JPH11260934A - Semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacture thereof

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JPH11260934A
JPH11260934A JP10058612A JP5861298A JPH11260934A JP H11260934 A JPH11260934 A JP H11260934A JP 10058612 A JP10058612 A JP 10058612A JP 5861298 A JP5861298 A JP 5861298A JP H11260934 A JPH11260934 A JP H11260934A
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JP
Japan
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gate electrode
polycrystalline silicon
semiconductor device
film
type
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JP10058612A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Nakabayashi
隆 中林
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To produce transistors mixedly with ease which are different from each other in threshold voltage, by providing both first and second MOS transistors in the same well, and by using gate electrodes made of materials having different work functions. SOLUTION: An N-type well region 102, a P-type well region 103, and an element a isolation region 104 are formed in a P-type silicon substrate 101. An oxide film 105 and an N-type polycrystalline silicon film 106 are formed such that they cover the whole substrate 101. The polycrystalline silicon film 106 is anisotropically etched by using a photoresist 107 to form an N-type polycrystalline silicon gate electrode 108. A tungsten film 109 and an oxide film 110 are formed and then the oxide film 110 and the tungsten film 109 are anisotropically etched by using a photoresist 111 to form a tungsten gate electrode 112. By the concurrent use of the N-type silicon gate electrode 108 and the tungsten gate electrode 112, transistors can be manufactured which are different from each other about 0.3 V in threshold voltage even if the concentration of the substrate is the same.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、特に、異なる仕事関数を有する材料
から構成されたゲート電極の使用によって得られる、異
なる閾値電圧レベルを有するトランジスタを含む半導体
装置、及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device including transistors having different threshold voltage levels obtained by using gate electrodes made of materials having different work functions. And a method for producing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体集積回路に対して、従来か
らある高速化の要求に加えて、低消費電力化の要求が高
まっている。このうちの高速化の実現に関しては、素
子、特にトランジスタのゲート長の縮小が最も適した手
段であり、これによって、現在では0.25μmルール
に従って形成された微細トランジスタが量産される段階
に至っている。一方、低消費電力化の実現に関しては、
電源電圧の低減が最も適した手段であり、0.5μmル
ール以降のトランジスタにおいては、電源電圧が5V系
から3V系へと移行してきている。
2. Description of the Related Art In recent years, there has been an increasing demand for semiconductor integrated circuits to have lower power consumption in addition to the demand for higher speed. Among them, reduction of the gate length of an element, particularly a transistor, is the most suitable means for realizing high speed, and this has led to mass production of fine transistors formed according to the 0.25 μm rule. . On the other hand, regarding the realization of low power consumption,
The reduction of the power supply voltage is the most suitable means, and the power supply voltage has shifted from the 5V system to the 3V system for transistors having the 0.5 μm rule or later.

【0003】しかし、上記のような電源電圧の低減は、
トランジスタの駆動能力を劣化させる要因となり、逆に
ゲート長の縮小は、短チャネル効果などによってリーク
電流を増大させる要因となる。これより、上記の高速化
要求と低消費電力化要求とは、トレードオフの関係にあ
ることになり、これらの相反する2つの要求を如何にし
て両立させていくかが、携帯機器を含めた今後のマルチ
メディア用LSIの開発における最大の課題となってい
る。
However, the reduction of the power supply voltage as described above
A reduction in the driving capability of the transistor causes a reduction in the gate length, and a reduction in the gate length increases a leakage current due to a short channel effect or the like. Thus, the above-mentioned demand for high speed and the demand for low power consumption are in a trade-off relationship, and how to make these two contradictory demands compatible with each other, including portable devices, is considered. This is the biggest issue in the development of multimedia LSIs in the future.

【0004】上記の問題点を解決することを目的とし
て、閾値電圧の異なる数種類のトランジスタを組み合わ
せる方法が、例えば特開平5−210976号公報に開
示されている。また、例えば特開平6−53496号公
報には、基板電位の制御を通じて閾値電圧を複数のレベ
ルに制御する方法が、提案されている。
[0004] For the purpose of solving the above problems, a method of combining several types of transistors having different threshold voltages is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H5-210976. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-53496 proposes a method of controlling a threshold voltage to a plurality of levels by controlling a substrate potential.

【0005】図13(a)〜(e)は、例えば特開平5
−210976号公報に示されるような、異なる閾値電
圧を有する複数のトランジスタを組み合わせて構成され
る半導体装置を形成するための、従来技術を用いた場合
の製造工程断面図である。
FIGS. 13 (a) to 13 (e) show, for example,
FIG. 3 is a cross-sectional view of a manufacturing process for forming a semiconductor device configured by combining a plurality of transistors having different threshold voltages as disclosed in JP-A-210976 when using a conventional technique.

【0006】具体的には、まず図13(a)において、
P型半導体基板801にN型ウェル領域802、P型ウ
ェル領域803、及び素子分離領域804を、それぞれ
形成する。次に、図13(b)において、所定のパター
ンを有するように形成されたフォトレジスト805をマ
スクとして使用して、N型ウェル領域802の中の任意
の活性領域に不純物を注入し、N型ウェル領域802の
他の部分とは異なる不純物濃度を有する不純物拡散領域
806を形成する。さらに、図13(c)では、フォト
レジスト805を除去した後に異なったパターンを有す
る新たなフォトレジスト807を形成し、それをマスク
として使用して、P型ウェル領域803の中の任意の活
性領域に不純物を注入し、P型ウェル領域803の他の
部分とは異なる不純物濃度を有する不純物拡散領域80
8を形成する。続いて、フォトレジスト807を除去し
た後に、絶縁膜809、N型多結晶シリコン膜810、
及び酸化膜811を順次形成し、さらに所定の形状のフ
ォトレジスト812をそれらの上に形成する。そして、
フォトレジスト812をマスクとするパターニングによ
って、図13(d)に示すように所定の形状を有するゲ
ート電極を形成する。その後に、図13(e)に示すよ
うに、P型ソース/ドレイン拡散領域813及びN型ソ
ース/ドレイン拡散領域814を形成した後に層間膜8
15を堆積し、さらに層間膜815の所定の箇所に形成
したスルーホールを通じてP型及びN型ソース/ドレイ
ン拡散領域813及び814に接続する金属配線816
を形成し、製造工程が完了する。
[0006] Specifically, first, in FIG.
An N-type well region 802, a P-type well region 803, and an element isolation region 804 are formed in a P-type semiconductor substrate 801 respectively. Next, in FIG. 13B, impurities are implanted into an arbitrary active region in the N-type well region 802 by using a photoresist 805 formed to have a predetermined pattern as a mask, and An impurity diffusion region 806 having an impurity concentration different from other portions of the well region 802 is formed. Further, in FIG. 13C, after removing the photoresist 805, a new photoresist 807 having a different pattern is formed, and using this as a mask, an arbitrary active region in the P-type well region 803 is formed. To the impurity diffusion region 80 having an impurity concentration different from that of other portions of the P-type well region 803.
8 is formed. Subsequently, after removing the photoresist 807, the insulating film 809, the N-type polycrystalline silicon film 810,
And an oxide film 811 are sequentially formed, and a photoresist 812 having a predetermined shape is formed thereon. And
By patterning using the photoresist 812 as a mask, a gate electrode having a predetermined shape is formed as shown in FIG. Thereafter, as shown in FIG. 13E, after forming a P-type source / drain diffusion region 813 and an N-type source / drain diffusion region 814, the interlayer film 8 is formed.
And a metal wiring 816 connected to the P-type and N-type source / drain diffusion regions 813 and 814 through through holes formed in predetermined portions of the interlayer film 815.
Is formed, and the manufacturing process is completed.

【0007】このように形成された半導体装置において
は、N型ウェル領域802の中には、チャネル領域が不
純物拡散領域806によって形成されているトランジス
タと、そうではないトランジスタと、の2種類が形成さ
れている。同様に、P型ウェル領域803の中には、チ
ャネル領域が不純物拡散領域808によって形成されて
いるトランジスタと、そうではないトランジスタと、の
2種類が形成されている。これらの2種類のトランジス
タに対して、その一方が低めの閾値電圧(例えば0.3
V)を有し、他方が高めの閾値電圧(例えば0.8V)
を有するように、N型ウェル領域802及びP型ウェル
領域803の不純物濃度、並びに不純物拡散領域806
及び808に対する不純物注入量を制御する。
In the semiconductor device thus formed, two types of transistors, a transistor having a channel region formed by an impurity diffusion region 806 and a transistor having no channel region, are formed in an N-type well region 802. Have been. Similarly, two types of transistors are formed in the P-type well region 803: a transistor in which the channel region is formed by the impurity diffusion region 808 and a transistor in which the channel region is not formed. One of the two types of transistors has a lower threshold voltage (for example, 0.3 V).
V) and the other is a higher threshold voltage (eg, 0.8 V)
The impurity concentration of the N-type well region 802 and the P-type well region 803 and the impurity diffusion region 806
And 808 are controlled.

【0008】このように異なる閾値電圧を有する複数の
トランジスタを備えることによって、図13を参照して
説明した半導体装置では、回路停止(スタンバイ)時に
おいては、閾値の高いトランジスタをオフすることによ
って回路の消費電力を低減し、一方、回路動作時には、
高い閾値電圧を有するトランジスタを常にオン状態にし
た上で閾値電圧が低く駆動能力の高いトランジスタを動
作させることによって、高速性を得ることができる。す
なわち、特開平5−210976号公報に開示される半
導体装置では、付加的な不純物注入処理の実施(所定の
箇所への付加的な不純物拡散領域の形成)によって、閾
値電圧を制御している。
By providing a plurality of transistors having different threshold voltages as described above, in the semiconductor device described with reference to FIG. 13, when the circuit is stopped (standby), the circuit having a higher threshold is turned off to turn off the circuit. Power consumption, while the circuit operates,
High-speed operation can be obtained by operating a transistor having a low threshold voltage and a high driving capability while always turning on a transistor having a high threshold voltage. That is, in the semiconductor device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-210976, the threshold voltage is controlled by performing an additional impurity implantation process (forming an additional impurity diffusion region at a predetermined location).

【0009】これに対して、特開平6−53496号公
報に示される半導体装置では、所定のレベルの基板バイ
アス電圧の印加を通じて基板電位を変化させることによ
って、トランジスタの閾値電圧を変化させる。但し、そ
の動作原理は、特開平5−210976号公報に開示さ
れる半導体装置の動作原理と、実質的に同一である。
On the other hand, in the semiconductor device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-53496, the threshold voltage of the transistor is changed by changing the substrate potential by applying a predetermined level of the substrate bias voltage. However, the operation principle is substantially the same as the operation principle of the semiconductor device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H5-210976.

【0010】このように、上述の各々の従来技術におい
ては、回路動作時には、閾値が低く駆動能力の高いトラ
ンジスタを用い、回路停止(スタンバイ)時には、閾値
が高くリーク電流の少ないトランジスタを用いて電流パ
スをカットする。これによって、高速性と低消費電力性
との両立を、可能にしている。
As described above, in each of the prior arts described above, a transistor having a low threshold value and a high drive capability is used during circuit operation, and a transistor having a high threshold value and a small leak current is used during circuit stop (standby). Cut the path. This makes it possible to achieve both high speed and low power consumption.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来技術は、何れも好ましくない問題点を呈する。
However, any of the above-mentioned prior arts presents undesirable problems.

【0012】すなわち、特開平5−210976号公報
に開示されるような従来技術の製造方法では、付加的な
不純物拡散領域806及び808を形成するために、イ
オン注入工程が増加するという問題を有している。しか
し、そのような工程数の増加は、製造に必要な時間及び
コストの増加など、好ましくない問題を生じさせる。
That is, the conventional manufacturing method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H5-210976 has a problem that the ion implantation step is increased because the additional impurity diffusion regions 806 and 808 are formed. doing. However, such an increase in the number of steps causes undesired problems such as an increase in time and cost required for manufacturing.

【0013】さらに、この場合に要求されるのは基板中
の浅い箇所への不純物ドーピングである。しかし、本願
発明者らの検討によれば、このような浅いチャネルドー
ピング(低エネルギー注入)では、以下に述べるような
問題点が発生する。
In this case, what is required is doping of a shallow portion of the substrate with impurities. However, according to the study by the present inventors, such a shallow channel doping (low energy implantation) causes the following problems.

【0014】すなわち、一般に閾値電圧制御のためのイ
オン注入工程では、フォトレジストに対するダメージの
発生や注入イオンのチャネリングの発生を避ける目的
で、注入面の上に薄い保護酸化膜を形成する。一方、注
入工程の実施に伴ってレジストアッシング工程や洗浄工
程が行われるが、注入処理の繰り返しに伴って上記のア
ッシングや洗浄が繰り返されると、次第に保護酸化膜が
薄くなっていく。さらに、保護酸化膜は注入時にダメー
ジを受けることから、そのエッチングレートは速くな
り、また不均一にエッチングされる。この結果、引き続
く次の注入工程においては、ウエハ面内で、保護酸化膜
の厚さが大きくばらつく。
That is, generally, in the ion implantation process for controlling the threshold voltage, a thin protective oxide film is formed on the implantation surface for the purpose of avoiding the occurrence of damage to the photoresist and the occurrence of channeling of the implanted ions. On the other hand, a resist ashing step and a cleaning step are performed along with the execution of the implantation step. When the above-described ashing and cleaning are repeated along with the repetition of the implantation processing, the protective oxide film gradually becomes thinner. Further, since the protective oxide film is damaged at the time of implantation, the etching rate is increased and the etching is unevenly performed. As a result, in the subsequent subsequent implantation step, the thickness of the protective oxide film greatly varies within the wafer surface.

【0015】図12は、Nチャネルトランジスタにおけ
る保護酸化膜の厚さ(横軸)と閾値電圧Vt(縦軸)と
の間の関係を示すグラフである。具体的には、ゲート長
Lg=0.5μm及びゲート酸化膜の厚さTox=7nm
のNチャネル型トランジスタにおいて、閾値電圧制御の
ためのBF2イオンの注入を、加速電圧30keV及び
ドーズ量3×1012cm-2という条件で行った場合、並
びに加速電圧50keV及びドーズ量2×1012cm-2
という条件で行った場合、のそれぞれにおけるデータを
示している。
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the thickness (horizontal axis) of the protective oxide film and the threshold voltage Vt (vertical axis) in the N-channel transistor. Specifically, the gate length Lg = 0.5 μm and the thickness of the gate oxide film Tox = 7 nm
BF 2 ions for controlling the threshold voltage were implanted under the conditions of an acceleration voltage of 30 keV and a dose of 3 × 10 12 cm −2, and an acceleration voltage of 50 keV and a dose of 2 × 10 12 cm -2
In this case, data is shown for each of the cases.

【0016】これより、特に微細なトランジスタの形成
時に求められる浅いチャネルドーピングの実施時に必要
な低エネルギー注入(図12では、加速電圧30keV
の場合にあたる)において、閾値電圧が大きな変動(膜
厚依存性)を示している。さらに、このような閾値電圧
の保護酸化膜の厚さに対する依存性は、浅いチャネルド
ーピングを形成するに従って、大きくなっていく。
Accordingly, low energy implantation necessary for performing shallow channel doping which is particularly required for forming a fine transistor (accelerating voltage 30 keV in FIG. 12)
In this case, the threshold voltage shows a large variation (dependence on film thickness). Further, the dependence of such a threshold voltage on the thickness of the protective oxide film increases as the shallow channel doping is formed.

【0017】この問題を解決するためには、個々の注入
処理に先立って、保護酸化膜をその都度形成し直す必要
があるが、実際には工程数の大幅な増加を招くので、好
ましい対応策ではない。
In order to solve this problem, it is necessary to re-form a protective oxide film each time prior to each implantation process. However, in practice, the number of steps is greatly increased. is not.

【0018】一方、特開平6−53496号公報に示さ
れる半導体装置では、基板電位を通じての制御の対象と
なる全てのトランジスタに対して、必要な基板バイアス
電圧を印加するためのコンタクトを設ける必要があると
ともに、所定の基板バイアス電圧を発生するための発生
回路の設置も、必要である、これらのために、回路の占
有面積が増大し、半導体装置の全体サイズの小型化が困
難になるという問題を有している。
On the other hand, in the semiconductor device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-53496, it is necessary to provide a contact for applying a necessary substrate bias voltage to all transistors to be controlled through the substrate potential. In addition, it is necessary to provide a generating circuit for generating a predetermined substrate bias voltage. For these reasons, the area occupied by the circuit increases, making it difficult to reduce the overall size of the semiconductor device. have.

【0019】本発明は、以上のような課題を解決するた
めになされたものであり、その目的は、(1)異なる仕
事関数を有する材料で構成されたゲート電極の使用によ
って、閾値電圧の異なるトランジスタが容易に混在され
得る半導体装置を提供すること、並びに(2)そのよう
な半導体装置の製造方法を提供すること、にある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and has the following objects. (1) The use of a gate electrode made of a material having a different work function makes it possible to achieve a different threshold voltage. It is to provide a semiconductor device in which transistors can be easily mixed, and (2) to provide a method for manufacturing such a semiconductor device.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
多結晶シリコンから形成された多結晶シリコンゲート電
極を有する第1のMOSトランジスタと、少なくとも1
種類以上の金属から形成された金属ゲート電極を有する
第2のMOSトランジスタと、を備えており、該第1及
び第2のMOSトランジスタの両方が同一のウエル内に
設けられていて、そのことによって、上記の目的が達成
される。
According to the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
A first MOS transistor having a polycrystalline silicon gate electrode formed from polycrystalline silicon;
A second MOS transistor having a metal gate electrode formed of more than one type of metal, wherein both the first and second MOS transistors are provided in the same well, whereby The above object is achieved.

【0021】ある実施形態では、前記第1のMOSトラ
ンジスタのチャネル領域の不純物濃度が、前記第2のM
OSトランジスタのチャネル領域の不純物濃度とは異な
るレベルに設定されている。
In one embodiment, the impurity concentration of the channel region of the first MOS transistor is equal to the second M transistor.
The impurity concentration of the channel region of the OS transistor is set to a level different from that of the impurity concentration.

【0022】前記第1及び第2のMOSトランジスタ
は、SOI構造を有する基板に形成され得る。
The first and second MOS transistors can be formed on a substrate having an SOI structure.

【0023】前記第2のMOSトランジスタの前記金属
ゲート電極は、タングステン、タングステンシリサイ
ド、モリブデン、モリブデンシリサイド、チタン、及び
チタンシリサイドからなるグループから選択された少な
くとも1種類の材料で形成され得る。
[0023] The metal gate electrode of the second MOS transistor may be formed of at least one material selected from the group consisting of tungsten, tungsten silicide, molybdenum, molybdenum silicide, titanium, and titanium silicide.

【0024】或いは、前記第2のMOSトランジスタの
前記金属ゲート電極は、チタンナイトライド或いはタン
グステンナイトライドからなる第1層と、タングステ
ン、モリブデン、或いはチタンからなる第2層と、を含
む多層構造を有していてもよい。
Alternatively, the metal gate electrode of the second MOS transistor has a multilayer structure including a first layer made of titanium nitride or tungsten nitride and a second layer made of tungsten, molybdenum, or titanium. You may have.

【0025】ある場合には、前記第2のMOSトランジ
スタの前記金属ゲート電極が、タングステン或いはタン
グステンシリサイドから形成され、前記第1のMOSト
ランジスタの前記多結晶シリコンゲート電極が、多結晶
シリコンからなる第1層とタングステン或いはタングス
テンシリサイドからなる第2層とを含む多層構造を有し
ている。
In one case, the metal gate electrode of the second MOS transistor is formed of tungsten or tungsten silicide, and the polycrystalline silicon gate electrode of the first MOS transistor is formed of polycrystalline silicon. It has a multilayer structure including one layer and a second layer made of tungsten or tungsten silicide.

【0026】他の場合には、前記第2のMOSトランジ
スタの前記金属ゲート電極が、モリブデン或いはモリブ
デンシリサイドから形成され、前記第1のMOSトラン
ジスタの前記多結晶シリコンゲート電極が、多結晶シリ
コンからなる第1層とモリブデン或いはモリブデンシリ
サイドからなる第2層とを含む多層構造を有している。
In another case, the metal gate electrode of the second MOS transistor is formed of molybdenum or molybdenum silicide, and the polysilicon gate electrode of the first MOS transistor is formed of polysilicon. It has a multilayer structure including a first layer and a second layer made of molybdenum or molybdenum silicide.

【0027】さらに他の場合には、前記第2のMOSト
ランジスタの前記金属ゲート電極が、チタン或いはチタ
ンシリサイドから形成され、前記第1のMOSトランジ
スタの前記多結晶シリコンゲート電極が、多結晶シリコ
ンからなる第1層とチタン或いはチタンシリサイドから
なる第2層とを含む多層構造を有している。
In still another case, the metal gate electrode of the second MOS transistor is formed of titanium or titanium silicide, and the polysilicon gate electrode of the first MOS transistor is formed of polysilicon. And a second layer made of titanium or titanium silicide.

【0028】本発明の他の局面による半導体装置は、第
1導電型の多結晶シリコンから形成されたゲート電極を
有する第1のMOSトランジスタと、第2導電型の多結
晶シリコンから形成されたゲート電極を有する第2のM
OSトランジスタと、を備えており、該第1及び第2の
MOSトランジスタの両方が同一のウエル内に設けられ
ていて、そのことによって、前述の目的が達成される。
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a first MOS transistor having a gate electrode formed of polycrystalline silicon of a first conductivity type, and a gate formed of polycrystalline silicon of a second conductivity type. Second M with electrode
And an OS transistor, wherein both the first and second MOS transistors are provided in the same well, thereby achieving the above object.

【0029】ある実施形態では、前記第1のMOSトラ
ンジスタのチャネル領域の不純物濃度が、前記第2のM
OSトランジスタのチャネル領域の不純物濃度とは異な
るレベルに設定されている。
In one embodiment, the impurity concentration of the channel region of the first MOS transistor is equal to the second M transistor.
The impurity concentration of the channel region of the OS transistor is set to a level different from that of the impurity concentration.

【0030】本発明による半導体装置の製造方法は、半
導体基板に素子分離領域を形成する工程と、該半導体基
板の上に第1の絶縁膜及び多結晶シリコン膜を形成し、
該第1の絶縁膜及び多結晶シリコン膜を所定の形状にパ
ターニングして、第1のMOSトランジスタのゲート電
極を形成する工程と、該半導体基板を覆うように金属膜
を形成し、該金属膜を所定の形状にパターニングして、
第2のMOSトランジスタのゲート電極を形成する工程
と、を包含しており、そのことによって、前述の目的が
達成される。
In a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of forming an element isolation region in a semiconductor substrate, a step of forming a first insulating film and a polycrystalline silicon film on the semiconductor substrate,
Patterning the first insulating film and the polycrystalline silicon film into a predetermined shape to form a gate electrode of a first MOS transistor; and forming a metal film so as to cover the semiconductor substrate. Is patterned into a predetermined shape,
Forming the gate electrode of the second MOS transistor, thereby achieving the object described above.

【0031】ある実施形態では、前記第2のMOSトラ
ンジスタのゲート電極の形成工程は、前記第1のMOS
トランジスタのゲート電極以外の箇所の前記第1の絶縁
膜を除去する工程と、第2の絶縁膜を形成する工程と、
を含み、前記金属膜は該第2の絶縁膜の上に形成され、
該金属膜の所定の形状へのパターニング時に該第2の絶
縁膜も同じ形状にパターニングされる。
In one embodiment, the step of forming the gate electrode of the second MOS transistor includes the step of forming the first MOS transistor.
Removing the first insulating film at a portion other than the gate electrode of the transistor, and forming a second insulating film;
Wherein the metal film is formed on the second insulating film,
When the metal film is patterned into a predetermined shape, the second insulating film is also patterned into the same shape.

【0032】前記第1の絶縁膜と第2の絶縁膜とは、同
じ材料から形成され且つ実質的に同じ厚さを有し得る。
[0032] The first insulating film and the second insulating film may be formed of the same material and have substantially the same thickness.

【0033】或いは、前記第1の絶縁膜と第2の絶縁膜
とは異なる材料から形成され得る。また、前記第1の絶
縁膜と第2の絶縁膜とは異なる厚さを有し得る。
Alternatively, the first insulating film and the second insulating film can be formed from different materials. Further, the first insulating film and the second insulating film may have different thicknesses.

【0034】本発明の他の半導体装置の製造方法は、半
導体基板に素子分離領域を形成する工程と、該半導体基
板の上に絶縁膜及び多結晶シリコン膜を形成する工程
と、該多結晶シリコン膜を所定の形状にパターニングす
る工程と、金属膜を堆積する工程と、該多結晶シリコン
膜及び該金属膜を所定の形状にパターニングして、ゲー
ト電極を形成する工程と、を包含しており、そのことに
よって、前述の目的が達成される。
According to another method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming an element isolation region in a semiconductor substrate, a step of forming an insulating film and a polycrystalline silicon film on the semiconductor substrate, Patterning the film into a predetermined shape, depositing a metal film, patterning the polycrystalline silicon film and the metal film into a predetermined shape, and forming a gate electrode. Thereby, the above-mentioned object is achieved.

【0035】以上のような本発明の半導体装置の製造方
法において、前記金属膜は、タングステン、タングステ
ンシリサイド、モリブデン、モリブデンシリサイド、チ
タン、及びチタンシリサイドからなるグループから選択
された少なくとも1種類の材料で形成され得る。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention as described above, the metal film is made of at least one material selected from the group consisting of tungsten, tungsten silicide, molybdenum, molybdenum silicide, titanium, and titanium silicide. Can be formed.

【0036】或いは、前記金属膜が、チタンナイトライ
ド或いはタングステンナイトライドからなる第1層と、
タングステン、モリブデン、或いはチタンからなる第2
層と、を含む多層膜であってもよい。
Alternatively, the metal film comprises a first layer made of titanium nitride or tungsten nitride;
Second made of tungsten, molybdenum or titanium
Layer.

【0037】本発明のさらに他の半導体装置の製造方法
は、半導体基板に素子分離領域を形成する工程と、該半
導体基板の上に絶縁膜及び第1導電型の多結晶シリコン
膜を形成する工程と、該多結晶シリコン膜の所定の領域
の導電型を、該第1の導電型とは逆の第2の導電型に変
える工程と、該第1導電型及び第2導電型の多結晶シリ
コン膜を所定の形状にパターニングして、ゲート電極を
形成する工程と、を包含しており、そのことによって、
前述の目的が達成される。
According to still another method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming an element isolation region in a semiconductor substrate and a step of forming an insulating film and a first conductivity type polycrystalline silicon film on the semiconductor substrate Changing the conductivity type of a predetermined region of the polycrystalline silicon film to a second conductivity type opposite to the first conductivity type; and polycrystalline silicon of the first conductivity type and the second conductivity type. Patterning the film into a predetermined shape to form a gate electrode.
The above objective is accomplished.

【0038】本発明のさらに他の半導体装置の製造方法
は、半導体基板に素子分離領域を形成する工程と、該半
導体基板の上に絶縁膜及び非ドープ多結晶シリコン膜を
形成する工程と、該多結晶シリコン膜の第1の領域の導
電型を、第1の導電型に設定する工程と、該多結晶シリ
コン膜の該第1の領域とは異なる第2の領域の導電型
を、該第1の導電型とは逆の第2の導電型に設定する工
程と、該多結晶シリコン膜の該第1及び第2の領域を所
定の形状にパターニングして、ゲート電極を形成する工
程と、を包含しており、そのことによって、前述の目的
が達成される。
According to still another method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, there are provided a step of forming an element isolation region in a semiconductor substrate, a step of forming an insulating film and an undoped polycrystalline silicon film on the semiconductor substrate, Setting the conductivity type of the first region of the polycrystalline silicon film to the first conductivity type; and setting the conductivity type of a second region of the polycrystalline silicon film different from the first region to the first conductivity type. Setting a second conductivity type opposite to the first conductivity type; patterning the first and second regions of the polycrystalline silicon film into a predetermined shape to form a gate electrode; Which achieves the above-mentioned object.

【0039】なお、以上のような様々な特徴を有する本
発明の半導体装置の製造方法においては、複数のMOS
トランジスタが形成され得る。その際には、複数のMO
Sトランジスタのうちの少なくとも一つのチャネル領域
に不純物ドーピング処理を行って、該チャネル領域の仕
事関数を変化させることができる。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention having various features as described above, a plurality of MOS devices are provided.
A transistor can be formed. In that case, multiple MO
Impurity doping may be performed on at least one channel region of the S transistor to change a work function of the channel region.

【0040】以上のような特徴を有する本発明の半導体
装置及びその製造方法によれば、同一の導電型のトラン
ジスタにおいて、N型多結晶シリコンゲート電極及びP
型多結晶シリコンゲート電極の併用、或いは多結晶シリ
コンゲート電極と金属ゲート電極との併用などによっ
て、一つの半導体装置の中に、異なる閾値電圧を有する
トランジスタを容易に形成することができる。
According to the semiconductor device of the present invention having the above-described features and the method of manufacturing the same, in the transistors of the same conductivity type, the N-type polysilicon gate electrode and the P-type
Transistors having different threshold voltages can be easily formed in one semiconductor device by using a combination of a polycrystalline silicon gate electrode or a combination of a polycrystalline silicon gate electrode and a metal gate electrode.

【0041】[0041]

【発明の実施の形態】以下では、本発明の幾つかの実施
形態による半導体装置及びその製造方法について、添付
の図面を参照しながら説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a semiconductor device according to some embodiments of the present invention and a method for manufacturing the same will be described with reference to the accompanying drawings.

【0042】(第1の実施形態)図1(a)〜(f)
は、本発明の第1の実施形態における半導体装置の製造
方法を示す工程断面図である。
(First Embodiment) FIGS. 1 (a) to 1 (f)
FIG. 4 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【0043】まず、図1(a)において、P型シリコン
基板101の所定の箇所に周知の製造技術を用いて、N
型ウェル領域102、P型ウェル領域103、及び素子
分離領域104をそれぞれ形成する。
First, referring to FIG. 1A, a predetermined portion of a P-type silicon
A mold well region 102, a P-type well region 103, and an element isolation region 104 are formed.

【0044】次に、図1(b)において、これらの各領
域が形成されている基板101の全面を覆うように、ゲ
ート酸化膜として機能することになる厚さが例えば約6
nmの酸化膜105を、ドライ酸化法或いはウェット酸
化法を用いて形成する。その後に、厚さが例えば約20
0nmのN型多結晶シリコン膜106を、例えば気相成
長法を用いて、酸化膜105の上に形成する。
Next, in FIG. 1 (b), the thickness of the substrate 101, which functions as a gate oxide film, is, for example, about 6 so as to cover the entire surface of the substrate 101 on which these regions are formed.
An oxide film 105 of nm is formed by using a dry oxidation method or a wet oxidation method. Thereafter, the thickness is for example about 20
A 0 nm N-type polycrystalline silicon film 106 is formed on the oxide film 105 by using, for example, a vapor deposition method.

【0045】続いて、図1(c)に示すように、所定の
パターンのフォトレジスト107をN型多結晶シリコン
膜106の上に形成後に、フォトレジスト107をマス
クとして使用して、多結晶シリコン膜106を、例えば
RIEドライエッチング法を用いて異方性エッチングし
て、所定のパターンのN型多結晶シリコンゲート電極1
08を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 1C, after a photoresist 107 having a predetermined pattern is formed on the N-type polysilicon film 106, the photoresist 107 is used as a mask to form a polysilicon. The film 106 is anisotropically etched using, for example, an RIE dry etching method to form an N-type polysilicon gate electrode 1 having a predetermined pattern.
08 is formed.

【0046】さらに、図1(d)に示すように、フォト
レジスト107を除去した後に、気相成長法或いは高温
スパッタ法を用いて、厚さが例えば約200nmのタン
グステン膜109を、N型多結晶シリコン電極108を
含めて上記で形成された構成の上面を覆うように、形成
する。さらにその上には、厚さが例えば約100nmの
酸化膜110を、形成する。なお、タングステン膜10
9の代わりに、モリブデン膜やチタン膜などの他の金属
膜、或いはチタンナイトライド等の金属化合物膜、さら
にはそれらを組み合わせた多層膜を用いても、構わな
い。
Further, as shown in FIG. 1D, after removing the photoresist 107, a tungsten film 109 having a thickness of, for example, It is formed so as to cover the upper surface of the structure formed above including the crystalline silicon electrode 108. Further, an oxide film 110 having a thickness of, for example, about 100 nm is formed thereon. The tungsten film 10
Instead of 9, another metal film such as a molybdenum film or a titanium film, a metal compound film such as titanium nitride, or a multilayer film obtained by combining them may be used.

【0047】そして、図1(e)に示すように、所定の
パターンの新たなフォトレジスト111を酸化膜110
の上に形成し、これをマスクとして使用して、酸化膜1
10及びタングステン膜109を例えばRIEドライエ
ッチング法を用いて異方性エッチングして、所定のパタ
ーンのタングステンゲート電極(金属ゲート電極)11
2を形成する。
Then, as shown in FIG. 1E, a new photoresist 111 having a predetermined pattern is
On the oxide film 1 using this as a mask.
10 and the tungsten film 109 are anisotropically etched using, for example, an RIE dry etching method to form a tungsten gate electrode (metal gate electrode) 11 having a predetermined pattern.
Form 2

【0048】最後に、図1(f)に示すように、P型ソ
ース/ドレイン拡散領域113及びN型ソース/ドレイ
ン拡散領域114を形成した後に層間膜115を堆積
し、さらに層間膜115の所定の箇所に形成したスルー
ホールを通じてP型及びN型ソース/ドレイン拡散領域
113及び114に接続する金属配線116を形成し、
製造工程が完了する。
Finally, as shown in FIG. 1F, after forming a P-type source / drain diffusion region 113 and an N-type source / drain diffusion region 114, an interlayer film 115 is deposited. A metal wiring 116 connected to the P-type and N-type source / drain diffusion regions 113 and 114 through the through holes formed at
The manufacturing process is completed.

【0049】以上のように構成された本実施形態におけ
る半導体装置の動作を、Nチャネル型トランジスタの場
合において説明する。
The operation of the semiconductor device according to the present embodiment configured as described above will be described in the case of an N-channel transistor.

【0050】この半導体装置において、典型的には、N
型多結晶シリコンゲート電極108の仕事関数は約4.
3eVであり、一方、タングステンゲート電極112の
仕事関数は約4.6Vである。この場合に得られるサブ
スレッショルド特性の測定例を、図7に示す。すなわ
ち、図7は、ゲート印加電圧Vg(横軸)に対するドレ
イン電流Id(縦軸)の変化の様子を示すグラフであっ
て、黒丸プロット(n+Poly-Si)は、N型多結晶シリコ
ンゲート電極108に関するデータであり、白丸プロッ
ト(W)は、タングステンゲート電極112に関するデ
ータである。
In this semiconductor device, typically, N
The work function of the polycrystalline silicon gate electrode 108 is about 4.
3 eV, while the work function of the tungsten gate electrode 112 is about 4.6 V. FIG. 7 shows a measurement example of the sub-threshold characteristic obtained in this case. That is, FIG. 7 is a graph showing how the drain current Id (vertical axis) changes with respect to the gate applied voltage Vg (horizontal axis). The black circle plot (n + Poly-Si) shows the N-type polycrystalline silicon gate. The white circle plot (W) is data regarding the electrode 108 and the data regarding the tungsten gate electrode 112.

【0051】図7より、N型多結晶シリコンゲート電極
108のデータとタングステンゲート電極112のデー
タとの間には、線形部分で約0.3Vの差が存在してい
る。従って、この点を利用することによって、N型多結
晶シリコンゲート電極108とタングステンゲート電極
112との併用により、基板濃度が同一であっても閾値
電圧に約0.3Vの差があるトランジスタを形成するこ
とができることがわかる。具体的には、例えば、N型多
結晶シリコンゲート電極108を有するトランジスタの
閾値電圧を約0.5Vに設定する場合に、タングステン
ゲート電極112を有するトランジスタの閾値電圧は約
0.8Vとなる。このようなトランジスタは、オフリー
ク電流が十分に小さい(典型的には約100fA/μm
以下)ので、回路停止時のカットオフトランジスタ或い
は回路動作時のカットパストランジスタとして、使用さ
れ得る。
As shown in FIG. 7, there is a difference of about 0.3 V between the data of the N-type polysilicon gate electrode 108 and the data of the tungsten gate electrode 112 in the linear portion. Therefore, by utilizing this point, a transistor having a threshold voltage difference of about 0.3 V even when the substrate concentration is the same can be formed by using the N-type polysilicon gate electrode 108 and the tungsten gate electrode 112 together. You can see that it can be done. Specifically, for example, when the threshold voltage of the transistor having the N-type polysilicon gate electrode 108 is set to about 0.5 V, the threshold voltage of the transistor having the tungsten gate electrode 112 is about 0.8 V. Such transistors have sufficiently low off-leakage current (typically about 100 fA / μm
Therefore, it can be used as a cut-off transistor when the circuit is stopped or as a cut-pass transistor when the circuit is operating.

【0052】なお、以上ではNチャネル型トランジスタ
を例にとって本発明の効果を説明しているが、Pチャネ
ル型トランジスタにおいても、Nチャネル型トランジス
タについてと同様な効果が得られる。
Although the effects of the present invention have been described above by taking an N-channel transistor as an example, the same effects can be obtained with a P-channel transistor as with an N-channel transistor.

【0053】以上のように、本実施形態によれば、不純
物注入工程を増加させることなく、多結晶シリコンゲー
ト電極と金属ゲート電極とを併用することによって、閾
値電圧の異なるトランジスタが併存する半導体装置を容
易に形成することができる。
As described above, according to the present embodiment, a semiconductor device in which transistors having different threshold voltages coexist can be used by using both a polysilicon gate electrode and a metal gate electrode without increasing the number of impurity implantation steps. Can be easily formed.

【0054】(第2の実施形態)図2(a)〜(f)
は、本発明の第2の実施形態における半導体装置の製造
方法を示す工程断面図である。
(Second Embodiment) FIGS. 2A to 2F
FIG. 7 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

【0055】まず、図2(a)において、P型シリコン
基板201の所定の箇所に周知の製造技術を用いて、N
型ウェル領域202、P型ウェル領域203、及び素子
分離領域204をそれぞれ形成する。
First, referring to FIG. 2A, a predetermined portion of a P-type silicon
A type well region 202, a P type well region 203, and an element isolation region 204 are formed.

【0056】次に、図2(b)において、これらの各領
域が形成されている基板201の全面を覆うように、ゲ
ート酸化膜として機能することになる厚さが例えば約6
nmの酸化膜205を、ドライ酸化法或いはウェット酸
化法を用いて形成する。その後に、厚さが例えば約20
0nmのN型多結晶シリコン膜206を、例えば気相成
長法を用いて、酸化膜205の上に形成する。
Next, in FIG. 2B, the thickness of the gate insulating film, which functions as a gate oxide film, is about 6 so as to cover the entire surface of the substrate 201 where these regions are formed.
An oxide film 205 of nm is formed by using a dry oxidation method or a wet oxidation method. Thereafter, the thickness is for example about 20
A 0 nm N-type polycrystalline silicon film 206 is formed on the oxide film 205 by using, for example, a vapor growth method.

【0057】続いて、図2(c)に示すように、所定の
パターンのフォトレジスト207をN型多結晶シリコン
膜206の上に形成後に、フォトレジスト207をマス
クとして使用して、多結晶シリコン膜206を、例えば
RIEドライエッチング法を用いて異方性エッチングし
て、所定のパターンのN型多結晶シリコンゲート電極2
08を形成する。なお、このエッチングでは、酸化膜2
05も、N型多結晶シリコンゲート電極208に対応す
る形状にパターニングされる。
Subsequently, as shown in FIG. 2C, after a photoresist 207 having a predetermined pattern is formed on the N-type polysilicon film 206, the polysilicon 207 is formed using the photoresist 207 as a mask. The film 206 is anisotropically etched using, for example, an RIE dry etching method to form an N-type polysilicon gate electrode 2 having a predetermined pattern.
08 is formed. In this etching, the oxide film 2
05 is also patterned into a shape corresponding to the N-type polysilicon gate electrode 208.

【0058】さらに、図2(d)に示すように、フォト
レジスト207を除去した後に、ゲート酸化膜として機
能することになる厚さが例えば約6nmの新たな酸化膜
209を、N型多結晶シリコン電極208を含めて上記
で形成された構成の上面を覆うように、ドライ酸化法、
ウェット酸化法、或いは気相成長法を用いて形成する。
その後に、気相成長法或いは高温スパッタ法を用いて、
厚さが例えば約200nmのタングステン膜210を、
酸化膜209の上に形成する。さらにその上には、厚さ
が例えば約100nmの酸化膜211を、形成する。な
お、タングステン膜210の代わりに、モリブデン膜や
チタン膜などの他の金属膜、或いはチタンナイトライド
等の金属化合物膜、さらにはそれらを組み合わせた多層
膜を用いても、構わない。
Further, as shown in FIG. 2D, after removing the photoresist 207, a new oxide film 209 having a thickness of about 6 nm, for example, which functions as a gate oxide film, is replaced with an N-type polycrystal. Dry oxidation method so as to cover the upper surface of the structure formed above including the silicon electrode 208;
It is formed by a wet oxidation method or a vapor growth method.
Then, using a vapor phase growth method or a high temperature sputtering method,
A tungsten film 210 having a thickness of about 200 nm, for example,
It is formed on the oxide film 209. Further, an oxide film 211 having a thickness of, for example, about 100 nm is formed thereon. Note that, instead of the tungsten film 210, another metal film such as a molybdenum film or a titanium film, a metal compound film such as a titanium nitride, or a multilayer film obtained by combining them may be used.

【0059】そして、図2(e)に示すように、所定の
パターンの新たなフォトレジスト212を酸化膜211
の上に形成し、これをマスクとして使用して、酸化膜2
11及びタングステン膜210を例えばRIEドライエ
ッチング法を用いて異方性エッチングして、所定のパタ
ーンのタングステンゲート電極(金属ゲート電極)21
3を形成する。
Then, as shown in FIG. 2E, a new photoresist 212 having a predetermined pattern is
On the oxide film 2 using the mask as a mask.
11 and the tungsten film 210 are anisotropically etched using, for example, an RIE dry etching method to form a tungsten gate electrode (metal gate electrode) 21 having a predetermined pattern.
Form 3

【0060】最後に、図2(f)に示すように、P型ソ
ース/ドレイン拡散領域214及びN型ソース/ドレイ
ン拡散領域215を形成した後に層間膜216を堆積
し、さらに層間膜216の所定の箇所に形成したスルー
ホールを通じてP型及びN型ソース/ドレイン拡散領域
214及び215に接続する金属配線217を形成し、
製造工程が完了する。
Finally, as shown in FIG. 2F, after forming a P-type source / drain diffusion region 214 and an N-type source / drain diffusion region 215, an interlayer film 216 is deposited. A metal wiring 217 connected to the P-type and N-type source / drain diffusion regions 214 and 215 through the through holes formed at
The manufacturing process is completed.

【0061】以上のように構成された本実施形態におけ
る半導体装置の動作を、Nチャネル型トランジスタの場
合において説明する。
The operation of the semiconductor device according to the present embodiment configured as described above will be described in the case of an N-channel transistor.

【0062】この半導体装置においても、典型的には、
N型多結晶シリコンゲート電極208の仕事関数は約
4.3eVであり、一方、タングステンゲート電極21
3の仕事関数は約4.6Vである。この場合に得られる
サブスレッショルド特性は、第1の実施形態に関連して
参照した図7に示すものと同様であり、N型多結晶シリ
コンゲート電極208とタングステンゲート電極213
との併用により、基板濃度が同一であっても閾値電圧に
約0.3Vの差があるトランジスタを形成することがで
きる。具体的には、例えば、N型多結晶シリコンゲート
電極208を有するトランジスタの閾値電圧を約0.5
Vに設定する場合に、タングステンゲート電極213を
有するトランジスタの閾値電圧は約0.8Vとなる。こ
のようなトランジスタは、オフリーク電流が十分に小さ
い(典型的には約100fA/μm以下)ので、回路停
止時のカットオフトランジスタ或いは回路動作時のカッ
トパストランジスタとして、使用され得る。
Also in this semiconductor device, typically,
The work function of the N-type polysilicon gate electrode 208 is about 4.3 eV, while the work function of the tungsten gate electrode
The work function of 3 is about 4.6V. The sub-threshold characteristics obtained in this case are the same as those shown in FIG. 7 referred to in the first embodiment, and the N-type polysilicon gate electrode 208 and the tungsten gate electrode 213 are provided.
By using together, a transistor having a difference in threshold voltage of about 0.3 V can be formed even when the substrate concentration is the same. Specifically, for example, the threshold voltage of the transistor having the N-type polysilicon gate electrode 208 is set to about 0.5
When set to V, the threshold voltage of the transistor having the tungsten gate electrode 213 is about 0.8 V. Such a transistor has sufficiently small off-leak current (typically about 100 fA / μm or less), and thus can be used as a cut-off transistor when the circuit is stopped or a cut-pass transistor when the circuit is operating.

【0063】また、本実施形態の半導体装置の製造方法
においては、N型多結晶シリコンゲート電極208の下
のゲート酸化膜205と、タングステンゲート電極21
3の下のゲート酸化膜209とを、別工程で形成する。
このために、例えば、一方のゲート電極ではゲート酸化
膜の代わりに窒化膜などから構成される他の絶縁膜をゲ
ート絶縁膜として使用する、或いは、ゲート酸化膜(絶
縁膜)の厚さをそれぞれのトランジスタにおいて異なら
せる、などにより、形成されるトランジスタの閾値電圧
の制御範囲を広くすることができる。さらに、図2
(e)において、半導体装置を覆っているゲート酸化膜
209の作用によって、タングステン膜210のエッチ
ング時における選択比を大きくすることができる。この
結果、タングステンのエッチング残さを、完全に除去す
ることができる。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, the gate oxide film 205 under the N-type polysilicon gate electrode 208 and the tungsten gate electrode 21
3 and the gate oxide film 209 under the third step are formed in another process.
For this purpose, for example, in one of the gate electrodes, another insulating film composed of a nitride film or the like is used as the gate insulating film instead of the gate oxide film, or the thickness of the gate oxide film (insulating film) is reduced. By making the transistors different, the control range of the threshold voltage of the formed transistor can be widened. Further, FIG.
In (e), the selectivity at the time of etching the tungsten film 210 can be increased by the action of the gate oxide film 209 covering the semiconductor device. As a result, the etching residue of tungsten can be completely removed.

【0064】なお、以上ではNチャネル型トランジスタ
を例にとって本発明の効果を説明しているが、Pチャネ
ル型トランジスタにおいても、Nチャネル型トランジス
タについてと同様な効果が得られる。
Although the effects of the present invention have been described with reference to an N-channel transistor as an example, the same effect can be obtained with a P-channel transistor as with an N-channel transistor.

【0065】以上のように、本実施形態によれば、不純
物注入工程を増加させることなく、多結晶シリコンゲー
ト電極と金属ゲート電極とを併用することによって、閾
値電圧の異なるトランジスタが併存する半導体装置を容
易に形成することができる。さらに、2種類のゲート絶
縁膜を使用することによって、閾値電圧の制御範囲を大
きくすることができる。
As described above, according to the present embodiment, a semiconductor device in which transistors having different threshold voltages coexist can be used by using both a polysilicon gate electrode and a metal gate electrode without increasing the number of impurity implantation steps. Can be easily formed. Further, by using two types of gate insulating films, the control range of the threshold voltage can be increased.

【0066】(第3の実施形態)図3(a)〜(f)
は、本発明の第3の実施形態における半導体装置の製造
方法を示す工程断面図である。
(Third Embodiment) FIGS. 3A to 3F
FIG. 10 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device in the third embodiment of the present invention.

【0067】まず、図3(a)において、P型シリコン
基板301の所定の箇所に周知の製造技術を用いて、N
型ウェル領域302、P型ウェル領域303、及び素子
分離領域304をそれぞれ形成する。
First, referring to FIG. 3A, a predetermined portion of a P-type silicon substrate
A type well region 302, a P-type well region 303, and an element isolation region 304 are formed.

【0068】次に、図3(b)において、これらの各領
域が形成されている基板301の全面を覆うように、ゲ
ート酸化膜として機能することになる厚さが例えば約6
nmの酸化膜305を、ドライ酸化法或いはウェット酸
化法を用いて形成する。その後に、厚さが例えば約20
0nmのN型多結晶シリコン膜306を、例えば気相成
長法を用いて、酸化膜305の上に形成する。
Next, as shown in FIG. 3B, the thickness of the substrate 301, which functions as a gate oxide film, is about 6 so as to cover the entire surface of the substrate 301 on which these regions are formed.
An oxide film 305 of nm is formed by using a dry oxidation method or a wet oxidation method. Thereafter, the thickness is for example about 20
A 0 nm N-type polycrystalline silicon film 306 is formed on the oxide film 305 by using, for example, a vapor deposition method.

【0069】続いて、図3(c)に示すように、最終的
に形成される多結晶シリコンゲート電極を有するトラン
ジスタにおける活性領域が位置することになる箇所のみ
を覆うパターンのフォトレジスト307を、N型多結晶
シリコン膜306の上に形成する。その後に、フォトレ
ジスト307をマスクとして使用して、多結晶シリコン
膜306を、例えばRIEドライエッチング法を用いて
異方性エッチングする。
Subsequently, as shown in FIG. 3C, a photoresist 307 having a pattern covering only a portion where an active region is to be located in a transistor having a polycrystalline silicon gate electrode to be finally formed is formed. It is formed on the N-type polycrystalline silicon film 306. Thereafter, using the photoresist 307 as a mask, the polycrystalline silicon film 306 is anisotropically etched using, for example, RIE dry etching.

【0070】さらに、図3(d)に示すように、フォト
レジスト307を除去した後に、気相成長法或いは高温
スパッタ法を用いて、厚さが例えば約200nmのタン
グステン膜308を、パターニングされたN型多結晶シ
リコン電極306を含めて上記で形成された構成の上面
を覆うように、形成する。さらにその上には、厚さが例
えば約100nmの酸化膜309を、形成する。なお、
タングステン膜308の代わりに、モリブデン膜やチタ
ン膜などの他の金属膜、或いはチタンナイトライド等の
金属化合物膜、さらにはそれらを組み合わせた多層膜を
用いても、構わない。
Further, as shown in FIG. 3D, after removing the photoresist 307, a tungsten film 308 having a thickness of, for example, about 200 nm was patterned by a vapor phase growth method or a high-temperature sputtering method. It is formed so as to cover the upper surface of the structure formed above including the N-type polycrystalline silicon electrode 306. Further, an oxide film 309 having a thickness of, for example, about 100 nm is formed thereon. In addition,
Instead of the tungsten film 308, another metal film such as a molybdenum film or a titanium film, a metal compound film such as a titanium nitride, or a multilayer film combining these may be used.

【0071】そして、図3(e)に示すように、所定の
パターンの新たなフォトレジスト311を酸化膜309
の上に形成し、これをマスクとして使用して、酸化膜3
09及びタングステン膜308を例えばRIEドライエ
ッチング法を用いて異方性エッチングして、所定のパタ
ーンのN型多結晶シリコンゲート電極312及びタング
ステンゲート電極(金属ゲート電極)313を形成す
る。
Then, as shown in FIG. 3E, a new photoresist 311 having a predetermined pattern is formed on the oxide film 309.
On the oxide film 3 using the mask as a mask.
09 and the tungsten film 308 are anisotropically etched using, for example, RIE dry etching to form an N-type polycrystalline silicon gate electrode 312 and a tungsten gate electrode (metal gate electrode) 313 in a predetermined pattern.

【0072】最後に、図3(f)に示すように、P型ソ
ース/ドレイン拡散領域314及びN型ソース/ドレイ
ン拡散領域315を形成した後に層間膜316を堆積
し、さらに層間膜316の所定の箇所に形成したスルー
ホールを通じてP型及びN型ソース/ドレイン拡散領域
314及び315に接続する金属配線317を形成し、
製造工程が完了する。
Finally, as shown in FIG. 3F, after forming a P-type source / drain diffusion region 314 and an N-type source / drain diffusion region 315, an interlayer film 316 is deposited. Metal wiring 317 connected to the P-type and N-type source / drain diffusion regions 314 and 315 through the through holes formed at
The manufacturing process is completed.

【0073】以上のように構成された本実施形態におけ
る半導体装置の動作を、Nチャネル型トランジスタの場
合において説明する。
The operation of the semiconductor device according to the present embodiment configured as described above will be described in the case of an N-channel transistor.

【0074】この半導体装置においても、典型的には、
N型多結晶シリコンゲート電極312の仕事関数は約
4.3eVであり、一方、タングステンゲート電極31
3の仕事関数は約4.6Vである。この場合に得られる
サブスレッショルド特性は、第1の実施形態に関連して
参照した図7に示すものと同様であり、N型多結晶シリ
コンゲート電極312とタングステンゲート電極313
との併用により、基板濃度が同一であっても閾値電圧に
約0.3Vの差があるトランジスタを形成することがで
きる。具体的には、例えば、N型多結晶シリコンゲート
電極312を有するトランジスタの閾値電圧を約0.5
Vに設定する場合に、タングステンゲート電極313を
有するトランジスタの閾値電圧は約0.8Vとなる。こ
のようなトランジスタは、オフリーク電流が十分に小さ
い(典型的には約100fA/μm以下)ので、回路停
止時のカットオフトランジスタ或いは回路動作時のカッ
トパストランジスタとして、使用され得る。
Also in this semiconductor device, typically,
The work function of the N-type polysilicon gate electrode 312 is about 4.3 eV, while the tungsten gate electrode 31
The work function of 3 is about 4.6V. The sub-threshold characteristics obtained in this case are the same as those shown in FIG. 7 referred to in the first embodiment, and include an N-type polysilicon gate electrode 312 and a tungsten gate electrode 313.
By using together, a transistor having a difference in threshold voltage of about 0.3 V can be formed even when the substrate concentration is the same. Specifically, for example, the threshold voltage of the transistor having the N-type polysilicon gate electrode 312 is set to about 0.5
When set to V, the threshold voltage of the transistor having the tungsten gate electrode 313 is about 0.8 V. Such a transistor has sufficiently small off-leak current (typically about 100 fA / μm or less), and thus can be used as a cut-off transistor when the circuit is stopped or a cut-pass transistor when the circuit is operating.

【0075】また、本実施形態の半導体装置の製造方法
においては、N型多結晶シリコンゲート電極312が、
多結晶シリコン膜の上に低抵抗なタングステン膜が形成
されているポリサイド構造となっている。一般に、ゲー
ト電極に発生する寄生抵抗は、トランジスタの高速動作
の実現を抑制する原因となるが、本実施形態におけるこ
のようなポリサイド構造の使用によって、そのような寄
生抵抗が低減される。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, the N-type polycrystalline silicon gate electrode 312 is
It has a polycide structure in which a low-resistance tungsten film is formed on a polycrystalline silicon film. In general, the parasitic resistance generated in the gate electrode suppresses the realization of high-speed operation of the transistor. However, the use of such a polycide structure in the present embodiment reduces such parasitic resistance.

【0076】なお、以上ではNチャネル型トランジスタ
を例にとって本発明の効果を説明しているが、Pチャネ
ル型トランジスタにおいても、Nチャネル型トランジス
タについてと同様な効果が得られる。
Although the effects of the present invention have been described above by taking an N-channel transistor as an example, the same effects can be obtained with a P-channel transistor as with an N-channel transistor.

【0077】以上のように、本実施形態によれば、不純
物注入工程を増加させることなく、多結晶シリコンゲー
ト電極と金属ゲート電極とを併用することによって、閾
値電圧の異なるトランジスタが併存する半導体装置を容
易に形成することができる。さらに、多結晶シリコンゲ
ート電極をポリサイド構造にすることによって、形成さ
れる素子の高速動作を可能にしている。
As described above, according to the present embodiment, by using both a polysilicon gate electrode and a metal gate electrode without increasing the number of impurity implantation steps, a semiconductor device having transistors having different threshold voltages coexist. Can be easily formed. Furthermore, by forming the polycrystalline silicon gate electrode into a polycide structure, high-speed operation of the formed device is enabled.

【0078】(第4の実施形態)図4(a)〜(e)
は、本発明の第4の実施形態における半導体装置の製造
方法を示す工程断面図である。
(Fourth Embodiment) FIGS. 4A to 4E
FIG. 14 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device in the fourth embodiment of the present invention.

【0079】まず、図4(a)において、P型シリコン
基板401の所定の箇所に周知の製造技術を用いて、N
型ウェル領域402、P型ウェル領域403、及び素子
分離領域404をそれぞれ形成する。
First, referring to FIG. 4A, a predetermined portion of a P-type silicon
A mold well region 402, a P-type well region 403, and an element isolation region 404 are formed.

【0080】次に、図4(b)において、これらの各領
域が形成されている基板401の全面を覆うように、ゲ
ート酸化膜として機能することになる厚さが例えば約6
nmの酸化膜405を、ドライ酸化法或いはウェット酸
化法を用いて形成する。その後に、厚さが例えば約20
0nmのN型多結晶シリコン膜406を、例えば気相成
長法を用いて、酸化膜405の上に形成する。ここで、
N型多結晶シリコン膜406の中のN型不純物濃度は、
好ましくは、約1×1019cm-2〜約5×1019cm-2
に設定する。続いて、所定のパターンのフォトレジスト
407をN型多結晶シリコン膜406の上に形成後に、
フォトレジスト407をマスクとして使用して多結晶シ
リコン膜406にP型不純物を注入し、P型多結晶シリ
コン領域408を形成する。ここで、P型多結晶シリコ
ン領域408の中のP型不純物濃度は、好ましくは、約
1×1015cm-2〜約5×1015cm-2に設定する。一
方、最初に形成されたN型多結晶シリコン膜406のう
ちでP型多結晶シリコン領域408に転換されなかった
領域は、N型多結晶シリコン領域406として残存す
る。
Next, in FIG. 4B, the thickness serving as a gate oxide film is, for example, about 6 so as to cover the entire surface of the substrate 401 on which these regions are formed.
An oxide film 405 of nm is formed using a dry oxidation method or a wet oxidation method. Thereafter, the thickness is for example about 20
A 0-nm N-type polycrystalline silicon film 406 is formed on the oxide film 405 by using, for example, a vapor deposition method. here,
The N-type impurity concentration in the N-type polycrystalline silicon film 406 is:
Preferably, from about 1 × 10 19 cm −2 to about 5 × 10 19 cm −2
Set to. Subsequently, after a photoresist 407 having a predetermined pattern is formed on the N-type polycrystalline silicon film 406,
Using the photoresist 407 as a mask, a P-type impurity is implanted into the polycrystalline silicon film 406 to form a P-type polycrystalline silicon region 408. Here, the P-type impurity concentration in P-type polycrystalline silicon region 408 is preferably set to about 1 × 10 15 cm −2 to about 5 × 10 15 cm −2 . On the other hand, in the N-type polycrystalline silicon film 406 formed first, a region not converted to the P-type polycrystalline silicon region 408 remains as the N-type polycrystalline silicon region 406.

【0081】さらに、図4(c)に示すように、フォト
レジスト407を除去した後に、N型多結晶シリコン領
域406及びP型多結晶シリコン領域408を覆うよう
に、酸化膜409を形成する。
Further, as shown in FIG. 4C, after removing the photoresist 407, an oxide film 409 is formed so as to cover the N-type polysilicon region 406 and the P-type polysilicon region 408.

【0082】そして、図4(d)に示すように、所定の
パターンの新たなフォトレジスト410を酸化膜409
の上に形成し、これをマスクとして使用して、酸化膜4
09、N型多結晶シリコン領域406、及びP型多結晶
シリコン領域408を、例えばRIEドライエッチング
法を用いて異方性エッチングして、所定のパターンのN
型多結晶シリコンゲート電極411及びP型多結晶シリ
コンゲート電極412を形成する。
Then, as shown in FIG. 4D, a new photoresist 410 having a predetermined pattern is formed on the oxide film 409.
On the oxide film 4 using this as a mask.
09, the N-type polysilicon region 406, and the P-type polysilicon region 408 are anisotropically etched using, for example, an RIE dry etching method.
A type polysilicon gate electrode 411 and a P type polysilicon gate electrode 412 are formed.

【0083】最後に、図4(e)に示すように、P型ソ
ース/ドレイン拡散領域414及びN型ソース/ドレイ
ン拡散領域415を形成した後に層間膜416を堆積
し、さらに層間膜416の所定の箇所に形成したスルー
ホールを通じてP型及びN型ソース/ドレイン拡散領域
414及び415に接続する金属配線417を形成し、
製造工程が完了する。
Finally, as shown in FIG. 4E, after forming a P-type source / drain diffusion region 414 and an N-type source / drain diffusion region 415, an interlayer film 416 is deposited. Metal wiring 417 connected to the P-type and N-type source / drain diffusion regions 414 and 415 through the through holes formed at
The manufacturing process is completed.

【0084】以上のように構成された本実施形態におけ
る半導体装置の動作を、Nチャネル型トランジスタの場
合において説明する。
The operation of the semiconductor device according to the present embodiment configured as described above will be described in the case of an N-channel transistor.

【0085】この半導体装置において、典型的には、N
型多結晶シリコンゲート電極411の仕事関数は約4.
3eVであり、一方、P型多結晶シリコンゲート電極4
12の仕事関数は約5.3Vである。この場合に得られ
るサブスレッショルド特性の測定例を、図8に示す。図
8は、ゲート印加電圧Vg(横軸)に対するドレイン電
流Id(縦軸)の変化の様子を示すグラフであって、黒
丸プロット(n+Poly-Si)は、N型多結晶シリコンゲー
ト電極411に関するデータであり、白丸プロット(p+
Poly-Si)は、P型多結晶シリコンゲート電極412に
関するデータである。
In this semiconductor device, typically, N
The work function of the polycrystalline silicon gate electrode 411 is about 4.
3 eV, while the P-type polysilicon gate electrode 4
The work function of Twelve is about 5.3V. FIG. 8 shows a measurement example of the sub-threshold characteristic obtained in this case. FIG. 8 is a graph showing how the drain current Id (vertical axis) changes with respect to the gate applied voltage Vg (horizontal axis). The black circle plot (n + Poly-Si) shows the N-type polycrystalline silicon gate electrode 411. Data, and a white circle plot (p +
Poly-Si) is data on the P-type polycrystalline silicon gate electrode 412.

【0086】図8より、N型多結晶シリコンゲート電極
411のデータとP型多結晶シリコンゲート電極412
のデータとの間には、線形部分で約1.0Vの差が存在
している。従って、この点を利用することによって、N
型多結晶シリコンゲート電極411とP型多結晶シリコ
ンゲート電極412との併用により、基板濃度が同一で
あっても閾値電圧に約1.0Vの差があるトランジスタ
を形成することができることがわかる。具体的には、例
えば、N型多結晶シリコンゲート電極411を有するト
ランジスタの閾値電圧を約0.2Vに設定する場合に、
P型多結晶シリコンゲート電極412を有するトランジ
スタの閾値電圧は約1.2Vとなる。このようなトラン
ジスタは、オフリーク電流が十分に小さい(典型的には
約100fA/μm以下)ので、回路停止時のカットオ
フトランジスタ或いは回路動作時のカットパストランジ
スタとして、使用され得る。
Referring to FIG. 8, data of N-type polysilicon gate electrode 411 and P-type polysilicon gate electrode 412 are shown.
There is a difference of about 1.0 V in the linear part between these data. Therefore, by taking advantage of this point, N
It can be seen that a transistor having a threshold voltage difference of about 1.0 V can be formed even when the substrate concentration is the same, by using the p-type polysilicon gate electrode 411 and the p-type polysilicon gate electrode 412 together. Specifically, for example, when the threshold voltage of the transistor having the N-type polysilicon gate electrode 411 is set to about 0.2 V,
The threshold voltage of the transistor having the P-type polysilicon gate electrode 412 is about 1.2V. Such a transistor has sufficiently small off-leak current (typically about 100 fA / μm or less), and thus can be used as a cut-off transistor when the circuit is stopped or a cut-pass transistor when the circuit is operating.

【0087】なお、以上ではNチャネル型トランジスタ
を例にとって本発明の効果を説明しているが、Pチャネ
ル型トランジスタにおいても、Nチャネル型トランジス
タについてと同様な効果が得られる。
Although the effects of the present invention have been described with reference to an N-channel transistor as an example, the same effects can be obtained with a P-channel transistor as with an N-channel transistor.

【0088】以上のように、本実施形態によれば、不純
物注入工程を増加させることなく、N型多結晶シリコン
ゲート電極とP型多結晶シリコンゲート電極とを併用す
ることによって、閾値電圧の異なるトランジスタが併存
する半導体装置を容易に形成することができる。
As described above, according to this embodiment, the threshold voltage can be varied by using both the N-type polysilicon gate electrode and the P-type polysilicon gate electrode without increasing the impurity implantation step. A semiconductor device in which transistors coexist can be easily formed.

【0089】(第5の実施形態)図5(a)〜(e)
は、本発明の第5の実施形態における半導体装置の製造
方法を示す工程断面図である。
(Fifth Embodiment) FIGS. 5A to 5E
FIG. 14 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device in the fifth embodiment of the present invention.

【0090】まず、図5(a)において、P型シリコン
基板501の所定の箇所に周知の製造技術を用いて、N
型ウェル領域502、P型ウェル領域503、及び素子
分離領域504をそれぞれ形成する。
First, as shown in FIG. 5A, a predetermined portion of a P-type silicon substrate
A mold well region 502, a P-type well region 503, and an element isolation region 504 are formed.

【0091】次に、図5(b)において、これらの各領
域が形成されている基板501の全面を覆うように、ゲ
ート酸化膜として機能することになる厚さが例えば約6
nmの酸化膜505を、ドライ酸化法或いはウェット酸
化法を用いて形成する。その後に、厚さが例えば約20
0nmの非ドープ多結晶シリコン膜506を、例えば気
相成長法を用いて、酸化膜505の上に形成する。
Next, in FIG. 5B, the thickness of the substrate 501 on which the respective regions are formed is about 6 to function as a gate oxide film so as to cover the entire surface.
An oxide film 505 of nm is formed by using a dry oxidation method or a wet oxidation method. Thereafter, the thickness is for example about 20
An undoped polycrystalline silicon film 506 of 0 nm is formed on the oxide film 505 by using, for example, a vapor deposition method.

【0092】次に、所定のパターンのフォトレジスト5
07を非ドープ多結晶シリコン膜506の上に形成後
に、フォトレジスト507をマスクとして使用して非ド
ープ多結晶シリコン膜506にN型不純物を注入し、N
型多結晶シリコン領域508を形成する。ここで、N型
多結晶シリコン領域508の中のN型不純物濃度は、好
ましくは、約1×1015cm-2〜約5×1015cm-2
設定する。
Next, a photoresist 5 having a predetermined pattern is formed.
07 is formed on the undoped polycrystalline silicon film 506, and then an N-type impurity is implanted into the undoped polycrystalline silicon film 506 using the photoresist 507 as a mask.
Form polycrystalline silicon region 508 is formed. Here, the N-type impurity concentration in N-type polycrystalline silicon region 508 is preferably set to about 1 × 10 15 cm −2 to about 5 × 10 15 cm −2 .

【0093】続いて、フォトレジスト507を除去した
後に、図5(c)に示すように、N型多結晶シリコン領
域508を覆うフォトレジスト509を形成する。そし
て、フォトレジスト509をマスクとしてP型不純物の
注入処理を行って、P型多結晶シリコン領域510を形
成する。ここで、P型多結晶シリコン領域510の中の
P型不純物濃度は、好ましくは、約1×1015cm-2
約5×1015cm-2に設定する。
Subsequently, after removing the photoresist 507, a photoresist 509 covering the N-type polycrystalline silicon region 508 is formed as shown in FIG. Then, a P-type impurity is implanted using the photoresist 509 as a mask to form a P-type polycrystalline silicon region 510. Here, the P-type impurity concentration in P-type polysilicon region 510 is preferably about 1 × 10 15 cm −2 to
Set to about 5 × 10 15 cm -2 .

【0094】さらに、フォトレジスト509を除去した
後に、N型多結晶シリコン領域508及びP型多結晶シ
リコン領域510を覆うように、酸化膜511を形成す
る。そして、図5(d)に示すように、所定のパターン
の新たなフォトレジスト512を酸化膜511の上に形
成し、これをマスクとして使用して、酸化膜511、N
型多結晶シリコン領域518、及びP型多結晶シリコン
領域510を、例えばRIEドライエッチング法を用い
て異方性エッチングして、所定のパターンのN型多結晶
シリコンゲート電極513及びP型多結晶シリコンゲー
ト電極514を形成する。
Further, after removing the photoresist 509, an oxide film 511 is formed so as to cover the N-type polysilicon region 508 and the P-type polysilicon region 510. Then, as shown in FIG. 5D, a new photoresist 512 having a predetermined pattern is formed on the oxide film 511, and using this as a mask, the oxide film 511 and the N
The polycrystalline silicon region 518 and the polycrystalline silicon region 510 are anisotropically etched using, for example, RIE dry etching to form a predetermined pattern of an N-type polycrystalline silicon gate electrode 513 and a P-type polycrystalline silicon region. A gate electrode 514 is formed.

【0095】最後に、図5(e)に示すように、P型ソ
ース/ドレイン拡散領域515及びN型ソース/ドレイ
ン拡散領域516を形成した後に層間膜517を堆積
し、さらに層間膜517の所定の箇所に形成したスルー
ホールを通じてP型及びN型ソース/ドレイン拡散領域
515及び516に接続する金属配線518を形成し、
製造工程が完了する。
Finally, as shown in FIG. 5E, after forming a P-type source / drain diffusion region 515 and an N-type source / drain diffusion region 516, an interlayer film 517 is deposited. Metal wiring 518 connected to the P-type and N-type source / drain diffusion regions 515 and 516 through the through holes formed at
The manufacturing process is completed.

【0096】以上のように構成された本実施形態におけ
る半導体装置の動作を、Nチャネル型トランジスタの場
合において説明する。
The operation of the semiconductor device according to the present embodiment configured as described above will be described in the case of an N-channel transistor.

【0097】この半導体装置においても、典型的には、
N型多結晶シリコンゲート電極513の仕事関数は約
4.3eVであり、一方、P型多結晶シリコンゲート電
極514の仕事関数は約5.3Vである。この場合に得
られるサブスレッショルド特性は、第4の実施形態に関
連して参照した図8に示すものと同様であり、N型多結
晶シリコンゲート電極513とP型多結晶シリコンゲー
ト電極514との併用により、基板濃度が同一であって
も閾値電圧に約1.0Vの差があるトランジスタを形成
することができることがわかる。具体的には、例えば、
N型多結晶シリコンゲート電極513を有するトランジ
スタの閾値電圧を約0.2Vに設定する場合に、P型多
結晶シリコンゲート電極514を有するトランジスタの
閾値電圧は約1.2Vとなる。このようなトランジスタ
は、オフリーク電流が十分に小さい(典型的には約10
0fA/μm以下)ので、回路停止時のカットオフトラ
ンジスタ或いは回路動作時のカットパストランジスタと
して、使用され得る。
In this semiconductor device also, typically,
The work function of the N-type polysilicon gate electrode 513 is about 4.3 eV, while the work function of the P-type polysilicon gate electrode 514 is about 5.3 V. The sub-threshold characteristic obtained in this case is the same as that shown in FIG. 8 referred to in connection with the fourth embodiment, and the N-type polysilicon gate electrode 513 and the P-type polysilicon gate electrode 514 It can be seen that a transistor having a difference in threshold voltage of about 1.0 V can be formed even when the substrate concentration is the same by the combined use. Specifically, for example,
When the threshold voltage of the transistor having the N-type polysilicon gate electrode 513 is set to about 0.2 V, the threshold voltage of the transistor having the P-type polysilicon gate electrode 514 is about 1.2 V. Such transistors have sufficiently low off-leakage current (typically about 10
(0 fA / μm or less), so that it can be used as a cut-off transistor when the circuit is stopped or as a cut-pass transistor when the circuit is operating.

【0098】さらに本実施形態による半導体装置の製造
方法では、N型多結晶シリコン領域の形成とP型多結晶
シリコン領域の形成とを、別個の不純物注入工程によっ
て行うので、それぞれにおいて形成される領域内の不純
物濃度の制御が容易となる。
Further, in the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment, the formation of the N-type polycrystalline silicon region and the formation of the P-type polycrystalline silicon region are performed by separate impurity implantation steps. It becomes easy to control the impurity concentration in the inside.

【0099】なお、以上ではNチャネル型トランジスタ
を例にとって本発明の効果を説明しているが、Pチャネ
ル型トランジスタにおいても、Nチャネル型トランジス
タについてと同様な効果が得られる。
Although the effects of the present invention have been described with reference to an N-channel transistor as an example, the same effects can be obtained with a P-channel transistor as with an N-channel transistor.

【0100】以上のように、本実施形態によれば、不純
物注入工程を増加させることなく、N型多結晶シリコン
ゲート電極とP型多結晶シリコンゲート電極とを併用す
ることによって、閾値電圧の異なるトランジスタが併存
する半導体装置を容易に形成することができる。
As described above, according to this embodiment, the threshold voltage can be varied by using both the N-type polysilicon gate electrode and the P-type polysilicon gate electrode without increasing the impurity implantation step. A semiconductor device in which transistors coexist can be easily formed.

【0101】(第6の実施形態)図6(a)〜(e)
は、本発明の第6の実施形態における半導体装置の製造
方法を示す工程断面図である。
(Sixth Embodiment) FIGS. 6A to 6E
FIG. 16 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device in the sixth embodiment of the present invention.

【0102】まず、図6(a)において、P型シリコン
基板601の所定の箇所に周知の製造技術を用いて、N
型ウェル領域602、P型ウェル領域603、及び素子
分離領域604をそれぞれ形成する。次に、図示するよ
うな所定のパターンのフォトレジスト605を形成後
に、フォトレジスト605をマスクとして使用して、N
型ウェル領域602の中の所定の領域にN型不純物を注
入し、N型ウェル領域602とは異なる不純物濃度を有
するN型拡散領域606を形成する。
First, referring to FIG. 6A, a predetermined portion of a P-type silicon substrate 601 is formed by using a well-known manufacturing technique.
A mold well region 602, a P-type well region 603, and an element isolation region 604 are formed. Next, after a photoresist 605 having a predetermined pattern as shown in the figure is formed, N
N-type impurities are implanted into a predetermined region in the mold well region 602 to form an N-type diffusion region 606 having an impurity concentration different from that of the N-type well region 602.

【0103】次に、フォトレジスト605を除去後に、
図6(b)に示すような所定のパターンのフォトレジス
ト607を形成する。そして、フォトレジスト607を
マスクとして使用して、P型ウェル領域603の中の所
定の領域にP型不純物を注入し、P型ウェル領域603
とは異なる不純物濃度を有するP型拡散領域608を形
成する。
Next, after removing the photoresist 605,
A photoresist 607 having a predetermined pattern as shown in FIG. 6B is formed. Then, using the photoresist 607 as a mask, a P-type impurity is implanted into a predetermined region in the P-type well region 603 to form a P-type well region 603.
P-type diffusion region 608 having an impurity concentration different from the above is formed.

【0104】そして、フォトレジスト607を形成後
に、上記のような各領域が形成された基板601を覆う
ように、ゲート酸化膜として機能することになる厚さが
例えば約6nmの酸化膜609を、ドライ酸化法或いは
ウェット酸化法を用いて形成する。その後に、厚さが例
えば約200nmのN型多結晶シリコン膜610を、例
えば気相成長法を用いて、酸化膜609の上に形成す
る。ここで、N型多結晶シリコン膜610の中のN型不
純物濃度は、好ましくは、約1×1019cm-2〜約5×
1019cm-2に設定する。
After the formation of the photoresist 607, an oxide film 609 having a thickness of about 6 nm, which functions as a gate oxide film, is formed so as to cover the substrate 601 on which the above-described regions are formed. It is formed using a dry oxidation method or a wet oxidation method. Thereafter, an N-type polycrystalline silicon film 610 having a thickness of, for example, about 200 nm is formed on the oxide film 609 by using, for example, a vapor deposition method. Here, the N-type impurity concentration in the N-type polycrystalline silicon film 610 is preferably about 1 × 10 19 cm −2 to about 5 ×
Set to 10 19 cm -2 .

【0105】次に、図6(c)に示すように、所定のパ
ターンのフォトレジスト611をN型多結晶シリコン膜
610の上に形成後に、フォトレジスト611をマスク
として使用してN型多結晶シリコン膜610にP型不純
物を注入し、P型多結晶シリコン領域612を形成す
る。ここで、P型多結晶シリコン領域612の中のP型
不純物濃度は、好ましくは、約1×1015cm-2〜約5
×1015cm-2に設定する。
Next, as shown in FIG. 6C, after a photoresist 611 having a predetermined pattern is formed on the N-type polysilicon film 610, the photoresist 611 is used as a mask to form the N-type polysilicon. A P-type impurity is implanted into the silicon film 610 to form a P-type polycrystalline silicon region 612. Here, the P-type impurity concentration in P-type polysilicon region 612 is preferably about 1 × 10 15 cm −2 to about 5 × 10 15 cm −2.
Set to × 10 15 cm -2 .

【0106】さらに、フォトレジスト611を除去した
後に、N型多結晶シリコン領域610及びP型多結晶シ
リコン領域612を覆うように、酸化膜613を形成す
る。そして、図6(d)に示すように、所定のパターン
の新たなフォトレジスト614を酸化膜613の上に形
成し、これをマスクとして使用して、酸化膜613、N
型多結晶シリコン領域610、及びP型多結晶シリコン
領域612を、例えばRIEドライエッチング法を用い
て異方性エッチングして、所定のパターンのN型多結晶
シリコンゲート電極615及びP型多結晶シリコンゲー
ト電極616を形成する。
Further, after removing the photoresist 611, an oxide film 613 is formed so as to cover the N-type polysilicon region 610 and the P-type polysilicon region 612. Then, as shown in FIG. 6D, a new photoresist 614 having a predetermined pattern is formed on the oxide film 613, and using this as a mask, the oxide film 613, N
The polycrystalline silicon region 610 and the p-type polycrystalline silicon region 612 are anisotropically etched using, for example, an RIE dry etching method to form a predetermined pattern of an n-type polycrystalline silicon gate electrode 615 and a p-type polycrystalline silicon. A gate electrode 616 is formed.

【0107】最後に、図6(e)に示すように、P型ソ
ース/ドレイン拡散領域617及びN型ソース/ドレイ
ン拡散領域618を形成した後に層間膜619を堆積
し、さらに層間膜619の所定の箇所に形成したスルー
ホールを通じてP型及びN型ソース/ドレイン拡散領域
617及び618に接続する金属配線620を形成し、
製造工程が完了する。
Finally, as shown in FIG. 6E, after forming a P-type source / drain diffusion region 617 and an N-type source / drain diffusion region 618, an interlayer film 619 is deposited. Forming a metal wiring 620 connected to the P-type and N-type source / drain diffusion regions 617 and 618 through the through holes formed at
The manufacturing process is completed.

【0108】以上のように構成された本実施形態におけ
る半導体装置の動作を、Nチャネル型トランジスタの場
合において説明する。
The operation of the semiconductor device having the above-described structure according to the present embodiment will be described in the case of an N-channel transistor.

【0109】この半導体装置においても、典型的には、
N型多結晶シリコンゲート電極615の仕事関数は約
4.3eVであり、一方、P型多結晶シリコンゲート電
極616の仕事関数は約5.3Vである。この場合に得
られるサブスレッショルド特性は、第4の実施形態に関
連して参照した図8に示すものと同様であり、N型多結
晶シリコンゲート電極615とP型多結晶シリコンゲー
ト電極616との併用により、基板濃度が同一であって
も閾値電圧に約1.0Vの差があるトランジスタを形成
することができることがわかる。さらに、N型ウェル領
域612及びP型ウェル領域613の中に異なる不純物
濃度を有するN型拡散領域606及びP型拡散領域60
8を形成し、これらをチャネル領域として使用するトラ
ンジスタを形成すれば、基板の仕事関数の変化を利用し
て、それらのトランジスタの閾値電圧を、さらに異なっ
たレベルに設定することができる。すなわち、図9に示
すように、計4種類の異なったサブスレッショルド特性
が得られて、これらを利用して計4種類の異なった閾値
電圧を有するトランジスタを一つの半導体装置の中に形
成することができる。
Also in this semiconductor device, typically,
The work function of the N-type polysilicon gate electrode 615 is about 4.3 eV, while the work function of the P-type polysilicon gate electrode 616 is about 5.3 V. The subthreshold characteristics obtained in this case are the same as those shown in FIG. 8 referred to in connection with the fourth embodiment, and the N-type polysilicon gate electrode 615 and the P-type polysilicon gate electrode 616 It can be seen that a transistor having a difference in threshold voltage of about 1.0 V can be formed even when the substrate concentration is the same by the combined use. Further, the N-type diffusion region 606 and the P-type diffusion region 60 having different impurity concentrations in the N-type well region 612 and the P-type well region 613.
By forming transistors 8 and using them as channel regions, the threshold voltages of these transistors can be set to further different levels by utilizing changes in the work function of the substrate. That is, as shown in FIG. 9, a total of four types of different sub-threshold characteristics are obtained, and by using these characteristics, transistors having a total of four types of different threshold voltages are formed in one semiconductor device. Can be.

【0110】なお、以上ではNチャネル型トランジスタ
を例にとって本発明の効果を説明しているが、Pチャネ
ル型トランジスタにおいても、Nチャネル型トランジス
タについてと同様な効果が得られる。
Although the effects of the present invention have been described above by taking an N-channel transistor as an example, a P-channel transistor has the same effect as that of an N-channel transistor.

【0111】以上のように、本実施形態によれば、閾値
電圧レベルの制御のための不純物注入工程の実施、並び
に先の実施形態で述べたN型多結晶シリコンゲート電極
とP型多結晶シリコンゲート電極との併用、という2つ
の手法を通じて、他種類の異なる閾値電圧を有するトラ
ンジスタが併存する半導体装置を、容易に形成すること
ができる。
As described above, according to the present embodiment, the impurity implantation process for controlling the threshold voltage level is performed, and the N-type polysilicon gate electrode and the P-type polysilicon described in the previous embodiment are used. Through the two methods of using the gate electrode together with the gate electrode, a semiconductor device in which transistors having different types of different threshold voltages coexist can be easily formed.

【0112】なお、以上における各実施形態の説明で
は、埋め込み酸化層を含まない通常のバルク型トランジ
スタに対して、本発明を適用している。或いは、埋め込
み酸化層を含むSOI構造を有する半導体基板に対して
本発明を適用しても、これまでに説明したものと同様の
効果を得ることができる。
In the above description of each embodiment, the present invention is applied to a normal bulk transistor that does not include a buried oxide layer. Alternatively, even when the present invention is applied to a semiconductor substrate having an SOI structure including a buried oxide layer, the same effects as those described above can be obtained.

【0113】(第7の実施形態)図10は、本発明の第
7の実施形態における半導体装置として、Nチャネル型
トランジスタの構造を模式的に示す断面図である。
(Seventh Embodiment) FIG. 10 is a sectional view schematically showing the structure of an N-channel transistor as a semiconductor device according to a seventh embodiment of the present invention.

【0114】具体的には、このトランジスタは、埋め込
み酸化層702が設けられたP型半導体基板701の表
面近傍であって素子分離領域703で分離された活性領
域に、チャネル部704、ドレイン拡散領域705、及
びソース拡散領域706が形成されてている。さらに、
チャネル部704の上には、ゲート酸化膜707を介し
てP型多結晶シリコンゲート電極708が設けられてい
る。
More specifically, this transistor includes a channel portion 704 and a drain diffusion region in an active region near the surface of a P-type semiconductor substrate 701 provided with a buried oxide layer 702 and separated by an element isolation region 703. 705 and a source diffusion region 706 are formed. further,
On the channel portion 704, a P-type polycrystalline silicon gate electrode 708 is provided via a gate oxide film 707.

【0115】以上のように構成された本実施形態におけ
る半導体装置(Nチャネル型トランジスタ)の動作を、
図11を参照して説明する。
The operation of the semiconductor device (N-channel transistor) according to the present embodiment configured as described above is described below.
This will be described with reference to FIG.

【0116】図11は、チャネル部704の不純物濃度
(Nb)が約5×1016cm-2であり、埋め込み酸化層
702の厚さ(Tsoi)が100nmである場合におけ
る、Nチャネル型トランジスタで得られるサブスレッシ
ョルド特性の一例である。
FIG. 11 shows an N-channel transistor when the impurity concentration (Nb) of the channel portion 704 is about 5 × 10 16 cm −2 and the thickness (Tsoi) of the buried oxide layer 702 is 100 nm. It is an example of the obtained sub-threshold characteristic.

【0117】具体的には、P型多結晶シリコンゲート電
極を用いて、且つ基板にバイアス電圧を印加しない場合
(すなわち、Vb=0V)には、図11に白丸プロット
で示すように、Nチャネル型トランジスタは非常に高い
閾値電圧を示す。これに対して、P型多結晶シリコンゲ
ート電極を用いて、且つ基板に2Vのバイアス電圧を印
加する場合(すなわち、Vb=0V)には、図11に白
三角プロットで示すように、閾値電圧を約0.5Vまで
低減することができる。そこで、この現象を利用するこ
とによって、トランジスタのオフ時には基板電位を0V
にすることによって閾値電圧を高くし、リーク電流の極
めて少ない特性を実現する一方で、トランジスタのオン
時には正の基板バイアス電圧を印加することによって閾
値電圧を低くして、高い駆動能力を実現することができ
る。
Specifically, when a P-type polycrystalline silicon gate electrode is used and no bias voltage is applied to the substrate (ie, Vb = 0 V), as shown by a white circle plot in FIG. Type transistors exhibit very high threshold voltages. In contrast, when a P-type polycrystalline silicon gate electrode is used and a bias voltage of 2 V is applied to the substrate (that is, Vb = 0 V), as shown by a white triangle plot in FIG. Can be reduced to about 0.5V. Therefore, by utilizing this phenomenon, the substrate potential is set to 0 V when the transistor is turned off.
To increase the threshold voltage and realize characteristics with extremely low leakage current, while applying a positive substrate bias voltage when the transistor is on to lower the threshold voltage and achieve high driving capability. Can be.

【0118】ここで、図11に黒丸プロットで示すよう
に、通常のN型多結晶シリコンゲート電極を用いる場合
には、基板電位0V(Vb=0V)においてトランジス
タがオン状態であり、基板に負の電位をかけることによ
り、トランジスタをオフさせる。このため、従来技術に
よる構造では、上記のような負の電位を発生して基板に
印加するための回路が必須であり、結果的に回路占有面
積が増大するという問題点を有している。これに対し
て、本実施形態では、従来技術におけるN型多結晶シリ
コンゲート電極を用いる場合の上記動作とは逆に、正の
電位を使用するので、電位発生回路を必要としない。
Here, as shown by a black circle plot in FIG. 11, when a normal N-type polycrystalline silicon gate electrode is used, the transistor is on at a substrate potential of 0 V (Vb = 0 V), and the substrate is negative. The transistor is turned off by applying the potential of. For this reason, in the structure according to the related art, a circuit for generating the above-described negative potential and applying it to the substrate is indispensable, and as a result, there is a problem that the circuit occupation area increases. On the other hand, in the present embodiment, a positive potential is used, which is opposite to the above-described operation when the N-type polycrystalline silicon gate electrode is used in the related art, and thus a potential generating circuit is not required.

【0119】以上で説明した図10に示す構造は、埋め
込み酸化層702を含むSOI構造を有している。或い
は、埋め込み酸化層を含まない通常のバルク型トランジ
スタに対しても、本実施形態の適用によって上記と同様
の効果を得ることができる。但し、バルク型トランジス
タの場合には、基板電位を正電位にすると、基板とソー
ス拡散領域との間に正の電位差が生じて、リーク電流が
発生する可能性がある。しかし、SOI構造の使用によ
って、基板に正電位が与えられた場合であっても、基板
とソース拡散領域との間でのリーク電流の発生が防止さ
れる。
The structure shown in FIG. 10 described above has an SOI structure including a buried oxide layer 702. Alternatively, the same effect as described above can be obtained by applying the present embodiment to a normal bulk transistor that does not include a buried oxide layer. However, in the case of a bulk transistor, when the substrate potential is set to a positive potential, a positive potential difference occurs between the substrate and the source diffusion region, which may cause a leak current. However, the use of the SOI structure prevents generation of a leak current between the substrate and the source diffusion region even when a positive potential is applied to the substrate.

【0120】なお、以上ではNチャネル型トランジスタ
を例にとって本発明の効果を説明しているが、Pチャネ
ル型トランジスタにおいても、Nチャネル型トランジス
タについてと同様な効果が得られる。
Although the effects of the present invention have been described above by taking an N-channel transistor as an example, the same effects can be obtained with a P-channel transistor as with an N-channel transistor.

【0121】以上のように本実施形態によれば、トラン
ジスタの導電型とは異なる導電型を有する多結晶シリコ
ンゲート電極を使用した上で、基板電位を正のバイアス
電圧の印加によって制御することにより、トランジスタ
の閾値電圧を制御することができる。さらに、SOI構
造をとることによって、基板に正電位が与えられた場合
であっても、基板とソース拡散領域との間でのリーク電
流の発生を防止することができる。
As described above, according to the present embodiment, a polycrystalline silicon gate electrode having a conductivity type different from the conductivity type of the transistor is used, and the substrate potential is controlled by applying a positive bias voltage. , The threshold voltage of the transistor can be controlled. Further, by employing the SOI structure, generation of a leak current between the substrate and the source diffusion region can be prevented even when a positive potential is applied to the substrate.

【0122】なお、以上に説明してきた本発明の各実施
形態において、金属ゲート電極の構成材料としては、例
えば、タングステン、タングステンシリサイド、モリブ
デン、モリブデンシリサイド、チタン、或いはチタンシ
リサイドなどを選択することができる。或いは、金属ゲ
ート電極を、チタンナイトライド或いはタングステンナ
イトライドからなる第1層と、タングステン、モリブデ
ン、或いはチタンからなる第2層と、を含む多層構造を
有するように形成してもよい。
In each of the embodiments of the present invention described above, as a constituent material of the metal gate electrode, for example, tungsten, tungsten silicide, molybdenum, molybdenum silicide, titanium, or titanium silicide may be selected. it can. Alternatively, the metal gate electrode may be formed to have a multilayer structure including a first layer made of titanium nitride or tungsten nitride and a second layer made of tungsten, molybdenum, or titanium.

【0123】また、例えば、金属ゲート電極をタングス
テン或いはタングステンシリサイドから形成し、多結晶
シリコンゲート電極を、多結晶シリコンからなる第1層
とタングステン或いはタングステンシリサイドからなる
第2層とを含む多層構造を有するように形成してもよ
い。或いは、金属ゲート電極をモリブデン或いはモリブ
デンシリサイドから形成し、多結晶シリコンゲート電極
を、多結晶シリコンからなる第1層とモリブデン或いは
モリブデンシリサイドからなる第2層とを含む多層構造
を有するように形成してもよい。また、他の場合には、
金属ゲート電極がチタン或いはチタンシリサイドから形
成され、多結晶シリコンゲート電極が、多結晶シリコン
からなる第1層とチタン或いはチタンシリサイドからな
る第2層とを含む多層構造を有している。
Further, for example, a metal gate electrode is formed of tungsten or tungsten silicide, and a polycrystalline silicon gate electrode has a multilayer structure including a first layer of polycrystalline silicon and a second layer of tungsten or tungsten silicide. It may be formed to have. Alternatively, the metal gate electrode is formed of molybdenum or molybdenum silicide, and the polycrystalline silicon gate electrode is formed to have a multilayer structure including a first layer of polycrystalline silicon and a second layer of molybdenum or molybdenum silicide. You may. In other cases,
The metal gate electrode is formed of titanium or titanium silicide, and the polysilicon gate electrode has a multilayer structure including a first layer of polysilicon and a second layer of titanium or titanium silicide.

【0124】[0124]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、不純物
注入工程を増加させることなく、閾値電圧の異なるトラ
ンジスタが併存する半導体装置を容易に形成することが
できる。さらに、従来は負の基板電位を用いていたトラ
ンジスタ動作の制御を、正の基板電位を用いて行うこと
ができるので、従来は含まれていた負電位発生回路を使
用する必要が無く、占有面積の低減を実現することがで
きる。
As described above, according to the present invention, a semiconductor device in which transistors having different threshold voltages coexist can be easily formed without increasing the number of impurity implantation steps. Further, since the operation of the transistor, which used to be a negative substrate potential, can be controlled by using a positive substrate potential, it is not necessary to use a negative potential generation circuit that is conventionally included, and the occupied area is reduced. Can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施形態における半導体装置の
製造方法を示す工程断面図である。
FIG. 1 is a process sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施形態における半導体装置の
製造方法を示す工程断面図である。
FIG. 2 is a process sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第3の実施形態における半導体装置の
製造方法を示す工程断面図である。
FIG. 3 is a process sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第4の実施形態における半導体装置の
製造方法を示す工程断面図である。
FIG. 4 is a process sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第5の実施形態における半導体装置の
製造方法を示す工程断面図である。
FIG. 5 is a process sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第6の実施形態における半導体装置の
製造方法を示す工程断面図である。
FIG. 6 is a process sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第1、第2、及び第3の実施形態にお
けるNチャネル型トランジスタのサブスレッショルド特
性を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing sub-threshold characteristics of N-channel transistors according to the first, second, and third embodiments of the present invention.

【図8】本発明の第4及び第5の実施形態におけるNチ
ャネル型トランジスタのサブスレッショルド特性を示す
グラフである。
FIG. 8 is a graph showing sub-threshold characteristics of N-channel transistors according to fourth and fifth embodiments of the present invention.

【図9】本発明の第6の実施形態におけるNチャネル型
トランジスタのサブスレッショルド特性を示すグラフで
ある。
FIG. 9 is a graph showing sub-threshold characteristics of an N-channel transistor according to a sixth embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第7の実施形態における半導体装置
の構成を示す断面図である。
FIG. 10 is a sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a seventh embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第7の実施形態におけるNチャネル
型トランジスタのサブスレッショルド特性を示すグラフ
である。
FIG. 11 is a graph showing sub-threshold characteristics of an N-channel transistor according to a seventh embodiment of the present invention.

【図12】Nチャネルトランジスタにおける保護酸化膜
の厚さ(横軸)と閾値電圧Vt(縦軸)との間の関係を
示すグラフである。
FIG. 12 is a graph showing a relationship between the thickness (horizontal axis) of a protective oxide film and a threshold voltage Vt (vertical axis) in an N-channel transistor.

【図13】従来技術における半導体装置の製造方法を示
す工程断面図である。
FIG. 13 is a process sectional view illustrating the method of manufacturing the semiconductor device in the conventional technique.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101・・・P型シリコン基板 102・・・N型ウェル領域 103・・・P型ウェル領域 104・・・素子分離領域 105・・・ゲート酸化膜 108・・・N型多結晶シリコンゲート電極 112・・・金属(タングステン)ゲート電極 113・・・P型ソース/ドレイン拡散領域 114・・・N型ソース/ドレイン拡散領域 201・・・P型シリコン基板 202・・・N型ウェル領域 203・・・P型ウェル領域 204・・・素子分離領域 205・・・ゲート酸化膜 208・・・N型多結晶シリコンゲート電極 209・・・ゲート酸化膜 213・・・金属(タングステン)ゲート電極 214・・・P型ソース/ドレイン拡散領域 215・・・N型ソース/ドレイン拡散領域 301・・・P型シリコン基板 302・・・N型ウェル領域 303・・・P型ウェル領域 304・・・素子分離領域 305・・・ゲート酸化膜 312・・・N型多結晶シリコンゲート電極 313・・・金属(タングステン)ゲート電極 314・・・P型ソース/ドレイン拡散領域 315・・・N型ソース/ドレイン拡散領域 401・・・P型シリコン基板 402・・・N型ウェル領域 403・・・P型ウェル領域 404・・・素子分離領域 405・・・ゲート酸化膜 411・・・N型多結晶シリコンゲート電極 412・・・P型多結晶シリコンゲート電極 414・・・P型ソース/ドレイン拡散領域 415・・・N型ソース/ドレイン拡散領域 501・・・P型シリコン基板 502・・・N型ウェル領域 503・・・P型ウェル領域 504・・・素子分離領域 505・・・ゲート酸化膜 513・・・N型多結晶シリコンゲート電極 514・・・P型多結晶シリコンゲート電極 515・・・P型ソース/ドレイン拡散領域 516・・・N型ソース/ドレイン拡散領域 601・・・P型シリコン基板 602・・・N型ウェル領域 603・・・P型ウェル領域 604・・・素子分離領域 606・・・N型不純物拡散領域 607・・・P型不純物拡散領域 609・・・ゲート酸化膜 615・・・N型多結晶シリコンゲート電極 616・・・P型多結晶シリコンゲート電極 617・・・P型ソース/ドレイン拡散領域 618・・・N型ソース/ドレイン拡散領域 701・・・P型半導体基板 702・・・埋め込み酸化層 703・・・素子分離領域 704・・・チャネル領域 705・・・ソース拡散領域 706・・・ドレイン拡散領域 707・・・ゲート酸化膜 708・・・P型多結晶シリコン電極 801・・・P型シリコン基板 802・・・N型ウェル領域 803・・・P型ウェル領域 804・・・素子分離領域 806・・・N型不純物拡散領域 807・・・P型不純物拡散領域 809・・・ゲート酸化膜 810・・・N型多結晶シリコンゲート電極 813・・・P型ソース/ドレイン拡散領域 814・・・N型ソース/ドレイン拡散領域 101: P-type silicon substrate 102: N-type well region 103: P-type well region 104: element isolation region 105: gate oxide film 108: N-type polycrystalline silicon gate electrode 112 ... Metal (tungsten) gate electrode 113 ... P-type source / drain diffusion region 114 ... N-type source / drain diffusion region 201 ... P-type silicon substrate 202 ... N-type well region 203 ... · P-type well region 204 ··· element isolation region 205 ··· gate oxide film 208 ··· N-type polycrystalline silicon gate electrode 209 ··· gate oxide film 213 ··· metal (tungsten) gate electrode 214 ··· P-type source / drain diffusion region 215: N-type source / drain diffusion region 301: P-type silicon substrate 302: N-type wafer Region 303: P-type well region 304: Element isolation region 305: Gate oxide film 312: N-type polycrystalline silicon gate electrode 313: Metal (tungsten) gate electrode 314: P-type Source / drain diffusion region 315: N-type source / drain diffusion region 401: P-type silicon substrate 402: N-type well region 403: P-type well region 404: element isolation region 405 Gate oxide film 411: N-type polycrystalline silicon gate electrode 412: P-type polycrystalline silicon gate electrode 414: P-type source / drain diffusion region 415: N-type source / drain diffusion region 501 ..P-type silicon substrate 502 ・ ・ ・ N-type well region 503 ・ ・ ・ P-type well region 504 ・ ・ ・ Element isolation region 505 ・ ・ ・ Gate acid ... N-type polycrystalline silicon gate electrode 514... P-type polycrystalline silicon gate electrode 515... P-type source / drain diffusion region 516... N-type source / drain diffusion region 601. P-type silicon substrate 602: N-type well region 603: P-type well region 604: isolation region 606: N-type impurity diffusion region 607: P-type impurity diffusion region 609: gate Oxide film 615 ... N-type polycrystalline silicon gate electrode 616 ... P-type polycrystalline silicon gate electrode 617 ... P-type source / drain diffusion region 618 ... N-type source / drain diffusion region 701 ... P-type semiconductor substrate 702: buried oxide layer 703: element isolation region 704: channel region 705: source diffusion region 706: do In-diffusion region 707 gate oxide film 708 P-type polycrystalline silicon electrode 801 P-type silicon substrate 802 N-type well region 803 P-type well region 804 Element isolation Region 806: N-type impurity diffusion region 807: P-type impurity diffusion region 809: Gate oxide film 810: N-type polycrystalline silicon gate electrode 813: P-type source / drain diffusion region 814 ..N-type source / drain diffusion regions

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 29/78 617M 621 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01L 29/78 617M 621

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 多結晶シリコンから形成された多結晶シ
リコンゲート電極を有する第1のMOSトランジスタ
と、 少なくとも1種類以上の金属から形成された金属ゲート
電極を有する第2のMOSトランジスタと、を備えてお
り、該第1及び第2のMOSトランジスタの両方が同一
のウエル内に設けられている、半導体装置。
1. A semiconductor device comprising: a first MOS transistor having a polycrystalline silicon gate electrode formed of polycrystalline silicon; and a second MOS transistor having a metal gate electrode formed of at least one kind of metal. A semiconductor device, wherein both the first and second MOS transistors are provided in the same well.
【請求項2】 前記第1のMOSトランジスタのチャネ
ル領域の不純物濃度が、前記第2のMOSトランジスタ
のチャネル領域の不純物濃度とは異なるレベルに設定さ
れている、請求項1に記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity concentration of a channel region of said first MOS transistor is set to a level different from an impurity concentration of a channel region of said second MOS transistor.
【請求項3】 前記第1及び第2のMOSトランジスタ
がSOI構造を有する基板に形成されている、請求項1
或いは2に記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said first and second MOS transistors are formed on a substrate having an SOI structure.
Alternatively, the semiconductor device according to 2.
【請求項4】 前記第2のMOSトランジスタの前記金
属ゲート電極が、タングステン、タングステンシリサイ
ド、モリブデン、モリブデンシリサイド、チタン、及び
チタンシリサイドからなるグループから選択された少な
くとも1種類の材料で形成されている、請求項1から3
のいずれかひとつに記載の半導体装置。
4. The metal gate electrode of the second MOS transistor is formed of at least one material selected from the group consisting of tungsten, tungsten silicide, molybdenum, molybdenum silicide, titanium, and titanium silicide. Claims 1 to 3
The semiconductor device according to any one of the above.
【請求項5】 前記第2のMOSトランジスタの前記金
属ゲート電極が、チタンナイトライド或いはタングステ
ンナイトライドからなる第1層と、タングステン、モリ
ブデン、或いはチタンからなる第2層と、を含む多層構
造を有している、請求項1から3のいずれかひとつに記
載の半導体装置。
5. A multilayer structure in which the metal gate electrode of the second MOS transistor includes a first layer made of titanium nitride or tungsten nitride and a second layer made of tungsten, molybdenum, or titanium. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, comprising:
【請求項6】 前記第2のMOSトランジスタの前記金
属ゲート電極が、タングステン或いはタングステンシリ
サイドから形成され、 前記第1のMOSトランジスタの前記多結晶シリコンゲ
ート電極が、多結晶シリコンからなる第1層とタングス
テン或いはタングステンシリサイドからなる第2層とを
含む多層構造を有している、請求項1から3のいずれか
ひとつに記載の半導体装置。
6. The first MOS transistor, wherein the metal gate electrode of the second MOS transistor is formed of tungsten or tungsten silicide, and wherein the polycrystalline silicon gate electrode of the first MOS transistor is formed of a first layer of polycrystalline silicon. 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device has a multilayer structure including tungsten or a second layer made of tungsten silicide.
【請求項7】 前記第2のMOSトランジスタの前記金
属ゲート電極が、モリブデン或いはモリブデンシリサイ
ドから形成され、 前記第1のMOSトランジスタの前記多結晶シリコンゲ
ート電極が、多結晶シリコンからなる第1層とモリブデ
ン或いはモリブデンシリサイドからなる第2層とを含む
多層構造を有している、請求項1から3のいずれかひと
つに記載の半導体装置。
7. The first MOS transistor, wherein the metal gate electrode of the second MOS transistor is formed of molybdenum or molybdenum silicide, and wherein the polycrystalline silicon gate electrode of the first MOS transistor is formed of a first layer of polycrystalline silicon. 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device has a multilayer structure including molybdenum or a second layer made of molybdenum silicide.
【請求項8】 前記第2のMOSトランジスタの前記金
属ゲート電極が、チタン或いはチタンシリサイドから形
成され、 前記第1のMOSトランジスタの前記多結晶シリコンゲ
ート電極が、多結晶シリコンからなる第1層とチタン或
いはチタンシリサイドからなる第2層とを含む多層構造
を有している、請求項1から3のいずれかひとつに記載
の半導体装置。
8. The first MOS transistor, wherein the metal gate electrode of the second MOS transistor is formed of titanium or titanium silicide, and the polycrystalline silicon gate electrode of the first MOS transistor is formed of a first layer of polycrystalline silicon. 4. The semiconductor device according to claim 1, having a multilayer structure including a second layer made of titanium or titanium silicide. 5.
【請求項9】 第1導電型の多結晶シリコンから形成さ
れたゲート電極を有する第1のMOSトランジスタと、 第2導電型の多結晶シリコンから形成されたゲート電極
を有する第2のMOSトランジスタと、を備えており、
該第1及び第2のMOSトランジスタの両方が同一のウ
エル内に設けられている、半導体装置。
9. A first MOS transistor having a gate electrode formed of polycrystalline silicon of a first conductivity type, a second MOS transistor having a gate electrode formed of polycrystalline silicon of a second conductivity type, and , And
A semiconductor device in which both the first and second MOS transistors are provided in the same well.
【請求項10】 前記第1のMOSトランジスタのチャ
ネル領域の不純物濃度が、前記第2のMOSトランジス
タのチャネル領域の不純物濃度とは異なるレベルに設定
されている、請求項9に記載の半導体装置。
10. The semiconductor device according to claim 9, wherein an impurity concentration of a channel region of said first MOS transistor is set to a level different from an impurity concentration of a channel region of said second MOS transistor.
【請求項11】 半導体基板に素子分離領域を形成する
工程と、 該半導体基板の上に第1の絶縁膜及び多結晶シリコン膜
を形成し、該第1の絶縁膜及び多結晶シリコン膜を所定
の形状にパターニングして、第1のMOSトランジスタ
のゲート電極を形成する工程と、 該半導体基板を覆うように金属膜を形成し、該金属膜を
所定の形状にパターニングして、第2のMOSトランジ
スタのゲート電極を形成する工程と、を包含する、半導
体装置の製造方法。
11. A step of forming an element isolation region in a semiconductor substrate, forming a first insulating film and a polycrystalline silicon film on the semiconductor substrate, and forming the first insulating film and the polycrystalline silicon film on a predetermined surface. Forming a gate electrode of a first MOS transistor by forming a metal film so as to cover the semiconductor substrate; patterning the metal film into a predetermined shape to form a second MOS transistor; Forming a gate electrode of a transistor.
【請求項12】 前記第2のMOSトランジスタのゲー
ト電極の形成工程は、 前記第1のMOSトランジスタのゲート電極以外の箇所
の前記第1の絶縁膜を除去する工程と、 第2の絶縁膜を形成する工程と、を含み、 前記金属膜は該第2の絶縁膜の上に形成され、該金属膜
の所定の形状へのパターニング時に該第2の絶縁膜も同
じ形状にパターニングされる、請求項11に記載の半導
体装置の製造方法。
12. The step of forming a gate electrode of the second MOS transistor, the step of removing the first insulating film other than the gate electrode of the first MOS transistor; Forming the metal film on the second insulating film, and patterning the second insulating film into the same shape when patterning the metal film into a predetermined shape. Item 12. The method for manufacturing a semiconductor device according to item 11.
【請求項13】 前記第1の絶縁膜と第2の絶縁膜と
は、同じ材料から形成され且つ実質的に同じ厚さを有し
ている、請求項12に記載の半導体装置の製造方法。
13. The method according to claim 12, wherein the first insulating film and the second insulating film are formed of the same material and have substantially the same thickness.
【請求項14】 前記第1の絶縁膜と第2の絶縁膜とは
異なる材料から形成されている、請求項12に記載の半
導体装置の製造方法。
14. The method according to claim 12, wherein the first insulating film and the second insulating film are formed from different materials.
【請求項15】 前記第1の絶縁膜と第2の絶縁膜とは
異なる厚さを有している、請求項12に記載の半導体装
置の製造方法。
15. The method according to claim 12, wherein the first insulating film and the second insulating film have different thicknesses.
【請求項16】 半導体基板に素子分離領域を形成する
工程と、 該半導体基板の上に絶縁膜及び多結晶シリコン膜を形成
する工程と、 該多結晶シリコン膜を所定の形状にパターニングする工
程と、 金属膜を堆積する工程と、 該多結晶シリコン膜及び該金属膜を所定の形状にパター
ニングして、ゲート電極を形成する工程と、を包含す
る、半導体装置の製造方法。
16. A step of forming an element isolation region in a semiconductor substrate, a step of forming an insulating film and a polycrystalline silicon film on the semiconductor substrate, and a step of patterning the polycrystalline silicon film into a predetermined shape. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: depositing a metal film; and patterning the polycrystalline silicon film and the metal film into a predetermined shape to form a gate electrode.
【請求項17】 前記金属膜が、タングステン、タング
ステンシリサイド、モリブデン、モリブデンシリサイ
ド、チタン、及びチタンシリサイドからなるグループか
ら選択された少なくとも1種類の材料で形成されてい
る、請求項11から16のいずれかひとつに記載の半導
体装置の製造方法。
17. The semiconductor device according to claim 11, wherein the metal film is formed of at least one material selected from the group consisting of tungsten, tungsten silicide, molybdenum, molybdenum silicide, titanium, and titanium silicide. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the above.
【請求項18】 前記金属膜が、チタンナイトライド或
いはタングステンナイトライドからなる第1層と、タン
グステン、モリブデン、或いはチタンからなる第2層
と、を含む多層膜である、請求項11から16のいずれ
かひとつに記載の半導体装置の製造方法。
18. The metal film according to claim 11, wherein the metal film is a multilayer film including a first layer made of titanium nitride or tungsten nitride, and a second layer made of tungsten, molybdenum, or titanium. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the above.
【請求項19】 半導体基板に素子分離領域を形成する
工程と、 該半導体基板の上に絶縁膜及び第1導電型の多結晶シリ
コン膜を形成する工程と、 該多結晶シリコン膜の所定の領域の導電型を、該第1の
導電型とは逆の第2の導電型に変える工程と、 該第1導電型及び第2導電型の多結晶シリコン膜を所定
の形状にパターニングして、ゲート電極を形成する工程
と、を包含する、半導体装置の製造方法。
19. A step of forming an element isolation region in a semiconductor substrate, a step of forming an insulating film and a first conductivity type polycrystalline silicon film on the semiconductor substrate, and a predetermined region of the polycrystalline silicon film. Changing the conductivity type of the first conductivity type to a second conductivity type opposite to the first conductivity type; and patterning the polycrystalline silicon films of the first conductivity type and the second conductivity type into a predetermined shape to form a gate. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming an electrode.
【請求項20】 半導体基板に素子分離領域を形成する
工程と、 該半導体基板の上に絶縁膜及び非ドープ多結晶シリコン
膜を形成する工程と、 該多結晶シリコン膜の第1の領域の導電型を、第1の導
電型に設定する工程と、 該多結晶シリコン膜の該第1の領域とは異なる第2の領
域の導電型を、該第1の導電型とは逆の第2の導電型に
設定する工程と、 該多結晶シリコン膜の該第1及び第2の領域を所定の形
状にパターニングして、ゲート電極を形成する工程と、
を包含する、半導体装置の製造方法。
20. A step of forming an element isolation region in a semiconductor substrate, a step of forming an insulating film and an undoped polycrystalline silicon film on the semiconductor substrate, and a method of forming a conductive film in a first region of the polycrystalline silicon film. Setting the mold to a first conductivity type; and changing a conductivity type of a second region of the polycrystalline silicon film different from the first region to a second conductivity type opposite to the first conductivity type. Setting a conductivity type; patterning the first and second regions of the polycrystalline silicon film into a predetermined shape to form a gate electrode;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項21】 複数のMOSトランジスタが形成さ
れ、該複数のMOSトランジスタのうちの少なくとも一
つのチャネル領域に不純物ドーピング処理を行って、該
チャネル領域の仕事関数を変化させる、請求項11から
20のいずれかひとつに記載の半導体装置の製造方法。
21. The semiconductor device according to claim 11, wherein a plurality of MOS transistors are formed, and at least one channel region of the plurality of MOS transistors is subjected to an impurity doping process to change a work function of the channel region. A method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the above.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005123625A (en) * 2003-10-17 2005-05-12 Interuniv Micro Electronica Centrum Vzw Manufacturing method for semiconductor device having silicided electrode
JP2008300869A (en) * 2001-04-11 2008-12-11 Samsung Electronics Co Ltd Method of forming cmos semiconductor device having dual gate
JP2009176997A (en) * 2008-01-25 2009-08-06 Panasonic Corp Semiconductor device and its production process
JP2014116623A (en) * 2008-03-14 2014-06-26 Advanced Micro Devices Inc Integrated circuit having long and short channel metal gate devices and method of manufacture

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