(57)【要約】【課題】ゲート電極をその下のゲート絶縁膜から保護するための方法、および対応するトランジスタ構造を提供すること。【解決手段】  本発明の方法は、チャネル領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート絶縁膜上に、５ナノメータ（ｎｍ）未満の厚みを有する第１金属バリアを形成する工程と、第１金属バリア上に、１０ｎｍより大きい厚みを有する第２金属ゲート電極を形成する工程と、第２金属ゲート電極の金属にのみ応答するゲート電極仕事関数を確立する工程とを含む。第２金属ゲート電極は、ｐ＋ポリ、ｎ＋ポリ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、ＲｕＯ２、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｖ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、ＮｂＯ、Ｐｄ、Ｍｏ、ＴａＳｉＮおよびＮｂなどの元素金属、ならびにＷＮ、ＴａＮおよびＴｉＮなどの２価金属の１つであり得る。第１の金属バリアはＴａＮ、ＴｉＮまたはＷＮなどの２価金属であり得る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応性金属ゲート電極を有するＭＯＳＦＥＴにおいて該ゲート電極を該ゲート電極の下のゲート絶縁膜から保護する方法であって、
チャネル領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
該ゲート絶縁膜上に第１の金属バリアを形成する工程と、
該第１の金属バリア上に第２の金属ゲート電極を形成する工程と、
該第２の金属ゲート電極の金属にのみ応答するゲート電極仕事関数を確立する工程と、
を含む方法。
【請求項２】
前記第１の金属バリアを形成する工程が、約５ナノメータ（ｎｍ）未満の厚みを有する第１の金属バリアを形成する工程を含み、
前記第２の金属ゲート電極を形成する工程が、約１０ｎｍより大きい厚みを有する第２の金属ゲート電極を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の金属バリアを形成する工程が、１．５ｎｍより大きく５ｎｍ未満の厚みを有する第１の金属バリアを形成する工程を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第２の金属ゲート電極を形成する工程が、ｐ＋ポリ、ｎ＋ポリ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、ＲｕＯ２、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｖ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、ＮｂＯ、Ｐｄ、Ｍｏ、ＴａＳｉＮおよびＮｂを含む元素金属、ならびにＷＮ、ＴａＮおよびＴｉＮを含む２価金属を含む群より選択される材料から前記第２の金属ゲート電極を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を形成する工程が、ＳｉＯ２；ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＨｆＡｌＯｘおよびＨｆＡｌＯＮを含むｋ値の高い誘電体；２価金属、３価金属、ならびに窒化金属酸化物を含む群より選択される材料から前記ゲート絶縁膜を形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の金属バリアを形成する工程が、ＴａＮ、ＴｉＮおよびＷＮを含む２価金属を含む群より選択される材料から前記第１の金属バリアを形成する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第２の金属ゲート電極を形成する工程が、高い仕事関数を有する第２の金属ゲート電極を形成する工程を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記高い仕事関数を有する第２の金属ゲート電極を形成する工程が、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｒｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、ＲｕＯ２、ｐ＋ポリ、Ｐｄ、ＭｏおよびＴａＳｉＮを含む元素金属、ならびにＴａＮ、ＷＮおよびＴｉＮを含む２価金属を含む群より前記第２の金属ゲート電極の金属を選択する工程を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第２の金属ゲート電極を形成する工程が、低い仕事関数を有する第２の金属ゲート電極を形成する工程を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記低い仕事関数を有する第２の金属ゲート電極を形成する工程が、Ａｌ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖ、Ｉｒ、ｎ＋ポリ、Ｗ、Ｔｉ、ＴａおよびＮｂＯを含む元素金属、ならびにＴａＮ、ＴｉＮおよびＷＮを含む２価金属を含む群より前記第２の金属ゲート電極の金属を選択する工程を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２の金属ゲート電極の金属にのみ応答するゲート電極仕事関数を確立する工程が、閾値電圧（Ｖｔｈ）を確立する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記ゲート絶縁膜上に第１の金属バリアを形成する工程が、該第１の金属バリアによって前記ゲート絶縁膜から前記第２の金属ゲート電極への酸素の移動を阻止する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ゲート絶縁膜上に第１の金属バリアを形成する工程が、該第１の金属バリアによってｐ＋ポリゲート電極から前記ゲート絶縁膜へのボロンの移動を阻止する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
反応性金属ゲート電極を有するＭＯＳＦＥＴトランジスタであって、
チャネル領域と、
該チャネル領域上に設けられたゲート絶縁膜上と、
該ゲート絶縁膜上に設けられた第１の金属バリアと、
該第１の金属バリア上に設けられた第２の金属ゲート電極であって、該第２の金属ゲート電極の金属にのみ応答するゲート電極仕事関数を有する第２の金属ゲート電極と、
を備えたトランジスタ。
【請求項１５】
前記第１の金属バリアが、約５ナノメータ（ｎｍ）未満の厚みを有し、
前記第２の金属ゲート電極が、約１０ｎｍより大きい厚みを有する、
請求項１４に記載のトランジスタ。
【請求項１６】
前記第１の金属バリアが、１．５ｎｍより大きく５ｎｍ未満の厚みを有する、請求項１５に記載のトランジスタ。
【請求項１７】
前記第２の金属ゲート電極が、Ｗ、Ｔａ、Ｒｅ、ＲｕＯ２、ｐ＋ポリ、ｎ＋ポリ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｖ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、ＮｂＯ、Ｐｄ、Ｍｏ、ＴａＳｉＮおよびＮｂを含む元素金属、ならびにＷＮ、ＴａＮおよびＴｉＮを含む２価金属を含む群より選択される材料から形成されている、請求項１４に記載のトランジスタ。
【請求項１８】
前記ゲート絶縁膜が、ＳｉＯ２；ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＨｆＡｌＯｘおよびＨｆＡｌＯＮを含むｋ値の高い誘電体；２価金属、３価金属、ならびに窒化金属酸化物を含む群より選択される材料から形成されている、請求項１４に記載のトランジスタ。
【請求項１９】
前記第１の金属バリアが、ＴａＮ、ＴｉＮおよびＷＮを含む２価金属を含む群より選択される材料から形成されている、請求項１４に記載のトランジスタ。
【請求項２０】
前記第２の金属ゲート電極が高い仕事関数を有する、請求項１９に記載のトランジスタ。
【請求項２１】
前記第２の金属ゲート電極が、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｒｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、ＲｕＯ２、ｐ＋ポリ、Ｐｄ、ＭｏおよびＴａＳｉＮを含む元素金属、ならびにＴａＮ、ＷＮおよびＴｉＮを含む２価金属を含む群より選択される材料から形成されている、請求項２０に記載のトランジスタ。
【請求項２２】
前記第２の金属ゲート電極が低い仕事関数を有する、請求項１９に記載のトランジスタ。
【請求項２３】
前記第２の金属ゲート電極が、Ａｌ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖ、Ｉｒ、ｎ＋ポリ、Ｗ、Ｔｉ、ＮｂＯおよびＴａを含む元素金属、ならびにＴａＮ、ＴｉＮおよびＷＮを含む２価金属を含む群より選択される材料から形成されている、請求項２２に記載のトランジスタ。
【請求項２４】
前記第２の金属ゲート電極のゲート電極仕事関数に応答する閾値（Ｖｔｈ）を有する、請求項１４に記載のトランジスタ。
【請求項２５】
前記第１の金属バリアが、前記ゲート絶縁膜から前記第２の金属ゲート電極への酸素の移動を阻止する、請求項１４に記載のトランジスタ。
【請求項２６】
前記第１の金属バリアが、ｐ＋ポリゲート電極から前記ゲート絶縁膜へのボロンの移動を阻止する、請求項１４に記載のトランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概してＣＭＯＳ製造プロセスに関し、特に、金属ゲート電極を保護する金属バリアを有する積層金属構造体であってゲート電極の仕事関数に影響を与えない積層金属構造体を用いるＣＭＯＳ製造デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、Ｇａｏらによって発明され、２００３年１月１５日に出願された米国特許出願シリアル番号第１０／３４５，７４４号（発明の名称「ＭＯＳＦＥＴ  ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ  ＶＯＬＴＡＧＥ  ＴＵＮＩＮＧ  ＷＩＴＨ  ＭＥＴＡＬ  ＧＡＴＥ  ＳＴＡＣＫ  ＣＯＮＴＲＯＬ」）の一部継続出願を優先権主張の基礎とする。
【０００３】
相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）回路内のＮＭＯＳおよびＰＭＯＳコンポーネントの閾値電圧（Ｖｔｈ）は主に速度、スタンドバイ電流、および動作電流の性能特性を支配する。Ｖｔｈは「オン」電流を最大にし且つ「オフ」電流を最小にするように設定されなければならない。これは通常回路設計と適用目的とによって決定されるトレードオフである。典型的にはＶｔｈはＶｔｈ調整インプラントで、トランジスタのチャネル領域内のドーピングレベルを微調整することによって調整される。トランジスタのフィーチャサイズがますます小型化するにつれ、短いチャネルの影響を最小限にし且つ注入およびアニールによるパンチスルーおよびドレイン誘導バリアの低下を抑えようとする努力がなされているが、それが結果的にデバイス速度に限界を与えてしまう。
【０００４】
Ｖｔｈを調整する別の方法によると、ゲートの仕事関数を制御することができる。これは通常インプラントをゲートポリシリコンに挿入することにより行われる。ゲートポリシリコン中では、ドナータイプのドーパントがＮＭＯＳ用ゲート内に入れられ、アクセプタタイプのドーパントがＰＭＯＳゲート内に入れられる。しかしドープされたポリシリコンゲートを用いることにより別の問題が起こる。ゲート電極を介してチャネルにドーパントが拡散することによりゲート誘電体近傍のＶｔｈポリシリコン空乏が影響を受け、トランジスタの性能に限界を与える。
【０００５】
ドープされたポリシリコンは過去数世代に亘るマイクロエレクトロニクス技術において適切なゲート材料として選択されてきた。Ｖｔｈの低いデバイス（高性能に必要）を達成するために、ｐ＋ポリがＰＭＯＳに用いられｎ＋ポリがＮＭＯＳに用いられている。デバイスが小型化すると、ポリ−Ｓｉゲートの厚みが低減する。数世代に亘って、低いシート抵抗および大きな有効酸化物容量を維持するためには（すなわちポリ空乏の影響を最小にするためには）ポリドープ密度を増加することが必要であるとされてきた。このことにより、ゲートポリからのボロン（Ｂ）が薄いゲート誘電体およびチャネルに拡散するというチャネルオートドーピングの問題が起こり、デバイス性能を劣化させるＶｔｈばらつきが起こっている。
【０００６】
この拡散またはオートドーピングの問題は金属ゲート材料を用いることによって取り組まれている。金属ゲート技術によると、ＮおよびＰ  ＭＯＳＦＥＴにとって適切な仕事関数を有する材料の選択が必要となる。仕事関数とはフェルミレベルから真空に電子を除去するために必要なエネルギーである。仕事関数は材料および金属の種類によって異なる。ＮＭＯＳとＰＭＯＳとでは仕事関数要件が異なるため、金属材料は典型的には異なる。従ってＣＭＯＳ回路にはｐ＋およびｎ＋ポリＳｉに対応する仕事関数を有するデュアル金属が必要となる。
【０００７】
しかしＮＭＯＳゲートとＰＭＯＳゲートとに全く異なる金属材料を用いると、更なる製造工程が必要となり複雑になって望ましくない。
【０００８】
多くの所望のゲート金属材料は、ＳｉＯ２、またはＨｆＯ２またはＺｒＯ２などの高いｋ値を有するゲート誘電体に接触して設けられた場合、付着性および／または安定性の問題を有することが示されている。例えば、ＰｔはＳｉＯ２には良好には付着せず、Ｔｉ、ＨｆまたはＺｒはＯを除去してその下の誘電膜を低減させ、劣化を引き起こし且つリークを増大させることが知られている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記拡散および付着性の問題はゲート電極拡散バリアを用いて解決することが望ましい。
【００１０】
金属ゲート電極の仕事関数に貢献しないゲート電極拡散バリアを用い得ることが望ましい。
【００１１】
ゲート電極拡散バリアが導電性でありゲート積層体の容量に貢献しないことが望ましい。
【００１２】
上記したように、ＭＯＳ製造プロセスにおいて金属ゲートが必要である。従来金属は、ＳｉＯ２またはｋ値の高い誘電体などのゲート誘電体と直接接するように設けられていた。金属と誘電体との反応性が酸素の除去につながり得るため、ゲート電極金属とゲート誘電体との直接接触は付着性および安定性の問題を引き起こし得る。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、金属領域とその下の誘電体との間の付着性を向上させる薄い界面層またはバリアを用いることを開示する。層はさらに反応性を低減するバリア層としても作用する。薄い界面金属は、その厚みが薄い限り、トランジスタのＶｔｈに影響を与えることはない。バリア／層は金属であるため、ゲートの抵抗および容量は悪影響を受けない。
【００１４】
従ってゲート電極をその下のゲート絶縁膜から保護する方法が提供される。この方法は、チャネル領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上に、５ナノメータ（ｎｍ）未満の厚みを有する第１の金属バリアを形成する工程と、該第１の金属バリア上に、１０ｎｍより大きい厚みを有する第２の金属ゲート電極を形成する工程と、該第２の金属ゲート電極の金属にのみ応答するゲート電極仕事関数を確立する工程とを含む。
【００１５】
第２の金属ゲート電極は以下の材料の１つであり得る：ｐ＋ポリ、ｎ＋ポリ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、ＲｕＯ２、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｖ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、ＮｂＯ、Ｐｄ、Ｍｏ、ＴａＳｉＮおよびＮｂなどの元素金属、ならびにＷＮ、ＴａＮおよびＴｉＮなどの２価金属。第２の金属電極は、ゲート電極金属の選択に応じて、高い仕事関数と低い仕事関数のいずれかを有し得る。ゲート絶縁膜は以下の材料の１つであり得る：ＳｉＯ２；ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＨｆＡｌＯｘまたはＨｆＡｌＯＮなどのｋ値の高い誘電体；および２価金属、３価金属、または窒化金属酸化物。第１の金属バリアはＴａＮ、ＴｉＮまたはＷＮなどの２価金属であり得る。
【００１６】
第１の金属バリアはゲート絶縁膜から第２の金属ゲート電極への酸素の移動を阻止する。ゲート電極がｐ＋ポリ材料である場合、第１の金属バリアはｐ＋ポリゲート電極からゲート絶縁膜へのＢの移動を阻止することができる。
【００１７】
本発明による、反応性金属ゲート電極を有するＭＯＳＦＥＴにおいて該ゲート電極を該ゲート電極の下のゲート絶縁膜から保護する方法は、チャネル領域上にゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲート絶縁膜上に第１の金属バリアを形成する工程と、該第１の金属バリア上に第２の金属ゲート電極を形成する工程と、該第２の金属ゲート電極の金属にのみ応答するゲート電極仕事関数を確立する工程とを含み、それにより上記目的が達成される。
【００１８】
一実施形態において、前記第１の金属バリアを形成する工程が、約５ナノメータ（ｎｍ）未満の厚みを有する第１の金属バリアを形成する工程を含み、前記第２の金属ゲート電極を形成する工程が、約１０ｎｍより大きい厚みを有する第２の金属ゲート電極を形成する工程を含む。
【００１９】
一実施形態において、前記第１の金属バリアを形成する工程が、１．５ｎｍより大きく５ｎｍ未満の厚みを有する第１の金属バリアを形成する工程を含む。
【００２０】
一実施形態において、前記第２の金属ゲート電極を形成する工程が、ｐ＋ポリ、ｎ＋ポリ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、ＲｕＯ２、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｖ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、ＮｂＯ、Ｐｄ、Ｍｏ、ＴａＳｉＮおよびＮｂを含む元素金属、ならびにＷＮ、ＴａＮおよびＴｉＮを含む２価金属を含む群より選択される材料から前記第２の金属ゲート電極を形成する工程を含む。
【００２１】
一実施形態において、前記チャネル領域上にゲート絶縁膜を形成する工程が、ＳｉＯ２；ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＨｆＡｌＯｘおよびＨｆＡｌＯＮを含むｋ値の高い誘電体；２価金属、３価金属、ならびに窒化金属酸化物を含む群より選択される材料から前記ゲート絶縁膜を形成する工程を含む。
【００２２】
一実施形態において、前記第１の金属バリアを形成する工程が、ＴａＮ、ＴｉＮおよびＷＮを含む２価金属を含む群より選択される材料から前記第１の金属バリアを形成する工程を含む。
【００２３】
一実施形態において、前記第２の金属ゲート電極を形成する工程が、高い仕事関数を有する第２の金属ゲート電極を形成する工程を含む。
【００２４】
一実施形態において、前記高い仕事関数を有する第２の金属ゲート電極を形成する工程が、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｒｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、ＲｕＯ２、ｐ＋ポリ、Ｐｄ、ＭｏおよびＴａＳｉＮを含む元素金属、ならびにＴａＮ、ＷＮおよびＴｉＮを含む２価金属を含む群より前記第２の金属ゲート電極の金属を選択する工程を含む。
【００２５】
一実施形態において、前記第２の金属ゲート電極を形成する工程が、低い仕事関数を有する第２の金属ゲート電極を形成する工程を含む。
【００２６】
一実施形態において、前記低い仕事関数を有する第２の金属ゲート電極を形成する工程が、Ａｌ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖ、Ｉｒ、ｎ＋ポリ、Ｗ、Ｔｉ、ＴａおよびＮｂＯを含む元素金属、ならびにＴａＮ、ＴｉＮおよびＷＮを含む２価金属を含む群より前記第２の金属ゲート電極の金属を選択する工程を含む。
【００２７】
一実施形態において、前記第２の金属ゲート電極の金属にのみ応答するゲート電極仕事関数を確立する工程が、閾値電圧（Ｖｔｈ）を確立する工程を含む。
【００２８】
一実施形態において、前記ゲート絶縁膜上に第１の金属バリアを形成する工程が、該第１の金属バリアによって前記ゲート絶縁膜から前記第２の金属ゲート電極への酸素の移動を阻止する工程を含む。
【００２９】
一実施形態において、前記ゲート絶縁膜上に第１の金属バリアを形成する工程が、該第１の金属バリアによってｐ＋ポリゲート電極から前記ゲート絶縁膜へのボロンの移動を阻止する工程を含む。
【００３０】
本発明による、反応性金属ゲート電極を有するＭＯＳＦＥＴトランジスタは、チャネル領域と、該チャネル領域上に設けられたゲート絶縁膜上と、該ゲート絶縁膜上に設けられた第１の金属バリアと、該第１の金属バリア上に設けられた第２の金属ゲート電極であって、該第２の金属ゲート電極の金属にのみ応答するゲート電極仕事関数を有する第２の金属ゲート電極とを備え、それにより上記目的が達成される。
【００３１】
一実施形態において、前記第１の金属バリアが、約５ナノメータ（ｎｍ）未満の厚みを有し、前記第２の金属ゲート電極が、約１０ｎｍより大きい厚みを有する。
【００３２】
一実施形態において、前記第１の金属バリアが、１．５ｎｍより大きく５ｎｍ未満の厚みを有する。
【００３３】
一実施形態において、前記第２の金属ゲート電極が、Ｗ、Ｔａ、Ｒｅ、ＲｕＯ２、ｐ＋ポリ、ｎ＋ポリ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｖ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、ＮｂＯ、Ｐｄ、Ｍｏ、ＴａＳｉＮおよびＮｂを含む元素金属、ならびにＷＮ、ＴａＮおよびＴｉＮを含む２価金属を含む群より選択される材料から形成されている。
【００３４】
一実施形態において、前記ゲート絶縁膜が、ＳｉＯ２；ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＨｆＡｌＯｘおよびＨｆＡｌＯＮを含むｋ値の高い誘電体；２価金属、３価金属、ならびに窒化金属酸化物を含む群より選択される材料から形成されている。
【００３５】
一実施形態において、前記第１の金属バリアが、ＴａＮ、ＴｉＮおよびＷＮを含む２価金属を含む群より選択される材料から形成されている。
【００３６】
一実施形態において、前記第２の金属ゲート電極が高い仕事関数を有する。
【００３７】
一実施形態において、前記第２の金属ゲート電極が、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｒｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、ＲｕＯ２、ｐ＋ポリ、Ｐｄ、ＭｏおよびＴａＳｉＮを含む元素金属、ならびにＴａＮ、ＷＮおよびＴｉＮを含む２価金属を含む群より選択される材料から形成されている。
【００３８】
一実施形態において、前記第２の金属ゲート電極が低い仕事関数を有する。
【００３９】
一実施形態において、前記第２の金属ゲート電極が、Ａｌ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖ、Ｉｒ、ｎ＋ポリ、Ｗ、Ｔｉ、ＮｂＯおよびＴａを含む元素金属、ならびにＴａＮ、ＴｉＮおよびＷＮを含む２価金属を含む群より選択される材料から形成されている。
【００４０】
一実施形態において、前記第２の金属ゲート電極のゲート電極仕事関数に応答する閾値（Ｖｔｈ）を有する。
【００４１】
一実施形態において、前記第１の金属バリアが、前記ゲート絶縁膜から前記第２の金属ゲート電極への酸素の移動を阻止する。
【００４２】
一実施形態において、前記第１の金属バリアが、ｐ＋ポリゲート電極から前記ゲート絶縁膜へのボロンの移動を阻止する。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、金属領域とその下の誘電体との間の付着性を向上させる薄い界面層またはバリアを用いる。層はさらに反応性を低減するバリア層としても作用する。薄い界面金属は、その厚みが薄い限り、トランジスタのＶｔｈに影響を与えることはない。バリア／層は金属であるため、ゲートの抵抗および容量は悪影響を受けない。従ってゲート電極はその下のゲート絶縁膜から保護される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
上記方法および反応性金属ゲートバリアを有するＭＯＳＦＥＴトランジスタの詳細を以下に述べる。
【００４５】
図１は、反応性金属ゲート電極バリアを有する、本発明によるＭＯＳＦＥＴトランジスタの部分断面図である。トランジスタ１００はチャネル領域１０２を含む。さらに図示されているのは、ソース１０４およびドレイン１０６である。ゲート絶縁膜１０８がチャネル領域１０２上に設けられている。第１の金属バリア１１０がゲート絶縁膜１０８上に設けられている。第２の金属ゲート電極１１２が第１の金属バリア１１０上に設けられている。第２の金属ゲート電極１１２は第２の金属１１２にのみ応答するゲート電極仕事関数を有する。すなわち、第１の金属バリア１１０は金属であるかまたは金属様の材料であるにもかかわらず、ゲート仕事関数に貢献することもゲート仕事関数に影響を与えることもない。
【００４６】
好ましくは、第１の金属バリア１１０はゲート絶縁膜１０８から第２の金属ゲート電極１１２への酸素の移動を阻止する。第１の金属バリア１１０はさらに、ゲート電極１１２からゲート絶縁膜１０８への材料の移動を阻止する。例えばｐ＋ポリゲート電極１１２が用いられている場合、第１の金属バリア１１０はｐ＋ポリゲート電極１１２からゲート絶縁膜１０８へのＢの移動を阻止する。同様にｎ＋ポリゲート電極が形成されている場合、第１の金属バリア１１０はドーパントの移動を阻止する。
【００４７】
第１の金属バリア１１０は約５ナノメータ（ｎｍ）未満の厚み１１４を有し、第２の金属ゲート電極は約１０ｎｍよりも大きい厚み１１６を有する。いくつかの局面では、第１の金属バリア１１０は１．５ｎｍよりも大きく５ｎｍよりも小さい厚みを有している。第２の金属の厚み１１６が増加すると、仕事関数の決定における第１の金属の厚み１１４の影響の重要性が低減することに留意されたい。当業者には理解できるように、トランジスタ１００は第２の金属ゲート電極１１２の仕事関数に応答する閾値電圧（Ｖｔｈ）を有する。閾値電圧はさらに誘電体１０８の厚みおよびその下のシリコン基板１２０のドーピングに応答してもよい。
【００４８】
第２の金属ゲート電極１１２は、Ｗ、Ｔａ、Ｒｅ、ＲｕＯ２、ｐ＋ポリ、ｎ＋ポリ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｖ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、ＮｂＯ、Ｐｄ、Ｍｏ、ＴａＳｉＮまたはＮｂなどの元素金属から形成することができる。ｐ＋およびｎ＋ポリは実際には元素金属ではないが、元素金属の特性を有するためこのカテゴリーに含まれている。さらにＷＮ、ＴａＮまたはＴｉＮなどの２価金属もまた第２の金属ゲート電極１１２として用いることができる。
【００４９】
ゲート絶縁膜１０８はＳｉＯ２またはｋ値の高い誘電体、例えばＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＨｆＡｌＯｘまたはＨｆＡｌＯＮであり得る。さらにゲート絶縁膜１０８として、２価金属、３価金属、または窒化酸化金属も用いることができる。第１の金属バリア１１０は２価金属、例えばＴａＮ、ＴｉＮまたはＷＮであり得る。いくつかの局面では、これらの第１の金属の材料が第２の金属ゲート電極としても用いることができることに留意されたい。２価金属の仕事関数は、２価金属ストイキオメトリー（この場合は追加されるＮの量）に応じて可変するようにすることができる。第２の金属材料と共に用いる場合、第１の金属材料の厚みはストイキオメトリーにかかわらず、ゲート電極１１２の仕事関数への貢献を阻止する。
【００５０】
より特定すると、第２の金属ゲート電極１１２が高い仕事関数を有する場合、以下の材料を用いることができる。Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｒｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、ＲｕＯ２、ｐ＋ポリ、Ｐｄ、ＭｏまたはＴａＳｉＮなどの元素金属。さらにＴａＮ、ＷＮまたはＴｉＮなどの２価金属も用いることができる。高い仕事関数とは約５ｅＶ±１０分の数ｅＶである。
【００５１】
第２の金属ゲート電極１１２が低い仕事関数を有する場合、以下の材料を用いることができる。Ａｌ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖ、Ｉｒ、ｎ＋ポリ、Ｗ、Ｔｉ、ＮｂＯまたはＴａなどの元素金属。さらにＴａＮ、ＴｉＮまたはＷＮなどの２価金属も用いることができる。低い仕事関数を有する金属は概して反応性であり、反応性ゲート電極材料を有する第１の金属バリアを用いることは特に有益である。低い仕事関数とは、概して約４ｅＶ±０．２ｅＶである。
【００５２】
第１の金属バリア１１０および第２の金属ゲート電極は非拡散金属である。本明細書において、用語「非拡散」とは２つの金属層がアニールプロセスによって意図的に分散されるものではないことを意味する。ここでアニールプロセスとは例えば、２つの金属が完全に混合されて平衡状態に達したことを確認するためのアニールプロセスである。金属は概して接触する際に拡散する。しかし環境によっては例えばＴｉＮ／Ｐｔなどの組成物／金属が用いられるときのように、拡散が非常に僅かしか起こらないことがあり得る。積層された金属が僅かに拡散している状態は「非拡散」と考えられる。別の言い方をするとＴｉ／Ｐｔなどの金属の組み合わせが用いられた場合、低度の拡散は避けることができず、このような部分的拡散はより一般的な金属の非拡散状態と矛盾しない。
【００５３】
（機能の説明）
上記したように本発明は薄い界面（第１の金属）層またはバリアを用いて金属ゲートとその下の誘電層との間の付着状態を向上させ、上記バリア層は反応性を低減させるバリア金属として作用する。重要な点は薄い界面金属はトランジスタのＶｔｈに影響を与えないということである。バリア／層は金属であるため、ゲートの抵抗および容量は悪影響を受けない。
【００５４】
図２は図１の本発明によるトランジスタの製造工程を示す部分断面図である。第１の金属バリア層を堆積する前の構成は当該分野で知られている任意の方法によって形成すればよい。図２はゲート置換プロセスの例を示す。しかし本発明は特定のゲート形成プロセスに限定されない。任意のタイプのゲート誘電体を堆積または成長させて、金属バリアを形成する準備をする。
【００５５】
薄い第１の金属バリア／金属界面層を当該分野で知られた任意の方法で堆積する。この金属材料は構成に応じて、ＴｉＮ、ＴａＮまたはＷＩＮであり得る。
【００５６】
その後所望の仕事関数特性を有する（第２の）金属ゲートを当該分野で知られた任意の方法で所望の厚みに堆積する。この膜は構成の設計に応じて、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒまたは任意の他の潜在的金属または金属組成物であり得る。その後金属積層体にエッチングまたは化学的機械的研磨（ＣＭＰ）を施して所望のデバイス構造体を形成する。その後構造体を必要に応じて熱処理、電気処理または機械処理してもよい。
【００５７】
第１の金属バリアは、互いに重なるゲートとその下の誘電層との間の付着性を向上させ層間の反応を低減する。界面層は薄く典型的には５０A未満であるため、トランジスタデバイスの仕事関数は上側の（第２の）ゲート金属によってのみ決定される。
【００５８】
任意の金属と任意の誘電体とを含むゲート積層体は適切なバリア金属が用いられた場合にコンパチブルとすることができる。いくつかの局面では、金属ゲートの仕事関数が最適値でない場合、第１の金属バリアの厚みを典型的には９０Aより大きな値まで調整することができ、それにより閾値電圧を所望の値にシフトすることができる。
【００５９】
図３は、反応性金属ゲート電極を有するＭＯＳＦＥＴトランジスタにおいて、ゲート電極をその下のゲート絶縁膜から保護する、本発明による方法を示すフローチャートである。簡便のため本方法の工程に番号を付与しているが、明示していない限り番号が順序を表すものではない。これらの工程のいくつかはスキップしたり平行に行ったり、この順序とは異なる順序で行ったりしてもよい。本方法は工程３００より始まる。
【００６０】
工程３０２において、チャネル領域上にゲート絶縁膜を形成する。工程３０４において、ゲート絶縁膜上に第１の金属バリアを形成する。工程３０６において、第１の金属バリア上に第２の金属ゲート電極を形成する。工程３０８において、第２の金属のみに応答するゲート電極の仕事関数を確立する。いくつかの局面では工程３０８において閾値電圧（Ｖｔｈ）を確立する。
【００６１】
いくつかの局面では、第１の金属バリアを形成する工程（工程３０４）が、約５ナノメータ（ｎｍ）未満の厚みを有する第１の金属バリアを形成する工程を含む。第２の金属ゲート電極を形成する工程（工程３０６）が、約１０ｎｍより大きい厚みを有する第２の金属ゲート電極を形成する工程を含む。他の局面では、工程３０４で、１．５ｎｍより大きく５ｎｍ未満の厚みを有する第１の金属バリアを形成する。
【００６２】
概して第２の金属ゲート電極を形成する工程（工程３０６）は、以下の材料から第２の金属ゲート電極を形成する：ｐ＋ポリ、ｎ＋ポリ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、ＲｕＯ２、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｖ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、ＮｂＯ、Ｐｄ、Ｍｏ、ＴａＳｉＮまたはＮｂを含む元素金属、およびＷＮ、ＴａＮまたはＴｉＮを含む２価金属。これは一般的に用いられる材料のリストであり、使用可能な材料をすべてリストアップしたものではない。当業者には他の材料も公知である。
【００６３】
チャネル領域上にゲート絶縁膜を形成する工程（工程３０２）は、以下の材料からゲート絶縁膜を形成する工程を含む：ＳｉＯ２；ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＨｆＡｌＯｘまたはＨｆＡｌＯＮなどのｋ値の高い誘電体；および２価金属、３価金属、または窒化金属酸化物など。第１の金属バリアを形成する工程（工程３０４）は、ＴａＮ、ＴｉＮまたはＷＮなどの２価金属から第１の金属バリアを形成する工程を含む。ここでも上記は使用可能な材料の全てをリストアップしたものではない。
【００６４】
工程３０６で高い仕事関数を有する第２の金属ゲート電極を形成する場合、第２の金属は以下の材料であり得る。Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｒｅ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、ＲｕＯ２、ｐ＋ポリ、Ｐｄ、ＭｏまたはＴａＳｉＮなどの元素金属、またはＴａＮ、ＷＮまたはＴｉＮなどの２価金属。工程３０６で低い仕事関数を有する第２の金属ゲート電極を形成する場合、第２の金属は以下の材料であり得る。Ａｌ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｖ、Ｉｒ、ｎ＋ポリ、Ｗ、Ｔｉ、ＴａまたはＮｂＯなどの元素金属、またはＴａＮ、ＴｉＮまたはＷＮなどの２価金属。
【００６５】
いくつかの局面では、ゲート絶縁膜上に第１の金属バリアを形成する工程（工程３０４）は、第１の金属バリアによってゲート絶縁膜から第２の金属ゲート電極への酸素の移動を阻止する工程を含む。他の局面では、工程３０４で、ｐ＋ポリゲート電極からゲート絶縁膜へのＢの移動を阻止する。
【００６６】
積層金属ゲートＭＯＳＦＥＴデバイスおよびこれに関連する製造プロセスを上記に述べた。ＮＭＯＳＦＥＴの金属積層体とＰＭＯＳＦＥＴの金属積層体とが異なる完全なＣＭＯＳに用いる場合、典型的には第１の金属層をウェハ表面全体に堆積する。その後パターニングおよびエッチング工程を行う。第１の金属バリアは非常に薄く５ｎｍ未満であるため、湿式プロセスおよび乾式プロセスのいずれによっても容易にエッチングすることができる。
【００６７】
様々なゲート金属ならびに第１および第２のゲート金属の組み合わせの例を述べてきた。しかし本発明はこれらの例に限定されない。さらに上記では金属ゲート材料のみを用いた例を述べたが、本発明は他の材料または金属と他の材料との組み合わせの使用にも適用可能である。例えば第１の層が金属であり第２の層がポリシリコンであってもよい。本発明の他の変形例および実施形態は当業者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】反応性金属ゲート電極を有する、本発明によるＭＯＳＦＥＴトランジスタの部分断面図である。
【図２】図１に示す、本発明によるトランジスタの製造工程を示す部分断面図である。
【図３】反応性金属ゲート電極を有するＭＯＳＦＥＴトランジスタにおいてゲート電極をその下のゲート絶縁層から保護する、本発明による方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６９】
１００  ＭＯＳＦＥＴトランジスタ
１０２  チャネル領域
１０８  ゲート絶縁膜
１１０  第１の金属バリア
１１２  第２の金属ゲート電極
【図３】
2005244186.tif 000003
【図１】
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【図２】
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