(57)【要約】【課題】スパッタターゲット中に含まれている酸素元素やスパッタ雰囲気中に残留している酸素元素を効率よく除去する。【解決手段】半導体基板上にゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜上に金属ゲート電極となる金属膜を形成する工程とを備え、金属膜は、炭素元素を含有した雰囲気中で金属膜と同じ金属からなる金属ターゲットをスパッタすることにより形成する。このとき、炭素元素は、スパッタ雰囲気中の酸素元素と結合し、炭酸ガスとなって排気されるので、金属膜中の酸素元素を低減することができる。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に金属ゲート電極となる金属膜を形成する工程とを備え、
前記金属膜は、炭素元素を含有した雰囲気中で前記金属膜と同じ金属からなる金属ターゲットをスパッタすることにより形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記雰囲気中の炭素元素は、酸素を含まない炭化水素の形態であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記炭化水素は、飽和鎖式炭化水素、不飽和鎖式炭化水素、飽和環式炭化水素、不飽和環式炭化水素であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記炭素元素は、前記金属ターゲットから生じる酸素元素と結合して炭酸ガスとして排気されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
半導体基板上にゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に金属ゲート電極となる金属膜を形成する工程とを備え、
前記金属膜は、前記金属膜と同じ金属からなる金属ターゲットに炭素元素を含有させたターゲットをスパッタすることにより形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記炭素元素は、前記金属ターゲットから生じる酸素元素と結合して炭酸ガスとして排気され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。
【請求項７】
前記金属ターゲットの炭素含有量は５００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下であ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。
【請求項８】
前記金属は、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）であることを特徴とする請求項１及び５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成された金属ゲート電極とを備え、
前記ゲート電極に含有する酸素元素の量は、３．０×１０18ｃｍ-3以下であることを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ゲート電極を備えた半導体装置とその製造方法に関し、特に、スパッタ法によって堆積する金属膜とよりなる金属ゲート電極の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳ型半導体装置の微細化に伴って、ＮＭＯＳトランジスタおよびＰＭＯＳトランジスタのゲート電極材料としてポリシリコンを共通として用いることから、ＮＭＯＳトランジスタにはＮ＋ポリシリコンを用い、ＰＭＯＳトランジスタには、Ｐ＋ポリシリコンが別個に用いられるようになった。しかし、更に微細化が進んだゲート長５０ｎｍ以下のトランジスタでは、ゲート絶縁膜厚は１ｎｍ以下となり、ポリシリコンゲート電極が空乏化し、実効的な電界が、ＣＭＯＳトランジスタ基板側に印加しにくくなるという問題点が顕著になる。
【０００３】
つまり、ゲート電極として一種類の材料（ポリシリコン）を用いた場合にはＰＭＯＳトランジスタにはＰ+ポリシリコンが、ＮＭＯＳトランジスタにＮ＋ポリシリコンが用いられているが、高融点金属の場合は一種類の金属では、ポリシリコンのように不純物を拡散することによって、ＣＭＯＳ回路のＰＭＯＳとＮＭＯＳトランジスタのしきい値をそれぞれ最適化することは難しい。
【０００４】
この対策として、空乏化が生じない電極、また、細線化しても低抵抗値が確保できる電極として高融点金属を用いた金属ゲート電極をＰＭＯＳトランジスタ、ＮＭＯＳトランジスタで別個に形成する必要がある。
【０００５】
更に、微細化の進んだ低消費電力型のＣＭＯＳ回路として、０．５Ｖ以下のしきい値を実現するためには、ＮＭＯＳ型トランジスタの場合のゲート電極の仕事関数は、４．３ｅＶ以下、ＰＭＯＳ型トランジスタの場合のゲート電極の仕事関数は、４．９ｅＶ以上が望ましい。従って、ＮＭＯＳ型トランジスタとＰＭＯＳ型トランジスタで、異なる金属を用いるデュアルゲート金属プロセスによって、ＣＭＯＳ型半導体装置は製造される。
【０００６】
従来の高融点金属を用いたゲート電極の形成方法として特許文献１がある。
【０００７】
特許文献１では、ゲート絶縁膜上にアルゴンガスと窒素ガスの混合ガスの雰囲気で、高融点金属からなるターゲットを用いてスパッタリングを行い、その後、不活性ガス（アルゴンガス）雰囲気中において高融点金属からなるターゲットを用いてスパッタリングを行うことが記載されている。
【特許文献１】特開２０００−３５３６７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＣＭＯＳ型半導体装置の微細化、高集積化、低電圧化、および、配線／ゲート電極の電気抵抗に起因する遅延時間の短時間化を実現するためには、半導体装置に含まれる配線、ゲート電極を低抵抗化することが必要である。また、後述するデュアルゲート金属電極構造を有するＣＭＯＳ回路では、金属ゲート電極の仕事関数の安定化が重要である。
【０００９】
しかしながら、上記のように、ゲート電極金属を従来より知られているスパッタ法によって、堆積すると、ゲート電極金属中には、スパッタターゲット中に含まれている酸素、スパッタ雰囲気中に残留している酸素が、ゲート電極金属中に取り込まれる。この取り込まれた酸素は、ゲート電極金属中で、金属と結合して酸素析出物（酸化物）を形成し、抵抗値の増大やゲート絶縁膜／ゲート電極金属界面の仕事関数の不安定性といった問題を引き起こしていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜上に金属ゲート電極となる金属膜を形成する工程とを備え、金属膜は、炭素元素を含有した雰囲気中で金属膜と同じ金属からなる金属ターゲットをスパッタすることにより形成されることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜上に金属ゲート電極となる金属膜を形成する工程とを備え、金属膜は、金属膜と同じ金属からなる金属ターゲットに炭素元素を含有させたターゲットをスパッタすることにより形成されることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成された金属ゲート電極とを備え、ゲート電極に含有する酸素元素の量は、３．０×１０18ｃｍ-3以下であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、スパッタターゲット中に含まれている酸素やスパッタ雰囲気中に残留している酸素を効率よく除去することができ、ゲート電極金属材料中の酸素析出数を低減化することができる。その結果、ゲート電極金属中で、金属と結合して形成される酸素析出物（酸化物）を低減化させ、抵抗値の増大の抑制やゲート絶縁膜／ゲート電極金属界面の仕事関数の不安定性の改善を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１〜図８は、デュアルゲート金属電極を含むＣＭＯＳ回路を形成する工程断面図である。
【００１６】
最初に、図１に示すように、Ｐ型シリコン基板１０１上に酸化物分離領域１０２によって素子分離を行った後、ダミーゲート酸化膜１０５を厚さ５ｎｍで堆積後、厚さ６０ｎｍのシリコン窒化膜をプラズマ化学気相成長法によって堆積する。そして、フォトリソグラフィーとドライエッチングによるパターニングを行い、Ｎウェル１０３上にダミーゲート電極構造１０８を有するＰＭＯＳトランジスタ１０６を、Ｐウェル１０４上にダミーゲート電極構造１０９を有するＮＭＯＳトランジスタ１０７を形成する（ここで、ダミーゲート酸化膜１０５は、ドライエッチング時によって除去しても除去しなくともよい。）。このダミーゲート電極構造１０８、１０９は、後で除去できるようにシリコン窒化膜で形成する。そして、ＰＭＯＳトランジスタ１０６のチャネル部には所定のリンイオン注入を行う、また、ＮＭＯＳトランジスタ１０７のチャネル部には所定のボロンイオン注入を行うことによって、しきい値を制御する。
【００１７】
また、ダミーゲート電極構造１０８、１０９を形成後、ソースおよびドレイン接合を加速エネルギー１０〜２０ｋｅＶ、１〜５×１０15ｃｍ-2のＢＦ2注入、および加速エネルギー１〜５ｋｅＶ、１〜５×１０15ｃｍ-2のＡｓ注入を注入することによって、ソース・ドレイン１１０を形成する。
【００１８】
次に、図２に示すように、厚さ１００ｎｍの酸化膜層１１１をプラズマ化学気相成長法によって堆積する。
【００１９】
そして、図３に示すように、ＣＭＰ研磨を行い、シリコン窒化膜よりなるダミーゲート電極構造１０８、１０９の上面を露出させる。
【００２０】
その後、図４に示すように、加熱したリン酸によってシリコン窒化膜よりなるダミーゲート電極構造１０８、１０９を除去した後、フッ酸によって、ダミーゲート酸化膜１０５を除去する。
【００２１】
次に、図５に示すように、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）よりなる高誘電率薄膜１１２をプラズマ化学気相成長法によって、厚さ５ｎｍ堆積した後、Ｎウェル１０３上のＰＭＯＳトランジスタ１０６をフォトレジスト１１４によって覆った後、第一の金属ゲート電極材料であるプラチナ１１３をスパッタ法により堆積する。
【００２２】
次に、図６に示すように、ＰＭＯＳトランジスタ１０６とＮＭＯＳトランジスタ１０７に高誘電率ゲート絶縁膜カップと金属ゲート電極を形成する。フォトレジスト１１４を除去し、Ｐウェル１０４上のＮＭＯＳトランジスタ１０７上のプラチナ１１３をフォトリソ工程とドライエッチングによって、ゲート電極パターニング加工を行った後、窒素雰囲気中で７００℃、３０分の熱処理を行う。
【００２３】
次に、図７に示すように、Ｎウェル１０３上のＰＭＯＳトランジスタ１０６の金属ゲート電極の第２の金属ゲート電極材料であるハフニウム１１５をスパッタ法によって堆積する。このハフニウム１１５は、ＣＭＰ研磨によってＰＭＯＳトランジスタのカップ内に金属電極として形成する。
【００２４】
次に、図８に示すように、高誘電率ゲート絶縁膜カップ以外の高誘電率薄膜１１２、第２の金属ゲート電極材料であるハフニウム１１５をＣＭＰ研磨によって除去する。そして、層間絶縁膜１１７にタングステンプラグ１１６を形成する。
【００２５】
次に、本発明の金属ゲート電極の形成方法について説明する。
【００２６】
（第一の実施の形態）
図９は、本発明の第一の実施の形態である半導体装置の製造方法を示す図である。ターゲットは、不純物として、Ｃ（炭素）を３０ｐｐｍ、Ｏ（酸素）を５００ｐｐｍ（重量含有率）を含むＨｆ（ハフニウム）ターゲット１２１である。このターゲットサイズは１２インチである。スパッタ条件は、直流スパッタ法において、圧力０．４Ｐａ、投入電力は８ｋＷで行った。図７で説明したハフニウム１１５をスパッタ法により堆積させるときには、図９に示すように、Ａｒ（アルゴン）イオン１２３が、Ｈｆ（ハフニウム）ターゲット１２１に衝突し、Ｈｆ原子１２５を飛散させ、半導体基板１２２上にＨｆ薄膜を堆積させる。ここで、スパッタ雰囲気ガスは、Ａｒ雰囲気にＣＨ4を添加（９９．５％−Ａｒ＋０．５％−ＣＨ4）したものである。このＣＨ4（エタン）１２４は、雰囲気ガス中に含まれるＨｆターゲット１２１から生じたＯ（酸素原子）と結合し、安定な炭酸ガスの形態であるＣＯ2（二酸化炭素）となる。そして、このＣＯ2（二酸化炭素）１２６は、スパッタ雰囲気である真空槽の外へと排気される。
【００２７】
ここで、酸素元素との結合エネルギーを図１０に示す。図１０には、Ｃ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｏの元素と酸素（Ｏ）元素間における結合エネルギーを示している。これより、Ｃ−Ｏ結合が最も安定なことが分かる。つまり、スパッタ雰囲気中にＣＨ4を添加することによって、スパッタ雰囲気中に含まれるＯ原子は、Ｈｆ−Ｏのような形で、堆積膜中に取り込まれるのではなく、Ｃ−Ｏの形態、更には、より安定なＣＯ2の形態で排気される。
【００２８】
図１１は、ＳＩＭＳ分析によるＨｆ膜中の酸素元素濃度を示す図である。ＳＩＭＳ分析を行った試料は、シリコン基板上に膜厚１２０ｎｍのＨｆ膜を形成したものである。横軸は、試料表面からの深さを示し、縦軸左側は、酸素元素濃度を示し、縦軸右側は、シリコン元素の強度を示している。ここで、試料は２種類ある。試料Ａは、本実施の形態で説明したＡｒにＣＨ4を添加した雰囲気（９９．５％−Ａｒ＋０．５％−ＣＨ4）においてＨｆ膜を形成したものである。また、試料Ｂは、Ａｒ雰囲気中（１００％−Ａｒ）においてＨｆ膜を形成したものである。試料Ｂでは、１．５×１０20ｃｍ-3の酸素（Ｏ）が含まれているのに対して、本発明のスパッタ法で形成した試料Ａでは、３．０×１０18ｃｍ-3以下と２桁も低い酸素元素（Ｏ）の含有量である。ここで、ＳＩＭＳ法によって酸素元素の定量測定下限値は、およそ３．０×１０18ｃｍ-3であるため、実際の濃度は、このＳＩＭＳ法の酸素元素の定量測定下限値以下であると考えられる。
【００２９】
以上により、本発明の半導体装置の製造方法によって、Ｈｆ膜中の酸素元素濃度を５０分の１以下に減少させることができることがわかった。その結果、Ｈｆをゲート電極金属材料とした場合、熱処理後の酸素析出数を低減化することができ、ゲート金属電極を低抵抗化、抵抗および仕事関数の安定化を実現することができる。
【００３０】
なお、本実施の形態では、スパッタ雰囲気に炭素元素を含有させるものであるが、残留炭素（Ｃ）を指すものではない。反応雰囲気に外部から炭素元素を導入することにより、スパッタ雰囲気中に炭素元素を含有させるものである。
【００３１】
なお、本実施の形態では、スパッタ雰囲気にＣＨ4を添加したが、ＣＨ4の代わりに飽和鎖式炭化水素、不飽和鎖式炭化水素、飽和環式炭化水素、不飽和環式炭化水素などの炭化水素であればよい。
【００３２】
なお、本実施の形態では、スパッタ雰囲気は、Ａｒ（アルゴン）としたが、酸素を含まない雰囲気であればよい。例えば、Ｔｉ（チタニウム）ターゲットをＡｒ＋Ｎ2（アルゴン＋窒素）雰囲気中で、スパッタしてＴｉＮ（窒化チタニウム）膜を形成するようにＮ2（窒素）雰囲気にも適用できる。
【００３３】
なお、本実施の形態では、ハフニウム（Ｈｆ）を用いたが、ハフニウム（Ｈｆ）の代わりにタングステン（Ｗ）またはタンタル（Ｔａ）を用いてもよい。
【００３４】
（第二の実施の形態）
図１２は、本発明の第二の実施の形態である半導体装置の製造方法を示す図である。ターゲットは、不純物として、Ｃ（炭素）を１０００ｐｐｍ、Ｏ（酸素）を５００ｐｐｍ（重量含有率）を含むＨｆ（ハフニウム）ターゲット２２１である。第一の実施の形態のＨｆターゲット１２１と比較してＣ（炭素）を１０００ｐｐｍと非常に多く含有していることが特徴である。このターゲットサイズは１２インチである。スパッタ条件は、直流スパッタ法において、Ａｒ雰囲気、圧力０．４Ｐａ、投入電力は８ｋＷで行った。図７で説明したハフニウム１１５をスパッタ法により堆積させるときには、図１２に示すように、Ａｒ（アルゴン）イオン２２３が、Ｈｆ（ハフニウム）ターゲット２２１に衝突し、Ｈｆ原子２２５を飛散させ、半導体基板２２２上にＨｆ薄膜を堆積させる。ここで、本第二の実施の形態では、Ｈｆターゲット２２１中のＣの含有率は１０００ｐｐｍであり、通常値の３０ｐｐｍ(重量比)と比較して、Ｃの含有量を意図的に増加させている。このターゲット中の炭素は、Ａｒ元素にスパッタされてターゲットから半導体基板表面に移動する過程で、酸素元素と結合し、安定な炭酸ガスの形態であるＣＯ2（二酸化炭素）となる。そして、このＣＯ2（二酸化炭素）２２６は、スパッタ雰囲気である真空槽の外へと排気される。
【００３５】
ここで、酸素元素との結合エネルギーを図１０に示す。図１０には、Ｃ、Ｆｅ、Ｈｆ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｏの元素と酸素（Ｏ）元素間における結合エネルギーを示している。これより、Ｃ−Ｏ結合が最も安定なことが分かる。つまり、ターゲット中にＣ（炭素）を１０００ｐｐｍ含有させることによって、スパッタ雰囲気中に含まれるＯ原子は、Ｈｆ−Ｏのような形で、堆積膜中に取り込まれるのではなく、Ｃ−Ｏの形態、更には、より安定なＣＯ2の形態で排気される。
【００３６】
図１３は、ＳＩＭＳ分析によるＨｆ膜中の酸素元素濃度を示す図である。ＳＩＭＳ分析を行った試料は、シリコン基板上に膜厚１２０ｎｍのＨｆ膜を形成したものである。横軸は、試料表面からの深さを示し、縦軸左側は、酸素元素濃度を示し、縦軸右側は、シリコン元素の強度を示している。ここで、試料は２種類ある。試料Ａは、本実施の形態で説明したＣ（炭素）を１０００ｐｐｍ含有するターゲットを用いてＨｆ膜を形成したものである。試料Ｂは、Ｃ（炭素）を３０ｐｐｍ含有するターゲットを用いてＨｆ膜を形成したものである。試料Ｂでは、１．５×１０20ｃｍ-3の酸素（Ｏ）が含まれているのに対して、本発明のスパッタ法で形成した試料Ａでは、３．０×１０18ｃｍ-3以下と２桁も低い酸素元素（Ｏ）の含有量である。ここで、ＳＩＭＳ法によって酸素元素の定量測定下限値は、およそ３．０×１０18ｃｍ-3であるため、実際の濃度は、このＳＩＭＳ法の酸素元素の定量測定下限値以下であると考えられる。
【００３７】
以上により、本発明の半導体装置の製造方法によって、Ｈｆ膜中の酸素元素濃度を５０分の１以下に減少させることができることがわかった。その結果、Ｈｆをゲート電極金属材料とした場合、熱処理後の酸素析出数を低減化することができ、ゲート金属電極を低抵抗化、抵抗および仕事関数の安定化を実現することができる。
【００３８】
なお、本実施の形態は、ターゲットに炭素元素を含有させるものであるが、通常のターゲットに含まれる不純物レベルの微量な炭素元素を指すものではない。スパッタ雰囲気中に含まれる酸素元素を十分に除去することができる炭素元素をターゲット金属内に含有させるものである。
【００３９】
なお、ターゲット中の炭素含有量は５００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下であればスパッタ雰囲気中の酸素と結合し十分に炭酸ガスとして排気できる。
【００４０】
なお、本実施の形態では、ハフニウム（Ｈｆ）を用いたが、ハフニウム（Ｈｆ）の代わりにタングステン（Ｗ）またはタンタル（Ｔａ）を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
スパッタ法によって堆積する金属ゲート電極の形成方法において、金属と結合して形成される酸素析出物（酸化物）を低減化させ、抵抗値の増大の抑制やゲート絶縁膜／ゲート電極金属界面の仕事関数の不安定性の改善を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】デュアルゲート金属電極を含むＣＭＯＳ回路を形成する工程断面図
【図２】デュアルゲート金属電極を含むＣＭＯＳ回路を形成する工程断面図
【図３】デュアルゲート金属電極を含むＣＭＯＳ回路を形成する工程断面図
【図４】デュアルゲート金属電極を含むＣＭＯＳ回路を形成する工程断面図
【図５】デュアルゲート金属電極を含むＣＭＯＳ回路を形成する工程断面図
【図６】デュアルゲート金属電極を含むＣＭＯＳ回路を形成する工程断面図
【図７】デュアルゲート金属電極を含むＣＭＯＳ回路を形成する工程断面図
【図８】デュアルゲート金属電極を含むＣＭＯＳ回路を形成する工程断面図
【図９】本発明の第一の実施の形態のスパッタ法の説明図
【図１０】元素間の結合エネルギーを示す図
【図１１】本発明の第一の実施の形態のＳＩＭＳ分析によるＨｆ膜中のＯ濃度分布を示す図
【図１２】本発明の第二の実施の形態のスパッタ法の説明図
【図１３】本発明の第二の実施の形態のＳＩＭＳ分析によるＨｆ膜中のＯ濃度分布を示す図
【符号の説明】
【００４３】
１０１  Ｐ型シリコン基板
１０２  酸化物分離領域
１０３  Ｎウェル
１０４  Ｐウェル
１０５  ダミーゲート酸化膜
１０６  ＰＭＯＳトランジスタ
１０７  ＮＭＯＳトランジスタ
１０８  ダミーゲート電極構造
１０９  ダミーゲート電極構造
１１０  ソース・ドレイン
１１１  酸化膜層
１１２  高誘電率薄膜
１１３  プラチナ
１１４  フォトレジスト
１１５  ハフニウム
１１６  タングステンプラグ
１１７  層間絶縁膜
１２１  Ｈｆターゲット
１２２  半導体基板
１２３  Ａｒイオン
１２４  ＣＨ4
１２５  Ｈｆ原子
１２６  ＣＯ2
２２１  Ｈｆターゲット
２２２  半導体基板
２２３  Ａｒイオン
２２５  Ｈｆ原子
２２６  ＣＯ2
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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