[发明专利]半导体器件

说明书

本申请基于日本专利申请No.2007-225689，其内容通过参考结合于此。

技术领域

本发明涉及一种半导体器件，尤其涉及一种提供有金属绝缘体半导体场效应晶体管(MISFET)的半导体器件。

背景技术

需要高度集成的半导体电路，并且已减小了元件中的间隔和它们之间的间隔。

目前，对于先进的CMOS晶体管而言，由二氧化硅或氮氧化硅组成的栅极绝缘膜的最薄的膜厚约为2nm。当进一步减小膜厚时，通过直接隧穿机理增加了栅极漏电流并且增加了电功耗。此外，这种薄的二氧化硅膜或氮氧化硅膜由数个原子层组成，所以对于这种具有高一致性的薄膜的批量生产而言需要严密的制造控制。

为了实现进一步缩小尺寸和降低功耗，已积极开发“高介电(高-k)材料”以得到这样一种晶体管，即使当高k电介质的物理膜厚比二氧化硅膜的厚时，其电性能也等同于或优于晶体管的电性能。上述材料包括金属硅酸盐(即，二氧化硅和例如氧化锆和二氧化铪的IV族氧化物的固溶体)、金属铝酸盐(即，IV族氧化物和氧化铝的固溶体)等。例如，在日本专利特开平11-135774号公布中，已公开了使用金属硅酸盐作为栅极电介质的场效应晶体管。

当使用多晶硅作为栅极电极时，由于在栅极电介质界面处存在栅电极的耗尽层，所以降低了栅极电容。当栅极绝缘膜的EOT(等效氧化物厚度)变为2nm以下时，不能忽略由上述栅极耗尽而引起的电容减小的影响。通过用金属代替多晶硅作为栅极电极材料，来控制由栅极耗尽而引起的电容减小。

另一方面，为了半导体器件的高频操作，已考虑减小内部互连电阻。尤其是，由于对RC延迟有影响，减小栅极电极的电阻已成为关键课题。为了实现减小栅极电极的电阻，通常采用多晶硅-金属硅化物栅极(电极)。多晶硅-金属硅化物栅极具有多晶硅膜和金属硅化物层的两层结构。然而，为了处理下一代以后的精细互连图案，必须通过进一步减小互连电阻来缩短延迟时间。为了上述目的，使用金属作为栅极电极材料是有效的，即是说，在没有插入多晶硅膜的栅极绝缘膜上直接叠层金属膜的结构(即，所谓的金属栅极电极结构)是有效的。

在常规的多晶硅膜提供在栅极绝缘膜上的栅极电极结构的情况下，晶体管的阈值电压是由沟道区中的掺杂浓度和多晶硅膜中的掺杂浓度决定的。然而，在金属栅极电极结构的情况下，晶体管的阈值电压是由沟道区中的掺杂浓度和栅极电极的功函数决定的。因此，在金属栅极电极结构中，需要使用两种材料作为栅极电极，其中所述两种材料具有分别适合n型晶体管和p型晶体管的功函数。例如，在日本专利特开2003-273350号公布中，公开了其中使用TiCoN作为n型晶体管的栅极电极，并使用具有注入的氧离子的TiCoN作为p型晶体管的栅极电极的结构。

然而，具有适当功函数的材料不需要具有充分低的电阻。因此，提出了叠层用于控制阈值电压的金属层和用于减小栅极电阻的金属层的栅极电极结构。例如，在日本专利特开2001-15756号公布中，公开了叠层了作为功函数控制层的氮化钛(TiN)层和作为低电阻互连的高熔点金属(钽、钼、锆等)的结构。在日本专利特开2001-203276号公布中，公开了这样一种结构，其中，p型晶体管的栅极电极和n型晶体管的栅极电极具有氮化钛/钨的叠层结构，并通过离子注入将氮注入到n型晶体管的氮化钛层中以减小功函数。

考虑到上述背景，已促进了具有组合高-k栅极电介质和金属栅极电极的结构的MISFET(金属绝缘体半导体场效应晶体管)的发展。在使用二氧化硅膜或氮氧化硅膜作为栅极介电材料的结构中，通过使用高熔点金属氮化物例如氮化钛、氮化钨、氮化钽作为栅极材料，能够抑制在连续的热处理期间栅极电极材料和栅极电介质之间发生反应。然而，在高熔点金属氮化物沉积在高-k栅极电介质上的结构中，引起了例如高熔点金属氮化物和高-k栅极介电膜之间发生反应从而导致功函数变化或EOT增加的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体器件，该器件抑制了栅极电极和高-k栅极介电膜之间的反应，并且具有适合大规模集成和高频操作的元件结构。

在一个实施例中，提供了具有绝缘栅极场效应晶体管的半导体器件，其中绝缘栅极场效应晶体管具有：包括高-k介电膜的栅极绝缘膜；以及具有叠层结构的栅极电极，该叠层结构包括第一导电层和其电阻率低于第一导电层的电阻率的第二导电层，第一导电层提供在高-k介电膜上并与其接触，并且包括具有5g/cm³以上的密度的氮化钛。

包括{100}取向的氮化钛的导电层可用作第一导电层。