JP3513018B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof

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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ゲート絶縁膜の薄
膜化を図ったMOSFETを有する半導体装置及びその
製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having a MOSFET whose gate insulating film is thinned and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】設計寸法0.1μm以下の微細トランジ
スタのゲート絶縁膜厚としては、3nm以下が要求され
る。この膜厚領域では、従来の熱酸化膜ではリーク電流
が大きくて用いることができない。そのため、Ta2
5 等の高誘電体膜をゲート絶縁膜に適用することが提案
されている。
2. Description of the Related Art As a gate insulating film thickness of a fine transistor having a design dimension of 0.1 μm or less, 3 nm or less is required. In this thickness region, the conventional thermal oxide film cannot be used because of a large leak current. Therefore, Ta 2 O
It has been proposed to apply a high dielectric film such as 5 to a gate insulating film.

【0003】しかしながら、MOSFETのゲート絶縁
膜にTa2 5 等の高誘電体膜を用いる場合、下地(S
i表面とTa2 5 膜の間)に、無視できない厚さのS
iO2 層、又はシリコン窒化膜(SiN)層を形成する
必要があり、ゲート絶縁膜の実効酸化膜厚(Teff )を
小さくできないという問題があった。
However, when a high dielectric film such as Ta 2 O 5 is used for the gate insulating film of the MOSFET, the underlayer (S
(between the i surface and the Ta 2 O 5 film) has a non-negligible thickness of S
Since it is necessary to form an iO 2 layer or a silicon nitride film (SiN) layer, there is a problem that the effective oxide film thickness (T eff ) of the gate insulating film cannot be reduced.

【0004】Si表面にSiO2 層を形成する理由は、
界面準位の少ない良好な界面を形成するためである。ま
た、その上に窒化シリコン膜(SiN)層を形成する場
合が多かった。その理由は、Siが下地からTa2 5
膜中へ拡散するのを防止するためと、Ta2 5 とSi
2 が反応するのを防ぐためである。
The reason for forming the SiO 2 layer on the Si surface is as follows.
This is to form a good interface with few interface states. In addition, a silicon nitride film (SiN) layer is often formed on it. The reason is that Si is Ta 2 O 5
In order to prevent diffusion into the film, Ta 2 O 5 and Si
This is to prevent O 2 from reacting.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、ゲー
ト絶縁膜の一部にTa2 5 膜を用い、ゲート絶縁膜の
実効酸化膜厚を小さくしようとしても、界面準位の小さ
い良好な界面を得るためにSiO2 層を形成する必要が
あり、実効酸化膜厚を小さくすることができないという
問題があった。
As described above, even if a Ta 2 O 5 film is used as a part of the gate insulating film and the effective oxide film thickness of the gate insulating film is reduced, a good interface level is obtained. There is a problem that it is necessary to form a SiO 2 layer in order to obtain the interface, and the effective oxide film thickness cannot be reduced.

【0006】本発明の目的は、MOSFETのゲート絶
縁膜の一部に高誘電体又は強誘電体膜を用いつつ、ゲー
ト絶縁膜の実効酸化膜厚を薄くしながらも、リーク電流
の抑制を図り得る半導体装置及びその製造方法を提供す
ることにある。
An object of the present invention is to use a high-dielectric or ferroelectric film as a part of the gate insulating film of a MOSFET and to reduce the leak current while reducing the effective oxide film thickness of the gate insulating film. It is to provide a semiconductor device to be obtained and a method for manufacturing the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】[構成]本発明は、上記
目的を達成するために以下のように構成されている。 (1) 本発明(請求項1)の半導体装置は、(11
1)シリコン基板上に形成されたMOSFETを含む半
導体装置であって、前記MOSFETのゲート絶縁膜
は、前記シリコン基板の最表面のシリコン原子と酸素原
子とが結合した単層のSi−O結合層と、このSi−O
結合層上に形成され、高誘電体又は強誘電体からなる絶
縁層とを含んで形成されていることを特徴とする。
[Configuration] The present invention is configured as follows to achieve the above object. (1) The semiconductor device according to the present invention (claim 1) is (11)
1) A semiconductor device including a MOSFET formed on a silicon substrate, wherein a gate insulating film of the MOSFET has a single-layer Si—O bonding layer in which silicon atoms and oxygen atoms on the outermost surface of the silicon substrate are bonded. And this Si-O
It is characterized in that it is formed on the coupling layer and includes an insulating layer made of a high dielectric material or a ferroelectric material.

【0008】本発明の好ましい実施態様を以下に示す。Preferred embodiments of the present invention are shown below.

【0009】前記MOSFETのゲート長は0.85μ
m以下であり、前記ゲート絶縁膜のシリコン酸化膜換算
実効膜厚は2.6nm以下、前記絶縁層中のSi濃度が
0.1atom%未満である。なお、より好ましくは、
前記絶縁層中のSi濃度が0.001atom%未満で
ある。
The gate length of the MOSFET is 0.85 μ
m or less, the silicon oxide film equivalent effective film thickness of the gate insulating film is 2.6 nm or less, and the Si concentration in the insulating layer is less than 0.1 atom%. In addition, more preferably,
The Si concentration in the insulating layer is less than 0.001 atom%.

【0010】前記Si−O結合層上に前記絶縁層が直接
形成されている。 (2) 本発明(請求項3)の半導体装置の製造方法
は、第1導電型の(111)シリコン基板上の所定領域
にダミーゲートを形成する工程と、前記ダミーゲートを
マスクにして、前記シリコン基板の表面に第2導電型の
不純物を導入し、ソース・ドレイン領域を形成する工程
と、前記シリコン基板上に前記ダミーゲートを覆うよう
に層間絶縁膜を形成する工程と、前記層間絶縁膜の表面
を平坦化すると共に、前記ダミーゲートを露出させる工
程と、前記ダミーゲートを選択的に除去することによっ
て、溝部を形成する工程と、前記溝部の底面に露出する
前記シリコン基板の最表面のシリコン原子と酸素原子と
が結合した単層のSi−O結合層を形成する工程と、前
記Si−O結合層上に、高誘電体又は強誘電体からなる
絶縁層を形成する工程と、前記溝部にゲート電極を埋め
込み形成する工程とを含むことを特徴とする。
The insulating layer is directly formed on the Si-O bonding layer. (2) A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention (claim 3) comprises the steps of forming a dummy gate in a predetermined region on a (111) silicon substrate of the first conductivity type, and using the dummy gate as a mask. Introducing a second conductivity type impurity into the surface of the silicon substrate to form source / drain regions; forming an interlayer insulating film on the silicon substrate so as to cover the dummy gate; and forming the interlayer insulating film. Of exposing the dummy gate while flattening the surface thereof, forming a groove by selectively removing the dummy gate, and exposing the outermost surface of the silicon substrate on the bottom surface of the groove. A step of forming a single-layer Si-O bonding layer in which silicon atoms and oxygen atoms are bonded, and a step of forming an insulating layer made of a high dielectric material or a ferroelectric material on the Si-O bonding layer. And a step of burying and forming a gate electrode in the groove portion.

【0011】本発明の好ましい実施態様を以下に示す。Preferred embodiments of the present invention are shown below.

【0012】前記絶縁層の形成後、全てのプロセスは6
00℃以下の温度で行う。
After the insulating layer is formed, all processes are
It is performed at a temperature of 00 ° C or lower.

【0013】前記ダミーゲートを形成する工程の後、前
記ソースドレイン領域となる領域の前記シリコン基板上
に自己整合的にシリサイドを形成する。
After the step of forming the dummy gate, silicide is formed in a self-aligned manner on the silicon substrate in the region to be the source / drain region.

【0014】前記Si−O結合層の形成は、前記凹部底
面の前記シリコン基板表面の自然酸化膜や化学的に形成
された酸化膜を除去する工程と、前記シリコン基板に対
して、ラジカル酸素を照射する工程とを含む。
The formation of the Si--O bond layer includes a step of removing a natural oxide film and a chemically formed oxide film on the surface of the silicon substrate on the bottom surface of the recess, and radical oxygen is applied to the silicon substrate. Irradiating.

【0015】前記Si−O結合層の形成は、前記凹部底
面の前記シリコン基板表面の自然酸化膜や化学的に形成
された酸化膜を除去する工程と、前期凹部底面のシリコ
ン基板上に1nm程度のSiO2 膜を形成する工程と、
600℃以下で前記SiO2膜の表面に窒素ラジカルを
照射することによって、該SiO2 膜の表面を窒化する
工程とを含む。
The formation of the Si--O bond layer is performed by removing a natural oxide film or a chemically formed oxide film on the surface of the silicon substrate on the bottom surface of the recess and about 1 nm on the silicon substrate on the bottom surface of the recess. Forming a SiO 2 film of
Irradiating the surface of the SiO 2 film with nitrogen radicals at 600 ° C. or lower to nitride the surface of the SiO 2 film.

【0016】[作用]本発明は、上記構成によって以下
の作用・効果を有する。
[Operation] The present invention has the following operations and effects due to the above configuration.

【0017】シリコンの(111)面のシリコン原子に
対しては酸素が制御性良く均一に結合するため、単層の
Si−O結合層であっても、界面準位が小さい良好な界
面を得ることができる。従って、ゲート絶縁膜の実効酸
化膜厚を小さくすることができる。
Since oxygen is bonded to the silicon atoms on the (111) plane of silicon with good controllability, a good interface with a small interface state can be obtained even with a single-layer Si-O bonding layer. be able to. Therefore, the effective oxide film thickness of the gate insulating film can be reduced.

【0018】又、本発明の半導体製造方法によれば、ソ
ース・ドレイン領域の形成後に、ゲート電極を形成する
ので、ゲート電極にAlなどのメタル電極材を用いるこ
とが可能となる。
Further, according to the semiconductor manufacturing method of the present invention, since the gate electrode is formed after forming the source / drain regions, it is possible to use a metal electrode material such as Al for the gate electrode.

【0019】シリサイド(CoSi2 など)は、シリコ
ン結晶と格子定数が近いので、エピタキシャル成長しや
すい。しかし、シリサイドの成長初期には、CoSi2
と格子定数が異なるCoSiやCo2 Siなどが成長す
るため、シリコンの(100)面上では単結晶化しにく
く、多結晶となる。
Since silicide (such as CoSi 2 ) has a lattice constant close to that of silicon crystal, it is easy to grow epitaxially. However, CoSi 2
Since CoSi and Co 2 Si having different lattice constants grow, it is difficult to form a single crystal on the (100) plane of silicon and becomes polycrystalline.

【0020】(100)面に対し、シリコンの(11
1)面では、Siボンドが多数供給されるため、成長の
初期からシリサイドの単結晶が成長しやすい。従って、
均一で低抵抗なシリサイド膜の形成が容易となる。
For the (100) plane, the (11
In the 1) plane, since a large number of Si bonds are supplied, a silicide single crystal is likely to grow from the initial stage of growth. Therefore,
It is easy to form a uniform and low-resistance silicide film.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を以下に図面
を参照して説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0022】[第1実施形態]図1は、本発明の第1実
施形態に係わる半導体装置の概略構成を示す断面図であ
る。本発明の半導体装置においては、(111)シリコ
ン基板10上のソースドレイン領域11に挟まれた領域
に、ゲート絶縁膜20を介してメタルゲート電極15が
形成されている。
[First Embodiment] FIG. 1 is a sectional view showing the schematic arrangement of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. In the semiconductor device of the present invention, the metal gate electrode 15 is formed in the region sandwiched by the source / drain regions 11 on the (111) silicon substrate 10 with the gate insulating film 20 interposed therebetween.

【0023】そして、本発明の特徴は、ゲート絶縁膜2
0が、(111)シリコン基板10の最表面のシリコン
原子に酸素が結合して形成された単層のSi−O結合層
12と、シリコン窒化膜(Si−N)13、高誘電体膜
層(Ta2 5 等)14を含む積層膜で構成されている
事である。
The feature of the present invention is that the gate insulating film 2 is formed.
0 is a single-layer Si—O bonding layer 12 formed by bonding oxygen to silicon atoms on the outermost surface of the (111) silicon substrate 10, a silicon nitride film (Si—N) 13, and a high dielectric film layer. (Ta 2 O 5 etc.) 14 is a laminated film.

【0024】図2に示すように、(111)面方位のS
i基板10表面には、規則正しくシリコン原子の結合手
が配列しているので、制御性良くSi−O結合層11を
形成することができる。したがって、界面準位の少ない
良好な界面を維持しつつSiO2 層を極限まで薄くする
ことができる。
As shown in FIG. 2, S of the (111) plane orientation is
Since the bonds of silicon atoms are regularly arranged on the surface of the i substrate 10, the Si—O bond layer 11 can be formed with good controllability. Therefore, the SiO 2 layer can be made as thin as possible while maintaining a good interface with few interface states.

【0025】次に、本発明を適用したMOSFETの製
造工程について図3〜7の工程断面図を参照して説明す
る。
Next, the manufacturing process of the MOSFET to which the present invention is applied will be described with reference to the process sectional views of FIGS.

【0026】先ず、図3(a)に示すように、(11
1)面方位の半導体シリコン基板10表面の素子分離領
域に深さ200nm程度の溝を形成する。そして、溝の
内壁を薄く酸化した後、例えばTEOS系酸化膜を埋め
込み形成することにより、トレンチ分離(STI:Shal
low Trench Isolation)のための素子分離絶縁膜31を
形成する。さらに、ウェルやチャネル形成用のイオン注
入を行った後、基板10の表面には6nm程度の厚さの
熱酸化膜32を形成しておく。
First, as shown in FIG.
1) A groove having a depth of about 200 nm is formed in an element isolation region on the surface of the semiconductor silicon substrate 10 having a plane orientation. Then, after the inner wall of the trench is thinly oxidized, for example, a TEOS-based oxide film is embedded and formed to form trench isolation (STI: Shal).
An element isolation insulating film 31 for low trench isolation is formed. Further, after performing ion implantation for forming wells and channels, a thermal oxide film 32 having a thickness of about 6 nm is formed on the surface of the substrate 10.

【0027】次いで、図3(b)に示すように、ダミー
ゲート材料として、LPCVD法によりポリシリコン膜
331 とシリコン窒化膜332 をどちらも150nm程
度順次積層形成する。
Next, as shown in FIG. 3B, as a dummy gate material, both a polysilicon film 33 1 and a silicon nitride film 33 2 are successively laminated by about 150 nm by LPCVD.

【0028】次いで、図3(c)に示すように、光リソ
グラフィまたはEB描画により、ゲート形成予定領域に
レジストパターン(不図示)を形成し、RIE法を用い
てゲート形成予定領域以外のシリコン窒化膜332 及び
ポリシリコン膜331 をエッチング除去し、ダミーゲー
ト33を形成する。そして、レジストパターンを除去す
る。
Next, as shown in FIG. 3C, a resist pattern (not shown) is formed in a gate formation planned region by photolithography or EB drawing, and silicon nitride other than the gate formation planned region is formed by RIE. The film 33 2 and the polysilicon film 33 1 are removed by etching to form a dummy gate 33. Then, the resist pattern is removed.

【0029】次いで、図4(d)に示すように、ポリシ
リコン膜33 1の表面に厚さ6nm程度の酸化膜35を
熱酸化により形成する。次いで、図4(e)に示すよう
に、ダミーゲート33をマスクとしてイオン注入を行っ
てn- 拡散層36を形成する。注入条件は、例えばA
s、15keV、3×1014cm-2である。CMOSを
形成する場合は、リソグラフイーによりn型不純物とp
型不純物とを打ち分ける。
Next, as shown in FIG. 4D, an oxide film 35 having a thickness of about 6 nm is formed on the surface of the polysilicon film 33 1 by thermal oxidation. Next, as shown in FIG. 4E, ion implantation is performed using the dummy gate 33 as a mask to form an n diffusion layer 36. The injection conditions are, for example, A
s, 15 keV, 3 × 10 14 cm −2 . In the case of forming a CMOS, the n-type impurity and p
Type impurities.

【0030】次いで、図4(f)に示すように、シリコ
ン窒化膜を70nm程度堆積した後全面RIEすること
によって、ダミーゲート33の側面に側壁絶縁膜37を
形成する。次いで、図5(g)に示すように、ダミーゲ
ート33及び側壁絶縁膜37をマスクとしてイオン注入
を行うことにより、n- 拡散層36よりn型不純物が高
濃度にドープされたn+ 拡散層38を形成する。注入条
件は、例えばAs、45keV、3×1015cm-2であ
る。CMOSを形成する場合は、リソグラフィによりn
型不純物とp型不純物とを打ち分ける。なお、ソース/
ドレイン拡散層の活性化アニールは、注入直後毎回行な
っても良いし、全てのイオン注入が終了したのち、一度
で行なっても良い。
Next, as shown in FIG. 4F, a sidewall insulating film 37 is formed on the side surface of the dummy gate 33 by depositing a silicon nitride film of about 70 nm and then performing RIE on the entire surface. Next, as shown in FIG. 5G, ion implantation is performed using the dummy gate 33 and the sidewall insulating film 37 as a mask, so that the n + diffusion layer in which the n-type impurity is doped at a higher concentration than the n diffusion layer 36 is formed. 38 is formed. The implantation conditions are, for example, As, 45 keV, 3 × 10 15 cm -2 . When forming a CMOS, n is formed by lithography.
Type impurities and p-type impurities are separated. Source /
The activation annealing of the drain diffusion layer may be performed each time immediately after the implantation, or may be performed once after the completion of all the ion implantations.

【0031】次いで、図5(h)に示すように、LPC
VDによりTEOS系酸化膜391を全面に350nm
程度堆積する。次いで、図5(i)に示すように、CM
P法によりTEOS系酸化膜391 の表面を平坦化する
ことによって、層間絶縁膜39を形成する。このとき、
シリコン窒化膜332 及びシリコン窒化膜からなる側壁
絶縁膜37がCMPのストッパーとなって、ダミーゲー
ト33が露出する。次いで、図6(j)に示すように、
ホットリン酸を用いたエッチングを行って、ダミーゲー
ト33のシリコン窒化膜332 を選択的に除去する。こ
のとき側壁絶縁膜37のシリコン窒化膜の上部もエッチ
ングされるため、側壁絶縁膜37の高さがやや低くな
る。
Then, as shown in FIG.
TEOS-based oxide film 39 1 is 350 nm over the entire surface by VD
Deposit to a degree. Then, as shown in FIG.
The interlayer insulating film 39 is formed by planarizing the surface of the TEOS oxide film 39 1 by the P method. At this time,
Sidewall insulating film 37 made of silicon nitride film 33 2 and the silicon nitride film becomes a stopper CMP, a dummy gate 33 is exposed. Then, as shown in FIG.
Etching using hot phosphoric acid is performed to selectively remove the silicon nitride film 33 2 of the dummy gate 33. At this time, the upper portion of the silicon nitride film of the side wall insulating film 37 is also etched, so that the height of the side wall insulating film 37 becomes slightly low.

【0032】次いで、図6(k)に示すように、CDE
法によるダミーゲートのポリシリコン膜331 の除去、
HFを用いたウェットエッチングによるシリコン酸化膜
32,35の除去を順次行うことにより、ゲート形成予
定領域に溝部40を形成する。
Next, as shown in FIG. 6 (k), CDE
Removal of the polysilicon film 33 1 of the dummy gate by law,
By sequentially removing the silicon oxide films 32 and 35 by wet etching using HF, the trench 40 is formed in the gate formation planned region.

【0033】次に、ゲート絶縁膜及びゲート電極を形成
する。すでにソース/ドレインを(活性化を含めて)形
成してあり、基本的にこの後には600℃以上の高温工
程がないため、ゲート絶縁膜にTa2 5 膜や(Ba,
Sr)TiO3 などの高誘電体膜や強誘電体膜を使用す
ることができる。
Next, a gate insulating film and a gate electrode are formed. Since the source / drain has already been formed (including activation) and there is basically no high temperature process of 600 ° C. or higher after this, a Ta 2 O 5 film or (Ba,
A high dielectric film such as Sr) TiO 3 or a ferroelectric film can be used.

【0034】また、ゲート電極にはメタル材料を使用す
ることができる。ゲート絶縁膜に高誘電体膜や強誘電体
膜を使用した場合には、用いたゲート絶縁膜に応じてゲ
ート電極材料を選ぶ必要があり、TiN,Al,W,R
u等が使用可能となる。また、ゲート絶縁膜とゲート電
極材料の間にはバリアメタルとしてTiNやWN等の形
成を行なうことが望ましい。
A metal material can be used for the gate electrode. When a high dielectric film or a ferroelectric film is used as the gate insulating film, it is necessary to select a gate electrode material according to the used gate insulating film. TiN, Al, W, R
u etc. can be used. Further, it is desirable to form TiN, WN or the like as a barrier metal between the gate insulating film and the gate electrode material.

【0035】ここでは、ゲート絶縁膜にTa2 5 膜、
ゲート電極にアルミニウム/TiNを用いた場合を説明
する。
Here, a Ta 2 O 5 film is used as the gate insulating film,
The case where aluminum / TiN is used for the gate electrode will be described.

【0036】図6(l)に示すように、1度希釈したフ
ッ酸又はフッ酸とフッ化アンモンの混合液又は無水弗酸
蒸気などを用いて、溝部40に露出する(111)Si
基板10の表面の自然酸化膜や化学的に形成された酸化
膜を除去する。そして、Si基板10の表面に酸素ラジ
カルを照射し、単層(膜厚0.2〜0.3nm程度)の
Si−O結合層12を形成する。そして、引き続いてア
ンモニア,シラン等を用いてSiN層13を1.0nm
程度(酸化膜換算膜厚で0.6nm)堆積形成する。更
に全面CVD法によりTa2 5 膜14を1nm程度
(酸化膜換算膜厚)形成する。このようにすれば、ゲー
ト絶縁膜の全膜厚は2nm(酸化膜換算膜厚)以下とな
る。
As shown in FIG. 6 (l), (111) Si exposed in the groove 40 is formed by using hydrofluoric acid diluted once or a mixed solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride or anhydrous hydrofluoric acid.
The native oxide film or the chemically formed oxide film on the surface of the substrate 10 is removed. Then, the surface of the Si substrate 10 is irradiated with oxygen radicals to form a single-layer (film thickness of about 0.2 to 0.3 nm) Si—O bonding layer 12. Then, subsequently, the SiN layer 13 is 1.0 nm thick by using ammonia, silane, or the like.
About a thickness (0.6 nm equivalent to an oxide film) is deposited and formed. Further, a Ta 2 O 5 film 14 is formed to a thickness of about 1 nm (oxide film equivalent film thickness) by the whole surface CVD method. By doing so, the total film thickness of the gate insulating film becomes 2 nm (oxide film equivalent film thickness) or less.

【0037】また、ゲート絶縁膜の別の形成方法として
は、まず1nm程度のSiO2 膜を形成し、この表面を
窒素ラジカルを使って低温(600℃以下)で窒化(N
2 プラズマ窒化)してもよい。SiN層が0.7nm程
度形成されると、SiO2 層は0.3nm程度となり、
ほぼ1monolayerのSi−O結合層が実現され
る。その上にCVD法によりTa2 5 膜14を1nm
程度(酸化膜換算膜厚)形成すれば、ゲート絶縁膜厚は
2nm(酸化膜換算膜厚)以下となる。
As another method for forming the gate insulating film, first, a SiO 2 film having a thickness of about 1 nm is formed, and the surface thereof is nitrided by nitrogen radicals at a low temperature (600 ° C. or lower) (N
2 Plasma nitriding). When the SiN layer has a thickness of about 0.7 nm, the SiO 2 layer has a thickness of about 0.3 nm,
Almost 1 monolayer Si-O bonding layer is realized. Then, a Ta 2 O 5 film 14 having a thickness of 1 nm is formed thereon by the CVD method.
If it is formed to a thickness (oxide film equivalent thickness), the gate insulating film thickness becomes 2 nm (oxide film equivalent film thickness) or less.

【0038】いずれにしても、(111)面方位のSi
基板を用いている場合は、レイヤー制御性が高まり、1
monolayerを実現しやすい。
In any case, Si having a (111) plane orientation is used.
When using a substrate, the layer controllability is improved, and
It is easy to realize monolayer.

【0039】次いで、ゲート電極としてバリアメタルT
iN41とアルミニウム421 をそれぞれ10nm、2
50nm程度堆積する。そして、図7(m)に示すよう
に、CMP法によりアルミニウム421 の表面を平坦化
することによって、ゲート電極42を形成する。
Next, a barrier metal T is used as a gate electrode.
iN41 and aluminum 42 1 are 10 nm and 2 respectively
Deposit about 50 nm. Then, as shown in FIG. 7 (m), the gate electrode 42 is formed by planarizing the surface of the aluminum 42 1 by the CMP method.

【0040】その後は、通常のLSI製造プロセスと同
様で、プラズマTEOSからなる層間絶縁膜43をCV
Dにより形成した後コンタクトホールを形成し、アルミ
ニウムからなる上層配線44を形成する。
After that, the interlayer insulating film 43 made of plasma TEOS is subjected to CV in the same manner as in a normal LSI manufacturing process.
After forming by D, a contact hole is formed and an upper wiring 44 made of aluminum is formed.

【0041】以上のように、本発明によれば、極限まで
薄いゲート絶縁膜を制御性良く形成することが可能とな
り、トランジスタの高性能化を実現できる。
As described above, according to the present invention, it is possible to form an extremely thin gate insulating film with good controllability, and it is possible to realize high performance of the transistor.

【0042】なお、上述した実施形態では、Si−O結
合層とTa2 5 層との間にシリコン窒化膜を介挿させ
ていたが、シリコン窒化膜を省いてSi−O結合層上に
Ta2 5 層を直接形成することも可能である。
Although the silicon nitride film is interposed between the Si—O bond layer and the Ta 2 O 5 layer in the above-described embodiment, the silicon nitride film is omitted and the silicon nitride film is formed on the Si—O bond layer. It is also possible to directly form the Ta 2 O 5 layer.

【0043】一般に、Ta2 5 膜の成膜後、Ta2
5 膜中のCなどの不純物の除去及び欠損する酸素を補充
するために、通常アニールを行う。このアニール工程
で、シリコン基板中のシリコン原子がTa2 5 中に拡
散することを防ぐためにシリコン窒化膜を形成してい
る。
[0043] In general, after the formation of the Ta 2 O 5 film, Ta 2 O
5 In order to remove impurities such as C in the film and replenish deficient oxygen, annealing is usually performed. In this annealing step, a silicon nitride film is formed in order to prevent silicon atoms in the silicon substrate from diffusing into Ta 2 O 5 .

【0044】ところが、アニールの温度を適宜選択する
ことによって、シリコン原子の拡散を抑制することがで
き、シリコン窒化膜を必要としなくなるのである。以下
に、そのことについて説明する。
However, by appropriately selecting the annealing temperature, the diffusion of silicon atoms can be suppressed and the silicon nitride film is not required. This will be described below.

【0045】図8は、TiN/Ta2 5 /NO膜/S
i基板の積層構造における、リーク電流のアニール温度
依存性を示す特性図(J.Electrochem,Soc.Vol.143.No.
3,P977(1996) )である。図中(a)は0.5Torr
の酸素雰囲気中で10分間アニールを行ったサンプル、
図中(b)は上述したアニール処理の後0.3Torr
の酸素プラズマ中で400度10分間のアニールを行っ
たサンプルのリーク電流の特性図である。
FIG. 8 shows TiN / Ta 2 O 5 / NO film / S
Characteristic diagram (J. Electrochem, Soc. Vol.143.No.
3, P977 (1996)). (A) in the figure is 0.5 Torr
Sample annealed in oxygen atmosphere for 10 minutes,
In the figure, (b) shows 0.3 Torr after the above-mentioned annealing treatment.
FIG. 3 is a characteristic diagram of a leak current of a sample annealed at 400 ° C. for 10 minutes in the oxygen plasma of FIG.

【0046】プラズマアニール処理を行ったサンプルは
リーク電流が抑制され、Ta2 5膜の改質効果が高い
ことが分かる。又、どちらのサンプルも650℃を越え
る高温アニールを行うと、シリコン原子がTa2 5
中に拡散し、リーク電流が増えてしまうことが確認され
ている。
It can be seen that the sample that has been subjected to the plasma annealing treatment has a suppressed leakage current and a high effect of modifying the Ta 2 O 5 film. Further, it has been confirmed that, when high temperature annealing exceeding 650 ° C. is performed on both samples, silicon atoms diffuse into the Ta 2 O 5 film and the leak current increases.

【0047】従って、Ta2 5 成膜後のプロセスを6
00℃以下の温度で行い、アニール条件を最適化すれ
ば、Ta2 5 膜のリーク電流を抑制することができ
る。よって、シリコン原子のTa2 5 膜中への拡散が
抑制されるので、シリコン窒化膜が不要となる。
Therefore, the process after the Ta 2 O 5 film formation is 6
If it is performed at a temperature of 00 ° C. or lower and the annealing conditions are optimized, the leak current of the Ta 2 O 5 film can be suppressed. Therefore, since the diffusion of silicon atoms into the Ta 2 O 5 film is suppressed, the silicon nitride film becomes unnecessary.

【0048】またさらに、Ta2 5 膜中のSiの濃度
をSIMSによって分析した結果を図9に示す。図9
(a)に示したサンプルAは酸素雰囲気中で700度で
10分間アニールを行ったもの、図9(b)に示したサ
ンプルBは酸素プラズマ中で5分間アニールを行ったも
のである。
Furthermore, FIG. 9 shows the result of SIMS analysis of the Si concentration in the Ta 2 O 5 film. Figure 9
Sample A shown in (a) is annealed at 700 degrees for 10 minutes in an oxygen atmosphere, and sample B shown in FIG. 9 (b) is annealed in oxygen plasma for 5 minutes.

【0049】サンプルAのTa2 5 膜中のSi濃度は
0.1atom%程度、一方サンプルBのSi濃度は
0.001%以下(検出限界以下)である。
The Si concentration in the Ta 2 O 5 film of Sample A is about 0.1 atom%, while the Si concentration of Sample B is 0.001% or less (below the detection limit).

【0050】サンプルAとサンプルBとでは、図8に示
すように、リーク電流が3桁程度異なるので、サンプル
Aのアニール条件は、適用不可であることは明白であ
る。従って、Ta2 5 膜中のSi濃度は、0.1at
om%未満にすることが、必須である。
As shown in FIG. 8, the leak currents of sample A and sample B differ by about three orders of magnitude, so that the annealing conditions of sample A are obviously not applicable. Therefore, the Si concentration in the Ta 2 O 5 film is 0.1 at
It is essential to make it less than om%.

【0051】また、ショートチャネル効果の低減,高駆
動力の実現,しきい値のバラツキの低減,並びにカット
オフ特性向上(S−factor改善)のために、ゲー
ト絶縁膜の膜厚を薄くしなければならない。そして、ゲ
ート長が0.085μm以下のMOSFETの場合、ゲ
ート絶縁膜の膜厚は2.6nm(酸化膜換算実効膜厚)
以下にしなければ、十分な性能を実現することができな
い。
Further, in order to reduce the short channel effect, realize a high driving force, reduce the variation of the threshold value, and improve the cutoff characteristic (improvement of S-factor), the gate insulating film must be thin. I have to. In the case of a MOSFET having a gate length of 0.085 μm or less, the thickness of the gate insulating film is 2.6 nm (oxide film equivalent effective film thickness).
Unless below, sufficient performance cannot be realized.

【0052】従って、ゲート長が0.085μm以下の
MOSFETには、前記ゲート絶縁膜の膜厚が2.6n
m(酸化膜換算実効膜厚)以下、且つTa2 5 膜中の
Si濃度が0.1atom%以下であることが要求され
る。
Therefore, in a MOSFET having a gate length of 0.085 μm or less, the thickness of the gate insulating film is 2.6 n.
It is required that the film thickness be less than m (effective film thickness equivalent to the oxide film) and that the Si concentration in the Ta 2 O 5 film be 0.1 atom% or less.

【0053】[第2実施形態]図10〜12までは本発
明の第2実施形態を説明するためのMOSFET製造工
程断面図である。なお、図3〜7と同一なものには同一
符号を付し、その説明を省略する。
[Second Embodiment] FIGS. 10 to 12 are sectional views of a MOSFET manufacturing process for explaining the second embodiment of the present invention. The same components as those in FIGS. 3 to 7 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

【0054】先ず、図10(a)に示す構造は、図3
(c)に示した構造に対し、シリコン窒化膜を70nm
程度堆積し、全面RIEすることによって、ダミーゲー
ト33の側面に側壁絶縁膜37を形成したものである。
First, the structure shown in FIG.
In comparison with the structure shown in (c), a silicon nitride film of 70 nm
The sidewall insulating film 37 is formed on the side surface of the dummy gate 33 by depositing the same degree and performing RIE on the entire surface.

【0055】次いで、図10(b)に示すように、(1
11)シリコン基板10のソース/ドレイン領域上に単
結晶シリコンをエピタキシャル成長させ、エレベイテッ
ドソース/ドレイン領域を形成する。詳しく述べると、
例えばHFによるウェット処理でSi表面を露出させ、
2 アニールの後、エピタキシャル成長によりソース/
ドレインを50nm程度持ち上げる。
Then, as shown in FIG.
11) Single crystal silicon is epitaxially grown on the source / drain regions of the silicon substrate 10 to form elevated source / drain regions. In detail,
For example, the Si surface is exposed by a wet treatment with HF,
After the H 2 annealing, source by epitaxial growth /
Raise the drain by about 50 nm.

【0056】その後イオン注入によりエレベイテッドソ
ース/ドレイン領域にドーピング行ない、固相拡散によ
りn+ 拡散層81を形成する。注入条件は、例えばA
s、45keV、3×1015cm-2である。CMOSを
形成する場合は、リソグラフィによりn型不純物とp型
不純物を打ち分ける必要がある。
Thereafter, the elevated source / drain regions are doped by ion implantation, and the n + diffusion layer 81 is formed by solid phase diffusion. The injection conditions are, for example, A
s, 45 keV, 3 × 10 15 cm −2 . When forming a CMOS, it is necessary to separate n-type impurities and p-type impurities by lithography.

【0057】そして、全面にCoを堆積してアニールす
ることにより、持ち上げられたエレベイテッドソース/
ドレインとCoとを反応させて、コバルトシリサイド
(CoSi2 )82を形成する。なお、コバルトシリサ
イド以外に、NiSi2 ,PtSi,Pd2 Si等のメ
タルシリサイドを形成することが可能である。(11
1)面方位のSi表面では、これらシリサイドは単結晶
になりやすく、均一で低抵抗な膜を形成できる。
Then, Co is deposited on the entire surface and annealed to lift the elevated source /
The drain and Co are reacted to form cobalt silicide (CoSi 2 ) 82. In addition to cobalt silicide, it is possible to form metal silicide such as NiSi 2 , PtSi, and Pd 2 Si. (11
1) On the Si surface having the plane orientation, these silicides are likely to be a single crystal, and a uniform and low resistance film can be formed.

【0058】次いで、図10(c)に示すように、LP
CVDによりTEOS系酸化膜391 を全面に350n
m程度堆積する。そして、図11(d)に示すように、
CMP法によりTEOS系酸化膜391 の表面を平坦化
し、層間絶縁膜39を形成する。このとき、シリコン窒
化膜332 及び側壁絶縁膜37がCMPのストッパーと
なる。
Then, as shown in FIG.
A TEOS-based oxide film 39 1 is deposited on the entire surface by CVD by 350 n
Deposit about m. Then, as shown in FIG.
The surface of the TEOS-based oxide film 39 1 is planarized by CMP method to form an interlayer insulating film 39. At this time, the silicon nitride film 33 2 and the sidewall insulating film 37 serve as a CMP stopper.

【0059】次いで、図11(e)に示すように、ホッ
トリン酸を用いたエッチングを行って、ダミーゲート3
3のシリコン窒化膜332 を選択的に除去する。このと
き側壁絶縁膜37のシリコン窒化膜の上部もエッチング
されるため、側壁絶縁膜37の高さがやや低くなる。
Then, as shown in FIG. 11 (e), etching is performed using hot phosphoric acid to form the dummy gate 3
3 silicon nitride film 33 2 is selectively removed. At this time, the upper portion of the silicon nitride film of the side wall insulating film 37 is also etched, so that the height of the side wall insulating film 37 becomes slightly low.

【0060】次いで、図11(f)に示すように、CD
E法によるダミーゲートのポリシリコン膜331 の除
去、HFによるウェットエッチングを行なってシリコン
酸化膜32,35を除去することにより、ゲート形成予
定領域に溝部40を形成する。次いで、図12(g)に
示すように、第1実施形態に示した形成方法と同様な手
法を用いて、Si−O結合層12,SiN層13,Ta
2 5 膜14,TiN41及びアルミニウム421 を形
成する。そして、図12(h)に示すように、CMP法
を用いてアルミニウム421 の表面を平坦化して、ゲー
ト電極42を形成する。
Then, as shown in FIG. 11 (f), the CD
Method E removal of the polysilicon film 33 1 of the dummy gate by, by removing the silicon oxide film 32 and 35 by performing wet etching with HF, to form a groove 40 in the gate forming region. Then, as shown in FIG. 12G, the Si—O coupling layer 12, the SiN layer 13, and the Ta layer are formed by using the same method as the forming method described in the first embodiment.
A 2 O 5 film 14, TiN 41 and aluminum 42 1 are formed. Then, as shown in FIG. 12 (h), to flatten the surface of the aluminum 42 1 by using the CMP method to form the gate electrode 42.

【0061】その後は、通常のLSI製造プロセスと同
様で、図12(i)に示すように、プラズマTEOSか
らなる層間絶縁膜43をCVDにより形成した後コンタ
クトホールを形成し、アルミニウムからなる上層配線4
4を形成する。
Thereafter, as in the normal LSI manufacturing process, as shown in FIG. 12 (i), an interlayer insulating film 43 made of plasma TEOS is formed by CVD, contact holes are then formed, and an upper layer wiring made of aluminum is formed. Four
4 is formed.

【0062】以上のように、本発明によれば、極限まで
薄いゲート絶縁膜を制御性良く形成することが可能とな
り、さらにまた、ソース/ドレイン上に高品質のメタル
シリサイドを制御性良く形成することができるため、ト
ランジスタの高性能化を実現できる。
As described above, according to the present invention, an extremely thin gate insulating film can be formed with good controllability, and furthermore, high quality metal silicide can be formed on the source / drain with good controllability. Therefore, high performance of the transistor can be realized.

【0063】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。例えば、上記実施形態では、ダマシン
プロセスを用いてゲート電極の形成を行っていたが、通
常のMOSFETの製造工程を用いても作製することが
できる。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above embodiment, the gate electrode is formed by using the damascene process, but it can be formed by using the normal MOSFET manufacturing process.

【0064】又、上記実施形態では、絶縁層としてTa
2 5 膜を用いたが、他の高誘電体や強誘電体を用いる
ことも可能である。
In the above embodiment, Ta is used as the insulating layer.
Although the 2 O 5 film is used, it is also possible to use other high dielectric materials or ferroelectric materials.

【0065】その他、本発明は、その要旨を逸脱しない
範囲で、種々変形して実施することが可能である。
In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the scope of the invention.

【0066】[0066]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、S
iO2 層の代わりに単層のSi−O結合層を用いること
によって、ゲート絶縁膜の実効酸化膜厚を薄くしつつ、
リーク電流の抑制を図ることが可能となる。
As described above, according to the present invention, S
By using a single-layer Si—O bonding layer instead of the iO 2 layer, the effective oxide film thickness of the gate insulating film is reduced,
It is possible to suppress the leak current.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第1実施形態に係わる半導体装置の概略構成を
示す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a semiconductor device according to a first embodiment.

【図2】第1実施形態に係わる半導体装置の製造工程を
示す工程断面図。
FIG. 2 is a process sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment.

【図3】第1実施形態に係わる半導体装置の製造工程を
示す工程断面図。
FIG. 3 is a process cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment.

【図4】第1実施形態に係わる半導体装置の製造工程を
示す工程断面図。
FIG. 4 is a process cross-sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment.

【図5】第1実施形態に係わる半導体装置の製造工程を
示す工程断面図。
FIG. 5 is a process cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment.

【図6】第1実施形態に係わる半導体装置の製造工程を
示す工程断面図。
FIG. 6 is a process sectional view showing a manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment.

【図7】第1実施形態に係わる半導体装置の製造工程を
示す工程断面図。
FIG. 7 is a process cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment.

【図8】TiN/Ta2 5 /NO膜/Si基板の積層
構造における、リーク電流のアニール温度依存性を示す
特性図。
FIG. 8 is a characteristic diagram showing an annealing temperature dependency of a leak current in a laminated structure of TiN / Ta 2 O 5 / NO film / Si substrate.

【図9】Ta2 5 膜中のSi濃度を示す特性図。FIG. 9 is a characteristic diagram showing Si concentration in a Ta 2 O 5 film.

【図10】第2実施形態に係わる半導体装置の製造工程
を示す工程断面図。
FIG. 10 is a process cross-sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor device according to a second embodiment.

【図11】第2実施形態に係わる半導体装置の製造工程
を示す工程断面図。
FIG. 11 is a process cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the second embodiment.

【図12】第2実施形態に係わる半導体装置の製造工程
を示す工程断面図。
FIG. 12 is a process cross-sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor device according to a second embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…(111)シリコン基板 11…ソース・ドレイン領域 12…Si−O結合層 13…SiN膜 14…Ta2 5 膜 15…メタルゲート電極 31…素子分離絶縁膜 32…熱酸化膜 33…ダミーゲート 331…ポリシリコン膜 332…シリコン窒化膜 35…酸化膜 36…n- 拡散層 37…側壁絶縁膜 38…n+ 拡散層 39…層間絶縁膜 391…TEOS系酸化膜 40…溝部 41…TiN 42…ゲート電極 421…アルミニウム 43…層間絶縁膜 44…上層配線 81…n+ 拡散層 82…コバルトシリサイド10 ... (111) Silicon substrate 11 ... Source / drain region 12 ... Si—O coupling layer 13 ... SiN film 14 ... Ta 2 O 5 film 15 ... Metal gate electrode 31 ... Element isolation insulating film 32 ... Thermal oxide film 33 ... Dummy Gate 33 1 ... Polysilicon film 33 2 ... Silicon nitride film 35 ... Oxide film 36 ... N - diffusion layer 37 ... Side wall insulating film 38 ... N + diffusion layer 39 ... Interlayer insulating film 39 1 ... TEOS oxide film 40 ... Groove 41 ... TiN 42 ... gate electrode 42 1 ... aluminum 43 ... interlayer insulating film 44 ... upper wiring 81 ... n + diffusion layer 82 ... cobalt silicide

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−315608(JP,A) 特開 平10−178170(JP,A) 特開 平11−126902(JP,A) 特開 昭63−110642(JP,A) 特開 平3−248433(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78 Continuation of the front page (56) Reference JP-A-5-315608 (JP, A) JP-A-10-178170 (JP, A) JP-A-11-126902 (JP, A) JP-A-63-110642 (JP , A) JP-A-3-248433 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 29/78

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】(111)シリコン基板上に形成されたM
OSFETを含む半導体装置であって、 前記MOSFETのゲート絶縁膜は、前記シリコン基板
の最表面のシリコン原子と酸素原子とが結合した単層の
Si−O結合層と、このSi−O結合層上に形成され、
高誘電体又は強誘電体からなる絶縁層とを含んで形成さ
れていることを特徴とする半導体装置。
1. An M formed on a (111) silicon substrate.
A semiconductor device including an OSFET, wherein the gate insulating film of the MOSFET has a single-layer Si—O bonding layer in which silicon atoms and oxygen atoms are bonded on the outermost surface of the silicon substrate, and on the Si—O bonding layer. Formed in
A semiconductor device comprising: an insulating layer made of a high dielectric material or a ferroelectric material.
【請求項2】前記MOSFETのゲート長は0.85μ
m以下であり、前記ゲート絶縁膜のシリコン酸化膜換算
実効膜厚は2.6nm以下、前記絶縁層中のSi濃度が
0.1atom%未満であることを特徴とする請求項1
に記載の半導体装置。
2. The gate length of the MOSFET is 0.85 μm.
The silicon oxide film equivalent effective film thickness of the gate insulating film is 2.6 nm or less, and the Si concentration in the insulating layer is less than 0.1 atom%.
The semiconductor device according to.
【請求項3】第1導電型の(111)シリコン基板上の
所定領域にダミーゲートを形成する工程と、 前記ダミーゲートをマスクにして、前記シリコン基板の
表面に第2導電型の不純物を導入し、ソース・ドレイン
領域を形成する工程と、 前記シリコン基板上に前記ダミーゲートを覆うように層
間絶縁膜を形成する工程と、 前記層間絶縁膜の表面を平坦化すると共に、前記ダミー
ゲートを露出させる工程と、 前記ダミーゲートを選択的に除去することによって、溝
部を形成する工程と、 前記溝部の底面に露出する前記シリコン基板の最表面の
シリコン原子と酸素原子とが結合した単層のSi−O結
合層を形成する工程と、 前記Si−O結合層上に、高誘電体又は強誘電体からな
る絶縁層を形成する工程と、 前記溝部にゲート電極を埋め込み形成する工程とを含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. A step of forming a dummy gate in a predetermined region on a (111) silicon substrate of the first conductivity type, and an impurity of the second conductivity type being introduced into the surface of the silicon substrate using the dummy gate as a mask. Forming a source / drain region, forming an interlayer insulating film on the silicon substrate so as to cover the dummy gate, planarizing the surface of the interlayer insulating film, and exposing the dummy gate. A step of forming a groove by selectively removing the dummy gate, a single-layer Si in which silicon atoms and oxygen atoms on the outermost surface of the silicon substrate exposed on the bottom surface of the groove are combined. Forming an —O coupling layer, forming an insulating layer made of a high dielectric or a ferroelectric on the Si—O coupling layer, and embedding a gate electrode in the groove. And a step of forming the semiconductor device.
【請求項4】前記絶縁層の形成後、全てのプロセスは6
00℃以下の温度で行うことを特徴とする請求項3に記
載の半導体装置の製造方法。
4. After the insulating layer is formed, all processes are
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the method is performed at a temperature of 00 ° C. or less.
【請求項5】前記ダミーゲートを形成する工程の後、前
記ソースドレイン領域となる領域の前記シリコン基板上
に自己整合的にシリサイドを形成することを特徴とする
請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
5. The semiconductor device according to claim 3, wherein after the step of forming the dummy gate, silicide is formed in a self-aligned manner on the silicon substrate in a region to be the source / drain region. Production method.
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