JP2010123660A - Insulated gate-type semiconductor device, and manufacturing method thereof - Google Patents

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祐輔 森▲崎▼
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To properly and selectively control a work function of a tantalum carbide film in an insulated gate-type semiconductor device, related to a method of manufacturing the insulated gate-type semiconductor device. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the insulated gate-type semiconductor device has steps of: forming a gate insulating film on a semiconductor substrate; carrying out the film formation of the tantalum carbide film on the gate insulating film; and performing hydrogen plasma treatment after forming a mask pattern having an aperture for exposing a part of the tantalum carbide film. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は絶縁ゲート型半導体装置及びその製造方法に関するものであり、特に、ゲート絶縁膜として高誘電率膜を用い、且つ、ゲート電極として炭化タンタル膜を用いたMISFET等の絶縁ゲート型電界効果型トランジスタのしきい値電圧を適正に設定するための構成に関するものである。   The present invention relates to an insulated gate semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, an insulated gate field effect type such as a MISFET using a high dielectric constant film as a gate insulating film and a tantalum carbide film as a gate electrode. The present invention relates to a configuration for appropriately setting a threshold voltage of a transistor.

従来のMIS型半導体装置においては、相補型トランジスタを用いた構造が採用されているため、nチャネル型MISFETとpチャネル型MISFETとを同一半導体基板上に形成する必要がある。また、nチャネル型MISFETとpチャネル型MISFETのそれぞれが適切な閾値電圧Vthを有するためには、それぞれのゲート電極が適切な仕事関数を有していることが必要となる。 Since a conventional MIS type semiconductor device employs a structure using complementary transistors, it is necessary to form an n channel MISFET and a p channel MISFET on the same semiconductor substrate. Further, in order for each of the n-channel MISFET and the p-channel MISFET to have an appropriate threshold voltage Vth , it is necessary that each gate electrode has an appropriate work function.

そのため、従来においては、ゲート電極にポリシリコンを用い、イオン注入によるドーピング技術によりnチャネル型MISFETゲート電極には砒素などを、pチャネル型MISFETのゲート電極にはボロンなどを注入して仕事関数を制御してきた。   Therefore, conventionally, polysilicon is used for the gate electrode, and arsenic or the like is implanted into the n-channel MISFET gate electrode and boron or the like is implanted into the gate electrode of the p-channel MISFET by a doping technique by ion implantation. Controlled.

しかし、半導体装置の高性能化のため、微細化が進行するとポリシリコンをゲート電極に用いることによる以下の問題がある。第一にMIS型半導体装置の動作時にポリシリコンのゲート絶縁膜界面に空乏層が発生するが、微細化によるゲート絶縁膜の薄膜化により空乏層の厚さがゲート絶縁膜の厚さに対し相対的に大きくなり、動作時の容量が十分に得られなくなるという問題がある。   However, as miniaturization progresses in order to improve the performance of semiconductor devices, there are the following problems due to the use of polysilicon for the gate electrode. First, a depletion layer is generated at the interface of polysilicon gate insulation film during the operation of the MIS type semiconductor device. There is a problem that the capacity during operation cannot be obtained sufficiently.

第二に、微細化によるゲート絶縁膜の電気的容量を増大させつつ、ゲートリーク電流を抑制するため、ゲート絶縁膜に高誘電材料、たとえばハフニウム酸化物やハフニウムシリケートなどを用いる。しかし、この材料とポリシリコンゲート電極の組み合わせにおいて、フェルミレベルピニングと呼ばれる現象や界面でのダイポールの発生のため閾値が大きくなり、良好な動作特性が得られないという問題がある。   Second, a high dielectric material such as hafnium oxide or hafnium silicate is used for the gate insulating film in order to suppress the gate leakage current while increasing the electric capacity of the gate insulating film due to miniaturization. However, in the combination of this material and the polysilicon gate electrode, there is a problem that the threshold value becomes large due to a phenomenon called Fermi level pinning and the occurrence of a dipole at the interface, and good operating characteristics cannot be obtained.

これらの問題を解決するためにゲート電極に金属材料を用いるよう研究開発が進められている。ゲート電極に金属材料を用いる場合、ゲート絶縁膜の上に仕事関数を制御する金属膜を成膜する。n型領域とp型領域では互いに異なる仕事関数の材料が必要であるため、一方の金属材料を成膜したのち、不要な領域の金属材料をパターニング技術を用いてエッチング除去し、さらに他方の金属材料を成膜する必要がある(例えば、特許文献1参照)。   In order to solve these problems, research and development are underway to use a metal material for the gate electrode. When a metal material is used for the gate electrode, a metal film for controlling a work function is formed on the gate insulating film. Since materials having different work functions are required in the n-type region and the p-type region, after forming one metal material, the metal material in an unnecessary region is removed by etching using a patterning technique, and the other metal It is necessary to deposit a material (for example, refer to Patent Document 1).

図11は、従来の金属ゲートCMOSFETの製造工程の説明図である。図11(a)に示すように、シリコン基板81にSTI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離領域82を形成したのち、n型ウエル領域83及びp型ウエル領域84を形成する。   FIG. 11 is an explanatory diagram of a manufacturing process of a conventional metal gate CMOSFET. As shown in FIG. 11A, after an element isolation region 82 having an STI (Shallow Trench Isolation) structure is formed on a silicon substrate 81, an n-type well region 83 and a p-type well region 84 are formed.

次いで、高誘電率膜からなるゲート絶縁膜85を形成したのち、Ta源とC源を交互に供給することによって(111)−richのTaC膜86を形成する。この(111)−richのTaC膜86は、後述する(200)−richのTaC膜に比べて仕事関数が大きくなる。   Next, after forming a gate insulating film 85 made of a high dielectric constant film, a (111) -rich TaC film 86 is formed by alternately supplying a Ta source and a C source. The work function of the (111) -rich TaC film 86 is larger than that of the (200) -rich TaC film described later.

次いで、図11(b)に示すように、SiN膜を堆積させたのち、p型ウエル領域84上のSiN膜を除去して残ったSiN膜パターン87をマスクとしてp型ウエル領域84上のTaC膜86を選択的に除去する。   Next, as shown in FIG. 11B, after depositing the SiN film, the SiN film on the p-type well region 84 is removed, and the remaining SiN film pattern 87 is used as a mask for TaC on the p-type well region 84. The film 86 is selectively removed.

次いで、図11(c)に示すように、Ta源とC源を同時に供給することによって(200)−richのTaC膜88を形成する。この(200)−richのTaC膜88の仕事関数は、例えば、4.18eV程度であり、上述の(111)−richのTaC膜86の仕事関数4.8eVに比べて小さい。   Next, as shown in FIG. 11C, a (200) -rich TaC film 88 is formed by simultaneously supplying a Ta source and a C source. The work function of the (200) -rich TaC film 88 is, for example, about 4.18 eV, which is smaller than the work function of 4.8 eV of the (111) -rich TaC film 86 described above.

次いで、図11(d)に示すように、SiN膜パターン87を除去することによってSiN膜パターン87上に堆積したTaC膜88をリフトオフする。その結果、仕事関数が、例えば、4.18eV程度の(200)−richのTaC膜88がp型ウエル領域84上のみに選択的形成されることになる。   Next, as shown in FIG. 11 (d), the TaC film 88 deposited on the SiN film pattern 87 is lifted off by removing the SiN film pattern 87. As a result, the (200) -rich TaC film 88 having a work function of, for example, about 4.18 eV is selectively formed only on the p-type well region 84.

以降は、通常のゲート構造のパターニング工程、不純物の導入工程、コンタクト電極の形成工程、層間絶縁膜を形成工程、引出電極の形成工程とを経ることによって、p型ウエル領域84に形成したnチャネル型MOSFETとn型ウエル領域83に形成したpチャネル型MOSFETとからなるCMOSFETが構成される。   Thereafter, an n-channel formed in the p-type well region 84 through a normal gate structure patterning step, impurity introduction step, contact electrode formation step, interlayer insulating film formation step, and extraction electrode formation step. A CMOSFET comprising a type MOSFET and a p-channel type MOSFET formed in the n-type well region 83 is formed.

図12は、従来の他の金属ゲートCMOSFETの製造工程の説明図である。図11(a)に示すように、シリコン基板81にSTI構造の素子分離領域82を形成したのち、n型ウエル領域83及びp型ウエル領域84を形成する。次いで、高誘電率膜からなるゲート絶縁膜85を形成したのち、SiN膜を堆積させ、n型ウエル領域83上のSiN膜を除去してSiN膜パターン89からなるマスクを形成する。   FIG. 12 is an explanatory diagram of another conventional metal gate CMOSFET manufacturing process. As shown in FIG. 11A, after an element isolation region 82 having an STI structure is formed on a silicon substrate 81, an n-type well region 83 and a p-type well region 84 are formed. Next, after forming a gate insulating film 85 made of a high dielectric constant film, an SiN film is deposited, and the SiN film on the n-type well region 83 is removed to form a mask made of the SiN film pattern 89.

次いで、図12(b)に示すように、Ta源とC源を交互に供給することによって(111)−richのTaC膜90を形成する。   Next, as shown in FIG. 12B, a (111) -rich TaC film 90 is formed by alternately supplying a Ta source and a C source.

次いで、図12(c)に示すように、SiN膜パターン89を除去することによってSiN膜パターン89上に堆積したTaC膜90をリフトオフする。その結果、n型ウエル領域83上にのみ(111)−richのTaC膜90が選択的形成されることになる。   Next, as shown in FIG. 12C, the TaC film 90 deposited on the SiN film pattern 89 is lifted off by removing the SiN film pattern 89. As a result, the (111) -rich TaC film 90 is selectively formed only on the n-type well region 83.

次いで図12(d)に示すように、Ta源とC源を同時に供給することによって(200)−richのTaC膜91を全面に形成する。以降は、通常のゲート構造のパターニング工程、不純物の導入工程、コンタクト電極の形成工程、層間絶縁膜を形成工程、引出電極の形成工程とを経ることによって、p型ウエル領域84に形成したnチャネル型MOSFETとn型ウエル領域83に形成したpチャネル型MOSFETからなるCMOSFETが構成される。
特開2007−165414号公報
Then, as shown in FIG. 12D, a (200) -rich TaC film 91 is formed on the entire surface by simultaneously supplying a Ta source and a C source. Thereafter, an n-channel formed in the p-type well region 84 through a normal gate structure patterning step, impurity introduction step, contact electrode formation step, interlayer insulating film formation step, and extraction electrode formation step. A CMOSFET composed of a p-channel MOSFET formed in the n-type well and the n-type well region 83 is formed.
JP 2007-165414 A

しかし、上述の金属ゲートCMOSFETの製造工程では、TaC膜の除去工程或いはSiN膜パターンの形成工程及び除去工程において、ゲート絶縁膜にエッチングの作用が及ぶため、ゲート絶縁膜の信頼性に悪影響を及ぼす可能性がある。   However, in the above-described manufacturing process of the metal gate CMOSFET, since the etching action is exerted on the gate insulating film in the TaC film removing process or the SiN film pattern forming process and removing process, the reliability of the gate insulating film is adversely affected. there is a possibility.

また、TaC膜の成膜工程により結晶配向性を制御して仕事関数を制御しているので、仕事関数は結晶構造に依存する特定の値になり、任意の値にすることができないという問題がある。この場合、(111)相と(200)相の比率で仕事関数を制御することは可能であっても、(111)相と(200)相の比率を精度良く任意の値に制御するためには、成膜工程を高精度に管理する必要があり、再現性に乏しいという問題がある。   In addition, since the work function is controlled by controlling the crystal orientation in the TaC film forming process, the work function becomes a specific value depending on the crystal structure and cannot be set to an arbitrary value. is there. In this case, in order to accurately control the ratio of the (111) phase to the (200) phase to an arbitrary value even though the work function can be controlled by the ratio of the (111) phase to the (200) phase. However, there is a problem that it is necessary to manage the film forming process with high accuracy and the reproducibility is poor.

さらに、いずれにしても、一方をpチャネル型とし他方をnチャネル型とする構成が得られるだけであり、異なった仕事関数のゲート電極を備えた異なったVthを有する同導電型のMOSFETを選択的に形成することができないという問題もある。 Furthermore, in any case, it is only possible to obtain a configuration in which one is a p-channel type and the other is an n-channel type, and MOSFETs of the same conductivity type having different Vths with gate electrodes having different work functions are obtained. There is also a problem that it cannot be formed selectively.

このような問題を解決するには、タンタルに対し炭素をイオン注入することにより仕事関数を制御することが考えられる。しかし、この場合、注入された炭素は、深さ方向にある広がりを持った分布になるため、ゲート絶縁膜との界面近傍に十分な炭素を注入しようとすると、ゲート絶縁膜中にまで炭素が達することになり、ゲート電極のみに炭素をとどめることが難しいという問題がある。さらに、イオン注入によりゲート絶縁膜がダメージを受けるという問題もある。   In order to solve such a problem, it is conceivable to control the work function by ion-implanting carbon into tantalum. However, in this case, the implanted carbon has a distribution with a spread in the depth direction. Therefore, if sufficient carbon is implanted near the interface with the gate insulating film, the carbon is not even introduced into the gate insulating film. As a result, it is difficult to keep carbon only in the gate electrode. Further, there is a problem that the gate insulating film is damaged by the ion implantation.

したがって、本発明は、ゲート絶縁膜にダメージを与えることなく、炭化タンタル膜の仕事関数を適正に設定することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to appropriately set the work function of a tantalum carbide film without damaging the gate insulating film.

本発明の一観点からは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成された第1炭素濃度の第1の炭化タンタル膜を含む第1ゲート電極とを有する第1の絶縁ゲート電界効果型トランジスタと、前記半導体基板上に形成された第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜上に形成された、前記第1炭素濃度とは異なる第2炭素濃度の第2の炭化タンタル膜を含む第2ゲート電極とを有する第2の絶縁ゲート電界効果型トランジスタとを有する半導体装置が提供される。   From one aspect of the present invention, a semiconductor substrate, a first gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and a first tantalum carbide having a first carbon concentration formed on the first gate insulating film A first insulated gate field effect transistor having a first gate electrode including a film, a second gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and formed on the second gate insulating film, There is provided a semiconductor device having a second insulated gate field effect transistor having a second gate electrode including a second tantalum carbide film having a second carbon concentration different from the first carbon concentration.

また、本発明の別の観点からは、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上に炭化タンタル膜を成膜する工程と、前記炭化タンタル膜の一部を露出する開口を有するマスクパターンを形成したのち、水素プラズマ処理を行う工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。   From another viewpoint of the present invention, a step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step of forming a tantalum carbide film on the gate insulating film, and a portion of the tantalum carbide film are exposed. A method for manufacturing a semiconductor device is provided, which includes a step of performing a hydrogen plasma treatment after forming a mask pattern having an opening.

開示の絶縁ゲート型半導体装置及びその製造方法によれば、水素プラズマ処理を用いることによって、ゲート絶縁膜にダメージを与えることなく簡単な工程で炭化タンタルという導電材料を用いて仕事関数を適切に制御したゲート電極を形成することができる。それによって、相補型半導体装置や、互いにVthの高となるトランジスタからなる多値論理回路を構成する絶縁ゲート型半導体装置の信頼性を高めることが可能になる。 According to the disclosed insulated gate semiconductor device and its manufacturing method, by using hydrogen plasma treatment, the work function is appropriately controlled using a conductive material called tantalum carbide in a simple process without damaging the gate insulating film. The gate electrode can be formed. Accordingly, it is possible to improve the reliability of the complementary semiconductor device and the insulated gate semiconductor device that constitutes the multi-value logic circuit including the transistors having high Vth .

ここで、図1を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の実施の形態の金属ゲートMISFETの製造工程の説明図である。図1(a)に示すように、まず、シリコン基板11に例えば、STI構造の素子分離領域12を形成したのち、n型の第1のウエル領域13及び第2のウエル領域14を形成する。   Here, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is an explanatory diagram of the manufacturing process of the metal gate MISFET according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1A, first, for example, an element isolation region 12 having an STI structure is formed on a silicon substrate 11, and then an n-type first well region 13 and a second well region 14 are formed.

次いで、HfOやHfSiON等の高誘電率膜からなるゲート絶縁膜15を形成したのち、仕事関数が例えば4.8eV程度でTaC膜16を成膜する。このTaC膜16は、例えば、Ta源とC源を交互に供給することによって(111)−richのTaC膜としても良い。なお、このTaC膜16の膜厚は、次の水素プラズマ処理工程においてCが離脱し易いように、3〜15nm、例えば、5nmとする。 Next, after forming a gate insulating film 15 made of a high dielectric constant film such as HfO 2 or HfSiON, a TaC film 16 is formed with a work function of about 4.8 eV, for example. The TaC film 16 may be, for example, a (111) -rich TaC film by alternately supplying a Ta source and a C source. The film thickness of the TaC film 16 is set to 3 to 15 nm, for example, 5 nm so that C can be easily separated in the next hydrogen plasma processing step.

次いで、図1(b)に示すように、SiN膜を堆積させたのち、第2のウエル領域14上のSiN膜を除去して残ったSiN膜パターン17をマスクとする。次いで、水素プラズマ18中で熱処理することによって、TaC膜16中のCを放出してC−poorのTaC膜19に変換する。TaC膜16を水素プラズマ18中に晒すことによってH+ がTaC膜16中に進入して炭素と結合し、炭化水素(C)としてTaC膜16から脱離し、膜中の炭素を減らすことによってC−poorのTaC膜19に変換される。例えば、CがTaの1/3以下になるように減らす。 Next, as shown in FIG. 1B, after the SiN film is deposited, the SiN film pattern 17 remaining after removing the SiN film on the second well region 14 is used as a mask. Next, by performing a heat treatment in the hydrogen plasma 18, C in the TaC film 16 is released and converted into a C-poor TaC film 19. By exposing the TaC film 16 to the hydrogen plasma 18, H + enters the TaC film 16 and combines with carbon, desorbs from the TaC film 16 as hydrocarbon (C x H y ), and reduces carbon in the film. As a result, the film is converted into a C-poor TaC film 19. For example, C is reduced so that it becomes 1/3 or less of Ta.

TaCは仕事関数4.8eV程度であり、pチャネル型半導体装置のゲート電極材料として好適である。一方、TaCからCを減らしていくことにより仕事関数はTaの持つ4.0eVに近づいてゆき、nチャネル型半導体装置のゲート電極材料として好適となる。なお、Cの低減の程度は処理時間等の処理条件に依存するものであり、高温で長い時間処理した場合には、5nm程度の薄いTaC膜の場合にはCが殆ど離脱してTaに非常に近くなる。   TaC has a work function of about 4.8 eV and is suitable as a gate electrode material for a p-channel semiconductor device. On the other hand, by reducing C from TaC, the work function approaches 4.0 eV possessed by Ta, which is suitable as a gate electrode material for an n-channel semiconductor device. The degree of reduction of C depends on processing conditions such as processing time. When the processing is performed at a high temperature for a long time, in the case of a thin TaC film of about 5 nm, C is almost detached and the Ta is very low. Close to.

この場合の水素プラズマ処理工程の条件としては、3Paのプラズマ雰囲気圧力下で、基板温度を20〜200℃とし、TaC膜16の膜厚によるが5秒〜2分程度の処理を行えば良い。また、印加電力は、プラズマ処理装置の構成によるが、例えば、面積が800cm2 の平行平板電極を5cmの間隔で対向させた平行平板型プラズマ処理装置の場合には、1000W程度の電力を印加する。 As conditions for the hydrogen plasma treatment step in this case, the substrate temperature may be 20 to 200 ° C. under a plasma atmosphere pressure of 3 Pa, and the treatment may be performed for about 5 seconds to 2 minutes depending on the film thickness of the TaC film 16. The applied power depends on the configuration of the plasma processing apparatus. For example, in the case of a parallel plate type plasma processing apparatus in which parallel plate electrodes having an area of 800 cm 2 are opposed to each other at an interval of 5 cm, power of about 1000 W is applied. .

次いで、図1(c)に示すように、SiN膜パターン17を除去することによって、第2のウエル領域14上にはC濃度が低く仕事関数の小さなTaC膜19が形成されるとともに、n型の第1のウエル領域13上にはC濃度が高く仕事関数の大きなTaC膜16が選択的に形成された状態となる。   Next, as shown in FIG. 1C, by removing the SiN film pattern 17, a TaC film 19 having a low C concentration and a low work function is formed on the second well region 14, and an n-type film is formed. A TaC film 16 having a high C concentration and a high work function is selectively formed on the first well region 13.

次いで、図1(d)に示すように、全面に多結晶シリコンやW等の上層ゲート電極となる導電膜20を形成したのち、パターニングしてゲート構造を形成する。以降は、通常の不純物の導入工程、コンタクト電極の形成工程、層間絶縁膜を形成工程、引出電極の形成工程とを経ることによって、n型の第1のウエル領域13にはpチャネル型MISFETが形成される。   Next, as shown in FIG. 1D, a conductive film 20 to be an upper gate electrode such as polycrystalline silicon or W is formed on the entire surface, and then patterned to form a gate structure. Thereafter, a p-channel MISFET is formed in the n-type first well region 13 through a normal impurity introduction step, a contact electrode formation step, an interlayer insulating film formation step, and an extraction electrode formation step. It is formed.

一方、第2のウエル領域14がp型の場合には、nチャネル型MISFETが形成されてp型MISFETとともに相補型トランジスタを構成する。また、第2のウエル領域14がn型の場合には、第1のウエル領域13に形成したpチャネル型MISFETよりVthの高いp型チャネル型MISFETが形成される。 On the other hand, when the second well region 14 is p-type, an n-channel type MISFET is formed and constitutes a complementary transistor together with the p-type MISFET. When the second well region 14 is n-type, a p-type channel MISFET having a Vth higher than that of the p-channel MISFET formed in the first well region 13 is formed.

このように、本発明の実施の形態においては、エッチング工程を行うことなく、一度の成膜工程で成膜したTaC膜に水素プラズマ処理を行うだけの簡単な工程でTaC膜の仕事関数を制御している。したがって、ゲート絶縁膜に対してエッチングの作用が及ばないため信頼性の劣化を引き起こすこともない。   As described above, in the embodiment of the present invention, the work function of the TaC film is controlled by a simple process in which the hydrogen plasma treatment is performed on the TaC film formed in a single film forming process without performing the etching process. is doing. Therefore, since the etching action does not reach the gate insulating film, the reliability is not deteriorated.

なお、同一の半導体基板上に互いに異なったVthのnチャネル型MISFETを形成する場合には、第1のウエル領域及び第2のウエル領域を共にn型とし、第1の水素プラズマ処理工程の後に、SiN膜からなるマスクを除去して第2の水素プラズマ処理を行っても良い。 In the case of forming the n-channel type MISFET of mutually different V th on the same semiconductor substrate, the first well region and the second well region and n-type both the first hydrogen plasma treatment step After that, the second hydrogen plasma treatment may be performed by removing the mask made of the SiN film.

或いは、最初の成膜工程において、Ta源とC源を同時供給してnチャネル型MISFETに適した仕事関数の小さな(200)−richのTaC膜を形成し、このTaC膜を選択的に水素プラズマ処理しても良い。この場合、水素プラズマ処理を行った部分のTaC膜のC濃度は低減してより仕事関数が小さくなる。   Alternatively, in the first film formation step, a Ta source and a C source are simultaneously supplied to form a (200) -rich TaC film having a small work function suitable for an n-channel MISFET, and this TaC film is selectively hydrogenated. Plasma treatment may be performed. In this case, the work function is reduced by reducing the C concentration of the TaC film in the portion subjected to the hydrogen plasma treatment.

以上を前提として、次に、図2乃至図5を参照して本発明の実施例1の相補型半導体装置の製造工程を説明する。まず、図2(a)に示すように、例えば、850℃においてHCl酸化を行うことによって、p型シリコン基板21の表面に厚さが、例えば、10nmのSiO膜22を形成したのち、減圧化学気相成長法(LPCVD法)を用いて厚さが、例えば、100nmのSiN膜23を堆積させる。 Based on the above, the manufacturing process of the complementary semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described next with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 2A, for example, by performing HCl oxidation at 850 ° C., a SiO 2 film 22 having a thickness of, eg, 10 nm is formed on the surface of the p-type silicon substrate 21, and then the pressure is reduced. A SiN film 23 having a thickness of, for example, 100 nm is deposited by chemical vapor deposition (LPCVD).

次いで、図2(b)に示すように、素子形成領域のみにSiN膜23を残すレジストパターン(図示を省略)を設ける。このレジストパターンをマスクとしてドライエッチングを施すことによって、SiN膜パターン24を形成する。   Next, as shown in FIG. 2B, a resist pattern (not shown) that leaves the SiN film 23 only in the element formation region is provided. The SiN film pattern 24 is formed by performing dry etching using this resist pattern as a mask.

次いで、図2(c)に示すように、レジストパターンを除去したのち、SiN膜パターン24をマスクとして、ドライエッチングを施すことによって、深さが、例えば、200nmの素子分離溝25を形成する。   Next, as shown in FIG. 2C, after removing the resist pattern, by performing dry etching using the SiN film pattern 24 as a mask, an element isolation groove 25 having a depth of, for example, 200 nm is formed.

次いで、図2(d)に示すように、再び、850℃においてHCl酸化を行うことによって素子分離溝25の表面に厚さが、例えば、10nmのライナー酸化膜(図示は省略)を形成したのち、例えば、高密度プラズマCVD法(HDP−CVD法)を用いて、厚さが、例えば、500nmのHDP−SiO膜を堆積させる。 Next, as shown in FIG. 2D, by performing HCl oxidation again at 850 ° C., a liner oxide film (not shown) having a thickness of, for example, 10 nm is formed on the surface of the element isolation trench 25. For example, an HDP-SiO 2 film having a thickness of, for example, 500 nm is deposited using a high-density plasma CVD method (HDP-CVD method).

次いで、CMP(化学機械研磨)法を用いてSiN膜パターン24をストッパーとしSiN膜パターン24が露出するまでHDP−SiO膜を除去することによって、HDP−SiO膜で素子分離溝25を埋め込む。この埋め込まれたHDP−SiO膜とライナー酸化膜とが埋込酸化膜26となる。 Then, by removing the HDP-SiO 2 film up to the SiN film pattern 24 and the SiN film pattern 24 as a stopper is exposed by using CMP (Chemical Mechanical Polishing) method, fill the device isolation trench 25 by HDP-SiO 2 film . The buried HDP-SiO 2 film and liner oxide film become the buried oxide film 26.

次いで、図3(e)に示すように、SiN膜パターン24を熱燐酸を用いて除去したのち、HFによってSiO膜22を除去する。このSiO膜22の除去工程において、埋込酸化膜26の表面もエッチングされるので、表面は平坦になる。 Then, as shown in FIG. 3 (e), after the SiN film pattern 24 was removed using hot phosphoric acid to remove the SiO 2 film 22 by HF. In the removal process of the SiO 2 film 22, the surface of the buried oxide film 26 is also etched, so that the surface becomes flat.

次いで、図3(f)に示すように、p型シリコン基板21の表面に厚さが、例えば、10nmのイオン注入用の犠牲酸化膜を形成する。次いで、一方の素子形成領域を覆うようにレジストマスクを設けたのち、Pイオンを高加速エネルギーでイオン注入して深い位置にウエル形成用のイオン注入領域を形成するとともに、Asイオンを低加速エネルギーでイオン注入して表面側にチャネル・ドープ領域形成用のイオン注入領域(いずれも図示は省略)を形成する。   Next, as shown in FIG. 3F, a sacrificial oxide film for ion implantation having a thickness of, for example, 10 nm is formed on the surface of the p-type silicon substrate 21. Next, after providing a resist mask so as to cover one element formation region, P ions are ion-implanted with high acceleration energy to form an ion implantation region for well formation at a deep position, and As ions with low acceleration energy. Then, an ion implantation region for forming a channel dope region (both not shown) is formed on the surface side.

次いで、レジストマスクを除去したのち、他方の素子形成領域を覆うようにレジストマスクを設けたのち、Bイオンを高加速エネルギーでイオン注入して深い位置にウエル形成用のイオン注入領域を形成するとともに、Bイオンを低加速エネルギーでイオン注入して表面側にチャネル・ドープ領域形成用のイオン注入領域(いずれも図示は省略)を形成する。   Next, after removing the resist mask, a resist mask is provided so as to cover the other element formation region, and then B ions are implanted with high acceleration energy to form an ion implantation region for forming a well at a deep position. , B ions are implanted at a low acceleration energy to form an ion implantation region (not shown) for forming a channel dope region on the surface side.

次いで、レジストパターンを除去したのち、注入したイオンを活性化する熱処理を行って一方の素子形成領域にn型ウエル領域27を形成するとともに、表面にチャネル・ドープ領域(図示は省略)を形成する。同時に、他方の素子形成領域にp型ウエル領域28を形成するとともに、表面にチャネル・ドープ領域(図示は省略)を形成したのち、犠牲酸化膜を除去する。   Next, after removing the resist pattern, a heat treatment for activating the implanted ions is performed to form an n-type well region 27 in one element formation region, and a channel dope region (not shown) is formed on the surface. . At the same time, a p-type well region 28 is formed in the other element formation region, and a channel doped region (not shown) is formed on the surface, and then the sacrificial oxide film is removed.

次いで、図3(g)に示すように、HCl+Hを用いてSC2洗浄処理を行ったのち、HfCl及びHOを交互に供給するALCVD法を用いて、全面に厚さが、例えば、3nmのHfO膜29を形成する。次いで、Ta源及びC源を交互に供給してスパッタリングを行うことによって、厚さが、例えば、5nmのTaC膜30を形成する。 Next, as shown in FIG. 3 (g), after performing the SC2 cleaning process using HCl + H 2 O 2 , the thickness is increased over the entire surface using the ALCVD method in which HfCl 4 and H 2 O are alternately supplied. For example, a 3 nm HfO 2 film 29 is formed. Next, a TaC film 30 having a thickness of, for example, 5 nm is formed by performing sputtering by alternately supplying a Ta source and a C source.

次いで、図3(h)に示すように、次いで、CVD法を用いて、厚さが、例えば、20nmのSiN膜を堆積させたのち、n型ウエル領域27を覆うようにレジストパターン31を設ける。次いで、このレジストパターン31をマスクとして露出するSiN膜をCHFとArを含んだ雰囲気下でのRIE(反応性イオンエッチング)処理でエッチング除去してSiN膜パターン32を形成する。 Next, as shown in FIG. 3H, a SiN film having a thickness of, for example, 20 nm is deposited by CVD, and then a resist pattern 31 is provided so as to cover the n-type well region 27. . Next, the SiN film exposed by using the resist pattern 31 as a mask is removed by RIE (reactive ion etching) in an atmosphere containing CHF 3 and Ar to form a SiN film pattern 32.

次いで、図4(i)に示すように、レジストパターン31を除去したのち、SiN膜パターン32をマスクとし、水素プラズマ処理を行う。この水素プラズマ処理によって、p型ウエル領域28上のTaC膜からCが離脱して、低炭素濃度で低仕事関数のTaC膜33となる。なお、この水素プラズマ処理においては、基板温度を例えば、20℃とし、3Paのプラズマ圧力下で30秒間の処理を行う。   Next, as shown in FIG. 4I, after removing the resist pattern 31, hydrogen plasma treatment is performed using the SiN film pattern 32 as a mask. By this hydrogen plasma treatment, C is released from the TaC film on the p-type well region 28 to form a TaC film 33 having a low carbon concentration and a low work function. In this hydrogen plasma treatment, the substrate temperature is set to 20 ° C., for example, and the treatment is performed for 30 seconds under a plasma pressure of 3 Pa.

次いで、図4(j)に示すように、レジストパターン31を除去したのち、CVD法を用いて全面に厚さが、例えば、100nmの多結晶シリコン膜34を堆積させる。   Next, as shown in FIG. 4J, after removing the resist pattern 31, a polycrystalline silicon film 34 having a thickness of, for example, 100 nm is deposited on the entire surface by CVD.

次いで、図4(k)に示すように、多結晶シリコン膜34、TaC膜30,33、及び、HfO膜29をパターニングすることによって、ゲート構造を形成する。 Next, as shown in FIG. 4K, the polycrystalline silicon film 34, the TaC films 30, 33, and the HfO 2 film 29 are patterned to form a gate structure.

次いで、図4(l)に示すように、n型ウエル領域27側をレジストパターン35で覆った後、p型ウエル領域28側のゲート構造をマスクとしてAsイオンを低加速エネルギーで注入することによってn型イクステンション領域36を形成する。   Next, as shown in FIG. 4L, after covering the n-type well region 27 side with a resist pattern 35, As ions are implanted with low acceleration energy using the gate structure on the p-type well region 28 side as a mask. An n-type extension region 36 is formed.

次いで、図5(m)に示すように、レジストパターン35を除去したのち、p型ウエル領域28側をレジストパターン37で新たに覆った状態で、n型ウエル領域27側のゲート構造をマスクとしてBイオンを低加速エネルギーで注入してp型イクステンション領域38を形成する。   Next, as shown in FIG. 5M, after removing the resist pattern 35, the p-type well region 28 side is newly covered with the resist pattern 37, and the gate structure on the n-type well region 27 side is used as a mask. B ions are implanted with low acceleration energy to form the p-type extension region 38.

次いで、図5(n)に示すように、レジストパターン37を除去したのち、LPCVD法を用いて全面に厚いSiO膜を堆積させたのち、異方性エッチングを施してサイドウォール39,40を形成する。 Next, as shown in FIG. 5 (n), after removing the resist pattern 37, a thick SiO 2 film is deposited on the entire surface by LPCVD, and then anisotropic etching is performed to form the sidewalls 39, 40. Form.

次いで、図5(o)に示すように、p型ウエル領域28側をレジストパターン41で覆った後、n型ウエル領域27側のゲート構造及びサイドウォール40をマスクとしてBイオンを高加速エネルギーでイオン注入することによってp型ソース・ドレイン領域42を形成する。この時、n型ウエル領域27側のゲート構造を構成する多結晶シリコン膜34にBがドープされてp型多結晶シリコン膜43になる。   Next, as shown in FIG. 5 (o), the p-type well region 28 side is covered with a resist pattern 41, and then B ions are formed with high acceleration energy using the gate structure and sidewalls 40 on the n-type well region 27 side as a mask. A p-type source / drain region 42 is formed by ion implantation. At this time, the polycrystalline silicon film 34 constituting the gate structure on the n-type well region 27 side is doped with B to become a p-type polycrystalline silicon film 43.

次いで、図5(p)に示すように、レジストパターン41を除去したのち、n型ウエル領域27側をレジストパターン44で新たに覆った後、ゲート構造及びサイドウォール39をマスクとしてAsイオンを高加速エネルギーでイオン注入してn型ソース・ドレイン領域45を形成する。この時、p型ウエル領域28側のゲート構造を構成する多結晶シリコン膜34にAsがドープされてn型多結晶シリコン膜46になる。   Next, as shown in FIG. 5 (p), after removing the resist pattern 41, the n-type well region 27 side is newly covered with the resist pattern 44, and then the As ions are increased using the gate structure and the sidewall 39 as a mask. N-type source / drain regions 45 are formed by ion implantation with acceleration energy. At this time, the polycrystalline silicon film 34 constituting the gate structure on the p-type well region 28 side is doped with As to form an n-type polycrystalline silicon film 46.

次いで、図6(q)に示すように、レジストパターン44を除去したのち、注入したイオンを活性化する熱処理を行う。次いで、スパッタリング法を用いて全面に、厚さが、例えば、10nmのCo膜47を堆積させる。   Next, as shown in FIG. 6 (q), after removing the resist pattern 44, heat treatment for activating the implanted ions is performed. Next, a Co film 47 having a thickness of, for example, 10 nm is deposited on the entire surface by sputtering.

次いで、図6(r)に示すように、熱処理を施すことによって、Co膜47とn型多結晶シリコン膜46及びp型多結晶シリコン膜43とを反応させてCoシリサイド層48,49を形成する。それと同時に、Co膜47とn型ソース・ドレイン領域45及びp型ソース・ドレイン領域42とを反応させてソース・ドレイン電極となるCoシリサイド層50,51を形成する。   Next, as shown in FIG. 6 (r), heat treatment is performed to react the Co film 47 with the n-type polycrystalline silicon film 46 and the p-type polycrystalline silicon film 43 to form Co silicide layers 48 and 49. To do. At the same time, the Co film 47 is reacted with the n-type source / drain region 45 and the p-type source / drain region 42 to form Co silicide layers 50 and 51 to be source / drain electrodes.

なお、この時の熱処理条件は、例えば、N雰囲気中で、400〜600℃、例えば、500℃の温度で、10〜900秒、例えば、30秒間の急速熱処理(Rapid Thermal Annealing:RTA)とする。 The heat treatment conditions at this time are, for example, rapid thermal annealing (RTA) in a N 2 atmosphere at a temperature of 400 to 600 ° C., for example, 500 ° C., for 10 to 900 seconds, for example, 30 seconds. To do.

次いで、図6(s)に示すように、HSO:H=3:1の混合液で20分間エッチングを行うことによって未反応のCo膜47を除去したのち、全面にBPSG膜を堆積させ、CMP法で研磨して平坦化することによって層間絶縁膜52を形成する。以降は、必要とする配線構造を形成するために、ビアの形成工程、配線の形成工程、及び、層間絶縁膜の形成工程を繰り返すことによって相補型半導体装置が完成する。 Next, as shown in FIG. 6 (s), the unreacted Co film 47 is removed by etching with a mixed solution of H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 3: 1 for 20 minutes, and then the entire surface is made of BPSG. An interlayer insulating film 52 is formed by depositing a film and polishing and planarizing by a CMP method. Thereafter, in order to form a necessary wiring structure, a complementary semiconductor device is completed by repeating a via forming process, a wiring forming process, and an interlayer insulating film forming process.

このように、本発明の実施例1においては、高仕事関数のTaC膜を成膜したのち、選択的に水素プラズマ雰囲気に晒すことによって、TaC膜中のC濃度をnチャネル型MISFETに適した仕事関数まで低減している。それによって、各MISFETのVthを高精度の制御することができるとともに、ゲート絶縁膜がエッチングダメージやイオン注入に伴うダメージを受けることがないので、半導体装置の信頼性が低下することがない。 As described above, in Example 1 of the present invention, a TaC film having a high work function is formed, and then selectively exposed to a hydrogen plasma atmosphere, whereby the C concentration in the TaC film is suitable for an n-channel MISFET. Reduced to work function. Accordingly, the Vth of each MISFET can be controlled with high accuracy, and the gate insulating film is not damaged due to etching damage or ion implantation, so that the reliability of the semiconductor device is not lowered.

次に、図7乃至図8を参照して、本発明の実施例2のpチャネル型MISFETの製造工程を説明する。まず、図7(a)に示すように、実施例1とほぼ同様の工程を経て、p型シリコン基板21に埋込酸化膜26で素子分離されたn型ウエル領域27,53を形成する。   Next, with reference to FIGS. 7 to 8, the manufacturing process of the p-channel MISFET according to the second embodiment of the present invention will be described. First, as shown in FIG. 7A, n-type well regions 27 and 53 that are separated from each other by a buried oxide film 26 are formed on a p-type silicon substrate 21 through substantially the same steps as in the first embodiment.

次いで、HCl+Hを用いてSC2洗浄処理を行ったのち、HfCl及びHOを交互に供給するALCVD法を用いて、全面に厚さが、例えば、3nmのHfO膜29を形成する。次いで、Ta源及びC源を交互に供給してスパッタリングを行うことによって、厚さが、例えば、5nmのTaC膜30を形成する。 Next, after performing an SC2 cleaning process using HCl + H 2 O 2 , an HfO 2 film 29 having a thickness of, for example, 3 nm is formed on the entire surface by using an ALCVD method in which HfCl 4 and H 2 O are alternately supplied. To do. Next, a TaC film 30 having a thickness of, for example, 5 nm is formed by performing sputtering by alternately supplying a Ta source and a C source.

次いで、図7(b)に示すように、次いで、CVD法を用いて、厚さが、例えば、20nmのSiN膜を堆積させたのち、n型ウエル領域27を覆うようにレジストパターン31を設ける。次いで、このレジストパターン31をマスクとして露出するSiN膜をCHFとArを含んだ雰囲気InAlAsでのRIE処理でエッチング除去してSiN膜パターン32を形成する。 Next, as shown in FIG. 7B, after a SiN film having a thickness of, for example, 20 nm is deposited by using the CVD method, a resist pattern 31 is provided so as to cover the n-type well region 27. . Next, the SiN film exposed by using the resist pattern 31 as a mask is removed by etching by RIE in an atmosphere InAlAs containing CHF 3 and Ar to form a SiN film pattern 32.

次いで、図7(c)に示すように、レジストパターン31を除去したのち、SiN膜パターン32をマスクとし、水素プラズマ処理を行う。この水素プラズマ処理によって、n型ウエル領域51上のTaC膜からCが離脱して、比較的に炭素濃度の低い低仕事関数のTaC膜54となる。   Next, as shown in FIG. 7C, after removing the resist pattern 31, hydrogen plasma treatment is performed using the SiN film pattern 32 as a mask. By this hydrogen plasma treatment, C is released from the TaC film on the n-type well region 51, and a TaC film 54 having a relatively low carbon concentration and a low work function is obtained.

次いで、図7(d)に示すように、SiN膜パターン32を除去したのち、CVD法を用いて全面に厚さが、例えば、100nmの多結晶シリコン膜34を堆積させる。   Next, as shown in FIG. 7D, after the SiN film pattern 32 is removed, a polycrystalline silicon film 34 having a thickness of, for example, 100 nm is deposited on the entire surface by CVD.

次いで、図8(e)に示すように、多結晶シリコン膜34、TaC膜30,52、及び、HfO膜29をパターニングすることによって、ゲート構造を形成する。次いで、ゲート構造をマスクとしてBイオンを低加速エネルギーで注入することによってp型イクステンション領域38,55を形成する。 Next, as shown in FIG. 8E, the polycrystalline silicon film 34, the TaC films 30, 52, and the HfO 2 film 29 are patterned to form a gate structure. Next, p-type extension regions 38 and 55 are formed by implanting B ions with low acceleration energy using the gate structure as a mask.

次いで、図8(f)に示すように、LPCVD法を用いて全面に厚いSiO膜を堆積させたのち、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール40,56を形成する。次いで、ゲート構造及びサイドウォール40,56をマスクとしてBイオンを高加速エネルギーでイオン注入することによってp型ソース・ドレイン領域42,57を形成する。この時、ゲート構造を構成する多結晶シリコン膜34にBがドープされてp型多結晶シリコン膜43,58になる。 Next, as shown in FIG. 8F, after depositing a thick SiO 2 film on the entire surface by LPCVD, anisotropic etching is performed to form sidewalls 40 and 56. Next, p-type source / drain regions 42 and 57 are formed by implanting B ions with high acceleration energy using the gate structure and sidewalls 40 and 56 as a mask. At this time, the polycrystalline silicon film 34 constituting the gate structure is doped with B to become p-type polycrystalline silicon films 43 and 58.

次いで、注入したイオンの活性化を行い、次いで、図8(g)に示すように、スパッタリング法を用いて全面に、厚さが、例えば、10nmのCo膜を堆積させたのち、熱処理を施すことによって、Coシリサイド層49,51,59,60を形成する。   Next, the implanted ions are activated, and then, as shown in FIG. 8G, a Co film having a thickness of, for example, 10 nm is deposited on the entire surface by sputtering, and then heat treatment is performed. As a result, Co silicide layers 49, 51, 59, 60 are formed.

次いで、図8(h)に示すように、HSO:H=3:1の混合液で20分間エッチングを行うことによって未反応のCo膜を除去したのち、全面にBPSG膜を堆積させ、CMP法で研磨して平坦化することによって層間絶縁膜52を形成する。以降は、必要とする配線構造を形成するために、ビアの形成工程、配線の形成工程、及び、層間絶縁膜の形成工程を繰り返すことによって互いにVthの異なる複数のpチャネル型MISFETを備えた半導体装置が完成する。 Next, as shown in FIG. 8 (h), the unreacted Co film is removed by etching for 20 minutes with a mixed solution of H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 3: 1, and then the BPSG film is formed on the entire surface. Then, the interlayer insulating film 52 is formed by polishing and planarizing by CMP. Thereafter, in order to form a wiring structure in need, the formation process of the via, the formation process of the wiring, and comprising a plurality of p-channel type MISFET having different V th one another by repeating the step of forming the interlayer insulating film A semiconductor device is completed.

このように、本発明の実施例2においては、高仕事関数のTaC膜を成膜したのち、選択的に水素プラズマ雰囲気に晒すことによって、TaC膜中のC濃度をpチャネル型MISFETに適した仕事関数の範囲内で低減している。それによって、各MISFETのVthを高精度の制御することができるとともに、ゲート絶縁膜がエッチングダメージやイオン注入に伴うダメージを受けることがないので、半導体装置の信頼性が低下することがない。 As described above, in Example 2 of the present invention, a TaC film having a high work function is formed, and then selectively exposed to a hydrogen plasma atmosphere, whereby the C concentration in the TaC film is suitable for a p-channel MISFET. It is reduced within the work function range. Accordingly, the Vth of each MISFET can be controlled with high accuracy, and the gate insulating film is not damaged due to etching damage or ion implantation, so that the reliability of the semiconductor device is not lowered.

次に、図9乃至図10を参照して、本発明の実施例3のnチャネル型MISFETの製造工程を説明する。まず、図9(a)に示すように、実施例1とほぼ同様の工程を経て、p型シリコン基板21に埋込酸化膜26で素子分離されたp型ウエル領域28,61を形成する。   Next, with reference to FIGS. 9 to 10, a manufacturing process of the n-channel MISFET according to the third embodiment of the present invention will be described. First, as shown in FIG. 9A, p-type well regions 28 and 61 separated by a buried oxide film 26 are formed in a p-type silicon substrate 21 through substantially the same steps as in the first embodiment.

次いで、HCl+Hを用いてSC2洗浄処理を行ったのち、HfCl及びHOを交互に供給するALCVD法を用いて、全面に厚さが、例えば、3nmのHfO膜29を形成する。次いで、Ta源及びC源を交互に供給してスパッタリングを行うことによって、厚さが、例えば、5nmのTaC膜30を形成する。 Next, after performing an SC2 cleaning process using HCl + H 2 O 2 , an HfO 2 film 29 having a thickness of, for example, 3 nm is formed on the entire surface by using an ALCVD method in which HfCl 4 and H 2 O are alternately supplied. To do. Next, a TaC film 30 having a thickness of, for example, 5 nm is formed by performing sputtering by alternately supplying a Ta source and a C source.

次いで、図9(b)に示すように、次いで、CVD法を用いて、厚さが、例えば、20nmのSiN膜を堆積させたのち、p型ウエル領域61を覆うようにレジストパターン31を設ける。次いで、このレジストパターン31をマスクとして露出するSiN膜をCHFとArを含む雰囲気下でのRIE処理でエッチング除去してSiN膜パターン32を形成する。 Next, as illustrated in FIG. 9B, a SiN film having a thickness of, for example, 20 nm is deposited by CVD, and then a resist pattern 31 is provided so as to cover the p-type well region 61. . Next, the SiN film exposed by using the resist pattern 31 as a mask is removed by etching by RIE under an atmosphere containing CHF 3 and Ar to form a SiN film pattern 32.

次いで、図9(c)に示すように、レジストパターン31を除去したのち、SiN膜パターン32をマスクとし、水素プラズマ処理を行う。この水素プラズマ処理によって、p型ウエル領域28上のTaC膜からCが離脱して、比較的炭素濃度の低い低仕事関数のTaC膜62となる。   Next, as shown in FIG. 9C, after removing the resist pattern 31, hydrogen plasma treatment is performed using the SiN film pattern 32 as a mask. By this hydrogen plasma treatment, C is released from the TaC film on the p-type well region 28 to form a TaC film 62 having a relatively low carbon concentration and a low work function.

次いで、図9(d)に示すように、SiN膜パターン32を除去したのち、再び、水素プラズマ処理を行う。この水素プラズマ処理によって、p型ウエル領域28上のTaC膜62からCがさらに離脱して、低炭素濃度の低仕事関数のTaC膜63となる。一方、p型ウエル領域61上のTaC膜30からCが離脱して、比較的炭素濃度が低く、仕事関数も多少低下したTaC膜64となる。   Next, as shown in FIG. 9D, after removing the SiN film pattern 32, hydrogen plasma treatment is performed again. By this hydrogen plasma treatment, C further desorbs from the TaC film 62 on the p-type well region 28 to form a TaC film 63 having a low carbon concentration and a low work function. On the other hand, C is detached from the TaC film 30 on the p-type well region 61, so that a TaC film 64 having a relatively low carbon concentration and a slightly reduced work function is obtained.

次いで、図10(e)に示すように、CVD法を用いて全面に厚さが、例えば、100nmの多結晶シリコン膜34を堆積させたのち、多結晶シリコン膜34、TaC膜63,64、及び、HfO膜29をパターニングすることによって、ゲート構造を形成する。
次いで、ゲート構造をマスクとしてAsイオンを低加速エネルギーで注入することによってn型イクステンション領域65,66を形成する。
Next, as shown in FIG. 10E, a polycrystalline silicon film 34 having a thickness of, for example, 100 nm is deposited on the entire surface by using the CVD method, and then the polycrystalline silicon film 34, TaC films 63 and 64, Then, the gate structure is formed by patterning the HfO 2 film 29.
Next, n-type extension regions 65 and 66 are formed by implanting As ions with low acceleration energy using the gate structure as a mask.

次いで、図10(f)に示すように、LPCVD法を用いて全面に厚いSiO膜を堆積させたのち、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール67,68を形成する。次いで、ゲート構造及びサイドウォール67,68をマスクとしてAsイオンを高加速エネルギーでイオン注入することによってn型ソース・ドレイン領域69,70を形成する。この時、ゲート構造を構成する多結晶シリコン膜34にAsがドープされてn型多結晶シリコン膜71,72になる。 Next, as shown in FIG. 10F, a thick SiO 2 film is deposited on the entire surface by LPCVD, and then sidewalls 67 and 68 are formed by performing anisotropic etching. Next, n-type source / drain regions 69 and 70 are formed by implanting As ions with high acceleration energy using the gate structure and sidewalls 67 and 68 as a mask. At this time, the polycrystalline silicon film 34 constituting the gate structure is doped with As to form n-type polycrystalline silicon films 71 and 72.

次いで、注入したイオンを活性化する熱処理を行う。次いで、図10(g)に示すように、スパッタリング法を用いて全面に、厚さが、例えば、10nmのCo膜を堆積させたのち、熱処理を施すことによって、Coシリサイド層73〜76を形成する。   Next, a heat treatment for activating the implanted ions is performed. Next, as shown in FIG. 10G, a Co film having a thickness of, for example, 10 nm is deposited on the entire surface by sputtering, and then heat treatment is performed to form Co silicide layers 73 to 76. To do.

次いで、図10(h)に示すように、HSO:H =3:1の混合液で20分間エッチングを行うことによって未反応のCo膜を除去したのち、全面にBPSG膜を堆積させ、CMP法で研磨して平坦化することによって層間絶縁膜52を形成する。以降は、必要とする配線構造を形成するために、ビアの形成工程、配線の形成工程、及び、層間絶縁膜の形成工程を繰り返すことによって互いにVthの異なる複数のnチャネル型MISFETを備えた半導体装置が完成する。 Next, as shown in FIG. 10 (h), the unreacted Co film is removed by etching for 20 minutes with a mixed solution of H 2 SO 4 : H 2 O 2 = 3: 1, and then the BPSG film is formed on the entire surface. Then, the interlayer insulating film 52 is formed by polishing and planarizing by CMP. Thereafter, in order to form a wiring structure in need, the formation process of the via, the formation process of the wiring, and comprising a plurality of n-channel type MISFET having different V th one another by repeating the step of forming the interlayer insulating film A semiconductor device is completed.

このように、本発明の実施例3においては、高仕事関数のTaC膜を成膜したのち、選択的に水素プラズマ雰囲気に2度晒すことによって、TaC膜中のC濃度をnチャネル型MISFETに適した仕事関数の範囲内で低減している。それによって、各MISFETのVthを高精度の制御することができるとともに、ゲート絶縁膜がエッチングダメージやイオン注入に伴うダメージを受けることがないので、半導体装置の信頼性が低下することがない。 Thus, in Example 3 of the present invention, after a TaC film having a high work function is formed, it is selectively exposed twice to a hydrogen plasma atmosphere, whereby the C concentration in the TaC film is changed to an n-channel MISFET. Reduced within a suitable work function. Accordingly, the Vth of each MISFET can be controlled with high accuracy, and the gate insulating film is not damaged due to etching damage or ion implantation, so that the reliability of the semiconductor device is not lowered.

以上、本発明の各実施例及び実施の形態を説明してきたが、本発明は各実施例及び実施の形態に記載した構成に限られるものではなく、各種の変更が可能である。例えば、上記の各実施例及び実施の形態の説明においては、基板としてシリコン基板を用いているが、シリコン基板に限られるものではない。例えば、SiGe基板或いは、シリコン基板等の上にSiGe層を成長させたエピタキシャル基板を用いても良いものである。   The embodiments and embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the configurations described in the embodiments and embodiments, and various modifications can be made. For example, in the description of each of the above examples and embodiments, a silicon substrate is used as a substrate, but the present invention is not limited to a silicon substrate. For example, an SiGe substrate or an epitaxial substrate obtained by growing a SiGe layer on a silicon substrate or the like may be used.

上記の各実施例においては、高誘電率膜としてHfOを用いているが、HfOに限られるものではなく、10〜40の誘電率を有する膜、例えば、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化イットリウム(Y)、酸化ランタン(La)及びそのシリケートやアルミネート、酸化アルミニウム(Al)、或いは、5酸化タンタル(Ta )を用いても良いものである。 In each of the above embodiments, HfO 2 is used as the high dielectric constant film. However, it is not limited to HfO 2 , but a film having a dielectric constant of 10 to 40, for example, zirconium oxide (ZrO 2 ), oxidation Yttrium (Y 2 O 3 ), lanthanum oxide (La 2 O 3 ) and its silicates and aluminates, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), or tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) may be used. is there.

また、上記の各実施例及び実施の形態に示された半導体装置の製造方法において、例えば、第1のウエル領域のイクステンション形成と第2のウエル領域のイクステンション形成の順序や、第1のウエル領域のソース・ドレイン形成と第2のウエル領域のソース・ドレイン形成の順序は任意では適宜変更されるものである。   In the method of manufacturing a semiconductor device shown in each of the above examples and embodiments, for example, the order of extension formation in the first well region and extension formation in the second well region, The order of forming the source / drain in the well region and forming the source / drain in the second well region is arbitrarily changed as appropriate.

また、上記の各実施例においては、ゲート、ソース、ドレインの各電極にCoを用いたCoシリサイド層を形成しているが、Coに限られるものではなく、例えば、Ni等を用いたNiシリサイド層を用いても良いものである。   In each of the above embodiments, a Co silicide layer using Co is formed for each of the gate, source, and drain electrodes. However, the present invention is not limited to Co. For example, Ni silicide using Ni or the like is used. A layer may be used.

ここで、実施例1乃至実施例3を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を開示する。
(付記1) 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成された第1炭素濃度の第1の炭化タンタル膜を含む第1ゲート電極とを有する第1の絶縁ゲート電界効果型トランジスタと、
前記半導体基板上に形成された第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜上に形成された、前記第1炭素濃度とは異なる第2炭素濃度の第2の炭化タンタル膜を含む第2ゲート電極とを有する第2の絶縁ゲート電界効果型トランジスタと
を有する半導体装置。
(付記2) 前記第1の絶縁ゲート電界効果型トランジスタと前記第2の絶縁ゲート電界効果型トランジスタとが相補型トランジスタを構成する付記1に記載の半導体装置。
(付記3) 前記第1の絶縁ゲート電界効果型トランジスタと前記第2の絶縁ゲート電界効果型トランジスタとが互いにしきい値電圧の異なる同導電型のトランジスタを構成する付記1に記載の半導体装置。
(付記4) 前記第1のゲート絶縁膜と前記第2の絶縁膜とが、同じ高誘電率膜からなり、前記高誘電率膜が酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン及びそのシリケートやアルミネート、酸化アルミニウム、或いは、5酸化タンタルの中の少なくとも一つからなる付記1乃至付記3のいずれか1に記載の半導体装置。
(付記5) 半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に炭化タンタル膜を成膜する工程と、
前記炭化タンタル膜の一部を露出する開口を有するマスクパターンを形成したのち、水素プラズマ処理を行う工程と
を有する半導体装置の製造方法。
(付記6) 前記開口に対応する領域以外の領域に水素プラズマ処理を受けない前記炭化タンタル膜をゲート電極とするpチャネル電界効果型トランジスタを形成する工程と、前記開口に対応する領域に水素プラズマ処理を受けた前記炭化タンタル膜をゲート電極とするnチャネル型界効果型トランジスタを形成する工程と
を有する付記5に記載の半導体装置の製造方法。
(付記7) 前記開口に対応する領域以外の領域に水素プラズマ処理を受けない前記炭化タンタル膜をゲート電極とする第1のpチャネル電界効果型トランジスタを形成する工程と、前記開口に対応する領域に水素プラズマ処理を受けた前記炭化タンタル膜をゲート電極とするとともに、前記第1のpチャネル電界効果型トランジスタよりしきい値電圧の絶対値が小さな第2のpチャネル型界効果型トランジスタを形成する工程と
を有する付記5に記載の半導体装置の製造方法。
(付記8) 前記マスクパターンを除去したのち、第2の水素プラズマ処理を行う工程を有する付記5に記載の半導体装置の製造方法。
(付記9) 前記開口に対応する領域以外の領域に第2の水素プラズマ処理のみを受けた前記炭化タンタル膜をゲート電極とする第1のnチャネル電界効果型トランジスタを形成する工程と、前記開口に対応する領域に少なくとも二度の水素プラズマ処理を受けた前記炭化タンタル膜をゲート電極とするとともに、前記第1のnチャネル電界効果型トランジスタよりしきい値電圧の絶対値が大きな第2のnチャネル型界効果型トランジスタを形成する工程と
を有する付記8に記載の半導体装置の製造方法。
(付記10) 前記ゲート絶縁膜が、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン及びそのシリケートやアルミネート、酸化アルミニウム、或いは、5酸化タンタルの中の少なくとも一つからなる付記5乃至付記9のいずれか1に記載の半導体装置の製造方法。
Here, the following additional notes are disclosed regarding the embodiment of the present invention including Examples 1 to 3.
(Appendix 1) a semiconductor substrate;
A first gate insulating film formed on the semiconductor substrate; and a first gate electrode including a first tantalum carbide film having a first carbon concentration formed on the first gate insulating film. An insulated gate field effect transistor of
A second gate insulating film formed on the semiconductor substrate; and a second tantalum carbide film having a second carbon concentration different from the first carbon concentration formed on the second gate insulating film. A semiconductor device comprising: a second insulated gate field effect transistor having a second gate electrode.
(Supplementary note 2) The semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the first insulated gate field effect transistor and the second insulated gate field effect transistor constitute a complementary transistor.
(Supplementary note 3) The semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the first insulated gate field effect transistor and the second insulated gate field effect transistor constitute transistors of the same conductivity type having different threshold voltages.
(Supplementary Note 4) The first gate insulating film and the second insulating film are made of the same high dielectric constant film, and the high dielectric constant film is composed of hafnium oxide, zirconium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, and silicates thereof. 4. The semiconductor device according to any one of appendix 1 to appendix 3, comprising at least one of aluminate, aluminum oxide, or tantalum pentoxide.
(Additional remark 5) The process of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate,
Forming a tantalum carbide film on the gate insulating film;
Forming a mask pattern having an opening exposing a portion of the tantalum carbide film, and then performing a hydrogen plasma treatment.
(Supplementary Note 6) A step of forming a p-channel field effect transistor using the tantalum carbide film as a gate electrode not subjected to hydrogen plasma treatment in a region other than the region corresponding to the opening, and hydrogen plasma in the region corresponding to the opening The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, further comprising a step of forming an n-channel field effect transistor using the treated tantalum carbide film as a gate electrode.
(Supplementary Note 7) A step of forming a first p-channel field effect transistor using the tantalum carbide film that is not subjected to hydrogen plasma treatment as a gate electrode in a region other than a region corresponding to the opening, and a region corresponding to the opening A second p-channel field effect transistor having a threshold voltage smaller than that of the first p-channel field effect transistor is formed using the tantalum carbide film subjected to hydrogen plasma treatment as a gate electrode. The manufacturing method of the semiconductor device of appendix 5 which has a process to do.
(Additional remark 8) The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 5 which has the process of performing a 2nd hydrogen plasma process after removing the said mask pattern.
(Supplementary Note 9) A step of forming a first n-channel field effect transistor using the tantalum carbide film that has undergone only the second hydrogen plasma treatment as a gate electrode in a region other than a region corresponding to the opening; And a second n having a threshold voltage larger in absolute value than the first n-channel field-effect transistor, with the tantalum carbide film subjected to at least twice hydrogen plasma treatment in a region corresponding to The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 8, further comprising a step of forming a channel type field effect transistor.
(Appendix 10) The appendix 5 to appendix 9, wherein the gate insulating film is made of at least one of hafnium oxide, zirconium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, silicate, aluminate, aluminum oxide, or tantalum pentoxide. The manufacturing method of the semiconductor device of any one.

本発明の実施の形態の金属ゲートMISFETの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process of the metal gate MISFET of embodiment of this invention. 本発明の実施例1の相補型半導体装置の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle of the complementary semiconductor device of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の相補型半導体装置の図2以降の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process until the middle of FIG. 2 after the complementary semiconductor device of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の相補型半導体装置の図3以降の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle after FIG. 3 of the complementary semiconductor device of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の相補型半導体装置の図4以降の途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle after FIG. 4 of the complementary semiconductor device of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の相補型半導体装置の図5以降の製造工程の説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram of the manufacturing process of FIG. 5 and subsequent drawings of the complementary semiconductor device of Example 1 of the present invention. 本発明の実施例2のpチャネル型MISFETの途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle of p channel type MISFET of Example 2 of this invention. 本発明の実施例2のpチャネル型MISFETの図7以降の製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process after FIG. 7 of p channel type MISFET of Example 2 of this invention. 本発明の実施例3のnチャネル型MISFETの途中までの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process to the middle of n channel type MISFET of Example 3 of this invention. 本発明の実施例3のnチャネル型MISFETの図9以降の製造工程の説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram of the manufacturing process of FIG. 従来の金属ゲートCMOSFETの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process of the conventional metal gate CMOSFET. 従来の他の金属ゲートCMOSFETの製造工程の説明図である。It is explanatory drawing of the manufacturing process of other conventional metal gate CMOSFET.

符号の説明Explanation of symbols

11 シリコン基板
12 素子分離領域
13 第1のウエル領域
14 第2のウエル領域
15 ゲート絶縁膜
16,19 TaC膜
17 SiN膜パターン
18 水素プラズマ
20 導電膜
21 p型シリコン基板
22 SiO
23 SiN膜
24,32 SiN膜パターン
25 素子分離溝
26 埋込酸化膜
27,53 n型ウエル領域
28,61 p型ウエル領域
29 HfO
30,33,54,62〜64 TaC膜
31,35,37,41,44 レジストパターン
34 多結晶シリコン膜
36,65,66 n型イクステンション領域
38,55 p型イクステンション領域
39,40,56,67,68 サイドウォール
42,57 p型ソース・ドレイン領域
43,58 p型多結晶シリコン膜
45,69,70 n型ソース・ドレイン領域
46,71,72 n型多結晶シリコン膜
47 Co膜
48〜51,59,60,73〜76 Coシリサイド層
52 層間絶縁膜
81 シリコン基板
82 素子分離領域
83 n型ウエル領域
84 p型ウエル領域
85 ゲート絶縁膜
86,88,90 TaC膜
87,89 SiN膜パターン
11 silicon substrate 12 element isolation region 13 first well region 14 second well region 15 gate insulating film 16, 19 TaC film 17 SiN film pattern 18 hydrogen plasma 20 conductive film 21 p-type silicon substrate 22 SiO 2 film 23 SiN film 24, 32 SiN film pattern 25 Element isolation trench 26 Embedded oxide film 27, 53 n-type well region 28, 61 p-type well region 29 HfO 2 film 30, 33, 54, 62-64 TaC film 31, 35, 37, 41, 44 Resist pattern 34 Polycrystalline silicon films 36, 65, 66 n-type extension regions 38, 55 p-type extension regions 39, 40, 56, 67, 68 Side walls 42, 57 p-type source / drain regions 43, 58 p-type polycrystalline silicon films 45, 69, 70 n-type source / drain regions 46, 71, 2 n-type polycrystalline silicon film 47 Co films 48 to 51, 59, 60, 73 to 76 Co silicide layer 52 Interlayer insulating film 81 Silicon substrate 82 Element isolation region 83 n-type well region 84 p-type well region 85 Gate insulating film 86 , 88, 90 TaC film 87, 89 SiN film pattern

Claims (5)

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成された第1炭素濃度の第1の炭化タンタル膜を含む第1ゲート電極とを有する第1の絶縁ゲート電界効果型トランジスタと、
前記半導体基板上に形成された第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜上に形成された、前記第1炭素濃度とは異なる第2炭素濃度の第2の炭化タンタル膜を含む第2ゲート電極とを有する第2の絶縁ゲート電界効果型トランジスタと
を有する半導体装置。
A semiconductor substrate;
A first gate insulating film formed on the semiconductor substrate; and a first gate electrode including a first tantalum carbide film having a first carbon concentration formed on the first gate insulating film. An insulated gate field effect transistor of
A second gate insulating film formed on the semiconductor substrate; and a second tantalum carbide film having a second carbon concentration different from the first carbon concentration formed on the second gate insulating film. A semiconductor device comprising: a second insulated gate field effect transistor having a second gate electrode.
半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上に炭化タンタル膜を成膜する工程と、
前記炭化タンタル膜の一部を露出する開口を有するマスクパターンを形成したのち、水素プラズマ処理を行う工程と
を有する絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a tantalum carbide film on the gate insulating film;
A method of manufacturing an insulated gate semiconductor device, comprising: forming a mask pattern having an opening exposing a part of the tantalum carbide film, and performing a hydrogen plasma treatment.
前記開口に対応する領域以外の領域に水素プラズマ処理を受けない前記炭化タンタル膜をゲート電極とするpチャネル電界効果型トランジスタを形成する工程と、前記開口に対応する領域に水素プラズマ処理を受けた前記炭化タンタル膜をゲート電極とするnチャネル型界効果型トランジスタを形成する工程と
を有する請求項2に記載の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
Forming a p-channel field effect transistor using the tantalum carbide film as a gate electrode not subjected to hydrogen plasma treatment in a region other than the region corresponding to the opening; and receiving a hydrogen plasma treatment in the region corresponding to the opening The method of manufacturing an insulated gate semiconductor device according to claim 2, further comprising: forming an n-channel field effect transistor using the tantalum carbide film as a gate electrode.
前記マスクパターンを除去したのち、第2の水素プラズマ処理を行う工程を有する請求項2に記載の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing an insulated gate semiconductor device according to claim 2, further comprising a step of performing a second hydrogen plasma treatment after removing the mask pattern. 前記ゲート絶縁膜が、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン及びそのシリケートやアルミネート、酸化アルミニウム、或いは、5酸化タンタルの中の少なくとも一つからなる請求項2乃至請求項4のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。 5. The device according to claim 2, wherein the gate insulating film is made of at least one of hafnium oxide, zirconium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, and its silicate, aluminate, aluminum oxide, or tantalum pentoxide. 2. A method for manufacturing an insulated gate semiconductor device according to item 1.
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