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JP2007019395A - Semiconductor device having mos structure and method for manufacturing the same - Google Patents

Semiconductor device having mos structure and method for manufacturing the same Download PDF

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JP2007019395A JP2005201634A JP2005201634A JP2007019395A JP 2007019395 A JP2007019395 A JP 2007019395A JP 2005201634 A JP2005201634 A JP 2005201634A JP 2005201634 A JP2005201634 A JP 2005201634A JP 2007019395 A JP2007019395 A JP 2007019395A
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gate insulating
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岳 林
Takahisa Sakaemori
貴尚 栄森
Shuichi Oda
秀一 尾田
Tomohiro Yamashita
朋弘 山下
Masao Nishida
征男 西田
Jiro Yoshigami
二郎 由上
Kenichi Mori
健壹 森
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology for properly controlling a threshold by adopting materials suitable for the gate electrode of each of MOS structures with different thresholds, and for preventing diffusion from the gate electrode to a channel region from being made remarkable without complicating a manufacturing process. <P>SOLUTION: A PMOS transistor QP is provided with a gate electrode GP and an n-type well 31 faced through a gate insulating film 5 to this, and an NMOS transistor QN is provided with a gate electrode GN and a p-type well 32 faced through the gate insulating film 5 to this. The gate electrode GN is configured of a silicide layer 65, and a gate electrode GP is provided with the laminate structure of metallic layer 64/silicide layer 65. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は複数のMOS構造を有する半導体装置に関する。この発明は例えば、しきい値が異なる複数のMOS電界効果トランジスタの、ゲート電極の構造に適用できる。   The present invention relates to a semiconductor device having a plurality of MOS structures. The present invention can be applied to the structure of the gate electrode of a plurality of MOS field effect transistors having different threshold values, for example.

「MOS」という用語は、古くは金属/酸化物/半導体の積層構造に用いられており、Metal-Oxide-Semiconductorの頭文字を採ったものとされている。しかしながら特にMOS構造を有する電界効果トランジスタ(以下、単に「MOSトランジスタ」と称す)においては、近年の集積化や製造プロセスの改善などの観点からゲート絶縁膜やゲート電極の材料が改善されている。   The term “MOS” has been used in the past for metal / oxide / semiconductor laminated structures, and is taken from the acronym Metal-Oxide-Semiconductor. However, in particular, in a field effect transistor having a MOS structure (hereinafter, simply referred to as “MOS transistor”), materials for a gate insulating film and a gate electrode have been improved from the viewpoint of recent integration and improvement of a manufacturing process.

例えばMOSトランジスタにおいては、主としてソース・ドレインを自己整合的に形成する観点から、ゲート電極の材料として金属の代わりに多結晶シリコンが採用されてきている。また電気的特性を改善する観点から、ゲート絶縁膜の材料として高誘電率の材料が採用されるが、当該材料は必ずしも酸化物には限定されない。   For example, in a MOS transistor, polycrystalline silicon has been adopted instead of metal as a material for a gate electrode mainly from the viewpoint of forming a source / drain in a self-aligned manner. From the viewpoint of improving electrical characteristics, a material having a high dielectric constant is adopted as a material for the gate insulating film, but the material is not necessarily limited to an oxide.

従って「MOS」という用語は必ずしも金属/酸化物/半導体の積層構造のみに限定されて採用されているわけではなく、本明細書でもそのような限定を前提としない。即ち、技術常識に鑑みて、ここでは「MOS」とはその語源に起因した略語としてのみならず、広く導電体/絶縁体/半導体の積層構造をも含む意義を有する。   Therefore, the term “MOS” is not necessarily limited to the metal / oxide / semiconductor stacked structure, and is not presumed in this specification. That is, in view of common technical knowledge, the term “MOS” as used herein is not only an abbreviation derived from the word source, but also broadly includes a laminated structure of a conductor / insulator / semiconductor.

特開2002−217313号公報JP 2002-217313 A 特開2002−359295号公報JP 2002-359295 A 特開2005−79512号公報JP 2005-79512 A 特開平10−189966号公報JP-A-10-189966 特開2001−284466号公報JP 2001-284466 A 特開2003−258121号公報JP 2003-258121 A

このような背景において、ゲート電極として多結晶シリコンを採用した場合、その導電率を上げるために多結晶シリコンへと、その表面から不純物を注入する。しかしこの不純物をゲート絶縁膜近傍にまで注入すると、当該不純物がゲート絶縁膜を越えて半導体のチャネル領域へと拡散し、電気的特性を変動させることがある。この現象は特に近年のようにゲート絶縁膜が薄い程顕著となる。またPMOSトランジスタでゲート電極を多結晶シリコンで構成した場合、その不純物として硼素を採用されることがあるが、この場合にも上記拡散現象は顕著となる。   In such a background, when polycrystalline silicon is adopted as the gate electrode, impurities are implanted into the polycrystalline silicon from its surface in order to increase its conductivity. However, when this impurity is implanted to the vicinity of the gate insulating film, the impurity may diffuse into the channel region of the semiconductor beyond the gate insulating film, thereby changing the electrical characteristics. This phenomenon becomes more prominent as the gate insulating film is thinner as in recent years. Further, when the gate electrode is made of polycrystalline silicon in the PMOS transistor, boron may be adopted as the impurity, but the diffusion phenomenon becomes remarkable also in this case.

上記の拡散現象を回避するために、多結晶シリコンへと不純物を注入する深さをゲート絶縁膜から遠ざけることも考えられる。しかしこの手法では、多結晶シリコンのゲート絶縁膜側で発生する空乏層が増大してしまう。   In order to avoid the above-described diffusion phenomenon, it is conceivable to keep the depth of impurity implantation into the polycrystalline silicon away from the gate insulating film. However, this method increases the depletion layer generated on the gate insulating film side of the polycrystalline silicon.

あるいは上記の拡散現象や空乏層の発生を回避するために、ゲート電極として金属を採用することも考えられる。この手法では特にCMOSトランジスタを構成する際に問題が生じる。CMOSトランジスタは、PMOSトランジスタとNMOSトランジスタとの両方を備えており、それぞれのゲート電極には適切な仕事関数を有する金属材料を用いなければならない。これは両トランジスタの閾値を調整する必要性に基づくが、製造プロセスを煩雑にしてしまう。   Alternatively, in order to avoid the diffusion phenomenon and the generation of the depletion layer, it is conceivable to employ a metal as the gate electrode. This method causes a problem particularly when a CMOS transistor is formed. A CMOS transistor includes both a PMOS transistor and an NMOS transistor, and a metal material having an appropriate work function must be used for each gate electrode. This is based on the necessity of adjusting the threshold values of both transistors, but it complicates the manufacturing process.

本実施の形態はかかる背景に鑑みてなされたもので、MOS構造のゲート電極構造を工夫することにより、製造プロセスを煩雑にすることなく、閾値が異なるMOS構造のそれぞれのゲート電極に適した材料を採用して閾値を適切に制御でき、かつゲート電極からチャネル領域への拡散や空乏層の発生を回避する技術を提供することを目的としている。   The present embodiment has been made in view of such a background, and by devising the gate electrode structure of the MOS structure, a material suitable for each gate electrode of the MOS structure having different threshold values without complicating the manufacturing process. It is an object of the present invention to provide a technique that can appropriately control the threshold value by using the above-described method and that avoids diffusion from the gate electrode to the channel region and generation of a depletion layer.

なお特許文献1には、ゲート絶縁膜上に接触するシリサイド膜を介して金属が設けられるゲート電極と、ゲート絶縁膜上に接触する金属が設けられるゲート電極とを、異なる導電型のMOSトランジスタに適用する技術が紹介されている。特許文献2には、ゲート絶縁膜上に接触する金属の種類が異なる一対のゲート電極を、それぞれ導電型が異なるMOSトランジスタに適用する技術が紹介されている。特許文献3には、ゲート絶縁膜上に接触する金属が含む不純物濃度が異なる一対のゲート電極を、それぞれ導電型が異なるMOSトランジスタに適用する技術が紹介されている。   In Patent Document 1, a gate electrode provided with a metal through a silicide film in contact with a gate insulating film and a gate electrode provided with a metal in contact with the gate insulating film are provided in different conductivity type MOS transistors. Applicable technology is introduced. Patent Document 2 introduces a technique in which a pair of gate electrodes with different types of metal in contact with a gate insulating film is applied to MOS transistors having different conductivity types. Patent Document 3 introduces a technique in which a pair of gate electrodes having different impurity concentrations contained in a metal in contact with a gate insulating film is applied to MOS transistors having different conductivity types.

ゲート電極として金属を採用する場合の手法として、特許文献4にはリプレイスゲート法が、特許文献5にはダマシン法が、それぞれ紹介されている。また特許文献6にはゲート電極をシリサイド膜で構成する技術が紹介されている。   As methods for employing metal as the gate electrode, Patent Document 4 introduces a replace gate method, and Patent Document 5 introduces a damascene method. Patent Document 6 introduces a technique for forming a gate electrode with a silicide film.

この発明にかかるMOS構造を有する半導体装置は、第1及び第2半導体層と、第1及び第2ゲート絶縁膜と、第1及び第2ゲート電極とを備える。前記第1ゲート絶縁膜は前記第1半導体層上に配置される。前記第1ゲート電極は金属層及び第1シリサイド層を有する。前記金属層は前記第1ゲート絶縁膜上に配置される。前記第1シリサイド層は前記金属層上に配置される。前記第2ゲート絶縁膜は前記第2半導体層上に配置される。前記第2ゲート電極は第2シリサイド層を有する。前記第2シリサイド層は前記第2ゲート絶縁膜上に配置される。   A semiconductor device having a MOS structure according to the present invention includes first and second semiconductor layers, first and second gate insulating films, and first and second gate electrodes. The first gate insulating film is disposed on the first semiconductor layer. The first gate electrode has a metal layer and a first silicide layer. The metal layer is disposed on the first gate insulating film. The first silicide layer is disposed on the metal layer. The second gate insulating film is disposed on the second semiconductor layer. The second gate electrode has a second silicide layer. The second silicide layer is disposed on the second gate insulating film.

この発明にかかるMOS構造を有する半導体装置の製造方法は、下記工程(a)乃至(e)を有する:(a)第1半導体層及び第2半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工程;(b)前記ゲート絶縁膜上に金属層を形成する工程;(c)前記第1半導体層の上方に前記金属層を残し、前記第2半導体層の上方から前記金属層を除去する工程;(d)前記金属層及び前記第2半導体層上にシリサイド用半導体層を形成する工程;(e)前記金属層及び前記シリサイド用半導体層をパターニングして、前記シリサイド用半導体層をシリサイド化して、前記第1半導体層の上方において第1ゲート電極を、前記第2半導体層の上方において第2ゲート電極を、それぞれ形成する工程。   A method of manufacturing a semiconductor device having a MOS structure according to the present invention includes the following steps (a) to (e): (a) forming a gate insulating film on the first semiconductor layer and the second semiconductor layer; b) forming a metal layer on the gate insulating film; (c) leaving the metal layer above the first semiconductor layer and removing the metal layer from above the second semiconductor layer; ) A step of forming a silicide semiconductor layer on the metal layer and the second semiconductor layer; (e) patterning the metal layer and the silicide semiconductor layer to silicide the silicide semiconductor layer; Forming a first gate electrode above one semiconductor layer and forming a second gate electrode above the second semiconductor layer;

この発明にかかる半導体装置によれば、第1半導体層と第1ゲート絶縁膜と第1ゲート電極は第1のMOS構造を提供し、第2半導体層と第2ゲート絶縁膜と第2ゲート電極は第2のMOS構造を提供する。第1のMOS構造において閾値は金属層によって選定でき、かつ第2のMOS構造におけるしきい値は第4半導体層によって選定できる。よって第1ゲート電極において第3半導体層を採用することによって金属層の厚さを薄くすることができる。これは第3半導体層及び第4半導体層をパターニングする際に、金属層も併せてパターニングでき、製造が容易である。しかも第1ゲート電極から第1ゲート絶縁膜へ不純物が拡散することもない。   According to the semiconductor device of the present invention, the first semiconductor layer, the first gate insulating film, and the first gate electrode provide the first MOS structure, the second semiconductor layer, the second gate insulating film, and the second gate electrode. Provides a second MOS structure. The threshold value in the first MOS structure can be selected by the metal layer, and the threshold value in the second MOS structure can be selected by the fourth semiconductor layer. Therefore, the thickness of the metal layer can be reduced by adopting the third semiconductor layer in the first gate electrode. This is because the metal layer can be patterned together when patterning the third semiconductor layer and the fourth semiconductor layer, and the manufacture is easy. In addition, impurities do not diffuse from the first gate electrode to the first gate insulating film.

この発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、この発明にかかる半導体装置を製造することができる。特に第1ゲート電極においてゲート電極用半導体層を採用することによって金属層の厚さを薄くすることができ、ゲート電極用半導体層をパターニングする際に、金属層も併せてパターニングでき、製造が容易である。しかも第1ゲート電極からゲート絶縁膜へ不純物が拡散することもない。   According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the semiconductor device according to the present invention can be manufactured. In particular, by adopting a gate electrode semiconductor layer in the first gate electrode, the thickness of the metal layer can be reduced, and when the gate electrode semiconductor layer is patterned, the metal layer can be patterned together and easy to manufacture. It is. In addition, impurities do not diffuse from the first gate electrode to the gate insulating film.

実施の形態1.
図1は本実施の形態にかかるCMOSトランジスタ501の構造を示す断面図である。CMOSトランジスタ501はPMOSトランジスタQPとNMOSトランジスタQNとを備えている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a CMOS transistor 501 according to this embodiment. The CMOS transistor 501 includes a PMOS transistor QP and an NMOS transistor QN.

PMOSトランジスタQPはN型ウェル31において設けられており、NMOSトランジスタQNはP型ウェル32において設けられている。N型ウェル31とP型ウェル32とはともに半導体基板1の一方の主面(図1において上側)に設けられている。またN型ウェル31とP型ウェル32とは素子分離絶縁体2によってその上記主面側が分離されている。半導体基板1、N型ウェル31、P型ウェル32はいずれも、例えばシリコンを主成分として採用する。特に断らない限り他の不純物層についても同様にシリコンを採用することができる。素子分離絶縁体2には例えばシリコン酸化物を採用することができる。   The PMOS transistor QP is provided in the N-type well 31, and the NMOS transistor QN is provided in the P-type well 32. Both the N-type well 31 and the P-type well 32 are provided on one main surface (upper side in FIG. 1) of the semiconductor substrate 1. The N-type well 31 and the P-type well 32 are separated from each other by the element isolation insulator 2. The semiconductor substrate 1, the N-type well 31, and the P-type well 32 all employ, for example, silicon as a main component. Unless otherwise specified, silicon can be similarly used for other impurity layers. For example, silicon oxide can be used for the element isolation insulator 2.

N型ウェル31にはN型素子分離拡散層41が、P型ウェル32にはP型素子分離拡散層42が、それぞれ素子分離絶縁体2よりも前記主面から離れて設けられている。   An N-type element isolation diffusion layer 41 is provided in the N-type well 31, and a P-type element isolation diffusion layer 42 is provided in the P-type well 32 so as to be farther from the main surface than the element isolation insulator 2.

PMOSトランジスタQPはゲート電極GPと、一対のP型ソース・ドレイン層101とを有している。一対のP型ソース・ドレイン層101で挟まれ、ゲート電極GPと対峙するN型ウェル31はPMOSトランジスタQPのチャネル領域として機能する。   The PMOS transistor QP has a gate electrode GP and a pair of P-type source / drain layers 101. The N-type well 31 sandwiched between the pair of P-type source / drain layers 101 and facing the gate electrode GP functions as a channel region of the PMOS transistor QP.

NMOSトランジスタQNはゲート電極GNと、一対のN型ソース・ドレイン層102とを有している。一対のN型ソース・ドレイン層102で挟まれ、ゲート電極GNと対峙するP型ウェル32はNMOSトランジスタQNのチャネル領域として機能する。   The NMOS transistor QN has a gate electrode GN and a pair of N-type source / drain layers 102. A P-type well 32 sandwiched between the pair of N-type source / drain layers 102 and facing the gate electrode GN functions as a channel region of the NMOS transistor QN.

P型ソース・ドレイン層101はP型の主層74と、主層74の底よりも上記主面からみて底が浅い副層70,71を含む。副層70はP型のソース・ドレイン・エクステンションであり、主層74よりもチャネル領域側に突出する。副層71はN型のポケットであり、ソース・ドレイン・エクステンション70の底よりも上記主面からみて底が深く、ソース・ドレイン・エクステンション70よりもチャネル領域側に突出する。   The P-type source / drain layer 101 includes a P-type main layer 74 and sub-layers 70 and 71 whose bottom is shallower than the bottom of the main layer 74 when viewed from the main surface. The sublayer 70 is a P-type source / drain extension, and protrudes to the channel region side from the main layer 74. The sub-layer 71 is an N-type pocket, and has a bottom deeper than the bottom of the source / drain extension 70 when viewed from the main surface, and protrudes toward the channel region from the source / drain extension 70.

N型ソース・ドレイン層102はN型の主層75と、主層75の底よりも上記主面からみて底が浅い副層722,73を含む。副層72はN型のソース・ドレイン・エクステンションであり、主層75よりもチャネル領域側に突出する。副層73はP型のポケットであり、ソース・ドレイン・エクステンション72の底よりも上記主面からみて底が深く、ソース・ドレイン・エクステンション72よりもチャネル領域側に突出する。   The N-type source / drain layer 102 includes an N-type main layer 75 and sub-layers 722 and 73 whose bottom is shallower than the bottom of the main layer 75 when viewed from the main surface. The sublayer 72 is an N-type source / drain extension, and protrudes from the main layer 75 toward the channel region. The sub-layer 73 is a P-type pocket and has a deeper bottom as viewed from the main surface than the bottom of the source / drain / extension 72 and protrudes closer to the channel region than the source / drain / extension 72.

ゲート電極GP,GNのいずれの周囲にも、断面がL字型のサイドウォール8と、サイドウォール8の入隅を埋めるスペーサ9とが設けられている。サイドウォール8、スペーサ9の材料としては、例えばそれぞれ酸化膜及び窒化膜が採用される。   Around each of the gate electrodes GP and GN, there are provided a sidewall 8 having an L-shaped cross section and a spacer 9 that fills the corner of the sidewall 8. As materials for the sidewall 8 and the spacer 9, for example, an oxide film and a nitride film are employed, respectively.

素子分離絶縁体2、ソース・ドレイン・エクステンション70,72、サイドウォール8、スペーサ9、ゲート電極GP,GN上には層間絶縁膜12が設けられている。層間絶縁膜12の材料としては、例えば酸化膜が採用される。   An interlayer insulating film 12 is provided on the element isolation insulator 2, the source / drain extensions 70 and 72, the sidewall 8, the spacer 9, and the gate electrodes GP and GN. As a material for the interlayer insulating film 12, for example, an oxide film is employed.

コンタクトプラグ13が層間絶縁膜12を貫通して設けられる。コンタクトプラグ13の下端(上記主面側)の位置においてソース・ドレイン・エクステンション70,72、ゲート電極GP,GNにはシリサイド層11が形成されている。当該シリサイド層11を介してソース・ドレイン・エクステンション70,72、ゲート電極GP,GNはコンタクトプラグ13と電気的に接続されている。シリサイド層11は例えばコバルトシリサイドでできている。シリサイド層11は、電気的な接続を良好にする観点から、設けられることが望ましいものの、必須ではない。   A contact plug 13 is provided through the interlayer insulating film 12. A silicide layer 11 is formed on the source / drain / extensions 70 and 72 and the gate electrodes GP and GN at the position of the lower end (the main surface side) of the contact plug 13. The source / drain extension 70 and 72 and the gate electrodes GP and GN are electrically connected to the contact plug 13 via the silicide layer 11. The silicide layer 11 is made of, for example, cobalt silicide. Although the silicide layer 11 is desirably provided from the viewpoint of improving electrical connection, it is not essential.

コンタクトプラグ13の上端の位置において層間絶縁膜12上に配線層14が設けられ、コンタクトプラグ13と配線層14とが電気的に接続される。コンタクトプラグ13の材料、配線層14の材料は、いずれも金属を採用することができる。   A wiring layer 14 is provided on the interlayer insulating film 12 at the position of the upper end of the contact plug 13, and the contact plug 13 and the wiring layer 14 are electrically connected. Metal can be used for the material of the contact plug 13 and the material of the wiring layer 14.

図1では、相互に隣接するソース・ドレイン層101,102が、配線層104によって直結された場合が例示されているが、本発明はかかる構成に限定されるものではない。ただし、更にゲート電極GP,GNが相互に接続されてCMOSインバータが構成される場合に、本発明は好適である。複数のMOS構造について閾値を調整することが、本発明の背景として存在し、当該調整はCMOSインバータの動作に大きな影響を与えるからである。   Although FIG. 1 illustrates a case where the source / drain layers 101 and 102 adjacent to each other are directly connected by the wiring layer 104, the present invention is not limited to such a configuration. However, the present invention is preferable when the gate electrodes GP and GN are further connected to each other to form a CMOS inverter. This is because adjusting the threshold value for a plurality of MOS structures exists as the background of the present invention, and the adjustment greatly affects the operation of the CMOS inverter.

PMOSトランジスタQPはゲート電極GPとN型ウェル31のチャネル領域との間にゲート絶縁膜5を有している。NMOSトランジスタQNはゲート電極GNとP型ウェル41のチャネル領域との間にゲート絶縁膜5を有している。ゲート絶縁膜5としては酸化シリコンの他、誘電率が高い酸化ハフニウム(HfO2)や、シリコン酸化ハフニウム(HfxSiyz)、アルミニウム酸化ハフニウム(HfxAlyz)を採用することができる。 The PMOS transistor QP has a gate insulating film 5 between the gate electrode GP and the channel region of the N-type well 31. The NMOS transistor QN has a gate insulating film 5 between the gate electrode GN and the channel region of the P-type well 41. As the gate insulating film 5, in addition to silicon oxide, hafnium oxide (HfO 2 ), silicon hafnium oxide (Hf x Si y O z ), or aluminum hafnium oxide (Hf x Al y O z ) having a high dielectric constant is adopted. Can do.

ゲート電極GPはゲート絶縁膜5側から順に、金属層64、シリサイド層65を含んでいる。またゲート電極GNはシリサイド層65を含んでいる。   The gate electrode GP includes a metal layer 64 and a silicide layer 65 in this order from the gate insulating film 5 side. The gate electrode GN includes a silicide layer 65.

CMOSトランジスタにおいてはゲート電極としてシリサイド層や金属層を採用する場合、これらに含まれる不純物の濃度、種類のいずれかもしくは両方を異ならせることが望ましい。PMOSトランジスタとNMOSトランジスタとで相互の閾値を調整する必要がある一方、異種のシリサイド層、異種の金属層をMOSトランジスタに応じて形成することは製造工程を煩雑にするからである。   In a CMOS transistor, when a silicide layer or a metal layer is employed as a gate electrode, it is desirable to vary one or both of the concentration and type of impurities contained therein. It is necessary to adjust the mutual threshold between the PMOS transistor and the NMOS transistor. On the other hand, forming different types of silicide layers and different types of metal layers in accordance with the MOS transistors complicates the manufacturing process.

しかし本実施の形態では、PMOSトランジスタQPのゲート電極GPのシリサイド層65とチャネル領域とはゲート絶縁膜5のみを介して対峙するとはいえない。よってゲート電極GPのシリサイド層65の仕事関数(これは不純物の種類やその濃度のみならず、シリサイド層65においてシリコンと化合している金属元素の種類にも依存する)の大きさが、直ちにPMOSトランジスタQPの閾値を決定することはない。他方、ゲート電極GNはNMOSトランジスタQNが有するので、ゲート電極GNのシリサイド層65の材料は、NMOSトランジスタQNに適した仕事関数を有する材料を採用することが望ましい。よって本発明ではゲート電極GP,GNのいずれにおいてもシリサイド層65を共通にすることができ、本実施の形態ではシリサイド層65としてゲート電極GNに適した材料を採用する。   However, in the present embodiment, it cannot be said that the silicide layer 65 and the channel region of the gate electrode GP of the PMOS transistor QP are opposed to each other through only the gate insulating film 5. Accordingly, the magnitude of the work function of the silicide layer 65 of the gate electrode GP (which depends not only on the type and concentration of impurities but also on the type of metal element combined with silicon in the silicide layer 65) immediately increases to the PMOS. The threshold value of the transistor QP is not determined. On the other hand, since the NMOS transistor QN has the gate electrode GN, it is desirable to use a material having a work function suitable for the NMOS transistor QN as the material of the silicide layer 65 of the gate electrode GN. Therefore, in the present invention, the silicide layer 65 can be made common in both the gate electrodes GP and GN, and in the present embodiment, a material suitable for the gate electrode GN is adopted as the silicide layer 65.

もちろん、ゲート電極GPの金属層64とチャネル領域とはゲート絶縁膜5のみを介して対峙するため、金属層64の材料としてはPMOSトランジスタQPに適した仕事関数を有する金属を採用することが望ましい。N型ウェル31の主成分としてシリコンを採用する場合、当該金属としてはシリコンの価電子帯に近い仕事関数(約5.1eV)を有することが望ましい。かかる仕事関数を有する材料として、例えば窒化チタン(TiN)、窒化タングステン(TiN)レニウム(Re)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、酸化ルテニウム(RuO2)、酸化イリジウム(IrO2)、窒化モリブデン(MoN)、酸化イリジウム(IrO2)を挙げることができる。 Of course, since the metal layer 64 of the gate electrode GP and the channel region face each other only through the gate insulating film 5, it is desirable to employ a metal having a work function suitable for the PMOS transistor QP as the material of the metal layer 64. . When silicon is employed as the main component of the N-type well 31, it is desirable that the metal has a work function (about 5.1 eV) close to the valence band of silicon. Examples of materials having such a work function include titanium nitride (TiN), tungsten nitride (TiN) rhenium (Re), iridium (Ir), platinum (Pt), ruthenium oxide (RuO 2 ), iridium oxide (IrO 2 ), and nitride. Examples include molybdenum (MoN) and iridium oxide (IrO 2 ).

このように、本実施の形態では、第1の閾値を有するMOSトランジスタのゲート電極のうちでゲート絶縁膜に接触する部分を金属層とし、第2の閾値を有するMOSトランジスタのゲート電極のうちでゲート絶縁膜に接触する部分をシリサイド層とし、第2の閾値を有するMOSトランジスタが形成されるシリサイド層と同じ材料のシリサイド層を上記金属層上に設ける。よって当該金属層と当該シリサイド層とはMOSトランジスタの閾値毎に適切な材料を選択して採用することができる。そして異なる閾値を有するMOSトランジスタのうち、ゲート電極において多結晶シリコンを採用した場合、当該多結晶シリコンに導入された不純物がチャネル領域へ拡散することが顕著となる方を、第1の閾値を有するMOSトランジスタとすることにより、当該不純物の拡散による電気的特性の変動を回避することができる。いずれのMOSトランジスタにおいてもゲート絶縁膜に接触するのはシリサイド層、金属層のいずれかであるので、ゲート電極における空乏層の発生を回避できる。   As described above, in this embodiment, the portion of the gate electrode of the MOS transistor having the first threshold value that is in contact with the gate insulating film is the metal layer, and the gate electrode of the MOS transistor having the second threshold value is used. A portion in contact with the gate insulating film is a silicide layer, and a silicide layer made of the same material as the silicide layer in which the MOS transistor having the second threshold value is formed is provided on the metal layer. Therefore, an appropriate material can be selected and used for each threshold value of the MOS transistor for the metal layer and the silicide layer. Among the MOS transistors having different threshold values, when the polycrystalline silicon is adopted for the gate electrode, the first threshold value is the one in which the impurity introduced into the polycrystalline silicon becomes more noticeably diffused into the channel region. By using a MOS transistor, fluctuations in electrical characteristics due to diffusion of the impurities can be avoided. In any MOS transistor, since either the silicide layer or the metal layer is in contact with the gate insulating film, generation of a depletion layer in the gate electrode can be avoided.

特に、ゲート絶縁膜5としてハフニウム酸化物を採用した場合には、ゲート電極GPにおいて多結晶シリコン層が採用され、これがゲート絶縁膜5と接触した場合、いわゆるフェルミ・ピンニングという界面準位の問題が生じやすい。しかし本実施の形態ではゲート絶縁膜5と接触するのが金属層64であるので、この問題も回避できる。よってゲート絶縁膜5としてハフニウム酸化物を採用してその誘電率を高める場合に、本発明は好適である。   In particular, when hafnium oxide is used as the gate insulating film 5, a polycrystalline silicon layer is used in the gate electrode GP, and when this contacts with the gate insulating film 5, there is a problem of interface state called Fermi pinning. Prone to occur. However, in this embodiment, since the metal layer 64 is in contact with the gate insulating film 5, this problem can be avoided. Therefore, the present invention is suitable when using a hafnium oxide as the gate insulating film 5 to increase its dielectric constant.

しかも本発明にかかるMOSトランジスタを製造するプロセスにおいて、ゲート電極において採用される多結晶シリコンに導入される不純物は、閾値が異なるMOSトランジスタ同士で異ならせる必要はなく、この点において製造プロセスが簡略化できる。   Moreover, in the process of manufacturing the MOS transistor according to the present invention, the impurities introduced into the polycrystalline silicon employed in the gate electrode do not need to be different between the MOS transistors having different threshold values, and the manufacturing process is simplified in this respect. it can.

図2乃至図12はCMOSトランジスタ501の製造工程を順に示す断面図である。まず図2を参照して、半導体基板1の一方の主面に素子分離絶縁体2を離隔して複数設ける。素子分離絶縁体2の形成には、例えばLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法を採用する。注入用酸化膜51を主面に形成する。   2 to 12 are cross-sectional views sequentially showing the manufacturing process of the CMOS transistor 501. FIG. First, referring to FIG. 2, a plurality of element isolation insulators 2 are provided on one main surface of a semiconductor substrate 1 at a distance. For example, a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) method is employed to form the element isolation insulator 2. An implantation oxide film 51 is formed on the main surface.

NMOSトランジスタQNを後に形成する領域で上記主面上にフォトレジスト91を形成する。図2乃至図12では、中央に示された素子分離絶縁体2の左側にはPMOSトランジスタQPを、右側にはNMOSトランジスタQNを、それぞれ形成する場合を例示する。   A photoresist 91 is formed on the main surface in a region where the NMOS transistor QN will be formed later. 2 to 12 exemplify the case where the PMOS transistor QP is formed on the left side of the element isolation insulator 2 shown in the center, and the NMOS transistor QN is formed on the right side.

フォトレジスト91をマスクとし、注入用酸化膜51を介してN型不純物を主面に導入する。注入されるN型不純物としては例えば燐を採用できる。N型不純物の注入により、N型ウェル31、N型素子分離拡散層41が形成される。その後フォトレジスト91を除去する。   Using the photoresist 91 as a mask, an N-type impurity is introduced into the main surface through the implantation oxide film 51. For example, phosphorus can be used as the N-type impurity to be implanted. An N-type well 31 and an N-type element isolation diffusion layer 41 are formed by implanting the N-type impurity. Thereafter, the photoresist 91 is removed.

図3を参照して、PMOSトランジスタQPを後に形成する領域で主面上にフォトレジスト92を形成する。フォトレジスト92をマスクとし、注入用酸化膜51を介してP型不純物を主面に導入する。注入されるP型不純物としては例えば硼素を採用できる。P型不純物の注入により、P型ウェル32、P型素子分離拡散層42が形成される。   Referring to FIG. 3, a photoresist 92 is formed on the main surface in a region where PMOS transistor QP will be formed later. Using the photoresist 92 as a mask, a P-type impurity is introduced into the main surface through the implantation oxide film 51. For example, boron can be used as the P-type impurity to be implanted. A P-type well 32 and a P-type element isolation diffusion layer 42 are formed by the implantation of the P-type impurity.

図4を参照して、注入用酸化膜51を除去し、N型ウェル31及びP型ウェル32の両方において、主面上にゲート絶縁膜5を形成する。ゲート絶縁膜5としては既述のように例えば酸化ハフニウム(HfO2)を採用できる。 Referring to FIG. 4, implantation oxide film 51 is removed, and gate insulating film 5 is formed on the main surface in both N-type well 31 and P-type well 32. As described above, for example, hafnium oxide (HfO 2 ) can be used as the gate insulating film 5.

図5を参照して、主面側で露出する面の全体に亘り、ゲート絶縁膜5上に金属層64を後述する厚さで形成し、更に金属層64上に窒化膜61を例えば10nmの厚さで形成する。金属層64には、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって生成される窒化チタン(TiN)を採用する。N型ウェル31の上方で窒化膜61上にフォトレジスト93を形成する。   Referring to FIG. 5, a metal layer 64 is formed on gate insulating film 5 with a thickness to be described later over the entire surface exposed on the main surface side, and nitride film 61 is further formed on metal layer 64 with a thickness of, for example, 10 nm. Form with thickness. For the metal layer 64, for example, titanium nitride (TiN) generated by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method is employed. A photoresist 93 is formed on the nitride film 61 above the N-type well 31.

図6を参照し、フォトレジスト93をマスクとして窒化膜61をパターニングする。パターニングされた窒化膜61をマスクとして金属層64をエッチングすることで金属層64をパターニングする。これにより窒化膜61及び金属層64はP型ウェル32の上方では除去され、N型ウェル31の上方では残される。その後フォトレジスト93及び窒化膜61は除去される。窒化膜61を除去するには、熱燐酸を使用することができる。   Referring to FIG. 6, nitride film 61 is patterned using photoresist 93 as a mask. The metal layer 64 is patterned by etching the metal layer 64 using the patterned nitride film 61 as a mask. Thereby, the nitride film 61 and the metal layer 64 are removed above the P-type well 32 and left above the N-type well 31. Thereafter, the photoresist 93 and the nitride film 61 are removed. In order to remove the nitride film 61, hot phosphoric acid can be used.

図7を参照し、主面側で露出する面の全体に亘り、多結晶シリコン層63を形成する。N型ウェル31の上方では多結晶シリコン層63は金属層64上に、P型ウェル32の上方ではゲート絶縁膜5上に、それぞれ設けられることとなる。多結晶シリコン層63は後述されるシリサイド化に資するために設けられる。   Referring to FIG. 7, a polycrystalline silicon layer 63 is formed over the entire surface exposed on the main surface side. The polycrystalline silicon layer 63 is provided on the metal layer 64 above the N-type well 31 and on the gate insulating film 5 above the P-type well 32. The polycrystalline silicon layer 63 is provided to contribute to silicidation described later.

多結晶シリコン層63に不純物(例えば燐、砒素)を導入するには、当該不純物を導入しつつ多結晶シリコン層63を形成してもよいし、一旦多結晶シリコン層63を形成してから不純物をその表面から注入してもよい。多結晶シリコン層63の厚さ及び不純物濃度は、例えばそれぞれ100nm、1020cm-3に設定される。 In order to introduce an impurity (for example, phosphorus or arsenic) into the polycrystalline silicon layer 63, the polycrystalline silicon layer 63 may be formed while introducing the impurity, or after the polycrystalline silicon layer 63 is formed once, the impurity is formed. May be injected from the surface. The thickness and impurity concentration of the polycrystalline silicon layer 63 are set to, for example, 100 nm and 10 20 cm −3 , respectively.

図8を参照し、周知のフォトリソグラフィ技術を採用して、多結晶シリコン層63、ゲート絶縁膜5をパターニングする。多結晶シリコン層63をエッチングする工程で、金属層64も併せてエッチングできる。金属層64はゲート絶縁膜5を介してN型ウェル31との間で適切なバンド構造を提供できれば足りるため、厚くする必要はなく、多結晶シリコン層63の1/10以下の厚さにできる。   Referring to FIG. 8, a known photolithography technique is used to pattern polycrystalline silicon layer 63 and gate insulating film 5. In the step of etching the polycrystalline silicon layer 63, the metal layer 64 can also be etched. The metal layer 64 only needs to be able to provide an appropriate band structure with the N-type well 31 via the gate insulating film 5. Therefore, the metal layer 64 does not need to be thick and can be 1/10 or less the thickness of the polycrystalline silicon layer 63. .

ゲート電極として採用される多結晶シリコン層をエッチングする際、そのオーバーエッチ量が多結晶シリコン層の厚さの1/10程度に設定されるのが通常であり、本実施の形態ではP型ウェル32の上方、N型ウェル31の上方のいずれにも同じ工程で多結晶シリコン層63が形成されている。従って、N型ウェル31の上方で多結晶シリコン層63をパターニングする際のオーバーエッチ量以下に、金属層64の厚さを設定することで、エッチング工程を簡略化できる。   When a polycrystalline silicon layer employed as a gate electrode is etched, the amount of overetching is usually set to about 1/10 of the thickness of the polycrystalline silicon layer. In this embodiment, a P-type well is used. A polycrystalline silicon layer 63 is formed in the same process both above 32 and above the N-type well 31. Therefore, the etching process can be simplified by setting the thickness of the metal layer 64 to be equal to or less than the amount of overetching when the polycrystalline silicon layer 63 is patterned above the N-type well 31.

図9を参照し、N型ウェル31の上方において、パターニングされた金属層64/多結晶シリコン層63/ゲート絶縁膜5の積層構造をマスクとしてソース・ドレイン・エクステンション70を形成する。またP型ウェル32の上方においてパターニングされた多結晶シリコン層63/ゲート絶縁膜5の積層構造をマスクとしてソース・ドレイン・エクステンション72を形成する。   Referring to FIG. 9, source / drain extension 70 is formed above N-type well 31 using the patterned metal layer 64 / polycrystalline silicon layer 63 / gate insulating film 5 stacked structure as a mask. Further, a source / drain extension 72 is formed using the stacked structure of the polycrystalline silicon layer 63 / gate insulating film 5 patterned above the P-type well 32 as a mask.

詳細には図示されないが、ソース・ドレイン・エクステンション70を形成する際には、P型ウェル32の上方をフォトレジストで覆い、P型不純物(例えば硼素)をイオン注入によってN型ウェル31へ導入する。そして更に、短チャネル効果を抑制するため、N型不純物(例えば砒素)を主面に対して斜めにイオン注入を行ってポケット71を形成する。同様に、ソース・ドレイン・エクステンション72を形成する際には、N型ウェル31の上方をフォトレジストで覆い、N型不純物(例えば砒素)をイオン注入によってP型ウェル32へ導入する。そして更に、短チャネル効果を抑制するため、P型不純物(例えば硼素)を主面に対して斜めにイオン注入を行ってポケット73を形成する。   Although not shown in detail, when the source / drain extension 70 is formed, the P-type well 32 is covered with a photoresist and a P-type impurity (for example, boron) is introduced into the N-type well 31 by ion implantation. . Further, in order to suppress the short channel effect, pockets 71 are formed by ion implantation of N-type impurities (for example, arsenic) obliquely with respect to the main surface. Similarly, when the source / drain extension 72 is formed, the upper portion of the N-type well 31 is covered with a photoresist, and an N-type impurity (for example, arsenic) is introduced into the P-type well 32 by ion implantation. Further, in order to suppress the short channel effect, a pocket 73 is formed by ion implantation of a P-type impurity (for example, boron) obliquely with respect to the main surface.

これらのイオン注入のドーズ量や、注入エネルギーは、ソース・ドレイン・エクステンション70,72やポケット71,73に要求される深さや抵抗値で決まる。   The dose amount and the implantation energy of these ion implantations are determined by the depth and resistance value required for the source / drain extension 70 and 72 and the pockets 71 and 73.

酸化膜及び窒化膜をこの順に、主面側で露出する面の全面に亘って形成し、当該酸化膜及び窒化膜をエッチバックする。これにより、図10に示されるように、サイドウォール8、スペーサ9が形成される。   An oxide film and a nitride film are formed in this order over the entire surface exposed on the main surface side, and the oxide film and the nitride film are etched back. Thereby, as shown in FIG. 10, sidewalls 8 and spacers 9 are formed.

図11を参照し、N型ウェル31の上方において、金属層64/多結晶シリコン層63/ゲート絶縁膜5の積層構造及びその周囲のサイドウォール8、スペーサ9をマスクとして主層74を形成する。またP型ウェル32の上方において、多結晶シリコン層63/ゲート絶縁膜5の積層構造及びその周囲のサイドウォール8、スペーサ9をマスクとして主層75を形成する。   Referring to FIG. 11, main layer 74 is formed above N-type well 31 using metal layer 64 / polycrystalline silicon layer 63 / gate insulating film 5 stacked structure, sidewalls 8 around it, and spacers 9 as masks. . Further, a main layer 75 is formed above the P-type well 32 using the polycrystalline silicon layer 63 / gate insulating film 5 stacked structure and the surrounding sidewalls 8 and spacers 9 as a mask.

詳細には図示されないが、主層74を形成する際には、P型ウェル32の上方をフォトレジストで覆い、P型不純物(例えば硼素)をイオン注入によって副層70,71をも含むN型ウェル31へ導入する。同様に主層75を形成する際には、N型ウェル31の上方をフォトレジストで覆い、N型不純物(例えば砒素)をイオン注入によって副層72,73をも含むP型ウェル32へ導入する。そしてソース・ドレイン層101,102を活性化するためのアニールを行う。アニールには例えばランプアニールが採用される。   Although not shown in detail, when the main layer 74 is formed, the P-type well 32 is covered with a photoresist, and an N-type including the sub-layers 70 and 71 by ion implantation of P-type impurities (for example, boron). Introduce into well 31. Similarly, when the main layer 75 is formed, the upper portion of the N-type well 31 is covered with a photoresist, and N-type impurities (for example, arsenic) are introduced into the P-type well 32 including the sublayers 72 and 73 by ion implantation. . Then, annealing for activating the source / drain layers 101 and 102 is performed. For example, lamp annealing is employed for the annealing.

シリサイド用の金属、例えばコバルトを、主面側で露出する面の全面に亘って形成し、アニールによって第1のシリサイド化を行う。そして未反応の上記シリサイド用の金属を除去し、更にアニールを行って第2のシリサイド化を行い、シリサイドの相転移を促してシリサイドの抵抗を下げる。これにより、図12に示されるように、ソース・ドレイン・エクステンション70,72の露出面にシリサイド層11が形成される。この際、多結晶シリコン層63がシリサイド層65へと変わる。   A silicide metal such as cobalt is formed over the entire surface exposed on the main surface side, and first silicidation is performed by annealing. Then, the unreacted metal for silicide is removed, and further annealing is performed to form a second silicidation, thereby promoting the phase transition of the silicide and reducing the resistance of the silicide. As a result, the silicide layer 11 is formed on the exposed surfaces of the source / drain extension 70 and 72 as shown in FIG. At this time, the polycrystalline silicon layer 63 is changed to the silicide layer 65.

その後、周知の製造プロセスによって層間絶縁膜12、コンタクトプラグ13、配線層14が形成され、図1に示されるCMOSトランジスタ501が得られる。   Thereafter, the interlayer insulating film 12, the contact plug 13, and the wiring layer 14 are formed by a known manufacturing process, and the CMOS transistor 501 shown in FIG. 1 is obtained.

上述のように、金属層64が多結晶シリコン層63のエッチングに付随してエッチングされるためには、金属層64は薄い方が望ましい。しかし金属層64が適切な仕事関数を有する必要があり、かかる要求からは3nm以上の膜厚が必要と考えられる。   As described above, in order for the metal layer 64 to be etched along with the etching of the polycrystalline silicon layer 63, the metal layer 64 is desirably thin. However, the metal layer 64 needs to have an appropriate work function, and it is considered that a film thickness of 3 nm or more is necessary from such a requirement.

実施の形態2.
図13及び図14は、本実施の形態にかかるCMOSトランジスタの製造方法を工程順に示す断面図である。本実施の形態で示される製造方法は、実施の形態1乃至実施の形態4に示されたCMOSトランジスタの製造工程において採用することができる。
Embodiment 2. FIG.
13 and 14 are cross-sectional views showing the method of manufacturing the CMOS transistor according to this embodiment in the order of steps. The manufacturing method shown in this embodiment mode can be employed in the manufacturing process of the CMOS transistor shown in Embodiment Modes 1 to 4.

図11に示された構造を得た後、ソース・ドレイン層101,102を活性化するためのアニールを行う前に、酸化膜15及び窒化膜16をこの順に、主面側で露出する面の全面に亘って形成する。そしてフォトレジスト95を金属層64を覆って形成し、図13に示された構造を得る。例えば酸化膜15及び窒化膜16の厚さはそれぞれ10nm,20nmであり、いずれもCVD法で形成することができる。   After obtaining the structure shown in FIG. 11, before annealing for activating the source / drain layers 101 and 102, the oxide film 15 and the nitride film 16 are sequentially exposed on the main surface side. It is formed over the entire surface. Then, a photoresist 95 is formed to cover the metal layer 64 to obtain the structure shown in FIG. For example, the thicknesses of the oxide film 15 and the nitride film 16 are 10 nm and 20 nm, respectively, and both can be formed by the CVD method.

図14を参照して、フォトレジスト95をマスクとするエッチングによって、酸化膜15及び窒化膜16をパターニングする。その後、フォトレジスト95を除去し、ソース・ドレイン層101,102を活性化するためのランプアニールを行う。ランプアニールには、例えば1000℃以上3秒以下との条件が採用され、窒化膜6の上方から行われる。   Referring to FIG. 14, oxide film 15 and nitride film 16 are patterned by etching using photoresist 95 as a mask. Thereafter, the photoresist 95 is removed, and lamp annealing for activating the source / drain layers 101 and 102 is performed. The lamp annealing is performed, for example, from above the nitride film 6 under the condition of 1000 ° C. or more and 3 seconds or less.

その後、例えば熱燐酸を用いて窒化膜16を除去し、更に酸化膜15も除去する。その後、シリサイド層11(図12)を形成する工程へと処理が進む。   Thereafter, the nitride film 16 is removed using, for example, hot phosphoric acid, and the oxide film 15 is also removed. Thereafter, the process proceeds to the step of forming the silicide layer 11 (FIG. 12).

窒化膜16はランプアニールで採用されるランプに対して遮光膜として機能する。従って、ランプアニールの際には金属層64の温度が上昇することを回避でき、金属層64の溶解を回避できる。他方、ソース・ドレイン層101,102を活性化する必要があるため、窒化膜16は金属層64の上方を覆いつつも、ソース・ドレイン層101,102を覆わない寸法で形成することが望ましい。例えばフォトレジスト95の端部がスペーサ9上に存在する。これにより窒化膜16も同様の形状にパターニングされる。   The nitride film 16 functions as a light shielding film for a lamp employed in lamp annealing. Accordingly, the temperature of the metal layer 64 can be prevented from rising during the lamp annealing, and the dissolution of the metal layer 64 can be avoided. On the other hand, since it is necessary to activate the source / drain layers 101, 102, it is desirable to form the nitride film 16 with a size that does not cover the source / drain layers 101, 102 while covering the upper side of the metal layer 64. For example, the end portion of the photoresist 95 exists on the spacer 9. Thereby, the nitride film 16 is also patterned in the same shape.

変形.
上記の説明とは逆に、NMOSトランジスタにおけるゲート電極において金属層を採用し、PMOSトランジスタにおいて金属層を採用しない場合も本発明に含まれる。特にゲート絶縁膜として酸化アルミニウム(Al23)やシリコン窒化アルミニウム(AlSiN)を採用した場合、NMOSトランジスタにおけるゲート電極に金属層を採用することが望ましい。P型ウェル32の主成分としてシリコンを採用する場合、当該金属層の材料としては、シリコンの伝導帯に近い仕事関数(約4.0eV)を有することが望ましい。かかる仕事関数を有する材料として、チタン(Ti)、ジルコニア(Zr)、バナジウム(V)、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)、ニオブ(Nb)、窒化タンタル(TaN)、シリコン窒化タンタル(TaSiN)を挙げることができる。
Deformation.
Contrary to the above description, a case where a metal layer is employed in the gate electrode of the NMOS transistor and a metal layer is not employed in the PMOS transistor is also included in the present invention. In particular, when aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or silicon aluminum nitride (AlSiN) is employed as the gate insulating film, it is desirable to employ a metal layer for the gate electrode in the NMOS transistor. When silicon is employed as the main component of the P-type well 32, it is desirable that the material of the metal layer has a work function (about 4.0 eV) close to the conduction band of silicon. Materials having such work functions include titanium (Ti), zirconia (Zr), vanadium (V), tantalum (Ta), aluminum (Al), niobium (Nb), tantalum nitride (TaN), and silicon tantalum nitride (TaSiN). Can be mentioned.

特に、ゲート絶縁膜5としてアルミニウム窒化物を採用した場合には、ゲート電極GNにおいて多結晶シリコン層が採用され、これがゲート絶縁膜5と接触した場合、いわゆるフェルミ・ピンニングという界面準位の問題が生じやすい。しかしゲート絶縁膜5と多結晶シリコン層63との間に上記の金属層を採用することにより、この問題も回避できる。よってゲート絶縁膜5としてアルミニウム窒化物を採用してその誘電率を高める場合に、本発明は好適である。   In particular, when aluminum nitride is employed as the gate insulating film 5, a polycrystalline silicon layer is employed in the gate electrode GN. When this is in contact with the gate insulating film 5, the problem of so-called Fermi-pinning interface state occurs. Prone to occur. However, this problem can also be avoided by adopting the above metal layer between the gate insulating film 5 and the polycrystalline silicon layer 63. Therefore, the present invention is suitable when aluminum nitride is employed as the gate insulating film 5 to increase its dielectric constant.

更に、本発明はCMOSトランジスタに限定されるものではなく、異なる閾値を採用する複数のMOSトランジスタに対して適用することができる。更に、電界効果トランジスタに限定されることなく、MOS構造を有するトランジスタであれば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)にも適用できることは明白である。   Furthermore, the present invention is not limited to a CMOS transistor, and can be applied to a plurality of MOS transistors that employ different threshold values. Furthermore, the present invention is not limited to a field effect transistor, and any transistor having a MOS structure can obviously be applied to an insulated gate bipolar transistor (IGBT).

本発明の実施の形態1にかかるCMOSトランジスタの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the CMOS transistor concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1にかかるCMOSトランジスタの製造工程を順に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view sequentially illustrating a manufacturing process of the CMOS transistor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1にかかるCMOSトランジスタの製造工程を順に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view sequentially illustrating a manufacturing process of the CMOS transistor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1にかかるCMOSトランジスタの製造工程を順に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view sequentially illustrating a manufacturing process of the CMOS transistor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1にかかるCMOSトランジスタの製造工程を順に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view sequentially illustrating a manufacturing process of the CMOS transistor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1にかかるCMOSトランジスタの製造工程を順に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view sequentially illustrating a manufacturing process of the CMOS transistor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1にかかるCMOSトランジスタの製造工程を順に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view sequentially illustrating a manufacturing process of the CMOS transistor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1にかかるCMOSトランジスタの製造工程を順に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view sequentially illustrating a manufacturing process of the CMOS transistor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1にかかるCMOSトランジスタの製造工程を順に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view sequentially illustrating a manufacturing process of the CMOS transistor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1にかかるCMOSトランジスタの製造工程を順に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view sequentially illustrating a manufacturing process of the CMOS transistor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1にかかるCMOSトランジスタの製造工程を順に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view sequentially illustrating a manufacturing process of the CMOS transistor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1にかかるCMOSトランジスタの製造工程を順に示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view sequentially illustrating a manufacturing process of the CMOS transistor according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2にかかるCMOSトランジスタの製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the CMOS transistor concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2にかかるCMOSトランジスタの製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the CMOS transistor concerning Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

5 ゲート絶縁膜、16 窒化膜、31 N型ウェル、32 P型ウェル、63 多結晶シリコン層、64 金属層、65 シリサイド層。
5 gate insulating film, 16 nitride film, 31 N-type well, 32 P-type well, 63 polycrystalline silicon layer, 64 metal layer, 65 silicide layer.

Claims (16)

第1半導体層と、
前記第1半導体層上に配置された第1ゲート絶縁膜と、
前記第1ゲート絶縁膜上に配置された金属層及び前記金属層上に配置された第1シリサイド層を有する第1ゲート電極と、
第2半導体層と、
前記第2半導体層上に配置された第2ゲート絶縁膜と、
前記第2ゲート絶縁膜上に配置された第2シリサイド層を有する第2ゲート電極と
を備えた、MOS構造を有する半導体装置。
A first semiconductor layer;
A first gate insulating film disposed on the first semiconductor layer;
A first gate electrode having a metal layer disposed on the first gate insulating film and a first silicide layer disposed on the metal layer;
A second semiconductor layer;
A second gate insulating film disposed on the second semiconductor layer;
A semiconductor device having a MOS structure, comprising: a second gate electrode having a second silicide layer disposed on the second gate insulating film.
前記第1シリサイド層と前記第2シリサイド層とは同種の半導体層である、請求項1に記載のMOS構造を有する半導体装置。   2. The semiconductor device having a MOS structure according to claim 1, wherein the first silicide layer and the second silicide layer are the same type of semiconductor layer. 前記金属層の厚さは、前記半導体層の厚さの10分の1以下である、請求項2に記載のMOS構造を有する半導体装置。   3. The semiconductor device having a MOS structure according to claim 2, wherein a thickness of the metal layer is one tenth or less of a thickness of the semiconductor layer. 前記金属層の厚さは、3nm以上である、請求項2又は請求項3に記載のMOS構造を有する半導体装置。   The semiconductor device having a MOS structure according to claim 2 or 3, wherein the metal layer has a thickness of 3 nm or more. 前記第1半導体層は導電型がN型のシリコンであり、前記金属層の仕事関数は約5.1eVである、請求項1乃至請求項4のいずれか一つに記載のMOS構造を有する半導体装置。   5. The semiconductor having a MOS structure according to claim 1, wherein the first semiconductor layer is N-type silicon, and the work function of the metal layer is about 5.1 eV. 6. apparatus. 前記第1ゲート絶縁膜はハフニウム酸化物である、請求項1乃至請求項4のいずれか一つに記載のMOS構造を有する半導体装置。   5. The semiconductor device having a MOS structure according to claim 1, wherein the first gate insulating film is made of hafnium oxide. 6. 前記第1半導体層は導電型がP型のシリコンであり、前記金属層の仕事関数は約4.0eVである、請求項1乃至請求項4のいずれか一つに記載のMOS構造を有する半導体装置。   5. The semiconductor having a MOS structure according to claim 1, wherein the first semiconductor layer is silicon of P-type conductivity, and the work function of the metal layer is about 4.0 eV. apparatus. 前記第1ゲート絶縁膜はアルミニウム窒化物である、請求項1乃至請求項4のいずれか一つに記載のMOS構造を有する半導体装置。   5. The semiconductor device having a MOS structure according to claim 1, wherein the first gate insulating film is aluminum nitride. (a)第1半導体層及び第2半導体層上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記ゲート絶縁膜上に金属層を形成する工程と、
(c)前記第1半導体層の上方に前記金属層を残し、前記第2半導体層の上方から前記金属層を除去する工程と、
(d)前記金属層及び前記第2半導体層上にシリサイド用半導体層を形成する工程と、
(e)前記金属層及び前記シリサイド用半導体層をパターニングし、前記シリサイド用半導体層をシリサイド化して、前記第1半導体層の上方において第1ゲート電極を、前記第2半導体層の上方において第2ゲート電極を、それぞれ形成する工程と
を備えた、MOS構造を有する半導体装置の製造方法。
(A) forming a gate insulating film on the first semiconductor layer and the second semiconductor layer;
(B) forming a metal layer on the gate insulating film;
(C) leaving the metal layer above the first semiconductor layer and removing the metal layer from above the second semiconductor layer;
(D) forming a silicide semiconductor layer on the metal layer and the second semiconductor layer;
(E) patterning the metal layer and the silicide semiconductor layer, siliciding the silicide semiconductor layer, and forming a first gate electrode above the first semiconductor layer and a second above the second semiconductor layer. A method for manufacturing a semiconductor device having a MOS structure, comprising: forming each gate electrode.
前記金属層の厚さは、前記ゲート電極用半導体層の厚さの10分の1以下である、請求項9に記載のMOS構造を有する半導体装置の製造方法。   10. The method of manufacturing a semiconductor device having a MOS structure according to claim 9, wherein a thickness of the metal layer is one tenth or less of a thickness of the gate electrode semiconductor layer. 前記金属層の厚さは、3nm以上である、請求項9又は請求項10に記載のMOS構造を有する半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device having a MOS structure according to claim 9 or 10, wherein the metal layer has a thickness of 3 nm or more. 前記第1半導体層は導電型がN型のシリコンであり、前記金属層の仕事関数は約5.1eVである、請求項9乃至請求項11のいずれか一つに記載のMOS構造を有する半導体装置の製造方法。   12. The semiconductor having a MOS structure according to claim 9, wherein the first semiconductor layer is N-type silicon, and the work function of the metal layer is about 5.1 eV. Device manufacturing method. 前記ゲート絶縁膜はハフニウム酸化物である、請求項9乃至請求項12のいずれか一つに記載のMOS構造を有する半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device having a MOS structure according to claim 9, wherein the gate insulating film is made of hafnium oxide. 前記第1半導体層は導電型がP型のシリコンであり、前記金属層の仕事関数は約4.0eVである、請求項9乃至請求項11のいずれか一つに記載のMOS構造を有する半導体装置の製造方法。   12. The semiconductor having a MOS structure according to claim 9, wherein the first semiconductor layer is silicon having a conductivity type of P-type, and the work function of the metal layer is about 4.0 eV. Device manufacturing method. 前記ゲート絶縁膜はアルミニウム窒化物である、請求項9乃至請求項11のいずれか一つに記載のMOS構造を有する半導体装置の製造方法。   12. The method of manufacturing a semiconductor device having a MOS structure according to claim 9, wherein the gate insulating film is aluminum nitride. 前記工程(e)の後に実行される、
(x)前記第1ゲート電極をマスクとして前記第1半導体層に、前記第2ゲート電極をマスクとして前記第2半導体層に、それぞれ不純物を導入する工程と、
(y)前記第1ゲート電極の上方を覆う遮光膜を形成する工程と、
(z)前記遮光膜の上方からランプアニールする工程と
を備える、請求項9乃至請求項15のいずれか一つに記載のMOS構造を有する半導体装置の製造方法。
Performed after step (e),
(X) introducing impurities into the first semiconductor layer using the first gate electrode as a mask, and introducing impurities into the second semiconductor layer using the second gate electrode as a mask;
(Y) forming a light shielding film covering the upper part of the first gate electrode;
The method of manufacturing a semiconductor device having a MOS structure according to claim 9, further comprising: (z) a step of lamp annealing from above the light shielding film.
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