JP2004363628A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Junji Yagishita
淳史 八木下
Kazuaki Nakajima
一明 中嶋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To inhibit parasitic capacity between a gate electrode and source/drain region in the manufacturing method of an MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor Field-Effect Transistor) having a embedded gate electrode. <P>SOLUTION: The manufacturing method comprises the steps of depositing an amorphous cerium dioxide film (CeO<SB>2</SB>) 112 by, for example, CVD (Chemical Vapor Deposition), as shown in Fig. (f); forming a single-crystal CeO<SB>2</SB>film 111 only at the bottom face of a trench 121, in such a manner that the single-crystal CeO<SB>2</SB>film is formed in epitaxial growth from the amorphous CeO<SB>2</SB>film 112 on a silicon substrate 11 by for example heat treatment of 450°C, as shown in Fig. (g); depositing, for example, tungsten film as shown in Fig. (h); and forming a gate electrode 15 in padding inside the trench 121, in such a manner that the tungsten film and a low dielectric copnstant insulating film are planarized, until the front surface of a TEOS (tetraethylorthosilicate)-based silicon oxide film 19 is exposed by, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing). <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、溝内にゲート電極を埋め込んで形成するMISFETを含む半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including a MISFET formed by embedding a gate electrode in a trench, and a method of manufacturing the same.

近年、半導体デバイスの高集積化及び高速化に対する要求が高まりつつある。これらの要求を実現するために、素子間及び素子寸法の縮小化、微細化が進められる一方、内部配線材料の低抵抗化及び寄生容量の低減などが検討されている。   In recent years, demands for higher integration and higher speed of semiconductor devices have been increasing. In order to fulfill these demands, reductions and miniaturizations between elements and element dimensions have been promoted, while lowering the internal wiring material and reducing parasitic capacitance have been studied.

とりわけRC遅延が顕著に現れるゲート電極では、低抵抗化が大きな課題となっている。そこで、最近では、ゲート電極の低抵抗化を図るため、ポリシリコン膜と金属シリサイド膜との2層構造からなるポリサイドゲートが広く採用されている。高融点金属シリサイド膜は、ポリシリコン膜に比べ抵抗が約1桁低いので、低抵抗配線材料として有望である。なお、シリサイドとしては、これまでタングステンシリサイド(WSi)が最も広く使われてきている。 Particularly, in the gate electrode where the RC delay appears remarkably, reduction of the resistance is a major issue. Therefore, recently, in order to reduce the resistance of the gate electrode, a polycide gate having a two-layer structure of a polysilicon film and a metal silicide film has been widely adopted. The refractory metal silicide film is promising as a low-resistance wiring material because its resistance is about one digit lower than that of a polysilicon film. As the silicide, tungsten silicide (WSi x) has been most widely used heretofore.

しかしながら、0.15μm以下の微細な配線に対応するためには、更に配線の低抵抗化を図って遅延時間を短縮することが求められている。タングステンシリサイドを用いてシート抵抗1Ω/□以下の低い抵抗を有するゲート電極を実現するためには、シリサイド層の膜厚を厚くしなければならないので、ゲート電極パターンの加工や電極上の層間絶縁膜の形成が難しくなるため、電極のアスペクト比を大きくすることなく、低いシート抵抗を達成することが要求されている。   However, in order to cope with fine wiring of 0.15 μm or less, it is required to further reduce the resistance of the wiring and to shorten the delay time. In order to realize a gate electrode having a low sheet resistance of 1 Ω / □ or less using tungsten silicide, the thickness of the silicide layer must be increased. Therefore, it is required to achieve a low sheet resistance without increasing the aspect ratio of the electrode.

そのような状況下で、ポリシリコン膜を介さずにゲート絶縁膜に直接金属膜を積層する構造、所謂メタルゲート電極構造が有望視されている。しかしながら、従来のゲート電極と異なり、ゲート電極の加工が困難なこと、熱耐性に乏しいなどの問題がある。   Under such circumstances, a structure in which a metal film is directly stacked on a gate insulating film without a polysilicon film interposed therebetween, that is, a so-called metal gate electrode structure is expected to be promising. However, unlike the conventional gate electrode, there are problems such as difficulty in processing the gate electrode and poor heat resistance.

上述した問題を回避すべく、溝埋め込み型のゲート電極形成方法が提案されている。具体的には、ダミーゲート電極パターンを形成した後、ダミーゲート越しに拡散層を形成する。その後に、ダミーゲートの周囲にゲート側壁絶縁膜及び層間絶縁膜を形成する。そして、ダミーゲートを剥離して溝を形成し、この溝にゲート電極を構成する金属材料を埋め込み形成する手法である。この手法を用いることにより、メタルゲート電極形成後の熱工程の温度を下げることができる。   In order to avoid the above-mentioned problem, a method of forming a trench-embedded gate electrode has been proposed. Specifically, after forming a dummy gate electrode pattern, a diffusion layer is formed over the dummy gate. Thereafter, a gate sidewall insulating film and an interlayer insulating film are formed around the dummy gate. Then, a groove is formed by peeling off the dummy gate, and a metal material constituting a gate electrode is buried in the groove. By using this method, it is possible to lower the temperature of the heating step after the formation of the metal gate electrode.

しかしながら、堆積によりゲート絶縁膜を形成する場合、溝の底面と共に側面にも絶縁膜が堆積される。特に、高誘電体膜をゲート絶縁膜として使用する場合、ゲート側壁にも高誘電体膜材料が形成される構造となってしまう。   However, when the gate insulating film is formed by deposition, the insulating film is deposited not only on the bottom surface of the trench but also on the side surface. In particular, when a high-dielectric film is used as a gate insulating film, a structure in which a high-dielectric film material is formed on the gate side wall is obtained.

ゲート電極側壁の絶縁膜は、隣接するゲート電極/配線間の配線間容量に反映されるだけでなく、ソース/ドレイン領域と上層の配線を接続するコンタクトとゲート電極の間、並びにソース/ドレインとゲート電極の間の容量にも影響する。つまり、ゲート電極側壁に、誘電率が高い絶縁膜を使用する場合、配線の寄生容量の増大を招き、回路の動作スピードが低下してしまうという問題があった。   The insulating film on the side wall of the gate electrode is reflected not only in the capacitance between wirings between adjacent gate electrodes / wirings, but also between the gate electrode and the contact connecting the source / drain region and the upper wiring, and between the source / drain and the wiring. It also affects the capacitance between the gate electrodes. That is, when an insulating film having a high dielectric constant is used for the side wall of the gate electrode, there is a problem that the parasitic capacitance of the wiring is increased and the operation speed of the circuit is reduced.

溝にゲート電極を埋め込み形成するMISFETの製造方法が提案されているが、この製造方法を用いると、ゲート電極の側壁にもゲート絶縁膜が形成されてしまう。ゲート電極の側壁に形成されたゲート絶縁膜は、隣接するゲート電極/配線間の配線間容量に反映されるだけでなく、ソース/ドレイン領域と上層の配線を接続するコンタクトとゲート電極の間、並びにソース/ドレインとゲート電極の間の寄生容量にも影響する。つまり、ゲート電極側壁に、誘電率が高い絶縁膜が形成されると、配線の寄生容量の増大を招くという問題がある。   A method of manufacturing a MISFET in which a gate electrode is buried in a trench has been proposed. However, if this manufacturing method is used, a gate insulating film will be formed also on a side wall of the gate electrode. The gate insulating film formed on the side wall of the gate electrode is not only reflected on the capacitance between wirings between adjacent gate electrodes / wirings, but also between the gate electrode and the contact connecting the source / drain region and the upper wiring. It also affects the parasitic capacitance between the source / drain and the gate electrode. That is, if an insulating film having a high dielectric constant is formed on the side wall of the gate electrode, there is a problem that the parasitic capacitance of the wiring increases.

本発明の目的は、埋め込み型ゲート電極を有するMISFETに対して、ゲート電極の側壁に自己整合的にゲート電極より誘電率が低い絶縁膜を形成して、寄生容量の低減を図り、回路の動作スピードの低下を抑制し得る半導体装置及びその製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to form an insulating film having a lower dielectric constant than a gate electrode in a self-aligned manner on a side wall of the gate electrode for a MISFET having a buried type gate electrode to reduce parasitic capacitance and to operate the circuit. An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing a reduction in speed and a method for manufacturing the same.

本発明は、上記目的を達成するために以下のように構成されている。   The present invention is configured as described below to achieve the above object.

本発明の一例に係わる半導体装置は、半導体基板に形成されたソース及びドレインと、前記ソースとドレインとの間の領域の半導体基板上に形成された結晶化したゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記ゲート電極の側面に形成され、前記ゲート絶縁膜の構成材料と同一なアモルファス構造の絶縁膜とを具備してなることを特徴とする。   A semiconductor device according to an example of the present invention includes a source and a drain formed on a semiconductor substrate, a crystallized gate insulating film formed on the semiconductor substrate in a region between the source and the drain, and the gate insulating film. It is characterized by comprising a gate electrode formed thereon and an insulating film having an amorphous structure formed on the side surface of the gate electrode and having the same material as that of the gate insulating film.

本発明の一例に係わる半導体装置の製造方法は、半導体基板上のゲート電極が形成される領域にダミーゲートを形成する工程と、前記ダミーゲートの側壁に、側壁スペーサを形成する工程と、前記ダミーゲート及び側壁スペーサをマスクに用いて、ソース/ドレインを形成する工程と、前記半導体基板上に、前記ダミーゲートを覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜の上面を平坦化して、前記ダミーゲート及び側壁スペーサの上面を露出させる工程と、前記ダミーゲートを除去し、側面が前記側壁スペーサ,且つ底面が前記半導体基板からなる溝部を形成する工程と、前記半導体基板上に、前記溝部底面の前記半導体基板を覆うように、アモルファス構造の絶縁膜を堆積する工程と、前記溝部の底面の前記アモルファス構造の絶縁膜から単結晶構造の絶縁膜をエピタキシャル成長させて、該溝の底面にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記半導体基板上に、前記溝部内を埋め込むようにゲート電極材を堆積する工程と、前記層間絶縁膜上のゲート電極材及びアモルファス構造の絶縁膜を除去して、前記溝部内にゲート電極を埋め込み形成する工程とを含むことを特徴とする。   A method of manufacturing a semiconductor device according to an example of the present invention includes a step of forming a dummy gate in a region where a gate electrode is formed on a semiconductor substrate; a step of forming a sidewall spacer on a sidewall of the dummy gate; Forming a source / drain using the gate and the sidewall spacer as a mask, forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate so as to cover the dummy gate, and planarizing an upper surface of the interlayer insulating film; Exposing the upper surface of the dummy gate and the side wall spacer; removing the dummy gate to form a groove having a side wall formed of the side wall spacer and a bottom surface formed of the semiconductor substrate; Depositing an insulating film having an amorphous structure so as to cover the semiconductor substrate on the bottom surface of the groove; A step of epitaxially growing an insulating film having a single crystal structure from the insulating film to form a gate insulating film on the bottom surface of the groove, and a step of depositing a gate electrode material on the semiconductor substrate so as to fill the groove. Removing the gate electrode material and the amorphous structure insulating film on the interlayer insulating film, and burying the gate electrode in the trench.

本発明の好ましい実施態様を以下に記す。   Preferred embodiments of the present invention are described below.

前記ゲート電極材の堆積を行う前に、前記溝部の側面の前記アモルファス構造の絶縁膜をエッチング除去すること。   Before depositing the gate electrode material, the amorphous structure insulating film on the side surface of the groove is removed by etching.

前記ゲート電極材の堆積を行う前に、前記溝部の側面のアモルファス構造の絶縁膜を改質して、導電体にすること。   Before depositing the gate electrode material, the amorphous structure insulating film on the side surface of the groove is modified into a conductor.

[作用]
本発明は、上記構成によって以下の作用・効果を有する。
[Action]
The present invention has the following operations and effects by the above configuration.

ゲート電極の側壁には、誘電率が高いゲート絶縁膜が形成されていないので、ゲート電極とソース/ドレインとの間の寄生容量が低減し、回路の動作スピードを向上させることができる。   Since a gate insulating film having a high dielectric constant is not formed on the side wall of the gate electrode, the parasitic capacitance between the gate electrode and the source / drain is reduced, and the operation speed of the circuit can be improved.

また、アモルファス構造の絶縁膜を除去すると、ゲート電極とソース/ドレインとの間の寄生容量を更に低減させることができ、回路の動作スピードの向上を図ることができる。   Further, when the insulating film having the amorphous structure is removed, the parasitic capacitance between the gate electrode and the source / drain can be further reduced, and the operation speed of the circuit can be improved.

また、前記ゲート電極材の堆積を行う前に、アモルファス構造の絶縁膜を改質して、導電体にする工程とを行うことによって、ゲート電極とソース/ドレインとの間の寄生容量を更に低減させることができ、回路の動作スピードの向上を図ることができる。   Before the deposition of the gate electrode material, a step of modifying the amorphous structure of the insulating film to make it a conductor is performed, thereby further reducing the parasitic capacitance between the gate electrode and the source / drain. The operation speed of the circuit can be improved.

本発明によれば、ゲート電極の側壁には、誘電率が高いゲート絶縁膜が形成されていないので、ゲート電極とソース/ドレインとの間の寄生容量が低減し、回路の動作スピードを向上させることができる。   According to the present invention, since the gate insulating film having a high dielectric constant is not formed on the side wall of the gate electrode, the parasitic capacitance between the gate electrode and the source / drain is reduced, and the operation speed of the circuit is improved. be able to.

本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係わるMISFETの構成を示す断面図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a MISFET according to the first embodiment of the present invention.

図1に示すように、p型のSi基板11の素子領域の周囲を囲う溝が形成され、この溝内にバッファ酸化膜12を介して素子分離絶縁膜13が埋め込み形成されている。   As shown in FIG. 1, a groove surrounding the element region of a p-type Si substrate 11 is formed, and an element isolation insulating film 13 is buried in the groove via a buffer oxide film 12.

Si基板11上の素子領域にTa25ゲート絶縁膜14を介して、メタルゲート電極15が形成されている。メタルゲート電極15は、Al電極152 と、このAl電極の側壁及び底部に形成されたバリア層であるTiN(バリアメタル)151 とから構成されている。 A metal gate electrode 15 is formed in a device region on the Si substrate 11 with a Ta 2 O 5 gate insulating film 14 interposed therebetween. Metal gate electrode 15, the Al electrode 15 2 is composed from the Al electrode side wall and the bottom is a barrier layer formed of TiN (barrier metal) 15 1 Tokyo.

メタルゲート電極15を挟むようにSi基板11上にn- ソース/ドレイン16が形成されている。そして、メタルゲート電極15及びn- ソース/ドレイン16を挟むようにn+ ソース/ドレイン17が形成されている。 An n - source / drain 16 is formed on Si substrate 11 so as to sandwich metal gate electrode 15. Then, n + source / drain 17 is formed so as to sandwich metal gate electrode 15 and n source / drain 16.

素子分離絶縁膜13上,及びn+ ソース/ドレイン17上にバッファ酸化膜18を介してTEOS系シリコン酸化膜19が形成されている。TEOS系シリコン酸化膜19及びゲート電極15上、且つTEOS系シリコン酸化膜19が形成されていないSi基板11上のバッファ酸化膜18を介して、シリコン熱酸化膜より誘電率が低い低誘電率絶縁膜20が形成されている。TEOS系シリコン酸化膜19膜及び低誘電率絶縁膜20にn+ ソース/ドレイン17に接続するコンタクトホールが形成され、コンタクトホールにAl配線21が形成されている。 A TEOS-based silicon oxide film 19 is formed on the element isolation insulating film 13 and the n + source / drain 17 via a buffer oxide film 18. Low dielectric constant insulation, which has a lower dielectric constant than the silicon thermal oxide film, via the TEOS-based silicon oxide film 19 and the buffer oxide film 18 on the gate electrode 15 and on the Si substrate 11 where the TEOS-based silicon oxide film 19 is not formed. A film 20 is formed. A contact hole connected to the n + source / drain 17 is formed in the TEOS-based silicon oxide film 19 and the low dielectric constant insulating film 20, and an Al wiring 21 is formed in the contact hole.

本装置の特徴は、Ta25ゲート絶縁膜14がメタルゲート電極15の真下の領域のみに存在することである。さらにまた、メタルゲート電極15の側壁および上面が低誘電率絶縁膜(Low−k膜)20で覆われていることも特徴である。 The feature of this device is that the Ta 2 O 5 gate insulating film 14 exists only in a region directly below the metal gate electrode 15. Furthermore, the feature is that the side walls and the upper surface of the metal gate electrode 15 are covered with a low dielectric constant insulating film (Low-k film) 20.

次に、このMOSFETの製造工程を図2〜図8を参照して説明する。図2〜図8は、本発明の第1実施形態に係わるMISFETの製造工程を示す工程断面図である。   Next, a manufacturing process of this MOSFET will be described with reference to FIGS. 2 to 8 are process cross-sectional views illustrating a process of manufacturing the MISFET according to the first embodiment of the present invention.

まず、図2(a)に示すように、例えば面方位(100)のシリコン基板11の素子分離領域表面に深さ200nm程度の溝を形成し、その内壁を薄く酸化してバッファ酸化膜12を形成する。例えばTEOSシリコン酸化膜系を全面に堆積した後、CMP等を行うことによって、溝内に絶縁膜を埋め込み形成し、トレンチ素子分離(STI:Shallow Trench Isolation)構造の素子分離絶縁膜13を形成する。ここで必要であればウェルやチャネル形成用のイオン注入を行ない、基板表面には6nm程度の厚さのバッファ酸化膜18を形成する。   First, as shown in FIG. 2A, for example, a groove having a depth of about 200 nm is formed on the surface of an element isolation region of a silicon substrate 11 having a plane orientation (100), and its inner wall is thinly oxidized to form a buffer oxide film 12. Form. For example, after depositing a TEOS silicon oxide film system over the entire surface, by performing CMP or the like, an insulating film is buried in the trench, and an element isolation insulating film 13 having a trench isolation (STI: Shallow Trench Isolation) structure is formed. . If necessary, ion implantation for forming wells and channels is performed, and a buffer oxide film 18 having a thickness of about 6 nm is formed on the surface of the substrate.

次いで、図2(b)に示すように、ダミーゲート材料として、LPCVD法によりポリシリコン膜31とシリコン窒化膜32をどちらも150nm程度堆積する。   Next, as shown in FIG. 2B, a polysilicon film 31 and a silicon nitride film 32 are both deposited to a thickness of about 150 nm by LPCVD as a dummy gate material.

次いで、図2(c)に示すように、光リソグラフィー又はEB描画により、ゲート形成予定領域にレジストパターン(図示せず)を形成し、RIE法を用いてゲート形成予定領域以外のシリコン窒化膜32およびポリシリコン膜31をエッチング除去してダミーゲート33を形成した後、レジストパターンを除去する。   Next, as shown in FIG. 2C, a resist pattern (not shown) is formed in the gate formation planned region by photolithography or EB drawing, and the silicon nitride film 32 other than the gate formation planned region is formed by RIE. After the polysilicon film 31 is removed by etching to form the dummy gate 33, the resist pattern is removed.

次いで、図3(d)に示すように、熱酸化により、ポリシリコン膜31の側面に6nm程度の酸化膜34を形成する。次いで、図3(e)に示すように、ダミーゲート33をマスクに用いてイオン注入を行ってn- ソース/ドレイン16を形成する。イオン注入は、例えば加速電圧15keV,ドーズ量3×1014cm-2で例えばAsイオンを打ち込む。CMOSを形成する場合は、リソグラフィ技術により形成されるマスクを用いてn+ 拡散層とp+ 拡散層を形成し分ける。 Next, as shown in FIG. 3D, an oxide film 34 of about 6 nm is formed on the side surface of the polysilicon film 31 by thermal oxidation. Next, as shown in FIG. 3E, ion implantation is performed using the dummy gate 33 as a mask to form the n source / drain 16. For example, As ions are implanted at an acceleration voltage of 15 keV and a dose of 3 × 10 14 cm −2 , for example. When a CMOS is formed, an n + diffusion layer and a p + diffusion layer are formed separately using a mask formed by a lithography technique.

次いで、図4(f)に示すように、シリコン窒化膜を70nm程度堆積し、全面RIEすることによって、ダミーゲート33の側面のみにシリコン窒化膜を残留させ、側壁スペーサ35を形成する。   Next, as shown in FIG. 4F, a silicon nitride film is deposited to a thickness of about 70 nm, and the entire surface is subjected to RIE, so that the silicon nitride film is left only on the side surfaces of the dummy gates 33 to form sidewall spacers 35.

次いで、図4(g)に示すように、イオン注入によりn- ソース/ドレイン16より高濃度のn+ ソース/ドレイン17を形成する。イオン注入は、例えば加速電圧45keV,ドーズ量3×1015cm-2でAsイオンを打ち込む。なお、CMOSを形成する場合は、リソグラフィ技術により形成されるマスクを用いてn+ 拡散層とp+ 拡散層とを形成し分ける。ソース/ドレイン拡散層の活性化アニール(たとえば1000℃、10秒のRTA)は、イオン注入直後毎回行なっても良いし、全てのイオン注入が終了したのち、一度で行なっても良い。そして、LPCVDによりTEOS系シリコン酸化膜19を全面に350nm程度堆積する。 Next, as shown in FIG. 4G, an n + source / drain 17 having a higher concentration than the n source / drain 16 is formed by ion implantation. For example, As ions are implanted at an acceleration voltage of 45 keV and a dose of 3 × 10 15 cm −2 . When a CMOS is formed, an n + diffusion layer and a p + diffusion layer are formed separately using a mask formed by a lithography technique. Activation annealing (for example, RTA at 1000 ° C. for 10 seconds) of the source / drain diffusion layers may be performed every time immediately after ion implantation, or may be performed at once after all ion implantations are completed. Then, a TEOS-based silicon oxide film 19 is deposited on the entire surface to a thickness of about 350 nm by LPCVD.

次いで、図5(h)に示すように、CMP(Chemical Mechanical Polishing)によりTEOS系シリコン酸化膜19をエッチバック平坦化する。このCMP工程において、シリコン窒化膜32,35がCMPのストッパーとなる。   Next, as shown in FIG. 5H, the TEOS-based silicon oxide film 19 is etched back and planarized by CMP (Chemical Mechanical Polishing). In this CMP process, the silicon nitride films 32 and 35 serve as a stopper for CMP.

次いで、図5(i)に示すように、ホットリン酸によるウエット・エッチングにより、ダミーゲート33のシリコン窒化膜32を除去する。このエッチング工程で、シリコン窒化膜からなる側壁スペーサ35の上部もエッチングされるため、側壁スペーサ35の高さがやや低くなる。   Next, as shown in FIG. 5I, the silicon nitride film 32 of the dummy gate 33 is removed by wet etching using hot phosphoric acid. In this etching step, the upper portion of the sidewall spacer 35 made of the silicon nitride film is also etched, so that the height of the sidewall spacer 35 is slightly reduced.

次いで、図6(j)に示すように、CDEによってダミーゲート33のポリシリコン膜31を除去し、HFによるウエットエッチングを行なってバッファ酸化膜18を除去することにより、ゲート電極の形成予定領域に溝部26を形成する。ここでリソグラフィ技術を利用してNMOS,PMOSの各チャネル領域に別々にチャネルイオンの注入を行なうことも可能である。   Next, as shown in FIG. 6 (j), the polysilicon film 31 of the dummy gate 33 is removed by CDE, and the buffer oxide film 18 is removed by wet etching with HF. A groove 26 is formed. Here, channel ions can be separately implanted into each of the NMOS and PMOS channel regions using lithography technology.

次いで、図6(k)に示すように、全面にTa25ゲート絶縁膜14を形成する。Ta25ゲート絶縁膜14の形成方法を以下に説明する。Si基板11の表面に酸素ラジカルを照射しSiO2 層を0.2〜0.3nm程度形成し、引き続きアンモニア、シラン等を用いてSi34層を酸化膜換算膜厚で0.6nm程度(実膜厚で1.2nm程度)堆積形成する。その上にCVD法によりTa25膜を酸化膜換算膜厚で1nm程度(実膜厚で5nm程度)形成する。このようにすれば、ゲート絶縁膜厚は酸化膜換算膜厚で2nm以下となる。 Next, as shown in FIG. 6K, a Ta 2 O 5 gate insulating film 14 is formed on the entire surface. A method for forming the Ta 2 O 5 gate insulating film 14 will be described below. The surface of the Si substrate 11 is irradiated with oxygen radicals to form a SiO 2 layer having a thickness of about 0.2 to 0.3 nm, and subsequently, a Si 3 N 4 layer is formed using ammonia, silane or the like to have a thickness of about 0.6 nm in terms of an oxide film. (The actual film thickness is about 1.2 nm). A Ta 2 O 5 film is formed thereon by a CVD method in a thickness of about 1 nm in oxide film equivalent (about 5 nm in actual film thickness). In this case, the gate insulating film thickness becomes 2 nm or less in oxide film equivalent film thickness.

また、Ta25ゲート絶縁膜14の別の形成方法としては、まず1nm程度のSiO2 層を熱酸化により形成し、この表面を窒素ラジカルを使って低温(600℃以下)で窒化(N2プラズマ窒化)してもよい。Si34層が酸化膜換算膜厚で0.6nm程度(実膜厚で1.2nm程度)形成されると、SiO2 層は0.4nm程度となる。その上にCVDによりTa25膜を酸化膜換算膜厚で1nm程度(実膜厚で5nm程度)形成すれば、Ta25ゲート絶縁膜14の厚さは酸化膜換算膜厚で2nm以下となる。 As another method of forming the Ta 2 O 5 gate insulating film 14, first, a SiO 2 layer of about 1 nm is formed by thermal oxidation, and the surface is nitrided (N or less) at a low temperature (600 ° C. or lower) using nitrogen radicals. 2 plasma nitriding). When the Si 3 N 4 layer is formed to have a thickness equivalent to an oxide film of about 0.6 nm (actual thickness is about 1.2 nm), the SiO 2 layer has a thickness of about 0.4 nm. If a Ta 2 O 5 film is formed thereon with a thickness of about 1 nm in oxide film equivalent (about 5 nm in actual film thickness) by CVD, the thickness of the Ta 2 O 5 gate insulating film 14 is 2 nm in equivalent oxide film thickness. It is as follows.

そして、ゲート電極としてTiN151 とAl電極152 電極をそれぞれ10nm,250nm程度堆積する。 Then, TiN15 1 and Al electrodes 15 and second electrodes respectively as gate electrodes 10 nm, is deposited to a thickness of about 250 nm.

次いで、図7(l)に示すように、側壁スペーサ25をストッパにしてCMPによりエッチバック平坦化を行い、溝部26内にTa25ゲート絶縁膜14及びゲート電極15を埋め込み形成する。 Next, as shown in FIG. 7L, the etch back is planarized by CMP using the side wall spacer 25 as a stopper, and the Ta 2 O 5 gate insulating film 14 and the gate electrode 15 are buried and formed in the groove 26.

すでにソース/ドレイン16,17を(活性化を含めて)形成してあり、基本的にこの後には450℃以上の高温工程がないため、ゲート電極としてメタル材料(Al,W,TiN,Ruなど)を用いることが可能であり、またゲート絶縁膜として高誘電体膜(high−k膜:Ta25,TiO2 ,Si34など)や強誘電体膜((Ba,Sr)TiO3 など)を用いることが可能である。 Since the source / drain 16 and 17 (including activation) have already been formed and there is basically no high-temperature step of 450 ° C. or more thereafter, a metal material (Al, W, TiN, Ru, etc.) is used as the gate electrode. ) it is possible to use, also high dielectric film as a gate insulating film (high-k film: Ta 2 O 5, etc. TiO 2, Si 3 N 4) or a ferroelectric film ((Ba, Sr) TiO 3 etc.) can be used.

次いで、図7(m)に示すように、CF4 とO2 ガスを用いたCDEにより、CMPで除去されにくく残留しやすいTEOS系シリコン酸化膜19上のTa25ゲート絶縁膜14を除去すると共に、メタルゲート電極15側面のTa25絶縁膜14及び側壁スペーサ25を除去する。Ta25ゲート絶縁膜14はメタルゲート電極15の真下のみに残留し、メタルゲート電極15の側面やTEOS系シリコン酸化膜19上には存在しなくなる。 Next, as shown in FIG. 7 (m), the Ta 2 O 5 gate insulating film 14 on the TEOS-based silicon oxide film 19 which is difficult to be removed by CMP and is likely to remain is removed by CDE using CF 4 and O 2 gas. At the same time, the Ta 2 O 5 insulating film 14 and the side wall spacer 25 on the side surface of the metal gate electrode 15 are removed. The Ta 2 O 5 gate insulating film 14 remains only under the metal gate electrode 15 and does not exist on the side surface of the metal gate electrode 15 or on the TEOS-based silicon oxide film 19.

一般に、高誘電体膜又は強誘電体膜の下には界面特性を向上させるため熱酸化膜や窒化酸化膜のバッファレイヤーが存在する。したがって、Ta25絶縁膜14及び側壁スペーサ25の除去時に、このバッファレイヤーがエッチングストッパーの役割を果たし、Si基板11が削れるのが防止される。 Generally, a buffer layer such as a thermal oxide film or a nitrided oxide film exists below the high dielectric film or the ferroelectric film in order to improve interface characteristics. Therefore, when the Ta 2 O 5 insulating film 14 and the side wall spacer 25 are removed, the buffer layer plays a role of an etching stopper, thereby preventing the Si substrate 11 from being scraped.

また、Ta(OC255 をソースガスとしてTa25膜を成膜する場合、成膜プロセス条件を最適化すると、TEOS上やシリコン窒化膜上ではアイランド状に成長させて疎な膜質を実現し、シリコン基板上や薄い熱酸化膜上に成膜した場合は(本実施例ではメタルゲート下の部分のような場所は)密で均一な膜質とすることができる。したがって、TEOS系シリコン酸化膜19上やメタルゲート電極15側壁のTa25絶縁膜14のみを選択的に除去し、メタルゲート電極15下のTa25絶縁膜14を残留させることが比較的容易である。 In the case of forming a Ta 2 O 5 film using Ta (OC 2 H 5 ) 5 as a source gas, if the film forming process conditions are optimized, the film is grown in an island shape on the TEOS or the silicon nitride film to be sparse. When the film quality is realized and the film is formed on a silicon substrate or a thin thermal oxide film (in this embodiment, a portion such as a portion under a metal gate) can have a dense and uniform film quality. Therefore, only the Ta 2 O 5 insulating film 14 on the TEOS-based silicon oxide film 19 and the side wall of the metal gate electrode 15 is selectively removed, and the Ta 2 O 5 insulating film 14 under the metal gate electrode 15 remains. It is easy.

次いで、図8(n)に示すように、この後、メタルゲート電極15の側面と上面を覆うように低誘電率絶縁膜(たとえば誘電率2.5程度)20を堆積する。そして、低誘電率絶縁膜20及びTEOS系シリコン酸化膜19に、n+ ソース/ドレイン17に接続するコンタクトホールを形成した後、n+ ソース/ドレイン17に接続する上層配線のAl配線21を形成する。 Next, as shown in FIG. 8N, a low dielectric constant insulating film (for example, having a dielectric constant of about 2.5) 20 is deposited so as to cover the side surface and the upper surface of the metal gate electrode 15. Then, after forming a contact hole connected to the n + source / drain 17 in the low dielectric constant insulating film 20 and the TEOS-based silicon oxide film 19, an Al wiring 21 as an upper wiring connected to the n + source / drain 17 is formed. I do.

以上のように、本発明により形成したMISFETでは、メタルゲート電極15の側壁には、高誘電率のTa25ゲート絶縁膜が形成されず、且つメタルゲート電極の側壁には誘電率が低い膜が形成されているので、ゲート電極15とソース/ドレイン16,17間の配線容量が低減し、素子動作スピードが向上する。また、ゲート電極15の下の領域のみにTa25ゲート絶縁膜14が存在するので、Ta25がコンタクトRIEをストップさせることがない。即ち、ソース/ドレイン領域のコンタクト開孔が容易である。さらにまた、ゲート電極15側壁の高誘電体膜が除去されるので、素子の微細化、高集積化に向いたトランジスタ構図を実現することができる。 As described above, in the MISFET formed according to the present invention, the high dielectric constant Ta 2 O 5 gate insulating film is not formed on the side wall of the metal gate electrode 15 and the dielectric constant is low on the side wall of the metal gate electrode. Since the film is formed, the wiring capacitance between the gate electrode 15 and the source / drain 16 and 17 is reduced, and the operation speed of the device is improved. Further, since the Ta 2 O 5 gate insulating film 14 exists only in the region below the gate electrode 15, the Ta 2 O 5 does not stop the contact RIE. That is, it is easy to open contact holes in the source / drain regions. Furthermore, since the high dielectric film on the side wall of the gate electrode 15 is removed, a transistor composition suitable for miniaturization and high integration of elements can be realized.

なお、低誘電率絶縁膜としては、表1に示すような材料を用いることができる。

Figure 2004363628
Note that, as the low dielectric constant insulating film, materials as shown in Table 1 can be used.
Figure 2004363628

なお、表1において、kは誘電率、Tg は成長温度を示している。 In Table 1, k indicates a dielectric constant, and T g indicates a growth temperature.

[第2実施形態]
図9に第2の実施形態の基本構造断面図を示す。図9は、本発明の第2実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図である。なお、図9において図1と同一な部位には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
[Second embodiment]
FIG. 9 shows a sectional view of the basic structure of the second embodiment. FIG. 9 is a sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 9, the same portions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

本装置が、第1実施形態に示した装置と異なる点は、n+ ソース/ドレイン17にエピタキシャルSi層91が形成されており、エレペーティッドソース/ドレイン構造になっている点である。しかもこのエピタキシャルSi層91上には図示されないCoSi2 が形成されている。 This device differs from the device shown in the first embodiment in that an epitaxial Si layer 91 is formed on the n + source / drain 17 and has an elevated source / drain structure. In addition, CoSi 2 ( not shown) is formed on the epitaxial Si layer 91.

一般にエレベーティッドソース/ドレイン構造では、ゲート−ソース/ドレイン間容量が大きくなりやすく、素子動作スピードに悪影響を及ぼしやすい。メタルゲートの側面に高誘電体ゲート絶縁膜があればなおさらである。しかしながら、本実施形態においては、ゲートとエレベーティッドソース/ドレインの間の高誘電体ゲート絶縁膜が除去されており、かわりに低誘電率膜(たとえば誘電率2.5程度の膜)が挿入されているため、ゲート−ソース/ドレイン間容量が大幅に低減されている。   In general, in an elevated source / drain structure, the gate-source / drain capacitance tends to be large, which tends to adversely affect the element operation speed. This is especially true if there is a high dielectric gate insulating film on the side surface of the metal gate. However, in the present embodiment, the high dielectric gate insulating film between the gate and the elevated source / drain is removed, and a low dielectric constant film (for example, a film having a dielectric constant of about 2.5) is inserted instead. Therefore, the gate-source / drain capacitance is greatly reduced.

したがって、本発明は、エレベーティッドソース/ドレイン構造を採用した場合にさらに威力を発揮する。   Therefore, the present invention is more effective when an elevated source / drain structure is employed.

[第3実施形態]
図10に第3の実施形態の基本構造断面図を示す。図10は、本発明の第3実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図である。なお、図10において図1と同一な部位には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
[Third embodiment]
FIG. 10 shows a sectional view of the basic structure of the third embodiment. FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 10, the same portions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

本装置が、第1実施形態に示した装置と異なる点は、側壁スペーサ35が除去されていない点である。メタルゲート電極15側面のTa25ゲート絶縁膜14は除去されており、そこに例えば誘電率2.5程度の低誘電率絶縁膜20が挿入されているから、素子動作スピードは向上する。さらに本実施形態では、側壁スペーサ35が残されているので、n+ ソース/ドレイン17に接続するコンタクト孔の形成場所が多少合わせずれても、スペーサがコンタクトRIEで消失することなく残留するため、ゲート電極とコンタクト間のショート不良が生じにくいというメリットが生じる。 This device differs from the device shown in the first embodiment in that the side wall spacer 35 is not removed. Since the Ta 2 O 5 gate insulating film 14 on the side surface of the metal gate electrode 15 has been removed, and the low dielectric constant insulating film 20 having a dielectric constant of, for example, about 2.5 is inserted therein, the element operation speed is improved. Further, in the present embodiment, since the side wall spacer 35 is left, even if the formation position of the contact hole connected to the n + source / drain 17 is slightly misaligned, the spacer remains without disappearing by the contact RIE. There is an advantage that a short circuit between the gate electrode and the contact hardly occurs.

図10に示すように、コンタクト孔が側壁スペーサ35の上にのりあげて形成された場合でも、側壁スペーサ35が残留することによりゲート電極15とAl配線21の間の絶縁が保たれている。   As shown in FIG. 10, even when the contact hole is formed by being raised above the side wall spacer 35, the insulation between the gate electrode 15 and the Al wiring 21 is maintained because the side wall spacer 35 remains.

[第4実施形態]
図11に第4の実施形態の基本構造断面図を示す。図11は、本発明の第4実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図である。なお、図11において図1と同一な部位には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
[Fourth embodiment]
FIG. 11 shows a sectional view of the basic structure of the fourth embodiment. FIG. 11 is a sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention. In FIG. 11, the same portions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

本装置の特徴は、メタルゲート電極15の底部のゲート絶縁膜がエピタキシャル成長した単結晶CeO2 膜111であり、メタルゲート電極15側面のゲート絶縁膜がアモルファスCeO2 膜112であることである。 The feature of this device is that the gate insulating film at the bottom of the metal gate electrode 15 is a single-crystal CeO 2 film 111 grown epitaxially, and the gate insulating film on the side surface of the metal gate electrode 15 is an amorphous CeO 2 film 112.

CeO2 膜の誘電率は、その膜質に大きく依存し、単結晶自体であれば70〜80程度あるが、アモルファス構造では4程度とシリコン酸化膜の3.6とほぼ同程度となる。 The dielectric constant of the CeO 2 film greatly depends on the film quality, and is about 70 to 80 for a single crystal itself, but about 4 for an amorphous structure, which is about the same as 3.6 for a silicon oxide film.

そのため、メタルゲート電極15側壁には、低い誘電率の膜が形成されているので、隣接するゲート電極/配線間の配線間容量、並びにソース/ドレイン領域と上層の配線を接続するコンタクトとゲート電極との間の寄生容量の増大を抑制することができる。   Therefore, since a film having a low dielectric constant is formed on the side wall of the metal gate electrode 15, the capacitance between wirings between adjacent gate electrodes / wirings, the contact connecting the source / drain region and the upper wiring, and the gate electrode are formed. Can be suppressed from increasing in parasitic capacitance.

なお、図11において、ゲート電極15の側面部にはシリコン酸化膜1131 とシリコン窒化膜1132 とからなる側壁スペーサ113が形成されている。TEOS系シリコン酸化膜19上には、層間絶縁膜114が形成されている。n+ ソース/ドレイン17に接続し、窒化チタン膜(バリアメタル)1151 とタングステン膜1152 とからなるコンタクト電極115が形成されている。 In FIG. 11, the side portions of the gate electrode 15 sidewall spacers 113 made of a silicon oxide film 113 1 and the silicon nitride film 113 2 which is formed. On the TEOS-based silicon oxide film 19, an interlayer insulating film 114 is formed. A contact electrode 115 composed of a titanium nitride film (barrier metal) 115 1 and a tungsten film 115 2 is formed so as to be connected to the n + source / drain 17.

次に、本装置の製造工程を図12,図13を参照して説明する。図12,図13は、本発明の第4実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す工程断面図である。   Next, a manufacturing process of the present apparatus will be described with reference to FIGS. 12 and 13 are process cross-sectional views showing a process for manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.

先ず、図12(a)に示すように、前の実施形態と同様に、Si基板11に素子分離絶縁膜13及びバッファ酸化膜18を形成した後、ポリシリコン膜31及びシリコン窒化膜32を順次堆積する。   First, as shown in FIG. 12A, similarly to the previous embodiment, after forming an element isolation insulating film 13 and a buffer oxide film 18 on a Si substrate 11, a polysilicon film 31 and a silicon nitride film 32 are sequentially formed. accumulate.

次いで、図12(b)に示すように、所望のパターンにシリコン窒化膜32及びポリシリコン膜31を異方性エッチングし、ダミーゲート33を形成する。さらに、例えば、Asイオンをイオン注入し、950℃30秒の加熱処理を施すことによって、n- ソース/ドレイン16を形成する。 Next, as shown in FIG. 12B, the silicon nitride film 32 and the polysilicon film 31 are anisotropically etched into a desired pattern to form a dummy gate 33. Further, for example, As ions are implanted, and a heat treatment is performed at 950 ° C. for 30 seconds to form the n source / drain 16.

次いで、図12(c)に示すように、シリコン酸化膜1131 及びシリコン窒化膜1132 を堆積した後、シリコン窒化膜1132 及びシリコン酸化膜1131 のエッチングを行い、ダミーゲート33の側壁をシリコン窒化膜1132 で囲む側壁スペーサ113を形成する。さらに、例えば、P+ イオンをイオン注入し、850℃30秒の加熱処理を施すことによって、n+ ソース/ドレイン17を形成する。 Then, as shown in FIG. 12 (c), after depositing a silicon oxide film 113 1 and the silicon nitride film 113 2, etching of the silicon nitride film 113 2, and the silicon oxide film 113 1, the side walls of the dummy gate 33 forming a sidewall spacer 113 surrounding a silicon nitride film 113 2. Further, for example, n + source / drain 17 is formed by implanting P + ions and performing a heat treatment at 850 ° C. for 30 seconds.

次いで、図12(d)に示すように、TEOS系シリコン酸化膜19を全面に堆積し、例えば、化学的機械的研磨(CMP)法によって、TEOS系シリコン酸化膜19をダミーゲート33の表面が露出するまで平坦化する。   Next, as shown in FIG. 12D, a TEOS-based silicon oxide film 19 is deposited on the entire surface, and the TEOS-based silicon oxide film 19 is formed on the surface of the dummy gate 33 by, for example, a chemical mechanical polishing (CMP) method. Flatten until exposed.

次いで、図12(e)に示すように、シリコン窒化膜32,ポリシリコン膜31を剥離することによって、ダミーゲート33を除去する。ただし、ダミーゲート33の側壁のシリコン窒化膜1132 は、シリコン酸化膜1131 が介在するために除去されない。その後、バッファ酸化膜18,シリコン酸化膜1131 も剥離し、側壁がシリコン窒化膜1132 からなり、底面がSi基板11からなる溝部121を形成する。 Next, as shown in FIG. 12E, the dummy gate 33 is removed by peeling off the silicon nitride film 32 and the polysilicon film 31. However, the silicon nitride film 113 and second side walls of the dummy gate 33, the silicon oxide film 113 1 is not removed for intervening. Then, the buffer oxide film 18, also a silicon oxide film 113 1 is peeled, the side wall is made of a silicon nitride film 113 2, the bottom surface to form a groove portion 121 formed of Si substrate 11.

さらに、図12(f)に示すように、例えばCVD法によりアモルファス二酸化セリウム膜(CeO2 )112を堆積する。 Further, as shown in FIG. 12F, an amorphous cerium dioxide film (CeO 2 ) 112 is deposited by, for example, a CVD method.

その後、図12(g)に示すように、例えば450℃の加熱処理により、アモルファスCeO2 膜112から単結晶CeO2 膜をシリコン基板11に対してエピタキシャル成長させ、溝部121の底面にのみ単結晶CeO2 膜111を形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 12G, a single crystal CeO 2 film is epitaxially grown on the silicon substrate 11 from the amorphous CeO 2 film 112 by, for example, heat treatment at 450 ° C., and the single crystal CeO 2 is formed only on the bottom surface of the groove 121. Two films 111 are formed.

シリコンとCeO2 の格子定数はそれぞれ5.46Å,5.41Åと非常に近く、いわゆる格子不整合が小さいため、シリコン基板上で単結晶CeO2 膜111をエピタキシャル成長させることができる。ただし、アモルファスCeO2 膜112がシリコン基板11と直接接している面は溝部121底面のみであるため、単結晶CeO2 膜111は自己整合的に溝部121の底面のみにエピタキシャル成長する。 Since the lattice constants of silicon and CeO 2 are very close to 5.46 ° and 5.41 °, respectively, and so-called lattice mismatch is small, the single crystal CeO 2 film 111 can be epitaxially grown on a silicon substrate. However, since the surface of the amorphous CeO 2 film 112 directly in contact with the silicon substrate 11 is only the bottom surface of the groove 121, the single crystal CeO 2 film 111 grows epitaxially only on the bottom surface of the groove 121 in a self-aligned manner.

その後、図12(h)に示すように、例えば、タングステン膜を成膜し、さらに、例えばCMP法によって、タングステン膜及び低誘電率絶縁膜をTEOS系シリコン酸化膜19の表面が露出するまで平坦化し、溝部121の内部にゲート電極15を埋め込み形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 12H, for example, a tungsten film is formed, and the tungsten film and the low dielectric constant insulating film are flattened by, eg, CMP until the surface of the TEOS-based silicon oxide film 19 is exposed. And the gate electrode 15 is buried in the groove 121.

以上の工程により、ゲート電極15の側壁が低誘電率であるアモルファスCeO2 膜112で覆われ、かつゲート電極15の底部に高誘電率の単結晶CeO2膜111が形成されたトランジスタを形成することができる。 Through the above steps, a transistor in which the side wall of the gate electrode 15 is covered with the amorphous CeO 2 film 112 having a low dielectric constant and the single crystal CeO 2 film 111 having a high dielectric constant is formed at the bottom of the gate electrode 15 is formed. be able to.

そしてさらに、図13(i)に示すように、層間絶縁膜114を堆積した後、n+ ソース/ドレイン17上の層間絶縁膜114及びTEOS系シリコン酸化膜19にコンタクトホール131の開口を行う。その後、図13(j)に示すように、例えば、窒化チタン膜1151 とタングステン膜1152 を埋め込んだ後、CMP法により窒化チタン膜1151 、タングステン膜1152 を層間絶縁膜114の表面が露出するまで平坦化し、コンタクト電極115を形成する。 Further, as shown in FIG. 13I, after depositing an interlayer insulating film 114, a contact hole 131 is formed in the interlayer insulating film 114 on the n + source / drain 17 and the TEOS-based silicon oxide film 19. Thereafter, as shown in FIG. 13J, for example, after a titanium nitride film 115 1 and a tungsten film 115 2 are buried, the surface of the interlayer insulating film 114 is formed by a CMP method using the titanium nitride film 115 1 and the tungsten film 115 2. The contact electrode 115 is formed by flattening until it is exposed.

このとき、コンタクト電極115とゲート電極15間の絶縁膜は低誘電率を有するCeO2 膜112であるため、コンタクト−電極間の寄生容量は低く抑えることができ、しいてはトランジスタの処理速度を向上させることが可能となる。 At this time, since the insulating film between the contact electrode 115 and the gate electrode 15 is the CeO 2 film 112 having a low dielectric constant, the parasitic capacitance between the contact and the electrode can be suppressed low, and the processing speed of the transistor can be reduced. It can be improved.

本実施例では、シリコン基板に対しエピタキシャル成長する絶縁膜として、CeO2 膜を用いたが、酸化ジルコニウム膜(ZrO2 )、酸化ハフニウム膜(HfO2 )、酸化トリウム(ThO2 )、酸化イットリウム膜(Y23)、弗化カルシウム膜(CaF2 )、弗化すず・カルシウム膜(CaSnF2 )、酸化チタンバリウム膜(BaTiO3 )を用いることが可能である。 In this embodiment, a CeO 2 film is used as an insulating film epitaxially grown on a silicon substrate. However, a zirconium oxide film (ZrO 2 ), a hafnium oxide film (HfO 2 ), a thorium oxide (ThO 2 ), and an yttrium oxide film ( Y 2 O 3 ), a calcium fluoride film (CaF 2 ), a tin-calcium fluoride film (CaSnF 2 ), and a titanium barium oxide film (BaTiO 3 ) can be used.

なお、エピタキシャル成長は、格子常数が近い場合に生じるものとは限らない。例えば、堆積膜の格子常数Aと基板と格子常数Bとの関係が、naA≒nbB(na,nbは整数)であれば、エピタキシャル成長が生じる。また、その他、体積膜及び基板の格子常数が一定の関係にあれば、エピタキシャル成長が生じる。 Note that epitaxial growth does not always occur when the lattice constant is close. For example, the relationship between the lattice constant A and the substrate and the lattice constant B of the deposited film, n a A ≒ n b B if (n a, n b is an integer), resulting epitaxial growth. In addition, if the lattice constants of the volume film and the substrate have a fixed relationship, epitaxial growth occurs.

また、本実施例では、CeO2 膜のエピタキシャル成長を成膜直後に行っているが、CeO2 膜上の金属膜成膜後、CeO2 膜及び金属膜の平坦化後以降であっても良い、さらに、本実施形態では、高誘電率絶縁膜の成膜をCVD法により行っているが、スパッタ法や真空蒸着法でも良い。 Further, in this embodiment, the CeO 2 film is epitaxially grown immediately after the film formation, but may be performed after the metal film is formed on the CeO 2 film or after the CeO 2 film and the metal film are flattened. Further, in this embodiment, the high dielectric constant insulating film is formed by the CVD method, but may be formed by a sputtering method or a vacuum evaporation method.

[第5実施形態]
図14に第5の実施形態の基本構造断面図を示す。図14は、本発明の第4実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図である。なお、図14において図1,図11と同一な部位には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
[Fifth Embodiment]
FIG. 14 shows a sectional view of the basic structure of the fifth embodiment. FIG. 14 is a sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention. In FIG. 14, the same portions as those in FIGS. 1 and 11 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

本装置の特徴は、ゲート電極15の底部にのみ単結晶ZrO2 ゲート絶縁膜141が形成されており、ゲート電極15の側面部には単結晶ZrO2 膜が形成されていないことである。 The feature of this device is that the single crystal ZrO 2 gate insulating film 141 is formed only on the bottom of the gate electrode 15, and the single crystal ZrO 2 film is not formed on the side surface of the gate electrode 15.

本装置は、コンタクト電極115とゲート電極15間には、高い誘電率の単結晶ZrO2 膜が形成されていないため、コンタクト電極115−ゲート電極15間の寄生容量は低く抑えることができ、しいてはトランジスタの処理速度を向上させることが可能となる。 In this device, since a single crystal ZrO 2 film having a high dielectric constant is not formed between the contact electrode 115 and the gate electrode 15, the parasitic capacitance between the contact electrode 115 and the gate electrode 15 can be suppressed low. In addition, the processing speed of the transistor can be improved.

次に、本装置の製造工程について説明する。図15は、本発明の第5実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す工程断面図である。   Next, a manufacturing process of the present apparatus will be described. FIG. 15 is a process cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.

先ず、第4実施形態の図12(a)〜図12(e)を参照して説明した工程と同様なことを行う。次いで、図15(a)に示すように、例えば異方性スパッタ法によりアモルファス二酸化ジルコニウム膜(ZrO2 )151を堆積する。 First, the same processes as those of the fourth embodiment described with reference to FIGS. 12A to 12E are performed. Next, as shown in FIG. 15A, an amorphous zirconium dioxide film (ZrO 2 ) 151 is deposited by, for example, an anisotropic sputtering method.

次いで、図15(b)に示すように、例えば450℃の加熱処理により、アモルファスZrO2 151から単結晶ZrO2 膜151をSi基板11に対してエピタキシャル成長させる。シリコンとZrO2 の格子定数はそれぞれ5.46Å,5.07Åと非常に近く、いわゆる格子不整合が小さいため、単結晶ZrO2 膜141はSi基板11上でエピタキシャル成長する。ただし、アモルファスZrO2 膜151がSi基板11と直接接している面は溝部121の底面のみであるため、自己整合的に溝部121底面のみに単結晶ZrO2 膜141がエピタキシャル成長する。 Next, as shown in FIG. 15B, a single crystal ZrO 2 film 151 is epitaxially grown on the Si substrate 11 from the amorphous ZrO 2 151 by, for example, heat treatment at 450 ° C. Since the lattice constants of silicon and ZrO 2 are very close to 5.46 ° and 5.07 °, respectively, so-called lattice mismatch is small, the single crystal ZrO 2 film 141 grows epitaxially on the Si substrate 11. However, since the surface of the amorphous ZrO 2 film 151 directly in contact with the Si substrate 11 is only the bottom surface of the groove 121, the single crystal ZrO 2 film 141 is epitaxially grown only on the bottom surface of the groove 121 in a self-aligned manner.

ZrO2 膜の誘電率はその膜質に大きく依存し、単結晶構造ならば70〜80程度あるが、アモルファス構造では4程度と低い。よって、本発明によれば、溝底にのみに高誘電率を有する単結晶ZrO2 膜141を配置した構造を形成することが可能となる。 The dielectric constant of the ZrO 2 film largely depends on the film quality, and is about 70 to 80 in the case of a single crystal structure, but is as low as about 4 in the case of an amorphous structure. Therefore, according to the present invention, it is possible to form a structure in which the single crystal ZrO 2 film 141 having a high dielectric constant is arranged only at the bottom of the groove.

その後、図15(c)に示すように、溝部121内部に、例えばタングステン膜を成膜し、さらに例えばCMP法によって、タングステン膜及びアモルファスZrO2 膜151をTEOS系シリコン酸化膜19の表面が露出するまで平坦化し、溝部121の内部にゲート電極15を埋め込み形成する。 Thereafter, as shown in FIG. 15C, for example, a tungsten film is formed inside the trench 121, and further, the tungsten film and the amorphous ZrO 2 film 151 are exposed to the surface of the TEOS-based silicon oxide film 19 by, eg, CMP. Then, the gate electrode 15 is buried in the trench 121.

以上の工程により、ゲート電極15の側壁がシリコン窒化膜1132 で覆われ、かつゲート電極15の底部に高誘電率の単結晶ZrO2 ゲート絶縁膜141が形成されたトランジスタを形成することができる。 By the steps described above, the sidewalls of the gate electrode 15 is covered with the silicon nitride film 113 2, and a single crystal ZrO 2 gate insulating film 141 of a high dielectric constant on the bottom of the gate electrode 15 to form a transistor formed .

さらに、図15(d)〜図15(e)に示すように、前の実施形態と同様に、コンタクトホール内に131内に、n+ ソース/ドレイン17に接続するコンタクト電極115を埋め込み形成する。 Further, as shown in FIGS. 15D to 15E, a contact electrode 115 connected to the n + source / drain 17 is buried in the contact hole 131 in the same manner as in the previous embodiment. .

[第6実施形態]
図16に第6の実施形態の基本構造断面図を示す。図16は、本発明の第6実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図である。なお、図16において図1,図11と同一な部位には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
[Sixth embodiment]
FIG. 16 shows a sectional view of the basic structure of the sixth embodiment. FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention. In FIG. 16, the same parts as those in FIGS. 1 and 11 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

本装置の特徴は、ゲート電極15の底部にのみ単結晶CeO2 ゲート絶縁膜111が形成されており、ゲート電極15の側面部には単結晶CeO2 膜が形成されていないことである。 The feature of this device is that the single-crystal CeO 2 gate insulating film 111 is formed only on the bottom of the gate electrode 15, and the single-crystal CeO 2 film is not formed on the side surface of the gate electrode 15.

本装置は、コンタクト電極115とゲート電極15間には、高い誘電率の単結晶CeO2 膜が形成されていないため、コンタクト電極115−ゲート電極15間の寄生容量は低く抑えることができ、しいてはトランジスタの処理速度を向上させることが可能となる。 In this device, since a single-crystal CeO 2 film having a high dielectric constant is not formed between the contact electrode 115 and the gate electrode 15, the parasitic capacitance between the contact electrode 115 and the gate electrode 15 can be suppressed low. In addition, the processing speed of the transistor can be improved.

次に、本装置の製造工程について説明する。図17は、本発明の第6実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す工程断面図である。   Next, a manufacturing process of the present apparatus will be described. FIG. 17 is a process cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention.

先ず、第4実施形態の図12(a)〜図12(e)を参照して説明した工程と同様なことを行う。次いで、図17(a)に示すように、例えば真空蒸着法によりアモルファス二酸化セリウム膜(CeO2 )112を堆積する。 First, the same processes as those of the fourth embodiment described with reference to FIGS. 12A to 12E are performed. Next, as shown in FIG. 17A, an amorphous cerium dioxide film (CeO 2 ) 112 is deposited by, for example, a vacuum evaporation method.

次いで、図17(b)に示すように、例えば450℃の加熱処理により、アモルファスCeO2 膜112から単結晶CeO2 膜111をSi基板11に対してエピタキシャル成長させる。シリコンとCeO2 の格子定数はそれぞれ5.46Å,5.41Åと非常に近く、いわゆる格子不整合が小さいため、単結晶CeO2 膜がシリコン基板上でエピタキシャル成長する。ただし、アモルファスCeO2 膜112がSi基板11と直接接している面は溝部121の底面のみであるため、自己整合的に溝部121の底面にのみ単結晶CeO2 膜111がエピタキシャル成長する。 Next, as shown in FIG. 17B, a single crystal CeO 2 film 111 is epitaxially grown on the Si substrate 11 from the amorphous CeO 2 film 112 by, for example, heat treatment at 450 ° C. Since the lattice constants of silicon and CeO 2 are very close to 5.46 ° and 5.41 °, respectively, and so-called lattice mismatch is small, a single-crystal CeO 2 film grows epitaxially on a silicon substrate. However, since the surface of the amorphous CeO 2 film 112 directly in contact with the Si substrate 11 is only the bottom surface of the groove 121, the single-crystal CeO 2 film 111 grows epitaxially only on the bottom surface of the groove 121 in a self-aligned manner.

CeO2 膜の誘電率はその膜質に大きく依存し、単結晶構造ならば70〜80程度あるが、アモルファス構造では4程度と低い。よって、本発明によれば、溝部121の底面は高誘電率の単結晶CeO2 膜111で、溝部121の側面は低誘電率のアモルファスCeO2 膜112からなる構造を形成することが可能となる。 The dielectric constant of the CeO 2 film greatly depends on the film quality, and is about 70 to 80 in the case of a single crystal structure, but is as low as about 4 in the case of an amorphous structure. Therefore, according to the present invention, it is possible to form a structure in which the bottom surface of the groove 121 is the single-crystal CeO 2 film 111 having a high dielectric constant and the side surface of the groove 121 is formed of the amorphous CeO 2 film 112 having a low dielectric constant. .

さらに、図17(c)に示すように、例えば10%希釈硫酸により、溝部121側面のアモルファスCeO2 膜112を剥離する。単結晶CeO2 膜111とアモルファスCeO2 膜112のエッチング選択比は5〜10程度あるため、溝部121の底面の単結晶CeO2 膜111を残したまま、溝部121の側面のアモルファスCeO2 膜112を剥離することが可能である。 Further, as shown in FIG. 17C, the amorphous CeO 2 film 112 on the side surface of the groove 121 is peeled off using, for example, 10% diluted sulfuric acid. Since the etching selectivity between the single crystal CeO 2 film 111 and the amorphous CeO 2 film 112 is about 5 to 10, the amorphous CeO 2 film 112 on the side surface of the groove 121 is left while the single crystal CeO 2 film 111 on the bottom of the groove 121 is left. Can be peeled off.

次いで、図17(d)に示すように、全面に例えばタングステン膜を成膜し、さらに例えばCMP法によってタングステン膜をTEOS系シリコン酸化膜19の表面が露出するまで平垣化し、溝部121の内部にゲート電極15を埋め込み形成する。   Next, as shown in FIG. 17D, for example, a tungsten film is formed on the entire surface, and the tungsten film is flattened by, eg, CMP until the surface of the TEOS-based silicon oxide film 19 is exposed. The gate electrode 15 is buried.

以上の工程により、ゲート電極15の側壁に高い誘電率の絶縁膜が形成されず、かつ高誘電率を有した単結晶CeO2 ゲート絶縁膜111を用いたトランジスタを形成することができる。 Through the above steps, a transistor using a single-crystal CeO 2 gate insulating film 111 having a high dielectric constant without forming an insulating film with a high dielectric constant on the side wall of the gate electrode 15 can be formed.

さらに、図17(e)〜図17(f)に示すように、前の実施形態と同様に、コンタクトホール内に131内に、n+ ソース/ドレイン17に接続するコンタクト電極115を埋め込み形成する。 Further, as shown in FIGS. 17E to 17F, a contact electrode 115 connected to the n + source / drain 17 is buried in the contact hole 131 in the same manner as in the previous embodiment. .

なお、本実施形態では、硫酸を用いて選択エッチングを行ったが、フッ酸、塩酸、硝酸でも良い。   In the present embodiment, selective etching is performed using sulfuric acid, but hydrofluoric acid, hydrochloric acid, or nitric acid may be used.

[第7実施形態]
図18に第7の実施形態の基本構造断面図を示す。図18は、本発明の第6実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図である。なお、図18において図1,図11と同一な部位には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
[Seventh embodiment]
FIG. 18 shows a sectional view of the basic structure of the seventh embodiment. FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a sixth embodiment of the present invention. In FIG. 18, the same parts as those in FIGS. 1 and 11 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.

本装置の特徴は、ゲート電極15の底部にのみ単結晶HfO2 ゲート絶縁膜181が形成されており、ゲート電極15の側面部には単結晶HfO2 膜が形成さずに、HfN膜182が形成されていることである。 Features of the apparatus, only the bottom of the gate electrode 15 is formed is a single crystal HfO 2 gate insulating film 181, the side surface portion of the gate electrode 15 without monocrystalline HfO 2 film is formed, the HfN layer 182 It is formed.

本装置は、コンタクト電極115とゲート電極15間には、高い誘電率の単結晶HfO2 膜が形成されていないため、コンタクト電極115−ゲート電極15間の寄生容量は低く抑えることができ、しいてはトランジスタの処理速度を向上させることが可能となる。 In this device, since a single crystal HfO 2 film having a high dielectric constant is not formed between the contact electrode 115 and the gate electrode 15, the parasitic capacitance between the contact electrode 115 and the gate electrode 15 can be suppressed low. In addition, the processing speed of the transistor can be improved.

次に、本装置の製造工程について説明する。図19は、本発明の第7実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す工程断面図である。   Next, a manufacturing process of the present apparatus will be described. FIG. 19 is a process sectional view illustrating the manufacturing process of the semiconductor device according to the seventh embodiment of the present invention.

先ず、第4実施形態の図12(a)〜図12(e)を参照して説明した工程と同様なことを行う。次いで、図19(a)に示すように、例えばCVD法によりアモルファス二酸化ハフニウム膜(HfO2 )191を堆積させる。 First, the same processes as those of the fourth embodiment described with reference to FIGS. 12A to 12E are performed. Next, as shown in FIG. 19A, an amorphous hafnium dioxide film (HfO 2 ) 191 is deposited by, for example, a CVD method.

次いで、図19(b)に示すように、例えば450℃の加熱処理により、アモルファスHfO2 膜191から単結晶HfO2 膜181をSi基板11に対してエピタキシャル成長させる。ただし、アモルファスHfO2 膜191がSi基板11と直接接している面は溝部121の底面のみであるため、自己整合的に溝部121の底面にのみ単結晶HfO2 膜181がエピタキシャル成長する。 Next, as shown in FIG. 19B, a single crystal HfO 2 film 181 is epitaxially grown on the Si substrate 11 from the amorphous HfO 2 film 191 by, for example, heat treatment at 450 ° C. However, since the surface of the amorphous HfO 2 film 191 directly in contact with the Si substrate 11 is only the bottom surface of the groove 121, the single crystal HfO 2 film 181 is epitaxially grown only on the bottom surface of the groove 121 in a self-aligned manner.

HfO2 膜の誘電率はその膜質に大きく依存し、単結晶構造ならば70〜80程度あるが、アモルファス構造では4程度と低い。よって、本発明によれば、溝部121の底面は高誘電率を有する単結晶HfO2 膜181で、溝部121の側面は低誘電率を有するアモルファスHfO2 膜191からなる構造を形成することが可能となる。 The dielectric constant of the HfO 2 film largely depends on the quality of the film, and is about 70 to 80 for a single crystal structure, but as low as about 4 for an amorphous structure. Therefore, according to the present invention, it is possible to form a structure in which the bottom surface of the groove 121 is a single crystal HfO 2 film 181 having a high dielectric constant, and the side surface of the groove 121 is an amorphous HfO 2 film 191 having a low dielectric constant. It becomes.

次いで、図19(c)に示すように、例えばNH3 雰囲気で加熱することによりアモルファスHfO2 膜191表面を窒化し、選択的にHfN膜182を形成する。アモルファスHfO2 膜191は、単結晶HfO2 膜181に比べ窒化速度が5倍程度速いために、溝部121の底面の単結晶HfO2 膜181はあまり窒化されず、溝部121の底面以外のアモルファスHfO2 膜191をHfN膜182に改質することが可能である。なお、HfN膜182は金属であるため、誘電率の問題は発生しない。 Next, as shown in FIG. 19C, the surface of the amorphous HfO 2 film 191 is nitrided by heating in, for example, an NH 3 atmosphere, and an HfN film 182 is selectively formed. Amorphous HfO 2 film 191, because nitriding speed is about 5 times faster than single crystal HfO 2 film 181, a single crystal HfO 2 film 181 of the bottom surface of the groove 121 is not less nitride, amorphous non-bottom surface of the groove 121 HfO The second film 191 can be modified into an HfN film 182. Note that since the HfN film 182 is made of metal, the problem of the dielectric constant does not occur.

その後、図19(d)に示すように、溝部121の内部に例えばタングステン膜を成膜し、さらに例えばCMP法によってタングステン膜及びHfN膜182をTEOS系シリコン酸化膜19の表面が露出するまで平坦化し、溝部121の内部にゲート電極15を埋め込み形成する。   Thereafter, as shown in FIG. 19D, for example, a tungsten film is formed inside the trench 121, and the tungsten film and the HfN film 182 are further flattened by, eg, CMP until the surface of the TEOS-based silicon oxide film 19 is exposed. And the gate electrode 15 is buried in the groove 121.

以上の工程により、ゲート電極の側壁に高い誘電率を有す絶縁膜が形成されず、かつ高誘電率を有した単結晶HfO2 膜を用いたトランジスタを形或することができる。 Through the above steps, a transistor in which an insulating film having a high dielectric constant is not formed on the side wall of the gate electrode and a single crystal HfO 2 film having a high dielectric constant is formed can be formed.

さらに、図19(e)〜図19(f)に示すように、前の実施形態と同様に、コンタクトホール内に131内に、n+ ソース/ドレイン17に接続するコンタクト電極115を埋め込み形成する。 Further, as shown in FIGS. 19E to 19F, a contact electrode 115 connected to the n + source / drain 17 is buried in the contact hole 131 in the same manner as in the previous embodiment. .

なお、本実施例では、HfO2 膜の室化をNH3 を用いた熱窒化により行ったが、プラズマ窒化でも良い。また、窒化に用いるガスとしてNH3 以外に、N2 、NH4 、NO、NO2 、N2O若しくはそれらのガスの組み合わせ未市区は窒素を含まないガスとの混合ガスでも良い。 In this embodiment, the HfO 2 film is formed into a chamber by thermal nitridation using NH 3 , but may be formed by plasma nitridation. As a gas used for nitriding, in addition to NH 3 , N 2 , NH 4 , NO, NO 2 , N 2 O or a combination gas of those gases may be a mixed gas with a gas containing no nitrogen.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、第1〜3実施形態に示した製造方法において、ゲート電極を形成した後ゲート電極側壁のゲート絶縁膜を除去するのではなく、第4〜7実施形態に示したように、ゲート電極の底部にエピタキシャル成長させたゲート絶縁膜を形成し、側壁にアモルファス状態の絶縁膜を形成しても良い。   Note that the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the manufacturing method shown in the first to third embodiments, instead of removing the gate insulating film on the side wall of the gate electrode after forming the gate electrode, as shown in the fourth to seventh embodiments, An epitaxially grown gate insulating film may be formed on the bottom, and an amorphous insulating film may be formed on the side wall.

その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。   In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the gist thereof.

第1実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. 図1の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。FIG. 2 is a process cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device in FIG. 1. 図1の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。FIG. 2 is a process cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device in FIG. 1. 図1の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。FIG. 2 is a process cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device in FIG. 1. 図1の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。FIG. 2 is a process cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device in FIG. 1. 図1の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。FIG. 2 is a process cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device in FIG. 1. 図1の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。FIG. 2 is a process cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device in FIG. 1. 図1の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。FIG. 2 is a process cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device in FIG. 1. 第2実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a second embodiment. 第3実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図。FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device according to a third embodiment. 第4実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図。FIG. 14 is a sectional view showing the configuration of a semiconductor device according to a fourth embodiment. 図11の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。FIG. 12 is a process cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device in FIG. 11. 図11の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。FIG. 12 is a process cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the semiconductor device in FIG. 11. 第5実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図。FIG. 14 is a sectional view showing the configuration of a semiconductor device according to a fifth embodiment. 図14の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。FIG. 15 is a process cross-sectional view illustrating the manufacturing process of the semiconductor device in FIG. 14. 第6実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図。FIG. 14 is a sectional view showing the configuration of a semiconductor device according to a sixth embodiment. 図16の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。FIG. 17 is a process cross-sectional view illustrating the manufacturing process of the semiconductor device in FIG. 16. 第7実施形態に係わる半導体装置の構成を示す断面図。FIG. 13 is a sectional view showing a configuration of a semiconductor device according to a seventh embodiment. 図18の半導体装置の製造工程を示す工程断面図。FIG. 19 is a process sectional view illustrating the manufacturing process of the semiconductor device in FIG. 18;

符号の説明Explanation of reference numerals

11…Si基板,12…バッファ酸化膜,13…素子分離絶縁膜,14…ゲート絶縁膜,15…メタルゲート電極,151 …TiN,152 …Al電極,16…n- ソース/ドレイン,17…n+ ソース/ドレイン,18…バッファ酸化膜,19…TEOS系シリコン酸化膜,20…低誘電率絶縁膜,21…コンタクト電極,25…側壁スペーサ,26…溝部,31…ポリシリコン膜,32…シリコン窒化膜,33…ダミーゲート,34…酸化膜,35…側壁スペーサ,111…単結晶CeO2 ゲート絶縁膜,112…アモルファスCeO2 膜,113…側壁スペーサ,1131 …シリコン酸化膜,1132 …シリコン窒化膜,114…層間絶縁膜,115…Alコンタクト電極,121…溝部,131…コンタクトホール,141…単結晶ZrO2 ゲート絶縁膜,1151 …窒化チタン膜,1152 …タングステン膜,151…アモルファスZrO2 膜,181…単結晶HfO2 ゲート絶縁膜,182…HfN膜,191…アモルファスHfO2 11 ... Si substrate, 12 ... buffer oxide film, 13 ... the element isolation insulating film, 14 ... gate insulating film, 15 ... metal gate electrode, 15 1 ... TiN, 15 2 ... Al electrode, 16 ... n - source / drain 17 ... n + source / drain, 18 ... buffer oxide film, 19 ... TEOS-based silicon oxide film, 20 ... low dielectric constant insulating film, 21 ... contact electrode, 25 ... side wall spacer, 26 ... groove, 31 ... polysilicon film, 32 ... silicon nitride film, 33 ... dummy gate, 34 ... oxide film, 35 ... sidewall spacer 111 ... monocrystalline CeO 2 gate insulating film, 112 ... amorphous CeO 2 film, 113 ... sidewall spacer 113 1 ... silicon oxide film, 113 2 ... silicon nitride film, 114 ... interlayer insulating film, 115 ... Al contact electrodes, 121 ... groove portion, 131 ... contact hole, 141 ... monocrystalline Z O 2 gate insulating film, 115 1 ... titanium nitride film, 115 2 ... tungsten film, 151 ... amorphous ZrO 2 film, 181 ... monocrystalline HfO 2 gate insulating film, 182 ... HfN film, 191 ... amorphous HfO 2 film

Claims (5)

半導体基板に形成されたソース及びドレインと、
前記ソースとドレインとの間の領域の半導体基板上に形成された結晶化したゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の側面に形成され、前記ゲート絶縁膜の構成材料と同一なアモルファス構造の絶縁膜とを具備してなることを特徴とする半導体装置。
A source and a drain formed on the semiconductor substrate;
A crystallized gate insulating film formed on the semiconductor substrate in a region between the source and the drain,
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A semiconductor device comprising: an insulating film formed on a side surface of the gate electrode and having the same amorphous structure as a constituent material of the gate insulating film.
前記ゲート絶縁膜及び絶縁膜が、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化トリウム、酸化イットリウム、弗化カルシウム、弗化すず・カルシウム膜、及び酸化チタンバリウムの何れかから構成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The gate insulating film and the insulating film are made of any one of cerium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, thorium oxide, yttrium oxide, calcium fluoride, tin / calcium fluoride film, and titanium barium oxide. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein: 半導体基板上のゲート電極が形成される領域にダミーゲートを形成する工程と、
前記ダミーゲートの側壁に、側壁スペーサを形成する工程と、
前記ダミーゲート及び側壁スペーサをマスクに用いて、ソース/ドレインを形成する工程と、
前記半導体基板上に、前記ダミーゲートを覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜の上面を平坦化して、前記ダミーゲート及び側壁スペーサの上面を露出させる工程と、
前記ダミーゲートを除去し、側面が前記側壁スペーサ,且つ底面が前記半導体基板からなる溝部を形成する工程と、
前記半導体基板上に、前記溝部底面の前記半導体基板を覆うように、アモルファス構造の絶縁膜を堆積する工程と、
前記溝部の底面の前記アモルファス構造の絶縁膜から単結晶構造の絶縁膜をエピタキシャル成長させて、該溝の底面にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記半導体基板上に、前記溝部内を埋め込むようにゲート電極材を堆積する工程と、
前記層間絶縁膜上のゲート電極材及びアモルファス構造の絶縁膜を除去して、前記溝部内にゲート電極を埋め込み形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a dummy gate in a region where a gate electrode is formed on a semiconductor substrate;
Forming a sidewall spacer on the sidewall of the dummy gate;
Forming a source / drain using the dummy gate and the sidewall spacer as a mask;
Forming an interlayer insulating film on the semiconductor substrate so as to cover the dummy gate;
Flattening the upper surface of the interlayer insulating film to expose the upper surfaces of the dummy gate and the sidewall spacer;
Removing the dummy gate and forming a groove having a side surface formed of the side wall spacer and a bottom surface formed of the semiconductor substrate;
Depositing an insulating film having an amorphous structure on the semiconductor substrate so as to cover the semiconductor substrate on the bottom of the trench;
A step of epitaxially growing an insulating film of a single crystal structure from the insulating film of the amorphous structure on the bottom surface of the groove, and forming a gate insulating film on the bottom surface of the groove;
Depositing a gate electrode material on the semiconductor substrate so as to bury the trench;
Removing the gate electrode material and the amorphous structure insulating film on the interlayer insulating film, and burying the gate electrode in the trench.
前記ゲート電極材の堆積を行う前に、前記溝部の側面の前記アモルファス構造の絶縁膜をエッチング除去することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。   4. The method according to claim 3, wherein the insulating film having an amorphous structure on a side surface of the groove is removed by etching before depositing the gate electrode material. 前記ゲート電極材の堆積を行う前に、前記溝部の側面のアモルファス構造の絶縁膜を改質して、導電体にすることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。   5. The method according to claim 4, wherein before depositing the gate electrode material, the amorphous structure insulating film on the side surface of the groove is modified into a conductor.
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