JP2011238655A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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理一郎 三橋
Kazuma Takahashi
一馬 高橋
Kenichi Endo
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a variation in a threshold voltage Vt in a wafer surface of a semiconductor device using a cap material.SOLUTION: A high dielectric constant gate insulating film 1006 and a first cap film 1008 are sequentially formed on a semiconductor substrate 1001. Next, a first metal in the first cap film 1008 is diffused into the high dielectric constant gate insulating film 1006 by heat treatment. Subsequently, the first cap film 1008 that did not diffuse into the high dielectric constant gate insulating film 1006 and remained on the high dielectric constant gate insulating film 1006 is removed, and a metal electrode 1010 is formed on the high dielectric constant gate insulating film 1006A with the first metal diffused.

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

近年、半導体装置に関して、低消費電力化と動作の高速化とが要求されている。半導体装置の高速化を実現するためには、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート容量を増加させることにより駆動電流を増加させるという方法が採用されている。MISFETのゲート容量を増加させるためには、ゲート絶縁膜を薄膜化して電極間の距離(基板とゲート電極との間の距離)を短くする必要がある。この要求に応えるために、現在、MISFETのゲート絶縁膜の物理膜厚は、ゲート絶縁膜としてSiON(シリコン酸窒化物)膜を用いた場合には、2nm程度にまで薄膜化されている。しかし、ゲート絶縁膜の薄膜化に伴い、ゲートリーク電流の増大が大きな問題となってきている。ゲート絶縁膜を薄膜化しつつゲートリーク電流を抑えるためには、ゲート絶縁膜として、シリコン酸化物(SiO)系の材料に代えて、Hfを含む酸化物等の誘電率の高い材料(高誘電体材料)を使用することが検討されている。 In recent years, semiconductor devices are required to have low power consumption and high speed operation. In order to realize a high speed semiconductor device, a method of increasing a drive current by increasing a gate capacity of a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) is employed. In order to increase the gate capacitance of the MISFET, it is necessary to reduce the distance between the electrodes (distance between the substrate and the gate electrode) by reducing the thickness of the gate insulating film. In order to meet this requirement, the physical film thickness of the gate insulating film of MISFET is currently reduced to about 2 nm when a SiON (silicon oxynitride) film is used as the gate insulating film. However, as the gate insulating film becomes thinner, an increase in gate leakage current has become a big problem. In order to suppress the gate leakage current while reducing the thickness of the gate insulating film, a material having a high dielectric constant (high dielectric constant) such as an oxide containing Hf is used as the gate insulating film instead of a silicon oxide (SiO 2 ) -based material. The use of body materials) is being considered.

また、多結晶シリコンからなるゲート電極では、ゲート絶縁膜の薄膜化に伴い、ゲート電極が空乏化してゲート容量が低下するという問題も生じている。ゲート電極の空乏化によるゲート容量の低下量を例えばシリコン酸化物(SiO)からなるゲート絶縁膜の膜厚に換算すると、その低下量はゲート絶縁膜の膜厚を約0.5nm分増加させることに相当する。ゲート電極の空乏化を抑えることができれば、ゲートリーク電流を増大させることなくゲート絶縁膜の実効的な膜厚を薄くすることができる。ゲート絶縁膜がSiO膜の場合、ゲート絶縁膜の膜厚を0.1nm薄くすると、ゲート絶縁膜を薄膜化する前と比べて10倍以上ゲートリーク電流が増大する。このため、ゲート電極の空乏化を抑制することにより実効的なゲート絶縁膜の膜厚を薄くすることの効果は非常に大きい。 In addition, in the gate electrode made of polycrystalline silicon, as the gate insulating film is made thinner, the gate electrode is depleted and the gate capacity is lowered. When the amount of decrease in gate capacitance due to depletion of the gate electrode is converted into the thickness of a gate insulating film made of, for example, silicon oxide (SiO 2 ), the amount of decrease increases the thickness of the gate insulating film by about 0.5 nm. It corresponds to that. If depletion of the gate electrode can be suppressed, the effective thickness of the gate insulating film can be reduced without increasing the gate leakage current. In the case where the gate insulating film is a SiO 2 film, when the thickness of the gate insulating film is reduced by 0.1 nm, the gate leakage current increases by 10 times or more compared to before the thinning of the gate insulating film. For this reason, the effect of reducing the thickness of the effective gate insulating film by suppressing the depletion of the gate electrode is very large.

ゲート電極の空乏化を回避するため、ゲート電極の材料を多結晶シリコンから空乏化の生じない金属に置き換える検討が行われている。ゲート電極の材料として多結晶シリコンを用いた場合、不純物の注入により不純物準位を形成することが可能であり、よって、p−MISFET用ゲート電極とn−MISFET用ゲート電極とを作り分けることができる。一方、ゲート電極の材料として金属を用いた場合、不純物の注入によりp−MISFET用ゲート電極とn−MISFET用ゲート電極とを作り分けることができない。このため、p側領域のWF(work function)値とn側領域のWF値とのほぼ中央に相当するWF値を有する金属をp−MISFET用ゲート電極及びn−MISFET用ゲート電極の共通の材料として用いることにより、p−MISFETとn−MISFETとが互いに同じ閾値電圧Vtを持つように設計している。   In order to avoid depletion of the gate electrode, studies have been made to replace the material of the gate electrode from polycrystalline silicon to a metal that does not cause depletion. When polycrystalline silicon is used as the material of the gate electrode, it is possible to form impurity levels by implanting impurities, so that the gate electrode for p-MISFET and the gate electrode for n-MISFET can be formed separately. it can. On the other hand, when a metal is used as the material of the gate electrode, the p-MISFET gate electrode and the n-MISFET gate electrode cannot be separately formed by impurity implantation. Therefore, a metal having a WF value substantially corresponding to the center of the WF (work function) value in the p-side region and the WF value in the n-side region is a common material for the gate electrode for p-MISFET and the gate electrode for n-MISFET. As a result, the p-MISFET and the n-MISFET are designed to have the same threshold voltage Vt.

近年では、半導体装置には、より高速な動作が要求されるため、低閾値電圧化が不可欠である。よって、p−MISFET用ゲート電極及びn−MISFET用ゲート電極の各々がシリコンのバンドエッジに近い仕事関数(WF)値を有するということが必要となってきている。なお、ここでいうバンドエッジとは、p側領域はシリコンの価電子帯の上部(トップエッジ)の仕事関数値(約5.2eV)に近い高WFを意味し、n側領域はシリコンの伝導帯の底部(ボトムエッジ)の仕事関数値(約4.1eV)に近い低WFを意味している。このため、p側領域のWF値とn側領域のWF値とのほぼ中央に相当するWF値を有する金属をp−MISFET用ゲート電極及びn−MISFET用ゲート電極の共通の材料とした半導体装置は実用的でなくなってきている。   In recent years, semiconductor devices are required to operate at higher speeds, and thus lowering the threshold voltage is indispensable. Therefore, it has become necessary that each of the gate electrode for p-MISFET and the gate electrode for n-MISFET has a work function (WF) value close to the band edge of silicon. Here, the band edge means a high WF near the work function value (about 5.2 eV) of the upper part (top edge) of the valence band of silicon in the p-side region, and the n-side region means the conduction of silicon. This means a low WF close to the work function value (about 4.1 eV) at the bottom (bottom edge) of the band. Therefore, a semiconductor device in which a metal having a WF value substantially corresponding to the center of the WF value in the p-side region and the WF value in the n-side region is used as a common material for the gate electrode for p-MISFET and the gate electrode for n-MISFET. Is becoming impractical.

現在、p−MISFET及びn−MISFETの各ゲート電極の材料として使用できる金属材料の探索が盛んに行われている。しかし、常温で適切なWFを示す材料であっても、ソースドレインの活性化等の高温処理を経るとWFが変動するということが明らかになってきている。最近では、高誘電体膜とゲート電極との間に有効仕事関数(eWF(effective eork function))を制御するためのキャップ材料を堆積し、ゲート絶縁膜中及び高誘電体膜と金属との界面にダイポールを形成することによりeWFを制御する検討が行われている(例えば、非特許文献1を参照。)。酸化ランタン(以下では「LaO」と記す場合がある。)にはeWFを低減させる効果が知られており、酸化ランタンはn−MISFETのゲート電極を形成するためのキャップ材料として期待されている。(例えば、非特許文献2を参照。)。また、酸化アルミニウム(以下では「AlO」と記す場合がある)にはeWFを増加させる効果が知られており、酸化アルミニウムはp−MISFETのゲート電極を形成するためのキャップ材料として期待されている。特許文献1に開示しているように、現在は、LaOとAlOとの両方を使用したCMOS(complementary metal-oxide semiconductor)の開発が行われている。   Currently, a search for metal materials that can be used as materials for the gate electrodes of p-MISFETs and n-MISFETs has been actively conducted. However, it has become clear that even if a material exhibits an appropriate WF at room temperature, the WF fluctuates after a high temperature treatment such as activation of the source / drain. Recently, a cap material for controlling an effective work function (eWF (effective eork function)) is deposited between the high dielectric film and the gate electrode, and in the gate insulating film and at the interface between the high dielectric film and the metal. Studies have been made to control eWF by forming a dipole (see, for example, Non-Patent Document 1). Lanthanum oxide (hereinafter sometimes referred to as “LaO”) is known to have an effect of reducing eWF, and lanthanum oxide is expected as a cap material for forming a gate electrode of an n-MISFET. (For example, refer nonpatent literature 2.). Also, aluminum oxide (hereinafter sometimes referred to as “AlO”) is known to have an effect of increasing eWF, and aluminum oxide is expected as a cap material for forming a gate electrode of p-MISFET. . As disclosed in Patent Document 1, a complementary metal-oxide semiconductor (CMOS) using both LaO and AlO is currently being developed.

特開2009−194352号公報JP 2009-194352 A

S. Kubicek et al, "IEDM Tech Dig.", 2007年, p.49S. Kubicek et al, "IEDM Tech Dig.", 2007, p. 49 P.D.Kirsch, "IEDM", 2006年, p.629P.D.Kirsch, "IEDM", 2006, p. 629

しかしながら、キャップ材料として膜厚がサブナノオーダーである極薄膜を用いると、eWFはシリコンバンドギャップの半分(約500meV)シフトする。このようにキャップ膜(キャップ材料からなる膜)はその膜厚に対するeWFのシフト量が非常に大きいため、キャップ膜の膜厚のバラツキに起因したトランジスタの閾値電圧Vtのバラツキが非常に大きいという課題が生じる。また、キャップ材料に因るeWFのシフト量は、キャップ膜の膜厚以外に、母体となるゲート絶縁膜の膜厚、高誘電率ゲート絶縁膜の材料の組成(たとえばHfSiO膜中のHf組成)、後工程でのアニール条件および電極金属の膜質によっても大きく変動する。これにより、閾値電圧Vtのバラツキが増大することとなる。キャップ材料に因るeWFシフト効果がキャップ膜の膜厚以外によって変動する要因は、キャップ材料に因るeWFシフト発生メカニズムに起因する。(P.Sivasubramani et al VLSI2007)
LaO又はAlO等のキャップ材料は、高誘電率ゲート絶縁膜(たとえばHfSiO)中を拡散して下地膜として使用しているSiOとの界面(高誘電率ゲート絶縁膜と下地膜との界面)にダイポールを形成することによって、eWFのシフトを発生させる。高誘電率ゲート絶縁膜の膜厚又はHf組成が変化すると、高誘電率ゲート絶縁膜と下地膜との界面まで拡散するキャップ材料の量が変化し、よって、eWFのシフト量が変動する。また、このキャップ材料の拡散は後工程アニール処理で促進される為、アニール温度の面内分布の影響も大きくうける。
However, when an ultra-thin film having a thickness of sub-nano order is used as a cap material, eWF shifts by half (about 500 meV) of the silicon band gap. As described above, since the cap film (film made of a cap material) has a very large shift amount of eWF with respect to the film thickness, there is a problem that the variation in the threshold voltage Vt of the transistor due to the variation in the film thickness of the cap film is very large. Occurs. In addition to the cap film thickness, the eWF shift amount due to the cap material is not limited to the thickness of the base gate insulating film, and the composition of the material of the high dielectric constant gate insulating film (for example, the Hf composition in the HfSiO film). Also, it varies greatly depending on the annealing conditions in the subsequent process and the film quality of the electrode metal. As a result, the variation of the threshold voltage Vt increases. The factor that the eWF shift effect due to the cap material varies depending on other than the film thickness of the cap film is due to the eWF shift generation mechanism due to the cap material. (P. Sivasubramani et al VLSI2007)
The cap material such as LaO or AlO has an interface with SiO 2 that diffuses in the high dielectric constant gate insulating film (for example, HfSiO) and is used as the base film (interface between the high dielectric constant gate insulating film and the base film). A dipole is formed on the substrate to generate an eWF shift. When the film thickness or Hf composition of the high dielectric constant gate insulating film changes, the amount of the cap material that diffuses to the interface between the high dielectric constant gate insulating film and the base film changes, and accordingly, the shift amount of eWF varies. Further, since the diffusion of the cap material is promoted by the post-process annealing treatment, the influence of the in-plane distribution of the annealing temperature is greatly affected.

以上の理由から、キャップ材料を使用した半導体装置のウエハ面内における閾値電圧Vtのバラツキは非常に大きく、実用化への大きな妨げとなっている。   For the above reasons, the variation of the threshold voltage Vt in the wafer surface of the semiconductor device using the cap material is very large, which greatly hinders practical use.

本発明は、前記の問題を解決し、キャップ材料を使用した半導体装置のウエハ面内における閾値電圧Vtのバラツキを抑制し、精度と歩留まりの高い半導体装置を実現できるようにすることを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described problems and to suppress a variation in threshold voltage Vt in a wafer surface of a semiconductor device using a cap material, and to realize a semiconductor device with high accuracy and yield. .

本発明の半導体装置の第1の製造方法は、ゲート絶縁膜を半導体基板の上に形成する工程(a)と、第1の金属を含む第1のキャップ膜をゲート絶縁膜の上に形成する工程(b)と、熱処理により、第1の金属をゲート絶縁膜に拡散させる工程(c)と、工程(c)の後に、ゲート絶縁膜に拡散せずにゲート絶縁膜の上に残存した第1のキャップ膜を除去する工程(d)と、第1の金属が拡散したゲート絶縁膜の上に金属電極を形成する工程(e)とを備えている。   According to a first method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step (a) of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, and forming a first cap film containing a first metal on the gate insulating film. The step (b), the step (c) of diffusing the first metal into the gate insulating film by heat treatment, and the step of remaining the first metal remaining on the gate insulating film without diffusing into the gate insulating film after the step (c). A step (d) of removing the cap film 1 and a step (e) of forming a metal electrode on the gate insulating film in which the first metal is diffused.

本発明に係る半導体装置の第1の製造方法では、ゲート絶縁膜中に拡散せずに残存した第1のキャップ膜を除去するため、ゲート絶縁膜中に存在するキャップ材料(第1の金属)の量を熱処理で制御することができる。よって、キャップ膜の膜厚バラツキに因る影響を実質上回避できる。キャップ膜の膜厚をサブナノオーダーで制御する場合に比べて熱処理温度を制御する方が比較的容易であり、よって、より高精度であり、且つ、閾値電圧Vtのバラツキが低い半導体装置の形成が可能となる。このとき、キャップ膜の膜厚を大きくし、且つ、熱処理温度を低く設定すれば、ゲート絶縁膜中に存在するキャップ材料の量は拡散律速となる。よって、キャップ膜の膜厚バラツキに因る閾値電圧Vtのバラツキの影響をさらに低減できる。   In the first method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the cap material (first metal) existing in the gate insulating film is removed in order to remove the first cap film remaining without being diffused in the gate insulating film. The amount of can be controlled by heat treatment. Therefore, the influence due to the film thickness variation of the cap film can be substantially avoided. It is relatively easy to control the heat treatment temperature as compared with the case where the thickness of the cap film is controlled in the sub-nano order, and therefore, it is possible to form a semiconductor device with higher accuracy and less variation in threshold voltage Vt. It becomes possible. At this time, if the film thickness of the cap film is increased and the heat treatment temperature is set low, the amount of the cap material present in the gate insulating film becomes diffusion-controlled. Therefore, it is possible to further reduce the influence of the variation in the threshold voltage Vt due to the variation in the film thickness of the cap film.

本発明の半導体装置の第1の製造方法では、ゲート絶縁膜は、ハフニウム、シリコン及び酸素を含んでいることが好ましく、第1の金属は、ハフニウムであることが好ましい。   In the first method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the gate insulating film preferably contains hafnium, silicon, and oxygen, and the first metal is preferably hafnium.

本発明の半導体装置の第1の製造方法では、第1の元素は、ランタン、ジスプロシウム、スカンジウム又はマグネシウムであれば良い。   In the first method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the first element may be lanthanum, dysprosium, scandium, or magnesium.

本発明の半導体装置の第1の製造方法では、熱処理後におけるゲート絶縁膜中の第1の金属は5atomic%以上30atomic%以下であることが好ましい。   In the first method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the first metal in the gate insulating film after the heat treatment is preferably 5 atomic% or more and 30 atomic% or less.

本発明の半導体装置の第1の製造方法では、工程(c)では、半導体基板における、ゲート絶縁膜の膜厚の面内分布、ゲート絶縁膜中の含有元素の組成比の面内分布、第1のキャップ膜の膜厚の面内分布、第1のキャップ膜中の含有元素の組成比の面内分布、金属電極の膜厚の面内分布及び金属電極中の含有元素の組成比の面内分布のうちの少なくとも一つの面内分布に応じて、半導体基板における熱処理温度の分布を変更すれば良い。これにより、第1の金属をゲート絶縁膜中へ均一に拡散させることができる。例えば、工程(c)では、半導体基板の周縁部におけるアニール温度を、半導体基板の周縁部以外の部分におけるアニール温度よりも高くすれば良い。   In the first manufacturing method of the semiconductor device of the present invention, in the step (c), the in-plane distribution of the film thickness of the gate insulating film, the in-plane distribution of the composition ratio of the contained element in the gate insulating film, The in-plane distribution of the film thickness of the cap film, the in-plane distribution of the composition ratio of the contained elements in the first cap film, the in-plane distribution of the film thickness of the metal electrode, and the composition ratio of the contained elements in the metal electrode The distribution of the heat treatment temperature in the semiconductor substrate may be changed in accordance with at least one in-plane distribution of the inner distributions. Thereby, the first metal can be uniformly diffused into the gate insulating film. For example, in the step (c), the annealing temperature at the peripheral portion of the semiconductor substrate may be set higher than the annealing temperature at a portion other than the peripheral portion of the semiconductor substrate.

本発明の半導体装置の第2の製造方法は、第1導電型の第1のトランジスタと第2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、ゲート絶縁膜を半導体基板の上に形成する工程(a)と、ゲート絶縁膜を挟んで電極膜を第2の活性領域の上に形成する工程(b)と、第1の金属を含む第1のキャップ膜を半導体基板の上面全体に形成する工程(c)と、熱処理により、第1の金属をゲート絶縁膜のうち第1の活性領域の上に形成された部分に拡散させる工程(d)と、ゲート絶縁膜に拡散せずにゲート絶縁膜の上に残存した第1のキャップ膜を除去する工程(e)と、金属電極膜及びポリシリコン膜を半導体基板の上面全体に形成する工程(f)と、ゲート絶縁膜、金属電極膜及びポリシリコン膜をエッチングして、第1の活性領域の上には、第1の金属を含む第1のゲート絶縁膜と、金属電極膜及びポリシリコン膜を有する第1のゲート電極とが順に形成され、第2の活性領域の上には、第2のゲート絶縁膜と、金属電極膜及びポリシリコン膜を有する第2のゲート電極とが順に形成される工程(g)とを備えている。   A second method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device comprising a first transistor of a first conductivity type and a second transistor of a second conductivity type. Specifically, a step (a) of forming a gate insulating film on the semiconductor substrate, a step (b) of forming an electrode film on the second active region with the gate insulating film interposed therebetween, A step (c) of forming a first cap film containing a metal over the entire upper surface of the semiconductor substrate and a heat treatment diffuse the first metal into a portion of the gate insulating film formed on the first active region. A step (d), a step (e) of removing the first cap film remaining on the gate insulating film without diffusing into the gate insulating film, and a metal electrode film and a polysilicon film over the entire upper surface of the semiconductor substrate. Etching the gate insulating film, the metal electrode film, and the polysilicon film to form a first gate insulating film containing the first metal on the first active region, and a metal An electrode film and a first gate electrode having a polysilicon film are sequentially formed Is, on the second active region includes a second gate insulating film, and a step (g) to a second gate electrode having a metal electrode film and a polysilicon film are sequentially formed.

本発明に係る半導体装置の第2の製造方法では、キャップ膜の膜厚バラツキに因る影響を実質上回避できるので、キャップ膜の膜厚バラツキに因る閾値電圧Vtのバラツキの影響を低減できる。   In the second manufacturing method of the semiconductor device according to the present invention, the influence due to the film thickness variation of the cap film can be substantially avoided, so that the influence of the variation of the threshold voltage Vt due to the film thickness variation of the cap film can be reduced. .

本発明の半導体装置の第2の製造方法では、工程(d)では、第1の金属は、電極膜にも拡散する一方、ゲート絶縁膜のうち第2の活性領域の上に形成された部分に拡散しないことが好ましい。また、工程(e)では、電極膜も除去することが好ましい。これにより、第1の金属が第2のゲート絶縁膜に拡散することを防止できる。   In the second method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, in step (d), the first metal diffuses also into the electrode film, while the portion formed on the second active region in the gate insulating film. It is preferable not to diffuse. In the step (e), the electrode film is also preferably removed. Thereby, it is possible to prevent the first metal from diffusing into the second gate insulating film.

本発明の半導体装置の第2の製造方法では、工程(d)では、半導体基板における、ゲート絶縁膜の膜厚の面内分布、ゲート絶縁膜中の含有元素の組成比の面内分布、第1のキャップ膜の膜厚の面内分布、第1のキャップ膜中の含有元素の組成比の面内分布、金属電極の膜厚の面内分布及び金属電極中の含有元素の組成比の面内分布のうちの少なくとも一つの面内分布に応じて、半導体基板における熱処理温度の分布を変更すれば良い。これにより、第1の金属をゲート絶縁膜中へ均一に拡散させることができる。例えば、工程(d)では、半導体基板の周縁部におけるアニール温度を、半導体基板の周縁部以外の部分におけるアニール温度よりも高くすれば良い。   In the second manufacturing method of the semiconductor device of the present invention, in the step (d), the in-plane distribution of the film thickness of the gate insulating film, the in-plane distribution of the composition ratio of the contained elements in the gate insulating film, The in-plane distribution of the film thickness of the cap film, the in-plane distribution of the composition ratio of the contained elements in the first cap film, the in-plane distribution of the film thickness of the metal electrode, and the composition ratio of the contained elements in the metal electrode The distribution of the heat treatment temperature in the semiconductor substrate may be changed in accordance with at least one in-plane distribution of the inner distributions. Thereby, the first metal can be uniformly diffused into the gate insulating film. For example, in the step (d), the annealing temperature at the peripheral portion of the semiconductor substrate may be set higher than the annealing temperature at a portion other than the peripheral portion of the semiconductor substrate.

本発明の半導体装置の第1及び第2の製造方法では、熱処理によりキャップ材料をゲート絶縁膜と下地膜との界面まで拡散させれば、不純物を活性化させる際のアニール等においてその界面においてキャップ材料が不均一に存在することを防止できる。   In the first and second manufacturing methods of the semiconductor device according to the present invention, if the cap material is diffused to the interface between the gate insulating film and the base film by heat treatment, the cap is formed at the interface in annealing or the like when activating the impurity. It can prevent that material exists unevenly.

高誘電率ゲート絶縁膜としては、HfSiO膜、HFSiON膜又はHfO膜などを用いることが好ましいが、Zr若しくはTa等の酸化膜又は酸窒化膜を使っても良い。 As the high dielectric constant gate insulating film, an HfSiO film, an HFSiON film, or an HfO 2 film is preferably used, but an oxide film such as Zr or Ta or an oxynitride film may be used.

n型MISFET用のキャップ材料としては、LaOなどのランタノイド系元素の酸化物を用いることが好ましいが、MgOなどを使用してもよい。また、p型MISFET用のキャップ材料としては、AlOを用いることが好ましいが、TaOなどを使用してもよい。   As a cap material for the n-type MISFET, an oxide of a lanthanoid element such as LaO is preferably used, but MgO or the like may be used. Moreover, although it is preferable to use AlO as the cap material for the p-type MISFET, TaO or the like may be used.

本発明に係る半導体装置及びその製造方法によれば、キャップ材料を使用しても、閾値電圧Vtのバラツキが少なく、精度及び歩留まりの高い半導体装置を実現できる。   According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, it is possible to realize a semiconductor device with high accuracy and high yield with little variation in the threshold voltage Vt even when a cap material is used.

(a)〜(d)は、本発明の第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)-(d) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention in process order. (a)〜(c)は、本発明の第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 the 1st Embodiment of this invention in process order. (a)及び(b)は、閾値電圧Vtのウエハの面内分布の改善を説明するためのグラフ図である。(A) And (b) is a graph for demonstrating the improvement of the in-plane distribution of the wafer of the threshold voltage Vt. (a)〜(e)は、本発明の第2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 the 2nd Embodiment of this invention in process order. (a)〜(d)は、本発明の第2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)-(d) is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention in process order. 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention.

図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されない。また、以下では、同一部材に対して同一の符号を付す場合がある。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to embodiment shown below. Moreover, below, the same code | symbol may be attached | subjected with respect to the same member.

(第1の実施形態)
以下に、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。図3(a)及び図3(b)は、閾値電圧Vtのウエハの面内分布の改善を説明するためのグラフ図である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1A to FIG. 2C are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor device according to this embodiment in the order of steps. FIGS. 3A and 3B are graphs for explaining the improvement of the in-plane distribution of the wafer with the threshold voltage Vt.

まず、図1(a)に示すように、素子分離領域1002により分離されたp型活性領域1003をSi基板等の半導体基板1001に形成する。この後、半導体基板1001の上面全体に、厚さが1nm程度のSiOからなる下地膜1005を形成する。下地膜1005は、酸素ガスを用いた急速熱酸化(RTO(Rapid Thermal Oxidation))等により形成しても良いし、酸素ガス以外のガス種を用いたRTOにより形成しても良いし、加熱炉を用いた熱酸化により形成しても良い。また、下地膜1005は、酸窒化シリコン(SiON)膜であっても良いし、ケミカルオキサイド膜であっても良い。 First, as shown in FIG. 1A, a p-type active region 1003 isolated by an element isolation region 1002 is formed on a semiconductor substrate 1001 such as a Si substrate. Thereafter, a base film 1005 made of SiO 2 having a thickness of about 1 nm is formed on the entire top surface of the semiconductor substrate 1001. The base film 1005 may be formed by rapid thermal oxidation (RTO (Rapid Thermal Oxidation)) using oxygen gas, or may be formed by RTO using a gas species other than oxygen gas, or a heating furnace. It may be formed by thermal oxidation using. Further, the base film 1005 may be a silicon oxynitride (SiON) film or a chemical oxide film.

次に、下地膜1005の上に高誘電率ゲート絶縁膜1006を堆積する(工程(a))。ここでは、高誘電率ゲート絶縁膜1006は、Hf/(Hf+Si)組成が60%程度のHfSiO膜を使用しても良いし、HfO膜を使用しても良い。また、高誘電率ゲート絶縁膜1006におけるHf/(Hf+Si)組成は、60%に限定されない。高誘電率ゲート絶縁膜1006の膜厚は、例えば1.7nmであれば良いが、半導体装置の用途又は半導体装置に要求される能力によって変更してもよい。高誘電率ゲート絶縁膜1006は、ZrなどのHf以外の元素を用いた高誘電率膜(例えばZr酸化膜、Zr酸窒化膜、Ta酸化膜又はTa酸窒化膜)を用いても良い。 Next, a high dielectric constant gate insulating film 1006 is deposited on the base film 1005 (step (a)). Here, the high dielectric constant gate insulating film 1006 may be an HfSiO film having a Hf / (Hf + Si) composition of about 60% or an HfO 2 film. Further, the Hf / (Hf + Si) composition in the high dielectric constant gate insulating film 1006 is not limited to 60%. The film thickness of the high dielectric constant gate insulating film 1006 may be 1.7 nm, for example, but may be changed depending on the use of the semiconductor device or the capability required for the semiconductor device. The high dielectric constant gate insulating film 1006 may be a high dielectric constant film (for example, a Zr oxide film, a Zr oxynitride film, a Ta oxide film, or a Ta oxynitride film) using an element other than Hf such as Zr.

次に、プラズマを用いてHfSiO膜をチッ化処理したあと、焼き締めの為、窒素雰囲気中で1000℃でアニールする。この場合、チッ化処理は膜中に4atomic%程度の窒素が入る処理であれば良いが、半導体装置の目的又はその用途に応じて窒素濃度を変更しても良い。また、チッ化処理は、電極を堆積する直前に行っても良い。焼き締めの為のアニール温度を800〜1100℃の範囲に変更しても良いし、アニールの処理雰囲気を窒素雰囲気から変更しても良い。   Next, the HfSiO film is nitrided using plasma, and then annealed at 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere for baking. In this case, the nitriding treatment may be a treatment in which about 4 atomic% of nitrogen enters the film, but the nitrogen concentration may be changed according to the purpose or use of the semiconductor device. Further, the nitriding treatment may be performed immediately before the electrode is deposited. The annealing temperature for baking may be changed to a range of 800 to 1100 ° C., and the annealing treatment atmosphere may be changed from a nitrogen atmosphere.

次に、図1(b)に示すように、高誘電率ゲート絶縁膜1006の上にLaO膜(第1のキャップ膜)1008を堆積する(工程(b))。LaO膜1008はPVD法(physical vapor deposition)を用いて堆積しても良く、ALD法(atomic layer deposition)又はCVD法(chemical vapor deposition)を用いて堆積しても良い。また、LaO膜1008の膜厚は、例えば2nmであれば良いが、半導体装置の目的又は用途等に合わせて変更しても良い。   Next, as shown in FIG. 1B, a LaO film (first cap film) 1008 is deposited on the high dielectric constant gate insulating film 1006 (step (b)). The LaO film 1008 may be deposited using a PVD method (physical vapor deposition), or may be deposited using an ALD method (atomic layer deposition) or a CVD method (chemical vapor deposition). The thickness of the LaO film 1008 may be 2 nm, for example, but may be changed according to the purpose or application of the semiconductor device.

次に、図1(c)に示すように、アニール処理をして、LaO膜1008中のLa(第1の金属)を高誘電率ゲート絶縁膜1006中に拡散させる(工程(c))。これにより、Laが拡散された高誘電率ゲート絶縁膜(以下では、「第1の高誘電率ゲート絶縁膜」と記す。)1006Aが下地膜1005上に形成される。   Next, as shown in FIG. 1C, annealing is performed to diffuse La (first metal) in the LaO film 1008 into the high dielectric constant gate insulating film 1006 (step (c)). Thus, a high dielectric constant gate insulating film (hereinafter referred to as “first high dielectric constant gate insulating film”) 1006A in which La is diffused is formed on the base film 1005.

このアニール処理では、Laを下地膜1005と高誘電率ゲート絶縁膜1006との界面まで拡散させることが好ましい。これにより、後工程における熱処理工程(ソースドレイン領域等中の不純物を活性させる工程)において、下地膜1005と高誘電率ゲート絶縁膜1006との界面におけるLaの量が不均一になることを防止できる。例えば、アニール温度は700℃であれば良い。   In this annealing treatment, La is preferably diffused to the interface between the base film 1005 and the high dielectric constant gate insulating film 1006. Accordingly, it is possible to prevent the amount of La at the interface between the base film 1005 and the high dielectric constant gate insulating film 1006 from becoming non-uniform in a heat treatment step (step of activating impurities in the source / drain regions) in a later step. . For example, the annealing temperature may be 700 ° C.

また、このアニール処理では、半導体基板1001の周縁部をアニールするためのヒーター温度を半導体基板1001の中央部をアニールするためのヒーター温度よりも高温、具体的には5〜10℃高温にする。これにより、半導体基板1001の周縁部におけるLaの拡散が促進され、半導体基板1001の周縁部においてLaO膜1008が薄膜化していることに起因するLaの拡散低下を補うことができる。半導体基板1001の周縁部でHfSiOのHf組成が高くなっている場合であっても、半導体基板1001において電極(後述の第1の電極膜1010)の組成に面内分布がある場合であっても、半導体基板1001において電極(後述の第1の電極膜1010)中の酸素濃度に面内分布がある場合であっても、この手法を用いてeWFを均一化させることができる。   Further, in this annealing treatment, the heater temperature for annealing the peripheral portion of the semiconductor substrate 1001 is set higher than the heater temperature for annealing the central portion of the semiconductor substrate 1001, specifically 5-10 ° C. higher. Thereby, the diffusion of La in the peripheral portion of the semiconductor substrate 1001 is promoted, and the decrease in La diffusion due to the thin LaO film 1008 in the peripheral portion of the semiconductor substrate 1001 can be compensated. Even if the Hf composition of HfSiO is high at the peripheral edge of the semiconductor substrate 1001, even if the composition of the electrode (first electrode film 1010 described later) in the semiconductor substrate 1001 has an in-plane distribution. Even when the oxygen concentration in the electrode (first electrode film 1010 described later) in the semiconductor substrate 1001 has an in-plane distribution, eWF can be made uniform by using this method.

詳細には、半導体基板において高誘電率ゲート絶縁膜の膜厚又は高誘電率ゲート絶縁膜の組成に面内分布があると、キャップ材料が高誘電率ゲート絶縁膜中で均一に拡散し難いという不具合を引き起こし、よって、図3(a)に示すように閾値電圧Vtが半導体基板の周縁部において高くなる場合がある(閾値電圧Vtのバラツキ)。しかし、本実施形態のように半導体基板の周縁部のアニール温度を半導体基板の中央部のアニール温度よりも高くすると、高誘電率ゲート絶縁膜中の酸素濃度が半導体基板の周縁部でのみ高くなるため、キャップ材料を高誘電率ゲート絶縁膜中で均一に拡散させることができ、よって、図3(b)に示すように閾値電圧Vtのバラツキを防止することができる。   Specifically, if there is an in-plane distribution in the film thickness of the high dielectric constant gate insulating film or the composition of the high dielectric constant gate insulating film in the semiconductor substrate, the cap material is difficult to diffuse uniformly in the high dielectric constant gate insulating film. As a result, a threshold voltage Vt may increase at the peripheral edge of the semiconductor substrate as shown in FIG. 3A (threshold voltage Vt variation). However, when the annealing temperature at the peripheral portion of the semiconductor substrate is made higher than the annealing temperature at the central portion of the semiconductor substrate as in this embodiment, the oxygen concentration in the high dielectric constant gate insulating film is increased only at the peripheral portion of the semiconductor substrate. Therefore, the cap material can be uniformly diffused in the high dielectric constant gate insulating film, and thus variation in the threshold voltage Vt can be prevented as shown in FIG.

続いて、図1(d)に示すように、図1(c)に示すアニール処理において高誘電率ゲート絶縁膜1006中に拡散しなかった余剰のLaO膜1008を除去する(工程(d))。余剰のLaO膜1008を除去する方法としては、どのような方法であっても良いが、例えば塩酸(濃度は例えば37質量%であることが好ましい)を1000倍に希釈した希塩酸(dilute HCl)により10秒間洗浄を行えばよい。塩酸の希釈倍率及び希塩酸による洗浄時間は、それぞれ、余剰のLaO膜1008の膜厚又は図1(c)に示すアニール処理における熱処理時間等に応じて適宜変更すれば良い。   Subsequently, as shown in FIG. 1D, the excess LaO film 1008 that has not diffused into the high dielectric constant gate insulating film 1006 in the annealing process shown in FIG. 1C is removed (step (d)). . Any method may be used to remove the excess LaO film 1008. For example, hydrochloric acid (the concentration is preferably 37% by mass, for example) is diluted with diluted hydrochloric acid (dilute HCl) diluted 1000 times. Washing may be performed for 10 seconds. The dilution ratio of hydrochloric acid and the cleaning time with dilute hydrochloric acid may be appropriately changed according to the film thickness of the excess LaO film 1008 or the heat treatment time in the annealing treatment shown in FIG.

余剰のLaO膜1008を除去した後に第1の高誘電率ゲート絶縁膜1006A中に存在しているLa量は、5atomic%以上30atomic%以下であれば良く、LaO膜の膜厚に換算して0.6nm程度であれば良い。このLa量(第1の高誘電率ゲート絶縁膜1006A中に存在するLa量)は、LaO膜1008の膜厚と図1(c)に示すアニール温度とによって、制御可能である。LaO膜1008の膜厚を厚くし、且つ、図1(c)に示すアニール温度を低温化すると、La量は拡散律速により近くなる。そのため、Laの拡散はLaO膜1008の膜厚分布の影響を受け難く、よって、Laが比較的均一に拡散した分布を実現することが可能となる。   The amount of La existing in the first high dielectric constant gate insulating film 1006A after removing the excess LaO film 1008 may be 5 atomic% or more and 30 atomic% or less, and is 0 in terms of the thickness of the LaO film. About 6 nm is sufficient. This amount of La (the amount of La present in the first high dielectric constant gate insulating film 1006A) can be controlled by the thickness of the LaO film 1008 and the annealing temperature shown in FIG. When the thickness of the LaO film 1008 is increased and the annealing temperature shown in FIG. 1C is lowered, the La amount becomes closer to the diffusion rate. Therefore, the diffusion of La is hardly affected by the film thickness distribution of the LaO film 1008. Therefore, it is possible to realize a distribution in which La is diffused relatively uniformly.

次に、図2(a)に示すように例えばTiNからなる第1の電極膜(金属電極,金属電極膜)1010を第1の高誘電率ゲート絶縁膜1006A上に形成した後(工程(e))、図2(b)に示すように例えばポリシリコンからなる第2の電極膜1012を第1の電極膜1010上に形成する。続いて、第2の電極膜1012中に不純物を注入する。このとき、第2の電極膜1012中に不純物を注入する代わりに、不純物がドープされたポリシリコン膜を堆積してもよい。   Next, as shown in FIG. 2A, a first electrode film (metal electrode, metal electrode film) 1010 made of, for example, TiN is formed on the first high dielectric constant gate insulating film 1006A (step (e) 2), a second electrode film 1012 made of, for example, polysilicon is formed on the first electrode film 1010 as shown in FIG. Subsequently, an impurity is implanted into the second electrode film 1012. At this time, instead of implanting impurities into the second electrode film 1012, a polysilicon film doped with impurities may be deposited.

第1の電極膜1010の材料は、キャップ材料との組み合わせにより適切なeWFが得られれば良く、例えば窒化タンタル(TaN)等であっても良い。また、第2の電極膜1012は、上述のようにメタル挿入ポリシリコン積層構造(MIPS:Metal-inserted Poly-silicon Stack)であっても良いし、フルメタルゲート電極(第2の電極膜1012の材料は金属)であっても良い。また、第2の電極膜1012を設けなくても良い。   The material of the first electrode film 1010 only needs to obtain an appropriate eWF in combination with the cap material, and may be, for example, tantalum nitride (TaN). The second electrode film 1012 may have a metal-inserted polysilicon stack (MIPS) as described above, or a full metal gate electrode (material of the second electrode film 1012). May be a metal). Further, the second electrode film 1012 is not necessarily provided.

次に、図2(c)に示すように、リソグラフィー法及び反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法を用いて、下地膜1005、第1の高誘電率ゲート絶縁膜1006A、第1の電極膜1010及び第2の電極膜1012を選択的にエッチングする。これにより、p型活性領域1003上には、下地膜1005及び第1の高誘電率ゲート絶縁膜1006Aからなるゲート絶縁膜と、第1の電極膜1010及び第2の電極膜1012からなるゲート電極とが順に形成される。   Next, as shown in FIG. 2C, the underlying film 1005, the first high dielectric constant gate insulating film 1006A, and the first film are formed by using a lithography method and a reactive ion etching (RIE) method. The electrode film 1010 and the second electrode film 1012 are selectively etched. Thus, on the p-type active region 1003, a gate insulating film made of the base film 1005 and the first high dielectric constant gate insulating film 1006A, and a gate electrode made of the first electrode film 1010 and the second electrode film 1012. Are formed in order.

次に、p型活性領域1003におけるゲート電極の側方下にn型不純物を注入してn型エクステンション領域1013を形成し、ゲート電極の側面上にサイドウォール1014を形成し、p型活性領域1003におけるサイドウォール1014の外側方下にn型不純物を注入してn型ソースドレイン領域1015を形成し、n型エクステンション領域1013及びn型ソースドレイン領域1015の各領域に注入されたn型不純物を活性化させる。   Next, an n-type impurity is implanted to the side of the gate electrode in the p-type active region 1003 to form an n-type extension region 1013, a sidewall 1014 is formed on the side surface of the gate electrode, and the p-type active region 1003 is formed. An n-type impurity is implanted below the side wall 1014 to form an n-type source / drain region 1015, and the n-type impurity implanted in each of the n-type extension region 1013 and the n-type source / drain region 1015 is activated. Make it.

このとき、図1(c)に示すアニール処理においてLaが下地膜1005と高誘電率ゲート絶縁膜1006との界面まで拡散していれば、n型エクステンション領域1013等に注入されたn型不純物を活性化させるときにLaが更に拡散することを防止できる。よって、半導体装置の閾値電圧Vtが変動することを防止できる。また、過剰のLaが界面酸化膜に達することに因るトランジスタの信頼性低下を防止できる。   At this time, if La is diffused to the interface between the base film 1005 and the high dielectric constant gate insulating film 1006 in the annealing process shown in FIG. 1C, the n-type impurity implanted into the n-type extension region 1013 or the like is removed. When activated, La can be prevented from further diffusing. Therefore, it is possible to prevent the threshold voltage Vt of the semiconductor device from fluctuating. Further, it is possible to prevent a decrease in reliability of the transistor due to excessive La reaching the interface oxide film.

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、キャップ膜の膜厚の均一化又はキャップ膜以外の膜の成膜状態の影響等を回避して半導体装置の閾値電圧Vtを均一化させ安定化させることが可能である。よって、製造された半導体装置では、閾値電圧Vtの均一化且つ安定化を図ることができる。   As described above, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, the threshold voltage Vt of the semiconductor device is set by avoiding the influence of the uniform film thickness of the cap film or the film formation state of the film other than the cap film. It can be made uniform and stabilized. Therefore, in the manufactured semiconductor device, the threshold voltage Vt can be made uniform and stable.

本実施形態では、n型不純物を活性化させてから、第2の電極膜1012の上面及びn型ソースドレイン領域1015の上面をシリサイド化させても良い。   In this embodiment, after the n-type impurity is activated, the upper surface of the second electrode film 1012 and the upper surface of the n-type source / drain region 1015 may be silicided.

(第2の実施形態)
以下に、本発明の第2の実施形態について図面を参照して説明する。図4(a)〜図5(d)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り、図6は本実施形態に係る半導体装置の断面図である。なお、図4(a)〜図6では、図1(a)〜図2(c)に示す部材と同一の部材には、同一の符号を付している。
(Second Embodiment)
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 4A to FIG. 5D are cross-sectional views showing the manufacturing method of the semiconductor device according to this embodiment in the order of steps, and FIG. 6 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to this embodiment. 4A to 6, the same members as those shown in FIGS. 1A to 2C are denoted by the same reference numerals.

図6に示すように、本実施形態の半導体装置は、n−MISFETとp−MISFETとを備えた相補型MIS(CMIS,Complementary Metal Insulator Semiconductor)である。   As shown in FIG. 6, the semiconductor device of this embodiment is a complementary MIS (CMIS, Complementary Metal Insulator Semiconductor) including an n-MISFET and a p-MISFET.

Si基板等の半導体基板1001には、STI(Shallow Trench Isolation)からなる素子分離領域1002により互いに分離されたp型活性領域1003とn型活性領域1004とが形成されている。   A semiconductor substrate 1001 such as a Si substrate is formed with a p-type active region 1003 and an n-type active region 1004 that are separated from each other by an element isolation region 1002 made of STI (Shallow Trench Isolation).

p型活性領域1003の上には、SiO等からなる下地膜1005及び第1の高誘電率ゲート絶縁膜1006Aを有する第1のゲート絶縁膜と、第1のゲート電極(後述)とが順次形成されている。第1のゲート電極の側面上には、サイドウォール1014が形成されている。 On the p-type active region 1003, a first gate insulating film having a base film 1005 made of SiO 2 or the like and a first high dielectric constant gate insulating film 1006A, and a first gate electrode (described later) are sequentially formed. Is formed. A sidewall 1014 is formed on the side surface of the first gate electrode.

p型活性領域1003における第1のゲート電極の側方下には、n型エクステンション領域1013Aが形成され、n型エクステンション領域1013Aの外側方にはn型ソースドレイン領域1015Aが形成されている。   An n-type extension region 1013A is formed below the first gate electrode in the p-type active region 1003, and an n-type source / drain region 1015A is formed outside the n-type extension region 1013A.

n型活性領域1004の上には、SiO等からなる下地膜1005、第2の高誘電率ゲート絶縁膜1006B及びAlO膜(p型MISFET用キャップ膜)1011を有する第2のゲート絶縁膜と、第2のゲート電極(後述)とが順次形成されている。第2のゲート電極の側面上には、サイドウォール1014が形成されている。 On the n-type active region 1004, a second gate insulating film having a base film 1005 made of SiO 2 or the like, a second high dielectric constant gate insulating film 1006B, and an AlO film (p-type MISFET cap film) 1011; A second gate electrode (described later) is sequentially formed. A sidewall 1014 is formed on the side surface of the second gate electrode.

n型活性領域1004における第2のゲート電極の側方下には、p型エクステンション領域1013Bが形成され、p型エクステンション領域1013Bの外側方にはp型ソースドレイン領域1015Bが形成されている。   A p-type extension region 1013B is formed below the second gate electrode in the n-type active region 1004, and a p-type source / drain region 1015B is formed outside the p-type extension region 1013B.

第1のゲート電極は、TiN等からなる第1の電極膜1010と、第1の電極膜1010の上に形成されたポリシリコン等からなる第2の電極膜1012とを有している。第2のゲート電極は、TiN等からなる中間電極膜(電極膜)1007と、中間電極膜1007の上に形成されたTiNからなる第1の電極膜1010と、第1の電極膜1010の上に形成されたポリシリコン膜である第2の電極膜1012とを有している。このように第1のゲート電極は中間電極膜1007を有していないが第2のゲート電極は中間電極膜1007を有しているため、第2のゲート電極の厚みは第1のゲート電極の厚みよりも大きい。   The first gate electrode has a first electrode film 1010 made of TiN or the like, and a second electrode film 1012 made of polysilicon or the like formed on the first electrode film 1010. The second gate electrode includes an intermediate electrode film (electrode film) 1007 made of TiN or the like, a first electrode film 1010 made of TiN formed on the intermediate electrode film 1007, and an upper surface of the first electrode film 1010. And a second electrode film 1012 which is a polysilicon film formed on the substrate. In this manner, the first gate electrode does not have the intermediate electrode film 1007, but the second gate electrode has the intermediate electrode film 1007. Therefore, the thickness of the second gate electrode is the same as that of the first gate electrode. Greater than thickness.

第1の高誘電率ゲート絶縁膜1006Aと第2の高誘電率ゲート絶縁膜1006Bとは、HfSiO又はHfSiON等を含む酸化ハフニウム(HfO)系の高誘電体膜である。第1の高誘電率ゲート絶縁膜1006AはLa(n型MISFET用のキャップ材料,第1の金属)を含んでいるが、第2の高誘電率ゲート絶縁膜1006BはLaを含んでいない又は極微量のLaを含んでいるに過ぎない。   The first high dielectric constant gate insulating film 1006A and the second high dielectric constant gate insulating film 1006B are hafnium oxide (HfO) -based high dielectric films containing HfSiO or HfSiON. The first high dielectric constant gate insulating film 1006A contains La (cap material for n-type MISFET, first metal), but the second high dielectric constant gate insulating film 1006B does not contain La or the pole. It contains only a small amount of La.

以下に、本実施形態に係る半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。   The method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described below with reference to the drawings.

まず、図4(a)に示すように、Si基板等の半導体基板1001に素子分離領域1002により分離されたp型活性領域1003及びn型活性領域1004を形成する。この後、半導体基板1001上の全面に厚さが1nm程度のSiOからなる下地膜1005を形成する。下地膜1005は、酸素ガスを用いたRTO等により形成しても良いし、酸素ガス以外のガス種を用いたRTOにより形成しても良いし、加熱炉を用いた熱酸化により形成しても良い。また、下地膜1005は、SiON膜であっても良いし、ケミカルオキサイド膜等であっても良い。 First, as shown in FIG. 4A, a p-type active region 1003 and an n-type active region 1004 separated by an element isolation region 1002 are formed in a semiconductor substrate 1001 such as a Si substrate. Thereafter, a base film 1005 made of SiO 2 having a thickness of about 1 nm is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1001. The base film 1005 may be formed by RTO using oxygen gas or the like, may be formed by RTO using a gas species other than oxygen gas, or may be formed by thermal oxidation using a heating furnace. good. Further, the base film 1005 may be a SiON film, a chemical oxide film, or the like.

次に、下地膜1005の上に高誘電率ゲート絶縁膜1006を堆積する(工程(a))。ここでは、高誘電率ゲート絶縁膜1006は、Hf/(Hf+Si)組成が60%程度のHfSiO膜を使用しても良いし、HfO膜を使用しても良い。また、高誘電率ゲート絶縁膜1006におけるHf/(Hf+Si)組成は、60%に限定されない。高誘電率ゲート絶縁膜1006の膜厚は、例えば1.7nmであれば良いが、半導体装置の用途又は半導体装置に要求される能力によって変更してもよい。高誘電率ゲート絶縁膜1006は、Hf以外の元素を含む高誘電率膜であっても良く、例えばZr酸化膜、Zr酸窒化膜、Ta酸化膜又はTa酸窒化膜であっても良い。 Next, a high dielectric constant gate insulating film 1006 is deposited on the base film 1005 (step (a)). Here, as the high dielectric constant gate insulating film 1006, an HfSiO film having an Hf / (Hf + Si) composition of about 60% may be used, or an HfO 2 film may be used. Further, the Hf / (Hf + Si) composition in the high dielectric constant gate insulating film 1006 is not limited to 60%. The film thickness of the high dielectric constant gate insulating film 1006 may be 1.7 nm, for example, but may be changed depending on the use of the semiconductor device or the capability required for the semiconductor device. The high dielectric constant gate insulating film 1006 may be a high dielectric constant film containing an element other than Hf, for example, a Zr oxide film, a Zr oxynitride film, a Ta oxide film, or a Ta oxynitride film.

次に、プラズマを用いてHfSiO膜をチッ化処理したあと、焼き締めの為、窒素雰囲気中で1000℃でアニールする。この場合、チッ化は膜中に4atomic%程度の窒素が入る処理であれば良いが、半導体装置の目的又はその用途に応じて窒素濃度を変更しても良い。また、チッ化処理は、電極を堆積する直前に行っても良い。焼き締めの為のアニール温度を800〜1100℃の範囲に変更しても良いし、アニールの処理雰囲気を窒素雰囲気から変更しても良い。   Next, the HfSiO film is nitrided using plasma, and then annealed at 1000 ° C. in a nitrogen atmosphere for baking. In this case, the nitriding may be a process in which about 4 atomic% of nitrogen enters the film, but the nitrogen concentration may be changed according to the purpose or use of the semiconductor device. Further, the nitriding treatment may be performed immediately before the electrode is deposited. The annealing temperature for baking may be changed to a range of 800 to 1100 ° C., and the annealing treatment atmosphere may be changed from a nitrogen atmosphere.

次に、高誘電率ゲート絶縁膜1006の上に、p型MISFET用キャップ膜となるAlO膜1011を堆積する。AlO膜1011の膜厚は、例えば0.7nmであればよく、半導体装置に求められる性能等に応じて変更可能である。   Next, an AlO film 1011 serving as a p-type MISFET cap film is deposited on the high dielectric constant gate insulating film 1006. The film thickness of the AlO film 1011 may be 0.7 nm, for example, and can be changed according to the performance required for the semiconductor device.

次に、AlO膜1011の上に、膜厚が5nm程度のTiN膜からなる中間電極膜(電極膜)1007を形成する(工程(b))。   Next, an intermediate electrode film (electrode film) 1007 made of a TiN film having a thickness of about 5 nm is formed on the AlO film 1011 (step (b)).

次に、図4(b)に示すように、n型活性領域1004の上を覆うレジスト膜1009を形成する。この後、図4(c)に示すように、レジスト膜1009をマスクとして、中間電極膜1007及びAlO膜1011のそれぞれにおけるp型活性領域1003の上に形成された部分を除去する。   Next, as shown in FIG. 4B, a resist film 1009 is formed to cover the n-type active region 1004. Thereafter, as shown in FIG. 4C, using the resist film 1009 as a mask, portions of the intermediate electrode film 1007 and the AlO film 1011 formed on the p-type active region 1003 are removed.

次に、図4(d)に示すように、シンナー洗浄によりレジスト膜1009を除去した後、半導体基板1001上の全面にLaO膜1008を堆積する(工程(c))。LaO膜はPVD法を用いて堆積しても良いし、ALD法又はCVD法を用いて堆積しても良い。この場合LaO膜1008の膜厚は、例えば2nmであれば良いが、半導体装置の用途等に合わせて変更しても良い。   Next, as shown in FIG. 4D, after removing the resist film 1009 by thinner cleaning, a LaO film 1008 is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 1001 (step (c)). The LaO film may be deposited using a PVD method, or may be deposited using an ALD method or a CVD method. In this case, the thickness of the LaO film 1008 may be 2 nm, for example, but may be changed according to the use of the semiconductor device.

次に、図4(e)に示すように、アニール処理をして、LaO膜1008中のLaを高誘電率ゲート絶縁膜1006中に拡散させる(工程(d))。これにより、Laが拡散された高誘電率ゲート絶縁膜(第1の高誘電率ゲート絶縁膜)1006Aが下地膜1005上に形成される。   Next, as shown in FIG. 4E, annealing is performed to diffuse La in the LaO film 1008 into the high dielectric constant gate insulating film 1006 (step (d)). Thus, a high dielectric constant gate insulating film (first high dielectric constant gate insulating film) 1006A in which La is diffused is formed on the base film 1005.

このアニール処理では、Laを下地膜1005と高誘電率ゲート絶縁膜1006との界面まで拡散させることが好ましい。これにより、後工程における熱処理工程(ソースドレイン領域等中の不純物を活性させる工程)において、下地膜1005と高誘電率ゲート絶縁膜1006との界面におけるLaの量が不均一になることを防止できる。例えば、アニール温度は700℃であれば良い。   In this annealing treatment, La is preferably diffused to the interface between the base film 1005 and the high dielectric constant gate insulating film 1006. Accordingly, it is possible to prevent the amount of La at the interface between the base film 1005 and the high dielectric constant gate insulating film 1006 from becoming non-uniform in a heat treatment step (step of activating impurities in the source / drain regions) in a later step. . For example, the annealing temperature may be 700 ° C.

また、このアニール処理では、半導体基板1001の周縁部をアニールするためのヒーター温度を半導体基板1001の中央部をアニールするためのヒーター温度よりも高温、具体的には5〜10℃高温にする。これにより、半導体基板1001の周縁部におけるLaの拡散が促進され、半導体基板1001の周縁部においてLaO膜1008が薄膜化していることに起因するLaの拡散低下を補うことができる。半導体基板1001の周縁部でHfSiOのHf組成が高くなっている場合、電極の組成が変動している場合、又は、電極中の酸素濃度が変化している場合であっても、この手法を用いてeWFを均一化させることができる。詳細は、上記第1の実施形態で説明した通りである。   Further, in this annealing treatment, the heater temperature for annealing the peripheral portion of the semiconductor substrate 1001 is set higher than the heater temperature for annealing the central portion of the semiconductor substrate 1001, specifically 5-10 ° C. higher. Thereby, the diffusion of La in the peripheral portion of the semiconductor substrate 1001 is promoted, and the decrease in La diffusion due to the thin LaO film 1008 in the peripheral portion of the semiconductor substrate 1001 can be compensated. This method is used even when the Hf composition of HfSiO is high at the peripheral edge of the semiconductor substrate 1001, the electrode composition is fluctuating, or the oxygen concentration in the electrode is changing. EWF can be made uniform. The details are as described in the first embodiment.

続いて、図5(a)に示すように、図4(e)に示すアニール処理において高誘電率ゲート絶縁膜1006中に拡散しなかった余剰のLaO膜1008を除去する(工程(e))。余剰のLaO膜1008を除去する方法としては、どのような方法であっても良いが、例えば塩酸(濃度は例えば37質量%であることが好ましい)を1000倍に希釈した希塩酸により10秒間洗浄を行えばよい。塩酸の希釈倍率及び希塩酸による洗浄時間は、それぞれ、余剰のLaO膜1008の膜厚又は図4(e)に示すアニール処理における熱処理時間等に応じて適宜変更すれば良い。   Subsequently, as shown in FIG. 5A, the excess LaO film 1008 that has not diffused into the high dielectric constant gate insulating film 1006 in the annealing process shown in FIG. 4E is removed (step (e)). . Any method may be used to remove the excess LaO film 1008. For example, cleaning is performed for 10 seconds with dilute hydrochloric acid obtained by diluting hydrochloric acid (the concentration is preferably 37% by mass, for example) 1000 times. Just do it. The dilution ratio of hydrochloric acid and the cleaning time with dilute hydrochloric acid may be appropriately changed according to the thickness of the excess LaO film 1008 or the heat treatment time in the annealing process shown in FIG.

余剰のLaO膜1008を除去した後に第1の高誘電率ゲート絶縁膜1006A中に存在しているLa量は、5atomic%以上30atomic%以下であれば良く、LaO膜の膜厚に換算して0.6nm程度であれば良い。このLa量(第1の高誘電率ゲート絶縁膜1006A中に存在するLa量)は、LaO膜1008の膜厚と図4(e)に示すアニール温度とによって、制御可能である。LaO膜1008の膜厚を厚くし、且つ、図4(e)に示すアニール温度を低温化すると、La量は拡散律速により近くなる。そのため、Laの拡散はLaO膜1008の膜厚分布の影響を受け難く、よって、Laが比較的均一に拡散した分布を実現することが可能となる。   The amount of La existing in the first high dielectric constant gate insulating film 1006A after removing the excess LaO film 1008 may be 5 atomic% or more and 30 atomic% or less, and is 0 in terms of the thickness of the LaO film. About 6 nm is sufficient. This amount of La (the amount of La present in the first high dielectric constant gate insulating film 1006A) can be controlled by the film thickness of the LaO film 1008 and the annealing temperature shown in FIG. When the thickness of the LaO film 1008 is increased and the annealing temperature shown in FIG. 4E is lowered, the La amount becomes closer to the diffusion rate. Therefore, the diffusion of La is hardly affected by the film thickness distribution of the LaO film 1008. Therefore, it is possible to realize a distribution in which La is diffused relatively uniformly.

一方、n型活性領域1004の上においては、LaO膜1008中のLaは、図4(e)に示すアニールにより、中間電極膜1007の上部にのみ拡散し、高誘電率ゲート絶縁膜1006及びAlO膜1011には殆ど拡散しない。よって、n型活性領域1004の上には、Laが拡散していない、又は、極微量のLaが拡散しているに過ぎない高誘電率ゲート絶縁膜(第2の高誘電率ゲート絶縁膜)1006Bが形成される。図4(e)に示すアニール処理の温度及び時間は、必要とするeWFの値、高誘電率ゲート絶縁膜1006の組成及び膜厚、又は、AlO膜1011の組成及び膜厚等により、適宜変更すればよい。   On the other hand, on the n-type active region 1004, La in the LaO film 1008 is diffused only above the intermediate electrode film 1007 by the annealing shown in FIG. 4E, and the high dielectric constant gate insulating film 1006 and AlO It hardly diffuses into the film 1011. Therefore, on the n-type active region 1004, La is not diffused or only a very small amount of La is diffused (second dielectric constant gate insulating film). 1006B is formed. The temperature and time of the annealing process shown in FIG. 4E are appropriately changed depending on the required eWF value, the composition and film thickness of the high dielectric constant gate insulating film 1006, the composition and film thickness of the AlO film 1011, and the like. do it.

このようにn型活性領域1004の上では、LaO膜1008中のLaは中間電極膜1007の上部に拡散する。そのため、図5(b)に示すように、中間電極膜1007の上部を除去することが好ましい。中間電極膜1007の上部を除去する方法としては、高誘電率ゲート絶縁膜1006を劣化させることなくキャップ材料が拡散した領域を除去できればどんな方法を用いて行ってもよい。中間電極膜1007がTiN膜であり、第1のキャップ膜1008がLaO膜である場合には、過酸化水素水(H22)を用いて中間電極膜1007の上部を除去しても良いし、硫酸−過酸化水素水(SPM,Sulfuric acid Hydrogen Peroxide Mixture)又はアンモニア−過酸化水素水(APM, ammonium hydroxide -hydrogen peroxide-mixture)等を用いて中間電極膜1007の上部を除去しても良い。 In this way, on the n-type active region 1004, La in the LaO film 1008 diffuses to the upper part of the intermediate electrode film 1007. Therefore, it is preferable to remove the upper part of the intermediate electrode film 1007 as shown in FIG. As a method of removing the upper portion of the intermediate electrode film 1007, any method may be used as long as the region where the cap material is diffused can be removed without deteriorating the high dielectric constant gate insulating film 1006. When the intermediate electrode film 1007 is a TiN film and the first cap film 1008 is a LaO film, the upper portion of the intermediate electrode film 1007 may be removed using hydrogen peroxide water (H 2 O 2 ). Even if the upper portion of the intermediate electrode film 1007 is removed by using sulfuric acid-hydrogen peroxide solution (SPM) or ammonia-hydrogen peroxide-mixture (APM). good.

次に、図5(c)に示すように、半導体基板1001上の全面にTiNからなる第1の電極膜1010及びポリシリコンからなる第2の電極膜1012を順次堆積する(工程(f))。続いて、第2の電極膜1012に不純物を注入する。なお、第2の電極膜1012に不純物を注入する代わりに、不純物をドープしたポリシリコン膜を堆積してもよい。   Next, as shown in FIG. 5C, a first electrode film 1010 made of TiN and a second electrode film 1012 made of polysilicon are sequentially deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 1001 (step (f)). . Subsequently, an impurity is implanted into the second electrode film 1012. Note that a polysilicon film doped with impurities may be deposited instead of implanting impurities into the second electrode film 1012.

次に、図5(d)に示すように、リソグラフィー法及び反応性イオンエッチング(RIE)法を用いて、p型活性領域1003においては下地膜1005、第1の高誘電率ゲート絶縁膜1006A、第1の電極膜1010及び第2の電極膜1012を選択的にエッチングし、n型活性領域1004においては下地膜1005、第2の高誘電率ゲート絶縁膜1006B、AlO膜1011、中間電極膜1007、第1の電極膜1010及び第2の電極膜1012を選択的にエッチングする。これにより、p型活性領域1003の上には、下地膜1005及び第1の高誘電率ゲート絶縁膜1006Aを有する第1のゲート絶縁膜と、TiNからなる第1の電極膜1010及びポリシリコンからなる第2の電極膜1012を有する第1のゲート電極とが形成される。また、n型活性領域1004の上には、下地膜1005、第2の高誘電率ゲート絶縁膜1006B及びAlO膜1011を有する第2のゲート絶縁膜と、TiNからなる中間電極膜1007、TiNからなる第1の電極膜1010及びポリシリコンからなる第2の電極膜1012を有する第2のゲート電極が形成される(工程(g))。   Next, as shown in FIG. 5D, by using a lithography method and a reactive ion etching (RIE) method, in the p-type active region 1003, a base film 1005, a first high dielectric constant gate insulating film 1006A, The first electrode film 1010 and the second electrode film 1012 are selectively etched to form a base film 1005, a second high dielectric constant gate insulating film 1006B, an AlO film 1011, and an intermediate electrode film 1007 in the n-type active region 1004. The first electrode film 1010 and the second electrode film 1012 are selectively etched. Thus, on the p-type active region 1003, the first gate insulating film having the base film 1005 and the first high dielectric constant gate insulating film 1006A, the first electrode film 1010 made of TiN, and the polysilicon are formed. The first gate electrode having the second electrode film 1012 is formed. Further, on the n-type active region 1004, a base film 1005, a second gate insulating film having a second high dielectric constant gate insulating film 1006B and an AlO film 1011, an intermediate electrode film 1007 made of TiN, and TiN A second gate electrode having the first electrode film 1010 and the second electrode film 1012 made of polysilicon is formed (step (g)).

次に、p型活性領域1003における第1のゲート電極の側方下にn型不純物を注入してn型エクステンション領域1013Aを形成し、n型活性領域1004における第2のゲート電極の側方下にp型不純物を注入してp型エクステンション領域1013Bを形成する。その後、第1のゲート電極及び第2のゲート電極の各側面上にサイドウォール1014(図6を参照)を形成する。その後、p型活性領域1003におけるサイドウォール1014の外側方下にn型不純物を注入してn型ソースドレイン領域1015Aを形成し、n型活性領域1004におけるサイドウォール1014の外側方下にp型不純物を注入してp型ソースドレイン領域1015Bを形成する。その後、n型エクステンション領域1013A及びn型ソースドレイン領域1015Aの各領域に注入されたn型不純物を活性化させ、p型エクステンション領域1013B及びp型ソースドレイン領域1015Bの各領域に注入されたp型不純物を活性化させる。これにより、図6に示すように、p型活性領域1003にはn−MISFETが形成され、n型活性領域1004にはp−MISFETが形成される。   Next, an n-type impurity is implanted below the first gate electrode in the p-type active region 1003 to form an n-type extension region 1013A, and the second lower side of the second gate electrode in the n-type active region 1004 is formed. A p-type impurity is implanted to form a p-type extension region 1013B. Thereafter, sidewalls 1014 (see FIG. 6) are formed on the side surfaces of the first gate electrode and the second gate electrode. Thereafter, an n-type impurity is implanted under the sidewall 1014 in the p-type active region 1003 to form an n-type source / drain region 1015A, and a p-type impurity is formed under the sidewall 1014 in the n-type active region 1004. Is implanted to form a p-type source / drain region 1015B. Thereafter, the n-type impurity implanted in each of the n-type extension region 1013A and the n-type source / drain region 1015A is activated, and the p-type implanted in each of the p-type extension region 1013B and the p-type source / drain region 1015B. Activate the impurities. As a result, as shown in FIG. 6, an n-MISFET is formed in the p-type active region 1003, and a p-MISFET is formed in the n-type active region 1004.

このとき、図4(e)に示すアニール処理においてLaが下地膜1005と高誘電率ゲート絶縁膜1006との界面まで拡散していれば、n型エクステンション領域1013等に注入されたn型不純物を活性化させるときにLaが更に拡散することを防止できる。よって、半導体装置の閾値電圧Vtが変動することを防止できる。また、過剰のLaが界面酸化膜に達することに因るトランジスタの信頼性低下を防止できる。   At this time, if La is diffused to the interface between the base film 1005 and the high dielectric constant gate insulating film 1006 in the annealing process shown in FIG. 4E, the n-type impurity implanted into the n-type extension region 1013 or the like is removed. When activated, La can be prevented from further diffusing. Therefore, it is possible to prevent the threshold voltage Vt of the semiconductor device from fluctuating. Further, it is possible to prevent a decrease in reliability of the transistor due to excessive La reaching the interface oxide film.

本実施形態においては、第1のゲート電極及び第2のゲート電極をTiN膜とポリシリコン膜との積層膜としている。この場合、ポリシリコン膜の少なくとも一部をシリサイド化してもよい。これにより、第1のゲート電極及び第2のゲート電極を低抵抗化することができる。また、第2の電極膜1012はポリシリコン膜に代えて他の金属膜を用いてもよく、第2の電極膜1012を設けなくても良い。   In the present embodiment, the first gate electrode and the second gate electrode are stacked films of a TiN film and a polysilicon film. In this case, at least a part of the polysilicon film may be silicided. Thereby, the resistance of the first gate electrode and the second gate electrode can be reduced. The second electrode film 1012 may be replaced with another metal film instead of the polysilicon film, and the second electrode film 1012 may not be provided.

第1の電極膜1010及び中間電極膜1007は、TiN膜に限られないが、Ti又はTaを含む金属膜とすることが好ましく、TaN膜、TaC膜又はTaCN膜等であっても良いし、キャップ材料と組み合わせた際に適切なeWFが得られる材料であれば他の金属材料(Ti及びTa以外の金属)を有する膜であっても良い。   The first electrode film 1010 and the intermediate electrode film 1007 are not limited to TiN films, but are preferably metal films containing Ti or Ta, and may be TaN films, TaC films, TaCN films, or the like. A film having another metal material (metal other than Ti and Ta) may be used as long as an appropriate eWF is obtained when combined with a cap material.

第1の電極膜1010及び中間電極膜1007の各膜厚は、材質及び製造プロセスに応じて適宜変更してかまわない。但し、第1の電極膜1010と中間電極膜1007とを共にTiN膜とする場合、p−MISFETにおいて適切なeWFの値を得るためには第1の電極膜1010と中間電極膜1007との膜厚の和を15nm以上とすることが好ましい。   The thicknesses of the first electrode film 1010 and the intermediate electrode film 1007 may be appropriately changed according to the material and the manufacturing process. However, when both the first electrode film 1010 and the intermediate electrode film 1007 are TiN films, in order to obtain an appropriate eWF value in the p-MISFET, the film of the first electrode film 1010 and the intermediate electrode film 1007 is used. The sum of the thickness is preferably 15 nm or more.

また、p−MISFETの第2の高誘電率ゲート絶縁膜1006Bに、Al等のeWFを上昇させる効果を有するキャップ材料を拡散させても良い。   Further, a cap material having an effect of increasing eWF such as Al may be diffused in the second high dielectric constant gate insulating film 1006B of the p-MISFET.

本実施形態においては、キャップ材料の拡散を行った後、中間電極膜1007の一部を残すことにより、第2のゲート電極が第1の電極膜1010と中間電極膜1007との積層膜を有する構成としている。しかし、キャップ材料の拡散を行った後、中間電極膜1007を完全に除去してもよい。この場合には、n−MISFETとp−MISFETとでゲート電極の高さが揃うため、その後のプロセスが容易になるという利点がある。また、n型活性領域1004において中間電極膜1007を残存させた場合には、中間電極膜1007と第1の電極膜1010との界面に薄い絶縁膜が形成され、その結果、ゲート抵抗が上昇する場合がある。しかし、n型活性領域1004において中間電極膜1007を完全に除去した場合には、ゲート抵抗の上昇が生じることを防止できる。   In this embodiment, after the cap material is diffused, the second gate electrode has a stacked film of the first electrode film 1010 and the intermediate electrode film 1007 by leaving a part of the intermediate electrode film 1007. It is configured. However, the intermediate electrode film 1007 may be completely removed after the cap material is diffused. In this case, the n-MISFET and the p-MISFET have the same height of the gate electrode, so that there is an advantage that the subsequent process becomes easy. Further, when the intermediate electrode film 1007 is left in the n-type active region 1004, a thin insulating film is formed at the interface between the intermediate electrode film 1007 and the first electrode film 1010. As a result, the gate resistance increases. There is a case. However, when the intermediate electrode film 1007 is completely removed in the n-type active region 1004, an increase in gate resistance can be prevented.

第1及び第2の実施形態において、n型MISFET用キャップ膜としてLaO膜を用いる例を示したが、このキャップ膜は、電極のeWFを低下させる効果のある絶縁膜であればよく、酸化ジスプロシウム(DyO)等のランタノイド系元素の酸化物を用いても良いし、酸化スカンジウム(ScO)又は酸化マグネシウム(MgO)等を用いても良い。   In the first and second embodiments, an example in which a LaO film is used as a cap film for an n-type MISFET has been described. However, this cap film may be an insulating film having an effect of reducing the eWF of the electrode, and dysprosium oxide An oxide of a lanthanoid element such as (DyO) may be used, or scandium oxide (ScO) or magnesium oxide (MgO) may be used.

第2の実施形態において、p型MISFET用キャップ膜としてAlO膜を用いる例を示したが、このキャップ膜はTaO膜等であっても良い。   In the second embodiment, the example in which the AlO film is used as the cap film for the p-type MISFET has been described. However, the cap film may be a TaO film or the like.

高誘電率ゲート絶縁膜は、ALD法を用いて形成しても良いし、有機金属気相堆積(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法、化学気相堆積(CVD:Chemical Vapor Deposition)法又は物理気相堆積(PVD:Physical Vapor Deposition)法等を用いて形成してもよい。MOCVD法の場合には、成膜温度及びガス流量比を変えることにより、Hf組成が高い膜とHf組成が低い膜とを容易に形成することができる。また、第1及び第2の実施形態ではプラズマ窒化を行ってHfSiO膜をHfSiON膜とする例を示したが、プラズマ窒化に代えてアンモニア雰囲気におけるアニールを用いてもよい。また、ゲート絶縁膜の誘電率及びゲート絶縁膜のEOT(シリコン酸化膜と静電容量的に等価な厚さ)によっては、HfSiO膜の窒化処理を省略しても良い。 The high dielectric constant gate insulating film may be formed by using an ALD method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a chemical vapor deposition (CVD) method, or a physical method. You may form using vapor phase deposition (PVD: Physical Vapor Deposition) method. In the case of the MOCVD method, a film having a high Hf composition and a film having a low Hf composition can be easily formed by changing the film formation temperature and the gas flow rate ratio. In the first and second embodiments, plasma nitridation is performed to change the HfSiO 2 film into an HfSiON film, but annealing in an ammonia atmosphere may be used instead of plasma nitridation. Further, depending on the dielectric constant of the gate insulating film and the EOT (capacitance equivalent to the silicon oxide film) of the gate insulating film, the nitriding treatment of the HfSiO 2 film may be omitted.

高誘電率ゲート絶縁膜としてHf系の膜を用いる例を示したが、Hfに代えてアルミニウム又はジルコン等を含む膜を用いてもよい。この場合にも高誘電率ゲート絶縁膜の組成を変更すればキャップ材料の拡散性を制御することができる。   Although an example in which an Hf-based film is used as the high dielectric constant gate insulating film is shown, a film containing aluminum, zircon, or the like may be used instead of Hf. Also in this case, the diffusibility of the cap material can be controlled by changing the composition of the high dielectric constant gate insulating film.

第1及び第2の実施形態では、半導体基板において高誘電率ゲート絶縁膜の膜厚又は組成に面内分布がある場合について説明している。しかし、半導体基板において、LaO膜の膜厚に面内分布がある場合、LaO膜中の含有元素の組成比に面内分布がある場合、第1の電極膜の膜厚に面内分布がある場合、又は、第1の電極膜中の含有元素の組成比に面内分布がある場合にも、半導体装置の閾値電圧Vtのバラツキを引き起こす場合がある。そのため、これらの場合であっても、Laを拡散させる際の熱処理温度の分布を変更することが好ましい。   In the first and second embodiments, the case where there is an in-plane distribution in the film thickness or composition of the high dielectric constant gate insulating film in the semiconductor substrate is described. However, in the semiconductor substrate, when the film thickness of the LaO film has an in-plane distribution, when the composition ratio of the contained elements in the LaO film has an in-plane distribution, the film thickness of the first electrode film has an in-plane distribution. In some cases, or even when the composition ratio of the contained elements in the first electrode film has an in-plane distribution, the threshold voltage Vt of the semiconductor device may vary. Therefore, even in these cases, it is preferable to change the distribution of the heat treatment temperature when La is diffused.

本発明に係る半導体装置及びその製造方法によれば、高誘電率ゲート絶縁膜と金属電極とを有する高性能CMOSデバイスを高精度かつ高歩留まりで実現できる。   According to the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, a high-performance CMOS device having a high dielectric constant gate insulating film and a metal electrode can be realized with high accuracy and high yield.

1001 半導体基板
1002 素子分離領域
1003 p型活性領域
1004 n型活性領域
1005 下地膜
1006 高誘電率ゲート絶縁膜
1006A 第1の高誘電率ゲート絶縁膜
1006B 第2の高誘電率ゲート絶縁膜
1007 中間電極膜(電極膜)
1008 LaO膜(第1のキャップ膜)
1010 第1の電極膜(金属電極,金属電極膜)
1011 AlO膜
1012 第2の電極膜
1013 n型エクステンション領域
1013A n型エクステンション領域
1013B p型エクステンション領域
1014 サイドウォール
1015 n型ソースドレイン領域
1015A n型ソースドレイン領域
1015B p型ソースドレイン領域
1001 Semiconductor substrate
1002 Element isolation region
1003 p-type active region
1004 n-type active region
1005 Underlayer film
1006 High dielectric constant gate insulating film
1006A First high dielectric constant gate insulating film
1006B Second high dielectric constant gate insulating film
1007 Intermediate electrode film (electrode film)
1008 LaO film (first cap film)
1010 First electrode film (metal electrode, metal electrode film)
1011 AlO film
1012 Second electrode film
1013 n-type extension region
1013A n-type extension region
1013B p-type extension region
1014 sidewall
1015 n-type source / drain region
1015A n-type source / drain region
1015B p-type source / drain region

Claims (10)

ゲート絶縁膜を半導体基板の上に形成する工程(a)と、
第1の金属を含む第1のキャップ膜を前記ゲート絶縁膜の上に形成する工程(b)と、
熱処理により、前記第1の金属を前記ゲート絶縁膜に拡散させる工程(c)と、
前記工程(c)の後に、前記ゲート絶縁膜に拡散せずに前記ゲート絶縁膜の上に残存した第1のキャップ膜を除去する工程(d)と、
前記第1の金属が拡散したゲート絶縁膜の上に、金属電極を形成する工程(e)とを備えている半導体装置の製造方法。
Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate (a);
A step (b) of forming a first cap film containing a first metal on the gate insulating film;
A step (c) of diffusing the first metal into the gate insulating film by heat treatment;
A step (d) of removing the first cap film remaining on the gate insulating film without diffusing into the gate insulating film after the step (c);
And (e) forming a metal electrode on the gate insulating film in which the first metal has been diffused.
前記ゲート絶縁膜は、ハフニウム、シリコン及び酸素を含んでおり、
前記第1の金属は、ランタンであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
The gate insulating film contains hafnium, silicon and oxygen,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first metal is lanthanum.
前記第1の元素は、ランタン、ジスプロシウム、スカンジウム又はマグネシウムであることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first element is lanthanum, dysprosium, scandium, or magnesium. 熱処理後における前記ゲート絶縁膜中の前記第1の金属は、5atomic%以上30atomic%以下であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1つに記載の半導体装置の製造方法。   4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first metal in the gate insulating film after the heat treatment is 5 atomic% or more and 30 atomic% or less. 5. 前記工程(c)では、前記半導体基板における、前記ゲート絶縁膜の膜厚の面内分布、前記ゲート絶縁膜中の含有元素の組成比の面内分布、前記第1のキャップ膜の膜厚の面内分布、前記第1のキャップ膜中の含有元素の組成比の面内分布、前記金属電極の膜厚の面内分布及び前記金属電極中の含有元素の組成比の面内分布のうちの少なくとも一つの面内分布に応じて、前記半導体基板における熱処理温度の分布を変更することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。   In the step (c), the in-plane distribution of the film thickness of the gate insulating film, the in-plane distribution of the composition ratio of the elements contained in the gate insulating film, and the film thickness of the first cap film in the semiconductor substrate. Of the in-plane distribution, the in-plane distribution of the composition ratio of the contained elements in the first cap film, the in-plane distribution of the film thickness of the metal electrode, and the in-plane distribution of the composition ratio of the contained elements in the metal electrode The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the distribution of the heat treatment temperature in the semiconductor substrate is changed according to at least one in-plane distribution. 前記工程(c)では、前記半導体基板の周縁部におけるアニール温度を、前記半導体基板の前記周縁部以外の部分におけるアニール温度よりも高くすることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。   6. The manufacturing method of a semiconductor device according to claim 5, wherein in the step (c), an annealing temperature at a peripheral portion of the semiconductor substrate is set higher than an annealing temperature at a portion other than the peripheral portion of the semiconductor substrate. Method. 半導体基板における第1の活性領域上に設けられた第1導電型の第1のトランジスタと、素子分離領域により前記第1の活性領域とは分離された前記半導体基板における第2の活性領域上に設けられた第2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、
ゲート絶縁膜を前記半導体基板の上に形成する工程(a)と、
前記ゲート絶縁膜を挟んで電極膜を前記第2の活性領域の上に形成する工程(b)と、
第1の金属を含む第1のキャップ膜を前記半導体基板の上面全体に形成する工程(c)と、
熱処理により、前記第1の金属を前記ゲート絶縁膜のうち前記第1の活性領域の上に形成された部分に拡散させる工程(d)と、
前記ゲート絶縁膜に拡散せずに前記ゲート絶縁膜の上に残存した第1のキャップ膜を除去する工程(e)と、
金属電極膜及びポリシリコン膜を前記半導体基板の上面全体に形成する工程(f)と、
前記ゲート絶縁膜、前記金属電極膜及び前記ポリシリコン膜をエッチングして、前記第1の活性領域の上には、前記第1の金属を含む第1のゲート絶縁膜と、前記金属電極膜及び前記ポリシリコン膜を有する第1のゲート電極とが順に形成され、前記第2の活性領域の上には、第2のゲート絶縁膜と、前記金属電極膜及び前記ポリシリコン膜を有する第2のゲート電極とが順に形成される工程(g)とを備えている半導体装置の製造方法。
A first transistor of a first conductivity type provided on a first active region in a semiconductor substrate and a second active region in the semiconductor substrate separated from the first active region by an element isolation region A method for manufacturing a semiconductor device comprising a second transistor of the second conductivity type provided,
Forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming an electrode film on the second active region across the gate insulating film;
Forming a first cap film containing a first metal on the entire top surface of the semiconductor substrate;
Diffusing the first metal into a portion of the gate insulating film formed on the first active region by heat treatment (d);
Removing the first cap film remaining on the gate insulating film without diffusing into the gate insulating film (e);
Forming a metal electrode film and a polysilicon film over the entire top surface of the semiconductor substrate (f);
The gate insulating film, the metal electrode film, and the polysilicon film are etched to form a first gate insulating film containing the first metal on the first active region, the metal electrode film, and A first gate electrode having the polysilicon film is formed in order, and a second gate insulating film, a second electrode having the metal electrode film and the polysilicon film are formed on the second active region. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a step (g) in which a gate electrode is sequentially formed.
前記工程(d)では、前記第1の金属は、前記電極膜にも拡散する一方、前記ゲート絶縁膜のうち前記第2の活性領域の上に形成された部分に拡散せず、
前記工程(e)では、前記電極膜も除去する請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
In the step (d), the first metal diffuses into the electrode film, but does not diffuse into a portion of the gate insulating film formed on the second active region,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein in the step (e), the electrode film is also removed.
前記工程(d)では、前記半導体基板における、前記ゲート絶縁膜の膜厚の面内分布、前記ゲート絶縁膜中の含有元素の組成比の面内分布、前記第1のキャップ膜の膜厚の面内分布、前記第1のキャップ膜中の含有元素の組成比の面内分布、前記金属電極の膜厚の面内分布及び前記金属電極中の含有元素の組成比の面内分布のうちの少なくとも一つの面内分布に応じて、前記半導体基板における熱処理温度の分布を変更することを特徴とする請求項7又は8に記載の半導体装置の製造方法。   In the step (d), the in-plane distribution of the film thickness of the gate insulating film, the in-plane distribution of the composition ratio of the elements contained in the gate insulating film, and the film thickness of the first cap film in the semiconductor substrate. Of the in-plane distribution, the in-plane distribution of the composition ratio of the contained elements in the first cap film, the in-plane distribution of the film thickness of the metal electrode, and the in-plane distribution of the composition ratio of the contained elements in the metal electrode 9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein the distribution of the heat treatment temperature in the semiconductor substrate is changed according to at least one in-plane distribution. 前記工程(d)では、前記半導体基板の周縁部におけるアニール温度を、前記半導体基板の前記周縁部以外の部分におけるアニール温度よりも高くする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。   10. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein, in the step (d), an annealing temperature at a peripheral portion of the semiconductor substrate is set higher than an annealing temperature at a portion other than the peripheral portion of the semiconductor substrate.
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US10181427B2 (en) 2017-02-06 2019-01-15 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor devices and methods for fabricating the same

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