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JP2012231071A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents

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JP2012231071A JP2011099578A JP2011099578A JP2012231071A JP 2012231071 A JP2012231071 A JP 2012231071A JP 2011099578 A JP2011099578 A JP 2011099578A JP 2011099578 A JP2011099578 A JP 2011099578A JP 2012231071 A JP2012231071 A JP 2012231071A
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Shigenori Hayashi
重徳 林
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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

【課題】さらなる微細化に対しても適正な閾値電圧Vtが得られるデュアルメタルゲート構造を実現する。
【解決手段】ゲート電極120bは、第1の仕事関数を有する第1の金属含有膜114bと、第1の金属含有膜114b上に形成されており且つ第2の仕事関数を有する第2の金属含有膜117bとを含む。ゲート電極120aは、第1の金属含有膜114を含まないと共に第2の金属含有膜117aを含む。ゲート電極120bにおける第1の金属含有膜114bと第2の金属含有膜117bとの間に拡散防止層115bが形成されている。
【選択図】図2
A dual metal gate structure capable of obtaining an appropriate threshold voltage Vt for further miniaturization is realized.
A gate electrode 120b includes a first metal-containing film 114b having a first work function, and a second metal having a second work function formed on the first metal-containing film 114b. Containing film 117b. The gate electrode 120a does not include the first metal-containing film 114 and includes the second metal-containing film 117a. A diffusion prevention layer 115b is formed between the first metal-containing film 114b and the second metal-containing film 117b in the gate electrode 120b.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、金属含有膜を含むゲート電極を有する半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a gate electrode including a metal-containing film and a manufacturing method thereof.

近年、半導体集積回路装置の高集積化、高機能化及び高速化に伴って、金属−絶縁物−半導体電界効果トランジスタ(MISFET(Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor ))の微細化が進められている。   In recent years, as semiconductor integrated circuit devices become highly integrated, highly functional, and speeded up, metal-insulator-semiconductor field-effect transistors (MISFETs) have been miniaturized. ing.

一方、MISFETの微細化に伴い、ゲート絶縁膜の薄膜化を進めると、トンネル現象に起因するゲートリーク電流の増大、又はポリシリコンゲート電極の空乏化等の影響が顕著になり、オン電流の確保、ひいてはMISFETの動作速度の維持又は向上が難しくなってくる。   On the other hand, if the gate insulating film is made thinner with the miniaturization of the MISFET, the influence of the increase in the gate leakage current due to the tunnel phenomenon or the depletion of the polysilicon gate electrode becomes remarkable, and the on-current is secured. As a result, it becomes difficult to maintain or improve the operation speed of the MISFET.

この問題を解決するために、ゲート絶縁膜として、従来のシリコン酸化膜に代えて、ハフニウム酸化膜(HfO2 )等のより誘電率が高い絶縁膜(高誘電率絶縁膜(high-k膜))を用いると共に、ゲート電極における少なくともゲート絶縁膜と接する部分の材料をポリシリコンから金属含有材料に置き換えることが検討されている。これにより、ゲート絶縁膜の物理的な厚さを大きくしながら、酸化膜換算膜厚(EOT(Equivalent Oxide Thickness)を低減すること、及び、ゲート電極の空乏化を抑えて反転層厚さ(Tinv)を低減すること等が期待される。すなわち、ゲート絶縁膜の電気的な厚さを薄くすることが期待される。ここで、酸化膜換算膜厚EOTとは、酸化シリコンと異なる比誘電率を持つ誘電体膜の膜厚を酸化シリコンの比誘電率で換算した膜厚値をいう。 In order to solve this problem, instead of a conventional silicon oxide film, an insulating film having a higher dielectric constant such as a hafnium oxide film (HfO 2 ) (high dielectric constant insulating film (high-k film)) is used as a gate insulating film. ) And at least a portion of the gate electrode in contact with the gate insulating film is considered to be replaced with a metal-containing material from polysilicon. This reduces the equivalent oxide thickness (EOT) while increasing the physical thickness of the gate insulating film, and reduces the inversion layer thickness (Tinv In other words, it is expected to reduce the electrical thickness of the gate insulating film, where the equivalent oxide thickness EOT is different from that of silicon oxide. The film thickness value obtained by converting the film thickness of the dielectric film having a relative dielectric constant of silicon oxide.

前述の高誘電率ゲート絶縁膜及び金属含有ゲート電極を用いたトランジスタの実現において最も重要な課題の1つは適正な閾値電圧Vtを得ることである。そのためには、pチャネルMISFETのゲート電極構造においてはSiの価電子帯(5.15eV)に近い仕事関数を有するpチャネル用金属含有膜を用いると共にnチャネルMISFETのゲート電極構造においてはSiの伝導帯(4.05eV)に近い仕事関数を有するnチャネル用金属含有膜を用いた構造、つまり、デュアルメタルゲート構造を実現する必要がある。   One of the most important issues in realizing a transistor using the aforementioned high dielectric constant gate insulating film and metal-containing gate electrode is to obtain an appropriate threshold voltage Vt. For this purpose, a p-channel metal-containing film having a work function close to the valence band of Si (5.15 eV) is used in the gate electrode structure of the p-channel MISFET, and the Si conduction band is used in the gate electrode structure of the n-channel MISFET. It is necessary to realize a structure using an n-channel metal-containing film having a work function close to (4.05 eV), that is, a dual metal gate structure.

以下、従来のデュアルメタルゲート構造の一例として、特許文献1に開示されている構造について説明する。図7(a)〜(e)及び図8(a)〜(c)は、特許文献1に開示されている従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す図である。   Hereinafter, the structure disclosed in Patent Document 1 will be described as an example of a conventional dual metal gate structure. FIGS. 7A to 7E and FIGS. 8A to 8C are diagrams showing respective steps of the conventional method for manufacturing a semiconductor device disclosed in Patent Document 1. FIG.

まず、図7(a)に示すように、シリコン(Si)からなる半導体基板1の上部に、シャロウトレンチ分離(STI)からなる素子分離領域2を選択的に形成する。続いて、イオン注入法により、nチャネルMISFETの形成領域(以下、NMIS領域という)にはp型ウェル領域3aを形成し、pチャネルMISFETの形成領域(以下、PMIS領域という)にはn型ウェル領域3bを形成する。続いて、半導体基板1の表面上に下地膜4を介して高誘電率絶縁膜5を形成した後、高誘電率絶縁膜5上にpチャネル用金属含有膜6を形成する。   First, as shown in FIG. 7A, an element isolation region 2 made of shallow trench isolation (STI) is selectively formed on a semiconductor substrate 1 made of silicon (Si). Subsequently, by ion implantation, a p-type well region 3a is formed in an n-channel MISFET formation region (hereinafter referred to as an NMIS region), and an n-type well is formed in a p-channel MISFET formation region (hereinafter referred to as a PMIS region). Region 3b is formed. Subsequently, a high dielectric constant insulating film 5 is formed on the surface of the semiconductor substrate 1 via a base film 4, and then a p-channel metal-containing film 6 is formed on the high dielectric constant insulating film 5.

次に、図7(b)に示すように、PMIS領域を覆うマスクパターン7を形成した後、マスクパターン7を用いて、図7(c)に示すように、NMIS領域に位置する部分のpチャネル用金属含有膜6をエッチバックして除去し、その後、マスクパターン7を除去する。次に、図7(d)に示すように、NMIS領域に位置する部分の高誘電率絶縁膜5上、及びPMIS領域に残存するpチャネル用金属含有膜6上に、nチャネル用金属含有膜8を形成する。   Next, as shown in FIG. 7B, after forming a mask pattern 7 that covers the PMIS region, the mask pattern 7 is used to form a portion of the p located in the NMIS region as shown in FIG. 7C. The channel metal-containing film 6 is removed by etching back, and then the mask pattern 7 is removed. Next, as shown in FIG. 7D, the n-channel metal-containing film is formed on the high dielectric constant insulating film 5 in the portion of the NMIS region and on the p-channel metal-containing film 6 remaining in the PMIS region. 8 is formed.

次に、図7(e)に示すように、nチャネル用金属含有膜8上に導電膜9を形成した後、NMIS領域及びPMIS領域それぞれのゲート電極形成領域を覆うマスクパターン10を形成する。次に、マスクパターン10を用いたドライエッチングによって、図8(a)に示すように、導電膜9、nチャネル用金属含有膜8及びpチャネル用金属含有膜6を順次パターニングした後、マスクパターン10を除去する。これにより、NMIS領域には、nチャネル用金属含有膜8a及び導電膜9aからなるnチャネル用ゲート電極12aが形成されると共に、PMIS領域には、pチャネル用金属含有膜6b、nチャネル用金属含有膜8b及び導電膜9bからなるpチャネル用ゲート電極12bが形成される。このとき、nチャネル用ゲート電極12a及びpチャネル用ゲート電極12bのそれぞれの外側に位置する部分の下地膜4及び高誘電率絶縁膜5が除去されて、半導体基板1とnチャネル用ゲート電極12aとの間に、下地膜4a及び高誘電率絶縁膜5aからなるゲート絶縁膜11aが形成されると共に、半導体基板1とpチャネル用ゲート電極12bとの間に、下地膜4b及び高誘電率絶縁膜5bからなるゲート絶縁膜11bが形成される。   Next, as shown in FIG. 7E, after a conductive film 9 is formed on the n-channel metal-containing film 8, a mask pattern 10 is formed to cover the gate electrode formation regions of the NMIS region and the PMIS region. Next, the conductive film 9, the n-channel metal-containing film 8 and the p-channel metal-containing film 6 are sequentially patterned by dry etching using the mask pattern 10 as shown in FIG. 10 is removed. As a result, an n-channel gate electrode 12a composed of an n-channel metal-containing film 8a and a conductive film 9a is formed in the NMIS region, and a p-channel metal-containing film 6b and an n-channel metal are formed in the PMIS region. A p-channel gate electrode 12b made of the containing film 8b and the conductive film 9b is formed. At this time, the base film 4 and the high dielectric constant insulating film 5 located outside the n-channel gate electrode 12a and the p-channel gate electrode 12b are removed, and the semiconductor substrate 1 and the n-channel gate electrode 12a are removed. A gate insulating film 11a composed of the base film 4a and the high dielectric constant insulating film 5a is formed between the base film 4b and the high dielectric constant insulating film between the semiconductor substrate 1 and the p-channel gate electrode 12b. A gate insulating film 11b made of the film 5b is formed.

次に、図8(b)に示すように、イオン注入法により、半導体基板1におけるnチャネル用ゲート電極12aの両側にn型エクステンション領域13aを形成し、半導体基板1におけるpチャネル用ゲート電極12bの両側にp型エクステンション領域13bを形成する。次に、図8(c)に示すように、nチャネル用ゲート電極12a及びpチャネル用ゲート電極12bのそれぞれの側面上に、絶縁性サイドウォールスペーサ14a及び14bを形成した後、イオン注入法により、半導体基板1におけるnチャネル用ゲート電極12a及び絶縁性サイドウォールスペーサ14aの両側にn型ソース/ドレイン領域15aを形成し、半導体基板1におけるpチャネル用ゲート電極12b及び絶縁性サイドウォールスペーサ14bの両側にp型ソース/ドレイン領域15bを形成する。   Next, as shown in FIG. 8B, n-type extension regions 13a are formed on both sides of the n-channel gate electrode 12a in the semiconductor substrate 1 by ion implantation, and the p-channel gate electrode 12b in the semiconductor substrate 1 is formed. A p-type extension region 13b is formed on both sides of the substrate. Next, as shown in FIG. 8C, after forming the insulating sidewall spacers 14a and 14b on the side surfaces of the n-channel gate electrode 12a and the p-channel gate electrode 12b, an ion implantation method is used. The n-type source / drain regions 15a are formed on both sides of the n-channel gate electrode 12a and the insulating sidewall spacer 14a in the semiconductor substrate 1, and the p-channel gate electrode 12b and the insulating sidewall spacer 14b in the semiconductor substrate 1 are formed. P-type source / drain regions 15b are formed on both sides.

以上に説明したように、従来のデュアルメタルゲート構造を有する半導体装置によると、NMIS領域においては高誘電率ゲート絶縁膜上にnチャネル用金属含有膜を有するゲート電極が形成されており、PMIS領域においては高誘電率ゲート絶縁膜上にpチャネル用金属含有膜を有するゲート電極が形成されている。   As described above, according to the conventional semiconductor device having the dual metal gate structure, the gate electrode having the n-channel metal-containing film is formed on the high dielectric constant gate insulating film in the NMIS region, and the PMIS region. In FIG. 1, a gate electrode having a p-channel metal-containing film is formed on a high dielectric constant gate insulating film.

米国特許第7625791号明細書US Pat. No. 7,657,791 米国特許第6794234号明細書US Pat. No. 6,794,234

K.Mistry他、A 45nm Logic Technology with High-k+Metal gate Transitors,Strained Silicon,9 Cu Interconnect Layers,193nm Dry Patterning,and 100% Pb-free Packaging、IEDM2007、p.247-250K. Mistry et al., A 45nm Logic Technology with High-k + Metal gate Transitors, Strained Silicon, 9 Cu Interconnect Layers, 193nm Dry Patterning, and 100% Pb-free Packaging, IEDM2007, p.247-250

しかしながら、従来のデュアルメタルゲート構造を有する半導体装置においては、微細化に伴い、適正な閾値電圧Vtが得られなくなるという問題が生じる。   However, the conventional semiconductor device having a dual metal gate structure has a problem that an appropriate threshold voltage Vt cannot be obtained with miniaturization.

前記に鑑み、本発明は、さらなる微細化に対しても適正な閾値電圧Vtが得られるデュアルメタルゲート構造を実現することを目的とする。   In view of the above, an object of the present invention is to realize a dual metal gate structure capable of obtaining an appropriate threshold voltage Vt for further miniaturization.

前述の目的を達成するために、本願発明者が、従来のデュアルメタルゲート構造において微細化に伴って適正な閾値電圧Vtが得られなくなる原因について検討したところ、以下のような知見を得た。   In order to achieve the above-mentioned object, the inventors of the present application have examined the cause of the failure to obtain an appropriate threshold voltage Vt with miniaturization in the conventional dual metal gate structure, and obtained the following knowledge.

図7(a)〜(e)及び図8(a)〜(c)に示す従来技術によると、PMISFETのゲート電極用金属含有膜(pチャネル用金属含有膜6)については、ゲートパターニング前に、NMIS領域に形成されている部分をエッチバックにより除去している。それに対して、NMISFETのゲート電極用金属含有膜(nチャネル用金属含有膜8)については、プロセスダメージの軽減やプロセスの簡便化等を目的として、ゲートパターニングまで、PMIS領域に形成されている部分を残存させている。従って、PMISFETのゲート電極(pチャネル用ゲート電極12b)は、pチャネル用金属含有膜6bと、nチャネル用金属含有膜8bとの積層構造を有することになる。ここで、前述の従来技術においては、pチャネル用ゲート電極12bの実効仕事関数が、ゲート絶縁膜11bのより近くに位置しているpチャネル用金属含有膜6bによって実質的に決定されること、言い換えると、pチャネル用ゲート電極12bの実効仕事関数に対して、ゲート絶縁膜11bから離れて位置しているnチャネル用金属含有膜8bが実質的な影響を及ぼさないことを前提としている。尚、「実効仕事関数」とは、MISFETの電気特性から求められる仕事関数であって、真空準位と金属のエネルギー準位との差を示す物性的な仕事関数に絶縁膜中の準位などの影響を加味したものを意味する。   According to the prior art shown in FIGS. 7A to 7E and FIGS. 8A to 8C, the PMISFET gate electrode metal-containing film (p-channel metal-containing film 6) is subjected to gate patterning. The portion formed in the NMIS region is removed by etch back. On the other hand, the NMISFET gate electrode metal-containing film (n-channel metal-containing film 8) is formed in the PMIS region until gate patterning for the purpose of reducing process damage and simplifying the process. Is left. Therefore, the gate electrode (p-channel gate electrode 12b) of the PMISFET has a laminated structure of the p-channel metal-containing film 6b and the n-channel metal-containing film 8b. Here, in the above-described prior art, the effective work function of the p-channel gate electrode 12b is substantially determined by the p-channel metal-containing film 6b positioned closer to the gate insulating film 11b. In other words, it is assumed that the n-channel metal-containing film 8b located away from the gate insulating film 11b does not substantially affect the effective work function of the p-channel gate electrode 12b. The “effective work function” is a work function obtained from the electrical characteristics of the MISFET, and is a physical work function indicating a difference between a vacuum level and a metal energy level, a level in an insulating film, and the like. This means that taking into account the effects of.

しかしながら、実際には、例えばゲートパターニング後における不純物(ソース/ドレイン領域に含まれる不純物)の活性化熱処理等の工程においてゲート電極構造が1000℃以上の高温プロセスに曝される。その結果、図9に示すように、pチャネル用ゲート電極12bにおいて、pチャネル用金属含有膜6bとnチャネル用金属含有膜8bとの積層構造中で界面反応が生じて合金化層(合金化層20)が形成されてしまう恐れがある。この合金化層の生成の程度によっては、下層に位置するゲート電極用金属含有膜(pチャネル用金属含有膜6b)の実効仕事関数が所望値から外れてしまう。その結果、従来のデュアルメタルゲート構造を有する半導体装置において、適正な閾値電圧Vtが得られなくなってしまう。   However, in practice, the gate electrode structure is exposed to a high-temperature process at 1000 ° C. or higher in a process such as activation heat treatment of impurities (impurities contained in the source / drain regions) after gate patterning. As a result, as shown in FIG. 9, in the p-channel gate electrode 12b, an interface reaction occurs in the laminated structure of the p-channel metal-containing film 6b and the n-channel metal-containing film 8b, and an alloyed layer (alloyed) is formed. Layer 20) may be formed. Depending on the degree of generation of the alloyed layer, the effective work function of the gate electrode metal-containing film (p-channel metal-containing film 6 b) located in the lower layer deviates from a desired value. As a result, an appropriate threshold voltage Vt cannot be obtained in a conventional semiconductor device having a dual metal gate structure.

尚、図7(a)〜(e)及び図8(a)〜(c)に示す従来技術においては、pチャネル用金属含有膜6bの厚さを十分に大きくすれば、前述の合金化層(合金化層20)の影響を抑制できるものの、この場合には、pチャネル用金属含有膜6bの選択的エッチバック及びゲートパターニングにおけるプロセス負荷が増大するという別の問題が生じる。   In the prior art shown in FIGS. 7A to 7E and FIGS. 8A to 8C, if the thickness of the p-channel metal-containing film 6b is sufficiently increased, the alloyed layer described above is used. Although the influence of (alloyed layer 20) can be suppressed, in this case, another problem arises in that the process load in selective etch-back and gate patterning of p-channel metal-containing film 6b increases.

また、特許文献2には、特許文献1に類似した異種のゲート電極用金属含有膜の積層構造における界面合金化反応を利用して、合金化反応後の仕事関数を利用する構成が提案されている。しかしながら、特許文献2に開示されている技術においては、合金化反応後の仕事関数を利用できる金属材料の選択肢が少ないという実用上の問題がある上に、合金化反応自体の制御が困難であるために、特許文献1と同様の問題を生じる恐れがある。   Further, Patent Document 2 proposes a configuration that uses a work function after an alloying reaction using an interfacial alloying reaction in a laminated structure of different types of gate electrode metal-containing films similar to Patent Document 1. Yes. However, in the technique disclosed in Patent Document 2, there are practical problems that there are few options for metal materials that can use the work function after the alloying reaction, and it is difficult to control the alloying reaction itself. For this reason, there is a possibility of causing the same problem as in Patent Document 1.

また、非特許文献1には、特許文献1及び2のようなゲートファースト法に代えて、ゲートラスト法を用いたデュアルメタルゲート構造形成が開示されている。ゲートラスト法を用いた場合、ゲート電極の形成前にソース/ドレイン領域を形成できるため、ゲート電極形成後の工程における主な熱負荷は、420〜430℃程度のシンタの熱負荷位になるので、特許文献1及び2のようにゲートファースト法を用いた場合と比較して、異種のゲート電極用金属含有膜の積層構造における望ましくない合金化反応を抑制できる可能性がある。しかしながら、例えばアルミニウム等の金属材料を用いた場合には、シンタの熱負荷であっても金属拡散及び合金化が生じてしまう。また、ゲートラスト法においては、ポリシリコン等からなるダミーゲート電極の除去により形成されるリセス内に、異種の金属含有膜の積層構造が埋め込まれるが、微細化に伴って当該リセスの寸法(例えばゲート電極高さとなるリセス深さ)が小さくなるので、仕事関数を決定する各ゲート電極用金属含有膜の厚さを例えば10nm程度以下に薄くする必要がある。その結果、異種のゲート電極用金属含有膜の積層構造における界面合金化反応を十分に抑制できないと、合金化層の形成に起因して下層のゲート電極用金属含有膜の厚さが例えば5nm程度以下になってしまい、所望の仕事関数を得ることができなくなる。   Non-Patent Document 1 discloses the formation of a dual metal gate structure using a gate last method instead of the gate-first method as in Patent Documents 1 and 2. When the gate last method is used, since the source / drain regions can be formed before the gate electrode is formed, the main thermal load in the process after the gate electrode is formed is about 420 to 430 ° C. As compared with the case where the gate first method is used as in Patent Documents 1 and 2, there is a possibility that an undesirable alloying reaction in a laminated structure of different metal-containing films for gate electrodes can be suppressed. However, for example, when a metal material such as aluminum is used, metal diffusion and alloying occur even if the sintering heat load. In the gate last method, a laminated structure of different kinds of metal-containing films is embedded in a recess formed by removing a dummy gate electrode made of polysilicon or the like. Therefore, it is necessary to reduce the thickness of each gate electrode metal-containing film that determines the work function to about 10 nm or less, for example. As a result, if the interfacial alloying reaction in the laminated structure of different types of gate electrode metal-containing films cannot be sufficiently suppressed, the thickness of the lower gate electrode metal-containing film is, for example, about 5 nm due to the formation of the alloyed layer. As a result, the desired work function cannot be obtained.

以上に述べたように、本発明の目的を達成するためには、つまり、さらなる微細化に対しても適正な閾値電圧Vtが得られるデュアルメタルゲート構造を実現するためには、ゲートファースト法及びゲートラスト法のいずれを用いた場合においても、仕事関数を決定する異種のゲート電極用金属含有膜の積層構造(pチャネル用金属含有膜とnチャネル用金属含有膜との積層構造)における界面合金化反応を極力抑えることが極めて重要な課題となる。   As described above, in order to achieve the object of the present invention, that is, to realize a dual metal gate structure capable of obtaining an appropriate threshold voltage Vt even for further miniaturization, the gate first method and Regardless of which gate last method is used, an interfacial alloy in a stacked structure of different types of gate electrode metal-containing films (a stacked structure of a p-channel metal-containing film and an n-channel metal-containing film) that determines the work function. It is extremely important to suppress the chemical reaction as much as possible.

本発明は、以上の知見に基づきなされたものであって、その要旨は、仕事関数を決定する異種のゲート電極用金属含有膜の積層構造(pチャネル用金属含有膜とnチャネル用金属含有膜との積層構造)における当該各金属含有膜同士の間に、金属拡散を防止するための拡散防止層を形成することである。これにより、さらなる微細化に対しても、異種のゲート電極用金属含有膜の積層構造における界面合金化反応を抑制して所望の仕事関数を得ることができるので、適正な閾値電圧Vtが得られるデュアルメタルゲート構造を実現することができる。尚、拡散防止層の形成に際しては、特に、プロセスの複雑化を避けるために、また、拡散防止層そのものを新たに挿入形成することに起因するゲート電極の厚さの増大や仕事関数に対する影響等を極力抑えるために、下層のゲート電極用金属含有膜の表面改質、又は異種のゲート電極用金属含有膜同士の界面の改質を行うことが好ましい。また、改質手段としては、膜堆積の他、例えば、熱処理、プラズマ処理又はイオン注入等を用いることができる。また、有効な拡散防止層材料としては、例えば、金属酸化物、金属窒化物又は金属酸窒化物等を用いることができる。   The present invention has been made on the basis of the above knowledge, and the gist of the present invention is a laminated structure of metal-containing films for different types of gate electrodes for determining a work function (a metal-containing film for p-channel and a metal-containing film for n-channel). A diffusion preventing layer for preventing metal diffusion between the metal-containing films in the laminated structure. As a result, even for further miniaturization, a desired work function can be obtained by suppressing the interfacial alloying reaction in the laminated structure of the different metal-containing films for gate electrodes, so that an appropriate threshold voltage Vt can be obtained. A dual metal gate structure can be realized. When forming the diffusion prevention layer, in particular, in order to avoid complication of the process, an increase in the thickness of the gate electrode caused by newly forming the diffusion prevention layer itself, an influence on the work function, etc. In order to suppress as much as possible, it is preferable to modify the surface of the lower-layer metal-containing film for a gate electrode or to modify the interface between different types of metal-containing films for a gate electrode. In addition to film deposition, for example, heat treatment, plasma treatment, ion implantation, or the like can be used as the modification means. Moreover, as an effective diffusion preventing layer material, for example, a metal oxide, a metal nitride, or a metal oxynitride can be used.

具体的には、本発明に係る半導体装置は、第1のゲート電極を有する第1導電型MISFETと、第2のゲート電極を有する第2導電型MISFETとを半導体基板上に備えた半導体装置であって、前記第1のゲート電極は、第1の仕事関数を有する第1の金属含有膜と、前記第1の金属含有膜上に形成されており且つ第2の仕事関数を有する第2の金属含有膜とを含み、前記第2のゲート電極は、前記第1の金属含有膜を含まないと共に前記第2の金属含有膜を含み、前記第1のゲート電極における前記第1の金属含有膜と前記第2の金属含有膜との間に拡散防止層が形成されている。   Specifically, a semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device including a first conductivity type MISFET having a first gate electrode and a second conductivity type MISFET having a second gate electrode on a semiconductor substrate. The first gate electrode includes a first metal-containing film having a first work function, and a second metal layer formed on the first metal-containing film and having a second work function. And the second gate electrode does not include the first metal-containing film and includes the second metal-containing film, and the first metal-containing film in the first gate electrode. And a diffusion preventing layer is formed between the second metal-containing film.

尚、前記拡散防止層は、ゲート電極の抵抗低減の観点からは、導電層であることが好ましいが、トンネル効果を生じる極薄(例えば2nm程度以下)の絶縁層であってもよい。また、前記拡散防止層が導電層であっても、微細化の観点(特にゲートラスト法を用いる場合)からは、前記拡散防止層の厚さは5nm程度以下であることが好ましく、ゲート電極の抵抗低減の観点からは、前記拡散防止層の厚さは2nm程度以下であることがより好ましい。   The diffusion prevention layer is preferably a conductive layer from the viewpoint of reducing the resistance of the gate electrode, but may be an extremely thin (for example, about 2 nm or less) insulating layer that generates a tunnel effect. Even if the diffusion preventing layer is a conductive layer, from the viewpoint of miniaturization (especially when the gate last method is used), the thickness of the diffusion preventing layer is preferably about 5 nm or less. From the viewpoint of resistance reduction, the thickness of the diffusion preventing layer is more preferably about 2 nm or less.

本発明に係る半導体装置において、前記拡散防止層は、前記第1の金属含有膜を構成する材料の酸化物、窒化物又は酸窒化物から構成されていてもよい。   In the semiconductor device according to the present invention, the diffusion prevention layer may be made of an oxide, nitride or oxynitride of a material constituting the first metal-containing film.

本発明に係る半導体装置において、前記第1導電型MISFETはpチャネルMISFETであり、前記第2導電型MISFETはnチャネルMISFETであり、前記第1の金属含有膜は、Ti、Ta、W若しくはNiを含む金属窒化物、又は貴金属から構成されており、前記第2の金属含有膜は、Hf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の窒化物若しくは炭化物から構成されていてもよい。ここで、前記拡散防止層は、Ti又はTaを含む酸化物から構成されていてもよい。また、前記第1の金属含有膜は、W若しくはNiを含む金属窒化物、又は貴金属から構成されており、前記拡散防止層は、Ti又はTaを含む金属窒化物から構成されていてもよい。また、前記第1の金属含有膜は、貴金属から構成されており、前記拡散防止層は、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物から構成されていてもよい。また、前記第1の金属含有膜は、Ti、Ta、W又はNiを含む金属窒化物から構成されており、前記拡散防止層は、Ti、Ta、W又はNiを含む金属酸窒化物から構成されていてもよい。   In the semiconductor device according to the present invention, the first conductivity type MISFET is a p-channel MISFET, the second conductivity type MISFET is an n-channel MISFET, and the first metal-containing film includes Ti, Ta, W, or Ni. And the second metal-containing film is one metal selected from the group of metals including Hf, Zr, Ti, Ta, and Al, and the group of metals. May be composed of an alloy of two or more metals selected from among the above, or a nitride or carbide of the one metal or the alloy. Here, the diffusion preventing layer may be made of an oxide containing Ti or Ta. The first metal-containing film may be made of a metal nitride containing W or Ni, or a noble metal, and the diffusion prevention layer may be made of a metal nitride containing Ti or Ta. The first metal-containing film may be composed of a noble metal, and the diffusion prevention layer may be composed of a noble metal oxide, nitride, or oxynitride. The first metal-containing film is made of a metal nitride containing Ti, Ta, W or Ni, and the diffusion prevention layer is made of a metal oxynitride containing Ti, Ta, W or Ni. May be.

本発明に係る半導体装置において、前記第1導電型MISFETはnチャネルMISFETであり、前記第2導電型MISFETはpチャネルMISFETであり、前記第1の金属含有膜は、Hf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の窒化物若しくは炭化物から構成されており、前記第2の金属含有膜は、Ti、Ta、W若しくはNiを含む金属窒化物、又は貴金属から構成されていてもよい。ここで、前記拡散防止層は、Ti又はTaを含む酸化物から構成されていてもよい。また、前記第1の金属含有膜は、Hf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の窒化物(但しTi又はTaの窒化物を除く)若しくは炭化物から構成されており、前記拡散防止層は、Ti又はTaを含む金属窒化物から構成されていてもよい。また、前記第1の金属含有膜は、Hf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の炭化物から構成されており、前記拡散防止層は、前記第1の金属含有膜を構成する材料の酸化物、窒化物又は酸窒化物から構成されていてもよい。また、前記第1の金属含有膜は、Hf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属の窒化物、又は前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金の窒化物から構成されており、前記拡散防止層は、前記第1の金属含有膜を構成する材料の酸化物から構成されていてもよい。   In the semiconductor device according to the present invention, the first conductivity type MISFET is an n-channel MISFET, the second conductivity type MISFET is a p-channel MISFET, and the first metal-containing film includes Hf, Zr, Ti, Ta And one metal selected from a metal group including Al, an alloy of two or more metals selected from the metal group, or a nitride or carbide of the one metal or the alloy. The second metal-containing film may be made of a metal nitride containing Ti, Ta, W or Ni, or a noble metal. Here, the diffusion preventing layer may be made of an oxide containing Ti or Ta. Further, the first metal-containing film is formed of one metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta, and Al, and two or more metals selected from the metal group. It is made of an alloy, or a nitride of the one metal or the alloy (excluding nitrides of Ti or Ta) or carbide, and the diffusion prevention layer is made of a metal nitride containing Ti or Ta. May be. Further, the first metal-containing film is formed of one metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta, and Al, and two or more metals selected from the metal group. The diffusion prevention layer is made of an oxide, a nitride, or an oxynitride of a material constituting the first metal-containing film, the alloy, or the one metal or the carbide of the alloy. Also good. The first metal-containing film may be one metal nitride selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta, and Al, or two selected from the metal group. It is comprised from the nitride of the above metal alloy, The said diffusion prevention layer may be comprised from the oxide of the material which comprises a said 1st metal containing film | membrane.

本発明に係る半導体装置において、前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極のそれぞれの下に、高誘電率絶縁膜を含むゲート絶縁膜が形成されていてもよい。ここで、前記ゲート絶縁膜は、前記高誘電率絶縁膜の下に形成されており且つシリコン酸化膜からなる下地膜を含んでいてもよい。   In the semiconductor device according to the present invention, a gate insulating film including a high dielectric constant insulating film may be formed under each of the first gate electrode and the second gate electrode. Here, the gate insulating film may be formed under the high dielectric constant insulating film and may include a base film made of a silicon oxide film.

本発明に係る半導体装置において、前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極はそれぞれ、前記第2の金属含有膜上に形成された導電膜を含んでいてもよい。   In the semiconductor device according to the present invention, each of the first gate electrode and the second gate electrode may include a conductive film formed on the second metal-containing film.

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、第1のゲート電極を有する第1導電型MISFETと、第2のゲート電極を有する第2導電型MISFETとを半導体基板上に備えた半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板における前記第1導電型MISFETの形成領域の上に、第1の仕事関数を有する第1の金属含有膜を形成する工程(a)と、前記工程(a)よりも後に、前記第1の金属含有膜の上、及び前記半導体基板における前記第2導電型MISFETの形成領域の上に、第2の仕事関数を有する第2の金属含有膜を形成する工程(b)と、前記工程(b)よりも後に、前記第1の金属含有膜及び前記第2の金属含有膜をパターニングして、前記第1の金属含有膜及び前記第2の金属含有膜を含む前記第1のゲート電極と、前記第1の金属含有膜を含まないと共に前記第2の金属含有膜を含む前記第2のゲート電極とを形成する工程(c)とを備え、前記工程(a)と前記工程(c)との間に、前記第1のゲート電極における前記第1の金属含有膜と前記第2の金属含有膜との間に介在する拡散防止層を形成する工程(d)をさらに備えている。   According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device comprising: a first conductive MISFET having a first gate electrode; and a second conductive MISFET having a second gate electrode on a semiconductor substrate. In the manufacturing method, the step (a) of forming a first metal-containing film having a first work function on the formation region of the first conductivity type MISFET in the semiconductor substrate; and the step (a) Later, a step of forming a second metal-containing film having a second work function on the first metal-containing film and on the formation region of the second conductivity type MISFET in the semiconductor substrate ( b) and after the step (b), the first metal-containing film and the second metal-containing film are patterned to include the first metal-containing film and the second metal-containing film. The first gate electrode; And (c) forming the second gate electrode not including the first metal-containing film and including the second metal-containing film, and the steps (a) and (c) (D) further forming a diffusion prevention layer interposed between the first metal-containing film and the second metal-containing film in the first gate electrode.

本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記工程(d)において、前記第1の金属含有膜の表面部を改質することによって前記拡散防止層を形成してもよい。ここで、前記工程(d)は、前記工程(b)よりも前に実施され、前記工程(d)において、酸素及び窒素の少なくとも一方を含む雰囲気中での熱処理又はプラズマ処理によって、前記第1の金属含有膜の表面部を改質してもよい。また、前記工程(a)は、前記半導体基板における前記第1導電型MISFET及び前記第2導電型MISFETのそれぞれの形成領域の上に、前記第1の金属含有膜を形成する工程(a1)と、前記工程(a1)よりも後に、前記第2導電型MISFETの形成領域の上に形成された部分の前記第1の金属含有膜を選択的に除去する工程(a2)とを含み、前記工程(d)は、前記工程(a1)と前記工程(a2)との間に実施され、前記工程(d)において、前記第1導電型MISFET及び前記第2導電型MISFETのそれぞれの形成領域の上に形成された前記第1の金属含有膜の表面部を改質することによって前記拡散防止層を形成し、前記工程(a2)において、前記第2導電型MISFETの形成領域の上に形成された部分の前記拡散防止層を選択的に除去してもよい。或いは、前記工程(d)は、前記工程(b)よりも後に実施され、前記工程(d)において、酸素及び窒素の少なくとも一方のイオン注入によって、前記第1の金属含有膜の表面部を改質してもよい。   In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, in the step (d), the diffusion prevention layer may be formed by modifying a surface portion of the first metal-containing film. Here, the step (d) is performed before the step (b), and in the step (d), the first step is performed by heat treatment or plasma treatment in an atmosphere containing at least one of oxygen and nitrogen. The surface portion of the metal-containing film may be modified. The step (a) includes the step (a1) of forming the first metal-containing film on the respective formation regions of the first conductivity type MISFET and the second conductivity type MISFET in the semiconductor substrate. And after the step (a1), a step (a2) of selectively removing the portion of the first metal-containing film formed on the formation region of the second conductivity type MISFET. (D) is carried out between the step (a1) and the step (a2), and in the step (d), on the respective formation regions of the first conductivity type MISFET and the second conductivity type MISFET. The diffusion preventing layer is formed by modifying the surface portion of the first metal-containing film formed in the step (a2), and is formed on the formation region of the second conductivity type MISFET in the step (a2). Partial The serial diffusion preventing layer may be selectively removed. Alternatively, the step (d) is performed after the step (b), and the surface portion of the first metal-containing film is modified by ion implantation of at least one of oxygen and nitrogen in the step (d). You may quality.

本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記工程(d)は、前記工程(b)よりも前に実施され、前記工程(d)において、前記第1の金属含有膜の上に前記拡散防止層を成膜してもよい。ここで、前記工程(a)は、前記半導体基板における前記第1導電型MISFET及び前記第2導電型MISFETのそれぞれの形成領域の上に、前記第1の金属含有膜を形成する工程(a1)と、前記工程(a1)よりも後に、前記第2導電型MISFETの形成領域の上に形成された部分の前記第1の金属含有膜を選択的に除去する工程(a2)とを含み、前記工程(d)は、前記工程(a1)と前記工程(a2)との間に実施され、前記工程(d)において、前記第1導電型MISFET及び前記第2導電型MISFETのそれぞれの形成領域の上に形成された前記第1の金属含有膜の上に前記拡散防止層を成膜し、前記工程(a2)において、前記第2導電型MISFETの形成領域の上に形成された部分の前記拡散防止層を選択的に除去してもよい。尚、前記拡散防止層を成膜により形成する場合、ピンホールの発生を防止する観点から、前記拡散防止層の厚さは1nm程度以上であることが好ましい。   In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the step (d) is performed before the step (b), and the diffusion prevention is performed on the first metal-containing film in the step (d). A layer may be deposited. Here, the step (a) is a step (a1) of forming the first metal-containing film on the respective formation regions of the first conductivity type MISFET and the second conductivity type MISFET in the semiconductor substrate. And after the step (a1), a step (a2) of selectively removing a portion of the first metal-containing film formed on the formation region of the second conductivity type MISFET, The step (d) is performed between the step (a1) and the step (a2). In the step (d), each of the formation regions of the first conductivity type MISFET and the second conductivity type MISFET is formed. The diffusion preventing layer is formed on the first metal-containing film formed thereon, and in the step (a2), the portion of the diffusion formed on the formation region of the second conductivity type MISFET Select prevention layer It may be removed. In the case where the diffusion prevention layer is formed by film formation, the thickness of the diffusion prevention layer is preferably about 1 nm or more from the viewpoint of preventing the occurrence of pinholes.

本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極をゲートラスト法を用いて形成してもよい。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first gate electrode and the second gate electrode may be formed using a gate last method.

本発明によると、さらなる微細化に対しても適正な閾値電圧Vtが得られるデュアルメタルゲート構造を実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize a dual metal gate structure capable of obtaining an appropriate threshold voltage Vt for further miniaturization.

図1(a)〜(f)は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。FIGS. 1A to 1F are cross-sectional views illustrating respective steps of the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment. 図2(a)〜(e)は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。2A to 2E are cross-sectional views illustrating the respective steps of the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment. 図3(a)〜(c)は、第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views illustrating respective steps of the method for manufacturing the semiconductor device according to the modification of the first embodiment. 図4(a)〜(e)は、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。4A to 4E are cross-sectional views illustrating the respective steps of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment. 図5(a)〜(d)は、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。FIG. 5A to FIG. 5D are cross-sectional views illustrating respective steps of the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment. 図6(a)〜(d)は、第2の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。6A to 6D are cross-sectional views illustrating respective steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to a modification of the second embodiment. 図7(a)〜(e)は、従来の半導体装置の製造方法の各工程を説明する図である。7A to 7E are diagrams for explaining each process of the conventional method for manufacturing a semiconductor device. 図8(a)〜(c)は、従来の半導体装置の製造方法の各工程を説明する図である。8A to 8C are diagrams for explaining each process of the conventional method for manufacturing a semiconductor device. 図9は、従来の半導体装置の問題点を説明する図である。FIG. 9 is a diagram for explaining a problem of a conventional semiconductor device.

(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。図1(a)〜(f)及び図2(a)〜(e)は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
(First embodiment)
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIGS. 1A to 1F and FIGS. 2A to 2E are cross-sectional views illustrating respective steps of the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment.

まず、図1(a)に示すように、例えばシリコン(Si)からなる基板100の上部に、例えばシャロウトレンチ分離(STI)構造を有する素子分離領域102を選択的に形成することにより、nチャネルMISFETの形成領域(以下、NMIS領域という)とpチャネルMISFETの形成領域(以下、PMIS領域という)とを区画する。続いて、例えばイオン注入法により、NMIS領域の基板100にp型ウェル領域103aを形成し、PMIS領域の基板100にn型ウェル領域103bを形成する。続いて、基板100の表面に対して、例えば公知の標準RCA洗浄及び希釈フッ酸(HF)洗浄を順次行った後、当該表面が清浄化された基板100に対して、例えば温度が600℃〜1000℃程度の酸素雰囲気で熱処理を行う。これにより、NMIS領域及びPMIS領域(つまりCMIS(Complementary Metal-Insulator-Semiconductor)デバイス形成領域)の基板100の上に、例えばシリコン酸化膜(SiO2 膜)からなる厚さ1〜3nm程度の絶縁膜104が形成される。ここで、例えばウェット処理を用いて、例えばケミカルシリコン酸化膜やISSG(In Situ Steam Generation)膜からなる絶縁膜104を形成してもよい。次に、絶縁膜104上に、所望のゲート電極高さに相当する例えば60〜80nm程度の厚さを持つ例えばアモルファスシリコンからなるダミーゲート電極膜105を堆積する。続いて、ダミーゲート電極膜105上に、リソグラフィ技術を用いて、例えばハードマスク材料やレジスト材料からなり且つNMIS領域及びPMIS領域それぞれのゲート電極形成領域を覆うマスクパターン106を形成する。 First, as shown in FIG. 1A, an n-channel is formed by selectively forming an element isolation region 102 having, for example, a shallow trench isolation (STI) structure on a substrate 100 made of, for example, silicon (Si). A MISFET formation region (hereinafter referred to as an NMIS region) and a p-channel MISFET formation region (hereinafter referred to as a PMIS region) are partitioned. Subsequently, the p-type well region 103a is formed in the substrate 100 in the NMIS region, and the n-type well region 103b is formed in the substrate 100 in the PMIS region, for example, by ion implantation. Subsequently, for example, a known standard RCA cleaning and diluted hydrofluoric acid (HF) cleaning are sequentially performed on the surface of the substrate 100, and then the temperature of the substrate 100 on which the surface is cleaned is, for example, 600 ° C. to 600 ° C. Heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at about 1000 ° C. Thereby, an insulating film having a thickness of about 1 to 3 nm made of, for example, a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed on the substrate 100 in the NMIS region and the PMIS region (that is, a complementary metal-insulator-semiconductor (CMIS) device forming region). 104 is formed. Here, the insulating film 104 made of, for example, a chemical silicon oxide film or an ISSG (In Situ Steam Generation) film may be formed by using, for example, a wet process. Next, a dummy gate electrode film 105 made of, for example, amorphous silicon having a thickness of, for example, about 60 to 80 nm corresponding to a desired gate electrode height is deposited on the insulating film 104. Subsequently, a mask pattern 106 made of, for example, a hard mask material or a resist material and covering the gate electrode formation regions of the NMIS region and the PMIS region is formed on the dummy gate electrode film 105 using a lithography technique.

次に、マスクパターン106を用いて、例えば塩素(Cl2 )ガス等によるドライエッチング又はウェットエッチングを行うことによって、図1(b)に示すように、ダミーゲート電極膜105をパターニングした後、マスクパターン106を除去する。これにより、NMIS領域には、nチャネル用ダミーゲート電極105aが形成されると共に、PMIS領域には、pチャネル用ダミーゲート電極105bが形成される。このとき、nチャネル用ダミーゲート電極105a及びpチャネル用ダミーゲート電極105bのそれぞれの外側に位置する部分の絶縁膜104が除去されて、基板100とnチャネル用ダミーゲート電極105aとの間にダミーゲート絶縁膜104aが形成されると共に、基板100とpチャネル用ダミーゲート電極105bとの間にダミーゲート絶縁膜104bが形成される。 Next, the dummy gate electrode film 105 is patterned as shown in FIG. 1B by performing dry etching or wet etching using, for example, chlorine (Cl 2 ) gas or the like using the mask pattern 106, and then the mask pattern 106 is masked. The pattern 106 is removed. As a result, an n-channel dummy gate electrode 105a is formed in the NMIS region, and a p-channel dummy gate electrode 105b is formed in the PMIS region. At this time, portions of the insulating film 104 located outside the n-channel dummy gate electrode 105a and the p-channel dummy gate electrode 105b are removed, and a dummy is formed between the substrate 100 and the n-channel dummy gate electrode 105a. A gate insulating film 104a is formed, and a dummy gate insulating film 104b is formed between the substrate 100 and the p-channel dummy gate electrode 105b.

次に、nチャネル用ダミーゲート電極105a及びpチャネル用ダミーゲート電極105bのそれぞれの側面上にオフセットスペーサ(図示省略)を形成した後、図1(c)に示すように、例えばイオン注入法により、基板100の上部におけるnチャネル用ダミーゲート電極105aの両側にn型エクステンション領域107aを形成し、基板100の上部におけるpチャネル用ダミーゲート電極105bの両側にp型エクステンション領域107bを形成する。   Next, after forming offset spacers (not shown) on the side surfaces of the n-channel dummy gate electrode 105a and the p-channel dummy gate electrode 105b, as shown in FIG. The n-type extension regions 107a are formed on both sides of the n-channel dummy gate electrode 105a in the upper portion of the substrate 100, and the p-type extension regions 107b are formed on both sides of the p-channel dummy gate electrode 105b in the upper portion of the substrate 100.

次に、図1(d)に示すように、nチャネル用ダミーゲート電極105a及びpチャネル用ダミーゲート電極105bのそれぞれの側面上に、前述のオフセットスペーサを介して、例えば窒化シリコンからなる絶縁性サイドウォールスペーサ108a及び108bを形成する。その後、例えばイオン注入法により、基板100の上部におけるnチャネル用ダミーゲート電極105a及び絶縁性サイドウォールスペーサ108aの両側にn型ソース/ドレイン領域109aを形成し、基板100の上部におけるpチャネル用ダミーゲート電極105b及び絶縁性サイドウォールスペーサ108bの両側にp型ソース/ドレイン領域109bを形成する。その後、例えば1000℃以上の温度で、n型エクステンション領域107a及びp型エクステンション領域107b並びにn型ソース/ドレイン領域109a及びp型ソース/ドレイン領域109bのそれぞれに注入された不純物に対して活性化アニールを行う。これにより、ダミーゲートトランジスタ構造が完成する。   Next, as shown in FIG. 1 (d), an insulating property made of, for example, silicon nitride is provided on the side surfaces of the n-channel dummy gate electrode 105a and the p-channel dummy gate electrode 105b via the above-described offset spacers. Sidewall spacers 108a and 108b are formed. Thereafter, n-type source / drain regions 109a are formed on both sides of the n-channel dummy gate electrode 105a and the insulating sidewall spacer 108a in the upper portion of the substrate 100 by, for example, ion implantation, and the p-channel dummy in the upper portion of the substrate 100 is formed. P-type source / drain regions 109b are formed on both sides of the gate electrode 105b and the insulating sidewall spacer 108b. After that, for example, activation annealing is performed on the impurities implanted into the n-type extension region 107a and the p-type extension region 107b, and the n-type source / drain region 109a and the p-type source / drain region 109b at a temperature of 1000 ° C. or higher. I do. Thereby, the dummy gate transistor structure is completed.

その後、図示は省略しているが、n型ソース/ドレイン領域109a及びp型ソース/ドレイン領域109bのそれぞれの表面部をシリサイド化した後、図1(e)に示すように、例えばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition )法により、基板100上の全面に亘って、例えば酸化シリコンを主成分とする層間絶縁膜110を堆積する。続いて、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing )法やドライエッチ法により、堆積した層間絶縁膜110に対して平坦化やエッチバックを行って、nチャネル用ダミーゲート電極105a及びpチャネル用ダミーゲート電極105bのそれぞれの上面を露出させる。   Thereafter, although not shown, after siliciding the surface portions of the n-type source / drain region 109a and the p-type source / drain region 109b, as shown in FIG. An interlayer insulating film 110 containing, for example, silicon oxide as a main component is deposited over the entire surface of the substrate 100 by the Chemical Vapor Deposition method. Subsequently, the deposited interlayer insulating film 110 is flattened or etched back by, for example, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method or a dry etching method, so that the n-channel dummy gate electrode 105a and the p-channel dummy gate electrode 105b. Expose the top surface of each.

次に、図1(f)に示すように、例えば塩素(Cl2 )ガスを主成分とるエッチングガスを用いたドライエッチング、又は例えばテトラエチル水酸化アンモニウム(TMAH)を用いたウェットエッチングにより、nチャネル用ダミーゲート電極105a及びpチャネル用ダミーゲート電極105bを除去する。続いて、例えばフッ酸(HF)を用いたウェットエッチングにより、シリコン酸化膜(SiO2 )からなるダミーゲート絶縁膜104a及び104bを除去する。これにより、ダミーゲート構造が除去されて、絶縁性サイドウォールスペーサ108aを側壁面とし且つ基板100を底面とするリセス111aが形成されると共に絶縁性サイドウォールスペーサ108bを側壁面とし且つ基板100を底面とするリセス111bが形成される。 Next, as shown in FIG. 1F, the n channel is formed by dry etching using an etching gas containing, for example, chlorine (Cl 2 ) gas as a main component, or wet etching using, for example, tetraethyl ammonium hydroxide (TMAH). The dummy gate electrode 105a and the p-channel dummy gate electrode 105b are removed. Subsequently, the dummy gate insulating films 104a and 104b made of the silicon oxide film (SiO 2 ) are removed by wet etching using, for example, hydrofluoric acid (HF). As a result, the dummy gate structure is removed to form a recess 111a having the insulating sidewall spacer 108a as the sidewall surface and the substrate 100 as the bottom surface, and the insulating sidewall spacer 108b as the sidewall surface and the substrate 100 as the bottom surface. A recess 111b is formed.

次に、図2(a)に示すように、例えばオゾン酸化を用いたウェット処理を行うことによって、リセス111a及び111bそれぞれの底面となる基板100上に、例えばシリコン酸化膜(SiO2 )からなる厚さ1nm程度の下地膜112a及び112bを形成する。ここで、例えば熱処理を用いて、例えばシリコン熱酸化膜やISSG膜からなる下地膜112a及び112bを形成してもよいが、下地膜112a及び112bの形成工程は前述のシリサイド化工程後に行われるので、熱処理温度は最大でも600℃を超えないようにする必要がある。次に、リセス111a及び111bそれぞれの底面上に形成された下地膜112a及び112bの上を含む基板100上の全面に、例えばALD(Atomic Layer Deposition ;原子層堆積)法を用いて、例えば絶縁性金属酸化物からなる厚さ3nm程度の高誘電率絶縁膜113を成膜する。具体的には、高誘電率絶縁膜113として、例えばHfO2 膜を成膜する場合、Hf原料としてHfCl4 を、酸化材としてH2 Oを用いると共に成膜温度を200〜400℃に設定し、HfCl4 の供給、パージ、H2 Oの供給及びパージのサイクルを繰り返し行うことによって、HfO2 を原子層レベルで成長させて、所望の厚さを持つHfO2 膜からなる高誘電率絶縁膜113を得ることができる。 Next, as shown in FIG. 2A, a wet process using, for example, ozone oxidation is performed to form, for example, a silicon oxide film (SiO 2 ) on the substrate 100 serving as the bottom surface of each of the recesses 111a and 111b. Base films 112a and 112b having a thickness of about 1 nm are formed. Here, for example, heat treatment may be used to form the base films 112a and 112b made of, for example, a silicon thermal oxide film or an ISSG film, but the base film 112a and 112b are formed after the silicidation process described above. The heat treatment temperature should not exceed 600 ° C. at the maximum. Next, on the entire surface of the substrate 100 including the base films 112a and 112b formed on the bottom surfaces of the recesses 111a and 111b, for example, using an ALD (Atomic Layer Deposition) method, for example, an insulating property is used. A high dielectric constant insulating film 113 made of metal oxide and having a thickness of about 3 nm is formed. Specifically, when a HfO 2 film is formed as the high dielectric constant insulating film 113, for example, HfCl 4 is used as the Hf raw material, H 2 O is used as the oxidizing material, and the film forming temperature is set to 200 to 400 ° C. , HfCl 4 supply, purge, H 2 O supply and purge cycles are repeated to grow HfO 2 at the atomic layer level, and a high dielectric constant insulating film made of an HfO 2 film having a desired thickness 113 can be obtained.

CMISトランジスタを構成するには、高誘電率絶縁膜113の形成後、PMIS領域及びNMIS領域のそれぞれにおいて、バンドエッジ(価電子帯及び伝導帯)付近の好適な仕事関数を持った異種のゲート電極用金属含有膜(pチャネル用金属含有膜及びnチャネル用金属含有膜)を形成する必要がある。ここで、pチャネル用金属含有膜及びnチャネル用金属含有膜のいずれを先に形成するかは、各ゲート電極材料の加工時の選択性等を考慮して決定すべきことであるが、以下、本実施形態では、pチャネル用金属含有膜を先に形成する場合を例として説明する。   In order to configure a CMIS transistor, different gate electrodes having suitable work functions in the vicinity of band edges (valence band and conduction band) in each of the PMIS region and the NMIS region after the formation of the high dielectric constant insulating film 113 are formed. It is necessary to form metal-containing films for metal (p-channel metal-containing film and n-channel metal-containing film). Here, which of the p-channel metal-containing film and the n-channel metal-containing film is to be formed first should be determined in consideration of the selectivity during processing of each gate electrode material. In this embodiment, the case where the p-channel metal-containing film is formed first will be described as an example.

高誘電率絶縁膜113の形成後、図2(a)に示すように、高誘電率絶縁膜113上に、PMISFETに好適な仕事関数を持った材料、例えば、Pt、Pd若しくはRu等の貴金属、又はTi、Ta、W若しくはNiを含む金属窒化物からなる厚さ数nm〜十数nm程度のpチャネル用金属含有膜114を形成する。リセス111a及び111bが高アスペクト比を有する場合には、pチャネル用金属含有膜114の形成方法としては、例えば、コンフォーマルな堆積が可能なALD法若しくはCVD法、又はボトムカバレッジのよい(つまり高指向性の)PVD(Physical Vapor Deposition )法等を用いてもよい。   After the formation of the high dielectric constant insulating film 113, as shown in FIG. 2A, a material having a work function suitable for the PMISFET, for example, a noble metal such as Pt, Pd, or Ru is formed on the high dielectric constant insulating film 113. Alternatively, a p-channel metal-containing film 114 made of a metal nitride containing Ti, Ta, W, or Ni and having a thickness of about several nanometers to several tens of nanometers is formed. When the recesses 111a and 111b have a high aspect ratio, the method for forming the p-channel metal-containing film 114 is, for example, an ALD method or a CVD method capable of conformal deposition, or good bottom coverage (that is, high coverage). A directional PVD (Physical Vapor Deposition) method or the like may be used.

続いて、図2(a)に示すように、pチャネル用金属含有膜114と、後述するnチャネル用金属含有膜117(図2(c)参照)との間の合金化反応を抑制するために、例えばpチャネル用金属含有膜114の表面部に対して改質処理を実施して拡散防止層115を形成する。拡散防止層115については後で詳細に述べる。その後、拡散防止層115上に、PMIS領域を覆うマスクパターン116を形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 2A, an alloying reaction between the p-channel metal-containing film 114 and an n-channel metal-containing film 117 described later (see FIG. 2C) is suppressed. Further, for example, the surface of the p-channel metal-containing film 114 is subjected to a modification process to form the diffusion prevention layer 115. The diffusion prevention layer 115 will be described in detail later. Thereafter, a mask pattern 116 covering the PMIS region is formed on the diffusion prevention layer 115.

次に、マスクパターン116を用いて、図2(b)に示すように、NMIS領域に位置する部分のpチャネル用金属含有膜114及び拡散防止層115をエッチバックして除去し、その後、マスクパターン116を除去する。次に、図2(c)に示すように、NMIS領域に位置する部分の高誘電率絶縁膜113上、及びPMIS領域に残存する拡散防止層115上に、NMISFETに好適な仕事関数を持った材料、例えば、Hf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の窒化物若しくは炭化物からなる厚さ数nm〜十数nm程度のnチャネル用金属含有膜117を形成する。リセス111a及び111bが高アスペクト比を有する場合には、nチャネル用金属含有膜117の形成方法としては、例えば、コンフォーマルな堆積が可能なALD法若しくはCVD法、又はボトムカバレッジのよい(つまり高指向性の)PVD法等を用いてもよい。   Next, as shown in FIG. 2B, the p-channel metal-containing film 114 and the diffusion prevention layer 115 located in the NMIS region are etched back and removed using the mask pattern 116, and then the mask is removed. The pattern 116 is removed. Next, as shown in FIG. 2C, the work function suitable for the NMISFET was provided on the portion of the high dielectric constant insulating film 113 located in the NMIS region and on the diffusion prevention layer 115 remaining in the PMIS region. One metal selected from a group of materials including, for example, Hf, Zr, Ti, Ta, and Al, an alloy of two or more metals selected from the group of metals, or the one metal Alternatively, an n-channel metal-containing film 117 made of nitride or carbide of the alloy and having a thickness of about several nm to several tens of nm is formed. When the recesses 111a and 111b have a high aspect ratio, the n-channel metal-containing film 117 can be formed by, for example, an ALD method or a CVD method capable of conformal deposition, or good bottom coverage (that is, high coverage). A directional PVD method or the like may be used.

次に、図2(d)に示すように、リセス111a及び111bの空隙部分が完全に埋まるように、nチャネル用金属含有膜117上に、例えばAl、Ti、W又はCu等の低抵抗の金属からなる導電膜118を形成する。   Next, as shown in FIG. 2D, a low-resistance material such as Al, Ti, W, or Cu is formed on the n-channel metal-containing film 117 so that the gaps of the recesses 111a and 111b are completely filled. A conductive film 118 made of metal is formed.

最後に、図2(e)に示すように、リセス111a及び111bからはみ出た部分の導電膜118、nチャネル用金属含有膜117、拡散防止層115、pチャネル用金属含有膜114及び高誘電率絶縁膜113を、例えばCMP法による平坦化又はドライエッチング法によるエッチバックによって除去する。これにより、NMIS領域においては、下地膜112a及び高誘電率絶縁膜113aからなるゲート絶縁膜119aを挟んでリセス111aに埋め込まれており且つnチャネル用金属含有膜117a及び導電膜118aからなるnチャネル用ゲート電極120aが形成される。また、PMIS領域においては、下地膜112b及び高誘電率絶縁膜113bからなるゲート絶縁膜119bを挟んでリセス111bに埋め込まれており且つpチャネル用金属含有膜114b、拡散防止層115b、nチャネル用金属含有膜117b及び導電膜118bからなるpチャネル用ゲート電極120bが形成される。すなわち、ゲートラスト型トランジスタの基本構造が完成する。   Finally, as shown in FIG. 2 (e), portions of the conductive film 118, the n-channel metal-containing film 117, the diffusion prevention layer 115, the p-channel metal-containing film 114, and the high dielectric constant that protrude from the recesses 111a and 111b. The insulating film 113 is removed by, for example, planarization by a CMP method or etch back by a dry etching method. As a result, in the NMIS region, the n-channel is formed of the n-channel metal-containing film 117a and the conductive film 118a which is embedded in the recess 111a with the gate insulating film 119a formed of the base film 112a and the high dielectric constant insulating film 113a interposed therebetween. A gate electrode 120a is formed. In the PMIS region, the gate insulating film 119b composed of the base film 112b and the high dielectric constant insulating film 113b is sandwiched between the recesses 111b, and the p-channel metal-containing film 114b, the diffusion prevention layer 115b, and the n-channel use. A p-channel gate electrode 120b made of the metal-containing film 117b and the conductive film 118b is formed. That is, the basic structure of the gate last transistor is completed.

以上に説明したように、本実施形態によると、pチャネル用ゲート電極120bにおけるpチャネル用金属含有膜114bとnチャネル用金属含有膜117bとの間に拡散防止層115bが形成されている。このため、ゲート電極形成後のシンタ等の工程において熱負荷が加えられたとしても、pチャネル用金属含有膜114bとnチャネル用金属含有膜117bとの間の合金化反応を抑制して所望の仕事関数を得ることができるので、適正な閾値電圧Vtが得られるデュアルメタルゲート構造を実現できる。また、本実施形態ではゲートラスト法を用いているため、ソース/ドレイン領域形成に伴う不純物活性化熱処理をゲート電極形成前に実施できるので、ゲート電極形成後の工程における熱負荷を低減でき、それによって、前述の合金化反応をより一層抑制することができる。   As described above, according to the present embodiment, the diffusion prevention layer 115b is formed between the p-channel metal-containing film 114b and the n-channel metal-containing film 117b in the p-channel gate electrode 120b. For this reason, even when a thermal load is applied in a process such as sintering after the formation of the gate electrode, the alloying reaction between the p-channel metal-containing film 114b and the n-channel metal-containing film 117b is suppressed, and the desired reaction is achieved. Since a work function can be obtained, a dual metal gate structure capable of obtaining an appropriate threshold voltage Vt can be realized. In addition, since the gate last method is used in this embodiment, the impurity activation heat treatment accompanying the formation of the source / drain regions can be performed before the gate electrode is formed, thereby reducing the thermal load in the process after the gate electrode is formed. Thus, the alloying reaction described above can be further suppressed.

尚、本実施形態において、拡散防止層115は、ゲート電極抵抗の低減の観点からは、導電層であることが好ましいが、トンネル効果を生じる極薄(例えば2nm程度以下)の絶縁層であってもよい。また、拡散防止層115が導電層であっても、微細化の観点(特に本実施形態のようにゲートラスト法を用いる場合)からは、拡散防止層115の厚さは5nm程度以下であることが好ましく、ゲート電極抵抗の低減の観点からは、拡散防止層115の厚さは2nm程度以下であることがより好ましい。特に、20nm世代以降を想定した場合、拡散防止層115の厚さのみならず、実効仕事関数を決定するpチャネル用金属含有膜114及びnチャネル用金属含有膜117の厚さについても、数nm以下程度に抑制することが望ましい。   In the present embodiment, the diffusion prevention layer 115 is preferably a conductive layer from the viewpoint of reducing the gate electrode resistance, but is an extremely thin (for example, about 2 nm or less) insulating layer that generates a tunnel effect. Also good. Even if the diffusion preventing layer 115 is a conductive layer, the thickness of the diffusion preventing layer 115 is about 5 nm or less from the viewpoint of miniaturization (particularly when the gate last method is used as in the present embodiment). From the viewpoint of reducing the gate electrode resistance, the thickness of the diffusion preventing layer 115 is more preferably about 2 nm or less. In particular, assuming the 20 nm generation and beyond, not only the thickness of the diffusion prevention layer 115 but also the thicknesses of the p-channel metal-containing film 114 and the n-channel metal-containing film 117 that determine the effective work function are several nm. It is desirable to suppress to the following extent.

また、本実施形態のように、pチャネル用金属含有膜114がPt、Pd若しくはRu等の貴金属、又はTi、Ta、W若しくはNiを含む金属窒化物からなり、nチャネル用金属含有膜117がHf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の窒化物若しくは炭化物からなる場合、拡散防止層115は、例えばTi又はTaを含む酸化物から構成されていてもよい。或いは、pチャネル用金属含有膜114がPt、Pd若しくはRu等の貴金属、又はW若しくはNiを含む金属窒化物からなる場合、拡散防止層115は、例えばTi又はTaを含む金属窒化物から構成されていてもよい。或いは、pチャネル用金属含有膜114がPt、Pd若しくはRu等の貴金属からなる場合、拡散防止層115は、Pt、Pd若しくはRu等の貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物から構成されていてもよい。或いは、pチャネル用金属含有膜114がTi、Ta、W又はNiを含む金属窒化物からなる場合、拡散防止層115は、Ti、Ta、W又はNiを含む金属酸窒化物から構成されていてもよい。   Further, as in this embodiment, the p-channel metal-containing film 114 is made of a noble metal such as Pt, Pd, or Ru, or a metal nitride containing Ti, Ta, W, or Ni, and the n-channel metal-containing film 117 is formed. One metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta and Al, an alloy of two or more metals selected from the metal group, or the one metal or the alloy When made of nitride or carbide, the diffusion prevention layer 115 may be made of an oxide containing Ti or Ta, for example. Alternatively, when the p-channel metal-containing film 114 is made of a noble metal such as Pt, Pd, or Ru, or a metal nitride containing W or Ni, the diffusion prevention layer 115 is made of a metal nitride containing Ti or Ta, for example. It may be. Alternatively, when the p-channel metal-containing film 114 is made of a noble metal such as Pt, Pd, or Ru, the diffusion prevention layer 115 is made of an oxide, nitride, or oxynitride of a noble metal such as Pt, Pd, or Ru. May be. Alternatively, when the p-channel metal-containing film 114 is made of a metal nitride containing Ti, Ta, W, or Ni, the diffusion prevention layer 115 is made of a metal oxynitride containing Ti, Ta, W, or Ni. Also good.

また、本実施形態において、拡散防止層115を形成するために、例えばpチャネル用金属含有膜114の表面改質を行ってもよい。表面改質の具体的方法としては、簡単には、拡散防止効果のある元素、例えば窒素及び酸素の少なくとも一方を含む雰囲気中で熱処理を行う方法がある。このような方法を用いると、pチャネル用金属含有膜114を構成する材料の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなる拡散防止層115が形成される。尚、窒素及び酸素の少なくとも一方を含む雰囲気中での熱処理に代えて、例えば窒素及び酸素の少なくとも一方を含むガスからなるプラズマにpチャネル用金属含有膜114の表面を曝してもよい。このようなプラズマ処理を行う場合、処理深さの点で、図2(c)に示すnチャネル用金属含有膜117の形成前に行うのが効果的である。   In this embodiment, in order to form the diffusion preventing layer 115, for example, the surface modification of the p-channel metal-containing film 114 may be performed. As a specific method of surface modification, there is a method of performing heat treatment in an atmosphere containing at least one of elements having a diffusion preventing effect, for example, nitrogen and oxygen. When such a method is used, the diffusion prevention layer 115 made of an oxide, nitride or oxynitride of the material constituting the p-channel metal-containing film 114 is formed. Instead of the heat treatment in an atmosphere containing at least one of nitrogen and oxygen, the surface of the p-channel metal-containing film 114 may be exposed to plasma made of a gas containing at least one of nitrogen and oxygen, for example. When such a plasma treatment is performed, it is effective to perform the plasma treatment before forming the n-channel metal-containing film 117 shown in FIG.

また、本実施形態において、pチャネル用金属含有膜114の表面改質を用いずに、pチャネル用金属含有膜114上に拡散防止層115を成膜してもよい。例えばTi又はTa等からなる高融点金属ターゲットを用いて、窒素及び酸素の少なくとも一方を含む雰囲気中で反応性スパッタを行うことによって、拡散防止層115を成膜してもよい。拡散防止層115を成膜する場合、ピンホールの発生を防止する観点から、拡散防止層115の厚さは1nm程度以上であることが好ましい。   In this embodiment, the diffusion prevention layer 115 may be formed on the p-channel metal-containing film 114 without using the surface modification of the p-channel metal-containing film 114. For example, the diffusion prevention layer 115 may be formed by performing reactive sputtering in an atmosphere containing at least one of nitrogen and oxygen using a refractory metal target made of Ti or Ta. When forming the diffusion prevention layer 115, it is preferable that the thickness of the diffusion prevention layer 115 is about 1 nm or more from the viewpoint of preventing the generation of pinholes.

また、本実施形態においては、図2(c)に示すnチャネル用金属含有膜117の形成前に拡散防止層115を形成したが、これに代えて、nチャネル用金属含有膜117の形成後に、例えば窒素及び酸素の少なくとも一方のイオン注入を行うことにより、pチャネル用金属含有膜114とnチャネル用金属含有膜117との積層界面近傍を改質して拡散防止層115を形成してもよい。この場合、pチャネル用金属含有膜114の上面近傍(つまり表面部)のみならず、nチャネル用金属含有膜117の下面近傍にも拡散防止層115を形成することができるので、拡散防止効果を高めるのに効果的である。   In this embodiment, the diffusion prevention layer 115 is formed before the formation of the n-channel metal-containing film 117 shown in FIG. 2C. Instead, after the formation of the n-channel metal-containing film 117, For example, the diffusion prevention layer 115 may be formed by modifying the vicinity of the stacked interface between the p-channel metal-containing film 114 and the n-channel metal-containing film 117 by implanting at least one of nitrogen and oxygen. Good. In this case, since the diffusion prevention layer 115 can be formed not only near the upper surface (that is, the surface portion) of the p-channel metal-containing film 114 but also near the lower surface of the n-channel metal-containing film 117, the diffusion prevention effect can be obtained. It is effective to raise.

また、本実施形態においては、図2(a)〜(c)に示すように、CMISデバイス形成領域全体にpチャネル用金属含有膜114を形成した後、pチャネル用金属含有膜114上に拡散防止層115を形成し、その後、NMIS領域に位置する部分のpチャネル用金属含有膜114及び拡散防止層115をエッチバックして選択的に除去した。しかし、これに代えて、図3(a)〜(c)に示すように、CMISデバイス形成領域全体にpチャネル用金属含有膜114を形成した後、PMIS領域を覆うマスクパターン116を用いて、NMIS領域に位置する部分のpチャネル用金属含有膜114をエッチバックして選択的に除去し、その後、残存するpチャネル用金属含有膜114上に拡散防止層115を形成してもよい。尚、pチャネル用金属含有膜114の選択的除去と拡散防止層115の形成との前後関係については、各ゲート電極材料の組み合わせによって決まる選択性等に応じて最適のシーケンスを選択すればよい。具体的には、図2(a)〜(c)に示すシーケンスの場合、pチャネル用金属含有膜114及び拡散防止層115のエッチングは複雑になるものの、NMIS領域に位置する部分の高誘電率絶縁膜113に対するダメージは、pチャネル用金属含有膜114及び拡散防止層115のエッチングによる1回だけ生じる。一方、図3(a)〜(c)に示すシーケンスの場合、pチャネル用金属含有膜114のエッチングは簡単になるものの、NMIS領域に位置する部分の高誘電率絶縁膜113に対するダメージは、pチャネル用金属含有膜114のエッチング、及び拡散防止層115の形成による2回生じる。   Further, in this embodiment, as shown in FIGS. 2A to 2C, after the p-channel metal-containing film 114 is formed in the entire CMIS device formation region, the diffusion is performed on the p-channel metal-containing film 114. The prevention layer 115 was formed, and then the p-channel metal-containing film 114 and the diffusion prevention layer 115 located in the NMIS region were etched back and selectively removed. However, instead of this, as shown in FIGS. 3A to 3C, after forming the p-channel metal-containing film 114 over the entire CMIS device formation region, a mask pattern 116 covering the PMIS region is used. The portion of the p-channel metal-containing film 114 located in the NMIS region may be selectively removed by etching back, and then the diffusion prevention layer 115 may be formed on the remaining p-channel metal-containing film 114. Note that an optimal sequence may be selected according to the selectivity determined by the combination of the gate electrode materials, etc., for the context of the selective removal of the p-channel metal-containing film 114 and the formation of the diffusion prevention layer 115. Specifically, in the sequence shown in FIGS. 2A to 2C, the etching of the p-channel metal-containing film 114 and the diffusion prevention layer 115 is complicated, but the high dielectric constant of the portion located in the NMIS region is complicated. Damage to the insulating film 113 occurs only once due to the etching of the p-channel metal-containing film 114 and the diffusion prevention layer 115. On the other hand, in the sequence shown in FIGS. 3A to 3C, although the etching of the p-channel metal-containing film 114 is simplified, the damage to the high dielectric constant insulating film 113 in the portion located in the NMIS region is p. It occurs twice by etching the metal-containing film 114 for the channel and forming the diffusion prevention layer 115.

また、本実施形態においては、pチャネル用金属含有膜114を先に形成したため、pチャネル用ゲート電極120bが、pチャネル用金属含有膜114bとnチャネル用金属含有膜117bとの積層構造を持つので、pチャネル用ゲート電極120bにおけるpチャネル用金属含有膜114bとnチャネル用金属含有膜117bとの間に拡散防止層115bを形成した。しかし、これに代えて、nチャネル用金属含有膜を先に形成することにより、nチャネル用ゲート電極が、nチャネル用金属含有膜とpチャネル用金属含有膜との積層構造を持ち、それに対応して、nチャネル用ゲート電極におけるnチャネル用金属含有膜とpチャネル用金属含有膜との間に拡散防止層を形成してもよい。このとき、nチャネル用金属含有膜がHf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の窒化物若しくは炭化物からなり、pチャネル用金属含有膜がPt、Pd若しくはRu等の貴金属、又はTi、Ta、W若しくはNiを含む金属窒化物からなる場合、拡散防止層は、例えばTi又はTaを含む酸化物から構成されていてもよい。或いは、nチャネル用金属含有膜がHf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の窒化物(但しTi又はTaの窒化物を除く)若しくは炭化物からなる場合、拡散防止層は、例えばTi又はTaを含む金属窒化物から構成されていてもよい。或いは、nチャネル用金属含有膜がHf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の炭化物からなる場合、拡散防止層は、nチャネル用金属含有膜を構成する材料の酸化物、窒化物又は酸窒化物から構成されていてもよい。或いは、nチャネル用金属含有膜がHf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属の窒化物、又は前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金の窒化物からなる場合、拡散防止層は、nチャネル用金属含有膜を構成する材料の酸化物から構成されていてもよい。   In this embodiment, since the p-channel metal-containing film 114 is formed first, the p-channel gate electrode 120b has a stacked structure of the p-channel metal-containing film 114b and the n-channel metal-containing film 117b. Therefore, the diffusion prevention layer 115b is formed between the p-channel metal-containing film 114b and the n-channel metal-containing film 117b in the p-channel gate electrode 120b. However, instead of this, by forming the n-channel metal-containing film first, the n-channel gate electrode has a laminated structure of the n-channel metal-containing film and the p-channel metal-containing film. A diffusion prevention layer may be formed between the n-channel metal-containing film and the p-channel metal-containing film in the n-channel gate electrode. In this case, the n-channel metal-containing film is one metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta, and Al, and an alloy of two or more metals selected from the metal group Or when the p-channel metal-containing film is made of a noble metal such as Pt, Pd, or Ru, or a metal nitride containing Ti, Ta, W, or Ni. The diffusion prevention layer may be made of an oxide containing, for example, Ti or Ta. Alternatively, the n-channel metal-containing film is one metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta and Al, an alloy of two or more metals selected from the metal group, Alternatively, in the case of a nitride of the one metal or the alloy (except for a nitride of Ti or Ta) or a carbide, the diffusion prevention layer may be made of a metal nitride containing Ti or Ta, for example. Alternatively, the n-channel metal-containing film is one metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta and Al, an alloy of two or more metals selected from the metal group, Or when it consists of carbide | carbonized_material of said one metal or said alloy, the diffusion prevention layer may be comprised from the oxide, nitride, or oxynitride of the material which comprises the metal content film | membrane for n channels. Alternatively, the n-channel metal-containing film is a nitride of one metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta, and Al, or two or more selected from the metal group When made of a metal alloy nitride, the diffusion prevention layer may be made of an oxide of the material constituting the n-channel metal-containing film.

また、本実施形態において、pチャネル用金属含有膜114及びnチャネル用金属含有膜117はそれぞれ仕事関数調整層を含んでいても良い。また、本実施形態において、nチャネル用ゲート電極120aをnチャネル用金属含有膜117a及び導電膜118aから構成し、pチャネル用ゲート電極120bをpチャネル用金属含有膜114b、拡散防止層115b、nチャネル用金属含有膜117b及び導電膜118bから構成したが、リセス111a及び111bの寸法によっては、少なくともpチャネル用ゲート電極120bが導電膜118を含まない場合もあり得る。   In this embodiment, the p-channel metal-containing film 114 and the n-channel metal-containing film 117 may each include a work function adjusting layer. In this embodiment, the n-channel gate electrode 120a is composed of an n-channel metal-containing film 117a and a conductive film 118a, and the p-channel gate electrode 120b is composed of a p-channel metal-containing film 114b, a diffusion prevention layer 115b, n The channel metal-containing film 117b and the conductive film 118b are used. However, depending on the dimensions of the recesses 111a and 111b, at least the p-channel gate electrode 120b may not include the conductive film 118.

また、本実施形態において、pチャネル用ゲート電極120bにおけるpチャネル用金属含有膜114bとnチャネル用金属含有膜117bとの間の合金化反応を防止するために、pチャネル用金属含有膜114bとnチャネル用金属含有膜117bとの間に拡散防止層115bを形成した。しかし、nチャネル用ゲート電極120aにおけるnチャネル用金属含有膜117aと導電膜118aとの間でも合金化反応が生じる恐れがある場合には、nチャネル用金属含有膜117aと導電膜118aとの間に拡散防止層を形成してもよいことは言うまでもない。   In the present embodiment, in order to prevent an alloying reaction between the p-channel metal-containing film 114b and the n-channel metal-containing film 117b in the p-channel gate electrode 120b, A diffusion prevention layer 115b was formed between the n-channel metal-containing film 117b. However, when an alloying reaction may occur between the n-channel metal-containing film 117a and the conductive film 118a in the n-channel gate electrode 120a, the n-channel metal-containing film 117a and the conductive film 118a Needless to say, a diffusion preventing layer may be formed.

(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。尚、第1の実施形態1ではゲートラスト法を用いてMISFET形成を行ったのに対して、本実施形態ではゲートファースト法を用いてMISFET形成を行う。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the first embodiment, MISFET formation is performed using the gate last method, whereas in this embodiment, MISFET formation is performed using the gate first method.

図4(a)〜(e)及び図5(a)〜(d)は、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。   FIGS. 4A to 4E and FIGS. 5A to 5D are cross-sectional views illustrating the respective steps of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment.

まず、図4(a)に示すように、例えばシリコン(Si)からなる基板200の上部に、例えばシャロウトレンチ分離(STI)構造を有する素子分離領域201を選択的に形成することにより、nチャネルMISFETの形成領域(以下、NMIS領域という)とpチャネルMISFETの形成領域(以下、PMIS領域という)とを区画する。続いて、例えばイオン注入法により、NMIS領域の基板200にp型ウェル領域202aを形成し、PMIS領域の基板200にn型ウェル領域202bを形成する。続いて、基板200の表面に対して、例えば公知の標準RCA洗浄及び希釈フッ酸(HF)洗浄を順次行った後、当該表面が清浄化された基板200に対して、例えば温度が600℃〜1000℃程度の酸素雰囲気で熱処理を行う。これにより、NMIS領域及びPMIS領域(つまりCMISデバイス形成領域)の基板200の上に、例えばシリコン酸化膜(SiO2 膜)からなる厚さ1nm程度の下地膜203が形成される。ここで、例えばウェット処理を用いて、例えばケミカルシリコン酸化膜やISSG膜からなる下地膜203を形成してもよい。次に、下地膜203上に、例えばALD法を用いて、例えば絶縁性金属酸化物からなる厚さ3nm程度の高誘電率絶縁膜204を成膜する。具体的には、高誘電率絶縁膜204として、例えばHfO2 膜を成膜する場合、Hf原料としてHfCl4 を、酸化材としてH2 Oを用いると共に成膜温度を200〜400℃に設定し、HfCl4 の供給、パージ、H2 Oの供給及びパージのサイクルを繰り返し行うことによって、HfO2 を原子層レベルで成長させて、所望の厚さを持つHfO2 膜からなる高誘電率絶縁膜204を得ることができる。 First, as shown in FIG. 4A, an element isolation region 201 having, for example, a shallow trench isolation (STI) structure is selectively formed on an upper portion of a substrate 200 made of, for example, silicon (Si), thereby forming an n channel. A MISFET formation region (hereinafter referred to as an NMIS region) and a p-channel MISFET formation region (hereinafter referred to as a PMIS region) are partitioned. Subsequently, the p-type well region 202a is formed in the substrate 200 in the NMIS region, and the n-type well region 202b is formed in the substrate 200 in the PMIS region, for example, by ion implantation. Subsequently, for example, a known standard RCA cleaning and diluted hydrofluoric acid (HF) cleaning are sequentially performed on the surface of the substrate 200, and then the temperature of the substrate 200 on which the surface is cleaned is, for example, 600 ° C. Heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at about 1000 ° C. Thereby, a base film 203 having a thickness of about 1 nm made of, for example, a silicon oxide film (SiO 2 film) is formed on the substrate 200 in the NMIS region and the PMIS region (that is, the CMIS device forming region). Here, the base film 203 made of, for example, a chemical silicon oxide film or an ISSG film may be formed by using, for example, a wet process. Next, a high dielectric constant insulating film 204 made of, for example, an insulating metal oxide and having a thickness of about 3 nm is formed on the base film 203 using, for example, an ALD method. Specifically, for example, when an HfO 2 film is formed as the high dielectric constant insulating film 204, HfCl 4 is used as the Hf raw material, H 2 O is used as the oxidizing material, and the film forming temperature is set to 200 to 400 ° C. , HfCl 4 supply, purge, H 2 O supply and purge cycles are repeated to grow HfO 2 at the atomic layer level, and a high dielectric constant insulating film made of an HfO 2 film having a desired thickness 204 can be obtained.

CMISトランジスタを構成するには、高誘電率絶縁膜204の形成後、PMIS領域及びNMIS領域のそれぞれにおいて、バンドエッジ(価電子帯及び伝導帯)付近の好適な仕事関数を持った異種のゲート電極用金属含有膜(pチャネル用金属含有膜及びnチャネル用金属含有膜)を形成する必要がある。ここで、pチャネル用金属含有膜及びnチャネル用金属含有膜のいずれを先に形成するかは、各ゲート電極材料の加工時の選択性等を考慮して決定すべきことであるが、以下、本実施形態では、pチャネル用金属含有膜を先に形成する場合を例として説明する。   To form a CMIS transistor, different gate electrodes having suitable work functions in the vicinity of band edges (valence band and conduction band) in each of the PMIS region and the NMIS region after the formation of the high dielectric constant insulating film 204 It is necessary to form metal-containing films for metal (p-channel metal-containing film and n-channel metal-containing film). Here, which of the p-channel metal-containing film and the n-channel metal-containing film is to be formed first should be determined in consideration of the selectivity during processing of each gate electrode material. In this embodiment, the case where the p-channel metal-containing film is formed first will be described as an example.

高誘電率絶縁膜204の形成後、図4(a)に示すように、高誘電率絶縁膜204上に、PMISFETに好適な仕事関数を持った材料、例えば、Pt、Pd若しくはRu等の貴金属、又はTi、Ta、W若しくはNiを含む金属窒化物からなる厚さ数nm〜十数nm程度のpチャネル用金属含有膜205を形成する。   After the formation of the high dielectric constant insulating film 204, as shown in FIG. 4A, on the high dielectric constant insulating film 204, a material having a work function suitable for PMISFET, for example, a noble metal such as Pt, Pd or Ru. Alternatively, a p-channel metal-containing film 205 made of metal nitride containing Ti, Ta, W, or Ni and having a thickness of about several nanometers to several tens of nanometers is formed.

次に、図4(b)に示すように、pチャネル用金属含有膜205上に、PMIS領域を覆うマスクパターン206を形成した後、当該マスクパターン206を用いて、図4(c)に示すように、NMIS領域に位置する部分のpチャネル用金属含有膜205をエッチバックして除去し、その後、マスクパターン206を除去する。   Next, as shown in FIG. 4B, a mask pattern 206 covering the PMIS region is formed on the p-channel metal-containing film 205, and then the mask pattern 206 is used to show the pattern shown in FIG. As described above, the portion of the p-channel metal-containing film 205 located in the NMIS region is removed by etching back, and then the mask pattern 206 is removed.

続いて、図4(d)に示すように、pチャネル用金属含有膜205と、後述するnチャネル用金属含有膜208(図4(e)参照)との間の合金化反応(特に後述するソース/ドレイン領域形成に伴う不純物活性化熱処理等の高温プロセスに起因する合金化反応)を抑制するために、例えばpチャネル用金属含有膜205の表面部に対して改質処理を実施して拡散防止層207を形成する。拡散防止層207については後で詳細に述べる。   Subsequently, as shown in FIG. 4D, an alloying reaction between the p-channel metal-containing film 205 and an n-channel metal-containing film 208 described later (see FIG. 4E) (particularly described later). In order to suppress an alloying reaction due to a high-temperature process such as impurity activation heat treatment accompanying the source / drain region formation, for example, the surface portion of the p-channel metal-containing film 205 is subjected to a modification process and diffused. The prevention layer 207 is formed. The diffusion prevention layer 207 will be described later in detail.

次に、図4(e)に示すように、NMIS領域に位置する部分の高誘電率絶縁膜204上、及びPMIS領域に位置する拡散防止層207上に、NMISFETに好適な仕事関数を持った材料、例えば、Hf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の窒化物若しくは炭化物からなる厚さ数nm〜十数nm程度のnチャネル用金属含有膜208を形成する。   Next, as shown in FIG. 4E, the work function suitable for the NMISFET was provided on the portion of the high dielectric constant insulating film 204 located in the NMIS region and on the diffusion prevention layer 207 located in the PMIS region. One metal selected from a group of materials including, for example, Hf, Zr, Ti, Ta, and Al, an alloy of two or more metals selected from the group of metals, or the one metal Alternatively, an n-channel metal-containing film 208 having a thickness of several nanometers to several tens of nanometers made of the nitride or carbide of the alloy is formed.

次に、ゲート電極抵抗値を所望の値に下げるために、図5(a)に示すように、nチャネル用金属含有膜208上に、例えば、導電性ポリシリコン、又はTi、Ta、W若しくはNi等の金属若しくは当該金属の窒化物等からなる厚さ数十nm程度の導電膜209を形成する。続いて、例えばリソグラフィ技術により、導電膜209上に、NMIS領域及びPMIS領域それぞれのゲート電極形成領域を覆うマスクパターン210を形成する。   Next, in order to lower the gate electrode resistance value to a desired value, as shown in FIG. 5A, on the n-channel metal-containing film 208, for example, conductive polysilicon, Ti, Ta, W, or A conductive film 209 having a thickness of about several tens of nanometers made of a metal such as Ni or a nitride of the metal is formed. Subsequently, a mask pattern 210 that covers the gate electrode formation regions of the NMIS region and the PMIS region is formed on the conductive film 209 by lithography, for example.

次に、マスクパターン210を用いて、例えば塩素(Cl2 )ガスを主成分とするエッチングガス等によるドライエッチング又はウェットエッチングを行うことによって、図5(b)に示すように、導電膜209、nチャネル用金属含有膜208、拡散防止層207及びpチャネル用金属含有膜205を順次パターニングした後、マスクパターン210を除去する。これにより、NMIS領域においては、nチャネル用金属含有膜208a及び導電膜209aからなるnチャネル用ゲート電極212aが形成されると共に、PMIS領域においては、pチャネル用金属含有膜205b、拡散防止層207b、nチャネル用金属含有膜208b及び導電膜209bからなるpチャネル用ゲート電極212bが形成される。このとき、nチャネル用ゲート電極212a及びpチャネル用ゲート電極212bのそれぞれの外側に位置する部分の下地膜203及び高誘電率絶縁膜204が除去されて、基板200とnチャネル用ゲート電極212aとの間に、下地膜203a及び高誘電率絶縁膜204aからなるゲート絶縁膜211aが形成されると共に、基板200とpチャネル用ゲート電極212bとの間に、下地膜203b及び高誘電率絶縁膜204bからなるゲート絶縁膜211bが形成される。 Next, by using the mask pattern 210, for example, dry etching or wet etching using an etching gas or the like mainly containing chlorine (Cl 2 ) gas is performed, as shown in FIG. After the n-channel metal-containing film 208, the diffusion prevention layer 207, and the p-channel metal-containing film 205 are sequentially patterned, the mask pattern 210 is removed. Thereby, in the NMIS region, the n-channel gate electrode 212a composed of the n-channel metal-containing film 208a and the conductive film 209a is formed, and in the PMIS region, the p-channel metal-containing film 205b and the diffusion preventing layer 207b. Then, a p-channel gate electrode 212b composed of the n-channel metal-containing film 208b and the conductive film 209b is formed. At this time, portions of the base film 203 and the high dielectric constant insulating film 204 located outside the n-channel gate electrode 212a and the p-channel gate electrode 212b are removed, and the substrate 200 and the n-channel gate electrode 212a A gate insulating film 211a composed of a base film 203a and a high dielectric constant insulating film 204a is formed between the base film 203b and the high dielectric constant insulating film 204b between the substrate 200 and the p-channel gate electrode 212b. A gate insulating film 211b made of is formed.

尚、図5(b)に示すゲートパターニング工程における加工性及び選択性を良好に保つためには、pチャネル用金属含有膜205、拡散防止層207及びnチャネル用金属含有膜208のそれぞれの厚さを、所望の実効仕事関数を実現できる最低限の厚さに抑えることが望ましい。特に、20nm世代以降を想定した場合、実効仕事関数を決定するpチャネル用金属含有膜205、拡散防止層207及びnチャネル用金属含有膜208のそれぞれの厚さを数nm以下程度に抑制することが望ましい。   In order to maintain good processability and selectivity in the gate patterning step shown in FIG. 5B, the thickness of each of the p-channel metal-containing film 205, the diffusion prevention layer 207, and the n-channel metal-containing film 208 is determined. It is desirable to suppress the thickness to a minimum thickness that can realize a desired effective work function. In particular, assuming the 20 nm generation and beyond, the thicknesses of the p-channel metal-containing film 205, the diffusion prevention layer 207, and the n-channel metal-containing film 208 that determine the effective work function are suppressed to about several nm or less. Is desirable.

次に、nチャネル用ゲート電極212a及びpチャネル用ゲート電極212bのそれぞれの側面上にオフセットスペーサ(図示省略)を形成した後、図5(c)に示すように、例えばイオン注入法により、基板200の上部におけるnチャネル用ゲート電極212aの両側にn型エクステンション領域213aを形成し、基板200の上部におけるpチャネル用ゲート電極212bの両側にp型エクステンション領域213bを形成する。   Next, after forming offset spacers (not shown) on the side surfaces of the n-channel gate electrode 212a and the p-channel gate electrode 212b, as shown in FIG. An n-type extension region 213a is formed on both sides of the n-channel gate electrode 212a in the upper portion of the substrate 200, and a p-type extension region 213b is formed on both sides of the p-channel gate electrode 212b in the upper portion of the substrate 200.

次に、図5(d)に示すように、nチャネル用ゲート電極212a及びpチャネル用ゲート電極212bのそれぞれの側面上に、前述のオフセットスペーサを介して、例えば窒化シリコンからなる絶縁性サイドウォールスペーサ214a及び214bを形成する。その後、例えばイオン注入法により、基板200の上部におけるnチャネル用ゲート電極212a及び絶縁性サイドウォールスペーサ214aの両側にn型ソース/ドレイン領域215aを形成し、基板200の上部におけるpチャネル用ゲート電極212b及び絶縁性サイドウォールスペーサ214bの両側にp型ソース/ドレイン領域215bを形成する。その後、例えば1000℃以上の温度で、n型エクステンション領域213a及びp型エクステンション領域213b並びにn型ソース/ドレイン領域215a及びp型ソース/ドレイン領域215bのそれぞれに注入された不純物に対して活性化アニールを行う。   Next, as shown in FIG. 5D, an insulating sidewall made of, for example, silicon nitride is provided on each side surface of the n-channel gate electrode 212a and the p-channel gate electrode 212b via the above-described offset spacer. Spacers 214a and 214b are formed. Thereafter, n-type source / drain regions 215a are formed on both sides of the n-channel gate electrode 212a and the insulating sidewall spacer 214a in the upper portion of the substrate 200 by, for example, ion implantation, and the p-channel gate electrode in the upper portion of the substrate 200 is formed. A p-type source / drain region 215b is formed on both sides of 212b and the insulating sidewall spacer 214b. Thereafter, for example, activation annealing is performed on the impurities implanted into the n-type extension region 213a and the p-type extension region 213b, and the n-type source / drain region 215a and the p-type source / drain region 215b at a temperature of 1000 ° C. or higher. I do.

その後、図示は省略しているが、n型ソース/ドレイン領域215a及びp型ソース/ドレイン領域215bのそれぞれの表面部をシリサイド化することによって、ゲートファースト型トランジスタの基本構造が完成する。   Thereafter, although not shown in the drawings, the basic structure of the gate-first transistor is completed by silicidizing the surface portions of the n-type source / drain region 215a and the p-type source / drain region 215b.

以上に説明したように、本実施形態によると、pチャネル用ゲート電極212bにおけるpチャネル用金属含有膜205bとnチャネル用金属含有膜208bとの間に拡散防止層207bが形成されている。このため、ゲート電極形成後のソース/ドレイン領域形成に伴う不純物活性化熱処理等の工程において例えば1000℃以上の熱負荷が加えられたとしても、pチャネル用金属含有膜205bとnチャネル用金属含有膜208bとの間の合金化反応を抑制して所望の仕事関数を得ることができるので、適正な閾値電圧Vtが得られるデュアルメタルゲート構造を実現できる。   As described above, according to the present embodiment, the diffusion prevention layer 207b is formed between the p-channel metal-containing film 205b and the n-channel metal-containing film 208b in the p-channel gate electrode 212b. For this reason, even if a thermal load of, for example, 1000 ° C. or higher is applied in a process such as impurity activation heat treatment accompanying the formation of the source / drain regions after forming the gate electrode, the p-channel metal-containing film 205b and the n-channel metal-containing film are contained. Since a desired work function can be obtained by suppressing the alloying reaction with the film 208b, a dual metal gate structure capable of obtaining an appropriate threshold voltage Vt can be realized.

尚、本実施形態において、拡散防止層207は、ゲート電極抵抗の低減の観点からは、導電層であることが好ましいが、トンネル効果を生じる極薄(例えば2nm程度以下)の絶縁層であってもよい。また、拡散防止層207が導電層であっても、微細化の観点からは、拡散防止層207の厚さは5nm程度以下であることが好ましく、ゲート電極抵抗の低減の観点からは、拡散防止層207の厚さは2nm程度以下であることがより好ましい。特に、20nm世代以降を想定した場合、拡散防止層207の厚さのみならず、実効仕事関数を決定するpチャネル用金属含有膜205及びnチャネル用金属含有膜208の厚さについても、数nm以下程度に抑制することが望ましい。   In the present embodiment, the diffusion prevention layer 207 is preferably a conductive layer from the viewpoint of reducing the gate electrode resistance, but is an extremely thin (for example, about 2 nm or less) insulating layer that causes a tunnel effect. Also good. Even if the diffusion prevention layer 207 is a conductive layer, the thickness of the diffusion prevention layer 207 is preferably about 5 nm or less from the viewpoint of miniaturization, and from the viewpoint of reducing the gate electrode resistance, the diffusion prevention layer 207 is prevented. The thickness of the layer 207 is more preferably about 2 nm or less. In particular, assuming the 20 nm generation and beyond, not only the thickness of the diffusion prevention layer 207 but also the thicknesses of the p-channel metal-containing film 205 and the n-channel metal-containing film 208 that determine the effective work function are several nm. It is desirable to suppress to the following extent.

また、本実施形態のように、pチャネル用金属含有膜205がPt、Pd若しくはRu等の貴金属、又はTi、Ta、W若しくはNiを含む金属窒化物からなり、nチャネル用金属含有膜208がHf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の窒化物若しくは炭化物からなる場合、拡散防止層207は、例えばTi又はTaを含む酸化物から構成されていてもよい。或いは、pチャネル用金属含有膜205がPt、Pd若しくはRu等の貴金属、又はW若しくはNiを含む金属窒化物からなる場合、拡散防止層207は、例えばTi又はTaを含む金属窒化物から構成されていてもよい。或いは、pチャネル用金属含有膜205がPt、Pd若しくはRu等の貴金属からなる場合、拡散防止層207は、Pt、Pd若しくはRu等の貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物から構成されていてもよい。或いは、pチャネル用金属含有膜205がTi、Ta、W又はNiを含む金属窒化物からなる場合、拡散防止層207は、Ti、Ta、W又はNiを含む金属酸窒化物から構成されていてもよい。   Further, as in this embodiment, the p-channel metal-containing film 205 is made of a noble metal such as Pt, Pd, or Ru, or a metal nitride containing Ti, Ta, W, or Ni, and the n-channel metal-containing film 208 is formed. One metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta and Al, an alloy of two or more metals selected from the metal group, or the one metal or the alloy In the case of being made of nitride or carbide, the diffusion prevention layer 207 may be made of an oxide containing Ti or Ta, for example. Alternatively, when the p-channel metal-containing film 205 is made of a noble metal such as Pt, Pd, or Ru, or a metal nitride containing W or Ni, the diffusion prevention layer 207 is made of, for example, a metal nitride containing Ti or Ta. It may be. Alternatively, when the p-channel metal-containing film 205 is made of a noble metal such as Pt, Pd, or Ru, the diffusion prevention layer 207 is made of an oxide, nitride, or oxynitride of a noble metal such as Pt, Pd, or Ru. May be. Alternatively, when the p-channel metal-containing film 205 is made of a metal nitride containing Ti, Ta, W or Ni, the diffusion prevention layer 207 is made of a metal oxynitride containing Ti, Ta, W or Ni. Also good.

また、本実施形態において、拡散防止層207を形成するために、例えばpチャネル用金属含有膜205の表面改質を行ってもよい。表面改質の具体的方法としては、簡単には、拡散防止効果のある元素、例えば窒素及び酸素の少なくとも一方を含む雰囲気中で熱処理を行う方法がある。このような方法を用いると、pチャネル用金属含有膜205を構成する材料の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなる拡散防止層207が形成される。尚、窒素及び酸素の少なくとも一方を含む雰囲気中での熱処理に代えて、例えば窒素及び酸素の少なくとも一方を含むガスからなるプラズマにpチャネル用金属含有膜205の表面を曝してもよい。このようなプラズマ処理を行う場合、処理深さの点で、図4(e)に示すnチャネル用金属含有膜208の形成前に行うのが効果的である。   In this embodiment, in order to form the diffusion prevention layer 207, for example, surface modification of the p-channel metal-containing film 205 may be performed. As a specific method of surface modification, there is a method of performing heat treatment in an atmosphere containing at least one of elements having a diffusion preventing effect, for example, nitrogen and oxygen. When such a method is used, the diffusion prevention layer 207 made of an oxide, nitride or oxynitride of the material constituting the p-channel metal-containing film 205 is formed. Instead of the heat treatment in an atmosphere containing at least one of nitrogen and oxygen, the surface of the p-channel metal-containing film 205 may be exposed to plasma made of a gas containing at least one of nitrogen and oxygen, for example. When such a plasma treatment is performed, it is effective to perform the plasma treatment before forming the n-channel metal-containing film 208 shown in FIG.

また、本実施形態において、pチャネル用金属含有膜205の表面改質を用いずに、pチャネル用金属含有膜205上に拡散防止層207を成膜してもよい。例えばTi又はTa等からなる高融点金属ターゲットを用いて、窒素及び酸素の少なくとも一方を含む雰囲気中で反応性スパッタを行うことによって、拡散防止層207を成膜してもよい。拡散防止層207を成膜する場合、ピンホールの発生を防止する観点から、拡散防止層207の厚さは1nm程度以上であることが好ましい。   In this embodiment, the diffusion prevention layer 207 may be formed on the p-channel metal-containing film 205 without using the surface modification of the p-channel metal-containing film 205. For example, the diffusion prevention layer 207 may be formed by performing reactive sputtering in an atmosphere containing at least one of nitrogen and oxygen using a refractory metal target made of Ti or Ta. When the diffusion prevention layer 207 is formed, the thickness of the diffusion prevention layer 207 is preferably about 1 nm or more from the viewpoint of preventing the occurrence of pinholes.

また、本実施形態においては、図4(e)に示すnチャネル用金属含有膜208の形成前に拡散防止層207を形成したが、これに代えて、nチャネル用金属含有膜208の形成後に、例えば窒素及び酸素の少なくとも一方のイオン注入を行うことにより、pチャネル用金属含有膜205とnチャネル用金属含有膜208との積層界面近傍を改質して拡散防止層207を形成してもよい。この場合、pチャネル用金属含有膜205の上面近傍(つまり表面部)のみならず、nチャネル用金属含有膜208の下面近傍にも拡散防止層207を形成することができるので、拡散防止効果を高めるのに効果的である。   In the present embodiment, the diffusion prevention layer 207 is formed before the formation of the n-channel metal-containing film 208 shown in FIG. 4E. Instead, after the formation of the n-channel metal-containing film 208, For example, the diffusion prevention layer 207 may be formed by modifying the vicinity of the stacked interface between the p-channel metal-containing film 205 and the n-channel metal-containing film 208 by implanting at least one of nitrogen and oxygen, for example. Good. In this case, the diffusion prevention layer 207 can be formed not only near the upper surface (that is, the surface portion) of the p-channel metal-containing film 205 but also near the lower surface of the n-channel metal-containing film 208. It is effective to raise.

また、本実施形態においては、図4(a)〜(d)に示すように、CMISデバイス形成領域全体にpチャネル用金属含有膜205を形成した後、PMIS領域を覆うマスクパターン206を用いて、NMIS領域に位置する部分のpチャネル用金属含有膜205をエッチバックして選択的に除去し、その後、残存するpチャネル用金属含有膜205上に拡散防止層207を形成した。しかし、これに代えて、図6(a)〜(d)に示すように、CMISデバイス形成領域全体にpチャネル用金属含有膜205を形成した後、pチャネル用金属含有膜205上に拡散防止層207を形成し、その後、NMIS領域に位置する部分のpチャネル用金属含有膜205及び拡散防止層207をエッチバックして選択的に除去してもよい。尚、pチャネル用金属含有膜205の選択的除去と拡散防止層207の形成との前後関係については、各ゲート電極材料の組み合わせによって決まる選択性等に応じて最適のシーケンスを選択すればよい。具体的には、図4(a)〜(d)に示すシーケンスの場合、pチャネル用金属含有膜205のエッチングは簡単になるものの、NMIS領域に位置する部分の高誘電率絶縁膜204に対するダメージは、pチャネル用金属含有膜205のエッチング、及び拡散防止層207の形成による2回生じる。一方、図6(a)〜(d)に示すシーケンスの場合、pチャネル用金属含有膜205及び拡散防止層207のエッチングは複雑になるものの、NMIS領域に位置する部分の高誘電率絶縁膜204に対するダメージは、pチャネル用金属含有膜205及び拡散防止層207のエッチングによる1回だけ生じる。   Further, in the present embodiment, as shown in FIGS. 4A to 4D, a p-channel metal-containing film 205 is formed over the entire CMIS device formation region, and then a mask pattern 206 that covers the PMIS region is used. The portion of the p-channel metal-containing film 205 located in the NMIS region was etched back and selectively removed, and then the diffusion prevention layer 207 was formed on the remaining p-channel metal-containing film 205. However, instead of this, as shown in FIGS. 6A to 6D, after the p-channel metal-containing film 205 is formed over the entire CMIS device formation region, diffusion prevention is performed on the p-channel metal-containing film 205. The layer 207 may be formed, and then the p-channel metal-containing film 205 and the diffusion prevention layer 207 located in the NMIS region may be selectively removed by etching back. Note that an optimal sequence may be selected according to the selectivity determined by the combination of the gate electrode materials, etc., as to the relationship between the selective removal of the p-channel metal-containing film 205 and the formation of the diffusion prevention layer 207. Specifically, in the sequence shown in FIGS. 4A to 4D, although the etching of the p-channel metal-containing film 205 is simplified, damage to the high dielectric constant insulating film 204 in the portion located in the NMIS region is simplified. Is generated twice by etching the p-channel metal-containing film 205 and forming the diffusion prevention layer 207. On the other hand, in the sequence shown in FIGS. 6A to 6D, although the etching of the p-channel metal-containing film 205 and the diffusion prevention layer 207 is complicated, the portion of the high-dielectric-constant insulating film 204 located in the NMIS region is complicated. Is caused only once by etching of the p-channel metal-containing film 205 and the diffusion prevention layer 207.

また、本実施形態においては、pチャネル用金属含有膜205を先に形成したため、pチャネル用ゲート電極212bが、pチャネル用金属含有膜205bとnチャネル用金属含有膜208bとの積層構造を持つので、pチャネル用ゲート電極212bにおけるpチャネル用金属含有膜205bとnチャネル用金属含有膜208bとの間に拡散防止層207bを形成した。しかし、これに代えて、nチャネル用金属含有膜を先に形成することにより、nチャネル用ゲート電極が、nチャネル用金属含有膜とpチャネル用金属含有膜との積層構造を持ち、それに対応して、nチャネル用ゲート電極におけるnチャネル用金属含有膜とpチャネル用金属含有膜との間に拡散防止層を形成してもよい。このとき、nチャネル用金属含有膜がHf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の窒化物若しくは炭化物からなり、pチャネル用金属含有膜がPt、Pd若しくはRu等の貴金属、又はTi、Ta、W若しくはNiを含む金属窒化物からなる場合、拡散防止層は、例えばTi又はTaを含む酸化物から構成されていてもよい。或いは、nチャネル用金属含有膜がHf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の窒化物(但しTi又はTaの窒化物を除く)若しくは炭化物からなる場合、拡散防止層は、例えばTi又はTaを含む金属窒化物から構成されていてもよい。或いは、nチャネル用金属含有膜がHf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の炭化物からなる場合、拡散防止層は、nチャネル用金属含有膜を構成する材料の酸化物、窒化物又は酸窒化物から構成されていてもよい。或いは、nチャネル用金属含有膜がHf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属の窒化物、又は前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金の窒化物からなる場合、拡散防止層は、nチャネル用金属含有膜を構成する材料の酸化物から構成されていてもよい。   In this embodiment, since the p-channel metal-containing film 205 is formed first, the p-channel gate electrode 212b has a stacked structure of the p-channel metal-containing film 205b and the n-channel metal-containing film 208b. Therefore, the diffusion prevention layer 207b is formed between the p-channel metal-containing film 205b and the n-channel metal-containing film 208b in the p-channel gate electrode 212b. However, instead of this, by forming the n-channel metal-containing film first, the n-channel gate electrode has a laminated structure of the n-channel metal-containing film and the p-channel metal-containing film. A diffusion prevention layer may be formed between the n-channel metal-containing film and the p-channel metal-containing film in the n-channel gate electrode. In this case, the n-channel metal-containing film is one metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta, and Al, and an alloy of two or more metals selected from the metal group Or when the p-channel metal-containing film is made of a noble metal such as Pt, Pd, or Ru, or a metal nitride containing Ti, Ta, W, or Ni. The diffusion prevention layer may be made of an oxide containing, for example, Ti or Ta. Alternatively, the n-channel metal-containing film is one metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta and Al, an alloy of two or more metals selected from the metal group, Alternatively, in the case of a nitride of the one metal or the alloy (except for a nitride of Ti or Ta) or a carbide, the diffusion prevention layer may be made of a metal nitride containing Ti or Ta, for example. Alternatively, the n-channel metal-containing film is one metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta and Al, an alloy of two or more metals selected from the metal group, Or when it consists of carbide | carbonized_material of said one metal or said alloy, the diffusion prevention layer may be comprised from the oxide, nitride, or oxynitride of the material which comprises the metal content film | membrane for n channels. Alternatively, the n-channel metal-containing film is a nitride of one metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta, and Al, or two or more selected from the metal group When made of a metal alloy nitride, the diffusion prevention layer may be made of an oxide of the material constituting the n-channel metal-containing film.

また、本実施形態において、pチャネル用金属含有膜205及びnチャネル用金属含有膜208はそれぞれ仕事関数調整層を含んでいても良い。また、本実施形態において、nチャネル用ゲート電極212aをnチャネル用金属含有膜208a及び導電膜209aから構成し、pチャネル用ゲート電極212bをpチャネル用金属含有膜205b、拡散防止層207b、nチャネル用金属含有膜208b及び導電膜209bから構成したが、少なくともpチャネル用ゲート電極212bが導電膜209を含まない場合もあり得る。   In this embodiment, the p-channel metal-containing film 205 and the n-channel metal-containing film 208 may each include a work function adjusting layer. In the present embodiment, the n-channel gate electrode 212a is composed of the n-channel metal-containing film 208a and the conductive film 209a, and the p-channel gate electrode 212b is composed of the p-channel metal-containing film 205b, the diffusion prevention layer 207b, n Although the channel metal-containing film 208b and the conductive film 209b are included, at least the p-channel gate electrode 212b may not include the conductive film 209.

また、本実施形態において、pチャネル用ゲート電極212bにおけるpチャネル用金属含有膜205bとnチャネル用金属含有膜208bとの間の合金化反応を防止するために、pチャネル用金属含有膜205bとnチャネル用金属含有膜207bとの間に拡散防止層207bを形成した。しかし、nチャネル用ゲート電極212aにおけるnチャネル用金属含有膜208aと導電膜209aとの間でも合金化反応が生じる恐れがある場合には、nチャネル用金属含有膜208aと導電膜209aとの間に拡散防止層を形成してもよいことは言うまでもない。   In this embodiment, in order to prevent an alloying reaction between the p-channel metal-containing film 205b and the n-channel metal-containing film 208b in the p-channel gate electrode 212b, the p-channel metal-containing film 205b A diffusion prevention layer 207b was formed between the n-channel metal-containing film 207b. However, when an alloying reaction may occur between the n-channel metal-containing film 208a and the conductive film 209a in the n-channel gate electrode 212a, the n-channel metal-containing film 208a and the conductive film 209a Needless to say, a diffusion preventing layer may be formed.

本発明は、仕事関数を決定する金属含有膜を含むゲート電極を有する半導体装置において、異種のゲート電極用金属含有膜の積層構造における界面合金化反応を抑制して所望の仕事関数を得ることを可能とするものであり、適切な閾値電圧を有するCMIS型の半導体装置等の実現に有用である。   The present invention provides a semiconductor device having a gate electrode including a metal-containing film that determines a work function, and obtains a desired work function by suppressing an interface alloying reaction in a laminated structure of metal-containing films for different types of gate electrodes. It is possible to realize a CMIS type semiconductor device having an appropriate threshold voltage.

100 基板
102 素子分離領域
103a p型ウェル領域
103b n型ウェル領域
104 絶縁膜
104a、104b ダミーゲート絶縁膜
105 ダミーゲート電極膜
105a nチャネル用ダミーゲート電極
105b pチャネル用ダミーゲート電極
106 マスクパターン
107a n型エクステンション領域
107b p型エクステンション領域
108a、108b 絶縁性サイドウォールスペーサ
109a n型ソース/ドレイン領域
109b p型ソース/ドレイン領域
110 層間絶縁膜
111a、111b リセス
112a、112b 下地膜
113、113a、113b 高誘電率絶縁膜
114、114b pチャネル用金属含有膜
115、115b 拡散防止層
116 マスクパターン
117、117a、117b nチャネル用金属含有膜
118、118a、118b 導電膜
119a、119b ゲート絶縁膜
120a nチャネル用ゲート電極
120b pチャネル用ゲート電極
200 基板
201 素子分離領域
202a p型ウェル領域
202b n型ウェル領域
203、203a、203b 下地膜
204、204a、204b 高誘電率絶縁膜
205、205b pチャネル用金属含有膜
206 マスクパターン
207、207b 拡散防止層
208、208a、208b nチャネル用金属含有膜
209、209a、209b 導電膜
210 マスクパターン
211a、211b ゲート絶縁膜
212a nチャネル用ゲート電極
212b pチャネル用ゲート電極
213a n型エクステンション領域
213b p型エクステンション領域
214a、214b 絶縁性サイドウォールスペーサ
215a n型ソース/ドレイン領域
215b p型ソース/ドレイン領域
100 substrate 102 element isolation region 103a p-type well region 103b n-type well region 104 insulating film 104a, 104b dummy gate insulating film 105 dummy gate electrode film 105a n-channel dummy gate electrode 105b p-channel dummy gate electrode 106 mask pattern 107a n Type extension region 107b p type extension region 108a, 108b insulating sidewall spacer 109a n type source / drain region 109b p type source / drain region 110 interlayer insulating film 111a, 111b recess 112a, 112b base film 113, 113a, 113b high dielectric Insulating rate 114, 114b Metal film for p channel 115, 115b Diffusion prevention layer 116 Mask pattern 117, 117a, 117b For n channel Metal-containing film 118, 118a, 118b Conductive film 119a, 119b Gate insulating film 120a N-channel gate electrode 120b P-channel gate electrode 200 Substrate 201 Element isolation region 202a P-type well region 202b N-type well region 203, 203a, 203b Base film 204, 204a, 204b High dielectric constant insulating film 205, 205b Metal-containing film for p-channel 206 Mask pattern 207, 207b Diffusion prevention layer 208, 208a, 208b Metal-containing film for n-channel 209, 209a, 209b Conductive film 210 Mask pattern 211a, 211b Gate insulating film 212a n-channel gate electrode 212b p-channel gate electrode 213a n-type extension region 213b p-type extension region 214a, 214b Insulation Side wall spacer 215a n-type source / drain region 215b p-type source / drain region

Claims (23)

第1のゲート電極を有する第1導電型MISFETと、第2のゲート電極を有する第2導電型MISFETとを半導体基板上に備えた半導体装置であって、
前記第1のゲート電極は、第1の仕事関数を有する第1の金属含有膜と、前記第1の金属含有膜上に形成されており且つ第2の仕事関数を有する第2の金属含有膜とを含み、
前記第2のゲート電極は、前記第1の金属含有膜を含まないと共に前記第2の金属含有膜を含み、
前記第1のゲート電極における前記第1の金属含有膜と前記第2の金属含有膜との間に拡散防止層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device comprising a first conductivity type MISFET having a first gate electrode and a second conductivity type MISFET having a second gate electrode on a semiconductor substrate,
The first gate electrode includes a first metal-containing film having a first work function, and a second metal-containing film formed on the first metal-containing film and having a second work function. Including
The second gate electrode does not include the first metal-containing film and includes the second metal-containing film,
A semiconductor device, wherein a diffusion prevention layer is formed between the first metal-containing film and the second metal-containing film in the first gate electrode.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記拡散防止層は、前記第1の金属含有膜を構成する材料の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The diffusion prevention layer is made of an oxide, nitride or oxynitride of a material constituting the first metal-containing film.
請求項1又は2に記載の半導体装置において、
前記第1導電型MISFETはpチャネルMISFETであり、
前記第2導電型MISFETはnチャネルMISFETであり、
前記第1の金属含有膜は、Ti、Ta、W若しくはNiを含む金属窒化物、又は貴金属からなり、
前記第2の金属含有膜は、Hf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の窒化物若しくは炭化物からなることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The first conductivity type MISFET is a p-channel MISFET,
The second conductivity type MISFET is an n-channel MISFET,
The first metal-containing film is made of a metal nitride containing Ti, Ta, W or Ni, or a noble metal,
The second metal-containing film includes one metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta, and Al, an alloy of two or more metals selected from the metal group, Alternatively, the semiconductor device is made of a nitride or carbide of the one metal or the alloy.
請求項3に記載の半導体装置において、
前記拡散防止層は、Ti又はTaを含む酸化物からなることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3.
The diffusion preventing layer is made of an oxide containing Ti or Ta.
請求項3に記載の半導体装置において、
前記第1の金属含有膜は、W若しくはNiを含む金属窒化物、又は貴金属からなり、
前記拡散防止層は、Ti又はTaを含む金属窒化物からなることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3.
The first metal-containing film is made of a metal nitride containing W or Ni, or a noble metal,
The diffusion preventing layer is made of a metal nitride containing Ti or Ta.
請求項3に記載の半導体装置において、
前記第1の金属含有膜は、貴金属からなり、
前記拡散防止層は、貴金属の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3.
The first metal-containing film is made of a noble metal,
The diffusion prevention layer is made of a noble metal oxide, nitride, or oxynitride.
請求項3に記載の半導体装置において、
前記第1の金属含有膜は、Ti、Ta、W又はNiを含む金属窒化物からなり、
前記拡散防止層は、Ti、Ta、W又はNiを含む金属酸窒化物からなることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3.
The first metal-containing film is made of a metal nitride containing Ti, Ta, W or Ni,
The diffusion preventing layer is made of a metal oxynitride containing Ti, Ta, W, or Ni.
請求項1又は2に記載の半導体装置において、
前記第1導電型MISFETはnチャネルMISFETであり、
前記第2導電型MISFETはpチャネルMISFETであり、
前記第1の金属含有膜は、Hf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の窒化物若しくは炭化物からなり、
前記第2の金属含有膜は、Ti、Ta、W若しくはNiを含む金属窒化物、又は貴金属からなることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The first conductivity type MISFET is an n-channel MISFET,
The second conductivity type MISFET is a p-channel MISFET,
The first metal-containing film includes one metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta, and Al, an alloy of two or more metals selected from the metal group, Or consisting of a nitride or carbide of the one metal or the alloy,
The semiconductor device, wherein the second metal-containing film is made of a metal nitride containing Ti, Ta, W, or Ni, or a noble metal.
請求項8に記載の半導体装置において、
前記拡散防止層は、Ti又はTaを含む酸化物からなることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 8,
The diffusion preventing layer is made of an oxide containing Ti or Ta.
請求項8に記載の半導体装置において、
前記第1の金属含有膜は、Hf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の窒化物(但しTi又はTaの窒化物を除く)若しくは炭化物からなり、
前記拡散防止層は、Ti又はTaを含む金属窒化物からなることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 8,
The first metal-containing film includes one metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta, and Al, an alloy of two or more metals selected from the metal group, Or a nitride (except for Ti or Ta nitride) or a carbide of the one metal or the alloy,
The diffusion preventing layer is made of a metal nitride containing Ti or Ta.
請求項8に記載の半導体装置において、
前記第1の金属含有膜は、Hf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属、前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金、又は前記1つの金属若しくは前記合金の炭化物からなり、
前記拡散防止層は、前記第1の金属含有膜を構成する材料の酸化物、窒化物又は酸窒化物からなることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 8,
The first metal-containing film includes one metal selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta, and Al, an alloy of two or more metals selected from the metal group, Or a carbide of the one metal or the alloy,
The diffusion prevention layer is made of an oxide, nitride or oxynitride of a material constituting the first metal-containing film.
請求項8に記載の半導体装置において、
前記第1の金属含有膜は、Hf、Zr、Ti、Ta及びAlを包含する金属群の中から選ばれた1つの金属の窒化物、又は前記金属群の中から選ばれた2つ以上の金属の合金の窒化物からなり、
前記拡散防止層は、前記第1の金属含有膜を構成する材料の酸化物からなることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 8,
The first metal-containing film may be one metal nitride selected from a metal group including Hf, Zr, Ti, Ta, and Al, or two or more selected from the metal group. Made of metal alloy nitride,
The said diffusion prevention layer consists of an oxide of the material which comprises said 1st metal containing film | membrane, The semiconductor device characterized by the above-mentioned.
請求項1〜12のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極のそれぞれの下に、高誘電率絶縁膜を含むゲート絶縁膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 12,
A semiconductor device, wherein a gate insulating film including a high dielectric constant insulating film is formed under each of the first gate electrode and the second gate electrode.
請求項13に記載の半導体装置において、
前記ゲート絶縁膜は、前記高誘電率絶縁膜の下に形成されており且つシリコン酸化膜からなる下地膜を含むことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 13,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film is formed under the high dielectric constant insulating film and includes a base film made of a silicon oxide film.
請求項1〜14のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極はそれぞれ、前記第2の金属含有膜上に形成された導電膜を含むことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
Each of the first gate electrode and the second gate electrode includes a conductive film formed on the second metal-containing film.
第1のゲート電極を有する第1導電型MISFETと、第2のゲート電極を有する第2導電型MISFETとを半導体基板上に備えた半導体装置の製造方法であって、
前記半導体基板における前記第1導電型MISFETの形成領域の上に、第1の仕事関数を有する第1の金属含有膜を形成する工程(a)と、
前記工程(a)よりも後に、前記第1の金属含有膜の上、及び前記半導体基板における前記第2導電型MISFETの形成領域の上に、第2の仕事関数を有する第2の金属含有膜を形成する工程(b)と、
前記工程(b)よりも後に、前記第1の金属含有膜及び前記第2の金属含有膜をパターニングして、前記第1の金属含有膜及び前記第2の金属含有膜を含む前記第1のゲート電極と、前記第1の金属含有膜を含まないと共に前記第2の金属含有膜を含む前記第2のゲート電極とを形成する工程(c)とを備え、
前記工程(a)と前記工程(c)との間に、前記第1のゲート電極における前記第1の金属含有膜と前記第2の金属含有膜との間に介在する拡散防止層を形成する工程(d)をさらに備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method for manufacturing a semiconductor device comprising a first conductivity type MISFET having a first gate electrode and a second conductivity type MISFET having a second gate electrode on a semiconductor substrate,
Forming a first metal-containing film having a first work function on the formation region of the first conductivity type MISFET in the semiconductor substrate;
After the step (a), a second metal-containing film having a second work function on the first metal-containing film and on the formation region of the second conductivity type MISFET in the semiconductor substrate. Forming step (b);
After the step (b), the first metal-containing film and the second metal-containing film are patterned to include the first metal-containing film and the second metal-containing film. And (c) forming a gate electrode and the second gate electrode not including the first metal-containing film and including the second metal-containing film,
A diffusion prevention layer interposed between the first metal-containing film and the second metal-containing film in the first gate electrode is formed between the step (a) and the step (c). A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising a step (d).
請求項16に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程(d)において、前記第1の金属含有膜の表面部を改質することによって前記拡散防止層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 16,
In the step (d), the diffusion preventing layer is formed by modifying a surface portion of the first metal-containing film.
請求項17に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程(d)は、前記工程(b)よりも前に実施され、
前記工程(d)において、酸素及び窒素の少なくとも一方を含む雰囲気中での熱処理又はプラズマ処理によって、前記第1の金属含有膜の表面部を改質することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 17,
The step (d) is performed before the step (b),
In the step (d), the surface portion of the first metal-containing film is modified by heat treatment or plasma treatment in an atmosphere containing at least one of oxygen and nitrogen.
請求項18に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程(a)は、前記半導体基板における前記第1導電型MISFET及び前記第2導電型MISFETのそれぞれの形成領域の上に、前記第1の金属含有膜を形成する工程(a1)と、前記工程(a1)よりも後に、前記第2導電型MISFETの形成領域の上に形成された部分の前記第1の金属含有膜を選択的に除去する工程(a2)とを含み、
前記工程(d)は、前記工程(a1)と前記工程(a2)との間に実施され、
前記工程(d)において、前記第1導電型MISFET及び前記第2導電型MISFETのそれぞれの形成領域の上に形成された前記第1の金属含有膜の表面部を改質することによって前記拡散防止層を形成し、
前記工程(a2)において、前記第2導電型MISFETの形成領域の上に形成された部分の前記拡散防止層を選択的に除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 18,
The step (a) includes the step (a1) of forming the first metal-containing film on the respective formation regions of the first conductivity type MISFET and the second conductivity type MISFET in the semiconductor substrate; A step (a2) of selectively removing a portion of the first metal-containing film formed on the formation region of the second conductivity type MISFET after the step (a1);
The step (d) is performed between the step (a1) and the step (a2),
In the step (d), the diffusion prevention is achieved by modifying the surface portion of the first metal-containing film formed on the respective formation regions of the first conductivity type MISFET and the second conductivity type MISFET. Forming a layer,
In the step (a2), a method of manufacturing a semiconductor device, wherein a portion of the diffusion prevention layer formed on a formation region of the second conductivity type MISFET is selectively removed.
請求項17に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程(d)は、前記工程(b)よりも後に実施され、
前記工程(d)において、酸素及び窒素の少なくとも一方のイオン注入によって、前記第1の金属含有膜の表面部を改質することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 17,
The step (d) is performed after the step (b),
In the step (d), a surface portion of the first metal-containing film is modified by ion implantation of at least one of oxygen and nitrogen.
請求項16に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程(d)は、前記工程(b)よりも前に実施され、
前記工程(d)において、前記第1の金属含有膜の上に前記拡散防止層を成膜することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 16,
The step (d) is performed before the step (b),
In the step (d), the diffusion preventing layer is formed on the first metal-containing film.
請求項21に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程(a)は、前記半導体基板における前記第1導電型MISFET及び前記第2導電型MISFETのそれぞれの形成領域の上に、前記第1の金属含有膜を形成する工程(a1)と、前記工程(a1)よりも後に、前記第2導電型MISFETの形成領域の上に形成された部分の前記第1の金属含有膜を選択的に除去する工程(a2)とを含み、
前記工程(d)は、前記工程(a1)と前記工程(a2)との間に実施され、
前記工程(d)において、前記第1導電型MISFET及び前記第2導電型MISFETのそれぞれの形成領域の上に形成された前記第1の金属含有膜の上に前記拡散防止層を成膜し、
前記工程(a2)において、前記第2導電型MISFETの形成領域の上に形成された部分の前記拡散防止層を選択的に除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 21,
The step (a) includes the step (a1) of forming the first metal-containing film on the respective formation regions of the first conductivity type MISFET and the second conductivity type MISFET in the semiconductor substrate; A step (a2) of selectively removing a portion of the first metal-containing film formed on the formation region of the second conductivity type MISFET after the step (a1);
The step (d) is performed between the step (a1) and the step (a2),
In the step (d), the diffusion prevention layer is formed on the first metal-containing film formed on the respective formation regions of the first conductivity type MISFET and the second conductivity type MISFET,
In the step (a2), a method of manufacturing a semiconductor device, wherein a portion of the diffusion prevention layer formed on a formation region of the second conductivity type MISFET is selectively removed.
請求項16〜22のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1のゲート電極及び前記第2のゲート電極をゲートラスト法を用いて形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device of any one of Claims 16-22,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first gate electrode and the second gate electrode are formed by a gate last method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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