JP2010109214A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Takeshi Hayashi
岳 林
Masao Nishida
征男 西田
Tomohiro Yamashita
朋弘 山下
Yoshiki Yamamoto
芳樹 山本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a semiconductor device which can comparatively easily control a work function of a gate electrode formed of metal even if heat treatment is performed after the formation of the gate electrode. <P>SOLUTION: Impurities are injected into a metal film 3 for gate electrodes formed in a pFET region Rp after forming a gate insulating film 2 and the metal film 3 for gate electrodes one by one on a semiconductor substrate 1 of an nFET region Rn and pFET region Rp. By this, since the composition of the metal film 3 for gate electrodes formed in the pFET region Rp can be changed, the work function of the gate electrode of the pFET region Rp formed by the metal film 3 for gate electrodes can be changed. Therefore, the gate electrodes having different work functions can be formed easily in the nFET region Rn and the pFET region Rp. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

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 Patent Documents 1 to 3. In Patent Document 1, in order to optimize the threshold value of a PMOS transistor and an NMOS transistor using titanium nitride (TiN) as a gate electrode, nitrogen is ion-implanted into the TiN electrode layer and the work function is changed to optimize the threshold value. Is disclosed.

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。   Patent Document 2 discloses, as a conventional technique, that nitrogen is implanted into a metal gate electrode such as TiN, and that indium (In) is implanted into the metal gate electrode. In addition, Patent Document 2 discloses antimony (Sb), boron (B), phosphorus (P), carbon (C), and the like as other elements implanted into the metal gate electrode.

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。   Patent Document 3 discloses that a work function of a metal gate electrode is adjusted by ion-implanting a metal such as In or nitrogen into a metal gate electrode made of TiN or the like of a PMOS transistor.

特開2001−203276号公報JP 2001-203276 A 特開2002−299610号公報JP 2002-299610 A 特開2002−118175号公報JP 2002-118175 A T. Hayashi et.al, IEDM Tech. Dig., (2006) p.247.T. Hayashi et.al, IEDM Tech. Dig., (2006) p.247. V. Narayanan et.al, VLSI Tech. Symp., (2006) p.224.V. Narayanan et.al, VLSI Tech. Symp., (2006) p.224.

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 Patent Document 1 relates to a transistor using a silicon nitride film as a gate insulating film. Patent Document 1 does not disclose a CMIS transistor having a high-k / metal gate structure using a high-k film as a gate insulating film. In the CMIS transistor having a high-k / metal gate structure, A method for controlling the work function is not disclosed.

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 Patent Documents 2 and 3 relates to a transistor in which a gate electrode is formed by a damascene gate process. The damascene gate process is a method in which a dummy gate is made, and after removing the dummy gate, a gate electrode is formed by embedding a metal material to be a gate electrode. The gate electrode is formed by activating an impurity added to a semiconductor. This is a kind of gate-last process formed after heat treatment for conversion.

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。   Patent Documents 2 and 3 do not disclose a method for controlling the work function of the gate electrode in the gate-first process.

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 electrode metal film 3 has been completed. First, in accordance with a conventional CMIS manufacturing flow, a p-well, an n-well and an element isolation film (not shown) extending from the surface of the semiconductor substrate 1 toward the inside of the semiconductor substrate 1 are sequentially formed. The semiconductor substrate 1 is realized by a silicon (Si) substrate. The element isolation film includes an nMISFET region (hereinafter sometimes referred to as an “nFET region”) Rn in which an nMISFET that is a first conductivity type device region is formed, and a pMISFET region (hereinafter referred to as a “pFET region”) that is a second conductivity type device region. It is an insulating film that separates Rp, and is interposed between a p-well formed in the nFET region Rn and an n-well formed in the pFET region Rp. As described above, the semiconductor substrate 1 has the nFET region Rn and the pFET region Rp.

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 semiconductor substrate 1 in the nFET region Rn and the pFET region Rp, in this embodiment, over the semiconductor substrate 1. A gate insulating film 2 made of an insulating material is formed. The gate insulating film 2 is realized by a high-k film made of a high-k material that is a high dielectric constant material. In the present embodiment, for example, hafnium silicon oxynitride (HfSiON) is formed as the gate insulating film 2. The insulating material constituting the gate insulating film 2 is not limited to HfSiON, but hafnium-based materials containing hafnium (Hf), specifically, hafnium oxide (HfOx), hafnium silicon oxide (HfSiOx), and hafnium silicon nitride. Examples thereof include high dielectric constant materials such as (HfSiN), that is, high-k materials.

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 gate insulating film 2 formed in the nFET region Rn and the pFET region Rp, in this embodiment, over the entire surface of the gate insulating film 2 by sputtering or the like. An electrode metal film 3 is formed. The gate electrode metal film 3 is made of a conductive material. If the film thickness t1 of the gate electrode metal film 3 is too thin, it becomes difficult to control the film thickness of the gate electrode metal film 3, and if it is too thick, the diffusion of the ion implantation material described later becomes insufficient. In the embodiment, the value is selected within the range of 15 nm or more and 20 nm or less. In the present embodiment, titanium nitride (TiN) is used as the conductive material constituting the gate electrode metal film 3.

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 mask 4 in the nFET region Rn has been completed. After the formation of the gate electrode metal film 3, a resist is applied over the entire surface of the gate electrode metal film 3, and then photolithography is performed, so that as shown in FIG. Then, the resist in the region where the work function is to be changed, specifically, the pFET region Rp is removed so that the resist does not remain in the region where the work function is desired to be changed. As a result, the remaining region of the gate electrode metal film 3 excluding the region where the work function is desired to be changed, specifically, the entire upper surface of the portion of the upper surface of the gate electrode metal film 3 belonging to the nFET region Rn. The n-side resist mask 4 is formed. The film thickness t2 of the n-side resist mask 4 is an impurity which will be described later in consideration of the film thickness t1 of the gate electrode metal film 3 and the film thickness t3 of the gate electrode metal film 3 after etch back shown in FIG. Is selected so that a portion in which no impurity is implanted remains in the gate electrode metal film 3 in the nFET region Rn.

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 mask 4 is formed, in other words, in a state where the gate electrode metal film 3 in the nFET region Rn is covered with the n-side resist mask 4, from the side where the n-side resist mask 4 is formed. Impurities are implanted over the entire surface, that is, over the nFET region Rn and the pFET region Rp, specifically, ions are implanted. As a result, impurities are implanted into the gate electrode metal film 3 formed in the pFET region Rp. Since the gate electrode metal film 3 in the nFET region Rn is covered with the n-side resist mask 4, impurities are not implanted, or impurities are implanted only into a part on the side in contact with the n-side resist mask 4.

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 electrode metal film 3 in the nFET region Rn and the n-side resist mask 4 has been completed. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state in which the removal of the p-side resist mask 5 in the pFET region Rp has been completed. By implanting impurities into the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp by the above-described ion implantation, as shown in FIG. 3, in the pFET region Rp, impurities are introduced into the gate electrode metal film 3, and in this embodiment, N 2 , Si or Ge is implanted to form an impurity-implanted metal film 6.

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 metal film 6, the n-side resist mask 4 in the nFET region Rn shown in FIG. Thereafter, a resist is applied again over the entire surface of the gate electrode metal film 3 in the nFET region Rn and the impurity-implanted metal film 6 in the pFET region Rp. Then, by performing photoengraving, as shown in FIG. 3, the resist in the nFET region Rn is removed while leaving the resist in the pFET region Rp. Thus, a p-side resist mask 5 is formed on the impurity-implanted metal film 6 in the pFET region Rp.

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 mask 5 is formed, in other words, in a state where the impurity-implanted metal film 6 in the pFET region Rp is covered with the p-side resist mask 5, The gate electrode metal film 3 is etched back over the entire nFET region Rn, and a part of the gate electrode metal film 3 is removed in the thickness direction. When a part of the gate electrode metal film 3 is removed by etch back, the film thickness t3 of the gate electrode metal film 3 in the nFET region Rn after the etch back is set to 1 nm or more and 4 nm or less. Thereafter, the p-side resist mask 5 in the pFET region Rp is stripped with a resist stripping solution or the like. As a result, as shown in FIG. 4, in the nFET region Rn, the gate electrode metal film 3 into which no impurity is implanted is formed on the gate insulating film 2, and in the pFET region Rp, on the gate insulating film 2, The impurity-implanted metal film 6 into which impurities have been implanted is formed.

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 mask 5 is stripped, although not shown, a process for forming each gate electrode of the nMISFET and the pMISFET is performed by a dry etching method or the like. Specifically, in the nFET region Rp, the gate electrode metal film 3 to be a gate electrode and the gate insulating film 2 below the gate electrode are etched so that the gate electrode portion and the gate insulating film 2 below the gate electrode remain. In the pFET region Rp, the impurity-implanted metal film 6 to be a gate electrode and the gate insulating film 2 therebelow are etched.

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 electrode metal film 3 and the gate insulating film 2 in the nFET region Rn and on both side walls of the impurity-implanted metal film 6 and the gate insulating film 2 in the pFET region Rp. ) Is formed. Thereafter, after implanting impurities into the semiconductor substrate 1 by ion implantation or the like, heat treatment is performed to diffuse the impurities, thereby forming a source region and a drain region to obtain a CMISFET.

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 electrode metal film 3. In FIG. 5, the horizontal axis indicates the injection type, and the vertical axis indicates the effective work function (eV). Here, the “effective work function of the gate electrode” is the work function of the gate electrode at the interface with the gate insulating film, and is distinguished from the original “work function” of the material constituting the gate electrode. The effective work function (abbreviation: EWF) of the gate electrode is a flat value obtained from the CV characteristic of the MIS type capacitor shown in FIG. 6 to be described later in the obtained nMISFET and pMISFET, that is, the gate capacitance-gate voltage characteristic. It is obtained from the band voltage.

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 electrode metal film 3 on the HfSiON film which is the gate insulating film 2, and each of the implanted species is 4 × in the TiN film. This is the value when 10 15 / cm 2 is injected.

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 metal film 3 for gate electrode. Specifically, it can be seen that by injecting N 2 into the gate electrode metal film 3, the work function is increased and the threshold Vth is lowered toward the band edge on the p-channel side. It can also be seen that by injecting Si or Ge into the gate electrode metal film 3, the work function decreases and the threshold value Vth increases.

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 electrode metal film 3. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the gate voltage (V), and the vertical axis indicates the gate capacitance (F). The graph of FIG. 6 also shows the case without ion implantation in order to compare the case where impurities are implanted and the case where impurities are not implanted. In FIG. 6, the symbol “◯” indicates the case without ion implantation, the symbol “◇” indicates that the implantation species is nitrogen (N 2 ), and the symbol “Δ” indicates that the implantation species is germanium (Ge). The case where the implantation type is silicon (Si) is indicated by the symbol “□”. The gate capacitance-gate voltage characteristics (CV characteristics) shown in FIG. 6 are obtained by forming a 15 nm-thick TiN film as the gate electrode metal film 3 on the HfSiON film, which is the gate insulating film 2, and forming the TiN film on the TiN film. On the other hand, the present invention relates to a MIS type capacitor when each implantation type is implanted at 4 × 10 15 / cm 2 , and this MIS type capacitor corresponds to a p-type MIS on an n-type semiconductor substrate.

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 electrode metal film 3. This is because the work function is shifted by the impurity implantation as shown in FIG. Specifically, it is understood that when N 2 is implanted into the gate electrode metal film 3, the CV curve shifts in a direction in which the threshold value Vth decreases. It can also be seen that when Si or Ge is implanted into the gate electrode metal film 3, the CV curve shifts in the direction in which the threshold value Vth increases. By injecting impurities into the gate electrode metal film 3 in this way, the work function can be changed and the threshold value Vth can be changed.

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 gate insulating film 2 is formed on the semiconductor substrate 1 in the nFET region Rn and the pFET region Rp, and the gate electrode metal is formed on the gate insulating film 2. A film 3 is formed. Of the formed gate electrode metal film 3, impurities are implanted into the gate electrode metal film 3 formed in the pFET region Rp, and an impurity-implanted metal film 6 is formed. As a result, the composition of the gate electrode metal film 3 formed in the pFET region Rp can be changed. Therefore, the gate electrode of the pFET region Rp formed of the gate electrode metal film 3, that is, the impurity-implanted metal film 6. The work function can be changed. Therefore, gate electrodes having different work functions can be easily formed in the nFET region Rn and the pFET region Rp.

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 electrode metal film 3 formed in the pFET region Rp. The threshold value Vth of the nMISFET can be easily adjusted, for example, by adjusting the film thickness of the gate electrode metal film 3 serving as the gate electrode. Therefore, an nMISFET and a pMISFET having a desired threshold value Vth can be easily formed.

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 gate insulating film 2 is a hafnium-based material containing hafnium (Hf), the aforementioned impurities are implanted into the gate electrode metal film 3 on the gate insulating film 2. Thus, a desired threshold value Vth can be realized.

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 electrode metal film 3 in the nFET region Rn is etched back by etching back the gate electrode metal film 3 formed in the nFET region Rn. The film thickness can be made suitable for the desired threshold value Vth. Therefore, an nMISFET having a desired threshold Vth can be realized.

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 electrode metal film 3, so that the composition of the gate electrode metal film 3 can be easily changed and the work function of the gate electrode can be changed. Therefore, an nMISFET and a pMISFET having a desired threshold value Vth can be formed.

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 electrode metal film 3 is titanium nitride (TiN), the work function can be changed by injecting the aforementioned impurities, and a desired threshold value can be obtained. Vth can be realized.

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 electrode metal film 3 is nitrogen molecules (N 2 ), germanium (Ge), or silicon (Si). As shown in FIGS. 5 and 6 described above, by injecting N 2 into the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp in which the pMISFET is formed, the work function can be increased and the threshold value Vth can be lowered. Further, by injecting Ge or Si into the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp, the work function can be reduced and Vth can be increased. Ge and Si may be used alone or in combination.

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 electrode metal film 3 formed in the nFET region Rn will be described. However, the present invention is not limited to this method. For example, the semiconductor device may be manufactured by executing the etch back of the gate electrode metal film 3 formed in the nFET region Rn before the ion implantation. That is, the semiconductor device may be manufactured through manufacturing steps shown in FIGS. 7 and 8 below.

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 mask 7 in the pFET region Rp and the removal of a part of the gate electrode metal film 3 in the nFET region Rn are completed. As shown in FIG. 1, after the gate insulating film 2 and the gate electrode metal film 3 are sequentially formed on the semiconductor substrate 1, a resist is applied over the entire surface of the gate electrode metal film 3, and thereafter By performing photolithography, the resist in the nFET region Rn is removed. Thus, the p-side resist mask 7 is formed on the entire upper surface of the gate electrode metal film 3 on the portion belonging to the pFET region Rp.

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 mask 7 is formed, in other words, in a state where the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp is covered with the p-side resist mask 7, The gate electrode metal film 3 is etched back over the entire portion to remove a part of the gate electrode metal film 3 in the thickness direction. When a part of the gate electrode metal film 3 is removed by etch back, the film thickness t3 of the gate electrode metal film 3 in the nFET region Rn after the etch back is set to 1 nm or more and 4 nm or less.

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 mask 7 in the pFET region Rp and the formation of the n-side resist mask 8 in the nFET region Rn are completed. After the etch back is completed, the p-side resist mask 7 in the pFET region Rp is stripped with a resist stripping solution or the like, and a resist is applied again over the entire surface of the nFET region Rn and the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp. . Then, by performing photoengraving, as shown in FIG. 8, the resist in the region of the gate electrode metal film 3 where the work function is to be changed, specifically, the pFET region Rp is removed. As a result, the remaining region of the gate electrode metal film 3 excluding the region where the work function is desired to be changed, specifically, the entire upper surface of the portion of the upper surface of the gate electrode metal film 3 belonging to the nFET region Rn. The n-side resist mask 8 is formed. The film thickness t4 of the n-side resist mask 8 is selected to be equal to or greater than the film thickness t1 of the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp. This prevents impurities from being implanted into the gate electrode metal film 3 in the nFET region Rn when the impurity is implanted into the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp.

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 metal film 3 for the gate electrode in the nFET region Rn is covered with the n-side resist mask 8, from the side where the n-side resist mask 8 is formed. Impurity ions N 2 , Si, or Ge are ion-implanted over the entire surface, that is, over the nFET region Rn and the pFET region Rp, for example, with an ion implantation amount of 4 × 10 15 / cm 2 . Thus, impurities are implanted only into the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp in the gate electrode metal film 3. By injecting impurities into the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp by ion implantation, as shown in FIG. 4 described above, in the pFET region Rp, impurities are added to the gate electrode metal film 3, and in this embodiment, N 2 , Si or Ge is implanted to form an impurity-implanted metal film 6.

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 metal film 6, as shown in FIG. 4, the n-side resist mask 8 in the nFET region Rn is stripped with a resist stripping solution or the like. As a result, as shown in FIG. 4 described above, in the nFET region Rn, the gate electrode metal film 3 into which no impurity is implanted is formed on the gate insulating film 2, and in the pFET region Rp, on the gate insulating film 2 Then, an impurity-implanted metal film 6 into which impurities are implanted is formed. Thereafter, in the same manner as in the case of manufacturing through the manufacturing steps shown in FIGS. 1 to 4, after forming a gate electrode, a known CMISFET formation process flow is sequentially performed to obtain a CMISFET.

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 electrode metal film 3 formed in the nFET region Rn is performed earlier than the ion implantation, the nFET region Rn is formed as shown in FIGS. A semiconductor device having the same configuration as that in the case where ion implantation is performed prior to the etching back of the formed gate electrode metal film 3 can be manufactured.

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 electrode metal film 3 formed in the nFET region Rn to have a thickness suitable for the desired threshold value Vth, thereby realizing an nMISFET having the desired threshold value Vth. can do. Therefore, an nMISFET and a pMISFET having a desired threshold value Vth can be realized.

<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 electrode metal film 3 has been completed. FIG. 10 is a cross-sectional view showing a state where the formation of the n-side resist mask 4 in the nFET region Rn has been completed.

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 semiconductor substrate 1. A gate insulating film 2 and a gate electrode metal film 3 are sequentially formed over the entire surface from the surface side where the element isolation film is formed. Thereafter, a resist is applied over the entire surface of the gate electrode metal film 3. Then, by performing photoengraving, as shown in FIG. 10, the resist in the pFET region Rp, which is a region where the work function is to be changed, in the gate electrode metal film 3 is removed. Thus, as in the first embodiment, the nFET region in the upper surface of the gate electrode metal film 3, which is the remaining region of the gate electrode metal film 3 excluding the region where the work function is to be changed. An n-side resist mask 4 is formed over the entire surface belonging to Rn.

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 mask 4 is formed, in other words, in a state where the gate electrode metal film 3 in the nFET region Rn is covered with the n-side resist mask 4, the same as in the first embodiment described above. Based on the implantation conditions, the same impurity as in the first embodiment is ion-implanted over the entire surface from the side where the n-side resist mask 4 is formed, that is, over the nFET region Rn and the pFET region Rp. Thereby, impurities are implanted into the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp. Since the gate electrode metal film 3 in the nFET region Rn is covered with the n-side resist mask 4, impurities are not implanted, or impurities are implanted only into a part on the side in contact with the n-side resist mask 4.

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 electrode metal film 3 and the n-side resist mask 4 in the nFET region Rn has been completed. FIG. 12 is a cross-sectional view showing a state in which the formation of another gate electrode metal film 11 on the gate insulating film 2 in the nFET region Rn and the impurity-implanted metal film 6 in the pFET region Rp is completed. By implanting impurities into the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp by the above-described ion implantation, as shown in FIG. 11, in the pFET region Rp, impurities are introduced into the gate electrode metal film 3, and in this embodiment, N 2 , Si or Ge is implanted to form the impurity-implanted metal layer 6.

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 metal film 6, the n-side resist mask 4 in the nFET region Rn shown in FIG. 10 is stripped with a resist stripping solution or the like. Thereafter, a resist is applied over the entire surface of the gate electrode metal film 3 in the nFET region Rn and the impurity-implanted metal film 6 in the pFET region Rp. Then, by performing photoengraving, as shown in FIG. 11, the resist in the nFET region Rn is removed while leaving the resist in the pFET region Rp. Thus, a p-side resist mask 5 is formed on the impurity-implanted metal film 6 in the pFET region Rp.

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 mask 5, in this embodiment, as shown in FIG. 11, the p-side resist mask 5 is formed, that is, the impurity-implanted metal film 6 in the pFET region Rp is replaced with the p-side resist mask. In the state covered with 5, the gate electrode metal film 3 is etched over the entire nFET region Rn, and the gate electrode metal film 3 formed in the nFET region Rn is removed over the entire thickness direction. As a result, the nFET region Rn is exposed to the gate insulating film 2. Thereafter, the p-side resist mask 5 in the pFET region Rp is stripped with a resist stripping solution or the like.

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 gate insulating film 2 formed in the nFET region Rn and the impurity-implanted metal film 6 formed in the pFET region Rp, the surface of the gate insulating film 2 in the nFET region Rn and the pFET Another gate electrode metal film 11 is deposited so as to cover the entire surface of the impurity-implanted metal film 6 in the region Rp. The other gate electrode metal film 11 is made of a conductive material like the gate electrode metal film 3. TiN is used as a conductive material constituting another gate electrode metal film 11 in the present embodiment. The other gate electrode metal film 11 is deposited on the gate insulating film 2 in the nFET region Rn and the impurity-implanted metal film 6 in the pFET region Rp so that the film thickness t11 is 1 nm or more and 4 nm or less.

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 other metal film 11 for gate electrode, the CMISFET is obtained by sequentially forming a known CMISFET forming process flow after forming the gate electrode in the same manner as in the first embodiment.

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 electrode metal film 3 formed in the pFET region Rp in the gate electrode metal film 3. Since the impurity-implanted metal film 6 is formed, the same effect as in the first embodiment is achieved. Specifically, since the work function of the gate electrode can be changed by changing the composition of the gate electrode metal film 3 formed in the pFET region Rp, different work functions are provided for the nFET region Rn and the pFET region Rp. Can be easily formed. Further, since the threshold Vth of the pMISFET can be easily adjusted, it is possible to easily form an nMISFET and a pMISFET having a desired threshold Vth.

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 electrode metal film 3 formed in the nFET region Rn is removed and then formed in the nFET region Rn as shown in FIG. Another gate electrode metal film 11 is formed on the gate insulating film 2 and on the impurity-implanted metal film 6 which is the gate electrode metal film 3 formed in the pFET region Rp. As a result, another gate electrode metal film 11 having a thickness suitable for the desired threshold value Vth can be formed in the nFET region Rn. Therefore, since an nMISFET having a desired threshold Vth can be realized, an nMISFET and a pMISFET having a desired threshold Vth can be realized.

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 electrode metal film 3 has been described. For example, the gate electrode metal film 3 may be etched before the ion implantation to manufacture the semiconductor device. That is, the semiconductor device may be manufactured through manufacturing steps shown in FIGS.

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 mask 7 in the pFET region Rp and the removal of the gate electrode metal film 3 in the nFET region Rn are completed. FIG. 14 is a cross-sectional view showing a state in which the formation of another gate electrode metal film 11 on the gate insulating film 2 in the nFET region Rn and the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp is completed. FIG. 15 is a cross-sectional view showing a state when ions are implanted into the gate electrode metal film 3 and the other gate electrode metal film 11 in the pFET region Rp with the n-side resist mask 12 formed in the nFET region Rn. is there.

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 gate insulating film 2 and the gate electrode metal film 3 are sequentially formed on the semiconductor substrate 1, a resist is applied over the entire surface of the gate electrode metal film 3, and thereafter By performing photolithography, the resist in the nFET region Rn is removed. As a result, the p-side resist mask 7 is formed on the entire upper surface of the gate electrode metal film 3 on the portion belonging to the pFET region Rp.

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 mask 7 is formed, in other words, in a state where the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp is covered with the p-side resist mask 7, Etching is performed over the entire surface, and the gate electrode metal film 3 formed in the nFET region Rn is removed over the entire thickness direction. As a result, the nFET region Rn is exposed to the gate insulating film 2. Thereafter, the p-side resist mask 7 in the pFET region Rp is stripped with a resist stripping solution or the like.

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 gate insulating film 2 formed in the nFET region Rn and on the gate electrode metal film 3 formed in the pFET region Rp, the surface of the gate insulating film 2 in the nFET region Rn and Another gate electrode metal film 11 is deposited so as to cover the entire surface of the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp. The other gate electrode metal film 11 is deposited on the gate insulating film 2 in the nFET region Rn and the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp so that the film thickness t11 is 1 nm or more and 4 nm or less.

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 electrode metal film 11 in the nFET region Rn and the pFET region Rp, the remaining metal film for the gate electrode is obtained by performing photolithography as shown in FIG. The resist covering the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp 3 is removed. As a result, the n-side resist mask 12 is formed on the entire surface of the remaining portion excluding the portion covering the side surface of the gate electrode metal film 3 among the portions belonging to the nFET region Rn of the other gate electrode metal film 11. To do. The film thickness t12 of the n-side resist mask 12 is equal to or greater than the value (t1 + t11) obtained by adding the film thickness t1 of the gate electrode metal film 3 remaining in the pFET region Rp and the film thickness t11 of the other gate electrode metal film 11. The value of is chosen. As a result, when the impurity is implanted into the gate electrode metal film 3 in the pFET region Rp, the impurity can be prevented from being implanted into the other gate electrode metal film 11 in the nFET region Rn.

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 mask 12 is formed in a state where the n-side resist mask 12 is formed, in other words, in a state where the other gate electrode metal film 11 in the nFET region Rn is covered with the n-side resist mask 12. Impurity N 2 , Si, or Ge is ion-implanted over the entire surface from the side, that is, over the nFET region Rn and the pFET region Rp with an ion implantation amount of, for example, 4 × 10 15 / cm 2 . As a result, impurities are implanted into the gate electrode metal film 3 remaining in the pFET region Rp. As a result of this implantation, as shown in FIG. 12 described above, in the pFET region Rp, an impurity, specifically, N 2 , Si or Ge is implanted into the gate electrode metal film 3 to form an impurity-implanted metal film 6. The In the present embodiment, the remaining gate electrode metal film 11 formed in the remaining part of the pFET region Rp other than the part covered with the n-side resist mask 12 among the other gate electrode metal films 11 is also applied. Impurities are implanted to form an impurity-implanted metal film.

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 metal film 6, the n-side resist mask 12 in the nFET region Rn is stripped with a resist stripping solution or the like. Thus, as shown in FIG. 12 described above, in the nFET region Rn, another gate electrode metal film 11 into which no impurity is implanted is formed on the gate insulating film 2, and in the pFET region Rp, the gate insulating film An impurity-implanted metal film 6 into which impurities are implanted is formed on 2, and another impurity-implanted metal film in which impurities are implanted into another gate electrode metal film 11 is formed on this impurity-implanted metal film 6. It becomes a state. Thereafter, in the same manner as in the first embodiment described above, after forming a gate electrode, a known CMISFET formation process flow is sequentially performed to obtain a CMISFET.

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 electrode metal film 3 is performed prior to the ion implantation as described above, the ion implantation is performed prior to the etching of the gate electrode metal film 3 as shown in FIGS. Thus, a semiconductor device having the same configuration as that in the case of executing the method can be manufactured.

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 electrode metal film 3 formed in the nFET region Rn and before ion implantation, as shown in FIG. 14, on the gate insulating film 2 formed in the nFET region Rn and the pFET Another gate electrode metal film 11 is formed on the gate electrode metal film 3 formed in the region Rp. As a result, another gate electrode metal film 11 having a thickness suitable for the desired threshold value Vth can be formed in the nFET region Rn. Therefore, since an nMISFET having a desired threshold Vth can be realized, an nMISFET and a pMISFET having a desired threshold Vth can be realized.

<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 electrode metal film 21 is completed.

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 semiconductor substrate 1. The gate insulating film 2 and the gate electrode metal film 21 are sequentially formed over the entire surface from the surface side where the element isolation film is formed. In the present embodiment, the film thickness t21 of the gate electrode metal film 21 is smaller than the film thickness t1 of the gate electrode metal film 3 formed in the first embodiment, specifically, 1 nm or more and 4 nm. Selected below.

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 hard mask 22 is completed. In the present embodiment, after the gate electrode metal film 21 is formed, a hard mask material is deposited over the entire surface of the gate electrode metal film 21. Thereafter, as shown in FIG. 17, the hard mask material in the pFET region Rp, which is the region whose work function is to be changed, is removed by etching as shown in FIG. As a result, on the entire upper surface of the gate electrode metal film 21, which is the remaining area of the gate electrode metal film 21 excluding the region where the work function is to be changed, on the entire surface belonging to the nFET region Rn. A mask 22 is formed.

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 hard mask 22 include silicon oxide (SiOx) and silicon nitride (SiNx). The film thickness t22 of the hard mask 22 is selected to be equal to or greater than the film thickness t21 of the gate electrode metal film 21. This prevents impurities from being implanted into the gate electrode metal film 21 in the nFET region Rn when the impurity is implanted into the gate electrode metal film 21 in the pFET region Rp.

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 electrode metal film 23 on the hard mask 22 in the nFET region Rn and the gate electrode metal film 21 in the pFET region Rp is completed. After the hard mask 22 is formed, on the hard mask 22 in the nFET region Rn and on the gate electrode metal film 21 in the pFET region Rp, the surface of the hard mask 22 in the nFET region Rn and the metal film 21 for the gate electrode in the pFET region Rp. Another gate electrode metal film 23 is deposited so as to cover the entire surface of the gate electrode. The other gate electrode metal film 23 is made of a conductive material like the gate electrode metal film 21. TiN is used as a conductive material constituting another gate electrode metal film 23 in the present embodiment. The film thickness t23 of the other gate electrode metal film 23 takes into consideration the film thickness t21 of the gate electrode metal film 21 and the film thickness t21 of the gate electrode metal film 21 and the film of the other gate electrode metal film 23. A value t24 (= t21 + t23) obtained by adding the thickness t23 is selected to be 15 nm or more and 20 nm or less.

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 electrode metal film 23 and gate electrode metal film 21 in the pFET region Rp. After the formation of the other gate electrode metal film 23, the entire surface from the side where the other gate electrode metal film 23 is formed, that is, the nFET region, based on the implantation conditions similar to those of the first embodiment. Impurities are implanted over the Rn and pFET region Rp, specifically, ions are implanted. As a result, impurities are implanted into the other gate electrode metal film 23 of the nFET region Rn and the pFET region Rp and the gate electrode metal film 21 of the pFET region Rp. Since the gate electrode metal film 3 in the nFET region Rn is covered with the hard mask 22, no impurity is implanted.

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 electrode metal film 23 in the nFET region Rn has been completed. By the above-described ion implantation, as shown in FIG. 19, in the pFET region Rp, impurities are implanted into the gate electrode metal film 21 to form an impurity implanted metal film 25, and other gate electrode metal films 23 are formed. Impurities are implanted to form another impurity-implanted metal film 26.

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 electrode metal film 23 in the nFET region Rn and the other impurity-implanted metal film 26 in the pFET region Rp, and photolithography is performed to obtain FIG. As shown, the resist in the nFET region Rn is removed leaving the resist in the pFET region Rp, and a p-side resist mask 24 is formed on the other impurity-implanted metal film 26 in the pFET region Rp.

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 mask 24 is formed, in other words, in a state where the other impurity-implanted metal film 26 of the pFET region Rp is covered with the p-side resist mask 24, another gate is formed over the entire nFET region Rn. The electrode metal film 23 is etched and removed over the entire thickness direction. As a result, the nFET region Rn is exposed to the hard mask 22.

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 hard mask 22 is completed. After removing the other gate electrode metal film 23 in the nFET region Rn, the hard mask 22 in the nFET region Rn is removed by etching with the p-side resist mask 24 formed. As a result, the nFET region Rn is exposed to the gate electrode metal film 21.

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 mask 24 in the pFET region Rp is stripped with a resist stripping solution or the like. As a result, as shown in FIG. 21, in the nFET region Rn, the gate electrode metal film 21 in which no impurity is implanted is formed on the gate insulating film 2, and in the pFET region Rp, on the gate insulating film 2, The impurity-implanted metal film 25 and other impurity-implanted metal film 26 into which impurities have been implanted are sequentially formed.

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 mask 24 is peeled off, a gate electrode is formed and then a known CMISFET formation process flow is sequentially performed in the same manner as in the first embodiment to obtain a CMISFET.

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 electrode metal film 21 in the pFET region Rp in the gate electrode metal film 21. An impurity-implanted metal film 25 is formed, and another impurity-implanted metal film 26 into which impurities are implanted is formed on the impurity-implanted metal film 25, so that the same effect as in the first embodiment is achieved. The Specifically, the composition of the gate electrode metal film 21 and the other gate electrode metal film 23 formed in the pFET region Rp can be changed to change the work function of the gate electrode, so that the nFET region Rn and A gate electrode having a different work function can be easily formed in the pFET region Rp. Further, since the threshold Vth of the pMISFET can be easily adjusted, it is possible to easily form an nMISFET and a pMISFET having a desired threshold Vth.

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 electrode metal film 23 in the nFET region Rn has been described. However, the present invention is not limited to this method. For example, the semiconductor device may be manufactured by removing the gate electrode metal film 23 other than the nFET region Rn before the ion implantation. That is, the semiconductor device may be manufactured through the manufacturing steps shown in FIGS.

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 electrode metal film 23 in the nFET region Rn has been completed. When the semiconductor device is manufactured through the manufacturing steps shown in FIGS. 22 to 23, after the other gate electrode metal film 23 is formed as shown in FIG. 18, the other gate electrode metal film 23 is formed on the other gate electrode metal film 23. The resist is applied over the entire surface, that is, over the nFET region Rn and the pFET region Rp. Thereafter, by performing photoengraving, as shown in FIG. 22, the resist of the nFET region Rn is removed while leaving the resist of the pFET region Rp, and the pFET region Rp is formed on the other metal film 23 for the gate electrode. A side resist mask 27 is formed.

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 mask 27 is formed, in other words, in a state where the other gate electrode metal film 23 in the pFET region Rp is covered with the p-side resist mask 27, The gate electrode metal film 23 is etched and removed over the entire thickness direction. As a result, the nFET region Rn is exposed to the hard mask 22.

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 electrode metal film 23 and gate electrode metal film 21 in the pFET region Rp. After removal of the other gate electrode metal film 23 in the nFET region Rn, the hard mask 22 in the nFET region Rn is removed by etching while the p-side resist mask 27 is formed. As a result, the nFET region Rn is exposed to the gate electrode metal film 21.

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 hard mask 22, the p-side resist mask 27 in the pFET region Rp is stripped with a resist stripping solution or the like. Thereafter, a resist is applied again over the entire surface of the gate electrode metal film 21 in the nFET region Rn and the other gate electrode metal film 23 in the pFET region Rp. Then, by performing photoengraving, as shown in FIG. 23, the resist in the pFET region Rp is removed while leaving the resist in the nFET region Rn. Thus, an n-side resist mask 28 is formed on the gate electrode metal film 21 in the nFET region Rn. The thickness dimension t25 of the n-side resist mask 28 is selected to be equal to or greater than a value t24 (= t21 + t23) obtained by adding the film thickness t21 of the gate electrode metal film 21 and the film thickness t23 of the other gate electrode metal film 23. . As a result, when impurities are implanted into the gate electrode metal film 21 and the other gate electrode metal film 23 in the pFET region Rp, the impurities are implanted into the gate electrode metal film 21 in the nFET region Rn. Can be prevented.

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 electrode metal film 21 in the nFET region Rn is covered with the n-side resist mask 28, from the side where the n-side resist mask 28 is formed. Impurity ions N 2 , Si, or Ge are ion-implanted over the entire surface, that is, over the nFET region Rn and the pFET region Rp, for example, with an ion implantation amount of 4 × 10 15 / cm 2 . As a result, impurities are implanted into the gate electrode metal film 21 and the other gate electrode metal film 23 in the pFET region Rp, and as shown in FIG. 21 described above, the impurity implanted metal film 25 and the other impurity implanted metal film 26. Is formed. Since the gate electrode metal film 21 in the nFET region Rn is covered with the n-side resist mask 28, no impurity is implanted.

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 electrode metal film 21 in which no impurity is implanted is formed on the gate insulating film 2, and in the pFET region Rp, on the gate insulating film 2 Then, the impurity-implanted metal film 25 and the other impurity-implanted metal film 26 into which impurities are implanted are sequentially formed. Thereafter, in the same manner as in the first embodiment described above, after forming a gate electrode, a known CMISFET formation process flow is sequentially performed to obtain a CMISFET.

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 electrode metal film 23 in the nFET region Rn is removed before the ion implantation, the other gate electrode in the nFET region Rn as shown in FIGS. A semiconductor device having the same configuration as that when ion implantation is performed prior to the removal of the metal film 23 can be manufactured.

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.

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。It is sectional drawing which shows the state of each manufacturing process in the manufacturing method of the semiconductor device which is the 1st Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state of each manufacturing process in the manufacturing method of the semiconductor device which is the 1st Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state of each manufacturing process in the manufacturing method of the semiconductor device which is the 1st Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state of each manufacturing process in the manufacturing method of the semiconductor device which is the 1st Embodiment of this invention. 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。It is a graph which shows an effective work function when an impurity is ion-implanted into the metal film 3 for gate electrodes. 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。It is a graph which shows the relationship between the gate voltage when ion-implanting an impurity to the metal film 3 for gate electrodes. 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。It is sectional drawing which shows the state of the stage which completed formation of the p side resist mask 7 to pFET area | region Rp, and removal of a part of metal film 3 for gate electrodes of nFET area | region Rn. 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。It is sectional drawing which shows the state of the stage which removal of the p side resist mask 7 of pFET area | region Rp, and formation of the n side resist mask 8 to nFET area | region Rn was complete | finished. 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。It is sectional drawing which shows the state of each manufacturing process in the manufacturing method of the semiconductor device which is the 2nd Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state of each manufacturing process in the manufacturing method of the semiconductor device which is the 2nd Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state of each manufacturing process in the manufacturing method of the semiconductor device which is the 2nd Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state of each manufacturing process in the manufacturing method of the semiconductor device which is the 2nd Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state of the stage which completed formation of the p side resist mask 7 to pFET area | region Rp, and removal of the metal film 3 for gate electrodes of nFET area | region Rn. 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。It is sectional drawing which shows the state in the stage where formation of the other metal film 11 for gate electrodes on the gate insulating film 2 of nFET area | region Rn and the metal film 3 for gate electrodes of pFET area | region Rp was complete | finished. 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。It is sectional drawing which shows a mode when ion implantation is carried out to the metal film 3 for gate electrodes of the pFET area | region Rp, and the other metal film 11 for gate electrodes in the state which formed the n side resist mask 12 in the nFET area | region Rn. 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。It is sectional drawing which shows the state of each manufacturing process in the manufacturing method of the semiconductor device which is the 3rd Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state of each manufacturing process in the manufacturing method of the semiconductor device which is the 3rd Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state of each manufacturing process in the manufacturing method of the semiconductor device which is the 3rd Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state of each manufacturing process in the manufacturing method of the semiconductor device which is the 3rd Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state of each manufacturing process in the manufacturing method of the semiconductor device which is the 3rd Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state of each manufacturing process in the manufacturing method of the semiconductor device which is the 3rd Embodiment of this invention. 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。It is sectional drawing which shows the state of the stage which removal of the metal film 23 for other gate electrodes of nFET area | region Rn was complete | finished. 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。It is sectional drawing which shows a mode when ion-implanting into the metal film 23 for gate electrodes and the metal film 21 for gate electrodes of the pFET area | region Rp.

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 1 Semiconductor substrate, 2 Gate insulating film, 3,21 Metal film for gate electrodes, 4, 8, 12, 28 n side resist mask, 5, 7, 24, 27 p side resist mask, 6,25 impurity implantation metal film, 11, 23 Other gate electrode metal films, 22 hard masks, 26 other impurity-implanted metal films.

Claims (11)

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、
(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(c)工程では、前記不純物をイオン注入によって注入することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the step (c), the impurity is implanted by ion implantation. 前記ゲート電極用金属膜を構成する前記金属材料は、窒化チタン(TiN)であ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。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the metal material constituting the metal film for the gate electrode is titanium nitride (TiN). 前記第2導電型半導体素子は、pチャネル型MISトランジスタであり、
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 ).
前記ゲート電極用金属膜に窒素分子(N2)を注入することにより、前記pチャネル型MISトランジスタの仕事関数が増大することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein a work function of the p-channel MIS transistor is increased by injecting nitrogen molecules (N 2 ) into the gate electrode metal film. 前記第2導電型半導体素子は、pチャネル型MISトランジスタであり、
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).
前記ゲート電極用金属膜にゲルマニウム(Ge)およびシリコン(Si)の少なくとも一方を注入することにより、前記pチャネル型MISトランジスタの仕事関数が減少することを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。   7. The semiconductor device according to claim 6, wherein a work function of the p-channel MIS transistor is reduced by injecting at least one of germanium (Ge) and silicon (Si) into the gate electrode metal film. Manufacturing method. 前記(c)工程の後、
(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.
前記(b)工程の後であって前記(c)工程の前に、
(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.
前記(c)工程の後、
(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:
前記(b)工程の後であって前記(c)工程の前に、
(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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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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