JP2010062499A - Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Nobuyuki Mise
信行 三瀬
Takahisa Sakaemori
貴尚 栄森
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the reliability of a CIS transistor using a high permittivity film as a gate insulating film. <P>SOLUTION: On the principal plane of a substrate 1, the active region of a pMIS transistor and the active region of an nMIS transistor insulated and separated from each other by an element isolation region 2 are provided. A hafnium-based oxide film 5 configuring the gate insulating film of the nMIS transistor is provided on the active region of the nMIS transistor so as to be on the element isolation region 2, and a hafnium-based oxide film 9 configuring the gate insulating film of the pMIS transistor comprising a material different from that of the hafnium-based oxide film 5 is brought into contact with the hafnium-based oxide film 5 on the element isolation region 2 and provided on the active region of the pMIS transistor. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置およびその製造技術に関し、特に、nチャネル型MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)およびpチャネル型MISFETを備えた半導体装置に適用して有効な技術に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing technique thereof, and more particularly to a technique effective when applied to a semiconductor device including an n-channel MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) and a p-channel MISFET.

半導体集積回路を構成するMISFET(以下、MISトランジスタという)を微細化、集積化しつつ、オン電流の増大などのトランジスタ駆動能力を向上する一つの手段として、ゲート絶縁膜の薄膜化が行われる。しかしながら、従来から用いられている酸化シリコンのみでゲート絶縁膜を構成した場合、その膜厚が薄くなり過ぎると、ダイレクトトンネリングと呼ばれる量子効果によって電子がゲート絶縁膜中を通り抜けるようになるためにリーク電流が増大し、絶縁膜として機能しなくなってしまう。   As one means for improving transistor drive capability such as an increase in on-current while miniaturizing and integrating MISFETs (hereinafter referred to as MIS transistors) constituting a semiconductor integrated circuit, a gate insulating film is thinned. However, when the gate insulating film is composed only of silicon oxide that has been used in the past, if the film thickness becomes too thin, electrons will pass through the gate insulating film due to a quantum effect called direct tunneling. An electric current increases and it does not function as an insulating film.

そこで、ゲート絶縁膜に、酸化シリコンより誘電率の高い高誘電率(high−k)材料が用いられてきている。これは、ゲート絶縁膜を高誘電率材料で構成した場合、酸化シリコン膜厚換算した絶縁容量が同じであっても、実際の物理膜厚を(高誘電率材料の誘電率/酸化シリコンの誘電率)倍だけ厚くできるので、駆動能力を維持しつつ、リーク電流を低減することができるからである。したがって、絶縁膜として機能する物理膜厚を有する高誘電率膜を用いて、ゲート絶縁膜のEOT(Equivalent Oxide Thickness、酸化シリコン膜換算膜厚)を薄く(小さく)することでトランジスタ特性の向上が図られている。   Therefore, a high dielectric constant (high-k) material having a dielectric constant higher than that of silicon oxide has been used for the gate insulating film. This is because when the gate insulating film is made of a high dielectric constant material, the actual physical film thickness (the dielectric constant of the high dielectric constant material / the dielectric constant of the silicon oxide) is the same even if the insulation capacitance in terms of the silicon oxide film thickness is the same. This is because the leakage current can be reduced while maintaining the driving capability. Therefore, by using a high dielectric constant film having a physical film thickness that functions as an insulating film, the transistor characteristics can be improved by making the EOT (Equivalent Oxide Thickness) of the gate insulating film thinner (smaller). It is illustrated.

また、従来から用いられているポリシリコンのみでゲート電極を構成した場合、ゲート絶縁膜とゲート電極の界面でポリシリコンが空乏化する現象が生じる。空乏化したポリシリコン膜は容量絶縁膜として機能することから、高誘電率材料を用いてEOTの薄膜化を進めても、空乏化したポリシリコンの分だけ実質的にゲート絶縁膜の膜厚が厚くなってしまう。このため、ゲート電極と半導体基板間の容量が小さくなってしまうので、オン電流の充分な確保が困難となる。   In addition, when the gate electrode is composed only of conventionally used polysilicon, a phenomenon occurs in which the polysilicon is depleted at the interface between the gate insulating film and the gate electrode. Since the depleted polysilicon film functions as a capacitive insulating film, even if the EOT is made thinner using a high dielectric constant material, the thickness of the gate insulating film is substantially increased by the amount of depleted polysilicon. It will be thick. For this reason, since the capacity between the gate electrode and the semiconductor substrate is reduced, it is difficult to ensure sufficient on-current.

そこで、ゲート絶縁膜に高誘電率材料を用いる場合、その上に配置されるゲート電極材料をポリシリコンではなく金属を用いることが検討されている。なお、nチャネル型MISトランジスタ(以下、nMISトランジスタという)およびpチャネル型MISトランジスタ(以下、pMISトランジスタという)のゲート電極材料が同一の金属から構成される場合(シングルメタル)と、異なる金属から構成される場合(デュアルメタル)がある。   Therefore, when a high dielectric constant material is used for the gate insulating film, it has been studied to use a metal instead of polysilicon as the gate electrode material disposed thereon. Note that the gate electrode material of the n-channel MIS transistor (hereinafter referred to as nMIS transistor) and the p-channel MIS transistor (hereinafter referred to as pMIS transistor) is composed of the same metal (single metal), and is composed of different metals. There is a case (dual metal).

さらに、トランジスタの高速性と低消費電力性を考慮した場合、低い閾値電圧が要求されるため、所望の閾値電圧に設計する必要がある。しかしながら、ゲート絶縁膜に高誘電率材料を用いた場合、絶縁膜中の電子のフェルミレベルが固定される現象(フェルミレベルピニング)によって、閾値電圧の制御性が困難となる問題がある。閾値電圧は実効仕事関数に大きく依存するので、所望の閾値電圧を得るためには実効仕事関数が制御できれば良い。この実効仕事関数は、MIS構造の様々な要因で、物性的な仕事関数とは異なるものである。このため、nMISトランジスタおよびpMISトランジスタのゲート絶縁膜材料に異なる高誘電率材料(デュアルhigh−k)を用いて、それぞれの閾値を調整することが行われている。   Furthermore, when considering the high speed and low power consumption of the transistor, a low threshold voltage is required, and therefore, it is necessary to design to a desired threshold voltage. However, when a high dielectric constant material is used for the gate insulating film, there is a problem that controllability of the threshold voltage becomes difficult due to a phenomenon (Fermi level pinning) in which the Fermi level of electrons in the insulating film is fixed. Since the threshold voltage greatly depends on the effective work function, the effective work function may be controlled in order to obtain a desired threshold voltage. This effective work function is different from the physical work function due to various factors of the MIS structure. For this reason, different high dielectric constant materials (dual high-k) are used for the gate insulating film materials of the nMIS transistor and the pMIS transistor to adjust the respective threshold values.

S.C.Song et al., Symp. VLSI Tech., Dig., pp.13-14, 2006(非特許文献1)には、CMIS(Complementary MIS)トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜構造をデュアルhigh−kとし、ゲート電極構造をデュアルメタルとした製造技術が開示されている。
S.C.Song et al., Symp. VLSI Tech., Dig., pp.13-14, 2006
In SCSong et al., Symp. VLSI Tech., Dig., Pp.13-14, 2006 (Non-patent Document 1), in a CMIS (Complementary MIS) transistor, the gate insulating film structure is dual high-k, A manufacturing technique using a dual metal electrode structure is disclosed.
SCSong et al., Symp. VLSI Tech., Dig., Pp.13-14, 2006

本発明者らは、nMISトランジスタおよびpMISトランジスタのゲート絶縁膜材料に、異なる高誘電率材料(デュアルhigh−k)を用いた半導体装置について検討を行っている。以下に、本発明者らが見出した課題について図面を参照して説明する。図51〜図54は、本発明者らが検討した製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す断面図である。なお、各図中にはそれぞれが対応するように、nMISトランジスタが形成されるnMIS領域およびpMISトランジスタが形成されるpMIS領域を示している。   The present inventors have studied a semiconductor device in which different high dielectric constant materials (dual high-k) are used as the gate insulating film materials of the nMIS transistor and the pMIS transistor. Below, the problems found by the present inventors will be described with reference to the drawings. 51 to 54 are cross-sectional views schematically showing main parts of the semiconductor device in the manufacturing process studied by the present inventors. Each figure shows an nMIS region in which an nMIS transistor is formed and a pMIS region in which a pMIS transistor is formed so as to correspond to each other.

nMISトランジスタおよびpMISトランジスタのゲート絶縁膜をデュアルhigh−kとする場合、一方のゲート絶縁膜材料膜を先に形成した後、他のゲート絶縁膜材料膜を形成することが考えられる。   In the case where the gate insulating films of the nMIS transistor and the pMIS transistor are dual high-k, it is conceivable that after forming one gate insulating film material film first, another gate insulating film material film is formed.

図51に示すように、幅W’を有する素子分離領域2によって互いに絶縁分離されたpMISトランジスタの活性領域(nウェル3に構成される)およびnMISトランジスタの活性領域(pウェル4に構成される)を有する半導体基板(以下、基板という)1の主面上に、pMISトランジスタのゲート絶縁膜を構成するハフニウム系酸化膜5(例えば、HfMgO膜)を形成する。次いで、ハフニウム系酸化膜5を保護する保護膜6、その保護膜6上にハードマスク7を形成した後、素子分離領域2に係り、pMISトランジスタの活性領域全体を覆うようなレジストマスク8を形成する。次いで、レジストマスク8を用いてハードマスク7をエッチングする。その後、レジストマスク8を除去した後、エッチングされたハードマスク7を用いて保護膜6、そしてハフニウム系酸化膜5をエッチングすると、図52に示すように、素子分離領域2に係り、pMISトランジスタの活性領域全体を覆うようにハードマスク7、保護膜6、ハフニウム系酸化膜5が残る。   As shown in FIG. 51, the active region of the pMIS transistor (configured in the n well 3) and the active region of the nMIS transistor (configured in the p well 4) isolated from each other by the element isolation region 2 having the width W ′. A hafnium-based oxide film 5 (for example, an HfMgO film) that forms a gate insulating film of a pMIS transistor is formed on a main surface of a semiconductor substrate (hereinafter referred to as a substrate) 1 having a). Next, after forming a protective film 6 for protecting the hafnium-based oxide film 5 and a hard mask 7 on the protective film 6, a resist mask 8 is formed so as to cover the entire active region of the pMIS transistor in the element isolation region 2. To do. Next, the hard mask 7 is etched using the resist mask 8. Thereafter, after removing the resist mask 8, the protective film 6 and the hafnium-based oxide film 5 are etched using the etched hard mask 7, as shown in FIG. The hard mask 7, the protective film 6, and the hafnium-based oxide film 5 remain so as to cover the entire active region.

続いて、図52に示すように、基板1の主面上に、nMISトランジスタのゲート絶縁膜を構成するハフニウム系酸化膜5と異なる材料のハフニウム系酸化膜9(例えば、HfAlO膜)を形成する。次いで、ハフニウム系酸化膜9を保護する保護膜10、その保護膜10上にハードマスク11を形成した後、素子分離領域2に係り、nMISトランジスタの活性領域全体を覆うようなレジストマスク12を形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 52, a hafnium-based oxide film 9 (for example, an HfAlO film) made of a material different from the hafnium-based oxide film 5 constituting the gate insulating film of the nMIS transistor is formed on the main surface of the substrate 1. . Next, after forming a protective film 10 for protecting the hafnium-based oxide film 9 and a hard mask 11 on the protective film 10, a resist mask 12 is formed so as to cover the entire active region of the nMIS transistor in the element isolation region 2. To do.

次いで、レジストマスク12を用いてハードマスク11をエッチングする。その後、レジストマスク12を除去した後、エッチングされたハードマスク11を用いて保護膜10をエッチングすると、図53に示すように、素子分離領域2に係り、nMISトランジスタの活性領域全体を覆うようにハードマスク11、保護膜10が残る。   Next, the hard mask 11 is etched using the resist mask 12. Thereafter, after removing the resist mask 12, the protective film 10 is etched using the etched hard mask 11, so as to cover the entire active region of the nMIS transistor in the element isolation region 2, as shown in FIG. The hard mask 11 and the protective film 10 remain.

次いで、ハードマスク7、11を除去すると共に、pMIS領域のハフニウム系酸化膜9を除去した後、保護膜6、10を除去すると図54に示すようになる。これにより、ハフニウム系酸化膜5は、素子分離領域2に係り、pMISトランジスタの活性領域を構成するnウェル3上に設けられ、またハフニウム系酸化膜9は、素子分離領域2に係り、nMISトランジスタの活性領域を構成するpウェル4上に設けられることとなる。なお、素子分離領域2上ではハフニウム系酸化膜5とハフニウム系酸化膜9とは接触していない。すなわち、素子分離領域2上にはゲート絶縁膜が存在しない領域がある。   Next, the hard masks 7 and 11 are removed, and the hafnium-based oxide film 9 in the pMIS region is removed, and then the protective films 6 and 10 are removed, as shown in FIG. As a result, the hafnium-based oxide film 5 is provided on the n-well 3 constituting the active region of the pMIS transistor in relation to the element isolation region 2, and the hafnium-based oxide film 9 is related to the element isolation region 2 in the nMIS transistor. It is provided on the p well 4 constituting the active region. Note that the hafnium-based oxide film 5 and the hafnium-based oxide film 9 are not in contact with each other on the element isolation region 2. That is, there is a region where no gate insulating film exists on the element isolation region 2.

次いで、図54に示すように、基板1の主面上に、ゲート電極材料を構成する金属膜13(例えば、窒化チタン膜)、さらにポリシリコン膜14を形成した後、パターニングによってゲート電極Gを形成する。その後、ゲート電極Gに整合して基板1の主面にソース/ドレイン領域となる半導体領域を形成する。   Next, as shown in FIG. 54, after forming a metal film 13 (for example, titanium nitride film) constituting the gate electrode material and a polysilicon film 14 on the main surface of the substrate 1, the gate electrode G is formed by patterning. Form. Thereafter, a semiconductor region to be a source / drain region is formed on the main surface of the substrate 1 in alignment with the gate electrode G.

ここで、例えば、図53で示すハードマスク7、11を除去し、さらに保護膜6、10を除去する際に、nMIS領域とpMIS領域との境界において素子分離領域2がえぐれるように削れてしまう場合がある。図55は素子分離領域2に削れ101が生じた半導体装置の要部を模式的に示す斜視図であり、図56はその半導体装置を模式的に示す平面図である。なお、これら図中には、ゲート電極Gに整合して形成されたpMISトランジスタのソース/ドレイン領域となるp型半導体領域18、nMISトランジスタのソース/ドレイン領域となるn型半導体領域19を示している。   Here, for example, when the hard masks 7 and 11 shown in FIG. 53 are removed and the protective films 6 and 10 are further removed, the element isolation region 2 is shaved off at the boundary between the nMIS region and the pMIS region. May end up. 55 is a perspective view schematically showing a main part of the semiconductor device in which the shaving 101 is generated in the element isolation region 2, and FIG. 56 is a plan view schematically showing the semiconductor device. In these drawings, a p-type semiconductor region 18 serving as a source / drain region of a pMIS transistor and an n-type semiconductor region 19 serving as a source / drain region of an nMIS transistor formed in alignment with the gate electrode G are shown. Yes.

素子分離領域2に削れ101が生じている状態で、例えば、n型半導体領域19を形成するために基板1の主面にn型不純物(例えばリン、砒素)を注入すると、素子分離領域2下の基板1までn型不純物が到達し、半導体領域102が形成されてしまう場合がある。この場合、寄生MISトランジスタが形成される。寄生MISトランジスタが形成された場合、誤動作の原因となるため、半導体装置の信頼性を低下させてしまうことが考えられる。   For example, when an n-type impurity (for example, phosphorus or arsenic) is implanted into the main surface of the substrate 1 in order to form the n-type semiconductor region 19 in a state where the shaving 101 is generated in the element isolation region 2, below the element isolation region 2. In some cases, the n-type impurity reaches the substrate 1 and the semiconductor region 102 is formed. In this case, a parasitic MIS transistor is formed. If a parasitic MIS transistor is formed, it may cause a malfunction, which may reduce the reliability of the semiconductor device.

また、図51で示したレジストマスク8と図52で示したレジストマスク12が覆う領域は重複(オーバーラップ)していない領域V’が存在するようにしている。これはオーバーラップさせた場合、その後の工程で形成されたゲートの高さが局所的に高い領域が生じてしまうなどのデバイス特性上の問題からである。このため、オーバーラップ領域がないようなデバイス構造となる。なお、オーバーラップさせないで形成された、ゲート絶縁膜構造をデュアルhigh−kとし、ゲート電極構造をデュアルメタルとしたCMISトランジスタが非特許文献1に記載されている。   Further, the region covered by the resist mask 8 shown in FIG. 51 and the resist mask 12 shown in FIG. 52 has a non-overlapping region V ′. This is due to a problem in device characteristics such that when overlapped, a region in which the height of the gate formed in the subsequent process is locally high is generated. Therefore, the device structure has no overlap region. Non-Patent Document 1 discloses a CMIS transistor formed without overlapping and having a gate insulating film structure of dual high-k and a gate electrode structure of dual metal.

しかしながら、今後の半導体装置の小型化・縮小化に対応させるためには、素子分離領域の幅(図51、図52では符号W’で示している)も狭くする必要がある。すなわち、デバイス特性上の問題を解決しつつ、素子分離領域の幅を狭くして半導体装置の面積を縮小する必要がある。   However, in order to cope with future miniaturization / reduction of the semiconductor device, it is necessary to reduce the width of the element isolation region (indicated by reference numeral W ′ in FIGS. 51 and 52). That is, it is necessary to reduce the area of the semiconductor device by reducing the width of the element isolation region while solving the problem in device characteristics.

本発明の目的は、半導体装置の信頼性を向上することのできる技術を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a technique capable of improving the reliability of a semiconductor device.

本発明の他の目的は、半導体装置を縮小化することのできる技術を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a technique capable of reducing the size of a semiconductor device.

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。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

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。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

本発明の一実施の形態における半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の主面に設けられた素子分離領域と、前記半導体基板の主面に設けられ、前記素子分離領域によって互いに絶縁分離された第1活性領域および第2活性領域と、を備えている。また、前記素子分離領域に係るように前記第1活性領域上に設けられた第1MISトランジスタ(例えば、nMISトランジスタ)の第1ゲート絶縁膜と、前記第1ゲート絶縁膜と前記素子分離領域上で接触し、前記第1ゲート絶縁膜と異なる材料から構成され、前記第2活性領域上に設けられた第2MISトランジスタ(例えば、pMISトランジスタ)の第2ゲート絶縁膜と、を備えている。さらに、前記第1ゲート絶縁膜上に設けられた前記第1MISトランジスタの第1ゲート電極と、前記第2ゲート絶縁膜上に設けられた前記第2MISトランジスタの第2ゲート電極と、を備えている。   A semiconductor device according to an embodiment of the present invention includes a semiconductor substrate, an element isolation region provided on the main surface of the semiconductor substrate, and an insulating isolation provided on the main surface of the semiconductor substrate. A first active region and a second active region. Further, a first gate insulating film of a first MIS transistor (for example, an nMIS transistor) provided on the first active region so as to be related to the element isolation region, the first gate insulating film, and the element isolation region And a second gate insulating film of a second MIS transistor (for example, a pMIS transistor) which is made of a material different from that of the first gate insulating film and is provided on the second active region. Furthermore, a first gate electrode of the first MIS transistor provided on the first gate insulating film and a second gate electrode of the second MIS transistor provided on the second gate insulating film are provided. .

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。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

この一実施の形態によれば、半導体装置の信頼性を向上することができる。また、半導体装置を縮小化することができる。   According to this embodiment, the reliability of the semiconductor device can be improved. In addition, the semiconductor device can be reduced in size.

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。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、以下の実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof may be omitted. In the drawings for explaining the following embodiments, hatching may be given even in plan views for easy understanding of the configuration.

(実施の形態1)
本実施の形態では、SRAM(static random access memory)を備えた半導体装置に本発明を適用した場合について説明する。
(Embodiment 1)
In this embodiment, a case where the present invention is applied to a semiconductor device provided with SRAM (static random access memory) will be described.

図1は本実施の形態における半導体装置の要部(SRAMセル)を模式的に示す平面図であり、図2は図1のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図、図3は図1のB−B’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。図1では、ゲート電極Gと、活性領域を構成するnウェル3およびpウェル4との関係を明確にするために、図2、図3で示すような層間絶縁膜22など、一部を省略して示している。また、図2、図3では図示しないが、本実施の形態における半導体装置は多層配線構造であっても良く、最表面には保護膜(パッシベーション膜)が設けられている。また、図2、図3に示すpMIS領域はpMISトランジスタQpが形成される領域であり、nMIS領域はnMISトランジスタQnが形成される領域である。   FIG. 1 is a plan view schematically showing the main part (SRAM cell) of the semiconductor device in the present embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device along the line AA ′ in FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line BB ′ of FIG. In FIG. 1, in order to clarify the relationship between the gate electrode G and the n well 3 and the p well 4 constituting the active region, a part of the interlayer insulating film 22 as shown in FIGS. 2 and 3 is omitted. As shown. Although not shown in FIGS. 2 and 3, the semiconductor device in this embodiment may have a multilayer wiring structure, and a protective film (passivation film) is provided on the outermost surface. The pMIS region shown in FIGS. 2 and 3 is a region where the pMIS transistor Qp is formed, and the nMIS region is a region where the nMIS transistor Qn is formed.

まず、本実施の形態におけるSRAMのレイアウト構成について説明する。図1に示すように、半導体基板(以下、基板という)1は素子分離領域2によって複数の活性領域に区画されている。なお、図1中ではpMISトランジスタQpの活性領域として、nウェル3(p型半導体領域18)が示されており、nMISトランジスタQnの活性領域として、pウェル4(n型半導体領域19)が示されている。   First, the layout configuration of the SRAM in this embodiment will be described. As shown in FIG. 1, a semiconductor substrate (hereinafter referred to as a substrate) 1 is divided into a plurality of active regions by element isolation regions 2. In FIG. 1, n well 3 (p-type semiconductor region 18) is shown as an active region of pMIS transistor Qp, and p well 4 (n-type semiconductor region 19) is shown as an active region of nMIS transistor Qn. Has been.

pMISトランジスタQpを構成するnウェル3では、ボロンなどのp型不純物を注入することにより、p型半導体領域(ソース/ドレイン)18が形成されている。そして、これらソース領域とドレイン領域の間のnウェル3上にゲート絶縁膜を介してゲート電極Gが形成されている。同様に、nMISトランジスタQnを構成するpウェル4には、リンや砒素などのn型不純物を導入することによりn型半導体領域(ソース/ドレイン)19が形成されている。そして、これらソース領域とドレイン領域の間のpウェル4上にゲート絶縁膜を介してゲート電極Gが形成されている。なお、図1では、ゲート電極Gは、活性領域の延在する第1方向(図面上下方向)とは交差する第2方向(図面左右方向)に延在している。   In the n-well 3 constituting the pMIS transistor Qp, a p-type semiconductor region (source / drain) 18 is formed by implanting a p-type impurity such as boron. A gate electrode G is formed on the n-well 3 between the source region and the drain region via a gate insulating film. Similarly, an n-type semiconductor region (source / drain) 19 is formed in the p-well 4 constituting the nMIS transistor Qn by introducing an n-type impurity such as phosphorus or arsenic. A gate electrode G is formed on the p-well 4 between the source region and the drain region via a gate insulating film. In FIG. 1, the gate electrode G extends in a second direction (horizontal direction in the drawing) that intersects the first direction (vertical direction in the drawing) in which the active region extends.

SRAMにおいては、複数のMISトランジスタからなるメモリセルが複数形成されている以外に、SRAMの構造上電位を得るための基板電位供給部が形成され、それらはコンタクト24や配線25(図3参照)を介して電気的に接続されている。   In the SRAM, in addition to the formation of a plurality of memory cells made up of a plurality of MIS transistors, a substrate potential supply unit for obtaining a potential in terms of the structure of the SRAM is formed, and these are formed by contacts 24 and wirings 25 (see FIG. 3). It is electrically connected via.

次に、本実施の形態におけるpMISトランジスタQpの構成について説明する。図2、図3に示すように、例えばp型単結晶シリコンから構成される基板1のpMIS領域には、nウェル3が形成されている。pMISトランジスタQpは、このnウェル3(基板1)上にゲート絶縁膜を構成するハフニウム系酸化膜5を介してゲート電極Gを有している。   Next, the configuration of the pMIS transistor Qp in the present embodiment will be described. As shown in FIGS. 2 and 3, an n well 3 is formed in the pMIS region of the substrate 1 made of, for example, p-type single crystal silicon. The pMIS transistor Qp has a gate electrode G on the n-well 3 (substrate 1) via a hafnium-based oxide film 5 constituting a gate insulating film.

このpMISトランジスタQpのゲート絶縁膜は、基板1の主面(素子形成面)上に設けられた酸化シリコン(SiO)よりも誘電率が高く、金属元素のアルミニウム(Al)を含むHfAlO膜(ハフニウム系酸化膜5)から構成されている。このように、ゲート絶縁膜にハフニウム系酸化膜5を用いることで、ゲート絶縁膜を酸化シリコン膜のみで構成した場合と比較して、リーク電流を抑制し、MISトランジスタを微細化、集積化しつつ、オン電流の増大などのトランジスタ駆動能力を向上することができる。なお、基板1とハフニウム系酸化膜5との間に界面層として酸化シリコン(SiO)膜が設けられていても良い。また、ハフニウム系酸化膜5を構成するHfAlO膜は、窒素(N)を含む構成でHfAlON膜であっても良い。 The gate insulating film of the pMIS transistor Qp has a higher dielectric constant than silicon oxide (SiO 2 ) provided on the main surface (element formation surface) of the substrate 1, and is an HfAlO film containing a metal element aluminum (Al) ( It consists of a hafnium-based oxide film 5). In this way, by using the hafnium-based oxide film 5 for the gate insulating film, the leakage current is suppressed and the MIS transistor is miniaturized and integrated as compared with the case where the gate insulating film is composed only of the silicon oxide film. In addition, transistor driving capability such as an increase in on-current can be improved. A silicon oxide (SiO 2 ) film may be provided as an interface layer between the substrate 1 and the hafnium-based oxide film 5. Further, the HfAlO film constituting the hafnium-based oxide film 5 may be a HfAlON film having a structure containing nitrogen (N).

また、金属元素が含まれたハフニウム系酸化膜5は、アルミニウムの他に、チタン(Ti)またはタンタル(Ta)のいずれの金属元素が含まれていても、pMISトランジスタQpのゲート絶縁膜として用いることができる。ハフニウム系酸化膜に金属元素を含めることで、実効仕事関数を制御することができ、pMISトランジスタQpを構成することができる。実効仕事関数をシリコンの伝導帯近傍(5.2eV近傍)に設定することで、pMISトランジスタQpの閾値電圧の低下を図ることができる。   Further, the hafnium-based oxide film 5 containing the metal element is used as a gate insulating film of the pMIS transistor Qp regardless of whether any metal element of titanium (Ti) or tantalum (Ta) is contained in addition to aluminum. be able to. By including a metal element in the hafnium-based oxide film, the effective work function can be controlled, and the pMIS transistor Qp can be configured. By setting the effective work function near the conduction band of silicon (near 5.2 eV), the threshold voltage of the pMIS transistor Qp can be lowered.

ゲート電極Gは、金属を含めた導電性材料から構成されており、pMISトランジスタQpのゲート絶縁膜(ハフニウム系酸化膜5)上に窒化チタン(TiN)膜で構成される金属膜13と、金属膜13上にポリシリコン膜14とを有している。ゲート電極G(ポリシリコン膜14)の表面にはシリサイド化されたシリサイド膜21(例えば、ニッケルシリサイド膜、コバルトシリサイド膜)が形成されている。   The gate electrode G is made of a conductive material including metal, and a metal film 13 made of a titanium nitride (TiN) film on the gate insulating film (hafnium-based oxide film 5) of the pMIS transistor Qp, and a metal A polysilicon film 14 is provided on the film 13. A silicided silicide film 21 (for example, a nickel silicide film or a cobalt silicide film) is formed on the surface of the gate electrode G (polysilicon film 14).

金属膜13は、ゲート絶縁膜と直接接しており、主としてpMISトランジスタQpの閾値電圧を調整するために用いられるものである。一方、ポリシリコン膜14は、主としてゲート電極Gの低抵抗化のために用いられるものである。また、ゲート電極Gの両側の側壁には、サイドウォール20が形成されている。このサイドウォール20は、例えば窒化シリコン膜などの絶縁膜から形成されている。   The metal film 13 is in direct contact with the gate insulating film, and is mainly used for adjusting the threshold voltage of the pMIS transistor Qp. On the other hand, the polysilicon film 14 is mainly used for reducing the resistance of the gate electrode G. Further, sidewalls 20 are formed on the sidewalls on both sides of the gate electrode G. The sidewall 20 is formed of an insulating film such as a silicon nitride film.

サイドウォール20直下のnウェル3内には、ゲート電極Gに整合して設けられたp型半導体領域(ソース/ドレイン)18が形成されている。このp型半導体領域18は、基板1にボロン(B)などのp型不純物を導入して形成された不純物領域である。そして、p型半導体領域18の表面には、コンタクト24との接続性を良好とするために、サイドウォール20に整合してシリサイド膜21が形成されている。このように一対のp型半導体領域18により、pMISトランジスタQnのソース領域とドレイン領域が形成されている。   A p-type semiconductor region (source / drain) 18 provided in alignment with the gate electrode G is formed in the n-well 3 immediately below the sidewall 20. The p-type semiconductor region 18 is an impurity region formed by introducing a p-type impurity such as boron (B) into the substrate 1. A silicide film 21 is formed on the surface of the p-type semiconductor region 18 so as to be aligned with the sidewall 20 in order to improve the connectivity with the contact 24. Thus, the pair of p-type semiconductor regions 18 form the source region and the drain region of the pMIS transistor Qn.

次に、本実施の形態におけるnMISトランジスタQnの構成について説明する。図2、図3に示すように、例えばp型単結晶シリコンから構成される基板1のnMIS領域には、pウェル4が形成されている。nMISトランジスタQnは、このpウェル(基板1)上にゲート絶縁膜を構成するハフニウム系酸化膜9を介してゲート電極Gを有している。   Next, the configuration of the nMIS transistor Qn in the present embodiment will be described. As shown in FIGS. 2 and 3, a p-well 4 is formed in the nMIS region of the substrate 1 made of, for example, p-type single crystal silicon. The nMIS transistor Qn has a gate electrode G on the p well (substrate 1) through a hafnium-based oxide film 9 constituting a gate insulating film.

このnMISトランジスタQnのゲート絶縁膜は、基板1の主面(素子形成面)上に設けられた酸化シリコン(SiO)よりも誘電率が高く、金属元素のマグネシウム(Mg)を含むHfMgO膜(ハフニウム系酸化膜9)から構成されている。このように、ゲート絶縁膜にハフニウム系酸化膜を用いることで、ゲート絶縁膜を酸化シリコン膜のみで構成した場合と比較して、リーク電流を抑制し、MISトランジスタを微細化、集積化しつつ、オン電流の増大などのトランジスタ駆動能力を向上することができる。なお、基板1とハフニウム系酸化膜9との間に界面層として酸化シリコン(SiO)膜が設けられていても良い。また、ハフニウム系酸化膜9を構成するHfMgO膜は、窒素(N)を含む構成でHfMgON膜であっても良い。 The gate insulating film of the nMIS transistor Qn has a dielectric constant higher than that of silicon oxide (SiO 2 ) provided on the main surface (element formation surface) of the substrate 1, and is an HfMgO film containing a metal element magnesium (Mg) ( It consists of a hafnium-based oxide film 9). In this way, by using a hafnium-based oxide film for the gate insulating film, the leakage current is suppressed and the MIS transistor is miniaturized and integrated as compared with the case where the gate insulating film is composed of only a silicon oxide film. Transistor driving capability such as an increase in on-current can be improved. A silicon oxide (SiO 2 ) film may be provided as an interface layer between the substrate 1 and the hafnium-based oxide film 9. Further, the HfMgO film constituting the hafnium-based oxide film 9 may be a HfMgON film having a structure containing nitrogen (N).

また、金属元素が含まれたハフニウム系酸化膜9は、マグネシウムの他に、ランタン(La)、ガドリニウム(Gd)またはイットリウム(Y)のいずれの金属元素が含まれていても、nMISトランジスタQnのゲート絶縁膜として用いることができる。ハフニウム系酸化膜に金属元素を含めることで、実効仕事関数を制御することができ、nMISトランジスタQnを構成することができる。実効仕事関数をシリコンの伝導帯近傍(4.1eV近傍)に設定することで、nMISトランジスタQnの閾値電圧の低下を図ることができる。   In addition, the hafnium-based oxide film 9 containing the metal element may contain any metal element of lanthanum (La), gadolinium (Gd), or yttrium (Y) in addition to magnesium. It can be used as a gate insulating film. By including a metal element in the hafnium-based oxide film, the effective work function can be controlled and the nMIS transistor Qn can be configured. By setting the effective work function in the vicinity of the silicon conduction band (near 4.1 eV), the threshold voltage of the nMIS transistor Qn can be lowered.

ゲート電極Gは、金属を含めた導電性材料から構成されており、nMISトランジスタQnのゲート絶縁膜(ハフニウム系酸化膜9)上に窒化チタン(TiN)膜で構成される金属膜13と、金属膜13上にポリシリコン膜14とを有している。ゲート電極G(ポリシリコン膜14)の表面にはシリサイド化されたシリサイド膜21(例えば、ニッケルシリサイド膜、コバルトシリサイド膜)が形成されている。   The gate electrode G is made of a conductive material including metal, and a metal film 13 made of a titanium nitride (TiN) film on the gate insulating film (hafnium-based oxide film 9) of the nMIS transistor Qn, and a metal A polysilicon film 14 is provided on the film 13. A silicided silicide film 21 (for example, a nickel silicide film or a cobalt silicide film) is formed on the surface of the gate electrode G (polysilicon film 14).

金属膜13は、ゲート絶縁膜と直接接しており、主としてnMISトランジスタQnの閾値電圧を調整するために用いられるものである。一方、ポリシリコン膜14は、主としてゲート電極Gの低抵抗化のために用いられるものである。また、ゲート電極Gの両側の側壁には、サイドウォール20が形成されている。このサイドウォール20は、例えば窒化シリコン膜などの絶縁膜から形成されている。   The metal film 13 is in direct contact with the gate insulating film, and is mainly used for adjusting the threshold voltage of the nMIS transistor Qn. On the other hand, the polysilicon film 14 is mainly used for reducing the resistance of the gate electrode G. Further, sidewalls 20 are formed on the sidewalls on both sides of the gate electrode G. The sidewall 20 is formed of an insulating film such as a silicon nitride film.

サイドウォール20直下のpウェル4内には、ゲート電極Gに整合して設けられたn型半導体領域(ソース/ドレイン)19が形成されている。このn型半導体領域19は、基板1にリン(P)や砒素(As)などのn型不純物を導入して形成された不純物領域である。そして、n型半導体領域19の表面には、コンタクト24との接続性を良好とするために、サイドウォール20に整合してシリサイド膜21が形成されている。このように一対のn型半導体領域19により、nMISトランジスタQnのソース領域とドレイン領域が形成されている。   An n-type semiconductor region (source / drain) 19 provided in alignment with the gate electrode G is formed in the p-well 4 immediately below the sidewall 20. The n-type semiconductor region 19 is an impurity region formed by introducing an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) into the substrate 1. A silicide film 21 is formed on the surface of the n-type semiconductor region 19 in alignment with the sidewall 20 in order to improve the connectivity with the contact 24. Thus, the source region and the drain region of the nMIS transistor Qn are formed by the pair of n-type semiconductor regions 19.

以上のように、本実施の形態における半導体装置は、基板1と、基板1の主面に設けられた素子分離領域2と、基板1の主面に設けられ、素子分離領域2によって互いに絶縁分離されたpMISトランジスタQpの活性領域およびnMISトランジスタQnの活性領域をそれぞれ構成するnウェル3およびpウェル4と、nウェル3上に設けられたpMISトランジスタQpのゲート絶縁膜(ハフニウム系酸化膜5)と、pウェル4上に設けられたnMISトランジスタQnのゲート絶縁膜(ハフニウム系酸化膜9)とを備えている。このハフニウム系酸化膜5およびハフニウム系酸化膜9は、図2に示すように、素子分離領域2に係るようにnウェル3上に設けられたpMISトランジスタQpのゲート絶縁膜(ハフニウム系酸化膜5)と、ハフニウム系酸化膜5と素子分離領域2上で接触し、pウェル4上に設けられたハフニウム系酸化膜5と異なる材料から構成されるnMISトランジスタQnのゲート絶縁膜(ハフニウム系酸化膜9)として設けられている。さらに、ハフニウム系酸化膜5上に設けられたpMISトランジスタのゲート電極Gと、ハフニウム系酸化膜9上に設けられたnMISトランジスタQnのゲート電極Gとを備えている。   As described above, the semiconductor device in the present embodiment includes the substrate 1, the element isolation region 2 provided on the main surface of the substrate 1, and the main surface of the substrate 1, which are insulated from each other by the element isolation region 2. N well 3 and p well 4 constituting the active region of pMIS transistor Qp and nMIS transistor Qn, respectively, and the gate insulating film (hafnium-based oxide film 5) of pMIS transistor Qp provided on n well 3 And a gate insulating film (hafnium-based oxide film 9) of the nMIS transistor Qn provided on the p-well 4. As shown in FIG. 2, the hafnium-based oxide film 5 and the hafnium-based oxide film 9 are formed of the gate insulating film (hafnium-based oxide film 5) of the pMIS transistor Qp provided on the n-well 3 so as to be related to the element isolation region 2. ) And the gate insulating film (hafnium-based oxide film) of the nMIS transistor Qn that is in contact with the hafnium-based oxide film 5 on the element isolation region 2 and is made of a material different from the hafnium-based oxide film 5 provided on the p-well 4. 9). Furthermore, the gate electrode G of the pMIS transistor provided on the hafnium-based oxide film 5 and the gate electrode G of the nMIS transistor Qn provided on the hafnium-based oxide film 9 are provided.

このように、基板1のnMIS領域にnMISトランジスタQnが設けられており、基板1のpMIS領域にpMISトランジスタQpが設けられている。また、それぞれが異なる材料からなるハフニウム系酸化膜をゲート絶縁膜として備えたnMISトランジスタQnおよびpMISトランジスタQpからCMISトランジスタを構成することによって、半導体装置の高性能化を図ることができる。具体的には、CMISトランジスタの閾値を低減することができ、高いオン電流を有し、かつ消費電力の低いCMISトランジスタを実現することができる。   As described above, the nMIS transistor Qn is provided in the nMIS region of the substrate 1, and the pMIS transistor Qp is provided in the pMIS region of the substrate 1. Further, by configuring the CMIS transistor from the nMIS transistor Qn and the pMIS transistor Qp each having a hafnium-based oxide film made of a different material as a gate insulating film, high performance of the semiconductor device can be achieved. Specifically, the threshold of the CMIS transistor can be reduced, and a CMIS transistor having a high on-state current and low power consumption can be realized.

また、素子分離領域2上でpMISトランジスタQpのゲート絶縁膜(ハフニウム系酸化膜5)と、nMISトランジスタQnのゲート絶縁膜(ハフニウム系酸化膜9)とが、接触しており、言い換えると、素子分離領域2上でハフニウム系酸化膜5とハフニウム系酸化膜9の両方の組成を有する領域が存在する。素子分離領域2上でハフニウム系酸化膜5と、ハフニウム系酸化膜9とが少なくとも接触していることによって、本発明者らが検討した半導体装置において課題となった寄生MISトランジスタが生成される可能性を低減することができる。また、例えばハフニウム系酸化膜5上にハフニウム系酸化膜9が乗り上げた状態であっても、本発明者らが検討した半導体装置において課題となった寄生MISトランジスタが生成される可能性を低減することができる。このことは、後述するが、素子分離領域2上で接触しているハフニウム系酸化膜5とハフニウム系酸化膜9とによって、製造工程中のエッチング工程において素子分離領域2が削られることを防止することができるからである。これにより、寄生MISトランジスタによる誤動作を抑制することができるので、半導体装置の信頼性を向上することができる。   Further, the gate insulating film (hafnium-based oxide film 5) of the pMIS transistor Qp and the gate insulating film (hafnium-based oxide film 9) of the nMIS transistor Qn are in contact with each other on the element isolation region 2, in other words, the element On the isolation region 2, there is a region having the composition of both the hafnium-based oxide film 5 and the hafnium-based oxide film 9. Since at least the hafnium-based oxide film 5 and the hafnium-based oxide film 9 are in contact with each other on the element isolation region 2, a parasitic MIS transistor that has been a problem in the semiconductor device studied by the present inventors can be generated. Can be reduced. Further, for example, even when the hafnium-based oxide film 9 is placed on the hafnium-based oxide film 5, the possibility of generating a parasitic MIS transistor that has been a problem in the semiconductor device studied by the present inventors is reduced. be able to. As will be described later, this prevents the element isolation region 2 from being scraped in the etching process during the manufacturing process by the hafnium-based oxide film 5 and the hafnium-based oxide film 9 that are in contact with each other on the element isolation region 2. Because it can. Accordingly, malfunction due to the parasitic MIS transistor can be suppressed, and the reliability of the semiconductor device can be improved.

次に、本実施の形態における半導体装置を構成するnMISトランジスタQnおよびpMISトランジスタQpの製造方法について図面を参照して説明する。   Next, a method for manufacturing the nMIS transistor Qn and the pMIS transistor Qp constituting the semiconductor device in the present embodiment will be described with reference to the drawings.

まず、図5および図6に示すように、素子分離領域2によって互いに絶縁分離されたpMISトランジスタの活性領域を構成するnウェル3、およびnMISトランジスタの活性領域を構成するpウェル4を有する基板1を準備する。   First, as shown in FIGS. 5 and 6, a substrate 1 having an n well 3 constituting an active region of a pMIS transistor isolated from each other by an element isolation region 2 and a p well 4 constituting an active region of the nMIS transistor. Prepare.

具体的には、まず、例えばp型単結晶シリコンから構成された基板1の主面(素子形成面)に表面処理を施す。次いで、例えば120nm〜150nmの深さの素子分離溝に、例えばCVD法を用いて酸化シリコン膜を埋め込むことで、STI(Shallow Trench Isolation)から構成される素子分離領域2を形成する。この素子分離領域2では、pMIS領域およびnMIS領域の境界が位置することとなる。次いで、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を用いて、リン(P)や砒素(As)などのn型不純物をpMIS領域の基板1内に導入することによりnウェル3を形成する。同様に、フォトリソグラフィ技術およびイオン注入法を用いて、ボロン(B)やフッ化ボロン(BF)などのp型不純物をnMIS領域の基板1内に導入することによりpウェル4を形成する。 Specifically, first, surface treatment is performed on the main surface (element formation surface) of the substrate 1 made of, for example, p-type single crystal silicon. Next, an element isolation region 2 composed of STI (Shallow Trench Isolation) is formed by embedding a silicon oxide film in, for example, a CVD method in an element isolation trench having a depth of 120 nm to 150 nm, for example. In the element isolation region 2, the boundary between the pMIS region and the nMIS region is located. Next, an n-well 3 is formed by introducing an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) into the substrate 1 in the pMIS region using a photolithography technique and an ion implantation method. Similarly, a p-well 4 is formed by introducing a p-type impurity such as boron (B) or boron fluoride (BF 2 ) into the substrate 1 in the nMIS region by using a photolithography technique and an ion implantation method.

続いて、図7および図8に示すように、基板1の主面上に、pMISトランジスタのゲート絶縁膜材料膜として、酸化シリコン(SiO)より誘電率が高いハフニウム系酸化膜5を形成した後、ハフニウム系酸化膜5上に順にハフニウム系酸化膜5に対してエッチングの選択比が高い保護膜6、その保護膜6に対してエッチングの選択比が高いハードマスク7を積層形成する。 Subsequently, as shown in FIGS. 7 and 8, a hafnium-based oxide film 5 having a dielectric constant higher than that of silicon oxide (SiO 2 ) is formed on the main surface of the substrate 1 as a gate insulating film material film of the pMIS transistor. Thereafter, a protective film 6 having a high etching selectivity with respect to the hafnium-based oxide film 5 and a hard mask 7 having a high etching selectivity with respect to the protective film 6 are sequentially stacked on the hafnium-based oxide film 5.

具体的には、まず、原子層制御成膜(ALD:Atomic Layer Deposition)法、CVD法あるいはスパッタ法を用いて、ハフニウム系酸化膜5として2〜3nm程度の厚さの酸化ハフニウムアルミニウム(HfAlO)膜を形成する。このHfAlO膜(ハフニウム系酸化膜5)は、酸化シリコンより誘電率が高いので、高誘電率(high−k)膜である。このHfAlO膜に対して、必要に応じて製造途中、最後に窒化や熱処理しても良い。なお、ハフニウム系酸化膜5と基板1との間に界面層として0.5nm程度の厚さで酸化シリコン(SiO)膜を形成しても良い。 Specifically, first, hafnium aluminum oxide (HfAlO) having a thickness of about 2 to 3 nm is formed as the hafnium-based oxide film 5 by using atomic layer deposition (ALD) method, CVD method or sputtering method. A film is formed. The HfAlO film (hafnium-based oxide film 5) is a high dielectric constant (high-k) film because it has a dielectric constant higher than that of silicon oxide. The HfAlO film may be subjected to nitriding or heat treatment at the end of the manufacturing as needed. A silicon oxide (SiO 2 ) film having a thickness of about 0.5 nm may be formed as an interface layer between the hafnium-based oxide film 5 and the substrate 1.

次いで、スパッタ法を用いて、保護膜6として10nm程度の厚さの窒化チタン(TiN)膜を形成する。この保護膜6のTiN膜は製造工程上必要な膜であるが、最終製品には存在しない。したがって、容易に堆積形成することができ、選択比が高く除去できる材料が望ましい。本実施の形態では、保護膜6としてTiN膜を適用したのは、スパッタ法で容易に堆積形成でき、窒化チタンを容易に除去できるウエットエッチング材料として過酸化水素水(H)が既知であり、下地であるHfAlO膜(ハフニウム系酸化膜5)にダメージを与えずに除去されるからである。 Next, a titanium nitride (TiN) film having a thickness of about 10 nm is formed as the protective film 6 by sputtering. The TiN film of the protective film 6 is a film necessary for the manufacturing process, but is not present in the final product. Therefore, it is desirable to use a material that can be easily deposited and removed with a high selectivity. In this embodiment, the TiN film is applied as the protective film 6 because hydrogen peroxide water (H 2 O 2 ) is known as a wet etching material that can be easily deposited by sputtering and titanium nitride can be easily removed. This is because the underlying HfAlO film (hafnium-based oxide film 5) is removed without damaging it.

なお、保護膜6としては、ポリシリコン膜も用いることができる。この場合は、水酸化カリウム(KOH)や水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)で選択的に除去することができる。   As the protective film 6, a polysilicon film can also be used. In this case, it can be selectively removed with potassium hydroxide (KOH) or tetramethylammonium hydroxide (TMAH).

次いで、HCD(Hexa-Chloro-Disilane)を原料とした450℃程度の低温でCVD法を用いて、ハードマスク7として10nm程度の厚さの窒化シリコン(SiN)膜を形成する。このハードマスク7のHCD−SiN膜は製造工程上必要な膜であるが、最終製品には存在しない。したがって、容易に堆積形成することができ、選択比が高く除去できる材料が望ましい。本実施の形態では、ハードマスク7としてこの窒化シリコン膜を適用したのは、CVD法によって容易に堆積形成でき、HCD−SiN膜を容易に除去できるウエットエッチング材料として希フッ酸(dHF)が既知であり、下地であるTiN膜(保護膜6)にダメージを与えずに除去されるからである。また、DCS(Di-Chloro-Silane)を原料とした窒化シリコン膜は希フッ酸では除去することができないため、TiN膜(保護膜6)に対してエッチングの選択比が低く、本実施の形態では適用していない。   Next, a silicon nitride (SiN) film having a thickness of about 10 nm is formed as the hard mask 7 using a CVD method at a low temperature of about 450 ° C. using HCD (Hexa-Chloro-Disilane) as a raw material. The HCD-SiN film of the hard mask 7 is a film necessary for the manufacturing process, but is not present in the final product. Therefore, it is desirable to use a material that can be easily deposited and removed with a high selectivity. In the present embodiment, the silicon nitride film is applied as the hard mask 7 because it is easily deposited by CVD, and dilute hydrofluoric acid (dHF) is known as a wet etching material that can easily remove the HCD-SiN film. This is because it is removed without damaging the underlying TiN film (protective film 6). In addition, since the silicon nitride film using DCS (Di-Chloro-Silane) as a raw material cannot be removed by dilute hydrofluoric acid, the etching selectivity is low with respect to the TiN film (protective film 6). Does not apply.

なお、ハードマスク7としては、アモルファスシリコン膜、ポリシリコン膜も用いることができる。この場合は、水酸化カリウム(KOH)や水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)で選択的に除去することができる。   As the hard mask 7, an amorphous silicon film or a polysilicon film can also be used. In this case, it can be selectively removed with potassium hydroxide (KOH) or tetramethylammonium hydroxide (TMAH).

続いて、図9および図10に示すように、pMISトランジスタを構成する活性領域とnMISトランジスタを構成する活性領域とを絶縁分離する素子分離領域2に係り、pMISトランジスタの活性領域全体を覆うレジストマスク8を形成する。具体的には、フォトリソグラフィ技術を用いて、基板1の主面上にレジスト膜を形成した後、nMISトランジスタの活性領域を含むnMIS領域のpウェル4を露出するためにパターニングされたレジストマスク8を形成する。   Subsequently, as shown in FIGS. 9 and 10, a resist mask covering the entire active region of the pMIS transistor in the element isolation region 2 that insulates and isolates the active region constituting the pMIS transistor and the active region constituting the nMIS transistor. 8 is formed. Specifically, after forming a resist film on the main surface of the substrate 1 using photolithography technology, a resist mask 8 patterned to expose the p well 4 in the nMIS region including the active region of the nMIS transistor. Form.

続いて、図11および図12に示すように、素子分離領域2に係り、pMISトランジスタの活性領域全体に設けられたレジストマスク8を用いて、ハードマスク7をエッチングする。ここでは、ハードマスク7を構成するHCD−SiN膜は、ドライエッチングまたはウエットエッチングのどちらかを用いて、エッチングされる。   Subsequently, as shown in FIGS. 11 and 12, the hard mask 7 is etched using the resist mask 8 provided in the entire active region of the pMIS transistor in the element isolation region 2. Here, the HCD-SiN film constituting the hard mask 7 is etched using either dry etching or wet etching.

続いて、レジストマスク8をアッシングにより除去した後、図13および図14に示すように、素子分離領域2に係り、pMISトランジスタの活性領域全体に設けられたハードマスク7を用いて、保護膜6をエッチングする。具体的には、HCD−SiN膜をマスク(ハードマスク7)にして、nMIS領域で露出した保護膜6を構成するTiN膜を過酸化水素水(H)によるウエットエッチングで選択的に除去する。この際、ハードマスク7を構成するHCD−SiN膜やハフニウム系酸化膜5もほとんどダメージを受けないことが重要である。 Subsequently, after removing the resist mask 8 by ashing, as shown in FIGS. 13 and 14, the hard mask 7 provided in the entire active region of the pMIS transistor in the element isolation region 2 is used to protect the protective film 6. Etch. Specifically, using the HCD-SiN film as a mask (hard mask 7), the TiN film constituting the protective film 6 exposed in the nMIS region is selectively etched by wet etching with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). Remove. At this time, it is important that the HCD-SiN film and the hafnium-based oxide film 5 constituting the hard mask 7 are hardly damaged.

続いて、図15および図16に示すように、素子分離領域2に係り、pMISトランジスタの活性領域全体に設けられたハードマスク7および保護膜6を用いて、ハフニウム系酸化膜5をエッチングする。具体的には、HCD−SiN膜(ハードマスク7)およびその下のTiN膜(保護膜6)をマスクにして、nMIS領域で露出したハフニウム系酸化膜5を構成するHfAlO膜を希フッ酸(dHF)によるエッチングで選択的に除去する。これにより、nMIS領域において、nMISトランジスタの活性領域を構成するpウェル4が露出する。   Subsequently, as shown in FIGS. 15 and 16, the hafnium-based oxide film 5 is etched using the hard mask 7 and the protective film 6 provided in the entire active region of the pMIS transistor in the element isolation region 2. Specifically, using the HCD-SiN film (hard mask 7) and the underlying TiN film (protective film 6) as a mask, the HfAlO film constituting the hafnium-based oxide film 5 exposed in the nMIS region is diluted with dilute hydrofluoric acid ( It is selectively removed by etching with dHF). As a result, the p well 4 constituting the active region of the nMIS transistor is exposed in the nMIS region.

続いて、図17および図18に示すように、基板1の主面上に、nMISトランジスタのゲート絶縁膜材料膜として、酸化シリコン(SiO)より誘電率が高く、ハフニウム系酸化膜5と異なる材料から構成されるハフニウム系酸化膜9を形成した後、ハフニウム系酸化膜9上に順にハフニウム系酸化膜9に対してエッチングの選択比が高い保護膜10、その保護膜10に対してエッチングの選択比が高いハードマスク11を積層形成する。 Subsequently, as shown in FIGS. 17 and 18, the gate insulating film material film of the nMIS transistor on the main surface of the substrate 1 has a higher dielectric constant than silicon oxide (SiO 2 ) and is different from the hafnium-based oxide film 5. After the hafnium-based oxide film 9 made of the material is formed, the protective film 10 having a high etching selectivity with respect to the hafnium-based oxide film 9 is sequentially formed on the hafnium-based oxide film 9, and the protective film 10 is etched. A hard mask 11 having a high selectivity is stacked.

具体的には、まず、原子層制御成膜(ALD:Atomic Layer Deposition)法、CVD法あるいはスパッタ法を用いて、ハフニウム系酸化膜9として2〜3nm程度の厚さの酸化ハフニウムマグネシウム(HfMgO)膜を形成する。このHfMgO膜(ハフニウム系酸化膜9)は、酸化シリコンより誘電率が高いので、高誘電率(high−k)膜である。このHfMgO膜に対して、必要に応じて製造途中、最後に窒化や熱処理しても良い。なお、ハフニウム系酸化膜9と基板1との間に界面層として0.5nm程度の厚さで酸化シリコン(SiO)膜を形成しても良い。 Specifically, first, a hafnium magnesium oxide (HfMgO) having a thickness of about 2 to 3 nm is formed as the hafnium-based oxide film 9 by using an atomic layer controlled deposition (ALD) method, a CVD method, or a sputtering method. A film is formed. The HfMgO film (hafnium-based oxide film 9) is a high dielectric constant (high-k) film because it has a dielectric constant higher than that of silicon oxide. The HfMgO film may be subjected to nitriding or heat treatment at the end of manufacturing or at the end if necessary. A silicon oxide (SiO 2 ) film having a thickness of about 0.5 nm may be formed as an interface layer between the hafnium-based oxide film 9 and the substrate 1.

次いで、スパッタ法を用いて、保護膜10として10nm程度の厚さの窒化チタン(TiN)膜を形成する。この保護膜10のTiN膜は製造工程上必要な膜であるが、最終製品には存在しない。したがって、容易に堆積形成することができ、選択比が高く除去できる材料が望ましい。本実施の形態では、保護膜10としてTiN膜を適用したのは、スパッタ法で容易に堆積形成でき、窒化チタンを容易に除去できるウエットエッチング材料として過酸化水素水(H)が既知であり、下地であるHfMgO膜(ハフニウム系酸化膜9)にダメージを与えずに除去されるからである。 Next, a titanium nitride (TiN) film having a thickness of about 10 nm is formed as the protective film 10 by sputtering. The TiN film of the protective film 10 is a film necessary for the manufacturing process, but is not present in the final product. Therefore, it is desirable to use a material that can be easily deposited and removed with a high selectivity. In the present embodiment, the TiN film is applied as the protective film 10 because hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is known as a wet etching material that can be easily formed by sputtering and can easily remove titanium nitride. This is because the underlying HfMgO film (hafnium-based oxide film 9) is removed without damaging it.

なお、保護膜10としては、ポリシリコン膜も用いることができる。この場合は、水酸化カリウム(KOH)や水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)で選択的に除去することができる。   As the protective film 10, a polysilicon film can also be used. In this case, it can be selectively removed with potassium hydroxide (KOH) or tetramethylammonium hydroxide (TMAH).

次いで、HCDを原料とした450℃程度の低温でCVD法を用いて、ハードマスク11として10nm程度の厚さの窒化シリコン(SiN)膜を形成する。このハードマスク11のHCD−SiN膜は製造工程上必要な膜であるが、最終製品には存在しない。したがって、容易に堆積形成することができ、選択比が高く除去できる材料が望ましい。本実施の形態では、ハードマスク11としてこの窒化シリコン膜を適用したのは、CVD法によって容易に堆積形成でき、HCD−SiN膜を容易に除去できるウエットエッチング材料として希フッ酸(dHF)が既知であり、下地であるTiN膜(保護膜10)にダメージを与えずに除去されるからである。また、DCS(Di-Chloro-Silane)を原料とした窒化シリコン膜は希フッ酸では除去することができないため、TiN膜(保護膜10)に対してエッチングの選択比が低く、本実施の形態では適用していない。   Next, a silicon nitride (SiN) film having a thickness of about 10 nm is formed as the hard mask 11 using a CVD method at a low temperature of about 450 ° C. using HCD as a raw material. The HCD-SiN film of the hard mask 11 is a film necessary for the manufacturing process, but is not present in the final product. Therefore, it is desirable to use a material that can be easily deposited and removed with a high selectivity. In this embodiment, the silicon nitride film is applied as the hard mask 11 because it is easily deposited by CVD, and dilute hydrofluoric acid (dHF) is known as a wet etching material that can easily remove the HCD-SiN film. This is because it is removed without damaging the underlying TiN film (protective film 10). In addition, since the silicon nitride film using DCS (Di-Chloro-Silane) as a raw material cannot be removed by dilute hydrofluoric acid, the etching selection ratio is low with respect to the TiN film (protective film 10). Does not apply.

なお、ハードマスク11としては、アモルファスシリコン膜、ポリシリコン膜も用いることができる。この場合は、水酸化カリウム(KOH)や水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)で選択的に除去することができる。   As the hard mask 11, an amorphous silicon film or a polysilicon film can also be used. In this case, it can be selectively removed with potassium hydroxide (KOH) or tetramethylammonium hydroxide (TMAH).

続いて、図19、図20および図4に示すように、先の工程でエッチング用マスクとして設けられたレジストマスク8とオーバーラップするように素子分離領域2に係り、nMISトランジスタの活性領域全体を覆うレジストマスク12を形成する。具体的には、フォトリソグラフィ技術を用いて、基板1の主面上にレジスト膜を形成した後、pMIS領域のハードマスク11を露出するようにパターニングされたレジストマスク12を形成する。   Subsequently, as shown in FIGS. 19, 20, and 4, the entire active region of the nMIS transistor is related to the element isolation region 2 so as to overlap with the resist mask 8 provided as an etching mask in the previous step. A covering resist mask 12 is formed. Specifically, a resist film is formed on the main surface of the substrate 1 using a photolithography technique, and then a resist mask 12 patterned so as to expose the hard mask 11 in the pMIS region is formed.

本実施の形態では、図4にも示すように、先の工程でエッチング用マスクとして用いたレジストマスク8と、このレジストマスク12とが覆う領域が重なるように、pMISトランジスタの活性領域とnMISトランジスタの活性領域とを絶縁分離する素子分離領域2でオーバーラップ(図4ではハッチングが重複している領域V)させている。すなわち、レジストマスク8(第1レジストパターン)とレジストマスク12(第2レジストパターン)は、基板1上における共通領域を平面的に覆うように形成される。このように本実施の形態ではレジストマスク8とレジストマスク12とがオーバーラップできるので、素子分離領域2の幅W(図2参照)を、オーバーラップをさせない場合の素子分離領域2の幅W’(図51、図52参照)より小さくすることができる。これにより、以降の工程を経て製造された半導体装置では、そのSRAMセルの密度を高めることができ、また、縮小化することができることとなる。   In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the active region of the pMIS transistor and the nMIS transistor so that the resist mask 8 used as an etching mask in the previous step and the region covered with the resist mask 12 overlap. The active region is overlapped by an element isolation region 2 that isolates and isolates the active region (region V in FIG. 4 where hatching overlaps). That is, the resist mask 8 (first resist pattern) and the resist mask 12 (second resist pattern) are formed so as to cover the common region on the substrate 1 in a plane. As described above, since the resist mask 8 and the resist mask 12 can overlap in the present embodiment, the width W (see FIG. 2) of the element isolation region 2 is set to the width W ′ of the element isolation region 2 in the case where no overlap occurs. (See FIGS. 51 and 52). Thereby, in the semiconductor device manufactured through the subsequent steps, the density of the SRAM cell can be increased and the size can be reduced.

続いて、図21および図22に示すように、先の工程でエッチング用マスクとして設けられたレジストマスク8とオーバーラップするように素子分離領域2に係り、nMISトランジスタの活性領域全体に設けられたレジストマスク12を用いて、ハードマスク11をエッチングする。ここでは、ハードマスク11を構成するHCD−SiN膜を、ドライエッチングまたはウエットエッチングのどちらかを用いてエッチングする。   Subsequently, as shown in FIGS. 21 and 22, the element isolation region 2 is provided over the active region of the nMIS transistor so as to overlap the resist mask 8 provided as an etching mask in the previous step. The hard mask 11 is etched using the resist mask 12. Here, the HCD-SiN film constituting the hard mask 11 is etched using either dry etching or wet etching.

続いて、レジストマスク12を除去した後、図23および図24に示すように、先の工程でエッチング用マスクとして設けられたハードマスク7とオーバーラップするように素子分離領域2に係り、nMISトランジスタの活性領域全体に設けられたハードマスク11を用いて、保護膜10をエッチングする。具体的には、HCD−SiN膜をマスク(ハードマスク11)にして、pMIS領域に露出した保護膜10を構成するTiN膜を過酸化水素水(H)によるウエットエッチングで選択的に除去する。この際、ハードマスク11を構成するHCD−SiN膜やハフニウム系酸化膜9もほとんどダメージを受けないことが重要である。 Subsequently, after removing the resist mask 12, as shown in FIGS. 23 and 24, the nMIS transistor is applied to the element isolation region 2 so as to overlap with the hard mask 7 provided as an etching mask in the previous step. The protective film 10 is etched using the hard mask 11 provided in the entire active region. Specifically, using the HCD-SiN film as a mask (hard mask 11), the TiN film constituting the protective film 10 exposed in the pMIS region is selectively etched by wet etching with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). Remove. At this time, it is important that the HCD-SiN film and the hafnium-based oxide film 9 constituting the hard mask 11 are hardly damaged.

本実施の形態では、ハードマスク11下まで後退するように保護膜10を構成するTiN膜をウエットエッチングする。前述したように、レジストマスク8と、このレジストマスク12とは素子分離領域2でオーバーラップするように設けられる。そのオーバーラップさせたことによる重複した領域の保護膜10をウエットエッチングで除去する。すなわち、保護膜10を構成するTiN膜を過酸化水素水(H)によるウエットエッチングすることによって、ハードマスク11に覆われて露出していなくても、TiN膜(保護膜10)を選択的に除去することができる。 In the present embodiment, the TiN film constituting the protective film 10 is wet etched so as to recede to the bottom of the hard mask 11. As described above, the resist mask 8 and the resist mask 12 are provided so as to overlap in the element isolation region 2. The protective film 10 in the overlapping region due to the overlap is removed by wet etching. That is, the TiN film (protective film 10) is covered with the hard mask 11 and is not exposed by wet etching of the TiN film constituting the protective film 10 with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). It can be selectively removed.

本発明者らが検討した半導体装置のように、エッチング時の残渣によってnMISトランジスタやpMISトランジスタのゲートの高さが局所的に高い領域ができる可能性があるため、nMISトランジスタ、pMISトランジスタのそれぞれのゲート絶縁膜の切り分けるレジストマスクではオーバーラップが許されるものではないと考えられていた。しかしながら、本実施の形態では、レジストマスク8と、レジストマスク12とをオーバーラップしている。これはウエットエッチングによって、保護膜10を構成するTiN膜を除去することによって、ハードマスク11に覆われて露出していなくても、TiN膜(保護膜10)を選択的に除去できるからである。また、最終的には、TiN膜(保護膜10)をハフニウム系酸化膜9に対して高い選択比で除去し、再度基板1の主面上にゲート電極材料のTiN膜あるいはTaN膜を形成し直すので、ゲートの段差を生じることはない。   Like the semiconductor device investigated by the present inventors, there is a possibility that a region where the gate height of the nMIS transistor or the pMIS transistor is locally high is formed by a residue at the time of etching. Therefore, each of the nMIS transistor and the pMIS transistor It has been considered that the resist mask for separating the gate insulating film is not allowed to overlap. However, in the present embodiment, the resist mask 8 and the resist mask 12 are overlapped. This is because by removing the TiN film constituting the protective film 10 by wet etching, the TiN film (protective film 10) can be selectively removed even if it is not covered with the hard mask 11 and exposed. . Finally, the TiN film (protective film 10) is removed at a high selectivity with respect to the hafnium-based oxide film 9, and a TiN film or a TaN film as a gate electrode material is formed again on the main surface of the substrate 1. Since the correction is made, there is no step in the gate.

続いて、ハードマスク7およびハードマスク11を全てエッチングによって除去すると、図25および図26に示すようになる。具体的には、ハードマスク7、11を構成するHCD−SiN膜を希フッ酸(dHF)によるウエットエッチングで除去する。この際、本実施の形態では、pMISトランジスタの活性領域のハフニウム系酸化膜9も除去する。言い換えると、保護膜6とオーバーラップするように素子分離領域2に係り、nMISトランジスタの活性領域全体に設けられたマスクとして保護膜10を用いて、nMISトランジスタのゲート絶縁膜材料膜であるHfMgO膜(ハフニウム系酸化膜9)をエッチングする。   Subsequently, when the hard mask 7 and the hard mask 11 are all removed by etching, the result is as shown in FIGS. Specifically, the HCD-SiN film constituting the hard masks 7 and 11 is removed by wet etching with dilute hydrofluoric acid (dHF). At this time, in this embodiment, the hafnium-based oxide film 9 in the active region of the pMIS transistor is also removed. In other words, the HfMgO film, which is the gate insulating film material film of the nMIS transistor, uses the protective film 10 as a mask provided in the entire active region of the nMIS transistor so as to overlap the protective film 6. (Hafnium-based oxide film 9) is etched.

本実施の形態では、素子分離領域2において、pMISトランジスタのゲート絶縁膜材料膜であるHfAlO膜(ハフニウム系酸化膜5)と接触するnMISトランジスタのゲート絶縁膜材料膜であるHfMgO膜(ハフニウム系酸化膜9)を形成するように、ウエットエッチングを行う。素子分離領域2上においてハフニウム系酸化膜5とハフニウム系酸化膜9とが接触しているので、素子分離領域2を構成するSTIがエッチングによって削られることはない。STIが削られない場合、後のソース/ドレイン形成の不純物注入工程で、その不純物はSTIで止まることとなり、その下の基板1にまで拡散するのを防止することができる。これにより、本発明者らが検討した半導体装置において課題となった寄生MISトランジスタが生成される可能性を低減することができる。   In the present embodiment, in the element isolation region 2, an HfMgO film (hafnium-based oxide) that is a gate insulating film material film of an nMIS transistor that is in contact with an HfAlO film (hafnium-based oxide film 5) that is a gate insulating film material film of a pMIS transistor. Wet etching is performed to form film 9). Since the hafnium-based oxide film 5 and the hafnium-based oxide film 9 are in contact with each other on the element isolation region 2, the STI constituting the element isolation region 2 is not etched away. When the STI is not removed, the impurity stops at the STI in the subsequent impurity implantation process for forming the source / drain, and can be prevented from diffusing into the substrate 1 below. Thereby, it is possible to reduce the possibility that a parasitic MIS transistor which has been a problem in the semiconductor device studied by the present inventors is generated.

なお、HfAlO膜(ハフニウム系酸化膜5)とHfMgO膜(ハフニウム系酸化膜9)との境界でそれらがエッチングによって削れられることが考えられる。しかしながら、希フッ酸(dHF)によるエッチングレートは、HfAlO膜、HfMgO膜よりハードマスク7、11を構成するHCD−SiN膜が高いので、削れ量は微量である。本実施の形態では、希フッ酸(dHF)によるHCD−SiN膜のエッチングレートを高く保つために、HCD−SiN膜の形成後は、その温度(例えば450℃)を越えないようにしている。このため、保護膜6、10を構成するTiN膜の形成にはHCD−SiN膜の形成温度より低温で形成できるスパッタ法を用いている。例えば、TiClを原料としたCVD法を用いてTiN膜を形成することができるが、その形成温度は例えば640℃であり、HCD−SiN膜の形成温度より高温であるため、適用していない。 Note that it is considered that the HfAlO film (hafnium-based oxide film 5) and the HfMgO film (hafnium-based oxide film 9) are etched away at the boundary. However, the etching rate with dilute hydrofluoric acid (dHF) is higher in the HCD-SiN films constituting the hard masks 7 and 11 than in the HfAlO film and the HfMgO film, so the amount of scraping is very small. In this embodiment, in order to keep the etching rate of the HCD-SiN film with dilute hydrofluoric acid (dHF) high, the temperature (for example, 450 ° C.) is not exceeded after the formation of the HCD-SiN film. Therefore, a sputtering method that can be formed at a temperature lower than the formation temperature of the HCD-SiN film is used to form the TiN film constituting the protective films 6 and 10. For example, a TiN film can be formed using a CVD method using TiCl 4 as a raw material, but the formation temperature is, for example, 640 ° C., which is higher than the formation temperature of the HCD-SiN film, and thus is not applied. .

続いて、保護膜6および保護膜10を全てエッチングによって除去すると、図27および図28のようになる。具体的には、保護膜6、10を構成するTiN膜を過酸化水素水(H)によるウエットエッチングで除去する。前述したように、素子分離領域2を構成するSTI上でハフニウム系酸化膜5とハフニウム系酸化膜9とが接触しているので、そのSTIは露出していない。 Subsequently, when all of the protective film 6 and the protective film 10 are removed by etching, a state as shown in FIGS. 27 and 28 is obtained. Specifically, the TiN film constituting the protective films 6 and 10 is removed by wet etching with hydrogen peroxide water (H 2 O 2 ). As described above, since the hafnium-based oxide film 5 and the hafnium-based oxide film 9 are in contact with each other on the STI constituting the element isolation region 2, the STI is not exposed.

続いて、図29および図30に示すように、基板1の主面上に順に金属膜13、ポリシリコン膜14を積層形成する。金属膜13およびポリシリコン膜14はnMISトランジスタ、pMISトランジスタのゲート電極材料膜を構成するものである。   Subsequently, as shown in FIGS. 29 and 30, a metal film 13 and a polysilicon film 14 are sequentially stacked on the main surface of the substrate 1. The metal film 13 and the polysilicon film 14 constitute a gate electrode material film of an nMIS transistor and a pMIS transistor.

具体的には、金属膜13として、例えばスパッタ法を用いて30nm程度の厚さの窒化チタン(TiN)膜を形成する。この金属膜13は仕事関数金属(WFM:work-function-metal)として用いられるものである。よって、耐熱性が高いミッドギャップ材料の金属膜13として窒化タンタル(TaN)、窒化タンタルシリコン(TaSiN)を用いても良い。本実施の形態では、ゲート加工のし易さを考慮して金属膜13としてTiN膜を用いている。   Specifically, a titanium nitride (TiN) film having a thickness of about 30 nm is formed as the metal film 13 by using, for example, a sputtering method. This metal film 13 is used as a work-function metal (WFM). Therefore, tantalum nitride (TaN) or tantalum silicon nitride (TaSiN) may be used as the metal film 13 of the mid gap material having high heat resistance. In the present embodiment, a TiN film is used as the metal film 13 in consideration of ease of gate processing.

また、ポリシリコン膜14として、例えばCVD法を用いて50nm程度の厚さの非導電性のポリシリコン膜を形成する。このポリシリコン膜14は後の工程で不純物が注入されて導電性となり、金属膜13上に低抵抗膜として設けられる。なお、ゲート電極材料としての低抵抗膜として例えばスパッタ法を用いて、タングステン(W)膜などの金属膜を形成しても良い。   Further, as the polysilicon film 14, a non-conductive polysilicon film having a thickness of about 50 nm is formed by using, for example, a CVD method. The polysilicon film 14 is made conductive by being implanted with impurities in a later step, and is provided as a low resistance film on the metal film 13. Note that a metal film such as a tungsten (W) film may be formed by using, for example, a sputtering method as the low resistance film as the gate electrode material.

続いて、図31および図32に示すように、pMISトランジスタの活性領域(nウェル3)全体を覆うレジストマスク15を形成した後、レジストマスク15で覆われていないポリシリコン膜14に不純物を注入して、ポリシリコン膜14を導電性とする。その後、レジストマスク15をアッシングによって除去する。   Subsequently, as shown in FIGS. 31 and 32, after forming a resist mask 15 covering the entire active region (n-well 3) of the pMIS transistor, impurities are implanted into the polysilicon film 14 not covered with the resist mask 15 Thus, the polysilicon film 14 is made conductive. Thereafter, the resist mask 15 is removed by ashing.

具体的には、先の工程でレジストマスク8を形成するために用いたフォトマスクを適用したフォトリソグラフィ技術によって、基板1の主面上にレジスト膜を形成した後、nMISトランジスタの活性領域(pウェル4)を露出するようにパターニングされたレジストマスク15を形成する。また、nMISトランジスタのゲート電極を構成するために、nMIS領域のポリシリコン膜14にリン(P)あるいは砒素(As)のn型不純物をイオン注入することで、導電性のポリシリコン膜14を形成する。   Specifically, after a resist film is formed on the main surface of the substrate 1 by a photolithography technique to which the photomask used for forming the resist mask 8 in the previous step is applied, the active region (p A resist mask 15 patterned so as to expose the well 4) is formed. In order to form the gate electrode of the nMIS transistor, a conductive polysilicon film 14 is formed by ion-implanting phosphorus (P) or arsenic (As) n-type impurities into the polysilicon film 14 in the nMIS region. To do.

続いて、図33および図34に示すように、nMISトランジスタの活性領域(pウェル4)全体を覆うレジストマスク16を形成した後、レジストマスク16で覆われていないポリシリコン膜14に不純物を注入して、ポリシリコン膜14を導電性とする。その後、レジストマスク16をアッシングによって除去する。   Subsequently, as shown in FIGS. 33 and 34, after forming a resist mask 16 covering the entire active region (p well 4) of the nMIS transistor, impurities are implanted into the polysilicon film 14 not covered with the resist mask 16 Thus, the polysilicon film 14 is made conductive. Thereafter, the resist mask 16 is removed by ashing.

具体的には、先の工程でレジストマスク12を形成するために用いたフォトマスクを適用したフォトリソグラフィ技術によって、基板1の主面上にレジスト膜を形成した後、pMISトランジスタの活性領域(nウェル3)を含むpMIS領域を露出するようにパターニングされたレジストマスク16を形成する。また、pMISトランジスタのゲート電極を構成するために、pMIS領域のポリシリコン膜14にボロン(B)のp型不純物をイオン注入することで、導電性のポリシリコン膜14を形成する。   Specifically, after a resist film is formed on the main surface of the substrate 1 by a photolithography technique to which the photomask used for forming the resist mask 12 in the previous step is applied, an active region (n A resist mask 16 patterned to expose the pMIS region including the well 3) is formed. In order to form the gate electrode of the pMIS transistor, a p-type impurity of boron (B) is ion-implanted into the polysilicon film 14 in the pMIS region, thereby forming the conductive polysilicon film 14.

ポリシリコン膜14を導電性とするために用いたレジストマスク15およびレジストマスク16は、前述したレジストマスク8およびレジストマスク12と同じ領域を覆うマスクである。言い換えると、本実施の形態におけるレジストマスク8およびレジストマスク12は、従来から用いられているポリシリコンゲートにおけるポリシリコン膜へのプリドープ用のマスクと同様にあえてオーバーラップするようにしている。しかし、本実施の形態におけるレジストマスク8、12をオーバーラップとするための役割は、前述したように、ハフニウム系酸化膜5、9を切り分けのため、またセルの微細化のため、さらには寄生MISトランジスタの生成を抑制するためであるので、プリドープ用のマスクの役割とは相違する。   The resist mask 15 and the resist mask 16 used for making the polysilicon film 14 conductive are masks covering the same regions as the resist mask 8 and the resist mask 12 described above. In other words, the resist mask 8 and the resist mask 12 in this embodiment are intentionally overlapped in the same manner as a mask for pre-doping a polysilicon film in a conventionally used polysilicon gate. However, as described above, the role of overlapping the resist masks 8 and 12 in the present embodiment is to separate the hafnium-based oxide films 5 and 9, to make the cells finer, and to further parasitize. This is to suppress the generation of the MIS transistor, which is different from the role of the pre-doping mask.

続いて、図35および図36に示すように、pMISトランジスタの活性領域を構成するnウェル3およびnMISトランジスタの活性領域を構成するpウェル4を横切り、nウェル3、素子分離領域2、およびpウェル4に設けられたレジストマスク17を形成する。具体的には、フォトリソグラフィ技術を用いて、基板1の主面上にレジスト膜を形成した後、pMISトランジスタおよびnMISトランジスタのゲート形成のためにパターニングされたレジストマスク17を形成する。   Subsequently, as shown in FIGS. 35 and 36, the n well 3 constituting the active region of the pMIS transistor and the p well 4 constituting the active region of the nMIS transistor are traversed, and the n well 3, the element isolation region 2, and p A resist mask 17 provided in the well 4 is formed. Specifically, a resist film is formed on the main surface of the substrate 1 using a photolithography technique, and then a patterned resist mask 17 is formed for forming gates of the pMIS transistor and the nMIS transistor.

続いて、図37および図38に示すように、レジストマスク17を用いて、pMISトランジスタおよびnMISトランジスタのゲート電極材料であるポリシリコン膜14およびその下の金属膜13を構成するTiN膜をエッチングする。これにより、ポリシリコン膜14および金属膜13の積層構造からなるゲート電極Gが形成される。その後、レジストマスク17をアッシングによって除去する。   Subsequently, as shown in FIGS. 37 and 38, the resist mask 17 is used to etch the polysilicon film 14 which is the gate electrode material of the pMIS transistor and the nMIS transistor and the TiN film constituting the metal film 13 therebelow. . Thereby, a gate electrode G having a laminated structure of the polysilicon film 14 and the metal film 13 is formed. Thereafter, the resist mask 17 is removed by ashing.

本実施の形態では、nMISトランジスタおよびpMISトランジスタとも同一(共通)のゲート電極材料で構成されており、その同一のゲート電極材料をエッチングするので、異なるゲート電極材料を同時にエッチングするよりも制御が容易である。例えば、ハフニウム系酸化膜5、9上の金属膜13を構成する金属元素が異なると、エッチング形状が異なったり、ハフニウム系酸化膜5、9との選択比が低くなったりしてしまう。エッチング形状が異なるとゲート長あるいはチャネル長がpMISトランジスタ、nMISトランジスタで異なることになる。また、選択比が低くなると、基板1が割れる問題もある。これに対して、同一のゲート電極材料を用いた場合はこのような問題が解決される。特に、微細化されてゲート長が短くなる程、このメリットは大きくなる。   In this embodiment, both the nMIS transistor and the pMIS transistor are made of the same (common) gate electrode material, and the same gate electrode material is etched. Therefore, control is easier than etching different gate electrode materials simultaneously. It is. For example, if the metal elements constituting the metal film 13 on the hafnium-based oxide films 5 and 9 are different, the etching shape is different, or the selectivity with the hafnium-based oxide films 5 and 9 is lowered. When the etching shape is different, the gate length or channel length is different between the pMIS transistor and the nMIS transistor. Further, when the selection ratio is low, there is a problem that the substrate 1 is broken. On the other hand, when the same gate electrode material is used, such a problem is solved. In particular, this merit becomes greater as the gate length becomes shorter with miniaturization.

続いて、図39および図40に示すように、ゲート電極材料膜であるポリシリコン膜14をマスクとして、ハフニウム系酸化膜5、9を希フッ酸(dHF)によるエッチングで除去する。これにより、pMISトランジスタおよびnMISトランジスタのソース/ドレイン領域となる活性領域(nウェル3、pウェル4)が露出する。   Subsequently, as shown in FIGS. 39 and 40, the hafnium-based oxide films 5 and 9 are removed by etching with dilute hydrofluoric acid (dHF) using the polysilicon film 14 as the gate electrode material film as a mask. As a result, the active regions (n well 3 and p well 4) that become the source / drain regions of the pMIS transistor and the nMIS transistor are exposed.

続いて、図41および図42に示すように、pMISトランジスタの活性領域を構成するnウェル3にソース/ドレイン領域となるp型半導体領域18を形成する。また、nMISトランジスタの活性領域を構成するpウェル4にソース/ドレイン領域となるn型半導体領域19を形成する。   Subsequently, as shown in FIGS. 41 and 42, a p-type semiconductor region 18 to be a source / drain region is formed in the n-well 3 constituting the active region of the pMIS transistor. In addition, an n-type semiconductor region 19 serving as a source / drain region is formed in the p-well 4 constituting the active region of the nMIS transistor.

具体的には、レジストマスク8を形成するために用いたフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ技術によって、基板1の主面上にレジスト膜を形成した後、nMISトランジスタの活性領域(pウェル4)を含むnMIS領域を露出するようにパターニングされたレジストマスク(図示しない)を形成した後、pウェル4にリン(P)あるいは砒素(As)などのn型不純物イオンを注入する。また、レジストマスク12を形成するために用いたフォトマスクを用いたフォトリソグラフィ技術によって、基板1の主面上にレジスト膜を形成した後、pMISトランジスタの活性領域(nウェル3)を含むpMIS領域を露出するようにパターニングされたレジストマスク(図示しない)を形成した後、nウェル3にボロン(B)などのp型不純物イオンを注入する。その後、アニール処理することによって、それら不純物イオンを活性化して、nウェル3にp型半導体領域18およびpウェル4にn型半導体領域19を形成する。   Specifically, after forming a resist film on the main surface of the substrate 1 by photolithography using the photomask used to form the resist mask 8, the active region (p well 4) of the nMIS transistor is formed. After forming a resist mask (not shown) patterned so as to expose the included nMIS region, n-type impurity ions such as phosphorus (P) or arsenic (As) are implanted into the p-well 4. Further, after forming a resist film on the main surface of the substrate 1 by a photolithography technique using a photomask used to form the resist mask 12, a pMIS region including an active region (n well 3) of the pMIS transistor. After a resist mask (not shown) patterned so as to expose is formed, p-type impurity ions such as boron (B) are implanted into the n-well 3. Thereafter, the impurity ions are activated by annealing, and a p-type semiconductor region 18 is formed in the n-well 3 and an n-type semiconductor region 19 is formed in the p-well 4.

ここで、本実施の形態では、前述したように、素子分離領域2を構成するSTIが削れていないため、注入される不純物はSTIに止まり、その下の基板1に不純物は拡散しない。このため、寄生MISトランジスタが生成される可能性を低減することができる。   Here, in the present embodiment, as described above, since the STI constituting the element isolation region 2 is not cut, the implanted impurity is only STI, and the impurity is not diffused into the substrate 1 therebelow. For this reason, possibility that a parasitic MIS transistor will be generated can be reduced.

続いて、図2および図3に示すように、ゲート電極Gの側面に沿ったサイドウォール20を形成し、ポリシリコン膜14、p型半導体領域18、n型半導体領域19の表面にシリサイド膜21を形成する。次いで、基板1の主面上に層間絶縁膜22を形成した後、所定の位置にコンタクトホール23を形成し、それに導電性材料を埋め込むことによってコンタクト24を形成する。その後、コンタクト24と電気的に接続した配線25を形成する。さらに、図示しないが、例えば、配線25の上層に多層配線を形成し、最表面にパッシベーション膜が形成されることによって、半導体装置が完成する。   Subsequently, as shown in FIGS. 2 and 3, a sidewall 20 is formed along the side surface of the gate electrode G, and a silicide film 21 is formed on the surfaces of the polysilicon film 14, the p-type semiconductor region 18, and the n-type semiconductor region 19. Form. Next, after forming an interlayer insulating film 22 on the main surface of the substrate 1, a contact hole 23 is formed at a predetermined position, and a contact 24 is formed by embedding a conductive material therein. Thereafter, a wiring 25 electrically connected to the contact 24 is formed. Further, although not shown, for example, a multilayer wiring is formed on the wiring 25 and a passivation film is formed on the outermost surface, whereby the semiconductor device is completed.

具体的には、サイドウォール20の形成は、nMIS領域およびpMIS領域を含む基板1上に、例えばCVD法によって窒化シリコン膜を形成し、その窒化シリコン膜を異方性エッチングすることにより、パターニングされたゲート電極Gの側壁に形成する。   Specifically, the sidewall 20 is formed by forming a silicon nitride film on the substrate 1 including the nMIS region and the pMIS region by, for example, a CVD method, and anisotropically etching the silicon nitride film. Formed on the side wall of the gate electrode G.

また、シリサイド膜21の形成は、基板1の主面上に例えばニッケル膜を形成し、熱処理によって基板1およびゲート電極Gを構成するポリシリコン膜14のシリコンと反応(シリサイド化)させた後、未反応のニッケル膜を除去する。これによって、pMIS領域ではpMISトランジスタQpのゲート電極G上およびp型半導体領域18上にシリサイド膜21が形成され、nMIS領域ではnMISトランジスタQnのゲート電極G上およびn型半導体領域19上にシリサイド膜21が形成される。このシリサイド膜21により、後の工程で形成されるコンタクトとの接触抵抗を低減することができる。   The silicide film 21 is formed by, for example, forming a nickel film on the main surface of the substrate 1 and reacting (silicidation) with the silicon of the polysilicon film 14 constituting the substrate 1 and the gate electrode G by heat treatment. Unreacted nickel film is removed. As a result, a silicide film 21 is formed on the gate electrode G of the pMIS transistor Qp and the p-type semiconductor region 18 in the pMIS region, and a silicide film on the gate electrode G of the nMIS transistor Qn and the n-type semiconductor region 19 in the nMIS region. 21 is formed. The silicide film 21 can reduce contact resistance with a contact formed in a later process.

また、層間絶縁膜22の形成は、例えばCVD法を用いて酸化シリコン膜が基板1の主面上に堆積される。また、コンタクトホール23の形成は、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、層間絶縁膜22を貫通し、ゲート電極G、p型半導体領域18、およびn型半導体領域19に達するように行われる。   The interlayer insulating film 22 is formed by depositing a silicon oxide film on the main surface of the substrate 1 by using, for example, a CVD method. The contact hole 23 is formed so as to penetrate the interlayer insulating film 22 and reach the gate electrode G, the p-type semiconductor region 18, and the n-type semiconductor region 19 using a photolithography technique and an etching technique.

また、コンタクト24の形成は、コンタクトホール23の底面および内壁を含む層間絶縁膜22上に、例えばスパッタ法を用いてチタン/窒化チタン膜を形成した後、コンタクトホール23を埋め込むように基板1上に、例えばCVD法を用いてタングステン膜を形成する。次いで、層間絶縁膜22上に形成された不要なチタン/窒化チタン膜およびタングステン膜を例えばCMP法で除去することによって、コンタクト24が形成される。コンタクト24のチタン/窒化チタン膜は、タングステン膜中のタングステンがシリコン中へ拡散するのを防止する、いわゆるバリア性を有するものである。   Further, the contact 24 is formed on the substrate 1 so that the contact hole 23 is buried after a titanium / titanium nitride film is formed on the interlayer insulating film 22 including the bottom and inner walls of the contact hole 23 by using, for example, a sputtering method. In addition, a tungsten film is formed using, for example, a CVD method. Next, the unnecessary titanium / titanium nitride film and tungsten film formed on the interlayer insulating film 22 are removed by, for example, a CMP method, thereby forming the contact 24. The titanium / titanium nitride film of the contact 24 has a so-called barrier property that prevents tungsten in the tungsten film from diffusing into silicon.

また、配線25は、層間絶縁膜22上およびコンタクト24上にチタン/窒化チタン膜、銅を含有するアルミニウム膜、チタン/窒化チタン膜を順次、形成する。これらの膜は、例えばスパッタ法を用いることにより形成することができる。次いで、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、これらの膜のパターニングを行い、配線25を形成する。   For the wiring 25, a titanium / titanium nitride film, an aluminum film containing copper, and a titanium / titanium nitride film are sequentially formed on the interlayer insulating film 22 and the contact 24. These films can be formed by using, for example, a sputtering method. Next, these films are patterned using a photolithography technique and an etching technique to form the wiring 25.

このようにして、基板1上にSRAMを含む集積回路を形成することができる。また、本実施の形態では、SRAMを構成する半導体装置の製造工程について説明したが、SRAMを構成するその他のMISトランジスタも基本的に同様な工程で形成される。以上のようにして、本実施の形態における半導体装置を製造することができる。なお、pMISトランジスタQpおよびnMISトランジスタQnを製造していく工程の順番は逆になっても構わない。   In this way, an integrated circuit including an SRAM can be formed on the substrate 1. In this embodiment, the manufacturing process of the semiconductor device constituting the SRAM has been described. However, other MIS transistors constituting the SRAM are basically formed by the same process. As described above, the semiconductor device in this embodiment can be manufactured. Note that the order of the steps for manufacturing the pMIS transistor Qp and the nMIS transistor Qn may be reversed.

(実施の形態2)
前記実施の形態1では、pMISトランジスタのゲート絶縁膜に含まれるHfAlO膜およびnMISトランジスタのゲート絶縁膜に含まれるHfMgO膜をそれぞれ単層から形成する場合について説明した。本実施の形態では、ベース絶縁膜としての酸化ハフニウム(HfO)膜に、キャップ膜としてのAl膜およびMgO膜を積層し、HfO膜にAl膜およびMgO膜を拡散させてゲート絶縁膜(HfAlO膜、HfMgO膜)を形成する場合について説明する。なお、前記実施の形態1と同様の説明は省略する場合がある。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the case where the HfAlO film included in the gate insulating film of the pMIS transistor and the HfMgO film included in the gate insulating film of the nMIS transistor are each formed from a single layer has been described. In this embodiment, the hafnium oxide (HfO 2) film as the base insulating film, laminating an Al 2 O 3 film and the MgO film as a cap film, diffusing an Al 2 O 3 film and MgO film HfO 2 film A case of forming a gate insulating film (HfAlO film, HfMgO film) will be described. In addition, the description similar to the said Embodiment 1 may be abbreviate | omitted.

まず、図43に示すように、素子分離領域2を構成するSTIによって互いに絶縁分離されたpMISトランジスタの活性領域およびnMISトランジスタの活性領域をそれぞれ構成するnウェル3およびpウェル4を有する基板1を準備する。   First, as shown in FIG. 43, a substrate 1 having an n well 3 and a p well 4 constituting an active region of a pMIS transistor and an active region of an nMIS transistor, respectively, isolated from each other by an STI constituting an element isolation region 2 is formed. prepare.

次いで、基板1の主面上に順にベース絶縁膜31、pMISトランジスタのゲート絶縁膜形成用のキャップ膜32、保護膜6およびハードマスク7を積層形成した後、パターニングされたレジストマスク8を形成する。   Next, a base insulating film 31, a cap film 32 for forming a gate insulating film of a pMIS transistor, a protective film 6 and a hard mask 7 are sequentially stacked on the main surface of the substrate 1, and then a patterned resist mask 8 is formed. .

ベース絶縁膜31は、ALD法、CVD法あるいはスパッタ法を用いて形成された2〜3nm程度の厚さの酸化ハフニウム(HfO)膜から構成される。このHfO膜は、酸化シリコンより誘電率が高いので、高誘電率膜である。このHfO膜に対して、必要に応じて製造途中、最後に窒化や熱処理しても良い。なお、ベース絶縁膜31と基板1との間に界面層として0.5nm程度の厚さで酸化シリコン(SiO)膜を形成しても良い。 The base insulating film 31 is composed of a hafnium oxide (HfO 2 ) film having a thickness of about 2 to 3 nm formed by using an ALD method, a CVD method, or a sputtering method. Since this HfO 2 film has a higher dielectric constant than silicon oxide, it is a high dielectric constant film. The HfO 2 film may be subjected to nitriding or heat treatment at the end of manufacturing or at the end if necessary. Note that a silicon oxide (SiO 2 ) film having a thickness of about 0.5 nm may be formed as an interface layer between the base insulating film 31 and the substrate 1.

キャップ膜32は、ALD法、CVD法あるいはスパッタ法を用いて形成された1nm程度の厚さの酸化アルミニウム(Al)膜から構成される。このAl膜は、酸化シリコンより誘電率が高いので、高誘電率膜である。なお、Al膜に対して必要に応じて製造途中、最後に窒化や熱処理しても良い。 The cap film 32 is composed of an aluminum oxide (Al 2 O 3 ) film having a thickness of about 1 nm formed by using an ALD method, a CVD method, or a sputtering method. This Al 2 O 3 film is a high dielectric constant film because it has a higher dielectric constant than silicon oxide. Note that the Al 2 O 3 film may be subjected to nitriding or heat treatment at the end of the manufacturing as needed.

保護膜6は、下地の高誘電率膜に対してエッチングの選択比が高いものとして、TiN膜を適用する。また、この保護膜6は製造工程上必要な膜であるが、最終製品には存在しない。したがって、容易に堆積形成することができ、選択比が高く除去できる材料が望ましい。本実施の形態では、保護膜6としてTiN膜を適用したのは、スパッタ法で容易に堆積形成でき、窒化チタンを容易に除去できるウエットエッチング材料として過酸化水素水(H)が既知であり、下地である高誘電率膜にダメージを与えずに除去されるからである。本実施の形態では、スパッタ法を用いて10nm程度の厚さのTiN膜を保護膜6として形成する。 As the protective film 6, a TiN film is applied on the assumption that the etching selectivity is higher than that of the underlying high dielectric constant film. The protective film 6 is a film necessary for the manufacturing process, but is not present in the final product. Therefore, it is desirable to use a material that can be easily deposited and removed with a high selectivity. In this embodiment, the TiN film is applied as the protective film 6 because hydrogen peroxide water (H 2 O 2 ) is known as a wet etching material that can be easily deposited by sputtering and titanium nitride can be easily removed. This is because it is removed without damaging the high dielectric constant film as the base. In the present embodiment, a TiN film having a thickness of about 10 nm is formed as the protective film 6 by sputtering.

ハードマスク7は、保護膜6のTiN膜に対してエッチングの選択比が高いものとして、HCD−SiN膜を適用する。本実施の形態では、CVD法を用いて10nm程度の厚さのHCD−SiN膜をハードマスク7として形成する。   As the hard mask 7, an HCD-SiN film is applied on the assumption that the etching selectivity is high with respect to the TiN film of the protective film 6. In the present embodiment, an HCD-SiN film having a thickness of about 10 nm is formed as the hard mask 7 using a CVD method.

レジストマスク8は、pMISトランジスタの活性領域とnMISトランジスタの活性領域とを絶縁分離する素子分離領域2に係り、pMISトランジスタの活性領域全体を覆うマスクとして用いる。このレジストマスク8は、フォトリソグラフィ技術を用いて、基板1の主面上にレジスト膜を形成した後、nMISトランジスタの活性領域のハードマスク7を露出するようにパターニングされてなる。   The resist mask 8 relates to the element isolation region 2 that insulates and isolates the active region of the pMIS transistor and the active region of the nMIS transistor, and is used as a mask that covers the entire active region of the pMIS transistor. The resist mask 8 is formed by forming a resist film on the main surface of the substrate 1 using a photolithography technique and then patterning so as to expose the hard mask 7 in the active region of the nMIS transistor.

次いで、レジストマスク8を用いてハードマスク7をエッチングした後、アッシングによりレジストマスク8を除去する。次いで、このハードマスク7を用いて保護膜6およびキャップ膜32をエッチングすると図44に示すように、pMIS領域ではベース絶縁膜31上に、パターニングされたキャップ膜32、保護膜6およびハードマスク7が設けられる。   Next, after the hard mask 7 is etched using the resist mask 8, the resist mask 8 is removed by ashing. Next, when the protective film 6 and the cap film 32 are etched using this hard mask 7, as shown in FIG. 44, the patterned cap film 32, protective film 6 and hard mask 7 are formed on the base insulating film 31 in the pMIS region. Is provided.

続いて、図44に示すように、基板1の主面上に順にnMISトランジスタのゲート絶縁膜形成用のキャップ膜33、保護膜10およびハードマスク11を積層形成した後、パターニングされたレジストマスク12を形成する。   Subsequently, as shown in FIG. 44, the cap film 33 for forming the gate insulating film of the nMIS transistor, the protective film 10 and the hard mask 11 are sequentially formed on the main surface of the substrate 1, and then the patterned resist mask 12 is formed. Form.

キャップ膜33は、ALD法、CVD法あるいはスパッタ法を用いて形成された1nm程度の厚さの酸化マグネシウム(MgO)膜から構成される。このMgO膜は、酸化シリコンより誘電率が高いので、高誘電率膜である。なお、MgO膜に対して必要に応じて製造途中、最後に窒化や熱処理しても良い。また、キャップ膜33とキャップ膜32は、nMISトランジスタおよびpMISトランジスタ用として最適化されるため、その厚さは異ならせても良い。   The cap film 33 is composed of a magnesium oxide (MgO) film having a thickness of about 1 nm formed by using an ALD method, a CVD method, or a sputtering method. This MgO film is a high dielectric constant film because it has a higher dielectric constant than silicon oxide. Note that the MgO film may be subjected to nitridation or heat treatment at the end during the production as needed. Further, since the cap film 33 and the cap film 32 are optimized for the nMIS transistor and the pMIS transistor, their thicknesses may be different.

保護膜10は、下地の高誘電率膜に対してエッチングの選択比が高いものとして、TiN膜を適用する。また、この保護膜10は製造工程上必要な膜であるが、最終製品には存在しない。したがって、容易に堆積形成することができ、選択比が高く除去できる材料が望ましい。本実施の形態では、保護膜10としてTiN膜を適用したのは、スパッタ法で容易に堆積形成でき、窒化チタンを容易に除去できるウエットエッチング材料として過酸化水素水(H)が既知であり、下地である高誘電率膜にダメージを与えずに除去されるからである。本実施の形態では、スパッタ法を用いて10nm程度の厚さのTiN膜を保護膜10として形成する。 As the protective film 10, a TiN film is applied on the assumption that the etching selectivity is higher than that of the underlying high dielectric constant film. Further, the protective film 10 is a film necessary for the manufacturing process, but is not present in the final product. Therefore, it is desirable to use a material that can be easily deposited and removed with a high selectivity. In the present embodiment, the TiN film is applied as the protective film 10 because hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is known as a wet etching material that can be easily formed by sputtering and can easily remove titanium nitride. This is because it is removed without damaging the high dielectric constant film as the base. In the present embodiment, a TiN film having a thickness of about 10 nm is formed as the protective film 10 by sputtering.

ハードマスク11は、保護膜10のTiN膜に対してエッチングの選択比が高いものとして、HCD−SiN膜を適用する。本実施の形態では、CVD法を用いて10nm程度の厚さのHCD−SiN膜をハードマスク10として形成する。   As the hard mask 11, an HCD-SiN film is applied on the assumption that the etching selectivity is high with respect to the TiN film of the protective film 10. In the present embodiment, an HCD-SiN film having a thickness of about 10 nm is formed as the hard mask 10 using a CVD method.

レジストマスク12は、pMISトランジスタの活性領域とnMISトランジスタの活性領域とを絶縁分離する素子分離領域2に係り、nMISトランジスタの活性領域全体を覆うマスクとして用いる。このレジストマスク12は、フォトリソグラフィ技術を用いて、基板1の主面上にレジスト膜を形成した後、pMISトランジスタの活性領域のハードマスク11を露出するようにパターニングされる。   The resist mask 12 relates to the element isolation region 2 that insulates and isolates the active region of the pMIS transistor and the active region of the nMIS transistor, and is used as a mask that covers the entire active region of the nMIS transistor. This resist mask 12 is patterned so as to expose the hard mask 11 in the active region of the pMIS transistor after a resist film is formed on the main surface of the substrate 1 using a photolithography technique.

本実施の形態も前記実施の形態1と同様に、図4にも示したように、先の工程でエッチング用マスクとして用いたレジストマスク8と、このレジストマスク12とが覆う領域が重なるように、pMISトランジスタの活性領域とnMISトランジスタの活性領域とを絶縁分離する素子分離領域2でオーバーラップ(図4ではハッチングが重複している領域V)させている。本実施の形態ではレジストマスク8とレジストマスク12とがオーバーラップできるので、素子分離領域2の幅W(図2参照)を、オーバーラップをさせない場合の素子分離領域2の幅W’(図51、図52参照)より小さくすることができる。これにより、以降の工程を経て製造された半導体装置では、そのSRAMセルの密度を高めることができ、また、縮小化することができることとなる。   Similarly to the first embodiment, the present embodiment also has the resist mask 8 used as an etching mask in the previous step and the region covered by the resist mask 12 overlapped as shown in FIG. The active region of the pMIS transistor and the active region of the nMIS transistor are overlapped with each other in an element isolation region 2 that isolates and isolates them (region V in which hatching overlaps in FIG. 4). In this embodiment, since the resist mask 8 and the resist mask 12 can overlap, the width W (see FIG. 2) of the element isolation region 2 is set to the width W ′ of the element isolation region 2 in the case where no overlap occurs (FIG. 51). , See FIG. 52). Thereby, in the semiconductor device manufactured through the subsequent steps, the density of the SRAM cell can be increased and the size can be reduced.

続いて、図45に示すように、レジストマスク12を用いて、ハードマスク11をエッチングする。ここでは、ハードマスク11を構成するHCD−SiN膜を、ドライエッチングまたはウエットエッチングのどちらかを用いてエッチングする。   Subsequently, as shown in FIG. 45, the hard mask 11 is etched using the resist mask 12. Here, the HCD-SiN film constituting the hard mask 11 is etched using either dry etching or wet etching.

続いて、レジストマスク12をアッシングにより除去した後、図46に示すように、先の工程でエッチング用マスクとして設けられたハードマスク7とオーバーラップするように素子分離領域2に係り、nMISトランジスタの活性領域全体に設けられたハードマスク11を用いて、保護膜10をエッチングする。具体的には、HCD−SiN膜をマスク(ハードマスク11)にして、pMIS領域に露出した保護膜10を構成するTiN膜を過酸化水素水(H)によるウエットエッチングで選択的に除去する。 Subsequently, after removing the resist mask 12 by ashing, as shown in FIG. 46, the element masking region 2 is overlapped with the element isolation region 2 so as to overlap with the hard mask 7 provided as an etching mask in the previous step. The protective film 10 is etched using the hard mask 11 provided in the entire active region. Specifically, using the HCD-SiN film as a mask (hard mask 11), the TiN film constituting the protective film 10 exposed in the pMIS region is selectively etched by wet etching with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). Remove.

本実施の形態では、ハードマスク11下まで後退するように保護膜10を構成するTiN膜をウエットエッチングする。前述したように、レジストマスク8と、このレジストマスク12とは素子分離領域2でオーバーラップするように設けられる。そのオーバーラップさせたことによる重複した領域の保護膜10をウエットエッチングで除去する。すなわち、保護膜10を構成するTiN膜を過酸化水素水(H)によるウエットエッチングすることによって、ハードマスク11に覆われて露出していなくても、TiN膜(保護膜10)を選択的に除去することができる。 In the present embodiment, the TiN film constituting the protective film 10 is wet-etched so as to recede to the bottom of the hard mask 11. As described above, the resist mask 8 and the resist mask 12 are provided so as to overlap in the element isolation region 2. The protective film 10 in the overlapping region due to the overlap is removed by wet etching. That is, the TiN film (protective film 10) is covered with the hard mask 11 and is not exposed by wet etching of the TiN film constituting the protective film 10 with hydrogen peroxide (H 2 O 2 ). It can be selectively removed.

続いて、ハードマスク7およびハードマスク11を全てエッチングによって除去すると、図47に示すように、保護膜6、10が露出する。具体的には、ハードマスク7、11を構成するHCD−SiN膜を希フッ酸(dHF)によるウエットエッチングで除去する。この際、本実施の形態では、pMISトランジスタの活性領域のキャップ膜33も除去する。言い換えると、保護膜6とオーバーラップするように素子分離領域2に係り、nMISトランジスタの活性領域全体に設けられたマスクとして保護膜10を用いて、nMISトランジスタのゲート絶縁膜を構成するMgO膜(キャップ膜33)をエッチングする。   Subsequently, when the hard mask 7 and the hard mask 11 are all removed by etching, the protective films 6 and 10 are exposed as shown in FIG. Specifically, the HCD-SiN film constituting the hard masks 7 and 11 is removed by wet etching with dilute hydrofluoric acid (dHF). At this time, in this embodiment, the cap film 33 in the active region of the pMIS transistor is also removed. In other words, the MgO film that forms the gate insulating film of the nMIS transistor using the protective film 10 as a mask provided in the entire active region of the nMIS transistor in the element isolation region 2 so as to overlap the protective film 6. The cap film 33) is etched.

本実施の形態では、素子分離領域2において、pMISトランジスタのゲート絶縁膜を構成するAl膜(キャップ膜32)と接触するnMISトランジスタのゲート絶縁膜を構成するMgO膜(キャップ膜33)を形成するように、ウエットエッチングを行う。素子分離領域2上においてキャップ膜32とキャップ膜33とが接触しているので、素子分離領域2を構成するSTIがエッチングによって削られることはない。STIが削られない場合、後のソース/ドレイン形成の不純物注入工程で、その不純物はSTIで止まることとなり、その下の基板1にまで拡散するのを防止することができる。これにより、本発明者らが検討した半導体装置において課題となった寄生MISトランジスタが生成される可能性を低減することができる。 In the present embodiment, in the element isolation region 2, the MgO film (cap film 33) that constitutes the gate insulating film of the nMIS transistor that contacts the Al 2 O 3 film (cap film 32) that constitutes the gate insulating film of the pMIS transistor. Wet etching is performed so as to form. Since the cap film 32 and the cap film 33 are in contact with each other on the element isolation region 2, the STI constituting the element isolation region 2 is not scraped by etching. When the STI is not removed, the impurity stops at the STI in the subsequent impurity implantation process for forming the source / drain, and can be prevented from diffusing into the substrate 1 below. Thereby, it is possible to reduce the possibility that a parasitic MIS transistor which has been a problem in the semiconductor device studied by the present inventors is generated.

次いで、アニール処理を行うことによって、pMIS領域ではベース絶縁膜31のHfO膜にキャップ膜32のAl膜の構成元素を拡散させて、ハフニウム系酸化膜34としてHfAlO膜を形成し、nMIS領域ではベース絶縁膜32のHfO膜にキャップ膜33のMgO膜の構成元素を拡散させて、ハフニウム系酸化膜35としてHfMgO膜を形成する(図48参照)。次いで、保護膜6、10を全てエッチングによって除去し、基板1の主面上に順に金属膜13、ポリシリコン膜14を積層形成すると、図48に示すようになる。 Next, an annealing process is performed to diffuse the constituent elements of the Al 2 O 3 film of the cap film 32 into the HfO 2 film of the base insulating film 31 in the pMIS region, thereby forming an HfAlO film as the hafnium-based oxide film 34. In the nMIS region, the constituent elements of the MgO film of the cap film 33 are diffused into the HfO 2 film of the base insulating film 32 to form an HfMgO film as the hafnium-based oxide film 35 (see FIG. 48). Next, when the protective films 6 and 10 are all removed by etching and the metal film 13 and the polysilicon film 14 are sequentially formed on the main surface of the substrate 1, a state as shown in FIG. 48 is obtained.

その後、前記実施の形態1で説明したように、ゲート電極形成のパターニング工程などを経て、縮小化された半導体装置が完成する。   Thereafter, as described in the first embodiment, a reduced semiconductor device is completed through a patterning process for forming a gate electrode.

(実施の形態3)
前記実施の形態1では、基板としてシリコン基板を用いた場合について説明したが、本実施の形態では、SOI(Silicon On Insulator)基板を用いた場合について説明する。なお、前記実施の形態1と同様の説明は省略する場合がある。
(Embodiment 3)
In the first embodiment, the case where a silicon substrate is used as the substrate has been described, but in this embodiment, the case where an SOI (Silicon On Insulator) substrate is used will be described. The description similar to that of the first embodiment may be omitted.

図49および図50は、本実施の形態における半導体装置の要部を模式的に示す断面図であり、それぞれ図1で示したSRAMを備えた半導体装置の要部を模式的に示した平面図のA−A’線、B−B’線に対応するものである。なお、図49および図50に示すように、SOI基板51は、基材のシリコン基板上に埋め込み絶縁膜52、その埋め込み絶縁膜52上にシリコン層53が設けられてなる。   49 and 50 are cross-sectional views schematically showing main parts of the semiconductor device according to the present embodiment, and are plan views schematically showing main parts of the semiconductor device including the SRAM shown in FIG. Corresponds to the AA ′ line and BB ′ line. As shown in FIGS. 49 and 50, the SOI substrate 51 has a buried insulating film 52 on a base silicon substrate and a silicon layer 53 on the buried insulating film 52.

前記実施の形態1では、基板1を構成するシリコン基板の主面にSTIを形成して素子分離領域2としている。この素子分離領域2はnMISトランジスタの活性領域とpMISトランジスタの活性領域とを絶縁分離するために設けられている。本実施の形態では、その素子分離領域2をSOI基板のシリコン層を除去した領域としている。したがって、SOI基板51に素子分離領域2を形成した後の工程を、前記実施の形態1と同様の工程とすることで、半導体装置を完成することができる。例えば、pMIS領域のシリコン層53ではnウェル3を構成し、そのnウェル3にpMISトランジスタのソース/ドレイン領域を構成するp型半導体領域18が形成される。また、nMIS領域のシリコン層53ではpウェル4を構成し、そのpウェル4にnMISトランジスタのソース/ドレイン領域を構成するn型半導体領域19が形成される。   In the first embodiment, the element isolation region 2 is formed by forming STI on the main surface of the silicon substrate constituting the substrate 1. This element isolation region 2 is provided to insulate and isolate the active region of the nMIS transistor and the active region of the pMIS transistor. In the present embodiment, the element isolation region 2 is a region where the silicon layer of the SOI substrate is removed. Therefore, the semiconductor device can be completed by making the process after forming the element isolation region 2 on the SOI substrate 51 the same process as in the first embodiment. For example, the n well 3 is formed in the silicon layer 53 of the pMIS region, and the p-type semiconductor region 18 forming the source / drain region of the pMIS transistor is formed in the n well 3. Further, the p well 4 is formed in the silicon layer 53 of the nMIS region, and the n-type semiconductor region 19 forming the source / drain region of the nMIS transistor is formed in the p well 4.

本実施の形態も前記実施の形態1と同様に、図4にも示したように、先の工程でエッチング用マスクとして用いたレジストマスク8と、このレジストマスク12とが覆う領域が重なるように、pMISトランジスタの活性領域とnMISトランジスタの活性領域とを絶縁分離する素子分離領域2でオーバーラップ(図4ではハッチングが重複している領域V)させている。本実施の形態ではレジストマスク8とレジストマスク12とがオーバーラップできるので、素子分離領域2の幅W(図49参照)を、オーバーラップをさせない場合の素子分離領域2の幅W’(図51、図52参照)より小さくすることができる。これにより、以降の工程を経て製造された半導体装置では、そのSRAMセルの密度を高めることができ、また、縮小化することができることとなる。   Similarly to the first embodiment, the present embodiment also has the resist mask 8 used as an etching mask in the previous step and the region covered by the resist mask 12 overlapped as shown in FIG. The active region of the pMIS transistor and the active region of the nMIS transistor are overlapped with each other in an element isolation region 2 that isolates and isolates them (region V in which hatching overlaps in FIG. 4). In this embodiment, since the resist mask 8 and the resist mask 12 can overlap with each other, the width W (see FIG. 49) of the element isolation region 2 is set to the width W ′ of the element isolation region 2 when not overlapping (FIG. 51). , See FIG. 52). Thereby, in the semiconductor device manufactured through the subsequent steps, the density of the SRAM cell can be increased and the size can be reduced.

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。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

例えば、前記実施の形態では、pMISトランジスタとnMISトランジスタのゲート電極材料を同一とした構造の半導体装置に適用した場合について説明したが、ゲート電極材料を異ならせた構造(デュアルメタル)の半導体装置にも適用することができる。   For example, in the above-described embodiment, the case where the gate electrode material of the pMIS transistor and the nMIS transistor is applied to the same semiconductor device has been described. However, the semiconductor device having a different gate electrode material (dual metal) is used. Can also be applied.

本発明は、半導体装置、特に、ゲート絶縁膜に高誘電率膜を適用したMISトランジスタに有効で、とりわけSRAMを内蔵した半導体装置の製造業に幅広く利用されるものである。   The present invention is effective for a semiconductor device, in particular, a MIS transistor in which a high dielectric constant film is applied to a gate insulating film, and is particularly widely used in the manufacturing industry of a semiconductor device having a built-in SRAM.

本発明の一実施の形態における半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the principal part of the semiconductor device in one embodiment of this invention. 図1のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 1. 図1のB−B’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line B-B ′ of FIG. 1. 素子分離領域に係り、pMISトランジスタの活性領域全体に設けられた第1マスクと、その第1マスクが設けられた素子分離領域に係り、nMISトランジスタの活性領域全体に設けられた第2マスクがオーバーラップしていることを説明するための図である。In relation to the element isolation region, the first mask provided in the entire active region of the pMIS transistor and the second mask provided in the entire active region of the nMIS transistor over the element isolation region provided with the first mask are over. It is a figure for demonstrating being wrapped. 本発明の一実施の形態における製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。It is a top view which shows typically the principal part of the semiconductor device in the manufacturing process in one embodiment of this invention. 図5のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 5. 図5に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 6 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 5. 図7のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 7. 図7に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 8 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 7. 図9のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 9. 図9に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 10 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 9. 図11のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 12 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 11. 図11に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 12 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 11. 図13のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the semiconductor device in the A-A 'line | wire of FIG. 図13に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 14 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 13. 図15のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 15. 図15に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 16 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 15. 図17のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 17. 図17に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 18 is a plan view schematically showing main parts of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 17. 図19のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 20 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 19. 図19に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 20 is a plan view schematically showing main parts of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 19. 図21のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 22 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 21. 図21に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 22 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 21. 図23のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 24 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 23. 図23に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 24 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 23. 図25のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 26 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 25. 図25に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 26 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 25. 図27のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 28 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 27. 図27に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 28 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 27. 図29のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 30 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 29. 図29に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 30 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 29. 図31のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 32 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 31. 図31に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 32 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 31. 図33のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 34 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 33. 図33に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 34 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 33. 図35のA−A’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 36 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line A-A ′ of FIG. 35. 図35に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 36 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 35. 図37のB−B’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 38 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line B-B ′ of FIG. 37. 図37に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 38 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 37. 図39のB−B’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 40 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line B-B ′ of FIG. 39. 図39に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 40 is a plan view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 39. 図41のB−B’線における半導体装置を模式的に示す断面図である。FIG. 42 is a cross-sectional view schematically showing the semiconductor device taken along line B-B ′ of FIG. 41. 本発明の他の実施の形態における製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the principal part of the semiconductor device in the manufacturing process in other embodiment of this invention. 図43に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す断面図である。FIG. 44 is a cross-sectional view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 43. 図44に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す断面図である。FIG. 45 is a cross-sectional view schematically showing main parts of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 44. 図45に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す断面図である。FIG. 46 is a cross-sectional view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 45. 図46に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す断面図である。FIG. 47 is a cross-sectional view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 46. 図47に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す断面図である。FIG. 48 is a cross-sectional view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 47. 本発明の他の実施の形態における半導体装置の要部を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the principal part of the semiconductor device in other embodiment of this invention. 図49で示す断面と異なる断面における半導体装置の要部を模式的に示す断面図である。FIG. 50 is a cross sectional view schematically showing a main part of a semiconductor device in a cross section different from the cross section shown in FIG. 49. 本発明者らが検討した製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the principal part of the semiconductor device in the manufacturing process which the present inventors examined. 図51に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す断面図である。FIG. 52 is a cross-sectional view schematically showing main parts of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 51. 図52に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す断面図である。FIG. 53 is a cross-sectional view schematically showing main parts of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 52. 図53に続く製造工程中の半導体装置の要部を模式的に示す断面図である。FIG. 54 is a cross-sectional view schematically showing the main part of the semiconductor device in the manufacturing process following FIG. 53. 素子分離領域に削れが生じた半導体装置の要部を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the principal part of the semiconductor device with which scraping generate | occur | produced in the element isolation region. 図55の半導体装置の要部を模式的に示す平面図である。FIG. 56 is a plan view schematically showing main parts of the semiconductor device of FIG. 55.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 素子分離領域
3 nウェル
4 pウェル
5 ハフニウム系酸化膜
6 保護膜
7 ハードマスク
8 レジストマスク
9 ハフニウム系酸化膜
10 保護膜
11 ハードマスク
12 レジストマスク
13 金属膜
14 ポリシリコン膜
15、16、17 レジストマスク
18 p型半導体領域(ソース/ドレイン)
19 n型半導体領域(ソース/ドレイン)
20 サイドウォール
21 シリサイド膜
22 層間絶縁膜
23 コンタクトホール
24 コンタクト
25 配線
31 ベース絶縁膜
32、33 キャップ膜
34、35 ハフニウム系酸化膜
51 SOI基板
52 埋め込み絶縁膜
53 シリコン層
101 削れ
102 半導体領域
G ゲート電極
Qp pMISトランジスタ
Qn nMISトランジスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Element isolation region 3 N well 4 P well 5 Hafnium-based oxide film 6 Protective film 7 Hard mask 8 Resist mask 9 Hafnium-based oxide film 10 Protective film 11 Hard mask 12 Resist mask 13 Metal film 14 Polysilicon films 15 and 16 , 17 Resist mask 18 p-type semiconductor region (source / drain)
19 n-type semiconductor region (source / drain)
20 Sidewall 21 Silicide film 22 Interlayer insulating film 23 Contact hole 24 Contact 25 Wiring 31 Base insulating film 32, 33 Cap film 34, 35 Hafnium-based oxide film 51 SOI substrate 52 Embedded insulating film 53 Silicon layer 101 Scraped 102 Semiconductor region G Gate Electrode Qp pMIS transistor Qn nMIS transistor

Claims (11)

半導体基板と、
前記半導体基板の主面に設けられた素子分離領域と、
前記半導体基板の主面に設けられ、前記素子分離領域によって互いに絶縁分離された第1活性領域および第2活性領域と、
前記素子分離領域に係るように前記第1活性領域上に設けられた第1MISトランジスタの第1ゲート絶縁膜と、
前記第1ゲート絶縁膜と異なる材料から構成され、前記第1ゲート絶縁膜と前記素子分離領域上で接触し、前記第2活性領域上に設けられた第2MISトランジスタの第2ゲート絶縁膜と、
前記第1ゲート絶縁膜上に設けられた前記第1MISトランジスタの第1ゲート電極と、
前記第2ゲート絶縁膜上に設けられた前記第2MISトランジスタの第2ゲート電極とを備えていることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
An element isolation region provided on a main surface of the semiconductor substrate;
A first active region and a second active region provided on a main surface of the semiconductor substrate and insulated from each other by the element isolation region;
A first gate insulating film of a first MIS transistor provided on the first active region so as to relate to the element isolation region;
A second gate insulating film made of a material different from that of the first gate insulating film, in contact with the first gate insulating film on the element isolation region, and provided on the second active region;
A first gate electrode of the first MIS transistor provided on the first gate insulating film;
A semiconductor device comprising: a second gate electrode of the second MIS transistor provided on the second gate insulating film.
前記第1ゲート電極と前記第2ゲート電極とは同一のゲート電極材料から構成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first gate electrode and the second gate electrode are made of the same gate electrode material. 前記半導体基板はSOI基板であり、前記素子分離領域は前記SOI基板のシリコン層が除去された領域であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。   2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is an SOI substrate, and the element isolation region is a region where the silicon layer of the SOI substrate is removed. 前記第1ゲート絶縁膜は、酸化シリコンより誘電率が高く、アルミニウム、チタンまたはタンタルのいずれかを含むハフニウム系酸化膜であり、
前記第2ゲート絶縁膜は、酸化シリコンより誘電率が高く、マグネシウム、ランタン、ガドリニウムまたはイットリウムのいずれかを含むハフニウム系酸化膜であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
The first gate insulating film is a hafnium-based oxide film having a higher dielectric constant than silicon oxide and containing any of aluminum, titanium, or tantalum,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second gate insulating film is a hafnium-based oxide film having a dielectric constant higher than that of silicon oxide and containing any of magnesium, lanthanum, gadolinium, and yttrium.
以下の工程を含む半導体装置の製造方法:
(a)素子分離領域によって互いに絶縁分離された第1MISトランジスタの第1活性領域および第2MISトランジスタの第2活性領域を有する半導体基板を準備する工程;
(b)前記半導体基板の主面上に第1ゲート絶縁膜材料膜を形成する工程;
(c)前記素子分離領域に係るように前記第1活性領域全体に設けられた第1マスクを用いて、前記第1ゲート絶縁膜材料膜をエッチングする工程;
(d)前記工程(c)の後、前記半導体基板の主面上に前記第1ゲート絶縁膜材料膜と異なる材料から構成される第2ゲート絶縁膜材料膜を形成する工程;
(e)前記第1マスクが設けられた前記素子分離領域と重複して係るように前記第2活性領域全体に設けられた第2マスクを用いて、前記第2ゲート絶縁膜材料膜をエッチングする工程;
(f)前記工程(e)の後、前記半導体基板の主面上にゲート電極材料膜を形成する工程;
(g)前記第1活性領域および前記第2活性領域を横切り、前記第1活性領域、前記素子分離領域および前記第2活性領域に設けられた第3マスクを用いて、前記ゲート電極材料膜をパターニングする工程。
A semiconductor device manufacturing method including the following steps:
(A) preparing a semiconductor substrate having a first active region of a first MIS transistor and a second active region of a second MIS transistor that are insulated and isolated from each other by an element isolation region;
(B) forming a first gate insulating film material film on the main surface of the semiconductor substrate;
(C) etching the first gate insulating film material film using a first mask provided on the entire first active region so as to relate to the element isolation region;
(D) After the step (c), forming a second gate insulating film material film made of a material different from the first gate insulating film material film on the main surface of the semiconductor substrate;
(E) The second gate insulating film material film is etched using a second mask provided over the entire second active region so as to overlap with the element isolation region provided with the first mask. Process;
(F) a step of forming a gate electrode material film on the main surface of the semiconductor substrate after the step (e);
(G) Crossing the first active region and the second active region, and using the third mask provided in the first active region, the element isolation region, and the second active region, the gate electrode material film is formed Patterning.
前記工程(e)において、前記素子分離領域では、前記第1ゲート絶縁膜材料膜と接触する前記第2ゲート絶縁膜材料膜を形成することを特徴とする請求項5記載の半導体装置の製造方法。   6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein, in the step (e), the second gate insulating film material film in contact with the first gate insulating film material film is formed in the element isolation region. . 以下の工程を含む半導体装置の製造方法:
(a)素子分離領域によって互いに絶縁分離された第1MISトランジスタの第1活性領域および第2MISトランジスタの第2活性領域を有する半導体基板を準備する工程;
(b)前記半導体基板の主面上に、酸化シリコンより誘電率が高い第1ハフニウム系酸化膜を形成する工程;
(c)前記第1ハフニウム系酸化膜上に順に前記第1ハフニウム系酸化膜に対してエッチングの選択比が高い第1保護膜、前記第1保護膜に対してエッチングの選択比が高い第1ハードマスクを積層形成する工程;
(d)前記工程(c)の後、前記素子分離領域に係るように前記第1活性領域全体に設けられた第1レジストマスクを用いて、前記第1ハードマスクをエッチングする工程;
(e)前記工程(d)の後、前記第1ハードマスクを用いて、前記第1保護膜をエッチングする工程;
(f)前記工程(e)の後、前記第1ハードマスクを用いて、前記第1ハフニウム系酸化膜をエッチングする工程;
(g)前記工程(f)の後、前記半導体基板の主面上に、酸化シリコンより誘電率が高く、前記第1ハフニウム系酸化膜と異なる材料から構成される第2ハフニウム系酸化膜を形成する工程;
(h)前記第2ハフニウム系酸化膜上に順に前記第2ハフニウム系酸化膜に対してエッチングの選択比が高い第2保護膜、前記第2保護膜に対してエッチングの選択比が高い第2ハードマスクを積層形成する工程;
(i)前記工程(h)の後、前記第1レジストマスクが設けられた前記素子分離領域に重複して係るように前記第2活性領域全体に設けられた第2レジストマスクを用いて、前記第2ハードマスクをエッチングする工程;
(j)前記工程(i)の後、前記第2ハードマスクを用いて、前記第2保護膜をエッチングする工程;
(k)前記工程(j)の後、前記第1ハードマスクおよび前記第2ハードマスクを全てエッチングによって除去する工程;
(l)前記工程(k)の後、前記第1保護膜および前記第2保護膜を全てエッチングによって除去する工程;
(m)前記工程(l)の後、前記半導体基板の主面上にゲート電極材料膜を形成する工程;
(n)前記第1活性領域および前記第2活性領域を横切り、前記第1活性領域、前記素子分離領域、および前記第2活性領域に設けられた第3レジストマスクを用いて、前記ゲート電極材料膜をパターニングする工程。
A semiconductor device manufacturing method including the following steps:
(A) preparing a semiconductor substrate having a first active region of a first MIS transistor and a second active region of a second MIS transistor that are insulated and isolated from each other by an element isolation region;
(B) forming a first hafnium-based oxide film having a dielectric constant higher than that of silicon oxide on the main surface of the semiconductor substrate;
(C) A first protective film having a high etching selectivity with respect to the first hafnium-based oxide film in order on the first hafnium-based oxide film, and a first etching film having a high etching selectivity with respect to the first protective film. A step of laminating a hard mask;
(D) After the step (c), a step of etching the first hard mask using a first resist mask provided in the entire first active region so as to be related to the element isolation region;
(E) a step of etching the first protective film using the first hard mask after the step (d);
(F) After the step (e), using the first hard mask, etching the first hafnium-based oxide film;
(G) After the step (f), a second hafnium-based oxide film having a dielectric constant higher than that of silicon oxide and made of a material different from that of the first hafnium-based oxide film is formed on the main surface of the semiconductor substrate. The step of:
(H) A second protective film having a higher etching selectivity with respect to the second hafnium-based oxide film in order on the second hafnium-based oxide film, and a second with a higher etching selectivity with respect to the second protective film. A step of laminating a hard mask;
(I) After the step (h), using the second resist mask provided over the entire second active region so as to overlap with the element isolation region provided with the first resist mask, Etching the second hard mask;
(J) a step of etching the second protective film using the second hard mask after the step (i);
(K) After the step (j), removing all of the first hard mask and the second hard mask by etching;
(L) After the step (k), a step of removing all of the first protective film and the second protective film by etching;
(M) a step of forming a gate electrode material film on the main surface of the semiconductor substrate after the step (l);
(N) The gate electrode material using a third resist mask provided in the first active region, the element isolation region, and the second active region across the first active region and the second active region Patterning the film;
前記工程(j)において、前記第2ハードマスク下まで後退するように前記第2保護膜をエッチングすることを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。   8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein in the step (j), the second protective film is etched so as to recede to a position below the second hard mask. 前記工程(j)において、前記第2保護膜をウエットエッチングすることを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。   8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein in the step (j), the second protective film is wet-etched. 前記工程(k)において、前記素子分離領域では、前記第1ハフニウム系酸化膜と接触する前記第2ハフニウム系酸化膜を形成することを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。   8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein in the step (k), the second hafnium oxide film in contact with the first hafnium oxide film is formed in the element isolation region. 前記第1レジストマスクと前記第2レジストマスクは、前記半導体基板上における共通領域を平面的に覆うように形成されることを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。   8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the first resist mask and the second resist mask are formed so as to cover a common region on the semiconductor substrate in a planar manner.
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