JP2004165346A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which is low in resistance value, operationally balanced well, and has a dual gate structure. <P>SOLUTION: The semiconductor device having a dual gate structure is equipped with a semiconductor substrate, a first transistor provided with a first electrode and a first conductivity-type channel diffusion region formed on the semiconductor substrate, and a second transistor provided with a second electrode and a second conductivity-type channel diffusion region formed on the semiconductor substrate. The first gate electrode and/or the second gate electrode is formed of substituted metal material containing a work function regulating metal, and the substituted metal material containing the work function regulating metal has a work function to enable a corresponding transistor to operate on a threshold voltage nearly symmetrical to that of the other transistor. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置とその製造方法に関し、とくに置換メタルゲートを用いたデュアルゲートトランジスタの構造と製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
大容量高速通信の発達、高機能携帯情報端末の普及に伴い、半導体デバイスの高集積化と高機能化が強く市場から望まれている。このような要望に答えるためには、半導体デバイス自体の機能の向上に加え、半導体デバイスを構成するトランジスタの性能向上が必要である。トランジスタの性能向上を図る一つの手段として、メタルゲートの採用があげられる。メタルゲートは、ゲートの寄生抵抗を大幅に低減し、ゲートの空乏化問題を回避できるという点から、トランジスタの高速化、高性能化に寄与できるものとして期待されている。
【0003】
トランジスタに寄生する寄生抵抗を低減して高速動作を可能にするために、ゲート電極を抵抗の低い材料、とりわけ金属材料で形成することが本来的に望ましい。しかし、トランジスタの製造過程を考えると、ゲート電極の形成後に、ソース・ドレインに注入された不純物を活性化する900℃以上の高温の熱処理が必要であり、ゲート電極を、抵抗は低いが融点が低い金属で形成することは困難とされていた。また、高融点金属や高融点金属シリサイドでゲート電極を構成しても、抵抗自体が高くなる、あるいはコンタクト抵抗が高くなるという高温熱処理による被害は避けられなかった。
【0004】
この問題を解決するために、ゲート電極をあらかじめポリシリコン等の耐熱材料で形成しておき、高温熱処理の後にアルミニウム(Al)等の低抵抗メタルに置き換える技術が提案されている(たとえば、特許文献1〜6参照)。
【0005】
このような金属置換の技術を用いると、金属電極に対する高温の熱処理が回避されるとともに、最終的にトランジスタのゲート電極を置換メタル材、たとえば抵抗の低いアルミニウム(Al)で形成することができる。
【0006】
【特許文献1】
特開平11−97535号公報
【0007】
【特許文献2】
特開平10−308515号公報
【0008】
【特許文献3】
特開平11−261063号公報
【0009】
【特許文献4】
特願平11−192011号公報
【0010】
【特許文献5】
特開2001−274379号公報
【0011】
【特許文献6】
特開平10−368146号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の低消費電力化、高集積化に適したデバイスとして、CMOSデバイスが有力な回路形式とされている。図1(a)は、従来から提案されている置換Alゲート構造を、高性能トランジスタとしてのCMOS1000に適用した例を示す。図1(b)は、図1(a)のa−a’ラインあるいはb−b’ラインに沿った断面図である。CMOS1000は、P型のチャネルを形成するP型MOSFET(以下、単にPMOSと称する)と、N型のチャネルを形成するN型MOSFET(以下、単にNMOSと称する)とで構成され、それぞれがAlを材料とする置換メタルゲート1003を有する。各MOSFETのソース・ドレイン領域1004は、プラグ1007を介して上部配線1005に接続されている。
【0013】
しかし、従来の置換Alゲート構成をCMOS1000に適用するだけでは、近年のCMOSデバイスの主流であるデュアルゲート構造に対応することができない。近年の高性能半導体デバイスでは、PMOSとNMOSの双方をサーフェース型トランジスタで構成している。サーフェース型トランジスタは、トランジスタの微細化(ゲート長の微細化に伴うショートチャネル効果など)に対して性能の劣化が少ないからである。したがって、メタルゲートへの置換を行う場合でも、サーフェース型のトランジスタであることが前提条件として望まれる。サーフェース型トランジスタでは、通常、ソース・ドレイン形成時にゲート電極をマスクとして不純物の注入が行われ、このとき、N型トランジスタのゲート電極はN型に、P型トランジスタの電極はP型にドープされる。
【0014】
図2は、従来の置換Alゲート技術を用いてゲート電極を形成したNMOSとPMOSのしきい値電圧Vthのシフトを示すグラフである。図2(a)はNMOSのVthシフト示し、図2(b)はPMOSのVthシフトを示す。それぞれのグラフにおいて、破線は、対応する導電型にドープされたポリシリコンゲートの電流電圧特性を、実線は置換Alゲートの電流電圧特性である。
【0015】
CMOSの動作バランスを考えるなら、置換メタルゲートのNMOSは、PMOSの置換メタルゲートのしきい値電圧Vthと符号が逆で値がほぼ等しくなるべきである。したがって、たとえばポリシリコンゲートに対応する設計において、置換メタルゲートのNMOSはN型ポリシリコンをゲート電極に用いたトランジスタとしきい値電圧Vthがほぼ等しく、置換メタルゲートのPMOSは、P型ポリシリコンをゲート電極に用いたトランジスタとしきい値電圧Vthがほぼ等しくなるべきである。しかし、図2(a)および2(b)に示すように、Al置換ゲートを用いたNMOSは、N型ポリシリコンゲート電極としきい値電圧Vthが近接するが、Al置換ゲートのPMOSでは、P型ポリシリコンゲート電極と0.7Vものしきい値電圧シフトが生じる。これは、動作バランスの点で大きな問題となる。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上述した問題を解消して、置換メタルゲートを高性能半導体デバイスに良好に適用するには、PMOSとNMOSの動作バランスを維持すべく、メタル置換後の最終的なN型トランジスタとP型トランジスタのしきい値電圧の絶対値がほぼ等しくなるように維持する必要がある。
【0017】
たとえば、本発明を現状のCMOSの設計に適用する場合、N型トランジスタのゲート電極をN型のポリシリコンとほぼ同じ仕事関数を持つメタルで形成し、P型トランジスタのゲート電極をP型のポリシリコンとほぼ同じ仕事関数を持つメタルで形成して、デュアルゲート構造を実現することが望まれる。
【0018】
そこで、本発明は、低抵抗化を図るとともに、メタル置換後もPMOSとNMOSとのしきい値電圧差の少ない、動作バランスのとれたデュアルゲート構成を有する半導体装置を提供することを目的とする。
【0019】
また、このような半導体装置を効率的に製造する方法を提供することを目的とする。
【0020】
しきい値電圧差を抑制するためには、電圧シフトが大きいトランジスタ(たとえばPMOS)のゲート電極に、このトランジスタが他方のトランジスタのしきい値電圧とほぼ対称なしきい値電圧で動作し得るような、適切な仕事関数を有するメタル材料を導入する必要がある。また、トランジスタ形成時の高温熱処理を避けるため、高温熱処理後に母材と置換メタルとを置き換えるメタル置換を前提とすることが望ましい。これらの点から、高温熱処理後に、仕事関数の異なるメタル材料を、それぞれ対応する導電型のトランジスタのゲート母材に導入してデュアルゲートを構成する手法を提案する。
【0021】
仕事関数の異なるメタル材をゲートに導入する方法として、
(1)アルミニウム(Al)置換の方法をベースとし、アルミニウムに、仕事関数を調整できる他のメタルを混合し、アルミニウム置換時のアルミニウムの拡散とともに仕事関数調整用のメタルを母材に注入する
(2)デュアルゲートの一方を、第1の置換メタル材または仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材を用いた置換メタルゲートとし、他方をシリサイドまたは第1の置換メタル材と異なる第2のメタル材の電極で構成することによって双方のゲート電極の仕事関数を調整する。
という方法が考えられる。
【0022】
このような原理に基づき、第1の側面では、半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成され第1のゲート電極と第1の導電型のチャネル拡散領域を有する第1トランジスタと、半導体基板上に形成され第2のゲート電極と第2の導電型のチャネル拡散領域を有する第2トランジスタとを備え、第1または第2のゲート電極の少なくとも一方は、仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材で構成され、仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材は、対応するトランジスタのしきい値電圧が、他方のトランジスタのしきい値電圧とほぼ対称となる仕事関数を有する。
【0023】
この構成により、ゲート電極の抵抗を低減するとともに、第1トランジスタと第2トランジスタとの間のしきい値電圧のずれを回避し、対応するトランジスタにふさわしい仕事関数を有する動作バランスの取れたデュアルゲート構造の半導体デバイスが実現される。
【0024】
本発明の第2の側面では、半導体装置は、半導体基板と、半導体基板上に形成され第1のゲート電極と第1の導電型のチャネル拡散領域を有する第1トランジスタと、半導体基板上に形成され第2のゲート電極と第2の導電型のチャネル拡散領域を有する第2導電型の第2トランジスタとを備え、第1または第2のゲート電極の一方のゲート電極が、置換メタル材または仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材で構成され、他方のゲート電極はシリサイドで構成され、シリサイドは、対応するトランジスタのしきい値電圧が前記一方のトランジスタのしきい値電圧とほぼ対称となる仕事関数を有する。
【0025】
この構成によっても、ゲート電極の抵抗が低減され、同時に、仕事関数のずれに起因するしきい値電圧のシフトを回避して、第1および第2のトランジスタ間で動作バランスの取れたデュアルゲート構造の半導体デバイスを実現することができる。
【0026】
本発明の第3の側面として、動作バランスのとれたデュアルゲート構造の半導体装置の製造方法を提供する。半導体装置の製造方法は、
(a)半導体基板上に、第1の初期ゲート電極と第1の導電型のチャネル拡散領域を有する第1トランジスタと、第2の初期ゲート電極と第2の導電型のチャネル拡散領域を有する第2トランジスタとを形成する工程と、
(b)熱処理により、第1または第2の初期ゲート電極の少なくとも一方を、仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材と置換して、仕事関数調整メタル含有置換メタルゲート電極を形成する工程と
を含み、仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材は、仕事関数調整メタル含有置換メタルゲート電極に対応するトランジスのしきい値電圧が、他方のトランジスタのしきい値電圧とほぼ対称となる仕事関数を有するように選択される。
【0027】
この方法では、高温熱処理を伴うトランジスタ形成時には初期ゲート電極を使用し、その後、この初期ゲート電極を、対応するトランジスタにふさわしい仕事関数を有する仕事関数調整メタル含有メタルのゲート電極で置き換える。したがって、高温熱処理を避けて、より抵抗の低いゲート電極を有する半導体装置が作製される。また、置換メタルによるゲート電極は、対応するトランジスタが他方のトランジスタのしきい値とほぼ対称のしきい値電圧で動作し得る仕事関数を有するので、第1および第2のトランジスタ間での動作バランスが維持される。
【0028】
本発明の第4の側面では、半導体装置の製造方法は、
(a)半導体基板上に、第1の初期ゲート電極と第1の導電型のチャネル拡散領域を有する第1トランジスタと、第2の初期ゲート電極と第2の導電型のチャネル拡散領域を有する第2トランジスタとを形成する工程と、
(b)第1の初期ゲート電極の少なくとも一部と、前記第2の初期ゲート電極の少なくとも一部を、同時または個別に露出させる工程と、
(c)第1の初期ゲート電極の露出箇所に第1のメタル層を形成する工程と、
(d)第2の初期ゲート電極の露出箇所に、仕事関数調整メタルを含有するメタル層、または前記第1のメタル層と異なる第2のメタル層を形成する工程と、
(e)熱処理を施すことにより、前記第1の初期ゲート電極を第1の置換メタルゲート電極に置換し、前記第2の初期ゲート電極を、対応する第2トランジスタのしきい値電圧が前記置換後の第1トランジスタのしきい値電圧とほぼ対称となるような仕事関数を有する第2の置換ゲート電極に置換する工程と
を含む。
【0029】
第1の初期ゲート電極の置換と、第2の初期ゲート電極の置換は、同一の熱処理工程で同時に行ってもよい。これにより、半導体装置の迅速な作製が可能になる。
【0030】
第2の初期ゲート電極の露出箇所に第2のメタル層を形成した場合、用いるメタル材の種類と熱処理温度によって、第2の初期ゲート電極は、置換メタルゲート電極またはシリサイド電極に置換される。いずれの場合も、対応する第2トランジスタが他方の第1トランジスタのしきい値電圧とほぼ対称なしきい値電圧で動作し得る仕事関数を有するとともに、第2の初期ゲート電極よりも低い抵抗値を有する。
【0031】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の実施の形態について述べる前に、仕事関数調整メタルを含有する置換メタルを用いたメタル置換の手法を説明する。
【0032】
図3は、仕事関数調整メタル3を含有する置換メタル材1によるメタル置換の手法を説明するための図である。一例として、アルミニウム(Al)を置換メタルとして用い、ポリシリコンゲート電極を置換する例に基づいて説明する。この場合、PMOSにおいて、P型にドープされたポリシリコンのゲート電極と、メタル置換後のAlゲート電極との仕事関数の差が大きくなり、NMOSとの動作バランスが乱れる。この仕事関数の差を解消するために、最終的な置換メタルゲートの仕事関数が、P型にドープされたポリシリコンゲートの仕事関数とほぼ等しくなるように、メタル置換の過程で仕事関数調整メタル3を導入する。すなわち、初期ゲート電極として用いられたポリシリコン(母材)ゲートの少なくとも一部を露出させ、低温熱処理により、置換アルミニウム(Al)材1の拡散の流れにのせて、露出部分から仕事関数調整メタル3をポリシリコン(母材)中に拡散させる。
【0033】
仕事関数調整メタル3の種類と含有量は、基本となる置換メタル材およびターゲットとする仕事関数に応じて選択されるが、たとえば、P型ポリシリコンの仕事関数をターゲットとする場合は、Alよりも仕事関数の大きいCo,Ni,Ru,Ir,Cr,Cu,Pd,Ot,Os,Re,Rh,W,Ag,Au,Mo,Fe,Ruなどを使用する。
【0034】
置換Al材の拡散の流れにのせて仕事関数調整メタル3を導入する場合、仕事関数調整メタル3の置換距離は、仕事関数調整メタルの単純拡散長よりもはるかに長く、低温アニール処理であってもゲート電極全体に行きわたる。仕事関数調整メタル3は、あらかじめ置換Al材1の中に含有されていてもよいし、置換前の状態において置換Al材1と積層にされていてもよい。熱処理により、仕事関数調整メタル3を置換メタル1とともに拡散させて、最終的な置換メタルゲートの仕事関数を調整することにより、動作バランスの取れたデュアルゲートが実現する。
【0035】
この手法は、PMOSゲートの仕事関数(あるいはしきい値電圧)の調整に限定されず、NMOSのわずかな仕事関数のずれを補正する目的にも使用できる。仕事関数調整メタルを拡散させる置換メタル材料は、アルミニウム(Al)に限定されるものではないが、アルミニウムは他のメタルと比べて抵抗が2.7μΩcmと低く、ゲート電極の低抵抗化を達成し易い。またAl置換の置換距離はきわめて長いので、長ゲートでも実用的な温度と時間で置換することができる。
【0036】
以下に、このような仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材を用いたデュアルゲート構成の具体的な実施の形態について説明する。
【0037】
[第1実施形態]
図4は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置10の構成を示す図である。半導体装置10は、シリコン(Si)基板11上に、N型のチャネルを形成するNMOS(第1のトランジスタ)と、P型のチャネルを構成するPMOS(第2のトランジスタ)を備え、NMOSとPMOSの少なくとも一方は、他方のトランジスタとのしきい値電圧特性がほぼ対称となるような仕事関数調整メタルを含有する置換メタルゲート電極を有する。図4の例では、現状のCMOSの設計をそのまま維持して、ゲート材料を置換メタル材に置き換えることとし、NMOSを置換アルミニウム(Al)のゲート電極26で、PMOSを仕事関数調整メタルを含有する置換Alのゲート電極28で構成する。この場合、仕事関数調整メタル含有Alゲート電極28の仕事関数は、P型にドープされたシリコンの仕事関数とほぼ等しい。
【0038】
PMOSのゲート電極28の基本置換メタル材料としてアルミニウム(Al)を用いた場合、PMOSのゲート電極にAlとともに導入する仕事関数調整メタルは、Co、Ni、Ru、Ir、Ptなど、アルミニウム(Al)よりも仕事関数の大きいメタルであるのが望ましい。これにより、PMOSにおける仕事関数調整メタル含有の置換メタルゲートの仕事関数が、P型ポリシリコンゲートの仕事関数とほぼ等しくなり、NMOSのしきい値電圧の絶対値からのずれ(電圧シフト)を解消して、CMOSの動作特性のバランスを図ることができる。
【0039】
なお、NMOSの置換Al電極26と、PMOSの仕事関数調整メタル含有置換Alゲート電極28の上部配線38への接続例を、図4のA−A’断面図およびB−B’断面図に示しておく。
【0040】
図5〜図13は、図4に示すデュアルゲート構造を有する半導体装置10の作製工程を示す図である。このうち図5および6については従来のCMOSプロセスと同じであるので簡単な説明にとどめておく。
【0041】
(1)まず、図5(1)に示すように、通常の半導体デバイスの製造と同様に、たとえばシリコン(Si)基板11などの半導体基板領域に、素子分離領域(STI)12、ウエル拡散領域18を形成する。基板はSi基板に限定されず、SOI(silicon−on−insulator)基板を用いてもよい。
【0042】
(2)次に、ゲート絶縁膜13を形成する。ゲート絶縁膜13としては、半導体基板11の表面を酸化・窒化して得られる絶縁膜、あるいはCVD法により形成されたHigh K誘電体膜等を用いることができる。
【0043】
(3)ゲート絶縁膜13およびSi基板11上に、初期ゲート電極の母料としてポリシリコン膜14をCVD法で形成する。
【0044】
(4)リソグラフィ法およびエッチング法を用いて、堆積したポリシリコン膜14を、凸型電極形状に加工して初期ゲート電極14を形成する。また、LDD(あるいはエクステンション)15を形成するためのイオン注入を行い、後の熱処理で活性化する。
【0045】
(5)CVD法により絶縁膜を形成後、異方性エッチングを行い、先のゲート電極の側壁にサイドウオール17として残す。高濃度のソース・ドレイン16を形成するためのイオン注入を行い、後の熱処理で不純物の活性化をおこなう。このときのイオン注入で、P型ウエル上のポリシリコンゲート14 をN型に、N型ウエル上のポリシリコンゲート14 をP型にドープしてもよいし、あるいは、上記の工程(4)でポリシリコン膜14上にキャップ絶縁膜を残す場合は、ポリシリコンゲート14、14をノンドープにしてもよい。後者の場合、ポリシリコン膜14上に酸化膜などのキャップ絶縁膜を形成した後、キャップ絶縁膜とポリシリコン膜とを一括してゲート形状に加工する。初期ゲート電極は後工程で置換メタル材と置換されるので、この段階では導電性や抵抗を考慮する必要はないので、かならずしもドープする必要はないからである。
【0046】
(6)次に、ソース・ドレイン16と上部配線とを接続するプラグを形成するために、ゲート電極14を完全に覆って絶縁膜21を堆積し、ソース・ドレイン16に達するホールを形成する。ホール内壁にまずTi膜を形成し、その上にTiN膜を形成してバリアメタル19を形成する。
【0047】
(7)その後、図6(7)に示すように、ホール内をタングステン(W)で埋め込む。
【0048】
(8)絶縁膜21に達するまで表面を研磨し、プラグ23を形成する。
【0049】
(9)次に、図6(9)に示すように、NMOSのポリシリコンゲート電極14 の上部に開口を有するようなパターン形状のレジストマスク25を形成する。図6(9)のa−a’断面図は、NMOSのポリシリコンゲート電極14 上に開口を有するレジストマスク25のパターン形状の一例を示すものである。
【0050】
(10)次に、図7(10)のa−a’断面図に示すように、NMOSのポリシリコンゲート電極14 に達するゲート開口24を形成する。これにより、NMOSのポリシリコンゲート電極の一部が露出される。このとき、PMOSのポリシリコンゲート電極14 は絶縁膜に21に覆われたままである(b−b’断面図)。
【0051】
(11)次に、図8(11)のa−a’断面図に示すように、ゲート開口24を埋め込み、ウエハ全面に置換メタル材としてアルミニウム(Al)26を堆積する。Al膜26上に、効率よくシリコン(Si)を吸い取るための、言わば吸い取り紙の役割をするチタン(Ti)27を成膜する。TiはAl置換の効率を上げる目的で形成されるものであり、Al膜26を厚くする等する場合は省略することができる。なお、b−b’断面図に示すように、絶縁膜21で覆われたPMOSのポリシリコンゲート電極14 の上部にも、Al膜26とTi膜27が順次堆積される。
【0052】
(12)次に、図9(12)に示すように、Al置換のため、400℃程度でアニールをおこなう。この低温熱処理により、NMOSのゲート母材であるシリコン(Si)とAlが相互拡散し、ポリシリコンゲート電極14はAlに置換される(a−a’断面図)。Al膜26上のTi膜27により、置換が促進され、比較的低温のアニール処理を施すことにより短時間で置換を行うことができる。このとき、PMOSのポリシリコンゲート電極14 は不動である(b−b’断面図)。
【0053】
(13)次に、図10(13)に示すように、CMPあるいはエッチバックを行い、表面のチタン膜27および置換メタル(Al)26を除去する。
【0054】
(14)〜(16)次に、図11(14)〜(16)に示すように、PMOSのポリシリコンゲート14 を、仕事関数調整メタル含有Al材28と置換する。すなわち、PMOSのポリシリコンゲート電極14 に達するゲート開口24’を形成し、ゲート開口24’内部およびウエハ全面に、仕事関数調整メタル含有Al膜28と、チタン(Ti)膜29を成膜する。400℃程度でアニール処理を行い、仕事関数調整メタルをアルミニウム(Al)の拡散の流れにのせてポリシリコンゲート中に拡散させる。上層のTi膜29によりシリコン(Si)の吸い取りが促進される。
【0055】
仕事関数調整メタルは、第1実施形態ではPMOSのしきい値電圧シフトを解消する方向に仕事関数を補正するため、Co、Ni、Ru、Ir、Cr、Cu、Pd、Pt、Os、Re、Rh、W、Ag、Au、Mo、Fe、Ruなどを用いる。なお、図11の例では仕事関数調整メタル含有Al材28を単一の層として描いているが、Al層と仕事関数調整メタル層とを積層にしたものであってもよい。
【0056】
(17)次に、図12に示すように、CMPまたはエッチバックにより、表面の仕事関数含有メタルAl材28を除去する。これにより、NMOSでは置換Al材のゲート電極26を有し、PMOSでは仕事関数調整メタル含有Al材のゲート電極28を有するデュアルゲートが完成する。
【0057】
(18)最後に、図13に示すように、たとえばTiN膜39を介して配線層36、38を形成し、デュアルゲート構造を有する半導体装置10が完成する。第1実施形態の半導体装置では、NMOSの置換Alゲート電極26の仕事関数がN型シリコンの仕事関数とほぼ等しく、PMOSの仕事関数調整メタル含有Alゲート電極28がP型シリコンの仕事関数とほぼ等しくなり、双方のしきい値電圧Vthがほぼ対称に(符号が反対で絶対値がほぼ等しく)なる。これにより、しきい値電圧シフトを回避して、動作バランスのとれた低抵抗高性能の半導体装置が提供される。
【0058】
[第2実施形態]
図14〜16は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の作製工程を示す図である。第1実施形態では、まずNMOSのポリシリコンゲートを置換Al材26で置換し、その後、別工程でPMOSのポリシリコンゲートを、仕事関数調整メタル含有Al材28で置換した。すなわち、一方のゲート電極を単体のAl材と置換し、他方のゲート電極に置換Al材とともに仕事関数調整メタルを導入するために、類似する工程を2度繰り返した。
【0059】
第2実施形態では、作製工程を短縮し、効率よくデュアルゲートを作製するために、NMOSとPMOSにおいて、置換Al材26と、仕事関数調整メタル含有Al材28のメタル置換を、一度のアニール処理で同時に行う。なお、工程(1)〜(9)については、第1実施形態と同様であるので説明を省略し、工程(10)から説明することとする。
【0060】
(10)メタル置換を行うに際して、図14(10)のa−a’断面およびb−b’断面に示すように、NMOSとPMOSのトランジスタのポリシリコン初期ゲート電極14、14に達するゲート開口24、24’を形成する。
【0061】
(11)次に、図15(11)に示すように、PMOSに設けたゲート開口24’とその周辺領域に仕事関数調整メタル含有Al材28を形成する。NMOSに設けたゲート開口24とその周辺領域は、仕事関数調整メタル含有Al材28で被覆されずに露出されている。具体的には、まず、仕事関数調整メタル含有Al材28を全面に形成する。そして、リソグラフィ工程とエッチング工程により、仕事関数調整メタル含有Al材28を、PMOSのゲート開口24’およびその周辺に残るように除去する。この結果、a−a’断面図に示すように、NMOSのゲート開口24は露出して残る。
【0062】
(12)次に、図16(12)に示すように全面に置換Al材26を成膜する。このAl材26は、a−a’断面図およびb−b’断面図に示すように、NMOSのゲート開口24を埋め込み、先の工程で形成した仕事関数調整メタル含有Al材28を被覆する。さらに、必要に応じて、Al材26上に全面にわたってポリシリコンゲート電極14からシリコン(Si)の吸収を促進するためにTi膜27を形成してもよい。なお、Co、Ni、Ru、Ptなどのシリサイド化しやすい材料を、Tiに代えて吸収材として使用することができる。この状態で、メタル置換のためのアニールを400℃程度で行う。このアニール処理の結果、NMOSではa−a’断面図に示すように、シリコン(Si)とAlが相互拡散し、ゲート電極14が置換Al材26に置き換わる。一方、PMOSではb−b’断面図に示すように、仕事関数調整メタルがAlの拡散の流れにのってゲート開口24’からポリシリコンゲート電極14に入り込み、ゲート電極14が仕事関数調整メタル含有Al材28に置き換わる。
【0063】
第2実施形態の場合、PMOSのゲート電極14のゲート開口24’上で、仕事関数調整メタルAl材28と、置換Al材26とが積層されるので、最終的な混合比を考慮して、双方の膜厚を調整するのが望ましい。
【0064】
この後の工程、すなわち置換メタル層の除去、表面平坦化、上部配線の形成については、第1実施形態の工程(17)と同様であるので、説明を省略する。なお、第2実施形態では、仕事関数調整メタルAl材28を開口24’周辺に残し、その上の全面に置換Al膜26を形成したが、上下の関係を逆にしてもよい。すなわち、全面に置換Al材26を形成し、その上の開口24’周辺にのみ仕事関数調整メタルAl材28を残すようにしてもよい。
【0065】
このように、第2実施形態によれば、一度のアニール処理で、NMOSとPMOSのゲート電極の双方を、仕事関数の異なる置換メタル材料で同時に置換することができる。また、メタル置換にともなうゲート開口の形成やCMP工程も一度で済むため、製造工程全体として工程が大幅に短縮される。結果として、PMOSとNMOSとの間のしきい値電圧特性の対称性が維持された動作バランスのよいデュアルゲート構成が効率よく実現される。
【0066】
[第3実施形態]
図17〜図21は、本発明の第3実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。第2実施形態では、PMOSにおいて、仕事関数調整メタル含有Al材26上に置換Al材28を積層したままアニールをしてメタル置換を行った。第3実施形態では、NMOS用に形成される置換Al材26と、PMOS用に形成される仕事関数調整メタル含有Al材28とがオーバーラップしないように配置し、互いに独立して対応するポリシリコンゲート14とメタル置換させる。これにより、オーバーラップによる置換メタル材の混入を防止しつつ、一度のアニール処理で双方のMOSトランジスタのゲート電極のメタル置換を行う。なお、工程(1)〜(9)については、第1実施形態と同様であり、その説明を省略する。
【0067】
(10)前工程でのプラグ形成の後、図17(10)に示すように、NMOSおよびPMOSにおいて、ポリシリコンゲート電極14に到達するゲート開口24、24’を形成する。
【0068】
(11)次に、図18(11)に示すように、PMOSのゲート開口24’とその周辺に仕事関数調整メタル含有Al材28を形成する。具体的には、まず全面に仕事関数調整メタル含有Al材28を形成し、リソグラフィとエッチング技術により、仕事関数調整メタル含有Al材28をPMOSのゲート開口24’上にのみ残して、NMOSのゲート開口24上から除去する。
【0069】
(12)次に、図19(12)に示すように、全面に置換Al材26を堆積する。PMOSのゲート開口24’では、仕事関数調整メタル含有Al材28の上に、置換Al材26が重なって堆積される。
【0070】
(13)次に、図20(13)に示すように、リソグラフィとエッチング技術により、置換Al材26を、NMOSのゲート開口24上にのみ残して、PMOSのゲート開口24’の上部から除去する。これにより、NMOSのゲート開口24と、PMOSのゲート開口24’を独立して、それぞれ対応する置換材料26、28で被覆する。置換Al材26の加工については、リソグラフィとエッチングを用いる方法に代えて、CMPを用いてもよい。この場合、まず表面をCMPで軽く研磨する。この結果、PMOS上部でNMOS上の置換Al材の高さよりも高く盛り上がっている置換Al材26だけが研磨される。この研磨を、仕事関数調整メタル含有Al材28の表面が露出し、PMOS側の置換Al材26の表面高さと揃うまで行う。リソグラフィとエッチング技術を用いた場合は、図20に示すように、NMOS上の置換アルミニウム材26の領域と、PMOS上の置換アルミニウム材28の領域が間隔をおいて形成されるが、CMPを用いた場合、2つの領域は隣接して残る。しかし、後工程によるアニールによる置換の効果に変わりはない。
【0071】
(14)次に、図21(14)に示すように、置換促進のためのTi膜27を形成して、400℃程度でアニール処理を行う。この熱処理により、NMOSのポリシリコンゲート電極14は置換Al電極26に、PMOSのポリシリコンゲート電極14は仕事関数調整メタル含有Al電極に置換される。
【0072】
第3実施形態によれば、それぞれのMOSトランジスタのゲート電極に互いの材料が混入することがなく、仕事関数調整の精度が向上し、CMOSデバイスとしての動作の信頼性もいっそう向上する。
【0073】
[第4実施形態]
図22〜図27は、本発明の第4実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す図である。第4実施形態では、第1〜第3実施形態と異なり、層間絶縁膜21にゲート開口24、24’を形成することなく、ポリシリコン(母材)のゲート電極の表面領域全体を露出させてメタル置換を行う。
【0074】
図22(5)’は、第1実施形態における工程(5)(図5(5))に引き続く工程である。すなわち、層間絶縁膜21を堆積後、NMOSおよびPMOSのポリシリコン初期ゲート電極14、14 の表面が露出するように絶縁膜21を平坦化する。
【0075】
(6)次に、絶縁膜21にNMOSおよびPMOSのソース・ドレイン16に達するコンタクトホールを形成し、コンタクトホール内壁に密着層としてTi膜およびTiN膜を順次形成して、バリアメタル19を形成する。
【0076】
(7)バリアメタル19を介して、コンタクトホールをタングステン(W)23で埋め込んだ後、図23(10)に示すように、タングステン(W)23を、ポリシリコンゲート電極14、14 の表面が露出するまで平坦化する。
【0077】
(11)次に、図24(11)に示すように、PMOSの露出されたポリシリコンゲート電極ポリシリコンゲート電極14 とその周辺を覆って、仕事関数調整メタル含有Al材28を形成する。仕事関数調整メタル含有Al材28による部分的な被覆については、図15(11)に示す第2実施形態の工程(11)と同様であり、説明を省略する。
【0078】
(12)次に、図25(12)に示すように、全面に置換Al材26および置換促進用のTi膜27を形成する。これにより、PMOSのポリシリコンゲート電極14 の表面は、仕事関数調整メタル含有Al材28で被覆され、NMOSのポリシリコンゲート電極14の表面は、置換Al材26で被覆されることになる。この状態で、400℃程度でアニールし、PMOSとNMOSのゲート電極で同時にメタル置換を行う。
【0079】
次に、図26(13)および図27(14)に示すように、当初のポリシリコンゲート電極の高さになるように、上層のTi膜27、置換Al材26、および仕事関数調整メタル含有Al材28を除去し、NMOSの置換Alゲート電極26と、PMOSの仕事関数調整メタル含有Alゲート電極28を形成する。そして、ソース・ドレイン16に接続する上部配線36と、それぞれのゲート電極26、28に接続する上部配線38を形成する。
【0080】
第4実施形態によれば、別工程で改めてゲート電極を露出するためのゲート開口を形成する必要がない。また、置換すべき母材であるポリシリコンゲート14と置換材料との接触領域が広くなり、シリコンとメタル材との相互拡散による置換、および置換メタル材の拡散の流れにのせた仕事関数調整メタルの導入が、より迅速に進行する
第4実施形態の製造工程は、第3実施形態と同様に、NMOSとPMOSについて、それぞれ対応する置換メタル材26および仕事関数調整メタル含有メタル材28をオーバーラップしないように独立して形成する手法にも適用できる。この場合も、一度のアニールで、NMOSとPMOSのゲート電極のメタル置換を同時に行える。
【0081】
図28〜30は、第4実施形態に係る半導体装置の作製方法の変形例を示す図である。変形例では、層間絶縁膜21に、いずれか一方(たとえばNMOS)のポリシリコンゲートゲート電極に達するゲート開口24を、そのゲート電極の表面領域全体にわたって形成し、メタル置換を行う。次に、他方(たとえばPMOS)のポリシリコンゲートに達するゲート開口を、そのゲート電極の表面領域全体にわたって形成し、仕事関数調整メタル含有メタル材あるいは異なる置換メタル材により、置換を行う。なお、ポリシリコンのゲート電極14を覆う層間絶縁膜21に、開口パターンを有するレジストマスク25を形成する工程(9)までは、第1実施形態の作製工程と同様であり、開口パターンの形状が異なるだけである。
【0082】
(10)レジストマスク25を用いて、図28(10)に示すように、NMOSのポリシリコンゲート電極14に達するゲート開口24を、ポリシリコンゲート電極14の表面領域がほぼ全体にわたって露出するように形成する。このとき、PMOSのポリシリコンゲート電極14は、層間絶縁膜21に被覆されたままである。
【0083】
(11)ゲート開口24内部と、ウエハ全面にわたって置換Al材26を形成する。必要であれば、置換促進のためのTi膜27をAl材26の上に形成する。
【0084】
(12)400℃程度でアニールを行い、NMOSのポリシリコンゲート電極14のシリコンをAlに置換する。
【0085】
(13)メタル置換後、図29(13)に示すように、層間絶縁膜21が露出するまで、Ti膜27および置換Al材26を除去する。
【0086】
次に、図示はしないが、工程(14)〜(17)として、PMOSに対して工程(10)〜(13)を繰り返し、ポリシリコンゲート電極14のシリコンを、仕事関数調整メタル含有Al材28と置換する。
【0087】
(18)最後に、図30(18)に示すように、上部配線36および38を形成する。
【0088】
[第5実施形態]
図31は、本発明の第5実施形態に係る半導体装置40の図である。半導体装置40は、シリコン(Si)基板11上に、N型のチャネルを形成するNMOSと、P型のチャネルを形成するPMOSを有する。NMOSは、置換Al材、または仕事関数調整メタルを含む置換Al材で構成される(図31の例では、置換Al材を使用)ゲート電極46を有し、PMOSは、シリサイドのゲート電極48を有する。
【0089】
ここで、シリサイドと、相互拡散に基づくメタル置換とは明確に区別される。シリサイドは金属とシリコンとの化合物であり、金属原子とシリコン原子が整数倍の比率で化学結合したものである。アルミニウム(Al)はシリサイドを構成しないとして知られており、シリサイド電極48は、アルミニウム(Al)以外の第2の金属を使用して形成される。
【0090】
一方、メタル置換は、結晶中への金属の拡散、置き換えによるもので、最終的な混合比は必ずしも整数倍ではなく、そのほとんどが置換メタル材料に置き換わる。たとえば、シリコンとアルミニウム(Al)の置換の場合、最終的に0.4%のシリコンを含み、99.6%がAlになる。Alに仕事調整メタルを含有させた場合も、仕事関数調整メタルが均一に拡散して置換され、最終的にほとんどが仕事関数調整メタルを含む置換メタル材となる。
【0091】
第5実施形態では、シリサイドのゲート電極は、頭部だけではなく、ゲート絶縁膜に至るまで、全体をシリサイドとして構成する。このとき、PMOSのシリサイド電極48の仕事関数は、NMOSとほぼ対称のしきい値電圧で動作するように選択される。第5実施形態の例では、シリサイドの金属材料は、P型にドープされたシリコンとほぼ等しい仕事関数を有するように選択される。図のようにPMOSにシリサイド電極48を用いる場合、CoSi 、NiSi 、PtSi など、仕事関数の大きな金属を用いる。
【0092】
同じシリサイドであっても、xとyの比率を変えることにより、よりターゲットとする仕事関数に近いものが得られる。さらに、ボロン(B)、リン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、イリジウム(Ir)などを添加することにより、仕事関数をさらに微調整することができる。
【0093】
図31の例とは逆に、NMOSのゲート電極をシリサイド、PMOSのゲート電極を仕事関数調整メタル含有のAl材で構成してもよい。この場合も、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタのしきい値電圧がほぼ対称となる仕事関数を有するように、シリサイド材料と仕事関数調整メダルの材料を選択する。
【0094】
第5実施形態の半導体装置40の作製工程は、第1〜第4実施形態のいずれの方法を採用してもよい。第1実施形態の作製方法または第4実施形態の変形例を採用すると、NMOSの置換Al材または仕事関数調整メタル含有Al材のゲート電極と、PMOSのシリサイドゲート電極は、別々のアニール工程で置換形成される。したがって、メタル置換温度とシリサイド化の反応温度が個別に調整可能となり、材料の選択の自由度が増す。シリサイド化の熱処理温度が、メタル置換の処理温度より高い場合は、一方のゲート電極でのシリサイド化を先に行った後で、他方のゲート電極のメタル置換を行う。
【0095】
第2実施形態〜第4実施形態の作製方法を使用すると、置換Al材または仕事関数調整メタル含有置換Al材から成るゲート電極46と、シリサイドのゲート電極48は、同一のアニール工程で同時に形成される。このとき、一方(たとえばNMOS)のポリシリコン初期ゲート電極の露出箇所に、第1の置換メタル材(たとえばAl)を形成し、他方(たとえばPMOS)のポリシリコン初期ゲート電極の露出箇所に、第1の置換メタル材と異なる第2のメタル材料を形成する。同一の熱処理により、一方のゲートではアルミニウム(Al)とシリコンの相互拡散によるメタル置換が進行し、他方のゲートでは、Al以外の第2の金属とシリコンの化学結合によりシリサイド化が進行する。この場合、シリサイドとしてCoSi 、CoSi、NiSi 、NiSi 、PtSi 、MoSi などを用いると、メタル置換の温度(たとえば400℃程度)で、十分にシリサイド化される。
【0096】
なお、シリサイド電極が形成された中に、Alが含まれても良い。たとえば、第2実施形態の方法でアニールを行うと、シリサイドが形成されたところにさらにAlが入り込む場合があるが、それでもよい。この場合、シリサイド中のAlは、MxSiy(Mはメタルを意味する)のSiにとって代わるので、Siの割合分だけAlが入り込む。たとえばCoSi にさらにAlが入り込み、最終的に70%程度のAlが入ってもよい。
【0097】
また、第4実施形態を適用すると、初期ゲート電極の表面全体からメタル置換およびシリサイド化が進行するので、双方のゲート電極でのそれぞれ独立したメタル置換とシリサイド化が促進される。
【0098】
これにより、抵抗を下げるとともに、動作バランスのよい相補型の高性能トランジスタ回路が実現する。
【0099】
[その他の実施形態]
上述した実施形態では、置換メタルにAlを使用しており、NMOSでしきい値電圧シフトがほとんど生じないので、PMOSのゲート電極を仕事関数調整メタルが添加されたAl材で置換した。しかし、Al以外の置換メタル(たとえばP型ポリシリコンの仕事関数に近いメタル材料)を使用した場合、PMOSを基準とし、NMOSの側で仕事関数調整メタルを添加した置換メタル材を用いてデュアルゲートを実現する構成としてもよい。この場合、PMOSで使用した置換メタル材よりも仕事関数の小さいメタルを仕事関数調整メタルとして用いることができる。
【0100】
また、第1実施形態では、まずNMOS用のゲート電極のメタル置換を行ってから、PMOS用のゲート電極を仕事関数調整メタル含有の置換メタルで置き換えたが、メタル置換の順序はこれに限定されず、PMOS用のゲート電極のメタル置換を先に行ってもよい。
【0101】
また、NMOSのゲート電極を置換Al材で構成する場合に、ボロン(B),リン(P),砒素(As),アンチモン(Sb)、イリジウム(Ir)などの不純物を添加することによって、仕事関数をさらに微調整してもよい。
【0102】
さらに、第1〜第5実施形態において、仕事関数調整メタルを添加した置換メタルゲート電極に代えて、あるいはシリサイドゲート電極に代えて、仕事関数の異なる第2のメタルで置換メタルゲートを構成してもよい。たとえば、第1の置換メタル材料をアルミニウム(Al)とし、第2のメタル材料をPt、Cu、Au、Ag、Pd、,Ni等とすることができる。
【0103】
また、置換される側の母材に関しても、シリコン(ポリシリコン)以外に、SiGe,Ge、C等の単結晶、多結晶、アモルファスの形態を採用することができる。
【0104】
これらの場合も、メタル置換の原理は同じであり、作成工程に変化はないが、一方のトランジスタにおいて、仕事関数調整メタル含有メタル電極あるいはシリサイド電極に代えて、他方の置換メタル電極と異なる仕事関数の第2置換メタルゲート電極が形成されることになる。結果として、仕事関数が調製された2つのゲート電極を有する動作バランスのとれた低抵抗のデュアルゲート構成が実現される。
【0105】
メタル置換技術をベースとして、基本の置換メタル材の拡散流にのせて仕事関数調整メタルを母材に導入することにより、デュアルゲートのみならず、広くハイブリッドCMOSに置換メタルゲート構成を適用することもできる。
【0106】
上述した実施形態では、現状のCMOSの設計におけるP型トランジスタとN型トランジスタの少なくとも一方のポリシリコンゲート電極を、仕事関数調整メタル含有の置換メタル材で置換する例に基づいて説明したので、仕事関数調整メタルは、対応する導電型のポリシリコンの仕事関数とほぼ等しくなるように選択された。しかし本発明はこの例に限定されず、置換後のNMOSとPMOSが動作するしきい値電圧Vthの対称性を維持できればよいので、設計に応じて、PMOSとNMOSとのしきい値電圧Vthのバランスが維持できるような仕事関数を選択することができる。しきい値電圧Vthは、仕事関数にも依存するが、半導体表面の不純物濃度や海面の電荷量にも依存するので、これらも考慮して最終的にPMOSとNMOSが、符号(プラスまたはマイナス)が反対で絶対値が等しくなるようなしきい値電圧で動作するような仕事関数を選択すればよい。
【0107】
最後に、以上の説明に関して、以下の付記を開示する。
【0108】
(付記1) 半導体基板と、半導体基板上に形成され第1のゲート電極と第1の導電型のチャネル拡散領域を有する第1トランジスタと、半導体基板上に形成され第2のゲート電極と第2の導電型のチャネル拡散領域を有する第2トランジスタとを備え、第1または第2のゲート電極の少なくとも一方は、仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材で構成され、仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材は、対応するトランジスタのしきい値電圧が、他方のトランジスタのしきい値電圧とほぼ対称となる仕事関数を有することを特徴とする半導体装置。
【0109】
(付記2) 半導体基板と、半導体基板上に形成され第1のゲート電極と第1の導電型のチャネル拡散領域を有する第1トランジスタと、半導体基板上に形成され第2のゲート電極と第2の導電型のチャネル拡散領域を有する第2導電型の第2トランジスタとを備え、第1または第2のゲート電極の一方のゲート電極が、置換メタル材または仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材で構成され、他方のゲート電極はシリサイドで構成され、シリサイドは、対応するトランジスタのしきい値電圧が前記一方のトランジスタのしきい値電圧とほぼ対称となるような仕事関数を有することを特徴とする半導体装置。
【0110】
(付記3)前記置換メタル材はアルミニウムであり、前記仕事関数調整メタルは、Co、Ni、Ru、Ir、Cr、Cu、Pd、Pt、Os、Re、Rh、W、Ag、Au、Mo、Feから選択されることを特徴とする付記1または2に記載の半導体装置。
【0111】
(付記4)前記シリサイドは、CoxSiy 、TixSiy 、RuxSiy、NixSiy 、PtxSiy 、MoxSiy から選択されることを特徴とする付記2または3に記載の半導体装置。
【0112】
(付記5)前記仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材は、対応するトランジスタと同じ導電型にドープされた前記半導体基板材料の仕事関数とほぼ等しい仕事関数を有することを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
【0113】
(付記6)前記シリサイドは、対応するトランジスタと同じ導電型にドープされた前記半導体基板材料の仕事関数とほぼ等しい仕事関数を有することを特徴とする付記2に記載の半導体装置。
【0114】
(付記7)半導体基板上に、第1の初期ゲート電極と第1の導電型のチャネル拡散領域を有する第1トランジスタと、第2の初期ゲート電極と第2の導電型のチャネル拡散領域を有する第2トランジスタとを形成する工程と、
熱処理により、前記第1または第2の初期ゲート電極の少なくとも一方を、仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材と置換して、仕事関数調整メタル含有置換メタルゲート電極を形成する工程と
を含み、前記仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材は、仕事関数調整メタル含有置換メタルゲート電極に対応するトランジスのしきい値電圧が他方のトランジスタのしきい値電圧とほぼ対称となる仕事関数を有するように選択されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0115】
(付記8) 半導体基板上に、第1の初期ゲート電極と第1の導電型のチャネル拡散領域を有する第1トランジスタと、第2の初期ゲート電極と第2の導電型のチャネル拡散領域を有する第2トランジスタとを形成する工程と、
前記第1の初期ゲート電極の少なくとも一部と、前記第2の初期ゲート電極の少なくとも一部を、同時または個別に露出させる工程と、
前記第1の初期ゲート電極の露出箇所に第1のメタル層を形成する工程と、
前記第2の初期ゲート電極の露出箇所に、仕事関数調整メタルを含有するメタル層、または前記第1のメタル層と異なる第2のメタル層を形成する工程と、
熱処理を施すことにより、前記第1の初期ゲート電極を第1の置換メタルゲート電極に置換し、前記第2の初期ゲート電極を、対応する第2トランジスタのしきい値電圧が前記置換後の第1トランジスタのしきい値電圧とほぼ対称となるような仕事関数を有する第2の置換ゲート電極に置換する工程と
を含む半導体装置の製造方法。
【0116】
(付記9) 第1の初期ゲート電極の置換と、第2の初期ゲート電極の置換は、同一の熱処理工程で同時に行われることを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
【0117】
(付記10) 第1の初期ゲート電極の置換と、第2の初期ゲート電極の置換は、個別の熱処理工程で行われることを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
【0118】
(付記11) 前記第2の置換ゲート電極の形成は、前記熱処理により、第2の初期ゲート電極を第2のメタルにメタル置換することによって形成されることを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
【0119】
(付記12) 前記第2の置換ゲート電極の形成は、前記熱処理により、第2の初期ゲート電極を前記第2のメタルでシリサイド化することによって形成されることを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
【0120】
(付記13) 初期ゲート電極の露出工程は、当該初期ゲート電極の全面を露出させることを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
【0121】
(付記14) 第1のメタル層と第2のメタル層は、互いに積層方向に重複しないように形成されることを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
【0122】
(付記15) 第1のメタル層と第2のメタル層は、一部積層方向に重複して形成されることを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
【0123】
(付記16) 第1の初期ゲート電極を、この第1の初期ゲート電極の仕事関数とほぼ等しい仕事関数を有する第1の置換メタルゲート電極に置換し、前記第2の初期ゲート電極を、この第2の初期ゲート電極の仕事関数とほぼ等しい仕事関数を有する第2の置換ゲート電極に置換することを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
【0124】
【発明の効果】
ゲート電極の低抵抗化を図るとともに、しきい値電圧シフトを解消し、動作バランスのとれたデュアルゲート構成を有する半導体装置が実現される。
【0125】
また、優れたメタル置換材料であるAlの利点を利用して、ゲート電極の仕事関数の調整を高い自由度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の置換メタルゲートをCMOSデバイスに適用した例を示す図である。
【図2】従来の置換メタルゲートをCMOSデバイスに適用したときに生じるしきい値電圧シフトと、動作の不均衡を説明するためのグラフである。
【図3】本発明の仕事関数調整メタル含有の置換メタルを用いたメタル置換を説明するための図である。
【図4】本発明の第1実施形態に係る置換メタルによるデュアルゲート構造を有する半導体装置の図である。
【図5】第1実施形態の半導体装置の作製工程図(その1)である。
【図6】第1実施形態の半導体装置の作製工程図(その2)であり、図5の工程(6)に引き続く図である。
【図7】第1実施形態の半導体装置の作製工程図(その3)であり、図6の工程(9)に引き続く図である。
【図8】第1実施形態の半導体装置の作製工程図(その4)である。
【図9】第1実施形態の半導体装置の作製工程図(その5)である。
【図10】第1実施形態の半導体装置の作製工程図(その6)である。
【図11】第1実施形態の半導体装置の作製工程図(その7)である。
【図12】第1実施形態の半導体装置の作製工程図(その8)である。
【図13】第1実施形態の半導体装置の作製工程図(その9)である。
【図14】本発明の第2実施形態に係る半導体装置の作成工程図(その1)であり、図6の工程(9)に引き続く工程を示す図である。
【図15】第2実施形態の半導体装置の作製工程図(その2)である。
【図16】第2実施形態の半導体装置の作製工程図(その3)である。
【図17】本発明の第3実施形態に係る半導体装置の作製工程図(その1)であり、図6の工程(9)に引き続く工程を示す図である。
【図18】第3実施形態の半導体装置の作製工程図(その2)である。
【図19】第3実施形態の半導体装置の作製工程図(その3)である。
【図20】第3実施形態の半導体装置の作製工程図(その4)である。
【図21】第3実施形態の半導体装置の作製工程図(その5)である。
【図22】本発明の第4実施形態に係る半導体装置の作製工程図(その1)であり、図5の工程(5)に引き続く工程を示す図である。
【図23】第4実施形態の半導体装置の作製工程図(その2)であり、NMOSおよびPMOSの双方で初期ゲート電極の表面全体を露出する工程を示す図である。
【図24】第4実施形態の半導体装置の作製工程図(その3)である。
【図25】第4実施形態の半導体装置の作製工程図(その4)である。
【図26】第4実施形態の半導体装置の作製工程図(その5)である。
【図27】第4実施形態の半導体装置の作製工程図(その6)である。
【図28】第4実施形態の変形例に係る作製工程図(その1)である。
【図29】第4実施形態の変形例に係る作製工程図(その2)である。
【図30】第4実施形態の変形例に係る作製工程図(その3)である。
【図31】第5実施形態に係る半導体装置を示す図である。
【符号の説明】
1、26 置換Al材
3 仕事関数調整メタル
10、40 半導体装置
11 半導体基板
12 素子分離領域(STI)
13 ゲート絶縁膜
14 ポリシリコンゲート電極(初期ゲート電極)
15 ソース・ドレイン(拡散領域)
17 サイドウォール
23 プラグ
25 レジスト
27、29 Ti膜(メタル置換促進材)
28 仕事関数調整メタル含有Al材
46 置換メタル電極(第1の置換メタル電極)
48 シリサイド電極(第2の置換ゲート電極)
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a structure and a method of manufacturing a dual gate transistor using a replacement metal gate.
[0002]
[Prior art]
With the development of high-capacity high-speed communication and the spread of high-performance portable information terminals, high integration and high functionality of semiconductor devices are strongly desired from the market. In order to meet such a demand, it is necessary to improve the performance of the transistors constituting the semiconductor device in addition to the improvement of the function of the semiconductor device itself. One way to improve the performance of a transistor is to use a metal gate. Metal gates are expected to contribute to higher speed and higher performance of transistors because they can significantly reduce the parasitic resistance of the gate and avoid the problem of gate depletion.
[0003]
In order to reduce the parasitic resistance of the transistor and enable high-speed operation, it is inherently desirable that the gate electrode be formed of a material having low resistance, particularly a metal material. However, considering the manufacturing process of the transistor, after forming the gate electrode, a high-temperature heat treatment of 900 ° C. or more for activating the impurities implanted into the source / drain is required. Forming with low metals has been considered difficult. Further, even if the gate electrode is made of a high melting point metal or a high melting point metal silicide, the damage due to the high temperature heat treatment that the resistance itself becomes high or the contact resistance becomes high cannot be avoided.
[0004]
In order to solve this problem, a technique has been proposed in which a gate electrode is formed in advance of a heat-resistant material such as polysilicon, and is replaced with a low-resistance metal such as aluminum (Al) after a high-temperature heat treatment (for example, Patent Document 1). 1 to 6).
[0005]
When such a metal substitution technique is used, a high-temperature heat treatment on the metal electrode is avoided, and finally the gate electrode of the transistor can be formed of a substitution metal material, for example, aluminum (Al) having a low resistance.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-11-97535
[0007]
[Patent Document 2]
JP-A-10-308515
[0008]
[Patent Document 3]
JP-A-11-261603
[0009]
[Patent Document 4]
Japanese Patent Application No. 11-192011
[0010]
[Patent Document 5]
JP 2001-274379 A
[0011]
[Patent Document 6]
JP-A-10-368146
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, as a device suitable for low power consumption and high integration in recent years, a CMOS device is considered to be an effective circuit type. FIG. 1A shows an example in which a conventionally proposed substituted Al gate structure is applied to a CMOS 1000 as a high-performance transistor. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line a-a 'or the line b-b' in FIG. The CMOS 1000 includes a P-type MOSFET (hereinafter simply referred to as a PMOS) forming a P-type channel and an N-type MOSFET (hereinafter simply referred to as an NMOS) forming an N-type channel. It has a replacement metal gate 1003 as a material. The source / drain region 1004 of each MOSFET is connected to an upper wiring 1005 via a plug 1007.
[0013]
However, simply applying the conventional replacement Al gate structure to the CMOS 1000 cannot cope with the dual gate structure, which is the mainstream of recent CMOS devices. In recent high-performance semiconductor devices, both the PMOS and the NMOS are constituted by surface-type transistors. This is because the surface-type transistor has little deterioration in performance with respect to miniaturization of the transistor (such as a short channel effect accompanying miniaturization of the gate length). Therefore, even when replacement with a metal gate is performed, a surface-type transistor is desired as a precondition. In a surface-type transistor, impurities are usually implanted using the gate electrode as a mask when forming the source / drain. At this time, the gate electrode of the N-type transistor is doped N-type and the electrode of the P-type transistor is doped P-type. You.
[0014]
FIG. 2 is a graph showing a shift in threshold voltage Vth of an NMOS and a PMOS in which a gate electrode is formed by using a conventional replacement Al gate technique. FIG. 2A shows the Vth shift of the NMOS, and FIG. 2B shows the Vth shift of the PMOS. In each graph, the broken line indicates the current-voltage characteristic of the corresponding conductivity-doped polysilicon gate, and the solid line indicates the current-voltage characteristic of the substituted Al gate.
[0015]
In consideration of the operation balance of the CMOS, the value of the threshold voltage Vth of the NMOS of the replacement metal gate should be substantially equal to that of the threshold voltage Vth of the replacement metal gate of the PMOS. Therefore, for example, in a design corresponding to a polysilicon gate, the NMOS of the replacement metal gate has substantially the same threshold voltage Vth as the transistor using N-type polysilicon as the gate electrode, and the PMOS of the replacement metal gate uses the P-type polysilicon. The threshold voltage Vth should be substantially equal to the transistor used for the gate electrode. However, as shown in FIGS. 2A and 2B, an NMOS using an Al-substituted gate has a threshold voltage Vth close to that of an N-type polysilicon gate electrode. And a threshold voltage shift of as much as 0.7 V with respect to the polysilicon gate electrode. This is a major problem in terms of operation balance.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem and to apply the replacement metal gate to a high performance semiconductor device well, in order to maintain the operation balance between the PMOS and the NMOS, the final N-type transistor and the P-type transistor after the metal replacement are replaced. It is necessary to keep the absolute values of the threshold voltages almost equal.
[0017]
For example, when the present invention is applied to a current CMOS design, the gate electrode of an N-type transistor is formed of metal having substantially the same work function as N-type polysilicon, and the gate electrode of a P-type transistor is formed of P-type polysilicon. It is desired to realize a dual-gate structure by forming a metal having substantially the same work function as silicon.
[0018]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a semiconductor device having a dual gate configuration that achieves a low resistance and has a small threshold voltage difference between a PMOS and an NMOS even after metal replacement and has a well-balanced operation. .
[0019]
Another object is to provide a method for efficiently manufacturing such a semiconductor device.
[0020]
In order to suppress the threshold voltage difference, a transistor having a large voltage shift (for example, a PMOS) is connected to the gate electrode so that this transistor can operate at a threshold voltage substantially symmetrical to the threshold voltage of the other transistor. It is necessary to introduce a metal material having an appropriate work function. In addition, in order to avoid high-temperature heat treatment at the time of transistor formation, it is preferable to assume metal replacement for replacing a base metal and a replacement metal after high-temperature heat treatment. In view of these points, a method is proposed in which a metal material having a different work function is introduced into a gate base material of a corresponding conductivity type transistor after a high-temperature heat treatment to form a dual gate.
[0021]
As a method of introducing metal materials with different work functions to the gate,
(1) Based on the aluminum (Al) substitution method, another metal whose work function can be adjusted is mixed with aluminum, and the metal for work function adjustment is injected into the base material together with the diffusion of aluminum at the time of aluminum substitution.
(2) One of the dual gates is a replacement metal gate using a first replacement metal material or a replacement metal material containing a work function adjusting metal, and the other is a second metal different from silicide or the first replacement metal material. The work function of both gate electrodes is adjusted by using the material electrodes.
There is a method that can be considered.
[0022]
Based on such a principle, according to a first aspect, a semiconductor device includes a semiconductor substrate, a first transistor formed on the semiconductor substrate and having a first gate electrode and a channel diffusion region of a first conductivity type, A second transistor formed on the substrate and having a channel diffusion region of a second conductivity type, wherein at least one of the first and second gate electrodes includes a work function adjusting metal-containing metal; The replacement metal material made of a metal material and containing a work function adjusting metal has a work function in which the threshold voltage of the corresponding transistor is substantially symmetric with the threshold voltage of the other transistor.
[0023]
With this configuration, the resistance of the gate electrode is reduced, the shift of the threshold voltage between the first transistor and the second transistor is avoided, and the dual gate having a well-balanced operation and a work function appropriate for the corresponding transistor is provided. A semiconductor device having a structure is realized.
[0024]
According to a second aspect of the present invention, a semiconductor device includes a semiconductor substrate, a first transistor formed on the semiconductor substrate, the first transistor having a first gate electrode and a channel diffusion region of a first conductivity type, and a semiconductor device formed on the semiconductor substrate. A second transistor of a second conductivity type having a channel diffusion region of the second conductivity type, wherein one of the first and second gate electrodes is formed of a replacement metal material or a work material. The other gate electrode is made of a silicide, and the silicide works so that the threshold voltage of the corresponding transistor is substantially symmetric with the threshold voltage of the one transistor. Has a function.
[0025]
According to this configuration, the resistance of the gate electrode is reduced, and at the same time, the shift of the threshold voltage due to the shift of the work function is avoided, and the dual gate structure in which the operation is balanced between the first and second transistors is achieved. Semiconductor device can be realized.
[0026]
As a third aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device having a dual gate structure with balanced operation. The method for manufacturing a semiconductor device includes:
(A) A first transistor having a first initial gate electrode and a channel diffusion region of a first conductivity type on a semiconductor substrate, and a first transistor having a second initial gate electrode and a channel diffusion region of a second conductivity type. Forming two transistors;
(B) forming at least one of the first and second initial gate electrodes by a heat treatment with a replacement metal material containing a work function adjusting metal to form a work function adjusting metal-containing replacement metal gate electrode;
The work function adjusting metal-containing replacement metal material has a work function in which the threshold voltage of the transistor corresponding to the work function adjusting metal-containing replacement metal gate electrode is substantially symmetric with the threshold voltage of the other transistor. Is selected to have
[0027]
In this method, an initial gate electrode is used at the time of forming a transistor involving high-temperature heat treatment, and then the initial gate electrode is replaced with a gate electrode of a work function adjusting metal-containing metal having a work function appropriate for the corresponding transistor. Therefore, a semiconductor device having a gate electrode with lower resistance is manufactured by avoiding high-temperature heat treatment. In addition, the gate electrode made of the replacement metal has a work function that allows the corresponding transistor to operate at a threshold voltage substantially symmetrical to the threshold voltage of the other transistor, so that the operation balance between the first and second transistors is maintained. Is maintained.
[0028]
According to a fourth aspect of the present invention, a method of manufacturing a semiconductor device includes:
(A) A first transistor having a first initial gate electrode and a channel diffusion region of a first conductivity type on a semiconductor substrate, and a first transistor having a second initial gate electrode and a channel diffusion region of a second conductivity type. Forming two transistors;
(B) exposing at least a part of a first initial gate electrode and at least a part of the second initial gate electrode simultaneously or individually;
(C) forming a first metal layer at an exposed portion of the first initial gate electrode;
(D) forming a metal layer containing a work function adjusting metal or a second metal layer different from the first metal layer at an exposed portion of the second initial gate electrode;
(E) performing a heat treatment to replace the first initial gate electrode with a first replacement metal gate electrode, and to replace the second initial gate electrode with a threshold voltage of a corresponding second transistor; Substituting a second replacement gate electrode having a work function that is substantially symmetric with the threshold voltage of the first transistor later;
including.
[0029]
The replacement of the first initial gate electrode and the replacement of the second initial gate electrode may be performed simultaneously in the same heat treatment step. Thus, a semiconductor device can be manufactured quickly.
[0030]
When the second metal layer is formed at the exposed portion of the second initial gate electrode, the second initial gate electrode is replaced with a replacement metal gate electrode or a silicide electrode depending on the type of metal material used and the heat treatment temperature. In any case, the corresponding second transistor has a work function capable of operating at a threshold voltage substantially symmetric to the threshold voltage of the other first transistor, and has a lower resistance value than the second initial gate electrode. Have.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, before describing an embodiment of the present invention, a metal replacement method using a replacement metal containing a work function adjusting metal will be described.
[0032]
FIG. 3 is a diagram for explaining a method of metal replacement by the replacement metal material 1 containing the work function adjusting metal 3. As an example, a description will be given based on an example in which aluminum (Al) is used as a replacement metal and a polysilicon gate electrode is replaced. In this case, in the PMOS, the difference in work function between the P-type doped polysilicon gate electrode and the Al gate electrode after metal replacement becomes large, and the operation balance with the NMOS is disturbed. In order to eliminate this difference in work function, the work function adjustment metal is used in the metal replacement process so that the work function of the final replacement metal gate is substantially equal to the work function of the P-type doped polysilicon gate. 3 is introduced. That is, at least a part of the polysilicon (base material) gate used as the initial gate electrode is exposed, and a low-temperature heat treatment is applied to the flow of the diffusion of the substituted aluminum (Al) material 1 so that the work function adjusting metal is removed from the exposed portion. 3 is diffused into polysilicon (base material).
[0033]
The type and content of the work function adjusting metal 3 are selected in accordance with the basic substitution metal material and the target work function. Also, Co, Ni, Ru, Ir, Cr, Cu, Pd, Ot, Os, Re, Rh, W, Ag, Au, Mo, Fe, Ru, etc., having a large work function are used.
[0034]
When the work function adjusting metal 3 is introduced along with the flow of the diffusion of the substituted Al material, the replacement distance of the work function adjusting metal 3 is much longer than the simple diffusion length of the work function adjusting metal, and the low-temperature annealing is performed. Also spread over the entire gate electrode. The work function adjusting metal 3 may be contained in the substituted Al material 1 in advance, or may be laminated with the substituted Al material 1 in a state before the substitution. By the heat treatment, the work function adjusting metal 3 is diffused together with the replacement metal 1 to adjust the work function of the final replacement metal gate, thereby realizing a dual gate with a well-balanced operation.
[0035]
This method is not limited to adjustment of the work function (or threshold voltage) of the PMOS gate, but can be used for the purpose of correcting a slight shift of the work function of the NMOS. The substitution metal material for diffusing the work function adjusting metal is not limited to aluminum (Al), but aluminum has a lower resistance of 2.7 μΩcm than other metals, and achieves a lower resistance of the gate electrode. easy. In addition, since the substitution distance of Al substitution is extremely long, even a long gate can be substituted at a practical temperature and time.
[0036]
Hereinafter, a specific embodiment of a dual gate configuration using a substitution metal material containing such a work function adjusting metal will be described.
[0037]
[First Embodiment]
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of the semiconductor device 10 according to the first embodiment of the present invention. The semiconductor device 10 includes an NMOS (first transistor) forming an N-type channel and a PMOS (second transistor) forming a P-type channel on a silicon (Si) substrate 11. At least one has a replacement metal gate electrode containing a work function adjusting metal such that the threshold voltage characteristic of the other transistor is substantially symmetric. In the example of FIG. 4, the current CMOS design is maintained as it is, and the gate material is replaced with a replacement metal material. The NMOS is a gate electrode 26 of replacement aluminum (Al), and the PMOS contains a work function adjusting metal. It is composed of a gate electrode 28 of substituted Al. In this case, the work function of the work function adjusting metal-containing Al gate electrode 28 is substantially equal to the work function of P-type doped silicon.
[0038]
When aluminum (Al) is used as the basic replacement metal material of the PMOS gate electrode 28, the work function adjusting metal introduced together with Al into the PMOS gate electrode is aluminum (Al) such as Co, Ni, Ru, Ir, and Pt. It is desirable that the metal has a larger work function than that of the metal. As a result, the work function of the replacement metal gate containing the work function adjusting metal in the PMOS becomes substantially equal to the work function of the P-type polysilicon gate, and the shift (voltage shift) from the absolute value of the threshold voltage of the NMOS is eliminated. Thus, the operating characteristics of the CMOS can be balanced.
[0039]
4A to 4C show an example of connection between the substituted Al electrode 26 of the NMOS and the substituted Al gate electrode 28 containing the work function adjusting metal of the PMOS to the upper wiring 38. Keep it.
[0040]
5 to 13 are views showing a manufacturing process of the semiconductor device 10 having the dual gate structure shown in FIG. 5 and 6 are the same as those in the conventional CMOS process, and therefore will be described only briefly.
[0041]
(1) First, as shown in FIG. 5A, in the same manner as in the manufacture of a normal semiconductor device, an element isolation region (STI) 12 and a well diffusion region are formed in a semiconductor substrate region such as a silicon (Si) substrate 11, for example. 18 is formed. The substrate is not limited to the Si substrate, and an SOI (silicon-on-insulator) substrate may be used.
[0042]
(2) Next, the gate insulating film 13 is formed. As the gate insulating film 13, an insulating film obtained by oxidizing and nitriding the surface of the semiconductor substrate 11, a High K dielectric film formed by a CVD method, or the like can be used.
[0043]
(3) On the gate insulating film 13 and the Si substrate 11, a polysilicon film 14 is formed as a base material of an initial gate electrode by a CVD method.
[0044]
(4) The deposited polysilicon film 14 is processed into a convex electrode shape using a lithography method and an etching method to form an initial gate electrode 14. In addition, ion implantation for forming the LDD (or extension) 15 is performed and activated by a later heat treatment.
[0045]
(5) After forming the insulating film by the CVD method, anisotropic etching is performed, and the sidewall 17 is left on the side wall of the gate electrode. Ion implantation for forming the high concentration source / drain 16 is performed, and activation of impurities is performed by a heat treatment performed later. At this time, the polysilicon gate 14 on the P-type well isN  To N-type, polysilicon gate 14 on N-type wellP  May be doped into a P-type, or when the cap insulating film is left on the polysilicon film 14 in the above step (4), the polysilicon gate 14 may be used.P, 14NMay be non-doped. In the latter case, after a cap insulating film such as an oxide film is formed on the polysilicon film 14, the cap insulating film and the polysilicon film are collectively processed into a gate shape. This is because the initial gate electrode is replaced with a replacement metal material in a later step, and it is not necessary to consider the conductivity and resistance at this stage, and it is not always necessary to dope.
[0046]
(6) Next, in order to form a plug for connecting the source / drain 16 and the upper wiring, an insulating film 21 is deposited to completely cover the gate electrode 14 and a hole reaching the source / drain 16 is formed. First, a Ti film is formed on the inner wall of the hole, a TiN film is formed thereon, and a barrier metal 19 is formed.
[0047]
(7) Then, as shown in FIG. 6 (7), the inside of the hole is filled with tungsten (W).
[0048]
(8) The surface is polished until it reaches the insulating film 21 to form a plug 23.
[0049]
(9) Next, as shown in FIG. 6 (9), the polysilicon gate electrode 14 of the NMOSN  A resist mask 25 having a pattern shape having an opening on the top of the substrate is formed. The cross-sectional view taken along the line a-a 'of FIG.N  3 shows an example of a pattern shape of a resist mask 25 having an opening on the upper side.
[0050]
(10) Next, as shown in the a-a 'sectional view of FIG.N  Is formed. Thereby, a part of the polysilicon gate electrode of the NMOS is exposed. At this time, the polysilicon gate electrode 14 of the PMOS is used.P  Is still covered with the insulating film 21 (b-b 'sectional view).
[0051]
(11) Next, as shown in a sectional view taken along the line a-a 'in FIG. 8 (11), the gate opening 24 is buried, and aluminum (Al) 26 is deposited on the entire surface of the wafer as a replacement metal material. On the Al film 26, a titanium (Ti) 27 serving as a so-called blotting paper for efficiently sucking silicon (Si) is formed. Ti is formed for the purpose of increasing the efficiency of Al substitution, and can be omitted when the thickness of the Al film 26 is increased. As shown in the cross-sectional view taken along the line b-b ', the polysilicon gate electrode 14 of the PMOS covered with the insulating film 21 is formed.P  , An Al film 26 and a Ti film 27 are sequentially deposited.
[0052]
(12) Next, as shown in FIG. 9 (12), annealing is performed at about 400 ° C. for Al substitution. By this low-temperature heat treatment, silicon (Si), which is a gate base material of the NMOS, and Al interdiffuse, and the polysilicon gate electrode 14 is replaced with Al (a-a 'cross-sectional view). The replacement is promoted by the Ti film 27 on the Al film 26, and the replacement can be performed in a short time by performing annealing at a relatively low temperature. At this time, the polysilicon gate electrode 14 of the PMOS is used.P  Is immobile (b-b 'sectional view).
[0053]
(13) Next, as shown in FIG. 10 (13), CMP or etch back is performed to remove the titanium film 27 and the replacement metal (Al) 26 on the surface.
[0054]
(14)-(16) Next, as shown in FIGS.P  Is replaced with a work function adjusting metal-containing Al material 28. That is, the PMOS polysilicon gate electrode 14P  Is formed, and a work function adjusting metal-containing Al film 28 and a titanium (Ti) film 29 are formed inside the gate opening 24 'and on the entire surface of the wafer. Annealing is performed at about 400 ° C., and the work function adjusting metal is diffused into the polysilicon gate along with the diffusion flow of aluminum (Al). The absorption of silicon (Si) is promoted by the upper Ti film 29.
[0055]
In the first embodiment, the work function adjusting metal corrects the work function in the direction of eliminating the threshold voltage shift of the PMOS, so that Co, Ni, Ru, Ir, Cr, Cu, Pd, Pt, Os, Re, Rh, W, Ag, Au, Mo, Fe, Ru, or the like is used. Although the work function adjusting metal-containing Al material 28 is depicted as a single layer in the example of FIG. 11, the work function adjusting metal containing metal layer may be a stacked layer of the Al layer and the work function adjusting metal layer.
[0056]
(17) Next, as shown in FIG. 12, the work function-containing metal Al material 28 on the surface is removed by CMP or etch back. As a result, a dual gate having a gate electrode 26 made of a substituted Al material for an NMOS and a gate electrode 28 made of an Al material containing a work function adjusting metal is completed for a PMOS.
[0057]
(18) Finally, as shown in FIG. 13, the wiring layers 36 and 38 are formed via the TiN film 39, for example, to complete the semiconductor device 10 having the dual gate structure. In the semiconductor device of the first embodiment, the work function of the substituted Al gate electrode 26 of NMOS is substantially equal to the work function of N-type silicon, and the work function adjusting metal-containing Al gate electrode 28 of PMOS is substantially equal to the work function of P-type silicon. And the threshold voltages Vth of both become almost symmetrical (the signs are opposite and the absolute values are almost equal). This provides a low-resistance, high-performance semiconductor device with a well-balanced operation while avoiding a threshold voltage shift.
[0058]
[Second embodiment]
14 to 16 are views showing the steps of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In the first embodiment, first, the polysilicon gate of the NMOS is replaced with the replacement Al material 26, and then, in a separate step, the polysilicon gate of the PMOS is replaced with the work function adjusting metal-containing Al material 28. That is, a similar process was repeated twice in order to replace one gate electrode with a single Al material and to introduce a work function adjusting metal together with the substituted Al material into the other gate electrode.
[0059]
In the second embodiment, in order to shorten the manufacturing process and efficiently manufacture a dual gate, the metal replacement of the substituted Al material 26 and the work function adjusting metal-containing Al material 28 in the NMOS and the PMOS is performed by a single annealing process. At the same time. Steps (1) to (9) are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will not be repeated, and will be described from step (10).
[0060]
(10) When performing metal replacement, as shown in the a-a 'section and the b-b' section of FIG. 14 (10), the polysilicon initial gate electrode 14 of the NMOS and PMOS transistors is used.N, 14PGate openings 24, 24 'are formed.
[0061]
(11) Next, as shown in FIG. 15 (11), a work function adjusting metal-containing Al material 28 is formed in the gate opening 24 'provided in the PMOS and its peripheral region. The gate opening 24 provided in the NMOS and its peripheral region are exposed without being covered with the work function adjusting metal-containing Al material 28. Specifically, first, the work function adjusting metal-containing Al material 28 is formed on the entire surface. Then, by a lithography process and an etching process, the work function adjusting metal-containing Al material 28 is removed so as to remain in and around the gate opening 24 ′ of the PMOS. As a result, as shown in the a-a 'cross-sectional view, the gate opening 24 of the NMOS remains exposed.
[0062]
(12) Next, as shown in FIG. 16 (12), a substituted Al material 26 is formed on the entire surface. The Al material 26 fills the NMOS gate opening 24 and covers the work function adjusting metal-containing Al material 28 formed in the previous step, as shown in the a-a 'sectional view and the b-b' sectional view. Further, if necessary, a Ti film 27 may be formed on the Al material 26 to promote absorption of silicon (Si) from the polysilicon gate electrode 14 over the entire surface. Note that a material that easily forms silicide, such as Co, Ni, Ru, and Pt, can be used as the absorber instead of Ti. In this state, annealing for metal replacement is performed at about 400 ° C. As a result of this annealing process, in the NMOS, silicon (Si) and Al interdiffuse as shown in the a-a 'cross-sectional view, and the gate electrode 14NIs replaced by the substituted Al material 26. On the other hand, in the PMOS, as shown in the cross-sectional view taken along the line b-b ', the work function adjusting metal flows from the gate opening 24' to the polysilicon gate electrode 14 through the diffusion flow of Al.PInto the gate electrode 14PIs replaced by the work function adjusting metal-containing Al material 28.
[0063]
In the case of the second embodiment, the PMOS gate electrode 14PSince the work function adjusting metal Al material 28 and the substituted Al material 26 are laminated on the gate opening 24 ', it is desirable to adjust both film thicknesses in consideration of the final mixing ratio.
[0064]
The subsequent steps, that is, the removal of the replacement metal layer, the planarization of the surface, and the formation of the upper wiring are the same as those in the step (17) of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted. In the second embodiment, the work function adjusting metal Al material 28 is left around the opening 24 'and the replacement Al film 26 is formed on the entire surface thereof. However, the upper and lower relationship may be reversed. That is, the replacement Al material 26 may be formed on the entire surface, and the work function adjusting metal Al material 28 may be left only around the opening 24 ′ thereon.
[0065]
As described above, according to the second embodiment, both the NMOS and the PMOS gate electrodes can be simultaneously replaced with the replacement metal materials having different work functions by a single annealing process. Further, since the formation of the gate opening and the CMP step accompanying the metal replacement can be performed only once, the number of steps in the entire manufacturing process can be greatly reduced. As a result, a dual-gate configuration with a well-balanced operation while maintaining the symmetry of the threshold voltage characteristics between the PMOS and the NMOS is efficiently realized.
[0066]
[Third embodiment]
17 to 21 are views showing the steps of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. In the second embodiment, in the PMOS, metal replacement is performed by annealing while the replacement Al material 28 is laminated on the work function adjusting metal-containing Al material 26. In the third embodiment, the replacement Al material 26 formed for NMOS and the work function adjusting metal-containing Al material 28 formed for PMOS are arranged so as not to overlap with each other, and the corresponding polysilicon is formed independently of each other. The gate 14 is replaced with metal. Thus, the replacement of the metal of the gate electrodes of both MOS transistors is performed by a single annealing process while preventing the replacement metal material from being mixed due to the overlap. Steps (1) to (9) are the same as in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0067]
(10) After plug formation in the previous step, gate openings 24 and 24 'reaching the polysilicon gate electrode 14 are formed in the NMOS and the PMOS, as shown in FIG.
[0068]
(11) Next, as shown in FIG. 18 (11), a work function adjusting metal-containing Al material 28 is formed in and around the gate opening 24 'of the PMOS. Specifically, first, a work function adjusting metal-containing Al material 28 is formed on the entire surface, and the lithography and etching techniques are used to leave the work function adjusting metal-containing Al material 28 only on the PMOS gate opening 24 ′ and to form the NMOS gate. It is removed from above the opening 24.
[0069]
(12) Next, as shown in FIG. 19 (12), a replacement Al material 26 is deposited on the entire surface. In the gate opening 24 ′ of the PMOS, the substituted Al material 26 is deposited on the work function adjusting metal-containing Al material 28 so as to overlap.
[0070]
(13) Next, as shown in FIG. 20 (13), the substituted Al material 26 is removed from above the PMOS gate opening 24 'by lithography and etching techniques, leaving only the NMOS gate opening 24. . As a result, the gate opening 24 of the NMOS and the gate opening 24 'of the PMOS are independently covered with the corresponding replacement materials 26 and 28, respectively. For the processing of the substituted Al material 26, CMP may be used instead of the method using lithography and etching. In this case, the surface is first lightly polished by CMP. As a result, only the substituted Al material 26 rising above the height of the substituted Al material on the NMOS above the PMOS is polished. This polishing is performed until the surface of the work function adjusting metal-containing Al material 28 is exposed and is equal to the surface height of the replacement Al material 26 on the PMOS side. When the lithography and etching techniques are used, as shown in FIG. 20, a region of the substitution aluminum material 26 on the NMOS and a region of the substitution aluminum material 28 on the PMOS are formed at an interval. If so, the two regions remain adjacent. However, there is no change in the effect of the replacement by annealing in a later step.
[0071]
(14) Next, as shown in FIG. 21 (14), a Ti film 27 for promoting substitution is formed, and an annealing process is performed at about 400 ° C. By this heat treatment, the NMOS polysilicon gate electrode 14 is formed.NRepresents the PMOS gate electrode 14 of the PMOSPIs replaced by a work function adjusting metal-containing Al electrode.
[0072]
According to the third embodiment, materials are not mixed into the gate electrodes of the respective MOS transistors, the accuracy of work function adjustment is improved, and the reliability of operation as a CMOS device is further improved.
[0073]
[Fourth embodiment]
FIG. 22 to FIG. 27 are views showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. In the fourth embodiment, unlike the first to third embodiments, the entire surface area of the polysilicon (base material) gate electrode is exposed without forming the gate openings 24 and 24 ′ in the interlayer insulating film 21. Perform metal replacement.
[0074]
FIG. 22 (5) ′ is a step that follows the step (5) (FIG. 5 (5)) in the first embodiment. That is, after the interlayer insulating film 21 is deposited, the polysilicon initial gate electrode 14 of NMOS and PMOS is deposited.N, 14P  Is planarized so that the surface of the insulating film 21 is exposed.
[0075]
(6) Next, a contact hole reaching the source / drain 16 of the NMOS and the PMOS is formed in the insulating film 21, and a Ti film and a TiN film are sequentially formed on the inner wall of the contact hole as an adhesion layer to form a barrier metal 19. .
[0076]
(7) After filling the contact hole with tungsten (W) 23 via the barrier metal 19, as shown in FIG. 23 (10), the tungsten (W) 23 isN, 14P  Is flattened until the surface is exposed.
[0077]
(11) Next, as shown in FIG. 24 (11), the exposed polysilicon gate electrode of the PMOSP  Then, the work function adjusting metal-containing Al material 28 is formed so as to cover the surroundings. The partial coating with the work function adjusting metal-containing Al material 28 is the same as the process (11) of the second embodiment shown in FIG.
[0078]
(12) Next, as shown in FIG. 25 (12), a substituted Al material 26 and a Ti film 27 for promoting substitution are formed on the entire surface. Thereby, the polysilicon gate electrode 14 of the PMOS is formed.P  Is coated with a work function adjusting metal-containing Al material 28, and the NMOS polysilicon gate electrode 14NIs coated with the substituted Al material 26. In this state, annealing is performed at about 400 ° C., and metal replacement is performed simultaneously on the PMOS and NMOS gate electrodes.
[0079]
Next, as shown in FIGS. 26 (13) and 27 (14), the upper layer Ti film 27, the substituted Al material 26 and the work function adjusting metal The Al material 28 is removed, and a substituted Al gate electrode 26 of NMOS and an Al gate electrode 28 containing a work function adjusting metal of PMOS are formed. Then, an upper wiring 36 connected to the source / drain 16 and an upper wiring 38 connected to the respective gate electrodes 26 and 28 are formed.
[0080]
According to the fourth embodiment, there is no need to form a gate opening for exposing the gate electrode in another step. In addition, the contact area between the polysilicon gate 14, which is the base material to be replaced, and the replacement material is widened, and the replacement by the interdiffusion between silicon and the metal material, and the work function adjusting metal on the flow of the diffusion of the replacement metal material. Adoption proceeds more quickly
Similar to the third embodiment, the manufacturing process of the fourth embodiment is a method of independently forming the corresponding replacement metal material 26 and the work function adjusting metal-containing metal material 28 so as not to overlap with each other for the NMOS and the PMOS. Also applicable to Also in this case, the metal replacement of the gate electrodes of the NMOS and the PMOS can be performed simultaneously by a single annealing.
[0081]
28 to 30 are views showing a modification of the method for manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment. In a modified example, a gate opening 24 reaching one of the polysilicon gate electrodes (for example, NMOS) is formed in the interlayer insulating film 21 over the entire surface region of the gate electrode, and metal replacement is performed. Next, a gate opening reaching the polysilicon gate of the other (for example, PMOS) is formed over the entire surface area of the gate electrode, and is replaced with a work function adjusting metal-containing metal material or a different replacement metal material. The process up to the step (9) of forming a resist mask 25 having an opening pattern on the interlayer insulating film 21 covering the polysilicon gate electrode 14 is the same as the manufacturing process of the first embodiment, and the shape of the opening pattern is Only different.
[0082]
(10) Using the resist mask 25, as shown in FIG.NThe gate opening 24 reaching the polysilicon gate electrode 14NIs formed so that the surface region of the substrate is exposed almost entirely. At this time, the polysilicon gate electrode 14 of the PMOS is used.PRemains covered with the interlayer insulating film 21.
[0083]
(11) A replacement Al material 26 is formed inside the gate opening 24 and over the entire surface of the wafer. If necessary, a Ti film 27 for promoting substitution is formed on the Al material 26.
[0084]
(12) Anneal at about 400 ° C. to form an NMOS polysilicon gate electrode 14NIs replaced with Al.
[0085]
(13) After the metal replacement, as shown in FIG. 29 (13), the Ti film 27 and the substituted Al material 26 are removed until the interlayer insulating film 21 is exposed.
[0086]
Next, although not shown, as steps (14) to (17), steps (10) to (13) are repeated for the PMOS, and the polysilicon gate electrode 14 is formed.PIs replaced with a work function adjusting metal-containing Al material 28.
[0087]
(18) Finally, as shown in FIG. 30 (18), upper wirings 36 and 38 are formed.
[0088]
[Fifth Embodiment]
FIG. 31 is a diagram of a semiconductor device 40 according to the fifth embodiment of the present invention. The semiconductor device 40 has, on a silicon (Si) substrate 11, an NMOS forming an N-type channel and a PMOS forming a P-type channel. The NMOS has a gate electrode 46 composed of a substituted Al material or a substituted Al material containing a work function adjusting metal (in the example of FIG. 31, the substituted Al material is used), and the PMOS has a gate electrode 48 of silicide. Have.
[0089]
Here, a distinction is made between silicide and metal substitution based on interdiffusion. Silicide is a compound of metal and silicon, and is obtained by chemically bonding metal atoms and silicon atoms at an integral multiple ratio. Aluminum (Al) is known not to constitute silicide, and the silicide electrode 48 is formed using a second metal other than aluminum (Al).
[0090]
On the other hand, metal substitution is due to diffusion and substitution of a metal into a crystal, and the final mixing ratio is not necessarily an integral multiple, and most of the mixture is replaced with a substituted metal material. For example, in the case of replacing silicon with aluminum (Al), it finally contains 0.4% silicon and 99.6% becomes Al. Even when Al contains a work adjustment metal, the work function adjustment metal is uniformly diffused and replaced, and ultimately almost becomes a substituted metal material including the work function adjustment metal.
[0091]
In the fifth embodiment, the entire gate electrode of silicide is configured as silicide not only at the head but also up to the gate insulating film. At this time, the work function of the PMOS silicide electrode 48 is selected so as to operate at a threshold voltage substantially symmetric to that of the NMOS. In the example of the fifth embodiment, the metal material of the silicide is selected to have a work function approximately equal to that of P-doped silicon. When the silicide electrode 48 is used for the PMOS as shown in FIG.xSiy  , NixSiy  , PtxSiy  For example, use a metal having a large work function.
[0092]
Even with the same silicide, by changing the ratio of x and y, a work function closer to the target work function can be obtained. Further, the work function can be further finely adjusted by adding boron (B), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), iridium (Ir), or the like.
[0093]
Contrary to the example of FIG. 31, the NMOS gate electrode may be made of silicide and the PMOS gate electrode may be made of an Al material containing a work function adjusting metal. Also in this case, the material of the silicide material and the material of the work function adjusting medal are selected such that the threshold voltages of the PMOS transistor and the NMOS transistor have a work function that is substantially symmetric.
[0094]
The method for manufacturing the semiconductor device 40 of the fifth embodiment may employ any of the methods of the first to fourth embodiments. When the manufacturing method of the first embodiment or the modification of the fourth embodiment is adopted, the gate electrode of the substituted Al material of the NMOS or the Al material containing the work function adjusting metal and the silicide gate electrode of the PMOS are replaced by separate annealing steps. It is formed. Therefore, the metal replacement temperature and the reaction temperature for silicidation can be individually adjusted, and the degree of freedom in material selection is increased. When the heat treatment temperature for silicidation is higher than the treatment temperature for metal substitution, silicidation at one gate electrode is performed first, and then metal substitution at the other gate electrode is performed.
[0095]
When the manufacturing method of the second to fourth embodiments is used, the gate electrode 46 made of a substituted Al material or a substituted Al material containing a work function adjusting metal and the gate electrode 48 of silicide are formed simultaneously in the same annealing step. You. At this time, a first substitution metal material (for example, Al) is formed at an exposed portion of one (for example, NMOS) polysilicon initial gate electrode, and a first replacement metal material (for example, Al) is formed at an exposed portion of the other (for example, PMOS) polysilicon initial gate electrode. A second metal material different from the first replacement metal material is formed. By the same heat treatment, metal replacement proceeds by mutual diffusion of aluminum (Al) and silicon in one of the gates, and silicidation proceeds in the other gate by a chemical bond between the second metal other than Al and silicon. In this case, Co is used as silicide.2Si, CoSi2, Ni2Si, NiSi, Pt2Si, MoSi2  When such a method is used, the silicidation is sufficiently performed at the metal replacement temperature (for example, about 400 ° C.).
[0096]
Note that Al may be included in the formation of the silicide electrode. For example, when annealing is performed by the method of the second embodiment, Al may further enter the place where the silicide is formed, but this may be the case. In this case, Al in silicide replaces Si in MxSiy (M means metal), so Al enters by the proportion of Si. For example, CoSi2  May further enter, and finally about 70% of Al may enter.
[0097]
Further, when the fourth embodiment is applied, metal replacement and silicidation proceed from the entire surface of the initial gate electrode, so that independent metal replacement and silicidation in both gate electrodes are promoted.
[0098]
As a result, a complementary high-performance transistor circuit having a low resistance and a well-balanced operation is realized.
[0099]
[Other embodiments]
In the above-described embodiment, Al is used for the replacement metal, and since the threshold voltage shift hardly occurs in the NMOS, the gate electrode of the PMOS is replaced with an Al material to which a work function adjusting metal is added. However, when a substitute metal other than Al (for example, a metal material having a work function close to the work function of P-type polysilicon) is used, a dual gate is formed using a substitute metal material to which a work function adjusting metal is added on the NMOS side with reference to the PMOS. May be realized. In this case, a metal having a smaller work function than the replacement metal material used in the PMOS can be used as the work function adjusting metal.
[0100]
Further, in the first embodiment, the metal replacement of the NMOS gate electrode is first performed, and then the PMOS gate electrode is replaced with the replacement metal containing the work function adjusting metal. However, the order of the metal replacement is not limited to this. Instead, metal replacement of the PMOS gate electrode may be performed first.
[0101]
When the gate electrode of the NMOS is made of a substituted Al material, the work is performed by adding impurities such as boron (B), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), and iridium (Ir). The function may be further fine-tuned.
[0102]
Further, in the first to fifth embodiments, instead of the replacement metal gate electrode to which the work function adjusting metal is added, or in place of the silicide gate electrode, the replacement metal gate is configured by a second metal having a different work function. Is also good. For example, the first replacement metal material can be aluminum (Al) and the second metal material can be Pt, Cu, Au, Ag, Pd, Ni, or the like.
[0103]
As for the base material on the side to be replaced, a single crystal, polycrystal, or amorphous form of SiGe, Ge, C, or the like can be adopted in addition to silicon (polysilicon).
[0104]
In these cases, the principle of metal replacement is the same, and there is no change in the fabrication process. However, in one transistor, a work function adjusting metal containing metal electrode or silicide electrode is replaced with a work function different from that of the other replacement metal electrode. Is formed. As a result, an operation balanced low resistance dual gate configuration having two gate electrodes with adjusted work functions is realized.
[0105]
Based on metal replacement technology, by introducing a work function adjusting metal into a base material in a diffusion flow of a basic replacement metal material, a replacement metal gate configuration can be widely applied not only to a dual gate but also to a hybrid CMOS. it can.
[0106]
In the above-described embodiment, at least one polysilicon gate electrode of the P-type transistor and the N-type transistor in the current CMOS design has been described based on an example in which a replacement metal material containing a work function adjusting metal is used. The function tuning metal was selected to be approximately equal to the work function of the corresponding conductivity type polysilicon. However, the present invention is not limited to this example, and it is only necessary to maintain the symmetry of the threshold voltage Vth at which the replaced NMOS and PMOS operate. Therefore, depending on the design, the threshold voltage Vth of the PMOS and NMOS may be reduced. A work function that can maintain balance can be selected. The threshold voltage Vth depends on the work function, but also on the impurity concentration on the semiconductor surface and the amount of electric charge on the sea surface. In contrast, a work function that operates at a threshold voltage such that the absolute values are equal may be selected.
[0107]
Finally, regarding the above description, the following supplementary notes are disclosed.
[0108]
(Supplementary Note 1) A semiconductor transistor, a first transistor formed on the semiconductor substrate and having a first gate electrode and a channel diffusion region of a first conductivity type, a second transistor formed on the semiconductor substrate, and a second transistor And at least one of the first and second gate electrodes is made of a substitution metal material containing a work function adjustment metal, and contains a work function adjustment metal. A semiconductor device, wherein the replacement metal material has a work function in which a threshold voltage of a corresponding transistor is substantially symmetric with a threshold voltage of another transistor.
[0109]
(Supplementary Note 2) A semiconductor substrate, a first transistor formed on the semiconductor substrate and having a first gate electrode and a channel diffusion region of the first conductivity type, a second transistor formed on the semiconductor substrate, and a second transistor And a second transistor of a second conductivity type having a channel diffusion region of the first conductivity type, wherein one of the first and second gate electrodes has a substitution metal material or a substitution metal material containing a work function adjusting metal. And the other gate electrode is formed of silicide, and the silicide has a work function such that the threshold voltage of the corresponding transistor is substantially symmetric with the threshold voltage of the one transistor. Semiconductor device.
[0110]
(Supplementary Note 3) The replacement metal material is aluminum, and the work function adjusting metal is Co, Ni, Ru, Ir, Cr, Cu, Pd, Pt, Os, Re, Rh, W, Ag, Au, Mo, 3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is selected from Fe.
[0111]
(Supplementary Note 4) The silicide is CoxSiy, TixSiy 4. The semiconductor device according to claim 2, wherein the semiconductor device is selected from the group consisting of RuxSiy, NixSiy, PtxSiy, and MoxSiy.
[0112]
(Supplementary Note 5) The replacement metal material containing the work function adjusting metal has a work function substantially equal to a work function of the semiconductor substrate material doped with the same conductivity type as a corresponding transistor. 13. The semiconductor device according to claim 1.
[0113]
(Supplementary note 6) The semiconductor device according to supplementary note 2, wherein the silicide has a work function substantially equal to a work function of the semiconductor substrate material doped to the same conductivity type as a corresponding transistor.
[0114]
(Supplementary Note 7) A first transistor having a first initial gate electrode and a channel diffusion region of a first conductivity type and a second initial gate electrode and a channel diffusion region of a second conductivity type are formed on a semiconductor substrate. Forming a second transistor;
Forming at least one of the first or second initial gate electrode by a heat treatment with a substitution metal material containing a work function adjustment metal to form a work function adjustment metal-containing substitution metal gate electrode;
Wherein the work function adjusting metal-containing replacement metal material has a work function in which a threshold voltage of a transistor corresponding to the work function adjusting metal-containing replacement metal gate electrode is substantially symmetric with a threshold voltage of the other transistor. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the method is selected to have:
[0115]
(Supplementary Note 8) A first transistor having a first initial gate electrode and a channel diffusion region of a first conductivity type, and a second initial gate electrode and a channel diffusion region of a second conductivity type are formed on a semiconductor substrate. Forming a second transistor;
Exposing at least a part of the first initial gate electrode and at least a part of the second initial gate electrode simultaneously or individually;
Forming a first metal layer at an exposed portion of the first initial gate electrode;
Forming a metal layer containing a work function adjusting metal or a second metal layer different from the first metal layer at an exposed portion of the second initial gate electrode;
By performing the heat treatment, the first initial gate electrode is replaced with a first replacement metal gate electrode, and the second initial gate electrode is replaced with the threshold voltage of the corresponding second transistor after the replacement. Replacing with a second replacement gate electrode having a work function that is substantially symmetric with the threshold voltage of one transistor;
A method for manufacturing a semiconductor device including:
[0116]
(Supplementary note 9) The method of manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 8, wherein the replacement of the first initial gate electrode and the replacement of the second initial gate electrode are performed simultaneously in the same heat treatment step.
[0117]
(Supplementary Note 10) The method of manufacturing a semiconductor device according to Supplementary Note 8, wherein the replacement of the first initial gate electrode and the replacement of the second initial gate electrode are performed in separate heat treatment steps.
[0118]
(Supplementary Note 11) The semiconductor according to Supplementary Note 8, wherein the second replacement gate electrode is formed by performing a metal replacement of a second initial gate electrode with a second metal by the heat treatment. Device manufacturing method.
[0119]
(Supplementary Note 12) The supplementary note 8, wherein the second replacement gate electrode is formed by silicidizing a second initial gate electrode with the second metal by the heat treatment. A method for manufacturing a semiconductor device.
[0120]
(Supplementary note 13) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 8, wherein the step of exposing the initial gate electrode exposes the entire surface of the initial gate electrode.
[0121]
(Supplementary Note 14) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 8, wherein the first metal layer and the second metal layer are formed so as not to overlap with each other in a stacking direction.
[0122]
(Supplementary Note 15) The method for manufacturing a semiconductor device according to Supplementary Note 8, wherein the first metal layer and the second metal layer are formed so as to partially overlap in the stacking direction.
[0123]
(Supplementary Note 16) The first initial gate electrode is replaced with a first replacement metal gate electrode having a work function substantially equal to the work function of the first initial gate electrode, and the second initial gate electrode is replaced with the first initial gate electrode. 9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor device is replaced with a second replacement gate electrode having a work function substantially equal to the work function of the second initial gate electrode.
[0124]
【The invention's effect】
A semiconductor device having a dual-gate configuration with a well-balanced operation is realized while reducing the resistance of the gate electrode and eliminating a shift in threshold voltage.
[0125]
Further, the work function of the gate electrode can be adjusted with a high degree of freedom by utilizing the advantages of Al, which is an excellent metal replacement material.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example in which a conventional replacement metal gate is applied to a CMOS device.
FIG. 2 is a graph for explaining a threshold voltage shift that occurs when a conventional replacement metal gate is applied to a CMOS device and an imbalance in operation.
FIG. 3 is a diagram for explaining metal replacement using a replacement metal containing a work function adjusting metal according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram of a semiconductor device having a dual gate structure using a substitution metal according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram (part 1) illustrating a process of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment;
FIG. 6 is a diagram (part 2) illustrating a process of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, which is subsequent to step (6) in FIG. 5;
FIG. 7 is a diagram (part 3) illustrating a process of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, which is subsequent to step (9) in FIG. 6;
FIG. 8 is a diagram (part 4) illustrating a step of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment;
FIG. 9 is a diagram (part 5) illustrating a step of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment;
FIG. 10 is a diagram (part 6) illustrating a step of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment;
FIG. 11 is a view illustrating a manufacturing step (part 7) of the semiconductor device of the first embodiment;
FIG. 12 is a diagram (part 8) illustrating a process of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment;
FIG. 13 is a diagram (part 9) illustrating a step of manufacturing the semiconductor device of the first embodiment;
FIG. 14 is a diagram (part 1) illustrating a process of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, showing a step that follows the step (9) of FIG. 6;
FIG. 15 is a diagram (part 2) illustrating a process of manufacturing the semiconductor device of the second embodiment;
FIG. 16 is a diagram (part 3) illustrating a process of manufacturing the semiconductor device of the second embodiment;
FIG. 17 is a diagram (part 1) illustrating a step of manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, illustrating a step that follows the step (9) in FIG. 6;
FIG. 18 is a diagram (part 2) illustrating a process of manufacturing the semiconductor device of the third embodiment;
FIG. 19 is a diagram (part 3) illustrating a process of manufacturing the semiconductor device of the third embodiment;
FIG. 20 is a view (part 4) illustrating a process of manufacturing the semiconductor device of the third embodiment;
FIG. 21 is a diagram (part 5) illustrating a step of manufacturing the semiconductor device of the third embodiment;
FIG. 22 is a diagram (part 1) illustrating a step of manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention, illustrating a step that follows the step (5) in FIG. 5;
FIG. 23 is a diagram (part 2) illustrating a process of manufacturing the semiconductor device of the fourth embodiment, illustrating a process of exposing the entire surface of the initial gate electrode in both the NMOS and the PMOS;
FIG. 24 is a diagram (part 3) illustrating a process of manufacturing the semiconductor device of the fourth embodiment;
FIG. 25 is a diagram (part 4) illustrating a step of manufacturing the semiconductor device of the fourth embodiment;
FIG. 26 is a diagram (part 5) illustrating a process of manufacturing the semiconductor device of the fourth embodiment;
FIG. 27 is a diagram (part 6) illustrating a process of manufacturing the semiconductor device of the fourth embodiment;
FIG. 28 is a diagram (part 1) illustrating a manufacturing process according to a modification of the fourth embodiment;
FIG. 29 is a diagram (part 2) illustrating a manufacturing process according to a modification of the fourth embodiment;
FIG. 30 is a diagram (part 3) illustrating a manufacturing process according to a modification of the fourth embodiment;
FIG. 31 is a view showing a semiconductor device according to a fifth embodiment.
[Explanation of symbols]
1,26 substituted Al material
3 Work function adjustment metal
10, 40 Semiconductor device
11 Semiconductor substrate
12 Element isolation region (STI)
13 Gate insulating film
14 polysilicon gate electrode (initial gate electrode)
15 Source / drain (diffusion region)
17 Sidewall
23 plug
25 Resist
27, 29 Ti film (metal replacement accelerator)
28 Work function adjusting metal-containing Al material
46 Replacement metal electrode (first replacement metal electrode)
48 silicide electrode (second replacement gate electrode)

Claims (5)

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第1のゲート電極と、第1の導電型のチャネル拡散領域を有する第1トランジスタと、
前記半導体基板上に形成され、第2のゲート電極と、第2の導電型のチャネル拡散領域を有する第2トランジスタと
を備え、前記第1または第2のゲート電極の少なくとも一方は、仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材で構成され、前記仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材は、対応するトランジスタのしきい値電圧が、他方のトランジスタのしきい値電圧とほぼ対称となるような仕事関数を有することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
A first transistor formed on the semiconductor substrate and having a first gate electrode and a channel diffusion region of a first conductivity type;
A second transistor formed on the semiconductor substrate, the second transistor having a channel diffusion region of a second conductivity type, wherein at least one of the first and second gate electrodes has a work function adjustment function; The replacement metal material containing a metal and containing the work function adjusting metal has a work function such that the threshold voltage of the corresponding transistor is substantially symmetric with the threshold voltage of the other transistor. A semiconductor device having a function.
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、第1のゲート電極と、第1の導電型のチャネル拡散領域を有する第1トランジスタと、
前記半導体基板上に形成され、第2のゲート電極と、第2の導電型のチャネル拡散領域を有する第2導電型の第2トランジスタと、
を備え、前記第1または第2のゲート電極の一方のゲート電極が、置換メタル材または仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材で構成され、他方のゲート電極はシリサイドで構成され、前記シリサイドは、対応するトランジスタのしきい値電圧が、前記一方のトランジスタのしきい値電圧とほぼ対称となるような仕事関数を有することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
A first transistor formed on the semiconductor substrate and having a first gate electrode and a channel diffusion region of a first conductivity type;
A second transistor of a second conductivity type formed on the semiconductor substrate and having a second gate electrode and a channel diffusion region of a second conductivity type;
Wherein one of the first or second gate electrodes is made of a replacement metal material or a replacement metal material containing a work function adjusting metal, the other gate electrode is made of silicide, and the silicide is A semiconductor device having a work function such that a threshold voltage of a corresponding transistor is substantially symmetric with a threshold voltage of the one transistor.
半導体基板上に、第1の初期ゲート電極と第1の導電型のチャネル拡散領域を有する第1トランジスタと、第2の初期ゲート電極と第2の導電型のチャネル拡散領域を有する第2トランジスタとを形成する工程と、
熱処理により、前記第1または第2の初期ゲート電極の少なくとも一方を、仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材と置換して、仕事関数調整メタル含有置換メタルゲート電極を形成する工程と
を含み、前記仕事関数調整メタルを含有する置換メタル材は、仕事関数調整メタル含有置換メタルゲート電極に対応するトランジスのしきい値電圧が他方のトランジスタのしきい値電圧とほぼ対称となるような仕事関数を有するように選択されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A first transistor having a first initial gate electrode and a channel diffusion region of a first conductivity type on a semiconductor substrate; a second transistor having a second initial gate electrode and a channel diffusion region of a second conductivity type; Forming a;
Replacing at least one of the first or second initial gate electrode with a substitution metal material containing a work function adjustment metal by heat treatment to form a work function adjustment metal-containing substitution metal gate electrode; The replacement metal material containing the work function adjustment metal has a work function such that the threshold voltage of a transistor corresponding to the work function adjustment metal-containing replacement metal gate electrode is substantially symmetric with the threshold voltage of the other transistor. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the method is selected to have:
半導体基板上に、第1の初期ゲート電極と第1の導電型のチャネル拡散領域を有する第1トランジスタと、第2の初期ゲート電極と第2の導電型のチャネル拡散領域を有する第2トランジスタとを形成する工程と、
前記第1の初期ゲート電極の少なくとも一部と、前記第2の初期ゲート電極の少なくとも一部を、同時または個別に露出させる工程と、
前記第1の初期ゲート電極の露出箇所に第1のメタル層を形成する工程と、
前記第2の初期ゲート電極の露出箇所に、仕事関数調整メタルを含有するメタル層、または前記第1のメタル層と異なる第2のメタル層を形成する工程と、
熱処理を施すことにより、前記第1の初期ゲート電極を第1の置換メタルゲート電極に置換し、前記第2の初期ゲート電極を、対応する第2トランジスタのしきい値電圧が前記置換後の第1トランジスタのしきい値電圧とほぼ対称となるような仕事関数を有する第2の置換ゲート電極に置換する工程と
を含む半導体装置の製造方法。
A first transistor having a first initial gate electrode and a channel diffusion region of a first conductivity type on a semiconductor substrate; a second transistor having a second initial gate electrode and a channel diffusion region of a second conductivity type; Forming a;
Exposing at least a part of the first initial gate electrode and at least a part of the second initial gate electrode simultaneously or individually;
Forming a first metal layer at an exposed portion of the first initial gate electrode;
Forming a metal layer containing a work function adjusting metal or a second metal layer different from the first metal layer at an exposed portion of the second initial gate electrode;
By performing the heat treatment, the first initial gate electrode is replaced with a first replacement metal gate electrode, and the second initial gate electrode is replaced with the threshold voltage of the corresponding second transistor after the replacement. Replacing with a second replacement gate electrode having a work function substantially symmetric to the threshold voltage of one transistor.
前記第1の初期ゲート電極と前記第2の初期ゲート電極は、同一の熱処理工程により、同時に前記第1の置換メタルゲート電極と、前記第2の置換ゲート電極に置換されることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。The first initial gate electrode and the second initial gate electrode are simultaneously replaced with the first replacement metal gate electrode and the second replacement gate electrode by the same heat treatment process. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4.
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