(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の形成方法であって、
半導体基板を用意する段階であって、Ｎ−型の第１領域とＰ−型の第２領域とを有する前記半導体基板を用意する段階；
前記半導体基板上に導電層を形成する段階であって、前記第１領域上に第１部分を有し前記第２領域上に第２部分を有する前記導電層を形成する段階；
前記導電層の前記第１部分を窒化し、前記第１領域上に導電性窒化物層を形成する段階；
前記導電性窒化物層にパターニングを行い、前記第１領域上に第１ゲート電極を形成する段階；および
前記導電層にパターニングを行い、前記第２領域上に第２ゲート電極を形成する段階；
を具備することを特徴とする方法。
【請求項２】
更に、前記導電性窒化物層は、金属濃厚窒化物層より成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
更に、前記導電性窒化物層は、化学量論的窒化物層より成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記導電性窒化物層および前記導電層が同時にパターニングされることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
更に、前記導電層は、タンタル層より成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
半導体素子であって：
Ｎ型の第１領域およびＰ型の第２領域を有する半導体基板；
前記第１領域上に設けられ、第１金属窒化物層より成る第１ゲート電極であって、第１仕事関数値を有する第１ゲート電極；および
前記第２領域上に設けられ、第２金属窒化物層より成る第２ゲート電極であって、第２仕事関数値及び前記第１金属窒化物層の窒素濃度よりも低い窒素濃度を有し、前記第２仕事関数値が前記第１仕事関数値よりも小さい、第２ゲート電極；
を具備することを特徴とする半導体素子。
【請求項７】
更に、前記第１金属窒化物層は、第１窒化タンタル層より成ることを特徴とする請求項６記載の半導体素子。
【請求項８】
更に、前記第２金属窒化物層は、第２窒化タンタル層より成ることを特徴とする請求項６記載の半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、半導体素子に関し、特に相補型金属酸化物半導体素子およびその形成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高性能半導体では、ポリシリコンの空乏(depletion)に伴う問題を克服するために、金属ゲートの使用に進みつつある。ポリシリコン・ゲート電極の半導体的な性質のために、ゲート内にバンドベンディング(band-bending)即ちポテンシャル井戸が発生する。キャリアは、それらの波長に匹敵する寸法内に閉じ込められる。ポリシリコン層内の電荷分布に応じて、ポリシリコンの空乏効果に起因する、ゲート電極容量（ＣP）の有限なバイアス依存性(finite bias-dependent nature)が生ずる。相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ：Complementary Metal Oxide Semiconductor）技術におけるスケーリング(scaling)に伴ってゲート酸化物が薄くなるに連れ、ゲート酸化物の容量（ＣOX）が増大するために、素子のスレシホルド電圧付近のゲート・バイアスの範囲において、ＣOXがポリシリコン・ゲート電極の容量に匹敵する程になる。その結果、望ましくない全ゲート容量（ＣG）の全体的な減少を招く。
【０００３】
この効果は、半導体素子が反転動作モードで動作する場合、更に一段と厳しくなり、ポリシリコン・ゲート電極内のキャリア濃度が１０20／ｃｍ3未満の場合、約３０％の全体的な容量の減少を生ずる可能性がある。ＣPを増加させることが可能なＰ＋ゲートのドーピングのように、過度なドーピングは、スレシホルド電圧（Ｖt）を不安定にしてしまう。
【０００４】
金属ゲートの使用により、ポリシリコンの空乏効果を排除できることは既知である。また、ポリシリコン・ゲートが高い抵抗率を有し、その結果ゲートをシリサイド化して全体的な抵抗率を低下させる必要があることも周知である。設計環境によっては、金属相互接続層が必要なために全ての部分をシリサイド化しないＳＲＡＭのように、全てのゲートをシリサイド化することができない場合や、望ましくない場合、ポリシリコン・ゲートの高い抵抗率は不利となる。加えて、完全に空乏化した絶縁物上シリコン（ＦＤＳＯＩ：fully depleted silicon on insulator）技術を用いる場合、実用的なＳＯＩの厚さのポリシリコン・ゲートの使用によって、最適なＶtを得るのは不可能である。加えて、ポリシリコン・ゲートの使用は、誘電率が高い（高−ｋ）金属酸化物誘電体の使用とは適合性がなく(inconsistent)、この場合、高−ｋ値は通常３．９以上であり、ポリシリコンからのシリコンが金属酸化物と反応し、金属酸化物ゲート誘電体の汚染を引き起こし、その高−ｋ特性に影響を及ぼす虞れがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ＣＭＯＳ技術では、Ｎ＋ポリおよびＰ＋ポリが、ぞれぞれ、ＮＭＯＳ素子およびＰＭＯＳ素子においてゲートとして用いられる。Ｎ＋ポリおよびＰ＋ポリは、Ｎ＋ポリ・ゲートについては４．１ｅＶの仕事関数、Ｐ＋ポリ・ゲートについては５．２ｅＶの仕事関数に対応する。現行の素子寸法では、短チャネル効果を回避するためには、１Ｅ１７／ｃｍ3以上のシリコン・チャネルのドーピングが必要である。二重ドープ・シリコン・ゲートと交換する場合、金属の仕事関数を選択する必要がある。既知の方法の１つでは、金属を選択する際に、ＮＭＯＳ素子およびＰＭＯＳ素子双方に対称的なＶtが得られるミッド・ギャップ仕事関数(mid-gap work function)を有するように選択していた。しかしながら、短チャネル効果を回避するために必要なドーピング要件のために、ミッド・ギャップ金属では、低電圧、低電力、高性能素子にはＶtが大き過ぎてしまう。したがって、ＮＭＯＳ素子およびＰＭＯＳ素子双方に低いＶtを与える方法を有することが望ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の一実施例による半導体素子の構造の一部分１０を示す。この半導体素子構造は、第１導電型の第１領域３，第２導電型の第２領域５，フィールド分離領域１２，第１ゲート誘電体層１４，および第２ゲート誘電体層１６を有する半導体基板から成る。一実施例では、半導体基板は単結晶シリコン基板である。あるいは、半導体基板は、絶縁物上シリコン基板，ゲルマニウム基板，シリコン・ゲルマニウム基板，サファイア基板上シリコン等とすることも可能である。
【０００７】
一実施例では、フィールド分離領域１２は、トレンチ分離領域であり、従来のエッチングおよび化学機械式研摩技法を用いて形成する。あるいは、フィールド分離領域１２は、シリコン選択酸化（ＬＯＣＯＳ），ポリ・バッファＬＯＣＯＳ（ＢＰＬ），ポリシリコン封入選択酸化（ＰＥＬＯＸ）等のような従来からの技法を用いて形成したフィールド酸化物領域とすることも可能である。一実施例では、ゲート誘電体層１４およびゲート誘電体層１６は、熱二酸化シリコン層であり、第１領域３の一部分および第２領域５の一部分をそれぞれ熱的に酸化させることによって形成する。あるいは、ゲート誘電体層１４およびゲート誘電体層１６は、窒化シリコンの層，酸窒化シリコンの層，化学蒸着した二酸化シリコンの層，窒化した酸化物層(nitrided oxide layer)，金属酸化物のような高−ｋ誘電体物質，またはその組み合わせとすることも可能である。尚、ゲート誘電体層１４およびゲート誘電体層１６は同時に形成可能であることは認められよう。あるいは、ゲート誘電体層１４およびゲート誘電体層１６は、異なる時点に、異なるゲート誘電体物質で形成することも可能である。
【０００８】
図２において、第１領域３および第２領域５上に、導電層１８を形成する。一実施例では、導電層１８は、タンタル，タングステン，モリブデン，ジルコニウム，ハフニウム(hafnium)，バナジウム，クロム，ニオブ，チタン等のような金属層である。あるいは、導電層１８は、タンタル・シリサイド，タングステン・シリサイド，モリブデン・シリサイド，チタン・シリサイド等のような、金属シリサイド層とすることも可能である。導電層１８は、従来の化学蒸着技法またはスパッタリング技法を用いて形成可能である。
【０００９】
図３において、導電層１８上に、マスキング層２０を形成する。一実施例では、マスキング層２０は窒化シリコンの層であり、急速熱化学蒸着を用いて堆積する。あるいは、マスキング層２０は、フォトレジストの層またはポリシリコンの層とすることも可能である。
【００１０】
図４において、マスキング層２０にパターニングを行い、導電層１８の第１部分を露出させ、導電層１８の第２部分の上にあるマスキング層２０の残り部分を残留させる。次に、導電層１８の露出部分を窒化し、第１領域３上に導電性窒化物層２４を形成する。一実施例では、導電性窒化物層２４を形成するには、窒素イオン２２を導電層１８の露出部分内に注入する。尚、マスキング層２０の残り部分は、窒素イオンが導電層１８の第２部分に注入されるのを防止することは認められよう。窒素注入の後、半導体素子構造をアニールし、導電性窒化物層２４を形成する。半導体素子構造をアニールするには、従来のファーネス(furnace)または急速熱アニーリング・システムを用いることができる。フォトレジストを用いてマスキング層２０を形成する場合、アニーリングの前にこれを除去しなければならないことは認められよう。あるいは、導電性窒化物層２４は、アンモニアのような窒素雰囲気において導電層１８の露出部分をアニールすることによって、または導電層１８の露出部分を、窒素を含むプラズマに露出させることによって形成することも可能である。尚、導電層１８がタンタル，タングステン，モリブデン，ジルコニウム，ハフニウム，バナジウム，クロム，ニオブ，またはチタンの層である場合、導電性窒化物層２４は、それぞれ、窒化タンタル，窒化タングステン，窒化モリブデン，窒化ジルコニウム，窒化ハフニウム，窒化バナジウム，窒化クロム，窒化ニオブ，または窒化チタンの層となることを注記しておく。同様に、導電層１８がタンタル・シリサイド，タングステン・シリサイド，モリブデン・シリサイド，またはチタン・シリサイドの層である場合、導電性窒化物層２４は、それぞれ、窒化タンタル・シリコン，窒化タングステン・シリコン，窒化モリブデン・シリコン，または窒化チタン・シリコンの層となる。
【００１１】
図５において、導電性窒化物層２４および導電層１８の残り部分の上に、キャッピング層２６を形成する。一実施例では、キャッピング層２６は窒化シリコンの層であり、急速熱化学蒸着を用いて堆積する。あるいは、キャッピング層２６はポリシリコンの層とすることも可能であり、この場合も急速熱化学蒸着を用いて堆積する。尚、ポリシリコンを用いてキャッピング層２６を形成する場合、窒化チタンのようなバリア層を、ポリシリコン層と下地の導電性窒化物層２４および導電層１８との間に形成し、ポリシリコン層と下地の導電性金属層１８および導電性窒化物層２４との間のシリサイド化を防止しなければならない場合もあることを注記しておく。また、キャッピング層２６を用いて、後続処理の間、導電性窒化物層２４および導電層１８の残り部分の酸化を防止することは認められよう。
【００１２】
図６において、導電性窒化物層２４にパターニングを行い、第１領域３上に第１ゲート電極２３を形成し、導電層１８の残り部分にパターニングを行い、第２領域５上に第２ゲート電極２５を形成する。図６に示すように、キャッピング層２６の一部分を、第１ゲート電極２３上および第２ゲート電極２５上に残す。導電性窒化物層２４および導電層１８の残り部分は、従来のエッチング技法を用いて、同時にまたは別個の工程でパターニング可能であることは認められよう。
【００１３】
図７において、第１ゲート電極２３および第２ゲート電極２５の側壁に沿って、側壁スペーサ２８を形成する。一実施例では、側壁スペーサ２８は、窒化シリコンの側壁スペーサであり、高速熱化学蒸着および従来のエッチング技法を用いて形成する。尚、側壁スペーサ２８は、第１ゲート電極２３および第２ゲート電極２５が後続処理工程の間に酸化されるのを防止することは認められよう。加えて、第１領域３内に、第２導電型を有するソース・ドレイン領域３０を形成し、第２領域５内に、第１導電型を有するソース・ドレイン領域３４を形成し、第１領域３内に第１トランジスタ２７、そして第２領域５内に第２トランジスタ２９を形成する。尚、ゲート電極２３は、ゲート電極２５とは異なる仕事関数を有することは認められよう。例えば、第１ゲート領域３がＮ−型導電性を有し、第２領域５がＰ−型導電性を有する場合、ゲート電極２３の仕事関数は、ゲート電極２５の仕事関数よりも大きくなる。
【００１４】
図８に、本発明の別の実施例を示す。ここでは、導電性窒化物層２４を形成した後に、図４に示したマスキング層２０を除去する。次に、導電層１８の残り部分を露出させるように、導電性窒化物層２４上に第２マスキング層４０を形成する。一実施例では、マスキング層４０は窒化シリコンの層であり、急速熱化学蒸着を用いて堆積する。あるいは、マスキング層４０はフォトレジストの層またはポリシリコンの層とすることも可能である。マスキング層４０を形成した後、次いで導電層１８の残り部分を窒化して導電性窒化物層４２を形成する。一実施例では、導電層１８の残り部分に窒素イオン４１を注入し、次いで半導体素子構造１５をアニールし、導電性窒化物層４２を形成する。あるいは、アンモニアのような窒素雰囲気において導電層１８の残り部分をアニールすることによって、または導電層１８の残り部分を、窒素を含むプラズマに露出させることによって、導電性窒化物層４２を形成することも可能である。尚、導電層１８がタンタル，タングステン，モリブデン，ジルコニウム，ハフニウム，バナジウム，クロム，ニオブ，またはチタンの層である場合、導電性窒化物層４２は、それぞれ、窒化タンタル，窒化タングステン，窒化モリブデン，窒化ジルコニウム，窒化ハフニウム，窒化バナジウム，窒化クロム，窒化ニオブ，または窒化チタンの層となることを注記しておく。同様に、導電層１８がタンタル・シリサイド，タングステン・シリサイド，モリブデン・シリサイド，またはチタン・シリサイドの層である場合、導電性窒化物層４２は、それぞれ、窒化タンタル・シリコン，窒化タングステン・シリコン，窒化モリブデン・シリコン，または窒化チタン・シリコンとなる。
【００１５】
図９において、マスキング層４０を除去し、図５ないし図８において先に説明したように処理を続ける。これによって、第１領域３上に第１トランジスタ４８が形成され、第２領域５上に第２トランジスタ５０が形成される。トランジスタ４８のゲート電極４７は、導電性窒化物層２４の一部から成り、第１仕事関数値を有すること、およびトランジスタ５０のゲート電極４９は導電性窒化物層４２の一部から成り、第２の仕事関数値を有することが認められよう。例えば、トランジスタ４８は、第１仕事関数値を有する窒化タンタルのゲート電極を有するように形成することができ、トランジスタ５０は、第２の仕事関数値を有する窒化タンタルのゲート電極を有するように形成することができる。更に具体的には、第１領域３がＮ−型導電性を有し、第２領域５がＰ−型導電性を有する場合、第１トランジスタ４８の窒化タンタル・ゲート電極は、トランジスタ５０の窒化タンタル・ゲート電極よりも大きな仕事関数値を有するように形成する。尚、導電性窒化物の仕事関数は、窒素濃度が高くなる程、増大することを注記しておく。したがって、異なる窒素濃度を有する導電性窒化物層を形成することによって、異なる仕事関数を有するゲート電極を形成することができる。即ち、非化学量論的金属濃厚導電性窒化物(non-stoichiometric metal-rich conductive nitride)は、化学量論的導電性窒化物よりも小さな仕事関数を有する。何故なら、窒素濃度が低いからである。
【００１６】
本明細書に含まれるこれまでの説明および図は、本発明に関連する利点の多くを例証するものである。即ち、素子の性能を最適化するために異なる仕事関数を有するゲート電極を利用したＣＭＯＳ素子構造が開示された。
【００１７】
以上の説明から、本発明によれば、先に明記した必要性を完全に満たし、利点が得られるＣＭＯＳ素子が提供されたことが認められよう。本発明は、その具体的な実施例を参照しながら説明しかつ図示したが、本発明が例示の実施例に限定されることを意図する訳ではない。本発明の精神から逸脱することなく、変更や変形が可能であることを当業者は認めよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体素子を形成するために用いられる工程を示す断面図。
【図２】本発明による半導体素子を形成するために用いられる工程を示す断面図。
【図３】本発明による半導体素子を形成するために用いられる工程を示す断面図。
【図４】本発明による半導体素子を形成するために用いられる工程を示す断面図。
【図５】本発明による半導体素子を形成するために用いられる工程を示す断面図。
【図６】本発明による半導体素子を形成するために用いられる工程を示す断面図。
【図７】本発明による半導体素子を形成するために用いられる工程を示す断面図。
【図８】本発明の別の実施例による半導体素子を形成するために用いられる工程を示す断面図。
【図９】本発明の別の実施例による半導体素子を形成するために用いられる工程を示す断面図。
【符号の説明】
３    第１領域
５    第２領域
１０    半導体素子構造
１２    フィールド分離領域
１４    第１ゲート誘電体層
１５    半導体素子構造
１６    第２ゲート誘電体層
１８    導電層
２０    マスキング層
２２    窒素イオン
２３    第１ゲート電極
２４    導電性窒化物層
２５    第２ゲート電極
２６    キャッピング層
２８    側壁スペーサ
３０，３４    ソース・ドレイン領域
４０    第２マスキング層
４１    窒素イオン
４２    導電性窒化物層
４７，４９    ゲート電極
４８，５０    トランジスタ
【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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