JP2008091556A - Semiconductor device - Google Patents

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JP2008091556A JP2006269776A JP2006269776A JP2008091556A JP 2008091556 A JP2008091556 A JP 2008091556A JP 2006269776 A JP2006269776 A JP 2006269776A JP 2006269776 A JP2006269776 A JP 2006269776A JP 2008091556 A JP2008091556 A JP 2008091556A
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Tsunehiro Ino
恒洋 井野
Masato Koyama
正人 小山
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device using a lanthanum aluminum oxide as an insulation film which has a gate electrode that satisfies characteristics required for an electrode to be stacked on the insulation film and never deteriorates the characteristics of the insulation film over various semiconductor device manufacturing processes and which has a stack structure that ensures semiconductor device miniaturization. <P>SOLUTION: In a CMOS circuit concerning one embodiment of this invention, nMIS comprises a gate insulation film 19 formed of a lanthanum aluminum oxide, a gate electrode 21 formed of a lanthanum aluminum alloy expressed by LaxAl1-x (0.21≤x≤0.33), and a source and drain region 35, while pMIS comprises a gate insulation film 19 formed of a lanthanum aluminum oxide and a gate electrode 21 formed of a lanthanum aluminum alloy expressed by LaxAl1-xNyHz (0.21≤x≤0.33, 0.15≤y≤0.5, and 0≤z≤0.1). <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、絶縁膜と電極のスタック構造を具備する半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device having a stack structure of an insulating film and an electrode.

例えばパーソナルコンピューターの中央演算装置における動作周波数が年々向上し、中央演算装置を構成する集積回路における集積度も年々大きくなっている。かかる進歩には電界効果トランジスタ(FET)など、集積回路に用いられる素子を微細化するための技術開発が必須である。   For example, the operating frequency of a central processing unit of a personal computer is improved year by year, and the degree of integration in an integrated circuit constituting the central processing unit is also increasing year by year. For such progress, technological development for miniaturizing elements used in integrated circuits such as field effect transistors (FETs) is essential.

例えば高品質であることが要求されるMIS型FETのゲート絶縁膜は回路の微細化に伴い数原子層程度の膜厚が要求され、ゲート電界によるゲート絶縁膜原子への擾乱エネルギーが約1000℃程度にも達する状況である。例えばゲート絶縁膜として従来用いられてきたSiOの融点であるところの1400℃を考えれば、ゲート絶縁膜に加わる電界に物理的な限界が明白に迫っている状況にあることが容易に理解できる。 For example, the gate insulating film of a MIS type FET that is required to have high quality is required to have a thickness of several atomic layers as the circuit is miniaturized, and the disturbance energy to the gate insulating film atoms due to the gate electric field is about 1000 ° C. The situation reaches the level. For example, considering 1400 ° C., which is the melting point of SiO 2 conventionally used as a gate insulating film, it can be easily understood that the physical limit is clearly approaching the electric field applied to the gate insulating film. .

このような物理的な限界を回避し、ゲート絶縁膜にかかる電界を緩和するための手段として、誘電率の高いゲート絶縁膜を用いることでゲート絶縁膜内部に加わる実効電界を小さく保ったままゲートチャネルには高電界を加えるような手法が検討されてきた。   As a means to alleviate the electric field applied to the gate insulating film by avoiding such physical limitations, the gate insulating film having a high dielectric constant is used to keep the effective electric field applied inside the gate insulating film small. Techniques for applying a high electric field to the channel have been studied.

このような誘電率の高いゲート絶縁膜材料として、現状最も有望なのはHfSiONからなるゲート絶縁膜である。さらには、より誘電率が高く、バンドギャップが大きく、しかもバンドオフセットのエネルギーがシリコンと比較して適切な値であるようなゲート絶縁膜材料として、LaAlOなどのランタンアルミニウム酸化物をはじめとする第3族元素−アルミニウム酸化物やその酸窒化物が将来の有力なゲート絶縁膜候補として検討され始めた(特許文献1参照)。 As the gate insulating film material having such a high dielectric constant, a gate insulating film made of HfSiON is most promising at present. Furthermore, lanthanum aluminum oxides such as LaAlO 3 are used as gate insulating film materials having a higher dielectric constant, a larger band gap, and an appropriate value for the band offset energy than silicon. Group 3 elements—aluminum oxides and oxynitrides thereof have begun to be studied as potential gate insulating film candidates in the future (see Patent Document 1).

しかしながら、このような第3族元素−アルミニウム酸化物やその酸窒化物を用いたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜とのスタック構造において、これらの化合物は、反応性の高い元素を含むため、CMOSプロセスの各種工程、例えば熱処理工程や化学処理工程や真空処理工程などを経ると(最高950℃程度)、ゲート絶縁膜にゲート電極の構成元素が浸潤し、ゲート絶縁膜の誘電率を下げるなど望ましくない影響を与えることが懸念されている。例えば多結晶シリコンをゲート電極、LaAlOをゲート絶縁膜として用いるとSiはLaとの親和性が高いため、ゲート絶縁膜中にSiが浸潤して誘電率を下げるなど、ゲート絶縁膜の特性を劣化させる問題があった。 However, in the stack structure of the gate insulating film using such a Group 3 element-aluminum oxide or its oxynitride and the gate insulating film, these compounds contain highly reactive elements, so that the CMOS After various process steps, for example, a heat treatment step, a chemical treatment step, a vacuum treatment step, etc. (up to about 950 ° C.), it is desirable that the constituent elements of the gate electrode infiltrate into the gate insulating film and lower the dielectric constant of the gate insulating film. There is no concern to have an impact. For example, if polycrystalline silicon is used as the gate electrode and LaAlO 3 is used as the gate insulating film, Si has a high affinity with La. Therefore, Si is infiltrated into the gate insulating film to lower the dielectric constant. There was a problem of deteriorating.

一方、フラッシュメモリのメモリセルのスタック構造においても、電極間絶縁膜(フローティングゲート電極及びコントロール電極の間の絶縁膜)を高容量化するために高誘電率絶縁膜を用いることが検討されており、第3族元素−アルミニウム酸化物やその酸窒化物もその候補である(特許文献2参照)。   On the other hand, in the memory cell stack structure of flash memory, the use of a high dielectric constant insulating film is being studied in order to increase the capacity of the interelectrode insulating film (the insulating film between the floating gate electrode and the control electrode). Group 3 elements-aluminum oxides and oxynitrides thereof are also candidates (see Patent Document 2).

しかしながら、上記したMIS型トランジスタと同様にゲート絶縁膜とフローティングゲート電極及び/またはコントロール電極とのスタック構造においても半導体装置の製造過程において電極構成元素(例えば多結晶シリコンのSiなど)が電極間絶縁膜に浸潤する問題が懸念される。
特開2005―079390公報。 特開2006−210518公報(第4実施例参照)
However, similarly to the MIS transistor described above, even in the stack structure of the gate insulating film and the floating gate electrode and / or the control electrode, the electrode constituent element (for example, Si of polycrystalline silicon) is insulated between the electrodes in the manufacturing process of the semiconductor device. There is concern about the problem of infiltration into the membrane.
JP 2005-079390. JP 2006-210518 A (refer to the fourth embodiment)

本発明は、ランタンアルミニウム酸化物などの第3族元素−アルミニウム酸化物若しくは酸窒化物を絶縁膜として用いた、絶縁膜及び電極スタックセル構造を有するMISFETや、フラッシュメモリのメモリセル等の半導体装置において、この絶縁膜に積層する電極として必要な導電性や仕事関数を満たすと共に、各種半導体装置製造過程を経てもその絶縁膜特性を劣化させることのないゲート電極を見出し、微細化に対応可能なスタック構造を有する半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention relates to a semiconductor device such as a MISFET having an insulating film and an electrode stack cell structure using a Group 3 element such as lanthanum aluminum oxide-aluminum oxide or oxynitride as an insulating film, and a memory cell of a flash memory. In addition, it is possible to find a gate electrode that satisfies the necessary conductivity and work function as an electrode laminated on the insulating film and does not deteriorate the characteristics of the insulating film even through various semiconductor device manufacturing processes, and can cope with miniaturization. An object is to provide a semiconductor device having a stack structure.

本発明者らは、ランタンアルミニウム酸化物などの第3族元素−アルミニウム酸化物を用いた絶縁膜に対し、多結晶Siを電極に用いた場合において、LaとSiが親和性を有することにより、絶縁膜中に電極材料であるところのSiが浸潤することを防ぐためには、Siを含まない材料で電極を構成する必要があり、かつまたLaやAlとの親和性が低い材料を用いる方法よりもむしろ、絶縁膜中に浸潤しても悪影響を与えないような材料を用いることが有用な解決法である点に着目した。   In the case where polycrystalline Si is used as an electrode for an insulating film using a Group 3 element-aluminum oxide such as lanthanum aluminum oxide, the present inventors have an affinity between La and Si, In order to prevent Si, which is an electrode material, from infiltrating into the insulating film, it is necessary to form the electrode with a material not containing Si, and moreover than a method using a material having low affinity with La and Al. Rather, we focused on using a material that does not adversely affect the infiltration of the insulating film as a useful solution.

すなわち、本発明は、半導体領域と、前記半導体領域上に形成され、第3族元素−アルミニウム酸化物若しくは酸窒化物を用いたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され、LaxAl1−xNyHz(但し0.21≦x≦0.33、0≦y≦0.5、0≦z≦0.1)で表されるランタンアルミニウム合金を用いたゲート電極と、前記半導体領域の前記ゲート絶縁膜の両側に形成されるソース及びドレイン領域とを具備するMIS型電界効果トランジスタを具備することを特徴とする半導体装置である。   That is, the present invention provides a semiconductor region, a gate insulating film formed on the semiconductor region using a Group 3 element-aluminum oxide or oxynitride, and formed on the gate insulating film, and LaxAl1-xNyHz. (Wherein 0.21 ≦ x ≦ 0.33, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.1) and a gate electrode using a lanthanum aluminum alloy, and the gate insulating film in the semiconductor region A semiconductor device comprising a MIS field effect transistor having source and drain regions formed on both sides thereof.

また、本発明は、半導体領域と、前記半導体領域上に形成されたトンネル絶縁膜と、 前記トンネル絶縁膜上に形成されたフローティングゲート電極と、前記フローティングゲート電極上に形成され、第3族元素−アルミニウム酸化物若しくは酸窒化物を用いた電極間絶縁膜と、前記電極間絶縁膜上に形成されたコントロール電極とを具備し、前記フローティングゲート電極及びコントロール電極の少なくとも一方が、LaxAl1−xNyHz(但し0.21≦x≦0.33、0≦y≦0.5、0≦z≦0.1)で表されるランタンアルミニウム合金を用いた電極である不揮発性記憶素子を具備することを特徴とする半導体装置である。   The present invention also provides a semiconductor region, a tunnel insulating film formed on the semiconductor region, a floating gate electrode formed on the tunnel insulating film, a group 3 element formed on the floating gate electrode, -An interelectrode insulating film using aluminum oxide or oxynitride, and a control electrode formed on the interelectrode insulating film, wherein at least one of the floating gate electrode and the control electrode is LaxAl1-xNyHz ( Provided that the nonvolatile memory element is an electrode using a lanthanum aluminum alloy represented by 0.21 ≦ x ≦ 0.33, 0 ≦ y ≦ 0.5, and 0 ≦ z ≦ 0.1). This is a semiconductor device.

本発明に係る絶縁膜にスタックする電極は、電極として必要な導電性や仕事関数を満たすと共に、各種半導体装置製造過程を経てもそれに接する絶縁膜特性を劣化させることがないため、絶縁膜における電界緩和効果が高く、信頼性にも優れ、半導体装置の微細化に十分対応な半導体装置を提供可能である。   The electrode stacked on the insulating film according to the present invention satisfies the electric conductivity and work function necessary for the electrode, and does not deteriorate the insulating film characteristics in contact with the electrode even after various semiconductor device manufacturing processes. It is possible to provide a semiconductor device that has a high relaxation effect, excellent reliability, and is sufficiently compatible with miniaturization of semiconductor devices.

本発明では、第3族元素−アルミニウム酸化物若しくは酸窒化物を用いた絶縁膜にスタックする電極として特定範囲の組成比を有するランタンアルミニウム合金、即ちLaxAl1−xNyHz(但し0.21≦x≦0.33、0≦y≦0.5、0≦z≦0.1)で表される合金を用いることにより、絶縁膜への電極材料の浸潤の問題を回避することを基本とする。   In the present invention, a lanthanum aluminum alloy having a composition ratio in a specific range as an electrode stacked on an insulating film using a Group 3 element-aluminum oxide or oxynitride, that is, LaxAl1-xNyHz (where 0.21 ≦ x ≦ 0 .33, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.1) is basically used to avoid the problem of infiltration of the electrode material into the insulating film.

この組成比のランタンアルミニウム合金は合金化した際のエンタルピーが低く、単体に比べて化学的に安定であり、しかも融点も単体Laの920℃や単体Alの680℃よりはるかに高い1200℃〜1400℃程度まで上昇する。それによって半導体製造工程に必要な熱処理への耐性が向上し、電極構成原子の絶縁膜への浸潤が生じにくくする。また、絶縁膜との界面においてわずかな原子の浸潤が生じたとしても、電極の構成元素は絶縁膜の構成元素と同族の元素であるため、絶縁膜の構造や組成、特性の変動は低く抑えられ、絶縁膜の誘電率などの絶縁膜特性を低下させることがない。また導電性(抵抗率10−3〜10−5 Ωcm)や仕事関数(4.0〜5.0eV)においても従来材と比較して電極材料として遜色は無い。 A lanthanum aluminum alloy having this composition ratio has a low enthalpy when alloyed, is chemically stable as compared with a simple substance, and has a melting point of 1200 to 1400 which is much higher than 920 ° C. of the simple substance La and 680 ° C. of the simple substance Al. It rises to about ℃. As a result, resistance to heat treatment necessary for the semiconductor manufacturing process is improved, and infiltration of the electrode constituent atoms into the insulating film is less likely to occur. Even if slight infiltration of atoms occurs at the interface with the insulating film, the constituent elements of the electrode are elements of the same family as the constituent elements of the insulating film, so that fluctuations in the structure, composition, and characteristics of the insulating film are kept low. Insulating film characteristics such as dielectric constant of the insulating film are not deteriorated. In addition, in terms of conductivity (resistivity: 10 −3 to 10 −5 Ωcm) and work function (4.0 to 5.0 eV), there is no inferiority as an electrode material compared to conventional materials.

本発明に係るランタンアルミニウム合金には、仕事関数を調節する等の目的でランタン、アルミニウム以外の元素を添加したものでもよい。   The lanthanum aluminum alloy according to the present invention may be added with an element other than lanthanum and aluminum for the purpose of adjusting the work function.

特に、窒素を添加した合金を用いると仕事関数が高くなり(4.8±0.2eV)pMIS型トランジスタのゲート電極に適しており、また合金がヒューム・ロザリーの法則で知られるような化学的親和力の効果によって安定化するため熱処理に対する耐性も十分となり望ましい。また窒素添加はゲート絶縁膜中に浸潤したとしても、ゲート絶縁膜の結晶化を抑制できる効果も期待できる。   In particular, the use of an alloy containing nitrogen increases the work function (4.8 ± 0.2 eV) and is suitable for the gate electrode of a pMIS transistor, and the alloy is known to be chemically known by Hume-Rosery's law. Since it is stabilized by the effect of affinity, resistance to heat treatment is sufficient and desirable. Further, even when nitrogen is infiltrated into the gate insulating film, an effect of suppressing crystallization of the gate insulating film can be expected.

なお、窒素を添加しないランタンアルミニウム合金は仕事関数が(4.2±0.2eV)でありnMIS型トランジスタのゲート電極に適している。   Note that a lanthanum aluminum alloy to which nitrogen is not added has a work function (4.2 ± 0.2 eV) and is suitable for a gate electrode of an nMIS transistor.

さらに、本発明に係るランタンアルミニウム合金には、窒素以外に水素を含んでいてもよい。また窒素及び水素を共に含んでいてもよい。
本発明は、MISFETのゲート絶縁膜及びゲート電極のスタック構造や、フラッシュメモリのメモリセルのフローティングゲート電極、電極間絶縁膜、コントロール電極とのスタック構造などの絶縁膜及び電極のスタック構造を有する半導体装置に適用可能である。
Furthermore, the lanthanum aluminum alloy according to the present invention may contain hydrogen in addition to nitrogen. Further, both nitrogen and hydrogen may be contained.
The present invention relates to a semiconductor having a stack structure of an insulating film and an electrode such as a stack structure of a gate insulating film and a gate electrode of a MISFET, a floating gate electrode of a memory cell of a flash memory, an interelectrode insulating film, and a stack structure with a control electrode. Applicable to the device.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
次に、本実施形態の第1実施例として、本実施形態に係るゲート絶縁膜及びゲート電極を具備するMISFETについて図1を参照して説明する。
(First embodiment)
Next, as a first example of this embodiment, a MISFET including a gate insulating film and a gate electrode according to this embodiment will be described with reference to FIG.

図1は、第1の実施形態に係るCMOS回路の主要部を示す断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing the main part of the CMOS circuit according to the first embodiment.

図1に示すように、nMISFETは、基板11上の素子分離領域13に囲まれた素子領域内に形成されたpウエル15上に形成され、基板11の表面に形成されるn型ソース・ドレイン領域35、ゲート絶縁膜19、ゲート電極21を含んでいる。ゲート絶縁膜19、ゲート電極21の側壁には側壁絶縁膜33が形成されている。ゲート絶縁膜19は、ソース・ドレイン領域の間に形成されたチャネル領域の上に設けられる。   As shown in FIG. 1, the nMISFET is formed on a p-well 15 formed in an element region surrounded by an element isolation region 13 on the substrate 11, and n-type source / drain formed on the surface of the substrate 11. The region 35, the gate insulating film 19, and the gate electrode 21 are included. Sidewall insulating films 33 are formed on the side walls of the gate insulating film 19 and the gate electrode 21. The gate insulating film 19 is provided on the channel region formed between the source / drain regions.

また、pMISFETは、同一の基板11上の素子分離領域13に囲まれた素子領域内に形成されたnウエル17上に形成され、基板11の表面に形成されるp型ソース・ドレイン領域37、ゲート絶縁膜19、ゲート電極23を含んでいる。ゲート絶縁膜19、ゲート電極23の側壁には側壁絶縁膜33が形成されている。ゲート絶縁膜19は、ソース・ドレイン領域の間に形成されたチャネル領域の上に設けられる。   The pMISFET is formed on the n-well 17 formed in the element region surrounded by the element isolation region 13 on the same substrate 11, and a p-type source / drain region 37 formed on the surface of the substrate 11. A gate insulating film 19 and a gate electrode 23 are included. Sidewall insulating films 33 are formed on the side walls of the gate insulating film 19 and the gate electrode 23. The gate insulating film 19 is provided on the channel region formed between the source / drain regions.

基板11は、例えばシリコン等から構成される。ゲート絶縁膜19は例えばLaAlOにて構成される。nMISFETのゲート電極21はLaAl合金を用いている。pMISFETのゲート電極23はLa0.33Al0.660.4(窒素が添加されたランタンアルミニウム合金、窒素濃度には分布があるがその概略の平均値)が用いられている。 The substrate 11 is made of, for example, silicon. The gate insulating film 19 is made of, for example, LaAlO 3 . The gate electrode 21 of the nMISFET uses LaAl 2 alloy. As the gate electrode 23 of the pMISFET, La 0.33 Al 0.66 N 0.4 (a lanthanum aluminum alloy to which nitrogen is added, the nitrogen concentration having a distribution but a rough average value) is used.

以下、本発明に係る絶縁膜について説明する
本発明の第3族元素−アルミニウム酸化物としては、LaAlO以外にも第3族元素とアルミニウムを含む複合酸化物であればよく、例えば、MAl(1−p)(但し、Mは第3族元素(すなわち、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Sc)のいずれか一種類以上、0≦p<1)を用いることも可能である。
Hereinafter, the insulating film according to the present invention will be described. The Group 3 element-aluminum oxide of the present invention may be a complex oxide containing a Group 3 element and aluminum in addition to LaAlO 3. For example, M p Al (1-p) O 3 (where M is a Group 3 element (ie, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y, It is also possible to use any one or more of Sc), 0 ≦ p <1).

Al(1−p)といったアルミニウムとの複合酸化物を形成した場合に、pが同じであるがMが異なるアルミニウム複合酸化物同士を比較すると、Mを構成する元素として、高いほうからLa、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Scの順で高い誘電率が得られる。したがって特にランタンアルミニウム酸化物が望ましい。一方でMとして上に記載した順番とは逆順に化学的な安定性が増すため、耐熱性との兼ね合いでLaよりも後の順番の元素を用いることも有用である。 When a composite oxide with aluminum such as M p Al (1-p) O 3 is formed, when aluminum composite oxides having the same p but different M are compared, the higher element as the element constituting M To La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y, and Sc, a high dielectric constant is obtained. Accordingly, lanthanum aluminum oxide is particularly desirable. On the other hand, since chemical stability increases in the reverse order to the order described above as M, it is also useful to use an element in the order after La in view of heat resistance.

また、第3族元素がランタンの場合、LaAlO以外にもLaAl1118といった安定相や、LaAl1−x(ただし0<x<1)のような準静的な相図上は存在しないがアモルファスな絶縁膜では存在しうる不安定相などがあり、特にLaAlOを用いることが 安定相であること、比誘電率が小さすぎないこと、吸湿や炭酸ガスを吸収するような化学的な不安定さが無いことなどを兼ね備える組成であるため望ましい。 When the Group 3 element is lanthanum, in addition to LaAlO 3 , a stable phase such as LaAl 11 O 18 and a quasi-static phase diagram such as La x Al 1-x O 3 (where 0 <x <1) There is an unstable phase that does not exist above, but may exist in an amorphous insulating film. Especially, using LaAlO 3 is a stable phase, its relative dielectric constant is not too small, and absorbs moisture and carbon dioxide gas. It is desirable because the composition has no chemical instability.

また、これらの酸化物に窒素添加され、酸窒化物となったものも本願発明の範疇にある。例えば、MAl(1−p)(但し、Mは第3族元素(すなわち、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Sc)のいずれか一種類以上、0≦p<1、0≦q≦1)を用いることも可能である。特に第3族元素−アルミニウム酸窒化物からなるゲート絶縁膜には、耐熱性が向上するような利点がある。 Also, those oxides which are added with nitrogen to become oxynitrides are also within the scope of the present invention. For example, M p Al (1-p) O 3 N q (where M is a Group 3 element (ie, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, It is also possible to use one or more of Yb, Lu, Y, Sc), 0 ≦ p <1, 0 ≦ q ≦ 1). In particular, a gate insulating film made of a Group 3 element-aluminum oxynitride has an advantage of improving heat resistance.

以下、本発明に係る電極のランタンアルミニウム合金について詳細に説明する。   Hereinafter, the lanthanum aluminum alloy of the electrode according to the present invention will be described in detail.

ランタンアルミニウム合金系の相図を図2に示す。La単体金属の融点は918℃程度と低く、しかも酸素や水分との反応性が激しい問題点がある。Al単体金属は酸素や水分と反応してもAl的な不動態皮膜を形成することにより反応が進行しづらいものの、融点は680℃程度とさらに低いため以降のCMOSプロセスで必要な熱処理に耐えることが困難であるような問題点がある。 A phase diagram of the lanthanum aluminum alloy system is shown in FIG. The melting point of La single metal is as low as about 918 ° C., and there is a problem that the reactivity with oxygen and moisture is intense. Even though Al single metal reacts with oxygen or moisture, it does not proceed easily by forming a passive film like Al 2 O 3 , but the melting point is even lower at about 680 ° C., so the heat treatment required in the subsequent CMOS process. There is a problem that it is difficult to endure.

一方、図2に示すように、本発明に係るランタンアルミニウム合金、代表的には、LaAl合金(つまりx=0.33)、LaAl合金(つまりx=0.25)、LaAl11合金(つまりx=0.21)があるが、LaAl合金の融点は、1405℃、LaAl合金は1170℃以上でLaAl11とLaAlxに相分離、LaAl11合金の融点は1240℃程度と、いずれも合金化したことによって上昇するため、CMOSプロセスで必要な熱処理にも耐えることが可能である。 On the other hand, as shown in FIG. 2, the lanthanum aluminum alloy according to the present invention, typically, a LaAl 2 alloy (ie, x = 0.33), a LaAl 3 alloy (ie, x = 0.25), La 3 Al 11 There is an alloy (that is, x = 0.21), but the melting point of LaAl 2 alloy is 1405 ° C., LaAl 3 alloy is 1170 ° C. or more and phase separation into La 3 Al 11 and LaAlx, and melting point of La 3 Al 11 alloy is 1240 Since the temperature rises by being alloyed at about 0 ° C., it is possible to withstand heat treatment necessary for the CMOS process.

しかもランタンアルミニウム合金の場合、酸素や水分に対してLaAlO的な不動態を形成することにより絶縁膜との反応が進行しづらい利点もある。このとき上記酸素は主に熱処理時にランタンアルミニウム酸化物ゲート絶縁膜から供給されるものであるが、ランタンアルミニウム合金が酸化することによって形成された不動態もLaAlOであるため、ゲート絶縁膜が僅かに厚くなるものの、CMOSプロセスにて必要な熱処理への耐性は十分である。 Moreover, in the case of a lanthanum aluminum alloy, there is an advantage that the reaction with the insulating film does not easily proceed by forming a LaAlO 3 -like passivation with respect to oxygen and moisture. At this time, the oxygen is mainly supplied from the lanthanum aluminum oxide gate insulating film during the heat treatment, but the passivation formed by oxidizing the lanthanum aluminum alloy is also LaAlO 3 , so the gate insulating film is slightly However, the resistance to heat treatment necessary for the CMOS process is sufficient.

ゲート絶縁膜はランタンアルミニウム合金の界面を僅かに酸化するほどの酸素を供給しても、ゲート電極側に欠陥サイトを僅かに増やす程度であり、その欠陥サイトはチャネル領域とはもっとも遠い場所であるためリモートクーロン散乱などへの影響はほとんど無いようにすることが可能である。ゲート絶縁膜から僅かな酸素が脱離することによる上記僅かな影響が無いようにすることを目的としてゲート絶縁膜を酸素リッチ気味に成膜することは技術的に可能であるものの、ゲート絶縁膜の膜質の低下を招くため、かえってゲート絶縁膜からの酸素脱離が増える結果となり、好ましい結果にはなりにくい。   Even if the gate insulating film supplies oxygen enough to slightly oxidize the interface of the lanthanum aluminum alloy, the defect site is slightly increased on the gate electrode side, and the defect site is farthest from the channel region. Therefore, it is possible to make almost no influence on remote Coulomb scattering. Although it is technically possible to form the gate insulating film in an oxygen-rich manner in order to prevent the slight influence of the slight oxygen desorption from the gate insulating film, the gate insulating film As a result, oxygen desorption from the gate insulating film is increased, and it is difficult to obtain a preferable result.

なおCMOSプロセスにて用いる熱処理を800℃程度までに抑制する技術と併用すればより好ましい。   It is more preferable to use in combination with a technique for suppressing the heat treatment used in the CMOS process up to about 800 ° C.

また、ランタンアルミニウム合金系のエンタルピーを図3に示す。LaとAlは合金となることでエンタルピーが低下するため、化学的に安定となって反応性が低下することがわかる。このように合金化でエンタルピーが低下することは以降のCMOSプロセスにて周辺物質との化学反応を生じにくいといった利点がある。   Moreover, the enthalpy of a lanthanum aluminum alloy system is shown in FIG. It can be seen that since La and Al become an alloy, the enthalpy is lowered, so that it becomes chemically stable and the reactivity is lowered. Such a decrease in enthalpy due to alloying has an advantage that a chemical reaction with a peripheral material is unlikely to occur in the subsequent CMOS process.

なお本発明に係るランタンアルミニウム合金においては、xが0.21≦x≦0.33の組成範囲内であれば、LaAl合金、LaAl合金、LaAl11合金、またそれら以外の中間的な組成を用いることも可能である。 In the lanthanum aluminum alloy according to the present invention, if x is within the composition range of 0.21 ≦ x ≦ 0.33, LaAl 2 alloy, LaAl 3 alloy, La 3 Al 11 alloy, and other intermediates It is also possible to use a simple composition.

また前述の如く、仕事関数を高くする目的で、これらのランタンアルミニウム合金に窒素、若しくは窒素及び水素を含むものであってもよい。   Further, as described above, for the purpose of increasing the work function, these lanthanum aluminum alloys may contain nitrogen or nitrogen and hydrogen.

本発明に係るランタンアルミニウム合金において、xが0.21に満たない場合、すなわちLaAl11合金よりLaが少ない場合、LaAl11合金とAlとの混合物となるため、ゲート電極中に単体Alが相分離して存在する。したがって680℃を超える熱処理によって相分離したAlの部分が熔けてしまう問題点がある。xの値が0.33を超えて0.50以下である場合、すなわちLaAl合金よりLaが多くLaAl合金よりLaが少ないか等しい場合、LaAl合金とLaAl合金の混合物となる。LaAl合金は870℃程度でLa単体とLaAl合金の混合物へと分解してしまうため、La単体の反応性の高さが問題になる。つまり、xが0.21未満若しくは0.33を越えると融点が下がり、またエンタルピーが上がり化学的に不安定となってしまう。ましてやxの値が0.50を越えればLa単体の反応性の高さが問題になることは図2に記されている通りである。 In lanthanum aluminum alloy according to the present invention, if x is less than 0.21, that is, when La is less than La 3 Al 11 alloy, since the mixture of La 3 Al 11 alloy and Al, alone in the gate electrode Al exists in phase separation. Therefore, there is a problem that the Al portion phase-separated by heat treatment exceeding 680 ° C. melts. When the value of x exceeds 0.33 and is 0.50 or less, that is, when La is greater than LaAl 2 alloy and La is less than or equal to LaAl alloy, a mixture of LaAl alloy and LaAl 2 alloy is obtained. Since the LaAl alloy decomposes into a mixture of La simple substance and LaAl 2 alloy at about 870 ° C., the high reactivity of La simple substance becomes a problem. That is, when x is less than 0.21 or exceeds 0.33, the melting point is lowered, the enthalpy is increased and the chemical becomes unstable. Furthermore, as shown in FIG. 2, the high reactivity of La alone becomes a problem when the value of x exceeds 0.50.

ランタンアルミニウム合金に窒素を導入する際は、窒素導入量を示すyが0.15≦y≦0.5範囲内にすることが望ましい。この値内であれば、電気伝導率が適切な大きさを保つことでCMOSとしての動作速度が低下せず、また仕事関数がpMISとして適切な範囲に収まる。   When introducing nitrogen into the lanthanum aluminum alloy, it is desirable that y indicating the amount of nitrogen introduced be in the range of 0.15 ≦ y ≦ 0.5. Within this value, the electrical conductivity is kept at an appropriate level, so that the operation speed as a CMOS does not decrease, and the work function falls within an appropriate range as pMIS.

また、ランタンアルミニウム合金に窒素に加えて水素を導入する際は、水素導入量を示すzがz≦0.1の範囲であることが望ましい。多すぎると水素が拡散してゲート絶縁膜などを還元してしまう恐れがあるためである。   Further, when hydrogen is introduced into the lanthanum aluminum alloy in addition to nitrogen, z indicating the amount of hydrogen introduced is preferably in the range of z ≦ 0.1. This is because if the amount is too large, hydrogen may diffuse and reduce the gate insulating film or the like.

次に、本実施形態による半導体装置の製造方法を、図4乃至図8を参照して説明する。図4乃至図8は、本実施形態による半導体装置の製造方法を示す製造工程断面図である。   Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 4 to 8 are manufacturing process cross-sectional views illustrating the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.

まず、図4に示すように、半導体基板、例えばシリコン基板11にpMISFETの形成領域とnMISFETの形成領域とを分離する素子分離領域13を形成する。この素子分離領域13は、例えばSTI(Shallow Trench Isolation )技術により形成する。この素子分離領域13はLOCOS(Local Oxidation of Silicon)技術により形成することも可能である。   First, as shown in FIG. 4, an element isolation region 13 for separating a pMISFET formation region and an nMISFET formation region is formed in a semiconductor substrate, for example, a silicon substrate 11. The element isolation region 13 is formed by, for example, STI (Shallow Trench Isolation) technology. The element isolation region 13 can also be formed by a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) technique.

その後、nMISFETの形成領域にpウエル15を形成し、pMISFETの形成領域にnウエル17を形成する。次いで、pウエル15およびnウエル17に閾値電圧を調整するために不純物を導入する。これらpウエル15およびnウエル17の形成は、例えばそれぞれの領域上のみに開口を設けたマスクを用いたイオン注入法により形成することができる。
次に、シリコン基板11上にLaAlOなる組成で、3.0nmの厚さのゲート絶縁膜19を形成する。成膜方法はLaAlOターゲットを用いたPLD(Plasma Laser Deposition)法を用いた。
Thereafter, a p-well 15 is formed in the nMISFET formation region, and an n-well 17 is formed in the pMISFET formation region. Next, impurities are introduced into the p well 15 and the n well 17 in order to adjust the threshold voltage. The p well 15 and the n well 17 can be formed by, for example, an ion implantation method using a mask in which an opening is provided only on each region.
Next, a gate insulating film 19 having a composition of LaAlO 3 and a thickness of 3.0 nm is formed on the silicon substrate 11. As a film forming method, a PLD (Plasma Laser Deposition) method using a LaAlO 3 target was used.

LaAlOゲート絶縁膜19を成膜後、酸素雰囲気中にて600℃で熱処理を施した。 After the LaAlO 3 gate insulating film 19 was formed, heat treatment was performed at 600 ° C. in an oxygen atmosphere.

その後、CVD法によりゲート絶縁膜19上にゲート電極となるLaAlなる組成の電極膜21を200nm成膜した。 Thereafter, an electrode film 21 having a composition of LaAl 2 to be a gate electrode was formed to 200 nm on the gate insulating film 19 by a CVD method.

次に、フォトレジストを電極膜21上に塗布し、リソグラフィー技術によりpMISFETの形成領域上に開口部を有するレジストパターン25を形成した(図5参照)。このレジストパターン25をマスクに用いてイオン注入法により窒素をpMISFETの形成領域上の電極膜21に導入し、窒化して窒素含有ランタンアルミニウム合金La0.33Al0.660.4のゲート電極23を得た。 Next, a photoresist was applied on the electrode film 21, and a resist pattern 25 having an opening on the pMISFET formation region was formed by a lithography technique (see FIG. 5). Using this resist pattern 25 as a mask, nitrogen is introduced into the electrode film 21 on the pMISFET formation region by ion implantation, and nitrided to form a gate of nitrogen-containing lanthanum aluminum alloy La 0.33 Al 0.66 N 0.4 An electrode 23 was obtained.

なお、nMISFET用にLaAl11合金を用いた場合、pMIS用ゲート電極としては、このLaAl11合金に窒素を導入し窒化した窒素含有ランタンアルミニウム合金を用いるなど、La/Al比が同じ材料であることが、製造工程上簡便となり望ましい。 When a La 3 Al 11 alloy is used for the nMISFET, the La / Al ratio is the same, such as using a nitrogen-containing lanthanum aluminum alloy in which nitrogen is introduced into the La 3 Al 11 alloy and nitrided as the pMIS gate electrode. A material is desirable because it is simple in the manufacturing process.

上記マスクとしては、レジストパターン以外にも、例えばAlあるいはAlNあるいはAlONあるいはSiOあるいはSiNあるいはSiONのようなハードマスクを用いることも可能である。Alを含むハードマスクを用いることがより好ましい。 In addition to the resist pattern, a hard mask such as Al 2 O 3, AlN, AlON, SiO 2, SiN, or SiON can be used as the mask. It is more preferable to use a hard mask containing Al.

窒素の導入の機構としては、例えばイオン化した窒素を電磁場で加速するような方式も可能であるし、例えばプラズマや紫外線などで励起あるいは活性化あるいはイオン化した窒素と反応させる方式も可能であるし、両者の機構を併用しているような方式を用いることも可能である。不イオンから電子を剥奪することで中性化された粒子を用いる方法もあるが、中性化された粒子は一定の割合で励起状態にある上に、中性化された粒子そのものの持つ運動エネルギーも高い値を示す粒子が多いため、本質的には上記と同じ原理の範囲に含まれる。イオンインプラントなどの手法も電場で加速した原子を膜に打ち込む手法であり、本質的には上記手法の範囲に含まれる。   As a mechanism for introducing nitrogen, for example, a method of accelerating ionized nitrogen with an electromagnetic field is possible, and for example, a method of reacting with nitrogen excited or activated by ionized plasma or ultraviolet light, or ionized is also possible. It is also possible to use a method in which both mechanisms are used together. There is also a method that uses particles neutralized by stripping electrons from non-ions, but the neutralized particles are in an excited state at a certain rate, and the movement of the neutralized particles themselves Since many particles exhibit high energy, they are essentially included in the same principle as described above. A technique such as ion implantation is also a technique for implanting atoms accelerated by an electric field into a film, and is essentially included in the scope of the above technique.

なお、本実施形態の如くの窒素の導入方法を用いる場合、電極中の窒素濃度には膜厚方向の分布が生じる。   When the nitrogen introduction method as in the present embodiment is used, the nitrogen concentration in the electrode has a distribution in the film thickness direction.

最も典型的な窒素濃度分布は、窒素を注入した側の窒素濃度が高くなるといったものであり、ランタンアルミニウム合金膜において接するランタンアルミニウム酸化物層から遠い側の界面近傍に窒素濃度のピークが生じるといった分布である。   The most typical nitrogen concentration distribution is such that the nitrogen concentration on the side implanted with nitrogen increases, and a peak of the nitrogen concentration occurs near the interface far from the lanthanum aluminum oxide layer in contact with the lanthanum aluminum alloy film. Distribution.

あるいは窒素濃度の分布状態を変えるため、窒素導入後例えば800℃の熱処理を施したり、例えば熱処理後に再度活性化した窒素を用いるような装置で窒化してもよい。このように窒化処理と熱処理とを組み合わせると、膜厚方向において中央付近で最も窒素濃度が高いような濃度分布を形成させることも可能である。また窒素のパイルアップ現象によりゲート絶縁膜界面に窒素濃度のピークを形成させることも可能である。また複数の窒素濃度ピークを形成することも可能である。窒素濃度ピークを持たないような窒素濃度の膜厚方向分布とすることも可能である。   Alternatively, in order to change the distribution state of the nitrogen concentration, for example, heat treatment at 800 ° C. may be performed after introducing nitrogen, or nitriding may be performed by an apparatus that uses, for example, reactivated nitrogen after the heat treatment. By combining the nitriding treatment and the heat treatment in this way, it is possible to form a concentration distribution in which the nitrogen concentration is highest near the center in the film thickness direction. It is also possible to form a nitrogen concentration peak at the gate insulating film interface due to a nitrogen pile-up phenomenon. It is also possible to form a plurality of nitrogen concentration peaks. It is also possible to obtain a nitrogen concentration distribution in the film thickness direction that does not have a nitrogen concentration peak.

なお、窒素が絶縁膜の酸化物に達して酸窒化物となったものも本願発明の範疇にある。ランタンアルミニウム酸窒化物からなるゲート絶縁膜には、耐熱性が向上するような利点がある。   Note that nitrogen that reaches the oxide of the insulating film and becomes oxynitride is also within the scope of the present invention. A gate insulating film made of lanthanum aluminum oxynitride has an advantage that heat resistance is improved.

次に、電極膜21、23上にフォトレジストを塗布し、通常のリソグラフィー技術により上記フォトレジストをパターニングして、ゲート電極を形成するためのレジストパターン27を形成する(図6参照)。   Next, a photoresist is applied on the electrode films 21 and 23, and the photoresist is patterned by a normal lithography technique to form a resist pattern 27 for forming a gate electrode (see FIG. 6).

このレジストパターン27をマスクとしてエッチングによって、電極膜21、23をパターニングして、それぞれのゲート電極21、23を得る(図7参照)。   The electrode films 21 and 23 are patterned by etching using the resist pattern 27 as a mask to obtain the respective gate electrodes 21 and 23 (see FIG. 7).

続いて、レジストパターンを除去した後、pMISFETの形成領域のみを覆うレジストパターン(図示せず)を形成して、ゲート電極21をマスクとしてnMISFETの形成領域に不純物注入することにより、低濃度のn型拡散層29を形成する(図7参照)。また、上記レジストパターンを除去した後、nMISFETの形成領域のみを覆うレジストパターン(図示せず)を形成して、ゲート電極23をマスクとしてpMISFETの形成領域に不純物注入することにより、低濃度のp型拡散層29を形成する(図7参照)。その後、上記レジストパターンを除去する。   Subsequently, after removing the resist pattern, a resist pattern (not shown) that covers only the formation region of the pMISFET is formed, and impurities are implanted into the formation region of the nMISFET using the gate electrode 21 as a mask. A mold diffusion layer 29 is formed (see FIG. 7). Also, after removing the resist pattern, a resist pattern (not shown) that covers only the nMISFET formation region is formed, and impurities are implanted into the pMISFET formation region using the gate electrode 23 as a mask, thereby reducing the concentration of p A mold diffusion layer 29 is formed (see FIG. 7). Thereafter, the resist pattern is removed.

次に、周知の技術を用いて、図8に示すように、ゲート電極21、23の側部に絶縁体からなる側壁33を形成する。そして、pMISFETの形成領域を覆うレジストパターン(図示せず)を形成して、ゲート電極21および側壁33をマスクとしてnMISFETトランジスタの形成領域に不純物注入することにより、n型のソース・ドレイン拡散層35を形成する(図8参照)。   Next, sidewalls 33 made of an insulator are formed on the sides of the gate electrodes 21 and 23 using a known technique, as shown in FIG. Then, a resist pattern (not shown) covering the pMISFET formation region is formed, and impurities are implanted into the nMISFET transistor formation region using the gate electrode 21 and the side wall 33 as a mask, whereby the n-type source / drain diffusion layer 35 is formed. (See FIG. 8).

また、上記レジストパターンを除去した後、nMISFETの形成領域を覆うレジストパターン(図示せず)を形成して、ゲート電極23および側壁33をマスクとしてpMISFETの形成領域に不純物注入することにより、p型ソース・ドレイン拡散層37を形成する(図8参照)。   Further, after removing the resist pattern, a resist pattern (not shown) covering the nMISFET formation region is formed, and impurities are implanted into the pMISFET formation region using the gate electrode 23 and the sidewall 33 as a mask. A source / drain diffusion layer 37 is formed (see FIG. 8).

その後、上記レジストパターンを除去することにより、図8に示すように、nMISFETおよびpMISFETが完成する。   Thereafter, by removing the resist pattern, an nMISFET and a pMISFET are completed as shown in FIG.

本実施形態の製造方法では、nMISFETのゲート電極21とpMISFETのゲート電極23の形成は、電極膜21の一回の成膜工程と、マスクを用いるためのレジストパターン25の形成工程と、ゲート電極部分を切り出す際のレジストパターン27の形成工程と、ゲート電極をパターニングする工程とですむ。このため、nMISFETのゲート電極21とpMISFETのゲート電極23をそれぞれ別々に形成する場合に比べて工程数が少なく簡便となる。   In the manufacturing method of the present embodiment, the formation of the gate electrode 21 of the nMISFET and the gate electrode 23 of the pMISFET includes a single film formation process of the electrode film 21, a formation process of the resist pattern 25 for using a mask, and a gate electrode. A resist pattern 27 forming process for cutting out the portion and a gate electrode patterning process are sufficient. For this reason, the number of steps is small and simple as compared with the case where the gate electrode 21 of the nMISFET and the gate electrode 23 of the pMISFET are formed separately.

また、本実施形態の半導体装置の構造に関し、CMOSプロセス後の各トランジスタのゲート電極及びゲート絶縁膜界面の状態を評価すると、従来の多結晶シリコン電極で問題になっている、例えば断面TEMなどによって観察される浸潤により界面に数nmに達する凹凸が発生してしまうような構造の変化、例えばCV測定によって見積もられるゲート絶縁膜の誘電率が本来21程度のものが10以下への低下、リーク電流の数桁以上の増大、数百ミリボルト以上のヒステリシスやフラットバンド電圧の変位などによって示される欠陥準位の増大、トランジスタ特性から示されるようなチャネル移動度の半分以下への低下、ワイブルプロットなどから得られる信頼性の極端な劣化の問題点が改善される。   Further, regarding the structure of the semiconductor device of the present embodiment, when the state of the interface between the gate electrode and the gate insulating film of each transistor after the CMOS process is evaluated, it is a problem with the conventional polycrystalline silicon electrode, for example, by a cross-sectional TEM Structural changes that cause unevenness reaching several nanometers at the interface due to observed infiltration, for example, a gate insulating film whose dielectric constant estimated by CV measurement is originally about 21 is reduced to 10 or less, leakage current From the increase of several orders of magnitude, the increase of defect levels indicated by hysteresis of several hundred millivolts or more, the displacement of flat band voltage, etc., the drop in channel mobility to less than half as indicated by transistor characteristics, the Weibull plot, etc. The problem of the extreme deterioration of reliability obtained is improved.

このことはすなわちラインでの製造におけるプロセスウィンドウが広く、ロバストであるといった効果がある。一方で従来のCMOSプロセスとの共通点が多いことによる詳細なプロセス条件の最適化の労力すなわち膨大な開発コストを減らすことが出来るような効果もある。   This means that the process window in production on the line is wide and robust. On the other hand, there is also an effect that the effort for optimizing detailed process conditions, that is, a huge development cost can be reduced due to the many common points with the conventional CMOS process.

(変形例)
(1)第1の実施形態においては、LaxAl1−xなる組成の合金の窒化において、活性化された窒素を用いる方法を採用したが、一方で例えばアンモニアを用いた窒化法なども適用可能である。ただしアンモニアには水素原子が含まれており、LaAl電極中の特にLaが水素と反応するため、この場合形成されるpMISゲート電極は窒素に加えて水素を含有することとなる。窒素及び水素を含有するランタンアルミニウム合金の仕事関数も4.8eV程度と見積もられ、PMISFETのゲート電極として利用可能である。
(Modification)
(1) In the first embodiment, a method using activated nitrogen is adopted in nitriding an alloy having a composition of LaxAl1-x. On the other hand, for example, a nitriding method using ammonia is also applicable. . However, ammonia contains hydrogen atoms, and especially La in the LaAl 2 electrode reacts with hydrogen, so that the pMIS gate electrode formed in this case contains hydrogen in addition to nitrogen. The work function of a lanthanum aluminum alloy containing nitrogen and hydrogen is also estimated to be about 4.8 eV, and can be used as a gate electrode of a PMISFET.

窒素及び水素を導入した際の導入量は、LaxAl1−xNyHz(但し0.21≦x≦0.33)で表したとき、0.15≦y≦0.5、0≦z≦0.1で表される範囲であることがのぞましい。水素が多すぎるとその後のCMOSプロセスにおいて水素が拡散し、例えば絶縁膜を還元してしまうような問題点があるからである。 When nitrogen and hydrogen are introduced, the amount introduced is LaxAl1-xNyHz (where 0.21 ≦ x ≦ 0.33), and 0.15 ≦ y ≦ 0.5 and 0 ≦ z ≦ 0.1. It is desirable that the range is expressed. This is because if there is too much hydrogen, hydrogen diffuses in the subsequent CMOS process, and there is a problem that the insulating film is reduced, for example.

窒素濃度および水素濃度には膜厚方向の濃度分布が生じさせてもよい。窒素も水素もゲート絶縁膜とは反対側の界面近傍にて最も濃度を高くしても良いし、水素の濃度プロファイルよりも窒素の濃度プロファイルの方が急峻にしても良い。   A concentration distribution in the film thickness direction may be generated in the nitrogen concentration and the hydrogen concentration. Both nitrogen and hydrogen may have the highest concentration in the vicinity of the interface opposite to the gate insulating film, or the nitrogen concentration profile may be steeper than the hydrogen concentration profile.

アンモニアを用いた窒化法によって、窒素が絶縁膜の酸化物に達して酸窒化物となっても構わない。また水素が絶縁膜の酸化物絶縁膜に達しても、絶縁膜中のダングリングボンドを水素終端させる効果が生じ、問題にはならない。   Nitrogen may reach the oxide of the insulating film and become oxynitride by a nitriding method using ammonia. Further, even when hydrogen reaches the oxide insulating film of the insulating film, an effect of terminating the dangling bond in the insulating film with hydrogen is generated, which is not a problem.

(2)第1の実施形態では、nMISFET用ゲート電極組成であるLaxAl1−xなる組成の合金をnMIS領域及びpMIS領域に共に成膜後、pMISFET用ゲート電極となる領域を窒化することで窒素及び水素を導入したが、pMIS領域に、直接LaAlNまたはLaAlHNを形成することも可能である。   (2) In the first embodiment, an alloy having a composition of LaxAl1-x, which is an nMISFET gate electrode composition, is formed in both the nMIS region and the pMIS region, and then the region serving as the pMISFET gate electrode is nitrided to form nitrogen and Although hydrogen is introduced, LaAlN or LaAlHN can be formed directly in the pMIS region.

(3)第1の実施形態ではCMOS回路のpMISFET及びnMISFET共にゲート電極として、ランタンアルミニウム合金を用いている。実際、pMIS及びnMIS共にゲート電極として窒素を添加した本発明に係るランタンアルミニウム合金を用いることが望ましいが、nMISFETにおいてゲート絶縁膜及びゲート電極として本発明に係る絶縁膜及びランタンアルミニウム合金を用いていれば、pMISFETゲート電極としては、このランタンアルミニウム合金を用いず、別の材料の電極を用いることも本発明の範疇である。   (3) In the first embodiment, a lanthanum aluminum alloy is used as the gate electrode in both the pMISFET and nMISFET of the CMOS circuit. Actually, it is desirable to use the lanthanum aluminum alloy according to the present invention to which nitrogen is added as the gate electrode for both pMIS and nMIS. However, in the nMISFET, the insulating film and the lanthanum aluminum alloy according to the present invention may be used as the gate insulating film and the gate electrode. For example, as the pMISFET gate electrode, it is within the scope of the present invention to use an electrode of another material without using this lanthanum aluminum alloy.

その場合、Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、Pt、Au、Oの中からいずれか一種類以上を含むような貴金属または貴金属の酸化物、あるいはTi、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、B、C、N、Oの中からいずれか二種類以上を含むような金属のホウ化物、炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ炭化物、炭窒酸化物などが挙げられる。貴金属、貴金属の酸化物、上記に掲げたホウ化物、炭化物、窒化物、炭窒化物、ホウ炭化物、炭窒酸化物などはいずれも仕事関数が大きいことに加え、融点の高い金属が多く、反応性も低いため、pMISFET用のゲート電極として用いることが可能である。   In that case, a noble metal or a noble metal oxide containing at least one of Ru, Rh, Pd, Ag, Re, Os, Ir, Pt, Au, and O, or Ti, Zr, Hf, V, Metal borides, carbides, nitrides, carbonitrides, borocarbides, carbonitride oxides containing at least two of Nb, Ta, Cr, Mo, W, B, C, N, O Etc. Precious metals, precious metal oxides, borides, carbides, nitrides, carbonitrides, borocarbides, carbonitride oxides, etc. listed above have a high work function and many metals with high melting points. Because of its low nature, it can be used as a gate electrode for pMISFET.

(4)第1の実施形態ではシリコン基板を用いたが、ゲルマニウム基板を用いることも好ましい。ゲルマニウムの場合、最も高い熱処理が必要な活性化アニールが600℃程度で十分である。InAs基板、InSb基板、AlInSb基板、GaN基板、GaAs基板、GaP基板などを用いることも可能である。これらの基板はシリコンよりもキャリア移動度が大きいといった利点があるため、トランジスタ動作の高速化に有用である。あるいはSiC基板を用いることも可能である。SiC基板は絶縁耐圧が高いため、高電力用素子として有用である。   (4) Although the silicon substrate is used in the first embodiment, it is also preferable to use a germanium substrate. In the case of germanium, activation annealing at about 600 ° C., which requires the highest heat treatment, is sufficient. An InAs substrate, InSb substrate, AlInSb substrate, GaN substrate, GaAs substrate, GaP substrate, or the like can also be used. Since these substrates have the advantage of higher carrier mobility than silicon, they are useful for increasing the transistor operation speed. Alternatively, an SiC substrate can be used. Since the SiC substrate has a high withstand voltage, it is useful as a high-power element.

これらの基板上にも本発明に係る絶縁膜及び電極を形成し、トランジスタ動作をさせることが可能である。ゲート絶縁膜としてSiOを用い、ゲート電極として多結晶シリコンを用いるような従来構造と比較し、ゲート絶縁膜の薄膜化が可能であるためより微細な素子を作製できるようになるといった利点がある。 An insulating film and an electrode according to the present invention can also be formed over these substrates, and transistor operation can be performed. Compared to a conventional structure using SiO 2 as the gate insulating film and polycrystalline silicon as the gate electrode, the gate insulating film can be made thinner, so that a finer device can be manufactured. .

(5)第1の実施形態では、絶縁膜である、ランタンアルミニウム酸化物の製膜方法として、PLDを用いたが、この他にもLaAlO等のランタンアルミニウム酸化物ターゲットや、La及びAl金属ターゲットを用いたスパッタ法を用いることも可能であるし、La及びAl金属を用いたMBE(Molecular Beam Epitaxy)法を用いることも可能である。あるいはランタン材料としてLa[N(SiMe(tris(bistrimethylsilylamido)−lanthanum)、La(thd)(lanthanum beta−diketonate)、La{N(SiHMe(THF)、[La((R)−Biphen){CH(SiMe}]などの原料を用い、アルミニウム材料としてAl(CHなどの原料を用い、酸素原料としてHO、オゾンなどを添加することでCVD(Chemical Vapor Deposition)法あるいはALD(Atomic Layer Deposition)法にて作製することも可能である。 (5) In the first embodiment, PLD was used as a method for forming a lanthanum aluminum oxide, which is an insulating film, but in addition to this, a lanthanum aluminum oxide target such as LaAlO 3 , La and Al metal A sputtering method using a target can be used, and an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method using La and Al metals can also be used. Alternatively La [N (SiMe 3) 2 ] as a lanthanum material 3 (tris (bistrimethylsilylamido) -lanthanum) , La (thd) 3 (lanthanum beta-diketonate), La {N (SiHMe 2) 2} 3 (THF) 2, [La ((R) -Biphen) {CH (SiMe 3 ) 2 }] 2 is used, a raw material such as Al (CH 3 ) 3 is used as an aluminum material, and H 2 O, ozone, etc. are used as an oxygen source. By adding, it is also possible to produce by CVD (Chemical Vapor Deposition) method or ALD (Atomic Layer Deposition) method.

上記したランタンアルミニウム酸化物の製膜方法においては、スパッタ法にて成膜することが特に好ましい。また基板面内均一性を保たれるように工夫されているPLD装置を用いることも好ましいがPLD法では赤外レーザーの危険性を十分に考慮して作業者の安全衛生に十分な対策を取ることが必須である。   In the above lanthanum aluminum oxide film forming method, it is particularly preferable to form the film by sputtering. It is also preferable to use a PLD apparatus that is devised so as to maintain the in-plane uniformity of the substrate. However, in the PLD method, sufficient countermeasures are taken for the safety and health of workers taking into account the danger of infrared lasers. It is essential.

(6)第1の実施形態では、ランタンアルミニウム合金の製膜方法としては、CVD法を用いたが、PLD法、スパッタ法、MBE法、ALD法の利用も可能である。LaAlOの成膜に用いた同一のターゲットまたは原料を用いて酸素が混入しないような条件にて成膜する方法が望ましい。 (6) In the first embodiment, the CVD method is used as the film formation method of the lanthanum aluminum alloy, but the PLD method, the sputtering method, the MBE method, and the ALD method can also be used. A method of forming a film under the condition that oxygen is not mixed using the same target or raw material used for forming the LaAlO 3 film is desirable.

電極の成膜に用いる装置は、絶縁膜の成膜に用いた装置と同じ装置の同じ成膜チャンバーを用いることも可能であり、ゲート絶縁膜の成膜に用いた装置の異なる成膜チャンバーを用いることも可能であるし、ゲート絶縁膜の成膜に用いた装置とは異なる装置を用いることも可能である。成膜方法として幅広い選択肢があることも大きな利点の一つである。   The same film formation chamber as the apparatus used for the film formation of the insulating film can be used as the apparatus used for the film formation of the electrode, and a different film formation chamber of the apparatus used for the film formation of the gate insulation film can be used. It is also possible to use an apparatus different from the apparatus used for forming the gate insulating film. One of the great advantages is that there are a wide range of film forming methods.

(第2の実施形態)
次に、キャパシタ構造について図9を参照して説明する。この構造は、フラッシュメモリのセルトランジスタのフローティングゲートとコントロールゲートとその間の絶縁膜(いわゆる電極間絶縁膜)とその周辺部分に対応する。
(Second Embodiment)
Next, the capacitor structure will be described with reference to FIG. This structure corresponds to a floating gate and a control gate of a cell transistor of a flash memory, an insulating film therebetween (so-called interelectrode insulating film), and a peripheral portion thereof.

図9は、第2の実施形態に係るキャパシタの主要部を示す断面図である。   FIG. 9 is a cross-sectional view showing the main part of the capacitor according to the second embodiment.

図9に示すように、キャパシタ構造は、基板41、および基板41上に順次堆積されたトンネル絶縁膜42、フローティング電極43、電極間絶縁膜44、コントロール電極45を含んでいる。
基板41は、例えばシリコン等から構成されるが、これに限定されず、第1の実施形態および変形例などで挙げた基板を用いることができる。トンネル絶縁膜42は、5nm厚さの例えばアモルファスSiONから構成されるが、他の材料であっても良い。また、電極間絶縁膜44として、本実施形態では21nm厚さのLaAlOを用いるが、第1の実施形態で挙げた第3族元素―アルミニウム酸化物若しくは酸窒化物を用いることができる。
As shown in FIG. 9, the capacitor structure includes a substrate 41, a tunnel insulating film 42, a floating electrode 43, an interelectrode insulating film 44, and a control electrode 45 sequentially deposited on the substrate 41.
The substrate 41 is made of, for example, silicon or the like, but is not limited to this, and the substrate described in the first embodiment and the modified example can be used. The tunnel insulating film 42 is made of, for example, amorphous SiON having a thickness of 5 nm, but other materials may be used. Further, as the interelectrode insulating film 44, LaAlO 3 having a thickness of 21 nm is used in this embodiment, but the Group 3 element-aluminum oxide or oxynitride mentioned in the first embodiment can be used.

電極43、45は、本実施形態ではLaAl11から構成される。電極組成は、各電極に求められる特性を勘案してその材料は選択されるが、少なくとも一方が本発明に係るランタンアルミニウム合金であれば絶縁膜44の劣化抑制効果は発揮される。 The electrodes 43 and 45 are made of La 3 Al 11 in this embodiment. The material of the electrode composition is selected in consideration of the characteristics required for each electrode. However, if at least one of them is a lanthanum aluminum alloy according to the present invention, the effect of suppressing the deterioration of the insulating film 44 is exhibited.

次に、第2実施形態に係るキャパシタの製造工程について説明する。まず、第1の実施形態例と同じ工程により、基板41を用意し、次に、絶縁膜42を気相状態の有機金属化合物を用いるような例えばCVD法にて形成後、酸化、再窒化、熱処理などを繰り返す方法にて形成し、電極43を気相状態の有機金属化合物を用いるような例えばCVD法にて、絶縁膜44としてのLaAlOを複数のターゲットを用いるようなスパッタ法により成膜した。LaAlOの膜厚は21nmとした。次に、電極45として、LaAl11をCVD法により成膜した。 Next, a manufacturing process of the capacitor according to the second embodiment will be described. First, the substrate 41 is prepared by the same process as in the first embodiment, and then the insulating film 42 is formed by, for example, a CVD method using an organic metal compound in a vapor state, and then oxidized, renitrided, The electrode 43 is formed by, for example, a CVD method using an organic metal compound in a gas phase, and a LaAlO 3 film as the insulating film 44 is formed by a sputtering method using a plurality of targets. did. The film thickness of LaAlO 3 was 21 nm. Next, as the electrode 45, La 3 Al 11 was formed by a CVD method.

この後、イオン注入等により、基板41の表面に、電極43下方のチャネル領域を挟むようにソース領域S、ドレイン領域Dを形成すれば、フラッシュメモリのセルトランジスタが形成される。   Thereafter, if the source region S and the drain region D are formed on the surface of the substrate 41 so as to sandwich the channel region below the electrode 43 by ion implantation or the like, a cell transistor of the flash memory is formed.

本実施形態の構造によれば、製造プロセス後の電極及び電極間絶縁膜界面の状態を評価すると、浸潤による構造の変化は生じず、電極間絶縁膜の誘電率の低下や欠陥準位の増大やリーク電流の増大などもほとんど確認されず、またセルのリテンション特性が数日以下となってしまうような劣化、書き込み電圧や読み込み電圧などのウインドウ特性がほとんど取れない状態への劣化も認められない。   According to the structure of this embodiment, when the state of the electrode and the interelectrode insulating film interface after the manufacturing process is evaluated, the structure does not change due to infiltration, and the dielectric constant of the interelectrode insulating film is decreased and the defect level is increased. In addition, there is almost no increase in leakage current or leakage current, and there is no deterioration that the retention characteristics of the cell become several days or less, or deterioration to a state in which window characteristics such as writing voltage and reading voltage are hardly obtained. .

第1の実施形態に係るCMOS構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the CMOS structure which concerns on 1st Embodiment. La−Al合金系の相図。La-Al alloy phase diagram. La−Al合金系のエンタルピーを示す図。The figure which shows the enthalpy of La-Al alloy type. 第1の実施形態に係るCMOS構造の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the CMOS structure which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るCMOS構造の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the CMOS structure which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るCMOS構造の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the CMOS structure which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るCMOS構造の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the CMOS structure which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るCMOS構造の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the CMOS structure which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係るメモリセル構造を示す断面図。Sectional drawing which shows the memory cell structure which concerns on 2nd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

11 シリコン基板
13 素子分離領域(STI)
15 pウェル
17 nウェル
19 ゲート絶縁膜
20 ダミーゲート絶縁膜
21 ゲート電極
22 ダミーゲート電極
23 ゲート電極
25 レジストパターン
27 レジストパターン
29 n型低濃度拡散層
31 p型低濃度拡散層
33 側壁
35 n型ソース・ドレイン拡散層
37 p型ソース・ドレイン拡散層
41 基板
42 トンネル絶縁膜
43 フローティング電極
44 電極間絶縁膜
45 コントロール電極
11 Silicon substrate 13 Element isolation region (STI)
15 p-well 17 n-well 19 gate insulating film 20 dummy gate insulating film 21 gate electrode 22 dummy gate electrode 23 gate electrode 25 resist pattern 27 resist pattern 29 n-type low-concentration diffusion layer 31 p-type low-concentration diffusion layer 33 sidewall 35 n-type Source / drain diffusion layer 37 p-type source / drain diffusion layer 41 Substrate 42 Tunnel insulating film 43 Floating electrode 44 Interelectrode insulating film 45 Control electrode

Claims (7)

半導体領域と、
前記半導体領域上に形成され、第3族元素−アルミニウム酸化物若しくは酸窒化物を用いたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成され、
LaxAl1−xNyHz
(但し0.21≦x≦0.33、0≦y≦0.5、0≦z≦0.1)
で表されるランタンアルミニウム合金を用いたゲート電極と、
前記半導体領域の前記ゲート絶縁膜の両側に形成されるソース及びドレイン領域とを具備するMIS型電界効果トランジスタを具備することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor region;
A gate insulating film formed on the semiconductor region and using Group 3 element-aluminum oxide or oxynitride;
Formed on the gate insulating film;
LaxAl1-xNyHz
(However, 0.21 ≦ x ≦ 0.33, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.1)
A gate electrode using a lanthanum aluminum alloy represented by:
A semiconductor device comprising: a MIS type field effect transistor comprising source and drain regions formed on both sides of the gate insulating film in the semiconductor region.
p型半導体領域と、
前記p型半導体領域上に形成され、第3族元素−アルミニウム酸化物若しくは酸窒化物を用いた第1ゲート絶縁膜と、
前記第1ゲート絶縁膜上に形成され、
LaxAl1−x
(但し0.21≦x≦0.33)
で表されるランタンアルミニウム合金を用いた第1ゲート電極と、
前記半導体領域の前記第1ゲート絶縁膜の両側に形成されるn型ソース及びn型ドレイン領域とを具備するnMIS型電界効果トランジスタを備えることを特徴とする半導体装置。
a p-type semiconductor region;
A first gate insulating film formed on the p-type semiconductor region and using a Group 3 element-aluminum oxide or oxynitride;
Formed on the first gate insulating film;
LaxAl1-x
(However, 0.21 ≦ x ≦ 0.33)
A first gate electrode using a lanthanum aluminum alloy represented by:
A semiconductor device comprising: an nMIS field effect transistor having an n-type source and an n-type drain region formed on both sides of the first gate insulating film in the semiconductor region.
n型半導体領域と、
前記n型半導体領域上に形成され、第3族元素−アルミニウム酸化物若しくは酸窒化物を用いた第2ゲート絶縁膜と、
前記第2ゲート絶縁膜上に形成され、
LaxAl1−xNyHz
(但し0.21≦x≦0.33、0.15≦y≦0.5、0≦z≦0.1)
で表されるランタンアルミニウム合金を用いた第2ゲート電極と、
前記半導体領域の前記ゲート電極の両側に形成されるp型ソース及びp型ドレイン領域とを具備するpMIS型電界効果トランジスタを備えることを特徴とする半導体装置。
an n-type semiconductor region;
A second gate insulating film formed on the n-type semiconductor region and using Group 3 element-aluminum oxide or oxynitride;
Formed on the second gate insulating film;
LaxAl1-xNyHz
(However, 0.21 ≦ x ≦ 0.33, 0.15 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.1)
A second gate electrode using a lanthanum aluminum alloy represented by:
A semiconductor device comprising a pMIS field effect transistor having a p-type source and a p-type drain region formed on both sides of the gate electrode of the semiconductor region.
p型半導体領域と、
前記p型半導体領域上に形成され、第3族元素−アルミニウム酸化物若しくは酸窒化物を用いた第1ゲート絶縁膜と、
前記第1ゲート絶縁膜上に形成され、
LaxAl1−x
(但し0.21≦x≦0.33)
で表されるランタンアルミニウム合金を用いた第1ゲート電極と、
前記p型半導体領域の前記第1ゲート絶縁膜の両側に形成されるn型ソース及びn型ドレイン領域とを具備するnMIS型電界効果トランジスタ及び、
n型半導体領域と、
前記n型半導体領域上に形成され、第3族元素−アルミニウム酸化物若しくは酸窒化物を用いた第2ゲート絶縁膜と、
前記第2ゲート絶縁膜上に形成され、
LaxAl1−xNyHz
(但し0.21≦x≦0.33、0.15≦y≦0.5、0≦z≦0.1)
で表されるランタンアルミニウム合金を用いた第2ゲート電極と、
前記n型半導体領域の前記第2ゲート絶縁膜の両側に形成されるp型ソース及びp型ドレイン領域とを具備するpMIS型電界効果トランジスタを
具備するCMOS回路を有することを特徴とする半導体装置。
a p-type semiconductor region;
A first gate insulating film formed on the p-type semiconductor region and using a Group 3 element-aluminum oxide or oxynitride;
Formed on the first gate insulating film;
LaxAl1-x
(However, 0.21 ≦ x ≦ 0.33)
A first gate electrode using a lanthanum aluminum alloy represented by:
An nMIS field effect transistor comprising an n-type source and an n-type drain region formed on both sides of the first gate insulating film of the p-type semiconductor region;
an n-type semiconductor region;
A second gate insulating film formed on the n-type semiconductor region and using Group 3 element-aluminum oxide or oxynitride;
Formed on the second gate insulating film;
LaxAl1-xNyHz
(However, 0.21 ≦ x ≦ 0.33, 0.15 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.1)
A second gate electrode using a lanthanum aluminum alloy represented by:
A semiconductor device comprising: a CMOS circuit including a pMIS field effect transistor including a p-type source and a p-type drain region formed on both sides of the second gate insulating film in the n-type semiconductor region.
半導体領域と、
前記半導体領域上に形成されたトンネル絶縁膜と、
前記トンネル絶縁膜上に形成されたフローティングゲート電極と、
前記フローティングゲート電極上に形成され、第3族元素−アルミニウム酸化物若しくは酸窒化物を用いた電極間絶縁膜と、
前記電極間絶縁膜上に形成されたコントロール電極とを具備し、
前記フローティングゲート電極及びコントロール電極の少なくとも一方が、
LaxAl1−xNyHz
(但し0.21≦x≦0.33、0≦y≦0.5、0≦z≦0.1)
で表されるランタンアルミニウム合金を用いた電極である不揮発性記憶素子を具備することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor region;
A tunnel insulating film formed on the semiconductor region;
A floating gate electrode formed on the tunnel insulating film;
An interelectrode insulating film formed on the floating gate electrode and using a Group 3 element-aluminum oxide or oxynitride;
A control electrode formed on the interelectrode insulating film,
At least one of the floating gate electrode and the control electrode is
LaxAl1-xNyHz
(However, 0.21 ≦ x ≦ 0.33, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.1)
A non-volatile memory element that is an electrode using a lanthanum aluminum alloy represented by the formula:
前記第2ゲート電極は、ランタンアルミニウム合金に対し活性化された窒素を用いて窒化して得られた膜を用いていることを特徴とする請求項3又は4記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 3, wherein the second gate electrode uses a film obtained by nitriding nitrogen activated with respect to a lanthanum aluminum alloy. 前記第2ゲート電極は、ランタンアルミニウム合金に対し、アンモニアを用いて窒化して得られた膜を用いていることを特徴とする請求項3又は4記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 3, wherein the second gate electrode is a film obtained by nitriding a lanthanum aluminum alloy with ammonia.
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