JP2001015756A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2001015756A
JP2001015756A JP18174899A JP18174899A JP2001015756A JP 2001015756 A JP2001015756 A JP 2001015756A JP 18174899 A JP18174899 A JP 18174899A JP 18174899 A JP18174899 A JP 18174899A JP 2001015756 A JP2001015756 A JP 2001015756A
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JP
Japan
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layer
gate electrode
refractory metal
metal layer
tin
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JP18174899A
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Japanese (ja)
Inventor
Eiji Kuwabara
英司 桑原
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form an MOSFET of an SOI structure having a gate electrode structure in which threshold can be easily controlled and low gate resistance can be easily realized, by forming a gate electrode consisting of a laminated layer containing of a titanium nitride layer and a metal layer having a high melting point. SOLUTION: The threshold of an MOSFET is determined by the work function of a TiN constituting a TiN layer and an impurity concentration of an Si layer. Since the work function of silicon is near the center of bandgap of the silicon in both the cases of NMOSFET and PMOSFET, the thresholds can be controlled to an appropriate. In this case, if the thresholds of NMOSFET and PMOSFET are 0.3 V and -0.3 V respectively, the impurity concentration of the Si layer is approximately 1×1015 cm3, and no special channel doping is required. Accordingly, this facilitates control of the threshold of the MOSFET of an SOI structure by a gate electrode having a laminated structure, and possible to reduce the gate resistance.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の技術
分野に属するものであり、特に、SOI構造を有するM
OSFETに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention belongs to the technical field of semiconductor devices, and more particularly, to a semiconductor device having an SOI structure.
It relates to OSFET.

【0002】[0002]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】半導体
集積回路の低消費電力化及び高速化に有利であるSOI
デバイスは、部分空乏(Partially Depl
eted)型と完全空乏(FullyDeplete
d)型との2つに分類され、完全空乏型は短チャネル効
果とキンク効果の両方を抑制できるという利点を有す
る。しかし、完全空乏型は、閾値電圧の制御が難しい。
2. Description of the Related Art An SOI which is advantageous for reducing the power consumption and increasing the speed of a semiconductor integrated circuit.
The device is partially depleted (Partially Deployed).
eted) type and fully depleted (Fully Deplete)
d) type, and the fully depleted type has an advantage that both the short channel effect and the kink effect can be suppressed. However, it is difficult to control the threshold voltage of the fully depleted type.

【0003】従来、SOI構造のMOSFETの閾値
は、バルク構造の場合と同様にチャネルドープとn+
PolySiゲートあるいはp+ −PolySiゲート
との組み合せで制御していた。ところが、素子の微細化
とともに、チャネルドープの濃度が高くなると、閾値の
チャネル濃度依存性も大きくなり、閾値制御が困難とな
る。更に、閾値はSOI層の厚さにも依存する。
Conventionally, the threshold value of a MOSFET having an SOI structure is such that channel doping and n +
It was controlled by a combination with a PolySi gate or a p + -PolySi gate. However, when the channel doping concentration increases as the element becomes finer, the dependence of the threshold value on the channel concentration also increases, making it difficult to control the threshold value. Furthermore, the threshold also depends on the thickness of the SOI layer.

【0004】これらの問題を解決するために、信学技報
SDM98−129(1998−08)p41に見られ
る様に、仕事関数がSiのバンドギャップのほぼ中央に
ある材料(ミッドギャップ材料)をゲート電極材料とし
て用いることが提案されている。実際に作製されたSO
I構造のMOSFETのゲート電極としては、TiN/
+ −PolySi積層構造やTa with Siキ
ャップ構造がある。
In order to solve these problems, as shown in IEICE Technical Report SDM98-129 (1998-08) p41, a material whose work function is almost at the center of the band gap of Si (mid-gap material) is used. It has been proposed to use it as a gate electrode material. SO actually manufactured
The gate electrode of the I-structure MOSFET is TiN /
There are an n + -PolySi laminated structure and a Tawith Si cap structure.

【0005】しかしながら、Taを用いる上記従来例で
は、ゲート電極形成後に800℃以上の熱処理を行うと
Ta/SiO2 界面が反応し又はTaがSiO2 中に拡
散あるいは透過してキャリアライフタイムの減少および
表面再結合の増加をもたらす。このため、ゲート電極形
成後の熱処理温度が700℃以下に限定される。これは
以後のプロセスに対する制約となる。
However, in the above conventional example using Ta, if a heat treatment at 800 ° C. or more is performed after the gate electrode is formed, the Ta / SiO 2 interface reacts or Ta diffuses or permeates into SiO 2 to reduce the carrier lifetime. And increase surface recombination. For this reason, the heat treatment temperature after forming the gate electrode is limited to 700 ° C. or less. This is a constraint on subsequent processes.

【0006】一方、上記従来例のTiN/n+ −Pol
ySi積層構造の場合には、TiのSiO2 中への拡散
及び透過は抑制可能であるが、ゲート電極のシート抵抗
が大きいという問題があった。
On the other hand, the above-described conventional TiN / n + -Pol
In the case of the ySi laminated structure, the diffusion and transmission of Ti into SiO 2 can be suppressed, but there is a problem that the sheet resistance of the gate electrode is large.

【0007】そこで、本発明の目的は、ゲート電極形成
後に800℃程度の高温熱処理を用いて製造することが
可能で、閾値制御が容易で、低ゲート抵抗の実現が容易
なゲート電極構造を持つSOI構造のMOSFETを形
成することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a gate electrode structure which can be manufactured by high-temperature heat treatment at about 800 ° C. after formation of a gate electrode, can easily control a threshold value, and can easily realize a low gate resistance. It is to form a MOSFET having an SOI structure.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段および作用】本発明によれ
ば、上記目的を達成するものとして、SOI構造のMO
SFETであって、ゲート絶縁膜上に窒化チタン(Ti
N)層と該窒化チタン層上の高融点金属層とを含む積層
膜からなるゲート電極が形成されていることを特徴とす
る半導体装置、が提供される。
According to the present invention, there is provided an MOI having an SOI structure.
An SFET, in which titanium nitride (Ti
A semiconductor device is provided, wherein a gate electrode is formed of a laminated film including an N) layer and a refractory metal layer on the titanium nitride layer.

【0009】本発明の一態様においては、前記窒化チタ
ン層の厚さが10nm以上50nm以下であり、前記高
融点金属層の厚さが100nm以上250nm以下であ
る。
In one embodiment of the present invention, the thickness of the titanium nitride layer is 10 nm or more and 50 nm or less, and the thickness of the high melting point metal layer is 100 nm or more and 250 nm or less.

【0010】本発明の一態様においては、前記高融点金
属層を構成する高融点金属はタンタル、モリブデン及び
ジルコニウムのいずれか又はこれを含む合金である。
In one embodiment of the present invention, the high melting point metal constituting the high melting point metal layer is any of tantalum, molybdenum and zirconium or an alloy containing the same.

【0011】本発明の一態様においては、前記高融点金
属層は複数種類の高融点金属の層の積層膜からなる。
In one embodiment of the present invention, the high-melting-point metal layer comprises a laminated film of a plurality of types of high-melting-point metal layers.

【0012】本発明の一態様においては、前記窒化チタ
ン層は前記高融点金属層に対して横方向に突出してお
り、ソース・ドレインのエクステンションの上方にまで
延びている。
In one embodiment of the present invention, the titanium nitride layer protrudes laterally with respect to the refractory metal layer, and extends above the source / drain extension.

【0013】上記構成において、ゲート電極のTiN層
はミッドギャップ材料としてSOIMOSFETの閾値
制御を容易にすると共に、その優れたバリヤ性に基づき
上層の高融点金属層の構成材料のゲート酸化膜及びチャ
ネル領域への拡散を抑制する。また、製造時において注
入ボロンのゲート酸化膜突き抜けを防止できる。ゲート
電極上層の高融点金属は、ゲート抵抗の低減を可能にす
ると共に、ゲート電極形成後の高温熱処理(〜800
℃)を可能にする。またTa,Mo,Zrなどの高融点
金属(合金も含む)は、硫酸、リン酸、酢酸に耐食性が
あるので、Coサリサイド工程におけるCoエッチオフ
との整合性にも優れている。
In the above structure, the TiN layer of the gate electrode serves as a mid-gap material to facilitate the control of the threshold value of the SOI MOSFET, and, based on its excellent barrier properties, the gate oxide film and the channel region of the constituent material of the upper refractory metal layer. Suppress diffusion to In addition, it is possible to prevent implanted boron from penetrating the gate oxide film during manufacturing. The refractory metal in the upper layer of the gate electrode enables the reduction of the gate resistance and the high-temperature heat treatment (~ 800
° C). In addition, high melting point metals (including alloys) such as Ta, Mo, and Zr have corrosion resistance to sulfuric acid, phosphoric acid, and acetic acid, and therefore have excellent compatibility with Co etch-off in the Co salicide process.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の半導体装置の具体的な実施の形態を説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, specific embodiments of a semiconductor device according to the present invention will be described with reference to the drawings.

【0015】(第1の実施形態)図1は本発明による半
導体装置たるMOSFETの第1実施形態の構造を示す
模式的断面図である。
(First Embodiment) FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of a first embodiment of a MOSFET as a semiconductor device according to the present invention.

【0016】図1において、1はSi基板であり、2は
埋込み酸化膜であり、3はフィールド酸化膜であり、該
フィールド酸化膜3は埋込み酸化膜2と接している。4
はSi層(SOI層)であり、5はゲート絶縁膜たるゲ
ート酸化膜である。6はMOSFETの閾値を制御する
ミッドギャップ材料たる窒化チタン(TiN)からなる
窒化チタン層(TiN層)であり、7はゲート電極の抵
抗を低下させる為の高融点金属層である。該高融点金属
層7はタンタル(Ta)、モリブデン(Mo)及びジル
コニウム(Zr)などからなる。TiN層6と高融点金
属層7との積層膜によりゲート電極が構成されている。
In FIG. 1, 1 is a Si substrate, 2 is a buried oxide film, 3 is a field oxide film, and the field oxide film 3 is in contact with the buried oxide film 2. 4
Is a Si layer (SOI layer), and 5 is a gate oxide film as a gate insulating film. Reference numeral 6 denotes a titanium nitride layer (TiN layer) made of titanium nitride (TiN), which is a mid-gap material for controlling the threshold value of the MOSFET. Reference numeral 7 denotes a refractory metal layer for reducing the resistance of the gate electrode. The refractory metal layer 7 is made of tantalum (Ta), molybdenum (Mo), zirconium (Zr), or the like. A gate electrode is constituted by a laminated film of the TiN layer 6 and the refractory metal layer 7.

【0017】10はソース・ドレイン(高濃度不純物拡
散層)であり、8はそのエクステンション(低濃度不純
物拡散層)であり、9はサイドスペーサ(サイドウォー
ル)である。11はCoSi2 層であり、12はCVD
により成膜されたSiO2 含有層であり、該SiO2
有層12はNSG,BPSGなどからなる。13はTi
Nからなるバリアメタル層であり、14はWプラグであ
り、15はAl配線であり、16はTiNからなる反射
防止膜であり、17は窒化シリコンからなるパッシベー
ション膜(P−SiN)である。
Reference numeral 10 denotes a source / drain (high-concentration impurity diffusion layer), 8 denotes its extension (low-concentration impurity diffusion layer), and 9 denotes a side spacer (sidewall). 11 is a CoSi 2 layer, and 12 is a CVD
By a SiO 2 containing layer formed, the SiO 2 containing layer 12 NSG, and the like BPSG. 13 is Ti
N is a barrier metal layer, 14 is a W plug, 15 is an Al wiring, 16 is an antireflection film made of TiN, and 17 is a passivation film (P-SiN) made of silicon nitride.

【0018】次に、本実施形態の装置の製造工程を図2
〜5を参照しながら説明する。
Next, the manufacturing process of the apparatus of this embodiment is shown in FIG.
This will be described with reference to FIGS.

【0019】先ず、図2に示されているように、Si基
板1、埋込み酸化膜2、フィールド酸化膜3、Si層
4、ゲート酸化膜5を形成する。酸化膜5上にTiNを
スパッタあるいはCVDにより40nm程度の厚さに形
成してTiN層6を形成し、続いて高融点金属(Ta,
Mo,Zrなど)をスパッタあるいはCVDにより20
0nm程度の厚さに形成して高融点金属層7を形成す
る。
First, as shown in FIG. 2, a Si substrate 1, a buried oxide film 2, a field oxide film 3, a Si layer 4, and a gate oxide film 5 are formed. TiN is formed on the oxide film 5 to a thickness of about 40 nm by sputtering or CVD to form a TiN layer 6, and then a refractory metal (Ta,
Mo, Zr, etc.) by sputtering or CVD.
The refractory metal layer 7 is formed to a thickness of about 0 nm.

【0020】TiN層6の厚さの下限は、TiNにより
所要のバリヤ性を得るためには、10nm以上とするこ
とが好ましい。また、TiN層6の厚さの上限は、高融
点金属層7及びTiN層6を含むトータルのゲート電極
の厚さ及びゲート抵抗の点から、制約を受ける。更に、
ゲートエッチングやサイドウォールの形成等を考える
と、ゲート電極の厚さは200nm以上250nm以下
が適している。ゲート抵抗を下げるという点ではTiN
層6が薄く高融点金属層7が厚い方が良い。これらによ
り、TiN層の膜厚の上限が決まる。また、以後の工程
で、TiN層6と高融点金属層7とを選択エッチングす
る場合、下層の膜であるTiN層6はある程度の厚さが
必要となる。以上の点から、TiN層6の厚さが10n
m以上50nm以下で、高融点金属層7の厚さが100
nm以上250nm以下で、トータルのゲート電極厚さ
が200nm以上250nm以下となる組み合せが好ま
しい。
The lower limit of the thickness of the TiN layer 6 is preferably 10 nm or more in order to obtain a required barrier property with TiN. In addition, the upper limit of the thickness of the TiN layer 6 is restricted in terms of the total gate electrode thickness and gate resistance including the refractory metal layer 7 and the TiN layer 6. Furthermore,
In consideration of gate etching, formation of sidewalls, and the like, the thickness of the gate electrode is preferably 200 nm or more and 250 nm or less. In terms of lowering the gate resistance, TiN
It is preferable that the layer 6 is thin and the refractory metal layer 7 is thick. These determine the upper limit of the thickness of the TiN layer. When the TiN layer 6 and the refractory metal layer 7 are selectively etched in the subsequent steps, the underlying TiN layer 6 needs to have a certain thickness. From the above points, the thickness of the TiN layer 6 is 10 n
m to 50 nm, and the thickness of the refractory metal layer 7 is 100
A combination in which the total gate electrode thickness is 200 nm or more and 250 nm or less is preferable.

【0021】その後、所望のゲート電極形状に対応する
形状のフォトレジストパターン層18を所望位置に形成
する。
Thereafter, a photoresist pattern layer 18 having a shape corresponding to a desired gate electrode shape is formed at a desired position.

【0022】次いで、図3に示されているように、フォ
トレジストパターン層18をマスクとして用いてフォト
リソグラフィーを行ってTiN層6及び高融点金属層7
をエッチングし、TiN層6及び高融点金属層7の積層
膜からなるゲート電極を形成する。続いて、ゲート電極
をマスクとしてソース・ドレインのエクステンション8
のイオン注入を行う。
Next, as shown in FIG. 3, photolithography is performed using the photoresist pattern layer 18 as a mask to form the TiN layer 6 and the refractory metal layer 7.
Is etched to form a gate electrode composed of a stacked film of the TiN layer 6 and the refractory metal layer 7. Subsequently, using the gate electrode as a mask, source / drain extensions 8
Is performed.

【0023】次いで、図4に示されているように、サイ
ドスペーサ9を形成し、露出部のゲート酸化膜を除去
し、不純物イオンの注入を行ってソース・ドレイン10
を形成し、注入不純物の活性化熱処理後、Coサリサイ
ド工程を行う。その際、Coのエッチオフに用いるエッ
チャントとしてリン酸と酢酸とを主成分とする液体を用
いる事により、高融点金属層7はエッチングされない。
図4はCoサリサイド工程の1st(RTA)アニール
後の状態を示したものであり、19はCo層で、20は
Co層19の酸化防止の為のTiN層である。この段階
でソース・ドレイン10の表面にはCoSi(モノシリ
サイド)層11が形成されている。1st(RTA)ア
ニール温度をCoと高融点金属とが反応しない温度(4
00〜450℃)としている為、ゲート電極上に合金層
は形成されない。
Next, as shown in FIG. 4, a side spacer 9 is formed, the gate oxide film at the exposed portion is removed, and impurity ions are implanted to form a source / drain 10.
After the heat treatment for activating the implanted impurity, a Co salicide process is performed. At this time, the refractory metal layer 7 is not etched by using a liquid containing phosphoric acid and acetic acid as main components as an etchant used for etching off Co.
FIG. 4 shows a state after the 1st (RTA) annealing in the Co salicide step, where 19 is a Co layer, and 20 is a TiN layer for preventing oxidation of the Co layer 19. At this stage, a CoSi (monosilicide) layer 11 is formed on the surface of the source / drain 10. The first (RTA) annealing temperature is set to a temperature at which Co and the high melting point metal do not react (4
Since the temperature is in the range of 100 to 450 ° C.), no alloy layer is formed on the gate electrode.

【0024】図5にCoエッチオフ後の断面を示す。そ
れ以降、通常のSiウェハプロセスと同様にして、Si
2 含有層12、バリアメタル層13、Wプラグ14、
Al配線15、反射防止膜16パッシベーション膜17
を形成して、図1に示されるような構造とする。
FIG. 5 shows a cross section after Co etching off. Thereafter, in the same manner as in the normal Si wafer process,
O 2 -containing layer 12, barrier metal layer 13, W plug 14,
Al wiring 15, antireflection film 16, passivation film 17
To form a structure as shown in FIG.

【0025】本実施形態では、MOSFETの閾値はT
iN層6を構成するTiNの仕事関数とSi層4の不純
物濃度とで決定されるが、TiNの仕事関数がシリコン
のバンドギャップの中央(ミッドギャップ)付近にある
ため、図16に示されているように、NMOSFETの
場合もPMOSFETの場合も低濃度の不純物で適切な
閾値に制御可能である。図16において、NsubはS
i層4の不純物濃度(基板不純物濃度)を示し、Vth
は閾値を示す。NMOSFET,PMOSFETのしき
い値をそれぞれ0.3V,−0.3Vとした場合、Si
層4の不純物濃度(チャネル濃度)は1×1015cm-3
程度となり、特別なチャネルドープを必要としない(N
ウェルあるいはPウェルの形成のみで可)。
In this embodiment, the threshold value of the MOSFET is T
It is determined by the work function of TiN constituting the iN layer 6 and the impurity concentration of the Si layer 4. Since the work function of TiN is near the center (mid gap) of the band gap of silicon, it is shown in FIG. As described above, in the case of both the NMOSFET and the PMOSFET, it is possible to control the threshold value to an appropriate value with a low concentration of impurities. In FIG. 16, Nsub is S
Vth indicates the impurity concentration (substrate impurity concentration) of the i-layer 4.
Indicates a threshold value. When the threshold values of the NMOSFET and the PMOSFET are 0.3 V and -0.3 V, respectively,
The impurity concentration (channel concentration) of the layer 4 is 1 × 10 15 cm −3.
And no special channel doping is required (N
Only the formation of a well or a P well is possible).

【0026】ゲート電極のシート抵抗としては、TiN
層6の厚さが40nmで、高融点金属層7の厚さが20
0nmとして、高融点金属としてMoを用いた場合には
0.3Ω/□、Taを用いた場合には0.7Ω/□、Z
rを用いた場合には2.2Ω/□が実現できる。
The sheet resistance of the gate electrode is TiN
The thickness of the layer 6 is 40 nm, and the thickness of the refractory metal layer 7 is 20
0 nm, 0.3 Ω / □ when Mo is used as the high melting point metal, 0.7 Ω / □ when Ta is used, Z
When r is used, 2.2 Ω / □ can be realized.

【0027】また、TiN層6のバリヤ性により、特に
PMOSFETで問題となる、p+ソース・ドレインの
イオン注入をゲートセルフアラインで行う際のボロンの
ゲート酸化膜突き抜けを防ぐことができる。また、Ti
N層6のバリヤ性により、ゲート抵抗を低下させるため
に高融点金属層7を積層しても、その後の熱処理による
特性劣化を防ぐことができる。
Further, the barrier property of the TiN layer 6 can prevent boron from penetrating through the gate oxide film when performing p + source / drain ion implantation by gate self-alignment, which is a problem particularly in PMOSFET. Also, Ti
Due to the barrier property of the N layer 6, even if the refractory metal layer 7 is laminated to lower the gate resistance, it is possible to prevent the characteristic deterioration due to the subsequent heat treatment.

【0028】以上のように、本実施形態によれば、Ti
N層6と高融点金属層7との積層構造を有するゲート電
極を用いていることで、SOI構造のMOSFETの閾
値制御がNMOS,PMOS共に容易になると同時に、
ゲート抵抗を下げることが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, Ti
By using a gate electrode having a laminated structure of the N layer 6 and the high melting point metal layer 7, the threshold control of the MOSFET having the SOI structure becomes easy for both the NMOS and the PMOS.
Gate resistance can be reduced.

【0029】(第2の実施形態)図6は本発明による半
導体装置たるMOSFETの第2実施形態の構造を示す
模式的断面図である。本図において、図1〜5における
と同様の部分には同一の符号が付されている。
(Second Embodiment) FIG. 6 is a schematic sectional view showing the structure of a MOSFET as a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. In this figure, the same parts as those in FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals.

【0030】本実施形態では、高融点金属層7上に高融
点金属(Ta,Mo,Zrなど)とCoとの合金からな
る合金層21が形成されている。高融点金属層7及び合
金層21により本発明の高融点金属層が構成される。
In this embodiment, an alloy layer 21 made of an alloy of a high melting point metal (Ta, Mo, Zr, etc.) and Co is formed on the high melting point metal layer 7. The refractory metal layer 7 and the alloy layer 21 constitute the refractory metal layer of the present invention.

【0031】次に、本実施形態の装置の製造工程を図7
〜8を参照しながら説明する。
Next, the manufacturing process of the device of this embodiment will be described with reference to FIG.
This will be described with reference to FIGS.

【0032】先ず、上記第1の実施形態と同様にして、
図2に示されている形態のフォトレジストパターン層1
8の形成前までの工程を実施する。そして、1stRT
Aアニールの温度を450〜550℃の範囲として処理
することで高融点金属層7の表面部においてその高融点
金属とCoとを反応させて合金層21を形成する。
First, as in the first embodiment,
Photoresist pattern layer 1 of the form shown in FIG.
Steps before the formation of 8 are performed. And 1stRT
By performing the A-annealing at a temperature in the range of 450 to 550 ° C., the high-melting-point metal and Co react on the surface of the high-melting-point metal layer 7 to form the alloy layer 21.

【0033】次いで、所望のゲート電極形状に対応する
形状のフォトレジストパターン層18を所望位置に形成
し、フォトレジストパターン層18をマスクとして用い
てフォトリソグラフィーを行ってTiN層6及び高融点
金属層7及びその上の上記合金層21をエッチングし、
TiN層6及び高融点金属層7及び合金層21を含んで
なるゲート電極を形成する。
Next, a photoresist pattern layer 18 having a shape corresponding to a desired gate electrode shape is formed at a desired position, and photolithography is performed using the photoresist pattern layer 18 as a mask to form the TiN layer 6 and the refractory metal layer. 7 and the alloy layer 21 thereon are etched,
A gate electrode including the TiN layer 6, the refractory metal layer 7, and the alloy layer 21 is formed.

【0034】続いて、ゲート電極をマスクとしてソース
・ドレインのエクステンション8のイオン注入を行い、
その後、上記第1の実施形態と同様な工程を実施するこ
とで、Coエッチオフ後に図8に示される形態を得、更
に図6に示されるような構造とする。
Subsequently, ion implantation of source / drain extensions 8 is performed using the gate electrode as a mask.
Thereafter, by performing the same steps as those in the first embodiment, the form shown in FIG. 8 is obtained after the Co etch-off, and the structure as shown in FIG. 6 is further obtained.

【0035】本実施形態では、ゲート電極は上面部に高
融点金属とCoとの合金からなる合金層21を有するの
で、ゲート電極の酸化や水素アロイ時の水素吸蔵を抑え
特性の劣化を防ぐことができる。
In the present embodiment, since the gate electrode has the alloy layer 21 made of an alloy of a high melting point metal and Co on the upper surface, it is possible to suppress the oxidation of the gate electrode and the occlusion of hydrogen during hydrogen alloying to prevent the deterioration of the characteristics. Can be.

【0036】(第3の実施形態)図9は本発明による半
導体装置たるMOSFETの第3実施形態の構造を示す
模式的断面図である。本図において、図1〜8における
と同様の部分には同一の符号が付されている。
(Third Embodiment) FIG. 9 is a schematic sectional view showing the structure of a MOSFET as a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. In this figure, the same parts as those in FIGS. 1 to 8 are denoted by the same reference numerals.

【0037】本実施形態では、ゲート電極において、T
iN層6が高融点金属層7よりも大きく形成され高融点
金属層7に対して横方向に突出しており、即ちゲートオ
ーバーラップドレイン構造となっている。
In this embodiment, the gate electrode has a T
The iN layer 6 is formed larger than the refractory metal layer 7 and protrudes laterally with respect to the refractory metal layer 7, that is, has a gate overlap drain structure.

【0038】次に、本実施形態の装置の製造工程を図1
0〜12を参照しながら説明する。
Next, the manufacturing process of the device of this embodiment is shown in FIG.
This will be described with reference to 0 to 12.

【0039】先ず、上記第1の実施形態と同様にして、
図2に示されている形態を得る。そして、フォトレジス
トパターン層18をマスクとして用いてフォトリソグラ
フィーを行って高融点金属層7をエッチングする。この
エッチングの際に、TiNに対する高融点金属の選択比
の大きな条件を用いることで、TiN層6を残す。
First, as in the first embodiment,
Obtain the configuration shown in FIG. Then, the high melting point metal layer 7 is etched by performing photolithography using the photoresist pattern layer 18 as a mask. At the time of this etching, the TiN layer 6 is left by using a condition with a high selectivity ratio of the refractory metal to TiN.

【0040】次いで、図12に示されているように、高
融点金属層7をマスクとしてソース・ドレインのエクス
テンション8のイオン注入を行う。このイオン注入は、
TiN層6を通して行われる。
Next, as shown in FIG. 12, ion implantation of source / drain extensions 8 is performed using the high melting point metal layer 7 as a mask. This ion implantation
This is performed through the TiN layer 6.

【0041】次いで、図11に示されているように、第
1サイドウォール22を形成する。このサイドウォール
22の厚さは通常のサイドウォールよりも薄い。その
後、TiN層6のエッチングを、高融点金属層7及び第
1サイドウォール22をマスクとしてドライエッチング
あるいはウェットエッチングにより行う。
Next, as shown in FIG. 11, a first sidewall 22 is formed. The thickness of the sidewall 22 is thinner than a normal sidewall. Thereafter, the TiN layer 6 is etched by dry etching or wet etching using the refractory metal layer 7 and the first sidewall 22 as a mask.

【0042】次いで、図12に示されているように、第
1サイドウォール22及びTiN層6を覆うように第2
サイドウォール23を形成する。これにより、ゲート電
極のTiN層6の一部がソース・ドレインのエクステン
ション領域8と重なる。
Next, as shown in FIG. 12, a second side wall 22 and a second
The side wall 23 is formed. Thereby, a part of the TiN layer 6 of the gate electrode overlaps with the source / drain extension region 8.

【0043】その後、上記第1の実施形態と同様な工程
を実施し、図9に示されるような構造とする。
Thereafter, steps similar to those of the first embodiment are performed to obtain a structure as shown in FIG.

【0044】本実施形態では、ゲート電極のTiN層6
の一部がソース・ドレインエクステンションの上方に位
置しこれと重なっているために、ホットキャリア耐性が
向上し、MOSFETのドライブ能力も向上する。
In this embodiment, the TiN layer 6 of the gate electrode
Are located above and overlap the source / drain extensions, so that the hot carrier resistance is improved and the drive capability of the MOSFET is also improved.

【0045】(第4の実施形態)図13は本発明による
半導体装置たるMOSFETの第4実施形態の構造を示
す模式的断面図である。本図において、図1〜12にお
けると同様の部分には同一の符号が付されている。
(Fourth Embodiment) FIG. 13 is a schematic sectional view showing the structure of a fourth embodiment of a MOSFET as a semiconductor device according to the present invention. In this figure, the same parts as those in FIGS. 1 to 12 are denoted by the same reference numerals.

【0046】本実施形態では、ソース・ドレイン10上
に選択成長によるエピタキシャル単結晶Si層24が形
成されており、その上にはCoSi2 層25が形成され
ている。また、高融点金属層7上には高融点金属シリサ
イド(TaSi2 ,MoSi 2 ,ZrSi2 など)層2
6が形成されており、該シリサイド層26上にはCoS
2 層27が形成されている。
In this embodiment, on the source / drain 10
Epitaxial single crystal Si layer 24 formed by selective growth
On top of which CoSiTwoLayer 25 is formed
ing. On the high melting point metal layer 7, a high melting point metal
Id (TaSiTwo, MoSi Two, ZrSiTwoEtc.) Layer 2
6 is formed, and CoS is formed on the silicide layer 26.
iTwoA layer 27 is formed.

【0047】次に、本実施形態の装置の製造工程を図1
4〜15を参照しながら説明する。
Next, the manufacturing process of the apparatus of this embodiment is shown in FIG.
This will be described with reference to 4 to 15.

【0048】先ず、上記第1の実施形態と同様にして、
図3に示されている形態を得る。
First, as in the first embodiment,
The configuration shown in FIG. 3 is obtained.

【0049】次いで、図14に示されているように、サ
イドスペーサ9を形成し、露出部のゲート酸化膜を除去
し、ソース・ドレイン領域及びゲート電極の高融点金属
層7上に選択的にSiを成長させる。その際に、原料ガ
ス、成膜温度、圧力を適切に選ぶことにより、ソース・
ドレイン領域上には単結晶Siが成長して単結晶Si層
24が形成され、ゲート電極上には多結晶シリコンある
いはアモルファスシリコンが成長して多結晶シリコン層
(あるいはアモルファスシリコン層)28が形成され
る。
Next, as shown in FIG. 14, a side spacer 9 is formed, the gate oxide film in the exposed portion is removed, and the source / drain region and the high melting point metal layer 7 of the gate electrode are selectively formed. Grow Si. At that time, by appropriately selecting the source gas, deposition temperature, and pressure,
Single crystal Si is grown on the drain region to form a single crystal Si layer 24, and polycrystalline silicon or amorphous silicon is grown on the gate electrode to form a polycrystalline silicon layer (or amorphous silicon layer). You.

【0050】続いて、図15に示されているように、ソ
ース・ドレインの高濃度領域のためのイオン注入及び活
性化熱処理を行った後に、Coサリサイド工程を行っ
て、ソース・ドレイン10上の単結晶Si層24上にC
oSi2 層25を形成し、ゲート電極上に高融点金属シ
リサイド層26とCoSi2 層27との2層のシリサイ
ド層が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 15, after performing ion implantation and activation heat treatment for a high concentration region of the source / drain, a Co salicide process is performed to C on the single crystal Si layer 24
An oSi 2 layer 25 is formed, and two silicide layers of a refractory metal silicide layer 26 and a CoSi 2 layer 27 are formed on the gate electrode.

【0051】その後、上記第1の実施形態と同様な工程
を実施し、図13に示されるような構造とする。
Thereafter, the same steps as those in the first embodiment are performed to obtain a structure as shown in FIG.

【0052】本実施形態では、ソース・ドレイン10上
に単結晶Si層24が形成されているので、ソース・ド
レイン領域のSiからなる層を厚くすることができるた
め、結果としてCoSi2 層25も厚くでき、ソース・
ドレインの低抵抗化が可能となる。
In this embodiment, since the single-crystal Si layer 24 is formed on the source / drain 10, the thickness of the layer made of Si in the source / drain region can be increased. As a result, the CoSi 2 layer 25 is also formed. Thick, sauce
The resistance of the drain can be reduced.

【0053】[0053]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ゲート電極がTiN層とその上の高融点金属層との積層
構造を有することで、SOI構造のMOSFETの閾値
制御がNMOS,PMOS共に容易になると同時にゲー
ト抵抗を下げることが可能となる。また、ゲート電極形
成後に高温熱処理を用いて製造することが可能である。
更に、TiN層のバリヤ性により、特にPMOSFET
の製造で問題となるボロンのゲート酸化膜突き抜けを防
ぐことができる。
As described above, according to the present invention,
Since the gate electrode has a laminated structure of the TiN layer and the refractory metal layer thereon, the threshold control of the MOSFET having the SOI structure becomes easy for both the NMOS and the PMOS, and the gate resistance can be reduced. Further, it can be manufactured by using a high-temperature heat treatment after forming the gate electrode.
In addition, due to the barrier properties of the TiN layer,
Can be prevented from penetrating through the gate oxide film, which is a problem in the manufacture of the semiconductor device.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による半導体装置たるMOSFETの第
1実施形態の構造を示す模式的断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of a first embodiment of a MOSFET as a semiconductor device according to the present invention.

【図2】第1実施形態の製造工程の説明のための模式的
断面図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing process according to the first embodiment.

【図3】第1実施形態の製造工程の説明のための模式的
断面図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing process of the first embodiment.

【図4】第1実施形態の製造工程の説明のための模式的
断面図である。
FIG. 4 is a schematic sectional view for explaining a manufacturing process of the first embodiment.

【図5】第1実施形態の製造工程の説明のための模式的
断面図である。
FIG. 5 is a schematic sectional view for explaining a manufacturing process of the first embodiment.

【図6】本発明による半導体装置たるMOSFETの第
2実施形態の構造を示す模式的断面図である。
FIG. 6 is a schematic sectional view showing a structure of a second embodiment of a MOSFET as a semiconductor device according to the present invention.

【図7】第2実施形態の製造工程の説明のための模式的
断面図である。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing process according to a second embodiment.

【図8】第2実施形態の製造工程の説明のための模式的
断面図である。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing process according to a second embodiment.

【図9】本発明による半導体装置たるMOSFETの第
3実施形態の構造を示す模式的断面図である。
FIG. 9 is a schematic sectional view showing the structure of a third embodiment of a MOSFET as a semiconductor device according to the present invention.

【図10】第3実施形態の製造工程の説明のための模式
的断面図である。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing process according to a third embodiment.

【図11】第3実施形態の製造工程の説明のための模式
的断面図である。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing process according to a third embodiment.

【図12】第3実施形態の製造工程の説明のための模式
的断面図である。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing process according to a third embodiment.

【図13】本発明による半導体装置たるMOSFETの
第4実施形態の構造を示す模式的断面図である。
FIG. 13 is a schematic sectional view showing the structure of a fourth embodiment of a MOSFET as a semiconductor device according to the present invention.

【図14】第4実施形態の製造工程の説明のための模式
的断面図である。
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing process according to a fourth embodiment.

【図15】第4実施形態の製造工程の説明のための模式
的断面図である。
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view for explaining a manufacturing process according to a fourth embodiment.

【図16】基板不純物濃度とSOIMOSFETの閾値
との関係を示す図である。
FIG. 16 is a diagram showing a relationship between a substrate impurity concentration and a threshold value of an SOI MOSFET.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 Si基板 2 埋め込み酸化膜 3 フィールド酸化膜 4 Si層(SOI層) 5 ゲート酸化膜 6 TiN層 7 高融点金属層 8 エクステンション 9 サイドスペーサ 10 ソース・ドレイン 11 CoSi2 層 12 SiO2 含有層 13 バリアメタル層 14 Wプラグ 15 Al配線 16 反射防止膜 17 パッシベーション膜 18 フォトレジストパターン層 19 Co層 20 TiN層 21 合金層 22 第1サイドウォール 23 第2サイドウォール 24 単結晶Si層 25 CoSi2 層 26 高融点金属シリサイド層 27 CoSi2 層 28 多結晶シリコン層(あるいはアモルファスシリ
コン層)
REFERENCE SIGNS LIST 1 Si substrate 2 buried oxide film 3 field oxide film 4 Si layer (SOI layer) 5 gate oxide film 6 TiN layer 7 refractory metal layer 8 extension 9 side spacer 10 source / drain 11 CoSi 2 layer 12 SiO 2 containing layer 13 barrier Metal layer 14 W plug 15 Al wiring 16 Antireflection film 17 Passivation film 18 Photoresist pattern layer 19 Co layer 20 TiN layer 21 Alloy layer 22 First sidewall 23 Second sidewall 24 Single crystal Si layer 25 CoSi 2 layer 26 High Melting point metal silicide layer 27 CoSi 2 layer 28 Polycrystalline silicon layer (or amorphous silicon layer)

フロントページの続き Fターム(参考) 4M104 AA01 AA09 BB01 BB02 BB13 BB16 BB17 BB20 BB30 CC01 DD04 DD37 DD43 DD64 DD84 EE09 EE17 FF13 FF16 GG09 GG10 GG14 HH05 5F110 AA08 AA13 AA30 BB04 CC02 DD05 DD13 EE01 EE04 EE06 EE09 EE15 EE32 EE44 EE45 FF02 GG02 GG12 GG13 GG34 HJ01 HJ13 HJ23 HL01 HL03 HL04 HL05 HL08 HL12 HL24 HM15 HM17 NN03 NN22 NN23 NN24 NN35 NN62 QQ11 Continued on front page F term (reference) 4M104 AA01 AA09 BB01 BB02 BB13 BB16 BB17 BB20 BB30 CC01 DD04 DD37 DD43 DD64 DD84 EE09 EE17 FF13 FF16 GG09 GG10 GG14 HH05 5F110 AA08 AA13 AA30 BB04 EE04 EE04 EE04 EE04 EE04 EE04 EE04 GG02 GG12 GG13 GG34 HJ01 HJ13 HJ23 HL01 HL03 HL04 HL05 HL08 HL12 HL24 HM15 HM17 NN03 NN22 NN23 NN24 NN35 NN62 QQ11

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 SOI構造のMOSFETであって、ゲ
ート絶縁膜上に窒化チタン層と該窒化チタン層上の高融
点金属層とを含む積層膜からなるゲート電極が形成され
ていることを特徴とする半導体装置。
1. A MOSFET having an SOI structure, wherein a gate electrode formed of a laminated film including a titanium nitride layer and a refractory metal layer on the titanium nitride layer is formed on a gate insulating film. Semiconductor device.
【請求項2】 前記窒化チタン層の厚さが10nm以上
50nm以下であり、前記高融点金属層の厚さが100
nm以上250nm以下であることを特徴とする、請求
項1に記載の半導体装置。
2. The method according to claim 1, wherein the thickness of the titanium nitride layer is 10 nm or more and 50 nm or less, and the thickness of the refractory metal layer is 100 nm or less.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness is not less than 250 nm and not more than 250 nm.
【請求項3】 前記高融点金属層を構成する高融点金属
はタンタル、モリブデン及びジルコニウムのいずれか又
はこれを含む合金であることを特徴とする、請求項1〜
2のいずれかに記載の半導体装置。
3. The refractory metal constituting the refractory metal layer is one of tantalum, molybdenum and zirconium or an alloy containing the same.
3. The semiconductor device according to any one of 2.
【請求項4】 前記高融点金属層は複数種類の高融点金
属の層の積層膜からなることを特徴とする、請求項1〜
3のいずれかに記載の半導体装置。
4. The method according to claim 1, wherein the refractory metal layer comprises a laminated film of a plurality of types of refractory metal layers.
3. The semiconductor device according to any one of 3.
【請求項5】 前記窒化チタン層は前記高融点金属層に
対して横方向に突出していることを特徴とする、請求項
1〜4のいずれかに記載の半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein said titanium nitride layer protrudes laterally with respect to said refractory metal layer.
【請求項6】 前記窒化チタン層はソース・ドレインの
エクステンションの上方にまで延びていることを特徴と
する、請求項5に記載の半導体装置。
6. The semiconductor device according to claim 5, wherein said titanium nitride layer extends to above a source / drain extension.
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WO2003069678A1 (en) * 2002-02-18 2003-08-21 Nec Corporation Semiconductor device and its manufacturing method
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