JP2010157587A - Semiconductor device, and method of manufacturing the same - Google Patents

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Tsutomu Osuga
勤 大須賀
Yoshihiro Sato
好弘 佐藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem wherein, in a semiconductor device where two or more transistors of the same conductivity type each having a high-k film and a metal gate electrode are formed in the same substrate, it is difficult to set the difference between threshold voltages larger than the difference between threshold voltages derived from the difference between impurity concentrations in channel regions. <P>SOLUTION: This semiconductor device includes a first transistor, and a second transistor of the same conductivity type as that of the first transistor. The first transistor includes a first gate insulation film 8a containing a high dielectric material and a first metal, and a first gate electrode 11a. The second transistor includes a second gate insulation film 8b containing a high dielectric material, a first metal and impurities for adjusting a threshold voltage, and a second gate electrode 11b. The first gate insulation film 8a is low in concentration of impurities for adjusting a threshold voltage relative to that of the second gate insulation film 8b, or does not contain the impurities for adjusting a threshold voltage. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、high-k膜(高誘電体材料を含有するゲート絶縁膜)とメタルゲート電極(導電膜及びポリシリコン膜からなるゲート電極)とを有する同一導電型の2つ以上のトランジスタが同一基板内に形成された半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and in particular, has the same high-k film (a gate insulating film containing a high dielectric material) and a metal gate electrode (a gate electrode made of a conductive film and a polysilicon film). The present invention relates to a semiconductor device in which two or more transistors of a conductive type are formed in the same substrate and a manufacturing method thereof.

近年、トランジスタの高性能化のために、high-k膜とメタルゲート電極とを用いたトランジスタが開発されている。high-k膜とメタルゲート電極とを用いたトランジスタでは、フェルミレベルピニングと呼ばれる高閾値化現象が課題である。しかし、N型MISFET(Metal-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor)とP型MISFETとを備えた半導体装置では、N型MISFETにはランタン(La)を含むhigh-k膜を用い、P型MISFETにはアルミニウム(Al)を含むhigh-k膜を用いれば、閾値電圧を低減できることが知られている(特許文献1)。   In recent years, a transistor using a high-k film and a metal gate electrode has been developed in order to improve the performance of the transistor. In a transistor using a high-k film and a metal gate electrode, a high threshold phenomenon called Fermi level pinning is a problem. However, in a semiconductor device having an N-type MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor) and a P-type MISFET, the N-type MISFET uses a high-k film containing lanthanum (La), and the P-type MISFET It is known that a threshold voltage can be reduced by using a high-k film containing aluminum (Al) (Patent Document 1).

また、導電型は同一であるが閾値電圧が互いに異なる2つ以上のトランジスタが同一基板に設けられた半導体装置も知られている。図9を用いてこのような半導体装置の構造を記す。   A semiconductor device in which two or more transistors having the same conductivity type but different threshold voltages are provided on the same substrate is also known. The structure of such a semiconductor device will be described with reference to FIG.

図9は、従来における半導体装置の断面図である。なお、図9において、左側に示す「LNTr」とは閾値電圧が相対的に低い第1のN型MISFETが形成される第1のN型MISFET形成領域LNTrを示し、右側に示す「HNTr」とは閾値電圧が相対的に高い第2のN型MISFETが形成される第2のN型MISFET形成領域HNTrを示している。   FIG. 9 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device. In FIG. 9, “LNTr” shown on the left side indicates a first N-type MISFET formation region LNTr in which a first N-type MISFET having a relatively low threshold voltage is formed, and “HNTr” shown on the right side. Indicates a second N-type MISFET formation region HNTr in which a second N-type MISFET having a relatively high threshold voltage is formed.

図9に示す半導体装置では、p型シリコンからなる半導体基板1の上部に埋め込み素子分離(shallow trench isolation )2が形成されており、これにより、半導体基板1には、第1の活性領域1aと第2の活性領域1bとが埋め込み素子分離領域2を介して形成されている。第1の活性領域1aを含む半導体基板1には第1のp型ウェル領域3aが形成されており、第2の活性領域1bを含む半導体基板1には第2のp型ウェル領域3bが形成されている。第1の活性領域1a上には第1のN型MISFETが設けられており、第2の活性領域1b上には第2のN型MISFETが設けられている。   In the semiconductor device shown in FIG. 9, a buried element isolation (shallow trench isolation) 2 is formed on an upper portion of a semiconductor substrate 1 made of p-type silicon, whereby the semiconductor substrate 1 includes a first active region 1a and a first active region 1a. A second active region 1 b is formed via a buried element isolation region 2. A first p-type well region 3a is formed in the semiconductor substrate 1 including the first active region 1a, and a second p-type well region 3b is formed in the semiconductor substrate 1 including the second active region 1b. Has been. A first N-type MISFET is provided on the first active region 1a, and a second N-type MISFET is provided on the second active region 1b.

第1のN型MISFETは、第1の活性領域1a上に形成された第1のゲート絶縁膜98aと、第1のゲート絶縁膜98aの上に順次形成された第1の導電膜9a及び第1のシリコン膜10aで構成された第1のゲート電極11aと、第1のゲート電極11aの側面上に第1のオフセットスペーサ12aを介して形成された第1のサイドウォール14aと、第1の活性領域1aにおける第1のゲート電極11aの側方下の領域に形成された接合深さの比較的浅い第1のn型エクステンション領域13aと、第1の活性領域1aにおける第1のサイドウォール14aの外側方下の領域に形成された接合深さの比較的深い第1のn型ソースドレイン領域15aと、第1のn型ソースドレイン領域15a上及び第1のゲート電極11aの第1のシリコン膜10aの上に形成された第1のシリサイド層16aと、第1の活性領域1aにおける第1のゲート電極11aの直下の領域に形成された第1のp型チャネル領域Raとを備えている。   The first N-type MISFET includes a first gate insulating film 98a formed on the first active region 1a, a first conductive film 9a and a first conductive film 9a sequentially formed on the first gate insulating film 98a. A first gate electrode 11a composed of a single silicon film 10a, a first sidewall 14a formed on a side surface of the first gate electrode 11a via a first offset spacer 12a, A first n-type extension region 13a having a relatively shallow junction depth formed in a region below the side of the first gate electrode 11a in the active region 1a, and a first sidewall 14a in the first active region 1a. First n-type source / drain region 15a having a relatively deep junction depth formed in a region on the outer side of the first n-type source region, and a first silicon layer on first n-type source / drain region 15a and first gate electrode 11a. A first silicide layer 16a formed on the silicon film 10a and a first p-type channel region Ra formed in a region immediately below the first gate electrode 11a in the first active region 1a. Yes.

第2のN型MISFETは、第2の活性領域1b上に形成された第2のゲート絶縁膜98bと、第2のゲート絶縁膜98bの上に順次形成された第2の導電膜9b及び第2のシリコン膜10bで構成された第2のゲート電極11bと、第2のゲート電極11bの側面上に第2のオフセットスペーサ12bを介して形成された第2のサイドウォール14bと、第2の活性領域1bにおける第2のゲート電極11bの側方下の領域に形成された接合深さの比較的浅い第2のn型エクステンション領域13bと、第2の活性領域1bにおける第2のサイドウォール14bの外側方下の領域に形成された接合深さの比較的深い第2のn型ソースドレイン領域15bと、第2のn型ソースドレイン領域15b上及び第2のゲート電極11bの第2のシリコン膜10bの上に形成された第2のシリサイド層16bと、第2の活性領域1bにおける第2のゲート電極11bの直下の領域に形成された第2のp型チャネル領域Rbとを備えている。   The second N-type MISFET includes a second gate insulating film 98b formed on the second active region 1b, a second conductive film 9b and a second conductive film 9b sequentially formed on the second gate insulating film 98b. A second gate electrode 11b composed of two silicon films 10b, a second sidewall 14b formed on the side surface of the second gate electrode 11b via a second offset spacer 12b, and a second A second n-type extension region 13b having a relatively shallow junction depth formed in a region below the second gate electrode 11b in the active region 1b, and a second sidewall 14b in the second active region 1b. A second n-type source / drain region 15b having a relatively deep junction depth formed in a region on the outer side of the second n-type electrode, and a second silicon layer on the second n-type source / drain region 15b and the second gate electrode 11b. A second silicide layer 16b formed on the silicon film 10b, and a second p-type channel region Rb formed in a region immediately below the second gate electrode 11b in the second active region 1b. Yes.

第2のN型MISFETの構成は、第1のN型MISFETの構成と比べて、第2のチャネル領域Rbにおけるp型不純物の濃度が第1のチャネル領域Raにおけるp型不純物の濃度よりも高い点で相違しており、それ以外の構成は実質的に同一である。   In the configuration of the second N-type MISFET, the concentration of the p-type impurity in the second channel region Rb is higher than the concentration of the p-type impurity in the first channel region Ra as compared with the configuration of the first N-type MISFET. In other respects, the other configurations are substantially the same.

このように、従来の半導体装置では、第2のチャネル領域Rbにおけるp型不純物の濃度を第1のチャネル領域Raにおけるp型不純物の濃度よりも高くすることにより、第1のN型MISFETの閾値電圧よりも高い閾値電圧を有する第2のN型MISFETを形成している。
US 2007/0138563 A1
As described above, in the conventional semiconductor device, the concentration of the p-type impurity in the second channel region Rb is set higher than the concentration of the p-type impurity in the first channel region Ra, so that the threshold value of the first N-type MISFET is increased. A second N-type MISFET having a threshold voltage higher than the voltage is formed.
US 2007/0138563 A1

しかしながら、図9に示す半導体装置では、第1のトランジスタの閾値電圧を第2のトランジスタの閾値電圧よりも100mV程度小さくすることができるにすぎない。昨今では、第1のトランジスタの閾値電圧を第2のトランジスタの閾値電圧よりも0.2V程度小さくする(例えば第1のトランジスタの閾値電圧を0.3Vにし、第2のトランジスタの閾値電圧を0.5Vにする)ことが要求されつつあるが、図9に示す半導体装置では、そのような要求にこたえることは難しい。   However, in the semiconductor device shown in FIG. 9, the threshold voltage of the first transistor can only be made about 100 mV lower than the threshold voltage of the second transistor. Nowadays, the threshold voltage of the first transistor is made about 0.2 V lower than the threshold voltage of the second transistor (for example, the threshold voltage of the first transistor is set to 0.3 V, and the threshold voltage of the second transistor is set to 0). In the semiconductor device shown in FIG. 9, it is difficult to meet such a requirement.

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、high-k膜とメタルゲート電極とを有する同一導電型の2つ以上のトランジスタが同一基板内に形成された半導体装置及びその製造方法において、そのトランジスタの閾値電圧の差をチャネル領域における不純物濃度の差に由来する閾値電圧の差よりも大きくするということである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its object to form two or more transistors of the same conductivity type having a high-k film and a metal gate electrode on the same substrate. In the semiconductor device and the manufacturing method thereof, the threshold voltage difference of the transistor is made larger than the threshold voltage difference derived from the impurity concentration difference in the channel region.

前記目的を達成するため、本発明は、high-k膜とメタルゲート電極とを有する同一導電型の2つ以上のトランジスタが同一基板内に形成された半導体装置及びその製造方法において、トランジスタの閾値電圧を変更する物質のhigh-k膜における濃度またはその物質の種類をトランジスタごとに変えることにより、そのトランジスタの閾値電圧の差をチャネル領域における不純物濃度の差に由来する閾値電圧の差よりも大きくすることができるという発明である。   In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor device in which two or more transistors of the same conductivity type having a high-k film and a metal gate electrode are formed in the same substrate, and a method for manufacturing the same. By changing the concentration of the substance whose voltage is changed in the high-k film or the kind of the substance for each transistor, the difference in threshold voltage of the transistor is larger than the difference in threshold voltage derived from the difference in impurity concentration in the channel region. It is an invention that can be done.

本発明の半導体装置の製造方法は、半導体領域における第1の活性領域上に設けられた第1のトランジスタと、半導体領域における第2の活性領域上に設けられ且つ第1のトランジスタと同一導電型の第2のトランジスタとを備えた半導体装置の製造方法である。具体的には、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体領域上に、高誘電体材料からなる高誘電体膜を形成する工程(a)と、高誘電体膜のうち第2の活性領域上に設けられた部分に閾値電圧調整用不純物を導入する一方、高誘電体膜のうち第1の活性領域上に設けられた部分には閾値電圧調整用不純物を導入しない工程(b)と、高誘電体膜上に第1の金属を含有する第1の閾値電圧制御膜を形成する工程(c)と、工程(c)の後に、第1の閾値電圧制御膜における第1の金属を高誘電体膜に拡散させる工程(d)と、高誘電体膜の上に、導電膜及びシリコン膜を順次形成する工程(e)と、シリコン膜、導電膜及び高誘電体膜をパターニングして、第1の活性領域上には高誘電体材料と第1の金属とを含有する第1のゲート絶縁膜と、第1のシリコン膜及び第1の導電膜を有する第1のゲート電極とを形成する一方、第2の活性領域上には高誘電体材料と第1の金属と閾値電圧調整用不純物とを含有する第2のゲート絶縁膜と、第2のシリコン膜及び第2の導電膜を有する第2のゲート電極とを形成する工程(f)とを備えている。そして、第1のゲート絶縁膜は、第2のゲート絶縁膜に比べて閾値電圧調整用不純物の濃度が低い、又は閾値電圧調整用不純物を含有していない。   A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a first transistor provided on a first active region in a semiconductor region, and the same conductivity type as that provided on a second active region in the semiconductor region and the first transistor. And a second transistor manufacturing method. Specifically, the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step (a) of forming a high dielectric film made of a high dielectric material on a semiconductor region, and a second active region of the high dielectric film. A step (b) of introducing a threshold voltage adjusting impurity into a portion provided on the first active region of the high dielectric film while introducing a threshold voltage adjusting impurity into the portion provided above; A step (c) of forming a first threshold voltage control film containing a first metal on the high dielectric film; and after the step (c), the first metal in the first threshold voltage control film is increased A step (d) of diffusing into the dielectric film, a step (e) of sequentially forming a conductive film and a silicon film on the high dielectric film, and patterning the silicon film, the conductive film and the high dielectric film, A first gate insulating film containing a high dielectric material and a first metal on the first active region; A first gate electrode having one silicon film and a first conductive film is formed, and a high dielectric material, a first metal, and a threshold voltage adjusting impurity are contained on the second active region. A step (f) of forming a second gate insulating film and a second gate electrode having a second silicon film and a second conductive film. The first gate insulating film has a lower concentration of threshold voltage adjusting impurities than the second gate insulating film or does not contain threshold voltage adjusting impurities.

後述の好ましい実施形態では、工程(b)では、閾値電圧調整用不純物として窒素を導入する。窒素は、高誘電体膜への第1の金属の導入を抑制する。よって、工程(d)では、第1の金属は、高誘電体膜のうち第1の活性領域上に設けられた部分へは拡散するが、高誘電体膜のうち第2の活性領域上に設けられた部分へは拡散しにくい。ここで、第1の金属は、トランジスタの閾値電圧を低下させるように作用する。これにより、第1のトランジスタの閾値電圧を第2のトランジスタの閾値電圧よりも低くすることができる。   In a preferred embodiment described later, in step (b), nitrogen is introduced as the threshold voltage adjusting impurity. Nitrogen suppresses the introduction of the first metal into the high dielectric film. Therefore, in the step (d), the first metal diffuses to the portion of the high dielectric film provided on the first active region, but on the second active region of the high dielectric film. Difficult to diffuse into the provided part. Here, the first metal acts to lower the threshold voltage of the transistor. Thereby, the threshold voltage of the first transistor can be made lower than the threshold voltage of the second transistor.

このように後述の好ましい実施形態では、高誘電体膜のうち第1の活性領域上に設けられた部分における窒素の濃度を高誘電体膜のうち第2の活性領域上に設けられた部分における窒素の濃度よりも低くすれば、高誘電体膜のうち第1の活性領域上に設けられた部分における第1の金属の濃度を高誘電体膜のうち第2の活性領域上に設けられた部分における第1の金属の濃度よりも高くすることができ、よって、第1のトランジスタの閾値電圧を第2のトランジスタ閾値電圧よりも低くすることができる。従って、第1のトランジスタの閾値電圧と第2のトランジスタの閾値電圧との差をチャネル領域における不純物濃度の差に由来する閾値電圧の差よりも大きくすることができる。   As described above, in a preferred embodiment described later, the concentration of nitrogen in the portion of the high dielectric film provided on the first active region is set to the concentration of nitrogen in the portion of the high dielectric film provided on the second active region. If the concentration is lower than the concentration of nitrogen, the concentration of the first metal in the portion of the high dielectric film provided on the first active region is provided on the second active region of the high dielectric film. The concentration of the first metal in the portion can be higher, and thus the threshold voltage of the first transistor can be lower than the second transistor threshold voltage. Accordingly, the difference between the threshold voltage of the first transistor and the threshold voltage of the second transistor can be made larger than the difference in threshold voltage derived from the difference in impurity concentration in the channel region.

後述の好ましい別の実施形態では、高誘電体材料は、第2の金属を含有する金属酸化物、金属酸窒化物または金属シリケートであり、工程(b)では、閾値電圧調整用不純物として第2の金属を導入する。第2の金属は、高誘電体膜への第1の金属の導入を抑制する。よって、工程(d)では、第1の金属は、高誘電体膜のうち第1の活性領域上に設けられた部分へは拡散するが、高誘電体膜のうち第2の活性領域上に設けられた部分へは拡散しにくい。これにより、第1のトランジスタの閾値電圧を第2のトランジスタの閾値電圧よりも低くすることができる。   In another preferred embodiment described later, the high dielectric material is a metal oxide, metal oxynitride, or metal silicate containing a second metal, and in step (b), the second dielectric is used as a threshold voltage adjusting impurity. Introducing the metal. The second metal suppresses the introduction of the first metal into the high dielectric film. Therefore, in the step (d), the first metal diffuses to the portion of the high dielectric film provided on the first active region, but on the second active region of the high dielectric film. Difficult to diffuse into the provided part. Thereby, the threshold voltage of the first transistor can be made lower than the threshold voltage of the second transistor.

後述の好ましいまた別の実施形態では、工程(b)では、閾値電圧調整用不純物として第3の金属を導入する。第3の金属は、閾値電圧を低下させる作用を有する第1の金属とは正反対に閾値電圧を上昇させるように作用する。よって、第1のトランジスタの閾値電圧を第2のトランジスタ閾値電圧よりも低くすることができる。   In another preferred embodiment described later, in the step (b), a third metal is introduced as an impurity for adjusting the threshold voltage. The third metal acts to raise the threshold voltage in the opposite direction to the first metal having the action of lowering the threshold voltage. Therefore, the threshold voltage of the first transistor can be made lower than the second transistor threshold voltage.

このようにして製造された半導体装置は、以下に示す構造上の特徴を有している。   The semiconductor device thus manufactured has the following structural features.

本発明にかかる半導体装置は、半導体領域における第1の活性領域上に設けられた第1のトランジスタと、半導体領域における第2の活性領域上に設けられ且つ第1のトランジスタと同一導電型の第2のトランジスタとを備えている。第1のトランジスタは、第1の活性領域上に形成され、高誘電体材料と第1の金属とを含有する第1のゲート絶縁膜と、第1のゲート絶縁膜の上に形成された第1の導電膜と、第1の導電膜の上に形成された第1のシリコン膜とを有する第1のゲート電極とを備えている。第2のトランジスタは、第2の活性領域上に形成され、高誘電体材料と第1の金属と閾値電圧調整用不純物とを含有する第2のゲート絶縁膜と、第2のゲート絶縁膜の上に形成され且つ第1の導電膜と同一の材料からなる第2の導電膜と、第2の導電膜の上に形成された第2のシリコン膜とを有する第2のゲート電極とを備えている。第1のゲート絶縁膜は、第2のゲート絶縁膜に比べて閾値電圧調整用不純物の濃度が低い、又は閾値電圧調整用不純物を含有していない。   A semiconductor device according to the present invention includes a first transistor provided on a first active region in a semiconductor region, and a first transistor provided on a second active region in the semiconductor region and having the same conductivity type as the first transistor. 2 transistors. The first transistor is formed on the first active region, and includes a first gate insulating film containing a high dielectric material and a first metal, and a first gate insulating film formed on the first gate insulating film. A first gate electrode having a first conductive film and a first silicon film formed on the first conductive film. The second transistor is formed on the second active region, and includes a second gate insulating film containing a high dielectric material, a first metal, and a threshold voltage adjusting impurity, and a second gate insulating film. And a second gate electrode having a second conductive film made of the same material as the first conductive film and a second silicon film formed on the second conductive film. ing. The first gate insulating film has a lower concentration of the threshold voltage adjusting impurity than the second gate insulating film or does not contain the threshold voltage adjusting impurity.

本発明の半導体装置では、第1のトランジスタの閾値電圧は、第2のトランジスタの閾値電圧よりも低い。   In the semiconductor device of the present invention, the threshold voltage of the first transistor is lower than the threshold voltage of the second transistor.

本発明の半導体装置では、第1のゲート絶縁膜における第1の金属の濃度は、第2のゲート絶縁膜における第1の金属の濃度よりも高いことが好ましい。これにより、第1のトランジスタの閾値電圧を第2のトランジスタの閾値電圧よりも低くすることができる。   In the semiconductor device of the present invention, the concentration of the first metal in the first gate insulating film is preferably higher than the concentration of the first metal in the second gate insulating film. Thereby, the threshold voltage of the first transistor can be made lower than the threshold voltage of the second transistor.

後述の好ましい実施形態では、閾値電圧調整用不純物は窒素である。   In a preferred embodiment described later, the threshold voltage adjusting impurity is nitrogen.

後述の好ましい別の実施形態では、高誘電体材料は、第2の金属を含有する金属酸化物、金属酸窒化物または金属シリケートであり、閾値電圧調整用不純物は、第2の金属であり、第1のゲート絶縁膜における第2の金属の濃度は、第2のゲート絶縁膜における第2の金属の濃度よりも低い。ここで、第2の金属は、ハフニウムである。   In another preferred embodiment described below, the high dielectric material is a metal oxide, metal oxynitride or metal silicate containing a second metal, and the threshold voltage adjusting impurity is the second metal, The concentration of the second metal in the first gate insulating film is lower than the concentration of the second metal in the second gate insulating film. Here, the second metal is hafnium.

後述の好ましいまた別の実施形態では、閾値電圧調整用不純物は第3の金属であり、第2のゲート絶縁膜は第3の金属を含有している一方、第1のゲート絶縁膜は第3の金属を含有していない。このとき、第1のトランジスタ及び第2のトランジスタがそれぞれN型MISトランジスタであるとき、第3の金属はアルミニウムであることが好ましい。また、第1のトランジスタ及び第2のトランジスタがそれぞれP型MISトランジスタであるとき、第3の金属は、ランタノイド系元素、スカンジウム、ストロンチウム及びマグネシウムの少なくとも一つであることが好ましい。   In another preferred embodiment described later, the threshold voltage adjusting impurity is a third metal, and the second gate insulating film contains the third metal, while the first gate insulating film is the third metal. Contains no metal. At this time, when each of the first transistor and the second transistor is an N-type MIS transistor, the third metal is preferably aluminum. In addition, when each of the first transistor and the second transistor is a P-type MIS transistor, it is preferable that the third metal is at least one of a lanthanoid element, scandium, strontium, and magnesium.

本発明の半導体装置では、第1のトランジスタ及び第2のトランジスタがそれぞれN型MISトランジスタであるときには、第1の金属は、ランタノイド系元素、スカンジウム、ストロンチウム及びマグネシウムの少なくとも一つであることが好ましい。また、第1のトランジスタ及び第2のトランジスタがそれぞれP型MISトランジスタであるときには、第1の金属はアルミニウムであることが好ましい。   In the semiconductor device of the present invention, when each of the first transistor and the second transistor is an N-type MIS transistor, the first metal is preferably at least one of a lanthanoid element, scandium, strontium, and magnesium. . When the first transistor and the second transistor are P-type MIS transistors, the first metal is preferably aluminum.

本発明に係る半導体装置及びその製造方法によれば、トランジスタの閾値電圧を変更する物質のhigh-k膜における濃度またはその物質の種類をトランジスタごとに変えることにより、そのトランジスタの閾値電圧の差をチャネル領域における不純物濃度の差に由来する閾値電圧の差よりも大きくすることができる。よって、導電型は同一であるが閾値電圧が互いに異なる2つ以上のトランジスタを同一基板内に形成可能である。   According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the difference in threshold voltage of the transistor is changed by changing the concentration of the substance that changes the threshold voltage of the transistor in the high-k film or the type of the substance for each transistor. The threshold voltage difference can be made larger than the difference in impurity concentration in the channel region. Therefore, two or more transistors having the same conductivity type but different threshold voltages can be formed in the same substrate.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されない。例えば、膜厚などは以下に示す数値に限定されず、また、成膜方法及びエッチング方法などは以下に示す方法に限定されない。また、以下では、同一の部材に対して同一の符号を付け、説明を省略する場合がある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to embodiment shown below. For example, the film thickness and the like are not limited to the numerical values shown below, and the film forming method and the etching method are not limited to the methods shown below. Moreover, below, the same code | symbol may be attached | subjected with respect to the same member, and description may be abbreviate | omitted.

《第1の実施形態》
本発明の第1の実施形態について図面を参照して説明する。図1(a)〜図1(e)及び図2(a)〜図2(c)は本実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。なお、図1(a)及び図2(a)において、左側に示す「LNTr」とは閾値電圧が相対的に低い第1のN型MISFET(第1のトランジスタ)が形成される第1のN型MISFET形成領域LNTrを示し、右側に示す「HNTr」とは閾値電圧が相対的に高い第2のN型MISFET(第2のトランジスタ)が形成される第2のN型MISFET形成領域HNTrを示している。
<< First Embodiment >>
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A to FIG. 1E and FIG. 2A to FIG. 2C are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to this embodiment in the order of steps. In FIG. 1A and FIG. 2A, “LNTr” shown on the left side is a first N-type MISFET (first transistor) having a relatively low threshold voltage. The “HNTr” shown on the right side indicates the second N-type MISFET formation region HNTr in which the second N-type MISFET (second transistor) having a relatively high threshold voltage is formed. ing.

まず、図1(a)に示す工程では、埋め込み素子分離(Shallow Trench Isolation :STI)法により、p型シリコンからなる半導体基板1の上部に、トレンチ内に絶縁膜が埋め込まれた素子分離領域2を選択的に形成する。これにより、第1のN型MISFET形成領域LNTrには、素子分離領域2によって囲まれた半導体基板1からなる第1の活性領域1aが形成され、第2のN型MISFET形成領域HNTrには、素子分離領域2によって囲まれた半導体基板1からなる第2の活性領域1bが形成される。その後、半導体基板1にp型不純物を注入し、第1のN型MISFET形成領域LNTrに第1のp型ウェル領域3aを形成するとともに第2のN型MISFET形成領域HNTrに第2のp型ウェル領域3bを形成する。このとき、不図示であるが、第1のチャネル領域となる領域におけるp型不純物濃度と第2のチャネル領域となる領域におけるp型不純物濃度とは互いに同一である。なお、本実施形態では、第1のp型ウェル領域3aと第2のp型ウェル領域3bに分離して説明しているが、実質的に同一の不純物濃度を有するウェル領域からなる。   First, in the process shown in FIG. 1A, an element isolation region 2 in which an insulating film is embedded in a trench above a semiconductor substrate 1 made of p-type silicon by an embedded element isolation (Shallow Trench Isolation: STI) method. Are selectively formed. As a result, the first active region 1a made of the semiconductor substrate 1 surrounded by the element isolation region 2 is formed in the first N-type MISFET formation region LNTr, and the second N-type MISFET formation region HNTr has A second active region 1b made of the semiconductor substrate 1 surrounded by the element isolation region 2 is formed. Thereafter, a p-type impurity is implanted into the semiconductor substrate 1 to form a first p-type well region 3a in the first N-type MISFET formation region LNTr and a second p-type in the second N-type MISFET formation region HNTr. Well region 3b is formed. At this time, although not shown, the p-type impurity concentration in the region serving as the first channel region and the p-type impurity concentration in the region serving as the second channel region are the same. In the present embodiment, the first p-type well region 3a and the second p-type well region 3b are separately described. However, the first p-type well region 3a and the second p-type well region 3b are formed of well regions having substantially the same impurity concentration.

その後、半導体基板1の上面全体に、シリコン酸窒化(SiON)からなり膜厚が1.6nmの下地膜(図示せず)を形成する。その後、例えば有機金属気相堆積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition : MOCVD)法により、下地膜の上に窒化ハフニウムシリケート(HfSiON)からなり膜厚が2nmの高誘電体膜4を形成する(工程(a))。高誘電体膜4としては、比誘電率がシリコン酸化膜またはシリコン酸窒化膜よりも大きな絶縁膜を用い、比誘電率が8以上の金属酸化物、金属酸窒化物、シリケートまたは窒素含有シリケートを含む高誘電体材料からなる絶縁膜を用いる。高誘電体材料としては、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)またはイットリウム(Y)などの金属の酸化物、酸窒化物、シリケートまたは窒素含有シリケートを挙げることができ、上述のHfSiONはその一例である。その後、例えば物理蒸着(PVD:physical vapor deposition)法により、高誘電体膜4の上に例えば窒化チタン(TiN)からなり膜厚が30nmの保護膜5を形成する。   Thereafter, a base film (not shown) made of silicon oxynitride (SiON) and having a thickness of 1.6 nm is formed on the entire top surface of the semiconductor substrate 1. Thereafter, a high dielectric film 4 made of hafnium silicate (HfSiON) and having a thickness of 2 nm is formed on the base film by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) (step (a) )). As the high dielectric film 4, an insulating film having a relative dielectric constant larger than that of a silicon oxide film or silicon oxynitride film is used, and a metal oxide, metal oxynitride, silicate, or nitrogen-containing silicate having a relative dielectric constant of 8 or more is used. An insulating film made of a high dielectric material is used. Examples of the high dielectric material include oxides of metals such as hafnium (Hf), zirconium (Zr), and yttrium (Y), oxynitrides, silicates, and nitrogen-containing silicates. The above-described HfSiON is one example. is there. Thereafter, the protective film 5 made of, for example, titanium nitride (TiN) and having a thickness of 30 nm is formed on the high dielectric film 4 by, for example, physical vapor deposition (PVD).

次に、図1(b)に示す工程では、フォトリソグラフィ法により、保護膜5のうち第1の活性領域1a上に形成された部分を覆う一方、保護膜5のうち第2の活性領域1b上に形成された部分を露出するようにレジスト6を形成する。その後、レジスト6をマスクとして、APM(ammonia hydrogen peroxide mixture)溶液またはSPM(sulfuric acid hydrogen peroxide mixture)溶液を用いて保護膜5をエッチングする。これにより、高誘電体膜4のうち第1の活性領域1a上に形成された部分の上に保護膜5の一部分である保護マスク5Aが形成される一方、高誘電体膜4のうち第2の活性領域1b上に形成された部分は保護マスク5Aから露出される。その後、レジスト6を取り除く。   Next, in the step shown in FIG. 1B, the portion of the protective film 5 formed on the first active region 1a is covered by photolithography, while the second active region 1b of the protective film 5 is covered. A resist 6 is formed so as to expose the portion formed above. Thereafter, using the resist 6 as a mask, the protective film 5 is etched using an APM (ammonia hydrogen peroxide mixture) solution or an SPM (sulfuric acid hydrogen peroxide mixture) solution. As a result, a protective mask 5A which is a part of the protective film 5 is formed on the portion of the high dielectric film 4 formed on the first active region 1a, while the second of the high dielectric film 4 is the second. The portion formed on the active region 1b is exposed from the protective mask 5A. Thereafter, the resist 6 is removed.

続いて、図1(c)に示す工程では、高誘電体膜4に対して表面処理を行う。具体的には、例えばプラズマ窒化などにより高誘電体膜4の表面を窒化させる。このとき、高誘電体膜4のうち第1の活性領域1a上に形成された部分の上には、保護マスク5Aが形成されている。よって、高誘電体膜4のうち第1の活性領域1a上に形成された部分には窒素が導入されないが、高誘電体膜4のうち第2の活性領域1b上に形成された部分には窒素が導入される(工程(b))。これにより、第1の活性領域1a上には閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜(高誘電体膜4の一部分)4Aが形成される一方、第2の活性領域1b上には閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bが形成される。   Subsequently, in the step shown in FIG. 1C, surface treatment is performed on the high dielectric film 4. Specifically, the surface of the high dielectric film 4 is nitrided by, for example, plasma nitriding. At this time, a protective mask 5A is formed on the portion of the high dielectric film 4 formed on the first active region 1a. Therefore, nitrogen is not introduced into the portion of the high dielectric film 4 formed on the first active region 1a, but the portion of the high dielectric film 4 formed on the second active region 1b Nitrogen is introduced (step (b)). As a result, a high dielectric film (a part of the high dielectric film 4) 4A having a low concentration of the threshold voltage adjusting impurity is formed on the first active region 1a, while on the second active region 1b. A high dielectric film 4B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity is formed.

このとき、上述のように高誘電体膜4として窒素を含有する高誘電体膜(例えばHfSiON膜)を用いた場合、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aは高誘電体膜4に由来する窒素を含有しており、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bは高誘電体膜4に由来する窒素だけでなく図1(c)における窒化処理により導入された窒素も含有している。つまり、この場合には、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aは窒素を含有しており、窒素濃度は閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aの方が閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bよりも低い。   At this time, when a high-dielectric film containing nitrogen (for example, an HfSiON film) is used as the high-dielectric film 4 as described above, the high-dielectric film 4A having a low threshold voltage adjustment impurity concentration is a The high dielectric film 4B containing nitrogen derived from No. 4 and having a high concentration of threshold voltage adjusting impurities was introduced not only by nitrogen derived from the high dielectric film 4 but also by the nitriding treatment in FIG. It also contains nitrogen. That is, in this case, the high dielectric film 4A having a low threshold voltage adjustment impurity concentration contains nitrogen, and the nitrogen concentration is higher in the high dielectric film 4A having a lower threshold voltage adjustment impurity concentration. The concentration of the voltage adjusting impurity is lower than that of the high dielectric film 4B.

また、高誘電体膜4として窒素を含有しない高誘電体膜(例えばHfO膜)を用いた場合、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aは窒素を含有しておらず、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bは図1(c)における窒化処理により導入された窒素を含有している。つまり、この場合には、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bは窒素を含有しているが、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aは窒素を含有していない。 When a high dielectric film that does not contain nitrogen (for example, an HfO 2 film) is used as the high dielectric film 4, the high dielectric film 4A having a low threshold voltage adjusting impurity concentration does not contain nitrogen. The high dielectric film 4B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity contains nitrogen introduced by the nitriding process in FIG. That is, in this case, the high dielectric film 4B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity contains nitrogen, but the high dielectric film 4A having a low concentration of the threshold voltage adjusting impurity contains nitrogen. Absent.

その後、APM溶液またはSPM溶液を用いて保護マスク5Aを取り除く。このように保護マスク5Aは、高誘電体膜4のうち保護マスク5Aの直下に位置する部分(高誘電体膜4のうち第1の活性領域1a上に形成された部分)が窒化されることを防止するためのマスクであり、別の言い方をすると、高誘電体膜4のうち保護マスク5Aの直下に位置する部分に窒素が導入されることを防止するためのマスクである。また、保護マスク5Aは、この窒化工程が終了したら除去されるので、高誘電体膜4を除去することなく保護マスク5Aのみを除去するためには高誘電体膜4に対して高い選択性を有する材料からなることが好ましい。以上より、保護マスク5Aは、窒化チタン膜に限定されず、窒化タンタル(TaN)膜であっても良い。   Thereafter, the protective mask 5A is removed using an APM solution or an SPM solution. As described above, in the protective mask 5A, a portion of the high dielectric film 4 located immediately below the protective mask 5A (a portion formed on the first active region 1a of the high dielectric film 4) is nitrided. In other words, it is a mask for preventing nitrogen from being introduced into a portion of the high dielectric film 4 located immediately below the protective mask 5A. Further, since the protective mask 5A is removed after the nitriding step is completed, in order to remove only the protective mask 5A without removing the high dielectric film 4, a high selectivity with respect to the high dielectric film 4 is obtained. It is preferable to consist of the material which has. As described above, the protective mask 5A is not limited to the titanium nitride film, and may be a tantalum nitride (TaN) film.

続いて、図1(d)に示す工程では、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aの上と、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bの上とに、例えば化学気相堆積(CVD:Chemical Vapor Deposition)法により、Laからなり膜厚が数Å(例えば0.5nm)の第1の閾値電圧制御膜7を形成する(工程(c))。第1の閾値電圧制御膜7は、La膜に限定されず、第1の金属を含有する膜であれば良い。本実施形態における第1の金属は、高誘電体膜へ導入されるとN型MISFETの閾値電圧を低下させる金属であり、本実施形態における第1の金属としては、ランタン(La)などのランタノイド系金属、スカンジウム(Sc)、ストロンチウム(Sr)またはマグネシウム(Mg)などを挙げることができる。よって、第1の閾値電圧制御膜7は、ランタノイド系金属、スカンジウム、ストロンチウム及びマグネシウムの少なくとも一つを含有していればよく、例えばLa膜であっても良い。 1D, on the high dielectric film 4A having a low threshold voltage adjustment impurity concentration and on the high dielectric film 4B having a high threshold voltage adjustment impurity concentration, For example, the first threshold voltage control film 7 made of La 2 O 3 and having a thickness of several tens (for example, 0.5 nm) is formed by a chemical vapor deposition (CVD) method (step (c)). . The first threshold voltage control film 7 is not limited to the La 2 O 3 film, and may be a film containing the first metal. The first metal in the present embodiment is a metal that lowers the threshold voltage of the N-type MISFET when introduced into the high dielectric film. The first metal in the present embodiment includes a lanthanoid such as lanthanum (La). Examples of the metal include scandium (Sc), strontium (Sr), and magnesium (Mg). Therefore, the first threshold voltage control film 7 only needs to contain at least one of a lanthanoid metal, scandium, strontium, and magnesium, and may be a La film, for example.

続いて、図1(e)に示す工程では、半導体基板1に対して例えば800℃10分の熱処理を施す(工程(d))。これにより、第1の活性領域1a上には第1の高誘電体膜8Aが形成され、第2の活性領域1b上には第2の高誘電体膜8Bが形成される。   Subsequently, in the step shown in FIG. 1E, the semiconductor substrate 1 is subjected to a heat treatment, for example, at 800 ° C. for 10 minutes (step (d)). As a result, the first high dielectric film 8A is formed on the first active region 1a, and the second high dielectric film 8B is formed on the second active region 1b.

このとき、図1(c)に示す窒化処理により、第1の金属(本実施形態ではランタン)は、第1の閾値電圧制御膜7から、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aへは拡散されるが、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bへは拡散されにくい。別の言い方をすると、第1の金属がこの図1(e)に示す工程において第1の閾値電圧制御膜7から高誘電体膜4のうち第2の活性領域1b上に形成された部分へ拡散することを抑制するために、図1(c)に示す工程において高誘電体膜4のうち第2の活性領域1b上に形成された部分の表面を窒化している。これにより、第1の高誘電体膜8Aにおける第1の金属の濃度は、第2の高誘電体膜8Bにおける第1の金属の濃度よりも高くなる。   At this time, by the nitriding process shown in FIG. 1C, the first metal (lanthanum in this embodiment) is changed from the first threshold voltage control film 7 to the high dielectric film having a low concentration of the threshold voltage adjusting impurity. Although it is diffused to 4A, it is difficult to diffuse to the high dielectric film 4B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity. In other words, the first metal is transferred from the first threshold voltage control film 7 to the portion of the high dielectric film 4 formed on the second active region 1b in the step shown in FIG. In order to suppress the diffusion, the surface of the portion of the high dielectric film 4 formed on the second active region 1b is nitrided in the step shown in FIG. Thus, the concentration of the first metal in the first high dielectric film 8A is higher than the concentration of the first metal in the second high dielectric film 8B.

また、第1の高誘電体膜8Aは閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aに第1の金属が導入されたものであり、第2の高誘電体膜8Bは閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bに第1の金属が導入されたものである。よって、高誘電体膜4として窒素を含有する高誘電体膜(例えばHfSiON膜)を用いた場合には、第1の高誘電体膜8Aは窒素を含有しており、その窒素濃度は第1の高誘電体膜8Aの方が第2の高誘電体膜8Bよりも低い。一方、高誘電体膜4として窒素を含有しない高誘電体膜(例えばHfO膜)を用いた場合には、第1の高誘電体膜8Aは窒素を含有しておらず、第2の高誘電体膜8Bは窒素を含有している。 The first high dielectric film 8A is obtained by introducing the first metal into the high dielectric film 4A having a low concentration of the threshold voltage adjusting impurity, and the second high dielectric film 8B has the threshold voltage adjustment. The first metal is introduced into the high dielectric film 4B having a high impurity concentration. Therefore, when a high dielectric film (for example, HfSiON film) containing nitrogen is used as the high dielectric film 4, the first high dielectric film 8A contains nitrogen, and the nitrogen concentration is the first concentration. The high dielectric film 8A is lower than the second high dielectric film 8B. On the other hand, when a high-dielectric film that does not contain nitrogen (for example, an HfO 2 film) is used as the high-dielectric film 4, the first high-dielectric film 8A does not contain nitrogen, and the second high-dielectric film The dielectric film 8B contains nitrogen.

この熱処理工程における熱処理の条件によっては、第1の金属は、第1の高誘電体膜8A内において、高誘電体膜4を構成する高誘電体材料と均一に混ざり合って存在する場合もあれば、層状に存在する場合もあれば、その上部に多く存在する場合もあれば、その下部に沈降する場合もある。第2の高誘電体膜8B内における第1の金属の拡散についても同様のことが言える。   Depending on the heat treatment conditions in this heat treatment step, the first metal may be present in the first high dielectric film 8A in a uniform mixture with the high dielectric material constituting the high dielectric film 4. For example, it may exist in a layered manner, may exist in the upper part thereof, or may settle in the lower part thereof. The same can be said for the diffusion of the first metal in the second high dielectric film 8B.

また、この熱処理工程における熱処理の条件によっては、熱処理工程が終了すると、図1(e)で示すように第1の閾値電圧制御膜7が消失する場合もあれば、不図示であるが第1の閾値電圧制御膜7が残存して閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4A及び閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bと一体化する場合もある。   Also, depending on the heat treatment conditions in this heat treatment step, when the heat treatment step is completed, the first threshold voltage control film 7 may disappear as shown in FIG. The threshold voltage control film 7 may remain and be integrated with the high dielectric film 4A having a low concentration of the threshold voltage adjusting impurity and the high dielectric film 4B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity.

続いて、図2(a)に示す工程では、第1の高誘電体膜8Aの上と第2の高誘電体膜8Bの上とに、例えば物理蒸着法によりTaNからなり膜厚が20nmの導電膜9を形成する。その後、導電膜9の上に膜厚が90nmのシリコン膜10を形成する(工程(e))。その後、ゲートパターン形状を有するレジスト(図示せず)を用いて、ドライエッチング法により、シリコン膜10、導電膜9、第1の高誘電体膜8A及び第2の高誘電体膜8Bをパターニングする。これにより、第1の活性領域1a上には、順に、第1の下地膜と第1の高誘電体膜8Aとからなる第1のゲート絶縁膜8aと、第1の導電膜9aと第1のシリコン膜10aとからなる第1のゲート電極11aとが形成される。一方、第2の活性領域1b上には、順に、第2の下地膜と第2の高誘電体膜8Bとからなる第2のゲート絶縁膜8bと、第2の導電膜9bと第2のシリコン膜10bとからなる第2のゲート電極11bとが形成される(工程(f))。   Subsequently, in the process shown in FIG. 2A, the first high dielectric film 8A and the second high dielectric film 8B are formed on the first high dielectric film 8B and made of TaN, for example, with a film thickness of 20 nm. A conductive film 9 is formed. Thereafter, a silicon film 10 having a thickness of 90 nm is formed on the conductive film 9 (step (e)). Thereafter, the silicon film 10, the conductive film 9, the first high dielectric film 8A, and the second high dielectric film 8B are patterned by dry etching using a resist having a gate pattern shape (not shown). . Thereby, on the first active region 1a, the first gate insulating film 8a composed of the first base film and the first high dielectric film 8A, the first conductive film 9a, and the first conductive film are sequentially formed. The first gate electrode 11a made of the silicon film 10a is formed. On the other hand, on the second active region 1b, a second gate insulating film 8b composed of a second base film and a second high dielectric film 8B, a second conductive film 9b, and a second conductive film are sequentially formed. A second gate electrode 11b made of the silicon film 10b is formed (step (f)).

続いて、図2(b)に示す工程では、半導体基板1の上面全体にシリコン酸化膜を形成した後、シリコン酸化膜に対して異方性エッチングを行う。これにより、第1及び第2のゲート電極11a,11bの側面上にはそれぞれ第1及び第2のオフセットスペーサ12a,12bが形成される。その後、第1の活性領域1aにおける第1のゲート電極11aの側方下の領域にn型不純物を注入して第1のn型エクステンション領域13aを形成する一方、第2の活性領域1bにおける第2のゲート電極11bの側方下の領域にn型不純物を注入して第2のn型エクステンション領域13bを形成する。   2B, a silicon oxide film is formed on the entire upper surface of the semiconductor substrate 1, and then anisotropic etching is performed on the silicon oxide film. As a result, first and second offset spacers 12a and 12b are formed on the side surfaces of the first and second gate electrodes 11a and 11b, respectively. Thereafter, an n-type impurity is implanted into a region of the first active region 1a laterally below the first gate electrode 11a to form the first n-type extension region 13a, while the second active region 1b A second n-type extension region 13b is formed by implanting an n-type impurity into a region below the side of the second gate electrode 11b.

続いて、図2(c)に示す工程では、半導体基板1の上面全体にシリコン窒化膜を形成した後、そのシリコン窒化膜に対して異方性エッチングを行う。これにより、第1のゲート電極11aの側面上に第1のオフセットスペーサ12aを介して第1のサイドウォール14aが形成される一方、第2のゲート電極11bの側面上に第2のオフセットスペーサ12bを介して第2のサイドウォール14bが形成される。その後、第1の活性領域1aにおける第1のサイドウォール14aの外側方下の領域にn型不純物を注入して第1のn型ソースドレイン領域15aを形成する一方、第2の活性領域1bにおける第2のサイドウォール14bの外側方下の領域にn型不純物を注入して第2のn型ソースドレイン領域15bを形成する。その後、第1のゲート電極11aの第1のシリコン膜10aの上部及び第1のn型ソースドレイン領域15aの上部に、ニッケルシリサイド等からなる第1のシリサイド層16aを形成し、第2のゲート電極11bの第2のシリコン膜10bの上部及び第2のn型ソースドレイン領域15bの上部に、ニッケルシリサイド等からなる第2のシリサイド層16bを形成する。このようにして、第1の活性領域1a上に第1のN型MISFETが形成され、第2の活性領域1b上に第2のN型MISFETが形成された半導体装置が得られる。   2C, a silicon nitride film is formed on the entire top surface of the semiconductor substrate 1, and then anisotropic etching is performed on the silicon nitride film. As a result, the first sidewall 14a is formed on the side surface of the first gate electrode 11a via the first offset spacer 12a, while the second offset spacer 12b is formed on the side surface of the second gate electrode 11b. A second sidewall 14b is formed through the gap. Thereafter, an n-type impurity is implanted into a region of the first active region 1a outside the first sidewall 14a to form a first n-type source / drain region 15a, while in the second active region 1b An n-type impurity is implanted into a region below the second sidewall 14b to form a second n-type source / drain region 15b. Thereafter, a first silicide layer 16a made of nickel silicide or the like is formed on the upper portion of the first silicon film 10a of the first gate electrode 11a and the upper portion of the first n-type source / drain region 15a to form the second gate. A second silicide layer 16b made of nickel silicide or the like is formed on the second silicon film 10b of the electrode 11b and on the second n-type source / drain region 15b. In this manner, a semiconductor device in which the first N-type MISFET is formed on the first active region 1a and the second N-type MISFET is formed on the second active region 1b is obtained.

以上説明したように、本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、図1(c)に示す工程において、第1の活性領域1a上には閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aが形成され、第2の活性領域1b上には閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bが形成される。本実施形態における閾値電圧調整用不純物は、高誘電体膜への第1の金属の導入を抑制する。よって、第1の金属は、図1(e)に示す工程において、第1の閾値電圧制御膜7から閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aへ拡散する一方、第1の閾値電圧制御膜7から閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bへ拡散しにくい。従って、第1の高誘電体膜8Aにおける第1の金属の濃度は、第2の高誘電体膜8Bにおける第1の金属の濃度よりも高くなる。その後、図2(a)に示す工程において第1の高誘電体膜8Aが第1のゲート絶縁膜8aの一部分となり第2の高誘電体膜8Bが第2のゲート絶縁膜8bの一部分となるので、第1のゲート絶縁膜8aにおける第1の金属の濃度が第2のゲート絶縁膜8bにおける第1の金属の濃度よりも高くなる。本実施形態における第1の金属は、高誘電体膜へ拡散されるとN型MISFETの閾値電圧を低下させる。以上より、本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、第1の活性領域1a上に形成された第1のN型MISFETの閾値電圧を第2の活性領域1b上に形成された第2のN型MISFETの閾値電圧よりも低くすることができる。   As described above, in the method of manufacturing the semiconductor device according to this embodiment, in the step shown in FIG. 1C, the high dielectric film having a low threshold voltage adjusting impurity concentration is formed on the first active region 1a. 4A is formed, and a high dielectric film 4B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity is formed on the second active region 1b. The threshold voltage adjusting impurity in this embodiment suppresses the introduction of the first metal into the high dielectric film. Therefore, in the step shown in FIG. 1E, the first metal diffuses from the first threshold voltage control film 7 to the high dielectric film 4A where the concentration of the threshold voltage adjusting impurity is low, while the first threshold voltage is increased. Difficult to diffuse from the voltage control film 7 to the high dielectric film 4B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity. Therefore, the concentration of the first metal in the first high dielectric film 8A is higher than the concentration of the first metal in the second high dielectric film 8B. Thereafter, in the step shown in FIG. 2A, the first high dielectric film 8A becomes a part of the first gate insulating film 8a, and the second high dielectric film 8B becomes a part of the second gate insulating film 8b. Therefore, the concentration of the first metal in the first gate insulating film 8a is higher than the concentration of the first metal in the second gate insulating film 8b. When the first metal in the present embodiment is diffused into the high dielectric film, the threshold voltage of the N-type MISFET is lowered. As described above, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, the threshold voltage of the first N-type MISFET formed on the first active region 1a is set to the second value formed on the second active region 1b. It can be lower than the threshold voltage of the N-type MISFET.

また、本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、第1のN型MISFETの第1のゲート絶縁膜8aにおける第1の金属の濃度を第2のN型MISFETの第2のゲート絶縁膜8bにおける第1の金属の濃度よりも高くすることができる。よって、第1のN型MISFETの第1のチャネル領域におけるp型不純物の濃度を第2のN型MISFETの第2のチャネル領域におけるp型不純物の濃度よりも低くするという方法(従来の方法)に比べて、第1の活性領域1a上に形成された第1のN型MISFETの閾値電圧と第2の活性領域1b上に形成された第2のN型MISFETの閾値電圧との差を大きくすることができる。例えば、上記従来の方法ではその差を100mV程度にすることができるに過ぎないが、本実施形態ではその差を0.2V程度にまで拡げることができる。   In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, the concentration of the first metal in the first gate insulating film 8a of the first N-type MISFET is set to the second gate insulating film 8b of the second N-type MISFET. The concentration of the first metal in can be higher. Therefore, a method of making the concentration of the p-type impurity in the first channel region of the first N-type MISFET lower than the concentration of the p-type impurity in the second channel region of the second N-type MISFET (conventional method) As compared with the above, the difference between the threshold voltage of the first N-type MISFET formed on the first active region 1a and the threshold voltage of the second N-type MISFET formed on the second active region 1b is increased. can do. For example, in the conventional method, the difference can only be about 100 mV, but in the present embodiment, the difference can be expanded to about 0.2V.

さらに、本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、第1のN型MISFETの閾値電圧を第2のN型MISFETの閾値電圧よりも低下させる方法として、第1の閾値電圧制御膜7を形成する前に、高誘電体膜4のうち第2の活性領域1b上に形成された部分の表面を窒化するという方法を挙げている。よって、この窒化工程とこの窒化工程に伴うレジスト形成工程などとを実施すれば、第1の活性領域1a上に形成された第1のN型MISFETの閾値電圧と第2の活性領域1b上に形成された第2のN型MISFETの閾値電圧との差を従来よりも大きくすることができる。従って、半導体装置の製造工程の複雑化を伴うことなく、閾値電圧の差が従来よりも大きな2つの同一導電型トランジスタを同一基板内に形成することができる。   Furthermore, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, the first threshold voltage control film 7 is formed as a method for lowering the threshold voltage of the first N-type MISFET than the threshold voltage of the second N-type MISFET. Prior to this, a method is described in which the surface of the portion of the high dielectric film 4 formed on the second active region 1b is nitrided. Therefore, if this nitriding step and the resist forming step accompanying this nitriding step are performed, the threshold voltage of the first N-type MISFET formed on the first active region 1a and the second active region 1b The difference from the threshold voltage of the formed second N-type MISFET can be made larger than the conventional one. Therefore, two identical conductivity type transistors having a larger threshold voltage difference than the conventional one can be formed in the same substrate without complicating the manufacturing process of the semiconductor device.

図3は、本実施形態に係る半導体装置の断面図である。上記製造方法に従って半導体装置を製造すると、得られた半導体装置は以下に示す構成を有している。   FIG. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment. When a semiconductor device is manufactured according to the above manufacturing method, the obtained semiconductor device has the following configuration.

図3に示すように、p型シリコンからなる半導体基板1の上部には、第1の活性領域1aと第2の活性領域1bとを区画するように、トレンチ内に絶縁膜が埋め込まれた素子分離領域2が形成されている。第1の活性領域1aを含む半導体基板1には第1のp型ウェル領域3aが素子分離領域2よりも深い位置まで形成されており、第2の活性領域1bを含む半導体基板1には第2のp型ウェル領域3bが素子分離領域2よりも深い位置まで形成されている。本実施形態に係る半導体装置は、第1のN型MISFET形成領域LNTrの第1の活性領域1a上に設けられた第1のN型MISFETと、第2のN型MISFET形成領域HNTrの第2の活性領域1b上に設けられた第2のN型MISFETとを備えている。   As shown in FIG. 3, an element in which an insulating film is embedded in a trench so as to partition a first active region 1a and a second active region 1b above a semiconductor substrate 1 made of p-type silicon. An isolation region 2 is formed. The semiconductor substrate 1 including the first active region 1a has a first p-type well region 3a formed deeper than the element isolation region 2, and the semiconductor substrate 1 including the second active region 1b includes The second p-type well region 3 b is formed to a position deeper than the element isolation region 2. The semiconductor device according to the present embodiment includes a first N-type MISFET provided on the first active region 1a of the first N-type MISFET formation region LNTr and a second of the second N-type MISFET formation region HNTr. And a second N-type MISFET provided on the active region 1b.

第1のN型MISFETは、第1の活性領域1a上に形成された第1のゲート絶縁膜8aと、第1のゲート絶縁膜8aの上に形成された第1の導電膜9a(窒化タンタル膜,膜厚が20nm)と第1の導電膜9aの上に形成された第1のシリコン膜10a(ポリシリコン膜,膜厚が90nm)とで構成された第1のゲート電極11aと、第1のゲート電極11aの側面上に第1のオフセットスペーサ12aを介して形成された第1のサイドウォール14aと、第1の活性領域1aにおける第1のゲート電極11aの側方下の領域に形成された接合深さの比較的浅い第1のn型エクステンション領域13aと、第1の活性領域1aにおける第1のサイドウォール14aの外側方下の領域に形成された接合深さの比較的深い第1のn型ソースドレイン領域15aと、第1のn型ソースドレイン領域15a上と第1のゲート電極11aの第1のシリコン膜10aの上とに形成された第1のシリサイド層16aとを備えている。   The first N-type MISFET includes a first gate insulating film 8a formed on the first active region 1a, and a first conductive film 9a (tantalum nitride) formed on the first gate insulating film 8a. A first gate electrode 11a composed of a first silicon film 10a (polysilicon film, film thickness 90 nm) formed on the first conductive film 9a; The first side wall 14a formed on the side surface of the first gate electrode 11a via the first offset spacer 12a, and the first active region 1a is formed in a region below the side of the first gate electrode 11a. The first n-type extension region 13a having a relatively shallow junction depth and the first junction region having a relatively deep junction depth formed in a region outside the first sidewall 14a in the first active region 1a. 1 n-type source drain Includes a down region 15a, and a first silicide layer 16a formed on the upper of the on the first n-type source drain region 15a first silicon film 10a of the first gate electrode 11a.

第1のゲート絶縁膜8aは、下側(第1の活性領域1a側)から順次形成された,酸窒化シリコンからなる第1の下地膜(図示せず)と、第1の金属を含有する窒化ハフニウムシリケートからなる第1の高誘電体膜とで構成されている。   The first gate insulating film 8a contains a first base film (not shown) made of silicon oxynitride, which is sequentially formed from the lower side (first active region 1a side), and a first metal. And a first high dielectric film made of hafnium nitride silicate.

第2のN型MISFETは、第2の活性領域1b上に形成された第2のゲート絶縁膜8bと、第2のゲート絶縁膜8bの上に形成された第2の導電膜9b(窒化タンタル膜,膜厚が20nm)と第2の導電膜9bの上に形成された第2のシリコン膜10b(ポリシリコン膜,膜厚が90nm)とで構成された第2のゲート電極11bと、第2のゲート電極11bの側面上に第2のオフセットスペーサ12bを介して形成された第2のサイドウォール14bと、第2の活性領域1bにおける第2のゲート電極11bの側方下の領域に形成された接合深さの比較的浅い第2のn型エクステンション領域13bと、第2の活性領域1bにおける第2のサイドウォール14bの外側方下の領域に形成された接合深さの比較的深い第2のn型ソースドレイン領域15bと、第2のn型ソースドレイン領域15b上と第2のゲート電極11bの第2のシリコン膜10bの上とに形成された第2のシリサイド層16bとを備えている。   The second N-type MISFET includes a second gate insulating film 8b formed on the second active region 1b, and a second conductive film 9b (tantalum nitride) formed on the second gate insulating film 8b. A second gate electrode 11b composed of a second silicon film 10b (polysilicon film, film thickness: 90 nm) formed on the second conductive film 9b; The second side wall 14b formed on the side surface of the second gate electrode 11b via the second offset spacer 12b, and the second active region 1b is formed in a region below the side of the second gate electrode 11b. The second n-type extension region 13b having a relatively shallow junction depth and the second junction region having a relatively deep junction depth formed in a region outside the second sidewall 14b in the second active region 1b. 2 n-type source drain Includes a down region 15b, and a second silicide layer 16b formed on the upper of the on the second n-type source drain region 15b second silicon film 10b of the second gate electrode 11b.

第2のゲート絶縁膜8bは、下側(第2の活性領域1b側)から順次形成された,酸窒化シリコンからなる第2の下地膜(図示せず)と、第1の金属と窒素(閾値電圧調整用不純物)とを含有する窒化ハフニウムシリケートからなる第2の高誘電体膜とで構成されている。   The second gate insulating film 8b includes a second base film (not shown) made of silicon oxynitride, which is sequentially formed from the lower side (second active region 1b side), a first metal, and nitrogen ( And a second high dielectric film made of hafnium nitride silicate containing a threshold voltage adjusting impurity).

第1のN型MISFETと第2のN型MISFETとでは、チャネル領域におけるp型不純物濃度は同一であるが、ゲート絶縁膜における窒素濃度及び第1の金属の濃度は互いに異なる。具体的には、高誘電体材料として窒素を含む材料を用いた場合には、第1のゲート絶縁膜8aは窒素を含有しており、窒素濃度は第1のゲート絶縁膜8aの方が第2のゲート絶縁膜8bよりも低い。高誘電体材料として窒素を含まない材料を用いた場合には、第1のゲート絶縁膜8aは窒素を含有しておらず、第2のゲート絶縁膜8bは窒素を含有している。また、第1のゲート絶縁膜8aにおける第1の金属の濃度は、第2のゲート絶縁膜8bにおける第1の金属の濃度よりも高い。本実施形態における第1の金属としては、ランタン(La)などのランタノイド系金属、スカンジウム(Sc)、ストロンチウム(Sr)またはマグネシウム(Mg)などを挙げることができる。   The first N-type MISFET and the second N-type MISFET have the same p-type impurity concentration in the channel region, but the nitrogen concentration and the first metal concentration in the gate insulating film are different from each other. Specifically, when a material containing nitrogen is used as the high dielectric material, the first gate insulating film 8a contains nitrogen, and the nitrogen concentration of the first gate insulating film 8a is higher than that of the first gate insulating film 8a. 2 and lower than the gate insulating film 8b. When a material not containing nitrogen is used as the high dielectric material, the first gate insulating film 8a does not contain nitrogen, and the second gate insulating film 8b contains nitrogen. The concentration of the first metal in the first gate insulating film 8a is higher than the concentration of the first metal in the second gate insulating film 8b. Examples of the first metal in the present embodiment include lanthanoid metals such as lanthanum (La), scandium (Sc), strontium (Sr), and magnesium (Mg).

以上説明したように、本実施形態に係る半導体装置では、第1のゲート絶縁膜8aにおける第1の金属の濃度は第2のゲート絶縁膜8bにおける第1の金属の濃度よりも高い。ここで、第1の金属は、高誘電体膜に導入されるとN型MISFETの閾値電圧を低下させるように作用する。よって、本実施形態に係る半導体装置では、第1の活性領域1a上に形成された第1のN型MISFETの閾値電圧を第2の活性領域1b上に形成された第2のN型MISFETの閾値電圧よりも低くすることができる。   As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, the concentration of the first metal in the first gate insulating film 8a is higher than the concentration of the first metal in the second gate insulating film 8b. Here, the first metal acts so as to lower the threshold voltage of the N-type MISFET when introduced into the high dielectric film. Therefore, in the semiconductor device according to the present embodiment, the threshold voltage of the first N-type MISFET formed on the first active region 1a is set to the threshold voltage of the second N-type MISFET formed on the second active region 1b. It can be lower than the threshold voltage.

また、本実施形態に係る半導体装置では、第1の活性領域1a上に形成された第1のN型MISFETの閾値電圧と第2の活性領域1b上に形成された第2のN型MISFETの閾値電圧との差を、第1のチャネル領域におけるp型不純物濃度が第2のチャネル領域におけるp型不純物濃度よりも低い従来の半導体装置におけるその差よりも大きくすることができる。   In the semiconductor device according to the present embodiment, the threshold voltage of the first N-type MISFET formed on the first active region 1a and the second N-type MISFET formed on the second active region 1b are used. The difference from the threshold voltage can be made larger than that in the conventional semiconductor device in which the p-type impurity concentration in the first channel region is lower than the p-type impurity concentration in the second channel region.

なお、本実施形態は、以下に示す構成を有していても良い。   In addition, this embodiment may have the structure shown below.

MISFETの個数は、2つ以上であればよく2つに限定されない。このことは、後述の第1〜第5の変形例においても言える。   The number of MISFETs is not limited to two as long as it is two or more. This can be said also in first to fifth modifications described later.

本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、高誘電体膜を形成する前に第1の閾値電圧制御膜を形成しても良い。このことは後述の第1の変形例においても言える。   In the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment, the first threshold voltage control film may be formed before the high dielectric film is formed. This can be said also in the first modification described later.

本実施形態では、閾値電圧調整用不純物として窒素を例に挙げて説明したが、閾値電圧調整用不純物は窒素に限定されない。閾値電圧調整用不純物の別の例を以下の第1の変形例、後述の第2の変形例及び後述の第3の変形例で示す。   In the present embodiment, nitrogen has been described as an example of the threshold voltage adjustment impurity, but the threshold voltage adjustment impurity is not limited to nitrogen. Another example of the threshold voltage adjusting impurity is shown in the following first modification, a second modification described later, and a third modification described later.

(第1の変形例)
図4(a)〜図4(e)は第1の変形例に係る半導体装置の製造方法を工程順に説明する断面図であり、図4(a)における「LNTr」及び「PNTr」は上記第1の実施形態において説明した通りである。本変形例における閾値電圧調整用不純物は、高誘電体材料を構成する金属(第2の金属)であり、例えばハフニウムである。以下では、上記第1の実施形態とは異なる箇所を重点的に説明する。
(First modification)
FIGS. 4A to 4E are cross-sectional views for explaining the manufacturing method of the semiconductor device according to the first modification in the order of steps, and “LNTr” and “PNTr” in FIG. As described in the first embodiment. The threshold voltage adjusting impurity in the present modification is a metal (second metal) constituting the high dielectric material, for example, hafnium. In the following, points different from the first embodiment will be described mainly.

まず、図4(a)に示す工程では、図1(a)及び図1(b)に示す工程に倣って、高誘電体膜4のうち第2の活性領域1b上に形成された部分を保護マスク5Aから露出させる。   First, in the step shown in FIG. 4A, the portion of the high dielectric film 4 formed on the second active region 1b is replaced with the step shown in FIGS. 1A and 1B. It is exposed from the protective mask 5A.

次に、図4(b)に示す工程では、レジスト6を除去した後、例えばスパッタ法により高誘電体膜4に閾値電圧調整用不純物となるハフニウムを導入する(工程(b))。このとき、高誘電体膜4のうち第1の活性領域1a上に形成された部分の上には保護マスク5Aが形成されている。よって、高誘電体膜4のうち第1の活性領域1a上に形成された部分にはハフニウムが導入されないが、高誘電体膜4のうち第2の活性領域1b上に形成された部分にはハフニウムが導入される。これにより、第1の活性領域1a上には閾値電圧調整用不純物(ハフニウム)の濃度が低い高誘電体膜(高誘電体膜4の一部分)24Aが形成される一方、第2の活性領域1b上には閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜24Bが形成される。   Next, in the step shown in FIG. 4B, after the resist 6 is removed, hafnium serving as a threshold voltage adjusting impurity is introduced into the high dielectric film 4 by, for example, sputtering (step (b)). At this time, the protective mask 5A is formed on the portion of the high dielectric film 4 formed on the first active region 1a. Therefore, hafnium is not introduced into the portion of the high dielectric film 4 formed on the first active region 1a, but the portion of the high dielectric film 4 formed on the second active region 1b Hafnium is introduced. As a result, a high dielectric film (a part of the high dielectric film 4) 24A having a low concentration of the threshold voltage adjusting impurity (hafnium) is formed on the first active region 1a, while the second active region 1b. A high dielectric film 24B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity is formed thereon.

このとき、高誘電体膜4としてハフニウムを含有する高誘電体膜を用い、閾値電圧調整用不純物としてハフニウムを用いた場合、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜24Aは高誘電体膜4に由来するハフニウムを含有しており、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜24Bは高誘電体膜4に由来するハフニウムだけでなく図4(b)におけるスパッタにより導入されたハフニウムも含有している。つまり、この場合には、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜24Aはハフニウムを含有しており、ハフニウム濃度は閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜24Aの方が閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜24Bよりも低い。   At this time, when a high dielectric film containing hafnium is used as the high dielectric film 4 and hafnium is used as the threshold voltage adjustment impurity, the high dielectric film 24A having a low concentration of the threshold voltage adjustment impurity is a high dielectric film. The high dielectric film 24B containing hafnium derived from the film 4 and having a high threshold voltage adjusting impurity concentration was introduced not only by hafnium derived from the high dielectric film 4 but also by sputtering in FIG. 4B. It also contains hafnium. That is, in this case, the high dielectric film 24A having a low threshold voltage adjusting impurity concentration contains hafnium, and the hafnium concentration is lower in the high dielectric film 24A having a lower threshold voltage adjusting impurity concentration. The concentration of the voltage adjusting impurity is lower than that of the high dielectric film 24B.

また、高誘電体膜4としてハフニウムではなく例えばジルコニウムまたはイットリウムを含有する高誘電体膜を用い、閾値電圧調整用不純物としてハフニウムを用いた場合、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜24Aはハフニウムを含有しておらず、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜24Bは図4(b)におけるスパッタにより導入されたハフニウムを含有している。つまり、この場合には、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜24Bはハフニウムを含有しているが、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜24Aはハフニウムを含有していない。   Further, when a high dielectric film containing, for example, zirconium or yttrium instead of hafnium is used as the high dielectric film 4 and hafnium is used as the threshold voltage adjusting impurity, the high dielectric film having a low concentration of the threshold voltage adjusting impurity is low. 24A does not contain hafnium, and the high dielectric film 24B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity contains hafnium introduced by sputtering in FIG. 4B. That is, in this case, the high dielectric film 24B having a high threshold voltage adjustment impurity concentration contains hafnium, but the high dielectric film 24A having a low threshold voltage adjustment impurity concentration contains hafnium. Absent.

続いて、図4(c)に示す工程では、保護マスク5Aを除去した後、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜24Aの上と閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜24Bの上とに、例えば化学気相堆積法により、Laからなり膜厚が0.5nmの第1の閾値電圧制御膜7を形成する(工程(c))。 Subsequently, in the step shown in FIG. 4C, after removing the protective mask 5A, the high dielectric film 24A on which the concentration of the threshold voltage adjusting impurity is low and the high dielectric material having a high threshold voltage adjusting impurity concentration are formed. A first threshold voltage control film 7 made of La 2 O 3 and having a thickness of 0.5 nm is formed on the film 24B by, eg, chemical vapor deposition (step (c)).

続いて、図4(d)に示す工程では、半導体基板1に対して例えば800℃10分の熱処理を施す(工程(d))。これにより、第1の活性領域1a上には第1の高誘電体膜28Aが形成され、第2の活性領域1b上には第2の高誘電体膜28Bが形成される。   Subsequently, in the step shown in FIG. 4D, the semiconductor substrate 1 is subjected to a heat treatment, for example, at 800 ° C. for 10 minutes (step (d)). As a result, a first high dielectric film 28A is formed on the first active region 1a, and a second high dielectric film 28B is formed on the second active region 1b.

このとき、図4(b)に示す工程でハフニウムを導入したことにより、第1の金属(本変形例ではランタン)は、第1の閾値電圧制御膜7から、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜24Aへは拡散されるが、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜24Bへは拡散されにくい。別の言い方をすると、第1の金属がこの図4(d)に示す工程において第1の閾値電圧制御膜7から高誘電体膜4のうち第2の活性領域1b上に形成された部分へ拡散することを抑制するために、図4(b)に示す工程において高誘電体膜4のうち第2の活性領域1b上に形成された部分にハフニウムを導入している。これにより、第1の高誘電体膜28Aにおける第1の金属の濃度は第2の高誘電体膜28Bにおける第1の金属の濃度よりも高くなる。   At this time, by introducing hafnium in the step shown in FIG. 4B, the first metal (lanthanum in this modification) has a threshold voltage adjusting impurity concentration from the first threshold voltage control film 7. Although it diffuses to the low high dielectric film 24A, it is difficult to diffuse to the high dielectric film 24B where the concentration of the threshold voltage adjusting impurity is high. In other words, the first metal is transferred from the first threshold voltage control film 7 to the portion of the high dielectric film 4 formed on the second active region 1b in the step shown in FIG. In order to suppress the diffusion, hafnium is introduced into the portion of the high dielectric film 4 formed on the second active region 1b in the step shown in FIG. 4B. Thereby, the concentration of the first metal in the first high dielectric film 28A is higher than the concentration of the first metal in the second high dielectric film 28B.

また、第1の高誘電体膜28Aは閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜24Aに第1の金属が導入されたものであり、第2の高誘電体膜28Bは閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜24Bに第1の金属が導入されたものである。よって、高誘電体膜4としてハフニウムを含有する高誘電体膜を用い、閾値電圧調整用不純物としてハフニウムを用いた場合には、第1の高誘電体膜28Aはハフニウムを含有しており、ハフニウム濃度は第1の高誘電体膜28Aの方が第2の高誘電体膜28Bよりも低い。一方、高誘電体膜4としてハフニウムではなくジルコニウムまたはイットリウムを含有する高誘電体膜を用い、閾値電圧調整用不純物としてハフニウムを用いた場合には、第1の高誘電体膜28Aはハフニウムを含有しておらず、第2の高誘電体膜28Bはハフニウムを含有している。   Further, the first high dielectric film 28A is obtained by introducing the first metal into the high dielectric film 24A having a low concentration of the threshold voltage adjusting impurity, and the second high dielectric film 28B has the threshold voltage adjustment. The first metal is introduced into the high dielectric film 24B having a high impurity concentration. Therefore, when a high dielectric film containing hafnium is used as the high dielectric film 4 and hafnium is used as the threshold voltage adjusting impurity, the first high dielectric film 28A contains hafnium. The concentration of the first high dielectric film 28A is lower than that of the second high dielectric film 28B. On the other hand, when a high dielectric film containing zirconium or yttrium instead of hafnium is used as the high dielectric film 4 and hafnium is used as the threshold voltage adjusting impurity, the first high dielectric film 28A contains hafnium. However, the second high dielectric film 28B contains hafnium.

この熱処理工程における熱処理の条件が異なれば第1の高誘電体膜28A及び第2の高誘電体膜28Bにおける第1の金属の拡散の度合いが変わること、また、熱処理工程における熱処理の条件が異なれば第1の閾値電圧制御膜7の存否が変わることは、上記第1の実施形態に記載した通りである。   If the heat treatment conditions in the heat treatment process are different, the degree of diffusion of the first metal in the first high dielectric film 28A and the second high dielectric film 28B is changed, and the heat treatment conditions in the heat treatment process are different. For example, the presence / absence of the first threshold voltage control film 7 changes as described in the first embodiment.

その後は、上記第1の実施形態における図2(a)に示す工程を実施する。これにより、第1の高誘電体膜28Aが第1のゲート絶縁膜28aとなり、第2の高誘電体膜28Bが第2のゲート絶縁膜28bとなる。それから、上記第1の実施形態における図2(b)及び図2(c)に示す工程を順次実施すれば、図4(e)に示す半導体装置を作製することができる。   Thereafter, the step shown in FIG. 2A in the first embodiment is performed. Thus, the first high dielectric film 28A becomes the first gate insulating film 28a, and the second high dielectric film 28B becomes the second gate insulating film 28b. Then, by sequentially performing the steps shown in FIGS. 2B and 2C in the first embodiment, the semiconductor device shown in FIG. 4E can be manufactured.

図4(e)に示す半導体装置では、第1のN型MISFETと第2のN型MISFETとにおいて、チャネル領域におけるp型不純物濃度は同一であるが、ゲート絶縁膜におけるハフニウムの濃度及び第1の金属の濃度は互いに異なる。高誘電体材料がハフニウムを含有する場合には、第1のゲート絶縁膜28aはハフニウムを含有し、ハフニウム濃度は第1のゲート絶縁膜28aの方が第2のゲート絶縁膜28bよりも低い。一方、高誘電体材料がハフニウムではなくジルコニウムまたはイットリウムを含有する場合には、第1のゲート絶縁膜28aはハフニウムを含有しておらず、第2のゲート絶縁膜28bはハフニウムを含有している。また、第1のゲート絶縁膜28aにおける第1の金属の濃度は、第2のゲート絶縁膜28bにおける第1の金属の濃度よりも高い。   In the semiconductor device shown in FIG. 4E, the p-type impurity concentration in the channel region is the same in the first N-type MISFET and the second N-type MISFET, but the hafnium concentration in the gate insulating film and the first n-type MISFET The concentrations of the metals are different from each other. When the high dielectric material contains hafnium, the first gate insulating film 28a contains hafnium, and the hafnium concentration is lower in the first gate insulating film 28a than in the second gate insulating film 28b. On the other hand, when the high dielectric material contains zirconium or yttrium instead of hafnium, the first gate insulating film 28a does not contain hafnium, and the second gate insulating film 28b contains hafnium. . Further, the concentration of the first metal in the first gate insulating film 28a is higher than the concentration of the first metal in the second gate insulating film 28b.

以上説明したように、本変形例に係る半導体装置の製造方法では、図4(b)に示す工程において、第1の活性領域1a上には閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜24Aが形成され、第2の活性領域1b上には閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜24Bが形成される。本変形例における閾値電圧調整用不純物(具体的にはハフニウム)は、上記第1の実施形態と同じく、高誘電体膜への第1の金属の導入を抑制する。よって、第1の金属は、図4(d)に示す工程において、第1の閾値電圧制御膜7から閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜24Aへは拡散する一方、第1の閾値電圧制御膜7から閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜24Bへは拡散しにくい。従って、本変形例に係る半導体装置では、上記第1の実施形態に係る半導体装置と同じく、第1のゲート絶縁膜28aにおける第1の金属の濃度を第2のゲート絶縁膜28bにおける第1の金属の濃度よりも高くすることができる。これにより、本変形例では、上記第1の実施形態で記載した効果と同一の効果を得ることができる。   As described above, in the method for manufacturing a semiconductor device according to this modification, in the step shown in FIG. 4B, the high dielectric film having a low concentration of the threshold voltage adjusting impurity is formed on the first active region 1a. 24A is formed, and a high dielectric film 24B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity is formed on the second active region 1b. The threshold voltage adjusting impurity (specifically hafnium) in the present modification suppresses the introduction of the first metal into the high dielectric film, as in the first embodiment. Therefore, in the process shown in FIG. 4D, the first metal diffuses from the first threshold voltage control film 7 to the high dielectric film 24A where the concentration of the threshold voltage adjusting impurity is low. Diffusing from the threshold voltage control film 7 to the high dielectric film 24B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity is difficult. Therefore, in the semiconductor device according to this modification, the concentration of the first metal in the first gate insulating film 28a is set to the first concentration in the second gate insulating film 28b, as in the semiconductor device according to the first embodiment. It can be higher than the metal concentration. Thereby, in this modification, the same effect as that described in the first embodiment can be obtained.

(第2の変形例)
図5(a)〜図5(e)は第2の変形例に係る半導体装置の製造方法を工程順に説明する断面図であり、図5(a)における「LNTr」及び「HNTr」は上記第1の実施形態において説明した通りである。本変形例における閾値電圧調整用不純物は、N型MISFETにおいて、閾値電圧を低下させる作用を有する第1の金属とは正反対に閾値電圧を上昇させる作用を有する金属(第3の金属)であり、例えばアルミニウムである。以下では、上記第1の実施形態とは異なる箇所を重点的に説明する。
(Second modification)
FIG. 5A to FIG. 5E are cross-sectional views for explaining the manufacturing method of the semiconductor device according to the second modification in the order of steps, and “LNTr” and “HNTr” in FIG. As described in the first embodiment. The threshold voltage adjusting impurity in the present modification is a metal (third metal) having an action of raising the threshold voltage in the opposite direction to the first metal having an action of lowering the threshold voltage in the N-type MISFET. For example, aluminum. In the following, points different from the first embodiment will be described mainly.

まず、図5(a)に示す工程では、図1(a)及び図1(b)に示す工程に倣って、高誘電体膜4のうち第2の活性領域1b上に形成された部分を保護マスク5Aから露出させる。   First, in the step shown in FIG. 5A, the portion of the high dielectric film 4 formed on the second active region 1b is replaced with the step shown in FIGS. 1A and 1B. It is exposed from the protective mask 5A.

次に、図5(b)に示す工程では、レジスト6を除去した後、例えばスパッタ法により半導体基板1に閾値電圧調整用不純物となるアルミニウムを導入する(工程(b))。このとき、高誘電体膜4のうち第1の活性領域1a上に形成された部分の上には保護マスク5Aが形成されている。よって、高誘電体膜4のうち第1の活性領域1a上に形成された部分にはアルミニウムが導入されないが、高誘電体膜4のうち第2の活性領域1b上に形成された部分にはアルミニウムが導入される。これにより、本変形例では、第1の活性領域1a上には閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜(高誘電体膜4の一部分)34Aが形成される一方、第2の活性領域1b上には閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜34Bが形成される。   Next, in the step shown in FIG. 5B, after the resist 6 is removed, aluminum serving as a threshold voltage adjusting impurity is introduced into the semiconductor substrate 1 by, for example, a sputtering method (step (b)). At this time, the protective mask 5A is formed on the portion of the high dielectric film 4 formed on the first active region 1a. Therefore, aluminum is not introduced into the portion of the high dielectric film 4 formed on the first active region 1a, but the portion of the high dielectric film 4 formed on the second active region 1b Aluminum is introduced. As a result, in the present modification, a high dielectric film (a part of the high dielectric film 4) 34A having a low concentration of the threshold voltage adjusting impurity is formed on the first active region 1a, while the second active region 1a is formed. A high dielectric film 34B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity is formed on the region 1b.

このとき、高誘電体膜4としてアルミニウムを含有する高誘電体膜(例えばHfAlO膜)を用いた場合、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜34Aは高誘電体膜4に由来するアルミニウムを含有しており、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜34Bは高誘電体膜4に由来するアルミニウムだけでなく図5(b)におけるスパッタにより導入されたアルミニウムも含有している。つまり、この場合には、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜34Aはアルミニウムを含有しており、そのアルミニウム濃度は閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜34Aの方が閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜34Bよりも低い。 At this time, when a high dielectric film (for example, HfAlO 2 film) containing aluminum is used as the high dielectric film 4, the high dielectric film 34 A having a low threshold voltage adjustment impurity concentration is derived from the high dielectric film 4. The high dielectric film 34B having a high threshold voltage adjusting impurity concentration contains not only aluminum derived from the high dielectric film 4 but also aluminum introduced by sputtering in FIG. 5B. ing. That is, in this case, the high dielectric film 34A having a low threshold voltage adjusting impurity concentration contains aluminum, and the aluminum concentration is higher in the high dielectric film 34A having a lower threshold voltage adjusting impurity concentration. The concentration of the threshold voltage adjusting impurity is lower than that of the high dielectric film 34B.

また、高誘電体膜4としてアルミニウムを含有しない高誘電体膜(例えばHfSiON膜)を用いた場合、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜34Aはアルミニウムを含有しておらず、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜34Bは図5(b)におけるスパッタにより導入されたアルミニウムを含有している。つまり、この場合には、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜34Bはアルミニウムを含有しているが、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜34Aはアルミニウムを含有していない。   When a high dielectric film (for example, HfSiON film) that does not contain aluminum is used as the high dielectric film 4, the high dielectric film 34A having a low concentration of the threshold voltage adjusting impurity does not contain aluminum. The high dielectric film 34B having a high concentration of the voltage adjusting impurity contains aluminum introduced by sputtering in FIG. That is, in this case, the high dielectric film 34B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity contains aluminum, but the high dielectric film 34A having a low concentration of the threshold voltage adjusting impurity contains aluminum. Absent.

続いて、図5(c)に示す工程では、保護マスク5Aを除去した後、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜34Aの上と、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜34Bの上とに、例えば化学気相堆積法により、Laからなり膜厚が0.5nmの第1の閾値電圧制御膜7を形成する(工程(c))。 5C, after the protective mask 5A is removed, the high dielectric film 34A having a low threshold voltage adjustment impurity concentration and a high dielectric constant having a high threshold voltage adjustment impurity concentration. A first threshold voltage control film 7 made of La 2 O 3 and having a thickness of 0.5 nm is formed on the body film 34B by, eg, chemical vapor deposition (step (c)).

続いて、図5(d)に示す工程では、半導体基板1に対して例えば800℃10分の熱処理を施す(工程(d))。これにより、第1の活性領域1a上には第1の高誘電体膜38Aが形成され、第2の活性領域1b上には第2の高誘電体膜38Bが形成される。   Subsequently, in the step shown in FIG. 5D, the semiconductor substrate 1 is subjected to a heat treatment at 800 ° C. for 10 minutes, for example (step (d)). As a result, a first high dielectric film 38A is formed on the first active region 1a, and a second high dielectric film 38B is formed on the second active region 1b.

このとき、本変形例では、高誘電体膜4のうち第2の活性領域1b上に形成された部分には、上記第1の実施形態における窒化処理が施されておらず、また、上記第1の変形例におけるハフニウムの導入も実施されていない。よって、第1の金属(本実施形態ではランタン)は、第1の閾値電圧制御膜7から閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜34Aへ拡散されるだけでなく、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜34Bへも拡散される。従って、第1の高誘電体膜38Aにおける第1の金属の濃度は、第2の高誘電体膜38Bにおける第1の金属の濃度と略同一である。   At this time, in the present modification, the portion of the high dielectric film 4 formed on the second active region 1b is not subjected to the nitriding treatment in the first embodiment, and the first The introduction of hafnium in the first modification is not performed. Therefore, the first metal (lanthanum in the present embodiment) is not only diffused from the first threshold voltage control film 7 to the high dielectric film 34A having a low concentration of threshold voltage adjustment impurities, but also for threshold voltage adjustment. It is also diffused into the high dielectric film 34B having a high impurity concentration. Therefore, the concentration of the first metal in the first high dielectric film 38A is substantially the same as the concentration of the first metal in the second high dielectric film 38B.

また、第1の高誘電体膜38Aは閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜34Aへ第1の金属が拡散されて形成されたものであり、第2の高誘電体膜38Bは、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜34Bへ第1の金属が拡散されて形成されたものである。よって、高誘電体膜4としてアルミニウムを含有する高誘電体膜(例えばHfAlO膜)を用いた場合には、第1の高誘電体膜38Aはアルミニウムを含有しており、そのアルミニウム濃度は第1の高誘電体膜38Aの方が第2の高誘電体膜38Bよりも低い。一方、高誘電体膜4としてアルミニウムを含有しない高誘電体膜(例えばHfSiON膜)を用いた場合には、第1の高誘電体膜38Aはアルミニウムを含有していないが、第2の高誘電体膜38Bはアルミニウムを含有している。 The first high dielectric film 38A is formed by diffusing the first metal into the high dielectric film 34A having a low threshold voltage adjusting impurity concentration, and the second high dielectric film 38B is formed as follows. The first metal is diffused into the high dielectric film 34B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity. Therefore, when a high dielectric film (for example, HfAlO 2 film) containing aluminum is used as the high dielectric film 4, the first high dielectric film 38A contains aluminum, and the aluminum concentration is the first concentration. The first high dielectric film 38A is lower than the second high dielectric film 38B. On the other hand, when a high dielectric film not containing aluminum (for example, HfSiON film) is used as the high dielectric film 4, the first high dielectric film 38A does not contain aluminum, but the second high dielectric film The body film 38B contains aluminum.

この熱処理工程における熱処理の条件が異なれば第1の高誘電体膜38A及び第2の高誘電体膜38Bにおける第1の金属の拡散の度合いが変わること、また、熱処理工程における熱処理の条件が異なれば第1の閾値電圧制御膜7の存否が変わることは、上記第1の実施形態に記載した通りである。   If the heat treatment conditions in this heat treatment process are different, the degree of diffusion of the first metal in the first high dielectric film 38A and the second high dielectric film 38B changes, and the heat treatment conditions in the heat treatment process are different. For example, the presence / absence of the first threshold voltage control film 7 changes as described in the first embodiment.

また、この熱処理工程における熱処理の条件によっては、アルミニウムは、第2の高誘電体膜38B内では、高誘電体膜4を構成する高誘電体材料と均一に混ざり合って存在する場合もあれば、層状に存在する場合もあれば、その上部に多く存在する場合もあれば、その下部に沈降する場合もある。   Further, depending on the heat treatment conditions in this heat treatment step, aluminum may be present in the second high dielectric film 38B evenly mixed with the high dielectric material constituting the high dielectric film 4 in some cases. In some cases, it may be present in a layered manner, in many cases in the upper part thereof, and in some cases it may settle in the lower part thereof.

その後は、上記第1の実施形態における図2(a)に示す工程を実施する。これにより、第1の高誘電体膜38Aが第1のゲート絶縁膜38aとなり、第2の高誘電体膜38Bが第2のゲート絶縁膜38bとなる。その後、上記第1の実施形態における図2(b)及び図2(c)に示す工程を順次実施すれば、図5(e)に示す半導体装置を作製することができる。   Thereafter, the step shown in FIG. 2A in the first embodiment is performed. Thereby, the first high dielectric film 38A becomes the first gate insulating film 38a, and the second high dielectric film 38B becomes the second gate insulating film 38b. Thereafter, by sequentially performing the steps shown in FIGS. 2B and 2C in the first embodiment, the semiconductor device shown in FIG. 5E can be manufactured.

図5(e)に示す半導体装置では、第1のN型MISFETと第2のN型MISFETとにおいて、チャネル領域におけるp型不純物濃度及びゲート絶縁膜における第1の金属の濃度は同一であるが、ゲート絶縁膜におけるアルミニウムの濃度は互いに異なる。具体的には、高誘電体材料がアルミニウムを含有する場合には、第1のゲート絶縁膜38aはアルミニウムを含有し、アルミニウム濃度は第1のゲート絶縁膜38aの方が第2のゲート絶縁膜38bよりも低い。一方、高誘電体材料がアルミニウムを含有しない場合には、第1のゲート絶縁膜38aはアルミニウムを含有しておらず、第2のゲート絶縁膜38bはアルミニウムを含有している。   In the semiconductor device shown in FIG. 5E, the first N-type MISFET and the second N-type MISFET have the same p-type impurity concentration in the channel region and the first metal concentration in the gate insulating film. The concentrations of aluminum in the gate insulating film are different from each other. Specifically, when the high dielectric material contains aluminum, the first gate insulating film 38a contains aluminum, and the first gate insulating film 38a has a higher aluminum concentration than the second gate insulating film. Lower than 38b. On the other hand, when the high dielectric material does not contain aluminum, the first gate insulating film 38a does not contain aluminum, and the second gate insulating film 38b contains aluminum.

以上説明したように、本変形例に係る半導体装置の製造方法では、図5(b)に示す工程におけるアルミニウム(閾値電圧調整用不純物)の導入により、第1の活性領域1a上には閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜34Aが形成され、第2の活性領域1b上には閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜34Bが形成される。本変形例における閾値電圧調整用不純物は、高誘電体膜へ導入されたときにN型MISFETの閾値電圧を上昇させる作用するのであって、高誘電体膜への第1の金属の導入を抑制するのではない。よって、図5(c)に示す工程において、第1の金属は、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜34Aだけでなく、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜34Bへも拡散する。従って、本変形例に係る半導体装置では、第1のゲート絶縁膜38aにおける第1の金属の濃度は第2のゲート絶縁膜38bにおける第1の金属の濃度と同じである。しかし、第1のゲート絶縁膜38aはアルミニウムを含有していないか、または、アルミニウム濃度は第1のゲート絶縁膜38aの方が第2のゲート絶縁膜38bよりも低い。アルミニウムは高誘電体膜へ導入されたときにN型MISFETの閾値電圧を上昇させる作用するので、第1の金属が導入されることによる閾値電圧の低下が抑制され、本変形例においても上記第1の実施形態に記載の効果を得ることができる。すなわち、アルミニウムの導入により第1の金属による閾値電圧の低下という作用が相殺されるので、閾値電圧の低下が抑制される。   As described above, in the method for manufacturing a semiconductor device according to this modification, the threshold voltage is applied to the first active region 1a by introducing aluminum (threshold voltage adjusting impurity) in the step shown in FIG. A high dielectric film 34A having a low concentration of adjusting impurities is formed, and a high dielectric film 34B having a high concentration of threshold voltage adjusting impurities is formed on the second active region 1b. The threshold voltage adjusting impurity in this modification acts to increase the threshold voltage of the N-type MISFET when introduced into the high dielectric film, and suppresses the introduction of the first metal into the high dielectric film. Not to do. Therefore, in the step shown in FIG. 5C, the first metal is not only the high dielectric film 34A having a low concentration of the threshold voltage adjusting impurity, but also the high dielectric film 34B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity. It also spreads. Therefore, in the semiconductor device according to this modification, the concentration of the first metal in the first gate insulating film 38a is the same as the concentration of the first metal in the second gate insulating film 38b. However, the first gate insulating film 38a does not contain aluminum, or the aluminum concentration of the first gate insulating film 38a is lower than that of the second gate insulating film 38b. Since aluminum acts to increase the threshold voltage of the N-type MISFET when introduced into the high dielectric film, the reduction of the threshold voltage due to the introduction of the first metal is suppressed. The effects described in the first embodiment can be obtained. That is, since the introduction of aluminum cancels out the effect of lowering the threshold voltage due to the first metal, the lowering of the threshold voltage is suppressed.

なお、本変形例に係る半導体装置は、以下の第3の変形例において示す製造方法に従って製造しても良い。   The semiconductor device according to this modification may be manufactured according to the manufacturing method shown in the following third modification.

(第3の変形例)
図6(a)〜図6(d)は、第3の変形例に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。なお、図6(a)における「LNTr」及び「HNTr」は上記第1の実施形態で説明した通りである。
(Third Modification)
FIG. 6A to FIG. 6D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a third modification in the order of steps. Note that “LNTr” and “HNTr” in FIG. 6A are as described in the first embodiment.

まず、図6(a)に示す工程では、図1(a)に示す工程に倣って、p型シリコンからなる半導体基板1の上部に、トレンチ内に絶縁膜が埋め込まれた素子分離領域2を選択的に形成し、第1の活性領域1aを含む半導体基板1に第1のp型ウェル領域3aを形成するとともに第2の活性領域1bを含む半導体基板1に第2のp型ウェル領域3bを形成する。その後、半導体基板1の上面全体に、第3の金属を含有する膜(不図示,膜厚が0.5nm)を形成する。第3の金属を含有する膜としては、Al膜であっても良く、Al膜であっても良い。 First, in the process shown in FIG. 6A, an element isolation region 2 in which an insulating film is embedded in a trench is formed on the upper part of a semiconductor substrate 1 made of p-type silicon, following the process shown in FIG. The first p-type well region 3a is formed on the semiconductor substrate 1 including the first active region 1a, and the second p-type well region 3b is formed on the semiconductor substrate 1 including the second active region 1b. Form. Thereafter, a film containing a third metal (not shown, film thickness is 0.5 nm) is formed on the entire top surface of the semiconductor substrate 1. The film containing the third metal may be an Al 2 O 3 film or an Al film.

その後、フォトリソグラフィー法により、第3の金属を含有する膜のうち第2の活性領域1b上に形成された部分を覆う一方、第3の金属を含有する膜のうち第1の活性領域1a上に形成された部分を露出するように、レジスト(不図示)を形成する。そして、このレジストをマスクとして、水酸化アンモニウム(NHOH)を主成分とする薬液を用いたウエットエッチングにより、第3の金属を含有する膜のうちレジストから露出する部分を除去する。これにより、第3の金属を含有する膜のうち第2の活性領域1b上に形成された部分のみが残存し、第3の金属を含有する膜の一部分である第2の閾値電圧制御膜17Bが第2の活性領域1b上に形成される。 Thereafter, a portion of the film containing the third metal formed on the second active region 1b is covered by a photolithography method, while the film containing the third metal on the first active region 1a is covered. A resist (not shown) is formed so as to expose the portion formed in step (b). Then, by using this resist as a mask, the portion exposed from the resist in the film containing the third metal is removed by wet etching using a chemical solution mainly composed of ammonium hydroxide (NH 4 OH). As a result, only the portion formed on the second active region 1b of the film containing the third metal remains, and the second threshold voltage control film 17B which is a part of the film containing the third metal. Is formed on the second active region 1b.

次に、図6(b)に示す工程では、半導体基板1の上面全体に、シリコン酸窒化からなり膜厚が1.6nmの下地膜(図示せず)を形成した後、例えば有機金属気相堆積法によりHfSiONからなり膜厚が2nmの高誘電体膜4を下地膜の上に形成し(工程(a))、その後、例えば化学気相堆積法により、Laからなり膜厚が0.5nmの第1の閾値電圧制御膜7を形成する(工程(c))。これにより、第1の活性領域1a上には、下地膜と高誘電体膜4と第1の閾値電圧制御膜7とが順に積層される一方、第2の活性領域1b上には、第2の閾値電圧制御膜17Bと下地膜と高誘電体膜4と第1の閾値電圧制御膜7とが順に積層される。 Next, in the step shown in FIG. 6B, after forming a base film (not shown) made of silicon oxynitride and having a film thickness of 1.6 nm on the entire upper surface of the semiconductor substrate 1, for example, a metal organic vapor phase is formed. A high dielectric film 4 made of HfSiON and having a thickness of 2 nm is formed on the base film by a deposition method (step (a)). Thereafter, the film thickness is made of La 2 O 3 by a chemical vapor deposition method, for example. A first threshold voltage control film 7 having a thickness of 0.5 nm is formed (step (c)). Accordingly, the base film, the high dielectric film 4 and the first threshold voltage control film 7 are sequentially stacked on the first active region 1a, while the second active region 1b has the second layer. The threshold voltage control film 17B, the base film, the high dielectric film 4, and the first threshold voltage control film 7 are sequentially stacked.

続いて、図6(c)に示す工程では、半導体基板1に対して例えば800℃10分の熱処理を施す(工程(b)及び工程(d))。これにより、第1の活性領域1a上には第1の高誘電体膜38Aが形成され、第2の活性領域1b上には第2の高誘電体膜38Bが形成される。   Subsequently, in the step shown in FIG. 6C, the semiconductor substrate 1 is subjected to a heat treatment of, for example, 800 ° C. for 10 minutes (step (b) and step (d)). As a result, a first high dielectric film 38A is formed on the first active region 1a, and a second high dielectric film 38B is formed on the second active region 1b.

このとき、第1の金属(本変形例ではランタン)は、第1の閾値電圧制御膜7から高誘電体膜4のうち第1の活性領域1a上に形成された部分へ拡散されるだけでなく、高誘電体膜4のうち第2の活性領域1b上に形成された部分へも拡散される。従って、第1の高誘電体膜38Aにおける第1の金属の濃度は、第2の高誘電体膜38Bにおける第1の金属の濃度と略同一である。   At this time, the first metal (lanthanum in this modification) is only diffused from the first threshold voltage control film 7 to the portion of the high dielectric film 4 formed on the first active region 1a. Instead, the high dielectric film 4 is also diffused into the portion formed on the second active region 1b. Therefore, the concentration of the first metal in the first high dielectric film 38A is substantially the same as the concentration of the first metal in the second high dielectric film 38B.

一方、第2の閾値電圧制御膜17Bは第2の活性領域1b上にのみ形成されているので、アルミニウムは第2の閾値電圧制御膜17Bから高誘電体膜4のうち第2の活性領域1b上に形成された部分へのみ拡散される。   On the other hand, since the second threshold voltage control film 17B is formed only on the second active region 1b, aluminum is used in the second active region 1b of the high dielectric film 4 from the second threshold voltage control film 17B. It diffuses only to the part formed above.

高誘電体膜4としてアルミニウムを含有する高誘電体膜(例えばHfAlO膜)を用いた場合、第1の高誘電体膜38Aは高誘電体膜4に由来するアルミニウムを含有しており、第2の高誘電体膜38Bは高誘電体膜4に由来するアルミニウムだけでなく第2の閾値電圧制御膜17Bから導入されたアルミニウムも含有している。つまり、この場合には、第1の高誘電体膜38Aはアルミニウムを含有しており、そのアルミニウム濃度は第1の高誘電体膜38Aの方が第2の高誘電体膜38Bよりも低い。 When a high dielectric film containing aluminum (for example, an HfAlO 2 film) is used as the high dielectric film 4, the first high dielectric film 38A contains aluminum derived from the high dielectric film 4, and The second high dielectric film 38B contains not only aluminum derived from the high dielectric film 4 but also aluminum introduced from the second threshold voltage control film 17B. That is, in this case, the first high dielectric film 38A contains aluminum, and the aluminum concentration of the first high dielectric film 38A is lower than that of the second high dielectric film 38B.

高誘電体膜4としてアルミニウムを含有しない高誘電体膜(例えばHfSiON膜)を用いた場合、第1の高誘電体膜38Aはアルミニウムを含有しておらず、第2の高誘電体膜38Bは第2の閾値電圧制御膜17Bから導入されたアルミニウムを含有している。つまり、この場合には、第1の高誘電体膜38Aはアルミニウムを含有していないが、第2の高誘電体膜38Bはアルミニウムを含有している。   When a high dielectric film (for example, HfSiON film) that does not contain aluminum is used as the high dielectric film 4, the first high dielectric film 38A does not contain aluminum, and the second high dielectric film 38B It contains aluminum introduced from the second threshold voltage control film 17B. That is, in this case, the first high dielectric film 38A does not contain aluminum, but the second high dielectric film 38B contains aluminum.

ここで、この熱処理工程における熱処理の条件が異なれば第1の高誘電体膜38A内及び第2の高誘電体膜38B内における第1の金属の拡散度合いがそれぞれ変わること、また、熱処理工程における熱処理の条件が異なれば第1の閾値電圧制御膜の存否が変わることは、上記第1の実施形態に記載した通りである。   Here, if the conditions of the heat treatment in this heat treatment step are different, the diffusion degree of the first metal in the first high dielectric film 38A and the second high dielectric film 38B is changed, respectively, As described in the first embodiment, the presence or absence of the first threshold voltage control film changes when the heat treatment conditions are different.

また、この熱処理工程における熱処理の条件が異なれば第2の高誘電体膜38Bにおけるアルミニウムの拡散度合いが変わることは、上記第2の変形例に記載した通りである。   Further, as described in the second modification, the degree of diffusion of aluminum in the second high dielectric film 38B changes when the heat treatment conditions in this heat treatment step are different.

また、熱処理工程における熱処理の条件によっては、熱処理工程が終了すると、図6(c)で示すように第2の閾値電圧制御膜17Bが消失する場合もあれば、不図示であるが第2の閾値電圧制御膜が残存して第1の高誘電体膜と一体化する場合もある。   Further, depending on the heat treatment conditions in the heat treatment process, when the heat treatment process is completed, the second threshold voltage control film 17B may disappear as shown in FIG. 6C. In some cases, the threshold voltage control film remains and is integrated with the first high dielectric film.

その後は、上記第1の実施形態における図2(a)に示す工程を実施する。これにより、第1の高誘電体膜38Aが第1のゲート絶縁膜38aとなり、第2の高誘電体膜38Bが第2のゲート絶縁膜38bとなる。それから、上記第1の実施形態における図2(b)及び図2(c)に示す工程を順次実施すれば、図6(d)に示す半導体装置を作製することができる。このようにして形成された半導体装置は上記第2の変形例に係る半導体装置と略同一の構成を有しており、よって、本変形例では上記第2の変形例において得られる効果と同一の効果を得ることができる。   Thereafter, the step shown in FIG. 2A in the first embodiment is performed. Thereby, the first high dielectric film 38A becomes the first gate insulating film 38a, and the second high dielectric film 38B becomes the second gate insulating film 38b. Then, when the steps shown in FIGS. 2B and 2C in the first embodiment are sequentially performed, the semiconductor device shown in FIG. 6D can be manufactured. The semiconductor device thus formed has substantially the same configuration as that of the semiconductor device according to the second modification. Therefore, in this modification, the same effect as that obtained in the second modification is obtained. An effect can be obtained.

(第4の変形例)
上記第1の実施形態及び上記第1の変形例では、2つのN型MISFETを備えた半導体装置及びその製造方法を説明している。しかし、トランジスタの導電型はP型であっても良い。第4の変形例では、上記第1の実施形態に係る半導体装置の導電型がP型である場合の製造方法を説明する。
(Fourth modification)
In the first embodiment and the first modification, a semiconductor device including two N-type MISFETs and a manufacturing method thereof are described. However, the conductivity type of the transistor may be P-type. In the fourth modification, a manufacturing method in the case where the conductivity type of the semiconductor device according to the first embodiment is P type will be described.

一般に、P型MISFETでは、半導体基板はn型シリコンからなり、ウェル領域の導電型はn型であり、エクステンション領域及びソースドレイン領域の導電型はそれぞれp型であり、メタルゲート電極を構成する導電膜の代表例はTiN膜である。第1の金属、つまり、高誘電体膜に導入されたときにP型MISFETの閾値電圧を低下させるように作用する金属としては、アルミニウムを例に挙げることができる。よって、上記第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法において、半導体基板、ウェル領域、エクステンション領域及びソースドレイン領域の導電型を反転させ、導電膜の材料を変更し、第1の閾値電圧制御膜の材料を変更すれば良い。以下では、上記第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法とは異なる点を重点的に説明する。   In general, in a P-type MISFET, the semiconductor substrate is made of n-type silicon, the conductivity type of the well region is n-type, the conductivity types of the extension region and the source / drain region are each p-type, and the conductivity constituting the metal gate electrode. A typical example of the film is a TiN film. As the first metal, that is, a metal that acts to lower the threshold voltage of the P-type MISFET when introduced into the high dielectric film, aluminum can be cited as an example. Therefore, in the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, the conductivity type of the semiconductor substrate, the well region, the extension region, and the source / drain region is inverted, the material of the conductive film is changed, and the first threshold voltage control is performed. What is necessary is just to change the material of a film | membrane. In the following, points different from the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be mainly described.

図7(a)〜図7(d)は、本変形例に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。なお、図7(a)〜図7(d)において、左側に示す「LPTr」とは閾値電圧が相対的に低い第1のP型MISFETが形成される第1のP型MISFET形成領域LPTrを示し、右側に示す「HPTr」とは閾値電圧が相対的に高い第2のP型MISFETが形成される第2のP型MISFET形成領域HPTrを示している。   FIG. 7A to FIG. 7D are cross-sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to this modification in the order of steps. In FIG. 7A to FIG. 7D, “LPTr” shown on the left side means the first P-type MISFET formation region LPTr in which the first P-type MISFET having a relatively low threshold voltage is formed. “HPTr” shown on the right side indicates a second P-type MISFET formation region HPTr in which a second P-type MISFET having a relatively high threshold voltage is formed.

まず、図7(a)に示す工程では、p型シリコンからなる半導体基板1ではなくn型シリコンからなる半導体基板51を準備することと、第1のp型ウェル領域3a及び第2のp型ウェル領域3bではなく第1のn型ウェル領域53a及び第2のn型ウェル領域53bを形成することとを除いては、図1(a)〜図1(c)に示す工程を順次実施する。よって、第1の活性領域51a上には、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aが形成され、第2の活性領域51b上には、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bが形成される(工程(b))。   First, in the step shown in FIG. 7A, the semiconductor substrate 51 made of n-type silicon is prepared instead of the semiconductor substrate 1 made of p-type silicon, and the first p-type well region 3a and the second p-type are prepared. The steps shown in FIGS. 1A to 1C are sequentially performed except that the first n-type well region 53a and the second n-type well region 53b are formed instead of the well region 3b. . Therefore, a high dielectric film 4A having a low threshold voltage adjustment impurity concentration is formed on the first active region 51a, and a high threshold voltage adjustment impurity concentration is high on the second active region 51b. A dielectric film 4B is formed (step (b)).

このとき、高誘電体膜4として窒素を含有する高誘電体膜(例えばHfSiON膜)を用いた場合、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aは高誘電体膜4に由来する窒素を含有しており、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bは高誘電体膜4に由来する窒素だけでなく窒化処理により導入された窒素も含有している。つまり、この場合には、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aは窒素を含有しており、その窒素濃度は閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bにおける窒素濃度よりも低い。   At this time, when a high dielectric film containing nitrogen (for example, an HfSiON film) is used as the high dielectric film 4, the high dielectric film 4 A having a low concentration of the threshold voltage adjusting impurity is derived from the high dielectric film 4. The high dielectric film 4B containing nitrogen and having a high threshold voltage adjusting impurity concentration contains not only nitrogen derived from the high dielectric film 4 but also nitrogen introduced by nitriding. That is, in this case, the high dielectric film 4A having a low threshold voltage adjustment impurity concentration contains nitrogen, and the nitrogen concentration is the nitrogen concentration in the high dielectric film 4B having a high threshold voltage adjustment impurity concentration. Lower than.

また、高誘電体膜4として窒素を含有しない高誘電体膜(例えばHfO膜)を用いた場合、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aは窒素を含有しておらず、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bは窒化処理により導入された窒素を含有している。つまり、この場合には、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bは窒素を含有しているが、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aは窒素を含有していない。 When a high dielectric film that does not contain nitrogen (for example, an HfO 2 film) is used as the high dielectric film 4, the high dielectric film 4A having a low threshold voltage adjusting impurity concentration does not contain nitrogen. The high dielectric film 4B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity contains nitrogen introduced by nitriding. That is, in this case, the high dielectric film 4B having a high concentration of the threshold voltage adjusting impurity contains nitrogen, but the high dielectric film 4A having a low concentration of the threshold voltage adjusting impurity contains nitrogen. Absent.

続いて、図7(b)に示す工程では、Laからなる第1の閾値電圧制御膜7ではなくAlからなる第1の閾値電圧制御膜57を形成することを除いては図1(d)に示す工程を実施する(工程(c))。ここで、第1の閾値電圧制御膜57は、第1の金属(本変形例ではアルミニウム)を含有する膜であれば良いので、Al膜に限定されずAl膜であっても良い。 Subsequently, in the process shown in FIG. 7B, except that the first threshold voltage control film 57 made of Al 2 O 3 is formed instead of the first threshold voltage control film 7 made of La 2 O 3. Performs the step shown in FIG. 1D (step (c)). Here, since the first threshold voltage control film 57 may be a film containing the first metal (aluminum in the present modification), it is not limited to the Al 2 O 3 film and may be an Al film. .

続いて、図7(c)に示す工程では、図1(e)に示す工程に倣って、半導体基板51に対して例えば800℃10分の熱処理を施す(工程(d))。これにより、第1の活性領域51a上には第1の高誘電体膜58Aが形成され、第2の活性領域51b上には第2の高誘電体膜58Bが形成される。   Subsequently, in the step shown in FIG. 7C, in accordance with the step shown in FIG. 1E, the semiconductor substrate 51 is subjected to a heat treatment of, eg, 800 ° C. for 10 minutes (step (d)). As a result, a first high dielectric film 58A is formed on the first active region 51a, and a second high dielectric film 58B is formed on the second active region 51b.

このとき、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aは窒素を含有していないが、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bは窒素を含有している。または、閾値電圧調整用不純物の濃度が低い高誘電体膜4Aにおける窒素濃度は、閾値電圧調整用不純物の濃度が高い高誘電体膜4Bにおける窒素濃度よりも低い。よって、第1の金属(本変形例ではアルミニウム)は、第1の閾値電圧制御膜57から、高誘電体膜4Aへは拡散されるが、表面処理された高誘電体膜4Bへは拡散されにくい。従って、第1の高誘電体膜58Aにおける第1の金属の濃度は、第2の高誘電体膜58Bにおける第1の金属の濃度よりも高くなる。   At this time, the high dielectric film 4A having a low threshold voltage adjustment impurity concentration does not contain nitrogen, but the high dielectric film 4B having a high threshold voltage adjustment impurity concentration contains nitrogen. Alternatively, the nitrogen concentration in the high dielectric film 4A having a low threshold voltage adjusting impurity concentration is lower than the nitrogen concentration in the high dielectric film 4B having a high threshold voltage adjusting impurity concentration. Therefore, the first metal (aluminum in this modification) is diffused from the first threshold voltage control film 57 to the high dielectric film 4A, but is diffused to the surface-treated high dielectric film 4B. Hateful. Therefore, the concentration of the first metal in the first high dielectric film 58A is higher than the concentration of the first metal in the second high dielectric film 58B.

その後は、第1の高誘電体膜58A及び第2の高誘電体膜58Bをそれぞれ第1のゲート絶縁膜58a及び第2のゲート絶縁膜58bとすること、TiNからなる第1の導電膜59a及び第2の導電膜59bをそれぞれ形成して第1のゲート電極61a及び第2のゲート電極61bをそれぞれ形成すること、p型不純物を注入して第1のp型エクステンション領域63a及び第2のp型エクステンション領域63bを形成すること、ならびに、p型不純物を注入して第1のp型ソースドレイン領域65a及び第2のp型ソースドレイン領域65bを形成することを除いては、上記第1の実施形態における図2(a)〜図2(c)に示す工程を順次実施する。これにより、本変形例に係る半導体装置を製造することができる。   Thereafter, the first high dielectric film 58A and the second high dielectric film 58B are used as the first gate insulating film 58a and the second gate insulating film 58b, respectively, and the first conductive film 59a made of TiN. And the second conductive film 59b are formed to form the first gate electrode 61a and the second gate electrode 61b, respectively, and the p-type impurity is implanted to form the first p-type extension region 63a and the second gate electrode 61b. Except for forming the p-type extension region 63b and injecting the p-type impurity to form the first p-type source / drain region 65a and the second p-type source / drain region 65b, the first p-type extension region 63b is formed. The steps shown in FIGS. 2A to 2C in the embodiment are sequentially performed. Thereby, the semiconductor device according to this modification can be manufactured.

なお、本変形例では、閾値電圧調整用不純物として窒素を用いたが、上記第1の変形例に示すように高誘電体材料を構成する金属(例えばハフニウム)を用いても良い。   In this modification, nitrogen is used as the threshold voltage adjusting impurity. However, as shown in the first modification, a metal (for example, hafnium) constituting the high dielectric material may be used.

(第5の変形例)
上記第2及び上記第3の変形例では、2つのN型MISFETを備えた半導体装置及びその製造方法を説明している。しかし、トランジスタの導電型はP型であっても良い。第5の変形例では、上記第3の変形例に係る半導体装置の導電型がP型である場合の製造方法を説明する。
(Fifth modification)
In the second and third modifications, a semiconductor device including two N-type MISFETs and a method for manufacturing the same are described. However, the conductivity type of the transistor may be P-type. In the fifth modification, a manufacturing method in the case where the conductivity type of the semiconductor device according to the third modification is P-type will be described.

上記第4の変形例で記したように、P型MISFETでは、半導体基板はn型シリコンからなり、ウェル領域の導電型はn型であり、エクステンション領域及びソースドレイン領域の導電型はそれぞれp型であり、メタルゲート電極を構成する導電膜の代表例はTiN膜であり、第1の金属としてはアルミニウムを例に挙げることができる。さらに、第3の金属、つまり、高誘電体膜に導入されたときにP型MISFETの閾値電圧を低下させないようにする金属としては、ランタノイド系元素、スカンジウム、ストロンチウムまたはマグネシウムを例に挙げることができる。よって、上記第3の変形例に係る半導体装置の製造方法において、半導体基板、エクステンション領域及びソースドレイン領域の導電型を反転させ、導電膜の材料を変更し、第1及び第2の閾値電圧制御膜の材料を変更すれば良い。以下では、上記第3の変形例に係る半導体装置の製造方法とは異なる点を重点的に説明する。   As described in the fourth modification, in the P-type MISFET, the semiconductor substrate is made of n-type silicon, the conductivity type of the well region is n-type, and the conductivity type of the extension region and the source / drain region is p-type, respectively. A typical example of the conductive film constituting the metal gate electrode is a TiN film, and aluminum can be used as an example of the first metal. Furthermore, as a third metal, that is, a metal that prevents the threshold voltage of the P-type MISFET from being lowered when introduced into the high dielectric film, a lanthanoid element, scandium, strontium, or magnesium can be cited as an example. it can. Therefore, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the third modification, the conductivity types of the semiconductor substrate, the extension region, and the source / drain region are inverted, the material of the conductive film is changed, and the first and second threshold voltage controls are performed. What is necessary is just to change the material of a film | membrane. Hereinafter, points different from the method of manufacturing the semiconductor device according to the third modification will be mainly described.

図8(a)〜図8(d)は、本変形例に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。なお、図8(a)における「LPTr」及び「HPTr」は上記第4の変形例において記載した通りである。   FIG. 8A to FIG. 8D are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor device according to this modification in the order of steps. Note that “LPTr” and “HPTr” in FIG. 8A are as described in the fourth modification.

まず、図8(a)に示す工程では、p型シリコンからなる半導体基板1ではなくn型シリコンからなる半導体基板51を用いることと、第1のp型ウェル領域3a及び第2のp型ウェル領域3bではなく第1のn型ウェル領域53a及び第2のn型ウェル領域53bを形成することと、第3の金属を含有する膜としてアルミニウムを含有する膜ではなく例えばランタンを含有する膜(La膜またはLa膜)を用いることとを除いては、図6(a)に示す工程を実施する。これにより、第2の活性領域51b上には、例えばランタンを含有する第2の閾値電圧制御膜67Bが形成される。 First, in the process shown in FIG. 8A, the semiconductor substrate 51 made of n-type silicon is used instead of the semiconductor substrate 1 made of p-type silicon, and the first p-type well region 3a and the second p-type well are used. Forming the first n-type well region 53a and the second n-type well region 53b instead of the region 3b, and a film containing, for example, lanthanum instead of a film containing aluminum as a film containing the third metal ( The process shown in FIG. 6A is performed except that a La film or a La 2 O 3 film is used. As a result, a second threshold voltage control film 67B containing, for example, lanthanum is formed on the second active region 51b.

次に、図8(b)に示す工程では、Laからなる第1の閾値電圧制御膜7ではなくAlからなる第1の閾値電圧制御膜57を形成することを除いては図6(b)に示す工程を実施する。 Next, in the step shown in FIG. 8B, except that the first threshold voltage control film 57 made of Al 2 O 3 is formed instead of the first threshold voltage control film 7 made of La 2 O 3. Performs the step shown in FIG.

続いて、図8(c)に示す工程では、半導体基板51に対して例えば800℃10分の熱処理を施す。すると、第1の金属(本変形例ではアルミニウム)が第1の閾値電圧制御膜57から高誘電体膜4へ拡散する。また、ランタン(第3の金属)が第2の閾値電圧制御膜67Bから高誘電体膜4のうち第2の活性領域51b上に形成された部分へ拡散する。これにより、第1の活性領域51a上には第1の高誘電体膜68Aが形成され、第2の活性領域51b上には第2の高誘電体膜68Bが形成される。   Subsequently, in the process illustrated in FIG. 8C, the semiconductor substrate 51 is subjected to a heat treatment at 800 ° C. for 10 minutes, for example. Then, the first metal (aluminum in this modification) diffuses from the first threshold voltage control film 57 to the high dielectric film 4. In addition, lanthanum (third metal) diffuses from the second threshold voltage control film 67B to a portion of the high dielectric film 4 formed on the second active region 51b. As a result, a first high dielectric film 68A is formed on the first active region 51a, and a second high dielectric film 68B is formed on the second active region 51b.

このとき、第1の金属(本変形例ではアルミニウム)は、第1の閾値電圧制御膜57から、高誘電体膜4のうち第1の活性領域51a上に形成された部分だけでなく高誘電体膜4のうち第2の活性領域51b上に形成された部分へも拡散する。従って、第1の高誘電体膜68Aにおける第1の金属の濃度は、第2の高誘電体膜68Bにおける第1の金属の濃度と略同一である。また、第2の閾値電圧制御膜67Bは第2の活性領域1b上にのみ形成されているので、ランタンは第2の閾値電圧制御膜67Bから高誘電体膜4のうち第2の活性領域51b上に形成された部分のみへ拡散する。   At this time, the first metal (aluminum in this modification) is not only the portion formed on the first active region 51a in the high dielectric film 4 but also the high dielectric from the first threshold voltage control film 57. The body film 4 also diffuses into the portion formed on the second active region 51b. Therefore, the concentration of the first metal in the first high dielectric film 68A is substantially the same as the concentration of the first metal in the second high dielectric film 68B. Further, since the second threshold voltage control film 67B is formed only on the second active region 1b, lanthanum is formed from the second threshold voltage control film 67B to the second active region 51b in the high dielectric film 4. It diffuses only to the part formed above.

高誘電体膜4としてランタンを含有しない高誘電体膜(例えばHfSiON膜)を用いる場合が多いが、その場合、第1の高誘電体膜68Aはランタンを含有しておらず、第2の高誘電体膜68Bはランタンを含有している。つまり、この場合には、第1の高誘電体膜68Aはランタンを含有していないが、第2の高誘電体膜68Bはアルミニウムを含有している。   In many cases, a high-dielectric film that does not contain lanthanum (for example, an HfSiON film) is used as the high-dielectric film 4, but in this case, the first high-dielectric film 68A does not contain lanthanum, The dielectric film 68B contains lanthanum. That is, in this case, the first high dielectric film 68A does not contain lanthanum, but the second high dielectric film 68B contains aluminum.

その後は、第1の高誘電体膜68A及び第2の高誘電体膜68Bをそれぞれ第1のゲート絶縁膜68a及び第2のゲート絶縁膜68bとすること、TiNからなる第1の導電膜59a及び第2の導電膜59bをそれぞれ形成して第1のゲート電極61a及び第2のゲート電極61bをそれぞれ形成すること、p型不純物を注入して第1のp型エクステンション領域63a及び第2のp型エクステンション領域63bを形成すること、ならびに、p型不純物を注入して第1のp型ソースドレイン領域65a及び第2のp型ソースドレイン領域65bを形成することを除いては、上記第1の実施形態における図2(a)〜図2(c)に示す工程を順次実施する。これにより、図8(d)に示す半導体装置を製造することができる。   Thereafter, the first high dielectric film 68A and the second high dielectric film 68B are changed to the first gate insulating film 68a and the second gate insulating film 68b, respectively, and the first conductive film 59a made of TiN. And the second conductive film 59b are formed to form the first gate electrode 61a and the second gate electrode 61b, respectively, and the p-type impurity is implanted to form the first p-type extension region 63a and the second gate electrode 61b. Except for forming the p-type extension region 63b and injecting the p-type impurity to form the first p-type source / drain region 65a and the second p-type source / drain region 65b, the first p-type extension region 63b is formed. The steps shown in FIGS. 2A to 2C in the embodiment are sequentially performed. Thereby, the semiconductor device shown in FIG. 8D can be manufactured.

なお、本変形例に係る半導体装置の製造方法おいては、第2の閾値電圧制御膜を形成する代わりに、上記第2の変形例で示すように高誘電体膜のうち第2の活性領域上に形成された部分に第3の金属(ランタノイド系元素、スカンジウム、ストロンチウムまたはマグネシウム)を導入しても良い。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to this modification, instead of forming the second threshold voltage control film, the second active region of the high dielectric film is used as shown in the second modification. A third metal (lanthanoid element, scandium, strontium, or magnesium) may be introduced into the portion formed above.

以上説明したように、本発明は、high-k膜とメタルゲート電極とを有する同一導電型の2つ以上のトランジスタが同一基板内に形成された半導体装置において、そのトランジスタの閾値電圧を相違させる際に有用である。   As described above, according to the present invention, in a semiconductor device in which two or more transistors of the same conductivity type having a high-k film and a metal gate electrode are formed in the same substrate, the threshold voltages of the transistors are made different. Useful in some cases.

(a)〜(e)は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。(A)-(e) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment in order of a process. (a)〜(c)は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on 1st Embodiment in order of a process. 第1の実施形態に係る半導体装置の断面図である。1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment. (a)〜(e)は、第1の変形例に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。(A)-(e) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on a 1st modification in process order. (a)〜(e)は、第2の変形例に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。(A)-(e) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on a 2nd modification in process order. (a)〜(d)は、第3の変形例に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。(A)-(d) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on a 3rd modification in process order. (a)〜(d)は、第4の変形例に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。(A)-(d) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on a 4th modification in process order. (a)〜(d)は、第5の変形例に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。(A)-(d) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on a 5th modification in process order. 従来の半導体装置の断面図である。It is sectional drawing of the conventional semiconductor device.

符号の説明Explanation of symbols

1,51 半導体基板
1a,51a 第1の活性領域
1b,51b 第2の活性領域
4 高誘電体膜
7,57 第1の閾値電圧制御膜
8A,28A,38A,58A,68A 第1の高誘電体膜
8B,28B,38B,58B,68B 第2の高誘電体膜
8a,28a,38a,58a,68a 第1のゲート絶縁膜
8b,28b,38b,58b,68b 第2のゲート絶縁膜
9 導電膜
9a,59a 第1の導電膜
9b,59b 第2の導電膜
10 シリコン膜
10a 第1のシリコン膜
10b 第2のシリコン膜
11a,61a 第1のゲート電極
11b,61b 第2のゲート電極
17B,67B 第2の閾値電圧制御膜
1,51 Semiconductor substrate
1a, 51a First active region
1b, 51b Second active region
4 High dielectric film
7, 57 First threshold voltage control film
8A, 28A, 38A, 58A, 68A First high dielectric film
8B, 28B, 38B, 58B, 68B Second high dielectric film
8a, 28a, 38a, 58a, 68a First gate insulating film
8b, 28b, 38b, 58b, 68b Second gate insulating film
9 Conductive film
9a, 59a First conductive film
9b, 59b Second conductive film
10 Silicon film
10a First silicon film
10b Second silicon film
11a, 61a First gate electrode
11b, 61b Second gate electrode
17B, 67B Second threshold voltage control film

Claims (16)

半導体領域における第1の活性領域上に設けられた第1のトランジスタと、前記半導体領域における第2の活性領域上に設けられ且つ前記第1のトランジスタと同一導電型の第2のトランジスタとを備えた半導体装置であって、
前記第1のトランジスタは、
前記第1の活性領域上に形成され、高誘電体材料と第1の金属とを含有する第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜の上に形成された第1の導電膜と、前記第1の導電膜の上に形成された第1のシリコン膜とを有する第1のゲート電極とを備え、
前記第2のトランジスタは、
前記第2の活性領域上に形成され、前記高誘電体材料と前記第1の金属と閾値電圧調整用不純物とを含有する第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜の上に形成され且つ前記第1の導電膜と同一の材料からなる第2の導電膜と、前記第2の導電膜の上に形成された第2のシリコン膜とを有する第2のゲート電極とを備え、
前記第1のゲート絶縁膜は、前記第2のゲート絶縁膜に比べて前記閾値電圧調整用不純物の濃度が低い、又は前記閾値電圧調整用不純物を含有していないことを特徴とする半導体装置。
A first transistor provided on a first active region in the semiconductor region; and a second transistor provided on a second active region in the semiconductor region and having the same conductivity type as the first transistor. A semiconductor device,
The first transistor includes:
A first gate insulating film formed on the first active region and containing a high dielectric material and a first metal;
A first gate electrode having a first conductive film formed on the first gate insulating film and a first silicon film formed on the first conductive film;
The second transistor is
A second gate insulating film formed on the second active region and containing the high dielectric material, the first metal, and a threshold voltage adjusting impurity;
A second conductive film formed on the second gate insulating film and made of the same material as the first conductive film; and a second silicon film formed on the second conductive film; A second gate electrode having
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first gate insulating film has a lower concentration of the threshold voltage adjusting impurity than the second gate insulating film or does not contain the threshold voltage adjusting impurity.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記第1のトランジスタの閾値電圧は、前記第2のトランジスタの閾値電圧よりも低いことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein a threshold voltage of the first transistor is lower than a threshold voltage of the second transistor.
請求項1又は2に記載の半導体装置において、
前記閾値電圧調整用不純物は、窒素であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the threshold voltage adjusting impurity is nitrogen.
請求項1から3の何れか1つに記載の半導体装置において、
前記第1のゲート絶縁膜における前記第1の金属の濃度は、前記第2のゲート絶縁膜における前記第1の金属の濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The semiconductor device, wherein a concentration of the first metal in the first gate insulating film is higher than a concentration of the first metal in the second gate insulating film.
請求項1又は2に記載の半導体装置において、
前記高誘電体材料は、第2の金属を含有する金属酸化物、金属酸窒化物または金属シリケートであり、
前記閾値電圧調整用不純物は、前記第2の金属であり、
前記第1のゲート絶縁膜における前記第2の金属の濃度は、前記第2のゲート絶縁膜における前記第2の金属の濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The high dielectric material is a metal oxide, metal oxynitride or metal silicate containing a second metal,
The threshold voltage adjusting impurity is the second metal,
The semiconductor device, wherein a concentration of the second metal in the first gate insulating film is lower than a concentration of the second metal in the second gate insulating film.
請求項5に記載の半導体装置において、
前記第2の金属は、ハフニウムであることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 5,
The semiconductor device, wherein the second metal is hafnium.
請求項1又は2に記載の半導体装置において、
前記閾値電圧調整用不純物は、第3の金属であり、
前記第2のゲート絶縁膜は前記第3の金属を含有している一方、前記第1のゲート絶縁膜は前記第3の金属を含有していないことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The threshold voltage adjusting impurity is a third metal,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the second gate insulating film contains the third metal, while the first gate insulating film does not contain the third metal.
請求項7に記載の半導体装置において、
前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタは、それぞれ、N型MISトランジスタであり、
前記第3の金属は、アルミニウムであることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 7,
Each of the first transistor and the second transistor is an N-type MIS transistor,
The semiconductor device, wherein the third metal is aluminum.
請求項7に記載の半導体装置において、
前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタは、それぞれ、P型MISトランジスタであり、
前記第3の金属は、ランタノイド系元素、スカンジウム、ストロンチウム及びマグネシウムの少なくとも一つであることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 7,
Each of the first transistor and the second transistor is a P-type MIS transistor,
The semiconductor device, wherein the third metal is at least one of a lanthanoid element, scandium, strontium, and magnesium.
請求項1から8の何れか一つに記載の半導体装置において、
前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタは、それぞれ、N型MISトランジスタであり、
前記第1の金属は、ランタノイド系元素、スカンジウム、ストロンチウム及びマグネシウムの少なくとも一つであることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8,
Each of the first transistor and the second transistor is an N-type MIS transistor,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first metal is at least one of a lanthanoid element, scandium, strontium, and magnesium.
請求項1から7および9の何れか一つに記載の半導体装置において、
前記第1のトランジスタ及び前記第2のトランジスタは、それぞれ、P型MISトランジスタであり、
前記第1の金属は、アルミニウムであることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 7 and 9,
Each of the first transistor and the second transistor is a P-type MIS transistor,
The semiconductor device, wherein the first metal is aluminum.
半導体領域における第1の活性領域上に設けられた第1のトランジスタと、前記半導体領域における第2の活性領域上に設けられ且つ前記第1のトランジスタと同一導電型の第2のトランジスタとを備えた半導体装置の製造方法であって、
前記半導体領域上に、高誘電体材料からなる高誘電体膜を形成する工程(a)と、
前記高誘電体膜のうち前記第2の活性領域上に設けられた部分に閾値電圧調整用不純物を導入する一方、前記高誘電体膜のうち前記第1の活性領域上に設けられた部分には前記閾値電圧調整用不純物を導入しない工程(b)と、
前記高誘電体膜上に第1の金属を含有する第1の閾値電圧制御膜を形成する工程(c)と、
前記工程(c)の後に、前記第1の閾値電圧制御膜における前記第1の金属を前記高誘電体膜に拡散させる工程(d)と、
前記高誘電体膜の上に、導電膜及びシリコン膜を順次形成する工程(e)と、
前記シリコン膜、前記導電膜及び前記高誘電体膜をパターニングして、前記第1の活性領域上には前記高誘電体材料と前記第1の金属とを含有する第1のゲート絶縁膜と、第1のシリコン膜及び第1の導電膜を有する第1のゲート電極とを形成する一方、前記第2の活性領域上には前記高誘電体材料と前記第1の金属と前記閾値電圧調整用不純物とを含有する第2のゲート絶縁膜と、第2のシリコン膜及び第2の導電膜を有する第2のゲート電極とを形成する工程(f)とを備え、
前記第1のゲート絶縁膜は、前記第2のゲート絶縁膜に比べて前記閾値電圧調整用不純物の濃度が低い、又は前記閾値電圧調整用不純物を含有していないことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A first transistor provided on a first active region in the semiconductor region; and a second transistor provided on a second active region in the semiconductor region and having the same conductivity type as the first transistor. A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
Forming a high dielectric film made of a high dielectric material on the semiconductor region (a);
A threshold voltage adjusting impurity is introduced into a portion of the high dielectric film provided on the second active region, while a portion of the high dielectric film provided on the first active region is provided. (B) not introducing the threshold voltage adjusting impurity,
Forming a first threshold voltage control film containing a first metal on the high dielectric film (c);
A step (d) of diffusing the first metal in the first threshold voltage control film into the high dielectric film after the step (c);
A step (e) of sequentially forming a conductive film and a silicon film on the high dielectric film;
Patterning the silicon film, the conductive film and the high dielectric film, and a first gate insulating film containing the high dielectric material and the first metal on the first active region; A first gate electrode having a first silicon film and a first conductive film is formed, and the high dielectric material, the first metal, and the threshold voltage adjustment are formed on the second active region. A step (f) of forming a second gate insulating film containing impurities and a second gate electrode having a second silicon film and a second conductive film,
The first gate insulating film has a lower concentration of the threshold voltage adjusting impurity than the second gate insulating film or does not contain the threshold voltage adjusting impurity. Production method.
請求項12に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1のトランジスタの閾値電圧は、前記第2のトランジスタの閾値電圧よりも低いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 12,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a threshold voltage of the first transistor is lower than a threshold voltage of the second transistor.
請求項12または13に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程(b)では、前記閾値電圧調整用不純物として窒素を導入し、
前記第1のゲート絶縁膜は、前記第2のゲート絶縁膜に比べて前記窒素の濃度が低い、又は前記窒素を含有していないことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 12 or 13,
In the step (b), nitrogen is introduced as the threshold voltage adjusting impurity,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first gate insulating film has a lower concentration of nitrogen than the second gate insulating film or does not contain the nitrogen.
請求項12または13に記載の半導体装置の製造方法において、
前記高誘電体材料は、第2の金属を含有する金属酸化物、金属酸窒化物または金属シリケートであり、
前記工程(b)では、前記閾値電圧調整用不純物として前記第2の金属を導入し、
前記第1のゲート絶縁膜における前記第2の金属の濃度は、前記第2のゲート絶縁膜における前記第2の金属の濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 12 or 13,
The high dielectric material is a metal oxide, metal oxynitride or metal silicate containing a second metal,
In the step (b), the second metal is introduced as the threshold voltage adjusting impurity,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a concentration of the second metal in the first gate insulating film is lower than a concentration of the second metal in the second gate insulating film.
請求項12または13に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程(b)では、前記閾値電圧調整用不純物として第3の金属を導入し、
前記第2のゲート絶縁膜は前記第3の金属を含有している一方、前記第1のゲート絶縁膜は前記第3の金属を含有していないことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 12 or 13,
In the step (b), a third metal is introduced as the threshold voltage adjusting impurity,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second gate insulating film contains the third metal, while the first gate insulating film does not contain the third metal.
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