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JP2005026273A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2005026273A
JP2005026273A JP2003187014A JP2003187014A JP2005026273A JP 2005026273 A JP2005026273 A JP 2005026273A JP 2003187014 A JP2003187014 A JP 2003187014A JP 2003187014 A JP2003187014 A JP 2003187014A JP 2005026273 A JP2005026273 A JP 2005026273A
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JP
Japan
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gate electrode
film
semiconductor device
insulating film
dummy gate
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Application number
JP2003187014A
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Japanese (ja)
Inventor
Shunji Nakamura
俊二 中村
Hideji Shito
秀治 志渡
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】金属置換技術及びサリサイド技術の双方の利点を生かしつつ、ゲート電極及びソース/ドレイン領域の低抵抗化が可能な半導体装置の構造及びその製造方法を提供する。
【解決手段】半導体基板10上に形成された置換メタルよりなるゲート電極48と、ゲート電極48の上面上に形成されたシリサイド膜30と、半導体基板10内に形成された不純物拡散領域28と、不純物拡散領域28上に形成されたシリサイド膜30とを有する。これにより、ゲート電極及びソース/ドレイン領域が低抵抗化され、高速・低電力のトランジスタを製造することができる。
【選択図】 図16
A semiconductor device structure capable of reducing the resistance of a gate electrode and a source / drain region while utilizing the advantages of both a metal replacement technique and a salicide technique, and a method for manufacturing the same.
A gate electrode formed of a replacement metal formed on a semiconductor substrate, a silicide film formed on an upper surface of the gate electrode, an impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate, And a silicide film 30 formed on the impurity diffusion region 28. As a result, the resistance of the gate electrode and the source / drain region is reduced, and a high-speed and low-power transistor can be manufactured.
[Selection] FIG.

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に、置換メタルよりなるゲート電極を有する半導体装置及びその製造方法を提供する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の高集積化・大容量化に伴い、設計ルール(ライン/スペース)が厳しくなっている。また、それに伴って配線層の幅が細くなり、上下の配線層間を接続するコンタクトプラグを形成するためのビアホールの径が小さくなっている。このため、配線層やコンタクトプラグを形成するための材料として、より低抵抗の材料を用いることが必要とされている。
【0003】
これまで、MISトランジスタのゲート電極材料には、ソース/ドレイン拡散層を自己整合的に形成しうる材料、すなわちソース/ドレイン拡散層を形成するための活性化熱処理に耐えうる材料として、多結晶シリコンが広く用いられてきた。しかしながら、多結晶シリコンは金属と比較すると2桁程度比抵抗が高いため、ゲート電極の低抵抗化することが望まれていた。
【0004】
近年、多結晶シリコンをアルミに置換する技術が提案されており、この技術を半導体装置の製造プロセスに適用する動きがある。本願発明者は、多結晶シリコンよりなるゲート電極を有するMISトランジスタを形成した後、上述の多結晶シリコンをアルミに置換する技術を用いてアルミ置換を行い、アルミよりなるゲート電極を有するMISトランジスタを形成する方法を特許文献1において提案している。また、ゲート電極の金属置換技術に関しては、特許文献2、非特許文献1等にも記載されている。
【0005】
次に、金属置換技術を用いてゲート電極を形成する従来の半導体装置の製造方法について図29及び図30を用いて説明する。
【0006】
まず、素子分離膜102により画定されたシリコン基板100の素子領域内に、イオン注入により、Pウェル104を形成する。
【0007】
次いで、素子領域上に、通常のMOSトランジスタの形成方法と同様にして、多結晶シリコン膜よりなるダミーゲート電極106と、ゲート電極106の両側のシリコン基板100内に形成されたソース/ドレイン拡散層108とを有するMOSトランジスタを形成する。
【0008】
次いで、MOSトランジスタが形成されたシリコン基板100上に、CVD法によりシリコン酸化膜を堆積後、CMP法によりダミーゲート電極106の表面が露出するまでシリコン酸化膜を平坦化し、表面が平坦化されたシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜110を形成する(図29(a))。
【0009】
次いで、層間絶縁膜110上に、スパッタ法により、アルミ膜112及びチタン膜114を堆積する(図29(b))。
【0010】
次いで、窒素雰囲気中で400℃程度の熱処理を行う。この熱処理により、ダミーゲート電極106とアルミ膜112との間で界面から反応が進行し、ダミーゲート電極106を構成するシリコン原子がアルミ膜112方向に拡散するとともに、アルミ膜112を構成するアルミ原子がダミーゲート電極106方向に拡散する。これにより、ダミーゲート電極106を構成する多結晶シリコンはアルミに置換される。こうして、アルミよりなるゲート電極116が形成される(図29(c))。
【0011】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜110上のアルミ膜112及びチタン膜114を除去する(図30(a))。
【0012】
次いで、例えばCVD法により、例えばシリコン酸化膜を堆積し、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜118を形成する。
【0013】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、層間絶縁膜118,110をパターニングし、ソース/ドレイン拡散層108に達するコンタクトホール120を形成する。
【0014】
次いで、例えばスパッタ法によりバリアメタル膜とタングステン膜とを堆積後、層間絶縁膜118の表面が露出するまでCMP法によりこれら膜を平坦化し、コンタクトホール120に埋め込まれたコンタクトプラグ122を形成する。
【0015】
次いで、導電膜を堆積後、フォトリソグラフィー及びドライエッチングによりこの導電膜をパターニングし、コンタクトプラグ122を介してソース/ドレイン拡散層108に接続された配線層124を形成する(図30(b))。
【0016】
こうして、ゲート電極が金属材料により置換された半導体装置が製造されていた。
【0017】
【特許文献1】
特開平11−097535号公報
【特許文献2】
特開2001−274379号公報
【非特許文献1】
International Electron Devices Meeting 96, p.946−94
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
一方、ゲート電極とソース/ドレイン領域とを同時に低抵抗化する技術として、ゲート電極上及びソース/ドレイン拡散層上に選択的にシリサイド膜を形成するサリサイド(salicide: self−aligned silicide)技術が知られている。
【0019】
金属置換技術では、サリサイド技術により達成できる以上のゲート電極の低抵抗化を実現できるが、ソース/ドレイン領域の低抵抗化を図ることはできない。このため、金属置換技術にサリサイド技術を併用し、ゲート電極を金属置換するともに、ソース/ドレイン領域シリサイド化することが望まれるが、金属置換技術とサリサイド技術とを併合する検討は従来行われていなかった。
【0020】
本発明の目的は、金属置換技術及びサリサイド技術の双方の利点を生かしつつ、ゲート電極及びソース/ドレイン領域の低抵抗化が可能な半導体装置の構造及びその製造方法を提供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、半導体基板上に形成された置換メタルよりなるゲート電極と、前記ゲート電極の上面上に形成された第1のシリサイド膜と、前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、前記不純物拡散領域上に形成された第2のシリサイド膜とを有することを特徴とする半導体装置によって達成される。
【0022】
また、上記目的は、半導体基板上に形成された置換メタルよりなるゲート電極と、前記ゲート電極の上面上に形成されたキャップ絶縁膜と、前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、前記不純物拡散領域上に形成された第2のシリサイド膜とを有することを特徴とする半導体装置によっても達成される。
【0023】
また、上記目的は、半導体基板上に形成された置換メタルよりなるゲート電極と、前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、前記不純物拡散領域上に形成されたシリサイド膜と、前記半導体基板上に形成され、前記ゲート電極とほぼ等しい高さを有する層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成され、前記ゲート電極に電気的に接続された配線層とを有することを特徴とする半導体装置によっても達成される。
【0024】
また、上記目的は、半導体基板上に、金属に置換可能な被置換材料よりなるダミーゲート電極を形成する工程と、前記ダミーゲート電極の両側の前記半導体基板内に、前記ダミーゲート電極に対して自己整合で不純物拡散領域を形成する工程と、前記ダミーゲート電極上及び前記不純物拡散領域上に、自己整合でシリサイド膜を形成する工程と、前記半導体基板上に、層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜に、前記ダミーゲート電極上の前記シリサイド膜に達する開口部を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に、金属膜を形成する工程と、熱処理を行うことにより、前記ダミーゲート電極を構成する前記被置換材料を前記金属膜を構成する金属材料に置換し、前記金属材料よりなるゲート電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法によっても達成される。
【0025】
また、上記目的は、半導体基板上に、金属に置換可能な被置換材料よりなり、上面がキャップ絶縁膜により覆われたダミーゲート電極を形成する工程と、前記ダミーゲート電極の両側の前記半導体基板内に、前記ダミーゲート電極に対して自己整合で不純物拡散領域を形成する工程と、前記不純物拡散領域上に、自己整合でシリサイド膜を形成する工程と、前記半導体基板上に、層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜及び前記キャップ絶縁膜に、前記ダミーゲート電極に達する開口部を形成する工程と、前記層間絶縁膜上に、金属膜を形成する工程と、熱処理を行うことにより、前記ダミーゲート電極を構成する前記被置換材料を前記金属膜を構成する金属材料に置換し、前記金属材料よりなるゲート電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法によっても達成される。
【0026】
【発明の実施の形態】
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態による半導体装置及びその製造方法について図1乃至図11を用いて説明する。
【0027】
図1は本実施形態による半導体装置の構造を示す平面図、図2は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図3乃至図11は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0028】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図1及び図2を用いて説明する。なお、図2(a)は図1のA−A′線断面に沿った概略断面図であり、図2(b)は図1のB−B′線に沿った断面図である。
【0029】
シリコン基板10上には、素子領域を画定する素子分離膜12が形成されている。N型トランジスタ形成領域のシリコン基板10内には、Pウェル14が形成されている。素子領域上には、ゲート絶縁膜16を介して、置換メタルであるアルミよりなるゲート電極48が形成されている。ゲート電極48の上面上には、キャップ絶縁膜20が形成されている。ゲート電極48の両側のシリコン基板10内には、ゲート電極48に自己整合してソース/ドレイン拡散層28が形成されている。ソース/ドレイン拡散層28上には、シリサイド膜30が形成されている。こうして、ゲート電極48及びソース/ドレイン拡散層28を有するN型トランジスタが形成されている。
【0030】
トランジスタが形成されたシリコン基板10上には、層間絶縁膜32が形成されている。層間絶縁膜32には、シリサイド膜30を介してソース/ドレイン拡散層28に電気的に接続されたコンタクトプラグ40と、ゲート電極48に接続された置換メタルであるアルミよりなるコンタクトプラグ50とが埋め込まれている。
【0031】
コンタクトプラグ40,50が埋め込まれた層間絶縁膜32上には、コンタクトプラグ40及びシリサイド膜30を介してソース/ドレイン拡散層28に電気的に接続された配線層56と、コンタクトプラグ50を介してゲート電極48に電気的に接続された配線層58とが形成されている。
【0032】
このように、本実施形態による半導体装置は、トランジスタのゲート電極48が置換メタルであるアルミにより構成されているとともに、ソース/ドレイン拡散層28上にシリサイド膜30が形成されていることに主たる特徴がある。
【0033】
N型トランジスタのゲート電極48をアルミにより構成することにより、ゲート配線を低抵抗化することができ、トランジスタの高速化を図ることができる。なお、アルミの仕事関数は、N型トランジスタのゲート電極として好適でもある。また、ソース/ドレイン拡散層28上にシリサイド膜30を形成することにより、拡散層抵抗を低抵抗化することができ、トランジスタの更なる高速化を図ることができる。
【0034】
ここで、ゲート電極48を構成する材料は、厳密にいえばアルミを主体的に含む導電体である。本発明では、ゲート電極48を、多結晶シリコンをアルミ置換する技術を用いて形成する。このため、ゲート電極48には、置換を行う際の熱処理の温度に応じたシリコンが含まれている。すなわち、アルミ中のシリコンの濃度は、材料の原子構造が熱処理温度で安定に保たれる状態(相状態図の相と相との間の線上)に収束し、例えば、約350℃の熱処理を行う場合には約0.2%のシリコンが含まれ、約400℃の熱処理を行う場合には約0.3%のシリコンが含まれ、約450℃の熱処理を行う場合には約0.5%のシリコンが含まれ、約500℃の熱処理を行う場合には約0.7%のシリコンが含まれることとなる。ただし、本明細書では、便宜上、多結晶シリコンをアルミ置換することにより形成した導電体をも「アルミ」と称する。
【0035】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図3乃至図11を用いて説明する。なお、図3乃至図7は図1のA−A′線断面に沿った工程断面図であり、図8乃至図11は図1のB−B′線断面に沿った工程断面図である。
【0036】
まず、p型シリコン基板10に、例えばSTI法により、素子領域を画定する素子分離膜12を形成する。
【0037】
次いで、イオン注入により、N型トランジスタ形成領域にPウェル14を形成する(図3(a)、図8(a))。なお、ウェルの形成とともに、閾値制御のためのイオン注入やパンチスルー防止のための不純物領域を形成するためのイオン注入を行ってもよい。
【0038】
次いで、熱酸化法によりシリコン基板10の表面を熱酸化し、素子領域上に例えばシリコン酸化膜よりなるゲート絶縁膜16を形成する(図3(b)、図8(b))。なお、ゲート絶縁膜16は、シリコン窒化酸化膜、アルミナ膜、高誘電率膜、その他の絶縁膜により形成してもよい。
【0039】
次いで、全面に、例えばCVD法により、例えば膜厚100nmの多結晶シリコン膜を堆積する。シリコンは、アルミ等の金属材料による置換が可能な被置換材料である。なお、多結晶シリコン膜の代わりに、アルミ置換が可能な他の材料、例えばゲルマニウム(Ge)膜、SiGe膜、SiGeC膜、カーボン(C)膜、及び炭化シリコン(SiC)膜や、CoSi膜,NiSi膜,TiSi膜、PtSi膜等のシリサイド膜を形成してもよい。
【0040】
次いで、ポリシリコン膜上に、例えばCVD法により、例えば膜厚50nmのシリコン酸化膜を堆積し、シリコン酸化膜よりなるキャップ絶縁膜20を形成する。
【0041】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、キャップ絶縁膜20及び多結晶シリコン膜をパターニングし、多結晶シリコン膜よりなり、上面がキャップ絶縁膜20で覆われたダミーゲート電極22を形成する。
【0042】
次いで、ダミーゲート電極22をマスクとして、例えば砒素(As)イオンをイオン注入し、ダミーゲート電極22の両側のシリコン基板10内に、LDD構造の低濃度不純物領域或いはエクステンションソース/ドレイン構造のエクステンション領域となる不純物拡散領域24を形成する(図3(c)、図8(c))。
【0043】
次いで、例えばCVD法により例えば膜厚100nmのシリコン酸化膜を堆積した後、このシリコン酸化膜をエッチバックし、ダミーゲート電極22の側壁部分に、シリコン酸化膜よりなる側壁絶縁膜26を形成する。
【0044】
次いで、ダミーゲート電極22及び側壁絶縁膜26をマスクとして、例えば砒素(As)イオンをイオン注入し、ダミーゲート電極22及び側壁絶縁膜26の両側のシリコン基板10内に、高濃度のソース・ドレイン不純物領域を形成する。
【0045】
次いで、所定の熱処理を行い注入した不純物を活性化し、ダミーゲート電極22の両側のシリコン基板10内にLDD構造或いはエクステンションS/D構造を有するN型のソース/ドレイン拡散層28を形成する(図4(a)、図9(a))。
【0046】
次いで、サリサイドプロセスにより、ソース/ドレイン拡散層28上に、選択的にシリサイド膜30を形成する(図4(b))。例えば、全面にコバルトやチタンなどの金属膜を堆積し、熱処理によりシリコン露出部分と反応させてシリサイド膜を形成し、その後に未反応の金属膜を除去することにより、ソース/ドレイン拡散層28上にシリサイド膜30を形成する。
【0047】
なお、本実施形態による半導体装置では、ダミーゲート電極22上にキャップ絶縁膜20を設けることにより、ダミーゲート電極22上にはシリサイド膜を形成しないようにしている。一般的なサリサイドプロセスでは、ゲート電極を構成するポリシリコン膜と金属膜とを反応させ、ポリシリコン膜上にシリサイド膜を形成する。この場合、ポリシリコン膜の一部が消費されるため、ポリシリコン膜の膜厚はシリサイド化反応前よりも薄くなる。ところが、本発明のようにポリシリコン膜をアルミに置換する場合、置換前のポリシリコン膜の薄膜化は、ゲート抵抗の大幅な増大につながる。そこで、本実施形態による半導体装置では、ダミーゲート電極22の上面を予めキャップ絶縁膜20により覆っておき、ダミーゲート電極22がシリサイド化反応するのを防止している。
【0048】
次いで、例えばCVD法により例えば膜厚500nmのシリコン酸化膜を堆積した後、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨)法によりこのシリコン酸化膜を平坦化し、表面が平坦化されたシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜32を形成する(図5(a)、図9(b))。
【0049】
なお、キャップ絶縁膜20の表面が露出するまでシリコン酸化膜を平坦化し、キャップ絶縁膜20とほぼ等しい高さを有する層間絶縁膜32を形成するようにしてもよい。この場合、後述する第5実施形態においてダミーゲート電極22上のシリサイド膜30を除去するように、キャップ絶縁膜20を除去してもよい。
【0050】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、層間絶縁膜32に、シリサイド膜30に達するコンタクトホール34を形成する。
【0051】
次いで、例えばCVD法により、例えば膜厚5nmのチタン膜(Ti)と、例えば膜厚20nmの窒化チタン(TiN)膜とを堆積し、TiN/Ti構造のバリアメタル36を形成する。
【0052】
次いで、バリアメタル36上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚300nmのタングステン膜38を形成する。
【0053】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜32の表面が露出するまでタングステン膜38及びバリアメタル36を平坦に除去し、バリアメタル36及びタングステン膜38をコンタクトホール34内に選択的に残存させる。こうして、コンタクトホール34内に、バリアメタル36及びタングステン膜38よりなるコンタクトプラグ40を形成する(図5(b))。
【0054】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、層間絶縁膜32及びキャップ絶縁膜20に、ダミーゲート電極22に達するコンタクトホール42を形成する(図9(c))。
【0055】
次いで、コンタクトプラグ40が埋め込まれ、ダミーゲート電極22に達するコンタクトホール42が形成された層間絶縁膜32上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚400nmのアルミ(Al)膜44と、例えば膜厚200nmのチタン膜46とを堆積する(図6(a)、図10(a))。これにより、コンタクトホール42内では、ダミーゲート電極22とアルミ膜44とが直接接触する。
【0056】
次いで、窒素雰囲気中で、300〜500℃、例えば400℃において、例えば30分間熱処理を行う。この熱処理により、ダミーゲート電極22とアルミ膜44との間で界面から反応が進行し、ダミーゲート電極22を構成するシリコン原子がアルミ膜44方向に拡散するとともに、アルミ膜44を構成するアルミ原子がダミーゲート電極22方向に拡散する。なお、ゲート長0.1μm、高さ0.15μmの多結晶シリコン膜よりなるダミーゲート電極をアルミ置換する場合、窒素雰囲気中、400℃、30分間の熱処理を行うと、ゲート幅方向約10μmの領域をアルミ置換することができる。熱処理時間は、ゲート電極の形状及び熱処理温度等に応じて適宜選択することが望ましい。
【0057】
これにより、ダミーゲート電極22及びアルミ膜44は、熱処理温度に応じた濃度のシリコンを含むアルミ膜に置換される。また、過剰なシリコンはチタン膜46中に吸い出される。こうして、アルミよりなるゲート電極48が形成される(図6(b)、図10(b))。
【0058】
アルミ置換の熱処理は、上述のように300〜500℃の範囲で行うことが望ましい。300℃よりも低いと多結晶シリコンとアルミとの間の反応が起こらず、500℃よりも高いとアルミと層間絶縁膜とが反応するからである。
【0059】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜32上のアルミ膜44及びチタン膜46を除去する(図7(a)、図11(a))。この際、コンタクトホール42内には、ゲート電極48と一体形成されたアルミよりなるコンタクトプラグ50が残存する。
【0060】
次いで、層間絶縁膜32上に、例えばスパッタ法により、例えば窒化チタン膜52及びアルミ膜54を堆積する。
【0061】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、窒化チタン膜52及びアルミ膜54をパターニングし、窒化チタン膜52及びアルミ膜54よりなり、コンタクトプラグ40を介してソース/ドレイン拡散層28に電気的に接続された配線層56と、コンタクトプラグ50を介してゲート電極48に電気的に接続された配線層58とを形成する(図7(b)、図11(b))。
【0062】
このように、本実施形態によれば、ダミーゲート電極上にキャップ膜を設け、ソース/ドレイン拡散層上に選択的にシリサイド膜を形成するので、シリサイド化に伴うポリシリコン膜の消費によるゲート電極の高抵抗化を防止することができる。したがって、置換メタルゲートのメリットを損なうことなく、ソース/ドレイン拡散層上にシリサイド膜を形成することができ、トランジスタの高速化を図ることができる。
【0063】
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態による半導体装置及びその製造方法について図12乃至図15を用いて説明する。なお、図1乃至図11に示す第1実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【0064】
図12は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図13乃至図15は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0065】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図12を用いて説明する。なお、図12(a)は図1のA−A′線断面に沿った概略断面図であり、図12(b)は図1のB−B′線断面に沿った概略断面図である。
【0066】
シリコン基板10上には、素子領域を画定する素子分離膜12が形成されている。N型トランジスタ形成領域のシリコン基板10内には、Pウェル14が形成されている。素子領域上には、ゲート絶縁膜16を介して、置換メタルであるアルミよりなるゲート電極48が形成されている。ゲート電極48の両側のシリコン基板10内には、ゲート電極48に自己整合してソース/ドレイン拡散層28が形成されている。ゲート電極48上及びソース/ドレイン拡散層28上には、シリサイド膜30が形成されている。こうして、ゲート電極48及びソース/ドレイン拡散層28を有するN型トランジスタが形成されている。
【0067】
トランジスタが形成されたシリコン基板10上には、層間絶縁膜32が形成されている。層間絶縁膜32には、シリサイド膜30を介してソース/ドレイン拡散層28に電気的に接続されたコンタクトプラグ40と、ゲート電極48に接続された置換メタルであるアルミよりなるコンタクトプラグ50とが埋め込まれている。
【0068】
コンタクトプラグ40,50が埋め込まれた層間絶縁膜32上には、コンタクトプラグ40及びシリサイド膜30を介してソース/ドレイン拡散層28に電気的に接続された配線層56と、コンタクトプラグ50を介してゲート電極48に電気的に接続された配線層58とが形成されている。
このように、本実施形態による半導体装置は、基本的な構造は図1及び図2に示す第1実施形態による半導体装置と同様である。本実施形態の主たる特徴は、ゲート電極48上にキャップ絶縁膜20ではなくシリサイド膜30が形成されている点、コンタクトプラグ50がゲート電極48上のシリサイド膜50を貫いて直にゲート電極48に接続されていることにある。
【0069】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図13乃至図15を用いて説明する。なお、図13は図1のA−A′線断面に沿った工程断面図、図14及び図15は図1のB−B′線断面に沿った工程断面図である。
【0070】
まず、例えば第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、シリコン基板10上に、素子分離膜12、Pウェル14、ゲート絶縁膜16等を形成する。
【0071】
次いで、全面に、例えばCVD法により、例えば膜厚100nmの多結晶シリコン膜を堆積する。
【0072】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより多結晶シリコン膜をパターニングし、多結晶シリコン膜よりなるダミーゲート電極22を形成する。
【0073】
なお、本実施形態による半導体装置の製造方法では、第1実施形態による半導体装置の製造方法のようにダミーゲート電極22上にキャップ絶縁膜20を形成することを要しない。したがって、キャップ絶縁膜20の形成工程を行わない分、製造工程を簡略化することができる。
【0074】
次いで、ダミーゲート電極22をマスクとして、例えば砒素イオンをイオン注入し、ダミーゲート電極22の両側のシリコン基板10内に、LDD構造の低濃度不純物領域或いはエクステンションソース/ドレイン構造のエクステンション領域となる不純物拡散領域24を形成する(図13(a))。
【0075】
次いで、例えば第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、側壁絶縁膜26、ソース/ドレイン拡散層28を形成する(図13(b))。
【0076】
次いで、サリサイドプロセスにより、ダミーゲート電極22及びソース/ドレイン拡散層28上に、選択的にシリサイド膜30を形成する。例えば、全面にコバルトやチタンなどの金属膜を堆積し、熱処理によりシリコン露出部分と反応させてシリサイド膜を形成し、その後に未反応の金属膜を除去することにより、ダミーゲート電極22及びソース/ドレイン拡散層28上にシリサイド膜30を形成する(図13(c)、図14(a))。
【0077】
次いで、例えばCVD法により例えば膜厚500nmのシリコン酸化膜を堆積した後、例えばCMP法によりこのシリコン酸化膜を平坦化し、表面が平坦化されたシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜32を形成する(図14(b))。
【0078】
次いで、例えば第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、層間絶縁膜32内に、ソース/ドレイン拡散層28に電気的に接続されたコンタクトプラグ40を形成する。
【0079】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、層間絶縁膜32及びダミーゲート電極22上のシリサイド膜30に、ダミーゲート電極22に達するコンタクトホール42を形成する(図14(c))。
【0080】
次いで、コンタクトプラグ40が埋め込まれ、ダミーゲート電極22に達するコンタクトホール42が形成された層間絶縁膜32上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚400nmのアルミ膜44と、例えば膜厚200nmのチタン膜46とを堆積する(図15(a))。これにより、コンタクトホール42内では、ダミーゲート電極22とアルミ膜44とが直接接触する。
【0081】
次いで、窒素雰囲気中で、300〜500℃、例えば400℃において、例えば30分間熱処理を行い、ダミーゲート電極22及びアルミ膜44を、熱処理温度に応じた濃度のシリコンを含むアルミ膜に置換する。こうして、アルミよりなるゲート電極48を形成する(図15(b))。
【0082】
なお、本実施形態による半導体装置の製造方法では、コンタクトホール42内のシリサイド膜30を除去している。コンタクトホール42内にシリサイド膜30を残存させると、ダミーゲート電極22とアルミ膜44との間にシリサイド膜30が介在することになる。このため、シリサイドの材料によっては、アルミ置換の反応を阻害することが懸念される。そこで、本実施形態による半導体装置の製造方法では、コンタクトホール42内のシリサイド膜30を除去し、アルミ置換の反応がスムーズに行われるようにしている。
【0083】
本実施形態による半導体装置の製造方法のようにダミーゲート電極22上にシリサイド膜30を形成する場合、ダミーゲート電極22の一部が消費され、ゲート電極48の抵抗値が増加することが懸念される。しかしながら、アルミは極めて比抵抗の低い材料であり、抵抗値の増加は少ない。また、ダミーゲート電極22やシリサイド膜30の膜厚を適宜設定することにより、ゲート電極48の抵抗値の増加を抑えることができる。
【0084】
この後、例えば第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、コンタクトプラグ50、配線層56,58を形成する。
【0085】
このように、本実施形態によれば、ダミーゲート電極上のシリサイド膜を除去し、金属材料とダミーゲート電極とが直に接するようにした後、ダミーゲート電極を金属に置換するので、ゲート電極上に形成されたシリサイド膜により置換反応が阻害されることを防止することができる。これにより、サリサイドプロセスを適用した場合でも、ゲート電極の金属置換をスムーズに行うことができる。
【0086】
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態による半導体装置及びその製造方法について図16乃至図18を用いて説明する。なお、図1乃至図15に示す第1及び第2実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【0087】
図16は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図17及び図18は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0088】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図16を用いて説明する。なお、図16(a)は図1のA−A′線断面に沿った概略断面図であり、図16(b)は図1のB−B′線断面に沿った概略断面図である。
【0089】
シリコン基板10上には、素子領域を画定する素子分離膜12が形成されている。N型トランジスタ形成領域のシリコン基板10内には、Pウェル14が形成されている。素子領域上には、ゲート絶縁膜16を介して、置換メタルであるアルミよりなるゲート電極48が形成されている。ゲート電極48の両側のシリコン基板10内には、ゲート電極48に自己整合してソース/ドレイン拡散層28が形成されている。ゲート電極48上及びソース/ドレイン拡散層28上には、シリサイド膜30が形成されている。こうして、ゲート電極48及びソース/ドレイン拡散層28を有するN型トランジスタが形成されている。
【0090】
トランジスタが形成されたシリコン基板10上には、層間絶縁膜32が形成されている。層間絶縁膜32には、シリサイド膜30を介してソース/ドレイン拡散層28に電気的に接続されたコンタクトプラグ40と、シリサイド膜30を介してゲート電極48に接続された、置換メタルであるアルミよりなるコンタクトプラグ50とが埋め込まれている。
【0091】
コンタクトプラグ40,50が埋め込まれた層間絶縁膜32上には、コンタクトプラグ40及びシリサイド膜30を介してソース/ドレイン拡散層28に電気的に接続された配線層56と、コンタクトプラグ50及びシリサイド膜30を介してゲート電極48に電気的に接続された配線層58とが形成されている。
【0092】
このように、本実施形態による半導体装置は、基本的な構造は図12に示す第2実施形態による半導体装置と同様である。本実施形態による半導体装置の主たる特徴は、ゲート電極48に電気的に接続されるコンタクトプラグ50が、ゲート電極48上に形成されたシリサイド膜30を介して形成されていることにある。
【0093】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図17乃至図18を用いて説明する。なお、図17及び図18は、図1のB−B′線断面に沿った工程断面図である。
【0094】
まず、例えば第2実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、シリコン基板10上に、素子分離膜12、ダミーゲート電極22、ソース/ドレイン拡散層28、シリサイド膜30、層間絶縁膜32、コンタクトプラグ40等を形成する。
【0095】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、層間絶縁膜32に、ダミーゲート電極22上のシリサイド膜30に達するコンタクトホール42を形成する(図17(a))。
【0096】
次いで、コンタクトプラグ40が埋め込まれ、ダミーゲート電極22上のシリサイド膜30に達するコンタクトホール42が形成された層間絶縁膜32上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚400nmのアルミ膜44と、例えば膜厚200nmのチタン膜46とを堆積する。これにより、コンタクトホール42内では、アルミ膜44は、シリサイド膜30を介してダミーゲート電極22上に形成される(図17(b))。
【0097】
次いで、窒素雰囲気中で、300〜500℃、例えば400℃において、例えば30分間熱処理を行い、ダミーゲート電極22及びアルミ膜44を、熱処理温度に応じた濃度のシリコンを含むアルミ膜に置換する。こうして、アルミよりなるゲート電極48を形成する(図18(a))。
【0098】
なお、第2実施形態では、シリサイド膜30がアルミ置換の反応を阻害することを懸念して、コンタクトホール42内のシリサイド膜30を除去している。しかしながら、本願発明者等が検討を行ったところ、シリサイド膜30として少なくともチタンシリサイドやコバルトシリサイド膜を用いた場合、このシリサイド膜30がアルミ置換の反応を阻害することはなく、ダミーゲート電極22を容易にアルミ置換できることを確認できた。したがって、このようなシリサイド材料を用いれば、本実施形態による半導体装置のように、コンタクトホール42内のシリサイド膜30を必ずしも除去する必要はない。
【0099】
また、本願発明者等が検討を行ったところでは、ダミーゲート電極22上にシリサイド膜30が形成された状態でアルミ置換を行った場合でも、置換メタルとシリサイドとが反応してシリサイドのスパイクが形成されゲート電極を突き破ったり、シリサイドがゲート絶縁膜領域まで拡散したりするなど、信頼性に多大な影響を与える現象が生じないことを確認している。
【0100】
この後、例えば第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、コンタクトプラグ50、配線層56,58を形成する(図18(b))。
【0101】
このように、本実施形態によれば、ダミーゲート電極上のシリサイド膜を介してダミーゲート電極を金属に置換するので、製造工程を複雑にすることなく、サリサイドプロセスとメタル置換プロセスとを併用することができる。これにより、ゲート電極及びソース/ドレイン拡散層の双方の低抵抗化を、製造コストを増加することなく実現することができる。
【0102】
[第4実施形態]
本発明の第4実施形態による半導体装置及びその製造方法について図19乃至図23を用いて説明する。なお、図1乃至図18に示す第1乃至第3実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【0103】
図19は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図20乃至図23は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0104】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図19を用いて説明する。なお、図19(a)は図1のA−A′線断面に沿った概略断面図であり、図19(b)は図1のB−B′線断面に沿った概略断面図である。
【0105】
シリコン基板10上には、素子領域を画定する素子分離膜12が形成されている。N型トランジスタ形成領域のシリコン基板10内には、Pウェル14が形成されている。素子領域上には、ゲート絶縁膜16を介して、置換メタルであるアルミよりなるゲート電極48が形成されている。ゲート電極48の両側のシリコン基板10内には、ゲート電極48に自己整合してソース/ドレイン拡散層28が形成されている。ゲート電極48上及びソース/ドレイン拡散層28上には、シリサイド膜30が形成されている。こうして、ゲート電極48及びソース/ドレイン拡散層28を有するN型トランジスタが形成されている。
【0106】
トランジスタが形成されたシリコン基板10上には、ゲート電極48上に形成されたシリサイド膜30とほぼ等しい高さを有する層間絶縁膜32が形成されている。層間絶縁膜32には、ソース/ドレイン拡散層28に電気的に接続されたコンタクトプラグ40が埋め込まれている。
【0107】
コンタクトプラグ40が埋め込まれた層間絶縁膜32上には、コンタクトプラグ40及びシリサイド膜30を介してソース/ドレイン拡散層28に電気的に接続された配線層56と、シリサイド膜30を介してゲート電極48に電気的に接続された配線層58とが形成されている。
【0108】
このように、本実施形態による半導体装置は、基本的な構造は図12に示す第2実施形態による半導体装置と同様である。本実施形態による半導体装置の主たる特徴は、層間絶縁膜32の高さがゲート電極48上に形成されたシリサイド膜30の高さとほぼ等しいことにある。
【0109】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図20乃至図23を用いて説明する。なお、図20及び図21は図1のA−A′線断面に沿った工程断面図であり、図22及び図23は図1のB−B′線断面に沿った工程断面図である。
【0110】
まず、例えば第2実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、シリコン基板10上に、素子分離膜12、ダミーゲート電極22、ソース/ドレイン拡散層28、シリサイド膜30等を形成する。
【0111】
次いで、例えばCVD法により例えば膜厚500nmのシリコン酸化膜を堆積した後、例えばCMP法によりシリサイド膜30が露出するまでシリコン酸化膜を平坦化し、シリコン酸化膜よりなり、ダミーゲート電極22上に形成されたシリサイド膜30とほぼ等しい高さを有する層間絶縁膜32を形成する(図20(a)、図22(a))。
【0112】
本実施形態による半導体装置の製造方法では、シリサイド膜30が露出するまで層間絶縁膜32を除去するため、シリサイド膜30に達するコンタクトホール42を形成する必要がない。したがって、コンタクトホール42を形成するためのリソグラフィー工程及びドライエッチング工程を削減することができる。
【0113】
次いで、例えば第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、層間絶縁膜32内に、ソース/ドレイン拡散層28に電気的に接続されたコンタクトプラグ40を形成する(図20(b))。
【0114】
次いで、ダミーゲート電極22上に形成されたシリサイド膜30上及び層間絶縁膜32上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚400nmのアルミ膜44と、例えば膜厚200nmのチタン膜46とを堆積する。これにより、アルミ膜44は、シリサイド膜30を介してダミーゲート電極22上に形成される(図20(c)、図22(b))。
【0115】
次いで、窒素雰囲気中で、300〜500℃、例えば400℃において、例えば5分間熱処理を行い、ダミーゲート電極22及びアルミ膜44を、熱処理温度に応じた濃度のシリコンを含むアルミ膜に置換する。こうして、アルミよりなるゲート電極48を形成する(図21(a)、図22(c))。
【0116】
この際、アルミ膜44は、ダミーゲート電極22上の全面にシリサイド膜30を介して形成されているため、アルミ置換はダミーゲート電極22上の全面において同時に進行する。したがって、ダミーゲート電極22のゲート幅が長いような場合であっても、アルミ置換のための熱処理を短時間で行うことができる。
【0117】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜32上のアルミ膜44及びチタン膜46を除去する(図21(b)、図23(a))。
【0118】
次いで、例えば第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、層間絶縁膜32上に、コンタクトプラグ40を介してソース/ドレイン拡散層28に電気的に接続された配線層56と、シリサイド膜30を介してゲート電極48に電気的に接続された配線層58とを形成する(図21(c)、図23(b))。
【0119】
このように、本実施形態によれば、ダミーゲート電極を上面上から金属に置換するので、ゲート幅が長いような場合でも、短時間でダミーゲート電極を金属に置換することができる。
【0120】
[第5実施形態]
本発明の第5実施形態による半導体装置及びその製造方法について図24乃至図28を用いて説明する。なお、図1乃至図23に示す第1乃至第4実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【0121】
図24は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図25乃至図28は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0122】
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図24を用いて説明する。なお、図24(a)は図1のA−A′線断面に沿った概略断面図であり、図24(b)は図1のB−B′線断面に沿った概略断面図である。
【0123】
シリコン基板10上には、素子領域を画定する素子分離膜12が形成されている。N型トランジスタ形成領域のシリコン基板10内には、Pウェル14が形成されている。素子領域上には、ゲート絶縁膜16を介して、置換メタルであるアルミよりなるゲート電極48が形成されている。ゲート電極48の両側のシリコン基板10内には、ゲート電極48に自己整合してソース/ドレイン拡散層28が形成されている。ソース/ドレイン拡散層28上には、シリサイド膜30が形成されている。こうして、ゲート電極48及びソース/ドレイン拡散層28を有するN型トランジスタが形成されている。
【0124】
トランジスタが形成されたシリコン基板10上には、ゲート電極48とほぼ等しい高さの層間絶縁膜32が形成されている。層間絶縁膜32には、シリサイド膜30を介してソース/ドレイン拡散層28に電気的に接続されたコンタクトプラグ40が埋め込まれている。
【0125】
コンタクトプラグ40が埋め込まれた層間絶縁膜32上には、コンタクトプラグ40及びシリサイド膜30を介してソース/ドレイン拡散層28に電気的に接続された配線層56と、ゲート電極48に電気的に接続された配線層58とが形成されている。
【0126】
このように、本実施形態による半導体装置は、トランジスタのゲート電極48がアルミにより構成されているとともに、ソース/ドレイン拡散層28上にシリサイド膜30が形成されていることに特徴がある。また、層間絶縁膜32が、アルミよりなるゲート電極48とほぼ等しいことにも特徴がある。
【0127】
本実施形態による半導体装置におけるゲート電極48の高さは、第4実施形態による半導体装置のゲート電極48の高さにシリサイド膜30の厚さを加えた分の高さに相当する。したがって、第4実施形態による半導体装置の場合よりもゲート電極のメタル領域が多く、より低抵抗である。したがって、トランジスタの更なる高速化を図ることができる。
【0128】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図25乃至図28を用いて説明する。なお、図25及び図26は図1のA−A′線断面に沿った工程断面図であり、図27及び図28は図1のB−B′線断面に沿った工程断面図である。
【0129】
まず、例えば第4実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、シリコン基板10上に、素子分離膜12、ダミーゲート電極22、ソース/ドレイン拡散層28、シリサイド膜30、層間絶縁膜32、コンタクトプラグ40等を形成する。
【0130】
次いで、例えばウェットエッチングにより、ダミーゲート電極22上のシリサイド膜30を選択的に除去する(図25(a)、図27(a))。
【0131】
次いで、ダミーゲート電極22上及び層間絶縁膜32上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚400nmのアルミ膜44と、例えば膜厚200nmのチタン膜46とを堆積する。これにより、アルミ膜44は、ダミーゲート電極22上に直に形成される(図25(b)、図27(b))。
【0132】
次いで、窒素雰囲気中で、300〜500℃、例えば400℃において、例えば5分間熱処理を行い、ダミーゲート電極22及びアルミ膜44を、熱処理温度に応じた濃度のシリコンを含むアルミ膜に置換する。こうして、アルミよりなるゲート電極48を形成する(図25(c)、図27(c))。
【0133】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜32上のアルミ膜44及びチタン膜46を除去する。このとき、シリサイド膜30を除去した領域にも、アルミ膜44が残存する。したがって、ゲート電極48は、層間絶縁膜32とほぼ等しい高さとなる(図26(a)、図28(a))。
【0134】
次いで、例えば第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、層間絶縁膜32上に、コンタクトプラグ40を介してソース/ドレイン拡散層28に電気的に接続された配線層56と、ゲート電極48に電気的に接続された配線層58とを形成する(図26(b)、図28(b))。
【0135】
このように、本実施形態によれば、ダミーゲート電極を上面上から金属に置換するので、ゲート幅が長いような場合でも、短時間でダミーゲート電極を金属に置換することができる。また、ゲート電極上にシリサイド膜が残存せず、シリサイド膜が形成された領域をも含めて置換金属材料により構成できるので、ゲート電極の大幅な低抵抗化を図ることができる。これにより、トランジスタの高速化を図ることができる。
【0136】
[変形実施形態]
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【0137】
例えば、上記実施形態では、アルミ置換前のゲート電極を多結晶シリコン膜により形成したが、形成直後の状態において必ずしも多結晶シリコンである必要はない。多結晶シリコン膜の代わりに、単結晶シリコン膜やアモルファスシリコン膜を形成するようにいてもよい。なお、アモルファスシリコン膜により構成する場合であっても、不純物の活性化熱処理の際に結晶化するので、アルミ置換を行う際には多結晶の状態である。また、多結晶シリコン膜の代わりに、アルミ置換が可能な他の材料、例えばゲルマニウム膜、SiGe膜、SiGeC膜、カーボン膜、及び炭化シリコン膜や、CoSi膜,NiSi膜,TiSi膜、PtSi膜等のシリサイド膜を用いることもできる。
【0138】
また、上記実施形態では、多結晶シリコン膜をアルミ置換する際に、アルミ源となるアルミ膜上にチタン膜を形成しているが、必ずしもチタン膜を設ける必要はない。チタン膜には過剰なシリコンを吸い出す作用があり、アルミ置換を促進する効果を有するが、チタン膜がなくともアルミ置換を行うことは可能である。
【0139】
また、チタンのみならず、ダミーゲート電極を吸い出す作用のある材料であればチタン膜の代わりに用いることができる。例えば、シリコンと反応してシリサイドを作りやすい、ルテニウム(Ru)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、プラチナ(Pt)等の材料を適用することができる。
【0140】
また、上記実施形態では、多結晶シリコンをアルミに置換したが、他の金属材料に置換することも可能である。例えば、アルミの代わりに、銅、銀、ルテニウム、プラチナ、パラジウム、金等の金属を用い、多結晶シリコンをこれら金属に置換するようにしてもよい。なお、被置換材料を金属材料に置換することにより形成した置換メタルは、膜中に僅かに被置換材料を含む。例えばシリコンをアルミに置換する場合、置換アルミ中には、熱処理温度に応じて約0.2〜0.7%のシリコンが含有される。換言すれば、膜中の被置換材料の濃度を測定することにより、被置換材料を金属材料に置換することにより形成した置換メタルであるか否かを推測することが可能である。
【0141】
また、上記実施形態では、アルミ膜44やチタン膜46を堆積する際にスパッタ法を用いたが、CVD法などの他の成膜方法を用いてもよい。半導体装置が高集積化してくると、コンタクトホール42も微細化され、孔の奥まった部分にアルミを形成することが困難となる。このような場合、CVD法のようなカバレッジに優れた堆積方法を適用すること望ましい。
【0142】
また、上記実施形態では、プラグ40を形成した後に、ダミーゲート電極22をメタルに置換し、置換メタルよりなるゲート電極48を形成したが、プラグ40は必ずしもこの順序で形成する必要はない。例えば、ゲート電極48を形成した後にプラグ40を形成するようにしてもよい。
【0143】
以上、詳述した通り、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。
【0144】
(付記1) 半導体基板上に形成された置換メタルよりなるゲート電極と、
前記ゲート電極の上面上に形成された第1のシリサイド膜と、
前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、
前記不純物拡散領域上に形成された第2のシリサイド膜と
を有することを特徴とする半導体装置。
【0145】
(付記2) 付記1記載の半導体装置において、
前記半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成され、前記層間絶縁膜に形成された開口部を介して前記ゲート電極に電気的に接続された配線層とを更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
【0146】
(付記3) 付記2記載の半導体装置において、
前記配線層は、前記開口部内に形成された前記置換メタルよりなるコンタクトプラグを介して前記ゲート電極に電気的に接続されている
ことを特徴とする半導体装置。
【0147】
(付記4) 付記2記載の半導体装置において、
前記層間絶縁膜は、前記第1のシリサイド膜の上面とほぼ等しい高さを有する
ことを特徴とする半導体装置。
【0148】
(付記5) 付記3記載の半導体装置において、
前記コンタクトプラグは、前記第1のシリサイド膜を貫いて前記ゲート電極に接続されている
ことを特徴とする半導体装置。
【0149】
(付記6) 半導体基板上に形成された置換メタルよりなるゲート電極と、
前記ゲート電極の上面上に形成されたキャップ絶縁膜と、
前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、
前記不純物拡散領域上に形成された第2のシリサイド膜と
を有することを特徴とする半導体装置。
【0150】
(付記7) 付記6記載の半導体装置において、
前記半導体基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成され、前記層間絶縁膜に形成された開口部を介して前記ゲート電極に電気的に接続された配線層とを更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
【0151】
(付記8) 付記7記載の半導体装置において、
前記配線層は、前記開口部内に形成された前記置換メタルよりなるコンタクトプラグを介して前記ゲート電極に電気的に接続されている
ことを特徴とする半導体装置。
【0152】
(付記9) 半導体基板上に形成された置換メタルよりなるゲート電極と、
前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、
前記不純物拡散領域上に形成されたシリサイド膜と、
前記半導体基板上に形成され、前記ゲート電極とほぼ等しい高さを有する層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成され、前記ゲート電極に電気的に接続された配線層と
を有することを特徴とする半導体装置。
【0153】
(付記10) 付記1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置において、
前記不純物拡散領域は、前記ゲート電極に対して自己整合で形成されている
ことを特徴とする半導体装置。
【0154】
(付記11) 半導体基板上に、金属に置換可能な被置換材料よりなるダミーゲート電極を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極の両側の前記半導体基板内に、前記ダミーゲート電極に対して自己整合で不純物拡散領域を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極上及び前記不純物拡散領域上に、自己整合でシリサイド膜を形成する工程と、
前記半導体基板上に、層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜に、前記ダミーゲート電極上の前記シリサイド膜に達する開口部を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に、金属膜を形成する工程と、
熱処理を行うことにより、前記ダミーゲート電極を構成する前記被置換材料を前記金属膜を構成する金属材料に置換し、前記金属材料よりなるゲート電極を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0155】
(付記12) 付記11記載の半導体装置の製造方法において、
前記ゲート電極を形成する工程の後に、前記層間絶縁膜上の前記金属膜を除去することにより、前記開口部内に埋め込まれた前記金属材料よりなり、前記ゲート電極に接続されたコンタクトプラグを形成する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0156】
(付記13) 付記11記載の半導体装置の製造方法において、
前記開口部を形成する工程では、前記ダミーゲート電極上の前記シリサイド膜が露出するまで前記層間絶縁膜を平坦化することにより、前記開口部を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0157】
(付記14) 付記11乃至13のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記開口部を形成する工程の後に、前記開口部内の前記シリサイド膜を除去する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0158】
(付記15) 半導体基板上に、金属に置換可能な被置換材料よりなり、上面がキャップ絶縁膜により覆われたダミーゲート電極を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極の両側の前記半導体基板内に、前記ダミーゲート電極に対して自己整合で不純物拡散領域を形成する工程と、
前記不純物拡散領域上に、自己整合でシリサイド膜を形成する工程と、
前記半導体基板上に、層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜及び前記キャップ絶縁膜に、前記ダミーゲート電極に達する開口部を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に、金属膜を形成する工程と、
熱処理を行うことにより、前記ダミーゲート電極を構成する前記被置換材料を前記金属膜を構成する金属材料に置換し、前記金属材料よりなるゲート電極を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0159】
(付記16) 付記15記載の半導体装置の製造方法において、
前記ゲート電極を形成する工程の後に、前記層間絶縁膜上の前記金属膜を除去することにより、前記開口部内に埋め込まれた前記金属材料よりなり、前記ゲート電極に接続されたコンタクトプラグを形成する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0160】
(付記17) 付記15記載の半導体装置の製造方法において、
前記開口部を形成する工程では、前記キャップ絶縁膜が露出するまで前記層間絶縁膜を平坦化した後、前記キャップ絶縁膜を除去することにより、前記開口部を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0161】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、ソース/ドレイン領域上にシリサイド膜を形成するとともに、ゲート電極を金属材料により置換しうるので、ソース/ドレイン領域とゲート電極の双方の低抵抗化を達成することができる。これにより、高速、低電力のトランジスタを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による半導体装置の構造を示す平面図である。
【図2】本発明の第1実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図3】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図4】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図5】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。
【図6】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その4)である。
【図7】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その5)である。
【図8】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その6)である。
【図9】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その7)である。
【図10】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その8)である。
【図11】本発明の第1実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その9)である。
【図12】本発明の第2実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図13】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図14】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図15】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。
【図16】本発明の第3実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図17】本発明の第3実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図18】本発明の第3実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図19】本発明の第4実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図20】本発明の第4実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図21】本発明の第4実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図22】本発明の第4実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。
【図23】本発明の第4実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その4)である。
【図24】本発明の第5実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図25】本発明の第5実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図26】本発明の第5実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図27】本発明の第5実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。
【図28】本発明の第5実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その4)である。
【図29】従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図30】従来の半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【符号の説明】
10…シリコン基板
12…素子分離膜
14…Pウェル
16…ゲート絶縁膜
20…キャップ絶縁膜
22…ダミーゲート電極
24…不純物拡散領域
26…側壁絶縁膜
28…ソース/ドレイン拡散層
30…シリサイド膜
32…層間絶縁膜
34,42…コンタクトホール
36…バリアメタル
38…タングステン膜
40,50…コンタクトプラグ
44…アルミ膜
46…チタン膜
48…ゲート電極
52…窒化チタン膜
54…アルミ膜
56,58…配線層
100…シリコン基板
102…素子分離膜
104…Pウェル
106…ダミーゲート電極
108…ソース/ドレイン拡散層
110,118…層間絶縁膜
112…アルミ膜
114…チタン膜
116…ゲート電極
120…コンタクトホール
122…コンタクトプラグ
124…配線層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and particularly provides a semiconductor device having a gate electrode made of a replacement metal and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Design rules (lines / spaces) have become stricter as semiconductor devices become more highly integrated and larger in capacity. Along with this, the width of the wiring layer is reduced, and the diameter of the via hole for forming the contact plug connecting the upper and lower wiring layers is reduced. For this reason, it is necessary to use a material having a lower resistance as a material for forming the wiring layer and the contact plug.
[0003]
Up to now, as a gate electrode material of a MIS transistor, polycrystalline silicon has been used as a material that can form a source / drain diffusion layer in a self-aligned manner, that is, a material that can withstand an activation heat treatment for forming the source / drain diffusion layer. Has been widely used. However, since polycrystalline silicon has a specific resistance that is about two orders of magnitude higher than that of metal, it has been desired to reduce the resistance of the gate electrode.
[0004]
In recent years, a technique for replacing polycrystalline silicon with aluminum has been proposed, and there is a movement to apply this technique to a manufacturing process of a semiconductor device. The inventor of the present application forms a MIS transistor having a gate electrode made of polycrystalline silicon, and then performs aluminum replacement using the above-described technology for replacing the polycrystalline silicon with aluminum, thereby forming an MIS transistor having a gate electrode made of aluminum. A forming method is proposed in Patent Document 1. Further, the metal replacement technique of the gate electrode is also described in Patent Document 2, Non-Patent Document 1, and the like.
[0005]
Next, a conventional method for manufacturing a semiconductor device in which a gate electrode is formed using a metal replacement technique will be described with reference to FIGS.
[0006]
First, a P well 104 is formed by ion implantation in the element region of the silicon substrate 100 defined by the element isolation film 102.
[0007]
Next, a dummy gate electrode 106 made of a polycrystalline silicon film and source / drain diffusion layers formed in the silicon substrate 100 on both sides of the gate electrode 106 are formed on the element region in the same manner as in a normal MOS transistor forming method. And a MOS transistor having.
[0008]
Next, after a silicon oxide film was deposited on the silicon substrate 100 on which the MOS transistor was formed by the CVD method, the silicon oxide film was planarized by the CMP method until the surface of the dummy gate electrode 106 was exposed, and the surface was planarized. An interlayer insulating film 110 made of a silicon oxide film is formed (FIG. 29A).
[0009]
Next, an aluminum film 112 and a titanium film 114 are deposited on the interlayer insulating film 110 by sputtering (FIG. 29B).
[0010]
Next, heat treatment is performed at about 400 ° C. in a nitrogen atmosphere. By this heat treatment, a reaction proceeds from the interface between the dummy gate electrode 106 and the aluminum film 112, and silicon atoms constituting the dummy gate electrode 106 diffuse in the direction of the aluminum film 112 and aluminum atoms constituting the aluminum film 112. Diffuses in the direction of the dummy gate electrode 106. Thereby, the polycrystalline silicon constituting the dummy gate electrode 106 is replaced with aluminum. Thus, the gate electrode 116 made of aluminum is formed (FIG. 29C).
[0011]
Next, the aluminum film 112 and the titanium film 114 on the interlayer insulating film 110 are removed by, eg, CMP (FIG. 30A).
[0012]
Next, for example, a silicon oxide film is deposited by, eg, CVD, and an interlayer insulating film 118 made of the silicon oxide film is formed.
[0013]
Next, the interlayer insulating films 118 and 110 are patterned by photolithography and dry etching, and contact holes 120 reaching the source / drain diffusion layers 108 are formed.
[0014]
Next, after depositing a barrier metal film and a tungsten film, for example, by sputtering, these films are planarized by CMP until the surface of the interlayer insulating film 118 is exposed, and contact plugs 122 embedded in the contact holes 120 are formed.
[0015]
Next, after depositing a conductive film, the conductive film is patterned by photolithography and dry etching to form a wiring layer 124 connected to the source / drain diffusion layer 108 via the contact plug 122 (FIG. 30B). .
[0016]
Thus, a semiconductor device in which the gate electrode is replaced with a metal material has been manufactured.
[0017]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-097535
[Patent Document 2]
JP 2001-274379 A
[Non-Patent Document 1]
International Electron Devices Meeting 96, p. 946-94
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, as a technique for simultaneously reducing the resistance of the gate electrode and the source / drain region, a salicide (self-aligned silicide) technique for selectively forming a silicide film on the gate electrode and the source / drain diffusion layer is known. It has been.
[0019]
With the metal replacement technique, the resistance of the gate electrode can be reduced more than that achieved by the salicide technique, but the resistance of the source / drain region cannot be reduced. For this reason, it is desirable to use salicide technology in combination with metal replacement technology to replace the gate electrode with metal and to silicide the source / drain regions. However, studies on combining metal replacement technology with salicide technology have been made in the past. There wasn't.
[0020]
An object of the present invention is to provide a structure of a semiconductor device and a method of manufacturing the same that can reduce the resistance of a gate electrode and a source / drain region while taking advantage of both the metal replacement technique and the salicide technique.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
The object is to provide a gate electrode made of a replacement metal formed on a semiconductor substrate, a first silicide film formed on an upper surface of the gate electrode, an impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate, This is achieved by a semiconductor device having a second silicide film formed on the impurity diffusion region.
[0022]
Further, the object is to provide a gate electrode made of a replacement metal formed on a semiconductor substrate, a cap insulating film formed on an upper surface of the gate electrode, an impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate, This is also achieved by a semiconductor device having a second silicide film formed on the impurity diffusion region.
[0023]
Further, the object is to provide a gate electrode made of a replacement metal formed on a semiconductor substrate, an impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate, a silicide film formed on the impurity diffusion region, and the semiconductor substrate. A semiconductor comprising: an interlayer insulating film formed on the interlayer insulating film and having a height substantially equal to the gate electrode; and a wiring layer formed on the interlayer insulating film and electrically connected to the gate electrode It is also achieved by the device.
[0024]
Further, the object is to form a dummy gate electrode made of a material that can be replaced with metal on a semiconductor substrate, and to the dummy gate electrode in the semiconductor substrate on both sides of the dummy gate electrode. Forming an impurity diffusion region by self-alignment; forming a silicide film by self-alignment on the dummy gate electrode and the impurity diffusion region; and forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate; Forming the opening reaching the silicide film on the dummy gate electrode in the interlayer insulating film, forming a metal film on the interlayer insulating film, and performing heat treatment, thereby performing the dummy gate A step of replacing the material constituting the electrode with a metal material constituting the metal film, and forming a gate electrode made of the metal material. Also achieved by a manufacturing method of that semiconductor device.
[0025]
Further, the object is to form, on the semiconductor substrate, a dummy gate electrode made of a material to be replaced that can be replaced with metal and having an upper surface covered with a cap insulating film, and the semiconductor substrate on both sides of the dummy gate electrode. A step of forming an impurity diffusion region by self-alignment with respect to the dummy gate electrode, a step of forming a silicide film by self-alignment on the impurity diffusion region, and an interlayer insulating film on the semiconductor substrate. A step of forming, a step of forming an opening reaching the dummy gate electrode in the interlayer insulating film and the cap insulating film, a step of forming a metal film on the interlayer insulating film, and a heat treatment. , Replacing the material to be replaced constituting the dummy gate electrode with a metal material constituting the metal film, and forming a gate electrode made of the metal material. Also achieved by a method of manufacturing a semiconductor device according to claim and.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
The semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0027]
1 is a plan view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIGS. 3 to 11 show a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment. It is process sectional drawing.
[0028]
First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 2A is a schematic cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG.
[0029]
An element isolation film 12 that defines an element region is formed on the silicon substrate 10. A P well 14 is formed in the silicon substrate 10 in the N-type transistor formation region. On the element region, a gate electrode 48 made of aluminum as a replacement metal is formed via a gate insulating film 16. A cap insulating film 20 is formed on the upper surface of the gate electrode 48. A source / drain diffusion layer 28 is formed in the silicon substrate 10 on both sides of the gate electrode 48 so as to be self-aligned with the gate electrode 48. A silicide film 30 is formed on the source / drain diffusion layer 28. Thus, an N-type transistor having the gate electrode 48 and the source / drain diffusion layer 28 is formed.
[0030]
An interlayer insulating film 32 is formed on the silicon substrate 10 on which the transistors are formed. The interlayer insulating film 32 includes a contact plug 40 electrically connected to the source / drain diffusion layer 28 through the silicide film 30 and a contact plug 50 made of aluminum which is a replacement metal connected to the gate electrode 48. Embedded.
[0031]
On the interlayer insulating film 32 in which the contact plugs 40 and 50 are embedded, a wiring layer 56 electrically connected to the source / drain diffusion layer 28 via the contact plug 40 and the silicide film 30 and the contact plug 50 are interposed. Thus, a wiring layer 58 electrically connected to the gate electrode 48 is formed.
[0032]
As described above, the semiconductor device according to the present embodiment is mainly characterized in that the gate electrode 48 of the transistor is made of aluminum as a replacement metal, and the silicide film 30 is formed on the source / drain diffusion layer 28. There is.
[0033]
When the gate electrode 48 of the N-type transistor is made of aluminum, the resistance of the gate wiring can be reduced and the speed of the transistor can be increased. The work function of aluminum is also suitable for the gate electrode of an N-type transistor. Further, by forming the silicide film 30 on the source / drain diffusion layer 28, the resistance of the diffusion layer can be lowered, and the speed of the transistor can be further increased.
[0034]
Here, strictly speaking, the material constituting the gate electrode 48 is a conductor mainly containing aluminum. In the present invention, the gate electrode 48 is formed using a technique of replacing polycrystalline silicon with aluminum. For this reason, the gate electrode 48 contains silicon corresponding to the temperature of the heat treatment at the time of replacement. That is, the concentration of silicon in aluminum converges to a state where the atomic structure of the material is kept stable at the heat treatment temperature (on the line between the phases in the phase diagram), for example, heat treatment at about 350 ° C. When performing heat treatment at about 400 ° C., about 0.3% silicon is included, and when performing heat treatment at about 450 ° C., about 0.5% silicon is included. % Of silicon is contained, and when heat treatment at about 500 ° C. is performed, about 0.7% of silicon is contained. However, in this specification, for convenience, a conductor formed by replacing polycrystalline silicon with aluminum is also referred to as “aluminum”.
[0035]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 3 to 7 are process cross-sectional views along the line AA 'in FIG. 1, and FIGS. 8 to 11 are process cross-sectional views along the line BB' in FIG.
[0036]
First, the element isolation film 12 that defines the element region is formed on the p-type silicon substrate 10 by, for example, the STI method.
[0037]
Next, a P well 14 is formed in the N-type transistor formation region by ion implantation (FIGS. 3A and 8A). In addition to the well formation, ion implantation for threshold control and ion implantation for forming an impurity region for punch-through prevention may be performed.
[0038]
Next, the surface of the silicon substrate 10 is thermally oxidized by a thermal oxidation method to form a gate insulating film 16 made of, for example, a silicon oxide film on the element region (FIGS. 3B and 8B). The gate insulating film 16 may be formed of a silicon oxynitride film, an alumina film, a high dielectric constant film, or other insulating films.
[0039]
Next, a polycrystalline silicon film of, eg, a 100 nm-thickness is deposited on the entire surface by, eg, CVD. Silicon is a material to be replaced that can be replaced by a metal material such as aluminum. Instead of the polycrystalline silicon film, other materials that can be replaced with aluminum, such as germanium (Ge) film, SiGe film, SiGeC film, carbon (C) film, and silicon carbide (SiC) film, Co x Si y Film, Ni x Si y Film, Ti x Si y Membrane, Pt x Si y A silicide film such as a film may be formed.
[0040]
Next, a silicon oxide film of, eg, a 50 nm-thickness is deposited on the polysilicon film by, eg, CVD to form a cap insulating film 20 made of the silicon oxide film.
[0041]
Next, the cap insulating film 20 and the polycrystalline silicon film are patterned by photolithography and dry etching to form a dummy gate electrode 22 made of a polycrystalline silicon film and having the upper surface covered with the cap insulating film 20.
[0042]
Next, arsenic (As) ions, for example, are ion-implanted using the dummy gate electrode 22 as a mask, and a low concentration impurity region having an LDD structure or an extension region having an extension source / drain structure is formed in the silicon substrate 10 on both sides of the dummy gate electrode 22. An impurity diffusion region 24 is formed (FIGS. 3C and 8C).
[0043]
Next, after depositing, for example, a 100 nm-thickness silicon oxide film by the CVD method, the silicon oxide film is etched back, and a sidewall insulating film 26 made of a silicon oxide film is formed on the sidewall portion of the dummy gate electrode 22.
[0044]
Next, for example, arsenic (As) ions are ion-implanted using the dummy gate electrode 22 and the sidewall insulating film 26 as a mask, and high-concentration sources / drains are formed in the silicon substrate 10 on both sides of the dummy gate electrode 22 and the sidewall insulating film 26. Impurity regions are formed.
[0045]
Next, a predetermined heat treatment is performed to activate the implanted impurities, and N-type source / drain diffusion layers 28 having an LDD structure or an extension S / D structure are formed in the silicon substrate 10 on both sides of the dummy gate electrode 22 (FIG. 4 (a), FIG. 9 (a)).
[0046]
Next, a silicide film 30 is selectively formed on the source / drain diffusion layer 28 by a salicide process (FIG. 4B). For example, a metal film such as cobalt or titanium is deposited on the entire surface, reacted with a silicon exposed portion by a heat treatment to form a silicide film, and then the unreacted metal film is removed, whereby the source / drain diffusion layer 28 is formed. A silicide film 30 is formed.
[0047]
In the semiconductor device according to the present embodiment, the cap insulating film 20 is provided on the dummy gate electrode 22 so that no silicide film is formed on the dummy gate electrode 22. In a general salicide process, a polysilicon film constituting a gate electrode and a metal film are reacted to form a silicide film on the polysilicon film. In this case, since a part of the polysilicon film is consumed, the thickness of the polysilicon film becomes thinner than before the silicidation reaction. However, when the polysilicon film is replaced with aluminum as in the present invention, the thinning of the polysilicon film before the replacement leads to a significant increase in gate resistance. Therefore, in the semiconductor device according to the present embodiment, the upper surface of the dummy gate electrode 22 is previously covered with the cap insulating film 20 to prevent the dummy gate electrode 22 from undergoing a silicidation reaction.
[0048]
Next, for example, a silicon oxide film having a film thickness of, for example, 500 nm is deposited by, for example, a CVD method, and then this silicon oxide film is planarized by, for example, a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method to form a silicon oxide having a planarized surface. An interlayer insulating film 32 made of a film is formed (FIGS. 5A and 9B).
[0049]
Note that the silicon oxide film may be planarized until the surface of the cap insulating film 20 is exposed, and the interlayer insulating film 32 having a height substantially equal to the cap insulating film 20 may be formed. In this case, the cap insulating film 20 may be removed so that the silicide film 30 on the dummy gate electrode 22 is removed in a fifth embodiment to be described later.
[0050]
Next, a contact hole 34 reaching the silicide film 30 is formed in the interlayer insulating film 32 by photolithography and dry etching.
[0051]
Next, a titanium film (Ti) having a thickness of, for example, 5 nm and a titanium nitride (TiN) film having a thickness of, for example, 20 nm are deposited by CVD, for example, to form a barrier metal 36 having a TiN / Ti structure.
[0052]
Next, a tungsten film 38 of, eg, a 300 nm-thickness is formed on the barrier metal 36 by, eg, sputtering.
[0053]
Next, the tungsten film 38 and the barrier metal 36 are removed flatly by CMP, for example, until the surface of the interlayer insulating film 32 is exposed, and the barrier metal 36 and the tungsten film 38 are selectively left in the contact holes 34. Thus, the contact plug 40 made of the barrier metal 36 and the tungsten film 38 is formed in the contact hole 34 (FIG. 5B).
[0054]
Next, a contact hole 42 reaching the dummy gate electrode 22 is formed in the interlayer insulating film 32 and the cap insulating film 20 by photolithography and dry etching (FIG. 9C).
[0055]
Next, on the interlayer insulating film 32 in which the contact plug 40 is embedded and the contact hole 42 reaching the dummy gate electrode 22 is formed, for example, by sputtering, an aluminum (Al) film 44 having a film thickness of 400 nm, for example, A 200 nm titanium film 46 is deposited (FIGS. 6A and 10A). As a result, the dummy gate electrode 22 and the aluminum film 44 are in direct contact within the contact hole 42.
[0056]
Next, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 300 to 500 ° C., for example, 400 ° C., for example, for 30 minutes. By this heat treatment, a reaction proceeds from the interface between the dummy gate electrode 22 and the aluminum film 44, and silicon atoms constituting the dummy gate electrode 22 diffuse in the direction of the aluminum film 44 and aluminum atoms constituting the aluminum film 44. Diffuses in the direction of the dummy gate electrode 22. When a dummy gate electrode made of a polycrystalline silicon film having a gate length of 0.1 μm and a height of 0.15 μm is replaced with aluminum, if a heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 400 ° C. for 30 minutes, the gate width direction is about 10 μm. The region can be replaced with aluminum. It is desirable that the heat treatment time be appropriately selected according to the shape of the gate electrode, the heat treatment temperature, and the like.
[0057]
Thereby, the dummy gate electrode 22 and the aluminum film 44 are replaced with an aluminum film containing silicon having a concentration corresponding to the heat treatment temperature. Excess silicon is sucked into the titanium film 46. Thus, the gate electrode 48 made of aluminum is formed (FIGS. 6B and 10B).
[0058]
As described above, the heat treatment for aluminum replacement is desirably performed in the range of 300 to 500 ° C. This is because the reaction between polycrystalline silicon and aluminum does not occur when the temperature is lower than 300 ° C., and the reaction between aluminum and the interlayer insulating film occurs when the temperature is higher than 500 ° C.
[0059]
Next, the aluminum film 44 and the titanium film 46 on the interlayer insulating film 32 are removed by, eg, CMP (FIGS. 7A and 11A). At this time, the contact plug 50 made of aluminum integrally formed with the gate electrode 48 remains in the contact hole 42.
[0060]
Next, for example, a titanium nitride film 52 and an aluminum film 54 are deposited on the interlayer insulating film 32 by, eg, sputtering.
[0061]
Next, the titanium nitride film 52 and the aluminum film 54 are patterned by photolithography and dry etching, and the titanium nitride film 52 and the aluminum film 54 are electrically connected to the source / drain diffusion layer 28 via the contact plug 40. The wiring layer 56 and the wiring layer 58 electrically connected to the gate electrode 48 through the contact plug 50 are formed (FIGS. 7B and 11B).
[0062]
As described above, according to the present embodiment, the cap film is provided on the dummy gate electrode, and the silicide film is selectively formed on the source / drain diffusion layer. Therefore, the gate electrode due to the consumption of the polysilicon film accompanying silicidation. Can be prevented from increasing in resistance. Therefore, a silicide film can be formed on the source / drain diffusion layer without impairing the merit of the replacement metal gate, and the speed of the transistor can be increased.
[0063]
[Second Embodiment]
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Components similar to those of the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 11 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
[0064]
FIG. 12 is a schematic sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment. FIGS. 13 to 15 are process sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
[0065]
First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. 12A is a schematic cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 1, and FIG. 12B is a schematic cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG.
[0066]
An element isolation film 12 that defines an element region is formed on the silicon substrate 10. A P well 14 is formed in the silicon substrate 10 in the N-type transistor formation region. On the element region, a gate electrode 48 made of aluminum as a replacement metal is formed via a gate insulating film 16. A source / drain diffusion layer 28 is formed in the silicon substrate 10 on both sides of the gate electrode 48 so as to be self-aligned with the gate electrode 48. A silicide film 30 is formed on the gate electrode 48 and the source / drain diffusion layer 28. Thus, an N-type transistor having the gate electrode 48 and the source / drain diffusion layer 28 is formed.
[0067]
An interlayer insulating film 32 is formed on the silicon substrate 10 on which the transistors are formed. The interlayer insulating film 32 includes a contact plug 40 electrically connected to the source / drain diffusion layer 28 through the silicide film 30 and a contact plug 50 made of aluminum which is a replacement metal connected to the gate electrode 48. Embedded.
[0068]
On the interlayer insulating film 32 in which the contact plugs 40 and 50 are embedded, a wiring layer 56 electrically connected to the source / drain diffusion layer 28 via the contact plug 40 and the silicide film 30 and the contact plug 50 are interposed. Thus, a wiring layer 58 electrically connected to the gate electrode 48 is formed.
As described above, the basic structure of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that of the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIGS. The main feature of the present embodiment is that a silicide film 30 is formed on the gate electrode 48 instead of the cap insulating film 20, and the contact plug 50 penetrates the silicide film 50 on the gate electrode 48 and directly becomes the gate electrode 48. Be connected.
[0069]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 13 is a process cross-sectional view along the line AA ′ in FIG. 1, and FIGS. 14 and 15 are process cross-sectional views along the line BB ′ in FIG.
[0070]
First, for example, the element isolation film 12, the P well 14, the gate insulating film 16 and the like are formed on the silicon substrate 10 in the same manner as in the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment.
[0071]
Next, a polycrystalline silicon film of, eg, a 100 nm-thickness is deposited on the entire surface by, eg, CVD.
[0072]
Next, the polycrystalline silicon film is patterned by photolithography and dry etching to form a dummy gate electrode 22 made of the polycrystalline silicon film.
[0073]
In the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment, it is not necessary to form the cap insulating film 20 on the dummy gate electrode 22 as in the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment. Therefore, the manufacturing process can be simplified by not performing the process of forming the cap insulating film 20.
[0074]
Next, for example, arsenic ions are ion-implanted using the dummy gate electrode 22 as a mask, and an impurity that becomes a low concentration impurity region of the LDD structure or an extension region of the extension source / drain structure is formed in the silicon substrate 10 on both sides of the dummy gate electrode 22. A diffusion region 24 is formed (FIG. 13A).
[0075]
Next, sidewall insulating films 26 and source / drain diffusion layers 28 are formed in the same manner as in the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment, for example (FIG. 13B).
[0076]
Next, a silicide film 30 is selectively formed on the dummy gate electrode 22 and the source / drain diffusion layer 28 by a salicide process. For example, a metal film such as cobalt or titanium is deposited on the entire surface, reacted with a silicon exposed portion by a heat treatment to form a silicide film, and then the unreacted metal film is removed, whereby the dummy gate electrode 22 and the source / source A silicide film 30 is formed on the drain diffusion layer 28 (FIGS. 13C and 14A).
[0077]
Next, after depositing a silicon oxide film of, eg, a 500 nm-thickness by, eg, CVD, the silicon oxide film is planarized by, eg, CMP, and an interlayer insulating film 32 made of a silicon oxide film having a planarized surface is formed (see FIG. FIG. 14 (b)).
[0078]
Next, a contact plug 40 electrically connected to the source / drain diffusion layer 28 is formed in the interlayer insulating film 32 in the same manner as in the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment, for example.
[0079]
Next, a contact hole 42 reaching the dummy gate electrode 22 is formed in the silicide film 30 on the interlayer insulating film 32 and the dummy gate electrode 22 by photolithography and dry etching (FIG. 14C).
[0080]
Next, an aluminum film 44 having a thickness of, for example, 400 nm and titanium having a thickness of, for example, 200 nm are formed on the interlayer insulating film 32 in which the contact plug 40 is embedded and the contact hole 42 reaching the dummy gate electrode 22 is formed by, for example, sputtering. A film 46 is deposited (FIG. 15A). As a result, the dummy gate electrode 22 and the aluminum film 44 are in direct contact within the contact hole 42.
[0081]
Next, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 300 to 500 ° C., for example, 400 ° C., for 30 minutes, for example, and the dummy gate electrode 22 and the aluminum film 44 are replaced with an aluminum film containing silicon having a concentration corresponding to the heat treatment temperature. Thus, the gate electrode 48 made of aluminum is formed (FIG. 15B).
[0082]
In the method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment, the silicide film 30 in the contact hole 42 is removed. If the silicide film 30 remains in the contact hole 42, the silicide film 30 is interposed between the dummy gate electrode 22 and the aluminum film 44. For this reason, depending on the silicide material, there is a concern that the aluminum substitution reaction may be hindered. Therefore, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment, the silicide film 30 in the contact hole 42 is removed so that the aluminum replacement reaction is performed smoothly.
[0083]
When the silicide film 30 is formed on the dummy gate electrode 22 as in the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment, there is a concern that a part of the dummy gate electrode 22 is consumed and the resistance value of the gate electrode 48 increases. The However, aluminum is a material having a very low specific resistance, and the resistance value does not increase much. In addition, an increase in the resistance value of the gate electrode 48 can be suppressed by appropriately setting the film thickness of the dummy gate electrode 22 and the silicide film 30.
[0084]
Thereafter, the contact plug 50 and the wiring layers 56 and 58 are formed in the same manner as in the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment, for example.
[0085]
Thus, according to the present embodiment, after the silicide film on the dummy gate electrode is removed and the metal material and the dummy gate electrode are in direct contact with each other, the dummy gate electrode is replaced with metal. It is possible to prevent the substitution reaction from being inhibited by the silicide film formed thereon. Thereby, even when the salicide process is applied, the metal replacement of the gate electrode can be performed smoothly.
[0086]
[Third Embodiment]
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same components as those of the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first and second embodiments shown in FIGS. 1 to 15 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
[0087]
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIGS. 17 and 18 are process cross-sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
[0088]
First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. 16A is a schematic cross-sectional view taken along the line AA 'in FIG. 1, and FIG. 16B is a schematic cross-sectional view taken along the line BB' in FIG.
[0089]
An element isolation film 12 that defines an element region is formed on the silicon substrate 10. A P well 14 is formed in the silicon substrate 10 in the N-type transistor formation region. On the element region, a gate electrode 48 made of aluminum as a replacement metal is formed via a gate insulating film 16. A source / drain diffusion layer 28 is formed in the silicon substrate 10 on both sides of the gate electrode 48 so as to be self-aligned with the gate electrode 48. A silicide film 30 is formed on the gate electrode 48 and the source / drain diffusion layer 28. Thus, an N-type transistor having the gate electrode 48 and the source / drain diffusion layer 28 is formed.
[0090]
An interlayer insulating film 32 is formed on the silicon substrate 10 on which the transistors are formed. The interlayer insulating film 32 includes a contact plug 40 electrically connected to the source / drain diffusion layer 28 through the silicide film 30, and aluminum as a replacement metal connected to the gate electrode 48 through the silicide film 30. A contact plug 50 is embedded.
[0091]
On the interlayer insulating film 32 in which the contact plugs 40 and 50 are embedded, a wiring layer 56 electrically connected to the source / drain diffusion layer 28 via the contact plug 40 and the silicide film 30, and the contact plug 50 and the silicide A wiring layer 58 that is electrically connected to the gate electrode 48 through the film 30 is formed.
[0092]
As described above, the basic structure of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that of the semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. The main feature of the semiconductor device according to the present embodiment is that a contact plug 50 electrically connected to the gate electrode 48 is formed via a silicide film 30 formed on the gate electrode 48.
[0093]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 17 and 18 are process cross-sectional views along the line BB 'in FIG.
[0094]
First, for example, in the same way as in the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment, an element isolation film 12, a dummy gate electrode 22, a source / drain diffusion layer 28, a silicide film 30, an interlayer insulating film 32, Contact plugs 40 and the like are formed.
[0095]
Next, a contact hole 42 reaching the silicide film 30 on the dummy gate electrode 22 is formed in the interlayer insulating film 32 by photolithography and dry etching (FIG. 17A).
[0096]
Next, an aluminum film 44 having a thickness of, for example, 400 nm is formed on the interlayer insulating film 32 in which the contact plug 40 is buried and the contact hole 42 reaching the silicide film 30 on the dummy gate electrode 22 is formed, for example, by sputtering. A titanium film 46 having a thickness of 200 nm is deposited. Thereby, in the contact hole 42, the aluminum film 44 is formed on the dummy gate electrode 22 via the silicide film 30 (FIG. 17B).
[0097]
Next, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 300 to 500 ° C., for example, 400 ° C., for 30 minutes, for example, and the dummy gate electrode 22 and the aluminum film 44 are replaced with an aluminum film containing silicon having a concentration corresponding to the heat treatment temperature. Thus, the gate electrode 48 made of aluminum is formed (FIG. 18A).
[0098]
In the second embodiment, the silicide film 30 in the contact hole 42 is removed because there is a concern that the silicide film 30 inhibits the aluminum substitution reaction. However, as a result of studies by the inventors of the present application, when at least a titanium silicide or cobalt silicide film is used as the silicide film 30, the silicide film 30 does not hinder the reaction of aluminum substitution, and the dummy gate electrode 22 is formed. It was confirmed that the aluminum can be easily replaced. Therefore, when such a silicide material is used, it is not always necessary to remove the silicide film 30 in the contact hole 42 as in the semiconductor device according to the present embodiment.
[0099]
Further, when the inventors of the present application have studied, even when aluminum replacement is performed in a state where the silicide film 30 is formed on the dummy gate electrode 22, the replacement metal reacts with the silicide to cause a silicide spike. It has been confirmed that there is no phenomenon that greatly affects the reliability, such as the formation of the gate electrode or the diffusion of the silicide to the gate insulating film region.
[0100]
Thereafter, the contact plug 50 and the wiring layers 56 and 58 are formed in the same manner as in the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment, for example (FIG. 18B).
[0101]
As described above, according to the present embodiment, the dummy gate electrode is replaced with metal through the silicide film on the dummy gate electrode, so that the salicide process and the metal replacement process are used in combination without complicating the manufacturing process. be able to. As a result, it is possible to reduce the resistance of both the gate electrode and the source / drain diffusion layer without increasing the manufacturing cost.
[0102]
[Fourth Embodiment]
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same components as those of the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first to third embodiments shown in FIGS. 1 to 18 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
[0103]
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment. FIGS. 20 to 23 are process cross-sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
[0104]
First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. FIG. 19A is a schematic cross-sectional view along the line AA ′ in FIG. 1, and FIG. 19B is a schematic cross-sectional view along the line BB ′ in FIG.
[0105]
An element isolation film 12 that defines an element region is formed on the silicon substrate 10. A P well 14 is formed in the silicon substrate 10 in the N-type transistor formation region. On the element region, a gate electrode 48 made of aluminum as a replacement metal is formed via a gate insulating film 16. A source / drain diffusion layer 28 is formed in the silicon substrate 10 on both sides of the gate electrode 48 so as to be self-aligned with the gate electrode 48. A silicide film 30 is formed on the gate electrode 48 and the source / drain diffusion layer 28. Thus, an N-type transistor having the gate electrode 48 and the source / drain diffusion layer 28 is formed.
[0106]
An interlayer insulating film 32 having a height substantially equal to the silicide film 30 formed on the gate electrode 48 is formed on the silicon substrate 10 on which the transistors are formed. A contact plug 40 electrically connected to the source / drain diffusion layer 28 is embedded in the interlayer insulating film 32.
[0107]
On the interlayer insulating film 32 in which the contact plug 40 is buried, a wiring layer 56 electrically connected to the source / drain diffusion layer 28 via the contact plug 40 and the silicide film 30 and a gate via the silicide film 30 are provided. A wiring layer 58 electrically connected to the electrode 48 is formed.
[0108]
As described above, the basic structure of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that of the semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. The main feature of the semiconductor device according to the present embodiment is that the height of the interlayer insulating film 32 is substantially equal to the height of the silicide film 30 formed on the gate electrode 48.
[0109]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 20 and 21 are process cross-sectional views along the line AA ′ in FIG. 1, and FIGS. 22 and 23 are process cross-sectional views along the line BB ′ in FIG.
[0110]
First, the element isolation film 12, the dummy gate electrode 22, the source / drain diffusion layer 28, the silicide film 30 and the like are formed on the silicon substrate 10 in the same manner as in the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment, for example.
[0111]
Next, after depositing a silicon oxide film of, eg, a 500 nm-thickness by, eg, CVD, the silicon oxide film is planarized by, eg, CMP, until the silicide film 30 is exposed, and is formed on the dummy gate electrode 22 from the silicon oxide film. An interlayer insulating film 32 having a height substantially equal to the silicide film 30 thus formed is formed (FIGS. 20A and 22A).
[0112]
In the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment, the interlayer insulating film 32 is removed until the silicide film 30 is exposed, so that it is not necessary to form the contact hole 42 reaching the silicide film 30. Therefore, the lithography process and the dry etching process for forming the contact hole 42 can be reduced.
[0113]
Next, for example, in the same manner as the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment, a contact plug 40 electrically connected to the source / drain diffusion layer 28 is formed in the interlayer insulating film 32 (FIG. 20B). ).
[0114]
Next, an aluminum film 44 having a film thickness of 400 nm and a titanium film 46 having a film thickness of 200 nm, for example, are deposited on the silicide film 30 and the interlayer insulating film 32 formed on the dummy gate electrode 22 by, for example, sputtering. . Thus, the aluminum film 44 is formed on the dummy gate electrode 22 via the silicide film 30 (FIGS. 20C and 22B).
[0115]
Next, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 300 to 500 ° C., for example, 400 ° C. for 5 minutes, for example, and the dummy gate electrode 22 and the aluminum film 44 are replaced with an aluminum film containing silicon having a concentration corresponding to the heat treatment temperature. Thus, the gate electrode 48 made of aluminum is formed (FIGS. 21A and 22C).
[0116]
At this time, since the aluminum film 44 is formed on the entire surface of the dummy gate electrode 22 via the silicide film 30, the aluminum replacement proceeds simultaneously on the entire surface of the dummy gate electrode 22. Therefore, even when the gate width of the dummy gate electrode 22 is long, the heat treatment for aluminum replacement can be performed in a short time.
[0117]
Next, the aluminum film 44 and the titanium film 46 on the interlayer insulating film 32 are removed by, eg, CMP (FIGS. 21B and 23A).
[0118]
Next, for example, in the same manner as in the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, a wiring layer 56 electrically connected to the source / drain diffusion layer 28 via the contact plug 40 on the interlayer insulating film 32, and a silicide A wiring layer 58 electrically connected to the gate electrode 48 through the film 30 is formed (FIGS. 21C and 23B).
[0119]
As described above, according to the present embodiment, the dummy gate electrode is replaced with metal from above, so that the dummy gate electrode can be replaced with metal in a short time even when the gate width is long.
[0120]
[Fifth Embodiment]
A semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same components as those of the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the first to fourth embodiments shown in FIGS. 1 to 23 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
[0121]
FIG. 24 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIGS. 25 to 28 are process cross-sectional views showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
[0122]
First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG. 24A is a schematic cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG. 1, and FIG. 24B is a schematic cross-sectional view taken along the line BB ′ in FIG.
[0123]
An element isolation film 12 that defines an element region is formed on the silicon substrate 10. A P well 14 is formed in the silicon substrate 10 in the N-type transistor formation region. On the element region, a gate electrode 48 made of aluminum as a replacement metal is formed via a gate insulating film 16. A source / drain diffusion layer 28 is formed in the silicon substrate 10 on both sides of the gate electrode 48 so as to be self-aligned with the gate electrode 48. A silicide film 30 is formed on the source / drain diffusion layer 28. Thus, an N-type transistor having the gate electrode 48 and the source / drain diffusion layer 28 is formed.
[0124]
On the silicon substrate 10 on which the transistor is formed, an interlayer insulating film 32 having a height substantially equal to the gate electrode 48 is formed. A contact plug 40 electrically connected to the source / drain diffusion layer 28 via the silicide film 30 is embedded in the interlayer insulating film 32.
[0125]
On the interlayer insulating film 32 in which the contact plug 40 is embedded, a wiring layer 56 electrically connected to the source / drain diffusion layer 28 via the contact plug 40 and the silicide film 30 and a gate electrode 48 are electrically connected. A connected wiring layer 58 is formed.
[0126]
As described above, the semiconductor device according to the present embodiment is characterized in that the gate electrode 48 of the transistor is made of aluminum and the silicide film 30 is formed on the source / drain diffusion layer 28. The interlayer insulating film 32 is also characterized by being substantially equal to the gate electrode 48 made of aluminum.
[0127]
The height of the gate electrode 48 in the semiconductor device according to the present embodiment corresponds to the height obtained by adding the thickness of the silicide film 30 to the height of the gate electrode 48 of the semiconductor device according to the fourth embodiment. Therefore, there are more metal regions of the gate electrode and lower resistance than in the semiconductor device according to the fourth embodiment. Therefore, the speed of the transistor can be further increased.
[0128]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 25 and 26 are process cross-sectional views along the line AA ′ in FIG. 1, and FIGS. 27 and 28 are process cross-sectional views along the line BB ′ in FIG.
[0129]
First, for example, in the same manner as the semiconductor device manufacturing method according to the fourth embodiment, an element isolation film 12, a dummy gate electrode 22, a source / drain diffusion layer 28, a silicide film 30, an interlayer insulating film 32, Contact plugs 40 and the like are formed.
[0130]
Next, the silicide film 30 on the dummy gate electrode 22 is selectively removed by wet etching, for example (FIGS. 25A and 27A).
[0131]
Next, an aluminum film 44 having a thickness of, for example, 400 nm and a titanium film 46 having a thickness of, for example, 200 nm are deposited on the dummy gate electrode 22 and the interlayer insulating film 32 by, eg, sputtering. Thus, the aluminum film 44 is formed directly on the dummy gate electrode 22 (FIGS. 25B and 27B).
[0132]
Next, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 300 to 500 ° C., for example, 400 ° C. for 5 minutes, for example, and the dummy gate electrode 22 and the aluminum film 44 are replaced with an aluminum film containing silicon having a concentration corresponding to the heat treatment temperature. Thus, the gate electrode 48 made of aluminum is formed (FIGS. 25C and 27C).
[0133]
Next, the aluminum film 44 and the titanium film 46 on the interlayer insulating film 32 are removed by, eg, CMP. At this time, the aluminum film 44 also remains in the region where the silicide film 30 is removed. Therefore, the gate electrode 48 has a height substantially equal to that of the interlayer insulating film 32 (FIGS. 26A and 28A).
[0134]
Next, for example, in the same way as in the semiconductor device manufacturing method according to the first embodiment, a wiring layer 56 electrically connected to the source / drain diffusion layer 28 via the contact plug 40 on the interlayer insulating film 32, and a gate A wiring layer 58 electrically connected to the electrode 48 is formed (FIGS. 26B and 28B).
[0135]
As described above, according to the present embodiment, the dummy gate electrode is replaced with metal from above, so that the dummy gate electrode can be replaced with metal in a short time even when the gate width is long. Further, since the silicide film does not remain on the gate electrode and can be made of a replacement metal material including the region where the silicide film is formed, the resistance of the gate electrode can be greatly reduced. Accordingly, the speed of the transistor can be increased.
[0136]
[Modified Embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
[0137]
For example, in the above embodiment, the gate electrode before aluminum replacement is formed of a polycrystalline silicon film, but it is not always necessary to be polycrystalline silicon in a state immediately after the formation. A single crystal silicon film or an amorphous silicon film may be formed instead of the polycrystalline silicon film. Even in the case of an amorphous silicon film, it is crystallized during the impurity activation heat treatment, so that it is in a polycrystalline state when aluminum substitution is performed. Further, instead of the polycrystalline silicon film, other materials that can be replaced with aluminum, such as germanium film, SiGe film, SiGeC film, carbon film, silicon carbide film, Co x Si y Film, Ni x Si y Film, Ti x Si y Membrane, Pt x Si y A silicide film such as a film can also be used.
[0138]
In the above embodiment, when the polycrystalline silicon film is replaced with aluminum, the titanium film is formed on the aluminum film serving as the aluminum source. However, the titanium film is not necessarily provided. Although the titanium film has an action of sucking out excess silicon and has an effect of promoting aluminum substitution, it is possible to perform aluminum substitution without a titanium film.
[0139]
Further, not only titanium but also a material capable of sucking out the dummy gate electrode can be used instead of the titanium film. For example, a material such as ruthenium (Ru), cobalt (Co), nickel (Ni), or platinum (Pt) that can easily form silicide by reacting with silicon can be used.
[0140]
Moreover, in the said embodiment, although the polycrystalline silicon was substituted with aluminum, it is also possible to substitute with another metal material. For example, instead of aluminum, metals such as copper, silver, ruthenium, platinum, palladium, and gold may be used, and polycrystalline silicon may be replaced with these metals. Note that the replacement metal formed by replacing the material to be replaced with a metal material includes a slight amount of the material to be replaced in the film. For example, when silicon is replaced with aluminum, the replacement aluminum contains about 0.2 to 0.7% of silicon depending on the heat treatment temperature. In other words, by measuring the concentration of the material to be replaced in the film, it is possible to infer whether or not it is a replacement metal formed by replacing the material to be replaced with a metal material.
[0141]
In the above embodiment, the sputtering method is used to deposit the aluminum film 44 and the titanium film 46, but other film forming methods such as a CVD method may be used. As semiconductor devices become highly integrated, the contact hole 42 is also miniaturized, and it becomes difficult to form aluminum in the deep part of the hole. In such a case, it is desirable to apply a deposition method with excellent coverage such as a CVD method.
[0142]
In the above embodiment, after the plug 40 is formed, the dummy gate electrode 22 is replaced with metal, and the gate electrode 48 made of the replacement metal is formed. However, the plug 40 is not necessarily formed in this order. For example, the plug 40 may be formed after the gate electrode 48 is formed.
[0143]
As described above in detail, the characteristics of the present invention are summarized as follows.
[0144]
(Appendix 1) A gate electrode made of a replacement metal formed on a semiconductor substrate;
A first silicide film formed on an upper surface of the gate electrode;
An impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate;
A second silicide film formed on the impurity diffusion region;
A semiconductor device comprising:
[0145]
(Appendix 2) In the semiconductor device according to Appendix 1,
An interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate;
A wiring layer formed on the interlayer insulating film and electrically connected to the gate electrode through an opening formed in the interlayer insulating film;
A semiconductor device.
[0146]
(Appendix 3) In the semiconductor device described in Appendix 2,
The wiring layer is electrically connected to the gate electrode through a contact plug made of the replacement metal formed in the opening.
A semiconductor device.
[0147]
(Appendix 4) In the semiconductor device described in Appendix 2,
The interlayer insulating film has a height substantially equal to the upper surface of the first silicide film.
A semiconductor device.
[0148]
(Appendix 5) In the semiconductor device described in Appendix 3,
The contact plug is connected to the gate electrode through the first silicide film.
A semiconductor device.
[0149]
(Appendix 6) A gate electrode made of a replacement metal formed on a semiconductor substrate;
A cap insulating film formed on the upper surface of the gate electrode;
An impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate;
A second silicide film formed on the impurity diffusion region;
A semiconductor device comprising:
[0150]
(Appendix 7) In the semiconductor device described in Appendix 6,
An interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate;
A wiring layer formed on the interlayer insulating film and electrically connected to the gate electrode through an opening formed in the interlayer insulating film;
A semiconductor device.
[0151]
(Supplementary note 8) In the semiconductor device according to supplementary note 7,
The wiring layer is electrically connected to the gate electrode through a contact plug made of the replacement metal formed in the opening.
A semiconductor device.
[0152]
(Supplementary Note 9) A gate electrode made of a replacement metal formed on a semiconductor substrate;
An impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate;
A silicide film formed on the impurity diffusion region;
An interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate and having a height substantially equal to the gate electrode;
A wiring layer formed on the interlayer insulating film and electrically connected to the gate electrode;
A semiconductor device comprising:
[0153]
(Appendix 10) In the semiconductor device according to any one of appendices 1 to 9,
The impurity diffusion region is formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode.
A semiconductor device.
[0154]
(Additional remark 11) The process of forming the dummy gate electrode which consists of a substituted material which can be substituted by a metal on a semiconductor substrate,
Forming an impurity diffusion region in the semiconductor substrate on both sides of the dummy gate electrode in a self-aligned manner with respect to the dummy gate electrode;
Forming a silicide film on the dummy gate electrode and the impurity diffusion region by self-alignment;
Forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
Forming an opening reaching the silicide film on the dummy gate electrode in the interlayer insulating film;
Forming a metal film on the interlayer insulating film;
A step of replacing the material constituting the dummy gate electrode with a metal material constituting the metal film by performing a heat treatment to form a gate electrode made of the metal material;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0155]
(Additional remark 12) In the manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 11,
After the step of forming the gate electrode, the metal film on the interlayer insulating film is removed to form a contact plug made of the metal material embedded in the opening and connected to the gate electrode. It further has a process
A method for manufacturing a semiconductor device.
[0156]
(Additional remark 13) In the manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 11,
In the step of forming the opening, the opening is formed by planarizing the interlayer insulating film until the silicide film on the dummy gate electrode is exposed.
A method for manufacturing a semiconductor device.
[0157]
(Appendix 14) In the method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 11 to 13,
After the step of forming the opening, the method further includes a step of removing the silicide film in the opening.
A method for manufacturing a semiconductor device.
[0158]
(Additional remark 15) The process which forms the dummy gate electrode which consists of a to-be-substituted material which can be substituted by a metal on the semiconductor substrate, and the upper surface was covered with the cap insulating film,
Forming an impurity diffusion region in the semiconductor substrate on both sides of the dummy gate electrode in a self-aligned manner with respect to the dummy gate electrode;
Forming a silicide film in a self-aligned manner on the impurity diffusion region;
Forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
Forming an opening reaching the dummy gate electrode in the interlayer insulating film and the cap insulating film;
Forming a metal film on the interlayer insulating film;
A step of replacing the material constituting the dummy gate electrode with a metal material constituting the metal film by performing a heat treatment to form a gate electrode made of the metal material;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0159]
(Supplementary Note 16) In the method for manufacturing a semiconductor device according to Supplementary Note 15,
After the step of forming the gate electrode, the metal film on the interlayer insulating film is removed to form a contact plug made of the metal material embedded in the opening and connected to the gate electrode. It further has a process
A method for manufacturing a semiconductor device.
[0160]
(Supplementary Note 17) In the method for manufacturing a semiconductor device according to Supplementary Note 15,
In the step of forming the opening, after planarizing the interlayer insulating film until the cap insulating film is exposed, the opening is formed by removing the cap insulating film.
A method for manufacturing a semiconductor device.
[0161]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the silicide film can be formed on the source / drain region and the gate electrode can be replaced with the metal material, so that the resistance of both the source / drain region and the gate electrode can be reduced. be able to. Thereby, a high-speed, low-power transistor can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a structure of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the invention;
FIG. 4 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the invention;
FIG. 5 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a process cross-sectional view (No. 4) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the invention;
FIG. 7 is a process sectional view (No. 5) showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the invention;
FIG. 8 is a process cross-sectional view (No. 6) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the invention;
FIG. 9 is a process cross-sectional view (No. 7) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the invention;
FIG. 10 is a process cross-sectional view (No. 8) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the invention;
FIG. 11 is a process cross-sectional view (No. 9) showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the invention;
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the invention;
FIG. 14 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 15 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the invention;
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a process cross-sectional view (No. 1) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment of the invention;
FIG. 18 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention;
FIG. 19 is a schematic sectional view showing the structure of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a process cross-sectional view (No. 1) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment of the invention;
FIG. 21 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention;
FIG. 22 is a process cross-sectional view (part 3) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention;
FIG. 23 is a process cross-sectional view (No. 4) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment of the invention;
FIG. 24 is a schematic sectional view showing the structure of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a process cross-sectional view (No. 1) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the fifth embodiment of the invention;
FIG. 26 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention;
FIG. 27 is a process cross-sectional view (No. 3) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the fifth embodiment of the invention;
FIG. 28 is a process cross-sectional view (No. 4) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the fifth embodiment of the invention;
FIG. 29 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the conventional method for manufacturing a semiconductor device;
FIG. 30 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the conventional method for manufacturing a semiconductor device;
[Explanation of symbols]
10 ... Silicon substrate
12 ... element isolation film
14 ... P well
16 ... Gate insulating film
20 ... Cap insulating film
22 ... Dummy gate electrode
24 ... Impurity diffusion region
26. Side wall insulating film
28 ... Source / drain diffusion layer
30. Silicide film
32. Interlayer insulating film
34, 42 ... contact hole
36 ... Barrier metal
38 ... Tungsten film
40, 50 ... contact plug
44 ... Aluminum film
46 ... Titanium film
48 ... Gate electrode
52. Titanium nitride film
54. Aluminum film
56, 58 ... wiring layer
100: Silicon substrate
102: Element isolation film
104 ... P well
106: Dummy gate electrode
108: Source / drain diffusion layer
110, 118 ... interlayer insulating film
112 ... Aluminum film
114 ... Titanium film
116: Gate electrode
120 ... Contact hole
122 ... contact plug
124: Wiring layer

Claims (5)

半導体基板上に形成された置換メタルよりなるゲート電極と、
前記ゲート電極の上面上に形成された第1のシリサイド膜と、
前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、
前記不純物拡散領域上に形成された第2のシリサイド膜と
を有することを特徴とする半導体装置。
A gate electrode made of a replacement metal formed on a semiconductor substrate;
A first silicide film formed on an upper surface of the gate electrode;
An impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate;
And a second silicide film formed on the impurity diffusion region.
半導体基板上に形成された置換メタルよりなるゲート電極と、
前記ゲート電極の上面上に形成されたキャップ絶縁膜と、
前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、
前記不純物拡散領域上に形成された第2のシリサイド膜と
を有することを特徴とする半導体装置。
A gate electrode made of a replacement metal formed on a semiconductor substrate;
A cap insulating film formed on the upper surface of the gate electrode;
An impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate;
And a second silicide film formed on the impurity diffusion region.
半導体基板上に形成された置換メタルよりなるゲート電極と、
前記半導体基板内に形成された不純物拡散領域と、
前記不純物拡散領域上に形成されたシリサイド膜と、
前記半導体基板上に形成され、前記ゲート電極とほぼ等しい高さを有する層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成され、前記ゲート電極に電気的に接続された配線層と
を有することを特徴とする半導体装置。
A gate electrode made of a replacement metal formed on a semiconductor substrate;
An impurity diffusion region formed in the semiconductor substrate;
A silicide film formed on the impurity diffusion region;
An interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate and having a height substantially equal to the gate electrode;
And a wiring layer formed on the interlayer insulating film and electrically connected to the gate electrode.
半導体基板上に、金属に置換可能な被置換材料よりなるダミーゲート電極を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極の両側の前記半導体基板内に、前記ダミーゲート電極に対して自己整合で不純物拡散領域を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極上及び前記不純物拡散領域上に、自己整合でシリサイド膜を形成する工程と、
前記半導体基板上に、層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜に、前記ダミーゲート電極上の前記シリサイド膜に達する開口部を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に、金属膜を形成する工程と、
熱処理を行うことにより、前記ダミーゲート電極を構成する前記被置換材料を前記金属膜を構成する金属材料に置換し、前記金属材料よりなるゲート電極を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a dummy gate electrode made of a material that can be replaced with metal on a semiconductor substrate;
Forming an impurity diffusion region in the semiconductor substrate on both sides of the dummy gate electrode in a self-aligned manner with respect to the dummy gate electrode;
Forming a silicide film on the dummy gate electrode and the impurity diffusion region by self-alignment;
Forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
Forming an opening reaching the silicide film on the dummy gate electrode in the interlayer insulating film;
Forming a metal film on the interlayer insulating film;
A step of replacing the material constituting the dummy gate electrode with a metal material constituting the metal film by performing a heat treatment, and forming a gate electrode made of the metal material. Device manufacturing method.
半導体基板上に、金属に置換可能な被置換材料よりなり、上面がキャップ絶縁膜により覆われたダミーゲート電極を形成する工程と、
前記ダミーゲート電極の両側の前記半導体基板内に、前記ダミーゲート電極に対して自己整合で不純物拡散領域を形成する工程と、
前記不純物拡散領域上に、自己整合でシリサイド膜を形成する工程と、
前記半導体基板上に、層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜及び前記キャップ絶縁膜に、前記ダミーゲート電極に達する開口部を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に、金属膜を形成する工程と、
熱処理を行うことにより、前記ダミーゲート電極を構成する前記被置換材料を前記金属膜を構成する金属材料に置換し、前記金属材料よりなるゲート電極を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a dummy gate electrode on a semiconductor substrate, made of a material that can be replaced with metal, and having an upper surface covered with a cap insulating film;
Forming an impurity diffusion region in the semiconductor substrate on both sides of the dummy gate electrode in a self-aligned manner with respect to the dummy gate electrode;
Forming a silicide film in a self-aligned manner on the impurity diffusion region;
Forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate;
Forming an opening reaching the dummy gate electrode in the interlayer insulating film and the cap insulating film;
Forming a metal film on the interlayer insulating film;
A step of replacing the material constituting the dummy gate electrode with a metal material constituting the metal film by performing a heat treatment, and forming a gate electrode made of the metal material. Device manufacturing method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012028696A (en) * 2010-07-27 2012-02-09 Fujitsu Semiconductor Ltd Semiconductor device manufacturing method
JP2013239706A (en) * 2012-05-16 2013-11-28 Renesas Electronics Corp Substituted metal gate transistor and manufacturing method therefor

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