JP2005079306A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
Method for manufacturing semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005079306A JP2005079306A JP2003307144A JP2003307144A JP2005079306A JP 2005079306 A JP2005079306 A JP 2005079306A JP 2003307144 A JP2003307144 A JP 2003307144A JP 2003307144 A JP2003307144 A JP 2003307144A JP 2005079306 A JP2005079306 A JP 2005079306A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- sio
- insulating film
- semiconductor device
- manufacturing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は半導体装置の製造方法に関し、より詳細には、シリコン基板上に形成されたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device having a gate insulating film formed on a silicon substrate and a gate electrode formed on the gate insulating film.
近年、半導体集積回路装置における高集積化が大きく進展しており、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型半導体装置ではトランジスタなどの素子の微細化、高性能化が図られている。特に、MOS構造を構成する要素の一つであるゲート絶縁膜に関しては、上記トランジスタの微細化、高速動作および低電圧化に対応すべく薄膜化が急速に進んでいる。 In recent years, high integration in semiconductor integrated circuit devices has greatly advanced, and in MOS (Metal Oxide Semiconductor) type semiconductor devices, elements such as transistors are miniaturized and high performance is achieved. In particular, with regard to the gate insulating film which is one of the elements constituting the MOS structure, the thinning is rapidly progressing to cope with the miniaturization, high speed operation and low voltage of the transistor.
ゲート絶縁膜を構成する材料としては、従来よりSiO2(酸化ケイ素)膜が用いられてきた。一方、ゲート電極の微細化に伴いゲート絶縁膜の薄膜化が進むと、キャリア(電子および正孔)がゲート絶縁膜を直接トンネリングすることによって生じるトンネル電流、すなわちゲートリーク電流が増大するようになる。例えば、ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)2001によれば、65nm世代と考えられている2007年には、シリコン酸化膜換算膜厚(または、等価酸化膜厚(EOT,equivalent oxide thickness))で1.2nm〜1.6nmのゲート絶縁膜が要求されている。しかしながら、SiO2膜を用いた場合には、トンネル電流によるゲートリーク電流が許容値を超えてしまうことから、SiO2膜に代わる新たな材料の採用が急務となっている。 Conventionally, a SiO 2 (silicon oxide) film has been used as a material constituting the gate insulating film. On the other hand, when the gate insulating film becomes thinner with the miniaturization of the gate electrode, the tunnel current generated by the carriers (electrons and holes) directly tunneling through the gate insulating film, that is, the gate leakage current increases. . For example, according to ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) 2001, in 2007, which is considered to be the 65 nm generation, the equivalent oxide thickness (EOT, equivalent oxide thickness) is 1 in 2007. A gate insulating film of 2 nm to 1.6 nm is required. However, when the SiO 2 film is used, the gate leakage current due to the tunnel current exceeds the allowable value, and therefore, it is urgent to adopt a new material in place of the SiO 2 film.
そこで、SiO2膜に代えて、より比誘電率の高い材料をゲート絶縁膜として使用する研究が行われている。高誘電率の絶縁膜(以下、High−k膜という。)としては、現在、HfO2(酸化ハフニウム)またはZrO2(酸化ジルコニウム)とSiO2またはAl2O3(酸化アルミニウム)との混合物からなる膜が注目されている(特許文献1〜2、非特許文献1〜4参照)。これらの膜は比誘電率がSiO2膜(比誘電率3.9)よりも高いので、電気的膜厚(シリコン酸化膜換算膜厚)を一定とするならば、SiO2膜よりも物理的膜厚を薄くすることができる。したがって、リーク電流を抑制することが可能となる。 In view of this, research has been conducted to use a material having a higher relative dielectric constant as the gate insulating film instead of the SiO 2 film. As a high dielectric constant insulating film (hereinafter referred to as a High-k film), a mixture of HfO 2 (hafnium oxide) or ZrO 2 (zirconium oxide) and SiO 2 or Al 2 O 3 (aluminum oxide) is currently used. (See Patent Documents 1-2 and Non-Patent Documents 1-4). Since these films have a relative dielectric constant higher than that of the SiO 2 film (relative dielectric constant 3.9), if the electrical film thickness (silicon oxide film equivalent film thickness) is constant, the film is more physically than the SiO 2 film. The film thickness can be reduced. Therefore, it is possible to suppress the leakage current.
しかしながら、High−k膜を用いた場合には、トランジスタがスイッチングする電圧Vth(閾値電圧)の絶対値が、SiO2膜を用いた場合に比較して大きくなる方向にシフトするという問題があった。この傾向は、NMOS(N−channel Metal Oxide Semiconductor)よりもPMOS(P−channel Metal Oxide Semiconductor)で顕著に見られる。そして、このような閾値電圧のシフトが生じるとトランジスタの性能は著しく低下する。 However, when the High-k film is used, there is a problem that the absolute value of the voltage V th (threshold voltage) at which the transistor switches is shifted in a direction larger than that when the SiO 2 film is used. It was. This tendency is more noticeable in PMOS (P-channel Metal Oxide Semiconductor) than in NMOS (N-Channel Metal Oxide Semiconductor). When such a threshold voltage shift occurs, the performance of the transistor is significantly degraded.
本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、閾値電圧のシフトを抑制することのできる半導体装置の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems. That is, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can suppress a shift in threshold voltage.
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。 Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第1のSiO2膜を形成する工程と、この第1のSiO2膜の上に、遷移金属を含む高誘電率絶縁膜を形成する工程と、この高誘電率絶縁膜の上に第2のSiO2膜を形成する工程と、この第2のSiO2膜の上にゲート電極を形成する工程とを有し、少なくとも第1のSiO2膜、高誘電率絶縁膜および第2のSiO2膜に熱処理を施すことにより、半導体基板およびゲート電極との界面近傍でのシリコン濃度が高く、中心付近に向かうにしたがい漸次シリコン濃度が低くなるゲート絶縁膜を形成することを特徴とするものである。 The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming a first SiO 2 film on a semiconductor substrate and a step of forming a high dielectric constant insulating film containing a transition metal on the first SiO 2 film. If, forming a second SiO 2 film on the high dielectric constant insulating film, and forming a gate electrode on the second SiO 2 film, at least a first SiO 2 By performing heat treatment on the film, the high dielectric constant insulating film, and the second SiO 2 film, the silicon concentration is high near the interface between the semiconductor substrate and the gate electrode, and gradually decreases toward the center. An insulating film is formed.
本発明において、ゲート絶縁膜は、膜厚方向に組成が連続的に変化する単一の層からなる膜とすることができる。また、ゲート絶縁膜は、SiO2膜と、このSiO2膜の上にあり膜厚方向に組成が連続的に変化する膜とからなっていてもよい。 In the present invention, the gate insulating film can be a film composed of a single layer whose composition continuously changes in the film thickness direction. Further, the gate insulating film, and the SiO 2 film, the composition to have a film thickness direction on the SiO 2 film may be made from a continuously varying film.
本発明において、第2のSiO2膜の膜厚は0.2nm以上0.5nm以下とすることが好ましい。 In the present invention, the thickness of the second SiO 2 film is preferably 0.2 nm or more and 0.5 nm or less.
本発明において、高誘電率絶縁膜は、遷移金属の酸化物、遷移金属のアルミネートおよび遷移金属のシリケートよりなる群から選ばれる少なくとも1の材料からなる膜とすることができる。また、遷移金属は、Hf、Zr、Ti、TaおよびLaよりなる群から選ばれるいずれか1の金属とすることができる。例えば、高誘電率絶縁膜をHfSiO4膜とすることができる。 In the present invention, the high dielectric constant insulating film may be a film made of at least one material selected from the group consisting of transition metal oxides, transition metal aluminates, and transition metal silicates. The transition metal can be any one metal selected from the group consisting of Hf, Zr, Ti, Ta, and La. For example, the high dielectric constant insulating film can be an HfSiO 4 film.
本発明において、ゲート電極はポリシリコンからなるものとすることができる。 In the present invention, the gate electrode can be made of polysilicon.
この発明は以上説明したように、半導体基板上に第1のSiO2膜、High−k膜および第2のSiO2膜を順に積層した後に加熱処理を行うことによって、半導体基板およびゲート電極との界面近傍でのシリコン濃度が高く、中心付近に向かうにしたがい漸次シリコン濃度が低くなるゲート絶縁膜を形成するものである。これにより、これらの界面近傍でのゲート絶縁膜中の遷移金属濃度を低くすることができるので、半導体基板およびゲート電極中のドーパントとゲート絶縁膜中の遷移金属とが反応するのを抑制して、Vthのシフト量を小さくすることが可能となる。 As described above, according to the present invention, the first SiO 2 film, the High-k film, and the second SiO 2 film are sequentially stacked on the semiconductor substrate, and then the heat treatment is performed. A gate insulating film is formed in which the silicon concentration in the vicinity of the interface is high, and the silicon concentration is gradually decreased toward the center. As a result, the transition metal concentration in the gate insulating film in the vicinity of these interfaces can be lowered, so that the reaction between the dopant in the semiconductor substrate and the gate electrode and the transition metal in the gate insulating film is suppressed. , Vth shift amount can be reduced.
本発明者は鋭意研究した結果、閾値電圧がシフトする原因は、High−k膜(高誘電率絶縁膜)中の遷移金属が半導体基板やゲート電極中のドーパントと結合する点にあることを見出した。例えば、HfSiO4(ハフニウムシリケート)膜中のHf(ハフニウム)が、ドーパントであるB(ホウ素)やP(リン)と結合することによって閾値電圧の大きなシフトが起こる。 As a result of diligent research, the present inventor has found that the reason why the threshold voltage shifts is that the transition metal in the high-k film (high dielectric constant insulating film) is bonded to the dopant in the semiconductor substrate or the gate electrode. It was. For example, Hf (hafnium) in an HfSiO 4 (hafnium silicate) film is combined with dopants B (boron) and P (phosphorus) to cause a large threshold voltage shift.
そこで、本発明者は、High−k膜と半導体基板およびHigh−k膜とゲート電極とのそれぞれの界面近傍において、High−k膜中の遷移金属の濃度が低くなるようにすることによって閾値電圧のシフトを抑制することができると考え、本発明に至った。以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Therefore, the present inventor has proposed that the threshold voltage is reduced by reducing the concentration of the transition metal in the high-k film in the vicinity of the interfaces between the high-k film and the semiconductor substrate and the high-k film and the gate electrode. Therefore, the present invention has been achieved. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本実施の形態にかかる半導体装置の断面図の一例である。 FIG. 1 is an example of a cross-sectional view of the semiconductor device according to this embodiment.
図1に示すように、半導体基板としてのシリコン基板1には、拡散層2、素子分離領域3、ソース・ドレイン領域4およびエクステンション領域5が形成されている。また、シリコン基板1の上には、ゲート絶縁膜6およびゲート電極7が形成されており、さらにこれらの側壁にはサイドウォール8が形成されている。尚、図1において、9は層間絶縁膜、10はコンタクト、11は配線層である。
As shown in FIG. 1, a
本実施の形態において、ゲート絶縁膜6は、少なくとも遷移金属、シリコンおよび酸素を含むとともに、膜中のシリコン濃度がシリコン基板1およびゲート電極7との界面近傍で高く、これらの界面から離れて中心付近に向かうにしたがい漸次低くなるように分布することを特徴としている。また、ゲート絶縁膜6は、シリコン基板1とゲート絶縁膜6との界面近傍およびゲート電極7とゲート絶縁膜6との界面近傍における遷移金属の濃度が低いことを特徴としている。
In the present embodiment, the
図2〜図10を用いて、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。尚、これらの図において、図1と同じ符号を付した部分は同じ部分であることを示している。 A method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In these drawings, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.
まず、図2に示すように、シリコン基板1の所定領域にシリコン酸化膜を埋め込み、STI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離領域3を形成する。
First, as shown in FIG. 2, a silicon oxide film is buried in a predetermined region of the
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、シリコン基板1に拡散層2を形成する(図2)。例えば、所定領域にレジストパターン(図示せず)を形成し、このレジストパターンをマスクとして、シリコン基板1内にN型またはP型の不純物を注入する。その後、熱処理により不純物を拡散させることによって、N型拡散層またはP型拡散層を形成することができる。
Next, a
次に、ゲート絶縁膜6の形成工程に移る。
Next, the process proceeds to the step of forming the
まず、図3に示すように、シリコン基板1の表面に、第1のSiO2膜12を形成する。第1のSiO2膜12は熱酸化法などによって形成することができる。例えば、1体積%の酸素と99体積%の窒素からなる混合ガス雰囲気中において、800℃程度の温度でシリコン基板1の表面を酸化する。これにより、第1のSiO2膜12を形成することができる。
First, as shown in FIG. 3, a first SiO 2 film 12 is formed on the surface of the
次に、第1のSiO2膜12の上にHigh−k膜13を形成する。High−k膜13としては、遷移金属を含みSiO2膜よりも高い比誘電率を有する膜を用いる。例えば、遷移金属の酸化物、遷移金属のアルミネートおよび遷移金属のシリケートよりなる群から選ばれる少なくとも1の材料からなる膜を用いることができる。また、遷移金属としては、例えば、Hf(ハフニウム)、Zr(ジルコニウム)、Ti(チタン)、Ta(タンタル)またはLa(ランタン)などを用いることができる。
Next, a high-
High−k膜13は、例えば、減圧CVD(Chemical Vapor Deposition,以下、CVDという。)法または原子層堆積(Atomic Layer Deposition,以下、ALDという。)法などによって形成することができる。
The High-
例えば、(t−C4H9O)4Hf(ハフニウム(IV)t−ブトキサイド)とSi2H6(ジシラン)とを用いた減圧CVD法によって、HfSiO4(ハフニウムシリケート)膜を形成することができる。この場合、例えば、成膜温度を300℃、成膜圧力を0.2Torr(約26.7Pa)とすることができる。 For example, an HfSiO 4 (hafnium silicate) film is formed by a low pressure CVD method using (t—C 4 H 9 O) 4 Hf (hafnium (IV) t-butoxide) and Si 2 H 6 (disilane). Can do. In this case, for example, the film formation temperature can be 300 ° C., and the film formation pressure can be 0.2 Torr (about 26.7 Pa).
High−k膜13を形成した後は、この上にさらに第2のSiO2膜14を形成してゲート絶縁膜6の形成工程を終える。ここで、第2のSiO2膜14は、減圧CVD法またはALD法などによって形成することができる。例えば、(t−C4H9O)4HfとSi2H6とを用いた減圧CVD法によってHfSiO4膜を形成した後、成膜ガスをSi2H6のみに切り替える。これにより、HfSiO4膜上にSiO2膜を堆積させることができる。
After the high-
このように、本実施の形態におけるゲート絶縁膜6は、形成直後において、第1のSiO2膜12と、第1のSiO2膜12の上に形成されたHigh−k膜13と、High−k膜13の上に形成された第2のSiO2膜14とからなる。しかしながら、実際の半導体装置においては、工程中で加えられる熱処理によって、各層を構成する原子の拡散が起こる。このため、完成後の半導体装置におけるゲート絶縁膜6の構造は、上記の3つの膜からなる3層構造ではなく、膜厚方向に連続的な組成変化を示す1層の膜に変化する。ここで、本実施の形態においては、第1のSiO2膜12、High−k膜13および第2のSiO2膜14をこの順に積層させることによってゲート絶縁膜6を形成している。したがって、ゲート絶縁膜6が全体として1層の膜となった場合であっても、シリコン基板1およびゲート電極7との界面近傍における膜の組成をシリコン濃度が高く、遷移金属濃度が低い状態にすることができる。
As described above, the
本実施の形態においては、ゲート絶縁膜6全体のシリコン酸化膜換算膜厚を薄くするために、第1のSiO2膜12、High−k膜13および第2のSiO2膜14の膜厚は、それぞれできるだけ薄くすることが好ましい。特に、第2のSiO2膜14の膜厚は、0.2nm〜0.5nmの範囲内であることが好ましい。0.2nmよりも薄くなると均一な膜を形成することが困難となる。一方、0.5nmよりも厚くなるとシリコン酸化膜換算膜厚が大きくなり好ましくない。
In the present embodiment, in order to reduce the equivalent silicon oxide film thickness of the entire
一方、第1のSiO2膜12は、シリコン基板1とHigh−k膜13との間の反応を抑制することのできる膜厚とする。例えば、第1のSiO2膜12の膜厚を1nm程度とすることができる。
On the other hand, the first SiO 2 film 12 has a thickness that can suppress a reaction between the
ところで、第1のSiO2膜12の膜厚によっては、熱処理による構成原子の拡散後のゲート絶縁膜6が単一の層からなる膜とならずに、SiO2膜と混合膜とからなる2層構造の膜となることも考えられる。ここで、混合膜とは、SiO2膜の上にあり膜厚方向に組成が連続的に変化する層をいう。本実施の形態においては、ゲート絶縁膜6はこのような構造を有していてもよい。換言すると、完成後の半導体装置におけるゲート絶縁膜は、半導体基板上に形成されたSiO2膜と、このSiO2膜上に形成されたHigh−k膜とからなっていて、このHigh−k膜は、少なくとも遷移金属、シリコンおよび酸素を含むとともに、膜中のシリコン濃度がSiO2膜およびゲート電極との界面近傍で高く、これらの界面から離れて中心付近に向かうにしたがい漸次低くなるように分布する膜であってもよい。ゲート絶縁膜がこのような構造を有する場合には、半導体基板とゲート絶縁膜との界面近傍における遷移金属の濃度を略ゼロに近い値とすることができる。
By the way, depending on the film thickness of the first SiO 2 film 12, the
尚、本実施の形態においては、High−k膜とゲート電極との間にSiO2膜以外の他の材料からなる膜を設けることも考えられる。例えば、High−k膜とゲート電極との間にSiN膜を設けることによっても、ゲート電極との界面近傍でのシリコン濃度が高く遷移金属濃度が低いゲート絶縁膜を形成することができる。しかしながら、ゲート絶縁膜とゲート電極との間に界面準位が形成されるのを抑制し、安定な界面を形成するという観点から、本実施の形態においてはSiO2膜を設けることが最も好ましい。 In this embodiment, a film made of a material other than the SiO 2 film may be provided between the high-k film and the gate electrode. For example, a gate insulating film having a high silicon concentration and a low transition metal concentration in the vicinity of the interface with the gate electrode can also be formed by providing a SiN film between the high-k film and the gate electrode. However, in the present embodiment, it is most preferable to provide a SiO 2 film from the viewpoint of suppressing the formation of an interface state between the gate insulating film and the gate electrode and forming a stable interface.
以上の工程によってゲート絶縁膜6を形成した後は、PDA(Post Deposition Anneaking、高温熱処理)を施すことが好ましい。これにより、High−k膜13に含まれる不純物に起因する水素の量を10分の1程度にまで減少させることができる。
After the
次に、ゲート電極7の形成工程を行う。
Next, the formation process of the
まず、ゲート絶縁膜6の上に、ゲート電極材料としてのポリシリコン膜15を形成する(図4)。ポリシリコン膜15は、例えばCVD法によって形成することができる。
First, a
ポリシリコン膜15を形成した後は、ポリシリコン膜15の中に、P(リン)などのドーパントをイオン注入する。その後、加熱処理を行うことによって注入したドーパントを活性化させる。加熱処理の条件は、例えば1,000℃で10秒間程度とすることができる。
After the
次に、ポリシリコン膜15の上に、ハードマスク材料としてのSiO2膜16を形成する(図4)。 Next, an SiO 2 film 16 as a hard mask material is formed on the polysilicon film 15 (FIG. 4).
SiO2膜16を形成した後は、この上に反射防止膜(図示せず)を形成してもよい。反射防止膜は、次に形成するレジスト膜をパターニングする際に、レジスト膜を透過した露光光を吸収することによって、レジスト膜と反射防止膜との界面における露光光の反射をなくす役割を果たす。反射防止膜としては有機物を主成分とする膜を用いることができ、例えば、スピンコート法などによって形成することができる。 After forming the SiO 2 film 16, an antireflection film (not shown) may be formed thereon. The antireflection film plays a role of eliminating exposure light reflection at the interface between the resist film and the antireflection film by absorbing exposure light transmitted through the resist film when patterning a resist film to be formed next. As the antireflection film, a film containing an organic substance as a main component can be used. For example, the antireflection film can be formed by a spin coating method or the like.
次に、SiO2膜16の上にレジスト膜(図示せず)を形成し、フォトリソグラフィ法によって所望の線幅を有するレジストパターン17を形成し、図5の構造とする。
Next, a resist film (not shown) is formed on the SiO 2 film 16, and a resist
次に、レジストパターン17をマスクとしてSiO2膜16をドライエッチングする。その後、不要となったレジストパターン17を除去することによって、図6に示すように、ハードマスクとしてのSiO2膜パターン18を形成することができる。
Next, the SiO 2 film 16 is dry etched using the resist
次に、SiO2膜パターン18をマスクとして、ポリシリコン膜15のドライエッチングを行う。エッチングガスとしては、例えば、BCl3、Cl2、HBr、CF4、O2、Ar、N2およびHeよりなる群から選ばれる少なくとも1種のガスを用いることができる。
Next, dry etching of the
図7は、ポリシリコン膜15をドライエッチングした後の状態を示したものである。図に示すように、ポリシリコン膜15のドライエッチングによってゲート電極7が形成される。
FIG. 7 shows a state after the
次に、SiO2膜パターン18をマスクとしたエッチングによって、ゲート絶縁膜6のエッチングを行う。これにより、図8に示す構造が得られる。尚、図4〜図7においては、ゲート絶縁膜6を、第1のSiO2膜12、High−k膜13および第2のSiO2膜14からなる構造とした。しかしながら、図8より前の段階におけるゲート絶縁膜6の構造が、単一の層または単一の層に変化する途中の状態の層からなる膜となっていてもよい。
Next, the
次に、ゲート電極7をマスクとしてシリコン基板1内の拡散層2に不純物をイオン注入した後、熱処理による活性化を行うことによってエクステンション領域5を形成する。
Next, after ion-implanting impurities into the
次に、公知の方法に従ってサイドウォール8の形成を行い、図9に示す構造とする。この際、サイドウォール8は、ゲート電極7およびゲート絶縁膜6の側壁に形成されるようにする。
Next, the
次に、シリコン基板1内の拡散層2に不純物をイオン注入する。続いて、熱処理による活性化を行うことによって、ソース・ドレイン領域4を形成することができる(図10)。その後、層間絶縁膜9、コンタクト10および配線11を形成することによって、図1に示す構造を得ることができる。
Next, impurities are ion-implanted into the
そして、上述したPDA処理、ドーパントの活性化処理および各膜の成膜工程などで加えられる熱処理を経ることによって、第1のSiO2膜、High−k膜および第2のSiO2膜の間でシリコン原子や遷移金属原子などの拡散が起こる。これにより、ゲート絶縁膜6は、シリコン基板1およびとゲート電極7との界面近傍でのシリコン濃度が高く、中心付近に向かうにしたがい漸次シリコン濃度が低くなる膜に変化する。
Then, through the above-described PDA treatment, dopant activation treatment, and heat treatment applied in each film formation step, the first SiO 2 film, the High-k film, and the second SiO 2 film are subjected to heat treatment. Diffusion of silicon atoms and transition metal atoms occurs. As a result, the
図11に、本実施の形態により製造された半導体装置について、ゲート長に対する閾値電圧Vthの変化の一例を示す。尚、図11において、本実施の形態による半導体装置のゲート絶縁膜としては、膜厚1nm程度のSiO2膜上にHfSiO4膜およびSiO2膜を順に形成した後、通常の半導体装置の製造工程における熱処理を経て得られたものを用いた。また、比較例として、従来法によって形成されたHfSiO4膜をゲート絶縁膜として用いた半導体装置について測定した結果も示した。ここで、比較例のHfSiO4膜は、膜厚方向に均一な組成を有する膜である。さらに、ゲート絶縁膜としてSiO2膜のみを用いた半導体装置について測定した結果も示した。 FIG. 11 shows an example of a change in the threshold voltage Vth with respect to the gate length for the semiconductor device manufactured according to the present embodiment. In FIG. 11, as the gate insulating film of a semiconductor device according to this embodiment, after forming the HfSiO 4 film and the SiO 2 film in this order in a thickness 1nm about SiO 2 film, the manufacturing process of the conventional semiconductor device What was obtained through the heat processing in was used. In addition, as a comparative example, a result of measurement of a semiconductor device using an HfSiO 4 film formed by a conventional method as a gate insulating film is also shown. Here, the HfSiO 4 film of the comparative example is a film having a uniform composition in the film thickness direction. Furthermore, the measurement results of the semiconductor device using only the SiO 2 film as the gate insulating film are also shown.
図11から分かるように、比較例では、SiO2膜のみを用いた場合に対して、Vthの値はその絶対値が大きくなる方向に大きくシフトしている。一方、本実施の形態によれば、Vthのシフト量を比較例よりも小さくすることができる。このことは、NMOSとPMOSともに同様である。 As can be seen from FIG. 11, in the comparative example, the value of Vth is greatly shifted in the direction in which the absolute value becomes larger than when only the SiO 2 film is used. On the other hand, according to the present embodiment, the shift amount of Vth can be made smaller than that of the comparative example. This is the same for both NMOS and PMOS.
このように、本実施の形態においては、半導体基板上に第1のSiO2膜、High−k膜および第2のSiO2膜を順に積層した後に加熱処理を行うことによって、半導体基板およびゲート電極との界面近傍でのシリコン濃度が高く、中心付近に向かうにしたがい漸次シリコン濃度が低くなるゲート絶縁膜を形成する。これにより、ゲート絶縁膜中の遷移金属の濃度をこれらの界面近傍で低いか、または略ゼロに近い値とすることができる。したがって、本実施の形態によれば、半導体基板およびゲート電極中のドーパントとゲート絶縁膜中の遷移金属とが反応するのを抑制して、Vthのシフト量を小さくすることができる。 As described above, in this embodiment, the semiconductor substrate and the gate electrode are formed by performing the heat treatment after sequentially laminating the first SiO 2 film, the High-k film, and the second SiO 2 film on the semiconductor substrate. A gate insulating film is formed in which the silicon concentration in the vicinity of the interface is high, and the silicon concentration gradually decreases toward the center. As a result, the concentration of the transition metal in the gate insulating film can be made low in the vicinity of these interfaces, or a value close to substantially zero. Therefore, according to the present embodiment, reaction between the dopant in the semiconductor substrate and the gate electrode and the transition metal in the gate insulating film can be suppressed, and the shift amount of Vth can be reduced.
尚、本実施の形態においては、ゲート電極材料としてポリシリコン膜を用いた例について述べたが、本発明はこれに限られるものではない。アモルファスシリコン膜またはシリコンゲルマニウム膜などのシリコンを含む膜であれば、ゲート電極材料として用いることができる。また、多層構造を有するゲート電極であって、その一部にポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜またはシリコンゲルマニウム膜などが含まれていてもよい。 In the present embodiment, an example in which a polysilicon film is used as the gate electrode material has been described. However, the present invention is not limited to this. Any film containing silicon such as an amorphous silicon film or a silicon germanium film can be used as the gate electrode material. The gate electrode may have a multilayer structure, and a polysilicon film, an amorphous silicon film, a silicon germanium film, or the like may be included in a part of the gate electrode.
1 シリコン基板
2 拡散層
3 素子分離領域
4 ソース・ドレイン領域
5 エクステンション領域
6 ゲート絶縁膜
7 ゲート電極
8 サイドウォール
9 層間絶縁膜
10 コンタクト
11 配線層
12 第1のSiO2膜
13 High−k膜
14 第2のSiO2膜
15 ポリシリコン膜
16 SiO2膜
14 ポリシリコン膜
17 レジストパターン
18 SiO2膜パターン
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記第1のSiO2膜の上に、遷移金属を含む高誘電率絶縁膜を形成する工程と、
前記高誘電率絶縁膜の上に第2のSiO2膜を形成する工程と、
前記第2のSiO2膜の上にゲート電極を形成する工程とを有し、
少なくとも前記第1のSiO2膜、前記高誘電率絶縁膜および前記第2のSiO2膜に熱処理を施すことにより、前記半導体基板および前記ゲート電極との界面近傍でのシリコン濃度が高く、中心付近に向かうにしたがい漸次シリコン濃度が低くなるゲート絶縁膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first SiO 2 film on a semiconductor substrate;
Forming a high dielectric constant insulating film containing a transition metal on the first SiO 2 film;
Forming a second SiO 2 film on the high dielectric constant insulating film;
Forming a gate electrode on the second SiO 2 film,
By performing a heat treatment on at least the first SiO 2 film, the high dielectric constant insulating film, and the second SiO 2 film, the silicon concentration in the vicinity of the interface between the semiconductor substrate and the gate electrode is high, and the vicinity of the center A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a gate insulating film in which the silicon concentration gradually decreases as it goes to.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003307144A JP2005079306A (en) | 2003-08-29 | 2003-08-29 | Method for manufacturing semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003307144A JP2005079306A (en) | 2003-08-29 | 2003-08-29 | Method for manufacturing semiconductor device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005079306A true JP2005079306A (en) | 2005-03-24 |
Family
ID=34410024
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003307144A Pending JP2005079306A (en) | 2003-08-29 | 2003-08-29 | Method for manufacturing semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005079306A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006022175A1 (en) * | 2004-08-23 | 2006-03-02 | Nec Corporation | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
JP2006086151A (en) * | 2004-09-14 | 2006-03-30 | Fujitsu Ltd | Method of manufacturing semiconductor apparatus |
JP2006344836A (en) * | 2005-06-09 | 2006-12-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Semiconductor apparatus and manufacturing method thereof |
JP2013138213A (en) * | 2005-11-09 | 2013-07-11 | Advanced Micro Devices Inc | Replacement gate transistors with reduced gate oxide leakage |
-
2003
- 2003-08-29 JP JP2003307144A patent/JP2005079306A/en active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006022175A1 (en) * | 2004-08-23 | 2006-03-02 | Nec Corporation | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
JPWO2006022175A1 (en) * | 2004-08-23 | 2008-05-08 | 日本電気株式会社 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP2006086151A (en) * | 2004-09-14 | 2006-03-30 | Fujitsu Ltd | Method of manufacturing semiconductor apparatus |
JP2006344836A (en) * | 2005-06-09 | 2006-12-21 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Semiconductor apparatus and manufacturing method thereof |
JP2013138213A (en) * | 2005-11-09 | 2013-07-11 | Advanced Micro Devices Inc | Replacement gate transistors with reduced gate oxide leakage |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4212435B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
US8034678B2 (en) | Complementary metal oxide semiconductor device fabrication method | |
JP4719161B2 (en) | Method for manufacturing transistor | |
US8258588B2 (en) | Sealing layer of a field effect transistor | |
US7112483B2 (en) | Method for forming a device having multiple silicide types | |
US7344934B2 (en) | CMOS transistor and method of manufacture thereof | |
US8450161B2 (en) | Method of fabricating a sealing structure for high-k metal gate | |
JP5336814B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2007208260A (en) | Cmos semiconductor device equipped with double work function metallic gate stack | |
JP2005072405A (en) | Forming method of thin film and manufacturing method of semiconductor device | |
JP2008060538A (en) | Semiconductor device and method of manufacturing same | |
JP2010161308A (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the same | |
JP2009194352A (en) | Semiconductor device fabrication method | |
US20100213555A1 (en) | Metal oxide semiconductor devices having capping layers and methods for fabricating the same | |
WO2011079604A1 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2005079223A (en) | Semiconductor device and its manufacturing method | |
JP5669752B2 (en) | Reducing threshold voltage variation by reducing deposition non-uniformity in transistors with channel semiconductor alloys | |
EP1880409B1 (en) | Method of fabricating a mos device with a high-k or sion gate dielectric | |
JP2005064317A (en) | Semiconductor device | |
WO2011077536A1 (en) | Semiconductor device and process for production thereof | |
JP2005317647A (en) | Semiconductor device and its fabrication process | |
JP2010177265A (en) | Manufacturing method for semiconductor device | |
JP2005079306A (en) | Method for manufacturing semiconductor device | |
JP2008117842A (en) | Semiconductor device, and method for manufacturing the same | |
JP2007080913A (en) | Semiconductor device and its fabrication process |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20050131 |