JP2004289061A

JP2004289061A - Semiconductor device and its manufacturing method

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Publication number: JP2004289061A
Application number: JP2003082174A
Authority: JP
Inventors: Masaru Kadoshima; 勝門島
Original assignee: Renesas Technology Corp
Current assignee: Renesas Technology Corp
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: JP4524995B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which has the thermal stability, while being capable of restricting a threshold voltage low when a metal film having a work function to such a degree that adhesive properties do not get worse or a film composed of a metal component is used as a gate electrode. <P>SOLUTION: In a CMIS element comprising an n-type MIS element and a p-type MIS element, in the n-type MIS element, a gate electrode 10 composed of a silicon nitride tantalic film is formed on a gate insulating film 9 composed of a hafnium aluminate film in the n-type MIS element. On the other hand, in the p-type MIS element, a threshold value adjustment film 7 composed of an aluminium oxide film is formed on the gate insulating film 9 composed of the hafnium aluminate film. A gate electrode 11 composed of the silicon nitride tantalic film is formed on the threshold value adjustment film 7. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特にＭＩＳ（ＭｅｔａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）素子のしきい値電圧を低く抑制することができる半導体装置およびその製造方法に適用して有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）素子のｎ型ＭＯＳ素子とｐ型ＭＯＳ素子の両方において低いしきい値電圧を実現するために、互いに異なる仕事関数（ポリシリコンの場合、フェルミ準位）を有する材料を使用してゲート電極を形成する、いわゆるデュアルゲート化が行われている。つまり、ｎ型ＭＯＳ素子とｐ型ＭＯＳ素子を形成しているポリシリコン膜に対して、それぞれｎ型不純物とｐ型不純物を導入することにより、ｎ型ＭＯＳ素子のゲート電極材料の仕事関数（フェルミ準位）をシリコンの伝導帯近傍にするとともにｐ型ＭＯＳ素子のゲート電極材料の仕事関数（フェルミ準位）をシリコンの価電子帯近傍にして、しきい値電圧の低下を図っている。
【０００３】
しかし、近年ＣＭＯＳ素子の微細化に伴いゲート絶縁膜の薄膜化が進み、ポリシリコン膜をゲート電極に使用した場合におけるゲート電極の空乏化が無視できなくなってきている。すなわち、微細化によって、酸化シリコン膜等よりなるゲート絶縁膜の電気的酸化シリコン等価膜厚を２ｎｍ以下程度にする必要がでてきたが、この場合、ゲート電極の空乏化によりゲート電極内に生ずる寄生容量（厚さ０．３ｎｍ程度の容量）が無視出来なくなってきているのである。このため、ゲート電極材料としてポリシリコン膜ではなく金属膜を使用することが検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１１８１７５号公報（第３頁〜第６頁、図１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ゲート絶縁膜に金属膜を使用した場合、ＭＯＳ素子のしきい値電圧を低くするために、ゲート電極材料である金属膜には、所定の仕事関数を有することが求められる。例えば、しきい値を低く抑えるため、ｎ型ＭＯＳ素子としてはシリコンの伝導帯である４．０５ｅＶ近傍の仕事関数を有する金属材料が要求される。一方、ｐ型ＭＯＳ素子としてはシリコンの価電子帯である５．１７ｅＶ近傍の仕事関数を有する金属材料が要求される。
【０００６】
しかし、上記した４．０５ｅＶ近傍の仕事関数を有する金属材料は、熱的安定性に乏しく、半導体装置の製造工程で加えられる熱処理によってゲート絶縁膜と反応してしまう問題点がある。
【０００７】
また、上記した５．１７ｅＶ近傍の仕事関数を有する金属材料は、逆に隣接するゲート絶縁膜と密着性が悪く剥離してしまう問題点がある。
【０００８】
本発明の目的は、熱的安定性がある一方、密着性が悪くならない程度の仕事関数を有する金属膜または金属化合物よりなる膜をゲート電極として使用した場合に、しきい値電圧を低く抑制できる半導体装置を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、熱的安定性がある一方、密着性が悪くならない程度の仕事関数を有する金属膜または金属化合物よりなる膜をゲート電極として使用した場合に、しきい値電圧を低く抑制できる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１２】
本発明は、（ａ）半導体基板と、（ｂ）前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、（ｃ）前記ゲート絶縁膜上に形成された絶縁体よりなる膜であって、しきい値電圧を調整するしきい値調整膜と、（ｄ）前記しきい値調整膜上に形成され、金属を含む材料よりなるゲート電極とを備えたＭＩＳ素子を有することを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。また、実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１４】
（実施の形態１）
本実施の形態１は、ＣＭＩＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭｅｔａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）素子に本発明を適用したものである。
【００１５】
図１は、本実施の形態１であるＣＭＩＳ素子を示した断面図である。図１において、本実施の形態１であるＣＭＩＳ素子は、まずシリコン単結晶よりなる半導体基板１上に素子形成領域を分離するための素子分離領域２が形成されている。この素子分離領域２は、ｎ型ＭＩＳ素子を形成するｎ型ＭＩＳ素子形成領域とｐ型ＭＩＳ素子を形成するｐ型ＭＩＳ素子形成領域とを分離している。
【００１６】
ｎ型ＭＩＳ素子形成領域の半導体基板１内には、ボロンなどのｐ型不純物を導入したｐ型ウェル３が形成されている一方、ｐ型ＭＩＳ素子形成領域の半導体基板１内にはリンや砒素などのｎ型不純物を導入したｎ型ウェル４が形成されている。
【００１７】
ｐ型ウェル３およびｎ型ウェル４の所定領域上には、ゲート絶縁膜９が形成されており、このゲート絶縁膜９は、例えばハフニウムアルミネート膜から形成されている。このハフニウムアルミネート膜は、酸化シリコン膜より誘電率の高い、いわゆるＨｉｇｈ−ｋ膜であり、その誘電率εは約１６である。
【００１８】
従来、ゲート絶縁膜９としては、絶縁耐性が高い、リーク電流が少ない、シリコン−酸化シリコン界面の電気的・物性的安定性などが優れているとの観点から、酸化シリコン膜が使用されている。しかし、素子の微細化に伴い、ゲート絶縁膜９の膜厚として、２ｎｍ以下が要求されるようになってきている。このように薄いゲート酸化膜を使用すると、ＭＯＳ素子のチャネルを流れる電子が酸化シリコン膜によって形成される障壁をトンネルしてゲート電極に流れる、いわゆるトンネル電流が発生してしまう。そこで、酸化シリコンより誘電率の高い材料を使用して物理的膜厚を増加させることができるＨｉｇｈ−ｋ膜が使用されるようになってきている。例えば、酸化シリコン膜の誘電率は、約４であるので、上記した誘電率が約１６のハフニウムアルミネート膜をゲート絶縁膜９に使用した場合、酸化シリコン膜で約１ｎｍ〜２ｎｍにした場合と同等の容量を得るためには、ハフニウムアルミネート膜の物理的膜厚を約４ｎｍ〜８ｎｍにすることができる。
【００１９】
ゲート絶縁膜９として、ハフニウムアルミネート膜から形成されている例を示したが、これに限らず、例えばアルミナ（酸化アルミニウム）、ハフニア（酸化ハフニウム）、ジルコニア（酸化ジルコニウム）、窒化シリコン、Ｌａ_２Ｏ_３などの希土類酸化物などの膜から形成してもよい。なお、ゲート絶縁膜９としては上記したようにＨｉｇｈ−ｋ膜を使用することが望ましいが、もちろん酸化シリコン膜を使用した場合であっても本発明を適用することができる。
【００２０】
ｎ型ＭＩＳ素子形成領域のゲート絶縁膜９上には、ゲート電極１０が形成されている一方、ｐ型ＭＩＳ素子形成領域のゲート絶縁膜９上には、しきい値調整膜７が形成されている。そして、しきい値調整膜７上にゲート電極１１が形成されている。ゲート電極１０、１１は、金属を含む材料から形成されている。すなわち、ゲート電極１０、１１は、金属あるいは金属化合物から形成され、本実施の形態１では、例えばケイ窒化タンタル膜から形成されている。このケイ窒化タンタルの仕事関数は、４．３ｅＶであり、４．０５ｅＶと５．１７ｅＶの間にあるため、熱的安定性を備えているとともに膜の密着性もよい。
【００２１】
しきい値調整膜７は、ｐ型ＭＩＳ素子におけるしきい値電圧（スレッショルド電圧）を低く抑制するために設けられた膜であり、例えば酸化アルミニウム膜から形成されている。この酸化アルミニウム膜の膜厚は、形成するＭＩＳ素子を微細化する観点から、例えば約０．３ｎｍ〜約２．０ｎｍであることが望ましい。ここで、しきい値電圧とは、ＭＩＳ素子のドレイン電流が流れなくなるゲート電圧をいう。
【００２２】
このように、ゲート絶縁膜９とゲート電極１１との間に酸化アルミニウム膜を形成することにより、ｐ型ＭＩＳ素子におけるしきい値電圧を低くすることができることを本発明者は見出した。例えばｐ型ＭＩＳの場合、従来は、ゲート絶縁膜と接する部分のゲート電極材料の仕事関数がなるべくシリコンの価電子帯の近傍になるような観点から、金属（または金属化合物）材料を選択し、ＭＩＳ型素子のしきい値電圧を低く抑制していた。しかし、本発明は、まったく別の観点からなされたものである。すなわち、ゲート絶縁膜と接する部分のゲート電極材料の仕事関数を所定の値に調整するものではなく、ゲート絶縁膜とゲート電極の間に絶縁体からなる特定の膜を形成することによって、しきい値電圧を低く抑制できることを見出したものである。
【００２３】
なお、上記ではしきい値調整膜７が酸化アルミニウム膜から形成される例を示したが、例えば酸窒化アルミニウム膜から形成してもよい。すなわち、本実施の形態１は、（ａ）半導体基板と、（ｂ）前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、（ｃ）前記ゲート絶縁膜上に形成された絶縁体よりなる膜であって、しきい値電圧を調整するしきい値調整膜と、（ｄ）前記しきい値調整膜上に形成され、金属を含む材料よりなるゲート電極とを備えたＭＩＳ素子を有し、前記しきい値調整膜は酸化アルミニウム膜または酸窒化アルミニウム膜より形成されていることを特徴とするものである。
【００２４】
次に、ゲート電極１０、１１の両側にはサイドウォール１６が形成されている。そして、ｎ型ＭＩＳ素子形成領域においては、このサイドウォール１６の下側にリンなどのｎ型不純物を導入した低濃度ｎ型不純物拡散層１２、１３が形成されており、この低濃度ｎ型不純物拡散層１２、１３の脇には高濃度ｎ型不純物拡散層１７、１８が形成されている。以上より、低濃度ｎ型不純物拡散層１２および高濃度ｎ型不純物拡散層１７よりなるソース領域と低濃度ｎ型不純物拡散層１３および高濃度ｎ型不純物拡散層１８よりなるドレイン領域が形成されている。このようにして、ｎ型ＭＩＳ素子が形成されている。
【００２５】
同様に、ｐ型ＭＩＳ素子形成領域には、低濃度ｐ型不純物拡散層１４および高濃度ｐ型不純物拡散層１９よりなるソース領域と低濃度ｐ型不純物拡散層１５および高濃度ｐ型不純物拡散層２０よりなるドレイン領域が形成されている。このようにして、ｐ型ＭＩＳ素子が形成されている。
【００２６】
半導体基板１に形成されたｎ型ＭＩＳ素子およびｐ型ＭＩＳ素子上には、層間絶縁膜２１が形成されており、この層間絶縁膜２１には、ｎ型ＭＩＳ素子およびｐ型ＭＩＳ素子のソース領域、ドレイン領域に貫通する貫通孔２２が形成されている。
【００２７】
貫通孔２２の内壁にはチタン／窒化チタン膜２３が形成されており、このチタン／窒化チタン膜２３を介して貫通孔２２にはタングステン膜２４が埋め込まれ、プラグが形成されている。チタン／窒化チタン膜２３は、例えばタングステンの拡散を抑制する機能および下地との密着性を向上させる機能を有している。
【００２８】
層間絶縁膜２１上には、チタン／窒化チタン膜２５、アルミニウム膜２６、チタン／窒化チタン膜２７よりなるパターニングされた配線２８が形成されている。なお、図示はしないが、配線２８上には、層間絶縁膜を貫通するプラグを介して多層配線が形成されている。
【００２９】
次に、上記した構成を有するｎ型ＭＩＳ素子とｐ型ＭＩＳ素子のしきい値電圧について述べる。
【００３０】
図２は、ｎ型ＭＩＳ素子とｐ型ＭＩＳ素子のフラットバンド電圧との関係を示したグラフである。横軸は、ＭＩＳ素子のゲート絶縁膜やゲート電極などの材料構成を示したものであり、縦軸は、フラットバンド電圧をボルト（Ｖ）単位で示したものである。
【００３１】
図２において、ゲート絶縁膜９にハフニウムアルミネート膜を使用し、ゲート電極１０にケイ窒化タンタル膜を使用しただけの構成、すなわち、図１に示すｎ型ＭＩＳ素子の構成の場合、フラットバンド電圧は、約−０．６５Ｖであった。
【００３２】
ここで、フラットバンド電圧としきい値電圧とは、所定の式で示されるが、大まかにいうとフラットバンド電圧が約−０．９Ｖのとき、ｎ型ＭＩＳ素子のしきい値電圧が約０Ｖとなり、フラットバンド電圧が＋方向へ上昇するに従ってしきい値電圧が上昇することになる。したがって、フラットバンド電圧が約−０．６５Ｖの場合、ｎ型ＭＩＳ素子のしきい値電圧は、約０．２５Ｖになる。
【００３３】
一方、フラットバンド電圧が約０．１Ｖのときｐ型ＭＩＳ素子のしきい値電圧が約０Ｖになり、フラットバンド電圧が−方向へ下降するに従ってしきい値電圧が上昇する。したがって、ｐ型ＭＩＳ素子として、ゲート絶縁膜９にハフニウムアルミネート膜を使用し、このゲート絶縁膜９上にケイ窒化タンタル膜からなるゲート電極１１を形成しただけの構成をとった場合、しきい値電圧は、約０．７５Ｖにもなってしまう。
【００３４】
ところが、ゲート絶縁膜９にハフニウムアルミネート膜を使用し、ゲート電極１１にケイ窒化タンタル膜を使用するとともにゲート絶縁膜９とゲート電極１１の間に酸化アルミニウム膜よりなるしきい値調整膜７を形成した構成、すなわち図１に示すｐ型ＭＩＳ素子の構成をとった場合、フラットバンド電圧は、約−０．６５Ｖから約−０．３２Ｖになった。つまり、フラットバンド電圧を＋方向に約０．３３Ｖシフトさせることができた。このようにフラットバンド電圧を約＋０．３３Ｖシフトできたということは、ｐ型ＭＩＳ素子のしきい値電圧を約０．３３Ｖ下げることができたことを意味し、ｐ型ＭＩＳ素子のしきい値電圧は、約０．４２Ｖになる。ただし、この構成の場合、ｎ型ＭＩＳ素子のしきい値電圧は、約０．３３Ｖ上昇することになる。
【００３５】
したがって、図１に示すようにｎ型ＭＩＳ素子においては、ハフニウムアルミネート膜よりなるゲート絶縁膜９上にケイ窒化タンタル膜よりなるゲート電極１０を形成した構成をとる一方、ｐ型ＭＩＳ素子においては、ハフニウムアルミネート膜よりなるゲート絶縁膜９とケイ窒化タンタル膜よりなるゲート電極１１の間に酸化アルミニウム膜よりなるしきい値調整膜７を形成する構成をとることで、ｎ型ＭＩＳ素子とｐ型ＭＩＳ素子の両方のしきい値電圧を低く抑制することができる。
【００３６】
ゲート絶縁膜９とゲート電極１１との間の酸化アルミニウム膜よりなるしきい値調整膜７を形成することで、フラットバンド電圧が正方向にシフトする理由は、酸化アルミニウム膜中に存在する負の固定電荷が影響していると推察される。すなわち、酸化アルミニウム膜が相対的に負の固定電荷が多い状態の膜であるため、フラットバンド電圧が正方向にシフトしたと考えられる。したがって、相対的に負の固定電荷が多い状態の膜であれば、酸化アルミニウム膜に限らずフラットバンド電圧を正方向にシフトできると推察される。
【００３７】
ここで、固定電荷とは、電界などで移動せず固定された状態の電荷をいう。なお、膜中の固定電荷量は、膜の作製条件によっても変化する可能性がある。
【００３８】
次に、本実施の形態１におけるＣＭＩＳ素子の製造方法の一例について、図面を参照しながら説明する。
【００３９】
まず、図３に示すように単結晶シリコンよりなる半導体基板１を用意する。そして、半導体基板１の主面に熱酸化法などを使用して酸化シリコン膜を形成し、この酸化シリコン膜上に例えばＣＶＤ法を使用して窒化シリコン膜を形成する。その後、この窒化シリコン膜をフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用してパターニングする。パターニングは、素子分離領域２を形成する領域に窒化シリコン膜が残らないようにする。続いて、窒化シリコン膜の耐酸化性を利用した選択酸化法により、図４に示すような酸化シリコン膜よりなる素子分離領域２を形成する。その後、パターニングした窒化シリコン膜は除去される。
【００４０】
次に、半導体基板１上に感光性のレジスト膜を塗布した後、露光・現像することによりレジスト膜をパターニングする。パターニングは、ｎ型ＭＩＳ素子形成領域を選択的に開口するように行う。そして、図５に示すようにイオン注入法を使用することにより、ボロンやフッ化ボロンなどのｐ型不純物を半導体基板１のｎ型ＭＩＳ素子形成領域に導入してｐ型ウェル３を形成する。同様に、イオン注入法を使用することにより、リンや砒素などのｎ型不純物を半導体基板１のｐ型ＭＩＳ素子形成領域に導入してｎ型ウェル４を形成する。
【００４１】
続いて、図６に示すように、例えばＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などを使用してハフニウムアルミネート膜５を形成する。具体的には、まず原料であるトリメチルアルミニウム（Ａｌ（ＣＨ_３）_３）を約３００℃に加熱した半導体基板１上に導入する。そして、トリメチルアルミニウムを排気した後、水蒸気（Ｈ_２０）を半導体基板１上に導入して排気する。続いて、テトラジメチルアミノハフニウム（Ｈｆ［Ｎ（ＣＨ_３）_２］_４）を約３００℃に加熱した半導体基板１上に導入する。その後、水蒸気を半導体基板１上に導入して排気する。このようにして、約２ｎｍ〜３ｎｍのハフニウムアルミネート膜５を形成する。なお、ＣＶＤ法などを使用してハフニウムアルミネート膜５を形成してもよい。
【００４２】
次に、図７に示すように例えばＡＬＤ法を使用して、ハフニウムアルミネート膜５上に酸化アルミニウム膜６を形成する。具体的には、トリメチルアルミニウムを約３００℃に加熱した半導体基板１上に導入する。そして、トリメチルアルミニウムを排気した後、水蒸気を半導体基板１上に導入し、排気する。このようにして、約０．３ｎｍ〜約２．０ｎｍの酸化アルミニウム膜６を形成する。なお、ＣＶＤ法などを使用して酸化アルミニウム膜６を形成してもよい。
【００４３】
続いて、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して、酸化アルミニウム膜６をエッチングし、図８に示すしきい値調整膜７を形成する。そして、図９に示すようにＣＶＤ法などを使用して、半導体基板１上にケイ窒化タンタル膜８を形成する。その後、図１０に示すようにフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用してケイ窒化タンタル膜８をパターニングし、ｎ型ＭＩＳ素子形成領域にハフニウムアルミネート膜５よりなるゲート絶縁膜９とこのゲート絶縁膜９上にケイ窒化タンタル膜８よりなるゲート電極１０を形成する。また、ｐ型ＭＩＳ素子形成領域にハフニウムアルミネート膜５よりなるゲート絶縁膜９、このゲート絶縁膜９上に酸化アルミニウム膜６よりなるしきい値調整膜７、このしきい値調整膜７上にケイ窒化タンタル膜８よりなるゲート電極１１を形成する。
【００４４】
次に、半導体基板１内の領域であって、形成したゲート電極１０の両脇に、イオン注入法を使用してリンなどのｎ型不純物を導入することにより、図１１に示すような低濃度ｎ型不純物拡散層１２、１３を形成する。同様に、ゲート電極１１の両脇に低濃度ｐ型不純物拡散層１４、１５を形成する。この後、イオンの活性化のため、アニール処理が行われる。
【００４５】
続いて、ＣＶＤ法などを使用して半導体基板１上に酸化シリコン膜を形成した後、異方性エッチングを行うことにより、図１２に示すようにサイドウォール１６を形成する。そして、イオン注入法を使用することにより高濃度ｎ型不純物拡散層１７、１８を形成した後、再びイオン注入法を使用して高濃度ｐ型不純物拡散層１９、２０を形成する。この後、イオンの活性化のためアニール処理が行われる。このようにして、ｎ型ＭＩＳ素子およびｐ型ＭＩＳ素子において、それぞれＬＤＤ（ＬｉｇｈｔｌｙＤｏｐｅｄＤｒａｉｎ）型のソース領域、ドレイン領域を形成することができる。
【００４６】
次に、図１３に示すようにＣＶＤ法を使用して半導体基板１上に酸化シリコン膜よりなる層間絶縁膜２１を形成した後、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ；ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）を使用して、表面を平坦化する。その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用して、層間絶縁膜２１にソース領域やドレイン領域へ貫通する貫通孔２２を形成する。続いて、スパッタリング法を使用して半導体基板１上にチタン／窒化チタン膜２３を形成した後、ＣＶＤ法を使用してタングステン膜２４を形成する。このとき、貫通孔２２の底部および内壁にはチタン／窒化チタン膜２３が形成され、このチタン／窒化チタン膜２３を介してタングステン膜２４が貫通孔２２に埋め込まれている。続いて、ＣＭＰ法を使用して半導体基板１を研磨し、貫通孔２２内にだけチタン／窒化チタン膜２３およびタングステン膜２４が残るようにする。
【００４７】
次に、スパッタリング法により、チタン／窒化チタン膜２５、アルミニウム膜２６、チタン／窒化チタン膜２７を順次、形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、上記した膜をパターニングし、図１に示すような配線２８を形成する。このようにして、図１に示すＣＭＩＳ素子を形成することができる。
【００４８】
本実施の形態１では、ｎ型ＭＩＳ素子のゲート電極１０とｐ型ＭＩＳ素子のゲート電極１１とは同じ材料であるケイ窒化タンタルから形成したが、他の材料を使用してもよい。
【００４９】
また、ｎ型ＭＩＳ素子のゲート電極１０とｐ型ＭＩＳ素子のゲート電極１１は、異なる材料から形成してもよい。例えば、ゲート電極１０に使用する材料をｎ型ＭＩＳ素子のしきい値電圧を下げるものから形成する一方、ゲート電極１１に使用する材料をｐ型ＭＩＳ素子のしきい値電圧を下げるものから形成することができる。例えば、ｎ型ＭＩＳ素子のゲート電極１０として、窒化タンタル、窒化ハフニウム、窒化ジルコニウム、ケイ化タンタル、ケイ化ハフニウム、ケイ化ジルコニウムまたはこれらの混合物などから形成することができる。また、ｐ型ＭＩＳ素子のゲート電極１１としては、タングステン、窒化タングステン、モリブデン、窒化モリブデン、酸化イリジウム、ケイ化タングステンまたはこれらの混合物などから形成することができる。上記したこれらの材料からなる膜は、熱的安定性を備えているとともに膜の密着性もよい。
【００５０】
本実施の形態１では、ｐ型ＭＩＳ素子の方にだけしきい値調整膜７が形成されていたが、これに限らず、図１４に示すようにｎ型ＭＩＳ素子にもしきい値調整膜３０を形成してもよい。このしきい値調整膜３０は、フラットバンド電圧が負方向にシフトする材料が選択される。具体的にしきい値調整膜３０は、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、酸化ハフニウム膜、酸窒化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸窒化ジルコニウム膜などより形成される。これらの膜は、正の固定電荷が相対的に多い状態の膜であることが推察される。ただし、これらの膜中の固定電荷量は、膜の形成条件によって変わる可能性がある。なお、しきい値調整膜３０の膜厚は、素子を微細化する観点から、約０．３ｎｍ〜約２．０ｎｍであることが望ましい。
【００５１】
以上のことをまとめると、本実施の形態１の変形例は、（ａ）半導体基板と、（ｂ）前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、（ｃ）前記ゲート絶縁膜上に形成された膜であって、しきい値電圧を調整するしきい値調整膜と、（ｄ）前記しきい値調整膜上に形成され、金属を含む材料よりなるゲート電極とを備えたＭＩＳ素子を有し、前記しきい値調整膜は、相対的に正の固定電荷が多い状態の膜であることを特徴とするものである。
【００５２】
また、具体的に述べると、本実施の形態１の変形例は、（ａ）半導体基板と、（ｂ）前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、（ｃ）前記ゲート絶縁膜上に形成された膜であって、しきい値電圧を調整するしきい値調整膜と、（ｃ）前記しきい値調整膜上に形成され、金属を含む材料よりなるゲート電極とを備えたＭＩＳ素子を有し、前記しきい値調整膜は、窒化シリコン、酸窒化シリコン、酸化ハフニウム、酸窒化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸窒化ジルコニウムのいずれかより形成されていることを特徴とするものである。
【００５３】
また、ゲート電極１０、１１の選択によっては、ｎ型ＭＩＳ素子に、しきい値調整膜３０を形成する一方、ｐ型ＭＩＳ素子にしきい値調整膜７を形成しないように構成してもよい。
【００５４】
さらに、図１５に示すように、例えばｎ型ＭＩＳ素子のゲート絶縁膜３１とゲート絶縁膜３２の間にしきい値調整膜３３を形成するようにしてもよい。すなわち、ゲート絶縁膜が複数の膜から形成されている場合、そのいずれかの間にしきい値調整膜３３を形成してもよい。同様に、ｐ型ＭＩＳ素子のゲート絶縁膜３４とゲート絶縁膜３５の間にしきい値調整膜３６を形成するようにしてもよい。
【００５５】
図１５においては、ｎ型ＭＩＳ素子およびｐ型ＭＩＳ素子の両方ともゲート絶縁膜の間にしきい値調整膜が形成されている例を示したが、片方にだけしきい値調整膜を形成してもよいし、片方に形成されているしきい値調整膜がゲート絶縁膜とゲート電極との間に形成されていてもよい。
【００５６】
なお、しきい値調整膜がゲート絶縁膜とゲート電極との間ではなく、半導体基板とゲート絶縁膜との間に形成されてもよい。ただし、しきい値調整膜は、相対的に正の固定電荷または負の固定電荷が多い状態の膜であることが推察されるため、しきい値調整膜が電子の通り道であるチャネルに近づきすぎるとチャネルを通過している電子を散乱させるおそれがある。したがって、電子を散乱させない観点からは、しきい値調整膜はなるべくチャネル形成領域から離すことが望ましい。つまり、上記観点からは、ゲート絶縁膜とゲート電極の間にしきい値調整膜を形成することが望ましい。
【００５７】
（実施の形態２）
本実施の形態２では、しきい値電圧を低く抑制できるｐ型ＭＩＳＦＥＴ素子の製造方法に本発明を適用したものである。
【００５８】
本実施の形態２では、しきい値電圧を低く抑制できるｐ型ＭＩＳ素子の製造方法の一例を、図面を参照しながら説明する。まず、図１６に示すように、単結晶シリコンよりなる半導体基板４０を用意する。次に、半導体基板４０を洗浄した後、前記実施の形態１で説明したのと同様に、選択酸化法を使用して酸化シリコン膜よりなる素子分離領域４１を形成する（図１７）。この素子分離領域４１の幅は、約５００ｎｍである。
【００５９】
続いて、半導体基板４０上に感光性のレジスト膜を塗布した後、露光・現像することによりパターニングする。パターニングは、ｐ型ＭＩＳ素子形成領域を選択的に開口するように行う。そして、図１８に示すようにイオン注入法を使用して、リンや砒素などのｎ型不純物を導入することにより、ｎ型ウェル４２を形成する。そして、パターニングしたレジスト膜を除去する。
【００６０】
次に、半導体基板４０上に再び感光性のレジスト膜を塗布する。そして、露光・現像することによりレジスト膜をパターニングし、半導体基板４０上にダミーゲート電極４３を図１８に示すように形成する。なお、ダミーゲート電極４３をレジスト膜から形成するようにしたが、これに限らず絶縁膜などから形成してもよい。
【００６１】
続いて、半導体基板４０内であって、ダミーゲート電極４３の両脇に、イオン注入法を使用してボロンなどのｐ型不純物を導入することにより、図１９に示すようなソース領域４４およびドレイン領域４５を形成する。次に、図２０に示すようにダミーゲート電極４３を除去して洗浄を行った後、ソース領域４４およびドレイン領域４５に導入したイオンの活性化を行うためのアニールを約６００℃〜約１１００℃で行う。
【００６２】
次に、図２１に示すように熱酸化法を使用して半導体基板４０上に酸化シリコン膜４６を形成する。そして、この酸化シリコン膜４６上にＣＶＤ法などを使用して窒化タンタル膜４７を形成する。
【００６３】
続いて、フォトリソグラフィ技術および反応性イオンエッチング（ＲＩＥ；ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）技術を使用して酸化シリコン膜４６および窒化タンタル膜４７を加工し、図２２に示すようなゲート絶縁膜４８およびゲート電極４９を形成する。
【００６４】
次に、形成したゲート絶縁膜４８およびゲート電極４９に対して熱処理を施す。熱処理をする方法としては、例えば局所的に加熱することができるレーザアニール法を使用することができる。また、ランプ加熱法によっても熱処理を行うことができる。このように、ゲート絶縁膜４８およびゲート電極４９に対して熱処理を施すことにより、形成するＭＩＳ素子のしきい値電圧を変化させることができることを本発明者は見出した。
【００６５】
図２３に上記した熱処理の温度とフラットバンド電圧の関係を示す。図２３において、横軸は熱処理の温度（℃）を示しており、縦軸はフラットバンド電圧（Ｖ）を示している。熱処理温度が約４００℃のとき、フラットバンド電圧は約−０．６５Ｖである。前記実施の形態１で述べたように、ｐ型ＭＩＳ素子の場合、フラットバンド電圧が約０．１Ｖのとき、しきい値電圧が約０Ｖになる。したがって、フラットバンド電圧が約−０．６５Ｖのとき、しきい値電圧は約０．７５Ｖとなる。
【００６６】
ところが、熱処理の温度が上昇するにしたがって、フラットバンド電圧が上昇していることがわかる。フラットバンド電圧が上昇するということは、ｐ型ＭＩＳ素子からみた場合、しきい値電圧が低くなることを意味する。したがって、温度を上げた熱処理を行うことにより、しきい値電圧を低くすることができる。
【００６７】
具体的には、熱処理の温度が約６００℃のとき、フラットバンド電圧は約０．６Ｖとなり、しきい値電圧は約０．７Ｖとなる。そして、熱処理の温度が約８００℃になるとフラットバンド電圧は急激に上がり、約−０．３５Ｖになる。このため、しきい値電圧は急激に低くなり約０．４５Ｖになる。その後、熱処理の温度を約１０００℃に上昇させると、フラットバンド電圧は約−０．３３Ｖになるため、しきい値電圧は約０．４３Ｖになる。したがって、ｐ型ＭＩＳ素子のしきい値電圧を低下させる観点からは、熱処理の温度を約８００℃〜約１０００℃にすることが望ましいことがわかる。
【００６８】
このように本実施の形態２における半導体装置の製造方法によれば、単に熱処理を施すことによりｐ型ＭＩＳ素子のしきい値電圧を低下させることができる。したがって、マスクの増加を伴った製造工程や複雑な製造工程を追加することなくｐ型ＭＩＳ素子のしきい値電圧を低下させることができるため、製品の歩留まり向上を図ることができる。
【００６９】
上記した熱処理をゲート絶縁膜４８およびゲート電極４９に施した後、図２４に示すようにＣＶＤ法などを使用して半導体基板４０上に酸化シリコンよりなる層間絶縁膜５０を形成する。そして、表面をＣＭＰ法によって研磨する。
【００７０】
続いて、図２５に示すように、層間絶縁膜５０に対して、ソース領域４４やドレイン領域４５へ貫通する貫通孔５１を形成する。そして、スパッタリング法を使用して半導体基板４０上にチタン／窒化チタン膜５２を形成した後、ＣＶＤ法を使用してタングステン膜５３を形成する。このとき、貫通孔５１の底部および内壁にはチタン／窒化チタン膜５２が形成され、このチタン／窒化チタン膜５２を介してタングステン膜５３が貫通孔５１に埋め込まれている。続いて、ＣＭＰ法を使用して半導体基板４０を研磨し、貫通孔５１内にだけチタン／窒化チタン膜５２およびタングステン膜５３が残るようにする。
【００７１】
次に、スパッタリング法により、チタン／窒化チタン膜５４、アルミニウム膜５５、チタン／窒化チタン膜５６を順次、形成する。そして、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を使用することにより、上記した膜をパターニングし、図２５に示すような配線５７を形成する。このようにして、本実施の形態２における半導体装置の製造方法を使用したｐ型ＭＩＳ素子を形成することができる。
【００７２】
本実施の形態２において形成されるｐ型ＭＩＳ素子のゲート絶縁膜として酸化シリコン膜を使用したが、これに限らず、例えばハフニウムアルミネート膜などのいわゆるＨｉｇｈ−ｋ膜であってもよい。
【００７３】
また、本実施の形態２における半導体装置の製造方法では、ゲート絶縁膜４８およびゲート電極４９を形成した直後に熱処理を行っているが、層間絶縁膜５０を形成した後に本発明における熱処理を行ってもよい。
【００７４】
また、ゲート絶縁膜４８およびゲート電極４９を形成する前に本発明における熱処理を行ってもよい。つまり、半導体基板４０上に酸化シリコン膜（絶縁膜）４６および窒化タンタル膜（導体膜）４７を形成した段階で本発明における熱処理を行ってもよい。この場合、本実施の形態２における半導体装置の製造方法は、（ａ）半導体基板を用意する工程と、（ｂ）前記半導体基板の所定領域上にダミーゲート電極を形成する工程と、（ｃ）前記ダミーゲート電極をマスクにしたイオン注入により、ソース領域およびドレイン領域を形成する工程と、（ｄ）前記ダミーゲート電極を除去する工程と、（ｅ）前記半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、（ｆ）前記絶縁膜上に導体膜を形成する工程と、（ｇ）前記絶縁膜および前記導体膜に対して熱処理を施すことにより、しきい値電圧の調整を行う工程と、（ｈ）前記絶縁膜および前記導体膜を加工して、前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の領域上にゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜上に金属を含む材料よりなるゲート電極を形成する工程とを備えてＭＩＳ素子を形成することを特徴とするものである。
【００７５】
以上、本発明者によってなされた発明を前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００７６】
【発明の効果】
本願によって開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【００７７】
熱的安定性がある一方、密着性が悪くならない程度の仕事関数を有する金属膜または金属化合物よりなる膜をゲート電極として使用した場合に、しきい値電圧を低く抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１である半導体装置の断面図である。
【図２】しきい値調整膜を形成した場合としきい値調整膜を形成しない場合のフラットバンド電圧を示したグラフである。
【図３】本発明の実施の形態１である半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図４】図３に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図５】図４に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図６】図５に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図７】図６に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図８】図７に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図９】図８に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図１０】図９に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図１１】図１０に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図１２】図１１に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図１３】図１２に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図１４】実施の形態１の変形例における半導体装置を示した断面図である。
【図１５】実施の形態１の変形例における半導体装置を示した断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態２である半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図１７】図１６に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図１８】図１７に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図１９】図１８に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図２０】図１９に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図２１】図２０に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図２２】図２１に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図２３】熱処理の温度とフラットバンド電圧の関係を示したグラフである。
【図２４】図２２に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図２５】図２４に続く半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【符号の説明】
１半導体基板
２素子分離領域
３ｐ型ウェル
４ｎ型ウェル
５ハフニウムアルミネート膜
６酸化アルミニウム膜
７しきい値調整膜
８ケイ窒化タンタル膜
９ゲート絶縁膜
１０ゲート電極
１１ゲート電極
１２低濃度ｎ型不純物拡散層
１３低濃度ｎ型不純物拡散層
１４低濃度ｐ型不純物拡散層
１５低濃度ｐ型不純物拡散層
１６サイドウォール
１７高濃度ｎ型不純物拡散層
１８高濃度ｎ型不純物拡散層
１９高濃度ｐ型不純物拡散層
２０高濃度ｐ型不純物拡散層
２１層間絶縁膜
２２貫通孔
２３チタン／窒化チタン膜
２４タングステン膜
２５チタン／窒化チタン膜
２６アルミニウム膜
２７チタン／窒化チタン膜
２８配線
３０しきい値調整膜
３１ゲート絶縁膜
３２ゲート絶縁膜
３３しきい値調整膜
３４ゲート絶縁膜
３５ゲート絶縁膜
３６しきい値調整膜
４０半導体基板
４１素子分離領域
４２ｎ型ウェル
４３ダミーゲート電極
４４ソース領域
４５ドレイン領域
４６酸化シリコン膜
４７窒化タンタル膜
４８ゲート絶縁膜
４９ゲート電極
５０層間絶縁膜
５１貫通孔
５２チタン／窒化チタン膜
５３タングステン膜
５４チタン／窒化チタン膜
５５アルミニウム膜
５６チタン／窒化チタン膜
５７配線[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a technology for manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor device capable of suppressing a threshold voltage of a MIS (Metal Insulator Semiconductor) element to a low level, and a technology effective when applied to a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in order to realize a low threshold voltage in both an n-type MOS element and a p-type MOS element of a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) element, they have different work functions (in the case of polysilicon, Fermi level). A so-called dual gate structure in which a gate electrode is formed using a material has been used. That is, an n-type impurity and a p-type impurity are added to the polysilicon film forming the n-type MOS element and the p-type MOS element, respectively.By introducing the n-type impurity, the work function (Fermi level) of the gate electrode material of the n-type MOS device is brought close to the conduction band of silicon, and the work function (Fermi level) of the gate electrode material of the p-type MOS device is increased. The threshold voltage is lowered near the valence band of silicon.
[0003]
However, in recent years, gate insulating films have become thinner with the miniaturization of CMOS elements, and depletion of gate electrodes when a polysilicon film is used for the gate electrodes cannot be ignored. That is, miniaturization requires that the equivalent silicon oxide film thickness of a gate insulating film made of a silicon oxide film or the like be reduced to about 2 nm or less. In this case, depletion of the gate electrode results in the gate electrode. Parasitic capacitance (capacity with a thickness of about 0.3 nm) is no longer negligible. Therefore, use of a metal film instead of a polysilicon film as a gate electrode material has been studied (for example, see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-118175 (pages 3 to 6, FIG. 1)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When a metal film is used for the gate insulating film, the metal film as the gate electrode material is required to have a predetermined work function in order to lower the threshold voltage of the MOS device. For example, in order to keep the threshold value low, a metal material having a work function near 4.05 eV, which is the conduction band of silicon, is required for an n-type MOS device. On the other hand, a metal material having a work function near 5.17 eV, which is the valence band of silicon, is required for a p-type MOS device.
[0006]
However, the above-described metal material having a work function of about 4.05 eV has poor thermal stability, and has a problem that it reacts with a gate insulating film due to heat treatment applied in a semiconductor device manufacturing process.
[0007]
On the other hand, the above-mentioned metal material having a work function of about 5.17 eV has a problem in that the metal material has a poor adhesion to an adjacent gate insulating film and peels off.
[0008]
An object of the present invention is to use a metal film or a film made of a metal compound having a work function of such a degree that the adhesion is not deteriorated while having thermal stability as a gate electrode. A semiconductor device is provided.
[0009]
Another object of the present invention is to use a metal film or a film made of a metal compound having a work function that does not deteriorate adhesion while having thermal stability as a gate electrode. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device, which can suppress the occurrence of a semiconductor device.
[0010]
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
[0012]
The present invention provides (a) a semiconductor substrate, (b) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and (c) a film made of an insulator formed on the gate insulating film, wherein A threshold voltage adjusting film for adjusting a value voltage; and (d) a MIS element including a gate electrode formed on the threshold voltage adjusting film and made of a material containing a metal. .
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings for describing the embodiments, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and the repeated description thereof will be omitted.
[0014]
(Embodiment 1)
In the first embodiment, the present invention is applied to a CMIS (Complementary Metal Insulator Semiconductor) element.
[0015]
FIG. 1 is a sectional view showing a CMIS element according to the first embodiment. In FIG. 1, in the CMIS element according to the first embodiment, first, an element isolation region 2 for isolating an element formation region is formed on a semiconductor substrate 1 made of silicon single crystal. The element isolation region 2 separates an n-type MIS element formation region for forming an n-type MIS element from a p-type MIS element formation region for forming a p-type MIS element.
[0016]
A p-type well 3 into which a p-type impurity such as boron is introduced is formed in the semiconductor substrate 1 in the n-type MIS element formation region, while phosphorus or arsenic is contained in the semiconductor substrate 1 in the p-type MIS element formation region. An n-type well 4 into which an n-type impurity such as is introduced is formed.
[0017]
A gate insulating film 9 is formed on predetermined regions of the p-type well 3 and the n-type well 4, and the gate insulating film 9 is formed of, for example, a hafnium aluminate film. The hafnium aluminate film is a so-called High-k film having a higher dielectric constant than the silicon oxide film, and has a dielectric constant ε of about 16.
[0018]
Conventionally, a silicon oxide film is used as the gate insulating film 9 from the viewpoint of high insulation resistance, low leakage current, and excellent electrical and physical stability at the silicon-silicon oxide interface. . However, with the miniaturization of elements, the thickness of the gate insulating film 9 is required to be 2 nm or less. When such a thin gate oxide film is used, a so-called tunnel current occurs, in which electrons flowing through the channel of the MOS element tunnel through a barrier formed by the silicon oxide film and flow to the gate electrode. Therefore, a High-k film that can increase the physical film thickness by using a material having a higher dielectric constant than silicon oxide has been used. For example, since the dielectric constant of the silicon oxide film is about 4, the above-described hafnium aluminate film having a dielectric constant of about 16 is used for the gate insulating film 9, the case where the silicon oxide film is about 1 nm to 2 nm is used. In order to obtain the same capacity, the physical thickness of the hafnium aluminate film can be set to about 4 to 8 nm.
[0019]
Although an example in which the gate insulating film 9 is formed from a hafnium aluminate film is shown, the invention is not limited to this. For example, alumina (aluminum oxide), hafnia (hafnium oxide), zirconia (zirconium oxide), silicon nitride, La₂O₃May be formed from a film such as a rare earth oxide. As described above, it is desirable to use a High-k film as the gate insulating film 9, but the present invention can be applied to a case where a silicon oxide film is used.
[0020]
The gate electrode 10 is formed on the gate insulating film 9 in the n-type MIS element forming region, while the threshold value adjusting film 7 is formed on the gate insulating film 9 in the p-type MIS element forming region. I have. Then, a gate electrode 11 is formed on the threshold adjustment film 7. The gate electrodes 10 and 11 are formed from a material containing a metal. That is, the gate electrodes 10 and 11 are formed of a metal or a metal compound. In the first embodiment, the gate electrodes 10 and 11 are formed of, for example, a tantalum silicide nitride film. The work function of this tantalum silicide nitride is 4.3 eV, which is between 4.05 eV and 5.17 eV, so that it has thermal stability and good adhesion of the film.
[0021]
The threshold adjustment film 7 is a film provided for suppressing a threshold voltage (threshold voltage) of the p-type MIS element to be low, and is formed of, for example, an aluminum oxide film. The thickness of the aluminum oxide film is preferably, for example, about 0.3 nm to about 2.0 nm from the viewpoint of miniaturizing the MIS element to be formed. Here, the threshold voltage refers to a gate voltage at which the drain current of the MIS element does not flow.
[0022]
As described above, the present inventor has found that the threshold voltage of the p-type MIS element can be reduced by forming the aluminum oxide film between the gate insulating film 9 and the gate electrode 11. For example, in the case of a p-type MIS, conventionally, a metal (or metal compound) material is selected from the viewpoint that a work function of a gate electrode material in a portion in contact with a gate insulating film is as close to a valence band of silicon as possible. The threshold voltage of the MIS element was suppressed low. However, the present invention has been made from a completely different point of view. That is, the work function of the gate electrode material in a portion in contact with the gate insulating film is not adjusted to a predetermined value, but by forming a specific film made of an insulator between the gate insulating film and the gate electrode, the threshold is increased. It has been found that the value voltage can be suppressed low.
[0023]
Although the example in which the threshold adjustment film 7 is formed from an aluminum oxide film has been described above, it may be formed from, for example, an aluminum oxynitride film. That is, the first embodiment includes (a) a semiconductor substrate, (b) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and (c) a film made of an insulator formed on the gate insulating film. A MIS device comprising: a threshold adjustment film for adjusting a threshold voltage; and (d) a gate electrode formed on the threshold adjustment film and made of a material containing metal. The threshold adjustment film is characterized by being formed of an aluminum oxide film or an aluminum oxynitride film.
[0024]
Next, sidewalls 16 are formed on both sides of the gate electrodes 10 and 11. In the n-type MIS element formation region, low-concentration n-type impurity diffusion layers 12 and 13 in which an n-type impurity such as phosphorus is introduced are formed below the sidewalls 16. High concentration n-type impurity diffusion layers 17 and 18 are formed beside the diffusion layers 12 and 13. As described above, a source region including the low concentration n-type impurity diffusion layer 12 and the high concentration n-type impurity diffusion layer 17 and a drain region including the low concentration n-type impurity diffusion layer 13 and the high concentration n-type impurity diffusion layer 18 are formed. I have. Thus, an n-type MIS element is formed.
[0025]
Similarly, in the p-type MIS element formation region, a source region including the low-concentration p-type impurity diffusion layer 14 and the high-concentration p-type impurity diffusion layer 19 and the low-concentration p-type impurity diffusion layer 15 and the high-concentration p-type impurity diffusion layer 20 are formed. Thus, a p-type MIS element is formed.
[0026]
On the n-type MIS element and the p-type MIS element formed on the semiconductor substrate 1, an interlayer insulating film 21 is formed. In the interlayer insulating film 21, the source regions of the n-type MIS element and the p-type MIS element are formed. And a through hole 22 penetrating through the drain region.
[0027]
A titanium / titanium nitride film 23 is formed on the inner wall of the through hole 22, and a tungsten film 24 is buried in the through hole 22 via the titanium / titanium nitride film 23 to form a plug. The titanium / titanium nitride film 23 has, for example, a function of suppressing diffusion of tungsten and a function of improving adhesion to a base.
[0028]
On the interlayer insulating film 21, a patterned wiring 28 composed of a titanium / titanium nitride film 25, an aluminum film 26, and a titanium / titanium nitride film 27 is formed. Although not shown, a multilayer wiring is formed on the wiring 28 via a plug penetrating the interlayer insulating film.
[0029]
Next, threshold voltages of the n-type MIS element and the p-type MIS element having the above-described configuration will be described.
[0030]
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the n-type MIS element and the flat band voltage of the p-type MIS element. The horizontal axis shows the material configuration of the gate insulating film, the gate electrode, and the like of the MIS element, and the vertical axis shows the flat band voltage in volts (V).
[0031]
In FIG. 2, in the case of a configuration in which a hafnium aluminate film is used for the gate insulating film 9 and a tantalum silicide film is used for the gate electrode 10, that is, the configuration of the n-type MIS device shown in FIG. Was about -0.65V.
[0032]
Here, the flat band voltage and the threshold voltage are expressed by a predetermined equation. Roughly speaking, when the flat band voltage is about -0.9V, the threshold voltage of the n-type MIS element becomes about 0V. As the flat band voltage increases in the positive direction, the threshold voltage increases. Therefore, when the flat band voltage is about -0.65V, the threshold voltage of the n-type MIS element is about 0.25V.
[0033]
On the other hand, when the flat band voltage is about 0.1 V, the threshold voltage of the p-type MIS element becomes about 0 V, and the threshold voltage increases as the flat band voltage decreases in the negative direction. Therefore, when a structure in which a hafnium aluminate film is used for the gate insulating film 9 and the gate electrode 11 made of a tantalum silicide nitride film is formed on the gate insulating film 9 is used as the p-type MIS element, the threshold is increased. The value voltage is about 0.75V.
[0034]
However, a hafnium aluminate film is used for the gate insulating film 9, a tantalum silicide nitride film is used for the gate electrode 11, and a threshold adjusting film 7 made of an aluminum oxide film is provided between the gate insulating film 9 and the gate electrode 11. When the formed configuration, that is, the configuration of the p-type MIS element shown in FIG. 1, was adopted, the flat band voltage was changed from about -0.65V to about -0.32V. That is, the flat band voltage could be shifted by about 0.33 V in the + direction. The fact that the flat band voltage could be shifted by about +0.33 V in this way means that the threshold voltage of the p-type MIS element could be lowered by about 0.33 V, and the threshold voltage of the p-type MIS element could be lowered. The voltage will be about 0.42V. However, in the case of this configuration, the threshold voltage of the n-type MIS element increases by about 0.33 V.
[0035]
Therefore, as shown in FIG. 1, the n-type MIS device has a configuration in which a gate electrode 10 made of a tantalum silicide nitride film is formed on a gate insulating film 9 made of a hafnium aluminate film, whereas the p-type MIS device has A threshold adjusting film 7 made of an aluminum oxide film is formed between a gate insulating film 9 made of a hafnium aluminate film and a gate electrode 11 made of a tantalum silicide nitride film. Both threshold voltages of the type MIS element can be suppressed low.
[0036]
The reason that the flat band voltage shifts in the positive direction by forming the threshold adjustment film 7 made of an aluminum oxide film between the gate insulating film 9 and the gate electrode 11 is because the negative voltage existing in the aluminum oxide film is negative. It is presumed that the fixed charge has an effect. That is, it is considered that the flat band voltage has shifted in the positive direction because the aluminum oxide film is a film having a relatively large amount of negative fixed charges. Therefore, it is presumed that the flat band voltage can be shifted in the positive direction as well as the aluminum oxide film if the film has a relatively large negative fixed charge.
[0037]
Here, the fixed charge refers to a charge that is fixed without moving by an electric field or the like. Note that the amount of fixed charges in the film may change depending on the conditions for forming the film.
[0038]
Next, an example of a method for manufacturing a CMIS element according to the first embodiment will be described with reference to the drawings.
[0039]
First, as shown in FIG. 3, a semiconductor substrate 1 made of single crystal silicon is prepared. Then, a silicon oxide film is formed on the main surface of the semiconductor substrate 1 by using a thermal oxidation method or the like, and a silicon nitride film is formed on the silicon oxide film by using, for example, a CVD method. Thereafter, the silicon nitride film is patterned using a photolithography technique and an etching technique. The patterning is performed so that the silicon nitride film does not remain in the region where the element isolation region 2 is formed. Subsequently, an element isolation region 2 made of a silicon oxide film as shown in FIG. 4 is formed by a selective oxidation method utilizing the oxidation resistance of the silicon nitride film. Thereafter, the patterned silicon nitride film is removed.
[0040]
Next, after applying a photosensitive resist film on the semiconductor substrate 1, the resist film is patterned by exposing and developing. The patterning is performed so as to selectively open the n-type MIS element formation region. Then, as shown in FIG. 5, by using an ion implantation method, a p-type impurity such as boron or boron fluoride is introduced into the n-type MIS element formation region of the semiconductor substrate 1 to form a p-type well 3. Similarly, the n-type well 4 is formed by introducing an n-type impurity such as phosphorus or arsenic into the p-type MIS element formation region of the semiconductor substrate 1 by using the ion implantation method.
[0041]
Subsequently, as shown in FIG. 6, a hafnium aluminate film 5 is formed by using, for example, an ALD (Atomic Layer Deposition) method. Specifically, first, trimethyl aluminum (Al (CH₃)₃) Is introduced onto the semiconductor substrate 1 heated to about 300 ° C. After exhausting the trimethylaluminum, water vapor (H₂0) is introduced onto the semiconductor substrate 1 and exhausted. Subsequently, tetradimethylaminohafnium (Hf [N (CH₃)₂]₄) Is introduced onto the semiconductor substrate 1 heated to about 300 ° C. Thereafter, water vapor is introduced onto the semiconductor substrate 1 and exhausted. Thus, the hafnium aluminate film 5 of about 2 nm to 3 nm is formed. The hafnium aluminate film 5 may be formed by using a CVD method or the like.
[0042]
Next, as shown in FIG. 7, an aluminum oxide film 6 is formed on the hafnium aluminate film 5 by using, for example, the ALD method. Specifically, trimethyl aluminum is introduced onto the semiconductor substrate 1 heated to about 300 ° C. After exhausting the trimethylaluminum, water vapor is introduced onto the semiconductor substrate 1 and exhausted. Thus, an aluminum oxide film 6 having a thickness of about 0.3 nm to about 2.0 nm is formed. The aluminum oxide film 6 may be formed by using a CVD method or the like.
[0043]
Subsequently, the aluminum oxide film 6 is etched using a photolithography technique and an etching technique to form a threshold adjustment film 7 shown in FIG. Then, as shown in FIG. 9, a tantalum silicide nitride film 8 is formed on the semiconductor substrate 1 by using a CVD method or the like. Thereafter, as shown in FIG. 10, the tantalum silicide nitride film 8 is patterned by using the photolithography technique and the etching technique, and the gate insulating film 9 made of the hafnium aluminate film 5 and the gate insulating film 9 are formed in the n-type MIS element formation region. A gate electrode 10 made of a tantalum silicide nitride film 8 is formed on 9. Further, a gate insulating film 9 made of a hafnium aluminate film 5 in a p-type MIS element forming region, a threshold adjusting film 7 made of an aluminum oxide film 6 on this gate insulating film 9, and a A gate electrode 11 made of the tantalum silicide nitride film 8 is formed.
[0044]
Next, an n-type impurity such as phosphorus is introduced by ion implantation into the region in the semiconductor substrate 1 on both sides of the formed gate electrode 10 so as to have a low concentration as shown in FIG. The n-type impurity diffusion layers 12 and 13 are formed. Similarly, low concentration p-type impurity diffusion layers 14 and 15 are formed on both sides of the gate electrode 11. Thereafter, an annealing process is performed to activate the ions.
[0045]
Subsequently, after forming a silicon oxide film on the semiconductor substrate 1 by using the CVD method or the like, anisotropic etching is performed to form the sidewalls 16 as shown in FIG. Then, after the high-concentration n-type impurity diffusion layers 17 and 18 are formed by using the ion implantation method, the high-concentration p-type impurity diffusion layers 19 and 20 are formed again by using the ion implantation method. Thereafter, an annealing process is performed to activate the ions. Thus, in the n-type MIS element and the p-type MIS element, a LDD (Lightly Doped Drain) type source region and a drain region can be formed, respectively.
[0046]
Next, as shown in FIG. 13, an interlayer insulating film 21 made of a silicon oxide film is formed on the semiconductor substrate 1 by using the CVD method, and then, by using a chemical mechanical polishing (CMP) method. To flatten the surface. Thereafter, a through-hole 22 penetrating to the source region and the drain region is formed in the interlayer insulating film 21 by using a photolithography technique and an etching technique. Subsequently, after a titanium / titanium nitride film 23 is formed on the semiconductor substrate 1 using a sputtering method, a tungsten film 24 is formed using a CVD method. At this time, a titanium / titanium nitride film 23 is formed on the bottom and the inner wall of the through hole 22, and a tungsten film 24 is embedded in the through hole 22 via the titanium / titanium nitride film 23. Subsequently, the semiconductor substrate 1 is polished using the CMP method so that the titanium / titanium nitride film 23 and the tungsten film 24 remain only in the through holes 22.
[0047]
Next, a titanium / titanium nitride film 25, an aluminum film 26, and a titanium / titanium nitride film 27 are sequentially formed by a sputtering method. Then, by using a photolithography technique and an etching technique, the above-mentioned film is patterned to form a wiring 28 as shown in FIG. Thus, the CMIS device shown in FIG. 1 can be formed.
[0048]
In the first embodiment, the gate electrode 10 of the n-type MIS element and the gate electrode 11 of the p-type MIS element are formed from tantalum silicide, which is the same material, but other materials may be used.
[0049]
Further, the gate electrode 10 of the n-type MIS element and the gate electrode 11 of the p-type MIS element may be formed of different materials. For example, the material used for the gate electrode 10 is formed from a material that lowers the threshold voltage of the n-type MIS device, while the material used for the gate electrode 11 is formed from a material that lowers the threshold voltage of the p-type MIS device. be able to. For example, the gate electrode 10 of the n-type MIS element can be formed from tantalum nitride, hafnium nitride, zirconium nitride, tantalum silicide, hafnium silicide, zirconium silicide, or a mixture thereof. Further, the gate electrode 11 of the p-type MIS element can be formed from tungsten, tungsten nitride, molybdenum, molybdenum nitride, iridium oxide, tungsten silicide, a mixture thereof, or the like. The film made of these materials described above has thermal stability and good adhesion to the film.
[0050]
In the first embodiment, the threshold adjustment film 7 is formed only on the p-type MIS element. However, the present invention is not limited to this, and the threshold adjustment film 30 is formed on the n-type MIS element as shown in FIG. May be formed. For the threshold adjustment film 30, a material whose flat band voltage shifts in the negative direction is selected. Specifically, the threshold adjustment film 30 is formed of a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, a hafnium oxide film, a hafnium oxynitride film, a zirconium oxide film, a zirconium oxynitride film, or the like. It is presumed that these films are films in which the amount of positive fixed charges is relatively large. However, the fixed charge amount in these films may vary depending on the film formation conditions. The thickness of the threshold adjustment film 30 is preferably about 0.3 nm to about 2.0 nm from the viewpoint of miniaturizing the element.
[0051]
To summarize the above, the modification of the first embodiment includes (a) a semiconductor substrate, (b) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and (c) a gate insulating film formed on the gate insulating film. A MIS element comprising: a threshold adjustment film for adjusting a threshold voltage; and (d) a gate electrode formed on the threshold adjustment film and made of a metal-containing material. Wherein the threshold value adjustment film is a film in a state in which the number of fixed positive charges is relatively large.
[0052]
More specifically, a modification of the first embodiment includes (a) a semiconductor substrate, (b) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and (c) a gate insulating film formed on the gate insulating film. A MIS element comprising: a formed film, a threshold adjustment film for adjusting a threshold voltage; and (c) a gate electrode formed on the threshold adjustment film and made of a metal-containing material. And the threshold adjustment film is formed of any one of silicon nitride, silicon oxynitride, hafnium oxide, hafnium oxynitride, zirconium oxide, and zirconium oxynitride.
[0053]
Further, depending on the selection of the gate electrodes 10 and 11, the threshold adjustment film 30 may be formed on the n-type MIS element, but the threshold adjustment film 7 may not be formed on the p-type MIS element.
[0054]
Further, as shown in FIG. 15, for example, a threshold adjustment film 33 may be formed between the gate insulating film 31 and the gate insulating film 32 of the n-type MIS element. That is, when the gate insulating film is formed of a plurality of films, the threshold adjustment film 33 may be formed between any of the films. Similarly, a threshold adjusting film 36 may be formed between the gate insulating film 34 and the gate insulating film 35 of the p-type MIS element.
[0055]
FIG. 15 shows an example in which both the n-type MIS element and the p-type MIS element have the threshold adjustment films formed between the gate insulating films. Alternatively, the threshold adjustment film formed on one side may be formed between the gate insulating film and the gate electrode.
[0056]
Note that the threshold adjustment film may be formed not between the gate insulating film and the gate electrode but between the semiconductor substrate and the gate insulating film. However, since the threshold adjustment film is presumed to be a film having a relatively large amount of positive fixed charges or negative fixed charges, the threshold adjustment film is too close to the channel through which electrons pass. And electrons passing through the channel may be scattered. Therefore, from the viewpoint of not scattering electrons, it is desirable that the threshold value adjusting film is as far away from the channel formation region as possible. That is, from the above viewpoint, it is desirable to form the threshold adjustment film between the gate insulating film and the gate electrode.
[0057]
(Embodiment 2)
In the second embodiment, the present invention is applied to a method of manufacturing a p-type MISFET device capable of suppressing the threshold voltage low.
[0058]
In the second embodiment, an example of a method for manufacturing a p-type MIS element capable of suppressing a threshold voltage low will be described with reference to the drawings. First, as shown in FIG. 16, a semiconductor substrate 40 made of single crystal silicon is prepared. Next, after cleaning the semiconductor substrate 40, the element isolation region 41 made of a silicon oxide film is formed by using the selective oxidation method as described in the first embodiment (FIG. 17). The width of the element isolation region 41 is about 500 nm.
[0059]
Subsequently, after a photosensitive resist film is applied on the semiconductor substrate 40, patterning is performed by exposing and developing. The patterning is performed so as to selectively open the p-type MIS element formation region. Then, as shown in FIG. 18, an n-type well 42 is formed by introducing an n-type impurity such as phosphorus or arsenic using an ion implantation method. Then, the patterned resist film is removed.
[0060]
Next, a photosensitive resist film is applied on the semiconductor substrate 40 again. Then, the resist film is patterned by exposure and development, and a dummy gate electrode 43 is formed on the semiconductor substrate 40 as shown in FIG. Although the dummy gate electrode 43 is formed from a resist film, it is not limited to this, and may be formed from an insulating film or the like.
[0061]
Subsequently, a p-type impurity such as boron is introduced into the semiconductor substrate 40 on both sides of the dummy gate electrode 43 using an ion implantation method, so that the source region 44 and the drain region as shown in FIG. An area 45 is formed. Next, as shown in FIG. 20, after the dummy gate electrode 43 is removed and cleaning is performed, annealing for activating ions introduced into the source region 44 and the drain region 45 is performed at about 600 ° C. to about 1100 ° C. Do with.
[0062]
Next, as shown in FIG. 21, a silicon oxide film 46 is formed on the semiconductor substrate 40 by using a thermal oxidation method. Then, a tantalum nitride film 47 is formed on the silicon oxide film 46 by using a CVD method or the like.
[0063]
Subsequently, the silicon oxide film 46 and the tantalum nitride film 47 are processed using a photolithography technique and a reactive ion etching (RIE) technique, and a gate insulating film 48 and a gate electrode 49 as shown in FIG. To form
[0064]
Next, heat treatment is performed on the formed gate insulating film 48 and the gate electrode 49. As a method of performing the heat treatment, for example, a laser annealing method that can be locally heated can be used. Heat treatment can also be performed by a lamp heating method. As described above, the present inventor has found that by performing heat treatment on the gate insulating film 48 and the gate electrode 49, the threshold voltage of the MIS element to be formed can be changed.
[0065]
FIG. 23 shows the relationship between the temperature of the heat treatment and the flat band voltage. In FIG. 23, the horizontal axis represents the temperature (° C.) of the heat treatment, and the vertical axis represents the flat band voltage (V). When the heat treatment temperature is about 400 ° C., the flat band voltage is about −0.65V. As described in the first embodiment, in the case of the p-type MIS element, when the flat band voltage is about 0.1 V, the threshold voltage becomes about 0 V. Therefore, when the flat band voltage is about -0.65V, the threshold voltage is about 0.75V.
[0066]
However, it can be seen that the flat band voltage increases as the temperature of the heat treatment increases. An increase in the flat band voltage means that the threshold voltage becomes lower when viewed from the p-type MIS element. Therefore, the threshold voltage can be reduced by performing the heat treatment at an increased temperature.
[0067]
Specifically, when the temperature of the heat treatment is about 600 ° C., the flat band voltage is about 0.6 V, and the threshold voltage is about 0.7 V. When the temperature of the heat treatment reaches about 800 ° C., the flat band voltage sharply increases to about −0.35 V. As a result, the threshold voltage drops sharply to about 0.45V. Thereafter, when the temperature of the heat treatment is raised to about 1000 ° C., the flat band voltage becomes about −0.33 V, and the threshold voltage becomes about 0.43 V. Therefore, from the viewpoint of lowering the threshold voltage of the p-type MIS element, it is understood that it is desirable to set the temperature of the heat treatment to about 800 ° C. to about 1000 ° C.
[0068]
As described above, according to the method of manufacturing the semiconductor device in the second embodiment, the threshold voltage of the p-type MIS element can be reduced by simply performing the heat treatment. Therefore, the threshold voltage of the p-type MIS element can be reduced without adding a manufacturing process accompanied by an increase in the number of masks or a complicated manufacturing process, so that the product yield can be improved.
[0069]
After performing the above-described heat treatment on the gate insulating film 48 and the gate electrode 49, an interlayer insulating film 50 made of silicon oxide is formed on the semiconductor substrate 40 by using a CVD method or the like as shown in FIG. Then, the surface is polished by the CMP method.
[0070]
Subsequently, as shown in FIG. 25, a through hole 51 penetrating to the source region 44 and the drain region 45 is formed in the interlayer insulating film 50. Then, after a titanium / titanium nitride film 52 is formed on the semiconductor substrate 40 using a sputtering method, a tungsten film 53 is formed using a CVD method. At this time, a titanium / titanium nitride film 52 is formed on the bottom and the inner wall of the through hole 51, and a tungsten film 53 is embedded in the through hole 51 via the titanium / titanium nitride film 52. Subsequently, the semiconductor substrate 40 is polished by using the CMP method so that the titanium / titanium nitride film 52 and the tungsten film 53 remain only in the through holes 51.
[0071]
Next, a titanium / titanium nitride film 54, an aluminum film 55, and a titanium / titanium nitride film 56 are sequentially formed by a sputtering method. Then, by using a photolithography technique and an etching technique, the above-described film is patterned to form a wiring 57 as shown in FIG. Thus, a p-type MIS element using the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment can be formed.
[0072]
Although a silicon oxide film is used as a gate insulating film of the p-type MIS element formed in the second embodiment, the present invention is not limited to this, and a so-called High-k film such as a hafnium aluminate film may be used.
[0073]
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment, the heat treatment is performed immediately after the gate insulating film 48 and the gate electrode 49 are formed. However, the heat treatment according to the present invention is performed after the interlayer insulating film 50 is formed. Is also good.
[0074]
Further, the heat treatment in the present invention may be performed before the gate insulating film 48 and the gate electrode 49 are formed. That is, the heat treatment in the present invention may be performed at the stage when the silicon oxide film (insulating film) 46 and the tantalum nitride film (conductor film) 47 are formed on the semiconductor substrate 40. In this case, the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment includes: (a) a step of preparing a semiconductor substrate; (b) a step of forming a dummy gate electrode on a predetermined region of the semiconductor substrate; Forming a source region and a drain region by ion implantation using the dummy gate electrode as a mask; (d) removing the dummy gate electrode; and (e) forming an insulating film on the semiconductor substrate (F) forming a conductive film on the insulating film; (g) performing a heat treatment on the insulating film and the conductive film to adjust a threshold voltage; A) processing the insulating film and the conductor film to form a gate insulating film on a region between the source region and the drain region; and forming a gate electrode made of a material containing a metal on the gate insulating film. It is characterized in that to form the MIS device and a process.
[0075]
As described above, the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and can be variously modified without departing from the gist thereof. Needless to say.
[0076]
【The invention's effect】
The effects obtained by typical aspects of the invention disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0077]
The threshold voltage can be suppressed to a low level when a metal film or a film made of a metal compound having a work function that does not deteriorate the adhesiveness is used as the gate electrode while having thermal stability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a graph showing flat band voltages when a threshold adjustment film is formed and when a threshold adjustment film is not formed.
FIG. 3 is a sectional view illustrating a manufacturing step of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 3;
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 4;
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 5;
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 6;
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 7;
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 8;
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 9;
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 10;
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 11;
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 12;
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a modification of the first embodiment.
FIG. 15 is a sectional view showing a semiconductor device according to a modification of the first embodiment.
FIG. 16 is a sectional view illustrating a manufacturing step of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 17 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 16;
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 17;
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 18;
FIG. 20 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 19;
FIG. 21 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 20;
FIG. 22 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 21;
FIG. 23 is a graph showing a relationship between a heat treatment temperature and a flat band voltage.
FIG. 24 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 22;
FIG. 25 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device following FIG. 24;
[Explanation of symbols]
1 semiconductor substrate
2 Device isolation area
3 p-type well
4 n-type well
5 Hafnium aluminate film
6 Aluminum oxide film
7 Threshold adjustment film
8 Tantalum silicide nitride film
9 Gate insulating film
10 Gate electrode
11 Gate electrode
12 Low concentration n-type impurity diffusion layer
13 Low concentration n-type impurity diffusion layer
14 Low concentration p-type impurity diffusion layer
15 Low concentration p-type impurity diffusion layer
16 Sidewall
17 High concentration n-type impurity diffusion layer
18 High concentration n-type impurity diffusion layer
19. High concentration p-type impurity diffusion layer
20 High concentration p-type impurity diffusion layer
21 Interlayer insulation film
22 Through hole
23 Titanium / titanium nitride film
24 Tungsten film
25 Titanium / titanium nitride film
26 Aluminum film
27 Titanium / titanium nitride film
28 Wiring
30 Threshold adjustment film
31 Gate insulating film
32 Gate insulating film
33 Threshold adjustment film
34 Gate insulating film
35 Gate insulating film
36 Threshold adjustment film
40 semiconductor substrate
41 Element isolation area
42 n-type well
43 Dummy gate electrode
44 Source area
45 Drain region
46 Silicon oxide film
47 Tantalum nitride film
48 Gate insulating film
49 Gate electrode
50 interlayer insulating film
51 Through hole
52 Titanium / Titanium nitride film
53 Tungsten film
54 Titanium / Titanium Nitride Film
55 aluminum film
56 Titanium / titanium nitride film
57 Wiring

Claims

(A) a semiconductor substrate;
(B) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
(C) a film made of an insulator formed on the gate insulating film, the film being a threshold adjusting film for adjusting a threshold voltage;
(D) a semiconductor device comprising a MIS element having a gate electrode formed on the threshold adjustment film and made of a material containing metal.

(A) a semiconductor substrate;
(B) a film formed on the semiconductor substrate, wherein the gate insulating film comprises a plurality of films;
(C) a semiconductor device having a MIS element including a gate electrode formed on the gate insulating film and made of a material containing a metal,
A semiconductor device, comprising: a threshold adjustment film for adjusting a threshold voltage of the semiconductor device between any of the plurality of films.

(A) a semiconductor substrate;
(B) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
(C) a film formed on the gate insulating film, the film being a threshold adjustment film for adjusting a threshold voltage;
(D) a MIS element having a gate electrode formed on the threshold adjustment film and made of a material containing a metal,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the threshold adjustment film is a film having a relatively large amount of negative fixed charges.

(A) a semiconductor substrate;
(B) a gate insulating film formed on the semiconductor substrate;
(C) a film having a thickness of not less than 0.3 nm and not more than 2.0 nm formed on the gate insulating film, and a threshold adjusting film for adjusting a threshold voltage;
(D) a semiconductor device comprising a MIS element having a gate electrode formed on the threshold adjustment film and made of a material containing metal.

(A) preparing a semiconductor substrate;
(B) forming a dummy gate electrode on a predetermined region of the semiconductor substrate;
(C) forming a source region and a drain region by ion implantation using the dummy gate electrode as a mask;
(D) forming a gate insulating film on a region between the source region and the drain region, and forming a gate electrode made of a material containing a metal on the gate insulating film;
(E) performing a heat treatment on the gate insulating film and the gate electrode to adjust a threshold voltage, thereby forming a MIS element.