Trans.Electron Devices、Vol.43.pp.1864〜1869,1996;(2)B.H.Lee、″In-situ Barrier Formation for High Reliable W/barrier/poly-Si Gate Using Denudation of WNx on Polycrystalline″、IEDM、1998)。
【0005】
以下、従来の半導体素子のゲート電極形成方法に関し、添付図面を参考して説明する。図7〜図11は、従来の半導体素子のゲート電極形成方法の工程を示す断面図である。
【0006】
まず、図7に示すように、アクティブ領域とフィールド領域とに画定された半導体基板11のフィールド領域にフィールド酸化膜12を形成し、前記半導体基板11の表面にゲート酸化膜13を約65Åの厚さで形成する。ここで、前記ゲート酸化膜13は、半導体基板11を熱酸化して形成する。
【0007】
次に、図8に示すように、前記ゲート酸化膜13を含む半導体基板11の全面にLPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法によりドープされていない(nondoped)ポリシリコン膜14を約2000Åの厚さで蒸着する。
【0008】
次に、前記ドープされていないポリシリコン膜14に窒素イオン(N+)又はリンイオン(P+)を注入する。尚、前記ポリシリコン膜14に窒素イオン又はリンイオンを注入する時、フォトレジストをマスクとして用いて所望のNMOS領域にヒ素イオン(As)又はリンイオン(P)を注入し、また所望のPMOS領域にホウ素イオン(B)又は二フッ化ホウ素イオン(BF2)を注入する。そして、前記不純物が注入されたポリシリコン膜14に800℃で10分間の熱処理を施して不純物イオンを活性化させる。
【0009】
次に、図9に示すように、前記半導体基板11をフッ化水素(HF)溶液で洗浄した後、前記ポリシリコン膜14の上面に窒化タングステン膜15を50〜100Å厚さで蒸着する。そして、前記窒化タングステン膜15の上面に約1000Åの厚さのタングステン膜16を蒸着し、該タングステン膜16の上面に約2000Åの厚さの第1絶縁膜17を蒸着する。ここで、前記窒化タングステン膜15は、タングステン膜16とポリシリコン膜14との間の拡散バリアに用いる膜であり、前記第1絶縁膜17は以後ゲートキャップ絶縁膜に用いられる膜である。
【0010】
次に、前記第1絶縁膜17の上面にフォトレジスト(図示せず)を塗布した後、該フォトレジストに露光工程及び現像工程を施すことにより上記フォトレジストをパターニングしてゲート領域を画定する。その後、前記パターニングされたフォトレジストをマスクとして用いて前記第1絶縁膜17及びタングステン膜16、窒化タングステン膜15、ポリシリコン膜14、ゲート酸化膜13を選択的に除去し、図10に示すように、タングステン膜16と窒化タングステン膜15とポリシリコン膜14との積層構造を有するゲート電極18を形成する。
【0011】
そして、前記ゲート電極18に酸化工程を施して該ゲート電極18の側面の一部に酸化膜(図示せず)を形成する。さらに、前記半導体基板11の全面に第2絶縁膜を形成した後、エッチバック工程を施し、図11に示すように、前記ゲート電極18及び絶縁膜17の両側面に第2絶縁膜側壁19を形成する。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の半導体素子のゲート電極形成方法においては、次のような問題点があった。即ち、ポリシリコン膜14の上面にタングステン膜16と窒化タングステン膜15との積層膜を蒸着する場合、後の熱処理工程(通常800℃以上)において、タングステン膜16とポリシリコン膜14の界面に、タングステンとシリコンと酸素と窒素とからなる層が形成されることによって、上記タングステン膜16とポリシリコン膜14との間における界面抵抗が増加し、素子の動作時における遅延が生じるという問題点があった。
【0013】
そこで、本発明は、このような従来技術の問題点に対処し、タングステンとポリシリコンとの間における界面抵抗を減少し、素子の動作時における遅延を防止できる半導体素子のゲート電極形成方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による半導体素子のゲート電極形成方法は、半導体基板の上面にゲート絶縁膜を形成するステップと、前記ゲート絶縁膜の上面にポリシリコン膜及びケイ化タングステン膜を順に形成するステップと、前記ケイ化タングステン膜の上面に非晶質窒化タングステン膜及びタングステン膜を順に形成するステップと、前記半導体基板に熱処理を施すことにより、前記非晶質窒化タングステン膜を結晶化させ、W 2 Nの拡散バリア膜を形成するステップと、前記タングステン膜の上面に第1絶縁膜を形成するステップと、前記第1絶縁膜と前記タングステン膜と前記拡散バリア膜と前記ケイ化タングステン膜と前記ポリシリコン膜と前記ゲート絶縁膜とを選択的にパターニングしてゲート電極を形成するステップと、前記ゲート電極を選択酸化することにより、前記ポリシリコン膜の側面に酸化膜を形成するステップと、前記ゲート電極及び前記第1絶縁膜の両側面に第2絶縁膜側壁を形成するステップと、を順に行うものである。
【0016】
そして、上記非晶質窒化タングステン膜は、600〜800℃の温度で1〜60分間の加熱処理により結晶化させる。
【0017】
また、上記選択酸化は、水蒸気と水素ガスとの混合ガス雰囲気下において800〜1000℃の温度で1〜60分間の加熱処理を施し、キャリアーガスとしてアルゴンガス及び窒素ガスを用いるものである。
【0018】
さらに、上記非晶質窒化タングステン膜は、窒素含有量が5〜55%である。
【0019】
さらにまた、上記ケイ化タングステン膜は、タングステンに対するシリコンの比が2.0〜3.0である。
【0020】
そして、上記非晶質窒化タングステン膜の上面に、前記非晶質窒化タングステン膜とは窒素含有量の異なる窒化タングステン膜を積層して形成するものである。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図1〜図6は、本発明による半導体素子のゲート電極形成方法の工程を示す断面図である。
【0022】
まず、図1に示すように、アクティブ領域とフィールド領域とに画定された半導体基板21のフィールド領域にフィールド酸化膜22を形成し、前記半導体基板21を熱酸化して半導体基板21の表面に30〜80Åの厚さを有するゲート酸化膜23を形成する。ここで、前記フィールド酸化膜22は、一般的なLOCOS工程又はSTI(Shallow Trench Isolation)工程により形成する。
【0023】
次に、図2に示すように、前記ゲート酸化膜23を含む半導体基板21の全面に、LPCVD法によりドープされたポリシリコン膜24を約1000Åの厚さで蒸着する。そして、前記ポリシリコン膜24の上面にケイ化タングステン膜25を約100Åの厚さで形成する。ここで、前記ケイ化タングステン膜25内におけるタングステンに対するシリコンの比は、2.0〜3.0である。
【0024】
次に、図3に示すように、前記ケイ化タングステン膜25の上面に拡散バリア膜として用いる窒化タングステン膜26を約100Å厚さで形成し、前記窒化タングステン膜26の上面に約900Åの厚さのタングステン膜27を蒸着する。ここで、前記窒化タングステン膜26の窒素含有量は5〜55%で、非晶質窒化タングステン膜を用いる。尚、前記窒化タングステン膜26の上面に窒素含有量の異なる窒化タングステン膜を積層して形成することによって熱安定性を向上することができる。
【0025】
次に、図4に示すように、前記半導体基板21を窒素ガスと水素ガスとの混合ガス雰囲気下において600〜800℃の温度で熱処理し、前記窒化タングステン膜26をバリア特性に優れたW2Nとして結晶化させる。ここで、前記熱処理時間は、1〜60分である。その後、前記タングステン膜27の上面に、ゲートキャップ絶縁膜として約2000Åの厚さの第1絶縁膜28を蒸着させる。
【0026】
さらに、前記第1絶縁膜28の上面にフォトレジスト(図示せず)を塗布し、該フォトレジストに露光工程及び現像工程を施すことにより上記フォトレジストをパターニングしてゲート領域を画定する。そして、前記パターニングされたフォトレジストをマスクとして用いて前記第1絶縁膜28及びタングステン膜27、窒化タングステン膜(拡散バリア膜)26、タングステンシリサイド膜25、ポリシリコン膜24、ゲート酸化膜23を選択的に除去し、図5に示すように、タングステン膜27と窒化タングステン膜26とタングステンシリサイド膜(ケイ化タングステン膜)25とポリシリコン膜24との積層構造を有するゲート電極29を形成する。
【0027】
そして、前記半導体基板21を水蒸気と水素ガスとの混合ガス雰囲気下において800〜1000℃の温度で選択酸化工程を施し、前記ゲート電極29の側面に酸化膜(図示省略)を形成する。ここで、前記選択酸化工程は、1〜60分間施され、水素ガスの圧力に対する水蒸気の圧力の比が1×10-6〜1×101であり、キャリアーガスとしてアルゴンガス及び窒素ガスを用いる。次に、前記半導体基板21の全面に第2絶縁膜(図示省略)を形成した後、該第2絶縁膜にエッチバック工程を施して前記ゲート電極29及び絶縁膜28の両側面に、図6に示すように、第2絶縁膜側壁30を形成する。
【0028】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されたので、請求項1及び5に係る発明によれば、半導体基板の上面にゲート絶縁膜を形成し、該ゲート絶縁膜の上面にポリシリコン膜及びケイ化タングステン膜を順に形成し、該ケイ化タングステンの上面に非晶質窒化タングステン膜及びタングステン膜を順に形成し、上記非晶質窒化タングステン膜を熱処理することにより結晶化させ、W 2 N拡散バリア膜を形成し、上記タングステン膜の上面に第1絶縁膜を形成し、該第1絶縁膜とタングステン膜と拡散バリア膜とケイ化タングステン膜とポリシリコン膜とゲート絶縁膜とを選択的にパターニングしてゲート電極を形成し、該ゲート電極及び第1絶縁膜の両側面に第2絶縁膜を形成する。これにより、上記ポリシリコン膜の上面にケイ化タングステンが蒸着され、該ポリシリコン膜とケイ化タングステンとの間にオーミックコンタクト(Ohomic contact)が形成される。したがって、界面抵抗を減少することが出来る。
【0029】
また、請求項2及び4に係る発明によれば、上記拡散バリア膜は、600〜800℃の温度で1〜60分間の加熱処理し、非晶質窒化タングステン膜をW 2 Nとして結晶化させることにより形成する。バリア特性に優れたW 2 Nからなる拡散バリア膜がケイ化タングステン膜とタングステン膜との間に形成されるので、後の熱処理工程でタングステン膜のシリサイド化を抑制することができる。
【0030】
さらに、請求項3に係る発明によれば、上記選択酸化工程は、水蒸気と水素ガスとの混合ガス雰囲気下において、800〜1000℃の温度で1〜60分間の加熱処理を施し、キャリアーガスとしてアルゴンガス及び窒素ガスを用いるものであることにより、タングステン膜とポリシリコン膜との界面にケイ化タングステン膜と窒化タングステン膜が形成される。これにより、ゲート電極を形成した後、選択酸化工程で拡散バリア膜が酸化されてタングステンとポリシリコンとの間における界面抵抗が増加するという問題を防止することができる。
【0031】
さらにまた、請求項6に係る発明によれば、上記前記拡散バリア膜は、窒素含有量の異なる窒化タングステン膜を積層して形成するものであることにより、拡散バリア膜で窒素含有量が異なる窒化タングステン膜を積層して形成することによって熱安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による半導体素子のゲート電極形成方法の工程を示す断面図であり、半導体基板の上面にフィールド酸化膜及びゲート酸化膜を形成する工程を示す図である。
【図2】 上記半導体素子のゲート電極形成方法において、上記半導体基板の全面にポリシリコン膜及びケイ化タングステン膜を形成する工程を示す断面図である。
【図3】 上記半導体素子のゲート電極形成方法において、上記ケイ化タングステンの上面に窒化タングステン膜及びタングステン膜を形成する工程を示す断面図である。
【図4】 上記半導体素子のゲート電極形成方法において、上記タングステン膜の上面に第1絶縁膜を形成する工程を示す断面図である。
【図5】 上記半導体素子のゲート電極形成方法において、上記第1絶縁膜及びタングステン膜、窒化タングステン膜、ケイ化タングステン膜、ポリシリコン膜、ゲート酸化膜を選択的に除去してゲート電極を形成する工程を示す断面図である。
【図6】 上記半導体素子のゲート電極形成方法において、上記ゲート電極及び絶縁膜の両側面に第2絶縁膜を形成する工程を示す断面図である。
【図7】 従来の半導体素子のゲート電極形成方法の工程を示す断面図であり、半導体基板の上面にフィールド酸化膜及びゲート酸化膜を形成する工程を示す図である。
【図8】 従来の半導体素子のゲート電極形成方法において、上記半導体基板の全面にポリシリコン膜を形成し、該ポリシリコン膜に不純物を注入する工程を示す図である。
【図9】 従来の半導体素子のゲート電極形成方法において、上記不純物が注入されたポリシリコン膜の上面に第1絶縁膜を形成する工程を示す図である。
【図10】 従来の半導体素子のゲート電極形成方法において、上記第1絶縁膜及びタングステン膜、窒化タングステン膜、ポリシリコン膜、ゲート酸化膜を選択的に除去してゲート電極を形成する工程を示す断面図である。
【図11】 従来の半導体素子のゲート電極形成方法において、上記ゲート電極及び絶縁膜の両側面に第2絶縁膜を形成する工程を示す断面図である。
【符号の説明】
21…半導体基板
22…フィールド酸化膜
23…ゲート酸化膜
24…ポリシリコン膜
25…ケイ化タングステン膜
26…窒化タングステン膜
27…タングステン膜
28…第1絶縁膜
29…ゲート電極
30…第2絶縁膜側壁
Claims (6)
- 半導体基板の上面にゲート絶縁膜を形成するステップと、
前記ゲート絶縁膜の上面にポリシリコン膜及びケイ化タングステン膜を順に形成するステップと、
前記ケイ化タングステン膜の上面に非晶質窒化タングステン膜及びタングステン膜を順に形成するステップと、
前記半導体基板に熱処理を施すことにより、前記非晶質窒化タングステン膜を結晶化させ、W 2 N拡散バリア膜を形成するステップと、
前記タングステン膜の上面に第1絶縁膜を形成するステップと、
前記第1絶縁膜と前記タングステン膜と前記拡散バリア膜と前記ケイ化タングステン膜と前記ポリシリコン膜と前記ゲート絶縁膜とを選択的にパターニングしてゲート電極を形成するステップと、
前記ゲート電極を選択酸化することにより、前記ポリシリコン膜の側面に酸化膜を形成するステップと、
前記ゲート電極及び前記第1絶縁膜の両側面に第2絶縁膜側壁を形成するステップと、を順に行うことを特徴とする半導体素子のゲート電極形成方法。 - 前記非晶質窒化タングステン膜は、600〜800℃の温度で1〜60分間の熱処理を施して結晶化させることを特徴とする請求項1記載の半導体素子のゲート電極形成方法。
- 前記選択酸化において、水蒸気と水素ガスとの混合ガス雰囲気下において800〜1000℃の温度で1〜60分間の熱処理を施し、キャリアーガスとしてアルゴンガス及び窒素ガスを用いることを特徴とする請求項1記載の半導体素子のゲート電極形成方法。
- 前記非晶質窒化タングステン膜は、窒素含有量が5〜55%であることを特徴とする請求項1記載の半導体素子のゲート電極形成方法。
- 前記ケイ化タングステン膜は、タングステンに対するシリコンの比が2.0〜3.0であることを特徴とする請求項1記載の半導体素子のゲート電極形成方法。
- 前記非晶質窒化タングステン膜の上面に、前記非晶質窒化タングステン膜とは窒素含有量の異なる窒化タングステン膜を積層して形成することを特徴とする請求項1記載の半導体素子のゲート電極形成方法。
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