JP4589765B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
JP4589765B2
JP4589765B2 JP2005072749A JP2005072749A JP4589765B2 JP 4589765 B2 JP4589765 B2 JP 4589765B2 JP 2005072749 A JP2005072749 A JP 2005072749A JP 2005072749 A JP2005072749 A JP 2005072749A JP 4589765 B2 JP4589765 B2 JP 4589765B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal film
metal
film
type mosfet
gate electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2005072749A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2006261190A (en
Inventor
学 坂本
輝雄 倉橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Semiconductor Ltd
Original Assignee
Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Semiconductor Ltd filed Critical Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority to JP2005072749A priority Critical patent/JP4589765B2/en
Publication of JP2006261190A publication Critical patent/JP2006261190A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4589765B2 publication Critical patent/JP4589765B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

本発明は、メタルゲート電極を有するn型MOSFETとp型MOSFETとが含まれる半導体装置及びその半導体装置を製造するのに好適な方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including an n-type MOSFET having a metal gate electrode and a p-type MOSFET, and a method suitable for manufacturing the semiconductor device.

近年、MOSFETは更に微細化されようとしているが、従来から多用されてきたポリシリコン、シリサイドからなるゲート電極に於いては、ゲート絶縁膜界面が空乏化されることに依る実効的なゲート絶縁膜厚増加が懸念され、また、実効的なゲート絶縁膜厚を減少させることができる高誘電率膜との間ではフェルミレベルピンニングが発生する。   In recent years, MOSFETs are about to be further miniaturized. However, in gate electrodes made of polysilicon and silicide that have been widely used in the past, an effective gate insulating film due to the depletion of the gate insulating film interface. There is concern about an increase in thickness, and Fermi level pinning occurs with a high dielectric constant film that can reduce the effective gate insulating film thickness.

前記したような空乏化、フェルミレベルピンニングを排除するためには、メタルゲート電極を用いることが有効である。また、金属は一般に低抵抗であるため、金属を用いることによってゲートの抵抗を低下させることができる。   In order to eliminate depletion and Fermi level pinning as described above, it is effective to use a metal gate electrode. In addition, since the metal generally has a low resistance, the resistance of the gate can be reduced by using the metal.

ところで、半導体装置では、同一基板内にn型MOSFETとp型MOSFETとを作り込むことが必要となるものが存在することは良く知られていて、その場合、n型MOSFETとp型MOSFETとでは、閾値電圧を変えることが必要である。   By the way, it is well known that there are semiconductor devices that require an n-type MOSFET and a p-type MOSFET to be formed in the same substrate. It is necessary to change the threshold voltage.

その場合、ゲート電極がポリシリコン若しくはシリサイドを用いたものであれば、不純物を注入することで閾値電圧を制御できるのであるが、メタルを用いたものでは、メタルが材料固有の仕事関数を有していて、不純物を注入するなどして仕事関数を変えることはできないから、n型MOSFETとp型MOSFETとでは、それぞれ異なった仕事関数を持つメタル材料が必要となる。   In that case, if the gate electrode is made of polysilicon or silicide, the threshold voltage can be controlled by implanting impurities. However, in the case of using a metal, the metal has a work function specific to the material. In addition, since the work function cannot be changed by implanting impurities or the like, the n-type MOSFET and the p-type MOSFET require metal materials having different work functions.

図14乃至図20は従来の技術に依ってCMOSを含む半導体装置を作製する工程を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。   FIG. 14 to FIG. 20 are main part cut side views showing a semiconductor device at a process point for explaining a process of manufacturing a semiconductor device including a CMOS according to a conventional technique. Will be described with reference to FIG.

図14参照
(1)
図示の状態は、通常の技法を適用し、Si半導体基板1にゲート以外の構成が殆ど作り込まれた半導体装置を表しているが、その大部分は省略してある。即ち、n型MOSFET部分にはp型ウエル、p型MOSFET部分にはn型ウエルをそれぞれ形成し、ダミーのゲート電極を形成して浅い低濃度のソース領域及びドレイン領域を形成し、サイドウォール2を形成してから高濃度のソースコンタクト領域及びドレインコンタクト領域を形成し、全体に絶縁膜3を形成し、必要あれば、表面を研磨してダミーのゲート電極に於ける頂面を表出させ、そのダミーのゲート電極を除去し、それに依って、サイドウォール2に囲まれたゲートパターンの凹所が生成され、その凹所の底にはSi半導体基板1のチャネル領域が表出される。
(2)
そこで、CVD(chemical vapor deposition)法を適用して全面にゲート絶縁膜4を堆積する。
See FIG. 14 (1)
The state shown in the figure represents a semiconductor device in which a normal technique is applied and a configuration other than the gate is almost built in the Si semiconductor substrate 1, but most of the configuration is omitted. That is, a p-type well is formed in the n-type MOSFET portion, an n-type well is formed in the p-type MOSFET portion, a dummy gate electrode is formed to form a shallow low-concentration source region and drain region, and the sidewall 2 After forming, a high concentration source contact region and drain contact region are formed, and an insulating film 3 is formed on the entire surface. If necessary, the surface is polished to expose the top surface of the dummy gate electrode. Then, the dummy gate electrode is removed, whereby a recess of the gate pattern surrounded by the sidewall 2 is generated, and a channel region of the Si semiconductor substrate 1 is exposed at the bottom of the recess.
(2)
Therefore, the gate insulating film 4 is deposited on the entire surface by applying a CVD (chemical vapor deposition) method.

図15参照
(3)
CVD法を適用することに依り、全面にHf膜5を成膜する。尚、CVD法は、他の成膜法、例えばPVD(physical vapor deposision)法、或いは、ALD(atomic layer deposition)などに代替することができる。
Refer to FIG. 15 (3)
The Hf film 5 is formed on the entire surface by applying the CVD method. The CVD method can be replaced with other film forming methods such as PVD (physical vapor deposition) or ALD (atomic layer deposition).

図16参照
(4)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、n型MOSFET部分のゲート領域を覆うレジスト膜6を形成する。
Refer to FIG. 16 (4)
A resist film 6 that covers the gate region of the n-type MOSFET portion is formed by applying a resist process in lithography technology.

図17参照
(5)
前記工程(3)の場合と同様、例えばCVD法を適用することに依り、p型MOSFET部分に於けるHf膜5及びゲート絶縁膜4を除去する。
See FIG. 17 (5)
As in the case of the step (3), the Hf film 5 and the gate insulating film 4 in the p-type MOSFET portion are removed by applying, for example, a CVD method.

図18参照
(6)
再びCVD法を適用してゲート絶縁膜4Aを形成する。
See FIG. 18 (6)
The gate insulating film 4A is formed again by applying the CVD method.

図19参照
(7)
レジスト膜6及びその上に在るゲート絶縁膜4Aを除去してから、CVD法を適用してPt膜7を成膜する。尚、この場合もCVD法はPVD法やALD法に代替して良い。
See FIG. 19 (7)
After removing the resist film 6 and the gate insulating film 4A thereon, a Pt film 7 is formed by applying the CVD method. In this case, the CVD method may be replaced with the PVD method or the ALD method.

図20参照
(8)
CMP(chemical mechanical polishing)法を適用してPt膜7を研磨し、Hf膜5を表出させる。これに依り、n型MOSFET部分のHfからなるゲート電極5Gとp型MOSFET部分のPtからなるゲート電極7Gが完成される。尚、ゲート電極5Gとゲート電極7Gとは仕事関数が相違することから、n型MOSFETとp型MOSFETの閾値電圧が相違することは云うまでもない。
See FIG. 20 (8)
The Pt film 7 is polished by applying a CMP (chemical mechanical polishing) method, and the Hf film 5 is exposed. Accordingly, the gate electrode 5G made of Hf in the n-type MOSFET portion and the gate electrode 7G made of Pt in the p-type MOSFET portion are completed. Needless to say, since the gate electrode 5G and the gate electrode 7G have different work functions, the threshold voltages of the n-type MOSFET and the p-type MOSFET are different.

前記したように、メタルゲート電極を用い、しかも、n型MOSFETとp型MOSFETとを同一基板に作り込む場合には、半導体装置を製造するのに多くの工程が必要となり、製造プロセスが複雑化することを回避することができず、従って、製造コストは増加する。   As described above, when a metal gate electrode is used and an n-type MOSFET and a p-type MOSFET are formed on the same substrate, many steps are required to manufacture a semiconductor device, and the manufacturing process is complicated. Cannot be avoided and therefore the manufacturing cost is increased.

ところで、本発明の詳細な内容については、後に〔発明の開示〕の項で明らかにされるが、n型MOSFETとp型MOSFETとを作製する際、n型MOSFETのメタルゲート電極中に窒素を導入している。   By the way, the detailed contents of the present invention will be clarified later in the section [Disclosure of the Invention]. When an n-type MOSFET and a p-type MOSFET are manufactured, nitrogen is introduced into the metal gate electrode of the n-type MOSFET. It has been introduced.

然しながら、従来、本発明と目的や効果は相違するのであるが、メタルゲート電極中に窒素を導入することは行われている(例えば、特許文献1を参照。)。   However, conventionally, introduction of nitrogen into a metal gate electrode has been performed (see, for example, Patent Document 1), although the object and effect of the present invention are different.

然しながら、特許文献1に開示された発明では、ゲート電極の仕事関数を変える為に窒素の導入を行うものであって、この特許文献1の発明と本発明との相違点は、以下の〔発明の開示〕に依って明らかになる。
特開2000−31296号公報
However, in the invention disclosed in Patent Document 1, nitrogen is introduced to change the work function of the gate electrode. The difference between the invention of Patent Document 1 and the present invention is as follows. The disclosure becomes clear.
JP 2000-31296 A

本発明では、n型MOSFETとp型MOSFETを含む半導体装置を作製する場合、ポリシリコンもしくはシリサイドを用いたゲート電極で発生する空乏化やフェルミレベルピンニングを抑止する為、メタルゲート電極を用い、しかも、n型MOSFETとp型MOSFETの各メタルゲート電極を簡単な工程で、且つ、容易に作り分けることを可能にする。   In the present invention, when a semiconductor device including an n-type MOSFET and a p-type MOSFET is manufactured, a metal gate electrode is used to suppress depletion or Fermi level pinning that occurs in a gate electrode using polysilicon or silicide. The metal gate electrodes of the n-type MOSFET and the p-type MOSFET can be easily formed in a simple process.

本発明に依る半導体装置及びその製造方法に於いては、ゲート絶縁膜上に第1の金属膜を形成する工程と、n型MOSFET部分の第1の金属膜のみに窒素を導入してからp型MOSFET部分を含めて第2金属膜を形成する工程と、熱処理することでp型MOSFET部分の第1の金属膜と第2の金属膜とを合金化する工程とが含まれてなることが特徴の1つになっている。   In the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the step of forming the first metal film on the gate insulating film, and introducing nitrogen into only the first metal film of the n-type MOSFET portion Forming a second metal film including the type MOSFET portion, and alloying the first metal film and the second metal film of the p-type MOSFET portion by heat treatment. It is one of the features.

ここで、第1の金属膜として、Hf、Mg、In、Zr、Nb、Al、Mn、Pb、Ta、Agから選択した金属を用いることができ、そして、第2の金属膜として、Pt、Ru、Co、Au、Pd、Ni、Re、Irから選択した金属を用いることができる。   Here, a metal selected from Hf, Mg, In, Zr, Nb, Al, Mn, Pb, Ta, and Ag can be used as the first metal film, and Pt, A metal selected from Ru, Co, Au, Pd, Ni, Re, and Ir can be used.

前記手段を採ることに依り、n型MOSFETのメタルゲート電極とp型MOSFETのメタルゲート電極とを作製する工程で、工程を異にするのは、一方のメタルゲート電極に窒素を導入する工程のみであり、n型及びp型の各メタルゲート電極をそれぞれ個別に作り分ける場合に比較すると、その工程数は削減される。そして、一方のメタルゲート電極を形成した後、他方のメタルゲート電極形成予定部分に在る一方のメタルゲート電極材料を除去する必要がない為、ゲート絶縁膜界面にダメージを与えることがない。   By adopting the above-mentioned means, the process for producing the metal gate electrode of the n-type MOSFET and the metal gate electrode of the p-type MOSFET is different only in the process of introducing nitrogen into one of the metal gate electrodes. Compared to the case where each of the n-type and p-type metal gate electrodes is separately formed, the number of steps is reduced. Then, after forming one metal gate electrode, it is not necessary to remove one metal gate electrode material in the other metal gate electrode formation scheduled portion, so that the gate insulating film interface is not damaged.

本発明では、仕事関数を異にするn型、p型のメタルゲート電極を簡便に作り分けるため、ゲート絶縁膜上に仕事関数がシリコンのミッドギャップより伝導帯側に在る第1のメタル膜を堆積し、n型MOSFETのメタルゲート電極となるべき領域にのみ窒素を導入する。その後、仕事関数がシリコンのミッドギャップより価電子帯側に在る第2のメタル膜を堆積してから熱処理を行う。   In the present invention, in order to easily create n-type and p-type metal gate electrodes having different work functions, the first metal film whose work function is on the conduction band side of the silicon midgap on the gate insulating film. And nitrogen is introduced only into the region to be the metal gate electrode of the n-type MOSFET. Thereafter, a heat treatment is performed after depositing a second metal film having a work function on the valence band side of the silicon midgap.

p型MOSFETのメタルゲート電極となるべき領域では第1のメタル膜と第2のメタル膜とが合金化し、第1及び第2のメタル膜の仕事関数を反映した仕事関数に変化するのであるが、第1の金属膜に窒素を導入したn型MOSFETのメタルゲート電極となるべき領域では第1のメタル膜と第2のメタル膜は合金化せず、ゲート絶縁膜上のメタルは第1のメタル膜の仕事関数をもつことになり、n型MOSFETのメタルゲート電極とp型MOSFETのメタルゲート電極とでは異なる仕事関数をもつことになる。   In the region to be the metal gate electrode of the p-type MOSFET, the first metal film and the second metal film are alloyed to change to a work function reflecting the work functions of the first and second metal films. In the region to be the metal gate electrode of the n-type MOSFET in which nitrogen is introduced into the first metal film, the first metal film and the second metal film are not alloyed, and the metal on the gate insulating film is the first metal film. The metal film has a work function, and the metal gate electrode of the n-type MOSFET and the metal gate electrode of the p-type MOSFET have different work functions.

本発明を成すにあたって行った実験に於いて、ゲート絶縁膜上にメタル膜を堆積し、ゲート電極形状にパターン化し、種々な処理を施した後、C−V特性を測定して得られた結果が図1に示されている。   In an experiment conducted in forming the present invention, a metal film was deposited on a gate insulating film, patterned into a gate electrode shape, subjected to various treatments, and a result obtained by measuring CV characteristics. Is shown in FIG.

図1の線図に於いて、破線の特性線AはHfを材料とするメタルゲート電極の特性を、実線の特性線Bは窒素を導入したHfにPtを堆積して熱処理したメタルゲート電極の特性を、実線の特性線CはHfにPtを堆積して熱処理したメタルゲート電極の特性をそれぞれ示している。   In the diagram of FIG. 1, the broken characteristic line A shows the characteristics of the metal gate electrode made of Hf, and the solid characteristic line B shows the characteristics of the metal gate electrode that has been heat-treated by depositing Pt on Hf into which nitrogen has been introduced. The solid characteristic line C indicates the characteristic of the metal gate electrode obtained by depositing Pt on Hf and performing heat treatment.

特性線Cを得た試料、即ち、Hf膜にPt膜を堆積して熱処理を行ったメタルゲート電極は、特性線Aを得た試料、即ち、Hf膜のみのメタルゲート電極と比較して閾値電圧は変化した。これに対し、窒素を導入したHfにPtを堆積して熱処理を行ったメタルゲート電極、即ち、特性線Bを得た試料では、Hf膜のみの場合と比較して閾値電圧が変化していないことが看取される。従って、Hfに窒素を導入することに依り、Ptとの合金化を抑制することが可能である。   The sample from which the characteristic line C was obtained, that is, the metal gate electrode on which the Pt film was deposited on the Hf film and heat-treated was compared with the sample from which the characteristic line A was obtained, that is, the metal gate electrode having only the Hf film. The voltage changed. On the other hand, the threshold voltage does not change in the metal gate electrode in which Pt is deposited on Hf into which nitrogen is introduced, and in which the heat treatment is performed, that is, the sample from which the characteristic line B is obtained, as compared with the case of only the Hf film. It is caught. Therefore, alloying with Pt can be suppressed by introducing nitrogen into Hf.

図2はPtとの合金化を抑制するために窒素を導入したHfからなる電極の深さ方向分析の結果を表す線図である。図からすると、窒素はHf内部からSiO2 ゲート絶縁膜とHfとの界面まで1021cm-3以上存在していることが判る。 FIG. 2 is a diagram showing the results of depth direction analysis of an electrode made of Hf into which nitrogen has been introduced in order to suppress alloying with Pt. From the figure, it can be seen that nitrogen is present at 10 21 cm −3 or more from the inside of Hf to the interface between the SiO 2 gate insulating film and Hf.

図3はゲート絶縁膜上にHf膜とPt膜を堆積して熱処理を施したメタルゲート電極の深さ方向分析結果を表す線図である。図からすると、Ptがゲート絶縁膜とHfとの界面まで到達し、合金化していることが看取される。このときの、Hf中の窒素濃度は1021cm-3以下である。 FIG. 3 is a diagram showing a depth direction analysis result of a metal gate electrode in which an Hf film and a Pt film are deposited on the gate insulating film and subjected to heat treatment. From the figure, it can be seen that Pt reaches the interface between the gate insulating film and Hf and is alloyed. At this time, the nitrogen concentration in Hf is 10 21 cm −3 or less.

前記したところから、HfとPtとの合金化を抑制するには、Hfに対し窒素を1021cm-3以上導入することが必要があり、また、Hf膜の仕事関数を増加させない為には導入窒素は1022cm-3以下とすることが望ましい。 From the above, in order to suppress the alloying of Hf and Pt, it is necessary to introduce 10 21 cm −3 or more of nitrogen into Hf, and in order not to increase the work function of the Hf film. The introduced nitrogen is desirably 10 22 cm −3 or less.

図4乃至図7は実施例1を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。   4 to 7 are side sectional views showing a main part of the semiconductor device at the main points for explaining the first embodiment. The following description will be made with reference to these drawings.

図4参照
(1) サイドウォールで囲まれたゲートパターンの凹所を生成させるまでの工程は、前記従来の技術で説明した工程と全く同じであるから説明を省略し、次の工程から説明する。尚、11はSi半導体基板である。
Refer to FIG. 4 (1) The process until the recess of the gate pattern surrounded by the sidewall is exactly the same as the process described in the prior art, so the description is omitted and the process will be described from the next process. . Reference numeral 11 denotes a Si semiconductor substrate.

CVD法を適用することに依り、サイドウォール12で囲まれた凹所内を含む全面にゲート絶縁膜14を形成し、次いで、CVD法、PVD法、ALD法の何れかの成膜法を適用することに依り、同じく全面に第1の金属膜であるHf膜15を堆積する。図中、記号13は絶縁膜を指示している。尚、Hf膜15は酸素を含まないことが好ましい。酸素が導入された場合には、抵抗が増大し、仕事関数が変化して目標とする値が得られない場合があり、また、合金化も妨げられる。   By applying the CVD method, the gate insulating film 14 is formed on the entire surface including the inside of the recess surrounded by the sidewalls 12, and then, any one of the CVD method, the PVD method, and the ALD method is applied. Accordingly, the Hf film 15 that is the first metal film is deposited on the entire surface. In the figure, symbol 13 indicates an insulating film. The Hf film 15 preferably does not contain oxygen. When oxygen is introduced, the resistance increases, the work function changes and the target value may not be obtained, and alloying is also hindered.

図5参照
(2)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、p型MOSFET部分のゲート領域を覆うレジスト膜16を形成する。
Refer to FIG. 5 (2)
A resist film 16 that covers the gate region of the p-type MOSFET portion is formed by applying a resist process in lithography technology.

(3)
イオン注入法を適用することに依り、n型MOSFET部分に於いて表出されたHf膜15に〜1022cm-3程度の窒素イオンを注入する。図では、窒素含有Hf膜を記号15Nで指示してある。
(3)
By applying the ion implantation method, nitrogen ions of about 10 22 cm −3 are implanted into the Hf film 15 exposed in the n-type MOSFET portion. In the figure, the nitrogen-containing Hf film is indicated by the symbol 15N.

図6参照
(4)
レジスト膜16を剥離してから、CVD法、PVD法、ALD法の何れかの成膜法を適用することに依り、Hf膜15及び窒素含有Hf膜15N上の全面に第2の金属膜であるPt膜17を堆積する。
Refer to FIG. 6 (4)
After the resist film 16 is removed, a second metal film is formed on the entire surface of the Hf film 15 and the nitrogen-containing Hf film 15N by applying any one of the CVD method, PVD method, and ALD method. A certain Pt film 17 is deposited.

図7参照
(5)
合金化熱処理を行う。これに依り、n型MOSFET部分のPt膜17は合金化されないが、p型MOSFET部分のPt膜17は下地のHf膜15と合金化される。図では、これを合金膜18として示してある。従って、n型MOSFETの閾値電圧Vthは低く、p型MOSFETの閾値電圧Vthは高くなる。尚、p型MOSFET部分に於いて、第1の金属膜であるHfを除去することはないので、合金化終了後、n型MOSFET部分とp型MOSFET部分とでゲート電極の高さに差を生じることはなく、そして、この点は他の実施例でも同様である。
See FIG. 7 (5)
Alloying heat treatment is performed. Accordingly, the Pt film 17 in the n-type MOSFET portion is not alloyed, but the Pt film 17 in the p-type MOSFET portion is alloyed with the underlying Hf film 15. In the drawing, this is shown as an alloy film 18. Thus, the threshold voltage V th of the n-type MOSFET is low, the threshold voltage V th of the p-type MOSFET becomes high. Since the first metal film Hf is not removed in the p-type MOSFET portion, there is a difference in the height of the gate electrode between the n-type MOSFET portion and the p-type MOSFET portion after the alloying is completed. It does not occur and this is the same in other embodiments.

図8乃至図13は実施例2を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつつ説明する。   8 to 13 are cutaway side views showing a main part of the semiconductor device at the main points for explaining the second embodiment, and will be described below with reference to these drawings.

図8参照
(1) 熱酸化法(或いはCVD法)を適用することに依り、Si半導体基板21上にゲート絶縁膜22を形成し、次いで、CVD法、PVD法、ALD法の何れかの成膜法を適用することに依り、ゲート絶縁膜22上にHf膜23を形成する。
Refer to FIG. 8 (1) By applying a thermal oxidation method (or CVD method), a gate insulating film 22 is formed on the Si semiconductor substrate 21, and then any one of the CVD method, PVD method, and ALD method is formed. By applying the film method, the Hf film 23 is formed on the gate insulating film 22.

図9参照
(2)
リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用することに依り、p型MOSFET部分のゲート領域を覆うレジスト膜24を形成する。
Refer to FIG. 9 (2)
A resist film 24 that covers the gate region of the p-type MOSFET portion is formed by applying a resist process in lithography technology.

(3)
イオン注入法を適用することに依り、n型MOSFET部分に於いて表出されたHf膜23に〜1022cm-3程度の窒素イオンを注入する。図では、窒素含有Hf膜を記号23Nで指示してある。
(3)
By applying the ion implantation method, nitrogen ions of about 10 22 cm −3 are implanted into the Hf film 23 exposed in the n-type MOSFET portion. In the figure, the nitrogen-containing Hf film is indicated by symbol 23N.

図10参照
(4)
レジスト膜24を剥離してから、CVD法、PVD法、ALD法の何れかの成膜法を適用することに依り、Hf膜23及び窒素含有Hf膜23N上の全面にPt膜25を堆積する。
Refer to FIG. 10 (4)
After removing the resist film 24, a Pt film 25 is deposited on the entire surface of the Hf film 23 and the nitrogen-containing Hf film 23N by applying any one of CVD, PVD, and ALD. .

図11参照
(5)
合金化熱処理を行う。これに依り、n型MOSFET部分のPt膜25は合金化されないが、p型MOSFET部分のPt膜25は下地のHf膜23と合金化される。従って、n型MOSFETの閾値電圧Vthは低く、p型MOSFETの閾値電圧Vthは高くなる。尚、図では合金膜を記号25Aで指示してある。
Refer to FIG. 11 (5)
Alloying heat treatment is performed. Accordingly, the Pt film 25 in the n-type MOSFET portion is not alloyed, but the Pt film 25 in the p-type MOSFET portion is alloyed with the underlying Hf film 23. Thus, the threshold voltage V th of the n-type MOSFET is low, the threshold voltage V th of the p-type MOSFET becomes high. In the figure, the alloy film is indicated by symbol 25A.

図12参照
(6)
リソグラフィ技術に於けるレジストプロセス、及び、ドライエッチング法を適用することに依り、n型MOSFET部分では、Pt膜25、窒素含有Hf膜23、ゲート絶縁膜22をエッチングし、また、p型MOSFET部分では、PtとHfとの合金膜25A、ゲート絶縁膜22をエッチングして、それぞれのゲートを作製する。
See FIG. 12 (6)
By applying a resist process and a dry etching method in lithography technology, the Pt film 25, the nitrogen-containing Hf film 23, and the gate insulating film 22 are etched in the n-type MOSFET portion, and the p-type MOSFET portion Then, the alloy film 25A of Pt and Hf and the gate insulating film 22 are etched to produce respective gates.

図13参照
(7)
この後、通常の技法、即ち、イオン注入法、CVD法、異方性エッチング法などを適用し、低不純物濃度の浅いソース領域及びドレイン領域、サイドウォール26の形成、高不純物濃度のソースコンタクト領域及びドレインコンタクト領域などを形成、絶縁膜27や電極配線の形成を行って半導体装置を完成する。
See FIG. 13 (7)
Thereafter, a normal technique, that is, an ion implantation method, a CVD method, an anisotropic etching method, or the like is applied to form shallow source and drain regions having a low impurity concentration, formation of sidewalls 26, and a source contact region having a high impurity concentration. Then, a drain contact region and the like are formed, and an insulating film 27 and electrode wiring are formed to complete the semiconductor device.

他の実施の形態について説明すると、例えば、第1の金属膜と第2の金属膜との膜厚比の如何に依って、合金化後のp型MOSFET部分に於けるゲート電極の仕事関数を変化させることもできる。例えば、Hfに対してPtの膜厚が厚い程、p型MOSFET部分に於けるゲート電極の仕事関数はPtの仕事関数のに近付き、Ptの膜厚が薄い程、Hfの仕事関数に近付くことになる。   In another embodiment, the work function of the gate electrode in the p-type MOSFET portion after alloying is determined depending on, for example, the film thickness ratio between the first metal film and the second metal film. It can also be changed. For example, the work function of the gate electrode in the p-type MOSFET portion is closer to the work function of Pt as the film thickness of Pt is larger than that of Hf, and the work function of Hf is closer to the work function of Pt. become.

本発明に於いては、前記説明した実施の形態を含め、多くの形態で実施することができので、以下、それを付記として例示する。   Since the present invention can be implemented in many forms including the above-described embodiment, it will be exemplified below as an additional note.

(付記1)
ゲート絶縁膜上にHfからなる第1の金属膜を形成する工程と、
n型MOSFET部分の第1の金属膜のみに窒素を導入してからp型MOSFET部分を含めてPtからなる第2金属膜を形成する工程と、
熱処理することでp型MOSFET部分の第1の金属膜と第2の金属膜とを合金化する工程と
が含まれてなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Appendix 1)
Forming a first metal film made of Hf on the gate insulating film;
introducing nitrogen into only the first metal film of the n-type MOSFET portion and then forming a second metal film made of Pt including the p-type MOSFET portion;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a step of alloying the first metal film and the second metal film of the p-type MOSFET portion by heat treatment.

(付記2)
n型MOSFET部分の第1の金属膜に窒素を導入するに際し、第1の金属膜と第2の金属膜との合金化を抑制する為、導入する窒素の量に於ける下限を1021cm-3とし、そして、第1の金属膜の仕事関数を増加させない為、当該導入する窒素の量に於ける上限を1022cm-3としたこと
を特徴とする(付記1)記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 2)
When nitrogen is introduced into the first metal film of the n-type MOSFET portion, in order to suppress alloying of the first metal film and the second metal film, the lower limit in the amount of nitrogen introduced is 10 21 cm. -3, and in order not to increase the work function of the first metal film, the upper limit in the amount of nitrogen to be introduced is set to 10 22 cm -3 (Appendix 1) Manufacturing method.

(付記3)
ゲート絶縁膜上に形成する第1の金属膜は、仕事関数がシリコンのミッドギャップより伝導帯側にある金属であって、Mg、In、Zr、Nb、Al、Mn、Pb、Ta、Agから選択され、第1の金属膜上に堆積する第2の金属膜は、仕事関数がシリコンのミッドギャップより価電子帯側にある金属であって、Ru、Co、Au、Pd、Ni、Re、Irから選択されたものであること
を特徴とする(付記1)記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 3)
The first metal film formed on the gate insulating film is a metal whose work function is closer to the conduction band than the mid gap of silicon, and includes Mg, In, Zr, Nb, Al, Mn, Pb, Ta, and Ag. The second metal film selected and deposited on the first metal film is a metal whose work function is on the valence band side of the silicon midgap, and is Ru, Co, Au, Pd, Ni, Re, The method for manufacturing a semiconductor device according to (Appendix 1), wherein the semiconductor device is selected from Ir.

(付記4)
Hfである第1の金属膜とPtである第2の金属膜との膜厚変化、及び、第1の金属膜と第2の金属膜の種類を変えることによりn型MOSFET部分のゲート電極とp型MOSFET部分のゲート電極とに於ける仕事関数の制御を行うこと
を特徴とする(付記1)記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 4)
By changing the film thickness of the first metal film that is Hf and the second metal film that is Pt, and by changing the type of the first metal film and the second metal film, The method of manufacturing a semiconductor device according to (Appendix 1), wherein the work function of the gate electrode of the p-type MOSFET portion is controlled.

(付記5)
p型MOSFET部分に於ける第1の金属膜と第2の金属膜との合金化終了後、n型MOSFET部分及びp型MOSFET部分の各ゲートが無段差で平坦に連なって形成されること
を特徴とする(付記1)記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 5)
After the alloying of the first metal film and the second metal film in the p-type MOSFET portion is completed, the gates of the n-type MOSFET portion and the p-type MOSFET portion are formed to be flat and connected steplessly. A method of manufacturing a semiconductor device according to (Appendix 1), which is characterized.

(付記6)
Hfからなる第1の金属膜が酸素を含まないものであること
を特徴とする(付記1)記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 6)
The method for manufacturing a semiconductor device according to (Appendix 1), wherein the first metal film made of Hf does not contain oxygen.

(付記7)
n型MOSFET部分に於けるゲート電極が窒素を導入した第1の金属膜及び窒素を含まない第1の金属膜と合金化可能な第2の金属膜の積層膜からなり、且つ、p型MOSFET部分に於けるゲート電極が前記第1の金属膜の金属と前記第2の金属膜の金属との合金で構成された金属膜からなること
を特徴とする半導体装置。
(Appendix 7)
The gate electrode in the n-type MOSFET portion is composed of a laminated film of a first metal film into which nitrogen is introduced and a second metal film that can be alloyed with the first metal film not containing nitrogen, and a p-type MOSFET The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode in the portion is made of a metal film made of an alloy of the metal of the first metal film and the metal of the second metal film.

電極のCV特性を表す線図である。It is a diagram showing the CV characteristic of an electrode. 窒素を導入したHf電極の深さ方向分析結果を表す線図である。It is a diagram showing the depth direction analysis result of the Hf electrode which introduce | transduced nitrogen. 合金化したHf−Pt電極の深さ方向分析結果を表す線図である。It is a diagram showing the depth direction analysis result of the alloyed Hf-Pt electrode. 実施例1を説明する工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。FIG. 3 is a side view of a principal part of the semiconductor device at a process point for explaining Example 1; 実施例1を説明する工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。FIG. 3 is a side view of a principal part of the semiconductor device at a process point for explaining Example 1; 実施例1を説明する工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。FIG. 3 is a side view of a principal part of the semiconductor device at a process point for explaining Example 1; 実施例1を説明する工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。FIG. 3 is a side view of a principal part of the semiconductor device at a process point for explaining Example 1; 実施例2を説明する工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。FIG. 10 is a cutaway side view of a main part of a semiconductor device at a process point for explaining Example 2; 実施例2を説明する工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。FIG. 10 is a cutaway side view of a main part of a semiconductor device at a process point for explaining Example 2; 実施例2を説明する工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。FIG. 10 is a cutaway side view of a main part of a semiconductor device at a process point for explaining Example 2; 実施例2を説明する工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。FIG. 10 is a cutaway side view of a main part of a semiconductor device at a process point for explaining Example 2; 実施例2を説明する工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。FIG. 10 is a cutaway side view of a main part of a semiconductor device at a process point for explaining Example 2; 実施例2を説明する工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。FIG. 10 is a cutaway side view of a main part of a semiconductor device at a process point for explaining Example 2; 従来例を説明する為の工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。It is a principal part cutting side view of the semiconductor device in the process important point for demonstrating a prior art example. 従来例を説明する為の工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。It is a principal part cutting side view of the semiconductor device in the process important point for demonstrating a prior art example. 従来例を説明する為の工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。It is a principal part cutting side view of the semiconductor device in the process important point for demonstrating a prior art example. 従来例を説明する為の工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。It is a principal part cutting side view of the semiconductor device in the process important point for demonstrating a prior art example. 従来例を説明する為の工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。It is a principal part cutting side view of the semiconductor device in the process important point for demonstrating a prior art example. 従来例を説明する為の工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。It is a principal part cutting side view of the semiconductor device in the process important point for demonstrating a prior art example. 従来例を説明する為の工程要所に於ける半導体装置の要部切断側面図である。It is a principal part cutting side view of the semiconductor device in the process important point for demonstrating a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

11 Si半導体基板
12 サイドウォール
13 絶縁膜
14 ゲート絶縁膜
15 Hf膜(第1の金属膜)
15N 窒素含有Hf膜
16 レジスト膜 17 Pt膜(第2の金属膜)
11 Si semiconductor substrate 12 Side wall 13 Insulating film 14 Gate insulating film 15 Hf film (first metal film)
15N Nitrogen-containing Hf film 16 Resist film 17 Pt film (second metal film)

Claims (6)

ゲート電極を形成する工程として、
ゲート絶縁膜上に第1の金属膜を形成する工程と、
n型MOSFET部分の第1の金属膜のみに窒素を導入してから、n型MOSFET部分及びp型MOSFET部分を含めて第2の金属膜を形成する工程と、
熱処理することでp型MOSFET部分の第1の金属膜と第2の金属膜とを合金化する工程とが含まれてなり、
上記第1の金属膜は、仕事関数がシリコンのミッドギャップより伝導帯側にある金属であり、第2の金属膜は、仕事関数がシリコンのミッドギャップより価電子帯側にある金属であること
特徴とする半導体装置の製造方法。
As a process of forming the gate electrode,
Forming a first metal film on the gate insulating film;
After introducing nitrogen only the first metal film of n-type MOSFET section, and forming a second metal film including n-type MOSFET portion and a p-type MOSFET portion,
Ri Na and the first and second metal films of the p-type MOSFET portion by heat treatment includes a step of alloying,
The first metal film is a metal whose work function is closer to the conduction band than the silicon mid gap, and the second metal film is a metal whose work function is closer to the valence band than the silicon mid gap.
A method of manufacturing a semiconductor device.
n型MOSFET部分の第1の金属膜に窒素を導入するに際し、第1の金属膜と第2の金属膜との合金化を抑制する為、導入する窒素の量に於ける下限を1021cm-3とし、そして、第1の金属膜の仕事関数を増加させない為、当該導入する窒素の量に於ける上限を1022cm-3としたこと
を特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
When nitrogen is introduced into the first metal film of the n-type MOSFET portion, in order to suppress alloying of the first metal film and the second metal film, the lower limit in the amount of nitrogen introduced is 10 21 cm. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the upper limit of the amount of nitrogen to be introduced is set to 10 22 cm −3 so that the work function of the first metal film is not increased. Production method.
上記第1の金属膜の金属は、Hf、Mg、In、Zr、Nb、Al、Mn、Pb、Ta、Agから選択され、上記第2の金属膜の金属は、Pt、Ru、Co、Au、Pd、Ni、Re、Irから選択されたものであること
を特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
The metal of the first metal film, Hf, Mg, In, Zr , Nb, Al, Mn, Pb, Ta, is selected from Ag, the metal of the second metal film, Pt, Ru, Co, Au 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the method is selected from Pd, Ni, Re, and Ir.
上記第1の金属膜をHfから形成し、上記第2の金属膜をPtから形成し、上記第1の金属膜の膜厚と上記第2の金属膜の膜厚を変化させることに依り、MOSFET部分のゲート電極とp型MOSFET部分のゲート電極とに於ける仕事関数の制御を行なうこと
を特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
By forming the first metal film from Hf, forming the second metal film from Pt, and changing the film thickness of the first metal film and the film thickness of the second metal film, 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein work functions of the gate electrode of the n- type MOSFET portion and the gate electrode of the p-type MOSFET portion are controlled.
上記第1の金属膜の種類と上記第2の金属膜の種類を変えることに依り、n型MOSFET部分のゲート電極とp型MOSFET部分のゲート電極とに於ける仕事関数の制御を行なうことBy controlling the kind of the first metal film and the kind of the second metal film, the work function of the gate electrode of the n-type MOSFET portion and the gate electrode of the p-type MOSFET portion is controlled.
を特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
n型MOSFET部分に於けるゲート電極が窒素を導入した第1の金属膜及び窒素を含まない第1の金属膜と合金化可能な第2の金属膜の積層膜からなり、且つ、p型MOSFET部分に於けるゲート電極が前記第1の金属膜の金属と前記第2の金属膜の金属との合金で構成された金属膜からなり、The gate electrode in the n-type MOSFET portion is composed of a laminated film of a first metal film into which nitrogen is introduced and a second metal film that can be alloyed with the first metal film not containing nitrogen, and a p-type MOSFET The gate electrode in the portion is made of a metal film composed of an alloy of the metal of the first metal film and the metal of the second metal film,
上記第1の金属膜は、仕事関数がシリコンのミッドギャップより伝導帯側にある金属であり、第2の金属膜は、仕事関数がシリコンのミッドギャップより価電子帯側にある金属であることThe first metal film is a metal whose work function is closer to the conduction band than the silicon mid gap, and the second metal film is a metal whose work function is closer to the valence band than the silicon mid gap.
を特徴とする半導体装置。A semiconductor device characterized by the above.
JP2005072749A 2005-03-15 2005-03-15 Semiconductor device and manufacturing method thereof Expired - Fee Related JP4589765B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005072749A JP4589765B2 (en) 2005-03-15 2005-03-15 Semiconductor device and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005072749A JP4589765B2 (en) 2005-03-15 2005-03-15 Semiconductor device and manufacturing method thereof

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2006261190A JP2006261190A (en) 2006-09-28
JP4589765B2 true JP4589765B2 (en) 2010-12-01

Family

ID=37100139

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005072749A Expired - Fee Related JP4589765B2 (en) 2005-03-15 2005-03-15 Semiconductor device and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4589765B2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000315789A (en) * 1999-04-30 2000-11-14 Toshiba Corp Semiconductor device and its manufacture
JP2001284466A (en) * 2000-03-29 2001-10-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor device and method of manufacturing it
JP2002299610A (en) * 2001-03-30 2002-10-11 Toshiba Corp Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2007504671A (en) * 2003-09-04 2007-03-01 アドバンスト・マイクロ・ディバイシズ・インコーポレイテッド Method for integrating metals having different work functions to form a CMOS gate having a structure associated with a high-k gate dielectric

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000315789A (en) * 1999-04-30 2000-11-14 Toshiba Corp Semiconductor device and its manufacture
JP2001284466A (en) * 2000-03-29 2001-10-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd Semiconductor device and method of manufacturing it
JP2002299610A (en) * 2001-03-30 2002-10-11 Toshiba Corp Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2007504671A (en) * 2003-09-04 2007-03-01 アドバンスト・マイクロ・ディバイシズ・インコーポレイテッド Method for integrating metals having different work functions to form a CMOS gate having a structure associated with a high-k gate dielectric

Also Published As

Publication number Publication date
JP2006261190A (en) 2006-09-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7153784B2 (en) Method for making a semiconductor device having a high-k gate dielectric layer and a metal gate electrode
EP1761952B1 (en) Using different gate dielectrics with nmos and pmos transistors of a complementary metal oxide semiconductor integrated circuit
TWI397129B (en) A method of making a metal gate semiconductor device
JP4002868B2 (en) Dual gate structure and method of manufacturing integrated circuit having dual gate structure
JP5154012B2 (en) Dual work function metal gate structure and manufacturing method thereof
US20080318371A1 (en) Semiconductor device and method of forming the same
JP2012004577A (en) Semiconductor device having high dielectric constant-gate insulating film, and manufacturing method of the same
KR20010020803A (en) A semiconductor device and a method of making thereof
JP2010525590A (en) Threshold adjustment for high-K gate dielectric CMOS
WO2005112110A1 (en) A method for making a semiconductor device having a high-k gate dielectric layer and a metal gate electrode
JP2010525591A (en) CMOS circuit with high-k gate dielectric
US10217640B2 (en) Methods of fabricating semiconductor devices
KR20070050494A (en) A method for making a semiconductor device with a high-k gate dielectric layer and a silicide gate electrode
WO2010140244A1 (en) Semiconductor device and manufacturing method therefor
JP2007073660A (en) Semiconductor device and method of manufacturing same
US8350332B2 (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2008251955A (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
JP2006024894A (en) Semiconductor device having high dielectric constant-gate insulating film, and manufacturing method of the same
JP4533155B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2008085205A (en) Semiconductor device and its manufacturing method
JP2006295123A (en) Mos field effect semiconductor device and manufacturing method thereof
JP4589765B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2010010266A (en) Method for manufacturing semiconductor device and semiconductor device
JP2010098157A (en) Process of fabricating semiconductor device
TWI509702B (en) Metal gate transistor and method for fabricating the same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20080121

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20080730

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20100611

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100615

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100730

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

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100907

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

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100910

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 4589765

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

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

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130917

Year of fee payment: 3

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees