JP2006086511A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高誘電率膜により構成されたゲート絶縁膜と、P型不純物を含む多結晶シリコン膜により構成されたゲート電極とを含む半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device including a gate insulating film made of a high dielectric constant film and a gate electrode made of a polycrystalline silicon film containing a P-type impurity.
近年、半導体装置の構成材料として、high−k膜とよばれる高誘電率膜の利用が検討され始めている。MOSFETのゲート絶縁膜として高誘電率膜を用いることにより、ゲート絶縁膜の物理的な厚みをある程度厚くしても電気的なシリコン酸化膜換算膜厚は薄くなり、物理的・構造的に安定なゲート絶縁膜を実現することができる。このため、MOSFET特性の向上のためにMOS容量を増大させたり、ゲートリーク電流を従来のシリコン酸化膜を用いた場合に比べて低減することができる。 In recent years, use of a high dielectric constant film called a high-k film as a constituent material of a semiconductor device has begun to be studied. By using a high dielectric constant film as the gate insulating film of the MOSFET, even if the physical thickness of the gate insulating film is increased to some extent, the equivalent silicon oxide film thickness is reduced and is physically and structurally stable. A gate insulating film can be realized. For this reason, the MOS capacitance can be increased to improve the MOSFET characteristics, and the gate leakage current can be reduced as compared with the case where a conventional silicon oxide film is used.
特許文献1には、Si上に誘電体膜を介してSiまたはSiGeからなる電極が形成されてなる構造を少なくとも一部に有する半導体装置において、誘導体膜が、Si側から、第1の非晶質酸化膜と結晶性酸化膜と第2の非晶質酸化膜とで構成されたことを特徴とする半導体装置が記載されている。ここで、結晶性酸化膜を、ZrO2、HfO2、TiO2、Ta2O5、BST、STO、PZTのいずれか一又は二以上の積層により形成することが記載されている。また、第1の非晶質酸化物がSiO2又はAl2O3を含む金属酸化物であり、第2の非晶質酸化物がAl2O3を含む金属酸化物であることが記載されている。 In Patent Document 1, in a semiconductor device having at least a part of a structure in which an electrode made of Si or SiGe is formed on Si via a dielectric film, the derivative film is formed from the Si side from the first amorphous state. A semiconductor device characterized by comprising a quality oxide film, a crystalline oxide film, and a second amorphous oxide film is described. Here, it is described that the crystalline oxide film is formed by stacking one or more of ZrO 2 , HfO 2 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , BST, STO, and PZT. Further, it is described that the first amorphous oxide is a metal oxide containing SiO 2 or Al 2 O 3 , and the second amorphous oxide is a metal oxide containing Al 2 O 3. ing.
特許文献1において、ゲート電極としてSi又はSiGeを用いる場合、ZrO2等の結晶性酸化膜上に直接Si又はSiGeを形成すると、成膜時の還元雰囲気がZrO2の粒界に作用してZrO2が部分的に還元されてしまい、その結果リーク電流が増大するという問題が生じていた。特許文献1では、この問題を解決するために、ZrO2の上にAl2O3等の非晶質金属酸化物膜を形成し、Si又はSiGe電極形成時の還元雰囲気にZrO2が直に接することを防止し、上記問題を解決している。 In Patent Document 1, when Si or SiGe is used as a gate electrode, if Si or SiGe is directly formed on a crystalline oxide film such as ZrO 2 , the reducing atmosphere during the film formation acts on the grain boundaries of ZrO 2 to form ZrO 2. 2 has been partially reduced, resulting in an increase in leakage current. In Patent Document 1, in order to solve this problem, the amorphous metal oxide film such as Al 2 O 3 formed on the ZrO 2, ZrO 2 is directly in a reducing atmosphere at the time of Si or SiGe electrode formed It prevents contact and solves the above problems.
非特許文献4には、Hfシリケート上にAl2O3キャップ層を成膜した構造が開示されている。
Non-Patent
ところで、HfシリケートやZrシリケート等窒素を添加することにより、これらの材料により構成された高誘電率膜が非晶質化されることが報告されている(たとえば非特許文献1)。高誘電率膜として非晶質のものを用いた場合、上述したような粒界が存在しないため、上層にSi又はSiGeを形成しても、成膜時の還元雰囲気により高誘電率膜を構成する材料が還元されるという現象を防ぐことができる。高誘電率膜としてこのような材料により構成されたものを用いる場合、高誘電率膜自体が非晶質であるので、その上に上記のような非晶質金属酸化物膜をさらに形成する必要はなくなる。
しかし、近年、ゲート絶縁膜として、高誘電率材料であるたとえばHfSiON膜を用いた場合、ゲート絶縁膜としてSiO2を用いた場合に比べて、P型MOSFETの閾値電圧Vthが非常に高くなり、オン電流が小さくなるという課題が新たに生じることがわかってきた。最近の研究により、ゲート絶縁膜を高誘電率膜で構成し、ゲート電極を多結晶シリコンで構成した場合、フェルミレベルピニング(Fermi Level Pinning)といわれる現象が起こるとの知見が得られている(非特許文献2)。フェルミレベルピニングは、ゲート電極中のゲート絶縁膜側界面近傍において、高誘電率膜を構成する金属がゲート電極を構成する多結晶シリコン中に拡散し、シリコンと上記金属との結合に基づく準位が形成されることにより生じると考えられている。 However, in recent years, when a high dielectric constant material such as an HfSiON film is used as the gate insulating film, the threshold voltage Vth of the P-type MOSFET is significantly higher than when using SiO 2 as the gate insulating film, It has been found that there is a new problem that the on-current is reduced. Recent research has shown that when the gate insulating film is composed of a high dielectric constant film and the gate electrode is composed of polycrystalline silicon, a phenomenon called Fermi Level Pinning occurs ( Non-patent document 2). Fermi level pinning is a level in which the metal constituting the high dielectric constant film diffuses into the polycrystalline silicon constituting the gate electrode in the vicinity of the gate insulating film side interface in the gate electrode, and is based on the bond between silicon and the above metal. It is thought to be caused by the formation of
MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート電極の多結晶シリコン中に高誘電率膜を構成する金属が拡散すると、ゲート絶縁膜との界面近傍において多結晶シリコン中に空乏層が発生する。このような空乏層の影響で、ゲート電圧を印加してもゲート絶縁膜に充分な電界が印加されず、チャネル領域においてキャリアを誘起することが困難となる。この結果、閾値電圧が上昇するとともに、閾値電圧のばらつきが大きくなるという課題が生じていた。 When the metal constituting the high dielectric constant film diffuses into the polycrystalline silicon of the gate electrode of a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), a depletion layer is generated in the polycrystalline silicon in the vicinity of the interface with the gate insulating film. Due to the influence of the depletion layer, a sufficient electric field is not applied to the gate insulating film even when a gate voltage is applied, and it is difficult to induce carriers in the channel region. As a result, there has been a problem that the threshold voltage increases and the variation of the threshold voltage increases.
このようなフェルミレベルピニングは、とくに、Zr、Hfを高誘電率膜に用いるとともに、P型不純物を含む多結晶シリコンにより構成されたゲート電極を用いた場合に生じやすい。 Such Fermi level pinning tends to occur particularly when Zr and Hf are used for the high dielectric constant film and a gate electrode made of polycrystalline silicon containing P-type impurities is used.
本発明は、こうした事情に鑑みてなされたものであり、高誘電率膜により構成されたゲート絶縁膜と、P型不純物を含む多結晶シリコン膜により構成されたゲート電極とを含む半導体装置において、閾値電圧の増加を抑制する技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and in a semiconductor device including a gate insulating film made of a high dielectric constant film and a gate electrode made of a polycrystalline silicon film containing a P-type impurity, It aims at providing the technique which suppresses the increase in a threshold voltage.
本発明者は、上述したような問題への対策を検討する過程において、高誘電率膜と多結晶シリコン膜により構成されたゲート電極との間に、高誘電率膜を構成する金属が多結晶シリコン中に拡散するのを阻止する膜を形成することにより、多結晶シリコン中の空乏層の発生を抑制できると考え、阻止膜として適切な材料を種々検討した。 In the process of studying countermeasures against the above-described problems, the present inventor has developed that the metal constituting the high dielectric constant film is polycrystalline between the high dielectric constant film and the gate electrode constituted by the polycrystalline silicon film. It was thought that the formation of a depletion layer in polycrystalline silicon can be suppressed by forming a film that prevents diffusion into silicon, and various materials suitable as a blocking film were studied.
その結果、本発明者は、阻止膜として、ある程度の阻止機能を有するとともに、比誘電率が大きい酸化膜を用いることにより、EOT(酸化膜換算膜厚)の低下の効果を損なうことなく、高誘電率膜を構成する金属が多結晶シリコン中に拡散するのを阻止することができることを見いだし、以下の本発明に想到した。 As a result, the present inventor uses an oxide film having a certain degree of blocking function and a large relative dielectric constant as the blocking film, so that the effect of lowering the EOT (equivalent oxide film thickness) is reduced without impairing the effect. The inventors have found that the metal constituting the dielectric film can be prevented from diffusing into the polycrystalline silicon, and have arrived at the present invention described below.
本発明によれば、半導体基板と、半導体基板上に形成され、Hf、Zr、およびランタノイド元素のいずれかからなる群から選択される第一の元素と、ならびにNとを含むシリケート化合物を含む高誘電率膜により構成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されるとともに、P型不純物を含む多結晶シリコン膜により構成されたゲート電極と、ゲート絶縁膜とゲート電極との間に形成され、第一の元素と多結晶シリコン膜との反応を阻止するとともに、比誘電率が8以上の阻止酸化膜と、を含むことを特徴とする半導体装置が提供される。 According to the present invention, a semiconductor substrate, a first element selected from the group consisting of any one of Hf, Zr, and a lanthanoid element formed on the semiconductor substrate, and a high silicate compound including N are included. A gate insulating film made of a dielectric film, a gate electrode formed on the gate insulating film and made of a polycrystalline silicon film containing a P-type impurity, and formed between the gate insulating film and the gate electrode In addition, there is provided a semiconductor device characterized in that the reaction between the first element and the polycrystalline silicon film is inhibited, and a blocking oxide film having a relative dielectric constant of 8 or more is included.
ここで、半導体装置は、P型MOSFETとすることができる。また、半導体装置は、P型MOSFETとN型MOSFETとを含むCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)デバイスとすることもできる。ランタノイド元素は、La(ランタン)、Ce(セリウム)、Pr(プラセオジム)、Nd(ネオジム)、Pm(プロメチウム)、Sm(サマリウム)、Eu(ユウロピウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Dy(ジスプロシウム)、Ho(ホルミウム)、Er(エルビウム)、Tm(ツリウム)、Yb(イッテルビウム)、Lu(ルテチウム)を含む。 Here, the semiconductor device can be a P-type MOSFET. Further, the semiconductor device can be a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) device including a P-type MOSFET and an N-type MOSFET. Lanthanoid elements include La (lanthanum), Ce (cerium), Pr (praseodymium), Nd (neodymium), Pm (promethium), Sm (samarium), Eu (europium), Gd (gadolinium), Tb (terbium), Dy. (Dysprosium), Ho (holmium), Er (erbium), Tm (thulium), Yb (ytterbium), Lu (lutetium).
本発明の半導体装置において、高誘電率膜は、非晶質とすることができる。上述したように、高誘電率膜Hfシリケート、Zrシリケート等に窒素を添加することにより、これらの材料により構成された高誘電率膜を非晶質とすることができる。これにより、高誘電率膜の耐熱性を向上させることができるとともに、リーク電流を抑えることができる。 In the semiconductor device of the present invention, the high dielectric constant film can be amorphous. As described above, by adding nitrogen to the high dielectric constant film Hf silicate, Zr silicate, or the like, the high dielectric constant film made of these materials can be made amorphous. Thereby, the heat resistance of the high dielectric constant film can be improved and the leakage current can be suppressed.
上記非特許文献2には、多結晶シリコンに接してHfO2等の高誘電率膜を設けるとフェルミレベルピニングが生じることが報告されている。とくに、P型MOSFETにおいて、このようなフェルミレベルピニングの影響による閾値電圧の影響が大きくなる。
Non-Patent
しかし、本発明において、高誘電率膜と多結晶シリコン膜との間に阻止酸化膜が形成されているので、高誘電率膜を構成する金属が多結晶シリコン中に拡散する量が減り、多結晶シリコン中の空乏層の発生を抑制できる。これにより、フェルミレベルピニング発生を低減することができ、半導体装置の閾値電圧の上昇を抑制することができるとともに、閾値電圧のばらつきを小さくすることができる。 However, in the present invention, since the blocking oxide film is formed between the high dielectric constant film and the polycrystalline silicon film, the amount of diffusion of the metal constituting the high dielectric constant film into the polycrystalline silicon is reduced. Generation of a depletion layer in crystalline silicon can be suppressed. Thereby, the occurrence of Fermi level pinning can be reduced, an increase in the threshold voltage of the semiconductor device can be suppressed, and variations in the threshold voltage can be reduced.
また、阻止酸化膜として、比誘電率が8以上の酸化膜を用いているので、ゲート絶縁膜として高誘電率膜を用いたことによるEOTの低下の効果を損なうことなく、また阻止酸化膜が酸化されることにより、比誘電率が低下することもない。 Further, since the oxide film having a relative dielectric constant of 8 or more is used as the blocking oxide film, the blocking oxide film can be formed without impairing the effect of lowering the EOT due to the use of the high dielectric constant film as the gate insulating film. Oxidation does not reduce the relative permittivity.
本発明の半導体装置において、阻止酸化膜は、AlおよびYからなる群から選択される第二の元素の酸化物を含むことができる。 In the semiconductor device of the present invention, the blocking oxide film can include an oxide of a second element selected from the group consisting of Al and Y.
このような第二の元素は、多結晶シリコン膜と接しても、多結晶シリコン膜と反応して悪影響を与えるようなことがないため、阻止酸化膜の材料として良好に用いることができる。阻止酸化膜は、たとえばAl2O3(比誘電率約8〜10)、またはY2O3(比誘電率約15)、あるいはこれらの窒化物とすることができる。これらの材料は、非晶質であるので、高誘電率膜として上述したような非晶質の材料を用いた場合に、リーク電流を抑える効果をより高めることができる。
また、高誘電率膜を非晶質とするとともに阻止酸化膜を非晶質とすることにより、高誘電率膜が多結晶の場合に生じやすい、粒界を通して高誘電率膜中の金属原子が阻止酸化膜に拡散するという現象を抑制することができるため、金属原子の阻止能力をより高めることができる。
Such a second element can be favorably used as a material for the blocking oxide film because it does not adversely react with the polycrystalline silicon film even when it is in contact with the polycrystalline silicon film. The blocking oxide film can be, for example, Al 2 O 3 (relative dielectric constant of about 8 to 10), Y 2 O 3 (relative dielectric constant of about 15), or a nitride thereof. Since these materials are amorphous, when the amorphous material as described above is used as the high dielectric constant film, the effect of suppressing the leakage current can be further enhanced.
In addition, by making the high dielectric constant film amorphous and the blocking oxide film amorphous, metal atoms in the high dielectric constant film are likely to occur when the high dielectric constant film is polycrystalline, through the grain boundary. Since the phenomenon of diffusion into the blocking oxide film can be suppressed, the blocking ability of metal atoms can be further increased.
本発明の半導体装置において、阻止酸化膜は、負の固定電荷を有する材料により構成することができる。 In the semiconductor device of the present invention, the blocking oxide film can be made of a material having a negative fixed charge.
本発明によれば、半導体基板と、半導体基板上に形成され、Hf、Zr、およびランタノイド元素のいずれかからなる群から選択される第一の元素と、ならびにNとを含むシリケート化合物を含む高誘電率膜により構成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されるとともに、P型不純物を含む多結晶シリコン膜により構成されたゲート電極と、ゲート絶縁膜とゲート電極との間に形成され、負の固定電荷を有する材料により構成されるとともに、比誘電率が8以上の阻止酸化膜と、を含むことを特徴とする半導体装置が提供される。 According to the present invention, a semiconductor substrate, a first element selected from the group consisting of any one of Hf, Zr, and a lanthanoid element formed on the semiconductor substrate, and a high silicate compound including N are included. A gate insulating film made of a dielectric film, a gate electrode formed on the gate insulating film and made of a polycrystalline silicon film containing a P-type impurity, and formed between the gate insulating film and the gate electrode In addition, a semiconductor device is provided that includes a blocking oxide film that is made of a material having a negative fixed charge and that has a relative dielectric constant of 8 or more.
図4は、高誘電率膜としてHfSiONを用い、高誘電率膜に接してP型不純物を含む多結晶シリコン膜が形成された場合の界面の状態を示す模式図である。図4(b)は、図4(a)の拡大図である。ここでは、高誘電率膜により構成されたゲート絶縁膜中のHfが多結晶シリコン膜により構成されたゲート電極中のSiと反応してHf−Si結合が形成され、この結合が界面トラップを発生している。P型不純物を含む多結晶シリコン膜の正孔がこの界面トラップに捕獲され、正の界面トラップ電荷が生じ、Vfb(フラットバンド電圧)およびVth(閾値電圧)が負方向にシフトしてしまう。 FIG. 4 is a schematic diagram showing an interface state when HfSiON is used as the high dielectric constant film and a polycrystalline silicon film containing a P-type impurity is formed in contact with the high dielectric constant film. FIG. 4B is an enlarged view of FIG. Here, Hf in the gate insulating film constituted by the high dielectric constant film reacts with Si in the gate electrode constituted by the polycrystalline silicon film to form an Hf-Si bond, and this bond generates an interface trap. is doing. Holes in the polycrystalline silicon film containing P-type impurities are trapped in this interface trap, positive interface trap charges are generated, and Vfb (flat band voltage) and Vth (threshold voltage) shift in the negative direction.
上述したように、高誘電率膜と多結晶シリコン膜との間に阻止酸化膜を設けることにより、第一の元素と多結晶シリコン膜との反応を阻止することができ、界面電荷の量を低減することができる。これにより、空乏層の発生を抑制でき、フェルミレベルピニングの発生を低減することができる。また、高誘電率膜を負の固定電荷を有する材料により構成することにより、正の界面トラップ電荷を打ち消すことができる。これにより、半導体装置の閾値電圧の上昇をより効果的に抑制することができるとともに、ばらつきを小さくすることができる。 As described above, by providing a blocking oxide film between the high dielectric constant film and the polycrystalline silicon film, the reaction between the first element and the polycrystalline silicon film can be blocked, and the amount of interface charge can be reduced. Can be reduced. Thereby, generation | occurrence | production of a depletion layer can be suppressed and generation | occurrence | production of Fermi level pinning can be reduced. Further, by forming the high dielectric constant film from a material having a negative fixed charge, it is possible to cancel the positive interface trap charge. Thereby, an increase in the threshold voltage of the semiconductor device can be more effectively suppressed, and variations can be reduced.
上述したAl2O3は、負の固定電荷を有することも知られており(たとえば非特許文献3、特許文献2等)、阻止酸化膜をAl2O3により構成することにより、さらに効果的にフェルミレベルピニングの影響を低減することができる。
The Al 2 O 3 described above is also known to have a negative fixed charge (for example, Non-Patent Document 3,
本発明の半導体装置において、ゲート絶縁膜における第一の元素に対する阻止酸化膜における第二の元素の比は、0.15以上(モル比)とすることができる。これにより、阻止酸化膜のバリア性を確保することができる。 In the semiconductor device of the present invention, the ratio of the second element in the blocking oxide film to the first element in the gate insulating film can be 0.15 or more (molar ratio). Thereby, the barrier property of the blocking oxide film can be ensured.
また、本発明の半導体装置において、ゲート絶縁膜における第一の元素に対する阻止酸化膜における第二の元素の比は、2以下(モル比)とすることができる。これにより、ゲート絶縁膜として高誘電率膜を用いたことによるEOTの低下の効果を確保することができる。また、P型不純物を含む多結晶シリコン膜により構成されたゲート電極を含むP型MOSFETと同時にP型不純物を含む多結晶シリコン膜により構成されたゲート電極を含むN型MOSFETを形成した場合でも、N型MOSFETの特性を損なうことなく、P型MOSFETの閾値電圧の上昇を抑制することができる。 In the semiconductor device of the present invention, the ratio of the second element in the blocking oxide film to the first element in the gate insulating film can be 2 or less (molar ratio). Thereby, it is possible to secure the effect of lowering EOT due to the use of the high dielectric constant film as the gate insulating film. Further, even when an N-type MOSFET including a gate electrode composed of a polycrystalline silicon film containing a P-type impurity is formed at the same time as a P-type MOSFET including a gate electrode composed of a polycrystalline silicon film containing a P-type impurity, An increase in the threshold voltage of the P-type MOSFET can be suppressed without impairing the characteristics of the N-type MOSFET.
本発明の半導体装置において、高誘電率膜は、HfSiONにより構成することができる。高誘電率膜がHfを含む場合に、上述したようなフェルミレベルピニングの影響が大きくなる。しかし、本発明によれば、高誘電率膜と多結晶シリコン膜との間に阻止酸化膜が設けられているので、高誘電率膜の材料としてHfを用いた場合でも、フェニルレベルピニングの影響を低減することができる。また、高誘電率膜は、ZrSiONや窒化ランタノイドシリケートとすることもできる。 In the semiconductor device of the present invention, the high dielectric constant film can be made of HfSiON. When the high dielectric constant film contains Hf, the influence of Fermi level pinning as described above becomes large. However, according to the present invention, since the blocking oxide film is provided between the high dielectric constant film and the polycrystalline silicon film, even when Hf is used as the material of the high dielectric constant film, the influence of phenyl level pinning Can be reduced. The high dielectric constant film can also be made of ZrSiON or lanthanoid nitride silicate.
本発明の半導体装置は、半導体基板とゲート絶縁膜との間に設けられたシリコン酸化膜をさらに含むことができる。このシリコン酸化膜は、窒素を含むこともできる。 The semiconductor device of the present invention can further include a silicon oxide film provided between the semiconductor substrate and the gate insulating film. This silicon oxide film can also contain nitrogen.
半導体基板と高誘電率膜との間にシリコン酸化膜を設けることにより、高誘電率膜中の金属が半導体基板に拡散等するのを防ぐことができる。 By providing the silicon oxide film between the semiconductor substrate and the high dielectric constant film, the metal in the high dielectric constant film can be prevented from diffusing into the semiconductor substrate.
本発明の半導体装置は、半導体基板上に形成され、Hf、Zr、およびランタノイド元素のいずれかからなる群から選択される第一の元素と、ならびにNとを含むシリケート化合物を含む高誘電率膜により構成された第二のゲート絶縁膜と、第二のゲート絶縁膜の高誘電率膜に接して形成されるとともに、N型不純物を含む多結晶シリコン膜により構成された第二のゲート電極と、をさらに含むことができる。 A semiconductor device according to the present invention is a high dielectric constant film formed on a semiconductor substrate and including a silicate compound including a first element selected from the group consisting of any of Hf, Zr, and a lanthanoid element, and N A second gate electrode formed of a polycrystalline silicon film containing an N-type impurity and in contact with a high dielectric constant film of the second gate insulating film; , May further be included.
本発明の半導体装置は、N型MOSFETとP型MOSFETとを含むCMOSデバイスとすることができる。ここで、P型MOSFETにおいては、高誘電率膜と多結晶シリコン膜との間に阻止酸化膜を設けた構成とすることができ、N型MOSFETにおいては、阻止酸化膜を設けることなく、高誘電率膜上に多結晶シリコン膜を直接配置した構成とすることができる。これにより、P型MOSFETにおいて閾値電圧の上昇を抑制することができるとともに、N型MOSFET118の特性を良好に保つことができる。
The semiconductor device of the present invention can be a CMOS device including an N-type MOSFET and a P-type MOSFET. Here, the P-type MOSFET can have a configuration in which a blocking oxide film is provided between the high dielectric constant film and the polycrystalline silicon film, and the N-type MOSFET has a high level without providing a blocking oxide film. A structure in which a polycrystalline silicon film is directly disposed on the dielectric constant film can be employed. Thereby, an increase in threshold voltage can be suppressed in the P-type MOSFET, and the characteristics of the N-
本発明によれば、高誘電率膜により構成されたゲート絶縁膜と、P型不純物を含む多結晶シリコン膜により構成されたゲート電極とを含む半導体装置において、閾値電圧の増加を抑制することができる。 According to the present invention, an increase in threshold voltage can be suppressed in a semiconductor device including a gate insulating film formed of a high dielectric constant film and a gate electrode formed of a polycrystalline silicon film containing a P-type impurity. it can.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
図1は、本実施の形態における半導体装置100の構成を示す断面図である。本実施の形態において、半導体装置100は、P型MOSFET120を含む。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a
半導体装置100は、N型の導電型を有するNウェル102bが設けられたシリコン基板102と、Nウェル102bに形成された一対の不純物拡散領域122と、これらの間に設けられたチャネル領域(不図示)と、チャネル領域上に形成されたシリコン酸化膜106と、シリコン酸化膜106上に形成された高誘電率膜108と、高誘電率膜108上に形成された阻止酸化膜110と、阻止酸化膜110上に形成された多結晶シリコン膜114と、側壁絶縁膜116とを有する。シリコン酸化膜106および高誘電率膜108によりゲート絶縁膜が構成され、多結晶シリコン膜114によりゲート電極が形成される。多結晶シリコン膜114には、B(ホウ素)等のP型不純物がドープされている。以上の要素により、P型MOSFET120が構成される。
The
高誘電率膜108は、酸化シリコンよりも比誘電率の高い膜であり、いわゆるhigh−k膜を用いることができる。高誘電率膜108は、比誘電率10以上の材料により構成することができる。具体的には、高誘電率膜108は、Hf、Zr、およびランタノイド元素からなる群から選択される一または二以上の元素、ならびにN(窒素)を含むシリケート膜とすることができる。このような材料を用いることにより、高誘電率膜108の比誘電率を高くすることができるとともに、良好な耐熱性を付与することができる。そのため、MOSFETのサイズ縮小化、信頼性向上に寄与することができる。
The high dielectric
ここで、高誘電率膜108を構成する全元素に対する高誘電率膜108中の窒素の含有率は、5原子%以上とすることができる。これにより、高誘電率膜108を非晶質にすることができ、リーク電流を抑えることができる。また、高誘電率膜108を構成する全元素に対する高誘電率膜108中の窒素の含有率は、20原子%以下とすることができる。これにより、界面特性を良好に保つことができる。
Here, the content of nitrogen in the high dielectric
阻止酸化膜110は、高誘電率膜108に含まれる金属元素が多結晶シリコン膜114に拡散するのを阻止する機能を有する。また、阻止酸化膜110は、比誘電率8以上の材料により構成された酸化膜とすることができる。具体的には、阻止酸化膜110は、AlおよびYからなる群から選択される元素の酸化物、または酸窒化物を含むことができる。阻止酸化膜110は、たとえばAl2O3膜またはY2O3膜とすることができる。これらの材料により構成された膜は、比誘電率が高く、酸化されているため、酸化により膜質が変化して比誘電率が低下するということもない。そのため、ゲート絶縁膜として上述したような高誘電率膜108を用いたことによるEOTの低下の効果を損なうことなく、高誘電率膜108に含まれる金属元素が多結晶シリコン膜114に拡散するのを阻止することができる。また、これらの材料は非晶質であるため、高誘電率膜108として非晶質の材料を用いた場合に、リーク電流を抑える効果をより高めることができる。また、阻止酸化膜110としては、窒素を含む膜を用いることができる。阻止酸化膜110として窒素を含む膜を用いた場合、金属原子の拡散を阻止する能力をより高めることができる。この場合、阻止酸化膜110における阻止酸化膜110を構成する全元素に対する当該阻止酸化膜110中の窒素の含有率が、5原子%以上となるようにすることができる。
The blocking
阻止酸化膜110の膜厚は、たとえば0.2nm以上とすることができる。これにより、高誘電率膜108に含まれる金属元素が多結晶シリコン膜114に拡散するのを阻止する機能を充分にすることができる。また、阻止酸化膜110の膜厚は、たとえば1nm以下とすることができる。これにより、ゲート絶縁膜として上述したような高誘電率膜108を用いたことによるEOTの低下の効果を損なうことなく、高誘電率膜108に含まれる金属元素が多結晶シリコン膜114に拡散するのを阻止する機能を確保することができる。ここで、単に膜厚というときは、積層方向の膜厚を示す。
The thickness of the blocking
また、阻止酸化膜110は、負の固定電荷を有する材料により構成することができる。図4を参照して上述したように、高誘電率膜108中の金属元素が多結晶シリコン膜114に拡散すると、金属元素と多結晶シリコン膜114中のSiとの結合が形成される。この結合が界面トラップを発生し、P型不純物を含む多結晶シリコン膜の正孔がこの界面トラップに捕獲され、正の界面電荷が生じる。阻止酸化膜110が負の固定電荷を有していると、当該負の固定電荷が正の界面電荷を打ち消すことができ、P型MOSFET120の閾値電圧の上昇をより効果的に抑制することができる。
The blocking
Al2O3は、負の固定電荷を有することが知られており、阻止酸化膜110としてAl2O3を用いることにより、上述した高誘電率膜108に含まれる金属元素が多結晶シリコン膜114に拡散するのを阻止する機能とともに、正の界面電荷を打ち消すこともでき、P型MOSFET120の閾値電圧の上昇をより効果的に抑制することができる。
Al 2 O 3 is known to have a negative fixed charge, and by using Al 2 O 3 as the blocking
高誘電率膜108を構成する材料として、上述したような元素を含むものを用いた場合、P型MOSFET120において、フェルミレベルピニングの影響により、閾値電圧が上昇してしまうという課題が生じ得るが、本実施の形態における半導体装置100の構成によれば、P型MOSFET120の高誘電率膜108と多結晶シリコン膜114との間に阻止酸化膜110が設けられるので、フェルミレベルピニングの影響を低減することができる。
When a material including the above-described element is used as the material constituting the high dielectric
図2および図3は、図1に示した構成の半導体装置100の製造手順の一例を示す工程断面図である。ここでは、P型MOSFET120とともに、N型MOSFET118も同時に形成してCMOSデバイスを製造する手順を示す。
2 and 3 are process cross-sectional views showing an example of a manufacturing procedure of the
まず、公知の技術により、シリコン基板102に、STI(Shallow Trench Isolation)による素子分離領域(STI)104を形成した後、P型不純物をイオン注入してPウェル102a、N型不純物をイオン注入してNウェル102bを、それぞれ形成する(図2(a))。素子分離領域104は、たとえばLOCOS法等の公知の他の方法で形成してもよい。素子分離領域104により、Pウェル102aとNウェル102bとが分離される。
First, after forming an element isolation region (STI) 104 by STI (Shallow Trench Isolation) on a
つづいて、公知の技術により、Pウェル102aおよびNウェル102bにチャネル領域をそれぞれ形成する。なお、Pウェル102aおよびNウェル102bのチャネル領域の下方に、N型不純物およびP型不純物をそれぞれイオン注入することにより、パンチスルーストッパー領域を形成することもできる。このようなパンチスルーストッパー領域を形成することにより、短チャネル効果を抑制することができる。
Subsequently, channel regions are respectively formed in the
つづいて、シリコン基板102の表面にシリコン酸化膜106(たとえば膜厚約1nm〜2nm)を形成する(図2(b))。シリコン酸化膜106は、たとえばシリコン基板102の表面を熱酸化することにより形成することができる。熱酸化の条件としては、たとえば、処理温度900℃、処理時間40秒〜50秒程度とすることができる。
Subsequently, a silicon oxide film 106 (for example, a film thickness of about 1 nm to 2 nm) is formed on the surface of the silicon substrate 102 (FIG. 2B). The
つづいて、シリコン酸化膜106上に、高誘電率膜108(たとえば膜厚約2nm)を形成する(図2(c))。高誘電率膜108は、CVD法、ALD法(原子層堆積法)、スパッタ法等により成膜することができる。本実施の形態では、高誘電率膜108としてHfSiONを採用する。この成膜は、まず、有機ハフニウム原料ガス、酸化性ガスおよびシリコン含有ガスを用いて行う。ここで、たとえば、酸化性ガスとして酸素、シリコン含有ガスとしてモノシラン(SiH4)を用いることができる。これにより、ハフニウムシリケート(HfSiO)が形成される。
Subsequently, a high dielectric constant film 108 (for example, a film thickness of about 2 nm) is formed on the silicon oxide film 106 (FIG. 2C). The high dielectric
この後、たとえばアンモニア等の窒素含有ガスを用いてアニールを行う。この条件としては、処理温度900〜1000℃、処理時間40秒等とする。アニールを行うことにより、ハフニウムシリケート中に窒素が導入され、高誘電率膜108が非晶質化される。窒素の導入は、窒素プラズマ処理により行うこともできる。また、スパッタ時等、高誘電率膜108成膜時に窒素を導入して、HfSiONを製造することもできる。さらに、反応スパッタにより、HfSiNを成膜後、酸化処理を行うことにより、HfSiONを製造することもできる。
Thereafter, annealing is performed using a nitrogen-containing gas such as ammonia. The conditions are a processing temperature of 900 to 1000 ° C. and a processing time of 40 seconds. By performing annealing, nitrogen is introduced into the hafnium silicate and the high dielectric
つづいて、高誘電率膜108上に、阻止酸化膜110(たとえば膜厚約0.7nm)を形成する(図2(d))。阻止酸化膜110は、CVD法、ALD法、スパッタ法により成膜することができる。本実施の形態では、阻止酸化膜110としてAl2O3を採用する。この成膜は、Al(CH3)3とO3やH2O等の酸化性ガスとを原料として、ALD法により行う。
Subsequently, a blocking oxide film 110 (for example, a film thickness of about 0.7 nm) is formed on the high dielectric constant film 108 (FIG. 2D). The blocking
ここで、阻止酸化膜110は、高誘電率膜108中に含まれるHf、Zr、およびランタノイド元素に対する阻止酸化膜110中に含まれるAlやYの比は、0.15以上、より好ましくは0.5以上(モル比)となるように構成することができる。これにより、阻止酸化膜110のバリア性を確保することができる。また、阻止酸化膜110は、高誘電率膜108中に含まれるHf、Zr、およびランタノイド元素に対する阻止酸化膜110中に含まれるAlやYの比は、2以下(モル比)となるようにすることができる。これにより、N型MOSFET118の特性も良好に保つことができる。
Here, in the blocking
また、阻止酸化膜110としてAl2O3を用いた場合、Al2O3は窒化してもよい。Al2O3を窒化した窒化酸化膜を用いることによりEOTの増加や閾値電圧の増加なしにさらに信頼性の向上を行うことができる。
Also, if a blocking
その後、阻止酸化膜110上に、多結晶シリコン膜114を成膜する(図3(e))。次いで、Pウェル102a上に成膜された多結晶シリコン膜114にはN型不純物をイオン注入し、Nウェル102b上に成膜された多結晶シリコン膜114にはP型不純物をイオン注入する。
Thereafter, a
つづいて、シリコン酸化膜106、高誘電率膜108、阻止酸化膜110、および多結晶シリコン膜114を選択的にドライエッチングし、ゲート電極の形状に加工する(図3(f))。次いで、Pウェル102a上において、シリコン酸化膜106、高誘電率膜108、阻止酸化膜110、および多結晶シリコン膜114の側壁に側壁絶縁膜115を形成する。また、Nウェル102b上において、シリコン酸化膜106、高誘電率膜108、阻止酸化膜110、および多結晶シリコン膜114の側壁に側壁絶縁膜116を形成する。側壁絶縁膜115および側壁絶縁膜116は、たとえば、フルオロカーボンガスなどを用いた異方性エッチングにより形成することができる。
Subsequently, the
つづいて、Pウェル102aおよびNウェル102b表面に、それぞれ、チャネル領域と後述する不純物拡散領域との電気的接続部であるソース/ドレインエクステンション領域を形成する。
Subsequently, source / drain extension regions, which are electrical connection portions between the channel region and an impurity diffusion region described later, are formed on the surfaces of the
次に、Pウェル102a上において、ゲート電極および側壁絶縁膜115をマスクとして、Pウェル102aの表層にPやAs等のN型不純物をドープして不純物拡散領域121を形成する。また、Nウェル102b上において、ゲート電極および側壁絶縁膜116をマスクとして、Nウェル102bの表層にBやAl等のP型不純物をドープして不純物拡散領域122を形成する(図3(g))。これにより、ソース領域およびドレイン領域が形成される。その後、非酸化雰囲気中で、たとえば1000℃程度の熱処理を行うことにより、不純物の活性化を行う。以上のプロセスにより、N型MOSFET118とP型MOSFET120とを有するCMOSデバイスである半導体装置100が形成される。
Next,
本実施の形態で示したように、高誘電率膜108を窒化しておくことにより、イオン注入後の活性化において、高温熱処理が施されても結晶化が起こらないようにすることができ、高誘電率膜108を非晶質状態に保つことができる。このように、高誘電率膜108を非晶質状態に保つことにより、高誘電率膜108上に阻止酸化膜110を形成した場合に、高誘電率膜108が多結晶の場合に比べて金属原子の拡散阻止能力を高めることができる。とくに、非晶質の高誘電率膜108と非晶質の阻止酸化膜110とを用いることにより、金属原子の拡散阻止能力をより高めることができる。
As shown in the present embodiment, by nitriding the high dielectric
以上のように、本実施の形態における半導体装置100によれば、P型MOSFET120の高誘電率膜108と多結晶シリコン膜114との間に阻止酸化膜110が設けられるので、フェルミレベルピニングの影響を低減することができる。これにより、P型MOSFET120の閾値電圧の上昇を抑制することができるとともに、閾値電圧のばらつきを小さくすることができる。
As described above, according to the
(例1)
図1に示したのと同様の構成のP型MOSFET120において、高誘電率膜108と多結晶シリコン膜114との間に設ける阻止膜として、(i)SiO2膜、(ii)SiN膜、(iii)Al2O3膜について、高誘電率膜を構成する金属が多結晶シリコン中に拡散するのを阻止する機能(以下「阻止機能」という)を有するか否かを検討した。
(Example 1)
In the P-
以下に結果を示す。
(i)SiO2:阻止機能を実効性のある程度まで満たすためには、SiO2膜の膜厚をかなり厚くしなければならず、SiO2膜の比誘電率が低いため、ゲート絶縁膜として高誘電率膜を用いたことによるEOT(SiO2換算膜厚)の低下の効果を損なうことが判明した。
The results are shown below.
(I) SiO 2 : In order to satisfy the blocking function to a certain degree of effectiveness, the film thickness of the SiO 2 film must be considerably increased, and since the relative dielectric constant of the SiO 2 film is low, it is high as a gate insulating film. It has been found that the effect of lowering the EOT (SiO 2 equivalent film thickness) due to the use of the dielectric constant film is impaired.
(ii)SiN膜:阻止機能はある程度あった。しかし、SiN膜は、SiO2膜よりも比誘電率が高いが、高誘電率膜と接すると、その中に含まれる酸素により酸化され、SiO2膜になってしまう。そのため、動作時に比誘電率が下がってしまい、ゲート絶縁膜として高誘電率膜を用いたことによるEOTの低下の効果を損なうことが判明した。 (Ii) SiN film: There was a blocking function to some extent. However, SiN film is higher relative dielectric constant than SiO 2 film, when in contact with the high dielectric constant film, is oxidized by oxygen contained therein, it becomes a SiO 2 film. For this reason, it has been found that the relative dielectric constant is lowered during operation, and the effect of lowering EOT due to the use of a high dielectric constant film as the gate insulating film is impaired.
(iii)Al2O3膜:比誘電率も高く、阻止機能もSiO2膜より大きかった。そのため、阻止機能を実効性のある程度まで満たす膜厚としても、ゲート絶縁膜として高誘電率膜を用いたことによるEOTの低下の効果を損なわなかった。 (Iii) Al 2 O 3 film: The relative dielectric constant was high and the blocking function was larger than that of the SiO 2 film. For this reason, even when the film thickness satisfies the blocking function to a certain degree of effectiveness, the effect of lowering EOT due to the use of the high dielectric constant film as the gate insulating film is not impaired.
(例2)
図1に示したのと同様の構成のP型MOSFET120を製造した。ここでは、側壁絶縁膜116は形成しなかった。
シリコン基板102に、1.0−2.0nm程度のシリコン酸化膜106を形成し、その上にHfSiO膜をCVD法により、1−2.5nm程度成膜した。つづいて、この構造をプラズマ窒化してHfSiON膜(高誘電率膜108)を形成した。次いで、高誘電率膜108上にAl2O3膜(阻止酸化膜110)を成膜した。阻止酸化膜110の上にポリシリコン層(多結晶シリコン膜114)を成長し、パターニングを行うことによってゲート電極を形成した。続いてイオン注入を行ってソース、ドレイン(不純物拡散領域122)を形成した。その後、活性化処理を1000℃程度でアニールを行い、トランジスタ構造を作成した。
ここで、Al2O3膜(阻止酸化膜110)の膜厚を、2Å、4Å、または8Åとしたトランジスタ構造を作成した。
(Example 2)
A P-
A
Here, a transistor structure in which the film thickness of the Al 2 O 3 film (blocking oxide film 110) was 2 mm, 4 mm, or 8 mm was created.
(比較例1:Ref.1)
シリコン基板に、シリコン酸化膜を形成し、その上にポリシリコン層を成長し、パターニングを行うことによってゲート電極を形成した。続いてイオン注入を行ってソース、ドレインを形成した。その後、活性化処理を1000℃程度でアニールを行い、トランジスタ構造を作成した。
(Comparative Example 1: Ref. 1)
A silicon oxide film was formed on a silicon substrate, a polysilicon layer was grown thereon, and patterning was performed to form a gate electrode. Subsequently, ion implantation was performed to form a source and a drain. Thereafter, the activation process was annealed at about 1000 ° C. to form a transistor structure.
(比較例2:Ref.2)
シリコン基板に、1.6−2.5nm程度のシリコン酸化膜を形成し、その上にHfSiO膜をCVD法により、1−2.5nm程度成膜した。つづいて、この構造をプラズマ窒化してHfSiON膜を形成した。次いで、その上にポリシリコン層を成長し、パターニングを行うことによってゲート電極を形成した。続いてイオン注入を行ってソース、ドレインを形成した。その後、活性化処理を1000℃程度でアニールを行い、トランジスタ構造を作成した。
(Comparative Example 2: Ref. 2)
A silicon oxide film having a thickness of about 1.6 to 2.5 nm was formed on a silicon substrate, and a HfSiO film was formed thereon by a CVD method to a thickness of about 1 to 2.5 nm. Subsequently, this structure was plasma-nitrided to form an HfSiON film. Next, a polysilicon layer was grown thereon and patterned to form a gate electrode. Subsequently, ion implantation was performed to form a source and a drain. Thereafter, the activation process was annealed at about 1000 ° C. to form a transistor structure.
(比較例3)
シリコン基板に、1.6−2.5nm程度のシリコン酸化膜を形成し、その上にHfSiO膜をCVD法により、1−2.5nm程度成膜した。その後、プラズマ窒化を行うことなく、その上にAl2O3膜を成膜した。Al2O3膜の上にポリシリコン層を成長し、パターニングを行うことによってゲート電極を形成した。続いてイオン注入を行ってソース、ドレインを形成した。その後、活性化処理を1000℃程度でアニールを行い、トランジスタ構造を作成した。
(Comparative Example 3)
A silicon oxide film having a thickness of about 1.6 to 2.5 nm was formed on a silicon substrate, and a HfSiO film was formed thereon by a CVD method to a thickness of about 1 to 2.5 nm. Thereafter, an Al 2 O 3 film was formed thereon without performing plasma nitridation. A polysilicon layer was grown on the Al 2 O 3 film and patterned to form a gate electrode. Subsequently, ion implantation was performed to form a source and a drain. Thereafter, the activation process was annealed at about 1000 ° C. to form a transistor structure.
図5に、例2で作成したトランジスタ構造における、閾値電圧VthとAl2O3膜厚との関係を示す。
ここで、トランジスタ構造に、Al2O3膜を導入することにより、比較例2のAl2O3膜を導入していない構造に比べて、閾値電圧Vthが上昇し、Al2O3膜の膜厚を2Åとすることにより、トランジスタの特性改善に最低必要な100mVの上昇を行うことができた。Al2O3膜厚の増加に伴ってVthは上昇した。
FIG. 5 shows the relationship between the threshold voltage Vth and the Al 2 O 3 film thickness in the transistor structure created in Example 2.
Here, by introducing the Al 2 O 3 film into the transistor structure, the threshold voltage Vth increases as compared with the structure in which the Al 2 O 3 film of Comparative Example 2 is not introduced, and the Al 2 O 3 film By setting the film thickness to 2 mm, the minimum increase of 100 mV necessary for improving the transistor characteristics could be achieved. As the Al 2 O 3 film thickness increased, Vth increased.
図6に、例2で作成したトランジスタ構造における、EOTとAl2O3膜厚との関係を示す。
Al2O3膜の膜厚増加にしたがってEOTは増加した。Al2O3膜の膜厚が8Åとなると、EOTが2Å(0.2nm)増加した。そのため、Al2O3の膜厚がこれより厚くなると、高誘電率膜を用いた効果を相殺してしまう。
FIG. 6 shows the relationship between the EOT and the Al 2 O 3 film thickness in the transistor structure created in Example 2.
The EOT increased as the thickness of the Al 2 O 3 film increased. When the thickness of the Al 2 O 3 film reached 8 mm, EOT increased by 2 mm (0.2 nm). Therefore, if the film thickness of Al 2 O 3 is thicker than this, the effect of using the high dielectric constant film is offset.
以上の結果から、Al2O3膜厚2Å以上8Å以下の範囲(モル比:0.16以上1.6以下)で、トランジスタ特性の改善とEOTの低減を行って良好なトランジスタが提供されることが示された。 From the above results, an excellent transistor can be provided by improving the transistor characteristics and reducing EOT in the range of Al 2 O 3 film thickness of 2 to 8 mm (molar ratio: 0.16 to 1.6). It was shown that.
なお、比較例3のHfSiO膜では、長期信頼性寿命が10年に達していなかった。これは、HfSiO膜に結晶質部分が含まれ、その部分がリークパスになったためと考えられる。
一方、例2のHfSiON膜では、長期信頼性寿命が10年以上であることが確認された。例2のHfSiON膜は、ソース、ドレイン形成後の活性化処理の後も、非晶質状態で存在することが確認された。これにより、信頼性が向上したと考えられる。
In the HfSiO film of Comparative Example 3, the long-term reliability life did not reach 10 years. This is presumably because the HfSiO film contains a crystalline part and this part becomes a leak path.
On the other hand, it was confirmed that the long-term reliability life of the HfSiON film of Example 2 was 10 years or longer. The HfSiON film of Example 2 was confirmed to exist in an amorphous state even after the activation treatment after the formation of the source and drain. This is considered to have improved reliability.
以上、図面を参照して本発明の実施の形態および実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 The embodiments and examples of the present invention have been described above with reference to the drawings. However, these are examples of the present invention, and various configurations other than the above can be adopted.
以上の例では、N型MOSFET118も阻止酸化膜110を含む構成としたが、N型MOSFET118は、阻止酸化膜110を有しない構成とすることができる。これにより、P型MOSFET120においては、阻止酸化膜110を設けることにより閾値電圧の上昇を抑制することができるとともに、N型MOSFET118の特性を良好に保つことができる。
In the above example, the N-
100 半導体装置
102 シリコン基板
102a Pウェル
102b Nウェル
104 素子分離領域
106 シリコン酸化膜
108 高誘電率膜
110 阻止酸化膜
114 多結晶シリコン膜
116 側壁絶縁膜
118 N型MOSFET
120 P型MOSFET
121 不純物拡散領域
122 不純物拡散領域
DESCRIPTION OF
120 P-type MOSFET
121
Claims (12)
前記半導体基板上に形成され、Hf、Zr、およびランタノイド元素のいずれかからなる群から選択される第一の元素と、ならびにNとを含むシリケート化合物を含む高誘電率膜により構成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されるとともに、P型不純物を含む多結晶シリコン膜により構成されたゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極との間に形成され、前記第一の元素と前記多結晶シリコン膜との反応を阻止するとともに、比誘電率が8以上の阻止酸化膜と、
を含むことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
Gate insulation formed on the semiconductor substrate and formed of a high dielectric constant film including a silicate compound including a first element selected from the group consisting of any one of Hf, Zr, and a lanthanoid element, and N A membrane,
A gate electrode formed on the gate insulating film and made of a polycrystalline silicon film containing a P-type impurity;
A blocking oxide film formed between the gate insulating film and the gate electrode, blocking reaction between the first element and the polycrystalline silicon film, and having a relative dielectric constant of 8 or more;
A semiconductor device comprising:
前記阻止酸化膜は、AlおよびYからなる群から選択される第二の元素の酸化物を含むことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the blocking oxide film includes an oxide of a second element selected from the group consisting of Al and Y.
前記阻止酸化膜は、負の固定電荷を有する材料により構成されたことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the blocking oxide film is made of a material having a negative fixed charge.
前記半導体基板上に形成され、Hf、Zr、およびランタノイド元素のいずれかからなる群から選択される第一の元素と、ならびにNとを含むシリケート化合物を含む高誘電率膜により構成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されるとともに、P型不純物を含む多結晶シリコン膜により構成されたゲート電極と、
前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極との間に形成され、負の固定電荷を有する材料により構成されるとともに、比誘電率が8以上の阻止酸化膜と、
を含むことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
Gate insulation formed on the semiconductor substrate and formed of a high dielectric constant film including a silicate compound including a first element selected from the group consisting of any one of Hf, Zr, and a lanthanoid element, and N A membrane,
A gate electrode formed on the gate insulating film and made of a polycrystalline silicon film containing a P-type impurity;
A blocking oxide film formed between the gate insulating film and the gate electrode, made of a material having a negative fixed charge, and having a relative dielectric constant of 8 or more;
A semiconductor device comprising:
前記阻止酸化膜は、Al2O3により構成されたことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the blocking oxide film is made of Al 2 O 3 .
前記阻止酸化膜は、Al2O3を窒化した窒化酸化膜により構成されたことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the blocking oxide film is made of a nitrided oxide film obtained by nitriding Al 2 O 3 .
前記ゲート絶縁膜における前記第一の元素に対する前記阻止酸化膜における前記第二の元素の比は、0.15以上(モル比)であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A ratio of the second element in the blocking oxide film to the first element in the gate insulating film is 0.15 or more (molar ratio).
前記ゲート絶縁膜における前記高誘電率膜を構成する全元素に対する当該高誘電率膜中の窒素の含有率が、5原子%以上であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, wherein a nitrogen content in the high dielectric constant film with respect to all elements constituting the high dielectric constant film in the gate insulating film is 5 atomic% or more.
前記高誘電率膜は、非晶質であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the high dielectric constant film is amorphous.
前記高誘電率膜は、HfSiONにより構成されたことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the high dielectric constant film is made of HfSiON.
前記半導体基板と前記ゲート絶縁膜との間に設けられたシリコン酸化膜をさらに含むことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device further comprising a silicon oxide film provided between the semiconductor substrate and the gate insulating film.
前記半導体基板上に形成され、Hf、Zr、およびランタノイド元素のいずれかからなる群から選択される第一の元素と、ならびにNとを含むシリケート化合物を含む高誘電率膜により構成された第二のゲート絶縁膜と、
前記第二のゲート絶縁膜の前記高誘電率膜に接して形成されるとともに、N型不純物を含む多結晶シリコン膜により構成された第二のゲート電極と、
をさらに含むことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A second dielectric layer formed on the semiconductor substrate and formed of a high dielectric constant film including a silicate compound including a first element selected from the group consisting of any one of Hf, Zr, and a lanthanoid element, and N. Gate insulating film of
A second gate electrode formed of a polycrystalline silicon film containing an N-type impurity and formed in contact with the high dielectric constant film of the second gate insulating film;
A semiconductor device further comprising:
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