JP2010109214A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、より詳細には、相補型金属絶縁膜半導体(Complementary Metal Insulator Semiconductor;略称:CMIS)トランジスタを備える半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for manufacturing a semiconductor device including a complementary metal insulator semiconductor (abbreviation: CMIS) transistor.
CMISトランジスタは、たとえば、ゲート絶縁膜として、従来用いられてきたシリコン酸化膜およびシリコン窒化膜などと比較して高誘電率の高誘電性絶縁膜(以下「high−k膜」という)を用い、ゲート(gate)電極として、金属(metal)電極を用いたhigh−k/metal gate構造を有する。 The CMIS transistor uses, for example, a high dielectric insulating film (hereinafter referred to as a “high-k film”) having a higher dielectric constant than the conventionally used silicon oxide film and silicon nitride film as the gate insulating film. The gate electrode has a high-k / metal gate structure using a metal electrode.
high−k/metal gate構造のCMISトランジスタにおいては、nチャネル型のnMISトランジスタと、pチャネル型のpMISトランジスタとで、異なる仕事関数を有するゲート電極が用いられる。ゲート電極の仕事関数を制御するために、金属自体の仕事関数を利用したデュアルメタルゲート構造(たとえば、非特許文献1参照)、またはキャッピング技術(たとえば、非特許文献2参照)などが用いられている。 In a CMIS transistor having a high-k / metal gate structure, gate electrodes having different work functions are used for an n-channel nMIS transistor and a p-channel pMIS transistor. In order to control the work function of the gate electrode, a dual metal gate structure using the work function of the metal itself (for example, see Non-Patent Document 1) or a capping technique (for example, see Non-Patent Document 2) is used. Yes.
デュアルメタルゲート構造のCMISトランジスタでは、nMISトランジスタとpMISトランジスタとで、ゲート電極の材料自体を変えて、別々の金属でゲート電極を形成することによって、ゲート電極の仕事関数を調整する。キャッピング技術では、たとえばランタン(La)またはアルミニウム(Al)を含むキャッピング層上に、ゲート電極となる金属膜を形成し、金属膜にLaまたはAlを拡散させることによって、ゲート電極の仕事関数を調整する。 In the CMIS transistor having a dual metal gate structure, the work function of the gate electrode is adjusted by changing the material of the gate electrode itself between the nMIS transistor and the pMIS transistor and forming the gate electrode with different metals. In capping technology, for example, a metal film to be a gate electrode is formed on a capping layer containing lanthanum (La) or aluminum (Al), and La or Al is diffused in the metal film to adjust the work function of the gate electrode. To do.
デュアルメタルゲート構造のCMISトランジスタの製造フローでは、ゲート絶縁膜を成膜後、まず、nMISトランジスタが形成されるn領域およびpMISトランジスタが形成されるp領域の両方にわたって、nMISトランジスタ用のn型金属またはpMISトランジスタ用のp型金属を成膜する。成膜したn型金属またはp型金属のうち、p領域またはn領域の金属を除去し、その上に先に成膜した金属とは異なる導電型の金属、具体的にはp型金属またはn型金属を成膜して、n領域およびp領域にゲート電極をそれぞれ作製する。 In the manufacturing flow of the CMIS transistor having the dual metal gate structure, after forming the gate insulating film, first, the n-type metal for the nMIS transistor is formed over both the n region where the nMIS transistor is formed and the p region where the pMIS transistor is formed. Alternatively, a p-type metal for a pMIS transistor is formed. Of the deposited n-type metal or p-type metal, the metal in the p region or the n region is removed, and a metal having a conductivity type different from the metal previously deposited thereon, specifically, the p-type metal or n A mold metal is formed to form gate electrodes in the n region and the p region, respectively.
このように金属膜の除去と成膜とが繰返されるので、デュアルメタルゲート構造のように金属自体を別々にする方法では、製造フローが複雑であり、CMISトランジスタを作製することは困難である。またゲート電極の仕事関数は、ゲート電極を構成する金属膜とhigh−k膜とに依存するので、nMISトランジスタおよびpMISトランジスタの最低の閾値Vthは、金属膜およびhigh−k膜の材料によって一意に決まってしまう。またnMISトランジスタとpMISトランジスタとで、別々の仕事関数を有するゲート電極を作製したとしても、仕事関数がバンドエッジに充分に寄っていない場合があり、所望の閾値Vthを得ることは困難である。 Since the removal and deposition of the metal film are repeated in this way, the manufacturing flow is complicated by the method of separating the metals themselves as in the dual metal gate structure, and it is difficult to manufacture the CMIS transistor. Since the work function of the gate electrode depends on the metal film and the high-k film constituting the gate electrode, the minimum threshold Vth of the nMIS transistor and the pMIS transistor is uniquely determined by the material of the metal film and the high-k film. It will be decided. Further, even when gate electrodes having different work functions are produced with nMIS transistors and pMIS transistors, the work functions may not be sufficiently close to the band edge, and it is difficult to obtain a desired threshold value Vth.
キャッピング技術を用いる場合、キャッピング層上では直接写真製版が不可能であるので、キャッピング層および金属膜を成膜した後、p領域またはn領域のキャッピング層および金属膜を同時に除去し、その上に新たなキャッピング層と金属膜とを成膜する必要がある。 When using the capping technique, photoengraving is not possible directly on the capping layer. Therefore, after the capping layer and the metal film are formed, the c-layer and the metal film in the p region or the n region are removed at the same time. It is necessary to form a new capping layer and a metal film.
このように製造フローが複雑であるので、CMISトランジスタを作製することは困難である。またトランジスタの閾値Vthは、キャッピング層の種類および膜厚によって決定されるが、前述のように製造フロー上、金属膜まで形成し直す必要があるので、結局、nMISトランジスタおよびpMISトランジスタの最低の閾値Vthは、一意に決まってしまう。 Thus, since the manufacturing flow is complicated, it is difficult to manufacture a CMIS transistor. Further, the threshold value Vth of the transistor is determined by the type and thickness of the capping layer. However, as described above, it is necessary to form the metal film again in the manufacturing flow, so that the lowest threshold value of the nMIS transistor and the pMIS transistor is eventually obtained. Vth is uniquely determined.
以上のように従来の技術では、仕事関数に差をつけるために製造フローが複雑になるという問題がある。また従来の技術では、nMISトランジスタとpMISトランジスタとで、別々の仕事関数を有するゲート電極を作製したとしても、仕事関数がバンドエッジに充分に寄らず、バンドエッジ以外の場所にゲート電極の仕事関数がある場合が多く、閾値Vthが比較的高い値に一意に決定してしまうという問題がある。 As described above, the conventional technique has a problem that the manufacturing flow becomes complicated because of a difference in work function. In the conventional technique, even if a gate electrode having different work functions is produced for the nMIS transistor and the pMIS transistor, the work function is not sufficiently close to the band edge, and the work function of the gate electrode is located at a place other than the band edge. In many cases, there is a problem that the threshold Vth is uniquely determined to be a relatively high value.
ゲート電極の仕事関数を調整するための先行技術が、特許文献1〜3に開示されている。特許文献1は、チタンナイトライド(TiN)をゲート電極とするPMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタの閾値最適化のために、TiN電極層に窒素をイオン注入して仕事関数を変化させて、閾値の最適化を行うことを開示している。
Prior arts for adjusting the work function of the gate electrode are disclosed in
特許文献2は、従来技術として、TiNなどのメタルゲート電極中に窒素注入することを開示するとともに、このメタルゲート電極中にインジウム(In)を注入することを開示している。また特許文献2は、メタルゲート電極への注入元素としてその他に、アンチモン(Sb)、ボロン(B)、リン(P)、炭素(C)などを開示している。
特許文献3は、PMOSトランジスタのTiNなどから成る金属ゲート電極に、Inなどの金属または窒素などをイオン注入して、金属ゲート電極の仕事関数を調整することを開示している。
特許文献1に開示される先行技術は、ゲート絶縁膜としてシリコン窒化膜を用いたトランジスタに関するものである。特許文献1には、ゲート絶縁膜としてhigh−k膜を用いたhigh−k/metal gate構造のCMISトランジスタについては開示されておらず、high−k/metal gate構造のCMISトランジスタにおいて、ゲート電極の仕事関数を制御するための方法については開示されていない。
The prior art disclosed in
特許文献2および3に開示される先行技術は、ダマシンゲートプロセスによってゲート電極を形成するトランジスタに関するものである。ダマシンゲートプロセスは、ダミーゲートを作っておいて、そのダミーゲートを除去した後にゲート電極となる金属材料を埋め込んでゲート電極を形成する方法であり、ゲート電極を、半導体に添加された不純物の活性化のための熱処理後に形成するゲートラストプロセスの一種である。
The prior art disclosed in
ゲートラストプロセスでは、ゲート電極となる金属材料を埋込んだ後に、熱処理工程がないので、埋込む金属材料の種類によって、ゲート電極の仕事関数を比較的容易に制御することが可能である。 In the gate last process, there is no heat treatment step after embedding a metal material to be a gate electrode, so that the work function of the gate electrode can be controlled relatively easily depending on the type of the metal material to be embedded.
これに対し、ゲート電極を熱処理前に形成するゲートファーストプロセスでは、ゲート電極の形成後に熱処理が施されるので、この熱処理によってゲート電極の仕事関数が変化し易く、ゲート電極の仕事関数を制御することは困難である。 On the other hand, in the gate first process in which the gate electrode is formed before the heat treatment, the heat function is performed after the gate electrode is formed. Therefore, the work function of the gate electrode is easily changed by this heat treatment, and the work function of the gate electrode is controlled. It is difficult.
特許文献2および3には、ゲートファーストプロセスにおいて、ゲート電極の仕事関数を制御する方法については開示されていない。
本発明の目的は、ゲート電極の形成後に熱処理が施される場合でも、金属から成るゲート電極の仕事関数を比較的容易に制御することができる半導体装置の製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device in which the work function of a metal gate electrode can be controlled relatively easily even when heat treatment is performed after the gate electrode is formed.
本発明の半導体装置の製造方法は、導電型が互いに異なる第1導電型半導体素子と第2導電型半導体素子とが並設される半導体装置の製造方法であって、前記第1導電型半導体素子が形成される第1導電型素子領域および前記第2導電型半導体素子が形成される第2導電型素子領域を有する半導体基板上に、ハフニウム(Hf)を含むハフニウム系材料から成るゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第1導電型素子領域および前記第2導電型素子領域に形成された前記ゲート絶縁膜上に、金属材料から成るゲート電極用金属膜を形成する工程と、前記第2導電型素子領域に形成された前記ゲート電極用金属膜に、不純物を注入する工程とを備えることを特徴とする。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device in which a first conductivity type semiconductor element and a second conductivity type semiconductor element having different conductivity types are provided side by side, wherein the first conductivity type semiconductor element is provided. A gate insulating film made of a hafnium-based material containing hafnium (Hf) is formed on a semiconductor substrate having a first conductive type element region where the second conductive type semiconductor element is formed and a second conductive type element region where the second conductive type semiconductor element is formed. Forming a metal film for a gate electrode made of a metal material on the gate insulating film formed in the first conductive type element region and the second conductive type element region; and forming the second conductive type And a step of injecting impurities into the metal film for the gate electrode formed in the mold element region.
本発明の半導体装置の製造方法によれば、第1導電型素子領域および第2導電型素子領域を有する半導体基板上に、ハフニウム(Hf)を含むハフニウム系材料から成るゲート絶縁膜が形成され、このゲート絶縁膜上にゲート電極用金属膜が形成される。形成されたゲート電極用金属膜のうち、第2導電型素子領域のゲート電極用金属膜に不純物が注入される。これによって、第2導電型素子領域に形成されたゲート電極用金属膜の組成を変化させることができるので、このゲート電極用金属膜で形成される第2導電型素子領域のゲート電極の仕事関数を変化させることができる。したがって、第1導電型素子領域と第2導電型素子領域とに、異なる仕事関数を有するゲート電極を容易に形成することができる。また第2導電型素子領域に形成されたゲート電極用金属膜の組成を変化させることによって、第2導電型半導体素子の閾値を容易に調整することができるので、所望の閾値を有する第1導電型半導体素子および第2導電型半導体素子を容易に形成することが可能である。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a gate insulating film made of a hafnium-based material containing hafnium (Hf) is formed on a semiconductor substrate having a first conductivity type element region and a second conductivity type element region. A gate electrode metal film is formed on the gate insulating film. Of the formed metal film for gate electrode, impurities are implanted into the metal film for gate electrode in the second conductivity type element region. Thereby, the composition of the metal film for the gate electrode formed in the second conductivity type element region can be changed, so that the work function of the gate electrode in the second conductivity type element region formed by the metal film for gate electrode is changed. Can be changed. Therefore, gate electrodes having different work functions can be easily formed in the first conductivity type element region and the second conductivity type element region. Further, the threshold value of the second conductive type semiconductor element can be easily adjusted by changing the composition of the metal film for the gate electrode formed in the second conductive type element region. The type semiconductor element and the second conductivity type semiconductor element can be easily formed.
以下に、本発明を実施するための複数の形態について説明する。各実施の形態において、先行する実施の形態で説明している事項に対応する部分については同一の参照符を付して、重複する説明を省略する場合がある。構成の一部のみを説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施の形態と同様である。 Hereinafter, a plurality of modes for carrying out the present invention will be described. In each embodiment, portions corresponding to the matters described in the preceding embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. When only a part of the configuration is described, the other parts of the configuration are the same as those in the embodiment described above.
<第1の実施の形態>
図1〜図4は、本発明の第1の実施の形態である半導体装置の製造方法における各製造工程の状態を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置は、相補型金属絶縁膜半導体(Complementary Metal Insulator Semiconductor;略称:CMIS)構造を有する半導体装置であり、具体的にはCMISトランジスタである。CMISトランジスタは、より詳細にはCMIS電界効果型トランジスタ(Field Effect Transistor;略称:FET)である。CMISFETには、nチャネル型のMISトランジスタであるn型MISトランジスタと、pチャネル型のMISトランジスタであるp型MISトランジスタとが並設される。n型MISトランジスタは、より詳細にはnMISFET(以下「nFET」という場合がある)であり、p型MISトランジスタは、より詳細にはpMISFET(以下「pFET」という場合がある)である。このようにCMISFETには、導電型が互いに異なるnMISFETとpMISFETとが並設される。nMISFETは、第1導電型半導体素子に相当し、pMISFETは、第2導電型半導体素子に相当する。
<First Embodiment>
1 to 4 are cross-sectional views showing the states of the respective manufacturing steps in the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The semiconductor device of this embodiment is a semiconductor device having a complementary metal insulator semiconductor (Complementary Metal Insulator Semiconductor; abbreviation: CMIS) structure, specifically a CMIS transistor. More specifically, the CMIS transistor is a CMIS field effect transistor (abbreviation: FET). In the CMISFET, an n-type MIS transistor that is an n-channel MIS transistor and a p-type MIS transistor that is a p-channel MIS transistor are arranged in parallel. The n-type MIS transistor is more specifically an nMISFET (hereinafter sometimes referred to as “nFET”), and the p-type MIS transistor is more specifically a pMISFET (hereinafter sometimes referred to as “pFET”). Thus, the nMISFET and the pMISFET having different conductivity types are arranged in parallel in the CMISFET. The nMISFET corresponds to a first conductivity type semiconductor element, and the pMISFET corresponds to a second conductivity type semiconductor element.
図1は、ゲート電極用金属膜3の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。まず、従来のCMIS作製フローに則り、半導体基板1の表面から半導体基板1の内部に向けて延在した不図示のpウェル、nウェルおよび素子分離膜を順次に形成する。半導体基板1は、シリコン(Si)基板によって実現される。素子分離膜は、第1導電型素子領域であるnMISFETが形成されるnMISFET領域(以下「nFET領域」という場合がある)Rnと、第2導電型素子領域であるpMISFET領域(以下「pFET領域」という場合がある)Rpとを区分する絶縁膜であり、nFET領域Rnに形成されるpウェルと、pFET領域Rpに形成されるnウェルとの間に介在する。このように半導体基板1は、nFET領域RnおよびpFET領域Rpを有する。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a state where the formation of the gate
pウェル、nウェルおよび素子分離膜の形成後は、図1に示すように、nFET領域RnおよびpFET領域Rpの半導体基板1上に、本実施の形態では、半導体基板1上に、全面にわたって、絶縁性材料から成るゲート絶縁膜2を形成する。ゲート絶縁膜2は、高誘電率材料であるhigh−k材料から成るhigh−k膜によって実現される。本実施の形態では、ゲート絶縁膜2として、たとえばハフニウムシリコンオキシナイトライド(HfSiON)を成膜する。ゲート絶縁膜2を構成する絶縁性材料としては、HfSiONに限らず、ハフニウム(Hf)を含むハフニウム系材料、具体的には、ハフニウムオキサイド(HfOx)、ハフニウムシリコンオキサイド(HfSiOx)およびハフニウムシリコンナイトライド(HfSiN)などの高誘電率材料、すなわちhigh−k材料が挙げられる。
After the formation of the p-well, the n-well and the element isolation film, as shown in FIG. 1, over the entire surface of the
次に、図1に示すように、nFET領域RnおよびpFET領域Rpに形成されたゲート絶縁膜2上に、本実施の形態では、ゲート絶縁膜2上に、全面にわたって、スパッタ法などによって、ゲート電極用金属膜3を形成する。ゲート電極用金属膜3は、導電性材料から成る。ゲート電極用金属膜3の膜厚t1は、薄すぎるとゲート電極用金属膜3の膜厚制御が困難になり、また厚すぎると後述するイオン注入の材料の拡散が不充分となるので、本実施の形態では、15nm以上20nm以下の範囲内の値に選ばれる。本実施の形態において、ゲート電極用金属膜3を構成する導電性材料としては、窒化チタン(TiN)が用いられる。
Next, as shown in FIG. 1, on the
図2は、nFET領域Rnへのn側レジストマスク4の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。ゲート電極用金属膜3の形成後は、ゲート電極用金属膜3上に、全面にわたってレジストを塗布した後、写真製版を行うことによって、図2に示すように、ゲート電極用金属膜3のうちで仕事関数を変化させたい領域、具体的にはpFET領域Rpのレジストを除去し、仕事関数を変化させたい領域にレジストが残存しないようにする。これによって、ゲート電極用金属膜3のうちで仕事関数を変化させたい領域を除く残余の領域、具体的にはゲート電極用金属膜3の上面のうちでnFET領域Rn内に属する部分上全面に、n側レジストマスク4を形成する。n側レジストマスク4の膜厚t2は、ゲート電極用金属膜3の膜厚t1および後述する図3に示すエッチバック後のゲート電極用金属膜3の膜厚t3を考慮して、後述する不純物の注入後に、nFET領域Rnのゲート電極用金属膜3に、不純物が注入されていない部分が残存するように選ばれる。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state where the formation of the n-side resist
その後、n側レジストマスク4が形成された状態、換言すればnFET領域Rnのゲート電極用金属膜3がn側レジストマスク4で覆われた状態で、n側レジストマスク4が形成された側から全面にわたって、すなわちnFET領域RnおよびpFET領域Rpにわたって、不純物を注入、具体的にはイオン注入する。これによってpFET領域Rpに形成されたゲート電極用金属膜3に不純物が注入される。nFET領域Rnのゲート電極用金属膜3は、n側レジストマスク4で覆われているので、不純物が注入されないか、またはn側レジストマスク4に接する側の一部分のみに不純物が注入される。
After that, in a state where the n-side resist
本実施の形態において、イオン注入される注入種である不純物は、窒素分子(N2)、珪素(Si)またはゲルマニウム(Ge)である。また不純物をイオン注入するときのイオン注入量は、たとえば4×1015/cm2である。不純物は、1種が単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。 In the present embodiment, the impurity which is an ion implantation type is nitrogen molecules (N 2 ), silicon (Si), or germanium (Ge). The amount of ion implantation when implanting impurities is, for example, 4 × 10 15 / cm 2 . One type of impurity may be used alone, or two or more types may be used in combination.
図3は、nFET領域Rnのゲート電極用金属膜3の一部およびn側レジストマスク4の除去が終了した段階の状態を示す断面図である。図4は、pFET領域Rpのp側レジストマスク5の除去が終了した段階の状態を示す断面図である。前述のイオン注入によってpFET領域Rpのゲート電極用金属膜3に不純物を注入することによって、図3に示すように、pFET領域Rpでは、ゲート電極用金属膜3に不純物、本実施の形態ではN2、SiまたはGeが注入されて、不純物注入金属膜6が形成される。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in which the removal of part of the gate
不純物注入金属膜6の形成後は、レジスト剥離液などによって前述の図2に示すnFET領域Rnのn側レジストマスク4を剥離する。その後、nFET領域Rnのゲート電極用金属膜3上およびpFET領域Rpの不純物注入金属膜6上に、全面にわたって、再度レジストを塗布する。そして、写真製版を行うことによって、図3に示すように、pFET領域Rpのレジストを残して、nFET領域Rnのレジストを除去する。これによって、pFET領域Rpの不純物注入金属膜6上に、p側レジストマスク5を形成する。
After the formation of the impurity-implanted
その後、図3に示すように、p側レジストマスク5が形成された状態、換言すればpFET領域Rpの不純物注入金属膜6がp側レジストマスク5で覆われた状態で、エッチングすることによって、nFET領域Rnの全体にわたって、ゲート電極用金属膜3をエッチバックして、ゲート電極用金属膜3の一部を厚み方向に除去する。エッチバックによってゲート電極用金属膜3の一部を除去するときは、エッチバック後のnFET領域Rnのゲート電極用金属膜3の膜厚t3が1nm以上4nm以下になるようにする。その後、レジスト剥離液などによってpFET領域Rpのp側レジストマスク5を剥離する。これによって、図4に示すように、nFET領域Rnでは、ゲート絶縁膜2上に、不純物が注入されていないゲート電極用金属膜3が形成され、pFET領域Rpでは、ゲート絶縁膜2上に、不純物が注入された不純物注入金属膜6が形成された状態となる。
Thereafter, as shown in FIG. 3, by etching in a state where the p-side resist
p側レジストマスク5の剥離後は、図示は省略するが、ドライエッチング法などによって、nMISFETおよびpMISFETの各ゲート電極を形成するための加工を行う。具体的には、ゲート電極の部分とその下方のゲート絶縁膜2が残存するように、nFET領域Rpでは、ゲート電極となるゲート電極用金属膜3およびその下方のゲート絶縁膜2をエッチングし、pFET領域Rpでは、ゲート電極となる不純物注入金属膜6およびその下方のゲート絶縁膜2をエッチングする。
After the p-side resist
ゲート電極の形成のためのエッチング後は、公知のCMISFET形成プロセスフローを順次に経ることによって、nMISFETおよびpMISFETを形成し、CMISFETを形成する。具体的には、nFET領域Rnのゲート電極用金属膜3およびゲート絶縁膜2の両側壁、ならびにpFET領域Rpの不純物注入金属膜6およびゲート絶縁膜2の両側壁に、たとえば二酸化珪素(SiO2)から成るサイドウォールスペーサを形成する。その後、イオン注入などによって半導体基板1に不純物を注入した後、熱処理を施して不純物を拡散させることによって、ソース領域およびドレイン領域を形成し、CMISFETを得る。
After the etching for forming the gate electrode, a known CMISFET formation process flow is sequentially performed to form an nMISFET and a pMISFET, thereby forming a CMISFET. Specifically, for example, silicon dioxide (SiO 2) is formed on both side walls of the gate
図5は、ゲート電極用金属膜3に不純物をイオン注入したときの実効仕事関数を示すグラフである。図5において、横軸は注入種を示し、縦軸は実効仕事関数(eV)を示す。ここで、「ゲート電極の実効仕事関数」とは、ゲート絶縁膜との界面におけるゲート電極の仕事関数のことであり、ゲート電極を構成する材料本来の「仕事関数」とは区別される。ゲート電極の実効仕事関数(Effective Work Function;略称:EWF)は、得られたnMISFETおよびpMISFETにおける後述する図6に示すMIS型キャパシタのC−V特性、すなわちゲート容量−ゲート電圧特性から求められるフラットバンド電圧から求められる。
FIG. 5 is a graph showing an effective work function when impurities are ion-implanted into the gate
本実施の形態におけるイオン注入の注入種である不純物は、窒素分子(N2)、珪素(Si)およびゲルマニウム(Ge)である。図5のグラフには、不純物を注入したときと注入していないときとを比較するために、イオン注入なしの場合も示している。本実施の形態では、各不純物をイオン注入するときのイオン注入量は、4×1015/cm2である。図5に示すEWFは、ゲート絶縁膜2であるHfSiON膜上に、ゲート電極用金属膜3として、膜厚15nmのTiN膜を形成して、このTiN膜に対して、各注入種を4×1015/cm2注入したときの値である。
Impurities that are implantation species of ion implantation in this embodiment are nitrogen molecules (N 2 ), silicon (Si), and germanium (Ge). The graph of FIG. 5 also shows the case without ion implantation in order to compare the case where impurities are implanted with the case where impurities are not implanted. In the present embodiment, the ion implantation amount when each impurity is ion implanted is 4 × 10 15 / cm 2 . In the EWF shown in FIG. 5, a TiN film having a film thickness of 15 nm is formed as a gate
図5に示すように、イオン注入なしのときのEWFは、4.84(eV)であり、注入種が窒素分子(N2)のときのEWFは、4.87(eV)であり、注入種が珪素(Si)のときのEWFは、4.54(eV)であり、注入種がゲルマニウム(Ge)のときのEWFは、4.42(eV)である。 As shown in FIG. 5, the EWF without ion implantation is 4.84 (eV), and the EWF when the implantation species is nitrogen molecule (N 2 ) is 4.87 (eV). The EWF when the seed is silicon (Si) is 4.54 (eV), and the EWF when the seed is germanium (Ge) is 4.42 (eV).
このことから、ゲート電極用金属膜3に不純物を注入することによって、仕事関数を変化させることができることがわかる。具体的には、ゲート電極用金属膜3にN2を注入することによって、仕事関数が増大して、pチャネル側のバンドエッジに寄り、閾値Vthが下がることがわかる。またゲート電極用金属膜3にSiまたはGeを注入することによって、仕事関数が減少し、閾値Vthが上昇することがわかる。
From this, it is understood that the work function can be changed by implanting impurities into the
図6は、ゲート電極用金属膜3に不純物をイオン注入したときのゲート電圧とゲート容量との関係を示すグラフである。図6において、横軸はゲート電圧(V)を示し、縦軸はゲート容量(F)を示す。図6のグラフには、不純物を注入したときと注入していないときとを比較するために、イオン注入なしの場合も示している。図6では、イオン注入なしの場合を記号「○」で示し、注入種が窒素(N2)の場合を記号「◇」で示し、注入種がゲルマニウム(Ge)の場合を記号「△」で示し、注入種が珪素(Si)の場合を記号「□」で示す。図6に示すゲート容量−ゲート電圧特性(CV特性)は、ゲート絶縁膜2であるHfSiON膜上に、ゲート電極用金属膜3として、膜厚15nmのTiN膜を形成して、このTiN膜に対して、各注入種を4×1015/cm2注入したときのMIS型キャパシタに関するものであり、このMIS型キャパシタは、n型半導体基板上において、p型MISに相当する。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the gate voltage and the gate capacitance when impurities are ion-implanted into the gate
図6に示すように、ゲート電極用金属膜3に不純物を注入することによって、CVカーブがシフトすることがわかる。これは、前述の図5に示すように、不純物の注入によって仕事関数がシフトすることに起因する。具体的には、ゲート電極用金属膜3にN2を注入した場合、CVカーブが、閾値Vthが下がる方向にシフトすることがわかる。またゲート電極用金属膜3にSiまたはGeを注入した場合、CVカーブが、閾値Vthが上がる方向にシフトすることがわかる。このようにゲート電極用金属膜3に不純物を注入することによって、仕事関数を変化させ、閾値Vthを変化させることができる。
As shown in FIG. 6, it can be seen that the CV curve is shifted by implanting impurities into the gate
以上のように本実施の形態の半導体装置の製造方法によれば、nFET領域RnおよびpFET領域Rpの半導体基板1上にゲート絶縁膜2が形成され、このゲート絶縁膜2上にゲート電極用金属膜3が形成される。形成されたゲート電極用金属膜3のうち、pFET領域Rpに形成されたゲート電極用金属膜3に不純物が注入され、不純物注入金属膜6が形成される。これによって、pFET領域Rpに形成されたゲート電極用金属膜3の組成を変化させることができるので、このゲート電極用金属膜3、すなわち不純物注入金属膜6で形成されるpFET領域Rpのゲート電極の仕事関数を変化させることができる。したがって、nFET領域RnとpFET領域Rpとに、異なる仕事関数を有するゲート電極を容易に形成することができる。
As described above, according to the manufacturing method of the semiconductor device of the present embodiment, the
またpFET領域Rpに形成されたゲート電極用金属膜3の組成を変化させることによって、pMISFETの閾値Vthを容易に調整することができる。nMISFETの閾値Vthについては、たとえば、ゲート電極となるゲート電極用金属膜3の膜厚を調整することによって、容易に調整することができる。したがって、所望の閾値Vthを有するnMISFETおよびpMISFETを容易に形成することが可能である。
Further, the threshold value Vth of the pMISFET can be easily adjusted by changing the composition of the gate
本実施の形態では、ゲート絶縁膜2を構成する絶縁性材料は、ハフニウム(Hf)を含むハフニウム系材料であるので、ゲート絶縁膜2上のゲート電極用金属膜3に前述の不純物を注入することによって、所望の閾値Vthを実現することができる。
In the present embodiment, since the insulating material constituting the
特に本実施の形態では、イオン注入後に、図3に示すように、nFET領域Rnに形成されたゲート電極用金属膜3をエッチバックすることによって、nFET領域Rnのゲート電極用金属膜3を、所望の閾値Vthに適した膜厚にすることができる。したがって、所望の閾値VthのnMISFETを実現することができる。
In particular, in the present embodiment, after the ion implantation, as shown in FIG. 3, the gate
また本実施の形態によれば、不純物を注入する工程では、不純物をイオン注入によって注入する。これによって、ゲート電極用金属膜3に不純物を容易に注入することができるので、ゲート電極用金属膜3の組成を容易に変化させることができ、ゲート電極の仕事関数を変化させることができる。したがって、所望の閾値Vthを有するnMISFETおよびpMISFETを形成することができる。
According to this embodiment, in the step of implanting impurities, the impurities are implanted by ion implantation. Thus, impurities can be easily implanted into the gate
また本実施の形態では、ゲート電極用金属膜3を構成する金属材料は、窒化チタン(TiN)であるので、前述の不純物を注入することによって、仕事関数を変化させることができ、所望の閾値Vthを実現することができる。
In the present embodiment, since the metal material constituting the gate
また本実施の形態では、ゲート電極用金属膜3に注入される不純物は、窒素分子(N2)、ゲルマニウム(Ge)またはシリコン(Si)である。前述の図5および図6に示すように、pMISFETが形成されるpFET領域Rpのゲート電極用金属膜3にN2を注入することによって、仕事関数を増大させ、閾値Vthを下げることができる。またpFET領域Rpのゲート電極用金属膜3にGeまたはSiを注入することによって、仕事関数を減少させ、Vthを上げることができる。GeおよびSiは、それぞれ単独で用いられてもよく、併用されてもよい。
In this embodiment, the impurity implanted into the gate
前述の図1〜図4に示す半導体装置の製造方法では、nFET領域Rnに形成されたゲート電極用金属膜3のエッチバックよりもイオン注入を先に実行して半導体装置を製造する場合について説明したが、このような方法に限定されず、たとえばイオン注入よりもnFET領域Rnに形成されたゲート電極用金属膜3のエッチバックを先に実行して半導体装置を製造してもよい。すなわち、半導体装置は、以下の図7および図8に示す製造工程を経て製造してもよい。
In the semiconductor device manufacturing method shown in FIGS. 1 to 4 described above, a case where a semiconductor device is manufactured by performing ion implantation prior to etch back of the gate
図7は、pFET領域Rpへのp側レジストマスク7の形成およびnFET領域Rnのゲート電極用金属膜3の一部の除去が終了した段階の状態を示す断面図である。前述の図1に示すように半導体基板1上に、ゲート絶縁膜2およびゲート電極用金属膜3を順次に形成した後は、ゲート電極用金属膜3上に、全面にわたってレジストを塗布し、その後写真製版を行うことによって、nFET領域Rnのレジストを除去する。これによって、ゲート電極用金属膜3の上面のうちでpFET領域Rp内に属する部分上全面にp側レジストマスク7を形成する。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state where the formation of the p-side resist
その後、図7に示すように、p側レジストマスク7が形成された状態、換言すればpFET領域Rpのゲート電極用金属膜3がp側レジストマスク7で覆われた状態で、nFET領域Rnの全体にわたって、ゲート電極用金属膜3をエッチバックすることによって、ゲート電極用金属膜3の一部を厚み方向に除去する。エッチバックによってゲート電極用金属膜3の一部を除去するときは、エッチバック後のnFET領域Rnのゲート電極用金属膜3の膜厚t3が1nm以上4nm以下になるようにする。
Thereafter, as shown in FIG. 7, in a state where the p-side resist
図8は、pFET領域Rpのp側レジストマスク7の除去およびnFET領域Rnへのn側レジストマスク8の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。エッチバックの終了後は、レジスト剥離液などによってpFET領域Rpのp側レジストマスク7を剥離し、nFET領域RnおよびpFET領域Rpのゲート電極用金属膜3上に、全面にわたって、再度レジストを塗布する。そして、写真製版を行うことによって、図8に示すように、ゲート電極用金属膜3のうちで仕事関数を変化させたい領域、具体的にはpFET領域Rpのレジストを除去する。これによって、ゲート電極用金属膜3のうちで仕事関数を変化させたい領域を除く残余の領域、具体的にはゲート電極用金属膜3の上面のうちでnFET領域Rn内に属する部分上全面に、n側レジストマスク8を形成する。n側レジストマスク8の膜厚t4は、pFET領域Rpのゲート電極用金属膜3の膜厚t1以上の値に選ばれる。これによって、pFET領域Rpのゲート電極用金属膜3に不純物を注入するときに、nFET領域Rnのゲート電極用金属膜3まで不純物が注入されることを防ぐことができる。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state where the removal of the p-side resist
その後、n側レジストマスク8が形成された状態、換言すればnFET領域Rnのゲート電極用金属膜3がn側レジストマスク8で覆われた状態で、n側レジストマスク8が形成された側から全面にわたって、すなわちnFET領域RnおよびpFET領域Rpにわたって、イオン注入量をたとえば4×1015/cm2として、不純物であるN2、SiまたはGeをイオン注入する。これによって、ゲート電極用金属膜3のうち、pFET領域Rpのゲート電極用金属膜3のみに不純物が注入される。イオン注入によってpFET領域Rpのゲート電極用金属膜3に不純物を注入することによって、前述の図4に示すように、pFET領域Rpでは、ゲート電極用金属膜3に不純物、本実施の形態ではN2、SiまたはGeが注入されて、不純物注入金属膜6が形成される。
After that, in a state where the n-side resist mask 8 is formed, in other words, in a state where the
不純物注入金属膜6の形成後は、図4に示すように、レジスト剥離液などによってnFET領域Rnのn側レジストマスク8を剥離する。これによって、前述の図4に示すように、nFET領域Rnでは、ゲート絶縁膜2上に、不純物が注入されていないゲート電極用金属膜3が形成され、pFET領域Rpでは、ゲート絶縁膜2上に、不純物が注入された不純物注入金属膜6が形成された状態となる。その後は、前述の図1〜図4に示す製造工程を経て製造する場合と同様にして、ゲート電極を形成した後、公知のCMISFET形成プロセスフローを順次に経ることによって、CMISFETを得る。
After the formation of the impurity-implanted
以上のようにイオン注入よりもnFET領域Rnに形成されたゲート電極用金属膜3のエッチバックを先に先に実行しても、前述の図1〜図4に示すように、nFET領域Rnに形成されたゲート電極用金属膜3のエッチバックよりもイオン注入を先に実行する場合と同じ構成の半導体装置を製造することができる。
As described above, even if the etch-back of the gate
また、このエッチバックによって、nFET領域Rnに形成されたゲート電極用金属膜3の膜厚を、所望の閾値Vthに適した膜厚にすることができるので、所望の閾値Vthを有するnMISFETを実現することができる。したがって、所望の閾値Vthを有するnMISFETおよびpMISFETを実現することができる。
In addition, the etch back enables the gate
<第2の実施の形態>
図9〜図12は、本発明の第2の実施の形態である半導体装置の製造方法における各製造工程の状態を示す断面図である。本実施の形態においても、前述の第1の実施の形態と同様に、半導体装置としてCMISFETを製造する。図9は、ゲート電極用金属膜3の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。図10は、nFET領域Rnへのn側レジストマスク4の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。
<Second Embodiment>
9 to 12 are cross-sectional views showing the states of the respective manufacturing steps in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. Also in the present embodiment, a CMISFET is manufactured as a semiconductor device, as in the first embodiment. FIG. 9 is a cross-sectional view showing a state in which the formation of the gate
本実施の形態においても、まず、前述の第1の実施の形態と同様に、不図示のpウェル、nウェルおよび素子分離膜を形成した後、半導体基板1上に、pウェル、nウェルおよび素子分離膜が形成された表面側から、全面にわたってゲート絶縁膜2およびゲート電極用金属膜3を順次に形成する。その後、ゲート電極用金属膜3上に、全面にわたってレジストを塗布する。そして、写真製版を行うことによって、図10に示すように、ゲート電極用金属膜3のうちで仕事関数を変化させたい領域であるpFET領域Rpのレジストを除去する。これによって、第1の実施の形態と同様に、ゲート電極用金属膜3のうちで仕事関数を変化させたい領域を除く残余の領域である、ゲート電極用金属膜3の上面のうちでnFET領域Rn内に属する部分上全面にn側レジストマスク4を形成する。
Also in the present embodiment, first, similarly to the first embodiment described above, after forming a p-well, an n-well and an element isolation film (not shown), a p-well, an n-well and an n-well are formed on the
その後、n側レジストマスク4が形成された状態、換言すればnFET領域Rnのゲート電極用金属膜3がn側レジストマスク4で覆われた状態で、前述の第1の実施の形態と同様の注入条件に基づいて、n側レジストマスク4が形成された側から全面にわたって、すなわちnFET領域RnおよびpFET領域Rpにわたって、前述の第1の実施の形態と同様の不純物をイオン注入する。これによってpFET領域Rpのゲート電極用金属膜3に不純物が注入される。nFET領域Rnのゲート電極用金属膜3は、n側レジストマスク4で覆われているので、不純物が注入されないか、またはn側レジストマスク4に接する側の一部分のみに不純物が注入される。
Thereafter, in a state where the n-side resist
図11は、nFET領域Rnのゲート電極用金属膜3およびn側レジストマスク4の除去が終了した段階の状態を示す断面図である。図12は、nFET領域Rnのゲート絶縁膜2上およびpFET領域Rpの不純物注入金属膜6上への他のゲート電極用金属膜11の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。前述のイオン注入によってpFET領域Rpのゲート電極用金属膜3に不純物を注入することによって、図11に示すように、pFET領域Rpでは、ゲート電極用金属膜3に不純物、本実施の形態ではN2、SiまたはGeが注入されて、不純物注入金属層6が形成される。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a state where the removal of the gate
不純物注入金属膜6の形成後は、レジスト剥離液などによって、前述の図10に示すnFET領域Rnのn側レジストマスク4を剥離する。その後、nFET領域Rnのゲート電極用金属膜3上およびpFET領域Rpの不純物注入金属膜6上に、全面にわたってレジストを塗布する。そして、写真製版を行うことによって、図11に示すように、pFET領域Rpのレジストを残して、nFET領域Rnのレジストを除去する。これによって、pFET領域Rpの不純物注入金属膜6上に、p側レジストマスク5を形成する。
After the formation of the impurity-implanted
p側レジストマスク5の形成後、本実施の形態では、図11に示すように、p側レジストマスク5が形成された状態、換言すればpFET領域Rpの不純物注入金属膜6がp側レジストマスク5で覆われた状態で、nFET領域Rnの全体にわたって、ゲート電極用金属膜3をエッチングして、nFET領域Rnに形成されたゲート電極用金属膜3を厚み方向の全体にわたって除去する。これによってnFET領域Rnは、ゲート絶縁膜2が露出した状態になる。その後、レジスト剥離液などによってpFET領域Rpのp側レジストマスク5を剥離する。
After the formation of the p-side resist
次に、図12に示すように、nFET領域Rnに形成されたゲート絶縁膜2上およびpFET領域Rpに形成された不純物注入金属膜6上に、nFET領域Rnのゲート絶縁膜2の表面およびpFET領域Rpの不純物注入金属膜6の表面の全体を覆うように、他のゲート電極用金属膜11を堆積する。他のゲート電極用金属膜11は、ゲート電極用金属膜3と同様に導電性材料から成る。本実施の形態における他のゲート電極用金属膜11を構成する導電性材料としては、TiNが用いられる。他のゲート電極用金属膜11は、その膜厚t11が1nm以上4nm以下になるように、nFET領域Rnのゲート絶縁膜2上およびpFET領域Rpの不純物注入金属膜6上に堆積される。
Next, as shown in FIG. 12, on the
他のゲート電極用金属膜11の形成後は、前述の第1の実施の形態と同様にして、ゲート電極を形成した後、公知のCMISFET形成プロセスフローを順次に経ることによって、CMISFETを得る。
After the formation of the
以上の本実施の形態においても、前述の第1の実施の形態と同様に、ゲート電極用金属膜3のうち、pFET領域Rpに形成されたゲート電極用金属膜3には不純物が注入され、不純物注入金属膜6が形成されるので、第1の実施の形態と同様の効果が達成される。具体的には、pFET領域Rpに形成されたゲート電極用金属膜3の組成を変化させ、ゲート電極の仕事関数を変化させることができるので、nFET領域RnとpFET領域Rpとに、異なる仕事関数を有するゲート電極を容易に形成することができる。またpMISFETの閾値Vthを容易に調整することができるので、所望の閾値Vthを有するnMISFETおよびpMISFETを容易に形成することが可能である。
Also in the present embodiment, as in the first embodiment described above, impurities are implanted into the gate
特に本実施の形態では、イオン注入後に、図11に示すように、nFET領域Rnに形成されたゲート電極用金属膜3を除去した後、図12に示すように、nFET領域Rnに形成されたゲート絶縁膜2上、およびpFET領域Rpに形成されたゲート電極用金属膜3である不純物注入金属膜6上に、他のゲート電極用金属膜11が形成される。これによって、nFET領域Rnに、所望の閾値Vthに適した膜厚を有する他のゲート電極用金属膜11を形成することができる。したがって、所望の閾値Vthを有するnMISFETを実現することができるので、所望の閾値Vthを有するnMISFETおよびpMISFETを実現することができる。
In particular, in the present embodiment, after ion implantation, as shown in FIG. 11, the gate
前述の図9〜図12に示す半導体装置の製造方法では、ゲート電極用金属膜3のエッチングよりもイオン注入を先に実行して半導体装置を製造する場合について説明したが、このような方法に限定されず、たとえばイオン注入よりもゲート電極用金属膜3のエッチングを先に実行して半導体装置を製造してもよい。すなわち、半導体装置は、以下の図13〜図15に示す製造工程を経て製造してもよい。
In the semiconductor device manufacturing method shown in FIGS. 9 to 12 described above, the case where the semiconductor device is manufactured by performing ion implantation prior to the etching of the gate
図13は、pFET領域Rpへのp側レジストマスク7の形成およびnFET領域Rnのゲート電極用金属膜3の除去が終了した段階の状態を示す断面図である。図14は、nFET領域Rnのゲート絶縁膜2上およびpFET領域Rpのゲート電極用金属膜3上への他のゲート電極用金属膜11の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。図15は、nFET領域Rnにn側レジストマスク12を形成した状態で、pFET領域Rpのゲート電極用金属膜3および他のゲート電極用金属膜11にイオン注入するときの様子を示す断面図である。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a state in which the formation of the p-side resist
前述の図9に示すように半導体基板1上に、ゲート絶縁膜2およびゲート電極用金属膜3を順次に形成した後は、ゲート電極用金属膜3上に、全面にわたってレジストを塗布し、その後写真製版を行うことによって、nFET領域Rnのレジストを除去する。これによって、ゲート電極用金属膜3の上面のうちでpFET領域Rp内に属する部分上全面に、p側レジストマスク7を形成する。
As shown in FIG. 9, after the
その後、図13に示すように、p側レジストマスク7が形成された状態、換言すればpFET領域Rpのゲート電極用金属膜3がp側レジストマスク7で覆われた状態で、nFET領域Rnの全体にわたってエッチングして、nFET領域Rnに形成されたゲート電極用金属膜3を厚み方向全体にわたって除去する。これによってnFET領域Rnは、ゲート絶縁膜2が露出した状態になる。その後、レジスト剥離液などによってpFET領域Rpのp側レジストマスク7を剥離する。
Thereafter, as shown in FIG. 13, in a state where the p-side resist
次に、図14に示すように、nFET領域Rnに形成されたゲート絶縁膜2上およびpFET領域Rpに形成されたゲート電極用金属膜3上に、nFET領域Rnのゲート絶縁膜2の表面およびpFET領域Rpのゲート電極用金属膜3の表面全体を覆うように、他のゲート電極用金属膜11を堆積する。他のゲート電極用金属膜11は、その膜厚t11が1nm以上4nm以下になるように、nFET領域Rnのゲート絶縁膜2上およびpFET領域Rpのゲート電極用金属膜3上に堆積される。
Next, as shown in FIG. 14, on the
次いで、nFET領域RnおよびpFET領域Rpの他のゲート電極用金属膜11上に、全面にわたってレジストを塗布した後、写真製版を行うことによって、図15に示すように、残存するゲート電極用金属膜3であるpFET領域Rpのゲート電極用金属膜3を覆うレジストを除去する。これによって、他のゲート電極用金属膜11のnFET領域Rn内に属する部分のうちで、ゲート電極用金属膜3の側面を覆う部分を除く残余の部分上全面に、n側レジストマスク12を形成する。n側レジストマスク12の膜厚t12は、pFET領域Rpで残存するゲート電極用金属膜3の膜厚t1と、他のゲート電極用金属膜11の膜厚t11とを加算した値(t1+t11)以上の値に選ばれる。これによって、pFET領域Rpのゲート電極用金属膜3に不純物を注入するときに、nFET領域Rnの他のゲート電極用金属膜11まで不純物が注入されることを防ぐことができる。
Next, after the resist is applied over the entire surface of the other gate
その後、n側レジストマスク12が形成された状態、換言すればnFET領域Rnの他のゲート電極用金属膜11がn側レジストマスク12で覆われた状態で、n側レジストマスク12が形成された側から全面にわたって、すなわちnFET領域RnおよびpFET領域Rpにわたって、イオン注入量をたとえば4×1015/cm2として、不純物であるN2、SiまたはGeをイオン注入する。これによって、pFET領域Rpで残存するゲート電極用金属膜3に不純物が注入される。この注入によって、前述の図12に示すように、pFET領域Rpでは、ゲート電極用金属膜3に不純物、具体的にはN2、SiまたはGeが注入されて、不純物注入金属膜6が形成される。本実施の形態では、他のゲート電極用金属膜11のうち、n側レジストマスク12で覆われる部分を除く残余の部分、すなわちpFET領域Rpに形成された他のゲート電極用金属膜11にも不純物が注入されて、不純物注入金属膜となる。
Thereafter, the n-side resist
不純物注入金属膜6の形成後は、レジスト剥離液などによってnFET領域Rnのn側レジストマスク12を剥離する。これによって、前述の図12に示すように、nFET領域Rnでは、ゲート絶縁膜2上に、不純物が注入されていない他のゲート電極用金属膜11が形成され、pFET領域Rpでは、ゲート絶縁膜2上に、不純物が注入された不純物注入金属膜6が形成され、この不純物注入金属膜6上に、他のゲート電極用金属膜11に不純物が注入された他の不純物注入金属膜が形成された状態となる。その後は、前述の第1の実施の形態と同様にして、ゲート電極を形成した後、公知のCMISFET形成プロセスフローを順次に経ることによって、CMISFETを得る。
After the formation of the impurity-implanted
以上のようにイオン注入よりもゲート電極用金属膜3のエッチングを先に実行しても、前述の図9〜図12に示すように、ゲート電極用金属膜3のエッチングよりもイオン注入を先に実行する場合と同じ構成の半導体装置を製造することができる。
Even if the etching of the gate
また、このエッチングによって、nFET領域Rnに形成されたゲート電極用金属膜3を除去した後、イオン注入前に、図14に示すように、nFET領域Rnに形成されたゲート絶縁膜2上およびpFET領域Rpに形成されたゲート電極用金属膜3上に、他のゲート電極用金属膜11が形成される。これによって、nFET領域Rnに、所望の閾値Vthに適した膜厚を有する他のゲート電極用金属膜11を形成することができる。したがって、所望の閾値Vthを有するnMISFETを実現することができるので、所望の閾値Vthを有するnMISFETおよびpMISFETを実現することができる。
Also, by this etching, after removing the gate
<第3の実施の形態>
図16〜図21は、本発明の第3の実施の形態である半導体装置の製造方法における各製造工程の状態を示す断面図である。本実施の形態においても、前述の第1の実施の形態と同様に、半導体装置としてCMISFETを製造する。図16は、ゲート電極用金属膜21の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。
<Third Embodiment>
16 to 21 are cross-sectional views showing the states of the respective manufacturing steps in the method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. Also in the present embodiment, a CMISFET is manufactured as a semiconductor device, as in the first embodiment. FIG. 16 is a cross-sectional view showing a state where the formation of the gate
本実施の形態においても、まず、前述の第1の実施の形態と同様に、不図示のpウェル、nウェルおよび素子分離膜を形成した後、半導体基板1上に、pウェル、nウェルおよび素子分離膜が形成された表面側から、全面にわたってゲート絶縁膜2およびゲート電極用金属膜21を順次に形成する。本実施の形態では、ゲート電極用金属膜21の膜厚t21は、第1の実施の形態で形成されるゲート電極用金属膜3の膜厚t1よりも小さく、具体的には、1nm以上4nm以下に選ばれる。
Also in the present embodiment, first, similarly to the first embodiment described above, after forming a p-well, an n-well and an element isolation film (not shown), a p-well, an n-well and an n-well are formed on the
図17は、ハードマスク22の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。本実施の形態では、ゲート電極用金属膜21の形成後は、ゲート電極用金属膜21上に、全面にわたって、ハードマスク材料を堆積させる。その後、エッチングによって、図17に示すように、ゲート電極用金属膜21のうちで仕事関数を変化させたい領域であるpFET領域Rpのハードマスク材料を除去する。これによって、ゲート電極用金属膜21のうちで仕事関数を変化させたい領域を除く残余の領域である、ゲート電極用金属膜21の上面のうちでnFET領域Rn内に属する部分上全面に、ハードマスク22を形成する。
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a state where the formation of the
ハードマスク22の材料としては、たとえば酸化ケイ素(SiOx)および窒化ケイ素(SiNx)が挙げられる。ハードマスク22の膜厚t22は、ゲート電極用金属膜21の膜厚t21以上の値に選ばれる。これによって、pFET領域Rpのゲート電極用金属膜21に不純物を注入するときに、nFET領域Rnのゲート電極用金属膜21まで不純物が注入されることを防ぐことができる。
Examples of the material of the
図18は、nFET領域Rnのハードマスク22上およびpFET領域Rpのゲート電極用金属膜21上への他のゲート電極用金属膜23の形成が終了した段階の状態を示す断面図である。ハードマスク22の形成後は、nFET領域Rnのハードマスク22上およびpFET領域Rpのゲート電極用金属膜21上に、nFET領域Rnのハードマスク22の表面およびpFET領域Rpのゲート電極用金属膜21の表面の全体を覆うように、他のゲート電極用金属膜23を堆積する。他のゲート電極用金属膜23は、ゲート電極用金属膜21と同様に導電性材料から成る。本実施の形態における他のゲート電極用金属膜23を構成する導電性材料としては、TiNが用いられる。他のゲート電極用金属膜23の膜厚t23は、ゲート電極用金属膜21の膜厚t21を考慮して、ゲート電極用金属膜21の膜厚t21と他のゲート電極用金属膜23の膜厚t23とを加算した値t24(=t21+t23)が、15nm以上20nm以下になるように選ばれる。
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a state where the formation of another gate
図19は、pFET領域Rpの他のゲート電極用金属膜23およびゲート電極用金属膜21にイオン注入するときの様子を示す断面図である。他のゲート電極用金属膜23の形成後は、前述の第1の実施の形態と同様の注入条件に基づいて、他のゲート電極用金属膜23が形成された側から全面にわたって、すなわちnFET領域RnおよびpFET領域Rpにわたって、不純物を注入、具体的にはイオン注入する。これによって、nFET領域RnおよびpFET領域Rpの他のゲート電極用金属膜23、ならびにpFET領域Rpのゲート電極用金属膜21に不純物が注入される。nFET領域Rnのゲート電極用金属膜3は、ハードマスク22で覆われているので、不純物が注入されない。
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a state in which ions are implanted into another gate
図20は、nFET領域Rnの他のゲート電極用金属膜23の除去が終了した段階の状態を示す断面図である。前述のイオン注入によって、図19に示すように、pFET領域Rpでは、ゲート電極用金属膜21に不純物が注入されて、不純物注入金属膜25が形成され、また他のゲート電極用金属膜23に不純物が注入されて、他の不純物注入金属膜26が形成される。
FIG. 20 is a cross-sectional view showing a state in which the removal of the other gate
イオン注入後は、nFET領域Rnの他のゲート電極用金属膜23上およびpFET領域Rpの他の不純物注入金属膜26上に、全面にわたってレジストを塗布し、写真製版を行うことによって、図20に示すように、pFET領域Rpのレジストを残して、nFET領域Rnのレジストを除去し、pFET領域Rpの他の不純物注入金属膜26上に、p側レジストマスク24を形成する。
After ion implantation, a resist is applied over the entire surface of the other gate
その後、p側レジストマスク24が形成された状態、換言すればpFET領域Rpの他の不純物注入金属膜26がp側レジストマスク24で覆われた状態で、nFET領域Rnの全体にわたって、他のゲート電極用金属膜23をエッチングして、厚み方向全体にわたって除去する。これによってnFET領域Rnは、ハードマスク22が露出した状態になる。
Thereafter, in a state where the p-side resist
図21は、ハードマスク22の除去が終了した段階の状態を示す断面図である。nFET領域Rnの他のゲート電極用金属膜23の除去後は、p側レジストマスク24が形成された状態で、nFET領域Rnのハードマスク22をエッチングして除去する。これによってnFET領域Rnは、ゲート電極用金属膜21が露出した状態になる。
FIG. 21 is a cross-sectional view showing a state where the removal of the
その後、レジスト剥離液などによってpFET領域Rpのp側レジストマスク24を剥離する。これによって、図21に示すように、nFET領域Rnでは、ゲート絶縁膜2上に、不純物が注入されていないゲート電極用金属膜21が形成され、pFET領域Rpでは、ゲート絶縁膜2上に、不純物が注入された不純物注入金属膜25および他の不純物注入金属膜26が順次に形成された状態となる。
Thereafter, the p-side resist
p側レジストマスク24の剥離後は、前述の第1の実施の形態と同様にして、ゲート電極を形成した後、公知のCMISFET形成プロセスフローを順次に経ることによって、CMISFETを得る。
After the p-side resist
以上のように本実施の形態によれば、前述の第1の実施の形態と同様に、ゲート電極用金属膜21のうち、pFET領域Rpのゲート電極用金属膜21には不純物が注入されて不純物注入金属膜25が形成され、この不純物注入金属膜25上には、不純物が注入された他の不純物注入金属膜26が形成されるので、第1の実施の形態と同様の効果が達成される。具体的には、pFET領域Rpに形成されたゲート電極用金属膜21および他のゲート電極用金属膜23の組成を変化させ、ゲート電極の仕事関数を変化させることができるので、nFET領域RnとpFET領域Rpとに、異なる仕事関数を有するゲート電極を容易に形成することができる。またpMISFETの閾値Vthを容易に調整することができるので、所望の閾値Vthを有するnMISFETおよびpMISFETを容易に形成することが可能である。
As described above, according to the present embodiment, as in the first embodiment described above, impurities are implanted into the gate
前述の図16〜図21に示す半導体装置の製造方法では、nFET領域Rnの他のゲート電極用金属膜23の除去よりもイオン注入を先に実行して半導体装置を製造する場合について説明したが、このような方法に限定されず、たとえばイオン注入よりもnFET領域Rnの他のゲート電極用金属膜23の除去を先に実行して半導体装置を製造してもよい。すなわち、半導体装置は、以下の図22〜図23に示す製造工程を経て製造してもよい。
In the semiconductor device manufacturing method shown in FIGS. 16 to 21 described above, the case where the semiconductor device is manufactured by performing ion implantation prior to the removal of the other gate
図22は、nFET領域Rnの他のゲート電極用金属膜23の除去が終了した段階の状態を示す断面図である。図22〜図23に示す製造工程を経て半導体装置を製造する場合、前述の図18に示すように他のゲート電極用金属膜23を形成した後は、他のゲート電極用金属膜23上に、全面にわたって、すなわちnFET領域RnおよびpFET領域Rpにわたって、レジストを塗布する。その後、写真製版を行うことによって、図22に示すように、pFET領域Rpのレジストを残して、nFET領域Rnのレジストを除去し、pFET領域Rpの他のゲート電極用金属膜23上に、p側レジストマスク27を形成する。
FIG. 22 is a cross-sectional view showing a state in which the removal of the other gate
その後、p側レジストマスク27が形成された状態、換言すればpFET領域Rpの他のゲート電極用金属膜23がp側レジストマスク27で覆われた状態で、nFET領域Rnの全体にわたって、他のゲート電極用金属膜23をエッチングして、厚み方向全体にわたって除去する。これによってnFET領域Rnは、ハードマスク22が露出した状態になる。
Thereafter, in a state where the p-side resist
図23は、pFET領域Rpの他のゲート電極用金属膜23およびゲート電極用金属膜21にイオン注入するときの様子を示す断面図である。nFET領域Rnの他のゲート電極用金属膜23の除去後は、p側レジストマスク27が形成された状態で、nFET領域Rnのハードマスク22をエッチングして除去する。これによってnFET領域Rnは、ゲート電極用金属膜21が露出した状態になる。
FIG. 23 is a cross-sectional view showing a state when ions are implanted into another gate
ハードマスク22の除去後は、レジスト剥離液などによってpFET領域Rpのp側レジストマスク27を剥離する。その後、nFET領域Rnのゲート電極用金属膜21上およびpFET領域Rpの他のゲート電極用金属膜23上に、全面にわたって、再度レジストを塗布する。そして、写真製版を行うことによって、図23に示すように、nFET領域Rnのレジストを残して、pFET領域Rpのレジストを除去する。これによって、nFET領域Rnのゲート電極用金属膜21上に、n側レジストマスク28を形成する。n側レジストマスク28の厚み寸法t25は、ゲート電極用金属膜21の膜厚t21と他のゲート電極用金属膜23の膜厚t23とを加算した値t24(=t21+t23)以上の値に選ばれる。これによって、pFET領域Rpのゲート電極用金属膜21および他のゲート電極用金属膜23に不純物を注入するときに、nFET領域Rnのゲート電極用金属膜21にまで不純物が注入されてしまうことを防ぐことができる。
After removal of the
その後、n側レジストマスク28が形成された状態、換言すればnFET領域Rnのゲート電極用金属膜21がn側レジストマスク28で覆われた状態で、n側レジストマスク28が形成された側から全面にわたって、すなわちnFET領域RnおよびpFET領域Rpにわたって、イオン注入量をたとえば4×1015/cm2として、不純物であるN2、SiまたはGeをイオン注入する。これによって、pFET領域Rpのゲート電極用金属膜21および他のゲート電極用金属膜23に不純物が注入され、前述の図21に示すように、不純物注入金属膜25および他の不純物注入金属膜26が形成される。nFET領域Rnのゲート電極用金属膜21は、n側レジストマスク28で覆われているので、不純物が注入されない。
After that, in a state where the n-side resist mask 28 is formed, in other words, in a state where the gate
イオン注入後は、レジスト剥離液などによってnFET領域Rnのn側レジストマスク28を剥離する。これによって、前述の図21に示すように、nFET領域Rnでは、ゲート絶縁膜2上に、不純物が注入されていないゲート電極用金属膜21が形成され、pFET領域Rpでは、ゲート絶縁膜2上に、不純物が注入された不純物注入金属膜25および他の不純物注入金属膜26が順次に形成された状態となる。その後は、前述の第1の実施の形態と同様にして、ゲート電極を形成した後、公知のCMISFET形成プロセスフローを順次に経ることによって、CMISFETを得る。
After the ion implantation, the n-side resist mask 28 in the nFET region Rn is stripped with a resist stripping solution or the like. As a result, as shown in FIG. 21 described above, in the nFET region Rn, the gate
以上のようにイオン注入よりもnFET領域Rnの他のゲート電極用金属膜23の除去を先に実行しても、前述の図16〜図21に示すように、nFET領域Rnの他のゲート電極用金属膜23の除去よりもイオン注入を先に実行する場合と同じ構成の半導体装置を製造することができる。
As described above, even if the gate
前述の各実施の形態では、ゲート電極の形成後に熱処理が施されるゲートファーストプロセスに基づいてゲート電極を形成しているが、前述の各実施の形態によれば、ゲートファーストプロセスにおいて、金属から成るゲート電極の仕事関数を比較的容易に制御することができる。 In each of the above-described embodiments, the gate electrode is formed based on a gate-first process in which heat treatment is performed after the formation of the gate electrode. However, according to each of the above-described embodiments, in the gate-first process, metal is used. The work function of the formed gate electrode can be controlled relatively easily.
1 半導体基板、2 ゲート絶縁膜、3,21 ゲート電極用金属膜、4,8,12,28 n側レジストマスク、5,7,24,27 p側レジストマスク、6,25 不純物注入金属膜、11,23 他のゲート電極用金属膜、22 ハードマスク、26 他の不純物注入金属膜。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
(a)前記第1導電型半導体素子が形成される第1導電型素子領域および前記第2導電型半導体素子が形成される第2導電型素子領域を有する半導体基板上に、ハフニウム(Hf)を含むハフニウム系材料から成るゲート絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記第1導電型素子領域および前記第2導電型素子領域に形成された前記ゲート絶縁膜上に、金属材料から成るゲート電極用金属膜を形成する工程と、
(c)前記第2導電型素子領域に形成された前記ゲート電極用金属膜に、不純物を注入する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device in which a first conductivity type semiconductor element and a second conductivity type semiconductor element having different conductivity types are provided side by side,
(A) Hafnium (Hf) is deposited on a semiconductor substrate having a first conductivity type element region in which the first conductivity type semiconductor element is formed and a second conductivity type element region in which the second conductivity type semiconductor element is formed. Forming a gate insulating film made of a hafnium-based material,
(B) forming a gate electrode metal film made of a metal material on the gate insulating film formed in the first conductivity type element region and the second conductivity type element region;
(C) Injecting impurities into the gate electrode metal film formed in the second conductivity type element region.
前記不純物は、窒素分子(N2)であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。 The second conductive semiconductor element is a p-channel MIS transistor,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the impurity is a nitrogen molecule (N 2 ).
前記不純物は、ゲルマニウム(Ge)およびシリコン(Si)の少なくとも一方であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。 The second conductivity type semiconductor element is a p-channel type MIS transistor,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the impurity is at least one of germanium (Ge) and silicon (Si).
(d)前記第1導電型素子領域に形成された前記ゲート電極用金属膜をエッチバックする工程をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。 After the step (c),
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising: (d) a step of etching back the gate electrode metal film formed in the first conductivity type element region.
(e)前記第1導電型素子領域に形成された前記ゲート電極用金属膜をエッチバックする工程をさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。 After the step (b) and before the step (c),
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising: (e) a step of etching back the gate electrode metal film formed in the first conductivity type element region.
(f)前記第1導電型素子領域に形成された前記ゲート電極用金属膜を除去する工程と、
(g)前記第1導電型素子領域に形成された前記ゲート絶縁膜および前記第2導電型素子領域に形成された前記ゲート電極用金属膜上に他のゲート電極用金属膜を形成する工程とをさらに備えることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。 After the step (c),
(F) removing the gate electrode metal film formed in the first conductivity type element region;
(G) forming another gate electrode metal film on the gate insulating film formed in the first conductivity type element region and the gate electrode metal film formed in the second conductivity type element region; The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising:
(h)前記第1導電型素子領域に形成された前記ゲート電極用金属膜を除去する工程と、
(i)前記第1導電型素子領域に形成された前記ゲート絶縁膜および前記第2導電型素子領域に形成された前記ゲート電極用金属膜上に他のゲート電極用金属膜を形成する工程とをさらに備え、
前記(c)工程では、前記第2導電型素子領域に形成された前記ゲート電極用金属膜および前記他のゲート電極用金属膜に不純物を注入することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。 After the step (b) and before the step (c),
(H) removing the gate electrode metal film formed in the first conductivity type element region;
(I) forming another gate electrode metal film on the gate insulating film formed in the first conductivity type element region and the gate electrode metal film formed in the second conductivity type element region; Further comprising
3. The process according to claim 1, wherein in the step (c), an impurity is implanted into the gate electrode metal film and the other gate electrode metal film formed in the second conductivity type element region. Semiconductor device manufacturing method.
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JP2008280836A JP2010109214A (en) | 2008-10-31 | 2008-10-31 | Manufacturing method of semiconductor device |
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Cited By (1)
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WO2013134898A1 (en) * | 2012-03-14 | 2013-09-19 | 中国科学院微电子研究所 | Semiconductor device and producing method for same |
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2008
- 2008-10-31 JP JP2008280836A patent/JP2010109214A/en active Pending
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