JP2013118311A - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents

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Hirobumi Shinohara
博文 篠原
Toshiaki Iwamatsu
俊明 岩松
Hiromasa Yoshimori
宏雅 吉森
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve performance of a semiconductor device.SOLUTION: A semiconductor device manufacturing method comprises: forming a metal-containing film 4 containing metal such as hafnium in a state where a part of an insulation film 3 such as a silicon oxide film formed on a semiconductor substrate 1 is covered with a hard mask pattern 10 composed of a mask film 9 such as a titanium nitride film, and performing an annealing treatment on the metal-containing film 4; and separately forming MISFETs by adding metal to an insulation film 3 at MISFET formation regions AN1 and AP1 at which MISFETs each having a larger threshold voltage are to be formed, and by not adding metal to the insulation film 3 at MISFET formation regions AN2 and AP2 at which MISFETs each having a smaller threshold voltage are to be formed.

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、MISFETを有する半導体装置の製造方法に適用して有効な技術に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a technique effective when applied to a method for manufacturing a semiconductor device having a MISFET.

SoC(System on a Chip)やMCU(Micro Controller Unit)では、コアトランジスタと呼ばれる最小寸法で形成されたトランジスタが用いられており、このコアトランジスタとして、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)が用いられている。このMISFETからなるコアトランジスタについては、回路設計の要請により、閾値電圧(Vth)の異なる複数種類のMISFETが必要とされる。   In SoC (System on a Chip) and MCU (Micro Controller Unit), a transistor formed with a minimum dimension called a core transistor is used, and a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) is used as the core transistor. ing. With respect to the core transistor composed of the MISFET, a plurality of types of MISFETs having different threshold voltages (Vth) are required according to a request for circuit design.

閾値電圧(Vth)を調整するための方法として、チャネル注入またはハロー注入により半導体基板の表面(基板表面)の不純物濃度を調整する方法がある。この方法では、閾値電圧(Vth)を小さくするためには、基板表面の不純物濃度を小さくする必要がある。しかし、基板表面の不純物濃度を小さくすることで短チャネル効果が出現しやすくなり、ゲート長を45nm程度まで短くすると、MISFETが正常に動作しにくくなるおそれがある。一方、閾値電圧(Vth)を大きくするためには、基板表面の不純物濃度を大きくする必要がある。基板表面の不純物濃度を大きくすることで短チャネル効果は抑制されやすくなる反面、GIDL(Gate Induced Drain Leakage)が増加して待機時の漏れ電流(オフリーク電流)が増加する。このように、チャネル注入またはハロー注入により基板表面の不純物濃度を調整するだけでは、短チャネル効果の出現またはオフリーク電流の増加を抑制しつつ、閾値電圧(Vth)を調整することは困難である。   As a method for adjusting the threshold voltage (Vth), there is a method of adjusting the impurity concentration on the surface of the semiconductor substrate (substrate surface) by channel implantation or halo implantation. In this method, in order to reduce the threshold voltage (Vth), it is necessary to reduce the impurity concentration on the substrate surface. However, the short channel effect is likely to appear by reducing the impurity concentration on the substrate surface, and if the gate length is shortened to about 45 nm, the MISFET may be difficult to operate normally. On the other hand, in order to increase the threshold voltage (Vth), it is necessary to increase the impurity concentration on the substrate surface. Although the short channel effect is easily suppressed by increasing the impurity concentration on the substrate surface, GIDL (Gate Induced Drain Leakage) increases and the standby leakage current (off leakage current) increases. As described above, it is difficult to adjust the threshold voltage (Vth) while suppressing the appearance of the short channel effect or the increase in off-leakage current only by adjusting the impurity concentration on the substrate surface by channel implantation or halo implantation.

一方、ゲート絶縁膜として酸窒化シリコン(SiON)膜を有し、ゲート電極としてポリシリコン膜を有するMISFETにおいて、酸窒化シリコン(SiON)膜とポリシリコン膜との界面にハフニウム(Hf)を添加することで、ゲート電極の仕事関数を変えて閾値電圧(Vth)を調整する技術が知られている。   On the other hand, in a MISFET having a silicon oxynitride (SiON) film as a gate insulating film and a polysilicon film as a gate electrode, hafnium (Hf) is added to the interface between the silicon oxynitride (SiON) film and the polysilicon film. Thus, a technique for adjusting the threshold voltage (Vth) by changing the work function of the gate electrode is known.

特開2002−110812号公報(特許文献1)には、複数種類の電源電圧に対応させるために2種類の膜厚を有するゲート絶縁膜を有する半導体装置において、一方のゲート絶縁膜をシリコン酸化膜とし、他方をハフニウム(Hf)などの金属を含有する高誘電体膜とシリコン酸化膜との積層体とする技術が記載されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2002-110812 (Patent Document 1) discloses that in a semiconductor device having a gate insulating film having two types of film thicknesses so as to correspond to a plurality of types of power supply voltages, one of the gate insulating films is a silicon oxide film. A technique is described in which the other is a laminate of a high-dielectric film containing a metal such as hafnium (Hf) and a silicon oxide film.

特開2007−142007号公報(特許文献2)には、アナログ回路を構成する第1MISFETと、デジタル回路を構成する第2MISFETを有する半導体装置において、第2MISFETのゲート絶縁膜のみが、シリコン酸窒化膜と、シリコン酸窒化膜上に形成され、ハフニウム(Hf)などの金属を含む高誘電体膜とを有する技術が記載されている。   Japanese Patent Laying-Open No. 2007-142007 (Patent Document 2) discloses that in a semiconductor device having a first MISFET constituting an analog circuit and a second MISFET constituting a digital circuit, only the gate insulating film of the second MISFET is a silicon oxynitride film. And a high dielectric film formed on a silicon oxynitride film and containing a metal such as hafnium (Hf).

特開2005−223289号公報(特許文献3)には、半導体装置の内部回路を構成する領域のn型ウェル領域上にシリコン酸窒化膜とハフニウムシリケート膜からなるゲート絶縁膜が形成され、半導体装置の入出力回路を構成する領域のn型ウェル領域上にシリコン酸化膜と窒化層とシリコン窒化膜からなるゲート絶縁膜が形成される技術が記載されている。   Japanese Patent Laying-Open No. 2005-223289 (Patent Document 3) discloses a semiconductor device in which a gate insulating film made of a silicon oxynitride film and a hafnium silicate film is formed on an n-type well region in a region constituting an internal circuit of a semiconductor device. Describes a technique in which a gate insulating film made of a silicon oxide film, a nitride layer, and a silicon nitride film is formed on an n-type well region in a region constituting the input / output circuit.

特開2011−054872号公報(特許文献4)には、シリコン酸化膜からなる界面層上に酸化ハフニウム(HfO)膜およびアルミニウム(Al)含有層を形成し、p型MISFET形成領域のみに窒化チタン(TiN)からなるマスク膜を形成した後、ランタン(La)含有層を形成し、熱処理を行う技術が記載されている。特許文献4に記載された技術では、熱処理を行うことで、n型MISFET形成領域における酸化ハフニウム(HfO)膜中にLaおよびAlを拡散させ、p型MISFET形成領域における酸化ハフニウム(HfO)膜中にAlを拡散させる。 In Japanese Patent Laid-Open No. 2011-048772 (Patent Document 4), a hafnium oxide (HfO 2 ) film and an aluminum (Al) -containing layer are formed on an interface layer made of a silicon oxide film, and nitriding is performed only in the p-type MISFET formation region A technique is described in which after a mask film made of titanium (TiN) is formed, a lanthanum (La) containing layer is formed and heat treatment is performed. In the technique described in Patent Document 4, by performing the heat treatment, n-type MISFET formation region in a hafnium oxide (HfO 2) to diffuse the La and Al in the film, hafnium oxide in the p-type MISFET formation region (HfO 2) Al is diffused in the film.

上記した技術によれば、基板表面の不純物濃度を変えずに閾値電圧(Vth)を調整することができるため、短チャネル効果の出現またはオフリーク電流の増加を抑制しつつ、閾値電圧(Vth)の異なる複数種類のMISFETを形成することができる。   According to the technique described above, the threshold voltage (Vth) can be adjusted without changing the impurity concentration on the substrate surface. Therefore, the threshold voltage (Vth) can be reduced while suppressing the appearance of the short channel effect or the increase in off-leakage current. Different types of MISFETs can be formed.

特開2002−110812号公報JP 2002-110812 A 特開2007−142007号公報JP 2007-142007 A 特開2005−223289号公報JP 2005-223289 A 特開2011−054872号公報JP 2011-048772 A

本発明者の検討によれば、次のことが分かった。   According to the study of the present inventor, the following has been found.

前述したように、一方のMISFETにおけるゲート絶縁膜をシリコン酸化膜からなるものとし、他方のMISFETにおけるゲート絶縁膜をハフニウム(Hf)などの金属を含有する高誘電体膜とシリコン酸化膜との積層体とすることは、閾値電圧(Vth)の異なるMISFETを作り分けるために有効な手法である。ところが、従来の半導体装置の製造工程により閾値電圧(Vth)の異なるMISFETを作り分けた場合には、半導体装置の性能が低下しやすいことが分かった。   As described above, the gate insulating film in one MISFET is made of a silicon oxide film, and the gate insulating film in the other MISFET is a stack of a high dielectric film containing a metal such as hafnium (Hf) and a silicon oxide film. The body is an effective method for making different MISFETs having different threshold voltages (Vth). However, it has been found that when MISFETs having different threshold voltages (Vth) are separately produced by the conventional manufacturing process of a semiconductor device, the performance of the semiconductor device is likely to deteriorate.

従来の半導体装置の製造工程では、ハフニウム(Hf)などの金属の含有量が異なるゲート絶縁膜を作り分ける際に、フォトレジストパターンをエッチングマスクとして用いてパターニングを行う。しかし、例えば32nmノード以下のSRAM(Static Random Access Memory)などの半導体装置については、フォトレジストパターンによりパターンを形成する工程において、n型MISFET形成領域およびp型MISFET形成領域でパターニングを形状精度良く行うことが困難であり、この形状精度の低下が半導体装置の性能を低下させる。また、フォトレジストパターンに含有される有機物などのゲート絶縁膜中への拡散、または、フォトレジストパターンの除去の際にプラズマによりゲート絶縁膜が受ける損傷などが、半導体装置の性能を低下させる。   In a conventional semiconductor device manufacturing process, patterning is performed using a photoresist pattern as an etching mask when different gate insulating films having different metal contents such as hafnium (Hf) are formed. However, for a semiconductor device such as an SRAM (Static Random Access Memory) of 32 nm node or less, for example, patterning is performed with high shape accuracy in the n-type MISFET formation region and the p-type MISFET formation region in the step of forming a pattern with a photoresist pattern. This decrease in shape accuracy deteriorates the performance of the semiconductor device. In addition, diffusion of organic substances or the like contained in the photoresist pattern into the gate insulating film, or damage to the gate insulating film due to plasma when the photoresist pattern is removed deteriorates the performance of the semiconductor device.

本発明の目的は、半導体装置の性能を向上させることができる技術を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a technique capable of improving the performance of a semiconductor device.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。   Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.

代表的な実施の形態による半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された酸化シリコン膜などの絶縁膜の一部が窒化チタン膜などのマスク膜により覆われた状態で、ハフニウムなどの金属を含有する膜を形成してアニール処理することで、閾値電圧が大きいMISFETのゲート絶縁膜中に金属を添加し、閾値電圧が小さいMISFETのゲート絶縁膜中に金属を添加しないように作り分ける。   In a method for manufacturing a semiconductor device according to a typical embodiment, a part of an insulating film such as a silicon oxide film formed on a semiconductor substrate is covered with a mask film such as a titanium nitride film, and a metal such as hafnium is used. Is formed and annealed, so that a metal is added to the gate insulating film of the MISFET having a large threshold voltage and a metal is not added to the gate insulating film of the MISFET having a small threshold voltage.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

代表的な実施の形態によれば、半導体装置の性能を向上させることができる。   According to the representative embodiment, the performance of the semiconductor device can be improved.

実施の形態1の半導体装置の要部断面図である。2 is a main-portion cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程の一部を示す製造プロセスフロー図である。FIG. 6 is a manufacturing process flow chart showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の製造工程の一部を示す製造プロセスフロー図である。FIG. 6 is a manufacturing process flow chart showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device of the first embodiment. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。7 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of First Embodiment during a manufacturing step thereof; FIG. 比較例の半導体装置の製造工程の一部を示す製造プロセスフロー図である。It is a manufacturing process flowchart which shows a part of manufacturing process of the semiconductor device of a comparative example. 比較例の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。It is principal part sectional drawing in the manufacturing process of the semiconductor device of a comparative example. 比較例の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。It is principal part sectional drawing in the manufacturing process of the semiconductor device of a comparative example. 比較例の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。It is principal part sectional drawing in the manufacturing process of the semiconductor device of a comparative example. 比較例の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。It is principal part sectional drawing in the manufacturing process of the semiconductor device of a comparative example. 比較例の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。It is principal part sectional drawing in the manufacturing process of the semiconductor device of a comparative example. 比較例の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。It is principal part sectional drawing in the manufacturing process of the semiconductor device of a comparative example. 実施の形態2の半導体装置の製造工程の一部を示す製造プロセスフロー図である。FIG. 10 is a manufacturing process flow chart showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device of the second embodiment. 実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment during a manufacturing step thereof. 実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。FIG. 10 is a fragmentary cross-sectional view of the semiconductor device of Second Embodiment during a manufacturing step thereof.

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。   In the following embodiments, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like. Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number. Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and apparently essential in principle. Needless to say. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なとき以外は同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted. In the following embodiments, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless particularly necessary.

また、実施の形態で用いる図面においては、断面図であっても図面を見易くするためにハッチングを省略する場合もある。また、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。   In the drawings used in the embodiments, hatching may be omitted even in a cross-sectional view so as to make the drawings easy to see. Further, even a plan view may be hatched to make the drawing easy to see.

(実施の形態1)
<半導体装置>
本発明の一実施の形態である半導体装置を、図面を参照して説明する。本実施の形態の半導体装置は、半導体素子としてMISFETを有する半導体装置である。
(Embodiment 1)
<Semiconductor device>
A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The semiconductor device of the present embodiment is a semiconductor device having a MISFET as a semiconductor element.

図1は、実施の形態1の半導体装置の要部断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part of the semiconductor device according to the first embodiment.

図1に示されるように、本実施の形態の半導体装置に備えられるMISFETは、半導体基板1に形成される。半導体基板1は、例えば、単結晶シリコン基板である。半導体基板1の主面上には、素子分離領域2とMISFET形成領域(活性領域)AN1、AP1、AN2およびAP2が規定されている。MISFET形成領域AN1、AP1、AN2およびAP2は、素子分離領域2により区画された領域である。MISFET形成領域AN1は、nチャネル型のMISFETQN1が形成された領域(n型MISFET形成領域AN1)である。MISFET形成領域AP1は、pチャネル型のMISFETQP1が形成された領域(p型MISFET形成領域AP1)である。MISFET形成領域AN2は、nチャネル型のMISFETQN2が形成された領域(n型MISFET形成領域AN2)である。MISFET形成領域AP2は、pチャネル型のMISFETQP2が形成された領域(p型MISFET形成領域AP2)である。MISFET形成領域AN2に形成されたnチャネル型のMISFETQN2の閾値電圧(Vth)は、MISFET形成領域AN1に形成されたnチャネル型のMISFETQN1の閾値電圧(Vth)よりも小さい。MISFET形成領域AP2に形成されたpチャネル型のMISFETQP2の閾値電圧(Vth)は、MISFET形成領域AP1に形成されたpチャネル型のMISFETQP1の閾値電圧(Vth)よりも小さい。   As shown in FIG. 1, the MISFET provided in the semiconductor device of the present embodiment is formed on a semiconductor substrate 1. The semiconductor substrate 1 is, for example, a single crystal silicon substrate. On the main surface of the semiconductor substrate 1, an element isolation region 2 and MISFET formation regions (active regions) AN1, AP1, AN2, and AP2 are defined. The MISFET formation regions AN1, AP1, AN2, and AP2 are regions partitioned by the element isolation region 2. The MISFET formation region AN1 is a region (n-type MISFET formation region AN1) where an n-channel type MISFET QN1 is formed. The MISFET formation region AP1 is a region where the p-channel type MISFET QP1 is formed (p-type MISFET formation region AP1). The MISFET formation region AN2 is a region (n-type MISFET formation region AN2) in which an n-channel type MISFET QN2 is formed. The MISFET formation region AP2 is a region where the p-channel MISFET QP2 is formed (p-type MISFET formation region AP2). The threshold voltage (Vth) of the n-channel type MISFET QN2 formed in the MISFET formation region AN2 is smaller than the threshold voltage (Vth) of the n-channel type MISFET QN1 formed in the MISFET formation region AN1. The threshold voltage (Vth) of the p-channel type MISFET QP2 formed in the MISFET formation region AP2 is smaller than the threshold voltage (Vth) of the p-channel type MISFET QP1 formed in the MISFET formation region AP1.

なお、本願明細書では、閾値電圧(Vth)の大小を比較するときは、閾値電圧(Vth)の絶対値の大小を比較するものとする。また、図1においては、理解を簡単にするために、MISFET形成領域AN1、AP1、AN2およびAP2を互いに隣接して示しているが、MISFET形成領域AN1、AP1、AN2およびAP2の実際の位置関係は、必要に応じて変更することができる。   In the present specification, when the magnitude of the threshold voltage (Vth) is compared, the magnitude of the absolute value of the threshold voltage (Vth) is compared. Further, in FIG. 1, for the sake of easy understanding, the MISFET formation regions AN1, AP1, AN2, and AP2 are shown adjacent to each other, but the actual positional relationship between the MISFET formation regions AN1, AP1, AN2, and AP2 is shown. Can be changed as needed.

n型MISFET形成領域AN1およびAN2において、半導体基板1には、p型ウェル領域PWが形成されている。p型MISFET形成領域AP1およびAP2において、半導体基板1には、n型ウェル領域NWが形成されている。   A p-type well region PW is formed in the semiconductor substrate 1 in the n-type MISFET formation regions AN1 and AN2. An n-type well region NW is formed in the semiconductor substrate 1 in the p-type MISFET formation regions AP1 and AP2.

始めに、n型MISFET形成領域AN1に形成された、閾値電圧(Vth)が大きいnチャネル型のMISFETQN1の具体的な構成について説明する。   First, a specific configuration of the n-channel MISFET QN1 having a large threshold voltage (Vth) formed in the n-type MISFET formation region AN1 will be described.

nチャネル型のMISFETQN1は、半導体基板1の上部に形成されたゲート電極GEを有する。ゲート電極GEは、n型MISFET形成領域AN1において、半導体基板1に形成されたp型ウェル領域PW上に形成されている。また、nチャネル型のMISFETQN1は、ゲート電極GEと半導体基板1との間に形成されたゲート絶縁膜GI1を有する。すなわち、nチャネル型のMISFETQN1は、半導体基板1上に形成されたゲート絶縁膜GI1と、ゲート絶縁膜GI1上に形成されたゲート電極GEとを有する。   The n-channel type MISFET QN1 has a gate electrode GE formed on the semiconductor substrate 1. The gate electrode GE is formed on the p-type well region PW formed in the semiconductor substrate 1 in the n-type MISFET formation region AN1. Further, the n-channel type MISFET QN1 includes a gate insulating film GI1 formed between the gate electrode GE and the semiconductor substrate 1. That is, the n-channel type MISFET QN1 includes a gate insulating film GI1 formed on the semiconductor substrate 1 and a gate electrode GE formed on the gate insulating film GI1.

ゲート電極GEとして、例えば不純物が導入されて低抵抗率とされている多結晶シリコン(ドープトポリシリコン)からなる導電体膜が用いられる。あるいは、ゲート電極GEとして、例えば、窒化チタン(TiN)、窒化タンタル(TaN)、窒化タングステン(WN)、炭化チタン(TiC)、炭化タンタル(TaC)、炭化タングステン(WC)または窒化炭化タンタル(TaCN)のうち1種以上からなる導電体膜が用いられる。あるいは、上記したもののうち多結晶シリコン以外のものからなる導電体膜と、多結晶シリコンからなる導電体膜との積層構造であるMIPS(Metal Inserted Poly-silicon Stack)構造としてもよい。   As the gate electrode GE, for example, a conductor film made of polycrystalline silicon (doped polysilicon) in which impurities are introduced to achieve low resistivity is used. Alternatively, as the gate electrode GE, for example, titanium nitride (TiN), tantalum nitride (TaN), tungsten nitride (WN), titanium carbide (TiC), tantalum carbide (TaC), tungsten carbide (WC), or tantalum nitride carbide (TaCN) ) Is used. Alternatively, a MIPS (Metal Inserted Poly-silicon Stack) structure which is a laminated structure of a conductive film made of a material other than polycrystalline silicon and a conductive film made of polycrystalline silicon may be used.

ゲート絶縁膜GI1は、シリコンと酸素と金属とを含有する。ゲート絶縁膜GI1は、例えば酸化シリコン(SiO)からなる絶縁膜3と、例えばハフニウム(Hf)などの金属が絶縁膜3中に拡散することで、絶縁膜3上に形成された金属含有絶縁膜3aとを有する。例えば酸化シリコン(SiO)からなる絶縁膜3上に、例えばハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)などの金属を含有する金属含有膜4(後述する図13参照)を形成し、アニール処理により絶縁膜3と金属含有膜4とを反応させた後、未反応の金属含有膜4を除去することで、絶縁膜3のうち半導体基板1と反対側の部分に金属含有絶縁膜3aを形成する。アニール処理の際に、金属含有膜4に含有されている金属が金属含有膜4と絶縁膜3との界面から絶縁膜3中に拡散することで、絶縁膜3のうち半導体基板1と反対側の部分が金属含有絶縁膜3aとなる。また、金属含有絶縁膜3a中では、ゲート電極GE側から半導体基板1側に向かって、例えばハフニウム(Hf)などの金属の濃度が減少する。   The gate insulating film GI1 contains silicon, oxygen, and metal. The gate insulating film GI1 includes an insulating film 3 made of, for example, silicon oxide (SiO), and a metal-containing insulating film formed on the insulating film 3 by diffusing a metal such as hafnium (Hf) into the insulating film 3. 3a. For example, a metal-containing film 4 containing a metal such as hafnium (Hf), zirconium (Zr), titanium (Ti), aluminum (Al), etc. on the insulating film 3 made of silicon oxide (SiO) (see FIG. 13 described later). ), The insulating film 3 and the metal-containing film 4 are reacted by annealing, and then the unreacted metal-containing film 4 is removed, so that a portion of the insulating film 3 opposite to the semiconductor substrate 1 is formed. A metal-containing insulating film 3a is formed. During the annealing process, the metal contained in the metal-containing film 4 diffuses into the insulating film 3 from the interface between the metal-containing film 4 and the insulating film 3, so that the side of the insulating film 3 opposite to the semiconductor substrate 1. The portion becomes the metal-containing insulating film 3a. In the metal-containing insulating film 3a, the concentration of metal such as hafnium (Hf) decreases from the gate electrode GE side to the semiconductor substrate 1 side.

ゲート電極GEの側壁上には、側壁絶縁膜としてサイドウォールスペーサSWが形成されている。そして、n型MISFET形成領域AN1であって、サイドウォールスペーサSWが形成されたゲート電極GEを挟んで両側の部分には、ソース・ドレイン領域SDが形成されている。n型MISFET形成領域AN1では、ソース・ドレイン領域SDは、例えばリン(P)またはヒ素(As)などのn型の不純物を拡散させたn型半導体領域である。   Over the side wall of the gate electrode GE, a side wall spacer SW is formed as a side wall insulating film. In the n-type MISFET formation region AN1, source / drain regions SD are formed on both sides of the gate electrode GE on which the sidewall spacer SW is formed. In the n-type MISFET formation region AN1, the source / drain region SD is an n-type semiconductor region in which an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) is diffused.

また、n型MISFET形成領域AN1では、半導体基板1中に、エクステンション領域EXとそれよりも高不純物濃度のソース・ドレイン領域SDとを形成することで、LDD(Lightly doped Drain)構造のソース・ドレイン領域が形成されている。   In the n-type MISFET formation region AN1, an extension region EX and a source / drain region SD having a higher impurity concentration than that are formed in the semiconductor substrate 1, thereby providing a source / drain having an LDD (Lightly doped Drain) structure. A region is formed.

なお、ソース・ドレイン領域SD上およびゲート電極GE上に、サリサイド(Salicide:Self Aligned Silicide)技術を用いて、コバルトシリサイド層またはニッケルシリサイド層などの金属シリサイド層を形成することができる。   A metal silicide layer such as a cobalt silicide layer or a nickel silicide layer can be formed on the source / drain region SD and the gate electrode GE by using a salicide (Self Aligned Silicide) technique.

次に、p型MISFET形成領域AP1に形成された、閾値電圧(Vth)が大きいpチャネル型のMISFETQP1の具体的な構成について説明する。   Next, a specific configuration of the p-channel MISFET QP1 formed in the p-type MISFET formation region AP1 and having a large threshold voltage (Vth) will be described.

pチャネル型のMISFETQP1は、半導体基板1の上部に形成されたゲート電極GEを有する。ゲート電極GEは、p型MISFET形成領域AP1において、半導体基板1に形成されたn型ウェル領域NW上に形成されている。また、pチャネル型のMISFETQP1は、ゲート電極GEと半導体基板1との間に形成されたゲート絶縁膜GI1を有する。すなわち、pチャネル型のMISFETQP1は、半導体基板1上に形成されたゲート絶縁膜GI1と、ゲート絶縁膜GI1上に形成されたゲート電極GEとを有する。   The p-channel type MISFET QP <b> 1 has a gate electrode GE formed on the semiconductor substrate 1. The gate electrode GE is formed on the n-type well region NW formed in the semiconductor substrate 1 in the p-type MISFET formation region AP1. The p-channel type MISFET QP1 has a gate insulating film GI1 formed between the gate electrode GE and the semiconductor substrate 1. That is, the p-channel type MISFET QP1 has a gate insulating film GI1 formed on the semiconductor substrate 1 and a gate electrode GE formed on the gate insulating film GI1.

ゲート電極GEとして、nチャネル型のMISFETQN1のゲート電極GEと同様の材料を用いることができる。   As the gate electrode GE, the same material as that of the gate electrode GE of the n-channel type MISFET QN1 can be used.

ゲート絶縁膜GI1は、nチャネル型のMISFETQN1のゲート絶縁膜GI1と同様に、シリコンと酸素と金属とを含有し、例えば酸化シリコン(SiO)からなる絶縁膜3と、例えばハフニウム(Hf)などの金属が絶縁膜3中に拡散することで、絶縁膜3上に形成された金属含有絶縁膜3aとを有する。   Similarly to the gate insulating film GI1 of the n-channel type MISFET QN1, the gate insulating film GI1 contains silicon, oxygen, and metal, and includes an insulating film 3 made of, for example, silicon oxide (SiO), and hafnium (Hf), for example. The metal diffuses into the insulating film 3, thereby having the metal-containing insulating film 3 a formed on the insulating film 3.

ゲート電極GEの側壁上には、側壁絶縁膜としてサイドウォールスペーサSWが形成されている。そして、p型MISFET形成領域AP1であって、サイドウォールスペーサSWが形成されたゲート電極GEを挟んで両側の部分には、ソース・ドレイン領域SDが形成されている。p型MISFET形成領域AP1では、ソース・ドレイン領域SDは、例えばホウ素(B)などのp型の不純物を拡散させたp型半導体領域である。   Over the side wall of the gate electrode GE, a side wall spacer SW is formed as a side wall insulating film. In the p-type MISFET formation region AP1, source / drain regions SD are formed on both sides of the gate electrode GE on which the sidewall spacer SW is formed. In the p-type MISFET formation region AP1, the source / drain region SD is a p-type semiconductor region in which a p-type impurity such as boron (B) is diffused.

また、p型MISFET形成領域AP1でも、半導体基板1中に、エクステンション領域EXが形成され、LDD構造のソース・ドレイン領域SDが形成されている。さらに、p型MISFET形成領域AP1でも、ソース・ドレイン領域SD上およびゲート電極GE上に、サリサイド技術を用いて、金属シリサイド層を形成することができる。   Also in the p-type MISFET formation region AP1, the extension region EX is formed in the semiconductor substrate 1, and the source / drain region SD having the LDD structure is formed. Furthermore, in the p-type MISFET formation region AP1, a metal silicide layer can be formed on the source / drain region SD and the gate electrode GE by using a salicide technique.

次に、n型MISFET形成領域AN2に形成された、閾値電圧(Vth)が小さいnチャネル型のMISFETQN2の具体的な構成について説明する。   Next, a specific configuration of the n-channel MISFET QN2 having a small threshold voltage (Vth) formed in the n-type MISFET formation region AN2 will be described.

nチャネル型のMISFETQN2は、半導体基板1の上部に形成されたゲート電極GEを有する。ゲート電極GEは、n型MISFET形成領域AN2において、半導体基板1に形成されたp型ウェル領域PW上に形成されている。また、nチャネル型のMISFETQN2は、ゲート電極GEと半導体基板1との間に形成されたゲート絶縁膜GI2を有する。すなわち、nチャネル型のMISFETQN2は、半導体基板1上に形成されたゲート絶縁膜GI2と、ゲート絶縁膜GI2上に形成されたゲート電極GEとを有する。   The n-channel type MISFET QN2 has a gate electrode GE formed on the semiconductor substrate 1. The gate electrode GE is formed on the p-type well region PW formed in the semiconductor substrate 1 in the n-type MISFET formation region AN2. Further, the n-channel type MISFET QN2 has a gate insulating film GI2 formed between the gate electrode GE and the semiconductor substrate 1. That is, the n-channel type MISFET QN2 has a gate insulating film GI2 formed on the semiconductor substrate 1 and a gate electrode GE formed on the gate insulating film GI2.

ゲート電極GEとして、nチャネル型のMISFETQN1のゲート電極GEと同様の材料を用いることができる。   As the gate electrode GE, the same material as that of the gate electrode GE of the n-channel type MISFET QN1 can be used.

ゲート絶縁膜GI2は、シリコンと酸素とを含有する。ゲート絶縁膜GI2は、例えば酸化シリコン(SiO)からなる絶縁膜3を有する。ゲート絶縁膜GI2は、nチャネル型のMISFETQN1のゲート絶縁膜GI1と異なり、例えばハフニウム(Hf)などの金属を含まない。これにより、チャネル領域の不純物濃度を変えることなく、nチャネル型のMISFETQN2の閾値電圧(Vth)を、nチャネル型のMISFETQN1の閾値電圧(Vth)よりも小さくすることができる。そして、チャネル領域の不純物濃度を変えずに閾値電圧(Vth)を小さくすることで、チャネル長の短いMISFETのトランジスタ特性が劣化することを防止でき、半導体装置の性能を低下させることなく、閾値電圧(Vth)を任意に調整することができる。   The gate insulating film GI2 contains silicon and oxygen. The gate insulating film GI2 includes an insulating film 3 made of, for example, silicon oxide (SiO). Unlike the gate insulating film GI1 of the n-channel type MISFET QN1, the gate insulating film GI2 does not contain a metal such as hafnium (Hf). Thus, the threshold voltage (Vth) of the n-channel type MISFET QN2 can be made smaller than the threshold voltage (Vth) of the n-channel type MISFET QN1 without changing the impurity concentration of the channel region. Further, by reducing the threshold voltage (Vth) without changing the impurity concentration of the channel region, it is possible to prevent the transistor characteristics of the MISFET having a short channel length from deteriorating, and without reducing the performance of the semiconductor device. (Vth) can be arbitrarily adjusted.

なお、以下では、ゲート絶縁膜GI2に例えばハフニウム(Hf)からなる金属が含有されていない例について説明するが、ゲート絶縁膜GI2は、ゲート絶縁膜GI2中の金属(例えばハフニウム(Hf))の濃度が、ゲート絶縁膜GI1中の金属の濃度よりも小さければよい。したがって、例えば絶縁膜3自体をシリコンと酸素と金属とを含有するものとすることなどにより、ゲート絶縁膜GI2として、例えばハフニウム(Hf)などの金属を、ゲート絶縁膜GI1中の濃度よりも小さい濃度で含有するものを用いてもよい。   Hereinafter, an example in which the gate insulating film GI2 does not contain, for example, a metal made of hafnium (Hf) will be described. However, the gate insulating film GI2 is made of a metal (for example, hafnium (Hf)) in the gate insulating film GI2. The concentration should be lower than the concentration of the metal in the gate insulating film GI1. Therefore, for example, by making the insulating film 3 itself contain silicon, oxygen, and metal, a metal such as hafnium (Hf) is smaller than the concentration in the gate insulating film GI1 as the gate insulating film GI2. You may use what is contained with a density | concentration.

ゲート電極GEの側壁上には、側壁絶縁膜としてサイドウォールスペーサSWが形成されている。そして、n型MISFET形成領域AN2であって、サイドウォールスペーサSWが形成されたゲート電極GEを挟んで両側の部分には、ソース・ドレイン領域SDが形成されている。n型MISFET形成領域AN2では、ソース・ドレイン領域SDは、例えばリン(P)またはヒ素(As)などのn型の不純物を拡散させたn型半導体領域である。   Over the side wall of the gate electrode GE, a side wall spacer SW is formed as a side wall insulating film. In the n-type MISFET formation region AN2, source / drain regions SD are formed on both sides of the gate electrode GE on which the sidewall spacer SW is formed. In the n-type MISFET formation region AN2, the source / drain region SD is an n-type semiconductor region in which an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) is diffused.

また、n型MISFET形成領域AN2でも、半導体基板1中に、エクステンション領域EXが形成され、LDD構造のソース・ドレイン領域SDが形成されている。さらに、n型MISFET形成領域AN2でも、ソース・ドレイン領域SD上およびゲート電極GE上に、サリサイド技術を用いて、金属シリサイド層を形成することができる。   Further, also in the n-type MISFET formation region AN2, the extension region EX is formed in the semiconductor substrate 1, and the source / drain region SD having the LDD structure is formed. Furthermore, in the n-type MISFET formation region AN2, a metal silicide layer can be formed on the source / drain region SD and the gate electrode GE by using a salicide technique.

次に、p型MISFET形成領域AP2に形成された、閾値電圧(Vth)が小さいpチャネル型のMISFETQP2の具体的な構成について説明する。   Next, a specific configuration of the p-channel MISFET QP2 formed in the p-type MISFET formation region AP2 and having a small threshold voltage (Vth) will be described.

pチャネル型のMISFETQP2は、半導体基板1の上部に形成されたゲート電極GEを有する。ゲート電極GEは、p型MISFET形成領域AP2において、半導体基板1に形成されたn型ウェル領域NW上に形成されている。また、pチャネル型のMISFETQP2は、ゲート電極GEと半導体基板1との間に形成されたゲート絶縁膜GI2を有する。すなわち、pチャネル型のMISFETQP2は、半導体基板1上に形成されたゲート絶縁膜GI2と、ゲート絶縁膜GI2上に形成されたゲート電極GEとを有する。   The p-channel type MISFET QP <b> 2 has a gate electrode GE formed on the semiconductor substrate 1. The gate electrode GE is formed on the n-type well region NW formed in the semiconductor substrate 1 in the p-type MISFET formation region AP2. The p-channel type MISFET QP2 has a gate insulating film GI2 formed between the gate electrode GE and the semiconductor substrate 1. That is, the p-channel type MISFET QP2 has a gate insulating film GI2 formed on the semiconductor substrate 1 and a gate electrode GE formed on the gate insulating film GI2.

ゲート電極GEとして、nチャネル型のMISFETQN2のゲート電極GEと同様の材料を用いることができる。   As the gate electrode GE, the same material as the gate electrode GE of the n-channel type MISFET QN2 can be used.

ゲート絶縁膜GI2は、nチャネル型のMISFETQN2のゲート絶縁膜GI2と同様に、シリコンと酸素とを含有し、例えば酸化シリコン(SiO)からなる絶縁膜3を有する。ゲート絶縁膜GI2は、pチャネル型のMISFETQP1のゲート絶縁膜GI1と異なり、例えばハフニウム(Hf)などの金属を含まない。これにより、チャネル領域の不純物濃度を変えることなく、pチャネル型のMISFETQP2の閾値電圧(Vth)を、pチャネル型のMISFETQP1の閾値電圧(Vth)よりも小さくすることができる。そして、チャネル領域の不純物濃度を変えずに閾値電圧(Vth)を小さくすることで、チャネル長の短いMISFETのトランジスタ特性が劣化することを防止でき、半導体装置の性能を低下させることなく、閾値電圧(Vth)を任意に調整することができる。   Similarly to the gate insulating film GI2 of the n-channel type MISFET QN2, the gate insulating film GI2 includes silicon and oxygen, and includes the insulating film 3 made of, for example, silicon oxide (SiO). Unlike the gate insulating film GI1 of the p-channel type MISFET QP1, the gate insulating film GI2 does not contain a metal such as hafnium (Hf). Thus, the threshold voltage (Vth) of the p-channel type MISFET QP2 can be made smaller than the threshold voltage (Vth) of the p-channel type MISFET QP1 without changing the impurity concentration of the channel region. Further, by reducing the threshold voltage (Vth) without changing the impurity concentration of the channel region, it is possible to prevent the transistor characteristics of the MISFET having a short channel length from deteriorating, and without reducing the performance of the semiconductor device. (Vth) can be arbitrarily adjusted.

なお、MISFETQN2のゲート絶縁膜GI2と同様に、MISFETQP2のゲート絶縁膜GI2として、ゲート絶縁膜GI1中の濃度よりも小さい濃度で例えばハフニウム(Hf)などの金属を含有するものを用いてもよい。   Similar to the gate insulating film GI2 of the MISFET QN2, as the gate insulating film GI2 of the MISFET QP2, a film containing a metal such as hafnium (Hf) at a concentration lower than the concentration in the gate insulating film GI1 may be used.

ゲート電極GEの側壁上には、側壁絶縁膜としてサイドウォールスペーサSWが形成されている。そして、p型MISFET形成領域AP2であって、サイドウォールスペーサSWが形成されたゲート電極GEを挟んで両側の部分には、ソース・ドレイン領域SDが形成されている。p型MISFET形成領域AP2では、ソース・ドレイン領域SDは、例えばホウ素(B)などのp型の不純物を拡散させたp型半導体領域である。   Over the side wall of the gate electrode GE, a side wall spacer SW is formed as a side wall insulating film. In the p-type MISFET formation region AP2, source / drain regions SD are formed on both sides of the gate electrode GE on which the sidewall spacer SW is formed. In the p-type MISFET formation region AP2, the source / drain region SD is a p-type semiconductor region in which a p-type impurity such as boron (B) is diffused.

また、p型MISFET形成領域AP2でも、半導体基板1中に、エクステンション領域EXが形成され、LDD構造のソース・ドレイン領域SDが形成されている。さらに、p型MISFET形成領域AP2でも、ソース・ドレイン領域SD上およびゲート電極GE上に、サリサイド技術を用いて、金属シリサイド層を形成することができる。   Further, also in the p-type MISFET formation region AP2, the extension region EX is formed in the semiconductor substrate 1, and the source / drain region SD having the LDD structure is formed. Further, in the p-type MISFET formation region AP2, a metal silicide layer can be formed on the source / drain region SD and the gate electrode GE by using a salicide technique.

なお、図1を用いて説明する例では、MISFETQN1、QP1、QN2およびQP2における絶縁膜3は、理解を簡単にするために、等しい膜厚を有し、単一層からなる膜として表示されている。しかし、例えばコアトランジスタとしてのMISFET、I/O(Input/Output)トランジスタとしてのMISFETなど、複数種類のMISFETを作り分けるために、コアトランジスタ形成領域、I/Oトランジスタ形成領域などの複数領域の間で、絶縁膜3を、異なる膜厚を有するものとするか、または、層数の異なる複数層を積層したものとしてもよい。さらに、例えばコアトランジスタ形成領域、I/Oトランジスタ形成領域などの複数領域の間で、絶縁膜3を、例えば窒化の有無など異なる組成を有するものとしてもよい。   In the example described with reference to FIG. 1, the insulating film 3 in the MISFETs QN1, QP1, QN2, and QP2 has the same film thickness and is displayed as a single-layer film for easy understanding. . However, in order to create a plurality of types of MISFETs such as a MISFET as a core transistor and a MISFET as an I / O (Input / Output) transistor, for example, between a plurality of regions such as a core transistor formation region and an I / O transistor formation region. Thus, the insulating film 3 may have different thicknesses, or may be a stack of a plurality of layers having different numbers of layers. Furthermore, for example, the insulating film 3 may have different compositions such as the presence or absence of nitridation between a plurality of regions such as a core transistor formation region and an I / O transistor formation region.

素子分離領域2では、半導体基板1の主面に、素子分離溝2aが形成されており、形成された素子分離溝2aに、絶縁膜2bが埋め込まれている。絶縁膜2bは、n型MISFET形成領域AN1に形成されたnチャネル型のMISFETQN1、p型MISFET形成領域AP1に形成されたpチャネル型のMISFETQP1、n型MISFET形成領域AN2に形成されたnチャネル型のMISFETQN2、および、p型MISFET形成領域AP2に形成されたpチャネル型のMISFETQP2を、互いに分離する。絶縁膜2bは、好適には酸化シリコン膜からなる。絶縁膜2bは、例えば、後述するようなSTI(Shallow Trench Isolation)法により形成される。   In the element isolation region 2, an element isolation groove 2a is formed in the main surface of the semiconductor substrate 1, and an insulating film 2b is embedded in the formed element isolation groove 2a. The insulating film 2b includes an n-channel MISFET QN1 formed in the n-type MISFET formation region AN1, a p-channel MISFET QP1 formed in the p-type MISFET formation region AP1, and an n-channel type formed in the n-type MISFET formation region AN2. The MISFET QN2 and the p-channel MISFET QP2 formed in the p-type MISFET formation region AP2 are separated from each other. The insulating film 2b is preferably made of a silicon oxide film. The insulating film 2b is formed by, for example, an STI (Shallow Trench Isolation) method as will be described later.

上記した半導体基板1の主面(表面)全面上には、MISFETQN1、QP1、QN2およびQP2のゲート電極GE、サイドウォールスペーサSWおよびソース・ドレイン領域SDを覆うように、層間絶縁膜5が形成されている。層間絶縁膜5は、例えば、酸化シリコン膜の単体膜、あるいは、窒化シリコン膜とそれよりも厚い酸化シリコン膜との積層膜(窒化シリコン膜が下層側)などからなり、層間絶縁膜5の上面は、MISFET形成領域AN1、AP1、AN2およびAP2でその高さがほぼ一致するように、平坦化されている。   An interlayer insulating film 5 is formed on the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1 so as to cover the gate electrodes GE, the side wall spacers SW, and the source / drain regions SD of the MISFETs QN1, QP1, QN2, and QP2. ing. The interlayer insulating film 5 is made of, for example, a single film of a silicon oxide film or a laminated film of a silicon nitride film and a thicker silicon oxide film (the silicon nitride film is on the lower layer side), and the upper surface of the interlayer insulating film 5 Is flattened so that the heights thereof substantially coincide in the MISFET formation regions AN1, AP1, AN2, and AP2.

層間絶縁膜5にはコンタクトホールCNTが形成されており、コンタクトホールCNT内には、導電性のプラグPGが形成されている。コンタクトホールCNTおよびそれを埋め込むプラグPGは、MISFET形成領域AN1、AP1、AN2およびAP2のソース・ドレイン領域SD上およびゲート電極GE上などに形成されている。プラグPGの底部は、MISFET形成領域AN1、AP1、AN2およびAP2に形成されたソース・ドレイン領域SDおよびゲート電極GEと電気的に接続されている。   A contact hole CNT is formed in the interlayer insulating film 5, and a conductive plug PG is formed in the contact hole CNT. The contact hole CNT and the plug PG filling the contact hole CNT are formed on the source / drain regions SD of the MISFET formation regions AN1, AP1, AN2, and AP2, the gate electrode GE, and the like. The bottom of the plug PG is electrically connected to the source / drain region SD and the gate electrode GE formed in the MISFET formation regions AN1, AP1, AN2, and AP2.

プラグPGが埋め込まれた層間絶縁膜5上には、例えば酸化シリコン膜などからなる絶縁膜6が形成されており、絶縁膜6に形成された配線溝(開口部)内に第1層配線としての配線M1が形成されている。配線M1は、プラグPGを介して、MISFET形成領域AN1、AP1、AN2およびAP2に形成されたソース・ドレイン領域SDおよびゲート電極GEなどと電気的に接続されている。   An insulating film 6 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the interlayer insulating film 5 in which the plug PG is embedded, and the first layer wiring is formed in a wiring groove (opening) formed in the insulating film 6. The wiring M1 is formed. The wiring M1 is electrically connected to the source / drain region SD, the gate electrode GE, and the like formed in the MISFET formation regions AN1, AP1, AN2, and AP2 through the plug PG.

配線M1は、ダマシン技術(ここではシングルダマシン技術)により形成されているが、他の形態として、パターニングされた導体膜(例えばタングステン配線またはアルミニウム配線)により形成することもできる。   The wiring M1 is formed by a damascene technique (here, a single damascene technique), but may be formed by a patterned conductor film (for example, a tungsten wiring or an aluminum wiring) as another form.

<半導体装置の製造工程>
本実施の形態の半導体装置の製造工程を、図面を参照して説明する。図2および図3は、実施の形態1の半導体装置の製造工程の一部を示す製造プロセスフロー図である。図4〜図22は、実施の形態1の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
<Manufacturing process of semiconductor device>
A manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment will be described with reference to the drawings. 2 and 3 are manufacturing process flow charts showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device of the first embodiment. 4 to 22 are main-portion cross-sectional views during the manufacturing process of the semiconductor device of First Embodiment.

まず、図4に示されるように、半導体基板1を準備する(図2のステップS11)。このステップS11では、例えば1〜10Ωcm程度の比抵抗を有するp型の単結晶シリコン(Si)などからなる半導体基板1を準備する。   First, as shown in FIG. 4, the semiconductor substrate 1 is prepared (step S11 in FIG. 2). In step S11, a semiconductor substrate 1 made of p-type single crystal silicon (Si) having a specific resistance of, for example, about 1 to 10 Ωcm is prepared.

次に、図5に示されるように、素子分離領域2で素子分離溝2aを形成する(図2のステップS12)。このステップS12では、半導体基板1をドライエッチングすることで、半導体基板1に例えば深さ300nm程度の素子分離溝2aを形成する。   Next, as shown in FIG. 5, an element isolation groove 2a is formed in the element isolation region 2 (step S12 in FIG. 2). In step S12, the semiconductor substrate 1 is dry-etched to form an element isolation trench 2a having a depth of, for example, about 300 nm in the semiconductor substrate 1.

なお、ステップS12では、半導体基板1の主面(表面)全面上に、酸化シリコンからなる絶縁膜(図示せず)、窒化シリコンからなる絶縁膜(図示せず)を順次形成した後、フォトレジストパターン(図示せず)をエッチングマスクとしたドライエッチングにより素子分離溝2aを形成することができる。   In step S12, an insulating film (not shown) made of silicon oxide and an insulating film (not shown) made of silicon nitride are sequentially formed on the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1, and then a photoresist. The element isolation trench 2a can be formed by dry etching using a pattern (not shown) as an etching mask.

次に、図6に示されるように、素子分離領域2で絶縁膜2bを形成する(図2のステップS13)。このステップS13では、半導体基板1の主面(表面)全面上に、素子分離溝2aを埋め込むように、絶縁膜2bを形成し、素子分離溝2a内に埋め込まれた絶縁膜2bを焼き締めるための熱処理(アニール処理)を行った後、絶縁膜2bをCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学的機械的研磨)法により研磨する。絶縁膜2bは、例えば酸化シリコン膜からなり、例えばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法により形成される。また、熱処理は、半導体基板1を例えば400〜1200℃程度で熱処理することにより、行うことができる。   Next, as shown in FIG. 6, an insulating film 2b is formed in the element isolation region 2 (step S13 in FIG. 2). In this step S13, an insulating film 2b is formed on the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1 so as to fill the element isolation trench 2a, and the insulating film 2b embedded in the element isolation trench 2a is baked. Then, the insulating film 2b is polished by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method. The insulating film 2b is made of, for example, a silicon oxide film, and is formed by, for example, a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method. The heat treatment can be performed by heat-treating the semiconductor substrate 1 at about 400 to 1200 ° C., for example.

なお、絶縁膜2bを形成する前に、素子分離溝2a内を含む半導体基板1の主面(表面)全面上に、例えば窒化シリコンからなる絶縁膜(図示せず)を薄く形成しておき、上記した熱処理によって素子分離溝2aの側壁が酸化することを防止するようにしてもよい。   Before forming the insulating film 2b, a thin insulating film (not shown) made of, for example, silicon nitride is formed on the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1 including the inside of the element isolation trench 2a. You may make it prevent that the side wall of the element isolation groove | channel 2a is oxidized by the above-mentioned heat processing.

また、CMP法による研磨の後、素子分離溝2a内に埋め込まれた絶縁膜2bと半導体基板1との段差を低減する処置を行う。図6には、素子分離溝2a内の絶縁膜2bの上面の高さ位置が、半導体基板1の上面の高さ位置と略等しく、段差が低減された状態である場合が示されている。   In addition, after polishing by the CMP method, a treatment for reducing the step between the insulating film 2b embedded in the element isolation trench 2a and the semiconductor substrate 1 is performed. FIG. 6 shows a case where the height position of the upper surface of the insulating film 2b in the element isolation trench 2a is substantially equal to the height position of the upper surface of the semiconductor substrate 1 and the level difference is reduced.

このようにして、図6に示されるように、素子分離領域2において、絶縁膜2bがSTI法により形成される。そして、半導体基板1においては、素子分離領域2によりMISFET形成領域(活性領域)AN1、AP1、AN2およびAP2が規定(画定)される。そして、そのMISFET形成領域AN1、AP1、AN2およびAP2に、以降の工程で種々の半導体素子(例えば後述するMISFETであるQN1、QP1、QN2およびQP2など)が形成される。   Thus, as shown in FIG. 6, in the element isolation region 2, the insulating film 2b is formed by the STI method. In the semiconductor substrate 1, MISFET formation regions (active regions) AN 1, AP 1, AN 2, and AP 2 are defined (defined) by the element isolation region 2. In the MISFET formation regions AN1, AP1, AN2, and AP2, various semiconductor elements (for example, MISFETs QN1, QP1, QN2, and QP2, which will be described later) are formed in the following steps.

次に、図7に示されるように、半導体基板1の上面から所定の深さに亘ってウェル領域を形成する工程を行う(図2のステップS14)。このステップS14では、ウェル領域を形成する工程を2回繰り返す。1回目は、半導体基板1中に、p型不純物(例えば、ホウ素など)を含有するp型ウェル領域PWを形成し、2回目は、半導体基板1中に、n型不純物(例えば、リンやヒ素など)を含有するn型ウェル領域NWを形成する。   Next, as shown in FIG. 7, a step of forming a well region over a predetermined depth from the upper surface of the semiconductor substrate 1 is performed (step S14 in FIG. 2). In step S14, the process of forming the well region is repeated twice. The first time forms a p-type well region PW containing a p-type impurity (for example, boron) in the semiconductor substrate 1, and the second time forms an n-type impurity (for example, phosphorus or arsenic) in the semiconductor substrate 1. And the like are formed.

p型ウェル領域PWは、例えば、イオン注入法を用いて、半導体基板1中にp型不純物を導入することにより形成することができる。まず、半導体基板1の主面(表面)全面上に、フォトレジスト層を塗布した後、このフォトレジスト層を露光、現像することで、MISFET形成領域AN1およびAN2に開口部を有するように、フォトレジストパターン(図示せず)を形成する。そして、形成されたフォトレジストパターンをマスクとして用いて、例えば、5×1012〜5×1013/cmの濃度で、ホウ素(B)をイオン打ち込みし、不純物の濃度(不純物濃度)が、5×1017〜5×1018/cmのp型ウェル領域PWを形成する。その後、フォトレジストパターンを除去する。 The p-type well region PW can be formed, for example, by introducing a p-type impurity into the semiconductor substrate 1 using an ion implantation method. First, after applying a photoresist layer on the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1, the photoresist layer is exposed and developed so as to have openings in the MISFET formation regions AN1 and AN2. A resist pattern (not shown) is formed. Then, using the formed photoresist pattern as a mask, for example, boron (B) is ion-implanted at a concentration of 5 × 10 12 to 5 × 10 13 / cm 2 , and the impurity concentration (impurity concentration) is A p-type well region PW of 5 × 10 17 to 5 × 10 18 / cm 3 is formed. Thereafter, the photoresist pattern is removed.

n型ウェル領域NWは、例えば、イオン注入法を用いて、半導体基板1中にn型不純物を導入することにより形成することができる。まず、半導体基板1の主面(表面)全面上に、フォトレジスト層を塗布した後、このフォトレジスト層を露光、現像することで、MISFET形成領域AP1およびAP2に開口部を有するように、フォトレジストパターン(図示せず)を形成する。そして、形成されたフォトレジストパターンをマスクとして用いて、例えば、5×1012〜5×1013/cmの濃度で、リン(P)またはヒ素(As)をイオン打ち込みし、不純物の濃度(不純物濃度)が、5×1017〜5×1018/cmのn型ウェル領域NWを形成する。その後、フォトレジストパターンを除去する。 The n-type well region NW can be formed, for example, by introducing an n-type impurity into the semiconductor substrate 1 using an ion implantation method. First, after applying a photoresist layer over the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1, the photoresist layer is exposed and developed so as to have openings in the MISFET formation regions AP1 and AP2. A resist pattern (not shown) is formed. Then, using the formed photoresist pattern as a mask, phosphorus (P) or arsenic (As) is ion-implanted at a concentration of 5 × 10 12 to 5 × 10 13 / cm 2 , for example, and the impurity concentration ( An n-type well region NW having an impurity concentration of 5 × 10 17 to 5 × 10 18 / cm 3 is formed. Thereafter, the photoresist pattern is removed.

次に、図8に示されるように、半導体基板1上に、絶縁膜3を形成する(図2のステップS15)。このステップS15では、半導体基板1の主面(表面)全面上に、例えば熱酸化法により、例えば厚さ2nm程度の酸化シリコンからなる絶縁膜3を形成する。   Next, as shown in FIG. 8, the insulating film 3 is formed on the semiconductor substrate 1 (step S15 in FIG. 2). In this step S15, the insulating film 3 made of, for example, silicon oxide having a thickness of about 2 nm is formed on the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1 by, for example, thermal oxidation.

次に、図9に示されるように、半導体基板1上に、マスク膜9を形成する(図2のステップS16)。このステップS16では、例えば、スパッタ法(PVD(Physical Vapor Deposition)法)、熱CVD法などにより、例えば厚さ10〜50nm程度のマスク膜9を形成する。マスク膜9は、後の工程(図2のステップS18)において、ドライエッチングによりMISFET形成領域AN1およびAP1における部分(一部)が除去され、後の工程(図2のステップS20)において、MISFET形成領域AN2およびAP2における絶縁膜3上に金属含有膜4(図13参照)が形成されることを防止する。また、マスク膜9は、後の工程(図2のステップS22)において、ウェットエッチングにより全てが除去される。そのため、マスク膜9として、窒化チタン(TiN)または窒化タンタル(TaN)からなる膜が、好適に用いられる。上記した材料を用いることにより、マスク膜9を形成する際は、容易に形成することができ、マスク膜9を一部除去する際は、容易に除去することができ、金属含有膜4を形成する際は、MISFET形成領域AN2およびAP2で絶縁膜3がマスク膜9に覆われた状態を保持することができ、その後マスク膜9の全てを除去する際は、容易に除去できるからである。   Next, as shown in FIG. 9, a mask film 9 is formed on the semiconductor substrate 1 (step S16 in FIG. 2). In this step S16, for example, the mask film 9 having a thickness of about 10 to 50 nm is formed by sputtering (PVD (Physical Vapor Deposition)), thermal CVD, or the like. In the later process (step S18 in FIG. 2), the mask film 9 is partially etched in the MISFET formation regions AN1 and AP1 by dry etching. In the later process (step S20 in FIG. 2), the MISFET formation is performed. The metal-containing film 4 (see FIG. 13) is prevented from being formed on the insulating film 3 in the regions AN2 and AP2. Further, all of the mask film 9 is removed by wet etching in a later process (step S22 in FIG. 2). Therefore, a film made of titanium nitride (TiN) or tantalum nitride (TaN) is preferably used as the mask film 9. By using the materials described above, the mask film 9 can be easily formed, and when the mask film 9 is partially removed, the metal film 4 can be easily removed. This is because the state in which the insulating film 3 is covered with the mask film 9 can be maintained in the MISFET formation regions AN2 and AP2, and when the entire mask film 9 is subsequently removed, it can be easily removed.

次に、図10に示されるように、半導体基板1上に、フォトレジストパターンPR1を形成する(図2のステップS17)。このステップS17では、半導体基板1の主面(表面)全面上に、フォトレジスト層を塗布した後、このフォトレジスト層を露光、現像することで、MISFET形成領域AN1およびAP1に開口部を有するように、フォトレジストパターンPR1を形成する。   Next, as shown in FIG. 10, a photoresist pattern PR1 is formed on the semiconductor substrate 1 (step S17 in FIG. 2). In this step S17, a photoresist layer is applied to the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1, and then the photoresist layer is exposed and developed to have openings in the MISFET formation regions AN1 and AP1. Next, a photoresist pattern PR1 is formed.

次に、図11に示されるように、フォトレジストパターンPR1をエッチングマスクとして、マスク膜9をドライエッチングする(図2のステップS18)。このステップS18では、MISFET形成領域AN1およびAP1に開口部を有するフォトレジストパターンPR1をエッチングマスクとして、マスク膜9をドライエッチングすることで、MISFET形成領域AN1およびAP1においてマスク膜9が除去され、絶縁膜3が露出する。   Next, as shown in FIG. 11, the mask film 9 is dry-etched using the photoresist pattern PR1 as an etching mask (step S18 in FIG. 2). In this step S18, the mask film 9 is removed by dry etching using the photoresist pattern PR1 having openings in the MISFET formation regions AN1 and AP1 as an etching mask, whereby the mask film 9 is removed in the MISFET formation regions AN1 and AP1. The film 3 is exposed.

次に、図12に示されるように、フォトレジストパターンPR1を除去する(図2のステップS19)。このステップS19では、例えばアッシング処理とSPM(Sulfuric acid-Hydrogen Peroxide Mixture)液などの処理液を用いた洗浄処理とを行うことで、フォトレジストパターンPR1を除去する。これにより、MISFET形成領域AN1およびAP1に開口部を有し、MISFET形成領域AN2およびAP2で絶縁膜3が覆われるように、マスク膜9からなるハードマスクパターン10が形成される。すなわち、MISFET形成領域AN1およびAP1では絶縁膜3が露出し、MISFET形成領域AN2およびAP2では絶縁膜3が覆われるように、マスク膜9からなるハードマスクパターン10が形成される。   Next, as shown in FIG. 12, the photoresist pattern PR1 is removed (step S19 in FIG. 2). In this step S19, the photoresist pattern PR1 is removed by performing, for example, an ashing process and a cleaning process using a processing solution such as an SPM (Sulfuric Acid-Hydrogen Peroxide Mixture) solution. Thereby, the hard mask pattern 10 including the mask film 9 is formed so that the MISFET formation regions AN1 and AP1 have openings and the insulating film 3 is covered with the MISFET formation regions AN2 and AP2. That is, the hard mask pattern 10 made of the mask film 9 is formed so that the insulating film 3 is exposed in the MISFET forming regions AN1 and AP1, and the insulating film 3 is covered in the MISFET forming regions AN2 and AP2.

次に、図13に示されるように、半導体基板1上に、金属含有膜4を形成(堆積)する(図2のステップS20)。このステップS20では、MISFET形成領域AN2およびAP2における絶縁膜3がハードマスクパターン10(マスク膜9)に覆われた状態で、半導体基板1の主面(表面)全面に、例えばALD(Atomic Layer Deposition:原子層堆積)法により、例えば厚さ1nm程度の金属含有膜4を形成する。これにより、MISFET形成領域AN1およびAP1において、例えば厚さ2nm程度の酸化シリコンからなる絶縁膜3の上面に、例えば厚さ1nm程度の金属含有膜4が形成される。また、MISFET形成領域AN2およびAP2において、例えば窒化チタン(TiN)からなるハードマスクパターン10(マスク膜9)の上面および側面に、例えば厚さ1nm程度の金属含有膜4が形成される。   Next, as shown in FIG. 13, a metal-containing film 4 is formed (deposited) on the semiconductor substrate 1 (step S20 in FIG. 2). In this step S20, with the insulating film 3 in the MISFET formation regions AN2 and AP2 covered with the hard mask pattern 10 (mask film 9), the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1 is, for example, ALD (Atomic Layer Deposition). : Atomic layer deposition), for example, the metal-containing film 4 having a thickness of about 1 nm is formed. As a result, in the MISFET formation regions AN1 and AP1, for example, a metal-containing film 4 having a thickness of about 1 nm is formed on the upper surface of the insulating film 3 made of silicon oxide having a thickness of about 2 nm, for example. In the MISFET formation regions AN2 and AP2, a metal-containing film 4 having a thickness of, for example, about 1 nm is formed on the upper surface and side surfaces of the hard mask pattern 10 (mask film 9) made of, for example, titanium nitride (TiN).

金属含有膜4として、例えばハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、チタン(Ti)、アルミニウム(Al)などの金属を含有するものが用いられる。これにより、チャネル領域の不純物濃度を変えずに閾値電圧(Vth)を調整することができる。   As the metal-containing film 4, for example, a film containing a metal such as hafnium (Hf), zirconium (Zr), titanium (Ti), aluminum (Al), or the like is used. Thereby, the threshold voltage (Vth) can be adjusted without changing the impurity concentration of the channel region.

次に、図14に示されるように、半導体基板1をアニール処理(熱処理)する(図2のステップS21)。このステップS21では、半導体基板1について、例えばRTA(Rapid Thermal Anneal)などのアニール処理を行う。これにより、MISFET形成領域AN1およびAP1において、絶縁膜3と金属含有膜4とが反応し、金属含有膜4に含有されている金属が金属含有膜4と絶縁膜3との界面から絶縁膜3中に拡散することで、絶縁膜3のうち半導体基板1と反対側の部分が金属含有絶縁膜3aとなる。また、金属含有絶縁膜3a中では、金属含有膜4側から半導体基板1側に向かって、例えばハフニウム(Hf)などの金属の濃度が減少する。   Next, as shown in FIG. 14, the semiconductor substrate 1 is annealed (heat treated) (step S21 in FIG. 2). In this step S21, the semiconductor substrate 1 is subjected to an annealing process such as RTA (Rapid Thermal Anneal). Thereby, in the MISFET formation regions AN1 and AP1, the insulating film 3 and the metal-containing film 4 react, and the metal contained in the metal-containing film 4 is transferred from the interface between the metal-containing film 4 and the insulating film 3 to the insulating film 3. By diffusing inside, the portion of the insulating film 3 opposite to the semiconductor substrate 1 becomes the metal-containing insulating film 3a. In the metal-containing insulating film 3a, the concentration of metal such as hafnium (Hf) decreases from the metal-containing film 4 side toward the semiconductor substrate 1 side.

なお、アニール処理は、例えば窒素雰囲気下、温度600〜1000℃の条件で行うことが好ましい。温度が600℃未満の場合、金属含有膜4に含有されている金属が絶縁膜3中に十分に拡散できないおそれがある。また、温度が1000℃を超える場合、絶縁膜3および金属含有膜4を含め、半導体基板1が変質するおそれがある。   In addition, it is preferable to perform annealing treatment on the conditions of temperature 600-1000 degreeC, for example in nitrogen atmosphere. When the temperature is lower than 600 ° C., the metal contained in the metal-containing film 4 may not be sufficiently diffused into the insulating film 3. When the temperature exceeds 1000 ° C., the semiconductor substrate 1 including the insulating film 3 and the metal-containing film 4 may be altered.

金属含有膜4に含有される金属がハフニウム(Hf)であるときは、金属含有絶縁膜3aは、酸化ハフニウム(HfO)、酸窒化ハフニウム(HfON)およびシリコン含有酸窒化ハフニウム(HfSiON)のうち1種以上からなる。   When the metal contained in the metal-containing film 4 is hafnium (Hf), the metal-containing insulating film 3a is one of hafnium oxide (HfO), hafnium oxynitride (HfON), and silicon-containing hafnium oxynitride (HfSiON). It consists of more than seeds.

なお、ステップS21を行わないと、後の工程(ステップS22)でハードマスクパターン10(マスク膜9)を除去する際に、MISFET形成領域AN1およびAP1における金属含有膜4も除去されてしまい、MISFETQN1およびQP1のゲート絶縁膜GI1中に、金属含有膜4に含有されている金属を添加することができない。したがって、ステップS21を行うことで、MISFETQN1およびQP1のゲート絶縁膜GI1中に、金属含有膜4に含有されている金属を確実に添加することができる。   If step S21 is not performed, when the hard mask pattern 10 (mask film 9) is removed in the subsequent process (step S22), the metal-containing film 4 in the MISFET formation region AN1 and AP1 is also removed, and the MISFET QN1. In addition, the metal contained in the metal-containing film 4 cannot be added to the gate insulating film GI1 of QP1. Therefore, by performing step S21, the metal contained in the metal-containing film 4 can be reliably added to the gate insulating film GI1 of the MISFETs QN1 and QP1.

ステップS21を行った後、ハードマスクパターン10(マスク膜9)に覆われていないMISFET形成領域AN1およびAP1では、金属含有絶縁膜3a上に、未反応の金属含有膜4が残存する。また、ハードマスクパターン10(マスク膜9)に覆われているMISFET形成領域AN2およびAP2でも、ハードマスクパターン10(マスク膜9)の上面および側面には、金属含有膜4が残存する。なお、図示は省略するが、ハードマスクパターン10(マスク膜9)の上面および側面では、金属含有膜4の一部がハードマスクパターン10(マスク膜9)と反応することもある。   After performing step S21, the unreacted metal-containing film 4 remains on the metal-containing insulating film 3a in the MISFET formation regions AN1 and AP1 that are not covered with the hard mask pattern 10 (mask film 9). In the MISFET formation regions AN2 and AP2 covered with the hard mask pattern 10 (mask film 9), the metal-containing film 4 remains on the upper surface and side surfaces of the hard mask pattern 10 (mask film 9). Although illustration is omitted, a part of the metal-containing film 4 may react with the hard mask pattern 10 (mask film 9) on the top and side surfaces of the hard mask pattern 10 (mask film 9).

次に、図15に示されるように、ウェットエッチングを行う(図2のステップS22)。このステップS22では、ハードマスクパターン10(マスク膜9)をウェットエッチングにより除去する。ハードマスクパターン10(マスク膜9)が例えば窒化チタン(TiN)または窒化タンタル(TaN)からなるときは、ウェットエッチングのための薬液(エッチング液)として、SPM液が好適に用いられる。ステップS22の直前までハードマスクパターン10(マスク膜9)に覆われていたMISFET形成領域AN2およびAP2では、ハードマスクパターン10(マスク膜9)が、ハードマスクパターン10(マスク膜9)の上面および側面に形成されていた金属含有膜4とともに除去されることで、絶縁膜3が露出する。一方、ステップS22の前からハードマスクパターン10(マスク膜9)に覆われていなかったMISFET形成領域AN1およびAP1では、金属含有膜4のうち、未反応の部分が除去されることで、金属含有絶縁膜3aが露出する。   Next, as shown in FIG. 15, wet etching is performed (step S22 in FIG. 2). In this step S22, the hard mask pattern 10 (mask film 9) is removed by wet etching. When the hard mask pattern 10 (mask film 9) is made of, for example, titanium nitride (TiN) or tantalum nitride (TaN), an SPM solution is suitably used as a chemical solution (etching solution) for wet etching. In the MISFET formation regions AN2 and AP2 that were covered with the hard mask pattern 10 (mask film 9) until immediately before step S22, the hard mask pattern 10 (mask film 9) is the upper surface of the hard mask pattern 10 (mask film 9) and By removing together with the metal-containing film 4 formed on the side surface, the insulating film 3 is exposed. On the other hand, in the MISFET formation regions AN1 and AP1 that have not been covered with the hard mask pattern 10 (mask film 9) before step S22, the metal-containing film 4 is removed by removing an unreacted portion. The insulating film 3a is exposed.

このように、ステップS15の工程により半導体基板1上に絶縁膜3を形成した後、ステップS16〜ステップS22の工程を行うことで、MISFET形成領域AN1およびAP1では、半導体基板1上に形成された絶縁膜3と、絶縁膜3上に形成された金属含有絶縁膜3aとからなる絶縁膜11が形成される。また、MISFET形成領域AN2およびAP2では、半導体基板1上に形成された絶縁膜3のみからなる絶縁膜12が形成される。すなわち、ハードマスクパターン10(マスク膜9)を用いて、MISFET形成領域AN1およびAP1に、金属含有絶縁膜3aを選択的に形成することができる。あるいは、MISFET形成領域AN1およびAP1では、絶縁膜3と金属含有絶縁膜3aとが明確に分かれていなくてもよい。このときは、ステップS22までの工程を行うことで、MISFET形成領域AN1およびAP1では、金属が添加された絶縁膜11が形成され、MISFET形成領域AN2およびAP2では、金属が添加されていない絶縁膜12が形成される。   As described above, after the insulating film 3 is formed on the semiconductor substrate 1 by the process of step S15, the processes of steps S16 to S22 are performed to form the MISFET formation regions AN1 and AP1 on the semiconductor substrate 1. An insulating film 11 including the insulating film 3 and the metal-containing insulating film 3a formed on the insulating film 3 is formed. In the MISFET formation regions AN2 and AP2, an insulating film 12 made only of the insulating film 3 formed on the semiconductor substrate 1 is formed. That is, the metal-containing insulating film 3a can be selectively formed in the MISFET formation regions AN1 and AP1 using the hard mask pattern 10 (mask film 9). Alternatively, in the MISFET formation regions AN1 and AP1, the insulating film 3 and the metal-containing insulating film 3a may not be clearly separated. At this time, by performing the processes up to step S22, the insulating film 11 to which the metal is added is formed in the MISFET formation regions AN1 and AP1, and the insulating film to which the metal is not added in the MISFET formation regions AN2 and AP2. 12 is formed.

なお、後に詳細に説明するが、本実施の形態では、MISFET形成領域AN1およびAP1に金属含有絶縁膜3aを形成する際に、金属含有膜4および金属含有絶縁膜3aがレジストパターンに接触することが無い。また、レジストパターンを除去する際にも、金属含有絶縁膜3aにはアッシングによるダメージが無い。従って、ゲート絶縁膜の信頼性を確保することができる。   As will be described in detail later, in the present embodiment, when the metal-containing insulating film 3a is formed in the MISFET formation regions AN1 and AP1, the metal-containing film 4 and the metal-containing insulating film 3a are in contact with the resist pattern. There is no. Further, when the resist pattern is removed, the metal-containing insulating film 3a is not damaged by ashing. Therefore, the reliability of the gate insulating film can be ensured.

次に、図16に示されるように、半導体基板1上に、ゲート電極用の導電体膜13を形成する(図3のステップS23)。このステップS23では、半導体基板1の主面(表面)全面上に、ゲート電極用の導電体膜13を形成する。ゲート電極用の導電体膜13として、例えば多結晶シリコン(ドープトポリシリコン)からなる導電体膜を用いることができる。   Next, as shown in FIG. 16, a conductive film 13 for a gate electrode is formed on the semiconductor substrate 1 (step S23 in FIG. 3). In this step S23, the conductor film 13 for the gate electrode is formed on the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1. As the conductor film 13 for the gate electrode, for example, a conductor film made of polycrystalline silicon (doped polysilicon) can be used.

次に、図17に示されるように、半導体基板1の主面(表面)全面上に、フォトレジスト層を塗布した後、露光、現像することで、フォトレジストパターンPR2を形成する(図3のステップS24)。   Next, as shown in FIG. 17, a photoresist layer PR2 is formed by applying a photoresist layer on the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1 and then exposing and developing (see FIG. 3). Step S24).

次に、ゲート電極GEならびにゲート絶縁膜GI1およびGI2を形成する(図3のステップS25)。このステップS25では、フォトレジストパターンPR2をエッチングマスクとしたドライエッチングにより、導電体膜13、金属含有絶縁膜3aおよび絶縁膜3をエッチングする。すなわち、MISFET形成領域AN1およびAP1では、導電体膜13および絶縁膜11をエッチングし、MISFET形成領域AN2およびAP2では、導電体膜13および絶縁膜12をエッチングする。これにより、図18に示されるように、MISFET形成領域AN1およびAP1において、パターニングされたゲート電極GEおよびゲート絶縁膜GI1が形成される。一方、MISFET形成領域AN2およびAP2においては、パターニングされたゲート電極GEおよびゲート絶縁膜GI2が形成される。その後、フォトレジストパターンPR2を除去する。図18には、フォトレジストパターンPR2が除去された段階(状態)が示されている。ゲート絶縁膜GI1は、半導体基板1上に形成された絶縁膜3と、絶縁膜3上に形成された金属含有絶縁膜3aとからなる。また、ゲート絶縁膜GI2は、半導体基板1上に形成された絶縁膜3のみからなる。   Next, the gate electrode GE and the gate insulating films GI1 and GI2 are formed (Step S25 in FIG. 3). In this step S25, the conductor film 13, the metal-containing insulating film 3a, and the insulating film 3 are etched by dry etching using the photoresist pattern PR2 as an etching mask. That is, the conductor film 13 and the insulating film 11 are etched in the MISFET formation regions AN1 and AP1, and the conductor film 13 and the insulating film 12 are etched in the MISFET formation regions AN2 and AP2. As a result, as shown in FIG. 18, patterned gate electrode GE and gate insulating film GI1 are formed in MISFET formation regions AN1 and AP1. On the other hand, in the MISFET formation regions AN2 and AP2, the patterned gate electrode GE and gate insulating film GI2 are formed. Thereafter, the photoresist pattern PR2 is removed. FIG. 18 shows a stage (state) where the photoresist pattern PR2 is removed. The gate insulating film GI1 includes an insulating film 3 formed on the semiconductor substrate 1 and a metal-containing insulating film 3a formed on the insulating film 3. The gate insulating film GI <b> 2 is composed only of the insulating film 3 formed on the semiconductor substrate 1.

次に、図19に示されるように、エクステンション領域EXを形成する(図3のステップS26)。このステップS26では、まず、MISFET形成領域AN1およびAN2において、p型ウェル領域PWのゲート電極GEの両側の領域にリン(P)またはヒ素(As)などのn型の不純物をイオン注入することにより、n型のエクステンション領域EXを形成する。また、MISFET形成領域AP1およびAP2において、n型ウェル領域NWのゲート電極GEの両側の領域にホウ素(B)などのp型の不純物をイオン注入することにより、p型のエクステンション領域EXを形成する。このイオン注入の際に、ゲート電極GEはイオン注入阻止マスクとして機能することができるため、エクステンション領域EXは、ゲート電極GEの直下の領域に整合(自己整合)して形成される。   Next, as shown in FIG. 19, the extension region EX is formed (step S26 in FIG. 3). In this step S26, first, in the MISFET formation regions AN1 and AN2, n-type impurities such as phosphorus (P) or arsenic (As) are ion-implanted into regions on both sides of the gate electrode GE of the p-type well region PW. The n-type extension region EX is formed. In the MISFET formation regions AP1 and AP2, p-type extension regions EX are formed by ion-implanting p-type impurities such as boron (B) into the regions on both sides of the gate electrode GE in the n-type well region NW. . Since the gate electrode GE can function as an ion implantation blocking mask during this ion implantation, the extension region EX is formed in alignment (self-alignment) with a region immediately below the gate electrode GE.

次に、図20に示されるように、ゲート電極GEの側壁上に、側壁絶縁膜として、例えば酸化シリコン膜もしくは窒化シリコン膜またはそれらの積層膜などからなるサイドウォールスペーサSWを形成する(図3のステップS27)。このステップS27では、例えば、半導体基板1の主面(表面)全面上に酸化シリコン膜もしくは窒化シリコン膜またはそれらの積層膜を堆積し、この酸化シリコン膜もしくは窒化シリコン膜またはそれらの積層膜をRIE(Reactive Ion Etching)法などにより異方性エッチングすることで、サイドウォールスペーサSWが形成される。   Next, as shown in FIG. 20, a sidewall spacer SW made of, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a laminated film thereof is formed as a sidewall insulating film on the sidewall of the gate electrode GE (FIG. 3). Step S27). In this step S27, for example, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a laminated film thereof is deposited on the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1, and the silicon oxide film, the silicon nitride film, or the laminated film is RIE. Sidewall spacers SW are formed by anisotropic etching using a (Reactive Ion Etching) method or the like.

次に、ソース・ドレイン領域SDを形成する(図3のステップS28)。このステップS28では、MISFET形成領域AN1およびAN2において、p型ウェル領域PWのゲート電極GEおよびサイドウォールスペーサSWの両側の領域にリン(P)またはヒ素(As)などのn型の不純物をイオン注入することにより、n型のソース・ドレイン領域SDを形成する。また、MISFET形成領域AP1およびAP2において、n型ウェル領域NWのゲート電極GEおよびサイドウォールスペーサSWの両側の領域にホウ素(B)などのp型の不純物をイオン注入することにより、p型のソース・ドレイン領域SDを形成する。このイオン注入の際に、ゲート電極GEおよびその側壁上のサイドウォールスペーサSWはイオン注入阻止マスクとして機能することができるため、ソース・ドレイン領域SDは、ゲート電極GEの直下の領域に整合(自己整合)して形成される。ソース・ドレイン領域SD形成用のイオン注入の後、導入した不純物の活性化のためのアニール処理を行う。このアニール処理は、例えば、1050℃程度のフラッシュランプアニール処理にて行うことができる。   Next, the source / drain region SD is formed (step S28 in FIG. 3). In this step S28, in the MISFET formation regions AN1 and AN2, n-type impurities such as phosphorus (P) or arsenic (As) are ion-implanted into regions on both sides of the gate electrode GE and the sidewall spacer SW in the p-type well region PW. As a result, n-type source / drain regions SD are formed. In the MISFET formation regions AP1 and AP2, a p-type source is formed by ion-implanting a p-type impurity such as boron (B) into the regions on both sides of the gate electrode GE and the sidewall spacer SW in the n-type well region NW. -Drain region SD is formed. During this ion implantation, the gate electrode GE and the sidewall spacer SW on the side wall thereof can function as an ion implantation blocking mask, so that the source / drain region SD is aligned with the region immediately below the gate electrode GE (self Formed). After the ion implantation for forming the source / drain regions SD, an annealing process for activating the introduced impurities is performed. This annealing process can be performed, for example, by a flash lamp annealing process at about 1050 ° C.

このようにして、図21に示されるように、ゲート電極GEの一方の側に形成されているエクステンション領域EXとソース・ドレイン領域SDとの対によりLDD構造のソースまたはドレインとして機能する半導体領域が形成される。ソース・ドレイン領域SDはエクステンション領域EXよりも、不純物濃度が高くかつ深さ(接合深さ)が深くなっている。そして、MISFET形成領域AN1、AP1、AN2およびAP2の各々に、MISFETQN1、QP1、QN2およびQP2の各々が形成される。   Thus, as shown in FIG. 21, the semiconductor region functioning as the source or drain of the LDD structure is formed by the pair of the extension region EX and the source / drain region SD formed on one side of the gate electrode GE. It is formed. The source / drain region SD has a higher impurity concentration and a deeper depth (junction depth) than the extension region EX. Then, each of the MISFETs QN1, QP1, QN2, and QP2 is formed in each of the MISFET formation regions AN1, AP1, AN2, and AP2.

各々が、MISFET形成領域AN1およびAP1の各々に形成されたMISFETQN1およびQP1は、絶縁膜3と、絶縁膜3上に形成された金属含有絶縁膜3aとからなるゲート絶縁膜GI1を有する。各々が、MISFET形成領域AN2およびAP2の各々に形成されたMISFETQN2およびQP2は、絶縁膜3のみからなるゲート絶縁膜GI2を有する。ゲート絶縁膜GI1には例えばハフニウム(Hf)などの金属が含有されており、ゲート絶縁膜GI2には例えばハフニウム(Hf)などの金属が含有されていない。したがって、n型MISFET形成領域AN1において、閾値電圧(Vth)が大きいnチャネル型のMISFETQN1が形成され、n型MISFET形成領域AN2において、閾値電圧(Vth)が小さいnチャネル型のMISFETQN2が形成される。また、p型MISFET形成領域AP1において、閾値電圧(Vth)が大きいpチャネル型のMISFETQP1が形成され、p型MISFET形成領域AP2において、閾値電圧(Vth)が小さいpチャネル型のMISFETQP2が形成される。   Each of the MISFETs QN1 and QP1 formed in each of the MISFET formation regions AN1 and AP1 has a gate insulating film GI1 including the insulating film 3 and the metal-containing insulating film 3a formed on the insulating film 3. Each of the MISFETs QN2 and QP2 formed in each of the MISFET formation regions AN2 and AP2 has a gate insulating film GI2 made of only the insulating film 3. The gate insulating film GI1 contains a metal such as hafnium (Hf), and the gate insulating film GI2 does not contain a metal such as hafnium (Hf). Therefore, an n-channel MISFET QN1 having a large threshold voltage (Vth) is formed in the n-type MISFET formation region AN1, and an n-channel MISFET QN2 having a small threshold voltage (Vth) is formed in the n-type MISFET formation region AN2. . Further, a p-channel type MISFET QP1 having a large threshold voltage (Vth) is formed in the p-type MISFET formation region AP1, and a p-channel type MISFET QP2 having a small threshold voltage (Vth) is formed in the p-type MISFET formation region AP2. .

なお、ステップS28の後、後述するステップS29の前に、サリサイド技術により、ゲート電極GEおよびソース・ドレイン領域SDの表面に、コバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドなどからなる低抵抗の金属シリサイド層を形成してもよい。   After step S28 and before step S29 described later, a low-resistance metal silicide layer made of cobalt silicide, nickel silicide, or the like is formed on the surfaces of the gate electrode GE and the source / drain regions SD by the salicide technique. Also good.

次に、図22に示されるように、層間絶縁膜5およびプラグPGを形成する(図3のステップS29)。   Next, as shown in FIG. 22, the interlayer insulating film 5 and the plug PG are formed (step S29 in FIG. 3).

このステップS29では、まず、半導体基板1の主面(表面)全面上に層間絶縁膜5を形成する。すなわち、ゲート電極GEおよびサイドウォールスペーサSWを覆うように、半導体基板1の主面(表面)全面上に層間絶縁膜5を形成する。層間絶縁膜5は、例えば、酸化シリコン膜の単体膜や、あるいは、窒化シリコン膜とそれよりも厚い酸化シリコン膜との積層膜などからなる。その後、層間絶縁膜5の表面(上面)をCMP法により研磨するなどして、層間絶縁膜5の上面を平坦化する。下地段差に起因して層間絶縁膜5の表面に凹凸形状が形成されていても、層間絶縁膜5の表面をCMP法により研磨することにより、その表面が平坦化された層間絶縁膜を得ることができる。   In this step S29, first, the interlayer insulating film 5 is formed on the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1. That is, the interlayer insulating film 5 is formed on the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1 so as to cover the gate electrode GE and the sidewall spacer SW. The interlayer insulating film 5 is made of, for example, a single film of a silicon oxide film or a laminated film of a silicon nitride film and a thicker silicon oxide film. Thereafter, the upper surface of the interlayer insulating film 5 is flattened by polishing the surface (upper surface) of the interlayer insulating film 5 by CMP or the like. Even if unevenness is formed on the surface of the interlayer insulating film 5 due to the base step, by polishing the surface of the interlayer insulating film 5 by the CMP method, an interlayer insulating film having a flattened surface can be obtained. Can do.

次に、層間絶縁膜5上に形成したフォトレジストパターン(図示せず)をエッチングマスクとして用いて、層間絶縁膜5をドライエッチングすることにより、層間絶縁膜5にコンタクトホールCNTを形成する。コンタクトホールCNTの底部では、半導体基板1の主面の一部、例えばゲート電極GEの一部や、ソース・ドレイン領域SDの一部などが露出する。   Next, the interlayer insulating film 5 is dry-etched using a photoresist pattern (not shown) formed on the interlayer insulating film 5 as an etching mask, thereby forming contact holes CNT in the interlayer insulating film 5. At the bottom of the contact hole CNT, a part of the main surface of the semiconductor substrate 1, for example, a part of the gate electrode GE and a part of the source / drain region SD are exposed.

次に、コンタクトホールCNT内に、タングステン(W)などからなる導電性のプラグPGを形成する。プラグPGを形成するには、例えば、コンタクトホールCNTの内部を含む層間絶縁膜5上に、プラズマCVD法などによりバリア導体膜(例えばチタン膜、窒化チタン膜、あるいはそれらの積層膜)を形成する。それから、タングステン膜などからなる主導体膜を、CVD法などによって、バリア導体膜上にコンタクトホールCNTを埋めるように形成し、層間絶縁膜5上の不要な主導体膜およびバリア導体膜をCMP法またはエッチバック法などによって除去することにより、プラグPGを形成することができる。図22では、図面の簡略化のために、プラグPGは、主導体膜とバリア導体膜を一体化して示してある。プラグPGは、その底部で、ゲート電極GEまたはソース・ドレイン領域SDなどと、電気的に接触する。   Next, a conductive plug PG made of tungsten (W) or the like is formed in the contact hole CNT. In order to form the plug PG, for example, a barrier conductor film (for example, a titanium film, a titanium nitride film, or a laminated film thereof) is formed on the interlayer insulating film 5 including the inside of the contact hole CNT by a plasma CVD method or the like. . Then, a main conductor film made of a tungsten film or the like is formed by CVD or the like so as to fill the contact hole CNT on the barrier conductor film, and unnecessary main conductor films and barrier conductor films on the interlayer insulating film 5 are formed by CMP. Alternatively, the plug PG can be formed by removing by an etch-back method or the like. In FIG. 22, for simplification of the drawing, the plug PG shows the main conductor film and the barrier conductor film integrally. The plug PG is in electrical contact with the gate electrode GE or the source / drain region SD at the bottom.

次に、プラグPGが埋め込まれた層間絶縁膜5上に、絶縁膜6を形成する。絶縁膜6は、複数の絶縁膜の積層膜により形成することもできる。   Next, the insulating film 6 is formed on the interlayer insulating film 5 in which the plug PG is embedded. The insulating film 6 can also be formed of a stacked film of a plurality of insulating films.

次に、シングルダマシン法により第1層目の配線である配線M1を形成する(図3のステップS30)。このステップS30では、具体的に、以下のようにして配線M1を形成することができる。まず、フォトレジストパターン(図示せず)をマスクとしたドライエッチング(プラズマドライエッチング)によって絶縁膜6の所定の領域に配線溝を形成した後、配線溝の底部および側壁上を含む絶縁膜6上にバリア導体膜(例えば窒化チタン膜、タンタル膜または窒化タンタル膜など)を形成する。続いて、CVD法またはスパッタリング法などによりバリア導体膜上に銅のシード層を形成し、さらに電解めっき法などを用いてシード層上に銅めっき膜を形成して、銅めっき膜により配線溝の内部を埋め込む。それから、配線溝以外の領域の主導体膜(銅めっき膜およびシード層)とバリア導体膜をCMP法により研磨して除去することで、配線溝に埋め込まれ、銅を主導電材料とする第1層目の配線M1を形成する。これにより、図1に示されるように、第1層目の配線M1までが形成された構造を有する半導体装置が製造される。図1では、図面の簡略化のために、配線M1は、バリア導体膜、シード層および銅めっき膜を一体化して示してある。   Next, the wiring M1 which is the first layer wiring is formed by the single damascene method (step S30 in FIG. 3). In step S30, specifically, the wiring M1 can be formed as follows. First, after forming a wiring groove in a predetermined region of the insulating film 6 by dry etching (plasma dry etching) using a photoresist pattern (not shown) as a mask, the insulating film 6 including the bottom and side walls of the wiring groove is formed. A barrier conductor film (for example, a titanium nitride film, a tantalum film, a tantalum nitride film, or the like) is formed. Subsequently, a copper seed layer is formed on the barrier conductor film by a CVD method or a sputtering method, and a copper plating film is further formed on the seed layer by using an electrolytic plating method. Embed the inside. Then, the main conductor film (copper plating film and seed layer) and the barrier conductor film in the region other than the wiring groove are removed by polishing by CMP, thereby filling the wiring groove and using copper as the main conductive material. A layer wiring M1 is formed. As a result, as shown in FIG. 1, a semiconductor device having a structure in which the layers up to the first layer wiring M1 are formed is manufactured. In FIG. 1, for simplification of the drawing, the wiring M1 is shown by integrating a barrier conductor film, a seed layer, and a copper plating film.

配線M1は、プラグPGを介してゲート電極GEまたはソース・ドレイン領域SDなどと電気的に接続されている。その後、デュアルダマシン法により2層目の配線を形成するが、ここでは図示およびその説明は省略する。   The wiring M1 is electrically connected to the gate electrode GE or the source / drain region SD through the plug PG. Thereafter, a second layer wiring is formed by a dual damascene method, but illustration and description thereof are omitted here.

<フォトレジストパターンによる金属含有絶縁膜のパターニングについて>
比較例の半導体装置の製造工程を、図面を参照して説明する。図23は、比較例の半導体装置の製造工程の一部を示す製造プロセスフロー図である。図24〜図29は、比較例の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。
<Patterning of metal-containing insulating film by photoresist pattern>
A manufacturing process of the semiconductor device of the comparative example will be described with reference to the drawings. FIG. 23 is a manufacturing process flow chart showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device of the comparative example. 24 to 29 are main-portion cross-sectional views during the manufacturing process of the semiconductor device of the comparative example.

なお、比較例の半導体装置の製造工程は、実施の形態1の半導体装置と同様の半導体装置を製造するものである。   The manufacturing process of the semiconductor device of the comparative example is to manufacture a semiconductor device similar to the semiconductor device of the first embodiment.

比較例の半導体装置の製造工程では、金属含有絶縁膜のパターニング用のマスクとして、マスク膜からなるハードマスクパターンではなくフォトレジストパターンを用いる。   In the manufacturing process of the semiconductor device of the comparative example, a photoresist pattern is used as a mask for patterning the metal-containing insulating film, not a hard mask pattern made of a mask film.

比較例の半導体装置の製造工程では、図23のステップS11〜ステップS15の工程は、実施の形態1の半導体装置の製造工程における図2のステップS11〜ステップS15の工程と同一であり、これらの工程の説明を省略する。   In the semiconductor device manufacturing process of the comparative example, steps S11 to S15 in FIG. 23 are the same as steps S11 to S15 in FIG. 2 in the semiconductor device manufacturing process of the first embodiment. Description of the process is omitted.

ステップS11〜ステップS15の工程を行って、絶縁膜3を形成した後、比較例の半導体装置の製造工程では、図24に示されるように、半導体基板1上に、金属含有膜4を形成(堆積)する(図23のステップS116)。このステップS116では、半導体基板1の主面(表面)全面に、例えばALD法により、例えば厚さ1nm程度の金属含有膜4を形成する。   After the steps S11 to S15 are performed and the insulating film 3 is formed, the metal-containing film 4 is formed on the semiconductor substrate 1 as shown in FIG. (Deposition) (step S116 in FIG. 23). In step S116, the metal-containing film 4 having a thickness of, for example, about 1 nm is formed on the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1 by, for example, the ALD method.

次に、図25に示されるように、半導体基板1をアニール処理する(図23のステップS117)。このステップS117では、半導体基板1について、例えばRTAなどのアニール処理を行う。これにより、絶縁膜3と金属含有膜4とが反応し、金属含有膜4に含有されている金属が金属含有膜4と絶縁膜3との界面から絶縁膜3中に拡散することで、絶縁膜3のうち半導体基板1と反対側の部分が金属含有絶縁膜3aとなる。   Next, as shown in FIG. 25, the semiconductor substrate 1 is annealed (step S117 in FIG. 23). In step S117, the semiconductor substrate 1 is subjected to an annealing process such as RTA. As a result, the insulating film 3 and the metal-containing film 4 react, and the metal contained in the metal-containing film 4 diffuses into the insulating film 3 from the interface between the metal-containing film 4 and the insulating film 3, thereby insulating the metal. A portion of the film 3 opposite to the semiconductor substrate 1 becomes the metal-containing insulating film 3a.

次に、図26に示されるように、ウェットエッチングを行う(図23のステップS118)。このステップS118では、例えばSPM液を用いたウェットエッチングにより、金属含有膜4のうち、未反応の部分が除去されることで、金属含有絶縁膜3aが露出する。   Next, as shown in FIG. 26, wet etching is performed (step S118 in FIG. 23). In step S118, the metal-containing insulating film 3a is exposed by removing the unreacted portion of the metal-containing film 4 by wet etching using, for example, an SPM solution.

次に、図27に示されるように、半導体基板1上に、フォトレジストパターンPR101を形成する(図23のステップS119)。このステップS119では、半導体基板1の主面(表面)全面上に、フォトレジスト層を塗布した後、このフォトレジスト層を露光、現像することで、MISFET形成領域AN2およびAP2に開口部を有するように、フォトレジストパターンPR101を形成する。   Next, as shown in FIG. 27, a photoresist pattern PR101 is formed on the semiconductor substrate 1 (step S119 in FIG. 23). In this step S119, after applying a photoresist layer on the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1, the photoresist layer is exposed and developed to have openings in the MISFET formation regions AN2 and AP2. Next, a photoresist pattern PR101 is formed.

次に、図28に示されるように、フォトレジストパターンPR101をエッチングマスクとして、金属含有絶縁膜3aをドライエッチングする(図23のステップS120)。このステップS120では、MISFET形成領域AN2およびAP2に開口部を有するフォトレジストパターンPR101をエッチングマスクとして、金属含有絶縁膜3aをドライエッチングすることで、MISFET形成領域AN2およびAP2において金属含有絶縁膜3aが除去され、絶縁膜3が露出する。   Next, as shown in FIG. 28, the metal-containing insulating film 3a is dry-etched using the photoresist pattern PR101 as an etching mask (step S120 in FIG. 23). In this step S120, the metal-containing insulating film 3a is dry-etched using the photoresist pattern PR101 having openings in the MISFET forming regions AN2 and AP2 as an etching mask, so that the metal-containing insulating film 3a is formed in the MISFET forming regions AN2 and AP2. This is removed and the insulating film 3 is exposed.

次に、図29に示されるように、フォトレジストパターンPR101を除去する(図23のステップS121)。このステップS121では、例えばアッシング処理とSPM液などの処理液を用いた洗浄処理とを行うことで、フォトレジストパターンPR101を除去する。これにより、MISFET形成領域AN1およびAP1において、金属含有絶縁膜3aが露出する。すなわち、フォトレジストパターンPR101を用いて、金属含有絶縁膜3aのパターニングが行われる。   Next, as shown in FIG. 29, the photoresist pattern PR101 is removed (step S121 in FIG. 23). In step S121, the photoresist pattern PR101 is removed by performing, for example, an ashing process and a cleaning process using a processing solution such as an SPM solution. Thereby, the metal-containing insulating film 3a is exposed in the MISFET formation regions AN1 and AP1. That is, the metal-containing insulating film 3a is patterned using the photoresist pattern PR101.

その後、実施の形態1の半導体装置の製造工程と同様に、図3のステップS23〜ステップS30を行うことで、実施の形態1と同様の構造を有する半導体装置が製造される。   Thereafter, similarly to the manufacturing process of the semiconductor device of the first embodiment, the semiconductor device having the same structure as that of the first embodiment is manufactured by performing steps S23 to S30 of FIG.

しかし、本発明者の解析によると、比較例の半導体装置の製造工程により製造された半導体装置では、半導体装置の性能が低下しやすいことが分かった。   However, according to the analysis by the present inventor, it has been found that the performance of the semiconductor device is likely to deteriorate in the semiconductor device manufactured by the manufacturing process of the semiconductor device of the comparative example.

フォトレジストパターンをエッチングマスクとしてパターニングを行う場合、フォトレジストパターンの線幅が微細化するのに伴って、形成されるパターンの形状精度が悪くなる。そのため、例えば32nmノード以下のSRAMなどの半導体装置については、n型MISFET形成領域またはp型MISFET形成領域でパターニングを形状精度良く行うことが困難であり、このような形状精度の低下により、例えば閾値電圧(Vth)などのトランジスタ特性において所望の特性を得にくいことが分かった。   When patterning is performed using a photoresist pattern as an etching mask, the shape accuracy of the formed pattern becomes worse as the line width of the photoresist pattern becomes finer. Therefore, for example, in a semiconductor device such as an SRAM of 32 nm node or less, it is difficult to perform patterning with high shape accuracy in the n-type MISFET formation region or the p-type MISFET formation region. It has been found that it is difficult to obtain desired characteristics in transistor characteristics such as voltage (Vth).

また、比較例の半導体装置の製造工程では、フォトレジストパターンPR101が金属含有絶縁膜3aに直接接触する。そのため、フォトレジストパターンPR101に含有される有機物などの金属含有絶縁膜3a中への拡散により、MISFETのゲート絶縁膜が変質しやすいことが分かった。   In the manufacturing process of the semiconductor device of the comparative example, the photoresist pattern PR101 is in direct contact with the metal-containing insulating film 3a. For this reason, it has been found that the gate insulating film of the MISFET is likely to be deteriorated due to diffusion of the organic substance or the like contained in the photoresist pattern PR101 into the metal-containing insulating film 3a.

また、比較例の半導体装置の製造工程では、フォトレジストパターンPR101をアッシング処理により除去する際に、金属含有絶縁膜3aまたは絶縁膜3がプラズマに曝される。そのため、金属含有絶縁膜3aまたは絶縁膜3がプラズマにより損傷を受けることにより、MISFETのゲート絶縁膜の信頼性が低下しやすいことが分かった。   In the manufacturing process of the semiconductor device of the comparative example, the metal-containing insulating film 3a or the insulating film 3 is exposed to plasma when the photoresist pattern PR101 is removed by ashing. For this reason, it has been found that the reliability of the gate insulating film of the MISFET is likely to be lowered when the metal-containing insulating film 3a or the insulating film 3 is damaged by the plasma.

<本実施の形態の主要な特徴と効果>
そこで、本実施の形態では、フォトレジストパターンに代え、ハードマスクパターンを用いて、金属含有絶縁膜のパターニングを行う。
<Main features and effects of the present embodiment>
Therefore, in this embodiment, the metal-containing insulating film is patterned using a hard mask pattern instead of the photoresist pattern.

すなわち、本実施の形態では、絶縁膜3上に、ハードマスクパターン10を形成した後、金属含有膜4を形成し、アニール処理により絶縁膜3と金属含有膜4とを反応させ、その後、未反応の金属含有膜4とハードマスクパターン10を除去することで、金属含有絶縁膜3aが形成された領域と、金属含有絶縁膜3aが形成されていない領域とからなるパターンを形成する。   That is, in the present embodiment, after the hard mask pattern 10 is formed on the insulating film 3, the metal-containing film 4 is formed, and the insulating film 3 and the metal-containing film 4 are reacted by an annealing process. By removing the reactive metal-containing film 4 and the hard mask pattern 10, a pattern including a region where the metal-containing insulating film 3a is formed and a region where the metal-containing insulating film 3a is not formed is formed.

ハードマスクパターンをエッチングマスクとしてパターニングを行う場合、ハードマスクパターンの線幅が微細化しても、フォトレジストパターンをエッチングマスクとしてパターニングを行う場合に比べ、形成されるパターンの形状精度が良い。そのため、例えば32nmノード以下のSRAMなどの半導体装置についても、n型MISFET形成領域またはp型MISFET形成領域でパターニングを形状精度良く行うことができ、例えば閾値電圧(Vth)などのトランジスタ特性において所望の特性を得やすい。   When patterning using a hard mask pattern as an etching mask, even if the line width of the hard mask pattern is reduced, the shape accuracy of the formed pattern is better than when patterning is performed using a photoresist pattern as an etching mask. For this reason, for example, a semiconductor device such as an SRAM having a node of 32 nm or less can be patterned with high shape accuracy in the n-type MISFET formation region or the p-type MISFET formation region. For example, a desired transistor characteristic such as a threshold voltage (Vth) can be obtained. Easy to get characteristics.

また、本実施の形態の半導体装置の製造工程では、フォトレジストパターンPR1が金属含有絶縁膜3aに直接接触しない。そのため、フォトレジストパターンPR1に含有される有機物などの金属含有絶縁膜3a中への拡散により、MISFETのゲート絶縁膜が変質することを抑制することができる。   Further, in the manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment, the photoresist pattern PR1 is not in direct contact with the metal-containing insulating film 3a. Therefore, it is possible to prevent the gate insulating film of the MISFET from being deteriorated due to diffusion into the metal-containing insulating film 3a such as an organic substance contained in the photoresist pattern PR1.

また、本実施の形態の半導体装置の製造工程では、フォトレジストパターンPR1をアッシング処理により除去する際に、金属含有絶縁膜3aまたは絶縁膜3がプラズマに曝されない。そのため、金属含有絶縁膜3aおよび絶縁膜3がプラズマにより受ける損傷を低減することができ、MISFETのゲート絶縁膜の信頼性を向上させることができる。   In the manufacturing process of the semiconductor device according to the present embodiment, the metal-containing insulating film 3a or the insulating film 3 is not exposed to plasma when the photoresist pattern PR1 is removed by ashing. Therefore, damage to the metal-containing insulating film 3a and the insulating film 3 due to plasma can be reduced, and the reliability of the gate insulating film of the MISFET can be improved.

このようにして、本実施の形態の半導体装置の製造工程では、金属含有絶縁膜3aを含むゲート絶縁膜GI1を有するMISFETQN1およびQP1と、金属含有絶縁膜3aを含まないゲート絶縁膜GI2を有するMISFETQN2およびQP2とを容易に作り分けることができる。MISFETQN1およびQP1では、チャネル領域の不純物濃度を変えずに閾値電圧(Vth)を大きくすることができ、MISFETQN2およびQP2では、チャネル領域の不純物濃度を変えずに閾値電圧(Vth)を小さくすることができる。そのため、短チャネル効果を抑制しつつ、閾値電圧(Vth)の異なる複数種類のMISFETを形成することが可能となる。   Thus, in the manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment, MISFETs QN1 and QP1 having the gate insulating film GI1 including the metal-containing insulating film 3a, and MISFET QN2 having the gate insulating film GI2 not including the metal-containing insulating film 3a. And QP2 can be easily created. In MISFETs QN1 and QP1, the threshold voltage (Vth) can be increased without changing the impurity concentration in the channel region, and in MISFETs QN2 and QP2, the threshold voltage (Vth) can be reduced without changing the impurity concentration in the channel region. it can. Therefore, it is possible to form a plurality of types of MISFETs having different threshold voltages (Vth) while suppressing the short channel effect.

また、SoCやMCUなど、ロジック回路に加えてアナログ回路も形成される場合でも、デジタル回路を構成するMISFETとしてMISFETQN1およびQP1を用い、アナログ回路を構成するMISFETとしてMISFETQN2およびQP2を用いると、半導体装置の性能を向上させることができる。   Further, even when an analog circuit is formed in addition to a logic circuit such as SoC or MCU, if MISFETs QN1 and QP1 are used as MISFETs constituting a digital circuit and MISFETs QN2 and QP2 are used as MISFETs constituting an analog circuit, a semiconductor device Performance can be improved.

アナログ回路では、電源電圧(Vdd)の7割くらいの電圧でMISFETを動作させるため、閾値電圧(Vth)が小さいMISFETが用いられる場合があるが、アナログ回路を構成する閾値電圧(Vth)が小さいMISFETにおいてハフニウム(Hf)が添加されると、ノイズ特性が劣化し、半導体装置の性能を低下させるおそれがある。しかし、本実施の形態では、MISFETQN1およびQP1では、ハフニウム(Hf)が添加されるものの、MISFETQN2およびQP2では、ハフニウム(Hf)が添加されないため、ロジック回路では閾値電圧(Vth)を大きくしつつ、アナログ回路では閾値電圧(Vth)を小さくするとともにノイズ特性を向上させることができる。   In an analog circuit, a MISFET having a small threshold voltage (Vth) may be used to operate the MISFET with a voltage about 70% of the power supply voltage (Vdd). However, the threshold voltage (Vth) constituting the analog circuit is small. When hafnium (Hf) is added to the MISFET, the noise characteristics are deteriorated and the performance of the semiconductor device may be deteriorated. However, in the present embodiment, hafnium (Hf) is added to MISFETs QN1 and QP1, but hafnium (Hf) is not added to MISFETs QN2 and QP2, so that the threshold voltage (Vth) is increased in the logic circuit. In the analog circuit, the threshold voltage (Vth) can be reduced and the noise characteristics can be improved.

また、MISFETがMONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon)型メモリとしてロジック回路に混載される場合でも、ロジック回路を構成するMISFETとしてMISFETQN1およびQP1を用い、MONOS型メモリを構成するMISFETとしてMISFETQN2およびQP2を用いると、半導体装置の性能を向上させることができる。   Even when the MISFET is embedded in a logic circuit as a MONOS (Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon) type memory, the MISFETs QN1 and QP1 are used as the MISFETs constituting the logic circuit, and the MISFET QN2 as the MISFET constituting the MONOS type memory. When QP2 is used, the performance of the semiconductor device can be improved.

MONOS型メモリとして形成されたMISFETにおいてハフニウム(Hf)が添加されると、そのハフニウム(Hf)の添加による閾値電圧(Vth)の増加分を補償するために、チャネル領域の不純物濃度を小さくしなくてはならない。チャネル領域の不純物濃度を小さくすると、ソース・ドレイン領域SDにおけるPN接合における電界が小さくなって、メモリの書き込み動作および消去動作に必要なホットキャリアの発生量が低下し、書き込み速度および消去速度が低下するおそれがある。しかし、本実施の形態では、MISFETQN2およびQP2では、ハフニウム(Hf)が添加されず、もともと閾値電圧(Vth)が小さいため、閾値電圧(Vth)を小さくするためにチャネル領域の不純物濃度を小さくする必要がない。したがって、閾値電圧(Vth)を大きくしたMISFETQN1およびQP1と閾値電圧(Vth)を小さくしたMISFETQN2およびQP2とを混載しつつ、MISFETQN2およびQP2ではホットキャリアの発生量が低下することを抑制することができ、メモリの書き込み速度および消去速度を向上させることができる。   When hafnium (Hf) is added to a MISFET formed as a MONOS type memory, the impurity concentration in the channel region is not reduced in order to compensate for the increase in threshold voltage (Vth) due to the addition of hafnium (Hf). must not. When the impurity concentration of the channel region is reduced, the electric field at the PN junction in the source / drain region SD is reduced, the amount of hot carriers required for the memory write operation and erase operation is reduced, and the write speed and erase speed are reduced. There is a risk. However, in the present embodiment, hafnium (Hf) is not added in MISFETs QN2 and QP2, and the threshold voltage (Vth) is originally small, so that the impurity concentration in the channel region is reduced to reduce the threshold voltage (Vth). There is no need. Accordingly, the MISFETs QN2 and QP2 having the increased threshold voltage (Vth) and the MISFETs QN2 and QP2 having the decreased threshold voltage (Vth) are mixedly mounted, and the generation of hot carriers can be suppressed from decreasing in the MISFETs QN2 and QP2. The memory writing speed and erasing speed can be improved.

(実施の形態2)
実施の形態1の半導体装置の製造工程では、ハードマスクパターンを形成する際に、マスク膜が露出している領域で、マスク膜をドライエッチングにより完全に除去した後、フォトレジストパターンを除去した。それに対して、実施の形態2の半導体装置の製造工程では、マスク膜が露出している領域で、マスク膜をドライエッチングにより途中までエッチングした後、フォトレジストパターンを除去し、その後、残っているマスク膜をウェットエッチングにより完全に除去する。
(Embodiment 2)
In the manufacturing process of the semiconductor device of the first embodiment, when the hard mask pattern is formed, the mask film is completely removed by dry etching in the region where the mask film is exposed, and then the photoresist pattern is removed. On the other hand, in the manufacturing process of the semiconductor device of the second embodiment, in the region where the mask film is exposed, after the mask film is etched halfway by dry etching, the photoresist pattern is removed and then remains. The mask film is completely removed by wet etching.

なお、本実施の形態の半導体装置の製造工程は、実施の形態1の半導体装置と同様の半導体装置を製造するものであり、半導体装置についての説明を省略する。   Note that the manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment is to manufacture a semiconductor device similar to the semiconductor device of the first embodiment, and the description of the semiconductor device is omitted.

次に、本実施の形態の半導体装置の製造工程を、図面を参照して説明する。図30は、実施の形態2の半導体装置の製造工程の一部を示す製造プロセスフロー図である。図31〜図33は、実施の形態2の半導体装置の製造工程中の要部断面図である。   Next, the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 30 is a manufacturing process flow chart showing a part of the manufacturing process of the semiconductor device of Second Embodiment. 31 to 33 are fragmentary cross-sectional views of the semiconductor device of the second embodiment during the manufacturing steps thereof.

実施の形態2の半導体装置の製造工程では、図30のステップS31〜ステップS37の工程の各々は、実施の形態1の半導体装置の製造工程における図2のステップS11〜ステップS17の工程の各々と同一であり、これらの工程の説明を省略する。なお、マスク膜9として、窒化チタン(TiN)または窒化タンタル(TaN)からなる膜が、好適に用いられる点は、実施の形態1と同様である。   In the manufacturing process of the semiconductor device of the second embodiment, each of the processes of steps S31 to S37 in FIG. 30 is the same as each of the processes of steps S11 to S17 of FIG. 2 in the manufacturing process of the semiconductor device of the first embodiment. The description of these steps is omitted. As in the first embodiment, a film made of titanium nitride (TiN) or tantalum nitride (TaN) is preferably used as the mask film 9.

ステップS31〜ステップS37の工程を行って、フォトレジストパターンPR1を形成した後(図10参照)、実施の形態2の半導体装置の製造工程では、図31に示されるように、フォトレジストパターンPR1をエッチングマスクとして、マスク膜9をドライエッチングする(図30のステップS38)。このステップS38では、MISFET形成領域AN1およびAP1に開口部を有するフォトレジストパターンPR1をエッチングマスクとして、マスク膜9をドライエッチングにより途中までエッチングする。したがって、ステップS38が行われた後、MISFET形成領域AN1およびAP1において、マスク膜9は完全には除去されておらず、絶縁膜3上に残っている。すなわち、半導体基板1は、主面(表面)全面に亘り、マスク膜9により覆われており、MISFET形成領域AN1およびAP1でも、絶縁膜3は露出していない。   After the steps S31 to S37 are performed to form the photoresist pattern PR1 (see FIG. 10), in the manufacturing process of the semiconductor device of the second embodiment, the photoresist pattern PR1 is formed as shown in FIG. The mask film 9 is dry-etched as an etching mask (step S38 in FIG. 30). In this step S38, the mask film 9 is etched halfway by dry etching using the photoresist pattern PR1 having openings in the MISFET formation regions AN1 and AP1 as an etching mask. Therefore, after step S38 is performed, the mask film 9 is not completely removed and remains on the insulating film 3 in the MISFET formation regions AN1 and AP1. That is, the semiconductor substrate 1 is covered with the mask film 9 over the entire main surface (front surface), and the insulating film 3 is not exposed even in the MISFET formation regions AN1 and AP1.

MISFET形成領域AN1およびAP1においてマスク膜9を残す厚さは、好適には、ステップS38および後の工程(ステップS39)で、MISFET形成領域AN1およびAP1における絶縁膜3がプラズマに曝されないような厚さとする。後の工程(ステップS39)の条件にもよるが、ステップS38の後のMISFET形成領域AN1およびAP1におけるマスク膜9の厚さT1を、例えば1〜5nm程度とすることができる。また、MISFET形成領域AN1およびAP1におけるマスク膜9の厚さT1は、MISFET形成領域AN2およびAP2におけるマスク膜9の厚さT2よりも小さい。   The thickness for leaving the mask film 9 in the MISFET formation regions AN1 and AP1 is preferably such that the insulating film 3 in the MISFET formation regions AN1 and AP1 is not exposed to plasma in step S38 and the subsequent process (step S39). Say it. Although depending on the conditions of the subsequent process (step S39), the thickness T1 of the mask film 9 in the MISFET formation region AN1 and AP1 after step S38 can be set to about 1 to 5 nm, for example. Further, the thickness T1 of the mask film 9 in the MISFET formation regions AN1 and AP1 is smaller than the thickness T2 of the mask film 9 in the MISFET formation regions AN2 and AP2.

次に、図32に示されるように、フォトレジストパターンPR1を除去する(図30のステップS39)。このステップS39では、例えばアッシング処理を行うことで、フォトレジストパターンPR1を除去する。ステップS39が行われた後も、半導体基板1は、主面(表面)全面に亘り、マスク膜9により覆われている。ただし、前述したように、MISFET形成領域AN1およびAP1におけるマスク膜9の厚さT1は、MISFET形成領域AN2およびAP2におけるマスク膜9の厚さT2よりも小さい。   Next, as shown in FIG. 32, the photoresist pattern PR1 is removed (step S39 in FIG. 30). In this step S39, the photoresist pattern PR1 is removed, for example, by performing an ashing process. Even after step S39 is performed, the semiconductor substrate 1 is covered with the mask film 9 over the entire main surface (front surface). However, as described above, the thickness T1 of the mask film 9 in the MISFET formation regions AN1 and AP1 is smaller than the thickness T2 of the mask film 9 in the MISFET formation regions AN2 and AP2.

次に、図33に示されるように、マスク膜9をウェットエッチングする(図2のステップS40)。このステップS40では、MISFET形成領域AN1およびAP1ではマスク膜9が完全に除去され、MISFET形成領域AN2およびAP2ではマスク膜9が残るように、半導体基板1の主面(表面)全面に亘り、マスク膜9をウェットエッチングする。これにより、ステップS40が行われた後、MISFET形成領域AN1およびAP1では絶縁膜3が露出し、MISFET形成領域AN2およびAP2では絶縁膜3が覆われるように、マスク膜9からなるハードマスクパターン10が形成される。MISFET形成領域AN2およびAP2におけるハードマスクパターン10(マスク膜9)の厚さは、ステップS40を行う前の厚さT2よりも小さいT3となる。   Next, as shown in FIG. 33, the mask film 9 is wet-etched (step S40 in FIG. 2). In this step S40, the mask film 9 is completely removed in the MISFET formation regions AN1 and AP1, and the mask surface 9 is left in the MISFET formation regions AN2 and AP2 over the entire main surface (front surface) of the semiconductor substrate 1. The film 9 is wet etched. Thus, after step S40 is performed, the hard mask pattern 10 made of the mask film 9 is formed so that the insulating film 3 is exposed in the MISFET formation regions AN1 and AP1 and the insulating film 3 is covered in the MISFET formation regions AN2 and AP2. Is formed. The thickness of the hard mask pattern 10 (mask film 9) in the MISFET formation regions AN2 and AP2 is T3 smaller than the thickness T2 before performing Step S40.

ステップS40におけるエッチング液としては、過酸化水素水溶液が好適に用いられる。過酸化水素水溶液をエッチング液として用いたときのマスク膜9のエッチング速度は、SPM液をエッチング液として用いたときのマスク膜9のエッチング速度に比べて、小さい。そのため、過酸化水素水溶液をエッチング液として用いることで、MISFET形成領域AN1およびAP1ではマスク膜9が完全に除去され、MISFET形成領域AN2およびAP2ではマスク膜9が残るようなウェットエッチングの条件を、容易に調整することができる。   As the etching solution in step S40, an aqueous hydrogen peroxide solution is preferably used. The etching rate of the mask film 9 when the aqueous hydrogen peroxide solution is used as the etching solution is smaller than the etching rate of the mask film 9 when the SPM solution is used as the etching solution. Therefore, by using an aqueous hydrogen peroxide solution as an etchant, the wet etching conditions are such that the mask film 9 is completely removed in the MISFET formation regions AN1 and AP1, and the mask film 9 remains in the MISFET formation regions AN2 and AP2. It can be adjusted easily.

すなわち、本実施の形態2では、MISFET形成領域AN1およびAP1のマスク膜9を除去する際に絶縁膜3が受けるダメージが、前述の実施の形態1と比較して小さい。このため、最終的にゲート絶縁膜GI1(絶縁膜11、金属含有絶縁膜3aおよび絶縁膜3)の信頼性を向上させることができる。   That is, in the second embodiment, damage to the insulating film 3 when removing the mask film 9 in the MISFET formation region AN1 and AP1 is smaller than that in the first embodiment. Therefore, the reliability of the gate insulating film GI1 (insulating film 11, metal-containing insulating film 3a, and insulating film 3) can be improved finally.

その後、半導体基板1上に金属含有膜4を形成(堆積)し(図30のステップS41)、半導体基板1をアニール処理し(図30のステップS42)、ウェットエッチングを行う(図30のステップS43)。これにより、実施の形態1で図15を用いて説明したのと同様に、MISFET形成領域AN1およびAP1では、半導体基板1上に形成された絶縁膜3と、絶縁膜3上に形成された金属含有絶縁膜3aとからなる絶縁膜11が形成され、MISFET形成領域AN2およびAP2では、半導体基板1上に形成された絶縁膜3のみからなる絶縁膜12が形成される。すなわち、ハードマスクパターン10(マスク膜9)を用いて、MISFET形成領域AN1およびAP1に、金属含有絶縁膜3aを選択的に形成することができる。   Thereafter, the metal-containing film 4 is formed (deposited) on the semiconductor substrate 1 (step S41 in FIG. 30), the semiconductor substrate 1 is annealed (step S42 in FIG. 30), and wet etching is performed (step S43 in FIG. 30). ). Thereby, in the same way as described with reference to FIG. 15 in the first embodiment, in the MISFET formation regions AN1 and AP1, the insulating film 3 formed on the semiconductor substrate 1 and the metal formed on the insulating film 3 are formed. An insulating film 11 made of the containing insulating film 3a is formed, and an insulating film 12 made only of the insulating film 3 formed on the semiconductor substrate 1 is formed in the MISFET formation regions AN2 and AP2. That is, the metal-containing insulating film 3a can be selectively formed in the MISFET formation regions AN1 and AP1 using the hard mask pattern 10 (mask film 9).

あるいは、MISFET形成領域AN1およびAP1では、絶縁膜3と金属含有絶縁膜3aとが明確に分かれていなくてもよい。このときは、ステップS43までの工程を行うことで、MISFET形成領域AN1およびAP1では、金属が添加された絶縁膜11が形成され、MISFET形成領域AN2およびAP2では、金属が添加されていない絶縁膜12が形成される。   Alternatively, in the MISFET formation regions AN1 and AP1, the insulating film 3 and the metal-containing insulating film 3a may not be clearly separated. At this time, by performing the processes up to step S43, the insulating film 11 to which the metal is added is formed in the MISFET formation regions AN1 and AP1, and the insulating film to which the metal is not added in the MISFET formation regions AN2 and AP2. 12 is formed.

なお、図30のステップS41〜ステップS43の工程の各々は、実施の形態1の半導体装置の製造工程における図2のステップS20〜ステップS22の工程の各々と同一であり、これらの工程の詳細な説明を省略する。   30 are the same as steps S20 to S22 of FIG. 2 in the semiconductor device manufacturing process of the first embodiment, and the details of these processes are as follows. Description is omitted.

その後、実施の形態1の半導体装置の製造工程と同様に、図3のステップS23〜ステップS30を行うことで、実施の形態1と同様の構造を有する半導体装置が製造される。すなわち、n型MISFET形成領域AN1において、閾値電圧(Vth)が大きいnチャネル型のMISFETQN1が形成され、n型MISFET形成領域AN2において、閾値電圧(Vth)が小さいnチャネル型のMISFETQN2が形成される。また、p型MISFET形成領域AP1において、閾値電圧(Vth)が大きいpチャネル型のMISFETQP1が形成され、p型MISFET形成領域AP2において、閾値電圧(Vth)が小さいpチャネル型のMISFETQP2が形成される。   Thereafter, similarly to the manufacturing process of the semiconductor device of the first embodiment, the semiconductor device having the same structure as that of the first embodiment is manufactured by performing steps S23 to S30 of FIG. That is, an n-channel MISFET QN1 having a large threshold voltage (Vth) is formed in the n-type MISFET formation region AN1, and an n-channel MISFET QN2 having a small threshold voltage (Vth) is formed in the n-type MISFET formation region AN2. . Further, a p-channel type MISFET QP1 having a large threshold voltage (Vth) is formed in the p-type MISFET formation region AP1, and a p-channel type MISFET QP2 having a small threshold voltage (Vth) is formed in the p-type MISFET formation region AP2. .

本実施の形態の半導体装置の製造工程でも、実施の形態1の半導体装置の製造工程と同様に、フォトレジストパターンを用いる場合に比べ、形成されるパターンの形状精度が良いため、n型MISFET形成領域またはp型MISFET形成領域でパターニングを形状精度良く行うことができる。また、フォトレジストパターンが金属含有絶縁膜3aに直接接触しないため、MISFETのゲート絶縁膜が変質することを抑制することができる。更に、フォトレジストパターンPR1をアッシング処理により除去する際に、金属含有絶縁膜3aおよび絶縁膜3がプラズマにより受ける損傷を低減することができ、MISFETのゲート絶縁膜の信頼性を向上させることができる。   Also in the manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment, since the shape accuracy of the pattern to be formed is better than in the case of using the photoresist pattern as in the manufacturing process of the semiconductor device of the first embodiment, the n-type MISFET formation is performed. Patterning can be performed with high shape accuracy in the region or the p-type MISFET formation region. Further, since the photoresist pattern is not in direct contact with the metal-containing insulating film 3a, it is possible to prevent the MISFET gate insulating film from being altered. Further, when the photoresist pattern PR1 is removed by the ashing process, damage to the metal-containing insulating film 3a and the insulating film 3 due to plasma can be reduced, and the reliability of the gate insulating film of the MISFET can be improved. .

また、本実施の形態の半導体装置の製造工程により製造された半導体装置も、実施の形態1の半導体装置の製造工程により製造された半導体装置と同様に、短チャネル効果を抑制しつつ、閾値電圧(Vth)の異なる複数種類のMISFETを形成することが可能となる。また、アナログ回路を構成するMISFETとしてMISFETQN2およびQP2を用いると、アナログ回路では閾値電圧(Vth)を小さくするとともにノイズ特性を向上させることができ、MONOS型メモリを構成するMISFETとしてMISFETQN2およびQP2を用いると、メモリの書き込み速度および消去速度を向上させることができる。   In addition, the semiconductor device manufactured by the manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment is also similar to the semiconductor device manufactured by the manufacturing process of the semiconductor device of the first embodiment, while suppressing the short channel effect and the threshold voltage. A plurality of types of MISFETs having different (Vth) can be formed. Further, when MISFETs QN2 and QP2 are used as MISFETs constituting the analog circuit, the analog circuit can reduce a threshold voltage (Vth) and improve noise characteristics, and MISFETs QN2 and QP2 are used as MISFETs constituting the MONOS type memory. Thus, the writing speed and erasing speed of the memory can be improved.

上記した効果に加え、本実施の形態の半導体装置の製造工程では、マスク膜9が露出している領域で、マスク膜9をドライエッチングにより途中までエッチングした後、フォトレジストパターンPR1を除去し、その後、残っているマスク膜9をウェットエッチングにより完全に除去する。そのため、マスク膜9をドライエッチングする際、および、フォトレジストパターンPR1をアッシング処理する際に、絶縁膜3がプラズマに曝されることで受ける損傷を低減することができる。その結果、MISFETのゲート絶縁膜の信頼性を、実施の形態1よりも更に向上させることができ、MISFETのトランジスタ特性を、実施の形態1よりも更に向上させることができる。   In addition to the effects described above, in the manufacturing process of the semiconductor device of the present embodiment, after the mask film 9 is etched halfway by dry etching in the region where the mask film 9 is exposed, the photoresist pattern PR1 is removed, Thereafter, the remaining mask film 9 is completely removed by wet etching. Therefore, when the mask film 9 is dry-etched and when the photoresist pattern PR1 is subjected to an ashing process, damage caused by exposure of the insulating film 3 to plasma can be reduced. As a result, the reliability of the gate insulating film of the MISFET can be further improved as compared with the first embodiment, and the transistor characteristics of the MISFET can be further improved as compared with the first embodiment.

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

例えば、実施の形態1および実施の形態2では、本発明の半導体装置の製造工程を、nチャネル型のMISFETおよびpチャネル型のMISFETのいずれについても、閾値電圧(Vth)が大きいMISFETおよび閾値電圧(Vth)が小さいMISFETからなる2種類のMISFETが形成された半導体装置の製造工程に適用する例について説明した。しかし、本発明は、nチャネル型およびpチャネル型のいずれのMISFETも含む半導体装置の製造工程に適用する例に限定されるものではなく、例えばnチャネル型およびpチャネル型のいずれか一方のMISFETのみを有する半導体装置の製造工程にも適用可能である。   For example, in the first embodiment and the second embodiment, the manufacturing process of the semiconductor device of the present invention is performed by using a MISFET and a threshold voltage having a large threshold voltage (Vth) for both an n-channel MISFET and a p-channel MISFET. The example applied to the manufacturing process of the semiconductor device in which two types of MISFETs made of MISFETs with small (Vth) are formed has been described. However, the present invention is not limited to the example applied to the manufacturing process of a semiconductor device including both n-channel type and p-channel type MISFETs. For example, one of the n-channel type and the p-channel type MISFETs. The present invention can also be applied to a manufacturing process of a semiconductor device having only the above.

本発明は、半導体装置の製造方法に適用して有効である。   The present invention is effective when applied to a method of manufacturing a semiconductor device.

1 半導体基板
2 素子分離領域
2a 素子分離溝
2b、3、6、11、12 絶縁膜
3a 金属含有絶縁膜
4 金属含有膜
5 層間絶縁膜
9 マスク膜
10 ハードマスクパターン
13 導電体膜
AN1、AN2、AP1、AP2 MISFET形成領域
CNT コンタクトホール
EX エクステンション領域
GE ゲート電極
GI1、GI2 ゲート絶縁膜
M1 配線
NW n型ウェル領域
PG プラグ
PR1、PR2 フォトレジストパターン
PW p型ウェル領域
QN1、QN2、QP1、QP2 MISFET
SD ソース・ドレイン領域
SW サイドウォールスペーサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Element isolation region 2a Element isolation groove 2b 3, 6, 11, 12 Insulating film 3a Metal containing insulating film 4 Metal containing film 5 Interlayer insulating film 9 Mask film 10 Hard mask pattern 13 Conductor films AN1, AN2, AP1, AP2 MISFET formation region CNT Contact hole EX Extension region GE Gate electrode GI1, GI2 Gate insulating film M1 Wiring NW n-type well region PG Plug PR1, PR2 Photoresist pattern PW p-type well region QN1, QN2, QP1, QP2 MISFET
SD Source / drain region SW Side wall spacer

Claims (7)

半導体基板上に形成された第1MISFETと第2MISFETとを備え、
前記第1MISFETは、前記半導体基板上に形成された第1ゲート絶縁膜と、前記第1ゲート絶縁膜上に形成された第1ゲート電極とを有し、
前記第2MISFETは、前記半導体基板上に形成された第2ゲート絶縁膜と、前記第2ゲート絶縁膜上に形成された第2ゲート電極とを有する半導体装置の製造方法であって、
(a)前記半導体基板を準備する工程、
(b)前記(a)工程の後、前記半導体基板上に、シリコンと酸素とを含有する第1の膜を形成する工程、
(c)前記(b)工程の後、前記第1の膜上に、マスク膜を形成する工程、
(d)前記(c)工程の後、前記第1MISFETが形成される第1領域で前記第1の膜が露出し、前記第2MISFETが形成される第2領域で前記第1の膜が覆われるように、前記マスク膜をパターニングする工程、
(e)前記(d)工程の後、前記第1領域で露出している前記第1の膜上に、金属を含有する第2の膜を形成する工程、
(f)前記(e)工程の後、前記第2の膜に含有されている前記金属を、熱処理により、前記第1領域における前記第1の膜に添加する工程、
(g)前記(f)工程の後、前記第2の膜と前記マスク膜を除去する工程、
(h)前記(g)工程の後、前記半導体基板上に、導電体膜を形成する工程、
(i)前記(h)工程の後、前記導電体膜と前記第1の膜とをパターニングすることで、前記第1領域において、前記導電体膜からなる前記第1ゲート電極と、前記金属が添加された前記第1の膜からなる前記第1ゲート絶縁膜とを形成し、前記第2領域において、前記導電体膜からなる前記第2ゲート電極と、前記金属が添加されていない前記第1の膜からなる前記第2ゲート絶縁膜とを形成する工程、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A first MISFET and a second MISFET formed on a semiconductor substrate;
The first MISFET has a first gate insulating film formed on the semiconductor substrate, and a first gate electrode formed on the first gate insulating film,
The second MISFET is a method of manufacturing a semiconductor device having a second gate insulating film formed on the semiconductor substrate and a second gate electrode formed on the second gate insulating film,
(A) preparing the semiconductor substrate;
(B) after the step (a), forming a first film containing silicon and oxygen on the semiconductor substrate;
(C) a step of forming a mask film on the first film after the step (b);
(D) After the step (c), the first film is exposed in the first region where the first MISFET is formed, and the first film is covered in the second region where the second MISFET is formed. Patterning the mask film,
(E) after the step (d), forming a second film containing a metal on the first film exposed in the first region;
(F) After the step (e), adding the metal contained in the second film to the first film in the first region by heat treatment;
(G) After the step (f), a step of removing the second film and the mask film;
(H) After the step (g), a step of forming a conductor film on the semiconductor substrate;
(I) After the step (h), by patterning the conductor film and the first film, the first gate electrode made of the conductor film and the metal in the first region Forming the first gate insulating film made of the added first film, and forming the second gate electrode made of the conductive film in the second region, and the first not added with the metal. Forming the second gate insulating film made of the film of
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項1記載の半導体装置の製造方法であって、
前記(d)工程は、
(j)前記(c)工程の後、前記第1領域で前記マスク膜が露出し、前記第2領域で前記マスク膜が覆われるように、フォトレジストパターンを形成する工程、
(k)前記(j)工程の後、前記フォトレジストパターンをマスクとして、前記第1領域における前記マスク膜を途中までエッチングする工程、
(l)前記(k)工程の後、前記フォトレジストパターンを除去する工程、
(m)前記(l)工程の後、前記第1領域における前記マスク膜および前記第2領域における前記マスク膜をエッチングすることで、前記第1領域では前記マスク膜を除去して前記第1の膜を露出させ、前記第2領域では前記第1の膜が覆われるように前記マスク膜を残す工程、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
The step (d)
(J) After the step (c), forming a photoresist pattern so that the mask film is exposed in the first region and the mask film is covered in the second region;
(K) After the step (j), using the photoresist pattern as a mask, etching the mask film in the first region halfway;
(L) a step of removing the photoresist pattern after the step (k);
(M) After the step (l), by etching the mask film in the first region and the mask film in the second region, the mask film is removed in the first region and the first region is removed. Exposing the film and leaving the mask film so as to cover the first film in the second region;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項2記載の半導体装置の製造方法であって、
前記(k)工程では、前記マスク膜をドライエッチングによりエッチングし、
前記(m)工程では、前記第1領域における前記マスク膜および前記第2領域における前記マスク膜をウェットエッチングによりエッチングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2,
In the step (k), the mask film is etched by dry etching,
In the step (m), the mask film in the first region and the mask film in the second region are etched by wet etching.
請求項2記載の半導体装置の製造方法であって、
前記(l)工程では、前記フォトレジストパターンをアッシング処理により除去することを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2,
In the step (l), the photoresist pattern is removed by an ashing process.
請求項2記載の半導体装置の製造方法であって、
前記(m)工程にてエッチングする前記マスク膜の厚さは、前記(k)工程にてエッチングする前記マスク膜の厚さよりも薄いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the thickness of the mask film etched in the step (m) is thinner than the thickness of the mask film etched in the step (k).
請求項1記載の半導体装置の製造方法であって、
前記金属は、ハフニウムであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the metal is hafnium.
請求項1記載の半導体装置の製造方法であって、
前記マスク膜は、窒化チタンまたは窒化タンタルからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the mask film is made of titanium nitride or tantalum nitride.
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