JP6149634B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

電界効果トランジスタは、ゲート絶縁膜を介して半導体基板の上に形成されるゲート電極と、半導体基板のうちゲート電極の両側に形成されるソース/ドレイン領域とを有している。ゲート電極には、ポリシリコン膜から形成されるポリシリコンゲートと、金属膜から形成されるメタルゲートなどがある。   The field effect transistor has a gate electrode formed on a semiconductor substrate via a gate insulating film, and source / drain regions formed on both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate. The gate electrode includes a polysilicon gate formed from a polysilicon film and a metal gate formed from a metal film.

ポリシリコンゲートの実効仕事関数を調整する方法として、ゲート電極内部への不純物注入量を変える方法がある。これに対し、メタルゲートでは、不純物注入量調整により仕事関数を変更することができないので、閾値電圧の調整幅がポリシリコンゲートに比べて狭まる傾向がある。   As a method of adjusting the effective work function of the polysilicon gate, there is a method of changing the amount of impurities implanted into the gate electrode. On the other hand, in the metal gate, the work function cannot be changed by adjusting the impurity implantation amount, so that the adjustment range of the threshold voltage tends to be narrower than that of the polysilicon gate.

ポリシリコンゲートを有するMOSFETや、メタルゲートを有するMOSFETにおける閾値電圧の調整方法、即ちゲート電極の仕事関数の調整方法として次のような例が知られている。   The following example is known as a method for adjusting a threshold voltage in a MOSFET having a polysilicon gate or a MOSFET having a metal gate, that is, a method for adjusting a work function of a gate electrode.

例えば、シリコン基板上にゲート絶縁膜として二酸化シリコン膜、ハフニウム系酸化物を含む高誘電率(high-k)誘電体膜の積層構造が形成され、その上にポリシリコンゲートが形成される構造を有するMOSFETが知られている。この構造では、ランプアニールによりhigh-k誘電体膜のアニール温度を変えることにより閾値電圧が変化する。この場合のアニール温度として、例えば900℃〜1050℃の範囲で設定される。また、複数のMOSFETのうちの一部をSiO又はSiの保護膜により覆うことにより、一部のMOSFETのhigh-k誘電体膜へのランプアニールによる温度に差をつけて、複数のMOSFETの相互の閾値を異ならせる方法が知られている。この場合、ランプアニールを基板面に垂直方向に照射するとともに、保護膜の厚さ調整による膜表面の反射率の相違を利用してMOSFETへのアニール温度を制御している。 For example, a stacked structure of a silicon dioxide film as a gate insulating film and a high dielectric constant (high-k) dielectric film containing hafnium-based oxide is formed on a silicon substrate, and a polysilicon gate is formed thereon. MOSFETs having such are known. In this structure, the threshold voltage is changed by changing the annealing temperature of the high-k dielectric film by lamp annealing. In this case, the annealing temperature is set in the range of 900 ° C. to 1050 ° C., for example. In addition, by covering a part of the plurality of MOSFETs with a protective film of SiO 2 or Si 3 N 4 , the temperature due to the lamp annealing to the high-k dielectric film of some of the MOSFETs is differentiated. There is known a method for making different threshold values of MOSFETs. In this case, lamp annealing is applied in a direction perpendicular to the substrate surface, and the annealing temperature for the MOSFET is controlled by utilizing the difference in reflectance of the film surface by adjusting the thickness of the protective film.

また、シリコン基板上にゲート絶縁膜としてHfO膜が形成され、その上方にTaNからなるメタルゲートが形成され、メタルゲートとゲート絶縁膜の間に二層モノレイヤのLaHf界面層が形成される構造のMOSFETが知られている。この場合、二層モノレイヤのLaHf界面層は、その仕事関数を変動させるためにアニール活性化がなされる。この場合のアニール温度は、例えば、600℃〜1000℃の範囲内に設定される。 Further, an HfO 2 film is formed as a gate insulating film on the silicon substrate, a metal gate made of TaN is formed thereon, and a two-layer monolayer La 2 Hf 2 O 7 interface layer is formed between the metal gate and the gate insulating film. A MOSFET having a structure in which is formed is known. In this case, the La 2 Hf 2 O 7 interface layer of the two-layer monolayer is annealed to change its work function. In this case, the annealing temperature is set within a range of 600 ° C. to 1000 ° C., for example.

さらに、シリコン基板上にゲート絶縁膜として二酸化シリコン膜、HfO膜が形成され、その上にメタルゲートとして、TiN膜、TiAl膜、メタルキャップ層、タングステン(W)層を順に形成した構造が知られている。この構造では、メタルゲートをアニールすることによりTiAl膜からTiN膜にAlを拡散させてゲート電極の仕事関数を変えることが知られている。この構造ではアニール温度を変えることにより仕事関数を相違させることも知られ、アニール温度は例えば420℃、520℃に設定されることが知られている。また、この構造では、真空を破らずにTiN膜とTiAl膜を連続して形成することによりアニール後の仕事関数を小さくできることも知られている。また、TiAl膜の厚さに対するTiN膜の厚さの比を変えることによりゲート電極の仕事関数が変わることが知られている。 Furthermore, a structure is known in which a silicon dioxide film and an HfO 2 film are formed as a gate insulating film on a silicon substrate, and a TiN film, a TiAl film, a metal cap layer, and a tungsten (W) layer are formed as metal gates thereon. It has been. In this structure, it is known that the work function of the gate electrode is changed by diffusing Al from the TiAl film to the TiN film by annealing the metal gate. In this structure, it is also known that the work function is made different by changing the annealing temperature, and it is known that the annealing temperature is set to 420 ° C. and 520 ° C., for example. It is also known that with this structure, the work function after annealing can be reduced by continuously forming a TiN film and a TiAl film without breaking the vacuum. It is also known that the work function of the gate electrode is changed by changing the ratio of the thickness of the TiN film to the thickness of the TiAl film.

特開2010−021365号公報JP 2010-021365 A 特開2007−324593号公報JP 2007-324593 A A. Veloso et al. "Gate-last vs. gate-first technology for aggressively scaled EOT logic/RF CMOS" 2011 Symposium on VLSI Technology, pp.34-35A. Veloso et al. "Gate-last vs. gate-first technology for aggressively scaled EOT logic / RF CMOS" 2011 Symposium on VLSI Technology, pp.34-35

メタルゲートを有するMOSトランジスタを形成する工程では、まず、シリコン基板上にダミーゲートを形成し、その後に不純物イオン注入によりシリコン基板内にソース/ドレイン領域を形成し、アニールによりソース/ドレイン領域を活性化する。その後に、ダミーゲートを埋め込む層間絶縁膜を形成し、さらに、層間絶縁膜を研磨してダミーゲートの上面を露出させた後に、ダミーゲートを選択的に除去し、その後にダミーゲートの除去により形成された凹部内にメタルゲートが形成される。   In the process of forming a MOS transistor having a metal gate, first, a dummy gate is formed on a silicon substrate, and then a source / drain region is formed in the silicon substrate by impurity ion implantation, and the source / drain region is activated by annealing. Turn into. After that, an interlayer insulating film for embedding the dummy gate is formed. Further, after the interlayer insulating film is polished to expose the upper surface of the dummy gate, the dummy gate is selectively removed and then the dummy gate is removed. A metal gate is formed in the recessed portion.

上記のようにメタルゲートをSiO保護膜で覆って光を反射させ、ランプアニールによる加熱温度を調整しようとしても、メタルゲートの上面も反射面であるので、保護膜の被覆の有無によりMOSトランジスタ間の温度差を調整することは難しい。 Even if the metal gate is covered with the SiO 2 protective film to reflect light and the heating temperature is adjusted by lamp annealing as described above, the upper surface of the metal gate is also a reflective surface. It is difficult to adjust the temperature difference between them.

また、TiN層、TiAl層、W層を含む積層構造のメタルゲートを形成しようとする場合に、幅の狭い凹部内で中間層として形成される厚さ、例えば2.7nmのTiAl膜の厚さを複数のメタルゲート毎に調整して仕事関数を変えることは難しい。   Further, when a metal gate having a laminated structure including a TiN layer, a TiAl layer, and a W layer is to be formed, a thickness formed as an intermediate layer in a narrow recess, for example, a thickness of a 2.7 nm TiAl film It is difficult to change the work function by adjusting each of the metal gates.

本発明の目的は、周囲が絶縁膜で覆われたメタルゲートを有する複数のMOSトランジスタの閾値電圧を相違させることができる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of making threshold voltages of a plurality of MOS transistors each having a metal gate whose periphery is covered with an insulating film, and a method for manufacturing the same.

本実施形態の1つの観点によれば、半導体基板のうち第1領域の上に第1ダミーゲート、第2領域の上に第2ダミーゲートを形成する工程と、前記半導体基板の前記第1領域内の前記第1ダミーゲートの両側方に第1の一対のソース/ドレイン領域を形成する工程と、前記半導体基板の前記第2領域内の前記第2ダミーゲートの両側方に第2の一対のソース/ドレイン領域を形成する工程と、前記第1ダミーゲートと前記第2ダミーゲートのそれぞれの周囲に第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1ダミーゲートと前記第2ダミーゲートを除去して第1凹部、第2凹部を前記第1絶縁膜に形成する工程と、前記第1凹部内面、前記第2凹部の内面及び前記第1絶縁膜の上に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜の上に第1金属層を形成する工程と、前記第1金属層の上に、仕事関数金属を含み、前記第1金属層と異なる第2金属層を形成する工程と、前記第2金属膜層の上に、前記第2金属層と異なる第3金属層を形成する工程と、前記第1金属層、前記第2金属層及び前記第3金属層を前記第1絶縁膜上から除去するとともに前記第1凹部内と前記第2凹部内に残してそれぞれ第1ゲート電極、第2ゲート電極とする工程と、前記第2凹部内の前記第3金属層を選択的に薄くする工程と、厚さの異なる前記3金属層を有する前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極をランプアニールし、前記第2ゲート電極内で前記第2金属層から前記第1金属層に前記仕事関数金属を拡散させる工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解されるものである。
According to one aspect of the present embodiment, a step of forming a first dummy gate on a first region and a second dummy gate on a second region of the semiconductor substrate, and the first region of the semiconductor substrate Forming a first pair of source / drain regions on both sides of the first dummy gate, and a second pair of source / drain regions on both sides of the second dummy gate in the second region of the semiconductor substrate. Forming a source / drain region; forming a first insulating film around each of the first dummy gate and the second dummy gate; removing the first dummy gate and the second dummy gate; Forming a first recess and a second recess in the first insulating film; and forming a gate insulating film on the inner surface of the first recess, the inner surface of the second recess, and the first insulating film; The first metal on the gate insulating film Forming a second metal layer that includes a work function metal and is different from the first metal layer on the first metal layer, and forming the second metal layer on the second metal film layer. Forming a third metal layer different from the two metal layers, removing the first metal layer, the second metal layer, and the third metal layer from above the first insulating film, and in the first recess and the A step of leaving the second concave portion as a first gate electrode and a second gate electrode, a step of selectively thinning the third metal layer in the second concave portion, and the three metal layers having different thicknesses Lamp annealing the first gate electrode and the second gate electrode each having the following: diffusing the work function metal from the second metal layer to the first metal layer in the second gate electrode. A method for manufacturing a semiconductor device is provided.
The objects and advantages of the invention will be realized and attained by means of the elements and combinations particularly pointed out in the appended claims. It is to be understood that the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory only and are not restrictive of the invention.

本実施形態によれば、周囲が絶縁膜で覆われたメタルゲートを有する複数のMOSトランジスタの閾値電圧を相違させることができる。   According to this embodiment, the threshold voltages of a plurality of MOS transistors having a metal gate whose periphery is covered with an insulating film can be made different.

図1(a)〜(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。FIGS. 1A to 1C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the first embodiment. 図2(a)〜(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。2A to 2C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the first embodiment. 図3(a)〜(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。3A to 3C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the first embodiment. 図4(a)〜(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。4A to 4C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the first embodiment. 図5(a)〜(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。5A to 5C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the first embodiment. 図6(a)〜(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。6A to 6C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the first embodiment. 図7(a)〜(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。7A to 7C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the first embodiment. 図8(a)〜(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図である。FIGS. 8A to 8C are plan views showing the manufacturing steps of the semiconductor device according to the first embodiment. 図9(a)〜(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図である。FIGS. 9A to 9C are plan views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the first embodiment. 図10(a)〜(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図である。FIGS. 10A to 10C are plan views showing the manufacturing steps of the semiconductor device according to the first embodiment. 図11(a)〜(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図である。FIGS. 11A to 11C are plan views showing the manufacturing steps of the semiconductor device according to the first embodiment. 図12は、第2実施形態に係る半導体装置の斜視図である。FIG. 12 is a perspective view of the semiconductor device according to the second embodiment. 図13(a)〜(c)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。13A to 13C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the second embodiment. 図14(a)〜(c)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造工程により形成される装置の平面図である。14A to 14C are plan views of the device formed by the semiconductor device manufacturing process according to the second embodiment. 図15(a)〜(c)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。15A to 15C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the second embodiment. 図16(a)〜(c)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造工程により形成される装置の平面図である。16A to 16C are plan views of the device formed by the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment. 図17(a)〜(c)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。17A to 17C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the second embodiment. 図18(a)、(b)は、第2実施形態に係る半導体装置の断面図と平面図である。18A and 18B are a cross-sectional view and a plan view of the semiconductor device according to the second embodiment. 図19(a)〜(c)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。19A to 19C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the second embodiment. 図20(a)〜(c)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造工程により形成される装置の平面図である。20A to 20C are plan views of the device formed by the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment. 図21(a)〜(c)は、第2実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面図である。FIGS. 21A to 21C are plan views showing the manufacturing steps of the semiconductor device according to the second embodiment.

以下に、図面を参照して実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。   Embodiments will be described below with reference to the drawings. In the drawings, similar components are given the same reference numerals.

(第1の実施の形態)
図1〜図7は、本実施形態に係る半導体装置の形成工程を示す断面図、図8〜図11はその平面図である。
(First embodiment)
1 to 7 are cross-sectional views showing the steps of forming the semiconductor device according to the present embodiment, and FIGS. 8 to 11 are plan views thereof.

第1実施形態に係る半導体装置の形成工程は、まず、図8(a)に示す平面図とそのI−I線断面を示す図1(a)に例示するように、半導体基板であるシリコン基板1の上に酸化シリコン膜2、窒化シリコン膜3を例えばCVD法により形成する。さらに、窒化シリコン膜3の上にフォトレジストを塗布する。その後に、フォトレジストに露光、現像等を施すことにより、第1、第2のトランジスタ形成領域A、Aを覆うとともにその周囲を露出するレジストパターンRを形成する。なお、第1、第2のトランジスタ形成領域A、Aは、特に図示しないが複数配置される。 First, the semiconductor device forming process according to the first embodiment includes a silicon substrate which is a semiconductor substrate as illustrated in FIG. 1A showing a plan view shown in FIG. A silicon oxide film 2 and a silicon nitride film 3 are formed on 1 by, for example, a CVD method. Further, a photoresist is applied on the silicon nitride film 3. Thereafter, the photoresist is exposed to light, developed, and the like, thereby forming a resist pattern R 1 that covers the first and second transistor formation regions A 1 and A 2 and exposes the periphery thereof. Note that a plurality of first and second transistor formation regions A 1 and A 2 are arranged although not particularly shown.

次に、図1(b)に示すように、レジストパターンRをマスクに使用し、窒化シリコン膜3、酸化シリコン膜2をエッチングする。その後に、レジストパターンRとパターニングされた窒化シリコン膜3をマスクにして塩素系ガス、例えば塩素ガスを使用してドライエッチング法、例えば反応性イオンエッチング(RIE)法によりシリコン基板1をエッチングする。これにより、図1(c)、図8(b)に例示するような素子分離用溝1aを形成する。その後に、窒化シリコン膜3、酸化シリコン膜2を例えば緩衝フッ酸などを使用するウエットエッチングにより除去する。 Next, as shown in FIG. 1 (b), a resist pattern R 1 is used as a mask, the silicon nitride film 3, a silicon oxide film 2 is etched. Thereafter, the resist pattern R 1 and chlorine-based gas using the patterned silicon nitride film 3 as a mask, for example, dry etching using a chlorine gas to etch the silicon substrate 1 by, for example, reactive ion etching (RIE) . Thereby, the element isolation trench 1a as illustrated in FIGS. 1C and 8B is formed. Thereafter, the silicon nitride film 3 and the silicon oxide film 2 are removed by wet etching using, for example, buffered hydrofluoric acid.

次に、図2(a)に例示するように、シリコン基板1の上面上と素子分離用溝1a内面上に絶縁膜4a、例えば酸化シリコン膜をCVD法により形成し、素子分離用溝1aを絶縁膜4aにより完全に充填する。この後に、図2(b)、図8(c)に例示するように、化学機械研磨(CMP)法により第1、第2のトランジスタ形成領域A、Aから絶縁膜4aを除去するとともに、素子分離用溝1a内に残された絶縁膜4aを素子分離絶縁膜4として使用する。ところで、絶縁膜4aは、窒化シリコン膜3を除去する前に形成してもよい。この場合、絶縁膜4aをCMP法により研磨して窒化シリコン膜3を露出させた後に窒化シリコン膜3を除去し、その後に、シリコン基板1の上面上の酸化シリコン膜2を除去する。 Next, as illustrated in FIG. 2A, an insulating film 4a, for example, a silicon oxide film is formed on the upper surface of the silicon substrate 1 and the inner surface of the element isolation groove 1a by the CVD method, and the element isolation groove 1a is formed. The insulating film 4a is completely filled. Thereafter, as illustrated in FIGS. 2B and 8C, the insulating film 4a is removed from the first and second transistor formation regions A 1 and A 2 by a chemical mechanical polishing (CMP) method. The insulating film 4a left in the element isolation trench 1a is used as the element isolation insulating film 4. Incidentally, the insulating film 4a may be formed before the silicon nitride film 3 is removed. In this case, the insulating film 4a is polished by CMP to expose the silicon nitride film 3, and then the silicon nitride film 3 is removed. Thereafter, the silicon oxide film 2 on the upper surface of the silicon substrate 1 is removed.

この後に、第1、第2のトランジスタ形成領域A、Aに第1導電型不純物、例えばホウ素などのp型不純物をイオン注入することにより第1導電型の第1、第2のウエル5a、5bを形成する。 Thereafter, the first conductivity type first and second wells 5a are formed by ion-implanting a first conductivity type impurity, for example, a p-type impurity such as boron, into the first and second transistor formation regions A 1 and A 2 . 5b.

次に、図2(c)に例示するように、露出したシリコン基板1の主面と素子分離絶縁膜4の上にポリシリコン膜6をCVD法により例えば30nm〜60nmの厚さに形成する。さらに、ポリシリコン膜6の上にフォトレジストを塗布し、これに露光、現像等を施すことにより、第1、第2のウエル5a、5bの中央を通る領域にゲート電極形状のレジストパターンRを形成する。 Next, as illustrated in FIG. 2C, a polysilicon film 6 is formed to a thickness of, for example, 30 nm to 60 nm on the exposed main surface of the silicon substrate 1 and the element isolation insulating film 4 by a CVD method. Further, a photoresist is applied on the polysilicon film 6 and exposed, developed, etc., so that a gate electrode-shaped resist pattern R 2 is formed in a region passing through the center of the first and second wells 5a and 5b. Form.

次に、レジストパターンRをマスクにしてポリシリコン膜6を例えばRIE法によりエッチングし、第1、第2のウエル5a、5b及び素子分離絶縁膜4を含む各領域でポリシリコン膜6をゲート電極形状にする。その後に、レジストパターンRを除去する。ゲート電極形状のポリシリコン膜6は、図9(a)に例示するように、第1、第2のダミーゲート6a、6bとして使用する。第1、第2のダミーゲート6a、6bは、それぞれの幅が15nm〜25nmの範囲で実質同一となるようにパターニングされる。 Next, using the resist pattern R 2 as a mask, the polysilicon film 6 is etched by, eg, RIE, and the polysilicon film 6 is gated in each region including the first and second wells 5 a and 5 b and the element isolation insulating film 4. Use electrode shape. Thereafter, the resist pattern is removed R 2. The gate electrode-shaped polysilicon film 6 is used as first and second dummy gates 6a and 6b as illustrated in FIG. 9A. The first and second dummy gates 6a and 6b are patterned so that their widths are substantially the same in the range of 15 nm to 25 nm.

次に、第1、第2のダミーゲート6a、6bをマスクに使用し、シリコン基板1の第1、第2のトランジスタ形成領域A、Aに第2導電型不純物、例えば砒素又はリンをイオン注入する。これにより、図3(a)に例示するように、第1、第2のダミーゲート6a、6bのそれぞれの両側に低不純物濃度のエクステンション領域8a〜8dを形成する。 Next, using the first and second dummy gates 6a and 6b as a mask, a second conductivity type impurity such as arsenic or phosphorus is applied to the first and second transistor formation regions A 1 and A 2 of the silicon substrate 1. Ion implantation. Thus, as illustrated in FIG. 3A, extension regions 8a to 8d having low impurity concentrations are formed on both sides of the first and second dummy gates 6a and 6b.

次に、シリコン基板1と第1、第2のダミーゲート6a、6bの上に絶縁膜として例えば窒化シリコン膜を形成する。その後に、窒化シリコン膜をエッチバックすることにより、図9(b)の平面図に例示するように窒化シリコン膜を第1、第2のダミーゲート6a、6bの側面に残し、残された窒化シリコン膜を絶縁性のサイドウォール7a、7bとして使用する。   Next, for example, a silicon nitride film is formed as an insulating film on the silicon substrate 1 and the first and second dummy gates 6a and 6b. Thereafter, the silicon nitride film is etched back to leave the silicon nitride film on the side surfaces of the first and second dummy gates 6a and 6b as illustrated in the plan view of FIG. Silicon films are used as insulating sidewalls 7a and 7b.

次に、図3(b)の断面図に例示するように、シリコン基板1のうち第1、第2のダミーゲート6a、6b及びサイドウォール7a、7bを含む領域のそれぞれの両側に第2導電型不純物をイオン注入し、第2導電型の不純物拡散領域8e〜8hを形成する。不純物拡散領域8e〜8hは、第1、第2のダミーゲート6a、6bのそれぞれの両側方でエクステンション領域8a〜8dに重なり、しかもエクステンション領域8a〜8dに比べて不純物濃度が高く形成される。これにより、第1、第2のダミーゲート6a、6bの両側で互いに接続されるエクステンション領域8a〜8dと不純物拡散領域8e〜8hはそれぞれ第2導電型のソース/ドレイン領域9a〜9dとなる。   Next, as illustrated in the cross-sectional view of FIG. 3B, the second conductive material is formed on both sides of the region including the first and second dummy gates 6a and 6b and the sidewalls 7a and 7b in the silicon substrate 1. A type impurity is ion-implanted to form second conductivity type impurity diffusion regions 8e to 8h. The impurity diffusion regions 8e to 8h overlap the extension regions 8a to 8d on both sides of each of the first and second dummy gates 6a and 6b, and are formed with a higher impurity concentration than the extension regions 8a to 8d. Thus, the extension regions 8a to 8d and the impurity diffusion regions 8e to 8h connected to each other on both sides of the first and second dummy gates 6a and 6b become the second conductivity type source / drain regions 9a to 9d, respectively.

次に、図3(c)に例示するように、第1、第2のダミーゲート6a、6b、サイドウォール7a、7b及びシリコン基板1の表面上に層間絶縁膜11として酸化シリコン膜をプラズマCVD法により形成する。その後に、図4(a)の断面図、図9(c)の平面図に例示するように、酸化シリコン膜11の上面をCMP法により研磨し、その上面を平坦化するとともに、第1、第2のダミーゲート6a、6bの上面を露出させる。この場合、サイドウォール7a、7bの上端も露出する。   Next, as illustrated in FIG. 3C, a silicon oxide film is formed as an interlayer insulating film 11 on the surfaces of the first and second dummy gates 6a and 6b, the side walls 7a and 7b, and the silicon substrate 1 by plasma CVD. Form by the method. Thereafter, as illustrated in the cross-sectional view of FIG. 4A and the plan view of FIG. 9C, the upper surface of the silicon oxide film 11 is polished by CMP to flatten the upper surface, and the first, The upper surfaces of the second dummy gates 6a and 6b are exposed. In this case, the upper ends of the sidewalls 7a and 7b are also exposed.

次に、図4(b)の断面図、図10(a)の平面図に例示するように、第1、第2のダミーゲート6a、6bを選択的に除去し、層間絶縁膜11に第1、第2のゲート形状凹部10a、10bを形成する。   Next, as illustrated in the cross-sectional view of FIG. 4B and the plan view of FIG. 10A, the first and second dummy gates 6a and 6b are selectively removed, and the interlayer insulating film 11 includes First, second gate-shaped recesses 10a and 10b are formed.

次に、図4(c)に例示するように、第1、第2のゲート形状凹部10a、10b内のシリコン基板1上面と層間絶縁膜11の上面の上に、ゲート絶縁膜12としてhigh-k誘電体層、例えば酸化ハフニウム層を形成する。続いて、ゲート絶縁膜12の上に第1金属層13として例えばスパッタ法により窒化チタン(TiN)層を例えば1nm〜3nmの厚さに形成する。さらに、第1金属層13の上に第2金属層14として例えば窒化アルミニウム(TiAl)層を例えばスパッタ法により2nmn〜5nmの厚さに形成する。   Next, as illustrated in FIG. 4C, a high-as gate insulating film 12 is formed on the upper surface of the silicon substrate 1 and the upper surface of the interlayer insulating film 11 in the first and second gate-shaped recesses 10a and 10b. A k dielectric layer, such as a hafnium oxide layer, is formed. Subsequently, a titanium nitride (TiN) layer is formed as a first metal layer 13 on the gate insulating film 12 by a sputtering method, for example, to a thickness of 1 nm to 3 nm, for example. Further, an aluminum nitride (TiAl) layer, for example, is formed as a second metal layer 14 on the first metal layer 13 to a thickness of 2 nmn to 5 nm, for example, by sputtering.

第1金属層13、第2金属層14は後述するゲート電極の一部となる。第2金属層14は、TiAlのような仕事関数調整用金属(ワークファンクションメタル)から形成され、第1金属層13とは異なる材料から形成される。即ち、第2金属層14は、その中に含まれる仕事関数調整金属元素、例えばAlを基板に近い第1金属層13に熱拡散することによりゲート電極の仕事関数、即ちMOSトランジスタの閾値電圧を調整する機能を有している。   The first metal layer 13 and the second metal layer 14 become part of a gate electrode described later. The second metal layer 14 is made of a work function adjusting metal (work function metal) such as TiAl, and is made of a material different from that of the first metal layer 13. That is, the second metal layer 14 thermally diffuses the work function adjusting metal element contained therein, for example, Al, into the first metal layer 13 close to the substrate, thereby reducing the work function of the gate electrode, that is, the threshold voltage of the MOS transistor. It has a function to adjust.

次に、図5(a)に例示するように、第2金属層14の上に第3金属層15として例えばタングステン層を少なくとも第1、第2のゲート形状凹部10a、10bを完全に充填する厚さになるようにスパッタ法により形成される。第3金属層15は、第2金属層13とは異なる材料から形成される。   Next, as illustrated in FIG. 5A, at least the first and second gate-shaped recesses 10 a and 10 b are completely filled as the third metal layer 15 on the second metal layer 14, for example, as a third metal layer 15. It is formed by sputtering so as to have a thickness. The third metal layer 15 is formed from a material different from that of the second metal layer 13.

この後に、図5(b)の断面図、図10(b)の平面図に例示するように、層間絶縁膜11上のゲート絶縁膜12、第1〜第3金属層13〜15をCMP法により除去する。これにより第1、第2のゲート形状凹部10a、10b内に残された第1〜第3金属層13〜15は、それぞれメタルゲートである第1、第2のゲート電極16a、16bとして使用される。   Thereafter, as illustrated in the cross-sectional view of FIG. 5B and the plan view of FIG. 10B, the gate insulating film 12 and the first to third metal layers 13 to 15 on the interlayer insulating film 11 are subjected to CMP. Remove with. Thereby, the first to third metal layers 13 to 15 left in the first and second gate-shaped recesses 10a and 10b are used as first and second gate electrodes 16a and 16b, which are metal gates, respectively. The

次に、図5(c)、図10(c)に例示するように、層間絶縁膜11及び第1、第2のゲート電極16a、16bなどの上に、絶縁膜として酸化シリコン膜17を例えばCVD法により形成する。その後に、フォトリソグラフィーとエッチングを用いて酸化シリコン膜17をパターニングし、第2のゲート電極16bの上面を露出させる開口部17aを形成するとともに、第1のゲート電極16aを覆う形状にする。   Next, as illustrated in FIGS. 5C and 10C, a silicon oxide film 17 is formed as an insulating film on the interlayer insulating film 11 and the first and second gate electrodes 16a and 16b, for example. It is formed by the CVD method. Thereafter, the silicon oxide film 17 is patterned using photolithography and etching to form an opening 17a that exposes the upper surface of the second gate electrode 16b and to cover the first gate electrode 16a.

次に、シリコン基板1をRIE装置のエッチングチャンバに入れ、圧力を1Pa〜100Paに設定する。また、エッチングチャンバ内で、電極に印加する高周波電源を例えば周波数13.56MHzに設定し、反応ガスとして塩素系ガス、例えば塩素(Cl)を導入し、シリコン基板1の温度を例えば約100℃に設定する。 Next, the silicon substrate 1 is put into the etching chamber of the RIE apparatus, and the pressure is set to 1 Pa to 100 Pa. Further, in the etching chamber, a high frequency power source applied to the electrode is set to a frequency of 13.56 MHz, for example, a chlorine-based gas such as chlorine (Cl 2 ) is introduced as a reaction gas, and the temperature of the silicon substrate 1 is set to about 100 ° C., for example. Set to.

これにより、図6(a)に例示するように、層間絶縁膜11とその上の酸化シリコン膜17をマスクに使用し、開口部17aから露出した第2のゲート電極16bを上からエッチングし、その高さを例えば約30nmまで低くする。これにより、第2のゲート形状凹部10bの上部に空間が形成される。この場合、シリコン基板1の上面に沿って平行に形成された部分のゲート絶縁膜12、第1金属層13と第2金属層14のそれぞれの厚さには変化がないが、第2金属層14の上に形成された第3金属層15は当初より薄くなる。この結果、第2のゲート電極16bの第3金属層15の体積が第1のゲート電極16aの第3金属層15の体積より小さくなる。   Thereby, as illustrated in FIG. 6A, the interlayer insulating film 11 and the silicon oxide film 17 thereon are used as a mask, and the second gate electrode 16b exposed from the opening 17a is etched from above. The height is lowered to, for example, about 30 nm. As a result, a space is formed above the second gate-shaped recess 10b. In this case, the thickness of each of the gate insulating film 12, the first metal layer 13 and the second metal layer 14 formed in parallel along the upper surface of the silicon substrate 1 is not changed, but the second metal layer The third metal layer 15 formed on 14 is thinner than the original. As a result, the volume of the third metal layer 15 of the second gate electrode 16b is smaller than the volume of the third metal layer 15 of the first gate electrode 16a.

以上により形成された第1のゲート電極16aとその両側方のソース/ドレイン領域9a、9b等により第1のNMOSトランジスタTが形成され、また、第2のゲート電極16bとその両側方のソース/ドレイン領域9c、9dなどにより第2のNMOSトランジスタTが形成される。 The first gate electrode 16a thus formed and the source / drain regions 9a, 9b on both sides thereof form a first NMOS transistor T1, and the second gate electrode 16b and the sources on both sides thereof. / drain regions 9c, the second NMOS transistor T 2 is formed by a 9d.

次に、図6(b)に例示するように、酸化シリコン膜17の上とその開口部17a中に別の絶縁膜として酸化シリコン膜18をCVD法により形成する。これにより、第2のゲート形状凹部10bの中では、第2のゲート電極16bの上に形成された空間が酸化シリコン膜18により充填される。この後に、図6(c)の断面図、図11(a)の平面図に例示するように、酸化シリコン膜17、18を上面からCMP法により研磨し、第1のゲート電極16aの上面を露出させる。これにより、層間絶縁膜11の上面上の酸化シリコン膜17、18が除去されるとともに、第2のゲート電極16b上の酸化シリコン膜18を第2のゲート形状凹部10b内に残し、層間絶縁膜11の上面に対して平坦化する。   Next, as illustrated in FIG. 6B, a silicon oxide film 18 is formed by CVD as another insulating film on the silicon oxide film 17 and in the opening 17a. As a result, the space formed on the second gate electrode 16b is filled with the silicon oxide film 18 in the second gate-shaped recess 10b. Thereafter, as illustrated in the cross-sectional view of FIG. 6C and the plan view of FIG. 11A, the silicon oxide films 17 and 18 are polished from the upper surface by the CMP method, and the upper surface of the first gate electrode 16a is polished. Expose. As a result, the silicon oxide films 17 and 18 on the upper surface of the interlayer insulating film 11 are removed, and the silicon oxide film 18 on the second gate electrode 16b is left in the second gate-shaped recess 10b. 11 is planarized with respect to the upper surface.

次に、シリコン基板1をランプアニール装置内に搬送し、その中で、図7(a)に例示するように、シリコン基板1の上方に配置されたランプ(不図示)によりランプアニールを行う。アランプアニールとして、例えばラピッドサーマルアニール(RTA)、フラッシュランプアニール(FLA)などがある。RTAには一般にWハロゲンランプが用いられ、可視領域の約400nm〜数μmの赤外の波長で発光させる。また、FLAとして一般にXeフラッシュランプが用いられ、紫外領域の約200nmから近紫外領域の約800nmの波長で発光させる。それらの波長領域では、酸化シリコン膜はそれらの光を吸収しないので、第2のゲート電極16bの上に酸化シリコン膜18を形成せずにランプアニールを施してもよい。   Next, the silicon substrate 1 is transported into a lamp annealing apparatus, in which lamp annealing is performed by a lamp (not shown) disposed above the silicon substrate 1 as illustrated in FIG. Examples of the lamp annealing include rapid thermal annealing (RTA) and flash lamp annealing (FLA). In general, a W halogen lamp is used for RTA, which emits light at an infrared wavelength of about 400 nm to several μm in the visible region. Further, a Xe flash lamp is generally used as the FLA, and emits light at a wavelength of about 200 nm in the ultraviolet region to about 800 nm in the near ultraviolet region. In these wavelength regions, since the silicon oxide film does not absorb the light, lamp annealing may be performed without forming the silicon oxide film 18 on the second gate electrode 16b.

アニール条件として、第1、第2のゲート電極16a、16bを例えば400℃〜900℃で約1秒〜10秒の時間で加熱する。   As annealing conditions, the first and second gate electrodes 16a and 16b are heated at, for example, 400 ° C. to 900 ° C. for about 1 second to 10 seconds.

このような条件によれば、第2のゲート電極16b内の第3金属層15は、第1のゲート電極16a内の第3金属層15に比べて半分又はそれ以下の高さになっている。このため、第2のゲート電極16b内の第3金属層15の熱容量は、第1のゲート電極16a内の第3金属層15の熱容量よりも小さく、ランプアニールにより高温になり易い。従って、ランプアニールにより第2金属層14内のAl元素が第1金属層13内に拡散できる温度に達する時間は、第1のゲート電極16aよりも第2のゲート電極16bの方が短くなる。また、ランプアニールを停止した後には、第1、第2のゲート電極16a、16bに残存する熱は第3金属層15の上面からも放出されるので、第1、第2のゲート電極16a、16bの温度低下時間はほぼ同一である。従って、第2金属層14から第1金属層13内への実質的なAl拡散量は、第2のゲート電極16bの方が第1のゲート電極16aより多くなり、加熱温度も第2のゲート電極16bの方が高くなる。   According to such a condition, the third metal layer 15 in the second gate electrode 16b is half or less than the third metal layer 15 in the first gate electrode 16a. . For this reason, the heat capacity of the third metal layer 15 in the second gate electrode 16b is smaller than the heat capacity of the third metal layer 15 in the first gate electrode 16a and is likely to become high temperature by lamp annealing. Therefore, the time for reaching the temperature at which the Al element in the second metal layer 14 can diffuse into the first metal layer 13 by lamp annealing is shorter in the second gate electrode 16b than in the first gate electrode 16a. Further, after the lamp annealing is stopped, the heat remaining in the first and second gate electrodes 16a and 16b is also released from the upper surface of the third metal layer 15, so that the first and second gate electrodes 16a, The temperature drop time of 16b is almost the same. Therefore, the substantial amount of Al diffusion from the second metal layer 14 into the first metal layer 13 is greater in the second gate electrode 16b than in the first gate electrode 16a, and the heating temperature is also the second gate. The electrode 16b is higher.

これにより、Al濃度を比べると、第2のゲート電極16b内の第1金属層13の方が第1のゲート電極16aの第1金属層13よりも高くなる。この結果、Alが多く拡散された第2のゲート電極16bのシリコン基板1に対する仕事関数は、第1のゲート電極16aのシリコン基板1に対する仕事関数より小さくなる。従って、第2のMOSトランジスタTの閾値電圧は、第1のNMOSトランジスタTの閾値電圧よりも高くなり、異なる閾値電圧のメタルゲートを備えた複数のNMOSトランジスタT、Tを同一のシリコン基板1に形成することが可能になる。なお、ランプアニールにより第2金属層14からAl元素が第3金属層15に拡散されても、シリコン基板1から遠く位置しているのでゲート電極16a、16bの仕事関数に殆ど影響を及ぼさない。 Thereby, when the Al concentration is compared, the first metal layer 13 in the second gate electrode 16b is higher than the first metal layer 13 in the first gate electrode 16a. As a result, the work function of the second gate electrode 16b in which a large amount of Al is diffused with respect to the silicon substrate 1 is smaller than the work function of the first gate electrode 16a with respect to the silicon substrate 1. Thus, the second threshold voltage of the MOS transistor T 2 are, higher than the first threshold voltage of the NMOS transistor T 1, a plurality of the NMOS transistors T 1, T 2 identical with the metal gate of the different threshold voltages It can be formed on the silicon substrate 1. Even if Al element is diffused from the second metal layer 14 to the third metal layer 15 by lamp annealing, the work function of the gate electrodes 16a and 16b is hardly affected because it is located far from the silicon substrate 1.

次に、図7(b)の断面図、図11(b)の平面図に例示するように、第1のゲート電極16a、絶縁膜18、層間絶縁膜11などの上に、二層目の層間絶縁膜19、例えば酸化シリコン膜を形成する。   Next, as illustrated in the cross-sectional view of FIG. 7B and the plan view of FIG. 11B, the second layer is formed on the first gate electrode 16a, the insulating film 18, the interlayer insulating film 11, and the like. An interlayer insulating film 19, for example, a silicon oxide film is formed.

この後に、図7(c)、図11(c)に例示するように、第1、第2のNMOSトランジスタT、Tにおける第1、第2のゲート電極16a、16b、ソース/ドレイン領域9a〜9dのそれぞれの上にコンタクトホール19a〜19fを形成する。その後に、各コンタクトホール19a〜19f内に導電性プラグ20a〜20dを形成する。導電性プラグ20a〜20dは、例えば、Ti/TiN/Wの積層構造から形成される。その後に、特に図示しないが、導電性プラグ20a〜20dのそれぞれに接続される配線(不図示)を二層目の層間絶縁膜19上に形成する。さらに、層間絶縁膜、導電性プラグ、配線等を繰り返し形成することにより多層配線構造(不図示)を形成する。 Thereafter, as illustrated in FIGS. 7C and 11C, the first and second gate electrodes 16a and 16b and the source / drain regions in the first and second NMOS transistors T 1 and T 2 are illustrated. Contact holes 19a to 19f are formed on each of 9a to 9d. Thereafter, conductive plugs 20a to 20d are formed in the contact holes 19a to 19f. The conductive plugs 20a to 20d are formed from, for example, a laminated structure of Ti / TiN / W. Thereafter, although not particularly shown, wirings (not shown) connected to the respective conductive plugs 20a to 20d are formed on the second-layer interlayer insulating film 19. Furthermore, a multilayer wiring structure (not shown) is formed by repeatedly forming interlayer insulating films, conductive plugs, wirings, and the like.

上記の実施形態によれば、第1、第2のゲート電極16a、16bを構成する同じ金属積層構造のうち第2のゲート電極16bの第3金属層15の一部を選択的にエッチングすることにより熱容量を小さくしている。このため、上からのランプアニールによる熱が第3金属層15を伝搬して第1、第2金属層13、14に達する時間は第2のゲート電極16bの方が第1のゲート電極16aより速くなる。また、第1、第2金属膜13、14の加熱温度については、第1のゲート電極16a内よりも第2のゲート電極16b内の方が高くなる。   According to the above-described embodiment, a part of the third metal layer 15 of the second gate electrode 16b is selectively etched out of the same metal laminated structure constituting the first and second gate electrodes 16a and 16b. This reduces the heat capacity. For this reason, the time for the heat from the lamp annealing from above to propagate through the third metal layer 15 and reach the first and second metal layers 13 and 14 is greater for the second gate electrode 16b than for the first gate electrode 16a. Get faster. The heating temperature of the first and second metal films 13 and 14 is higher in the second gate electrode 16b than in the first gate electrode 16a.

この結果、第2金属膜14からAl元素が拡散される量は、第2のゲート電極16bの第1金属層13内の方が第1のゲート電極16aの第1金属層13内より多くなる。また、ランプアニール終了時に第3金属層15に残存する熱は、それらの上面から外部に放出されるため、第1、第2のゲート電極16a、16bの加熱はほぼ同時に終了する。   As a result, the amount of Al element diffused from the second metal film 14 is greater in the first metal layer 13 of the second gate electrode 16b than in the first metal layer 13 of the first gate electrode 16a. . Further, since the heat remaining in the third metal layer 15 at the end of the lamp annealing is released to the outside from the upper surfaces thereof, the heating of the first and second gate electrodes 16a and 16b is almost completed.

このような方法により第1金属層13内へのAl拡散量が多い第2のゲート電極16bの仕事関数は、Al拡散量が少ない第1のゲート電極16aの仕事関数よりも小さくなる。これにより、第2のNMOSトランジスタTの閾値電圧は、第1のNMOSトランジスタTの閾値電圧より高くなる。 By such a method, the work function of the second gate electrode 16b having a large amount of Al diffusion into the first metal layer 13 becomes smaller than the work function of the first gate electrode 16a having a small amount of Al diffusion. Thus, the second threshold voltage of the NMOS transistor T 2 are, higher than the first threshold voltage of the NMOS transistor T 1.

従って、第1、第2のゲート電極16a、16bのそれぞれにおける第2金属層14となるTiAl層の厚さを同じに形成してもそれらからのAl拡散量を相違させることができる。また、第1、第2のゲート電極16a、16bの周囲を層間絶縁膜11で覆った後でも、層間絶縁膜11、酸化シリコン膜18を透過させてランプアニールしているので、それらの絶縁膜に影響されずに第1、第2のゲート電極16a、16bの仕事関数を相違させることができる。   Therefore, even if the TiAl layer serving as the second metal layer 14 in each of the first and second gate electrodes 16a and 16b is formed to have the same thickness, the amount of Al diffusion therefrom can be made different. In addition, even after the periphery of the first and second gate electrodes 16a and 16b is covered with the interlayer insulating film 11, the interlayer insulating film 11 and the silicon oxide film 18 are transmitted to perform lamp annealing. The work functions of the first and second gate electrodes 16a and 16b can be made different without being affected by the above.

ところで、第1、第2のゲート電極16a、16bのアニール温度を異ならせるために、第3金属層15の高さを同じにした状態で第1のゲート電極16aをメタルマスクで覆い、第2のゲート電極16bを露出させる方法を採用してもよい。しかし、そのような方法によれば、ランプ照射方向やメタルマスクに位置ズレが生じると、メタルマスクの下に生じる陰の変化により第2のゲート電極16bへの光照射分布にばらつきが生じ、仕事関数の調整が不均一になりやすい。これに対し、上記のように第1、第2のゲート電極16a、16bの膜厚を調整すれば、ランプ照射方向にずれが生じてもメタルマスクによる陰のような現象が生じないので、第2のゲート電極16bの仕事関数の調整を均一にすることができる。   By the way, in order to make the annealing temperatures of the first and second gate electrodes 16a and 16b different, the first gate electrode 16a is covered with a metal mask while the height of the third metal layer 15 is the same, and the second A method of exposing the gate electrode 16b may be employed. However, according to such a method, when the position of the lamp irradiation direction or the metal mask is misaligned, the light irradiation distribution to the second gate electrode 16b varies due to a change in the shadow under the metal mask, and the work is performed. Function adjustment tends to be uneven. On the other hand, if the film thickness of the first and second gate electrodes 16a and 16b is adjusted as described above, a shadow phenomenon due to the metal mask does not occur even if a deviation occurs in the lamp irradiation direction. The work function of the second gate electrode 16b can be adjusted uniformly.

ところで、上記のTiAl第2金属層14におけるAlの濃度分布を厚さ方向に変化させてもよい。例えば、TiAl第2金属層14において、第1金属層13に近い下部のAl濃度を遠い上部のAl濃度よりも低くしてもよい。これにより、ランプアニールによる加熱効果の低い第1のゲート電極16aでは第1金属層13へのAl拡散量が少なくなるが、加熱効果の高い第2のゲート電極16aでは第1金属層13へAl拡散量をより多くすることができる。このため、第1のゲート電極16a内のTiAl層の厚さを、第2のゲート電極16bの厚さよりも薄くすると同じような効果が得られる。   By the way, the Al concentration distribution in the TiAl second metal layer 14 may be changed in the thickness direction. For example, in the TiAl second metal layer 14, the lower Al concentration near the first metal layer 13 may be lower than the far upper Al concentration. As a result, the first gate electrode 16a having a low heating effect by lamp annealing reduces the amount of Al diffusion into the first metal layer 13, but the second gate electrode 16a having a high heating effect reduces the Al diffusion to the first metal layer 13. The amount of diffusion can be increased. Therefore, the same effect can be obtained by making the thickness of the TiAl layer in the first gate electrode 16a thinner than the thickness of the second gate electrode 16b.

(第2の実施の形態)
図12は、本実施形態により形成される半導体装置の基本構造を示す斜視図、図13〜図17、図18(a)は、本実施形態に係る半導体装置の形成工程を示す断面図、図19〜図21、図18(b)はその平面図である。
(Second Embodiment)
FIG. 12 is a perspective view showing the basic structure of the semiconductor device formed according to the present embodiment. FIGS. 13 to 17 and FIG. 18A are cross-sectional views showing the steps of forming the semiconductor device according to the present embodiment. 19 to 21 and FIG. 18B are plan views thereof.

図12に示すシリコン基板21には、第1、第2のフィン型NMOSトランジスタT11、T12が形成されている。第1のフィン型NMOSトランジスタT11では、シリコン基板21からフィン状に突出した部分のうちソース/ドレイン領域29a、29bの間の領域の前面、上面、後面の上にゲート絶縁膜32を介して第1のゲート電極36aが形成されている。また、第2のフィン型NMOSトランジスタT12では、シリコン基板21からフィン状に突出した部分のうちソース/ドレイン領域29c、29dの間の領域の前面、上面、後面の上にゲート絶縁膜32を介して第2のゲート電極36bが形成されている。第2のゲート電極36bは第1のゲート電極36aより薄く形成されている。そのような基本構造を有する第1、第2のフィン型NMOSトランジスタT11、T12の製造工程を次に説明する。 First and second fin-type NMOS transistors T 11 and T 12 are formed on the silicon substrate 21 shown in FIG. In the first fin-type NMOS transistor T 11 , the gate insulating film 32 is disposed on the front, top, and rear surfaces of the region between the source / drain regions 29 a and 29 b of the portion protruding in a fin shape from the silicon substrate 21. A first gate electrode 36a is formed. In the second fin type NMOS transistor T 12, the source / drain region 29c of the portion protruding from the silicon substrate 21 in the fin-shaped, the front face of the region between the 29d, a top surface, a gate insulating film 32 on the rear face A second gate electrode 36b is formed therethrough. The second gate electrode 36b is formed thinner than the first gate electrode 36a. A manufacturing process of the first and second fin type NMOS transistors T 11 and T 12 having such a basic structure will be described next.

第2実施形態に係る半導体装置の形成工程は、まず、図19(a)の平面図と、そのII−II線の断面を示す図13(a)に例示するように、シリコン基板21の上に酸化シリコン膜22、窒化シリコン膜23を例えばCVD法により形成する。その後に、窒化シリコン膜23の上にフォトレジストを塗布する。続いて、フォトレジストに露光、現像等を施すことにより、細長い第1、第2のフィン形成領域A11、A12を覆うとともにその周囲を露出するレジストパターンR11を形成する。第1、第2のフィン形成領域A11、A12は平面が細長い形状を有する例えば長方形であり、その短辺は、それぞれに形成される一対のソース/ドレイン領域29a〜29dの間隔、即ちゲート長よりも短いことが好ましい。なお、第1、第2のフィン形成領域A11、A12は、特に図示しないが複数配置される。 First, a semiconductor device forming process according to the second embodiment is performed on a silicon substrate 21 as illustrated in a plan view of FIG. 19A and a cross section taken along line II-II in FIG. A silicon oxide film 22 and a silicon nitride film 23 are formed by, for example, a CVD method. Thereafter, a photoresist is applied on the silicon nitride film 23. Subsequently, by exposing and developing the photoresist, a resist pattern R 11 that covers the first and second fin forming regions A 11 and A 12 and exposes the periphery thereof is formed. The first and second fin forming regions A 11 , A 12 are, for example, rectangular with a flat plane, and the short sides thereof are the distance between the pair of source / drain regions 29a-29d formed on each, that is, the gate. It is preferable that the length is shorter than the length. Note that a plurality of first and second fin formation regions A 11 and A 12 are arranged although not particularly shown.

次に、図13(b)、図19(b)に示すように、レジストパターンR11をマスクに使用し、窒化シリコン膜3、酸化シリコン膜22をエッチングする。その後に、レジストパターンR11と残された窒化シリコン膜23をマスクにしてドライエッチング法、例えば塩素系ガスを用いてRIE法によりシリコン基板1をエッチングする。これにより、図13(c)に例示するように、シコン基板21の第1、第2のフィン形成領域A11、A12をフィン状に突出させ、その周囲に素子分離用溝21aを形成する。その後に、窒化シリコン膜23、酸化シリコン膜22を例えば緩衝フッ酸などを使用するウエットエッチングにより除去する。 Next, FIG. 13 (b), the as shown in FIG. 19 (b), a resist pattern R 11 used as a mask, the silicon nitride film 3, a silicon oxide film 22 is etched. Thereafter, dry etching using the resist pattern R 11 and silicon nitride film 23 left on the mask, the silicon substrate 1 are etched by RIE using a chlorine-based gas. Thus, as illustrated in FIG. 13C, the first and second fin formation regions A 11 and A 12 of the silicon substrate 21 are projected in a fin shape, and an element isolation groove 21a is formed around the first and second fin formation regions A 11 and A 12. . Thereafter, the silicon nitride film 23 and the silicon oxide film 22 are removed by wet etching using, for example, buffered hydrofluoric acid.

次に、シリコン基板21において、第1、第2のフィン形成領域A11、A12の上面上と素子分離用溝21a内面上に絶縁膜、例えば酸化シリコン膜をCVD法により形成し、素子分離用溝21aを絶縁膜により完全に充填する。この後に、図14(a)、図19(c)に例示するように、CMP法によりシリコン基板21のうち第1、第2のフィン形成領域A11、A12から絶縁膜を除去するとともに、素子分離用溝21a内に残された絶縁膜を素子分離絶縁膜24として使用する。ところで、素子分離用溝21a内を充填する絶縁膜は、窒化シリコン膜23を除去する前に形成してもよい。この場合、絶縁膜をCMP法により研磨して窒化シリコン膜23を露出させた後に窒化シリコン膜23を除去し、その後に、シリコン基板21の上面上の酸化シリコン膜22を除去する。 Next, an insulating film such as a silicon oxide film is formed by CVD on the upper surface of the first and second fin formation regions A 11 and A 12 and on the inner surface of the element isolation groove 21a on the silicon substrate 21 to separate the elements. The groove 21a is completely filled with an insulating film. Thereafter, as illustrated in FIGS. 14A and 19C, the insulating film is removed from the first and second fin formation regions A 11 and A 12 of the silicon substrate 21 by the CMP method. The insulating film left in the element isolation trench 21 a is used as the element isolation insulating film 24. Incidentally, the insulating film filling the element isolation trench 21a may be formed before the silicon nitride film 23 is removed. In this case, the insulating film is polished by the CMP method to expose the silicon nitride film 23, and then the silicon nitride film 23 is removed. Thereafter, the silicon oxide film 22 on the upper surface of the silicon substrate 21 is removed.

次に、第1、第2のフィン形成領域A11、A12に第1導電型不純物、例えばホウ素などのp型不純物をイオン注入することにより第1導電型の第1、第2のウエル25a、25bを形成する。この後に、図14(b)に例示するように、素子分離用溝21a内の素子分離絶縁膜24をエッチングすることにより、シリコン基板21のうち第1、第2のフィン形成領域A11、A12を素子分離絶縁膜24からフィン状に突出させる。なお、第1、第2のウエル25a、25bは、活性領域を突出させた後に形成してもよい。 Next, a first conductivity type first and second well 25a is formed by ion-implanting a first conductivity type impurity, for example, a p-type impurity such as boron, into the first and second fin formation regions A 11 and A 12 . , 25b. Thereafter, as illustrated in FIG. 14B, the element isolation insulating film 24 in the element isolation trench 21 a is etched, whereby the first and second fin formation regions A 11 , A of the silicon substrate 21 are etched. 12 is projected from the element isolation insulating film 24 in a fin shape. The first and second wells 25a and 25b may be formed after protruding the active region.

次に、図14(c)に例示するように、シリコン基板21及び素子分離絶縁膜24の上にポリシリコン膜26をCVD法により例えば30nm〜60nmの厚さに形成する。さらに、ポリシリコン膜26の上にフォトレジストを塗布し、これを露光、現像等を施すことにより、シリコン基板21のうちフィン状に突出した第1、第2のウエル25a、25bの中央を横切るゲート電極形状のレジストパターンR12を形成する。 Next, as illustrated in FIG. 14C, a polysilicon film 26 is formed on the silicon substrate 21 and the element isolation insulating film 24 to a thickness of, for example, 30 nm to 60 nm by the CVD method. Further, a photoresist is applied on the polysilicon film 26, and this is exposed, developed, and the like, thereby crossing the centers of the first and second wells 25a, 25b protruding in the fin shape in the silicon substrate 21. forming a resist pattern R 12 of the gate electrode shape.

次に、レジストパターンR12をマスクにしてポリシリコン膜26を例えばRIE法によりエッチングし、フィン状の第1、第2のウエル25a、25bのほぼ中央を横切るポリシリコン膜26をゲート電極形状にする。その後に、レジストパターンR12を除去する。ゲート電極形状のポリシリコン膜26は、図20(a)に例示するように、第1、第2のダミーゲート26a、26bとして使用される。第1、第2のダミーゲート26a、26bは、それぞれの幅が15nm〜25nmとなるようにパターニングされる。 Next, a resist pattern R 12 as a mask to etch the polysilicon film 26 for example, RIE method, first fin-shaped, second well 25a, the gate electrode shape of the polysilicon film 26 which substantially crosses the center of the 25b To do. Thereafter, the resist pattern is removed R 12. The gate electrode-shaped polysilicon film 26 is used as first and second dummy gates 26a and 26b as illustrated in FIG. The first and second dummy gates 26a and 26b are patterned so that each width is 15 nm to 25 nm.

次に、第1、第2のダミーゲート26a、26bをマスクに使用し、シリコン基板1の第1、第2のトランジスタ形成領域A、Aに第2導電型不純物、例えば砒素又はリンをイオン注入する。これにより、図15(a)に例示するように、第1、第2のダミーゲート26a、26bのそれぞれの両側に低不純物濃度のエクステンション領域28a〜28dを形成する。 Next, using the first and second dummy gates 26a and 26b as masks, a second conductivity type impurity such as arsenic or phosphorus is applied to the first and second transistor formation regions A 1 and A 2 of the silicon substrate 1. Ion implantation. Thus, as illustrated in FIG. 15A, extension regions 28a to 28d having low impurity concentrations are formed on both sides of the first and second dummy gates 26a and 26b.

次に、シリコン基板21と第1、第2のダミーゲート26a、26bの上に絶縁膜として例えば窒化シリコン膜27を形成する。その後に、窒化シリコン膜をエッチバックすることにより、図20(b)の平面図に例示するように窒化シリコン膜を第1、第2のダミーゲート26a、26bの側面に残し、残された窒化シリコン膜を絶縁性のサイドウォール27a、27bとして使用する。   Next, for example, a silicon nitride film 27 is formed as an insulating film on the silicon substrate 21 and the first and second dummy gates 26a and 26b. Thereafter, the silicon nitride film is etched back to leave the silicon nitride film on the side surfaces of the first and second dummy gates 26a and 26b as illustrated in the plan view of FIG. Silicon films are used as insulating sidewalls 27a and 27b.

次に、図15(b)の断面図に例示するように、フィン状の第1、第2のウエル25a、25bのうち第1、第2のダミーゲート26a、26b及びサイドウォール27a、27bを含む領域のそれぞれの両側に第2導電型不純物をイオン注入する。これにより、第2導電型の不純物拡散領域28e〜28hを形成する。不純物拡散領域28e〜28hは、第1、第2のダミーゲート26a、26bのそれぞれの両側方でエクステンション領域28a〜28dに重なり、しかもエクステンション領域28a〜28dに比べて第2導電型不純物濃度が高く形成される。これにより、第1、第2のダミーゲート26a、26bの両側で互いに接続されるエクステンション領域28a〜28dと不純物拡散領域28e〜28hはそれぞれ第2導電型のソース/ドレイン領域29a〜29dとなる。   Next, as illustrated in the cross-sectional view of FIG. 15B, the first and second dummy gates 26a and 26b and the sidewalls 27a and 27b of the fin-like first and second wells 25a and 25b are formed. A second conductivity type impurity is ion-implanted on both sides of each of the included regions. Thus, second conductivity type impurity diffusion regions 28e to 28h are formed. The impurity diffusion regions 28e to 28h overlap the extension regions 28a to 28d on both sides of each of the first and second dummy gates 26a and 26b, and have a higher second conductivity type impurity concentration than the extension regions 28a to 28d. It is formed. Accordingly, the extension regions 28a to 28d and the impurity diffusion regions 28e to 28h connected to each other on both sides of the first and second dummy gates 26a and 26b become the second conductivity type source / drain regions 29a to 29d, respectively.

次に、第1、第2のダミーゲート26a、26b、サイドウォール27a、27b及びフィン状の第1、第2のウエル25a、25bの表面上に層間絶縁膜31として酸化シリコン膜をプラズマCVD法により形成する。その後に、図15(c)の断面図、図20(c)の平面図に例示するように、酸化シリコン膜31の上面をCMP法により研磨し、その上面を平坦化するとともに、第1、第2のダミーゲート26a、26bの上面を露出させる。この場合、サイドウォール27a、27bの上端も露出する。   Next, a silicon oxide film is formed as an interlayer insulating film 31 on the surfaces of the first and second dummy gates 26a and 26b, the sidewalls 27a and 27b, and the fin-like first and second wells 25a and 25b by plasma CVD. To form. Thereafter, as illustrated in the cross-sectional view of FIG. 15C and the plan view of FIG. 20C, the upper surface of the silicon oxide film 31 is polished by CMP to flatten the upper surface, and the first, The upper surfaces of the second dummy gates 26a and 26b are exposed. In this case, the upper ends of the sidewalls 27a and 27b are also exposed.

次に、図16(a)の断面図、図21(a)の平面図に例示するように、第1、第2のダミーゲート26a、26bを選択的に除去することにより、層間絶縁膜31に第1、第2のゲート形状凹部30a、30bを形成する。   Next, as illustrated in the cross-sectional view of FIG. 16A and the plan view of FIG. 21A, the first and second dummy gates 26a and 26b are selectively removed to thereby remove the interlayer insulating film 31. First and second gate-shaped recesses 30a and 30b are formed.

次に、図16(b)に例示するように、シリコン基板21のうち第1、第2のゲート形状凹部30a、30b内のフィン状の活性領域の上と素子分離絶縁膜24の上と層間絶縁膜11の上面の上に、ゲート絶縁膜32としてhigh-k誘電体層、例えば酸化ハフニウム層を形成する。続いて、ゲート絶縁膜32の上に第1金属層33として例えばスパッタ法によりTiN層を例えば1nm〜3nmの厚さに形成する。さらに、第1金属層33の上に第2金属層34として例えばTiAl層を例えばスパッタ法により2nmn〜5nmの厚さに形成する。   Next, as illustrated in FIG. 16B, on the fin-like active regions in the first and second gate-shaped recesses 30 a and 30 b, on the element isolation insulating film 24, and between the layers of the silicon substrate 21. A high-k dielectric layer, such as a hafnium oxide layer, is formed as the gate insulating film 32 on the upper surface of the insulating film 11. Subsequently, a TiN layer is formed as a first metal layer 33 on the gate insulating film 32 by a sputtering method, for example, to a thickness of 1 nm to 3 nm, for example. Further, a TiAl layer, for example, is formed as a second metal layer 34 on the first metal layer 33 to a thickness of 2 nmn to 5 nm, for example, by sputtering.

第1金属層33、第2金属層34は後述するゲート電極の一部となる。第2金属層34は、TiAlのような仕事関数調整用金属(ワークファンクションメタル)から形成され、第1金属層33とは異なる材料から形成される。即ち、第2金属層34は、その中に含まれる仕事関数調整金属元素、例えばAlを基板に近い第1金属層33に熱拡散することによりゲート電極の仕事関数、即ちMOSトランジスタの閾値電圧を調整する機能を有している。   The first metal layer 33 and the second metal layer 34 become part of a gate electrode described later. The second metal layer 34 is formed of a work function adjusting metal (work function metal) such as TiAl, and is formed of a material different from that of the first metal layer 33. That is, the second metal layer 34 thermally diffuses the work function adjusting metal element contained therein, for example, Al, into the first metal layer 33 close to the substrate, thereby reducing the work function of the gate electrode, that is, the threshold voltage of the MOS transistor. It has a function to adjust.

さらに、第2金属層34の上に第3金属層35として例えばタングステン層を少なくとも第1、第2のゲート形状凹部30a、30bを完全に充填する厚さになるようにスパッタ法により形成される。第3金属層35は、第2金属層34とは異なる材料から形成される。   Further, a tungsten layer, for example, is formed as a third metal layer 35 on the second metal layer 34 by sputtering so as to have a thickness that completely fills at least the first and second gate-shaped recesses 30a and 30b. . The third metal layer 35 is formed from a material different from that of the second metal layer 34.

次に、図21(b)の平面図に例示するように、層間絶縁膜31上のゲート絶縁膜32、第1〜第3金属層33〜35をCMP法により除去する。これにより第1、第2のゲート形状凹部30a、30b内に残された第1〜第3金属層33〜35は、それぞれ第1、第2のゲート電極36a、36bとして使用される。   Next, as illustrated in the plan view of FIG. 21B, the gate insulating film 32 and the first to third metal layers 33 to 35 on the interlayer insulating film 31 are removed by a CMP method. Thus, the first to third metal layers 33 to 35 left in the first and second gate-shaped recesses 30a and 30b are used as the first and second gate electrodes 36a and 36b, respectively.

次に、図16(c)の断面図に示す構造を形成するまでの工程を説明する。まず、層間絶縁膜31及び第1、第2のゲート電極36a、36bなどの上に、絶縁膜として酸化シリコン膜37を例えばCVD法により形成する。その後に、フォトリソグラフィーとエッチングを用いて酸化シリコン膜37をパターニングし、第2のゲート電極36bの上面を露出させる開口部37aを形成するとともに、第1のゲート電極36aを覆う形状にする。   Next, steps required until a structure shown in a sectional view in FIG. First, a silicon oxide film 37 is formed as an insulating film on the interlayer insulating film 31 and the first and second gate electrodes 36a and 36b, for example, by the CVD method. After that, the silicon oxide film 37 is patterned using photolithography and etching to form an opening 37a that exposes the upper surface of the second gate electrode 36b and to cover the first gate electrode 36a.

次に、シリコン基板21をRIE装置のエッチングチャンバに入れ、圧力を1Pa〜100Paに設定する。また、エッチングチャンバ内で、電極に印加する高周波電源を例えば周波数13.56MHzに設定し、反応ガスとして塩素系ガス、例えば塩素(Cl)を導入し、シリコン基板21の温度を例えば約100℃に設定する。 Next, the silicon substrate 21 is placed in the etching chamber of the RIE apparatus, and the pressure is set to 1 Pa to 100 Pa. In the etching chamber, a high frequency power source applied to the electrode is set to a frequency of 13.56 MHz, for example, a chlorine-based gas, for example, chlorine (Cl 2 ) is introduced as a reaction gas, and the temperature of the silicon substrate 21 is set to, for example, about 100 ° C. Set to.

これにより、図17(a)の断面図に例示するように、層間絶縁膜31とその上の酸化シリコン膜37をマスクに使用し、開口部37aから露出した第2のゲート電極36bを上からエッチングし、その高さを例えば約30nmまで低くする。これにより、第2のゲート形状凹部30bの上部に空間が形成される。この場合、シリコン基板21のフィン状の活性領域と素子分離絶縁膜24の上面に沿って形成されたゲート絶縁膜32、第1金属層33と第2金属層34のそれぞれの厚さには変化がない。しかし、第2のゲート電極36bにおける第2金属層34上に形成された第3金属層35は第1のゲート電極36aの第3金属層35より薄くなりる。この結果、第2のゲート電極36bの第3金属層35の体積が第1のゲート電極6aの第3金属層35の体積より小さくなる。なお、図17(a)においてサイドウォール27a、27b、層間絶縁膜31、酸化シリコン膜37を省略した状態の斜視図を示すと図12のようになる。   Thereby, as illustrated in the cross-sectional view of FIG. 17A, the interlayer insulating film 31 and the silicon oxide film 37 thereon are used as a mask, and the second gate electrode 36b exposed from the opening 37a is viewed from above. Etching is performed to reduce the height to, for example, about 30 nm. As a result, a space is formed above the second gate-shaped recess 30b. In this case, the thickness of each of the fin-like active region of the silicon substrate 21 and the gate insulating film 32, the first metal layer 33, and the second metal layer 34 formed along the upper surface of the element isolation insulating film 24 varies. There is no. However, the third metal layer 35 formed on the second metal layer 34 in the second gate electrode 36b is thinner than the third metal layer 35 of the first gate electrode 36a. As a result, the volume of the third metal layer 35 of the second gate electrode 36b becomes smaller than the volume of the third metal layer 35 of the first gate electrode 6a. FIG. 12 is a perspective view showing a state in which the sidewalls 27a and 27b, the interlayer insulating film 31, and the silicon oxide film 37 are omitted in FIG.

以上により形成された第1のゲート電極36aとその両側方のソース/ドレイン領域29a、29b等により第1のフィン型NMOSトランジスタT11が形成され、また、第2のゲート電極36bとその両側方のソース/ドレイン領域29c、29dなどにより第2のフィン型NMOSトランジスタT12が形成される。 The first source / drain region 29a of both sides thereof with the gate electrode 36a formed by the above, a first fin-type NMOS transistor T 11 is formed by 29b, etc., also, the both sides and the second gate electrode 36b source / drain regions 29c, the second fin type NMOS transistor T 12 is formed by a 29d.

次に、酸化シリコン膜37の上とその開口部37a中に別の絶縁膜として酸化シリコン膜38をCVD法により形成する。これにより、第2のゲート形状凹部30bの中では、第2のゲート電極36bの上に形成された空間が酸化シリコン膜38により充填される。この後に、図17(b)の断面図、図21(c)の平面図に例示するように、酸化シリコン膜37、38を上面からCMP法により研磨し、第1のゲート電極36aの上面を露出させる。これにより、層間絶縁膜31の上面上の酸化シリコン膜37、38が除去されるとともに、第2のゲート電極36b上の酸化シリコン膜38を第2のゲート形状凹部30b内に残し、層間絶縁膜31の上面とともに平坦化する。   Next, a silicon oxide film 38 is formed as a separate insulating film on the silicon oxide film 37 and in the opening 37a by the CVD method. As a result, in the second gate-shaped recess 30b, the space formed on the second gate electrode 36b is filled with the silicon oxide film 38. Thereafter, as illustrated in the cross-sectional view of FIG. 17B and the plan view of FIG. 21C, the silicon oxide films 37 and 38 are polished from the upper surface by CMP, and the upper surface of the first gate electrode 36a is polished. Expose. As a result, the silicon oxide films 37 and 38 on the upper surface of the interlayer insulating film 31 are removed, and the silicon oxide film 38 on the second gate electrode 36b is left in the second gate-shaped recess 30b. It flattens with the upper surface of 31.

次に、シリコン基板21をランプアニール装置内に搬送し、その中で、図17(c)に例示するように、シリコン基板21の上方に配置されたランプ(不図示)によりランプアニールを行う。アランプアニールとして、第1実施形態に示したRTA、FLAなどがある。アニール条件として、第1、第2のゲート電極36a、36bを例えば400℃〜900℃で約1秒〜10秒の時間で加熱する。   Next, the silicon substrate 21 is transported into a lamp annealing apparatus, in which lamp annealing is performed by a lamp (not shown) disposed above the silicon substrate 21 as illustrated in FIG. As the ramp annealing, there are RTA, FLA and the like shown in the first embodiment. As annealing conditions, the first and second gate electrodes 36a and 36b are heated at 400 ° C. to 900 ° C. for about 1 second to 10 seconds, for example.

このような条件によれば、第1実施形態と同様に、第2金属層34から第1金属層33内への実質的なAl拡散時間は、第2のゲート電極36bの方が第1のゲート電極36aより長くなり、加熱温度も第2のゲート電極36bの方が高くなる。これにより、Al濃度を比べると、第2のゲート電極36b内の第1金属層33の方が第1のゲート電極36aの第1金属層33よりも高くなる。この結果、第2のゲート電極36bの第2のウエル25bに対する仕事関数は、第1のゲート電極36aの第1のウエル25aに対する仕事関数より小さくなる。従って、第2のMOSトランジスタT12の閾値電圧は、第1のNMOSトランジスタT11の閾値電圧より高くなり、異なる閾値電圧のメタルゲートを備えた複数のフィン型NMOSトランジスタT12、T12を同一のシリコン基板1に形成することが可能になる。なお、ランプアニールにより第2金属層34からAl元素が第3金属層35に拡散されても、シリコン基板21から第1金属層31より離れているので、ゲート電極36a、36bの仕事関数に殆ど影響を及ぼさない。 According to such conditions, as in the first embodiment, the substantial Al diffusion time from the second metal layer 34 into the first metal layer 33 is the same as that of the second gate electrode 36b. It becomes longer than the gate electrode 36a, and the heating temperature is higher in the second gate electrode 36b. Accordingly, when the Al concentration is compared, the first metal layer 33 in the second gate electrode 36b is higher than the first metal layer 33 in the first gate electrode 36a. As a result, the work function of the second gate electrode 36b for the second well 25b is smaller than the work function of the first gate electrode 36a for the first well 25a. Thus, the threshold voltage of the second MOS transistor T 12 is higher than the threshold voltage of the first NMOS transistor T 11, the same plurality of the fin type NMOS transistor T 12, T 12 having a metal gate of the different threshold voltages It can be formed on the silicon substrate 1. Even if Al element is diffused from the second metal layer 34 to the third metal layer 35 by the lamp annealing, the work function of the gate electrodes 36a and 36b is almost equal because it is separated from the first metal layer 31 from the silicon substrate 21. Has no effect.

次に、図18(a)、(b)の断面図と平面図に例示する構造を形成するまでの工程を説明する。まず、第1のゲート電極36a、絶縁膜38、層間絶縁膜31などの上に、二層目の層間絶縁膜39を形成する。この後に、第1、第2のフィン型NMOSトランジスタT11、T12における第1、第2のゲート電極36a、36b、ソース/ドレイン領域29a〜29dのそれぞれの上にコンタクトホール39a〜39fを形成する。その後に、各コンタクトホール39a〜39f内に導電性プラグ40a〜40dを形成する。導電性プラグ40a〜40dは、例えば、Ti/TiN/Wの積層構造から形成される。その後に、特に図示しないが、導電性プラグ40a〜40dのそれぞれに接続される配線(不図示)を二層目の層間絶縁膜39上に形成する。さらに、層間絶縁膜、導電性プラグ、配線等を繰り返し形成することにより多層配線構造(不図示)を形成する。 Next, steps required until a structure exemplified in the cross-sectional views and plan views in FIGS. First, a second interlayer insulating film 39 is formed on the first gate electrode 36a, the insulating film 38, the interlayer insulating film 31, and the like. Thereafter, contact holes 39a to 39f are formed on the first and second gate electrodes 36a and 36b and the source / drain regions 29a to 29d in the first and second fin-type NMOS transistors T 11 and T 12 , respectively. To do. Thereafter, conductive plugs 40a to 40d are formed in the contact holes 39a to 39f. The conductive plugs 40a to 40d are formed, for example, from a laminated structure of Ti / TiN / W. Thereafter, although not particularly shown, wiring (not shown) connected to each of the conductive plugs 40 a to 40 d is formed on the second-layer interlayer insulating film 39. Furthermore, a multilayer wiring structure (not shown) is formed by repeatedly forming interlayer insulating films, conductive plugs, wirings, and the like.

本実施形態によれば、第1、第2のゲート電極36a、36bを構成する同じ金属積層構造のうち第2のゲート電極36bの第3金属層35をエッチングすることにより第1のゲート電極36aの第3金属層35より薄くしている。このため、第1実施形態と同様に、第2のゲート電極36bの熱容量は第1のゲート電極36aの熱容量より小さくなるので、ランプアニールによる加熱温度は第2のゲート電極36bの方が第1のゲート電極36aより高くなる。この場合、シリコン基板21のうちフィン状に突出した第1、第2のウエル25a、25bの前後では、第3金属層25の幅方向の厚さは変わらないが、高さ方向の厚さを相違させることができる。   According to the present embodiment, the first gate electrode 36a is formed by etching the third metal layer 35 of the second gate electrode 36b in the same metal laminated structure constituting the first and second gate electrodes 36a and 36b. The third metal layer 35 is made thinner. For this reason, as in the first embodiment, the heat capacity of the second gate electrode 36b is smaller than the heat capacity of the first gate electrode 36a. Therefore, the heating temperature by lamp annealing is higher in the second gate electrode 36b. Higher than the gate electrode 36a. In this case, the thickness in the width direction of the third metal layer 25 does not change before and after the first and second wells 25a and 25b protruding in the fin shape in the silicon substrate 21, but the thickness in the height direction is not changed. Can be different.

このような方法により第1金属層33内へのAl拡散量が多い第2のゲート電極36bの仕事関数は、Al拡散量が少ない第1のゲート電極36aの仕事関数よりも小さくなる。これにより、第2のフィン型NMOSトランジスタT12の閾値電圧は、第1のフィン型NMOSトランジスタT11の閾値電圧より高くなる。 By such a method, the work function of the second gate electrode 36b having a large amount of Al diffusion into the first metal layer 33 becomes smaller than the work function of the first gate electrode 36a having a small amount of Al diffusion. Thus, the threshold voltage of the second fin type NMOS transistor T 12 is higher than the threshold voltage of the first fin type NMOS transistor T 11.

従って、同一基板上の複数のゲート電極36a、36bのそれぞれにおけるTiAlの第2金属層14の厚さを異ならせないで上方から同時にランプアニールし、複数のゲート電極36a、36bの仕事関数を相違させることができる。また、複数のゲート電極36a、36bの周囲を層間絶縁膜11、酸化シリコン膜38で覆った状態でもそれらを透過する波長の光でランプアニールしているので、それらの仕事関数を相違させることができる。   Accordingly, lamp annealing is simultaneously performed from above without changing the thickness of the TiAl second metal layer 14 in each of the plurality of gate electrodes 36a and 36b on the same substrate, and the work functions of the plurality of gate electrodes 36a and 36b are different. Can be made. In addition, even when the periphery of the plurality of gate electrodes 36a and 36b is covered with the interlayer insulating film 11 and the silicon oxide film 38, lamp annealing is performed with light having a wavelength that transmits the gate electrodes 36a and 36b. it can.

また、本実施形態によれば、第1実施形態と同様に、陰を生じさせるメタルマスクで第1のゲート電極16aを覆う場合に比べて、仕事関数の調整を均一にすることができる。   Further, according to the present embodiment, as in the first embodiment, the work function can be adjusted more uniformly than in the case where the first gate electrode 16a is covered with a metal mask that generates shadows.

ところで、層間絶縁膜31の第2のゲート形状凹部30bにおいて、第2のゲート電極36bの上面を絶縁膜38で覆ったが、絶縁膜38はRTA、FLAに使用する光の透過性に優れている。このため、第2のゲート電極36bの上面を酸化シリコン膜18で覆わずにランプアニールをしてもよい。また、上記のTiAlの第2金属層34におけるAlの濃度分布は均一でもよいが、第1実施形態と同様に、厚さ方向のAl濃度分布を変えてもよい。
なお、上記の第1、第2実施形態において、ゲート電極16a、16b、36a、36bの積層金属は3層より多くてもよく、この場合の一層目の金属層から仕事関数金属を含む金属層までの各層の厚さの分布は均一に形成されてもよい。
In the second gate-shaped recess 30b of the interlayer insulating film 31, the upper surface of the second gate electrode 36b is covered with an insulating film 38. The insulating film 38 is excellent in light transmittance for RTA and FLA. Yes. Therefore, lamp annealing may be performed without covering the upper surface of the second gate electrode 36b with the silicon oxide film 18. Further, the Al concentration distribution in the TiAl second metal layer 34 may be uniform, but the Al concentration distribution in the thickness direction may be changed as in the first embodiment.
In the first and second embodiments, the number of stacked metals of the gate electrodes 16a, 16b, 36a, and 36b may be more than three. In this case, the metal layer containing the work function metal from the first metal layer. The thickness distribution of each layer may be formed uniformly.

ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈され、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解される。   All examples and conditional expressions given here are intended to help the reader understand the inventions and concepts that have contributed to the promotion of technology, such examples and It is interpreted without being limited to the conditions, and the organization of such examples in the specification is not related to showing the superiority or inferiority of the present invention. While embodiments of the present invention have been described in detail, it will be understood that various changes, substitutions and variations can be made thereto without departing from the spirit and scope of the invention.

次に、本発明の実施形態について付記する。
(付記1)半導体基板のうち第1領域の上に第1ダミーゲート、第2領域の上に第2ダミーゲートを形成する工程と、前記半導体基板の前記第1領域内の前記第1ダミーゲートの両側方に第1の一対のソース/ドレイン領域を形成する工程と、前記半導体基板の前記第2領域内の前記第2ダミーゲートの両側方に第2の一対のソース/ドレイン領域を形成する工程と、前記第1ダミーゲートと前記第2ダミーゲートのそれぞれの周囲に第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1ダミーゲートと前記第2ダミーゲートを除去して第1凹部、第2凹部を前記第1絶縁膜に形成する工程と、前記第1凹部の内面、前記第2凹部内面及び前記第1絶縁膜の上に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜の上に第1金属層を形成する工程と、前記第1金属層の上に、仕事関数金属を含み、前記第1金属層と異なる第2金属層を形成する工程と、前記第2金属膜層の上に、前記第2金属層と異なる第3金属層を形成する工程と、前記第1金属層、前記第2金属層及び前記第3金属層を前記第1絶縁膜上から除去するとともに前記第1凹部内と前記第2凹部内に残してそれぞれ第1ゲート電極、第2ゲート電極とする工程と、前記第2凹部内の前記第3金属層を選択的に薄くする工程と、厚さの異なる前記3金属層を有する前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極をランプアニールし、前記第2ゲート電極内で前記第2金属層から前記第1金属層に前記仕事関数金属を拡散させる工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記2)前記第2凹部内の前記第3金属層を薄くした後に、前記ランプアニールの光を透過する第2絶縁膜を前記第2凹部内の前記第3金属層上に形成する工程を有することを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。
(付記3)前記仕事関数金属はアルミニウムであることを特徴とする付記1又は付記2に記載の半導体装置の製造方法。
(付記4)前記第1金属層は窒化チタン層、前記第2金属層は窒化アルミニウム層、前記第3金蔵層はタングステン層であることを特徴とする付記1乃至付記3のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
(付記5)前記第1ゲート電極内と前記第2ゲート電極内のそれぞれの前記第2金属層は同じ厚さに形成されることを特徴とする付記1乃至付記4のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
(付記6)前記第2金属層の前記仕事関数金属の濃度は、前記第1金属層から遠くなるほど高くなることを特徴とする付記1乃至付記6のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
(付記7)前記半導体基板のうち前記第1領域と前記第2領域はフィン形状を有し、前記第1領域の上面と前面と後面の上に第1ダミーゲートが形成され、第2領域の上面と前面と後面の上に第2ダミーゲートが形成されることを特徴とする付記1乃至付記6のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
(付記8)前記半導体基板のうち前記第1領域と前記第2領域の周囲に素子分離絶縁膜を形成する工程を有することを特徴とする付記1乃至付記7のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
(付記9)前記ランプアニールは、ラピッドサーマルアニール、フラッシュランプアニールのいずれかであることを特徴とする付記1乃至付記8のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
(付記10)前記第2ゲート電極内の前記第3金属層は、前記第1ゲート電極内の前記第3金属層の厚さの少なくとも半分に薄くされることを特徴とする付記1乃至付記9のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
(付記11)半導体基板のうち第1領域の上にゲート絶縁膜を介して形成される第1金属層と、仕事関数金属を含む第2金属層と、第3金属層を有する第1積層構造の第1ゲート電極と、前記半導体基板のうち第2領域の上にゲート絶縁膜を介して形成される前記第1金属層、前記第2金属層、前記第3金属層を有する積層構造の第2ゲート電極と、を有し、前記第2ゲート電極内の前記第3金属層は前記第1ゲート電極内の前記第3金属層よりも薄く、前記第2ゲート電極内の前記第1金属層内の前記仕事関数金属の濃度は、前記第1ゲート電極内の前記第1金属層内の前記仕事関数金属の濃度より高い、ことを特徴とする半導体装置。
(付記12)前記半導体基板のうち前記第1領域と前記第2領域はフィン形状を有し、前記第1領域の上面と前面と後面の上に前記第1ゲート電極が形成され、第2領域の上面と前面と後面の上に第2ゲート電極が形成されることを特徴とする付記11に記載の半導体装置。
Next, an embodiment of the present invention will be additionally described.
(Supplementary Note 1) Forming a first dummy gate on a first region of a semiconductor substrate and forming a second dummy gate on a second region; and the first dummy gate in the first region of the semiconductor substrate Forming a first pair of source / drain regions on both sides of the semiconductor substrate, and forming a second pair of source / drain regions on both sides of the second dummy gate in the second region of the semiconductor substrate. A step of forming a first insulating film around each of the first dummy gate and the second dummy gate; removing the first dummy gate and the second dummy gate; Forming a recess in the first insulating film; forming a gate insulating film on an inner surface of the first recess; an inner surface of the second recess; and the first insulating film; and Forming a first metal layer on the Forming a second metal layer containing a work function metal on the first metal layer and different from the first metal layer; and a third different from the second metal layer on the second metal film layer. Forming a metal layer; removing the first metal layer, the second metal layer, and the third metal layer from the first insulating film and leaving them in the first recess and the second recess; The first gate electrode having the three metal layers having different thicknesses, the step of forming a first gate electrode and a second gate electrode, the step of selectively thinning the third metal layer in the second recess, respectively. And a step of lamp annealing the second gate electrode and diffusing the work function metal from the second metal layer to the first metal layer in the second gate electrode. Production method.
(Appendix 2) A step of forming a second insulating film that transmits light of the lamp annealing on the third metal layer in the second recess after the third metal layer in the second recess is thinned. 2. A method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 1, wherein:
(Supplementary note 3) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 1 or 2, wherein the work function metal is aluminum.
(Supplementary note 4) In any one of Supplementary notes 1 to 3, wherein the first metal layer is a titanium nitride layer, the second metal layer is an aluminum nitride layer, and the third metal storage layer is a tungsten layer. The manufacturing method of the semiconductor device of description.
(Additional remark 5) Each said 2nd metal layer in said 1st gate electrode and said 2nd gate electrode is formed in the same thickness, Any one of Additional remark 1 thru | or Additional remark 4 characterized by the above-mentioned. Semiconductor device manufacturing method.
(Supplementary note 6) The semiconductor device manufacturing according to any one of supplementary notes 1 to 6, wherein the concentration of the work function metal in the second metal layer increases as the distance from the first metal layer increases. Method.
(Supplementary note 7) The first region and the second region of the semiconductor substrate have a fin shape, a first dummy gate is formed on the upper surface, the front surface, and the rear surface of the first region, and the second region The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 6, wherein a second dummy gate is formed on the upper surface, the front surface, and the rear surface.
(Supplementary note 8) The semiconductor according to any one of supplementary notes 1 to 7, further comprising a step of forming an element isolation insulating film around the first region and the second region of the semiconductor substrate. Device manufacturing method.
(Supplementary note 9) The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 8, wherein the lamp annealing is one of rapid thermal annealing and flash lamp annealing.
(Supplementary note 10) The supplementary notes 1 to 9, wherein the third metal layer in the second gate electrode is thinned to at least half of the thickness of the third metal layer in the first gate electrode. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the above.
(Additional remark 11) The 1st laminated structure which has the 1st metal layer formed through the gate insulating film on the 1st field among semiconductor substrates, the 2nd metal layer containing a work function metal, and the 3rd metal layer A first gate electrode and a first layer of a stacked structure including the first metal layer, the second metal layer, and the third metal layer formed on a second region of the semiconductor substrate via a gate insulating film. The third metal layer in the second gate electrode is thinner than the third metal layer in the first gate electrode, and the first metal layer in the second gate electrode. The concentration of the work function metal in the semiconductor device is higher than the concentration of the work function metal in the first metal layer in the first gate electrode.
(Supplementary Note 12) The first region and the second region of the semiconductor substrate have a fin shape, and the first gate electrode is formed on the upper surface, the front surface, and the rear surface of the first region, and the second region The semiconductor device according to appendix 11, wherein a second gate electrode is formed on the upper surface, the front surface, and the rear surface of the semiconductor device.

1、21 シリコン基板
4、24 素子分離絶縁膜
5a、5b、25a、25b ウエル
6a、6b、16a、16b ダミーゲート
7a、7b、17a、17b サイドウォール
9a、9b、9c、9d ソース/ドレイン領域
10a、10b、30a、30b 凹部
11、31 層間絶縁膜
12、32 ゲート絶縁膜
13、33 第1金属層
14,34 第2金属層
15、35 第3金属層
16a、16b、36a、36b ゲート電極
17、18 酸化シリコン膜
20a〜20f、40a〜40f 導電性プラグ

1, 21 Silicon substrate 4, 24 Element isolation insulating film 5a, 5b, 25a, 25b Well 6a, 6b, 16a, 16b Dummy gate 7a, 7b, 17a, 17b Side wall 9a, 9b, 9c, 9d Source / drain region 10a 10b, 30a, 30b Recess 11, 31 Interlayer insulating film 12, 32 Gate insulating film 13, 33 First metal layer 14, 34 Second metal layer 15, 35 Third metal layer 16a, 16b, 36a, 36b Gate electrode 17 18 Silicon oxide films 20a-20f, 40a-40f Conductive plugs

Claims (5)

半導体基板のうち第1領域の上に第1ダミーゲート、第2領域の上に第2ダミーゲートを形成する工程と、
前記半導体基板の前記第1領域内の前記第1ダミーゲートの両側方に第1の一対のソース/ドレイン領域を形成する工程と、
前記半導体基板の前記第2領域内の前記第2ダミーゲートの両側方に第2の一対のソース/ドレイン領域を形成する工程と、
前記第1ダミーゲートと前記第2ダミーゲートのそれぞれの周囲に第1絶縁膜を形成する工程と、
前記第1ダミーゲートと前記第2ダミーゲートを除去して第1凹部、第2凹部を前記第1絶縁膜に形成する工程と、
前記第1凹部内面、前記第2凹部の内面及び前記第1絶縁膜の上に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の上に第1金属層を形成する工程と、
前記第1金属層の上に、仕事関数金属を含み、前記第1金属層と異なる第2金属層を形成する工程と、
前記第2金属膜層の上に、前記第2金属層と異なる第3金属層を形成する工程と、
前記第1金属層、前記第2金属層及び前記第3金属層を前記第1絶縁膜上から除去するとともに前記第1凹部内と前記第2凹部内に残してそれぞれ第1ゲート電極、第2ゲート電極とする工程と、
前記第2凹部内の前記第3金属層を選択的に薄くする工程と、
厚さの異なる前記3金属層を有する前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極をランプアニールし、前記第2ゲート電極内で前記第2金属層から前記第1金属層に前記仕事関数金属を拡散させる工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a first dummy gate on the first region and a second dummy gate on the second region of the semiconductor substrate;
Forming a first pair of source / drain regions on both sides of the first dummy gate in the first region of the semiconductor substrate;
Forming a second pair of source / drain regions on both sides of the second dummy gate in the second region of the semiconductor substrate;
Forming a first insulating film around each of the first dummy gate and the second dummy gate;
Removing the first dummy gate and the second dummy gate to form a first recess and a second recess in the first insulating film;
Forming a gate insulating film on the inner surface of the first recess, the inner surface of the second recess, and the first insulating film;
Forming a first metal layer on the gate insulating film;
Forming a second metal layer containing a work function metal and different from the first metal layer on the first metal layer;
Forming a third metal layer different from the second metal layer on the second metal film layer;
The first metal layer, the second metal layer, and the third metal layer are removed from the first insulating film and left in the first recess and the second recess, respectively. Forming a gate electrode;
Selectively thinning the third metal layer in the second recess;
The first gate electrode and the second gate electrode having the three metal layers having different thicknesses are subjected to lamp annealing, and the work function metal is transferred from the second metal layer to the first metal layer in the second gate electrode. A diffusion step;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第2凹部内の前記第3金属層を薄くした後に、前記ランプアニールの光を透過する第2絶縁膜を前記第2凹部内の前記第3金属層上に形成する工程を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   And forming a second insulating film that transmits light of the lamp annealing on the third metal layer in the second recess after the third metal layer in the second recess is thinned. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記第1ゲート電極内と前記第2ゲート電極内のそれぞれの前記第2金属層は同じ厚さに形成されることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法。   3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the second metal layer in each of the first gate electrode and the second gate electrode is formed to have the same thickness. 前記半導体基板のうち前記第1領域と前記第2領域はフィン形状を有し、前記第1領域の上面と前面と後面の上に第1ダミーゲートが形成され、第2領域の上面と前面と後面の上に第2ダミーゲートが形成されることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。   The first region and the second region of the semiconductor substrate have a fin shape, a first dummy gate is formed on the upper surface, the front surface, and the rear surface of the first region, and the upper surface and the front surface of the second region. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a second dummy gate is formed on the rear surface. 半導体基板のうち第1領域の上にゲート絶縁膜を介して形成される第1金属層と、仕事関数金属を含む第2金属層と、第3金属層を有する第1積層構造の第1ゲート電極と、
前記半導体基板のうち第2領域の上にゲート絶縁膜を介して形成される前記第1金属層、前記第2金属層、前記第3金属層を有する積層構造の第2ゲート電極と、を有し、
前記第2ゲート電極内の前記第3金属層は前記第1ゲート電極内の前記第3金属層よりも薄く、
前記第2ゲート電極内の前記第1金属層内の前記仕事関数金属の濃度は、前記第1ゲート電極内の前記第1金属層内の前記仕事関数金属の濃度より高い、
ことを特徴とする半導体装置。
A first gate having a first stacked structure including a first metal layer formed on a first region of a semiconductor substrate via a gate insulating film, a second metal layer containing a work function metal, and a third metal layer. Electrodes,
A second gate electrode having a stacked structure including the first metal layer, the second metal layer, and the third metal layer formed on a second region of the semiconductor substrate via a gate insulating film; And
The third metal layer in the second gate electrode is thinner than the third metal layer in the first gate electrode;
A concentration of the work function metal in the first metal layer in the second gate electrode is higher than a concentration of the work function metal in the first metal layer in the first gate electrode;
A semiconductor device.
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