JP5960491B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1に記載の方法では、高い仕事関数を有するTiNを実現するとともに、ゲート電極の形成後の熱工程におけるPoly−SiからTiNへSiが拡散することによる仕事関数の低減を抑制できる点で効果的な技術である。しかしながら、CVD法により高い仕事関数を有する第1金属層としてのTiNを形成した後、PVD法によりSiの拡散を抑制できる第1金属層とは別個の第2金属層としてのTiNを形成しているため、ゲート電極作製工程数が増加するという課題がある。
本発明の一実施形態は、シリコン基板上に設けられたゲート絶縁膜と該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを有する電界効果トランジスタを備えた半導体装置であって、ゲート電極が、少なくともTi(チタン)とN(窒素)とO(酸素)とを含有する導電層と、該導電層上に配置されたシリコン層とを有する積層型ゲート電極であり、導電層中の酸素濃度が、シリコン層側(例えば、該シリコン層と導電層との界面またはその近傍)で最も大きい半導体装置である。本願発明者は、このような本実施形態に特徴的な構成により、シリコン層から導電層中へSi(シリコン)が拡散することによる仕事関数の低下を低減でき、導電層から酸素が該導電層の下地となるゲート絶縁膜(例えば、高誘電率膜)に拡散することを低減し、EOTの増加を低減できることを新たに発見した。
図1において、半導体装置1000は、シリコン基板1001と、該シリコン基板1001上に設けられたゲート絶縁膜1002と、該ゲート絶縁膜1002上に設けられたゲート電極1003とを備えている。該ゲート電極1003は、少なくともTiとNとOとを含有する導電層1004と、シリコン層1005との積層体である。本実施形態において、上記導電層1004は、シリコン層1005が形成される前は、TiとNとを含有する金属窒化物層であり、シリコン層1005の形成前に、その露出面(該金属窒化物層の、ゲート絶縁膜102側と対向する側の面)を酸化することにより形成される。導電層1004は、金属窒化物領域1004aと、該金属窒化物領域よりも酸素リッチであり、導電層1004において最も大きい酸素濃度となる領域を含む金属酸窒化物領域1004bとを有している。このように、金属酸窒化物領域1004bは金属窒化物領域1004aよりも酸素リッチであり、金属酸窒化物領域1004bが導電層1004とシリコン層1005との界面を構成する面を含んでいるので、導電層1004の酸素濃度が、シリコン層1005側で最も大きくなると言える(すなわち、酸素濃度が最も大きい領域がシリコン層側に存在すると言える)。
成膜処理室100aを備える処理装置100はヒータ101によって所定の温度に加熱できるように構成されている。また、処理装置100は、基板支持台103に組み込まれた、サセプタ104を介して、ヒータ105によって被処理基板102を所定の温度に加熱できるように構成されている。基板支持台103は、膜厚の均一性の観点から所定の回転数で回転できることが好ましい。成膜処理室100a内には、ターゲット106が被処理基板102を望む位置に設置されている。ターゲット106は、Cu等の金属製のバックプレート107を介してターゲットホルダー108に設置されている。なお、ターゲット106とバックプレート107を組み合わせたターゲット組立体の外形を一つの部品としてターゲット材料で作製し、これをターゲットとして取り付けても構わない。つまり、ターゲットがターゲットホルダーに設置された構成でも構わない。Cu等の金属製のターゲットホルダー108には、スパッタ放電用電力を印加する直流電源110が接続されており、絶縁体109により接地電位の成膜処理室100aの壁から絶縁されている。スパッタ面から見たターゲット106の背後には、マグネトロンスパッタリングを実現するためのマグネット111が配設されている。マグネット111は、マグネットホルダー112に保持され、図示しないマグネットホルダー回転機構により回転可能である。ターゲット106のエロージョンを均一にするため、放電中には、このマグネット111は回転している。ターゲット106は、基板102に対して斜め上方のオフセット位置に設置されている。すなわち、ターゲット106のスパッタ面の中心点は、基板102の中心点の法線に対して所定の寸法ずれた位置にある。ターゲット106と被処理基板102との間には、遮蔽板116が配置され、電力が供給されたターゲット106から放出されるスパッタ粒子による被処理基板102上への成膜を制御している。
本実施例における窒化チタン膜3の堆積は、処理装置100において、スパッタリングガスとしてアルゴン、反応性ガスとして窒素を用いて行った。基板温度は、27℃〜600℃、ターゲットパワーは50W〜1000W、スパッタガス圧は0.01Pa〜1.0Pa、Ar流量は0sccm〜200sccm、窒素ガス流量は0sccm〜100sccm、の範囲で適宜決定することができる。本実施例では、基板温度30℃、Tiターゲット106へのターゲットパワー750W、スパッタガス圧0.02Paとしアルゴンガス流量を0sccm〜20sccm、窒素ガス流量を2sccm〜50sccmの範囲で変化させて、窒化チタン膜3を堆積した(図2の工程3)。
以下で、本実施例の、導電層4のシリコン層5と接する領域に、元となる金属窒素化物としての窒化チタン膜3を構成する元素と酸素とを含有する金属酸窒化物領域としてのTiON領域4bを形成することの効果について説明する。
第2の実施形態では、第1の実施形態の構造において、ゲート絶縁膜と金属窒化物領域および金属酸窒化物領域を有する導電層との間に、TiとNとを含有する金属窒化物層とAlを含有する層とが設けられている。すなわち、本実施形態に係る半導体装置は、シリコン基板と、該シリコン基板上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に形成された金属窒化物層と、該金属窒化物層上に形成されたAlを含有する層と、該Alを含有する層上に形成された金属窒化物領域と、該金属窒化物領域上に形成された金属酸窒化物領域と、該金属酸窒化物領域上に形成されたシリコン層とを備えている。本実施形態に係る半導体装置を図9の製造方法に従って作製する。図9に示すように、表面に、シリコン酸化膜12aと高誘電率膜としてHfSiO膜12cとを用いたゲート絶縁膜12を有するP型シリコン基板11上に、第2の金属窒化物層としての窒化チタン膜13、アルミニウム(Al)を含有する層としてのAl金属膜14、第1の金属窒化物層としての窒化チタン膜15をこの順番で形成する。次いで、該窒化チタン膜15の表面を酸化することにより、金属窒化物領域としてのTiN領域16aと金属酸窒化物領域としてのTiON領域16bとを有する導電層16を形成し、該導電層16上にシリコン層17を形成する。図9を用いて、本実施形態の製造工程について説明する。シリコン基板11は、最初に蒸着された薄いSiO212a(例えば、1.8nm)を有している。図9の工程11において、図3記載の処理装置100と同様の構成を有する装置(ここでは、Hfターゲットを使用)を使用して、マグネトロンスパッタリングにより、高誘電率ゲート絶縁膜形成(HfSiO)のためのHf膜12b(例えば、0.5nm)を上記SiO212a上に蒸着する。
2、12、1002 ゲート絶縁膜
3、13、15 窒化チタン膜
4、16、1004 導電層
4a、16a TiN領域
4b、16b TiON領域
5、17、1005 シリコン層
14 Al金属膜
1003 ゲート電極
1004a 金属窒化物領域
1004b 金属酸窒化物領域
Claims (10)
- シリコン基板上に設けられたゲート絶縁膜と該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを有する電界効果トランジスタを備えた半導体装置であって、
前記ゲート電極は、少なくともTiとNとO(酸素)とを含有する導電層と、該導電層上に配置されたシリコン層とを有する積層型ゲート電極であり、
前記導電層中の酸素濃度は、前記シリコン層と接する面で最大となり、該酸素濃度は前記導電層において該導電層の膜厚方向に分布をもち、前記接する面における前記酸素濃度は2×10 15 [atoms/cm 2 ]〜7×10 15 [atoms/cm 2 ]であることを特徴とする半導体装置。 - 前記シリコン層が、多結晶シリコン層であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記電界効果トランジスタがP型MOSFETであることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。
- シリコン基板上に設けられたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを備えた半導体装置の製造方法であって、
前記ゲート絶縁膜が設けられた前記シリコン基板を真空容器内に用意する第1の工程と、
前記ゲート絶縁膜上に、TiとNとを含有する第1の金属窒化物層を形成する第2の工程と、
酸素ガスの導入ならびに熱処理により、前記第1の金属窒化物層の表面を酸化して、TiとNおよびO(酸素)を含有する導電層を形成する第3の工程と、
前記導電層上にシリコン層を形成する第4の工程とを有し、
前記第3の工程は、前記導電層中の酸素濃度が、前記シリコン層側で最も大きくなるように前記導電層を形成し、前記第1の金属窒化物層に対する酸素ガスの供給ならびに熱処理により、前記シリコン層と前記導電層との界面を構成する該導電層の面において2×10 15 [atoms/cm 2 ]〜7×10 15 [atoms/cm 2 ]の酸素が含有されるように前記導電層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第2の工程は、
前記ゲート絶縁膜上に、TiとNとを含有する第2の金属窒化物層を形成する工程と、
前記第2の金属窒化物層上にAlを含有する層を形成する工程と、
前記Alを含有する層上に、前記第1の金属窒化物層を形成する工程と
を有することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第2の工程は、真空容器内に窒素ガスを含む反応性ガスと不活性ガスとを導入し、該反応性ガスと該不活性ガスとの分圧比を制御して、Tiを含有するターゲットを用いたマグネトロンスパッタにより、前記第1の金属窒化物層を形成することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の工程および前記第2の金属窒化物層を形成する工程は共に、真空容器内に窒素ガスを含む反応性ガスと不活性ガスとを導入し、該反応性ガスと該不活性ガスとの分圧比を制御して、Tiを含有するターゲットを用いたマグネトロンスパッタにより、金属窒化物層を形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記3の工程は、前記第1の金属窒化物層を、0.01Pa〜1Paの酸素分圧雰囲気中で熱処理することを特徴とする請求項4乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程、前記第2の工程、前記第3の工程、および前記第4の工程を大気に曝露することなく行うことを特徴とする請求項4乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第4の工程は、不活性ガスの雰囲気下においてシリコンターゲットをマグネトロンスパッタすることにより、前記導電層上に前記シリコン層を形成することを特徴とする請求項4から9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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