JP2006344836A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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- H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/49—Metal-insulator-semiconductor electrodes, e.g. gates of MOSFET
- H01L29/51—Insulating materials associated therewith
- H01L29/518—Insulating materials associated therewith the insulating material containing nitrogen, e.g. nitride, oxynitride, nitrogen-doped material
Abstract
【解決手段】 CMOS型の半導体装置は、Siからなる基板101の上に順次形成され、HfSiONからなるゲート絶縁膜104A及び全体がニッケルシリサイドからなるゲート電極106Bを有するn型トランジスタと、HfSiONからなるゲート絶縁膜104A及び全体がニッケルシリサイドからなるゲート電極106Dを有するp型トランジスタとを備えている。p側のゲート電極106Cの金属濃度は、n側のゲート電極106Bの金属濃度よりも高くなるように設定されている。
【選択図】 図1
Description
C. Hobbs, L. Fonseca, V. Dhandapani, S. Samavedam, B. Taylor, J. Grant, L. Dip, D. Triyoso, R. Hegde, D. Gilmer, R. Garcia, D. Roan, L. Lovejoy, R. Rai, L. Hebert, H. Tseng, B. White, and P. Tobin, "Fermi level pinning at the polySi/metal oxide interface", Proceedings of the 2003 Symposium on VLSI Technology, (2003),p.9-10. K. Takahashi, K. Manabe, T. Ikarashi, N. Ikarashi, T. Hase, T. Yoshihara, H. Watanabe, T. Tatsumi and Y. Mochizuki, "Dual Workfunction Ni-Silicide/HfSiON Gate Stacks by Phase-Controlled Full-Silicidation (PC-FUSI) Technique for 45nm-node LSTP and LOP Devices",IEDM Tech.Dig.,(2004),p.91-94. C. S. Park, B. J. Cho, L. J. Tang, and D.L. Kwong, "Substituted Aluminum Metal Gate on High-K Dielectric for Low Work-Function and Fermi-Level Pinning Free", IEDM Tech.Dig.,(2004),p.299-302.
本発明の各実施形態に対する比較例として、高誘電体からなるゲート絶縁膜及びポリシリコンの全体がシリサイド化されたフルシリサイドゲート電極を有する従来のMOSFETの製造方法について図6(a)〜図6(f)を参照しながら説明する。
本発明の第1の実施形態に係るCMOS構造を有する半導体装置の製造方法について図1(a)〜図1(h)を参照しながら説明する。
以下、本発明の第2の実施形態に係るCMOS構造を有する半導体装置の製造方法について図2(a)〜図2(j)を参照しながら説明する。図2において、図1と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。また、図2(a)〜図2(d)の工程までは、第1の実施形態と同様である。
以下、本発明の第3の実施形態に係るCMOS構造を有する半導体装置の製造方法について図3(a)〜図3(k)を参照しながら説明する。図3において、図1と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。また、図3(a)〜図3(c)の工程までは、第1の実施形態と同様である。
以下、本発明の第4の実施形態に係るCMOS構造を有する半導体装置の製造方法について図4(a)〜図4(l)を参照しながら説明する。図4において、図1と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。また、図4(a)〜図4(e)の工程までは、第1の実施形態と同様である。
以下、本発明の第5の実施形態に係るCMOS構造を有する半導体装置の製造方法について図5(a)〜図5(k)を参照しながら説明する。図5において、図1と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。また、図5(a)〜図5(c)の工程までは、第1の実施形態と同様である。
2 p型素子形成領域
101 基板
102 素子分離膜
103A p型ウエル
103B n型ウエル
104 高誘電体膜
104A ゲート絶縁膜
105 緩衝膜
106 ゲート電極形成膜
106a 下部ゲート電極
106A ゲート電極(ポリシリコン)
106B ゲート電極(NiSi)
106C ゲート電極(Ni3Si)
106D ゲート電極(Pt/Ni)
106E ゲート電極(TaSiN)
107 ハードマスク形成膜
107A ハードマスク
108 レジストマスク
110 サイドウォール
111A ソース・ドレイン領域
111B ソース・ドレイン領域
112 層間絶縁膜
113 (第1の)金属膜
113a n側金属膜
113b p側金属膜
113c 厚肉部
113d 薄肉部
114 レジストパターン
115 第1の金属膜
115a メタルゲート形成膜
116 第2の金属膜
117 導体膜
117a メタルゲート形成膜
118 金属膜
123 第2の金属
124 レジストパターン
125 レジストパターン
Claims (28)
- 半導体領域の上に順次形成され、高誘電率材料からなる第1のゲート絶縁膜及び全体が金属によりシリサイド化された第1のゲート電極を有するn型トランジスタと、
前記半導体領域の上に順次形成され、前記高誘電率材料からなる第2のゲート絶縁膜及び全体が前記金属によりシリサイド化された第2のゲート電極を有するp型トランジスタとを備え、
前記金属の仕事関数の値がシリコンの電子のエネルギー準位におけるフェルミレベルよりも大きい場合には、前記第2のゲート電極の金属濃度は、前記第1のゲート電極の金属濃度よりも高く設定され、一方、前記金属の仕事関数の値がシリコンのフェルミレベルよりも小さい場合には、前記第2のゲート電極の金属濃度は、前記第1のゲート電極の金属濃度よりも低く設定されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記フェルミレベルは、4.6eVであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記金属は、ニッケル又は白金を主成分に含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 半導体領域の上に順次形成され、高誘電率材料からなる第1のゲート絶縁膜及び第1のゲート電極を有するn型トランジスタと、
前記半導体領域の上に順次形成され、前記高誘電率材料からなる第2のゲート絶縁膜及び第1の金属を含む導体膜からなる第2のゲート電極を有するp型トランジスタとを備え、
前記第1の金属の仕事関数の値は、シリコンの電子のエネルギー準位におけるフェルミレベルよりも大きいことを特徴とする半導体装置。 - 前記第1のゲート電極は、全体が第2の金属によりシリサイド化されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
- 前記第1のゲート電極は、第2の金属を含む導体膜により構成されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
- 前記第1の金属は、ニッケル又は白金を主成分に含むことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記高誘電率材料は、シリコン、ゲルマニウム、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム及び希土類金属の群から選択された少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1又は4に記載の半導体装置。
- 前記第1のゲート絶縁膜と前記第1のゲート電極の間及び前記第2のゲート絶縁膜と前記第2のゲート電極の間にそれぞれ形成された絶縁体からなる緩衝膜をさらに備えていることを特徴とする請求項1又は4に記載の半導体装置。
- 前記緩衝膜は、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化チタン又は酸化アルミニウムからなることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置。
- 半導体領域の上に、第1のゲート絶縁膜及びシリコンからなる第1のゲート電極を有するn型トランジスタと、第2のゲート絶縁膜及びシリコンからなる第2のゲート電極を有するp型トランジスタとを形成する工程と、
前記第1のゲート電極及び第2のゲート電極の上に、互いに面積が異なる第1の金属膜及び第2の金属膜をそれぞれ選択的に形成する工程と、
前記第1の金属膜及び第2の金属膜が形成された前記第1のゲート電極及び第2のゲート電極に対して熱処理を行なうことにより、前記第1のゲート電極及び第2のゲート電極のそれぞれを全体にシリサイド化する工程とを備え、
前記第1の金属膜及び第2の金属膜を選択的に形成する工程において、前記第2の金属膜を構成する金属の仕事関数の値がシリコンの電子のエネルギー準位におけるフェルミレベルよりも大きい場合には、前記第2の金属膜の面積を前記第1の金属膜の面積よりも大きくし、一方、前記第2の金属膜を構成する金属の仕事関数の値がシリコンのフェルミレベルよりも小さい場合には、前記第2の金属膜の面積を前記第1の金属膜の面積よりも小さくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体領域の上に、第1のゲート絶縁膜及びシリコンからなる第1のゲート電極を有するn型トランジスタと、第2のゲート絶縁膜及びシリコンからなる第2のゲート電極を有するp型トランジスタとを形成する工程と、
前記第1のゲート電極及び第2のゲート電極の上に金属膜を形成する工程と、
前記金属膜が形成された前記第1のゲート電極及び第2のゲート電極に対して熱処理を行なうことにより、前記第1のゲート電極及び第2のゲート電極のそれぞれを全体にシリサイド化する工程とを備え、
前記金属膜を形成する工程において、前記金属膜を構成する金属の仕事関数の値がシリコンの電子のエネルギー準位におけるフェルミレベルよりも大きい場合には、前記金属膜における前記第2のゲート電極の上側部分の厚さを前記第1のゲート電極の上側部分の厚さよりも大きくし、一方、前記金属の仕事関数の値がシリコンのフェルミレベルよりも小さい場合には、前記金属膜における前記第2のゲート電極の上側部分の厚さを前記第1のゲート電極の上側部分の厚さよりも小さくすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記金属膜を形成する工程は、形成された前記金属膜における第1のゲート電極及び第2のゲート電極の上側部分のうちの一方の上部を選択的に除去することにより、前記金属膜の厚さを小さくする工程を含むことを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体領域の上に、第1のゲート絶縁膜及びシリコンからなる第1のゲート電極を有するn型トランジスタと、第2のゲート絶縁膜及びシリコンからなる第2のゲート電極を有するp型トランジスタとを形成する工程と、
前記第1のゲート電極をマスクした後、前記第2のゲート電極の上に第1の金属膜を形成する工程と、
前記第1の金属膜が形成された前記第2のゲート電極に対して熱処理を行なうことにより、前記第2のゲート電極を全体にシリサイド化する工程と、
前記マスクを除去した後、前記第1のゲート電極の上に第2の金属膜を形成する工程と、
前記第2の金属膜が形成された前記第1のゲート電極に対して熱処理を行なうことにより、前記第1のゲート電極を全体にシリサイド化する工程とを備え、
前記第2のゲート電極のシリサイド化工程において、前記第1の金属膜を構成する金属の仕事関数の値がシリコンの電子のエネルギー準位におけるフェルミレベルよりも大きい場合には、シリサイド化された前記第2のゲート電極におけるシリサイドの金属濃度を50%よりも大きくし、一方、前記第1の金属膜を構成する金属の仕事関数の値がシリコンのフェルミレベルよりも小さい場合には、前記第2のゲート電極におけるシリサイドの金属濃度を50%以下とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体領域の上に、第1のゲート絶縁膜及びシリコンからなる第1のゲート電極を有するn型トランジスタと、第2のゲート絶縁膜及びシリコンからなる第2のゲート電極を有するp型トランジスタとを形成する工程と、
前記n型トランジスタ及びp型トランジスタのうちの一方に対してゲート電極を選択的に除去する工程と、
前記ゲート電極が除去されたトランジスタに対して、第1の金属を含む導体膜からなる第3のゲート電極を選択的に形成する工程と、
前記n型トランジスタ及びp型トランジスタのうちの他方におけるゲート電極の上に第2の金属からなる金属膜を形成する工程と、
前記金属膜が形成されたゲート電極に対して熱処理を行なうことにより、前記他方のトランジスタのゲート電極を全体にシリサイド化する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体領域の上に、第1のゲート絶縁膜及びシリコンからなる第1のゲート電極を有するn型トランジスタと、第2のゲート絶縁膜及びシリコンからなる第2のゲート電極を有するp型トランジスタとを形成する工程と、
前記p型トランジスタに対して前記第2のゲート電極を選択的に除去する工程と、
前記第2のゲート電極が除去された前記p型トランジスタに対して、第1の金属を含む第1の導体膜からなる第3のゲート電極を選択的に形成する工程と、
前記n型トランジスタに対して前記第1のゲート電極を選択的に除去する工程と、
前記第1のゲート電極が除去された前記n型トランジスタに対して、第2の金属を含む第2の導体膜からなる第4のゲート電極を選択的に形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1の金属膜及び第2の金属膜は、ニッケル又は白金を主成分に含むことを特徴とする請求項11又は14に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記金属膜は、ニッケル又は白金を主成分に含むことを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の金属又は第2の金属は、ニッケル又は白金を主成分に含むことを特徴とする請求項15又は16に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1のゲート電極の膜厚に対する前記第1の金属膜の膜厚の比の値は1以下であり、前記第2のゲート電極の膜厚に対する前記第2の金属膜の膜厚の比の値は2以上であることを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1のゲート電極の膜厚に対する前記金属膜における前記第1のゲート電極の上側部分の膜厚の比の値は1以下であり、前記第2のゲート電極の膜厚に対する前記金属膜における前記第2のゲート電極の上側部分の膜厚の比の値は2以上であることを特徴とする請求項12又は13に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記n型トランジスタ及びp型トランジスタのうち、前記金属膜が形成されたゲート電極の膜厚に対する前記金属膜の膜厚の比の値は1以下であることを特徴とする請求項15に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1のゲート電極におけるシリサイドの組成は、前記第2のゲート電極におけるシリサイドの組成と比べて、シリコン濃度が大きいことを特徴とする請求項11〜14のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1のゲート絶縁膜及び第2のゲート絶縁膜は、高誘電率材料からなることを特徴とする請求項11〜23に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記高誘電率材料は、シリコン、ゲルマニウム、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム及び希土類金属の群から選択された少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項24に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記n型トランジスタ及びp型トランジスタと形成する工程において、前記第1のゲート絶縁膜と前記第1のゲート電極の間及び前記第2のゲート絶縁膜と前記第2のゲート電極の間に、それぞれ絶縁体からなる緩衝膜を形成することを特徴とする請求項24又は25に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記緩衝膜は、窒化シリコン、酸化シリコン、酸化チタン又は酸化アルミニウムからなることを特徴とする請求項26に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記n型トランジスタ及びp型トランジスタと形成する工程は、前記緩衝膜を形成する前に、前記高誘電率材料からなる第1のゲート絶縁膜及び前記高誘電率材料からなる第2のゲート絶縁膜に対して熱処理を施すこと工程を含むことを特徴とする請求項26に記載の半導体装置の製造方法。
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