JP2006229117A - Semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technology which can improve the performance of a semiconductor device. <P>SOLUTION: On a semiconductor substrate 1, NMOS transistors 11, 31 and PMOS transistors 21, 41 are formed. The gate insulating film 13 of the NMOS transistor 11, and the gate insulating film 23 of the PMOS transistor 21 are composed of a film having a dielectric constant higher than a silicon oxide film and a silicon nitride oxide film, respectively. The gate insulating film 33 of the NMOS transistor 31 is composed of a lower layer film 33a and an upper layer film 33b contacted with a gate electrode 34 laminated on the lower layer film 33a. The gate insulating film 13 of the NMOS transistor 11 and the gate insulating film 23 of the PMOS transistor 21 are formed of different materials, and the gate insulating film 13 of the NMOS transistor 11 and the upper layer film 33a of the gate insulating film 33 of the NMOS transistor 31 are formed of the same materials. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、複数のMOSトランジスタを有する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 having a plurality of MOS transistors and a method for manufacturing the same.

MOSトランジスタを微細化し、CMOS集積回路の集積度及び性能を向上させるためには、当該MOSトランジスタのゲート絶縁膜を薄膜化する必要がある。しかし、ゲート絶縁膜の材料として、シリコン酸化膜やシリコン窒化酸化膜を使用した場合には、薄膜化に伴ってゲート電極と半導体基板との間に流れる直接トンネル電流が増大し、消費電力が大きくなるという問題が生じる。   In order to miniaturize a MOS transistor and improve the degree of integration and performance of a CMOS integrated circuit, it is necessary to reduce the gate insulating film of the MOS transistor. However, when a silicon oxide film or silicon oxynitride film is used as the material of the gate insulating film, the direct tunnel current flowing between the gate electrode and the semiconductor substrate increases as the film thickness decreases, resulting in a large power consumption. Problem arises.

そこで、非特許文献1や特許文献1,2においては、ゲート絶縁膜の材料として高誘電体膜を使用する技術が提案されており、当該技術によって、リーク電流の増加を抑制しつつ、ゲート絶縁膜の酸化膜(SiO2)換算膜厚、つまりゲート絶縁膜の実効膜厚を低減することができる。 Therefore, in Non-Patent Document 1 and Patent Documents 1 and 2, a technique using a high dielectric film as a material of the gate insulating film is proposed. With this technique, gate insulation is suppressed while suppressing an increase in leakage current. The equivalent oxide thickness (SiO 2 ) of the film, that is, the effective thickness of the gate insulating film can be reduced.

なお、本出願人による未公開の特許出願「特願2004−203712号」の明細書等にも、ゲート絶縁膜の材料として高誘電体膜を使用する技術が開示されている。   The specification of the unpublished patent application “Japanese Patent Application No. 2004-203712” by the present applicant also discloses a technique of using a high dielectric film as the material of the gate insulating film.

C. Hobbs et al.,“Fermi Level Pinning at the PolySi/Metal Oxide Interface”, 2003 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, p.9C. Hobbs et al., “Fermi Level Pinning at the PolySi / Metal Oxide Interface”, 2003 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers, p.9 特開2003−23100号公報JP 2003-23100 A 特開2003−309188号公報JP 2003-309188 A

しかしながら、非特許文献1にも記載されているように、例えば、ゲート電極の材料としてポリシリコンを使用し、ゲート絶縁膜の材料としてハフニウム(Hf)やアルミニウム(Al)を含む高誘電体材料を使用した場合には、PMOSトランジスタやNMOSトランジスタのしきい値電圧が十分に低下せず、これらのトランジスタを含む半導体装置の性能が低下することがある。   However, as described in Non-Patent Document 1, for example, polysilicon is used as a material for a gate electrode, and a high dielectric material containing hafnium (Hf) or aluminum (Al) is used as a material for a gate insulating film. When used, the threshold voltage of the PMOS transistor or NMOS transistor is not sufficiently lowered, and the performance of the semiconductor device including these transistors may be lowered.

また一般的に、CMOS集積回路においては、内部回路と、外部とのインターフェイスとなる入出力回路とは異なる電源電圧で動作し、入出力回路の方が内部回路よりも高い電圧が印加される。そのため、入出力回路の方が内部回路よりも厚いゲート絶縁膜が使用される。このように、ゲート絶縁膜が薄いMOSトランジスタと、ゲート絶縁膜が厚いMOSトランジスタとを備える半導体装置においても、ゲート絶縁膜の材料として高誘電体膜を使用した場合には、両方のMOSトランジスタにおいてそれらのしきい値電圧が十分に低下せず、半導体装置の性能が低下することがある。   In general, in a CMOS integrated circuit, an internal circuit and an input / output circuit serving as an interface with the outside operate with different power supply voltages, and a higher voltage is applied to the input / output circuit than to the internal circuit. Therefore, a gate insulating film that is thicker in the input / output circuit than in the internal circuit is used. As described above, even in a semiconductor device including a MOS transistor having a thin gate insulating film and a MOS transistor having a thick gate insulating film, when a high dielectric film is used as the material of the gate insulating film, Those threshold voltages are not sufficiently lowered, and the performance of the semiconductor device may be lowered.

また、2つのMOSトランジスタにおいてゲート絶縁膜の材料として異なった材料を使用する場合には、一方のMOSトランジスタのゲート絶縁膜となる絶縁膜材料を形成する際に、既に形成された、他方のMOSトランジスタのゲート絶縁膜となる絶縁膜材料が損傷することがあり、その結果、半導体装置の性能が低下することがある。   In addition, when different materials are used as the material of the gate insulating film in the two MOS transistors, the other MOS that has already been formed when the insulating film material that becomes the gate insulating film of one MOS transistor is formed. Insulating film material used as a gate insulating film of a transistor may be damaged, and as a result, the performance of the semiconductor device may be deteriorated.

そこで、本発明は上述の問題に鑑みて成されたものであり、半導体装置の性能を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a technique capable of improving the performance of a semiconductor device.

この発明の第1の半導体装置は、第1のNMOSトランジスタと、前記第1のNMOSトランジスタのゲート絶縁膜よりも厚いゲート絶縁膜を有する第2のNMOSトランジスタと、PMOSトランジスタとを備え、前記第1のNMOSトランジスタ及び前記PMOSトランジスタのそれぞれのゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜及びシリコン窒化酸化膜よりも高い誘電率を有する、ゲート電極と接触する膜を含み、前記第2のNMOSトランジスタのゲート絶縁膜は、第1の膜と、当該第1の膜に積層された、ゲート電極と接触する第2の膜とを含み、前記第1のNMOSトランジスタの前記膜と、前記PMOSトランジスタの前記膜とは異なる材料から成り、前記第1のNMOSトランジスタの前記膜と、前記第2のNMOSトランジスタの前記第2の膜とは同じ材料から成る。   A first semiconductor device according to the present invention includes a first NMOS transistor, a second NMOS transistor having a gate insulating film thicker than a gate insulating film of the first NMOS transistor, and a PMOS transistor. Each of the gate insulating films of the NMOS transistor and the PMOS transistor includes a film that has a higher dielectric constant than that of the silicon oxide film and the silicon oxynitride film and is in contact with the gate electrode. The gate insulating film of the second NMOS transistor The film includes a first film and a second film stacked on the first film and in contact with the gate electrode, and the film of the first NMOS transistor, the film of the PMOS transistor, Are made of different materials, the film of the first NMOS transistor and the second NMOS transistor Wherein the second layer of the same material.

また、この発明の第2の半導体装置は、第1のNMOSトランジスタと、第1のPMOSトランジスタと、前記第1のPMOSトランジスタのゲート絶縁膜よりも厚いゲート絶縁膜を有する第2のPMOSトランジスタとを備え、前記第1のNMOSトランジスタ及び前記第1のPMOSトランジスタのそれぞれのゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜及びシリコン窒化酸化膜よりも高い誘電率を有する、ゲート電極と接触する膜を含み、前記第2のPMOSトランジスタのゲート絶縁膜は、第1の膜と、当該第1の膜に積層された、ゲート電極と接触する第2の膜とを含み、前記第1のNMOSトランジスタの前記膜と、前記第1のPMOSトランジスタの前記膜とは異なる材料から成り、前記第1のPMOSトランジスタの前記膜と、前記第2のPMOSトランジスタの前記第2の膜とは同じ材料から成る。   According to a second semiconductor device of the present invention, a first NMOS transistor, a first PMOS transistor, a second PMOS transistor having a gate insulating film thicker than a gate insulating film of the first PMOS transistor, Each gate insulating film of the first NMOS transistor and the first PMOS transistor includes a film in contact with a gate electrode having a higher dielectric constant than a silicon oxide film and a silicon nitride oxide film, The gate insulating film of the second PMOS transistor includes a first film and a second film stacked on the first film and in contact with the gate electrode, and the film of the first NMOS transistor The film of the first PMOS transistor is made of a different material, the film of the first PMOS transistor, And the second layer of the PMOS transistor of the same material.

また、この発明の半導体装置の製造方法は、第1及び第2のMOSトランジスタがそれぞれ形成される第1及び第2領域を備える半導体装置の製造方法であって、(a)前記第1のMOSトランジスタのゲート絶縁膜となる第1の絶縁膜材料を半導体基板上に全面に形成する工程と、(b)前記第1のMOSトランジスタのゲート電極となる第1の電極材料を前記第1の絶縁膜材料上に全面に形成する工程と、(c)前記第1領域には前記第1の電極材料及び前記第1の絶縁膜材料を残しつつ、前記第2領域における前記第1の電極材料及び前記第1の絶縁膜材料を除去する工程と、(d)前記工程(c)の実行によって得られる構造上に、前記第2のMOSトランジスタのゲート絶縁膜となる第2の絶縁膜材料と、前記第2のMOSトランジスタのゲート電極となる第2の電極材料とをこの順で全面に堆積する工程と、(e)前記第2領域には前記第2の絶縁膜材料及び前記第2の電極材料を残しつつ、前記第1領域における前記第2の絶縁膜材料及び前記第2の電極材料を除去する工程とを備える。   According to another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device including a first region and a second region in which first and second MOS transistors are respectively formed. Forming a first insulating film material to be a gate insulating film of the transistor on the entire surface of the semiconductor substrate; and (b) a first electrode material to be a gate electrode of the first MOS transistor being the first insulating material. Forming on the entire surface of the film material; and (c) leaving the first electrode material and the first insulating film material in the first region, and the first electrode material in the second region and Removing the first insulating film material; and (d) a second insulating film material to be a gate insulating film of the second MOS transistor on the structure obtained by executing the step (c); Said second MOS transistor A step of depositing a second electrode material to be a gate electrode of the star over the entire surface in this order; and (e) leaving the second insulating film material and the second electrode material in the second region, Removing the second insulating film material and the second electrode material in the first region.

この発明の第1の半導体装置によれば、第1のNMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタにおいては、ゲート絶縁膜が含む、ゲート電極と接触する膜が異なる材料で形成されているため、第1のNMOSトランジスタの当該膜の材料と、PMOSトランジスタの当該膜の材料とを個別に選定することができる。従って、ゲート絶縁膜におけるゲート電極に接触する部分の材料がMOSトランジスタのしきい値電圧に影響を与えることから、第1のNMOSトランジスタ及びPMOSトランジスタのしきい値電圧をそれぞれ独立して適切な値に設定することができる。その結果、本半導体装置の性能が向上する。   According to the first semiconductor device of the present invention, in the first NMOS transistor and the PMOS transistor, the film that contacts the gate electrode, including the gate insulating film, is formed of a different material. The material of the film and the material of the film of the PMOS transistor can be individually selected. Accordingly, since the material of the portion in contact with the gate electrode in the gate insulating film affects the threshold voltage of the MOS transistor, the threshold voltages of the first NMOS transistor and the PMOS transistor are each set to appropriate values. Can be set to As a result, the performance of the semiconductor device is improved.

更に、第2のNMOSトランジスタのゲート絶縁膜は、第1のNMOSトランジスタのゲート絶縁膜が含む高誘電率の膜と同じ材料から成る第2の膜を含んでいるため、当該第2のNMOSトランジスタのしきい値電圧も適切な値に設定することができるとともに、当該第2のNMOSトランジスタのゲート絶縁膜の実効膜厚を低減しつつ、製造コストを低減できる。   Further, since the gate insulating film of the second NMOS transistor includes the second film made of the same material as the high dielectric constant film included in the gate insulating film of the first NMOS transistor, the second NMOS transistor Can be set to an appropriate value, and the manufacturing cost can be reduced while reducing the effective thickness of the gate insulating film of the second NMOS transistor.

また、この発明の第2の半導体装置によれば、第1のNMOSトランジスタ及び第1のPMOSトランジスタにおいては、ゲート絶縁膜が含む、ゲート電極と接触する膜が異なる材料で形成されているため、第1のNMOSトランジスタの当該膜の材料と、第1のPMOSトランジスタの当該膜の材料とを個別に選定することができる。従って、ゲート絶縁膜におけるゲート電極に接触する部分の材料がMOSトランジスタのしきい値電圧に影響を与えることから、第1のNMOSトランジスタ及び第1のPMOSトランジスタのしきい値電圧をそれぞれ独立して適切な値に設定することができる。その結果、本半導体装置の性能が向上する。   Further, according to the second semiconductor device of the present invention, in the first NMOS transistor and the first PMOS transistor, the film that contacts the gate electrode, which is included in the gate insulating film, is formed of different materials. The material of the film of the first NMOS transistor and the material of the film of the first PMOS transistor can be individually selected. Accordingly, since the material of the portion in contact with the gate electrode in the gate insulating film affects the threshold voltage of the MOS transistor, the threshold voltages of the first NMOS transistor and the first PMOS transistor are independently set. It can be set to an appropriate value. As a result, the performance of the semiconductor device is improved.

更に、第2のPMOSトランジスタのゲート絶縁膜は、第1のPMOSトランジスタのゲート絶縁膜が含む高誘電率の膜と同じ材料から成る第2の膜を含んでいるため、当該第2のPMOSトランジスタのしきい値電圧も適切な値に設定することができるとともに、当該第2のPMOSトランジスタのゲート絶縁膜の実効膜厚を低減しつつ、製造コストを低減できる。   Further, since the gate insulating film of the second PMOS transistor includes the second film made of the same material as the high dielectric constant film included in the gate insulating film of the first PMOS transistor, the second PMOS transistor Can be set to an appropriate value, and the manufacturing cost can be reduced while reducing the effective thickness of the gate insulating film of the second PMOS transistor.

また、この発明の半導体装置の製造方法によれば、工程(e)を実行する際には、第1領域における第1の絶縁膜材料は第1の電極材料で覆われている。従って、第1領域における前記第2の絶縁膜材料及び前記第2の電極材料を除去する際に、第1のMOSトランジスタのゲート絶縁膜となる第1の絶縁膜材料が損傷を受けることを抑制できる。その結果、本半導体装置の性能を向上することができる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, when the step (e) is performed, the first insulating film material in the first region is covered with the first electrode material. Therefore, when the second insulating film material and the second electrode material in the first region are removed, the first insulating film material that becomes the gate insulating film of the first MOS transistor is prevented from being damaged. it can. As a result, the performance of the semiconductor device can be improved.

実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1に係る半導体装置の構造を示す断面図である。本実施の形態1に係る半導体装置は、ゲート絶縁膜の膜厚が比較的小さいMOSトランジスタが形成されている薄膜領域と、ゲート絶縁膜の膜厚が比較的大きいMOSトランジスタが形成されている厚膜領域とを備えている。例えば、薄膜領域には、集積回路における内部回路などのように、MOSトランジスタのゲート電極に比較的小さいゲート電圧が印加される回路が形成され、厚膜領域には、集積回路における入出力回路などのように、MOSトランジスタのゲート電極に比較的大きいゲート電圧が印加される回路が形成されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to Embodiment 1 of the present invention. The semiconductor device according to the first embodiment includes a thin film region where a MOS transistor having a relatively small gate insulating film is formed and a thickness where a MOS transistor having a relatively large gate insulating film is formed. And a membrane region. For example, a circuit in which a relatively small gate voltage is applied to the gate electrode of a MOS transistor is formed in the thin film region, such as an internal circuit in an integrated circuit, and an input / output circuit in the integrated circuit is formed in the thick film region. Thus, a circuit is formed in which a relatively large gate voltage is applied to the gate electrode of the MOS transistor.

図1に示されるように、本実施の形態1に係る半導体装置は、例えばシリコン基板から成る半導体基板1を備えている。半導体基板1の上面内には、例えばシリコン酸化膜から成る素子分離絶縁膜2が形成されており、当該素子分離絶縁膜2によって複数のMOSトランジスタ間は電気的に絶縁される。   As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the first embodiment includes a semiconductor substrate 1 made of, for example, a silicon substrate. An element isolation insulating film 2 made of, for example, a silicon oxide film is formed in the upper surface of the semiconductor substrate 1, and the plurality of MOS transistors are electrically insulated by the element isolation insulating film 2.

薄膜領域における半導体基板1の上面内には、p型のウェル領域3とn型のウェル領域4とが形成されており、当該ウェル領域3,4にはNMOSトランジスタ11及びPMOSトランジスタ21がそれぞれ形成されている。一方、厚膜領域における半導体基板1の上面内には、p型のウェル領域5とn型のウェル領域6とが形成されており、当該ウェル領域5,6にはNMOSトランジスタ31及びPMOSトランジスタ41がそれぞれ形成されている。   A p-type well region 3 and an n-type well region 4 are formed in the upper surface of the semiconductor substrate 1 in the thin film region, and an NMOS transistor 11 and a PMOS transistor 21 are respectively formed in the well regions 3 and 4. Has been. On the other hand, a p-type well region 5 and an n-type well region 6 are formed in the upper surface of the semiconductor substrate 1 in the thick film region. Are formed respectively.

ウェル領域3の上面内には、NMOSトランジスタ11が有する2つのn型のソース・ドレイン領域12が互いに離れて形成されており、ウェル領域4の上面内には、PMOSトランジスタ21が有する2つのp型のソース・ドレイン領域22が互いに離れて形成されている。また、ウェル領域5の上面内には、NMOSトランジスタ31が有する2つのn型のソース・ドレイン領域32が互いに離れて形成されており、ウェル領域6の上面内には、PMOSトランジスタ41が有する2つのp型のソース・ドレイン領域42が互いに離れて形成されている。   Two n-type source / drain regions 12 of the NMOS transistor 11 are formed apart from each other in the upper surface of the well region 3, and two p-types of the PMOS transistor 21 are formed in the upper surface of the well region 4. The source / drain regions 22 of the mold are formed apart from each other. Two n-type source / drain regions 32 of the NMOS transistor 31 are formed apart from each other in the upper surface of the well region 5, and 2 of the PMOS transistor 41 in the upper surface of the well region 6. Two p-type source / drain regions 42 are formed apart from each other.

ソース・ドレイン領域12間のウェル領域3上にはゲート絶縁膜13を介してゲート電極14が形成されており、ソース・ドレイン領域22間のウェル領域4上にはゲート絶縁膜23を介してゲート電極24が形成されている。また、ソース・ドレイン領域32間のウェル領域5上にはゲート絶縁膜33を介してゲート電極34が形成されており、ソース・ドレイン領域42間のウェル領域6上にはゲート絶縁膜43を介してゲート電極44が形成されている。ゲート電極14,24,34,44は、例えば、ポリシリコン、窒化タンタル(TaN)、窒化チタン(TiN)、あるいはタングステン(W)から成る。   A gate electrode 14 is formed on the well region 3 between the source / drain regions 12 via a gate insulating film 13. A gate electrode 14 is formed on the well region 4 between the source / drain regions 22 via a gate insulating film 23. An electrode 24 is formed. Further, a gate electrode 34 is formed on the well region 5 between the source / drain regions 32 via a gate insulating film 33, and on the well region 6 between the source / drain regions 42 via a gate insulating film 43. Thus, a gate electrode 44 is formed. The gate electrodes 14, 24, 34, and 44 are made of, for example, polysilicon, tantalum nitride (TaN), titanium nitride (TiN), or tungsten (W).

ゲート絶縁膜13及びゲート電極14の側面上にはNMOSトランジスタ11のサイドウォール15が形成されており、ゲート絶縁膜23及びゲート電極24の側面上にはPMOSトランジスタ21のサイドウォール25が形成されている。また、ゲート絶縁膜33及びゲート電極34の側面上にはNMOSトランジスタ31のサイドウォール35が形成されており、ゲート絶縁膜43及びゲート電極44の側面上にはPMOSトランジスタ41のサイドウォール45が形成されている。サイドウォール15,25,35,45は例えばシリコン窒化膜から成る。   A side wall 15 of the NMOS transistor 11 is formed on the side surfaces of the gate insulating film 13 and the gate electrode 14, and a side wall 25 of the PMOS transistor 21 is formed on the side surfaces of the gate insulating film 23 and the gate electrode 24. Yes. A sidewall 35 of the NMOS transistor 31 is formed on the side surfaces of the gate insulating film 33 and the gate electrode 34, and a sidewall 45 of the PMOS transistor 41 is formed on the side surfaces of the gate insulating film 43 and the gate electrode 44. Has been. The sidewalls 15, 25, 35, 45 are made of, for example, a silicon nitride film.

半導体基板1上には、素子分離絶縁膜2、NMOSトランジスタ11,31及びPMOSトランジスタ21,41を覆って層間絶縁膜50が形成されている。層間絶縁膜50内にはそれを貫通して、ソース・ドレイン領域12,22,32,42にそれぞれ達する複数のコンタクトプラグ51が形成されている。そして、層間絶縁膜50上には、複数のコンタクトプラグ51にそれぞれ接触する複数の配線52が形成されている。例えば、層間絶縁膜50はシリコン酸化膜から成り、コンタクトプラグ51はポリシリコンから成り、配線52はアルミニウムから成る。   On the semiconductor substrate 1, an interlayer insulating film 50 is formed so as to cover the element isolation insulating film 2, the NMOS transistors 11 and 31, and the PMOS transistors 21 and 41. A plurality of contact plugs 51 are formed in the interlayer insulating film 50 so as to penetrate the interlayer insulating film 50 and reach the source / drain regions 12, 22, 32, and 42, respectively. On the interlayer insulating film 50, a plurality of wirings 52 that are in contact with the plurality of contact plugs 51 are formed. For example, the interlayer insulating film 50 is made of a silicon oxide film, the contact plug 51 is made of polysilicon, and the wiring 52 is made of aluminum.

本実施の形態1に係る薄膜領域では、MOSトランジスタのゲート絶縁膜の構造は例えば1層構造である。NMOSトランジスタ11のゲート絶縁膜13は、シリコン酸化膜及びシリコン窒化酸化膜よりも誘電率が高い膜から成り、当該膜は、例えば酸化ハフニウム(HfO2)や、そのシリコン化合物あるいはその窒化物から成る。また、PMOSトランジスタ21のゲート絶縁膜23は、NMOSトランジスタ11のゲート絶縁膜13とは異なる、シリコン酸化膜及びシリコン窒化酸化膜よりも誘電率が高い膜から成り、当該膜は、例えば酸化アルミニウム(Al23)やその窒化物から成る。 In the thin film region according to the first embodiment, the structure of the gate insulating film of the MOS transistor is, for example, a single layer structure. The gate insulating film 13 of the NMOS transistor 11 is made of a film having a dielectric constant higher than that of the silicon oxide film and the silicon oxynitride film, and the film is made of, for example, hafnium oxide (HfO 2 ), its silicon compound, or its nitride. . The gate insulating film 23 of the PMOS transistor 21 is made of a film having a dielectric constant higher than that of the silicon oxide film and the silicon oxynitride film, which is different from the gate insulating film 13 of the NMOS transistor 11. Al 2 O 3 ) and nitrides thereof.

一方、本実施の形態1に係る厚膜領域では、MOSトランジスタのゲート絶縁膜の構造は例えば2層構造であり、厚膜領域におけるゲート絶縁膜は薄膜領域におけるゲート絶縁膜よりも厚く形成されている。NMOSトランジスタ31のゲート絶縁膜33は、半導体基板1上に形成された下層膜33aと、その上に積層され、ゲート電極34と接触する上層膜33bとから成る。下層膜33aは、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化酸化膜から成り、上層膜33bは、NMOSトランジスタ11のゲート絶縁膜13と同じ材料から成る。従って、ゲート絶縁膜13が酸化ハフニウムから成る場合には、ゲート絶縁膜33における上層膜33bも酸化ハフニウムから成る。   On the other hand, in the thick film region according to the first embodiment, the gate insulating film of the MOS transistor has a two-layer structure, for example, and the gate insulating film in the thick film region is formed thicker than the gate insulating film in the thin film region. Yes. The gate insulating film 33 of the NMOS transistor 31 includes a lower layer film 33 a formed on the semiconductor substrate 1 and an upper layer film 33 b that is stacked on the lower layer film 33 a and is in contact with the gate electrode 34. The lower layer film 33 a is made of, for example, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film, and the upper layer film 33 b is made of the same material as the gate insulating film 13 of the NMOS transistor 11. Therefore, when the gate insulating film 13 is made of hafnium oxide, the upper layer film 33b in the gate insulating film 33 is also made of hafnium oxide.

また、PMOSトランジスタ41のゲート絶縁膜43は、半導体基板1上に形成された下層膜43aと、その上に積層され、ゲート電極44と接触する上層膜43bとから成る。下層膜43aは、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化酸化膜から成り、上層膜43bは、PMOSトランジスタ21のゲート絶縁膜23と同じ材料から成る。従って、ゲート絶縁膜23が酸化アルミニウムから成る場合には、ゲート絶縁膜43における上層膜43bも酸化アルミニウムから成る。   The gate insulating film 43 of the PMOS transistor 41 includes a lower layer film 43 a formed on the semiconductor substrate 1 and an upper layer film 43 b that is stacked on the lower layer film 43 a and is in contact with the gate electrode 44. The lower layer film 43 a is made of, for example, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film, and the upper layer film 43 b is made of the same material as the gate insulating film 23 of the PMOS transistor 21. Therefore, when the gate insulating film 23 is made of aluminum oxide, the upper layer film 43b in the gate insulating film 43 is also made of aluminum oxide.

次に、図1に示される半導体装置の製造方法について説明する。図2〜10は本実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。まず図2に示されるように、半導体基板1の上面内に素子分離絶縁膜2を形成し、その後、ウェル領域3〜6を形成する。そして、露出している半導体基板1の上面全面に、NMOSトランジスタ31におけるゲート絶縁膜33の下層膜33a及びPMOSトランジスタ41におけるゲート絶縁膜43の下層膜43aとなる絶縁膜材料63を形成する。絶縁膜材料63は、例えばシリコン酸化膜から成り、半導体基板1の上面を熱酸化することによって形成される。なお、絶縁膜材料63に対して窒化処理を行っても良い。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 1 will be described. 2 to 10 are cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment in the order of steps. First, as shown in FIG. 2, the element isolation insulating film 2 is formed in the upper surface of the semiconductor substrate 1, and then the well regions 3 to 6 are formed. Then, an insulating film material 63 that forms the lower layer film 33 a of the gate insulating film 33 in the NMOS transistor 31 and the lower layer film 43 a of the gate insulating film 43 in the PMOS transistor 41 is formed on the entire upper surface of the exposed semiconductor substrate 1. The insulating film material 63 is made of, for example, a silicon oxide film, and is formed by thermally oxidizing the upper surface of the semiconductor substrate 1. Note that nitriding treatment may be performed on the insulating film material 63.

次に図3に示されるように、厚膜領域を覆うフォトレジスト64を半導体基板1上に形成し、当該フォトレジスト64をマスクに用いて露出している絶縁膜材料63に対してウェットエッチングを行う。これにより、薄膜領域における絶縁膜材料63が除去される。そして、フォトレジスト64を除去する。   Next, as shown in FIG. 3, a photoresist 64 covering the thick film region is formed on the semiconductor substrate 1, and wet etching is performed on the exposed insulating film material 63 using the photoresist 64 as a mask. Do. Thereby, the insulating film material 63 in the thin film region is removed. Then, the photoresist 64 is removed.

次に図4に示されるように、NMOSトランジスタ11のゲート絶縁膜13及びNMOSトランジスタ31におけるゲート絶縁膜33の上層膜33bとなる絶縁膜材料73を全面に形成する。絶縁膜材料73は、例えば酸化ハフニウムや、そのシリコン化合物あるいはその窒化物から成る。   Next, as shown in FIG. 4, an insulating film material 73 to be the upper layer film 33 b of the gate insulating film 13 of the NMOS transistor 11 and the gate insulating film 33 of the NMOS transistor 31 is formed on the entire surface. The insulating film material 73 is made of, for example, hafnium oxide, a silicon compound thereof, or a nitride thereof.

次に図5に示されるように、薄膜領域においてNMOSトランジスタ11が形成される領域と、厚膜領域においてNMOSトランジスタ31が形成される領域とを覆うフォトレジスト74を絶縁膜材料73上に形成し、当該フォトレジスト74をマスクに用いて、露出している絶縁膜材料73に対してウェットエッチングあるいはドライエッチングを実行する。これにより、薄膜領域においてPMOSトランジスタ21が形成される領域の絶縁膜材料73と、厚膜領域においてPMOSトランジスタ41が形成される領域の絶縁膜材料73が除去される。そして、フォトレジスト74を除去する。   Next, as shown in FIG. 5, a photoresist 74 covering the region where the NMOS transistor 11 is formed in the thin film region and the region where the NMOS transistor 31 is formed in the thick film region is formed on the insulating film material 73. Then, wet etching or dry etching is performed on the exposed insulating film material 73 using the photoresist 74 as a mask. Thus, the insulating film material 73 in the region where the PMOS transistor 21 is formed in the thin film region and the insulating film material 73 in the region where the PMOS transistor 41 is formed in the thick film region are removed. Then, the photoresist 74 is removed.

次に図6に示されるように、PMOSトランジスタ21のゲート絶縁膜23及びPMOSトランジスタ41におけるゲート絶縁膜43の上層膜43bとなる絶縁膜材料83を全面に形成する。絶縁膜材料83は、例えば酸化アルミニウムやその窒化物から成る。   Next, as shown in FIG. 6, an insulating film material 83 to be the upper layer film 43 b of the gate insulating film 23 of the PMOS transistor 21 and the gate insulating film 43 of the PMOS transistor 41 is formed on the entire surface. The insulating film material 83 is made of, for example, aluminum oxide or a nitride thereof.

次に図7に示されるように、薄膜領域においてPMOSトランジスタ21が形成される領域と、厚膜領域においてPMOSトランジスタ41が形成される領域とを覆うフォトレジスト84を絶縁膜材料83上に形成し、当該フォトレジスト84をマスクに用いて、露出している絶縁膜材料83に対してウェットエッチングあるいはドライエッチングを実行する。これにより、薄膜領域においてNMOSトランジスタ11が形成される領域の絶縁膜材料83と、厚膜領域においてNMOSトランジスタ31が形成される領域の絶縁膜材料83が除去される。そして、フォトレジスト84を除去する。   Next, as shown in FIG. 7, a photoresist 84 covering the region where the PMOS transistor 21 is formed in the thin film region and the region where the PMOS transistor 41 is formed in the thick film region is formed on the insulating film material 83. Then, wet etching or dry etching is performed on the exposed insulating film material 83 by using the photoresist 84 as a mask. Thereby, the insulating film material 83 in the region where the NMOS transistor 11 is formed in the thin film region and the insulating film material 83 in the region where the NMOS transistor 31 is formed in the thick film region are removed. Then, the photoresist 84 is removed.

次に図8に示されるように、ゲート電極14,24,34,44となる電極材料94を全面に形成する。電極材料94は、例えばポリシリコン、窒化タンタル、窒化チタン、あるいはタングステンから成る。そして、電極材料94及び絶縁膜材料63,73,83をパターンニングする。これにより、図9に示されるように、絶縁膜材料73から成るゲート絶縁膜13と、絶縁膜材料83から成るゲート絶縁膜23とが形成されるとともに、電極材料94から成るゲート電極14,24が形成される。同時に、下層膜33aが絶縁膜材料63から成り、上層膜33bが絶縁膜材料73から成るゲート絶縁膜33と、下層膜43aが絶縁膜材料63から成り、上層膜43bが絶縁膜材料83から成るゲート絶縁膜43とが形成されるとともに、電極材料94から成るゲート電極34,44が形成される。   Next, as shown in FIG. 8, an electrode material 94 to be the gate electrodes 14, 24, 34, 44 is formed on the entire surface. The electrode material 94 is made of, for example, polysilicon, tantalum nitride, titanium nitride, or tungsten. Then, the electrode material 94 and the insulating film materials 63, 73, and 83 are patterned. As a result, as shown in FIG. 9, the gate insulating film 13 made of the insulating film material 73 and the gate insulating film 23 made of the insulating film material 83 are formed, and the gate electrodes 14 and 24 made of the electrode material 94 are formed. Is formed. At the same time, the lower layer film 33 a is made of the insulating film material 63, the upper layer film 33 b is made of the insulating film material 73, the lower layer film 43 a is made of the insulating film material 63, and the upper layer film 43 b is made of the insulating film material 83. A gate insulating film 43 is formed, and gate electrodes 34 and 44 made of an electrode material 94 are formed.

次に、エクステンション領域を形成する必要があれば不純物のハロー注入を行う。そして、図10に示されるように、サイドウォール15,25,35,45を形成し、その後、ソース・ドレイン領域12,22,32,42を形成する。   Next, if it is necessary to form an extension region, impurity halo implantation is performed. Then, as shown in FIG. 10, sidewalls 15, 25, 35, 45 are formed, and then source / drain regions 12, 22, 32, 42 are formed.

次に、必要があればシリサイド処理を実行し、層間絶縁膜50、コンタクトプラグ51及び配線52を順次形成する。これにより、図1に示される半導体装置が完成する。   Next, if necessary, a silicide process is performed, and an interlayer insulating film 50, a contact plug 51, and a wiring 52 are sequentially formed. Thereby, the semiconductor device shown in FIG. 1 is completed.

以上のように、本実施の形態1に係る半導体装置では、薄膜領域におけるNMOSトランジスタ11及びPMOSトランジスタ21においては、ゲート電極14,24とそれぞれ接触するゲート絶縁膜13,23が異なる材料で形成されているため、NMOSトランジスタ11のゲート絶縁膜13の高誘電体材料と、PMOSトランジスタ21のゲート絶縁膜23の高誘電体材料を個別に選定することができる。従って、上述の非特許文献1に記載されている内容からも理解できるようにゲート絶縁膜におけるゲート電極に接触する部分の高誘電体材料がMOSトランジスタのしきい値電圧に影響を与えることから、NMOSトランジスタ11及びPMOSトランジスタ21のしきい値電圧をそれぞれ独立して適切な値に設定することができる。その結果、本半導体装置の性能を向上させることができる。   As described above, in the semiconductor device according to the first embodiment, in the NMOS transistor 11 and the PMOS transistor 21 in the thin film region, the gate insulating films 13 and 23 that are in contact with the gate electrodes 14 and 24 are formed of different materials. Therefore, the high dielectric material of the gate insulating film 13 of the NMOS transistor 11 and the high dielectric material of the gate insulating film 23 of the PMOS transistor 21 can be individually selected. Therefore, as can be understood from the contents described in Non-Patent Document 1 described above, the portion of the high dielectric material in contact with the gate electrode in the gate insulating film affects the threshold voltage of the MOS transistor. The threshold voltages of the NMOS transistor 11 and the PMOS transistor 21 can be independently set to appropriate values. As a result, the performance of the semiconductor device can be improved.

例えば、ゲート電極14,24がポリシリコンで形成されている場合には、ゲート絶縁膜13を酸化ハフニウムで形成し、ゲート絶縁膜23を酸化アルミニウムで形成することによって、NMOSトランジスタ11及びPMOSトランジスタ21の両方のしきい値電圧を十分に低減することができ、本半導体装置の性能を向上させることができる。   For example, when the gate electrodes 14 and 24 are formed of polysilicon, the gate insulating film 13 is formed of hafnium oxide and the gate insulating film 23 is formed of aluminum oxide, whereby the NMOS transistor 11 and the PMOS transistor 21 are formed. Both threshold voltages can be sufficiently reduced, and the performance of the semiconductor device can be improved.

また、厚膜領域におけるNMOSトランジスタ31及びPMOSトランジスタ41においても、ゲート電極34,44とそれぞれ接触する、ゲート絶縁膜33の上層膜33b及びゲート絶縁膜43の上層膜43bが異なる材料で形成されているため、NMOSトランジスタ31及びPMOSトランジスタ41のしきい値電圧をそれぞれ独立して適切な値に設定することができる。その結果、本半導体装置の性能を向上させることができる。   Also in the NMOS transistor 31 and the PMOS transistor 41 in the thick film region, the upper layer film 33b of the gate insulating film 33 and the upper layer film 43b of the gate insulating film 43, which are in contact with the gate electrodes 34 and 44, are formed of different materials. Therefore, the threshold voltages of the NMOS transistor 31 and the PMOS transistor 41 can be set to appropriate values independently of each other. As a result, the performance of the semiconductor device can be improved.

また、厚膜領域におけるNMOSトランジスタ31のゲート絶縁膜33は、薄膜領域におけるNMOSトランジスタ11のゲート絶縁膜13と同じ高誘電率材料から成る、ゲート電極34と接触する上層膜33bを含んでいるため、当該NMOSトランジスタ31のしきい値電圧も適切な値に設定することができるとともに、当該NMOSトランジスタ31のゲート絶縁膜33の実効膜厚を低減しつつ、製造コストを低減できる。   Further, the gate insulating film 33 of the NMOS transistor 31 in the thick film region includes the upper layer film 33b that contacts the gate electrode 34 and is made of the same high dielectric constant material as the gate insulating film 13 of the NMOS transistor 11 in the thin film region. The threshold voltage of the NMOS transistor 31 can be set to an appropriate value, and the manufacturing cost can be reduced while reducing the effective film thickness of the gate insulating film 33 of the NMOS transistor 31.

また、本実施の形態1では、厚膜領域におけるPMOSトランジスタ41のゲート絶縁膜43は、薄膜領域におけるPMOSトランジスタ21のゲート絶縁膜23と同じ高誘電率材料から成る、ゲート電極44と接触する上層膜43bを含んでいるため、当該PMOSトランジスタ41のしきい値電圧も適切な値に設定することができるとともに、当該PMOSトランジスタ41のゲート絶縁膜43の実効膜厚を低減しつつ、製造コストを低減できる。   In the first embodiment, the gate insulating film 43 of the PMOS transistor 41 in the thick film region is made of the same high dielectric constant material as the gate insulating film 23 of the PMOS transistor 21 in the thin film region, and is an upper layer in contact with the gate electrode 44. Since the film 43b is included, the threshold voltage of the PMOS transistor 41 can be set to an appropriate value, and the manufacturing cost can be reduced while reducing the effective film thickness of the gate insulating film 43 of the PMOS transistor 41. Can be reduced.

なお、ゲート絶縁膜13,23、ゲート絶縁膜33の上層膜33b、及びゲート絶縁膜43の上層膜43bの材料としては、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化イットリウム(Y23)、酸化ランタン(La23)、酸化チタン(TiO2)、もしくは酸化プラセオジム(PrOx)からなる高誘電体材料を採用することもできる。 As materials for the gate insulating films 13 and 23, the upper layer film 33b of the gate insulating film 33, and the upper layer film 43b of the gate insulating film 43, zirconium oxide (ZrO 2 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ), and lanthanum oxide are used. A high dielectric material made of (La 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), or praseodymium oxide (PrO x ) can also be used.

また、図2〜10に示される製造方法以外の方法でも本半導体装置を製造することができる。図11〜14は、本実施の形態1に係る半導体装置の他の製造方法を工程順に示す断面図である。まず、上述の製造方法の一部を利用して図4に示される構造までを作製する。次に図11に示されるように、ゲート電極11,31となる電極材料104aを全面に形成する。電極材料104aは、例えばポリシリコン、窒化タンタル、窒化チタン、あるいはタングステンから成る。そして、薄膜領域においてNMOSトランジスタ11が形成される領域と、厚膜領域においてNMOSトランジスタ31が形成される領域とを覆うフォトレジスト105を電極材料104a上に形成する。   Also, the semiconductor device can be manufactured by a method other than the manufacturing method shown in FIGS. 11 to 14 are cross-sectional views showing another method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment in the order of steps. First, the structure shown in FIG. 4 is manufactured by utilizing a part of the manufacturing method described above. Next, as shown in FIG. 11, an electrode material 104a to be the gate electrodes 11 and 31 is formed on the entire surface. The electrode material 104a is made of, for example, polysilicon, tantalum nitride, titanium nitride, or tungsten. Then, a photoresist 105 covering the region where the NMOS transistor 11 is formed in the thin film region and the region where the NMOS transistor 31 is formed in the thick film region is formed on the electrode material 104a.

次に、フォトレジスト105をマスクに用いて、露出している電極材料104a及びその下の絶縁膜材料73に対して、ドライエッチング、ウェットエッチング、あるいはそれらの両方を実行し、フォトレジスト105を除去する。これにより、図12に示されるように、薄膜領域においてPMOSトランジスタ21が形成される領域の電極材料104a及びその下の絶縁膜材料73と、厚膜領域においてPMOSトランジスタ41が形成される領域の電極材料104a及びその下の絶縁膜材料73が除去される。   Next, using the photoresist 105 as a mask, dry etching, wet etching, or both are performed on the exposed electrode material 104a and the underlying insulating film material 73 to remove the photoresist 105. To do. Thus, as shown in FIG. 12, the electrode material 104a in the region where the PMOS transistor 21 is formed in the thin film region and the insulating film material 73 therebelow, and the electrode in the region where the PMOS transistor 41 is formed in the thick film region The material 104a and the underlying insulating film material 73 are removed.

次に図13に示されるように、図12に示される構造の表面全面に上述の絶縁膜材料83を形成する。そして、ゲート電極24,44となる電極材料104bを絶縁膜材料8上に全面に形成する。   Next, as shown in FIG. 13, the insulating film material 83 is formed on the entire surface of the structure shown in FIG. Then, an electrode material 104 b to be the gate electrodes 24 and 44 is formed on the entire surface of the insulating film material 8.

次に、図13に示される構造を、その上方からCMP等で研磨して、当該構造の表面を平坦化する。これにより、図14に示されるように、NMOSトランジスタ11,31が形成される領域の不要な絶縁膜材料83及び電極材料104bは除去される。その後、図9,10を参照して説明した製造方法と同様に、電極材料104a,104b及び絶縁膜材料63,73,83をパターンニングして、ゲート絶縁膜13,23,33,43及びゲート電極14,24,34,44を形成し、サイドウォール15,25,35,45、ソース・ドレイン領域12,22,32,42、層間絶縁膜50、コンタクトプラグ51及び配線52を順次形成する。   Next, the structure shown in FIG. 13 is polished from above by CMP or the like to flatten the surface of the structure. Thereby, as shown in FIG. 14, the unnecessary insulating film material 83 and electrode material 104b in the region where the NMOS transistors 11 and 31 are formed are removed. Thereafter, similarly to the manufacturing method described with reference to FIGS. 9 and 10, the electrode materials 104a and 104b and the insulating film materials 63, 73 and 83 are patterned, and the gate insulating films 13, 23, 33 and 43 and the gate are patterned. The electrodes 14, 24, 34, 44 are formed, and the sidewalls 15, 25, 35, 45, the source / drain regions 12, 22, 32, 42, the interlayer insulating film 50, the contact plug 51, and the wiring 52 are sequentially formed.

以上のような製造方法においては、絶縁膜材料83よりも先に、絶縁膜材料73上に電極材料104aを形成しているため、絶縁膜材料83及び電極材料104b形成後に、それらのうちのNMOSトランジスタ11,31が形成される領域の不要な部分を除去する際には、薄膜領域においてNMOSトランジスタ11が形成される領域での絶縁膜材料73や、厚膜領域においてNMOSトランジスタ31が形成される領域での絶縁膜材料73は電極材料104aで覆われている。   In the manufacturing method as described above, the electrode material 104a is formed on the insulating film material 73 prior to the insulating film material 83. Therefore, after the insulating film material 83 and the electrode material 104b are formed, the NMOS of them is formed. When removing unnecessary portions of the region where the transistors 11 and 31 are formed, the insulating film material 73 in the region where the NMOS transistor 11 is formed in the thin film region and the NMOS transistor 31 is formed in the thick film region. The insulating film material 73 in the region is covered with the electrode material 104a.

一方、図2〜10に示される製造方法では、図6に示されるように、電極材料94を形成する前に絶縁膜材料73上に全面に絶縁膜材料83を形成しているため、図7に示されるように、NMOSトランジスタ11,31が形成される領域における不要な絶縁膜材料83を除去する際には、当該絶縁膜材料83の下に存在する必要な絶縁膜材料73が損傷を受けることがある。その結果、本半導体装置の性能が劣化することがある。   On the other hand, in the manufacturing method shown in FIGS. 2 to 10, the insulating film material 83 is formed on the entire surface of the insulating film material 73 before the electrode material 94 is formed, as shown in FIG. As shown in FIG. 4, when the unnecessary insulating film material 83 in the region where the NMOS transistors 11 and 31 are formed is removed, the necessary insulating film material 73 existing under the insulating film material 83 is damaged. Sometimes. As a result, the performance of the semiconductor device may deteriorate.

図11〜図14に示す製造方法では、NMOSトランジスタ11,31が形成される領域の不要な絶縁膜材料83及び電極材料104bを除去する際には、当該NMOSトランジスタ11,31が形成される領域での絶縁膜材料73は電極材料104aで覆われているため、当該絶縁膜材料73が損傷を受けることを抑制できる。従って、NMOSトランジスタ11,31の性能の劣化を抑制でき、その結果、本半導体装置の性能を向上することができる。   In the manufacturing method shown in FIGS. 11 to 14, when the unnecessary insulating film material 83 and electrode material 104b in the region where the NMOS transistors 11 and 31 are formed are removed, the region where the NMOS transistors 11 and 31 are formed. Since the insulating film material 73 is covered with the electrode material 104a, the insulating film material 73 can be prevented from being damaged. Therefore, the performance degradation of the NMOS transistors 11 and 31 can be suppressed, and as a result, the performance of the semiconductor device can be improved.

実施の形態2.
図15は本発明の実施の形態2に係る半導体装置の構造を示す断面図である。本実施の形態2に係る半導体装置は、上述の実施の形態1に係る半導体装置において、NMOSトランジスタ31におけるゲート絶縁膜33の下層膜33aの替わりに下層膜33cを設けて、PMOSトランジスタ41におけるゲート絶縁膜43の下層膜43aの替わりに下層膜43cを設けたものである。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor device according to the second embodiment is the same as the semiconductor device according to the first embodiment described above, except that the lower layer film 33c is provided instead of the lower layer film 33a of the gate insulating film 33 in the NMOS transistor 31, and the gate in the PMOS transistor 41 is provided. Instead of the lower layer film 43 a of the insulating film 43, a lower layer film 43 c is provided.

本実施の形態2に係るNMOSトランジスタ31の下層膜33cは、薄膜領域のPMOSトランジスタ21におけるゲート絶縁膜23と同じ材料から形成されており、PMOSトランジスタ41の下層膜43cは、薄膜領域のNMOSトランジスタ11におけるゲート絶縁膜13と同じ材料から形成されている。従って、本実施の形態2に係る半導体装置では、NMOSトランジスタ31のゲート絶縁膜33は、PMOSトランジスタ21のゲート絶縁膜23と同じ材料から成る下層膜33cと、NMOSトランジスタ11のゲート絶縁膜13と同じ材料から成る上層膜33bとで構成されており、PMOSトランジスタ41のゲート絶縁膜43は、NMOSトランジスタ11のゲート絶縁膜13と同じ材料から成る下層膜43cと、PMOSトランジスタ21のゲート絶縁膜23と同じ材料から成る上層膜43bとで構成されている。その他の構造については実施の形態1に係る半導体装置と同様であるためその説明は省略する。   The lower layer film 33c of the NMOS transistor 31 according to the second embodiment is formed of the same material as the gate insulating film 23 in the PMOS transistor 21 in the thin film region, and the lower layer film 43c of the PMOS transistor 41 is the NMOS transistor in the thin film region. 11 is made of the same material as the gate insulating film 13 in FIG. Therefore, in the semiconductor device according to the second embodiment, the gate insulating film 33 of the NMOS transistor 31 includes the lower layer film 33 c made of the same material as the gate insulating film 23 of the PMOS transistor 21, and the gate insulating film 13 of the NMOS transistor 11. The gate insulating film 43 of the PMOS transistor 41 is composed of the lower layer film 43c made of the same material as the gate insulating film 13 of the NMOS transistor 11 and the gate insulating film 23 of the PMOS transistor 21. And an upper layer film 43b made of the same material. Since other structures are the same as those of the semiconductor device according to the first embodiment, description thereof is omitted.

次に、図15に示される半導体装置の製造方法について説明する。図16〜24は本実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。まず図16に示されるように、半導体基板1の上面内に素子分離絶縁膜2を形成し、その後、ウェル領域3〜6を形成する。そして、露出している半導体基板1の上面全面に、NMOSトランジスタ11におけるゲート絶縁膜13及びPMOSトランジスタ41におけるゲート絶縁膜43の下層膜43cとなる上述の絶縁膜材料73を形成する。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 15 will be described. 16 to 24 are cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment in the order of steps. First, as shown in FIG. 16, the element isolation insulating film 2 is formed in the upper surface of the semiconductor substrate 1, and then the well regions 3 to 6 are formed. Then, the above-described insulating film material 73 that becomes the gate insulating film 13 in the NMOS transistor 11 and the lower layer film 43 c of the gate insulating film 43 in the PMOS transistor 41 is formed on the entire upper surface of the exposed semiconductor substrate 1.

次に図17に示されるように、薄膜領域においてNMOSトランジスタ11が形成される領域と、厚膜領域においてPMOSトランジスタ41が形成される領域とを覆うフォトレジスト110を素子分離絶縁膜2及び絶縁膜材料73上に形成し、当該フォトレジスト110をマスクに用いて、露出している絶縁膜材料73に対してウェットエッチングあるいはドライエッチングを実行する。これにより、薄膜領域においてPMOSトランジスタ21が形成される領域の絶縁膜材料73と、厚膜領域においてNMOSトランジスタ31が形成される領域の絶縁膜材料73が除去される。そして、フォトレジスト110を除去する。   Next, as shown in FIG. 17, the photoresist 110 covering the region where the NMOS transistor 11 is formed in the thin film region and the region where the PMOS transistor 41 is formed in the thick film region is removed from the element isolation insulating film 2 and the insulating film. Using the photoresist 110 as a mask, wet etching or dry etching is performed on the exposed insulating film material 73 using the photoresist 110 as a mask. As a result, the insulating film material 73 in the region where the PMOS transistor 21 is formed in the thin film region and the insulating film material 73 in the region where the NMOS transistor 31 is formed in the thick film region are removed. Then, the photoresist 110 is removed.

次に図18に示されるように、PMOSトランジスタ21におけるゲート絶縁膜23、NMOSトランジスタ31におけるゲート絶縁膜33の下層膜33c、及びPMOSトランジスタ41におけるゲート絶縁膜43の上層膜43bとなる上述の絶縁膜材料83を全面に形成する。そして図19に示されるように、薄膜領域においてPMOSトランジスタ21が形成される領域と厚膜領域とを覆うフォトレジスト111を絶縁膜材料83上に形成し、当該フォトレジスト111をマスクに用いて、露出している絶縁膜材料83に対してウェットエッチングあるいはドライエッチングを実行する。これにより、薄膜領域においてNMOSトランジスタ11が形成される領域の絶縁膜材料83が除去される。そして、フォトレジスト111を除去する。   Next, as shown in FIG. 18, the above-described insulation becomes the gate insulating film 23 in the PMOS transistor 21, the lower layer film 33c of the gate insulating film 33 in the NMOS transistor 31, and the upper layer film 43b of the gate insulating film 43 in the PMOS transistor 41. A film material 83 is formed on the entire surface. Then, as shown in FIG. 19, a photoresist 111 is formed on the insulating film material 83 to cover the region where the PMOS transistor 21 is formed and the thick film region in the thin film region, and the photoresist 111 is used as a mask. Wet etching or dry etching is performed on the exposed insulating film material 83. Thereby, the insulating film material 83 in the region where the NMOS transistor 11 is formed in the thin film region is removed. Then, the photoresist 111 is removed.

次に図20に示されるように、ゲート電極11,21,41となる電極材料114aを全面に形成する。電極材料114aは、例えばポリシリコン、窒化タンタル、窒化チタン、あるいはタングステンから成る。次に、薄膜領域と、厚膜領域でのPMOSトランジスタ41が形成される領域とを覆うフォトレジスト112を電極材料114a上に形成し、当該フォトレジスト112をマスクに用いて、露出している電極材料114aに対してウェットエッチングあるいはドライエッチングを実行する。そして、フォトレジスト112を除去する。これにより、図21に示されるように、厚膜領域でのNMOSトランジスタ31が形成される領域の電極材料114aが除去されて、当該領域における絶縁膜材料83が露出する。   Next, as shown in FIG. 20, an electrode material 114a to be the gate electrodes 11, 21, 41 is formed on the entire surface. The electrode material 114a is made of, for example, polysilicon, tantalum nitride, titanium nitride, or tungsten. Next, a photoresist 112 covering the thin film region and the region where the PMOS transistor 41 is formed in the thick film region is formed on the electrode material 114a, and the exposed electrode is used using the photoresist 112 as a mask. Wet etching or dry etching is performed on the material 114a. Then, the photoresist 112 is removed. As a result, as shown in FIG. 21, the electrode material 114a in the region where the NMOS transistor 31 is formed in the thick film region is removed, and the insulating film material 83 in the region is exposed.

次に図22に示されるように、図21の構造の表面全面に、NMOSトランジスタ31におけるゲート絶縁膜33の上層膜33bとなる絶縁膜材料123を形成する。絶縁膜材料123は、例えば酸化ハフニウムや、そのシリコン化合物あるいはその窒化物から成る。そして、ゲート電極34となる電極材料114bを絶縁膜材料123の表面全面に形成する。   Next, as shown in FIG. 22, an insulating film material 123 to be the upper layer film 33 b of the gate insulating film 33 in the NMOS transistor 31 is formed on the entire surface of the structure of FIG. 21. The insulating film material 123 is made of, for example, hafnium oxide, a silicon compound thereof, or a nitride thereof. Then, an electrode material 114 b to be the gate electrode 34 is formed on the entire surface of the insulating film material 123.

次に、図22に示される構造を、その上方からCMP等で研磨して、当該構造の表面を平坦化する。これにより、図23に示されるように、薄膜領域及びPMOSトランジスタ41が形成される領域の不要な絶縁膜材料123及び電極材料114bは除去される。   Next, the structure shown in FIG. 22 is polished from above by CMP or the like to flatten the surface of the structure. Thus, as shown in FIG. 23, the unnecessary insulating film material 123 and electrode material 114b in the thin film region and the region where the PMOS transistor 41 is formed are removed.

次に、図24に示されるように、実施の形態1に係る製造方法と同様に、電極材料114a,114b及び絶縁膜材料73,83,123をパターンニングして、ゲート絶縁膜13,23,33,43及びゲート電極14,24,34,44を形成する。その後、サイドウォール15,25,35,45、ソース・ドレイン領域12,22,32,42、層間絶縁膜50、コンタクトプラグ51及び配線52を順次形成する。これにより、図15に示される半導体装置が完成する。   Next, as shown in FIG. 24, similarly to the manufacturing method according to the first embodiment, the electrode materials 114a and 114b and the insulating film materials 73, 83, and 123 are patterned, and the gate insulating films 13, 23, 33, 43 and gate electrodes 14, 24, 34, 44 are formed. Thereafter, sidewalls 15, 25, 35, 45, source / drain regions 12, 22, 32, 42, interlayer insulating film 50, contact plug 51, and wiring 52 are sequentially formed. Thereby, the semiconductor device shown in FIG. 15 is completed.

以上のように、本実施の形態2に係る半導体装置では、厚膜領域におけるNMOSトランジスタ31のゲート絶縁膜33は、シリコン酸化膜及びシリコン窒化酸化膜よりも誘電率の高い高誘電体膜の積層構造を有しているため、当該ゲート絶縁膜33の実効膜厚を更に低減できる。その結果、NMOSトランジスタ31の駆動能力を向上することができ、当該NMOSトランジスタ31を含む回路の高速化が可能となる。   As described above, in the semiconductor device according to the second embodiment, the gate insulating film 33 of the NMOS transistor 31 in the thick film region is a stack of a high dielectric film having a dielectric constant higher than that of the silicon oxide film and the silicon nitride oxide film. Due to the structure, the effective film thickness of the gate insulating film 33 can be further reduced. As a result, the driving capability of the NMOS transistor 31 can be improved, and the speed of the circuit including the NMOS transistor 31 can be increased.

更に、NMOSトランジスタ31のゲート絶縁膜33は、NMOSトランジスタ11のゲート絶縁膜13と同じ材料から成る上層膜33bと、PMOSトランジスタ21のゲート絶縁膜23と同じ材料から成る下層膜33cとを含んでいるため、製造コストを更に低減できる。   Further, the gate insulating film 33 of the NMOS transistor 31 includes an upper film 33 b made of the same material as the gate insulating film 13 of the NMOS transistor 11 and a lower film 33 c made of the same material as the gate insulating film 23 of the PMOS transistor 21. Therefore, the manufacturing cost can be further reduced.

また、本実施の形態2に係る半導体装置では、厚膜領域におけるPMOSトランジスタ41のゲート絶縁膜43は、シリコン酸化膜及びシリコン窒化酸化膜よりも誘電率の高い高誘電体膜の積層構造を有しているため、当該ゲート絶縁膜43の実効膜厚を更に低減できる。その結果、PMOSトランジスタ41の駆動能力を向上することができ、当該PMOSトランジスタ41を含む回路の高速化が可能となる。   In the semiconductor device according to the second embodiment, the gate insulating film 43 of the PMOS transistor 41 in the thick film region has a stacked structure of a high dielectric film having a dielectric constant higher than that of the silicon oxide film and the silicon oxynitride film. Therefore, the effective film thickness of the gate insulating film 43 can be further reduced. As a result, the driving capability of the PMOS transistor 41 can be improved, and the speed of the circuit including the PMOS transistor 41 can be increased.

更に、PMOSトランジスタ41のゲート絶縁膜43は、NMOSトランジスタ11のゲート絶縁膜13と同じ材料から成る下層膜43cと、PMOSトランジスタ21のゲート絶縁膜23と同じ材料から成る上層膜43bとを含んでいるため、製造コストを更に低減できる。   Further, the gate insulating film 43 of the PMOS transistor 41 includes a lower layer film 43 c made of the same material as the gate insulating film 13 of the NMOS transistor 11 and an upper layer film 43 b made of the same material as the gate insulating film 23 of the PMOS transistor 21. Therefore, the manufacturing cost can be further reduced.

本発明の実施の形態1に係る半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 of this invention in process order. 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 of this invention in process order. 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 of this invention in process order. 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 of this invention in process order. 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 of this invention in process order. 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 of this invention in process order. 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 of this invention in process order. 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 of this invention in process order. 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 of this invention in process order. 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法の変形例を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 of this invention in order of a process. 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法の変形例を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 of this invention in order of a process. 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法の変形例を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 of this invention in order of a process. 本発明の実施の形態1に係る半導体装置の製造方法の変形例を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the modification of the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 1 of this invention in order of a process. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2 of this invention in order of a process. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2 of this invention in order of a process. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2 of this invention in order of a process. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2 of this invention in order of a process. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2 of this invention in order of a process. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2 of this invention in order of a process. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2 of this invention in order of a process. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2 of this invention in order of a process. 本発明の実施の形態2に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on Embodiment 2 of this invention in order of a process.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板、11,31 NMOSトランジスタ、21,41 PMOSトランジスタ、13,23,33,43 ゲート絶縁膜、33a,33c,43a,43c 下層膜、33b,43b 上層膜、73,83 絶縁膜材料、104a,104b 電極材料。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate, 11, 31 NMOS transistor, 21, 41 PMOS transistor, 13, 23, 33, 43 Gate insulating film, 33a, 33c, 43a, 43c Lower layer film, 33b, 43b Upper layer film, 73, 83 Insulating film material, 104a, 104b Electrode material.

Claims (7)

第1のNMOSトランジスタと、
前記第1のNMOSトランジスタのゲート絶縁膜よりも厚いゲート絶縁膜を有する第2のNMOSトランジスタと、
PMOSトランジスタと
を備え、
前記第1のNMOSトランジスタ及び前記PMOSトランジスタのそれぞれのゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜及びシリコン窒化酸化膜よりも高い誘電率を有する、ゲート電極と接触する膜を含み、
前記第2のNMOSトランジスタのゲート絶縁膜は、第1の膜と、当該第1の膜に積層された、ゲート電極と接触する第2の膜とを含み、
前記第1のNMOSトランジスタの前記膜と、前記PMOSトランジスタの前記膜とは異なる材料から成り、
前記第1のNMOSトランジスタの前記膜と、前記第2のNMOSトランジスタの前記第2の膜とは同じ材料から成る、半導体装置。
A first NMOS transistor;
A second NMOS transistor having a gate insulating film thicker than the gate insulating film of the first NMOS transistor;
A PMOS transistor,
Each gate insulating film of the first NMOS transistor and the PMOS transistor includes a film in contact with the gate electrode having a higher dielectric constant than the silicon oxide film and the silicon oxynitride film,
The gate insulating film of the second NMOS transistor includes a first film and a second film stacked on the first film and in contact with the gate electrode,
The film of the first NMOS transistor and the film of the PMOS transistor are made of different materials,
The semiconductor device, wherein the film of the first NMOS transistor and the second film of the second NMOS transistor are made of the same material.
第1のNMOSトランジスタと、
第1のPMOSトランジスタと、
前記第1のPMOSトランジスタのゲート絶縁膜よりも厚いゲート絶縁膜を有する第2のPMOSトランジスタと
を備え、
前記第1のNMOSトランジスタ及び前記第1のPMOSトランジスタのそれぞれのゲート絶縁膜は、シリコン酸化膜及びシリコン窒化酸化膜よりも高い誘電率を有する、ゲート電極と接触する膜を含み、
前記第2のPMOSトランジスタのゲート絶縁膜は、第1の膜と、当該第1の膜に積層された、ゲート電極と接触する第2の膜とを含み、
前記第1のNMOSトランジスタの前記膜と、前記第1のPMOSトランジスタの前記膜とは異なる材料から成り、
前記第1のPMOSトランジスタの前記膜と、前記第2のPMOSトランジスタの前記第2の膜とは同じ材料から成る、半導体装置。
A first NMOS transistor;
A first PMOS transistor;
A second PMOS transistor having a gate insulating film thicker than a gate insulating film of the first PMOS transistor;
Each of the gate insulating films of the first NMOS transistor and the first PMOS transistor includes a film in contact with the gate electrode having a higher dielectric constant than the silicon oxide film and the silicon oxynitride film,
The gate insulating film of the second PMOS transistor includes a first film and a second film stacked on the first film and in contact with the gate electrode,
The film of the first NMOS transistor and the film of the first PMOS transistor are made of different materials,
The semiconductor device, wherein the film of the first PMOS transistor and the second film of the second PMOS transistor are made of the same material.
請求項2に記載の半導体装置であって、
前記第1のNMOSトランジスタのゲート絶縁膜よりも厚いゲート絶縁膜を有する第2のNMOSトランジスタを更に備え、
前記第2のNMOSトランジスタのゲート絶縁膜は、第1の膜と、当該第1の膜に積層された、ゲート電極と接触する第2の膜とを含み、
前記第1のNMOSトランジスタの前記膜と、前記第2のNMOSトランジスタの前記第2の膜とは同じ材料から成る、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
A second NMOS transistor having a gate insulating film thicker than a gate insulating film of the first NMOS transistor;
The gate insulating film of the second NMOS transistor includes a first film and a second film stacked on the first film and in contact with the gate electrode,
The semiconductor device, wherein the film of the first NMOS transistor and the second film of the second NMOS transistor are made of the same material.
請求項1に記載の半導体装置であって、
前記第2のNMOSトランジスタの前記第1の膜は、前記PMOSトランジスタの前記膜と同じ材料から成る、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the first film of the second NMOS transistor is made of the same material as the film of the PMOS transistor.
請求項2に記載の半導体装置であって、
前記第2のPMOSトランジスタの前記第1の膜は、前記第1のNMOSトランジスタの前記膜と同じ材料から成る、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The semiconductor device, wherein the first film of the second PMOS transistor is made of the same material as the film of the first NMOS transistor.
請求項3に記載の半導体装置であって、
前記第2のPMOSトランジスタの前記第1の膜は、前記第1のNMOSトランジスタの前記膜と同じ材料から成り
前記第2のNMOSトランジスタの前記第1の膜は、前記第1のPMOSトランジスタの前記膜と同じ材料から成る、半導体装置。
The semiconductor device according to claim 3,
The first film of the second PMOS transistor is made of the same material as the film of the first NMOS transistor, and the first film of the second NMOS transistor is the first film of the first PMOS transistor. A semiconductor device made of the same material as the film.
第1及び第2のMOSトランジスタがそれぞれ形成される第1及び第2領域を備える半導体装置の製造方法であって、
(a)前記第1のMOSトランジスタのゲート絶縁膜となる第1の絶縁膜材料を半導体基板上に全面に形成する工程と、
(b)前記第1のMOSトランジスタのゲート電極となる第1の電極材料を前記第1の絶縁膜材料上に全面に形成する工程と、
(c)前記第1領域には前記第1の電極材料及び前記第1の絶縁膜材料を残しつつ、前記第2領域における前記第1の電極材料及び前記第1の絶縁膜材料を除去する工程と、
(d)前記工程(c)の実行によって得られる構造上に、前記第2のMOSトランジスタのゲート絶縁膜となる第2の絶縁膜材料と、前記第2のMOSトランジスタのゲート電極となる第2の電極材料とをこの順で全面に堆積する工程と、
(e)前記第2領域には前記第2の絶縁膜材料及び前記第2の電極材料を残しつつ、前記第1領域における前記第2の絶縁膜材料及び前記第2の電極材料を除去する工程と
を備える、半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device comprising first and second regions in which first and second MOS transistors are formed, respectively,
(A) forming a first insulating film material to be a gate insulating film of the first MOS transistor over the entire surface of the semiconductor substrate;
(B) forming a first electrode material to be a gate electrode of the first MOS transistor on the entire surface of the first insulating film material;
(C) removing the first electrode material and the first insulating film material in the second region while leaving the first electrode material and the first insulating film material in the first region. When,
(D) On the structure obtained by executing the step (c), a second insulating film material that becomes the gate insulating film of the second MOS transistor and a second electrode that becomes the gate electrode of the second MOS transistor A step of depositing the electrode material on the entire surface in this order;
(E) removing the second insulating film material and the second electrode material in the first region while leaving the second insulating film material and the second electrode material in the second region. A method for manufacturing a semiconductor device.
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