(57)【要約】【課題】連続的に仕事関数を変調できる合金であって、かつ各種の低ワーク電圧でかつ高性能を具え、パワー消耗率のが低く、リーク電流を抑制する金属酸化膜半導体トランジスタおよびそのゲート構造を提供する。【解決手段】半導体基板と、注入キャリアを供給するソースと、注入キャリアを受けるドレインと、隣り合う金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを絶縁する絶縁層と、該半導体基板上に設けられ、金属ゲート層と該半導体基板とを絶縁するゲート絶縁層と、合金材によってなり該金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの初期電圧を制御する金属ゲート層とを具えてなり、該金属ゲート層の合金材料の成分に、少なくとも１以上の高仕事関数を具える元素と、低仕事関数とを具える元素を含む。【選択図】　図３
2004134705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、注入キャリアを供給するソースと、注入キャリアを受けるドレインと、隣り合う金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを絶縁する絶縁層と、該半導体基板上に設けられ、金属ゲート層と該半導体基板とを絶縁するゲート絶縁層と、合金材によってなり該金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの初期電圧を制御する金属ゲート層とを具えてなり、
該金属ゲート層の合金材料の成分に、少なくとも１以上の高仕事関数を具える元素と、低仕事関数とを具える元素を含むことを特徴とする金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記金属ゲート層の合金材料の高仕事関数を具える元素がパラジウム（Ｐｄ）か、もしくはタンタル（Ｔａ）から選択され、低仕事関数を具える元素がタンタル（Ｔａ）か、もしくはチタン（Ｔｉ）から選択されることを特徴とする請求項１に記載の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記半導体基板が、Ｎ型半導体基板か、もしくはＰ型半導体基板から選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ。
【請求項４】
半導体基板と、該半導体基板上に設けられ、該半導体基板と半導体層とを絶縁する第一絶縁層と、ソースとドレインとのチャネルである半導体層と、注入キャリアを供給するソースと、注入キャリアを受けるドレインと、隣り合う金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを絶縁する第二絶縁層と、該半導体層上に形成され金属ゲート層と該半導体層とを絶縁するゲート絶縁層と、合金材によってなり該金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの初期電圧を制御する金属ゲート層とを具えてなり、
該金属ゲート層の合金材料の成分に、少なくとも１以上の高仕事関数を具える元素と、低仕事関数とを具える元素を含むことを特徴とする完全空乏型シリコン・オン・インシュレーター金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記金属ゲート層の合金材料の高仕事関数を具える元素がパラジウム（Ｐｄ）か、もしくはタンタル（Ｔａ）から選択され、低仕事関数を具える元素がタンタル（Ｔａ）か、もしくはチタン（Ｔｉ）から選択されることを特徴とする請求項４に記載の完全空乏型シリコン・オン・インシュレーター金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記半導体基板が、Ｎ型半導体基板か、もしくはＰ型半導体基板から選択されることを特徴とする請求項４または５に記載の完全空乏型シリコン・オン・インシュレーター金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ。
【請求項７】
半導体基板と、注入キャリアを供給するソースと、注入キャリアを受けるドレインと、隣り合う両素子によって発生する電気的干渉を防ぐ絶縁層と、該半導体基板上に設けられ、第一金属ゲート層と該半導体基板とを絶縁するゲート絶縁層と、合金材によってなり該金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの初期電圧を制御する第一金属ゲート層と、ゲート電気的導電層となり、該第一金属ゲート層に比して低いインピーダンスを具える第二金属ゲート層とを含んでなり、
該第一金属ゲート層の合金材料の成分に、少なくとも１以上の高仕事関数を具える元素と、低仕事関数とを具える元素を含むことを特徴とする金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ。
【請求項８】
前記金属ゲート層の合金材料の高仕事関数を具える元素がパラジウム（Ｐｄ）か、もしくはタンタル（Ｔａ）から選択され、低仕事関数を具える元素がタンタル（Ｔａ）か、もしくはチタン（Ｔｉ）から選択されることを特徴とする請求項７または８に記載の二重金属ゲート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ。
【請求項９】
前記半導体基板が、Ｎ型半導体基板か、もしくはＰ型半導体基板から選択されることを特徴とする請求項７に記載の二重金属ゲート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ素子。
【請求項１０】
前記第二金属ゲート層の材料がモリブデン（Ｍｏ）か、タングステン（Ｗ）か、もしくはチタン（Ｔｉ）から選択されることを特徴とする請求項７、８または９に記載の二重金属ゲート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ。
【請求項１１】
半導体基板と、該半導体基板上に設けられ、該半導体基板と半導体層とを絶縁する第一絶縁層と、ソースとドレインとのチャネルである半導体層と、注入キャリアを供給するソースと、注入キャリアを受けるドレインと、隣り合う両素子に発生する電気的干渉を防ぐ第二絶縁層と、該半導体層上に形成され第一金属ゲート層と該半導体層とを絶縁するゲート絶縁層と、合金材によってなり該金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの初期電圧を制御する第一金属ゲート層と、ゲート電気的導電層となり、該第一金属ゲート層に比して低いインピーダンスを具える第二金属ゲート層とを含んでなり、
該第一金属ゲート層の合金材料の成分に、少なくとも１以上の高仕事関数を具える元素と、低仕事関数とを具える元素を含むことを特徴とする二重金属ゲート完全空乏型シリコン・オン・インシュレーター金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ。
【請求項１２】
前記半導体基板が、Ｎ型半導体基板か、もしくはＰ型半導体基板から選択されることを特徴とする請求項１１に記載の二重金属ゲート完全空乏型シリコン・オン・インシュレーター金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ。
【請求項１３】
前記第二金属ゲート層の材料がモリブデン（Ｍｏ）か、タングステン（Ｗ）か、もしくはチタン（Ｔｉ）から選択されることを特徴とする請求項１１または１２に記載の二重金属ゲート完全空乏型シリコン・オン・インシュレーター金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ。
【請求項１４】
ゲート構造の金属ゲート材料の成分に少なくとも１以上の高仕事関数を具える元素と、低仕事関数を具える元素が含まれることを特徴とする金属酸化膜電界効果トランジスタのゲート構造。
【請求項１５】
前記高仕事関数を具える元素がパラジウム（Ｐｄ）か、もしくはタンタル（Ｔａ）から選択され、低仕事関数を具える元素がタンタル（Ｔａ）か、もしくはチタン（Ｔｉ）からから選択されることを特徴とする請求項１４に記載の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタのゲート構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ゲート材料に関し、特に低ワーク電圧、かつ高性能の金属酸化膜電界効果半導体トランジスタか、もしくはシリコン・オン・インシュレーター（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ：ＳＯＩと称する）ベースの金属酸化膜半導体トランジスタおよびそのゲート構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
チップ製造技術において、素子のマイクロサイズ化にともない、従来の多結晶シリコン材料によってゲートを形成する金属酸化膜半導体トランジスタは、避けることのできない３項の欠点に面している。即ち、等価酸化層の厚さ（ＥＯＴ）の下降を制限するゲート空乏現象（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）、高周波数運転の妨げとなる高インピーダンス値、及び閾電圧のドリフトを招くボロン貫入現象（ｂｏｒｏｎ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）である。但し、金属ゲート材料はかかる欠点を同時に改善することができるため、将来ナノサイズ時代において多結晶シリコンに取って代わる高性能トランジスタのゲート材料と見なされている。
【０００３】
但し、すべての金属はゲート材料に適しているわけではなく、実質的に熱安定性、仕事関数（ｗｏｒｋ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ）への適応性、及び製造工程に対する互換性が要求される。目下、好ましい熱安定性を具える耐火性金属、及びその窒化物質が注目を集めている。但し、仕事関数の適応性に欠け、係る制限によって表面チャネル型トランジスタの式電圧を効果的に低下させることができないという問題を有する。かかる問題は、チャネルのドーピングによって解決できるが、但し埋め込み型チャネルの構造を形成し、かなりのリーク電流が発生する。即ち、目下の技術的趨勢である低パワーの目標に抵触する。
【０００４】
また、前記窒化物質は、窒素のドーピング比率を調整することによって仕事関数を調整することができる。但し、調整の幅は決して広いものでなく、ｎ型、もしくはｐ型トランジスタの内のいずれかに必ず上述の欠点が発生する。
【０００５】
１９７４年、Ｃ．Ｄ．Ｇｅｌａｔｔは、Ｐｈｙｓ．　Ｒｅｖ．　Ｂ１０　ｐ．３９８に記載された“Ｃｈａｒｇｅｔｒａｎｓｆｅｒ　ｉｎ　ａｌｌｏｙｓ：Ａｇ　Ａｕ”において、成分の比率が異なる金属合金（ＡｘＢｙ）において、仕事関数の変化はＡ元素とＢ元素の比率によって変化すると発表している。
【０００６】
２００１年、Ｒｙｕｓｕｋｅ　Ｉｓｉｉは、Ａｐｐ．　Ｓｕｒｆ．　Ｓｃｉｅｎｃｅ　１６９−１７０　ｐ．６５８−６６１に記載された“Ｗｏｒｋ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂｉｎａｒｙ　Ａｌｌｏｙｓ”において、金属合金の仕事関数と成分比率に線形性、もしくはまた非線形性の関係があることを立証している。
【０００７】
また、同年Ｈｕｉｃａｉ　Ｚｈｏｎｇは、Ｔｅｃｈ　Ｄｉｇ　ｏｆ　ＩＥＤＭ，　ｐ．２０．５．１−２０．５．４に記載された“Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　Ｒｕ−Ｔａ　Ａｌｌｏｙｓ　ａｓ　Ｇａｔｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ　ｆｏｒ　ＮＭＯＳ　ａｎｄ　ＰＭＯＳ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ”において、異なる組成比によるルテニウムとタンタル合金をｎ型チャネル、及びｐ型チャネルトランジスタに応用する技術を発表している。但し、ルテニウム金属とタンタル金属との反応は、安定したルテニウム・タンタル化合物を形成するが、合金の仕事関数とルテニウム・タンタル成分比とが非線形性を呈し、かつステップ式に変化し、ミッドギャップを具える仕事関数を応用するシリコン・オン・インシュレート金属酸化膜半導体トランジスタ（ＳＯＩ　ＭＯＳＦＥＴ）に対する適応性に欠けることになる。
【０００８】
よって範囲の広い連続的な仕事関数に調整し、上述する従来の問題を解決するために、化学的性質が不活性でかつ熱安定性と極めて高い仕事関数を具える元素を選択し、適宜な比率の低仕事関数を具える元素にドーピングして合金元素の化学的作用を受けることなく、かつ合金の仕事関数偏重が制限を受けることなく、更にトランジスタの製造工程における前工程と互換性を有するゲート材料を提供することが望まれている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、仕事関数の範囲の広い連続的な変調が達成できる合金であって、各種の低ワーク電圧でかつ高性能のゲート材料を具える金属酸化膜半導体トランジスタおよびそのゲート構造を提供することを課題とする。
【００１０】
また、この発明はパワー消耗率の低い金属酸化膜半導体電界効果トランジスタおよびそのゲート構造を提供することを課題とする。
【００１１】
さらに、この発明はリーク電流の発生率が低い金属酸化膜半導体電界効果トランジスタおよびそのゲート構造を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者は従来の技術に見られる欠点に鑑み鋭意研究を重ねた結果、半導体基板と、ソースと、ドレインと、絶縁層と、ゲート絶縁層と、金属ゲート層とを具えた金属酸化膜半導体電界効果トランジスタにおいて、該金属ゲート層の合金材料の成分が、少なくとも１以上の高仕事関数を具える元素と、低仕事関数とを具える元素を含む構造によって課題を解決できる点に着眼し、かかる知見に基づいて本発明を完成させた。
【００１３】
以下、この発明について具体的に説明する。
請求項１に記載する金属酸化膜半導体電界効果トランジスタは、半導体基板と、注入キャリアを供給するソースと、注入キャリアを受けるドレインと、隣り合う金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを絶縁する絶縁層と、該半導体基板上に設けられ、金属ゲート層と該半導体基板とを絶縁するゲート絶縁層と、合金材によってなり該金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの初期電圧を制御する金属ゲート層とを具えてなり、
該金属ゲート層の合金材料の成分に、少なくとも１以上の高仕事関数を具える元素と、低仕事関数とを具える元素を含む。
【００１４】
請求項２に記載する金属酸化膜半導体電界効果トランジスタは、請求項１における金属ゲート層の合金材料の高仕事関数を具える元素がパラジウム（Ｐｄ）か、もしくはタンタル（Ｔａ）から選択され、低仕事関数を具える元素がタンタル（Ｔａ）か、もしくはチタン（Ｔｉ）から選択される。
【００１５】
請求項３に記載する金属酸化膜半導体電界効果トランジスタは、請求項１または２における半導体基板が、Ｎ型半導体基板か、もしくはＰ型半導体基板から選択される。
【００１６】
請求項４に記載する完全空乏型シリコン・オン・インシュレーター金属酸化膜半導体電界効果トランジスタは、半導体基板と、該半導体基板上に設けられ、該半導体基板と半導体層とを絶縁する第一絶縁層と、ソースとドレインとのチャネルである半導体層と、注入キャリアを供給するソースと、注入キャリアを受けるドレインと、隣り合う金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを絶縁する第二絶縁層と、該半導体層上に形成され金属ゲート層と該半導体層とを絶縁するゲート絶縁層と、合金材によってなり該金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの初期電圧を制御する金属ゲート層とを具えてなり、
該金属ゲート層の合金材料の成分に、少なくとも１以上の高仕事関数を具える元素と、低仕事関数とを具える元素を含む。
【００１７】
請求項５に記載する完全空乏型シリコン・オン・インシュレーター金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ素子は、請求項４における金属ゲート層の合金材料の高仕事関数を具える元素がパラジウム（Ｐｄ）か、もしくはタンタル（Ｔａ）から選択され、低仕事関数を具える元素がタンタル（Ｔａ）か、もしくはチタン（Ｔｉ）から選択される。
【００１８】
請求項６に記載する完全空乏型シリコン・オン・インシュレーター金属酸化膜半導体電界効果トランジスタは、請求項４または５における半導体基板が、Ｎ型半導体基板か、もしくはＰ型半導体基板から選択される。
【００１９】
請求項７に記載する二重金属ゲート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタは、半導体基板と、注入キャリアを供給するソースと、注入キャリアを受けるドレインと、隣り合う両素子によって発生する電気的干渉を防ぐ絶縁層と、該半導体基板上に設けられ、第一金属ゲート層と該半導体基板とを絶縁するゲート絶縁層と、合金材によってなり該金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの初期電圧を制御する第一金属ゲート層と、ゲート電気的導電層となり、該第一金属ゲート層に比して低いインピーダンスを具える第二金属ゲート層とを含んでなり、
該第一金属ゲート層の合金材料の成分に、少なくとも１以上の高仕事関数を具える元素と、低仕事関数とを具える元素を含む。
【００２０】
請求項８に記載することを特徴とする二重金属ゲート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタは、請求項７における金属ゲート層の合金材料の高仕事関数を具える元素がパラジウム（Ｐｄ）か、もしくはタンタル（Ｔａ）から選択され、低仕事関数を具える元素がタンタル（Ｔａ）か、もしくはチタン（Ｔｉ）から選択される。
【００２１】
請求項９に記載する二重金属ゲート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタは、請求項７または８における半導体基板が、Ｎ型半導体基板か、もしくはＰ型半導体基板から選択される。
【００２２】
請求項１０に記載する二重金属ゲート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタは、請求項７、８または９における第二金属ゲート層の材料がモリブデン（Ｍｏ）か、タングステン（Ｗ）か、もしくはチタン（Ｔｉ）から選択される。
【００２３】
請求項１１に記載する二重金属ゲート完全空乏型シリコン・オン・インシュレーター金属酸化膜半導体電界効果トランジスタは、半導体基板と、該半導体基板上に設けられ、該半導体基板と半導体層とを絶縁する第一絶縁層と、ソースとドレインとのチャネルである半導体層と、注入キャリアを供給するソースと、注入キャリアを受けるドレインと、隣り合う両素子に発生する電気的干渉を防ぐ第二絶縁層と、該半導体層上に形成され第一金属ゲート層と該半導体層とを絶縁するゲート絶縁層と、合金材によってなり該金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの初期電圧を制御する第一金属ゲート層と、ゲート電気的導電層となり、該第一金属ゲート層に比して低いインピーダンスを具える第二金属ゲート層とを含んでなり、
該第一金属ゲート層の合金材料の成分に、少なくとも１以上の高仕事関数を具える元素と、低仕事関数とを具える元素を含む。
【００２４】
請求項１２に記載する二重金属ゲート完全空乏型シリコン・オン・インシュレーター金属酸化膜半導体電界効果トランジスタは、請求項１１における半導体基板が、Ｎ型半導体基板か、もしくはＰ型半導体基板から選択される。
【００２５】
請求項１３に記載する二重金属ゲート完全空乏型シリコン・オン・インシュレーター金属酸化膜半導体電界効果トランジスタは、請求項１１または１２における第２金属ゲート層の材料がモリブデン（Ｍｏ）か、タングステン（Ｗ）か、もしくはチタン（Ｔｉ）から選択される。
【００２６】
請求項１４に記載する金属酸化膜電界効果トランジスタのゲート構造は、ゲート構造の金属ゲート材料の成分に少なくとも１以上の高仕事関数を具える元素と、低仕事関数を具える元素が含まれる。
【００２７】
請求項１５に記載する金属酸化膜電界効果トランジスタのゲート構造は、　請求項１４における高仕事関数元素がパラジウム（Ｐｄ）か、もしくはタンタル（Ｔａ）から選択され、低仕事関数元素がタンタル（Ｔａ）か、もしくはチタン（Ｔｉ）からから選択される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
この発明は、特に低ワーク電圧、かつ高性能の金属酸化膜電界効果半導体トランジスタか、もしくはシリコン・オン・インシュレーター（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ：ＳＯＩと称する）ベースの金属酸化膜半導体トランジスタを提供するものであって、仕事関数を調整できる特性を具えた金属合金を利用して構成する。
【００２９】
即ち、化学的性質が不活性で、かつ高い仕事関数を具える元素を選択して基本材料とし、相対的に仕事関数の低い元素金属を異なる比率でドーピングし、合成して適宜な仕事関数を具える合金とし、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタのゲート構造を構成する。その目的は、安定性を具え、かつ連続して大幅に仕事関数を変調できる合金によって、各種の低ワーク電圧で高性能の半導体トランジスタゲート材料における仕事関数の要求を満たすことにある。
【００３０】
この発明においては、高仕事関数を具える元素をタンタル（Ｔａ）か、パラジウム（Ｐｄ）から選択し、低仕事関数を具える元素をチタン（Ｔｉ）か、タンタル（Ｔａ）から選択する。また、同時スパッタリングか、もしくは同時蒸着などの物理的雰囲気における沈降方式を利用して必要とする成分でパラジウムターゲットを調整し、かつ事関数の金属元素の沈降速度を調整し、適宜なパラジウム合金を合成する。また、予め合成した合金ターゲットを利用し、単純な物理的スラッタリング方式で製造してもよい。
【００３１】
以下、パラジウム・タンタル合金と、パラジウム・チタン合金を例に挙げて、この発明について詳述する。
パラジウム・タンタル合金は、同時スパッタリング方式で熱酸化層を１０ｎｍ成長させたシリコンチップ上に沈降させ、リフト・オフ形式でゲートのパターンを形成する。合金の元素比率は両金属ターゲットのスパッタリング効率を変化させる。即ち、沈降速度が制御される。図１は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタの標準化した静電容量値と電圧の関係を表わす説明図である。図示する全ての曲線は電圧の横軸に沿って移動し、全ての素子がそれぞれ異なる仕事関数を有することを表わす。また、図示によるＮ＋ｐｏｌｙは、ゲート材料がｎ型多結晶シリコンであり、Ａ１はゲート材料がタンタル・チタン合金であって、６３％のタンタル（Ｔａ）と、３７％のチタン（Ｔｉ）を含むことを表わす。Ａ２はゲート材料が純タンタル元素であることを表わす。Ａ３はゲート材料がパラジウム・タンタル合金であって、　７４％のタンタル（Ｔａ）と、２６％のパラジウム（Ｐｄ）を含むことを表わす。Ａ４はゲート材料がパラジウム・タンタル合金であって、６５％のタンタル（Ｔａ）と、３５％のパラジウム（Ｐｄ）を含むことを表わす。Ａ５はゲート材料がパラジウム・タンタル合金であって、５８％のタンタル（Ｔａ）と、４２％のパラジウム（Ｐｄ）を含むことを表わす。Ａ６はゲート材料が純パラジウム元素であことを表わす。
【００３２】
図２は、図１から得た仕事関数を表わし、大幅で連続した変調を行うことができる。図示によれば、６３％のタンタル（Ｔａ）と、３７％のチタン（Ｔｉ）とによるタンタル・チタン合金は、仕事関数がｎ型多結晶シリコンの仕事関数に近く（約４．２ｅＶ）、ｎ型金属酸化膜半導体トランジスタのゲート材料に適する。７４％のタンタル（Ｔａ）と、２６％のパラジウム（Ｐｄ）とによるパラジウム・タンタル合金は、仕事関数が約４．６ｅＶでシリコン・オン・インシュレーター金属酸化膜半導体トランジスタのゲート材料に適する。６５％のタンタル（Ｔａ）と、３５％のパラジウム（Ｐｄ）とによるタンタル・パラジウム合金は、仕事関数が約５．０ｅＶであって、ｐ型金属酸化膜半導体トランジスタのゲート材料に適する。
【００３３】
以下、実例を挙げてこの発明をさらに詳述する。
実例１
図３にこの発明による単層金属ゲートを具える金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを開示する。図示によれば、該トランジスタは半導体基板（１１）と、ソース（１２）と、ドレイン（１３）と絶縁層（１６）とゲート絶縁層（１４）と金属ゲート層（１５）とを含んでなる。ソース（１２）はキャリアを提供する注入端とし、ドレイン（１３）はキャリアを受け入れる一端とする。該絶縁層（１６）は隣り合う二つの素子の間に電気的干渉が発生しないようにするためのものであって、ゲート絶縁層（１４）は金属ゲート層と半導体基板を隔離して絶縁する。金属ゲート層（１５）は素子の初期電圧を制御する作用を有するＰ型単層金属ゲートを具える金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを例にあげると、該半導体基板（１１）はＮ型であって該金属ゲート層は素子の初期電圧を制御し、かつ該初期電圧を−０．２〜−０．４Ｖに設定する。金属ゲート層（１５）は２種類の元素によってなる合金層であって、その仕事関数は４．８〜５．１ｅＶである。即ち仕事関数の高い元素と仕事関数の低い元素とによって組成される。高仕事関数値は５．１ｅＶより大きくなり、低仕事関数は４．８ｅＶより低くなる。該金属ゲート層（１５）について以下に詳しく説明する。
【００３４】
前記金属ゲート層（１５）は次の組成から選択することができる。
１．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）である合金。
２．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がチタン（Ｔｉ）である合金。
３．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）である合金。その組成比をＰｄ：Ｔａ＝４２：５８とする。
【００３５】
Ｎ型単層金属ゲートを具える金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を例に挙げると、半導体基板（１１）はＰ型であって該金属ゲート層は素子の初期電圧を制御し、かつ該初期電圧を０．２〜０．４Ｖに設定する。金属ゲート層（１５）は２種類の元素によってなる合金層であって、その仕事関数は４．０〜４．２ｅＶである。即ち、仕事関数の高い元素と仕事関数の低い元素とによって組成される。高仕事関数値は４．２ｅＶより大きくなり、低仕事関数は４．０ｅＶより低くなる。該金属ゲート層（１５）について以下に詳しく説明する。
【００３６】
前記金属ゲート層（１５）は次の組成から選択することができる。
１．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がチタン（Ｔｉ）である合金。
２．高仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）であって低仕事関数の元素がチタン（Ｔｉ）である合金。
３．高仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）であって低仕事関数の元素がチタン（Ｔｉ）である合金。その組成比をＴａ：Ｔｉ＝６３：３７とする。
【００３７】
実例２
図４に、この発明による単層金属ゲート完全空乏型シリコン・オン・インシュレート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＦＤ−ＳＯＩ−ＭＯＳＦＥＴ）を開示する。図示によれば、該トランジスタは半導体基板（２１１）と、第一絶縁層（２６１）と半導体層（２１２）とソース（２２）と、ドレイン（２３）と第二絶縁層（２６２）とゲート絶縁層（２４）と金属ゲート層（２５）とを含んでなる。該第１絶縁層（２６１）は半導体基板と半導体層を絶縁する作用を有し、該半導体層（２１２）は、ソースとドレインとを連結するチャネルとなる。ソース（２２）はキャリアを提供する注入端とし、ドレイン（２３）はキャリアを受け入れる一端とする。該第２絶縁層（２６２）は隣り合う二つの素子の間に電気的干渉が発生しないようにするためのものであって、該ゲート絶縁層（２４）は金属ゲート層（２５）と半導体層（２１２）を隔離して絶縁する。該金属ゲート層（２５）は素子の初期電圧を制御する作用を有する。
【００３８】
Ｎ型単層金属ゲート完全空乏型シリコン・オン・インシュレート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを例にあげると、初期電圧値は０．２〜０．４Ｖに設定する。金属ゲート層（２５）は２種類の元素によってなる合金層であって、その仕事関数は４．５〜４．７ｅＶである。即ち仕事関数の高い元素と仕事関数の低い元素とによって組成される。高仕事関数値は４．７ｅＶより大きくなり、低仕事関数は４．５ｅＶより低くなる。該金属ゲート層（２５）について以下に詳しく説明する。
【００３９】
前記金属ゲート層（２５）は次の組成から選択することができる。
１．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）である合金。
２．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がチタン（Ｔｉ）である合金。
３．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）である合金。その組成比をＰｄ：Ｔａ＝２６：７４とする。
【００４０】
Ｐ型単層金属ゲート完全空乏型シリコン・オン・インシュレート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＦＤ−ＳＯＩ−ＭＯＳＦＥＤ）を例にあげると、半導体基板（２１１）はＰ型であって該金属ゲート層（２５）は素子の初期電圧を制御し、かつ初期電圧を−０．２〜−０．４Ｖに設定する。金属ゲート層は２種類の元素によってなる合金層であって、その仕事関数は４．５−４．７ｅＶである。即ち、仕事関数の高い元素と仕事関数の低い元素とによって組成される。高仕事関数値は４．７ｅＶより大きくなり、低仕事関数は４．５ｅＶより低くなる。該金属ゲート層（２５）について以下に詳しく説明する。
【００４１】
前記金属ゲート層（１５）は次の組成から選択することができる。
１．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）である合金。
２．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がチタン（Ｔｉ）である合金。
３．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）である合金。その組成比をＰｄ：Ｔａ＝２６：７４とする。
【００４２】
実例３
図５に、この発明による二重金属ゲート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを開示する。図示によれば、該トランジスタは半導体基板（３１）と、ソース（３２）と、ドレイン（３３）と絶縁層（３６）とゲート絶縁層（３４）と第一金属ゲート層（３５１）と第二金属絶縁層（３５２）とを含んでなる。該ソース（３２）はキャリアを提供する注入端とし、ドレイン（３３）はキャリアを受け入れる一端とする。該絶縁層（３６）は隣り合う二つの素子の間に電気的干渉が発生しないようにするためのものであって、該ゲート絶縁層（３４）は第一金属ゲート層と半導体基板とを隔離して絶縁する。該第一金属ゲート層（３５１）は素子の初期電圧を制御する作用を有する。
【００４３】
Ｐ型二重単層金属ゲートを具える金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを例にあげると、初期電圧値は−０．２〜−０．４Ｖに設定する。金属ゲートは２種類の元素によってなる合金層であって、その仕事関数は４．８〜５．１ｅＶである。即ち仕事関数の高い元素と仕事関数の低い元素とによって組成される。高仕事関数値は５．１ｅＶより大きくなり、低仕事関数は４．８ｅＶより低くなる。該第二金属ゲート層（３５２）はゲート電気的導電層とし、第一金属ゲート層に比して低いインピータンスを具え、モリブデン（Ｍｏ）か、タングステン（Ｗ）か、もしくはタンタル（Ｔａ）から選択される。第一金属ゲート層（３５１）について以下に詳しく説明する。
【００４４】
前記第一金属ゲート層（３５１）は次の組成から選択することができる。
１．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）である合金。
２．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がチタン（Ｔｉ）である合金。
３．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）である合金。その組成比をＰｄ：Ｔａ＝４６：５８とする。
【００４５】
Ｎ型二重金属ゲート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを例にあげると、半導体基板（３１）はＰ型であって第一金属ゲート層（３５１）は素子の初期電圧を制御し、かつ初期電圧を０．２〜０．４Ｖに設定する。該金属ゲート層（３５１）は２種類の元素によってなる合金層であって、その仕事関数は４．０〜４．２ｅＶである。即ち、仕事関数の高い元素と仕事関数の低い元素とによって組成される。高仕事関数値は４．０ｅＶより大きくなり、低仕事関数は４．２ｅＶより低くなる。該第二金属ゲート層（３５２）はゲート電気的導電層とし、第一金属ゲート層に比して低いインピーダンスを有し、モリブデン（Ｍｏ）か、タングステン（Ｗ）か、もしくはタンタル（Ｔａ）から選択される。該第一金属ゲート層（３５１）について以下に詳しく説明する。
【００４６】
前記第一金属ゲート層（３５１）は次の組成から選択することができる。
１．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がチタン（Ｔｉ）である合金。
２．高仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）であって低仕事関数の元素がチタン（Ｔｉ）である合金。
３．高仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）であって低仕事関数の元素がチタン（Ｔｉ）である合金。その組成比をＴａ：Ｔｉ＝６３：３７とする。
【００４７】
実例４
図６に、この発明による二重金属ゲート完全空乏型シリコン・オン・インシュレート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＦＤ−ＳＯＩ−ＭＯＳＦＥＴ）を開示する。図示によれば、該トランジスタは半導体層（４１２）とソース（４２）と、ドレイン（４３）と第二絶縁層（４６２）とゲート絶縁層（４４）と第一金属ゲート層（４５１）第二金属ゲート層（４５２）とを含んでなる。該第一絶縁層（４６１）は半導体基板（４１１）と半導体層（４１２）を絶縁する作用を有し、該半導体層（４１２）は、ソースとドレインを連結するチャネルとなる。ソース（４２）はキャリアを提供する注入端とし、ドレイン（４３）はキャリアを受け入れる一端とする。該第二絶縁層（４６２）は隣り合う二つの素子の間に電気的干渉が発生しないようにするためのものであって、該ゲート絶縁層（４４）は第一金属ゲート層（４５１）と半導体層（４１２）とを隔離して絶縁する。該第一金属ゲート層（４５１）は素子の初期電圧を制御する作用を有する。
【００４８】
Ｎ型二重金属ゲート完全空乏型シリコン・オン・インシュレート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタを例に挙げると、初期電圧値は０．２〜０．４Ｖに設定する。該第一金属ゲート層（４５１）は２種類の元素によってなる合金層であって、その金属関数は４．５〜４．７ｅＶである。即ち仕事関数の高い元素と仕事関数の低い元素とによって組成される。高仕事関数は４．７ｅＶより大きくなり、低仕事関数は４．５ｅＶより低くなる。該第二金属ゲート層（４５２）はゲート電気的導電層とし第一金属ゲート層（４５１）に比して低いインピーダンスを有し、モリブデン（Ｍｏ）か、タングステン（Ｗ）か、もしくはタンタル（Ｔａ）から選択される。該第一金属ゲート層（４５１）について以下に詳しく説明する。
【００４９】
前記第一金属ゲート層（４５１）は次の組成から選択することができる。
１．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）である合金。
２．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がチタン（Ｔｉ）である合金。
３．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）である合金。その組成比をＰｄ：Ｔａ＝７４：２６とする。
【００５０】
Ｐ型二重金属ゲート完全空乏型シリコン・オン・インシュレート金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＦＤ−ＳＯＩ−ＭＯＳＦＥＤ）を例に挙げると、半導体基板（４１１）はＰ型であって、該第一金属ゲート層（４５１）は素子の初期電圧を制御し、かつ初期電圧を０．２〜０．４Ｖに設定する。第一金属ゲート層（４５１）は２種類の元素によってなる合金層であってその金属関数は４．５〜４．７ｅＶである。即ち高仕事関数の高い元素と仕事関数の低い元素とによって組成される。高仕事関数値は４．７ｅＶより大きくなり、低仕事関数は４．５ｅＶより低くなる。該第二金属ゲート層（４５２）はゲート電気的導電層であって第一金属ゲート層（４５１）に比して低いインピーダンスを有し、モリブデン（Ｍｏ）か、タングステン（Ｗ）か、もしくはタンタル（Ｔａ）から選択される。第一金属ゲート層（４５１）について以下に詳しく説明する。
【００５１】
前記第一金属ゲート層（４５１）は次の組成から選択することができる。
１．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）である合金。
２．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がチタン（Ｔｉ）である合金。
３．高仕事関数の元素がパラジウム（Ｐｄ）であって低仕事関数の元素がタンタル（Ｔａ）である合金。その組成比をＰｄ：Ｔａ＝２６：７４とする。
【００５２】
以上は、この発明の好ましい実施例であって、この発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、この発明の精神の下においてなされ、この発明に対して均等の効果を有するものは、いずれもこの発明の特許請求の範囲の範囲に属するものとする。
【００５３】
【発明の効果】
この発明による金属酸化膜半導体電界効果トランジスタのゲート構造は合金が仕事関数を変調する特性を応用して金属酸化膜半導体電界効果トランジスタのゲート構造を構成したものであって、化学的性質が不活性で、かつ高い仕事関数を有するパラジウムを基本材料とし、例えばタンタル、もしくはチタン等の低仕事関数を有する金属をそれぞれ異なる比率でドーピングし、かかる構成によって各種低ワーク電圧のニーズを満たすことのできる金属酸化膜半導体電界効果トランジスタのゲート構造を構成する。かかる新規な構成によって、素子の性能を大幅に高める効果を具え、実用性と進歩性を具える。
【００５４】
また、従来の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタのゲート構造は、多結晶シリコン材料によってゲートを形成する。かかる構成は、等価酸化層の厚さ（ＥＯＴ）の下降を制限するゲート空乏現象（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）を発生させ、高周波数運転の妨げとなる高インピーダンス値、及び閾電圧のドリフトを招くボロン貫入現象（ｂｏｒｏｎ　ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ）を発生させる。但し、この発明においては、化学的性質が不活性で、かつ好ましい熱安定性を具える高仕事関数元素を適宜な比率で低仕事関数元素にドーピングすることによって、合金の化学的作用を受けることがなく、合金の仕事関数の変調も制限を受けない。さらに、かつトランジスタの前工程と互換性のある合金を金属半導体電界効果トランジスタのゲート材料とすることにより表面チャネル型トランジスタの閾電圧を効果的に降下させることができ、低ワーク電圧の要求を満たすことができる。よって、各種の低ワーク電圧、及び低パワーの金属酸化膜半導体電界降下トランジスタを実現することができ、実用性と進歩性を具える。
【００５５】
さらに、この発明による金属酸化膜半導体電界効果トランジスタのゲート構造は、各種の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタに広く応用することができ、各種の集積回路の基本的な素子を提供することができ、好ましい実用性を具える。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明における金属酸化膜トランジスタ電界効果トランジスタの標準化された静電容量と電圧との関係を表わすグラフである。
【図２】この発明における合金の成分と仕事関数との関係を表わすグラフである。
【図３】この発明による単層金属ゲート金属酸化膜トランジスタ電界効果トランジスタの断面構造を表わす説明図である。
【図４】この発明による単層金属ゲート完全空乏型金属酸化膜トランジスタ電界効果トランジスタの断面構造を表わす説明図である。
【図５】この発明による二重金属ゲート金属酸化膜トランジスタ電界効果トランジスタの断面構造を表わす説明図である。
【図６】この発明による二重金属ゲート完全空乏型金属酸化膜トランジスタ電界効果トランジスタの断面構造を表わす説明図である。
【符号の説明】
１１、２１１、３１、４１１　　半導体基板
２１２、４１２　　　半導体層
１２、２２、３２、４２　　ソース
１３、２３、３３、４３　　ドレイン
１４、２４、３４、４４　　絶縁層
１５、２５　　　　金属ゲート層
３５１、４５１　　　第一金属ゲート層
３５２、４５２　　　第二金属ゲート層
１６、３６　　　　絶縁層
２６１、４６１　　　第一絶縁層
２６２、４６２　　　第二絶縁層
【図１】
2004134705.tif 000003
【図２】
2004134705.tif 000004
【図３】
2004134705.tif 000005
【図４】
2004134705.tif 000006
【図５】
2004134705.tif 000007
【図６】
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