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SiO2又はSi3N4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HfO2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La2Hf2O7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La2Hf2O7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、HfO2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.
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SiO2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.
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A1、A2を覆うとともにその周囲を露出するレジストパターンR1を形成する。なお、第1、第2のトランジスタ形成領域A1、A2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
次に、図1(b)に示すように、レジストパターンR1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R1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
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A1、A2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
この後に、第1、第2のトランジスタ形成領域A1、A2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
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R2を形成する。
Next, as illustrated in FIG. 2C, a
次に、レジストパターンR2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R2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
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A1、A2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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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(Cl2)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
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
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T1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T2が形成される。
The
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
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
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
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
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T2の閾値電圧は、第1のNMOSトランジスタT1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T1、T2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
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
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T1、T2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
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
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
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T2の閾値電圧は、第1のNMOSトランジスタT1の閾値電圧より高くなる。
By such a method, the work function of the
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
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
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A1、A2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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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(Cl2)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
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
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 /
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
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
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
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
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
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
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
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
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
In the first and second embodiments, the number of stacked metals of the
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
(Supplementary note 3) The method for manufacturing a semiconductor device according to
(Supplementary note 4) In any one of
(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
(Supplementary note 6) The semiconductor device manufacturing according to any one of
(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
(Supplementary note 8) The semiconductor according to any one of
(Supplementary note 9) The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of
(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
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
Claims (5)
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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