[go: up one dir, main page]

JP2004111549A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
JP2004111549A
JP2004111549A JP2002270373A JP2002270373A JP2004111549A JP 2004111549 A JP2004111549 A JP 2004111549A JP 2002270373 A JP2002270373 A JP 2002270373A JP 2002270373 A JP2002270373 A JP 2002270373A JP 2004111549 A JP2004111549 A JP 2004111549A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal
layer
semiconductor device
gate electrode
effect transistor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP2002270373A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroyuki Shimada
島田 浩行
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2002270373A priority Critical patent/JP2004111549A/en
Publication of JP2004111549A publication Critical patent/JP2004111549A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

【課題】半導体装置の製造方法に関し、特にゲート電極に特徴を有する絶縁ゲート電界効果トランジスタを有する半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置1000の製造方法は、半導体層16上に絶縁層20を形成する。前記絶縁層20上に金属層30aを形成する。前記金属層30aの所望の領域に、前記金属層30aとは異なる金属32をイオン注する。前記金属層30aをパターニングし、ゲート電極30A,30Bを形成する。
【選択図】   図1
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device having an insulated gate field-effect transistor characterized by a gate electrode.
According to a method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, an insulating layer is formed on a semiconductor layer. A metal layer 30a is formed on the insulating layer 20. A metal 32 different from the metal layer 30a is ion-injected into a desired region of the metal layer 30a. The metal layer 30a is patterned to form gate electrodes 30A and 30B.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特にゲート電極の形成に特徴を有する絶縁ゲート電界効果トランジスタを有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【背景技術】
現在の半導体集積回路に用いられる絶縁ゲート電界効果トランジスタ(MISFET)では、そのゲート電極として、低抵抗化のために不純物を高濃度でドープした多結晶シリコン層が用いられることが多い。具体的なCMOS回路(Complimentary MOSFET 回路)に用いられる半導体プロセスにおいて、特性バランスをとるために、ゲート電極材料としては、NチャネルMOSFET(NMOSFET)にはN型多結晶シリコンが、PチャネルMOSFET(PMOSFET)にはP型多結晶シリコンが採用されている。また、ゲート電極は、さらなる低抵抗化を目的として、前記ゲート電極の上層に高融点金属シリサイド層を有する構造を採るのが一般的である。
【0003】
しかしながら、ゲート電極を構成する多結晶シリコン層は不純物を高濃度でドープしているにもかかわらず、空乏化を起こしてしまうことが知られている。空乏化が発生してしまうと、ゲート電極と直列に容量が挿入されていることと等価になり、チャネルにかかる実効的な電界が低下してしまう。その結果、MOSFETの電流駆動能力が低下する。
【0004】
これらの問題点を解決するために、低抵抗でゲート空乏化を起こさず、かつ様々な仕事関数を持つゲート電極材料が提案されている。例えば、非特許文献1では、ベータタンタル(β−Ta)層を用いた構造が提案されている。
【0005】
【非特許文献1】
Jeong‐Mo Hwang(IEDM Technical Digest 1992年、345頁)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ゲート電極に用いられる金属の仕事関数は、シリコンの真性ミッドギャップエネルギー4.61eVの前後の値のものが多い。そのため、しきい値電圧の絶対値が大きくなってしまうという問題がある。この問題は、チャネル領域の不純物濃度を下げることにより回避することができるが、チャネル領域の不純物濃度を下げるとパンチスルーを抑制できなくなってしまう。
【0007】
一方、SOI(Silicon On Insulator)基板、すなわち絶縁体上に形成された半導体層にMISFETが形成された完全空乏化SOI‐MISFETでは、チャネル領域の濃度が低くても、パンチスルーを抑制することができる。しかし、この場合は、ゲート電極に用いられる金属の仕事関数値でしきい値が決定されてしまうため、しきい値の調整が困難となる。
【0008】
本発明は、MISFETを有する半導体装置の製造方法に関し、特に、ゲート電極に金属を用いた場合、しきい値の制御を良好に行なうことができる製造方法に関する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、
基板に設けられた半導体層上に、絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に、第1の金属からなる金属層を形成する工程と、
前記金属層に、前記第1の金属とは異なる第2の金属をイオン注入する工程と、
前記金属層をパターニングし、ゲート電極を形成する工程と、を含む。
【0010】
本発明によれば、ゲート電極には、該ゲート電極を構成する金属とは異なる金属種がイオン注入される。そのため、金属層からなるゲート電極の仕事関数を調整することができる。仕事関数の調整により、しきい値を調整することができ、その結果、性能の高い半導体装置を製造することができる。
【0011】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、
Nチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタと、Pチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタとが混載された、相補型半導体装置の製造方法であって、
基板に設けられた半導体層上に、絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に、第1の金属からなる金属層を形成する工程と、
前記金属層のうち前記Nチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極が形成される領域に、前記第1の金属とは異なる第2の金属をイオン注入する工程と、
前記金属層をパターニングし、前記Nチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタと前記Pチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタとのゲート電極をそれぞれ形成する工程と、を含む。
【0012】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、
Nチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタと、Pチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタとが混載された、相補型半導体装置の製造方法であって、
基板に設けられた半導体層上に、絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に、第1の金属からなる金属層を形成する工程と、
前記金属層のうち前記Pチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極が形成される領域に、前記第1の金属とは異なる第2の金属をイオン注入する工程と、
前記金属層をパターニングし、前記Nチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタと前記Pチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタとのゲート電極をそれぞれ形成する工程と、を含む。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
【0014】
(半導体装置の構造)
まず、本実施の形態の製造方法により得られる半導体装置の構造について説明する。図1は、本実施の形態に係る半導体装置1000を模式的に示す断面図である。半導体装置1000は、CMOS型の半導体装置であって、Nチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタ(NMOSFET)100Aと、Pチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタ(PMOSFET)100Bとを含む。NMOSFET100AおよびPMOSFET100Bは、SOI基板10に形成されている。SOI基板10は、支持基板12上に絶縁層(酸化シリコン層)14が形成され、該絶縁層14上に半導体層16が形成されている。尚、本実施の形態においては、半導体層16は低濃度のP型シリコン層16で構成されている。そして、NMOSFET100AおよびPMOSFET100Bは、それぞれSOI基板10のP型シリコン層16に形成された素子分離領域18によって電気的に分離されている。素子分離領域18は、STI(Shallow Trench Isolation)法などにより形成される。
【0015】
各MOSFET100Aおよび100Bは、P型シリコン層16上に、ゲート絶縁層20を介して、ゲート電極30A、30Bが形成された構造を有する。ゲート電極30A、30Bは、金属層で構成されているメタルゲート電極である。
【0016】
本実施の形態において重要なことは、ゲート電極のしきい値調整が必要な場合、ベースとなる金属層に対しその金属とは仕事関数の異なる別の金属がイオン注入されることにある。ゲート電極において金属イオンが注入される領域は、NMOSFET100A、PMOSFET100Bのいずれか一方であってもよいし、両方であっても構わない。しかしながら、本実施の形態における好適な例として、ベースとなる金属層にタンタルを用い、PMOSFET100Bのゲート電極領域にのみニッケルがイオン注入される例を挙げることができる。ゲート電極30A,30Bの上面には、キャップ層(図示せず)が形成されていることが好ましい。ゲート絶縁層20の直下のシリコン層16には、チャネル領域(図示せず)が設けられる。チャネル領域を挟んで、シリコン層16にはソース領域またはドレイン領域を構成する不純物拡散領域50、60が設けられている。
【0017】
そして、ゲート電極30A、30Bの両側面に、サイドウォール絶縁層40が形成されている。NMOSFET100Aにおいては、不純物拡散層50、60はN型に、PMOSFET100Bでは、不純物拡散層50、60はP型に形成されている。不純物拡散層50、60の上部には、シリサイド層70が形成されている。
【0018】
(半導体装置の製造方法)
次に、図1に示す半導体装置1000の製造方法について、図2〜図4を参照して説明する。図2〜図4は、図1に示す半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図である。
【0019】
(1)SOI基板10は、支持基板12の上に、膜厚が100nmの絶縁層(酸化シリコン層)14と、絶縁層(酸化シリコン層)14の上に膜厚が30nmのシリコン層16を有するものを用いる。まず、図2に示すように、シリコン層16に公知の方法により素子分離領域18を形成する。
【0020】
(2)ついで、図2に示すように、ゲート絶縁層20となるゲート絶縁層20aを形成する。ゲート絶縁層20aとしては、たとえば、熱酸化法により酸化シリコン層が形成される。ついで、ゲート絶縁層20aの上に、ゲート電極(メタルゲート電極)30A、30Bとなるゲート電極層30aを形成する。ゲート電極層30aは、スパッタリングにより、たとえば反応性スパッタリングにて形成される。ゲート電極層30aとしては、メタルゲート電極として機能する材質であれば、特に制限はされず、抵抗が低く、後の工程での熱処理に耐えることができるものが好ましい。たとえば、アルミニウム、モリブデン、タンタル、タングステン、チタン、またはそれらの窒化物を挙げることができる。また、ゲート電極層30aには、窒化タンタル層と、タンタル層とを積層膜を用いることができる。ゲート電極層30aの上には、ゲート電極層30aが後の酸化工程で酸化によるダメージを受けることを防止するため、キャップ層(図示せず)を形成することが好ましい。キャップ層としては、窒化シリコン層などを挙げることができる。
【0021】
(3)ついで、ゲート電極層30aにゲート電極層30aを構成する金属種とは異なる金属種をイオン注入する。この金属イオンの注入は、ゲート電極30の仕事関数の調整のために行なわれる。本実施の形態では、PMOSFET100Bのゲート電極30Bに金属イオンを注入する場合について説明する。まず、図2に示すように、NMOSFET100Aが形成される領域には、金属イオンが注入されることのないように、レジストなどのマスク層M1を形成する。ついで、金属イオン32の注入を行なう。金属イオン32としては、所望の仕事関数にするために必要な仕事関数を有する金属種を用いる。たとえば、シリコンの真性ミッドギャップエネルギーより大きい仕事関数を有する金属として、ニッケル、コバルト、白金などを挙げることができる。また、シリコンの真性ミッドギャップエネルギーより小さい仕事関数を有する金属としては、タンタル、アルミニウム、鉄、亜鉛、ガリウムなどを挙げることができる。
【0022】
ついで、約450〜550℃の温度で熱処理を行なう。この熱処理により、PMOSFET100Bの形成される領域のゲート電極層30aに注入された金属イオンを拡散することができ、ゲート電極層30aに金属イオンが均一に混合したゲート電極30aを形成することができる。
【0023】
(4)ついで、図4に示すように、リソグラフィおよびエッチングによりゲート電極30A、30Bのパターニングを行なう。このようにして、ゲート絶縁層20およびゲート電極30A、30Bを形成することができる。
【0024】
ついで、図4に示すように、ゲート電極30A、30Bをマスクとして不純物を導入し、ソース領域またはドレイン領域を構成する不純物拡散層50、60を形成する。具体的には、NMOSFETには、たとえば、砒素イオン(As)を、PMOSFETにはたとえば、二フッ化ホウ素イオン(BF2+)をイオン注入する。NMOSFETおよびPMOSFETの不純物拡散層を形成する際には、逆極性の不純物イオンがドープされないように、レジスト層などのマスク層(図示せず)が所定領域に形成される。この後、700℃以下、好ましくは450〜550℃の低温アニールを施すことにより、セルフアラインで不純物拡散層50、60を形成することができる。
【0025】
次に、たとえば、CVD(Chemical Vapor Deposition)法にて、酸化シリコン層を、ゲート電極30が形成されたSOI基板10上に全面的に堆積した後、ドライエッチング法によりエッチバックを行い、サイドウォール絶縁層40(図1参照)を形成する。
【0026】
ついで、遷移金属層、例えばNi層をスパッタ法にて成膜し、アニールを経て不純物拡散層50、60の露出部にシリサイド層70(図1参照)を形成する。シリサイド層形成用金属としては、チタン(Ti)やコバルト(Co)等、シリサイドを形成できるものであればよい。その後、未反応の遷移金属層を除去し、セルフアラインでシリサイド層70を形成する。以上の工程により本実施の形態の半導体装置1000を形成することができる。この後、通常のCMOSプロセス技術による配線工程を経ることにより、層間絶縁層(図示せず)や配線層(図示せず)を形成することができる。
【0027】
なお、本実施の形態では、PMOSFET100Bのゲート電極30Bにのみ金属イオンを注入した場合について説明したが、本発明はこれに制限されず、NMOSFET100Aのゲート電極にのみ金属イオンを注入してもよい。また、PMOSFET100A、NMOSFET100Bの双方のゲート電極に注入してもよい。半導体層としては、SOI基板10を用いた例について説明したが、バルク状の半導体基板を用いてもよい。
【0028】
本実施の形態の製造方法の利点は以下の通りである。
【0029】
本実施の形態では、(3)において、ゲート電極を形成する金属層に金属イオンが注入される。そのため、ゲート電極の仕事関数を制御することができる。ゲート電極30の仕事関数を制御することにより、しきい値を所望の値に調整することができる。その結果、性能の高い半導体装置を製造することができる。
【0030】
また、本実施の形態では、PMOSFET100Bが形成される領域のゲート電極30には金属が注入されている。そのため、ゲート電極30の仕事関数を調整することができる。つまり、NMOSFET100AおよびPMOSFET100Bともに同じ材質でゲート電極30A、30Bを形成した場合でも、仕事関数の異なるゲート電極30A、30Bを形成することができる。メタルゲートを用いた半導体装置では、ゲート電極30A、30Bを形成する材質を変えることで、仕事関数の異なるゲート電極を形成する方法もある。しかし、この方法によると、たとえば、PMOSFETのゲート電極を形成した後、NMOSFET100Aを形成する領域に形成されているゲート電極層を剥離しなくてはならない。ゲート電極層を剥離することによりゲート絶縁層が露出することとなり、半導体装置の信頼性が低下してしまう。本実施の形態の製造方法によれば、製造工程を増加させることなく、仕事関数の異なるゲート電極を形成することができ、しきい値の調整をすることができる。その結果、性能の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態にかかる半導体装置を模式的に示す断面図である。
【図2】図1に示す半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図3】図1に示す半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図である。
【図4】図1に示す半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
10 SOI基板、 12 支持基板、 14 酸化シリコン層、 16 半導体層、 20 ゲート絶縁層、 30A、30B ゲート電極、 40 サイドウォール絶縁層、 50、60 ソースまたはドレイン領域、 70 シリサイド層
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device having an insulated gate field effect transistor characterized by forming a gate electrode.
[0002]
[Background Art]
In an insulated gate field effect transistor (MISFET) used in a current semiconductor integrated circuit, a polycrystalline silicon layer doped with a high concentration of impurities is often used as a gate electrode for lowering the resistance. In a semiconductor process used for a specific CMOS circuit (Complementary MOSFET circuit), in order to balance characteristics, as a gate electrode material, N-channel polycrystalline silicon is used for an N-channel MOSFET (NMOSFET) and P-channel MOSFET (PMOSFET) is used. ) Employs P-type polycrystalline silicon. The gate electrode generally has a structure having a refractory metal silicide layer above the gate electrode for the purpose of further lowering the resistance.
[0003]
However, it is known that the polycrystalline silicon layer forming the gate electrode is depleted despite being doped with impurities at a high concentration. When depletion occurs, this is equivalent to inserting a capacitor in series with the gate electrode, and the effective electric field applied to the channel decreases. As a result, the current driving capability of the MOSFET decreases.
[0004]
In order to solve these problems, gate electrode materials having low resistance, not causing gate depletion, and having various work functions have been proposed. For example, Non-Patent Document 1 proposes a structure using a beta tantalum (β-Ta) layer.
[0005]
[Non-patent document 1]
Jeong-Mo Hwang (IEDM Technical Digest 1992, p. 345)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the work function of the metal used for the gate electrode often has a value around the intrinsic mid gap energy of silicon of 4.61 eV. Therefore, there is a problem that the absolute value of the threshold voltage increases. This problem can be avoided by lowering the impurity concentration of the channel region. However, if the impurity concentration of the channel region is lowered, punch-through cannot be suppressed.
[0007]
On the other hand, in a SOI (Silicon On Insulator) substrate, that is, a fully depleted SOI-MISFET in which a MISFET is formed in a semiconductor layer formed on an insulator, punch-through can be suppressed even if the concentration of the channel region is low. it can. However, in this case, since the threshold value is determined by the work function value of the metal used for the gate electrode, it is difficult to adjust the threshold value.
[0008]
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device having a MISFET, and more particularly, to a method of controlling a threshold voltage when a metal is used for a gate electrode.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes:
Forming an insulating layer on a semiconductor layer provided on the substrate;
Forming a metal layer made of a first metal on the insulating layer;
Ion-implanting a second metal different from the first metal into the metal layer;
Patterning the metal layer to form a gate electrode.
[0010]
According to the present invention, a metal species different from the metal constituting the gate electrode is ion-implanted into the gate electrode. Therefore, the work function of the gate electrode made of a metal layer can be adjusted. By adjusting the work function, the threshold value can be adjusted, and as a result, a high-performance semiconductor device can be manufactured.
[0011]
Further, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes:
A method for manufacturing a complementary semiconductor device, in which an N-channel insulated gate field effect transistor and a P-channel insulated gate field effect transistor are mounted,
Forming an insulating layer on a semiconductor layer provided on the substrate;
Forming a metal layer made of a first metal on the insulating layer;
Ion-implanting a second metal different from the first metal into a region of the metal layer where a gate electrode of the N-channel insulated gate field effect transistor is formed;
Patterning the metal layer to form gate electrodes of the N-channel insulated gate field-effect transistor and the P-channel insulated gate field-effect transistor, respectively.
[0012]
Further, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes:
A method for manufacturing a complementary semiconductor device, in which an N-channel insulated gate field effect transistor and a P-channel insulated gate field effect transistor are mounted,
Forming an insulating layer on a semiconductor layer provided on the substrate;
Forming a metal layer made of a first metal on the insulating layer;
Ion-implanting a second metal different from the first metal into a region of the metal layer where a gate electrode of the P-channel insulated gate field effect transistor is formed;
Patterning the metal layer to form gate electrodes of the N-channel insulated gate field-effect transistor and the P-channel insulated gate field-effect transistor, respectively.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0014]
(Structure of semiconductor device)
First, the structure of the semiconductor device obtained by the manufacturing method of the present embodiment will be described. FIG. 1 is a sectional view schematically showing a semiconductor device 1000 according to the present embodiment. The semiconductor device 1000 is a CMOS semiconductor device and includes an N-channel insulated gate field effect transistor (NMOSFET) 100A and a P-channel insulated gate field effect transistor (PMOSFET) 100B. The NMOSFET 100A and the PMOSFET 100B are formed on the SOI substrate 10. In the SOI substrate 10, an insulating layer (silicon oxide layer) 14 is formed on a supporting substrate 12, and a semiconductor layer 16 is formed on the insulating layer 14. Note that, in the present embodiment, the semiconductor layer 16 is composed of a low-concentration P-type silicon layer 16. The NMOSFET 100A and the PMOSFET 100B are electrically isolated from each other by element isolation regions 18 formed in the P-type silicon layer 16 of the SOI substrate 10. The element isolation region 18 is formed by an STI (Shallow Trench Isolation) method or the like.
[0015]
Each of the MOSFETs 100A and 100B has a structure in which gate electrodes 30A and 30B are formed on a P-type silicon layer 16 with a gate insulating layer 20 interposed therebetween. The gate electrodes 30A and 30B are metal gate electrodes made of a metal layer.
[0016]
What is important in this embodiment is that when the threshold value of the gate electrode needs to be adjusted, another metal having a work function different from that of the metal is ion-implanted into the base metal layer. The region where the metal ions are implanted in the gate electrode may be either the NMOSFET 100A or the PMOSFET 100B, or both. However, a preferred example of the present embodiment is an example in which tantalum is used for a metal layer serving as a base and nickel is ion-implanted only in a gate electrode region of the PMOSFET 100B. It is preferable that a cap layer (not shown) is formed on the upper surfaces of the gate electrodes 30A and 30B. A channel region (not shown) is provided in the silicon layer 16 immediately below the gate insulating layer 20. The silicon layer 16 is provided with impurity diffusion regions 50 and 60 constituting a source region or a drain region with the channel region interposed therebetween.
[0017]
Then, sidewall insulating layers 40 are formed on both side surfaces of the gate electrodes 30A and 30B. In the NMOSFET 100A, the impurity diffusion layers 50 and 60 are N-type, and in the PMOSFET 100B, the impurity diffusion layers 50 and 60 are P-type. Above the impurity diffusion layers 50 and 60, a silicide layer 70 is formed.
[0018]
(Method of Manufacturing Semiconductor Device)
Next, a method for manufacturing the semiconductor device 1000 shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 2 to 4 are cross-sectional views schematically showing manufacturing steps of the semiconductor device shown in FIG.
[0019]
(1) The SOI substrate 10 includes an insulating layer (silicon oxide layer) 14 having a thickness of 100 nm on a supporting substrate 12 and a silicon layer 16 having a thickness of 30 nm on the insulating layer (silicon oxide layer) 14. Use what you have. First, as shown in FIG. 2, an element isolation region 18 is formed in the silicon layer 16 by a known method.
[0020]
(2) Next, as shown in FIG. 2, a gate insulating layer 20a to be the gate insulating layer 20 is formed. As the gate insulating layer 20a, for example, a silicon oxide layer is formed by a thermal oxidation method. Next, a gate electrode layer 30a to be the gate electrodes (metal gate electrodes) 30A and 30B is formed on the gate insulating layer 20a. The gate electrode layer 30a is formed by sputtering, for example, by reactive sputtering. The gate electrode layer 30a is not particularly limited as long as it functions as a metal gate electrode, and preferably has low resistance and can withstand heat treatment in a later step. For example, aluminum, molybdenum, tantalum, tungsten, titanium, or a nitride thereof can be given. Further, a stacked film of a tantalum nitride layer and a tantalum layer can be used for the gate electrode layer 30a. It is preferable to form a cap layer (not shown) on the gate electrode layer 30a in order to prevent the gate electrode layer 30a from being damaged by oxidation in a subsequent oxidation step. Examples of the cap layer include a silicon nitride layer.
[0021]
(3) Then, a metal species different from the metal species constituting the gate electrode layer 30a is ion-implanted into the gate electrode layer 30a. The implantation of the metal ions is performed for adjusting the work function of the gate electrode 30. In the present embodiment, a case where metal ions are implanted into gate electrode 30B of PMOSFET 100B will be described. First, as shown in FIG. 2, a mask layer M1 such as a resist is formed in a region where the NMOSFET 100A is formed so that metal ions are not implanted. Next, metal ions 32 are implanted. As the metal ion 32, a metal species having a work function necessary to obtain a desired work function is used. For example, as a metal having a work function larger than the intrinsic mid gap energy of silicon, nickel, cobalt, platinum, and the like can be given. Examples of the metal having a work function smaller than the intrinsic mid gap energy of silicon include tantalum, aluminum, iron, zinc, and gallium.
[0022]
Next, heat treatment is performed at a temperature of about 450 to 550 ° C. By this heat treatment, the metal ions implanted into the gate electrode layer 30a in the region where the PMOSFET 100B is formed can be diffused, and the gate electrode 30a in which the metal ions are uniformly mixed can be formed in the gate electrode layer 30a.
[0023]
(4) Next, as shown in FIG. 4, the gate electrodes 30A and 30B are patterned by lithography and etching. Thus, the gate insulating layer 20 and the gate electrodes 30A and 30B can be formed.
[0024]
Then, as shown in FIG. 4, impurities are introduced by using the gate electrodes 30A and 30B as a mask to form impurity diffusion layers 50 and 60 constituting a source region or a drain region. Specifically, for example, arsenic ions (As + ) are implanted into the NMOSFET and boron difluoride ions (BF 2+ ) are implanted into the PMOSFET. When forming the impurity diffusion layers of the NMOSFET and the PMOSFET, a mask layer (not shown) such as a resist layer is formed in a predetermined region so that impurity ions of the opposite polarity are not doped. Thereafter, low-temperature annealing at 700 ° C. or lower, preferably 450 to 550 ° C. is performed, whereby the impurity diffusion layers 50 and 60 can be formed in a self-aligned manner.
[0025]
Next, for example, a silicon oxide layer is entirely deposited on the SOI substrate 10 on which the gate electrode 30 is formed by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and then etched back by a dry etching method to form a sidewall. An insulating layer 40 (see FIG. 1) is formed.
[0026]
Next, a transition metal layer, for example, a Ni layer is formed by a sputtering method, and a silicide layer 70 (see FIG. 1) is formed on exposed portions of the impurity diffusion layers 50 and 60 through annealing. The metal for forming the silicide layer may be any metal such as titanium (Ti) or cobalt (Co) that can form silicide. After that, the unreacted transition metal layer is removed, and the silicide layer 70 is formed by self-alignment. Through the above steps, the semiconductor device 1000 of this embodiment can be formed. Thereafter, an interlayer insulating layer (not shown) and a wiring layer (not shown) can be formed through a wiring process using a normal CMOS process technology.
[0027]
In the present embodiment, the case where metal ions are implanted only into gate electrode 30B of PMOSFET 100B has been described, but the present invention is not limited to this, and metal ions may be implanted only into gate electrode of NMOSFET 100A. Further, the ions may be injected into both gate electrodes of the PMOSFET 100A and the NMOSFET 100B. Although an example in which the SOI substrate 10 is used as the semiconductor layer has been described, a bulk semiconductor substrate may be used.
[0028]
The advantages of the manufacturing method of the present embodiment are as follows.
[0029]
In the present embodiment, in (3), metal ions are implanted into the metal layer forming the gate electrode. Therefore, the work function of the gate electrode can be controlled. By controlling the work function of the gate electrode 30, the threshold value can be adjusted to a desired value. As a result, a high-performance semiconductor device can be manufactured.
[0030]
Further, in the present embodiment, metal is implanted into gate electrode 30 in a region where PMOSFET 100B is formed. Therefore, the work function of the gate electrode 30 can be adjusted. That is, even when the gate electrodes 30A and 30B are formed of the same material for both the NMOSFET 100A and the PMOSFET 100B, the gate electrodes 30A and 30B having different work functions can be formed. In a semiconductor device using a metal gate, there is a method of forming gate electrodes having different work functions by changing the material for forming the gate electrodes 30A and 30B. However, according to this method, for example, after the gate electrode of the PMOSFET is formed, the gate electrode layer formed in the region where the NMOSFET 100A is formed must be peeled off. By peeling off the gate electrode layer, the gate insulating layer is exposed, and the reliability of the semiconductor device is reduced. According to the manufacturing method of the present embodiment, gate electrodes having different work functions can be formed without increasing the number of manufacturing steps, and the threshold can be adjusted. As a result, a high-performance semiconductor device can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor device according to an embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a manufacturing process of the semiconductor device shown in FIG.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 SOI substrate, 12 support substrate, 14 silicon oxide layer, 16 semiconductor layer, 20 gate insulating layer, 30A, 30B gate electrode, 40 sidewall insulating layer, 50, 60 source or drain region, 70 silicide layer

Claims (5)

基板に設けられた半導体層上に、絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に、第1の金属からなる金属層を形成する工程と、
前記金属層に、前記第1の金属とは異なる第2の金属をイオン注入する工程と、
前記金属層をパターニングし、ゲート電極を形成する工程と、を含む、半導体装置の製造方法。
Forming an insulating layer on a semiconductor layer provided on the substrate;
Forming a metal layer made of a first metal on the insulating layer;
Ion-implanting a second metal different from the first metal into the metal layer;
Patterning the metal layer to form a gate electrode.
Nチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタと、Pチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタとが混載された、相補型半導体装置の製造方法であって、
基板に設けられた半導体層上に、絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に、第1の金属からなる金属層を形成する工程と、
前記金属層のうち前記Nチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極が形成される領域に、前記第1の金属とは異なる第2の金属をイオン注入する工程と、
前記金属層をパターニングし、前記Nチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタと前記Pチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタとのゲート電極をそれぞれ形成する工程と、を含む、半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a complementary semiconductor device in which an N-channel insulated gate field-effect transistor and a P-channel insulated gate field-effect transistor are mounted,
Forming an insulating layer on a semiconductor layer provided on the substrate;
Forming a metal layer made of a first metal on the insulating layer;
Ion-implanting a second metal different from the first metal into a region of the metal layer where a gate electrode of the N-channel insulated gate field effect transistor is formed;
Patterning the metal layer to form gate electrodes of the N-channel insulated gate field-effect transistor and the P-channel insulated gate field-effect transistor, respectively.
Nチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタと、Pチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタとが混載された、相補型半導体装置の製造方法であって、
基板に設けられた半導体層上に、絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層上に、第1の金属からなる金属層を形成する工程と、
前記金属層のうち前記Pチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタのゲート電極が形成される領域に、前記第1の金属とは異なる第2の金属をイオン注入する工程と、
前記金属層をパターニングし、前記Nチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタと前記Pチャネル絶縁ゲート電界効果トランジスタとのゲート電極をそれぞれ形成する工程と、を含む、半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a complementary semiconductor device in which an N-channel insulated gate field-effect transistor and a P-channel insulated gate field-effect transistor are mounted,
Forming an insulating layer on a semiconductor layer provided on the substrate;
Forming a metal layer made of a first metal on the insulating layer;
Ion-implanting a second metal different from the first metal into a region of the metal layer where a gate electrode of the P-channel insulated gate field effect transistor is formed;
Patterning the metal layer to form gate electrodes of the N-channel insulated gate field-effect transistor and the P-channel insulated gate field-effect transistor, respectively.
請求項3において、
前記第1の金属はタンタルであって、前記第2の金属はニッケルである、半導体装置の製造方法。
In claim 3,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the first metal is tantalum, and the second metal is nickel.
請求項1〜4のいずれかにおいて、
前記基板は、SOI基板を用いる、半導体装置の製造方法。
In any one of claims 1 to 4,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the substrate uses an SOI substrate.
JP2002270373A 2002-09-17 2002-09-17 Method for manufacturing semiconductor device Withdrawn JP2004111549A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002270373A JP2004111549A (en) 2002-09-17 2002-09-17 Method for manufacturing semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002270373A JP2004111549A (en) 2002-09-17 2002-09-17 Method for manufacturing semiconductor device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2004111549A true JP2004111549A (en) 2004-04-08

Family

ID=32268027

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002270373A Withdrawn JP2004111549A (en) 2002-09-17 2002-09-17 Method for manufacturing semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2004111549A (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006017190A1 (en) * 2004-07-12 2006-02-16 Intel Corporation Forming dual metal complementary metal oxide semiconductor integrated circuits
US7514310B2 (en) 2004-12-01 2009-04-07 Samsung Electronics Co., Ltd. Dual work function metal gate structure and related method of manufacture
US7745887B2 (en) 2005-02-22 2010-06-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Dual work function metal gate structure and related method of manufacture
JP2011066433A (en) * 2005-09-30 2011-03-31 Infineon Technologies Ag Semiconductor device, and method of manufacture thereof
JP2011530836A (en) * 2008-08-12 2011-12-22 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション Changes in effective work function using ion implantation in integrating dual work function metal gates
WO2024011664A1 (en) * 2022-07-14 2024-01-18 长鑫存储技术有限公司 Semiconductor structure and preparation method

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006017190A1 (en) * 2004-07-12 2006-02-16 Intel Corporation Forming dual metal complementary metal oxide semiconductor integrated circuits
US7439113B2 (en) 2004-07-12 2008-10-21 Intel Corporation Forming dual metal complementary metal oxide semiconductor integrated circuits
US7514310B2 (en) 2004-12-01 2009-04-07 Samsung Electronics Co., Ltd. Dual work function metal gate structure and related method of manufacture
US7745887B2 (en) 2005-02-22 2010-06-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Dual work function metal gate structure and related method of manufacture
JP2011066433A (en) * 2005-09-30 2011-03-31 Infineon Technologies Ag Semiconductor device, and method of manufacture thereof
JP2011530836A (en) * 2008-08-12 2011-12-22 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション Changes in effective work function using ion implantation in integrating dual work function metal gates
US8753936B2 (en) 2008-08-12 2014-06-17 International Business Machines Corporation Changing effective work function using ion implantation during dual work function metal gate integration
US9564505B2 (en) 2008-08-12 2017-02-07 Globalfoundries Inc. Changing effective work function using ion implantation during dual work function metal gate integration
WO2024011664A1 (en) * 2022-07-14 2024-01-18 长鑫存储技术有限公司 Semiconductor structure and preparation method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TW497252B (en) Process of manufacturing semiconductor device
US6630710B1 (en) Elevated channel MOSFET
US6806534B2 (en) Damascene method for improved MOS transistor
US20090050972A1 (en) Strained Semiconductor Device and Method of Making Same
US7253484B2 (en) Low-power multiple-channel fully depleted quantum well CMOSFETs
JPH0870053A (en) Method for manufacturing semiconductor device
TW200939353A (en) Method for fabricating super-steep retrograde well MOSFET on SOI or bulk silicon substrate, and device fabricated in accordance with the method
JPH0992728A (en) Complementary MOS field effect transistor and manufacturing method thereof
CN102576731B (en) High-drive current MOSFET
US7247919B1 (en) Method and device to reduce gate-induced drain leakage (GIDL) current in thin gate oxides MOSFETs
WO1999016116A1 (en) Method for manufacturing semiconductor device
CN101393931A (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US6451644B1 (en) Method of providing a gate conductor with high dopant activation
JP2004111549A (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP2001298193A (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
CN100521154C (en) Dual gate CMOS fabrication
JPH10209291A (en) Method for manufacturing MOS type semiconductor device
JP4713078B2 (en) Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device
JP2004221114A (en) Method for manufacturing semiconductor device
US7923359B1 (en) Reduction of sheet resistance of phosphorus implanted poly-silicon
JPH0575045A (en) Manufacture of semiconductor device
JPH11330271A (en) Manufacture of semiconductor device
JP3052348B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JPH1056171A (en) MIS semiconductor device and method of manufacturing the same
JPH11204783A (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A300 Withdrawal of application because of no request for examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300

Effective date: 20060110