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JPS5968974A - MIS semiconductor device - Google Patents

MIS semiconductor device

Info

Publication number
JPS5968974A
JPS5968974A JP57179403A JP17940382A JPS5968974A JP S5968974 A JPS5968974 A JP S5968974A JP 57179403 A JP57179403 A JP 57179403A JP 17940382 A JP17940382 A JP 17940382A JP S5968974 A JPS5968974 A JP S5968974A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
channel
layer
polycrystalline
refractory metal
semiconductor device
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.)
Pending
Application number
JP57179403A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shohei Shinohara
篠原 昭平
Juro Yasui
安井 十郎
Masanori Fukumoto
正紀 福本
Shozo Okada
岡田 昌三
Koichi Kugimiya
公一 釘宮
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.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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 Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP57179403A priority Critical patent/JPS5968974A/en
Publication of JPS5968974A publication Critical patent/JPS5968974A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/60Insulated-gate field-effect transistors [IGFET]

Landscapes

  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はPチャネルおよびNチャネルの両MOSトラン
ジスタを有する半導体装置のゲート構造の改良に関する
ものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to an improvement in the gate structure of a semiconductor device having both P-channel and N-channel MOS transistors.

従来例の構成とその問題点 半導体装置はますます高密度化す々わち微細化される傾
向にあり、そのための様々な問題が明らかになってきて
いる。その問題点のひとつとして、従来用いられてきた
多結晶Siゲートではゲート材料である多結晶Siの抵
抗が高いため微細化に対して配線遅延をもたらすという
ことがある。この配線遅延についてはゲート材料を多結
晶Siからより低抵抗である高融点金属あるいは高融点
金属シリサイドあるいはこれらと多結晶Siとの2層構
造に置き換えることにより改善が図られている。
Conventional Structures and Problems Semiconductor devices are becoming increasingly denser, that is, more miniaturized, and various problems have become apparent. One of the problems is that in conventionally used polycrystalline Si gates, the resistance of polycrystalline Si, which is the gate material, is high, which causes wiring delays with respect to miniaturization. This wiring delay has been improved by replacing polycrystalline Si as the gate material with a refractory metal or refractory metal silicide having lower resistance, or a two-layer structure of these and polycrystalline Si.

一方、PチャネルおよびNチャネルの両MOSトランジ
スタを有する半導体装置では、微細化が直接側々のトラ
ンジスタ特性に影響を与えるショートチャネル効果やバ
ンチスルー現象が問題となっている。これらの問題をま
ず現在主に用いられているn 拡散された多結晶Siゲ
ートの半導体装置について述べる。現在Pチャネルのソ
ース。
On the other hand, in semiconductor devices having both P-channel and N-channel MOS transistors, short channel effects and bunch-through phenomena, in which miniaturization directly affects the characteristics of each transistor, have become problems. These problems will first be described with respect to semiconductor devices with n-diffused polycrystalline Si gates, which are currently mainly used. Current P channel source.

ドレインの拡散はBのイオン注入および熱処理に十 よって形成される。このBによるP 層の拡散深さは、
Nチャネルの人SによるN 層の拡散深さに比へて、B
の拡散係数が太きいために深くなる。
Drain diffusion is formed by B ion implantation and heat treatment. The diffusion depth of the P layer due to B is:
Compared to the diffusion depth of N layer by N channel person S, B
It becomes deep because of its large diffusion coefficient.

一般に拡散深さが深いと拡散層からの空乏層の拡がりが
大きくなる。そのだめにチャネル長が短かくなるとしき
い値電圧が低下するショートチャネル効果あるいはドレ
イン側の空乏層がソース側の空乏層とつ々がってゲート
電圧で電流が制御できなくなるパンチスルー現象を生じ
やすくなる。Pチャネルの上記効果、現象がNチャネル
に比べて顕著に現われ問題となっているのが現状である
Generally, the deeper the diffusion depth, the greater the spread of the depletion layer from the diffusion layer. However, as the channel length becomes shorter, a short channel effect occurs in which the threshold voltage decreases, or a punch-through phenomenon occurs in which the depletion layer on the drain side connects with the depletion layer on the source side, making it impossible to control the current with the gate voltage. It becomes easier. At present, the above-mentioned effects and phenomena of the P channel are more noticeable than those of the N channel, and are causing problems.

これを解決するには、それぞれいくつかの方法が考えら
れるが、両者に共通した方法としては基板の不純物濃度
を高くする方法がある。しかしながら、しきい値電圧を
制御するという点から単に基板濃度を高くすることはで
きず、チャネル領域の不純物濃度を大きく変化させるこ
とはできない。
Several methods can be considered to solve this problem, but a common method for both methods is to increase the impurity concentration of the substrate. However, from the point of view of controlling the threshold voltage, it is not possible to simply increase the substrate concentration, and it is not possible to greatly change the impurity concentration in the channel region.

ただし、Pチャネルに関しては、ゲート材料の仕事関数
を大きくすると、しきい値電圧を制御しかつ基板の不純
物濃度を高くすることができる。
However, for the P channel, increasing the work function of the gate material allows the threshold voltage to be controlled and the impurity concentration of the substrate to be increased.

次に先に述べた配線遅延の軽減を目的としてゲート材料
にMo5izを用いた半導体装置について述べる。Mo
Si2はN拡散された多結晶Siより約0,56V仕事
関数が大きい。したがってNチャネルトランジスタでは
しきい値電圧が約0.6v高くなり、Pチャネルトラン
ジスタでは約o、e> V低くなる。これらのしきい値
電圧は調整する必要があるが、Pチャネルについてはゲ
ート材料の仕事関数が大きいために上記の如く好ましい
傾向となる。ところがNチャネルについてはしきい値電
圧を調整することが実質的に基板の不純物濃度を下げる
こととなり、ショートチャネル効果やパンチスルー現象
を増長させる傾向と々る。
Next, a semiconductor device using Mo5iz as a gate material for the purpose of reducing the wiring delay mentioned above will be described. Mo
Si2 has a work function larger by about 0.56 V than N-diffused polycrystalline Si. Therefore, for N-channel transistors, the threshold voltage is about 0.6 V higher, and for P-channel transistors, it is about o, e> V lower. Although these threshold voltages need to be adjusted, the P channel has a favorable tendency as described above because the work function of the gate material is large. However, for N-channels, adjusting the threshold voltage essentially lowers the impurity concentration of the substrate, which tends to increase the short channel effect and punch-through phenomenon.

以上で述べてきたように、N 拡散された多結晶Si 
をゲート材料とする場合にばPチャネル側がショートチ
ャネル効果やパンチスルー現象に対して不利と々るのに
対し、MoSi2のようにN+拡散された多結晶Siよ
り仕事関数の大きいゲート材料を用いる場合にはNチャ
ネル側が不利になる。
As mentioned above, N-diffused polycrystalline Si
When using MoSi2 as the gate material, the P channel side is disadvantageous against short channel effects and punch-through phenomena, whereas when using a gate material such as MoSi2, which has a larger work function than N+ diffused polycrystalline Si. The N-channel side is at a disadvantage.

発明の目的 本発明は上記に述べた問題点について考慮し、素子の微
細化に対してショートチャネル効果やパンチスルー現象
の軽減を図った高密度・高速度半導体装置を提供するこ
とを目的とする。
Purpose of the Invention The present invention takes into consideration the above-mentioned problems, and aims to provide a high-density, high-speed semiconductor device that reduces short channel effects and punch-through phenomena in response to miniaturization of elements. .

発明の構成 本発明は、一層あるいは複数層のゲート構造を有し、ゲ
ート絶縁膜に接する層をPチャネルトランジスタではN
 拡散された多結晶Si  より仕事関数の大きい高融
点金属あるいは高融点金属シリ十 サイドとし、NチャネルトランジスタではN 拡散され
た多結晶Siとすることにより製造工程への適用が容易
でかつ半導体装置を上記の目的に即して高性能化するも
のである。
Structure of the Invention The present invention has a gate structure of one layer or multiple layers, and the layer in contact with the gate insulating film is N in a P-channel transistor.
Diffused polycrystalline Si is a high-melting point metal or high-melting point metal silicide with a higher work function than N-diffused polycrystalline Si.In N-channel transistors, use of N-diffused polycrystalline Si makes it easy to apply to manufacturing processes and improves semiconductor device performance. The purpose is to improve performance in accordance with the above objectives.

実施例の説明 図は本発明の実施例で、Pウェル型CMO3LSIのP
チャネルトランジスターとNチャネルトランジスタ2の
それぞれリース、ドレイン拡散工程後までの断面図を示
している。
The explanatory diagram of the embodiment is an embodiment of the present invention, and the P well type CMO3LSI P
A cross-sectional view of a channel transistor and an N-channel transistor 2 after the lease and drain diffusion steps are shown, respectively.

以下にこの実施例について工程を追って説明する。まず
N型基板3上にPウェル拡散層4を形成した後、フィー
ルド酸化膜6を形成する。次にしきい値電圧制御用のイ
オン注入を行ない、ゲート酸化膜6を形成する。以上は
通常の0MO8LSIの製造工程と同様である。次に基
板上全面に多結晶S1膜をCVD法により形成しN 拡
散を行な+ い、たとえば膜厚1oooAのN 拡散された多結晶S
i層7を形成する。次にPウェル4形成のだめのフォト
マスクを利用することによりPウェル4上の多結晶Si
層7の上にのみレジストを残し、Pチャネルトラフ2フ
41部分の多結晶S1層をCF4+ 02ガスのプラズ
マにより除去する。
This example will be explained step by step below. First, a P-well diffusion layer 4 is formed on an N-type substrate 3, and then a field oxide film 6 is formed. Next, ion implantation for threshold voltage control is performed to form a gate oxide film 6. The above steps are the same as the normal manufacturing process of 0MO8LSI. Next, a polycrystalline S1 film is formed on the entire surface of the substrate by the CVD method, and N is diffused.
An i-layer 7 is formed. Next, by using a photomask for forming the P-well 4, the polycrystalline Si on the P-well 4 is removed.
The polycrystalline S1 layer in the P channel trough 2 41 portion is removed by plasma of CF4+02 gas, leaving the resist only on the layer 7.

続いてレジストを除去した後、スパッタ法あるいは電子
ビーム蒸着法により、たとえば膜JF9E200OAの
高融点金属あるいは高融点金属シリサイド層たとえばM
oSi2層8を形成する。
After removing the resist, the refractory metal or refractory metal silicide layer of the film JF9E200OA, for example, is deposited by sputtering or electron beam evaporation.
An oSi2 layer 8 is formed.

以上の工程でPウェル4上にはN+拡散された多結晶S
1とMoSi2の2層構造、その他の基板上でばMoS
i2の1層構造が形成される。(この時、P、N別々に
フォトマスクを使えば、各々、Mo S i2 と結晶
$1の一層構造とカる。)次にゲートパターンをレジス
トにより形成してMoSi2層8と多結晶Si層7を同
時にCF4+02ガスのプラズマでエツチングする。さ
らにPチャネルトランジスタのソース、ドレイン拡散層
9、Nチャネルトランジスタのソース、ドレイン拡散層
10を形成すると第1図に示される状態となる。
In the above steps, N+ diffused polycrystalline S is formed on the P well 4.
Two-layer structure of 1 and MoSi2, MoS on other substrates
A single layer structure of i2 is formed. (At this time, if photomasks are used separately for P and N, each will have a single layer structure of MoSi2 and crystal $1.) Next, a gate pattern is formed with a resist, and a MoSi2 layer 8 and a polycrystalline Si layer are formed. 7 is simultaneously etched with CF4+02 gas plasma. Further, when the source and drain diffusion layers 9 of the P-channel transistor and the source and drain diffusion layers 10 of the N-channel transistor are formed, the state shown in FIG. 1 is obtained.

0MO3LSIの完成には、この後通常の0MO3LS
Iの製造工程と同様に絶縁膜形成、コンタクト孔形成、
アルミ配線形成、パッシベーション膜形成と続く。
To complete the 0MO3LSI, use the normal 0MO3LS after this.
Similar to the manufacturing process of I, insulating film formation, contact hole formation,
Next is aluminum wiring formation and passivation film formation.

以上の実施例によれば、Pチャネルトランジスタのゲー
トはMoSi2 の1層構造、Nチャネルトランジスタ
のゲートはMoSi 2と多結晶Siとの2層構造とな
り、MOS)ランジスクのゲートの仕事関数はPチャネ
ルではMoSi2により、NチャネルではN+拡散され
た多結晶Siにより決定される。
According to the above embodiment, the gate of the P-channel transistor has a single-layer structure of MoSi2, and the gate of the N-channel transistor has a two-layer structure of MoSi2 and polycrystalline Si. For the N channel, it is determined by MoSi2, and for the N channel, it is determined by N+ diffused polycrystalline Si.

なお、本実施例において多結晶Si層7の膜厚は仕事関
数が保存される膜厚であればよく、本発明者らの実験で
は600人もあればよいことが分っている。またMoS
i2の膜厚けLSIの動作速度の要求に応じて変化させ
ることができる。抵抗へ 値からみれば1000Aもあればよい。また、本実施例
においてはN 拡散された多結晶S1より仕事関数の大
きい高融点金属あるいは高融点金属シリサイドとしてM
oSi2を用いたが、この他に”+ WI WSi2 
等も使用しても同様の効果が得られる。この時、Mo+
Wの場合は膜厚を60OAと薄くしても抵抗は十分低く
、今後の高密度高集積化テバイスにも適している。
In this embodiment, the thickness of the polycrystalline Si layer 7 is sufficient as long as the work function is preserved, and experiments conducted by the present inventors have shown that as many as 600 people are sufficient. Also MoS
The film thickness of i2 can be changed depending on the operating speed requirements of the LSI. In terms of resistance value, 1000A is sufficient. In addition, in this example, M is used as a high melting point metal or a high melting point metal silicide having a larger work function than the N diffused polycrystalline S1.
oSi2 was used, but in addition to this, “+ WI WSi2
A similar effect can be obtained by using . At this time, Mo+
In the case of W, the resistance is sufficiently low even if the film thickness is reduced to 60 OA, making it suitable for future high-density and high-integration devices.

発明の効果 以上のように、本発明はMIS )ランジスタのゲート
としての仕事関数をPチャネルではN 拡散された多結
晶Siより高い仕事関数をもつ高融点金属あるいは高融
点金属シリサイドにより設定し、NチャネルではN 拡
散された多結晶Siにより設定することにより、それぞ
れのチャネルの基板濃度を好ましい方向に改善せしめ微
細化に際してのショートチャネル効果やパンチスルー現
象の軽減を図ることを可能にするものである。また、高
融点金属あるいは高融点金属シリサイドをゲート材料と
してもつことによって配線遅延の減少をもたらし半導体
装置の高速化を図ることはいうまでもない。
Effects of the Invention As described above, the present invention provides a method for setting the work function of the gate of an MIS transistor in the P channel using a refractory metal or refractory metal silicide having a higher work function than N diffused polycrystalline Si. By setting the channels with N-diffused polycrystalline Si, it is possible to improve the substrate concentration of each channel in a favorable direction and reduce the short channel effect and punch-through phenomenon during miniaturization. . Furthermore, it goes without saying that by using a high melting point metal or a high melting point metal silicide as a gate material, wiring delays can be reduced and the speed of the semiconductor device can be increased.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

図は本発明の一実施例にがかるPウェル型0NO3LS
IのPチャネルおよびNチャネルの両トランジスタのソ
ース、ドレイン拡散工程後までの断面図である。 1・・・・・・Pチャネルトランジスタ、2・・・・・
・Nチャ+ ネルトランジスタ、3・・・・・・半導体基板、7・・
・・・・N拡散された多結晶Si層、8・・・・・・高
融点金属あるいは高融点金属シリサイド層。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか1名1 
     月    2
The figure shows a P-well type 0NO3LS according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of both the P-channel and N-channel transistors of I after the source and drain diffusion steps. 1...P channel transistor, 2...
・N-channel + channel transistor, 3... Semiconductor substrate, 7...
. . . N-diffused polycrystalline Si layer, 8 . . . Refractory metal or refractory metal silicide layer. Name of agent: Patent attorney Toshio Nakao and 1 other person1
month 2

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)半導体基板上に、PチャネルおよびNチャネルの
両MIS )ランジスタを有し、ゲート構造が一層ある
いは複数層構造をなし、この構造のゲート絶縁膜に接す
る層を前記Pチ°ヤネルトランジスタではN 拡散され
た多結晶シリコンより仕事関係の大きい高融点金属ある
いは高融点金属シリサイドとし、前記Nチャネルトラン
ジスタではN 拡散された多結晶シリコンとしたことを
特徴とするMIS半導体装置。
(1) Both P-channel and N-channel MIS transistors are provided on a semiconductor substrate, and the gate structure has a single-layer or multi-layer structure, and the layer in contact with the gate insulating film of this structure is the P-channel transistor. A MIS semiconductor device characterized in that the N-diffused polycrystalline silicon is used as a refractory metal or a refractory metal silicide having a higher work relationship than N-diffused polycrystalline silicon in the N-channel transistor.
(2)N  拡散された多結晶シリコン上に、高融点金
属あるいは高融点金属シリサイドを積層したことを特徴
とする特許請求の範囲第1項に記載のMIS半導体装置
(2) The MIS semiconductor device according to claim 1, characterized in that a refractory metal or a refractory metal silicide is laminated on N-diffused polycrystalline silicon.
JP57179403A 1982-10-12 1982-10-12 MIS semiconductor device Pending JPS5968974A (en)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6269664A (en) * 1985-09-24 1987-03-30 Toshiba Corp Complementary MOS type semiconductor device
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