JP2008091501A - Semiconductor integrated circuit device, and its manufacturing method - Google Patents

Semiconductor integrated circuit device, and its manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP2008091501A
JP2008091501A JP2006268901A JP2006268901A JP2008091501A JP 2008091501 A JP2008091501 A JP 2008091501A JP 2006268901 A JP2006268901 A JP 2006268901A JP 2006268901 A JP2006268901 A JP 2006268901A JP 2008091501 A JP2008091501 A JP 2008091501A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
layer
metal
metal layer
channel mosfet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2006268901A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5011921B2 (en
Inventor
Yoshihiro Sugita
義博 杉田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
Priority to JP2006268901A priority Critical patent/JP5011921B2/en
Publication of JP2008091501A publication Critical patent/JP2008091501A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5011921B2 publication Critical patent/JP5011921B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide metal gate electrode MOSFET where an etching condition of a metal gate electrode becomes the same even if a material constituting a threshold electrode differs. <P>SOLUTION: A semiconductor integrated circuit has n-channel MOSFET having a first gate electrode consisting of a first metal layer formed by bringing it into contact with a gate oxide film and a first low resistance layer formed on the first metal layer and p-channel MOSFET having a second gate electrode consisting of a second metal layer formed by bringing it into contact with the gate oxide film and a second low resistance layer formed on the second metal layer. The first metal layer and the second metal layer are constituted of metals having different work functions. The first low resistance layer and the second low resistance layer are constituted of polycrystals consisting of the same materials. A first intermediate layer is arranged between the first metal layer and the first low resistance layer. A second intermediate layer is disposed between the second metal layer and the second low resistance layer. The first intermediate layer and the second intermediate layer are formed of conductive polycrystalline films whose particle sizes, crystal structures and orientation directions are the same. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、金属層をゲート電極とするMOS電界効果トランジスタ(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transisiteor:MOSFET)に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a MOS field effect transistor (MOSFET) having a metal layer as a gate electrode.

MOSFETからなる半導体集積回路を高集積化するためには、ゲート絶縁膜を薄層化して単位面積当たりのゲート容量を大きくすることが重要である。しかし、MOSFETのゲート絶縁膜厚は既に1.5nm程度まで薄くなっており、これ以上の薄層化は困難になりつつある。   In order to achieve high integration of a semiconductor integrated circuit composed of MOSFETs, it is important to increase the gate capacity per unit area by thinning the gate insulating film. However, the gate insulating film thickness of the MOSFET has already been reduced to about 1.5 nm, and further thinning is becoming difficult.

ゲート絶縁膜としては、シリコン酸化膜(SiO2膜)が広く用いられている。しかし、SiO2膜は、膜厚が1nm以下になるとリーク電流が大きくなり、ゲート絶縁膜として使用することができなくなる。この状況は、シリコン酸窒化膜(SiON膜)など他の絶縁膜を用いても同じである。すなわち、ゲート絶縁膜を1nm以下に薄層化することは困難であり、ゲート絶縁膜の薄層化によるゲート容量の増大は限界に達しつつある。 A silicon oxide film (SiO 2 film) is widely used as the gate insulating film. However, when the SiO 2 film has a thickness of 1 nm or less, the leakage current increases, and it cannot be used as a gate insulating film. This situation is the same even when other insulating films such as a silicon oxynitride film (SiON film) are used. That is, it is difficult to reduce the thickness of the gate insulating film to 1 nm or less, and the increase in gate capacitance due to the thinning of the gate insulating film is reaching its limit.

この問題を解決するため、現在2つの解決策が検討されている。第1の解決策は、HfO2やHfSiON等の高誘電率誘電体膜をゲート絶縁膜として使用することである。誘電率εの高い物質を絶縁膜として用いれば、ゲート絶縁膜を薄層化することなく、単位面積当たりのゲート絶縁膜容量Cox(=ε/d, dはゲート絶縁膜の厚さ)を大きくすることができる。 Two solutions are currently being considered to solve this problem. The first solution is to use a high dielectric constant dielectric film such as HfO 2 or HfSiON as the gate insulating film. If a material with a high dielectric constant ε is used as the insulating film, the gate insulating film capacitance Cox (= ε / d, d is the thickness of the gate insulating film) per unit area is increased without thinning the gate insulating film. can do.

第2の解決策は、現在ゲート電極として用いられている多結晶シリコン膜を、金属膜に置き換えることである。   The second solution is to replace the polycrystalline silicon film currently used as the gate electrode with a metal film.

図23は、現在用いられているMOSFETの断面概略図である。ソース領域100及びドレイン領域101に挟まれたチャネル領域102の上に、SiO2酸化膜103を介してゲート電極が形成されている。 FIG. 23 is a schematic cross-sectional view of a currently used MOSFET. On the channel region 102 sandwiched between the source region 100 and the drain region 101, a gate electrode is formed via a SiO 2 oxide film 103.

ゲート電極は、多結晶シリコン104からなる閾値電極(もしくは仕事関数電極)とNiSi又はCoSi2等からなる低抵抗層105からなっている。低閾値化のために、nチャネルMOSに対してはn型の多結晶シリコンが閾値電極(もしくは仕事関数電極)として用いられ、pチャネルMOSに対してはp型の多結晶シリコンが用いられる。閾値電極(もしくは仕事関数電極)として多結晶シリコンが用いられる理由は、多結晶シリコンからなるゲート電極では、ドーピングする不純物の種類及びその濃度を制御することによって、フェルミ準位の調整が容易だからである。 The gate electrode includes a threshold electrode (or work function electrode) made of polycrystalline silicon 104 and a low resistance layer 105 made of NiSi, CoSi 2 or the like. In order to lower the threshold value, n-type polycrystalline silicon is used as a threshold electrode (or work function electrode) for n-channel MOS, and p-type polycrystalline silicon is used for p-channel MOS. The reason why polycrystalline silicon is used as the threshold electrode (or work function electrode) is that the gate electrode made of polycrystalline silicon can easily adjust the Fermi level by controlling the type and concentration of impurities to be doped. is there.

nチャネルMOSFETの低閾値化のためには、ゲート電極のフェルミ準位を伝導帯近傍に設定しなければならない。一方、pチャネルMOSFETでは、ゲート電極のフェルミ準位を価電子帯近傍に設定しなければならない。多結晶シリコンでは、ドーピングする不純物の種類及びその濃度によって、フェルミ準位の位置を調整することができる。従って、ゲート電極としてn+多結晶シリコン及びp+多結晶シリコンを用いることによって、nチャネルMOSFET及びpチャネルMOSFETの双方を低閾値化することができる。 In order to lower the threshold of n-channel MOSFETs, the Fermi level of the gate electrode must be set near the conduction band. On the other hand, in a p-channel MOSFET, the Fermi level of the gate electrode must be set near the valence band. In polycrystalline silicon, the position of the Fermi level can be adjusted depending on the type and concentration of impurities to be doped. Therefore, by using n + polycrystalline silicon and p + polycrystalline silicon as the gate electrode, both the n-channel MOSFET and the p-channel MOSFET can be lowered in threshold value.

また、多結晶シリコンが耐熱性及び加工性に優れている点も、ゲート電極として用いられて来た大きな理由である。ただし、多結晶シリコンには、低抵抗化に限界があるという欠点がある。この欠点を補うため、NiSiやCoSi2等のシリサイドからなる金属層を多結晶シリコンに積層して、ゲート電極を低抵抗化している。 In addition, the fact that polycrystalline silicon is excellent in heat resistance and workability is a major reason that it has been used as a gate electrode. However, polycrystalline silicon has a drawback in that there is a limit to reducing the resistance. In order to compensate for this drawback, a metal layer made of silicide such as NiSi or CoSi 2 is laminated on polycrystalline silicon to reduce the resistance of the gate electrode.

尚、多結晶シリコン/シリサイド電極のようにゲート電極が多層構造からなっている場合、多結晶シリコンのように酸化膜(即ち、絶縁膜)に接している層を閾値電極(もしくは仕事関数電極)と呼ぶ。ゲート電極の低抵抗化のため閾値電極(もしくは仕事関数電極)の上に積層された低抵抗層は、ワイヤリング金属層と呼ばれる事がある。   When the gate electrode has a multilayer structure such as a polycrystalline silicon / silicide electrode, a layer in contact with an oxide film (that is, an insulating film) such as polycrystalline silicon is used as a threshold electrode (or work function electrode). Call it. The low resistance layer laminated on the threshold electrode (or work function electrode) for reducing the resistance of the gate electrode is sometimes called a wiring metal layer.

しかし、多結晶シリコンゲートには別の問題が存在する。この問題は、ゲート絶縁膜が薄層化した場合に顕在化する。SiO2膜/多結晶シリコン界面は、キャリヤが満たされた多結晶シリコンからSiO2膜に突然変化するという理想的な構造にはなっていない。実は多結晶シリコンには、SiO2膜換算で0.5nm程度空乏化した領域が、SiO2膜/多結晶シリコン界面に接するようにして存在している。 However, another problem exists with polycrystalline silicon gates. This problem becomes apparent when the gate insulating film is thinned. The SiO 2 film / polycrystalline silicon interface does not have an ideal structure that suddenly changes from polycrystalline silicon filled with carriers to SiO 2 film. In fact in the polycrystalline silicon, regions 0.5nm approximately depleted in SiO 2 film equivalent is present in the contact with the SiO 2 film / polysilicon interface.

この空乏化した多結晶シリコン層は、ゲート絶縁膜を見掛け上厚くし、単位面積当たりのゲート絶縁膜容量Coxを小さくしている。ゲート絶縁膜の容量等価膜厚(capacitance equivalent thickness(CET))、すなわちゲート絶縁膜の容量Coxから逆算した酸化膜厚d’(=ε/ Cox)は、ゲート絶縁膜厚と空乏化した多結晶シリコン膜厚(SiO2換算)の和である。ゲート絶縁膜厚が厚い間は、空乏化した多結晶シリコン膜の存在は無視することが出来た。しかし、ゲート絶縁膜厚が1nmに近づいた今日では、0.5nm程度の空乏化は無視し得ない存在である。 This depleted polycrystalline silicon layer has an apparently thick gate insulating film and a small gate insulating film capacitance Cox per unit area. The capacitance equivalent thickness (CET) of the gate insulating film, that is, the oxide film thickness d ′ (= ε / Cox) calculated backward from the capacitance Cox of the gate insulating film is a polycrystal depleted from the gate insulating film thickness. It is the sum of the silicon film thickness (SiO 2 equivalent). While the gate insulating film was thick, the existence of a depleted polycrystalline silicon film could be ignored. However, today, when the gate insulating film thickness has approached 1 nm, depletion of about 0.5 nm cannot be ignored.

この問題の解決策として、金属ゲート電極が検討されている。金属ゲート電極とは、閾値電極(もしくは仕事関数電極)が金属(フェルミ準位が伝導帯内部に入り込んでいる物質、但しシリサイドを除く)からなるゲート電極のことを言う。図24は、金属ゲート電極を備えたCMOSFET(相補型MOSFET)を製造するために堆積された金属多層膜の断面概略図である(非特許文献1)。同図に示された金属多層膜は堆積された直後のものであり、まだゲート電極には加工されていない。   As a solution to this problem, a metal gate electrode has been studied. The metal gate electrode refers to a gate electrode whose threshold electrode (or work function electrode) is made of metal (a substance in which the Fermi level enters the conduction band, except for silicide). FIG. 24 is a schematic cross-sectional view of a metal multilayer film deposited for manufacturing a CMOSFET (complementary MOSFET) having a metal gate electrode (Non-Patent Document 1). The metal multilayer film shown in the figure is immediately after being deposited and has not yet been processed into a gate electrode.

pチャネルMOSFET領域106には、HfO2絶縁膜111の上にRuからなる金属層107とTaNからなる金属層108が積層されている。nチャネルMOSFET領域109には、HfO2絶縁膜111の上に、TaSixNyからなる金属層110、Ruからなる金属層107、及びTaNからなる金属層108が積層されている。 In the p-channel MOSFET region 106, a metal layer 107 made of Ru and a metal layer 108 made of TaN are stacked on the HfO 2 insulating film 111. In the n-channel MOSFET region 109, a metal layer 110 made of TaSi x N y , a metal layer 107 made of Ru, and a metal layer made of TaN are stacked on the HfO 2 insulating film 111.

Ru及びTaSixNyは、仕事関数(フェルミ準位)が夫々シリコンの価電子帯及び伝導帯に近い。従って、pチャネルMOSFETおよびnチャネルMOSFETの閾値電極(もしくは仕事関数電極)に適している。 Ru and TaSi x N y have work functions (Fermi levels) close to the valence band and conduction band of silicon, respectively. Therefore, it is suitable for the threshold electrode (or work function electrode) of p-channel MOSFET and n-channel MOSFET.

図24のような金属からなる閾値電極(もしくは仕事関数電極)を用いると、殆ど空乏層が発生せず且つゲート電極の仕事関数を価電子帯または伝導帯に近づけることができる。従って、容量等価膜厚CETの増加を阻止すると共にMOSFETの低閾値化も実現できる。
”Integration of Dual Metal Gate CMOS with TaSiN(NMOS) and Ru(PMOOS) Gate Electrodes on HfO2 Dielectric”, 2005 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, p.50-51. ”Effect of the Composition on the Electrical Properties of TaSixNy Metal Gate Electrodes”, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL.24, 2003, p.429-431.
When a threshold electrode (or work function electrode) made of metal as shown in FIG. 24 is used, a depletion layer is hardly generated and the work function of the gate electrode can be brought close to the valence band or the conduction band. Therefore, it is possible to prevent the increase of the capacitance equivalent film thickness CET and reduce the threshold value of the MOSFET.
“Integration of Dual Metal Gate CMOS with TaSiN (NMOS) and Ru (PMOOS) Gate Electrodes on HfO2 Dielectric”, 2005 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, p.50-51. “Effect of the Composition on the Electrical Properties of TaSixNy Metal Gate Electrodes”, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL.24, 2003, p.429-431.

金属ゲート電極には、空乏層が殆ど発生しない。すなわち、金属ゲート電極を用いれば、容量等化膜厚の増加は避けることができる。従って、HfO2やHfSiON等の高誘電率誘電体膜と金属ゲート電極を組合わせることによって、現在MOSFETが直面している課題(単位面積当りのゲート容量増大の限界)は解決できるのではと期待されている。 Almost no depletion layer is generated in the metal gate electrode. That is, if a metal gate electrode is used, an increase in capacitance equalization film thickness can be avoided. Therefore, it is expected that the problems currently faced by MOSFETs (limit of increase in gate capacity per unit area) can be solved by combining high dielectric constant dielectric films such as HfO 2 and HfSiON with metal gate electrodes. Has been.

しかし、金属ゲート電極には、未解決の問題が残されている。   However, unsolved problems remain in the metal gate electrode.

閾値電極(もしくは仕事関数電極)を形成するための材料候補(TiN、TaSixNy等)には、比抵抗が数mΩ・cmと金属としては大きいものが多い。従って、これらの金属層の上には、比抵抗が10-5Ω・cm程度の低抵抗金属からなるワイヤリング金属層を積層する必要がある。ワイヤリング金属層としては、加工性及び耐熱性の観点からW及びMoが優れていている。 Many candidate materials (TiN, TaSi x N y, etc.) for forming the threshold electrode (or work function electrode) have a large specific resistance of several mΩ · cm. Therefore, it is necessary to laminate a wiring metal layer made of a low resistance metal having a specific resistance of about 10 −5 Ω · cm on these metal layers. As the wiring metal layer, W and Mo are excellent from the viewpoint of workability and heat resistance.

W等のワイヤリング金属層は、反応性イオンエッチング(RIE)によって、ゲート電極として理想的な形状にエッチング可能である。図25は、細長の矩形マスクを用い、RIEによってW(又はMo)112をエッチングして形成したリッジ113の断面斜視図である。断面114はダレのない鮮明な矩形であり、リッジの稜線115は凸凹のない明瞭な直線になっている。すなわち、RIEによって、W等のワイヤリング金属層は、ゲート電極として理想的な形状に加工することが可能である。しかし、RIEによって形成したリッジの形状は、エッチングされる金属膜の結晶粒径や配向方向に大きく依存する。   A wiring metal layer such as W can be etched into an ideal shape as a gate electrode by reactive ion etching (RIE). FIG. 25 is a cross-sectional perspective view of a ridge 113 formed by etching W (or Mo) 112 by RIE using an elongated rectangular mask. The cross section 114 is a clear rectangle without sagging, and the ridge line 115 of the ridge is a clear straight line without irregularities. That is, the wiring metal layer such as W can be processed into an ideal shape as a gate electrode by RIE. However, the shape of the ridge formed by RIE greatly depends on the crystal grain size and orientation direction of the metal film to be etched.

ところでW等のワイヤリング金属層には、多結晶化しやすく、結晶粒径や配向方向が下地金属や成長条件によって変化しやすいという特質がある。このため、異なる閾値電極(もしくは仕事関数電極)(例えば、TaSixNyとRu)の上にW等からなるワイヤリング金属層を成長すると、結晶粒径や配向方向が異なった金属膜が形成されてしまう。特に、金属ゲート電極では、加工性に優れたワイヤリング金属層を閾値電極(もしくは仕事関数電極)に比べて厚く形成するので、この傾向(結晶粒径等の相違)は顕在化される。 By the way, the wiring metal layer such as W has a characteristic that it is easily polycrystallized and the crystal grain size and orientation direction are easily changed depending on the base metal and the growth conditions. For this reason, when a wiring metal layer made of W or the like is grown on different threshold electrodes (or work function electrodes) (for example, TaSi x N y and Ru), metal films having different crystal grain sizes and orientation directions are formed. End up. In particular, in the metal gate electrode, since the wiring metal layer having excellent workability is formed thicker than the threshold electrode (or work function electrode), this tendency (difference in crystal grain size and the like) becomes obvious.

その結果、ゲート電極を形成するためのエッチングの条件は、同じワイヤリング金属層を用いていたとしても、閾値電極(もしくは仕事関数電極)が異なると違ったものとなってしまう。現在の集積回路には、nチャネルMOSFETとpチャネルMOSFETが混在している。例えば、nチャネルMOSFETとpチャネルMOSFETが直列に接続されたCMOS(complemetary MOSFET)によって構成された集積回路が代表例である。   As a result, the etching conditions for forming the gate electrode are different if the threshold electrode (or work function electrode) is different, even if the same wiring metal layer is used. In current integrated circuits, n-channel MOSFETs and p-channel MOSFETs are mixed. For example, a typical example is an integrated circuit constituted by a CMOS (complementary MOSFET) in which an n-channel MOSFET and a p-channel MOSFET are connected in series.

上述したように、nチャネルMOSFETとpチャネルMOSFETとでは、ゲート金属のエッチング条件が異なってしまう。従って、nチャネルMOSFETとpチャネルMOSFETが併存する集積回路を金属ゲートMOSFET によって構成しようとすると、製造工程が複雑になる。即ち、nチャネルMOSFETの金属ゲート電極とpチャネルMOSFETの金属ゲート電極とを、夫々別々に異なった条件でエッチングしなければならなくなる。   As described above, the gate metal etching conditions differ between the n-channel MOSFET and the p-channel MOSFET. Therefore, if an integrated circuit in which an n-channel MOSFET and a p-channel MOSFET coexist is formed by a metal gate MOSFET, the manufacturing process becomes complicated. In other words, the metal gate electrode of the n-channel MOSFET and the metal gate electrode of the p-channel MOSFET must be etched separately under different conditions.

そこで、本発明の目的は、金属ゲート電極を形成するためのエッチング条件が、閾値電極(もしくは仕事関数電極)を構成する材料が異なっても同一となるMOSFET及びその製造方法を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a MOSFET in which the etching conditions for forming the metal gate electrode are the same even if the materials constituting the threshold electrode (or work function electrode) are different, and a method for manufacturing the same. .

上記の目的を達成するために、本発明は、以下の様に構成され、以下の様な作用・効果を奏する。   In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows, and has the following operations and effects.

(第1の発明)第1の発明は、ゲート酸化膜に接して形成された第1の金属層と、第1の金属層の上に形成された第1の低抵抗層とからなる第1のゲート電極を有するnチャネルMOSFETと、ゲート酸化膜に接して形成された第2の金属層と、第2の金属層の上に形成された第2の低抵抗層とからなる第2のゲート電極を有するpチャネルMOSFETとを有する半導体集積回路装置において、第1の金属層と第2の金属層とが、異なった仕事関数を有する金属によって構成され、第1の低抵抗層と第2の低抵抗層が、同一の材料からなる多結晶で構成され、第1の金属層と第1の低抵抗層の間に第1の中間層を有し、且つ第2の金属層と第2の低抵抗層の間に第2の中間層を有し、第1の中間層および第2の中間層が、組成、粒径、結晶構造、及び配向方向が同一の導電性多結晶膜からなることを特徴とする。     (First invention) A first invention comprises a first metal layer formed in contact with a gate oxide film, and a first low resistance layer formed on the first metal layer. A second gate comprising: an n-channel MOSFET having a plurality of gate electrodes; a second metal layer formed in contact with the gate oxide film; and a second low-resistance layer formed on the second metal layer In a semiconductor integrated circuit device having a p-channel MOSFET having an electrode, the first metal layer and the second metal layer are made of metals having different work functions, and the first low-resistance layer and the second metal layer The low resistance layer is made of a polycrystal made of the same material, has a first intermediate layer between the first metal layer and the first low resistance layer, and the second metal layer and the second metal layer. A second intermediate layer is provided between the low resistance layers, and the first intermediate layer and the second intermediate layer have a composition, a grain size, a crystal structure, and an orientation. Direction is characterized by comprising the same conductive polycrystalline film.

第1の発明によれば、閾値電極(もしくは仕事関数電極)が異なる金属からなるゲート電極を、同一のエッチングによって同時に形成することができるので、nチャネルおよびpチャネルMOSFETからなる半導体集積回路装置を金属ゲート電極MOSFETによって容易に構成することができる。   According to the first invention, since the gate electrodes made of metals having different threshold electrodes (or work function electrodes) can be formed simultaneously by the same etching, a semiconductor integrated circuit device comprising n-channel and p-channel MOSFETs can be obtained. The metal gate electrode MOSFET can be easily configured.

(第2の発明)
第2の発明は、第1の発明において、第1の金属層と第1の中間層が同一成長装置内で連続的に形成され、且つ、第2の金属層と第2の中間層が同一成長装置内で連続的に形成されていることを特徴とする。
(Second invention)
According to a second invention, in the first invention, the first metal layer and the first intermediate layer are continuously formed in the same growth apparatus, and the second metal layer and the second intermediate layer are the same. It is characterized by being formed continuously in the growth apparatus.

第2の発明によれば、第1及び第2の中間層の粒径、結晶構造、及び配向方向が同一とすることができる。   According to the second invention, the grain sizes, crystal structures, and orientation directions of the first and second intermediate layers can be made the same.

(第3の発明)
第3の発明は、第1又は第2の発明において、第1及ぶ第2の中間層が、TiN又はTaNからなることを特徴とする。
(Third invention)
According to a third invention, in the first or second invention, the first and second intermediate layers are made of TiN or TaN.

第3の発明によれば、第1及ぶ第2の中間層を、組成、粒径、結晶構造、及び配向方向が同一の導電性多結晶膜に、容易にすることができる。   According to the third invention, the first and second intermediate layers can be easily formed into a conductive polycrystalline film having the same composition, grain size, crystal structure, and orientation direction.

(第4の発明)
第4の発明は、第1乃至3の発明において、前記同一の材料が、W、WSi2、Mo、Ru、Ta及びSiの何れか一つからなることを特徴とする。
(Fourth invention)
According to a fourth invention, in the first to third inventions, the same material is any one of W, WSi 2 , Mo, Ru, Ta, and Si.

第4の発明によれば、低抵抗層を耐熱性を備えた材料で構成することができる。   According to the fourth invention, the low resistance layer can be made of a material having heat resistance.

(第5の発明)
ゲート酸化膜に接して形成された第1の金属層と、第1の金属層の上に形成された第1の低抵抗層とからなる第1のゲート電極を有するnチャネルMOSFETと、ゲート酸化膜に接して形成された第2の金属層と、第2の金属層の上に形成された第2の低抵抗層とからなる第2のゲート電極を有するpチャネルMOSFETとを備え、第1の金属層と第2の金属層が、異なった仕事関数を有する金属によって構成され、第1の低抵抗層と第2の低抵抗層とが、同一の材料からなる多結晶で構成され、第1の金属層と第1の低抵抗層の間に第1の中間層を有し、且つ第2の金属層と第2の低抵抗層の間に第2の中間層を有し、第1の中間層および第2の中間層が、組成、粒径、結晶構造、及び配向方向が同一の導電性多結晶膜からなる半導体集積回路装置の製造方法において、第1の金属層となる第1の金属膜と、第1の中簡層となる第2の金属膜とを、同一成長装置内で連続的に形成する工程と、且つ、第2の金属層となる第3の金属膜と、第2の中簡層となる第4の金属膜とを、同一成長装置内で連続的に形成する工程とを有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
(Fifth invention)
An n-channel MOSFET having a first gate electrode composed of a first metal layer formed in contact with the gate oxide film and a first low-resistance layer formed on the first metal layer; A p-channel MOSFET having a second gate electrode comprising a second metal layer formed in contact with the film and a second low-resistance layer formed on the second metal layer; The metal layer and the second metal layer are made of metals having different work functions, the first low resistance layer and the second low resistance layer are made of polycrystals made of the same material, and A first intermediate layer between the first metal layer and the first low-resistance layer, and a second intermediate layer between the second metal layer and the second low-resistance layer; The intermediate layer and the second intermediate layer are made of a conductive polycrystalline film having the same composition, grain size, crystal structure, and orientation direction. In the method, a step of continuously forming a first metal film to be a first metal layer and a second metal film to be a first thin layer in the same growth apparatus; and And a third metal film serving as a metal layer and a fourth metal film serving as a second intermediate layer are continuously formed in the same growth apparatus. Device manufacturing method.

第1の発明によれば、閾値電極(もしくは仕事関数電極)が異なる金属からなるゲート電極を、同一のエッチングによって同時に形成することができるので、nチャネルおよびpチャネルMOSFETからなる半導体集積回路装置を金属ゲート電極MOSFETによって容易に製造することができる。   According to the first invention, since the gate electrodes made of metals having different threshold electrodes (or work function electrodes) can be formed simultaneously by the same etching, a semiconductor integrated circuit device comprising n-channel and p-channel MOSFETs can be obtained. The metal gate electrode MOSFET can be easily manufactured.

本発明は、TiNやTaN等の中間層を閾値電極(もしくは仕事関数電極)とワイヤリング金属層の間に介在させることを特徴とする。ゲート電極をこの様に構成すると、たとえ閾値電極(もしくは仕事関数電極)が異なる金属によって構成されていても、その上に形成したワイヤリング金属層の粒径および配向方向は同じになる。従って、nチャネルおよびpチャネルMOSFETのゲート電極を一度のエッチングで形成することができ、金属ゲート電極を有するMOSFETによって、nチャネルおよびpチャネルMOSFET双方を具備する半導体集積回路を容易に形成することができる。   The present invention is characterized in that an intermediate layer such as TiN or TaN is interposed between a threshold electrode (or work function electrode) and a wiring metal layer. When the gate electrode is configured in this way, even if the threshold electrode (or work function electrode) is composed of different metals, the wiring metal layer formed thereon has the same grain size and orientation direction. Therefore, the gate electrodes of the n-channel and p-channel MOSFETs can be formed by a single etching, and a semiconductor integrated circuit including both the n-channel and p-channel MOSFETs can be easily formed by the MOSFET having the metal gate electrode. it can.

以下,図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し,本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず,特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
[素子構造]
(1)全体構成
図1は、本実施の形態による半導体集積回路を構成するCMOSFET(相補型MOSFET)の断面図である。nチャネルMOSFET50とpチャネルMOSFET51が、高抵抗シリコン基板1に形成されている。nチャネルMOSFET50とpチャネルMOSFET51は、STI(Shallow Trench Isolation)からなる素子分離領域2によって絶縁されている。この素子分離領域2は、400nm程度の浅い溝をSiO2で充填したものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the matters described in the claims and equivalents thereof.
[Element structure]
(1) Overall Configuration FIG. 1 is a sectional view of a CMOSFET (complementary MOSFET) constituting the semiconductor integrated circuit according to the present embodiment. An n-channel MOSFET 50 and a p-channel MOSFET 51 are formed on the high resistance silicon substrate 1. The n-channel MOSFET 50 and the p-channel MOSFET 51 are insulated by an element isolation region 2 made of STI (Shallow Trench Isolation). This element isolation region 2 is formed by filling a shallow groove of about 400 nm with SiO 2 .

(2)ゲート電極の構成
nチャネルMOSFET50の閾値電極(もしくは仕事関数電極)52は、仕事関数が3.9〜4.4eVの範囲にある金属で構成されるのが好ましい。具体的には、Ta,TaN,TaSi,TaSi2,TaSixNyの何れかが好ましい。TaSixNyの仕事関数は、膜形成時の組成およびその後の熱処理工程等によって、4.2〜4.4eVの範囲で変化する(非特許文献2)。nチャネルMOSFET50の閾値電極(もしくは仕事関数電極)52の膜厚としては、1〜10nm程度が好ましい。
(2) Configuration of Gate Electrode The threshold electrode (or work function electrode) 52 of the n-channel MOSFET 50 is preferably composed of a metal having a work function in the range of 3.9 to 4.4 eV. Specifically, any of Ta, TaN, TaSi, TaSi 2 and TaSi x N y is preferable. The work function of TaSi x N y varies in the range of 4.2 to 4.4 eV depending on the composition at the time of film formation and the subsequent heat treatment process (Non-patent Document 2). The film thickness of the threshold electrode (or work function electrode) 52 of the n-channel MOSFET 50 is preferably about 1 to 10 nm.

nチャネルMOSFET50の中間層53としては、多結晶TiN又は多結晶TaN膜が好ましい。その膜厚としては、5〜20nmが好ましい。ワイヤリング層としては、W,WSi2,Mo,Ta,Ru等の耐熱性を備えた高融点金属又は多結晶シリコンからなる多結晶膜が好ましい。その膜厚としては、50〜100nm程度が好ましい。 As the intermediate layer 53 of the n-channel MOSFET 50, a polycrystalline TiN or polycrystalline TaN film is preferable. The film thickness is preferably 5 to 20 nm. The wiring layer is preferably a polycrystalline film made of a refractory metal or polycrystalline silicon having heat resistance such as W, WSi 2 , Mo, Ta, or Ru. The film thickness is preferably about 50 to 100 nm.

pチャネルMOSFET51の閾値電極(もしくは仕事関数電極)55は、仕事関数が4.7〜5.3eVの範囲にある金属で構成されるの好ましい。具体的には、Ru,RuO2,TiN,TiSixNyの何れかが好ましい。その膜厚としては、1〜10nm程度が好ましい。 The threshold electrode (or work function electrode) 55 of the p-channel MOSFET 51 is preferably made of a metal having a work function in the range of 4.7 to 5.3 eV. Specifically, any one of Ru, RuO 2 , TiN, and TiSi x N y is preferable. The film thickness is preferably about 1 to 10 nm.

pチャネルMOSFET51の中間層56としては、多結晶TiN又は多結晶TaN膜が好ましい。その膜厚としては、5〜20nmが好ましい。pチャネルMOSFET51のワイヤリング金属層57としては、W,WSi2,Mo,Ta,Ru等の耐熱性を備えた高融点金属又は多結晶シリコンからなる多結晶膜が好ましい。その膜厚としては、50〜100nmが好ましい。 As the intermediate layer 56 of the p-channel MOSFET 51, a polycrystalline TiN or polycrystalline TaN film is preferable. The film thickness is preferably 5 to 20 nm. The wiring metal layer 57 of the p-channel MOSFET 51 is preferably a polycrystalline film made of refractory metal or polycrystalline silicon having heat resistance such as W, WSi 2 , Mo, Ta, and Ru. The film thickness is preferably 50 to 100 nm.

nチャネルMOSFET50の閾値電極(もしくは仕事関数電極)52とpチャネルMOSFET51の閾値電極(もしくは仕事関数電極)55は、仕事関数が異なっている。このように仕事関数の異なる閾値電極(もしくは仕事関数電極)52,55を用いるのは、MOSFET50,51双方を低閾値化するためである。   The threshold electrode (or work function electrode) 52 of the n-channel MOSFET 50 and the threshold electrode (or work function electrode) 55 of the p-channel MOSFET 51 have different work functions. The reason why the threshold electrodes (or work function electrodes) 52 and 55 having different work functions are used is to reduce both the MOSFETs 50 and 51.

(3)中間層
中間層53,56を設けた理由は、nチャネルMOSFET50のゲート電極及びpチャネルMOSFET51のゲート電極双方を、ゲート電極として好ましい形状に同時に一回のエッチングで形成するためである。
(3) Intermediate layer The reason why the intermediate layers 53 and 56 are provided is that both the gate electrode of the n-channel MOSFET 50 and the gate electrode of the p-channel MOSFET 51 are simultaneously formed into a preferable shape as a gate electrode by one etching.

この様な目的を達成するためには、中間層53,56を、組成、粒径、結晶構造、及び配向方向が同一の導電性多結晶膜で構成することが好ましい。この様な条件が満たされれば、本実施の形態のように閾値電極(もしくは仕事関数電極)52,55の材質が異なっていても、中間層53,56の上に形成されるワイヤリング金属層54,57の結晶粒径及び配向方向は同じものになる。その結果、nチャネルMOSFET50のゲート電極及びpチャネルMOSFET51のゲート電極双方を、ゲート電極として好ましい形状に同時に一回のエッチングで形成することが可能になる。   In order to achieve such an object, the intermediate layers 53 and 56 are preferably composed of conductive polycrystalline films having the same composition, grain size, crystal structure, and orientation direction. If such a condition is satisfied, even if the materials of the threshold electrodes (or work function electrodes) 52 and 55 are different as in the present embodiment, the wiring metal layer 54 formed on the intermediate layers 53 and 56 is different. , 57 have the same grain size and orientation direction. As a result, both the gate electrode of the n-channel MOSFET 50 and the gate electrode of the p-channel MOSFET 51 can be formed into a shape preferable as a gate electrode by one etching at the same time.

多結晶膜をエッチングして得られる形状は、通常その結晶粒径や配向方向に依存する。ところで、W,Mo等のワイヤリング金属層に適した金属は多結晶膜として形成され易く、その結晶粒径や配向方向は、成長条件だけでなく下地金属層の組成、粒径、結晶構造、及び配向方向の影響を受けて変化する。従って、ワイヤリング金属層54,57をゲート電極として好ましい形状に同時に一回のエッチングで形成するためには、下地金属の組成、粒径、結晶構造、及び配向方向が同一であることが好ましい。   The shape obtained by etching a polycrystalline film usually depends on the crystal grain size and orientation direction. By the way, metals suitable for wiring metal layers such as W and Mo are easily formed as a polycrystalline film, and the crystal grain size and orientation direction are not only the growth conditions but also the composition of the underlying metal layer, the grain size, the crystal structure, and Changes under the influence of the orientation direction. Therefore, in order to form the wiring metal layers 54 and 57 in a preferred shape as a gate electrode simultaneously by one etching, it is preferable that the composition, grain size, crystal structure, and orientation direction of the base metal are the same.

しかし、上述のとおり、nチャネルMOSFET50の閾値電極(もしくは仕事関数電極)52とpチャネルMOSFET51の閾値電極(もしくは仕事関数電極)55は低閾値化のため異なった材料で構成される。従って、その組成、粒径、結晶構造、及び配向方向は、当然異なっている。このため閾値電極(もしくは仕事関数電極)52,55の上に直接ワイヤリング金属層54,57を成長してしまうと、ワイヤリング金属層54,57が大きさの大半を占めるゲート電極を、好ましい形状に同時に一回のエッチングで形成することはできない。   However, as described above, the threshold electrode (or work function electrode) 52 of the n-channel MOSFET 50 and the threshold electrode (or work function electrode) 55 of the p-channel MOSFET 51 are made of different materials for lowering the threshold. Accordingly, the composition, grain size, crystal structure, and orientation direction are naturally different. For this reason, when the wiring metal layers 54 and 57 are grown directly on the threshold electrodes (or work function electrodes) 52 and 55, the gate electrode occupying most of the size of the wiring metal layers 54 and 57 is formed into a preferable shape. It cannot be formed by one etching at the same time.

ところで、金属膜の中には、一定の成長条件のもと下地金属層が異なっても、粒径、結晶構造、及び配向方向が同一になるものが存在する。例えば、TiNやTaNを化学気相成長法(CVD法)で形成すると、半導体集積回路の製造に用いられる通常の成長条件では、下地金属層の種類に依らず一定の粒径、結晶構造、及び配向方向を有する多結晶膜に成長する。   By the way, some metal films have the same grain size, crystal structure, and orientation direction even if the underlying metal layers are different under certain growth conditions. For example, when TiN or TaN is formed by chemical vapor deposition (CVD), under normal growth conditions used for manufacturing semiconductor integrated circuits, a constant grain size, crystal structure, and Grows into a polycrystalline film having an orientation direction.

従って、中間層53,56を、組成、粒径、結晶構造、及び配向方向が同一の導電性膜例えば(100)に配向したルチル構造のTiNや(111)配向した面心立方のTaNで構成すれば、ワイヤリング金属層54,57をゲート電極として好ましい形状に同時に一回のエッチングで形成できるようになる。尚、閾値電極(もしくは仕事関数電極)52,55は異なった材料で構成されているが、その膜厚が薄いので閾値電極(もしくは仕事関数電極)52,55の材質等の相違は、ゲート電極のエッチング形状には殆ど影響を及ぼさない。   Therefore, the intermediate layers 53 and 56 are composed of a conductive film having the same composition, grain size, crystal structure, and orientation direction, for example, (100) oriented rutile TiN or (111) oriented face-centered cubic TaN. In this case, the wiring metal layers 54 and 57 can be formed into a preferable shape as a gate electrode by one etching at the same time. Although the threshold electrodes (or work function electrodes) 52 and 55 are made of different materials, the thickness of the threshold electrodes (or work function electrodes) 52 and 55 is different. The etching shape is hardly affected.

但し、ワイヤリング金属層54,57を再現性良く同一形状にエッチングするためには、中間層53,56に接する閾値電極(もしくは仕事関数電極)52,55の上面が、酸化されていない方が好ましい。すなわち、閾値電極(もしくは仕事関数電極)52,55の上面が酸化されている場合には、ワイヤリング金属層54,57をゲート電極として好ましい形状に、同時に一回のエッチングで再現性良く形成することが困難になる。   However, in order to etch the wiring metal layers 54 and 57 into the same shape with good reproducibility, it is preferable that the upper surfaces of the threshold electrodes (or work function electrodes) 52 and 55 in contact with the intermediate layers 53 and 56 are not oxidized. . That is, when the upper surfaces of the threshold electrodes (or work function electrodes) 52 and 55 are oxidized, the wiring metal layers 54 and 57 are formed into a preferable shape as a gate electrode, and simultaneously formed with good reproducibility by one etching. Becomes difficult.

化学気相成長法(CVD法)でTiNやTaNを形成すると、下地金属層の種類に依らず一定の粒径、結晶構造、及び配向方向を有する多結晶膜が成長する。しかし、それは下地金属層の表面が酸化されていない場合である。下地金属層の表面が酸化されている場合には、成長膜の粒径及び配向方向が乱れ易くなる。   When TiN or TaN is formed by a chemical vapor deposition method (CVD method), a polycrystalline film having a constant grain size, crystal structure, and orientation direction grows regardless of the type of the underlying metal layer. However, this is the case when the surface of the underlying metal layer is not oxidized. When the surface of the underlying metal layer is oxidized, the grain size and orientation direction of the growth film are likely to be disturbed.

しかし、閾値電極(もしくは仕事関数電極)52,55に適したTaSixNy, TiSixNyには、酸化されやすいという特質がある。従って、閾値電極(もしくは仕事関数電極)52,55の上面を露出したまま大気に晒すと、閾値電極(もしくは仕事関数電極)52,55の上面が酸素で強く酸化される。 However, TaSi x N y and TiSi x N y suitable for the threshold electrodes (or work function electrodes) 52 and 55 have a characteristic that they are easily oxidized. Therefore, when the upper surfaces of the threshold electrodes (or work function electrodes) 52 and 55 are exposed to the atmosphere while being exposed, the upper surfaces of the threshold electrodes (or work function electrodes) 52 and 55 are strongly oxidized with oxygen.

酸化された閾値電極(もしくは仕事関数電極)52,55の上面は、中間層53,56の成長に悪影響を及ぼし、中間層53,56の結晶粒径や配向方向が一定しない原因となる。その結果、ワイヤリング金属層54,57の結晶粒径や配向方向も一定しなくなる。従って、ワイヤリング金属層54,57をゲート電極として好ましい形状に、同時に一回のエッチングで再現性良く形成することが困難になる。   The upper surfaces of the oxidized threshold electrodes (or work function electrodes) 52 and 55 adversely affect the growth of the intermediate layers 53 and 56, causing the crystal grain size and the orientation direction of the intermediate layers 53 and 56 to be not constant. As a result, the crystal grain size and orientation direction of the wiring metal layers 54 and 57 are not constant. Therefore, it becomes difficult to form the wiring metal layers 54 and 57 into a preferable shape as a gate electrode with good reproducibility by one etching at the same time.

nチャネルMOSFET50の閾値電極52(もしくは仕事関数電極)の上面の酸化層形成を防止するには、閾値電極(もしくは仕事関数電極)52と中間層53を同一成長装置内で連続的に成長すれば良い。この様にすれば、閾値電極(もしくは仕事関数電極)52の上面が酸化されることはない。従って、ワイヤリング金属層54を再現性良く同一形状にエッチングすることが可能になる。pチャネルMOSFET51の閾値電極(もしくは仕事関数電極)55の上面についても、同様である。または、中間層53,56を成長する前に、閾値電極(もしくは仕事関数電極)52,55の上面を注意深くクリーニング処理して、酸化層を除去しても良い。閾値電極(もしくは仕事関数電極)52,55の上面が酸化されているか否は、オージェ電子分光分析(Auger Electron Spectroscopy)のような表面分析法によって判断することができる。   In order to prevent the formation of an oxide layer on the upper surface of the threshold electrode 52 (or work function electrode) of the n-channel MOSFET 50, the threshold electrode (or work function electrode) 52 and the intermediate layer 53 are continuously grown in the same growth apparatus. good. In this way, the upper surface of the threshold electrode (or work function electrode) 52 is not oxidized. Therefore, the wiring metal layer 54 can be etched into the same shape with good reproducibility. The same applies to the upper surface of the threshold electrode (or work function electrode) 55 of the p-channel MOSFET 51. Alternatively, before the intermediate layers 53 and 56 are grown, the upper surfaces of the threshold electrodes (or work function electrodes) 52 and 55 may be carefully cleaned to remove the oxide layer. Whether the upper surfaces of the threshold electrodes (or work function electrodes) 52 and 55 are oxidized can be determined by a surface analysis method such as Auger Electron Spectroscopy.

図1のCMOSでは、組成、粒径、結晶構造、及び配向方向が同一の導電性多結晶膜からなる中間層53,56を閾値電極(もしくは仕事関数電極)52,55とワイヤリング金属層54,57の間に介在させ、且つ閾値電極(もしくは仕事関数電極)52,55の上面の酸化が防止されている。従ってnチャネルMOSFET50及びpチャネルMOSFET51のゲート電極の形状を、一回のエッチングで図25のようなゲート電極に適した形状に加工することができた。   In the CMOS of FIG. 1, intermediate layers 53 and 56 made of conductive polycrystalline films having the same composition, grain size, crystal structure, and orientation direction are used as threshold electrodes (or work function electrodes) 52 and 55 and wiring metal layers 54 and 55, respectively. The upper surface of the threshold electrodes (or work function electrodes) 52 and 55 is prevented from being oxidized. Therefore, the gate electrodes of the n-channel MOSFET 50 and the p-channel MOSFET 51 could be processed into a shape suitable for the gate electrode as shown in FIG. 25 by one etching.

尚、配向方向とは、多結晶膜を構成する各微結晶の特定の結晶軸が略同一方向に向いている場合に、当該特定の結晶軸の方向のことを言う。多結晶膜を構成する各微結晶の粒径(及び配向方向)は、一定ではなく中央値(又は中心方向)の周りに分布している。粒径(又は配向方向)が同一とは、比較する2つの多結晶膜について、平均粒径(又は配向方向の平均)が略同一であることを言う。具体的には、粒径が同一とは、比較する2つの多結晶膜の平均粒径の比が、好ましくは0.1以上10以下、更に好ましくは0.2以上5.0以下、最も好ましくは0.5以上2.0以下であることを言う。また、配向方向が同一とは、比較する2つの多結晶膜夫々において各微結晶の配向方向を平均化した方向(配向方向の平均、所謂多結晶膜の配向方向)が互いになす角度が、好ましくは45度以内(0度以上45度以下、以下同様)で、更に好ましくは30度以内、最も好ましくは10度以内であることを言う。   The orientation direction refers to the direction of the specific crystal axis when specific crystal axes of the microcrystals constituting the polycrystalline film are oriented in substantially the same direction. The grain size (and orientation direction) of each microcrystal constituting the polycrystalline film is not constant but distributed around the median value (or the center direction). The same grain size (or orientation direction) means that the average grain size (or average orientation direction) is substantially the same for the two polycrystalline films to be compared. Specifically, the same grain size means that the ratio of the average grain sizes of the two polycrystalline films to be compared is preferably 0.1 or more and 10 or less, more preferably 0.2 or more and 5.0 or less, and most preferably 0.5 or more and 2.0 or less. Say there is. In addition, the same orientation direction is preferably an angle formed by the directions obtained by averaging the orientation directions of the microcrystals in each of the two polycrystalline films to be compared (average orientation direction, so-called orientation direction of the polycrystalline film). Means within 45 degrees (0 degree to 45 degrees, the same applies hereinafter), more preferably within 30 degrees, and most preferably within 10 degrees.

(4)ゲート酸化膜及びソース・ドレイン領域
nチャネルMOSFET50及びpチャネルMOSFET51のゲート酸化膜58,59としては、膜厚1.5〜5nmのHfSixOyNz膜が好ましい。膜厚1〜3nmの二酸化シリコン膜(SiO2膜)又は酸窒化シリコン膜(SiON膜)であっても良いが、リーク電流が増大して絶縁膜として機能しなくなる限界膜厚に近い。従って、この様なSiO2膜またはSiON膜を用いる場合には、薄膜化による性能向上が難しくなる。
(4) As the gate oxide film and gate oxide film 58 and 59 of the source and drain regions n-channel MOSFET50 and p-channel MOSFET51, HfSi x O y N z film having a thickness 1.5~5nm are preferred. A silicon dioxide film (SiO 2 film) or a silicon oxynitride film (SiON film) having a thickness of 1 to 3 nm may be used, but it is close to the limit film thickness at which the leakage current increases and does not function as an insulating film. Therefore, when such a SiO 2 film or a SiON film is used, it is difficult to improve the performance by reducing the thickness.

nチャネルMOSFET50のソース20及びドレイ21は、高抵抗シリコン基板1に形成されたp型ウェル領域4の表面に形成される。ソース20及びドレイン21は高キャリヤ濃度n型シリコン層からなり、表面にはニッケルシリサイドNiSiからなるコンタクト電極26が形成されている。   The source 20 and the drain 21 of the n-channel MOSFET 50 are formed on the surface of the p-type well region 4 formed in the high resistance silicon substrate 1. The source 20 and the drain 21 are made of a high carrier concentration n-type silicon layer, and a contact electrode 26 made of nickel silicide NiSi is formed on the surface.

ソース20又はドレイン21近傍において電界強度が過度に大きくなることを防止するため、ゲート絶縁膜58の直下近傍には、低キャリヤ濃度n型シリコン層からなるエクステンション領域17が配置されている。サイドウオールスペーサー絶縁膜14及びサイドウオール絶縁膜19は、このエクステンション領域17に接するソース20またはドレイン21をイオン注入によって形成するためのものである。   In order to prevent the electric field strength from becoming excessively high near the source 20 or the drain 21, an extension region 17 made of a low carrier concentration n-type silicon layer is disposed in the vicinity immediately below the gate insulating film 58. The sidewall spacer insulating film 14 and the sidewall insulating film 19 are for forming the source 20 or the drain 21 in contact with the extension region 17 by ion implantation.

pチャネルMOSFET51のソース23及びドレイ24は、高抵抗シリコン基板1に形成されたn型ウェル領域3の表面に形成される。ソース23及びドレイン24は高キャリヤ濃度p型シリコン層からなり、表面にはニッケルシリサイドNiSiからなるコンタクト電極26が形成されている。   The source 23 and the drain 24 of the p-channel MOSFET 51 are formed on the surface of the n-type well region 3 formed in the high resistance silicon substrate 1. The source 23 and the drain 24 are made of a high carrier concentration p-type silicon layer, and a contact electrode 26 made of nickel silicide NiSi is formed on the surface.

ソース23又はドレイン24近傍において電界強度が過度に大きくなることを防止するため、ゲート絶縁膜59の直下近傍には、低キャリヤ濃度p型シリコン層からなるエクステンション領域15が配置されている。サイドウオールスペーサー絶縁膜14及びサイドウオール絶縁膜19は、このエクステンション領域15に接するソース23及びドレイン24をイオン注入によって形成するためのものである。   In order to prevent the electric field strength from becoming excessively high near the source 23 or the drain 24, an extension region 15 made of a low carrier concentration p-type silicon layer is disposed in the vicinity immediately below the gate insulating film 59. The side wall spacer insulating film 14 and the side wall insulating film 19 are for forming the source 23 and the drain 24 in contact with the extension region 15 by ion implantation.

[製造方法]
図2乃至22に、図1に示したCMOSFETの製造方法を示す。
[Production method]
2 to 22 show a method of manufacturing the CMOSFET shown in FIG.

(1)n型及びp型ウェルの形成
図2は、高抵抗シリコン基板1にnウェル領域3及びpウェル4を形成する工程を示している。図2(a)のように、まずSTI(Shallow Trench Isolation)からなる素子分離領域2を、高抵抗シリコン基板1に形成する。高抵抗シリコン基板1に深さ400nm程度の浅い溝を形成し、CVD(chemical vapor deposition)法により600nm程度の厚さのSiO2膜を堆積する。その後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法により、上記溝の外に堆積されたSiO2膜を除去して、STI(Shallow Trench Isolation)と呼ばれる絶縁物で充填された素子分離域2を形成する。次に、図2(b)のようにフォトレジスト膜60をマスクとしてリン(P)61を300kVでイオン注入する。同様に、フォトレジスト膜60をマスクとしてボロン(B)62を130kVでイオン注入し、その後の熱処理によって、Pを活性化してn型ウェル3を、Bを活性化してp型ウェル4を形成する(図2(c))。
(1) Formation of n-type and p-type wells FIG. 2 shows a process of forming an n-well region 3 and a p-well 4 in a high-resistance silicon substrate 1. As shown in FIG. 2A, first, an element isolation region 2 made of STI (Shallow Trench Isolation) is formed on a high resistance silicon substrate 1. A shallow trench having a depth of about 400 nm is formed on the high-resistance silicon substrate 1, and a SiO 2 film having a thickness of about 600 nm is deposited by a chemical vapor deposition (CVD) method. Thereafter, the SiO 2 film deposited outside the trench is removed by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method to form an element isolation region 2 filled with an insulator called STI (Shallow Trench Isolation). Next, phosphorus (P) 61 is ion-implanted at 300 kV using the photoresist film 60 as a mask as shown in FIG. Similarly, boron (B) 62 is ion-implanted at 130 kV using the photoresist film 60 as a mask, and by subsequent heat treatment, P is activated to activate n-type well 3 and B is activated to form p-type well 4. (FIG. 2 (c)).

(2)ゲート絶縁膜およびゲート電極の形成
次に、図3(a)のように、ゲート絶縁膜58,59となる酸化物5を、p型ウェル領域4およびn型ウェル領域3が形成された高抵抗シリコン1の表面に形成する。ゲート絶縁膜としては、膜厚1〜3nm程度の二酸化シリコン膜(SiO2膜)又は酸窒化シリコン膜(SiON膜)を堆積しても良い。しかし、本実施の形態では、高誘電率ゲート絶縁膜として実用化が期待されているHfSiON膜を1.5〜5nm の厚さにCVD法で堆積する。
(2) Formation of Gate Insulating Film and Gate Electrode Next, as shown in FIG. 3A, the p-type well region 4 and the n-type well region 3 are formed from the oxide 5 to be the gate insulating films 58 and 59. It is formed on the surface of the high resistance silicon 1. As the gate insulating film, a silicon dioxide film (SiO 2 film) or a silicon oxynitride film (SiON film) having a thickness of about 1 to 3 nm may be deposited. However, in this embodiment, an HfSiON film expected to be put to practical use as a high dielectric constant gate insulating film is deposited to a thickness of 1.5 to 5 nm by the CVD method.

次に、図3(b)に示す通り、厚さ1〜10nm程度の金属膜6を、ゲート絶縁膜58,59となる酸化物5の上に堆積する。金属膜6は、nチャネルMOSFET50の閾値電極(もしくは仕事関数電極)52となる。ところで、nチャネルMOSFET50の閾値は、金属膜6の仕事関数とp型ウェル4のフェルミ準位の差によって決まる。従って、nチャネルMOSFET50を低閾値化するためには、金属膜6の仕事関数の範囲は3.9〜4.4eVであることが好ましい。この様な条件を満たす金属としては、Ta, TaN, TaSi, TaSi2, 及びTaSixNyなどがある。   Next, as shown in FIG. 3B, a metal film 6 having a thickness of about 1 to 10 nm is deposited on the oxide 5 to be the gate insulating films 58 and 59. The metal film 6 becomes the threshold electrode (or work function electrode) 52 of the n-channel MOSFET 50. Incidentally, the threshold value of the n-channel MOSFET 50 is determined by the difference between the work function of the metal film 6 and the Fermi level of the p-type well 4. Therefore, in order to lower the threshold value of the n-channel MOSFET 50, the work function range of the metal film 6 is preferably 3.9 to 4.4 eV. Examples of metals that satisfy such conditions include Ta, TaN, TaSi, TaSi2, and TaSixNy.

本実施の形態では、厚さ5nm のTaSi0.5N2膜を金属膜6として堆積する。TaSi0.5N2膜は、Ta[N(CH3)2]5、NH3及びSi2H6を原料としてCVD法で堆積する。成長温度は、480℃とする。得られる膜は、閾値電極(もしくは仕事関数電極)に適した非晶質膜である。尚、TaSixNyの仕事関数は、膜形成時の組成及びその後の熱処理工程等により4.2〜4.4eVの範囲で変化する。 In the present embodiment, a TaSi 0.5 N 2 film having a thickness of 5 nm is deposited as the metal film 6. The TaSi 0.5 N 2 film is deposited by the CVD method using Ta [N (CH 3 ) 2 ] 5 , NH 3 and Si 2 H 6 as raw materials. The growth temperature is 480 ° C. The resulting film is an amorphous film suitable for a threshold electrode (or work function electrode). The work function of TaSi x N y varies in the range of 4.2 to 4.4 eV depending on the composition at the time of film formation and the subsequent heat treatment process.

次に、図4(a)のように、nチャンネルMOSFET50の中間層52となる金属膜7を堆積する。金属膜7を構成する材料としては、下地金属層に依らず成長膜の粒径、結晶構造、及び配向方向が一定になりやすいTiN又はTaN等が好ましい。TiN又はTaNは、CVD法によって堆積される。得られる堆積膜は、直径10〜20nmの微結晶からなる多結晶である。   Next, as shown in FIG. 4A, a metal film 7 to be an intermediate layer 52 of the n-channel MOSFET 50 is deposited. The material constituting the metal film 7 is preferably TiN, TaN, or the like in which the grain size, crystal structure, and orientation direction of the growth film tend to be constant regardless of the underlying metal layer. TiN or TaN is deposited by a CVD method. The obtained deposited film is a polycrystal composed of microcrystals having a diameter of 10 to 20 nm.

本実施の形態では、厚さ5〜20nmのTiN膜を、TaSi0.5N2からなる金属膜6すなわち閾値電極(もしくは仕事関数電極)52の上に、TiCl4とNH3を原料としてCVD法で堆積する。成長温度は、600〜650℃である。TaSixNy は酸化され易いので大気に晒されると、その上に成長させるTiN膜の粒径及び配向方向が乱れやすくなる。その結果、TiN膜からなる金属膜7の上に成長させるワイヤリング金属層54、57も、結晶粒径及び配向方向が一定しなくなってしまう(TiNではなくTaNを金属膜7としても、結果は同じである。)。そこで、本実施の形態では、異なった金属膜夫々を成長するための専用成長室が連結されたクラスタ型のCVD装置を用いて金属膜6及び金属膜7を連続的に堆積し、金属膜6すなわち閾値電極(もしくは仕事関数電極)52の表面が大気中に暴露されないようにした。 In the present embodiment, a TiN film having a thickness of 5 to 20 nm is formed on a metal film 6 made of TaSi 0.5 N 2, that is, a threshold electrode (or work function electrode) 52 by a CVD method using TiCl 4 and NH 3 as raw materials. accumulate. The growth temperature is 600-650 ° C. Since TaSixNy is easily oxidized, when exposed to the atmosphere, the grain size and orientation direction of the TiN film grown on the TaSixNy are likely to be disturbed. As a result, the wiring metal layers 54 and 57 grown on the metal film 7 made of a TiN film also have a non-constant crystal grain size and orientation direction (the result is the same even if TaN is used instead of TiN as the metal film 7). .) Therefore, in the present embodiment, the metal film 6 and the metal film 7 are continuously deposited by using a cluster type CVD apparatus in which dedicated growth chambers for growing different metal films are connected. That is, the surface of the threshold electrode (or work function electrode) 52 was prevented from being exposed to the atmosphere.

次に、図4(b)のように、pチャネルMOSFET51となる領域の上に堆積された金属膜6,7を除去するために、SiNからなるマスク膜8をCVD法で厚さ50nmに堆積する。マスク膜8の材料としては、SiO2又はSiも用いることができる。また、マスク膜8の厚さとしては、20〜100nmが適当である。 Next, as shown in FIG. 4B, in order to remove the metal films 6 and 7 deposited on the region to become the p-channel MOSFET 51, a mask film 8 made of SiN is deposited to a thickness of 50 nm by the CVD method. To do. As a material for the mask film 8, SiO 2 or Si can also be used. Further, the thickness of the mask film 8 is appropriately 20 to 100 nm.

次いて図5(a)のように、pチャネルMOSFET51となる領域に形成されたマスク膜8を、フォトリソグラフィ法と反応性イオンエッチング法を用いて除去する。   Next, as shown in FIG. 5A, the mask film 8 formed in the region to be the p-channel MOSFET 51 is removed using a photolithography method and a reactive ion etching method.

次に、図5(b)のように、パターンニングされたマスク膜8をエッチングマスクとして、pチャネルMOSFET51となる領域に形成された金属膜6,7を、化学エッチングによって除去する。金属膜6,7の除去に化学エッチングを用いるのは、ゲート絶縁膜となる酸化物5へのプロセスダメージを最小にするためである。金属膜6,7の化学エッチングには、アンモニア・過酸化水素水混合溶液を用いる。アンモニア・過酸化水素混合溶液は、HfSiON(ゲート絶縁膜となる酸化物5)を侵すことなく、TiN(中間層53となる金属膜7)およびTaSixNy(閾値電極(もしくは仕事関数電極)53となる金属膜7)を選択的にエッチングする。   Next, as shown in FIG. 5B, the metal films 6 and 7 formed in the region to be the p-channel MOSFET 51 are removed by chemical etching using the patterned mask film 8 as an etching mask. The reason why chemical etching is used to remove the metal films 6 and 7 is to minimize the process damage to the oxide 5 serving as a gate insulating film. For the chemical etching of the metal films 6 and 7, a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide is used. The ammonia / hydrogen peroxide mixed solution becomes TiN (metal film 7 that becomes the intermediate layer 53) and TaSixNy (threshold electrode (or work function electrode) 53 without damaging HfSiON (oxide 5 that becomes the gate insulating film). The metal film 7) is selectively etched.

次に、図6に示す通り、厚さ1〜10nm程度の金属膜9を、酸化物5の上に堆積する。金属9は、pチャネルMOSFETの閾値電極(もしくは仕事関数電極)55となる。ところで、pチャネルMOSFET51の閾値は、金属膜9の仕事関数とn型ウェル3のフェルミ準位の差によって決まる。従って、pチャネルMOSFETを低閾値化するためには、金属膜9の仕事関数の範囲は4.7〜5.3eVであることが好ましい。この様な条件を満たす金属としては、Ru、RuO2、TiN、及びTiSixNyなどがある。 Next, as shown in FIG. 6, a metal film 9 having a thickness of about 1 to 10 nm is deposited on the oxide 5. The metal 9 becomes the threshold electrode (or work function electrode) 55 of the p-channel MOSFET. Incidentally, the threshold value of the p-channel MOSFET 51 is determined by the difference between the work function of the metal film 9 and the Fermi level of the n-type well 3. Therefore, in order to lower the threshold value of the p-channel MOSFET, the work function range of the metal film 9 is preferably 4.7 to 5.3 eV. Examples of metals that satisfy such conditions include Ru, RuO 2 , TiN, and TiSixNy.

本実施の形態では、厚さ5nm のTiSi0.1N1.1膜を金属膜9として堆積する。TiSi0.1N1.1膜は、TiCl4、NH3及びN(SiH3)3を原料としてCVD法で堆積する。成長温度は、600〜650℃である。得られる膜は、閾値電極(もしくは仕事関数電極)に適した非晶質膜である。 In the present embodiment, a TiSi 0.1 N 1.1 film having a thickness of 5 nm is deposited as the metal film 9. The TiSi 0.1 N 1.1 film is deposited by CVD using TiCl 4 , NH 3 and N (SiH 3 ) 3 as raw materials. The growth temperature is 600-650 ° C. The resulting film is an amorphous film suitable for a threshold electrode (or work function electrode).

次に、図7のように、pチャンネルMOSFET51の中間層56となる金属膜10を堆積する。金属膜10を構成する材料としては、下地金属層に依らず成長膜の粒径、結晶構造、及び配向方向が一定になりやすいTiN又はTaN等が好ましい。TiN又はTaNは、CVD法によって堆積される。得られる堆積膜は、直径10〜20nmの微結晶からなる多結晶である。   Next, as shown in FIG. 7, a metal film 10 to be an intermediate layer 56 of the p-channel MOSFET 51 is deposited. The material constituting the metal film 10 is preferably TiN or TaN which tends to make the grain size, crystal structure, and orientation direction of the growth film constant regardless of the underlying metal layer. TiN or TaN is deposited by a CVD method. The obtained deposited film is a polycrystal composed of microcrystals having a diameter of 10 to 20 nm.

nチャンネルMOSFET50のワイヤリング金属層54から閾値電極(もしくは仕事関数電極)52に至る金属層と、pチャンネルMOSFET51のワイヤリング金属層57から閾値電極(もしくは仕事関数電極)55に至る金属層を同時にエッチングし、図25のようなゲート電極に適した形状に加工することが本発明の目的である。従って、pチャンネルMOSFET51の中間層56がnチャンネルMOSFET50の中間層53と組成、粒径、結晶構造、及び配向方向が同一の導電性多結晶膜となるように、pチャンネルMOSFET51の中間層56は、nチャンネルMOSFET50の中間層53と同一組成の金属層を、製造法及び製造条件を同一として成長することが好ましい。   The metal layer from the wiring metal layer 54 of the n-channel MOSFET 50 to the threshold electrode (or work function electrode) 52 and the metal layer from the wiring metal layer 57 of the p-channel MOSFET 51 to the threshold electrode (or work function electrode) 55 are simultaneously etched. It is an object of the present invention to process into a shape suitable for the gate electrode as shown in FIG. Therefore, the intermediate layer 56 of the p-channel MOSFET 51 is a conductive polycrystalline film having the same composition, grain size, crystal structure, and orientation direction as the intermediate layer 53 of the n-channel MOSFET 50. The metal layer having the same composition as that of the intermediate layer 53 of the n-channel MOSFET 50 is preferably grown under the same manufacturing method and manufacturing conditions.

そこで本実施の形態では、厚さ5〜20nmのTiN膜を、TiSi0.1N1.1からなる金属膜9すなわち閾値電極(もしくは仕事関数電極)55の上にTiCl4とNH3を原料として、nチャンネルMOSFET50の中間層53と同一条件でCVD法により堆積する。成長温度は、600〜650℃である。但し、CVD法で堆積したTiN膜及びTaN膜の粒径及び配向方向は、成長条件を変えてもあまり変わらない。従って、これらの膜の成長条件は、必ずしも同一である必要はない。 Therefore, in this embodiment, a TiN film having a thickness of 5 to 20 nm is formed on a metal film 9 made of TiSi 0.1 N 1.1, that is, a threshold electrode (or work function electrode) 55 using TiCl 4 and NH 3 as raw materials, and an n channel. Deposited by the CVD method under the same conditions as the intermediate layer 53 of the MOSFET 50. The growth temperature is 600-650 ° C. However, the grain size and orientation direction of the TiN film and TaN film deposited by the CVD method do not change much even if the growth conditions are changed. Therefore, the growth conditions of these films are not necessarily the same.

TiSixNy は酸化され易いので大気に晒されると、その上に成長させるTiN膜の粒径及び配向方向が乱れやすくなる。その結果、TiN膜からなる金属膜9の上に成長させるワイヤリング金属層54、57も、結晶粒径及び配向方向が一定しなくなってしまう(TaNを金属膜9としても、結果は同じである。)。そこで、本実施の形態では、異なった金属膜夫々を成長するための専用成長室が連結されたクラスタ型のCVD装置を用いて金属膜9及び金属膜10を連続的に堆積し、金属膜9すなわち閾値電極(もしくは仕事関数電極)55の表面が大気中に暴露されないようにした。   Since TiSixNy is easily oxidized, when exposed to the atmosphere, the grain size and orientation direction of the TiN film grown on the TiSixNy tends to be disturbed. As a result, the wiring metal layers 54 and 57 grown on the metal film 9 made of a TiN film also have a non-constant crystal grain size and orientation direction (the result is the same even when TaN is used as the metal film 9). ). Therefore, in the present embodiment, the metal film 9 and the metal film 10 are continuously deposited using a cluster type CVD apparatus in which dedicated growth chambers for growing different metal films are connected. That is, the surface of the threshold electrode (or work function electrode) 55 was prevented from being exposed to the atmosphere.

次に、図8のように、nチャネルMOSFET50となる領域の上に堆積された金属膜9,10を除去するために、SiNからなるマスク膜11をCVD法で厚さ50nmに堆積する。マスク膜11の材料としては、SiO2又はSiも用いることができる。また、マスク膜11の厚さとしては、20〜100nmが適当である。 Next, as shown in FIG. 8, in order to remove the metal films 9 and 10 deposited on the region to be the n-channel MOSFET 50, a mask film 11 made of SiN is deposited to a thickness of 50 nm by the CVD method. As a material for the mask film 11, SiO 2 or Si can also be used. The thickness of the mask film 11 is appropriately 20-100 nm.

次いて図9のように、nチャネルMOSFET50となる領域に形成されたマスク膜11を、フォトリソグラフィ法と反応性イオンエッチング法を用いて除去する。   Next, as shown in FIG. 9, the mask film 11 formed in the region to become the n-channel MOSFET 50 is removed by using a photolithography method and a reactive ion etching method.

次に、図10のように、パターンニングされたマスク膜11をエッチングマスクとして、nチャネルMOSFET50となる領域に形成された金属膜9,10を、化学エッチングによって除去する。金属膜9,10の化学エッチングには、アンモニア・過酸化水素混合溶液を用いる。   Next, as shown in FIG. 10, the metal films 9 and 10 formed in the region to be the n-channel MOSFET 50 are removed by chemical etching using the patterned mask film 11 as an etching mask. For the chemical etching of the metal films 9 and 10, a mixed solution of ammonia and hydrogen peroxide is used.

次に、図11のように、SiNからなるマスク膜8,11を反応性イオンエッチングにより除去する。その後、図12のように、nチャネルMOSFET50及びpチャネルMOSFET51のワイヤリング金属層54,57となる金属膜12を、50〜100nmの厚さに堆積する。ワイヤリング金属膜としては、W, WSi2, Mo, Ta, Ru又は多結晶シリコンが好ましい。多結晶シリコンには、加工が容易であるという利点がある。 Next, as shown in FIG. 11, the mask films 8 and 11 made of SiN are removed by reactive ion etching. Thereafter, as shown in FIG. 12, the metal film 12 to be the wiring metal layers 54 and 57 of the n-channel MOSFET 50 and the p-channel MOSFET 51 is deposited to a thickness of 50 to 100 nm. As the wiring metal film, W, WSi 2 , Mo, Ta, Ru or polycrystalline silicon is preferable. Polycrystalline silicon has the advantage of easy processing.

本実施の形態では、Wからなる金属膜12を50nmスパッタリング法で堆積する。堆積温度は、室温である。   In the present embodiment, a metal film 12 made of W is deposited by a 50 nm sputtering method. The deposition temperature is room temperature.

次に、ワイヤリング金属層54,57となる金属膜12の上に、金属膜6,7,9,10,12を加工してゲート電極を形成するために必要なマスク膜13を堆積する。マスク膜13はSiNからなり、CVDによる堆積する。マスク膜13の材料としては、SiO2を用いても良い。 Next, on the metal film 12 to be the wiring metal layers 54 and 57, the mask film 13 necessary for forming the gate electrode by processing the metal films 6, 7, 9, 10, and 12 is deposited. The mask film 13 is made of SiN and is deposited by CVD. As a material for the mask film 13, SiO 2 may be used.

次に、フォトリソグラフィ法と反応性イオンエッチング法を用いて、マスク膜13を反応性イオンエッチング用のマスクに加工する。加工後のマスク膜13をマスクとして、金属膜6,7,9,10,12を反応性イオンエッチングよりエッチングして、図13のように、nチャネルMOSFET50およびpチャネルMOSFET51用のゲート電極を同時に形成する。この様にして加工されたゲート電極は、nチャネルMOSFET50およびnチャネルMOSFET51双方において、図25のようなゲート電極として理想的な形状になる。   Next, the mask film 13 is processed into a mask for reactive ion etching using photolithography and reactive ion etching. Using the processed mask film 13 as a mask, the metal films 6, 7, 9, 10, and 12 are etched by reactive ion etching, and the gate electrodes for the n-channel MOSFET 50 and the p-channel MOSFET 51 are simultaneously formed as shown in FIG. Form. The gate electrode processed in this way has an ideal shape as a gate electrode as shown in FIG. 25 in both the n-channel MOSFET 50 and the n-channel MOSFET 51.

次に、ゲート電極直下を除く領域の酸化物5及び上記マスクを、希フッ酸によって除去する。ゲート電極がマスクとなりゲート電極直下の酸化物5は除去されずに、図14のように、ゲート絶縁膜58,59になる。   Next, the oxide 5 and the mask in the region except just under the gate electrode are removed with dilute hydrofluoric acid. The gate electrode serves as a mask, and the oxide 5 immediately below the gate electrode is not removed, but becomes gate insulating films 58 and 59 as shown in FIG.

次に、図15のように、SiNからなるサイドウォールスペーサ絶縁膜14を、CVD法と反応性イオンエッチングを用いて形成する。   Next, as shown in FIG. 15, a sidewall spacer insulating film 14 made of SiN is formed using a CVD method and reactive ion etching.

次に、図16のように、パターニングされたフォトレジスト膜16を用いてn型ウェル領域にボロン62を0.4kVでイオン注入する。その後、レジスト膜16を除去する。   Next, as shown in FIG. 16, boron 62 is ion-implanted into the n-type well region at 0.4 kV using the patterned photoresist film 16. Thereafter, the resist film 16 is removed.

同様に、図17のように、パターニングされたフォトレジスト膜18を用いてp型ウェル領域に砒素63を2.0kVでイオン注入する。その後、レジスト膜18を除去する。   Similarly, arsenic 63 is ion-implanted into the p-type well region at 2.0 kV using the patterned photoresist film 18 as shown in FIG. Thereafter, the resist film 18 is removed.

次に、図18のようにSiO2からなる絶縁膜27をCVD法によって形成し、反応性イオンエッチングによって図19のようなサイドウォール19に加工する。 Next, an insulating film 27 made of SiO 2 is formed by a CVD method as shown in FIG. 18, and processed into a sidewall 19 as shown in FIG. 19 by reactive ion etching.

次に、図20のように、パターニングされたフォトレジスト膜22を用いてp型ウェル領域に砒素63を25kVでイオン注入する。その後、レジスト膜22を除去する。   Next, as shown in FIG. 20, arsenic 63 is ion-implanted into the p-type well region at 25 kV using the patterned photoresist film 22. Thereafter, the resist film 22 is removed.

同様に、図21のように、パターニングされたフォトレジスト膜25を用いてn型ウェル領域にボロン62を2.0kVでイオン注入する。その後、レジスト膜25を除去し、熱処理によってボロン及び砒素を活性化し、nチャネルMOSFET50のエクステンション領域17並びにソース及びドレイン領域20,21と、pチャネルMOSFET51のエクステンション領域15並びにソース及びドレイン領域23,24形成する。   Similarly, boron 62 is ion-implanted into the n-type well region at 2.0 kV using the patterned photoresist film 25 as shown in FIG. Thereafter, the resist film 25 is removed, and boron and arsenic are activated by heat treatment, and the extension region 17 and the source and drain regions 20 and 21 of the n-channel MOSFET 50, the extension region 15 of the p-channel MOSFET 51, and the source and drain regions 23 and 24 Form.

最後に、ソース及びドレイン領域20,21,23,24にNiを堆積し、その後の熱処理によってドレイン領域20,21,23,24の上層部をシリサイド化しシリサイド電極26とする。シリサイド電極26には、プラグ電極を接合させる。   Finally, Ni is deposited on the source and drain regions 20, 21, 23, 24, and the upper layers of the drain regions 20, 21, 23, 24 are silicided to form silicide electrodes 26 by subsequent heat treatment. A plug electrode is joined to the silicide electrode 26.

本発明は、半導体集積回路の製造業及び半導体集積回路を用いる電子機器の製造業において利用可能である。   The present invention can be used in the manufacturing industry of semiconductor integrated circuits and the manufacturing industry of electronic devices using semiconductor integrated circuits.

本発明によるCMOSFETの断面図Cross-sectional view of CMOSFET according to the present invention 本発明によるCMOSFETの製造工程(1)Manufacturing process of CMOSFET according to the present invention (1) 本発明によるCMOSFETの製造工程(2)Manufacturing process of CMOSFET according to the present invention (2) 本発明によるCMOSFETの製造工程(3)Manufacturing process of CMOSFET according to the present invention (3) 本発明によるCMOSFETの製造工程(4)Manufacturing process of CMOSFET according to the present invention (4) 本発明によるCMOSFETの製造工程(5)Manufacturing process of CMOSFET according to the present invention (5) 本発明によるCMOSFETの製造工程(6)CMOSFET manufacturing process according to the present invention (6) 本発明によるCMOSFETの製造工程(7)Manufacturing process of CMOSFET according to the present invention (7) 本発明によるCMOSFETの製造工程(8)Manufacturing process of CMOSFET according to the present invention (8) 本発明によるCMOSFETの製造工程(9)Manufacturing process of CMOSFET according to the present invention (9) 本発明によるCMOSFETの製造工程(10)CMOSFET manufacturing process according to the present invention (10) 本発明によるCMOSFETの製造工程(11)Manufacturing process of CMOSFET according to the present invention (11) 本発明によるCMOSFETの製造工程(12)Manufacturing process of CMOSFET according to the present invention (12) 本発明によるCMOSFETの製造工程(13)Manufacturing process of CMOSFET according to the present invention (13) 本発明によるCMOSFETの製造工程(14)CMOSFET manufacturing process according to the present invention (14) 本発明によるCMOSFETの製造工程(15)CMOSFET manufacturing process according to the present invention (15) 本発明によるCMOSFETの製造工程(16)Manufacturing process of CMOSFET according to the present invention (16) 本発明によるCMOSFETの製造工程(17)Manufacturing process of CMOSFET according to the present invention (17) 本発明によるCMOSFETの製造工程(18)CMOSFET manufacturing process according to the present invention (18) 本発明によるCMOSFETの製造工程(19)CMOSFET manufacturing process according to the present invention (19) 本発明によるCMOSFETの製造工程(20)CMOSFET manufacturing process according to the present invention (20) 本発明によるCMOSFETの製造工程(21)CMOSFET manufacturing process according to the present invention (21) 従来のMOSFETの断面図Cross section of conventional MOSFET 従来の金属ゲートMOSFET製造工程中の素子断面図Cross-sectional view of device during conventional metal gate MOSFET manufacturing process ゲート電極として好ましい形状にエッチングされた金属膜の斜視図Perspective view of metal film etched into preferred shape as gate electrode

符号の説明Explanation of symbols

1 高抵抗シリコン基板1
2 素子分離領域
3 n型ウェル領域
4 p型ウェル領域
5 ゲート絶縁膜となる酸化物
6 nチャンネルMOSFETの閾値電極(もしくは仕事関数電極)となる金属膜
7 nチャンネルMOSFETの中間層となる金属膜
8 nチャンネルMOSFET領域用のマスク膜
9 pチャンネルMOSFETの閾値電極(もしくは仕事関数電極)となる金属膜
10 pチャンネルMOSFETの中間層となる金属膜
11 pチャンネルMOSFET領域用のマスク膜
12 ワイヤリング金属層となる金属膜
13 金属膜6,7,9,10を加工してゲート電極とするためのマスク膜
14 サイドウォールスペーサー絶縁膜
15 pチャネルMOSFETエクステンション領域となるBイオン注入領域
16 pチャネルMOSFETエクステンション領域形成のためにBイオン注入用フォ トレジストマスク
17 nチャネルMOSFETエクステンション領域となるAsイオン注入領域
18 nチャネルMOSFETエクステンション領域形成のためにAsイオン注入用フォ トレジストマスク
19 サイドウォール絶縁膜
20 nチャネルのMOSFETのソース
21 nチャネルMOSFETのドレイン
22 nチャネMOSFETのソースを形成するために、イオン注入用マスクとして用 いられるフォトレジスト膜
23 pチャネルMOSFETのドレイン
24 pチャネルMOSFETのソース
25 nチャネMOSFETのソースを形成するために、イオン注入用マスクとして用 いられるフォトレジスト膜
26 ニッケルシリサイドコンタクト電極
27 サイドウォール絶縁膜となるSiO2
50 nチャネルMOSFET
51 pチャネルMOSFET
52 nチャネルMOSFETの閾値電極(もしくは仕事関数電極)
53 nチャネルMOSFETの中間層
54 nチャンネルMOSFETのワイヤリング金属層
55 pチャネルMOSFETの閾値電極(もしくは仕事関数電極)
56 pチャネルMOSFETの中間層
57 pチャンネルMOSFETのワイヤリング金属層
58,59 ゲート絶縁膜
60 ウェル形成のために、イオン注入用マスクとして用いられるフォトレジス ト膜
61 P
62 B
63 As


1 High resistance silicon substrate 1
2 Element isolation region
3 n-type well region
4 p-type well region
5 Oxide used as gate insulating film
6 Metal film used as threshold electrode (or work function electrode) of n-channel MOSFET
7 Metal film to be the intermediate layer of n-channel MOSFET
8 Mask film for n-channel MOSFET region
9 Metal film used as threshold electrode (or work function electrode) of p-channel MOSFET
10 Metal film to be the intermediate layer of p-channel MOSFET
11 Mask film for p-channel MOSFET region
12 Metal film for wiring metal layer
13 Mask film for processing metal films 6, 7, 9, and 10 to form gate electrodes
14 Sidewall spacer insulating film
15 B ion implantation region to be the p-channel MOSFET extension region
16 B-type photoresist mask for p-channel MOSFET extension region formation
17 As ion implantation region to be the n-channel MOSFET extension region
18 Photomask for As ion implantation to form n-channel MOSFET extension region
19 Side wall insulating film
20 n-channel MOSFET source
21 Drain of n-channel MOSFET
22 Photoresist film used as an ion implantation mask to form the source of n-channel MOSFET
23 Drain of p-channel MOSFET
24 p-channel MOSFET source
25 n Photoresist film used as ion implantation mask to form channel MOSFET source
26 Nickel silicide contact electrode
27 SiO 2 film used as sidewall insulating film
50 n-channel MOSFET
51 p-channel MOSFET
52 n-channel MOSFET threshold electrode (or work function electrode)
53 n-channel MOSFET interlayer
54 Wiring metal layer of n-channel MOSFET
55 Threshold electrode (or work function electrode) of p-channel MOSFET
56 p-channel MOSFET intermediate layer
57 Wiring metal layer of p-channel MOSFET
58,59 Gate insulation film
60 Photoresist film used as ion implantation mask for well formation
61 P
62 B
63 As


Claims (5)

ゲート酸化膜に接して形成された第1の金属層と、第1の金属層の上に形成された第1の低抵抗層とからなる第1のゲート電極を有するnチャネルMOSFETと、
ゲート酸化膜に接して形成された第2の金属層と、第2の金属層の上に形成された第2の低抵抗層とからなる第2のゲート電極を有するpチャネルMOSFETとを有する半導体集積回路装置において、
第1の金属層と第2の金属層が、異なった仕事関数を有する金属によって構成され、
第1の低抵抗層と第2の低抵抗層とが、同一の材料からなる多結晶で構成され、
第1の金属層と第1の低抵抗層の間に第1の中間層を有し、且つ第2の金属層と第2の低抵抗層の間に第2の中間層を有し、
第1の中間層および第2の中間層が、組成、粒径、結晶構造、及び配向方向が同一の導電性多結晶膜からなることを特徴とする半導体集積回路装置。
An n-channel MOSFET having a first gate electrode composed of a first metal layer formed in contact with the gate oxide film and a first low resistance layer formed on the first metal layer;
A semiconductor having a p-channel MOSFET having a second gate electrode comprising a second metal layer formed in contact with the gate oxide film and a second low resistance layer formed on the second metal layer. In an integrated circuit device,
The first metal layer and the second metal layer are composed of metals having different work functions;
The first low resistance layer and the second low resistance layer are made of polycrystals made of the same material,
Having a first intermediate layer between the first metal layer and the first low resistance layer, and having a second intermediate layer between the second metal layer and the second low resistance layer;
A semiconductor integrated circuit device, wherein the first intermediate layer and the second intermediate layer are made of conductive polycrystalline films having the same composition, grain size, crystal structure, and orientation direction.
第1の金属層と第1の中間層が同一成長装置内で連続的に形成され、
且つ、第2の金属層と第2の中間層が同一成長装置内で連続的に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路装置。
The first metal layer and the first intermediate layer are continuously formed in the same growth apparatus;
2. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the second metal layer and the second intermediate layer are continuously formed in the same growth apparatus.
第1及ぶ第2の中間層が、TiN又はTaNからなることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体集積回路装置。   3. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the first and second intermediate layers are made of TiN or TaN. 前記同一の材料が、W、WSi2、Mo、Ru、Ta及びSiの何れか一つからなることを特徴とする請求項1乃至3記載の半導体集積回路装置。 4. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the same material is any one of W, WSi 2 , Mo, Ru, Ta, and Si. ゲート酸化膜に接して形成された第1の金属層と、第1の金属層の上に形成された第1の低抵抗層とからなる第1のゲート電極を有するnチャネルMOSFETと、
ゲート酸化膜に接して形成された第2の金属層と、第2の金属層の上に形成された第2の低抵抗層とからなる第2のゲート電極を有するpチャネルMOSFETとを備え、
第1の金属層と第2の金属層が、異なった仕事関数を有する金属によって構成され、
第1の低抵抗層と第2の低抵抗層とが、同一の材料からなる多結晶で構成され、
第1の金属層と第1の低抵抗層の間に第1の中間層を有し、且つ第2の金属層と第2の低抵抗層の間に第2の中間層を有し、
第1の中間層および第2の中間層が、組成、粒径、結晶構造、及び配向方向が同一の導電性多結晶膜からなる半導体集積回路装置の製造方法において、
第1の金属層となる第1の金属膜と、第1の中簡層となる第2の金属膜とを、同一成長装置内で連続的に形成する工程と、
且つ、第2の金属層となる第3の金属膜と、第2の中簡層となる第4の金属膜とを、同一成長装置内で連続的に形成する工程とを有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
An n-channel MOSFET having a first gate electrode composed of a first metal layer formed in contact with the gate oxide film and a first low resistance layer formed on the first metal layer;
A p-channel MOSFET having a second gate electrode composed of a second metal layer formed in contact with the gate oxide film and a second low-resistance layer formed on the second metal layer;
The first metal layer and the second metal layer are composed of metals having different work functions;
The first low resistance layer and the second low resistance layer are made of polycrystals made of the same material,
Having a first intermediate layer between the first metal layer and the first low resistance layer, and having a second intermediate layer between the second metal layer and the second low resistance layer;
In the method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device, wherein the first intermediate layer and the second intermediate layer are made of a conductive polycrystalline film having the same composition, grain size, crystal structure, and orientation direction.
A step of continuously forming a first metal film to be a first metal layer and a second metal film to be a first intermediate layer in the same growth apparatus;
And a step of continuously forming a third metal film to be the second metal layer and a fourth metal film to be the second intermediate layer in the same growth apparatus. A method for manufacturing a semiconductor integrated circuit device.
JP2006268901A 2006-09-29 2006-09-29 Semiconductor integrated circuit device and manufacturing method thereof Expired - Fee Related JP5011921B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006268901A JP5011921B2 (en) 2006-09-29 2006-09-29 Semiconductor integrated circuit device and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006268901A JP5011921B2 (en) 2006-09-29 2006-09-29 Semiconductor integrated circuit device and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008091501A true JP2008091501A (en) 2008-04-17
JP5011921B2 JP5011921B2 (en) 2012-08-29

Family

ID=39375379

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006268901A Expired - Fee Related JP5011921B2 (en) 2006-09-29 2006-09-29 Semiconductor integrated circuit device and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5011921B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010045171A (en) * 2008-08-12 2010-02-25 Hitachi High-Technologies Corp Semiconductor processing method
JP2011077421A (en) * 2009-10-01 2011-04-14 Renesas Electronics Corp Method of manufacturing semiconductor device
CN108022873A (en) * 2016-11-04 2018-05-11 三星电子株式会社 Semiconductor devices and its manufacture method
KR101909091B1 (en) * 2012-05-11 2018-10-17 삼성전자 주식회사 Semiconductor device and fabricating method thereof

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000243853A (en) * 1999-02-19 2000-09-08 Nec Corp Mis field effect transistor and its manufacture
JP2004165555A (en) * 2002-11-15 2004-06-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd Manufacturing method of semiconductor device
JP2006518106A (en) * 2003-02-03 2006-08-03 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Method for manufacturing a semiconductor device comprising a MOS transistor comprising a gate electrode formed in a stack of metal layers deposited on top of each other
JP2008034751A (en) * 2006-07-31 2008-02-14 Fujitsu Ltd Semiconductor device and its manufacturing method
JP2008537359A (en) * 2005-04-21 2008-09-11 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション Gate electrode metal / metal nitride double layer CMOS and semiconductor structures in self-aligned and positively scaled CMOS devices

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000243853A (en) * 1999-02-19 2000-09-08 Nec Corp Mis field effect transistor and its manufacture
JP2004165555A (en) * 2002-11-15 2004-06-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd Manufacturing method of semiconductor device
JP2006518106A (en) * 2003-02-03 2006-08-03 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Method for manufacturing a semiconductor device comprising a MOS transistor comprising a gate electrode formed in a stack of metal layers deposited on top of each other
JP2008537359A (en) * 2005-04-21 2008-09-11 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション Gate electrode metal / metal nitride double layer CMOS and semiconductor structures in self-aligned and positively scaled CMOS devices
JP2008034751A (en) * 2006-07-31 2008-02-14 Fujitsu Ltd Semiconductor device and its manufacturing method

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010045171A (en) * 2008-08-12 2010-02-25 Hitachi High-Technologies Corp Semiconductor processing method
JP2011077421A (en) * 2009-10-01 2011-04-14 Renesas Electronics Corp Method of manufacturing semiconductor device
CN102034713A (en) * 2009-10-01 2011-04-27 瑞萨电子株式会社 Manufacturing method of semiconductor device
KR101909091B1 (en) * 2012-05-11 2018-10-17 삼성전자 주식회사 Semiconductor device and fabricating method thereof
CN108022873A (en) * 2016-11-04 2018-05-11 三星电子株式会社 Semiconductor devices and its manufacture method

Also Published As

Publication number Publication date
JP5011921B2 (en) 2012-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10411106B2 (en) Transistor with air spacer and self-aligned contact
US6746909B2 (en) Transistor, semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device
US6879009B2 (en) Integrated circuit with MOSFETS having bi-layer metal gate electrodes
US7030024B2 (en) Dual-gate structure and method of fabricating integrated circuits having dual-gate structures
US8525263B2 (en) Programmable high-k/metal gate memory device
US20050156208A1 (en) Device having multiple silicide types and a method for its fabrication
EP1032033A2 (en) Method of forming dual metal gate structures for CMOS devices
JP2007243009A (en) Semiconductor device and its manufacturing method
CN1929139A (en) Semiconductor device, CMOS device and P-type semiconductor device
CN108022873B (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP2008016538A (en) Semiconductor device with mos structure and its manufacturing method
KR101419122B1 (en) Method of semiconductor integrated circuit fabrication
KR100730602B1 (en) Saddle for exercise equipment and exercise equipment using the same
US20100301429A1 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
US10916657B2 (en) Tensile strain in NFET channel
JP5011921B2 (en) Semiconductor integrated circuit device and manufacturing method thereof
JP2006156807A (en) Semiconductor device and its manufacturing method
US11069808B2 (en) Negative capacitance field effect transistor and method for manufacturing the same
US10923575B2 (en) Low resistance contact for transistors
JP4011014B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US20240186219A1 (en) Transistors with backside source/drain contact and spacer
US20240178284A1 (en) Semiconductor transistor structure having an epitaxial oxide spacer layer
US20240038867A1 (en) Isolation pillar structures for stacked device structures
JP2007180390A (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2007019400A (en) Semiconductor device having mos structure and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20080731

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090406

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120113

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120124

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120326

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120508

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120521

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150615

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Ref document number: 5011921

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees