JP2006066757A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に、第1導電型のソース/ドレイン領域と、第2導電型のソース/ドレイン領域とを備えた半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a semiconductor device including a first conductivity type source / drain region and a second conductivity type source / drain region.
従来、n型のソース/ドレイン領域とn型のポリシリコン層からなるゲート電極とを有するnチャネルMOSトランジスタと、p型のソース/ドレイン領域とp型のポリシリコン層からなるゲート電極とを有するpチャネルMOSトランジスタとによって構成されたデュアルゲートCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)が知られている。この従来のデュアルゲートCMOSでは、nチャネルMOSトランジスタおよびpチャネルMOSトランジスタのゲート電極をポリシリコン層によって形成しているので、ゲート電極の空乏化が生じるという不都合がある。そこで、このゲート電極の空乏化の問題点を解消することが可能なデュアルゲートCMOSが提案されている(たとえば、特許文献1参照)。 Conventionally, it has an n-channel MOS transistor having an n-type source / drain region and a gate electrode made of an n-type polysilicon layer, and a gate electrode made of a p-type source / drain region and a p-type polysilicon layer. A dual gate CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) composed of a p-channel MOS transistor is known. In this conventional dual gate CMOS, the gate electrodes of the n-channel MOS transistor and the p-channel MOS transistor are formed of the polysilicon layer, so that the gate electrode is depleted. Therefore, a dual gate CMOS capable of solving the problem of depletion of the gate electrode has been proposed (for example, see Patent Document 1).
上記特許文献1に提案されたデュアルゲートCMOSでは、nチャネルMOSトランジスタおよびpチャネルMOSトランジスタのゲート電極を金属層により形成することによって、半導体(ポリシリコン)からなるゲート電極の空乏化の問題点を解消している。また、上記特許文献1に提案されたデュアルゲートCMOSでは、nチャネルMOSトランジスタおよびpチャネルMOSトランジスタのゲート電極のフェルミレベルを、それぞれの適切なエネルギレベルに設定するために、nチャネルMOSトランジスタおよびpチャネルMOSトランジスタのゲート電極を、それぞれ、適切な仕事関数を有する異なる種類の金属層によって形成している。
しかしながら、上記特許文献1に提案されたデュアルゲートCMOSでは、nチャネルMOSトランジスタおよびpチャネルMOSトランジスタのゲート電極を、それぞれ、異なる種類の金属層によって形成しているので、nチャネルMOSトランジスタのゲート電極とpチャネルMOSトランジスタのゲート電極とを個別に形成する必要がある。これにより、ゲート電極を形成する際の製造プロセスが複雑化するという問題点がある。
However, in the dual gate CMOS proposed in
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、ゲート電極の空乏化を抑制しながら、ゲート電極を形成する際の製造プロセスを簡略化することが可能な半導体装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and one object of the present invention is to simplify a manufacturing process when forming a gate electrode while suppressing depletion of the gate electrode. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device that can be used.
上記目的を達成するために、この発明の一の局面における半導体装置は、半導体領域の主表面に第1チャネル領域を挟むように所定の間隔を隔てて形成された一対の第1導電型の第1ソース/ドレイン領域と、第1チャネル領域上に第1ゲート絶縁層を介して形成された第1ゲート電極と、半導体領域の主表面に第2チャネル領域を挟むように所定の間隔を隔てて形成された一対の第2導電型の第2ソース/ドレイン領域と、第2チャネル領域上に第2ゲート絶縁層を介して形成された第2ゲート電極とを備え、第1ゲート電極は、第1ゲート絶縁層上に形成された第1金属層と、第1金属層上に形成された第1半導体層とを含み、第2ゲート電極は、第2ゲート絶縁層上に形成された第2金属層と、第2金属層上に形成された第2半導体層とを含み、第1金属層および第2金属層は、同じ層からなる。なお、本発明の第1金属層および第2金属層は、金属単体からなる層のみならず、金属化合物からなる層も含む広い概念である。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to one aspect of the present invention includes a pair of first conductivity type first electrodes formed at a predetermined interval so as to sandwich a first channel region on a main surface of a semiconductor region. One source / drain region, a first gate electrode formed on the first channel region via a first gate insulating layer, and a predetermined interval so as to sandwich the second channel region on the main surface of the semiconductor region A pair of second source / drain regions of the second conductivity type formed, and a second gate electrode formed on the second channel region with a second gate insulating layer interposed therebetween. A first metal layer formed on the first gate insulating layer; a first semiconductor layer formed on the first metal layer; and a second gate electrode formed on the second gate insulating layer. Metal layer and second semiconductor layer formed on second metal layer Wherein the first metal layer and the second metal layer is composed of the same layer. In addition, the 1st metal layer and 2nd metal layer of this invention are a wide concept including not only the layer which consists of a metal simple substance but the layer which consists of a metal compound.
この一の局面による半導体装置では、上記のように、第1ゲート電極が第1ゲート絶縁層上に形成された第1金属層と、第1金属層上に形成された第1半導体層とを含むように構成するとともに、第2ゲート電極が第2ゲート絶縁層上に形成された第2金属層と、第2金属層上に形成された第2半導体層とを含むように構成することによって、第1および第2ゲート電極をゲート絶縁層上に形成された半導体層のみによって構成する場合と異なり、第1および第2ゲート電極の空乏化を抑制することができる。また、第1ゲート電極の第1金属層および第2ゲート電極の第2金属層が同じ層からなるように構成することによって、第1金属層および第2金属層を同じ層をパターニングすることにより同時に形成することができるので、第1および第2金属層を形成する際の製造プロセスを簡略化することができる。これにより、第1金属層を含む第1ゲート電極、および、第2金属層を含む第2ゲート電極を形成する際の製造プロセスを簡略化することができる。なお、積層された金属層と半導体層とを同一のエッチング工程で加工(パターニング)することにより、第1金属層および第1半導体層からなる第1ゲート電極と、第1金属層および第1半導体層からなる第2ゲート電極とを同時に形成することも可能である。また、第1ゲート電極を、第1金属層と、第1金属層上に形成された第1半導体層とを含むように構成するとともに、第2ゲート電極を、第2金属層と、第2金属層上に形成された第2半導体層とを含むように構成することによって、第1および第2ゲート電極と同じ厚みのゲート電極を金属層のみにより形成する場合に比べて、金属層(第1金属層および第2金属層)の厚みを小さくすることができる。これにより、金属層のエッチングによる加工(パターニング)が容易になるので、金属層を含むゲート電極を用いる場合にも、容易にゲート電極をパターニングすることができる。また、第1および第2ゲート電極と同じ厚みのゲート電極を金属層のみにより形成する場合に比べて、金属層の厚みを小さくすることができるので、金属層と、ゲート絶縁層および半導体領域との熱膨張係数の差に起因する応力を低減することができる。これにより、第1および第2ゲート電極と同じ厚みのゲート電極を金属層のみにより形成する場合に比べて、金属層と、ゲート絶縁層および半導体領域との間に働く応力に起因する電子移動度の劣化を低減することができる。 In the semiconductor device according to this aspect, as described above, the first metal layer in which the first gate electrode is formed on the first gate insulating layer and the first semiconductor layer formed on the first metal layer are provided. And the second gate electrode includes a second metal layer formed on the second gate insulating layer and a second semiconductor layer formed on the second metal layer. Unlike the case where the first and second gate electrodes are configured only by the semiconductor layer formed on the gate insulating layer, depletion of the first and second gate electrodes can be suppressed. In addition, by configuring the first metal layer of the first gate electrode and the second metal layer of the second gate electrode to be made of the same layer, the first metal layer and the second metal layer are patterned by the same layer. Since it can form simultaneously, the manufacturing process at the time of forming a 1st and 2nd metal layer can be simplified. Thereby, the manufacturing process at the time of forming the 1st gate electrode containing a 1st metal layer and the 2nd gate electrode containing a 2nd metal layer can be simplified. The stacked metal layer and the semiconductor layer are processed (patterned) in the same etching step, whereby the first gate electrode including the first metal layer and the first semiconductor layer, the first metal layer, and the first semiconductor are formed. It is also possible to form the second gate electrode made of layers simultaneously. The first gate electrode includes a first metal layer and a first semiconductor layer formed on the first metal layer, and the second gate electrode includes a second metal layer and a second metal layer. By including the second semiconductor layer formed on the metal layer, the metal layer (first layer) can be formed as compared with the case where the gate electrode having the same thickness as the first and second gate electrodes is formed only by the metal layer. The thickness of the first metal layer and the second metal layer can be reduced. This facilitates processing (patterning) by etching the metal layer, so that the gate electrode can be easily patterned even when the gate electrode including the metal layer is used. In addition, since the thickness of the metal layer can be reduced as compared with the case where the gate electrode having the same thickness as the first and second gate electrodes is formed only by the metal layer, the metal layer, the gate insulating layer, and the semiconductor region It is possible to reduce the stress caused by the difference in the thermal expansion coefficient. Thereby, compared with the case where the gate electrode having the same thickness as the first and second gate electrodes is formed only by the metal layer, the electron mobility caused by the stress acting between the metal layer, the gate insulating layer, and the semiconductor region. Can be reduced.
上記一の局面による半導体装置において、好ましくは、第1金属層および第2金属層は、第1半導体層および第2半導体層の膜厚よりも小さい平均膜厚を有する。このように構成すれば、容易に、金属層をエッチングにより加工(パターニング)することができるので、容易に、ゲート電極をパターニングすることができる。また、第1および第2金属層が第1および第2半導体層の膜厚よりも小さい平均膜厚を有するように構成することによって、容易に、金属層の厚みを小さくすることができるので、容易に、金属層と、ゲート絶縁層および半導体領域との間に働く応力に起因する電子移動度の劣化を低減することができる。 In the semiconductor device according to the aforementioned aspect, the first metal layer and the second metal layer preferably have an average film thickness smaller than the film thickness of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. With this configuration, the metal layer can be easily processed (patterned) by etching, so that the gate electrode can be easily patterned. In addition, since the first and second metal layers are configured to have an average film thickness smaller than the film thickness of the first and second semiconductor layers, the thickness of the metal layer can be easily reduced. It is possible to easily reduce the deterioration of electron mobility due to the stress acting between the metal layer, the gate insulating layer, and the semiconductor region.
この場合において、好ましくは、第1金属層および第2金属層は、2.5nm未満の平均膜厚を有する。このように構成すれば、容易に、第1および第2金属層の膜厚を小さくすることができる。また、第1金属層および第2金属層を、2.5nm未満の平均膜厚を有するように形成すれば、容易に、熱処理の工程において第1金属層および第2金属層を凝集させることができるので、容易に、第1金属層および第2金属層をドット状に形成することができる。 In this case, preferably, the first metal layer and the second metal layer have an average film thickness of less than 2.5 nm. If comprised in this way, the film thickness of a 1st and 2nd metal layer can be made small easily. Further, if the first metal layer and the second metal layer are formed so as to have an average film thickness of less than 2.5 nm, the first metal layer and the second metal layer can be easily aggregated in the heat treatment step. Therefore, the first metal layer and the second metal layer can be easily formed in a dot shape.
上記一の局面による半導体装置において、好ましくは、第1金属層および第2金属層は、それぞれ、第1ゲート絶縁層および第2ゲート絶縁層を部分的に覆うように形成されており、第1半導体層および第2半導体層は、それぞれ、第1ゲート絶縁層の第1金属層により覆われていない部分および第2ゲート絶縁層の第2金属層により覆われていない部分に、接触するように形成されている。このように構成すれば、第1および第2金属層とゲート絶縁層との接触面積を小さくすることができるので、その分、第1および第2金属層とゲート絶縁層との界面反応に起因する金属層のフェルミレベルのピニングが発生しにくくなる。その結果、ピニングに起因してゲート電極の仕事関数を調節するのが困難になるのを抑制することができる。また、第1半導体層および第2半導体層を、それぞれ、第1ゲート絶縁層の第1金属層により覆われていない部分および第2ゲート絶縁層の第2金属層により覆われていない部分に、接触するように形成することによって、第1および第2半導体層とゲート絶縁層との接触面積を小さくすることができる。これにより、第1および第2半導体層をシリコンを含有する材料により形成するとともに、ゲート絶縁層を金属を含有するHigh−k材料により形成する場合にも、第1および第2半導体層に含まれるシリコンと、ゲート絶縁層のHigh−k材料に含まれる金属との反応に起因するピニングが発生しにくくなるので、この場合にも、ピニングに起因してゲート電極の仕事関数を調節するのが困難になるのを抑制することができる。 In the semiconductor device according to the aforementioned aspect, the first metal layer and the second metal layer are preferably formed so as to partially cover the first gate insulating layer and the second gate insulating layer, respectively. The semiconductor layer and the second semiconductor layer are in contact with a portion of the first gate insulating layer that is not covered with the first metal layer and a portion of the second gate insulating layer that is not covered with the second metal layer, respectively. Is formed. With this configuration, the contact area between the first and second metal layers and the gate insulating layer can be reduced, and accordingly, the interface reaction between the first and second metal layers and the gate insulating layer is caused. The Fermi level pinning of the metal layer is less likely to occur. As a result, it is possible to suppress the difficulty in adjusting the work function of the gate electrode due to pinning. Further, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are respectively formed in a portion not covered by the first metal layer of the first gate insulating layer and a portion not covered by the second metal layer of the second gate insulating layer. By forming so as to be in contact with each other, the contact area between the first and second semiconductor layers and the gate insulating layer can be reduced. Accordingly, the first and second semiconductor layers are formed of the material containing silicon, and the gate insulating layer is also formed of the high-k material containing metal, which is included in the first and second semiconductor layers. Since pinning due to the reaction between silicon and the metal contained in the high-k material of the gate insulating layer is less likely to occur, it is difficult to adjust the work function of the gate electrode due to pinning in this case as well. Can be suppressed.
この場合において、好ましくは、第1金属層および第2金属層は、ドット状に形成されている。このように構成すれば、容易に、第1金属層および第2金属層を不連続な層に形成することができるので、容易に、ゲート電極の仕事関数を調節するのが困難になるのを抑制することができる。この場合には、ゲート絶縁層と接触する第1および第2半導体層に所定の導電型の不純物をドーピングすることにより、容易に、ゲート電極の仕事関数を調節することができる。 In this case, preferably, the first metal layer and the second metal layer are formed in a dot shape. If comprised in this way, since a 1st metal layer and a 2nd metal layer can be easily formed in a discontinuous layer, it becomes difficult to adjust the work function of a gate electrode easily. Can be suppressed. In this case, the work function of the gate electrode can be easily adjusted by doping the first and second semiconductor layers in contact with the gate insulating layer with impurities of a predetermined conductivity type.
上記第1金属層および第2金属層は、それぞれ、第1ゲート絶縁層および第2ゲート絶縁層を部分的に覆うように形成されており、第1半導体層および第2半導体層は、それぞれ、第1ゲート絶縁層の第1金属層により覆われていない部分および第2ゲート絶縁層の第2金属層により覆われていない部分に接触するように形成されている場合において、第1ゲート絶縁層および第2ゲート絶縁層は、3.9よりも大きい比誘電率を有する高誘電率絶縁膜からなっていてもよい。このように第1および第2ゲート絶縁層が、3.9よりも大きい比誘電率を有する高誘電率絶縁膜からなっている場合には、ゲート絶縁層上に形成したゲート電極の金属層のフェルミレベルがピニングされやすいため、本発明のように金属層を、ゲート絶縁層を部分的に覆うように形成するとともに、半導体層を、ゲート絶縁層の金属層により覆われていない部分に接触するように構成すれば、ピニングの発生を容易に抑制することができる。これにより、第1ゲート絶縁層および第2ゲート絶縁層が3.9よりも大きい比誘電率を有する高誘電率絶縁膜からなる場合にも、ゲート電極の仕事関数を調節するのが困難になるのを抑制することができる。 The first metal layer and the second metal layer are formed to partially cover the first gate insulating layer and the second gate insulating layer, respectively, and the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are respectively The first gate insulating layer is formed so as to be in contact with a portion of the first gate insulating layer that is not covered with the first metal layer and a portion of the second gate insulating layer that is not covered with the second metal layer. The second gate insulating layer may be made of a high dielectric constant insulating film having a relative dielectric constant greater than 3.9. Thus, when the first and second gate insulating layers are made of a high dielectric constant insulating film having a relative dielectric constant greater than 3.9, the metal layer of the gate electrode formed on the gate insulating layer Since the Fermi level is easily pinned, the metal layer is formed so as to partially cover the gate insulating layer as in the present invention, and the semiconductor layer is in contact with the portion of the gate insulating layer not covered by the metal layer. If comprised in this way, generation | occurrence | production of pinning can be suppressed easily. This makes it difficult to adjust the work function of the gate electrode even when the first gate insulating layer and the second gate insulating layer are made of a high dielectric constant insulating film having a relative dielectric constant greater than 3.9. Can be suppressed.
上記一の局面による半導体装置において、好ましくは、第1半導体層は、第1導電型の不純物を含有するシリコン層を含み、第2半導体層は、第2導電型の不純物を含有するシリコン層を含む。このように構成すれば、第1導電型のシリコン層および第1金属層を有する第1ゲート電極と、第2導電型のシリコン層および第2金属層を有する第2ゲート電極とを含む空乏化を抑制可能なデュアルゲート構造の半導体装置を得ることができる。 In the semiconductor device according to the above aspect, the first semiconductor layer preferably includes a silicon layer containing a first conductivity type impurity, and the second semiconductor layer includes a silicon layer containing a second conductivity type impurity. Including. If comprised in this way, the 1st gate electrode which has a 1st conductivity type silicon layer and a 1st metal layer, and the depletion containing the 2nd conductivity type silicon layer and a 2nd gate electrode which has a 2nd metal layer It is possible to obtain a dual gate semiconductor device capable of suppressing the above.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、本発明による半導体装置の一例としてのCMOSを例にとって説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, a CMOS as an example of a semiconductor device according to the present invention will be described as an example.
図1は、本発明の一実施形態によるCMOSの構造を示した断面図である。図2は、図1に示した一実施形態によるCMOSのnチャネルMOSトランジスタ部分の構造を示した拡大断面図である。まず、図1および図2を参照して、本発明の一実施形態によるCMOSの構造について説明する。 FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a structure of a CMOS according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing the structure of the n-channel MOS transistor portion of the CMOS according to the embodiment shown in FIG. First, the structure of a CMOS according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態によるCMOSでは、図1に示すように、シリコン基板1上に約200nmの厚みを有する埋め込み酸化膜2が形成されている。また、埋め込み酸化膜2上の所定領域には、約100nmの厚みを有するSOI(Silicon on Insulator)層としての単結晶シリコン層3が形成されている。なお、この単結晶シリコン層3は、本発明の「半導体領域」の一例である。また、単結晶シリコン層3を取り囲むように、埋め込み酸化膜2に達するSiO2膜からなる素子分離絶縁膜4が形成されている。
In the CMOS according to the present embodiment, a buried
また、本実施形態によるCMOSを構成するnチャネルMOSトランジスタ50aの形成領域では、単結晶シリコン層3には、p型のチャネル領域5aを挟むように所定の間隔を隔てて一対のn型のソース/ドレイン領域6aが形成されている。なお、このp型のチャネル領域5aは、本発明の「第1チャネル領域」の一例であり、n型のソース/ドレイン領域6aは、本発明の「第1ソース/ドレイン領域」の一例である。また、p型のチャネル領域5a上には、ゲート絶縁膜7aが形成されている。なお、このゲート絶縁膜7aは、本発明の「第1ゲート絶縁層」の一例である。また、ゲート絶縁膜7aは、SiO2膜、または、高誘電率(High−k)絶縁膜であるHfO2膜などによって形成されている。このHfO2膜は、3.9よりも高い比誘電率を有する。また、ゲート絶縁膜7aがSiO2膜からなる場合には、そのSiO2膜は、約6nm以下の厚みを有する。また、ゲート絶縁膜7aがHfO2膜からなる場合には、そのHfO2膜は、酸化膜(SiO2膜)換算膜厚で約6nm以下の厚みを有する。また、ゲート絶縁膜7a上には、ゲート電極8aが形成されている。なお、このゲート電極8aは、本発明の「第1ゲート電極」の一例である。
Further, in the formation region of the n-
ここで、本実施形態では、ゲート電極8aは、ゲート絶縁膜7a上に形成されたTaN層9aと、TaN層9a上に形成されたポリシリコン層10aとからなる。なお、このTaN層9aは、本発明の「第1金属層」の一例であり、ポリシリコン層10aは、本発明の「第1半導体層」の一例である。また、TaN層9aは、ポリシリコン層10aの平均膜厚(約150nm)よりも小さい約2.5nm未満の平均膜厚(成膜時)を有している。また、TaN層9aは、図2に示すように、ゲート絶縁膜7aを部分的に覆うようにドット状に形成されている。これにより、TaN層9a上に形成されたポリシリコン層10aは、約2.5nm未満の平均膜厚を有するTaN層9aの隣接するドット間の領域を介してゲート絶縁膜7aに接触している。このように、本実施形態では、ゲート電極8aは、非常に小さい厚み(約2.5nm未満)を有するTaN層9aと、ゲート電極8aの大部分を構成する大きな厚み(約150nm)を有するポリシリコン層10aとにより構成されている。また、TaN層9aは、シリコンのミッドギャップに相当する仕事関数を有している。すなわち、TaN層9aのフェルミレベルは、シリコンの伝導帯と荷電子帯との中間のエネルギレベルに位置する。また、ポリシリコン層10aは、n型の不純物を含有することにより、n型になっている。上記したp型のチャネル領域5a、一対のn型のソース/ドレイン領域6a、ゲート絶縁膜7aおよびゲート電極8aによって、nチャネルMOSトランジスタ50aが構成されている。
Here, in the present embodiment, the
一方、本実施形態によるCMOSを構成するpチャネルMOSトランジスタ50bの形成領域では、単結晶シリコン層3には、n型のチャネル領域5bを挟むように所定の間隔を隔てて一対のp型のソース/ドレイン領域6bが形成されている。なお、このn型のチャネル領域5bは、本発明の「第2チャネル領域」の一例であり、p型のソース/ドレイン領域6bは、本発明の「第2ソース/ドレイン領域」の一例である。また、n型のチャネル領域5b上には、上記したnチャネルMOSトランジスタ50aのゲート絶縁膜7aと同様の組成(SiO2またはHfO2)および厚み(約6nm以下)を有するゲート絶縁膜7bが形成されている。なお、このゲート絶縁膜7bは、本発明の「第2ゲート絶縁層」の一例である。また、ゲート絶縁膜7b上には、ゲート電極8bが形成されている。なお、このゲート電極8bは、本発明の「第2ゲート電極」の一例である。
On the other hand, in the formation region of the p-
ここで、本実施形態では、ゲート電極8bは、ゲート絶縁膜7b上に形成された約2.5nm未満の平均膜厚を有するTaN層9bと、TaN層9b上に形成された約150nmの平均膜厚を有するポリシリコン層10bとからなる。なお、このTaN層9bは、本発明の「第2金属層」の一例であり、ポリシリコン層10bは、本発明の「第2半導体層」の一例である。また、TaN層9bは、上記したnチャネルMOSトランジスタ50aのTaN層9aと同様、ゲート絶縁膜7b上を部分的に覆うようにドット状に形成されている。このTaN層9bは、TaN層9aと同一の層をパターニングすることにより形成されている。また、ポリシリコン層10bは、p型の不純物を含有することにより、p型になっている。上記したn型のチャネル領域5b、一対のp型のソース/ドレイン領域6b、ゲート絶縁膜7bおよびゲート電極8bによって、pチャネルMOSトランジスタ50bが構成されている。
Here, in this embodiment, the
また、素子分離領域4、n型のソース/ドレイン領域6a、p型のソース/ドレイン領域6b、ゲート電極8aおよび8b上を覆うように、約200nmの厚みを有するSiO2膜からなる層間絶縁膜11が形成されている。この層間絶縁膜11には、それぞれ、一対のn型のソース/ドレイン領域6a、一対のp型のソース/ドレイン領域6b、n型のポリシリコン層10aおよびp型のポリシリコン層10bに達するコンタクトホール11a、11b、11c、11d、11eおよび11fが形成されている。このコンタクトホール11a、11b、11c、11d、11eおよび11f内には、それぞれ、タングステンからなるプラグ12a、12b、12c、12d、13aおよび13bが埋め込まれている。
Further, an interlayer insulating film made of a SiO 2 film having a thickness of about 200 nm so as to cover the
また、層間絶縁膜11上には、プラグ12aに接続するように、配線14が形成されているとともに、プラグ12bと12cとを接続するように、配線15が形成されている。これにより、nチャネルMOSトランジスタ50aの一方のソース/ドレイン領域6aと、pチャネルMOSトランジスタ50bの一方のソース/ドレイン領域6bとは、プラグ12b、12cおよび配線15を介して接続されている。また、層間絶縁膜11上には、プラグ12dに接続するように、配線16が形成されている。また、層間絶縁膜11上には、プラグ13aおよび13bに接続するように、配線17aおよび17bがそれぞれ形成されている。また、nチャネルMOSトランジスタ50aのゲート電極8aと、pチャネルMOSトランジスタ50bのゲート電極8bとは、プラグ13aおよび13bと、配線17aおよび17bとを介して接続されている。
A
図3〜図8は、本発明の一実施形態によるCMOSの製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図1および図3〜図8を参照して、本発明の一実施形態によるCMOSの製造プロセスについて説明する。 3 to 8 are cross-sectional views illustrating a CMOS manufacturing process according to an embodiment of the present invention. Next, with reference to FIG. 1 and FIGS. 3 to 8, a CMOS manufacturing process according to an embodiment of the present invention will be described.
まず、図3に示すように、シリコン基板1上に約200nmの厚みを有する埋め込み酸化膜2を介して、約100nmの厚みを有する単結晶シリコン層3が形成されたSOI基板を用意する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、素子分離領域に位置する単結晶シリコン層3を除去した後、SiO2膜(図示せず)を形成する。そして、そのSiO2膜の余分な堆積部分をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法またはエッチバック法により除去することによって、図3に示されるようなSiO2膜からなる素子分離絶縁膜4が形成される。
First, as shown in FIG. 3, an SOI substrate is prepared in which a single
次に、図4に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法またはスパッタ法を用いて、単結晶シリコン層3および素子分離絶縁膜4の上面上に、ゲート絶縁膜7を形成する。この際、本実施形態では、ゲート絶縁膜7は、SiO2膜またはHfO2膜などの高誘電率(High−k)絶縁膜によって形成する。ゲート絶縁膜7をSiO2膜によって形成する場合には、そのSiO2膜は、約6nm以下の厚みを有するように形成する。一方、ゲート絶縁膜7をHfO2膜によって形成する場合には、そのHfO2膜は、酸化膜(SiO2膜)換算膜厚で約6nm以下の厚みを有するように形成する。
Next, as shown in FIG. 4, a
その後、本実施形態では、CVD法を用いて、ゲート絶縁膜7上に約2.5nm未満の平均膜厚を有するTaN層9を形成する。そして、CVD法を用いて、TaN層9上に約150nmの厚みを有するアモルファスシリコン層10を堆積する。このCVD法によるアモルファスシリコン層10の堆積や、後述するソース/ドレイン領域6a、6bおよびアモルファスシリコン層10に導入した不純物を活性化するための熱処理や、その他の工程において与えられる熱によって、TaN層9は、平均膜厚が小さいことに起因してドット状に凝集する。これにより、TaN層9は、ゲート絶縁膜7を部分的に覆うようにドット状に形成されるとともに、アモルファスシリコン層10は、TaN層9の隣接するドット間の領域を介して、ゲート絶縁膜7に接触するように形成される。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて、アモルファスシリコン層10のゲート電極8aおよび8b(図1参照)を形成する領域上にレジスト層20を形成する。
Thereafter, in this embodiment, a
次に、図5に示すように、レジスト層20をマスクとしてアモルファスシリコン層10、TaN層9およびゲート絶縁膜7をエッチングする。この際のエッチングは、RIE(Reactive Ion Etching)によって行う。なお、このRIEによるエッチング加工の際、TaN層9の厚みが大きい場合には、TaN層9をエッチング加工しづらい。特に、TaN層9のエッチングによる垂直加工は困難となる。しかしながら、本実施形態では、TaN層9を約2.5nm未満の小さい平均膜厚を有するように形成しているので、容易に、TaN層9をRIEによりエッチング加工することが可能である。そして、上記のエッチングにより、アモルファスシリコン層10のゲート電極8aおよび8b(図1参照)に対応する部分が形成される。また、ゲート電極8aおよび8b(図1参照)を構成するTaN層9aおよび9bがそれぞれ形成されるとともに、ゲート電極8aおよび8b(図1参照)に対応するゲート絶縁膜7aおよび7bがそれぞれ形成される。この後、レジスト層20を除去する。
Next, as shown in FIG. 5, the
次に、図6に示すように、イオン注入によるゲート絶縁膜7aおよび7bのエッジ部近傍のダメージを抑制するため、SiO2膜からなる保護膜21を全面を覆うように形成する。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて、保護膜21のpチャネルMOSトランジスタ50b(図1参照)の形成領域に対応する領域上を覆うようにレジスト層22を形成する。その後、リン(P)を、注入エネルギ:約30kev、注入量:約3×1015cm−2の条件下でイオン注入する。これにより、保護膜21を介して、nチャネルMOSトランジスタ50a(図1参照)の形成領域のアモルファスシリコン層10および単結晶シリコン層3のソース/ドレイン領域6aにリン(P)が導入される。この後、レジスト層22を除去する。
Next, as shown in FIG. 6, in order to suppress damage in the vicinity of the edge portions of the
次に、図7に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、保護膜21のnチャネルMOSトランジスタ50a(図1参照)の形成領域に対応する領域上を覆うようにレジスト層23を形成する。その後、BF2を、注入エネルギ:約35kev、注入量:約3×1015cm−2の条件下でイオン注入する。これにより、保護膜21を介して、pチャネルMOSトランジスタ50b(図1参照)の形成領域のアモルファスシリコン層10および単結晶シリコン層3のソース/ドレイン領域6bにBF2が導入される。この後、レジスト層23を除去する。
Next, as shown in FIG. 7, a resist
次に、図8に示すように、CVD法を用いて、SiO2膜からなる保護膜21上に、SiO2膜を堆積することにより、約200nmの厚みを有する層間絶縁膜11を形成する。この後、RTA(Rapid Thermal Annealing)法による熱処理(約950℃、約20秒間)を行うことによって、ソース/ドレイン領域6a、6bおよびアモルファスシリコン層10に注入した不純物を電気的に活性化させる。なお、この熱処理によって、アモルファスシリコン層10は多結晶化される。これにより、nチャネルMOSトランジスタ50aの形成領域において、n型のポリシリコン層10aが形成されるとともに、pチャネルMOSトランジスタ50bの形成領域において、p型のポリシリコン層10bが形成される。そして、nチャネルMOSトランジスタ50aの形成領域では、TaN層9aと、TaN層9a上に形成されたn型のポリシリコン層10aとによって、ゲート電極8aが形成される。また、pチャネルMOSトランジスタ50bの形成領域では、TaN層9bと、TaN層9b上に形成されたp型のポリシリコン層10bとによって、ゲート電極8bが形成される。
Next, as shown in FIG. 8, by CVD, on the
なお、上記の熱処理の際、TaN層9a(9b)とゲート絶縁膜7a(7b)との界面において生じる反応によって、TaN層9aおよび9bのフェルミレベルはシリコンのミッドギャップにピニングされる。また、この熱処理の際には、TaN層9a(9b)と、ゲート絶縁膜7a(7b)および単結晶シリコン層3との熱膨張係数の差に起因する応力がTaN層9a(9b)と、ゲート絶縁膜7a(7b)および単結晶シリコン層3との間に働く。
During the above heat treatment, the Fermi level of the TaN layers 9a and 9b is pinned to the silicon midgap by the reaction that occurs at the interface between the
次に、図1に示したように、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、層間絶縁膜11のソース/ドレイン領域6aおよび6bと、ポリシリコン層10aおよび10bとに対応する領域にコンタクトホール11a、11b、11c、11d、11eおよび11fを形成する。その後、CVD法を用いて、コンタクトホール11a、11b、11c、11d、11eおよび11f内にタングステン層を埋め込むように形成した後、CMP法を用いて、タングステン層の余分な堆積部分を除去することによって、プラグ12a、12b、12c、12d、13aおよび13bを形成する。最後に、層間絶縁膜11の上面上の所定領域に、配線14、15、16、17aおよび17bを形成する。上記のようにして、図1に示した本実施形態によるCMOSが形成される。
Next, as shown in FIG. 1,
本実施形態では、上記のように、ゲート電極8a(8b)をゲート絶縁膜7a(7b)上に形成されたTaN層9a(9b)と、TaN層9a(9b)上に形成されたポリシリコン層10a(10b)とにより構成することによって、ゲート電極8a(8b)をゲート絶縁膜7a(7b)上に形成されたポリシリコン層のみによって構成する場合と異なり、ゲート電極8a(8b)の空乏化を抑制することができる。
In the present embodiment, as described above, the
また、本実施形態では、nチャネルMOSトランジスタ50aのゲート電極8aのTaN層9aと、pチャネルMOSトランジスタ50bのゲート電極8bのTaN層9bとが同じ層からなるように構成することによって、nチャネルMOSトランジスタ50aのTaN層9aと、pチャネルMOSトランジスタ50bのTaN層9bとを同じ層をパターニングすることにより同時に形成することができるので、nチャネルMOSトランジスタ50aのゲート電極8aおよびpチャネルMOSトランジスタ50bのゲート電極8bを形成する際の製造プロセスを簡略化することができる。
In the present embodiment, the
また、ゲート電極8a(8b)をTaN層9a(9b)と、TaN層9a(9b)上に形成されたポリシリコン層10a(10b)とにより構成するとともに、TaN層9a(9b)をポリシリコン層10a(10b)の厚みよりも小さい約2.5nm未満の平均膜厚を有するように形成することによって、TaN層9a(9b)のエッチング(RIE)による加工(パターニング)が容易になるので、TaN層9a(9b)を含むゲート電極8a(8b)を用いる場合にも、容易にゲート電極8a(8b)をパターニングすることができる。また、TaN層9a(9b)の厚みが小さいことにより、TaN層9a(9b)と、ゲート絶縁膜7a(7b)および単結晶シリコン層3との熱膨張係数の差に起因する応力を低減することができる。これにより、TaN層9a(9b)と、ゲート絶縁膜7a(7b)および単結晶シリコン層3との間に働く応力に起因する電子移動度の劣化を低減することができる。
The
また、本実施形態では、TaN層9a(9b)をゲート絶縁膜7a(7b)を部分的に覆うようにドット状に形成するとともに、ポリシリコン層10a(10b)を、ゲート絶縁膜7a(7b)のTaN層9a(9b)により覆われていない部分に接触するように形成することによって、TaN層9a(9b)とゲート絶縁膜7a(7b)との接触面積を小さくすることができるので、その分、TaN層9a(9b)とゲート絶縁膜7a(7b)との界面反応に起因するTaN層9a(9b)のフェルミレベルのピニングが発生しにくくなる。その結果、ピニングに起因してゲート電極8aおよび8bの仕事関数をnチャネルMOSトランジスタ50aおよびpチャネルMOSトランジスタ50bのそれぞれに適した値に調節するのが困難になるのを抑制することができる。
In the present embodiment, the
次に、上記のようにゲート電極をTaN層と、TaN層上に形成したポリシリコン層とによって形成することによる効果を確認するために行った実験について説明する。この実験では、上記した実施形態の構造を有するゲート電極を形成したnチャネルMOSトランジスタを用いて、フラットバンド電圧の変化と、ゲート絶縁膜の実効的な酸化膜換算膜厚の変化と、容量−ゲート電圧特性と、電子移動度とを調べた。また、上記した実施形態の構造を有するゲート電極を形成したpチャネルMOSトランジスタを用いて、フラットバンド電圧の変化と、ゲート絶縁膜の実効的な酸化膜換算膜厚の変化とを調べた。以下、詳細に説明する。 Next, an experiment conducted for confirming the effect of forming the gate electrode by the TaN layer and the polysilicon layer formed on the TaN layer as described above will be described. In this experiment, using an n-channel MOS transistor having a gate electrode having the structure of the above-described embodiment, a change in flat band voltage, a change in effective oxide equivalent film thickness of the gate insulating film, a capacitance − The gate voltage characteristics and electron mobility were examined. Further, using a p-channel MOS transistor in which the gate electrode having the structure of the above-described embodiment was formed, the change in flat band voltage and the change in the equivalent oxide film thickness of the gate insulating film were examined. Details will be described below.
まず、nチャネルMOSトランジスタのフラットバンド電圧の変化およびゲート絶縁膜の実効的な酸化膜換算膜厚の変化を調べるために行った実験について説明する。まず、ゲート電極のTaN層の厚みを0.0nmから10.0nmまで変化させて複数のnチャネルMOSトランジスタを作製した。この際、ゲート絶縁膜は、4nmの厚みを有するSiO2膜によって形成した。これ以外は、上記実施形態と同様にして、nチャネルMOSトランジスタを作製した。そして、作製したnチャネルMOSトランジスタについて、フラットバンド電圧Vfbと、ゲート絶縁膜の実効的な酸化膜換算膜厚とを測定した。ここで、フラットバンド電圧Vfbは、ゲート絶縁膜と、チャネル領域を構成するシリコン層との界面におけるエネルギーバンド構造をフラット(平坦)にするために必要なゲート電圧であり、このフラットバンド電圧Vfbが変化すると、nチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧も変化する。また、ゲート絶縁膜の実効的な酸化膜換算膜厚は、電気的に測定されたゲート絶縁膜として機能する領域の酸化膜換算膜厚である。上記の測定の結果が、図9に示されている。なお、図9に示したフラットバンド電圧Vfbは、各測定試料(nチャネルMOSトランジスタ)のフラットバンド電圧から、150nmの厚みを有するポリシリコン層のみによってゲート電極を形成したコントロール試料(nチャネルMOSトランジスタ)のフラットバンド電圧を引いた値を示している。すなわち、図9に示したフラットバンド電圧Vfbは、各測定試料(nチャネルMOSトランジスタ)のフラットバンド電圧から、図9中のTaN層の厚みが0.0nmの場合のnチャネルMOSトランジスタのフラットバンド電圧を引いた値を示している。 First, an experiment conducted for examining changes in the flat band voltage of the n-channel MOS transistor and changes in the equivalent oxide thickness of the gate insulating film will be described. First, a plurality of n-channel MOS transistors were manufactured by changing the thickness of the TaN layer of the gate electrode from 0.0 nm to 10.0 nm. At this time, the gate insulating film was formed of a SiO 2 film having a thickness of 4 nm. Except for this, an n-channel MOS transistor was fabricated in the same manner as in the above embodiment. And about the produced n channel MOS transistor, the flat band voltage Vfb and the effective oxide film equivalent film thickness of a gate insulating film were measured. Here, the flat band voltage V fb is a gate voltage necessary for flattening the energy band structure at the interface between the gate insulating film and the silicon layer constituting the channel region. When fb changes, the threshold voltage of the n-channel MOS transistor also changes. The effective oxide film equivalent film thickness of the gate insulating film is an oxide film equivalent film thickness of a region functioning as a gate insulating film, which is measured electrically. The result of the above measurement is shown in FIG. The flat band voltage V fb shown in FIG. 9 is a control sample (n-channel MOS) in which a gate electrode is formed only by a polysilicon layer having a thickness of 150 nm from the flat band voltage of each measurement sample (n-channel MOS transistor). The value obtained by subtracting the flat band voltage of the transistor) is shown. That is, the flat band voltage V fb shown in FIG. 9 is calculated from the flat band voltage of each measurement sample (n channel MOS transistor), and the flatness of the n channel MOS transistor when the thickness of the TaN layer in FIG. The value obtained by subtracting the band voltage is shown.
図9を参照して、TaN層の厚みが0.0nmから10nmへ徐々に増加するのに伴って、フラットバンド電圧Vfbが0.0Vから約0.6Vへ徐々に増大するのが判る。これにより、ゲート電極中のTaN層の厚みを制御することにより、nチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧を制御することができることが判明した。また、図9からTaN層を約0.5nm〜約2.5nmの厚みに形成することによって、TaN層が0nmの場合に比べて、フラットバンド電圧Vfbを約0.2V〜約0.3Vだけ増大させることができることが判る。すなわち、ゲート電極の仕事関数を、約0.2V〜約0.3Vだけシリコンのミッドギャップに近づけることができるので、その分、nチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧を約0.2V〜約0.3Vだけ増大させることができることが判る。この結果から、nチャネルMOSトランジスタの微細化に伴って、完全空乏型SOIFET(Silicon on Insulator Field Effect Transistor)などで問題となっていたしきい値電圧が低下しすぎることによりオフリーク電流が大きくなりすぎるという不都合が生じる場合にも、本実施形態によるゲート電極の構造を用いるとともに、TaN層を約0.5nm〜約2.5nmの厚みに形成すれば、しきい値電圧を約0.2V〜約0.3Vだけ増大させることによりオフリーク電流が大きくなりすぎるという不都合が生じるのを抑制することができることが判った。 Referring to FIG. 9, it can be seen that the flat band voltage V fb gradually increases from 0.0 V to about 0.6 V as the thickness of the TaN layer gradually increases from 0.0 nm to 10 nm. Thus, it was found that the threshold voltage of the n-channel MOS transistor can be controlled by controlling the thickness of the TaN layer in the gate electrode. Further, from FIG. 9, by forming the TaN layer to a thickness of about 0.5 nm to about 2.5 nm, the flat band voltage V fb is about 0.2 V to about 0.3 V compared to the case where the TaN layer is 0 nm. It can be seen that it can only be increased. That is, the work function of the gate electrode can be brought close to the silicon midgap by about 0.2 V to about 0.3 V, so that the threshold voltage of the n-channel MOS transistor is increased by about 0.2 V to about 0. It can be seen that it can be increased by 3V. From this result, with the miniaturization of the n-channel MOS transistor, the off-leakage current becomes too large because the threshold voltage, which has been a problem in a fully depleted SOIFET (Silicon on Insulator Field Effect Transistor), etc., is too low. Even when inconvenience occurs, if the gate electrode structure according to the present embodiment is used and the TaN layer is formed to a thickness of about 0.5 nm to about 2.5 nm, the threshold voltage is about 0.2 V to about 0. It has been found that by increasing the voltage by .3 V, the inconvenience that the off-leakage current becomes too large can be suppressed.
次に、nチャネルMOSトランジスタの容量−ゲート電圧特性を測定した結果について説明する。まず、以下の実施例1および比較例1によるnチャネルMOSトランジスタを作製した。その後、作製したnチャネルMOSトランジスタを用いて、印加するゲート電圧を変化させながら容量を測定した。 Next, the results of measuring the capacitance-gate voltage characteristics of the n-channel MOS transistor will be described. First, n-channel MOS transistors according to Example 1 and Comparative Example 1 below were manufactured. Thereafter, the capacitance was measured using the manufactured n-channel MOS transistor while changing the applied gate voltage.
(実施例1)
この実施例1では、ゲート電極を1nmの厚みを有するTaN層と、そのTaN層上に形成した150nmの厚みを有するポリシリコン層とによって形成した。また、ゲート絶縁膜を4nmの厚みを有するSiO2膜によって形成した。また、この実施例1では、100μm×100μmの大きさのnチャネルMOSトランジスタを作製した。これ以外は、上記実施形態によるnチャネルMOSトランジスタと同様にして、実施例1によるnチャネルMOSトランジスタを作製した。
Example 1
In Example 1, the gate electrode was formed by a TaN layer having a thickness of 1 nm and a polysilicon layer having a thickness of 150 nm formed on the TaN layer. Further, the gate insulating film was formed of a SiO 2 film having a thickness of 4 nm. In Example 1, an n-channel MOS transistor having a size of 100 μm × 100 μm was fabricated. Except for this, an n-channel MOS transistor according to Example 1 was fabricated in the same manner as the n-channel MOS transistor according to the above embodiment.
(比較例1)
この比較例1では、ゲート電極を150nmの厚みを有するポリシリコン層のみによって形成した。これ以外は、上記実施例1と同様にして、比較例1によるnチャネルMOSトランジスタを作製した。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, the gate electrode was formed only by a polysilicon layer having a thickness of 150 nm. Except for this, an n-channel MOS transistor according to Comparative Example 1 was fabricated in the same manner as in Example 1 above.
図10および図11には、それぞれ、上記実施例1および比較例1によるnチャネルMOSトランジスタ(100μm×100μm)を用いて、容量−ゲート電圧(C−V)特性を測定した結果が示されている。図10および図11から判るように、チャネル領域に反転層を形成することによりnチャネルMOSトランジスタを動作させることが可能なゲート電圧が正の範囲(>0V)において、比較例1(図11参照)では、ゲート電圧が約1V以上の範囲で容量が約7.0×10−11F以下の値になっている一方、実施例1(図10参照)では、ゲート電圧が約1V以上の範囲で容量が約7.0×10−11F以上の値になっている。これにより、約1V以上のゲート電圧を印加すると、実施例1によるnチャネルMOSトランジスタでは、比較例1によるnチャネルMOSトランジスタよりも容量が大きくなることが判る。nチャネルMOSトランジスタの容量は、ゲート電極の空乏層の厚みが小さくなる程大きくなるので、実施例1によるnチャネルMOSトランジスタのゲート電極の空乏層の厚みは、比較例1によるnチャネルMOSトランジスタの空乏層の厚みに比べて小さくなっていると考えられる。上記の結果から、実施例1のように、成膜時に1nmの厚みを有するTaN層をゲート電極のゲート絶縁膜と接触する部分に設けることによって、ゲート電極の空乏化を抑制することができることが判明した。 10 and 11 show the results of measuring the capacitance-gate voltage (CV) characteristics using the n-channel MOS transistors (100 μm × 100 μm) according to Example 1 and Comparative Example 1, respectively. Yes. As can be seen from FIGS. 10 and 11, Comparative Example 1 (see FIG. 11) is performed in a positive range (> 0 V) where the n-channel MOS transistor can be operated by forming an inversion layer in the channel region. ), The capacitance is about 7.0 × 10 −11 F or less when the gate voltage is in the range of about 1 V or more, whereas in Example 1 (see FIG. 10), the gate voltage is in the range of about 1 V or more. The capacity is about 7.0 × 10 −11 F or more. Thus, it can be seen that when a gate voltage of about 1 V or more is applied, the n-channel MOS transistor according to the first embodiment has a larger capacity than the n-channel MOS transistor according to the first comparative example. Since the capacitance of the n-channel MOS transistor becomes larger as the thickness of the depletion layer of the gate electrode becomes smaller, the thickness of the depletion layer of the gate electrode of the n-channel MOS transistor according to Example 1 is larger than that of the n-channel MOS transistor according to Comparative Example 1. This is considered to be smaller than the thickness of the depletion layer. From the above results, it is possible to suppress the depletion of the gate electrode by providing a TaN layer having a thickness of 1 nm at the time of film formation at a portion in contact with the gate insulating film as in Example 1. found.
次に、nチャネルMOSトランジスタの電子移動度を調べるために行った実験について説明する。まず、以下の実施例2−1、実施例2−2および比較例2−1によるnチャネルMOSトランジスタを作製した。そして、作製したnチャネルMOSトランジスタを用いて、印加する電界強度を変化させながら電子移動度を測定した。 Next, an experiment conducted for examining the electron mobility of the n-channel MOS transistor will be described. First, n-channel MOS transistors according to the following Example 2-1, Example 2-2, and Comparative Example 2-1 were fabricated. And the electron mobility was measured using the produced n channel MOS transistor while changing the applied electric field strength.
(実施例2−1)
この実施例2−1では、ゲート絶縁膜上に形成した1nmの厚み(成膜時)を有するTaN層と、そのTaN層上に形成した150nmの厚みを有するポリシリコン層とによってゲート電極を形成した。また、ゲート絶縁膜を4nmの厚みを有するSiO2膜によって形成した。また、この実施例2−1では、100μm×100μmの大きさのnチャネルMOSトランジスタを作製した。これ以外は、上記実施形態によるnチャネルMOSトランジスタと同様にして、実施例2−1によるnチャネルMOSトランジスタを作製した。
(Example 2-1)
In Example 2-1, a gate electrode is formed by a TaN layer having a thickness of 1 nm (during film formation) formed on the gate insulating film and a polysilicon layer having a thickness of 150 nm formed on the TaN layer. did. Further, the gate insulating film was formed of a SiO 2 film having a thickness of 4 nm. In Example 2-1, an n-channel MOS transistor having a size of 100 μm × 100 μm was fabricated. Except for this, an n-channel MOS transistor according to Example 2-1 was fabricated in the same manner as the n-channel MOS transistor according to the above embodiment.
(実施例2−2)
この実施例2−2では、ゲート絶縁膜上に形成した2.5nmの厚み(成膜時)を有するTaN層と、そのTaN層上に形成した150nmの厚みを有するポリシリコン層とによってゲート電極を形成した。これ以外は、上記実施例2−1と同様にして、実施例2−2によるnチャネルMOSトランジスタを作製した。
(Example 2-2)
In Example 2-2, a gate electrode is formed by a TaN layer having a thickness of 2.5 nm (during film formation) formed on the gate insulating film and a polysilicon layer having a thickness of 150 nm formed on the TaN layer. Formed. Other than this, an n-channel MOS transistor according to Example 2-2 was fabricated in the same manner as in Example 2-1.
(比較例2−1)
この比較例2−1では、ゲート絶縁膜上に形成した150nmの厚みを有するポリシリコン層のみによってゲート電極を形成した。すなわち、ゲート電極のTaN層の厚みが0nmのnチャネルMOSトランジスタを作製した。これ以外は、上記実施例2−1と同様にして、比較例2−1によるnチャネルMOSトランジスタを作製した。
(Comparative Example 2-1)
In Comparative Example 2-1, the gate electrode was formed only by the polysilicon layer having a thickness of 150 nm formed on the gate insulating film. In other words, an n-channel MOS transistor having a gate electrode TaN layer with a thickness of 0 nm was fabricated. Except for this, an n-channel MOS transistor according to Comparative Example 2-1 was fabricated in the same manner as in Example 2-1.
図12〜図14には、それぞれ、上記実施例2−1、2−2および比較例2−1によるnチャネルMOSトランジスタを用いて測定した実効垂直電界強度と電子移動度との関係が示されている。図12〜図14を参照して、実効垂直電界強度が約0.1MV/cm〜約1MV/cmの範囲において、実施例2−1(図12参照)によるnチャネルMOSトランジスタは、約240cm2/Vs〜約480cm2/Vsの電子移動度を示し、実施例2−2(図13参照)によるnチャネルMOSトランジスタは、約180cm2/Vs〜約240cm2/Vsの電子移動度を示し、比較例2−1(図14参照)によるnチャネルMOSトランジスタは、約220cm2/Vs〜約400cm2/Vsの電子移動度を示すことが判る。この結果から、ゲート電極のTaN層を1nmの厚みで形成した実施例2−1によるnチャネルMOSトランジスタは、ゲート電極にTaN層を含まない比較例2−1によるnチャネルMOSトランジスタと同等の電子移動度を有することが判る。一方、ゲート電極のTaN層を2.5nmの厚みで形成した実施例2−2によるnチャネルMOSトランジスタでは、ゲート電極にTaN層を含まない比較例2−1によるnチャネルMOSトランジスタに比べて、電子移動度が低いことが判る。すなわち、本発明による構造を有するゲート電極を用いる場合には、ゲート電極のTaN層を2.5nm未満の厚み(成膜時)を有するように形成することが高い電子移動度を得るために好ましいことが判明した。 FIGS. 12 to 14 show the relationship between the effective vertical electric field strength and the electron mobility measured using the n-channel MOS transistors according to Examples 2-1 and 2-2 and Comparative Example 2-1, respectively. ing. Referring to FIGS. 12 to 14, in the range of the effective vertical electric field strength of about 0.1 MV / cm to about 1 MV / cm, the n-channel MOS transistor according to Example 2-1 (see FIG. 12), about 240 cm 2 / shows an electron mobility of Vs~ about 480 cm 2 / Vs, n-channel MOS transistor according to example 2-2 (see FIG. 13) shows the electron mobility of about 180cm 2 / Vs~ about 240 cm 2 / Vs, n-channel MOS transistor according to the comparative example 2-1 (see FIG. 14) it is seen to exhibit electron mobility of about 220cm 2 / Vs~ about 400 cm 2 / Vs. From this result, the n-channel MOS transistor according to Example 2-1 in which the TaN layer of the gate electrode is formed with a thickness of 1 nm has the same electron as the n-channel MOS transistor according to Comparative Example 2-1 in which the gate electrode does not include the TaN layer. It can be seen that it has mobility. On the other hand, in the n-channel MOS transistor according to Example 2-2 in which the TaN layer of the gate electrode is formed with a thickness of 2.5 nm, compared to the n-channel MOS transistor according to Comparative Example 2-1 in which the gate electrode does not include the TaN layer, It can be seen that the electron mobility is low. That is, when a gate electrode having a structure according to the present invention is used, it is preferable to form a TaN layer of the gate electrode so as to have a thickness of less than 2.5 nm (during film formation) in order to obtain high electron mobility. It has been found.
なお、ゲート電極のTaN層を1nmの厚みで形成した場合に比べて、TaN層を2.5nmの厚みで形成した場合の電子移動度が低いのは、以下の理由によると考えられる。すなわち、TaN層の厚みが1nmの場合には、TaN層の厚みが2.5nmの場合に比べて、厚みが小さい分、TaN層と、ゲート絶縁膜および単結晶シリコン層との熱膨張係数の差に起因する応力を小さくすることができると考えられる。これにより、TaN層の厚みが1nmの場合には、TaN層の厚みが2.5nmの場合に比べて、TaN層と、ゲート絶縁膜および単結晶シリコン層との間に働く応力の差に起因する電子移動度の劣化が抑制されると考えられる。このため、TaN層を2.5nmの厚みで形成した場合には、TaN層を1nmの厚みで形成した場合に比べて、電子移動度が低くなると考えられる。 The reason why the electron mobility is lower when the TaN layer is formed with a thickness of 2.5 nm than when the TaN layer of the gate electrode is formed with a thickness of 1 nm is considered to be as follows. That is, when the thickness of the TaN layer is 1 nm, the thermal expansion coefficient of the TaN layer, the gate insulating film, and the single crystal silicon layer is smaller than the thickness of the TaN layer is 2.5 nm. It is considered that the stress due to the difference can be reduced. As a result, when the thickness of the TaN layer is 1 nm, it is caused by the difference in stress acting between the TaN layer, the gate insulating film, and the single crystal silicon layer, compared with the case where the thickness of the TaN layer is 2.5 nm. It is considered that the deterioration of the electron mobility is suppressed. For this reason, when the TaN layer is formed with a thickness of 2.5 nm, the electron mobility is considered to be lower than when the TaN layer is formed with a thickness of 1 nm.
次に、上記実施形態と同様のTaN層およびポリシリコン層からなるゲート電極を用いたpチャネルMOSトランジスタについて、上記のnチャネルMOSトランジスタで行ったフラットバンド電圧の変化およびゲート絶縁膜の実効的な酸化膜換算膜厚の変化を調べるための実験と同様の実験を行った。その結果が、図15に示されている。 Next, regarding a p-channel MOS transistor using a gate electrode composed of a TaN layer and a polysilicon layer similar to the above-described embodiment, the change in flat band voltage performed in the n-channel MOS transistor and the effective gate insulating film An experiment similar to the experiment for examining the change in the equivalent oxide thickness was performed. The result is shown in FIG.
図15を参照して、TaN層の厚みが0.0nmから10nmへ徐々に増加するのに伴って、フラットバンド電圧Vfbが0.0Vから約−0.6Vへ徐々に減少するのが判る。これにより、ゲート電極中のTaN層の厚みを制御することにより、pチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧を制御することができることが判明した。また、図15からTaN層を約0.5nmの厚みに形成することによって、TaN層が0nmの場合に比べて、フラットバンド電圧Vfbを約0.3Vだけ減少させることができることが判る。すなわち、この場合には、ゲート電極の仕事関数を、約0.3Vだけシリコンのミッドギャップに近づけることができるので、その分、pチャネルMOSトランジスタのしきい値電圧を約0.3Vだけ増大させることができることが判る。この結果から、pチャネルMOSトランジスタの微細化に伴って、しきい値電圧が低下しすぎることによりオフリーク電流が大きくなりすぎるという不都合が生じる場合にも、本実施形態によるゲート電極の構造を用いるとともに、TaN層を約0.5nmの厚みに形成すれば、しきい値電圧を約0.3Vだけ増大させることによりオフリーク電流が大きくなりすぎるという不都合が生じるのを抑制することができることが判った。 Referring to FIG. 15, it can be seen that the flat band voltage V fb gradually decreases from 0.0 V to about −0.6 V as the thickness of the TaN layer gradually increases from 0.0 nm to 10 nm. . Thus, it has been found that the threshold voltage of the p-channel MOS transistor can be controlled by controlling the thickness of the TaN layer in the gate electrode. In addition, it can be seen from FIG. 15 that by forming the TaN layer to a thickness of about 0.5 nm, the flat band voltage V fb can be reduced by about 0.3 V compared to the case where the TaN layer is 0 nm. In other words, in this case, the work function of the gate electrode can be brought close to the silicon midgap by about 0.3 V, so that the threshold voltage of the p-channel MOS transistor is increased by about 0.3 V accordingly. I can see that From this result, when the p-channel MOS transistor is miniaturized, the gate electrode structure according to the present embodiment is used even when there is a disadvantage that the off-leakage current becomes too large due to the threshold voltage being lowered too much. It has been found that if the TaN layer is formed to a thickness of about 0.5 nm, it is possible to suppress the disadvantage that the off-leakage current becomes too large by increasing the threshold voltage by about 0.3V.
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and further includes all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims for patent.
たとえば、上記実施形態では、本発明による半導体装置の一例としてのCMOSを例にとって説明したが、本発明はこれに限らず、CMOS以外の半導体装置にも本発明を適用することができる。
また、上記実施形態では、CMOSを構成するnチャネルMOSトランジスタのゲート電極のポリシリコン層をn型にするとともに、pチャネルMOSトランジスタのゲート電極のポリシリコン層をp型にした例について説明したが、本発明はこれに限らず、CMOSを構成するnチャネルMOSトランジスタおよびpチャネルMOSトランジスタのそれぞれのゲート電極のポリシリコン層が同一の導電型であってもよい。
For example, in the above embodiment, the CMOS as an example of the semiconductor device according to the present invention has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to semiconductor devices other than the CMOS.
In the above embodiment, an example in which the polysilicon layer of the gate electrode of the n-channel MOS transistor constituting the CMOS is n-type and the polysilicon layer of the gate electrode of the p-channel MOS transistor is p-type has been described. The present invention is not limited to this, and the polysilicon layers of the gate electrodes of the n-channel MOS transistor and the p-channel MOS transistor constituting the CMOS may be of the same conductivity type.
また、上記実施形態では、ゲート電極の金属層をドット状に形成したが、本発明はこれに限らず、ゲート電極の金属層をドット状以外の形状に形成してもよい。また、ゲート電極の金属層をゲート絶縁膜の全面上に形成される連続した膜により形成してもよい。
また、上記実施形態では、CVD法を用いて、ゲート絶縁膜上に金属層を形成した後、熱処理により金属層を凝集させることによって、金属層をドット状に形成したが、本発明はこれに限らず、上記以外の種々の方法を用いて金属層をドット状に形成してもよい。たとえば、CVD法によりゲート絶縁膜上に金属層を形成した状態で既に金属層がドット状に形成されるようにCVD法による形成条件を制御することにより、熱処理を行うことなく、金属層をドット状に形成してもよい。
また、上記実施形態では、CVD法によりゲート電極の金属層を形成した後、CVD法によりアモルファスシリコン層を堆積する工程や、ソース/ドレイン領域およびアモルファスシリコン層に導入した不純物を活性化するための熱処理工程や、その他の工程において与えられる熱を利用して、金属層をドット状に凝集させたが、本発明はこれに限らず、CVD法によりゲート絶縁膜上に金属層を形成した後、引き続いて熱処理を行うことにより、金属層をドット状に凝集させてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the metal layer of the gate electrode was formed in dot shape, this invention is not limited to this, You may form the metal layer of a gate electrode in shapes other than a dot shape. Further, the metal layer of the gate electrode may be formed by a continuous film formed on the entire surface of the gate insulating film.
Moreover, in the said embodiment, after forming a metal layer on a gate insulating film using CVD method, the metal layer was formed in the shape of a dot by aggregating a metal layer by heat processing, but this invention does this. However, the metal layer may be formed in a dot shape using various methods other than those described above. For example, by controlling the formation conditions by the CVD method so that the metal layer is already formed in a dot shape in the state where the metal layer is formed on the gate insulating film by the CVD method, the metal layer can be doted without performing heat treatment. You may form in a shape.
In the above embodiment, after forming the metal layer of the gate electrode by the CVD method, the step of depositing the amorphous silicon layer by the CVD method, or for activating impurities introduced into the source / drain regions and the amorphous silicon layer The heat treatment step and heat applied in other steps were used to agglomerate the metal layer in the form of dots, but the present invention is not limited to this, after forming the metal layer on the gate insulating film by the CVD method, By subsequently performing a heat treatment, the metal layer may be aggregated into dots.
また、上記実施形態では、ゲート電極の金属層をTaNによって形成したが、本発明はこれに限らず、ゲート電極の金属層をTaN以外の材料によって形成してもよい。たとえば、TiSi、TaSiおよびPtSiなどの金属珪化物、金属窒化物および金属単体などをゲート電極の金属層の材料として用いることができる。 In the above embodiment, the metal layer of the gate electrode is formed of TaN. However, the present invention is not limited to this, and the metal layer of the gate electrode may be formed of a material other than TaN. For example, metal silicides such as TiSi, TaSi, and PtSi, metal nitrides, and simple metals can be used as the material for the metal layer of the gate electrode.
また、上記実施形態では、ゲート絶縁膜を形成する、3.9よりも大きい比誘電率を有する高誘電率絶縁膜としてHfO2膜を用いたが、本発明はこれに限らず、ゲート絶縁膜を形成する高誘電率絶縁膜としてHfO2膜以外の材料からなる絶縁膜を用いてもよい。たとえば、ゲート絶縁膜を形成する高誘電率絶縁膜としてZrO2膜、HfAlO膜、SiN膜、SiON膜、HfSiO膜およびHfNO膜などを用いてもよい。 In the above embodiment, the HfO 2 film is used as the high dielectric constant insulating film having a relative dielectric constant larger than 3.9 for forming the gate insulating film. However, the present invention is not limited to this, and the gate insulating film is not limited thereto. An insulating film made of a material other than the HfO 2 film may be used as the high dielectric constant insulating film for forming the film. For example, a ZrO 2 film, HfAlO film, SiN film, SiON film, HfSiO film, HfNO film, or the like may be used as the high dielectric constant insulating film for forming the gate insulating film.
また、上記実施形態では、SOI基板を用いてCMOSを形成したが、本発明はこれに限らず、SOI基板以外の半導体基板を用いてCMOSを形成してもよい。たとえば、単結晶シリコン基板などを用いてCMOSを形成してもよい。この場合には、図16に示すように、単結晶シリコン基板31の所定領域にp型の不純物を導入することによりpウェル領域32aを形成するとともに、単結晶シリコン基板31の所定領域にn型の不純物を導入することによりnウェル領域32bを形成する。なお、単結晶シリコン基板31のpウェル領域32aおよびnウェル領域32bは、本発明の「半導体領域」の一例である。そして、単結晶シリコン基板31のpウェル領域32aにnチャネルMOSトランジスタ50aを形成するとともに、nウェル領域32bにpチャネルMOSトランジスタ50bを形成する。
Moreover, in the said embodiment, although CMOS was formed using the SOI substrate, this invention is not limited to this, You may form CMOS using semiconductor substrates other than an SOI substrate. For example, a CMOS may be formed using a single crystal silicon substrate or the like. In this case, as shown in FIG. 16, p-type impurity is introduced into a predetermined region of single
また、上記実施形態では、nチャネルMOSトランジスタ50aのゲート電極8aと、pチャネルMOSトランジスタ50bのゲート電極8bとを、プラグ13aおよび13bと、配線17aおよび17bとを介して接続するように構成したが、本発明はこれに限らず、上記以外の種々の構成により、nチャネルMOSトランジスタ50aのゲート電極8aと、pチャネルMOSトランジスタ50bのゲート電極8bとを接続するようにしてもよい。たとえば、サリサイド技術を用いて、nチャネルMOSトランジスタ50aのゲート電極8aのポリシリコン層10aと、pチャネルMOSトランジスタ50bのゲート電極8bのポリシリコン層10bとを接続するTiやCoなどからなる1つの金属層を形成して熱処理することにより、ポリシリコン層10aおよび10b上にシリサイド層を形成するとともに、そのシリサイド層を介して、nチャネルMOSトランジスタ50aのゲート電極8aと、pチャネルMOSトランジスタ50bのゲート電極8bとを接続するようにしてもよい。
In the above embodiment, the
3 単結晶シリコン層(半導体領域)
5a チャネル領域(第1チャネル領域)
5b チャネル領域(第2チャネル領域)
6a ソース/ドレイン領域(第1ソース/ドレイン領域)
6b ソース/ドレイン領域(第2ソース/ドレイン領域)
7a ゲート絶縁膜(第1ゲート絶縁層)
7b ゲート絶縁膜(第2ゲート絶縁層)
8a ゲート電極(第1ゲート電極)
8b ゲート電極(第2ゲート電極)
9a TaN層(第1金属層)
9b TaN層(第2金属層)
10a ポリシリコン層(第1半導体層)
10b ポリシリコン層(第2半導体層)
32a pウェル領域(半導体領域)
32b nウェル領域(半導体領域)
3 Single crystal silicon layer (semiconductor region)
5a channel region (first channel region)
5b channel region (second channel region)
6a Source / drain region (first source / drain region)
6b Source / drain region (second source / drain region)
7a Gate insulating film (first gate insulating layer)
7b Gate insulating film (second gate insulating layer)
8a Gate electrode (first gate electrode)
8b Gate electrode (second gate electrode)
9a TaN layer (first metal layer)
9b TaN layer (second metal layer)
10a Polysilicon layer (first semiconductor layer)
10b Polysilicon layer (second semiconductor layer)
32a p-well region (semiconductor region)
32b n-well region (semiconductor region)
Claims (7)
前記第1チャネル領域上に第1ゲート絶縁層を介して形成された第1ゲート電極と、
前記半導体領域の主表面に第2チャネル領域を挟むように所定の間隔を隔てて形成された一対の第2導電型の第2ソース/ドレイン領域と、
前記第2チャネル領域上に第2ゲート絶縁層を介して形成された第2ゲート電極とを備え、
前記第1ゲート電極は、前記第1ゲート絶縁層上に形成された第1金属層と、前記第1金属層上に形成された第1半導体層とを含み、
前記第2ゲート電極は、前記第2ゲート絶縁層上に形成された第2金属層と、前記第2金属層上に形成された第2半導体層とを含み、
前記第1金属層および前記第2金属層は、同じ層からなる、半導体装置。 A pair of first source / drain regions of the first conductivity type formed at a predetermined interval so as to sandwich the first channel region on the main surface of the semiconductor region;
A first gate electrode formed on the first channel region via a first gate insulating layer;
A pair of second source / drain regions of the second conductivity type formed at a predetermined interval so as to sandwich the second channel region on the main surface of the semiconductor region;
A second gate electrode formed on the second channel region via a second gate insulating layer;
The first gate electrode includes a first metal layer formed on the first gate insulating layer, and a first semiconductor layer formed on the first metal layer,
The second gate electrode includes a second metal layer formed on the second gate insulating layer, and a second semiconductor layer formed on the second metal layer,
The semiconductor device, wherein the first metal layer and the second metal layer are made of the same layer.
前記第1半導体層および前記第2半導体層は、それぞれ、前記第1ゲート絶縁層の前記第1金属層により覆われていない部分および前記第2ゲート絶縁層の前記第2金属層により覆われていない部分に、接触するように形成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。 The first metal layer and the second metal layer are formed so as to partially cover the first gate insulating layer and the second gate insulating layer, respectively.
The first semiconductor layer and the second semiconductor layer are respectively covered with a portion of the first gate insulating layer that is not covered with the first metal layer and with the second metal layer of the second gate insulating layer. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is formed so as to be in contact with a portion that is not present.
前記第2半導体層は、第2導電型の不純物を含有するシリコン層を含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。 The first semiconductor layer includes a silicon layer containing an impurity of a first conductivity type,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second semiconductor layer includes a silicon layer containing an impurity of a second conductivity type.
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