JP2002299610A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

Semiconductor device and method of manufacturing the same

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JP2002299610A
JP2002299610A JP2001098494A JP2001098494A JP2002299610A JP 2002299610 A JP2002299610 A JP 2002299610A JP 2001098494 A JP2001098494 A JP 2001098494A JP 2001098494 A JP2001098494 A JP 2001098494A JP 2002299610 A JP2002299610 A JP 2002299610A
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metal
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semiconductor device
gate
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Koji Matsuo
浩司 松尾
Tomohiro Saito
友博 齋藤
Kyoichi Suguro
恭一 須黒
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Toshiba Corp
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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To control a work function of a gate electrode without causing the deterioration in characteristics of a gate insulation film, in a damascene type MIS transistor. SOLUTION: Indium ions are implanted into a TiN film 10 which is the gate electrode on the condition that they do not reach the gate insulation film 9, to form an In ion implanted layer 12 in the TiN film 10. Then, the indium ions in the In ion implanted layer 12 are diffused to form an In deposition layer 13 near an interface between the TiN film 10 and the gate insulation film 9.

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、ゲート電極等の電
極およびその形成方法に特徴がある半導体装置およびそ
の製造方法に関する。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a semiconductor device characterized by an electrode such as a gate electrode and a method of forming the same, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】最近、微細化に有利なトランジスタの一
つとして、ダマシンゲート型MISトランジスタが注目
されている。その理由は、ソース/ドレイン領域中の不
純物を活性化するためのアニールを終えてから、ゲート
絶縁膜、ゲート電極を形成することができ、耐熱性が低
い高誘電体膜をゲート絶縁膜として利用できるからであ
る。さらに、ダマシンプロセスによりメタルを主成分と
するゲート電極(メタルゲート電極)を容易に形成でき
ることも理由の一つである。
2. Description of the Related Art Recently, a damascene gate MIS transistor has attracted attention as one of the transistors advantageous for miniaturization. The reason is that after annealing for activating impurities in the source / drain regions is completed, a gate insulating film and a gate electrode can be formed, and a high dielectric film having low heat resistance is used as the gate insulating film. Because you can. Another reason is that a gate electrode mainly composed of metal (metal gate electrode) can be easily formed by a damascene process.

【0003】同一基板上にnチャネル・ダマシンゲート
型MISトランジスタ(以下、nMISと略記)とpチ
ャネル・ダマシンゲート型MISトランジスタ(以下、
pMISと略記)を形成する場合、ゲートの仕事関数を
調整し、しきい値電圧(Vth)を制御する必要がある。
An n-channel damascene gate MIS transistor (hereinafter abbreviated as nMIS) and a p-channel damascene gate MIS transistor (hereinafter abbreviated as nMIS) are formed on the same substrate.
When forming pMIS, it is necessary to adjust the work function of the gate and control the threshold voltage (V th ).

【0004】通常は、nMISとpMISとで同じ材料
のメタルゲート電極を使用する。したがって、そのまま
ではメタルゲート電極の仕事関数は固定され、nMIS
とpMISを作り分けることはできない。
Usually, a metal gate electrode of the same material is used for nMIS and pMIS. Therefore, the work function of the metal gate electrode is fixed as it is, and nMIS
And pMIS cannot be made separately.

【0005】そこで、nMISのメタルゲート電極中に
窒素イオンを選択的に注入し、nMISのメタルゲート
電極の仕事関数を調整することによって、nMISとp
MISを作り分ける方法が提案されている。この方法を
図23〜図30を用いて説明する。
Therefore, by selectively implanting nitrogen ions into the nMIS metal gate electrode and adjusting the work function of the nMIS metal gate electrode, nMIS and pMIS are adjusted.
A method for separately producing MIS has been proposed. This method will be described with reference to FIGS.

【0006】工程0−1(図23) まず、周知のSTI(Shallow Trench Isolation)技術
を用いて、シリコン基板80の表面に素子分離領域81
を形成する。次に将来除去されるダミーゲートとして、
例えば6nm程度のシリコン酸化膜82、150nm程
度または200程度のポリシリコン膜83、50nm程
度または40nm程度の第1のシリコン窒化膜84から
なる積層膜を、酸化技術、CVD技術、リソグラフィー
技術およびRIE技術を用いて形成する。次にイオン注
入技術およびアニール技術を用いて、エクステンション
領域(LDD領域とも呼ばれる)85を形成した後、ゲ
ート側壁としての幅が40nm程度の第2のシリコン窒
化膜86をCVD技術とRIE技術を用いた、いわゆる
側壁残し技術により形成する。
Step 0-1 (FIG. 23) First, using a well-known STI (Shallow Trench Isolation) technique, an element isolation region 81 is formed on the surface of a silicon substrate 80.
To form Next, as a dummy gate to be removed in the future,
For example, a laminated film composed of a silicon oxide film 82 of about 6 nm, a polysilicon film 83 of about 150 nm or about 200, and a first silicon nitride film 84 of about 50 nm or about 40 nm is formed by oxidation, CVD, lithography and RIE. It is formed using. Next, an extension region (also referred to as an LDD region) 85 is formed by using an ion implantation technique and an annealing technique, and then a second silicon nitride film 86 having a width of about 40 nm as a gate side wall is formed by using a CVD technique and an RIE technique. It is formed by a so-called sidewall leaving technique.

【0007】工程0−2(図24) 次にイオン注入技術およびアニール技術を用いて、エク
ステンション領域85よりも不純物濃度が高く、かつ接
合深さが深いソース/ドレイン領域87を形成した後、
サリサイド・プロセス技術を用い、さらにダミーゲート
をマスクに用いて、ソース/ドレイン領域87上にのみ
40nm程度のコバルトシリサイド膜またはチタンシリ
サイド膜等の金属シリサイド膜88を形成する。
Step 0-2 (FIG. 24) Next, after forming the source / drain region 87 having a higher impurity concentration and a deeper junction depth than the extension region 85 by using ion implantation technology and annealing technology,
Using a salicide process technique and using a dummy gate as a mask, a metal silicide film 88 such as a cobalt silicide film or a titanium silicide film of about 40 nm is formed only on the source / drain regions 87.

【0008】工程0−3(図25) 次に層間絶縁膜として例えばシリコン酸化膜89をCV
D法により全面に堆積した後、CMP技術により平坦化
を行うことにより、ダミーゲートの最上層である第1の
シリコン窒化膜84およびゲート側壁である第2のシリ
コン窒化膜86の表面を露出させる。シリコン酸化膜8
9の膜厚は例えば300nmである。
Step 0-3 (FIG. 25) Next, for example, a silicon oxide film 89 is formed as an interlayer insulating film by CV.
After the entire surface is deposited by the method D, the surface of the first silicon nitride film 84 which is the uppermost layer of the dummy gate and the surface of the second silicon nitride film 86 which is the gate side wall are exposed by planarization by the CMP technique. . Silicon oxide film 8
The film thickness of No. 9 is, for example, 300 nm.

【0009】工程0−4(図26) 次に例えば熱燐酸処理により、ダミーゲートの最上層で
ある第1のシリコン窒化膜84を層間絶縁膜であるシリ
コン酸化膜89に対して選択的に除去する。このとき
に、ゲート側壁である第2のシリコン窒化膜86も、ダ
ミーゲートの中央層であるポリシリコン膜83の高さ程
度までエッチングされる。次に例えばCDE(Chemical
Dry Etching)技術を用いて、ダミーゲートの中央層で
あるポリシリコン膜83を層間絶縁膜であるシリコン酸
化膜89、ゲート側壁である第2のシリコン窒化膜86
に対して選択的に除去する。
Step 0-4 (FIG. 26) Next, the first silicon nitride film 84 which is the uppermost layer of the dummy gate is selectively removed from the silicon oxide film 89 which is an interlayer insulating film by, for example, hot phosphoric acid treatment. I do. At this time, the second silicon nitride film 86 which is the gate side wall is also etched to the height of the polysilicon film 83 which is the center layer of the dummy gate. Next, for example, CDE (Chemical
Using a dry etching technique, the polysilicon film 83 as the center layer of the dummy gate is replaced with a silicon oxide film 89 as an interlayer insulating film, and a second silicon nitride film 86 as a gate sidewall.
To be selectively removed.

【0010】工程0−5(図27) 次に希弗酸処理により、ダミーゲートの最下層であるシ
リコン酸化膜82を除去し、層間絶縁膜であるシリコン
酸化膜89にゲートを作り込む開口部(ゲート溝)を形
成する。次にCVD法等により、高誘電体材料であるT
i02 からなるゲート絶縁膜90を全面に形成し、続い
てゲート絶縁膜90上に第1のゲート電極としてのTi
N膜91をCVD法により10nm程度堆積する。Ti
N膜91はバリアメタルの役割も果たす。ここまでの工
程0−1〜0−5は、nMISとpMISともに同じで
ある。
Step 0-5 (FIG. 27) Next, the silicon oxide film 82, which is the lowermost layer of the dummy gate, is removed by dilute hydrofluoric acid treatment, and an opening for forming a gate in the silicon oxide film 89, which is an interlayer insulating film. (Gate groove) is formed. Next, a high dielectric material T
A gate insulating film 90 made of iO 2 is formed on the entire surface, and then a Ti as a first gate electrode is formed on the gate insulating film 90.
An N film 91 is deposited to a thickness of about 10 nm by a CVD method. Ti
The N film 91 also plays a role of a barrier metal. Steps 0-1 to 0-5 so far are the same for both nMIS and pMIS.

【0011】工程0−6(図28) この図28からはnMISとpMISの両方を示す。各
図の左側はnMIS形成領域、右側はpMIS形成領域
をそれぞれ示している。本工程では、リソグラフィー技
術を用いて、nMIS形成領域上にのみ開口部を有する
レジスト92を形成する。
Step 0-6 (FIG. 28) FIG. 28 shows both nMIS and pMIS. The left side of each figure shows an nMIS formation region, and the right side shows a pMIS formation region. In this step, a resist 92 having an opening only on the nMIS formation region is formed by using a lithography technique.

【0012】工程0−7(図29) 次にレジスト92をマスクに用いて窒素のイオン注入を
行って、nMIS形成領域のTiN膜91とゲート絶縁
膜90との界面付近に窒素濃度が高いTiN層93を選
択的に形成する。加速電圧の条件は例えば約3keVに
設定する。この条件の場合、TiN膜91の表面から1
0nmの深さの所で窒素濃度がピークとなる。これによ
り、上記界面付近に窒素濃度が高いTiN層93を形成
することができる。
Step 0-7 (FIG. 29) Next, nitrogen ions are implanted using the resist 92 as a mask, and TiN having a high nitrogen concentration is formed near the interface between the TiN film 91 and the gate insulating film 90 in the nMIS formation region. The layer 93 is selectively formed. The condition of the acceleration voltage is set to, for example, about 3 keV. Under this condition, the distance from the surface of the TiN film 91 is 1
The nitrogen concentration peaks at a depth of 0 nm. Thereby, the TiN layer 93 having a high nitrogen concentration can be formed near the interface.

【0013】ここで、窒素イオンの注入方向がシリコン
基板80の表面に対して垂直な方向であると、ゲート溝
の側面にTiN膜91が形成されているので、TiN膜
91が形成されているゲート溝の底面には窒素イオンが
注入され難い。すなわち、TiN膜91の底面全体に窒
素イオンを注入することは困難である。
Here, if the nitrogen ion implantation direction is perpendicular to the surface of the silicon substrate 80, the TiN film 91 is formed on the side surface of the gate groove, so that the TiN film 91 is formed. It is difficult to implant nitrogen ions into the bottom of the gate groove. That is, it is difficult to implant nitrogen ions into the entire bottom surface of the TiN film 91.

【0014】TiN膜91の底面全体に窒素イオンを注
入するためには、窒素イオンの注入方向を、シリコン基
板80の表面に対して垂直な方向から数度傾けた方向に
設定すると良い。
In order to implant nitrogen ions into the entire bottom surface of the TiN film 91, the direction of implanting nitrogen ions is preferably set at a direction inclined several degrees from a direction perpendicular to the surface of the silicon substrate 80.

【0015】工程0−8(図30) 次にレジスト92を除去する。次にCVD法等により第
2のゲート電極としてのタングステン(W)膜94をゲ
ート溝を埋め込むように全面に成膜した後、ゲート溝外
の不要なW膜94、TiN膜91等をCMP技術により
除去するとともに、表面を平坦化してW膜94をゲート
溝内に埋め込む。ゲート電極をTiN膜91とW膜94
の積層膜とした理由は、TiN膜91を厚くしても、ゲ
ート抵抗を十分に下げることができないからである。
Step 0-8 (FIG. 30) Next, the resist 92 is removed. Next, after a tungsten (W) film 94 as a second gate electrode is formed on the entire surface so as to fill the gate groove by a CVD method or the like, the unnecessary W film 94, TiN film 91, etc. outside the gate groove are formed by a CMP technique. And the surface is planarized to bury the W film 94 in the gate groove. The gate electrode is made of TiN film 91 and W film 94
This is because the gate resistance cannot be sufficiently reduced even if the TiN film 91 is made thick.

【0016】以上の工程0−1〜0−8により、nMI
S形成領域のゲート電極の窒素濃度をpMIS形成領域
のゲート電極の窒素濃度よりも高くできるため、nMI
S形成領域のゲート電極の仕事関数をpMIS形成領域
のゲート電極の仕事関数よりも低くできる。具体的には
0.1eV程度低くできる。これにより、nMISおよ
びpMISをの作り分けが可能となる。
By the above steps 0-1 to 0-8, nMI
Since the nitrogen concentration of the gate electrode in the S formation region can be higher than the nitrogen concentration of the gate electrode in the pMIS formation region,
The work function of the gate electrode in the S formation region can be lower than the work function of the gate electrode in the pMIS formation region. Specifically, it can be lowered by about 0.1 eV. This makes it possible to separately produce nMIS and pMIS.

【0017】しかし、この方法には次のような問題があ
る。工程0−7における窒素イオンの加速電圧は、Ti
N膜91とゲート絶縁膜90との界面付近において窒素
濃度がピークになるように設定するのが望ましい。その
理由は、より少ないイオン注入濃度で効率的に界面のT
iN膜91の仕事関数を変化させるためである。
However, this method has the following problems. The accelerating voltage of nitrogen ions in step 0-7 is Ti
It is desirable that the nitrogen concentration be set so as to peak near the interface between the N film 91 and the gate insulating film 90. The reason is that the lower the ion implantation concentration, the more efficiently the interface T
This is for changing the work function of the iN film 91.

【0018】この様子を、図31に示す。図31は図2
9のnMIS形成領域のゲート部の断面拡大図である。
図31に示すように、窒素濃度が高いTiN層93は、
ゲート絶縁膜90の上部の窒素イオンが注入された領域
95と接するようにように形成されている。
FIG. 31 shows this state. FIG. 31 shows FIG.
9 is an enlarged cross-sectional view of a gate portion of an nMIS formation region of FIG.
As shown in FIG. 31, the TiN layer 93 having a high nitrogen concentration
The gate insulating film 90 is formed so as to be in contact with the region 95 into which nitrogen ions have been implanted.

【0019】ここで、イオン注入された窒素は深さ方向
に濃度の広がりがあるため、TiN膜91とゲート絶縁
膜90との界面付近が窒素の濃度のピークとなるよう
に、窒素のイオン注入を行うと、図31に示したよう
に、ゲート絶縁膜90中にまで窒素がイオン注入されて
しまう。すなわち、ゲート絶縁膜90は、窒素のイオン
注入によってダメージを受けて、絶縁性や信頼性が劣化
してしまう。
Since the ion-implanted nitrogen has a concentration increase in the depth direction, the nitrogen ion-implantation is performed so that the nitrogen concentration peaks near the interface between the TiN film 91 and the gate insulating film 90. In this case, as shown in FIG. 31, nitrogen is ion-implanted into the gate insulating film 90. That is, the gate insulating film 90 is damaged by the ion implantation of nitrogen, and the insulating property and the reliability are deteriorated.

【0020】このように仕事関数を効率的に変化させる
ためには、TiN膜91とゲート絶縁膜90との界面付
近の窒素濃度を高くすることが必要であるので、この界
面近傍で窒素濃度がピークとなるようにイオン注入する
ことが望ましいが、一方で、ゲート絶縁膜の劣化を防ぐ
には界面付近に選択的にイオン注入を行うことはできな
いという本質的に矛盾する問題がある。
In order to efficiently change the work function, it is necessary to increase the nitrogen concentration near the interface between the TiN film 91 and the gate insulating film 90. Although it is desirable to perform ion implantation so as to have a peak, on the other hand, there is an essentially contradictory problem that it is not possible to selectively perform ion implantation near the interface in order to prevent deterioration of the gate insulating film.

【0021】一般に、高駆動力用のMIS型トランジス
タでは0.4V以下のしきい値電圧が要求されている。
そのため、上記nMISのゲート電極の仕事関数は4.
2eV程度以下が望ましい。しかし、上述した従来技術
による仕事関数の変化量はたかだか0.1eV程度であ
るため、これを満たすことはできない。
Generally, a threshold voltage of 0.4 V or less is required for a MIS transistor for a high driving force.
Therefore, the work function of the gate electrode of the nMIS is 4.
It is desirable to be about 2 eV or less. However, since the change amount of the work function according to the above-described conventional technique is at most about 0.1 eV, it cannot be satisfied.

【0022】[0022]

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、ダマシン
ゲート型MISトランジスタのしきい値電圧を制御する
方法として、メタルゲート電極中に窒素イオンを注入
し、メタルゲート電極の仕事関数を調整することが提案
されていた。しかし、この方法では、ゲート絶縁膜の絶
縁性や信頼性の低下を招くことなく、メタルゲート電極
の仕事関数を効率的に変えることができないという問題
があった。
As described above, as a method of controlling the threshold voltage of a damascene gate MIS transistor, nitrogen ions are implanted into a metal gate electrode to adjust the work function of the metal gate electrode. Had been proposed. However, this method has a problem that the work function of the metal gate electrode cannot be changed efficiently without lowering the insulation and reliability of the gate insulating film.

【0023】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、金属を含む電極の仕事
関数を、該電極下の領域に悪影響を与えることなく変え
ることができる半導体装置およびその製造方法を提供す
ることにある。
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and has as its object to change the work function of an electrode containing a metal without adversely affecting a region under the electrode. An object of the present invention is to provide an apparatus and a method of manufacturing the same.

【0024】[0024]

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下
記の通りである。すなわち、上記目的を達成するため
に、本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半
導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成
された電極とを備え、前記電極はその下面を含む1の領
域およびこの第1の領域上に形成された第2の領域を有
し、前記第1の領域が所定の物質から形成され、前記第
2の領域が金属、または金属と窒素を含む金属化合物か
ら形成されていることを特徴とする。
SUMMARY OF THE INVENTION Among the inventions disclosed in the present application, typical ones are briefly described as follows. That is, in order to achieve the above object, a semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, an insulating film formed on the semiconductor substrate, and an electrode formed on the insulating film, wherein the electrode is A first region including a lower surface thereof and a second region formed on the first region, wherein the first region is formed of a predetermined substance, and the second region is formed of a metal or a metal. It is characterized by being formed from a metal compound containing nitrogen.

【0025】上記本発明に係る半導体装置は、例えば次
のような本発明に係る他の半導体装置の製造方法により
製造することができる。本発明に係る半導体装置の製造
方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記
絶縁膜上に電極としての、金属、または金属と窒素を含
む金属化合物からなる金属含有膜を形成する工程と、前
記絶縁膜中に所定の物質を導入しないように、前記金属
含有膜に前記所定の物質を導入する工程と、熱処理によ
り前記所定の物質を拡散させ、前記金属含有と前記絶縁
膜との界面およびこの界面と接した領域上の前記金属含
有膜中に、前記所定の物質からなる領域を形成する工程
とを有することを特徴とする。
The semiconductor device according to the present invention can be manufactured by, for example, the following method for manufacturing another semiconductor device according to the present invention. In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of forming an insulating film on a semiconductor substrate, and forming a metal-containing film made of a metal or a metal compound containing metal and nitrogen as an electrode on the insulating film A step of introducing the predetermined substance into the metal-containing film so as not to introduce a predetermined substance into the insulating film, and diffusing the predetermined substance by heat treatment to form the metal-containing and insulating film. Forming a region made of the predetermined substance in the metal-containing film on the interface and the region in contact with the interface.

【0026】上記半導体装置の製造方法では、絶縁膜中
に所定の物質を導入しないように、金属含有膜に所定の
物質を形成している。この所定の物質は、熱拡散によ
り、金属含有膜の絶縁膜との界面付近に析出させること
ができ、これにより金属含有膜の仕事関数を調整できる
ようになる。
In the above-described method for manufacturing a semiconductor device, a predetermined substance is formed on a metal-containing film so as not to introduce a predetermined substance into an insulating film. This predetermined substance can be deposited near the interface between the metal-containing film and the insulating film by thermal diffusion, whereby the work function of the metal-containing film can be adjusted.

【0027】ここで、従来技術とは異なり、ゲート絶縁
膜(上記絶縁膜に相当)中に金属イオン(上記所定の物
質に相当)が注入されることはないので、ゲート絶縁膜
等の絶縁膜に悪影響を与えることなく、メタルゲート電
極等の電極の仕事関数を変えることができるようにな
る。
Here, unlike the prior art, no metal ions (corresponding to the above-mentioned predetermined substance) are implanted into the gate insulating film (corresponding to the above-mentioned insulating film), so that the insulating film such as the gate insulating film or the like is not provided. It is possible to change the work function of an electrode such as a metal gate electrode without adversely affecting the performance.

【0028】また、本発明に係る他の半導体装置の製造
方法は、半導体基板上に電極としての、金属、または金
属と窒素を含む金属化合物からなる金属含有膜を形成す
る工程と、前記金属膜上にバッファ層を形成する工程
と、前記バッファ層中にイオンを注入するか、または前
記バッファ層を介して前記金属含有膜中にイオンを注入
する工程とを有することを特徴とする。
According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a metal-containing film made of a metal or a metal compound containing metal and nitrogen on a semiconductor substrate; Forming a buffer layer thereon; and implanting ions into the buffer layer or implanting ions into the metal-containing film via the buffer layer.

【0029】本発明において、バッファ層とは注入され
るイオンを減速させる効果を有する膜、または前記イオ
ンを保持し、熱処理によって前記イオンを拡散させる能
力を有する膜のことである。
In the present invention, the buffer layer is a film having an effect of slowing down the ions to be implanted, or a film having the ability to retain the ions and diffuse the ions by heat treatment.

【0030】上記半導体装置の製造方法によれば、イオ
ンの加速電圧を高くしても、バッファ層を厚くすれば、
イオンが金属化合物膜下の領域(例えばゲート絶縁膜)
中に注入されることを防止できる。すなわち、スループ
ットの低下を防止するために、イオンの加速電圧を高く
しても、金属化合物膜下の領域にダメージを与えずに済
む。
According to the method of manufacturing a semiconductor device, even if the acceleration voltage of ions is increased, if the buffer layer is thickened,
The region where the ions are below the metal compound film (eg gate insulating film)
It can be prevented from being injected inside. That is, even if the acceleration voltage of ions is increased in order to prevent a decrease in throughput, damage to the region below the metal compound film can be avoided.

【0031】そして、バッファ層にイオンを注入した場
合には、熱処理を行えば、バッファ層中のイオンを熱拡
散により金属化合物膜中にのみに導入でき、これにより
金属化合物膜の仕事関数を調整できるようになる。
When ions are implanted into the buffer layer, heat treatment allows ions in the buffer layer to be introduced only into the metal compound film by thermal diffusion, thereby adjusting the work function of the metal compound film. become able to.

【0032】本発明の上記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記載および添付図面によって明ら
かになるであろう。
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態(以下、実施形態という)を説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0034】(第1の実施形態)図1〜図7は、本発明
の第1の実施形態に係るnMISおよびpMIS(CM
ISトランジスタ)の製造方法を説明するための断面図
である。
(First Embodiment) FIGS. 1 to 7 show an nMIS and a pMIS (CM) according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view for describing the method for manufacturing the IS transistor.

【0035】工程1−1(図1) まず、従来技術と同様に工程01−05までの工程を行
うことで、シリコン基板1に素子分離領域2、シリコン
酸化膜3(ダミーゲートの最下層の絶縁膜の残り)、エ
クステンション領域4、ソース/ドレイン領域5、金属
シリサイド膜6、第1のシリコン窒化膜(層間絶縁膜)
7、第2のシリコン窒化膜(ゲート側壁)8、ゲート絶
縁膜9、TiN膜(第1のゲート電極)10を形成す
る。ここまでのプロセスはnMISとpMISともに同
じである。
Step 1-1 (FIG. 1) First, the steps up to step 01-05 are performed in the same manner as in the prior art, so that the element isolation region 2, the silicon oxide film 3 (the lowermost layer of the dummy gate) (Remaining insulating film), extension region 4, source / drain region 5, metal silicide film 6, first silicon nitride film (interlayer insulating film)
7, a second silicon nitride film (gate side wall) 8, a gate insulating film 9, and a TiN film (first gate electrode) 10 are formed. The process up to this point is the same for both nMIS and pMIS.

【0036】ここで、金属シリサイド膜6は、コバルト
シリサイド膜またはチタンシリサイド膜等の単層膜で良
い。また、ゲート絶縁膜9は、Ti02 等の高誘電体材
料からなる膜でも良いし、あるいはゲート溝の底面に露
出している基板表面を酸化して形成したシリコン酸化膜
でも良い。
Here, the metal silicide film 6 may be a single layer film such as a cobalt silicide film or a titanium silicide film. Further, the gate insulating film 9, Ti0 may be a film of high dielectric material 2 or the like, or may be a silicon oxide film formed by oxidizing the substrate surface which is exposed on the bottom of the gate trench.

【0037】また、ダミーゲートの形成前に、必要に応
じてnMIS形成領域とpMIS形成領域とにそれぞれ
イオン注入を行った後に活性化アニールを行うことで、
トランジスタのチャネル領域の不純物濃度の調整を行っ
ても良い。
Before the formation of the dummy gate, activation annealing is performed after ion implantation into the nMIS formation region and the pMIS formation region as necessary, respectively.
The impurity concentration of the channel region of the transistor may be adjusted.

【0038】また、この種のチャネルイオン注入は、通
常のMOSプロセスでは、ソース/ドレインやゲートの
形成前に行われるが、ダマシンゲートプロセスでは、ダ
ミーゲートを除去してゲート溝を形成した後でも、ゲー
ト形成前であれば不純物イオンを注入することができる
ため、必ずしもソース/ドレインやダミーゲートの形成
前に行う必要はない。
In a normal MOS process, this type of channel ion implantation is performed before forming a source / drain or a gate. In a damascene gate process, even after a dummy gate is removed and a gate groove is formed. Since impurity ions can be implanted before the gate is formed, it is not always necessary to perform the process before the formation of the source / drain and the dummy gate.

【0039】ただし、本発明の場合、基本的には、ゲー
ト電極に金属イオンを注入して、しきい値電圧を制御す
るので、上記チャネル領域の不純物濃度の調整は必須で
はない。
However, in the case of the present invention, basically, metal ions are implanted into the gate electrode to control the threshold voltage. Therefore, it is not essential to adjust the impurity concentration of the channel region.

【0040】また、素子分離領域2の形成方法は、例え
ば以下の通りである。まず、シリコン基板1上にバッフ
ァ酸化膜を介してマスクとなるシリコン窒化膜を堆積す
る。次に上記シリコン窒化膜上に素子分離領域2となる
領域に開口部を有するレジストパターンを形成し、この
レジストパターンをマスクにして上記シリコン窒化膜を
RIE(Reactive Ion Etching)法によりエッチングす
ることにより、上記レジストパターンを上記シリコン窒
化膜に転写する。次に上記レジストパターンおよびシリ
コン窒化膜をマスクとして、素子分離領域2となる領域
のシリコン基板1の表面をエッチングし、浅いトレンチ
を基板表面に形成する。次に上記レジストパターンを除
去した後、上記浅いトレンチを埋め込むようにシリコン
酸化膜などの絶縁膜を全面に堆積する。次にこの絶縁膜
をCMP(Chemical MechanicalPolishing)により研磨
するとともに、マスクである上記シリコン窒化膜の上面
まで平坦化する。その後、上記シリコン窒化膜とバッフ
ァ酸化膜を除去することで、図に示した素子分離領域2
が完成する。
The method of forming the element isolation region 2 is, for example, as follows. First, a silicon nitride film serving as a mask is deposited on the silicon substrate 1 via a buffer oxide film. Next, a resist pattern having an opening in a region to be the element isolation region 2 is formed on the silicon nitride film, and the silicon nitride film is etched by RIE (Reactive Ion Etching) using the resist pattern as a mask. Then, the resist pattern is transferred to the silicon nitride film. Next, using the resist pattern and the silicon nitride film as a mask, the surface of the silicon substrate 1 in a region to be the element isolation region 2 is etched to form a shallow trench on the substrate surface. Next, after removing the resist pattern, an insulating film such as a silicon oxide film is deposited on the entire surface so as to fill the shallow trench. Next, the insulating film is polished by CMP (Chemical Mechanical Polishing), and is flattened to the upper surface of the silicon nitride film serving as a mask. Thereafter, by removing the silicon nitride film and the buffer oxide film, the element isolation region 2 shown in FIG.
Is completed.

【0041】工程1−2(図2) この図2からはnMISとpMISの両方を示す。図中
の左側はnMIS形成領域、右側はpMIS形成領域を
示している。本工程では、リソグラフィー技術を用い
て、nMIS形成領域上にのみ開口部を有するレジスト
11を形成する。
Step 1-2 (FIG. 2) FIG. 2 shows both nMIS and pMIS. In the figure, the left side shows an nMIS formation region, and the right side shows a pMIS formation region. In this step, a resist 11 having an opening only on the nMIS formation region is formed by using a lithography technique.

【0042】工程1−3(図3) 従来技術ではここで窒素のイオン注入を行ったが、本発
明ではここでインジウムのイオン注入を行う。このイオ
ン注入はレジスト11をマスクにして行う。ここでのイ
オン注入時の加速電圧は、従来技術と異なり、インジウ
ムイオンがTiN膜10中には注入されるが、ゲート絶
縁膜9中には注入されいないように設定する。これによ
り、nMIS形成領域のTiN膜10中にインジウムの
イオン注入層(Inイオン注入層)12が選択的に形成
される。
Step 1-3 (FIG. 3) In the prior art, nitrogen ions are implanted here, but in the present invention, indium ions are implanted here. This ion implantation is performed using the resist 11 as a mask. The acceleration voltage at the time of ion implantation is set so that indium ions are implanted into the TiN film 10 but are not implanted into the gate insulating film 9 unlike the prior art. Thus, an indium ion implantation layer (In ion implantation layer) 12 is selectively formed in the TiN film 10 in the nMIS formation region.

【0043】図4は、nMIS形成領域のゲート絶縁膜
9、TiN膜10およびInイオン注入層12の断面を
拡大した模式図である。イオン注入濃度の深さ方向の広
がりの程度は、一般的にガウス分布で近似することがで
きる。そこで、Inイオン注入層12の深さ方向の濃度
分布をガウス分布で近似して、そのときのIn濃度のピ
ーク位置をRp、標準偏差を△Rpとし、図4に示し
た。また、図中、DはInイオン注入層12のIn濃度
のピーク位置Rpから、ゲート絶縁膜9とTiN膜10
との界面までの距離を示している。
FIG. 4 is an enlarged schematic diagram of a cross section of the gate insulating film 9, the TiN film 10, and the In ion implanted layer 12 in the nMIS formation region. Generally, the degree of spread of the ion implantation concentration in the depth direction can be approximated by a Gaussian distribution. Therefore, the concentration distribution in the depth direction of the In ion implanted layer 12 is approximated by a Gaussian distribution, and the peak position of the In concentration at that time is Rp, and the standard deviation is ΔRp, and is shown in FIG. In the figure, D denotes the gate insulating film 9 and the TiN film 10 from the peak position Rp of the In concentration of the In ion implanted layer 12.
It shows the distance to the interface with.

【0044】距離Dは望ましくは△Rp以上、さらに望
ましくは△Rpの3倍以上である。例えば、インジウム
のイオン注入のイオン加速電圧を1keVにすること
で、Rpはlnm程度、△Rpは0.3nm程度とな
る。TiN膜10の膜厚が10nmなので、距離Dは9
nmであり、上述の条件を十分に満たすことができる。
The distance D is desirably not less than ΔRp, and more desirably not less than three times ΔRp. For example, by setting the ion acceleration voltage for indium ion implantation to 1 keV, Rp becomes about 1 nm and ΔRp becomes about 0.3 nm. Since the thickness of the TiN film 10 is 10 nm, the distance D is 9
nm, which satisfies the above condition sufficiently.

【0045】また、インジウムのイオン注入濃度は5×
1014/cm2 以上が望ましい。これは、TiN膜10
の膜厚を5nmから50nm程度と想定した場合に、十
分なインジウムを析出させるために必要なドーズ量であ
る。また、従来技術の工程0−7で説明したように、イ
オン注入方向をシリコン基板1の表面に対して垂直な垂
線に方向に対して数度傾けて行うことが望ましい。
The ion implantation concentration of indium is 5 ×
It is preferably at least 10 14 / cm 2 . This is because the TiN film 10
Is a dose necessary for depositing a sufficient amount of indium, assuming a film thickness of about 5 nm to 50 nm. Further, as described in the step 0-7 of the prior art, it is desirable that the ion implantation direction is inclined at a few degrees with respect to the direction perpendicular to the surface of the silicon substrate 1.

【0046】工程1−4(図5) 次にレジスト11を除去した後、400℃程度の熱処理
を行う。この熱処理により、nMIS形成領域形成にお
いては、ゲート絶縁膜9とTiN膜10との界面および
TiN膜10の結晶粒界にイオン注入したインジウムが
析出する。その結果、TiN膜10はその下面を含む領
域および上記結晶粒界に析出層(In析出層)13を有
するようになる。
Step 1-4 (FIG. 5) Next, after removing the resist 11, a heat treatment at about 400 ° C. is performed. By this heat treatment, indium is implanted at the interface between the gate insulating film 9 and the TiN film 10 and at the crystal grain boundaries of the TiN film 10 in the formation of the nMIS formation region. As a result, the TiN film 10 has a precipitate layer (In precipitate layer) 13 in the region including the lower surface and in the crystal grain boundaries.

【0047】ここでは、熱処理の温度を400℃程度に
したが、200℃以上であれば、In析出層13を形成
できる。また、インジウム以外の物質をイオン注入する
場合にも200℃以上であれば一般には析出層を形成す
ることができる。また、上限は特にはないが現実的には
800℃以下が望ましい。
Here, the temperature of the heat treatment is set to about 400 ° C., but if it is 200 ° C. or more, the In precipitate layer 13 can be formed. In addition, when a substance other than indium is ion-implanted, a deposited layer can be generally formed at 200 ° C. or higher. Although there is no particular upper limit, 800 ° C. or lower is desirable in practice.

【0048】インジウムは4.1eV程度の仕事関数を
持つため、nMISのゲート電極として望ましい値とな
る。図6は、図5のnMIS形成領域形成の拡大図であ
り、TiN膜10とゲート絶縁膜9との界面にIn析出
層13が形成され、さらにTiN膜10の結晶粒界にも
In析出層13が形成された様子を模式的に示してい
る。
Since indium has a work function of about 4.1 eV, it has a desirable value as a gate electrode of nMIS. FIG. 6 is an enlarged view of the formation of the nMIS formation region in FIG. 5, in which an In precipitate layer 13 is formed at the interface between the TiN film 10 and the gate insulating film 9, and an In precipitate layer is also formed at the crystal grain boundary of the TiN film 10. 13 schematically shows a state in which 13 is formed.

【0049】工程1−5(図7) 次に従来の工程0−8と同様に、ゲートのシート抵抗を
下げるために、CVD法等により第2のゲート電極とし
てのW膜14(膜厚は例えば250nm程度)をゲート
溝を埋め込むように全面に堆積した後、ゲート溝外の不
要なW膜14、TiN膜10等をCMP技術により除去
するとともに、表面を平坦化してW膜14をゲート溝内
に埋め込む。
Step 1-5 (FIG. 7) Next, as in the conventional step 0-8, in order to reduce the sheet resistance of the gate, the W film 14 (having a thickness of (For example, about 250 nm) is deposited on the entire surface so as to fill the gate groove. Then, unnecessary W film 14, TiN film 10, etc. outside the gate groove are removed by the CMP technique, and the surface is flattened to form the W film 14 into the gate groove. Embed in

【0050】以上により、nMISはIn析出層13/
TiN膜10/W膜14、そしてpMISはTiN膜1
0/W膜14のゲート電極構造を持つCMISトランジ
スタが完成する。そして、In析出層13は仕事関数が
4.1eV程度、TiN膜10は4.6eV程度である
ため、特にnMISは最適な仕事関数のゲート電極にす
ることが可能になった。
As described above, the nMIS is composed of the In deposited layer 13 /
TiN film 10 / W film 14 and pMIS are TiN film 1
A CMIS transistor having the gate electrode structure of the 0 / W film 14 is completed. Since the work function of the In deposition layer 13 is about 4.1 eV and that of the TiN film 10 is about 4.6 eV, it is possible to use nMIS as a gate electrode having an optimum work function.

【0051】この後は、周知の方法に従って、全面に層
間絶縁膜を堆積する工程、この層間絶縁膜および第1の
シリコン窒化膜(層間絶縁膜)7にゲート、ソース/ド
レインに対するコンタクトホールを異方性エッチングに
より開口する工程、全面にAl膜またはCu膜等の金属
膜を堆積する工程、この金属膜を所望の形状にエッチン
グし、配線電極等を形成する工程等が続く。
Thereafter, according to a well-known method, a step of depositing an interlayer insulating film over the entire surface, and contact holes for the gate and the source / drain are formed in the interlayer insulating film and the first silicon nitride film (interlayer insulating film) 7. A step of forming an opening by anisotropic etching, a step of depositing a metal film such as an Al film or a Cu film on the entire surface, a step of etching the metal film into a desired shape, and forming a wiring electrode and the like follow.

【0052】図8は、本発明者らが行った実験結果であ
り、本発明および従来のMISキャパシタのC−V特性
を示している。
FIG. 8 shows the results of experiments conducted by the present inventors, and shows the CV characteristics of the present invention and the conventional MIS capacitor.

【0053】実験に用いた本発明のMOSキャパシタの
形成方法は次の通りである。まず、p型シリコン基板上
にゲート絶縁膜としての厚さ8nmのシリコン酸化膜、
ゲート電極としての厚さ50nmのTiN膜を順次形成
した。次にイオン加速電圧が5keV、ドーズ量が5×
1015/cm2 程度の条件でインジウムのイオン注入を
行った後、上記シリコン酸化膜およびTiN膜をゲート
加工する。そして最後に400℃程度の熱処理を行い、
本発明のMOSキャパシタが完成する。
The method of forming the MOS capacitor of the present invention used in the experiment is as follows. First, a silicon oxide film having a thickness of 8 nm as a gate insulating film on a p-type silicon substrate,
A TiN film having a thickness of 50 nm was sequentially formed as a gate electrode. Next, the ion acceleration voltage is 5 keV and the dose is 5 ×.
After ion implantation of indium under the condition of about 10 15 / cm 2 , the silicon oxide film and the TiN film are gate-processed. Finally, a heat treatment of about 400 ° C. is performed.
The MOS capacitor of the present invention is completed.

【0054】ここで、インジウムのイオン注入は、イン
ジウム濃度のピークがTiN膜の表面から5nm程度の
所になるようにした。すなわち、注入したインジウムイ
オンが、シリコン酸化膜とTiN膜との界面までに到達
しないようにした。
The indium ion implantation was performed so that the peak of the indium concentration was about 5 nm from the surface of the TiN film. That is, the implanted indium ions were prevented from reaching the interface between the silicon oxide film and the TiN film.

【0055】図8より、インジウムをイオン注入した本
発明のMOSキャパシタは、インジウムを注入していな
い従来のMOSキャパシタに比べて、フラットバンド電
圧が−0.5V程度変化していることが分かる。これ
は、本発明によれば、MOSキャパシタのゲート電極の
仕事関数を従来よりも0.5eV程度小さくできること
を示している。
FIG. 8 shows that the MOS capacitor of the present invention in which indium was ion-implanted changed the flat band voltage by about -0.5 V as compared with the conventional MOS capacitor in which indium was not implanted. This indicates that according to the present invention, the work function of the gate electrode of the MOS capacitor can be reduced by about 0.5 eV as compared with the related art.

【0056】従来技術は、仕事関数を制御するための金
属のイオン注入によって、ゲート絶縁膜がダメージを受
けるという問題があったが、本発明はこの問題はない。
その理由は、仕事関数を変化させるドーパント(金属)
をゲート絶縁膜直上に導入する方法として、従来技術で
はイオン注入を用いて行ったのに対し、本発明では熱処
理により析出させて導入しているからである。したがっ
て、イオン注入のようにドーパントがゲート絶縁膜中に
たたき込まれることはない。
The prior art has a problem that the gate insulating film is damaged by ion implantation of a metal for controlling a work function, but the present invention does not have this problem.
The reason is the dopant (metal) that changes the work function
This is because ion implantation is performed in the conventional technology as a method of introducing the ions directly above the gate insulating film, whereas in the present invention, they are deposited by heat treatment and introduced. Therefore, unlike the ion implantation, the dopant is not knocked into the gate insulating film.

【0057】なお、本実施形態でもイオン注入を用いて
いるが、本実施形態の場合、ゲート絶縁膜9中までドー
パントが導入されないように浅くイオン注入を行ってい
るので、従来技術のようなゲート絶縁膜のダメージの問
題はない。
Although ion implantation is also used in the present embodiment, in this embodiment, the ion implantation is performed shallowly so that the dopant is not introduced into the gate insulating film 9, so that the gate implantation as in the prior art is performed. There is no problem of damage to the insulating film.

【0058】本実施形態では、インジウムイオンを浅く
注入するために、加速電圧を1keVにしたが、0.l
keV程度まで下げても全く問題ない。さらに加速電圧
の低加速化を進め、0.lkeV以下のイオン加速電圧
でもって、インジウムをTiN膜10の表面に堆積させ
ても全く問題はない。TiN膜10の表面にインジウム
を堆積しても良いことから、イオン注入ではなく蒸着
法、スパッタ法などを用いてインジウム膜をTiN膜1
0上に堆積し、続いて熱処理を行うことにより、In析
出層13を形成しても良い。
In this embodiment, the acceleration voltage is set to 1 keV in order to implant indium ions shallowly. l
There is no problem even if it is lowered to about keV. Further, the accelerating voltage was reduced, and There is no problem even if indium is deposited on the surface of the TiN film 10 at an ion accelerating voltage of 1 keV or less. Since indium may be deposited on the surface of the TiN film 10, instead of ion implantation, the indium film is formed by using a vapor deposition method, a sputtering method, or the like.
Alternatively, the In deposition layer 13 may be formed by depositing on zero and subsequently performing a heat treatment.

【0059】また、工程1−4において、レジスト11
を除去した後に熱処理を行っているが、レジスト11を
除去する前に300℃程度の熱処理でIn析出層13を
形成してから、レジスト11を除去しても良い。これ
は、前述のインジウムを堆積する方法では特に有効であ
る。この方法を具体的に説明すると、工程1−2の後、
インジウム膜を堆積し、続いて、300℃の熱処理を行
ってIn析出層13を形成する。次にレジスト11上の
インジウム膜を硝酸溶液により除去する。硝酸溶液はT
iN膜10を溶解しないので、インジウム膜を選択的に
除去することができる。その後、レジスト11をアルカ
リ溶液を用いて除去すれば良い。
In step 1-4, the resist 11
Although the heat treatment is performed after removing the resist 11, the resist 11 may be removed after forming the In deposition layer 13 by a heat treatment at about 300 ° C. before removing the resist 11. This is particularly effective in the above-described method of depositing indium. To describe this method specifically, after step 1-2,
An indium film is deposited, and subsequently, a heat treatment at 300 ° C. is performed to form an In deposition layer 13. Next, the indium film on the resist 11 is removed with a nitric acid solution. Nitric acid solution is T
Since the iN film 10 is not dissolved, the indium film can be selectively removed. After that, the resist 11 may be removed using an alkaline solution.

【0060】上述のように、析出による方法が本発明の
骨子である。この析出する現象を引き起こさせるために
は、まず第1のゲート電極の母体となるTiNより融点
が低く、またTiNと反応しにくく、固溶しにくい物質
を注入イオン種として選べば良い。
As described above, the method of precipitation is the gist of the present invention. In order to cause this precipitation phenomenon, first, a substance having a lower melting point than TiN which is a base of the first gate electrode, and which is less likely to react with TiN and hardly form a solid solution may be selected as the implanted ion species.

【0061】インジウムの融点は160℃程度であり、
TiNの融点3000℃よりも遥かに低い。そこで、本
実施形態ではインジウムを用いたが、これ以外にもガリ
ウム、タリウム、錫、鉛、アンチモン、ビスマス、セレ
ン、テルルをイオン注入あるいは堆積し、熱処理で析出
させても良い。これらの融点は、それぞれ、30℃(ガ
リウム)、300℃(タリウム)、230℃(錫)、3
30℃(鉛)、630℃(アンチモン)、270℃(ビ
スマス)、220℃(セレン)、450℃(テルル)で
あるのでいづれも問題はない。
The melting point of indium is about 160 ° C.
It is much lower than the melting point of TiN of 3000 ° C. Therefore, in this embodiment, indium is used. However, gallium, thallium, tin, lead, antimony, bismuth, selenium, and tellurium may be ion-implanted or deposited, and may be deposited by heat treatment. Their melting points are 30 ° C. (gallium), 300 ° C. (thallium), 230 ° C. (tin), 3
Since the temperatures are 30 ° C (lead), 630 ° C (antimony), 270 ° C (bismuth), 220 ° C (selenium), and 450 ° C (tellurium), there is no problem.

【0062】これらの元素のイオン注入条件、つまり、
イオン注入加速電圧やイオン注入ドーズ量は、インジウ
ムと同様に工程1−3で記載したように設定することが
望ましい。
The ion implantation conditions for these elements, that is,
The ion implantation acceleration voltage and the ion implantation dose are desirably set as described in Step 1-3 similarly to indium.

【0063】ここで、これらの元素からなる固体の仕事
関数は、それぞれ、4.3eV(ガリウム)、3.8e
V(タリウム)、4.4eV(錫)、4.3eV
(鉛)、4.2eV(アンチモン)、4.3eV(ビス
マス)、5.9eV(セレン)、5,0eV(テルル)
であるので、4.6eV以上、望ましくは5.0eVに
近い材料はpMISのゲート電極に適した材料である。
すなわち、セレン、テルルはpMISにより適した材料
である。
Here, the work functions of solids composed of these elements are 4.3 eV (gallium) and 3.8 eV, respectively.
V (thallium), 4.4 eV (tin), 4.3 eV
(Lead), 4.2 eV (antimony), 4.3 eV (bismuth), 5.9 eV (selenium), 5,0 eV (tellurium)
Therefore, a material that is equal to or higher than 4.6 eV, preferably close to 5.0 eV is a material suitable for the gate electrode of pMIS.
That is, selenium and tellurium are materials more suitable for pMIS.

【0064】pMISのゲート電極中に析出層を形成す
る場合には、工程1−2において、pMIS形成領域上
のみに開口部を有するレジストを形成し、pMIS形成
領域のみにこれらの元素のいづれかのイオン注入を行う
ことで、これらの元素の析出層を含むゲート電極を持つ
pMISを形成できる。
When a deposition layer is to be formed in the gate electrode of pMIS, a resist having an opening only in the pMIS formation region is formed in step 1-2, and any of these elements is formed only in the pMIS formation region. By performing ion implantation, a pMIS having a gate electrode including a deposition layer of these elements can be formed.

【0065】また、nMIS形成領域にはインジウムを
イオン注入し、一方でpMIS形成領域には例えばテル
ルをイオン注入し、その後に熱工程を行うことで、nM
IS形成領域にはIn析出層を形成し、pMIS形成領
域にはテルルの析出層(Te析出層)を形成すれば、n
MISとpMISのそれぞれに適した仕事関数を持つゲ
ート電極を形成することが可能となる。この形成方法に
ついて、以下に図9〜図12を用いて説明する。
Further, indium is ion-implanted into the nMIS formation region, while, for example, tellurium is ion-implanted into the pMIS formation region, and thereafter, a heat process is performed, so that nM is formed.
If an In deposited layer is formed in the IS forming region and a tellurium deposited layer (Te deposited layer) is formed in the pMIS forming region, n
A gate electrode having a work function suitable for each of the MIS and the pMIS can be formed. This forming method will be described below with reference to FIGS.

【0066】まず、工程1−1〜1−3を行う。次に図
9に示すように、リソグラフィー技術を用いて、工程1
−2とは反対にpMIS形成領域上にのみ開口を有する
レジスト15を形成する。次に図10に示すように、テ
ルルのイオン注入を行って、Teイオン注入層16をp
MIS形成領域のみに形成する。次に図11に示すよう
に、レジスト15を除去した後、400℃程度の熱処理
を行って、nMIS形成領域にはIn析出層13、pM
IS形成領域にはTe析出層17をそれぞれ形成する。
その後、図12に示すように、工程1−5を行う。
First, steps 1-1 to 1-3 are performed. Next, as shown in FIG.
Contrary to -2, a resist 15 having an opening only on the pMIS formation region is formed. Next, as shown in FIG. 10, tellurium ion implantation is performed to make the Te ion implanted layer 16 p-type.
It is formed only in the MIS formation region. Next, as shown in FIG. 11, after removing the resist 15, a heat treatment at about 400 ° C. is performed, and the In precipitation layer 13 and the pM
The Te deposition layer 17 is formed in each of the IS formation regions.
Thereafter, as shown in FIG. 12, Step 1-5 is performed.

【0067】以上により、nMISはIn析出層13/
TiN膜10/W膜14、そしてpMISはTe析出層
17/TiN膜10/W膜14のゲート電極構造を持つ
CMISトランジスタが完成する。
As described above, the nMIS is composed of the In deposited layer 13 /
As for the TiN film 10 / W film 14 and the pMIS, a CMIS transistor having the gate electrode structure of the Te deposition layer 17 / TiN film 10 / W film 14 is completed.

【0068】ここで、インジウムとテルルを析出させる
ための熱工程は400℃の一回で行ったが、別々に熱工
程を行っても良い。テルルの融点は450℃程度であ
り、インジウムの融点である160℃より高い。したが
って、析出は融点の高いテルルの方がインジウムよりも
起こりにくくなる。
Here, the heating step for precipitating indium and tellurium was performed once at 400 ° C., but may be performed separately. The melting point of tellurium is about 450 ° C., which is higher than the melting point of indium, 160 ° C. Therefore, precipitation is less likely to occur in tellurium having a higher melting point than in indium.

【0069】そこで、まずテルルをpMIS形成領域の
みにイオン注入して、例えば500℃程度の熱処理を行
いTe析出層17を形成し、その後インジウムをnMI
S形成領域のみにイオン注入して、前述のTe析出層1
7を形成するための熱処理よりは低い温度で熱処理を行
って、In析出層13を形成すれば、テルルとインジウ
ムのそれぞれで、析出させるのに適した熱処理温度にす
ることが可能となる。
Therefore, first, tellurium is ion-implanted only in the pMIS formation region, and a heat treatment at, for example, about 500 ° C. is performed to form a Te deposition layer 17.
By ion-implanting only in the S formation region,
If the heat treatment is performed at a lower temperature than the heat treatment for forming No. 7 and the In precipitate layer 13 is formed, it is possible to set the heat treatment temperature suitable for precipitating each of tellurium and indium.

【0070】本実施形態で用いたTiN膜10は、イン
ジウムなどの析出を行うための母体として用いている。
母体に用いる膜は、TiN膜10に限る必要はないが、
望ましくはTiN等の高融点金属の窒化物からなる膜が
良い。あるいは高融点金属であるタングステンもしくは
モリブデンからなる膜でも良い。
The TiN film 10 used in this embodiment is used as a base for depositing indium or the like.
The film used for the mother body does not need to be limited to the TiN film 10,
Desirably, a film made of a nitride of a refractory metal such as TiN is used. Alternatively, a film made of tungsten or molybdenum which is a high melting point metal may be used.

【0071】例えば、TiN膜10ではインジウムとの
反応は起こりにくく、且つTiNの融点は3000℃以
上なので、インジウムの融点である160℃よりも遥か
に高い。このようにお互いに反応が起きにくく、かつ融
点が大きく異なると、融点の低い材料の析出を容易に起
こさせることが可能となる。
For example, in the TiN film 10, the reaction with indium hardly occurs, and the melting point of TiN is 3000 ° C. or more, which is much higher than the melting point of indium, 160 ° C. If the reactions are unlikely to occur and the melting points are significantly different in this way, it becomes possible to easily precipitate a material having a low melting point.

【0072】ここで、TiN膜10のような母体となる
膜のうち、仕事関数が4.6eVより大きい金属窒化物
膜または金属膜は、pMISのゲート電極に適してい
る。そこで、本実施形態で示した方法により、nMIS
形成領域のみにIn析出層13を形成することで、nM
ISおよびpMISともに最適な仕事関数のゲート電極
を持てるようになる。
Here, among the base films such as the TiN film 10, a metal nitride film or a metal film having a work function higher than 4.6 eV is suitable for the gate electrode of the pMIS. Therefore, nMIS is performed by the method described in this embodiment.
By forming the In deposition layer 13 only in the formation region, nM
Both the IS and the pMIS can have a gate electrode with an optimal work function.

【0073】同様のことが、仕事関数が4.6eV以下
の金属窒化物膜あるいは金属膜を用いた場合にもいえ
る。この場合の金属窒化物膜の仕事関数はnMISのゲ
ート電極に適しているので、pMISのみに例えばTe
析出層を形成することで、nMISおよびpMISとも
に最適な仕事関数のゲート電極を持てるようになる。
The same applies to the case where a metal nitride film or a metal film having a work function of 4.6 eV or less is used. In this case, the work function of the metal nitride film is suitable for the gate electrode of nMIS.
By forming the deposited layer, both the nMIS and the pMIS can have a gate electrode having an optimal work function.

【0074】これらの方法は、前述のnMIS形成領域
にIn析出層13、pMIS形成領域にTe析出層17
を形成する方法に比べて、工程数を削減できるメリット
がある。すなわち、一度のイオン注入でnMIS形成領
域およびpMIS形成領域の両方にそれぞれに適した仕
事関数を有するゲート電極を形成できる。
In these methods, the In deposition layer 13 is formed in the nMIS formation region, and the Te deposition layer 17 is formed in the pMIS formation region.
There is an advantage in that the number of steps can be reduced as compared with the method of forming. That is, a single ion implantation can form a gate electrode having a work function suitable for each of the nMIS formation region and the pMIS formation region.

【0075】また、ゲート絶縁膜9とTiN膜10との
界面に形成されたIn析出層13やTe析出層17の膜
厚は、望ましくは5nm以下、さらに望ましくは数原子
層である1nm以下程度となるように、インジウムやテ
ルルなどのイオン注入濃度、およびイオン注入後の熱処
理温度を調整することが望ましい。
The thickness of the In deposition layer 13 and the Te deposition layer 17 formed at the interface between the gate insulating film 9 and the TiN film 10 is preferably 5 nm or less, more preferably about 1 nm or less, which is a few atomic layers. It is desirable to adjust the ion implantation concentration of indium, tellurium, etc., and the heat treatment temperature after ion implantation so that

【0076】その理由は、インジウムはインジウム単体
での融点が160℃と他の元素に比べて室温に近いた
め、In析出層13の膜厚が5nmを越えると、In析
出層13はインジウム単体の性質を強く帯びるため、他
の元素に比べて室温に近い低温の熱処理温度でもインジ
ウムの流動の起こる可能性があるからである。
The reason is that indium has a melting point of indium simple substance of 160 ° C., which is closer to room temperature than other elements. Therefore, when the thickness of the indium deposit layer 13 exceeds 5 nm, the indium precipitate layer 13 becomes insoluble This is because, because of its strong properties, indium may flow even at a low heat treatment temperature close to room temperature as compared with other elements.

【0077】しかし、5nm以下の膜厚にすることで、
インジウムは下層のゲート絶縁膜9や上層のTiN膜1
0との結合力により、インジウム単体としての性質が徐
々に無くなり、融点はより高温になり流動は起こりにく
くなる。そして、さらに1nm以下の数原子層まで薄膜
化を行えば、インジウム単体での融点とは全く異なっ
た、より高温の融点にすることが可能となる。
However, by setting the film thickness to 5 nm or less,
Indium is used for the lower gate insulating film 9 and the upper TiN film 1.
Due to the bonding force with 0, the properties of indium alone gradually disappear, the melting point becomes higher, and the flow hardly occurs. If the thickness is further reduced to several atomic layers of 1 nm or less, it is possible to obtain a higher melting point that is completely different from the melting point of indium alone.

【0078】これまで、nMISとpMISの2種類の
トランジスタにおいて、2種類の異なる仕事関数を持つ
ゲート電極を形成する方法について述べた。ここで、さ
らに異なる仕事関数のゲート電極を本発明で述べた方法
を用いて形成することで、同一半導体基板上に3種類以
上の仕事関数のゲート電極を作り分けても良い。
So far, a method of forming gate electrodes having two different work functions in two types of transistors, nMIS and pMIS, has been described. Here, gate electrodes having different work functions may be formed by using the method described in the present invention so that three or more types of gate electrodes having different work functions are formed on the same semiconductor substrate.

【0079】例えば、ガリウムは4.3eV程度の仕事
関数を持つため、本発明を用いてガリウムの析出層(G
a析出層)を形成することで、仕事関数が4.3eV程
度のゲート電極を形成することができる。
For example, since gallium has a work function of about 4.3 eV, the gallium deposition layer (G
By forming the (a deposition layer), a gate electrode having a work function of about 4.3 eV can be formed.

【0080】このようなGa析出層を含むゲート電極を
用いたnMISは、前述のIn析出層13を含むゲート
電極を用いたnMISに比べて、しきい値電圧が0.2
eV程度高くなる。これらのゲート電極を用いると、同
一のシリコン基板上に、MISFETのチャネルの不純
物濃度等の構造を変化させることなく、しきい値電圧が
0.2eV程度異なるMISFETを形成することが可
能になる。
The threshold voltage of the nMIS using the gate electrode including the Ga deposition layer is 0.2 times lower than that of the nMIS using the gate electrode including the In deposition layer 13 described above.
It becomes higher by about eV. The use of these gate electrodes makes it possible to form MISFETs having different threshold voltages by about 0.2 eV on the same silicon substrate without changing the structure such as the impurity concentration of the channel of the MISFET.

【0081】すなわち、本発明を用いて、同一のシリコ
ン基板上に、In析出層と、Ga析出層と、Te析出層
と、析出層がないTiN膜の4種類のゲート電極を形成
すると、それぞれのゲート電極の仕事関数は4.le
V、4.3eV、5.0eV、4.6eVとなるので、
それぞれ、しきい値電圧の低いnMIS、しきい値電圧
の高いnMIS、しきい値電圧の低いpMIS、しきい
値電圧の高いpMISの4種類のMISトランジスタを
形成できる。
That is, using the present invention, when four types of gate electrodes of an In deposition layer, a Ga deposition layer, a Te deposition layer, and a TiN film having no deposition layer are formed on the same silicon substrate, The work function of the gate electrode of 4. le
V, 4.3 eV, 5.0 eV, and 4.6 eV,
Four types of MIS transistors of nMIS having a low threshold voltage, nMIS having a high threshold voltage, pMIS having a low threshold voltage, and pMIS having a high threshold voltage can be formed.

【0082】このとき、nMISとpMISのチャネル
構造はそれぞれ一種類づつで良い。つまり、ゲート電極
に、n型ポリシリコンとp型ポリシリコンを用いた従来
からのMISFET技術では、2種類のしきい値電圧の
nMISを形成する場合は、各トランジスタのチャネル
領域の不純物分布を変化させて、しきい値電圧を変化さ
せる必要があった。しかし、本発明によれば、チャネル
領域の不純物分布は変化させなくても、しきい値電圧の
異なるMISFETを形成することが可能となる。
At this time, one channel structure may be used for each of the nMIS and pMIS. In other words, in the conventional MISFET technology using n-type polysilicon and p-type polysilicon for the gate electrode, when forming two types of nMISs with threshold voltages, the impurity distribution in the channel region of each transistor changes. Thus, it was necessary to change the threshold voltage. However, according to the present invention, MISFETs having different threshold voltages can be formed without changing the impurity distribution in the channel region.

【0083】さらに、上記析出層に用いた元素を2種類
以上組み合わせた合金により析出層を形成すると、しき
い値電圧を連続的に変化させることが可能になる。例え
ば、インジウムとタリウムをイオン注入して、インジウ
ムとタリウムの合金からなる析出層を形成すれば、それ
ぞれの元素の仕事関数の中間的な値の仕事関数を持つ析
出層が形成できる。
Further, when the precipitation layer is formed by an alloy in which two or more elements used for the above-mentioned precipitation layer are combined, the threshold voltage can be continuously changed. For example, if indium and thallium are ion-implanted to form a deposited layer made of an alloy of indium and thallium, a deposited layer having a work function intermediate between the work functions of the respective elements can be formed.

【0084】ここで、それぞれの元素のイオン注入量を
調整することで、ゲート電極の仕事関数を連続的に変化
させることができる。したがって、MISFETのしき
い値電圧を連続的に変化させることが可能になるので、
様々な回路に最適なしきい値電圧のMISFETの形成
を容易に行うことが可能となる。
Here, the work function of the gate electrode can be continuously changed by adjusting the ion implantation amount of each element. Therefore, the threshold voltage of the MISFET can be continuously changed.
MISFETs having optimum threshold voltages for various circuits can be easily formed.

【0085】このように、本発明によれば、ゲート電極
の仕事関数を連続的に変化させることができるので、M
ISFETのしきい値電圧を連続的に変化させることが
可能となる。
As described above, according to the present invention, since the work function of the gate electrode can be continuously changed, M
The threshold voltage of the ISFET can be changed continuously.

【0086】そして、半導体基板としてシリコン基板の
代わりに、SOI(Silicon On Insulator)基板を用い
場合には、上記しきい値電圧の連続変化に関する特徴は
さらに従来技術に対するメリットとなる。
In the case where an SOI (Silicon On Insulator) substrate is used instead of a silicon substrate as a semiconductor substrate, the feature relating to the continuous change of the threshold voltage is a further advantage over the prior art.

【0087】例えば、MISFET形成部のシリコンの
厚みを50nm以下程度にしたSO1基板においては、
MISFET動作においてMISFETチャネル部のシ
リコンを完全に空乏化させて動作させる。これは完全に
空乏化させることで、チャネルの深さ方向の厚みを増や
し、MISFETの駆動力を向上させる等のメリットが
あるためである。
For example, in an SO1 substrate in which the thickness of the silicon in the MISFET formation portion is about 50 nm or less,
In the MISFET operation, the operation is performed by completely depleting the silicon in the channel portion of the MISFET. This is because complete depletion has the advantage of increasing the thickness of the channel in the depth direction and improving the driving force of the MISFET.

【0088】このようなメリットを持つ反面、チャネル
領域の不純物の濃度によりしきい値電圧を変化させるこ
とがほとんどできない。それはMISFETのチャネル
を完全空乏化させて動作させるためには、チャネル領域
の不純濃度には上限があり、それ以下の濃度でしか動作
させられないためである。
While having such advantages, the threshold voltage can hardly be changed by the impurity concentration in the channel region. This is because there is an upper limit to the impurity concentration in the channel region in order to operate the MISFET with complete depletion of the channel, and the MISFET can be operated only at a lower concentration.

【0089】そこで、しきい値電圧を変化させるには、
ゲート電極の仕事関数を変化させる必要がある。したが
って、従来のn型とp型の2種類のポリシリコンゲート
により、同一SOI基板上にしきい値電圧の異なるMI
SFETを形成することはできなかった。
To change the threshold voltage,
It is necessary to change the work function of the gate electrode. Therefore, two types of conventional polysilicon gates of n-type and p-type can be used to form MIs having different threshold voltages on the same SOI substrate.
An SFET could not be formed.

【0090】しかし、本発明を用いると、上述の様にゲ
ート電極の仕事関数を任意に変化させることが可能であ
るので、3種類以上のしきい値電圧の異なるMISFE
Tを形成することが可能になる。
However, according to the present invention, it is possible to arbitrarily change the work function of the gate electrode as described above, so that three or more MISFEs having different threshold voltages are used.
T can be formed.

【0091】ここでは、SOI基板を用いて、完全空乏
型の動作をするMISFETを実現する例について説明
したが、これ以外の場合でも、完全空乏型の動作をする
限りは、本発明の効果は同様に享受可能である。
Here, an example has been described in which an MISFET that operates in a fully depleted mode is realized using an SOI substrate. However, in other cases, as long as the MISFET operates in a fully depleted mode, the effect of the present invention can be obtained. It can be enjoyed as well.

【0092】例えば、nMISの場合、チャネル領域は
通常p型半導体領域により形成されるが、ここに僅かな
n型半導体領域を適切に形成することで、上述の様なゲ
ート電極の仕事関数のみでしきい値電圧が決まる完全空
乏型で動作するMISFETを実現することができる。
For example, in the case of nMIS, the channel region is usually formed of a p-type semiconductor region, but by forming a slight n-type semiconductor region here appropriately, only the work function of the gate electrode as described above can be obtained. A MISFET that operates in a fully depleted mode whose threshold voltage is determined can be realized.

【0093】また、2つのゲートを持つダブルゲートM
ISFETでも、同様に完全空乏型で動作させることが
できる。このダブルゲートMISFETとは、向かい合
わせに形成した1対の同電位のゲート電極の問に、半導
体からなるチャネル領域を形成したMISFETであ
る。ゲート電極は通常通りに基板面内にチャネルが形成
されるように横に配置しても良いし、あるいは基板と垂
直にチャネルが形成されるように縦に配置しても良い。
これらの場合においても、しきい値電圧を変化させるた
めには、ゲート電極の仕事関数を変化させる必要があ
る。
A double gate M having two gates
Similarly, the ISFET can be operated in a completely depleted type. This double-gate MISFET is a MISFET in which a channel region made of a semiconductor is formed, regardless of a pair of gate electrodes having the same potential that are formed facing each other. The gate electrode may be arranged horizontally so that a channel is formed in the substrate plane as usual, or may be arranged vertically so that a channel is formed perpendicular to the substrate.
Even in these cases, it is necessary to change the work function of the gate electrode in order to change the threshold voltage.

【0094】本実施形態では、工程1−2において、レ
ジスト11をマスクにしてnMIS形成領域内にインジ
ウムを選択的にイオン注入した。このようなイオン注入
は、ステンシル・マスク・イオン注入技術を用いること
でさらに容易に行えるようになる。
In this embodiment, in step 1-2, indium was selectively ion-implanted into the nMIS formation region using the resist 11 as a mask. Such ion implantation can be more easily performed by using a stencil mask ion implantation technique.

【0095】図13は、工程1−2および工程1−3に
おいて行ったnMIS形成領域のみにインジウムをイオ
ン注入する工程を、ステンシル・マスク・イオン注入技
術を用いて行っている様子を模式的に示した断面図であ
る。
FIG. 13 schematically shows that the step of implanting indium only in the nMIS formation region in the step 1-2 and the step 1-3 is performed by using the stencil mask ion implantation technique. FIG.

【0096】インジウムイオンを注入するときには、例
えばシリコンで形成されたステンシル・マスク18をp
MIS形成領域の上方にのみ配置し、この状態でインジ
ウムのイオン注入を行うことで、nMIS形成領域のT
iN膜10中のみにインジウムを注入できる。このよう
なステンシル・マスク・イオン注入技術を用いること
で、レジスト11を用いずにイオン注入の打ち分けが可
能になる。
When implanting indium ions, a stencil mask 18 made of, for example, silicon is
By disposing it only above the MIS formation region and performing indium ion implantation in this state, the T of the nMIS formation region is reduced.
Indium can be implanted only in the iN film 10. By using such a stencil mask ion implantation technique, it is possible to selectively perform ion implantation without using the resist 11.

【0097】ステンシル・マスク18は複数回使用でき
るので、先に説明したレジスト11を用いたプロセスと
は異なり、イオン注入を行う毎に作成する必要はない。
レジスト11を用いたイオン注入プロセスは、レジスト
塗布、露光、現像、イオン打ち込み、レジスト除去、洗
浄という一連の露光プロセスが必要となるが、本発明の
ステンシル・マスク18を用いたイオン注入の打ち分け
は、上記一連の露光プロセスを省力できるので、プロセ
ス時間を大幅に短縮できるようになる。
Since the stencil mask 18 can be used a plurality of times, unlike the process using the resist 11 described above, it is not necessary to form the stencil mask every time the ion implantation is performed.
The ion implantation process using the resist 11 requires a series of exposure processes such as resist coating, exposure, development, ion implantation, resist removal, and cleaning, but the ion implantation using the stencil mask 18 of the present invention is performed separately. Can save labor in the above series of exposure processes, so that the process time can be greatly reduced.

【0098】さらに、本発明にステンシル・マスク・イ
オン注入法を用いることは次に述べる新たなメリットが
ある。ステンシル・マスク・イオン注入法においては、
イオン注入するドーパントがステンシル・マスク18中
にもイオン注入される。
Further, using the stencil mask ion implantation method in the present invention has the following new merits. In stencil mask ion implantation,
The dopant to be implanted is also implanted into the stencil mask 18.

【0099】そのため、ステンシル・マスク18は、通
常、定期的に熱処理などを行って、イオン注入によるダ
メージを回復させて使用する必要がある。また、熱処理
しても回復できないほどイオン注入されたステンシル・
マスク18は廃棄する必要がある。
Therefore, the stencil mask 18 usually needs to be subjected to a heat treatment or the like periodically to recover the damage caused by the ion implantation before use. In addition, stencils implanted with ions that cannot be recovered by heat treatment
The mask 18 needs to be discarded.

【0100】ところが本発明においては、上述したよう
にイオン注入の加速電圧は例えば100eV以下程度の
極低加速電圧にして、ドーパントを堆積させても良い。
そこで、図13において、例えば100eV以下の加速
電圧でインジウムのステンシル・マスク・イオン注入を
行うと、nMIS形成領域においてはTiN膜10上に
インジウムが堆積し、pMIS形成領域においてはステ
ンシル・マスク18上に堆積する。
However, in the present invention, as described above, the dopant may be deposited by setting the acceleration voltage for ion implantation to an extremely low acceleration voltage of, for example, about 100 eV or less.
Therefore, in FIG. 13, when stencil mask ion implantation of indium is performed at an acceleration voltage of, for example, 100 eV or less, indium is deposited on the TiN film 10 in the nMIS formation region, and is deposited on the stencil mask 18 in the pMIS formation region. Deposited on

【0101】ここで、ステンシル・マスク18上のイン
ジウムは堆積しているだけであるので、従来のように、
ステンシル・マスクのダメージ回復のために熱処理など
を行う必要はない。そして、ステンシル・マスク18
は、定期的に例えば硝酸溶液などのウエットエッチング
でインジウムの堆積層を除去することで、何度でも使用
することが可能になる。
Here, since indium on the stencil mask 18 is only deposited, as in the prior art,
It is not necessary to perform heat treatment or the like to recover damage to the stencil mask. And stencil mask 18
Can be used as many times as necessary by periodically removing the deposited layer of indium by wet etching with, for example, a nitric acid solution.

【0102】またさらには、本発明にステンシル・マス
ク・イオン注入法を用いることは次に述べる新たなメリ
ットがある。すなわち、シリコン基板を例えば400℃
に加熱した状態で、図13に示したステンシル・マスク
・イオン注入を行うことで、インジウムのイオン注入と
熱処理を同時に行うことが可能になる。
Furthermore, using the stencil mask ion implantation method in the present invention has the following new merits. That is, for example, a silicon substrate is
By performing the stencil mask ion implantation shown in FIG. 13 in the state of being heated, the ion implantation of indium and the heat treatment can be performed simultaneously.

【0103】(第2の実施形態)図14〜図21は、本
発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説
明するための断面図である。なお、図1〜図7と対応す
る部分には図1〜図7と同一符号を付してあり、詳細な
説明は省略する。
(Second Embodiment) FIGS. 14 to 21 are sectional views for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. Note that parts corresponding to FIGS. 1 to 7 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS.

【0104】工程2−1(図14) まず、第1の実施形態と同様に、工程1−1(図1)の
工程を行った後、TiN膜10上にバッファ層としての
厚さ40nm程度のシリコン酸化膜19を形成する。
Step 2-1 (FIG. 14) First, similarly to the first embodiment, after performing the step 1-1 (FIG. 1), a thickness of about 40 nm as a buffer layer is formed on the TiN film 10. Of silicon oxide film 19 is formed.

【0105】工程2−2(図15) 次にシリコン酸化膜19上にレジスト11を形成し、こ
のレジスト11をマスクに用いてインジウムのイオン注
入を行って、nMIS形成領域のシリコン酸化膜19中
にインジウムイオンを選択的に注入する。この注入され
たインジウムイオンは図中×印で示してある。
Step 2-2 (FIG. 15) Next, a resist 11 is formed on the silicon oxide film 19, and indium ions are implanted using the resist 11 as a mask, thereby forming a silicon oxide film 19 in the nMIS formation region. Is selectively implanted with indium ions. The implanted indium ions are indicated by crosses in the figure.

【0106】なお、多少の量であれば、インジウムイオ
ンがTiN膜10中に注入されても大きな問題にはなら
ない。また、本工程において、第1の実施形態で説明し
たようなInイオン注入層12が形成される条件で、イ
ンジウムのイオン注入を行っても良い。
It should be noted that, if the amount is small, even if indium ions are implanted into the TiN film 10, no significant problem occurs. In this step, indium may be ion-implanted under the condition for forming the In ion-implanted layer 12 as described in the first embodiment.

【0107】また、インジウムイオンの代わりに、第1
の実施形態で述べた元素のイオンを用いることが可能で
ある。さらに、第1の実施形態で述べていない他のイオ
ンとしては、N、B、P、Cのイオンが使用可能であ
る。
Further, instead of the indium ion, the first
It is possible to use the ions of the elements described in the embodiment. Further, N, B, P, and C ions can be used as other ions not described in the first embodiment.

【0108】工程2−3(図16) 次にアッシャー処理とSH処理により、レジスト11を
除去する。一般に、SH処理はレジストを除去する処理
として有効な場合が多いが、レジストを除去するとき
に、TiN膜等の金属膜が露出していると、SH処理に
より金属膜もエッチングされるという問題がある。しか
し、本発明の場合、TiN膜10の全面はシリコン酸化
膜19で覆われているので、SH処理によりTiN膜1
0がエッチングされるという問題は生じない。
Step 2-3 (FIG. 16) Next, the resist 11 is removed by asher processing and SH processing. In general, the SH treatment is often effective as a treatment for removing a resist. However, when a metal film such as a TiN film is exposed when the resist is removed, the metal film is also etched by the SH treatment. is there. However, in the case of the present invention, since the entire surface of the TiN film 10 is covered with the silicon oxide film 19, the TiN film 1 is
The problem that 0 is etched does not occur.

【0109】また、レジスト11の除去方法の一つとし
て、アッシャー+コリン処理が考えられる。しかし、こ
の方法の場合、レジスト11はインジウムのイオン注入
によって変質しているため、図22に示すように、レジ
スト92を完全には除去できず、一部が残存するという
問題がある。しかし、本発明によれば、SH処理によ
り、TiN膜10のエッチングを招くことなく、変質し
たレジスト11を完全に除去することが可能となる。
As one of the methods for removing the resist 11, an asher + choline treatment can be considered. However, in the case of this method, since the resist 11 is deteriorated by ion implantation of indium, as shown in FIG. 22, there is a problem that the resist 92 cannot be completely removed and a part remains. However, according to the present invention, the deteriorated resist 11 can be completely removed by the SH treatment without causing the etching of the TiN film 10.

【0110】工程2−4(図17) 次にシリコン酸化膜19上にレジスト15を形成し、こ
のレジスト15をマスクに用いてテルルのイオン注入を
行って、シリコン酸化膜19中にテルルイオンを選択的
に注入する。この注入されたテルルイオンは図中△印で
示してある。
Step 2-4 (FIG. 17) Next, a resist 15 is formed on the silicon oxide film 19, and tellurium ions are implanted using the resist 15 as a mask to select tellurium ions in the silicon oxide film 19. Injection. This implanted tellurium ion is indicated by a symbol in the figure.

【0111】なお、第1の実施形態で説明したようなT
eイオン注入層16が形成される条件で、テルルのイオ
ン注入を行っても良い。
Note that T as described in the first embodiment is used.
Tellurium ion implantation may be performed under the condition that the e-ion implantation layer 16 is formed.

【0112】工程2−5(図18) 次にアッシャー処理とSH処理により、変質したレジス
ト15を完全に除去する。このときもTiN膜10はシ
リコン酸化膜19で覆われているので、SH処理により
TiN膜10がエッチングされるという問題は生じな
い。
Step 2-5 (FIG. 18) Next, the altered resist 15 is completely removed by the asher process and the SH process. Also at this time, since the TiN film 10 is covered with the silicon oxide film 19, there is no problem that the TiN film 10 is etched by the SH process.

【0113】工程2−6(図19) 次に400℃前後の熱処理により、nMIS形成領域に
おいてはシリコン酸化膜19中に入っているインジウム
イオンがTiN膜10中に拡散し、pMIS形成領域に
おいてはシリコン酸化膜19中に入っているテルルイオ
ンがTiN膜10中に拡散する。
Step 2-6 (FIG. 19) Next, by heat treatment at about 400 ° C., indium ions contained in the silicon oxide film 19 in the nMIS formation region diffuse into the TiN film 10, and in the pMIS formation region The tellurium ions contained in the silicon oxide film 19 diffuse into the TiN film 10.

【0114】このとき、工程2−2、工程2−4の工程
でそれぞれInイオン注入層12、Teイオン注入層1
6を形成した場合、第1の実施形態と同様に、In析出
層13、Te析出層17が形成される。
At this time, in the steps 2-2 and 2-4, the In ion implantation layer 12 and the Te ion implantation
When 6 is formed, an In deposition layer 13 and a Te deposition layer 17 are formed as in the first embodiment.

【0115】工程2−7(図20) 次にシリコン酸化膜19を弗酸系薬液を用いたウエット
エッチングにより除去する。このとき、TiN膜10は
ほとんどエッチングされないので、TiN膜10に対し
てシリコン酸化膜19を実質的に選択的にエッチング除
去できる。
Step 2-7 (FIG. 20) Next, the silicon oxide film 19 is removed by wet etching using a hydrofluoric acid-based chemical. At this time, since the TiN film 10 is hardly etched, the silicon oxide film 19 can be substantially selectively removed by etching with respect to the TiN film 10.

【0116】工程2−8(図21) この後は、工程1−5(図7)と同様に、第2のゲート
電極としてのW膜14を形成する工程等が続く。
Step 2-8 (FIG. 21) Thereafter, similarly to step 1-5 (FIG. 7), a step of forming the W film 14 as a second gate electrode and the like are continued.

【0117】本実施形態では、nMISのゲート電極の
仕事関数を調整するために、インジウムイオンをシリコ
ン酸化膜19中に注入し、しかる後熱処理によりシリコ
ン酸化膜19中のインジウムイオンを下地のTiN膜1
0中に拡散することで、TiN膜10中にインジウムイ
オンを導入している。
In this embodiment, indium ions are implanted into the silicon oxide film 19 in order to adjust the work function of the gate electrode of the nMIS, and then the indium ions in the silicon oxide film 19 are reduced by heat treatment to form the underlying TiN film. 1
Indium ions are introduced into the TiN film 10 by diffusing into the TiN film 10.

【0118】そのため、インジウムのイオン注入を行う
ときに、インジウムイオンがゲート絶縁膜9中に注入さ
れることによって、ゲート絶縁膜がダメージを受けると
いう問題は生じない。
Therefore, when indium ions are implanted, there is no problem that the gate insulating film is damaged by indium ions being implanted into the gate insulating film 9.

【0119】さらに、スループットの低下を防止するた
めに、インジウムイオンの加速電圧を上げても、これに
対応してシリコン酸化膜19を厚くすれば、インジウム
イオンがTiN膜10やゲート絶縁膜9中に注入される
ことを防止できる。
Furthermore, even if the accelerating voltage of indium ions is increased to prevent a decrease in throughput, if the silicon oxide film 19 is made correspondingly thicker, the indium ions will be reduced in the TiN film 10 and the gate insulating film 9. Can be prevented from being injected.

【0120】なお、ゲート絶縁膜9のインジウムイオン
によるダメージを防止する他の方法として、TiN膜1
0を厚くしてインジウムイオンがゲート絶縁膜9に到達
しないようにすることが考えられるが、以下のような問
題がある。
As another method for preventing the gate insulating film 9 from being damaged by indium ions, the TiN film 1
It is conceivable to increase the thickness of 0 so that indium ions do not reach the gate insulating film 9, but there are the following problems.

【0121】すなわち、TiN膜10を厚くしてゲート
溝内の全てをTiN膜10で埋め込むと、ゲート溝内に
TiN膜10よりも抵抗率が低いW膜14を埋め込むこ
とができなくなり、ゲートのシート抵抗が増大するとい
う問題がある。
That is, if the TiN film 10 is thickened and the entire inside of the gate groove is buried with the TiN film 10, the W film 14 having lower resistivity than the TiN film 10 cannot be buried in the gate groove, and There is a problem that sheet resistance increases.

【0122】ここで、ゲート溝内の全てをTiN膜10
で埋め込まない範囲内で、TiN膜10を厚くすること
も考えられるが、ゲート溝内に占めるW膜14の割合が
小さくなるので、ゲートのシート抵抗を下げることは困
難である。
Here, the entire TiN film 10 is formed in the gate groove.
It is conceivable to increase the thickness of the TiN film 10 within the range not embedded by the above method, but it is difficult to lower the sheet resistance of the gate because the ratio of the W film 14 occupying the gate groove is reduced.

【0123】また、インジウムのイオン注入によるゲー
ト絶縁膜9のダメージを防止するさらに別の方法とし
て、イオン注入の加速電圧を下げることも考えられる
が、加速電圧を下げることは注入時間の増大を招き、ス
ループットが低下する等の問題が生じる。
As another method for preventing damage to the gate insulating film 9 due to indium ion implantation, it is conceivable to lower the acceleration voltage for ion implantation. However, lowering the acceleration voltage causes an increase in implantation time. This causes problems such as a decrease in throughput.

【0124】これらのTiN膜10の膜厚や、イオン注
入の加速電圧を制御する方法に対して、本実施形態で
は、TiN膜10上にバッファ層として機能する厚さの
シリコン酸化膜19を設けた状態で、イオン注入を行う
という方法を採用することによって、TiN膜10の膜
厚の増加によるゲートのシート抵抗の増加および加速電
圧の低下によるスループット(作業効率)の低下を招く
ことなく、インジウムのイオン注入によるゲート絶縁膜
9のダメージおよびそれによって発生する絶縁性や信頼
性の低下の問題を解決できるようになる。
In contrast to the method of controlling the thickness of the TiN film 10 and the acceleration voltage for ion implantation, in the present embodiment, a silicon oxide film 19 having a thickness functioning as a buffer layer is provided on the TiN film 10. By adopting a method in which ion implantation is performed in a state where the TiN film 10 is formed in an inclined state, an increase in the sheet resistance of the gate due to an increase in the thickness of the TiN film 10 and a decrease in the throughput (work efficiency) due to a decrease in the acceleration voltage are prevented. Can damage the gate insulating film 9 due to the ion implantation and lower the insulation and reliability caused by the ion implantation.

【0125】また、本実施形態では、バッファ層として
のシリコン酸化膜19中にインジウムイオン、テルルイ
オンを注入し、しかる後、熱処理によりシリコン酸化膜
19中のイオンをTiN膜11中に拡散させる方法を採
ったが、バッファ層が有する注入されるイオンを減速さ
せる効果を利用しても良い。すなわち、バッファ層とし
てのシリコン酸化膜19を介してTiN膜11中にしき
い値調整に必要な量のインジウムイオン、テルルイオン
を注入する。この場合、熱処理によりシリコン酸化膜1
9中のイオンをTiN膜11中に拡散させる必要はな
く、工程数を少なくできる。
In the present embodiment, a method is employed in which indium ions and tellurium ions are implanted into the silicon oxide film 19 as a buffer layer, and thereafter, the ions in the silicon oxide film 19 are diffused into the TiN film 11 by heat treatment. Although employed, the effect of decelerating the ions to be implanted in the buffer layer may be used. That is, indium ions and tellurium ions are implanted into the TiN film 11 through the silicon oxide film 19 as a buffer layer in an amount necessary for adjusting the threshold value. In this case, the silicon oxide film 1 is heat-treated.
It is not necessary to diffuse the ions in 9 into the TiN film 11, and the number of steps can be reduced.

【0126】以上述べた本実施形態のnMISのゲート
電極の仕事関数の調整方法に関する効果は、本実施形態
のpMISのゲート電極の仕事関数を調整方法にも同様
に当てはまる。
The effects of the method for adjusting the work function of the gate electrode of the nMIS of the present embodiment described above also apply to the method of adjusting the work function of the gate electrode of the pMIS of the present embodiment.

【0127】また、本実施形態では、バッファ層として
シリコン酸化膜19を使用したが、その代わりにシリコ
ン窒化膜等の他の絶縁膜も使用可能である。シリコン窒
化膜を使用した場合、その除去は熱燐酸処理により行う
と良い。
In this embodiment, the silicon oxide film 19 is used as the buffer layer, but another insulating film such as a silicon nitride film can be used instead. When a silicon nitride film is used, its removal is preferably performed by hot phosphoric acid treatment.

【0128】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。例えば、上記実施形態では、第1のゲ
ート電極の材料としてTiNを使用したが、その他に例
えばTaN、WN、NiNなどの金属窒化物や、Ru、
W、Taなどの金属や、WSiなどの金属シリサイドな
どが使用可能である。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above-described embodiment, TiN is used as the material of the first gate electrode.
Metals such as W and Ta, and metal silicides such as WSi can be used.

【0129】また、上記実施形態では、仕事関数の調整
のためにゲート電極に注入するイオン種としてInやT
eを使用したが、その他に例えばGa、Tl、Sb、T
e、Se等の低融点金属元素や、N、B、P、Cなどが
使用可能である。
In the above embodiment, In or T is used as the ion species to be implanted into the gate electrode for adjusting the work function.
e, but Ga, Tl, Sb, T
Low melting point metal elements such as e and Se, N, B, P, and C can be used.

【0130】また、上記実施形態では、第2のシリコン
窒化膜(ゲート側壁)8を形成した直後の工程で、ソー
ス/ドレイン領域5上に金属シリサイド膜6を形成する
場合(サリサイド技術)について説明したが、工程1−
5(図7)の後で、ゲート、ソース/ドレインに対する
コンタクトホールを開口後に、金属シリサイド膜6を形
成しても良い。
In the above embodiment, the case where the metal silicide film 6 is formed on the source / drain region 5 in the step immediately after the formation of the second silicon nitride film (gate side wall) 8 (salicide technique) will be described. However, the process 1-
After 5 (FIG. 7), the metal silicide film 6 may be formed after opening the contact holes for the gate and the source / drain.

【0131】また、上記実施形態では、ダマシンゲート
構造を有するMIS型トランジスタの場合について説明
したが、ゲート電極をRIE加工で形成する通常のMI
S型トランジスタにも適用できる。さらにMIS型キャ
パシタ等の他の素子にも適用可能である。
In the above embodiment, the case of the MIS transistor having the damascene gate structure has been described. However, the normal MI in which the gate electrode is formed by RIE processing is described.
It can also be applied to S-type transistors. Further, the present invention can be applied to other elements such as a MIS capacitor.

【0132】また、上記実施形態では、素子をシリコン
領域(シリコン基板、SOI基板)を形成する場合につ
いて説明したが、素子を形成する領域がゲルマニウム等
のシリコン以外の半導体元素で形成された領域、あるい
はシリコンゲルマニウム等の複数の半導体元素で形成さ
れた領域に形成しても良い。
In the above embodiment, the case where the element is formed in a silicon region (silicon substrate, SOI substrate) has been described. Alternatively, it may be formed in a region formed of a plurality of semiconductor elements such as silicon germanium.

【0133】さらにまた、上記実施形態には種々の段階
の発明が含まれており、開示される複数の構成要件にお
ける適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得
る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つか
の構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課
題の欄で述べた課題を解決できる場合には、この構成要
件が削除された構成が発明として抽出され得る。その
他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実
施できる。
Further, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent elements are deleted from all the constituent elements described in the embodiment, if the problem described in the section of the problem to be solved by the invention can be solved, the constituent Can be extracted as an invention. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0134】[0134]

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、金
属を含む電極の仕事関数を、該電極下の領域に悪影響を
与えることなく変えることができる半導体装置およびそ
の製造方法を実現できるようになる。
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to realize a semiconductor device and a method of manufacturing the same which can change the work function of an electrode containing a metal without adversely affecting a region under the electrode. become.

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

【図1】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を説明するための断面図
FIG. 1 is a sectional view for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention;

【図2】図1に続く同製造方法の製造方法を説明するた
めの断面図
FIG. 2 is a sectional view for explaining a manufacturing method following the manufacturing method following FIG. 1;

【図3】図2に続く同製造方法の製造方法を説明するた
めの断面図
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the manufacturing method of the manufacturing method following FIG. 2;

【図4】図3に続く同製造方法の製造方法を説明するた
めの断面図
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining the manufacturing method of the manufacturing method following FIG. 3;

【図5】図4に続く同製造方法の製造方法を説明するた
めの断面図
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining the manufacturing method of the manufacturing method following FIG. 4;

【図6】図5に続く同製造方法の製造方法を説明するた
めの断面図
FIG. 6 is a sectional view for explaining a manufacturing method following the manufacturing method following FIG. 5;

【図7】図6に続く同製造方法の製造方法を説明するた
めの断面図
FIG. 7 is a sectional view for explaining the manufacturing method of the manufacturing method following FIG. 6;

【図8】本発明および従来のMISキャパシタのC−V
特性を示す図
FIG. 8 shows the CV of the present invention and the conventional MIS capacitor.
Diagram showing characteristics

【図9】第1の実施形態の変形例を説明するための断面
FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining a modification of the first embodiment.

【図10】図9に続く変形例を説明するための断面図FIG. 10 is a sectional view for explaining a modified example following FIG. 9;

【図11】図10に続く変形例を説明するための断面図FIG. 11 is a sectional view for explaining a modification example following FIG. 10;

【図12】図11に続く変形例を説明するための断面図FIG. 12 is a sectional view for explaining a modified example following FIG. 11;

【図13】第1の実施形態の他の変形例を説明するため
の断面図
FIG. 13 is a sectional view for explaining another modification of the first embodiment;

【図14】本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の
製造方法を説明するための断面図
FIG. 14 is a sectional view for explaining the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;

【図15】図14に続く同製造方法の製造方法を説明す
るための断面図
FIG. 15 is a sectional view for explaining the manufacturing method of the manufacturing method following FIG. 14;

【図16】図15に続く同製造方法の製造方法を説明す
るための断面図
FIG. 16 is a sectional view for explaining the manufacturing method of the manufacturing method following FIG. 15;

【図17】図16に続く同製造方法の製造方法を説明す
るための断面図
FIG. 17 is a sectional view for explaining the manufacturing method of the manufacturing method following FIG. 16;

【図18】図17に続く同製造方法の製造方法を説明す
るための断面図
FIG. 18 is a cross-sectional view for explaining the manufacturing method of the manufacturing method following FIG. 17;

【図19】図18に続く同製造方法の製造方法を説明す
るための断面図
FIG. 19 is a sectional view for explaining the manufacturing method of the manufacturing method following FIG. 18;

【図20】図19に続く同製造方法の製造方法を説明す
るための断面図
FIG. 20 is a sectional view for illustrating the manufacturing method following FIG. 19;

【図21】図20に続く同製造方法の製造方法を説明す
るための断面図
FIG. 21 is a sectional view for explaining the manufacturing method of the manufacturing method following FIG. 20;

【図22】アッシャー+コリン処理を用いたレジストの
除去方法の問題点を説明するための断面図
FIG. 22 is a cross-sectional view for explaining a problem of a method of removing a resist using an asher + choline treatment.

【図23】従来の同一基板上にnMISおよびpMIS
の形成方法を説明するための断面図
FIG. 23 shows a conventional nMIS and pMIS on the same substrate.
Sectional view for explaining a method of forming

【図24】図23に続く同形成方法を説明するための断
面図
FIG. 24 is a sectional view for explaining the same forming method following FIG. 23;

【図25】図24に続く同形成方法を説明するための断
面図
FIG. 25 is a sectional view for explaining the same forming method continued from FIG. 24;

【図26】図25に続く同形成方法を説明するための断
面図
FIG. 26 is a sectional view for explaining the same forming method continued from FIG. 25;

【図27】図26に続く同形成方法を説明するための断
面図
FIG. 27 is a sectional view for explaining the same forming method continued from FIG. 26;

【図28】図27に続く同形成方法を説明するための断
面図
FIG. 28 is a sectional view for explaining the same forming method following FIG. 27;

【図29】図28に続く同形成方法を説明するための断
面図
FIG. 29 is a sectional view for explaining the same forming method continued from FIG. 28;

【図30】図29に続く同形成方法を説明するための断
面図
FIG. 30 is a sectional view for explaining the same forming method continued from FIG. 29;

【図31】図29のnMIS形成領域のゲート部の断面
拡大図
FIG. 31 is an enlarged cross-sectional view of a gate portion in an nMIS formation region in FIG. 29;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…シリコン基板 2…素子分離領域 3…シリコン酸化膜 4…エクステンション領域 5…ソース/ドレイン領域 6…金属シリサイド膜 7…第1のシリコン窒化膜(層間絶縁膜) 8…第2のシリコン窒化膜(ゲート側壁) 9…ゲート絶縁膜 10…TiN膜(第1のゲート電極) 11…レジスト 12…Inイオン注入層 13…In析出層 14…W膜(第2のゲート電極) 15…レジスト 16…Teイオン注入層 17…Te析出層 18…ステンシル・マスク 19…シリコン酸化膜(バッファ層) REFERENCE SIGNS LIST 1 silicon substrate 2 element isolation region 3 silicon oxide film 4 extension region 5 source / drain region 6 metal silicide film 7 first silicon nitride film (interlayer insulating film) 8 second silicon nitride film (Gate side wall) 9 ... Gate insulating film 10 ... TiN film (first gate electrode) 11 ... Resist 12 ... In ion implantation layer 13 ... In deposition layer 14 ... W film (second gate electrode) 15 ... Resist 16 Te ion-implanted layer 17 Te deposition layer 18 Stencil mask 19 Silicon oxide film (buffer layer)

───────────────────────────────────────────────────── 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 29/41 H01L 29/62 G 29/43 29/78 301P 21/336 617K 29/786 617M (72)発明者 須黒 恭一 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Fターム(参考) 4M104 AA01 AA02 AA03 AA09 BB02 BB04 BB05 BB16 BB17 BB18 BB20 BB25 BB28 BB29 BB30 BB32 BB33 CC01 CC05 DD04 DD08 DD17 DD34 DD37 DD43 DD63 DD75 DD78 DD82 DD84 EE03 EE05 EE14 EE16 EE17 FF13 GG19 HH16 HH20 5F048 AA01 BA16 BB01 BB04 BB08 BB09 BB10 BB11 BB13 BB14 BB15 BC06 BE03 BF06 BF16 BG13 DA27 5F110 AA08 AA30 BB04 CC02 DD05 DD13 EE01 EE02 EE04 EE05 EE12 EE15 EE22 EE30 EE32 EE48 FF01 FF02 HJ13 HJ23 HL02 HL03 NN03 NN24 QQ19 5F140 AA00 AA06 AA19 AB03 AC36 BA01 BA03 BA05 BC06 BC17 BD11 BE07 BE10 BF05 BF15 BF17 BF18 BF20 BF21 BF27 BF37 BF38 BF40 BF45 BG03 BG04 BG05 BG08 BG14 BG28 BG30 BG31 BG32 BG33 BG36 BG40 BG52 BG53 BH14 BJ01 BJ08 BK02 BK05 BK13 BK21 BK34 CA03 CB04 CC03 CC12 CE02 CE07 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI theme coat ゛ (Reference) H01L 29/41 H01L 29/62 G 29/43 29/78 301P 21/336 617K 29/786 617M (72) Inventor Kyoichi Suguro 8 Shinsugita-cho, Isogo-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture F-term in the Toshiba Yokohama office (reference) 4M104 AA01 AA02 AA03 AA09 BB02 BB04 BB05 BB16 BB17 BB18 BB20 BB25 BB28 BB29 BB30 DD08 DD37 DD43 DD63 DD75 DD78 DD82 DD84 EE03 EE05 EE14 EE16 EE17 FF13 GG19 HH16 HH20 5F048 AA01 BA16 BB01 BB04 BB08 BB09 BB10 BB11 BB13 BB14 BB15 BC06 BE03 BF06 BF16 BG13 DA02 5A30 EB15 EE03 EE48 FF01 FF02 HJ13 HJ23 HL02 HL03 NN03 NN24 QQ19 5F140 AA00 AA06 AA19 AB03 AC36 BA01 BA03 BA05 BC06 BC17 BD11 BE07 BE10 BF 05 BF15 BF17 BF18 BF20 BF21 BF27 BF37 BF38 BF40 BF45 BG03 BG04 BG05 BG08 BG14 BG28 BG30 BG31 BG32 BG33 BG36 BG40 BG52 BG53 BH14 BJ01 BJ08 BK02 BK05 CB13 CC03 CB13

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板と、 前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、 前記絶縁膜上に形成された電極とを具備してなり、 前記電極はその下面を含む1の領域およびこの第1の領
域上に形成された第2の領域を有し、前記第1の領域が
所定の物質から形成され、前記第2の領域が金属、また
は金属と窒素を含む金属化合物から形成されていること
を特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate; an insulating film formed on the semiconductor substrate; and an electrode formed on the insulating film. The electrode includes a first region including a lower surface thereof, A second region formed on the first region, wherein the first region is formed of a predetermined material, and the second region is formed of a metal or a metal compound containing a metal and nitrogen. A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
【請求項2】前記所定の物質は、ガリウム、インジウ
ム、タリウム、錫、鉛、アンチモン、ビスマス、セレ
ン、テルル、またはこれらの元素の中から選ばれた少な
くとも2種類以上の元素で構成された合金であることを
特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
2. The method according to claim 1, wherein the predetermined substance is gallium, indium, thallium, tin, lead, antimony, bismuth, selenium, tellurium, or an alloy composed of at least two elements selected from these elements. The semiconductor device according to claim 1, wherein
【請求項3】前記金属化合物は、チタン窒化物、ジルコ
ニウム窒化物、ハフニウム窒化物、ニオブ窒化物、タン
タル窒化物、またはタングステン窒化物であることを特
徴とする請求項1に記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said metal compound is titanium nitride, zirconium nitride, hafnium nitride, niobium nitride, tantalum nitride, or tungsten nitride.
【請求項4】前記金属は、モリブデンまたはタングステ
ンであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装
置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein said metal is molybdenum or tungsten.
【請求項5】前記第1の領域の厚さは、5nm以下であ
ることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein said first region has a thickness of 5 nm or less.
【請求項6】前記絶縁膜および前記電極は、それぞれ、
MIS型トランジスタのゲート絶縁膜およびゲート電極
であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
6. The insulating film and the electrode each include:
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a gate insulating film and a gate electrode of a MIS transistor.
【請求項7】前記MIS型トランジスタは、ダマシンゲ
ート構造を有するものであることを特徴とする請求項6
に記載の半導体装置。
7. The MIS transistor according to claim 6, wherein said MIS transistor has a damascene gate structure.
3. The semiconductor device according to claim 1.
【請求項8】半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、 前記絶縁膜上に電極としての、金属、または金属と窒素
を含む金属化合物からなる金属含有膜を形成する工程
と、 前記絶縁膜中に所定の物質を導入しないように、前記金
属含有膜に前記所定の物質を導入する工程と、 熱処理により前記所定の物質を拡散させ、前記金属含有
膜と前記絶縁膜との界面およびこの界面と接した領域上
の前記金属含有膜中に、前記所定の物質からなる領域を
形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の
製造方法。
8. A step of forming an insulating film on a semiconductor substrate; a step of forming a metal-containing film made of a metal or a metal compound containing metal and nitrogen as an electrode on the insulating film; Introducing the predetermined substance into the metal-containing film so as not to introduce the predetermined substance into the metal-containing film; and diffusing the predetermined substance by heat treatment to form an interface between the metal-containing film and the insulating film and the interface. Forming a region made of the predetermined substance in the metal-containing film on a region in contact with the semiconductor device.
【請求項9】前記金属含有膜下の領域中に所定の物質を
導入しないように、前記金属含有膜中に前記所定の物質
を導入する工程は、前記所定の物質のイオン注入により
行うことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製
造方法。
9. The step of introducing the predetermined substance into the metal-containing film so as not to introduce the predetermined substance into a region below the metal-containing film, wherein the step of ion-implanting the predetermined substance is performed. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein:
【請求項10】前記金属含有膜はゲート電極、前記金属
化合物膜下の領域はゲート絶縁膜であることを特徴とす
る請求項8または9に記載の半導体装置の製造方法。
10. The method according to claim 8, wherein the metal-containing film is a gate electrode, and a region below the metal compound film is a gate insulating film.
【請求項11】前記熱処理の温度は、200℃以上であ
ることを特徴とする請求項8ないし10のいずれか1項
に記載の半導体装置の製造方法。
11. The method according to claim 8, wherein the temperature of the heat treatment is 200 ° C. or higher.
【請求項12】半導体基板上に電極としての、金属、ま
たは金属と窒素を含む金属化合物からなる金属含有膜を
形成する工程と、 前記金属含有膜上にバッファ層を形成する工程と、 前記バッファ層中にイオンを注入するか、または前記バ
ッファ層を介して前記金属含有膜中にイオンを注入する
工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方
法。
12. A step of forming a metal-containing film made of metal or a metal compound containing metal and nitrogen as an electrode on a semiconductor substrate; a step of forming a buffer layer on the metal-containing film; Implanting ions into the layer, or implanting ions into the metal-containing film via the buffer layer.
【請求項13】半導体基板上に電極としての、金属、ま
たは金属と窒素を含む金属化合物からなる金属含有膜を
形成する工程と、 前記金属化合物膜上にバッファ層を形成する工程と、 前記バッファ層の一部をレジストで覆う工程と、 前記レジストで覆われていない領域の前記バッファ層中
にイオンを注入するか、または前記レジストで覆われて
いない領域の前記バッファ層を介して前記金属含有膜中
にイオンを注入する工程と、 前記レジストを前記バッファ層に対して選択的に除去す
る工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方
法。
13. A step of forming a metal-containing film made of metal or a metal compound containing metal and nitrogen as an electrode on a semiconductor substrate; a step of forming a buffer layer on the metal compound film; Covering a part of the layer with a resist; and implanting ions into the buffer layer in a region not covered with the resist, or including the metal-containing material through the buffer layer in a region not covered with the resist. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of implanting ions into a film; and a step of selectively removing the resist from the buffer layer.
【請求項14】前記レジストを前記バッファ層に対して
選択的に除去する工程は、硫酸と過酸化水素水を含む薬
液を用いて行うことを特徴とする請求項13に記載の半
導体装置の製造方法。
14. The semiconductor device according to claim 13, wherein the step of selectively removing the resist with respect to the buffer layer is performed using a chemical solution containing sulfuric acid and a hydrogen peroxide solution. Method.
【請求項15】前記バッファ層中にイオンを注入した場
合、熱処理により前記バッファ層中の前記イオンを前記
金属含有膜中に拡散させる工程をさらに有することを特
徴とする請求項12ないし14のいずれか1項に記載の
半導体装置の製造方法。
15. The method according to claim 12, further comprising a step of, when ions are implanted into said buffer layer, diffusing said ions in said buffer layer into said metal-containing film by heat treatment. 2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
【請求項16】前記イオンは、金属イオンであることを
特徴とする請求項12ないし14のいずれか1項に記載
の半導体装置の製造方法。
16. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12, wherein said ions are metal ions.
【請求項17】前記バッファ層は、シリコン酸化膜また
はシリコン窒化膜であることを特徴とする請求項12な
いし14のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方
法。
17. The method according to claim 12, wherein said buffer layer is a silicon oxide film or a silicon nitride film.
【請求項18】前記金属含有膜は、金属窒化物膜である
ことを特徴とする請求項8ないし14のいずれか1項に
記載の半導体装置の製造方法。
18. The method according to claim 8, wherein the metal-containing film is a metal nitride film.
【請求項19】前記金属窒化物膜は、チタン窒化物膜、
ジルコニウム窒化物膜、ハフニウム窒化物膜、ニオブ窒
化物膜、タンタル窒化物膜、またはタングステン窒化物
膜であることを特徴とする請求項18に記載の半導体装
置の製造方法。
19. The method according to claim 19, wherein the metal nitride film is a titanium nitride film,
19. The method according to claim 18, wherein the film is a zirconium nitride film, a hafnium nitride film, a niobium nitride film, a tantalum nitride film, or a tungsten nitride film.
【請求項20】前記金属含有膜は、タングステン膜また
はモリブデン膜であることを特徴とする請求項8ないし
14のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
20. The method according to claim 8, wherein the metal-containing film is a tungsten film or a molybdenum film.
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