JP4538978B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、詳しくはレニウムおよびレニウム合金を用いたゲート電極を持つ半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor )のゲート電極は、一般的に多結晶シリコンを用いて形成されていた。最近では消費電力を低減したいという要求から、NMOSトランジスタのゲート電極にはN型多結晶シリコンを用い、PMOSトランジスタのゲート電極にはP型多結晶シリコンを用いる、いわゆるデュアルゲート構造とすることが一般的となっている。
【0003】
上記デュアルゲート構造では、P型多結晶シリコン中に含まれるホウ素がゲート絶縁膜を通してシリコン基板に拡散する、いわゆるホウ素の突き抜けの問題が存在している。また、多結晶シリコンは、ゲート絶縁膜との界面に空乏層が必ず生じるため、ゲート絶縁膜の容量換算膜厚は実寸の膜厚よりも厚くなる。このため、デバイスの微細化のためにゲート絶縁膜を薄膜化するには、この空乏層を見込んで0.5nm〜1.0nm程度、余分に薄くする必要が生じる。このようにゲート絶縁膜を薄くすることによって、トンネルリーク電流が増加するという問題が生じてきている。
【0004】
このような多結晶シリコンの問題を解決する方法として、ゲート電極材料として高融点金属を用いることが考えられている。金属ゲート電極には、上記ホウ素の突き抜けの問題や空乏層の発生の問題が存在しない。一方、金属ゲート電極は、しきい値電圧が多結晶シリコンゲート電極と比較して高くなるという新たな問題を持っている。
【0005】
例えば、ゲート電極材料に窒化チタンを用いた場合には、シリコン基板表面の不純物分布を調整しても、しきい値電極は0.4V以下には下げられないことが、Nishinohara et al.,Extended Abstracts of the 2000 International Conference on Solid State Devices and Materials, B-1-4 (2000) p.46-47 に開示されている。その理由は、窒化チタンの仕事関数は4.5eV程度であり、シリコンの禁制帯のミッドギャップ付近に位置するため、PMOSトランジスタおよびNMOSトランジスタの両方に対しても仕事関数差がおよそ0.5eV程度になるためである。
【0006】
そこで、PMOSトランジスタのゲート電極とNMOSトランジスタのゲート電極とで異なる種類の金属を用いて形成するという考え方が、例えばThe International Technology Roadmap for Semiconductors, (1999) p.128に示されている。すなわち、PMOSトランジスタのゲート電極には仕事関数が5.0eV程度でシリコン基板の価電子帯上端付近に位置するレニウムやイリジウムを用い、NMOトランジスタのゲート電極には仕事関数が4.0eV程度のシリコン基板の伝導帯下端付近に位置するニオブやジルコニウムを用いるという考え方である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、PMOSトランジスタのゲート電極とNMOSトランジスタのゲート電極とに異なる種類の金属を用いるには、それぞれのゲート電極の成膜を別工程で行わなければならない。例えば、NMOSトランジスタのゲート絶縁膜を多結晶シリコン等のダミー膜で隠した状態で全面にPMOSトランジスダのゲート電極材料として例えばイリジウムを成膜した後、PMOSトランジスタの形成領域以外のイリジウムを除去する。次に、NMOSトランジスタの形成領域の前記ダミー膜を除去した後、全面にNMOSトランジスダのゲート電極材料として例えばジルコニウムを成膜する。その後、NMOSトランジスタの形成領域以外のジルコニウムを除去する。このように、2回の成膜工程と2回のリソグラフィー(例えばマスク)工程と2回の除去(例えばエッチング)工程が必要になるので、工程数が大幅に増加して工程が大変長くなり、その形成方法も複雑で難しいものとなる。そこで、簡単な製造方法によって形成することができるような異なる種類の金属ゲート電極が求められていた。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた半導体装置およびその製造方法である。
【0009】
本発明の半導体装置は、PチャネルトランジスタとNチャネルトランジスタとを有する半導体装置であって、前記Pチャネルトランジスタのゲート電極はレニウムからなり、前記Nチャネルトランジスタのゲート電極はレニウムチタン合金からなるものである。
【0010】
上記半導体装置では、Pチャネルトランジスタのゲート電極はレニウムからなり、その仕事関数は4.75eVとなる。またシリコンの荷電子帯上端の仕事関数は5.17eVとなっている。このように仕事関数が近い値となるため、PMOSトランジスタのしきい値電圧を0.3V程度以下に低減することが容易となる。また、Nチャネルトランジスタのゲート電極はレニウムチタン合金からなり、その仕事関数は例えばチタンが17原子%のとき4.18eVとなる。レニウムチタン合金の仕事関数値は、例えば日本化学学会編「改訂4版化学便覧基礎編II」(平5―9―30)丸善 II−490に記載されている。またシリコンの伝導帯下端の仕事関数は4.05eVとなっている。このように仕事関数が近い値となるため、NMOSトランジスタのしきい値電圧を0.3V程度以下に低減することが容易となる。
【0011】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板にPチャネルトランジスタとNチャネルトランジスタとを形成する半導体装置の製造方法であって、前記Pチャネルトランジスタのゲート電極と前記Nチャネルトランジスタのゲート電極をレニウムで形成する工程と、前記Nチャネルトランジスタのゲート電極に選択的にチタンを導入してレニウムチタン合金化する工程とを備えた製造方法である。
【0012】
上記半導体装置の製造方法では、Pチャネルトランジスタのゲート電極と前記Nチャネルトランジスタのゲート電極をレニウムで形成する工程と、前記Nチャネルトランジスタのゲート電極に選択的にチタンを導入してレニウムチタン合金化する工程を有することから、Pチャネルトランジスタのゲート電極と前記Nチャネルトランジスタのゲート電極を、レニウムの一回の成膜工程と、チタンの導入にマスクを用いるならば成膜したレニウムをゲート電極にパターニングする際に用いるレジストマスク形成工程と併せて2回のリソグラフィー工程と、成膜したレニウムをゲート電極にパターニングする一回の除去(例えばエッチング)工程とですむため、工程数が少なく簡便になる。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置に係る第1の実施の形態を、図1の概略構成断面図によって説明する。
【0014】
図1に示すように、シリコン基板11には、Pチャネルトランジスタの形成領域とNチャネルトランジスタの形成領域とを分離する素子分離領域12が、例えばSTI(Shallow Trench Isolation )技術により形成されている。この素子分離領域12はLOCOS(Local Oxidation of Silicon )技術により形成されたものであってもよい。上記Nチャネルトランジスタの形成領域にはPウエル13が形成され、上記Pチャネルトランジスタの形成領域にはNウエル14が形成されている。また、上記Pウエル13およびNウエル14の上層にはしきい値電圧を調整するための不純物が導入されている。
【0015】
上記シリコン基板11上には、ゲート絶縁膜15が、例えば2.5nmの厚さの酸化シリコン膜で形成されている。さらに、上記Pチャネルトランジスタの形成領域における上記シリコン基板11上には上記ゲート絶縁膜15を介してゲート電極21が、例えば100nmの厚さのレニウム膜で形成されている。また、Nチャネルトランジスタの形成領域における上記シリコン基板11上には上記ゲート絶縁膜15を介してゲート電極31が形成されている。このゲート電極31は、例えば前記ゲート電極21と同一層のレニウム膜に、チタンが12原子%以上、22原子%以下となるように導入されたものからなる。このチタンの導入方法は、例えばイオン注入法による。
【0016】
上記チタン濃度は、12原子%よりも低い場合および22原子%よりも高い場合にはレニウムチタン合金の仕事関数がシリコンの伝導帯下端の仕事関数(4.05eV)よりもずれるために好ましくない。よって、上記のようにレニウム膜中のチタン濃度は12原子%以上、22原子%以下とすることが好ましい。
【0017】
上記ゲート電極21の両側における上記Nウエル領域14上層にはPチャネルトランジスタの低濃度拡散層22、23が形成されている。また上記ゲート電極21の側壁にはサイドウォール24が、例えば窒化シリコン膜で形成されている。さらに上記ゲート電極21の両側における上記Nウエル領域14上層には、上記低濃度拡散層22、23を介してPチャネルトランジスタのソース・ドレイン拡散層25、26が形成されている。
【0018】
一方、上記ゲート電極31の両側における上記Pウエル領域13上層にはNチャネルトランジスタの低濃度拡散層32、33が形成されている。また上記ゲート電極31の各側壁にはサイドウォール34が、例えば窒化シリコン膜で形成されている。さらに上記ゲート電極31の両側における上記Pウエル領域13上層には、上記低濃度拡散層32、33を介してPチャネルトランジスタのソース・ドレイン拡散層35、36が形成されている。
【0019】
上記の如く、Pチャネルトランジスタ1とNチャネルトランジスタ2とが形成されている。
【0020】
上記半導体装置では、Pチャネルトランジスタ1のゲート電極21はレニウムからなり、その仕事関数は4.75eVとなる。またシリコンの荷電子帯上端の仕事関数は5.17eVとなっている。このように仕事関数が近い値となるため、Pチャネルトランジスタ1のしきい値電圧を0.3V程度以下に低減することが容易となる。また、Nチャネルトランジスタ2のゲート電極31はレニウムチタン合金からなり、その仕事関数は例えばチタンが17原子%のとき4.18eVとなる。レニウムチタン合金の仕事関数値は、例えば日本化学学会編「改訂4版化学便覧基礎編II」(平5―9―30)丸善 II−490に記載されている。またシリコンの伝導帯下端の仕事関数は4.05eVとなっている。このように仕事関数が近い値となるため、Nチャネルトランジスタ2のしきい値電圧を0.3V程度以下に低減することが容易となる。
【0021】
次に、本発明の半導体装置に係る第2の実施の形態を、図2の概略構成断面図によって説明する。図2では、前記図1によって説明した構成部品と同様のものには同一符号を付与する。
【0022】
図2に示すように、シリコン基板11には、Pチャネルトランジスタの形成領域とNチャネルトランジスタの形成領域とを分離する素子分離領域12が、例えばSTI(Shallow Trench Isolation )技術により形成されている。この素子分離領域12はLOCOS(Local Oxidation of Silicon )技術により形成されたものであってもよい。上記Nチャネルトランジスタの形成領域にはPウエル13が形成され、上記Pチャネルトランジスタの形成領域にはNウエル14が形成されている。また、上記Pウエル13およびNウエル14の上層にはしきい値電圧を調整するための不純物が導入されている。
【0023】
上記シリコン基板11上には層間絶縁膜45が、例えば酸化シリコン膜で形成されている。Pチャネルトランジスタの形成領域およびNチャネルトランジスタの形成領域における上記層間絶縁膜45には、ゲート溝46、47が形成されている。各ゲート溝46、47の側壁はサイドウォール24、34で形成されている。また各ゲート溝46、47の内面にはゲート絶縁膜48を例えば7nmの厚さの酸化アルミニウム膜で形成されている。さらにPチャネルトランジスタの形成領域のゲート溝46には上記ゲート絶縁膜48を介してレニウム膜49からなるゲート電極21が形成されている。また、Nチャネルトランジスダの形成領域のゲート溝47には、上記ゲート絶縁膜48を介してゲート電極31が形成されている。このゲート電極31は、例えば前記ゲート電極21と同一層のレニウム膜49に、チタンが12原子%以上、22原子%以下となるように導入したものからなる。このチタンの導入方法は、例えばイオン注入法による。
【0024】
上記チタン濃度は、12原子%よりも低い場合および22原子%よりも高い場合にはレニウムチタン合金の仕事関数がシリコンの伝導帯下端の仕事関数(4.05eV)よりもずれるために好ましくない。よって、上記のようにレニウム膜中のチタン濃度は12原子%以上、22原子%以下とすることが好ましい。
【0025】
上記ゲート電極21の両側における上記Nウエル領域14上層にはPチャネルトランジスタの低濃度拡散層22、23が形成されている。さらに上記ゲート電極21の両側における上記Nウエル領域14上層には、上記低濃度拡散層22、23を介してPチャネルトランジスタのソース・ドレイン拡散層25、26が形成されている。
【0026】
一方、上記ゲート電極31の両側における上記Pウエル領域13上層にはNチャネルトランジスタの低濃度拡散層32、33が形成されている。さらに上記ゲート電極31の両側における上記Pウエル領域13上層には、上記低濃度拡散層32、33を介してPチャネルトランジスタのソース・ドレイン拡散層35、36が形成されている。
【0027】
上記の如く、Pチャネルトランジスタ3とNチャネルトランジスタ4とが形成されている。
【0028】
上記第2の実施の形態においても前記第1の実施の形態と同様の作用、効果が得られる。
【0029】
本発明の半導体装置の製造方法に係る第1の実施の形態を、図3、図4の概略構成断面図によって説明する。図3、図4では、前記図1によって説明した構成部品と同様のものには同一符号を付与する。
【0030】
図3の(1)に示すように、シリコン基板11にPチャネルトランジスタの形成領域とNチャネルトランジスタの形成領域とを分離する素子分離領域12を、例えばSTI(Shallow Trench Isolation )技術により形成する。この素子分離領域12はLOCOS(Local Oxidation of Silicon )技術により形成することも可能である。次いで、Nチャネルトランジスタの形成領域にPウエル13を形成し、Pチャネルトランジスタの形成領域にNウエル14を形成する。これらPウエル13、Nウエル14は、例えばそれぞれの領域上のみに開口を設けたマスクを用いたイオン注入法により形成することができる。
【0031】
次いでPウエル13およびNウエル14にしきい値電圧を調整するために不純物を導入する。この不純物導入は、例えばそれぞれの領域上のみに開口を設けたマスクを用いたイオン注入法により行うことができる。次に、図3の(2)に示すように、シリコン基板11上にゲート絶縁膜15を形成する。このゲート絶縁膜15は、窒素希釈のパイロジェニック酸化法により、例えば750℃の酸化雰囲気で2.5nmの厚さの酸化シリコン膜を成膜して形成する。
【0032】
次いで、図3の(3)に示すように、PVD(Physical Vapor Deposition )法により、上記処理を行ったシリコン基板11上にレニウム膜16を例えば100nmの厚さに形成する。続いて、塗布法により上記レニウム膜16上にレジスト膜17を形成する。その後リソグラフィー技術によりNチャネルトランジスタの形成領域上に開口部が形成されるように上記レジスト膜を露光した後、現像、ベーキング等を行ってレジストマスクにパターニングする。このパターニングされたレジスト膜17をマスクに用いてイオン注入法によりチタンをNチャネルトランジスダの形成領域上の上記レニウム膜に導入する。このイオン注入法では、レニウム膜16中のチタン濃度が12原子%以上、22原子%以下となるように、例えばドーズ量を6×1014/cm2 以上、1.1×1015/cm2 以下となるようにイオン注入を行う。
【0033】
上記チタン濃度は、12原子%よりも低い場合および22原子%よりも高い場合にはレニウムチタン合金の仕事関数がシリコンの伝導帯下端の仕事関数(4.05eV)よりもずれるために好ましくない。よって、上記のようにレニウム膜中のチタン濃度は12原子%以上、22原子%以下とすることが好ましい。
【0034】
その後、上記レジスト膜17を除去した後、熱処理を行い、Nチャネルトランジスタ形成領域上のレニウム膜をレニウムチタン合金化して、レニウムチタン合金膜18を形成する。この熱処理では、例えば雰囲気を窒素とし、処理温度を800℃〜1100℃、処理時間を0.001分〜10分に設定する。なお、熱処理時間は、例えば、スパイクアニーリングも行えるようなレーザアニーリング、ランプアニーリング、ファーネスアニーリング等既存の熱処理方法により適宜選択される。また、この熱処理は後に行う不純物の活性化熱処理と兼ねることも可能である。その場合にはここで上記合金化の熱処理を行わなくてもよい。
【0035】
次いで、塗布法により上記レニウム膜16上にレジスト膜を形成した後、通常のリソグラフィー技術によりレジスト膜を加工して、ゲート電極を形成するためのレジストパターン(図示せず)を形成する。続いてこのレジストパターンをマスクに用いたエッチング、例えば反応性イオンエッチング(RIE)によって、上記レニウム膜16およびレニウムチタン合金膜18をパターニングして、図4の(4)に示すように、レニウム膜16でPチャネルトランジスタのゲート電極21を形成し、レニウムチタン合金膜18でNチャネルトランジスタのゲート電極31を形成する。その後、エッチングマスクに用いた上記レジストパターンを除去する。
【0036】
次いで、図4の(5)に示すように、Nチャネルトランジスタの形成領域上を覆いPチャネルトランジスタの形成領域上に開口を設けたレジスト膜(図示せず)を形成し、そのレジスト膜と上記ゲート電極21をマスクにしてP型不純物(例えばホウ素もしくは二フッ化ホウ素)を上記Nウエル領域14上層に導入して、Pチャネルトランジスタの低濃度拡散層22、23を形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。
【0037】
次いで、Pチャネルトランジスタの形成領域上を覆いNチャネルトランジスタの形成領域上に開口を設けたレジスト膜(図示せず)を形成し、そのレジスト膜と上記ゲート電極31をマスクにしてN型不純物(例えばリンもしくはヒ素)を上記Pウエル領域13上層に導入して、Nチャネルトランジスタの低濃度拡散層32、33を形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。
【0038】
なお、上記低濃度拡散層22、23と上記低濃度拡散層32、33の形成はどちらを先に行っても差し支えはない。
【0039】
次いで、上記ゲート電極21、31を覆う状態に絶縁膜を例えば化学的気相成長法により窒化シリコンを堆積して形成した後、その絶縁膜をエッチバックして、上記ゲート電極21、31の各側壁にサイドウォール24、34を形成する。
【0040】
次いで、図4の(6)に示すように、Nチャネルトランジスタの形成領域上を覆いPチャネルトランジスタの形成領域上に開口を設けたレジスト膜(図示せず)を形成し、そのレジスト膜と上記ゲート電極21と上記サイドウォール24とをマスクにしてP型不純物(例えばホウ素もしくは二フッ化ホウ素)を上記Nウエル領域14上層に導入して、Pチャネルトランジスタのソース・ドレイン拡散層25、26を、ゲート電極21の両側における上記Nウエル領域14に上記低濃度拡散層22,23を介して形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。
【0041】
次いで、Pチャネルトランジスタの形成領域上を覆いNチャネルトランジスタの形成領域上に開口を設けたレジスト膜(図示せず)を形成し、そのレジスト膜と上記ゲート電極31と上記サイドウォール34とをマスクにしてN型不純物(例えばリンもしくはヒ素)を上記Pウエル領域13上層に導入して、Nチャネルトランジスタのソース・ドレイン拡散層35、36を、ゲート電極31の両側における上記Pウエル領域13に上記低濃度拡散層32、33を介して形成する。
その後、上記レジスト膜を除去する。
【0042】
なお、上記ソース・ドレイン拡散層25、26と上記ソース・ドレイン拡散層35、36の形成はどちらを先に行っても差し支えはない。
【0043】
その後、不純物の活性化の熱処理を行う。この熱処理によって、各ソース・ドレイン25,26,35,36、各低濃度拡散層22,23,32,33、Pウエル領域13、Nウエル領域14の不純物が活性化される。この熱処理条件としては、例えば、雰囲気を窒素とし、処理温度を800℃〜1100℃、処理時間を0.001分〜10分に設定する。なお、熱処理時間は、例えば、スパイクアニーリングも行えるようなレーザアニーリング、ランプアニーリング、ファーネスアニーリング等既存の熱処理方法により適宜選択される。また、レニウム膜16へのチタンのイオン注入後に熱処理を行っていない場合には、上記活性化のための熱処理によって、レニウム膜16中にチタンを拡散してレニウムチタン合金化を促進させることも可能である。このようにして、Pチャネルトランジスタ1とNチャネルトランジスタ2とが完成する。
【0044】
上記第1の実施の形態の製造方法では、Pチャネルトランジスタ1のゲート電極21とNチャネルトランジスタ2のゲート電極31をレニウム膜16で形成した後、Nチャネルトランジスタ2のゲート電極31に選択的にチタンを導入してレニウム膜16をレニウムチタン合金化してレニウムチタン合金膜18を形成することから、Pチャネルトランジスタ1のゲート電極21とNチャネルトランジスタ2のゲート電極31を、レニウム膜16の一回の成膜工程と、チタンの導入にマスクを用いるならば成膜したレニウム膜16をゲート電極21、31にパターニングする際に用いるレジストマスク形成工程と併せて2回のリソグラフィー工程と、成膜したレニウム膜16をゲート電極21、31にパターニングする一回の除去(例えばエッチング)工程とですむため、工程数が少なく簡便になる。
【0045】
また、上記第1の実施の形態の製造方法では、Pチャネルトランジスタ1のゲート電極21をレニウム膜16で形成することから、その仕事関数は4.75eVとなる。またシリコンの荷電子帯上端の仕事関数は5.17eVとなっている。このように仕事関数が近い値となるため、Pチャネルトランジスタ1のしきい値電圧を0.3V程度以下に低減することが容易となる。また、レニウム膜16にチタンをイオン注入してレニウムチタン合金膜18を形成し、このレニウムチタン合金膜18をNチャネルトランジスタ2のゲート電極31に用いることから、その仕事関数は例えばチタンが17原子%のとき4.18eVとなる。またシリコンの伝導帯下端の仕事関数は4.05eVとなっている。このように仕事関数が近い値となるため、Nチャネルトランジスタ2のしきい値電圧を0.3V程度以下に低減することが容易となる。
【0046】
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る第2の実施の形態を、図5、図6の概略構成断面図によって説明する。図5、図6では、前記図2によって説明した構成部品と同様のものには同一符号を付与する。
【0047】
図5の(1)に示すように、シリコン基板11にPチャネルトランジスタの形成領域とNチャネルトランジスタの形成領域とを分離する素子分離領域12を、例えばSTI(Shallow Trench Isolation )技術により形成する。この素子分離領域12はLOCOS(Local Oxidation of Silicon )技術により形成することも可能である。次いで、Nチャネルトランジスタの形成領域にPウエル13を形成し、Pチャネルトランジスタの形成領域にNウエル14を形成する。これらPウエル13、Nウエル14は、例えばそれぞれの領域上のみに開口を設けたマスクを用いたイオン注入法により形成することができる。
【0048】
次いでPウエル13およびNウエル14にしきい値電圧を調整するために不純物を導入する。この不純物導入は、例えばそれぞれの領域上のみに開口を設けたマスクを用いたイオン注入法により行うことができる。次に、図5の(2)に示すように、シリコン基板11上にダミーゲート絶縁膜41を例えば10nmの厚さの酸化シリコン膜で形成する。次いで、例えば化学的気相成長法によって、ダミーゲート電極膜42を例えば100nmの多結晶シリコン膜で形成する。
【0049】
次に、塗布法により上記ダミーゲート電極膜42上にレジスト膜を形成した後、通常のリソグラフィー技術によりレジスト膜を加工して、ダミーゲート電極を形成するためのレジストパターン(図示せず)を形成する。続いてこのレジストパターンをマスクに用いたエッチング、例えば反応性イオンエッチング(RIE)によって、上記ダミーゲート電極膜42をパターニングして、図5の(3)に示すように、ダミーゲート電極膜42でPチャネルトランジスタのダミーゲート電極43とNチャネルトランジスタのダミーゲート電極44とを形成する。その後、エッチングマスクに用いた上記レジストパターンを除去する。
【0050】
次いで、図5の(4)に示すように、Nチャネルトランジスタの形成領域上を覆いPチャネルトランジスタの形成領域上に開口を設けたレジスト膜(図示せず)を形成し、そのレジスト膜と上記ダミーゲート電極43をマスクにしてP型不純物(例えばホウ素もしくは二フッ化ホウ素)を上記Nウエル領域14上層に導入して、Pチャネルトランジスタの低濃度拡散層22、23を形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。
【0051】
次いで、Pチャネルトランジスタの形成領域上を覆いNチャネルトランジスタの形成領域上に開口を設けたレジスト膜(図示せず)を形成し、そのレジスト膜と上記ダミーゲート電極44をマスクにしてN型不純物(例えばリンもしくはヒ素)を上記Pウエル領域13上層に導入して、Nチャネルトランジスタの低濃度拡散層32、33を形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。
【0052】
なお、上記低濃度拡散層22、23と上記低濃度拡散層32、33の形成はどちらを先に行っても差し支えはない。
【0053】
次いで、全面に絶縁膜形成した後、その絶縁膜をエッチバックして、上記ダミーゲート電極43、44の各側壁にサイドウォール24、34を形成する。上記絶縁膜は、例えば化学的気相成長法により窒化シリコンを堆積して形成する。
【0054】
次いで、Nチャネルトランジスタの形成領域上を覆いPチャネルトランジスタの形成領域上に開口を設けたレジスト膜(図示せず)を形成し、そのレジスト膜と上記ダミーゲート電極43と上記サイドウォール24とをマスクにしてP型不純物(例えばホウ素もしくは二フッ化ホウ素)を上記Nウエル領域14上層に導入して、ダミーゲート電極43の両側における上記Nウエル領域14に上記低濃度拡散層22、23を介してPチャネルトランジスタのソース・ドレイン拡散層25、26を形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。
【0055】
次いで、Pチャネルトランジスタの形成領域上を覆いNチャネルトランジスタの形成領域上に開口を設けたレジスト膜(図示せず)を形成し、そのレジスト膜と上記ダミーゲート電極44と上記サイドウォール34とをマスクにしてN型不純物(例えばリンもしくはヒ素)を上記Pウエル領域13上層に導入して、ダミーゲート電極44の両側における上記Pウエル領域13に上記低濃度拡散層32、33を介してNチャネルトランジスタのソース・ドレイン拡散層35、36を形成する。その後、上記レジスト膜を除去する。
【0056】
なお、上記ソース・ドレイン拡散層25、26と上記ソース・ドレイン拡散層35、36の形成はどちらを先に行っても差し支えはない。
【0057】
次に、化学的気相成長法によって上記ダミーゲート電極43、44を覆うように層間絶縁膜45を例えば酸化シリコン膜で形成する。この層間絶縁膜45は少なくとも上記ダミーゲート電極43、44よりも高く形成される。
【0058】
その後、図6の(5)に示すように、平坦化技術によって上記層間絶縁膜45表面を平坦化するとともに上記ダミーゲート電極43、44〔前記図6の(4)参照〕の上部を露出させる。この平坦化技術としては、例えば化学的機械研磨を用いることができる。もしくはエッチング法によってもよい。次いで、上記ダミーゲート電極43、44〔前記図6の(4)参照〕およびその下部のダミーゲート絶縁膜41を例えばエッチングにより除去して、ゲート溝46、47を形成する。このダミーゲート絶縁膜41のエッチングでは層間絶縁膜45の上層もエッチングされる。
【0059】
次に、図6の(6)に示すように、PVD(Physical Vapor Deposition )法によって、上記ゲート溝46、47の内面にゲート絶縁膜48を例えば酸化アルミニウムを7nmの厚さに堆積して形成する。このとき、層間絶縁膜45上にもゲート絶縁膜48が形成される。さらにPVD法によって、上記ゲート溝46、47を埋め込むようにレニウム膜49を形成する。
【0060】
次いで、図6の(7)に示すように、化学的機械研磨によって上記層間絶縁膜45上に形成されている上記レニウム膜49および上記ゲート絶縁膜48〔前記図6の(6)参照〕を除去する。このようにして、ゲート溝46、47内にゲート絶縁膜48を介してレニウム膜49が埋め込まれる。
【0061】
続いて、塗布法により上記層間絶縁膜45上にレジスト膜50を形成する。その後リソグラフィー技術によりNチャネルトランジスタの形成領域上に開口部51が形成されるように上記レジスト膜50を露光した後、現像、ベーキング等を行ってレジストマスクにパターニングする。このパターニングされたレジスト膜50をマスクに用いてイオン注入法によりチタンをNチャネルトランジスダの形成領域上の上記レニウム膜49に導入する。このイオン注入法では、レニウム膜16中のチタン濃度が12原子%以上、22原子%以下となるように、例えばドーズ量を6×1014/cm2 以上、1.1×1015/cm2 以下となるようにイオン注入を行う。
【0062】
上記チタン濃度は、12原子%よりも低い場合および22原子%よりも高い場合にはレニウムチタン合金の仕事関数がシリコンの伝導帯下端の仕事関数(4.05eV)よりもずれるために好ましくない。よって、上記のようにレニウム膜中のチタン濃度は12原子%以上、22原子%以下とすることが好ましい。
【0063】
その後、図6の(8)に示すように、熱処理を行う。この熱処理条件としては、例えば、雰囲気を窒素とし、処理温度を800℃〜1100℃、処理時間を0.001分〜10分に設定する。なお、熱処理時間は、例えば、スパイクアニーリングも行えるようなレーザアニーリング、ランプアニーリング、ファーネスアニーリング等既存の熱処理方法により適宜選択される。この熱処理によって、各ソース・ドレイン25、26、35、36、各低濃度拡散層22、23、32、33、Pウエル領域13、Nウエル領域14の不純物が活性化される。また、レニウム膜49中にチタンを拡散してレニウムチタン合金化を促進させる。このようにして、ゲート溝46にはゲート絶縁膜48を介してレニウム膜49からなるゲート電極21が形成され、ゲート溝47にはゲート絶縁膜48を介してレニウムチタン合金膜からなるゲート電極31が形成されて、Pチャネルトランジスタ3とNチャネルトランジスタ4とが完成する。
【0064】
上記第2の実施の形態の製造方法では、Pチャネルトランジスタ3のゲート電極21とNチャネルトランジスタ4のゲート電極31をレニウム膜49で形成した後、Nチャネルトランジスタ2のゲート電極31に選択的にチタンを導入してレニウム膜49をレニウムチタン合金化してレニウムチタン合金膜を形成することから、Pチャネルトランジスタ3のゲート電極21とNチャネルトランジスタ4のゲート電極31を、レニウム膜49の一回の成膜工程と、チタンの導入にマスクを用いるならば成膜したレニウム膜49を埋め込むダミーゲート電極43、44にパターニングする際に用いるレジストマスク形成工程と併せて2回のリソグラフィー工程と、ダミーゲート電極43、44にパターニングする際と除去する際の2回の除去(例えばエッチング)工程とですむため、従来のようにPチャネルトランジスタのゲート電極を形成する金属膜とNチャネルトランジスタのゲート電極を形成する金属膜とを別々に成膜する製造方法よりも工程数が少なく簡便になる。
【0065】
また、上記第2の実施の形態の製造方法では、Pチャネルトランジスタ3のゲート電極21をレニウム膜49で形成することから、その仕事関数は4.75eVとなる。またシリコンの荷電子帯上端の仕事関数は5.17eVとなっている。このように仕事関数が近い値となるため、Pチャネルトランジスタ3のしきい値電圧を0.3V程度以下に低減することが容易となる。また、レニウム膜49にチタンをイオン注入してレニウムチタン合金膜を形成し、このレニウムチタン合金膜をNチャネルトランジスタ4のゲート電極31に用いることから、その仕事関数は例えばチタンが17原子%のとき4.18eVとなる。またシリコンの伝導帯下端の仕事関数は4.05eVとなっている。このように仕事関数が近い値となるため、Nチャネルトランジスタ4のしきい値電圧を0.3V程度以下に低減することが容易となる。
【0066】
上記各実施の形態において記載した、ゲート絶縁膜15、48の材質や膜厚、レニウム膜16、49の成膜方法や膜厚、チタンの導入方法や導入量、トランジスタの構造等は、一例示であって、Pチャネルトランジスタのゲート電極の仕事関数値がシリコンの荷電子帯上端の仕事関数値に近い値であり、Nチャネルトランジスタのゲート電極の仕事関数値がシリコンの伝導帯下端の仕事関数値に近い値となるのであれば、適宜変更することが可能である。
【0067】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の半導体装置によれば、Pチャネルトランジスタのゲート電極の仕事関数をシリコンの価電子帯上端に近づけることができ、Nチャネルトランジスタのゲート電極との仕事関数をシリコンの伝導帯下端に近づけることができるため、従来から問題となっていた金属ゲート電極の高いしきい値電圧を0.3V程度以下に低減することが可能になる。
【0068】
本発明の半導体装置の製造方法によれば、NチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタとに仕事関数の異なる金属ゲート電極を形成する際に、レニウム膜を全面に形成した後、Nチャネルトランジスタの形成領域側のレニウム膜にのみ不純物を導入して合金化することによって、仕事関数を変化させている。よって、NチャネルトランジスタとPチャネルトランジスタとに異種の金属を成膜する場合と比較して工程数が少なくなる。またPチャネルトランジスタのゲート電極の仕事関数をシリコンの価電子帯上端に近づけることができ、Nチャネルトランジスタのゲート電極との仕事関数をシリコンの伝導帯下端に近づけることができるため、従来から問題となっていた金属ゲート電極の高いしきい値電圧を0.3V程度以下に低減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置に係る第1の実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図2】本発明の半導体装置に係る第2の実施の形態を示す概略構成断面図である。
【図3】本発明の半導体装置の製造方法に係る第1の実施の形態を示す概略構成断面図(1)〜(3)である。
【図4】本発明の半導体装置の製造方法に係る第1の実施の形態を示す概略構成断面図(4)〜(6)である。
【図5】本発明の半導体装置の製造方法に係る第2の実施の形態を示す概略構成断面図(1)〜(4)である。
【図6】本発明の半導体装置の製造方法に係る第2の実施の形態を示す概略構成断面図(5)〜(8)である。
【符号の説明】
1…Pチャネルトランジスタ、2…Nチャネルトランジスタ、21,31…ゲート電極
Claims (6)
- PチャネルトランジスタとNチャネルトランジスタとを有する半導体装置であって、
前記Pチャネルトランジスタのゲート電極はレニウムからなり、
前記Nチャネルトランジスタのゲート電極はレニウムチタン合金からなる
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記レニウムチタン合金はレニウムに12原子%以上22原子%以下のチタンを添加したものからなる
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 前記レニウムチタン合金はレニウムに12原子%以上22原子%以下のチタンをイオン注入したものからなる
ことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 - 半導体基板にPチャネルトランジスタとNチャネルトランジスタとを形成する半導体装置の製造方法であって、
前記Pチャネルトランジスタのゲート電極と前記Nチャネルトランジスタのゲート電極をレニウムで形成する工程と、
前記Nチャネルトランジスタのゲート電極に選択的にチタンを導入してレニウムチタン合金化する工程と
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記レニウムチタン合金はレニウムに12原子%以上22原子%以下のチタンを添加して形成される
ことを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。 - 前記レニウムチタン合金はレニウムに12原子%以上22原子%以下のチタンをイオン注入して形成される
ことを特徴とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
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