JP2002217410A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2002217410A
JP2002217410A JP2001008306A JP2001008306A JP2002217410A JP 2002217410 A JP2002217410 A JP 2002217410A JP 2001008306 A JP2001008306 A JP 2001008306A JP 2001008306 A JP2001008306 A JP 2001008306A JP 2002217410 A JP2002217410 A JP 2002217410A
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film
titanium oxide
semiconductor device
insulating film
gate insulating
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JP2001008306A
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Japanese (ja)
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Hiroshi Moriya
浩志 守谷
Tomio Iwasaki
富生 岩▲崎▼
Hideo Miura
英生 三浦
Shuji Ikeda
修二 池田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-speed, low-power semiconductor device. SOLUTION: A MOS transistor is provided with a titanium oxide gate insulation electrode 104a that is interposed between a semiconductor substrate 101 and a gate electrode 105a. The main crystal structure of titanium oxide is of anatase type. The channel region of the semiconductor substrate is in a tensile stressed condition due to a film 20.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に係
り、特に、高速および低電力に好適なゲート絶縁膜を用
いる半導体装置に関する。
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device using a gate insulating film suitable for high speed and low power.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体装置の高速化および低電力
化の要求がますます高まっている。半導体装置の高速化
を実現するために、素子構造の微細化が進められ、また
電界効果トランジスタにおいてはストレイン効果を利用
することが提案されている。ストレイン効果とは、半導
体が応力を受けた場合、エネルギーバンドがひずみ、キ
ャリアの有効質量が変化するものである。そして、有効
質量を小さくすることができれば、半導体装置は高速化
されることとなる。
2. Description of the Related Art In recent years, there has been an increasing demand for higher speed and lower power of semiconductor devices. In order to realize a high-speed semiconductor device, miniaturization of an element structure has been promoted, and it has been proposed to utilize a strain effect in a field-effect transistor. In the strain effect, when a semiconductor is subjected to stress, an energy band is distorted, and the effective mass of carriers changes. If the effective mass can be reduced, the speed of the semiconductor device will be increased.

【0003】半導体装置の低電力化においては、ゲート
絶縁膜を流れるリーク電流を低減させることが考えら
れ、8.0eVものの大きなバンドギャップを有し、優
れた絶縁性を有する酸化シリコン膜がゲート絶縁膜に多
用されてきた。
In order to reduce the power consumption of a semiconductor device, it is conceivable to reduce a leak current flowing through a gate insulating film. A silicon oxide film having a large band gap of 8.0 eV and having excellent insulating properties is considered to be a gate insulating film. It has been frequently used for membranes.

【0004】しかしながら、近年、半導体装置の微細化
に伴い、ゲート絶縁膜の薄膜化が要求され、3.0nm
以下の酸化膜が使われるようになってきた。絶縁膜の厚
さが3.0nm以下まで薄くなるとトンネル電流が無視
できないほど大きくなり、リーク電流が増大し、消費電
力が増すという問題があった。そこで、ゲート絶縁膜に
酸化シリコンより誘電率の高い酸化チタンを用いること
により、誘電特性を保ちつつ、ゲート絶縁膜の膜厚を厚
くし、トンネル電流の増加を抑えることが考えられてい
る。例えば、酸化チタンと酸化シリコンの比誘電率をそ
れぞれ60、4.0とした場合、膜厚30nmの酸化チ
タン薄膜は、2nmの酸化シリコンと同等の誘電特性も
つことになる。上述の膜厚30nmの酸化チタン薄膜
は、酸化シリコン換算膜厚で2nmと呼ばれる。これに
対し、実際の膜厚30nmは、物理膜厚と呼ばれる。
However, in recent years, with the miniaturization of semiconductor devices, thinning of the gate insulating film has been required, and the thickness of the gate insulating film has been reduced to 3.0 nm.
The following oxide films have been used: When the thickness of the insulating film is reduced to 3.0 nm or less, there is a problem that a tunnel current becomes so large that it cannot be ignored, a leak current increases, and power consumption increases. Therefore, it has been considered that by using titanium oxide having a higher dielectric constant than silicon oxide for the gate insulating film, the thickness of the gate insulating film is increased and the increase in tunnel current is suppressed while maintaining the dielectric characteristics. For example, when the relative dielectric constants of titanium oxide and silicon oxide are 60 and 4.0, respectively, a 30-nm-thick titanium oxide thin film has dielectric properties equivalent to 2 nm of silicon oxide. The above-described titanium oxide thin film having a thickness of 30 nm is called 2 nm in terms of silicon oxide. On the other hand, the actual film thickness of 30 nm is called a physical film thickness.

【0005】酸化チタンは、その製造方法により、ルチ
ル型とアナターゼ型の2種類の結晶構造をとることが知
られている。例えば、IBM Journal of Research and De
velopment VOL.43、NO.3、385ページのTable 1には、化学
的気層成長(Chemical Vapordeposition:CVD)法により、
成膜温度が465℃以下ではアナターゼ型が、550
℃、620℃ではアナターゼ型とルチル型が混在した構
造が、660℃以上ではルチル型をとると記載されてい
る。また、アナターゼ型酸化チタンは、アニールにより
ルチル型に変化することも記載されている。すなわち、
ルチル型酸化チタンがアナターゼ型酸化チタンに比べ熱
的に安定であるため、従来のゲート絶縁膜としては、ル
チル型酸化チタンを用いることが提案されている。
It is known that titanium oxide has two types of crystal structures, rutile type and anatase type, depending on the production method. For example, IBM Journal of Research and De
Table 1 of velopment VOL.43, NO.3, page 385 shows that the chemical vapor deposition (Chemical Vapordeposition: CVD) method
When the film formation temperature is 465 ° C. or lower, the anatase type becomes 550
It is described that a structure in which anatase type and rutile type are mixed at 620 ° C. and 620 ° C., and a rutile type at 660 ° C. or higher. It is also described that anatase type titanium oxide changes to rutile type by annealing. That is,
Since rutile-type titanium oxide is more thermally stable than anatase-type titanium oxide, it has been proposed to use rutile-type titanium oxide as a conventional gate insulating film.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の半導体
装置において、高速化と低電力化を両立させようとする
と、チャネル層に引張ひずみを与え、さらにルチル型酸
化チタンをゲート絶縁膜として使用する構成とする必要
があるが、このような構成では、チャネル層に引張ひず
みを与えることにより、ゲート絶縁膜を流れるリーク電
流が増加して、結果として、消費電力が大きくなるとい
う問題があった。
However, in a conventional semiconductor device, when trying to achieve both high speed and low power, a tensile strain is applied to the channel layer, and further, rutile type titanium oxide is used as a gate insulating film. Although it is necessary to have a structure, such a structure has a problem in that a tensile current is applied to the channel layer, so that a leak current flowing through the gate insulating film increases, and as a result, power consumption increases.

【0007】本発明者らは、この問題について鋭意研究
を行ったところ、ルチル型酸化チタンゲート絶縁膜を流
れるリーク電流密度が、チャネル層に引張りひずみを与
えることによって増加するというメカニズムを見出し
た。そのメカニズムとは、チャネル層に引張りひずみを
与えることによって、ルチル型酸化チタンゲート絶縁膜
にも引張りひずみが発生し、ルチル型酸化チタン膜のバ
ンドギャップが減少し、トンネリング確率が増加し、リ
ーク電流が増加したというものである。
The present inventors have conducted intensive studies on this problem, and have found a mechanism that the leakage current density flowing through the rutile-type titanium oxide gate insulating film is increased by applying a tensile strain to the channel layer. The mechanism is that by applying tensile strain to the channel layer, tensile strain also occurs in the rutile-type titanium oxide gate insulating film, the band gap of the rutile-type titanium oxide film decreases, tunneling probability increases, and leakage current increases. Has increased.

【0008】本発明の目的は、高速で低電力な半導体装
置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a high-speed and low-power semiconductor device.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】(1)上記目的を達成す
るために、本発明は、半導体基板とゲート電極との間に
介在する酸化チタンゲート絶縁膜を有するMOSトラン
ジスタが形成された半導体装置において、上記酸化チタ
ンの主結晶構造がアナターゼ型であるとともに、上記半
導体基板のチャンネル領域のひずみ状態が引張ひずみ状
態となるようにしたものである。
(1) To achieve the above object, the present invention provides a semiconductor device having a MOS transistor having a titanium oxide gate insulating film interposed between a semiconductor substrate and a gate electrode. Wherein the titanium oxide has a main crystal structure of an anatase type and a strain state of a channel region of the semiconductor substrate is a tensile strain state.

【0010】以上の構成により、酸化チタンゲート絶縁
膜の主結晶構造をアナターゼ型とすることにより、ゲー
ト絶縁膜のバンドギャップがルチル型を用いるより大き
くすることができ、また、引張りひずみがゲート絶縁膜
に加わってもアナターゼ型のバンドギャップの方がルチ
ル型のバンドギャップより大きいため、トンネル電流の
引張りひずみによる増大を抑制することができ、リーク
電流を低減して、半導体装置を高速で低電力なものとな
し得るものとなる。
With the above structure, the band gap of the gate insulating film can be made larger than that of the case of using the rutile type by making the main crystal structure of the titanium oxide gate insulating film anatase type, and the tensile strain can be reduced. Even if it is added to the film, the band gap of anatase type is larger than that of rutile type. Therefore, it is possible to suppress an increase in tunnel current due to tensile strain, to reduce a leak current and to operate a semiconductor device at high speed and with low power. What can be done.

【0011】(2)上記(1)において、好ましくは、
上記半導体基板と上記酸化チタンゲート絶縁膜との間
に、シリコン酸化膜またはチタンシリケイト膜を備える
ようにしたものである。
(2) In the above (1), preferably,
A silicon oxide film or a titanium silicate film is provided between the semiconductor substrate and the titanium oxide gate insulating film.

【0012】(3)上記(1)若しくは(2)のいずれ
かにおいて、好ましくは、上記ゲート電極がリンあるい
はボロンを添加した多結晶シリコン膜を有し、上記ゲー
ト電極と上記酸化チタンゲート絶縁膜との間に、シリコ
ン酸化膜またはチタンシリケイト膜を備えるようにした
ものである。
(3) In any one of the above (1) and (2), preferably, the gate electrode has a polycrystalline silicon film to which phosphorus or boron is added, and the gate electrode and the titanium oxide gate insulating film Between them, a silicon oxide film or a titanium silicate film is provided.

【0013】(4)上記(1)若しくは(2)のいずれ
かにおいて、好ましくは、上記ゲート電極が、タングス
テン膜,モリブデン膜,窒化タングステン膜,ホウ化タ
ングステン膜,タングステンンシリサイド膜のいずれか
あるいはそれらの積層構造を有するようにしたものであ
る。
(4) In any one of the above (1) and (2), preferably, the gate electrode is any one of a tungsten film, a molybdenum film, a tungsten nitride film, a tungsten boride film, a tungsten silicide film or It has such a laminated structure.

【0014】(5)上記(1)若しくは(2)のいずれ
かにおいて、好ましくは、上記ゲート電極が、酸化ルテ
ニウム膜を有し、酸化ルテニウム膜と上記酸化チタン絶
縁膜とが接している構造としたものである。
(5) In any one of (1) and (2), preferably, the gate electrode has a ruthenium oxide film, and the ruthenium oxide film and the titanium oxide insulating film are in contact with each other. It was done.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、図1〜図11を用いて、本
発明の第1の実施形態による半導体装置の構成及び製造
方法について説明する。最初に、図1及び図2を用い
て、本実施形態による半導体装置の構成について説明す
る。図1は、本発明の第1の実施形態による半導体装置
の主要部分の断面構成を示す断面図であり、図2のA−
A’断面図である。図2は、本発明の第1の実施形態に
よる半導体装置の主要部分の平面レイアウト図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The structure and a method of manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. First, the configuration of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cross-sectional configuration of a main part of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
It is A 'sectional drawing. FIG. 2 is a plan layout diagram of a main part of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【0016】図1に示すように、本実施形態による半導
体装置は、P型シリコン基板101の表面に、例えばシ
リコン酸化膜からなる素子分離膜102が設けられ、素
子形成領域103が形成されている。素子形成領域10
3には、NチャネルMOSトランジスタが設けられてい
る。
As shown in FIG. 1, in the semiconductor device according to the present embodiment, an element isolation film 102 made of, for example, a silicon oxide film is provided on the surface of a P-type silicon substrate 101, and an element formation region 103 is formed. . Element formation region 10
3 is provided with an N-channel MOS transistor.

【0017】MOSトランジスタは、ゲート絶縁膜10
4aと、ゲート電極105aとを有している。ゲート電
極105aの側面には、例えば窒化シリコンからなるサ
イドウォール106aが形成されている。ゲート絶縁膜
104aの主構成材料は、結晶構造がアナターゼ構造の
酸化チタンである。ゲート電極105aは、例えば、多
結晶シリコン膜や金属薄膜、あるいは金属シリサイド膜
あるいはこれらの積層構造である。MOSトランジスタ
は、ゲート電極105aに自己整合的に形成されたN-
型ソース・ドレイン拡散層107aを有し、素子分離層
102並びにゲート電極105aに自己整合的に形成さ
れたN+型ソース・ドレイン拡散層108を有してい
る。
The MOS transistor has a gate insulating film 10
4a and a gate electrode 105a. On the side surface of the gate electrode 105a, a sidewall 106a made of, for example, silicon nitride is formed. The main constituent material of the gate insulating film 104a is titanium oxide having an anatase crystal structure. The gate electrode 105a is, for example, a polycrystalline silicon film, a metal thin film, a metal silicide film, or a laminated structure of these. The MOS transistor has an N formed on the gate electrode 105a in a self-aligned manner.
It has a source / drain diffusion layer 107a and an N + -type source / drain diffusion layer 108 formed in self-alignment with the element isolation layer 102 and the gate electrode 105a.

【0018】MOSトランジスタの表面には、引張応力
を有する膜20が形成されている。この引張応力を有す
る膜20は、例えば,窒化シリコンである。膜20によ
りシリコン基板のチャネル領域10が引張ひずみ状態と
なり、キャリアの有効質量が小さくなり、デバイスが高
速化される。また、引張応力の膜20により、ゲート絶
縁膜も引張ひずみ状態となる。
A film 20 having a tensile stress is formed on the surface of the MOS transistor. The film 20 having the tensile stress is, for example, silicon nitride. The film 20 puts the channel region 10 of the silicon substrate into a tensile strain state, reduces the effective mass of carriers, and speeds up the device. Further, the gate insulating film is also in a tensile strain state by the film 20 of the tensile stress.

【0019】この半導体装置の表面には、層間絶縁膜1
09が形成されている。層間絶縁膜109には、N+
ソース・ドレイン拡散層108に達するコンタクトホー
ル110が設けられている。
An interlayer insulating film 1 is formed on the surface of the semiconductor device.
09 is formed. In the interlayer insulating film 109, a contact hole 110 reaching the N + type source / drain diffusion layer 108 is provided.

【0020】アナターゼ型酸化チタンゲート絶縁膜10
4aの膜厚は、例えば30nmである。アナターゼ型酸
化チタンと酸化シリコンの比誘電率をそれぞれ60、
4.0とした場合、ゲート絶縁膜104aの膜厚は、同
等の誘電特性をもつ酸化シリコンの膜厚に換算して2n
mとなる。すなわち、物理膜厚は30nm、換算膜厚は
2nmである。
Anatase type titanium oxide gate insulating film 10
The film thickness of 4a is, for example, 30 nm. The relative dielectric constants of anatase type titanium oxide and silicon oxide are 60, respectively.
In the case of 4.0, the thickness of the gate insulating film 104a is 2n in terms of the thickness of silicon oxide having equivalent dielectric properties.
m. That is, the physical film thickness is 30 nm, and the reduced film thickness is 2 nm.

【0021】このように、本実施形態による半導体装置
は、ゲート絶縁膜104aが高誘電材料であるアナター
ゼ型酸化チタンで構成されているので、ゲート絶縁膜1
04aが酸化シリコンの場合に比べて、ゲート絶縁膜a
の物理膜厚を厚くすることができ、DT電流が流れるの
を防ぐごとができる。
As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, since the gate insulating film 104a is made of an anatase type titanium oxide which is a high dielectric material, the gate insulating film 1
04a is a gate insulating film a
Can be made thicker and the DT current can be prevented from flowing.

【0022】また、酸化チタンゲート絶縁膜の主結晶構
造がアナターゼ型を用いており、ゲート絶縁膜のバンド
ギャップがルチル型を用いるより大きくすることができ
る。また、引張りひずみがゲート絶縁膜に加わってもア
ナターゼ型のバンドギャップの方がルチル型のバンドギ
ャップより大きい。それにより、引張りひずみによるト
ンネル電流の増大を抑制することができる。
Further, the main crystal structure of the titanium oxide gate insulating film uses an anatase type, and the band gap of the gate insulating film can be made larger than that using a rutile type. Even when tensile strain is applied to the gate insulating film, the band gap of the anatase type is larger than that of the rutile type. Thereby, an increase in tunnel current due to tensile strain can be suppressed.

【0023】ここで、図3〜図5を用いて、本実施形態
による半導体装置に用いるアナターゼ型酸化チタンの引
張りひずみ依存性について、ルチル型酸化チタンの特性
と比較して説明する。最初に、図3を用いて、酸化チタ
ンのバンドギャップの引張りひずみ依存性について説明
する。図3は、酸化チタンのバンドギャップの引張りひ
ずみ依存性の説明図である。図において、横軸は引張り
ひずみε(%)を示し、縦軸はバンドギャップEg(e
V)を示している。また、図中、実線Aはアナターゼ型
を示しており、実線Rはルチル型を示している。
Here, the tensile strain dependency of the anatase type titanium oxide used in the semiconductor device according to the present embodiment will be explained in comparison with the characteristics of the rutile type titanium oxide with reference to FIGS. First, the tensile strain dependence of the band gap of titanium oxide will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram of the tensile strain dependence of the band gap of titanium oxide. In the figure, the horizontal axis indicates tensile strain ε (%), and the vertical axis indicates band gap Eg (e).
V). In the figure, the solid line A indicates the anatase type, and the solid line R indicates the rutile type.

【0024】図3から理解されるように、ルチル型酸化
チタンRのバンドギャップEgR(ε)と、アナターゼ
型酸化チタンAのバンドギャップEgA(ε)は,ひず
みが増加するに従い共に減少するが、アナターゼ型酸化
チタンAのバンドギャップEgA(ε)は、ルチル型酸
化チタンRのバンドギャップEgR(ε)より小さくな
ることはないものである。
[0024] As understood from FIG. 3, the band gap Eg R of rutile titanium oxide R (epsilon), the band gap Eg A of anatase type titanium oxide A (epsilon) is decreased both in accordance with the strain increases However, the band gap Eg A (ε) of the anatase type titanium oxide A does not become smaller than the band gap Eg R (ε) of the rutile type titanium oxide R.

【0025】図3に示したバンドギャップのひずみ依存
性は、第一原理バンド計算により求めたものである。第
一原理バンド計算とは、例えば、「固体−構造と物性」
岩波講座現代の物理学7(岩波書店、1994年発行)
に記述されているように、固体内の電子についてのシュ
レーディンガー方程式を解き、電子のエネルギーバンド
を計算する手法である。
The strain dependence of the band gap shown in FIG. 3 is obtained by the first principle band calculation. First-principles band calculation is, for example, "solid-structure and physical properties"
Iwanami Lecture Modern Physics 7 (Iwanami Shoten, 1994)
As described in, a method of solving the Schrodinger equation for electrons in a solid and calculating the energy band of the electrons.

【0026】バンドギャップとは、電子によって占有さ
れたエネルギーレベル(価電子バンド)の上端と、電子
によって占有されていないエネルギーレベル(伝導帯バ
ンド)の下端とのエネルギー差である。このバンドギャ
ップが大きいものほど絶縁性が高く、電流が流れ難いと
いえる。また、密度汎関数理論によれば、通常、バンド
ギャップの計算値は、実験値に比べ過小に評価される。
そこで、本計算では、実験結果をもとに、バンドギャッ
プ値の補正を行なっている。
The band gap is the energy difference between the upper end of the energy level (valence band) occupied by electrons and the lower end of the energy level (conduction band) not occupied by electrons. It can be said that the larger the band gap is, the higher the insulating property is and the more difficult it is for a current to flow. According to the density functional theory, the calculated value of the band gap is usually underestimated as compared with the experimental value.
Therefore, in this calculation, the band gap value is corrected based on the experimental results.

【0027】次に、図4を用いて、酸化チタンの仕事関
数の引張りひずみ依存性について説明する。図4は、酸
化チタンの仕事関数の引張りひずみ依存性の説明図であ
る。図において、横軸は引張りひずみε(%)を示し、
縦軸はバンドギャップEg(eV)を示している。な
お、正のひずみは引張りひずみを表し、負のひずみは圧
縮ひずみを表している。また、図中、実線Aはアナター
ゼ型を示しており、実線Rはルチル型を示している。
Next, the dependency of the work function of titanium oxide on tensile strain will be described with reference to FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram of the tensile strain dependence of the work function of titanium oxide. In the figure, the horizontal axis represents tensile strain ε (%),
The vertical axis indicates the band gap Eg (eV). Note that positive strain indicates tensile strain, and negative strain indicates compressive strain. In the figure, the solid line A indicates the anatase type, and the solid line R indicates the rutile type.

【0028】ここで、仕事関数ΦB(ε)は、図3に示
したバンドギャップEgに比例するとし、ルチル型の仕
事関数ΦBR(ε)については以下の式(1)を用い、
アナターゼ型の仕事関数ΦBA(ε)については以下の
式(2)を用いて算出した。
Here, it is assumed that the work function ΦB (ε) is proportional to the band gap Eg shown in FIG. 3, and the following equation (1) is used for the rutile work function ΦB R (ε).
The work function ΦB A (ε) of the anatase type was calculated using the following equation (2).

【0029】 ΦBR(ε)=ΦBR(ε=0)×EgR(ε)/EgR(ε=0)…(1) ΦBA(ε)=ΦBR(ε=0)×EgA(ε)/EgR(ε=0)…(2) なお、ここで、ΦBR(ε=0)は無ひずみ(ε=0)
の場合のルチル型の仕事関数であり、ΦBR(ε=0)
=1.0 eVとした。この値は、実験で得られている
バルクのルチル型酸化チタンの仕事関数である。
ΦB R (ε) = ΦB R (ε = 0) × Eg R (ε) / Eg R (ε = 0) (1) ΦB A (ε) = ΦB R (ε = 0) × Eg A (ε) / Eg R (ε = 0) ... (2) here,, ΦB R (ε = 0) is strain-free (epsilon = 0)
Is the work function of the rutile type in the case of ΦB R (ε = 0)
= 1.0 eV. This value is the work function of bulk rutile-type titanium oxide obtained in the experiment.

【0030】図4に示したように、ルチル型酸化チタン
の仕事関数ΦBR(ε)とアナターゼ型酸化チタンの仕
事関数ΦBA(ε)は、ひずみが増加するに従い共に減
少するが、ルチル型酸化チタンの仕事関数ΦBR(ε)
は、アナターゼ型酸化チタンの仕事関数ΦBA(ε)よ
り小さくなることはないものである。
As shown in FIG. 4, the work function ΦB R (ε) of the rutile type titanium oxide and the work function ΦB A (ε) of the anatase type titanium oxide decrease as the strain increases. Work function ΦB R (ε) of titanium oxide
Is not smaller than the work function ΦB A (ε) of anatase type titanium oxide.

【0031】次に、図5を用いて、酸化チタンのリーク
電流密度の引張りひずみ依存性について説明する。図5
は、酸化チタンの仕事関数のリーク電流密度の引張りひ
ずみ依存性の説明図である。図において、横軸は引張り
ひずみε(%)を示し、縦軸はリーク電流密度(A/c
2)を示している。なお、正のひずみは引張りひずみ
を表し、負のひずみは圧縮ひずみを表している。また、
図中、実線Aはアナターゼ型を示しており、実線Rはル
チル型を示している。
Next, the dependency of the leakage current density of titanium oxide on the tensile strain will be described with reference to FIG. FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram of the dependency of the work function of titanium oxide on the tensile strain of the leak current density. In the figure, the horizontal axis represents tensile strain ε (%), and the vertical axis represents leakage current density (A / c).
m 2 ). Note that positive strain indicates tensile strain, and negative strain indicates compressive strain. Also,
In the figure, the solid line A indicates the anatase type, and the solid line R indicates the rutile type.

【0032】図5に示したリーク電流密度のひずみ依存
性は、図4で得られた仕事関数のひずみ依存性から、例
えば、IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES、VOL.4
6、NO.2、354ページに記述されているように、WKB (Wentz
el - Kramers - Brillouin)近似を用いて絶縁膜を電子
がトンネリングする確率とひずみとの関係から導出した
ものである。
The strain dependency of the leak current density shown in FIG. 5 is obtained from the strain dependency of the work function obtained in FIG. 4, for example, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.
6, NO.2, WKB (Wentz
el-Kramers-Brillouin) approximation, derived from the relationship between the probability that electrons tunnel through the insulating film and the strain.

【0033】図5は、印可電圧は1Vで、膜厚は酸化シ
リコン換算で2.0nmの場合の結果である。図5中の
横軸の酸化シリコン換算膜厚とは、酸化シリコンと同じ
誘電特性が得られる膜厚を示しており、酸化シリコンと
ルチル型酸化チタンの誘電率をそれぞれ4.0、60と
すれば、酸化シリコン換算膜厚2.0nmの酸化チタン
の膜厚は2.0nm×60/4.0=30.0nmとな
る。
FIG. 5 shows the result when the applied voltage is 1 V and the film thickness is 2.0 nm in terms of silicon oxide. The silicon oxide-equivalent film thickness on the horizontal axis in FIG. 5 indicates a film thickness capable of obtaining the same dielectric properties as silicon oxide, and the dielectric constants of silicon oxide and rutile type titanium oxide are 4.0 and 60, respectively. For example, the film thickness of titanium oxide having a silicon oxide equivalent film thickness of 2.0 nm is 2.0 nm × 60 / 4.0 = 30.0 nm.

【0034】図5から、ルチル型酸化チタンとアナター
ゼ型酸化チタンのリーク電流密度は、ひずみの増加に対
して共に単調増加するが、ひずみが加わってもアナター
ゼ型の方がルチル型よりリーク電流密度が小さいことが
わかる。すなわち、チャネル層に引張りひずみを与えた
ために、ゲート絶縁膜に引張りひずみが加わっても、ゲ
ート絶縁膜にアナターゼ型チタン酸化膜を用いることに
より、ルチル型を用いた場合に比べリーク電流の増加を
抑制することができる。従って、消費電力を小さくする
ことができる。
FIG. 5 shows that the leakage current densities of the rutile-type titanium oxide and the anatase-type titanium oxide both increase monotonically with an increase in the strain, but the leak current density of the anatase type is higher than that of the rutile type even when strain is applied. Is small. That is, even if tensile strain is applied to the gate insulating film due to the tensile strain applied to the channel layer, the leakage current is increased by using an anatase type titanium oxide film for the gate insulating film as compared with the case of using the rutile type. Can be suppressed. Therefore, power consumption can be reduced.

【0035】次に、図6〜図11を用いて、本実施形態
による半導体装置の製造方法について説明する。図6〜
図11は、本発明の第1の実施形態による半導体装置の
製造方法を示す工程図である。
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. FIG.
FIG. 11 is a process chart illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【0036】図6に示すように、P型シリコン基板10
1表面に、深さ200nmから300nmの溝を形成
し、シリコン酸化膜を埋め込み、浅溝型の素子分離層1
02を形成する。
As shown in FIG. 6, the P-type silicon substrate 10
On one surface, a groove having a depth of 200 nm to 300 nm is formed, a silicon oxide film is buried, and a shallow trench type element isolation layer 1 is formed.
02 is formed.

【0037】次に、図7に示すように、シリコン基板1
01表面に、例えば化学的気層成長(Chemical Vapor d
eposition:CVD)法により、厚さ30nmほどのアナタ
ーゼ型酸化チタン膜104を形成する。この際、成膜温
度は460℃以下が好ましくは330℃以下であるのが
良い。成膜温度が460℃以上では、酸化チタン膜10
4成膜時ににルチル型の酸化チタンが混在する場合があ
るからである。また、成膜温度が330℃以上では、成
膜時にアナターゼ型であっても、その後の850℃程度
の熱処理によりアナターゼ型酸化チタンがルチル型に相
転移する場合があるからである。アナターゼ型酸化チタ
ン膜104の表面に、膜厚約200nmのN+型の多結
晶シリコン膜105をCVD法等により形成する。
Next, as shown in FIG.
01 surface, for example, Chemical Vapor d
An anatase-type titanium oxide film 104 having a thickness of about 30 nm is formed by eposition (CVD). At this time, the film forming temperature is preferably 460 ° C. or less, and more preferably 330 ° C. or less. When the film formation temperature is 460 ° C. or higher, the titanium oxide film 10
This is because rutile-type titanium oxide may be mixed during film formation. Further, when the film formation temperature is 330 ° C. or more, even if the film is anatase type at the time of film formation, the anatase type titanium oxide may undergo a phase transition to the rutile type by a subsequent heat treatment at about 850 ° C. An N + -type polycrystalline silicon film 105 having a thickness of about 200 nm is formed on the surface of the anatase-type titanium oxide film 104 by a CVD method or the like.

【0038】次に、図8に示すように、フォトレジスト
膜をマスクに用いて、多結晶シリコン膜105、アナタ
ーゼ型酸化チタン膜104をエッチングする。これによ
りMOSトランジスタのゲート絶縁膜104aとゲート
電極105aとを形成する。次に、熱酸化法あるいはC
VD法により膜厚2nm程の酸化シリコン膜96を形成
する。リンのイオン注入によりMOSトランジスタのN
-型ソース・ドレイン領域107を形成する。N-型ソー
ス・ドレイン領域107は、ゲート電極、ゲート絶縁膜
に対して自己整合的である。酸化シリコン膜96を形成
する目的は、このリンイオン注入によるシリコン基板へ
のダメージを和らげるためである。
Next, as shown in FIG. 8, the polycrystalline silicon film 105 and the anatase type titanium oxide film 104 are etched using the photoresist film as a mask. Thus, a gate insulating film 104a and a gate electrode 105a of the MOS transistor are formed. Next, the thermal oxidation method or C
A silicon oxide film 96 having a thickness of about 2 nm is formed by the VD method. The N of the MOS transistor is implanted by phosphorus ion implantation.
- -type source and drain regions 107. The N type source / drain region 107 is self-aligned with the gate electrode and the gate insulating film. The purpose of forming the silicon oxide film 96 is to reduce damage to the silicon substrate due to the phosphorus ion implantation.

【0039】次に、図9に示すように、半導体基板表面
に、厚さ200nmのシリコン窒化膜106をスパッタ
法またはCVD法により堆積する。
Next, as shown in FIG. 9, a silicon nitride film 106 having a thickness of 200 nm is deposited on the surface of the semiconductor substrate by sputtering or CVD.

【0040】さらに、図10に示すように、シリコン窒
化膜106、酸化シリコン膜96をエッチングすること
により、ゲート電極とゲート絶縁膜の側壁にサイドウォ
ール106aを形成する。
Further, as shown in FIG. 10, by etching the silicon nitride film 106 and the silicon oxide film 96, side walls 106a are formed on the side walls of the gate electrode and the gate insulating film.

【0041】最後に、図11に示すように、素子分離膜
102、ゲート電極105a、サイドフォール106a
をマスクとし、砒素のイオン注入により、N+型ソース
・ドレイン拡散層108を形成する。さらに、半導体基
板表面に厚さ200nmのシリコン窒化膜20を、CV
D法により堆積する。CVD法で形成された窒化シリコ
ン膜は、引張り応力となる。この引張り応力により、シ
リコン基板のチャンネル部10と、ゲート絶縁膜104
aも引っ張られ、引張りひずみ状態となる。そして、C
VD法により、層間絶縁膜109を形成し、拡散層表面
に達するコンタクトホール110を形成することによ
り、図1に示した本実施形態による半導体装置の主要部
分が形成される。
Finally, as shown in FIG. 11, the element isolation film 102, the gate electrode 105a, the side fall 106a
Is used as a mask to form an N + type source / drain diffusion layer 108 by arsenic ion implantation. Further, a silicon nitride film 20 having a thickness of 200 nm is
It is deposited by the D method. The silicon nitride film formed by the CVD method has a tensile stress. Due to this tensile stress, the channel portion 10 of the silicon substrate and the gate insulating film 104
a is also pulled to be in a tensile strain state. And C
The main part of the semiconductor device according to the present embodiment shown in FIG. 1 is formed by forming the interlayer insulating film 109 and forming the contact hole 110 reaching the surface of the diffusion layer by the VD method.

【0042】なお、上述した製造方法は、NチャネルM
OSトランジスタの場合であるが、この製造方法はPチ
ャネルMOSトランジスタにも応用できる。さらにCM
OSトランジスタ、BiCMOSトランジスタにも応用
できる。
It should be noted that the above-described manufacturing method uses the N-channel M
In the case of an OS transistor, this manufacturing method can be applied to a P-channel MOS transistor. Further CM
It can also be applied to OS transistors and BiCMOS transistors.

【0043】また、ゲート電極105aとしては、多結
晶シリコン膜以外に、タングステン,モリブデン等の金
属薄膜や、窒化タングステン,ホウ化タングステン等の
金属化合物、あるいはタングステンシリサイド等の金属
シリサイド膜、あるいは酸化ルテニウム膜、あるいはこ
れらの積層構造であってもよいものである。これらの材
料を用いることにより、ゲート電極の低抵抗化が可能と
なる。また、酸化ルテニウム膜と酸化チタンゲート絶縁
膜が接する構造では、酸化チタンゲート絶縁膜の熱的安
定性向上が望める。
As the gate electrode 105a, other than a polycrystalline silicon film, a metal thin film such as tungsten or molybdenum, a metal compound such as tungsten nitride or tungsten boride, a metal silicide film such as tungsten silicide, or ruthenium oxide It may be a film or a laminated structure thereof. By using these materials, the resistance of the gate electrode can be reduced. In a structure in which a ruthenium oxide film and a titanium oxide gate insulating film are in contact with each other, improvement in thermal stability of the titanium oxide gate insulating film can be expected.

【0044】なお、上述したように、アナターゼ型酸化
チタンは、ルチル型に比べて熱的に不安定であるため、
成膜後のアニール処理等によりアナターゼ型からルチル
型に相転移する場合もある。しかしながら、本実施形態
においては、酸化ゲート絶縁膜の主結晶構造をアナター
ゼ型とする点に特徴を有しており、例えば、数%乃至十
%程度のルチル型を含むとしても、本実施形態による効
果をさほど損なうものでないものであり、本実施形態の
範疇のものである。
As described above, anatase-type titanium oxide is more thermally unstable than rutile-type titanium oxide.
In some cases, a phase transition from an anatase type to a rutile type occurs due to annealing treatment after film formation. However, the present embodiment is characterized in that the main crystal structure of the oxide gate insulating film is an anatase type. For example, even if the oxide gate insulating film contains a rutile type of about several to ten percent, The effects are not significantly impaired, and are within the scope of the present embodiment.

【0045】以上説明したように、本実施形態による半
導体装置は、シリコン基板のチャネル領域が引張りひず
み状態となっているため、キャリアである電子の有効質
量が小さくなり、半導体装置が高速化される。
As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, since the channel region of the silicon substrate is in a tensile strain state, the effective mass of electrons as carriers is reduced, and the speed of the semiconductor device is increased. .

【0046】また、本実施形態では、酸化チタンゲート
絶縁膜の主結晶構造がアナターゼ型を用いており、ゲー
ト絶縁膜のバンドギャップがルチル型よりも大きくする
ことができる。また、引張りひずみがゲート絶縁膜に加
わっても、アナターゼ型のバンドギャップの方が、ルチ
ル型のバッドギャップよりも大きくすることができる。
従って、引張りひずみによるトンネル電流の増大を抑制
して、消費電力を少なくすることができる。
In the present embodiment, the main crystal structure of the titanium oxide gate insulating film uses an anatase type, and the band gap of the gate insulating film can be made larger than that of the rutile type. Further, even when tensile strain is applied to the gate insulating film, the band gap of the anatase type can be larger than that of the rutile type.
Therefore, an increase in tunnel current due to tensile strain can be suppressed, and power consumption can be reduced.

【0047】従って、半導体装置の信頼性を向上するこ
とができる。また、その結果、歩留りを向上することが
できる。
Therefore, the reliability of the semiconductor device can be improved. As a result, the yield can be improved.

【0048】次に、図12を用いて、本発明の第2の実
施形態による半導体装置の構成について説明する。図1
2は、本発明の第2の実施形態による半導体装置の主要
部分の構成を示す断面図である。なお、図1と同一符号
は、同一部分を示している。
Next, the configuration of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be explained with reference to FIG. Figure 1
FIG. 2 is a sectional view showing a configuration of a main part of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.

【0049】本実施形態においては、図示するように、
シリコン基板101と酸化チタンゲート絶縁膜104a
との間に、例えば,酸化シリコンまたは窒化シリコンま
たは酸化窒化シリコン等の絶縁膜、またはチタンシリケ
イト膜111を、一層またはそれ以上の層数で形成して
いる。ただし、絶縁膜111の膜厚は、ゲート絶縁膜の
高誘電特性を得るために0.5 nm以下が好ましいも
のである。シリコン基板101と酸化チタンゲート絶縁
膜との間に上記の膜を介在させることにより、酸化チタ
ン絶縁膜の熱的安定性を向上することができる。
In this embodiment, as shown in FIG.
Silicon substrate 101 and titanium oxide gate insulating film 104a
Between them, an insulating film such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or the like, or a titanium silicate film 111 is formed in one or more layers. However, the thickness of the insulating film 111 is preferably 0.5 nm or less in order to obtain high dielectric properties of the gate insulating film. By interposing the above-described film between the silicon substrate 101 and the titanium oxide gate insulating film, the thermal stability of the titanium oxide insulating film can be improved.

【0050】本実施形態においても、半導体装置が高速
化でき、また、消費電力を少なくすることができる。従
って、半導体装置の信頼性を向上することができる。ま
た、その結果、歩留りを向上することができる。
Also in this embodiment, the speed of the semiconductor device can be increased, and the power consumption can be reduced. Therefore, the reliability of the semiconductor device can be improved. As a result, the yield can be improved.

【0051】次に、図13を用いて、本発明の第3の実
施形態による半導体装置の構成について説明する。図1
3は、本発明の第3の実施形態による半導体装置の主要
部分の構成を示す断面図である。なお、図1と同一符号
は、同一部分を示している。
Next, the configuration of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be explained with reference to FIG. Figure 1
FIG. 3 is a sectional view showing a configuration of a main part of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.

【0052】本実施形態においては、図示するように、
ゲート電極を、膜105aと膜112のように構成し、
二層またはそれ以上の層数で形成している。膜112と
しては、シリサイドや、膜105aと同じものや、アル
ミニュウム(Al)やタングステン(W)と用いること
ができる。
In this embodiment, as shown in FIG.
Forming a gate electrode like the film 105a and the film 112;
It has two or more layers. As the film 112, silicide, the same film as the film 105a, aluminum (Al), or tungsten (W) can be used.

【0053】本実施形態においても、半導体装置が高速
化でき、また、消費電力を少なくすることができる。従
って、半導体装置の信頼性を向上することができる。ま
た、その結果、歩留りを向上することができる。
Also in this embodiment, the speed of the semiconductor device can be increased and the power consumption can be reduced. Therefore, the reliability of the semiconductor device can be improved. As a result, the yield can be improved.

【0054】[0054]

【発明の効果】本発明によれば、高速で低電力な半導体
装置を得ることができる。
According to the present invention, a high-speed and low-power semiconductor device can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施形態による半導体装置の主
要部分の断面構成を示す断面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a sectional configuration of a main part of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施形態による半導体装置の主
要部分の平面レイアウト図である。
FIG. 2 is a plan layout view of a main part of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;

【図3】酸化チタンのバンドギャップの引張りひずみ依
存性の説明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of the tensile strain dependence of the band gap of titanium oxide.

【図4】酸化チタンの仕事関数の引張りひずみ依存性の
説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the dependence of the work function of titanium oxide on tensile strain.

【図5】酸化チタンの仕事関数のリーク電流密度の引張
りひずみ依存性の説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of the dependency of the work function of titanium oxide on the tensile strain of the leak current density.

【図6】本発明の第1の実施形態による半導体装置の製
造方法を示す工程図である。
FIG. 6 is a process chart illustrating a method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第1の実施形態による半導体装置の製
造方法を示す工程図である。
FIG. 7 is a process chart illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第1の実施形態による半導体装置の製
造方法を示す工程図である。
FIG. 8 is a process chart illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第1の実施形態による半導体装置の製
造方法を示す工程図である。
FIG. 9 is a process chart illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第1の実施形態による半導体装置の
製造方法を示す工程図である。
FIG. 10 is a process chart illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;

【図11】本発明の第1の実施形態による半導体装置の
製造方法を示す工程図である。
FIG. 11 is a process chart illustrating a method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第2の実施形態による半導体装置の
主要部分の断面構成を示す断面図である。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a cross-sectional configuration of a main part of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図13】本発明の第3の実施形態による半導体装置の
主要部分の断面構成を示す断面図である。
FIG. 13 is a sectional view showing a sectional configuration of a main part of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101…シリコン基板 102…素子分離膜 103…素子形成領域 104…引張りひずみ状態にあるアナターゼ型酸化チタ
ン膜 104a…引張りひずみ状態にあるアナターゼ型酸化チ
タンゲート絶縁膜 105…多結晶シリコン膜 105a,112…ゲート電極 106…シリコン窒化膜 106a…サイドウォール 107,107a…N-型ソース・ドレイン拡散層 108,108a…N+型ソース・ドレイン拡散層 109…層間絶縁膜 110…コンタクトホール 111…絶縁膜 96…酸化シリコン膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Silicon substrate 102 ... Element isolation film 103 ... Element formation region 104 ... Anatase type titanium oxide film in a tensile strain state 104a ... Anatase type titanium oxide gate insulating film in a tensile strain state 105 ... Polycrystalline silicon film 105a, 112 ... The gate electrode 106 ... silicon nitride film 106a ... sidewall 107 and 107a ... N - type source and drain diffusion layers 108, 108a ... N + type source and drain diffusion layers 109 ... interlayer insulating film 110 ... contact hole 111: insulating film 96 ... Silicon oxide film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 英生 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 池田 修二 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 Fターム(参考) 4M104 BB01 BB16 BB18 BB28 BB33 BB35 BB36 BB40 CC05 DD17 EE03 EE15 EE16 EE17 FF13 GG09 5F040 DA02 DB03 DC01 EC01 EC04 EC07 EC08 EC09 ED01 ED03 EK05 EL06 EM10 FA07  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Hideo Miura 502, Kandachicho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Pref. Machinery Research Laboratory, Hitachi, Ltd. F-term within the Hitachi, Ltd. Semiconductor Group (Reference) 4M104 BB01 BB16 BB18 BB28 BB33 BB35 BB36 BB40 CC05 DD17 EE03 EE15 EE16 EE17 FF13 GG09 5F040 DA02 DB03 DC01 EC01 EC04 EC07 EC08 EC09 ED01 ED03 EK05 EL06 EM05 EL06

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板とゲート電極との間に介在する
酸化チタンゲート絶縁膜を有するMOSトランジスタが
形成された半導体装置において、 上記酸化チタンの主結晶構造がアナターゼ型であるとと
もに、 上記半導体基板のチャンネル領域のひずみ状態が引張ひ
ずみ状態になっていることを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device in which a MOS transistor having a titanium oxide gate insulating film interposed between a semiconductor substrate and a gate electrode is formed, wherein a main crystal structure of the titanium oxide is an anatase type, and Wherein the strain state of the channel region is a tensile strain state.
【請求項2】請求項1記載の半導体装置において、 上記半導体基板と上記酸化チタンゲート絶縁膜との間
に、シリコン酸化膜またはチタンシリケイト膜を備える
ことを特徴とする半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a silicon oxide film or a titanium silicate film between said semiconductor substrate and said titanium oxide gate insulating film.
【請求項3】請求項1若しくは請求項2のいずれかに記
載の半導体装置において、 上記ゲート電極がリンあるいはボロンを添加した多結晶
シリコン膜を有し、上記ゲート電極と上記酸化チタンゲ
ート絶縁膜との間に、シリコン酸化膜またはチタンシリ
ケイト膜を備えることを特徴とする半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said gate electrode has a polycrystalline silicon film doped with phosphorus or boron, and said gate electrode and said titanium oxide gate insulating film. A silicon oxide film or a titanium silicate film between them.
【請求項4】請求項1若しくは請求項2のいずれかに記
載の半導体装置において、 上記ゲート電極が、タングステン膜,モリブデン膜,窒
化タングステン膜,ホウ化タングステン膜,タングステ
ンンシリサイド膜のいずれかあるいはそれらの積層構造
を有することを特徴とする半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate electrode is any one of a tungsten film, a molybdenum film, a tungsten nitride film, a tungsten boride film, and a tungsten silicide film. A semiconductor device having a stacked structure thereof.
【請求項5】請求項1若しくは請求項2のいずれかに記
載の半導体装置において、 上記ゲート電極が、酸化ルテニウム膜を有し、酸化ルテ
ニウム膜と上記酸化チタン絶縁膜とが接している構造で
あることを特徴とする半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein said gate electrode has a ruthenium oxide film, and said ruthenium oxide film and said titanium oxide insulating film are in contact with each other. A semiconductor device, comprising:
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