JP2009141161A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高誘電率膜をゲート絶縁膜として用い、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴおよびｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴのそれぞれに要求されるしきい値電圧を容易に実現できる相補型ＭＩＳＦＥＴおよびその製造技術を提供する。
【解決手段】ｎ型ウエル３およびｐ型ウエル４のそれぞれの表面に清浄な酸化シリコン膜５を形成した後、酸化シリコン膜５上に２Ａ族元素の酸化物、３Ａ族元素の酸化物、３Ｂ族元素の酸化物、４Ａ族元素の酸化物、および５Ａ族元素の酸化物等からなる酸素欠損調整層６と、高誘電率膜８と、水素に対する還元触媒効果を有する導電性膜１２とを順次堆積し、Ｈ_２を含む雰囲気中にて基板１に対して熱処理を施すことで酸素欠損調整層６と酸化シリコン膜５との間にダイポールを形成する。その後、導電性膜１２、高誘電率膜８、酸素欠損調整層６および酸化シリコン膜５等をパターニングしてゲート電極およびゲート絶縁膜を形成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、相補型ＭＩＳＦＥＴ（complementary Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）を備えた半導体装置およびその製造技術工程に適用して有効な技術に関するものである。

特開２００３−２８２８７５号公報には、ゲート絶縁膜として酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）膜を用いた相補型ＭＩＳＦＥＴおよびその製造工程が開示されている。
特開２００３−２８２８７５号公報

近年、ＭＩＳＦＥＴをはじめとする半導体素子の高集積化の要求から、半導体素子を微細に加工することが求められている。ＭＩＳＦＥＴの特性はゲート絶縁膜の静電容量に左右されるものであり、ＭＩＳＦＥＴを微細に加工した場合でも特性を同じくするために、ゲート絶縁膜の静電容量が変化しないように加工することが求められている。微細加工に伴って、ゲート絶縁膜は面積が小さくなってしまうことから、その静電容量を保つためにはゲート絶縁膜の膜厚を薄くする手段が用いられている。

ここで、ゲート絶縁膜として酸化シリコン膜を選択した場合には、膜厚が薄くなることによって、チャネルを流れる電子がゲート絶縁膜によって形成されている障壁を通り抜けてゲート電極に流れ込んでしまう、いわゆるトンネル電流の発生が懸念される。そこで、ゲート絶縁膜として、酸化シリコン膜より誘電率の大きい薄膜（以降、高誘電率膜と記す）を用いることによって、酸化シリコン膜を用いた場合に比べて膜厚を薄くすることなくゲート絶縁膜の静電容量を保つ手段が検討されている。

ところで、このような高誘電率膜をゲート絶縁膜として用いて相補型ＭＩＳＦＥＴを製造する場合には、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴとｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴとで、それぞれ適切な高誘電率膜およびゲート電極材料を選択して、それぞれに要求されるしきい値電圧を実現している。そのため、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴおよびｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴの双方に要求されるしきい値電圧を容易に実現することが困難となっている。

本発明の目的は、高誘電率膜をゲート絶縁膜として用い、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴおよびｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴのそれぞれに要求されるしきい値電圧を容易に実現できる相補型ＭＩＳＦＥＴおよびその製造技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

（１）本発明による半導体装置は、半導体基板の主面上において、酸化シリコンより相対的に誘電率の大きい第１ゲート絶縁膜および水素に対する還元触媒効果を有する第１金属膜を含む第１ゲート電極を備えたＭＩＳＦＥＴを含む半導体装置であって、
前記第１ゲート絶縁膜は、下層から酸化シリコン層、酸素欠損調整層および前記酸化シリコン層より相対的に誘電率の大きい高誘電率層が積層されて形成され、
前記酸素欠損調整層は、２Ａ族元素、３Ａ族元素、３Ｂ族元素、４Ａ族元素または５Ａ族元素を含む酸化物である。

（２）また、本発明による半導体装置の製造方法は、相補型ＭＩＳＦＥＴを備えた半導体装置の製造方法であって、
（ａ）半導体基板の主面に酸化シリコン層を形成する工程、
（ｂ）前記酸化シリコン層上に酸素欠損調整層を形成する工程、
（ｃ）前記半導体基板の前記主面上の第１領域における前記酸素欠損調整層を残し、前記半導体基板の前記主面上の第２領域における前記酸素欠損調整層を除去する工程、
（ｄ）前記（ｃ）工程後、前記半導体基板の前記主面上に前記酸化シリコン層より相対的に誘電率の大きい高誘電率層を形成する工程、
（ｅ）前記第１領域において、前記高誘電率層上に水素に対する還元触媒効果を有する第１金属膜を形成する工程、
（ｆ）前記第２領域において、前記高誘電率層上に第２金属膜を形成する工程、
（ｇ）前記（ｅ）工程後、前記半導体基板に対して熱処理を施す工程、
（ｈ）前記第１領域の前記第１金属膜上および前記第２領域の前記第２金属膜上に、シリコンおよび金属の化合物膜を形成する工程、
（ｉ）前記第１領域において、前記化合物膜、前記第１金属膜、前記高誘電率層、前記酸素欠損調整層および前記酸化シリコン層をパターニングしてｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴの第１ゲート電極および第１ゲート絶縁膜を形成し、前記第２領域において、前記化合物膜、前記第２金属膜、前記高誘電率層および前記酸化シリコン層をパターニングしてｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴの第２ゲート電極および第２ゲート絶縁膜を形成する工程、
を含み、
前記酸素欠損調整層は、２Ａ族元素、３Ａ族元素、３Ｂ族元素、４Ａ族元素または５Ａ族元素を含む酸化物である。

（３）また、本発明による半導体装置の製造方法は、相補型ＭＩＳＦＥＴを備えた半導体装置の製造方法であって、
（ａ）半導体基板の主面に酸化シリコン層を形成する工程、
（ｂ）前記酸化シリコン層上に酸素欠損調整層を形成する工程、
（ｃ）前記（ｂ）工程後、前記半導体基板の前記主面上に前記酸化シリコン層より相対的に誘電率の大きい高誘電率層を形成する工程、
（ｄ）前記半導体基板の前記主面上の第１領域および第２領域において、前記高誘電率層上に水素に対する還元触媒効果を有する第１金属膜を形成する工程、
（ｅ）前記（ｄ）工程後、前記第２領域の前記第１金属膜上に第２金属膜を形成する工程、
（ｆ）前記（ｅ）工程後、前記半導体基板に対して熱処理を施す工程、
（ｇ）前記第１領域の前記第１金属膜上および前記第２領域の前記第２金属膜上に、シリコンおよび金属の化合物膜を形成する工程、
（ｈ）前記第２領域において、前記化合物膜、前記第２金属膜、前記第１金属膜、前記高誘電率層および前記酸化シリコン層をパターニングしてｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴの第１ゲート電極および第１ゲート絶縁膜を形成し、前記第１領域において、前記化合物膜、前記第１金属膜、前記高誘電率層、前記酸素欠損調整層および前記酸化シリコン層をパターニングしてｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴの第２ゲート電極および第２ゲート絶縁膜を形成する工程、
を含み、
前記酸素欠損調整層は、２Ａ族元素、３Ａ族元素、３Ｂ族元素、４Ａ族元素または５Ａ族元素を含む酸化物である。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

高誘電率膜をゲート絶縁膜として用いた相補型ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧を容易に制御できる。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、実施例等において構成要素等について、「Ａからなる」、「Ａよりなる」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。

同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、材料等について言及するときは、特にそうでない旨明記したとき、または、原理的または状況的にそうでないときを除き、特定した材料は主要な材料であって、副次的要素、添加物、付加要素等を排除するものではない。たとえば、シリコン部材は特に明示した場合等を除き、純粋なシリコンの場合だけでなく、添加不純物、シリコンを主要な要素とする２元、３元等の合金（たとえばＳｉＧｅ）等を含むものとする。

また、本実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

また、本実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするために部分的にハッチングを付す場合がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（実施の形態１）
本実施の形態１の半導体装置は、たとえば相補型ＭＩＳＦＥＴを有するものである。このような本実施の形態１の半導体装置について、その製造工程と併せて図１〜図１７を用いて説明する。

まず、図１に示すように、たとえばｐ型の単結晶シリコンからなる半導体基板（以下、単に基板と記す）１を用意する。図１に示す基板１の断面では、ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴが形成される領域（第２領域）ＡＮＭと、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴが形成される領域（第１領域）ＡＰＭとが示されている。

次いで、基板１の主面の素子分離領域に素子分離溝２を形成する。素子分離溝２を形成するには、たとえば基板１の主面をドライエッチングして溝を形成し、続いてこの溝の内部を含む基板１上にＣＶＤ法で酸化シリコン膜などの絶縁膜を堆積した後、溝の外部の不要な酸化シリコン膜を化学的機械研磨（Chemical Mechanical Polishing;ＣＭＰ）法で研磨、除去することによって、溝の内部に酸化シリコン膜を残す。

続いて、領域ＡＰＭにおける基板１の主面にｎ型の不純物（たとえばＰ（リン））をイオン注入し、領域ＡＮＭにおける基板１の主面にｐ型の不純物（たとえばＢ（ホウ素））をイオン注入する。次いで、基板１を熱処理してこれら不純物を基板１中に拡散させることにより、領域ＡＰＭにおける基板１の主面にｎ型ウエル３を形成し、領域ＡＮＭにおける基板１の主面にｐ型ウエル４を形成する。

続いて、たとえばフッ酸系の洗浄液を用いて基板１（ｎ型ウエル３およびｐ型ウエル４）の主面をウェット洗浄した後、熱酸化によりｎ型ウエル３およびｐ型ウエル４のそれぞれの表面に清浄な酸化シリコン膜５を形成する。

次に、図２に示すように、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法を用い、基板１の主面上に膜厚０．５ｎｍ程度のＡｌ_２Ｏ_３膜を成膜して酸素欠損調整層６を形成する。この酸素欠損調整層６としては、Ａｌ_２Ｏ_３膜以外に、２Ａ族元素の酸化物（たとえばＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯおよびＢａＯ）、３Ａ族元素の酸化物（たとえばＹ_２Ｏ_３）、３Ｂ族元素の酸化物、４Ａ族元素の酸化物（たとえばＨｆＯ_２）、および５Ａ族元素の酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３）等の単層膜、積層膜または合金膜としてもよい。酸素欠損調整層６は、後の工程で領域ＡＰＭにのみ残されるものであり、製造するｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴの特性に合わせて酸素欠損調整層６の材料は適宜選択することができる。

続いて、フォトリソグラフィ技術によってパターニングされたフォトレジスト膜７をマスクとしてｎ型ウエル３上（領域ＡＰＭ）以外の酸素欠損調整層６をエッチングして除去する。

次に、図３に示すように、たとえばＡＬＤ法によって基板１の主面上にＨｆＯ_２膜を成膜して、相補型ＭＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜となる高誘電率膜（高誘電率層）８を形成する。続いて、基板１に対して、たとえば約８５０℃のＰＤＡ（Post Deposition Anneal）処理を施す。

次に、図４に示すように、フォトリソグラフィ技術にてパターニングされたフォトレジスト膜９によって領域ＡＮＭ以外の領域を覆った後、たとえば基板１の主面上に膜厚２０ｎｍ程度の窒化タンタル膜（第２金属膜）１０を堆積する。図示は省略するが、この後、フォトレジスト膜９を除去することで領域ＡＮＭ以外の領域の窒化タンタル膜１０を除去することができる（いわゆるリフトオフ法）。

次に、フォトレジスト膜９を除去することで領域ＡＮＭ以外の領域の窒化タンタル膜１０を除去した後、図５に示すように、フォトリソグラフィ技術にてパターニングされたフォトレジスト膜１１によって領域ＡＮＭ以外の領域を覆った後、たとえば基板１の主面上に水素に対する還元触媒効果を有する導電性膜（第１金属膜）１２として膜厚２０ｎｍ程度のＰｔ（白金）膜を成膜する。本実施の形態１においては、この水素に対する還元触媒効果を有する導電性膜１２としてはＰｔ膜を例示するが、Ｒｅ（レニウム）膜、あるいはＰｔ膜とＲｅ膜との積層膜としてもよい。

次に、図６に示すように、リフトオフ法により、フォトレジスト膜１１を除去することで領域ＡＰＭ以外の領域の導電性膜１２を除去する。

続いて、約３％のＨ_２（水素）を含む雰囲気中にて基板１に対して約４５０℃の熱処理を施す。それにより、後の工程で完成するｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴの実効仕事関数を制御することができる。この原理について、以下に詳述する。

前述したように、導電性膜１２は水素に対する還元触媒効果を有しており、図７に示すように、上記の約３％のＨ_２を含む雰囲気中での熱処理により、ＨｆＯ_２膜からなる高誘電率膜８を組成するＯ（酸素）を還元しＨ_２Ｏ（水）を生成する。この還元により、高誘電率膜８はＯが欠損した組成となるが、下層のＡｌ_２Ｏ_３膜からなる酸素欠損調整層６からＯを取り込み、そのＯの欠損を補う。そのため、酸素欠損調整層６はＯが欠損した組成となり、酸素欠損調整層６と酸化シリコン膜５との間にダイポール（２ｅ⁻， Ｖｏ^２＋）が形成される。

ここで、図８は、上記水素に対する還元を行う熱処理時の温度と後の工程で完成するｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴの実効仕事関数φ_{ｍ，ｅｆｆ}（ｅＶ）との関係を示しており、酸素欠損調整層６として図２を用いて説明したＡｌ_２Ｏ_３を用いた場合と、ＨｆＯ_２を用いた場合と、Ｙ_２Ｏ_３を用いた場合とが示されている。図８中では、実際に測定した熱処理時の温度の範囲として４００℃〜６００℃が示されているが、これは導電性膜１２の水素に対する還元触媒効果が得られる上限および下限だからである。また、図９および図１０は、上記水素に対する還元を行う熱処理時の温度と、後の工程で完成するｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴのフラットバンド電圧（しきい値電圧）Ｖ_ＦＢ（Ｖ）の変化量（ΔＶ_ＦＢ（Ｖ））との関係（４００℃時を基準）を示したものである。図９中では、酸素欠損調整層６として図２を用いて説明したＡｌ_２Ｏ_３を用いた場合と、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）を用いた場合と、ＨｆＯ_２を用いた場合と、Ａｌ_２Ｏ_３およびＨｆＯ_２の積層膜（Ａｌ_２Ｏ_３が上層となる場合および下層となる場合の２通り）を用いた場合とが示されている。図１０中では、酸素欠損調整層６として図２を用いて説明したＡｌ_２Ｏ_３を用いた場合と、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）を用いた場合と、Ｙ_２Ｏ_３を用いた場合と、Ａｌ_２Ｏ_３およびＹ_２Ｏ_３の積層膜（Ａｌ_２Ｏ_３が上層となる場合および下層となる場合の２通り）を用いた場合とが示されている。なお、図９は、高誘電率膜８形成後のＰＤＡ処理温度（図２を用いた前述の説明を参照）が８５０℃の場合を示し、図１０は、高誘電率膜８形成後のＰＤＡ処理温度（図２を用いた前述の説明を参照）が６５０℃の場合を示している。また、図１１は、酸素欠損調整層６と酸化シリコン膜５との間にてダイポール（２ｅ⁻， Ｖｏ^２＋）が形成されたことによるｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴの仕事関数φ_ｍ（ｅＶ）の変化をエネルギー帯を用いて示したものであり、実効仕事関数φ_{ｍ，ｅｆｆ}（ｅＶ）についても示している。なお、図１１中にて、ＶＬ、ＥｖおよびＥｃは、それぞれ真空順位、伝導帯および価電子帯を示している。また、図１２は、酸素欠損調整層６と酸化シリコン膜５との間にてダイポール（２ｅ⁻， Ｖｏ^２＋）が形成されたことによるｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴのゲート電圧とゲート電極−基板１（ｎ型ウエル３）間の容量値との関係を示したものであり、ダイポール（２ｅ⁻， Ｖｏ^２＋）が形成されている場合のグラフと、ダイポール（２ｅ⁻， Ｖｏ^２＋）が形成されていない場合のグラフとが示されている。

これら図８〜図１２に示すように、水素に対する還元触媒効果を有する導電性膜１２の形成後のＨ_２（水素）を含む雰囲気中での熱処理により、酸化シリコン膜５と接する酸素欠損調整層６の酸素欠損（Ｖｏ）に起因する上記ダイポール（２ｅ⁻， Ｖｏ^２＋）が形成され、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴの実効仕事関数φ_{ｍ，ｅｆｆ}（ｅＶ）が下がり、フラットバンド電圧（しきい値電圧）も下がる。また、図８〜図１０に示すように、酸素欠損調整層６として用いた主な材料について、導電性膜１２の形成後のＨ_２（水素）を含む雰囲気中での熱処理の温度の変化に対する、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴのフラットバンド電圧（しきい値電圧）の変化の大きさを比較すると、Ａｌ_２Ｏ_３＞ＨｆＯ_２＞Ｙ_２Ｏ_３となる。単結晶シリコンからなる基板１の主面上に形成されたｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴが相補型ＭＩＳＦＥＴを形成する場合には、たとえば実効仕事関数は４．９５ｅＶ〜５．１５ｅＶ程度となり、図８より、酸素欠損調整層６としてはＡｌ_２Ｏ_３またはＨｆＯ_２を用いることが好ましいことがわかる。すなわち、ゲート絶縁膜としてＨｆＯ_２膜のような高誘電率膜８を用いた場合に、酸素欠損調整層６の材料と導電性膜１２の形成後のＨ_２（水素）を含む雰囲気中での熱処理の温度とを適宜選択することにより、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴのフラットバンド電圧（しきい値電圧）を広範囲で精度よく制御できるようになり、所望のｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴのフラットバンド電圧（しきい値電圧）を得ることが可能となる。

次に、図１３に示すように、基板１上に非晶質シリコン膜を堆積した後、その非晶質シリコン膜に熱処理を施すことによって多結晶シリコン膜１３を形成する。ここでは、非晶質シリコン膜の堆積を省略して、たとえばＣＶＤ法で多結晶シリコン膜を堆積してもよい。前述の導電性膜１２の形成後のＨ_２（水素）を含む雰囲気中での熱処理は、この多結晶シリコン膜１３の形成直後に行ってもよい。

次に、図１４に示すように、フォトリソグラフィ技術によってパターニングされたフォトレジスト膜（図示は省略）をマスクとして多結晶シリコン膜１３、導電性膜１２、窒化タンタル膜１０、高誘電率膜８、酸素欠損調整層６および酸化シリコン膜５をエッチングする。それにより、領域ＡＮＭにおいては、窒化タンタル膜１０および多結晶シリコン膜１３からなるゲート電極１６Ａと、酸化シリコン膜５および高誘電率膜８からなるゲート絶縁膜（第２ゲート絶縁膜）１７Ａとを形成し、領域ＡＰＭにおいては、導電性膜１２および多結晶シリコン膜１３からなるゲート電極１６Ｂと、酸化シリコン膜５、酸素欠損調整層６および高誘電率膜８からなるゲート絶縁膜（第１ゲート絶縁膜）１７Ｂとを形成することができる。

次に、図１５に示すように、たとえばｎ型ウエル３にｐ型の不純物としてＢをイオン注入することによって比較的低濃度のｐ⁻型半導体領域１８を形成し、ｐ型ウエル４にｎ型の不純物としてＰまたはＡｓをイオン注入することによって比較的低濃度のｎ⁻型半導体領域１９を形成する。ｐ⁻型半導体領域１８およびｎ⁻型半導体領域１９は、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴおよびｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴのソース、ドレインをＬＤＤ（Lightly Doped Drain）構造にするために形成するものである。

続いて、ゲート電極１６Ａ、１６Ｂの側壁に絶縁膜からなるサイドウォールスペーサ２０を形成する。サイドウォールスペーサ２０を形成するには、たとえば基板１上にＣＶＤ法で酸化シリコン膜を堆積した後、この酸化シリコン膜を異方性エッチングする。

次に、ｎ型ウエル３にｐ型の不純物としてＢをイオン注入することによって比較的高濃度のｐ^＋型半導体領域２１を形成し、ｐ型ウエル４にｎ型の不純物としてＰまたはＡｓをイオン注入することによって比較的高濃度のｎ^＋型半導体領域２２を形成する。ｐ^＋型半導体領域２１およびｎ^＋型半導体領域２２は、それぞれｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴおよびｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴのソース、ドレインを構成する。ここまでの工程により、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｐおよびｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｎを形成することができる。導入した不純物を活性化させるための約１０００℃以上の熱処理工程は、ｐ⁻型半導体領域１８およびｎ⁻型半導体領域１９とｐ^＋型半導体領域２１およびｎ^＋型半導体領域２２との各々作製工程で行っても、一括して最後に行ってもこれら半導体領域が作製できればよい。

次に、図１６に示すように、たとえばＣＶＤ法により、埋め込み酸化シリコン膜を前述のトランジスタ素子構造の全面に堆積した後に、ＣＭＰ技術によって平坦化して、多結晶シリコン膜１３の上面を出す。この段階で、前述のＨ_２（水素）を含む雰囲気中での熱処理を行ってもよい。

続いて、多結晶シリコン膜１３上に、たとえばＮｉ（ニッケル）膜を堆積して金属膜を形成する。この金属膜としては、Ｎｉ膜以外にＴｉ（チタン）膜、Ｗ（タングステン）膜、Ｔａ（タンタル）膜、ニッケル（Ｎｉ）膜、Ｐｔ（白金）膜またはＲｕ（ルテニウム）膜等を用いてもよい。次いで、基板１に４００℃程度の熱処理を１０分間程度施すことによって金属膜と多結晶シリコン膜１３とを反応させ、金属シリサイド膜（化合物膜）１５を形成する。その後、未反応の金属膜は、ウエットエッチング等により除去する。

上記のように形成された本実施の形態１のｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｐおよびｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｎは、ゲート絶縁膜１７Ａ、１７Ｂに酸化シリコン膜より誘電率の高い高誘電率膜８を含むことから、酸化シリコン膜を用いた場合に比べて膜厚を薄くすることなくゲート絶縁膜１７Ａ、１７Ｂの静電容量を保つことができる。それにより、ゲート絶縁膜１７Ａ、１７Ｂにおけるトンネル電流の発生を抑制できるので、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｐおよびｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｎの消費電力を低く抑えることが可能となる。

次に、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｐおよびｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｎを覆う絶縁膜として、たとえばＣＶＤ法で酸化シリコン膜２３を堆積し、続いて化学的機械研磨法で酸化シリコン膜２３の表面を平坦化する。

次に、フォトレジスト膜をマスクにして上記酸化シリコン膜２３をドライエッチングすることにより、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｐおよびｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｎのソース、ドレイン（ｐ^＋型半導体領域２１およびｎ^＋型半導体領域２２）の上部にコンタクトホール２４を形成する。続いて、コンタクトホール２４の内部にプラグ２５を形成する。プラグ２５を形成するには、たとえばコンタクトホール２４の内部を含む酸化シリコン膜２３上にスパッタリング法でＴｉ膜およびＴｉＮ（窒化チタン）膜を堆積し、続いてＣＶＤ法でＴｉＮ膜および金属膜としてＷ膜を堆積した後、コンタクトホール２４の外部のＷ膜、ＴｉＮ膜およびＴｉ膜を化学的機械研磨法によって除去する。

次いで、酸化シリコン膜２３およびプラグ２５上に配線２６を形成し、本実施の形態１の半導体装置を製造する。配線２６を形成するには、たとえば酸化シリコン膜２３上にＴｉ膜、Ａｌ（アルミニウム）合金膜およびＴｉＮ膜をスパッタリング法により順次堆積し、続いてフォトレジスト膜をマスクとしたドライエッチングによりそのＴｉ膜、Ａｌ合金膜およびＴｉＮ膜をパターニングする。

なお、プラグ２５および配線２６を形成した工程を繰り返してさらに多層に配線を形成してもよい。

（実施の形態２）
本実施の形態２の半導体装置も前記実施の形態１の半導体装置と同様に相補型ＭＩＳＦＥＴを有するものである。以下、本実施の形態２の半導体装置について、その製造工程と併せて図１７〜図２１を用いて説明する。

本実施の形態２の半導体装置の製造工程は、前記実施の形態１にて説明した酸素欠損調整層６を形成する工程（図２参照）までは前記実施の形態１と同様である。その後、図１７に示すように、前記実施の形態１で説明した高誘電率膜８（図３も参照）と同様の高誘電率膜８を基板１の主面上に形成する。

次に、図１８に示すように、前記実施の形態１で説明した水素に対する還元触媒効果を有する導電性膜１２（図５も参照）と同様の導電性膜１２を基板１の主面上に形成する。

次いで、図１９に示すように、フォトリソグラフィ技術にてパターニングされたフォトレジスト膜（図示は省略）によって領域ＡＮＭ以外の領域を覆った後、導電性膜１２上に膜厚２０ｎｍ程度の窒化タンタル膜１０を堆積する。続いて、リフトオフ法により領域ＡＮＭ以外の領域の窒化タンタル膜１０を除去する。すなわち、前記フォトレジスト膜を除去することで領域ＡＮＭ以外の領域の窒化タンタル膜１０を除去するものである。

続いて、約３％のＨ_２（水素）を含む雰囲気中にて基板１に対して約４５０℃の熱処理を施す。それにより、前記実施の形態１で説明したｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｐの場合と同様の原理により、領域ＡＮＭに形成されるｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｎについても実効仕事関数を制御することができる。すなわち、導電性膜１２は水素に対する還元触媒効果を有しており、上記の約３％のＨ_２を含む雰囲気中での熱処理により、高誘電率膜８を組成するＯを還元しＨ_２Ｏ（水）を生成する。この還元により、高誘電率膜８はＯが欠損した組成となるが、下層の酸素欠損調整層６からＯを取り込み、そのＯの欠損を補う。そのため、酸素欠損調整層６はＯが欠損した組成となり、酸素欠損調整層６と酸化シリコン膜５との間にダイポール（２ｅ⁻， Ｖｏ^２＋）が形成される。その結果、前記実施の形態１において図８〜図１２を用いて説明したように、ＭＩＳＦＥＴの実効仕事関数を制御できるようになり、ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｎの場合には、実効仕事関数を小さくでき、フラットバンド電圧（しきい値電圧）も小さくすることができる。つまり、所望のｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｎのフラットバンド電圧（しきい値電圧）を得ることが可能となる。

次に、図２０に示すように、前記実施の形態１において図１３および図１４を用いて説明した工程と同様の工程により多結晶シリコン膜１３を形成した後、フォトリソグラフィ技術によってパターニングされたフォトレジスト膜（図示は省略）をマスクとして多結晶シリコン膜１３、導電性膜１２、窒化タンタル膜１０、高誘電率膜８、酸素欠損調整層６および酸化シリコン膜５をエッチングする。それにより、領域ＡＮＭにおいては、窒化タンタル膜１０、多結晶シリコン膜１３および導電性膜１２からなるゲート電極（第１ゲート電極）１６Ａと、酸化シリコン膜５、酸素欠損調整層６および高誘電率膜８からなるゲート絶縁膜（第１ゲート絶縁膜）１７Ａとを形成し、領域ＡＰＭにおいては、導電性膜１２および多結晶シリコン膜１３からなるゲート電極（第２ゲート電極）１６Ｂと、酸化シリコン膜５、酸素欠損調整層６および高誘電率膜８からなるゲート絶縁膜（第２ゲート絶縁膜）１７Ｂとを形成することができる。このような工程でｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｐおよびｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｎのそれぞれのゲート電極１６Ａ、１６Ｂおよびゲート絶縁膜１７Ａ、１７Ｂを形成することにより、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｐとｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴＱｎとでゲート電極およびゲート絶縁膜の材料を共通化できる（窒化タンタル膜１０を除く）。それにより、製造工程数の増加を防ぎつつ、相補型ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧を広範囲で精度よく制御することが可能となる。

その後、前記実施の形態１において図１５および図１６を用いて説明した工程と同様の工程を経て本実施の形態２の半導体装置を製造する（図２１参照）。

（実施の形態３）
本実施の形態３の半導体装置は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて形成された相補型ＭＩＳＦＥＴを有するものである。以下、本実施の形態３の半導体装置について、その製造工程と併せて図２２〜図２４を用いて説明する。

図２２に示すように、本実施の形態３で用いるＳＯＩ基板は、たとえば単結晶シリコンからなるベース基板１Ａと、単結晶シリコンからなり表面に酸化シリコン膜が形成されたボンド基板とを貼り合わせて形成されたものであり、ボンド基板の表面の酸化シリコン膜がＢＯＸ（Buried Oxide）層１Ｂとなり、ボンド基板の単結晶シリコン部がＳＯＩ層１Ｃとなっている。

上記のようなＳＯＩ基板のＳＯＩ層１Ｃに対して、前記実施の形態１において図１を用いて説明した工程と同様の工程によって素子分離溝２を形成した後、たとえばＳＯＩ基板の主面にＢＯＸ層１Ｂに達するＵ溝を形成し、その溝に酸化シリコン膜を埋め込むことによってＵ溝素子分離領域２Ａを形成する。その後、領域ＡＰＭのＳＯＩ層１Ｃにｎ型ウエル３を形成し、領域ＡＮＭのＳＯＩ層１Ｃにｐ型ウエル４を形成する。これらｎ型ウエル３およびｐ型ウエル４を形成する工程は、前記実施の形態１（図１参照）と同様である。

この後、前記実施の形態１で説明した工程（図１〜図６、図１３および図１４参照）と同様の工程によってゲート電極１６Ａ、１６Ｂおよびゲート絶縁膜１７Ａ、１７Ｂを形成した時点の要部断面を図２３に示し、前記実施の形態２で説明した工程（図１７〜図２０参照）と同様の工程によってゲート電極１６Ａ、１６Ｂおよびゲート絶縁膜１７Ａ、１７Ｂを形成した時点の要部断面を図２４に示す。

ＳＯＩ基板を用いて形成された相補型ＭＩＳＦＥＴにおいては、たとえば実効仕事関数は４．４ｅＶ〜４．８ｅＶ程度となる。そのため、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴのフラットバンド電圧（しきい値電圧）を制御したい場合には図２３に示す構造とし、前記実施の形態１で図８に示したグラフから、酸素欠損調整層６としてはＡｌ_２Ｏ_３またはＨｆＯ_２を用い、導電性膜１２の形成後のＨ_２（水素）を含む雰囲気中での熱処理の温度は、５００℃〜６００℃程度とすることが好ましい。一方、ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴのフラットバンド電圧（しきい値電圧）を制御したい場合には図２４に示す構造とし、前記実施の形態１で図８に示したグラフから、酸素欠損調整層６としてはＹ_２Ｏ_３を用い、導電性膜１２の形成後のＨ_２（水素）を含む雰囲気中での熱処理の温度は、４００℃〜６００℃程度とすることが好ましい。

ゲート電極１６Ａ、１６Ｂおよびゲート絶縁膜１７Ａ、１７Ｂを形成した後は、前記実施の形態１において図１５および図１６を用いて説明した工程と同様の工程を経て本実施の形態３の半導体装置を製造することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明の半導体装置およびその製造方法は、相補型ＭＩＳＦＥＴを備えた半導体装置およびその製造工程に広く適用することができる。

本発明の実施の形態１である半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。 図１に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図２に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図３に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図４に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図５に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 本発明の実施の形態１である半導体装置の製造工程中における水素に対する還元触媒効果の説明図である。 水素に対する還元を行う熱処理時の温度とｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴの実効仕事関数との関係を示す説明図である。 水素に対する還元を行う熱処理時の温度とｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴのフラットバンド電圧の変化量との関係を示す説明図である。 水素に対する還元を行う熱処理時の温度とｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴのフラットバンド電圧の変化量との関係を示す説明図である。 水素に対する還元を行う熱処理によるｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴの実効仕事関数の変化を示す説明図である。 本発明の実施の形態１である半導体装置が有するｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴにおけるゲート電圧とゲート電極−基板間容量との関係を示す説明図である。 図６に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図１３に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図１４に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図１５に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 本発明の実施の形態２である半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。 図１７に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図１８に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図１９に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 図２０に続く半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 本発明の実施の形態３である半導体装置の製造方法を説明する要部断面図である。 本発明の実施の形態３である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。 本発明の実施の形態３である半導体装置の製造工程中の要部断面図である。

符号の説明

１ 半導体基板
１Ａ ベース基板
１Ｂ ＢＯＸ層
１Ｃ ＳＯＩ層
２ 素子分離溝
２Ａ Ｕ溝素子分離領域
３ ｎ型ウエル
４ ｐ型ウエル
５ 酸化シリコン膜
６ 酸素欠損調整層
７ フォトレジスト膜
８ 高誘電率膜（高誘電率層）
９ フォトレジスト膜
１０ 窒化タンタル膜（第２金属膜）
１１ フォトレジスト膜
１２ 導電性膜（第１金属膜）
１３ 多結晶シリコン膜
１５ 金属シリサイド膜（化合物膜）
１６Ａ ゲート電極（第１ゲート電極、第２ゲート電極）
１６Ｂ ゲート電極（第１ゲート電極、第２ゲート電極）
１７Ａ ゲート絶縁膜（第１ゲート絶縁膜、第２ゲート絶縁膜）
１７Ｂ ゲート絶縁膜（第１ゲート絶縁膜、第２ゲート絶縁膜）
１８ ｐ⁻型半導体領域
１９ ｎ⁻型半導体領域
２０ サイドウォールスペーサ
２１ ｐ^＋型半導体領域
２２ ｎ^＋型半導体領域
２３ 酸化シリコン膜
２４ コンタクトホール
２５ プラグ
２６ 配線
ＡＮＭ 領域
ＡＰＭ 領域
Ｑｎ ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴ（第２領域）
Ｑｐ ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴ（第１領域）

Claims (17)

1. 半導体基板の主面上において、酸化シリコンより相対的に誘電率の大きい第１ゲート絶縁膜および水素に対する還元触媒効果を有する第１金属膜を含む第１ゲート電極を備えたＭＩＳＦＥＴを含む半導体装置であって、
   前記第１ゲート絶縁膜は、下層から酸化シリコン層、酸素欠損調整層および前記酸化シリコン層より相対的に誘電率の大きい高誘電率層が積層されて形成され、
   前記酸素欠損調整層は、２Ａ族元素、３Ａ族元素、３Ｂ族元素、４Ａ族元素または５Ａ族元素を含む酸化物であることを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記第１金属膜は、白金膜またはレニウム膜の単層膜、前記白金膜および前記レニウム膜の積層膜、または前記白金膜または前記レニウム膜から形成した合金膜であることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記ＭＩＳＦＥＴは、ｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴであり、
   前記第１ゲート電極は、前記第１金属膜と、シリコンおよび金属の化合物膜とを下層から積層して形成されていることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項３記載の半導体装置において、
   前記半導体基板の前記主面上において、前記酸化シリコンより相対的に誘電率の大きい第２ゲート絶縁膜および第２金属膜を含む第２ゲート電極を備えたｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴを含むことを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記ＭＩＳＦＥＴは、ｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴであり、
   前記第１ゲート電極は、前記第１金属膜と、第２金属膜と、シリコンおよび金属の化合物膜とを下層から積層して形成されていることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項５記載の半導体装置において、
   前記半導体基板の前記主面上において、前記第２ゲート絶縁膜および第１金属膜を含む第２ゲート電極を備えたｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴを含むことを特徴とする半導体装置。
7. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記酸素欠損調整層は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯまたはＢａＯであることを特徴とする半導体装置。
8. 相補型ＭＩＳＦＥＴを備えた半導体装置の製造方法であって、
   （ａ）半導体基板の主面に酸化シリコン層を形成する工程、
   （ｂ）前記酸化シリコン層上に酸素欠損調整層を形成する工程、
   （ｃ）前記半導体基板の前記主面上の第１領域における前記酸素欠損調整層を残し、前記半導体基板の前記主面上の第２領域における前記酸素欠損調整層を除去する工程、
   （ｄ）前記（ｃ）工程後、前記半導体基板の前記主面上に前記酸化シリコン層より相対的に誘電率の大きい高誘電率層を形成する工程、
   （ｅ）前記第１領域において、前記高誘電率層上に水素に対する還元触媒効果を有する第１金属膜を形成する工程、
   （ｆ）前記第２領域において、前記高誘電率層上に第２金属膜を形成する工程、
   （ｇ）前記（ｅ）工程後、前記半導体基板に対して熱処理を施す工程、
   （ｈ）前記第１領域の前記第１金属膜上および前記第２領域の前記第２金属膜上に、シリコンおよび金属の化合物膜を形成する工程、
   （ｉ）前記第１領域において、前記化合物膜、前記第１金属膜、前記高誘電率層、前記酸素欠損調整層および前記酸化シリコン層をパターニングしてｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴの第１ゲート電極および第１ゲート絶縁膜を形成し、前記第２領域において、前記化合物膜、前記第２金属膜、前記高誘電率層および前記酸化シリコン層をパターニングしてｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴの第２ゲート電極および第２ゲート絶縁膜を形成する工程、
   を含み、
   前記酸素欠損調整層は、２Ａ族元素、３Ａ族元素、３Ｂ族元素、４Ａ族元素または５Ａ族元素を含む酸化物であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 請求項８記載の半導体装置の製造方法において、
   前記第１金属膜は、白金膜またはレニウム膜の単層膜、前記白金膜および前記レニウム膜の積層膜、または前記白金膜または前記レニウム膜から形成した合金膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. 請求項８記載の半導体装置の製造方法において、
    前記酸素欠損調整層は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯまたはＢａＯであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. 請求項８記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｇ）工程の熱処理は、４００℃〜６５０℃の雰囲気下で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
12. 請求項８記載の半導体装置の製造方法において、
    前記半導体基板は、シリコン基板上に絶縁層を挟んでシリコン活性層が設けられたＳＯＩ基板であり、
    前記酸素欠損調整層は、Ａｌ_２Ｏ_３またはＨｆＯ_２であり、
    前記（ｇ）工程の熱処理は、５００℃〜６００℃の雰囲気下で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
13. 相補型ＭＩＳＦＥＴを備えた半導体装置の製造方法であって、
    （ａ）半導体基板の主面に酸化シリコン層を形成する工程、
    （ｂ）前記酸化シリコン層上に酸素欠損調整層を形成する工程、
    （ｃ）前記（ｂ）工程後、前記半導体基板の前記主面上に前記酸化シリコン層より相対的に誘電率の大きい高誘電率層を形成する工程、
    （ｄ）前記半導体基板の前記主面上の第１領域および第２領域において、前記高誘電率層上に水素に対する還元触媒効果を有する第１金属膜を形成する工程、
    （ｅ）前記（ｄ）工程後、前記第２領域の前記第１金属膜上に第２金属膜を形成する工程、
    （ｆ）前記（ｅ）工程後、前記半導体基板に対して熱処理を施す工程、
    （ｇ）前記第１領域の前記第１金属膜上および前記第２領域の前記第２金属膜上に、シリコンおよび金属の化合物膜を形成する工程、
    （ｈ）前記第２領域において、前記化合物膜、前記第２金属膜、前記第１金属膜、前記高誘電率層および前記酸化シリコン層をパターニングしてｎチャネル型ＭＩＳＦＥＴの第１ゲート電極および第１ゲート絶縁膜を形成し、前記第１領域において、前記化合物膜、前記第１金属膜、前記高誘電率層、前記酸素欠損調整層および前記酸化シリコン層をパターニングしてｐチャネル型ＭＩＳＦＥＴの第２ゲート電極および第２ゲート絶縁膜を形成する工程、
    を含み、
    前記酸素欠損調整層は、２Ａ族元素、３Ａ族元素、３Ｂ族元素、４Ａ族元素または５Ａ族元素を含む酸化物であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
14. 請求項１３記載の半導体装置の製造方法において、
    前記第１金属膜は、白金膜またはレニウム膜の単層膜、前記白金膜および前記レニウム膜の積層膜、または前記白金膜または前記レニウム膜から形成した合金膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
15. 請求項１３記載の半導体装置の製造方法において、
    前記酸素欠損調整層は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌａ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯまたはＢａＯであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
16. 請求項１３記載の半導体装置の製造方法において、
    前記（ｆ）工程の熱処理は、４００℃〜６５０℃の雰囲気下で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
17. 請求項１３記載の半導体装置の製造方法において、
    前記半導体基板は、シリコン基板上に絶縁層を挟んでシリコン活性層が設けられたＳＯＩ基板であり、
    前記酸素欠損調整層は、Ｙ_２Ｏ_３であり、
    前記（ｆ）工程の熱処理は、４００℃〜６００℃の雰囲気下で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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