JP2012169444A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

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Masaaki Tanabe
正明 田邉
Shigenori Hayashi
重徳 林
Kenji Tateiwa
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device which has a transistor having different threshold voltages for different uses, and to provide a manufacturing method of the semiconductor device that prevents the increase of the number of processes.SOLUTION: A semiconductor device 100 includes a first MISFET 150 of a first conductive type which has a first gate insulation film 110a formed on a semiconductor substrate 101, a first gate electrode 109a formed on the first gate insulation film 110a, and a first side wall insulation film 140a formed on a side surface of the first gate insulation film 110a and a side surface of the first gate electrode 109a. A chemical element for inducing positive or negative fixed electric charges in the first gate insulation film 110a is included in at least a part of the first side wall insulation film 140a.

Description

本明細書に記載の技術は、High―kゲート絶縁膜といわゆるメタルゲート電極とを有するMISトランジスタを備えた半導体装置に関する。   The technology described in this specification relates to a semiconductor device including a MIS transistor having a high-k gate insulating film and a so-called metal gate electrode.

半導体装置では、その使用目的に合わせて、例えばコアトランジスタ、I/O(Input/Output;入出力)トランジスタなどいくつかの種類のトランジスタを作り分ける必要がある。   In a semiconductor device, it is necessary to make several types of transistors such as a core transistor and an I / O (Input / Output) transistor according to the purpose of use.

コアトランジスタは高速動作が求められる回路に使用される。高速動作が必要なコアトランジスタでは、ゲート絶縁膜を薄くすることで、トランジスタの容量を増加させ、これにより高い駆動能力を得る。また、ゲート絶縁膜が薄いため、しきい値電圧が低くなる。   Core transistors are used in circuits that require high-speed operation. In a core transistor that requires high-speed operation, the gate insulating film is thinned to increase the capacity of the transistor, thereby obtaining a high driving capability. Further, since the gate insulating film is thin, the threshold voltage is lowered.

一方、I/Oトランジスタは、データの入出力を担当する。I/Oトランジスタではゲート絶縁膜を厚くすることで、トランジスタの耐圧を高める。I/Oトランジスタは、そのゲート絶縁膜が厚いため、しきい値電圧もコアトランジスタに比べると高くなる。   On the other hand, the I / O transistor is in charge of data input / output. In an I / O transistor, the gate insulating film is thickened to increase the withstand voltage of the transistor. Since the gate insulating film of the I / O transistor is thick, the threshold voltage is higher than that of the core transistor.

また、待機時低消費電力(LSTP:Low Standby Power)トランジスタは、待機中の消費電力をできるだけ小さくする必要がある場合に使用される。LSTPトランジスタでは、ゲート絶縁膜の膜厚は、コアトランジスタのゲート絶縁膜とI/Oトランジスタのゲート絶縁膜との間の膜厚とすることが多い。   A low standby power (LSTP) transistor is used when the standby power consumption needs to be as small as possible. In LSTP transistors, the thickness of the gate insulating film is often between the gate insulating film of the core transistor and the gate insulating film of the I / O transistor.

このように、ゲート絶縁膜の膜厚調整としきい値電圧調整をそれぞれの用途のトランジスタごとに行うことで、所望の半導体装置を得ることができる。   Thus, a desired semiconductor device can be obtained by adjusting the thickness of the gate insulating film and adjusting the threshold voltage for each transistor for each application.

ゲート絶縁膜としてシリコン酸窒化膜を用いた場合に、各用途のトランジスタを作り分ける方法が、特許文献1などに開示されている。この方法では、絶縁膜のパターニングを繰り返し行うこと、およびラジカル窒化を組み合わせることにより、各トランジスタのシリコン酸窒化膜の膜厚と含有窒素濃度とを段階的に調整する。窒素濃度の調整によりゲート絶縁膜の誘電率を変えることで、電気的な実効酸化膜厚(EOT:Equivalent Oxide Thickness)を薄膜化することができる。これにより、ゲートリーク電流を減少させ、かつ、駆動能力を向上させることができる。   Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-133707 discloses a method of separately creating transistors for each application when a silicon oxynitride film is used as the gate insulating film. In this method, the thickness of the silicon oxynitride film and the nitrogen concentration in each transistor are adjusted stepwise by repeatedly patterning the insulating film and combining radical nitriding. By changing the dielectric constant of the gate insulating film by adjusting the nitrogen concentration, the electrical effective oxide thickness (EOT: Equivalent Oxide Thickness) can be reduced. As a result, the gate leakage current can be reduced and the driving capability can be improved.

特開2002−368122号公報JP 2002-368122 A

しかしながら上述の方法は、各用途のゲート絶縁膜の形成のために複数回のパターニングを必要としており、工程数をさらに削減する余地がある。   However, the above-described method requires multiple times of patterning for forming a gate insulating film for each application, and there is room for further reduction in the number of steps.

また、High−kゲート絶縁膜及びメタルゲートを採用したトランジスタにおいては、High−kゲート絶縁膜上にメタルゲートの仕事関数を調整できる元素を含むキャップ層を形成し、このキャップ層から仕事関数を調整するための元素をHigh−kゲート絶縁膜とその下の下地シリコン酸化膜の界面まで拡散させることによってしきい値電圧の調整を行う。しきい値電圧の調整はメタルゲート電極材料から、キャップ層、High−kゲート絶縁膜、下地シリコン酸化膜まで含んだ総合的な系で考慮する必要がある。したがって、パターニングを繰り返し行う上述の従来技術を、High−kゲート絶縁膜/メタルゲート系に適用すると、さらに複雑で多数の工程が必要となる。   In a transistor employing a high-k gate insulating film and a metal gate, a cap layer containing an element capable of adjusting the work function of the metal gate is formed on the high-k gate insulating film, and the work function is obtained from the cap layer. The threshold voltage is adjusted by diffusing the element for adjustment up to the interface between the high-k gate insulating film and the underlying silicon oxide film. The adjustment of the threshold voltage needs to be considered in a comprehensive system including the metal gate electrode material, the cap layer, the high-k gate insulating film, and the underlying silicon oxide film. Therefore, when the above-described conventional technique of repeatedly patterning is applied to a high-k gate insulating film / metal gate system, more complicated and many steps are required.

そこで本発明は、工程数の増加を抑えつつ、用途によって異なるしきい値電圧を有するトランジスタを有する半導体装置を形成することを目的とする。   In view of the above, an object of the present invention is to form a semiconductor device having a transistor having a different threshold voltage depending on the application while suppressing an increase in the number of steps.

上記課題を解決するため、本発明の一例に係る半導体装置は、半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成された第1のゲート電極と、前記第1のゲート絶縁膜の側面上及び前記第1のゲート電極の側面上に形成された第1のサイドウォール絶縁膜とを有する第1導電型の第1のMISFETを備え、前記第1のサイドウォール絶縁膜の少なくとも一部には、前記第1のゲート絶縁膜に正または負の固定電荷を誘起するための第1の元素が含まれている。なお、ゲート絶縁膜に固定電荷を誘起するための元素は、ゲート電極の仕事関数を調節するための元素と言い換えることができる。   In order to solve the above problems, a semiconductor device according to an example of the present invention includes a first gate insulating film formed over a semiconductor substrate, and a first gate electrode formed over the first gate insulating film. A first conductivity type first MISFET having a first sidewall insulating film formed on a side surface of the first gate insulating film and on a side surface of the first gate electrode, At least part of the sidewall insulating film contains a first element for inducing positive or negative fixed charges in the first gate insulating film. Note that an element for inducing a fixed charge in the gate insulating film can be restated as an element for adjusting the work function of the gate electrode.

この構成によれば、第1のサイドウォール絶縁膜に正または負の固定電荷を誘起するための第1の元素が含まれていることで、製造時の熱処理によって当該第1の元素を第1のゲート絶縁膜へと拡散させることができる。第1のサイドウォール絶縁膜から拡散された第1の元素の濃度はゲート長が長くなるほど低下するので、ゲート長の長さによってMISFETのしきい値を調節することが可能となる。また、一般的にMISFETはサイドウォールを備えているところ、本願発明の一例に係る半導体装置では、第1のサイドウォールに含まれる第1の元素を第1のゲート絶縁膜中に拡散させることによってしきい値の制御を行うことができるので、工程数の増加を抑えつつしきい値の制御を行うことが可能となる。   According to this configuration, since the first element for inducing positive or negative fixed charges is included in the first sidewall insulating film, the first element is converted into the first element by heat treatment during manufacturing. Can be diffused into the gate insulating film. Since the concentration of the first element diffused from the first sidewall insulating film decreases as the gate length increases, the threshold value of the MISFET can be adjusted by the length of the gate length. In general, the MISFET has a sidewall. In the semiconductor device according to an example of the present invention, the first element contained in the first sidewall is diffused into the first gate insulating film. Since the threshold value can be controlled, the threshold value can be controlled while suppressing an increase in the number of steps.

本発明の一例に係る半導体装置は、前記半導体基板上に形成された第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜上に形成され、前記第1のゲート電極よりもゲート長が短い第2のゲート電極と、前記第2のゲート絶縁膜の側面上及び前記第2のゲート電極の側面上に形成された第2のサイドウォール絶縁膜とを有する第1導電型の第2のMISFETをさらに備えていてもよい。この場合、前記第2のサイドウォール絶縁膜の少なくとも一部には、前記第2のゲート絶縁膜に前記第1の元素と同じ極性の固定電荷を誘起するための第2の元素が含まれていれば、第1のゲート絶縁膜に拡散される第1の元素の濃度と第2のゲート絶縁膜に拡散される第2の元素の濃度とを異なるものとすることができる。よって、第1のMISFETのしきい値と第2のMISFETのしきい値を異なる値にすることができ、それぞれのMISFETを異なる用途などに用いることができる。   A semiconductor device according to an example of the present invention is formed on the second gate insulating film formed on the semiconductor substrate and the second gate insulating film, and has a gate length shorter than that of the first gate electrode. A second MISFET of the first conductivity type having a second gate electrode and a second sidewall insulating film formed on the side surface of the second gate insulating film and on the side surface of the second gate electrode May be further provided. In this case, at least a part of the second sidewall insulating film contains a second element for inducing a fixed charge having the same polarity as the first element in the second gate insulating film. If so, the concentration of the first element diffused into the first gate insulating film and the concentration of the second element diffused into the second gate insulating film can be made different. Therefore, the threshold value of the first MISFET and the threshold value of the second MISFET can be made different, and each MISFET can be used for different applications.

また、本発明に係る半導体装置において、共に前記半導体基板上に形成された第2導電型の第3のMISFET及び第4のMISFETをさらに備え、前記第1の元素は前記第1のゲート絶縁膜中に正の固定電荷を誘起するための元素であり、前記第2の元素は前記第2のゲート絶縁膜中に正の固定電荷を誘起するための元素であり、前記第3のMISFETは、前記半導体基板上に形成された第3のゲート絶縁膜と、前記第3のゲート絶縁膜上に形成された第3のゲート電極と、前記第3のゲート絶縁膜の側面上及び前記第3のゲート電極の側面上に形成され、前記第3のゲート絶縁膜中に負の固定電荷を誘起するための第3の元素を少なくとも一部に含む第3のサイドウォール絶縁膜とを有し、前記第4のMISFETは、前記半導体基板上に形成された第4のゲート絶縁膜と、前記第4のゲート絶縁膜上に形成され、前記第3のゲート電極よりもゲート長が短い第4のゲート電極と、前記第4のゲート絶縁膜の側面上及び前記第4のゲート電極の側面上に形成され、前記第4のゲート絶縁膜中に負の固定電荷を誘起するための第4の元素を少なくとも一部に含む第4のサイドウォール絶縁膜とを有していてもよい。   The semiconductor device according to the present invention further includes a third MISFET and a fourth MISFET of the second conductivity type both formed on the semiconductor substrate, wherein the first element is the first gate insulating film. An element for inducing a positive fixed charge therein, the second element is an element for inducing a positive fixed charge in the second gate insulating film, and the third MISFET has: A third gate insulating film formed on the semiconductor substrate; a third gate electrode formed on the third gate insulating film; a side surface of the third gate insulating film; and the third gate insulating film. A third sidewall insulating film formed on a side surface of the gate electrode and including at least part of a third element for inducing a negative fixed charge in the third gate insulating film, The fourth MISFET has the semiconductor substrate. A fourth gate insulating film formed thereon, a fourth gate electrode formed on the fourth gate insulating film and having a gate length shorter than the third gate electrode; and the fourth gate insulating film A fourth side formed on the side surface of the film and on the side surface of the fourth gate electrode and including at least part of a fourth element for inducing a negative fixed charge in the fourth gate insulating film; You may have a wall insulating film.

本発明の一例に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁膜、第1のゲート電極、及び第1のサイドウォール絶縁膜を有する第1導電型の第1のMISFETを備えた半導体装置の製造方法である。具体的には、前記第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に設けられた前記第1のゲート電極とを形成する工程(a)と、前記第1のゲート絶縁膜の側面上及び前記第1のゲート電極の側面上に、前記第1のゲート絶縁膜に正または負の固定電荷を誘起するための第1の元素を少なくとも一部に含む前記第1のサイドウォール絶縁膜を形成する工程(b)とを備えている。   A method of manufacturing a semiconductor device according to an example of the present invention includes a first conductivity type first having a first gate insulating film, a first gate electrode, and a first sidewall insulating film formed on a semiconductor substrate. This is a method for manufacturing a semiconductor device including the MISFET. Specifically, the step (a) of forming the first gate insulating film and the first gate electrode provided on the first gate insulating film, and the first gate insulating film The first sidewall insulation including at least a part of a first element for inducing positive or negative fixed charges in the first gate insulating film on the side surface and the side surface of the first gate electrode. And (b) forming a film.

この方法によれば、第1のゲート絶縁膜に固定電荷を誘起するための第1の元素を含む第1のサイドウォール絶縁膜を形成しているので、当該第1の元素を第1のゲート絶縁膜に拡散させることで、第1のMISFETのしきい値を調節することができる。この際に、第1のMISFETのゲート長を長くすれば第1のゲート絶縁膜中に拡散する当該元素の濃度が低くなるので、しきい値電圧がゲート長に応じて変動することになる。従って、第1のMISFETのゲート長を調節することで、第1のMISFETのしきい値を用途に応じた適切な値に調節することが可能となる。   According to this method, since the first sidewall insulating film containing the first element for inducing a fixed charge is formed in the first gate insulating film, the first element is transferred to the first gate insulating film. By diffusing into the insulating film, the threshold value of the first MISFET can be adjusted. At this time, if the gate length of the first MISFET is lengthened, the concentration of the element diffused into the first gate insulating film is lowered, so that the threshold voltage varies according to the gate length. Therefore, by adjusting the gate length of the first MISFET, the threshold value of the first MISFET can be adjusted to an appropriate value according to the application.

また、エクステンション領域またはソース/ドレイン領域を形成するためのサイドウォール絶縁膜に含まれる元素を用いてしきい値の調節を行うことができるので、仕事関数調整用の膜をゲート絶縁膜とゲート電極との間に形成する場合に比べて少ない工程でMISFETのしきい値を適切な値に調節することが可能となる。また、上述の方法によれば、MISFETが微細化した場合でもしきい値の制御を行うことが可能となる。   In addition, since the threshold value can be adjusted using an element contained in the sidewall insulating film for forming the extension region or the source / drain region, the work function adjusting film is used as the gate insulating film and the gate electrode. It is possible to adjust the threshold value of the MISFET to an appropriate value with fewer steps than in the case of forming between the two. Further, according to the above-described method, the threshold value can be controlled even when the MISFET is miniaturized.

また、熱処理を行って、前記第1のサイドウォール絶縁膜に含まれる前記第1の元素を前記第1のゲート絶縁膜中に拡散させる工程(c)をさらに備えていれば、第1のMISFETのしきい値の制御を確実に行うことができるので、好ましい。   Further, if the method further includes a step (c) of performing a heat treatment to diffuse the first element contained in the first sidewall insulating film into the first gate insulating film, the first MISFET This is preferable because the threshold value can be reliably controlled.

また、前記半導体装置は、前記半導体基板上に形成された第2のゲート絶縁膜、第2のゲート電極、及び第2のサイドウォール絶縁膜を有する第1導電型の第2のMISFETをさらに有し、前記工程(a)では、前記第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜上に設けられ、前記第1のゲート電極よりもゲート長が短い前記第2のゲート電極とをさらに形成し、前記工程(b)では、前記第2のゲート絶縁膜の側面上及び前記第2のゲート電極の側面上に、前記第2のゲート絶縁膜に正または負の固定電荷を誘起するための第2の元素を少なくとも一部に含む前記第2のサイドウォール絶縁膜をさらに形成し、前記工程(c)では、熱処理によって、前記第2のサイドウォール絶縁膜に含まれる前記第2の元素を前記第2のゲート絶縁膜中に拡散させてもよい。   The semiconductor device further includes a first conductivity type second MISFET having a second gate insulating film, a second gate electrode, and a second sidewall insulating film formed on the semiconductor substrate. In the step (a), the second gate insulating film and the second gate electrode provided on the second gate insulating film and having a gate length shorter than that of the first gate electrode are formed. Further, in the step (b), positive or negative fixed charges are induced on the second gate insulating film on the side surface of the second gate insulating film and on the side surface of the second gate electrode. The second sidewall insulating film containing at least part of the second element for forming the second element is formed, and in the step (c), the second sidewall insulating film contained in the second sidewall insulating film is formed by heat treatment. The second gate isolation element It may be diffused into the film.

この方法によれば、同じ導電型であって相異なるしきい値を有する複数のMISFETを同時に作製することが可能となる。   According to this method, it is possible to simultaneously produce a plurality of MISFETs having the same conductivity type and different threshold values.

前記半導体装置は、前記半導体基板上に形成された第3のゲート絶縁膜、第3のゲート電極、及び第3のサイドウォール絶縁膜を有する第2導電型の第3のMISFETと、前記半導体基板上に形成された第4のゲート絶縁膜、第4のゲート電極、及び第4のサイドウォール絶縁膜を有する第2導電型の第4のMISFETとをさらに有し、前記工程(b)の前、または前記工程(b)の後で且つ前記工程(c)の前に、前記第3のゲート絶縁膜の側面上及び前記第3のゲート電極の側面上に、前記第3のゲート絶縁膜に負の固定電荷を誘起するための元素を少なくとも一部に含む前記第3のサイドウォール絶縁膜を形成するとともに、前記第4のゲート絶縁膜の側面上及び前記第4のゲート電極の側面上に、前記第4のゲート絶縁膜に負の固定電荷を誘起するための元素を少なくとも一部に含む前記第4のサイドウォール絶縁膜を形成する工程(d)をさらに備えていてもよい。この場合、前記工程(a)では、前記第3のゲート絶縁膜と、前記第3のゲート絶縁膜上に設けられた前記第3のゲート電極とをさらに形成するとともに、前記第4のゲート絶縁膜と、前記第4のゲート絶縁膜上に設けられ、前記第3のゲート電極よりもゲート電極が短い前記第4のゲート電極とを形成し、前記工程(c)では、熱処理によって、前記第3のサイドウォール絶縁膜に含まれる固定電荷を誘起するための元素を前記第3のゲート絶縁膜中に拡散させるとともに、前記第4のサイドウォール絶縁膜に含まれる固定電荷を誘起するための元素を前記第4のゲート絶縁膜中に拡散させる。   The semiconductor device includes: a third MISFET of a second conductivity type having a third gate insulating film, a third gate electrode, and a third sidewall insulating film formed on the semiconductor substrate; and the semiconductor substrate A fourth MISFET of the second conductivity type having a fourth gate insulating film, a fourth gate electrode, and a fourth sidewall insulating film formed thereon, before the step (b) Or after the step (b) and before the step (c), on the side surface of the third gate insulating film and the side surface of the third gate electrode; Forming the third sidewall insulating film including at least part of an element for inducing a negative fixed charge on the side surface of the fourth gate insulating film and the side surface of the fourth gate electrode; , Negative in the fourth gate insulating film It may further include a step of forming the fourth side wall insulating film at least partially including an element for inducing a constant charge (d). In this case, in the step (a), the third gate insulating film and the third gate electrode provided on the third gate insulating film are further formed, and the fourth gate insulating film is formed. And a fourth gate electrode provided on the fourth gate insulating film and having a gate electrode shorter than the third gate electrode. In the step (c), the first gate electrode is formed by heat treatment. An element for inducing a fixed charge contained in the third side wall insulating film and an element for inducing a fixed charge contained in the fourth side wall insulating film. Is diffused into the fourth gate insulating film.

この方法により、工程数の増加を抑えつつ、導電型の相異なるMISFETを共通の工程によって作製することができる。また、ゲート長を制御することで、各導電型のMISFETのしきい値を適宜用途に応じた値に調節することができる。   By this method, MISFETs having different conductivity types can be manufactured by a common process while suppressing an increase in the number of processes. Further, by controlling the gate length, the threshold value of each conductivity type MISFET can be appropriately adjusted to a value according to the application.

本発明の一例に係る半導体装置の製造方法によると、工程数の増加を抑えつつ、ゲート長を変化させることで用途ごとに適切なしきい値電圧を有するMISFETを作製することができる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device according to an example of the present invention, it is possible to manufacture a MISFET having an appropriate threshold voltage for each application by changing the gate length while suppressing an increase in the number of steps.

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示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 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示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 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示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 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示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 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示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 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示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the 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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示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 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示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the semiconductor device which concerns on the modification of the 1st Embodiment of this invention.

以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、本明細書において、「High−k膜(あるいは高誘電率膜)」とは、少なくともシリコン窒化物よりも誘電率が大きいHigh−k材料を含む膜のことを指し、「高誘電率材料」とは、少なくともシリコン窒化物よりも誘電率が大きい材料を指すものとする。また、「メタルゲート(電極)」とは、金属又は導電性の金属化合物で構成された電極を有するゲート電極を指すものとする。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this specification, “High-k film (or high dielectric constant film)” refers to a film containing a High-k material having a dielectric constant larger than that of at least silicon nitride. "Means a material having a dielectric constant greater than at least silicon nitride. Further, the “metal gate (electrode)” refers to a gate electrode having an electrode made of a metal or a conductive metal compound.

(第1の実施形態)
−製造方法の説明−
図1〜図13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示す断面図である。
(First embodiment)
-Description of manufacturing method-
1 to 13 are sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

まず、図1に示すように、半導体基板101の上部に素子分離領域102を形成し、さらに半導体基板101の第1の領域10に素子分離領域102に囲まれたp型ウェル領域(第2導電型のウェル領域)103を形成し、半導体基板101の第2の領域11に素子分離領域102に囲まれたn型ウェル領域(第1導電型のウェル領域)104を形成する。次いで、半導体基板101上に下地ゲート絶縁膜105及び高誘電率膜106を順次形成する。ここで、第1の領域10は、半導体基板101のうち、第1導電型(例えばnチャネル型)MISFETを形成するための領域であり、第2の領域11は、半導体基板101のうち、第2導電型(例えばpチャネル型)MISFETを形成するための領域である。   First, as shown in FIG. 1, an element isolation region 102 is formed on an upper portion of a semiconductor substrate 101, and a p-type well region (second conductive region) surrounded by the element isolation region 102 is further formed in the first region 10 of the semiconductor substrate 101. Type well region) 103 is formed, and an n-type well region (first conductivity type well region) 104 surrounded by the element isolation region 102 is formed in the second region 11 of the semiconductor substrate 101. Next, a base gate insulating film 105 and a high dielectric constant film 106 are sequentially formed on the semiconductor substrate 101. Here, the first region 10 is a region for forming a first conductivity type (for example, n-channel type) MISFET in the semiconductor substrate 101, and the second region 11 is the first region in the semiconductor substrate 101. This is a region for forming a two-conductivity type (for example, p-channel type) MISFET.

本工程において、素子分離領域102は、例えば半導体基板101の所定の領域をエッチングしてトレンチを形成した後、chemical vapor deposition(CVD)法によりシリコン酸化物をトレンチ内に埋め込み、余剰のシリコン酸化物をchemical mechanical polishing(CMP)法等により除去することにより素子分離領域102を形成する。   In this step, the element isolation region 102 is formed, for example, by etching a predetermined region of the semiconductor substrate 101 to form a trench, and then embedding silicon oxide in the trench by a chemical vapor deposition (CVD) method. The element isolation region 102 is formed by removing the layer by chemical mechanical polishing (CMP) or the like.

また、p型ウェル領域103は、半導体基板101の第1の領域10にホウ素(B)などのp型不純物イオンを注入することでp型ウェル領域103を形成する。これと同様に、n型ウェル領域104は、半導体基板101の第2の領域11にリン(P)等のn型不純物イオンを注入することでn型ウェル領域104を形成する。   The p-type well region 103 is formed by implanting p-type impurity ions such as boron (B) into the first region 10 of the semiconductor substrate 101. Similarly, the n-type well region 104 is formed by implanting n-type impurity ions such as phosphorus (P) into the second region 11 of the semiconductor substrate 101.

上述の下地ゲート絶縁膜105は、例えばシリコン酸化物で構成されており、熱酸化法やプラズマ酸化法により半導体基板101の上面を酸化すること等により、1.0nm以下の膜厚で形成される。また、高誘電率膜106は、ハフニウム(Hf)酸化物及びジルコニウム(Zr)酸化物の少なくとも一方を含み、atomic layer deposition(ALD)法やCVD法等により下地ゲート絶縁膜105上に形成される。本実施形態では、例えば膜厚が2.0nm以下のHfO膜を高誘電率膜106として形成する。 The above-described base gate insulating film 105 is made of, for example, silicon oxide, and is formed with a film thickness of 1.0 nm or less by oxidizing the upper surface of the semiconductor substrate 101 by a thermal oxidation method or a plasma oxidation method. . The high dielectric constant film 106 includes at least one of hafnium (Hf) oxide and zirconium (Zr) oxide, and is formed on the base gate insulating film 105 by an atomic layer deposition (ALD) method, a CVD method, or the like. . In the present embodiment, for example, an HfO 2 film having a thickness of 2.0 nm or less is formed as the high dielectric constant film 106.

次に、図2に示すように、physical vapor deposition(PVD)法、ALD法またはCVD法等により、高誘電率膜106上にTiN、TaN等の導電性の金属化合物を含む第1ゲート電極膜107と、例えばポリシリコンからなる第2ゲート電極膜108とを順次形成する。   Next, as shown in FIG. 2, a first gate electrode film containing a conductive metal compound such as TiN or TaN on the high dielectric constant film 106 by physical vapor deposition (PVD), ALD, CVD, or the like. 107 and a second gate electrode film 108 made of polysilicon, for example, are sequentially formed.

本実施形態では、例えば、第1ゲート電極膜107として、膜厚が20nm以下のTiN膜を形成する。さらに第2ゲート電極膜108として、第1ゲート電極膜107上に例えば、膜厚が100nm以下のポリシリコン膜を形成する。   In the present embodiment, for example, a TiN film having a thickness of 20 nm or less is formed as the first gate electrode film 107. Further, as the second gate electrode film 108, for example, a polysilicon film having a thickness of 100 nm or less is formed on the first gate electrode film 107.

次に、図3に示すように、第2ゲート電極膜108、第1ゲート電極膜107、高誘電率膜106、及び下地ゲート絶縁膜105で構成される積層構造をフォトリソグラフィ及びエッチング等の公知の方法でパターニングする。これにより、ゲート絶縁膜110a及びその上に形成されたゲート電極109a、ゲート絶縁膜110b及びその上に形成されたゲート電極109bがそれぞれ第1の領域10上に形成され、ゲート絶縁膜110c及びその上に形成されたゲート電極109c、ゲート絶縁膜110d及びその上に形成されたゲート電極109dがそれぞれ第2の領域11上に形成される。すなわち、本工程では、ゲート絶縁膜とゲート電極とを含む、いわゆるゲートスタック構造を形成する。   Next, as shown in FIG. 3, a laminated structure including the second gate electrode film 108, the first gate electrode film 107, the high dielectric constant film 106, and the base gate insulating film 105 is known by photolithography and etching. Patterning is performed by As a result, the gate insulating film 110a, the gate electrode 109a formed thereon, the gate insulating film 110b, and the gate electrode 109b formed thereon are formed on the first region 10, respectively. The gate electrode 109c, the gate insulating film 110d formed thereon, and the gate electrode 109d formed thereon are formed on the second region 11, respectively. That is, in this step, a so-called gate stack structure including a gate insulating film and a gate electrode is formed.

ここで、ゲート絶縁膜110aは下地ゲート絶縁膜105aと高誘電率膜106aとで構成されており、ゲート絶縁膜110bは下地ゲート絶縁膜105bと高誘電率膜106bとで構成されている。ゲート絶縁膜110cは下地ゲート絶縁膜105cと高誘電率膜106cとで構成されており、ゲート絶縁膜110dは下地ゲート絶縁膜105dと高誘電率膜106dとで構成されている。   Here, the gate insulating film 110a is composed of a base gate insulating film 105a and a high dielectric constant film 106a, and the gate insulating film 110b is composed of a base gate insulating film 105b and a high dielectric constant film 106b. The gate insulating film 110c is composed of a base gate insulating film 105c and a high dielectric constant film 106c, and the gate insulating film 110d is composed of a base gate insulating film 105d and a high dielectric constant film 106d.

また、ゲート電極109aは第1ゲート電極膜107aと第2ゲート電極膜108aとで構成されており、ゲート電極109bは第1ゲート電極膜107bと第2ゲート電極膜108bとで構成されている。ゲート電極109cは第1ゲート電極膜107cと第2ゲート電極膜108cとで構成されており、ゲート電極109dは第1ゲート電極膜107dと第2ゲート電極膜108dとで構成されている。下地ゲート絶縁膜105a、105b、105c、105dはシリコン酸化物で構成されていてもよいし、シリコン酸窒化物で構成されていてもよい。   The gate electrode 109a includes a first gate electrode film 107a and a second gate electrode film 108a, and the gate electrode 109b includes a first gate electrode film 107b and a second gate electrode film 108b. The gate electrode 109c is composed of a first gate electrode film 107c and a second gate electrode film 108c, and the gate electrode 109d is composed of a first gate electrode film 107d and a second gate electrode film 108d. The base gate insulating films 105a, 105b, 105c, and 105d may be made of silicon oxide or silicon oxynitride.

ゲート電極109aとゲート電極109bのゲート長(図3に示す左右方向の長さ)は互いに異なっており、ゲート電極109cとゲート電極109dのゲート長も互いに異なっている。本実施形態では、ゲート電極109a及びゲート電極109cのゲート長を100nm以上、好適には例えば400nm、ゲート電極109b及びゲート電極109dのゲート長を100nm未満、好適には例えば40nmとしている。   The gate lengths of the gate electrode 109a and the gate electrode 109b (the length in the left-right direction shown in FIG. 3) are different from each other, and the gate lengths of the gate electrode 109c and the gate electrode 109d are also different from each other. In this embodiment, the gate length of the gate electrode 109a and the gate electrode 109c is 100 nm or more, preferably 400 nm, for example, and the gate length of the gate electrode 109b and the gate electrode 109d is less than 100 nm, preferably 40 nm.

次に、図4に示すように、半導体基板101上及びゲート電極109a、109b、109c、109dの各上面及び各側面上に、PVD法やALD法により、ランタン(La)、スカンジウム(Sc)などの希土類元素及びマグネシウム(Mg)のうちから選ばれた少なくとも1つの仕事関数を調整する元素を含む仕事関数調整膜111を形成する。ここで、仕事関数を調整する元素とは、ゲート絶縁膜110a、110bに正の固定電荷を誘起するための元素を意味する。本実施形態では、例えば膜厚が10nm以下のLa膜を仕事関数調整膜111として形成する。この仕事関数調整膜111は絶縁性を有している。 Next, as shown in FIG. 4, lanthanum (La), scandium (Sc), or the like is formed on the semiconductor substrate 101 and on each upper surface and each side surface of the gate electrodes 109a, 109b, 109c, and 109d by the PVD method or the ALD method. The work function adjusting film 111 containing at least one work function adjusting element selected from rare earth elements and magnesium (Mg) is formed. Here, the element for adjusting the work function means an element for inducing positive fixed charges in the gate insulating films 110a and 110b. In the present embodiment, for example, a La 2 O 3 film having a thickness of 10 nm or less is formed as the work function adjusting film 111. The work function adjusting film 111 has an insulating property.

次に、図5に示すように、仕事関数調整膜111のうち第1の領域10上に形成された部分をレジスト112aで覆った後、図6に示すように、仕事関数調整膜111のうち第2の領域11上に形成された部分をエッチングにより除去し、第1の領域10上に仕事関数調整膜111を残す。   Next, as shown in FIG. 5, after a portion of the work function adjustment film 111 formed on the first region 10 is covered with a resist 112a, as shown in FIG. The portion formed on the second region 11 is removed by etching, and the work function adjusting film 111 is left on the first region 10.

次に、図7に示すように、レジスト112aを除去した後、第1の領域10上に設けられた仕事関数調整膜111上、半導体基板101の第2の領域11上、及びゲート電極109c、109dの各上面及び各側面上に、PVD法やALD法により、Al、Ti、Ta、及びHfのうちから選ばれた少なくとも1つの仕事関数を調整する元素を含む仕事関数調整膜113を形成する。ここで、仕事関数を調整する元素とは、ゲート絶縁膜110c、110dに負の固定電荷を誘起するための元素を意味する。本実施形態では、例えば膜厚が10nmのAl膜を仕事関数調整膜113として形成する。この仕事関数調整膜113は絶縁性を有している。 Next, as shown in FIG. 7, after removing the resist 112a, the work function adjustment film 111 provided on the first region 10, the second region 11 of the semiconductor substrate 101, and the gate electrode 109c, A work function adjusting film 113 containing an element for adjusting at least one work function selected from Al, Ti, Ta, and Hf is formed on each upper surface and each side surface of 109d by PVD method or ALD method. . Here, the element for adjusting the work function means an element for inducing a negative fixed charge in the gate insulating films 110c and 110d. In the present embodiment, for example, an Al 2 O 3 film having a thickness of 10 nm is formed as the work function adjusting film 113. The work function adjusting film 113 has an insulating property.

次に、図8に示すように、仕事関数調整膜113のうち第2の領域11上に形成された部分をレジスト112bで覆った後、図9に示すように、仕事関数調整膜113のうち第1の領域10上に形成された部分をエッチングにより除去し、第2の領域11上に仕事関数調整膜113を残す。その後、レジスト112bを除去する。   Next, as shown in FIG. 8, after a portion of the work function adjustment film 113 formed on the second region 11 is covered with a resist 112b, as shown in FIG. The portion formed on the first region 10 is removed by etching, and the work function adjusting film 113 is left on the second region 11. Thereafter, the resist 112b is removed.

なお、上述の説明では仕事関数調整膜111の形成後に仕事関数調整膜113を形成する例を示したが、仕事関数調整膜113の形成後に仕事関数調整膜111を形成してもよい。   In the above description, the work function adjustment film 113 is formed after the work function adjustment film 111 is formed. However, the work function adjustment film 111 may be formed after the work function adjustment film 113 is formed.

次に、図10に示すように、第1の領域10上の仕事関数調整膜111と、第2の領域11上の仕事関数調整膜113とをそれぞれドライエッチングする。これにより、ゲート絶縁膜110a及びゲート電極109aの側面上にオフセットスペーサ114aを形成し、ゲート絶縁膜110b及びゲート電極109bの側面上にオフセットスペーサ114bを形成する。また、ゲート絶縁膜110c及びゲート電極109cの側面上にオフセットスペーサ115aを形成し、ゲート絶縁膜110d及びゲート電極109dの側面上にL字状の断面を有するオフセットスペーサ115bを形成する。   Next, as shown in FIG. 10, the work function adjusting film 111 on the first region 10 and the work function adjusting film 113 on the second region 11 are dry-etched, respectively. Thus, the offset spacer 114a is formed on the side surfaces of the gate insulating film 110a and the gate electrode 109a, and the offset spacer 114b is formed on the side surfaces of the gate insulating film 110b and the gate electrode 109b. Further, an offset spacer 115a is formed on the side surfaces of the gate insulating film 110c and the gate electrode 109c, and an offset spacer 115b having an L-shaped cross section is formed on the side surfaces of the gate insulating film 110d and the gate electrode 109d.

次に、図11に示すように、第2の領域11上をレジスト112cで覆った後、第1の領域10上のゲート電極109a、109b及びオフセットスペーサ114a、114bをマスクとしてp型ウェル領域103にn型(第1導電型)不純物イオンを注入し、ゲート電極109aの両側にn型のエクステンション領域117aを形成し、ゲート電極109bの両側にn型のエクステンション領域117bを形成する。   Next, as shown in FIG. 11, after the second region 11 is covered with a resist 112c, the p-type well region 103 is formed using the gate electrodes 109a and 109b and the offset spacers 114a and 114b on the first region 10 as a mask. N-type (first conductivity type) impurity ions are implanted to form n-type extension regions 117a on both sides of the gate electrode 109a, and n-type extension regions 117b on both sides of the gate electrode 109b.

続いて、半導体基板101上に絶縁膜を形成した後で当該絶縁膜のエッチングを行うことにより、オフセットスペーサ114aの外側面上にサイドウォールスペーサ116aを形成するとともに、オフセットスペーサ114bの外側面上にサイドウォールスペーサ116bを形成する。そして、ゲート電極109a、109b、オフセットスペーサ114a、114b、及びサイドウォールスペーサ116a、116bをそれぞれマスクとしてp型ウェル領域103にn型不純物イオンの注入を行い、ゲート電極109aの両側方であってエクステンション領域117aの外側領域にソース/ドレイン領域118aを形成する。また、これと同時にゲート電極109bの両側方であってエクステンション領域117bの外側領域にソース/ドレイン領域118bが形成される。なお、図11では、オフセットスペーサ114aとサイドウォールスペーサ116aとを合わせてサイドウォール絶縁膜140aとして示し、オフセットスペーサ114bとサイドウォールスペーサ116bとを合わせてサイドウォール絶縁膜140bとして示している。   Subsequently, after forming an insulating film on the semiconductor substrate 101, the insulating film is etched to form a sidewall spacer 116a on the outer surface of the offset spacer 114a and on the outer surface of the offset spacer 114b. Sidewall spacers 116b are formed. Then, n-type impurity ions are implanted into the p-type well region 103 using the gate electrodes 109a and 109b, the offset spacers 114a and 114b, and the side wall spacers 116a and 116b as masks, and are extended on both sides of the gate electrode 109a. A source / drain region 118a is formed in the outer region of the region 117a. At the same time, source / drain regions 118b are formed on both sides of the gate electrode 109b and outside the extension region 117b. In FIG. 11, the offset spacer 114a and the sidewall spacer 116a are collectively shown as a sidewall insulating film 140a, and the offset spacer 114b and the sidewall spacer 116b are collectively shown as a sidewall insulating film 140b.

次に、図12に示すように、レジスト112cを除去した後、第1の領域10上をレジスト112dで覆う。続いて、第2の領域11上のゲート電極109c、109d及びオフセットスペーサ115a、115bをマスクとしてn型ウェル領域104にp型(第2導電型)不純物イオンを注入し、ゲート電極109cの両側にp型のエクステンション領域117cを形成し、ゲート電極109dの両側にp型のエクステンション領域117dを形成する。   Next, as shown in FIG. 12, after removing the resist 112c, the first region 10 is covered with a resist 112d. Subsequently, p-type (second conductivity type) impurity ions are implanted into the n-type well region 104 using the gate electrodes 109c and 109d and the offset spacers 115a and 115b on the second region 11 as masks, and are formed on both sides of the gate electrode 109c. A p-type extension region 117c is formed, and a p-type extension region 117d is formed on both sides of the gate electrode 109d.

続いて、半導体基板101上に絶縁膜を形成後した後で当該絶縁膜のエッチングを行うことにより、オフセットスペーサ115aの外側面上にサイドウォールスペーサ136aを形成するとともに、オフセットスペーサ115bの外側面上にサイドウォールスペーサ136bを形成する。そして、ゲート電極109c、109d、オフセットスペーサ115a、115b、及びサイドウォールスペーサ136a、136bをそれぞれマスクとしてn型ウェル領域104にp型不純物イオンの注入を行い、ゲート電極109cの両側方であってエクステンション領域117cの外側領域にソース/ドレイン領域118cを形成する。また、これと同時にゲート電極109dの両側方であってエクステンション領域117dの外側領域にソース/ドレイン領域118dを形成する。図12では、オフセットスペーサ115aとサイドウォールスペーサ136aとを合わせてサイドウォール絶縁膜140cとして示し、オフセットスペーサ115bとサイドウォールスペーサ136bとを合わせてサイドウォール絶縁膜140dとして示している。   Subsequently, after an insulating film is formed on the semiconductor substrate 101, the insulating film is etched to form a sidewall spacer 136a on the outer surface of the offset spacer 115a and on the outer surface of the offset spacer 115b. Sidewall spacers 136b are formed on the substrate. Then, p-type impurity ions are implanted into the n-type well region 104 using the gate electrodes 109c and 109d, the offset spacers 115a and 115b, and the side wall spacers 136a and 136b as masks, and the extension is formed on both sides of the gate electrode 109c. A source / drain region 118c is formed in the outer region of the region 117c. At the same time, source / drain regions 118d are formed on both sides of the gate electrode 109d and outside the extension region 117d. In FIG. 12, the offset spacer 115a and the sidewall spacer 136a are collectively shown as a sidewall insulating film 140c, and the offset spacer 115b and the sidewall spacer 136b are collectively shown as a sidewall insulating film 140d.

なお、ここではエクステンション領域117a、117b及びソース/ドレイン領域118a、118bの形成後にエクステンション領域117c、117d及びソース/ドレイン領域118c、118dを形成する例を説明したが、エクステンション領域117c、117d及びソース/ドレイン領域118c、118dの形成後にエクステンション領域117a、117b及びソース/ドレイン領域118a、118bを形成してもよい。   In this example, the extension regions 117c and 117d and the source / drain regions 118c and 118d are formed after the extension regions 117a and 117b and the source / drain regions 118a and 118b are formed. However, the extension regions 117c and 117d and the source / drain regions 118c and 118d The extension regions 117a and 117b and the source / drain regions 118a and 118b may be formed after the formation of the drain regions 118c and 118d.

次に、図13に示すように、レジスト112dを除去する。続いて、1000〜1300℃程度の熱処理を行ってエクステンション領域117a、117b、117c、117d及びソース/ドレイン領域118a、118b、118c、118dに含まれる不純物の活性化を行うとともに、オフセットスペーサ114a、114b、115a、115bに含まれる仕事関数調整用の元素をそれぞれゲート絶縁膜110a、110b、110c、110dの両側方からそれぞれゲート長方向の中央部に向かって拡散させる。これにより、第1の領域10上のnチャネル型MISFET150、152のゲート電極109a、109bの仕事関数と第2の領域上のpチャネル型MISFET154、156のゲート電極109c、109dの仕事関数はそれぞれ変動し、所望の値に調節される。なお、仕事調整用の元素は各ゲート電極中にも拡散するが、ゲート電極中に拡散した元素が仕事関数に与える影響は、ゲート絶縁膜中に拡散した元素が仕事関数に与える影響に比べて小さい。以上の工程によって、本実施形態の半導体装置100を得ることができる。   Next, as shown in FIG. 13, the resist 112d is removed. Subsequently, heat treatment at about 1000 to 1300 ° C. is performed to activate impurities contained in the extension regions 117a, 117b, 117c, and 117d and the source / drain regions 118a, 118b, 118c, and 118d, and offset spacers 114a and 114b. , 115a and 115b are diffused from both sides of the gate insulating films 110a, 110b, 110c, and 110d toward the center in the gate length direction. As a result, the work functions of the gate electrodes 109a and 109b of the n-channel MISFETs 150 and 152 on the first region 10 and the work functions of the gate electrodes 109c and 109d of the p-channel MISFETs 154 and 156 on the second region vary. And adjusted to the desired value. Note that the element for work adjustment diffuses in each gate electrode, but the effect of the element diffused in the gate electrode on the work function is compared to the effect of the element diffused in the gate insulating film on the work function. small. The semiconductor device 100 of this embodiment can be obtained through the above steps.

上記の製造方法によると、ゲート長によって異なるしきい値電圧を持つHigh−kゲート絶縁膜/メタルゲートスタック構造のトランジスタを得ることができる。   According to the above manufacturing method, a transistor having a high-k gate insulating film / metal gate stack structure having different threshold voltages depending on the gate length can be obtained.

これは、以下の理由による。導電型が同じでゲート長が異なるMISFETの場合、それぞれのオフセットスペーサ(例えばオフセットスペーサ114a、114b)の厚みは同一であるのに対し、ゲート絶縁膜(例えばゲート絶縁膜110a、110b)の体積はゲート長が長いMISFETの方が短いMISFETよりも大きい。従って、ゲート長が短いMISFETの方がゲート長が長いMISFETに比べて単位体積当たり多くの仕事関数調整用の元素をゲート絶縁膜に拡散させることができる。   This is due to the following reason. In the case of MISFETs having the same conductivity type and different gate lengths, the thickness of each offset spacer (for example, offset spacers 114a and 114b) is the same, whereas the volume of the gate insulating film (for example, gate insulating films 110a and 110b) is A MISFET with a long gate length is larger than a short MISFET. Therefore, the MISFET having a shorter gate length can diffuse more work function adjusting elements per unit volume into the gate insulating film than the MISFET having a longer gate length.

この結果、nチャネル型MISFET、pチャネル型MISFET共に、ゲート長の短いMISFETでは仕事関数調整用の元素のゲート絶縁膜中の濃度が相対的に高くなるので、しきい値電圧を低めの値にすることができる。一方、ゲート長の長いMISFETでは、仕事関数調整用の元素のゲート絶縁膜中の濃度が相対的に低くなるので、しきい値電圧を高めの値にすることができる。すなわち、本実施形態の製造方法によれば、ゲート長の長さを適宜設定することで、MISFETのしきい値電圧を適切に制御することが可能となる。   As a result, in both the n-channel MISFET and the p-channel MISFET, the concentration of the work function adjusting element in the gate insulating film is relatively high in the MISFET having a short gate length, so that the threshold voltage is lowered. can do. On the other hand, in the MISFET having a long gate length, the concentration of the work function adjusting element in the gate insulating film is relatively low, so that the threshold voltage can be increased. That is, according to the manufacturing method of the present embodiment, the threshold voltage of the MISFET can be appropriately controlled by appropriately setting the length of the gate length.

また、本実施形態の方法では、ゲート絶縁膜の構成及びゲート電極の構成をnチャネル型MISFETとpチャネル型MISFETとで共通にしつつもオフセットスペーサに含まれる仕事関数調整用の元素の種類をMISFETの導電型に応じて変えているので、同一基板上にnチャネル型MISFETとpチャネル型MISFETとを工程数の増加させることなく同時に形成することができる。   Further, in the method of the present embodiment, the type of the work function adjusting element included in the offset spacer is set to MISFET while the configuration of the gate insulating film and the configuration of the gate electrode are common to the n-channel type MISFET and the p-channel type MISFET. Therefore, the n-channel MISFET and the p-channel MISFET can be simultaneously formed on the same substrate without increasing the number of processes.

つまり、図1に示す工程と図2に示す工程との間に仕事関数調整用の膜(キャップ膜)を第1の領域10上及び第2の領域11上にそれぞれ形成する場合に比べて、本実施形態の方法ではエクステンション領域の形成位置を調整するためのオフセットスペーサを仕事関数調整用の元素の供給源として用いるので、MISFETの導電型に応じた適切な仕事関数の調整、及びI/Oトランジスタ、コアトランジスタ等のMISFETの用途に応じた適切な仕事関数の調整を、工程数の増加を抑えつつ実現することができる。また、キャップ膜を形成する工程と、選択的に当該キャップ膜を除去する工程が不要であるため、shallow trench isolation(STI)構造を有する素子分離領域102の膜減りを防ぐことができる。このため、ソース−ドレイン間のリーク電流を低減することができる。さらに、キャップ膜の除去をする必要がないことで、高誘電率膜106a、106b、106c、106dにダメージが生じず、ゲート絶縁膜110a、110b、110c、110dの信頼性の劣化を抑制することができる。   That is, as compared with the case where a work function adjusting film (cap film) is formed on the first region 10 and the second region 11 between the step shown in FIG. 1 and the step shown in FIG. In the method of the present embodiment, an offset spacer for adjusting the formation position of the extension region is used as a work function adjusting element supply source. Therefore, the work function is adjusted appropriately according to the conductivity type of the MISFET, and the I / O is adjusted. Adjustment of an appropriate work function according to the use of MISFET such as a transistor and a core transistor can be realized while suppressing an increase in the number of processes. In addition, since a step of forming a cap film and a step of selectively removing the cap film are not necessary, film loss of the element isolation region 102 having a shallow trench isolation (STI) structure can be prevented. For this reason, the leakage current between the source and the drain can be reduced. Furthermore, since it is not necessary to remove the cap film, the high dielectric constant films 106a, 106b, 106c, and 106d are not damaged, and the deterioration of the reliability of the gate insulating films 110a, 110b, 110c, and 110d is suppressed. Can do.

また、仕事関数調整用の膜を高誘電率膜と第1ゲート電極膜との間に形成する場合、ゲート長が短くなるとLaなどの仕事関数調整用の元素が下地ゲート絶縁膜と高誘電率膜との界面に十分に供給されにくくなり、しきい値電圧の変動量が小さくなってしまう。   Further, when the work function adjusting film is formed between the high dielectric constant film and the first gate electrode film, the work function adjusting element such as La becomes the base gate insulating film and the high dielectric constant when the gate length is shortened. It becomes difficult to be sufficiently supplied to the interface with the film, and the fluctuation amount of the threshold voltage becomes small.

これに対し、本実施形態の方法によれば、ゲート長が短い場合であってもオフセットスペーサからゲート長が長い場合と同じ量の仕事関数調整用の元素を供給することができるので、仕事関数を所望の値に調整し、MISFETのしきい値電圧を所望の値に調節することが可能となる。   On the other hand, according to the method of the present embodiment, even when the gate length is short, the work function adjusting element can be supplied from the offset spacer in the same amount as when the gate length is long. Can be adjusted to a desired value, and the threshold voltage of the MISFET can be adjusted to a desired value.

なお、本実施形態の方法ではオフセットスペーサ114a、114b、115a、115bに仕事関数調整用の元素が含まれているが、これらオフセットスペーサをシリコン窒化物又はシリコン酸化物等で構成し、サイドウォールスペーサ116a、116bにLa、Scなどの希土類元素及びMgのうちから選ばれた少なくとも1つの元素が含まれ、サイドウォールスペーサ136a、136bにAl、Ti、Ta、及びHfのうちから選ばれた少なくとも1つの元素が含まれていてもよい。言い換えれば、MISFETのゲート電極の側面上に形成されたオフセットスペーサを含むサイドウォール絶縁膜のうち、少なくとも一部が仕事関数調整用の元素を含んでいればよい。サイドウォールスペーサ116a、116b、136a、136bに仕事関数調整用の元素が含まれる場合、仕事関数調整用の元素は、熱処理によってオフセットスペーサを介してゲート絶縁膜の中心部へと拡散する。また、オフセットスペーサを設けない場合であっても、ソース/ドレイン領域を形成するためのサイドウォールスペーサに仕事関数調整用の元素を含有させることで、本実施形態の半導体装置と同様の効果を得ることができる。   In the method of this embodiment, the offset spacers 114a, 114b, 115a, and 115b contain work function adjusting elements. These offset spacers are made of silicon nitride, silicon oxide, or the like, and sidewall spacers are used. 116a and 116b include at least one element selected from rare earth elements such as La and Sc and Mg, and the sidewall spacers 136a and 136b include at least one selected from Al, Ti, Ta, and Hf. One element may be included. In other words, it is only necessary that at least a part of the sidewall insulating film including the offset spacer formed on the side surface of the gate electrode of the MISFET includes an element for adjusting the work function. In the case where the side wall spacers 116a, 116b, 136a, and 136b contain work function adjusting elements, the work function adjusting elements diffuse into the central portion of the gate insulating film through the offset spacers by heat treatment. Even when the offset spacer is not provided, the same effect as that of the semiconductor device of this embodiment can be obtained by adding an element for adjusting the work function to the sidewall spacer for forming the source / drain region. be able to.

さらに、オフセットスペーサ114bの薄膜化によりゲート絶縁膜に拡散する元素の量を低減し、しきい値を微調整することができる。第2の領域11上においても同様の理由でゲート長の短いMISFETのオフセットスペーサ115bのみを薄膜化する工程が追加されてもよい。この方法によれば、MISFETのしきい値電圧を、ゲート長だけでなく、オフセットスペーサの膜厚によって制御することが可能となる。   Further, by reducing the thickness of the offset spacer 114b, the amount of elements diffusing into the gate insulating film can be reduced, and the threshold value can be finely adjusted. A step of thinning only the offset spacer 115b of the MISFET having a short gate length may be added on the second region 11 for the same reason. According to this method, the threshold voltage of the MISFET can be controlled not only by the gate length but also by the thickness of the offset spacer.

−半導体装置の説明−
図13に示すように、上述の方法によって作製される本実施形態の半導体装置100は、第1の領域10と、第2の領域11と、第1の領域10の上部に形成されたp型ウェル領域103と、第2の領域11の上部に形成されたn型ウェル領域104と、p型ウェル領域103及びn型ウェル領域104を囲む素子分離領域102とを備えている。
-Description of semiconductor devices-
As shown in FIG. 13, the semiconductor device 100 according to this embodiment manufactured by the above-described method includes a first region 10, a second region 11, and a p-type formed on the first region 10. A well region 103, an n-type well region 104 formed on the second region 11, and an element isolation region 102 surrounding the p-type well region 103 and the n-type well region 104 are provided.

第1の領域10上にはゲート長が相対的に長いnチャネル型MISFET150とゲート長が相対的に短いnチャネル型MISFET152とが設けられており、第2の領域11上にはゲート長が相対的に長いpチャネル型MISFET154とゲート長が相対的に短いpチャネル型MISFET156とが設けられている。なお、図13では各MISFETが隣接して設けられている場合を模式的に示しているが、各MISFETは必ずしもそれぞれが互いに隣接して設けられていなくてもよい。   An n-channel MISFET 150 having a relatively long gate length and an n-channel MISFET 152 having a relatively short gate length are provided on the first region 10, and a gate length is relatively on the second region 11. A long p-channel MISFET 154 and a p-channel MISFET 156 having a relatively short gate length are provided. Although FIG. 13 schematically shows a case where the MISFETs are provided adjacent to each other, the MISFETs do not necessarily have to be provided adjacent to each other.

nチャネル型MISFET150は、p型ウェル領域103上に形成されたゲート絶縁膜110aと、ゲート絶縁膜110a上に設けられたゲート電極109aと、ゲート絶縁膜110a及びゲート電極109aの側面上に設けられ、例えばI字状の断面を有するオフセットスペーサ114aと、オフセットスペーサ114aの外側面上に設けられたサイドウォールスペーサ116aと、p型ウェル領域103の上部に形成されたそれぞれn型のエクステンション領域117a、ソース/ドレイン領域118aとを有している。   The n-channel type MISFET 150 is provided on the gate insulating film 110a formed on the p-type well region 103, the gate electrode 109a provided on the gate insulating film 110a, and the side surfaces of the gate insulating film 110a and the gate electrode 109a. For example, an offset spacer 114a having an I-shaped cross section, a sidewall spacer 116a provided on the outer surface of the offset spacer 114a, and an n-type extension region 117a formed on the p-type well region 103, respectively. Source / drain region 118a.

nチャネル型MISFET152は、p型ウェル領域103上に形成されたゲート絶縁膜110bと、ゲート絶縁膜110b上に設けられ、ゲート電極109aよりもゲート長が短いゲート電極109bと、ゲート絶縁膜110b及びゲート電極109bの側面上に設けられ、例えばI字状の断面を有するオフセットスペーサ114bと、オフセットスペーサ114bの外側面上に設けられたサイドウォールスペーサ116bと、p型ウェル領域103の上部に形成されたそれぞれn型のエクステンション領域117b、ソース/ドレイン領域118bとを有している。   The n-channel MISFET 152 includes a gate insulating film 110b formed on the p-type well region 103, a gate electrode 109b that is provided on the gate insulating film 110b and has a gate length shorter than the gate electrode 109a, a gate insulating film 110b, For example, an offset spacer 114b having an I-shaped cross section, a side wall spacer 116b provided on the outer surface of the offset spacer 114b, and an upper portion of the p-type well region 103 are provided on the side surface of the gate electrode 109b. Each has an n-type extension region 117b and a source / drain region 118b.

pチャネル型MISFET154は、n型ウェル領域104上に形成されたゲート絶縁膜110cと、ゲート絶縁膜110c上に設けられたゲート電極109cと、ゲート絶縁膜110c及びゲート電極109cの側面上に設けられ、例えばI字状の断面を有するオフセットスペーサ115aと、オフセットスペーサ115aの外側面上に設けられたサイドウォールスペーサ136aと、n型ウェル領域104の上部に形成されたそれぞれp型のエクステンション領域117c、ソース/ドレイン領域118cとを有している。   The p-channel MISFET 154 is provided on the gate insulating film 110c formed on the n-type well region 104, the gate electrode 109c provided on the gate insulating film 110c, and the side surfaces of the gate insulating film 110c and the gate electrode 109c. For example, an offset spacer 115a having an I-shaped cross section, a sidewall spacer 136a provided on the outer surface of the offset spacer 115a, and a p-type extension region 117c formed on the n-type well region 104, respectively. Source / drain region 118c.

pチャネル型MISFET156は、n型ウェル領域104上に形成されたゲート絶縁膜110dと、ゲート絶縁膜110d上に設けられたゲート電極109dと、ゲート絶縁膜110d及びゲート電極109dの側面上に設けられ、例えばI字状の断面を有するオフセットスペーサ115bと、オフセットスペーサ115bの外側面上に設けられたサイドウォールスペーサ136bと、n型ウェル領域104の上部に形成されたそれぞれp型のエクステンション領域117d、ソース/ドレイン領域118dとを有している。   The p-channel type MISFET 156 is provided on the gate insulating film 110d formed on the n-type well region 104, the gate electrode 109d provided on the gate insulating film 110d, and the side surfaces of the gate insulating film 110d and the gate electrode 109d. For example, an offset spacer 115b having an I-shaped cross section, a sidewall spacer 136b provided on the outer surface of the offset spacer 115b, and a p-type extension region 117d formed on the n-type well region 104, respectively. Source / drain region 118d.

ゲート絶縁膜110a、110b、110c、110dは、それぞれ下地ゲート絶縁膜と高誘電率膜とを有しており、ゲート電極109a、109b、109c、109dは、それぞれ金属又はTiNやTaNなどの導電性金属からなる第1ゲート電極膜と、ポリシリコン等の導電性シリコンからなる第2ゲート電極膜とを有している。   Each of the gate insulating films 110a, 110b, 110c, and 110d has a base gate insulating film and a high dielectric constant film, and each of the gate electrodes 109a, 109b, 109c, and 109d is a metal or a conductive material such as TiN or TaN. A first gate electrode film made of metal and a second gate electrode film made of conductive silicon such as polysilicon are included.

本実施形態の半導体装置では、nチャネル型MISFET150、152のオフセットスペーサ114a、114bにLa、Scなどの希土類元素及びMgのうちから選ばれた少なくとも1つの元素が含まれており、pチャネル型MISFET154、156のオフセットスペーサ115a、115bにはAl、Ti、Ta、及びHfのうちから選ばれた少なくとも1つの元素が含まれている。例えばLaやScは、ゲート絶縁膜110a、110b(具体的には高誘電率膜106a、106bと下地ゲート絶縁膜105a、105bとの界面近傍)に正の固定電荷を生じさせ、AlやTiはゲート絶縁膜110c、110d(具体的には高誘電率膜106c、106dと下地ゲート絶縁膜105c、105dとの界面近傍)に負の固定電荷を生じさせる。ここでは、オフセットスペーサ114a、114bはそれぞれLaで構成されており、オフセットスペーサ115a、115bはそれぞれAlで構成される。 In the semiconductor device of this embodiment, the offset spacers 114a and 114b of the n-channel type MISFETs 150 and 152 include at least one element selected from rare earth elements such as La and Sc and Mg, and the p-channel type MISFET 154. The 156 offset spacers 115a and 115b contain at least one element selected from Al, Ti, Ta, and Hf. For example, La and Sc cause positive fixed charges in the gate insulating films 110a and 110b (specifically, near the interface between the high dielectric constant films 106a and 106b and the base gate insulating films 105a and 105b). Negative fixed charges are generated in the gate insulating films 110c and 110d (specifically, near the interface between the high dielectric constant films 106c and 106d and the base gate insulating films 105c and 105d). Here, the offset spacers 114a and 114b are each composed of La 2 O 3 , and the offset spacers 115a and 115b are each composed of Al 2 O 3 .

また、ゲート絶縁膜110a、110bは、共にオフセットスペーサ114a、114bに含まれている元素と同じ仕事関数調整用の元素(例えばLa)を含んでいる。このため、ゲート絶縁膜が仕事関数調整用の元素を含まない場合に比べてこれらのゲート絶縁膜を有するMISFETではゲート電極の仕事関数が低減され、しきい値電圧が低くなっている。なお、ゲート絶縁膜110a、110bにおける仕事関数調整用の元素の濃度は、ゲート長方向の両端部で高く、中央部では低くなっている。   The gate insulating films 110a and 110b both contain the same work function adjusting element (for example, La) as the elements contained in the offset spacers 114a and 114b. For this reason, in the MISFET having these gate insulating films, the work function of the gate electrode is reduced and the threshold voltage is lowered as compared with the case where the gate insulating film does not contain an element for adjusting the work function. Note that the concentration of the work function adjusting element in the gate insulating films 110a and 110b is high at both ends in the gate length direction and low at the center.

さらに、ゲート長が短いnチャネル型MISFET152のゲート絶縁膜110bには、ゲート長が長いnチャネル型MISFET150のゲート絶縁膜110aよりも高濃度で上述の仕事関数調整用の元素が含まれている。これにより、ゲート絶縁膜110a、110bの膜厚が同じ場合、nチャネル型MISFET152のしきい値電圧はnチャネル型MISFET150のしきい値電圧よりも低くなっている。   Furthermore, the gate insulating film 110b of the n-channel type MISFET 152 having a short gate length contains the above-described work function adjusting element at a higher concentration than the gate insulating film 110a of the n-channel type MISFET 150 having a long gate length. Thus, when the gate insulating films 110a and 110b have the same film thickness, the threshold voltage of the n-channel type MISFET 152 is lower than the threshold voltage of the n-channel type MISFET 150.

また、ゲート絶縁膜110c、110dは、共にオフセットスペーサ115a、115bに含まれている元素と同じ仕事関数調整用の元素(例えばAl)を含んでいる。このため、ゲート絶縁膜が仕事関数調整用の元素を含まない場合に比べてこれらのMISFETではゲート電極の仕事関数が低減され、しきい値電圧が低くなっている。なお、ゲート絶縁膜110c、110dにおける仕事関数調整用の元素の濃度は、ゲート長方向の両端部で高く、中央部では低くなっている。   The gate insulating films 110c and 110d both contain the same work function adjusting element (for example, Al) as the elements contained in the offset spacers 115a and 115b. For this reason, the work function of the gate electrode is reduced and the threshold voltage is lower in these MISFETs than in the case where the gate insulating film does not contain an element for adjusting the work function. Note that the concentration of the work function adjusting element in the gate insulating films 110c and 110d is high at both ends in the gate length direction and low at the center.

さらに、ゲート長が短いpチャネル型MISFET156のゲート絶縁膜110dには、ゲート長が長いpチャネル型MISFET154のゲート絶縁膜110cよりも高濃度で上述の仕事関数調整用の元素が含まれている。これにより、ゲート絶縁膜110c、110dの膜厚が同じ場合、pチャネル型MISFET156のしきい値電圧はpチャネル型MISFET154のしきい値電圧よりも低くなっている。   Further, the gate insulating film 110d of the p-channel type MISFET 156 having a short gate length contains the above-described work function adjusting element at a higher concentration than the gate insulating film 110c of the p-channel type MISFET 154 having a long gate length. Thus, when the gate insulating films 110c and 110d have the same film thickness, the threshold voltage of the p-channel type MISFET 156 is lower than the threshold voltage of the p-channel type MISFET 154.

このように、本実施形態の半導体装置100では、ゲート長の長さに応じてゲート絶縁膜中の仕事関数調整用元素の濃度が異なっているので、用途に応じてMISFETのしきい値電圧が適切な値に調整されている。また、nチャネル型、pチャネル型の双方について、異なるしきい値電圧を示すMISFETを少ない工程で作製することが可能となる。   As described above, in the semiconductor device 100 according to the present embodiment, the concentration of the work function adjusting element in the gate insulating film varies depending on the length of the gate length, so that the threshold voltage of the MISFET depends on the application. It is adjusted to an appropriate value. In addition, for both the n-channel type and the p-channel type, MISFETs having different threshold voltages can be manufactured with fewer steps.

(第1の実施形態の変形例)
−製造方法の説明−
図14〜図29は、第1の実施形態の変形例に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。本変形例に係る製造方法では、高誘電率膜106の形成後、第1ゲート電極膜107の形成前に仕事関数調整層を形成している点が第1の実施形態に係る方法と異なっている。
(Modification of the first embodiment)
-Description of manufacturing method-
14 to 29 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a modification of the first embodiment. The manufacturing method according to this modification differs from the method according to the first embodiment in that the work function adjustment layer is formed after the formation of the high dielectric constant film 106 and before the formation of the first gate electrode film 107. Yes.

まず、図14に示すように、半導体基板101の上部にSTI法等により素子分離領域102を形成し、さらに半導体基板101の第1の領域10に素子分離領域102に囲まれたp型ウェル領域103を形成し、半導体基板101の第2の領域11に素子分離領域102に囲まれたn型ウェル領域104を形成する。次いで、半導体基板101上に下地ゲート絶縁膜105及び高誘電率膜106を順次形成する。   First, as illustrated in FIG. 14, an element isolation region 102 is formed on the semiconductor substrate 101 by an STI method or the like, and a p-type well region surrounded by the element isolation region 102 in the first region 10 of the semiconductor substrate 101. 103 is formed, and an n-type well region 104 surrounded by the element isolation region 102 is formed in the second region 11 of the semiconductor substrate 101. Next, a base gate insulating film 105 and a high dielectric constant film 106 are sequentially formed on the semiconductor substrate 101.

下地ゲート絶縁膜105は、例えばシリコン酸化物で構成されており、熱酸化法やプラズマ酸化法により半導体基板101の上面を酸化すること等により、1.0nm以下の膜厚で形成される。また、高誘電率膜106は、Hf酸化物及びZr酸化物の少なくとも一方を含み、ALD法やCVD法等により下地ゲート絶縁膜105上に形成される。本変形例では、例えば膜厚が2.0nm以下のHfO膜を高誘電率膜106として形成する。 The base gate insulating film 105 is made of, for example, silicon oxide, and is formed with a film thickness of 1.0 nm or less by oxidizing the upper surface of the semiconductor substrate 101 by a thermal oxidation method or a plasma oxidation method. The high dielectric constant film 106 includes at least one of Hf oxide and Zr oxide, and is formed on the base gate insulating film 105 by an ALD method, a CVD method, or the like. In this modification, for example, an HfO 2 film having a thickness of 2.0 nm or less is formed as the high dielectric constant film 106.

次に、図15に示すように、高誘電率膜106上に、PVD法又はALD法により、Al、Ti、Ta、及びHfのうちから選ばれた少なくとも1つの仕事関数を調整する元素を含む仕事関数調整膜119を形成する。ここでは、仕事関数調整膜119として、例えば膜厚が0.5nm以下のAl膜を形成する。 Next, as shown in FIG. 15, the high dielectric constant film 106 includes an element that adjusts at least one work function selected from Al, Ti, Ta, and Hf by the PVD method or the ALD method. A work function adjusting film 119 is formed. Here, as the work function adjusting film 119, for example, an Al 2 O 3 film having a film thickness of 0.5 nm or less is formed.

次いで、図16に示すように、仕事関数調整膜119のうち、第1の領域10上に設けられた部分をエッチングにより除去する。これにより、第2の領域11上に仕事関数調整膜119を残す。   Next, as shown in FIG. 16, a portion of the work function adjusting film 119 provided on the first region 10 is removed by etching. As a result, the work function adjusting film 119 is left on the second region 11.

次に、図17に示すように、高誘電率膜106上及び仕事関数調整膜119上に、La、Scなどの希土類元素及びMgのうちから選ばれた少なくとも1つの仕事関数を調整する元素が含まれた仕事関数調整膜120を形成する。ここでは、仕事関数調整膜120として、例えば膜厚が0.5nm以下のLa膜を形成する。その後、仕事関数調整膜120のうち第2の領域11上に形成された部分をエッチングにより除去する。これにより、第1の領域10上に仕事関数調整膜120を残す。なお、ここでは仕事関数調整膜120を仕事関数調整膜119より後に形成する方法を説明したが、仕事関数調整膜120を仕事関数調整膜119より前に形成してもよい。 Next, as shown in FIG. 17, an element that adjusts at least one work function selected from rare earth elements such as La and Sc and Mg is formed on the high dielectric constant film 106 and the work function adjusting film 119. The included work function adjustment film 120 is formed. Here, as the work function adjusting film 120, for example, a La 2 O 3 film having a film thickness of 0.5 nm or less is formed. Thereafter, a portion of the work function adjusting film 120 formed on the second region 11 is removed by etching. As a result, the work function adjusting film 120 is left on the first region 10. Although the method of forming the work function adjusting film 120 after the work function adjusting film 119 has been described here, the work function adjusting film 120 may be formed before the work function adjusting film 119.

次に、図18に示すように、PVD法、ALD法またはCVD法等により、仕事関数調整膜119上及び仕事関数調整膜120上にTiN、TaN等の導電性の金属化合物を含む第1ゲート電極膜107と、例えばポリシリコンからなる第2ゲート電極膜108とを順次形成する。   Next, as shown in FIG. 18, the first gate containing a conductive metal compound such as TiN or TaN on the work function adjusting film 119 and the work function adjusting film 120 by the PVD method, the ALD method, the CVD method, or the like. An electrode film 107 and a second gate electrode film 108 made of, for example, polysilicon are sequentially formed.

本変形例では、例えば、第1ゲート電極膜107として、膜厚が20nm以下のTiN膜を形成する。さらに第2ゲート電極膜108として、第1ゲート電極膜107上に例えば、膜厚が100nm以下のポリシリコン膜を形成する。   In this modification, for example, a TiN film having a thickness of 20 nm or less is formed as the first gate electrode film 107. Further, as the second gate electrode film 108, for example, a polysilicon film having a thickness of 100 nm or less is formed on the first gate electrode film 107.

次に、図19に示すように、第2ゲート電極膜108、第1ゲート電極膜107、仕事関数調整膜119、120、高誘電率膜106、及び下地ゲート絶縁膜105で構成された積層構造をフォトリソグラフィ及びエッチング等の公知の方法でパターニングする。これにより、ゲート絶縁膜110a、仕事関数調整膜120a、及びゲート電極109aで構成された積層構造、ゲート絶縁膜110b、仕事関数調整膜120b、及びゲート電極109bで構成された積層構造が、それぞれ第1の領域10上に形成される。また、ゲート絶縁膜110c、仕事関数調整膜119a、及びゲート電極109cで構成された積層構造、ゲート絶縁膜110d、仕事関数調整膜119b、及びゲート電極109dで構成された積層構造が、それぞれ第2の領域11上に形成される。すなわち、いわゆるゲートスタック構造が形成される。   Next, as shown in FIG. 19, a stacked structure including the second gate electrode film 108, the first gate electrode film 107, the work function adjusting films 119 and 120, the high dielectric constant film 106, and the base gate insulating film 105. Is patterned by a known method such as photolithography and etching. As a result, the stacked structure constituted by the gate insulating film 110a, the work function adjusting film 120a, and the gate electrode 109a, and the laminated structure constituted by the gate insulating film 110b, the work function adjusting film 120b, and the gate electrode 109b are respectively provided. 1 region 10 is formed. In addition, a stacked structure including the gate insulating film 110c, the work function adjusting film 119a, and the gate electrode 109c, and a stacked structure including the gate insulating film 110d, the work function adjusting film 119b, and the gate electrode 109d are respectively provided in the second structure. Is formed on the region 11. That is, a so-called gate stack structure is formed.

ここで、ゲート絶縁膜110aは下地ゲート絶縁膜105aと高誘電率膜106aとで構成されており、ゲート絶縁膜110bは下地ゲート絶縁膜105bと高誘電率膜106bとで構成されている。ゲート絶縁膜110cは下地ゲート絶縁膜105cと高誘電率膜106cとで構成されており、ゲート絶縁膜110dは下地ゲート絶縁膜105dと高誘電率膜106dとで構成されている。   Here, the gate insulating film 110a is composed of a base gate insulating film 105a and a high dielectric constant film 106a, and the gate insulating film 110b is composed of a base gate insulating film 105b and a high dielectric constant film 106b. The gate insulating film 110c is composed of a base gate insulating film 105c and a high dielectric constant film 106c, and the gate insulating film 110d is composed of a base gate insulating film 105d and a high dielectric constant film 106d.

また、ゲート電極109aは第1ゲート電極膜107aと第2ゲート電極膜108aとで構成されており、ゲート電極109bは第1ゲート電極膜107bと第2ゲート電極膜108bとで構成されている。ゲート電極109cは第1ゲート電極膜107cと第2ゲート電極膜108cとで構成されており、ゲート電極109dは第1ゲート電極膜107dと第2ゲート電極膜108dとで構成されている。   The gate electrode 109a includes a first gate electrode film 107a and a second gate electrode film 108a, and the gate electrode 109b includes a first gate electrode film 107b and a second gate electrode film 108b. The gate electrode 109c is composed of a first gate electrode film 107c and a second gate electrode film 108c, and the gate electrode 109d is composed of a first gate electrode film 107d and a second gate electrode film 108d.

ゲート電極109aとゲート電極109bのゲート長(図3に示す左右方向の長さ)は互いに異なっており、ゲート電極109cとゲート電極109dのゲート長も互いに異なっている。本変形例では、ゲート電極109a及びゲート電極109cのゲート長を例えば45nm、ゲート電極109b及びゲート電極109dのゲート長を例えば30nmとしている。   The gate lengths of the gate electrode 109a and the gate electrode 109b (the length in the left-right direction shown in FIG. 3) are different from each other, and the gate lengths of the gate electrode 109c and the gate electrode 109d are also different from each other. In this modification, the gate length of the gate electrode 109a and the gate electrode 109c is 45 nm, for example, and the gate length of the gate electrode 109b and the gate electrode 109d is 30 nm, for example.

次に、図20に示すように、半導体基板101上及びゲート電極109a、109b、109c、109dの各上面及び各側面上に、PVD法やALD法により、La、Scなどの希土類元素及びMgのうちから選ばれた少なくとも1つの仕事関数を調整する元素を含む仕事関数調整膜111を形成する。本変形例では、例えば膜厚が10nm以下のLa膜を仕事関数調整膜111として形成する。この仕事関数調整膜111は絶縁性を有している。なお、仕事関数調整膜111は、図17に示す工程で形成された仕事関数調整膜120と同じ材料で構成されていてもよいが、異なる材料で構成されていてもよい。 Next, as shown in FIG. 20, rare earth elements such as La and Sc and Mg are formed on the semiconductor substrate 101 and on the upper surfaces and side surfaces of the gate electrodes 109a, 109b, 109c, and 109d by the PVD method or the ALD method. A work function adjusting film 111 containing an element for adjusting at least one work function selected from among them is formed. In this modification, for example, a La 2 O 3 film having a film thickness of 10 nm or less is formed as the work function adjusting film 111. The work function adjusting film 111 has an insulating property. The work function adjusting film 111 may be made of the same material as the work function adjusting film 120 formed in the step shown in FIG. 17, but may be made of a different material.

次に、図21に示すように、仕事関数調整膜111のうち第1の領域10上に形成された部分をレジスト112eで覆った後、図22に示すように、仕事関数調整膜111のうち第2の領域11上に形成された部分をエッチングにより除去し、第1の領域10上に仕事関数調整膜111を残す。   Next, as shown in FIG. 21, after a portion of the work function adjusting film 111 formed on the first region 10 is covered with a resist 112e, as shown in FIG. The portion formed on the second region 11 is removed by etching, and the work function adjusting film 111 is left on the first region 10.

次に、図23に示すように、レジスト112eを除去した後、第1の領域10上に設けられた仕事関数調整膜111上、半導体基板101の第2の領域11上、及びゲート電極109c、109dの各上面及び各側面上に、PVD法やALD法により、Al、Ti、Ta、及びHfのうちから選ばれた少なくとも1つの仕事関数を調整する元素を含む仕事関数調整膜113を形成する。本変形例では、例えば膜厚が10nmのAl膜を仕事関数調整膜113として形成する。この仕事関数調整膜113は絶縁性を有している。なお、仕事関数調整膜113は、図15、16に示す工程で形成された仕事関数調整膜119と同じ材料で構成されていてもよいが、異なる材料で構成されていてもよい。 Next, as shown in FIG. 23, after removing the resist 112e, the work function adjustment film 111 provided on the first region 10, the second region 11 of the semiconductor substrate 101, and the gate electrode 109c, A work function adjusting film 113 containing an element for adjusting at least one work function selected from Al, Ti, Ta, and Hf is formed on each upper surface and each side surface of 109d by PVD method or ALD method. . In this modification, for example, an Al 2 O 3 film having a thickness of 10 nm is formed as the work function adjusting film 113. The work function adjusting film 113 has an insulating property. The work function adjusting film 113 may be made of the same material as the work function adjusting film 119 formed in the steps shown in FIGS. 15 and 16, but may be made of a different material.

次に、図24に示すように、仕事関数調整膜113のうち第2の領域11上に形成された部分をレジスト112fで覆った後、図25に示すように、仕事関数調整膜113のうち第1の領域10上に形成された部分をエッチングにより除去し、第2の領域11上に仕事関数調整膜113を残す。その後、レジスト112fを除去する。なお、上述の説明では仕事関数調整膜111の形成後に仕事関数調整膜113を形成する例を示したが、仕事関数調整膜113の形成後に仕事関数調整膜111を形成してもよい。   Next, as shown in FIG. 24, after a portion of the work function adjustment film 113 formed on the second region 11 is covered with a resist 112f, as shown in FIG. The portion formed on the first region 10 is removed by etching, and the work function adjusting film 113 is left on the second region 11. Thereafter, the resist 112f is removed. In the above description, the work function adjustment film 113 is formed after the work function adjustment film 111 is formed. However, the work function adjustment film 111 may be formed after the work function adjustment film 113 is formed.

次に、図26に示すように、第1の領域10上の仕事関数調整膜111と、第2の領域11上の仕事関数調整膜113とをそれぞれエッチングする。これにより、ゲート絶縁膜110a、仕事関数調整膜120a、及びゲート電極109aの側面上にオフセットスペーサ114aを形成し、ゲート絶縁膜110b、仕事関数調整膜120b、及びゲート電極109bの側面上にオフセットスペーサ114bを形成する。また、ゲート絶縁膜110c、仕事関数調整膜119a、及びゲート電極109cの側面上にオフセットスペーサ115aを形成し、ゲート絶縁膜110d、仕事関数調整膜119b、及びゲート電極109dの側面上にオフセットスペーサ115bを形成する。   Next, as shown in FIG. 26, the work function adjusting film 111 on the first region 10 and the work function adjusting film 113 on the second region 11 are etched. Thus, the offset spacer 114a is formed on the side surfaces of the gate insulating film 110a, the work function adjusting film 120a, and the gate electrode 109a, and the offset spacer is formed on the side surfaces of the gate insulating film 110b, the work function adjusting film 120b, and the gate electrode 109b. 114b is formed. Further, an offset spacer 115a is formed on the side surfaces of the gate insulating film 110c, the work function adjusting film 119a, and the gate electrode 109c, and the offset spacer 115b is formed on the side surfaces of the gate insulating film 110d, the work function adjusting film 119b, and the gate electrode 109d. Form.

次に、図27に示すように、第2の領域11上をレジスト112gで覆った後、第1の領域10上のゲート電極109a、109b及びオフセットスペーサ114a、114bをマスクとしてp型ウェル領域103にn型不純物イオンを注入し、ゲート電極109aの両側にn型のエクステンション領域117aを形成し、ゲート電極109bの両側にn型のエクステンション領域117bを形成する。   Next, as shown in FIG. 27, after the second region 11 is covered with a resist 112g, the p-type well region 103 is formed using the gate electrodes 109a and 109b and the offset spacers 114a and 114b on the first region 10 as a mask. Then, n-type impurity ions are implanted to form n-type extension regions 117a on both sides of the gate electrode 109a, and n-type extension regions 117b on both sides of the gate electrode 109b.

続いて、半導体基板101上に絶縁膜を形成した後で当該絶縁膜のエッチングを行うことにより、オフセットスペーサ114aの外側面上にサイドウォールスペーサ116aを形成するとともに、オフセットスペーサ114bの外側面上にサイドウォールスペーサ116bを形成する。そして、ゲート電極109a、109b、オフセットスペーサ114a、114b、及びサイドウォールスペーサ116a、116bをそれぞれマスクとしてp型ウェル領域103にn型不純物イオンの注入を行い、ゲート電極109aの両側方であってエクステンション領域117aの外側領域にソース/ドレイン領域118aを形成する。また、これと同時にゲート電極109bの両側方であってエクステンション領域117bの外側領域にソース/ドレイン領域118bが形成される。なお、図27では、オフセットスペーサ114aとサイドウォールスペーサ116aとを合わせてサイドウォール絶縁膜140aとして示し、オフセットスペーサ114bとサイドウォールスペーサ116bとを合わせてサイドウォール絶縁膜140bとして示している。   Subsequently, after forming an insulating film on the semiconductor substrate 101, the insulating film is etched to form a sidewall spacer 116a on the outer surface of the offset spacer 114a and on the outer surface of the offset spacer 114b. Sidewall spacers 116b are formed. Then, n-type impurity ions are implanted into the p-type well region 103 using the gate electrodes 109a and 109b, the offset spacers 114a and 114b, and the side wall spacers 116a and 116b as masks, and are extended on both sides of the gate electrode 109a. A source / drain region 118a is formed in the outer region of the region 117a. At the same time, source / drain regions 118b are formed on both sides of the gate electrode 109b and outside the extension region 117b. In FIG. 27, the offset spacer 114a and the sidewall spacer 116a are collectively shown as a sidewall insulating film 140a, and the offset spacer 114b and the sidewall spacer 116b are collectively shown as a sidewall insulating film 140b.

次に、図28に示すように、レジスト112gを除去した後、第1の領域10上をレジスト112hで覆う。続いて、第2の領域11上のゲート電極109c、109d及びオフセットスペーサ115a、115bをマスクとしてn型ウェル領域104にp型不純物イオンを注入し、ゲート電極109cの両側にp型のエクステンション領域117cを形成し、ゲート電極109dの両側にp型のエクステンション領域117dを形成する。   Next, as shown in FIG. 28, after removing the resist 112g, the first region 10 is covered with a resist 112h. Subsequently, p-type impurity ions are implanted into the n-type well region 104 using the gate electrodes 109c and 109d and the offset spacers 115a and 115b on the second region 11 as a mask, and p-type extension regions 117c are formed on both sides of the gate electrode 109c. And p-type extension regions 117d are formed on both sides of the gate electrode 109d.

続いて、半導体基板101上に絶縁膜を形成後した後で当該絶縁膜のエッチングを行うことにより、オフセットスペーサ115aの外側面上にサイドウォールスペーサ136aを形成するとともに、オフセットスペーサ115bの外側面上にサイドウォールスペーサ136bを形成する。そして、ゲート電極109c、109d、オフセットスペーサ115a、115b、及びサイドウォールスペーサ136a、136bをそれぞれマスクとしてn型ウェル領域104にp型不純物イオンの注入を行い、ゲート電極109cの両側方であってエクステンション領域117cの外側領域にソース/ドレイン領域118cを形成する。また、これと同時にゲート電極109dの両側方であってエクステンション領域117dの外側領域にソース/ドレイン領域118dが形成される。なお、図28では、オフセットスペーサ115aとサイドウォールスペーサ136aとを合わせてサイドウォール絶縁膜140cとして示し、オフセットスペーサ115bとサイドウォールスペーサ136bとを合わせてサイドウォール絶縁膜140dとして示している。   Subsequently, after an insulating film is formed on the semiconductor substrate 101, the insulating film is etched to form a sidewall spacer 136a on the outer surface of the offset spacer 115a and on the outer surface of the offset spacer 115b. Sidewall spacers 136b are formed on the substrate. Then, p-type impurity ions are implanted into the n-type well region 104 using the gate electrodes 109c and 109d, the offset spacers 115a and 115b, and the side wall spacers 136a and 136b as masks, and the extension is formed on both sides of the gate electrode 109c. A source / drain region 118c is formed in the outer region of the region 117c. At the same time, source / drain regions 118d are formed on both sides of the gate electrode 109d and outside the extension region 117d. In FIG. 28, the offset spacer 115a and the sidewall spacer 136a are collectively shown as a sidewall insulating film 140c, and the offset spacer 115b and the sidewall spacer 136b are collectively shown as a sidewall insulating film 140d.

次に、図29に示すように、1000〜1300℃程度の熱処理を行ってエクステンション領域117a、117b、117c、117d及びソース/ドレイン領域118a、118b、118c、118dに含まれる不純物の活性化を行うとともに、オフセットスペーサ114a、114b、115a、115bに含まれる仕事関数調整用の元素をそれぞれゲート絶縁膜110a、110b、110c、110dの両側方からそれぞれゲート長方向の中央部に向かって拡散させる。   Next, as shown in FIG. 29, heat treatment at about 1000 to 1300 ° C. is performed to activate impurities contained in the extension regions 117a, 117b, 117c, and 117d and the source / drain regions 118a, 118b, 118c, and 118d. At the same time, the work function adjusting elements contained in the offset spacers 114a, 114b, 115a, and 115b are diffused from both sides of the gate insulating films 110a, 110b, 110c, and 110d toward the center in the gate length direction.

このとき、第1の領域10上の非常に薄い仕事関数調整膜120a、120bは、それぞれ高誘電率膜106a、106bとそれぞれ混ざり合って仕事関数調整用の元素を含む絶縁膜106A、106Bとなる。これと同時に、第2の領域11上の非常に薄い仕事関数調整膜119a、119bは、それぞれ高誘電率膜106c、106dとそれぞれ混ざり合って仕事関数調整用の元素を含む絶縁膜106C、106Dとなる。以上の工程を経て、本変形例の半導体装置200を得ることができる。   At this time, the very thin work function adjusting films 120a and 120b on the first region 10 are mixed with the high dielectric constant films 106a and 106b, respectively, and become insulating films 106A and 106B containing work function adjusting elements. . At the same time, the very thin work function adjusting films 119a and 119b on the second region 11 are mixed with the high dielectric constant films 106c and 106d, respectively, and the insulating films 106C and 106D containing elements for adjusting the work function, Become. Through the above steps, the semiconductor device 200 of the present modification can be obtained.

上記の製造方法によると、ゲート長によって異なるしきい値電圧を持つHigh−kゲート絶縁膜/メタルゲートスタック構造のMISFETを得ることができる。   According to the above manufacturing method, it is possible to obtain a MISFET having a high-k gate insulating film / metal gate stack structure having different threshold voltages depending on the gate length.

導電型が同じでゲート長が異なるMISFETの場合、それぞれのオフセットスペーサ(例えばオフセットスペーサ114a、114b)の厚みは同一であるのに対し、ゲート絶縁膜(例えばゲート絶縁膜110a、110b)の体積はゲート長が長いMISFETの方が短いMISFETよりも大きい。従って、ゲート長が短いMISFETの方がゲート長が長いMISFETに比べて単位体積当たり多くの仕事関数調整用の元素をゲート絶縁膜に拡散させることができる。   In the case of MISFETs having the same conductivity type and different gate lengths, the thickness of each offset spacer (for example, offset spacers 114a and 114b) is the same, whereas the volume of the gate insulating film (for example, gate insulating films 110a and 110b) is A MISFET with a long gate length is larger than a short MISFET. Therefore, the MISFET having a shorter gate length can diffuse more work function adjusting elements per unit volume into the gate insulating film than the MISFET having a longer gate length.

この結果、nチャネル型MISFET、pチャネル型MISFET共に、ゲート長の短いMISFETでは仕事関数調整用の元素のゲート絶縁膜中の濃度が相対的に高くなるので、しきい値電圧を低めの値にすることができる。一方、ゲート長の長いMISFETでは、仕事関数調整用の元素のゲート絶縁膜中の濃度が相対的に低くなるので、しきい値電圧を高めの値にすることができる。すなわち、本変形例の製造方法によれば、ゲート長の長さを適宜設定することで、MISFETのしきい値電圧を適切に制御することが可能となる。   As a result, in both the n-channel MISFET and the p-channel MISFET, the concentration of the work function adjusting element in the gate insulating film is relatively high in the MISFET having a short gate length, so that the threshold voltage is lowered. can do. On the other hand, in the MISFET having a long gate length, the concentration of the work function adjusting element in the gate insulating film is relatively low, so that the threshold voltage can be increased. That is, according to the manufacturing method of this modification, the threshold voltage of the MISFET can be appropriately controlled by appropriately setting the gate length.

また、本変形例に係る製造方法によれば、オフセットスペーサ114a、114b、115a、115bからゲート絶縁膜110a、110b、110c、110dへとそれぞれ仕事関数調整用の元素を横方向に拡散させるのに加え、仕事関数調整膜120a、120b、119a、119bからゲート絶縁膜110a、110b、110c、110dへとそれぞれ仕事関数調整用の元素を縦方向に拡散させることができる。このため、各ゲート絶縁膜への仕事関数調整用元素の拡散量を増やすことができるので、第1の実施形態に係る方法に比べてMISFETのしきい値電圧の調整範囲をより拡大することができる。   Further, according to the manufacturing method according to this modification, the work function adjusting element is diffused in the lateral direction from the offset spacers 114a, 114b, 115a, 115b to the gate insulating films 110a, 110b, 110c, 110d, respectively. In addition, the work function adjusting elements can be diffused in the vertical direction from the work function adjusting films 120a, 120b, 119a, and 119b to the gate insulating films 110a, 110b, 110c, and 110d, respectively. For this reason, since the amount of work function adjusting element diffusion into each gate insulating film can be increased, the adjustment range of the threshold voltage of the MISFET can be further expanded as compared with the method according to the first embodiment. it can.

−半導体装置の説明−
図29に示すように、上述の方法によって作製される半導体装置200は、第1の領域10と、第2の領域11と、第1の領域10の上部に形成されたp型ウェル領域103と、第2の領域11の上部に形成されたn型ウェル領域104と、p型ウェル領域103及びn型ウェル領域104を囲む素子分離領域102とを備えている。
-Description of semiconductor devices-
As shown in FIG. 29, the semiconductor device 200 manufactured by the above-described method includes a first region 10, a second region 11, and a p-type well region 103 formed on the first region 10. , An n-type well region 104 formed on the second region 11, and a p-type well region 103 and an element isolation region 102 surrounding the n-type well region 104.

第1の領域10上にはゲート長が相対的に長いnチャネル型MISFET160とゲート長が相対的に短いnチャネル型MISFET162とが設けられており、第2の領域11上にはゲート長が相対的に長いpチャネル型MISFET164とゲート長が相対的に短いpチャネル型MISFET166とが設けられている。   An n-channel MISFET 160 having a relatively long gate length and an n-channel MISFET 162 having a relatively short gate length are provided on the first region 10, and a gate length is relatively on the second region 11. A long p-channel MISFET 164 and a p-channel MISFET 166 having a relatively short gate length are provided.

nチャネル型MISFET160は、p型ウェル領域103上に形成されたゲート絶縁膜110aと、ゲート絶縁膜110a上に設けられたゲート電極109aと、ゲート絶縁膜110a及びゲート電極109aの側面上に設けられ、例えばI字状の断面を有するオフセットスペーサ114aと、オフセットスペーサ114aの外側面上に設けられたサイドウォールスペーサ116aと、p型ウェル領域103の上部に形成されたそれぞれn型のエクステンション領域117a、ソース/ドレイン領域118aとを有している。   The n-channel MISFET 160 is provided on the gate insulating film 110a formed on the p-type well region 103, the gate electrode 109a provided on the gate insulating film 110a, and the side surfaces of the gate insulating film 110a and the gate electrode 109a. For example, an offset spacer 114a having an I-shaped cross section, a sidewall spacer 116a provided on the outer surface of the offset spacer 114a, and an n-type extension region 117a formed on the p-type well region 103, respectively. Source / drain region 118a.

nチャネル型MISFET162は、p型ウェル領域103上に形成されたゲート絶縁膜110bと、ゲート絶縁膜110b上に設けられ、ゲート電極109aよりもゲート長が短いゲート電極109bと、ゲート絶縁膜110b及びゲート電極109bの側面上に設けられ、例えばI字状の断面を有するオフセットスペーサ114bと、オフセットスペーサ114bの外側面上に設けられたサイドウォールスペーサ116bと、p型ウェル領域103の上部に形成されたそれぞれn型のエクステンション領域117b、ソース/ドレイン領域118bとを有している。   The n-channel MISFET 162 includes a gate insulating film 110b formed on the p-type well region 103, a gate electrode 109b that is provided on the gate insulating film 110b and has a shorter gate length than the gate electrode 109a, a gate insulating film 110b, For example, an offset spacer 114b having an I-shaped cross section, a side wall spacer 116b provided on the outer surface of the offset spacer 114b, and an upper portion of the p-type well region 103 are provided on the side surface of the gate electrode 109b. Each has an n-type extension region 117b and a source / drain region 118b.

pチャネル型MISFET164は、n型ウェル領域104上に形成されたゲート絶縁膜110cと、ゲート絶縁膜110c上に設けられたゲート電極109cと、ゲート絶縁膜110c及びゲート電極109cの側面上に設けられ、例えばI字状の断面を有するオフセットスペーサ115aと、オフセットスペーサ115aの外側面上に設けられたサイドウォールスペーサ136aと、n型ウェル領域104の上部に形成されたそれぞれp型のエクステンション領域117c、ソース/ドレイン領域118cとを有している。   The p-channel type MISFET 164 is provided on the gate insulating film 110c formed on the n-type well region 104, the gate electrode 109c provided on the gate insulating film 110c, and the side surfaces of the gate insulating film 110c and the gate electrode 109c. For example, an offset spacer 115a having an I-shaped cross section, a sidewall spacer 136a provided on the outer surface of the offset spacer 115a, and a p-type extension region 117c formed on the n-type well region 104, respectively. Source / drain region 118c.

pチャネル型MISFET166は、n型ウェル領域104上に形成されたゲート絶縁膜110dと、ゲート絶縁膜110d上に設けられたゲート電極109dと、ゲート絶縁膜110d及びゲート電極109dの側面上に設けられ、例えばI字状の断面を有するオフセットスペーサ115bと、オフセットスペーサ115bの外側面上に設けられたサイドウォールスペーサ136bと、n型ウェル領域104の上部に形成されたそれぞれp型のエクステンション領域117d、ソース/ドレイン領域118dとを有している。   The p-channel type MISFET 166 is provided on the gate insulating film 110d formed on the n-type well region 104, the gate electrode 109d provided on the gate insulating film 110d, and the side surfaces of the gate insulating film 110d and the gate electrode 109d. For example, an offset spacer 115b having an I-shaped cross section, a sidewall spacer 136b provided on the outer surface of the offset spacer 115b, and a p-type extension region 117d formed on the n-type well region 104, respectively. Source / drain region 118d.

ゲート絶縁膜110aは下地ゲート絶縁膜105aとその上に形成された絶縁膜106Aとを有し、ゲート絶縁膜110bは下地ゲート絶縁膜105bとその上に形成された絶縁膜106Bとを有し、ゲート絶縁膜110cは下地ゲート絶縁膜105cとその上に形成された絶縁膜106Cとを有し、下地ゲート絶縁膜105dとその上に形成された絶縁膜106Dとを有している。   The gate insulating film 110a includes a base gate insulating film 105a and an insulating film 106A formed thereon, and the gate insulating film 110b includes a base gate insulating film 105b and an insulating film 106B formed thereon. The gate insulating film 110c has a base gate insulating film 105c and an insulating film 106C formed thereon, and has a base gate insulating film 105d and an insulating film 106D formed thereon.

絶縁膜106A、106Bは、Laなどの仕事関数調整用の元素を含む高誘電体で構成されている。また、絶縁膜106C、106DもそれぞれAlなどの仕事関数調整用の元素を含む高誘電体で構成されている。   The insulating films 106A and 106B are made of a high dielectric material containing a work function adjusting element such as La. The insulating films 106C and 106D are also made of a high dielectric material containing an element for adjusting the work function such as Al.

ゲート電極109a、109b、109c、109dは、それぞれ金属又はTiNやTaNなどの導電性金属からなる第1ゲート電極膜と、ポリシリコン等の導電性シリコンからなる第2ゲート電極膜とを有している。   Each of the gate electrodes 109a, 109b, 109c, and 109d includes a first gate electrode film made of a metal or a conductive metal such as TiN or TaN, and a second gate electrode film made of a conductive silicon such as polysilicon. Yes.

nチャネル型MISFET160、162のオフセットスペーサ114a、114bにLa、Scなどの希土類元素及びMgのうちから選ばれた少なくとも1つの元素が含まれており、pチャネル型MISFET164、166のオフセットスペーサ115a、115bにはAl、Ti、Ta、及びHfのうちから選ばれた少なくとも1つの元素が含まれている。例えばLaやScは、ゲート絶縁膜110a、110b(具体的には高誘電率膜106a、106bと下地絶縁膜105a、105bとの界面近傍)に正の固定電荷を生じさせ、AlやTiはゲート絶縁膜110c、110d(具体的には高誘電率膜106c、106dと下地絶縁膜105c、105dとの界面近傍)に負の固定電荷を生じさせる。   The offset spacers 114a and 114b of the n-channel type MISFETs 160 and 162 include at least one element selected from rare earth elements such as La and Sc and Mg, and the offset spacers 115a and 115b of the p-channel type MISFETs 164 and 166. Contains at least one element selected from Al, Ti, Ta, and Hf. For example, La and Sc cause positive fixed charges in the gate insulating films 110a and 110b (specifically, in the vicinity of the interface between the high dielectric constant films 106a and 106b and the base insulating films 105a and 105b), and Al and Ti are the gates. Negative fixed charges are generated in the insulating films 110c and 110d (specifically, near the interface between the high dielectric constant films 106c and 106d and the base insulating films 105c and 105d).

以上のように、ゲート絶縁膜110a、110b、110c、110dがそれぞれ仕事関数調整用の元素を含んでいる。このため、これらのゲート絶縁膜を有するMISFETでは、ゲート絶縁膜が仕事関数調整用の元素を含まない場合に比べてゲート電極の仕事関数が低減され、しきい値電圧は低くなっている。   As described above, the gate insulating films 110a, 110b, 110c, and 110d each contain an element for adjusting the work function. For this reason, in the MISFET having these gate insulating films, the work function of the gate electrode is reduced and the threshold voltage is lower than when the gate insulating film does not contain an element for adjusting the work function.

また、ゲート長が短いnチャネル型MISFET162のゲート絶縁膜110bには、ゲート長が長いnチャネル型MISFET160のゲート絶縁膜110aよりも高濃度で仕事関数調整用の元素が含まれている。これにより、ゲート絶縁膜110a、110bの膜厚が同じ場合、nチャネル型MISFET162のしきい値電圧はnチャネル型MISFET160のしきい値電圧よりも低くなっている。   Further, the gate insulating film 110b of the n-channel type MISFET 162 having a short gate length contains a work function adjusting element at a higher concentration than the gate insulating film 110a of the n-channel type MISFET 160 having a long gate length. Thereby, when the gate insulating films 110a and 110b have the same film thickness, the threshold voltage of the n-channel type MISFET 162 is lower than the threshold voltage of the n-channel type MISFET 160.

また、ゲート長が短いpチャネル型MISFET166のゲート絶縁膜110dには、ゲート長が長いpチャネル型MISFET164のゲート絶縁膜110cよりも高濃度で仕事関数調整用の元素が含まれている。これにより、ゲート絶縁膜110c、110dの膜厚が同じ場合、pチャネル型MISFET166のしきい値電圧はpチャネル型MISFET164のしきい値電圧よりも低くなっている。   Further, the gate insulating film 110d of the p-channel type MISFET 166 having a short gate length contains a work function adjusting element at a higher concentration than the gate insulating film 110c of the p-channel type MISFET 164 having a long gate length. Accordingly, when the gate insulating films 110c and 110d have the same film thickness, the threshold voltage of the p-channel type MISFET 166 is lower than the threshold voltage of the p-channel type MISFET 164.

さらに、ゲート絶縁膜110a、110b、110c、110dに含まれる仕事関数調整用の元素の濃度は、第1の実施形態に係る半導体装置における当該元素の濃度に比べて高くすることができるので、nチャネル型MISFET160、162、pチャネル型MISFET164、166共にしきい値電圧の調節範囲を広げることが可能となっている。   Furthermore, the concentration of the work function adjusting element contained in the gate insulating films 110a, 110b, 110c, and 110d can be made higher than the concentration of the element in the semiconductor device according to the first embodiment. Both the channel type MISFETs 160 and 162 and the p channel type MISFETs 164 and 166 can extend the adjustment range of the threshold voltage.

なお、上述の実施形態及びその変形例は本発明の好適な実施の一例ではあるが、その範囲を限定するものではなく 本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、以上で説明した製造方法における手順や膜の形成・除去の条件、方法、あるいは半導体装置の各層の形状、構成材料等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変形可能である。例えば、第1の領域10上にゲート長及びしきい値電圧が相異なる3つ以上のnチャネル型MISFETを設けてもよく、第2の領域11上にそれぞれゲート長及びしきい値電圧が相異なる3つ以上のpチャネル型MISFETを設けてもよい。   The above-described embodiment and its modifications are examples of preferred embodiments of the present invention, but the scope thereof is not limited and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the procedure, conditions for forming / removing the film, the method, the shape of each layer of the semiconductor device, the constituent material, and the like in the manufacturing method described above can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention. For example, three or more n-channel MISFETs having different gate lengths and threshold voltages may be provided on the first region 10, and the gate length and threshold voltage may be different from each other on the second region 11. Three or more different p-channel type MISFETs may be provided.

以上で説明したように、本発明は、例えば用途ごとに相異なるしきい値電圧が設定されたトランジスタを有する半導体装置に利用することができる。さらに、本発明の一例に係る半導体装置は、種々の電子機器に用いられる。   As described above, the present invention can be used for a semiconductor device having a transistor in which different threshold voltages are set for each application, for example. Furthermore, the semiconductor device according to an example of the present invention is used in various electronic devices.

10 第1の領域
11 第2の領域
100、200 半導体装置
101 半導体基板
102 素子分離領域
103 p型ウェル領域
104 n型ウェル領域
105、105a、105b、105c、105d 下地ゲート絶縁膜
106、106a、106b、106c、106d 高誘電率膜
106A、106B、106C、106D 絶縁膜
106a 高誘電率膜
107、107a、107b、107c、107d 第1ゲート電極膜
108、108a、108b、108c、108d 第2ゲート電極膜
109a、109b、109c、109d ゲート電極
110a、110b、110c、110d ゲート絶縁膜
111、113 仕事関数調整膜
112a、112b、112c、112d レジスト
112e、112f、112g、112h レジスト
114a、114b、115a、115b オフセットスペーサ
116a、116b、136a、136b サイドウォールスペーサ
117a、117b、117c、117d エクステンション領域
118a、118b、118c、118d ソース/ドレイン領域
119、119a、119b、120、120a、120b 仕事関数調整膜
150、152、160、162 nチャネル型MISFET
154、156、164、166 pチャネル型MISFET
10 first region 11 second region 100, 200 semiconductor device 101 semiconductor substrate 102 element isolation region 103 p-type well region 104 n-type well regions 105, 105a, 105b, 105c, 105d base gate insulating films 106, 106a, 106b 106c, 106d High dielectric constant films 106A, 106B, 106C, 106D Insulating film 106a High dielectric constant films 107, 107a, 107b, 107c, 107d First gate electrode films 108, 108a, 108b, 108c, 108d Second gate electrode films 109a, 109b, 109c, 109d Gate electrodes 110a, 110b, 110c, 110d Gate insulating films 111, 113 Work function adjusting films
112a, 112b, 112c, 112d Resist 112e, 112f, 112g, 112h Resist 114a, 114b, 115a, 115b Offset spacer 116a, 116b, 136a, 136b Side wall spacer 117a, 117b, 117c, 117d Extension regions 118a, 118b, 118c, 118d Source / drain regions 119, 119a, 119b, 120, 120a, 120b Work function adjusting films 150, 152, 160, 162 n-channel MISFETs
154, 156, 164, 166 p-channel MISFET

Claims (29)

半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に形成された第1のゲート電極と、前記第1のゲート絶縁膜の側面上及び前記第1のゲート電極の側面上に形成された第1のサイドウォール絶縁膜とを有する第1導電型の第1のMISFETを備え、
前記第1のサイドウォール絶縁膜の少なくとも一部には、前記第1のゲート絶縁膜に正または負の固定電荷を誘起するための第1の元素が含まれている半導体装置。
A first gate insulating film formed on a semiconductor substrate; a first gate electrode formed on the first gate insulating film; a side surface of the first gate insulating film; and the first gate. A first conductivity type first MISFET having a first sidewall insulating film formed on a side surface of the electrode;
A semiconductor device, wherein at least part of the first sidewall insulating film includes a first element for inducing positive or negative fixed charges in the first gate insulating film.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記半導体基板上に形成された第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜上に形成され、前記第1のゲート電極よりもゲート長が短い第2のゲート電極と、前記第2のゲート絶縁膜の側面上及び前記第2のゲート電極の側面上に形成された第2のサイドウォール絶縁膜とを有する第1導電型の第2のMISFETをさらに備え、
前記第2のサイドウォール絶縁膜の少なくとも一部には、前記第2のゲート絶縁膜に前記第1の元素と同じ極性の固定電荷を誘起するための第2の元素が含まれていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A second gate insulating film formed on the semiconductor substrate; a second gate electrode formed on the second gate insulating film and having a gate length shorter than that of the first gate electrode; A second conductivity type second MISFET having a second sidewall insulating film formed on a side surface of the gate insulating film and on a side surface of the second gate electrode,
At least a part of the second sidewall insulating film includes a second element for inducing a fixed charge having the same polarity as the first element in the second gate insulating film. A featured semiconductor device.
請求項2に記載の半導体装置において、
前記第1のサイドウォール絶縁膜は、前記第1のゲート絶縁膜の側面及び前記第1のゲート電極の側面に接するように設けられ、前記第1の元素を含んでいる第1のオフセットスペーサを有しており、
前記第2のサイドウォール絶縁膜は、前記第2のゲート絶縁膜の側面及び前記第2のゲート電極の側面に接するように設けられ、前記第2の元素を含んでいる第2のオフセットスペーサを有していることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The first sidewall insulating film is provided so as to be in contact with a side surface of the first gate insulating film and a side surface of the first gate electrode, and includes a first offset spacer containing the first element. Have
The second sidewall insulating film is provided in contact with a side surface of the second gate insulating film and a side surface of the second gate electrode, and includes a second offset spacer containing the second element. A semiconductor device including the semiconductor device.
請求項2に記載の半導体装置において、
前記第1のサイドウォール絶縁膜は、前記第1のゲート絶縁膜の側面上及び前記第1のゲート電極の側面上に設けられ、前記第1の元素を含んでいる第1のサイドウォールスペーサを有しており、
前記第2のサイドウォール絶縁膜は、前記第2のゲート絶縁膜の側面上及び前記第2のゲート電極の側面上に設けられ、前記第2の元素を含んでいる第2のサイドウォールスペーサを有していることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 2,
The first sidewall insulating film is provided on a side surface of the first gate insulating film and on a side surface of the first gate electrode, and includes a first sidewall spacer containing the first element. Have
The second sidewall insulating film is provided on a side surface of the second gate insulating film and on a side surface of the second gate electrode, and includes a second sidewall spacer containing the second element. A semiconductor device including the semiconductor device.
請求項4に記載の半導体装置において、
前記第1のサイドウォール絶縁膜は、前記第1のゲート絶縁膜の側面及び前記第1のゲート電極の側面と前記第1のサイドウォールスペーサとの間に設けられた第1のオフセットスペーサをさらに有しており、
前記第2のサイドウォール絶縁膜は、前記第2のゲート絶縁膜の側面及び前記第2のゲート電極の側面と前記第2のサイドウォールスペーサとの間に設けられた第2のオフセットスペーサをさらに有していることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 4,
The first sidewall insulating film further includes a first offset spacer provided between a side surface of the first gate insulating film and a side surface of the first gate electrode and the first sidewall spacer. Have
The second sidewall insulating film further includes a second offset spacer provided between a side surface of the second gate insulating film and a side surface of the second gate electrode and the second sidewall spacer. A semiconductor device including the semiconductor device.
請求項2〜5のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第1のゲート絶縁膜及び前記第2のゲート絶縁膜は、高誘電率材料を含んでいることを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 2 to 5,
The semiconductor device, wherein the first gate insulating film and the second gate insulating film contain a high dielectric constant material.
請求項2〜6のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第1のゲート絶縁膜は、前記半導体基板上に形成された第1の下地ゲート絶縁膜と、前記第1の下地ゲート絶縁膜上に形成され、Hf酸化物及びZr酸化物の少なくとも一方を含む第1の高誘電率膜とを有しており、
前記第2のゲート絶縁膜は、前記半導体基板上に形成された第2の下地ゲート絶縁膜と、前記第2の下地ゲート絶縁膜上に形成され、Hf酸化物及びZr酸化物の少なくとも一方を含む第2の高誘電率膜とを有していることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 2 to 6,
The first gate insulating film is formed on the first base gate insulating film formed on the semiconductor substrate and the first base gate insulating film, and includes at least one of Hf oxide and Zr oxide. Including a first high dielectric constant film,
The second gate insulating film is formed on the second base gate insulating film formed on the semiconductor substrate and on the second base gate insulating film, and includes at least one of Hf oxide and Zr oxide. And a second high dielectric constant film.
請求項7に記載の半導体装置において、
前記第1の下地ゲート絶縁膜及び前記第2の下地ゲート絶縁膜は、シリコン酸化物またはシリコン酸窒化物で構成されていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 7,
The semiconductor device, wherein the first base gate insulating film and the second base gate insulating film are made of silicon oxide or silicon oxynitride.
請求項2〜8のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第1のゲート電極は、前記第1のゲート絶縁膜上に形成され、TiN及びTaNの少なくとも一方を含む第1のゲート電極膜と、前記第1のゲート電極膜上に形成された第1の導電性シリコン膜とを有しており、
前記第2のゲート電極は、前記第2のゲート絶縁膜上に形成され、TiN及びTaNの少なくとも一方を含む第2のゲート電極膜と、前記第2のゲート電極膜上に形成された第2の導電性シリコン膜とを有していることを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 2 to 8,
The first gate electrode is formed on the first gate insulating film, and includes a first gate electrode film including at least one of TiN and TaN, and a first gate electrode film formed on the first gate electrode film. A conductive silicon film, and
The second gate electrode is formed on the second gate insulating film, and includes a second gate electrode film including at least one of TiN and TaN, and a second gate electrode film formed on the second gate electrode film. And a conductive silicon film.
請求項2〜9のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
共に前記半導体基板上に形成された第2導電型の第3のMISFET及び第4のMISFETをさらに備え、
前記第1の元素は前記第1のゲート絶縁膜中に正の固定電荷を誘起するための元素であり、
前記第2の元素は前記第2のゲート絶縁膜中に正の固定電荷を誘起するための元素であり、
前記第3のMISFETは、前記半導体基板上に形成された第3のゲート絶縁膜と、前記第3のゲート絶縁膜上に形成された第3のゲート電極と、前記第3のゲート絶縁膜の側面上及び前記第3のゲート電極の側面上に形成され、前記第3のゲート絶縁膜中に負の固定電荷を誘起するための第3の元素を少なくとも一部に含む第3のサイドウォール絶縁膜とを有し、
前記第4のMISFETは、前記半導体基板上に形成された第4のゲート絶縁膜と、前記第4のゲート絶縁膜上に形成され、前記第3のゲート電極よりもゲート長が短い第4のゲート電極と、前記第4のゲート絶縁膜の側面上及び前記第4のゲート電極の側面上に形成され、前記第4のゲート絶縁膜中に負の固定電荷を誘起するための第4の元素を少なくとも一部に含む第4のサイドウォール絶縁膜とを有することを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 2 to 9,
A second MISFET and a fourth MISFET of the second conductivity type both formed on the semiconductor substrate;
The first element is an element for inducing a positive fixed charge in the first gate insulating film,
The second element is an element for inducing a positive fixed charge in the second gate insulating film,
The third MISFET includes a third gate insulating film formed on the semiconductor substrate, a third gate electrode formed on the third gate insulating film, and a third gate insulating film. Third sidewall insulation formed on the side surface and the side surface of the third gate electrode and including at least a part of a third element for inducing a negative fixed charge in the third gate insulating film And having a membrane
The fourth MISFET is formed on a fourth gate insulating film formed on the semiconductor substrate and on the fourth gate insulating film, and has a fourth gate length shorter than that of the third gate electrode. A gate element; a fourth element formed on the side surface of the fourth gate insulating film and on the side surface of the fourth gate electrode, for inducing negative fixed charges in the fourth gate insulating film; And a fourth sidewall insulating film including at least a part thereof.
請求項10に記載の半導体装置において、
前記第1のゲート絶縁膜には前記第1の元素が含まれており、
前記第2のゲート絶縁膜には、前記第1のゲート絶縁膜における前記第1の元素の濃度よりも高濃度で前記第2の元素が含まれており、
前記第3のゲート絶縁膜には前記第3の元素が含まれており、
前記第4のゲート絶縁膜には、前記第3のゲート絶縁膜における前記第3の元素の濃度よりも高濃度で前記第4の元素が含まれていることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 10.
The first gate insulating film contains the first element;
The second gate insulating film contains the second element at a concentration higher than the concentration of the first element in the first gate insulating film;
The third gate insulating film contains the third element;
The semiconductor device, wherein the fourth gate insulating film contains the fourth element at a concentration higher than the concentration of the third element in the third gate insulating film.
請求項10または11に記載の半導体装置において、
前記第1のMISFET及び前記第2のMISFETはnチャネル型のMISFETであり、
前記第1の元素及び前記第2の元素は、希土類元素及びMgのうちから選ばれた少なくとも1つの元素であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 10 or 11,
The first MISFET and the second MISFET are n-channel MISFETs,
The semiconductor device, wherein the first element and the second element are at least one element selected from a rare earth element and Mg.
請求項10〜12のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第3のMISFET及び前記第4のMISFETはpチャネル型のMISFETであり、
前記第3の元素及び前記第4の元素は、Al、Ti、Ta、及びHfのうちから選ばれた少なくとも1つの元素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 10 to 12,
The third MISFET and the fourth MISFET are p-channel type MISFETs,
The semiconductor device, wherein the third element and the fourth element are at least one element selected from Al, Ti, Ta, and Hf.
請求項10〜13のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第3のサイドウォール絶縁膜は、前記第3のゲート絶縁膜の側面及び前記第3のゲート電極の側面に接するように設けられ、前記第3の元素を含んでいる第3のオフセットスペーサを有しており、
前記第4のサイドウォール絶縁膜は、前記第4のゲート絶縁膜の側面及び前記第4のゲート電極の側面に接するように設けられ、前記第4の元素を含んでいる第4のオフセットスペーサを有していることを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 10 to 13,
The third sidewall insulating film is provided in contact with the side surface of the third gate insulating film and the side surface of the third gate electrode, and includes a third offset spacer containing the third element. Have
The fourth sidewall insulating film is provided so as to be in contact with a side surface of the fourth gate insulating film and a side surface of the fourth gate electrode, and includes a fourth offset spacer containing the fourth element. A semiconductor device including the semiconductor device.
請求項10〜13のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第3のサイドウォール絶縁膜は、前記第3のゲート絶縁膜の側面上及び前記第3のゲート電極の側面上に設けられ、前記第3の元素を含んでいる第3のサイドウォールスペーサを有しており、
前記第4のサイドウォール絶縁膜は、前記第4のゲート絶縁膜の側面上及び前記第4のゲート電極の側面上に設けられ、前記第4の元素を含んでいる第4のサイドウォールスペーサを有していることを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 10 to 13,
The third sidewall insulating film is provided on a side surface of the third gate insulating film and a side surface of the third gate electrode, and includes a third sidewall spacer containing the third element. Have
The fourth sidewall insulating film is provided on a side surface of the fourth gate insulating film and on a side surface of the fourth gate electrode, and includes a fourth sidewall spacer containing the fourth element. A semiconductor device including the semiconductor device.
請求項10〜15のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第3のゲート絶縁膜は、前記半導体基板上に形成された第3の下地ゲート絶縁膜と、前記第3の下地ゲート絶縁膜上に形成され、Hf酸化物及びZr酸化物の少なくとも一方を含む第3の高誘電率膜とを有しており、
前記第4のゲート絶縁膜は、前記半導体基板上に形成された第4の下地ゲート絶縁膜と、前記第4の下地ゲート絶縁膜上に形成され、Hf酸化物及びZr酸化物の少なくとも一方を含む第4の高誘電率膜とを有していることを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 10 to 15,
The third gate insulating film is formed on the third base gate insulating film formed on the semiconductor substrate and the third base gate insulating film, and includes at least one of Hf oxide and Zr oxide. And a third high dielectric constant film including
The fourth gate insulating film is formed on the fourth base gate insulating film and the fourth base gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and includes at least one of Hf oxide and Zr oxide. And a fourth high dielectric constant film.
請求項10〜16のうちいずれか1つに記載の半導体装置において、
前記第3のゲート電極は、前記第3のゲート絶縁膜上に形成され、TiN及びTaNの少なくとも一方を含む第3のゲート電極膜と、前記第3のゲート電極膜上に形成された第3の導電性シリコン膜とを有しており、
前記第4のゲート電極は、前記第4のゲート絶縁膜上に形成され、TiN及びTaNの少なくとも一方を含む第4のゲート電極膜と、前記第4のゲート電極膜上に形成された第4の導電性シリコン膜とを有していることを特徴とする半導体装置。
In the semiconductor device according to any one of claims 10 to 16,
The third gate electrode is formed on the third gate insulating film, and includes a third gate electrode film including at least one of TiN and TaN, and a third gate electrode film formed on the third gate electrode film. A conductive silicon film, and
The fourth gate electrode is formed on the fourth gate insulating film, and includes a fourth gate electrode film including at least one of TiN and TaN, and a fourth gate electrode film formed on the fourth gate electrode film. And a conductive silicon film.
半導体基板上に形成された第1のゲート絶縁膜、第1のゲート電極、及び第1のサイドウォール絶縁膜を有する第1導電型の第1のMISFETを備えた半導体装置の製造方法であって、
前記第1のゲート絶縁膜と、前記第1のゲート絶縁膜上に設けられた前記第1のゲート電極とを形成する工程(a)と、
前記第1のゲート絶縁膜の側面上及び前記第1のゲート電極の側面上に、前記第1のゲート絶縁膜に正または負の固定電荷を誘起するための第1の元素を少なくとも一部に含む前記第1のサイドウォール絶縁膜を形成する工程(b)とを備えている半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device including a first conductivity type first MISFET having a first gate insulating film, a first gate electrode, and a first sidewall insulating film formed on a semiconductor substrate. ,
(A) forming the first gate insulating film and the first gate electrode provided on the first gate insulating film;
A first element for inducing a positive or negative fixed charge in the first gate insulating film on at least a part of the side surface of the first gate insulating film and the side surface of the first gate electrode. A step (b) of forming the first sidewall insulating film.
請求項18に記載の半導体装置の製造方法において、
熱処理を行って、前記第1のサイドウォール絶縁膜に含まれる前記第1の元素を前記第1のゲート絶縁膜中に拡散させる工程(c)をさらに備えている半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 18,
A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising a step (c) of performing a heat treatment to diffuse the first element contained in the first sidewall insulating film into the first gate insulating film.
請求項19に記載の半導体装置の製造方法において、
前記半導体装置は、前記半導体基板上に形成された第2のゲート絶縁膜、第2のゲート電極、及び第2のサイドウォール絶縁膜を有する第1導電型の第2のMISFETをさらに有し、
前記工程(a)では、前記第2のゲート絶縁膜と、前記第2のゲート絶縁膜上に設けられ、前記第1のゲート電極よりもゲート長が短い前記第2のゲート電極とをさらに形成し、
前記工程(b)では、前記第2のゲート絶縁膜の側面上及び前記第2のゲート電極の側面上に、前記第2のゲート絶縁膜に正または負の固定電荷を誘起するための第2の元素を少なくとも一部に含む前記第2のサイドウォール絶縁膜をさらに形成し、
前記工程(c)では、熱処理によって、前記第2のサイドウォール絶縁膜に含まれる前記第2の元素を前記第2のゲート絶縁膜中に拡散させる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 19,
The semiconductor device further includes a first conductivity type second MISFET having a second gate insulating film, a second gate electrode, and a second sidewall insulating film formed on the semiconductor substrate,
In the step (a), the second gate insulating film and the second gate electrode provided on the second gate insulating film and having a gate length shorter than that of the first gate electrode are further formed. And
In the step (b), a second for inducing a positive or negative fixed charge on the second gate insulating film on the side surface of the second gate insulating film and the side surface of the second gate electrode. Further forming the second sidewall insulating film containing at least a part of
In the step (c), the second element contained in the second sidewall insulating film is diffused in the second gate insulating film by a heat treatment, and the method for manufacturing a semiconductor device is characterized in that:
請求項20に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の元素は、前記第1のゲート絶縁膜に正の固定電荷を誘起するための元素であり、
前記第2の元素は、前記第2のゲート絶縁膜に正の固定電荷を誘起するための元素である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 20,
The first element is an element for inducing a positive fixed charge in the first gate insulating film,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second element is an element for inducing a positive fixed charge in the second gate insulating film.
請求項21に記載の半導体装置の製造方法において、
前記半導体装置は、前記半導体基板上に形成された第3のゲート絶縁膜、第3のゲート電極、及び第3のサイドウォール絶縁膜を有する第2導電型の第3のMISFETと、前記半導体基板上に形成された第4のゲート絶縁膜、第4のゲート電極、及び第4のサイドウォール絶縁膜を有する第2導電型の第4のMISFETとをさらに有し、
前記工程(b)の前、または前記工程(b)の後で且つ前記工程(c)の前に、前記第3のゲート絶縁膜の側面上及び前記第3のゲート電極の側面上に、前記第3のゲート絶縁膜に負の固定電荷を誘起するための第3の元素を少なくとも一部に含む前記第3のサイドウォール絶縁膜を形成するとともに、前記第4のゲート絶縁膜の側面上及び前記第4のゲート電極の側面上に、前記第4のゲート絶縁膜に負の固定電荷を誘起するための第4の元素を少なくとも一部に含む前記第4のサイドウォール絶縁膜を形成する工程(d)をさらに備え、
前記工程(a)では、前記第3のゲート絶縁膜と、前記第3のゲート絶縁膜上に設けられた前記第3のゲート電極とをさらに形成するとともに、前記第4のゲート絶縁膜と、前記第4のゲート絶縁膜上に設けられ、前記第3のゲート電極よりもゲート電極が短い前記第4のゲート電極とを形成し、
前記工程(c)では、熱処理によって、前記第3のサイドウォール絶縁膜に含まれる固定電荷を誘起するための元素を前記第3のゲート絶縁膜中に拡散させるとともに、前記第4のサイドウォール絶縁膜に含まれる固定電荷を誘起するための元素を前記第4のゲート絶縁膜中に拡散させる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 21,
The semiconductor device includes: a third MISFET of a second conductivity type having a third gate insulating film, a third gate electrode, and a third sidewall insulating film formed on the semiconductor substrate; and the semiconductor substrate A second conductivity type fourth MISFET having a fourth gate insulating film, a fourth gate electrode, and a fourth sidewall insulating film formed thereon;
Before the step (b), or after the step (b) and before the step (c), on the side surface of the third gate insulating film and the side surface of the third gate electrode, Forming the third sidewall insulating film including at least part of the third element for inducing negative fixed charges in the third gate insulating film, and on the side surface of the fourth gate insulating film; Forming the fourth sidewall insulating film including at least a part of a fourth element for inducing a negative fixed charge in the fourth gate insulating film on a side surface of the fourth gate electrode; (D) is further provided,
In the step (a), the third gate insulating film and the third gate electrode provided on the third gate insulating film are further formed, and the fourth gate insulating film; Forming the fourth gate electrode provided on the fourth gate insulating film and having a gate electrode shorter than the third gate electrode;
In the step (c), an element for inducing a fixed charge contained in the third sidewall insulating film is diffused in the third gate insulating film by heat treatment, and the fourth sidewall insulating is performed. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein an element for inducing a fixed charge contained in a film is diffused in the fourth gate insulating film.
請求項22に記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程(a)では、前記第1のゲート絶縁膜と前記第1のゲート電極との間に前記第1のゲート絶縁膜に正の固定電荷を誘起するための元素を含む第1の仕事関数調整膜を、前記第2のゲート絶縁膜と前記第2のゲート電極との間に前記第2のゲート絶縁膜に正の固定電荷を誘起するための元素を含む第2の仕事関数調整膜を、前記第3のゲート絶縁膜と前記第3のゲート電極との間に前記第3のゲート絶縁膜に負の固定電荷を誘起するための元素を含む第3の仕事関数調整膜を、前記第4のゲート絶縁膜と前記第4のゲート電極との間に前記第4のゲート絶縁膜に負の固定電荷を誘起するための元素を含む第4の仕事関数調整膜を、それぞれ形成し、
前記工程(c)では、熱処理によって、前記第1の仕事関数調整膜の構成材料と前記第1のゲート絶縁膜の構成材料とが混合し、前記第2の仕事関数調整膜の構成材料と前記第2のゲート絶縁膜の構成材料とが混合し、前記第3の仕事関数調整膜の構成材料と前記第3のゲート絶縁膜の構成材料とが混合し、前記第4の仕事関数調整膜の構成材料と前記第4のゲート絶縁膜の構成材料とが混合する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 22,
In the step (a), a first work function including an element for inducing a positive fixed charge in the first gate insulating film between the first gate insulating film and the first gate electrode. A second work function adjusting film containing an element for inducing a positive fixed charge in the second gate insulating film between the second gate insulating film and the second gate electrode; A third work function adjusting film containing an element for inducing a negative fixed charge in the third gate insulating film between the third gate insulating film and the third gate electrode, A fourth work function adjusting film containing an element for inducing a negative fixed charge in the fourth gate insulating film between the fourth gate insulating film and the fourth gate electrode,
In the step (c), the constituent material of the first work function adjusting film and the constituent material of the first gate insulating film are mixed by heat treatment, and the constituent material of the second work function adjusting film and the The constituent material of the second gate insulating film is mixed, the constituent material of the third work function adjusting film and the constituent material of the third gate insulating film are mixed, and the constituent material of the fourth work function adjusting film is mixed. A manufacturing method of a semiconductor device, wherein a constituent material and a constituent material of the fourth gate insulating film are mixed.
請求項23に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の仕事関数調整膜及び前記第2の仕事関数調整膜は、共に希土類元素及びMgのうちから選ばれた少なくとも1つの元素を含んでおり、
前記第3の仕事関数調整膜及び前記第4の仕事関数調整膜は、共にAl、Ti、Ta、及びHfのうちから選ばれた少なくとも1つの元素を含んでいることを特徴とする半導体装置の製造方法。
24. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 23,
The first work function adjusting film and the second work function adjusting film both contain at least one element selected from rare earth elements and Mg,
Both of the third work function adjusting film and the fourth work function adjusting film include at least one element selected from Al, Ti, Ta, and Hf. Production method.
請求項22〜24のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程(b)は、前記第1のサイドウォール絶縁膜の一部であり、前記第1のゲート絶縁膜の側面及び前記第1のゲート電極の側面に接し、前記第1の元素を含む第1のオフセットスペーサと、前記第2のサイドウォール絶縁膜の一部であり、前記第2のゲート絶縁膜の側面及び前記第2のゲート電極の側面に接し、前記第2の元素を含む第2のオフセットスペーサとを形成する工程を含んでおり、
前記工程(d)は、前記第3のサイドウォール絶縁膜の一部であり、前記第3のゲート絶縁膜の側面及び前記第3のゲート電極の側面に接し、前記第3のゲート絶縁膜に負の固定電荷を誘起するための元素を含む第3のオフセットスペーサと、前記第4のサイドウォール絶縁膜の一部であり、前記第4のゲート絶縁膜の側面及び前記第4のゲート電極の側面に接し、前記第4のゲート絶縁膜に負の固定電荷を誘起するための元素を含む第4のオフセットスペーサとを形成する工程を含んでいる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 any one of claims 22 to 24,
The step (b) is a part of the first sidewall insulating film, is in contact with the side surface of the first gate insulating film and the side surface of the first gate electrode, and contains the first element. A first offset spacer and a part of the second sidewall insulating film, in contact with a side surface of the second gate insulating film and a side surface of the second gate electrode, and a second element containing the second element. A step of forming an offset spacer of
The step (d) is a part of the third sidewall insulating film, is in contact with a side surface of the third gate insulating film and a side surface of the third gate electrode, and is formed on the third gate insulating film. A third offset spacer including an element for inducing a negative fixed charge; a part of the fourth sidewall insulating film; and a side surface of the fourth gate insulating film and the fourth gate electrode. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a step of forming a fourth offset spacer in contact with a side surface and including an element for inducing a negative fixed charge in the fourth gate insulating film.
請求項22〜25のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の元素及び前記第2の元素は、希土類元素及びMgのうちから選ばれた少なくとも1つの元素である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 as described in any one of Claims 22-25,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the first element and the second element are at least one element selected from a rare earth element and Mg.
請求項22〜26のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
前記第3の元素及び前記第4の元素は、Al、Ti、Ta、及びHfのうちから選ばれた少なくとも1つの元素である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 as described in any one of Claims 22-26,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the third element and the fourth element are at least one element selected from Al, Ti, Ta, and Hf.
請求項22〜27のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程(a)で形成される前記第1のゲート絶縁膜、前記第2のゲート絶縁膜、前記第3のゲート絶縁膜、及び前記第4のゲート絶縁膜は、Hf酸化物及びZr酸化物の少なくとも一方を含んでいる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 as described in any one of Claims 22-27,
The first gate insulating film, the second gate insulating film, the third gate insulating film, and the fourth gate insulating film formed in the step (a) are Hf oxide and Zr oxide. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising at least one of the following.
請求項22〜28のうちいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法において、
前記工程(a)で形成される前記第1のゲート電極、前記第2のゲート電極、前記第3のゲート電極、及び前記第4のゲート電極は、TiN及びTaNのうち少なくとも一方を含んでいる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 any one of claims 22 to 28,
The first gate electrode, the second gate electrode, the third gate electrode, and the fourth gate electrode formed in the step (a) include at least one of TiN and TaN. A method for manufacturing a semiconductor device.
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