JP2007324390A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device and the manufacturing method of the same having a CMOS (complementary metal oxide semiconductor) transistor whose threshold voltage is reduced and controlled, as a work function is controlled in either one of a p-type or an n-type MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor). <P>SOLUTION: The semiconductor device 100 includes a semiconductor substrate 101, a first gate electrode 131 formed on the n-type MOSFET in the semiconductor substrate 101, and a second gate electrode 132 formed on the p-type MOSFET in the semiconductor substrate 101. The first gate electrode 131 comprises a silicon layer 107, and a first metal silicide layer 118 formed on the silicon layer 107 and the second gate electrode 132 comprises a second metal silicide layer 119 with excessive metal. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、金属シリサイドゲートを有する電界効果トランジスタである半導体装置及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device which is a field effect transistor having a metal silicide gate, and a method for manufacturing the same.

近年の半導体装置の高集積化及び高速化に関する技術進展に従って、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Feild Effect Transistor )の微細化が進行している。これに伴ってゲート絶縁膜が薄膜化すると、トンネル電流によるゲートリーク電流の増大が顕在化してくる。   2. Description of the Related Art In accordance with recent technological progress related to higher integration and higher speed of semiconductor devices, MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Feild Effect Transistors) have been miniaturized. Along with this, when the gate insulating film becomes thinner, an increase in the gate leakage current due to the tunnel current becomes obvious.

この問題を抑制するために、ゲート絶縁膜を形成する材料として、HfO2 又はZrO2 等の金属酸化物である高誘電率材料を用いることが研究されている(例えば非特許文献1を参照)。このようにすると、SiO2 換算膜厚を薄くすると共に、物理的な実際の膜厚については厚くすることができ、その結果としてリーク電流の増大を抑制することができる。 In order to suppress this problem, the use of a high dielectric constant material that is a metal oxide such as HfO 2 or ZrO 2 has been studied as a material for forming a gate insulating film (see, for example, Non-Patent Document 1). . In this way, the equivalent SiO 2 film thickness can be reduced and the actual physical film thickness can be increased, and as a result, an increase in leakage current can be suppressed.

その一方、電極材料として、従来のドープドシリコンに代えて、金属又は金属シリサイドが用いられ始めている。これは、ドープドシリコン電極(不純物のドープされたシリコン電極)の場合、電極空乏化による容量の低下が発生するのに対し、金属電極又は金属シリサイド電極の場合にはこのような容量低下を回避することができるためである。結果として、実効的なゲート絶縁膜を更に薄膜化することが可能である。   On the other hand, metals or metal silicides have begun to be used as electrode materials in place of conventional doped silicon. This is because, in the case of a doped silicon electrode (a silicon electrode doped with impurities), the capacity is reduced due to electrode depletion, whereas in the case of a metal electrode or a metal silicide electrode, such capacity reduction is avoided. This is because it can be done. As a result, the effective gate insulating film can be further thinned.

また、高誘電率材料からなるゲート絶縁膜をシリコン電極と共に用いる場合、シリコン電極とゲート絶縁膜との界面において形成されるシリコンと金属との結合に起因して、リーク電流が増大する。また、フェルミレベルピンニングによるトランジスタ閾値の制御困難性が生じる。しかし、これらについては、シリコン電極に代えて金属電極を用いることによって回避可能である。   In addition, when a gate insulating film made of a high dielectric constant material is used together with a silicon electrode, leakage current increases due to the bond between silicon and metal formed at the interface between the silicon electrode and the gate insulating film. In addition, it is difficult to control the transistor threshold due to Fermi level pinning. However, these can be avoided by using metal electrodes instead of silicon electrodes.

次に、半導体装置の製造方法の観点から電極材料の選択について考える。   Next, selection of an electrode material will be considered from the viewpoint of a semiconductor device manufacturing method.

従来のシリコン電極の場合、CMOSFETにおけるn型及びp型のMOSFETは、レジストカバーを用いてイオン注入種を切り替えることにより容易に形成することができた。しかし、金属電極の場合、材料自体の仕事関数によって導電型が決まってしまうため、n型及びp型のMOSFETを形成するためには、それぞれに異種の材料を用いなければならない。このため、シリコン電極に比べると金属電極の形成プロセスはより複雑である。   In the case of the conventional silicon electrode, the n-type and p-type MOSFETs in the CMOSFET could be easily formed by switching the ion implantation species using a resist cover. However, in the case of a metal electrode, since the conductivity type is determined by the work function of the material itself, different materials must be used for forming n-type and p-type MOSFETs. For this reason, the formation process of a metal electrode is more complicated compared with a silicon electrode.

これに対し、金属シリサイド電極は、シリコン電極を形成した後、その上に金属を堆積して熱処理することによって形成するため、製造工程が金属電極に比べると簡便であるというメリットがある(例えば、非特許文献2を参照)。   On the other hand, since the metal silicide electrode is formed by depositing a metal on the silicon electrode and then heat-treating it, there is an advantage that the manufacturing process is simpler than the metal electrode (for example, (Refer nonpatent literature 2).

ここで、金属シリサイドもまた固有の仕事関数を有する。このため、金属シリサイド電極を有するn型及びp型のMOSFETを形成する場合、適切な閾値を得るための材料選択をする必要がある。   Here, the metal silicide also has an inherent work function. Therefore, when forming n-type and p-type MOSFETs having metal silicide electrodes, it is necessary to select a material for obtaining an appropriate threshold value.

一つの具体例としてニッケルシリサイドを考えると、ニッケルシリサイドの仕事関数はシリコンのバンドギャップに対し中間位置(ミッドギャップ)に対応する。このため、一般にn型及びp型のいずれにおいてもドープドシリコン電極の場合に比べて閾値電圧が上昇する。   When nickel silicide is considered as one specific example, the work function of nickel silicide corresponds to an intermediate position (mid gap) with respect to the band gap of silicon. For this reason, the threshold voltage generally increases in both n-type and p-type as compared with the case of the doped silicon electrode.

このような閾値電圧の上昇は、基板のチャネル部分に対して逆極性のドーパントを注入することにより低下させることができる。しかし、このようにチャネルに対してドーピングを行なうと、キャリアの移動度が劣化すると共に、特にショートチャネル領域の場合に閾値電圧制御がより難しくなる。   Such an increase in threshold voltage can be reduced by implanting a dopant having a reverse polarity to the channel portion of the substrate. However, when doping is performed on the channel in this way, carrier mobility is deteriorated, and threshold voltage control becomes more difficult particularly in the case of a short channel region.

これに関しても、ゲート絶縁膜がシリコン酸化膜の場合には、シリサイド化前のシリコン電極にイオン注入を行ない、イオン種とドーズ量を制御することによって、ある程度の閾値電圧制御は可能である(例えば、非特許文献3を参照)。   Also in this regard, when the gate insulating film is a silicon oxide film, a certain threshold voltage can be controlled by performing ion implantation on the silicon electrode before silicidation and controlling the ion species and dose (for example, , See Non-Patent Document 3).

しかし、ゲート絶縁膜が金属酸化膜である場合には、シリコン酸化膜である場合とは異なり、シリサイド化前のシリコン電極へのイオン注入は効果が少ないと報告されている(同じく非特許文献3を参照)。これは、金属酸化膜が例えばハフニウム酸化膜である場合、ハフニウムとシリコンとの結合により形成される電気的な準位がシリコンの伝導帯近傍に固定されるためである。フェルミレベルピンニング効果と呼ばれるこの現象により、シリコン電極電極に対するドーピングの効果は小さなものとなっている。更に、p型MOSFETについては、閾値の上昇がより大きく、0.5V程度以下には下がらない。   However, when the gate insulating film is a metal oxide film, it is reported that ion implantation into the silicon electrode before silicidation is less effective than when the gate oxide film is a silicon oxide film (also Non-Patent Document 3). See). This is because when the metal oxide film is, for example, a hafnium oxide film, the electrical level formed by the bond between hafnium and silicon is fixed in the vicinity of the conduction band of silicon. Due to this phenomenon called the Fermi level pinning effect, the doping effect on the silicon electrode is small. Further, for the p-type MOSFET, the increase in threshold is larger and does not decrease below about 0.5V.

非特許文献4には、閾値電圧を変える方法として、金属シリサイドの金属組成及び結晶相を調整することにより金属シリサイドの仕事関数を変えることが提案されている。   Non-Patent Document 4 proposes changing the work function of metal silicide by adjusting the metal composition and crystal phase of metal silicide as a method of changing the threshold voltage.

特に、p型MOSFETの閾値電圧が高いという点に対しては、金属過剰である(金属をシリコンに比べて過剰に含有する)金属シリサイドを用いることにより、仕事関数を増大させて閾値を下げることに成功している。   In particular, for the high threshold voltage of the p-type MOSFET, the work function is increased and the threshold value is lowered by using metal silicide that contains excess metal (containing metal in excess of silicon). Has succeeded.

これに対し、n型MOSFETに対しては、p型MOSFETとは逆に仕事関数を小さくする必要があるため、金属過剰の金属シリサイドを用いることはできない。その上、金属とシリコンとの比が一対一に近い場合であっても金属シリサイドは元来ミッドギャップ材料であり、このことから閾値が高くなる。以上から、空乏化による容量低下というデメリットはあるものの、低閾値化の観点からはn型MOSFETにはシリコン電極を用いることが望ましい。   On the other hand, for n-type MOSFETs, it is necessary to reduce the work function as opposed to p-type MOSFETs, so that metal silicide with excess metal cannot be used. In addition, even when the ratio of metal to silicon is close to 1: 1, metal silicide is originally a midgap material, which raises the threshold. From the above, although there is a demerit of capacity reduction due to depletion, it is desirable to use a silicon electrode for n-type MOSFET from the viewpoint of lowering the threshold.

また、特許文献1及び非特許文献5において、金属シリサイド化を行なう前にシリコン層の膜厚を変更することにより、形成される金属シリサイド層の組成比及び結晶相を設定する製造方法が開示されている。   Further, Patent Document 1 and Non-Patent Document 5 disclose a manufacturing method in which the composition ratio and crystal phase of a metal silicide layer to be formed are set by changing the film thickness of the silicon layer before performing metal silicidation. ing.

つまり、n型MOSFETについては、シリコン層の膜厚を厚くする。これにより、シリコン層がその上に形成された一定膜厚の金属膜と反応してシリサイド化した後にも、上部については金属シリサイド化されているが、下部(ゲート絶縁膜付近)についてはシリサイド化されずシリコンのままであるゲート電極を形成することができる。   That is, for the n-type MOSFET, the thickness of the silicon layer is increased. As a result, even after the silicon layer reacts with the metal film of a certain thickness formed on it and becomes silicide, the upper part is silicided, but the lower part (near the gate insulating film) is silicided. A gate electrode that is not silicon can be formed.

この一方で、p型MOSFETについては、シリコン膜厚を薄くする。これにより、シリコン層とその上に形成された金属膜とのシリサイド化反応は、電極の下部(絶縁膜上部界面)にまで達し、p型MOSFETのゲート電極は金属シリサイド電極とすることができる。
特開2005−228868号公報 ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス。89巻、5243ページ、2001年。G.D.Wilkら インターナショナル・エレクトロン・マテリアル・ミーティング、825ページ、2001年。B.Tavelら インターナショナル・エレクトロン・マテリアル・ミーティング、83ページ、2004年。T.Nabatameら エレクトロン・デバイス・レター、27巻、34ページ。J.G.Kittlら インターナショナル・エレクトロン・マテリアル・ミーティング、95ページ、2004年。T.Aoyamaら
On the other hand, the silicon film thickness is reduced for the p-type MOSFET. Thus, the silicidation reaction between the silicon layer and the metal film formed thereon reaches the lower part of the electrode (insulating film upper interface), and the gate electrode of the p-type MOSFET can be a metal silicide electrode.
JP 2005-228868 A Journal of Applied Physics. 89, 5243, 2001. GDWilk et al. International Electron Material Meeting, 825 pages, 2001. B.Tavel et al International Electron Material Meeting, 83 pages, 2004. T.Nabatame et al Electron Device Letter, 27, 34 pages. JGKittl et al. International Electron Material Meeting, 95 pages, 2004. T.Aoyama et al.

しかしながら、従来の半導体装置に関し、次のような課題があった。   However, the conventional semiconductor device has the following problems.

前記に説明したように、p型及びn型のMOSFETのゲート電極を構成する材料としての金属シリサイドに関し、それぞれ組成を制御することが必要である。このような金属シリサイドの組成は、シリサイド化を行なう前のシリコン層の膜厚に大きく依存する。このため、異なるゲート長及び異なるゲート幅を有するデバイスに対しても膜厚が一定となるように制御することが非常に重要である。しかし、シリコン電極の高さの制御は困難であるため、このことの解決が課題の一つとなっている。   As described above, it is necessary to control the composition of the metal silicide as the material constituting the gate electrode of the p-type and n-type MOSFETs. The composition of such metal silicide greatly depends on the thickness of the silicon layer before silicidation. For this reason, it is very important to control the film thickness to be constant even for devices having different gate lengths and different gate widths. However, since it is difficult to control the height of the silicon electrode, solving this problem is one of the problems.

また、金属過剰な金属シリサイドからなる電極を有するp型MOSFETについて、シリコン層がシリサイド化される際に、シリコン層の直下に位置するゲート絶縁膜に欠陥が形成されるという問題がある。つまり、シリコンのシリサイド化反応は、体積膨張を伴うため、ゲート絶縁膜にストレスが加わる。このため、条件によってはゲート絶縁膜にピンホール又は結晶グレイン等が形成され、これらを通じて金属が拡散し、ゲート絶縁膜の下のシリコン基板と反応する可能性がある。このようなことが起きると、ゲート絶縁膜を介して基板にシリサイド化層が形成され、もはやゲート絶縁膜による絶縁性が機能しなくなる。よって、このことの解決も課題の一つである。   In addition, a p-type MOSFET having an electrode made of an excessive metal silicide has a problem that a defect is formed in the gate insulating film located immediately below the silicon layer when the silicon layer is silicided. That is, since the silicidation reaction of silicon is accompanied by volume expansion, stress is applied to the gate insulating film. For this reason, pinholes or crystal grains may be formed in the gate insulating film depending on conditions, and metal may diffuse through these to react with the silicon substrate under the gate insulating film. When this occurs, a silicide layer is formed on the substrate via the gate insulating film, and the insulating property by the gate insulating film no longer functions. Therefore, the solution of this is one of the problems.

この一方、n型MOSFETに関しては、シリコン層の膜厚を厚くして、金属元素がシリコン層とゲート絶縁膜との界面に達しないようにすればよい。しかし、実際のトランジスタ構造を形成する際のようにゲート電極として領域が区切られたシリコン層において、金属元素は、ゲート電極に対応する部分の金属膜だけではなく、ゲート電極に対応する部分の外からも表面拡散によって供給される。この結果、金属元素は過剰に供給される傾向がある。   On the other hand, for the n-type MOSFET, the silicon layer may be thickened so that the metal element does not reach the interface between the silicon layer and the gate insulating film. However, in a silicon layer in which a region is divided as a gate electrode as in the case of forming an actual transistor structure, a metal element is not only a portion of a metal film corresponding to the gate electrode but also a portion outside the portion corresponding to the gate electrode. Is also supplied by surface diffusion. As a result, the metal element tends to be supplied excessively.

この結果、特に実デバイスにおいては異なるゲート長のMOSFETが存在するため、表面拡散によって相対的に多くの金属が供給されることになる短ゲート長のゲート電極において、より金属シリサイドが形成されやすい。金属シリサイドがゲート絶縁膜に達すると、そのようなゲート電極の閾値は大きく変動する。これは、電極の仕事関数がシリコンのものから金属シリサイドのものに置き換わるためである。   As a result, MOSFETs having different gate lengths exist in actual devices, and therefore, metal silicide is more easily formed in a gate electrode having a short gate length in which a relatively large amount of metal is supplied by surface diffusion. When the metal silicide reaches the gate insulating film, the threshold value of such a gate electrode varies greatly. This is because the work function of the electrode is changed from that of silicon to that of metal silicide.

以上に説明したことから、p型MOSFETについてはシリサイド化を行なう前のシリコン層の膜厚を制御する必要があると共に、n型MOSFETについてはシリサイド化を行なった後の金属シリサイド層の膜厚を制御する必要がある。よって、これらを確実に行なうことが課題となっている。   As described above, it is necessary to control the thickness of the silicon layer before silicidation for the p-type MOSFET, and the thickness of the metal silicide layer after silicidation for the n-type MOSFET. Need to control. Therefore, it is a problem to perform these reliably.

以上の課題に鑑みて、本発明の目的は、金属シリサイドゲート電極を有するCMOSFETにおいて、仕事関数が制御されていることによって閾値電圧が低減され且つ制御されたトランジスタ構造を提供することである。また、p型MOSFETにおけるシリサイド化前のシリコン層の膜厚及びn型MOSFETにおけるシリサイド化後の金属シリサイド層の膜厚を共に制御することが可能な半導体装置の製造方法を提供することである。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a transistor structure in which a threshold voltage is reduced and controlled by controlling a work function in a CMOSFET having a metal silicide gate electrode. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of controlling both the thickness of a silicon layer before silicidation in a p-type MOSFET and the thickness of a metal silicide layer after silicidation in an n-type MOSFET.

CMOSFETが有するn型及びp型のMOSFETについて、それぞれ閾値電圧を低減し且つ制御するためには、n型MOSFETにはシリコン電極を用いると共に、p型MOSFETには金属過剰な金属シリサイド電極を用いるという組み合わせが最も望ましいと本願発明者は着想した。   In order to reduce and control the threshold voltage of each of the n-type and p-type MOSFETs of the CMOSFET, a silicon electrode is used for the n-type MOSFET and a metal-excess metal silicide electrode is used for the p-type MOSFET. The inventors have conceived that a combination is most desirable.

そこで、前記の目的を達成するための本発明の半導体装置は、半導体基板と、半導体基板におけるn型MOSFET領域の上に形成された第1のゲート電極と、半導体基板におけるp型MOSFET領域の上に形成された第2のゲート電極とを備え、第1のゲート電極は、シリコン層及びその上に形成された第1の金属シリサイド層を含み、第2のゲート電極は、金属過剰な第2の金属シリサイド層からなる。   Therefore, a semiconductor device of the present invention for achieving the above object includes a semiconductor substrate, a first gate electrode formed on an n-type MOSFET region in the semiconductor substrate, and a p-type MOSFET region in the semiconductor substrate. The first gate electrode includes a silicon layer and a first metal silicide layer formed thereon, and the second gate electrode includes a second metal-excess second electrode. The metal silicide layer.

ここで、金属過剰な金属シリサイドとは、金属元素の割合がシリコンの割合よりも多く、原子%において50%を超える金属シリサイドのことである。   Here, the metal silicide having excess metal is a metal silicide in which the proportion of the metal element is larger than the proportion of silicon and the atomic percent exceeds 50%.

本発明の半導体装置によると、以下に説明するように、n型MOSFET及びp型MOSFETのいずれにおいても、低い閾値電圧を実現することができる。   According to the semiconductor device of the present invention, as described below, a low threshold voltage can be realized in both the n-type MOSFET and the p-type MOSFET.

n型MOSFETが有する第1のゲート電極について、ゲート絶縁膜に接する下部はシリコン層となっているため、低い閾値電圧が実現される。更に、シリコン層の上には第1の金属シリサイド層が積層されている。金属シリサイド層はシリコン層よりも低抵抗であるから、ゲート遅延時間を短縮してデバイス動作を高速化することができる。   With respect to the first gate electrode of the n-type MOSFET, a lower threshold voltage is realized because the lower portion in contact with the gate insulating film is a silicon layer. Further, a first metal silicide layer is stacked on the silicon layer. Since the metal silicide layer has a lower resistance than the silicon layer, the gate delay time can be shortened to increase the device operation speed.

また、p型MOSFETが有する第2のゲート電極については、金属過剰な第2の金属シリサイド層を有するフルシリサイド電極となっているため、p型MOSFETにおいても低い閾値電圧を実現することができる。   In addition, since the second gate electrode of the p-type MOSFET is a full silicide electrode having a second metal silicide layer with excess metal, a low threshold voltage can be realized even in the p-type MOSFET.

尚、第2の金属シリサイド層は、金属が60%以上である組成を有することが好ましい。これにより、p型MOSFETにおける閾値電圧の低減が確実に実現される。   The second metal silicide layer preferably has a composition in which the metal is 60% or more. Thereby, reduction of the threshold voltage in p-type MOSFET is implement | achieved reliably.

また、第1の金属シリサイド層及び第2の金属シリサイド層に含まれる金属は、ニッケル、コバルト、チタン及び白金のうちの少なくとも1つを含むことが好ましい。このような金属を含む金属シリサイドを用いることにより、本発明の半導体装置が具体的に実現できる。   The metal contained in the first metal silicide layer and the second metal silicide layer preferably contains at least one of nickel, cobalt, titanium, and platinum. By using a metal silicide containing such a metal, the semiconductor device of the present invention can be specifically realized.

また、半導体基板と、第1のゲート電極及び第2のゲート電極との間に、それぞれ金属酸化膜であるゲート絶縁膜が設けられていることが好ましい。   In addition, a gate insulating film that is a metal oxide film is preferably provided between the semiconductor substrate and the first gate electrode and the second gate electrode.

それぞれのMOSFETのゲート絶縁膜が金属酸化膜である場合、シリサイド化前にシリコン電極に対してイオン注入することによる閾値電圧の制御は効果が薄い。これに対し、本発明の効果はMOSFETのゲート絶縁膜が金属酸化膜の場合にも顕著に発揮される。但し、ゲート絶縁膜がシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜である場合にも、本発明の半導体装置の効果は機能する。   When the gate insulating film of each MOSFET is a metal oxide film, the control of the threshold voltage by ion implantation into the silicon electrode before silicidation has little effect. On the other hand, the effect of the present invention is remarkably exhibited even when the gate insulating film of the MOSFET is a metal oxide film. However, the effect of the semiconductor device of the present invention also functions when the gate insulating film is a silicon oxide film or a silicon nitride film.

また、金属酸化膜に含まれる金属は、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、ランタン及びアルミニウムのうちの少なくとも1つを含むことが好ましい。本発明の半導体装置におけるゲート絶縁膜として、このような金属の酸化膜を用いることができる。   The metal contained in the metal oxide film preferably contains at least one of hafnium, zirconium, titanium, tantalum, lanthanum, and aluminum. Such a metal oxide film can be used as a gate insulating film in the semiconductor device of the present invention.

また、金属酸化膜は、シリコンを更に含むことが好ましい。   The metal oxide film preferably further contains silicon.

金属酸化膜は、シリコンを含むことにより結晶化温度が高くなり、結晶化されにくくなる。これにより、ゲート電極からゲート絶縁膜を通じてチャネル部分に金属が拡散されるのを抑制することができる。   Since the metal oxide film contains silicon, the crystallization temperature becomes high and the crystallization becomes difficult. Thereby, it is possible to suppress diffusion of metal from the gate electrode to the channel portion through the gate insulating film.

また、ゲート酸化膜と、第1のゲート電極及び第2のゲート電極との間に、それぞれ保護膜が形成されていることが好ましい。このようにすると、シリサイド化を行なう際にゲート絶縁膜に欠陥を誘発するのを防ぐことができ、その結果、欠陥に起因するリーク電流を低減すると共に、製造の歩留りを向上することが出来る。   In addition, it is preferable that a protective film is formed between the gate oxide film and the first gate electrode and the second gate electrode, respectively. In this way, it is possible to prevent a defect from being induced in the gate insulating film when silicidation is performed, and as a result, it is possible to reduce a leakage current caused by the defect and improve a manufacturing yield.

また、第1のゲート電極は、シリコン層と第1の金属シリサイド層との間にバリア層を備えることが好ましい。   The first gate electrode preferably includes a barrier layer between the silicon layer and the first metal silicide layer.

このようにすると、膜厚の制御されたシリコン層が実現するため、n型MOSFETにおける閾値電圧の制御をより確実に行なうことができる。   In this case, a silicon layer with a controlled film thickness is realized, so that the threshold voltage in the n-type MOSFET can be controlled more reliably.

また、バリア層は、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化又はシリコン酸窒化膜であることが好ましい。更に、該シリコン酸化膜は、ウェット処理により形成されたシリコン酸化膜であることが好ましい。   The barrier layer is preferably a silicon oxide film, silicon oxynitride or silicon oxynitride film. Furthermore, the silicon oxide film is preferably a silicon oxide film formed by wet processing.

このようにすると、第1のゲート電極を構成するシリコン層及び第1金属シリサイド層の膜厚を確実に制御するためのバリア層が実現される。   In this way, a barrier layer for surely controlling the film thickness of the silicon layer and the first metal silicide layer constituting the first gate electrode is realized.

また、バリア層の膜厚は、1.0nm以上で且つ1.5nm以下であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the film thickness of a barrier layer is 1.0 nm or more and 1.5 nm or less.

このようにすると、バリア層が十分に厚いため、シリコン層及び第1金属シリサイド層の膜厚を確実に制御することができると共に、バリア層が十分に薄いため、シリコン層と第1金属シリサイド層との電気伝導は、トンネル効果により維持される。   In this case, since the barrier layer is sufficiently thick, the thickness of the silicon layer and the first metal silicide layer can be reliably controlled, and since the barrier layer is sufficiently thin, the silicon layer and the first metal silicide layer Is maintained by the tunnel effect.

次に、前記の目的を達成するため、CMOSFETが有するp型MOSFETにおいて、当初形成するシリコン層の膜厚を確実に制御してより薄くすることにより、金属とシリコンとの比率をより金属過剰にすることを本願発明者等は着想した。このとき、シリサイド化のための熱処理を高温且つ長時間にして金属の拡散を促進することによっても金属過剰にすることができると考える。   Next, in order to achieve the above object, in the p-type MOSFET included in the CMOSFET, the thickness of the silicon layer to be initially formed is surely controlled to make it thinner, so that the ratio of metal to silicon becomes more metal-excessive. The inventors of this application have come up with an idea. At this time, it is considered that the metal excess can be achieved also by promoting the diffusion of the metal at a high temperature for a long time for the silicidation.

そこで、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程(a)と、ゲート絶縁膜上に第1の半導体層を形成する工程(b)と、第1の半導体層上にバリア層を形成する工程(c)と、バリア層上に第2の半導体層を形成する工程(d)と、第1の半導体層、バリア層及び第2の半導体層をパターン化することにより、第1のゲート電極及び第2のゲート電極を形成する工程(e)と、第2のゲート電極における第2の半導体層及びバリア層を除去する工程(f)と、第1のゲート電極における第2の半導体層及び第2のゲート電極における第1の半導体層の上に、金属膜を形成する工程(g)と、第1のゲート電極における第2の半導体層及び第2のゲート電極における第1の半導体層を、それぞれ金属膜との反応によりシリサイド化させる工程(h)とを含む。   Therefore, the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step (a) of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step (b) of forming a first semiconductor layer on the gate insulating film, A step (c) of forming a barrier layer on the semiconductor layer, a step (d) of forming a second semiconductor layer on the barrier layer, and patterning the first semiconductor layer, the barrier layer, and the second semiconductor layer. A step (e) of forming the first gate electrode and the second gate electrode, a step (f) of removing the second semiconductor layer and the barrier layer in the second gate electrode, A step (g) of forming a metal film on the second semiconductor layer in the gate electrode and the first semiconductor layer in the second gate electrode; and the second semiconductor layer and the second in the first gate electrode The first semiconductor layer in the gate electrode is formed with a metal film and The reaction and a step of silicidation (h) by.

本発明の半導体装置の製造方法によると、第1のゲート電極を有するn型MOSFET及び第2のゲート電極を有するp型MOSFETのいずれにおいても、閾値電圧が低減される。それぞれ、理由を以下に説明する。   According to the semiconductor device manufacturing method of the present invention, the threshold voltage is reduced in both the n-type MOSFET having the first gate electrode and the p-type MOSFET having the second gate electrode. The reasons will be explained below.

まず、第1のゲート電極について、工程(h)においてシリサイド化を行なう際、バリア層が形成されているため、該バリア層の下に位置する第1の半導体層がシリサイド化されることは防がれている。つまり、第2の半導体層だけがシリサイド化される。この結果、第1のゲート電極において、第1の半導体層及びその上に形成される金属シリサイド層は、いずれも膜厚を確実に制御することができる。言い換えると、膜厚のバラツキを低減すると共に、望みの膜厚を確実に得ることができる。   First, since the barrier layer is formed when siliciding the first gate electrode in the step (h), the first semiconductor layer located under the barrier layer is prevented from being silicided. It is peeling. That is, only the second semiconductor layer is silicided. As a result, in the first gate electrode, the thickness of both the first semiconductor layer and the metal silicide layer formed thereon can be reliably controlled. In other words, the variation in film thickness can be reduced and the desired film thickness can be reliably obtained.

このため、金属シリサイド層が厚くなってゲート絶縁膜に達することが防止されており、n型MOSFETにおける閾値電圧の制御が実現している。   For this reason, it is prevented that the metal silicide layer becomes thick and reaches the gate insulating film, and control of the threshold voltage in the n-type MOSFET is realized.

次に、第2のゲート電極について説明する。第2の半導体層とバリア層とを異なる材料によって形成するようにすると、工程(f)において、エッチング等の第2の半導体層を除去する作業をバリア層によって止めることができる。更に、第1の半導体層が削られることを避けながらバリア層を除去することも可能である。このため、第2のゲート電極における第1の半導体層の膜厚を容易に制御することができる。言い換えると、小さなバラツキで所定の膜厚を確実に得ることができる。   Next, the second gate electrode will be described. When the second semiconductor layer and the barrier layer are formed of different materials, the step of removing the second semiconductor layer such as etching can be stopped by the barrier layer in the step (f). Furthermore, it is possible to remove the barrier layer while avoiding that the first semiconductor layer is shaved. For this reason, the film thickness of the first semiconductor layer in the second gate electrode can be easily controlled. In other words, a predetermined film thickness can be reliably obtained with small variations.

この結果、工程(g)及び(h)を経て第2のゲート電極における第1の半導体層がシリサイド化された際の組成を制御することができる。このことから、p型MOSFETにおける閾値電圧の低減及び制御が実現する。   As a result, the composition when the first semiconductor layer in the second gate electrode is silicided through steps (g) and (h) can be controlled. This realizes reduction and control of the threshold voltage in the p-type MOSFET.

以上のように、第1の半導体層と第2の半導体層との間に形成したバリア層を、第1のゲート電極においてはシリサイド化の進行を制御するために用いると共に、第2のゲート電極においてはシリサイド化するための半導体層の膜厚を制御するために用いる。このようにして製造された半導体装置において、前記のように、n型MOSFET及びp型MOSFETのいずれに関しても閾値電圧が低減且つ制御される。   As described above, the barrier layer formed between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer is used for controlling the progress of silicidation in the first gate electrode, and the second gate electrode. Is used to control the film thickness of the semiconductor layer for silicidation. In the semiconductor device manufactured in this way, as described above, the threshold voltage is reduced and controlled for both the n-type MOSFET and the p-type MOSFET.

尚、工程(d)の後で且つ工程(e)の前に、第2の半導体層上にハードマスクを形成する工程を更に備え、工程(e)において、ハードマスクを用いたエッチングにより第1のゲート電極及び第2のゲート電極を形成することが好ましい。   Note that a step of forming a hard mask on the second semiconductor layer is further provided after the step (d) and before the step (e). In the step (e), the first is performed by etching using the hard mask. The gate electrode and the second gate electrode are preferably formed.

また、工程(e)の後で且つ工程(f)の前に、半導体基板上に、第1のゲート電極及び第2のゲート電極の上面が露出するように層間絶縁膜を形成する工程を更に備えることが好ましい。   Further, after the step (e) and before the step (f), a step of further forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate so that the upper surfaces of the first gate electrode and the second gate electrode are exposed. It is preferable to provide.

これらの工程により、半導体装置の製造をより確実且つ具体的に実現することができる。   Through these steps, the manufacture of the semiconductor device can be realized more reliably and specifically.

また、第1の半導体層及び第2の半導体層にイオン注入を行なう工程を更に備えることが好ましい。これにより、第1及び第2のゲート電極について、導電型の制御等が可能である。   In addition, it is preferable to further include a step of performing ion implantation into the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Thereby, the conductivity type of the first and second gate electrodes can be controlled.

また、工程(e)の後で且つ工程(f)の前に、第1のゲート電極及び第2のゲート電極の側面にサイドウォールを形成する工程を更に含むことが好ましい。   It is preferable that the method further includes a step of forming sidewalls on the side surfaces of the first gate electrode and the second gate electrode after the step (e) and before the step (f).

また、工程(a)の前に、半導体基板における第1のゲート電極を形成する領域にp型ウェルを形成する工程を更に含むことが好ましい。   In addition, it is preferable that the method further includes a step of forming a p-type well in a region of the semiconductor substrate where the first gate electrode is formed before the step (a).

また、工程(a)の前に、半導体基板における第2のゲート電極を形成する領域にn型ウェルを形成する工程を更に含むことが好ましい。   In addition, it is preferable that the method further includes a step of forming an n-type well in the region where the second gate electrode is formed in the semiconductor substrate before the step (a).

また、工程(a)の前に、半導体基板に素子分離領域を形成することが好ましい。   Moreover, it is preferable to form an element isolation region in the semiconductor substrate before the step (a).

これらの工程により、それぞれの構成要素を備えた半導体装置を製造することができる。   Through these steps, a semiconductor device having each component can be manufactured.

本発明の半導体装置及びその製造方法によると、n型及びp型のMOSFETにおいて、金属シリサイド層の膜厚及び組成の制御が可能であるため、それぞれのMOSFETの閾値電圧を低減することができる。また、同時に閾値電圧のバラツキ低減が可能であるため、デバイス特性の安定化及び製造歩留りの向上も実現する。   According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof of the present invention, in the n-type and p-type MOSFETs, the thickness and composition of the metal silicide layer can be controlled, so that the threshold voltage of each MOSFET can be reduced. At the same time, variations in threshold voltage can be reduced, so that device characteristics can be stabilized and manufacturing yield can be improved.

ここで、p型MOSFETのゲート電極を構成する金属シリサイド組成は、金属過剰であるため、高誘電率体膜をゲート絶縁膜として用いる場合にも閾値電圧を低減することができる。   Here, since the metal silicide composition constituting the gate electrode of the p-type MOSFET is excessive in metal, the threshold voltage can be reduced even when a high dielectric constant film is used as the gate insulating film.

以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置及び製造方法について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

まず、図1は、本発明の一実施形態の半導体装置100を模式的に示すものである。図1に示されるように、半導体装置100は、半導体基板としてシリコン基板101を用いて形成されている。シリコン基板101の表面は、素子分離102によって区画されている。ここではトレンチ型の素子分離102を用いているが、この他に、例えばLOCOS分離技術を用いても良い。   First, FIG. 1 schematically shows a semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the semiconductor device 100 is formed using a silicon substrate 101 as a semiconductor substrate. The surface of the silicon substrate 101 is partitioned by element isolation 102. Although the trench type element isolation 102 is used here, for example, a LOCOS isolation technique may be used.

素子分離102によって区画されたシリコン基板101には、ボロンがイオン注入されたp型ウェル103と、ヒ素又はリンがイオン注入されたn型ウェル104とが形成されている。更に、p型ウェル103及びn型ウェル104の上に、ゲート絶縁膜として、ハフニウム酸化膜であるゲート酸化膜105が形成されていると共に、その上には、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜等からなる保護膜106が形成されている。つまり、ゲート酸化膜105及び保護膜106が共にゲート絶縁膜として機能する。   A p-type well 103 into which boron is ion-implanted and an n-type well 104 into which arsenic or phosphorus is ion-implanted are formed on the silicon substrate 101 partitioned by the element isolation. Further, a gate oxide film 105, which is a hafnium oxide film, is formed as a gate insulating film on the p-type well 103 and the n-type well 104, and a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like is formed thereon. A protective film 106 is formed. That is, both the gate oxide film 105 and the protective film 106 function as a gate insulating film.

また、p型ウェル103上において、保護膜106の上に半導体層である第1のシリコン層107が形成され、その上にシリコン酸化膜等からなるバリア層108が形成されている。更に、バリア層108上には、第1の金属シリサイド層118が形成されている。ここで、第1のシリコン層107、バリア層108及び第1の金属シリサイド層118により第1のゲート電極131が構成され、n型MOSFETのゲート電極となっている。   On the p-type well 103, a first silicon layer 107 as a semiconductor layer is formed on the protective film 106, and a barrier layer 108 made of a silicon oxide film or the like is formed thereon. Further, a first metal silicide layer 118 is formed on the barrier layer 108. Here, the first gate layer 131 is constituted by the first silicon layer 107, the barrier layer 108, and the first metal silicide layer 118, and serves as the gate electrode of the n-type MOSFET.

また、n型ウェル104上において、保護膜106の上には、金属を過剰に含有する第2の金属シリサイド層119が形成され、これがフルシリサイド電極である第2のゲート電極132として、p型MOSFETのゲート電極になっている。   In addition, on the n-type well 104, a second metal silicide layer 119 containing excessive metal is formed on the protective film 106, and this serves as a p-type as the second gate electrode 132 which is a full silicide electrode. This is the gate electrode of the MOSFET.

尚、第1の金属シリサイド層118は、例えばNiSi、つまり、Ni原子1に対してSi原子1の割合でそれぞれの原子を含むシリサイドにより構成される。また、第2の金属シリサイド層119は、例えばNi3 Si、つまり、Ni原子3に対してSi原子1の割合でそれぞれの原子を含むシリサイドにより構成される。 Note that the first metal silicide layer 118 is made of, for example, NiSi, that is, a silicide containing each atom at a ratio of 1 Si atom to 1 Ni atom. The second metal silicide layer 119 is made of, for example, Ni 3 Si, that is, a silicide containing each atom at a ratio of 1 Si atom to 3 Ni atoms.

また、第1のゲート電極131及び第2のゲート電極132の側面を覆うように、サイドウォール112が形成されている。また、p型ウェル103及びn型ウェル104において、第1のゲート電極131及び第2のゲート電極132の両側の領域にそれぞれエクステンション領域111が形成され、更にその外側にはソース・ドレイン領域113(ソース領域とドレイン領域とを合わせてこのように呼ぶことにする)が形成されている。   A sidewall 112 is formed so as to cover the side surfaces of the first gate electrode 131 and the second gate electrode 132. Further, in the p-type well 103 and the n-type well 104, extension regions 111 are formed in regions on both sides of the first gate electrode 131 and the second gate electrode 132, respectively, and further outside the source / drain regions 113 ( The source region and the drain region are collectively referred to as above).

このように、ソース・ドレイン領域113と、ゲート酸化膜105及び保護膜106と、第1のゲート電極131により、n型MOSFETが構成されていると共に、ソース・ドレイン領域113と、ゲート酸化膜105及び保護膜106と、第2のゲート電極132により、p型MOSFETが構成されている。   Thus, the source / drain region 113, the gate oxide film 105 and the protective film 106, and the first gate electrode 131 constitute an n-type MOSFET, and the source / drain region 113, the gate oxide film 105. The protective film 106 and the second gate electrode 132 constitute a p-type MOSFET.

また、ソース・ドレイン領域113上にはシリサイド化層114が形成されている。更に、シリコン基板101上に、第1の層間絶縁膜115及びその上に積層される第2の層間絶縁膜120が形成され、前記のn型MOSFET及びp型MOSFET等が覆われている。第1の層間絶縁膜115及び第2の層間絶縁膜120にはコンタクトプラグ121が形成され、ソース・ドレイン領域113、第1のゲート電極131及び第2のゲート電極132に対する電気的な接続が行なわれている。   A silicide layer 114 is formed on the source / drain region 113. Further, a first interlayer insulating film 115 and a second interlayer insulating film 120 laminated thereon are formed on the silicon substrate 101, and the n-type MOSFET and the p-type MOSFET are covered. Contact plugs 121 are formed in the first interlayer insulating film 115 and the second interlayer insulating film 120, and electrical connection to the source / drain regions 113, the first gate electrode 131, and the second gate electrode 132 is performed. It is.

以上に説明したように、p型ウェル103上に構成されるn型MOSFETのゲート電極である第1のゲート電極131は、第1のシリコン層107上に第1の金属シリサイド層118が積層された構造である。後に説明するが、バリア層108により、第1のシリコン層107及び第1の金属シリサイド層118の膜厚が制御されており、金属シリサイド層118の膜厚が大きくなって保護膜106に達するようなことは防がれている。この結果、n型MOSFETの閾値電圧の低減及び制御が実現している。   As described above, in the first gate electrode 131 which is the gate electrode of the n-type MOSFET formed on the p-type well 103, the first metal silicide layer 118 is stacked on the first silicon layer 107. Structure. As will be described later, the thicknesses of the first silicon layer 107 and the first metal silicide layer 118 are controlled by the barrier layer 108 so that the thickness of the metal silicide layer 118 increases and reaches the protective film 106. This is prevented. As a result, reduction and control of the threshold voltage of the n-type MOSFET are realized.

また、n型ウェル104上に構成されるp型MOSFETのゲート電極である第2のゲート電極132は、金属過剰な組成に制御された第2の金属シリサイド層119からなっている。これにより、p型MOSFETの閾値電圧についても、低減及び制御が実現されている。   The second gate electrode 132 that is the gate electrode of the p-type MOSFET formed on the n-type well 104 is composed of the second metal silicide layer 119 controlled to have an excessive metal composition. Thereby, the reduction and control of the threshold voltage of the p-type MOSFET are also realized.

尚、保護膜106は、第2の金属シリサイド層119を形成する際等に、金属元素がゲート酸化膜105に拡散するのを防止するために設けられている。シリサイド化に用いるニッケル等の金属がゲート酸化膜105に拡散した場合、該金属がゲート酸化膜105下のシリコン基板101と反応して金属シリサイドが形成されることがある。このようなことが起こると、ゲート酸化膜105は絶縁膜として機能しなくなる。そこで、ゲート酸化膜105に対する金属元素の拡散を防止するため、ゲート酸化膜105上に保護膜106が形成されている。   The protective film 106 is provided to prevent the metal element from diffusing into the gate oxide film 105 when the second metal silicide layer 119 is formed. When a metal such as nickel used for silicidation diffuses into the gate oxide film 105, the metal may react with the silicon substrate 101 under the gate oxide film 105 to form a metal silicide. When this occurs, the gate oxide film 105 does not function as an insulating film. Therefore, a protective film 106 is formed on the gate oxide film 105 in order to prevent diffusion of the metal element into the gate oxide film 105.

ここで、上に説明したゲート酸化膜105に対する金属元素の拡散は、ゲート酸化膜105中において結晶化が発生し、グレインバウンダリー(結晶境界)を形成しやすい場合に特に問題となる。具体的には、ゲート酸化膜105を金属酸化膜によって形成した場合に問題になりやすい。そのため、ハウニウム酸化膜を用いている本実施形態の場合には保護膜106を設けることが望ましい。   Here, the diffusion of the metal element with respect to the gate oxide film 105 described above becomes a problem particularly when crystallization occurs in the gate oxide film 105 and a grain boundary (crystal boundary) is easily formed. Specifically, a problem easily occurs when the gate oxide film 105 is formed of a metal oxide film. For this reason, it is desirable to provide the protective film 106 in the case of this embodiment using the haonium oxide film.

これに対し、ゲート酸化膜105が金属酸化膜ではない場合、具体的には、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜を用いている場合、更に、ハウニウム組成が50%以下であるハウニウムシリケートを用いている場合には、保護膜106は不要である。シリコンを含むゲート絶縁膜は、結晶化温度が高いために結晶化されにくく、グレインバウンダリーも形成されにくいためである。   On the other hand, when the gate oxide film 105 is not a metal oxide film, specifically, when a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film is used, the hownium composition further has a haonium composition of 50% or less. The protective film 106 is not necessary when using nium silicate. This is because a gate insulating film containing silicon is not easily crystallized because of a high crystallization temperature, and a grain boundary is also difficult to be formed.

次に、半導体装置100の製造工程について説明する。図2(a)〜(d)、図3(a)〜(d)、図4(a)〜(d)、図5(a)〜(d)及び図6(a)〜(c)は、半導体装置100の製造方法を説明するための図である。   Next, the manufacturing process of the semiconductor device 100 will be described. 2 (a)-(d), 3 (a)-(d), 4 (a)-(d), 5 (a)-(d) and 6 (a)-(c). FIG. 6 is a diagram for explaining a method for manufacturing the semiconductor device 100.

まず、図2(a)のように、公知の方法を用いて、シリコン基板101上にトレンチ型の素子分離102を形成する。ここで用いているトレンチ型素子分離の他には、LOCOS分離を用いても良い。また、素子分離102によって区画された領域の一つをn型MOSFETが形成されるnMOS領域A、他の一つをp型MOSFETが形成されるpMOS領域Bとして代表して示す。   First, as shown in FIG. 2A, a trench type element isolation 102 is formed on a silicon substrate 101 using a known method. In addition to the trench type element isolation used here, LOCOS isolation may be used. One of the regions partitioned by the element isolation 102 is representatively shown as an nMOS region A in which an n-type MOSFET is formed, and the other is represented as a pMOS region B in which a p-type MOSFET is formed.

次に、素子分離102によって区画されたシリコン基板101に、イオン注入を行なってp型ウェル103及びn型ウェル104を形成する。このためには、シリコン基板101上にレジストを塗布した後、公知のリソグラフィー技術を用いてnMOS領域Aについてレジストを除去し、該領域にボロンを注入する。これにより、p型ウェル103が形成される。次に、同様にリソグラフィー技術を用いて、pMOS領域Bに対してヒ素又はリンをイオン注入し、n型ウェル104を形成する。図2(b)には、レジスト140を用いてn型ウェル104形成のためのイオン注入を行なっている様子が示されている。この後、レジスト140は除去する。   Next, ion implantation is performed on the silicon substrate 101 partitioned by the element isolation 102 to form the p-type well 103 and the n-type well 104. For this purpose, after applying a resist on the silicon substrate 101, the resist is removed from the nMOS region A using a known lithography technique, and boron is implanted into the region. Thereby, the p-type well 103 is formed. Next, arsenic or phosphorus is ion-implanted into the pMOS region B using the lithography technique in the same manner to form the n-type well 104. FIG. 2B shows a state where ion implantation for forming the n-type well 104 is performed using the resist 140. Thereafter, the resist 140 is removed.

この後、例えば希釈フッ酸水溶液を用いて活性領域における自然酸化膜を除去し、シリコン清浄表面を露出させる。続いて、トランジスタの移動度向上のための界面制御、CVD堆積時の初期層成膜制御及びゲート容量調整等を目的として、シリコン表面を窒化する又はシリコン酸化膜を形成する等をしても良い。   Thereafter, the natural oxide film in the active region is removed using, for example, diluted hydrofluoric acid aqueous solution to expose the silicon clean surface. Subsequently, the silicon surface may be nitrided or a silicon oxide film may be formed for the purpose of interface control for improving the mobility of the transistor, initial layer film formation control during CVD deposition, and gate capacitance adjustment. .

次に、図2(c)に示すように、ゲート酸化膜105と保護膜106とを成膜する。このためには、まず、成膜チャンバーに導入したシリコン基板101に対し、金属原子(Hf)を用いて金属膜を形成した後、該金属膜を酸化する。これにより、金属酸化膜(ハフニウム酸化膜)からなるゲート酸化膜105がシリコン基板101上に形成される。   Next, as shown in FIG. 2C, a gate oxide film 105 and a protective film 106 are formed. For this purpose, first, a metal film is formed on the silicon substrate 101 introduced into the deposition chamber using metal atoms (Hf), and then the metal film is oxidized. As a result, a gate oxide film 105 made of a metal oxide film (hafnium oxide film) is formed on the silicon substrate 101.

尚、金属膜の成膜には、PVD法、例えば直流スパッタ法を用いることができる。この他に、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、レーザー蒸着法又はCVD法等を用いて金属膜を形成しても良い。   Note that a PVD method, for example, a direct current sputtering method can be used for forming the metal film. In addition, the metal film may be formed using a vacuum deposition method, an electron beam deposition method, a laser deposition method, a CVD method, or the like.

また、ゲート酸化膜105としては、ここで用いているハフニウム酸化膜の他に、ハフニウムシリケート膜又は窒化ハフニウムシリケート膜を用いても良いし、他の種類の高誘電率膜を用いても良い。更に、シリコン酸化膜(例えば熱酸化により形成する)又はシリコン酸窒化膜(例えば熱酸窒化により形成する)を用いることも可能であり、絶縁膜であれば良い。   As the gate oxide film 105, a hafnium silicate film or a nitrided hafnium silicate film may be used in addition to the hafnium oxide film used here, or another kind of high dielectric constant film may be used. Further, a silicon oxide film (for example, formed by thermal oxidation) or a silicon oxynitride film (for example, formed by thermal oxynitridation) can be used, and any insulating film may be used.

更に、ゲート酸化膜105上に、保護膜106を形成する。これは、既に説明したように、ゲート酸化膜105に対する金属元素の拡散を防止するために形成する。本実施形態においてはゲート酸化膜105が金属酸化膜であるから、特に重要である。保護膜106は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜等を用いて形成すれば良い。このためには、スパッタ法、CVD法、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法又はレーザー蒸着法等を用いることができる。尚、保護膜106の膜厚(物理膜厚)は、1.0nm以上であることが望ましい。また、保護膜106は、ゲート酸化膜105が金属酸化膜以外の材料によって形成されている場合には、省略することも可能である。   Further, a protective film 106 is formed on the gate oxide film 105. As described above, this is formed to prevent diffusion of the metal element into the gate oxide film 105. In this embodiment, since the gate oxide film 105 is a metal oxide film, it is particularly important. The protective film 106 may be formed using a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or the like. For this purpose, sputtering, CVD, vacuum vapor deposition, electron beam vapor deposition, laser vapor deposition, or the like can be used. Note that the film thickness (physical film thickness) of the protective film 106 is desirably 1.0 nm or more. Further, the protective film 106 can be omitted when the gate oxide film 105 is formed of a material other than the metal oxide film.

次に、図2(d)に示すように、例えばCVD法を用いて堆積することにより、保護膜106上に第1のシリコン層107を形成する。この膜厚は、例えば30nm程度とする。   Next, as shown in FIG. 2D, a first silicon layer 107 is formed on the protective film 106 by deposition using, for example, a CVD method. This film thickness is, for example, about 30 nm.

また、堆積温度を600℃以上とすることにより、第1のシリコン層107は多結晶化したシリコン層とするのが望ましい。仮に、第1のシリコン層107がアモルファスシリコンであったとすると、熱処理によってアモルファスから多結晶に変化し、この際にグレインが形成される。この結果、本実施形態のようにゲート酸化膜105が金属酸化膜である場合、グレインが金属酸化膜に貫通して欠陥を誘発する。このようなことを防ぐため、第1のシリコン層107は、多結晶化したシリコン層であることが望ましい。   The first silicon layer 107 is preferably a polycrystalline silicon layer by setting the deposition temperature to 600 ° C. or higher. If the first silicon layer 107 is amorphous silicon, it changes from amorphous to polycrystalline by heat treatment, and grains are formed at this time. As a result, when the gate oxide film 105 is a metal oxide film as in the present embodiment, the grains penetrate the metal oxide film and induce defects. In order to prevent this, the first silicon layer 107 is desirably a polycrystalline silicon layer.

次に、図3(a)に示すように、第1のシリコン層107上に、例えばシリコン酸化膜からなるバリア層108を形成する。バリア層108の膜厚は、1.0nm以上で且つ1.5nm以下であるのが良い。このような膜厚とすると、後に説明するバリア層108の機能が十分に発揮されると共に、トンネル効果によるバリア層108を通した電気的導通が維持される。   Next, as shown in FIG. 3A, a barrier layer 108 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the first silicon layer 107. The thickness of the barrier layer 108 is preferably 1.0 nm or more and 1.5 nm or less. With such a film thickness, the function of the barrier layer 108 described later is sufficiently exhibited, and electrical conduction through the barrier layer 108 by the tunnel effect is maintained.

尚、バリア層108の材料としては、まず、シリサイド化することがなく、そのことによってシリサイド化の反応をストップすることができる材料であることが必要である。これと共に、エッチングを行なう際にシリコン膜に対して十分大きな選択比の取れる材料であり、エッチストップ膜として使用できることが必要である。   The material of the barrier layer 108 needs to be a material that does not silicidize first and can stop the silicidation reaction. At the same time, it must be a material that can have a sufficiently large selection ratio with respect to the silicon film when etching and can be used as an etch stop film.

このようなバリア層108の一例としてシリコン酸化膜を形成するには、例えば、第1のシリコン層107を希釈フッ酸に浸して表面の自然酸化膜をし、水洗した後、過酸化水素水に浸してシリコン酸化膜を形成する。過酸化水素水に代えて、オゾン水を用いることもできる。また、このようなウェット処理によって形成され、ケミカル酸化膜と呼ばれる酸化膜の他に、自然酸化膜を除去した後に酸素雰囲気中の熱処理により形成される熱酸化膜を用いても良い。更には、シリコン酸化膜に代えて、シリコン酸窒化膜を用いても良い。   In order to form a silicon oxide film as an example of such a barrier layer 108, for example, the first silicon layer 107 is immersed in diluted hydrofluoric acid to form a natural oxide film on the surface, washed with water, and then added to a hydrogen peroxide solution. A silicon oxide film is formed by dipping. Instead of hydrogen peroxide water, ozone water can also be used. In addition to an oxide film called a chemical oxide film formed by such wet treatment, a thermal oxide film formed by heat treatment in an oxygen atmosphere after removing the natural oxide film may be used. Furthermore, a silicon oxynitride film may be used instead of the silicon oxide film.

次に、図3(b)に示すように、バリア層108上に第2のシリコン層109を形成する。これは、例えばCVD法を用いた堆積により膜厚70nm程度の層とする。   Next, as shown in FIG. 3B, a second silicon layer 109 is formed on the barrier layer 108. For example, a layer having a thickness of about 70 nm is formed by deposition using a CVD method.

トランジスタのゲート長が65nm以下である場合、ゲート電極の高さは一般に100nm程度である。このため、第2のシリコン層109の膜厚は、第1のシリコン層107の膜厚と合計して100nm程度になるように設定する。本実施形態では第1のシリコン層107の膜厚は30nm程度としているから、第2のシリコン層109の膜厚は70nm程度となる。但し、この数値はあくまで一例である。   When the gate length of the transistor is 65 nm or less, the height of the gate electrode is generally about 100 nm. Therefore, the film thickness of the second silicon layer 109 is set to be about 100 nm in total with the film thickness of the first silicon layer 107. In the present embodiment, since the thickness of the first silicon layer 107 is about 30 nm, the thickness of the second silicon layer 109 is about 70 nm. However, this numerical value is only an example.

尚、第2のシリコン層109については、多結晶化していても良いし、アモルファスであっても良い。   Note that the second silicon layer 109 may be polycrystallized or amorphous.

次に、nMOS領域Aにはドナー不純物(例えば、リン、ヒ素又はアンチモン等)、pMOS領域Bにはアクセプタ不純物(例えば、ボロン又はインジウム等)をそれぞれイオン注入する。図3(c)には、レジスト141を用いてp型ウェル103上方にドナー不純物を注入する際の様子を示している。シリコン酸化膜からなるバリア層108は十分に薄いため、第2のシリコン層109上からイオン注入されるドーパントはバリア層108を透過し、第2のシリコン層109だけではなく第1のシリコン層107にも分布する。尚、注入ドーズ量は、いずれも1×1015〜1×1016cm-2程度とする。 Next, a donor impurity (for example, phosphorus, arsenic, or antimony) is ion-implanted into the nMOS region A, and an acceptor impurity (for example, boron or indium) is ion-implanted into the pMOS region B, respectively. FIG. 3C shows a state in which a donor impurity is implanted above the p-type well 103 using the resist 141. Since the barrier layer 108 made of a silicon oxide film is sufficiently thin, the dopant ion-implanted from above the second silicon layer 109 passes through the barrier layer 108, and not only the second silicon layer 109 but also the first silicon layer 107. Also distributed. The implantation dose is about 1 × 10 15 to 1 × 10 16 cm −2 in all cases.

次に、第2のシリコン層109上に、ゲート加工用のシリコン酸化膜を形成する。これには、例えばTEOS酸化膜を減圧CVD法により膜厚100nm程度に堆積する。次に、レジストを塗布してリソグラフィー技術によりレジストをゲート形状に加工する。この後、ゲート形状のレジストをマスクとする反応性エッチングにより、ゲート加工用のシリコン酸化膜をゲート形状に加工する。これにより、図3(d)に示すように、第2のシリコン層109上にゲート形状に加工されたシリコン酸化膜からなるハードマスク110が形成される。   Next, a silicon oxide film for gate processing is formed on the second silicon layer 109. For this, for example, a TEOS oxide film is deposited to a thickness of about 100 nm by a low pressure CVD method. Next, a resist is applied, and the resist is processed into a gate shape by a lithography technique. Thereafter, the silicon oxide film for gate processing is processed into a gate shape by reactive etching using a gate-shaped resist as a mask. As a result, as shown in FIG. 3D, a hard mask 110 made of a silicon oxide film processed into a gate shape is formed on the second silicon layer 109.

次に、図4(a)に示すように、ハードマスク110をマスクとして用い、第1のシリコン層107、バリア層108及び第2のシリコン層109等をドライエッチングしてゲート電極の形状に加工する。この際、シリコン酸化膜であるハードマスク110は、エッチングにより薄膜化する。   Next, as shown in FIG. 4A, using the hard mask 110 as a mask, the first silicon layer 107, the barrier layer 108, the second silicon layer 109, and the like are dry-etched and processed into the shape of the gate electrode. To do. At this time, the hard mask 110 which is a silicon oxide film is thinned by etching.

この後、イオン注入により、nMOS領域A(より詳しくは、そのうちのp型ウェル103)にはn型ドーパント、pMOS領域B(より詳しくは、そのうちのn型ウェル104)にはp型ドーパントを注入する。これにより、それぞれのゲート電極の両側にエクステンション領域111が形成される。   Thereafter, by ion implantation, an n-type dopant is implanted into the nMOS region A (more specifically, the p-type well 103), and a p-type dopant is implanted into the pMOS region B (more specifically, the n-type well 104). To do. As a result, extension regions 111 are formed on both sides of each gate electrode.

次に、図4(b)に示すように、ゲート電極の形状に加工された第1のシリコン層107及び第2のシリコン層109等の側面を覆うサイドウォール112を形成する。このためには、例えば、シリコン基板101を覆うシリコン窒化膜を堆積した後、異方性エッチングを行なう。続いて、nMOS領域Aにはn型ドーパント、pMOS領域Bにはp型ドーパントをそれぞれ注入し、これらを活性化するために例えば1050℃で且つ実質0秒のスパイクアニール処理を行なう。これにより、ソース・ドレイン領域113が形成される。尚、スパイクアニール処理に代えて、RTA(rapid thermal annealing )又はレーザーアニールを行なっても良い。   Next, as shown in FIG. 4B, sidewalls 112 that cover the side surfaces of the first silicon layer 107, the second silicon layer 109, and the like processed into the shape of the gate electrode are formed. For this purpose, for example, after a silicon nitride film covering the silicon substrate 101 is deposited, anisotropic etching is performed. Subsequently, an n-type dopant is implanted into the nMOS region A and a p-type dopant is implanted into the pMOS region B, and a spike annealing process is performed at 1050 ° C. for substantially 0 seconds in order to activate them. Thereby, the source / drain region 113 is formed. Instead of spike annealing, RTA (rapid thermal annealing) or laser annealing may be performed.

次に、図4(c)に示すように、ソース・ドレイン領域113上にシリサイド化層114を形成する。このためには、スパッタ法を用いてシリコン基板101上にNi膜を形成した後、例えば300℃程度で且つ30秒間の熱処理を行なう。これにより、シリコンが露出しているソース・ドレイン領域113上においてシリサイド化が進行し、シリサイド化層114が形成される。   Next, as shown in FIG. 4C, a silicide layer 114 is formed on the source / drain region 113. For this purpose, a Ni film is formed on the silicon substrate 101 by sputtering, and then heat treatment is performed at, for example, about 300 ° C. for 30 seconds. As a result, silicidation proceeds on the source / drain regions 113 where silicon is exposed, and a silicidation layer 114 is formed.

この後、アンモニア、過酸化水素水及び水の混合液により、未反応のNiをウェット除去する。続いて、例えば500℃で且つ30秒間の熱処理を再度行なうことにより、シリサイド化層114の抵抗を安定化させる。   Thereafter, unreacted Ni is removed by wet using a mixed solution of ammonia, hydrogen peroxide solution and water. Subsequently, the resistance of the silicidation layer 114 is stabilized by performing heat treatment again at, for example, 500 ° C. for 30 seconds.

尚、この工程において、第2のシリコン層109は、ハードマスク110に覆われていることからシリサイド化が防止されている。また、Ni以外の金属、例えばコバルト、チタン又は白金等を用いることもできる。   In this step, since the second silicon layer 109 is covered with the hard mask 110, silicidation is prevented. Moreover, metals other than Ni, for example, cobalt, titanium, platinum, etc. can also be used.

次に、図4(d)に示すように、シリコン基板101上にサイドウォール112及び第2のシリコン層109等を覆う第1の層間絶縁膜115を形成する。これは、例えばシリコン酸化膜、より具体的にはTEOS酸化膜、プラズマTEOS酸化膜及び高密度プラズマにより形成したシリコン酸化膜等のいずれかを用いることができる。   Next, as shown in FIG. 4D, a first interlayer insulating film 115 is formed on the silicon substrate 101 so as to cover the sidewalls 112, the second silicon layer 109, and the like. For example, a silicon oxide film, more specifically, a TEOS oxide film, a plasma TEOS oxide film, a silicon oxide film formed by high-density plasma, or the like can be used.

次に、図5(a)に示すように、公知のCMP(Chemical Mechanical Polishing )技術を用いて第1の層間絶縁膜115を均一に研磨し、ハードマスク110を露出させる。   Next, as shown in FIG. 5A, the first interlayer insulating film 115 is uniformly polished using a known CMP (Chemical Mechanical Polishing) technique to expose the hard mask 110.

次に、図5(b)に示すように、CF4 又はC4 8 等のフッ素系ガスを用いたドライエッチングにより、シリコン酸化膜であるハードマスク110を除去して第2のシリコン層109を露出させる。この際、同じシリコン酸化膜である第1の層間絶縁膜115も削られて膜厚が薄くなる。 Next, as shown in FIG. 5B, the hard mask 110 which is a silicon oxide film is removed by dry etching using a fluorine-based gas such as CF 4 or C 4 F 8 to remove the second silicon layer 109. To expose. At this time, the first interlayer insulating film 115, which is the same silicon oxide film, is also removed and the film thickness is reduced.

次に、図5(c)に示すように、nMOS領域Aにレジスト116を形成して保護した後、HBrガスを用いてエッチバックを行ない、第2のシリコン層109を除去する。このとき、HBrガスによるエッチングのシリコン酸化膜(バリア層108)とシリコン層(第2のシリコン層109)とに関する選択比は十分に高いため、バリア層108がエッチストップ膜として機能し、第2のシリコン層109だけがエッチングされることになる。つまり、第1のシリコン層107はエッチングされることなく残される。   Next, as shown in FIG. 5C, a resist 116 is formed and protected in the nMOS region A, and then the second silicon layer 109 is removed by performing etch back using HBr gas. At this time, since the selection ratio between the silicon oxide film (barrier layer 108) and the silicon layer (second silicon layer 109) etched by HBr gas is sufficiently high, the barrier layer 108 functions as an etch stop film, and the second Only the silicon layer 109 is etched. That is, the first silicon layer 107 is left without being etched.

このように、第1のシリコン層107と第2のシリコン層109との間に挟まれたバリア層108の存在により、pMOS領域Bにおいて、後にシリサイド化を行なうためのシリコン電極(ここでは、第1のシリコン層107)の高さをバラツキ無く一定にすることができる。これは、ゲートサイズ及びレイアウト等に依存することなく実現可能である。   Thus, due to the presence of the barrier layer 108 sandwiched between the first silicon layer 107 and the second silicon layer 109, a silicon electrode (here, the first electrode) for performing silicidation later in the pMOS region B. The height of one silicon layer 107) can be made constant without variation. This can be realized without depending on the gate size and layout.

次に、図5(d)に示すように、レジスト116を除去した後、例えばスパッタチャンバーに搬送してアルゴンガスを用いた逆スパッタを行なう。これにより、nMOS領域Aにおける第2のシリコン層109表面に形成された自然酸化膜と、pMOS領域Bにおけるバリア層108とを除去し、清浄なシリコン表面を露出させる。   Next, as shown in FIG. 5D, after removing the resist 116, the resist 116 is transferred to, for example, a sputtering chamber, and reverse sputtering using argon gas is performed. As a result, the natural oxide film formed on the surface of the second silicon layer 109 in the nMOS region A and the barrier layer 108 in the pMOS region B are removed, and a clean silicon surface is exposed.

続いて、図6(a)に示すように、第1の層間絶縁膜115、nMOS領域Aの第2のシリコン層109及びpMOS領域Bの第1のシリコン層107等を覆うNi膜117を、スパッタ法により形成する。Ni膜117の膜厚は、例えば100nm程度とする。   Subsequently, as shown in FIG. 6A, a Ni film 117 covering the first interlayer insulating film 115, the second silicon layer 109 in the nMOS region A, the first silicon layer 107 in the pMOS region B, and the like is formed. It is formed by sputtering. The film thickness of the Ni film 117 is, for example, about 100 nm.

次に、例えば500℃で且つ30秒間、窒素雰囲気化の熱処理を行ない、シリサイド化を進行させる。図6(b)には、この後、未反応のNi膜117を除去した段階の様子を示している。   Next, for example, heat treatment in a nitrogen atmosphere is performed at 500 ° C. for 30 seconds to promote silicidation. FIG. 6B shows a state where the unreacted Ni film 117 is removed thereafter.

nMOS領域Aにおいて、熱処理により第2のシリコン層109はシリサイド化するが、バリア層108にシリサイド化の反応が阻害されてここで停止する。つまり、バリア層108の下に位置する第1のシリコン層107は、シリサイド化されずにシリコンのままとなる。結果として、nMOS領域Aには、金属シリサイド/シリコン構造を有する第1のゲート電極131が形成される。より詳しくは、第1のシリコン層107上に、バリア層108を挟んで第1の金属シリサイド層118が積層された構造である。   In the nMOS region A, the second silicon layer 109 is silicided by the heat treatment, but the barrier layer 108 inhibits the silicidation reaction and stops here. That is, the first silicon layer 107 located under the barrier layer 108 is not silicided but remains silicon. As a result, a first gate electrode 131 having a metal silicide / silicon structure is formed in the nMOS region A. More specifically, the first metal silicide layer 118 is stacked on the first silicon layer 107 with the barrier layer 108 interposed therebetween.

このため、nMOS領域Aにおいて、ゲート酸化膜105の上には第1のシリコン層107が位置するため、n型MOSFETに適した閾値を得ることができる。バリア層108を用いてシリサイド化を停止することにより、ゲートサイズ及びレイアウト等に依存することなくこのような構造が実現される。第1のゲート電極131のうちゲート酸化膜105上の部分の組成を一定にすることができるから、閾値電圧の低減及びそのバラツキの抑制が可能となっている。   Therefore, since the first silicon layer 107 is located on the gate oxide film 105 in the nMOS region A, a threshold suitable for an n-type MOSFET can be obtained. By stopping silicidation using the barrier layer 108, such a structure is realized without depending on the gate size, layout, or the like. Since the composition of the portion of the first gate electrode 131 on the gate oxide film 105 can be made constant, the threshold voltage can be reduced and its variation can be suppressed.

尚、バリア層108は、シリコン酸化膜であるから絶縁膜である。しかし、その膜厚が例えば1.5nm程度と十分に薄いため、トンネル電流により第1のシリコン層107と第1の金属シリサイド層118との電気伝導は維持されている。   Since the barrier layer 108 is a silicon oxide film, it is an insulating film. However, since the film thickness is sufficiently thin, for example, about 1.5 nm, the electrical conduction between the first silicon layer 107 and the first metal silicide layer 118 is maintained by the tunnel current.

この一方、pMOS領域Bにおいては、第1のシリコン層107がNi膜117と反応して第2の金属シリサイド層119となる。   On the other hand, in the pMOS region B, the first silicon layer 107 reacts with the Ni film 117 to become the second metal silicide layer 119.

ここで、図5(c)に示して説明したように、シリサイド化される第1のシリコン層107の膜厚は確実に制御されている。この膜厚は薄いものであり、第2の金属シリサイド層119は、金属組成が大きく且つ組成が確実に制御された金属シリサイド層となる。このような第2の金属シリサイド層119がフルシリサイド電極である第2のゲート電極132となるから、p型MOSFETに適した閾値を有し且つその閾値のバラツキは抑制されている。   Here, as described with reference to FIG. 5C, the thickness of the first silicon layer 107 to be silicided is reliably controlled. This film thickness is thin, and the second metal silicide layer 119 is a metal silicide layer having a large metal composition and a reliably controlled composition. Since such a second metal silicide layer 119 becomes the second gate electrode 132 which is a full silicide electrode, it has a threshold suitable for the p-type MOSFET and the variation of the threshold is suppressed.

p型MOSFETにおいて、ゲート絶縁膜(ゲート酸化膜105及びその上形成された保護膜106)接する部分まで第1のシリコン層107がシリサイド化されるが、保護膜106の存在により、ゲート酸化膜105に欠陥が導入されることはない。   In the p-type MOSFET, the first silicon layer 107 is silicided up to the portion in contact with the gate insulating film (the gate oxide film 105 and the protective film 106 formed thereon). Defects will not be introduced.

尚、第2のシリコン層109の膜厚は70nm程度であって第1のシリコン層107の膜厚30nm程度に比べて大きいため、第1の金属シリサイド層118の金属組成は第2の金属シリサイド層119に比べて低い。また、第2のシリコン層109の膜厚がもっと小さく、第1の金属シリサイド層118が金属過剰な組成となる場合にも、バリア層108の下の第1のシリコン層107がゲート絶縁膜(ゲート酸化膜105上の保護膜106)と接することになるから、n型MOSFETの閾値に影響することはない。   Since the thickness of the second silicon layer 109 is about 70 nm, which is larger than that of the first silicon layer 107, the metal composition of the first metal silicide layer 118 is the second metal silicide. Low compared to layer 119. Further, even when the thickness of the second silicon layer 109 is smaller and the first metal silicide layer 118 has a metal-excess composition, the first silicon layer 107 under the barrier layer 108 has a gate insulating film ( Since it is in contact with the protective film 106) on the gate oxide film 105, the threshold value of the n-type MOSFET is not affected.

また、ここでは一回の熱処理によってシリサイド化反応を行なっているが、ソース・ドレイン領域113の形成方法(図4(b)を参照)において示したように、二回の熱処理に分割して行なっても良い。この場合、金属膜の体積、一度目の熱処理、未反応金属膜の除去及び二度目の熱処理をこの順に行なう。   Here, the silicidation reaction is performed by a single heat treatment. However, as shown in the method for forming the source / drain regions 113 (see FIG. 4B), the silicidation reaction is divided into two heat treatments. May be. In this case, the volume of the metal film, the first heat treatment, the removal of the unreacted metal film, and the second heat treatment are performed in this order.

最後に、図6(c)に示すように、第2の層間絶縁膜120を形成する。これは、例えばCVD法によりシリコン酸化膜を堆積して形成する。その他、TEOS酸化膜、プラズマTEOS酸化膜、高密度プラズマにより形成するシリコン酸化膜等でも良い。   Finally, as shown in FIG. 6C, a second interlayer insulating film 120 is formed. This is formed by depositing a silicon oxide film by, for example, the CVD method. In addition, a TEOS oxide film, a plasma TEOS oxide film, a silicon oxide film formed by high density plasma, or the like may be used.

更に、リソグラフィー技術を用いてソース・ドレイン領域113、第1のゲート電極131及び第2のゲート電極132に対してそれぞれコンタクトホールを開口する。更に、該コンタクトホールにTi/TiNバリア膜を形成した後、CVD法によりWを埋め込むことにより、コンタクトプラグ121を形成する。   Further, contact holes are opened in the source / drain regions 113, the first gate electrode 131, and the second gate electrode 132, respectively, using a lithography technique. Further, after forming a Ti / TiN barrier film in the contact hole, a contact plug 121 is formed by embedding W by a CVD method.

以上のようにして、p型MOSFET及びn型MOSFETが形成された半導体装置100が製造される。   As described above, the semiconductor device 100 in which the p-type MOSFET and the n-type MOSFET are formed is manufactured.

本発明によると、p型及びn型のMOSFETにおいていずれも閾値が低減され且つバラツキを抑えられた半導体装置を実現することができ、特に、微細化の進行した半導体装置において有用である。   According to the present invention, it is possible to realize a semiconductor device in which the threshold value is reduced and the variation is suppressed in both the p-type and n-type MOSFETs, and is particularly useful in a semiconductor device that has been miniaturized.

図1は、本発明の一実施形態に係る半導体装置100の構造を説明する模式的な断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the structure of a semiconductor device 100 according to an embodiment of the present invention. 図2(a)〜(d)は、半導体装置100を製造する工程を説明する図であり、第1のシリコン層107の形成までを示している。FIGS. 2A to 2D are diagrams for explaining a process for manufacturing the semiconductor device 100, and show the process up to the formation of the first silicon layer 107. 図3(a)〜(d)は、半導体装置100を製造する工程を説明する図であり、ハードマスク110の形成までを示している。FIGS. 3A to 3D are diagrams for explaining a process for manufacturing the semiconductor device 100, and show the process up to the formation of the hard mask 110. FIG. 図4(a)〜(d)は、半導体装置100を製造する工程を説明する図であり、第1の層間絶縁膜115の形成までを示している。4A to 4D are views for explaining a process for manufacturing the semiconductor device 100, and show the process up to the formation of the first interlayer insulating film 115. FIG. 図5(a)〜(d)は、半導体装置100を製造する工程を説明する図である。特に、図5(b)は、pMOS領域Bにおいてバリア層108により第2のシリコン層109が選択的にエッチングされる工程を示している。5A to 5D are views for explaining a process for manufacturing the semiconductor device 100. In particular, FIG. 5B shows a process in which the second silicon layer 109 is selectively etched by the barrier layer 108 in the pMOS region B. 図6(a)〜(d)は、半導体装置100を製造する工程を説明する図である。特に、図6(b)は、nMOS領域Aにおいてバリア層108により第2のシリコン層109が選択的にシリサイド化されることを示している。6A to 6D are diagrams for explaining a process of manufacturing the semiconductor device 100. FIG. In particular, FIG. 6B shows that the second silicon layer 109 is selectively silicided by the barrier layer 108 in the nMOS region A.

符号の説明Explanation of symbols

101 シリコン基板
102 素子分離
103 p型ウェル
104 n型ウェル
105 ゲート酸化膜
106 保護膜
107 第1のシリコン層
108 バリア層
109 第2のシリコン層
110 ハードマスク
111 エクステンション領域
112 サイドウォール
113 ソース・ドレイン領域
114 シリサイド化層
115 第1の層間絶縁膜
116 レジスト
117 Ni膜
118 第1の金属シリサイド層
119 第2の金属シリサイド層
120 第2の層間絶縁膜
121 コンタクトプラグ
131 第1のゲート電極
132 第2のゲート電極
140 レジスト
141 レジスト
101 silicon substrate 102 element isolation 103 p-type well 104 n-type well 105 gate oxide film 106 protective film 107 first silicon layer 108 barrier layer 109 second silicon layer 110 hard mask 111 extension region 112 sidewall 113 source / drain region 114 Silicided layer 115 First interlayer insulating film 116 Resist 117 Ni film 118 First metal silicide layer 119 Second metal silicide layer 120 Second interlayer insulating film 121 Contact plug 131 First gate electrode 132 Second Gate electrode 140 resist 141 resist

Claims (19)

半導体基板と、
前記半導体基板におけるn型MOSFET領域の上に形成された第1のゲート電極と、
前記半導体基板におけるp型MOSFET領域の上に形成された第2のゲート電極と備え、
前記第1のゲート電極は、シリコン層及びその上に形成された第1の金属シリサイド層を含み、
前記第2のゲート電極は、金属過剰な第2の金属シリサイド層からなることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
A first gate electrode formed on the n-type MOSFET region in the semiconductor substrate;
A second gate electrode formed on the p-type MOSFET region in the semiconductor substrate;
The first gate electrode includes a silicon layer and a first metal silicide layer formed thereon,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second gate electrode is made of a second metal silicide layer containing excess metal.
請求項1において、
前記第2の金属シリサイド層は、金属が60%以上である組成を有することを特徴とする半導体装置。
In claim 1,
The semiconductor device according to claim 2, wherein the second metal silicide layer has a composition in which a metal is 60% or more.
請求項1又は2において、
前記第1の金属シリサイド層及び前記第2の金属シリサイド層に含まれる金属は、ニッケル、コバルト、チタン及び白金のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする半導体装置。
In claim 1 or 2,
The metal contained in the first metal silicide layer and the second metal silicide layer includes at least one of nickel, cobalt, titanium, and platinum.
請求項1〜3のいずれか一つにおいて、
前記半導体基板と、前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極との間に、それぞれ金属酸化膜であるゲート絶縁膜が設けられていることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1-3,
A semiconductor device, wherein a gate insulating film which is a metal oxide film is provided between the semiconductor substrate and the first gate electrode and the second gate electrode.
請求項4において、
前記金属酸化膜に含まれる金属は、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、ランタン及びアルミニウムのうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする半導体装置。
In claim 4,
The metal contained in the metal oxide film includes at least one of hafnium, zirconium, titanium, tantalum, lanthanum, and aluminum.
請求項4又は5において、
前記金属酸化膜は、シリコンを更に含むことを特徴とする半導体装置。
In claim 4 or 5,
The semiconductor device, wherein the metal oxide film further contains silicon.
請求項4〜6のいずれか一つにおいて、
前記ゲート酸化膜と、前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極との間に、それぞれ保護膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 4-6,
A semiconductor device, wherein a protective film is formed between the gate oxide film and the first gate electrode and the second gate electrode, respectively.
請求項1〜7のいずれか一つにおいて、
前記第1のゲート電極は、前記シリコン層と前記第1の金属シリサイド層との間にバリア層を備えることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 1-7,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first gate electrode includes a barrier layer between the silicon layer and the first metal silicide layer.
請求項8において、
前記バリア層は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜であることを特徴とする半導体装置。
In claim 8,
The semiconductor device, wherein the barrier layer is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film.
請求項9において、
前記シリコン酸化膜は、ウェット処理により形成されたシリコン酸化膜であることを特徴とする半導体装置。
In claim 9,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon oxide film is a silicon oxide film formed by a wet process.
請求項8〜10のいずれか一つにおいて、
前記バリア層の膜厚は、1.0nm以上で且つ1.5nm以下であることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 8-10,
The thickness of the barrier layer is 1.0 nm or more and 1.5 nm or less.
半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程(a)と、
前記ゲート絶縁膜上に第1の半導体層を形成する工程(b)と、
前記第1の半導体層上にバリア層を形成する工程(c)と、
前記バリア層上に第2の半導体層を形成する工程(d)と、
前記第1の半導体層、前記バリア層及び前記第2の半導体層をパターン化することにより、第1のゲート電極及び第2のゲート電極を形成する工程(e)と、
前記第2のゲート電極における前記第2の半導体層及び前記バリア層を除去する工程(f)と、
前記第1のゲート電極における第2の半導体層及び前記第2のゲート電極における前記第1の半導体層の上に、金属膜を形成する工程(g)と、
前記第1のゲート電極における第2の半導体層及び前記第2のゲート電極における前記第1の半導体層を、それぞれ前記金属膜との反応によりシリサイド化させる工程(h)とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A step (a) of forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a first semiconductor layer on the gate insulating film (b);
Forming a barrier layer on the first semiconductor layer (c);
Forming a second semiconductor layer on the barrier layer (d);
(E) forming a first gate electrode and a second gate electrode by patterning the first semiconductor layer, the barrier layer, and the second semiconductor layer;
Removing the second semiconductor layer and the barrier layer in the second gate electrode;
Forming a metal film on the second semiconductor layer in the first gate electrode and the first semiconductor layer in the second gate electrode;
And (h) siliciding the second semiconductor layer in the first gate electrode and the first semiconductor layer in the second gate electrode by reaction with the metal film, respectively. A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項12において、
前記工程(d)の後で且つ前記工程(e)の前に、前記第2の半導体層上にハードマスクを形成する工程を更に備え、
前記工程(e)において、前記ハードマスクを用いたエッチングにより前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In claim 12,
A step of forming a hard mask on the second semiconductor layer after the step (d) and before the step (e);
In the step (e), the first gate electrode and the second gate electrode are formed by etching using the hard mask.
請求項12又は13において、
前記工程(e)の後で且つ前記工程(f)の前に、前記半導体基板上に、前記第1のゲート電極及び第2のゲート電極の上面が露出するように層間絶縁膜を形成する工程を更に備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In claim 12 or 13,
After the step (e) and before the step (f), forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate so that the upper surfaces of the first gate electrode and the second gate electrode are exposed. A method for manufacturing a semiconductor device, further comprising:
請求項12〜14のいずれか一つにおいて、
前記第1の半導体層及び前記第2の半導体層にイオン注入を行なう工程を更に備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In any one of Claims 12-14,
A method for manufacturing a semiconductor device, further comprising the step of implanting ions into the first semiconductor layer and the second semiconductor layer.
請求項12〜15のいずれか一つにおいて、
前記工程(e)の後で且つ工程(f)の前に、前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極の側面にサイドウォールを形成する工程を更に含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In any one of Claims 12-15,
A step of forming a sidewall on side surfaces of the first gate electrode and the second gate electrode after the step (e) and before the step (f) is further provided. Production method.
請求項12〜16のいずれか一つにおいて、
前記工程(a)の前に、前記半導体基板における前記第1のゲート電極を形成する領域にp型ウェルを形成する工程を更に含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In any one of Claims 12-16,
A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising a step of forming a p-type well in a region of the semiconductor substrate where the first gate electrode is formed before the step (a).
請求項12〜17のいずれか一つにおいて、
前記工程(a)の前に、前記半導体基板における前記第2のゲート電極を形成する領域にn型ウェルを形成する工程を更に含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In any one of Claims 12-17,
A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising a step of forming an n-type well in a region of the semiconductor substrate where the second gate electrode is formed before the step (a).
請求項12〜18のいずれか一つにおいて、
前記工程(a)の前に、前記半導体基板に素子分離領域を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In any one of Claims 12-18,
Before the step (a), an element isolation region is formed in the semiconductor substrate.
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