(57)【要約】  金属ゲート電極（１１０）を備える半導体装置（１００）およびその製造方法であって、半導体装置（１００）は、半導体基板（１０２）と、金属ゲート電極（１１０）と、この金属ゲート電極（１１０）の表面上に形成されたシリコン酸窒化物スペーサ（１１４）とを含み、シリコン酸窒化物スペーサ（１１４）と金属ゲート電極（１１０）との界面には実質的に金属シリサイドが存在しない。このプロセスは、半導体基板上に金属ゲート電極を形成するステップと、この金属ゲート電極の表面上にシリコン酸窒化物スペーサをＰＥＣＶＤで形成するステップとを含み、このシリコン酸窒化物スペーサは、最初にシリコンが欠乏した状態、少なくとも一つのシリコン含有材料の第１量が、少なくとも一つの他の反応物の量に対して相対的に少なくなるようにＰＥＣＶＤ装置に供給される状態において形成される。その結果、シリサイドは実質的に形成されない。
2005510872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属ゲート電極を備える半導体装置を製造するプロセスであって、
半導体基板を用意するステップと、
前記半導体基板上に金属ゲート電極を形成するステップと、
前記金属ゲート電極の表面上に、シリコン酸窒化物スペーサをＰＥＣＶＤで形成するステップとを含み、
前記シリコン酸窒化物スペーサは、少なくとも一つのシリコン含有材料の第１量が少なくとも一つの他の反応物質の量に対して相対的に少なくなるようにＰＥＣＶＤ装置に供給されるシリコン欠乏状態において初期は形成され、それによって、前記金属ゲート電極と前記シリコン酸窒化物スペーサとの界面にはシリサイドが実質的に形成されない、プロセス。
【請求項２】
前記形成するステップは、前記供給された少なくとも一つのシリコン含有材料の増量された第２量を供給するステップをさらに含む、請求項１記載のプロセス。
【請求項３】
前記シリコン欠乏状態は、ＰＥＣＶＤ装置に、前記少なくとも一つのシリコン含有材料を当初は供給せずに、酸素含有材料および窒素含有材料を供給するステップと、続いて前記酸素含有材料および前記窒素含有材料に加えて、前記少なくとも一つのシリコン含有材料の前記第１量を前記ＰＥＣＶＤ装置に供給するステップとを含み、前記供給される少なくとも一つのシリコン含有材料の前記第１量は、シリコン酸窒化物のＰＥＣＶＤデポジションに関して、前記酸素含有材料および前記窒素含有材料に対して不足当量のシリコンを含む、請求項１記載のプロセス。
【請求項４】
前記金属ゲート電極の前記表面には金属シリサイドが実質的に形成されない、請求項１記載のプロセス。
【請求項５】
前記ＰＥＣＶＤプロセスは摂氏約300度から約600度の範囲内の温度で実行される、請求項１記載のプロセス。
【請求項６】
金属ゲート電極（１１０）を備える半導体装置（１００）であって、
半導体基板（１０２）と、
金属ゲート電極（１１０）と、
前記金属ゲート電極（１１０）の表面上に形成されたシリコン酸窒化物スペーサ（１１４）とを含み、
前記第１層と前記金属ゲート電極との界面には実質的に金属シリサイドが存在しない、半導体装置。
【請求項７】
前記金属ゲート電極（１１０）の前記表面には金属シリサイドが実質的に存在しない、請求項６記載の半導体装置。
【請求項８】
前記金属ゲート電極（１１０）は、Mo, Ni, Ta, Al, Co, Cu, Re, TiまたはW、またはこれらのうち２つ以上の混合物または合金、もしくはTaN, TaSiN, WN, WSiNのうち１つ以上を含む導電性金属窒化物を含む、請求項６記載の半導体装置。
【請求項９】
前記シリコン酸窒化物は次の化学式を持ち、
SiwOxNyHz
wは、シリコンの約２０から約５６原子百分率の範囲内、
xは、酸素の約５から約４０原子百分率の範囲内、
yは、窒素の約１０から約４０原子百分率の範囲内、
zは、水素の０から約１０原子百分率の範囲内であって、
w+x+y+z=100原子百分率である、請求項６記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記シリコン酸窒化物スペーサ（１１４）の第１部分は、約1.6から約1.9の範囲の屈折率を有し、その第２部分は約1.95から約2.3の範囲の屈折率を有する、請求項６記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に半導体装置の製造に関し、さらに詳細には半導体装置の金属ゲート電極上への絶縁層の形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
エレクトリックデバイスが非常に複雑になってくるにしたがって、デバイス上により多くの数のトランジスタを載せる必要が高まっている。さらに、デバイスの速度を上げる必要がある一方で、消費電力は低減しなければならない。これらの問題に対処するために、それぞれのトランジスタが占める面積はかなり減少している。しかしながら、これが１以上の必要条件に不都合な影響を与えうる。例えば、トランジスタの寸法が縮小すると、ゲート構造（ストラクチャ）の寸法も縮小し、それによってゲート抵抗が増大する。従って、電力消費が増え、デバイスの速度が遅くなる。
【０００３】
ゲート構造のシート抵抗率を減少させるための数々の努力がこれまで行われてきた。例えば、あるときは、ポリシリコンをｎ型またはｐ型のドーパントでより高濃度にドープした。またあるときは、タングステンまたはチタンとポリシリコンとの反応により、ゲートの上部にシリサイドを形成した。またその後、さらに小さなジオメトリの抵抗率を下げるためにコバルトシリサイドを使った。現在では、金属ゲート電極が導入され、多くの応用例で使用されている。
【０００４】
金属ゲート電極は、事実上ゲート幅にかかわりなく、低いシート抵抗率を持つ。しかしながら、多くの金属ゲート材料は、標準的な半導体プロセスフローに組み込めるようになる前に、克服しなければならないいくつかの問題がある。問題の一つは、多くの金属が、ゲート絶縁膜を形成するのに一般的に使用されているシリコン、SiO2やシリコン酸窒化物（silicon oxynitride）などに接触すると不安定なことである。シリコン酸窒化物は、SiO2に関する金属原子のマイグレーションに対するより優れたバリアを形成するという特性のために、金属ゲート電極の上に形成される絶縁体スペーサまたはライナーとして用いられる。
【０００５】
多くの金属は、それらの金属シリサイド（その金属とシリコンとの反応によって形成される）の形態においてはより導電性が低くなるので、もしシリコン酸窒化物スペーサ形成の結果として金属シリサイドが形成されるならば、ゲート材料としての金属の利点は減少してしまうか、失われてしまう。金属ゲート電極の寸法がより小さくなるにことにより、もし金属ゲート電極のどこかの部分がより導電性の低い金属シリサイドに転換されるならば、導体として金属デート電極の効果は薄れてしまう。
【０００６】
従って、金属ゲート電極とシリコン酸窒化絶縁体層との界面にシリサイドを形成しない、または実質的に形成しないようにしながら、金属ゲート電極上にシリコン酸窒化絶縁体層を形成する方法に対する必要性が存在している。
【発明の開示】
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、金属ゲート電極を備える半導体装置の製造プロセスに関し、半導体基板を用意するステップと、半導体基板上に金属ゲート電極を形成するステップと、金属ゲート電極の表面上にシリコン酸窒化スペーサをＰＥＣＶＤで形成するステップとを含み、シリコン酸窒化スペーサは、最初にシリコンが欠乏した状態、すくなくとも一つのシリコン含有材料の量が、少なくとも一つの他の反応物の量に対して相対的に少なくなるようにＰＥＣＶＤ装置に供給される状態において形成される。それによって、金属ゲート電極とシリコン酸窒化物スペーサとの界面にはシリサイドが実質的に形成されない。
他の実施形態では、本発明は、金属ゲート電極を備える半導体装置に関し、半導体基板と、金属ゲート電極と、金属ゲート電極の表面上に形成されたシリコン酸窒化物スペーサとを含み、第１層と金属ゲート電極との界面には実質的に金属シリサイドが存在しない。
従って、本発明は金属シリサイドを形成することなしに金属ゲート電極上に絶縁層を形成するという課題を解決している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本明細書において、「金属ゲート」または「金属ゲート電極」という用語は、ＭＯＳＦＥＴまたはその他の半導体装置のゲートまたはその他の任意の金属構造であって、モリブデン（Mo）、ニッケル（Ni）、タンタル（Ta）、アルミニウム（Al）、コバルト（Co）、銅（Cu）、レニウム（Re）、チタン（Ti）またはタングステン（W）などの金属、またはこれらの金属のうち２つ以上のものの混合物または合金から形成されるものを指す。この金属は、TaN, TaSiN, WN, WsiNおよび前記金属の類似の導電性窒化物の一以上を含むものであってもよい。ここで説明するように、金属ゲート電極は、そのような構造を作るための当該技術分野で既知のどのような方法で形成してもよい。本明細書において本発明を金属ゲート電極に関して説明しているが、本発明はそれに限定されるものではなく、その上にシリコン酸窒化物層が形成される任意の金属構造物であって、シリサイドの形成を少なくするまたは形成しないものにまで及ぶことを理解してもらいたい。
【０００９】
本明細書において、「シリコン酸窒化物」という用語は、シリコン、酸素および窒素を含み、ならびに追加的に水素を含みうる絶縁材料を指す。水素の有無は、形成時の条件によって決まる。シリコン酸窒化物は以下でさらに詳細に説明する化学式を持ち、それはシリコン酸窒化物の形成時における多数の要因に応じて変化する。
【００１０】
半導体装置
以下で、本発明を一般的な半導体装置、特にシリコン基板上に形成された金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の観点から説明する。ＭＯＳＦＥＴについての本発明の実施形態を図１に示す。しかしながら、本発明はこの実施形態例に限定されるものではなく、金属ゲート電極が使用可能な任意の半導体装置、例えばＦＥＴ、フローティング金属ゲート電極ＥＥＰＲＯＭフラッシュメモリ装置、カルフォルニア州サニーベイルのアドバンスド・マイクロ・デバイシズ社から入手可能なMirror-Bit（商標）SONOSタイプのフラッシュメモリ装置のようなSONOSタイプのフラッシュメモリ装置の金属ゲート電極に適用可能である。従って、本発明は、以下に説明する例示のための特定の実施形態に限定されるものでないことを理解するべきである。
【００１１】
本発明は半導体装置および半導体装置の製造プロセスに関し、この半導体装置は、半導体基板と、金属ゲート電極と、金属ゲート電極の表面上に形成されたシリコン窒化物スペーサとを含み、金属ゲート電極とシリコン酸窒化物スペーサとの間に形成される界面には、シリコン酸窒化物スペーサを形成するためのシリコンと金属ゲート電極を形成するための金属との反応によって形成される金属シリサイドが実質的に存在しない。
【００１２】
従って、第１実施形態では、本発明は、上部にシリコン酸窒化物スペーサが形成される金属ゲート電極を持つ半導体装置に関する。この半導体装置は、半導体基板、金属ゲート電極、およびシリコン酸窒化物スペーサを含む。
【００１３】
一実施形態では、金属ゲート電極の表面には金属シリサイドは実質的に存在しない。他の実施形態では、金属ゲート電極は、金属ゲート電極の金属とシリコン酸窒化物スペーサを形成するためのシリコンの反応によって形成される金属シリサイドは実質的に存在しない。さらに他の実施形態では、金属ゲート電極とシリコン酸窒化物スペーサとの間の界面には、金属ゲート電極の金属とシリコン酸窒化物スペーサを形成するためのシリコンの反応によって形成されるシリサイドは存在しない。
【００１４】
図１は、ＭＯＳＦＥＴ１００の断面図である。ＭＯＳＦＥＴ１００は例えば、ｐ型にドープされたシリコン基板１０２、ｎ型にドープされたソース領域１０４、ｎ型にドープされたドレイン領域１０６、ゲート絶縁膜１０８、金属ゲート電極１１０、チャネル領域１１２および金属ゲート電極１１０上に形成されたシリコン酸窒化物スペーサ１１４を含む。
【００１５】
図１には、実際に動作する半導体装置の追加的な要素、例えば、電気配線、保護膜、完成した、動作可能な半導体装置に含まれるであろう他の構成要素は図示されていない。これらの追加的な要素は本発明には不必要なものであり、説明の簡略化および簡潔さのために図示せず、特に説明しない。しかしながら、当業者であれば簡単に追加可能であることが理解できる。
【００１６】
金属ゲート電極の金属は、当該技術分野において半導体装置の金属ゲート電極として用いることが知られているどのような金属であってもよい。一実施形態では、金属ゲート電極は、Mo, Ni, Ta, Al, Co, Cu, Re, TiまたはW、もしくはこれらの金属の２以上の混合物または合金を含む。Au, Pt, Pd, RhまたはAgなどのその他の金属も使用可能である。しかしながら、これらの材料は高価であるので、半導体装置に使用するのは経済的に正当化できないであろう。他の実施形態では、金属は、Mo, NiまたはTaのうちの一つを含む。他の実施形態では、金属はMo, NiまたはTaのうちのどれかである。ある実施形態では、金属は導電性の金属窒化物であって、TaN, TaSiN, WN, WSiNまたはその他の既知の導電性金属窒化物のうち１以上を含むような金属窒化物である。
【００１７】
シリコン酸窒化物スペーサはシリコン酸窒化物から形成され、ほとんどの場合、やや不確かな化学式を持つことが知られている。純粋な、化学量論（stoichiometric）的なシリコン酸窒化物はSi2N2Oの化学式を持ち、摂氏約１３５０度を超える温度で形成またはアニールされる。しかしながら、例えば低温を含む条件下、または不純物、同時反応物質および非化学量論的な反応物質の量の存在下で形成されたシリコン酸窒化物は、一般的に次の化学式を持つと考えられる。
[化１]
SiwOxNyHz
ここで、w, x, y, zは化学式全体の原子百分率を表す。化学式のなかの酸素および窒素の量は、上述の要因によって変化する。そして、水素の量は１以上の水素含有反応物質が使用されるかどうか、またそれらの相対的な量により、さらに他の水素源（例えば、水）が反応混合物に存在しうるかなどの要因に応じて変わる。上記の、および本明細書ならびに特許請求の範囲のなかの数値、比率および範囲の限定は組み合わせ可能である。
【００１８】
本発明の一実施形態では、シリコン酸窒化物は次の化学式を持つ。
[化２]
SiwOxNyHz
ここで、
wは、シリコンの約２０から約５６原子百分率の範囲内、
xは、酸素の約５から約４０原子百分率の範囲内、
yは、窒素の約１０から約４０原子百分率の範囲内、
zは、水素の０から約１０原子百分率の範囲内であって、
w+x+y+z=100原子百分率である。
【００１９】
半導体装置では、シリコン酸窒化物などの絶縁材料中に存在する水素の量を減らすことが望ましいことがよくある。これは、水素がホットキャリアとして機能することが可能であり、半導体装置内の電子の移動と干渉することがあるためである。従って、本発明の一実施形態では、シリコン酸窒化物スペーサ内の水素の量を最小限にまで減少させる。一実施形態では、シリコン酸窒化物の上記化学式において、zは約0.5から約7原子百分率の範囲内である。一実施形態では、zは約1から約5原子百分率の範囲内である。他の実施形態では、zは約2から約4原子百分率の範囲内である。
【００２０】
シリコン酸窒化物スペーサ１１４を形成する以下で説明するプロセスの結果、シリコン欠乏条件下でデポジションされたシリコン酸窒化物は、シリコンが欠乏していない、または化学量論的シリコンの条件下でデポジションされたシリコン酸窒化物とは異なった化学量論を持つ。従って、上記の化学式を参照すると、一実施形態として、シリコン欠乏条件下でデポジションされたシリコン酸窒化物はシリコンの含有量が前記範囲の下端、つまり約20から約30原子百分率となり、酸素および窒素の含有量が前記範囲の上端、つまり約25から約40原子百分率の酸素、約30から約40原子百分率の窒素となり、水素の含有量が前記範囲の下端、つまり約0から約3原子百分率となる。
【００２１】
一実施形態では、シリコン欠乏でない条件下で、上記化学式を参照すると、デポジションされたシリコン酸窒化物は、シリコン含有量が前記範囲の半ばから上端、つまり約40から約56原子百分率となり、酸素および窒素の含有量が前記範囲の下端から半ば、つまり約5から約25原子百分率の酸素、約10から約25原子百分率の窒素となる。水素の含有量は、条件および反応物質の選択に応じて、前記範囲内の任意の値をとりうる。
【００２２】
本来的に変化しうるシリコン酸窒化物の化学量論に起因して、さらにシリコン酸窒化物スペーサ１１４の非常な薄さによって、層内の様々な深さにおけるシリコン酸窒化物の正確な化学量論を区別するのは困難である。これまでの化学量論に関する開示は推定であって、かなり変化しうるものである。シリコン酸窒化物スペーサ１１４の組成は、Ｘ線フォトエレクトロン分光法によってある程度の正確性で決定することができる。Ｘ線フォトエレクトロン分光法は、数百オングストロームの厚みを持つ層の組成の違いを特定することが可能である。
【００２３】
当該技術分野において知られているように、シリコン酸窒化物の屈折率は化学量論に応じて変化する。従って、一実施形態において、シリコン欠乏の条件下でデポジションされたシリコン酸窒化物スペーサ１１４の一部は、約1.6から約1.9の範囲の屈折率を有する。ある実施形態において、シリコン欠乏の条件下でデポジションされたシリコン酸窒化物スペーサ１１４の一部は、約1.7の屈折率を有する。ある実施形態において、シリコン欠乏でない条件、または化学量論的なシリコンの条件下でデポジションされたシリコン酸窒化物スペーサ１１４の一部は、約1.95から約2.3の範囲の屈折率を有する。ある実施形態において、シリコン欠乏でない条件、または化学量論的なシリコンの条件下でデポジションされたシリコン酸窒化物スペーサ１１４の一部は、約2.1の屈折率を有する。
【００２４】
一実施形態では、半導体基板はバルクのシリコン基板である。ある実施形態では、半導体基板は、シリコン・オン・インシュレータ半導体基板である。他の実施形態では、半導体基板は、ｐ型にドープされたシリコン基板である。適切な半導体基板は、例えば、バルクのシリコン半導体基板、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）半導体基板、シリコン・オン・サファイア（ＳＯＳ）半導体基板、および当該技術分野において知られた他の材料から形成された半導体基板である。本発明は特定の半導体基板に限定されるものではない。
【００２５】
シリコン欠乏の条件下で半導体装置にシリコン酸窒化物絶縁膜を製造する方法
本発明は、さらに上述の半導体装置の製造方法に関する。従って、本発明は、金属ゲート電極とその上に形成されたシリコン酸窒化物絶縁膜を有する半導体装置の製造方法を含む。金属ゲート電極と絶縁膜の間の界面には、金属ゲート電極の金属と絶縁膜を形成するのに使われるシリコンとの反応によって形成される金属シリサイドは実質的に存在しない。
【００２６】
本発明では、シリコン酸窒化物はＰＥＣＶＤプロセスによって生成される。その際、ＰＥＣＶＤ装置に当初供給されるシリコンの量は不足当量（sub-stoichiometric）である。この不足当量のシリコン供給がシリコンの反応を「欠乏」させ、それによって「自由な」シリコンが余らなくなる。余分な「自由な」シリコンをなくすことによって、金属ゲート電極の金属と、シリコン酸窒化物形成のＰＥＣＶＤプロセスのシリコンとの反応によるシリサイドの形成をなくすことができる。従って、最初に形成されるシリコン酸窒化物は、ここでより完全に説明されるように、不足当量のシリコンを含んでいる。ＰＥＣＶＤ装置に相対的に「シリコンが欠乏した」シリコン供給を行うことによって、初期のシリコン酸窒化物層の形成は相対的にゆっくりである。
【００２７】
金属ゲート電極上にシリコン酸窒化物の初期層が形成された後、シリコン酸窒化物の形成速度を増加させ、形成されているシリコン酸窒化物層中のシリコンの量を増加させるように、ＰＥＣＶＤ装置に供給するシリコンの量を増やす。
【００２８】
一実施形態では、金属ゲート電極を備える半導体装置の製造方法は、半導体基板を用意するステップと、この半導体基板上に金属ゲート電極を形成するステップと、金属ゲート電極の表面上にシリコン酸窒化物スペーサをＰＥＣＶＤで形成するステップとを含み、シリコン酸窒化物スペーサは、最初にシリコンが欠乏した状態、すくなくとも一つのシリコン含有材料の量が、少なくとも一つの他の反応物質の量に対して相対的に少なくなるようにＰＥＣＶＤ装置に供給される状態において形成される。それによって、金属ゲート電極とシリコン酸窒化物スペーサとの界面にはシリサイドが実質的に形成されない。
【００２９】
他の実施形態においては、シリコン欠乏状態は、ＰＥＣＶＤ装置に、少なくとも一つのシリコン含有材料を当初は供給せずに、酸素含有材料および窒素含有材料を供給し、後から酸素含有材料および窒素含有材料に加えて、少なくとも一つのシリコン含有材料の第１量をＰＥＣＶＤ装置に供給することを含み、供給される少なくとも一つのシリコン含有材料の第１量は、シリコン酸窒化物のＰＥＣＶＤデポジションに関して、酸素含有材料および窒素含有材料に対して不足当量のシリコンを含む。
【００３０】
本発明の方法のさらに詳細な説明を以下で行う。本明細書に開示された特定の例は本発明を説明することを意図したものであり、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲を限定することを意図したものではない。
図６のステップ６０１に示す、本発明の方法の第１ステップにおいて、例えば図２に示すように半導体基板１０２が提供される。この半導体基板は、上述のように、当該技術分野において知られた、適切に選択された任意の半導体基板でよい。
【００３１】
図６のステップ６０２に示す、本発明の方法の第２ステップにおいて、ゲート絶縁膜１０８を半導体基板１０２の表面上に成長させる。ゲート絶縁膜１０８は当該技術分野で既知の任意の方法で成長させることができ、半導体装置上の金属ゲート電極とともに適切に使用可能な任意の材料を含む。ゲート絶縁膜１０８は、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、またはハフニウム酸化物（hafnium oxide）、イットリウム酸化物（yttrium oxide）、ランタン酸化物（lanthanum oxide）などの様々な既知の高Ｋ絶縁材料のうちの任意の一つ、もしくはそのような絶縁材料の組み合わせ、例えばハフニウム珪酸塩（hafnium silicate）を含む。適切な高Ｋ絶縁材料には、ハフニウム酸化物（HfO2）、ジルコニウム酸化物（ZrO2）、タンタル酸化物（Ta2O5）、チタン酸バリウム（BaTiO3）、二酸化チタン（TiO2）、セシウム酸化物（CeO2）、ランタン酸化物（La2O3）、タングステン酸化物（WO3）、イットリウム酸化物（Y2O3）、ビスマスシリコン酸化物（Bi4Si2O12）、バリウムストロンチウム酸化物（Ba1xSrxO3）、チタン酸バリウムストロンチウム（BST）（Ba1xSrxTiO3）、ＰＺＮ（PbZnxNbl-xO3）およびＰＳＴ（PbSexTal-xO3）を含む。前述の高Ｋ絶縁材料に加えて、他の高Ｋ絶縁材料、例えば高誘電性の高Ｋ絶縁材料、チタン酸鉛ジルコニウム（lead zirconium titanate）、チタン酸鉛ランタン（lead lanthanum titanate）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（strontium bismuth tantalate）、チタン酸ビスマス（bismuth titanate）、チタン酸ストロンチウム（strontium titanate）、チタン酸ジルコン酸鉛（lead zirconate titanate, PZT(PbZrxTil-xO3)）、チタン酸ハフニウムジルコニウム（barium zirconium titanate）などが本発明において適切に使用可能である。当該技術分野において知られた他の高Ｋ絶縁材料も使用可能である。
【００３２】
ゲート絶縁膜１０８は複数の層、例えば二酸化シリコンおよび窒化シリコン、または例えばＳＯＮＯＳタイプのデバイスにおける二酸化シリコン、窒化シリコンおよび二酸化シリコンのサンドイッチである“ＯＮＯ”層を含みうる。ＳＯＮＯＳタイプのデバイスは、例えばカルフォルニア州、サニーベイルのアドバンスド・マイクロ・デバイシズ社から商品名MIRROR-BIT（商標）で提供される。ゲートが金属ゲート電極であるときは、そのようなデバイスはＭＯＮＯＳタイプのデバイスと呼ばれる。
【００３３】
図２は、ゲート絶縁膜または複数の絶縁膜を付加した後、つまりステップ６０２の完了後における、初期の半導体装置１００を示す。図２には単一の絶縁膜１０８のみが示されているが、上述したように、ゲート絶縁膜１０８には複数の層を含めることが可能なことが理解される。
【００３４】
図６のステップ６０３に示す、本発明の方法の第３ステップにおいて、金属ゲート電極１１０が形成される。図３に示す実施形態において、金属ゲート電極は、適切な金属の金属層１１０を基板の表面上に与えることによって形成される。続いて、金属層１１０の一部がエッチングで取り除かれ、図４に示す金属ゲート電極１１０を形成する。
【００３５】
一実施形態において、金属は上述の金属群のうちの一つ、またはそれらの金属群のなかの２つ以上の混合物または合金、もしくはそれらの金属、混合物または合金の窒化物である。
【００３６】
ある実施形態では、金属ゲート電極１１０を、米国特許第６，０６６，５３３号に説明されているような方法で形成することができる。そこに説明されている方法は、フィールド酸化物にゲートボイド（void）を形成し、その後、そのゲートボイドを金属ゲート電極材料で充填することで金属ゲート電極を形成する。当該方法は、基板上に高Ｋゲート絶縁物をデポジションし、ゲート絶縁物上にフィールド酸化物層をデポジションすることを含む。当該方法は、フィールド酸化物層に第１、第２ゲートボイドを形成することを含む。第１材料を含む第１金属ゲート電極を第１ゲートボイドにデポジションする。同様に、第２材料を含む第２金属ゲート電極を第２ゲートボイドにデポジションする。本発明に従って、第２材料は、第１材料とは異なる材料である。一実施形態において、ゲート絶縁物は少なくとも２５の誘電率を持つことを特徴とする。一実施形態では、ゲート絶縁物は、例えばTiO2またはTa2O5から生成される。一実施形態において、複数の金属ゲート電極の少なくとも一つは、タングステン、チタン（Ti）、窒化チタン（TiN）、タンタル（Ta）、窒化タンタル（tantalum nitride）およびモリブデン（Mo）を含む材料群から選択された材料から生成される。
【００３７】
一実施形態では、金属ゲート電極１１０は米国特許第６，２２５，１６８号に説明されているような方法で形成することができる。それに説明されている方法では、基板上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上に窒化チタンまたは窒化タンタルのバリア層を形成し、窒化チタンまたは窒化タンタルのバリア層上に金属ゲート電極を形成する。このプロセスは、さらに金属ゲート電極のサイドウォールに近接した窒素含有スペーサを形成して、スペーサとバリア層とがゲート絶縁膜を基板に対して封止（シール）するようにするステップを含む。一実施形態において、‘１６８特許のプロセスは、下地のゲート絶縁膜およびバリア層上に金属層を形成するステップを含む。金属層および下地のゲート絶縁膜およびバリア層の一部が、例えばフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって除去され、金属ゲート電極を形成する。
【００３８】
他の実施形態において、‘１６８特許のプロセスは、犠牲プラグの使用による金属ゲート電極の形成を含む。そこに開示されているように、犠牲プラグの使用により、温度感応性の（temperature-sensitive）金属を用いた金属ゲート電極の形成が可能となる。この方法は、米国特許第６，０５１，４８７号により完全に説明されている。この’４８７特許は、一実施形態としてあるプロセスを説明しており、そのプロセスでは、基板上に犠牲プラグを形成し、犠牲プラグに近接した基板上に能動領域を形成することによって半導体装置が形成される。次に、犠牲プラグに近接した基板の部分上に一つの膜を形成する。この膜に対して、犠牲プラグは選択的に除去可能である。次に、犠牲プラグを膜に開口部を残して選択的に除去し、ゲート電極を開口部に形成する。犠牲プラグは、例えばポリシリコンおよび窒化物などの窒素を含む種を含む、いくつかの材料から生成することができる。ゲート電極は、例えば金属から形成可能である。
【００３９】
他の実施形態では、金属ゲート電極は、米国特許第６，１６２，６９４号に説明されているようなプロセスによって形成することができる。この特許のプロセスは、基板を形成するステップと、基板上にポリシリコンの整合（アライメント）構造を形成するステップとを含む。ソースおよびドレイン領域が基板に形成され、整合構造と位置合わせされる。整合構造とソースおよびドレイン領域を持つ基板とが、第１ラピッド・サーマル・アニールの対象となる。ＬＤＤ領域が基板に形成され、整合構造と位置合わせされる。整合構造および低濃度ドープされたドレイン領域（ＬＤＤ）を持つ基板とが第２ラピッド・サーマル・アニールの対象となる。ポリシリコンの整合構造は金属ゲート電極およびゲート絶縁膜で置き換えられる。上述の金属ゲート電極を形成するための方法は単なる例示であって、本発明の範囲を制限しようと意図したものではない。本発明の金属ゲート電極は、金属ゲート電極を形成するための当該技術分野において既知の任意の適切なプロセスによって作成可能である。
【００４０】
図３は、金属ゲート層１１０が層として形成される実施形態において、金属ゲート層１１０をゲート絶縁膜１０８の上に付着させた後、つまりステップＳ６０３の完了後、初期の半導体装置１００を示す。
【００４１】
図４は、金属ゲート電極１１０を形成するために、金属ゲート層および下地のゲート絶縁膜をエッチバックした後の初期の半導体装置１００を示す。もしくは、図４は、ゲート形成構造（二酸化シリコン層のような）が取り除かれた後、金属ゲート電極１１０が上述の代替の方法のうちの一つによって形成された後の、初期の半導体装置１００を示す。
【００４２】
図６にステップＳ６０４，Ｓ６０５およびＳ６０６として示す、本発明のプロセスの次のステップは、ＰＥＣＶＤ装置内で実行される。一実施形態では、これらのステップは、標準のＣＶＤプロセスによって、ＣＶＤ装置内で実行される。図４に示すように、金属ゲート電極１１０が初期の半導体装置１００上に形成された後、装置１００（または、より一般的に、装置１００が形成されるウェハ）が適切なＰＥＣＶＤ装置内に設置される。一実施形態では、金属ゲート層は、シリコン酸窒化層が形成される、同じＰＥＣＶＤ装置内で形成されるので、ウェハを移動させる必要がない。一実施形態では、ゲート絶縁膜１０８、金属ゲート層１１０およびシリコン酸窒化物層１１４はすべて同じＰＥＣＶＤ装置内で形成される。
【００４３】
図６のステップＳ６０４に示すように、ＰＥＣＶＤ装置内の初期の半導体装置１００を保持し、適切な温度において、酸素含有ガスの流れ、および窒素含有ガスの流れが装置に導入される。このステップＳ６０４は、シリコン含有ガスの存在を除く、ＰＥＣＶＤの条件を設定する。この時点ではＰＥＣＶＤ反応に利用可能なシリコン源が存在しないので、シリコン酸窒化物形成反応は起こらない。しかしながら、この条件は非常に反応性が高い、つまり高い温度で強い酸化性物質の流れがあるので、ステップＳ６０４の条件は約１０から約２０秒間保持され、一実施形態では約１５秒間保持される。一実施形態では、ＰＥＣＶＤ装置は、酸素および窒素含有ガスの流れを導入する前に、約２Ｔｏｒｒの圧力にまで排気される。
【００４４】
一実施形態では、酸素含有ガスは亜酸化窒素N2Oである。他の実施形態では、酸素含有ガスは酸素O2である。
一実施形態では、窒素含有ガスは窒素N2である。窒素は、ＰＥＣＶＤ装置内で搬送（キャリア）ガスとして働くので、追加の独立した搬送ガスの必要がなくなり、有利である。別の実施形態においては、当該技術分野において知られた、窒素以外の窒素含有ガスが用いられる。そのようなガスの例には、一酸化窒素NOが含まれる。
一実施形態では、窒素含有ガスはアンモニアではない。アンモニアは、その水素成分がシリコン酸化窒化物の水素成分に不所望に寄与するので、好ましくない。
【００４５】
図６の次のステップＳ６０５に示すように、シリコン含有ガスの第１量の流れがＰＥＣＶＤ装置に導入開始される。一実施形態では、ステップＳ６０５は、ステップＳ６０４が完了してから開始される。他の実施形態では、ステップＳ６０５はステップＳ６０４の完了後、実質的な遅延なしに開始される。シリコン含有ガスの流れは、図５に示すように、シリコン酸窒化物スペーサ層１１４の形成開始につながる。
【００４６】
ステップＳ６０５においてＰＥＣＶＤ装置に供給されるシリコン含有ガスの流れは、酸素含有ガスおよび窒素含有ガスのいずれかまたは両方の流れに基づいて、化学量論的な量よりも実質的に少ない。このようにシリコン含有ガスの流れを最初に制限する目的は、ＰＥＣＶＤ反応混合物のなかに余分のシリコンが存在するのを防止して、それによって金属シリサイドの形成を避けるためである。もしシリコン含有ガスの流れが最初に、化学量論的な量の近く、当量、またはそれよりも多く供給されると、金属シリサイドが金属ゲート電極の表面上または金属ゲート電極とシリコン酸窒化物スペーサ層１１４との間の界面に形成される。酸素および窒素含有ガスの量との関係で、不足当量のシリコンを供給することによって、金属ゲート電極１１０の表面上または金属ゲート電極１１０とシリコン酸窒化物スペーサ層１１４との間の界面に、実質的に金属シリサイドは形成されない。そのような金属シリサイドは、もし最初の利用可能な自由なシリコンの量が大きければ、金属ゲート電極１１０の金属とシリコン含有ガス中でＰＥＣＶＤ装置に供給されるシリコンとの間の反応で形成されうる。
【００４７】
ステップＳ６０５でＰＥＣＶＤ反応に供給されるシリコン含有ガスの量が非常に限定されているので、このステップでシリコン酸窒化物層１１４を形成する速度は低い。例えば、ステップＳ６０５において、この層の形成の初期段階では、シリコン酸窒化物のデポジション速度は毎秒約5から約50オングストロームの範囲であり、一実施形態では毎秒約25オングストロームである。この速度は、例えば300から1000オングストロームの厚さにまでSiON層を形成するためには、経済的であるとは考えられないだろう。
【００４８】
一実施形態では、シリコン含有ガスはシランSiH4である。他の実施形態では、シリコン含有ガスはジクロロシラン（dichlorosilane）である。ＴＥＯＳのようなシリコン含有材料も使用可能であるが、ＰＥＣＶＤプロセスによって形成されるシリコン酸窒化物スペーサ１１４中の水素を低いレベルに維持しておくのが望ましいときには、この材料の高いレベルの水素は望ましくないであろう。
【００４９】
図６の次のステップＳ６０６で示すように、ＰＥＣＶＤ装置に対するシリコン含有ガスの流れは、ステップＳ６０５で供給された量よりも増やされる。一実施形態では、ステップＳ６０６はステップＳ６０５が完了したときから開始される。他の実施形態では、ステップＳ６０６は、ステップＳ６０５の完了後、実質的な遅延なしに開始される。シリコン含有ガスの流れによって、図５に示すようにシリコン酸窒化物スペーサ層１１４がさらに形成される。一実施形態では、ステップＳ６０６の間、シリコン含有ガスの流れは、約２秒から約２０秒の範囲の時間で継続する。一実施形態では、この時間は、約３秒から約１０秒の範囲である。
【００５０】
シリコン含有ガスの流れが増える結果、シリコン酸窒化物の形成速度が増加する。一実施形態では、この速度は劇的に増加する。例えば、ステップＳ６０６において、この層のこの段階における形成は、シリコン酸窒化物のデポジション速度が毎秒約100から約150オングストロームの範囲まで増加しうる。一実施形態では、それは毎秒約125オングストロームである。この速度は、例えば300から1000オングストロームの厚さにまでSiON層を形成するのに、経済的であると考えられる。
【００５１】
一実施形態では、シリコン含有ガスの流れは、シリコン酸窒化物層が約200オングストロームから約1000オングストロームの厚さの範囲にデポジションされるまで継続する。他の実施形態においては、この厚さの範囲は、約250オングストロームから約750オングストロームである。また他の実施形態では、この厚さの範囲は、約300オングストロームから約600オングストロームである。さらに他の実施形態においては、この厚さは約400オングストロームである。
一実施形態では、ＰＥＣＶＤプロセスは、摂氏約300度から約600度の範囲の温度で実行される。
【００５２】
一実施形態において、シリコン酸窒化物スペーサ１１４のシリコン欠乏部分は、シリコン酸窒化物スペーサ１１４全体の厚さのうち約25%から約40%であり、ある実施形態ではそれは約33%である。上述したように、Ｘ線フォトエレクトロン分光法による判定およびシリコン酸化窒化物の屈折率判定のどちらかまたはその両方によって、シリコン酸窒化物スペーサ１１４のシリコン欠乏部分を、スペーサ１１４の残りの部分と区別することができる。
【００５３】
一実施形態において、シリコン酸窒化物スペーサ層１１４のデポジションに続いて、層１１４の金属ゲート電極１１０を超えて延びた部分が除去され、図１に示すシリコン酸窒化物スペーサ１１４を形成する。一実施形態では、層１１４の一部は、適切なフォトリソグラフィー、マスキングおよびエッチングのステップによって取り除かれる。もちろん、当該技術分野において知られた他の方法もシリコン酸窒化物層１１４のこれらの部分を除去するのに使用可能である。
【００５４】
金属ゲート電極１１０およびシリコン酸窒化物スペーサ１１４の形成の間、任意に選択した時点、または適切な時点で、初期の半導体装置１００は、図１に示すソースおよびドレイン１０４，１０６の形成のために適切なインプランテーション（注入）プロセスの対象となる。一実施形態では、インプランテーションは、金属ゲート電極１１０の形成の後、シリコン酸窒化物スペーサ１１４のデポジションの前に行われる。他の実施形態では、インプランテーションは、金属ゲート電極１１０の形成およびシリコン酸窒化物層１１４のデポジションの両方の後で行われる。また、他の実施形態では、図１のシリコン酸窒化物スペーサ１１４が形成される、シリコン酸窒化物層１１４の余り部分の除去プロセスの後で、インプランテーションが行われる。
【００５５】
金属ゲート電極１１０、シリコン酸窒化物スペーサ１１４およびソース・ドレイン１０４，１０６の形成が完了すると、図１に示す半導体装置１００が得られる。その後、半導体装置１００は、本発明のプロセスがその一部分である製造方法に適切に従って、さらに処理することができる。
【００５６】
本発明を特定の実施形態に関連して説明してきたが、上述の説明に照らして、多くの代替形態、変更形態、変形形態が当業者に明らかであることが明白である。従って、そのような代替実施形態および様々な変形形態における変更はすべて、添付の特許請求の範囲の精神および広範な範囲内のものとして包含することを意図するものである。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、金属ゲート電極とシリコン酸窒化物絶縁層との間の界面に、金属シリサイドを形成せず、または実質的に金属シリサイドを形成せずに、金属ゲート電極上にシリコン酸窒化物絶縁層を形成する方法を提供する。従って、本発明は金属ゲート電極上、または他の金属構造の上にシリコンを含む絶縁体層を形成する際に生じる従来技術の問題を解決し、不所望な金属シリサイドを形成しない。その結果、より小さな金属ゲート電極の寸法への要求に応えることができ、金属ゲート電極として金属の有効性を保つことができる。ここで開示した方法は既存の製造プロセスに簡単に導入することができ、従って再設計および再設備投資にかかる経費を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明に従った、金属ゲート電極およびシリコン酸窒化物スペーサの一実施形態を含む電界効果トランジスタの断面図。
【図２】本発明の一実施形態である、ゲート絶縁膜が付加された半導体基板の断面図。
【図３】本発明の一実施形態である、金属ゲート形成層が付加された半導体基板の断面図。
【図４】本発明の一実施形態である、金属ゲート電極を形成するための金属ゲート形成層およびゲート絶縁膜の一部を除去した後の半導体基板の断面図。
【図５】本発明の一実施形態である、シリコン酸窒化物層が付加された半導体基板の断面図。
【図６】本発明に従った、半導体装置の製造プロセスの基本ステップを示す流れ図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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