JP2005116592A - Field effect transistor - Google Patents

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JP2005116592A
JP2005116592A JP2003345306A JP2003345306A JP2005116592A JP 2005116592 A JP2005116592 A JP 2005116592A JP 2003345306 A JP2003345306 A JP 2003345306A JP 2003345306 A JP2003345306 A JP 2003345306A JP 2005116592 A JP2005116592 A JP 2005116592A
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gate electrode
field effect
effect transistor
film
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Takehide Shirato
白土猛英
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To attain high speed and high degree of integration of an MISFET by improving gate electrode structure. <P>SOLUTION: The MIS field effect transistor of a short channel of self alignment type two-step metal gate electrode structure is constituted in such structure as described below: P-type impurity well region 2 and a trench element isolation region 3 are selectively formed on a p-type silicon substrate 1. A two-step gate electrode (Al) 8 is constituted of a narrow lower electrode 8a regulating a gate length through a gate oxide film 6 and barrier metal 7, and an upper gate electrode 8b formed more broadly than the via diameter on the p-type silicon substrate demarcated by the isolation region 3. An n-type source drain region 4 is self-aligned to the lower electrode 8a and formed on the p-type silicon substrate 1, and an n<SP>+</SP>-type source drain region 5 is self-aligned to the upper gate electrode 8b and formed on the p-type silicon substrate 1. The upper gate electrode 8b and the n<SP>+</SP>-type source drain region 5 are connected with Al wiring 14 having vertically barrier metal 13, 15 through a conduction plug 12 having barrier metal 11. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は半導体集積回路に係り、特に高速、高信頼、高性能、低電力且つ高集
積なショートチャネルのMIS電界効果トランジスタに関する。(絶縁ゲート形
の電界効果トランジスタだけでなく、ゲート絶縁膜が存在しない電界効果トラン
ジスタにも適用可能)
従来、MIS電界効果トランジスタの高速化においては、ゲート電極長の微細
化(ショートチャネル化)に重点がおかれ、この際問題になるドレイン近傍の強
電界のために生じるホットキャリア効果による寿命上の伝達コンダクタンスの劣
化を改善するためにLDD(Lightly Doped Drain)構造を
形成することにより対処されてきた。また微細なゲート電極に自己整合してソー
スドレイン領域を形成し、このソースドレイン領域を高温の熱処理により活性化
するため、ゲート電極として多結晶シリコン(polySi)ゲート電極あるいはポリ
サイドゲート電極(ソースドレイン領域を低抵抗化するためにサリサイド化する
際に形成される、例えばCoSi/polySiゲート電極)を使用していたので、ゲート
電極の低抵抗化が難しかったこと、多結晶シリコンゲート電極(半導体層)の空
乏化によって生じた空乏層により実効的なゲート絶縁膜の薄膜化が難しかったこ
と等よりショートチャネル化をはかっている割りには高速化が達成されていない
という欠点があった。
またゲート電極として多結晶シリコン膜を使用しているため、ビア形成時の燐
珪酸ガラス(PSG)膜のエッチングの際、結晶性が疎(スカスカ)である多結晶
シリコン膜中をエッチングガスが透過し、下地の薄膜のゲート絶縁膜をもエッチ
ングするか、あるいはダメージを与えたりして、ゲート電極/半導体基板間に電
流リークを生じてしまうために、たとえビアの形成に十分なゲート電極長を有し
ていたとしても、薄膜のゲート絶縁膜直上のゲート電極上にビアを形成して配線
体との接続を設けることを避け、厚いフィールド絶縁膜(素子分離領域)上に延
在させたゲート電極配線を形成し、このゲート電極配線上にビアを形成し配線体
との接続を設けていたために高集積化が達成されていないという欠点もあった。
そこで、さらなる高集積化が可能で、ゲート電極の低抵抗化及びゲート絶縁膜
の薄膜化が可能で、より高速化が達成できるショートチャネルのMIS電界効果
トランジスタを形成できる手段が要望されている。
The present invention relates to a semiconductor integrated circuit, and more particularly, to a high-speed, high-reliability, high-performance, low-power and highly-integrated short channel MIS field effect transistor. (Applicable not only to insulated gate field effect transistors but also to field effect transistors without a gate insulating film)
Conventionally, in increasing the speed of MIS field effect transistors, emphasis has been placed on miniaturization of the gate electrode length (short channel), and the lifetime is increased due to the hot carrier effect generated due to the strong electric field in the vicinity of the drain. In order to improve the deterioration of transfer conductance, it has been dealt with by forming an LDD (Lightly Doped Drain) structure. In addition, a source / drain region is formed by self-alignment with a fine gate electrode, and this source / drain region is activated by high-temperature heat treatment. Therefore, a polycrystalline silicon (polySi) gate electrode or a polycide gate electrode (source / drain) is used as the gate electrode. Since the use of a salicide to form a low-resistance region, for example, a CoSi / polySi gate electrode), it was difficult to reduce the resistance of the gate electrode. ) Due to the fact that it was difficult to effectively reduce the thickness of the gate insulating film due to the depletion layer generated by the depletion of the above), there was a drawback that the speedup was not achieved despite the short channel.
In addition, since a polycrystalline silicon film is used as the gate electrode, the etching gas permeates through the polycrystalline silicon film with poor crystallinity when etching the phosphosilicate glass (PSG) film during via formation. In addition, since the gate insulating film of the underlying thin film is etched or damaged, current leakage occurs between the gate electrode and the semiconductor substrate. Even if it has, the gate extended over the thick field insulating film (element isolation region) avoiding the formation of vias on the gate electrode immediately above the thin gate insulating film and providing connection with the wiring body Since the electrode wiring is formed, the via is formed on the gate electrode wiring and the connection with the wiring body is provided, there is a disadvantage that high integration is not achieved.
Thus, there is a demand for means capable of forming a short channel MIS field effect transistor that can be further highly integrated, can reduce the resistance of the gate electrode and can be thinned of the gate insulating film, and can achieve higher speed.

図31〜図33は従来のMIS電界効果トランジスタで、図31は模式平面図
(ただし図面を見易くするため、ビアは描かれているが、配線は省略されている
)、図32はチャネル長方向の模式側断面図(図31のp−p矢視断面図)、図
33はチャネル幅方向の模式側断面図(図31のq−q矢視断面図)で、p型の
シリコン基板を使用して形成したショートチャネルのNチャネルのMIS電界効
果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、51はp型のシリコン
基板、52はp型不純物ウエル領域、53は素子分離領域形成用トレンチ及び埋め込
み酸化膜、54はn型ソースドレイン領域、55はn+型ソースドレイン領域、56は
ゲート酸化膜(SiO2)、57はゲート電極(PolySi)、58は下地酸化膜、59はサイ
ドウオール、60は不純物ブロック用酸化膜、61はPSG膜、62はバリアメタル、63
は導電プラグ、64はバリアメタル、65はAl配線、66バリアメタルを示している。
同図においては、p型のシリコン基板51に酸化膜を埋め込んだトレンチ素子分
離領域53が選択的に設けられ、トレンチ素子分離領域53により画定されたp型の
シリコン基板51上にゲート酸化膜(SiO2)56を介して100nm程度のゲート長を有
するゲート電極(polySi)57が設けられ、チャネル幅方向のゲート電極57はトレ
ンチ素子分離領域53上に突き出して設けられ、ゲート電極57の側壁にはサイドウ
オール59が設けられ、p型のシリコン基板51には、ゲート電極57に自己整合して
n型ソースドレイン領域54及びサイドウオール59に自己整合してn+型ソースド
レイン領域55が設けられ、n+型ソースドレイン領域55の一部及びトレンチ素子
分離領域53上に突き出して設けられゲート電極配線57の一部には、p型のシリコ
ン基板51上に設けられたPSG膜61の一部を選択的に開孔したビアを埋め込んだバ
リアメタル62を有する導電プラグ63を介して上下にバリアメタル(64、66)を有
するAl配線65が接続されている構造からなるNチャネルのLDD構造のMIS電
界効果トランジスタが形成されている。
したがって、LDD構造を形成することにより、ドレイン領域近傍の電界が緩
和され、ホットキャリア効果による寿命上の伝達コンダクタンスの劣化は改善さ
れ、ショートチャネル化は可能であるが、あらかじめ形成したゲート電極(poly
Si)及びサイドウオールに自己整合してそれぞれn型ソースドレイン領域及びn
+型ソースドレイン領域を形成するため、n型及びn+型ソースドレイン領域の
活性化に高温処理が必要とされることから、ゲート電極の抵抗の低減ができなか
ったこと、ゲート電極を半導体層である多結晶シリコン層で形成しなければなら
なかったので、多結晶シリコン層が空乏化されることによる空乏層の存在のため
に、実効的なゲート絶縁膜(ゲート絶縁膜の厚さとゲート電極の空乏層の厚さと
の合計)の薄膜化が難しかったこと等によりショートチャネル化をはかっている
割りには高速化が達成されていないという欠点があり、またゲート電極がトレン
チ素子分離領域上に延在して設けられているので、隣接して別のMIS電界効果
トランジスタが形成される場合は集積度が上がらず、パターンの微細化以外に高
集積化が達成されていないという欠点もあった。
31 to 33 are conventional MIS field effect transistors, FIG. 31 is a schematic plan view (however, vias are drawn but wiring is omitted for easy understanding of the drawing), and FIG. 32 is a channel length direction. FIG. 33 is a schematic side sectional view in the channel width direction (qq arrow sectional view in FIG. 31), and uses a p-type silicon substrate. 1 shows a part of a semiconductor integrated circuit including a short-channel N-channel MIS field effect transistor formed as described above, 51 for a p-type silicon substrate, 52 for a p-type impurity well region, and 53 for element isolation region formation. Trench and buried oxide film, 54 is an n-type source / drain region, 55 is an n + -type source / drain region, 56 is a gate oxide film (SiO 2 ), 57 is a gate electrode (PolySi), 58 is a base oxide film, 59 is a side oxide film Wall, 60 is impurity block Oxide film, 61 is a PSG film, 62 is a barrier metal, 63
Indicates a conductive plug, 64 indicates a barrier metal, 65 indicates an Al wiring, and 66 barrier metal.
In the figure, a trench element isolation region 53 in which an oxide film is embedded in a p-type silicon substrate 51 is selectively provided, and a gate oxide film (on the p-type silicon substrate 51 defined by the trench element isolation region 53 is formed. A gate electrode (polySi) 57 having a gate length of about 100 nm is provided via SiO 2 ) 56, and the gate electrode 57 in the channel width direction is provided protruding on the trench element isolation region 53, and is formed on the side wall of the gate electrode 57. The p-type silicon substrate 51 is provided with an n-type source / drain region 54 self-aligned with the gate electrode 57 and an n + -type source / drain region 55 self-aligned with the side wall 59. , A part of the n + -type source / drain region 55 and a part of the gate electrode wiring 57 provided protruding from the trench element isolation region 53, and a part of the PSG film 61 provided on the p-type silicon substrate 51 choose MIS field effect of an N-channel LDD structure having a structure in which an Al wiring 65 having a barrier metal (64, 66) is connected to the upper and lower sides through a conductive plug 63 having a barrier metal 62 with a via hole embedded in A transistor is formed.
Therefore, by forming the LDD structure, the electric field in the vicinity of the drain region is relaxed, the deterioration of the transfer conductance over the lifetime due to the hot carrier effect is improved, and a short channel can be formed.
Si) and sidewalls are n-type source / drain regions and n
Since the high-temperature treatment is required for activating the n-type and n + -type source / drain regions in order to form the + -type source / drain regions, the resistance of the gate electrode could not be reduced, Since the polycrystalline silicon layer had to be formed by depletion of the polycrystalline silicon layer, an effective gate insulating film (the thickness of the gate insulating film and the gate electrode) However, there is a disadvantage that the high speed has not been achieved even though the short channel has been achieved due to the difficulty in reducing the thickness of the total depletion layer), and the gate electrode is located on the trench element isolation region. Since the MIS field effect transistor is formed adjacently, the degree of integration does not increase, and high integration is achieved in addition to pattern miniaturization. There was also disadvantage have.

これらの改善策として、ゲート電極を低抵抗金属で形成したり、ビアを形成せ
ずにゲート電極の一部上に積層型の導電プラグを形成したもの、ゲート電極長の
微細化ばかりでなく、他の高速化の対策として、ソースドレイン領域の大部分を
低抵抗の金属膜で形成したり、容易なプロセスで疑似SOI化を達成する試みは
あったが、上記の欠点のすべてに対する改善を示したものはなく、さらにゲート
電極が微細化された場合について、埋め込み法で形成する低抵抗の金属ゲート電
極のアスペクト比の増大を改善したものは存在していない。
2001−185729 2002−353244 2003−60202
As these improvement measures, not only the gate electrode is formed of a low resistance metal, but a laminated conductive plug is formed on a part of the gate electrode without forming a via, not only miniaturization of the gate electrode length, As other high-speed measures, there have been attempts to form a large part of the source / drain region with a low-resistance metal film, or to achieve pseudo-SOI with an easy process, but it has improved all of the above drawbacks. In the case where the gate electrode is further miniaturized, there is no improvement in the increase in the aspect ratio of the low-resistance metal gate electrode formed by the embedding method.
2001-185729 2002-353244 2003-60202

本発明が解決しようとする課題は、従来例に示されるように、高速性を改善し
たMIS電界効果トランジスタを得るために、ホットキャリア効果を改善したL
DD構造を形成することにより、ショートチャネル化を達成しているが、ソース
ドレイン領域を自己整合して微細に形成するために、多結晶シリコンゲート電極
(あるいは多結晶シリコンと高融点金属シリサイドの二重ゲート電極)を使用し
なければならなかったために、ゲート電極の抵抗の低減が難しかったこと、多結
晶シリコンゲート電極にも空乏層が形成され、実効的なゲート絶縁膜の薄膜化が
難しかったこと等によりショートチャネル化をはかっている割りには高速化が達
成されていないこと、またトレンチ素子分離領域上に延在して設けられたゲート
電極配線上にビアを設け配線体との接続を形成しているため、隣接して別のMI
S電界効果トランジスタが形成される場合は集積度が上がらなかったこと及び大
電流が必要とされるMIS電界効果トランジスタの場合はゲート電極幅を広く形
成するため、配線体との接続部から離れた部分のゲート電極端ではゲート電極の
抵抗が大きくなり、低いゲート電圧しか印加できないため、実行的なゲート電極
幅が狭まり、所望のソースドレイン電流を得られなくなるという問題が高集積化
の妨げになりつつあり、さらなる高速化の達成が難しいという問題が顕著になっ
てきたことである。
The problem to be solved by the present invention is that the hot carrier effect is improved in order to obtain a MIS field effect transistor with improved high speed as shown in the prior art.
Although a short channel is achieved by forming a DD structure, a polycrystalline silicon gate electrode (or two layers of polycrystalline silicon and refractory metal silicide) is formed in order to form the source / drain region in a self-aligned manner. Because it was difficult to reduce the resistance of the gate electrode, a depletion layer was also formed on the polycrystalline silicon gate electrode, and it was difficult to effectively reduce the thickness of the gate insulating film. For this reason, the high speed has not been achieved despite the short channel, and vias are provided on the gate electrode wiring provided extending on the trench element isolation region to connect the wiring body. Since it is formed, another MI
When the S field effect transistor is formed, the degree of integration does not increase, and in the case of the MIS field effect transistor that requires a large current, the gate electrode is widened, so that it is separated from the connection portion with the wiring body. Since the resistance of the gate electrode increases at the end of the gate electrode and only a low gate voltage can be applied, the problem is that the effective gate electrode width becomes narrow and the desired source / drain current cannot be obtained, which hinders high integration. The problem is that it is difficult to achieve higher speeds.

上記課題は、半導体基板あるいは底部に絶縁膜を有する半導体基板にソースド
レイン領域が設けられ、半導体基板上に直接あるいはゲート絶縁膜を介してゲー
ト電極が設けられた電界効果トランジスタであって、下部のゲート電極部に自己
整合して上部のゲート電極部が幅広く設けられ、且つ前記上部のゲート電極部の
上面及び前記下部のゲート電極部の下面が平坦に設けられた構造からなる金属ゲ
ート電極を具備してなる本発明の電界効果トランジスタによって解決される。
The above problem is a field effect transistor in which a source / drain region is provided on a semiconductor substrate or a semiconductor substrate having an insulating film on the bottom, and a gate electrode is provided on the semiconductor substrate directly or via a gate insulating film. A metal gate electrode having a structure in which a wide upper gate electrode portion is provided in self-alignment with the gate electrode portion, and an upper surface of the upper gate electrode portion and a lower surface of the lower gate electrode portion are provided flat; This is solved by the field effect transistor of the present invention.

本発明によれば、チャネル長を決定する下部のゲート電極部とビア径より幅の
広い上部ゲート電極部からなる自己整合の低抵抗な2段ゲート電極を有するショ
ートチャネルのMIS電界効果トランジスタを形成することができる。
したがって、ダミーのゲート電極を利用し、不純物領域の活性化に高温処理が
必要な低濃度及び高濃度のソースドレイン領域をゲート電極の形成前に自己整合
して形成できることにより、低抵抗な低融点金属(Al)からなるゲート電極を形
成できるため、ゲート電極の低抵抗化及び空乏層の存在しないゲート電極の形成
による実効的なゲート酸化膜の薄膜化も可能である。
また高誘電率を有するTa2O5をゲート酸化膜として使用できるため、ゲート酸
化膜のやや厚膜化が可能で、ゲート電極と半導体基板(あるいはSOI基板)間
の微小な電流リークの改善及びゲート容量の低減も可能であり、同時にSiO2膜換
算ではゲート酸化膜の薄膜化も可能である。
またゲート長を規定する下部のゲート電極部と、ビア径より広い上部のゲート
電極部を自己整合して形成した2段のゲート電極を設けることができるため、電
気的特性にすぐれ、且つ余分なゲート電極配線を設けず、必要とされるゲート電
極の直上で配線体との接続を形成できることによる高集積化が可能であり、下部
のゲート電極部の厚さを調整すれば、さらなるゲート長の微細化にも対応可能で
、アスペクト比を増大させることなく、常に良好な埋め込みゲート電極の形成が
可能である。
また低抵抗な2段の金属ゲート電極の上部ゲート電極部のどこででもビア形成
が可能なので所望とされるゲート電圧を印加できるので、ビア形成位置による実
行的なゲート幅の低減を防止することもできる。
また低濃度ソースドレイン領域上に上部ゲート電極部を形成できるため、動作
時のオン抵抗を低減できるのでより高速化が期待できる。
またゲート電極及び絶縁膜の上面を段差がない平坦面に形成できることにより
、極めて信頼性の高い層間絶縁膜及び配線体を形成することもできる。
またSOI構造に形成すれば、大部分のソースドレイン領域を金属層により形
成することもでき、ソースドレイン領域の低抵抗化及び接合容量の低減化も可能
である。
また完全空乏化したSOI基板を使用する場合には、空乏層容量を無くせるこ
と及びサブスレッショルド特性の改善による閾値電圧の低減も可能である。
即ち、極めて高速、高信頼、高性能、低電力且つ高集積な半導体集積回路の形
成を可能とする自己整合2段低抵抗金属ゲート電極構造のMIS電界効果トラン
ジスタを主とするさまざまな電界効果トランジスタを得ることができる。
According to the present invention, a short channel MIS field effect transistor having a self-aligned low-resistance two-stage gate electrode comprising a lower gate electrode portion that determines the channel length and an upper gate electrode portion that is wider than the via diameter is formed. can do.
Therefore, by using a dummy gate electrode, low-concentration and high-concentration source / drain regions that require high-temperature treatment to activate the impurity region can be formed in a self-aligned manner before forming the gate electrode. Since a gate electrode made of metal (Al) can be formed, it is possible to reduce the resistance of the gate electrode and effectively reduce the thickness of the gate oxide film by forming a gate electrode without a depletion layer.
Moreover, since Ta 2 O 5 having a high dielectric constant can be used as a gate oxide film, the gate oxide film can be made slightly thicker, and a small current leak between the gate electrode and the semiconductor substrate (or SOI substrate) can be improved. The gate capacitance can be reduced, and at the same time, the gate oxide film can be reduced in terms of SiO 2 film.
In addition, since it is possible to provide a two-stage gate electrode formed by self-aligning a lower gate electrode portion that defines the gate length and an upper gate electrode portion wider than the via diameter, the electrical characteristics are excellent and an extra portion is provided. High integration is possible because the connection to the wiring body can be formed directly above the required gate electrode without providing the gate electrode wiring, and if the thickness of the lower gate electrode part is adjusted, further gate length can be increased. It is possible to cope with miniaturization, and it is possible to always form a favorable buried gate electrode without increasing the aspect ratio.
In addition, since a via can be formed anywhere in the upper gate electrode portion of the low-resistance two-stage metal gate electrode, a desired gate voltage can be applied, so that effective gate width reduction due to the via formation position can be prevented. it can.
Further, since the upper gate electrode portion can be formed on the low concentration source / drain region, the on-resistance during operation can be reduced, so that higher speed can be expected.
In addition, since the top surfaces of the gate electrode and the insulating film can be formed on a flat surface without a step, an extremely reliable interlayer insulating film and wiring body can be formed.
If the SOI structure is used, most of the source / drain regions can be formed of a metal layer, and the resistance of the source / drain regions can be reduced and the junction capacitance can be reduced.
In the case of using a fully depleted SOI substrate, it is possible to eliminate the depletion layer capacitance and to reduce the threshold voltage by improving the subthreshold characteristics.
That is, various field effect transistors mainly including MIS field effect transistors having a self-aligned two-stage low resistance metal gate electrode structure capable of forming a semiconductor integrated circuit with extremely high speed, high reliability, high performance, low power and high integration. Can be obtained.

本願発明のMIS電界効果トランジスタによれば、半導体基板上に形成した自
己整合の2段ダミーゲート電極(製造方法は別途詳述)を利用して、それぞれ自
己整合して、低濃度及び高濃度のソースドレイン領域を形成して後、2段ダミー
ゲート電極を除去して形成した開孔に上部のゲート電極部及び下部のゲート電極
部からなる2段の低抵抗金属ゲート電極を埋め込み形成できるので、超微細なゲ
ート電極の一律埋め込みの際に生じる、大きなアスペクト比による埋め込みの困
難性を、2段のゲート電極(広い幅の上部のゲート電極部及び極めて狭い幅の下
部のゲート電極部)の埋め込みにより、アスペクト比の増加を抑制して、容易な
埋め込みが達成でき(現状の技術においては、良好な埋め込みはアスペクト比4
程度まで)、微細な下部のゲート電極部でチャネル長を決定した高速なMIS電
界効果トランジスタを形成することが可能である。
またビア開孔における絶縁膜のエッチング用ガスの透過性のない密な結晶から
なる金属膜で上部のゲート電極部を形成でき、且つビア径より広い幅を有する上
部ゲート電極部を下部のゲート電極部に自己整合して形成できるので、上部ゲー
ト電極部上の一部にビアを設け、ビアを埋め込んだ導電プラグを介して配線体と
の接続をとることができるため、フィールド絶縁膜上に延在する余分のゲート電
極配線(配線体との接続領域用)を形成することなく、高集積なMIS電界効果
トランジスタを形成することが可能である。
さらにゲート酸化膜、ゲート電極材料、高濃度のソースドレイン領域の形成材
料、基板構造及び基板材料・・・等を工夫することにより、それぞれの目的にあ
ったMIS電界効果トランジスタを主とするさまざまな電界効果トランジスタを
形成することも可能である。
According to the MIS field-effect transistor of the present invention, a self-aligned two-stage dummy gate electrode formed on a semiconductor substrate (a manufacturing method will be described in detail separately) is used to perform self-alignment, respectively, with low concentration and high concentration. After forming the source / drain region, a two-stage low-resistance metal gate electrode composed of an upper gate electrode portion and a lower gate electrode portion can be embedded in the opening formed by removing the two-stage dummy gate electrode. The difficulty of embedding due to a large aspect ratio that occurs during the uniform embedding of ultrafine gate electrodes is due to the embedding of two-stage gate electrodes (the upper gate electrode portion having a wide width and the lower gate electrode portion having an extremely narrow width). Can suppress the increase in the aspect ratio and achieve easy embedding (in the current technology, good embedding has an aspect ratio of 4
It is possible to form a high-speed MIS field effect transistor in which the channel length is determined by a fine lower gate electrode portion.
Further, the upper gate electrode portion can be formed of a metal film made of a dense crystal that does not transmit the etching gas for the insulating film in the via opening, and the upper gate electrode portion having a width wider than the via diameter is formed as the lower gate electrode. Since a via is provided in a part on the upper gate electrode portion and can be connected to the wiring body through a conductive plug in which the via is embedded, it can be formed on the field insulating film. It is possible to form a highly integrated MIS field effect transistor without forming an existing gate electrode wiring (for a connection region with a wiring body).
Furthermore, by devising the gate oxide film, the gate electrode material, the material for forming the high concentration source / drain region, the substrate structure, the substrate material, etc., various MIS field effect transistors mainly for each purpose can be obtained. It is also possible to form a field effect transistor.

全図を通じ同一対象物は同一符号で示す。ただし、側断面図における斜線は主
要な絶縁膜のみに記載し、また発明の要部を示すため、水平方向及び垂直方向の
サイズは正確な寸法を示していない。
図1〜図4は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例で、
図1は平面図(ただし図面を見易くするため、ビアは描かれているが、配線は省
略されている)、図2はチャネル長方向の模式側断面図(p−p矢視断面図)、
図3はチャネル幅方向の模式側断面図(q−q矢視断面図)、図4はゲート電極
の模式拡大立体図で、p型のシリコン基板を使用して形成した微細なNチャネル
のMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1は
1015cm-3程度のp型のシリコン基板、2は1017cm-3程度のp型不純物ウエル領域
、3は素子分離領域形成用トレンチ及び埋め込み酸化膜(SiO2)、4は5×1017
cm-3程度のn型ソースドレイン領域、5は1020cm-3程度のn+ 型ソースドレイン
領域、6は6nm程度のゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)、7は6nm程度のバリアメ
タル(TiN)、8は2段構造のゲート電極(Al)、8aは下部のゲート電極部(
ゲート長を規定、ゲート長はバリアメタルを含んで40nm程度)、8bは上部のゲ
ート電極部(上面が平坦で、ビア径よりやや広めの幅に形成され、一部上にビア
を設け、Al配線との接続を形成)、9は200nm程度の絶縁膜(SiO2)、10は400
nm程度の燐珪酸ガラス(PSG)膜、11は20nm程度のバリアメタル(TiN)、12は
導電プラグ(W)、13は50nm程度のバリアメタル(TiN)、14は500nm程度のAl
配線(数%のCuを含む)、15は50nm程度のバリアメタル(TiN)を示している。
同図においては、p型のシリコン基板1に閾値電圧を制御するp型不純物ウエ
ル領域2及び酸化膜を埋め込んだトレンチ素子分離領域3が選択的に設けられ、
このトレンチ素子分離領域3により画定されたp型のシリコン基板1上にゲート
酸化膜(Ta2O5/SiO2)6及びバリアメタル(TiN)7を介してゲート長を決定
する細い下部のゲート電極部8aとビア径より幅広く形成された上部のゲート電
極部8bからなる自己整合の2段ゲート電極(Al)8が設けられ、p型のシリコ
ン基板1には、下部のゲート電極部8aに自己整合してn型ソースドレイン領域
4が、上部のゲート電極部8bに自己整合してn+型ソースドレイン領域5が設
けられ、2段ゲート電極8を平坦に埋め込んだ絶縁膜9(SiO2)及び絶縁膜9上
に積層された層間絶縁膜(PSG膜)10が設けられており、n+型ソースドレイン
領域5の一部には、絶縁膜9及びPSG膜10を開孔したビアが設けられ、このビア
をバリアメタル(TiN)11を介して平坦に埋め込んだ導電プラグ(W)12が設け
られ、導電プラグ12に上下にバリアメタル(TiN、13、15)を有するAl配線14が
接続され、2段ゲート電極8の上面の平坦な上部のゲート電極部8bの一部には
PSG膜10を開孔したビアが設けられ(下部のゲート電極部8aの幅より広い)、
このビアをバリアメタル(TiN)11を介して平坦に埋め込んだ導電プラグ(W)
12が設けられ、導電プラグ12に上下にバリアメタル(TiN、13、15)を有するAl
配線14が接続されている構造からなる超微細なNチャネルのMIS電界効果トラ
ンジスタが形成されている。
したがって、製造方法は別途記載するが、ダミーゲート電極を利用し、不純物
領域の活性化に高温処理が必要な低濃度及び高濃度のソースドレイン領域をゲー
ト電極の形成前に自己整合して形成できることにより、低抵抗な低融点金属(Al
)からなるゲート電極を形成できるため、ゲート電極の低抵抗化及び空乏層の存
在しないゲート電極の形成による実効的なゲート酸化膜の薄膜化も可能である。
また高誘電率を有するTa2O5 をゲート酸化膜として使用できるため、ゲート酸
化膜のやや厚膜化が可能で、ゲート電極と半導体基板間の微小な電流リークの改
善及びゲート容量の低減も可能であり、同時にSiO2膜換算ではゲート酸化膜の薄
膜化も可能である。
またゲート長を規定する下部のゲート電極部と、ビア径(小さくするほどコン
タクト抵抗が増大するため、ゲート長を微細にするほどには微細化できない)よ
り広い上部のゲート電極部を自己整合して形成した2段のゲート電極を設けてい
るため、電気的特性にすぐれ、且つゲート電極配線を設けず、必要とされるゲー
ト電極の直上で配線体との接続を形成できることによる高集積化が可能であり、
さらなるゲート長の微細化にも対応可能で、アスペクト比(水平方向に対する深
さ方向の比)を増大させることなく(下部のゲート電極部のゲート長と厚さを調
整することにより対応するため、ゲート長が微細になるほど下部のゲート電極部
の厚さは上部のゲート電極部より薄くなる)常に良好な埋め込みゲート電極の形
成が可能である。
また低抵抗な2段の金属ゲート電極の上部のゲート電極部のどこででもビア形
成が可能なので、所望とされるゲート電圧を印加できるので、ビア形成位置によ
る実行的なゲート幅の低減を防止することもできる。
また低濃度ソースドレイン領域上に上部のゲート電極部を形成できるため、動
作時のオン抵抗を低減できるのでより高速化が期待できる。
またゲート電極及び絶縁膜の上面を段差がない平坦面に形成できることにより
、極めて信頼性の高い層間絶縁膜及び配線体を形成することもできる。
この結果、高速、高信頼、高性能、低電力及び高集積を併せ持つ自己整合2段
低抵抗金属ゲート電極構造のMIS電界効果トランジスタを得ることができる。
Throughout the drawings, the same object is denoted by the same reference numeral. However, the oblique lines in the side cross-sectional view are described only in the main insulating film, and show the main part of the invention, so the horizontal and vertical sizes do not show accurate dimensions.
1 to 4 show a first embodiment of the MIS field effect transistor according to the present invention.
FIG. 1 is a plan view (however, vias are drawn but wiring is omitted to make the drawing easier to see), and FIG. 2 is a schematic side sectional view in the channel length direction (sectional view taken along the arrow pp).
3 is a schematic side cross-sectional view (q-q arrow cross-sectional view) in the channel width direction, and FIG. 4 is a schematic enlarged three-dimensional view of the gate electrode, which is a fine N-channel MIS formed using a p-type silicon substrate. 1 shows a part of a semiconductor integrated circuit including a field effect transistor.
P-type silicon substrate of about 10 15 cm −3 , 2 is a p-type impurity well region of about 10 17 cm −3 , 3 is a trench for forming an isolation region and buried oxide film (SiO 2 ), 4 is 5 × 10 17
An n-type source / drain region of about cm −3 , 5 is an n + type source / drain region of about 10 20 cm −3 , 6 is a gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) of about 6 nm, and 7 is about 6 nm. Barrier metal (TiN), 8 is a two-stage gate electrode (Al), 8a is a lower gate electrode (
The gate length is specified, the gate length is about 40 nm including the barrier metal, and 8b is the upper gate electrode part (the upper surface is flat and formed to have a width slightly wider than the via diameter, and a via is provided on a part thereof. 9 is about 200 nm insulating film (SiO 2 ), 10 is 400
About 12 nm phosphosilicate glass (PSG) film, 11 is about 20 nm barrier metal (TiN), 12 is conductive plug (W), 13 is about 50 nm barrier metal (TiN), 14 is about 500 nm Al
Wiring (including several percent of Cu), 15 indicates a barrier metal (TiN) of about 50 nm.
In the figure, a p-type impurity well region 2 for controlling a threshold voltage and a trench element isolation region 3 in which an oxide film is buried are selectively provided in a p-type silicon substrate 1.
A thin lower gate for determining the gate length via a gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) 6 and a barrier metal (TiN) 7 on a p-type silicon substrate 1 defined by the trench element isolation region 3 A self-aligned two-stage gate electrode (Al) 8 comprising an electrode portion 8a and an upper gate electrode portion 8b formed wider than the via diameter is provided. The p-type silicon substrate 1 has a lower gate electrode portion 8a. The n-type source / drain region 4 is self-aligned and the n + -type source / drain region 5 is provided in self-alignment with the upper gate electrode portion 8b, and the insulating film 9 (SiO 2) is embedded in the two-stage gate electrode 8 flatly. ) And an interlayer insulating film (PSG film) 10 laminated on the insulating film 9, and a via opening the insulating film 9 and the PSG film 10 is formed in a part of the n + type source / drain region 5. Provided via this barrier metal (TiN) 11 A conductive plug (W) 12 embedded in a flat manner is provided, and an Al wiring 14 having barrier metal (TiN, 13, 15) is connected to the conductive plug 12 on the top and bottom, and the flat upper portion of the upper surface of the two-stage gate electrode 8 is connected. Part of the gate electrode portion 8b
Vias are provided to open the PSG film 10 (wider than the width of the lower gate electrode portion 8a),
Conductive plug (W) in which this via is embedded flat via barrier metal (TiN) 11
12 and Al having barrier metal (TiN, 13, 15) above and below the conductive plug 12
An ultrafine N-channel MIS field effect transistor having a structure to which the wiring 14 is connected is formed.
Therefore, although a manufacturing method will be described separately, a dummy gate electrode can be used to form a low-concentration and high-concentration source / drain region that requires high-temperature treatment for activating the impurity region in a self-aligned manner before forming the gate electrode. Low resistance metal (Al
Therefore, it is possible to reduce the resistance of the gate electrode and effectively reduce the thickness of the gate oxide film by forming the gate electrode without a depletion layer.
In addition, since Ta 2 O 5 with a high dielectric constant can be used as the gate oxide film, the gate oxide film can be made slightly thicker, improving the minute current leakage between the gate electrode and the semiconductor substrate and reducing the gate capacitance. At the same time, the gate oxide film can be made thinner in terms of SiO 2 film.
In addition, the lower gate electrode part that defines the gate length and the upper gate electrode part wider than the via diameter (the contact resistance increases as it gets smaller and the gate length cannot be made finer) are self-aligned. Since the two-stage gate electrode formed in this manner is provided, high integration can be achieved by having excellent electrical characteristics and forming a connection with a wiring body directly above the required gate electrode without providing a gate electrode wiring. Is possible,
It is possible to cope with further miniaturization of the gate length, without increasing the aspect ratio (ratio in the depth direction to the horizontal direction) (by adjusting the gate length and thickness of the lower gate electrode part, As the gate length becomes finer, the thickness of the lower gate electrode portion becomes thinner than that of the upper gate electrode portion). It is possible to always form a favorable buried gate electrode.
Further, since a via can be formed anywhere in the upper gate electrode portion of the two-stage metal gate electrode having a low resistance, a desired gate voltage can be applied, so that effective gate width reduction due to the via formation position is prevented. You can also
Further, since the upper gate electrode portion can be formed on the low concentration source / drain region, the on-resistance during operation can be reduced, so that higher speed can be expected.
In addition, since the top surfaces of the gate electrode and the insulating film can be formed on a flat surface without a step, an extremely reliable interlayer insulating film and wiring body can be formed.
As a result, it is possible to obtain a MIS field effect transistor having a self-aligned two-stage low-resistance metal gate electrode structure having high speed, high reliability, high performance, low power and high integration.

第1の実施例におけるMIS電界効果トランジスタの製造方法について、図1
5〜図22及び図2を参照して説明する。ただし、ここでは本発明のMIS電界
効果トランジスタの形成に関する製造方法のみを記述し、一般の半導体集積回路
に搭載される各種の素子(他のトランジスタ、抵抗、容量等)の形成に関する製
造方法の記述は省略する。
図15
通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層
として、p型のシリコン基板1を1μm程度異方性ドライエッチングし、素子分離
領域形成用のトレンチを形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次
いで化学気相成長により、酸化膜(SiO2)を成長し、化学的機械研磨(Che−
mical Mechanical Polishing 以後CMPと略称す
る)して平坦に埋め込み、トレンチ素子分離領域3を形成する。次いで10nm程度
の酸化膜(SiO2)28を成長する。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用
し、レジスト(図示せず)及び酸化膜(SiO2)が埋め込まれたトレンチ素子分離
領域3をマスク層として、p型のシリコン基板1に硼素のイオン注入をおこなう
。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで高温で熱処理し、p型不純物
ウエル領域2を形成し、閾値電圧を制御する。
図16
次いで化学気相成長により、100nm程度の多結晶シリコン膜(PolySi)29を成
長する。次いでスパッタにより、100nm程度のタングステン膜30を成長する。次
いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク
層として、タングステン膜30を異方性ドライエッチングし、第1のトレンチを形
成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
図17
次いで化学気相成長により、40nm程度の窒化膜(Si3N4 )31を成長する。次い
で窒化膜(Si3N4)31を異方性ドライエッチングし、第1のトレンチの側壁にの
み窒化膜31を残す。次いでタングステン膜30及び窒化膜31をマスク層として、多
結晶シリコン膜(PolySi)29を異方性ドライエッチングし、第2のトレンチを形
成する。
図18
次いで化学気相成長により、80nm程度の窒化膜(Si3N4)32を成長する。次い
で化学的機械研磨(CMP)し、第1及び第2のトレンチに窒化膜(Si3N4)32
を平坦に埋め込む。この窒化膜(31、32)がダミ−のゲ−ト電極となる。(ここ
ではダミ−のゲ−ト電極の形成に同じ膜を使用しているが、イオン注入のマスク
性を考慮し、第1及び第2のトレンチに異なる膜を埋め込んで形成してもよい)
図19
次いで窒化膜(31、32)をマスク層として、タングステン膜30を異方性ドライ
エッチングする。次いで多結晶シリコン膜(PolySi)29を等方性ドライエッチン
グする。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず
)及び窒化膜(31、32)をマスク層として、砒素をイオン注入し、n+型ソース
ドレイン領域を画定する。次いでレジスト(図示せず)及び窒化膜32をマスク層
として、燐をイオン注入し、n型ソースドレイン領域を画定する。次いでレジス
ト(図示せず)を除去する。(ここで波線は燐のイオン注入領域を、2重波線は
砒素のイオン注入領域を示している)
図20
次いで酸化膜28を等方性ドライエッチングする。次いで化学気相成長により、
200nm程度の酸化膜(SiO2)9を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)し
て平坦に埋め込む。次いで熱処理(800℃程度)をおこない、n型及びn+型ソ
ースドレイン領域(4、5)の活性化及び拡散層の制御をおこなう。
図21
次いでダミーゲート電極である窒化膜(31、32)を異方性ドライエッチングす
る。次いで酸化膜28を異方性ドライエッチングする。次いでゲート酸化膜6(Ta
2O5/SiO2)を成長する。次いで連続スパッタにより、バリアメタルである6nm
程度のTiN及び低抵抗のゲ−ト電極となる80nm程度のAl8を成長する。次いで化
学的機械研磨(CMP)して第1及び第2のトレンチに平坦に埋め込む。
図22
次いで化学気相成長により、400nm程度の燐珪酸ガラス(PSG)膜10を成長す
る。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)を
マスク層として、選択的にPSG膜10を異方性ドライエッチングしてビアを開孔
する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いでスパッタにより、バリア
メタルとなるTiN11を成長する。次いで化学気相成長により、タングステン膜12
を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)により、ビアに埋め込み、導電プ
ラグ(W)12を形成する。
図2
次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN13を50nm程度成長する。次い
でスパッタにより、配線となるAl(数%のCuを含む)14を500 nm程度成長する。
次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN15を50nm程度成長する。次いで
通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層と
して、バリアメタル(TiN)、Al(数%のCuを含む)及びバリアメタル(TiN)
を異方性ドライエッチングしてバリアメタル(13、15)を上下に有するAl配線14
を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去し、本願発明の第1の製造方法
による自己整合2段低融点金属ゲート型のMIS電界効果トランジスタを完成す
る。
A method of manufacturing the MIS field effect transistor in the first embodiment will be described with reference to FIG.
This will be described with reference to FIGS. However, here, only the manufacturing method relating to the formation of the MIS field effect transistor of the present invention is described, and the description of the manufacturing method relating to the formation of various elements (other transistors, resistors, capacitors, etc.) mounted on a general semiconductor integrated circuit. Is omitted.
FIG.
Using normal photolithography technology, a p-type silicon substrate 1 is anisotropically dry etched by about 1 μm using a resist (not shown) as a mask layer to form a trench for forming an element isolation region. Next, the resist (not shown) is removed. Next, an oxide film (SiO 2 ) is grown by chemical vapor deposition, and chemical mechanical polishing (Che−
A mechanical device polishing (hereinafter abbreviated as “CMP”) is performed to fill the surface and form a trench element isolation region 3. Next, an oxide film (SiO 2 ) 28 of about 10 nm is grown. Next, boron is ion-implanted into the p-type silicon substrate 1 using a normal photolithography technique, using the trench element isolation region 3 in which a resist (not shown) and an oxide film (SiO 2 ) are embedded as a mask layer. . Next, the resist (not shown) is removed. Next, heat treatment is performed at a high temperature, the p-type impurity well region 2 is formed, and the threshold voltage is controlled.
FIG.
Next, a polycrystalline silicon film (PolySi) 29 of about 100 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, a tungsten film 30 of about 100 nm is grown by sputtering. Next, using a normal photolithography technique, the tungsten film 30 is anisotropically dry etched using a resist (not shown) as a mask layer to form a first trench. Next, the resist (not shown) is removed.
FIG.
Next, a nitride film (Si3N4) 31 of about 40 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the nitride film (Si 3 N 4 ) 31 is anisotropically dry-etched to leave the nitride film 31 only on the side walls of the first trench. Next, using the tungsten film 30 and the nitride film 31 as a mask layer, the polycrystalline silicon film (PolySi) 29 is anisotropically dry-etched to form a second trench.
FIG.
Next, a nitride film (Si 3 N 4 ) 32 of about 80 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, chemical mechanical polishing (CMP) is performed, and a nitride film (Si 3 N 4 ) 32 is formed in the first and second trenches.
Embed flat. This nitride film (31, 32) becomes a dummy gate electrode. (Here, the same film is used to form the dummy gate electrode, but in consideration of the masking characteristics of ion implantation, different films may be embedded in the first and second trenches.)
FIG.
Next, the tungsten film 30 is anisotropically dry etched using the nitride films (31, 32) as a mask layer. Next, the polycrystalline silicon film (PolySi) 29 is isotropically dry-etched. Next, using normal photolithography technology, arsenic is ion-implanted using a resist (not shown) and nitride films (31, 32) as a mask layer to define an n + type source / drain region. Next, phosphorus is ion-implanted using the resist (not shown) and the nitride film 32 as a mask layer to define an n-type source / drain region. Next, the resist (not shown) is removed. (Here, the wavy line represents the phosphorus ion implantation region, and the double wavy line represents the arsenic ion implantation region.)
FIG.
Next, the oxide film 28 is isotropically dry etched. Then by chemical vapor deposition,
An oxide film (SiO 2 ) 9 of about 200 nm is grown. Then, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to embed it flat. Next, heat treatment (about 800 ° C.) is performed to activate the n-type and n + -type source / drain regions (4, 5) and control the diffusion layer.
FIG.
Next, the nitride films (31, 32) which are dummy gate electrodes are subjected to anisotropic dry etching. Next, anisotropic dry etching is performed on the oxide film 28. Next, the gate oxide film 6 (Ta
2 O 5 / SiO 2 ). Next, the barrier metal is 6 nm by continuous sputtering.
About 8 nm of Al 8 is grown as a gate electrode with a low resistance of TiN and a low resistance. Then, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to fill the first and second trenches flatly.
FIG.
Next, a phosphosilicate glass (PSG) film 10 of about 400 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using an ordinary photolithography technique, the PSG film 10 is selectively dry etched anisotropically using a resist (not shown) as a mask layer to open a via. Next, the resist (not shown) is removed. Next, TiN11 serving as a barrier metal is grown by sputtering. Next, tungsten film 12 is formed by chemical vapor deposition.
To grow. Then, the conductive plug (W) 12 is formed by embedding in the via by chemical mechanical polishing (CMP).
FIG.
Next, TiN13 to be a barrier metal is grown to about 50 nm by sputtering. Next, Al (containing several percent of Cu) 14 to be a wiring is grown to about 500 nm by sputtering.
Next, TiN15 to be a barrier metal is grown to about 50 nm by sputtering. Next, using normal photolithography technology, using a resist (not shown) as a mask layer, barrier metal (TiN), Al (including several percent of Cu), and barrier metal (TiN)
Al wiring 14 with barrier metal (13, 15) on top and bottom by anisotropic dry etching
Form. Next, the resist (not shown) is removed, and a self-aligned two-stage low melting point metal gate type MIS field effect transistor according to the first manufacturing method of the present invention is completed.

図5〜図7は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の実施例で、
図5は平面図(ただし図面を見易くするため、ビアは描かれているが、配線は省
略されている)、図6はチャネル長方向の模式側断面図(p−p矢視断面図)、
図7はチャネル幅方向の模式側断面図(q−q矢視断面図)で、p型のシリコン
基板を使用して形成した微細なNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む
半導体集積回路の一部を示しており、1〜15は図2と同じ物を、16はサイドウオ
ール(SiO2)、17はバリアメタル兼エッチングストッパー膜(TiN)、18は絶縁
膜(SiO2)を示している。
同図においては、トレンチ素子分離領域3のエッジと下部のゲート電極部8a
(バリアメタル7を含む)のエッジが一致して形成されていること(下部のゲー
ト電極部8aは素子分離領域に延在していない)、下部のゲート電極部8a(バ
リアメタル7を含む)の底部にはバリアメタル兼エッチングストッパー膜17が形
成されていること、ゲート絶縁膜6が下部のゲート電極部8a(バリアメタル7
を含む)の直下部のみに形成されていること、下部のゲート電極部8a(バリア
メタル7を含む)の側壁にはサイドウオール(SiO2)が形成されていること及び
上部のゲート電極部8b(バリアメタル7を含む)の周囲には絶縁膜18が形成さ
れていること以外は第1の実施例と同じ構造のNチャネルのLDD構造のMIS
電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においても、第1の実施例と同じ効果を得ることができ、またゲート
長がより微細化された場合にも下部の電極部の埋め込みを容易におこなうことが
可能である。(下部の電極部の側壁にゲート絶縁膜を設けないため、アスペクト
比の増大を防止できる)
5 to 7 show a second embodiment of the MIS field effect transistor according to the present invention.
FIG. 5 is a plan view (however, vias are drawn but wiring is omitted to make the drawing easier to see), FIG. 6 is a schematic side sectional view in the channel length direction (cross-sectional view taken along the pp arrow),
FIG. 7 is a schematic side cross-sectional view (q-q cross-sectional view) in the channel width direction, which is a part of a semiconductor integrated circuit including a fine N-channel MIS field effect transistor formed using a p-type silicon substrate. 1 to 15 are the same as in FIG. 2, 16 is a side wall (SiO 2 ), 17 is a barrier metal / etching stopper film (TiN), and 18 is an insulating film (SiO 2 ).
In the figure, the edge of the trench isolation region 3 and the lower gate electrode portion 8a.
The edges (including the barrier metal 7) are formed to coincide with each other (the lower gate electrode portion 8a does not extend to the element isolation region), and the lower gate electrode portion 8a (including the barrier metal 7). A barrier metal / etching stopper film 17 is formed on the bottom of the gate electrode 8a (barrier metal 7).
And the side wall (SiO 2 ) is formed on the side wall of the lower gate electrode portion 8a (including the barrier metal 7) and the upper gate electrode portion 8b. An MIS having an N-channel LDD structure having the same structure as that of the first embodiment except that an insulating film 18 is formed around (including the barrier metal 7).
A field effect transistor is formed.
Also in this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and even when the gate length is further miniaturized, it is possible to easily embed the lower electrode portion. (Because no gate insulating film is provided on the side wall of the lower electrode part, an increase in aspect ratio can be prevented.)

第2の実施例におけるMIS電界効果トランジスタの製造方法について、図2
3〜図30及び図6を参照して説明する。
図23
p型のシリコン基板1に6nm程度のゲート酸化膜6(Ta2O5/SiO2)を成長す
る。次いで10nm程度のバリアメタル兼エッチングストッパー膜(TiN)17を成長
する。次いで100nm程度の多結晶シリコン膜(PolySi)29を成長する。次いで通
常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層とし
て、選択的に多結晶シリコン膜29、TiN17、ゲート酸化膜6(Ta2O5/SiO2)及
びp型のシリコン基板1(1μm程度)を順次異方性ドライエッチングし、素子分
離領域形成用のトレンチを形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。
次いで化学気相成長により、酸化膜(SiO2)を成長し、化学的機械研磨(CMP
)して平坦に埋め込み、トレンチ素子分離領域3を形成する。次いで通常のフォ
トリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)及び酸化膜(SiO2)が埋
め込まれたトレンチ素子分離領域3をマスク層として、p型のシリコン基板1に
硼素のイオン注入をおこなう。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いで
高温で熱処理し、p型不純物ウエル領域2を形成し、閾値電圧を制御する。
図24
次いでp型のシリコン基板1面にほぼ合わせるようにトレンチに埋め込まれた
酸化膜3を100nm 程度異方性ドライエッチングする。次いで通常のフォトリソグ
ラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)及び酸化膜(SiO2)が埋め込まれ
たトレンチ素子分離領域3をマスク層として、多結晶シリコン膜29及びTiN17を
順次異方性ドライエッチングする。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次
いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)、多結晶
シリコン膜29及び酸化膜(SiO2)が埋め込まれたトレンチ素子分離領域3をマス
ク層として、燐をイオン注入し、n型ソースドレイン領域4を画定する。次いで
レジスト(図示せず)を除去する。次いで多結晶シリコン膜29をマスク層として
、不要のゲート酸化膜6(Ta2O5/SiO2)を異方性ドライエッチングする。次い
で化学気相成長により、酸化膜(SiO2)を成長する。次いで異方性ドライエッチ
ングし、多結晶シリコン膜29の側壁にサイドウオール16を形成する。次いで10nm
程度のイオン注入用の酸化膜(SiO2、図示せず)を成長する。次いで通常のフォ
トリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)、多結晶シリコン膜29、
サイドウオール16及び酸化膜(SiO2)が埋め込まれたトレンチ素子分離領域3を
マスク層として、砒素をイオン注入し、n+ 型ソースドレイン領域5を画定する
。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いでイオン注入用の酸化膜(図示
せず)をエッチング除去する。次いで熱処理(800℃程度)をおこない、n型及
びn+型ソースドレイン領域(4、5)の活性化及び拡散層の制御をおこなう。
図25
次いで化学気相成長により、120nm程度の酸化膜(SiO2)9を成長する。次い
で化学的機械研磨(CMP)して平坦に埋め込む。
図26
次いで多結晶シリコン膜29上に150nm 程度の選択化学気相成長タングステン膜
33を成長する。次いで化学気相成長により、40nm程度のタングステン膜34を成長
する。次いでタングステン膜34を異方性ドライエッチングし、選択化学気相成長
タングステン膜33の側壁のみにタングステン膜34を残す。この際選択化学気相成
長タングステン膜33が多少エッチングされても差し支えない。
図27
次いで化学気相成長により、150nm 程度の酸化膜(SiO2)18を成長する。次い
で化学的機械研磨(CMP)して平坦に埋め込む。
図28
次いでタングステン膜(33、34)をマスク層として、酸化膜18を50nm程度全面
異方性ドライエッチングする。次いで酸化膜18をマスク層として、タングステン
膜(33、34)を異方性ドライエッチングし、第1のトレンチを形成する。次いで
露出した多結晶シリコン膜29を異方性ドライエッチングし、第2のトレンチを形
成する。
図29
次いで連続スパッタにより、バリアメタルである6nm程度のTiN7及び低抵抗
のゲ−ト電極となる80nm程度のAl8を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP
)して第1及び第2のトレンチに平坦に埋め込む。
図30
次いで化学気相成長により、400nm程度の燐珪酸ガラス(PSG)膜10を成長す
る。次いで通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)を
マスク層として、選択的にPSG膜10を異方性ドライエッチングしてビアを開孔
する。次いでレジスト(図示せず)を除去する。次いでスパッタにより、バリア
メタルとなるTiN11を成長する。次いで化学気相成長により、タングステン膜12
を成長する。次いで化学的機械研磨(CMP)により、ビアに埋め込み、導電プ
ラグ(W)12を形成する。
図6
次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN13を50nm程度成長する。次い
でスパッタにより、配線となるAl(数%のCuを含む)14を500 nm程度成長する。
次いでスパッタにより、バリアメタルとなるTiN15を50nm程度成長する。次いで
通常のフォトリソグラフィー技術を利用し、レジスト(図示せず)をマスク層と
して、バリアメタル(TiN)、Al(数%のCuを含む)及びバリアメタル(TiN)
を異方性ドライエッチングしてバリアメタル(13、15)を上下に有するAl配線14
を形成する。次いでレジスト(図示せず)を除去し、本願発明の第2の製造方法
による自己整合2段低融点金属ゲート型のMIS電界効果トランジスタを完成す
る。
As for the method of manufacturing the MIS field effect transistor in the second embodiment, FIG.
A description will be given with reference to FIGS.
FIG.
A gate oxide film 6 (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) of about 6 nm is grown on a p-type silicon substrate 1. Next, a barrier metal / etching stopper film (TiN) 17 of about 10 nm is grown. Next, a polycrystalline silicon film (PolySi) 29 of about 100 nm is grown. Next, using a normal photolithography technique, a polycrystalline silicon film 29, TiN17, a gate oxide film 6 (Ta 2 O 5 / SiO 2 ), and p-type silicon are selectively formed using a resist (not shown) as a mask layer. The substrate 1 (about 1 μm) is sequentially subjected to anisotropic dry etching to form a trench for forming an element isolation region. Next, the resist (not shown) is removed.
Next, an oxide film (SiO 2 ) is grown by chemical vapor deposition, and chemical mechanical polishing (CMP)
The trench element isolation region 3 is formed by embedding it flatly. Next, boron is ion-implanted into the p-type silicon substrate 1 using the trench element isolation region 3 in which a resist (not shown) and an oxide film (SiO 2) are embedded using a normal photolithography technique. Next, the resist (not shown) is removed. Next, heat treatment is performed at a high temperature, the p-type impurity well region 2 is formed, and the threshold voltage is controlled.
FIG.
Next, the oxide film 3 buried in the trench is anisotropically etched by about 100 nm so as to substantially match the surface of the p-type silicon substrate 1. Next, using an ordinary photolithography technique, the polycrystalline silicon film 29 and TiN17 are sequentially dried by using the trench element isolation region 3 embedded with a resist (not shown) and an oxide film (SiO 2 ) as a mask layer. Etch. Next, the resist (not shown) is removed. Next, using normal photolithography technology, phosphorus is ion-implanted using the trench element isolation region 3 in which the resist (not shown), the polycrystalline silicon film 29 and the oxide film (SiO 2 ) are embedded as a mask layer, and n A type source / drain region 4 is defined. Next, the resist (not shown) is removed. Next, the unnecessary gate oxide film 6 (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) is anisotropically dry etched using the polycrystalline silicon film 29 as a mask layer. Next, an oxide film (SiO 2 ) is grown by chemical vapor deposition. Next, anisotropic dry etching is performed to form sidewalls 16 on the side walls of the polycrystalline silicon film 29. Then 10nm
An oxide film (SiO 2 , not shown) for ion implantation of a certain degree is grown. Next, using a normal photolithography technique, a resist (not shown), a polycrystalline silicon film 29,
Arsenic ions are implanted using the trench isolation region 3 in which the sidewall 16 and the oxide film (SiO 2 ) are buried as a mask layer to define the n + -type source / drain region 5. Next, the resist (not shown) is removed. Next, an oxide film (not shown) for ion implantation is removed by etching. Next, heat treatment (about 800 ° C.) is performed to activate the n-type and n + -type source / drain regions (4, 5) and control the diffusion layer.
FIG.
Next, an oxide film (SiO 2 ) 9 having a thickness of about 120 nm is grown by chemical vapor deposition. Then, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to embed it flat.
FIG.
Next, a selective chemical vapor deposition tungsten film of about 150 nm is formed on the polycrystalline silicon film 29.
Growing 33. Next, a tungsten film 34 of about 40 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, the tungsten film 34 is anisotropically dry etched to leave the tungsten film 34 only on the sidewalls of the selective chemical vapor deposition tungsten film 33. At this time, the selective chemical vapor deposition tungsten film 33 may be slightly etched.
FIG.
Next, an oxide film (SiO 2 ) 18 of about 150 nm is grown by chemical vapor deposition. Then, chemical mechanical polishing (CMP) is performed to embed it flat.
FIG.
Next, using the tungsten film (33, 34) as a mask layer, the oxide film 18 is anisotropically etched on the entire surface by about 50 nm. Next, with the oxide film 18 as a mask layer, the tungsten films (33, 34) are anisotropically dry etched to form a first trench. Next, the exposed polycrystalline silicon film 29 is anisotropically dry etched to form a second trench.
FIG.
Next, TiN 7 of about 6 nm as a barrier metal and Al 8 of about 80 nm serving as a low-resistance gate electrode are grown by continuous sputtering. Then chemical mechanical polishing (CMP
) And buried in the first and second trenches flatly.
FIG.
Next, a phosphosilicate glass (PSG) film 10 of about 400 nm is grown by chemical vapor deposition. Next, using an ordinary photolithography technique, the PSG film 10 is selectively dry etched anisotropically using a resist (not shown) as a mask layer to open a via. Next, the resist (not shown) is removed. Next, TiN11 serving as a barrier metal is grown by sputtering. Next, tungsten film 12 is formed by chemical vapor deposition.
To grow. Then, the conductive plug (W) 12 is formed by embedding in the via by chemical mechanical polishing (CMP).
FIG.
Next, TiN13 to be a barrier metal is grown to about 50 nm by sputtering. Next, Al (containing several percent of Cu) 14 to be a wiring is grown to about 500 nm by sputtering.
Next, TiN15 to be a barrier metal is grown to about 50 nm by sputtering. Next, using normal photolithography technology, using a resist (not shown) as a mask layer, barrier metal (TiN), Al (including several percent of Cu), and barrier metal (TiN)
Al wiring 14 with barrier metal (13, 15) on top and bottom by anisotropic dry etching
Form. Next, the resist (not shown) is removed to complete a self-aligned two-stage low melting point metal gate type MIS field effect transistor according to the second manufacturing method of the present invention.

図8は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第3の実施例の模式側断
面図(チャネル長方向)で、p型のシリコン基板を使用して形成した微細なNチ
ャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており
、1〜15、17は図2及び図6と同じ物を、19はサイドウオール(SiO2)を示して
いる。
同図においては、下部のゲート電極部8a(バリアメタル7を含む)の底部に
はバリアメタル兼エッチングストッパー膜17が形成されていること、ゲート絶縁
膜6が下部のゲート電極部8a(バリアメタル7を含む)の直下部のみに形成さ
れていること、及び下部のゲート電極部8a(バリアメタル7を含む)が上部の
ゲート電極部8b(バリアメタル7を含む)からなめらかな曲面をえがいて細い
柱状に形成されるように内部にむかうサイドウオール(SiO2)19が形成されてい
ること以外は第1の実施例とほぼ同じ構造のNチャネルのLDD構造のMIS電
界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においては、ゲート電極が変形2段ゲート構造に形成されているため
、製造プロセスはやや繁雑になるが、下部のゲート電極部8aの埋め込みが極め
て容易であり、第1の実施例と同じ効果を得ることができる。
FIG. 8 is a schematic sectional side view (channel length direction) of the third embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, including a fine N channel MIS field effect transistor formed using a p-type silicon substrate. A part of the semiconductor integrated circuit is shown. 1 to 15 and 17 are the same as those shown in FIGS. 2 and 6, and 19 is a side wall (SiO 2 ).
In the figure, a barrier metal / etching stopper film 17 is formed on the bottom of the lower gate electrode portion 8a (including the barrier metal 7), and the gate insulating film 6 is formed on the lower gate electrode portion 8a (barrier metal 7). 7), and the lower gate electrode portion 8a (including the barrier metal 7) has a smooth curved surface from the upper gate electrode portion 8b (including the barrier metal 7). An N-channel LDD structure MIS field effect transistor having substantially the same structure as that of the first embodiment is formed except that a sidewall (Si 2 O 2) 19 is formed so as to be formed in a thin column shape. ing.
In this embodiment, since the gate electrode is formed in a modified two-stage gate structure, the manufacturing process is somewhat complicated, but the lower gate electrode portion 8a can be embedded very easily. The same effect can be obtained.

図9は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第4の実施例の模式側断
面図(チャネル長方向)で、p型のシリコン基板を使用して形成した微細なNチ
ャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており
、1〜18は図2及び図6と同じ物を、20はバリアメタル(TiN)を示している。
同図においては、下部のゲート電極部8aと上部のゲート電極部8bが別々の
製造プロセスで自己整合して形成されている以外は第2の実施例と同じ構造のN
チャネルのLDD構造のMIS電界効果トランジスタが形成されている。ここで
は下部のゲート電極部8aと上部のゲート電極部8bには同じ電極材料を使用し
ているが、異なる電極材料を使用しても差し支えない。
本実施例においても、第1の実施例と同じ効果を得ることができる。
FIG. 9 is a schematic sectional side view (channel length direction) of the fourth embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, including a fine N channel MIS field effect transistor formed using a p-type silicon substrate. A part of the semiconductor integrated circuit is shown. 1 to 18 are the same as those shown in FIGS. 2 and 6, and 20 is a barrier metal (TiN).
In the figure, N having the same structure as that of the second embodiment, except that the lower gate electrode portion 8a and the upper gate electrode portion 8b are formed in a self-aligned manner by separate manufacturing processes.
An MIS field effect transistor having a channel LDD structure is formed. Here, the same electrode material is used for the lower gate electrode portion 8a and the upper gate electrode portion 8b, but different electrode materials may be used.
Also in this embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.

図10は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第5の実施例の模式側
断面図(チャネル長方向)で、p型のシリコン基板上に絶縁膜を介して設けたp
型のSOI(Silicon On Insulator)基板を使用して形成
したSOI型の微細なNチャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集
積回路の一部を示しており、1、3〜15は図2と同じ物を、21は厚さ50nm程度の
p型のSOI基板、22はSOI用の酸化膜(SiO2)を示している。
同図においては、p型のシリコン基板上に形成した酸化膜(SiO2)22上に設け
たp型のSOI基板21を使用している以外は第1の実施例と同じ構造のNチャネ
ルのLDD構造のMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においては、第1の実施例の効果に加え、ソースドレイン領域の接合
容量の低減が可能で、さらなる高速化が達成できる。また薄膜のSOI基板上に
ゲート構造を形成しているので、SOI基板を完全に空乏化できるため、ゲート
酸化膜下の反転層と基板との間の空乏層容量を無くすことが可能であり、ゲート
電極に加えた電圧がゲート電極と反転層の間だけに印加できることになり、サブ
スレッショルド特性を改善できるので閾値電圧を低減でき、低電力化を可能にす
ることもできる。
FIG. 10 is a schematic sectional side view (channel length direction) of the fifth embodiment of the MIS field effect transistor according to the present invention. The p is provided on the p-type silicon substrate via an insulating film.
2 shows a part of a semiconductor integrated circuit including an SOI-type fine N-channel MIS field effect transistor formed by using a type SOI (Silicon On Insulator) substrate. Reference numeral 21 denotes a p-type SOI substrate having a thickness of about 50 nm, and 22 denotes an oxide film (SiO 2 ) for SOI.
In the figure, an N channel having the same structure as that of the first embodiment is used except that a p type SOI substrate 21 provided on an oxide film (SiO 2 ) 22 formed on a p type silicon substrate is used. An MIS field effect transistor having an LDD structure is formed.
In this embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the junction capacitance of the source / drain region can be reduced, and further speedup can be achieved. Further, since the gate structure is formed on the thin SOI substrate, the SOI substrate can be completely depleted, so that the depletion layer capacitance between the inversion layer under the gate oxide film and the substrate can be eliminated. Since the voltage applied to the gate electrode can be applied only between the gate electrode and the inversion layer, the subthreshold characteristic can be improved, the threshold voltage can be reduced, and the power can be reduced.

図11は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第6の実施例の模式側
断面図(チャネル長方向)で、p型のシリコン基板上に絶縁膜を介して設けたp
型のSOI基板を使用して形成したSOI型の微細なNチャネルのMIS電界効
果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1、3〜17、21、22
は図2、図6及び図10と同じ物を、23はバリアメタル(TiN)、24はメタルソ
ースドレイン領域(W)、25は酸化膜(SiO2)を示している。
なお、本願発明におけるメタルソースドレイン領域とは、シリコン半導体基板
に形成した不純物領域と金属膜との化合物(シリサイド)からなる慣例的なメタ
ルソースドレイン領域とは異なり不純物領域を含まない金属膜又は合金膜のみの
領域である。
同図においては、酸化膜を埋め込んだトレンチ素子分離領域3が下部のゲート
電極部8aと同じ高さにまで形成されていること、下部のゲート電極部8a及び
トレンチ素子分離領域3の側壁にサイドウオール(SiO2)が形成されていること
、サイドウオール(SiO2)の直下部のみにn型及びn+ 型ソースドレイン領域(
4、5)が設けられたSOI基板21が形成されていること及び大部分のn+型ソ
ースドレイン領域5が設けられたSOI基板21の替わりに側面及び底面にバリア
メタル(TiN)23を有するメタルソースドレイン領域(W)24が形成され、この
メタルソースドレイン領域24上で導電プラグ12を介しAl配線14との接続がなされ
ていること以外は第5の実施例とほぼ同じ構造のNチャネルのLDD構造のMI
S電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においても、第1及び第5の実施例と同じ効果を得ることができ、ま
たソースドレイン領域の抵抗を低減できることにより、さらなる高速化が期待で
きる。
FIG. 11 is a schematic sectional side view (channel length direction) of the sixth embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention. The p is provided on a p-type silicon substrate via an insulating film.
1 shows a part of a semiconductor integrated circuit including an SOI type fine N-channel MIS field effect transistor formed using a type SOI substrate.
2 is the same as FIG. 2, FIG. 6 and FIG. 10, 23 is a barrier metal (TiN), 24 is a metal source / drain region (W), and 25 is an oxide film (SiO 2 ).
The metal source / drain region in the present invention is a metal film or alloy containing no impurity region unlike a conventional metal source / drain region made of a compound (silicide) of an impurity region and a metal film formed on a silicon semiconductor substrate. This is the region of the film only.
In the drawing, the trench element isolation region 3 in which the oxide film is buried is formed to the same height as the lower gate electrode portion 8a, and the side walls of the lower gate electrode portion 8a and the trench element isolation region 3 are formed on the side. The wall (SiO 2 ) is formed, and the n-type and n + -type source / drain regions (under the sidewalls (SiO 2 ))
4 and 5) are formed, and a barrier metal (TiN) 23 is provided on the side surface and bottom surface instead of the SOI substrate 21 provided with most of the n + -type source / drain regions 5. An N channel having substantially the same structure as that of the fifth embodiment except that a metal source / drain region (W) 24 is formed and connected to the Al wiring 14 through the conductive plug 12 on the metal source / drain region 24. MI of LDD structure of
An S field effect transistor is formed.
In this embodiment, the same effect as in the first and fifth embodiments can be obtained, and the resistance of the source / drain region can be reduced, so that further increase in speed can be expected.

図12は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第7の実施例の模式側
断面図(チャネル長方向)で、p型のシリコン基板上に選択的に形成したp型の
エピタキシャルシリコン層を使用して形成した疑似SOI型の微細なNチャネル
のMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1〜
15、23、24は図2及び図11と同じ物を、26はp型のエピタキシャルシリコン層
を示している。
同図においては、酸化膜を埋め込んだトレンチ素子分離領域3間に選択的にp
型のエピタキシャルシリコン層26が設けられ、このp型のエピタキシャルシリコ
ン層26にp型の不純物ウエル領域、n型及びn+ 型ソースドレイン領域(4、5
)が設けられ、n+ 型ソースドレイン領域5に接してトレンチ素子分離領域3上
に側面及び底面にバリアメタル(TiN)23を有するメタルソースドレイン領域(
W)24が選択的に形成され、このメタルソースドレイン領域24上で導電プラグ12
を介しAl配線14との接続がなされていること以外は第1の実施例とほぼ同じ構造
のNチャネルのLDD構造のMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においても、第1の実施例と同じ効果を得ることができ、またソース
ドレイン領域の抵抗及び容量の低減ができることにより、さらなる高速化が期待
できる。
FIG. 12 is a schematic sectional side view (channel length direction) of the seventh embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, using a p-type epitaxial silicon layer selectively formed on a p-type silicon substrate. 1 shows a part of a semiconductor integrated circuit including a formed pseudo SOI type fine N-channel MIS field effect transistor;
15, 23 and 24 are the same as those shown in FIGS. 2 and 11, and 26 is a p-type epitaxial silicon layer.
In the figure, p is selectively formed between trench element isolation regions 3 in which an oxide film is embedded.
A type epitaxial silicon layer 26 is provided, and the p type epitaxial silicon layer 26 is provided with a p type impurity well region, n type and n + type source / drain regions (4, 5).
) In contact with the n + -type source / drain region 5 and having a barrier metal (TiN) 23 on the side surface and bottom surface on the trench isolation region 3 (
W) 24 is selectively formed, and the conductive plug 12 is formed on the metal source / drain region 24.
An MIS field-effect transistor having an N-channel LDD structure having substantially the same structure as that of the first embodiment is formed except that the connection to the Al wiring 14 is made via the.
In this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, and the resistance and capacitance of the source / drain region can be reduced, so that further increase in speed can be expected.

図13は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第8の実施例の模式側
断面図(チャネル長方向)で、p型のシリコン基板を使用して形成した微細なN
チャネルのMIS電界効果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示してお
り、1〜15、19、20は図2、図8及び図9と同じ物を、27は絶縁膜(Si3N4)を
示している。
同図においては、p型のシリコン基板1に閾値電圧を制御するp型不純物ウエ
ル領域2及び酸化膜を埋め込んだトレンチ素子分離領域3が選択的に設けられ、
このトレンチ素子分離領域3により画定されたp型のシリコン基板1に選択的に
トレンチが設けられ、このトレンチに薄いサイドウオール19(絶縁性を高めるた
め)、ゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)6及びバリアメタル(TiN)7を介して下
部のゲート電極部8aが平坦に埋め込まれ、この下部のゲート電極部8a上面に
接し、絶縁膜(Si3N4)を介してp型のシリコン基板1上に延在したバリアメタ
ル(TiN)20を有する上部のゲート電極部8bが設けられ、下部のゲート電極部
8aに自己整合して、p型のシリコン基板1にn+型ソースドレイン領域5が設
けられ、このn+型ソースドレイン領域5の底部にn型ソースドレイン領域4が
設けられ、n+型ソースドレイン領域5の一部には絶縁膜9及びPSG膜10を開孔
したビアが設けられ、このビアをバリアメタル(TiN)11を介して平坦に埋め込
んだ導電プラグ(W)12が設けられ、この導電プラグ12に上下にバリアメタル(
TiN、13、15)を有するAl配線14が接続され、2段ゲート電極の上面の平坦な上
部のゲート電極部8bの一部にはPSG膜10を開孔したビアが設けられ(下部のゲ
ート電極部8aの幅より広い)、このビアをバリアメタル(TiN)11を介して平
坦に埋め込んだ導電プラグ(W)12が設けられ、この導電プラグ12に上下にバリ
アメタル(TiN、13、15)を有するAl配線14が接続されている構造からなる微細
なNチャネルのMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においても、製造プロセスは異なるが、第1の実施例の効果を得るこ
とが可能である。
FIG. 13 is a schematic side sectional view (channel length direction) of the eighth embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, and shows a fine N formed using a p-type silicon substrate.
1 shows a part of a semiconductor integrated circuit including a channel MIS field effect transistor, wherein 1 to 15, 19 and 20 are the same as those in FIGS. 2, 8 and 9, and 27 is an insulating film (Si 3 N 4 ). Is shown.
In the figure, a p-type impurity well region 2 for controlling a threshold voltage and a trench element isolation region 3 in which an oxide film is buried are selectively provided in a p-type silicon substrate 1.
A trench is selectively provided in the p-type silicon substrate 1 defined by the trench element isolation region 3, and a thin side wall 19 (to enhance insulation), a gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) is provided in the trench. 2 ) A lower gate electrode portion 8a is flatly embedded via 6 and a barrier metal (TiN) 7, and is in contact with the upper surface of the lower gate electrode portion 8a, and is formed of a p-type via an insulating film (Si 3 N 4 ). An upper gate electrode portion 8b having a barrier metal (TiN) 20 extending on the silicon substrate 1 is provided, and is self-aligned with the lower gate electrode portion 8a so that an n + -type source / drain is formed on the p-type silicon substrate 1. A region 5 is provided, an n-type source / drain region 4 is provided at the bottom of the n + -type source / drain region 5, and an insulating film 9 and a PSG film 10 are opened in a part of the n + -type source / drain region 5. A via is provided and this via Barrier metal (TiN) 11 to flat conductive plug (W) 12 embedded is provided via the barrier metal vertically to the conductive plug 12 (
Al wiring 14 having TiN, 13, 15) is connected, and vias having a PSG film 10 are provided in a part of the flat upper gate electrode portion 8b on the upper surface of the two-stage gate electrode (lower gate). A conductive plug (W) 12 in which this via is flatly buried via a barrier metal (TiN) 11 is provided, and the barrier metal (TiN, 13, 15) is provided above and below the conductive plug 12. ) N-channel MIS field-effect transistors having a structure in which Al wirings 14 having the same structure are connected are formed.
Even in the present embodiment, although the manufacturing process is different, the effects of the first embodiment can be obtained.

図14は本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第9の実施例の模式側
断面図(チャネル長方向)で、p型のシリコン基板上に選択的に形成したp型の
エピタキシャルシリコン層を使用して形成した微細なNチャネルのMIS電界効
果トランジスタを含む半導体集積回路の一部を示しており、1〜15、20、26、27
は図2、図9、図12及び図13と同じ物を示している。
同図においては、p型のシリコン基板1にトレンチを形成して、薄いサイドウ
オール19(絶縁性を高めるため)、ゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2)6及びバリア
メタル(TiN)7を介して下部のゲート電極部8aを埋め込む替わりに、選択的
に形成したp型のエピタキシャルシリコン層26にn+型ソースドレイン領域5が
設けられ、このn+型ソースドレイン領域5の底部にn型ソースドレイン領域4
が設けられている以外は第8の実施例とほぼ同じ構造のNチャネルのLDD構造
のMIS電界効果トランジスタが形成されている。
本実施例においても、製造プロセスは異なるが、第1の実施例の効果を得るこ
とが可能である。
FIG. 14 is a schematic side sectional view (channel length direction) of the ninth embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention, using a p-type epitaxial silicon layer selectively formed on a p-type silicon substrate. 1 shows a part of a semiconductor integrated circuit including a formed fine N-channel MIS field effect transistor; 1 to 15, 20, 26, 27
The same thing as FIG.2, FIG.9, FIG12 and FIG.13 is shown.
In the figure, a trench is formed in a p-type silicon substrate 1 to form a thin sidewall 19 (to increase insulation), a gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 ) 6 and a barrier metal (TiN) 7. Instead of embedding the lower gate electrode portion 8a via the n + type source / drain region 5 is provided in the selectively formed p type epitaxial silicon layer 26, and n + type source / drain region 5 is formed at the bottom of the n + type source / drain region 5. Type source / drain region 4
An MIS field effect transistor having an N-channel LDD structure having substantially the same structure as that of the eighth embodiment is formed except that is provided.
Even in the present embodiment, although the manufacturing process is different, the effects of the first embodiment can be obtained.

上記実施例の説明においては、NチャネルのMIS電界効果トランジスタにつ
いて説明しているが、PチャネルのMIS電界効果トランジスタに適用してもよ
い(ただし、ホットキャリア効果を考慮しなくてよいため、低濃度のソースドレ
イン領域を設ける必要がない)し、C−MOS及びバイC−MOSに適用するこ
とも可能である。
また、バリアメタルとしてTiNを使用しているが、これに限定されるものでは
ないし、導電プラグもWに限定されるものでもない。さらにゲート電極もAlに限
定されるものではなく、メタルソースドレイン領域もWに限定されるものではな
く、同様の特性が得られる低抵抗の金属あるいは金属化合物であればどのような
ものであってもよい。
また、本願発明においては、自己整合の2段ゲート電極として説明しているが
、本願発明の製造プロセスを応用すれば3段ゲート電極を形成することも可能で
あるし、第3の実施例のように形状を変形した2段ゲート構造を使用してもよく
、いずれも本願発明は成立する。
また製造方法においても、2つの実施例について説明したが、これらの製造方
法に限定されるものではなく、自己整合の2段のダミーゲート電極が形成できれ
ば本願発明は製造可能である。
また本願発明をゲート絶縁膜が存在するMIS電界効果トランジスタのゲート
電極に適用しているが、ゲート絶縁膜が存在しない接合形電界効果トランジスタ
、金属/半導体接合を利用するショットキー接合形電界効果トランジスタ(ME
SFET)及び高電子移動度トランジスタ等のゲート電極、あるいは各種半導体
メモリセル(フラッシュメモリ、EEPROM等)、液晶デイスプレイまたは有
機EL(エレクトロルミネッセンス)デイスプレイ用の薄膜トランジスタ(TF
T)、有機トランジスタ・・・・等のゲート電極(あるいは名称は異なるが同様
の働きをする電極)として適用することも可能である。
In the description of the above embodiment, an N-channel MIS field effect transistor has been described. However, the present invention may be applied to a P-channel MIS field effect transistor (however, the hot carrier effect need not be considered, It is not necessary to provide a source / drain region having a concentration, and the present invention can be applied to C-MOS and bi-C-MOS.
Further, although TiN is used as the barrier metal, it is not limited to this, and the conductive plug is not limited to W. Furthermore, the gate electrode is not limited to Al, the metal source / drain region is not limited to W, and any low resistance metal or metal compound that can obtain the same characteristics can be used. Also good.
In the present invention, a self-aligned two-stage gate electrode is described. However, if the manufacturing process of the present invention is applied, a three-stage gate electrode can be formed. A two-stage gate structure having a deformed shape as described above may be used, and the present invention is established in any case.
Also, in the manufacturing method, two embodiments have been described. However, the present invention is not limited to these manufacturing methods, and the present invention can be manufactured if a self-aligned two-stage dummy gate electrode can be formed.
Further, the present invention is applied to the gate electrode of a MIS field effect transistor having a gate insulating film, but the junction field effect transistor having no gate insulating film and the Schottky junction field effect transistor using a metal / semiconductor junction are used. (ME
SFET) and gate electrodes such as high electron mobility transistors, or various semiconductor memory cells (flash memory, EEPROM, etc.), thin film transistors (TF) for liquid crystal display or organic EL (electroluminescence) display
T), gate electrodes of organic transistors, etc. (or electrodes having different names but similar functions) can also be applied.

本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例の模式 平面図Schematic plan view of the first embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例の模式 側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of first embodiment of MIS field effect transistor of the present invention (channel length direction) 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例の模式 側断面図(チャネル幅方向)Schematic side sectional view of first embodiment of MIS field effect transistor of the present invention (channel width direction) 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の実施例のゲー ト電極の模式拡大立体図Schematic enlarged three-dimensional view of the gate electrode of the first embodiment in the MIS field effect transistor of the present invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の実施例の模式 平面図Schematic plan view of the second embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の実施例の模式 側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of second embodiment of MIS field effect transistor of the present invention (channel length direction) 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の実施例の模式 側断面図(チャネル幅方向)Schematic side sectional view of second embodiment of MIS field effect transistor of the present invention (channel width direction) 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第3の実施例の模式 側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the third embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention (channel length direction) 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第4の実施例の模式 側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of fourth embodiment of MIS field effect transistor of the present invention (channel length direction) 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第5の実施例の模 式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the fifth embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention (channel length direction) 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第6の実施例の模 式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the sixth embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention (channel length direction) 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第7の実施例の模 式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the seventh embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention (channel length direction) 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第8の実施例の模 式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the eighth embodiment of the MIS field effect transistor of the present invention (channel length direction) 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第9の実施例の模 式側断面図(チャネル長方向)Schematic side sectional view of the ninth embodiment of the MIS field-effect transistor of the present invention (channel length direction) 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 1st manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 1st manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 1st manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 1st manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 1st manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 1st manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 1st manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第1の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 1st manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 2nd manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 2nd manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 2nd manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 2nd manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 2nd manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 2nd manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 2nd manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 本発明のMIS電界効果トランジスタにおける第2の製造方法の 工程断面図Process sectional drawing of the 2nd manufacturing method in the MIS field effect transistor of this invention 従来のMIS電界効果トランジスタの模式平面図Schematic plan view of a conventional MIS field effect transistor 従来のMIS電界効果トランジスタの模式側断面図(チャネル長 方向)Schematic side sectional view of a conventional MIS field effect transistor (channel length direction) 従来のMIS電界効果トランジスタの模式側断面図(チャネル幅 方向)Schematic side cross-sectional view of conventional MIS field effect transistor (channel width direction)

符号の説明Explanation of symbols

1 p型のシリコン基板
2 p型不純物ウエル領域
3 素子分離領域形成用トレンチ及び埋め込み酸化膜(SiO2
4 n型ソースドレイン領域
5 n+ 型ソースドレイン領域
6 ゲート酸化膜(Ta2O5/SiO2
7 バリアメタル(TiN)
8 ゲート電極(Al)
8a 下部のゲート電極部(Al)
8b 上部のゲート電極部(Al)
9 絶縁膜(SiO2
10 燐珪酸ガラス(PSG)膜
11 バリアメタル(TiN)
12 導電プラグ(W)
13 バリアメタル(TiN)
14 Al配線(数%のCuを含む)
15 バリアメタル(TiN)
16 サイドウオール(SiO2
17 バリアメタル兼エッチングストッパー膜(TiN)
18 絶縁膜(SiO2
19 サイドウオール(SiO2
20 バリアメタル(TiN)
21 p型のSOI基板
22 SOI用の絶縁膜(SiO2
23 バリアメタル(TiN)
24 メタルソースドレイン領域(W)
25 絶縁膜(SiO2
26 p型のエピタキシャルシリコン層
27 窒化膜(Si3N4
28 絶縁膜(SiO2
29 PolySi膜
30 タングステン膜(W)
31 窒化膜(Si3N4
32 窒化膜(Si3N4
33 選択化学気相成長タングステン膜(W)
34 化学気相成長タングステン膜(W)
1 p-type silicon substrate 2 p-type impurity well region 3 trench for element isolation region formation and buried oxide film (SiO 2 )
4 n-type source / drain region 5 n + -type source / drain region 6 gate oxide film (Ta 2 O 5 / SiO 2 )
7 Barrier metal (TiN)
8 Gate electrode (Al)
8a Lower gate electrode (Al)
8b Upper gate electrode (Al)
9 Insulating film (SiO 2 )
10 Phosphosilicate glass (PSG) film
11 Barrier metal (TiN)
12 Conductive plug (W)
13 Barrier metal (TiN)
14 Al wiring (including several% Cu)
15 Barrier metal (TiN)
16 Side wall (SiO 2 )
17 Barrier metal and etching stopper film (TiN)
18 Insulating film (SiO 2 )
19 Side wall (SiO 2 )
20 Barrier metal (TiN)
21 p-type SOI substrate
22 Insulating film for SOI (SiO 2 )
23 Barrier metal (TiN)
24 Metal source / drain region (W)
25 Insulating film (SiO 2 )
26 p-type epitaxial silicon layer
27 Nitride film (Si 3 N 4 )
28 Insulating film (SiO 2 )
29 PolySi film
30 Tungsten film (W)
31 Nitride film (Si 3 N 4 )
32 Nitride film (Si 3 N 4 )
33 Selective chemical vapor deposition tungsten film (W)
34 Chemical vapor deposition tungsten film (W)

Claims (2)

半導体基板あるいは底部に絶縁膜を有する半導体基板にソースドレイン領域が
設けられ、半導体基板上に直接あるいはゲート絶縁膜を介してゲート電極が設け
られた電界効果トランジスタであって、下部のゲート電極部に自己整合して上部
のゲート電極部が幅広く設けられ、且つ前記上部のゲート電極部の上面及び前記
下部のゲート電極部の下面が平坦に設けられた構造からなる金属ゲート電極を具
備してなることを特徴とする電界効果トランジスタ。
A field effect transistor in which a source / drain region is provided on a semiconductor substrate or a semiconductor substrate having an insulating film on the bottom, and a gate electrode is provided on the semiconductor substrate directly or via a gate insulating film. A metal gate electrode having a structure in which the upper gate electrode portion is provided in a wide range by self-alignment, and the upper surface of the upper gate electrode portion and the lower surface of the lower gate electrode portion are provided flat. A field effect transistor characterized by.
下部のゲート電極部に自己整合して低濃度のソースドレイン領域が設けられ、
上部のゲート電極部に自己整合して高濃度のソースドレイン領域が設けられ、且
つ前記上部のゲート電極部上の一部で配線体との接続がなされていることを特徴
とする特許請求の範囲請求項1記載の電界効果トランジスタ。

A low concentration source / drain region is provided in self-alignment with the lower gate electrode portion,
A high-concentration source / drain region is provided in self-alignment with the upper gate electrode portion, and is connected to a wiring body at a part of the upper gate electrode portion. The field effect transistor according to claim 1.

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