(57)【要約】【課題】ゲート電極膜とマスク材との界面での剥がれを防止する半導体装置およびその製造方法を提供すること。【解決手段】本発明の一形態の半導体装置は、半導体基板（１）と、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極膜（１０）と、前記ゲート電極膜上に形成された絶縁膜（５）と、を備え、前記絶縁膜を構成するシリコンである第一の元素と第二の元素との組成比が膜厚方向に連続的または不連続に変化している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極膜と、
前記ゲート電極膜上に形成された絶縁膜と、を備え、
前記絶縁膜を構成するシリコンである第一の元素と第二の元素との組成比が膜厚方向に連続的または不連続に変化していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁膜はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体基板と、
前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極膜と、を備え、
前記ゲート電極膜の導電材を構成するシリコンである第一の元素と第二の元素との組成比が膜厚方向に連続的または不連続に変化していることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
半導体基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極膜を形成し、
前記ゲート電極膜上に絶縁膜を形成し、
前記絶縁膜を形成する際に、シリコンである第一の元素と第二の元素との組成比を膜厚方向に連続的または不連続に変化させることを特徴とする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を介してゲート電極膜を形成し、
前記ゲート電極膜を形成する際に、前記ゲート電極膜の導電材を構成するシリコンである第一の元素と第二の元素との組成比を膜厚方向に連続的または不連続に変化させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＯＳ−ＬＳＩにおけるゲート電極の形成方法では、例えばシリコン基板にゲート絶縁膜を形成した後、ゲート絶縁膜上にＰやＡｓなどの不純物がドープされたポリシリコンを成膜し、続いて金属膜あるいは金属シリサイド膜を形成し、これらがゲート電極材となる。引き続き、電極加工用の加工マスク材として気相反応成膜法を用いてシリコン酸化膜やシリコン窒化膜が形成される。その後、ゲートマスク材とゲート電極材を選択的にエッチングすることにより、ゲート電極が形成される。
【０００３】
ゲート電極内の不純物は、ゲート空乏化の抑制の観点から高濃度で有ることが望ましい。しかし、ゲート電極内の不純物濃度が高いほど、その後の熱工程で不純物が金属シリサイド膜中を拡散して、金属シリサイド膜とシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜との界面に不純物が偏析する。これにより、この界面の密着性が劣化し剥がれを引き起こしてしまう。
【０００４】
この問題を回避する方法としては、現状ではゲート電極材であるポリシリコン中の不純物濃度を下げるしかなく、その場合、上述した不純物の高濃度化とゲート空乏化の抑制を図ることができない。
【０００５】
なお、特許文献１にはゲート電極シリサイドとシリサイド上のシリコン酸化膜の剥がれを防止するために非晶質金属シリサイドをパターン化してから熱処理を行う方法が開示されている。
【０００６】
特許文献２には、ゲート電極シリサイドとシリサイド上のシリコン酸化膜の剥がれを防止するために、シリサイド上にシリサイドのグレインが成長しない程度の温度で上部シリコン酸化膜を堆積する方法が開示されている。
【０００７】
特許文献３には、ゲート電極上のＮｉＳｉ剥がれ防止のために膜厚方向の不純物濃度分布が異なる方法が開示されている。
【０００８】
特許文献４には、ゲート電極シリサイドとシリサイドの剥がれを防止するために低温でかつＩＮ−ＳＩＴＵで成膜する方法が開示されている。
【０００９】
特許文献５には、ポリシリコン、シリサイド、酸化膜を堆積、パターン化した後、シリサイドを多結晶化して剥がれを防止する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平９−８２９８号公報
【特許文献２】特開平７−７８９８７号公報
【特許文献３】特開２００４−２８８７９８号公報
【特許文献４】特開平６−２３２１５５号公報
【特許文献５】特開平８−８８１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、ゲート電極膜とマスク材との界面での剥がれを防止する半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一形態の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極膜と、前記ゲート電極膜上に形成された絶縁膜と、を備え、前記絶縁膜を構成するシリコンである第一の元素と第二の元素との組成比が膜厚方向に連続的または不連続に変化している。
【００１２】
本発明の他の形態の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上にゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極膜と、を備え、前記ゲート電極膜の導電材を構成するシリコンである第一の元素と第二の元素との組成比が膜厚方向に連続的または不連続に変化している。
【００１３】
本発明の他の形態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を介してゲート電極膜を形成し、前記ゲート電極膜上に絶縁膜を形成し、前記絶縁膜を形成する際に、シリコンである第一の元素と第二の元素との組成比を膜厚方向に連続的または不連続に変化させる。
【００１４】
本発明の他の形態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を介してゲート電極膜を形成し、前記ゲート電極膜を形成する際に、前記ゲート電極膜の導電材を構成するシリコンである第一の元素と第二の元素との組成比を膜厚方向に連続的または不連続に変化させる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、ゲート電極膜とマスク材との界面での剥がれを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１の（ａ）は、第１の実施の形態に係る半導体装置のゲート電極構造を示す断面図である。
【００１８】
図１の（ａ）に示すように、ソース／ドレインが形成されたシリコン基板１上にはゲート絶縁膜２が形成されている。ゲート絶縁膜２上には、Ｐ、Ａｓ、Ｂ等の不純物がドープされたポリシリコン膜３が形成され、ポリシリコン膜３上には、Ｗ、Ｃｏ、Ｎｉ等を含む金属シリサイド膜４（導電材）が形成されている。これらポリシリコン膜３と金属シリサイド膜４でゲート電極１０が構成される。金属シリサイド膜４上には、加工マスク材のシリコン酸化膜５が形成され、シリコン酸化膜５上には、シリコン窒化膜６が形成されている。
【００１９】
シリコン酸化膜５を形成する際には、図１の（ｂ）に示すように、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）の濃度の比を、金属シリサイド膜４側でシリコンの濃度の方が高くなり、シリコン酸化膜５の上部方向で酸素の濃度の方が高くなるように連続的に変化させる。これは、シリコン酸化膜５を気相成長法によって形成させる際に、シリコンの供給に用いられるガス例えばＳｉＨ４と、酸素の供給に用いられるガス例えば酸素とのガス流量比を、成膜時に連続的に変化させることで達成される。
【００２０】
このようなゲート電極構造により、シリコン酸化膜５は金属シリサイド膜４側でシリコンの濃度が高いため、電極形成後の熱工程で、ポリシリコン膜３から金属シリサイド膜４を通して拡散される不純物がシリコン酸化膜５中に微量に拡散することができる。その影響により、ゲート電極１０内は不純物の濃度を高く形成し、ゲート空乏化を抑制できるとともに、金属シリサイド膜４とシリコン酸化膜５との界面に偏析する不純物の濃度を抑えることができる。このようにして界面に偏析する不純物の濃度を抑えることによって、この界面での金属シリサイド膜４とシリコン酸化膜５との剥がれを防止することができる。
【００２１】
なお、本第１の実施の形態ではシリコン酸化膜５上にシリコン窒化膜６が形成されているが、このシリコン窒化膜６は有っても無くても良い。
【００２２】
（第２の実施の形態）
図２の（ａ）は、第２の実施の形態に係る半導体装置のゲート電極構造を示す断面図である。図２の（ａ）において図１の（ａ）と同一な部分には同符号を付してある。
【００２３】
図２の（ａ）に示すシリコン酸化膜５を形成する際には、シリコンの供給に用いられるガス例えばＳｉＨ４と、酸素の供給に用いられるガス例えば酸素とのガス流量比を、成膜途中で変化させる。これにより、図２の（ｂ）に示すように、シリコン酸化膜５内でシリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）の濃度の比が非連続的に変化する。この場合も、シリコン酸化膜５のシリコンと酸素の濃度の比を、金属シリサイド膜４側でシリコンの濃度の方が高くなり、シリコン酸化膜５の上部方向で酸素の濃度の方が高くなるように設定する。
【００２４】
この場合も第１の実施の形態と同様に、ゲート空乏化を抑制できるとともに、金属シリサイド膜４とシリコン酸化膜５との剥がれを防止することができる。
【００２５】
なお、本第２の実施の形態ではシリコン酸化膜５上にシリコン窒化膜６が形成されているが、このシリコン窒化膜６は有っても無くても良い。また、シリコン（Ｓｉ）と酸素（Ｏ）の濃度の比を一段階に変化させたが、二段階以上に変化させてもよい。
【００２６】
（第３の実施の形態）
図３の（ａ）は、第３の実施の形態に係る半導体装置のゲート電極構造を示す断面図である。図３の（ａ）において図１の（ａ）と同一な部分には同符号を付してある。
【００２７】
図３の（ａ）に示すように、ソース／ドレインが形成されたシリコン基板１上にはゲート絶縁膜２が形成されている。ゲート絶縁膜２上には、ＰあるいはＡｓ等の不純物がドープされたポリシリコン膜３が形成され、ポリシリコン膜３上に金属シリサイド膜４が形成されている。これらポリシリコン膜３と金属シリサイド膜４でゲート電極１０が構成される。金属シリサイド膜４上には、加工マスク材のシリコン窒化膜６が形成されている。
【００２８】
図３の（ａ）に示すようにシリコン窒化膜６のみを加工マスク材として形成する際には、図３の（ｂ）に示すように、シリコン（Ｓｉ）と窒素（Ｎ）の濃度の比を、金属シリサイド膜４側でシリコンの濃度の方が高くなり、シリコン窒化膜６の上部方向で窒素の濃度の方が高くなるように連続的に変化させる。これは、シリコン窒化膜６を気相成長法によって形成させる際に、シリコンの供給に用いられるガス例えばＳｉＨ２Ｃｌ２と、窒素の供給に用いられるガス例えばアンモニアとのガス流量比を、成膜時に連続的に変化させることで達成される。
【００２９】
このようなゲート電極構造により、電極形成後の熱工程で、ポリシリコン膜３から金属シリサイド膜４を通して拡散される不純物がシリコン窒化膜６中に微量に拡散することになる。その影響により、ゲート電極１０内の不純物の濃度を高くすることができ、ゲート空乏化を抑制できるとともに、金属シリサイド膜４とシリコン窒化膜６との界面に偏析する不純物の濃度が抑えられる。これにより、この界面での金属シリサイド膜４とシリコン窒化膜６との剥がれを防止することができる。
【００３０】
なお、シリコン窒化膜６上に他のマスク材が存在しても良い。
【００３１】
（第４の実施の形態）
図４の（ａ）は、第４の実施の形態に係る半導体装置のゲート電極構造を示す断面図である。図４の（ａ）において図３の（ａ）と同一な部分には同符号を付してある。
【００３２】
図４の（ａ）に示すシリコン窒化膜６を形成する際には、シリコンの供給に用いられるガス例えばＳｉＨ２Ｃｌ２と、窒素の供給に用いられるガス例えばアンモニアとのガス流量比を、成膜途中で変化させる。これにより、図４の（ｂ）に示すように、シリコン窒化膜６内でシリコン（Ｓｉ）と窒素（Ｎ）の濃度の比が非連続的に変化する。この場合も、シリコン窒化膜６のシリコンと窒素の濃度の比を、金属シリサイド膜４側でシリコン濃度の方が高くなり、シリコン窒化膜６の上部方向で窒素の濃度の方が高くなるように設定する。
【００３３】
この場合も第３の実施の形態と同様に、ゲート空乏化を抑制できるとともに、金属シリサイド膜４とシリコン窒化膜６との剥がれを防止することができる。
【００３４】
なお、シリコン窒化膜６上に他のマスク材が存在しても良い。また、シリコン（Ｓｉ）と窒素（Ｎ）の濃度の比を一段階に変化させたが、二段階以上に変化させてもよい。
【００３５】
（第５の実施の形態）
図５の（ａ）は、第５の実施の形態に係る半導体装置のゲート電極構造を示す断面図である。図５の（ａ）において図１の（ａ）と同一な部分には同符号を付してある。本第５の実施の形態では、金属シリサイド膜４の組成比を連続的に変化させる。
【００３６】
図５の（ａ）に示す金属シリサイド膜４を形成する際には、図５の（ｂ）に示すように、シリサイドを形成する金属元素（Ｗ）とシリコン（Ｓｉ）の濃度の比を、ポリシリコン膜３側で金属の濃度の方が高くなり、金属シリサイド膜４の上部方向（金属シリサイド膜４と加工マスク材であるシリコン酸化膜５との界面に近い方向）でシリコンの濃度の方が高くなるように連続的に変化させる。これは、金属シリサイド膜４を気相成長法によって形成させる際に、シリコンの供給に用いられるガス例えばＳｉＨ４と、金属の供給に用いられるガス、例えばタングステンシリサイド形成の場合はＷＦ６とのガス流量比を、成膜時に連続的に変化させることで達成される。
【００３７】
このようなゲート電極構造により、金属シリサイド膜中の金属/シリコン組成比と不純物固溶濃度との関係から金属/シリコン比が低いと固溶限が高くなるため、ポリシリコン膜３の不純物の濃度を高くすることができ、ゲート空乏化を抑制できるとともに、金属シリサイド膜４とシリコン酸化膜５との界面でシリサイド膜側の不純物濃度を低下させることで急激な不純物の濃度勾配が付くことを防ぎ、結果的にこの界面での金属シリサイド膜４とシリコン酸化膜５との剥がれを防止することができる。
【００３８】
なお、本第５の実施の形態では金属シリサイド膜４上にシリコン酸化膜５が形成され、シリコン酸化膜５上にシリコン窒化膜６が形成されているが、図３の（ａ）のように金属シリサイド膜４上に加工マスク材のシリコン窒化膜６が形成される場合も同様に、ゲート空乏化を抑制できるとともに、金属シリサイド膜４とシリコン窒化膜６との剥がれを防止することができる。
【００３９】
（第６の実施の形態）
図６の（ａ）は、第６の実施の形態に係る半導体装置のゲート電極構造を示す断面図である。図６の（ａ）において図５の（ａ）と同一な部分には同符号を付してある。
【００４０】
図６の（ａ）に示す金属シリサイド膜４を形成する際には、シリコンの供給に用いられるガス例えばＳｉＨ４と、金属の供給に用いられるガス、例えばタングステンシリサイド形成の場合はＷＦ６とのガス流量比を、成膜途中で変化させる。これにより、図６の（ｂ）に示すように、金属シリサイド膜４内でシリコン（Ｓｉ）と金属元素（Ｗ）の濃度の比が非連続的に変化する。この場合も、シリサイドを形成する金属元素とシリコンの比を、ポリシリコン膜３側で金属の濃度の方が高くなり、金属シリサイド膜４の上部方向（金属シリサイド膜４と加工マスク材であるシリコン酸化膜５との界面に近い方向）でシリコンの濃度の方が高くなるように設定する。
【００４１】
この場合も第５の実施の形態と同様に、ゲート空乏化を抑制できるとともに、金属シリサイド膜４とシリコン酸化膜５との界面で急激な不純物の濃度勾配が付くことを防ぎ、結果的にこの界面での金属シリサイド膜４とシリコン酸化膜５との剥がれを防止することができる。
【００４２】
なお、本第６の実施の形態では金属シリサイド膜４上にシリコン酸化膜５が形成され、シリコン酸化膜５上にシリコン窒化膜６が形成されているが、図４の（ａ）のように金属シリサイド膜４上に加工マスク材のシリコン窒化膜６が形成される場合も同様に、ゲート空乏化を抑制できるとともに、金属シリサイド膜４とシリコン窒化膜６との剥がれを防止することができる。また、シリコン（Ｓｉ）と金属元素（Ｗ）の濃度の比を一段階に変化させたが、二段階以上に変化させてもよい。
【００４３】
なお、本発明は上記各実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】第１の実施の形態に係る半導体装置のゲート電極構造を示す断面図と、膜厚に対するシリコンと酸素の濃度の比を示す図。
【図２】第２の実施の形態に係る半導体装置のゲート電極構造を示す断面図と、膜厚に対するシリコンと酸素の濃度の比を示す図。
【図３】第３の実施の形態に係る半導体装置のゲート電極構造を示す断面図と、膜厚に対するシリコンと窒素の濃度の比を示す図。
【図４】第４の実施の形態に係る半導体装置のゲート電極構造を示す断面図と、膜厚に対するシリコンと窒素の濃度の比を示す図。
【図５】第５の実施の形態に係る半導体装置のゲート電極構造を示す断面図と、膜厚に対するシリコンとタングステンの濃度の比を示す図。
【図６】第６の実施の形態に係る半導体装置のゲート電極構造を示す断面図と、膜厚に対するシリコンとタングステンの濃度の比を示す図。
【符号の説明】
【００４５】
１…Ｓｉ基板  ２…ゲート絶縁膜  ３…ポリシリコン膜  ４…金属シリサイド膜  ５…シリコン酸化膜  ６…シリコン窒化膜  １０…ゲート電極
【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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