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JP5203719B2 - Method for manufacturing dual gate semiconductor device - Google Patents

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JP5203719B2 JP2008003140A JP2008003140A JP5203719B2 JP 5203719 B2 JP5203719 B2 JP 5203719B2 JP 2008003140 A JP2008003140 A JP 2008003140A JP 2008003140 A JP2008003140 A JP 2008003140A JP 5203719 B2 JP5203719 B2 JP 5203719B2
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Description

本発明は、デュアルゲート半導体装置の製造方法およびその構造に関し、特に、CMOSFET半導体装置の製造方法およびその構造に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a dual gate semiconductor device and a structure thereof, and more particularly to a method for manufacturing a CMOSFET semiconductor device and a structure thereof.

近年、CMOSFET等のデュアルゲート半導体装置では、半導体装置の微細化に伴い、空乏層の形成を防止するためにメタルゲート電極が用いられる。メタルゲート電極の形成工程では、p型FETとn型FETのように、異なる材料からなるメタルゲート電極をそれぞれエッチング加工で形成することは困難である。このため、第1の金属材料で双方のゲート電極を形成し層間絶縁層に埋め込んだ後、一方のゲート電極を選択的に除去して、代わりに第2の金属材料を埋め込む製造方法が用いられている(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−289700号公報
In recent years, in a dual gate semiconductor device such as a CMOSFET, a metal gate electrode is used to prevent the formation of a depletion layer as the semiconductor device is miniaturized. In the formation process of the metal gate electrode, it is difficult to form the metal gate electrodes made of different materials by etching, like the p-type FET and the n-type FET. For this reason, a manufacturing method is used in which both gate electrodes are formed of the first metal material and embedded in the interlayer insulating layer, and then one of the gate electrodes is selectively removed and the second metal material is embedded instead. (For example, refer to Patent Document 1).
JP 2002-289700 A

しかしながら、CMOSFET等のデュアルゲート半導体装置では、第1の金属材料からなるゲート配線と、第2の金属材料からなるゲート配線とを接続する必要があるが、微細ゲート配線では接続のための位置合わせが困難となり、断線が発生しやすく、製造歩留まりが低下するという問題があった。
また、ゲート配線が、金属ゲート電極膜とその上に形成される低抵抗の金属ゲート配線膜からなる場合、ゲート配線の接続が金属ゲート電極膜を挟むため、接続部分が高抵抗化して、半導体装置の特性が悪くなるという問題もあった。
However, in a dual gate semiconductor device such as a CMOSFET, it is necessary to connect a gate wiring made of the first metal material and a gate wiring made of the second metal material. However, there is a problem that disconnection is likely to occur, and the manufacturing yield decreases.
In addition, when the gate wiring is composed of a metal gate electrode film and a low-resistance metal gate wiring film formed thereon, the connection of the gate wiring sandwiches the metal gate electrode film, so that the connection portion has a high resistance, and the semiconductor There was also a problem that the characteristics of the device deteriorated.

そこで、本発明は、デュアルゲート半導体装置において、2つのゲート配線間の接続を容易に、かつ低抵抗で行えるデュアルゲート半導体装置の製造方法およびその構造の提供を目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a dual gate semiconductor device and a structure thereof in which the connection between two gate wirings can be easily performed with low resistance in a dual gate semiconductor device.

本発明は、第1導電型FETと第2導電型FETとを含むデュアルゲート半導体装置の製造方法であって、半導体基板を準備する工程と、半導体基板上に、それぞれがゲート絶縁膜と第1ゲート金属膜とを含む、第1および第2の電極を形成する工程と、第1および第2の電極を埋め込むように、層間絶縁層を形成する工程と、第1および第2の電極の上部を層間絶縁層から露出させる工程と、第2の電極の第1ゲート金属膜を選択的に除去する選択除去工程と、第1および第2の電極を覆うように、層間絶縁層上に、第2ゲート金属膜およびゲート配線膜を堆積する堆積工程と、第2ゲート金属膜とゲート配線膜をパターニングして、ゲート絶縁膜上に第1ゲート金属膜、第2ゲート金属膜、およびゲート配線膜が順次積層された第1ゲート電極と、ゲート絶縁膜上に第2ゲート金属膜とゲート配線膜が順次積層された第2ゲート電極とを形成するとともに、第1ゲート電極と第2ゲート電極とをゲート配線膜で接続する工程とを含むことを特徴とするデュアルゲート半導体装置の製造方法である。   The present invention is a method of manufacturing a dual gate semiconductor device including a first conductivity type FET and a second conductivity type FET, the step of preparing a semiconductor substrate, and a gate insulating film and a first on the semiconductor substrate, respectively. Forming a first and second electrode including a gate metal film; forming an interlayer insulating layer so as to embed the first and second electrodes; and an upper portion of the first and second electrodes On the interlayer insulating layer so as to cover the first and second electrodes, a step of exposing the first insulating film from the interlayer insulating layer, a selective removing step of selectively removing the first gate metal film of the second electrode. A deposition step of depositing a two-gate metal film and a gate wiring film; and patterning the second gate metal film and the gate wiring film to form a first gate metal film, a second gate metal film, and a gate wiring film on the gate insulating film The first game Forming a second gate electrode in which a second gate metal film and a gate wiring film are sequentially stacked on the gate insulating film, and connecting the first gate electrode and the second gate electrode with the gate wiring film; A method of manufacturing a dual gate semiconductor device.

また、本発明は、導電型の異なる2つのFETを含むデュアルゲート半導体装置であって、半導体基板と、半導体基板上に設けられた、ゲート絶縁膜上に順次積層された第1ゲート金属膜、第2ゲート金属膜、およびゲート配線膜を含む第1導電型FETの第1ゲート電極と、ゲート絶縁膜上に順次積層された第2ゲート金属膜およびゲート配線膜を含む第2導電型FETの第2ゲート電極と、を有し、第1ゲート電極と第2ゲート電極とが、これらの電極で共通するゲート配線膜により電気的に接続されたことを特徴とするデュアルゲート半導体装置でもある。   The present invention also provides a dual gate semiconductor device including two FETs having different conductivity types, a semiconductor substrate, and a first gate metal film sequentially stacked on the gate insulating film provided on the semiconductor substrate, The first gate electrode of the first conductivity type FET including the second gate metal film and the gate wiring film, and the second conductivity type FET including the second gate metal film and the gate wiring film sequentially stacked on the gate insulating film. A dual gate semiconductor device having a second gate electrode, wherein the first gate electrode and the second gate electrode are electrically connected by a gate wiring film common to these electrodes.

本発明にかかる半導体装置の製造方法では、製造歩留まりが良好で、かつ特性の良好なデュアルゲート半導体装置の提供が可能となる。   With the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is possible to provide a dual gate semiconductor device having a good manufacturing yield and good characteristics.

実施の形態1.
図1は、全体が100で表される、本実施の形態1にかかるCMOSFET半導体装置の製造工程の断面図である。かかる製造工程は、以下の1〜9の工程を含む。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view of the manufacturing process of the CMOSFET semiconductor device according to the first embodiment, the whole being represented by 100. This manufacturing process includes the following processes 1 to 9.

工程1:図1(a)に示すように、シリコン基板1を準備する。シリコン基板1の上には、シリコン層2を形成する。シリコン層2には、酸化シリコン等の素子分離領域3により電気的に分離されたn−FET領域とp−FET領域が形成される。これらの領域には、例えば、HfSiON等のHigh−k(高誘電体)材料からなるゲート絶縁膜4、TaSiNからなる第1ゲート金属膜5、Wからなる金属ゲート配線膜13、SiNからなるハードマスク6を形成する。第1ゲート金属膜5には、TaSiNのみでなく、TaC、TaN、TiSiN、TiNといった金属膜を用いても良い。これらは、ハードマスク6を用いたRIE等で同時に形成できる。続いて、例えばSiOからなるサイドウオール7を形成する。更に、ハードマスク6等をマスクに用いたイオン注入と、熱処理による注入イオンの活性化を行い、ソース/ドレイン領域8を形成する。 Step 1: A silicon substrate 1 is prepared as shown in FIG. A silicon layer 2 is formed on the silicon substrate 1. In the silicon layer 2, an n-FET region and a p-FET region electrically isolated by an element isolation region 3 such as silicon oxide are formed. These regions include, for example, a gate insulating film 4 made of a High-k (high dielectric) material such as HfSiON, a first gate metal film 5 made of TaSiN, a metal gate wiring film 13 made of W, and a hard made of SiN. A mask 6 is formed. For the first gate metal film 5, not only TaSiN but also a metal film such as TaC, TaN, TiSiN, TiN may be used. These can be simultaneously formed by RIE or the like using the hard mask 6. Subsequently, a sidewall 7 made of, for example, SiO 2 is formed. Further, ion implantation using the hard mask 6 or the like as a mask and activation of implanted ions by heat treatment are performed to form the source / drain regions 8.

工程2:図1(b)に示すように、PMD(Pre-Metal Dielectric)層10を例えばCVD法で形成する。   Step 2: As shown in FIG. 1B, a PMD (Pre-Metal Dielectric) layer 10 is formed by, for example, a CVD method.

工程3:図1(c)に示すように、例えばCMP法を用いてPMD層10を平坦化する。かかる工程で、PMD層10に埋め込まれたハードマスク6が露出する。   Step 3: As shown in FIG. 1C, the PMD layer 10 is planarized using, for example, a CMP method. In this process, the hard mask 6 embedded in the PMD layer 10 is exposed.

工程4:図1(d)に示すように、RIEやウエットエッチングを用いて、ハードマスク6を選択的に除去する。続いて、金属ゲート配線膜13を選択的に除去する。金属ゲート配線膜13の除去は、例えば、60℃の過酸化水素水を用いたウエットエッチングで行う。   Step 4: As shown in FIG. 1D, the hard mask 6 is selectively removed using RIE or wet etching. Subsequently, the metal gate wiring film 13 is selectively removed. The removal of the metal gate wiring film 13 is performed, for example, by wet etching using hydrogen peroxide water at 60 ° C.

工程5:図1(e)に示すように、アモルファスシリコン層14を全面に形成した後、エッチングにより、n−FET領域のみにアモルファスシリコン層14を残す。   Step 5: As shown in FIG. 1E, after the amorphous silicon layer 14 is formed on the entire surface, the amorphous silicon layer 14 is left only in the n-FET region by etching.

工程6:図1(f)に示すように、アモルファスシリコン層14をマスクに用いて、p−FET領域の第1ゲート金属膜5を選択的に除去する。第1ゲート金属膜5の除去は、例えば、約60〜80℃のアンモニア過酸化水素混合水(APM)を用いたウエットエッチングで行う。   Step 6: As shown in FIG. 1F, the first gate metal film 5 in the p-FET region is selectively removed using the amorphous silicon layer 14 as a mask. The removal of the first gate metal film 5 is performed, for example, by wet etching using ammonia hydrogen peroxide mixed water (APM) at about 60 to 80 ° C.

工程7:図1(g)に示すように、n−FET領域のアモルファスシリコン層14を、過酸化水素水を用いたウエットエッチングで除去する。続いて、例えばTiNからなる第2ゲート金属膜5、Wからなる金属ゲート配線膜25を全面に形成する。かかる工程で、n−FET領域の第1ゲート金属膜5と、p−FET領域の第2ゲート金属膜20とが接続される。   Step 7: As shown in FIG. 1G, the amorphous silicon layer 14 in the n-FET region is removed by wet etching using hydrogen peroxide. Subsequently, for example, a second gate metal film 5 made of TiN and a metal gate wiring film 25 made of W are formed on the entire surface. In this process, the first gate metal film 5 in the n-FET region and the second gate metal film 20 in the p-FET region are connected.

第2ゲート金属膜5には、TiN、TiAlN、TaN、TaAlN、Ru、Ir、Pt、Ni、Co、W、WN、Mo、MoN、NiSi(好適にはNiSiのxは1以上)、およびPtSi(好適にはPtSiのxは1以上)からなる群から選択される材料を主成分とする材料を選択することが好ましい。以下の実施の形態2、3でも同様である。 The second gate metal film 5 includes TiN, TiAlN, TaN, TaAlN, Ru, Ir, Pt, Ni, Co, W, WN, Mo, MoN, NiSi (preferably Ni x Si x is 1 or more), It is preferable to select a material mainly composed of a material selected from the group consisting of PtSi (preferably x of Pt x Si is 1 or more). The same applies to the following second and third embodiments.

また、以下の工程8以降は、シリコン基板1の温度が500℃以下で行われることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the temperature of the silicon substrate 1 is 500 degrees C or less after the following processes 8.

工程8:図1(h)に示すように、エッチングマスク(図示せず)を用いて、第2ゲート金属膜20、金属ゲート配線膜25をエッチングする。この工程は、CMPプロセスを用いてPMD層10まで平坦化することで、電極をパターニングしても良い。   Step 8: As shown in FIG. 1H, the second gate metal film 20 and the metal gate wiring film 25 are etched using an etching mask (not shown). In this step, the electrode may be patterned by planarizing the PMD layer 10 using a CMP process.

工程9:図1(i)に示すように、例えばSiOからなる層間絶縁層30を形成し、ソース/ドレイン領域からの引き出し配線35を形成することにより、CMOSFET半導体装置100が完成する。 Step 9: As shown in FIG. 1I, an interlayer insulating layer 30 made of, for example, SiO 2 is formed, and lead wires 35 are formed from the source / drain regions, thereby completing the CMOSFET semiconductor device 100.

図2は、CMOSFET半導体装置100の概略図であり、(a)に上面図、(b)に(a)のII−II方向に見た場合の断面図を示す。図2中、図1と同一符号は同一又は相当箇所を示す。   2A and 2B are schematic views of the CMOSFET semiconductor device 100, where FIG. 2A is a top view and FIG. 2B is a cross-sectional view when viewed in the II-II direction of FIG. 2, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts.

上述のように、工程7(図1(g))により、n−FET領域のゲート電極とp−FET領域のゲート電極とは、Wからなる金属ゲート配線膜25により接続される。このため、従来のように、n−FET領域のゲート配線層とp−FET領域のゲート配線層とを接続する必要がなく、接続不良による歩留まりの低下を防止できる。
また、第1ゲート金属膜5や第2ゲート金属膜20を間に挟むことなく低抵抗の金属ゲート配線膜25で接続されるため、接続箇所の高抵抗化による性能の低下も防止できる。
As described above, in step 7 (FIG. 1G), the gate electrode in the n-FET region and the gate electrode in the p-FET region are connected by the metal gate wiring film 25 made of W. For this reason, it is not necessary to connect the gate wiring layer in the n-FET region and the gate wiring layer in the p-FET region as in the prior art, and it is possible to prevent a decrease in yield due to poor connection.
Further, since the first gate metal film 5 and the second gate metal film 20 are connected by the low-resistance metal gate wiring film 25 without sandwiching them, it is possible to prevent the performance from being deteriorated due to the high resistance of the connection portion.

実施の形態2.
図3は、全体が200で表される、本実施の形態2にかかるCMOSFET半導体装置の製造工程の断面図である。図3中、図1と同一符号は同一又は相当箇所を示す。かかる製造工程は、以下の1〜9の工程を含む。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the manufacturing process of the CMOSFET semiconductor device according to the second embodiment, the whole being represented by 200. 3, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts. This manufacturing process includes the following processes 1 to 9.

工程1:図3(a)に示すように、実施の形態1の工程1と略同様の工程で、n−FET領域、p−FET領域に、例えば、HfSiON等のHigh−k材料からなるゲート絶縁膜4、TaSiNからなる第1ゲート金属膜5、アモルファスシリコン(マスク用シリコン)膜15、SiNからなるハードマスク6を形成する。第1ゲート金属膜5には、TaSiNのみでなく、TaC、TaN、TiSiN、TiNといった金属膜を用いても良い。続いて、例えばSiOからなるサイドウオール7を形成した後、イオン注入によりソース/ドレイン領域8を形成する。
ここでは、Wからなる金属ゲート配線膜13に代えてアモルファスシリコン膜15が形成されている点を除き、図1(a)と同じ構造となっている。なお、アモルファスシリコン膜15に代えて、ポリシリコン膜を用いても構わない。
Step 1: As shown in FIG. 3A, a gate made of a High-k material such as HfSiON, for example, in the n-FET region and the p-FET region in substantially the same step as in Step 1 of the first embodiment. An insulating film 4, a first gate metal film 5 made of TaSiN, an amorphous silicon (mask silicon) film 15, and a hard mask 6 made of SiN are formed. For the first gate metal film 5, not only TaSiN but also a metal film such as TaC, TaN, TiSiN, TiN may be used. Subsequently, a sidewall 7 made of, for example, SiO 2 is formed, and then a source / drain region 8 is formed by ion implantation.
Here, the structure is the same as that of FIG. 1A except that an amorphous silicon film 15 is formed instead of the metal gate wiring film 13 made of W. In place of the amorphous silicon film 15, a polysilicon film may be used.

工程2:図3(b)に示すように、PMD層10を例えばCVD法で形成する。   Step 2: As shown in FIG. 3B, the PMD layer 10 is formed by, for example, a CVD method.

工程3:図3(c)に示すように、例えばCMP法を用いてPMD層10を平坦化し、ハードマスク6を露出させる。工程2、3は、実施の形態1の工程2、3と同様である。   Step 3: As shown in FIG. 3C, the PMD layer 10 is planarized using, for example, a CMP method, and the hard mask 6 is exposed. Steps 2 and 3 are the same as steps 2 and 3 in the first embodiment.

工程4:図3(d)に示すように、RIEやウエットエッチングを用いて、n−FET領域およびp−FET領域のハードマスク10を選択的に除去する。続いて、例えばレジストマスク(図示せず)でn−FET領域を覆って、p−FET領域のアモルファスシリコン膜15を、例えばRIEで選択的に除去する。   Step 4: As shown in FIG. 3D, the hard mask 10 in the n-FET region and the p-FET region is selectively removed by using RIE or wet etching. Subsequently, the n-FET region is covered with, for example, a resist mask (not shown), and the amorphous silicon film 15 in the p-FET region is selectively removed by, for example, RIE.

工程5:図3(e)に示すように、p−FET領域の第1ゲート金属膜5を、例えば、60〜80℃のアンモニア/過酸化水素混合水を用いたウエットエッチングで、選択的に除去する。   Step 5: As shown in FIG. 3E, the first gate metal film 5 in the p-FET region is selectively etched by, for example, wet etching using an ammonia / hydrogen peroxide mixed water at 60 to 80 ° C. Remove.

工程6:図3(f)に示すように、n−FET領域のアモルファスシリコン膜15を、例えば、60℃の水酸化アンモニウム溶液を用いて、ウエットエッチングで除去する。   Step 6: As shown in FIG. 3F, the amorphous silicon film 15 in the n-FET region is removed by wet etching using, for example, an ammonium hydroxide solution at 60 ° C.

工程7:図3(g)に示すように、例えばTiNからなる第2ゲート金属膜5、Wからなる金属ゲート配線膜25を全面に形成する。かかる工程で、n−FET領域の第1ゲート金属膜5と、p−FET領域の第2ゲート金属膜20とが接続される。   Step 7: As shown in FIG. 3G, for example, a second gate metal film 5 made of TiN and a metal gate wiring film 25 made of W are formed on the entire surface. In this process, the first gate metal film 5 in the n-FET region and the second gate metal film 20 in the p-FET region are connected.

工程8:図3(h)に示すように、エッチングマスク(図示せず)を用いて、第2ゲート金属膜20、金属ゲート配線膜25をエッチングする。この工程は、CMPプロセスを用いてPMD層10まで平坦化することで、電極をパターニングしても良い。   Step 8: As shown in FIG. 3H, the second gate metal film 20 and the metal gate wiring film 25 are etched using an etching mask (not shown). In this step, the electrode may be patterned by planarizing the PMD layer 10 using a CMP process.

工程9:図3(i)に示すように、例えばSiOからなる層間絶縁層30を形成し、ソース/ドレイン領域からの引き出し配線35を形成することにより、CMOSFET半導体装置200が完成する。 Step 9: As shown in FIG. 3I, an interlayer insulating layer 30 made of, for example, SiO 2 is formed, and lead-out wirings 35 are formed from the source / drain regions, thereby completing the CMOSFET semiconductor device 200.

本実施の形態2にかかる製造方法では、第1ゲート金属膜5の上に形成したアモルファスシリコン膜15が、工程4、5でエッチング用マスクとして機能する。このため、実施の形態1の工程5(図1(e))のように、ポリシリコン層15のエッチングマスクを別途形成する工程が省略できる。   In the manufacturing method according to the second embodiment, the amorphous silicon film 15 formed on the first gate metal film 5 functions as an etching mask in steps 4 and 5. Therefore, a step of separately forming an etching mask for the polysilicon layer 15 as in step 5 (FIG. 1E) of the first embodiment can be omitted.

実施の形態3.
図4は、全体が300で表される、本実施の形態3にかかるCMOSFET半導体装置の製造工程の断面図である。図4中、図1と同一符号は同一又は相当箇所を示す。かかる製造工程は、以下の1〜9の工程を含む。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the manufacturing process of the CMOSFET semiconductor device according to the third embodiment, the whole being represented by 300. 4, the same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same or corresponding parts. This manufacturing process includes the following processes 1 to 9.

工程1:図4(a)に示すように、実施の形態2の工程1と略同様の工程で、n−FET領域、p−FET領域に、例えば、HfSiON等のHigh−k材料からなるゲート絶縁膜4、TaSiNからなる第1ゲート金属膜5、アモルファスシリコン膜15、およびSiNからなるハードマスク6を形成する。第1ゲート金属膜5には、TaSiNのみでなく、TaC、TaN、TiSiN、TiNといった金属膜を用いても良い。続いて、例えばSiOからなるサイドウオール7を形成した後、イオン注入によりソース/ドレイン領域8を形成する。アモルファスシリコン膜15に代えて、ポリシリコン膜を用いても構わない。 Step 1: As shown in FIG. 4A, a gate made of a High-k material such as HfSiON, for example, in the n-FET region and the p-FET region in substantially the same step as the step 1 of the second embodiment. An insulating film 4, a first gate metal film 5 made of TaSiN, an amorphous silicon film 15, and a hard mask 6 made of SiN are formed. For the first gate metal film 5, not only TaSiN but also a metal film such as TaC, TaN, TiSiN, TiN may be used. Subsequently, a sidewall 7 made of, for example, SiO 2 is formed, and then a source / drain region 8 is formed by ion implantation. Instead of the amorphous silicon film 15, a polysilicon film may be used.

工程2:図4(b)に示すように、PMD層10を例えばCVD法で形成する。   Process 2: As shown in FIG.4 (b), the PMD layer 10 is formed by CVD method, for example.

工程3:図4(c)に示すように、例えばCMP法を用いてPMD層10を平坦化し、ハードマスク6を露出させる。工程2、3は、実施の形態1の工程2、3と同様である。   Step 3: As shown in FIG. 4C, the PMD layer 10 is planarized using, for example, a CMP method, and the hard mask 6 is exposed. Steps 2 and 3 are the same as steps 2 and 3 in the first embodiment.

工程4:図4(d)に示すように、RIEやウエットエッチングを用いて、n−FET領域およびp−FET領域のハードマスク10を選択的に除去する。続いて、例えばレジストマスク(図示せず)でn−FET領域を覆って、p−FET領域のアモルファスシリコン膜15を、例えばRIEで選択的に除去する。   Step 4: As shown in FIG. 4D, the hard mask 10 in the n-FET region and the p-FET region is selectively removed by using RIE or wet etching. Subsequently, the n-FET region is covered with, for example, a resist mask (not shown), and the amorphous silicon film 15 in the p-FET region is selectively removed by, for example, RIE.

工程5:図4(e)に示すように、p−FET領域の第1ゲート金属膜5を、例えば、60〜80℃のアンモニア/過酸化水素混合水を用いたウエットエッチングで、選択的に除去する。   Step 5: As shown in FIG. 4E, the first gate metal film 5 in the p-FET region is selectively etched by wet etching using, for example, an ammonia / hydrogen peroxide mixed water at 60 to 80 ° C. Remove.

工程6:図4(f)に示すように、n−FET領域のアモルファスシリコン膜15を、例えば、60℃の水酸化アンモニウム溶液を用いて、ウエットエッチングで除去する。   Step 6: As shown in FIG. 4F, the amorphous silicon film 15 in the n-FET region is removed by wet etching using, for example, an ammonium hydroxide solution at 60 ° C.

工程7:図4(g)に示すように、ポリシリコン膜を全面に形成した後、RIE等を用いたパターニングで、後にゲート電極となるポリシリコン膜40を形成する。ポリシリコン膜のパターニングは、工程9で行っても構わない。   Step 7: As shown in FIG. 4G, after a polysilicon film is formed on the entire surface, a polysilicon film 40 to be a gate electrode later is formed by patterning using RIE or the like. The patterning of the polysilicon film may be performed in step 9.

工程8:図4(h)に示すように、例えば蒸着法により、全面にニッケル層45を形成する。ニッケル層45の膜厚は、ポリシリコン膜40の膜厚より厚く、2倍程度が好ましい。   Step 8: As shown in FIG. 4H, a nickel layer 45 is formed on the entire surface by, eg, vapor deposition. The thickness of the nickel layer 45 is thicker than the thickness of the polysilicon film 40, and preferably about twice.

工程9:図4(i)に示すように、400℃程度に加熱し、ポリシリコン膜40をニッケル層45中のニッケルと反応させ、ニッケルシリサイド(NiSi:xは好適には1以上)膜41(FUSI電極)とする。続いて、エッチングマスク(図示せず)を用いて、ニッケル層45をパターニングする。 Step 9: As shown in FIG. 4 (i), the polysilicon film 40 is heated to about 400 ° C. to react with nickel in the nickel layer 45, and nickel silicide (Ni x Si: x is preferably 1 or more) The film 41 (FUSI electrode) is used. Subsequently, the nickel layer 45 is patterned using an etching mask (not shown).

工程10:図4(j)に示すように、例えばSiOからなる層間絶縁層30を形成し、ソース/ドレイン電極35を形成することにより、CMOSFET半導体装置300が完成する。 Step 10: As shown in FIG. 4J, the interlayer insulating layer 30 made of, for example, SiO 2 is formed, and the source / drain electrodes 35 are formed, whereby the CMOSFET semiconductor device 300 is completed.

かかる製造方法では、工程7以降の工程に、従来のFUSIゲート作製工程を適用することができ、プロセス条件等の設定が容易に行える。   In this manufacturing method, the conventional FUSI gate manufacturing process can be applied to the processes after the process 7, and the process conditions and the like can be easily set.

また、CMOSFET半導体装置300では、ニッケルシリサイド(NiSi)膜41のニッケル含有量によりFETの閾値を変化させることができ、ニッケル含有量が多いほど閾値が小さくなる。例えば、Ni/Siの組成比を2〜3程度にすることにより、ニッケルシリサイド膜4の実効仕事関数が約4.8eVとなり、閾値を−0.4Vとすることができる。 Further, in the CMOSFET semiconductor device 300, the threshold value of the FET can be changed by the nickel content of the nickel silicide (Ni x Si) film 41, and the threshold value decreases as the nickel content increases. For example, by setting the Ni / Si composition ratio to about 2-3, the effective work function of the nickel silicide film 4 is about 4.8 eV, and the threshold value can be −0.4V.

なお、実施の形態1〜3では、MOSFETを例に述べたが、ゲート絶縁膜が酸化膜以外の絶縁膜からなるMISFETにも適用することができる。また、砒化ガリウムや炭化シリコンのような、シリコン以外の半導体材料にも適用することができる。   In the first to third embodiments, the MOSFET is described as an example, but the present invention can also be applied to a MISFET in which the gate insulating film is made of an insulating film other than an oxide film. Further, the present invention can also be applied to semiconductor materials other than silicon, such as gallium arsenide and silicon carbide.

また、ソース/ドレイン領域8の表面を例えばニッケルシリサイド化したり、ソース/ドレイン領域8にエクステンション領域を設けるなど、一般的なCMOSFETに用いられる構造を適宜適用しても構わない。   Further, a structure used for a general CMOSFET, such as nickel silicide on the surface of the source / drain region 8 or an extension region in the source / drain region 8, may be applied as appropriate.

本発明の実施の形態1にかかるCMOSFET半導体装置の製造工程の断面図である。It is sectional drawing of the manufacturing process of the CMOSFET semiconductor device concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1にかかるCMOSFET半導体装置のゲート電極部分の概略図である。It is the schematic of the gate electrode part of the CMOSFET semiconductor device concerning Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2にかかるCMOSFET半導体装置の製造工程の断面図である。It is sectional drawing of the manufacturing process of the CMOSFET semiconductor device concerning Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3にかかるCMOSFET半導体装置の製造工程の断面図である。It is sectional drawing of the manufacturing process of the CMOSFET semiconductor device concerning Embodiment 3 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 シリコン基板、2 シリコン層、3 素子分離領域、4 ゲート絶縁膜、5 第1ゲート金属膜、6 ハードマスク、7 サイドウオール、8 ソース/ドレイン領域、10 PMD層、14 アモルファスシリコン層、20 第2ゲート金属膜、25 金属ゲート配線膜、30 層間絶縁層、100 CMOSFET半導体装置。   1 silicon substrate, 2 silicon layer, 3 element isolation region, 4 gate insulating film, 5 first gate metal film, 6 hard mask, 7 side wall, 8 source / drain region, 10 PMD layer, 14 amorphous silicon layer, 20 first 2 gate metal film, 25 metal gate wiring film, 30 interlayer insulating layer, 100 CMOSFET semiconductor device.

Claims (7)

第1ゲート電極を有するN型FETと第2ゲート電極を有するP型FETとを含むデュアルゲート半導体装置の製造方法であって、
(a)半導体基板を準備する工程と、
(b)該半導体基板上に、該N型FETのゲート絶縁膜および該P型FETのゲート絶縁膜を形成する工程と、
(c)該N型FETおよび該P型FETの該ゲート絶縁膜上にそれぞれ、第1ゲート金属膜を形成する工程と、
(d)該N型FETおよび該P型FETの該第1ゲート金属膜上にそれぞれ、ハードマスクを形成する工程と、
(e)該N型FETおよび該P型FETの該ゲート絶縁膜、該第1ゲート金属膜および該ハードマスクの間を埋め込むように、該ハードマスク上に層間絶縁層を形成する工程と、
(f)該ハードマスクの上部を該層間絶縁層から露出させる工程と、
(g)該(f)工程後に、該N型FETおよび該P型FETの該ハードマスクを除去する工程と、
(h)該(g)工程後に、該N型FETの該第1ゲート金属膜を残しつつ、該P型FETの該第1ゲート金属膜を選択的に除去する選択除去工程と、
(i)該(h)工程後に、該N型FETの該第1ゲート金属膜上、該P型FETの該ゲート絶縁膜上および該層間絶縁層上に、第2ゲート金属膜を堆積する堆積工程と、
(j)該(i)工程後に、該第2ゲート金属膜上にゲート配線膜を形成する工程と、
(k)該(j)工程後に、該層間絶縁層上に形成されている該第2ゲート金属膜及び該ゲート配線膜を選択的に除去する工程と、を有し、
該N型FETの該第1ゲート電極は、該第1金属膜、該第2金属膜および該ゲート配線膜を有しており、
該P型FETの該第2ゲート電極は、該第2金属膜および該ゲート配線膜を有しており、
該N型FETの該第1ゲート電極と該P型FETの該第2ゲート電極とは、該ゲート配線膜で接続しており、
該第1ゲート金属膜は、TaSiN、TaC、TaN、TiSiNまたはTiNからなり、
該第2ゲート金属膜は、該第1ゲート金属膜とは異なる材料からなり、且つ、TiN、TiAlN、TaN、TaAlN、Ru、Ir、Pt、Ni、Co、W、WN、Mo、MoN、NiSiおよびPtSiからなる群から選択される材料を主成分とすることを特徴とするデュアルゲート半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a dual gate semiconductor device including an N-type FET having a first gate electrode and a P-type FET having a second gate electrode ,
(A) preparing a semiconductor substrate;
(B) forming a gate insulating film of the N-type FET and a gate insulating film of the P-type FET on the semiconductor substrate;
(C) forming a first gate metal film on each of the gate insulating films of the N-type FET and the P-type FET;
(D) forming a hard mask on each of the first gate metal films of the N-type FET and the P-type FET;
(E) forming an interlayer insulating layer on the hard mask so as to fill the space between the gate insulating film, the first gate metal film and the hard mask of the N-type FET and the P-type FET;
(F) exposing an upper portion of the hard mask from the interlayer insulating layer;
(G) After the step (f), removing the hard mask of the N-type FET and the P-type FET;
(H) a selective removal step of selectively removing the first gate metal film of the P-type FET while leaving the first gate metal film of the N-type FET after the step (g);
(I) Deposition for depositing a second gate metal film on the first gate metal film of the N-type FET, on the gate insulating film of the P-type FET and on the interlayer insulating layer after the step (h) Process,
(J) after the step (i), forming a gate wiring film on the second gate metal film;
(K) after the step (j), selectively removing the second gate metal film and the gate wiring film formed on the interlayer insulating layer,
The first gate electrode of the N-type FET has the first metal film, the second metal film, and the gate wiring film,
The second gate electrode of the P-type FET has the second metal film and the gate wiring film,
The first gate electrode of the N-type FET and the second gate electrode of the P-type FET are connected by the gate wiring film,
The first gate metal film is made of TaSiN, TaC, TaN, TiSiN or TiN,
The second gate metal film is made of a material different from that of the first gate metal film, and TiN, TiAlN, TaN, TaAlN, Ru, Ir, Pt, Ni, Co, W, WN, Mo, MoN, NiSi. And a method of manufacturing a dual gate semiconductor device, characterized in that a material selected from the group consisting of PtSi is a main component .
該(k)工程は、CMPプロセスを用いて行われることを特徴とする請求項1に記載のデュアルゲート半導体装置の製造方法。2. The method of manufacturing a dual gate semiconductor device according to claim 1, wherein the step (k) is performed using a CMP process. 該(k)工程は、エッチングマスクを用いて、該第2金属膜および該ゲート配線膜をパターニングすることで行われることを特徴とする請求項1に記載のデュアルゲート半導体装置の製造方法。2. The method of manufacturing a dual gate semiconductor device according to claim 1, wherein the step (k) is performed by patterning the second metal film and the gate wiring film using an etching mask. 該工程(k)以降は、該半導体基板の温度が500℃以下で行われる工程であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のデュアルゲート半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a dual gate semiconductor device according to claim 1, wherein the step (k) and subsequent steps are steps performed at a temperature of the semiconductor substrate of 500 ° C. or less. 第1ゲート電極を有するN型FETと第2ゲート電極を有するP型FETとを含むデュアルゲート半導体装置の製造方法であって、
(a)半導体基板を準備する工程と、
(b)該半導体基板上に、該N型FETのゲート絶縁膜および該P型FETのゲート絶縁膜を形成する工程と、
(c)該N型FETおよび該P型FETの該ゲート絶縁膜上にそれぞれ、第1ゲート金属膜を形成する工程と、
(d)該N型FETおよび該P型FETの該第1ゲート金属膜上にそれぞれ、ハードマスクを形成する工程と、
(e)該N型FETおよび該P型FETの該ゲート絶縁膜、該第1ゲート金属膜および該ハードマスクの間を埋め込むように、該ハードマスク上に層間絶縁層を形成する工程と、
(f)該ハードマスクの上部を該層間絶縁層から露出させる工程と、
(g)該(f)工程後に、該N型FETおよび該P型FETの該ハードマスクを除去する工程と、
(h)該(g)工程後に、該N型FETの該第1ゲート金属膜を残しつつ、該P型FETの該第1ゲート金属膜を選択的に除去する選択除去工程と、
(i)該(h)工程後に、該N型FETの該第1ゲート金属膜上、該P型FETの該ゲート絶縁膜上および該層間絶縁層上に、シリコン膜を堆積する堆積工程と、
(j)該(i)工程後に、該シリコン膜を覆うようにニッケル層を形成する工程と、
(k)該(j)工程後に、熱処理により該シリコン膜と該ニッケル層の一部を反応させることでニッケルシリサイド膜にする工程と、
(l)該(k)工程後に、該層間絶縁層上に形成されている該ニッケルシリサイド膜及び該ニッケル層を選択的に除去する工程と、を有し、
該N型FETの該第1ゲート電極は、該第1金属膜、該ニッケルシリサイド膜および該ニッケル層を有しており、
該P型FETの該第2ゲート電極は、該ニッケルシリサイド膜および該ニッケル層を有しており、
該N型FETの該第1ゲート電極と該P型FETの該第2ゲート電極とは、該ニッケル層で接続しており、
該第1ゲート金属膜は、TaSiN、TaC、TaN、TiSiNまたはTiNからなることを特徴とするデュアルゲート半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a dual gate semiconductor device including an N-type FET having a first gate electrode and a P-type FET having a second gate electrode ,
(A) preparing a semiconductor substrate;
(B) forming a gate insulating film of the N-type FET and a gate insulating film of the P-type FET on the semiconductor substrate;
(C) forming a first gate metal film on each of the gate insulating films of the N-type FET and the P-type FET;
(D) forming a hard mask on each of the first gate metal films of the N-type FET and the P-type FET;
(E) forming an interlayer insulating layer on the hard mask so as to fill the space between the gate insulating film, the first gate metal film and the hard mask of the N-type FET and the P-type FET;
(F) exposing an upper portion of the hard mask from the interlayer insulating layer;
(G) After the step (f), removing the hard mask of the N-type FET and the P-type FET;
(H) a selective removal step of selectively removing the first gate metal film of the P-type FET while leaving the first gate metal film of the N-type FET after the step (g);
(I) after the step (h), a deposition step of depositing a silicon film on the first gate metal film of the N-type FET, on the gate insulating film of the P-type FET and on the interlayer insulating layer;
(J) after the step (i), forming a nickel layer so as to cover the silicon film;
(K) after the step (j), a step of reacting the silicon film and a part of the nickel layer by heat treatment to form a nickel silicide film;
(L) after the step (k), selectively removing the nickel silicide film and the nickel layer formed on the interlayer insulating layer,
The first gate electrode of the N-type FET has the first metal film, the nickel silicide film, and the nickel layer,
The second gate electrode of the P-type FET has the nickel silicide film and the nickel layer,
The first gate electrode of the N-type FET and the second gate electrode of the P-type FET are connected by the nickel layer,
The method of manufacturing a dual gate semiconductor device, wherein the first gate metal film is made of TaSiN, TaC, TaN, TiSiN, or TiN .
該(l)工程は、エッチングマスクを用いて、該ニッケルシリサイド膜および該ニッケル層をパターニングすることで行われることを特徴とする請求項5に記載のデュアルゲート半導体装置の製造方法。6. The method of manufacturing a dual gate semiconductor device according to claim 5, wherein the step (l) is performed by patterning the nickel silicide film and the nickel layer using an etching mask. 該ゲート絶縁膜は、HfSiONからなることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のデュアルゲート半導体装置の製造方法。7. The method of manufacturing a dual gate semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film is made of HfSiON.
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