JP4784734B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置ならびにその製造方法に関するものであり、特に、ゲート絶縁膜に高誘電率材料およびゲート電極に金属シリサイド材料を用いる、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の高性能化と高信頼性化に関する技術である。   The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, high performance and high performance of a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) using a high dielectric constant material for a gate insulating film and a metal silicide material for a gate electrode. This is a technology related to reliability.

トランジスタの微細化が進む先端CMOS(相補型MOS)デバイスの開発では、多結晶シリコン(poly−Si)電極の空乏化による駆動電流の劣化と、ゲート絶縁膜の薄膜化によるゲートリーク電流の増加が問題となっている。そこで、メタルゲート電極の適用により電極の空乏化を回避すると同時に、ゲート絶縁膜に高誘電率材料を用いて物理膜厚を厚くすることでゲートリーク電流を低減する複合技術が検討されている。   In the development of advanced CMOS (complementary MOS) devices, where transistor miniaturization is progressing, degradation of drive current due to depletion of polycrystalline silicon (poly-Si) electrodes and increase in gate leakage current due to thinning of the gate insulating film It is a problem. In view of this, a composite technique for reducing gate leakage current by using a metal gate electrode to avoid depletion of the electrode and at the same time increasing the physical film thickness by using a high dielectric constant material for the gate insulating film has been studied.

メタルゲート電極に用いる材料として、純金属や金属窒化物あるいはシリサイド材料等が検討されているが、いずれの場合においても、(1)メタルゲート電極を形成する際に、ゲート絶縁膜の劣化を引き起こさないこと、(2)N型MOSFET及びP型MOSFETのしきい値電圧(Vth)を適切な値に設定可能であることが必要である。   As materials used for the metal gate electrode, pure metals, metal nitrides, silicide materials, and the like have been studied. However, in any case, (1) when the metal gate electrode is formed, the gate insulating film is deteriorated. (2) It is necessary that the threshold voltage (Vth) of the N-type MOSFET and the P-type MOSFET can be set to an appropriate value.

CMOSトランジスタで±0.5eV以下のVthを実現するためには、N型MOSFETでは仕事関数がSiのミッドギャップ(4.6eV)以下、望ましくは4.4eV以下の材料を、P型MOSFETでは仕事関数がSiのミッドギャップ(4.6eV)以上、望ましくは4.8eV以上の材料をゲート電極に用いる必要がある。   In order to realize a Vth of ± 0.5 eV or less with a CMOS transistor, a material with a work function of Si mid gap (4.6 eV) or less, preferably 4.4 eV or less is desirable for an N-type MOSFET, and work is desired for a P-type MOSFET. It is necessary to use a material having a function of a Si mid gap (4.6 eV) or more, preferably 4.8 eV or more for the gate electrode.

これらを実現する手段として、異なる仕事関数を持った異種の金属あるいは合金をN型MOSFETの電極、P型MOSFETの電極にそれぞれ使い分けることでトランジスタのVthを制御する方法(デュアルメタルゲート技術)が提案されている。   As a means to realize these, a method (dual metal gate technology) is proposed in which Vth of a transistor is controlled by using different metals or alloys having different work functions for electrodes of N-type MOSFET and P-type MOSFET, respectively. Has been.

例えば、非特許文献1には、SiO2上に形成したTaとRuの仕事関数はそれぞれ4.15eVと4.95eVでありこの二つの電極間で0.8eVの仕事関数変調が可能であると述べられている。 For example, in Non-Patent Document 1, the work functions of Ta and Ru formed on SiO 2 are 4.15 eV and 4.95 eV, respectively, and a work function modulation of 0.8 eV is possible between the two electrodes. It is stated.

しかしながら、デュアルメタルゲート技術は、異なる仕事関数を持った異種の金属あるいは合金からなるメタル層を基板上に作り分ける必要があるため、P型MOSFETとN型MOSFETのいずれか一方のゲート絶縁膜上に堆積されたメタル層をエッチング除去するプロセスが行われ、そのエッチング除去の際にゲート絶縁膜の品質が劣化し、結果、素子の特性や信頼性が損なわれるといった問題がある。   However, in the dual metal gate technology, a metal layer made of different kinds of metals or alloys having different work functions needs to be separately formed on the substrate. Therefore, on the gate insulating film of either the P-type MOSFET or the N-type MOSFET. There is a process in which the metal layer deposited on the substrate is etched away, and the quality of the gate insulating film is deteriorated during the etching removal, resulting in a problem that the characteristics and reliability of the device are impaired.

一方、poly−Si電極パターンをNiで完全にシリサイド化して得られるシリサイドゲート電極に関する技術が最近注目されている。この技術の特徴は、CMOSのソース・ドレイン拡散領域の不純物活性化のための高温熱処理を行った後に、poly−Si電極をサリサイドプロセスによってシリサイド化することが可能であることである。このため、従来のCMOSプロセスと整合性が高く、また、デュアルメタルゲート技術のようにゲート絶縁膜上に堆積した膜をエッチング除去する必要がないためゲート絶縁膜へのダメージを抑制できる。   On the other hand, a technique related to a silicide gate electrode obtained by completely siliciding a poly-Si electrode pattern with Ni has recently attracted attention. The feature of this technique is that after performing a high temperature heat treatment for activating impurities in the source / drain diffusion region of the CMOS, the poly-Si electrode can be silicided by a salicide process. For this reason, the compatibility with the conventional CMOS process is high, and the film deposited on the gate insulating film does not need to be removed by etching unlike the dual metal gate technique, so that damage to the gate insulating film can be suppressed.

非特許文献2および3には、図2に示すようなMOSFETにおいて、ゲート絶縁膜にSiO2を用い、ゲート電極として、PやBなどの不純物を注入したpoly−Si電極パターンをNiで完全にシリサイド化したNiシリサイド電極(PドープNiSi,BドープNiSi)を用いることにより、電極の仕事関数を最大で0.5eV変調させる技術が開示されている。なお、図中の符号は、それぞれ、1がシリコン基板、2が素子分離領域、3aがSiO2膜、4がエクステンション拡散領域、5がソース・ドレイン拡散領域、6がシリサイド層、7がゲート側壁、9が層間絶縁膜、11がPドープNiSi電極、12がBドープNiSi電極を示す。 In Non-Patent Documents 2 and 3, in a MOSFET as shown in FIG. 2, a poly-Si electrode pattern in which SiO 2 is used as a gate insulating film and impurities such as P and B are implanted as a gate electrode is completely formed of Ni. A technique is disclosed in which the work function of an electrode is modulated at a maximum of 0.5 eV by using a silicided Ni silicide electrode (P-doped NiSi, B-doped NiSi). The reference numerals in the figure are 1 for the silicon substrate, 2 for the element isolation region, 3a for the SiO 2 film, 4 for the extension diffusion region, 5 for the source / drain diffusion region, 6 for the silicide layer, and 7 for the gate sidewall. , 9 is an interlayer insulating film, 11 is a P-doped NiSi electrode, and 12 is a B-doped NiSi electrode.

また、非特許文献4には、ゲート絶縁膜としてHfSiON高誘電率膜を用い、ゲート電極に完全にシリサイド化されたNiシリサイド電極を用いたMOSFETにおいて、結晶相の形成を利用してNiシリサイドの組成を制御することにより(相制御Niフルシリサイド技術)、図3に示すように、トランジスタの広範囲な実効仕事関数の制御が可能であることが開示されている。このとき、PMOS用にNi3Siを、NMOS用にNiSi2を用いることで、±0.3VのVthを実現可能である。
インターナショナル・エレクトロン・デバイス・ミーティング・テクニカルダイジェスト(International electron devices meeting technical digest)2002,p.359 インターナショナル・エレクトロン・デバイス・ミーティング・テクニカルダイジェスト(International electron devices meeting technical digest)2002,p.247 インターナショナル・エレクトロン・デバイス・ミーティング・テクニカルダイジェスト(International electron devices meeting technical digest)2003,p.315 インターナショナル・エレクトロン・デバイス・ミーティング・テクニカルダイジェスト(International electron devices meeting technical digest)2004,p.91
In Non-Patent Document 4, in a MOSFET using a HfSiON high dielectric constant film as a gate insulating film and using a fully silicided Ni silicide electrode as a gate electrode, the formation of a crystal phase is used to form Ni silicide. It is disclosed that by controlling the composition (phase controlled Ni full silicide technology), as shown in FIG. 3, it is possible to control a wide range of effective work functions of the transistor. At this time, Vth of ± 0.3 V can be realized by using Ni 3 Si for PMOS and NiSi 2 for NMOS.
International Electron Device Meeting Technical Digest 2002, p. 359 International Electron Device Meeting Technical Digest 2002, p. 247 International Electron Device Meeting Technical Digest 2003, p. 315 International Electron Device Meeting Technical Digest 2004, p. 91

上記の相制御Niフルシリサイド技術は、メタルゲート電極と高誘電率ゲート絶縁膜を用いたCMOSを実現する技術として期待されている。しかしながら、上記の相制御Niフルシリサイド技術では実効仕事関数の微調整が難しいといった問題がある。HfSiON上のNiシリサイドの実効仕事関数は、結晶相の形成によって自己整合的に決まるNiシリサイドの組成に対応しているので、結晶相に対応して段階的な値となる。非特許文献4によれば、HfSiON上にNiSi2、NiSi、Ni3Siの結晶相を安定に形成可能であり、実効仕事関数はそれぞれ4.4、4.5、4.8eVであることが示されている。このような実効仕事関数の段階的な変化は、それぞれの値がデバイスの設計と整合していれば、Vthの安定性を確保する上で非常に有用であるが、一方で、より広範囲のデバイスへの応用が難しいといった問題がある。 The phase control Ni full silicide technology is expected as a technology for realizing a CMOS using a metal gate electrode and a high dielectric constant gate insulating film. However, there is a problem that fine adjustment of the effective work function is difficult with the above-described phase control Ni full silicide technology. Since the effective work function of Ni silicide on HfSiON corresponds to the composition of Ni silicide determined in a self-aligned manner by the formation of the crystal phase, it has a stepwise value corresponding to the crystal phase. According to Non-Patent Document 4, it is possible to stably form crystal phases of NiSi 2 , NiSi, and Ni 3 Si on HfSiON, and the effective work functions are 4.4, 4.5, and 4.8 eV, respectively. It is shown. Such a gradual change in effective work function is very useful in ensuring the stability of Vth if each value is consistent with the design of the device, while a wider range of devices. There is a problem that application to is difficult.

例えば、LSTP(low stand−by power)デバイスではVthの値を±0.4〜0.5Vに設定する必要がある。このときの実効仕事関数の値はSiのミッドギャップ(Ei:4.6eV)の±0.1〜0.15Vが最適である。具体的には、実効仕事関数が4.45〜4.5eVの電極をN型MOSFETに、実効仕事関数が4.7〜4.75eVの電極をP型MOSFETに適用することが望ましい。また、ノンドープチャネルSOIデバイスではゲート電極の実効仕事関数はSiのミッドギャップ(Ei:4.6eV)が最適である。しかしながら、例えば、HfSiON上のNiSi2、NiSiおよびNi3Siの実効仕事関数はそれぞれ4.4eV、4.5eVおよび4.8eVであることから、これらのデバイスに最適な実効仕事関数を現状の相制御フルシリサイド技術で実現することは困難である。 For example, in an LSTP (low stand-by power) device, the value of Vth needs to be set to ± 0.4 to 0.5V. The value of the effective work function at this time is optimally ± 0.1 to 0.15 V of the Si mid gap (Ei: 4.6 eV). Specifically, it is desirable to apply an electrode having an effective work function of 4.45 to 4.5 eV to an N-type MOSFET and an electrode having an effective work function of 4.7 to 4.75 eV to a P-type MOSFET. Further, in the non-doped channel SOI device, the effective work function of the gate electrode is optimally Si midgap (Ei: 4.6 eV). However, for example, the effective work functions of NiSi 2 , NiSi and Ni 3 Si on HfSiON are 4.4 eV, 4.5 eV and 4.8 eV, respectively. It is difficult to realize with controlled full silicide technology.

そこで、従来の相制御フルシリサイド技術に加え、新たに実効仕事関数の微調整が可能な技術が必要である。すなわち、本発明の目的は、上述した問題を解決し、相制御フルシリサイド技術をより広範囲のデバイスに応用可能にし、高性能で信頼性に優れた半導体装置を提供することにある。   Therefore, in addition to the conventional phase control full silicide technique, a technique capable of finely adjusting the effective work function is required. That is, an object of the present invention is to solve the above-described problems, to make it possible to apply the phase control full silicide technology to a wider range of devices, and to provide a semiconductor device having high performance and excellent reliability.

本発明は、以下の各項に記載した態様を含む。   The present invention includes the embodiments described in the following items.

(1)シリコン基板上に、ゲート絶縁膜とこのゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを有する電界効果トランジスタを備えた半導体装置において、
前記ゲート絶縁膜が、金属酸化物、金属シリケート、又は窒素が導入された金属酸化物もしくは金属シリケートからなる高誘電率絶縁膜を有し、
前記ゲート電極が、前記高誘電率絶縁膜に接する下層側に設けられた、第1の金属M1、M1と異なる仕事関数をもつ第2の金属M2およびシリコン(Si)を含むシリサイドからなる第1の層領域と、第1の層領域に接する上層側に設けられた、M1およびSiを含むシリサイドからなる第2の層領域とを有することを特徴とする半導体装置。
(1) In a semiconductor device including a field effect transistor having a gate insulating film and a gate electrode provided on the gate insulating film on a silicon substrate,
The gate insulating film has a high dielectric constant insulating film made of metal oxide, metal silicate, or metal oxide or metal silicate into which nitrogen is introduced;
The gate electrode is provided on the lower layer side in contact with the high dielectric constant insulating film, and includes a first metal M1, a second metal M2 having a work function different from that of M1, and a first silicide made of silicon (Si). And a second layer region made of silicide containing M1 and Si provided on the upper layer side in contact with the first layer region.

(2)第1の金属M1がニッケル(Ni)であり、第1の層領域がNixM2ySi1-x-y(x+y≧0.55)で表される組成をもつシリサイドからなり、第2の層領域がNi3Si相を主成分として含むシリサイドからなる1項に記載の半導体装置。 (2) The first metal M1 is nickel (Ni), and the first layer region is made of silicide having a composition represented by Ni x M2 y Si 1-xy (x + y ≧ 0.55). 2. The semiconductor device according to item 1, wherein the layer region is made of silicide containing a Ni 3 Si phase as a main component.

(3)前記電界効果トランジスタがPチャネル型トランジスタである2項に記載の半導体装置。   (3) The semiconductor device according to item (2), wherein the field effect transistor is a P-channel transistor.

(4)シリコン基板上に、ゲート絶縁膜とこのゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを有する電界効果トランジスタを備えた半導体装置であって、
前記ゲート絶縁膜が、金属酸化物、金属シリケート、又は窒素が導入された金属酸化物もしくは金属シリケートからなる高誘電率絶縁膜を有し、
前記ゲート電極が、前記高誘電率絶縁膜に接する下層側に設けられた、ニッケル(Ni)と異なる仕事関数をもつ金属Mおよびシリコン(Si)を含み、NixySi1-x-y(0≦x<1,0<y<1,0<x+y<1)で表される組成をもつ第1の層領域と、第1の層領域に接する上層側に設けられた、NizSi1-z(0≦z<1)で表される組成をもつ第2の層領域とを有し、
前記電界効果トランジスタとして、少なくとも第2の層領域の組成が互いに異なるPチャネル型トランジスタ及びNチャネルトランジスタを有し、Pチャネル型トランジスタではx+y≧0.55、z≧0.55を満たし、Nチャネル型トランジスタではx+y<0.55、z<0.55を満たす半導体装置。
(4) A semiconductor device comprising a field effect transistor having a gate insulating film and a gate electrode provided on the gate insulating film on a silicon substrate,
The gate insulating film has a high dielectric constant insulating film made of metal oxide, metal silicate, or metal oxide or metal silicate into which nitrogen is introduced;
The gate electrode, the high dielectric constant provided on the lower side in contact with the insulating film includes a nickel metal M and silicon having a different work function (Ni) (Si), Ni x M y Si 1-xy (0 A first layer region having a composition represented by ≦ x <1, 0 <y <1, 0 <x + y <1), and Ni z Si 1− provided on the upper layer side in contact with the first layer region a second layer region having a composition represented by z (0 ≦ z <1),
The field effect transistor includes a P-channel transistor and an N-channel transistor having at least a second layer region having different compositions, and the P-channel transistor satisfies x + y ≧ 0.55 and z ≧ 0.55, and has an N-channel Type transistor, a semiconductor device satisfying x + y <0.55 and z <0.55.

(5)前記Pチャネル型トランジスタは、そのゲート電極の第2の層領域がNi3Si相を主成分として含むシリサイドからなり、
前記Nチャネル型トランジスタは、そのゲート電極の第2の層領域がNiSi相もしくはNiSi2相を主成分として含むシリサイドからなる4項に記載の半導体装置。
(5) In the P-channel transistor, the second layer region of the gate electrode is made of silicide containing a Ni 3 Si phase as a main component,
5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the second channel region of the gate electrode of the N-channel transistor is made of silicide containing a NiSi phase or a NiSi 2 phase as a main component.

(6)第1の層領域の組成が0<x<1、0<y≦0.5を満たす4項又は5項に記載の半導体装置。   (6) The semiconductor device according to item 4 or 5, wherein the composition of the first layer region satisfies 0 <x <1, 0 <y ≦ 0.5.

(7)前記Pチャネル型トランジスタは、そのゲート電極の第2の層領域がNi3Si相を主成分として含むシリサイドからなり、
前記Nチャネル型トランジスタは、そのゲート電極の第2の層領域がSiを主成分として含み、第1の層領域の組成がx=0、0<y≦0.5を満たす4項に記載の半導体装置。
(7) In the P-channel transistor, the second layer region of the gate electrode is made of silicide containing a Ni 3 Si phase as a main component,
5. The N-channel transistor according to item 4, wherein the second layer region of the gate electrode contains Si as a main component, and the composition of the first layer region satisfies x = 0 and 0 <y ≦ 0.5. Semiconductor device.

(8)前記Pチャネル型トランジスタは、そのゲート電極の第2の層領域がNiSi相を主成分として含むシリサイドからなり、
前記Nチャネル型トランジスタは、そのゲート電極の第2の層領域がSi主成分として含み、第1の層領域の組成がx=0、0<y≦0.5を満たす4項に記載の半導体装置。
(8) In the P-channel transistor, the second layer region of the gate electrode is made of silicide containing a NiSi phase as a main component,
5. The semiconductor according to claim 4, wherein the N-channel transistor includes a second layer region of a gate electrode thereof as a Si main component, and the composition of the first layer region satisfies x = 0 and 0 <y ≦ 0.5. apparatus.

(9)前記Pチャネル型トランジスタの第1の層領域の組成が0<x<1、0<y≦0.5を満たす7項又は8項に記載の半導体装置。   (9) The semiconductor device according to item 7 or 8, wherein the composition of the first layer region of the P-channel transistor satisfies 0 <x <1, 0 <y ≦ 0.5.

(10)第1の層領域の厚みがT1、第2の層領域の厚みがT2で表されるとき、T1<T2である1項から9項のいずれかに記載の半導体装置。   (10) The semiconductor device according to any one of Items 1 to 9, wherein T1 <T2 when the thickness of the first layer region is T1 and the thickness of the second layer region is T2.

(11)第1の層領域の厚みがT1、第2の層領域の厚みがT2で表されるとき、T1<T2、かつ、T1≦5nmである1項から9項のいずれかに記載の半導体装置。   (11) When the thickness of the first layer region is represented by T1 and the thickness of the second layer region is represented by T2, T1 <T2 and T1 ≦ 5 nm, Semiconductor device.

(12)前記金属Mが、融点が1100℃以上の高融点金属シリサイドを形成し得る金属である4項から11項のいずれかに記載の半導体装置。   (12) The semiconductor device according to any one of items 4 to 11, wherein the metal M is a metal capable of forming a refractory metal silicide having a melting point of 1100 ° C. or higher.

(13)前記金属Mが、W、Mo、Ta又はTiである4項から12項のいずれかに記載の半導体装置。   (13) The semiconductor device according to any one of items 4 to 12, wherein the metal M is W, Mo, Ta, or Ti.

(14)前記高誘電率絶縁膜として、HfもしくはZrを含む絶縁膜を有する1項から13項のいずれかに記載の半導体装置。   (14) The semiconductor device according to any one of (1) to (13), wherein the high dielectric constant insulating film includes an insulating film containing Hf or Zr.

(15)前記のHfもしくはZrを含む絶縁膜が、前記ゲート電極と接する部分に設けられている14項に記載の半導体装置。   (15) The semiconductor device according to (14), wherein the insulating film containing Hf or Zr is provided in a portion in contact with the gate electrode.

(16)前記ゲート絶縁膜が、シリコン酸化膜もしくはシリコン酸窒化膜と、HfもしくはZrを含む高誘電率絶縁膜とを含む積層構造を有する1項から15項のいずれかに記載の半導体装置。   (16) The semiconductor device according to any one of (1) to (15), wherein the gate insulating film has a stacked structure including a silicon oxide film or a silicon oxynitride film and a high dielectric constant insulating film containing Hf or Zr.

(17)前記高誘電率絶縁膜としてHfSiON膜を有する1項から16項のいずれかに記載の半導体装置。   (17) The semiconductor device according to any one of items 1 to 16, wherein an HfSiON film is used as the high dielectric constant insulating film.

(18)1項に記載の半導体装置の製造方法であって、
シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に第2の金属M2及びシリコン(Si)を含む金属含有膜を形成し、この金属含有膜上に非結晶シリコン膜もしくは多結晶シリコン膜又はこれらの両方からなるシリコン膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜、前記金属含有膜および前記シリコン膜を含む積層膜を加工してゲートパターンを形成する工程と、
このゲートパターン上に第1の金属M1の膜を形成し、熱処理を行って前記ゲートパターン全体をM1のシリサイドにする工程と、
シリサイド化しなかったM1を除去する工程を有する半導体装置の製造方法。
(18) A method of manufacturing a semiconductor device according to item 1,
Forming a gate insulating film on the silicon substrate;
A metal-containing film containing the second metal M2 and silicon (Si) is formed on the gate insulating film, and an amorphous silicon film, a polycrystalline silicon film, or a silicon film made of both of them is formed on the metal-containing film. And a process of
Forming a gate pattern by processing the gate insulating film, the metal-containing film and the laminated film including the silicon film;
Forming a film of a first metal M1 on the gate pattern and performing a heat treatment to turn the entire gate pattern into a silicide of M1,
A method of manufacturing a semiconductor device, including a step of removing M1 that has not been silicided.

(19)2項に記載の半導体装置の製造方法であって、
シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に第2の金属M2及びシリコン(Si)を含む金属含有膜を形成し、この金属含有膜上に非結晶シリコン膜もしくは多結晶シリコン膜又はこれらの両方からなるシリコン膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜、前記金属含有膜および前記シリコン膜を含む積層膜を加工してゲートパターンを形成する工程と、
このゲートパターン上にニッケル(Ni)膜を形成し、熱処理を行って前記ゲートパターン全体をNiのシリサイドにするシリサイド化工程と、
シリサイド化しなかったNiを除去する工程を含み、
前記シリサイド化工程において、前記ゲート電極の第2の層領域がNi3Si相を主成分とし、第1の層領域の組成がNixM2ySi1-x-y(x+y≧0.55)となるように、前記Ni膜の厚みを設定する半導体装置の製造方法。
(19) A method of manufacturing a semiconductor device according to item 2,
Forming a gate insulating film on the silicon substrate;
A metal-containing film containing the second metal M2 and silicon (Si) is formed on the gate insulating film, and an amorphous silicon film, a polycrystalline silicon film, or a silicon film made of both of them is formed on the metal-containing film. And a process of
Forming a gate pattern by processing the gate insulating film, the metal-containing film and the laminated film including the silicon film;
A silicidation step of forming a nickel (Ni) film on the gate pattern and performing a heat treatment to turn the entire gate pattern into a silicide of Ni;
Removing Ni that has not been silicided,
In the silicidation step, the second layer region of the gate electrode contains Ni 3 Si phase as a main component, and the composition of the first layer region is Ni x M2 y Si 1-xy (x + y ≧ 0.55). Thus, the manufacturing method of the semiconductor device which sets the thickness of the Ni film.

(20)4項に記載の半導体装置の製造方法であって、
シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に金属M及びシリコン(Si)を含む金属含有膜を形成し、この金属含有膜上に非結晶シリコン膜もしくは多結晶シリコン膜又はこれらの両方からなるシリコン膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜、前記金属含有膜および前記シリコン膜を含む積層膜を加工してゲートパターンを形成する工程と、
このゲートパターン上にニッケル(Ni)膜を形成し、熱処理を行って前記ゲートパターン全体をNiのシリサイドにするシリサイド化工程と、
シリサイド化しなかったNiを除去する工程を含み、
前記シリサイド化工程において、Pチャネル型トランジスタのゲート電極の組成とNチャネル型トランジスタのゲート電極の組成が前記の所定の組成になるように、Pチャネル領域上のNi膜の厚みとNチャネル領域上のNi膜の厚みを設定する半導体装置の製造方法。
(20) The method of manufacturing a semiconductor device according to item 4,
Forming a gate insulating film on the silicon substrate;
Forming a metal-containing film containing metal M and silicon (Si) on the gate insulating film, and forming a silicon film made of an amorphous silicon film or a polycrystalline silicon film or both on the metal-containing film; ,
Forming a gate pattern by processing the gate insulating film, the metal-containing film and the laminated film including the silicon film;
A silicidation step of forming a nickel (Ni) film on the gate pattern and performing a heat treatment to turn the entire gate pattern into a silicide of Ni;
Removing Ni that has not been silicided,
In the silicidation step, the thickness of the Ni film on the P-channel region and the N-channel region so that the composition of the gate electrode of the P-channel transistor and the composition of the gate electrode of the N-channel transistor become the predetermined composition. Semiconductor device manufacturing method for setting the thickness of the Ni film.

(21)5項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記シリサイド化工程おいて、Pチャネル領域では、第2の層領域がNi3Si相を主成分とし、第1の層領域の組成がx+y≧0.55を満たすようにNi膜の厚みを設定し、Nチャネル領域では、第2の層領域がNiSi相もしくはNiSi2相を主成分とし、第1の層領域の組成がx+y<0.55を満たすようにNi膜の厚みを設定する20項に記載の半導体装置の製造方法。
(21) A method of manufacturing a semiconductor device according to item 5,
In the silicidation process, in the P channel region, the thickness of the Ni film is set so that the second layer region contains Ni 3 Si phase as a main component and the composition of the first layer region satisfies x + y ≧ 0.55. In the N channel region, the thickness of the Ni film is set so that the second layer region is mainly composed of the NiSi phase or NiSi 2 phase, and the composition of the first layer region satisfies x + y <0.55. The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of.

(22)7項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記シリサイド化工程において、Pチャネル領域では、第2の層領域がNi3Si相を主成分とし、第1の層領域の組成がx+y≧0.55を満たすようにNi膜の厚みを設定し、Nチャネル領域では、第2の層領域がSiを主成分として含み、第1の層領域の組成がx=0、y≦0.5を満たすようにNi膜を設けない20項に記載の半導体装置の製造方法。
(22) A method for manufacturing a semiconductor device according to item 7,
In the silicidation process, in the P channel region, the thickness of the Ni film is set so that the second layer region contains Ni 3 Si phase as a main component and the composition of the first layer region satisfies x + y ≧ 0.55. Item 21. In the N channel region, the second layer region contains Si as a main component, and the Ni layer is not provided so that the composition of the first layer region satisfies x = 0 and y ≦ 0.5. A method for manufacturing a semiconductor device.

(23)8項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記シリサイド化工程において、Pチャネル領域では、第2の層領域がNiSi相を主成分とし、第1の層領域の組成がx+y≧0.55を満たすようにNi膜の厚みを設定し、Nチャネル領域では、第2の層領域がSiを主成分として含み、第1の層領域の組成がx=0、y≦0.5を満たすようにNi膜を設けない20項に記載の半導体装置の製造方法。
(23) A method of manufacturing a semiconductor device according to item 8,
In the silicidation step, in the P channel region, the thickness of the Ni film is set so that the second layer region contains NiSi phase as a main component and the composition of the first layer region satisfies x + y ≧ 0.55, and N 21. The semiconductor device according to 20, wherein in the channel region, the second layer region includes Si as a main component, and the Ni film is not provided so that the composition of the first layer region satisfies x = 0 and y ≦ 0.5. Manufacturing method.

(24)前記Ni膜の厚みtと前記ゲートパターンの積層膜の厚みTとの比をt/T≧1.64とする19項に記載の半導体装置の製造方法。   (24) The method of manufacturing a semiconductor device as described in 19 above, wherein the ratio of the thickness t of the Ni film to the thickness T of the laminated film of the gate pattern is t / T ≧ 1.64.

(25)Pチャネル領域では、前記Ni膜の厚みt1と前記ゲートパターンの積層膜の厚みTとの比をt1/T≧1.64とし、
Nチャネル領域では、前記Ni膜の厚みt2と前記ゲートパターンの積層膜の厚みTとの比を0.28≦t2/T≦0.95とする20項又は21項に記載の半導体装置の製造方法。
(25) In the P channel region, the ratio of the thickness t1 of the Ni film and the thickness T of the stacked film of the gate pattern is t1 / T ≧ 1.64,
Item 22. The semiconductor device manufacturing according to Item 20 or 21, wherein in the N channel region, the ratio of the thickness t2 of the Ni film and the thickness T of the stacked film of the gate pattern is 0.28 ≦ t2 / T ≦ 0.95. Method.

(26)前記シリサイド化工程において、Nチャネル領域およびPチャネル領域上に第1のNi膜を形成した後、Nチャネル領域上にのみ、Niに対して安定な拡散防止膜を形成し、しかる後にPチャネル領域を含む全面に第2のNi膜を形成して、シリサイド化に関与するNi膜の厚みを制御する20項、21項又は25項に記載の半導体装置の製造方法。   (26) In the silicidation step, after forming the first Ni film on the N channel region and the P channel region, forming a diffusion prevention film stable to Ni only on the N channel region, and then 26. The method of manufacturing a semiconductor device according to 20, 20, or 25, wherein a second Ni film is formed on the entire surface including the P channel region, and the thickness of the Ni film involved in silicidation is controlled.

(27)前記シリサイド化工程において、Nチャネル領域上にのみ、Niに対して安定な拡散防止膜を形成し、しかる後にPチャネル領域を含む全面にNi膜を形成する22項又は23項に記載の半導体装置の製造方法。   (27) In the above silicidation step, a diffusion prevention film stable to Ni is formed only on the N channel region, and then a Ni film is formed on the entire surface including the P channel region. Semiconductor device manufacturing method.

(28)前記拡散防止膜が、Niシリサイドに対して選択的にエッチングできる材料からなる26項又は27項に記載の半導体装置の製造方法。   (28) The method for manufacturing a semiconductor device according to item 26 or 27, wherein the diffusion prevention film is made of a material that can be selectively etched with respect to Ni silicide.

(29)前記拡散防止膜がTiNもしくはTaNを主成分とする材料からなる26項、27項又は28項に記載の半導体装置の製造方法。   (29) The method for manufacturing a semiconductor device according to item 26, 27 or 28, wherein the diffusion prevention film is made of a material mainly containing TiN or TaN.

(30)前記シリサイド化工程の熱処理温度が、前記トランジスタの拡散領域に形成されている金属シリサイドの抵抗値を増大させない温度である18項から29項のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   (30) The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of items 18 to 29, wherein the heat treatment temperature in the silicidation step is a temperature that does not increase a resistance value of the metal silicide formed in the diffusion region of the transistor.

本発明によれば、高誘電率絶縁膜上に金属シリサイドからなるゲート電極を設けた電界効果トランジスタ構造において、広い実効仕事案数制御幅を得ることができるとともに、実効仕事関数の値の微調整が可能になる。これにより、所望のしきい値に設定された半導体装置を提供することができる。   According to the present invention, in a field effect transistor structure in which a gate electrode made of metal silicide is provided on a high dielectric constant insulating film, a wide effective work number control range can be obtained, and fine adjustment of an effective work function value can be obtained. Is possible. Thereby, a semiconductor device set to a desired threshold value can be provided.

より具体的には、高誘電率ゲート絶縁膜(例えばHfSiON膜)を用い、このゲート絶縁膜と接するゲート電極の下層側に、実効仕事関数調整用金属M2(例えばW)を含むシリサイド層領域を形成し、この上に金属M1のシリサイド層を設けた構造において、(1)M1とM2の組み合わせ、(2)M2を含むシリサイド層領域の組成比、(3)M2を含むシリサイド層領域の厚さ、の3つパラメータを調整することによって、シリサイドゲート電極の実効仕事関数を制御できる。   More specifically, a high dielectric constant gate insulating film (for example, HfSiON film) is used, and a silicide layer region including an effective work function adjusting metal M2 (for example, W) is formed on the lower layer side of the gate electrode in contact with the gate insulating film. In the structure in which the silicide layer of the metal M1 is formed, (1) the combination of M1 and M2, (2) the composition ratio of the silicide layer region including M2, and (3) the thickness of the silicide layer region including M2 The effective work function of the silicide gate electrode can be controlled by adjusting these three parameters.

この結果、従来プロセスと整合が高く、製造が容易であり、且つ、高性能で信頼性に優れた、メタルゲート電極および高誘電率ゲート絶縁膜を備えたデバイスを提供することができる。   As a result, it is possible to provide a device having a metal gate electrode and a high dielectric constant gate insulating film that is highly consistent with conventional processes, easy to manufacture, and has high performance and excellent reliability.

以下に本発明の実施の形態を図面に用いて説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明の主な特徴は、ゲート絶縁膜上に金属シリサイドゲート電極が形成された電界効果トランジスタ構造において、ゲート絶縁膜と金属M1のシリサイドからなるシリサイド電極層との間に、Siと金属M1と実効仕事関数調整用金属M2とを含む3元系シリサイドからなるシリサイド層領域(以下、適宜「調整用シリサイド層」という)を有していることにある。この調整用シリサイド層は、ゲート絶縁膜および上層側のシリサイド電極層に接して設けられている。このような構造によって、従来のシリサイド技術による効果が得られるとともに、所望の実効仕事関数に設定されたトランジスタを提供できる。特に、ゲート絶縁膜に高誘電率絶縁膜を用い、シリサイド金属M1としてニッケル(Ni)を用いることにより、結晶層の形成を利用して自己整合的に組成が制御可能なシリサイド技術(いわゆる相制御フルシリサイド技術)によって得られる実効仕事関数の安定性を確保しながら、所望の実効仕事関数に設定された、高性能で信頼性に優れたトランジスタを提供できる。   The main feature of the present invention is that, in a field effect transistor structure in which a metal silicide gate electrode is formed on a gate insulating film, Si and a metal M1 are interposed between the gate insulating film and a silicide electrode layer made of a silicide of the metal M1. It has a silicide layer region (hereinafter referred to as “adjustment silicide layer” as appropriate) made of ternary silicide including the effective work function adjustment metal M2. The adjustment silicide layer is provided in contact with the gate insulating film and the upper silicide electrode layer. With such a structure, the effect of the conventional silicide technology can be obtained, and a transistor set to a desired effective work function can be provided. In particular, by using a high dielectric constant insulating film as the gate insulating film and using nickel (Ni) as the silicide metal M1, silicide technology (so-called phase control) that can control the composition in a self-aligned manner by using the formation of a crystal layer. It is possible to provide a high-performance and highly reliable transistor set to a desired effective work function while ensuring the stability of the effective work function obtained by the full silicide technology.

図1は、本発明の半導体装置の実施形態を示す断面図である。図中の符号は、それぞれ、1がシリコン基板、2が素子分離領域、3aがSiO2膜、3bがHfSiON膜、4がエクステンション拡散領域、5がソース・ドレイン拡散領域、6がシリサイド層、7がゲート側壁、8がシリサイド電極層、9が層間絶縁膜、10が調整用シリサイド層を示す。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a semiconductor device of the present invention. In the figure, reference numerals are 1 for a silicon substrate, 2 for an element isolation region, 3a for a SiO 2 film, 3b for a HfSiON film, 4 for an extension diffusion region, 5 for a source / drain diffusion region, 6 for a silicide layer, 7 Denotes a gate sidewall, 8 denotes a silicide electrode layer, 9 denotes an interlayer insulating film, and 10 denotes an adjustment silicide layer.

本実施形態においては、図1示すように、トランジスタのチャネル領域のシリコン基板1上にSiO2膜3a及びHfSiON膜3bからなるゲート絶縁膜が形成され、その上にシリサイド電極層8及び調整用シリサイド層10からなるゲート電極が形成されている。 In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a gate insulating film composed of an SiO 2 film 3a and an HfSiON film 3b is formed on a silicon substrate 1 in a channel region of a transistor, and a silicide electrode layer 8 and an adjustment silicide are formed thereon. A gate electrode made of the layer 10 is formed.

このゲート電極は、2層構造を有し、ゲート電極上層部は、相制御フルシリサイド技術により結晶相が制御された金属シリサイド層8からなり、ゲート絶縁膜に接するゲート電極下層部は、ゲート電極上層部を構成するシリサイド金属と同種の金属と、実効仕事関数調整用金属と、Siを含む3元系の調整用シリサイド層10からなる。   This gate electrode has a two-layer structure, and the upper layer portion of the gate electrode is composed of a metal silicide layer 8 whose crystal phase is controlled by the phase-controlled full silicide technique. The lower layer portion of the gate electrode in contact with the gate insulating film is the gate electrode. It comprises a metal of the same type as the silicide metal constituting the upper layer portion, an effective work function adjusting metal, and a ternary adjusting silicide layer 10 containing Si.

このようなゲート積層構造を用いる場合、ゲート絶縁膜として、高誘電率材料を用いること、すなわち、ゲート絶縁膜を高誘電率材料で形成する技術と、ゲート電極の相制御フルシリサイド技術とを組み合わせて使用する。相制御フルシリサイド技術は、ゲート絶縁膜に高誘電率材料を用いることで実効仕事関数をより広い範囲で制御できるためである(非特許文献4を参照)。   When such a gate stacked structure is used, a high dielectric constant material is used as the gate insulating film, that is, a technique of forming the gate insulating film with a high dielectric constant material and a phase-controlled full silicide technique of the gate electrode. To use. This is because the phase control full silicide technology can control the effective work function in a wider range by using a high dielectric constant material for the gate insulating film (see Non-Patent Document 4).

本発明においてゲート絶縁膜に用いられる高誘電率材料は、SiO2の比誘電率(3.6)より大きな比誘電率をもつ材料であり、金属酸化物、金属シリケート、窒素が導入された金属酸化物、窒素が導入された金属シリケートが挙げられる。結晶化が抑えられ、信頼性が向上する点から、窒素が導入された高誘電率材料が好ましい。高誘電率材料中の金属としては、膜の耐熱性および膜中の固定電荷抑制の観点から、HfまたはZrが好ましい。このような高誘電体率材料としては、Hf又はZrとSiとを含む金属酸化物、この金属酸化物にさらに窒素を含む金属酸窒化物が好ましく、HfSiO、HfSiONがより好ましく、HfSiONがさらに好ましい。 The high dielectric constant material used for the gate insulating film in the present invention is a material having a relative dielectric constant larger than that of SiO 2 (3.6), and is a metal in which metal oxide, metal silicate, and nitrogen are introduced. Examples thereof include metal silicates into which oxides and nitrogen are introduced. A high dielectric constant material into which nitrogen is introduced is preferable in that crystallization is suppressed and reliability is improved. The metal in the high dielectric constant material is preferably Hf or Zr from the viewpoint of heat resistance of the film and suppression of fixed charges in the film. As such a high dielectric constant material, a metal oxide containing Hf or Zr and Si, a metal oxynitride further containing nitrogen in the metal oxide is preferable, HfSiO, HfSiON is more preferable, and HfSiON is more preferable. .

本発明におけるゲート絶縁膜は、高誘電率材料からなる絶縁膜(高誘電率絶縁膜)を含むものであり、高誘電率絶縁膜単独、あるいはシリコン酸化膜もしくはシリコン酸窒化膜とその上に積層された高誘電率絶縁膜とを含む積層膜を用いることができる。   The gate insulating film in the present invention includes an insulating film (high dielectric constant insulating film) made of a high dielectric constant material, and is laminated on the high dielectric constant insulating film alone, or a silicon oxide film or a silicon oxynitride film. A laminated film including the high dielectric constant insulating film formed can be used.

高誘電率絶縁膜は、ゲート電極と接するように設けられることが好ましい。ゲート電極とこれに接する高誘電率絶縁膜との組み合わせにより、トランジスタのしきい値電圧を制御できる。このとき、シリコン基板とゲート絶縁膜との界面の界面準位を減らし、高誘電率絶縁膜中の固定電荷の影響をより小さくするため、高誘電率絶縁膜とシリコン基板界面にシリコン酸化膜もしくはシリコン酸窒化膜を設けてもよい。   The high dielectric constant insulating film is preferably provided so as to be in contact with the gate electrode. The threshold voltage of the transistor can be controlled by a combination of the gate electrode and the high dielectric constant insulating film in contact with the gate electrode. At this time, in order to reduce the interface state at the interface between the silicon substrate and the gate insulating film and to reduce the influence of the fixed charge in the high dielectric constant insulating film, a silicon oxide film or A silicon oxynitride film may be provided.

また高誘電率絶縁膜は、膜中の金属元素Mi(例えばHf)とSiとのモル比(原子数比)Mi/(Mi+Si)が0.3以上0.7以下であることが好ましい。この比が0.3以上であるとデバイス動作時に高誘電率絶縁膜中を流れるリーク電流を効果的に抑えることができ、消費電力をより十分に低減することができる。一方、この比が0.7以下であると、高誘電率絶縁膜の耐熱性を確保でき、デバイスの製造プロセス中における高誘電率絶縁膜の結晶化が抑えられ、ゲート絶縁膜としての性能劣化を抑えることができる。   The high dielectric constant insulating film preferably has a molar ratio (atomic ratio) Mi / (Mi + Si) between a metal element Mi (for example, Hf) and Si in the film of 0.3 to 0.7. When this ratio is 0.3 or more, the leakage current flowing in the high dielectric constant insulating film during device operation can be effectively suppressed, and the power consumption can be more sufficiently reduced. On the other hand, when this ratio is 0.7 or less, the heat resistance of the high dielectric constant insulating film can be secured, the crystallization of the high dielectric constant insulating film during the device manufacturing process can be suppressed, and the performance as a gate insulating film is deteriorated. Can be suppressed.

ゲート電極を構成するシリサイド金属は、サリサイド技術によりシリサイドを形成する金属を用いることができ、例えば、Ni、Ta、Pt、Co、Ti、Hf、V、Cr、Zr、Nbが挙げられる。これらの中でもNiが好ましい。Niは、比較的低温(350〜500℃の範囲)で、ゲート電極全体を完全にシリサイド化できる。そのため、ソース・ドレイン拡散領域のコンタクト領域に形成されている金属シリサイドの抵抗値の増大を抑えることができる。また、Niは、このような温度範囲で、Siの濃度が高い結晶相とNiの濃度が高い結晶相の両方を形成できる。さらに、ゲート電極を形成するためのシリコンのシリサイド化において自己整合的に電極のNiSi組成が決定され、その組成が安定し、プロセスのバラツキを抑えることができる。   As the silicide metal constituting the gate electrode, a metal that forms silicide by the salicide technique can be used, and examples thereof include Ni, Ta, Pt, Co, Ti, Hf, V, Cr, Zr, and Nb. Among these, Ni is preferable. Ni can fully silicide the entire gate electrode at a relatively low temperature (in the range of 350 to 500 ° C.). Therefore, an increase in the resistance value of the metal silicide formed in the contact region of the source / drain diffusion region can be suppressed. Further, Ni can form both a crystal phase having a high Si concentration and a crystal phase having a high Ni concentration within such a temperature range. Furthermore, in the silicidation of silicon for forming the gate electrode, the NiSi composition of the electrode is determined in a self-aligning manner, the composition becomes stable, and process variations can be suppressed.

ゲート絶縁膜と接するゲート電極下層側に設けられた調整用シリサイド層は、ゲート電極の実効仕事関数を調整するために、実効仕事関数調整用金属を含有する。この実効仕事関数調整用金属は、ゲート電極の実効仕事関数を伝導帯方向へシフトさせたい場合は、フルシリサイド化に用いた金属(例えばNi)よりも小さい仕事関数を持つ金属を採用する。一方、価電子帯方向へシフトさせたい場合は、フルシリサイド化に用いた金属(例えばNi)よりも大きい仕事関数を持つ金属を採用する。シリサイドの仕事関数はシリサイドに含まれる金属の仕事関数に依存し、2種類のシリサイド金属とSiを含む3元系シリサイドの仕事関数は2種の金属の混合比に依存するため、この依存性に基づいて金属を選択することができる。例えば、ゲート電極の実効仕事関数を伝導帯方向へシフトさせる実効仕事関数調整用金属としてはTa、Ti、Hf、Zr、W、Vなどが挙げられる。一方、ゲート電極の実効仕事関数を価電子帯方向へシフトさせる仕事関数調整用金属としてはPt、Co、Mo、Ni、Pd、Ru、Ir、Reなどが挙げられる。   The adjustment silicide layer provided on the lower side of the gate electrode in contact with the gate insulating film contains an effective work function adjusting metal in order to adjust the effective work function of the gate electrode. As the effective work function adjusting metal, when the effective work function of the gate electrode is desired to be shifted in the conduction band direction, a metal having a work function smaller than a metal (for example, Ni) used for full silicidation is adopted. On the other hand, when it is desired to shift in the valence band direction, a metal having a work function larger than that of the metal used for full silicidation (for example, Ni) is employed. The work function of the silicide depends on the work function of the metal contained in the silicide, and the work function of the ternary silicide containing two kinds of silicide metals and Si depends on the mixing ratio of the two kinds of metals. The metal can be selected on the basis. For example, the effective work function adjusting metal that shifts the effective work function of the gate electrode in the conduction band direction includes Ta, Ti, Hf, Zr, W, V, and the like. On the other hand, examples of the work function adjusting metal that shifts the effective work function of the gate electrode in the valence band direction include Pt, Co, Mo, Ni, Pd, Ru, Ir, and Re.

また、この調整用シリサイド層は、その上に設けられるシリサイド層の融点より高い融点を持つ金属シリサイド層からなることが好ましく、融点が1100℃以上の金属シリサイドからなることがより好ましい。この調整用シリサイド層上に設けられるシリサイド層の形成時において実効仕事関数調整用金属の拡散が抑えられ、所望の調整用シリサイド層を容易に形成することができる。このような金属シリサイド層を形成する金属としては、W、Mo、Ta、Tiを好適に用いることができる。   The adjustment silicide layer is preferably made of a metal silicide layer having a melting point higher than that of the silicide layer provided thereon, and more preferably made of metal silicide having a melting point of 1100 ° C. or higher. When the silicide layer provided on the adjustment silicide layer is formed, diffusion of the effective work function adjustment metal is suppressed, and a desired adjustment silicide layer can be easily formed. As a metal for forming such a metal silicide layer, W, Mo, Ta, and Ti can be suitably used.

調整用シリサイド層を構成する3元系シリサイドの組成は、実効仕事関数調整用金属の割合が10モル%(原子%)以上が好ましく、20モル%以上がより好ましく、30モル%以上が特に好ましい。この範囲にあると、製造プロセスの過程で実効仕事関数調整用金属を含む3元系シリサイドが相分離を起こしにくく組成が均一になり、結果、トランジスタのしきい値Vthのばらつきが抑えられる。一方、実効仕事関数調整用金属の割合は、50モル%(原子%)以下が好ましく、40モル%以下がより好ましく、35モル%以下が特に好ましい。この範囲にあると、3元系シリサイドに占めるフルシリサイド化金属(例えばNi)の組成が十分に維持され、実効仕事関数の制御幅を十分に確保できる。   In the composition of the ternary silicide constituting the adjustment silicide layer, the ratio of the effective work function adjustment metal is preferably 10 mol% (atomic%) or more, more preferably 20 mol% or more, and particularly preferably 30 mol% or more. . Within this range, the ternary silicide containing the effective work function adjusting metal is less likely to cause phase separation during the manufacturing process, resulting in a uniform composition, and as a result, variations in the threshold voltage Vth of the transistor can be suppressed. On the other hand, the proportion of the effective work function adjusting metal is preferably 50 mol% (atomic%) or less, more preferably 40 mol% or less, and particularly preferably 35 mol% or less. Within this range, the composition of the fully silicided metal (eg, Ni) in the ternary silicide is sufficiently maintained, and a sufficient control width of the effective work function can be secured.

調整用シリサイド層に好適な、ニッケルと実効仕事関数調整用金属Mとシリコンからなるシリサイドは、P型MOSFETにおいては、NixySi1-x-y(0≦x<1,0<y<1,0<x+y<1)で表される組成を有し、x+y≧0.55を満たすことが好ましく、x+y>0.6を満たすことがより好ましく、x+y>0.7を満たすことが特に好ましい。一方、N型MOSFETにおいては、NixySi1-x-y(0≦x<1,0<y<1,0<x+y<1)で表される組成を有し、x+y<0.55を満たすことが好ましい。P型MOSFET及びN型MOSFETにおいて、実効仕事関数調整用金属Mの原子数比yは、上記の通り、y≧0.1が好ましく、y≧0.2がより好ましく、y≧0.3が特に好ましく、一方、y≦0.5が好ましく、y≦0.4がより好ましく、y≦0.35が特に好ましい。 Suitable adjusting silicide layer, a silicide made of nickel and the effective work function adjusting metal M and silicon in the P-type MOSFET, Ni x M y Si 1 -xy (0 ≦ x <1,0 <y <1 , 0 <x + y <1), preferably satisfies x + y ≧ 0.55, more preferably satisfies x + y> 0.6, and particularly preferably satisfies x + y> 0.7. . On the other hand, in the N-type MOSFET, a Ni x M y Si 1-xy has a composition represented by (0 ≦ x <1,0 <y <1,0 <x + y <1), x + y <0.55 It is preferable to satisfy. In the P-type MOSFET and the N-type MOSFET, the atomic ratio y of the effective work function adjusting metal M is preferably y ≧ 0.1, more preferably y ≧ 0.2, and y ≧ 0.3 as described above. Particularly preferred, y ≦ 0.5 is preferred, y ≦ 0.4 is more preferred, and y ≦ 0.35 is particularly preferred.

調整用シリサイド層の厚さは5nm以下であることが好ましく、3nm以下であることがより好ましい。この調整用シリサイド層の厚さは、実効仕事関数調整用金属を含む領域の厚み方向(基板に垂直方向)の長さである(調整用シリサイド層とゲート絶縁膜との界面を基点とする)。金属−半導体界面あるいは金属−金属界面においては、相互に波動関数の染みだしが起る。この染みだし量は、界面からの距離に比例して指数関数的に減衰し、界面におけるラフネスの影響を考慮すると、ほぼ5nm程度で無視できるレベルにまで減衰する。したがって、調整用シリサイド層の厚さが5nm以下になると、電極上部の波動関数の染み出し効果によりゲート電極の実効仕事関数変調効果が現れ、この染みだし量を変化させることで、ゲート電極の実効仕事関数の制御が可能になる。この調整用シリサイド層の厚さが3nm以下であれば、シリサイド電極上部からの波動関数の染みだし効果が十分に得られる。また、この調整用シリサイド層の厚さが3nm以下であれば、ゲート電極の加工におけるドライエッチングの負担が軽減できる。厚さの均一性および十分な効果を得る点から、この調整用シリサイド層の厚さは1nm以上であることが好ましく、2nm以上であることがより好ましい。   The thickness of the adjusting silicide layer is preferably 5 nm or less, and more preferably 3 nm or less. The thickness of the adjustment silicide layer is the length of the region including the effective work function adjustment metal in the thickness direction (perpendicular to the substrate) (based on the interface between the adjustment silicide layer and the gate insulating film). . At the metal-semiconductor interface or metal-metal interface, the oozing of the wave function occurs. This amount of oozing out attenuates exponentially in proportion to the distance from the interface, and takes into account a negligible level at about 5 nm, considering the influence of roughness at the interface. Therefore, when the thickness of the adjusting silicide layer is 5 nm or less, the effective work function modulation effect of the gate electrode appears due to the oozing out effect of the wave function on the upper part of the electrode, and the effective amount of the gate electrode is changed by changing the oozing amount. The work function can be controlled. If the thickness of the adjusting silicide layer is 3 nm or less, the effect of seeing out the wave function from the upper part of the silicide electrode can be sufficiently obtained. If the thickness of the adjusting silicide layer is 3 nm or less, the burden of dry etching in the processing of the gate electrode can be reduced. The thickness of the adjusting silicide layer is preferably 1 nm or more, and more preferably 2 nm or more from the viewpoint of obtaining uniformity of thickness and sufficient effects.

調整用シリサイド層上のシリサイド電極層に好適なニッケルシリサイドは、P型MOSFETにおいては、NizSi1-z(0.55≦z<1)で表される組成を持つことが好ましく、さらに0.6<z<0.8を満たすことがより好ましく、0.7<z<0.8を満たすことが特に好ましい。一方、N型MOSFETでは、NizSi1-z(0<z<0.55)で表される組成を持つことが好ましく、さらに、0.3<z<0.55を満たすことがより好ましく、0.3<z<0.35若しくは0.45<z<0.55を満たすことが特に好ましい。すなわち、P型MOSFETのシリサイド電極層は、Ni3Si相を主成分として含むシリサイドからなることが好ましく、N型MOSFETのシリサイド電極層は、NiSi相もしくはNiSi2相を主成分として含むシリサイドからなることが好ましい。ニッケルシリサイドの結晶相は、主として、NiSi2、NiSi、Ni3Si2、Ni2Si、Ni3Siに分類され、これらの混合物も形成可能である。 The nickel silicide suitable for the silicide electrode layer on the adjustment silicide layer preferably has a composition represented by Ni z Si 1-z (0.55 ≦ z <1) in the P-type MOSFET, and further 0 More preferably, 0.6 <z <0.8 is satisfied, and 0.7 <z <0.8 is particularly preferable. On the other hand, the N-type MOSFET preferably has a composition represented by Ni z Si 1-z (0 <z <0.55), and more preferably satisfies 0.3 <z <0.55. It is particularly preferable that 0.3 <z <0.35 or 0.45 <z <0.55 is satisfied. That is, the silicide electrode layer of the P-type MOSFET is preferably made of silicide containing a Ni 3 Si phase as a main component, and the silicide electrode layer of the N-type MOSFET is made of silicide containing a NiSi phase or a NiSi 2 phase as a main component. It is preferable. The crystalline phase of nickel silicide is mainly classified into NiSi 2 , NiSi, Ni 3 Si 2 , Ni 2 Si, and Ni 3 Si, and a mixture thereof can also be formed.

なお、本明細書において「高誘電率」(High−k)とは、一般にゲート絶縁膜として従来用いられていた二酸化ケイ素(SiO2)からなる絶縁膜と区別する意味において用いられるものであり、二酸化ケイ素の誘電率よりも概して誘電率が高いことを意味し、その具体的数値等は特に限定されるものではない。 In this specification, “high dielectric constant” (High-k) is generally used to distinguish from an insulating film made of silicon dioxide (SiO 2 ), which has been conventionally used as a gate insulating film. This means that the dielectric constant is generally higher than that of silicon dioxide, and the specific numerical values are not particularly limited.

また、本明細書において、ゲート電極の「実効仕事関数」とは、一般にゲート絶縁膜とゲート電極とのCV測定によるフラットバンドより求められるものであり、ゲート電極本来の仕事関数の他に、絶縁膜中の固定電荷、界面に形成される双極子、フェルミレベルピンニング等の影響を受ける。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。   In this specification, the “effective work function” of the gate electrode is generally obtained from a flat band obtained by CV measurement between the gate insulating film and the gate electrode. It is affected by fixed charges in the film, dipoles formed at the interface, and Fermi level pinning. It is distinguished from the original “work function” of the material constituting the gate electrode.

以下、本発明の実施形態について、図面を用いてさらに説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be further described with reference to the drawings.

図4a〜図4jは、本発明に係るMOSFETの製造方法の実施形態を示す工程断面図である。   4a to 4j are process cross-sectional views illustrating an embodiment of a method for manufacturing a MOSFET according to the present invention.

まず、図4aに示すように、シリコン基板1の表面領域にSTI(Shallow Trench Isolation)技術を用いて素子分離領域2を形成した。   First, as shown in FIG. 4a, an element isolation region 2 was formed on the surface region of the silicon substrate 1 by using STI (Shallow Trench Isolation) technology.

続いて、素子分離されたシリコン基板表面にゲート絶縁膜3(SiO2膜3a及びHfSiON膜3b)を形成した。本実施形態のゲート絶縁膜は、ゲート絶縁膜中のHf濃度が深さ方向(基板に垂直方向)で変化していて、ゲート電極とゲート絶縁膜との界面付近におけるHfの濃度が最も高く、シリコン基板側へ向かって濃度が低くなり、HfSiON膜中の平均Hfモル比(原子数比)Hf/(Hf+Si)が0.5であるHfSiON膜3bの領域と、シリコン基板とゲート絶縁膜との界面付近のシリコン熱酸化膜(SiO2膜3a)の領域から形成されている。このようなゲート絶縁膜は次のようにして形成した。まず、厚み1.9nmのシリコン熱酸化膜を形成し、次いで厚み0.5nmのハフニウム(Hf)膜をロングスロースパッタ法で堆積した。次に、酸素中で500℃1分、続いて窒素中で800℃30秒の2段階の熱処理を行って、シリコン基板に接する領域にSiO2膜3aが残るように、Hfを下地のシリコン熱酸化膜中へ固相拡散させることによりHfSiO膜を形成した。その後、NH3雰囲気中900℃10分の窒化アニールを行ってHfSiON膜3bを得た。 Subsequently, a gate insulating film 3 (SiO 2 film 3a and HfSiON film 3b) was formed on the surface of the silicon substrate where the elements were separated. In the gate insulating film of this embodiment, the Hf concentration in the gate insulating film varies in the depth direction (perpendicular to the substrate), and the Hf concentration in the vicinity of the interface between the gate electrode and the gate insulating film is the highest. The concentration decreases toward the silicon substrate side, and the region of the HfSiON film 3b in which the average Hf molar ratio (atomic ratio) Hf / (Hf + Si) in the HfSiON film is 0.5, and the silicon substrate and the gate insulating film It is formed from a region of a silicon thermal oxide film (SiO 2 film 3a) near the interface. Such a gate insulating film was formed as follows. First, a 1.9 nm thick silicon thermal oxide film was formed, and then a 0.5 nm thick hafnium (Hf) film was deposited by a long throw sputtering method. Next, a two-step heat treatment is performed in oxygen at 500 ° C. for 1 minute and then in nitrogen at 800 ° C. for 30 seconds, so that the SiO 2 film 3a remains in a region in contact with the silicon substrate. An HfSiO film was formed by solid-phase diffusion into the oxide film. Thereafter, nitridation annealing was performed in an NH 3 atmosphere at 900 ° C. for 10 minutes to obtain an HfSiON film 3b.

次に、このHfSiON膜3b上に、タングステンシリサイド層(Wシリサイド層)10をCVD(Chemical Vapor Deposition)法よって堆積した。このWシリサイド層10は融点が1100℃以上であり、その厚さは3nmとした。また、このWシリサイド層中のタングステン(W)の含有量は、モル比(原子数比)W/Si=1/2とした。本実施形態で採用したタングステンは、ゲート電極の実効仕事関数を伝導帯方向へシフトさせることができる。   Next, a tungsten silicide layer (W silicide layer) 10 was deposited on the HfSiON film 3b by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The W silicide layer 10 has a melting point of 1100 ° C. or higher and a thickness of 3 nm. Further, the tungsten (W) content in the W silicide layer was set to a molar ratio (atomic ratio) W / Si = 1/2. Tungsten employed in this embodiment can shift the effective work function of the gate electrode in the conduction band direction.

次に、Wシリサイド層10上にスパッタ法を用いてSi膜13を10nm堆積し、次いで厚さ80nmの多結晶シリコン膜(poly−Si膜)14と厚さ10nmのシリコン酸化膜15を形成した。   Next, a Si film 13 having a thickness of 10 nm is deposited on the W silicide layer 10 by sputtering, and then a polycrystalline silicon film (poly-Si film) 14 having a thickness of 80 nm and a silicon oxide film 15 having a thickness of 10 nm are formed. .

次に、図4bに示すように、シリコン基板上の積層膜を、リソグラフィー技術およびRIE(Reactive Ion Etching)技術を用いてゲート電極パターンに加工した。続いて、ゲート電極パターンをマスクとしてイオン注入を行い、エクステンション拡散領域4を自己整合的に形成した。   Next, as shown in FIG. 4B, the laminated film on the silicon substrate was processed into a gate electrode pattern by using a lithography technique and an RIE (Reactive Ion Etching) technique. Subsequently, ion implantation was performed using the gate electrode pattern as a mask to form the extension diffusion region 4 in a self-aligning manner.

次に、図4cに示すように、シリコン酸化膜を堆積し、その後エッチバックすることによってゲート側壁7を形成した。次いで、再度イオン注入を行い、その後に活性化アニールを行ってソース・ドレイン拡散領域5を形成した。   Next, as shown in FIG. 4c, a silicon oxide film was deposited and then etched back to form gate sidewalls 7. Next, ion implantation was performed again, and then activation annealing was performed to form the source / drain diffusion regions 5.

次に、図4dに示すように、厚さ20nmの金属膜23をスパッタにより全面に堆積した。次いで、図4eに示すように、サリサイド技術により、ゲート電極、ゲート側壁膜および素子分離領域をマスクとして、ソース・ドレイン拡散領域のみに厚さ約40nmのシリサイド層6を形成した。本実施形態では、このシリサイド層6として、コンタクト抵抗を最も低くすることができるNiモノシリサイド(NiSi)層を形成した。このNiモノシリサイド層の代わりにCoシリサイド層やTiシリサイド層を形成してもよい。   Next, as shown in FIG. 4d, a 20 nm thick metal film 23 was deposited on the entire surface by sputtering. Next, as shown in FIG. 4e, a silicide layer 6 having a thickness of about 40 nm was formed only in the source / drain diffusion region by the salicide technique using the gate electrode, the gate sidewall film and the element isolation region as a mask. In the present embodiment, a Ni monosilicide (NiSi) layer that can have the lowest contact resistance is formed as the silicide layer 6. A Co silicide layer or a Ti silicide layer may be formed instead of the Ni monosilicide layer.

次に、図4fに示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition)法によってシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜9を形成した。次いで、この層間絶縁膜9をCMP(Chemical Mechanical Polishing)技術によってその表面を平坦化し、続いて図4gに示すように、層間絶縁膜のエッチバックを行うことでゲート電極パターンのpoly−Si膜14を露出させた。   Next, as shown in FIG. 4f, an interlayer insulating film 9 made of a silicon oxide film was formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Next, the surface of the interlayer insulating film 9 is flattened by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) technique, and subsequently, as shown in FIG. 4G, the interlayer insulating film is etched back to form a poly-Si film 14 having a gate electrode pattern. Was exposed.

次に、図4hに示すように、ゲート電極パターンのpoly−Si膜14をシリサイド化するための第1金属膜16(Ni膜)を形成した。この第1金属膜16の形成は、DCマグネトロンスパッタ法により室温で行い、厚みを55nmとした。ニッケル(Ni)は500℃以下でシリサイド化できるため、ソース・ドレイン拡散領域5にすでに形成されているシリサイド層6(NiSi層)の抵抗値がそれ以上高くならない温度でpoly−Si膜14を完全にシリサイド化できる。   Next, as shown in FIG. 4h, a first metal film 16 (Ni film) for siliciding the poly-Si film 14 of the gate electrode pattern was formed. The first metal film 16 was formed at room temperature by DC magnetron sputtering and the thickness was 55 nm. Since nickel (Ni) can be silicided at 500 ° C. or lower, the poly-Si film 14 is completely formed at a temperature at which the resistance value of the silicide layer 6 (NiSi layer) already formed in the source / drain diffusion region 5 does not increase any more. Can be silicided.

この工程でのNi膜(第1金属膜16)の膜厚は、Niとゲート電極パターン上部(poly−Si膜14)に含まれるSiとゲート電極パターン下部(Wシリサイド層10)に含まれるSiとが十分に反応してシリサイド化した時に、前記ゲート電極下部の組成がNixySi1-x-y(x+y<0.55)となり、前記ゲート電極上部の組成がNizSi1-z(z<0.55)となるような膜厚に設定することが好ましい。より好ましくは、前記ゲート電極下部の組成がNixySi1-x-y(x+y<0.55)となり、前記ゲート電極上部がNiSi相もしくはNiSi2相を主成分として含むような膜厚に設定する。 The thickness of the Ni film (first metal film 16) in this step is as follows: Ni, Si contained in the upper part of the gate electrode pattern (poly-Si film 14), and Si contained in the lower part of the gate electrode pattern (W silicide layer 10). And the composition of the lower part of the gate electrode becomes Ni x W y Si 1-xy (x + y <0.55), and the composition of the upper part of the gate electrode becomes Ni z Si 1-z ( It is preferable to set the film thickness such that z <0.55). More preferably, the composition under the gate electrode is Ni x W y Si 1-xy (x + y <0.55), and the film thickness is set such that the upper part of the gate electrode contains a NiSi phase or a NiSi 2 phase as a main component. To do.

次に、Niの拡散を防止するための拡散防止層17(TiN膜)を全面に形成した。この拡散防止層の形成は、反応性スパッタ法により300℃で行い、厚みを20nmとした。拡散防止層17は、ゲート電極パターン全体のSiをシリサイド化する熱処理工程において、シリサイド化用の金属の拡散を防止でき、かつ自身が安定である材料からなるものを用いる。さらに、この拡散防止層17が、素子製造の簡便性から、シリサイド化用の金属および層間絶縁膜に対して選択的にエッチングできる材料からなることが好ましい。   Next, a diffusion prevention layer 17 (TiN film) for preventing Ni diffusion was formed on the entire surface. The diffusion prevention layer was formed by reactive sputtering at 300 ° C. and the thickness was 20 nm. The diffusion prevention layer 17 is made of a material that can prevent diffusion of the metal for silicidation and is stable in the heat treatment step for siliciding Si of the entire gate electrode pattern. Further, it is preferable that the diffusion prevention layer 17 is made of a material that can be selectively etched with respect to the metal for silicidation and the interlayer insulating film, from the standpoint of manufacturing the element.

次に、図4iに示すように、リソグラフィー技術とRIE技術を用いて拡散防止層17(TiN膜)をパターニングし、P型MOSFET領域における第1金属膜16(Ni膜)上の拡散防止層17(TiN膜)のみ除去した。その後、第1金属膜16と同種の第2金属膜22(Ni膜)を全面に形成した。この第2金属膜22(Ni膜)の形成は、DCマグネトロンスパッタ法により室温で行い、厚みを100nmとした。したがって、P型MOSFET領域におけるゲート絶縁膜上では合計155nmの厚みのNi膜がシリサイド化反応に関与するのに対し、N型MOSFET領域におけるゲート絶縁膜上では拡散防止層17の下の厚み55nmのNi膜のみがシリサイド化反応に関与する。   Next, as shown in FIG. 4i, the diffusion prevention layer 17 (TiN film) is patterned by using the lithography technique and the RIE technique, and the diffusion prevention layer 17 on the first metal film 16 (Ni film) in the P-type MOSFET region. Only (TiN film) was removed. Thereafter, a second metal film 22 (Ni film) of the same type as the first metal film 16 was formed on the entire surface. The second metal film 22 (Ni film) was formed at room temperature by a DC magnetron sputtering method, and the thickness was 100 nm. Therefore, the Ni film having a total thickness of 155 nm is involved in the silicidation reaction on the gate insulating film in the P-type MOSFET region, whereas the 55 nm-thickness below the diffusion prevention layer 17 is formed on the gate insulating film in the N-type MOSFET region. Only the Ni film is involved in the silicidation reaction.

この工程での第2金属膜22(Ni膜)の膜厚は、ゲート電極パターン上部(poly−Si膜14)に含まれるSiとゲート電極パターン下部(Wシリサイド層10)に含まれるSiと第1金属膜16及び第2金属膜22のNiとが十分に反応してシリサイド化した時に、前記ゲート電極下部の組成がNixySi1-x-y(x+y≧0.55)となり、前記ゲート電極上部の組成がNizSi1-z(z≧0.55)となるような膜厚に設定することが好ましい。より好ましくは、前記ゲート電極下部の組成がNixySi1-x-y(x+y≧0.55)となり、前記ゲート電極上部がNi3Si相を主成分として含むような膜厚に設定する。 The film thickness of the second metal film 22 (Ni film) in this step is as follows: Si contained in the upper part of the gate electrode pattern (poly-Si film 14), Si contained in the lower part of the gate electrode pattern (W silicide layer 10), and When the Ni of the first metal film 16 and the second metal film 22 sufficiently react with each other to be silicided, the composition below the gate electrode becomes Ni x W y Si 1-xy (x + y ≧ 0.55), and the gate It is preferable to set the film thickness such that the composition of the upper part of the electrode is Ni z Si 1-z (z ≧ 0.55). More preferably, the composition is such that the composition of the lower part of the gate electrode is Ni x W y Si 1-xy (x + y ≧ 0.55), and the upper part of the gate electrode contains a Ni 3 Si phase as a main component.

次に、ゲート絶縁膜上のpoly−Si膜14と第1金属膜16および第2金属膜22をシリサイド化させるための熱処理を行った。この熱処理は、第1及び第2の金属膜の酸化を防ぐため非酸化雰囲気中であることが求められる。さらにこの熱処理は、ゲート絶縁膜上のスパッタSi膜13及びpoly−Si膜14を全てシリサイド化するために十分な拡散速度が得られ、かつソース・ドレイン拡散領域5に形成されているシリサイド層6が高抵抗にならない温度で行う必要がある。本実施形態では、ソース・ドレイン拡散領域5に形成されているシリサイド層6のシリサイドと、ゲート絶縁膜上に形成するシリサイドがともにNiであることから、窒素ガス雰囲気中450℃2分とした。ソース・ドレイン拡散領域5に形成されているシリサイド層6のシリサイドがCoシリサイドやTiシリサイドであれば、より高温領域、例えば800℃程度まで許容される。   Next, heat treatment for silicidation of the poly-Si film 14, the first metal film 16, and the second metal film 22 on the gate insulating film was performed. This heat treatment is required to be in a non-oxidizing atmosphere in order to prevent oxidation of the first and second metal films. Further, this heat treatment provides a sufficient diffusion rate for silicidation of the sputtered Si film 13 and the poly-Si film 14 on the gate insulating film, and the silicide layer 6 formed in the source / drain diffusion region 5. Must be performed at a temperature at which the resistance does not become high. In this embodiment, since both the silicide of the silicide layer 6 formed in the source / drain diffusion region 5 and the silicide formed on the gate insulating film are Ni, the temperature is set to 450 ° C. for 2 minutes in a nitrogen gas atmosphere. If the silicide of the silicide layer 6 formed in the source / drain diffusion region 5 is Co silicide or Ti silicide, a higher temperature region, for example, about 800 ° C. is allowed.

この熱処理により、N型MOSFET領域では厚み55nmのNi膜(第1金属膜16)とゲート電極パターン(スパッタSi膜13、poly−Si膜14及びWシリサイド層10)中のSiとが反応してゲート絶縁膜3直上までシリサイド化する。一方、P型MOSFET領域では厚み155nmのNi膜とゲート電極パターン(スパッタSi膜13、poly−Si膜14及びWシリサイド層10)中のSiとが反応してゲート絶縁膜3直上までシリサイド化される。P型MOSFET領域では、N型MOSFET領域と同じ膜厚のpoly−Si膜14に供給できるNiの量が多いために、N型MOSFET領域の上部ゲート電極(Niシリサイド電極19)よりもNiの濃度が高い上部ゲート電極(Niシリサイド電極18)が形成される。本実施形態のNi膜厚では、X線回折(XRD)測定およびラザフォード後方散乱(RBS)測定によると、N型MOSFET領域のゲート電極の上部(Niシリサイド電極19)はNiSi単一相であり、そのNi/(Ni+Si)組成比(原子数比)は約0.5であった。一方、P型MOSFET領域のゲート電極の上部(Niシリサイド電極18)はNi3Si単一相であり、そのNi/(Ni+Si)組成比(原子数比)は約0.75であった。 By this heat treatment, the Ni film (first metal film 16) having a thickness of 55 nm reacts with Si in the gate electrode pattern (sputtered Si film 13, poly-Si film 14 and W silicide layer 10) in the N-type MOSFET region. Silicidation is performed up to just above the gate insulating film 3. On the other hand, in the P-type MOSFET region, the Ni film having a thickness of 155 nm reacts with Si in the gate electrode pattern (sputtered Si film 13, poly-Si film 14 and W silicide layer 10) to be silicided to the position just above the gate insulating film 3. The In the P-type MOSFET region, since the amount of Ni that can be supplied to the poly-Si film 14 having the same thickness as that of the N-type MOSFET region is large, the Ni concentration is higher than that of the upper gate electrode (Ni silicide electrode 19) in the N-type MOSFET region. An upper gate electrode (Ni silicide electrode 18) having a high height is formed. In the Ni film thickness of this embodiment, according to X-ray diffraction (XRD) measurement and Rutherford backscattering (RBS) measurement, the upper part of the gate electrode (Ni silicide electrode 19) in the N-type MOSFET region is a NiSi single phase, Its Ni / (Ni + Si) composition ratio (atomic ratio) was about 0.5. On the other hand, the upper part of the gate electrode (Ni silicide electrode 18) in the P-type MOSFET region was a Ni 3 Si single phase, and its Ni / (Ni + Si) composition ratio (atomic number ratio) was about 0.75.

Ni3Si相は、シリサイド化に関与するNi膜の厚みt1とゲート電極パターンの積層膜の厚みTとの比がt1/T≧1.64の範囲に設定することにより容易に形成することができる。一方、NiSi相またはNiSi2相は、シリサイド化に関与するNi膜の厚みt2とゲート電極パターンの積層膜の厚みTとの比が0.28≦t/T≦0.95の範囲に設定することりより容易に形成することができる。特に、NiSi2層は0.28≦t/T≦0.54、NiSi相は0.55≦t/T≦0.95に設定することにより容易に形成できる。 The Ni 3 Si phase can be easily formed by setting the ratio of the thickness t1 of the Ni film involved in silicidation to the thickness T of the laminated film of the gate electrode pattern in the range of t1 / T ≧ 1.64. it can. On the other hand, in the NiSi phase or the NiSi 2 phase, the ratio of the thickness t2 of the Ni film involved in silicidation and the thickness T of the laminated film of the gate electrode pattern is set in the range of 0.28 ≦ t / T ≦ 0.95. It can be formed more easily. In particular, the NiSi 2 layer can be easily formed by setting 0.28 ≦ t / T ≦ 0.54 and the NiSi phase by setting 0.55 ≦ t / T ≦ 0.95.

最後に、上記の熱処理においてシリサイド化反応しなかった余剰のNi膜およびTiN膜を、硫酸と過酸化水素水の混合溶液を用いてウェットエッチングにより除去した。なお、上記の工程を通して、シリサイド電極の剥離はまったく観察されなかった。   Finally, excess Ni film and TiN film that did not undergo silicidation reaction in the heat treatment were removed by wet etching using a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution. Note that no peeling of the silicide electrode was observed through the above steps.

以上の工程を経ることにより、図4(j)に示されるような、N型MOSFET領域とP型MOSFET領域でゲート電極構造の異なるMOSFETを形成した。このMOSFETは、ゲート電極上層側に互いに異なる結晶相からなるNiシリサイド層18、19が形性され、ゲート電極下層側にWを含む互いに異なる組成をもつNiシリサイド層20、21が形性されている。ゲート電極下部のシリサイド層20、21は、調整用シリサイド層であり、その厚さはWシリサイド層10とほぼ同じ3nm程度であった。   Through the above steps, MOSFETs having different gate electrode structures were formed in the N-type MOSFET region and the P-type MOSFET region as shown in FIG. In this MOSFET, Ni silicide layers 18 and 19 having different crystal phases are formed on the upper layer side of the gate electrode, and Ni silicide layers 20 and 21 having different compositions including W are formed on the lower layer side of the gate electrode. Yes. The silicide layers 20 and 21 below the gate electrode are adjustment silicide layers, and the thickness thereof is about 3 nm, which is substantially the same as that of the W silicide layer 10.

得られたMOSFETのゲート電極下部(調整用シリサイド層)に含まれるタングステン(W)は、仕事関数調整用金属であり、ニッケル(Ni)に比べて仕事関数が小さい。したがって、Wを含むNiシリサイド電極は、Wを含まないNiシリサイド電極に比べて、Wの仕事関数の影響を受けて実効仕事関数が伝導帯側へシフトする。図5に、HfSiON上における従来の相制御Niシリサイド技術で得られるNiシリサイド電極の実効仕事関数のNi組成に対する変化と、本発明のNiシリサイド電極の実効仕事関数のNi組成に対する変化を示す。この図が示すように、電極下部の調整用シリサイド層のWの影響を受けて、Ni3Siの電極上部を有するゲート電極及びNiSiの電極上部を有するゲート電極の実効仕事関数がそれぞれ4.75eV及び4.45eVとなり、Ei±0.15eVが実現できることがわかる。この実効仕事関数の値はVth±0.5eVのLOP(Low Operation Power)デバイスに対して最適の値である。 Tungsten (W) contained in the lower part of the gate electrode (adjustment silicide layer) of the obtained MOSFET is a work function adjustment metal and has a work function smaller than that of nickel (Ni). Therefore, the Ni silicide electrode containing W is affected by the work function of W and the effective work function is shifted toward the conduction band as compared with the Ni silicide electrode not containing W. FIG. 5 shows the change of the effective work function of the Ni silicide electrode obtained by the conventional phase control Ni silicide technique on HfSiON with respect to the Ni composition and the change of the effective work function of the Ni silicide electrode of the present invention with respect to the Ni composition. As shown in this figure, the effective work function of the gate electrode having the upper portion of the Ni 3 Si electrode and the gate electrode having the upper portion of the NiSi electrode is 4.75 eV under the influence of W of the adjusting silicide layer below the electrode. It can be seen that Ei ± 0.15 eV can be realized. The value of the effective work function is an optimum value for a LOP (Low Operation Power) device of Vth ± 0.5 eV.

このように、本実施形態によれば、高誘電率膜上に、仕事関数調整用金属を含む5nm以下の薄いシリサイド層を形成することにより、実効仕事関数の微調整が容易になり、所望の実効仕事関数が実現可能となり、その結果Vthの設計範囲を広げることができる。   As described above, according to the present embodiment, by forming a thin silicide layer of 5 nm or less containing a work function adjusting metal on the high dielectric constant film, fine adjustment of the effective work function is facilitated, and desired An effective work function can be realized, and as a result, the design range of Vth can be expanded.

ゲート絶縁膜に接するゲート電極下部に仕事関数調整用金属を含む領域(調整用シリサイド層)を有するNiシリサイドゲート電極は、その実効仕事関数の値が、調整用シリサイド層の(1)シリサイド金属の種類(仕事関数の違い)、(2)組成、(3)厚さ、の3つのパラメータに支配されている。すなわち、本発明は、以下の3つの知見に基づいている。(1)仕事関数の異なる2種類の金属を組み合わせることよる、2種類の金属シリサイドの実効仕事関数の中間値の実現。(2)3種類の元素(仕事関数調整用金属、Ni、Si)の組成変化による実効仕事関数調整。(3)ゲート電極下部の調整用シリサイド層の厚さ変化による、上部シリサイド電極からの波動関数の滲み出し量の変化。図5に示されるように、ゲート電極下部にWNiシリサイド層を設けた本発明のゲート電極は、従来のNiシリサイド電極に比べてHfSiON上の実効仕事関数が伝導帯方向へシフトする。これは、Wの仕事関数がNiの仕事関数よりも小さく、ゲート電極/HfSiON界面における仕事関数がWの影響を受けて変化しているためである。   The Ni silicide gate electrode having a region containing the work function adjusting metal (adjustment silicide layer) below the gate electrode in contact with the gate insulating film has an effective work function value of (1) silicide metal of the adjustment silicide layer. It is governed by three parameters: type (difference in work function), (2) composition, and (3) thickness. That is, the present invention is based on the following three findings. (1) Realization of an intermediate value of effective work functions of two kinds of metal silicides by combining two kinds of metals having different work functions. (2) Effective work function adjustment by composition change of three kinds of elements (work function adjusting metal, Ni, Si). (3) A change in the amount of oozing of the wave function from the upper silicide electrode due to a change in the thickness of the adjustment silicide layer below the gate electrode. As shown in FIG. 5, in the gate electrode of the present invention in which the WNi silicide layer is provided below the gate electrode, the effective work function on HfSiON is shifted in the conduction band direction as compared with the conventional Ni silicide electrode. This is because the work function of W is smaller than that of Ni and the work function at the gate electrode / HfSiON interface changes under the influence of W.

図6は、仕事関数調整用金属にタングステン(W)を用い、上述の実施形態の方法に従って作製したMOSFETについて、実効仕事関数の調整用シリサイド層を形成するためのWシリサイド膜の組成を変化させたときの、HfSiON上に形成したゲート電極の実効仕事関数を示したものである。Wシリサイド膜中に適量のWが存在すると、HfSiON/WNiシリサイド界面で生じるフェルミピニングにより、実効仕事関数は伝導帯方向にシフトする。Wの濃度が低くなるに従い、3元系の調整用シリサイド層の組成は従来のNiシリサイド電極の組成に近づき、実効仕事関数のシフト量が小さくなる。   FIG. 6 shows a change in the composition of the W silicide film for forming the silicide layer for adjusting the effective work function in the MOSFET manufactured according to the method of the above embodiment using tungsten (W) as the work function adjusting metal. The effective work function of the gate electrode formed on HfSiON is shown. When an appropriate amount of W is present in the W silicide film, the effective work function is shifted in the conduction band direction due to Fermi pinning generated at the HfSiON / WNi silicide interface. As the W concentration decreases, the composition of the ternary adjustment silicide layer approaches the composition of the conventional Ni silicide electrode, and the shift amount of the effective work function decreases.

図7は、仕事関数調整用金属にWを用い、上述の実施形態の方法に従って作製したMOSFETについて、実効仕事関数の調整用シリサイド層を形成するためのWシリサイド膜の厚みを変化させたときの、HfSiON上に形成したゲート電極の実効仕事関数の変化を示したものである。Wシリサイド膜厚の膜厚を5nm以下、特に3nm以下になると、Niシリサイド電極上部からの波動関数の染み出しの効果が生まれ、Wシリサイド膜厚の減少にともない実効仕事関数の値は従来のNiシリサイド電極の値に近づくように変化する。   FIG. 7 shows a case where W is used as the work function adjusting metal and the thickness of the W silicide film for forming the effective work function adjusting silicide layer is changed in the MOSFET manufactured according to the method of the above-described embodiment. 3 shows changes in the effective work function of the gate electrode formed on HfSiON. When the W silicide film thickness is 5 nm or less, particularly 3 nm or less, the effect of seeping out of the wave function from the upper part of the Ni silicide electrode is produced, and the value of the effective work function with the decrease in the W silicide film thickness is the conventional Ni It changes so as to approach the value of the silicide electrode.

このように、本実施形態によれば、図6および図7に示した実行仕事関数の範囲に従ってしきい値(Vth)を設定可能であり、メタルゲートと高誘電率膜とのゲートスタック技術を広範囲のデバイスに適用すること可能になる。   Thus, according to this embodiment, the threshold value (Vth) can be set according to the range of the effective work function shown in FIGS. 6 and 7, and the gate stack technology of the metal gate and the high dielectric constant film can be realized. It becomes possible to apply to a wide range of devices.

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、材料及び構造を選択して実施することが可能である。例えば、ゲート絶縁膜上に形成するシリサイド膜はプロセス工程中にゲート絶縁膜を劣化させない範囲であればタングステン(W)に限定するものではない。より大きな仕事関数調整幅を必要とする場合は、ゲート電極の主成分を構成するシリサイド金属(Ni)に対し、仕事関数の違いが大きい金属を採用することが効果的である。また、ゲート電極の主成分であるシリサイド金属(Ni)についても、フルシリサイド化工程においてソース・ドレイン領域のコンタクト抵抗や拡散領域の不純物プロファイルを劣化させない範囲でP型MOSFETとN型MOSFETとで異なる組成の結晶相が形成可能であればNiに限定されない。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented by selecting materials and structures without departing from the spirit of the present invention. is there. For example, the silicide film formed on the gate insulating film is not limited to tungsten (W) as long as the gate insulating film does not deteriorate during the process. When a larger work function adjustment width is required, it is effective to employ a metal having a large work function difference with respect to the silicide metal (Ni) constituting the main component of the gate electrode. Also, the silicide metal (Ni), which is the main component of the gate electrode, differs between the P-type MOSFET and the N-type MOSFET as long as the contact resistance of the source / drain region and the impurity profile of the diffusion region are not deteriorated in the full silicidation process. It is not limited to Ni as long as a crystal phase having a composition can be formed.

その他の実施形態として、P型MOSFET領域では、ゲート電極上層側のNiシリサイド層がNi3Si相またはNiSi相を主成分として含み、且つ調整用シリサイド層がNiとNiより仕事関数が大きい金属を含むシリサイド層からなり、N型MOSFET領域では、ゲート電極上層がSiを主成分として含み、且つ調整用シリサイド層がNiより仕事関数が大きい金属のシリサイド層からなる形態をとることができる。この形態は、N型MOSFET領域には、シリサイド化のためのNi膜を形成しないでマスクを設け、P型MOSFET領域にのみNi膜を形成し、シリサイド化を行うことにより形成することができる。このような実施形態においても、前述の実施形態と同様にVthを±0.5Vに設定するLOPデバイスに適当な実効仕事関数を実現できる。 As another embodiment, in the P-type MOSFET region, the Ni silicide layer on the upper side of the gate electrode includes a Ni 3 Si phase or a NiSi phase as a main component, and the adjustment silicide layer includes a metal having a work function larger than that of Ni and Ni In the N-type MOSFET region, the gate electrode upper layer may include Si as a main component, and the adjustment silicide layer may include a metal silicide layer having a work function larger than that of Ni. This embodiment can be formed by providing a mask in the N-type MOSFET region without forming a Ni film for silicidation, forming a Ni film only in the P-type MOSFET region, and performing silicidation. Also in such an embodiment, an effective work function suitable for an LOP device in which Vth is set to ± 0.5 V can be realized as in the above-described embodiment.

本発明に係る半導体製造装置の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows embodiment of the semiconductor manufacturing apparatus which concerns on this invention. 従来の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the conventional semiconductor device. 従来技術における、HfSiON膜上におけるNiシリサイド電極の組成に対する実効仕事関数の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the effective work function with respect to the composition of the Ni silicide electrode on a HfSiON film | membrane in a prior art. 本発明に係る半導体装置の製造方法の実施形態を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this invention. 本発明に係る半導体装置の製造方法の実施形態を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this invention. 本発明に係る半導体装置の製造方法の実施形態を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this invention. 本発明に係る半導体装置の製造方法の実施形態を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this invention. 本発明に係る半導体装置の製造方法の実施形態を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this invention. 本発明に係る半導体装置の製造方法の実施形態を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this invention. 本発明に係る半導体装置の製造方法の実施形態を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this invention. 本発明に係る半導体装置の製造方法の実施形態を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this invention. 本発明に係る半導体装置の製造方法の実施形態を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this invention. 本発明に係る半導体装置の製造方法の実施形態を示す工程断面図である。It is process sectional drawing which shows embodiment of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on this invention. 本発明の実施形態および従来技術に従って作製した半導体装置について、HfSiON上におけるゲート電極の実効仕事関数の、Ni組成に対する変化を示す図である。It is a figure which shows the change with respect to Ni composition of the effective work function of the gate electrode on HfSiON about the semiconductor device produced according to embodiment of this invention and a prior art. 本発明の実施形態に従って作製した半導体装置について、HfSiON上におけるゲート電極の実効仕事関数の、ゲート電極下部に形成したWシリサイド膜のW組成に対する変化を示す図である。It is a figure which shows the change with respect to W composition of the W silicide film | membrane formed under the gate electrode of the effective work function of the gate electrode on HfSiON about the semiconductor device produced according to embodiment of this invention. 本発明の実施形態に従って作製した半導体装置について、HfSiON上におけるゲート電極の実効仕事関数の、ゲート電極下部に形成したWシリサイド膜の膜厚に対する変化を示す図である。It is a figure which shows the change with respect to the film thickness of the W silicide film | membrane formed in the gate electrode lower part of the effective work function of the gate electrode on HfSiON about the semiconductor device produced according to embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 シリコン基板
2 素子分離領域
3 ゲート絶縁膜
3a SiO2
3b HfSiON膜
4 エクステンション拡散領域
5 ソース・ドレイン拡散領域
6 シリサイド層
7 ゲート側壁
8 シリサイド電極層
9 層間絶縁膜
10 Wシリサイド層
11 PドープNiSi電極
12 BドープNiSi電極
13 スパッタSi膜
14 多結晶シリコン膜(poly−Si膜)
15 SiO2
16 第1金属膜
17 拡散防止層
18 上部ゲート電極(NixSi1-x(0.55≦x<1))
19 上部ゲート電極(NixSi1-x(0<x≦0.55))
20 下部ゲート電極(調整用シリサイド層:NixySi1-x-y(x+y≧0.55))
21 下部ゲート電極(調整用シリサイド層:NixySi1-x-y(x+y≦0.55))
22 第二金属膜
23 シリサイド用金属膜
1 silicon substrate 2 isolation region 3 gate insulating film 3a SiO 2 film 3b HfSiON film 4 extension diffusion region 5 a source-drain diffusion region 6 silicide layer 7 gate sidewall 8 silicide electrode layer 9 interlayer insulating film 10 W silicide layer 11 P-doped NiSi Electrode 12 B-doped NiSi electrode 13 Sputtered Si film 14 Polycrystalline silicon film (poly-Si film)
15 SiO 2 film 16 First metal film 17 Diffusion prevention layer 18 Upper gate electrode (Ni x Si 1-x (0.55 ≦ x <1))
19 Upper gate electrode (Ni x Si 1-x (0 <x ≦ 0.55))
20 Lower gate electrode (Adjustment silicide layer: Ni x W y Si 1-xy (x + y ≧ 0.55))
21 Lower gate electrode (Adjustment silicide layer: Ni x W y Si 1-xy (x + y ≦ 0.55))
22 Second metal film 23 Metal film for silicide

Claims (30)

シリコン基板上に、ゲート絶縁膜とこのゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを有する電界効果トランジスタを備えた半導体装置において、
前記ゲート絶縁膜が、金属酸化物、金属シリケート、又は窒素が導入された金属酸化物もしくは金属シリケートからなる高誘電率絶縁膜を有し、
前記ゲート電極が、前記高誘電率絶縁膜に接する下層側に設けられた、第1の金属M1、M1と異なる仕事関数をもつ第2の金属M2およびシリコン(Si)を含むシリサイドからなる第1の層領域と、第1の層領域に接する上層側に設けられた、M1およびSiを含むシリサイドからなる第2の層領域とを有し、
第1の金属M1がニッケル(Ni)であり、第1の層領域がNi x M2 y Si 1-x-y (x+y≧0.55)で表される組成をもつシリサイドからなり、第2の層領域がNi 3 Si相を主成分として含むシリサイドからなり、
前記第1の層領域の厚みが5nm以下であり、
前記電界効果トランジスタがPチャネル型トランジスタであることを特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device including a field effect transistor having a gate insulating film and a gate electrode provided on the gate insulating film on a silicon substrate,
The gate insulating film has a high dielectric constant insulating film made of metal oxide, metal silicate, or metal oxide or metal silicate into which nitrogen is introduced;
The gate electrode is provided on the lower layer side in contact with the high dielectric constant insulating film, and includes a first metal M1, a second metal M2 having a work function different from that of M1, and a first silicide made of silicon (Si). possess a layer region of, provided on an upper layer side in contact with the first layer region, and a second layer region formed of a silicide containing M1 and Si,
The first metal M1 is nickel (Ni), and the first layer region is made of silicide having a composition represented by Ni x M2 y Si 1-xy (x + y ≧ 0.55), and the second layer region Is made of silicide containing a Ni 3 Si phase as a main component,
The thickness of the first layer region is 5 nm or less;
A semiconductor device, wherein the field effect transistor is a P-channel transistor .
前記第1の層領域の厚みが1nm以上である請求項1に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the thickness of the first layer region is 1 nm or more . 前記第2の金属M2がW、Mo、Ta又はTiである請求項1又は2に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the second metal M2 is W, Mo, Ta, or Ti . シリコン基板上に、ゲート絶縁膜とこのゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを有する電界効果トランジスタを備えた半導体装置であって、
前記ゲート絶縁膜が、金属酸化物、金属シリケート、又は窒素が導入された金属酸化物もしくは金属シリケートからなる高誘電率絶縁膜を有し、
前記ゲート電極が、前記高誘電率絶縁膜に接する下層側に設けられた、ニッケル(Ni)と異なる仕事関数をもつ金属Mおよびシリコン(Si)を含み、NixySi1-x-y(0≦x<1,0<y<1,0<x+y<1)で表される組成をもつ第1の層領域と、第1の層領域に接する上層側に設けられた、NizSi1-z(0≦z<1)で表される組成をもつ第2の層領域とを有し、
前記電界効果トランジスタとして、少なくとも第2の層領域の組成が互いに異なるPチャネル型トランジスタ及びNチャネル型トランジスタを有し、Pチャネル型トランジスタではx+y≧0.55、z≧0.55を満たし、Nチャネル型トランジスタではx+y<0.55、z<0.55を満たし、前記第1の層領域の厚みが5nm以下である半導体装置。
A semiconductor device comprising a field effect transistor having a gate insulating film and a gate electrode provided on the gate insulating film on a silicon substrate,
The gate insulating film has a high dielectric constant insulating film made of metal oxide, metal silicate, or metal oxide or metal silicate into which nitrogen is introduced;
The gate electrode, the high dielectric constant provided on the lower side in contact with the insulating film includes a nickel metal M and silicon having a different work function (Ni) (Si), Ni x M y Si 1-xy (0 A first layer region having a composition represented by ≦ x <1, 0 <y <1, 0 <x + y <1), and Ni z Si 1− provided on the upper layer side in contact with the first layer region a second layer region having a composition represented by z (0 ≦ z <1),
The field effect transistor includes a P-channel transistor and an N-channel transistor in which at least the composition of the second layer region is different from each other. The P-channel transistor satisfies x + y ≧ 0.55 and z ≧ 0.55, and N in channel transistor meets the x + y <0.55, z < 0.55, the semiconductor device thickness of the first layer region is 5nm or less.
前記Pチャネル型トランジスタは、そのゲート電極の第2の層領域がNi3Si相を主成分として含むシリサイドからなり、
前記Nチャネル型トランジスタは、そのゲート電極の第2の層領域がNiSi相もしくはNiSi2相を主成分として含むシリサイドからなる請求項4に記載の半導体装置。
In the P-channel transistor, the second layer region of the gate electrode is made of silicide containing a Ni 3 Si phase as a main component,
5. The semiconductor device according to claim 4, wherein the second channel region of the gate electrode of the N-channel transistor is made of silicide containing a NiSi phase or a NiSi 2 phase as a main component.
第1の層領域の組成が0<x<1、0<y≦0.5を満たす請求項4又は5に記載の半導体装置。   6. The semiconductor device according to claim 4, wherein the composition of the first layer region satisfies 0 <x <1, 0 <y ≦ 0.5. 前記Pチャネル型トランジスタは、そのゲート電極の第2の層領域がNi3Si相を主成分として含むシリサイドからなり、
前記Nチャネル型トランジスタは、そのゲート電極の第2の層領域がSiを主成分として含み、第1の層領域の組成がx=0、0<y≦0.5を満たす請求項4に記載の半導体装置。
In the P-channel transistor, the second layer region of the gate electrode is made of silicide containing a Ni 3 Si phase as a main component,
5. The N-channel transistor according to claim 4, wherein the second layer region of the gate electrode includes Si as a main component, and the composition of the first layer region satisfies x = 0 and 0 <y ≦ 0.5. Semiconductor device.
前記Pチャネル型トランジスタは、そのゲート電極の第2の層領域がNiSi相を主成分として含むシリサイドからなり、
前記Nチャネル型トランジスタは、そのゲート電極の第2の層領域がSi主成分として含み、第1の層領域の組成がx=0、0<y≦0.5を満たす請求項4に記載の半導体装置。
In the P-channel transistor, the second layer region of the gate electrode is made of silicide containing a NiSi phase as a main component,
5. The N-channel transistor according to claim 4, wherein the second layer region of the gate electrode includes the Si main component, and the composition of the first layer region satisfies x = 0 and 0 <y ≦ 0.5. Semiconductor device.
前記Pチャネル型トランジスタの第1の層領域の組成が0<x<1、0<y≦0.5を満たす請求項7又は8に記載の半導体装置。   9. The semiconductor device according to claim 7, wherein a composition of the first layer region of the P-channel transistor satisfies 0 <x <1, 0 <y ≦ 0.5. 第1の層領域の厚みがT1、第2の層領域の厚みがT2で表されるとき、T1<T2である請求項1から9のいずれかに記載の半導体装置。   10. The semiconductor device according to claim 1, wherein T1 <T2 when the thickness of the first layer region is represented by T1 and the thickness of the second layer region is represented by T2. 第1の層領域の厚みがT1、第2の層領域の厚みがT2で表されるとき、T1<T2、かつ、1nm≦T1≦nmである請求項1から9のいずれかに記載の半導体装置。 The thickness of the first layer region is T1, when the thickness of the second layer region is represented by T2, T1 <T2, and, according to any one of claims 1 to 9 which is 1nm ≦ T1 3 nm Semiconductor device. 前記金属Mが、融点が1100℃以上の高融点金属シリサイドを形成し得る金属である請求項4から11のいずれかに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 4, wherein the metal M is a metal capable of forming a refractory metal silicide having a melting point of 1100 ° C. or higher. 前記金属Mが、W、Mo、Ta又はTiである請求項4から12のいずれかに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 4, wherein the metal M is W, Mo, Ta, or Ti. 前記高誘電率絶縁膜として、HfもしくはZrを含む絶縁膜を有する請求項1から13のいずれかに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the high dielectric constant insulating film includes an insulating film containing Hf or Zr. 前記のHfもしくはZrを含む絶縁膜が、前記ゲート電極と接する部分に設けられている請求項14に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 14, wherein the insulating film containing Hf or Zr is provided in a portion in contact with the gate electrode. 前記ゲート絶縁膜が、シリコン酸化膜もしくはシリコン酸窒化膜と、HfもしくはZrを含む高誘電率絶縁膜とを含む積層構造を有する請求項1から15のいずれかに記載の半導体装置。   16. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film has a stacked structure including a silicon oxide film or a silicon oxynitride film and a high dielectric constant insulating film containing Hf or Zr. 前記高誘電率絶縁膜としてHfSiON膜を有する請求項1から16のいずれかに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, comprising an HfSiON film as the high dielectric constant insulating film. 請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に第2の金属M2及びシリコン(Si)を含む金属含有膜を形成し、この金属含有膜上に非結晶シリコン膜もしくは多結晶シリコン膜又はこれらの両方からなるシリコン膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜、前記金属含有膜および前記シリコン膜を含む積層膜を加工してゲートパターンを形成する工程と、
このゲートパターン上に第1の金属M1の膜を形成し、熱処理を行って前記第2の金属M2とSiを含む前記金属含有膜中にM1を含むようにシリサイド化し、かつ、前記シリコン膜をフルシリサイド化する工程と、
シリサイド化しなかったM1を除去する工程を有する半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
Forming a gate insulating film on the silicon substrate;
A metal-containing film containing the second metal M2 and silicon (Si) is formed on the gate insulating film, and an amorphous silicon film, a polycrystalline silicon film, or a silicon film made of both of them is formed on the metal-containing film. And a process of
Forming a gate pattern by processing the gate insulating film, the metal-containing film and the laminated film including the silicon film;
A film of the first metal M1 is formed on the gate pattern, and heat treatment is performed to silicidize the metal-containing film including the second metal M2 and Si so as to include M1, and the silicon film is formed. Full silicidation step;
A method of manufacturing a semiconductor device, including a step of removing M1 that has not been silicided.
請求項2に記載の半導体装置の製造方法であって、
シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に第2の金属M2及びシリコン(Si)を含む金属含有膜を形成し、この金属含有膜上に非結晶シリコン膜もしくは多結晶シリコン膜又はこれらの両方からなるシリコン膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜、前記金属含有膜および前記シリコン膜を含む積層膜を加工してゲートパターンを形成する工程と、
このゲートパターン上にニッケル(Ni)膜を形成し、熱処理を行って前記第2の金属M2とSiを含む前記金属含有膜中にNiを含むようにシリサイド化し、かつ、前記シリコン膜をフルシリサイド化する工程と、
シリサイド化しなかったNiを除去する工程を含み、
前記シリサイド化工程において、前記ゲート電極の第2の層領域がNi3Si相を主成分とし、第1の層領域の組成がNixM2ySi1-x-y(x+y≧0.55)となるように、前記Ni膜の厚みを設定する半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2,
Forming a gate insulating film on the silicon substrate;
A metal-containing film containing the second metal M2 and silicon (Si) is formed on the gate insulating film, and an amorphous silicon film, a polycrystalline silicon film, or a silicon film made of both of them is formed on the metal-containing film. And a process of
Forming a gate pattern by processing the gate insulating film, the metal-containing film and the laminated film including the silicon film;
A nickel (Ni) film is formed on the gate pattern, and heat treatment is performed to silicide the metal-containing film containing the second metal M2 and Si so as to contain Ni, and the silicon film is fully silicided. The process of
Removing Ni that has not been silicided,
In the silicidation step, the second layer region of the gate electrode contains Ni 3 Si phase as a main component, and the composition of the first layer region is Ni x M2 y Si 1-xy (x + y ≧ 0.55). Thus, the manufacturing method of the semiconductor device which sets the thickness of the Ni film.
請求項4に記載の半導体装置の製造方法であって、
シリコン基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に金属M及びシリコン(Si)を含む金属含有膜を形成し、この金属含有膜上に非結晶シリコン膜もしくは多結晶シリコン膜又はこれらの両方からなるシリコン膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜、前記金属含有膜および前記シリコン膜を含む積層膜を加工してゲートパターンを形成する工程と、
このゲートパターン上にニッケル(Ni)膜を形成し、熱処理を行って前記金属MとSiを含む前記金属含有膜中にNiを含むようにシリサイド化し、かつ、前記シリコン膜をフルシリサイド化する工程と、
シリサイド化しなかったNiを除去する工程を含み、
前記シリサイド化工程において、Pチャネル型トランジスタのゲート電極の組成とNチャネル型トランジスタのゲート電極の組成が前記の所定の組成になるように、Pチャネル領域上のNi膜の厚みとNチャネル領域上のNi膜の厚みを設定する半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4,
Forming a gate insulating film on the silicon substrate;
Forming a metal-containing film containing metal M and silicon (Si) on the gate insulating film, and forming a silicon film made of an amorphous silicon film or a polycrystalline silicon film or both on the metal-containing film; ,
Forming a gate pattern by processing the gate insulating film, the metal-containing film and the laminated film including the silicon film;
Forming a nickel (Ni) film on the gate pattern, performing a heat treatment to silicide the metal-containing film containing the metal M and Si so as to contain Ni, and to fully silicide the silicon film; When,
Removing Ni that has not been silicided,
In the silicidation step, the thickness of the Ni film on the P-channel region and the N-channel region so that the composition of the gate electrode of the P-channel transistor and the composition of the gate electrode of the N-channel transistor become the predetermined composition. Semiconductor device manufacturing method for setting the thickness of the Ni film.
請求項5に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記シリサイド化工程おいて、Pチャネル領域では、第2の層領域がNi3Si相を主成分とし、第1の層領域の組成がx+y≧0.55を満たすようにNi膜の厚みを設定し、Nチャネル領域では、第2の層領域がNiSi相もしくはNiSi2相を主成分とし、第1の層領域の組成がx+y<0.55を満たすようにNi膜の厚みを設定する請求項20に記載の半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
In the silicidation process, in the P channel region, the thickness of the Ni film is set so that the second layer region contains Ni 3 Si phase as a main component and the composition of the first layer region satisfies x + y ≧ 0.55. In the N channel region, the thickness of the Ni film is set so that the second layer region is mainly composed of a NiSi phase or a NiSi 2 phase, and the composition of the first layer region satisfies x + y <0.55. 20. A method for manufacturing a semiconductor device according to 20.
請求項7に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記シリサイド化工程において、Pチャネル領域では、第2の層領域がNi3Si相を主成分とし、第1の層領域の組成がx+y≧0.55を満たすようにNi膜の厚みを設定し、Nチャネル領域では、第2の層領域がSiを主成分として含み、第1の層領域の組成がx=0、y≦0.5を満たすようにNi膜を設けない請求項20に記載の半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7,
In the silicidation process, in the P channel region, the thickness of the Ni film is set so that the second layer region contains Ni 3 Si phase as a main component and the composition of the first layer region satisfies x + y ≧ 0.55. 21. In the N channel region, the second layer region contains Si as a main component, and the Ni film is not provided so that the composition of the first layer region satisfies x = 0 and y ≦ 0.5. Semiconductor device manufacturing method.
請求項8に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記シリサイド化工程において、Pチャネル領域では、第2の層領域がNiSi相を主成分とし、第1の層領域の組成がx+y≧0.55を満たすようにNi膜の厚みを設定し、Nチャネル領域では、第2の層領域がSiを主成分として含み、第1の層領域の組成がx=0、y≦0.5を満たすようにNi膜を設けない請求項20に記載の半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, comprising:
In the silicidation step, in the P channel region, the thickness of the Ni film is set so that the second layer region contains NiSi phase as a main component and the composition of the first layer region satisfies x + y ≧ 0.55, and N 21. The semiconductor according to claim 20, wherein in the channel region, the second layer region contains Si as a main component, and the Ni film is not provided so that the composition of the first layer region satisfies x = 0 and y ≦ 0.5. Device manufacturing method.
前記Ni膜の厚みtと、前記金属含有膜と前記シリコン膜との積層膜の厚みTとの比をt/T≧1.64とする請求項19に記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 19, wherein a ratio between the thickness t of the Ni film and the thickness T of the laminated film of the metal-containing film and the silicon film is t / T ≧ 1.64. Pチャネル領域では、前記Ni膜の厚みt1と、前記金属含有膜と前記シリコン膜との積層膜の厚みTとの比をt1/T≧1.64とし、
Nチャネル領域では、前記Ni膜の厚みt2と、前記金属含有膜と前記シリコン膜との積層膜の厚みTとの比を0.28≦t2/T≦0.95とする請求項20又は21に記載の半導体装置の製造方法。
In the P channel region, the ratio between the thickness t1 of the Ni film and the thickness T of the laminated film of the metal-containing film and the silicon film is t1 / T ≧ 1.64,
The ratio of the thickness t2 of the Ni film and the thickness T of the stacked film of the metal-containing film and the silicon film is set to 0.28 ≦ t2 / T ≦ 0.95 in the N channel region. The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of.
前記シリサイド化工程において、Nチャネル領域およびPチャネル領域上に第1のNi膜を形成した後、Nチャネル領域上にのみ、Niに対して安定な拡散防止膜を形成し、しかる後にPチャネル領域を含む全面に第2のNi膜を形成して、シリサイド化に関与するNi膜の厚みを制御する請求項20、21又は25に記載の半導体装置の製造方法。   In the silicidation step, after forming the first Ni film on the N channel region and the P channel region, a diffusion prevention film stable to Ni is formed only on the N channel region, and then the P channel region is formed. 26. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 20, 21 or 25, wherein a second Ni film is formed on the entire surface including the element to control the thickness of the Ni film involved in silicidation. 前記シリサイド化工程において、Nチャネル領域上にのみ、Niに対して安定な拡散防止膜を形成し、しかる後にPチャネル領域を含む全面にNi膜を形成する請求項22又は23に記載の半導体装置の製造方法。   24. The semiconductor device according to claim 22, wherein in the silicidation step, a diffusion prevention film that is stable against Ni is formed only on the N channel region, and then a Ni film is formed on the entire surface including the P channel region. Manufacturing method. 前記拡散防止膜が、Niシリサイドに対して選択的にエッチングできる材料からなる請求項26又は27に記載の半導体装置の製造方法。   28. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 26, wherein the diffusion prevention film is made of a material that can be selectively etched with respect to Ni silicide. 前記拡散防止膜がTiNもしくはTaNを主成分とする材料からなる請求項26、27又は28に記載の半導体装置の製造方法。   29. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 26, 27 or 28, wherein the diffusion preventing film is made of a material mainly composed of TiN or TaN. 前記シリサイド化工程の熱処理温度が、前記トランジスタの拡散領域に形成されている金属シリサイドの抵抗値を増大させない温度である請求項18から29のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。   30. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 18, wherein the heat treatment temperature in the silicidation step is a temperature that does not increase the resistance value of the metal silicide formed in the diffusion region of the transistor.
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