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JP2008130798A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2008130798A
JP2008130798A JP2006314013A JP2006314013A JP2008130798A JP 2008130798 A JP2008130798 A JP 2008130798A JP 2006314013 A JP2006314013 A JP 2006314013A JP 2006314013 A JP2006314013 A JP 2006314013A JP 2008130798 A JP2008130798 A JP 2008130798A
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gate electrode
metal
film
semiconductor device
forming
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JP2006314013A
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Kazuhiko Yamamoto
和彦 山本
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

【課題】n型MOSFET及びp型MOSFETの閾値電圧を安定化でき、且つ信頼性の劣化を防ぐことのできるフルシリサイドゲート電極を有する半導体装置を実現できるようにする。
【解決手段】半導体基板11と、半導体基板11に形成されたn型トランジスタ形成領域13Aに形成され、フルシリサイドゲート電極24を有するn型MOSFETと、半導体基板に形成されたp型トランジスタ形成領域13Bに形成され、フルシリサイドゲート電極24と同一の膜厚を有するフルシリサイドゲート電極23を有するp型MOSFETとを備え、フルシリサイドゲート電極23及び24は、それぞれ金属シリサイドからなることを特徴とする半導体装置。
【選択図】図1
A semiconductor device having a full silicide gate electrode capable of stabilizing the threshold voltage of an n-type MOSFET and a p-type MOSFET and preventing deterioration in reliability is provided.
A semiconductor substrate, an n-type MOSFET having a full silicide gate electrode formed on an n-type transistor forming region formed on the semiconductor substrate, and a p-type transistor forming region formed on the semiconductor substrate. And a p-type MOSFET having a full silicide gate electrode 23 having the same film thickness as the full silicide gate electrode 24, and the full silicide gate electrodes 23 and 24 are each made of metal silicide. apparatus.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に金属シリサイド膜からなるゲート電極を有するMOS(Metal Oxide Semiconductor)構造の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 MOS (Metal Oxide Semiconductor) structure having a gate electrode made of a metal silicide film and a manufacturing method thereof.

近年、半導体装置における高集積化及び高速化に対する技術進展に伴い、金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)の微細化が進められている。特に、MOSFETの微細化のために、従来より用いられている酸化シリコン(SiO)及び酸窒化シリコン(SiON)等のシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜の薄膜化が進められている。しかし、ゲート絶縁膜の微細化に伴い、トンネル効果によるゲートリーク電流の増大という問題が顕在化してくる。このため、ゲートリーク電流を増加させずに、さらなる薄膜化を実現するため、ゲート電極の材料をポリシリコンから金属に代えて、電極空乏化に伴う容量低下を防ぐ等の対策が研究されている。 2. Description of the Related Art In recent years, metal oxide field effect transistors (MOSFETs) have been miniaturized along with technological progress toward higher integration and higher speed in semiconductor devices. In particular, in order to miniaturize a MOSFET, a gate insulating film made of a silicon oxide film such as silicon oxide (SiO 2 ) and silicon oxynitride (SiON), which has been conventionally used, is being made thinner. However, with the miniaturization of the gate insulating film, the problem of an increase in gate leakage current due to the tunnel effect becomes obvious. For this reason, in order to realize further thinning without increasing the gate leakage current, measures such as changing the material of the gate electrode from polysilicon to metal to prevent a decrease in capacity due to electrode depletion have been studied. .

そこで、金属材料からなるゲート電極の1つとして、フルシリサイドゲート電極が提案されている。フルシリサイドゲート電極は、ゲート絶縁膜の上に堆積したポリシリコン膜の上に金属を直接に堆積し、熱処理によってポリシリコン膜全体を金属シリサイド化することにより形成している(例えば、特許文献1を参照。)。このプロセスによると、まずポリシリコンからなるゲート電極を形成し、その後ゲート電極を完全に金属シリサイド化させて作製することになる。このため、デュアルメタルゲートプロセスとフルシリサイドゲートプロセスとを比較すると、デュアルメタルゲートプロセスでは、n型MOSFETとp型MOSFETとにそれぞれ異なる金属材料の堆積と、ゲート長が100nm以下の微細な加工と、ゲート絶縁膜上にダメージを与えることなく金属材料の選択的な除去とを行わなければならない。これに対し、フルシリサイドゲートプロセスでは、このような微細化に伴う技術的な困難がない。このため、従来のSiO、SiONゲート絶縁膜における電極空乏化による容量低下を防止するためにフルシリサイドゲート電極を用いることが期待されている。 Therefore, a full silicide gate electrode has been proposed as one of gate electrodes made of a metal material. The full silicide gate electrode is formed by directly depositing a metal on a polysilicon film deposited on a gate insulating film and silicidizing the entire polysilicon film by heat treatment (for example, Patent Document 1). See). According to this process, a gate electrode made of polysilicon is first formed, and then the gate electrode is completely metal-silicided. Therefore, when the dual metal gate process and the full silicide gate process are compared, in the dual metal gate process, different metal materials are deposited on the n-type MOSFET and the p-type MOSFET, and fine processing with a gate length of 100 nm or less is performed. The metal material must be selectively removed without damaging the gate insulating film. On the other hand, in the full silicide gate process, there is no technical difficulty associated with such miniaturization. For this reason, it is expected that a full silicide gate electrode is used in order to prevent a decrease in capacity due to electrode depletion in a conventional SiO 2 or SiON gate insulating film.

一方、ゲート絶縁膜の材料として、SiO及びSiON等のシリコン酸化物に代えて、ハフニウムオキサイド(HfO)及びジルコニウムオキサイド(ZrO)等の金属酸化物からなる高誘電体材料に置き換えることが検討されている。ゲート絶縁膜の材料として金属酸化物を用いると、シリコン酸化膜を用いるよりも薄い膜厚を実現しながら膜厚を厚くしたような物理的性質を実現することができるため、リーク電流を低減する効果が期待できる。 On the other hand, the gate insulating film may be replaced with a high-dielectric material made of a metal oxide such as hafnium oxide (HfO 2 ) or zirconium oxide (ZrO 2 ) instead of silicon oxide such as SiO 2 or SiON. It is being considered. When a metal oxide is used as the material of the gate insulating film, the physical properties such as increasing the film thickness can be realized while realizing a thinner film thickness than using the silicon oxide film, thereby reducing leakage current. The effect can be expected.

しかし、ポリシリコンからなるゲート電極を有するMOSFETにゲート絶縁膜として金属酸化物を用いると、ゲート絶縁膜の上部界面、すなわちゲート絶縁膜とゲート電極との界面における反応に起因して、トランジスタを動作させる際の閾値電圧の絶対値が大きくなってしまうという問題が生じる。その原因は明らかなっていないが、トランジスタ製造プロセスにおいて、半導体基板が1000℃程度の高温のプロセスに晒されるため、ゲート電極材料とゲート絶縁膜材料とが反応してしまうことが疑われている。   However, if a metal oxide is used as a gate insulating film for a MOSFET having a gate electrode made of polysilicon, the transistor operates due to a reaction at the upper interface of the gate insulating film, that is, the interface between the gate insulating film and the gate electrode. This causes a problem that the absolute value of the threshold voltage becomes large. Although the cause is not clear, it is suspected that the gate electrode material reacts with the gate insulating film material because the semiconductor substrate is exposed to a high temperature process of about 1000 ° C. in the transistor manufacturing process.

ゲート電極材料とゲート絶縁膜材料とが反応することにより、ゲート電極材料の実効的な仕事関数が変化する現象(フェルミレベルピニング)が生じる。例えば、ゲート電極材料にポリシリコンを使用すると、ポリシリコンの実効的な仕事関数の値が、ポリシリコンのドーパントの種類によらず、ポリシリコンのミッドギャップ(バンドギャップエネルギーの中間値)よりもややnポリシリコン寄りに固定されることが報告されている(非特許文献1を参照。)。このことにより、特にp型MOSFETの閾値電圧の絶対値が相当に大きくなってしまうため、ゲート絶縁膜の材料が高誘電体の場合には、SiOゲート絶縁膜で期待される電極空乏化抑制の効果の他に金属からなる電極を用いて最適な仕事関数を選び、閾値電圧を制御することが必要とされる。 The reaction between the gate electrode material and the gate insulating film material causes a phenomenon (Fermi level pinning) in which the effective work function of the gate electrode material changes. For example, when polysilicon is used as the gate electrode material, the effective work function value of polysilicon is slightly higher than the mid gap (intermediate value of band gap energy) of polysilicon regardless of the type of dopant of polysilicon. It is reported that it is fixed near n + polysilicon (see Non-Patent Document 1). As a result, the absolute value of the threshold voltage of the p-type MOSFET becomes particularly large, so that when the material of the gate insulating film is a high dielectric material, electrode depletion suppression expected in the SiO 2 gate insulating film is suppressed. In addition to the above effect, it is necessary to select an optimal work function using an electrode made of metal and control the threshold voltage.

このためにも、高誘電体ゲート絶縁膜におけるフェルミレベルピニングによるp型MOSFETの閾値電圧上昇を回避するために、金属からなる電極としてフルシリサイドゲート電極を用いることが期待されている。
特開2006−140319号公報 C. Hobbs, L. Fonseca, V. Dhandapani, S. Samavedam, B. Taylor, J. Grant, L. Dip, D. Triyoso, R. Hegde, D. Gilmer, R. Garcia, D. Roan, L. Lovejoy, R. Rai, L. Hebert, H. Tseng, B. White, and P. Tobin,“Fermi level pinning at the polySi/metal oxide interface”,Proceedings of the 2003 Symposium on VLSI Technology,2003年,p.9−10 A. Veloso, T. Hoffmann, A. Lauwers, S. Brus, J. F. de Marneffe, S. Locorotondo, C. Vrancken, T. Kauerauf, A. Shickova, B. Sijmus, H. Tigelaar, M. A. Pawlak, H. Y. Yu, C. Demeurisse, S. Kubicek, C. Kerner, T. Chiarella, O. Richard, H. Bender, M. Niwa, P. Absil, M. Jurczak, S. Biesemans, and J. A. Kittl,“Dual work function controlled Ni-FUSI CMOS (NiSi NMOS, Ni2Si or Ni31Si12 PMOS): Manufacturability, Reliability & Process window Improvement by Sacrificial SiGe cap”,Proceedings of the 2006 Symposium on VLSI Technology,2006年。
For this reason, in order to avoid an increase in threshold voltage of the p-type MOSFET due to Fermi level pinning in the high dielectric gate insulating film, it is expected to use a full silicide gate electrode as an electrode made of metal.
JP 2006-140319 A C. Hobbs, L. Fonseca, V. Dhandapani, S. Samavedam, B. Taylor, J. Grant, L. Dip, D. Triyoso, R. Hegde, D. Gilmer, R. Garcia, D. Roan, L. Lovejoy, R. Rai, L. Hebert, H. Tseng, B. White, and P. Tobin, “Fermi level pinning at the polySi / metal oxide interface”, Proceedings of the 2003 Symposium on VLSI Technology, 2003, p. 9-10 A. Veloso, T. Hoffmann, A. Lauwers, S. Brus, JF de Marneffe, S. Locorotondo, C. Vrancken, T. Kauerauf, A. Shickova, B. Sijmus, H. Tigelaar, MA Pawlak, HY Yu, C. Demeurisse, S. Kubicek, C. Kerner, T. Chiarella, O. Richard, H. Bender, M. Niwa, P. Absil, M. Jurczak, S. Biesemans, and JA Kittl, “Dual work function controlled Ni -FUSI CMOS (NiSi NMOS, Ni2Si or Ni31Si12 PMOS): Manufacturability, Reliability & Process window Improvement by Sacrificial SiGe cap ”, Proceedings of the 2006 Symposium on VLSI Technology, 2006.

しかしながら、n型MOSFETとp型MOSFETに適した閾値電圧を与えるためには、フルシリサイドゲート電極の仕事関数が、金属とシリコンとの組成比によって変化することを考慮し、金属とシリコンとの組成比が二種類以上になる金属シリサイド層を同一半導体基板上に形成しなければならない。この課題に対しては、例えばp型MOSFETのゲート電極を形成するためのポリシリコン膜厚を、n型MOSFETのポリシリコン膜厚よりも薄く形成した後で、同一膜厚の金属とポリシリコンからなるゲート電極とを反応させることにより、p型MOSFETにn型MOSFETよりも金属過剰な金属シリサイドゲート電極を形成する試みが提案されている。薄膜化されたポリシリコン膜と金属とが反応して形成された金属シリサイド膜の組成はシリコンに対して金属が過剰となり、仕事関数が増大し、低い閾値電圧を実現したp型MOSFETを作製することができる。しかし、p型MOSFETのポリシリコンのみを選択的に制御性よくエッチングすることは、技術的に困難である。   However, in order to provide a threshold voltage suitable for the n-type MOSFET and the p-type MOSFET, the work function of the full silicide gate electrode changes depending on the composition ratio of the metal and silicon, and the composition of the metal and silicon. Metal silicide layers having a ratio of two or more must be formed on the same semiconductor substrate. To solve this problem, for example, after forming the polysilicon film thickness for forming the gate electrode of the p-type MOSFET thinner than the polysilicon film thickness of the n-type MOSFET, the metal film and the polysilicon having the same film thickness are used. There has been proposed an attempt to form a metal silicide gate electrode having a metal excess in the p-type MOSFET as compared with the n-type MOSFET by reacting with the gate electrode. The composition of the metal silicide film formed by the reaction between the thinned polysilicon film and the metal is such that the metal is excessive with respect to silicon, the work function is increased, and a p-type MOSFET realizing a low threshold voltage is manufactured. be able to. However, it is technically difficult to selectively etch only the polysilicon of the p-type MOSFET with good controllability.

なぜなら、サイドウォールで囲まれたポリシリコンからなるゲート電極をエッチングすることは、サイドウォールの高さとゲート電極高さの関係で決まる形状起因のエッチングレート差が生じ、均一にエッチングすることが難しい。   This is because it is difficult to etch a gate electrode made of polysilicon surrounded by a sidewall because of a difference in etching rate due to the shape determined by the relationship between the height of the sidewall and the height of the gate electrode.

また、異なるゲート長に対しても同一の膜厚に制御することが必要であるが、特にゲート長が100nm以下ではエッチングの形状を制御することも困難である。   Further, although it is necessary to control the same film thickness for different gate lengths, it is difficult to control the etching shape particularly when the gate length is 100 nm or less.

また、薄膜化したポリシリコン膜を形成するためには、エッチングを途中で止めなければならないため、ドライエッチング中にプラズマの発光現象を利用したエッチング終端検出技術によってエッチングを制御することはできない。従って、エッチングの処理時間で膜厚を調整する必要がある。ところが、エッチングの処理時間による膜厚の調整は、ゲート電極パターンの依存性を受けて最終の残り膜厚が変動しやすい。このため、ポリシリコンの残り膜厚を制御できなければ、金属との反応量も制御できなくなり、金属シリサイドの組成比が安定化せず、トランジスタの閾値電圧を制御することが困難である。   In addition, in order to form a thin polysilicon film, the etching must be stopped halfway, so that the etching cannot be controlled by an etching termination detection technique using the light emission phenomenon of plasma during dry etching. Therefore, it is necessary to adjust the film thickness by the etching processing time. However, the adjustment of the film thickness by the etching processing time tends to change the final remaining film thickness due to the dependency of the gate electrode pattern. Therefore, if the remaining film thickness of polysilicon cannot be controlled, the amount of reaction with metal cannot be controlled, the composition ratio of metal silicide is not stabilized, and it is difficult to control the threshold voltage of the transistor.

また、n型MOSFETよりもp型MOSFETのゲート電極を薄膜にすることに伴い、基板からゲート電極上面までの高さがそれぞれ異なり、ゲート電極に配線を加工する工程で以下のような問題が生じる。つまり、膜厚の異なるゲート電極を形成し、さらに層間膜を堆積した後、ゲート電極上にコンタクトホールを開口する際に、n型MOSFETのゲート電極の膜厚が厚いためゲート電極上の層間膜がp型MOSFETよりも薄くなり、p型MOSFETよりも先にコンタクトホールのエッチングが完了する。しかし、p型MOSFETのゲート電極上面までのエッチングが完了するまでの間エッチングが続けられるため、n型MOSFETのゲート電極はより長くエッチングされることになる。特性を劣化させないためには、できるだけ過剰なエッチングが少なく、n型MOSFET及びp型MOSFETの両方でエッチング時間を等しくできることが望ましい。   Further, as the gate electrode of the p-type MOSFET is made thinner than the n-type MOSFET, the heights from the substrate to the upper surface of the gate electrode are different, and the following problems occur in the process of wiring the gate electrode. . In other words, after forming gate electrodes having different thicknesses, and further depositing an interlayer film, when the contact hole is opened on the gate electrode, the film thickness of the gate electrode of the n-type MOSFET is so thick that the interlayer film on the gate electrode Becomes thinner than the p-type MOSFET, and the etching of the contact hole is completed before the p-type MOSFET. However, since the etching is continued until the etching to the upper surface of the gate electrode of the p-type MOSFET is completed, the gate electrode of the n-type MOSFET is etched longer. In order not to deteriorate the characteristics, it is desirable that the etching time is as small as possible and the etching time can be made equal in both the n-type MOSFET and the p-type MOSFET.

さらに、n型MOSFETとp型MOSFETとに対して最適な金属シリサイド組成が異なる点も問題となる。小さな仕事関数が必要なn型MOSFETでは、金属シリサイドに対するシリコン組成を高くし、大きな仕事関数が必要なp型MOSFETでは、金属シリサイドに対する金属組成を高くすることが要求される。このためには、それぞれの組成を形成するための熱処理反応条件で金属とシリコンとを反応させる必要があり、n型MOSFETでは金属とシリコンとの反応を抑えるために低温で短時間の熱処理反応を、一方、p型MOSFETでは金属とシリコンとの反応を促進するために高温で長時間の熱処理反応を行うことが望ましい。しかし、従来例ではn型MOSFET及びp型MOSFETの金属シリサイド形成を同時に行っているため、双方に対して中間の熱処理反応条件に設定しなければならず、プロセス条件に余裕がない熱処理条件しか行えないという問題がある。特に、n型MOSFETにおいては、金属とシリコンとの反応が進むと金属過剰となり閾値が上昇してしまい、逆に、金属とシリコンとの反応が不十分な場合にはポリシリコンが金属と反応しないまま残りフルシリサイドゲート電極として機能しなくなる。従って、プロセスマージンが少なく閾値電圧のばらつきを制御することが困難である。   Another problem is that the optimum metal silicide composition differs between the n-type MOSFET and the p-type MOSFET. An n-type MOSFET that requires a small work function requires a high silicon composition for the metal silicide, and a p-type MOSFET that requires a large work function requires a high metal composition for the metal silicide. For this purpose, it is necessary to cause the metal and silicon to react under the heat treatment reaction conditions for forming the respective compositions. In order to suppress the reaction between the metal and silicon in the n-type MOSFET, a heat treatment reaction at a low temperature for a short time is required. On the other hand, in a p-type MOSFET, it is desirable to perform a heat treatment reaction for a long time at a high temperature in order to promote the reaction between the metal and silicon. However, in the conventional example, since the metal silicide formation of the n-type MOSFET and the p-type MOSFET is simultaneously performed, it is necessary to set the intermediate heat treatment reaction conditions for both, and only the heat treatment conditions in which the process conditions are not sufficient can be performed. There is no problem. In particular, in the n-type MOSFET, when the reaction between the metal and silicon proceeds, the metal becomes excessive and the threshold value rises. Conversely, when the reaction between the metal and silicon is insufficient, the polysilicon does not react with the metal. It remains and does not function as a full silicide gate electrode. Therefore, it is difficult to control variation in threshold voltage with a small process margin.

本発明は、前記従来の問題に鑑み、n型MOSFET及びp型MOSFETの閾値電圧を安定化でき、且つ信頼性の劣化を防ぐことのできるフルシリサイドゲート電極を有する半導体装置を実現できるようにすることを目的とする。   In view of the above-described conventional problems, the present invention makes it possible to realize a semiconductor device having a full silicide gate electrode that can stabilize the threshold voltage of an n-type MOSFET and a p-type MOSFET and prevent deterioration in reliability. For the purpose.

前記の目的を達成するため、本発明の半導体装置は、半導体基板の上に形成されたゲート絶縁膜とゲート絶縁膜の上に形成された金属シリサイド膜からなるフルシリサイドゲート電極とを備え、n型MOSFETとp型MOSFETのゲート電極の膜厚が同一であるゲート構造を備えた構成とする。   In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention comprises a gate insulating film formed on a semiconductor substrate and a full silicide gate electrode made of a metal silicide film formed on the gate insulating film, and n The gate electrode structure of the type MOSFET and the p-type MOSFET has the same gate structure.

具体的には、半導体基板と、半導体基板に形成された第1のトランジスタ形成領域に形成され、第1のゲート電極を有する第1のMOS電界効果トランジスタと、半導体基板に形成された第2のトランジスタ形成領域に形成され、第1のゲート電極と同一の膜厚を有する第2のゲート電極を有する第2のMOS電界効果トランジスタとを備え、第1のゲート電極及び第2のゲート電極はそれぞれ金属シリサイドからなることを特徴とする。   Specifically, a semiconductor substrate, a first MOS field effect transistor formed in a first transistor formation region formed on the semiconductor substrate and having a first gate electrode, and a second MOS transistor formed on the semiconductor substrate. A second MOS field effect transistor formed in the transistor formation region and having a second gate electrode having the same film thickness as the first gate electrode, wherein the first gate electrode and the second gate electrode are respectively It consists of a metal silicide.

本発明の半導体装置によると、第1のMOS電界効果トランジスタ及び第2のMOS電界効果トランジスタのゲート電極は、膜厚が同一である金属シリサイドから形成されるため、p型MOS電界効果トランジスタのゲート電極の金属組成を上げるために、ゲート電極を形成するポリシリコン膜の膜厚をエッチングにより薄膜化させる必要がなくなる。このため、ポリシリコン電極のエッチングプロセスに起因する特性のばらつき、特に閾値電圧のばらつきを抑制することができる。また、ゲート電極の高さが等しいため、コンタクトホール開口時の最適なエッチング時間がn型MOS電界効果トランジスタとp型MOS電界効果トランジスタとで等しくなるので、過剰エッチングに対する影響がない。   According to the semiconductor device of the present invention, since the gate electrodes of the first MOS field effect transistor and the second MOS field effect transistor are formed of metal silicide having the same film thickness, the gate of the p-type MOS field effect transistor In order to increase the metal composition of the electrode, it is not necessary to reduce the thickness of the polysilicon film forming the gate electrode by etching. For this reason, it is possible to suppress variation in characteristics due to the etching process of the polysilicon electrode, particularly variation in threshold voltage. Further, since the heights of the gate electrodes are equal, the optimum etching time at the time of opening the contact hole is equal between the n-type MOS field effect transistor and the p-type MOS field effect transistor, so that there is no influence on excessive etching.

また、第2のゲート電極は、第1のゲート電極よりも金属の組成比が高い金属シリサイドからなることが好ましい。   The second gate electrode is preferably made of a metal silicide having a metal composition ratio higher than that of the first gate electrode.

また、第1のゲート電極は、金属の組成比が50%以下の金属シリサイドからなることが好ましい。   The first gate electrode is preferably made of metal silicide having a metal composition ratio of 50% or less.

また、第2のゲート電極は、金属の組成比が60%以上の金属シリサイドからなることが好ましい。   The second gate electrode is preferably made of metal silicide having a metal composition ratio of 60% or more.

このような構成にすると、第1のMOS電界効果トランジスタと第2の電界効果トランジスタとのゲート電極の膜厚が同一で第2のゲート電極のみ金属の組成比が高い金属シリサイド化を実現できるため、仕事関数の値及び閾値電圧の安定した半導体装置を実現できる。   With this configuration, it is possible to realize metal silicidation in which the first MOS field effect transistor and the second field effect transistor have the same gate electrode film thickness and only the second gate electrode has a high metal composition ratio. A semiconductor device having a stable work function value and threshold voltage can be realized.

また、金属シリサイドを構成する金属は、ニッケル、コバルト、チタン、白金、ルテニウム、イリジウム、イッテルビウム及び遷移金属のうちの少なくとも1つであることが好ましい。   The metal constituting the metal silicide is preferably at least one of nickel, cobalt, titanium, platinum, ruthenium, iridium, ytterbium, and a transition metal.

また、金属シリサイド膜は、ホウ素、リン、砒素、アンチモン、アルミニウム、窒素、酸素、イッテルビウム及び遷移金属のうちの少なくとも1つのドーパントを含むことが好ましい。   The metal silicide film preferably contains at least one dopant of boron, phosphorus, arsenic, antimony, aluminum, nitrogen, oxygen, ytterbium, and a transition metal.

このような構成にすると、シリコン基板からなる半導体装置において、仕事関数及び閾値電圧に調整して、望ましい仕事関数と閾値電圧とを得ることができる。   With such a configuration, a desired work function and threshold voltage can be obtained by adjusting the work function and the threshold voltage in a semiconductor device including a silicon substrate.

また、第1のMOS電界効果トランジスタは、第1のトランジスタ形成領域と第1のゲート電極との間に形成された第1のゲート絶縁膜を有し、第2のMOS電界効果トランジスタは、第2のトランジスタ形成領域と第2のゲート電極との間に形成された第2のゲート絶縁膜を有し、第1のゲート絶縁膜及び第2のゲート絶縁膜は、金属酸化物からなることが好ましい。   The first MOS field effect transistor includes a first gate insulating film formed between the first transistor formation region and the first gate electrode, and the second MOS field effect transistor includes 2 has a second gate insulating film formed between the transistor formation region and the second gate electrode, and the first gate insulating film and the second gate insulating film are made of a metal oxide. preferable.

また、金属酸化物は、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム、シリコン、ランタン及び希土類元素のうちの少なくとも1つの酸化物であることが好ましい。   The metal oxide is preferably an oxide of at least one of hafnium, zirconium, titanium, tantalum, aluminum, silicon, lanthanum, and rare earth elements.

このような構成にすると、金属酸化物からなるゲート絶縁膜の高誘電率特性によりゲート容量を高くすることができるため、トランジスタの特性が向上する。   With such a structure, the gate capacitance can be increased due to the high dielectric constant characteristics of the gate insulating film made of a metal oxide, which improves the characteristics of the transistor.

本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板に第1のトランジスタ形成領域と第2のトランジスタ形成領域とを形成する工程(a)と、半導体基板の上にゲート絶縁膜形成膜及びゲート電極形成膜及びハードマスクを順次形成する工程(b)と、ゲート絶縁膜形成膜及びゲート電極形成膜及びハードマスクをパターニングして複数のゲート絶縁膜及びゲート電極を形成する工程(c)と、第2のトランジスタ形成領域にあるハードマスクを除去する工程(d)と、第2のトランジスタ形成領域にあるゲート電極の上に金属膜を形成する工程(e)と、第2のトランジスタ形成領域にあるゲート電極と金属膜とを反応させてゲート電極をシリサイド化することにより、第2のフルシリサイドゲート電極を形成する工程(f)と、第1のトランジスタ形成領域にあるハードマスクを除去する工程(g)と、第1のトランジスタ形成領域にあるゲート電極の上に金属膜を形成する工程(h)と、第1のトランジスタ形成領域にあるゲート電極と金属膜とを反応させてシリコン電極をシリサイド化することにより、第1のフルシリサイドゲート電極を形成する工程(i)とを備えていることを特徴とする。   The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step (a) of forming a first transistor formation region and a second transistor formation region on a semiconductor substrate, and forming a gate insulating film formation film and a gate electrode on the semiconductor substrate. A step (b) of sequentially forming a film and a hard mask, a step (c) of patterning the gate insulating film forming film, the gate electrode forming film, and the hard mask to form a plurality of gate insulating films and gate electrodes; (D) removing the hard mask in the transistor formation region, (e) forming a metal film on the gate electrode in the second transistor formation region, and gate in the second transistor formation region A step (f) of forming a second full silicide gate electrode by reacting the electrode with a metal film to silicidate the gate electrode; Removing the hard mask in the star formation region (g), forming a metal film on the gate electrode in the first transistor formation region (h), and the gate electrode in the first transistor formation region And a step (i) of forming a first full silicide gate electrode by siliciding the silicon electrode by reacting the metal film with the metal film.

本発明の半導体装置の製造方法によると、第2のトランジスタの形成領域のハードマスクのみを除去する工程を備えているため、1回目の金属シリサイド化工程において、第2のトランジスタ形成領域のゲート電極のみフルシリサイド化される。この1回目の金属シリサイド化条件を高温で長時間に設定することができるため、ゲート電極を形成するポリシリコンの膜厚が厚くても金属過剰な組成比を有する金属シリサイド層を形成することができる。このため、n型MOSFETとp型MOSFETとに適した閾値電圧を与えるためにゲート電極を形成するポリシリコンを薄膜化する必要がなくなりエッチングに起因するばらつきを抑制することができる。また、第1のトランジスタの形成領域のゲート電極のフルシリサイド化は、1回目のフルシリサイド化条件とは独立して2回目の金属シリサイド化工程の条件を設定できるため、2回目の金属シリサイド化条件は低温で短時間に設定することができ、所望の金属シリサイド層を得琉ことができる。したがってn型MOSFETとp型MOSFETとに適した仕事関数、閾値電圧を調整することが可能となる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, since the method includes the step of removing only the hard mask in the second transistor formation region, the gate electrode of the second transistor formation region in the first metal silicidation step. Only fully silicided. Since the first metal silicidation conditions can be set at a high temperature for a long time, a metal silicide layer having a metal-excess composition ratio can be formed even if the thickness of the polysilicon forming the gate electrode is large. it can. For this reason, it is not necessary to thin the polysilicon for forming the gate electrode in order to provide a threshold voltage suitable for the n-type MOSFET and the p-type MOSFET, and variations due to etching can be suppressed. In addition, since the full silicidation of the gate electrode in the formation region of the first transistor can set the conditions of the second metal silicidation process independently of the first full silicidation condition, the second metal silicidation is possible. Conditions can be set in a short time at a low temperature, and a desired metal silicide layer can be obtained. Therefore, it is possible to adjust the work function and the threshold voltage suitable for the n-type MOSFET and the p-type MOSFET.

また、工程(c)よりも後で且つ工程(d)よりも前に、ゲート電極の側面上にサイドウォールを形成する工程(j)をさらに備えていることが好ましい。   Further, it is preferable that the method further includes a step (j) of forming a sidewall on the side surface of the gate electrode after the step (c) and before the step (d).

また、工程(c)よりも後で且つ工程(d)よりも前に、半導体基板における第1のトランジスタ形成領域及び第2のトランジスタ形成領域にソースドレイン領域をそれぞれ形成する工程(k)と、工程(k)よりも後で且つ工程(d)よりも前に、ソースドレイン領域をシリサイド化する工程(l)とをさらに備えていることが好ましい。   A step (k) of forming a source / drain region in each of the first transistor formation region and the second transistor formation region in the semiconductor substrate after the step (c) and before the step (d); It is preferable to further include a step (l) of silicidizing the source / drain region after the step (k) and before the step (d).

本発明に係る半導体装置及びその製造方法によれば、ゲート電極を形成する金属シリサイド層をn型トランジスタとp型トランジスタの双方に適した仕事関数を得られるように設定できるため、トランジスタの特性を向上することができる。さらに、ゲート電極の形状及び膜厚が同じであるため、微細加工が容易で特性の安定したフルシリサイドゲート電極を有する半導体装置を実現することができる。   According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the metal silicide layer forming the gate electrode can be set so as to obtain a work function suitable for both the n-type transistor and the p-type transistor. Can be improved. Furthermore, since the shape and film thickness of the gate electrode are the same, a semiconductor device having a full silicide gate electrode that is easy to be finely processed and has stable characteristics can be realized.

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。本発明に係る半導体装置は、半導体基板の上に形成されたフルシリサイドゲート電極を有するn型MOSトランジスタ及びp型MOSトランジスタを備えている。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor device according to the present invention includes an n-type MOS transistor and a p-type MOS transistor having a full silicide gate electrode formed on a semiconductor substrate.

図1は、本実施形態に係る半導体装置の断面図の一例を示している。   FIG. 1 shows an example of a cross-sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment.

図1に示すように、半導体基板11に、素子分離膜12が選択的に形成され、複数のn型トランジスタ形成領域13Aとp型トランジスタ形成領域13Bとがそれぞれ形成されている。n型トランジスタ形成領域13A及びp型トランジスタ形成領域13Bには、それぞれソースドレイン領域20が形成され、ソースドレイン領域20の上に金属シリサイドソースドレイン21が形成されている。n型トランジスタ形成領域13Aには、半導体基板11の上に下地膜14a、下地膜14aの上にゲート絶縁膜15a及びゲート絶縁膜15aの上にフルシリサイドゲート電極24が形成され、下地膜14a、ゲート絶縁膜15a及びフルシリサイドゲート電極24の側面上にサイドウォール19が形成されている。p型トランジスタ形成領域13Bには、半導体基板11の上に下地膜14a、該下地膜14aの上にゲート絶縁膜15a及び該ゲート絶縁膜15aの上にフルシリサイドゲート電極23が形成され、下地膜14a、ゲート絶縁膜15a及びフルシリサイドゲート電極23の側面上にサイドウォール19が形成されている。さらに、半導体基板11を覆うように層間膜22が形成されている。   As shown in FIG. 1, an element isolation film 12 is selectively formed on a semiconductor substrate 11, and a plurality of n-type transistor formation regions 13A and p-type transistor formation regions 13B are formed. A source / drain region 20 is formed in each of the n-type transistor formation region 13 </ b> A and the p-type transistor formation region 13 </ b> B, and a metal silicide source / drain 21 is formed on the source / drain region 20. In the n-type transistor formation region 13A, a base film 14a is formed on the semiconductor substrate 11, a gate insulating film 15a is formed on the base film 14a, and a full silicide gate electrode 24 is formed on the gate insulating film 15a. Sidewalls 19 are formed on the side surfaces of the gate insulating film 15 a and the full silicide gate electrode 24. In the p-type transistor formation region 13B, a base film 14a is formed on the semiconductor substrate 11, a gate insulating film 15a is formed on the base film 14a, and a full silicide gate electrode 23 is formed on the gate insulating film 15a. Side walls 19 are formed on the side surfaces of the gate insulating film 15 a and the full silicide gate electrode 23. Further, an interlayer film 22 is formed so as to cover the semiconductor substrate 11.

図2〜図4は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示している。   2 to 4 show the semiconductor device manufacturing method according to this embodiment in the order of steps.

まず、図2(a)に示すように、例えば主面の面方位が(100)面であるシリコンからなる半導体基板11に、シャロウトレンチ分離(STI:shallow Trench Isolation)からなる素子分離膜12を選択的に形成する。   First, as shown in FIG. 2A, for example, an element isolation film 12 made of shallow trench isolation (STI) is formed on a semiconductor substrate 11 made of silicon whose principal surface has a (100) plane orientation. Selectively form.

続いて、半導体基板11にイオン注入を行い、複数のn型トランジスタ形成領域13Aとp型トランジスタ形成領域13Bとをそれぞれ形成する。n型トランジスタ形成領域13Aは、p型のウエルを有し、p型トランジスタ形成領域13Bはn型のウエル有している。   Subsequently, ions are implanted into the semiconductor substrate 11 to form a plurality of n-type transistor formation regions 13A and p-type transistor formation regions 13B, respectively. The n-type transistor formation region 13A has a p-type well, and the p-type transistor formation region 13B has an n-type well.

続いて、半導体基板11に対して公知のRCA洗浄及び希釈フッ酸洗浄を順次行った後、600℃〜1000℃程度の温度の酸化性雰囲気で熱処理を行う。これにより、半導体基板11のn型トランジスタ形成領域13A及びp型トランジスタ形成領域13Bの上に、酸化シリコンからなる下地形成膜14を形成する。下地形成膜14は、膜厚が1.0nm以下であることが望ましい。また、下地形成膜14はウエット処理により形成した、ケミカルなシリコン酸化膜でもよい。   Subsequently, a known RCA cleaning and diluted hydrofluoric acid cleaning are sequentially performed on the semiconductor substrate 11 and then heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere at a temperature of about 600 ° C. to 1000 ° C. Thereby, the base formation film 14 made of silicon oxide is formed on the n-type transistor formation region 13A and the p-type transistor formation region 13B of the semiconductor substrate 11. The undercoat film 14 is desirably 1.0 nm or less in thickness. Further, the underlying film 14 may be a chemical silicon oxide film formed by a wet process.

続いて、例えば有機金属気相堆積(MOCVD:metal organic chemical vapor deposition)法を用いて、素子分離膜12及び下地形成膜14の上に膜厚が2nmの高誘電体からなる金属酸化膜15を形成する。例えば、ハフニウムシリケート(HfSiO)からなる金属酸化膜を形成する場合には、以下のようにする。 Subsequently, a metal oxide film 15 made of a high dielectric material having a thickness of 2 nm is formed on the element isolation film 12 and the base formation film 14 by using, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). Form. For example, when a metal oxide film made of hafnium silicate (HfSiO 4 ) is formed, the following is performed.

ターシャリブトキシハフニウム(Hf(O−t−C)及びターシャリブトキシシリコン(Si(O−t−C)の混合溶液に、窒素等からなるキャリアガスを吹き込んでバブリングを行うことにより発生させたソースガスを、キャリアガスと共に反応炉に導入する。反応炉内の温度を500℃程度に設定すると、ハフニウムシリケートからなる金属酸化膜15が堆積される。このときSiに対するHfの濃度は、Hf(O−t−C及びSi(O−t−Cの供給量によって調節する。 A carrier gas composed of nitrogen or the like is blown into a mixed solution of tertiarybutoxy hafnium (Hf (Ot-C 3 H 7 ) 4 ) and terrial butoxy silicon (Si (Ot-C 3 H 7 ) 4 ). The source gas generated by bubbling is introduced into the reactor together with the carrier gas. When the temperature in the reaction furnace is set to about 500 ° C., a metal oxide film 15 made of hafnium silicate is deposited. At this time, the concentration of Hf relative to Si is adjusted by the supply amount of Hf (Ot-C 3 H 7 ) 4 and Si (Ot-C 3 H 7 ) 4 .

なお、金属酸化膜15は、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、タンタル(Ta)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、ランタン(La)及び希土類元素のうちの少なくとも1つの酸化物から形成されていればよい。   The metal oxide film 15 is made of at least one of hafnium (Hf), zirconium (Zr), titanium (Ti), tantalum (Ta), aluminum (Al), silicon (Si), lanthanum (La), and rare earth elements. It may be formed from two oxides.

金属酸化膜15を形成した後に、炭素又は水素等の残留不純物の除去を行うために、700℃〜1000℃程度の熱処理を行う。このときの加熱雰囲気は、金属酸化膜15及び下地形成膜14の膜厚が大きく変化しないように、微量の酸素を含んだ窒素であることが望ましい。その後、ソースドレイン領域のイオンの活性化熱処理において、金属酸化膜15が結晶化することを防ぐための窒化処理を行う。例えば、アンモニア雰囲気において800℃の温度で1分間の熱処理を行う。また、プラズマにより励起された窒素雰囲気中で熱処理を行ってもよい。   After the metal oxide film 15 is formed, a heat treatment at about 700 ° C. to 1000 ° C. is performed in order to remove residual impurities such as carbon or hydrogen. The heating atmosphere at this time is desirably nitrogen containing a small amount of oxygen so that the thicknesses of the metal oxide film 15 and the base formation film 14 do not change greatly. Thereafter, nitriding treatment is performed to prevent the metal oxide film 15 from crystallizing in the heat treatment for activating ions in the source / drain regions. For example, heat treatment is performed at a temperature of 800 ° C. for 1 minute in an ammonia atmosphere. Further, the heat treatment may be performed in a nitrogen atmosphere excited by plasma.

なお、高誘電体材料からなる金属酸化膜に代えて、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜又は酸窒化シリコン膜等を用いてもよい。   Note that a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or the like may be used instead of the metal oxide film made of a high dielectric material.

その後、化学気相成長(CVD)法により、金属酸化膜15の上に膜厚が100nm程度のシリコンからなるゲート電極形成膜16を堆積する。ゲート電極形成膜16は、ドーピングされていても構わない。さらに、ゲート電極形成膜16の上にシリコン酸化膜からなるハードマスク形成膜17を堆積する。続いて、リソグラフィ技術により、ハードマスク形成膜17の上に、ゲートパターンを有するレジストマスク28を形成する。   Thereafter, a gate electrode formation film 16 made of silicon having a thickness of about 100 nm is deposited on the metal oxide film 15 by chemical vapor deposition (CVD). The gate electrode formation film 16 may be doped. Further, a hard mask forming film 17 made of a silicon oxide film is deposited on the gate electrode forming film 16. Subsequently, a resist mask 28 having a gate pattern is formed on the hard mask forming film 17 by lithography.

次に、図2(b)に示すように、例えば塩素ガスを用いたドライエッチングにより、ハードマスク形成膜17から下地形成膜14までを順次パターニングする。これにより積層パターン18が形成され、積層パターン18は、下地膜14a及びゲート絶縁膜15aと、これらを介して半導体基板11の上に形成されたゲート電極16aと、ゲート電極16aの上面を覆うハードマスク17aとから形成される。続いて、図示はしないが、積層パターン18をマスクとしてイオン注入を行う。   Next, as shown in FIG. 2B, the hard mask formation film 17 to the base formation film 14 are sequentially patterned by dry etching using, for example, chlorine gas. As a result, a laminated pattern 18 is formed. The laminated pattern 18 includes a base film 14a and a gate insulating film 15a, a gate electrode 16a formed on the semiconductor substrate 11 through these, and a hard layer that covers the upper surface of the gate electrode 16a. And a mask 17a. Subsequently, although not shown, ion implantation is performed using the laminated pattern 18 as a mask.

次に、図2(c)に示すように、積層パターン18の側面上にシリコン窒化膜からなるサイドウォール19を形成する。続いて、サイドウォール19及び積層パターン18をマスクとして、半導体基板11に再度イオン注入を行って、ソースドレイン領域20を形成する。さらに、1000℃以上の温度で熱処理を行い、イオン注入された不純物を電気的に活性化させる。   Next, as shown in FIG. 2C, a sidewall 19 made of a silicon nitride film is formed on the side surface of the laminated pattern 18. Subsequently, ion implantation is performed again on the semiconductor substrate 11 using the sidewalls 19 and the laminated pattern 18 as masks, thereby forming source / drain regions 20. Further, heat treatment is performed at a temperature of 1000 ° C. or higher to electrically activate the implanted impurities.

次に、半導体基板11の上に金属ニッケル(図示せず)を堆積した後、300℃以上の温度で熱処理を行う。これにより、ソースドレイン領域20の上部に金属シリサイドソースドレイン21を形成する。この際に、ハードマスク17aは、ゲート電極16aがシリサイド化されないように保護する保護絶縁膜として機能する。次に、未反応の金属ニッケルを硫酸と過酸化水素水との混合液で除去し、さらに結晶相制御のための熱処理を行う。   Next, after depositing metallic nickel (not shown) on the semiconductor substrate 11, heat treatment is performed at a temperature of 300 ° C. or higher. Thereby, a metal silicide source / drain 21 is formed on the source / drain region 20. At this time, the hard mask 17a functions as a protective insulating film that protects the gate electrode 16a from being silicided. Next, unreacted metallic nickel is removed with a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide, and heat treatment for controlling the crystal phase is performed.

次に、図3(a)に示すように、シリコン酸化膜からなる層間膜22をハードマスク17aが十分に覆われるまで堆積し、化学的機械研磨(CMP)法を用いて層間膜22を平坦化しながらハードマスク17aに達しないように研磨して平坦化を行う。さらに、ドライエッチングにより層間膜22を全面でエッチバックし、ハードマスク17aが露出するまでエッチングを行う。   Next, as shown in FIG. 3A, an interlayer film 22 made of a silicon oxide film is deposited until the hard mask 17a is sufficiently covered, and the interlayer film 22 is flattened using a chemical mechanical polishing (CMP) method. Polishing is performed so as not to reach the hard mask 17a while flattening. Further, the interlayer film 22 is etched back on the entire surface by dry etching, and etching is performed until the hard mask 17a is exposed.

次に、図3(b)に示すように、半導体基板11の全面にレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術によって、p型トランジスタ形成領域13Bを露出するためのレジストマスク29を形成する。その後、ドライエッチングにより、p型トランジスタ形成領域13Bのハードマスク17aを除去してp型トランジスタ形成領域13Bのシリコン電極16aを露出させる。   Next, as shown in FIG. 3B, a resist is applied to the entire surface of the semiconductor substrate 11, and a resist mask 29 for exposing the p-type transistor formation region 13B is formed by photolithography. Thereafter, the hard mask 17a in the p-type transistor formation region 13B is removed by dry etching to expose the silicon electrode 16a in the p-type transistor formation region 13B.

次に、図3(c)に示すように、レジストマスク29を剥離した後、半導体基板11の上に金属ニッケル(図示せず)を堆積し、300℃以上の温度で熱処理を行う。これにより、p型トランジスタ形成領域13Bのゲート電極16aは金属ニッケルと反応し、ニッケルシリサイド化され、フルシリサイドゲート電極23となる。その後、未反応の金属ニッケルを硫酸と過酸化水素水との混合液で除去する。シリサイド化の熱処理はフルシリサイドゲート電極23の金属シリサイド層が、60%以上の金属組成比となるように十分な温度と時間で行うことが好ましい。   Next, as shown in FIG. 3C, after removing the resist mask 29, metallic nickel (not shown) is deposited on the semiconductor substrate 11, and heat treatment is performed at a temperature of 300 ° C. or higher. As a result, the gate electrode 16a in the p-type transistor formation region 13B reacts with the nickel metal to be nickel-silicided to become a full-silicide gate electrode 23. Thereafter, unreacted metallic nickel is removed with a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide. The silicidation heat treatment is preferably performed at a sufficient temperature and time so that the metal silicide layer of the full silicide gate electrode 23 has a metal composition ratio of 60% or more.

次に、図4(a)に示すように、ドライエッチングにより、n型トランジスタ形成領域13Aのハードマスク17aを除去してn型トランジスタ形成領域13Aのシリコン電極16aを露出させる。   Next, as shown in FIG. 4A, the hard mask 17a in the n-type transistor formation region 13A is removed by dry etching to expose the silicon electrode 16a in the n-type transistor formation region 13A.

次に、図4(b)に示すように、半導体基板11の上に金属ニッケル(図示せず)を堆積し、300℃以上の温度で熱処理を行う。これにより、n型トランジスタ形成領域13Aのシリコン電極16aは金属ニッケルと反応し、ニッケルシリサイド化され、フルシリサイドゲート電極24となる。その後、未反応の金属ニッケルを硫酸と過酸化水素水との混合液で除去する。シリサイド化の熱処理はフルシリサイド電極24の金属シリサイド層が、50%以下の金属組成比となるような温度と時間とで行うことが好ましい。この工程でフルシリサイド電極23も同時に金属ニッケルが堆積されて熱処理が加えられることになるが、すでに金属過剰なフルシリサイドが形成されているため、膜組成が安定化しており、特性が変わることはない。さらに500℃程度の熱処理を加えて、フルシリサイド電極23及び24のフルシリサイド層を安定化する工程を加えてもよい。その後、図示を省略するが、配線工程等を行う。なお、本実施形態においては、ゲート電極16aをニッケルによりシリサイド化したが、ニッケルに代えて、コバルト(Co)、チタン(Ti)、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、イリジウム(Ir)、イッテルビウム(Y)及び遷移金属のうちの少なくとも一つであればよく、ホウ素(B)、リン(P)、砒素(As)、アンチモン(Sb)、アルミニウム(Al)、窒素(N)、酸素(O)、イッテルビウム(Y)及び遷移元素のうち少なくとも1つのドーパントを含んでいるとよい。   Next, as shown in FIG. 4B, metallic nickel (not shown) is deposited on the semiconductor substrate 11, and heat treatment is performed at a temperature of 300 ° C. or higher. As a result, the silicon electrode 16 a in the n-type transistor formation region 13 </ b> A reacts with metallic nickel to be nickel-silicided to become a full-silicide gate electrode 24. Thereafter, unreacted metallic nickel is removed with a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide. The heat treatment for silicidation is preferably performed at such a temperature and time that the metal silicide layer of the full silicide electrode 24 has a metal composition ratio of 50% or less. In this process, the nickel metal is deposited on the full silicide electrode 23 at the same time, and a heat treatment is applied. However, since the metal full silicide is already formed, the film composition is stabilized and the characteristics are changed. Absent. Furthermore, a step of stabilizing the full silicide layers of the full silicide electrodes 23 and 24 by applying a heat treatment at about 500 ° C. may be added. Then, although illustration is abbreviate | omitted, a wiring process etc. are performed. In the present embodiment, the gate electrode 16a is silicided with nickel, but instead of nickel, cobalt (Co), titanium (Ti), platinum (Pt), ruthenium (Ru), iridium (Ir), ytterbium (Y) and at least one of transition metals may be used, and boron (B), phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), aluminum (Al), nitrogen (N), oxygen (O ), Ytterbium (Y) and at least one dopant among transition elements.

本実施形態の半導体装置は、n型MOSFET及びp型MOSFETのゲート電極の膜厚を同一に形成し、ゲート電極のシリサイド化においてp型MOSFETのゲート電極のみ金属過剰に形成することができるため、仕事関数の値及び閾値電圧の安定した半導体装置を実現できる。p型MOSFETのゲート電極のみ金属過剰なシリサイド組成にするためにゲート電極を薄膜化する等のエッチングプロセスが必要なく、サイドウォールで囲まれたゲート電極のエッチングに伴う困難がない。このため、ゲート電極の上にコンタクトホールを開口して電気的接続を形成する工程において、加工しやすく、電気特性を安定化させることができる。  In the semiconductor device of this embodiment, the gate electrodes of the n-type MOSFET and the p-type MOSFET are formed to have the same thickness, and only the gate electrode of the p-type MOSFET can be formed in excess of metal in the silicidation of the gate electrode. A semiconductor device having a stable work function value and threshold voltage can be realized. Since only the gate electrode of the p-type MOSFET has a metal-excess silicide composition, an etching process such as thinning the gate electrode is not required, and there is no difficulty associated with etching of the gate electrode surrounded by the sidewall. For this reason, in the process of opening a contact hole on the gate electrode to form an electrical connection, it is easy to process and the electrical characteristics can be stabilized.

本実施形態の半導体装置の製造方法は、n型MOSFETとp型MOSFETのフルシリサイドゲート電極の形成を分割して行うため、それぞれの最適なシリサイド化条件に設定することができる。金属シリサイドゲート電極の金属組成が高いことが望ましいp型MOSFETは、複数回金属と反応させても特性の安定化したフルシリサイドゲート電極を形成することができる。  Since the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment forms the full silicide gate electrodes of the n-type MOSFET and the p-type MOSFET separately, the optimum silicidation conditions can be set for each. A p-type MOSFET in which the metal composition of the metal silicide gate electrode is desired to be high can form a fully silicided gate electrode with stable characteristics even if it is reacted with the metal multiple times.

本発明に係る半導体装置及びその製造方法は、ゲート電極を形成する金属シリサイド層をn型トランジスタとp型トランジスタの双方に適した仕事関数を得られるように設定でき、金属シリサイド膜からなるゲート電極を有するMOS構造の半導体装置及びその製造方法等に有用である。   In the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the metal silicide layer forming the gate electrode can be set so as to obtain a work function suitable for both the n-type transistor and the p-type transistor, and the gate electrode made of the metal silicide film This is useful for a semiconductor device having a MOS structure having the same, a manufacturing method thereof, and the like.

本発明の一実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device which concerns on one Embodiment of this invention. (a)〜(c)は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on one Embodiment of this invention in process order. (a)〜(c)は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on one Embodiment of this invention in process order. (a)及び(b)は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。(A) And (b) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on one Embodiment of this invention in process order.

符号の説明Explanation of symbols

11 基板
12 素子分離膜
13A n型トランジスタ形成領域
13B p型トランジスタ形成領域
14 下地形成膜
14a 下地膜
15 金属酸化膜
15a ゲート絶縁膜
16 ゲート電極形成膜
16a ゲート電極
17 ハードマスク形成膜
17a ハードマスク
18 積層パターン
19 サイドウォール
20 ソースドレイン領域
21 金属シリサイドソースドレイン
22 層間膜
23 フルシリサイドゲート電極
24 フルシリサイドゲート電極
28 レジストマスク
29 レジストマスク
11 Substrate 12 Element isolation film 13A n-type transistor formation region 13B p-type transistor formation region 14 base formation film 14a base film 15 metal oxide film 15a gate insulating film 16 gate electrode formation film 16a gate electrode 17 hard mask formation film 17a hard mask 18 Laminated pattern 19 Side wall 20 Source / drain region 21 Metal silicide source / drain 22 Interlayer film 23 Full silicide gate electrode 24 Full silicide gate electrode 28 Resist mask 29 Resist mask

Claims (13)

半導体基板における第1の半導体領域に形成され、第1のゲート電極を有する第1のトランジスタと、
前記半導体基板における第2の半導体領域に形成され、前記第1のゲート電極と同一の膜厚を有する第2のゲート電極を有する第2のトランジスタとを備え、
前記第1のゲート電極及び第2のゲート電極はそれぞれフルシリサイド化された金属シリサイドからなることを特徴とする半導体装置。
A first transistor formed in a first semiconductor region of a semiconductor substrate and having a first gate electrode;
A second transistor formed in a second semiconductor region of the semiconductor substrate and having a second gate electrode having the same film thickness as the first gate electrode;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first gate electrode and the second gate electrode are each made of fully silicided metal silicide.
前記第2のゲート電極は、前記第1のゲート電極よりも金属の組成比が高い金属シリサイドからなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the second gate electrode is made of metal silicide having a metal composition ratio higher than that of the first gate electrode. 前記第1のゲート電極は、金属の組成比が50%以下の金属シリサイドからなることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 2, wherein the first gate electrode is made of metal silicide having a metal composition ratio of 50% or less. 前記第2のゲート電極は、金属の組成比が60%以上の金属シリサイドからなることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 2, wherein the second gate electrode is made of metal silicide having a metal composition ratio of 60% or more. 前記金属シリサイドを構成する金属は、ニッケル、コバルト、チタン、白金、ルテニウム、イリジウム、イッテルビウム及び遷移金属のうちの少なくとも1つであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。   The metal constituting the metal silicide is at least one of nickel, cobalt, titanium, platinum, ruthenium, iridium, ytterbium, and a transition metal, according to any one of claims 1 to 4. Semiconductor device. 前記金属シリサイド膜は、ホウ素、リン、砒素、アンチモン、アルミニウム、窒素、酸素、イッテルビウム及び遷移金属のうちの少なくとも1つのドーパントを含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。   6. The metal silicide film according to claim 1, wherein the metal silicide film includes a dopant of at least one of boron, phosphorus, arsenic, antimony, aluminum, nitrogen, oxygen, ytterbium, and a transition metal. Semiconductor device. 前記第1のトランジスタは、前記第1の半導体領域と前記第1のゲート電極との間に形成された第1のゲート絶縁膜を有し、前記第2のトランジスタは、前記第2の半導体領域と前記第2のゲート電極との間に形成された第2のゲート絶縁膜を有し、前記第1のゲート絶縁膜及び第2のゲート絶縁膜は、金属酸化物からなることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。   The first transistor includes a first gate insulating film formed between the first semiconductor region and the first gate electrode, and the second transistor includes the second semiconductor region. And a second gate insulating film formed between the first gate insulating film and the second gate electrode, wherein the first gate insulating film and the second gate insulating film are made of a metal oxide. The semiconductor device according to claim 1. 前記金属酸化物は、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム、シリコン、ランタン及び希土類元素のうちの少なくとも1つの酸化物であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。   8. The semiconductor device according to claim 7, wherein the metal oxide is an oxide of at least one of hafnium, zirconium, titanium, tantalum, aluminum, silicon, lanthanum, and a rare earth element. 半導体基板に第1の半導体領域と第2の半導体領域とを形成する工程(a)と、
前記半導体基板の上にゲート絶縁膜形成膜、ゲート電極形成膜及びハードマスクを順次形成する工程(b)と、
前記ゲート絶縁膜形成膜、ゲート電極形成膜及びハードマスクをパターニングすることにより、前記第1の半導体領域の上に、第1のゲート絶縁膜、第1のゲート電極及び第1のハードマスクを形成すると共に、前記第2の半導体領域の上に、第2のゲート絶縁膜、第2のゲート電極及び第2のハードマスクを形成する工程(c)と、
前記第2のハードマスクを除去する工程(d)と、
前記第2のゲート電極の上に第1の金属膜を形成する工程(e)と、
前記第2のゲート電極と前記第1の金属膜とを反応させて前記第2のゲート電極をフルシリサイド化することにより、前記第2のゲート電極から第2のフルシリサイドゲート電極を形成する工程(f)と、
前記第1のハードマスクを除去する工程(g)と、
前記第1のゲート電極の上に第2の金属膜を形成する工程(h)と、
前記第1のゲート電極と前記第2の金属膜とを反応させて前記第1のゲート電極をフルシリサイド化することにより、前記第1のゲート電極から第1のフルシリサイドゲート電極を形成する工程(i)とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming (a) a first semiconductor region and a second semiconductor region on a semiconductor substrate;
A step (b) of sequentially forming a gate insulating film forming film, a gate electrode forming film and a hard mask on the semiconductor substrate;
By patterning the gate insulating film forming film, the gate electrode forming film, and the hard mask, a first gate insulating film, a first gate electrode, and a first hard mask are formed on the first semiconductor region. And (c) forming a second gate insulating film, a second gate electrode, and a second hard mask on the second semiconductor region;
Removing the second hard mask (d);
Forming a first metal film on the second gate electrode (e);
Forming a second fully silicided gate electrode from the second gate electrode by reacting the second gate electrode with the first metal film to fully silicide the second gate electrode. (F) and
Removing the first hard mask (g);
Forming a second metal film on the first gate electrode (h);
Forming a first fully silicided gate electrode from the first gate electrode by reacting the first gate electrode with the second metal film to fully silicide the first gate electrode; And (i) a method for manufacturing a semiconductor device.
前記工程(c)よりも後で且つ前記工程(d)よりも前に、前記第1のゲート電極及び第2のゲート電極の各側面上にサイドウォールをそれぞれ形成する工程(j)をさらに備えていることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。   The method further includes the step (j) of forming a sidewall on each side surface of the first gate electrode and the second gate electrode after the step (c) and before the step (d). The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9. 前記工程(c)よりも後で且つ前記工程(j)よりも前に、又は、前記工程(j)よりも後で且つ前記工程(d)よりも前に、前記半導体基板における前記第1の半導体領域及び第2の半導体領域にソースドレイン領域をそれぞれ形成する工程(k)と、
前記工程(k)よりも後で且つ前記工程(d)よりも前に、前記各ソースドレイン領域をそれぞれシリサイド化する工程(l)とをさらに備えていることを特徴とする請求項9又は10に記載の半導体装置の製造方法。
The first step in the semiconductor substrate after the step (c) and before the step (j), or after the step (j) and before the step (d). Forming a source / drain region in the semiconductor region and the second semiconductor region, respectively (k);
The method further comprises a step (l) of siliciding each of the source / drain regions after the step (k) and before the step (d). The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 1-3.
前記第2のフルシリサイドゲート電極は、前記第1のフルシリサイドゲート電極よりも金属の組成比が高いことを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。   10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the second full silicide gate electrode has a metal composition ratio higher than that of the first full silicide gate electrode. 前記第1の金属膜と前記第2の金属膜との金属組成は、同一であることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the metal composition of the first metal film and the second metal film is the same.
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JP2008159809A (en) * 2006-12-22 2008-07-10 Nec Electronics Corp Manufacturing method of semiconductor device

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