JP2001176985A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2001176985A
JP2001176985A JP35469899A JP35469899A JP2001176985A JP 2001176985 A JP2001176985 A JP 2001176985A JP 35469899 A JP35469899 A JP 35469899A JP 35469899 A JP35469899 A JP 35469899A JP 2001176985 A JP2001176985 A JP 2001176985A
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JP
Japan
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gate electrode
conductive layer
silicon
semiconductor device
effect transistor
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Withdrawn
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JP35469899A
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Japanese (ja)
Inventor
Yuji Abe
雄次 阿部
Yasuki Tokuda
安紀 徳田
Toshiyuki Oishi
敏之 大石
Katsuomi Shiozawa
勝臣 塩沢
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device equipped with a CMOS improved in the characteristics of respective nMOS and pMOS transistors. SOLUTION: A work function ΦMn of a gate electrode 6 of nMOS is made into value between electron affinity χs of silicon and an energy difference Φi of intrinsic Fermi level εi of silicon and the vacuum level of silicon, namely, set so as to establish the relation of χs<ΦMn<Φi. Besides, a work function ΦMp of a gate electrode 7 of pMOS is made into value between the added result of the electron affinity χs of silicon and a band gap energy Eg of silicon and the energy difference Φi of the intrinsic Fermi level εi of silicon and the vacuum level of silicon, namely, set so as to establish the relation of Φi<ΦMp<χs+Eg. Thus, in CMOS, the original performance of respective nMOS and pMOS can be effectively utilized.

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、半導体装置に関
し、特に、メモリデバイスまたはロジックデバイスに用
いられる、相補型電界効果型トランジスタ(Complement
ary Metal OxideSemiconductor、以下「CMOS」と
記す。)を備えた半導体装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a complementary field effect transistor used for a memory device or a logic device.
ary Metal Oxide Semiconductor, hereinafter referred to as "CMOS". ).

【0002】[0002]

【従来の技術】従来から、nMOS(nチャネルMetal
Oxide Semiconductor)とpMOS(pチャネルMetal
Oxide Semiconductor)とを備えるCMOSが用いら
れている。以下、従来のCMOSを、図7〜12を用い
て説明する。
2. Description of the Related Art Conventionally, nMOS (n-channel Metal)
Oxide Semiconductor) and pMOS (p-channel Metal)
Oxide Semiconductor). Hereinafter, a conventional CMOS will be described with reference to FIGS.

【0003】まず、図7〜図9を用いて、従来のCMO
Sの一例を説明する。図7には、Y.Taur et.
al.,IEDM Tech.Dig.,p.127
(1993)に開示されている、nMOSのゲート電極
にn型の不純物がドープされた多結晶シリコン(以下、
「n型多結晶シリコン」という。)を用い、pMOSの
ゲート電極にp型の不純物がドープされた多結晶シリコ
ン(以下、「p型多結晶シリコン」という。)を用い
た、従来のデュアルゲートCMOSの構造が模式的に示
されている。
First, a conventional CMO will be described with reference to FIGS.
An example of S will be described. FIG. Taur et.
al. , IEDM Tech. Dig. , P. 127
(1993) discloses a polycrystalline silicon in which an nMOS gate electrode is doped with an n-type impurity (hereinafter, referred to as polycrystalline silicon).
It is called “n-type polycrystalline silicon”. ), And a conventional dual-gate CMOS structure using polycrystalline silicon in which a p-type gate electrode is doped with p-type impurities (hereinafter referred to as “p-type polycrystalline silicon”). ing.

【0004】従来のCMOSは、図7に示すように、主
表面が(100)面であるp型シリコン基板101が素
子分離絶縁膜102により分離された素子形成領域を有
している。この素子形成領域の主表面から所定の深さに
かけて、pMOSを形成するためのn型ウエル103お
よびnMOSを形成するためのp型ウエル104がそれ
ぞれ形成されている。nMOS領域およびpMOS領域
の半導体基板101上には、ゲート絶縁膜105a,1
05bがそれぞれ形成されている。ゲート絶縁膜105
a,105bの上には、n型多結晶シリコンゲート電極
116およびp型多結晶シリコンゲート電極117が形
成されている。
As shown in FIG. 7, a conventional CMOS has an element formation region in which a p-type silicon substrate 101 whose main surface is a (100) plane is separated by an element isolation insulating film 102. An n-type well 103 for forming a pMOS and a p-type well 104 for forming an nMOS are formed from the main surface of the element formation region to a predetermined depth. On the semiconductor substrate 101 in the nMOS region and the pMOS region, the gate insulating films 105a, 105
05b are respectively formed. Gate insulating film 105
An n-type polysilicon gate electrode 116 and a p-type polysilicon gate electrode 117 are formed on a and 105b.

【0005】ゲート絶縁膜105a,105b、n型多
結晶シリコンゲート電極116およびp型多結晶シリコ
ンゲート電極117の両側には、それぞれn型不純物が
注入されたnMOS領域のソース/ドレイン領域109
およびp型不純物が注入されたpMOS領域のソース/
ドレイン領域110が形成されている。ソース/ドレイ
ン領域109,110の両側には、n型不純物が注入さ
れたnMOSのソース/ドレイン領域112およびp型
不純物が注入されたpMOSのソース/ドレイン領域1
13がそれぞれ形成されている。
On both sides of the gate insulating films 105a and 105b, the n-type polysilicon gate electrode 116 and the p-type polysilicon gate electrode 117, source / drain regions 109 of an nMOS region into which n-type impurities are implanted, respectively.
And the source of the pMOS region into which the p-type impurity is implanted /
A drain region 110 is formed. On both sides of the source / drain regions 109 and 110, the source / drain region 112 of the nMOS into which the n-type impurity is implanted and the source / drain region 1 of the pMOS into which the p-type impurity is implanted
13 are formed respectively.

【0006】ソース/ドレイン領域112,113の上
には、ソース/ドレイン領域112,113と他の導電
層とのコンタクト抵抗を低減するための高融点金属シリ
サイド層114a,114bがそれぞれ形成されてい
る。また、n型多結晶シリコンゲート電極116および
p型多結晶シリコンゲート電極117の上面にも、ゲー
ト電極と116,117と他の導電層とのコンタクト抵
抗を低減するための高融点金属シリサイド層114a,
114bがそれぞれ形成されている。ゲート絶縁膜10
5a、n型多結晶シリコンゲート電極116および高融
点金属シリサイド層114aの両側壁、ならびに、ゲー
ト絶縁膜105b、p型多結晶シリコンゲート電極11
7および高融点金属シリサイド層114bの両側壁に
は、サイドウォール絶縁膜111a,111bがそれぞ
れ形成されている。
On the source / drain regions 112 and 113, refractory metal silicide layers 114a and 114b for reducing contact resistance between the source / drain regions 112 and 113 and other conductive layers are formed, respectively. . Further, n-type polycrystalline silicon gate electrode 116 and
On the upper surface of the p-type polycrystalline silicon gate electrode 117, a refractory metal silicide layer 114a for reducing the contact resistance between the gate electrode 116, 117 and another conductive layer is also provided.
114b are respectively formed. Gate insulating film 10
5a, both side walls of n-type polycrystalline silicon gate electrode 116 and refractory metal silicide layer 114a, gate insulating film 105b, p-type polycrystalline silicon gate electrode 11
Sidewall insulating films 111a and 111b are formed on both side walls of the metal silicide layer 114b and the refractory metal silicide layer 114b, respectively.

【0007】以上のように構成されたデュアルゲートC
MOSは、nMOSおよびpMOSの不純物の導電型を
すべて対称な関係を有するようにしている。そのため、
nMOSおよびpMOSの双方のトランジスタとも同じ
指針で設計することができるという特徴を持つ。
The dual gate C constructed as described above
In the MOS, the conductivity types of the impurities of the nMOS and the pMOS are all symmetrical. for that reason,
The feature is that both nMOS and pMOS transistors can be designed with the same guidelines.

【0008】また、図8および図9には、nMOSおよ
びpMOSそれぞれのゲート電圧を印加していないとき
のチャネル領域のエネルギバンド図が模式的に示されて
いる。以下、図8および図9を用いて、従来のCMOS
のゲート絶縁膜近傍のエネルギ状態について説明する。
FIGS. 8 and 9 schematically show energy band diagrams of the channel region when the gate voltage of each of the nMOS and pMOS is not applied. Hereinafter, a conventional CMOS will be described with reference to FIGS.
The energy state near the gate insulating film will be described.

【0009】まず、nMOSについて説明する。nMO
Sのn型多結晶シリコンゲート電極116はn型不純物
が高濃度にドープされている。また、n型多結晶シリコ
ンゲート電極116の仕事関数Φnは、シリコンの電子
親和力χsと略同程度になっている。この場合、チャネ
ル領域のシリコンのフェルミ準位εiとゲート電極の多
結晶シリコンのフェルミ準位εfとが一致するために、
ゲート絶縁膜近傍においては、チャネル領域のシリコン
の真性フェルミ準位εiはゲート電極の多結晶シリコン
のフェルミ準位εfに近づこうとする。したがって、ゲ
ート電圧0Vにおけるエネルギバンド構造は、図8に示
すように、チャネル領域表面で伝導帯εcが下側に大き
く下がった状態、すなわち、チャネル領域のシリコンの
伝導帯εcがゲート電極のn型多結晶シリコンのフェル
ミ準位εfに近づいた状態となる。そのため、しきい値
電圧が低い状態になる。このような場合には、しきい値
電圧を適当な値に設定するために、すなわち、チャネル
領域のシリコンの伝導帯εcをゲート電極のn型多結晶
シリコンのフェルミ準位εfから遠ざけるために、通
常、p型ウエルのチャネル領域表面近傍のp型不純物濃度
を高くしている。
First, the nMOS will be described. nMO
The n-type polycrystalline silicon gate electrode 116 of S is heavily doped with n-type impurities. The work function Φn of the n-type polycrystalline silicon gate electrode 116 is substantially the same as the electron affinity シ リ コ ン s of silicon. In this case, since the Fermi level εi of silicon in the channel region matches the Fermi level εf of polycrystalline silicon in the gate electrode,
In the vicinity of the gate insulating film, the intrinsic Fermi level εi of silicon in the channel region tends to approach the Fermi level εf of polycrystalline silicon of the gate electrode. Therefore, as shown in FIG. 8, the energy band structure at a gate voltage of 0 V is such that the conduction band .epsilon.c is greatly lowered on the surface of the channel region, that is, the conduction band .epsilon.c of silicon in the channel region is n-type of the gate electrode. The state becomes closer to the Fermi level εf of polycrystalline silicon. Therefore, the threshold voltage becomes low. In such a case, in order to set the threshold voltage to an appropriate value, that is, to keep the conduction band εc of silicon in the channel region away from the Fermi level εf of n-type polysilicon of the gate electrode, Usually, the p-type impurity concentration near the surface of the channel region of the p-type well is increased.

【0010】しかしながら、p型ウエルのチャネル領域
表面近傍のp型不純物濃度を高くすることによって、チ
ャネル領域表面近傍においては、電界が強くなるため、
キャリアの移動度が低下する。さらに、ゲート電極とし
て半導体である多結晶シリコンを用いているため、ゲー
ト絶縁膜とゲート電極との界面近傍において、空乏層が
形成されるため、ゲート電極の容量が低下してしまう。
However, by increasing the p-type impurity concentration near the surface of the channel region of the p-type well, the electric field becomes strong near the surface of the channel region.
Carrier mobility is reduced. Further, since polycrystalline silicon, which is a semiconductor, is used as the gate electrode, a depletion layer is formed near the interface between the gate insulating film and the gate electrode, so that the capacity of the gate electrode is reduced.

【0011】次に、pMOSについて説明する。pMO
Sのp型多結晶シリコンゲート電極17はp型不純物が高
濃度にドープされている。また、p型多結晶シリコンゲ
ート電極17の仕事関数Φpは、シリコンの電子親和力
χsとバンドギャップエネルギーEgとを加えたものと略
同程度になっている。この場合、チャネル領域のシリコ
ンのフェルミ準位εiとゲート電極の多結晶シリコンの
フェルミ準位εfとが一致するために、ゲート絶縁膜近
傍においては、チャネル領域のシリコンの真性フェルミ
準位εiはゲート電極の多結晶シリコンのフェルミ準位
εfに近づこうとする。したがって、ゲート電圧0Vに
おけるエネルギバンド構造は、図9に示すように、チャ
ネル領域表面で価電子帯εvが上に大きく上がった状
態、すなわち、チャネル領域のシリコンの価電子帯εv
がゲート電極のp型多結晶シリコンのフェルミ準位εf
に近づいた状態となる。そのため、しきい値電圧が低い
状態になる。このような場合においても、しきい値電圧
を適当な値に設定するために、すなわち、チャネル領域
のシリコンの価電子帯εvをゲート電極のp型多結晶シ
リコンのフェルミ準位εfから遠ざけるために、通常、
n型ウエルのチャネル領域表面近傍のn型不純物濃度を
高くしている。
Next, the pMOS will be described. pMO
The S p-type polycrystalline silicon gate electrode 17 is heavily doped with p-type impurities. The work function Φp of the p-type polycrystalline silicon gate electrode 17 is approximately the same as the sum of the electron affinity シ リ コ ン s of silicon and the band gap energy Eg. In this case, since the Fermi level εi of silicon in the channel region matches the Fermi level εf of polycrystalline silicon in the gate electrode, the intrinsic Fermi level εi of silicon in the channel region is close to the gate insulating film. An attempt is made to approach the Fermi level εf of the polycrystalline silicon of the electrode. Therefore, as shown in FIG. 9, the energy band structure at a gate voltage of 0 V is a state in which the valence band εv is greatly increased on the surface of the channel region, that is, the valence band εv of silicon in the channel region.
Is the Fermi level εf of p-type polycrystalline silicon for the gate electrode
It becomes a state approaching. Therefore, the threshold voltage becomes low. Even in such a case, in order to set the threshold voltage to an appropriate value, that is, to keep the valence band εv of silicon in the channel region away from the Fermi level εf of p-type polycrystalline silicon of the gate electrode. ,Normal,
The n-type impurity concentration near the surface of the channel region of the n-type well is increased.

【0012】しかしながら、n型ウエルのチャネル領域
表面近傍のn型不純物濃度を高くすることによって、チ
ャネル領域表面近傍においては、電界が強くなるため、
キャリアの移動度が低下する。さらに、ゲート電極とゲ
ート絶縁膜との界面近傍において、空乏層が形成される
問題もnMOSと同様に生じ、ゲート電極の容量が低下
してしまう。なお、p型多結晶シリコンの場合、不純物
のボロンを高濃度に注入するのは困難なため、nMOS
の場合に比較して、ゲート電極とゲート絶縁膜との界面
近傍に空乏層が形成される現象は顕著に現れる。
However, by increasing the n-type impurity concentration near the surface of the channel region of the n-type well, the electric field becomes strong near the surface of the channel region.
Carrier mobility is reduced. Furthermore, a problem that a depletion layer is formed near the interface between the gate electrode and the gate insulating film occurs similarly to the nMOS, and the capacitance of the gate electrode is reduced. In the case of p-type polycrystalline silicon, it is difficult to implant boron as an impurity at a high concentration.
The phenomenon in which a depletion layer is formed in the vicinity of the interface between the gate electrode and the gate insulating film appears more remarkably than in the case of.

【0013】一方、nMOSとpMOSとで同じ導電型
の多結晶シリコン膜をゲート電極として用いることも考
えられる。例えば、図7に示すp型多結晶シリコンゲー
ト電極117の代わりに、図10に示すように、n型多
結晶シリコンゲート電極116を用いて、pMOSおよ
びnMOSのゲート電極にドープされる不純物の導電型
を同一にすること、すなわち、シングルゲートCMOS
を用いることが考えられる。
On the other hand, it is conceivable to use the same conductivity type polycrystalline silicon film as the gate electrode for the nMOS and the pMOS. For example, instead of the p-type polysilicon gate electrode 117 shown in FIG. 7, an n-type polysilicon gate electrode 116 is used as shown in FIG. The same type, ie, single gate CMOS
It is conceivable to use.

【0014】しかしながら、シングルゲートCMOSを
用いた場合、図7に示したCMOSの場合と同じチャネ
ル構造にすると、pMOSのチャネル領域のエネルギバ
ンド構造は、図11のようになる。すなわち、図9のエ
ネルギバンド構造とは逆に、n型ウェルのチャネル領域
表面で価電子帯εvが少しだけ下に下がった状態にな
る。そのため、ゲート電極の多結晶シリコンのフェルミ
準位εfとチャネル領域のシリコンのフェルミ準位εi
とは、大きく相違する状態となる。そのため、しきい値
電圧が大幅に上昇してしまう。そこで、しきい値電圧を
適当な値に設定するためには、n型ウエルとは逆の導電
型のp型カウンタードープ層118をpMOSのチャネ
ル表面近傍に形成する必要がある。このp型カウンター
ドープ層118を設けることにより、いわゆる埋込チャ
ネル構造が形成され、図12に示すように、チャネル領
域表面から所定の距離を離れた部分の価電子帯εvが上
に上がる。それによって、チャネル領域表面から所定の
距離を離れた部分において、ゲート電極の多結晶シリコ
ンのフェルミ準位εfとチャネル領域のシリコンの価電
子帯εvとの差が小さくなる。その結果、チャネル領域
表面から所定の距離を離れた部分において、しきい値電
圧を適当な値にすることができる。さらに、nチャネル
領域にp型不純物を注入しているため、図9に示すエネ
ルギバンド構造をもつチャネル領域と異なり、チャネル
領域表面の電界の増加はわずかである。そのため、チャ
ネル領域におけるキャリアの移動度の低下を抑制するこ
とができる。
However, when a single-gate CMOS is used and the same channel structure as that of the CMOS shown in FIG. 7 is used, the energy band structure of the pMOS channel region is as shown in FIG. In other words, contrary to the energy band structure of FIG. 9, the valence band εv slightly lowers on the surface of the channel region of the n-type well. Therefore, the Fermi level εf of the polysilicon in the gate electrode and the Fermi level εi of the silicon in the channel region
Is significantly different from the above. Therefore, the threshold voltage increases significantly. Therefore, in order to set the threshold voltage to an appropriate value, it is necessary to form a p-type counter-doped layer 118 having a conductivity type opposite to that of the n-type well near the channel surface of the pMOS. By providing this p-type counter-doped layer 118, a so-called buried channel structure is formed, and as shown in FIG. 12, the valence band εv at a portion away from the surface of the channel region by a predetermined distance is raised. Thereby, in a portion away from the surface of the channel region by a predetermined distance, the difference between the Fermi level εf of polycrystalline silicon of the gate electrode and the valence band εv of silicon in the channel region is reduced. As a result, the threshold voltage can be set to an appropriate value in a portion away from the channel region surface by a predetermined distance. Further, since the p-type impurity is implanted into the n-channel region, the electric field on the surface of the channel region slightly increases unlike the channel region having the energy band structure shown in FIG. Therefore, a decrease in carrier mobility in the channel region can be suppressed.

【0015】しかしながら、埋込チャネル構造の場合、
短チャネル特性の劣化およびサブスレッショルド係数の
増大等の問題が生じる。このような現象は、nMOSの
ゲート電極にp型多結晶シリコンを用いてシングルゲー
ト構造を形成した場合にも同様に起きる。
However, in the case of the buried channel structure,
Problems such as deterioration of short channel characteristics and increase of sub-threshold coefficient occur. Such a phenomenon also occurs when a single gate structure is formed using p-type polycrystalline silicon for the gate electrode of the nMOS.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】以上のように、n型多
結晶シリコンまたはp型多結晶シリコンをMOSFET
のゲート電極として用いた従来のCMOSにおいては、
ゲート電極の空乏化によりゲート電極の容量が低下して
しまう問題の他に、チャネル領域表面近傍の電界が強く
なることによるチャネル領域表面近傍のキャリアの移動
度が低下、ならびに、埋込チャネル構造の場合には短チ
ャネル特性の劣化およびサブスレッショルド係数の増大
の問題が生じる。その結果、CMOS構造においては、
nMOSおよびpMOSそれぞれのMOSFETの本来
の性能を十分に発揮できていない。ただし、ゲート電極
として多結晶シリコン以外の材料を用いることで性能向
上が図れる可能性がある。しかしながら、その材料の仕
事関数などに対する明確な指針はない。
As described above, an n-type polycrystalline silicon or a p-type polycrystalline silicon is
In the conventional CMOS used as the gate electrode of
In addition to the problem that the capacitance of the gate electrode decreases due to the depletion of the gate electrode, the mobility of carriers near the surface of the channel region decreases due to the increase in the electric field near the surface of the channel region. In such a case, problems such as deterioration of short channel characteristics and increase in subthreshold coefficient occur. As a result, in a CMOS structure,
The original performances of the MOSFETs of the nMOS and the pMOS cannot be sufficiently exhibited. However, performance may be improved by using a material other than polycrystalline silicon for the gate electrode. However, there is no clear guide for the work function of the material.

【0017】本発明は、上記の問題を解決するためにな
されたものであり、その目的は、nMOSおよびpMO
Sそれぞれのゲート電極として最適な仕事関数を明確に
して、nMOSおよびpMOSそれぞれのトランジスタ
特性の向上が図られたCMOS構造を備えた半導体装置
を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and has as its object the purpose of nMOS and pMO.
An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a CMOS structure in which an optimum work function as a gate electrode of each S is clarified and transistor characteristics of each of an nMOS and a pMOS are improved.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】請求項1に記載の本発明
の半導体装置は、シリコン基板を用いて形成されたn型
およびp型電界効果型トランジスタを含む相補型電界効
果型トランジスタを備える半導体装置であって、n型電
界効果型トランジスタのゲート電極の仕事関数が、少な
くともゲート絶縁膜近傍において、シリコンの電子親和
力より大きく、シリコンの真性フェルミ準位とシリコン
の真空準位とのエネルギー差より小さく設定され、p型
電界効果型トランジスタのゲート電極の仕事関数が、少
なくともゲート絶縁膜近傍において、シリコンの真性フ
ェルミ準位とシリコンの真空準位との間のエネルギー差
より大きく、シリコンの電子親和力とバンドギャップエ
ネルギーとを加えたものより小さく設定されている。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a complementary field effect transistor including n-type and p-type field effect transistors formed using a silicon substrate. The device, wherein the work function of the gate electrode of the n-type field-effect transistor is larger than the electron affinity of silicon, at least in the vicinity of the gate insulating film, and is smaller than the energy difference between the intrinsic Fermi level of silicon and the vacuum level of silicon. The work function of the gate electrode of the p-type field-effect transistor is set to be smaller than the energy difference between the intrinsic Fermi level of silicon and the vacuum level of silicon at least near the gate insulating film, and the electron affinity of silicon And the bandgap energy.

【0019】このような構造を備えることにより、nM
OSおよびpMOSのゲート電極の仕事関数がn型多結
晶シリコンまたはp型多結晶シリコンの仕事関数とは異
なる適切な値に設定される。それにより、チャネル領域
に不純物注入を行なう必要がないため、チャネル領域表
面の電界強度が小さくなりキャリアの移動度の低下が抑
制される。また、埋込チャネル構造を形成しない場合に
も、適当なしきい値電圧に設定できる。その結果、サブ
スレッショルド係数の増加および短チャネル特性の劣化
を生じさせることなく、nMOSおよびpMOSそれぞ
れのトランジスタ特性が向上したCMOSを備えた半導
体装置が得られる。
By providing such a structure, nM
The work functions of the gate electrodes of the OS and the pMOS are set to appropriate values different from the work functions of the n-type polysilicon or the p-type polysilicon. Thus, since it is not necessary to implant impurities into the channel region, the electric field intensity on the surface of the channel region is reduced, and a decrease in carrier mobility is suppressed. In addition, even when the buried channel structure is not formed, an appropriate threshold voltage can be set. As a result, it is possible to obtain a semiconductor device including a CMOS in which the transistor characteristics of the nMOS and the pMOS are improved without increasing the sub-threshold coefficient and deteriorating the short channel characteristics.

【0020】請求項2に記載の本発明の半導体装置は、
請求項1に記載の半導体装置において、n型電界効果型
トランジスタのゲート電極の仕事関数が、4.11eV
〜4.41eVの間に設定され、かつ、p型電界効果型
トランジスタのゲート電極の仕事関数が、4.71eV
〜5.01eVの範囲に設定されている。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the work function of the gate electrode of the n-type field effect transistor is 4.11 eV.
44.41 eV, and the work function of the gate electrode of the p-type field effect transistor is 4.71 eV.
It is set in the range of 5.01 eV.

【0021】このような構造にすることにより、仕事関
数を最適な値の近傍の範囲に設定するため、駆動力が高
いCMOSを備えた半導体装置となる。
With such a structure, the work function is set in a range near the optimum value, and thus a semiconductor device having a CMOS having a high driving force is obtained.

【0022】請求項3に記載の本発明の半導体装置は、
請求項1または2に記載の半導体装置において、n型電
界効果型トランジスタのゲート電極が、ゲート絶縁膜側
の第1導電層と、第1導電層の上に形成された、第1導
電層よりも抵抗値が低い第2導電層とを備え、p型電界
効果型トランジスタのゲート電極が、ゲート絶縁膜側の
第3導電層と、第3導電層の上に形成された、第3導電
層よりも抵抗値が低い第4導電層とを備えている。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a gate electrode of the n-type field-effect transistor includes a first conductive layer on a gate insulating film side and a first conductive layer formed on the first conductive layer. 4. And a second conductive layer having a low resistance value, wherein the gate electrode of the p-type field effect transistor is formed on the third conductive layer on the gate insulating film side and on the third conductive layer. And a fourth conductive layer having a lower resistance value.

【0023】このような構造を備えることにより、pM
OSおよびnMOSそれぞれにおいて適した仕事関数を
持った材料をそれぞれのゲート電極ゲート絶縁膜近傍に
形成するために、第1および第3導電層として抵抗値が
高い材料を選択しても、第1および第3導電層それぞれ
の上に抵抗値の低い第2および第4導電層を形成してい
るため、ゲート電極全体としての抵抗値を低くすること
ができる。その結果、CMOSにおけるnMOSおよび
pMOSそれぞれのトランジスタのさらなる高性能化を
図ることができる。
By providing such a structure, pM
In order to form a material having a work function suitable for each of the OS and the nMOS near each gate electrode and the gate insulating film, even if a material having a high resistance value is selected as the first and third conductive layers, the first and third conductive layers may be formed. Since the second and fourth conductive layers having low resistance values are formed on the respective third conductive layers, the resistance value of the entire gate electrode can be reduced. As a result, it is possible to further improve the performance of each of the nMOS and pMOS transistors in the CMOS.

【0024】請求項4に記載の本発明の半導体装置は、
請求項3に記載の半導体装置において、第1および第3
導電層は金属膜により形成されている。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the first and the third
The conductive layer is formed of a metal film.

【0025】このような構造にすることにより、ゲート
絶縁膜とゲート電極との間での空乏層の形成が防止され
る。それにより、CMOSのゲート電極の性能が向上す
る。その結果、CMOSを備えた半導体装置の性能が向
上する。
With such a structure, formation of a depletion layer between the gate insulating film and the gate electrode is prevented. Thereby, the performance of the CMOS gate electrode is improved. As a result, the performance of the semiconductor device including the CMOS is improved.

【0026】また、本発明の半導体装置は、請求項5に
記載のように、請求項3または4に記載の半導体装置に
おいて、第1導電層が、アルミニウム、チタン、バナジ
ウム、ガリウム、ニオブ、銀、インジウムおよびタリウ
ムからなる群より選ばれた1または2以上の物質を含
み、第3導電層が、コバルト、ルテニウムおよびテルル
からなる群より選ばれた1または2以上の物質を含んで
いてもよい。
According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor device according to the third or fourth aspect, the first conductive layer is formed of aluminum, titanium, vanadium, gallium, niobium, or silver. , Indium and thallium, the third conductive layer may include one or more materials selected from the group consisting of cobalt, ruthenium, and tellurium. .

【0027】請求項6に記載の本発明の半導体装置は、
請求項3〜5のいずれかに記載の半導体装置において、
第2および第4導電層は、アルミニウムおよび銅のうち
少なくともいずれか一方を含んでいる。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
The semiconductor device according to claim 3, wherein
The second and fourth conductive layers include at least one of aluminum and copper.

【0028】このような金属膜により第2および第4導
電層を形成することにより、第1および第3導電層に抵
抗値の高い材料を使用してもゲート電極全体としては導
電性を高くすることが可能となる。
By forming the second and fourth conductive layers with such a metal film, even if a material having a high resistance value is used for the first and third conductive layers, the entire gate electrode has high conductivity. It becomes possible.

【0029】請求項7に記載の本発明の半導体装置は、
請求項3〜6のいずれかに記載の半導体装置において、
n型およびp型電界効果型トランジスタのゲート電極そ
れぞれが、第1導電層と第2導電層との間に、第1導電
層と第2導電層との間の相互拡散を防止するバリアメタ
ル層をさらに含み、第3導電層と第4導電層との間に、
第3導電層と第4導電層との間の相互拡散を防止するバ
リアメタル層をさらに含んでいる。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
The semiconductor device according to claim 3, wherein
A barrier metal layer for preventing mutual diffusion between the first conductive layer and the second conductive layer between each of the gate electrodes of the n-type and p-type field-effect transistors between the first conductive layer and the second conductive layer Further comprising, between the third conductive layer and the fourth conductive layer,
The semiconductor device further includes a barrier metal layer that prevents mutual diffusion between the third conductive layer and the fourth conductive layer.

【0030】このような構造にすることにより、第1導
電層と第2導電層との間の相互拡散および第3導電層と
第4導電層との間の相互拡散を抑制することができる。
With such a structure, the mutual diffusion between the first conductive layer and the second conductive layer and the mutual diffusion between the third conductive layer and the fourth conductive layer can be suppressed.

【0031】[0031]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
に基づいて説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0032】(実施の形態1)まず、本発明の実施の形
態1の半導体装置を、図1〜図5を用いて説明する。本
実施の形態の半導体装置においては、図1に示すよう
に、まず、主表面が(100)面であるp型シリコン基
板1に、素子分離絶縁膜2により分離された素子形成領
域が形成されている。この素子形成領域の主表面から所
定の深さにかけて、pMOSを形成するためのn型ウエ
ル3およびnMOSを形成するためのp型ウエル4がそ
れぞれ形成されている。
First Embodiment First, a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIG. 1, first, an element formation region separated by an element isolation insulating film 2 is formed on a p-type silicon substrate 1 whose main surface is a (100) plane. ing. An n-type well 3 for forming a pMOS and a p-type well 4 for forming an nMOS are formed from the main surface of the element formation region to a predetermined depth.

【0033】n型ウェル3領域およびp型ウェル4領域
の半導体基板1上には、ゲート絶縁膜5a,5bがそれ
ぞれ形成されている。ゲート絶縁膜5a,5bの上に
は、第1金属膜からなるゲート電極6および第1金属膜
とは導電性が異なる第2金属膜からなるゲート電極7が
それぞれ形成されている。ただし、第1金属膜からなる
ゲート電極6と第2金属膜からなるゲート電極7とは仕
事関数が異なっている。ゲート電極6およびゲート電極
7の上には、ゲートエッチングマスクとして用いた絶縁
膜8a,8bが残存している。
Gate insulating films 5a and 5b are formed on the semiconductor substrate 1 in the n-type well 3 region and the p-type well 4 region, respectively. A gate electrode 6 made of a first metal film and a gate electrode 7 made of a second metal film having a different conductivity from the first metal film are formed on the gate insulating films 5a and 5b, respectively. However, the gate electrode 6 made of the first metal film and the gate electrode 7 made of the second metal film have different work functions. On gate electrode 6 and gate electrode 7, insulating films 8a and 8b used as a gate etching mask remain.

【0034】ゲート絶縁膜5a,5bの両端近傍の半導
体基板1内の領域には、それぞれn型不純物が注入され
たnMOS領域のソース/ドレイン領域9およびp型不
純物が注入されたpMOS領域のソース/ドレイン領域
10が形成されている。ソース/ドレイン領域9,10
それぞれの両側には、n型不純物が注入されたnMOS
のソース/ドレイン領域12およびp型不純物が注入さ
れたpMOSのソース/ドレイン領域13がそれぞれ形
成されている。
The source / drain region 9 of the nMOS region into which the n-type impurity is implanted and the source / drain region 9 of the pMOS region into which the p-type impurity is implanted are formed in regions in the semiconductor substrate 1 near both ends of the gate insulating films 5a and 5b. / Drain region 10 is formed. Source / drain regions 9, 10
NMOS with n-type impurities implanted on each side
Are formed, and a pMOS source / drain region 13 into which a p-type impurity is implanted is formed.

【0035】ソース/ドレイン領域12,13の上に
は、ソース/ドレイン領域12,13と他の導電層との
コンタクト抵抗を低減するための高融点金属シリサイド
層14a,14bがそれぞれ形成されている。ゲート絶
縁膜5a、ゲート電極6および絶縁膜8aの両側壁、な
らびに、ゲート絶縁膜5b、ゲート電極7および絶縁膜
8bの両側壁には、サイドウォール絶縁膜11a,11
bがそれぞれ形成されている。
On the source / drain regions 12, 13, refractory metal silicide layers 14a, 14b for reducing contact resistance between the source / drain regions 12, 13 and other conductive layers are formed, respectively. . Sidewall insulating films 11a and 11b are provided on both side walls of gate insulating film 5a, gate electrode 6 and insulating film 8a, and on both side walls of gate insulating film 5b, gate electrode 7 and insulating film 8b.
b are formed respectively.

【0036】次に、本実施の形態の半導体装置のnMO
Sについて説明する。本実施の形態の半導体装置のnM
OSの、ゲート電圧を印加していないときのチャネル部
のエネルギバンドが図2(a)に模式的に示されてい
る。この図2(a)から分かるように、nMOSのゲー
ト電極6の仕事関数ΦMnを、シリコンの電子親和力χ
sと、シリコンの真性フェルミ準位εiとシリコンの真
空準位とのエネルギー差Φiとの間の値にする、すなわ
ち、χs<ΦMn<Φiの関係が成り立つように設定す
る。それにより、本実施の形態の半導体装置のnMOS
において、ゲート電圧が0Vの場合のエネルギバンド構
造におけるチャネル領域表面近傍でのシリコンの伝導帯
εcの下がり方は、図8において示す従来技術のnMO
Sのシリコンの伝導帯εcの下がり方よりも小さくな
る。すなわち、図2(a)に示される本実施の形態の半
導体装置のnMOSのチャネル領域表面近傍でのシリコ
ンの伝導帯εcとゲート電極をを構成する第1金属膜6
のフェルミ準位εfとの差は、図8に示される従来のn
MOSのチャネル領域表面近傍でのシリコンの伝導帯ε
cとゲート電極を構成する第1金属膜6のフェルミ準位
εfとの差よりも少し大きくなる。
Next, the nMO of the semiconductor device of the present embodiment will be described.
S will be described. NM of the semiconductor device of the present embodiment
FIG. 2A schematically shows the energy band of the channel portion of the OS when the gate voltage is not applied. As can be seen from FIG. 2A, the work function ΦMn of the gate electrode 6 of the nMOS is changed by the electron affinity シ リ コ ン of silicon.
It is set to a value between s and the energy difference Φi between the intrinsic Fermi level εi of silicon and the vacuum level of silicon, that is, the value is set such that the relationship χs <ΦMn <Φi is satisfied. Thereby, the nMOS of the semiconductor device of the present embodiment is
In the case where the gate voltage is 0 V, the conduction band εc of silicon in the vicinity of the surface of the channel region in the energy band structure decreases as shown in FIG.
It becomes smaller than the lowering of the conduction band εc of S silicon. That is, the conduction band εc of silicon and the first metal film 6 forming the gate electrode in the vicinity of the surface of the channel region of the nMOS of the semiconductor device of the present embodiment shown in FIG.
Is different from the Fermi level εf of the conventional n shown in FIG.
Silicon conduction band ε near the surface of the MOS channel region
It is slightly larger than the difference between c and the Fermi level εf of the first metal film 6 constituting the gate electrode.

【0037】そのため、しきい値電圧は適当な値とな
る。それにより、しきい値電圧を適当な値にするため
に、チャネル表面近傍におけるp型不純物の濃度を高く
する必要がなくなる。その結果、チャネル領域表面近傍
の電界を低く抑えることができるため、チャネル領域表
面近傍のキャリアの移動度の低下を抑制することができ
る。
Therefore, the threshold voltage has an appropriate value. This eliminates the need to increase the concentration of the p-type impurity in the vicinity of the channel surface in order to set the threshold voltage to an appropriate value. As a result, the electric field in the vicinity of the surface of the channel region can be suppressed low, so that a decrease in the mobility of carriers near the surface of the channel region can be suppressed.

【0038】より具体的に説明すると、ΦMn=χsの
場合、エネルギバンド構造は、図2(b)に示すよう
に、チャネル領域表面近傍において伝導帯εcの下がり
方は大きくなる。したがって、従来技術において示した
半導体装置のnMOSと同様に、チャネル領域表面近傍
でのシリコンの伝導帯εcとゲート電極を構成する第1
金属膜6のフェルミ準位εfとの差は、適当な値よりも
小さくなる。そのため、しきい値電圧は、適当な値より
も小さくなる。したがって、しきい電圧を適当な値にす
るためにチャネル領域表面近傍におけるp型不純物濃度
を高くする必要がある。その結果、チャネル領域表面の
電界が強くなり、キャリアの移動度が低下する。したが
って、ΦMn=χsの場合のnMOSの駆動能力は、Φ
Mn>χsの場合の本実施の形態の半導体装置のnMO
Sに比較して低くなる。
More specifically, when ΦMn = χs, as shown in FIG. 2B, in the energy band structure, the conduction band εc decreases greatly near the surface of the channel region. Therefore, similarly to the nMOS of the semiconductor device shown in the prior art, the silicon conduction band εc near the surface of the channel region and the first electrode forming the gate electrode are formed.
The difference from the Fermi level εf of the metal film 6 becomes smaller than an appropriate value. Therefore, the threshold voltage becomes smaller than an appropriate value. Therefore, it is necessary to increase the p-type impurity concentration near the surface of the channel region in order to set the threshold voltage to an appropriate value. As a result, the electric field on the surface of the channel region becomes strong, and the mobility of carriers decreases. Therefore, the driving capability of the nMOS when ΦMn = χs is ΦM
NMO of the semiconductor device of the present embodiment when Mn> χs
It is lower than S.

【0039】しかしながら、本実施の形態の半導体装置
の構造によれば、図2(a)に示すように、ΦMn>χ
sに設定するため、チャネル領域表面近傍において伝導
帯εcの下がり方は図2(b)の場合より小さくなる。
そのため、しきい値電圧を適当な値に設定するために、
チャネル領域表面近傍におけるp型不純物の濃度を高く
する必要がない。その結果、チャネル領域表面近傍の電
界を低く抑えることができるため、チャネル領域表面近
傍のキャリアの移動度の低下を抑制することが可能とな
る。
However, according to the structure of the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIG.
Since s is set to s, the manner in which the conduction band εc decreases near the surface of the channel region is smaller than in the case of FIG.
Therefore, in order to set the threshold voltage to an appropriate value,
It is not necessary to increase the concentration of the p-type impurity near the surface of the channel region. As a result, the electric field in the vicinity of the surface of the channel region can be suppressed low, so that it is possible to suppress a decrease in the mobility of carriers in the vicinity of the surface of the channel region.

【0040】一方、ΦMn=Φiの場合、しきい値電圧
を適当な値に設定するために、埋め込みチャネル構造に
する必要があり、エネルギバンド構造は図2(c)に示
すような構造となる。埋め込みチャネル構造において
は、表面チャネル構造に比較して、ゲート電極によるチ
ャネル領域の電位の制御が難しくなる。そのため、短チ
ャネル特性の劣化およびサブスレショルド係数の増加が
生じる。その結果、サブスレショルドリーク電流を抑制
するために、しきい値電圧を高めに設定することによっ
て、nMOSの駆動能力が低下する。
On the other hand, when ΦMn = Φi, it is necessary to make a buried channel structure in order to set the threshold voltage to an appropriate value, and the energy band structure becomes a structure as shown in FIG. . In the buried channel structure, it is more difficult to control the potential of the channel region by the gate electrode than in the surface channel structure. As a result, the short channel characteristics deteriorate and the sub-threshold coefficient increases. As a result, by setting the threshold voltage higher to suppress the sub-threshold leakage current, the driving capability of the nMOS decreases.

【0041】しかしながら、本実施の形態の半導体装置
の構造によれば、ΦMn<Φiの条件を満たすようにゲ
ート電極が形成さえているため、表面チャネル構造にお
いても、しきい値電圧を適当な値に設定することができ
る。したがって、埋込みチャネル構造を用いた場合に必
要となる、サブスレショルドリーク電流を抑制するため
にしきい値電圧を高めに設定することが必要なくなる。
その結果、nMOSの駆動能力の低下が抑制される。
However, according to the structure of the semiconductor device of the present embodiment, since the gate electrode is formed so as to satisfy the condition of ΦMn <Φi, the threshold voltage can be set to an appropriate value even in the surface channel structure. Can be set to Therefore, it is not necessary to set a higher threshold voltage in order to suppress a sub-threshold leakage current, which is required when the buried channel structure is used.
As a result, a decrease in the driving capability of the nMOS is suppressed.

【0042】また、ゲート電極として第1金属膜を用い
ている。そのため、第1金属膜からなるゲート電極6と
ゲート絶縁膜5aとの界面近傍において空乏層が形成さ
れることがない。そのため、ゲート電極6の容量の低下
が生じない。
The first metal film is used as a gate electrode. Therefore, no depletion layer is formed near the interface between the gate electrode 6 made of the first metal film and the gate insulating film 5a. Therefore, the capacitance of the gate electrode 6 does not decrease.

【0043】次に、本実施の形態の半導体装置のpMO
Sについて説明する。本実施の形態の半導体装置のpM
OSの、ゲート電圧を印加していないときのチャネル部
のバンドを図3(a)に模式的に示す。この図3(a)
から分かるように、pMOSの第2金属膜かならるゲー
ト電極7の仕事関数ΦMpを、シリコンの電子親和力χ
sとシリコンのバンドギャップエネルギーEgとを加えた
ものと、シリコンの真性フェルミ準位εiとシリコンの
真空準位とのエネルギー差Φiとの間の値、すなわち、
Φi<ΦMp<χs+Egの関係が成り立つように設定
する。それにより、本実施の形態の半導体装置のpMO
Sの、ゲート電圧が0Vの場合のエネルギバンド構造に
おいては、チャネル領域表面で価電子帯εvの上がり方
は、従来技術において図9を用いて示したpMOSの価
電子帯εvの上がり方よりも小さくなる。すなわち、図
3(a)に示される本実施の形態の半導体装置のnMO
Sのチャネル領域表面近傍でのシリコンの価電子帯εv
とゲート電極を構成する第1金属膜6のフェルミ準位ε
fとの差は、図9に示される従来のpMOSのチャネル
領域表面近傍でのシリコンの価電子帯εvとゲート電極
を構成する第2金属膜7のフェルミ準位εfとの差より
も少し大きくなる。
Next, the pMO of the semiconductor device of the present embodiment will be described.
S will be described. PM of the semiconductor device of the present embodiment
FIG. 3A schematically shows the band of the channel portion of the OS when the gate voltage is not applied. FIG. 3 (a)
As can be seen from FIG. 7, the work function ΦMp of the gate electrode 7 formed of the pMOS second metal film is changed by the electron affinity シ リ コ ン of silicon.
s and the energy difference Φi between the intrinsic Fermi level εi of silicon and the vacuum level of silicon, that is,
It is set so that the relationship of Φi <ΦMp <χs + Eg is satisfied. Thereby, the pMO of the semiconductor device of the present embodiment is
In the energy band structure of S when the gate voltage is 0 V, the rise of the valence band εv on the surface of the channel region is higher than the rise of the valence band εv of the pMOS shown in FIG. Become smaller. That is, the nMO of the semiconductor device of this embodiment shown in FIG.
Valence band εv of silicon near the surface of the channel region of S
And the Fermi level ε of the first metal film 6 forming the gate electrode
is slightly larger than the difference between the valence band εv of silicon near the surface of the channel region of the conventional pMOS shown in FIG. 9 and the Fermi level εf of the second metal film 7 forming the gate electrode. Become.

【0044】そのため、しきい値電圧は適当な値とな
る。それにより、nMOSの場合と同様に、しきい値電
圧を適当な値にするためにチャネル領域表面近傍におけ
るn型不純物の濃度を高くする必要がない。そのため、
チャネル領域表面近傍の電界を低く抑えることができ
る。その結果、チャネル領域表面のキャリアの移動度の
低下を抑制することができる。
Therefore, the threshold voltage has an appropriate value. Thus, as in the case of the nMOS, it is not necessary to increase the concentration of the n-type impurity near the surface of the channel region in order to set the threshold voltage to an appropriate value. for that reason,
The electric field near the surface of the channel region can be kept low. As a result, a decrease in carrier mobility on the surface of the channel region can be suppressed.

【0045】より具体的に説明すると、ΦMp=χs+
Egの場合、エネルギバンド構造は、図3(b)に示す
ように、チャネル領域表面近傍において価電子帯εvの
上がり方が、本実施の形態の半導体装置のpMOSの価
電子帯εvの上がり方に比較して少し大きい。そのた
め、しきい値電圧を適当な値に設定するために、チャネ
ル領域表面近傍におけるn型不純物の濃度を高くする必
要がある。それにより、pMOSチャネル領域表面にお
ける電界が強くなる。そのため、キャリアの移動度が低
下することにより、pMOSの駆動能力の低下が生じ
る。
More specifically, ΦMp = χs +
In the case of Eg, as shown in FIG. 3B, the energy band structure is such that the rise of the valence band εv near the surface of the channel region increases the valence band εv of the pMOS of the semiconductor device of the present embodiment. A little bigger than. Therefore, in order to set the threshold voltage to an appropriate value, it is necessary to increase the concentration of the n-type impurity near the surface of the channel region. Thereby, the electric field on the surface of the pMOS channel region becomes stronger. As a result, the mobility of carriers is reduced, and the driving capability of the pMOS is reduced.

【0046】しかしながら、本実施の形態の半導体装置
の構造によれば、図3(a)に示すように、ΦMp<χ
s+Egに設定するため、pMOSのチャネル領域表面
において価電子帯εvの上がり方は、図3(b)に示す
ΦMp=χs+Egの場合の半導体装置のpMOSのチ
ャネル領域表面において価電子帯εvの上がり方より小
さくなる。その結果、nMOSの場合と同様に、しきい
値電圧を適当な値に設定するためのチャネル領域表面近
傍におけるn型不純物の濃度を高くする必要がなくな
る。それにより、pMOSのチャネル領域表面近傍の電
界を低く抑えることができるため、pMOSのチャネル
領域表面近傍におけるキャリアの移動度の低下を抑制す
ることができる。
However, according to the structure of the semiconductor device of the present embodiment, as shown in FIG.
To set s + Eg, the rise of the valence band εv on the surface of the channel region of the pMOS depends on the rise of the valence band εv on the surface of the channel region of the pMOS of the semiconductor device when ΦMp = χs + Eg shown in FIG. Smaller. As a result, as in the case of the nMOS, it is not necessary to increase the concentration of the n-type impurity near the surface of the channel region for setting the threshold voltage to an appropriate value. Thus, the electric field near the surface of the pMOS channel region can be suppressed low, so that the decrease in carrier mobility near the surface of the pMOS channel region can be suppressed.

【0047】一方、ΦMp=Φiの場合、しきい値電圧
を適当な値に設定するために埋込みチャネル構造にする
必要があり、エネルギバンド構造は図3(c)に示すよ
うな構造になる。それにより、埋込みチャネル構造にお
いては、表面チャネル構造に比較して、ゲート電極によ
るチャネル領域の電位の制御が難しくなる。そのため、
短チャネル特性の劣化およびサブスレショルド係数の増
加が生じる。それにより、サブスレショルドリーク電流
を抑制するためにしきい値電圧を高めに設定する必要が
ある。その結果、pMOSの駆動能力の低下が生じる。
On the other hand, when ΦMp = Φi, a buried channel structure must be used to set the threshold voltage to an appropriate value, and the energy band structure becomes a structure as shown in FIG. This makes it more difficult to control the potential of the channel region by the gate electrode in the buried channel structure than in the surface channel structure. for that reason,
Deterioration of short channel characteristics and an increase in subthreshold coefficient occur. Therefore, it is necessary to set a higher threshold voltage in order to suppress the sub-threshold leakage current. As a result, the driving capability of the pMOS is reduced.

【0048】しかしながら、本実施の形態の半導体装置
によれば、ΦMp>Φiに設定することにより、表面チ
ャネル構造において、しきい値電圧を適当な値に設定す
ることができる。したがって、埋込みチャネル構造の場
合に必要となる、サブスレショルドリーク電流を抑制す
るためにしきい値電圧を高めに設定することが必要なく
なる。その結果、pMOSの駆動能力の低下が抑制され
る。
However, according to the semiconductor device of the present embodiment, by setting ΦMp> Φi, the threshold voltage can be set to an appropriate value in the surface channel structure. Therefore, it is not necessary to set a higher threshold voltage in order to suppress a sub-threshold leakage current required in the case of a buried channel structure. As a result, a decrease in the driving capability of the pMOS is suppressed.

【0049】また、ゲート電極として第2金属膜を用い
ているため、ゲート電極7とゲート絶縁膜5bとの界面
近傍で空乏化することがない。そのため、ゲート電極7
の容量の低下が生じない。
Since the second metal film is used as the gate electrode, depletion does not occur near the interface between the gate electrode 7 and the gate insulating film 5b. Therefore, the gate electrode 7
Does not occur.

【0050】以上のように、本実施の形態の半導体装置
においては、nMOSの第1金属膜からなるゲート電極
6の仕事関数ΦMnおよびpMOSの第2金属膜からな
るゲート電極7の仕事関数ΦMpを適当な値に設定する
ことにより、チャネル領域表面近傍でのキャリアの移動
度の低下を抑制できることを説明したが、チャネル領域
におけるキャリアの移動度の低下を抑制することが、n
MOSおよびpMOSそれぞれのトランジスタ特性にど
の様な影響を与えるかを、デバイスシミュレーションを
用いて調べた結果に基づいて説明する。
As described above, in the semiconductor device of this embodiment, the work function ΦMn of the gate electrode 6 made of the first metal film of the nMOS and the work function ΦMp of the gate electrode 7 made of the second metal film of the pMOS are It has been described that by setting to an appropriate value, a decrease in carrier mobility in the vicinity of the surface of the channel region can be suppressed.
How the characteristics of the MOS and pMOS transistors are affected will be described based on the results of investigation using device simulation.

【0051】図4には、ゲート長Lg=0.12μm、
ゲート絶縁膜の膜厚tox=2nm、電源電圧Vdd=1.
2VにおけるnMOSのオン電流Ion、すなわち、ドレ
イン電圧およびゲート電圧が1.2Vにおけるドレイン
電流のΔΦMSn依存性、すなわち、Φi−ΦMn依存
性を示す。図5には、pMOSのオン電流Ion、すなわ
ち、ドレイン電圧およびゲート電圧が1.2Vにおける
ドレイン電流のΔΦMSp依存性、すなわち、Φi−Φ
Mp依存性を示す。また、オフ電流Ioff、すなわち、
ドレイン電圧1.2V、ゲート電圧0Vにおけるドレイ
ン電流が1nA/μmと一定になるようにゲート電極の
仕事関数に応じてチャネル構造を最適化することでしき
い値電圧を制御している。
FIG. 4 shows that the gate length Lg = 0.12 μm,
The thickness tox of the gate insulating film = 2 nm, the power supply voltage Vdd = 1.
The ON current Ion of the nMOS at 2 V, that is, the drain current and the drain voltage when the drain voltage and the gate voltage are 1.2 V shows the ΔΦMSn dependency, that is, the Φi−ΦMn dependency. FIG. 5 shows the ON current Ion of the pMOS, that is, the ΔΦMSp dependency of the drain current when the drain voltage and the gate voltage are 1.2 V, that is, Φi−Φ
Shows Mp dependence. Further, the off current Ioff, that is,
The threshold voltage is controlled by optimizing the channel structure according to the work function of the gate electrode so that the drain current at a drain voltage of 1.2 V and a gate voltage of 0 V is constant at 1 nA / μm.

【0052】図4および図5から分かるように、nMO
SおよびpMOSの双方において、オン電流Ionの値は
ΔΦMSnおよびΔΦMSpに依存しており、オン電流
Ionを最大にするためのΔΦMSnおよびΔΦMSpの
最適値がそれぞれ存在することが分かる。また、nMO
Sにおいて、ΔΦMSnが正側に大きくなるとIonが減
少し、pMOSにおいて、ΔΦMSpが負側に大きくな
るとIonが減少しているのは、チャネル領域表面の電界
が強くなりキャリアの移動度が低下するためである。
As can be seen from FIGS. 4 and 5, nMO
In both S and pMOS, the value of the ON current Ion depends on ΔΦMSn and ΔΦMSp, and it can be seen that there are optimal values of ΔΦMSn and ΔΦMSp for maximizing the ON current Ion, respectively. Also, nMO
In S, Ion decreases when ΔΦMSn increases to the positive side, and Ion decreases when ΔΦMSp increases to the negative side in pMOS because the electric field on the surface of the channel region increases and the mobility of carriers decreases. It is.

【0053】また、nMOSおよびpMOSともにΔΦ
MSnおよびΔΦMSpが0に近づいてもIonが減少し
ているのは、しきい値電圧を適当な値にするために、埋
込チャネル構造にする必要があり、サブスレッショルド
係数が増大するためである。
Further, for both nMOS and pMOS, ΔΦ
The reason why Ion decreases even when MSn and ΔΦMSp approach 0 is that it is necessary to use a buried channel structure in order to make the threshold voltage appropriate, and the sub-threshold coefficient increases. .

【0054】上記図4および図5から分かるように、n
MOSにおいては、0.2eV<ΔΦMSn<0.5e
Vの関係が成り立つように、pMOSにおいては、−
0.4eV<ΔΦMSp<−0.1eVの関係が成り立
つように設定すれば、CMOSの高性能化を図ることが
できる。したがって、室温においてΦi=4.61eV
であるため、nMOSにおいては、ゲート電極のゲート
絶縁膜近傍の仕事関数を4.11eV<ΦMn<4.4
1eV、pMOSにおいては、ゲート電極のゲート絶縁
膜近傍の仕事関数を、4.71eV<ΦMp<5.01
eVの関係が成り立つように形成すれば、nMOSおよ
びpMOSそれぞれを高性能化できることが分かる。
As can be seen from FIGS. 4 and 5, n
In MOS, 0.2 eV <ΔΦMSn <0.5 e
In the pMOS, −
By setting the relation of 0.4 eV <ΔΦMSp <−0.1 eV, the performance of the CMOS can be improved. Therefore, Φi = 4.61 eV at room temperature
Therefore, in the nMOS, the work function of the gate electrode near the gate insulating film is set to 4.11 eV <ΦMn <4.4.
For 1 eV and pMOS, the work function of the gate electrode near the gate insulating film is 4.71 eV <ΦMp <5.01.
It can be seen that, if they are formed so that the relationship of eV holds, the performance of each of the nMOS and the pMOS can be improved.

【0055】また、χs=4.05およびEg=1.1
2eVであるため、上記したnMOSにおいてχs<Φ
Mn<Φiが成り立ち、pMOSにおいてΦi<ΦMp
<χs+Egの関係が成り立つ。このことから、nMO
SおよびpMOSそれぞれにおいて、表面チャネル構造
を用いて、過度の不純物注入を行なうことなく、しきい
値電圧を適当な値に設定することができるといえる。そ
のため、nMOSのゲート電極のゲート絶縁膜近傍の仕
事関数を4.11eV<ΦMn<4.41eV、pMO
Sのゲート電極のゲート絶縁膜近傍の仕事関数を、4.
71eV<ΦMp<5.01eVに設定すれば、CMO
Sの駆動能力の低下を防止することができるという上記
の効果を得ることができるとともに、最も性能を高める
ことができる。
Further, Δs = 4.05 and Eg = 1.1
2 eV, χs <Φ in the nMOS described above.
Mn <Φi holds, and in the pMOS, Φi <ΦMp
<Χs + Eg holds. From this, nMO
In each of S and pMOS, it can be said that the threshold voltage can be set to an appropriate value without excessive impurity implantation using the surface channel structure. Therefore, the work function of the nMOS gate electrode near the gate insulating film is 4.11 eV <ΦMn <4.41 eV, pMO
3. The work function of the S gate electrode near the gate insulating film
If 71 eV <ΦMp <5.01 eV, the CMO
It is possible to obtain the above-described effect of preventing the drive capability of the S from lowering, and to enhance the performance.

【0056】上記においては、ゲート電極の仕事関数を
適当な値に設定すればCMOSの高性能化を図ることが
できることを述べてきたが、以下においては、ゲート電
極の仕事関数を適当な値に設定する方法を述べる。ゲー
ト電極の仕事関数を適当な値に設定する方法としては、
まず、ゲート電極を構成する材料自身を変える方法があ
る。たとえば、S.M.Sze,Phisics of
Semiconductor Devises,2n
d ed.,p251,J.Wiley and So
ns,New York(1981)に開示されている
ように、仕事関数は材料によって異なるものである。そ
のため、適当な仕事関数を持った材料をnMOSおよび
pMOSそれぞれのゲート電極として用いることによっ
てCMOSの高性能化を図ることが考えられる。たとえ
ば、nMOSのゲート電極としては、仕事関数4.3e
Vのアルミニウム、仕事関数4.35eVのバナジウ
ム、仕事関数4.3eVのガリウム、仕事関数4.35
eVのニオブ、仕事関数4.3eVの銀、仕事関数4.
2eVのインジウムおよび仕事関数4.3eVのタリウ
ムなどが適している。また、pMOSのゲート電極とし
ては、仕事関数5.0eVのコバルト、仕事関数4.8
eVのルテニウムおよび仕事関数5.0eVのテルルな
どが適している。
In the above, it has been described that the performance of the CMOS can be improved by setting the work function of the gate electrode to an appropriate value. However, in the following, the work function of the gate electrode is set to an appropriate value. Describe how to set. As a method of setting the work function of the gate electrode to an appropriate value,
First, there is a method of changing the material of the gate electrode itself. For example, M. Sze, Physics of
Semiconductor Devices, 2n
d ed. , P251, J.M. Wiley and So
As disclosed in ns, New York (1981), the work function differs depending on the material. Therefore, it is conceivable to improve the performance of the CMOS by using a material having an appropriate work function as the gate electrode of each of the nMOS and the pMOS. For example, the work function of the nMOS gate electrode is 4.3e.
V aluminum, vanadium with a work function of 4.35 eV, gallium with a work function of 4.3 eV, work function 4.35
niobium at eV, silver at work function 4.3 eV, work function 4.
Indium with 2 eV and thallium with a work function of 4.3 eV are suitable. As the pMOS gate electrode, cobalt having a work function of 5.0 eV and work function of 4.8 were used.
Ruthenium with an eV and tellurium with a work function of 5.0 eV are suitable.

【0057】さらに、同じ材料をゲート電極として用い
た場合においても、K.Nakajima et
a.,Symp.VLSI Tech.Dig.,p9
5(1999)に開示されているように、チタンナイト
ライド膜を加熱しないでアルゴンと窒素との混合ガスを
用いて反応性スパッタ法により成膜するか、TiCl4
とNH3ガスとを用いて450℃において化学的気相成
長するかによって仕事関数を適宜設定することができ
る。この方法を用いれば、nMOSおよびpMOSのそ
れぞれにおいて同じ材料を用いても、成膜条件を変えて
仕事関数を最適化できる。
Further, even when the same material is used for the gate electrode, the K.I. Nakajima et
a. , Symp. VLSI Tech. Dig. , P9
5 (1999), a titanium nitride film is formed by reactive sputtering using a mixed gas of argon and nitrogen without heating, or TiCl 4
The work function can be appropriately set depending on whether or not to perform chemical vapor deposition at 450 ° C. using NH 3 and NH 3 gas. Using this method, even if the same material is used for each of the nMOS and the pMOS, the work function can be optimized by changing the film forming conditions.

【0058】また、例えば、M.Kakumu et
al.,IEDM Tech.Dig.,p.415
(1985)に示されているように、膜厚0.35μm
のシリコンリッチなモリブデンシリサイド膜をスパッタ
法により積層し、シリコンリッチなモリブデンシリサイ
ド膜に砒素を注入量1×1015cm-2の条件でイオン注
入し、その後、900℃でドライ酸化を行なうことで、
モリブデンシリサイド膜の仕事関数を4.4eVに設定
することができる。また、砒素の代わりにボロンをシリ
コンリッチなモリブデンシリサイド膜に注入量1×10
12cm-2の条件でイオン注入し、その後、900℃でド
ライ酸化を行なうことで、モリブデンシリサイド膜の仕
事関数を4.9eVに設定することができる。この方法
によれば、イオン注入で不純物をドープすることによ
り、ゲート絶縁膜近傍のゲート電極の仕事関数を調節で
きる。そのため、ゲート電極全体の導電性を考慮してn
MOSおよびpMOSのゲート電極それぞれを2層構造
にする必要がない。したがって、1回の成膜工程により
適当な仕事関数に設定されたゲート電極を形成できるた
め、半導体装置の製造工程を簡略化することができる。
Further, for example, M. Kakumu et
al. , IEDM Tech. Dig. , P. 415
(1985), a film thickness of 0.35 μm
A silicon-rich molybdenum silicide film is deposited by sputtering, arsenic is ion-implanted into the silicon-rich molybdenum silicide film at a dose of 1 × 10 15 cm −2 , and then dry oxidation is performed at 900 ° C. ,
The work function of the molybdenum silicide film can be set to 4.4 eV. In addition, boron is implanted into the silicon-rich molybdenum silicide film in an amount of 1 × 10
The work function of the molybdenum silicide film can be set to 4.9 eV by performing ion implantation under the condition of 12 cm −2 and then performing dry oxidation at 900 ° C. According to this method, the work function of the gate electrode near the gate insulating film can be adjusted by doping impurities by ion implantation. Therefore, considering the conductivity of the entire gate electrode, n
It is not necessary to form each of the MOS and pMOS gate electrodes in a two-layer structure. Therefore, a gate electrode set to an appropriate work function can be formed by one film formation process, so that the manufacturing process of the semiconductor device can be simplified.

【0059】(実施の形態2)次に、本発明の実施の形
態2の半導体装置を図6を用いて説明する。本実施の形
態の半導体装置は、図6に示すように、図1に示した実
施の形態1の半導体装置の構造と略同様の構造である
が、nMOSのゲート電極6が下層の第1金属膜16お
よび上層の第2金属膜15aからなり、pMOSのゲー
ト電極7が下層の第3金属膜17および上層の第4金属
膜15bからなることが異なる。
Second Embodiment Next, a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 6, the semiconductor device of the present embodiment has a structure substantially similar to that of the semiconductor device of the first embodiment shown in FIG. 1, except that the gate electrode 6 of the nMOS has a lower first metal layer. The difference is that the gate electrode 7 of the pMOS is composed of the lower third metal film 17 and the upper fourth metal film 15b.

【0060】本来、しきい値電圧などに影響を及ぼすの
はゲート電極6,7とゲート絶縁膜5a,5bとの界面
近傍のゲート電極材料の仕事関数であり、ゲート電極
6,7とゲート絶縁膜5a,5bとの界面近傍より上部
のゲート電極材料の仕事関数は、しきい値電圧に影響し
ない。そのため、本実施の形態のCMOSにおいては、
図6に示すように、ゲート電極6,7とゲート絶縁膜5
a,5bとの界面近傍にのみ適当な仕事関数を持った第
1および第3金属膜16,17を配置し、さらに、ゲー
ト電極とゲート絶縁膜5a,5bとの界面近傍よりも上
部に抵抗値の小さい第2および第4金属膜15a,15
b、例えば、アルミニウムまたは銅などを配置しするこ
とにより、2層構造のゲート電極6,7が形成されてい
る。
The work function of the gate electrode material near the interface between the gate electrodes 6 and 7 and the gate insulating films 5a and 5b originally affects the threshold voltage and the like. The work function of the gate electrode material above the vicinity of the interface with the films 5a and 5b does not affect the threshold voltage. Therefore, in the CMOS of the present embodiment,
As shown in FIG. 6, the gate electrodes 6 and 7 and the gate insulating film 5
The first and third metal films 16 and 17 having an appropriate work function are arranged only near the interface between the gate electrodes a and 5b, and the resistance is set above the vicinity of the interface between the gate electrode and the gate insulating films 5a and 5b. Second and fourth metal films 15a, 15 having a small value
b, for example, by arranging aluminum or copper or the like, gate electrodes 6 and 7 having a two-layer structure are formed.

【0061】また、第1金属膜16と第2金属膜15a
との間および第3金属膜17と第4金属膜15bとの間
の相互拡散を抑制するために、第1金属膜16と第2金
属膜15aとの間および第3金属膜17と第4金属膜1
5bとの間それぞれにチタンナイトライド膜などのバリ
アメタル膜を挿入した多層構造であればより好ましい。
The first metal film 16 and the second metal film 15a
Between the first metal film 16 and the second metal film 15a and between the third metal film 17 and the fourth metal film 15a in order to suppress mutual diffusion between the first metal film 16 and the fourth metal film 15b. Metal film 1
It is more preferable to have a multilayer structure in which a barrier metal film such as a titanium nitride film is inserted between each of the layers 5b.

【0062】このような構造にすることで、ゲート電極
6,7とゲート絶縁膜5a,5bとの界面近傍に適当な
仕事関数を持った第1金属膜16および第3金属膜17
を配置した場合に、第1金属膜16および第3金属膜1
7の抵抗値が大きくても、第2および第4金属膜15
a,15bに抵抗値の小さい材料を用いれば、ゲート電
極6,7それぞれ全体としての抵抗値を小さくすること
ができる。そのため、ゲート電極6,7全体の導電性を
低下させることなくnMOSおよびpMOSそれぞれの
高性能化が図られたCMOSを備えた半導体装置が形成
される。
With such a structure, the first metal film 16 and the third metal film 17 having appropriate work functions are provided near the interfaces between the gate electrodes 6 and 7 and the gate insulating films 5a and 5b.
Are disposed, the first metal film 16 and the third metal film 1
7, the second and fourth metal films 15
If a material having a small resistance value is used for a and 15b, the overall resistance value of each of the gate electrodes 6 and 7 can be reduced. Therefore, a semiconductor device provided with a CMOS in which the performance of each of the nMOS and the pMOS is improved without lowering the conductivity of the entire gate electrodes 6 and 7 is formed.

【0063】なお、今回開示された実施の形態はすべて
の点で例示であって、制限的なものではないと考えられ
るべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特
許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の
意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意
図される。
It should be noted that the embodiment disclosed this time is an example in all respects and is not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

【0064】[0064]

【発明の効果】請求項1および2に記載の本発明の半導
体装置によれば、nMOSおよびpMOSのゲート電極
の仕事関数が、n型多結晶シリコンまたはp型多結晶シ
リコンの仕事関数とは異なる適切な値に設定される。そ
れにより、しきい値電圧を調節するための不純物注入を
必要としないため、チャネル領域表面近傍の電界強度が
小さくなる。そのため、チャネル領域表面近傍のキャリ
アの移動度の低下が抑制される。また、埋込チャネル構
造を形成しない場合においても、適当なしきい値電圧に
設定できるため、サブスレッショルド係数の増加および
短チャネル特性の劣化が生じない。したがって、pMO
SおよびnMOSそれぞれの高性能化が図られる。
According to the semiconductor device of the present invention, the work functions of the gate electrodes of the nMOS and the pMOS are different from those of the n-type polysilicon or the p-type polysilicon. Set to an appropriate value. This eliminates the need for impurity implantation for adjusting the threshold voltage, so that the electric field intensity near the surface of the channel region decreases. Therefore, a decrease in the mobility of carriers near the surface of the channel region is suppressed. Even when the buried channel structure is not formed, an appropriate threshold voltage can be set, so that an increase in sub-threshold coefficient and deterioration of short channel characteristics do not occur. Therefore, pMO
The performance of each of the S and nMOS is improved.

【0065】請求項3に記載の本発明の半導体装置によ
れば、適当な仕事関数を持った材料を使用するために第
1および第3導電層として抵抗値が大きい材料を選択し
ても、抵抗値の小さい第2および第4導電層を第1およ
び第3導電層それぞれの上に形成しているため、ゲート
電極全体としての抵抗値を低く抑えることができる。そ
の結果、ゲート電極の導電性を劣化させることなくnM
OSおよびpMOSそれぞれの高性能化が図られる。
According to the semiconductor device of the third aspect of the present invention, even if a material having a large resistance value is selected as the first and third conductive layers in order to use a material having an appropriate work function, Since the second and fourth conductive layers having small resistance values are formed on the first and third conductive layers, respectively, the resistance value of the entire gate electrode can be suppressed low. As a result, nM can be obtained without deteriorating the conductivity of the gate electrode.
The performance of each of the OS and the pMOS is improved.

【0066】請求項4に記載の本発明の半導体装置によ
れば、ゲート絶縁膜とゲート電極との間での空乏層の形
成が防止されるため、ゲート電極の導電性が向上するこ
とにより、半導体装置の性能が向上する。
According to the semiconductor device of the fourth aspect of the present invention, since the formation of a depletion layer between the gate insulating film and the gate electrode is prevented, the conductivity of the gate electrode is improved. The performance of the semiconductor device is improved.

【0067】請求項6に記載の本発明の半導体装置によ
れば、上記のように第2および第4導電層の材料を限定
することにより、第1および第3導電層に抵抗値の高い
材料を使用してもゲート電極全体としては導電性を高く
するという機能を実現することができる。
According to the semiconductor device of the sixth aspect of the present invention, by limiting the material of the second and fourth conductive layers as described above, the first and third conductive layers are made of a material having a high resistance value. Can realize the function of increasing the conductivity of the entire gate electrode.

【0068】請求項7に記載の本発明の半導体装置によ
れば、第1導電層と第2導電層との間の相互拡散および
第3導電層と第4導電層との間の相互拡散を抑制するこ
とができる。
According to the semiconductor device of the present invention, the mutual diffusion between the first conductive layer and the second conductive layer and the mutual diffusion between the third conductive layer and the fourth conductive layer are prevented. Can be suppressed.

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

【図1】 本発明の実施の形態1のCMOSの断面構造
を模式的に示したものである。
FIG. 1 schematically illustrates a cross-sectional structure of a CMOS according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の実施の形態1のCMOSの有効性を
説明するため図であり、(a)は、本発明の実施の形態
1のCMOSにおけるnMOSのチャネル領域付近の深
さ方向のエネルギーバンドを示す図であり、(b)およ
び(c)は、nMOSのゲート電極の仕事関数が境界条
件になった場合のnMOSのチャネル領域付近の深さ方
向のエネルギーバンドを示す図である。
FIGS. 2A and 2B are diagrams for explaining the effectiveness of the CMOS according to the first embodiment of the present invention; FIG. 2A illustrates energy in the depth direction near the channel region of an nMOS in the CMOS according to the first embodiment of the present invention; It is a figure which shows a band, (b) and (c) are figures which show the energy band of the depth direction near the channel region of nMOS when the work function of the gate electrode of nMOS becomes a boundary condition.

【図3】 本発明の実施の形態1のCMOSの有効性を
説明するため図であり、(a)は、本発明の実施の形態
1のCMOSにおけるpMOSのチャネル領域付近の深
さ方向のエネルギーバンドを示す図であり、(b)およ
び(c)は、pMOSのゲート電極の仕事関数が境界条
件になった場合のpMOSのチャネル領域付近の深さ方
向のエネルギーバンドを示す図である。
FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining the effectiveness of the CMOS according to the first embodiment of the present invention; FIG. 3A illustrates the energy in the depth direction near the channel region of the pMOS in the CMOS according to the first embodiment of the present invention; FIGS. 4B and 4C are diagrams illustrating energy bands in the depth direction near the channel region of the pMOS when the work function of the gate electrode of the pMOS is a boundary condition. FIGS.

【図4】 本発明の実施の形態1のCMOSにおいて、
シミュレーションに結果に基づいた、nMOSのオン電
流の仕事関数依存性を示す図である。
FIG. 4 shows a CMOS according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating the work function dependence of the ON current of the nMOS based on the result of the simulation.

【図5】 本発明の実施の形態1のCMOSにおいて、
シミュレーションに基づいた、pMOSのオン電流の仕
事関数依存性を示す図である。
FIG. 5 shows a CMOS according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating the work function dependence of the ON current of a pMOS based on a simulation.

【図6】 本発明の実施の形態2のCMOSの断面構造
を模式的に示す図である。
FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a cross-sectional structure of a CMOS according to a second embodiment of the present invention;

【図7】 従来のデュアルゲート構造のCMOSの断面
構造を模式的に示す図である。
FIG. 7 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a conventional CMOS having a dual gate structure.

【図8】 図7に示す従来のデュアルゲート構造のCM
OSにおいて、nMOSのチャネル領域付近の深さ方向
のエネルギーバンドを示す図である。
8 is a CM having a conventional dual gate structure shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating an energy band in a depth direction near a channel region of an nMOS in an OS.

【図9】 図7に示す従来のデュアルゲート構造のCM
OSにおいて、pMOSのチャネル領域付近の深さ方向
のエネルギーバンドを示す図である。
FIG. 9 shows a conventional CM having a dual gate structure shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating an energy band in a depth direction near a channel region of a pMOS in an OS.

【図10】 従来のシングルゲート構造のCMOSの断
面構造を模式的に示す図である。
FIG. 10 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a conventional CMOS having a single gate structure.

【図11】 図10に示す従来のシングルゲート構造の
CMOSにおいて、カウンタードープ層がない場合のp
MOSのチャネル領域付近の深さ方向のエネルギーバン
ドを示す図である。
FIG. 11 shows a conventional p-type CMOS having a single gate structure shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating an energy band in a depth direction near a channel region of a MOS.

【図12】 図10に示す従来のシングルゲート構造の
CMOSにおいて、カウンタードープ層がある場合のp
MOSのチャネル領域付近の深さ方向のエネルギーバン
ドを示す図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view of a conventional single-gate CMOS shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating an energy band in a depth direction near a channel region of a MOS.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板、2 素子分離絶縁膜、3 n型ウエ
ル、4 p型ウエル、5a,5b ゲート絶縁膜、6,
7 ゲート電極、8a,8b 絶縁膜、9 n型ソース
/ドレイン領域、10 p型ソース/ドレイン領域、1
1 サイドウォール絶縁膜、12 n型ソース/ドレイ
ン領域、13 p型ソース/ドレイン領域、14a,1
4b 高融点金属シリサイド膜、15a 第2金属膜、
15b第4金属膜、16 第1金属膜、17 第3金属
膜、116 n型多結晶シリコンゲート電極、117
p型多結晶シリコンゲート電極、118 p型カウンタ
ードープ層。
1 silicon substrate, 2 element isolation insulating film, 3 n-type well, 4 p-type well, 5a, 5b gate insulating film, 6,
7 gate electrode, 8a, 8b insulating film, 9 n-type source / drain region, 10 p-type source / drain region, 1
1 sidewall insulating film, 12 n-type source / drain regions, 13 p-type source / drain regions, 14 a, 1
4b refractory metal silicide film, 15a second metal film,
15b fourth metal film, 16 first metal film, 17 third metal film, 116 n-type polycrystalline silicon gate electrode, 117
p-type polysilicon gate electrode, 118 p-type counter-doped layer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大石 敏之 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 塩沢 勝臣 東京都千代田区丸の内二丁目2番3号 三 菱電機株式会社内 Fターム(参考) 4M104 AA01 BB02 BB04 BB08 BB13 BB14 BB17 BB24 BB26 BB30 BB36 CC05 DD04 DD26 DD37 DD41 DD43 DD45 DD77 DD79 FF13 GG09 GG10 HH16 HH20 5F048 AA00 AA08 AC03 BA01 BB10 BB12 BB14 BC06 BE03 BF06 BG12 DA23  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Toshiyuki Oishi 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Mitsui Electric Co., Ltd. (72) Katsuomi Shiozawa 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo F term (reference) in Ryo Denki Co., Ltd.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリコン基板を用いて形成されたn型お
よびp型電界効果型トランジスタを含む相補型電界効果
型トランジスタを備える半導体装置であって、 前記n型電界効果型トランジスタのゲート電極の仕事関
数が、少なくともゲート絶縁膜近傍において、シリコン
の電子親和力より大きく、シリコンの真性フェルミ準位
とシリコンの真空準位とのエネルギー差より小さく設定
され、 前記p型電界効果型トランジスタのゲート電極の仕事関
数が、少なくともゲート絶縁膜近傍において、シリコン
の真性フェルミ準位とシリコンの真空準位とのエネルギ
ー差より大きく、シリコンの電子親和力とシリコンのバ
ンドギャップエネルギーとを加えたものより小さく設定
された、半導体装置。
1. A semiconductor device comprising a complementary field-effect transistor including an n-type and p-type field-effect transistor formed using a silicon substrate, wherein a work of a gate electrode of the n-type field-effect transistor is performed. The function is set to be larger than the electron affinity of silicon and smaller than the energy difference between the intrinsic Fermi level of silicon and the vacuum level of silicon at least in the vicinity of the gate insulating film, and the work of the gate electrode of the p-type field effect transistor The function is set to be larger than the energy difference between the intrinsic Fermi level of silicon and the vacuum level of silicon at least in the vicinity of the gate insulating film, and smaller than the sum of the electron affinity of silicon and the band gap energy of silicon. Semiconductor device.
【請求項2】 前記n型電界効果型トランジスタのゲー
ト電極の仕事関数が、4.11eV〜4.41eVの範
囲に設定され、かつ、前記p型電界効果型トランジスタ
のゲート電極の仕事関数が、4.71eV〜5.01e
Vの範囲に設定された、請求項1に記載の半導体装置。
2. The work function of the gate electrode of the n-type field effect transistor is set in a range of 4.11 eV to 4.41 eV, and the work function of the gate electrode of the p-type field effect transistor is 4.71 eV to 5.01 e
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is set in a range of V.
【請求項3】 前記n型電界効果型トランジスタの前記
ゲート電極が、 前記n型電界効果型トランジスタの前記ゲート絶縁膜側
の第1導電層と、 前記第1導電層の上に形成された、前記第1導電層より
も抵抗値が低い第2導電層とを備え、 前記p型電界効果型トランジスタの前記ゲート電極が、 前記p型電界効果型トランジスタの前記ゲート絶縁膜側
の第3導電層と、 前記第3導電層の上に形成された、前記第3導電層より
も抵抗値が低い第4導電層とを備えた、請求項1または
2に記載の半導体装置。
3. The n-type field-effect transistor, wherein the gate electrode is formed on a first conductive layer on the gate insulating film side of the n-type field-effect transistor, and on the first conductive layer. A second conductive layer having a lower resistance than the first conductive layer, wherein the gate electrode of the p-type field effect transistor is a third conductive layer on the gate insulating film side of the p-type field effect transistor. 3. The semiconductor device according to claim 1, further comprising: a fourth conductive layer formed on the third conductive layer and having a lower resistance than the third conductive layer. 4.
【請求項4】 前記第1および第3導電層は金属膜によ
り形成された、請求項3に記載の半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 3, wherein said first and third conductive layers are formed of a metal film.
【請求項5】 前記第1導電層が、アルミニウム、チタ
ン、バナジウム、ガリウム、ニオブ、銀、インジウムお
よびタリウムからなる群より選ばれた1または2以上の
物質を含み、 前記第3導電層が、コバルト、ルテニウムおよびテルル
からなる群より選ばれた1または2以上の物質を含む、
請求項3または4に記載の半導体装置。
5. The first conductive layer includes one or two or more substances selected from the group consisting of aluminum, titanium, vanadium, gallium, niobium, silver, indium and thallium, wherein the third conductive layer comprises Including one or more substances selected from the group consisting of cobalt, ruthenium and tellurium,
The semiconductor device according to claim 3.
【請求項6】 前記第2および第4導電層のそれぞれ
が、アルミニウムおよび銅のうち少なくともいずれか一
方を含む、請求項3〜5のいずれかに記載の半導体装
置。
6. The semiconductor device according to claim 3, wherein each of said second and fourth conductive layers contains at least one of aluminum and copper.
【請求項7】 前記n型電界効果型トランジスタの前記
ゲート電極が、前記第1導電層と前記第2導電層との間
に、前記第1導電層と前記第2導電層との間の相互拡散
を防止するバリアメタル層をさらに含み、 前記p型電界効果型トランジスタの前記ゲート電極が、
前記第3導電層と前記第4導電層との間に、前記第3導
電層と前記第4導電層との間の相互拡散を防止するバリ
アメタル層を含む、請求項3〜6のいずれかに記載の半
導体装置。
7. The gate electrode of the n-type field effect transistor, wherein the gate electrode is disposed between the first conductive layer and the second conductive layer, and is disposed between the first conductive layer and the second conductive layer. The p-type field effect transistor further includes a barrier metal layer that prevents diffusion,
7. The semiconductor device according to claim 3, further comprising a barrier metal layer between the third conductive layer and the fourth conductive layer, the barrier metal layer preventing interdiffusion between the third conductive layer and the fourth conductive layer. 3. The semiconductor device according to claim 1.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7122470B2 (en) 2001-12-18 2006-10-17 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device with a CMOS transistor
JP2008507149A (en) * 2004-07-20 2008-03-06 インテル コーポレイション Semiconductor device having high-k gate dielectric and metal gate electrode
US7465624B2 (en) 2005-10-27 2008-12-16 Kabushiki Kaisha Toshiba Method of manufacturing semiconductor device

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