JP2009252895A - Semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高誘電率ゲート絶縁膜を用いたCMOSFET(Complementary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を有する半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a complementary metal oxide semiconductor field effect transistor (CMOSFET) using a high dielectric constant gate insulating film and a method for manufacturing the same.
近年の大規模集積回路の微細化に伴って、CMOSFETトランジスタにおいてもゲート絶縁膜の薄膜化が要求されている。次世代のゲート絶縁膜には、高誘電率ゲート絶縁膜と呼ばれる、シリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜よりも高い比誘電率を持つ金属酸化膜、金属シリケート膜、あるいはこれらの窒化膜を用いることにより、物理的な膜厚を厚くしてリーク電流を抑制しつつ、電気的な膜厚を薄くする提案がなされている。 Along with the recent miniaturization of large-scale integrated circuits, the CMOSFET transistor is also required to have a thin gate insulating film. For the next-generation gate insulating film, use a metal oxide film, metal silicate film, or a nitride film with a higher dielectric constant than silicon oxide film or silicon oxynitride film, which is called high dielectric constant gate insulating film. Thus, a proposal has been made to reduce the electrical film thickness while suppressing the leakage current by increasing the physical film thickness.
特に、高誘電率ゲート絶縁膜として、ハフニウム酸化膜(HfO2膜)、ハフニウム珪酸化膜(HfSiO膜)、あるいはこれらに窒素を混入して耐熱性を向上させたハフニウム酸窒化膜(HfON膜)やハフニウム珪酸窒化膜(HfSiON膜)を用いることが盛んに検討されている。 In particular, as a high dielectric constant gate insulating film, a hafnium oxide film (HfO 2 film), a hafnium silicate film (HfSiO film), or a hafnium oxynitride film (HfON film) in which nitrogen is mixed therein to improve heat resistance In addition, the use of a hafnium silicate nitride film (HfSiON film) has been actively studied.
また、微細化に伴って、従来の多結晶シリコンをゲート電極材料に用いたトランジスタでは、ゲート電極の空乏化により反転側の容量が小さくなるという問題があり、多結晶シリコンに代えて金属をゲート電極に用いる提案がなされている。この場合の金属とは、金属、金属窒化物、あるいは金属珪化物等を言う。 In addition, with the miniaturization, the conventional transistor using polycrystalline silicon as the gate electrode material has a problem that the capacitance on the inversion side is reduced due to depletion of the gate electrode, and metal is used instead of polycrystalline silicon. Proposals for use in electrodes have been made. The metal in this case refers to a metal, a metal nitride, a metal silicide, or the like.
金属をゲート電極に用いる場合、仕事関数が最適な金属を用いることにより、しきい値電圧を制御できるメリットの他に、多結晶シリコンのゲート電極に比較して電極の空乏化が起こりにくいため、大きな反転容量を確保できるというメリットもある。 When using metal for the gate electrode, in addition to the merit that the threshold voltage can be controlled by using the metal with the optimum work function, depletion of the electrode is less likely to occur compared to the gate electrode of polycrystalline silicon. There is also an advantage that a large inversion capacity can be secured.
ただし、高い駆動力のCMOSFETを得るためには、しきい値電圧を下げる必要があり、NMOS(N Channel Metal Oxide Semiconductor)は4.0eV、PMOS(P Channel Metal Oxide Semiconductor)は5.1eV付近の実効仕事関数を持つゲート電極材料を選択するのが望ましい。 However, in order to obtain a CMOSFET having a high driving force, it is necessary to lower the threshold voltage. The NMOS (N Channel Metal Oxide Semiconductor) is about 4.0 eV, and the PMOS (P Channel Metal Oxide Semiconductor) is about 5.1 eV. It is desirable to select a gate electrode material having an effective work function.
また、ゲート電極形成後にソース・ドレインを形成する場合、その活性化に1000℃以上の熱工程が必要である。この熱工程に耐え、ハフニウムを含有する高誘電率ゲート絶縁膜上に形成して、実効仕事関数が高いゲート電極材料は、タングステン窒化膜(WN膜)やモリブデン窒化膜(MoN膜)等があるが、今のところ、実効仕事関数が4.0eVに近く、耐熱性のある材料は見つかっていない。 Further, when the source / drain is formed after the gate electrode is formed, a thermal process of 1000 ° C. or higher is required for the activation. Gate electrode materials that can withstand this thermal process and are formed on a high dielectric constant gate insulating film containing hafnium and have a high effective work function include a tungsten nitride film (WN film) and a molybdenum nitride film (MoN film). However, the effective work function is close to 4.0 eV so far, and no heat-resistant material has been found.
ところで、近年、4.0eV付近の実効仕事関数を得る方法として、ハフニウム酸化膜上にランタン酸化膜(La2O3)をキャップする方法が提案されている(非特許文献1)。 In recent years, as a method for obtaining an effective work function around 4.0 eV, a method of capping a lanthanum oxide film (La 2 O 3 ) on a hafnium oxide film has been proposed (Non-patent Document 1).
この提案されたランタン酸化膜をキャップ膜として用いてCMOSFETを製造する場合、(1)シリコン基板のN型及びP型領域上にシリコン酸化膜の界面層を形成し、この界面層上にハフニウム酸化膜、及びランタン酸化膜を順次積層した後、(2)リソグラフィー工程によりP型領域にレジストを形成し、このレジストをマスクにしてN型領域のランタン酸化膜を除去し、次に(3)このレジストを除去した後、(4)P型領域のランタン酸化膜上及びN型領域のハフニウム酸化膜上にタングステン窒化膜の電極材料を形成し、(5)N型領域のタングステン窒化膜上にシリコン窒化膜を形成した後、このシリコン窒化膜をマスクにしてP型領域のタングステン窒化膜を除去し、次に(6)このシリコン窒化膜を除去した後、(7)タンタル炭化膜、及び多結晶シリコン膜等を積層した後、ゲート加工することになる。 When manufacturing a CMOSFET using the proposed lanthanum oxide film as a cap film, (1) an interface layer of a silicon oxide film is formed on the N-type and P-type regions of the silicon substrate, and hafnium oxide is formed on the interface layer. After sequentially laminating a film and a lanthanum oxide film, (2) a resist is formed in the P-type region by a lithography process, and the lanthanum oxide film in the N-type region is removed using this resist as a mask. After removing the resist, (4) a tungsten nitride electrode material is formed on the lanthanum oxide film in the P-type region and the hafnium oxide film in the N-type region, and (5) silicon is formed on the tungsten nitride film in the N-type region. After forming the nitride film, the tungsten nitride film in the P-type region is removed using this silicon nitride film as a mask, and then (6) the silicon nitride film is removed, and (7) After stacking the barrel carbide film, and a polycrystalline silicon film or the like, so that the gate processing.
しかしながら、上記(2)のレジストを形成する工程において、合わせズレ等が発生すると、一旦レジストを除去した後に、再度フォトリソグラフィー工程を繰り返すため、ランタン酸化膜が大気に晒される時間が長くなる他、ランタン酸化膜が溶剤に晒されることによる膜質の劣化が生じる。また、上記(6)のマスクとして形成したシリコン窒化膜を除去する工程においては、ランタン酸化膜がWet処理液に晒されることによる膜質の劣化あるいはランタン酸化膜の消失等が生じる。 However, in the step of forming the resist of the above (2), when misalignment or the like occurs, the photolithography process is repeated again after removing the resist, so that the time for which the lanthanum oxide film is exposed to the atmosphere becomes longer. Degradation of the film quality occurs when the lanthanum oxide film is exposed to a solvent. Further, in the step (6) of removing the silicon nitride film formed as a mask, the lanthanum oxide film is exposed to the Wet treatment solution, resulting in deterioration of the film quality or loss of the lanthanum oxide film.
なお、上記(2)のレジストを除去する工程において、溶剤を用いずに酸素アッシング法を用いることで、ランタン酸化膜が溶剤に晒されることは防止できるが、酸素アッシングの際に界面層であるシリコン酸化膜の膜厚が増加し、トランジスタ特性が低下してしまうという問題があった。 In the step (2) of removing the resist, by using an oxygen ashing method without using a solvent, the lanthanum oxide film can be prevented from being exposed to the solvent, but it is an interface layer during the oxygen ashing. There has been a problem that the thickness of the silicon oxide film increases and the transistor characteristics deteriorate.
上記したように、ランタン酸化膜の膜質が劣化することにより、NMOS領域においてしきい値電圧の変化が懸念されており、ランタン酸化膜の劣化を防ぐことが求められている。また、PMOS領域においても、材料の実効仕事関数が十分ではないため、よりしきい値電圧を低下させることが求められている。
本発明は、上記の問題に鑑みなされたもので、高誘電率ゲート絶縁膜を用い、PMOS、NMOSに適した仕事関数を有するCMOSFETを有する半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device having a CMOSFET having a work function suitable for PMOS and NMOS using a high dielectric constant gate insulating film and a method for manufacturing the same. .
上記目的を達成するために、本発明の一態様による半導体装置は、絶縁分離されたP型及びN型領域を有する半導体基板と、前記P型領域上に形成されたシリコン酸化膜或いはシリコン酸窒化膜からなる第一の絶縁膜、前記第一の絶縁膜上に形成されたハフニウムを含有せずランタンを含有する第二の絶縁膜、前記第二の絶縁膜上に形成されたハフニウム及びランタンを含有する第三の絶縁膜、前記第三の絶縁膜上に形成されたランタンを含有せずハフニウムを含有する第四の絶縁膜を有する積層構造の第一のゲート絶縁膜と、前記N型領域上に形成されたシリコンゲルマニウム層と、前記シリコンゲルマニウム層上に形成されたシリコン酸化膜或いはシリコン酸窒化膜からなる第五の絶縁膜、前記第五の絶縁膜上に形成されたランタンを含有せずハフニウムを含有する第六の絶縁膜を有する積層構造の第二のゲート絶縁膜と、前記第一及び第二のゲート絶縁膜上にそれぞれ形成されたゲート電極と、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a semiconductor device according to one embodiment of the present invention includes a semiconductor substrate having P-type and N-type regions that are isolated from each other, and a silicon oxide film or silicon oxynitride formed over the P-type region. A first insulating film made of a film, a second insulating film that does not contain hafnium formed on the first insulating film but contains lanthanum, and hafnium and lanthanum formed on the second insulating film. A third insulating film containing, a first gate insulating film having a laminated structure having a fourth insulating film containing hafnium without containing lanthanum formed on the third insulating film, and the N-type region A silicon germanium layer formed thereon, a fifth insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film formed on the silicon germanium layer, and lanthanum formed on the fifth insulating film. And a second gate insulating film having a laminated structure having a sixth insulating film containing hafnium, and a gate electrode formed on each of the first and second gate insulating films. To do.
本発明の一態様による半導体装置の製造方法は、半導体基板の主面に素子分離領域によって、絶縁分離されたP型及びN型領域を形成する工程と、前記第P型及びN型領域上にシリコン酸化膜或いはシリコン酸窒化膜からなる第一の絶縁膜を形成する工程と、前記第一の絶縁膜上にランタン酸化膜、ハフニウムを含有するハフニウム絶縁膜を順次積層形成する工程と、前記N型領域上の前記ハフニウム絶縁膜、前記ランタン酸化膜及び前記第一の絶縁膜を順次除去し、前記N型領域を露出する工程と、前記P型領域上の前記ランタン酸化膜のランタン元素と前記ハフニウム絶縁膜のハフニウム元素を反応させてハフニウム及びランタンを含有する第三の絶縁膜を形成する工程と、前記露出されたN型領域上にシリコンゲルマニウム層を形成した後、前記シリコンゲルマニウム層上にシリコン酸化膜或いはシリコン酸窒化膜からなる第五の絶縁膜を形成する工程と、前記第三の絶縁膜上及び前記第五の絶縁膜上にハフニウムを含有する第四の絶縁膜を形成する工程と、前記P型領域上の前記第一の絶縁膜と前記第三の絶縁膜との間にハフニウムを含有せずランタンを含有する第二の絶縁膜を形成する工程と、前記第四の絶縁膜上にゲート電極材料を形成する工程と、前記ゲート電極材料と前記第一乃至第五の絶縁膜とを加工して、前記P型領域上に前記第一乃至第四の絶縁膜を有する積層構造の第一のゲート絶縁膜と前記第一のゲート絶縁膜上にゲート電極を形成すると共に、前記N型領域上に前記第五の絶縁膜と、前記第四の絶縁膜の加工による第六の絶縁膜とを有する積層構造の第二のゲート絶縁膜、及び前記第二の絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする。 According to one aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a P-type and an N-type region that are insulated and separated by an element isolation region on a main surface of a semiconductor substrate; A step of forming a first insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film, a step of sequentially laminating a lanthanum oxide film and a hafnium insulating film containing hafnium on the first insulating film, and the N Sequentially removing the hafnium insulating film, the lanthanum oxide film and the first insulating film on the mold region to expose the N-type region; and the lanthanum element of the lanthanum oxide film on the P-type region and the Forming a third insulating film containing hafnium and lanthanum by reacting the hafnium element of the hafnium insulating film; and forming a silicon germanium layer on the exposed N-type region. A step of forming a fifth insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film on the silicon germanium layer; and a step of containing hafnium on the third insulating film and the fifth insulating film. Forming a fourth insulating film, and forming a second insulating film not containing hafnium but containing lanthanum between the first insulating film and the third insulating film on the P-type region. A step of forming a gate electrode material on the fourth insulating film; and processing the gate electrode material and the first to fifth insulating films to form the first to fifth layers on the P-type region. A first gate insulating film having a fourth insulating film and a gate electrode is formed on the first gate insulating film, the fifth insulating film on the N-type region, and the fourth gate A second layered structure having a sixth insulating film by processing of the other insulating film And a step of forming a gate electrode on the second insulating film.
また、本発明の別態様による半導体装置の製造方法は、半導体基板の主面に素子分離領域によって、絶縁分離されたP型及びN型領域を形成する工程と、前記P型及びN型領域上にシリコン酸化膜或いはシリコン酸窒化膜からなる第一の絶縁膜を形成する工程と、前記第一の絶縁膜上にハフニウム及びランタンを含有する第三の絶縁膜を形成する工程と、前記N型領域上の前記第三の絶縁膜、及び前記第一の絶縁膜を順次除去し、前記N型領域を露出する工程と、前記P型領域の前記第一の絶縁膜と前記第三の絶縁膜との間にハフニウムを含有せずランタンを含有する第二の絶縁膜を形成する工程と、前記露出されたN型領域上にシリコンゲルマニウム層を形成した後、前記シリコンゲルマニウム層上にシリコン酸化膜或いはシリコン酸窒化膜からなる第五の絶縁膜を形成する工程と、前記第三の絶縁膜上及び前記第五の絶縁膜上にハフニウムを含有する第四の絶縁膜を形成する工程と、前記第四の絶縁膜上にゲート電極材料を形成する工程と、前記ゲート電極材料と前記第一乃至第五の絶縁膜を加工して、前記P型領域上に前記第一乃至第四の絶縁膜を有する積層構造の第一のゲート絶縁膜と前記第一のゲート絶縁膜上にゲート電極を形成すると共に、前記N型領域上に前記第五の絶縁膜と、前記第四の絶縁膜の加工による第六の絶縁膜とを有する積層構造の第二のゲート絶縁膜、及び前記第二の絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、を備えることを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a P-type and an N-type region that are insulated and separated by an element isolation region on a main surface of a semiconductor substrate; Forming a first insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film, forming a third insulating film containing hafnium and lanthanum on the first insulating film, and the N-type Sequentially removing the third insulating film and the first insulating film on the region to expose the N-type region; and the first insulating film and the third insulating film in the P-type region Forming a second insulating film containing lanthanum without containing hafnium, and forming a silicon germanium layer on the exposed N-type region, and then forming a silicon oxide film on the silicon germanium layer Or a silicon oxynitride film Forming a fifth insulating film; forming a fourth insulating film containing hafnium on the third insulating film and the fifth insulating film; and forming a gate on the fourth insulating film. Forming a first electrode material; and processing the first gate electrode material and the first to fifth insulating films to form a first laminated structure having the first to fourth insulating films on the P-type region. Forming a gate electrode on the gate insulating film and the first gate insulating film, and forming the fifth insulating film on the N-type region and a sixth insulating film obtained by processing the fourth insulating film; And a step of forming a gate electrode on the second insulating film.
本発明によれば、高誘電率ゲート絶縁膜を用い、PMOS、NMOSに適した仕事関数を有するCMOSFETを有する半導体装置及びその製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor device which has CMOSFET which uses a high dielectric constant gate insulating film and has a work function suitable for PMOS and NMOS, and its manufacturing method can be provided.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1および図2は本発明の第1の実施形態に係るCMOSFETを有する半導体装置の製造工程を示す断面図である。
(First embodiment)
1 and 2 are cross-sectional views showing a manufacturing process of a semiconductor device having a CMOSFET according to the first embodiment of the present invention.
はじめに、図1(a)に示すように、単結晶シリコン基板(以下、単にシリコン基板と称す)100の主面に、素子分離101によって区画されたPMOSFETの形成領域(以下、単にPMOS領域と称す)であるN型拡散領域102、及びNMOSFETの形成領域(以下、単にNMOS領域と称す)であるP型拡散領域103を形成する。このシリコン基板100上に、熱酸化法またはラジカル酸化法を用いて第一の絶縁膜であるシリコン酸化膜104を形成する。第一の絶縁膜は、シリコン酸化膜の他にシリコン酸窒化膜が考えられる。このシリコン酸化膜104上に、CVD法等を用いてランタン酸化膜105、及びハフニウム酸化膜106を順次、積層形成する。ここで、ランタン酸化膜105は、吸湿性があり、長時間大気に晒されると膜質の劣化が生じるため、ハフニウム酸化膜106の形成は、ランタン酸化膜105を形成し大気開放してから、3時間以内、好ましくは30分以内にすることが望ましい。さらには、ランタン酸化膜105とハフニウム酸化膜106は、真空を破らずに連続で形成することが望ましい。
First, as shown in FIG. 1A, a PMOSFET formation region (hereinafter simply referred to as a PMOS region) partitioned by an
次いで、図1(b)に示すように、NMOS領域上にフォトリソグラフィー法等でレジスト107を形成する。この場合、リワークが発生しても、ランタン酸化膜105がハフニウム酸化膜106でカバーされているため、ランタン酸化膜105の膜質が劣化することはない。
Next, as shown in FIG. 1B, a
その後、図1(c)に示すように、レジスト107をマスクとして、PMOS領域のハフニウム酸化膜106、ランタン酸化膜105及びシリコン酸化膜104を順次、反応性イオンエッチングと希HF/希HCl混合水溶液を用いたエッチングにより除去し、PMOS領域のシリコン基板100の主面を露出させる。
Thereafter, as shown in FIG. 1C, the
続いて、図1(d)に示すように、レジスト107を溶剤で除去する。この時、ランタン酸化膜105は、ハフニウム酸化膜106でカバーされているので、アッシャーを用いずに溶剤でレジスト107を除去することができ、界面層であるシリコン酸化膜104の膜厚増加を防止することができる。
Subsequently, as shown in FIG. 1D, the
次に、図1(e)に示すように、例えば、窒素雰囲気中において1000℃で5〜10秒間加熱処理を行う。この加熱処理によってNMOS領域のランタン酸化膜105とハフニウム酸化膜106とは、ランタン元素とハフニウムとが相互に拡散し、第三の絶縁膜となるハフニウムランタン酸化膜109になる。ここで、窒素雰囲気中には酸素が0.1〜1.0%程度含まれていても構わない。また、このハフニウムランタン酸化膜109は、スパイクアニールにより、極短時間に急激に加熱を行うことによって形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 1E, for example, heat treatment is performed at 1000 ° C. for 5 to 10 seconds in a nitrogen atmosphere. By this heat treatment, the
次に、PMOS領域のシリコン基板102上にシリコンゲルマニウム(SiGe)層108をエピタキシャル成長させる。これは、PMOS領域のハフニウム酸化膜106、ランタン酸化膜105、及びシリコン酸化膜104を反応性イオンエッチングにより除去した際に受けたシリコン基板100のダメージを回復するためである。また、PMOS領域にSiGe層108を成長させることによって、シリコン基板を用いる場合に比べて見かけ上の実効仕事関数を上昇させ、よりPMOSFETに適したしきい値電圧を得ることができる。なお、SiGe層108を成長させる際に、例えば、ボロン等の不純物をドープして、PMOSFETのしきい値電圧の調整を行っても良い。
Next, a silicon germanium (SiGe)
次いで、図2(a)に示すように、PMOS領域のSiGe層108上に、例えば、熱酸化法やラジカル酸化法、あるいは、ALD法等を用いて第五の絶縁膜であるシリコン酸化膜110を形成する。第五の絶縁膜も第一の絶縁膜と同様に、シリコン酸化膜の他にシリコン酸窒化膜が考えられる。SiGe層108を酸化させて第五の絶縁膜を形成する場合、第五の絶縁膜中にゲルマニウム元素が含有される可能性が考えられる。しかし、含有されるゲルマニウム元素が少量であり、デバイス特性に影響を与えない程度であるため、第五の絶縁膜中にゲルマニウム元素が含有されていても構わない。シリコン酸化膜110形成後、CVD法等を用いてNMOS領域のハフニウムランタン酸化膜109及びPMOS領域のシリコン酸化膜110上にハフニウム珪酸化膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 2A, a
このハフニウム珪酸化膜形成後、例えば、室温〜450℃で30〜180秒間プラズマ窒化を行うことにより、ハフニウム珪酸化膜中に窒素を混入させる。さらに、1000〜1050℃の熱処理を行うことにより、第四の絶縁膜であるハフニウム珪酸窒化膜111を形成する。また、この時の加熱工程により、NMOS領域のハフニウムランタン酸化膜109とシリコン酸化膜104の間に第二の絶縁膜であるランタン珪酸化膜(LaSiOx)112が形成される。
After the hafnium silicate film is formed, for example, nitrogen is mixed into the hafnium silicate film by performing plasma nitridation at room temperature to 450 ° C. for 30 to 180 seconds. Further, a heat treatment at 1000 to 1050 ° C. is performed to form a hafnium
その後、図2(b)に示すように、CVD法等を用いてハフニウム珪酸窒化膜111上にゲート電極材料であるタングステン窒化膜113を形成し、さらにそのタングステン窒化膜113上にシリコン窒化膜114を形成し、フォトリソグラフィー法等でPMOS領域にシリコン窒化膜114のマスクを形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 2B, a
続いて、図2(c)に示すように、シリコン窒化膜114のマスクを用いて、NMOS領域のタングステン窒化膜113を過酸化水素水等で除去する。さらに、加熱したリン酸でシリコン窒化膜114のマスクを除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 2C, the
次に、図2(d)に示すように、CVD法等を用いてPMOS領域のタングステン窒化膜113及びNMOS領域のハフニウム珪酸窒化膜111上にゲート電極材料であるタンタル炭化膜115を形成し、さらにタンタル炭化膜115上に多結晶シリコン膜116及びシリコン窒化膜117を順次、積層形成する。
Next, as shown in FIG. 2D, a
次いで、図2(e)に示すように、多結晶シリコン膜116に対してヒ素やリン等をイオン注入した後、フォトリソグラフィー法、反応性イオンエッチング法、Wet処理法を用いて、ゲート電極及びゲート絶縁膜のパターニングを行う。
Next, as shown in FIG. 2E, after arsenic, phosphorus, or the like is ion-implanted into the
本実施形態では、NMOSFETのゲート絶縁膜が、ゲート電極側から、ハフニウム珪酸窒化膜111/ハフニウムランタン酸化膜109/ランタン珪酸化膜112/シリコン酸化膜104の積層構造となり、PMOSFETのゲート絶縁膜が、ハフニウム珪酸窒化膜111/シリコン酸化膜110の積層構造となる。
In the present embodiment, the gate insulating film of the NMOSFET has a laminated structure of the hafnium
言い換えると、NMOSFETのゲート絶縁膜が、シリコン基板100側から、第一の絶縁膜であるシリコン酸化膜/ハフニウム元素を含有せずランタン元素を含有する第二の絶縁膜/ハフニウム元素及びランタン元素を含有する第三の絶縁膜/ランタン元素を含有せずハフニウムを含有する第四の絶縁膜という構造になり、PMOSFETのゲート絶縁膜が、シリコン基板100側から、第五の絶縁膜であるシリコン酸化膜/ランタン元素を含有せずハフニウムを含有する第六の絶縁膜という構造になる。
In other words, the gate insulating film of the NMOSFET has a silicon oxide film that is the first insulating film / the second insulating film that does not contain the hafnium element but contains the lanthanum element / hafnium element and lanthanum element from the
また、NMOSFETのゲート電極は、多結晶シリコン膜116及びタンタル炭化膜115の積層構造になり、PMOSFETのゲート電極は、多結晶シリコン膜116、タンタル炭化膜115、及びタングステン窒化膜113の積層構造になる。
The gate electrode of the NMOSFET has a stacked structure of the
なお、本実施形態では、形成される膜自体が非常に薄い上、膜と膜との界面が不明確であり、界面領域において各膜の構成元素が相互に拡散しているため、第二の絶縁膜中にハフニウムが、また第四の絶縁膜中にランタンが少量存在していると考えられる。このような拡散による元素の浸透は構造上発生するものであり、当該浸透元素は含有元素とは考えない。 In the present embodiment, the formed film itself is very thin, the interface between the films is unclear, and the constituent elements of each film diffuse to each other in the interface region. It is considered that hafnium is present in the insulating film and a small amount of lanthanum is present in the fourth insulating film. Such permeation of elements due to diffusion occurs structurally, and the permeation elements are not considered to be contained elements.
上記した本実施形態によれば、次のような効果が得られる。すなわち、ランタン酸化膜105上にハフニウム酸化膜106を形成することによって、ランタン酸化膜105が大気や溶剤に晒されることを防ぎ、ランタン酸化膜105の膜質劣化を防止することができる。また、ランタン元素をキャップ層から拡散させるのではなく、シリコン基板100上に、しきい値低減に必要な量のランタン元素だけを含有する膜を形成するので、正確にしきい値電圧を調整することができる。さらに、エッチング工程でダメージを受けたPMOS領域にSiGe層108を成長させることによって、NMOSFET、PMOSFETともに低しきい値電圧で形成することができる。
According to the above-described embodiment, the following effects can be obtained. That is, by forming the
従来の製造方法では、ランタンを含有する絶縁膜をキャップ層として用い、シリコン酸化膜付近まで拡散させることで、しきい値電圧の調整を行っていたため、ゲート絶縁膜の全ての層にランタン元素が含まれていた上、ランタン元素の量を調整することが困難であった。 In the conventional manufacturing method, an insulating film containing lanthanum is used as a cap layer, and the threshold voltage is adjusted by diffusing it to the vicinity of the silicon oxide film. Therefore, lanthanum element is contained in all layers of the gate insulating film. In addition, it was difficult to adjust the amount of lanthanum element.
また、ランタン珪酸化膜112の比誘電率がシリコン酸化膜104よりも高いため、NMOSFETの電気的なゲート絶縁膜を薄くすることができる。なお、PMOSFETの界面層であるシリコン酸化膜110の膜厚とNMOSFETの界面層であるシリコン酸化膜104の膜厚を最適な膜厚比に選択すると、NMOSFETとPMOSFETで電気的なゲート絶縁膜の厚さを同じにすることが可能となる。
Further, since the relative dielectric constant of the lanthanum
さらに、NMOSFETとPMOSFETが同じ絶縁層構造だと、PMOSFETのリーク電流がNMOSFETよりも低いため、PMOSFETの電気的なゲート絶縁膜の厚さをNMOSFETの電気的なゲート絶縁膜の厚さよりも薄くすることで、リーク電流をNMOSFETとPMOSFETで同じで、PMOSFETの駆動力を従来よりも向上させることも可能となる。具体的なゲート絶縁膜の厚さは、所望のデバイスの要求に合わせて調整することができる。 Furthermore, if the NMOSFET and the PMOSFET have the same insulating layer structure, the leakage current of the PMOSFET is lower than that of the NMOSFET, so that the thickness of the electrical gate insulating film of the PMOSFET is made thinner than the thickness of the electrical gate insulating film of the NMOSFET. As a result, the leakage current is the same between the NMOSFET and the PMOSFET, and the driving power of the PMOSFET can be improved as compared with the prior art. The specific thickness of the gate insulating film can be adjusted according to the requirements of a desired device.
なお、本実施形態において、ランタン酸化膜105を形成した後にハフニウム酸化膜106を形成したが、ランタン酸化膜105を保護するためにはハフニウム酸化膜106を連続膜にする必要があり、その場合、ハフニウム酸化膜106の膜厚は0.3nm以上であることが望ましい。
In this embodiment, the
また、ランタン酸化膜105はしきい値を制御するために用いるため、デバイスの要求に合わせて膜厚を調整することができる。例えば、低いしきい値電圧が要求される場合は、ランタン酸化膜105を厚く形成すれば良く、それほど低いしきい値電圧が要求されないデバイスの場合は、膜ではなく、島状の状態でも良いし、金属ランタンの状態でも良い。
In addition, since the
加えて、本実施形態において、ゲート電極と接するゲート絶縁膜部分には、ハフニウム珪酸窒化膜111を用いたが、ハフニウム酸窒化膜、ジルコニウム酸化膜、ジルコニウム酸窒化膜、ハフニウム珪酸化膜、ハフニウム酸化膜、ジルコニウム珪酸化膜、ジルコニウム珪酸窒化膜、ハフニウムジルコニウム酸化膜、ハフニウムジルコニウム酸窒化膜、ハフニウムジルコニウム珪酸化膜、ハフニウムジルコニウム珪酸窒化膜等を用いてもよい。
In addition, in this embodiment, the hafnium
なお、本実施形態では、NMOS領域のランタン酸化膜105とハフニウム酸化膜106を反応させ、ハフニウムランタン酸化膜109を形成するため、図1(e)に示す工程において加熱工程を行ったが、SiGe層108をエピタキシャル成長させる際に、700℃以上の熱処理でSi基板表面の自然酸化膜を除去する。この高温熱処理時にNMOS領域のランタン酸化膜105とハフニウム酸化膜106は相互に拡散し、ハフニウムランタン酸化膜109が形成されるため、省略しても構わない。
In the present embodiment, the
さらに、本実施形態ではランタン珪酸化膜112の形成をハフニウム珪酸窒化膜111の窒化工程時に行ったが、窒化を行わない材料の場合、例えば、1000℃で5〜10秒間加熱を行うことによって、ランタン珪酸化膜112を形成してもよい。
Furthermore, in the present embodiment, the lanthanum
(第2の実施形態)
図3および図4は本発明の第2の実施形態に係るCMOSFETを有する半導体装置の製造工程を示す断面図である。
(Second Embodiment)
FIG. 3 and FIG. 4 are cross-sectional views showing manufacturing steps of a semiconductor device having a CMOSFET according to the second embodiment of the present invention.
はじめに、図3(a)に示すように、シリコン基板200の主面に、素子分離201によって区画されたPMOS領域であるN型拡散領域202、及びNMOS領域であるP型拡散領域203を形成する。このシリコン基板200上に、熱酸化法またはラジカル酸化法を用いて第一の絶縁膜であるシリコン酸化膜204を形成する。第一の絶縁膜は、シリコン酸化膜の他にシリコン酸窒化膜が考えられる。このシリコン酸化膜204上に、CVD法等を用いて第三の絶縁膜であるハフニウムランタン酸化膜205を形成する。
First, as shown in FIG. 3A, an N-
次いで、図3(b)に示すように、NMOS領域上にフォトリソグラフィー法等でレジスト206を形成する。その後、図3(c)に示すように、レジスト206をマスクとして、PMOS領域のハフニウムランタン酸化膜205及びシリコン酸化膜204を反応性イオンエッチングと希HF水溶液を用いたエッチングにより除去し、PMOS領域のシリコン基板200の主面を露出させる。
Next, as shown in FIG. 3B, a resist 206 is formed on the NMOS region by photolithography or the like. Thereafter, as shown in FIG. 3C, using the resist 206 as a mask, the hafnium
続いて、図3(d)に示すように、レジスト206を溶剤で除去する。この時、酸素アッシャーを用いずに溶剤でレジスト206を除去することにより、シリコン酸化膜204の膜厚増加を防止することができる。次に、図3(e)に示すように、例えば、1000℃で5〜10秒間加熱処理を行うことによって、ハフニウムランタン酸化膜205とシリコン酸化膜204の間に第二の絶縁膜であるランタン珪酸化膜207を形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 3D, the resist 206 is removed with a solvent. At this time, an increase in the thickness of the
その後、PMOS領域のシリコン基板上にSiGe層208をエピタキシャル成長させる。これは、PMOS領域のハフニウムランタン酸化膜205及びシリコン酸化膜204を反応性イオンエッチングにより除去した際に受けたシリコン基板200のダメージを回復するためである。また、PMOS領域にSiGe層208を成長させることによって、シリコン基板を用いる場合に比べて見かけ上の実効仕事関数を上昇させ、しきい値電圧を下げることができる。なお、SiGe層208を成長させる際に、例えば、ボロン等の不純物をドープして、PMOSFETのしきい値電圧の調整を行っても良い。
Thereafter, the
次いで、図4(a)に示すように、PMOS領域のSiGe層208上に例えば、熱酸化法やラジカル酸化法、あるいは、ALD法等により第五の絶縁膜であるシリコン酸化膜209を形成する。第五の絶縁膜も第一の絶縁膜と同様に、シリコン酸化膜の他にシリコン酸窒化膜が考えられる。SiGe層108を酸化させて第五の絶縁膜を形成する場合、第五の絶縁膜中にゲルマニウム元素が含有される可能性が考えられる。しかし、含有されるゲルマニウム元素が少量であり、デバイス特性に影響を与えない程度であるため、第五の絶縁膜中にゲルマニウム元素が含有されていても構わない。続いてNMOS領域のハフニウムランタン酸化膜205及びPMOS領域のシリコン酸化膜209上に第四の絶縁膜であるハフニウム酸化膜210を形成する。
Next, as shown in FIG. 4A, a
その後、図4(b)に示すように、CVD法等を用いてハフニウム酸化膜210上にゲート電極材料であるタングステン窒化膜211を形成し、さらにそのタングステン窒化膜211上にシリコン窒化膜212を形成し、フォトリソグラフィー法でPMOS領域にシリコン窒化膜212のマスクを形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 4B, a
続いて、図4(c)に示すように、シリコン窒化膜212のマスクを用いて、NMOS領域のタングステン窒化膜211を過酸化水素水等で除去する。さらに、加熱したリン酸でシリコン窒化膜212を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 4C, the
次に、図4(d)に示すように、CVD法等を用いてPMOS領域のタングステン窒化膜211及びNMOS領域のハフニウムランタン酸化膜205上にゲート電極材料であるタンタル炭化膜213、さらにそのタンタル炭化膜213上に多結晶シリコン膜214及びシリコン窒化膜215を順次、積層形成する。
Next, as shown in FIG. 4D, a
次いで、図4(e)に示すように、多結晶シリコン膜214に対してヒ素やリン等をイオン注入した後、フォトリソグラフィー法、反応性イオンエッチング法、Wet処理法を用いて、ゲート電極及びゲート絶縁膜のパターニングを行う。
Next, as shown in FIG. 4E, after arsenic, phosphorus, or the like is ion-implanted into the
本実施形態では、NMOSFETのゲート絶縁膜が、ゲート電極側から、ハフニウム酸化膜210/ハフニウムランタン酸化膜205/ランタン珪酸化膜207/シリコン酸化膜204の積層構造となり、PMOSFETのゲート絶縁膜が、ハフニウム酸化膜210/シリコン酸化膜209の積層構造となる。
In the present embodiment, the gate insulating film of the NMOSFET has a laminated structure of
すなわち、NMOS領域のゲート絶縁膜が、シリコン基板200側から、シリコン酸化膜の第一の絶縁膜/ハフニウムを含有せずランタンを含有する第二の絶縁膜/ハフニウム及びランタンを含有する第三の絶縁膜/ランタンを含有せずハフニウムを含有する第四の絶縁膜という構造になり、PMOSFETのゲート絶縁膜が、シリコン基板200側から、第五の絶縁膜であるシリコン酸化膜/ランタン元素を含有せずハフニウムを含有する第六の絶縁膜という構造になる。
That is, the gate insulating film in the NMOS region is from the
また、NMOSFETのゲート電極は、多結晶シリコン膜214及びタンタル炭化膜213の積層構造になり、PMOSFETのゲート電極は、多結晶シリコン膜214、タンタル炭化膜213、及びタングステン窒化膜211の積層構造になる。
The gate electrode of the NMOSFET has a laminated structure of the
なお、本実施形態では、形成される膜自体が非常に薄い上、膜と膜との界面が不明確であり、界面領域において各膜の構成元素が相互に拡散しているため、第二の絶縁膜中にハフニウムが、また第四の絶縁膜中にランタンが少量存在していると考えられる。このような拡散による元素の浸透は構造上発生するものであり、当該浸透元素は含有元素とは考えない。 In the present embodiment, the formed film itself is very thin, the interface between the films is unclear, and the constituent elements of each film diffuse to each other in the interface region. It is considered that hafnium is present in the insulating film and a small amount of lanthanum is present in the fourth insulating film. Such permeation of elements due to diffusion occurs structurally, and the permeation elements are not considered to be contained elements.
上記した実施形態の製造方法によれば、以下のような効果が得られる。すなわち、シリコン酸化膜204上に直接ハフニウムランタン酸化膜205を形成することによって、ランタン酸化膜を形成する場合に比べて膜質の劣化を回避することができる。本実施形態における製造工程中にランタン元素が最表面に露出している工程があるが、ランタン酸化膜と比較してハフニウムランタン酸化膜の吸湿性は少ないため、リワーク等を含めた通常の工程に要する処理時間において十分にハフニウムランタン酸化膜の膜質の劣化を回避することができる。加えて、本実施形態はシリコン酸化膜204上に直接ハフニウムランタン酸化膜205を形成するため、第1の実施形態と比べて工程数を減少させることができる。
According to the manufacturing method of the above-described embodiment, the following effects can be obtained. That is, by forming the hafnium
また、ランタン元素をキャップ層から拡散させるのではなく、シリコン基板200上に、しきい値低減に必要な量のランタン元素だけを含有する膜を形成するので、正確にしきい値電圧を調整することができる。さらに、エッチング工程でダメージを受けたPMOS領域にSiGe層208を成長させることによって、NMOSFET、PMOSFETともに低しきい値電圧のトランジスタを形成することができる。
Further, since the lanthanum element is not diffused from the cap layer but a film containing only the amount of lanthanum element necessary for threshold reduction is formed on the
また、ハフニウムランタン酸化膜205の比誘電率がシリコン酸化膜204よりも高いため、PMOSFETの界面層であるシリコン酸化膜208の膜厚をNMOSFETの界面層であるシリコン酸化膜204の膜厚よりも厚くして最適な膜厚比を選択すると、NMOSFETとPMOSFETで電気的なゲート絶縁膜の厚さを同じにすることが可能となる。
In addition, since the relative dielectric constant of the hafnium
さらに、NMOSFETとPMOSFETが同じ絶縁層構造だと、PMOSFETのリーク電流がNMOSFETよりも低いため、PMOSFETの電気的なゲート絶縁膜の厚さをNMOSFETの電気的なゲート絶縁膜の厚さよりも薄くすることで、リーク電流をNMOSFETとPMOSFETで同じで、PMOSFETの駆動力を従来よりも向上させることも可能となる。具体的なゲート絶縁膜の厚さは、所望のデバイスの要求に合わせて調整することができる。 Furthermore, if the NMOSFET and the PMOSFET have the same insulating layer structure, the leakage current of the PMOSFET is lower than that of the NMOSFET, so that the thickness of the electrical gate insulating film of the PMOSFET is made thinner than the thickness of the electrical gate insulating film of the NMOSFET. As a result, the leakage current is the same between the NMOSFET and the PMOSFET, and the driving power of the PMOSFET can be improved as compared with the prior art. The specific thickness of the gate insulating film can be adjusted according to the requirements of a desired device.
また、本実施形態において、ゲート電極と接するゲート絶縁膜部分にハフニウム酸化膜210を用いたが、ハフニウム酸窒化膜、ジルコニウム酸化膜、ジルコニウム酸窒化膜、ハフニウム珪酸化膜、ハフニウム珪酸窒化膜、ジルコニウム珪酸化膜、ジルコニウム珪酸窒化膜、ハフニウムジルコニウム酸化膜、ハフニウムジルコニウム酸窒化膜、ハフニウムジルコニウム珪酸化膜、ハフニウムジルコニウム珪酸窒化膜等を用いてもよい。
Further, in this embodiment, the
なお、本実施形態では、NMOS領域のハフニウムランタン酸化膜205とシリコン酸化膜204の間にランタン珪酸化膜207を形成するため、図4(a)に示す工程において加熱工程を行ったが、SiGe層208をエピタキシャル成長させる際に、NMOS領域のハフニウムランタン酸化膜205とシリコン酸化膜204が反応し、ランタン珪酸化膜207が形成されるため、省略しても構わない。
In this embodiment, since the lanthanum
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態に係るCMOSFETを有する半導体装置の製造方法について説明する。本実施形態は、前記した第1の実施形態においてNMOSFETの仕事関数制御用のゲート電極とPMOSFETの仕事関数制御用のゲート電極を同じ材料で形成することを特徴とする。また、第1の実施形態のタングステン窒化膜113を形成する工程までは第1の実施形態と同様の製造方法であるため、同様の構成である部分には同じ符号を付し説明は省略する。
(Third embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device having a CMOSFET according to the third embodiment of the present invention will be described. The present embodiment is characterized in that the gate electrode for work function control of the NMOSFET and the gate electrode for work function control of the PMOSFET are formed of the same material in the first embodiment described above. Since the manufacturing method is the same as that of the first embodiment up to the step of forming the
図5は本発明の第3の実施形態に係るCMOSFETを有する半導体装置の製造工程を示す断面図である。図5(a)はNMOSFET、PMOSFETそれぞれの仕事関数制御用のゲート電極としてタングステン窒化膜113を形成する工程を示している。タングステン窒化膜113形成後、図5(b)に示すように、CVD法等を用いてタングステン窒化膜113上に多結晶シリコン膜316及びシリコン窒化膜317を順次、積層形成する。次いで、図5(c)に示すように、多結晶シリコン膜316に対してヒ素やリン等をイオン注入した後、フォトリソグラフィー法、反応性イオンエッチング法、Wet処理法を用いて、ゲート電極及びゲート絶縁膜のパターニングを行う。
FIG. 5 is a sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor device having a CMOSFET according to the third embodiment of the present invention. FIG. 5A shows a process of forming a
本実施形態では、NMOSFETのゲート絶縁膜が、ゲート電極側から、ハフニウム珪酸窒化膜111/ハフニウムランタン酸化膜109/ランタン珪酸化膜112/シリコン酸化膜104の積層構造となり、PMOSFETのゲート絶縁膜が、ハフニウム珪酸窒化膜111/シリコン酸化膜110の積層構造となる。
In the present embodiment, the gate insulating film of the NMOSFET has a laminated structure of the hafnium
言い換えると、NMOSFETのゲート絶縁膜が、シリコン基板100側から、第一の絶縁膜であるシリコン酸化膜/ハフニウム元素を含有せずランタン元素を含有する第二の絶縁膜/ハフニウム元素及びランタン元素を含有する第三の絶縁膜/ランタン元素を含有せずハフニウムを含有する第四の絶縁膜という構造になり、PMOSFETのゲート絶縁膜が、シリコン基板100側から、第五の絶縁膜であるシリコン酸化膜/ランタン元素を含有せずハフニウムを含有する第六の絶縁膜という構造になる。
In other words, the gate insulating film of the NMOSFET has a silicon oxide film that is the first insulating film / the second insulating film that does not contain the hafnium element but contains the lanthanum element / hafnium element and lanthanum element from the
また、NMOSFET、PMOSFETのゲート電極はいずれも、多結晶シリコン膜316及びタングステン窒化膜113の積層構造になる。
Further, the gate electrodes of the NMOSFET and PMOSFET both have a laminated structure of the
なお、本実施形態では、形成される膜自体が非常に薄い上、膜と膜との界面が不明確であり、界面領域において各膜の構成元素が相互に拡散しているため、第二の絶縁膜中にハフニウムが、また第四の絶縁膜中にランタンが少量存在していると考えられる。このような拡散による元素の浸透は構造上発生するものであり、当該浸透元素は含有元素とは考えない。 In the present embodiment, the formed film itself is very thin, the interface between the films is unclear, and the constituent elements of each film diffuse to each other in the interface region. It is considered that hafnium is present in the insulating film and a small amount of lanthanum is present in the fourth insulating film. Such permeation of elements due to diffusion occurs structurally, and the permeation elements are not considered to be contained elements.
また、本実施形態において、NMOSFET、PMOSFETそれぞれの仕事関数制御用のゲート電極としてタングステン窒化膜を用いたが、タングステン窒化膜の他にタンタル炭化膜、チタン窒化膜等を用いても構わない。 In this embodiment, the tungsten nitride film is used as the work function control gate electrode of each of the NMOSFET and the PMOSFET. However, a tantalum carbide film, a titanium nitride film, or the like may be used in addition to the tungsten nitride film.
上記した本実施形態の製造方法によれば、以下のような効果が得られる。NMOSFETの仕事関数制御用のゲート電極とPMOSFETの仕事関数制御用のゲート電極を同じ材料で形成することによって、それぞれの電極材料の作り分けが不要となる。そのため、第1の実施形態の効果に加え、第1の実施形態と比較して製造工程数を減少させることができる。 According to the manufacturing method of the present embodiment described above, the following effects can be obtained. By forming the gate electrode for controlling the work function of the NMOSFET and the gate electrode for controlling the work function of the PMOSFET using the same material, it is not necessary to make each electrode material separately. Therefore, in addition to the effects of the first embodiment, the number of manufacturing steps can be reduced as compared with the first embodiment.
(第4の実施形態)
本発明の第4の実施形態に係るCMOSFETを有する半導体装置の製造方法について説明する。本実施形態は、前記した第2の実施形態においてNMOSFETの仕事関数制御用のゲート電極とPMOSFETの仕事関数制御用のゲート電極を同じ材料で形成することを特徴とする。また、第2の実施形態のタングステン窒化膜211を形成する工程までは第1の実施形態と同様の製造方法であるため、同様の構成である部分には同じ符号を付し説明は省略する。
(Fourth embodiment)
A method for manufacturing a semiconductor device having a CMOSFET according to the fourth embodiment of the present invention will be described. This embodiment is characterized in that the gate electrode for work function control of the NMOSFET and the gate electrode for work function control of the PMOSFET are formed of the same material in the second embodiment described above. Further, since the manufacturing method is the same as that of the first embodiment up to the step of forming the
図6は本発明の第4の実施形態に係るCMOSFETを有する半導体装置の製造工程を示す断面図である。図6(a)はNMOSFET、PMOSFETそれぞれの仕事関数制御用のゲート電極としてタングステン窒化膜211を形成する工程を示している。タングステン窒化膜211形成後、図6(b)に示すように、CVD法等を用いてタングステン窒化膜211上に多結晶シリコン膜414及びシリコン窒化膜415を順次、積層形成する。次いで、図6(c)に示すように、多結晶シリコン膜414に対してヒ素やリン等をイオン注入した後、フォトリソグラフィー法、反応性イオンエッチング法、Wet処理法を用いて、ゲート電極及びゲート絶縁膜のパターニングを行う。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor device having a CMOSFET according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 6A shows a process of forming a
本実施形態では、NMOSFETのゲート絶縁膜が、ゲート電極側から、ハフニウム酸化膜210/ハフニウムランタン酸化膜205/ランタン珪酸化膜207/シリコン酸化膜204の積層構造となり、PMOSFETのゲート絶縁膜が、ハフニウム酸化膜210/シリコン酸化膜209の積層構造となる。
In the present embodiment, the gate insulating film of the NMOSFET has a laminated structure of
すなわち、NMOS領域のゲート絶縁膜が、シリコン基板200側から、シリコン酸化膜の第一の絶縁膜/ハフニウムを含有せずランタンを含有する第二の絶縁膜/ハフニウム及びランタンを含有する第三の絶縁膜/ランタンを含有せずハフニウムを含有する第四の絶縁膜という構造になり、PMOSFETのゲート絶縁膜が、シリコン基板200側から、第五の絶縁膜であるシリコン酸化膜/ランタン元素を含有せずハフニウムを含有する第六の絶縁膜という構造になる。
That is, the gate insulating film in the NMOS region is from the
また、NMOSFET、PMOSFETのゲート電極はいずれも、多結晶シリコン膜414及びタングステン窒化膜211の積層構造になる。
Further, the gate electrodes of the NMOSFET and PMOSFET both have a laminated structure of a
なお、本実施形態では、形成される膜自体が非常に薄い上、膜と膜との界面が不明確であり、界面領域において各膜の構成元素が相互に拡散しているため、第二の絶縁膜中にハフニウムが、また第四の絶縁膜中にランタンが少量存在していると考えられる。このような拡散による元素の浸透は構造上発生するものであり、当該浸透元素は含有元素とは考えない。 In the present embodiment, the formed film itself is very thin, the interface between the films is unclear, and the constituent elements of each film diffuse to each other in the interface region. It is considered that hafnium is present in the insulating film and a small amount of lanthanum is present in the fourth insulating film. Such permeation of elements due to diffusion occurs structurally, and the permeation elements are not considered to be contained elements.
また、本実施形態において、NMOSFET、PMOSFETそれぞれの仕事関数制御用のゲート電極としてタングステン窒化膜を用いたが、タングステン窒化膜の他にタンタル炭化膜、チタン窒化膜等を用いても構わない。 In this embodiment, the tungsten nitride film is used as the work function control gate electrode of each of the NMOSFET and the PMOSFET. However, a tantalum carbide film, a titanium nitride film, or the like may be used in addition to the tungsten nitride film.
上記した本実施形態の製造方法によれば、以下のような効果が得られる。NMOSFETの仕事関数制御用のゲート電極とPMOSFETの仕事関数制御用のゲート電極を同じ材料で形成することによって、それぞれの電極材料の作り分けが不要となる。そのため、第2の実施形態の効果に加え、第2の実施形態と比較して製造工程数を減少させることができる。 According to the manufacturing method of the present embodiment described above, the following effects can be obtained. By forming the gate electrode for controlling the work function of the NMOSFET and the gate electrode for controlling the work function of the PMOSFET using the same material, it is not necessary to make each electrode material separately. Therefore, in addition to the effects of the second embodiment, the number of manufacturing steps can be reduced as compared with the second embodiment.
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々に変形して実施することができる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
100、200 単結晶シリコン基板
101、201 素子分離
102、202 N型拡散領域
103、203 P型拡散領域
104、110、204、209 シリコン酸化膜
105 ランタン酸化膜
106、210 ハフニウム酸化膜
107、206 レジスト
108、208 単結晶SiGe層
109、205 ハフニウムランタン酸化膜
111 ハフニウム珪酸窒化膜
112、207 ランタン珪酸化膜
113、211 タングステン窒化膜
114、117、212、215、317、415 シリコン窒化膜
115、213 タンタル炭化膜
116、214、316、414 多結晶シリコン膜
100, 200 Single
Claims (5)
前記P型領域上に形成されたシリコン酸化膜或いはシリコン酸窒化膜からなる第一の絶縁膜、前記第一の絶縁膜上に形成されたハフニウムを含有せずランタンを含有する第二の絶縁膜、前記第二の絶縁膜上に形成されたハフニウム及びランタンを含有する第三の絶縁膜、前記第三の絶縁膜上に形成されたランタンを含有せずハフニウムを含有する第四の絶縁膜を有する積層構造の第一のゲート絶縁膜と、
前記N型領域上に形成されたシリコンゲルマニウム層と、
前記シリコンゲルマニウム層上に形成されたシリコン酸化膜或いはシリコン酸窒化膜からなる第五の絶縁膜、前記第五の絶縁膜上に形成されたランタンを含有せずハフニウムを含有する第六の絶縁膜を有する積層構造の第二のゲート絶縁膜と、
前記第一及び第二のゲート絶縁膜上にそれぞれ形成されたゲート電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate having isolated P-type and N-type regions;
A first insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film formed on the P-type region, and a second insulating film containing lanthanum without containing hafnium formed on the first insulating film A third insulating film containing hafnium and lanthanum formed on the second insulating film, and a fourth insulating film containing hafnium without containing lanthanum formed on the third insulating film. A first gate insulating film having a stacked structure,
A silicon germanium layer formed on the N-type region;
A fifth insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film formed on the silicon germanium layer, and a sixth insulating film containing hafnium without containing lanthanum formed on the fifth insulating film A second gate insulating film of a laminated structure having
A gate electrode formed on each of the first and second gate insulating films;
A semiconductor device comprising:
前記第P型及びN型領域上にシリコン酸化膜或いはシリコン酸窒化膜からなる第一の絶縁膜を形成する工程と、
前記第一の絶縁膜上にランタン酸化膜、ハフニウムを含有するハフニウム絶縁膜を順次積層形成する工程と、
前記N型領域上の前記ハフニウム絶縁膜、前記ランタン酸化膜及び前記第一の絶縁膜を順次除去し、前記N型領域を露出する工程と、
前記P型領域上の前記ランタン酸化膜のランタン元素と前記ハフニウム絶縁膜のハフニウム元素を反応させてハフニウム及びランタンを含有する第三の絶縁膜を形成する工程と、
前記露出されたN型領域上にシリコンゲルマニウム層を形成した後、前記シリコンゲルマニウム層上にシリコン酸化膜或いはシリコン酸窒化膜からなる第五の絶縁膜を形成する工程と、
前記第三の絶縁膜上及び前記第五の絶縁膜上にハフニウムを含有する第四の絶縁膜を形成する工程と、
前記P型領域上の前記第一の絶縁膜と前記第三の絶縁膜との間にハフニウムを含有せずランタンを含有する第二の絶縁膜を形成する工程と、
前記第四の絶縁膜上にゲート電極材料を形成する工程と、
前記ゲート電極材料と前記第一乃至第五の絶縁膜とを加工して、前記P型領域上に前記第一乃至第四の絶縁膜を有する積層構造の第一のゲート絶縁膜と前記第一のゲート絶縁膜上にゲート電極を形成すると共に、前記N型領域上に前記第五の絶縁膜と、前記第四の絶縁膜の加工による第六の絶縁膜とを有する積層構造の第二のゲート絶縁膜、及び前記第二の絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a P-type and an N-type region that are insulated and separated by an element isolation region on a main surface of the semiconductor substrate;
Forming a first insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film on the P-type and N-type regions;
A step of sequentially forming a lanthanum oxide film and a hafnium insulating film containing hafnium on the first insulating film;
Sequentially removing the hafnium insulating film, the lanthanum oxide film, and the first insulating film on the N-type region to expose the N-type region;
Reacting the lanthanum element of the lanthanum oxide film on the P-type region with the hafnium element of the hafnium insulating film to form a third insulating film containing hafnium and lanthanum;
Forming a silicon germanium layer on the exposed N-type region and then forming a fifth insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film on the silicon germanium layer;
Forming a fourth insulating film containing hafnium on the third insulating film and the fifth insulating film;
Forming a second insulating film not containing hafnium but containing lanthanum between the first insulating film and the third insulating film on the P-type region;
Forming a gate electrode material on the fourth insulating film;
Processing the gate electrode material and the first to fifth insulating films to form the first gate insulating film and the first having a laminated structure having the first to fourth insulating films on the P-type region. A second electrode having a stacked structure including a gate electrode formed on the gate insulating film, a fifth insulating film formed on the N-type region, and a sixth insulating film formed by processing the fourth insulating film. Forming a gate electrode on the gate insulating film and the second insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記P型及びN型領域上にシリコン酸化膜或いはシリコン酸窒化膜からなる第一の絶縁膜を形成する工程と、
前記第一の絶縁膜上にハフニウム及びランタンを含有する第三の絶縁膜を形成する工程と、
前記N型領域上の前記第三の絶縁膜、及び前記第一の絶縁膜を順次除去し、前記N型領域を露出する工程と、
前記P型領域の前記第一の絶縁膜と前記第三の絶縁膜との間にハフニウムを含有せずランタンを含有する第二の絶縁膜を形成する工程と、
前記露出されたN型領域上にシリコンゲルマニウム層を形成した後、前記シリコンゲルマニウム層上にシリコン酸化膜或いはシリコン酸窒化膜からなる第五の絶縁膜を形成する工程と、
前記第三の絶縁膜上及び前記第五の絶縁膜上にハフニウムを含有する第四の絶縁膜を形成する工程と、
前記第四の絶縁膜上にゲート電極材料を形成する工程と、
前記ゲート電極材料と前記第一乃至第五の絶縁膜を加工して、前記P型領域上に前記第一乃至第四の絶縁膜を有する積層構造の第一のゲート絶縁膜と前記第一のゲート絶縁膜上にゲート電極を形成すると共に、前記N型領域上に前記第五の絶縁膜と、前記第四の絶縁膜の加工による第六の絶縁膜とを有する積層構造の第二のゲート絶縁膜、及び前記第二の絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a P-type and an N-type region isolated by an element isolation region on a main surface of a semiconductor substrate;
Forming a first insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film on the P-type and N-type regions;
Forming a third insulating film containing hafnium and lanthanum on the first insulating film;
Sequentially removing the third insulating film and the first insulating film on the N-type region to expose the N-type region;
Forming a second insulating film not containing hafnium but containing lanthanum between the first insulating film and the third insulating film in the P-type region;
Forming a silicon germanium layer on the exposed N-type region, and then forming a fifth insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film on the silicon germanium layer;
Forming a fourth insulating film containing hafnium on the third insulating film and the fifth insulating film;
Forming a gate electrode material on the fourth insulating film;
Processing the gate electrode material and the first to fifth insulating films to form a first gate insulating film having the first to fourth insulating films on the P-type region and the first insulating film A second gate having a laminated structure in which a gate electrode is formed on the gate insulating film, and the fifth insulating film and a sixth insulating film obtained by processing the fourth insulating film are formed on the N-type region; Forming a gate electrode on the insulating film and the second insulating film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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