專利名稱：半導體裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及在半導體基板上通過柵極絕緣膜形成有柵極電極的MOS結構的半導體裝置。
背景技術：
在現有技術中，作為MOS結構晶體管的柵極電極材料，使用多晶硅(Poly-Si)。作為控制MOS結構晶體管的閾值電壓的方法，一般有所謂的溝道滲雜(channel doped)的在溝道區域中摻雜雜質的方法，或者在Poly-Si膜中摻雜雜質的方法。
然而，隨著半導體裝置的微細化，在溝道滲雜中，存在著溝道區域的雜質濃度的上升對載體產生影響的問題，此外，在Poly-Si摻雜中，由于襯底柵極氧化膜的擊穿，而在Poly-Si和襯底柵極氧化膜的界面上形成耗盡層，因此，存在著使柵極電極動作時的電氣特性變差以及難以使柵極氧化膜變得更薄的問題。此外，隨著LSI的高集成化和高速化的進展，而希望減小柵極的電阻，但是，利用Poly-Si難以滿足這個要求，因此需要電阻更低的材料作為柵極電極的材料。
因此，對不形成耗盡層、電阻更低的W(鎢)系膜作為柵極電極材料進行了研究。W的功函數比Si(硅)的中間間隙(middle gap)高。但是，由于含有Si的WSiX的功函數位于硅的中間間隙附近，因此可以控制p型晶體管和n型晶體管兩者的閾值電壓。由于這樣，適于作為CMOS設備的柵極電極材料。作為使用WSiX的柵極電極結構，提出了由WSiX單層構成WSiX柵極電極或者在WSiX膜上層積Poly-Si膜的WSiX/Poly-Si層積柵極電極(參照日本專利特開平8-153804號公極、日本專利特開平10-303412號公極)。
作為這種W系膜的成膜方法，在過去使用物理沉積(PVD)，而現階段使用不必要熔融作為高熔點金屬W的、并且可與設備的微細化充分對應的化學沉積(CVD)。
這種CVD-W系膜例如使用六氟化鎢(WF6)氣體作為成膜原料進行成膜，但是，近年來，設計規則日益微細化，當使用這種含有F(氟)的氣體時，F會對襯底柵極氧化膜的膜質產生影響，會使柵極絕緣膜惡化。
另一方面，在W系膜等含有金屬的導電層上層積有Poly-Si或者非晶硅等硅膜的金屬/硅層積柵極結構或者在硅膜上層積W系膜等含有金屬的導電層的硅/金屬柵極結構中，在中間工序的高溫處理過程中，存在硅膜中的Si向含有金屬的導電層擴散，在硅膜和含有金屬的導電層的界面上形成硅化物的問題。
發明內容
本發明是鑒于上述問題而提出的，其目的在于提供一種能夠消除由柵極電極的低電阻化與F引起的柵極絕緣膜的惡化，并能夠控制閾值電壓的半導體裝置。此外，本發明的另一目的在于提供一種在具有含有金屬的導電層和硅膜的層積柵極電極的半導體裝置中，能夠有效地防止硅膜中的Si向含有金屬的導電層擴散的半導體裝置。
為了實現上述問題，本發明提供一種半導體裝置，其特征在于，包括半導體基板；在該基板上形成的柵極絕緣膜；和具有在該絕緣膜上形成的金屬化合物膜的柵極電極，其中，所述柵極電極的金屬化合物膜通過使用含有金屬羰基的原料、以及含有Si的原料、含有N的原料和含有C的原料中的至少一種的CVD形成，含有所述金屬羰基中的金屬、以及Si、N和C中的至少一種。
具有本發明的金屬化合物膜的柵極電極，與現有技術的多晶硅柵極電極相比，可以降低電阻。而且，由于使用含有金屬羰基的原料形成金屬化合物膜，因此不會產生如在使用含有F的氣體作為成膜原料時那樣的，因F的擴散造成柵極絕緣膜的惡化。
此外，通過改變金屬化合物膜的Si和N中的至少一個的含量，而可以改變其功函數。通過改變N和C中的至少一個的含量，而可以改變對硅膜的阻擋性。因此，本發明的半導體裝置的柵極電極金屬化合物膜，通過改變Si、N和C中至少一個的含量，而可以改變功函數和/或者對硅膜的阻擋性。這樣，可得到具有所希望的功函數和/或阻擋性的柵極電極，乃至提高半導體裝置全體的設計自由度。
特別是，通過改變金屬化合物膜的Si和N中的至少一個的含量，改變其功函數，而可以控制柵極電極的閾值電壓。此外，特別是，通過改變金屬化合物膜的N和C中的至少一個的含量，改變對硅膜的阻擋性，而可以有效地防止硅膜中的Si向金屬化合物擴散。
在這種情況下，也可以通過在上述金屬化合物膜中導入n型雜質或者p型雜質，來進行閾值電壓的微調整。
上述柵極電極還可以具有在上述金屬化合物膜上形成的硅膜，可以有效地防止硅膜中的Si向金屬化合物膜的擴散。
在這種情況下，優選上述柵極電極還具在上述金屬化合物膜和上述硅膜之間形成的阻擋層，該阻擋層通過利用含有金屬羰基的原料、以及含有N的原料和含有C的原料中的至少一種的CVD而形成，由包含上述金屬羰基中的金屬、以及N和C中的至少一種的金屬化合物構成。
在這種情況下，通過改變阻擋層中的N和C中的至少一個的含量，而可以改變對硅膜的阻擋性。這樣，可以與金屬化合物膜的功函數和/或者阻擋性另外地獨立改變對阻擋層的硅膜的阻擋性。這樣，可以進一步提高柵極電極乃至半導體裝置全體的設計自由度。
本發明還提供了一種半導體裝置，其特征在于，包括半導體基板；在該基板上形成的柵極絕緣膜；和在該絕緣膜上形成的柵極電極，其中，所述柵極電極包括含有金屬的導電層；在該導電層上形成的阻擋層；和該阻擋層上形成的硅膜，所述阻擋層利用含有金屬羰基的原料以及含有N的原料和含有C的原料中的至少一種而形成，由含有所述金屬羰基中的金屬以及N和C中的至少一種的金屬化合物構成。
在這種情況下，通過改變阻擋層的N和C中的至少一個的含量，而可以改變對硅膜的阻擋性。這樣，可以有效地防止硅膜中的Si向導電層擴散，可以抑制在導電層和硅膜界面上形成硅化物。作為含有金屬的導電層的形成方法，不是僅限于CVD，還可以采用PVD等現有技術中眾所周知的方法。
構成上述金屬羰基的金屬選自W、Ni、Co、Ru、Mo、Re、Ta和Ti。
上述金屬羰基例如為W(CO)6。
特別是在使用含有W(CO)6的原料和含有Si的原料形成的W硅化物膜作為柵極電極的金屬化合物膜的情況下，可使其功函數位于硅的中間間隙附近。由于這樣，例如在CMOS設備的PMOS、nMOS兩者的晶體管中，可以控制閾值電壓。
上述含有Si的原料選自硅烷、乙硅烷和二氯硅烷。
上述含有N的原料選自氨和單甲基肼。
上述含有C的原料選自乙烯、烯丙醇、甲酸以及四氫呋喃。
圖1是說明本發明第一實施方式的半導體裝置制造工序的截面圖。
圖2是表示當改變W化合物膜中的Si、N的組成比時的功函數的變化圖。
圖3是說明本發明第二實施方式的半導體裝置制造工序的截面圖。
圖4是說明本發明第三實施方式的半導體裝置制造工序的截面圖。
圖5是說明本發明第四實施方式的半導體裝置制造工序的截面圖。
圖6是說明本發明第五實施方式的半導體裝置制造工序的截面圖。
圖7是表示用于形成本發明的W化合物膜的CVD成膜裝置的一個例子的截面圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖，對發明的實施方式進行具體說明。圖1是說明本發明的第一實施方式的半導體裝置制造工序的截面圖。
首先，如圖1(a)所示，在作為半導體基板的Si基板上形成作為柵極絕緣膜的柵極氧化膜2。其次，如圖1(b)所示，在柵極氧化膜2上，通過利用作為W羰基氣體的W(CO)6氣體以及含有Si的氣體和含有N的氣體中的至少一種的CVD，形成含有W以及Si和N中的至少一種的W化合物膜3a。柵極氧化膜硅2和W化合物膜3a的厚度分別為0.8～5nm、10～200nm。然后，經過熱處理，進行抗蝕劑涂敷、形成圖案、蝕刻等，再利用離子注入等形成雜質擴散區域10。這樣，如圖1(c)所示，形成具有由含有W以及Si和N中的至少一種的W化合物膜3a構成的柵極電極3的MOS結構的半導體裝置。
構成柵極電極3的W化合物膜3a，通過控制成膜的W(CO)6氣體、含有Si的氣體、含有N的氣體的流量以及基板溫度、處理室內壓力等成膜條件，而可以任何地改變Si、N的含量。這樣，可以形成任意組成的WSiX膜、WNX膜和將它們復合而組成的化合物膜。
如圖2所示，通過改變W化合物膜的Si和N的含量，而可以改變功函數。因此，通過任意改變W化合物膜3a的Si、N的含量，而可以得到所希望的功函數，可以控制至所希望的閾值電壓。特別是，在使用含有Si的氣體形成WSiX膜的情況下，在W∶Si＝1∶1.3的組成比下，可使功函數位于作為硅的中間間隙的4.6eV處。因此，例如在CMOS設備的PMOS、nMOS的任何一個中，可以進行閾值電壓的控制。
此外，由于利用W化合物膜3a構成柵極電極3，與現有技術的多晶硅柵極電極相比，可以減小柵極電極的電阻。此外，由于使用作為有機金屬的W(CO)6氣體作為W化合物膜3a的成膜氣體，因此，不會如現有技術使用WF6那樣含有F，不會因F的擴散而導致襯底柵極氧化膜惡化。
其中，作為含有Si的氣體，可以使用硅烷、乙硅烷、二氯硅烷等；作為含有N的氣體，可以使用氨、單甲肼等。此外，根據需要，可以在W化合物膜3a中進行P、As、B等雜質離子的離子注入。通過這樣，可以進行閾值電壓的微調整。
圖3是說明本明第二實施方式的半導體裝置制造工序的截面圖。
在第二實施方式中，首先，在Si基板上形成柵極氧化膜2。然后，如圖3(b)所示，通過利用W(CO)6氣體以及含有Si的氣體與含有N的氣體中的至少一種的CVD，在柵極氧化膜2上形成含有W以及Si和N中的至少一種的W化合物膜4a。然后，如圖3(c)所示，再利用適當的方法，在W化合物4a上進一步形成多晶硅(Poly-Si)膜4b。W化合物膜4a和Poly-Si膜4b的厚度分別為2～100nm和50～200nm。之后，經過熱處理，進行抗蝕劑涂敷、形成圖案、蝕刻等，再用離子注入等形成雜質擴散層10。這樣，如圖3(d)所示，形成具有由W化合物膜4a和Poly-Si膜4b構成的雙層結構的柵極電極4的MOS結構的半導體裝置。
與上述第一實施方式相同，構成柵極電極4的W化合物膜4a通過任意改變Si、N的含量，而可以得到所希望的功函數，可以控制至所希望閾值電壓。特別是，在使用含有N的氣體形成含有N的W化合物膜的情況下，產生對上層的Poly-Si膜4b的阻擋性。這樣，可以有效防止Poly-Si膜4b中的Si向W化合物膜4a中擴散，可得到抑制界面生成硅化物的效果。此外，由于利用W化合物膜4a構成柵極電極4，與現有技術的多晶硅柵極電極相比，能夠降低柵極電極的電阻。此外，由于使用W(CO)6氣體作為W化合物膜4a的成膜氣體，而不會產生因F的擴散使襯底柵極氧化膜惡化。其中，作為含有Si的氣體和含有N的氣體，可以使用與上述第一實施方式相同的氣體。此外，根據需要，還可以在W化合物膜4a和Poly-Si膜4b的層積膜上進行P、As、B等雜質離子的離子注入。
圖4是說明本明第三實施方式的半導體裝置制造工序的截面圖。
在第三實施方式中，首先，在Si基板上形成柵極氧化膜2。然后，如圖3(b)所示，通過利用W(CO)6氣體以及含有Si的氣體和含有N的氣體和含有C的氣體中的至少一種的CVD，在柵極氧化膜2上形成含有W以及Si和N和C中的至少一種的W化合物膜5a。然后，如圖4(c)所示，再利用適當的方法，在W化合物5a上進一步形成多晶硅(Poly-Si)膜5b。W化合物膜5a和Poly-Si膜5b的厚度分別為2～100nm和50～200nm。然后，經過熱處理，進行抗蝕劑涂敷、形成圖案、蝕刻等，再利用離子注入等形成雜質擴散層10。這樣，如圖4(d)所示，形成具有由W化合物膜5a和Poly-Si膜5b構成的雙層結構的柵極電極5的MOS結構的半導體裝置。
構成柵極電極5的W化合物5a，在W化合物膜5a成膜時，通過控制W(CO)6氣體、含有Si的氣體、含有N的氣體、含有C的氣體的流量以及基板溫度、處理室內壓力等成膜條件，而可以任意改變Si、N、C的含量。這樣可以形成任意組成的WSiX膜、WNX膜、WCX膜和將它們復合而組成的化合物膜。如上所述，通過改變W化合物的Si和N的含量，而可以改變功函數。此外，通過改變W化合物膜的N、C含量，而可以改變對Poly-Si膜的阻擋性。因此，通過任意改變W化合物膜5a的Si、N和C的含量而可以得到所希望的功函數和所希望的阻擋性，可以得到兼備所希望閾值電壓和所希望阻擋性的柵極電極。
此外，在本實施方式中，由于由W化合物膜5a構成柵極電極5，因此，與現有技術的多晶硅柵極電極比較，可以減少柵極電極的電阻。此外，由于使用含有鎢羰基的氣體形成W化合物膜，因此不會產生由F擴散所造成的襯底柵極絕緣膜的惡化。
其中，作為含有Si的氣體和含有N的氣體可以使用與上述第一實施方式相同的氣體。作為含有C的氣體可以使用烯丙醇、乙烯、甲酸、四氫呋喃等。此外，根據需要，還可以在W化合物膜5a和Poly-Si膜5b的層積膜中，進行P、AS、B等雜質離子的離子注入。
圖5是說明本發明第四實施方式的半導體裝置制造工序的截面圖。
在第四實施方式中，首先，在Si基板1上形成柵極氧化膜2。然后，如圖5(b)所示，在柵極氧化膜2上，通過使用W(CO)6氣體以及含有Si氣體和含有N的氣體中的至少一種的CVD，形成含有W以及Si和N中的至少一種的第一層W化合物膜6a。然后，如圖5(c)所示，在W化合物膜6a上，通過使用W(CO)6氣體以及含有N的氣體和含有C的氣體中的至少一種的CVD，形成含有W以及N和C中的至少一種、與W化合物膜6a的組成不同組成的W化合物膜6b。進一步，如圖5(d)所示，在W化合物膜6b上，利用適當的方法形成Poly-Si膜6c。W化合物膜6a、W化合物膜6b、Poly-Si膜6c的厚度分別為2～100nm、2～100nm、50～200nm。然后，經過熱處理，進行抗蝕劑涂敷、形成圖案、蝕刻等，再通過離子注入等，形成雜質擴散層10。這樣，如圖5(e)所示，形成具有由W化合物6a、W化合物6b、Poly-Si膜6c構成的三層結構的柵極電極6的MOS結構的半導體裝置。
與柵極電極6的柵極氧化膜2連接的部分的W化合物膜6a，與上述第一實施方式相同，通過任意改變Si、N的含量，而可以得到所希望的功函數，可以控制至所希望的閾值電壓。此外，在W化合物膜6a和Poly-Si膜6c之間設設置有包含W以及N和C中的至少一種的W化合物膜6b。由于該W化合物膜6b可起到抑制W化合物膜6a和Poly-Si膜6c的反應的阻擋層的作用，因此，可以有效地防止Poly-Si膜6c中的Si向W化合物膜6a的擴散。特別是，由于使用含C氣體形成的含有C的W化合物對Poly-Si膜的阻擋性好，所以作為阻擋層較好。根據本實施方式，根據要求，可以分別控制功函數和阻擋性，因此能夠提高設備設計的自由度。其中，作為含有Si的氣體和含有N的氣體，可以使用與上述第一實施方式相同的氣體。作為含有C的氣體，可以使用與上述第三實施方式相同的氣體。此外，根據需要，還可以在W化合物膜6a、W化合物膜6b和Poly-Si膜6c的層積膜中，進行P、As、B等雜質離子的離子注入。
圖6是說明本發明第五實施方式的半導體裝置制造工序的截面圖。
第五實施方式，可以在具有擁有含有金屬導電層和Poly-Si膜的層積膜結構的柵極電極的半導體裝置中，防止Poly-Si膜中的Si向導電層擴散。在第五實施方式中，首先，如圖6(a)所示，在作為半導體基板的Si基板1上形成柵極氧化膜2。其次，在柵極氧化膜2上形成作為含有金屬的導電層的W系膜7a。該W系膜7a的成膜不是僅限于CVD，也可以利用PVD等現有技術中的公知方法。其次，如圖6(c)所示，在W系膜7a上，通過使用W(CO)6氣體以及含有N的氣體和含有C的氣體中的至少一種的CVD，形成由含有W以及N和C中的至少一種的W化合物構成的阻擋層7b。然后，如圖6(d)所示，在阻擋層7b上利用適當的方法形成Poly-Si膜7c。W系膜7a、阻擋層7b、Poly-Si膜7c的厚度例如分別為2～100nm、2～100nm、50～200nm。然后，經過熱處理，進行抗蝕劑涂敷、形成圖案、蝕刻等，再利用離子注入等形成雜質擴散層10。這樣，如圖6(e)所示，形成具有由W系膜7a、阻擋層7b、Poly-Si膜7c構成的三層結構的柵極電極7的MOS結構的半導體裝置。
這樣，柵極電極5通過在W系膜7a和Poly-Si膜7c之間設置由包含W以及N和C中的至少一種的W化合物構成的阻擋層7b，而可以效地防止Poly-Si膜7c中的Si向W系膜7a的擴散。特別是，由于使用含有C的氣體形成的包含C的W化合物，對Poly-Si膜的阻擋性好，因此適于作為阻擋層。其中，作為含有N的氣體，可以使用與上述第一實施方式相同氣體，作為含有C的氣體，可以使用與上述第三實施方式相同氣體。作為含有金屬的導電層，不是僅限于W系膜7a，在使用容易與Poly-Si膜反應的單體金屬膜或者金屬化合物膜的情況下，可以得到同樣的效果。此外，在本實施方式中，以在W系膜7a上層積Poly-Si膜7c的情況為例進行說明，但是，在Poly-Si膜上層積含有金屬的導電層的情況下，也可以得到同樣的效果。
其次，說明通過利用W(CO)6氣體以及含有Si的氣體和含有N的氣體和含有C的氣體中的至少一種的CVD，形成上述W化合物膜時的成膜方法和成膜裝置的優選例。
圖7是示意性表示用于實施W化合物膜成膜的CVD成膜裝置的一個例子的截面圖。
該成膜裝置100具有氣密地構成的大致呈圓筒形的處理容器21。在處理容器21的底壁21b的中央部作出圓形的開口部42。通過開口部42而互相內部連通的排氣容器43與處理容器21的底壁21b連接。在處理容器21內設置用于水平地支承作為半導體基板的晶片8的AlN等由陶瓷制成的基座22。該基座22由從排氣容器43的底部中央向上方延伸的圓筒形的支承構件23所支承。在基座22的外邊緣部上設置有用于對晶片8進行導向的導向圓環24。此外，電阻加熱型的加熱器25被埋設于基座22中。該加熱器25利用從電源26供給的電力來加熱基座22，利用該熱量加熱晶片8。如后所述，利用該熱量，使導入處理容器21內的W(CO)6氣體熱分解。控制器(圖中沒有示出)與加熱器電源26連接，這樣，根據圖中沒有示出的溫度傳感器的信號，來控制加熱器25的輸出。此外，加熱器(圖中沒有示出)也埋入處理容器21的壁中，使得將處理容器21的壁加熱至40～80℃。
在基座22上用于支承晶片8升降的三根(圖中只表示二根)晶片支承銷46被設置成可以相對于基座22的表面突出/沒入。這些晶片支承銷46被固定在支承板47上。而且，晶片支承銷46利用氣缸等驅動機構48并通過支承板47進行升降。
在處理容器21的頂壁21a上設置有噴淋頭30。形成有向著基座22噴出氣體用的多個氣體輸出孔30b的噴淋板30a配置在該噴淋頭30的下部。在噴淋頭30的上壁上形成有將氣體導入噴淋頭30內的氣體導入口30c。供給作為W羰基氣體的W(CO)6氣體的管路32的一端與該氣體導入口30c連接。此外，供給作為含有Si的氣體的硅烷(SiH4)氣體、作為含有N的氣體的氨氣(NH3)和作為含有C的氣體的乙烯(C2H4)氣體的管路81的一端與氣體導入口30c連接。此外，在噴淋頭30內部形成有擴散室30d。在噴淋板30a上形成有從制冷劑供給源30f供給冷卻水等制冷劑的同心圓狀的制冷劑流路30e。這樣，為了防止在噴淋頭30內W(CO)6氣體的分解，可將噴淋頭30內的溫度控制為20～100℃。
管路32的另一端插入收容作為金屬羰基原料的固體狀的W(CO)6原料S的W原料容器33中。在W原料容器33的周圍設置有加熱器33a。載體氣體管路34插入W原料容器33中。從載體氣體供給源35，通過管路34將載體氣體(例如Ar氣體)吹入W原料容器33中。另一方面，在W原料容器33內的固體狀的W(CO)6原料S利用加熱器33a加熱升華，成為W(CO)6氣體，該W(CO)6氣體和載體氣體一起，通過管路32供給至擴散室30d。其中，質量流量控制器36和其前后的閥37a、37b安裝在管路34上。此外，根據W(CO)6氣體的量，掌握其流量的流量計65和其前后的閥37c、37d安裝在管路32上。此外，在流量計65的下游側，預送氣管路61與管路32連接。該預送氣管路61與后述的排氣管44連接。而且，在預送氣管路61中，在管路32的分支部分的下游側，安裝有閥62。在管路32、34、61的周圍設置有加熱器(圖中沒有示出)，將W(CO)6氣體不固化溫度控制為20～100℃，優選為25～60℃。
此外，吹掃氣體供給源39，通過吹掃氣體管路38，與管路32的中間連接。吹掃氣體源39供給Ar氣體、He氣體、N2氣體等惰性氣體或H2氣體作為吹掃氣體。利用該吹掃氣體進行管路32的殘留成膜氣體的排氣或者處理容器21內的清洗。其中，在吹掃氣體管路38上安裝有質量流量控制器40和其前后的閥41a、41b。
另一方面，管路81的另一端與氣體供給系統80連接。氣體供給系統80具有供給SiH4氣體的SiH4氣體供給源82、供給NH3氣體的NH3氣體供給源、和供給C2H4氣體的C2H4氣體供給源84。氣體管路85、86、87分別與各個氣體供給源82、83、84連接。在氣體管路85上安裝有質量流量控制器88和其前后的閥91，在氣體管路86上安裝有質量流量控制器89和其前后的閥92，在氣體管路87上安裝有質量流量控制器90和其前后的閥93。此外，各條氣體管路通過管路81，與擴散室30d連接。其中，預送氣管路95與管路81連接，該預送氣管路95與后述的排氣管44連接。而且，在預送氣管路95中，在與管路81的分支部的下游側安裝有閥95a。
此外，吹掃氣體供給源96，通過吹掃氣體管路97與管路81的中間連接。吹掃氣體供給源96例如供給Ar氣體、He體、N2體等惰性氣體或者H2氣作為吹掃氣體。利用這種吹掃氣體進行管路81的殘留成膜氣體排氣或者處理容器21內的清洗。質量流量控制器98和其前后的閥99安裝在吹掃氣體管路97上。
各個質量流量控制器、各個閥、和流量計65由控制器60控制。這樣，可以控制載體氣體、W(CO)6氣體、SiH4氣體、NH3氣體、C2H4氣體和吹掃氣體的供給停止和將這些氣體的流量控制為規定流量。通過根據流量計65的檢測值，利用質量流量控制器36控制載體氣體的流量，從而可以控制供給處理容器21的氣體擴散室30d的W(CO)6氣體的流量。
包含高速真空泵的排氣裝置45，通過排氣管44與上述排氣容器43的側面連接。通過使該排氣裝置45工作，而可以將處理容器21內的氣體均勻地排出至排氣容器43的空間43a內，再通過排氣管44，向外部排出。這樣，可將處理容器21內高速地減壓至規定的真空度。
在與成膜裝置100相鄰的搬送室(圖中沒有示出)之間搬入搬出晶片8的搬入搬出口49，和開閉該搬入搬出口49的閘閥50被設置在處理容器21的側壁上。
使用這種成膜裝置的W化合物膜的成膜按以下順序進行。首先，通過打開閘閥50的搬入搬出口49，將預先在表面上形成柵極氧化膜的晶片8搬入處理容器21內，并放置在基座22上，其次，利用加熱器25加熱基座22，并利用該熱量來加熱晶片8。此外，利用排氣裝置45的真空泵對處理容器21內進行排氣，將處理容器21內的壓力真空排氣至6.7Pa以下。優選這時的晶片8的加熱溫度為100～600℃。
其次，打開閥37a、37b，從載體氣體供給源35將載體氣體(例如Ar氣體)吹入收容有固體狀的W(CO)6原料S的W原料容器33中。此外，利用加熱器33a加熱W(CO)6原料S，產生W(CO)6氣體。其次，打開閥37c和閥62，通過預送氣管路61進行排出W(CO)6氣體的提前送氣。通過在規定時間內進行這種提前送氣，而可以使W(CO)6氣體的流量穩定。接著，在關閉閥62的同時，打開閥37d，將W(CO)6氣體導入管路32中，經過氣體導入口30c，供給至氣體擴散室30d。優選這時的處理容器21內的壓力為0.01～500Pa。其中，載體氣體不是僅限于Ar氣體，也可以使用其他氣體，可以使用N2氣體、H2氣體，He氣體。
另一方面，當將W(CO)6氣體供給至氣體擴散室30d時，使時間一致，可將SiH4氣體、NH3氣體和C2H4氣體中的至少一種供給至氣體擴散室30d。首先，通過預送氣管路95，進行排出要供給的氣體的提前送氣。通過在規定時間內進行這種提前送氣，而可以使該氣體的流量穩定。然后，當將W(CO)6氣體供給至氣體擴散室30d時，使時間一致，可通過管路81，將該氣體供給至氣體擴散室30d。
當將W(CO)6氣體以及SiH4氣體、NH3氣體和C2H4氣體中的至少一種氣體供給至氣體擴散室30d時，分別將這些氣體維持在規定流量。例如，將W(CO)6氣體的流量控制在0.0001～0.5L/min范圍內，將SiH4氣體的流量控制在0.001～1L/min范圍內，將NH3氣體的流量控制在0.001～1L/min范圍內，將C2H4氣體的流量控制在0.001～1L/min范圍內。
供給至氣體擴散室30d的W(CO)6氣體以及SiH4氣體、NH3氣體和C2H4氣體中的至少一種在擴散室30d內擴散，從噴淋板30a的氣體輸出孔30b，均勻地向著處理容器21內的晶片8的表面供給。這樣，在加熱的晶片8表面上，W(CO)6熱分解產生的W和SiH4氣體、NH3氣體、C2H4氣體的Si、N、C反應，形成所希望W化合物膜。在分別單獨使用SiH4氣體、NH3氣體、C2H4氣體的情況下，分別形成WSiX、WNX、WCX。在使用兩種以上的氣體情況下，形成它們復合化而組成化合物。通過控制導入處理容器21內的氣體種類和/或氣體流量、基板溫度、處理容器內壓力等成膜條件，而可以任意改變W化合物膜的組成，可以控制形成的W化合物膜的特性。即，通過使用W(CO)6氣體以及SiH4氣體、NH3氣體和C2H4氣體中的至少一種，控制其流量或者成膜條件，而可以控制W化合物膜的功函數，可以控制閾值電壓，同時可以得到所希望的阻擋性。
在形成規定膜厚的W化合物膜的時刻，停止各種氣體的供給。然后，從吹掃氣體供給源39、96將吹掃氣體導入處理容器21內，吹掃殘留的成膜氣體，打開閘閥50，從搬入搬出口49搬出晶片8。
此外，利用圖7的裝置，按以下順序形成圖5的W化合物膜的層積膜結構。首先，按規定的流量比供給W(CO)6氣體以及SiH4氣體和NH3氣體中的至少一種氣體，形成第一層的W化合物膜6a。在形成規定膜厚的W化合物膜6a時，停止氣體的供給，進行處理容器內的吹掃。然后，以規定的流量比供給W(CO)6氣體以及SiH4氣體和NH3氣體中的至少一種氣體，形成第二層的W化合物膜(阻擋層)6b。這樣，在第一層的W化合物膜成膜時和第二層的W化合物膜成膜時，通過使導入處理容器內的氣體種類、各氣體的流量、基板溫度、處理容器內壓力等成膜條件不同，而可以在各處理容器內連續形成組成互不相同的雙層的W化合物膜。這樣，可以形成效率極好，而且不產生氧化等問題的W化合物膜的層積膜結構。
其中，在上述實施方式中，說明了作為在柵極電極中使用的金屬化合物膜和阻擋層，使用W(CO)6作為金屬羰基形成包含W的W化合物膜的情況，但是本發明不是僅限于此。例如，本發明在使用從W(CO)6、Ni(CO)4、CO2(CO)8、RU3(CO)12、Mo(CO)6、Re2(CO)10、Ta(CO)6、Ti(CO)6中選擇的至少一個作為金屬羰基，形成包含W、Ni、Co、Ru、Mo、Re、Ta和Ti中的至少一種的金屬化合物膜情況下是有效的。此外，作為利用CVD形成金屬化合物膜的成膜原料，不是僅限于氣體，也可以是液體原料或者固體原料。另外，說明了在柵極電極的層積膜結構中使用Poly-Si膜的情況，但不是僅限于Poly-Si膜，也可以是非晶形硅等硅膜。
此外，在上述實施方式中，說明了在同一個處理室內形成組成不同的雙層的W化合物膜的層積膜的層積膜情況，但是本發明不是僅限于此。即，在同一個處理室內形成的層積膜不是僅限于雙層，也可以是三層以上。此外，也可以是層積的多個膜中的一個以上為由金屬羰基中的金屬構成的金屬膜。通過在柵極電極中使用可使這種金屬膜的電阻降低。
另外，在上述實施方式中，說明了使用Si基板作為半導體基板的情況，但是不是僅限于此，也可以使用在SOI基板等其他基板中。
權利要求
1.一種半導體裝置，其特征在于，包括半導體基板；在該基板上形成的柵極絕緣膜；和具有在該絕緣膜上形成的金屬化合物膜的柵極電極，其中，所述柵極電極的金屬化合物膜通過使用含有金屬羰基的原料、以及含有Si的原料、含有N的原料和含有C的原料中的至少一種的CVD形成，含有所述金屬羰基中的金屬、以及Si、N和C中的至少一種。
2.如權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于構成所述金屬羰基的金屬選自W、Ni、Co、Ru、Mo、Re、Ta和Ti。
3.如權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于所述金屬羰基為W(CO)6。
4.如權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于所述含有Si的原料選自硅烷、乙硅烷和二氯硅烷。
5.如權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于所述含有N的原料選自氨和單甲基肼。
6.如權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于所述含有C的原料選自乙烯、烯丙醇、甲酸以及四氫呋喃。
7.如權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于在所述金屬化合物膜中導入有n型雜質或者p型雜質。
8.如權利要求1所述的半導體裝置，其特征在于所述柵極電極還具有在所述金屬化合物膜上形成的硅膜。
9.如權利要求8所述的半導體裝置，其特征在于所述柵極電極還具有在所述金屬化合物膜和所述硅膜之間形成的阻擋層，該阻擋層通過利用含有金屬羰基的原料、以及含有N的原料和含有C的原料中的至少一種的CVD而形成，由含有所述金屬羰基中的金屬以及N和C中的至少一種的金屬化合物構成。
10.一種半導體裝置，其特征在于，包括半導體基板；在該基板上形成的柵極絕緣膜；和在該絕緣膜上形成的柵極電極，其中，所述柵極電極包括含有金屬的導電層；在該導電層上形成的阻擋層；和在該阻擋層上形成的硅膜，所述阻擋層利用含有金屬羰基的原料以及含有N的原料和含有C的原料中的至少一種而形成，由含有所述金屬羰基中的金屬以及N和C中的至少一種的金屬化合物構成。
11.如權利要求10所述的半導體裝置，其特征在于構成所述金屬羰基的金屬選自W、Ni、Co、Ru、Mo、Re、Ta和Ti。
12.如權利要求10所述的半導體裝置，其特征在于所述金屬羰基為W(CO)6。
13.如權利要求10所述的半導體裝置，其特征在于所述含有N的原料選自氨和單甲基肼。
14.如權利要求10所述的半導體裝置，其特征在于所述含有C的原料選自乙烯、烯丙醇、甲酸以及四氫呋喃。
全文摘要
本發明提供一種包括半導體基板(1)、在該基板上形成的柵極絕緣膜(例如柵極氧化膜)(2)、和在該絕緣膜上形成的柵極電極(3)的半導體裝置。柵極電極(3)具有金屬化合物膜(3a)。該金屬化合物膜(3a)通過使用含有金屬羰基的原料(例如W(CO)
文檔編號H01L21/28GK1914736SQ20058000315
公開日2007年2月14日 申請日期2005年1月28日 優先權日2004年1月29日
發明者鈴木健二, 鄭基市, 大久保和哉 申請人:東京毅力科創株式會社