JPH07202178A - Semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、たとえばMIS(M
etal Insulator Semiconduc
tor)構造を有する半導体装置およびその製造方法に
関するもので、特に低消費電力用LSI(Large
Scale IntegratedCircuit)に
使用されるものである。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to, for example, MIS (M
et al Insulator Semiconductor
to a low power consumption LSI (Large)
It is used in Scale Integrated Circuit).
【0002】[0002]
【従来の技術】たとえば、MIS型半導体装置において
低消費電力用LSIを実現するには、MISトランジス
タにゲート電圧を印加しないときに流れるドレイン電流
をなるべく小さくする必要がある。2. Description of the Related Art For example, in order to realize an LSI for low power consumption in a MIS type semiconductor device, it is necessary to make the drain current flowing when a gate voltage is not applied to the MIS transistor as small as possible.
【0003】従来、このためには、MISトランジスタ
のサブスレショールド特性の改善が重要であるとの認識
により、SOI(Silicon on Insula
tor)構造やSJET(Shallow−Junct
ion−well Transistor)構造などが
提案されている。Conventionally, for this purpose, it is important to improve the sub-threshold characteristic of the MIS transistor, and the SOI (Silicon on Insula) is recognized.
tor) structure and SJET (Shallow-Junct)
Ion-well Transistor) structures have been proposed.
【0004】なお、SJET構造の詳細については、た
とえば「Tomohisa.Mizuno,”Anal
ytical Model for High−Per
formance Shallow−Junction
−well Transistor(SJET) wi
th a Fully Depleted Chann
el Structure”,IEEE TRANSA
CTIONS ONELECTRON DEVICE
S.VOL、4,NO.1,JANUARY1993」
に記載されている。For details of the SJET structure, see, for example, "Tohomisa. Mizuno," Anal.
physical Model for High-Per
format Shallow-Junction
-Well Transistor (SJET) wi
th a Fully Depleted Chann
el Structure ”, IEEE TRANSA
CIONS ONE STRUCTRON DEVICE
S. VOL, 4, NO. 1, JANUARY 1993 "
It is described in.
【0005】これらの提案によって、サブスレショール
ド特性の目安となるSファクタ(小さいほど良い)は7
0mV/decまで改善(従来構造では90mV/de
c)されている。According to these proposals, the S factor (the smaller the better), which is the standard of the subthreshold characteristic, is 7
Improved to 0 mV / dec (90 mV / de for conventional structure)
c) has been done.
【0006】さらに、Sファクタを改善するためには、
基板の不純物濃度を低下させる必要がある。Furthermore, in order to improve the S factor,
It is necessary to reduce the impurity concentration of the substrate.
【0007】しかしながら、基板の不純物濃度を低下さ
せると、それにともなってトランジスタのしきい値電圧
も低下されるため、トランジスタが十分にカットオフし
なくなるという問題が生じる。However, when the impurity concentration of the substrate is lowered, the threshold voltage of the transistor is lowered accordingly, which causes a problem that the transistor does not cut off sufficiently.
【0008】このため、従来、ゲート電極材料として用
いられてきたN型多結晶シリコンにかえてP型多結晶シ
リコンを用いると、今度は、しきい値電圧が上昇し過ぎ
てオンしなくなるという問題がある。Therefore, if P-type polycrystalline silicon is used instead of N-type polycrystalline silicon that has been conventionally used as a gate electrode material, then the threshold voltage rises too much to turn on. There is.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
においては、Sファクタを改善しようと基板の不純物濃
度を低下させると、ゲート電極材料がN型多結晶シリコ
ンの場合には、それにともなってトランジスタのしきい
値電圧も低下されるためにトランジスタが十分にカット
オフしなくなり、P型多結晶シリコンの場合には、逆に
しきい値電圧が上昇し過ぎてオンしなくなるという問題
があった。As described above, in the prior art, when the impurity concentration of the substrate is lowered to improve the S factor, when the gate electrode material is N-type polycrystalline silicon, it is accompanied by it. Since the threshold voltage of the transistor is also lowered, the transistor does not cut off sufficiently, and in the case of P-type polycrystalline silicon, on the contrary, the threshold voltage rises too much to turn on.
【0010】そこで、この発明は、基板の不純物濃度を
低下させても所定のしきい値電圧を維持でき、より低い
消費電力を達成することが可能な半導体装置およびその
製造方法を提供することを目的としている。Therefore, the present invention provides a semiconductor device capable of maintaining a predetermined threshold voltage even when the impurity concentration of a substrate is lowered and achieving lower power consumption, and a method of manufacturing the same. Has an aim.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明の半導体装置にあっては、ゲート絶縁膜
上に、多結晶シリコン膜および多結晶シリコン−ゲルマ
ニウム膜からなる二層構造のゲート電極を有してなる構
成とされている。To achieve the above object, in a semiconductor device of the present invention, a two-layer structure comprising a polycrystalline silicon film and a polycrystalline silicon-germanium film on a gate insulating film. The gate electrode of FIG.
【0012】また、この発明の半導体装置の製造方法に
あっては、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程
と、このゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を堆積する
工程と、この多結晶シリコン膜をゲート電極形状に加工
する工程と、このゲート電極形状の多結晶シリコン膜の
上に多結晶シリコン−ゲルマニウム膜を堆積する工程と
からなっている。Further, in the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step of depositing a polycrystalline silicon film on this gate insulating film, and a step of depositing this polycrystalline film. It comprises a step of processing a silicon film into a gate electrode shape and a step of depositing a polycrystalline silicon-germanium film on the gate electrode shaped polycrystalline silicon film.
【0013】また、この発明の半導体装置にあっては、
ゲート絶縁膜上に、多結晶シリコン膜、多結晶シリコン
−ゲルマニウム膜、および多結晶高融点金属−半導体合
金膜からなる三層構造のゲート電極を有してなる構成と
されている。Further, in the semiconductor device of the present invention,
A gate electrode having a three-layer structure including a polycrystalline silicon film, a polycrystalline silicon-germanium film, and a polycrystalline refractory metal-semiconductor alloy film is provided on the gate insulating film.
【0014】また、この発明の半導体装置の製造方法に
あっては、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程
と、このゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を堆積する
工程と、この多結晶シリコン膜をゲート電極形状に加工
する工程と、このゲート電極形状の多結晶シリコン膜の
上に多結晶シリコン−ゲルマニウム膜を堆積する工程
と、この多結晶シリコン−ゲルマニウム膜の上に多結晶
高融点金属−シリコン膜を堆積する工程とからなってい
る。In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step of depositing a polycrystalline silicon film on the gate insulating film, and a step of depositing the polycrystalline silicon film. A step of processing the silicon film into a gate electrode shape, a step of depositing a polycrystalline silicon-germanium film on the polycrystalline silicon film of the gate electrode shape, and a polycrystalline high melting point on the polycrystalline silicon-germanium film. Depositing a metal-silicon film.
【0015】また、この発明の半導体装置の製造方法に
あっては、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程
と、このゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を堆積する
工程と、この多結晶シリコン膜をゲート電極形状に加工
する工程と、このゲート電極形状の多結晶シリコン膜の
上に多結晶シリコン−ゲルマニウム膜を堆積する工程
と、この多結晶シリコン−ゲルマニウム膜の上に多結晶
高融点金属膜を堆積する工程と、この多結晶高融点金属
膜および前記多結晶シリコン−ゲルマニウム膜により多
結晶高融点金属−半導体合金膜を形成する工程とからな
っている。In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step of depositing a polycrystalline silicon film on the gate insulating film, and a step of depositing the polycrystalline film A step of processing the silicon film into a gate electrode shape, a step of depositing a polycrystalline silicon-germanium film on the polycrystalline silicon film of the gate electrode shape, and a polycrystalline high melting point on the polycrystalline silicon-germanium film. It comprises a step of depositing a metal film and a step of forming a polycrystalline refractory metal-semiconductor alloy film from the polycrystalline refractory metal film and the polycrystalline silicon-germanium film.
【0016】さらに、この発明の半導体装置の製造方法
にあっては、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工
程と、このゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を堆積す
る工程と、この多結晶シリコン膜をゲート電極形状に加
工する工程と、このゲート電極形状の多結晶シリコン膜
の上に多結晶シリコン−ゲルマニウム膜を堆積する工程
と、この多結晶シリコン−ゲルマニウム膜上を含む、前
記半導体基板の表面に多結晶高融点金属膜を堆積する工
程と、この多結晶高融点金属膜と、これに接触する前記
多結晶シリコン−ゲルマニウム膜とを反応させて多結晶
高融点金属−半導体合金膜を形成する工程と、未反応の
前記多結晶高融点金属膜を除去する工程とからなってい
る。Further, in the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step of depositing a polycrystalline silicon film on the gate insulating film, and a step of depositing the polycrystalline film The semiconductor substrate including a step of processing a silicon film into a gate electrode shape, a step of depositing a polycrystalline silicon-germanium film on the gate electrode-shaped polycrystalline silicon film, and a step of depositing on the polycrystalline silicon-germanium film. A step of depositing a polycrystalline refractory metal film on the surface of, and reacting the polycrystalline refractory metal film with the polycrystalline silicon-germanium film in contact therewith to form a polycrystalline refractory metal-semiconductor alloy film. It comprises a step of forming and a step of removing the unreacted polycrystalline refractory metal film.
【0017】[0017]
【作用】この発明は、上記した手段により、ゲート電極
材料の仕事関数の値をN型多結晶シリコンとP型多結晶
シリコンの中間に設定できるようになるため、Sファク
タの値が70mV/dec以下のトランジスタを実現す
ることが可能となるものである。According to the present invention, since the work function value of the gate electrode material can be set in the middle of the N-type polycrystalline silicon and the P-type polycrystalline silicon by the above means, the S factor value is 70 mV / dec. The following transistors can be realized.
【0018】[0018]
【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
して説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0019】図1は、本発明の第1の実施例にかかるM
OS(Metal Oxide Semiconduc
tor)型トランジスタの主要部の断面構造を示すもの
である。FIG. 1 shows an M according to a first embodiment of the present invention.
OS (Metal Oxide Semiconductor)
2 shows a cross-sectional structure of a main part of a (tor) type transistor.
【0020】すなわち、シリコン基板11上に、約70
nm厚のゲート絶縁膜12を介して、たとえば二層構造
のゲート電極13が設けられた構成となっている。That is, on the silicon substrate 11, about 70
A gate electrode 13 having a two-layer structure, for example, is provided via a gate insulating film 12 having a thickness of nm.
【0021】このゲート電極13は、上記ゲート絶縁膜
12上に堆積された、たとえば50nm厚の多結晶シリ
コン膜(Si)13aと、その上に堆積された、たとえ
ば300nm厚の多結晶シリコン−ゲルマニウム膜(S
iGe)13bとからなっている。The gate electrode 13 is composed of, for example, a polycrystalline silicon film (Si) 13a having a thickness of 50 nm, which is deposited on the gate insulating film 12, and a polycrystalline silicon-germanium film having a thickness of 300 nm, which is deposited thereon. Membrane (S
iGe) 13b.
【0022】ソース,ドレイン領域14,15は、通常
のMOS型トランジスタトと同様に、ゲート電極13の
両側の、上記シリコン基板11の表面領域にそれぞれ配
置され、図示していない金属膜により各電極が外部に引
き出される。The source / drain regions 14 and 15 are arranged on the surface regions of the silicon substrate 11 on both sides of the gate electrode 13 as in the case of a normal MOS transistor, and each electrode is formed by a metal film (not shown). Is drawn to the outside.
【0023】ゲート電極13の導電型としては、所望の
しきい値電圧によってN型またはP型が選ばれる。The conductivity type of the gate electrode 13 is selected from N type and P type depending on a desired threshold voltage.
【0024】また、多結晶シリコン膜は、粒径が小さい
ほど、その上に堆積する多結晶シリコン−ゲルマニウム
膜を安定に成膜できるため、粒径の小さい極限では非晶
質膜の場合もある。Further, the smaller the grain size of the polycrystalline silicon film, the more stable the polycrystalline silicon-germanium film deposited on the polycrystalline silicon film can be formed. Therefore, in the limit where the grain size is small, it may be an amorphous film. .
【0025】このように、ゲート電極13を、ゲート絶
縁膜12側より多結晶シリコン膜13aおよび多結晶シ
リコン−ゲルマニウム膜13bを順に堆積してなる二層
構造とすることにより、ゲート電極材料の仕事関数の値
をN型多結晶シリコンとP型多結晶シリコンの中間に設
定できるようになる。As described above, the gate electrode 13 has a two-layer structure in which the polycrystalline silicon film 13a and the polycrystalline silicon-germanium film 13b are sequentially deposited from the gate insulating film 12 side, whereby the work of the gate electrode material is performed. It becomes possible to set the value of the function between the N-type polycrystalline silicon and the P-type polycrystalline silicon.
【0026】この結果、シリコン基板11の不純物濃度
が低い場合においても、トランジスタのしきい値電圧を
所定の値とすることが可能となる。As a result, the threshold voltage of the transistor can be set to a predetermined value even when the impurity concentration of the silicon substrate 11 is low.
【0027】ここで、従来より、ゲート電極に多結晶シ
リコン−ゲルマニウム膜を用いて、その仕事関数を変え
るというアイデアはあった(たとえば、King,
T.,et al.”A variable−work
−function polycrystalline
−Sil−x−Gex gatematerial f
or submicrometer CMOS tec
hnology”,IEEE Electron De
vice Lett.,EDL−12,no.10,p
p.533,Oct. 1991)。Here, conventionally, there has been an idea of using a polycrystalline silicon-germanium film for a gate electrode and changing its work function (for example, King,
T. , Et al. "A variable-work
-Function polycrystalline
-Sil-x-Gex material f
or submicrometer CMOS tec
"hology", IEEE Electron De
vice Lett. , EDL-12, no. 10, p
p. 533, Oct. 1991).
【0028】しかしながら、ゲート電極にN型多結晶シ
リコン−ゲルマニウム膜を用いた場合、伝導帯のバンド
端エネルギが変化しないため、仕事関数は通常の多結晶
シリコンの場合と変わらない。However, when an N-type polycrystalline silicon-germanium film is used as the gate electrode, the work function is the same as that of normal polycrystalline silicon because the band edge energy of the conduction band does not change.
【0029】また、P型多結晶シリコン−ゲルマニウム
膜のゲート電極では仕事関数の変化は存在するものの、
nMOSトランジスタを用いようとする場合には、N型
のゲート電極の方がしきい値電圧を0.3V〜0.5V
という所定の値に設定しやすい。Further, although there is a change in work function in the gate electrode of the P-type polycrystalline silicon-germanium film,
When using an nMOS transistor, the N-type gate electrode has a threshold voltage of 0.3V to 0.5V.
It is easy to set the predetermined value.
【0030】このような理由により、一般には、ゲート
電極に多結晶シリコン−ゲルマニウム膜は使われていな
い。For this reason, the polycrystalline silicon-germanium film is not generally used for the gate electrode.
【0031】ところが、多結晶シリコン−ゲルマニウム
膜を多結晶シリコン膜を介してゲート絶縁膜上に堆積す
ることで、上記の理由を解決できることが分かった。However, it has been found that the above reason can be solved by depositing a polycrystalline silicon-germanium film on the gate insulating film via the polycrystalline silicon film.
【0032】これは、シリコン−ゲルマニウムをシリコ
ン上にエピタキシャル成長させると、格子定数の不整合
によりゲート絶縁膜上のシリコンの伝導帯エネルギが変
化することを利用するものである。This is based on the fact that when silicon-germanium is epitaxially grown on silicon, the conduction band energy of silicon on the gate insulating film changes due to the mismatch of lattice constants.
【0033】次に、図2ないし図4を参照して、図1に
示したMOS型トランジスタの製造方法について説明す
る。Next, a method of manufacturing the MOS type transistor shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
【0034】たとえば、50Ωcmないし100Ωcm
のP型シリコン基板11の表面に、まず、0.2μm厚
程度の熱酸化膜21を形成する。そして、通常のフォト
リソグラフィ工程により、pMOSトランジスタ領域の
熱酸化膜21を選択的に剥離し、引き続いてpMOSト
ランジスタ領域にN型不純物をイオン注入する。For example, 50 Ωcm to 100 Ωcm
First, a thermal oxide film 21 having a thickness of about 0.2 μm is formed on the surface of the P-type silicon substrate 11. Then, the thermal oxide film 21 in the pMOS transistor region is selectively stripped by a normal photolithography process, and subsequently, N-type impurities are ion-implanted in the pMOS transistor region.
【0035】この後、図示していないレジストを剥離
し、1190℃の窒素および酸素の混合雰囲気中で、1
時間ないし2時間程度の熱拡散を行うことにより、pM
OSトランジスタ領域に、表面濃度が5E16(5×1
016)cm-2で、接合深さが2μm程度のNウェル拡散
層22を形成する(以上、図2(a))。Thereafter, the resist (not shown) is stripped off, and the resist is removed in a mixed atmosphere of nitrogen and oxygen at 1190.degree.
By performing thermal diffusion for about 2 to 2 hours, pM
In the OS transistor region, the surface concentration is 5E16 (5 × 1
Then, the N-well diffusion layer 22 having a junction depth of about 2 μm is formed at a depth of 0 16 ) cm −2 (above, FIG. 2A).
【0036】次いで、シリコン基板11の表面の熱酸化
膜21を全面的に剥離し、改めて0.1μm厚程度の熱
酸化膜23を全面に形成し、さらに0.15μm厚程度
の多結晶シリコン膜24、および0.2μm厚程度のシ
リコン窒化膜25を、通常の化学蒸着法により一様に堆
積する。Next, the thermal oxide film 21 on the surface of the silicon substrate 11 is entirely peeled off, a thermal oxide film 23 having a thickness of about 0.1 μm is formed on the entire surface, and a polycrystalline silicon film having a thickness of about 0.15 μm is formed. 24 and a silicon nitride film 25 having a thickness of about 0.2 μm are uniformly deposited by a normal chemical vapor deposition method.
【0037】そして、nMOS,pMOSトランジスタ
の活性領域、基板コンタクトないしウェルコンタクト領
域をフォトリソグラフィ工程によりレジスト(図示して
いない)で覆い、方向性のプラズマエッチングでシリコ
ン窒化膜25をエッチングする。Then, the active regions of the nMOS and pMOS transistors and the substrate contact or well contact region are covered with a resist (not shown) by a photolithography process, and the silicon nitride film 25 is etched by directional plasma etching.
【0038】このエッチングは、多結晶シリコン膜24
をストッパとして行われ、シリコン基板11へのダメー
ジが入らないように考慮される(以上、図2(b))。This etching is performed on the polycrystalline silicon film 24.
Is used as a stopper to prevent damage to the silicon substrate 11 (above, FIG. 2B).
【0039】次いで、フォトリソグラフィ工程によりp
MOSトランジスタ領域をレジスト(図示していない)
で覆い、このレジストとシリコン窒化膜25とをマスク
として、nMOSトランジスタ領域にP型不純物のチャ
ネルストッパイオン注入を行い、イオン注入層26を形
成する。Then, p is formed by a photolithography process.
Resist the MOS transistor area (not shown)
Then, using this resist and the silicon nitride film 25 as a mask, P-type impurity channel stopper ions are implanted into the nMOS transistor region to form an ion implantation layer 26.
【0040】この際の加速電圧およびドーズ量は、イオ
ン注入層26の最終的な不純物濃度が1E17〜5E1
7(1×1017〜5×1017)cm-3、深さが1μm程
度となるように調整されることが望ましい。The acceleration voltage and the dose amount at this time are such that the final impurity concentration of the ion implantation layer 26 is 1E17 to 5E1.
It is desirable to adjust it to 7 (1 × 10 17 to 5 × 10 17 ) cm −3 and a depth of about 1 μm.
【0041】今度は、フォトリソグラフィ工程によりn
MOSトランジスタ領域をレジスト(図示していない)
で覆い、このレジストとシリコン窒化膜25とをマスク
として、pMOSトランジスタ領域にN型不純物のチャ
ネルストッパイオン注入を行い、イオン注入層27を形
成する。This time, the photolithography process
Resist the MOS transistor area (not shown)
Then, using this resist and the silicon nitride film 25 as a mask, N-type impurity channel stopper ions are implanted into the pMOS transistor region to form an ion implantation layer 27.
【0042】この際の加速電圧およびドーズ量は、イオ
ン注入層27の最終的な不純物濃度が1E17〜5E1
7(1×1017〜5×1017)cm-3、深さが1μm程
度となるように調整されることが望ましい(以上、図2
(c))。At this time, the acceleration voltage and the dose amount are such that the final impurity concentration of the ion implantation layer 27 is 1E17 to 5E1.
It is desirable to adjust to 7 (1 × 10 17 to 5 × 10 17 ) cm −3 and a depth of about 1 μm (see FIG.
(C)).
【0043】次いで、熱酸化を行い、シリコン窒化膜2
5をマスクとして、素子分離領域に0.5μmないし
0.9μm厚のフィールド絶縁膜28を形成する。Next, thermal oxidation is performed to form the silicon nitride film 2
Using 5 as a mask, a field insulating film 28 having a thickness of 0.5 μm to 0.9 μm is formed in the element isolation region.
【0044】そして、シリコン窒化膜25を剥離した
後、さらにシリコン基板11の表面を0.1μm厚程度
酸化させ、前酸化膜29を形成する(以上、図3
(a))。Then, after the silicon nitride film 25 is peeled off, the surface of the silicon substrate 11 is further oxidized by about 0.1 μm to form a pre-oxidized film 29 (see FIG. 3).
(A)).
【0045】次いで、前酸化膜29を剥離し、10nm
厚前後の犠牲酸化膜30を熱酸化により形成した後、n
MOS,pMOSトランジスタのそれぞれの活性領域に
必要な不純物をイオン注入し、P層31,N層32をそ
れぞれ形成する。Next, the pre-oxidized film 29 is peeled off, and the thickness of 10 nm
After forming the sacrificial oxide film 30 before and after the thickness by thermal oxidation, n
Impurities necessary for the active regions of the MOS and pMOS transistors are ion-implanted to form the P layer 31 and the N layer 32, respectively.
【0046】この際の不純物のドーズ量および加速電圧
は、トランジスタの使用条件などによってまちまちであ
るが、特にSファクタを改善したい場合、製造工程終了
後のチャネル不純物のピーク濃度が1E17(1×10
17)cm-3を越えないように注意すべきである。The dose amount of the impurity and the accelerating voltage at this time are varied depending on the use conditions of the transistor and the like. However, when it is desired to improve the S factor, the peak concentration of the channel impurity after the manufacturing process is 1E17 (1 × 10 6).
17 ) Care should be taken not to exceed cm -3 .
【0047】この条件では、通常の多結晶シリコン膜を
用いたゲート電極の場合にはしきい値電圧が低くなり過
ぎるが、本発明によるゲート電極構造を用いることによ
り、所望のしきい値電圧を得ることができる(以上、図
3(b))。Under this condition, the threshold voltage becomes too low in the case of a gate electrode using a normal polycrystalline silicon film, but by using the gate electrode structure according to the present invention, a desired threshold voltage can be obtained. It can be obtained (above, FIG.3 (b)).
【0048】次いで、犠牲酸化膜30を剥離し、清浄な
シリコン面を露出させた後、70nm厚のゲート絶縁膜
12を形成する。Next, after removing the sacrificial oxide film 30 to expose a clean silicon surface, a gate insulating film 12 having a thickness of 70 nm is formed.
【0049】ゲート絶縁膜12の膜厚は70nmに限ら
ないが、100nm厚以下であることが望ましい。The thickness of the gate insulating film 12 is not limited to 70 nm, but is preferably 100 nm or less.
【0050】そして、このゲート絶縁膜12上に、たと
えば50nm厚の多結晶シリコン膜13aを化学蒸着法
により堆積する。Then, a polycrystalline silicon film 13a having a thickness of 50 nm, for example, is deposited on the gate insulating film 12 by a chemical vapor deposition method.
【0051】多結晶シリコン膜13aの膜厚は、その膜
質の違いにより、製造工程終了後、ゲート絶縁膜12に
接した場所でのバンド構造が変化するため、50nm厚
よりも多少前後させた方が良い場合もある。The film thickness of the polycrystalline silicon film 13a should be slightly different from the thickness of 50 nm because the band structure at the position in contact with the gate insulating film 12 changes after the manufacturing process due to the difference in film quality. May be good.
【0052】さらに、その多結晶シリコン膜13a上
に、50nm厚前後の絶縁膜35を堆積する。Further, an insulating film 35 having a thickness of about 50 nm is deposited on the polycrystalline silicon film 13a.
【0053】この絶縁膜35としては、たとえばシリコ
ン窒化膜が望ましい(以上、図3(c))。As the insulating film 35, for example, a silicon nitride film is desirable (above, FIG. 3C).
【0054】次いで、絶縁膜35および多結晶シリコン
膜13aをプラズマエッチングし、上記したゲート電極
13の第1層目を形成する。Next, the insulating film 35 and the polycrystalline silicon film 13a are plasma-etched to form the first layer of the gate electrode 13 described above.
【0055】この際、多結晶シリコン膜13aのエッチ
ングは、ゲート絶縁膜12をストッパとして行われ、ゲ
ート電極13以外の領域では、ゲート絶縁膜12および
フィールド絶縁膜28の表面が露出される。At this time, the etching of the polycrystalline silicon film 13a is performed using the gate insulating film 12 as a stopper, and the surfaces of the gate insulating film 12 and the field insulating film 28 are exposed in the region other than the gate electrode 13.
【0056】引き続き、絶縁膜35および多結晶シリコ
ン膜13aをマスクとして、nMOSトランジスタ領域
に、実効チャネル長を縮小するための低濃度N- 拡散層
36をイオン注入により形成する。Subsequently, using the insulating film 35 and the polycrystalline silicon film 13a as a mask, a low concentration N − diffusion layer 36 for reducing the effective channel length is formed by ion implantation in the nMOS transistor region.
【0057】通常、30keVの加速電圧で、かつ1E
13(1×1013)cm-2程度のドーズ量で、リンをイ
オン注入する。Normally, an acceleration voltage of 30 keV and 1E
Phosphorus is ion-implanted at a dose amount of about 13 (1 × 10 13 ) cm −2 .
【0058】このイオン注入により、不純物がシリコン
基板11中のチャネル領域に到達するのを防ぐには、多
結晶シリコン膜13aだけでは膜厚が薄いので、絶縁膜
35を堆積するようにしている(以下、図4(a))。In order to prevent impurities from reaching the channel region in the silicon substrate 11 by this ion implantation, the insulating film 35 is deposited because the polycrystalline silicon film 13a alone is thin. Hereinafter, FIG. 4A).
【0059】なお、上記の製造方法にあっては、低濃度
N- 拡散層36を特に形成しない場合もある。In the above manufacturing method, the low concentration N - diffusion layer 36 may not be formed.
【0060】その場合、図3(c)の工程において、絶
縁膜35を多結晶シリコン膜13aの上に堆積する必要
がなくなるため、その分、工程を簡略できる。In this case, since it is not necessary to deposit the insulating film 35 on the polycrystalline silicon film 13a in the process of FIG. 3C, the process can be simplified accordingly.
【0061】次いで、絶縁膜35を加熱燐酸溶液などで
剥離し、シリコン面が露出した多結晶シリコン膜13a
の上に、低圧化学蒸着法により0.3μm厚程度の多結
晶シリコン−ゲルマニウム膜13bを選択的にエピタキ
シャル成長させ、上記したゲート電極13の第2層目を
形成する。Next, the insulating film 35 is peeled off with a heated phosphoric acid solution or the like to expose the silicon surface of the polycrystalline silicon film 13a.
A polycrystalline silicon-germanium film 13b having a thickness of about 0.3 .mu.m is selectively epitaxially grown thereon by low pressure chemical vapor deposition to form the second layer of the gate electrode 13 described above.
【0062】この際の成膜は、多結晶シリコン−ゲルマ
ニウム膜13bの格子を、その下の多結晶シリコン膜1
3aに合わせて成長させるように注意する。The film formation at this time is performed by using the lattice of the polycrystalline silicon-germanium film 13b and the polycrystalline silicon film 1 below the lattice.
Be careful to grow according to 3a.
【0063】また、成膜の際、ガス中にP型ないしN型
不純物となるガスを混ぜ、多結晶シリコン−ゲルマニウ
ム膜13bおよびその下の多結晶シリコン膜13aに、
高濃度(たとえば、1E19(1×1019)cm-3以
上)のドーピングを行う。Further, at the time of film formation, a gas which becomes a P-type or N-type impurity is mixed into the gas to form a polycrystalline silicon-germanium film 13b and a polycrystalline silicon film 13a thereunder.
Doping with a high concentration (for example, 1E19 (1 × 10 19 ) cm −3 or more) is performed.
【0064】多結晶シリコン−ゲルマニウム膜13bに
おける組成比は、トランジスタの所望のしきい値電圧に
よるが、しきい値電圧を0.2V以上シフトさせるよう
な顕著な効果を得るためには、ゲルマニウムが50%な
いし60%程度必要となる(以上、図4(b))。The composition ratio in the polycrystalline silicon-germanium film 13b depends on the desired threshold voltage of the transistor, but germanium is necessary to obtain a remarkable effect of shifting the threshold voltage by 0.2 V or more. About 50% to 60% is required (above, FIG. 4 (b)).
【0065】次いで、多結晶シリコン−ゲルマニウム膜
13bをマスクとして、ソース,ドレイン領域14,1
5に不純物をイオン注入し、熱拡散して高濃度のN型拡
散層37およびP型拡散層38を形成する。Then, using the polycrystalline silicon-germanium film 13b as a mask, the source / drain regions 14, 1 are formed.
Impurities are ion-implanted in 5 and thermally diffused to form a high concentration N-type diffusion layer 37 and a P-type diffusion layer 38.
【0066】通常、N型拡散層37の形成ためには、ヒ
素を50keVの加速電圧、かつ5E15(5×1
015)cm-2のドーズ量で、P型拡散層38の形成ため
には、ボロンを35keVの加速電圧、かつ5E15
(5×1015)cm-2のドーズ量で、それぞれイオン注
入する。Usually, in order to form the N-type diffusion layer 37, arsenic is used at an acceleration voltage of 50 keV and 5E15 (5 × 1).
In order to form the P-type diffusion layer 38 with a dose of 0 15 ) cm −2 , boron is used at an acceleration voltage of 35 keV and 5E15.
Ion implantation is performed at a dose of (5 × 10 15 ) cm −2 .
【0067】熱拡散工程は、800℃の温度で、1時間
程度である(以下、図4(c))。The thermal diffusion step is performed at a temperature of 800 ° C. for about 1 hour (hereinafter, FIG. 4 (c)).
【0068】これ以降の工程は、通常のMOS型トラン
ジスタの保護絶縁膜および配線の形成が、従来と同様に
して行われることになる。In the subsequent steps, the formation of the protective insulating film and the wiring of the usual MOS type transistor is performed in the same manner as in the conventional case.
【0069】次に、この発明の第2の実施例について説
明する。Next, a second embodiment of the present invention will be described.
【0070】図5は、本発明の第2の実施例にかかるn
MOS型トランジスタの主要部の断面構造を示すもので
ある。FIG. 5 shows n according to the second embodiment of the present invention.
1 shows a sectional structure of a main part of a MOS transistor.
【0071】この場合、シリコン基板111上に、約7
0nm厚のゲート絶縁膜112を介して、たとえば50
nm厚の多結晶シリコン膜113aと、300nm厚の
多結晶シリコン−ゲルマニウム膜113bとからな二層
構造のゲート電極113が設けられるとともに、シリコ
ン基板111内に、P型領域111aとN型領域111
bとが形成された構成となっている。In this case, on the silicon substrate 111, about 7
Through the 0 nm-thick gate insulating film 112, for example, 50
A gate electrode 113 having a two-layer structure composed of a polycrystalline silicon film 113a having a thickness of 300 nm and a polycrystalline silicon-germanium film 113b having a thickness of 300 nm is provided, and a P-type region 111a and an N-type region 111 are provided in a silicon substrate 111.
b is formed.
【0072】P型領域111aの、シリコン基板111
の表面からの深さは、通常のウェルよりも浅く、たとえ
ば0.2μm前後となるように調整される。Silicon substrate 111 in P-type region 111a
The depth from the surface of is adjusted to be shallower than that of a normal well, for example, about 0.2 μm.
【0073】これにより、チャネルの直下では、ゲート
電極113の影響によって形成される空乏領域、および
P型領域111aとN型領域111bとのPN接合によ
って生じる空乏領域が接続され、Sファクタが良好な値
となる。As a result, immediately below the channel, the depletion region formed by the influence of the gate electrode 113 and the depletion region generated by the PN junction between the P-type region 111a and the N-type region 111b are connected, and the S factor is excellent. It becomes a value.
【0074】次に、図6ないし図8を参照して、図5に
示したnMOS型トランジスタの製造方法について説明
する。Next, a method of manufacturing the nMOS type transistor shown in FIG. 5 will be described with reference to FIGS.
【0075】たとえば、50Ωcmないし100Ωcm
のN型シリコン基板111の表面に、まず、0.2μm
厚程度の熱酸化膜121を形成する。そして、通常のフ
ォトリソグラフィ工程により、pMOSトランジスタ領
域の熱酸化膜121を選択的に剥離し、引き続いてpM
OSトランジスタ領域にP型不純物をイオン注入する。For example, 50 Ωcm to 100 Ωcm
First, 0.2 μm is formed on the surface of the N-type silicon substrate 111.
A thermal oxide film 121 of about thickness is formed. Then, the thermal oxide film 121 in the pMOS transistor region is selectively stripped by a normal photolithography process, and then the pM
P-type impurities are ion-implanted into the OS transistor region.
【0076】この後、図示していないレジストを剥離
し、1190℃の窒素および酸素の混合雰囲気中で、1
時間ないし2時間程度の熱拡散を行うことにより、pM
OSトランジスタ領域に、表面濃度が5E16(5×1
016)cm-2で、接合深さが2μm程度のPウェル拡散
層122を形成する(以上、図6(a))。Thereafter, the resist (not shown) is stripped off, and the resist is removed in a mixed atmosphere of nitrogen and oxygen at 1190.degree.
By performing thermal diffusion for about 2 to 2 hours, pM
In the OS transistor region, the surface concentration is 5E16 (5 × 1
The P-well diffusion layer 122 having a junction depth of about 2 μm is formed at 0 16 ) cm −2 (above, FIG. 6A).
【0077】次いで、シリコン基板111の表面の熱酸
化膜121を全面的に剥離し、改めて0.1μm厚程度
の熱酸化膜123を全面に形成し、さらに0.15μm
厚程度の多結晶シリコン膜124、および0.2μm厚
程度のシリコン窒化膜125を、通常の化学蒸着法によ
り一様に堆積する。Next, the thermal oxide film 121 on the surface of the silicon substrate 111 is entirely peeled off, a thermal oxide film 123 having a thickness of about 0.1 μm is formed again on the entire surface, and further 0.15 μm is formed.
A polycrystalline silicon film 124 having a thickness of about 0.2 μm and a silicon nitride film 125 having a thickness of about 0.2 μm are uniformly deposited by a normal chemical vapor deposition method.
【0078】そして、nMOS,pMOSトランジスタ
の活性領域、基板コンタクトないしウェルコンタクト領
域をフォトリソグラフィ工程によりレジスト(図示して
いない)で覆い、方向性のプラズマエッチングでシリコ
ン窒化膜125をエッチングする。Then, the active regions of the nMOS and pMOS transistors and the substrate contact or well contact region are covered with a resist (not shown) by a photolithography process, and the silicon nitride film 125 is etched by directional plasma etching.
【0079】このエッチングは、多結晶シリコン膜12
4をストッパとして行われ、シリコン基板111へのダ
メージが入らないように考慮される(以上、図6
(b))。This etching is performed on the polycrystalline silicon film 12
4 is used as a stopper to prevent damage to the silicon substrate 111 (see FIG. 6).
(B)).
【0080】次いで、フォトリソグラフィ工程によりp
MOSトランジスタ領域をレジスト(図示していない)
で覆い、このレジストとシリコン窒化膜125とをマス
クとして、nMOSトランジスタ領域にP型不純物のチ
ャネルストッパイオン注入を行い、イオン注入層126
を形成する。Then, p is formed by a photolithography process.
Resist the MOS transistor area (not shown)
Then, using this resist and the silicon nitride film 125 as a mask, channel stopper ions of P-type impurities are implanted into the nMOS transistor region, and the ion implantation layer 126 is formed.
To form.
【0081】この際の加速電圧およびドーズ量は、イオ
ン注入層126の最終的な不純物濃度が1E17〜5E
17(1×1017〜5×1017)cm-3、深さが1μm
程度となるように調整されることが望ましい。The acceleration voltage and the dose amount at this time are such that the final impurity concentration of the ion implantation layer 126 is 1E17 to 5E.
17 (1 × 10 17 to 5 × 10 17 ) cm −3 , depth 1 μm
It is desirable to adjust the degree.
【0082】今度は、フォトリソグラフィ工程によりn
MOSトランジスタ領域をレジスト(図示していない)
で覆い、このレジストとシリコン窒化膜125とをマス
クとして、pMOSトランジスタ領域にN型不純物のチ
ャネルストッパイオン注入を行い、イオン注入層127
を形成する。This time, the photolithography process
Resist the MOS transistor area (not shown)
Then, using this resist and the silicon nitride film 125 as a mask, N-type impurity channel stopper ions are implanted into the pMOS transistor region, and the ion implantation layer 127 is formed.
To form.
【0083】この際の加速電圧およびドーズ量は、イオ
ン注入層127の最終的な不純物濃度が1E17〜5E
17(1×1017〜5×1017)cm-3、深さが1μm
程度となるように調整されることが望ましい。The acceleration voltage and the dose amount at this time are such that the final impurity concentration of the ion implantation layer 127 is 1E17 to 5E.
17 (1 × 10 17 to 5 × 10 17 ) cm −3 , depth 1 μm
It is desirable to adjust the degree.
【0084】この場合、イオン注入層126は後に接地
電位に、イオン注入層127は後に電源電圧に接続され
るため、シリコン基板111が接地電位に接続されるよ
うな場合には、このシリコン基板111とイオン注入層
127との間を、図示の如く、一定の距離Dだけ引き離
して電気的絶縁を図る必要がある(以上、図6
(c))。In this case, since the ion-implanted layer 126 is connected to the ground potential later and the ion-implanted layer 127 is connected to the power supply voltage later, when the silicon substrate 111 is connected to the ground potential, this silicon substrate 111 is connected. As shown in the drawing, it is necessary to separate the ion implantation layer 127 from the ion-implanted layer 127 by a certain distance D to achieve electrical insulation (see FIG. 6).
(C)).
【0085】次いで、熱酸化を行い、シリコン窒化膜1
25をマスクとして、素子分離領域に0.5μmないし
0.9μm厚のフィールド絶縁膜128を形成する。Then, thermal oxidation is performed to form the silicon nitride film 1
Using 25 as a mask, a field insulating film 128 having a thickness of 0.5 μm to 0.9 μm is formed in the element isolation region.
【0086】そして、シリコン窒化膜125を剥離した
後、さらにシリコン基板111の表面を0.1μm厚程
度酸化させ、前酸化膜129を形成する(以上、図7
(a))。Then, after removing the silicon nitride film 125, the surface of the silicon substrate 111 is further oxidized to a thickness of about 0.1 μm to form a pre-oxide film 129 (see FIG. 7).
(A)).
【0087】次いで、前酸化膜129を剥離し、10n
m厚前後の犠牲酸化膜(図示していない)を熱酸化によ
り形成した後、一旦、この犠牲酸化膜を剥離して清浄な
シリコン面を露出させる。そして、その上に、70nm
厚のゲート絶縁膜112を形成する。Then, the pre-oxide film 129 is peeled off, and 10n
After forming a sacrificial oxide film (not shown) having a thickness of about m by thermal oxidation, the sacrificial oxide film is once peeled to expose a clean silicon surface. And on top of that, 70 nm
A thick gate insulating film 112 is formed.
【0088】ゲート絶縁膜112の膜厚は70nmに限
らないが、100nm厚以下であることが望ましい。The thickness of the gate insulating film 112 is not limited to 70 nm, but is preferably 100 nm or less.
【0089】そして、このゲート絶縁膜112上に、た
とえば50nm厚の多結晶シリコン膜113aを化学蒸
着法により堆積する。Then, a polycrystalline silicon film 113a having a thickness of 50 nm, for example, is deposited on the gate insulating film 112 by a chemical vapor deposition method.
【0090】多結晶シリコン膜113aの膜厚は、その
膜質の違いにより、製造工程終了後、ゲート絶縁膜11
2に接した場所でのバンド構造が変化するため、50n
m厚よりも多少前後させた方が良い場合もある。The film thickness of the polycrystalline silicon film 113a varies depending on the film quality, and the gate insulating film 11 is formed after the manufacturing process is completed.
50n because the band structure changes in the area in contact with 2.
In some cases, it may be better to set it slightly forward or backward rather than m thickness.
【0091】さらに、その多結晶シリコン膜113a上
に、50nm厚前後の絶縁膜135を堆積する(以上、
図7(b))。Further, an insulating film 135 having a thickness of about 50 nm is deposited on the polycrystalline silicon film 113a (above,
FIG. 7B).
【0092】次いで、絶縁膜135および多結晶シリコ
ン膜113aをプラズマエッチングし、上記したゲート
電極113の第1層目を形成する。Next, the insulating film 135 and the polycrystalline silicon film 113a are plasma-etched to form the first layer of the gate electrode 113 described above.
【0093】引き続き、絶縁膜135および多結晶シリ
コン膜113aをマスクとして、nMOSトランジスタ
領域に、実効チャネル長を縮小するための低濃度N- 拡
散層136をイオン注入により形成する。Subsequently, using the insulating film 135 and the polycrystalline silicon film 113a as a mask, a low concentration N − diffusion layer 136 for reducing the effective channel length is formed in the nMOS transistor region by ion implantation.
【0094】通常、30keVの加速電圧で、かつ1E
13(1×1013)cm-2程度のドーズ量で、リンをイ
オン注入する(以上、図7(c))。Normally, an acceleration voltage of 30 keV and 1E
Phosphorus is ion-implanted with a dose amount of about 13 (1 × 10 13 ) cm −2 (above, FIG. 7C).
【0095】次いで、絶縁膜135を剥離し、多結晶シ
リコン膜113aの上に、低圧化学蒸着法により0.3
μm厚程度の多結晶シリコン−ゲルマニウム膜113b
を選択的にエピタキシャル成長させ、上記したゲート電
極113の第2層目を形成する。Then, the insulating film 135 is peeled off, and the polycrystalline silicon film 113a is covered with 0.3 by a low pressure chemical vapor deposition method.
Polycrystalline silicon-germanium film 113b having a thickness of about μm
Are selectively epitaxially grown to form the second layer of the gate electrode 113 described above.
【0096】この際、ガス中にP型ないしN型不純物と
なるガスを混ぜ、多結晶シリコン−ゲルマニウム膜11
3bおよびその下の多結晶シリコン膜113aに、高濃
度(たとえば、1E19(1×1019)cm-3以上)の
ドーピングを行う(以上、図8(a))。At this time, a gas which becomes a P-type or N-type impurity is mixed into the gas, and the polycrystalline silicon-germanium film 11 is formed.
3b and the polycrystalline silicon film 113a thereunder are doped at a high concentration (for example, 1E19 (1 × 10 19 ) cm −3 or more) (the above is FIG. 8A).
【0097】次いで、nMOSトランジスタ領域の全面
に、高加速電圧でP型不純物をイオン注入し、nMOS
トランジスタ領域のシリコン基板111中にP型領域1
11aを形成する。Next, P-type impurities are ion-implanted at a high acceleration voltage into the entire surface of the nMOS transistor region to form an nMOS transistor.
P-type region 1 in silicon substrate 111 in the transistor region
11a is formed.
【0098】その際、ゲート電極113を通して、ゲー
ト電極113の直下にもイオン注入がなされる。At this time, ions are also implanted directly below the gate electrode 113 through the gate electrode 113.
【0099】この場合、イオン注入による不純物分布の
ピークが、ゲート絶縁膜112の直ぐ下になるよう、加
速電圧を調整する必要がある。In this case, it is necessary to adjust the acceleration voltage so that the peak of the impurity distribution due to the ion implantation is just below the gate insulating film 112.
【0100】具体的には、たとえば110keVの加速
電圧で、かつ2E12(2×1012)cm-2ないし4E
12(4×1012)cm-2程度のドーズ量で、ボロンを
イオン注入する。Specifically, the acceleration voltage is, for example, 110 keV, and 2E12 (2 × 10 12 ) cm −2 to 4E.
Boron is ion-implanted with a dose amount of about 12 (4 × 10 12 ) cm −2 .
【0101】これは、製造工程終了後に、ゲート電極1
13の直下で、深さが0.2μm、濃度が5E16(5
×1016)cm-3となるようにするためである。This is because after the manufacturing process is completed, the gate electrode 1
Immediately below 13, the depth is 0.2 μm and the concentration is 5E16 (5
This is in order to obtain × 10 16 ) cm -3 .
【0102】P型領域111aは、nMOSトランジス
タ領域の、フィールド絶縁膜128の下に形成されたイ
オン注入層126と自動的に接続し、通常のP型拡散層
で形成される基板コンタクトによって基板電位の供給が
可能である。The P-type region 111a is automatically connected to the ion-implanted layer 126 formed under the field insulating film 128 in the nMOS transistor region, and the substrate potential is formed by a substrate contact formed of a normal P-type diffusion layer. Can be supplied.
【0103】引き続き、pMOSトランジスタ領域の全
面に、高加速電圧でN型不純物をイオン注入し、pMO
Sトランジスタ領域のシリコン基板111中にN型領域
111bを形成する。Subsequently, N-type impurities are ion-implanted at a high acceleration voltage into the entire surface of the pMOS transistor region, and pMO is formed.
An N-type region 111b is formed in the silicon substrate 111 in the S transistor region.
【0104】その際、ゲート電極113を通して、ゲー
ト電極113の直下にもイオン注入がなされる。At this time, ions are also implanted directly below the gate electrode 113 through the gate electrode 113.
【0105】この場合、イオン注入による不純物分布の
ピークが、ゲート絶縁膜112の直ぐ下になるよう、加
速電圧を調整する必要がある。In this case, it is necessary to adjust the acceleration voltage so that the peak of the impurity distribution due to the ion implantation is just below the gate insulating film 112.
【0106】具体的には、たとえば320keVの加速
電圧で、かつ2E12(2×1012)cm-2ないし4E
12(4×1012)cm-2程度のドーズ量で、リンをイ
オン注入する。Specifically, the acceleration voltage is, for example, 320 keV, and 2E12 (2 × 10 12 ) cm −2 to 4E.
Phosphorus is ion-implanted at a dose of about 12 (4 × 10 12 ) cm −2 .
【0107】これは、製造工程終了後に、ゲート電極1
13の直下で、深さが0.2μm、濃度が5E16(5
×1016)cm-3となるようにするためである。This is because after the manufacturing process is completed, the gate electrode 1
Immediately below 13, the depth is 0.2 μm and the concentration is 5E16 (5
This is in order to obtain × 10 16 ) cm -3 .
【0108】N型領域111bは、pMOSトランジス
タ領域の、フィールド絶縁膜128の下に形成されたイ
オン注入層127と自動的に接続し、通常のN型拡散層
で形成される基板コンタクトによって基板電位の供給が
可能である(以上、図8(b))。The N-type region 111b is automatically connected to the ion-implanted layer 127 formed under the field insulating film 128 in the pMOS transistor region, and the substrate potential formed by a normal N-type diffusion layer is used as the substrate contact. Can be supplied (above, FIG. 8 (b)).
【0109】次いで、多結晶シリコン−ゲルマニウム膜
113bをマスクとして、ソース,ドレイン領域11
4,115に不純物をイオン注入し、熱拡散して高濃度
のN型拡散層137およびP型拡散層138を形成す
る。Then, using the polycrystalline silicon-germanium film 113b as a mask, the source / drain regions 11 are formed.
Impurities are ion-implanted into 4, 115 and thermally diffused to form high-concentration N-type diffusion layers 137 and P-type diffusion layers 138.
【0110】通常、N型拡散層137の形成ためには、
ヒ素を50keVの加速電圧、かつ5E15(5×10
15)cm-2のドーズ量で、P型拡散層138の形成ため
には、ボロンを35keVの加速電圧、かつ5E15
(5×1015)cm-2のドーズ量で、それぞれイオン注
入する。Normally, in order to form the N type diffusion layer 137,
Arsenic was accelerated at an acceleration voltage of 50 keV and 5E15 (5 × 10
In order to form the P type diffusion layer 138 with a dose of 15 ) cm −2 , boron is used at an acceleration voltage of 35 keV and 5E15.
Ion implantation is performed at a dose of (5 × 10 15 ) cm −2 .
【0111】熱拡散工程は、800℃の温度で、1時間
程度である(以下、図8(c))。The thermal diffusion process is performed at a temperature of 800 ° C. for about 1 hour (hereinafter, FIG. 8C).
【0112】これ以降の工程は、通常のnMOS型トラ
ンジスタの保護絶縁膜および配線の形成が、従来と同様
にして行われることになる。In the subsequent steps, the formation of the protective insulating film and the wiring of the normal nMOS type transistor is performed in the same manner as in the conventional case.
【0113】次に、この発明の第3の実施例について説
明する。Next, a third embodiment of the present invention will be described.
【0114】図9は、本発明の第3の実施例にかかるM
OS型トランジスタの主要部の断面構造を示すものであ
る。FIG. 9 shows M according to the third embodiment of the present invention.
3 shows a cross-sectional structure of a main part of an OS type transistor.
【0115】この場合、シリコン基板211上に、約7
0nm厚のゲート絶縁膜212を介して、たとえば三層
構造のゲート電極213が設けられた構成となってい
る。In this case, on the silicon substrate 211, about 7
For example, a gate electrode 213 having a three-layer structure is provided via a gate insulating film 212 having a thickness of 0 nm.
【0116】このゲート電極213は、上記ゲート絶縁
膜212上に堆積された、たとえば50nm厚の多結晶
シリコン膜213aと、その上に堆積された、たとえば
300nm厚の多結晶シリコン−ゲルマニウム膜213
bと、さらにその上に貼り付けられた、たとえば金属膜
(Metal)213cとからなっている。The gate electrode 213 is formed of, for example, a polycrystalline silicon film 213a having a thickness of 50 nm on the gate insulating film 212 and a polycrystalline silicon-germanium film 213 having a thickness of 300 nm deposited thereon.
b, and a metal film (Metal) 213c attached thereon, for example.
【0117】金属膜213cは、ゲート電極213の抵
抗値を低下させる効果があるため、このような構成のゲ
ート電極213によればスイッチ時間を短縮できる。Since the metal film 213c has an effect of lowering the resistance value of the gate electrode 213, the switch time can be shortened by the gate electrode 213 having such a structure.
【0118】金属膜213cを、多結晶シリコン−ゲル
マニウム膜213b上に成膜することは、たとえば自己
整合シリサイデーション技術を用いることにより、容易
に可能である。The metal film 213c can be easily formed on the polycrystalline silicon-germanium film 213b by using, for example, a self-aligned silicidation technique.
【0119】次に、図10を参照して、図9に示したM
OS型トランジスタの製造方法について説明する。Next, referring to FIG. 10, M shown in FIG.
A method of manufacturing the OS type transistor will be described.
【0120】たとえば、図2(a)ないし図4(c)に
て示したのと同様の工程により、多結晶シリコン−ゲル
マニウム膜213b、およびN型拡散層237およびP
型拡散層238を形成した後、0.2μm厚程度の絶縁
膜(図示していない)を堆積する。For example, the polycrystalline silicon-germanium film 213b, and the N-type diffusion layers 237 and P are formed by the same steps as shown in FIGS. 2A to 4C.
After forming the mold diffusion layer 238, an insulating film (not shown) having a thickness of about 0.2 μm is deposited.
【0121】そして、通常の方向性プラズマエッチング
により、ゲート電極213の側面に、絶縁膜の側壁24
1を形成する。Then, the side wall 24 of the insulating film is formed on the side surface of the gate electrode 213 by the normal directional plasma etching.
1 is formed.
【0122】この後、希弗酸などの溶液を用いて、ゲー
ト電極213上では多結晶シリコン−ゲルマニウム膜2
13bの表面を、またソース,ドレイン領域214,2
15上ではN型拡散層237およびP型拡散層238の
表面をそれぞれ露出させ、その上に30nmないし70
nm厚の高融点金属膜242を堆積する。After that, the polycrystalline silicon-germanium film 2 is formed on the gate electrode 213 by using a solution of dilute hydrofluoric acid or the like.
The surface of 13b, and the source / drain regions 214, 2
15, the surfaces of the N-type diffusion layer 237 and the P-type diffusion layer 238 are exposed, and 30 nm to 70 nm are exposed thereon.
A refractory metal film 242 having a thickness of nm is deposited.
【0123】高融点金属膜242の形成には、たとえば
シリサイド化した後の抵抗値が最も低いチタンが主に用
いられるが、この他、ニッケル、コバルト、白金、パラ
ジウムなどを用いることもできる(以上、図10
(a))。For forming the refractory metal film 242, for example, titanium, which has the lowest resistance value after silicidation, is mainly used, but in addition to this, nickel, cobalt, platinum, palladium, or the like can also be used (above). , Fig. 10
(A)).
【0124】次いで、650℃の、アルゴンガスまたは
アルゴンと窒素の混合ガス雰囲気中で、30秒ほどアニ
ールし、高融点金属膜242とシリコンもしくはシリコ
ン−ゲルマニウムとを反応させ、ゲート電極213およ
びソース,ドレイン領域214,215の表面に、60
nmないし150nm厚のシリサイド層243を形成す
る。Then, annealing is performed at 650 ° C. in an atmosphere of argon gas or a mixed gas of argon and nitrogen for about 30 seconds to cause the refractory metal film 242 to react with silicon or silicon-germanium, and the gate electrode 213 and the source, 60 on the surface of the drain regions 214 and 215.
A silicide layer 243 having a thickness of 150 nm to 150 nm is formed.
【0125】このとき、シリコンもしくはシリコン−ゲ
ルマニウムと接触しない高融点金属膜242、つまりフ
ィールド酸化膜228および側壁241上の高融点金属
膜242は未反応のまま残る。At this time, the refractory metal film 242 that does not come into contact with silicon or silicon-germanium, that is, the field oxide film 228 and the refractory metal film 242 on the sidewall 241 remain unreacted.
【0126】そして、この未反応の高融点金属膜242
を、硫酸と過酸化水素水の混合水溶液、または水酸化ア
ンモニウムと過酸化水素水の混合水溶液を用いて選択的
に除去する(以上、図10(b))。Then, the unreacted refractory metal film 242.
Are selectively removed using a mixed aqueous solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide or a mixed aqueous solution of ammonium hydroxide and hydrogen peroxide (above, FIG. 10 (b)).
【0127】こうして、多結晶シリコン−ゲルマニウム
膜213b上に、シリサイド層243なる金属膜213
cが形成されることで、三層構造のゲート電極213が
構成される。Thus, the metal film 213 to be the silicide layer 243 is formed on the polycrystalline silicon-germanium film 213b.
By forming c, a gate electrode 213 having a three-layer structure is formed.
【0128】これ以降の工程は、通常のMOS型トラン
ジスタの保護絶縁膜および配線の形成が、従来と同様に
して行われることになる。In the subsequent steps, the formation of the protective insulating film and the wiring of the ordinary MOS type transistor is performed in the same manner as in the conventional case.
【0129】なお、上記した第3の実施例にかかるMO
S型トランジスタにおいては、化学蒸着法によって多結
晶シリコン−ゲルマニウム膜213b上に選択的に金属
膜213cを堆積することによっても、製造することが
できる。The MO according to the third embodiment described above is used.
The S-type transistor can also be manufactured by selectively depositing the metal film 213c on the polycrystalline silicon-germanium film 213b by a chemical vapor deposition method.
【0130】たとえば、図4(c)に示したような、多
結晶シリコン膜13aと多結晶シリコン−ゲルマニウム
膜13bとからなる積層構造のゲート電極13を形成し
た後、600℃ないし700℃の化学蒸着炉中で材料ガ
スを気相分解し、上記ゲート電極13上に選択的にタン
グステンシリサイドなどのシリサイド膜を蒸着するよう
にすれば良い。For example, as shown in FIG. 4C, after the gate electrode 13 having a laminated structure composed of the polycrystalline silicon film 13a and the polycrystalline silicon-germanium film 13b is formed, chemical treatment at 600 ° C. to 700 ° C. is performed. The material gas may be vapor-decomposed in a vapor deposition furnace to selectively deposit a silicide film such as tungsten silicide on the gate electrode 13.
【0131】この際、ゲート絶縁膜12上には、シリサ
イド膜が堆積しないように注意して行われる。At this time, care is taken so that the silicide film is not deposited on the gate insulating film 12.
【0132】次に、この発明の第4の実施例について説
明する。Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
【0133】図11は、本発明の第4の実施例にかかる
MOS型トランジスタの主要部の断面構造を示すもので
ある。FIG. 11 shows a sectional structure of a main part of a MOS transistor according to the fourth embodiment of the present invention.
【0134】この場合、絶縁体300の上にSOI(S
ilicon on Insulator)技術を用い
て作られた基板311上に、約70nm厚のゲート絶縁
膜312を介して、たとえば50nm厚の多結晶シリコ
ン膜313aと、300nm厚の多結晶シリコン−ゲル
マニウム膜313bとからな二層構造のゲート電極31
3が設けられた構成となっている。In this case, the SOI (S
For example, a polycrystalline silicon film 313a having a thickness of 50 nm, a polycrystalline silicon-germanium film 313b having a thickness of 300 nm, and a gate insulating film 312 having a thickness of about 70 nm are formed on a substrate 311 formed by using an ilicon on insulator technique. Empty double-layered gate electrode 31
3 is provided.
【0135】通常、チャネル直下の基板領域がすべて空
乏化しているときにSファクタが良好な値となることが
知られており、このため基板311の膜厚は0.2μm
以下であることが望ましい。It is generally known that the S factor has a good value when the substrate region directly under the channel is fully depleted, and therefore the film thickness of the substrate 311 is 0.2 μm.
The following is desirable.
【0136】このような構成のMOS型トランジスタ
は、ゲート電極313を第1の実施例と同様の方法によ
り製作すれば、従来のSOS(Silicon on
Saphire)技術により容易に作製できる。In the MOS type transistor having such a structure, if the gate electrode 313 is manufactured by the same method as in the first embodiment, the conventional SOS (Silicon on) is obtained.
It can be easily produced by the Saphire technique.
【0137】上記したように、ゲート電極材料の仕事関
数の値をN型多結晶シリコンとP型多結晶シリコンの中
間に設定できるようにしている。As described above, the work function value of the gate electrode material can be set in the middle between the N-type polycrystalline silicon and the P-type polycrystalline silicon.
【0138】すなわち、ゲート電極を、多結晶シリコン
膜上に多結晶シリコン−ゲルマニウム膜を積層してなる
積層構造とするようにしている。これにより、ゲート絶
縁膜上のシリコンの伝導帯エネルギの変化により、ゲー
ト絶縁膜に作用するワークハンクションをシリコンとシ
リコン−ゲルマニウムとの間に設定できるようになるた
め、Sファクタの値が70mV/dec以下のトランジ
スタを実現することが可能となる。したがって、基板の
チャネル部の不純物濃度が5E16(5×1016)cm
-3のような低濃度であっても、所定のしきい値電圧を有
するMOS型トランジスタを作製でき、より消費電力の
小さなLSIを実現し得るものである。That is, the gate electrode has a laminated structure in which a polycrystalline silicon-germanium film is laminated on the polycrystalline silicon film. As a result, it becomes possible to set the work hunting acting on the gate insulating film between the silicon and the silicon-germanium due to the change in the conduction band energy of silicon on the gate insulating film, so that the value of the S factor is 70 mV / It is possible to realize a transistor having a dec or less. Therefore, the impurity concentration of the channel portion of the substrate is 5E16 (5 × 10 16 ) cm.
Even if the concentration is as low as -3 , a MOS transistor having a predetermined threshold voltage can be manufactured, and an LSI with lower power consumption can be realized.
【0139】なお、上記第1ないし第4の実施例におい
ては、いずれも多結晶シリコン−ゲルマニウム膜を多結
晶シリコン膜の上面にのみ形成する場合について説明し
たが、これに限らず、たとえば図12に示すように、多
結晶シリコン膜413aを覆うように多結晶シリコン−
ゲルマニウム膜413bを設けてなる構造としても差し
支えない。In each of the first to fourth embodiments described above, the case where the polycrystalline silicon-germanium film is formed only on the upper surface of the polycrystalline silicon film has been described, but the present invention is not limited to this, and for example, FIG. , The polycrystalline silicon film 413a is covered with the polycrystalline silicon film 413a.
A structure including the germanium film 413b may be provided.
【0140】要するに、チャネル上の主たる領域上のゲ
ート電極413が、多結晶シリコンと多結晶シリコン−
ゲルマニウムとの積層構造を有し、基板411上にゲー
トの絶縁膜412を介して設けられるものであればよ
い。In short, the gate electrode 413 on the main region on the channel is made of polycrystalline silicon and polycrystalline silicon.
Any structure may be used as long as it has a stacked structure with germanium and is provided over the substrate 411 with the gate insulating film 412 interposed therebetween.
【0141】また、MOS型トランジスタに限らず、各
種のMIS構造を有する半導体装置に適用できる。Further, the present invention can be applied to not only MOS type transistors but also semiconductor devices having various MIS structures.
【0142】その他、この発明の要旨を変えない範囲に
おいて、種々変形実施可能なことは勿論である。In addition, it goes without saying that various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
【0143】[0143]
【発明の効果】以上、詳述したようにこの発明によれ
ば、基板の不純物濃度を低下させても所定のしきい値電
圧を維持でき、より低い消費電力を達成することが可能
な半導体装置およびその製造方法を提供できる。As described above in detail, according to the present invention, a semiconductor device capable of maintaining a predetermined threshold voltage even if the impurity concentration of the substrate is lowered and achieving lower power consumption. And the manufacturing method for the same can be provided.
【図1】この発明の第1の実施例にかかるMOS型トラ
ンジスタの要部の構造を示す断面図。FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a main part of a MOS transistor according to a first embodiment of the present invention.
【図2】同じく、MOS型トランジスタの製造方法を説
明するために示す第1の断面図。FIG. 2 is a first cross-sectional view similarly shown for explaining a method for manufacturing a MOS transistor.
【図3】同じく、MOS型トランジスタの製造方法を説
明するために示す第2の断面図。FIG. 3 is a second sectional view similarly shown for explaining the method for manufacturing the MOS transistor.
【図4】同じく、MOS型トランジスタの製造方法を説
明するために示す第3の断面図。FIG. 4 is a third cross-sectional view similarly shown for explaining the method for manufacturing the MOS transistor.
【図5】この発明の第2の実施例にかかるnMOS型ト
ランジスタの要部の構造を示す断面図。FIG. 5 is a sectional view showing a structure of a main part of an nMOS type transistor according to a second embodiment of the present invention.
【図6】同じく、nMOS型トランジスタの製造方法を
説明するために示す第1の断面図。FIG. 6 is likewise a first cross-sectional view for explaining a method for manufacturing an nMOS type transistor.
【図7】同じく、nMOS型トランジスタの製造方法を
説明するために示す第2の断面図。FIG. 7 is a second sectional view similarly shown for explaining a method for manufacturing an nMOS transistor.
【図8】同じく、nMOS型トランジスタの製造方法を
説明するために示す第3の断面図。FIG. 8 is a third cross-sectional view similarly shown for explaining the method for manufacturing the nMOS type transistor.
【図9】この発明の第3の実施例にかかるMOS型トラ
ンジスタの要部の構造を示す断面図。FIG. 9 is a sectional view showing a structure of a main part of a MOS transistor according to a third embodiment of the present invention.
【図10】同じく、MOS型トランジスタの製造方法を
説明するために示す断面図。FIG. 10 is a sectional view similarly shown for explaining a method for manufacturing a MOS transistor.
【図11】この発明の第4の実施例にかかるMOS型ト
ランジスタの要部の構造を示す断面図。FIG. 11 is a sectional view showing a structure of a main part of a MOS transistor according to a fourth embodiment of the present invention.
【図12】この発明の他の実施例にかかるMOS型トラ
ンジスタの要部の構造を示す断面図。FIG. 12 is a sectional view showing a structure of a main part of a MOS transistor according to another embodiment of the present invention.
11,111,211…シリコン基板、12,112,
212,312,412…ゲート絶縁膜、13,11
3,213,313,413…ゲート電極、13a,1
13a,213a,313a,413a…多結晶シリコ
ン膜、13b,113b,213b,313b,413
b…多結晶シリコン−ゲルマニウム膜、213c…金属
膜、311,411…基板。11, 111, 211 ... Silicon substrate, 12, 112,
212, 312, 412 ... Gate insulating film, 13, 11
3, 213, 313, 413 ... Gate electrode, 13a, 1
13a, 213a, 313a, 413a ... Polycrystalline silicon film, 13b, 113b, 213b, 313b, 413
b ... Polycrystalline silicon-germanium film, 213c ... Metal film, 311, 411 ... Substrate.
Claims (6)
よび多結晶シリコン−ゲルマニウム膜からなる二層構造
のゲート電極を有してなることを特徴とする半導体装
置。1. A semiconductor device comprising a gate electrode having a two-layer structure composed of a polycrystalline silicon film and a polycrystalline silicon-germanium film on a gate insulating film.
工程と、 このゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を堆積する工程
と、 この多結晶シリコン膜をゲート電極形状に加工する工程
と、 このゲート電極形状の多結晶シリコン膜の上に多結晶シ
リコン−ゲルマニウム膜を堆積する工程とからなること
を特徴とする半導体装置の製造方法。2. A step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step of depositing a polycrystalline silicon film on the gate insulating film, and a step of processing the polycrystalline silicon film into a gate electrode shape. And a step of depositing a polycrystalline silicon-germanium film on the gate electrode-shaped polycrystalline silicon film.
多結晶シリコン−ゲルマニウム膜、および多結晶高融点
金属−半導体合金膜からなる三層構造のゲート電極を有
してなることを特徴とする半導体装置。3. A polycrystalline silicon film on the gate insulating film,
A semiconductor device comprising a gate electrode having a three-layer structure composed of a polycrystalline silicon-germanium film and a polycrystalline refractory metal-semiconductor alloy film.
工程と、 このゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を堆積する工程
と、 この多結晶シリコン膜をゲート電極形状に加工する工程
と、 このゲート電極形状の多結晶シリコン膜の上に多結晶シ
リコン−ゲルマニウム膜を堆積する工程と、 この多結晶シリコン−ゲルマニウム膜の上に多結晶高融
点金属−シリコン膜を堆積する工程とからなることを特
徴とする半導体装置の製造方法。4. A step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step of depositing a polycrystalline silicon film on the gate insulating film, and a step of processing the polycrystalline silicon film into a gate electrode shape. And a step of depositing a polycrystalline silicon-germanium film on the gate electrode-shaped polycrystalline silicon film, and a step of depositing a polycrystalline refractory metal-silicon film on the polycrystalline silicon-germanium film. A method for manufacturing a characteristic semiconductor device.
工程と、 このゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を堆積する工程
と、 この多結晶シリコン膜をゲート電極形状に加工する工程
と、 このゲート電極形状の多結晶シリコン膜の上に多結晶シ
リコン−ゲルマニウム膜を堆積する工程と、 この多結晶シリコン−ゲルマニウム膜の上に多結晶高融
点金属膜を堆積する工程と、 この多結晶高融点金属膜および前記多結晶シリコン−ゲ
ルマニウム膜により多結晶高融点金属−半導体合金膜を
形成する工程とからなることを特徴とする半導体装置の
製造方法。5. A step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step of depositing a polycrystalline silicon film on the gate insulating film, and a step of processing the polycrystalline silicon film into a gate electrode shape. Depositing a polycrystalline silicon-germanium film on the gate electrode-shaped polycrystalline silicon film; depositing a polycrystalline refractory metal film on the polycrystalline silicon-germanium film; And a step of forming a polycrystalline refractory metal-semiconductor alloy film from the metal film and the polycrystalline silicon-germanium film.
工程と、 このゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を堆積する工程
と、 この多結晶シリコン膜をゲート電極形状に加工する工程
と、 このゲート電極形状の多結晶シリコン膜の上に多結晶シ
リコン−ゲルマニウム膜を堆積する工程と、 この多結晶シリコン−ゲルマニウム膜上を含む、前記半
導体基板の表面に多結晶高融点金属膜を堆積する工程
と、 この多結晶高融点金属膜と、これに接触する前記多結晶
シリコン−ゲルマニウム膜とを反応させて多結晶高融点
金属−半導体合金膜を形成する工程と、 未反応の前記多結晶高融点金属膜を除去する工程とから
なることを特徴とする半導体装置の製造方法。6. A step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step of depositing a polycrystalline silicon film on the gate insulating film, a step of processing the polycrystalline silicon film into a gate electrode shape, Depositing a polycrystalline silicon-germanium film on a gate electrode-shaped polycrystalline silicon film, and depositing a polycrystalline refractory metal film on the surface of the semiconductor substrate including the polycrystalline silicon-germanium film And a step of forming a polycrystalline refractory metal-semiconductor alloy film by reacting the polycrystalline refractory metal film with the polycrystalline silicon-germanium film in contact therewith, and the unreacted polycrystalline refractory metal And a step of removing the metal film.
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