(57)【要約】金属ゲート構造と、例えば、ＴiＮから作られる第１金属層（３４）に金属不純物（３６）を導入する金属ゲート構造を形成する方法である。不純物（３６）は、エッチング選択性の高い表面領域（３７）を作り、これは、金属ゲート構造が形成される間、その上に載置されるタングステン・ゲート（３８）のエッチング中における、ＴiＮ（３４）のオーバエッチングを防止する。ＴiＮ（３４）のオーバエッチングを防止することは、ゲート酸化物（３２）を好ましくない劣化から保護する。金属不純物（３６）として、アルミニウムまたはタンタルを提供することは、十分なエッチ・ストップ機能を提供し、ＴiＮ（３４）の仕事関数に好ましくない影響を与えない。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウエハ上に金属ゲートを形成する方法であって、
基板（３０）の上にゲート酸化物（３２）を形成する過程を有し、
前記ゲート酸化物（３２）の上に第１金属層（３４）を形成する過程を有し、
前記第１金属層（３４）の少なくとも表面領域（３７）において、エッチング選択性を高くする過程を有し、
前記第１金属層（３４）上に、第２金属層を形成する過程を有し、
前記第２金属層（３８）をエッチングして金属ゲートを形成する過程を有し、前記エッチングは、前記第１金属層（３４）の前記表面領域（３７）上でストップする、方法。
【請求項２】
前記第１金属層（３４）はＴiＮを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記エッチング選択性を高くする過程は、前記第１金属層（３４）内に金属種（３６）を注入する過程を含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記第１金属層（３４）内に注入された前記金属種（３６）は、アルミニウムまたはタンタルを含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記第２金属層（３８）はタングステンを含む、請求項４記載の方法。
【請求項６】
金属ゲート構造であって、
ゲート酸化物（３２）を有し、
前記ゲート酸化物（３２）上の第１金属層（３４）を有し、当該第１金属層（３４）は、前記第１金属層（３４）の他の領域よりもエッチング選択性が高くされた表面領域（３７）を具備しており、
前記第１金属層（３４）の上の第２金属層（３８）を有する、金属ゲート構造。
【請求項７】
前記第１金属層（３４）は、前記表面領域（３７）内に注入された金属（３６）を有するＴiＮを含む、請求項６記載の金属ゲート構造。
【請求項８】
前記第２金属層（３８）はタングステンを含む、請求項７記載の金属ゲート構造。
【請求項９】
金属ゲート構造であって、
下部領域（３５）と金属不純物（３６）を有する表面領域（３７）とを具備するＴiＮ層（３４）を有し、前記表面領域（３７）は、前記下部領域（３５）よりもエッチング選択性が高くされており、
前記ＴiＮ層（３４）上のタングステン・ゲート（３８）を有する、金属ゲート構造。
【請求項１０】
前記金属不純物（３６）は、アルミニウムまたはタンタルを含む、請求項１４記載の金属ゲート構造。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本発明は、2001年4月3日に出願された米国出願番号第０９／８２４，２１８号（代理人整理番号５０４３２−１１２）において開示されたものと類似する発明を含む。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、半導体プロセスに関し、さらに詳しくは金属ゲート電極の形成に関する。
【背景技術】
【０００３】
集積回路回路（ＩＣ）業界では、金属酸化物半導体（Metal−Oxide semiconductor：ＭＯＳ）トランジスタは通常、ポリシリコン・ゲート電極を使って形成されてきた。ポリシリコン材料は、耐熱性があるので（すなわち、ポリシリコンは、後の高温工程に対する耐性に優れている）、ＭＯＳゲート電極として使用されることが好ましかった。ポリシリコンは、高温工程中でも強靭であるため、ソース領域およびドレイン領域とともに、高温でアニーリングできる。さらに、ポリシリコンは、チャネル領域内へのドープ原子のイオン注入を阻止できることが利点である。ポリシリコンのイオン注入阻止能により、ゲートのパターン形成が完了後におけるソース構造とドレイン構造との自己整合性が容易に得られるようになっている。
【０００４】
しかし、ポリシリコン・ゲート電極には多少の難点がある。例えば、ポリシリコン・ゲート電極は、半導体材料から形成され、該材料は、ほとんどの金属材料よりも固有抵抗が高いことによってダメージを受ける。このため、ポリシリコン・ゲート電極は、金属材料から作られるゲートに比べてかなり低速度で動作するおそれがある。固有抵抗の高さを部分的に補うため、ポリシリコン材料は、動作速度を許容可能な水準まで上昇させるために、広範囲に費用のかかるシリコン化合物プロセス（silicide process）を必要とすることが多い。
【０００５】
このため、金ポリシリコン・ゲートに置き換えるものとして属ゲートが検討されている。金属ゲートは、ポリシリコン・ゲートの製造工程と同様の方法で製造される。図１Ａに、金属ゲート構造の典型的な層構造を示す。最初に、ゲート酸化物層１２が、基盤１０の上に堆積される。障壁層１４は、例えば、窒化チタン（ＴiＮ）から作られ、ゲート酸化物層１２の上に形成される。障壁層１４は、主として、トランジスタ構造の閾値電圧を決定する適切な仕事関数（workiing function）特性が得られるように選択される。障壁層はまた、後に形成される金属ゲートの粘着性を助ける。ＴiＮは、物理蒸着法（ＰＶＤ）など、従来の方法によって堆積できる。ＴａＮ，ＴａＳｉxＮy，ＷＮなどの代替的材料もこの目的に使用できる。
【０００６】
ついで、金属ゲート層１６が障壁層１４の上に形成される。金属ゲート層１６の材料としてタングステンを示したが、他の材料を使用してもよい。タングステンは、物理蒸着法などの従来の方法によって堆積される。
【０００７】
金属ゲート層１６上にはＳｉＲＮ反射防止膜（Anti-Reflective Coating:ＡＲＣ）１８が形成される。ついで、このＡＲＣ層１８の上にキャップ層２０が形成される。キャップ層２０は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）を含んでよもよい。反射防止膜１８とキャップ層２０は、ゲートを形成するのに使用される反応性イオン・エッチング加工の前に、ゲートのパターン形成を助ける。反射防止膜１８，２０により、リソグラフィー工程における解像度が高められる。
【０００８】
層１２から２０を基板１０の上に堆積した後、ここで金属ゲートがエッチングされる。これは、従来のパターン形成技術とエッチング技術によって達成する。タングステン層は通常、ＳＦ6/Ｎ２またはＳＦ6/Ｃｌ2/Ｎ2などのフッ素含有化学物質でエッチングされ、ＷＦ6が主な生成物（product） 活性種である。後者の化学物質は優れた特性をもたらした。後者の場合、最良の特性をもたらすように、適切なＳＦ6/Ｃｌ2比を選択できる。配合は、必要に応じて、ＳＦ6よりもＣｌ2を多く含有してもよい。ゲート酸化物に損傷を与えることなく、タングステンをウエハ全体から除去するためには、エッチング液は、障壁層１４のＴiＮに対し、十分な選択性を有することが好ましい。
このため、ＴiＮは理想的には、タングステンのエッチングの間、エッチ・ストップ層として働く。理想的なエッチング工程を図１Ｂに示す。これは、異方性反応性イオン・エッチング工程による金属ゲート電極のパターン形成を示し、障壁層１４においてＴiＮの上で止まる。しかし、この図は、ＴiＮが実際には不十分なエッチ・ストップ層であることが判明しているので、理想的な図に過ぎない。図１Ｃに示すように、タングステンがウエハの残りから除去されるとき、ウエハのある部分ではＴiＮが完全にエッチングされて（図１Ｃの参照番号２２で示す）、化学エッチングがゲート酸化物１２を侵食する。
ＴiＮは、Ｃｌ2を含有するタングステン化学エッチングでエッチングされやすいので、このような現象が生じる。この結果、ゲート酸化物が、Ｗ化学エッチングからのＦに晒されるか、またはＴiＮエッチングの過程で、ＣｌベースのＴiＮ化学エッチングに晒されて、ともに結果的に、ゲート酸化物にダメージを与える。タングステン種（species）からの光放射などによる終点モニタを使用して、Ｗフィルムが除去された時点でＷエッチングの進行をストップしても、Ｗ膜の除去によるこの問題の解決が信頼できるものとはならない。終点を検出している間でもＴiＮ薄膜のエッチングは急速に進行するからである。
このため、Ｗ終点が検出されたときに、たとえゲート酸化物に対して選択的なＴiＮエッチングが使用される場合でも、Ｗエッチング工程自体の間におけるＴiＮの侵食が、この方式を実際的に信頼性の低いものにする。単にＴiＮの膜厚自体を増加することは、応力が増加して剥離の可能性を招くこと、および／またはシート抵抗が増加することから、非現実的である。タングステンのエッチング中に、ＴiＮを完全にエッチングで除去することは、ゲート酸化物の劣化と歩留まりの減少を招く。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＴiＮを種々のエッチ・ストップ材料に置き換えると、ＴiＮの仕事関数に有害な影響を及ぼす可能性があり、また、これらのエッチ・ストップ材料は、ＴiＮに望ましい粘着特性を示さないおそれがある。しかしながら、金属ゲートの仕事関数に有害な影響を及ぼさずに、適切にエッチ・ストップ層上でストップしてウエハ全域のゲート酸化物を保護するＣｌ2/ＳＦ６/Ｎ2工程を用いて、タングステンのエッチングを可能するという改良された構造が要求されている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記その他の要求は、ウエハ上に金属ゲートを形成する方法を提供する本発明の実施例によって満足され、この方法は、基板上にゲート酸化物を形成する過程と、前記ゲート酸化物の上に第１金属層を形成する過程とからなる。第１金属層の少なくとも表面領域のエッチング選択性が大きくなる。第２金属層は、第１金属層の上に形成される。ついで、第２金属層がエッチングされて、金属ゲートを形成し、エッチングは、第１金属層の表面領域の上でストップする。
【００１１】
本発明のある特定の実施例では、第１金属層はＴiＮからなり、エッチング選択比は、ＴiＮ内に金属種（metal species）を注入することによって大きくなる。本発明のある特定の実施例では、この金属種は、Ｗ化学エッチング剤の性質に依存して、アルミニウムまたはタンタルからなる。Ｗ化学エッチング剤がＦを豊富に含有する場合には、ＡＬＦ3蒸気圧が低いことから、エッチ・ストップ層として、アルミニウムを使用できる。
他方、Ｗ化学エッチング剤がＣｌを豊富に含有する場合には、ＴａＦ5，ＷＦ6およびＴｉＣｌ4とは逆に、ＴａＣｌ5の蒸気圧が大幅に低いことから、この場合も結果としてエッチング速度が実質的に減速され、Ｗの除去が検出される時点でエッチングを終了することができる。ＴiＮの表面領域は、注入された金属種を含有しており、金属種を含有していないＴiＮの領域に比べて、エッチング選択性が高い。このため、エッチング選択性は新たに層を追加することなく、かつ、ＴiＮの仕事関数に大きな影響を及ぼすことなく改良される。
従って、タングステンのエッチングは、ＴiＮ層まで進んでこの層の上でストップし、これにより、エッチ・ストップ層の下にあるゲート酸化物と、第１金属層のＴiＮとを確実に保護する。同様の方式は、例えば、ＴａＮ，ＴａＳｉＮまたはＷＮが下層の金属ゲートとして使用されるときにも使用できる。これは、ＷエッチングのＦ成分が、ゲート酸化物のみならず、これらの材料を侵食しやすいからである。アルミニウムを注入した層を使用すると、ＨＢｒ，O2またはＮ2などの適切な添加剤を入れたＣｌ2ベースのエッチングに切り換える機会を提供することになり、この場合、これらの材料のエッチング速度はかなり減速され、結果的に、ゲート酸化物材料の選択性が大きくなる。
【００１２】
上記の要求は、本発明の別の実施例によっても満足され、これは、ゲート酸化物と、ゲート酸化物の上の第１金属層とからなる金属ゲート構造を提供する。第１金属層は、第１金属層の残りの領域よりもエッチング選択性が大きい表面領域を有する。第２金属層は、第１金属層の上にある。本発明のある特定の実施例では、第１金属層はＴiＮを含み、第２金属層はタングステンを含む。ある特定の実施例では、ＴiＮは表面領域内に金属を注入し、この金属は一部の実施例ではタンタルからなり、他の実施例ではアルミニウムからなる。
【００１３】
上記の必要性はまた、本発明のさらなる実施例によっても満足され、これは、下部領域と、金属不純物を入れた表面領域とを有するＴiＮ層からなる金属ゲート構造を提供する。表面領域は、下部領域よりも、エッチング選択性が高い。タングステン・ゲートは、ＴiＮ層の上に設けられる。
【００１４】
本発明の上記その他の特性、側面および利点は、添付図面と併せて、本発明の下記の詳細な説明からより明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、金属ゲート構造の形成に関わる問題、特に、ウエハ全域におけるゲート酸化物の劣化を起こすおそれのある金属ゲートのエッチングに関わる問題に対処し、これらを解決する。これらおよびその他の問題は、一部分は、金属ゲートで現在使用されるＴiＮのエッチング選択性を大きくする本発明によって解決される。これは、本発明の実施例では、アルミニウムまたはタンタルなどの金属種を、ＴiＮの表面領域に注入することによって達成される。金属ゲートのタングステンまたはその他の金属をエッチングするに際して、エッチング選択性が大きくなっている表面領域を有するＴiＮは、従来のＴiＮよりも、エッチングを適切にストップする。これは、エッチングがＴiＮを貫通して、ウエハ全域にわたりゲート酸化物が劣化するのを防止する。
ＴiＮのエッチング選択性を大きくするように注入が採用されるので、別途にエッチ・ストップ層を追加することは不要で、従ってスタックの高さも実質的に変化しない。電気的制約により、ゲート構造を形成するために、注入等の改変が行われていないＴiＮ膜にある程度の厚みを持たせることが要求される場合、これによる、注入領域の膜厚が制限されることを補償するために、ＴiＮ層を従来よりも若干厚くすることが必要となる場合もある。改良されたＴiＮ層は、十分なエッチ・ストップ機能を提供し、注入された金属種は、ＴiＮの仕事関数に有害な影響を及ぼさない。注入された活性種はそれ自体、Ｗ化学エッチングに使用される以外の化学物質でエッチングが可能でなければならない。例えば、Ａ１は、Ｃｌベースの化学物質でエッチングでき、Ｔａは、短いＦベースのブレークスルー（breakthrough）または長いＣｌベースの過程によって除去できる。
【００１６】
図２は、本発明の実施例による形成中の金属ゲート構造の一部分を表す。基板３０は、従来の方法によりゲート酸化物層３２を具備して設けられる。ゲート酸化物層３２は、本発明の実施例では約１５から３０Åの膜厚を有する。第１金属層３４は、ゲート酸化物層３２の上に形成される。第１金属層３４は、本発明のある特定の実施例ではＴiＮから構成できるが、他の金属を使用することもできる。ＴiＮは、例えば、物理蒸着法などの従来の方法により堆積される。第１金属層３４の膜厚は、本発明の実施例では約１００から約２００Åの間とすることができる。第１金属層３４は、障壁層の役割を果たし、ある特定の実施例では粘着層の役割を果たす。従来技術では、ＴiＮ金属層が、エッチ・ストップ層の機能を果たした。しかし、未処理のＴiＮは、載置する金属ゲート層のエッチング中に、ウエハ全域に及ぶ下層のゲート酸化物を保護できないので、この機能が不十分であることが判明した。
【００１７】
タングステンのエッチング中のエッチ・ストップ機能を改良し、ウエハ全域に及ぶ下層のゲート酸化物を保護するために、第１金属層３４は、層３４の少なくとも表面領域のエッチング選択性を改良するように処理される。図３に示すように、本発明は、金属不純物３８を第１金属層３４の少なくとも表面領域３７の中に導入する。注入エネルギーに依存して、表面領域３７は、第１金属層３４を完全に貫通するほど伸びることができる。図に示すような、本発明の他の実施例では、表面領域３７は、第１金属層３４の一部分にしか伸びていない。このような実施例では、第１金属層３４の下部領域３５は、不純物をほとんどまたは全く含有しない。
【００１８】
蒸気圧表およびその他の考慮要件をベースに、第１金属層３４のＴiＮに導入される金属種３８は、１つまたは複数の異なる金属とすることができる。金属種の候補には、アルミニウム，タンタル，銅および金が含まれる。これらの物質のうち、銅と金はトランジスタに有害な影響を与えるので、アルミニウムとタンタルが好ましい。アルミニウムは、通常の陰極温度（５０℃）で安定した不揮発性フッ化物ＡｌＦ3を形成し、Ｆ含有のＷ化学エッチングを十分にストップできる。
塩化タンタルは、ＴａＦ5およびＷＦ6に比べて蒸気圧が大幅に低く、Ｃｌ2を豊富に含むＳＦ6/Ｃｌ2/Ｎ2のタングステンの化学エッチングでは、エッチング速度をかなり低下できる。アルミニウムとタンタルは、第１金属層３４では典型的な金属種として示されているが、他の材料または材料の組み合わせも、本発明の適用範囲を逸脱することなく使用できる。
【００１９】
本発明のある特定の実施例では、イオン注入工程を使用して、第１金属層３４の表面領域３７内に金属種３８を導入する。アルミニウムまたはタンタルの金属種の典型的なイオン注入工程では、約20-40 E10イオン/ｃｍ2の間のビーム電流密度を使用する。ある特定の典型的な実施例では、１０００ｅＶ未満などの低い電力でイオンが注入される。典型的な電力は約１００ｅＶである。これらの工程パラメータは典型的なものに過ぎず、第１金属層３４の材料、注入される金属種３８と、必要なエッチング選択性などと、当業者には既知の他のパラメータとに依存して変化する可能性がある。
【００２０】
第１金属層３４の表面領域３７のエッチング選択性を大きくするための注入の使用は、金属ゲート・スタックの高さには影響を与えずに、第１金属層３４のエッチ・ストップ機能を高め、第１金属層３４におけるＴiＮの仕事関数にそれほど影響を与えない。
【００２１】
図４を参照して、金属ゲート構造の残りが、第１金属層３４の上に設けられる。これは、例えば、ＰＶＤにより堆積されたタングステンによって形成される金属ゲートを含む。タングステンは、約５００から約１，０００Åの間の厚さまで、第２金属層３８として堆積できる。タングステンは典型的な材料として記載されるが、他の金属または金属合金も、第２金属層３８に使用できる。
【００２２】
ＳｉＲＮ ＡＲＣなどの反射防止膜４０が、第２金属層３８に施される。ついで、キャップ層４２が、ＡＲＣ層４０の上に形成される。ＡＲＣ層４０は約３００から約１，０００Åの間とすることができる。キャップ層４２は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）とすることができ、約３００から約１，０００Åの間とすることができる。層４０とキャップ層４２の反射防止膜は、金属ゲート構造のパターン形成を助ける。
【００２３】
レジスト・マスクの形成とパターン形成後、金属ゲートがエッチングされ、その結果を図５に示す。反応性イオン・エッチング工程（異方性エッチング）が実施される。従来の方法のように、第２金属層３８内のタングステンは、Ｃｌ2/ＳＦ6/Ｎ2工程によってエッチングされるのが好ましく、これは現在、最良のタングステン特性を提供する。しかし、このような工程は、金属種３８の注入前に、第１金属層３４などの従来技術に係るＴiＮ層上でストップすることが難しい。ウエハの一部におけるＴiＮが完全にエッチングされるという望ましくない現象が起こると、ゲート酸化物の劣化を招くことになる。
しかし、本発明により提供されるように、表面領域３７内では、第１金属層３４のＴiＮの改良されたエッチング選択性によって、ゲート酸化物層３２に達っしてしまうような、意図に反するエッチングを防ぐことができる。このため、第１金属層３４の表面領域３７に達するまで、エッチング工程が進行する。注入種としてアルミニウムが使用される場合には、通常の陰極温度（５０℃）で安定した不揮発性であるＡｌＦ3に富む層が形成されるので、エッチングが実際にストップする。
また、Ｃｌ2を豊富に含むＣｌ2/ＳＦ6/Ｎ2タングステンの化学エッチング剤を使用するとともに注入種としてタンタルが使用される場合には、ＴａＦ5またはＷＦ6に比べて、ＴａＣｌ5の蒸気圧が大幅に低いことから、エッチング速度がかなり減速する。これにより、下層のＴiＮの侵食が発生する前に、Ｗエッチングを終了できる。これによって、第１金属層３４のＴiＮがエッチングにエッチングされてゲート酸化物層３２内のゲート酸化物が劣化してしまうことが防止される。
【００２４】
図６に示すように、ここでは異なる化学エッチングが使用されて、金属ゲートの第２金属層３８の下部を除く領域内で、ゲート酸化物３２上の第１金属層３４を除去する。言い換えれば、第１金属層３４は、金属ゲート構造内をのぞき、ウエハ全域でエッチングされる。しかし、エッチングは、ゲート酸化物の劣化を防ぐように正確に制御できる。第１金属層３４のＴiＮをエッチングする適切な化学エッチングは、当業者には周知であり、適切に選択できる。
【００２５】
図７は、キャップ層４２と反射防止膜４０が従来のエッチング技術によって除去された後の図６の金属ゲート構造を示す。これは、ゲート酸化物を有する金属ゲート構造，金属不純物が注入されたＴiＮのＰＶＤ層および金属ゲート層を残す。エッチング選択性が向上したＴiＮ層は、金属ゲートのエッチング中、ウエハ全域のゲート酸化物を保護し、歩留まりを向上させる働きをする。同時に、金属ゲート・スタックの高さは変らず、ＴiＮの仕事関数も有害な影響を受けない。
本発明を詳細に説明し図に示してきたが、これは図示および例示目的であって、制限するものと解釈せず、本発明の範囲は、添付請求の範囲の請求項によってのみ限定されることを明確に理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】従来技術に係る金属ゲートのパターン形成前の金属ゲート・スタックの説明図。
【図１Ｂ】従来技術による理想的なエッチング工程後の金属ゲートの説明図。
【図１Ｃ】従来技術の方法による実際のエッチング工程後の金属ゲートで、劣化したゲート酸化物の領域の説明図。
【図２】本発明の一実施形態に係る金属ゲート形成中の金属ゲート構造の一部分の断面図。
【図３】本発明の一実施形態に係る金属ゲート構造の第１金属層の表面領域の中にイオンを注入した後の図２の構造の説明図。
【図４】本発明の一実施形態に係る金属ゲートと反射防止膜とを堆積後の図３の構造の説明図。
【図５】本発明の一実施形態に係る金属ゲートと第１金属層とをエッチングするためにエッチングが実施された後の図４の構造の説明図。
【図６】本発明の一実施形態に係る、第１金属層がウエハから除去された後の図５の金属ゲート構造の説明図。
【図７】本発明の一実施形態により反射防止膜が除去された後の図６の金属ゲート構造の説明図。
【国際公開パンフレット】
2004532516.tif 000003
2004532516.tif 000004
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2004532516.tif 000016
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004532516.tif 000017
2004532516.tif 000018
【国際調査報告】
2004532516.tif 000019
2004532516.tif 000020
2004532516.tif 000021