JP2002289848A - Semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method therefor

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JP2002289848A
JP2002289848A JP2001093868A JP2001093868A JP2002289848A JP 2002289848 A JP2002289848 A JP 2002289848A JP 2001093868 A JP2001093868 A JP 2001093868A JP 2001093868 A JP2001093868 A JP 2001093868A JP 2002289848 A JP2002289848 A JP 2002289848A
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gate
insulating film
metal
semiconductor substrate
forming
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JP2001093868A
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Junji Yagishita
淳史 八木下
Kyoichi Suguro
恭一 須黒
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Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a DTMISFET which simplifies manufacturing process. SOLUTION: A semiconductor device is provided with a silicon substrate 100; an insulation film 101 formed at a part on the silicon substrate 100, turned into a gate insulation film in a channel region and provided with a contact hole 106, exposing the surface of a semiconductor substrate at a part of the area other than the channel area; a metal electrode 102 formed on the insulation film 101, turned into gate electrode on the gate insulation film, directly connected to the silicon substrate 100 in the contact hole and constituted of a metal material; and a source 103 and a drain 104 formed on the semiconductor substrate, so as to clamp the channel region.

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、半導体基板とゲー
ト電極とが電気的に接続されたMISFETを具備する
半導体装置及びその製造方法に関する。
The present invention relates to a semiconductor device having a MISFET in which a semiconductor substrate and a gate electrode are electrically connected, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、消費電力を下げるために電源電圧
ddは低減され続けてきた。ところが、オフ電流増加を
防ぐためにMISFETのしきい値電圧Vthはあまり低
減されなかった。したがって、トランジスタの駆動能力
dが低減してしまう傾向があった。これを打破するデ
バイスとしてDTMIS(Dynamic threshold-voltageM
ISFET)が提案された(参考文献:Fariborz Assaderagh
i, et al, "Dynamic threshold-voltage MOSFET(DTMOS)
for Ultra-Low voltage VLSI",IEEE Trans. Electron
Devices, vol.44,pp.414-421,、1997)。
2. Description of the Related Art Conventionally, a power supply voltage Vdd has been continuously reduced in order to reduce power consumption. However, the threshold voltage V th of the MISFET has not been reduced so much in order to prevent an increase in off current. Therefore, it tended to drive capability I d of the transistor is reduced. DTMIS (Dynamic threshold-voltageM
ISFET) was proposed (reference: Fariborz Assaderagh)
i, et al, "Dynamic threshold-voltage MOSFET (DTMOS)
for Ultra-Low voltage VLSI ", IEEE Trans. Electron
Devices, vol.44, pp.414-421, 1997).

【0003】DTMISFETは、ゲート電極とウェル
(SOI基板の場合はSi−Body)を電気的に接続
したMISFETであり、電源電圧Vddが小さくても駆
動能力が大きく、しかもオフ電流が小さいというメリッ
トを持つデバイスである。
[0003] DTMISFET is (in the case of SOI substrate Si-Body) gate electrode and the well is a MISFET for electrically connecting the, merit supply voltage V dd is large even driving capability small and low off-state current Device.

【0004】このようなメリットが生じる理由は、ゲー
ト電圧が基板に伝わり基板バイアス効果が発生してトラ
ンジスタがオンの時はしきい値電圧Vthが低く、オフ時
にはしきい値電圧Vthが高いという動作原理によって説
明される。
The reason for such an advantage is that the threshold voltage V th is low when the transistor is on and the threshold voltage V th is high when the transistor is off, because the gate voltage is transmitted to the substrate and a substrate bias effect is generated. The operation principle will be described.

【0005】さらに、その他のメリットとして、(1)
DTMISFETは縦方向(チャネル面垂直方向)電界
が小さくてキャリアの移動度が大きく、高い駆動能力を
実現できる理由の一つになっていること、(2)ショー
トチャネル効果が発生していない領域ではS−fact
orが常に60mV/decadeと理想的な値(最良
値)になること、(3)ミッドギャップワークファンク
ションのメタルゲートを用いたMISFETで実現困難
であると言われている低いしきい値電圧Vthを実現可能
であること、等がある。
Further, as another advantage, (1)
The DTMISFET has a small electric field in the vertical direction (perpendicular to the channel surface) and has a high carrier mobility, which is one of the reasons why a high driving capability can be realized. S-fact
or is always an ideal value (best value) of 60 mV / decade, and (3) a low threshold voltage V th which is said to be difficult to realize with a MISFET using a metal gate of a mid-gap work function. Can be realized.

【0006】図13に従来のDTMISFETの概略構
成を示す。図13(a)は半導体装置の平面図、図13
(b)は同図(a)のA−A’部の断面図、図13
(c)は同図(a)のB−B’部の断面図、図13
(d)は同図(a)のC−C’部の断面図を示してい
る。
FIG. 13 shows a schematic configuration of a conventional DTMISFET. FIG. 13A is a plan view of the semiconductor device, and FIG.
FIG. 13B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
FIG. 13C is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG.
(D) is a cross-sectional view taken along the line CC ′ in FIG.

【0007】図13において、1300はp型シリコン
基板、1301はゲート絶縁膜、1302はn+ pol
y−Siからなるゲート電極、1303はソース、13
04はドレイン、1305はp+ 拡散層領域、1306
はAlからなるメタルプラグである。
In FIG. 13, reference numeral 1300 denotes a p-type silicon substrate, 1301 denotes a gate insulating film, 1302 denotes n + pol
A gate electrode made of y-Si, 1303 is a source, 13
04 is a drain, 1305 is a p + diffusion layer region, 1306
Is a metal plug made of Al.

【0008】このような、DTMISFETにおいて
は、n+ poly−Siからなるゲート電極1302を
+ 拡散層領域1305に接続するために、コンタクト
孔とメタルプラグ1306が必要となる。このコンタク
ト孔及びメタルプラグを形成するため、製造工程が複雑
になると言う問題点があった。
In such a DTMISFET, a contact hole and a metal plug 1306 are required to connect the gate electrode 1302 made of n + poly-Si to the p + diffusion layer region 1305. The formation of the contact hole and the metal plug has a problem that the manufacturing process is complicated.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のDTMISFETには、コンタクト孔及びメタルプラ
グ電極を形成しなければならず、製造工程が複雑である
という問題があった。
As described above, the conventional DTMISFET has a problem that a contact hole and a metal plug electrode must be formed, and the manufacturing process is complicated.

【0010】本発明の目的は、半導体基板とゲート電極
とが電気的に接続されたDTMISFETを具備する半
導体装置において、製造工程の簡略化を図り得る半導体
装置及びその製造方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a DTMISFET in which a semiconductor substrate and a gate electrode are electrically connected, and to provide a semiconductor device capable of simplifying a manufacturing process and a manufacturing method thereof. .

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】[構成]本発明は、上記
目的を達成するために以下のように構成されている。 (1)本発明の半導体装置は、半導体基板と、この半導
体基板上の一部に形成され、チャネル領域ではゲート絶
縁膜となり、該チャネル領域以外の領域の一部で該基板
の表面が露出するコンタクト孔を具備する絶縁膜と、こ
の絶縁膜上に形成され、前記ゲート絶縁膜上ではゲート
電極となり、前記コンタクト孔において前記半導体基板
と直接接続し、金属材料から構成されるメタル電極と、
前記チャネル領域を挟むように、前記半導体基板に形成
されたソース及びドレインとを具備してなることを特徴
とする。
Means for Solving the Problems [Configuration] The present invention is configured as follows to achieve the above object. (1) The semiconductor device of the present invention is formed on a semiconductor substrate and a part of the semiconductor substrate, becomes a gate insulating film in a channel region, and exposes a surface of the substrate in a part of a region other than the channel region. An insulating film having a contact hole, a metal electrode formed on the insulating film, serving as a gate electrode on the gate insulating film, directly connected to the semiconductor substrate in the contact hole, and made of a metal material;
A source and a drain formed on the semiconductor substrate so as to sandwich the channel region.

【0012】本発明の好ましい実施態様を以下に記す。
前記メタル電極は2層以上の金属膜で構成され、前記メ
タル電極を構成する最下層の金属膜は前記絶縁膜上だけ
に形成され、前記メタル電極を構成する下から2層目以
降の金属膜と前記半導体基板とが直接接触しているこ
と。
Preferred embodiments of the present invention are described below.
The metal electrode is composed of two or more metal films, the lowermost metal film constituting the metal electrode is formed only on the insulating film, and the second and subsequent metal films constituting the metal electrode from the bottom. And the semiconductor substrate are in direct contact with each other.

【0013】(2)本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体基板上のゲート電極が形成される領域にダミーゲ
ートを形成する工程と、前記ダミーゲートをマスクに用
いて前記半導体基板に不純物イオンを導入して、ソース
及びドレインを形成する工程と、前記半導体基板上、且
つ前記ダミーゲートの周囲に絶縁膜を形成する工程と、
前記ダミーゲートを除去して側壁が前記絶縁膜からなる
ゲート溝を形成する工程と、前記ゲート溝の底面にゲー
ト絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に、1
層以上で構成された第1の金属層を形成する工程と、第
1の金属層及びゲート絶縁膜をパターニングし、前記半
導体基板の表面が露出するコンタクト孔を形成する工程
と、前記ゲート溝内に1層以上で構成された第2の金属
層を形成する工程とを含むことを特徴とする。
(2) The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention
Forming a dummy gate in a region where a gate electrode is formed on a semiconductor substrate; introducing impurity ions into the semiconductor substrate using the dummy gate as a mask to form a source and a drain; Forming an insulating film on the substrate and around the dummy gate;
Removing the dummy gate to form a gate groove having a side wall made of the insulating film; forming a gate insulating film on the bottom surface of the gate groove;
Forming a first metal layer composed of at least one layer, patterning the first metal layer and the gate insulating film to form a contact hole exposing a surface of the semiconductor substrate, Forming a second metal layer composed of one or more layers.

【0014】[作用]本発明は、上記構成によって以下
の作用・効果を有する。ゲート電極が金属材料で構成さ
れているため、メタル電極と半導体基板の電気的接続が
他の材料を介さずに直接行われるので、コンタクト電極
を形成する必要が無く、製造工程が簡略化される。ま
た、ゲート電極が金属材料で構成されているため、n−
ウェル、p−ウェル両方に容易に電気的接続を行なうこ
とが可能である。
[Function] The present invention has the following functions and effects by the above configuration. Since the gate electrode is made of a metal material, the electrical connection between the metal electrode and the semiconductor substrate is made directly without any intervening material, so that there is no need to form a contact electrode and the manufacturing process is simplified. . Further, since the gate electrode is made of a metal material, n-
Electrical connection can be easily made to both the well and the p-well.

【0015】又、ゲート絶縁膜上に第1の金属層を積層
した後、ゲート絶縁膜及び第1の金属層をパターニング
して半導体基板が露出するコンタクトを形成してから第
2の金属層を形成することによって、メタルゲート電極
と半導体基板を接続するためのコンタクト孔のパターン
ニングをゲート絶縁膜の直上で行なう必要がないため、
ゲート絶縁膜の信頼性が向上する。
After the first metal layer is laminated on the gate insulating film, the gate insulating film and the first metal layer are patterned to form a contact exposing the semiconductor substrate, and then the second metal layer is formed. By forming, it is not necessary to pattern the contact hole for connecting the metal gate electrode and the semiconductor substrate directly above the gate insulating film.
The reliability of the gate insulating film is improved.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に図面
を参照して説明する。 (第1の実施形態)図1は、本発明の第1の実施形態に
係わる半導体装置の概略構成を示す図である。図1
(a)は半導体装置の平面図、図1(b)は同図(a)
のA−A’部の断面図、図1(c)は同図(a)のB−
B’部の断面図、図1(d)は同図(a)のC−C’部
の断面図を示している。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (First Embodiment) FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention. Figure 1
FIG. 1A is a plan view of a semiconductor device, and FIG.
1 (c) is a sectional view taken along the line AA 'of FIG.
FIG. 1D is a cross-sectional view taken along the line CC ′ in FIG. 1A.

【0017】図1に示す半導体装置では、半導体基板と
してバルクのp型シリコン基板100が用いられてお
り、素子分離構造の図示を省略している。
In the semiconductor device shown in FIG. 1, a bulk p-type silicon substrate 100 is used as a semiconductor substrate, and illustration of an element isolation structure is omitted.

【0018】本実施形態では、メタルゲートを用いたN
チャネルMISFETが形成されている。素子領域であ
るSiの表面の一部でメタルゲートとp−silico
n(p+領域)が直接接続されている。
In the present embodiment, N using a metal gate
A channel MISFET is formed. The metal gate and p-silico are partly formed on the surface of the Si
n (p + region) are directly connected.

【0019】図1に示すように、ゲート絶縁膜101に
コンタクト孔106が形成され、コンタクト孔106部
分でメタルゲート電極102がシリコン基板100に直
接接続している。ゲート電極102と接続する領域のシ
リコン基板100にはp+ 拡散層領域105が形成され
ている。
As shown in FIG. 1, a contact hole 106 is formed in the gate insulating film 101, and the metal gate electrode 102 is directly connected to the silicon substrate 100 at the contact hole 106. A p + diffusion layer region 105 is formed in the silicon substrate 100 in a region connected to the gate electrode 102.

【0020】次に、図2を用いてnチャネルMISFE
Tのメタルゲート電極構造を説明する。図2(a)は図
1(a)のB−B’部の相当する断面図、図2(b)は
図1(a)のC−C’部の断面図を示している。
Next, referring to FIG. 2, an n-channel MISFE
The metal gate electrode structure of T will be described. FIG. 2A is a cross-sectional view corresponding to the line BB ′ in FIG. 1A, and FIG. 2B is a cross-sectional view along the line CC ′ in FIG. 1A.

【0021】一般に、メタルゲート電極は複数のメタル
材料の積層膜で構成されることが多い。例えば、W/T
iN、Al/TiN、Ru/TiNなどのように、主と
なる材料(W、Al、Ruなど)のバリアメタルとして
TiNが下層によく用いられる。TiNの役割は、上層
メタルの拡散防止や、ゲート電極の仕事関数制御であ
る。図2に示すMISFETは、ゲート絶縁膜101に
コンタクト孔106をあけた後に、バリアメタル層20
1,上層メタル層202を順次堆積してメタルゲート電
極102を形成している。
Generally, a metal gate electrode is often formed of a laminated film of a plurality of metal materials. For example, W / T
As a barrier metal of a main material (W, Al, Ru, or the like) such as iN, Al / TiN, or Ru / TiN, TiN is often used for a lower layer. The role of TiN is to prevent diffusion of the upper layer metal and to control the work function of the gate electrode. In the MISFET shown in FIG. 2, after a contact hole 106 is formed in the gate insulating film 101, the barrier metal layer 20 is formed.
1. An upper metal layer 202 is sequentially deposited to form a metal gate electrode 102.

【0022】このような構成にすれば、メタルゲート電
極102とp+ 拡散層領域105との電気的接続が他の
材料を介さずに直接行われるので、製造工程が簡略化さ
れる。なお、ゲート電極102が金属材料で形成されて
いるため、n−ウェル、p−ウェル両方に容易に電気的
接続を行なうことが可能である。従来の、Poly−S
iゲートの場合は、ゲートと逆導電型のSi−ウェルと
ゲートを接続するときに、両者の間にメタルプラグ等を
形成しなければならなくて工程が複雑であった。
According to such a configuration, the electrical connection between the metal gate electrode 102 and the p + diffusion layer region 105 is made directly without using any other material, so that the manufacturing process is simplified. Note that since the gate electrode 102 is formed of a metal material, electrical connection can be easily made to both the n-well and the p-well. Conventional Poly-S
In the case of the i-gate, a metal plug or the like must be formed between the gate and the Si-well of the opposite conductivity type when connecting the gate and the gate, and the process is complicated.

【0023】(第2の実施形態)図3(a),(b)に
本発明の第2の実施形態のNチャネルMISFETのメ
タルゲート構造を説明するためのB−B’方向の断面
図、C−C’方向の断面図を示す。基本構造は第1の実
施形態と同様である。
(Second Embodiment) FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views in the BB 'direction for explaining a metal gate structure of an N-channel MISFET according to a second embodiment of the present invention. FIG. 4 shows a cross-sectional view in the CC ′ direction. The basic structure is the same as in the first embodiment.

【0024】本実施形態のMISFETは、図3に示す
ように、例えばTiNからなるバリアメタル層301は
ゲート絶縁膜101上のみに形成され、p+ 拡散層領域
105に直接、W、Al、Ruなどの上層メタル層30
2が接続されている。
In the MISFET of this embodiment, as shown in FIG. 3, a barrier metal layer 301 made of, for example, TiN is formed only on the gate insulating film 101, and W, Al, and Ru are directly formed on the p + diffusion layer region 105. Upper metal layer 30 such as
2 are connected.

【0025】この構造は、ゲート絶縁膜101上にバリ
アメタル層301を形成した後、両方の膜101,30
1をエッチングしてコンタクト孔106を形成した後、
上層メタル層302を形成することによって形成され
る。
In this structure, after a barrier metal layer 301 is formed on a gate insulating film 101, both films 101 and 30 are formed.
After etching contact hole 106 to form contact hole 106,
It is formed by forming the upper metal layer 302.

【0026】本装置では、第1の実施形態と同様の効果
が得られることに加えて、以下のようなメリットも得ら
れる。すなわち、メタルゲート電極と半導体基板を接続
するためのコンタクト孔のパターニングをゲート絶縁膜
の直上で行う必要がないため、ゲート絶縁膜がレジスト
で汚染されることが無く、ゲート絶縁膜の信頼性が向上
する。
In the present apparatus, the following advantages are obtained in addition to the same effects as those of the first embodiment. That is, since it is not necessary to pattern the contact hole for connecting the metal gate electrode and the semiconductor substrate directly above the gate insulating film, the gate insulating film is not contaminated by the resist, and the reliability of the gate insulating film is improved. improves.

【0027】図4〜図11を用いて、本発明の第2の実
施形態に係わるNチャネルMISFETの製造方法を説
明する。図4〜図11は、本発明の第2の実施形態に係
わるNチャネルMISFETの製造工程を示す工程断面
図である。
A method of manufacturing an N-channel MISFET according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 to 11 are process cross-sectional views showing a process for manufacturing an N-channel MISFET according to the second embodiment of the present invention.

【0028】図4〜図11において、各図(a)は図1
のA−A’部の断面図に相当し、各図(b)は図1のB
−B’部の断面図に相当する。
4A to 11, each figure (a) corresponds to FIG.
1B corresponds to a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
This corresponds to a cross-sectional view of a portion -B '.

【0029】工程順に説明を行なうと、まず、図4に示
すように、シリコン基板100にSTI(Shallow Tren
ch Insulation)技術を用いた深さ200nm程度の素
子分離層401を形成する。シリコン基板100の表面
に5nm程度の熱酸化膜402を形成する。
First, as shown in FIG. 4, an STI (Shallow Tren) is formed on a silicon substrate 100 as shown in FIG.
An element isolation layer 401 having a depth of about 200 nm is formed by using a (ch Insulation) technique. A thermal oxide film 402 of about 5 nm is formed on the surface of the silicon substrate 100.

【0030】次いで、図5に示すように、膜厚150n
m程度のPoly−Si膜403をLPCVD法により
堆積する。このPoly−Siは後でイオン注入マス
ク、CMPストッパー等として使用される。ダミーゲー
ト形成のためのレジストパターン(図示せず)を形成
し、Poly−Si膜403をエッチング加工する。こ
こでソース/ドレイン形成のために、イオン注入を行な
い、n+ 拡散層からなるソース103及びドレイン10
4を形成する。
Next, as shown in FIG.
A poly-Si film 403 of about m is deposited by LPCVD. This Poly-Si is later used as an ion implantation mask, a CMP stopper and the like. A resist pattern (not shown) for forming a dummy gate is formed, and the Poly-Si film 403 is etched. Here, in order to form the source / drain, ion implantation is performed, and the source 103 and the drain 10 made of an n + diffusion layer are formed.
4 is formed.

【0031】必要であれば、ここで、LDD構造を形成
してもよい。LDD構造は、n- 拡散層の形成後、Si
34側壁膜をダミーゲートの側面に形成する。例えば、
Si 34膜側膜の膜厚は20nm程度、n- 拡散層を形
成する際のイオン注入条件は、As、15keV、3×
1014cm-2程度である。これらは図示していない。
If necessary, an LDD structure is formed here.
May be. LDD structure is n-After the formation of the diffusion layer, the Si
ThreeNFourA side wall film is formed on the side surface of the dummy gate. For example,
Si ThreeNFourThe thickness of the film side film is about 20 nm, n-Shape the diffusion layer
The ion implantation conditions for the formation are As, 15 keV, 3 ×
1014cm-2It is about. These are not shown.

【0032】n+ 拡散層からなるソース103及びドレ
イン104の形成する際のイオン注入条件は、例えばA
sイオンを、加速電圧45keV、ドーズ量3×1015
cm -2である。ソース103及びドレイン104の活性
化(〜1000℃)もここで行なう。
N+Source 103 and drain made of diffusion layer
The ion implantation conditions for forming the in 104 are, for example, A
s ions are accelerated at an acceleration voltage of 45 keV and a dose of 3 × 1015
cm -2It is. Activity of source 103 and drain 104
(Up to 1000 ° C.).

【0033】次いで、図6に示すように、全面にTEO
S−SiO2 膜404を堆積した後、TEOS−SiO
2 膜404の表面をCMP(Chemical Mechanical Poli
shing)により平坦化し、ダミーゲートPoly−Si
膜403の上面を露出させる。
Next, as shown in FIG.
After depositing the S-SiO 2 film 404, TEOS-SiO
2 The surface of the film 404 is subjected to CMP (Chemical Mechanical Poli).
shing) and dummy gate Poly-Si
The upper surface of the film 403 is exposed.

【0034】次いで、図7に示すように、ダミーゲート
Poly−Si膜403をCDE等により除去し、ゲー
ト電極の形成予定領域にゲート溝405を形成する。H
F系のウエットエッチングにより熱酸化膜402も除去
する。
Next, as shown in FIG. 7, the dummy gate Poly-Si film 403 is removed by CDE or the like, and a gate groove 405 is formed in a region where a gate electrode is to be formed. H
The thermal oxide film 402 is also removed by F-based wet etching.

【0035】次に、本来のゲート絶縁膜を形成する。す
でにソース103及びドレイン104を形成した後なの
で、今後600℃以上の高温熱処理工程は存在しない。
したがってゲート絶縁膜にはSiO2 膜だけでなくHf
2 膜、ZrO2 膜、Ta25膜、TiO2 膜や(B
a,Sr)TiO3 などの高誘電体膜や強誘電体膜を使
用することができ、ゲート電極にはメタル材料を使用す
ることができる。ゲート絶縁膜に高誘電体膜や強誘電体
膜を使用した場合には、用いたゲート絶縁膜に応じてゲ
ート電極材料を選ぶ必要があり、Al、W、Ru等が使
用可能となる。また、ゲート絶縁膜とゲート電極材料の
間にはバリアメタルとしてTiNやWN等の薄膜の形成
を行なうことが望ましい。ここではHigh−kゲート
絶縁膜としてTa25膜、ゲート電極としてRu/Ti
Nを使った例を示す。
Next, an original gate insulating film is formed. Since the source 103 and the drain 104 have already been formed, there will be no high-temperature heat treatment step at 600 ° C. or higher in the future.
Therefore, not only the SiO 2 film but also the Hf
O 2 film, ZrO 2 film, Ta 2 O 5 film, TiO 2 film and (B
(a, Sr) A high dielectric film such as TiO 3 or a ferroelectric film can be used, and a metal material can be used for the gate electrode. When a high dielectric film or a ferroelectric film is used for the gate insulating film, it is necessary to select a gate electrode material according to the gate insulating film used, and Al, W, Ru, or the like can be used. Further, it is desirable to form a thin film such as TiN or WN as a barrier metal between the gate insulating film and the gate electrode material. Here, a Ta 2 O 5 film is used as a High-k gate insulating film, and Ru / Ti is used as a gate electrode.
An example using N is shown.

【0036】図8に示すように、基板表面を薄く窒化し
たのち、実膜厚3nm程度のTa25ゲート絶縁膜10
1を形成した後、第1層目のメタルゲート電極として、
CVD法により膜厚10nm程度のTiN膜を堆積し
て、バリアメタル層301を形成する。
As shown in FIG. 8, after the substrate surface is thinly nitrided, a Ta 2 O 5 gate insulating film 10 having an actual film thickness of about 3 nm is formed.
After forming 1, as the first-layer metal gate electrode,
A barrier metal layer 301 is formed by depositing a TiN film having a thickness of about 10 nm by a CVD method.

【0037】次いで、図9に示すように、バリアメタル
層301上にレジスト膜406を塗布し、コンタクト孔
407をパターンニングする。このようにコンタクト孔
407を形成すれば、ゲートとウェルをつなぐためのコ
ンタクトホールのパターンニングをゲート絶縁膜の直上
で行なう必要がないため、ゲート絶縁膜の信頼性が向上
する。ゲート絶縁膜上にレジストを直付けしてパターン
ニングすると、ゲート絶縁膜の信頼性が悪化する。
Next, as shown in FIG. 9, a resist film 406 is applied on the barrier metal layer 301, and the contact holes 407 are patterned. When the contact hole 407 is formed in this manner, it is not necessary to pattern the contact hole for connecting the gate and the well directly above the gate insulating film, so that the reliability of the gate insulating film is improved. If a resist is directly attached on the gate insulating film and patterned, the reliability of the gate insulating film deteriorates.

【0038】次いで、図10に示すように、レジスト膜
406を除去したのち、Ru膜を300nm程度堆積し
て上層メタル層302を形成した後、ダマシン法を用い
てゲート溝405内にメタルゲート電極を形成する。
Next, as shown in FIG. 10, after removing the resist film 406, a Ru film is deposited to a thickness of about 300 nm to form an upper metal layer 302, and a metal gate electrode is formed in the gate groove 405 by using a damascene method. To form

【0039】メタルゲート形成後は通常のLSI製造プ
ロセスと同様である。図11に示すように、TEOS層
間絶縁膜408をCVD法で堆積し、ソース103及び
ドレイン104及びメタルゲート電極102上にコンタ
クトホールを開孔し、例えばAlからなる上層金属配線
409を形成する。
After the formation of the metal gate, the process is the same as the ordinary LSI manufacturing process. As shown in FIG. 11, a TEOS interlayer insulating film 408 is deposited by a CVD method, contact holes are formed on the source 103, the drain 104, and the metal gate electrode 102, and an upper metal wiring 409 made of, for example, Al is formed.

【0040】以上のように、本実施形態によれば、メタ
ルゲート電極と半導体基板との電気的接続が他の材料を
介さずに直接行われるので、製造工程が簡略化される。
ゲートが金属材料で形成されているため、n−ウェル、
p−ウェル両方に容易に電気的接続を行なうことが可能
であり、C−MISFET形成に有利である。Poly
−Siゲートの場合は、ゲートと逆導電型のSi−ウェ
ルとゲートを接続するときに、両者の間にメタルプラグ
等を形成しなければならなくて工程が複雑であった。
As described above, according to the present embodiment, the electrical connection between the metal gate electrode and the semiconductor substrate is directly made without any intervening material, so that the manufacturing process is simplified.
Since the gate is formed of a metal material, the n-well,
Electrical connection can be easily made to both p-wells, which is advantageous for forming a C-MISFET. Poly
In the case of the -Si gate, a metal plug or the like must be formed between the gate and the Si-well of the opposite conductivity type when connecting the gate and the gate, and the process is complicated.

【0041】また、ゲート絶縁膜上にレジストを直付け
してパターンニングすると、ゲート絶縁膜の信頼性が悪
化するが、本実施形態の製造方法によれば、ゲートとウ
ェルをつなぐためのコンタクト孔407のパターンニン
グをゲート絶縁膜101の直上で行なう必要がないた
め、ゲート絶縁膜101の信頼性が向上する。
If the resist is directly attached on the gate insulating film and patterned, the reliability of the gate insulating film deteriorates. However, according to the manufacturing method of this embodiment, the contact hole for connecting the gate and the well is formed. Since it is not necessary to perform the patterning of 407 right above the gate insulating film 101, the reliability of the gate insulating film 101 is improved.

【0042】また、DTMISFETの動作原理によ
り、ミッドギャップワークファンクションのメタルゲー
トを用いたMISFETで実現困難であると言われてい
た低いしきい値電圧Vth(〜0.2V)を実現できるよ
うになる。
In addition, according to the operation principle of the DTMISFET, a low threshold voltage V th (up to 0.2 V), which is said to be difficult to realize with a MISFET using a metal gate of a mid-gap work function, can be realized. Become.

【0043】但し、Vthを充分低減させるためには、チ
ャネルの不純物プロファイルを最適化し、基板バイアス
係数(ΔVth/ΔVb)を大きくする必要がある。その
ため、SSRG(Super Step Retrograded)チャネルや
カウンターイオン注入を用いた埋め込みチャネル構造の
採用が必要となる。
However, in order to sufficiently reduce Vth, it is necessary to optimize the impurity profile of the channel and increase the substrate bias coefficient (ΔVth / ΔVb). Therefore, it is necessary to adopt an SSRG (Super Step Retrograded) channel or a buried channel structure using counter ion implantation.

【0044】また、図12は、第2の実施形態の変形例
の構成を示す図である。図12に示すように、第1層目
のメタル301の上に形成された第2層目のメタルがバ
リアメタル303と主材料(Ru,Alなど)302の
積層膜により構成されている。バリアメタル303によ
り、メタル302とSi基板が反応したり、相互拡散す
るのを防ぐことができる。
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a modification of the second embodiment. As shown in FIG. 12, the second-layer metal formed on the first-layer metal 301 is composed of a laminated film of a barrier metal 303 and a main material (Ru, Al, etc.) 302. The barrier metal 303 can prevent the metal 302 and the Si substrate from reacting or interdiffusing.

【0045】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変
形して実施することが可能である。
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various modifications without departing from the gist thereof.

【0046】[0046]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ゲ
ート電極が金属材料で構成されているため、メタル電極
と半導体基板の電気的接続が他の材料を介さずに直接行
われるので、コンタクト電極を形成する必要が無く、製
造工程が簡略化される。
As described above, according to the present invention, since the gate electrode is made of a metal material, the electrical connection between the metal electrode and the semiconductor substrate is made directly without any other material. There is no need to form a contact electrode, and the manufacturing process is simplified.

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

【図1】図1(a)は第1の実施形態に係わる半導体装
置の概略構成を示す平面図、図1(b)は同図(a)の
A−A’部の断面図、図1(c)は同図(a)のB−
B’部の断面図、図1(d)は同図(a)のC−C’部
の断面図。
FIG. 1A is a plan view showing a schematic configuration of a semiconductor device according to a first embodiment, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. (C) is B- in FIG.
FIG. 1D is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. 1A.

【図2】図1に示す半導体装置の構成をより詳細に示す
図。
FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the semiconductor device shown in FIG. 1 in more detail;

【図3】第2の実施形態に係わる半導体装置の概略構成
を示す図。
FIG. 3 is a diagram illustrating a schematic configuration of a semiconductor device according to a second embodiment;

【図4】第2の実施形態に係わる半導体装置の製造工程
を示す工程断面図。
FIG. 4 is a process sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment;

【図5】第2の実施形態に係わる半導体装置の製造工程
を示す工程断面図。
FIG. 5 is a process cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment.

【図6】第2の実施形態に係わる半導体装置の製造工程
を示す工程断面図。
FIG. 6 is a process cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment.

【図7】第2の実施形態に係わる半導体装置の製造工程
を示す工程断面図。
FIG. 7 is a process sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment;

【図8】第2の実施形態に係わる半導体装置の製造工程
を示す工程断面図。
FIG. 8 is a process cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment.

【図9】第2の実施形態に係わる半導体装置の製造工程
を示す工程断面図。
FIG. 9 is a process cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment.

【図10】第2の実施形態に係わる半導体装置の製造工
程を示す工程断面図。
FIG. 10 is a process cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment.

【図11】第2の実施形態に係わる半導体装置の製造工
程を示す工程断面図。
FIG. 11 is a process cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment.

【図12】第2の実施形態に係わる半導体装置の変形例
の構成を示す図。
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a modification of the semiconductor device according to the second embodiment.

【図13】従来の半導体装置の概略構成を示す図。FIG. 13 is a diagram showing a schematic configuration of a conventional semiconductor device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100…シリコン基板 101…ゲート絶縁膜 102…メタルゲート電極 103…ソース 104…ドレイン 105…p+ 拡散層領域 106…コンタクト孔REFERENCE SIGNS LIST 100 silicon substrate 101 gate insulating film 102 metal gate electrode 103 source 104 drain 105 p + diffusion layer region 106 contact hole

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/78 301P 301S Fターム(参考) 4M104 AA01 BB04 BB30 BB33 CC05 DD03 DD15 DD16 DD23 DD26 DD43 DD75 EE03 EE16 FF18 GG09 GG10 HH20 5F048 AA09 AC03 BA01 BB04 BB09 BB12 BB14 BE03 BE09 BF02 BF17 BF18 5F140 AA40 AB03 AC10 BA01 BD11 BD12 BD13 BE01 BE03 BF10 BF11 BF15 BF17 BG04 BG08 BG14 BG36 BH15 BJ01 BJ05 BK02 BK25 CB04 CC01 CC03 CC12 CC15 CE07 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI theme coat ゛ (reference) H01L 29/78 301P 301S F term (reference) 4M104 AA01 BB04 BB30 BB33 CC05 DD03 DD15 DD16 DD23 DD26 DD43 DD75 EE03 EE16 FF18 GG09 GG10 HH20 5F048 AA09 AC03 BA01 BB04 BB09 BB12 BB14 BE03 BE09 BF02 BF17 BF18 5F140 AA40 AB03 AC10 BA01 BD11 BD12 BD13 BE01 BE03 BF10 BF11 BF15 BF17 BG04 BG08 BG14 BG36 CC03 B0515 CC04

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板と、 この半導体基板上の一部に形成され、チャネル領域では
ゲート絶縁膜となり、該チャネル領域以外の領域の一部
で該基板の表面が露出するコンタクト孔を具備する絶縁
膜と、 この絶縁膜上に形成され、前記ゲート絶縁膜上ではゲー
ト電極となり、前記コンタクト孔において前記半導体基
板と直接接続し、金属材料から構成されるメタル電極
と、 前記チャネル領域を挟むように、前記半導体基板に形成
されたソース及びドレインとを具備してなることを特徴
とする半導体装置。
1. A semiconductor substrate comprising: a semiconductor substrate; and a contact hole formed in a part of the semiconductor substrate, serving as a gate insulating film in a channel region, and exposing a surface of the substrate in a part of a region other than the channel region. An insulating film, formed on the insulating film, serving as a gate electrode on the gate insulating film, being directly connected to the semiconductor substrate in the contact hole, and sandwiching the metal electrode made of a metal material and the channel region. And a source and a drain formed on the semiconductor substrate.
【請求項2】前記メタル電極は2層以上の金属層で構成
され、 前記メタル電極を構成する最下層の金属層は前記絶縁膜
上だけに形成され、前記メタル電極を構成する下から2
層目以降の金属層と前記半導体基板とが直接接続してい
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 metal electrode is formed of two or more metal layers, and a lowermost metal layer forming the metal electrode is formed only on the insulating film.
The semiconductor device according to claim 1, wherein a metal layer after the first layer and the semiconductor substrate are directly connected.
【請求項3】半導体基板上のゲート電極が形成される領
域にダミーゲートを形成する工程と、 前記ダミーゲートをマスクに用いて前記半導体基板に不
純物イオンを導入して、ソース及びドレインを形成する
工程と、 前記半導体基板上、且つ前記ダミーゲートの周囲に絶縁
膜を形成する工程と、 前記ダミーゲートを除去して側壁が前記絶縁膜からなる
ゲート溝を形成する工程と、 前記ゲート溝の底面にゲート絶縁膜を形成する工程と、 前記ゲート絶縁膜上に、1層以上で構成された第1の金
属層を形成する工程と、 第1の金属層及びゲート絶縁膜をパターニングし、前記
半導体基板の表面が露出するコンタクト孔を形成する工
程と、 前記ゲート溝内に1層以上で構成された第2の金属層を
形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製
造方法。
3. A step of forming a dummy gate in a region on the semiconductor substrate where a gate electrode is formed, and forming a source and a drain by introducing impurity ions into the semiconductor substrate using the dummy gate as a mask. Forming an insulating film on the semiconductor substrate and around the dummy gate; removing the dummy gate to form a gate groove having a side wall made of the insulating film; and a bottom surface of the gate groove. Forming a first metal layer composed of one or more layers on the gate insulating film; patterning the first metal layer and the gate insulating film to form the semiconductor; Forming a contact hole exposing the surface of the substrate; and forming a second metal layer composed of at least one layer in the gate groove. Manufacturing method.
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