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JP2012084564A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

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JP2012084564A
JP2012084564A JP2010226946A JP2010226946A JP2012084564A JP 2012084564 A JP2012084564 A JP 2012084564A JP 2010226946 A JP2010226946 A JP 2010226946A JP 2010226946 A JP2010226946 A JP 2010226946A JP 2012084564 A JP2012084564 A JP 2012084564A
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etching
tin
film
etched
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JP2010226946A
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Yoshihiro Sugita
義博 杉田
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Fujitsu Semiconductor Ltd
Original Assignee
Fujitsu Semiconductor Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】可能な限り従来の設備及び加工プロセスを継承してコストの上昇を抑制するも、Ta含有の導電材料を難除去性の残留付着物を発生せしめることなく所望に加工し、容易且つ確実に信頼性の高い半導体装置を実現する。
【解決手段】半導体基板上に、Ta含有層、TiN層、及び多結晶シリコン膜等のドライエッチング可能な層を順次積層し、TiN層をエッチングストッパーとして多結晶シリコン膜をドライエッチングして所定形状に残し、TiN層及びTa含有層をSPM、APM等を用いてウェットエッチングして多結晶シリコン膜下で所定形状に残す。
【選択図】図8
[Problem] To keep the conventional equipment and processing process as much as possible and suppress the increase in cost, but easily and reliably process Ta-containing conductive materials as desired without generating difficult-to-removable residual deposits. A highly reliable semiconductor device is realized.
A Ta-containing layer, a TiN layer, and a layer capable of dry etching such as a polycrystalline silicon film are sequentially stacked on a semiconductor substrate, and the polycrystalline silicon film is dry-etched using the TiN layer as an etching stopper to have a predetermined shape. In addition, the TiN layer and the Ta-containing layer are wet-etched using SPM, APM or the like to leave a predetermined shape under the polycrystalline silicon film.
[Selection] Figure 8

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、電界効果型トランジスタ(MIS−FET)等に適用して好適である。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and is suitable for application to a field effect transistor (MIS-FET) or the like.

近年では、MIS−FETに代表される半導体装置の微細化に伴い、ゲート電極の材料として半導体の多結晶シリコンに替わって金属材料の導入が検討されている。金属材料を用いたゲート電極(金属ゲート)を備えたMIS−FETでは、ゲート絶縁膜の実効的な膜厚を薄くすることができるため、高性能化が実現する。   In recent years, with the miniaturization of semiconductor devices typified by MIS-FETs, introduction of metal materials as gate electrode materials in place of semiconductor polycrystalline silicon has been studied. In the MIS-FET provided with a gate electrode (metal gate) using a metal material, the effective film thickness of the gate insulating film can be reduced, so that high performance is realized.

金属ゲートを備えた次世代のFETとして、ゲート絶縁膜に高誘電率材料を用い、ゲート電極を金属膜と多結晶シリコン膜との積層構造とした、金属挿入ポリシリコンゲート(Metal Inserted Poly-Si Stacks:MIPS)構造のFETが案出されている。このMIPS−FETのCMOS−FETへの適用が検討されている。例えば、nMOS−FET及びpMOS−FETのゲート電極にそれぞれ別種類の金属を挿入して、閾値電圧を個別に調整することが考えられる。
また、MIPS−FETにおける多結晶シリコンの代わりに、タングステン(W)等を用いることも検討されている。
As a next-generation FET equipped with a metal gate, a metal-inserted polysilicon gate (Metal Inserted Poly-Si) using a high dielectric constant material for the gate insulating film and a gate electrode layered structure of a metal film and a polycrystalline silicon film Stacks: MIPS) FETs have been devised. Application of this MIPS-FET to a CMOS-FET is being studied. For example, it is conceivable to individually adjust the threshold voltage by inserting different types of metals into the gate electrodes of nMOS-FET and pMOS-FET.
In addition, the use of tungsten (W) or the like in place of the polycrystalline silicon in the MIPS-FET has been studied.

Zhibo Zhang, S. C. Song, Craig Huffman, Muhammad M. Hussain, Joel Barnett, Naim Moumen, Husam N. Alshareef, Prashant Majhi, Johnny H. Sim, Sang Ho Bae, and Byoung Hun Lee: Electrochemical and Solid-State Letters, 8 10 G271-G274 2005Zhibo Zhang, SC Song, Craig Huffman, Muhammad M. Hussain, Joel Barnett, Naim Moumen, Husam N. Alshareef, Prashant Majhi, Johnny H. Sim, Sang Ho Bae, and Byoung Hun Lee: Electrochemical and Solid-State Letters, 8 10 G271-G274 2005 Muhammad Mustafa Hussain, Naim Moumen,, Joel Barnett, Jason Saulters, David Baker, and Zhibo Zhang: Electrochemical and Solid-State Letters, 8 12 G333-G336 2005Muhammad Mustafa Hussain, Naim Moumen ,, Joel Barnett, Jason Saulters, David Baker, and Zhibo Zhang: Electrochemical and Solid-State Letters, 8 12 G333-G336 2005 F. Ootsuka, Y. Tamura, Y. Akasaka, S. Inumiya, H. Nakata, M. Ohtsuka, T. Watanabe, M kitajima, Y. Nara and K. Nakamura: Extended Abstracts of the 2006 International Conference on Solid State Devices and Materials, Yokohama, 2006, pp. 1116-1117F. Ootsuka, Y. Tamura, Y. Akasaka, S. Inumiya, H. Nakata, M. Ohtsuka, T. Watanabe, M kitajima, Y. Nara and K. Nakamura: Extended Abstracts of the 2006 International Conference on Solid State Devices and Materials, Yokohama, 2006, pp. 1116-1117

しかしながら、MIPS−FETでは、以下に示すような問題がある。
MIPS−FETのゲート電極に導入が検討されている金属材料の多くが、半導体製造プロセスの洗浄工程で用いられる薬液(硫酸・過酸化水素混合溶液、アンモニア・過酸化水素混合溶液、塩酸・過酸化水素混合溶液等)に対して脆弱である。
However, the MIPS-FET has the following problems.
Many of the metal materials that are being studied for introduction into the gate electrode of MIPS-FET are chemicals used in the cleaning process of the semiconductor manufacturing process (sulfuric acid / hydrogen peroxide mixed solution, ammonia / hydrogen peroxide mixed solution, hydrochloric acid / peroxide). Vulnerable to hydrogen mixed solution.

MIPS−FETの製造プロセスでは、ゲート電極の金属材料のドライエッチングが困難である。この金属材料には、特にTa含有の導電材料(TaN,TaSiN,TaC,TaCN等)が用いられるが、ドライエッチングを行った際に、難除去性の残留付着物が多量に発生し、レジスト上、ゲート電極の側面等の半導体基板の表面に付着する。そのうえ、ゲート加工を行う際には、性質の異なる2種類の導電材料(多結晶シリコンと金属、Wと金属等)をドライエッチングで垂直に加工することが求められる。そのため、ドライエッチングによる加工プロセスに大幅な変更が求められ、新たな加工プロセスの開発、その新規設備の開発及び導入のためのコストが必要となるという問題がある。   In the MIPS-FET manufacturing process, it is difficult to dry-etch the metal material of the gate electrode. As this metal material, in particular, a Ta-containing conductive material (TaN, TaSiN, TaC, TaCN, etc.) is used. However, when dry etching is performed, a large amount of residual deposits that are difficult to remove are generated on the resist. It adheres to the surface of the semiconductor substrate such as the side surface of the gate electrode. In addition, when performing gate processing, it is required to vertically process two types of conductive materials (polycrystalline silicon and metal, W and metal, etc.) having different properties by dry etching. Therefore, a significant change is required in the processing process by dry etching, and there is a problem that costs for development of a new processing process and development and introduction of the new equipment are required.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、可能な限り従来の設備及び加工プロセスを継承してコストの上昇を抑制するも、Ta含有の導電材料を難除去性の残留付着物を発生せしめることなく所望に加工し、容易且つ確実に信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and succeeds in existing equipment and processing processes as much as possible to suppress an increase in cost. An object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device and a method for manufacturing the same that can be processed as desired without causing the generation of defects.

半導体装置の製造方法の一態様は、半導体基板の上方に、Ta含有の導電材料からなる第1の層と、TiNからなる第2の層と、ドライエッチング可能な第3の層とを順次積層する工程と、前記第2の層をエッチングストッパーとして前記第3の層をドライエッチングによりパターニングする工程と、パターニングされた前記第3の膜をマスクとして前記第2の層及び前記第1の層をウェットエッチングし、前記第2の層及び前記第1の層の一部を前記第3の層下に残す工程とを含む。   In one embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device, a first layer made of a Ta-containing conductive material, a second layer made of TiN, and a third layer capable of dry etching are sequentially stacked above a semiconductor substrate. A step of patterning the third layer by dry etching using the second layer as an etching stopper, and the second layer and the first layer using the patterned third film as a mask. Wet etching to leave a part of the second layer and the first layer below the third layer.

半導体装置の一態様は、半導体基板と、前記半導体基板の上方でゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極とを含み、前記ゲート電極は、Ta含有の導電材料からなる第1の層と、TiNからなる第2の層と、多結晶シリコンからなる第3の層とが順次積層されてなる。   One aspect of the semiconductor device includes a semiconductor substrate and a gate electrode formed above the semiconductor substrate via a gate insulating film, and the gate electrode includes a first layer made of a Ta-containing conductive material; A second layer made of TiN and a third layer made of polycrystalline silicon are sequentially stacked.

上記した諸態様によれば、可能な限り従来の設備及び加工プロセスを継承してコストの上昇を抑制するも、Ta含有の導電材料を難除去性の残留付着物を発生せしめることなく所望に加工し、容易且つ確実に信頼性の高い半導体装置及びその製造方法を実現することができる。   According to the above-described aspects, the conventional equipment and processing process are inherited as much as possible to suppress the increase in cost, but the Ta-containing conductive material is processed as desired without generating difficult-to-removable residual deposits. In addition, a highly reliable semiconductor device and a method for manufacturing the same can be realized easily and reliably.

TiN層について、SPMとAPMに対するサイドエッチング速度の膜厚依存性について調べた結果を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the result of having investigated about the film thickness dependence of the side etching rate with respect to SPM and APM about a TiN layer. 本実施形態によるMIPS−CMOSの製造方法を工程順に示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the manufacturing method of MIPS-CMOS by this embodiment in order of a process. 図2に続き、本実施形態によるMIPS−CMOSの製造方法を工程順に示す概略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the MIPS-CMOS manufacturing method according to the present embodiment in the order of steps, following FIG. 2. 図3に続き、本実施形態によるMIPS−CMOSの製造方法を工程順に示す概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the MIPS-CMOS manufacturing method according to the present embodiment in the order of steps, following FIG. 3. 図4に続き、本実施形態によるMIPS−CMOSの製造方法を工程順に示す概略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view subsequent to FIG. 4 showing the MIPS-CMOS manufacturing method according to the present embodiment in the order of steps. 図5に続き、本実施形態によるMIPS−CMOSの製造方法を工程順に示す概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the MIPS-CMOS manufacturing method according to the present embodiment in the order of steps, following FIG. 5; 図6に続き、本実施形態によるMIPS−CMOSの製造方法を工程順に示す概略断面図である。7 is a schematic cross-sectional view subsequent to FIG. 6 showing the MIPS-CMOS manufacturing method according to the present embodiment in the order of steps. FIG. 図7に続き、本実施形態によるMIPS−CMOSの製造方法を工程順に示す概略断面図である。FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the MIPS-CMOS manufacturing method according to the present embodiment in the order of steps, following FIG. 7. Ta含有層上にTiN層が積層形成された様子を示す概略断面図である。示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows a mode that the TiN layer was laminated | stacked and formed on the Ta content layer. It is a schematic sectional drawing shown.

以下、本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する、本実施形態では、半導体装置としてMIPS−FETを適用したCMOS−FET(以下、単にMIPS−CMOSと記す。)を例示し、その構成を製造方法と共に説明する。   Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings. In the present embodiment, a CMOS-FET to which a MIPS-FET is applied as a semiconductor device (hereinafter simply referred to as MIPS-CMOS) is illustrated as an example. The configuration will be described together with the manufacturing method.

(Ta含有の導電材料を有する構成部材のエッチング加工)
本実施形態では、Ta含有の導電材料(TaN,TaSiN,TaC,TaCN等)をMIPS−FETの構成部材に適用する。具体的な適用の形態としては、Ta含有の導電材料の層(以下、単にTa含有層と記す。)上にTiNからなる層(以下、単にTiN層と記す。)を形成し、その上にドライエッチング可能な材料の層((以下、単に上層と記す。)を形成した積層体を想定する。
(Etching processing of components having conductive material containing Ta)
In the present embodiment, a Ta-containing conductive material (TaN, TaSiN, TaC, TaCN, etc.) is applied to the constituent members of the MIPS-FET. As a specific form of application, a layer made of TiN (hereinafter simply referred to as a TiN layer) is formed on a layer of a Ta-containing conductive material (hereinafter simply referred to as a Ta-containing layer), and on that layer. Assume a laminate in which a layer of a material that can be dry-etched (hereinafter simply referred to as an upper layer) is formed.

Ta含有の導電材料は上記のように、これをドライエッチングすれば、難除去性の残留付着物が多量に発生し、レジスト上、ゲート電極の側面等の半導体基板の表面に付着する。そのため、Ta含有の導電材料を、その残留付着物が悪影響を与える半導体基板の表面近傍に堆積する場合、その加工にはドライエッチングは不適である。一方、Ta含有の導電材料は、硫酸・過酸化水素混合溶液(SPM)、アンモニア・過酸化水素混合溶液(APM)、塩酸・過酸化水素混合溶液(HPM)等に対してある程度の耐性を有するが、APMには比較的溶解し易い。Ta含有の導電材料は、ウェットエッチングであれば、その残留付着物を生ぜしめることなく加工することができる。そのため、Ta含有の導電材料の加工には、APMをエッチング液に用いたウェットエッチングが適している。   As described above, when the Ta-containing conductive material is dry-etched, a large amount of residual deposits that are difficult to remove are generated and adhere to the surface of the semiconductor substrate such as the side surface of the gate electrode on the resist. Therefore, when the Ta-containing conductive material is deposited in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate where the residual deposits have an adverse effect, dry etching is not suitable for the processing. On the other hand, the Ta-containing conductive material has a certain resistance to sulfuric acid / hydrogen peroxide mixed solution (SPM), ammonia / hydrogen peroxide mixed solution (APM), hydrochloric acid / hydrogen peroxide mixed solution (HPM), and the like. However, it is relatively easy to dissolve in APM. If the Ta-containing conductive material is wet-etched, it can be processed without causing residual deposits. For this reason, wet etching using APM as an etching solution is suitable for processing a Ta-containing conductive material.

一般的に、TiNは、SPM、APM等に対して極めて脆弱であると考えられている。本実施形態では、TiNをある程度薄く成膜すれば、形成されたTiN層は、SPM、APM等に対する水平方向(横方向)のエッチング速度(サイドエッチング速度)が垂直方向(縦方向)のエッチング速度に比べて極端に低下することを独自に見出した。本実施形態では、この事実に基づいて、Ta含有層と上層との間にTiN層を設けて積層体を形成する。   In general, TiN is considered extremely vulnerable to SPM, APM and the like. In this embodiment, if TiN is formed to be thin to some extent, the formed TiN layer has an etching rate in the horizontal direction (lateral direction) (side etching rate) with respect to SPM, APM, etc., in the vertical direction (vertical direction). We have found that it is extremely lower than In this embodiment, based on this fact, a TiN layer is provided between the Ta-containing layer and the upper layer to form a laminate.

TiN層について、SPMとAPMに対するサイドエッチング速度の膜厚依存性について調べた。実験結果を図1に示す。
この実験では、スパッタリング法で堆積したTiN上に多結晶シリコンを積層堆積し、TiN層のウェットエッチングのサイドエッチング速度を測定した。エッチング液としては、SPMを96%硫酸:31%過酸化水素溶液=4:1、約80℃とし、APMを29%アンモニア水:31%過酸化水素水:水=3:3:40、約60℃として用いた。
For the TiN layer, the film thickness dependence of the side etching rate with respect to SPM and APM was examined. The experimental results are shown in FIG.
In this experiment, polycrystalline silicon was stacked on TiN deposited by sputtering, and the side etching rate of wet etching of the TiN layer was measured. As an etching solution, SPM is 96% sulfuric acid: 31% hydrogen peroxide solution = 4: 1, about 80 ° C., and APM is 29% ammonia water: 31% hydrogen peroxide water: water = 3: 3: 40, about Used as 60 ° C.

図1より、SPM、APM共に、サイドエッチング速度が縦方向(バルク)のエッチング速度に比べて大幅に低下していることが判る。サイドエッチング速度の低下の程度はTiN層の膜厚に依存し、膜厚が薄いほど溶解速度が小さい。特に10nm以下の極薄のTiN層では、溶解速度は数nm/分以下と極めて遅くなる。TiN層は、成膜装置に起因する限界及びTiNの性質から、0・5nmより薄い膜厚に形成することは困難である。以上から、0・5nm以上10nm以下の膜厚にTiN層を形成することにより、1分〜10分間程度のエッチング時間に対して、TiN層のサイドエッチ量を数nm程度に抑えることができることが確認された。   From FIG. 1, it can be seen that both the SPM and APM have a significantly reduced side etching rate compared to the etching rate in the vertical direction (bulk). The degree of reduction in the side etching rate depends on the thickness of the TiN layer, and the thinner the thickness, the lower the dissolution rate. In particular, in an extremely thin TiN layer having a thickness of 10 nm or less, the dissolution rate is extremely slow, being several nm / min or less. It is difficult to form a TiN layer with a thickness of less than 0.5 nm due to the limitations caused by the film forming apparatus and the properties of TiN. From the above, by forming the TiN layer to a thickness of 0.5 nm to 10 nm, the side etch amount of the TiN layer can be suppressed to about several nm for an etching time of about 1 minute to 10 minutes. confirmed.

上記の積層体に形成するTiN層では、ドライエッチングされた上層を確実に保持しつつも、Ta含有層及びTiN層を所望にウェットエッチングすることが要求される。そのため、SPM及び/又はAPMを用いたウェットエッチングでは、TiN層を0・5nm以上5nm以下、より好適には0・5nm以上2nm以下の膜厚に形成することが好ましい。   In the TiN layer formed in the above laminate, it is required to wet-etch the Ta-containing layer and the TiN layer as desired while reliably holding the dry-etched upper layer. Therefore, in wet etching using SPM and / or APM, the TiN layer is preferably formed to a thickness of 0.5 nm to 5 nm, more preferably 0.5 nm to 2 nm.

また、上記の上層には、TiNに比べてドライエッチングのエッチング速度が小さい材料からなるものが適用される。この場合、上層をドライエッチングする際に、TiN層がエッチングストッパーとして機能する。仮に、エッチングストッパーがない場合、上層のドライエッチングによりTa含有層が若干オーバーエッチングされる。このとき、Ta含有層の残留付着物が発生し、その半導体基板の表面近傍への付着は避けられない。本実施形態では、TiN層がエッチングストッパーとして機能することで、上層のドライエッチングが終了した際にはTa含有層はTiN層に覆われている。そのため、Ta含有層の残留付着物の発生が防止される。   In addition, the upper layer is made of a material having a lower etching rate of dry etching than TiN. In this case, the TiN layer functions as an etching stopper when the upper layer is dry-etched. If there is no etching stopper, the Ta-containing layer is slightly over-etched by dry etching of the upper layer. At this time, a residual deposit of the Ta-containing layer is generated, and its adhesion to the vicinity of the surface of the semiconductor substrate is inevitable. In this embodiment, since the TiN layer functions as an etching stopper, the Ta-containing layer is covered with the TiN layer when the dry etching of the upper layer is completed. Therefore, the generation of residual deposits in the Ta-containing layer is prevented.

以上より、本実施形態では、TiN層を0・5nm以上5nm以下、より好適には0・5nm以上2nm以下の膜厚に成膜して、上記の積層体を形成する。
先ず上層を、TiN層をエッチングストッパーとしてドライエッチングする。このとき、Ta含有層はTiN層で保護され、Ta含有層の残留付着物の発生が防止される。
続いて、SPM又はAPM、或いは両方の液を用いてTiN層及びTa含有層をウェットエッチングする。両方の液を用いる場合は、先ずSPMによりドライエッチング時に用いたレジスト材料やエッチング生成物などとTiN層の大部分を除去する。更にAPM処理を行う事で、Ta含有層の大部分とウエハ上に残留付着しているSPM液やパーティクルを除去するのが、効果的である。このとき、TiN層のサイドエッチ量は小さく、上層が安定に保持された状態でTa含有層(及びTiN層)が所望形状に残存する。
As described above, in the present embodiment, the TiN layer is formed to a thickness of 0.5 nm to 5 nm, more preferably 0.5 nm to 2 nm to form the stacked body.
First, the upper layer is dry-etched using the TiN layer as an etching stopper. At this time, the Ta-containing layer is protected by the TiN layer, and the occurrence of residual deposits on the Ta-containing layer is prevented.
Subsequently, the TiN layer and the Ta-containing layer are wet-etched using SPM, APM, or both solutions. When both liquids are used, first, most of the TiN layer and the resist material and etching products used during dry etching are removed by SPM. Furthermore, it is effective to remove most of the Ta-containing layer and the SPM liquid and particles remaining on the wafer by performing APM treatment. At this time, the amount of side etching of the TiN layer is small, and the Ta-containing layer (and TiN layer) remains in a desired shape while the upper layer is stably held.

更に、図1の実験において、以下の事実が見出された。
エッチング液にSPMを用いたときに、TiN層の膜厚が5nm以下の場合には、TiN層が殆どサイドエッチングされないオフセット時間が存在することが確認された。このオフセット時間は2分間程度であった。
Furthermore, the following facts were found in the experiment of FIG.
When SPM was used as the etching solution, it was confirmed that when the film thickness of the TiN layer was 5 nm or less, there was an offset time during which the TiN layer was hardly side-etched. This offset time was about 2 minutes.

本実施形態では、この事実を利用しても良い。
TiN層を0・5nm以上5nm以下の膜厚に成膜して、積層体を形成する。
先ず上層を、TiN層をエッチングストッパーとしてドライエッチングする。このとき、Ta含有層はTiN層で保護され、Ta含有層の残留付着物の発生が防止される。続いて、SPMを用い、エッチング時間を2分間程度以内に設定して、TiN層及びTa含有層の一部をウェットエッチングする。更に5分程度のAPM処理でTa含有層をほぼ剥離除去する。このとき、TiN層は殆どサイドエッチングされず、上層が確実に安定に保持された状態でTa含有層(及びTiN層)が所望形状に残存する。なお、ウェットエッチングのエッチング時間をオフセット時間の2分間よりも長く設定しても、エッチング時間が数分間程度(10分程度以下)であれば、図1に示したサイドエッチレートの低下現象によりTiN層のサイドエッチ量を小さく抑えることができる。
In this embodiment, this fact may be used.
A TiN layer is formed to a thickness of 0.5 nm to 5 nm to form a stacked body.
First, the upper layer is dry-etched using the TiN layer as an etching stopper. At this time, the Ta-containing layer is protected by the TiN layer, and the occurrence of residual deposits on the Ta-containing layer is prevented. Subsequently, using the SPM, the etching time is set within about 2 minutes, and the TiN layer and a part of the Ta-containing layer are wet-etched. Further, the Ta-containing layer is almost peeled off by APM treatment for about 5 minutes. At this time, the TiN layer is hardly side-etched, and the Ta-containing layer (and the TiN layer) remains in a desired shape while the upper layer is securely held stably. Even if the etching time of the wet etching is set longer than the offset time of 2 minutes, if the etching time is about several minutes (about 10 minutes or less), the side etching rate reduction phenomenon shown in FIG. The side etch amount of the layer can be kept small.

(具体的な実施形態)
以下、上述したTa含有層を有する構成部材のエッチング加工を踏まえて、本実施形態によるMIPS−CMOSの製造方法について詳述する。
図2〜図8は、本実施形態によるMIPS−CMOSの製造方法を工程順に示す概略断面図である。
(Specific embodiment)
Hereinafter, the MIPS-CMOS manufacturing method according to the present embodiment will be described in detail based on the above-described etching process of the constituent member having the Ta-containing layer.
2 to 8 are schematic cross-sectional views showing the MIPS-CMOS manufacturing method according to the present embodiment in the order of steps.

先ず、図2(a)に示すように、シリコン半導体基板10に例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法により素子分離構造11を形成する。
詳細には、P-型のシリコン半導体基板10をリソグラフィー及びドライエッチングにより加工し、半導体基板10上の素子分離領域に分離溝11aを形成する。
分離溝11aを埋め込むように、半導体基板10上に絶縁物、例えばシリコン酸化物(SiO2)をCVD法等により堆積する。半導体基板10の表面が露出するまでシリコン酸化物を研磨、例えば化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)して平坦化する。これにより、分離溝11aをシリコン酸化物を充填してなる素子分離構造11が形成される。素子分離構造11の形成により、半導体基板10上で活性領域、ここではP型活性領域12a及びN型活性領域12bが画定される。
First, as shown in FIG. 2A, an element isolation structure 11 is formed on a silicon semiconductor substrate 10 by, for example, an STI (Shallow Trench Isolation) method.
Specifically, the P -type silicon semiconductor substrate 10 is processed by lithography and dry etching to form an isolation groove 11 a in an element isolation region on the semiconductor substrate 10.
An insulator such as silicon oxide (SiO 2 ) is deposited on the semiconductor substrate 10 by a CVD method or the like so as to fill the isolation trench 11a. The silicon oxide is polished until the surface of the semiconductor substrate 10 is exposed, and is planarized by, for example, chemical mechanical polishing (CMP). Thereby, the element isolation structure 11 formed by filling the isolation trench 11a with silicon oxide is formed. By forming the element isolation structure 11, an active region, here, a P-type active region 12 a and an N-type active region 12 b are defined on the semiconductor substrate 10.

続いて、図2(b)に示すように、P型活性領域12aにN型ウェル13を形成する。
詳細には、P型活性領域12aのみにN型不純物、例えばリン(P)をドーズ量5×1012/cm2、加速エネルギー450keVの条件でイオン注入する、これにより、P型活性領域12aにN型ウェル13が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 2B, an N-type well 13 is formed in the P-type active region 12a.
Specifically, an N-type impurity such as phosphorus (P) is ion-implanted only in the P-type active region 12a under the conditions of a dose amount of 5 × 10 12 / cm 2 and an acceleration energy of 450 keV. An N-type well 13 is formed.

続いて、図2(c)に示すように、ゲート絶縁膜14を形成する。
詳細には、高誘電率材料、例えばHfSiON又はHfO2を低圧CVD(LPCVD)法等により半導体基板10上に膜厚1.5nm〜3nm程度に堆積する。これにより、半導体基板10上にゲート絶縁膜14が形成される。
ゲート絶縁膜としては、高誘電率材料を用いる代わりに、絶縁物、例えばシリコン酸化物又はシリコン酸窒化物(SiON)を熱酸化法又はCVD法等により半導体基板10上に膜厚1nm〜10nm程度に堆積して形成するようにしても良い。
Subsequently, as shown in FIG. 2C, a gate insulating film 14 is formed.
Specifically, a high dielectric constant material such as HfSiON or HfO 2 is deposited on the semiconductor substrate 10 to a thickness of about 1.5 nm to 3 nm by a low pressure CVD (LPCVD) method or the like. As a result, the gate insulating film 14 is formed on the semiconductor substrate 10.
As the gate insulating film, instead of using a high dielectric constant material, an insulator such as silicon oxide or silicon oxynitride (SiON) is formed on the semiconductor substrate 10 with a film thickness of about 1 nm to 10 nm by a thermal oxidation method or a CVD method. It may be formed by depositing.

続いて、図2(d)及び図9(a)に示すように、ゲート金属膜15を形成する。
詳細には、ゲート絶縁膜14上にTa含有導電物、ここではP型ゲート用のTaN(Ta:N=1:1)をスパッタ法等により、膜厚0.5nm〜10nm程度、ここでは3nm程度に堆積する。これにより、TaN層15aが形成される。
TaN層15a上に、TiN(Ti:N=1:1)をスパッタ法等により、膜厚0.5nm〜10nm程度、ここでは5nm程度に堆積する。これにより、TiN層15bが形成される。
以上により、図9(a)に示すように、TaN層15a上にTiN層15bが積層されてなるゲート金属膜15が形成される。図2(d)では、図示の便宜上、ゲート金属膜15を単層として図示する。
Subsequently, as shown in FIGS. 2D and 9A, a gate metal film 15 is formed.
More specifically, a Ta-containing conductive material, here TaN (Ta: N = 1: 1) for a P-type gate is formed on the gate insulating film 14 by a sputtering method or the like, with a film thickness of about 0.5 nm to 10 nm, here 3 nm. Deposit to a degree. Thereby, the TaN layer 15a is formed.
On the TaN layer 15a, TiN (Ti: N = 1: 1) is deposited by sputtering or the like to a film thickness of about 0.5 nm to 10 nm, here about 5 nm. Thereby, the TiN layer 15b is formed.
As described above, as shown in FIG. 9A, the gate metal film 15 in which the TiN layer 15b is laminated on the TaN layer 15a is formed. In FIG. 2D, for convenience of illustration, the gate metal film 15 is illustrated as a single layer.

続いて、図3(a)に示すように、ハードマスク16を形成する。
詳細には、ゲート金属膜15上に、ゲート金属膜15をウェットエッチングする際のマスク材料、ここではシリコン窒化物(SiN)をLPCVD法等により、原料Si2Cl6+NH3、温度450℃の条件で膜厚10nm〜30nm程度に堆積する。これにより、ハードマスク16が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 3A, a hard mask 16 is formed.
Specifically, on the gate metal film 15, a mask material for wet etching of the gate metal film 15, here, silicon nitride (SiN) is formed by raw material Si 2 Cl 6 + NH 3 at a temperature of 450 ° C. by LPCVD or the like. Under conditions, the film is deposited to a thickness of about 10 nm to 30 nm. Thereby, the hard mask 16 is formed.

続いて、図3(b)に示すように、レジストマスク17を形成する。
詳細には、ハードマスク16上にレジストを塗付し、リソグラフィーによりレジストを加工する。これにより、半導体基板10の上方でP型活性領域12aを覆いN型活性領域12bを露出するレジストマスク17が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 3B, a resist mask 17 is formed.
Specifically, a resist is applied on the hard mask 16, and the resist is processed by lithography. As a result, a resist mask 17 is formed above the semiconductor substrate 10 to cover the P-type active region 12a and expose the N-type active region 12b.

続いて、図3(c)に示すように、ハードマスク16をドライエッチングする。
詳細には、レジストマスク17を用い、ゲート金属膜15のTiN層15bをエッチングストッパーとして、ハードマスク16をドライエッチング、ここでは反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)によりパターニングする。このRIEは、全圧40mTorrでエッチングガスをCF4/Arの混合ガスとし、誘導結合プラズマを発生させて行われる。これにより、ハードマスク16は、N型活性領域12b上の部分が除去され、レジストマスク17に覆われたP型活性領域12a上の部分のみが残存する。N型活性領域12bでは、TiN層15bが露出し、ゲート金属膜15のTaN層15aはTiN層15bで覆われて保護されている。そのため、TaN層15aはRIEされることなく、TaNの残留付着物の発生が確実に防止される。
Subsequently, as shown in FIG. 3C, the hard mask 16 is dry-etched.
Specifically, the resist mask 17 is used, the TiN layer 15b of the gate metal film 15 is used as an etching stopper, and the hard mask 16 is patterned by dry etching, here, reactive ion etching (RIE). This RIE is performed by generating an inductively coupled plasma with a total pressure of 40 mTorr and an etching gas of CF 4 / Ar mixed gas. As a result, the hard mask 16 has its portion on the N-type active region 12b removed and only the portion on the P-type active region 12a covered with the resist mask 17 remains. In the N-type active region 12b, the TiN layer 15b is exposed, and the TaN layer 15a of the gate metal film 15 is covered and protected by the TiN layer 15b. Therefore, the TaN layer 15a is not subjected to RIE, and the occurrence of TaN residual deposits is reliably prevented.

続いて、図3(d)に示すように、レジストマスク17を除去する。
詳細には、例えばO2プラズマを用いた灰化処理により、レジストマスク17を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 3D, the resist mask 17 is removed.
More specifically, the resist mask 17 is removed by ashing using, for example, O 2 plasma.

続いて、図4(a)に示すように、ゲート金属膜15をウェットエッチングする。
詳細には、エッチング液としてSPM及び/又はAPMを使用し、ハードマスク16を用いて、ゲート金属膜15をウェットエッチングする。SPMは、96%硫酸:31%過酸化水素溶液=4:1であって、約80℃で使用する。APMは、29%アンモニア水:31%過酸化水素水:水=3:3:40であって、約60℃で使用する。ウェットエッチングとしては、SPMを用いて1分〜2分間行った後、APMを用いて52分〜10分間行う。または、APMを用いて5分〜10分間行う。エッチング液にAPMを用いた場合、TaN層15aのエッチング速度は1nm/分程度である。
Subsequently, as shown in FIG. 4A, the gate metal film 15 is wet-etched.
Specifically, the gate metal film 15 is wet etched using the hard mask 16 using SPM and / or APM as an etchant. SPM is 96% sulfuric acid: 31% hydrogen peroxide solution = 4: 1 and is used at about 80 ° C. APM is 29% ammonia water: 31% hydrogen peroxide water: water = 3: 3: 40, and is used at about 60 ° C. The wet etching is performed for 1 minute to 2 minutes using SPM, and then performed for 52 minutes to 10 minutes using APM. Alternatively, APM is used for 5 minutes to 10 minutes. When APM is used as the etchant, the etching rate of the TaN layer 15a is about 1 nm / min.

TiN層15bは、上記のエッチング液に対するサイドエッチング速度は極めて小さい。従って、このウェットエッチングにおいて、ハードマスク16で覆われた部分のTiN層15bのサイドエッチ量は小さく、ハードマスク16は確実にゲート金属膜15上に保持される。これにより、TaNの残留付着物の発生を生ぜしめることなく、ハードマスク16が安定に保持された状態でゲート金属膜15がハードマスク16に倣った所望形状に残存する。   The TiN layer 15b has a very low side etching rate with respect to the etching solution. Accordingly, in this wet etching, the side etch amount of the portion of the TiN layer 15 b covered with the hard mask 16 is small, and the hard mask 16 is reliably held on the gate metal film 15. As a result, the gate metal film 15 remains in a desired shape following the hard mask 16 while the hard mask 16 is stably held without causing the generation of residual deposits of TaN.

続いて、図4(b)及び図9(b)に示すように、ゲート金属膜18を形成する。
詳細には、ハードマスク16上を含むゲート絶縁膜14上にTa含有導電物、ここではN型ゲート用のTaSiN(Ta:Si:N=1:1.5〜2.5:1〜3)をスパッタ法等により、膜厚0.5nm〜10nm程度、ここでは1.5nm程度に堆積する。これにより、TaSiN層18aが形成される。
TaSiN層18a上に、TiN(Ti:N=1:1)をスパッタ法等により、膜厚0.5nm〜10nm程度、ここでは5nm程度に堆積する。これにより、TiN層18bが形成される。
以上により、図9(b)に示すように、TaSiN層18a上にTiN層18bが積層されてなるゲート金属膜18が形成される。図4(b)では、図示の便宜上、ゲート金属膜18を単層として図示する。
Subsequently, as shown in FIGS. 4B and 9B, a gate metal film 18 is formed.
Specifically, a Ta-containing conductive material on the gate insulating film 14 including the hard mask 16, here, TaSiN for an N-type gate (Ta: Si: N = 1: 1.5 to 2.5: 1 to 3) Is deposited to a film thickness of about 0.5 nm to 10 nm, here about 1.5 nm by sputtering or the like. Thereby, the TaSiN layer 18a is formed.
On the TaSiN layer 18a, TiN (Ti: N = 1: 1) is deposited to a film thickness of about 0.5 nm to 10 nm, here about 5 nm by sputtering or the like. Thereby, the TiN layer 18b is formed.
As a result, as shown in FIG. 9B, the gate metal film 18 in which the TiN layer 18b is laminated on the TaSiN layer 18a is formed. In FIG. 4B, for convenience of illustration, the gate metal film 18 is illustrated as a single layer.

続いて、図4(c)に示すように、ハードマスク19を形成する。
詳細には、ゲート金属膜18上に、ゲート金属膜18をウェットエッチングする際のマスク材料、ここではSiNをLPCVD法等により、原料Si2Cl6+NH3、温度450℃の条件で膜厚10nm〜30nm程度に堆積する。これにより、ハードマスク19が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 4C, a hard mask 19 is formed.
More specifically, a mask material for wet etching of the gate metal film 18 on the gate metal film 18, here, SiN is formed by LPCVD or the like, with a raw material Si 2 Cl 6 + NH 3 , a temperature of 450 ° C., and a film thickness of 10 nm. Deposits to about 30 nm. Thereby, the hard mask 19 is formed.

続いて、図4(d)に示すように、レジストマスク21を形成する。
詳細には、ハードマスク19上にレジストを塗付し、リソグラフィーによりレジストを加工する。これにより、半導体基板10の上方でN型活性領域12bを覆いP型活性領域12aを露出するレジストマスク21が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 4D, a resist mask 21 is formed.
Specifically, a resist is applied on the hard mask 19 and the resist is processed by lithography. As a result, a resist mask 21 that covers the N-type active region 12b and exposes the P-type active region 12a over the semiconductor substrate 10 is formed.

続いて、図5(a)に示すように、ハードマスク19をドライエッチングする。
詳細には、レジストマスク21を用い、ゲート金属膜18のTiN層18bをエッチングストッパーとして、ハードマスク19をドライエッチング、ここではRIEによりパターニングする。このRIEは、全圧40mTorrでエッチングガスをCF4/Arとし、誘導結合プラズマを発生させて行われる。これにより、ハードマスク16は、P型活性領域12a上の部分が除去され、レジストマスク17に覆われたN型活性領域12b上の部分のみが残存する。P型活性領域12aでは、TiN層18bが露出し、ゲート金属膜18のTaSiN層18aはTiN層18bで覆われて保護されている。そのため、TaSiN層18aはRIEされることなく、TaSiNの残留付着物の発生が確実に防止される。
Subsequently, as shown in FIG. 5A, the hard mask 19 is dry-etched.
Specifically, the resist mask 21 is used, and the hard mask 19 is patterned by dry etching, here RIE, using the TiN layer 18b of the gate metal film 18 as an etching stopper. This RIE is performed by generating an inductively coupled plasma with a total pressure of 40 mTorr and an etching gas of CF 4 / Ar. As a result, the hard mask 16 is removed from the portion on the P-type active region 12a, and only the portion on the N-type active region 12b covered with the resist mask 17 remains. In the P-type active region 12a, the TiN layer 18b is exposed, and the TaSiN layer 18a of the gate metal film 18 is covered and protected by the TiN layer 18b. Therefore, the TaSiN layer 18a is not subjected to RIE, and the occurrence of TaSiN residual deposits is reliably prevented.

続いて、図5(b)に示すように、レジストマスク21を除去する。
詳細には、例えばO2プラズマを用いた灰化処理により、レジストマスク21を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 5B, the resist mask 21 is removed.
Specifically, the resist mask 21 is removed by ashing using, for example, O 2 plasma.

続いて、図5(c)に示すように、ゲート金属膜18をウェットエッチングする。
詳細には、エッチング液としてSPM及び/又はAPMを使用し、ハードマスク19を用いて、ゲート金属膜18をウェットエッチングする。SPMは、96%硫酸:31%過酸化水素溶液=4:1であって、約80℃で使用する。APMは、29%アンモニア水:31%過酸化水素水:水=3:3:40であって、約60℃で使用する。ウェットエッチングとしては、SPMを用いて1分〜2分間行った後、APMを用いて10分〜30分間行う。または、APMを用いて10分〜30分間行う。エッチング液にAPMを用いた場合、TaSiN層18aのエッチング速度は0.3nm/分程度である。
Subsequently, as shown in FIG. 5C, the gate metal film 18 is wet-etched.
Specifically, the gate metal film 18 is wet-etched using the hard mask 19 using SPM and / or APM as an etchant. SPM is 96% sulfuric acid: 31% hydrogen peroxide solution = 4: 1 and is used at about 80 ° C. APM is 29% ammonia water: 31% hydrogen peroxide water: water = 3: 3: 40, and is used at about 60 ° C. The wet etching is performed for 1 minute to 2 minutes using SPM, and then performed for 10 minutes to 30 minutes using APM. Alternatively, APM is used for 10 minutes to 30 minutes. When APM is used as the etching solution, the etching rate of the TaSiN layer 18a is about 0.3 nm / min.

TiN層18bは、上記のエッチング液に対するサイドエッチング速度は極めて小さい。従って、このウェットエッチングにおいて、ハードマスク19で覆われた部分のTiN層18bのサイドエッチ量は小さく、ハードマスク19は確実にゲート金属膜18上に保持される。これにより、TaSiNの残留付着物の発生を生ぜしめることなく、ハードマスク19が安定に保持された状態でゲート金属膜18がハードマスク19に倣った所望形状に残存する。   The TiN layer 18b has a very low side etching rate with respect to the etching solution. Therefore, in this wet etching, the side etch amount of the TiN layer 18b in the portion covered with the hard mask 19 is small, and the hard mask 19 is reliably held on the gate metal film 18. Thereby, the gate metal film 18 remains in a desired shape following the hard mask 19 in a state where the hard mask 19 is stably held without causing generation of residual deposits of TaSiN.

続いて、図5(d)に示すように、ハードマスク16,19を除去する。
詳細には、例えばRIEを用いたドライエッチング又は希フッ酸を用いたウェットエッチングにより、ハードマスク16,19を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 5D, the hard masks 16 and 19 are removed.
Specifically, the hard masks 16 and 19 are removed, for example, by dry etching using RIE or wet etching using dilute hydrofluoric acid.

続いて、図6(a)に示すように、多結晶シリコン膜22を堆積する。
詳細には、LPCVD法等により、ゲート金属膜16,18を覆うように半導体基板10上に多結晶シリコン膜22を膜厚40nm〜80nm程度に堆積する。
Subsequently, as shown in FIG. 6A, a polycrystalline silicon film 22 is deposited.
Specifically, a polycrystalline silicon film 22 is deposited to a thickness of about 40 nm to 80 nm on the semiconductor substrate 10 so as to cover the gate metal films 16 and 18 by LPCVD or the like.

続いて、図6(b)に示すように、ハードマスク23、反射防止膜24、及びレジストマスク25a,25bを順次形成する。
詳細には、多結晶シリコン膜22上に、ゲート金属膜15又は18をウェットエッチングする際のマスク材料、ここではSiNをLPCVD法等により、原料Si2Cl6+NH3、温度450℃の条件で膜厚30nm〜70nm程度に堆積する。これにより、ハードマスク23が形成される。ハードマスクは、SiNの代わりにSiO2を用いて形成しても良い。
Subsequently, as shown in FIG. 6B, a hard mask 23, an antireflection film 24, and resist masks 25a and 25b are sequentially formed.
More specifically, a mask material for wet etching of the gate metal film 15 or 18 on the polycrystalline silicon film 22, here SiN is formed by the LPCVD method or the like under conditions of raw material Si 2 Cl 6 + NH 3 and a temperature of 450 ° C. Deposited to a film thickness of about 30 nm to 70 nm. Thereby, the hard mask 23 is formed. The hard mask may be formed using SiO 2 instead of SiN.

ハードマスク23に反射防止膜(BARC)24を形成した後、反射防止膜24上にレジストを塗付し、リソグラフィーによりレジストを加工する。これにより、ゲート金属膜15の上方にはレジストマスク25aが、ゲート金属膜18の上方にはレジストマスク25bがそれぞれ形成される。   After an antireflection film (BARC) 24 is formed on the hard mask 23, a resist is applied on the antireflection film 24, and the resist is processed by lithography. As a result, a resist mask 25 a is formed above the gate metal film 15 and a resist mask 25 b is formed above the gate metal film 18.

続いて、図6(c)に示すように、反射防止膜24をウェットエッチングすると共にレジストマスク25a,25bをスリミングする。
詳細には、レジストマスク25a,25bを用い、反射防止膜24をウェットエッチングする。このときレジストマスク25a,25bもエッチングされ、電極形状にスリミングされる。
Subsequently, as shown in FIG. 6C, the antireflection film 24 is wet-etched and the resist masks 25a and 25b are slimmed.
Specifically, the antireflection film 24 is wet etched using the resist masks 25a and 25b. At this time, the resist masks 25a and 25b are also etched and slimmed into electrode shapes.

続いて、図6(d)に示すように、ハードマスク23及び多結晶シリコン膜22をドライエッチングする。
詳細には、レジストマスク25a,25bを用い、ゲート金属膜15,18のTiN層15b,18bをエッチングストッパーとして、ハードマスク23及び多結晶シリコン膜22をドライエッチング、ここではRIEによりパターニングする。このRIEは、全圧4mTorrでエッチングガスをO2/CF4/HBr/Cl2の混合ガスとし、誘導結合プラズマを発生させて行われる。これにより、ハードマスク23及び多結晶シリコン膜22は、レジストマスク25a,25bに覆われた部分のみが残存する。P型活性領域12aでは、ゲート金属膜15のTaN層15aはTiN層15bで覆われて保護されている。N型活性領域12bでは、ゲート金属膜18のTaN層18aはTiN層18bで覆われて保護されている。そのため、TaN層15a,18aはRIEされることなく、TaN及びTaSiNの残留付着物の発生が確実に防止される。
Subsequently, as shown in FIG. 6D, the hard mask 23 and the polycrystalline silicon film 22 are dry-etched.
Specifically, the resist masks 25a and 25b are used, and the hard mask 23 and the polycrystalline silicon film 22 are patterned by dry etching, here RIE, using the TiN layers 15b and 18b of the gate metal films 15 and 18 as etching stoppers. This RIE is performed by generating an inductively coupled plasma by using a mixed gas of O 2 / CF 4 / HBr / Cl 2 with an etching gas at a total pressure of 4 mTorr. As a result, only the portions of the hard mask 23 and the polycrystalline silicon film 22 covered with the resist masks 25a and 25b remain. In the P-type active region 12a, the TaN layer 15a of the gate metal film 15 is covered and protected by the TiN layer 15b. In the N-type active region 12b, the TaN layer 18a of the gate metal film 18 is covered and protected by the TiN layer 18b. Therefore, the TaN layers 15a and 18a are not RIE, and the occurrence of TaN and TaSiN residual deposits is reliably prevented.

続いて、図7(a)に示すように、レジストマスク25a,25b及び反射防止膜24を除去する。
詳細には、例えばO2プラズマを用いた灰化処理により、レジストマスク25a,25b及び反射防止膜24を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 7A, the resist masks 25a and 25b and the antireflection film 24 are removed.
Specifically, the resist masks 25a and 25b and the antireflection film 24 are removed by ashing using, for example, O 2 plasma.

続いて、図7(b)に示すように、ゲート金属膜15,18をウェットエッチングする。
詳細には、エッチング液としてSPM及び/又はAPMを使用し、多結晶シリコン膜22をハードマスクとして、ゲート金属膜15,18をウェットエッチングする。SPMは、96%硫酸:31%過酸化水素溶液=4:1であって、約80℃で使用する。APMは、29%アンモニア水:31%過酸化水素水:水=3:3:40であって、約60℃で使用する。ウェットエッチングとしては、SPMを用いて1分〜2分間行った後、APMを用いて1分〜10分間行う。または、APMを用いて1分〜10分間行う。
Subsequently, as shown in FIG. 7B, the gate metal films 15 and 18 are wet-etched.
Specifically, the gate metal films 15 and 18 are wet-etched using SPM and / or APM as an etchant and using the polycrystalline silicon film 22 as a hard mask. SPM is 96% sulfuric acid: 31% hydrogen peroxide solution = 4: 1 and is used at about 80 ° C. APM is 29% ammonia water: 31% hydrogen peroxide water: water = 3: 3: 40, and is used at about 60 ° C. The wet etching is performed for 1 minute to 2 minutes using SPM, and then for 1 minute to 10 minutes using APM. Alternatively, APM is used for 1 to 10 minutes.

TiN層15b,18bは、上記のエッチング液に対するサイドエッチング速度は極めて小さい。従って、このウェットエッチングにおいて、ハードマスク23で覆われた部分のTiN層15b,18bのサイドエッチ量は小さく、ハードマスク23は確実にゲート金属膜15,18上に保持される。これにより、TaN及びTaSiNのドライエッチング残留付着物の発生を生ぜしめることなく、ハードマスク23が安定に保持された状態でゲート金属膜15,18がハードマスク23に倣った所望形状に残存する。   The TiN layers 15b and 18b have a very low side etching rate with respect to the etching solution. Therefore, in this wet etching, the side etch amount of the portions of the TiN layers 15 b and 18 b covered with the hard mask 23 is small, and the hard mask 23 is reliably held on the gate metal films 15 and 18. As a result, the gate metal films 15 and 18 remain in a desired shape following the hard mask 23 in a state where the hard mask 23 is stably held without generating dry etching residue deposits of TaN and TaSiN.

続いて、図7(c)に示すように、ゲート絶縁膜14と僅かに残った金属ゲート15a及び18aのウェットエッチングによる残渣をドライエッチングする。
詳細には、ハードマスク23(及び多結晶シリコン膜22)をマスクとして用い、ゲート絶縁膜14をドライエッチング、ここではRIEによりパターニングする。このRIEは、全圧10mTorrでエッチングガスをBCl3+Cl2+Arとし、誘導結合プラズマを発生させて行われる。これにより、ゲート絶縁膜14は、ゲート金属膜15,18に覆われた部分のみが残存する。このRIEにおいて、ハードマスク23も除去される。以上により、半導体基板10上において、P型活性領域12a上にはゲート絶縁膜14を介したMIPS構造のゲート電極20aが、N型活性領域12b上にはゲート絶縁膜14を介したMIPS構造のゲート電極20bがそれぞれ形成される。ゲート電極20aは、P型活性領域12aにおいて、ゲート金属膜15上に多結晶シリコン膜22が積層されてなるものである。ゲート電極20bは、N型活性領域12bにおいて、ゲート金属膜18上に多結晶シリコン膜22が積層されてなるものである。
Subsequently, as shown in FIG. 7C, the residue obtained by wet etching of the gate insulating film 14 and the slightly remaining metal gates 15a and 18a is dry-etched.
Specifically, using the hard mask 23 (and the polycrystalline silicon film 22) as a mask, the gate insulating film 14 is patterned by dry etching, here RIE. This RIE is performed by generating an inductively coupled plasma with a total pressure of 10 mTorr and an etching gas of BCl 3 + Cl 2 + Ar. As a result, only portions of the gate insulating film 14 covered with the gate metal films 15 and 18 remain. In this RIE, the hard mask 23 is also removed. As described above, on the semiconductor substrate 10, the gate electrode 20a having the MIPS structure via the gate insulating film 14 is formed on the P-type active region 12a, and the MIPS structure is formed on the N-type active region 12b by the gate insulating film 14. Each of the gate electrodes 20b is formed. The gate electrode 20a is formed by laminating a polycrystalline silicon film 22 on the gate metal film 15 in the P-type active region 12a. The gate electrode 20b is formed by laminating a polycrystalline silicon film 22 on the gate metal film 18 in the N-type active region 12b.

続いて、図7(d)に示すように、第1のサイドウォール絶縁膜26を形成する。
詳細には、ゲート電極20a,20bを覆うように、半導体基板10の全面に絶縁膜、例えばCVD法等によりSiO2を堆積する。このSiO2の全面を異方性ドライエッチング(エッチバック)する。これにより、ゲート電極20a,20bの側面のみにSiO2が残存し、第1のサイドウォール絶縁膜26が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 7D, a first sidewall insulating film 26 is formed.
More specifically, an insulating film such as SiO 2 is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 10 so as to cover the gate electrodes 20a and 20b. The entire surface of this SiO 2 is subjected to anisotropic dry etching (etch back). As a result, SiO 2 remains only on the side surfaces of the gate electrodes 20a and 20b, and the first sidewall insulating film 26 is formed.

続いて、図8(a)に示すように、エクステンション領域27a,27bを形成する。
詳細には、N型活性領域12bを覆いP型活性領域12aを露出させるレジストマスクを形成し、このレジストマスクを用いてP型活性領域12aにN型不純物、例えば砒素(As+)をドーズ量1×1015/cm2、加速エネルギー3keVの条件でイオン注入する、これにより、半導体基板10におけるP型活性領域12aのゲート電極20aの両側にエクステンション領域27aが形成される。エクステンション領域27aは、第1のサイドウォール絶縁膜26に位置整合して形成される。レジストマスクは灰化処理等により除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 8A, extension regions 27a and 27b are formed.
Specifically, a resist mask that covers the N-type active region 12b and exposes the P-type active region 12a is formed, and an N-type impurity such as arsenic (As + ) is dosed into the P-type active region 12a using the resist mask. Ion implantation is performed under the conditions of 1 × 10 15 / cm 2 and acceleration energy of 3 keV, whereby extension regions 27 a are formed on both sides of the gate electrode 20 a of the P-type active region 12 a in the semiconductor substrate 10. The extension region 27 a is formed in alignment with the first sidewall insulating film 26. The resist mask is removed by ashing or the like.

P型活性領域12aを覆いN型活性領域12bを露出させるレジストマスクを形成し、このレジストマスクを用いてN型活性領域12bにP型不純物、例えばホウ素(B+)をドーズ量1×1015/cm2、加速エネルギー4keVの条件でイオン注入する、これにより、半導体基板10におけるN型活性領域12bのゲート電極20bの両側にエクステンション領域27aが形成される。エクステンション領域27bは、第1のサイドウォール絶縁膜26に位置整合して形成される。レジストマスクは灰化処理等により除去される。 A resist mask that covers the P-type active region 12a and exposes the N-type active region 12b is formed, and using this resist mask, a P-type impurity such as boron (B + ) is dosed to the N-type active region 12b at a dose of 1 × 10 15. Ion implantation is performed under the conditions of / cm 2 and acceleration energy of 4 keV, whereby extension regions 27 a are formed on both sides of the gate electrode 20 b of the N-type active region 12 b in the semiconductor substrate 10. The extension region 27b is formed in alignment with the first sidewall insulating film 26. The resist mask is removed by ashing or the like.

続いて、図8(b)に示すように、第2のサイドウォール絶縁膜28を形成する。
詳細には、ゲート電極20a,20b及び第1のサイドウォール絶縁膜26を覆うように、半導体基板10の全面に絶縁膜、例えばCVD法等によりSiO2を堆積する。このSiO2の全面をエッチバックする。これにより、ゲート電極20a,20bの第1のサイドウォール絶縁膜26のみを覆うようにSiO2が残存し、第2のサイドウォール絶縁膜28が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 8B, a second sidewall insulating film 28 is formed.
Specifically, an insulating film such as SiO 2 is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 10 so as to cover the gate electrodes 20a and 20b and the first sidewall insulating film 26. The entire surface of this SiO 2 is etched back. As a result, SiO 2 remains so as to cover only the first sidewall insulating film 26 of the gate electrodes 20a and 20b, and the second sidewall insulating film 28 is formed.

続いて、図8(c)に示すように、ソース/ドレイン領域29a,29bを形成する。
詳細には、N型活性領域12bを覆いP型活性領域12aを露出させるレジストマスクを形成し、このレジストマスクを用いてP型活性領域12aにN型不純物、例えば砒素(As+をドーズ量5×1015/cm2、加速エネルギー38keVの条件でイオン注入する、これにより、半導体基板10におけるP型活性領域12aのゲート電極20aの両側にソース/ドレイン領域29aが形成される。ソース/ドレイン領域29aは、第2のサイドウォール絶縁膜28に位置整合し、エクステンション領域27aと一部重畳して形成される。レジストマスクは灰化処理等により除去される。
Subsequently, as shown in FIG. 8C, source / drain regions 29a and 29b are formed.
Specifically, a resist mask that covers the N-type active region 12b and exposes the P-type active region 12a is formed, and using this resist mask, an N-type impurity such as arsenic (As + is dosed to 5) in the P-type active region 12a. Ions are implanted under the conditions of × 10 15 / cm 2 and acceleration energy of 38 keV, whereby source / drain regions 29a are formed on both sides of the gate electrode 20a of the P-type active region 12a in the semiconductor substrate 10. Source / drain regions 29a is aligned with the second sidewall insulating film 28 and partially overlaps with the extension region 27a, and the resist mask is removed by ashing or the like.

P型活性領域12aを覆いN型活性領域12bを露出させるレジストマスクを形成し、このレジストマスクを用いてN型活性領域12bにP型不純物、例えばBF2 +をドーズ量3×1015/cm2、加速エネルギー18keVの条件でイオン注入する、これにより、半導体基板10におけるN型活性領域12bのゲート電極20bの両側にソース/ドレイン領域29bが形成される。ソース/ドレイン領域29bは、第2のサイドウォール絶縁膜28に位置整合し、エクステンション領域27bと一部重畳して形成される。レジストマスクは灰化処理等により除去される。 A resist mask that covers the P-type active region 12a and exposes the N-type active region 12b is formed. Using this resist mask, a P-type impurity such as BF 2 + is dosed to the N-type active region 12b at a dose of 3 × 10 15 / cm. 2. Ion implantation is performed under the condition of an acceleration energy of 18 keV, whereby source / drain regions 29b are formed on both sides of the gate electrode 20b of the N-type active region 12b in the semiconductor substrate 10. The source / drain region 29b is formed so as to be aligned with the second sidewall insulating film 28 and partially overlap with the extension region 27b. The resist mask is removed by ashing or the like.

続いて、図8(d)に示すように、シリサイド膜31を形成する。
詳細には、半導体基板10の全面にシリサイド金属、例えばNiをスパッタ法等により堆積し、半導体基板10を熱処理する。これにより、Niとシリコン、ここではNiとゲート電極20a,20bの多結晶シリコン膜22、及びNiとソース/ドレイン領域29a,29bが化学反応してシリサイド化する。
その後、未反応のNiをウェットエッチングにより除去する。以上により、ゲート電極20a,20b上、及びソース/ドレイン領域29a,29b上にNiSiのシリサイド膜31が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 8D, a silicide film 31 is formed.
Specifically, a silicide metal such as Ni is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 10 by a sputtering method or the like, and the semiconductor substrate 10 is heat-treated. As a result, Ni and silicon, here, the polysilicon film 22 of Ni and the gate electrodes 20a and 20b, and Ni and the source / drain regions 29a and 29b are chemically reacted to be silicided.
Thereafter, unreacted Ni is removed by wet etching. Thus, the NiSi silicide film 31 is formed on the gate electrodes 20a and 20b and the source / drain regions 29a and 29b.

しかる後、層間絶縁膜、コンタクト孔、コンタクト孔を埋め込む導電プラグ、導電プラグと接続される配線等の形成等の諸工程を経る。以上により、P型活性領域12aにP型のMIPS−FETを、N型活性領域12bにN型のMIPS−FETをそれぞれ備えたMIPS−CMOSが形成される。   Thereafter, various processes such as formation of an interlayer insulating film, contact holes, conductive plugs filling the contact holes, wirings connected to the conductive plugs, and the like are performed. Thus, a MIPS-CMOS having a P-type MIPS-FET in the P-type active region 12a and an N-type MIPS-FET in the N-type active region 12b is formed.

以上説明したように、本実施形態によれば、可能な限り従来の設備及び加工プロセスを継承してコストの上昇を抑制するも、Ta含有の導電材料であるTaN層及びTaSiN層を難除去性となる残留付着物を発生せしめることなく所望に加工し、容易且つ確実に信頼性の高いMIPS−CMOSが実現する。   As described above, according to the present embodiment, the TaN layer and the TaSiN layer, which are Ta-containing conductive materials, are difficult to remove, although the conventional equipment and processing processes are inherited as much as possible to suppress the cost increase. Thus, a highly reliable MIPS-CMOS can be realized easily and surely without causing any residual deposits.

以下、半導体装置及びその製造方法の諸態様を付記としてまとめて記載する。   Hereinafter, various aspects of the semiconductor device and its manufacturing method will be collectively described as additional notes.

(付記1)半導体基板の上方に、Ta含有の導電材料からなる第1の層と、TiNからなる第2の層と、ドライエッチング可能な第3の層とを順次積層する工程と、
前記第2の層をエッチングストッパーとして前記第3の層をドライエッチングによりパターニングする工程と、
パターニングされた前記第3の膜をマスクとして前記第2の層及び前記第1の層をウェットエッチングし、前記第2の層及び前記第1の層の一部を前記第3の層下に残す工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Appendix 1) A step of sequentially laminating a first layer made of a Ta-containing conductive material, a second layer made of TiN, and a third layer that can be dry-etched above a semiconductor substrate;
Patterning the third layer by dry etching using the second layer as an etching stopper;
The second layer and the first layer are wet-etched using the patterned third film as a mask, and the second layer and a part of the first layer are left below the third layer. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of:

(付記2)前記第1の層は、0.5nm以上10.0nm以下の膜厚に形成されることを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 2) The said 1st layer is formed in the film thickness of 0.5 to 10.0 nm, The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 1 characterized by the above-mentioned.

(付記3)前記第2の層は、0.5nm以上10.0nm以下の膜厚に形成されることを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 3) The said 2nd layer is formed in the film thickness of 0.5 to 10.0 nm, The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 1 characterized by the above-mentioned.

(付記4)前記ウェットエッチングは、SPM及びAPMの両方、又はSPM及びAPMのうちから選ばれた1種をエッチング液として用いることを特徴とする付記1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   (Appendix 4) The semiconductor according to any one of appendices 1 to 3, wherein the wet etching uses both SPM and APM or one selected from SPM and APM as an etchant. Device manufacturing method.

(付記5)前記第3の層は、シリコン層であることを特徴とする付記1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 5) The said 3rd layer is a silicon layer, The manufacturing method of the semiconductor device of any one of Additional remark 1-4 characterized by the above-mentioned.

(付記6)前記第3の層は、前記ウェットエッチングのマスクとなる層であることを特徴とする付記1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   (Additional remark 6) The said 3rd layer is a layer used as the mask of the said wet etching, The manufacturing method of the semiconductor device of any one of Additional remark 1-4 characterized by the above-mentioned.

(付記7)半導体基板と、
前記半導体基板の上方でゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と
を含み、
前記ゲート電極は、Ta含有の導電材料からなる第1の層と、TiNからなる第2の層と、多結晶シリコンからなる第3の層とが順次積層されてなることを特徴とする半導体装置。
(Appendix 7) a semiconductor substrate;
A gate electrode formed above the semiconductor substrate via a gate insulating film,
The gate electrode is formed by sequentially laminating a first layer made of a Ta-containing conductive material, a second layer made of TiN, and a third layer made of polycrystalline silicon. .

(付記8)前記第1の層は、0.5nm以上10.0nm以下の膜厚に形成されることを特徴とする付記7に記載の半導体装置。   (Supplementary note 8) The semiconductor device according to supplementary note 7, wherein the first layer is formed to a thickness of 0.5 nm to 10.0 nm.

(付記9)前記第2の層は、0.5nm以上10.0nm以下の膜厚に形成されることを特徴とする付記7に記載の半導体装置。   (Supplementary note 9) The semiconductor device according to supplementary note 7, wherein the second layer is formed to a thickness of 0.5 nm to 10.0 nm.

10 半導体基板
11 素子分離構造
11a 分離溝
12a P型活性領域
12b N型活性領域
13 N型ウェル
14 ゲート絶縁膜
15,18 ゲート金属膜
15a TaN層
15b,18b TiN層
16,19,23 ハードマスク
17,21,25a,25b レジストマスク
18a TaSiN層
20a,20b ゲート電極
22 多結晶シリコン膜
24 反射防止膜
26 第1のサイドウォール絶縁膜
27a,27b エクステンション領域
28 第2のサイドウォール絶縁膜
29a,29b ソース/ドレイン領域
31 シリサイド膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor substrate 11 Element isolation structure 11a Isolation groove | channel 12a P-type active region 12b N-type active region 13 N-type well 14 Gate insulating film 15, 18 Gate metal film 15a TaN layer 15b, 18b TiN layer 16, 19, 23 Hard mask 17 , 21, 25a, 25b Resist mask 18a TaSiN layer 20a, 20b Gate electrode 22 Polycrystalline silicon film 24 Antireflection film 26 First sidewall insulating film 27a, 27b Extension region 28 Second sidewall insulating film 29a, 29b Source / Drain region 31 Silicide film

Claims (5)

半導体基板の上方に、Ta含有の導電材料からなる第1の層と、TiNからなる第2の層と、ドライエッチング可能な第3の層とを順次積層する工程と、
前記第2の層をエッチングストッパーとして前記第3の層をドライエッチングによりパターニングする工程と、
パターニングされた前記第3の膜をマスクとして前記第2の層及び前記第1の層をウェットエッチングし、前記第2の層及び前記第1の層の一部を前記第3の層下に残す工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A step of sequentially laminating a first layer made of a Ta-containing conductive material, a second layer made of TiN, and a third layer capable of being dry-etched over a semiconductor substrate;
Patterning the third layer by dry etching using the second layer as an etching stopper;
The second layer and the first layer are wet-etched using the patterned third film as a mask, and the second layer and a part of the first layer are left below the third layer. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of:
前記第2の層は、0.5nm以上10.0nm以下の膜厚に形成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。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the second layer is formed to a thickness of 0.5 nm to 10.0 nm. 前記第3の層は、シリコン層であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the third layer is a silicon layer. 半導体基板と、
前記半導体基板の上方でゲート絶縁膜を介して形成されたゲート電極と
を含み、
前記ゲート電極は、Ta含有の導電材料からなる第1の層と、TiNからなる第2の層と、多結晶シリコンからなる第3の層とが順次積層されてなることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
A gate electrode formed above the semiconductor substrate via a gate insulating film,
The gate electrode is formed by sequentially laminating a first layer made of a Ta-containing conductive material, a second layer made of TiN, and a third layer made of polycrystalline silicon. .
前記第2の層は、0.5nm以上10.0nm以下の膜厚に形成されることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 4, wherein the second layer is formed to a thickness of 0.5 nm or more and 10.0 nm or less.
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