WO2005074034A1 - 半導体装置 - Google Patents

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WO2005074034A1
WO2005074034A1 PCT/JP2005/001245 JP2005001245W WO2005074034A1 WO 2005074034 A1 WO2005074034 A1 WO 2005074034A1 JP 2005001245 W JP2005001245 W JP 2005001245W WO 2005074034 A1 WO2005074034 A1 WO 2005074034A1
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film
metal
semiconductor device
raw material
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PCT/JP2005/001245
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Kenji Suzuki
Gishi Chung
Kazuya Okubo
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Tokyo Electron Limited
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    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
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    • H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
    • H01L29/49—Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET
    • H01L29/4966—Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET the conductor material next to the insulator being a composite material, e.g. organic material, TiN, MoSi2

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device having an MS structure in which a gate electrode is formed on a semiconductor substrate via a gate insulating film.
  • polysilicon has been used as a gate electrode material of a MOS structure transistor.
  • a method of controlling a threshold voltage of a MOS transistor a method called channel doping in which an impurity is doped into a channel region or a method in which a poly-Si film is doped with an impurity are generally used.
  • a W (tungsten) -based film having a lower resistance without forming a depletion layer has been studied.
  • the work function of W is higher than the mid-gap of Si (silicon).
  • Electrodes have been proposed (see, for example, JP-A-8-153804 and JP-A-10-303412).
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • Such CVD-W based films are, for example, tungsten hexafluoride (WF)
  • a metal Z silicon laminated gate structure in which a silicon film such as Poly-Si or amorphous silicon is stacked on a metal-containing conductive layer such as a W-based film, or a metal-containing silicon film such as a W-based film is formed on a silicon film.
  • Si in a silicon film diffuses into a metal-containing conductive layer during a high-temperature process in the middle of the process, and silicidation at the interface between the silicon film and the metal-containing conductive layer occurs. There is a problem of progressing.
  • the present invention has been made in view of the circumstances in which the threshold voltage can be controlled while realizing low resistance of the gate electrode and elimination of deterioration of the gate insulating film due to F. It is an object to provide a semiconductor device. Further, the present invention provides a semiconductor device having a stacked gate electrode of a metal-containing conductive layer and a silicon film, in which Si in the silicon film can be effectively prevented from diffusing into the metal-containing conductive layer. It is also intended.
  • the present invention provides a gate electrode having a semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the substrate, and a metal compound film formed on the insulating film. And a metal compound film of the gate electrode, comprising a metal carbonyl-containing material, at least one of a Si-containing material, a N-containing material, and a C-containing material.
  • the gate electrode having the metal compound film according to the present invention can have a lower resistance than a conventional polysilicon gate electrode. Furthermore, since the metal compound film is formed using a metal carbonyl-containing material, the gate insulating film is not deteriorated due to F diffusion as in the case of using an F-containing gas as a film forming material. [0011] Further, the metal compound film can change its work function by changing the content of at least one of Si and N, and can change the work function by changing the content of at least one of N and C. The barrier property to the silicon film can be changed.
  • the metal compound film of the gate electrode in the semiconductor device of the present invention changes the work function and the barrier property to Z or the silicon film by changing the content of at least one of Si, N, and C. be able to.
  • a gate electrode having a desired work function and / or barrier property can be obtained, and the degree of freedom in designing the entire semiconductor device can be improved.
  • the threshold voltage may be finely adjusted by introducing an n-type impurity or a p-type impurity into the metal compound film.
  • the gate electrode may further include a silicon film formed on the metal compound film, and it is possible to effectively prevent diffusion of Si in the silicon film into the metal compound film.
  • the gate electrode further includes a barrier layer formed between the metal compound film and the silicon film, wherein the barrier layer comprises a material containing metal carbonyl, It is formed by CVD using at least one of a N-containing raw material and a C-containing raw material, and is formed of a metal compound containing the metal in the metal carbonyl and at least one of N and C.
  • the barrier layer comprises a material containing metal carbonyl, It is formed by CVD using at least one of a N-containing raw material and a C-containing raw material, and is formed of a metal compound containing the metal in the metal carbonyl and at least one of N and C.
  • the barrier property to the silicon film can be changed by changing the content of at least one of N and C in the NOR layer.
  • the barrier function of the barrier layer with respect to the silicon film can be changed independently of the work function and Z or the barrier property of the metal compound film.
  • the degree of freedom in designing the gate electrode and, consequently, the entire semiconductor device can be further improved.
  • the present invention includes a semiconductor substrate, a gate insulating film formed on the substrate, and a gate electrode formed on the insulating film, wherein the gate electrode includes a metal-containing conductive material.
  • a semiconductor device formed using at least one of a raw material and a raw material containing C, and comprising a metal compound containing the metal in the metal carbonyl and at least one of N and C. provide.
  • the barrier property to the silicon film can be changed. This effectively prevents diffusion of Si in the silicon film into the conductive layer, and suppresses silicidation at the interface between the conductive layer and the silicon film.
  • the method of forming the metal-containing conductive layer is not limited to CVD, and a conventionally known method such as PVD can be adopted.
  • the metal constituting the metal carbonyl is selected from the group consisting of W, Ni, Co, Ru, Mo, Re, Ta, and Ti.
  • the metal carbonyl is W (CO).
  • the work function can be located near the mid-gap of silicon. For this reason, for example, the threshold voltage can be controlled in both the pMOS and the nMOS transistors of the CMOS device.
  • the Si-containing raw material is selected from the group consisting of silane, disilane, and dichlorosilane.
  • the N-containing raw material is selected from the group consisting of ammonia and monomethylhydrazine.
  • the raw material containing C is selected from the group consisting of ethylene, aryl alcohol, formic acid, and tetrahydrofuran.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing a change in work function when the composition ratio of Si and N in the W compound film is changed.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing step of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example of a CVD film forming apparatus for forming a film of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
  • a gate oxide film 2 as a gate insulating film is formed on a Si substrate 1 which is a semiconductor substrate.
  • W (C ⁇ ) gas which is a W-forced carbonyl gas, and at least one of a Si-containing gas and an N-containing gas.
  • a W compound film 3a containing W and at least one of Si and N is formed by CVD using the same.
  • the thicknesses of the gate oxide film 2 and the W compound film 3a are, for example, 0.8-5 nm and 10-200 nm, respectively.
  • the impurity diffusion region 10 is formed by ion implantation or the like.
  • FIG. 1C a semiconductor device having a MOS structure having the gate electrode 3 formed of the W compound film 3a containing W and at least one of Si and N is formed.
  • the W compound film 3a constituting the gate electrode 3 is composed of W (CO) gas and Si
  • the film formation conditions such as the flow rate of the N-containing gas, the substrate temperature, and the pressure in the processing chamber, the contents of Si and N can be arbitrarily changed.
  • a WSi film of any composition It is possible to form a WN film and a compound film having a composition in which these are combined.
  • the work function can be changed by changing the contents of Si and N in the W compound film. Therefore, a desired work function can be obtained by arbitrarily changing the contents of Si and N in the W-tie film 3a in this manner, and the desired threshold voltage can be controlled. it can.
  • a Si-containing gas when forming a WSi film using a Si-containing gas,
  • the work function can be located at 4.6 eV, which is the mid-gap of silicon. Therefore, for example, in any of the pM ⁇ S and nM ⁇ S of the CMOS device, the threshold and the value voltage can be controlled.
  • the gate electrode 3 is made of the W-shaped compound film 3a, the resistance of the gate electrode can be reduced as compared with the conventional polysilicon gate electrode.
  • W (C ⁇ ) gas which is an organic metal, is used as a film forming gas for the W-shaped compound film 3a, F
  • Si-containing gas Si-containing gas
  • ammonia, monomethylhydrazine, and the like can be used as the N-containing gas.
  • impurity ions such as P, As, and B may be performed on the W compound film 3a. Thereby, fine adjustment of the threshold voltage can be performed.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
  • a gate oxide film 2 is formed on a Si substrate 1. Then, as shown in FIG. 3 (b), W (C ⁇ ) gas, Si-containing gas and N-containing gas
  • a W compound film 4a containing W and at least one of Si and N is formed by CVD using at least one of the above.
  • a polysilicon (Poly-Si) film 4b is further formed on the W compound film 4a by an appropriate method.
  • the thicknesses of the W compound film 4a and the Poly_Si film 4b are, for example, 2100 nm and 50 200 nm, respectively.
  • heat treatment is performed, resist coating, pattern jungling, etching, and the like are performed, and the impurity diffusion layer 10 is formed by ion implantation or the like. As a result, as shown in FIG.
  • an M ⁇ S semiconductor device having a two-layer gate electrode 4 composed of the W compound film 4a and the poly-Si film 4b is formed.
  • the W compound film 4a constituting the gate electrode 4 can obtain a desired work function by arbitrarily changing the contents of Si and N as in the first embodiment, The desired threshold voltage can be controlled.
  • a W compound film containing N is formed using an N-containing gas, a barrier property to the upper poly-Si film 4b is generated. Thereby, the effect of effectively preventing diffusion of Si in the poly-Si film 4b into the W compound film 4a and suppressing silicidation at the interface can be obtained.
  • the gate electrode 4 is formed of the W-shaped compound film 4a, the resistance of the gate electrode can be reduced as compared with the conventional polysilicon gate electrode.
  • W (CO) gas is used as a film forming gas for the W
  • the diffusion of F does not cause deterioration of the underlying gate oxide film.
  • the same gas as in the first embodiment can be used as the Si-containing gas and the N-containing gas.
  • impurity ions such as P, As, and B may be implanted into a laminated film of the W-shaped film 4a and the poly-Si film 4b.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
  • a gate oxide film 2 is formed on a Si substrate 1. After that, as shown in FIG. 4 (b), W (C ⁇ ) gas, Si-containing gas, N-containing gas,
  • a W-containing film 5a containing W and at least one of Si, N, and C is formed by CVD using at least one of C and a C-containing gas.
  • a Poly-Si film 5b is further formed on the W compound film 5a by an appropriate method.
  • the thicknesses of the W compound film 5a and the Poly-Si film 5b are, for example, 2-100 nm and 50-200 nm, respectively.
  • the impurity diffusion layer 10 is formed by ion implantation or the like.
  • FIG. 4 (d) a semiconductor device having a MOS structure having a two-layer gate electrode 5 composed of the W-shaped compound film 5a and the poly-Si film 5b is formed.
  • the W compound film 5a constituting the gate electrode 5 may be formed by the W (C ⁇ ) gas, the Si-containing gas, the N-containing gas, the C-containing gas, Temperature, processing chamber pressure, etc.
  • the contents of Si, N, and C can be arbitrarily changed.
  • WSi, WN, and WC films of any composition A compound film can be formed.
  • the work function can be changed by changing the contents of Si and N in the WIG compound film.
  • the barrier property to the Poly-Si film can be changed. Therefore, a desired work function and a desired barrier property can be obtained by arbitrarily changing the contents of Si, N, and C in the W-shaped compound film 5a in this manner, and a desired barrier property can be obtained.
  • a gate electrode having both a threshold voltage and a desired noise property can be obtained.
  • the gate electrode 5 is composed of the W compound film 5a, the resistance of the gate electrode can be reduced as compared with the conventional polysilicon gate electrode.
  • the W-bonded compound film is formed using a gas containing W carbonyl, deterioration of the underlying gate insulating film due to F diffusion can be prevented.
  • the Si-containing gas and the N-containing gas the same gases as in the first embodiment can be used.
  • the C-containing gas aryl alcohol, ethylene, formic acid, tetrahydrofuran, or the like can be used. Can be used.
  • impurity ions such as P, As, and B may be implanted into the laminated film of the W-shaped film 5a and the poly-Si film 5b.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • a gate oxide film 2 is formed on a Si substrate 1. Then, as shown in FIG. 5 (b), W (C ⁇ ) gas, Si-containing gas and N-containing gas
  • a first W-shaped compound film 6a containing W and at least one of Si and N is formed by CVD using at least one of the above. Then, as shown in FIG. 5 (c), a W (CO) gas and at least one of an N-containing gas and a C-containing gas are used on the W compound film 6a.
  • a W (CO) gas and at least one of an N-containing gas and a C-containing gas are used on the W compound film 6a.
  • a W-shaped compound film 6b containing W and at least one of N and C and having a composition different from the composition of the W compound film 6a is formed.
  • a Poly-Si film 6c is formed on the W-shaped compound film 6b by an appropriate method.
  • the thicknesses of the W compound film 6a, the W compound film 6b, and the Poly_Si film 6c are, for example, 2-100, 2-100, and 50200 nm, respectively.
  • resist coating, pattern jungling, etching and the like are performed, and the impurity diffusion layer 10 is formed by ion implantation and the like.
  • FIG. 5 shown in FIG. 5
  • a three-layered structure including the W compound film 6a, the W compound film 6b, and the poly-Si film 6c is formed.
  • a semiconductor device having a MOS structure having a gate electrode 6 is formed.
  • the W compound film 6a in the portion of the gate electrode 6 in contact with the gate oxide film 2 has a desired work function by arbitrarily changing the contents of Si and N, as in the first embodiment. Can be obtained, and the threshold voltage can be controlled to a desired value. Further, a W compound film 6b containing W and at least one of N and C is provided between the W compound film 6a and the Poly_Si film 6c. Since the W-shaped film 6b functions as a barrier layer for suppressing the reaction between the W compound film 6a and the poly-Si film 6c, the W-shaped film 6a of Si in the poly-Si film 6c is formed. Can be effectively prevented.
  • a W-containing compound containing C formed by using a C-containing gas is suitable as a noria layer because it has excellent barrier properties to a Poly_Si film.
  • the work function and the barrier property can be separately controlled as required, and the degree of freedom in device design is improved.
  • the same gas as in the first embodiment can be used as the Si-containing gas and the N-containing gas, and the same gas as in the third embodiment can be used as the C-containing gas. it can.
  • a layered film of the W-shaped compound film 6a, the W-shaped compound film 6b, and the poly-Si film 6c may be provided with a pour of impurities such as P, As, and B. May go.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
  • a fifth embodiment is directed to a semiconductor device having a gate electrode having a laminated film structure of a metal-containing conductive layer and a Poly-Si film, in which diffusion of Si in the Poly-Si film to the conductive layer is prevented. Things.
  • a gate oxide film 2 is formed on a Si substrate 1, which is a semiconductor substrate.
  • a W-based film 7a as a metal-containing conductive layer is formed.
  • the formation of the W-based film 7a is not limited to CVD, but may be a conventionally known method such as PVD.
  • the W (CO) gas and at least one of the N-containing gas and the C-containing gas were deposited on the W-based film 7a by CVD.
  • a barrier layer 7b made of a W compound containing W and at least one of N and C is formed.
  • a Poly_Si film 7c is formed on the barrier layer 7b by an appropriate method.
  • the thicknesses of the W-based film 7a, the phosphor layer 7b, and the poly-Si film 7c are, for example, 2-10 Onm, 2100 nm, and 50 200 nm, respectively.
  • the impurity diffusion layer 10 is formed by performing ing, etching and the like, and further performing ion implantation and the like.
  • FIG. 6 (e) a semiconductor device having a MOS structure having a three-layer gate electrode 7, which is a W-based film 7a, a barrier layer 7b, and a poly-Si film 7c, is formed. .
  • the gate electrode 5 is provided with the barrier layer 7b made of a W-shaped conjugate containing W and at least one of N and C between the W-based film 7a and the Poly_Si film 7c.
  • the barrier layer 7b made of a W-shaped conjugate containing W and at least one of N and C between the W-based film 7a and the Poly_Si film 7c.
  • diffusion of Si in the Poly-Si film 7c to the W-based film 7a can be effectively prevented.
  • a W compound containing C formed using a C-containing gas is suitable as a barrier layer because it has excellent barrier properties against a Poly_Si film.
  • the same gas as in the first embodiment can be used as the N-containing gas, and the same gas as in the third embodiment can be used as the C-containing gas.
  • the metal-containing conductive layer is not limited to the W-based film 7a, and a similar effect can be obtained when a single metal film or a metal compound film reacting with the Poly-Si film is used. Further, in the present embodiment, the case where the Poly-Si film 7c is laminated on the W-based film 7a has been described as an example, but the same effect can be obtained when the metal-containing conductive layer is laminated on the Poly-Si film. That can be S.
  • the W tie conjugate film was coated with W (CO) gas, Si-containing gas, N-containing gas and C-containing gas.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing one example of a CVD film forming apparatus for forming a W compound film.
  • the film forming apparatus 100 has a substantially cylindrical processing container 21 that is airtightly configured.
  • a circular opening 42 is formed in the center of the bottom wall 2 lb of the processing container 21.
  • An exhaust container 43 whose inside communicates with each other through an opening 42 is connected to the bottom wall 21b of the processing container 21.
  • a susceptor 22 made of ceramics such as A1N for horizontally supporting the wafer 8 as a semiconductor substrate is provided in the processing container 21, a susceptor 22 made of ceramics such as A1N for horizontally supporting the wafer 8 as a semiconductor substrate is provided.
  • the susceptor 22 is supported by a cylindrical support member 23 extending upward from the center of the bottom of the exhaust container 43.
  • a guide ring 24 for guiding the wafer 8 is provided at the outer edge of the susceptor 22.
  • the susceptor 22 contains a resistance heating type heater 25.
  • the heater 25 heats the susceptor 22 by power supply from the power supply 26 and heats the wafer 8 with the heat. The This
  • a controller (not shown) is connected to the heater power supply 26, whereby the output of the heater 25 is controlled according to a signal from a temperature sensor (not shown).
  • a heater (not shown) is also carried on the wall of the processing container 21, so that the wall of the processing container 21 is heated to about 40 to 80 ° C.
  • the susceptor 22 is provided with three (only two are shown) wafer support pins 46 for supporting and raising and lowering the wafer 8 so as to be able to project / retract from the surface of the susceptor 22. I have. These wafer support pins 46 are fixed to a support plate 47. Then, the wafer support pins 46 are moved up and down via a support plate 47 by a drive mechanism 48 such as an air cylinder.
  • a drive mechanism 48 such as an air cylinder.
  • a shower head 30 is provided on the top wall 21a of the processing container 21.
  • a shower plate 30a having a large number of gas discharge holes 3 Ob for discharging gas toward the susceptor 22 is disposed below the shower head 30.
  • a gas inlet 30c for introducing gas into the shower head 30 is provided on the upper wall of the shower head 30.
  • silane (SiH) gas which is a Si-containing gas
  • Ammonia (NH) gas which is a gas containing
  • C H gas which is a C containing gas
  • a pipe 81 for supplying 3 2 4 is also connected. Further, inside the shower head 30, a diffusion chamber 30d is formed.
  • the shower plate 30a is provided with a concentric refrigerant flow path 30e to which a refrigerant such as cooling water is supplied from a refrigerant supply source 30f.
  • the temperature can now be controlled at 20-100 ° C.
  • the other end of the pipe 32 contains a solid W (C ⁇ ) raw material S which is a metal carbonyl raw material.
  • the raw material container 33 was purchased.
  • a heater 33a is provided around the W raw material container 33.
  • the W raw material container 33 is provided with a carrier gas pipe.
  • a carrier gas for example, an Ar gas is blown into the W material container 33 from a carrier gas supply source 35 through a pipe 34.
  • the solid W (C ⁇ ) raw material S in the W raw material container 33 is supplied by the heater 33a.
  • the pipe 32 It is supplied to the diffusion chamber 30d through the pipe 32.
  • the mass flow controller 36 And valves 37a and 37b before and after it.
  • the pipe 32 has, for example, a flow meter 65 for grasping the flow rate based on the amount of W (CO) gas, and valves before and after the flow meter 65.
  • a pre-flow line 61 is connected to the pipe 32 on the downstream side of the flow meter 65.
  • the preflow line 61 is connected to an exhaust pipe 44 described later. Further, the preflow line 61 is provided with a valve 62 immediately downstream of a branch portion from the pipe 32.
  • Heaters (not shown) are provided around the pipes 32, 34 and 61 to maintain the temperature at which the W (CO) gas does not solidify, for example, 20-100 ° C, preferably 25-60 ° C.
  • a purge gas supply source 39 is connected to the middle of the pipe 32 via a purge gas pipe 38.
  • the purge gas supply source 39 supplies, for example, an inert gas such as an Ar gas, a He gas, or an N gas, an H gas, or the like as a purge gas. This purge gas
  • the purge gas pipe 38 is provided with a mass flow controller 40 and valves 41a and 41b before and after the mass flow controller 40.
  • the other end of the pipe 81 is connected to the gas supply system 80.
  • the gas supply system 80 is
  • a CH gas supply source 84 for supplying CH gas is provided.
  • the gas line 85 is provided with a mass flow controller 88 and valves 91 before and after it, the gas line 86 is provided with a mass controller 89 and valves 92 before and after it, and the gas line 87 is provided with a mass flow controller 90 and valves before and after it. 93 are provided.
  • Each gas line is connected to the diffusion chamber 30d via a pipe 81.
  • a preflow line 95 is connected to the pipe 81, and the preflow line 95 is connected to an exhaust pipe 44 described later. Further, the preflow line 95 is provided with a valve 95 a immediately downstream of a branch portion from the pipe 81.
  • a purge gas supply source 96 is connected to the middle of the pipe 81 via a purge gas pipe 97.
  • the purge gas supply source 96 supplies, for example, an inert gas such as an Ar gas, a He gas, or an N gas, an H gas, or the like as a purge gas. This purge gas causes the pipe 81 to remain.
  • the film forming gas is evacuated and the processing chamber 21 is purged.
  • the purge gas pipe 97 is provided with a mass flow controller 98 and valves 99 before and after the mass flow controller 98.
  • Each mass flow controller, each valve, and the flow meter 65 are controlled by the controller 60.
  • carrier gas W (CO) gas, SiH gas, NH gas, CH gas
  • the flow rate is controlled by controlling the flow rate of the carrier gas by the mass flow controller 36 based on the detection value of the flow meter 65.
  • An exhaust device 45 including a high-speed vacuum pump is connected to a side surface of the exhaust container 43 via an exhaust pipe 44.
  • the gas in the processing container 21 is uniformly discharged into the space 43 a of the exhaust container 43, and exhausted to the outside via the exhaust pipe 44. This makes it possible to rapidly decompress the inside of the processing container 21 to a predetermined degree of vacuum.
  • a loading / unloading port 49 for loading / unloading the wafer 8 with / from a transfer chamber (not shown) adjacent to the film forming apparatus 100 and a loading / unloading port 49 are provided on the side wall of the processing container 21.
  • a gate vanoleb 50 that opens and closes is provided.
  • the film formation of the W-shaped compound film using such a film forming apparatus is performed in the following procedure.
  • the wafer 8 having a gate oxide film formed on its surface in advance is loaded into the processing container 21 and placed on the susceptor 22 through the loading / unloading port 49 with the gate vanoleb 50 opened.
  • the susceptor 22 is heated by the heater 25, and the wafer 8 is heated by the heat.
  • the inside of the processing container 21 is evacuated by the vacuum pump of the exhaust device 45, and the pressure in the processing container 21 is evacuated to 6.7 Pa or less.
  • the heating temperature of the wafer 8 is preferably 100 to 600 ° C.
  • valves 37a and 37b are opened to open the W source containing the solid W (C ⁇ ) raw material S.
  • a carrier gas for example, an Ar gas is blown into the charging container 33 from a carrier gas supply source 35. Further, the W (CO) raw material S is heated by the heater 33a to generate W (CO) gas. Then
  • the pressure in the processing container 21 is desirably 0.01 to 500 Pa.
  • the carrier gas is not limited to Ar gas, but N gas, H gas, He gas or the like may be used.
  • a preflow is performed in which the gas to be supplied is exhausted through a preflow line 95. By performing this preflow for a predetermined time, the flow rate of the gas is stabilized. Then, W (CO) gas
  • the gas is supplied to the gas diffusion chamber 30d through the pipe 81 in synchronization with the supply of the gas to the gas diffusion chamber 30d.
  • these gases are supplied to the gas diffusion chamber 30d, these gases are each maintained at a predetermined flow rate.
  • the flow rate of W (C ⁇ ) gas is 0 ⁇ 0001—0.5 L / min
  • the flow rate of SiH gas is
  • W (CO) gas supplied to the gas diffusion chamber 30d SiH gas, NH gas, and CH
  • At least one of the 6 4 3 2 4 gases is diffused in the diffusion chamber 30 d and is uniformly supplied from the gas discharge holes 30 b of the shower plate 30 a toward the surface of the wafer 8 in the processing vessel 21.
  • W (C ⁇ ) was thermally decomposed on the surface of the heated wafer 8
  • SiH gas and CH gas react with Si, N, and C to form a desired W compound film.
  • N WC are formed.
  • a compound having a composition in which these are combined is formed.
  • the composition of the W compound film can be changed arbitrarily by controlling the film formation conditions such as the type of gas and / or gas flow introduced into the processing vessel 21, the substrate temperature, and the pressure inside the processing vessel.
  • the properties of the film can be controlled. That is, W (CO) gas and a small amount of SiH gas, NH gas, and CH gas
  • the work function of the W compound film can be controlled to control the threshold voltage, and the desired barrier property can be controlled.
  • the laminated film structure of the W-shaped compound film as shown in FIG. 5 is formed by the following procedure using the apparatus of FIG. First, W (CO) gas and at least one of SiH gas and NH gas
  • the two gases are supplied at a predetermined flow rate ratio to form a first W-shaped compound film 6a. Then, the supply of gas is stopped at the time when the W-shaped compound film 6a having a predetermined thickness is formed, and the inside of the processing container is purged. After that, W (C ⁇ ) gas and at least one of SiH gas and NH gas
  • One gas is supplied at a predetermined flow ratio to form a second W compound film (barrier layer) 6b.
  • the type of gas introduced into the processing vessel, the flow rate of each gas, and the substrate temperature are different between the time of forming the first W-shaped compound film and the time of forming the second W compound film.
  • the film forming conditions such as the pressure inside the processing vessel, two layers of the W-shaped compound films having different compositions can be continuously formed in one processing vessel. As a result, it is possible to form a multilayer structure of the WIG compound film which is extremely efficient and does not cause inconvenience such as oxidation.
  • the present invention is not limited to this.
  • the present invention uses W (CO), Ni (CO), Co (CO), Ru (CO), Mo (CO), Re (CO), Ta
  • the film forming material for forming the metal compound film by CVD is not limited to gas, but may be a liquid material or a solid material.
  • the present invention is not limited to poly-Si, and a silicon film such as amorphous silicon may be used.
  • the present invention is not limited to this. Not . That is, the number of laminated films formed in the same processing chamber is not limited to two, but may be three or more. Further, at least one of the plurality of films to be laminated may be a metal film made of a metal in metal carbonyl. By using such a metal film for the gate electrode, the resistance can be reduced.

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Abstract

　本発明は、半導体基板（１）と、この基板の上に形成されたゲート絶縁膜、例えばゲート酸化膜（２）と、この絶縁膜の上に形成されたゲート電極（３）とを備えた半導体装置に関する。ゲート電極（３）は、金属化合物膜（３ａ）を有する。この金属化合物膜（３ａ）は、金属カルボニルを含有する原料、例えばＷ（ＣＯ）６ガスと、Ｓｉを含有するガスおよびＮを含有するガスのうち少なくとも１つとを用いたＣＶＤにより形成される。このようにして形成される金属化合物膜（３ａ）は、そのＳｉおよび／またはＮの含有量によって、その仕事関数の値を制御することができる。

Description

明 細 書
半導体装置
技術分野
[0001] 本発明は、半導体基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極が形成された M〇S構 造の半導体装置に関する。
背景技術
[0002] 従来、 MOS構造トランジスタのゲート電極材料として、ポリシリコン（Poly— Si)が用 レ、られてきた。 MOS構造トランジスタのしきい値電圧を制御する方法としては、チヤ ネルドープと呼ばれるチャネル領域に不純物をドープする方法や、 Poly— Si膜に不 純物をドープする方法が一般的である。
[0003] し力しながら、半導体装置の微細化に伴い、チャネルドープでは、チャネル領域の 不純物濃度の上昇がキャリアへ影響を及ぼすといった問題があり、また、 Poly-Siド ープでは、下地ゲート酸化膜への突き抜けにより Poly— Siと下地ゲート酸化膜との界 面に空乏層が形成されることによって、ゲート電極動作時の電気特性の劣化や、ゲ ート酸化膜のさらなる薄膜ィ匕が困難となるといつた問題がある。また、 LSIの高集積化 、高速化が進むにつれ、ゲート電極の低抵抗化が望まれており、 Poly— Siではこのよ うな要求を満たすことが困難であることから、ゲート電極材料としてより低抵抗のもの が要求されるようになってきてレ、る。
[0004] そこで、ゲート電極材料として、空乏層が形成されず、より低抵抗の W (タングステン )系膜が検討されている。 Wの仕事関数は、 Si (シリコン）のミツド 'ギャップよりも高いも のとなつてしまう。し力し、 Siを含有させた WSiの仕事関数は、シリコンのミツド 'ギヤッ
X
プ付近に位置させることができるので、 p型トランジスタおよび n型トランジスタの両方 のしきい値電圧を制御することができる。このため、 CMOSデバイスのゲート電極材 料として好適である。 WSiXを用いたゲート電極構造としては、 WSi単層からなる W
X
Siゲート電極や、 WSiX膜上に Poly— Si膜を積層した WSiX/Poly— Si積層ゲート
X
電極が提案されている（例えば、特開平 8-153804号公報、特開平 10-303412号 公報を参照）。 [0005] このような W系膜の成膜方法としては、過去には物理的蒸着（PVD)が用いられて いたが、近時は、高融点金属である Wを溶融する必要がなぐかつデバイスの微細 化に十分対応可能な化学的蒸着（CVD)が用レ、られるようになってきている。
[0006] このような CVD— W系膜は、成膜原料として例えば六フッ化タングステン (WF )ガ
6 スを用いて成膜されている。しかし、近年、デザインノレールの微細化が益々進んでお り、このような F (フッ素)含有ガスを使用すると、 Fが下地ゲート酸化膜の膜質に影響 を及ぼし、ゲート絶縁膜を劣化させるといった問題がある。
[0007] 一方、 W系膜等の金属含有導電層上に Poly— Siやアモルファスシリコン等のシリコ ン膜を積層する金属 Zシリコン積層ゲート構造や、シリコン膜上に W系膜等の金属含 有導電層を積層するシリコン Z金属ゲート構造では、途中工程の高温プロセスにお レ、てシリコン膜中の Siが金属含有導電層へ拡散し、シリコン膜と金属含有導電層との 界面のシリサイドィ匕が進行してしまうといった問題がある。
発明の開示
[0008] 本発明は力かる事情に鑑みてなされたものであって、ゲート電極の低抵抗化と Fに よるゲート絶縁膜の劣化の解消とを実現しつつ、しきい値電圧の制御可能な半導体 装置を提供することを目的とする。また、本発明は、金属含有導電層とシリコン膜との 積層ゲート電極を有する半導体装置において、シリコン膜中の Siの金属含有導電層 への拡散を有効に防止することができる半導体装置を提供することも目的とする。
[0009] 上記の課題を解決するために、本発明は、半導体基板と、この基板の上に形成さ れたゲート絶縁膜と、この絶縁膜の上に形成された金属化合物膜を有するゲート電 極と、を備え、前記ゲート電極の金属化合物膜は、金属カルボニルを含有する原料と 、 Siを含有する原料、 Nを含有する原料、および Cを含有する原料のうち少なくとも 1 つと、を用いた CVDにより形成され、前記金属カルボニル中の金属と、 Si、 Nおよび Cのうち少なくとも 1つとを含む、ことを特徴とする半導体装置を提供する。
[0010] 本発明による金属化合物膜を有するゲート電極は、従来のポリシリコンゲート電極 に比して低抵抗化が可能である。さらに、金属カルボニルを含有する原料を用いて 金属化合物膜を形成するので、成膜原料として F含有ガスを用いた場合のように F拡 散によるゲート絶縁膜の劣化を生じさせることがない。 [0011] また、金属化合物膜は、 Siおよび Nのうち少なくとも 1つの含有量を変化させること でその仕事関数を変化させることができ、 Nおよび Cのうち少なくとも 1つの含有量を 変化させることでシリコン膜に対するバリア性を変化させることができる。従って、本発 明の半導体装置におけるゲート電極の金属化合物膜は、 Si、 Nおよび Cのうち少なく とも 1つの含有量を変化させることで、仕事関数および Zまたはシリコン膜に対するバ リア性を変化させることができる。これにより、所望の仕事関数および/またはバリア 性を有するゲート電極を得ることができ、ひいては半導体装置全体の設計の自由度 を向上させることができる。
[0012] 特に、金属化合物膜における Siおよび Nのうち少なくとも 1つの含有量を変化させ ることでその仕事関数を変化させ、ゲート電極のしきレ、値電圧を制御することができる 。また特に、金属化合物膜における Nおよび Cのうち少なくとも 1つの含有量を変化さ せることで、シリコン膜に対するバリア性を変化させ、シリコン膜中の Siの金属化合物 膜への拡散を有効に防止することができる。
[0013] この場合、前記金属化合物膜に、 n型不純物なレ、し p型不純物が導入することで、 しきい値電圧の微調整を行ってもよい。
[0014] 前記ゲート電極は、前記金属化合物膜上に形成されたシリコン膜をさらに有するこ とができ、そのシリコン膜中の Siの金属化合物膜への拡散を有効に防止することがで きる。
[0015] その場合、好ましくは、前記ゲート電極は、前記金属化合物膜と前記シリコン膜との 間に形成されたバリア層をさらに有し、このバリア層は、金属カルボニルを含有する原 料と、 Nを含有する原料および Cを含有する原料のうち少なくとも 1つとを用いた CVD により形成され、前記金属カルボニル中の金属と、 Nおよび Cのうち少なくとも 1つとを 含む金属化合物からなる。
[0016] この場合、ノ リア層における Nおよび Cのうち少なくとも 1つの含有量を変化させるこ とで、そのシリコン膜に対するバリア性を変化させることができる。これにより、金属化 合物膜の仕事関数および Zまたはバリア性とは別個に、バリア層のシリコン膜に対す るバリア性を独立して変化させることができる。これにより、ゲート電極の、ひいては半 導体装置全体の設計の自由度をより一層向上させることができる。 [0017] また本発明は、半導体基板と、この基板の上に形成されたゲート絶縁膜と、この絶 縁膜の上に形成されたゲート電極と、を備え、前記ゲート電極は、金属含有導電層と 、この導電層の上に形成されたバリア層と、このバリア層の上に形成されたシリコン膜 と、を有し、前記バリア層は、金属カルボニルを含有する原料と、 Nを含有する原料お よび Cを含有する原料のうち少なくとも 1つとを用いて形成され、前記金属カルボニル 中の金属と、 Nおよび Cのうち少なくとも 1つとを含む金属化合物からなる、ことを特徴 とする半導体装置を提供する。
[0018] この場合も、バリア層における Nおよび Cのうち少なくとも 1つの含有量を変化させる ことで、そのシリコン膜に対するバリア性を変化させることができる。これにより、シリコ ン膜中の Siの導電層への拡散を有効に防止して、導電層とシリコン膜界面でのシリ サイド化を抑制することができる。なお、金属含有導電層の形成方法としては、 CVD に限らず、 PVD等の従来公知の方法を採用することができる。
[0019] 前記金属カルボニルを構成する金属は、 W、 Ni、 Co、 Ru、 Mo、 Re、 Ta、および Ti よりなる群から選択される。
[0020] 例えば、前記金属カルボニルは W (CO) である。
6
特に、 W (CO) を含有する原料と Siを含有する原料とを用いて形成された Wシリサ
6
イド膜をゲート電極の金属化合物膜とする場合は、その仕事関数をシリコンのミツド' ギャップ付近に位置させることができる。このため、例えば CMOSデバイスの pMOS 、 nMOSの両方のトランジスタにおいて、しきい値電圧の制御が可能になる。
[0021] 前記 Siを含有する原料は、シラン、ジシラン、およびジクロルシランよりなる群から選 択される。
[0022] 前記 Nを含有する原料は、アンモニアおよびモノメチルヒドラジンよりなる群から選 択される。
[0023] 前記 Cを含有する原料は、エチレン、ァリルアルコール、ギ酸、およびテトラヒドロフ ランよりなる群カゝら選択される。
図面の簡単な説明
[0024] [図 1]は、本発明の第 1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための 断面図である。 [図 2]は、 W化合物膜中の Si, Nの組成比を変化させた場合の、仕事関数の変化を 示すグラフである。
[図 3]は、本発明の第 2の実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための 断面図である。
[図 4]は、本発明の第 3の実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための 断面図である。
[図 5]は、本発明の第 4の実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための 断面図である。
[図 6]は、本発明の第 5の実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための 断面図である。
[図 7]は、本発明の Wィ匕合物膜を成膜するための CVD成膜装置の一例を示す断面 図である。
発明を実施するための最良の形態
[0025] 以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。
図 1は、本発明の第 1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための 断面図である。
まず、図 1 (a)に示すように、半導体基板である Si基板 1上に、ゲート絶縁膜としての ゲート酸化膜 2を形成する。次いで、図 1 (b)に示すように、ゲート酸化膜 2上に、 W力 ルボニルガスである W (C〇） ガスと、 Si含有ガスおよび N含有ガスのうち少なくとも 1
6
つとを用いた CVDによって、 Wと、 Siおよび Nのうち少なくとも 1つとを含む W化合物 膜 3aを形成する。ゲート酸化膜 2および W化合物膜 3aの厚さは、例えば、それぞれ 0 . 8— 5nm、 10— 200nmである。その後、熱処理を経て、レジスト塗布、パターニン グ、エッチング等を行い、さらにイオン注入等によって不純物拡散領域 10を形成する 。これにより、図 1 (c)に示すように、 Wと、 Siおよび Nのうち少なくとも 1つとを含む W 化合物膜 3aからなるゲート電極 3を有する MOS構造の半導体装置が形成される。
[0026] ゲート電極 3を構成する W化合物膜 3aは、成膜における W (CO) ガス、 Si含有ガス
6
、 N含有ガスの流量や、基板温度、処理室内圧力等の成膜条件を制御することにより Si, Nの含有量を任意に変化させることができる。これにより任意の組成の WSi膜、 WN膜およびこれらを複合した組成の化合物膜を形成することができる。
X
[0027] 図 2に示すように、 W化合物膜の Siおよび Nの含有量を変化させることで仕事関数 を変化させることができる。従って、このように Wィ匕合物膜 3aの Si, Nの含有量を任意 に変化させることにより、所望の仕事関数を得ることが可能となり、所望のしきい値電 圧に制御することができる。特に Si含有ガスを用いて WSi膜を形成する場合には、
X
W: Si= l : l . 3の組成比で、仕事関数をシリコンのミツド 'ギャップである 4. 6eVに位 置させることができる。従って、例えば CMOSデバイスの pM〇S、 nM〇Sのいずれ におレ、ても、しきレ、値電圧の制御を行うことができる。
[0028] また、ゲート電極 3を Wィ匕合物膜 3aで構成するので、従来のポリシリコンゲート電極 に比してゲート電極の低抵抗化が可能である。また、 Wィ匕合物膜 3aの成膜ガスとして 有機金属である W (C〇） ガスを用いるので、従来から用いられていた WFのように F
6 6 を含んでおらず、 Fの拡散による下地ゲート酸化膜の劣化を生じさせることもなレ、。 なお、 Si含有ガスとしては、シラン、ジシラン、ジクロルシラン等を用いることができ、 N含有ガスとしては、アンモニア、モノメチルヒドラジン等を用いることができる。また、 必要に応じて、 W化合物膜 3aに P、 As、 B等の不純物イオンのイオン注入を行っても よい。これにより、しきい値電圧の微調整を行うことができる。
[0029] 図 3は、本発明の第 2の実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための 断面図である。
[0030] 第 2の実施形態では、まず、 Si基板 1上にゲート酸化膜 2を形成する。その後、図 3 ( b)に示すように、ゲート酸化膜 2上に、 W (C〇） ガスと、 Si含有ガスおよび N含有ガス
6
のうち少なくとも 1つとを用いた CVDによって、 Wと、 Siおよび Nのうち少なくとも 1つと を含む W化合物膜 4aを形成する。そして、図 3 (c)に示すように、 W化合物膜 4a上に 、さらにポリシリコン (Poly-Si)膜 4bを適宜の方法で成膜する。 W化合物膜 4aおよび Poly_Si膜 4bの厚さは、例えば、それぞれ 2 100nm、 50 200nmである。その 後、熱処理を経て、レジスト塗布、パターユング、エッチング等を行い、さらにイオン注 入等によって不純物拡散層 10を形成する。これによつて、図 3 (d)に示すように、 W 化合物膜 4aと Poly— Si膜 4bとからなる 2層構造のゲート電極 4を有する M〇S構造の 半導体装置が形成される。 [0031] ゲート電極 4を構成する W化合物膜 4aは、上記第 1の実施形態と同様に、 Si, Nの 含有量を任意に変化させることにより、所望の仕事関数を得ることが可能となり、所望 のしきい値電圧に制御することができる。特に、 N含有ガスを用いて Nを含む W化合 物膜を形成する場合には、上層の Poly-Si膜 4bに対するバリア性が生じる。これによ り、 Poly— Si膜 4b中の Siの W化合物膜 4aへの拡散を有効に防止して、界面のシリサ イド化を抑制することができるという効果も得ることができる。また、ゲート電極 4を Wィ匕 合物膜 4aで構成するので、従来のポリシリコンゲート電極に比してゲート電極の低抵 抗化が可能である。また、 Wィ匕合物膜 4aの成膜ガスとして W (CO) ガスを用いるの
6
で、 Fの拡散による下地ゲート酸化膜の劣化を生じさせることもなレ、。なお、 Si含有ガ スおよび N含有ガスとしては、上記第 1の実施形態と同様のガスを用いることができる 。また、必要に応じて、 Wィ匕合物膜 4aと Poly— Si膜 4bとの積層膜に P、 As、 B等の不 純物イオンのイオン注入を行ってもよい。
[0032] 図 4は、本発明の第 3の実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための 断面図である。
[0033] 第 3の実施形態では、まず、 Si基板 1上にゲート酸化膜 2を形成する。その後、図 4 ( b)に示すように、ゲート酸化膜 2上に、 W (C〇） ガスと、 Si含有ガス、 N含有ガス、お
6
よび C含有ガスのうち少なくとも 1つとを用いた CVDによって、 Wと、 Si、 N、 Cのうち 少なくとも 1つとを含む Wィ匕合物膜 5aを形成する。そして、図 4 (c)に示すように、 W 化合物膜 5a上に、さらに Poly-Si膜 5bを適宜の方法で成膜する。 W化合物膜 5aお よび Poly— Si膜 5bの厚さは、例えば、それぞれ 2— 100nm、 50— 200nmである。そ の後、熱処理を経て、レジスト塗布、パターニング、エッチング等を行い、さらにイオン 注入等によって不純物拡散層 10を形成する。これによつて、図 4 (d)に示すように、 Wィ匕合物膜 5aと Poly— Si膜 5bとからなる 2層構造のゲート電極 5を有する MOS構造 の半導体装置が形成される。
[0034] ゲート電極 5を構成する W化合物膜 5aは、 Wィ匕合物膜 5aの成膜において、 W (C〇 ) ガス、 Si含有ガス、 N含有ガス、 C含有ガスの流量や、基板温度、処理室内圧力等
6
の成膜条件を制御することにより Si, N, Cの含有量を任意に変化させることがる。こ れにより、任意の組成の WSi膜、 WN膜、 WC膜、およびこれらを複合した組成の 化合物膜を形成することができる。上述したように、 Wィヒ合物膜の Siおよび Nの含有 量を変化させることで仕事関数を変化させることができる。また、 W化合物膜の N, C の含有量を変化させることで Poly— Si膜に対するバリア性をも変化させることができる 。従って、このように Wィ匕合物膜 5aの Si， N， Cの含有量を任意に変化させることによ り、所望の仕事関数と所望のバリア性とを得ることが可能となり、所望のしきい値電圧 と所望のノ^ァ性とを兼備したゲート電極を得ることができる。
[0035] また、本実施形態においても、ゲート電極 5を W化合物膜 5aで構成するので、従来 のポリシリコンゲート電極に比してゲート電極の低抵抗化が可能である。また、 Wカル ボニルを含有するガスを用いて Wィ匕合物膜を成膜するので、 F拡散による下地ゲート 絶縁膜の劣化を生じさせることがなレ、。
[0036] なお、 Si含有ガスおよび N含有ガスとしては、上記第 1の実施形態と同様のガスを 用いることができ、 C含有ガスとしては、ァリルアルコール、エチレン、ギ酸、テトラヒド 口フラン等を用いることができる。また、必要に応じて、 Wィ匕合物膜 5aと Poly— Si膜 5b との積層膜に P、 As、 B等の不純物イオンのイオン注入を行ってもよい。
[0037] 図 5は、本発明の第 4の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を説明するため の断面図である。
[0038] 第 4の実施形態では、まず、 Si基板 1上にゲート酸化膜 2を形成する。その後、図 5 ( b)に示すように、ゲート酸化膜 2上に、 W (C〇） ガスと、 Si含有ガスおよび N含有ガス
6
のうち少なくとも 1つとを用いた CVDによって、 Wと、 Siおよび Nのうち少なくとも 1つと を含む 1層目の Wィ匕合物膜 6aを形成する。そして、図 5 (c)に示すように、 W化合物 膜 6a上に、 W (CO) ガスと N含有ガスおよび C含有ガスのうち少なくとも 1つとを用い
6
た CVDによって、 Wと Nおよび Cのうち少なくとも 1つとを含む、 W化合物膜 6aの組成 とは異なる組成の Wィ匕合物膜 6bを形成する。さらに、図 5 (d)に示すように、 Wィ匕合 物膜 6b上に、 Poly-Si膜 6cを適宜の方法で成膜する。 W化合物膜 6a、 W化合物膜 6b、 Poly_Si膜 6cの厚さは、例えば、それぞれ 2— 100應、 2— 100讓、 50 200 nmである。その後、熱処理を経て、レジスト塗布、パターユング、エッチング等を行い 、さらにイオン注入等によって不純物拡散層 10を形成する。これによつて、図 5 ( に 示すように、 W化合物膜 6a、 W化合物膜 6b、 Poly— Si膜 6cとからなる 3層構造のゲ ート電極 6を有する MOS構造の半導体装置が形成される。
[0039] ゲート電極 6のゲート酸化膜 2に接する部分の W化合物膜 6aは、上記第 1の実施形 態と同様に、 Si, Nの含有量を任意に変化させることにより、所望の仕事関数を得るこ とが可能となり、所望のしきい値電圧に制御することができる。また、 W化合物膜 6aと Poly_Si膜 6cとの間には、 Wと、 Nおよび Cのうち少なくとも 1つとを含む W化合物膜 6bが設けられている。この Wィ匕合物膜 6bは、 W化合物膜 6aと Poly— Si膜 6cとの反 応を抑制するバリア層として機能するので、 Poly— Si膜 6c中の Siの Wィ匕合物膜 6aへ の拡散を有効に防止することができる。特に、 C含有ガスを用いて形成される Cを含 む Wィ匕合物は、 Poly_Si膜に対するバリア性に優れるので、ノ リア層として好適であ る。本実施形態によれば、仕事関数とバリア性とを、要求に応じて別々に制御するこ とができ、デバイス設計の自由度が向上する。なお、 Si含有ガスおよび N含有ガスと しては、上記第 1の実施形態と同様のガスを用いることができ、 C含有ガスとしては、 上記第 3の実施形態と同様のガスを用いることができる。また、必要に応じて、 Wィ匕合 物膜 6a、 Wィ匕合物膜 6bおよび Poly-Si膜 6cの積層膜に P、 As、 B等の不純物ィォ ンのィ才ン注人を行ってもよい。
[0040] 図 6は、本発明の第 5の実施形態に係る半導体装置の製造工程を説明するための 断面図である。
[0041] 第 5の実施形態は、金属含有導電層と Poly - Si膜との積層膜構造を有するゲート 電極を有する半導体装置において、 Poly— Si膜中の Siの導電層への拡散を防止す るものである。第 5の実施形態では、まず、図 6 (a)に示すように、半導体基板である S i基板 1上に、ゲート酸化膜 2を形成する。次いで、ゲート酸化膜 2上に、金属含有導 電層としての W系膜 7aを形成する。この W系膜 7aの成膜は、 CVDに限らず、 PVD 等の従来公知の方法でもよい。次いで、図 6 (c)に示すように、 W系膜 7a上に、 W (C O) ガスと、 N含有ガスおよび C含有ガスのうち少なくとも 1つとを用いた CVDによつ
6
て、 Wと、 Nおよび Cのうち少なくとも 1つとを含む W化合物からなるバリア層 7bを形成 する。さらに、図 6 (d)に示すように、バリア層 7b上に、 Poly_Si膜 7cを適宜の方法で 成膜する。 W系膜 7a、 ノ リア層 7b、 Poly- Si膜 7cの厚さは、例えば、それぞれ 2— 10 Onm、 2 100nm、 50 200nmである。その後、熱処理を経て、レジスト塗布、パタ 一二ング、エッチング等を行い、さらにイオン注入等によって不純物拡散層 10を形成 する。これによつて、図 6 (e)に示すように、 W系膜 7a、バリア層 7b、 Poly-Si膜 7cと 力 なる 3層構造のゲート電極 7を有する MOS構造の半導体装置が形成される。
[0042] このように、ゲート電極 5は、 W系膜 7aと Poly_Si膜 7cとの間に、 Wと、 Nおよび Cの うち少なくとも 1つとを含む Wィ匕合物からなるバリア層 7bを設けることにより、 Poly-Si 膜 7c中の Siの W系膜 7aへの拡散を有効に防止することができる。特に、 C含有ガス を用いて形成される Cを含む W化合物は、 Poly_Si膜に対するバリア性に優れるので 、バリア層として好適である。なお、 N含有ガスとしては上記第 1の実施形態と同様の ガスを用いることができ、 C含有ガスとしては上記第 3の実施形態と同様のガスを用い ること力 Sできる。金属含有導電層としては、 W系膜 7aに限定されず、 Poly-Si膜と反 応しゃすい単体金属膜または金属化合物膜を用いる場合には、同様の効果を得るこ とができる。また、本実施形態では、 W系膜 7a上に Poly-Si膜 7cを積層する場合を 例に説明したが、 Poly-Si膜上に金属含有導電層を積層する場合にも同様の効果 を得ること力 Sできる。
[0043] 次に、上記 Wィ匕合物膜を W (CO) ガスと、 Si含有ガス、 N含有ガスおよび C含有ガ
6
スのうち少なくとも 1つとを用いた CVDにより成膜する際の成膜方法および成膜装置 の好適な例について説明する。
[0044] 図 7は、 W化合物膜の成膜を実施するための CVD成膜装置の一例を模式的に示 す断面図である。
[0045] この成膜装置 100は、気密に構成された略円筒状の処理容器 21を有している。処 理容器 21の底壁 2 lbの中央部には円形の開口部 42が形成されている。処理容器 2 1の底壁 21bには、開口部 42を通じて互いに内部が連通した排気容器 43が接続さ れている。処理容器 21内には、半導体基板であるウェハ 8を水平に支持するための A1N等のセラミックスからなるサセプタ 22が設けられている。このサセプタ 22は、排気 容器 43の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材 23により支持されている。 サセプタ 22の外縁部にはウェハ 8をガイドするためのガイドリング 24が設けられてい る。また、サセプタ 22には抵抗加熱型のヒーター 25が坦め込まれている。このヒータ 一 25は、電源 26からの給電によりサセプタ 22を加熱し、その熱でウェハ 8を加熱す る。この熱により、後述のように、処理容器 21内に導入された W (C〇） ガスが熱分解
6
される。ヒーター電源 26にはコントローラー（図示せず）が接続されており、これにより 図示しない温度センサーの信号に応じてヒーター 25の出力が制御される。また、処 理容器 21の壁にもヒーター（図示せず）が坦め込まれており、処理容器 21の壁を 40 一 80°C程度に加熱するようになっている。
[0046] サセプタ 22には、ウェハ 8を支持して昇降させるための 3本（2本のみ図示）のゥェ ハ支持ピン 46が、サセプタ 22の表面に対して突出/没入可能に設けられている。こ れらウェハ支持ピン 46は支持板 47に固定されている。そして、ウェハ支持ピン 46は 、エアシリンダ等の駆動機構 48により支持板 47を介して昇降される。
[0047] 処理容器 21の天壁 21aには、シャワーヘッド 30が設けられている。このシャワーへ ッド 30の下部には、サセプタ 22に向けてガスを吐出するための多数のガス吐出孔 3 Obが形成されたシャワープレート 30aが配置されてレ、る。シャワーヘッド 30の上壁に は、シャワーヘッド 30内にガスを導入するガス導入口 30cが設けられている。このガ ス導入口 30cに、 Wカルボニルガスである W (CO) ガスを供給する配管 32の一端が
6
接続されている。また、ガス導入口 30cには、 Si含有ガスであるシラン（SiH )ガス、 N
4 含有ガスであるアンモニア（NH )ガス、および C含有ガスであるエチレン（C H )ガス
3 2 4 を供給する配管 81の一端も接続されている。また、シャワーヘッド 30の内部には拡 散室 30dが形成されている。シャワープレート 30aには、冷媒供給源 30fから冷却水 等の冷媒が供給される同心円状の冷媒流路 30eが設けられている。これにより、シャ ヮーヘッド 30内での W (C〇） ガスの分解を防止するために、シャワーヘッド 30内の
6
温度を 20— 100°Cに制御することができるようになってレ、る。
[0048] 配管 32の他端は、金属カルボニル原料である固体状の W(C〇） 原料 Sが収容さ
6
れた W原料容器 33に揷入されている。 W原料容器 33の周囲にはヒーター 33aが設 けられている。 W原料容器 33には、キャリアガス配管 34が揷入されている。キャリア ガス供給源 35から配管 34を通じて、キャリアガス、例えば Arガスを W原料容器 33に 吹き込む。一方、 W原料容器 33内の固体状の W (C〇） 原料 Sは、ヒーター 33aによ
6
り加熱されて昇華し、 w (c〇） ガスとなる。この w (c〇） ガスがキャリアガスと共に配
6 6
管 32を通じて拡散室 30dへ供給される。なお、配管 34にはマスフローコントローラ 36 と、その前後のバルブ 37a, 37bが設けられている。また、配管 32には、例えば W (C O) ガスの量に基づいてその流量を把握するための流量計 65と、その前後のバルブ
6
37c, 37dとが設けられている。また、流量計 65の下流側において、配管 32にプリフ ローライン 61が接続されている。このプリフローライン 61は後述する排気管 44に接続 されている。さらに、プリフローライン 61には、配管 32との分岐部の直下流にバルブ 6 2が設けられている。配管 32, 34， 61の周囲にはヒーター（図示せず）が設けられて おり、 W (CO) ガスの固化しない温度、例えば 20— 100°C、好ましくは 25— 60°Cに
6
制御される。
[0049] また、配管 32の途中には、パージガス配管 38を介してパージガス供給源 39が接 続されている。パージガス供給源 39は、パージガスとして、例えば Arガス、 Heガス、 Nガス等の不活性ガスや Hガス等を供給するようになっている。このパージガスによ
2 2
り配管 32の残留成膜ガスの排気や処理容器 21内のパージを行う。なお、パージガス 配管 38にはマスフローコントローラ 40およびその前後のバルブ 41a, 41bが設けられ ている。
[0050] 一方、配管 81の他端は、ガス供給系 80に繋がっている。ガス供給系 80は、 SiHガ
4 スを供給する SiHガス供給源 82、 NHガスを供給する NHガス供給源 83、および
4 3 3
C Hガスを供給する C Hガス供給源 84を有している。各ガス供給源 82， 83， 84に
2 4 2 4
は、それぞれガスライン 85, 86, 87が接続されている。ガスライン 85にはマスフロー コントローラ 88およびその前後のバルブ 91が設けられ、ガスライン 86にはマスコント ローラ 89およびその前後のバルブ 92が設けられ、ガスライン 87にはマスフローコント ローラ 90およびその前後のバルブ 93が設けられている。また、各ガスラインは、配管 81を介して拡散室 30dに接続されている。なお、配管 81には、プリフローライン 95が 接続され、このプリフローライン 95は後述する排気管 44に接続されている。さらに、 プリフローライン 95には、配管 81との分岐部の直下流にバルブ 95aが設けられてい る。
[0051] また、配管 81の途中には、パージガス配管 97を介してパージガス供給源 96が接 続されている。パージガス供給源 96は、パージガスとして、例えば Arガス、 Heガス、 Nガス等の不活性ガスや Hガス等を供給する。このパージガスにより配管 81の残留 成膜ガスの排気や処理容器 21内のパージを行う。なお、パージガス配管 97には、マ スフローコントローラ 98およびその前後のバルブ 99が設けられている。
[0052] 各マスフローコントローラ、各バルブ、および流量計 65は、コントローラ 60によって 制御される。これにより、キャリアガス、 W (CO) ガス、 SiHガス、 NHガス、 C Hガ
6 4 3 2 4 ス、およびパージガスの供給'停止およびこれらのガスの流量を所定の流量に制御 するようになつている。処理容器 21のガス拡散室 30dへ供給される W (CO) ガスの
6 流量は、流量計 65の検出値に基づレ、てキャリアガスの流量をマスフローコントローラ 36により制御することにより制御される。
[0053] 上記排気容器 43の側面には、排気管 44を介して、高速真空ポンプを含む排気装 置 45が接続されている。この排気装置 45を作動させることにより、処理容器 21内の ガスを、排気容器 43の空間 43a内へ均一に排出し、排気管 44を介して外部へ排気 する。これにより、処理容器 21内を、所定の真空度まで高速に減圧することが可能と なっている。
[0054] 処理容器 21の側壁には、成膜装置 100に隣接する搬送室（図示せず）との間でゥ ェハ 8の搬入出を行うための搬入出口 49と、この搬入出口 49を開閉するゲートバノレ ブ 50とが設けられている。
[0055] このような成膜装置を用いた Wィ匕合物膜の成膜は、次のような手順で行われる。ま ず、ゲートバノレブ 50を開にした搬入出口 49を通じて、予め表面にゲート酸化膜が形 成されたウェハ 8を、処理容器 21内に搬入しサセプタ 22上に載置する。次いで、ヒー ター 25によりサセプタ 22を加熱してその熱によりウェハ 8を加熱する。また、排気装 置 45の真空ポンプにより処理容器 21内を排気して、処理容器 21内の圧力を 6. 7Pa 以下に真空排気する。この際のウェハ 8の加熱温度は、 100 600°Cであること力 S望 ましい。
[0056] 次いで、バルブ 37a， 37bを開にして、固体状の W (C〇） 原料 Sが収容された W原
6
料容器 33にキャリアガス供給源 35からキャリアガス、例えば Arガスを吹き込む。また 、W (CO) 原料 Sをヒーター 33aにより加熱して W (CO) ガスを発生させる。次いで、
6 6
バルブ 37cおよびバルブ 62を開けて、 W (C〇） ガスをプリフローライン 61を通じて排
6
気するプリフローを行う。このプリフローを所定時間行うことで、 w (co) ガスの流量 を安定させる。次いで、バルブ 62を閉じると同時にバルブ 37dを開けて、 W (C〇） ガ
6 スを配管 32へ導入し、ガス導入口 30cを経てガス拡散室 30dに供給する。この際の 処理容器 21内の圧力は 0. 01— 500Paであることが望ましレ、。なお、キャリアガスは Arガスに限らず他のガスを用いてもよぐ Nガス、 Hガス、 Heガス等が用いられる。
2 2
[0057] 一方、 W (CO) ガスのガス拡散室 30dへの供給とタイミングを合わせて、 SiHガス
6 4
、 NHガス、および C Hガスのうち少なくとも 1つをガス拡散室 30dへ供給する。まず
3 2 4
、供給しょうとするガスをプリフローライン 95を通じて排気するプリフローを行う。この プリフローを所定時間行うことで、当該ガスの流量を安定させる。その後、 W (CO) ガ
6 スのガス拡散室 30dへの供給とタイミングを合わせて、当該ガスを配管 81を通じてガ ス拡散室 30dへ供給する。
[0058] W (CO) ガス、ならびに SiHガス、 NHガス、および C Hガスのうち少なくとも 1つ
6 4 3 2 4
のガスをガス拡散室 30dへ供給する際には、これらガスがそれぞれ所定の流量に維 持される。例えば、 W (C〇） ガスの流量は 0· 0001— 0. 5L/min、 SiHガスの流
6 4 量は 0· 001— lL/min、 NHガスの流量は 0· 001— lL/min、 C Hガスの流量
3 2 4
は 0. 001— lL/minの範囲に制御される。
[0059] ガス拡散室 30dへ供給された W (CO) ガスと、 SiHガス、 NHガス、および C H
6 4 3 2 4 ガスのうち少なくとも 1つとは、拡散室 30d内で拡散されて、シャワープレート 30aのガ ス吐出孔 30bより処理容器 21内のウェハ 8表面に向けて均一に供給される。これに より、加熱されたウェハ 8表面で、 W (C〇） が熱分解して生じた Wと、 SiHガス、 NH
6 4 3 ガス、 C Hガスの Si、 N、 Cとが反応し、所望の W化合物膜が形成される。 SiHガス
2 4 4
、 NHガス、または。 Hガスをそれぞれ単独で用いた場合には、それぞれ WSi、 W
3 2 4
N、 WCが形成される。 2種以上のガスを用いた場合には、これらが複合化した組成 の化合物が形成される。処理容器 21内に導入するガス種および/またはガス流量、 基板温度、処理処理容器内圧力等の成膜条件を制御することにより、 W化合物膜の 組成を任意に変化させることができ、形成される Wィ匕合物膜の特性を制御することが できる。すなわち、 W (CO) ガスと、 SiHガス、 NHガス、および C Hガスのうち少
6 4 3 2 4
なくとも 1つとを用いて、これらの流量や成膜条件を制御することにより、 W化合物膜 の仕事関数を制御してしきい値電圧を制御することができるとともに、所望のバリア性 を得ること力 Sできる。
[0060] 所定の膜厚の W化合物膜が形成された時点で、各ガスの供給を停止する。その後 、パージガス供給源 39、 96からパージガスを処理容器 21内に導入して残留成膜ガ スをパージし、ゲートバルブ 50を開にして搬入出口 49からウェハ 8を搬出する。
[0061] また、図 5のような Wィ匕合物膜の積層膜構造は、図 7の装置を用いて、次のような手 順で形成される。まず、 W (CO) ガスと、 SiHガスおよび NHガスのうち少なくとも 1
6 4 3
つのガスとを所定の流量比で供給して 1層目の Wィ匕合物膜 6aを成膜する。そして、 所定の膜厚の Wィ匕合物膜 6aが形成された時点でガスの供給を停止し、処理容器内 のパージを行う。その後、 W (C〇） ガスと、 SiHガスおよび NHガスのうち少なくとも
6 4 3
1つのガスとを所定の流量比で供給して、 2層目の W化合物膜 (バリア層） 6bを成膜 する。このように、 1層目の Wィ匕合物膜の成膜時と 2層目の W化合物膜の成膜時とで 、処理容器内に導入するガス種や、各ガスの流量、基板温度、処理処理容器内圧力 等の成膜条件を異ならせることにより、互いに組成の異なる 2層の Wィ匕合物膜を一つ の処理容器内で連続して成膜することができる。これにより、極めて効率よぐしかも 酸化等の不都合が生じることなぐ Wィヒ合物膜の積層膜構造を形成することができる
[0062] なお、上記実施形態では、ゲート電極に用いる金属化合物膜およびバリア層として 、金属カルボニルとして W (CO) を用いて Wを含む Wィ匕合物膜を形成する場合につ
6
いて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明は金属カルボニル として W (CO) 、 Ni (CO) 、 Co (CO) 、Ru (CO) , Mo (CO) 、 Re (CO) 、 Ta
6 4 2 8 3 12 6 2 10
(CO) 、Ti (C〇） 力 選択される少なくとも 1つを用いて W、 Ni、 Co、 Ru、 Mo、 Re、
6 6
Ta、および Tiのうち少なくとも 1つを含む金属化合物膜を形成する場合に有効である 。また、 CVDにより金属化合物膜を形成するための成膜原料としては、ガスに限らず 液体原料や固体原料であってもよい。さらにまた、ゲート電極の積層膜構造に Poly— Si膜を用いる場合について説明したが、 Poly-Siに限定されずアモルファスシリコン 等のシリコン膜であってもよレ、。
[0063] また、上記実施形態では、組成の異なる 2層の Wィ匕合物膜の積層膜を同一処理室 内で形成して積層膜とする場合について説明したが、本発明はこれに限定されない 。すなわち、同一処理室内で形成する積層膜は 2層に限らず、 3層以上であってもよ レ、。また、積層される複数の膜のうち 1つ以上が金属カルボニル中の金属からなる金 属膜であればよい。このような金属膜は、ゲート電極に用いることによりその低抵抗化 を図ることができる。
さらにまた、上記実施形態では、半導体基板として Si基板を用いた場合について 説明したが、これに限らず S〇I基板等の他の基板にも適用することが可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 半導体基板と、
この基板の上に形成されたゲート絶縁膜と、
この絶縁膜の上に形成された金属化合物膜を有するゲート電極と、
を備え、
前記ゲート電極の金属化合物膜は、
金属カルボニルを含有する原料と、
Siを含有する原料、 Nを含有する原料、および Cを含有する原料のうち少なくとも 1 つと、
を用いた CVDにより形成され、前記金属カルボニル中の金属と、 Si、 Nおよび Cのう ち少なくとも 1つとを含む、ことを特徴とする半導体装置。
[2] 前記金属カルボニルを構成する金属は、 W、 Ni、 Co、 Ru、 Mo、 Re、 Ta、および Ti よりなる群から選択される、ことを特徴とする請求項 1記載の半導体装置。
[3] 前記金属カルボニルは W (CO) である、ことを特徴とする請求項 1記載の半導体装
6
置。
[4] 前記 Siを含有する原料は、シラン、ジシラン、およびジクロルシランよりなる群から選 択される、ことを特徴とする請求項 1記載の半導体装置。
[5] 前記 Nを含有する原料は、アンモニアおよびモノメチルヒドラジンよりなる群から選 択される、ことを特徴とする請求項 1記載の半導体装置。
[6] 前記 Cを含有する原料は、エチレン、ァリルアルコール、ギ酸、およびテトラヒドロフ ランよりなる群から選択される、ことを特徴とする請求項 1記載の半導体装置。
[7] 前記金属化合物膜に、 n型不純物ないし p型不純物が導入されている、ことを特徴 とする請求項 1記載の半導体装置。
[8] 前記ゲート電極は、前記金属化合物膜上に形成されたシリコン膜をさらに有する、 ことを特徴とする請求項 1記載の半導体装置。
[9] 前記ゲート電極は、前記金属化合物膜と前記シリコン膜との間に形成されたバリア 層をさらに有し、
このバリア層は、金属カルボニルを含有する原料と、 Nを含有する原料および Cを 含有する原料のうち少なくとも 1つとを用いた CVDにより形成され、前記金属カルボ ニル中の金属と、 Nおよび Cのうち少なくとも 1つとを含む金属化合物からなる、ことを 特徴とする請求項 8記載の半導体装置。
[10] 半導体基板と、
この基板の上に形成されたゲート絶縁膜と、
この絶縁膜の上に形成されたゲート電極と、
を備え、
前記ゲート電極は、
金属含有導電層と、
この導電層の上に形成されたバリア層と、
このバリア層の上に形成されたシリコン膜と、
を有し、
前記バリア層は、金属カルボニルを含有する原料と、 Nを含有する原料および Cを 含有する原料のうち少なくとも 1つとを用いて形成され、前記金属カルボニル中の金 属と、 Nおよび Cのうち少なくとも 1つとを含む金属化合物からなる、ことを特徴とする 半導体装置。
[11] 前記金属カルボニルを構成する金属は、 W、 Ni、 Co、 Ru、 Mo、 Re、 Ta、および Ti よりなる群から選択される、ことを特徴とする請求項 10記載の半導体装置。
[12] 前記金属カルボニルは W (CO) である、ことを特徴とする請求項 10記載の半導体
6
装置。
[13] 前記 Nを含有する原料は、アンモニアおよびモノメチルヒドラジンよりなる群から選 択される、ことを特徴とする請求項 10記載の半導体装置。
[14] 前記 Cを含有する原料は、エチレン、ァリルアルコール、ギ酸、およびテトラヒドロフ ランよりなる群から選択される、ことを特徴とする請求項 10記載の半導体装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007048926A (ja) * 2005-08-10 2007-02-22 Tokyo Electron Ltd Ｗ系膜の成膜方法、ゲート電極の形成方法、半導体装置の製造方法およびコンピュータ読取可能な記憶媒体
JP4784734B2 (ja) * 2005-09-12 2011-10-05 日本電気株式会社 半導体装置及びその製造方法
JP2007142127A (ja) * 2005-11-18 2007-06-07 Sony Corp 半導体装置およびその製造方法
JP2008016538A (ja) * 2006-07-04 2008-01-24 Renesas Technology Corp Ｍｏｓ構造を有する半導体装置及びその製造方法
JP5177980B2 (ja) * 2006-09-05 2013-04-10 東京エレクトロン株式会社 半導体装置およびその製造方法
KR100868768B1 (ko) * 2007-02-28 2008-11-13 삼성전자주식회사 Ｃｍｏｓ 반도체 소자 및 그 제조방법
US8778754B2 (en) * 2008-09-15 2014-07-15 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Method of forming a single metal that performs N and P work functions in high-K/metal gate devices
EP2256230A1 (de) * 2009-05-29 2010-12-01 Samuel Grega Verfahren zur Herstellung von W-, Cr-, Mo-Schichten, deren Carbiden, Nitriden, Siliciden, mehrschictigen Strukturen und Verbindungsstrukturen auf festen Substraten und Vorrichtung für deren Herstellung
EP2761663B1 (en) * 2011-09-29 2016-09-14 Intel Corporation Method of depositing electropositive metal containing layers for semiconductor applications
JP6232041B2 (ja) * 2015-12-18 2017-11-15 東京エレクトロン株式会社 成膜方法および成膜装置
KR102341721B1 (ko) * 2017-09-08 2021-12-23 삼성전자주식회사 반도체 소자
JP7515402B2 (ja) * 2018-04-19 2024-07-12 アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド 気相堆積によるｐ－金属仕事関数膜の仕事関数の調整

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10303412A (ja) * 1997-04-22 1998-11-13 Sony Corp 半導体装置及びその製造方法
JPH11135455A (ja) * 1997-08-28 1999-05-21 Texas Instr Inc <Ti> 拡散障壁体を備えた高温度工程に耐えることができる熱的に安定な接触体の製造法
JPH11265992A (ja) * 1998-01-21 1999-09-28 Siemens Ag ダイナミックランダムアクセスメモリの形成方法

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5164805A (en) * 1988-08-22 1992-11-17 Massachusetts Institute Of Technology Near-intrinsic thin-film SOI FETS
JP3469251B2 (ja) * 1990-02-14 2003-11-25 株式会社東芝 半導体装置の製造方法
AU7313491A (en) * 1990-02-16 1991-09-03 Silicon Graphics, Inc. Method and apparatus for providing a visually improved image by converting a three-dimensional quadrilateral to a pair of triangles in a computer system
JP3262676B2 (ja) * 1993-06-25 2002-03-04 株式会社リコー 半導体装置
US5907188A (en) * 1995-08-25 1999-05-25 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device with conductive oxidation preventing film and method for manufacturing the same
US5789312A (en) * 1996-10-30 1998-08-04 International Business Machines Corporation Method of fabricating mid-gap metal gates compatible with ultra-thin dielectrics
US6027961A (en) * 1998-06-30 2000-02-22 Motorola, Inc. CMOS semiconductor devices and method of formation
US6218293B1 (en) * 1998-11-13 2001-04-17 Micron Technology, Inc. Batch processing for semiconductor wafers to form aluminum nitride and titanium aluminum nitride
US6661096B1 (en) * 1999-06-29 2003-12-09 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Wiring material semiconductor device provided with a wiring using the wiring material and method of manufacturing thereof
WO2003025243A2 (en) * 2001-09-14 2003-03-27 Asm International N.V. Metal nitride deposition by ald using gettering reactant
JP3974507B2 (ja) * 2001-12-27 2007-09-12 株式会社東芝 半導体装置の製造方法
US6858483B2 (en) * 2002-12-20 2005-02-22 Intel Corporation Integrating n-type and p-type metal gate transistors

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10303412A (ja) * 1997-04-22 1998-11-13 Sony Corp 半導体装置及びその製造方法
JPH11135455A (ja) * 1997-08-28 1999-05-21 Texas Instr Inc <Ti> 拡散障壁体を備えた高温度工程に耐えることができる熱的に安定な接触体の製造法
JPH11265992A (ja) * 1998-01-21 1999-09-28 Siemens Ag ダイナミックランダムアクセスメモリの形成方法

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