JP4679830B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、より詳しくは、ソース・ドレイン領域上に金属シリサイド膜を有する半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device having a metal silicide film on a source / drain region.

近年、半導体集積回路装置における高集積化が大きく進展しており、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型半導体装置ではトランジスタ等の素子の微細化、高性能化が図られている。特に、MOS構造を構成する要素の一つであるゲート絶縁膜に関しては、上記トランジスタの微細化、高速動作および低電圧化に対応すべく薄膜化が急速に進んでいる。   In recent years, high integration in semiconductor integrated circuit devices has greatly advanced. In MOS (Metal Oxide Semiconductor) type semiconductor devices, miniaturization of elements such as transistors and high performance have been achieved. In particular, with regard to the gate insulating film which is one of the elements constituting the MOS structure, the thinning is rapidly progressing to cope with the miniaturization, high speed operation and low voltage of the transistor.

ゲート絶縁膜を構成する材料としては、従来よりシリコン酸化膜(SiO膜)やシリコン酸窒化膜(SiON膜)などが用いられてきた。しかしながら、これらの材料を用いた場合には、薄膜化に伴いリーク電流が増大するという問題があった。サブ0.1μm世代のCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)では、ゲート絶縁膜に対して、シリコン酸化膜換算膜厚で1.5nm以下の性能が必要とされる。このため、金属酸化膜または金属珪酸化膜(金属シリケート膜)などの比誘電率の大きい材料をゲート絶縁膜として用い、膜厚を大きくすることによってリーク電流を抑制することが行われている。 Conventionally, a silicon oxide film (SiO 2 film), a silicon oxynitride film (SiON film), or the like has been used as a material constituting the gate insulating film. However, when these materials are used, there is a problem that leakage current increases as the film thickness is reduced. In a sub 0.1 μm generation CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), the gate insulating film requires a performance of 1.5 nm or less in terms of a silicon oxide equivalent film thickness. For this reason, a material having a large relative dielectric constant such as a metal oxide film or a metal silicate film (metal silicate film) is used as a gate insulating film, and leakage current is suppressed by increasing the film thickness.

一方、ゲート電極材料としてシリコンを用いたCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)では、ゲート絶縁膜付近で形成される空乏層の存在によって反転容量が小さくなり素子性能が低下するという問題があった。これに対して、シリコンに代わって、金属または金属と同等のバンド構造を有する材料をゲート電極材料に用いることにより、電極の空乏化を抑制して大きな反転容量を確保する方法が提案されている(非特許文献1参照。)。   On the other hand, CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) using silicon as the gate electrode material has a problem in that the inversion capacitance is reduced due to the presence of a depletion layer formed in the vicinity of the gate insulating film and the device performance is lowered. On the other hand, instead of silicon, a method has been proposed in which a metal or a material having a band structure equivalent to that of a metal is used as a gate electrode material, thereby suppressing depletion of the electrode and ensuring a large inversion capacitance. (Refer nonpatent literature 1.).

さらに、従来より、MOSFETにおけるソース・ドレイン領域の抵抗を低減するために、チタンシリサイド(TiSi)、コバルトシリサイド(CoSi)またはニッケルシリサイド(NiSi)などの金属シリサイド層をソース・ドレイン領域の表面に形成することが行われている。特に、ニッケルシリサイドは、素子の微細化に伴う層抵抗の増大およびゲートリーク電流の増加を効果的に抑制する材料として知られている。 Further, conventionally, a metal silicide layer such as titanium silicide (TiSi 2 ), cobalt silicide (CoSi 2 ) or nickel silicide (NiSi) is used to reduce the resistance of the source / drain regions in the MOSFET. It has been made to form. In particular, nickel silicide is known as a material that effectively suppresses an increase in layer resistance and gate leakage current associated with device miniaturization.

エイ・チャタジー(A.Chatterjee)ら、国際電子素子会議(International Electron Devices Meeting,IEDM)、1997年、p.821A. Chatterjee et al., International Electron Devices Meeting (IEDM), 1997, p. 821

しかしながら、ハフニウム酸化物などの高誘電率絶縁膜をゲート絶縁膜として用い、ソース・ドレイン領域にニッケルシリサイド膜を形成した場合には、ソース・ドレイン領域の低抵抗化とゲートリーク電流の低減とを両立できないという問題があった。この理由は、次のように考えられている。   However, when a high dielectric constant insulating film such as hafnium oxide is used as the gate insulating film and a nickel silicide film is formed in the source / drain region, the resistance of the source / drain region is reduced and the gate leakage current is reduced. There was a problem of being unable to achieve both. The reason is considered as follows.

ハフニウム酸化物などの金属酸化物の成膜には、一般に、CVD(Chemical Vapor Deposition)法が用いられる。そして、成膜は、基板中の不純物分布への影響を小さくするために低温で行われる。この場合、低温で成膜した膜中には多くのダングリングボンドや不純物が含まれるので、成膜後に600℃以上の温度で熱処理(Post Deposition Anneal)することが必要となる。しかし、こうした高温での熱処理は、先に形成したソース・ドレイン領域上のニッケルシリサイド膜に凝集を起こすので、ニッケルシリサイド膜は連続構造を失って層抵抗が上昇する。また、凝集したニッケルシリサイドのアイランドの厚みが増すことによって、PN接合が近接しゲートリーク電流が増大する。   In general, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method is used to form a metal oxide such as hafnium oxide. The film formation is performed at a low temperature in order to reduce the influence on the impurity distribution in the substrate. In this case, since a film formed at a low temperature contains many dangling bonds and impurities, it is necessary to perform a heat treatment (post deposition annealing) at a temperature of 600 ° C. or higher after the film formation. However, such heat treatment at a high temperature causes aggregation in the nickel silicide film on the source / drain regions formed earlier, so that the nickel silicide film loses a continuous structure and the layer resistance increases. Further, as the thickness of the aggregated nickel silicide islands increases, the PN junction approaches and the gate leakage current increases.

このように、ゲート絶縁膜を形成する前にソース・ドレイン領域上にニッケルシリサイド膜を形成する場合には、ニッケルシリサイドの凝集耐性の観点から、ゲート絶縁膜の形成時に600℃以上の熱をかけることができないという問題があった。このため、ゲート絶縁膜の熱工程は600℃以下の温度で行わなければならず、ゲート絶縁膜の膜質を向上させることが困難となっていた。   As described above, when the nickel silicide film is formed on the source / drain regions before the gate insulating film is formed, heat of 600 ° C. or more is applied at the time of forming the gate insulating film from the viewpoint of nickel silicide aggregation resistance. There was a problem that I could not. For this reason, the thermal process of the gate insulating film must be performed at a temperature of 600 ° C. or less, and it has been difficult to improve the film quality of the gate insulating film.

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、ソース・ドレイン領域の低抵抗化とゲートリーク電流の低減とを両立することのできる半導体装置の製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems. That is, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that can achieve both a reduction in resistance of a source / drain region and a reduction in gate leakage current.

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。   Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description.

本発明は、シリコン基板上に、犠牲ゲート絶縁膜を介して犠牲ゲート電極を形成する工程と、この犠牲ゲート電極の側壁部に側壁絶縁膜を形成する工程と、この側壁絶縁膜の形成された犠牲ゲート電極をマスクとし、シリコン基板に不純物を注入してソース・ドレイン領域を形成する工程と、このソース・ドレイン領域上に第1の金属シリサイド膜を形成する工程と、犠牲ゲート電極を埋め込むようにして、シリコン基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、この層間絶縁膜を加工して犠牲ゲート電極の表面を露出させる工程と、犠牲ゲート電極をエッチングして犠牲ゲート絶縁膜を露出させる工程と、犠牲ゲート絶縁膜をエッチングしてシリコン基板に至る溝部を形成する工程と、この溝部の内面および層間絶縁膜の上にゲート絶縁膜を550℃以下で形成する工程と、このゲート絶縁膜の上に熱吸収膜を形成する工程と、閃光およびレーザ光の少なくとも一方を熱吸収膜の側からシリコン基板に照射することによってゲート絶縁膜に加熱処理を行う工程とを有し、かつ前記した各工程を前記した順に行うことを特徴とするものである。 In the present invention, a step of forming a sacrificial gate electrode on a silicon substrate via a sacrificial gate insulating film, a step of forming a side wall insulating film on a side wall portion of the sacrificial gate electrode, and the formation of the side wall insulating film Using the sacrificial gate electrode as a mask, implanting impurities into the silicon substrate to form source / drain regions, forming a first metal silicide film on the source / drain regions, and embedding the sacrificial gate electrode Forming an interlayer insulating film on the silicon substrate, processing the interlayer insulating film to expose the surface of the sacrificial gate electrode, and etching the sacrificial gate electrode to expose the sacrificial gate insulating film When a step of forming a groove portion reaching the silicon substrate by etching the sacrificial gate insulating film, a gate insulating film on the inner surface and the interlayer insulating film of the groove 55 ℃ and forming below, heating and forming a heat absorbing film on the gate insulating film, at least one of the flash and the laser beam to the gate insulating film by irradiating the silicon substrate from the side of the heat absorbing film processing possess a step, the performing, and is characterized in that to perform the respective steps as described above in the order described above.

本発明の半導体装置の製造方法では、熱吸収膜をシリコン膜とすることができる。この場合、加熱処理の後にシリコン膜の上に金属膜を形成する工程と、加熱処理によってシリコン膜と金属膜を反応させて、ゲート絶縁膜上に第2の金属シリサイド膜を形成する工程とをさらに有することができる。シリコン膜の膜厚は30nm以上であることが好ましい。また、シリコン膜は非晶質のシリコン膜であることが好ましい。   In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the heat absorption film can be a silicon film. In this case, a step of forming a metal film on the silicon film after the heat treatment, and a step of reacting the silicon film and the metal film by the heat treatment to form a second metal silicide film on the gate insulating film. You can also have. The film thickness of the silicon film is preferably 30 nm or more. The silicon film is preferably an amorphous silicon film.

また、本発明の半導体装置の製造方法において、ゲート絶縁膜は高誘電率絶縁膜を有するものとすることができる。この場合、高誘電率絶縁膜は、ハフニウム、ジルコニウム、ランタンおよびセシウムよりなる群から選ばれる少なくとも1以上の金属の酸化膜または珪酸化膜とすることができる。   In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the gate insulating film may have a high dielectric constant insulating film. In this case, the high dielectric constant insulating film can be an oxide film or a silicate film of at least one metal selected from the group consisting of hafnium, zirconium, lanthanum, and cesium.

この発明は以上説明したように、ゲート絶縁膜の上に熱吸収膜を形成し、閃光およびレーザ光の少なくとも一方を熱吸収膜の側からシリコン基板に照射することによってゲート絶縁膜に加熱処理を行うので、第1の金属シリサイド膜の凝集を起こすことなしに、ゲート絶縁膜を効率的に加熱することが可能になる。   As described above, according to the present invention, a heat absorption film is formed on a gate insulating film, and at least one of flash light and laser light is irradiated to the silicon substrate from the side of the heat absorption film to heat-treat the gate insulating film. As a result, the gate insulating film can be efficiently heated without causing aggregation of the first metal silicide film.

図1〜図15を用いて、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を説明する。尚、これらの図において同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。   A method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. In these drawings, the same reference numerals indicate the same parts.

まず、シリコン基板1の所定領域にシリコン酸化膜を埋め込み、STI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離絶縁膜2および犠牲ゲート絶縁膜3を形成する(図1)。素子分離絶縁膜2の膜厚は、例えば300nm程度とすることができる。また、犠牲ゲート絶縁膜3は、例えば、膜厚5nm程度のシリコン酸化膜とすることができる。この場合、シリコン酸化膜は、700℃以上の高温下における酸化によって形成することが好ましい。これにより、緻密なシリコン酸化膜を形成できるので、後工程でダミーのゲート電極を除去する際に、シリコン基板1に与えるダメージを小さくすることができる。   First, a silicon oxide film is embedded in a predetermined region of the silicon substrate 1, and an element isolation insulating film 2 and a sacrificial gate insulating film 3 having an STI (Shallow Trench Isolation) structure are formed (FIG. 1). The film thickness of the element isolation insulating film 2 can be about 300 nm, for example. The sacrificial gate insulating film 3 can be a silicon oxide film having a thickness of about 5 nm, for example. In this case, the silicon oxide film is preferably formed by oxidation at a high temperature of 700 ° C. or higher. Thereby, since a dense silicon oxide film can be formed, damage to the silicon substrate 1 can be reduced when the dummy gate electrode is removed in a later step.

次に、シリコン基板1にB(ボロン)を注入した後、熱処理を行うことによって不純物を拡散させて、図1に示すP型拡散層4を形成する。例えば、注入エネルギーを130keVとし、ドーズ量を5×1012cm−2としてBを注入した後、900℃の温度で熱処理することができる。 Next, after implanting B (boron) into the silicon substrate 1, the impurity is diffused by performing a heat treatment to form the P-type diffusion layer 4 shown in FIG. 1. For example, after implanting B with an implantation energy of 130 keV and a dose of 5 × 10 12 cm −2 , heat treatment can be performed at a temperature of 900 ° C.

次に、CVD(Chemichal Vapor Deposition)法によって、多結晶のシリコン膜5を150nm程度の膜厚で成膜する。シリコン膜5を薄い膜厚で形成することによって、後工程で形成されるゲート電極の形状を良好なものとすることができる。   Next, a polycrystalline silicon film 5 is formed to a thickness of about 150 nm by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. By forming the silicon film 5 with a thin film thickness, the shape of the gate electrode formed in a later process can be improved.

次に、シリコン膜5の上にシリコン窒化膜6を50nm程度の膜厚で形成した後、リソグラフィー技術を用いてシリコン窒化膜6を所定の形状に加工する。そして、加工後のシリコン窒化膜6をハードマスクとして、シリコン膜5をゲート電極の形状に加工する(図2)。図2において、シリコン膜5は犠牲ゲート電極であり、実際に動作するゲート電極は後工程で形成される。尚、シリコン窒化膜の代わりにシリコン酸化膜を形成し、これをハードマスクとして使用してもよい。   Next, after forming a silicon nitride film 6 with a film thickness of about 50 nm on the silicon film 5, the silicon nitride film 6 is processed into a predetermined shape using a lithography technique. Then, using the processed silicon nitride film 6 as a hard mask, the silicon film 5 is processed into the shape of the gate electrode (FIG. 2). In FIG. 2, a silicon film 5 is a sacrificial gate electrode, and a gate electrode that actually operates is formed in a later step. A silicon oxide film may be formed instead of the silicon nitride film and used as a hard mask.

その後、シリコン窒化膜6をハードマスクとして、露出している犠牲ゲート絶縁膜3をエッチング除去する(図3)。   Thereafter, the exposed sacrificial gate insulating film 3 is removed by etching using the silicon nitride film 6 as a hard mask (FIG. 3).

次に、シリコン窒化膜6をマスクとして、選択的にP型拡散層4の領域にAsをイオン注入する。その後、熱処理による活性化を行うことによって、N型のエクステンション領域7を形成する(図4)。Asの注入は、例えば、注入エネルギーを5keVとし、ドーズ量を3×1014cm−2として行うことができる。尚、短チャネル効果を抑制するために、さらにBをイオン注入することによってハロー領域(図示せず)を形成してもよい。Bの注入は、例えば、注入エネルギーを10keVとし、ドーズ量を3×1014cm−2として行うことができる。 Next, As is selectively ion-implanted into the region of the P-type diffusion layer 4 using the silicon nitride film 6 as a mask. Thereafter, activation by heat treatment is performed to form an N-type extension region 7 (FIG. 4). For example, As can be implanted at an implantation energy of 5 keV and a dose of 3 × 10 14 cm −2 . In order to suppress the short channel effect, a halo region (not shown) may be formed by further ion implantation of B. The implantation of B can be performed, for example, with an implantation energy of 10 keV and a dose amount of 3 × 10 14 cm −2 .

次に、側壁絶縁膜としてのシリコン窒化膜8を全面に形成した後、反応性イオンエッチングによって、犠牲ゲート電極部(5,6)の側壁部を除いてシリコン窒化膜8を除去する。これにより、図5に示す構造が得られる。尚、シリコン窒化膜の代わりにシリコン酸化膜を用いてもよい。   Next, after forming a silicon nitride film 8 as a sidewall insulating film on the entire surface, the silicon nitride film 8 is removed by reactive ion etching except for the sidewall portion of the sacrificial gate electrode portions (5, 6). Thereby, the structure shown in FIG. 5 is obtained. A silicon oxide film may be used instead of the silicon nitride film.

次に、シリコン窒化膜8の形成された犠牲ゲート電極部(5,6)をマスクとして、選択的にP型拡散層4の領域にAsをイオン注入する。レジストを剥離した後、熱処理による活性化を行うことによって、N型のソース・ドレイン領域9を形成することができる(図6)。例えば、注入エネルギーを30keVとし、ドーズ量を5×1015cm−2としてAsを注入した後、温度1,000℃で3秒間の熱処理を行うことができる。 Next, As is selectively ion-implanted into the region of the P-type diffusion layer 4 using the sacrificial gate electrode portion (5, 6) on which the silicon nitride film 8 is formed as a mask. After removing the resist, activation by heat treatment is performed, whereby the N-type source / drain regions 9 can be formed (FIG. 6). For example, after implanting As with an implantation energy of 30 keV and a dose of 5 × 10 15 cm −2 , heat treatment can be performed at a temperature of 1,000 ° C. for 3 seconds.

次に、スパッタ法によってニッケル膜10を全面に堆積した後、熱処理を行って、ソース・ドレイン領域9上にニッケルシリサイド膜11(第1の金属シリサイド膜)を形成する(図7)。ここで、シリコン膜5の上にはシリコン窒化膜6が形成されているので、この部分にニッケルシリサイド膜11が形成されることはない。尚、ニッケル膜10の膜厚は、例えば10nm程度とすることができる。また、シリサイド化の際の熱処理は、例えば450℃程度とすることができる。   Next, after a nickel film 10 is deposited on the entire surface by sputtering, heat treatment is performed to form a nickel silicide film 11 (first metal silicide film) on the source / drain regions 9 (FIG. 7). Here, since the silicon nitride film 6 is formed on the silicon film 5, the nickel silicide film 11 is not formed in this portion. The film thickness of the nickel film 10 can be set to, for example, about 10 nm. Further, the heat treatment at the time of silicidation can be set to about 450 ° C., for example.

シリサイド化を終えた後は、未反応のニッケル膜10をアンモニア、過酸化水素水および水の混合溶液を用いて除去する。   After the silicidation is completed, the unreacted nickel film 10 is removed using a mixed solution of ammonia, hydrogen peroxide solution and water.

次に、第1の層間絶縁膜12として、プラズマCVD法を用いて全面にシリコン酸化膜を形成する(図8)。ここで、第1の層間絶縁膜12の膜厚は、シリコン膜5の膜厚にシリコン窒化膜6の膜厚を加えた値以上とする。例えば、第1の層間絶縁膜12の膜厚は、100nm〜300nm程度とすることができる。   Next, as the first interlayer insulating film 12, a silicon oxide film is formed on the entire surface by plasma CVD (FIG. 8). Here, the thickness of the first interlayer insulating film 12 is set to be equal to or greater than the value obtained by adding the thickness of the silicon nitride film 6 to the thickness of the silicon film 5. For example, the thickness of the first interlayer insulating film 12 can be about 100 nm to 300 nm.

第1の層間絶縁膜12は、屈折率の異なる2種以上の絶縁膜を積層することによって形成してもよい。一定量の光は、屈折率の異なる媒質の界面で反射するので、材料と膜厚を適当に選択することによって、第1の層間絶縁膜12の全体における光の透過率を制御することが可能になる。例えば、450℃程度の低温でプラズマCVD法によりシリコン窒化膜を形成した後、同様にしてこの上にシリコン酸化膜を形成して第1の層間絶縁膜12としてもよい。このようにして、第1の層間絶縁膜12での反射率を高くし、後述するゲート絶縁膜14の加熱処理を閃光およびレーザ光の少なくとも一方を用いて行うことにより、ソース・ドレイン領域9上に形成されたニッケルシリサイド膜11の温度上昇を抑制しつつゲート絶縁膜14を加熱することができる。   The first interlayer insulating film 12 may be formed by stacking two or more insulating films having different refractive indexes. Since a certain amount of light is reflected at the interface of media having different refractive indexes, it is possible to control the light transmittance of the entire first interlayer insulating film 12 by appropriately selecting the material and film thickness. become. For example, after forming a silicon nitride film by plasma CVD at a low temperature of about 450 ° C., a silicon oxide film may be similarly formed thereon to form the first interlayer insulating film 12. In this way, the reflectivity of the first interlayer insulating film 12 is increased, and the heat treatment of the gate insulating film 14 to be described later is performed using at least one of flash light and laser light. It is possible to heat the gate insulating film 14 while suppressing the temperature rise of the nickel silicide film 11 formed in the above.

次に、CMP(Chemichal Mechanical Polishing)法を用いて、シリコン窒化膜6の表面が露出するまで第1の層間絶縁膜12の表面を平坦化する。その後、シリコン窒化膜6を除去し、さらにドライエッチングによってシリコン膜5を選択的に除去する。これにより、図9に示す構造が得られる。   Next, the surface of the first interlayer insulating film 12 is flattened using a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method until the surface of the silicon nitride film 6 is exposed. Thereafter, the silicon nitride film 6 is removed, and the silicon film 5 is selectively removed by dry etching. Thereby, the structure shown in FIG. 9 is obtained.

次に、シリコン膜5の除去によって露出した犠牲ゲート絶縁膜3をドライエッチングまたはウェットエッチングによって選択的に除去し、シリコン基板1に至る溝部13を形成する(図10)。   Next, the sacrificial gate insulating film 3 exposed by the removal of the silicon film 5 is selectively removed by dry etching or wet etching to form a groove 13 reaching the silicon substrate 1 (FIG. 10).

次に、溝部13の内面および第1の層間絶縁膜12の上にゲート絶縁膜14を形成する(図11)。例えば、低温(550℃以下)のプラズマ酸化法とプラズマ窒化法を組み合わせることによって、シリコン酸窒化膜を形成する。また、膜厚1nm程度のシリコン酸化膜を形成した後に、膜厚3nm程度のハフニウム酸化膜を形成してもよい。この場合も、シリコン酸化膜およびハフニウム酸化膜の形成は、シリコン基板1中の不純物分布をできるだけ変化させないように低温で行うことが好ましい。尚、ハフニウム酸化膜以外の他の高誘電率絶縁膜を用いてもよく、例えば、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)、ランタン(La)およびセリウム(Ce)よりなる群から選ばれる少なくとも1以上の金属の酸化膜または珪酸化膜を用いることができる。   Next, a gate insulating film 14 is formed on the inner surface of the trench 13 and the first interlayer insulating film 12 (FIG. 11). For example, a silicon oxynitride film is formed by combining a low-temperature (550 ° C. or lower) plasma oxidation method and a plasma nitridation method. Alternatively, a hafnium oxide film having a thickness of about 3 nm may be formed after a silicon oxide film having a thickness of about 1 nm is formed. Also in this case, the silicon oxide film and the hafnium oxide film are preferably formed at a low temperature so as not to change the impurity distribution in the silicon substrate 1 as much as possible. In addition, a high dielectric constant insulating film other than the hafnium oxide film may be used. For example, at least one or more selected from the group consisting of hafnium (Hf), zirconium (Zr), lanthanum (La), and cerium (Ce). A metal oxide film or a silicon oxide film can be used.

ゲート絶縁膜14を形成した後は、ゲート絶縁膜14中に含まれるダングリングボンドや不純物を除去するための熱処理を行うが、本実施の形態においては、この熱処理を短時間(例えば、数ミリ秒以下の時間。)で強いエネルギーを放射する熱源を用いて行うとともに、熱処理前に熱吸収膜を形成しておくことを特徴としている。具体的には、閃光23を熱吸収膜15の側から基板に照射することによって、ゲート絶縁膜14に対して熱処理を行う(図12)。尚、閃光の代わりにレーザ光を照射してもよく、閃光とレーザ光の両方を照射してもよい。この意味で、本実施の形態においては、熱吸収膜15を光遮蔽膜と称することもできる。尚、閃光照射は、例えばキセノンフラッシュランプなどを用いて行うことができ、レーザ光照射は、例えば赤外線レーザなどを用いて行うことができる。   After the gate insulating film 14 is formed, a heat treatment for removing dangling bonds and impurities contained in the gate insulating film 14 is performed. In this embodiment, this heat treatment is performed for a short time (for example, several millimeters). It is characterized by using a heat source that radiates strong energy in a time of less than a second) and forming a heat absorption film before heat treatment. Specifically, the gate insulating film 14 is heat-treated by irradiating the substrate with the flash 23 from the heat absorption film 15 side (FIG. 12). Note that laser light may be irradiated instead of flash light, and both flash light and laser light may be irradiated. In this sense, in the present embodiment, the heat absorption film 15 can also be referred to as a light shielding film. The flash light irradiation can be performed using, for example, a xenon flash lamp, and the laser light irradiation can be performed using, for example, an infrared laser.

熱吸収膜15を設けることによって、熱吸収膜15を透過する光のエネルギーを減少させることができる。したがって、図12のように、溝部13の内面および第1の層間絶縁膜12上に熱吸収膜15を形成することにより、ソース・ドレイン領域9上に形成されたニッケルシリサイド膜11は、第1の層間絶縁膜12による光の遮蔽以外に熱吸収膜15による遮蔽も受ける。このため、ニッケルシリサイド膜11に達する光エネルギーは小さくなるので、ニッケルシリサイド膜11に対する加熱量を減少させることができる。この場合、第1の層間絶縁膜12に熱容量の大きい材料(例えば、シリコン酸化膜など。)を用いることによって、ニッケルシリサイド膜11への熱の伝播をさらに低減させることができる。本発明における光エネルギーを利用した加熱によれば、ニッケルシリサイド膜11の温度上昇は、上述した光吸収とともに、第1の層間絶縁膜12を介した熱伝導によっても起こる。したがって、ニッケルシリサイド膜11の温度上昇を抑えるためには、第1の層間絶縁膜12について熱容量の大きい材料を選択することが特に重要となる。   By providing the heat absorption film 15, the energy of light transmitted through the heat absorption film 15 can be reduced. Accordingly, as shown in FIG. 12, by forming the heat absorption film 15 on the inner surface of the groove 13 and the first interlayer insulating film 12, the nickel silicide film 11 formed on the source / drain region 9 is In addition to the light shielding by the interlayer insulating film 12, the heat absorption film 15 is also shielded. For this reason, since the light energy reaching the nickel silicide film 11 is reduced, the heating amount for the nickel silicide film 11 can be reduced. In this case, the propagation of heat to the nickel silicide film 11 can be further reduced by using a material having a large heat capacity (for example, a silicon oxide film) for the first interlayer insulating film 12. According to the heating using light energy in the present invention, the temperature rise of the nickel silicide film 11 is caused by the heat absorption through the first interlayer insulating film 12 as well as the light absorption described above. Therefore, in order to suppress the temperature rise of the nickel silicide film 11, it is particularly important to select a material having a large heat capacity for the first interlayer insulating film 12.

一方、フラッシュランプまたは赤外線レーザなどによれば、瞬間的に多くの光エネルギーを照射することができるので、膜の表面付近でのみ温度上昇が大きくなるようにすることができる。本実施の形態によれば、熱吸収膜15は最表面に形成されているので、それ自身が有する光エネルギーを吸収し易い特性と相まって、熱吸収膜15は選択的に温度上昇を遂げる。このため、熱吸収膜15に接しているゲート絶縁膜14は、熱吸収膜15を介して効率的に加熱されることになる。   On the other hand, a flash lamp, an infrared laser, or the like can irradiate much light energy instantaneously, so that the temperature rise can be increased only near the surface of the film. According to the present embodiment, since the heat absorption film 15 is formed on the outermost surface, the heat absorption film 15 selectively rises in temperature in combination with the characteristic that it easily absorbs light energy. For this reason, the gate insulating film 14 in contact with the heat absorption film 15 is efficiently heated via the heat absorption film 15.

以上より、熱処理前に熱吸収膜15を形成しておき、閃光およびレーザ光の少なくとも一方を熱吸収膜15の側から基板に照射することによって、ニッケルシリサイド膜11の凝集を起こすことなしに、ゲート絶縁膜14を効率的に加熱することが可能になる。したがって、ニッケルシリサイド膜11の層抵抗の上昇およびゲートリーク電流の増大を引き起こさずに、ゲート絶縁膜14中に含まれるダングリングボンドおよび不純物を除去して、ゲート絶縁膜14の膜質を向上させることができる。   As described above, the heat absorption film 15 is formed before the heat treatment, and the substrate is irradiated with at least one of flash light and laser light from the heat absorption film 15 side without causing aggregation of the nickel silicide film 11. The gate insulating film 14 can be efficiently heated. Therefore, dangling bonds and impurities contained in the gate insulating film 14 are removed without increasing the layer resistance of the nickel silicide film 11 and increasing the gate leakage current, thereby improving the film quality of the gate insulating film 14. Can do.

本発明においては、熱吸収膜15としてシリコン膜を用いることができる。   In the present invention, a silicon film can be used as the heat absorption film 15.

図16は、多結晶のシリコン膜について、膜厚による光吸収特性の変化を示したものである。図16より、膜厚30nmと膜厚60nmで消衰係数にほとんど変化は見られないが、膜厚が10nmになると、波長350nm以下での消衰係数が全体に小さくなり、光の透過性が大きくなることが分かる。   FIG. 16 shows changes in light absorption characteristics depending on the film thickness of a polycrystalline silicon film. FIG. 16 shows that there is almost no change in the extinction coefficient between the film thickness of 30 nm and the film thickness of 60 nm. However, when the film thickness is 10 nm, the extinction coefficient at a wavelength of 350 nm or less decreases as a whole, and the light transmittance is reduced. You can see it grows.

また、図17は、非晶質のシリコン膜について、膜厚による光吸収特性の変化を示したものである。図17より、膜厚30nmと膜厚60nmで消衰係数にほとんど変化は見られないが、膜厚が10nmになると、波長800nm以下での消衰係数が全体に小さくなり、光の透過性が大きくなることが分かる。   FIG. 17 shows changes in light absorption characteristics depending on the film thickness of an amorphous silicon film. FIG. 17 shows that there is almost no change in the extinction coefficient between the film thickness of 30 nm and the film thickness of 60 nm. However, when the film thickness is 10 nm, the extinction coefficient at the wavelength of 800 nm or less decreases as a whole, and the light transmittance is reduced. You can see it grows.

図18は、熱処理に使用するキセノンフラッシュランプの発光スペクトルの一例である。また、図19は、多結晶シリコン膜と非晶質シリコン膜の吸収特性を比較したものである。尚、図19において、各シリコン膜の膜厚はいずれも30nmとしている。これらの図より、非晶質のシリコン膜の方が多結晶のシリコン膜よりも長波長側での吸収が大きいので、フラッシュランプの光をより効率的に吸収できることが分かる。   FIG. 18 is an example of an emission spectrum of a xenon flash lamp used for heat treatment. FIG. 19 compares the absorption characteristics of the polycrystalline silicon film and the amorphous silicon film. In FIG. 19, the thickness of each silicon film is 30 nm. From these figures, it can be seen that the amorphous silicon film absorbs light on the longer wavelength side more than the polycrystalline silicon film, so that the light of the flash lamp can be absorbed more efficiently.

以上より、熱吸収膜15としては多結晶のシリコン膜および非晶質のシリコン膜のいずれも用いることができるが、光をより効率的に吸収できる点から非晶質のシリコン膜の方が好ましく用いられる。また、多結晶のシリコン膜および非晶質のシリコン膜ともに、膜厚は30nm以上であることが望ましい。尚、シリコン膜の成膜は、CVD法および低温スパッタ法のいずれを用いて行ってもよい。   As described above, both the polycrystalline silicon film and the amorphous silicon film can be used as the heat absorption film 15, but the amorphous silicon film is more preferable from the viewpoint of absorbing light more efficiently. Used. Further, it is desirable that both the polycrystalline silicon film and the amorphous silicon film have a film thickness of 30 nm or more. Note that the silicon film may be formed using either a CVD method or a low-temperature sputtering method.

上記の熱処理を終えた後は、全面にニッケル膜(図示せず)を成膜した後、熱処理を行うことによって、ニッケル膜と、下地のシリコン膜(熱吸収膜15)とを反応させて、ニッケルシリサイド膜16(第2の金属シリサイド膜)を形成する(図13)。これにより、ニッケルシリサイド膜16からなるゲート電極を得ることができる。ここで、熱処理の温度は400℃程度とすることが好ましい。また、熱処理の時間は、形成されるニッケルシリサイド膜16がゲート絶縁膜14に接触するのに十分な時間とする。   After finishing the heat treatment, a nickel film (not shown) is formed on the entire surface, and then the heat treatment is performed to react the nickel film with the underlying silicon film (heat absorption film 15), A nickel silicide film 16 (second metal silicide film) is formed (FIG. 13). Thereby, a gate electrode made of the nickel silicide film 16 can be obtained. Here, the temperature of the heat treatment is preferably about 400 ° C. The heat treatment time is set to a time sufficient for the nickel silicide film 16 to be formed to contact the gate insulating film 14.

尚、第2の金属シリサイド膜は、第1の金属シリサイド膜と必ずしも同じ金属である必要はない。例えば、ニッケル膜の代わりに、コバルト膜、チタン膜およびモリブデン膜などの他の金属膜を用いて第2の金属シリサイド膜を形成してもよい。この場合、シリサイド化のための熱処理の温度は、金属膜の種類に応じて適宜設定することが好ましい。   Note that the second metal silicide film is not necessarily the same metal as the first metal silicide film. For example, the second metal silicide film may be formed using other metal films such as a cobalt film, a titanium film, and a molybdenum film instead of the nickel film. In this case, the temperature of the heat treatment for silicidation is preferably set as appropriate according to the type of metal film.

シリサイド化を終えた後は、未反応のニッケル膜を除去した後、必要に応じてニッケルシリサイド膜16に不純物をイオン注入してもよい。これにより、ニッケルシリサイド膜16の仕事関数を変えることができる。   After the silicidation is completed, after removing the unreacted nickel film, impurities may be ion-implanted into the nickel silicide film 16 as necessary. Thereby, the work function of the nickel silicide film 16 can be changed.

次に、CMP法またはエッチバック法によって、溝部13の内部を除いてニッケルシリサイド膜16およびゲート絶縁膜14を除去する。   Next, the nickel silicide film 16 and the gate insulating film 14 are removed by the CMP method or the etch back method except for the inside of the trench 13.

次に、第2の層間絶縁膜17を形成した後、コンタクト18および配線19を形成することによって図14に示す構造とする。   Next, after the second interlayer insulating film 17 is formed, the contact 18 and the wiring 19 are formed to obtain the structure shown in FIG.

尚、本実施の形態においては、ゲート電極の窪み部分(図13の符号20)を適当な金属膜によって埋め込んでもよい。例えば、図13に示した工程の後に、窒化チタン膜21およびタングステン膜22を順に形成し、CMP法によって窪み部分20を除いてこれらの膜を除去する。その後、第2の層間絶縁膜17を堆積した後にコンタクト18および配線19を形成すると、図15に示す構造が得られる。図の構造によれば、タングステン膜22がゲート電極の層抵抗を低減するので、回路の遅延時間を小さくして動作速度を向上させることができる。   In the present embodiment, the recessed portion (reference numeral 20 in FIG. 13) of the gate electrode may be embedded with an appropriate metal film. For example, after the step shown in FIG. 13, a titanium nitride film 21 and a tungsten film 22 are formed in order, and these films are removed by the CMP method except for the recessed portion 20. Thereafter, when the contact 18 and the wiring 19 are formed after the second interlayer insulating film 17 is deposited, the structure shown in FIG. 15 is obtained. According to the structure shown in the figure, since the tungsten film 22 reduces the layer resistance of the gate electrode, the delay time of the circuit can be reduced and the operation speed can be improved.

また、上記の実施の形態においては熱吸収膜としてシリコン膜を用いたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)およびイリジウム(Ir)などの金属膜若しくはこれらの金属の窒化物、ルテニウムおよびイリジウムの酸化物またはシリコンゲルマニウムなどからなる膜を熱吸収膜として用いることもできる。但し、シリコン膜以外の材料からなる膜を熱吸収膜として用いた後に、金属シリサイドからなるゲート電極を形成する場合には、熱吸収膜を除去してからシリコン膜を形成し、この上に金属膜を形成してシリサイド化することが必要になる。   In the above embodiment, the silicon film is used as the heat absorption film, but the present invention is not limited to this. For example, a metal film such as tantalum (Ta), molybdenum (Mo), tungsten (W), ruthenium (Ru), platinum (Pt) and iridium (Ir) or a nitride of these metals, an oxide of ruthenium and iridium, or A film made of silicon germanium or the like can also be used as the heat absorption film. However, when a gate electrode made of metal silicide is formed after using a film made of a material other than a silicon film as a heat absorption film, the silicon film is formed after removing the heat absorption film, and a metal is formed thereon. It is necessary to form a film and form a silicide.

このように、本発明によれば、ゲート絶縁膜の上に熱吸収膜を形成し、閃光およびレーザ光の少なくとも一方を熱吸収膜の側からシリコン基板に照射することによって、第1の金属シリサイド膜の凝集を起こすことなしに、ゲート絶縁膜を効率的に加熱することが可能となる。この場合、層間絶縁膜を積層膜とし、層間絶縁膜での光の反射率が大きくなるように各膜を構成する材料とその膜厚を適宜選択することによって、金属シリサイド膜の温度上昇を一層抑制することができる。すなわち、本発明においては、1)熱吸収膜と反射率の大きい層間絶縁膜の組み合わせ、2)熱吸収膜のみ、3)反射率の大きい層間絶縁膜のみの順に大きな効果が得られる。   As described above, according to the present invention, the first metal silicide is formed by forming the heat absorption film on the gate insulating film and irradiating the silicon substrate with at least one of flash light and laser light from the heat absorption film side. The gate insulating film can be efficiently heated without causing film aggregation. In this case, the interlayer insulating film is a laminated film, and the temperature of the metal silicide film is further increased by appropriately selecting the material and the film thickness of each film so that the reflectance of light in the interlayer insulating film is increased. Can be suppressed. In other words, in the present invention, a great effect is obtained in the order of 1) a combination of a heat absorption film and an interlayer insulation film having a high reflectance, 2) only a heat absorption film, and 3) only an interlayer insulation film having a high reflectance.

尚、上記の実施の形態においては、NMOSFET(N−channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)を例にとり説明したが、本発明はこれに限られるものではない。本発明は、PMOSFET(P−channnel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)に適用してもよいし、CMOSFET(Complementary Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)に適用してもよい。   In the above embodiment, an NMOSFET (N-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) has been described as an example, but the present invention is not limited to this. The present invention may be applied to a PMOSFET (P-channel Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or a CMOSFET (Complementary Metal Oxide Semiconductor Effector).

さらに、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。   Furthermore, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. 本実施の形態における半導体装置の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the semiconductor device in this Embodiment. 多結晶のシリコン膜について、膜厚による光吸収特性の変化を示した図である。It is the figure which showed the change of the light absorption characteristic with a film thickness about a polycrystalline silicon film. 非晶質のシリコン膜について、膜厚による光吸収特性の変化を示した図である。It is the figure which showed the change of the light absorption characteristic by film thickness about an amorphous silicon film. 熱処理に使用するフラッシュランプの発光スペクトルの一例である。It is an example of the emission spectrum of the flash lamp used for heat processing. 多結晶シリコン膜と非晶質シリコン膜の吸収特性を比較した図である。It is the figure which compared the absorption characteristic of a polycrystalline silicon film and an amorphous silicon film.

符号の説明Explanation of symbols

1 シリコン基板
2 素子分離絶縁膜
3 犠牲ゲート絶縁膜
4 拡散層
5 シリコン膜
6 シリコン窒化膜
7 エクステンション領域
8 シリコン窒化膜
9 ソース・ドレイン領域
10 ニッケル膜
11,16 ニッケルシリサイド膜
12 第1の層間絶縁膜
13 溝
14 ゲート絶縁膜
15 熱吸収膜
17 第2の層間絶縁膜
18 コンタクト
19 配線
21 窒化チタン膜
22 タングステン膜
23 閃光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 Element isolation insulating film 3 Sacrificial gate insulating film 4 Diffusion layer 5 Silicon film 6 Silicon nitride film 7 Extension region 8 Silicon nitride film 9 Source / drain region 10 Nickel film 11, 16 Nickel silicide film 12 First interlayer insulation Film 13 Groove 14 Gate insulating film 15 Heat absorption film 17 Second interlayer insulating film 18 Contact 19 Wiring 21 Titanium nitride film 22 Tungsten film 23 Flash

Claims (7)

シリコン基板上に、犠牲ゲート絶縁膜を介して犠牲ゲート電極を形成する工程と、
前記犠牲ゲート電極の側壁部に側壁絶縁膜を形成する工程と、
前記側壁絶縁膜の形成された前記犠牲ゲート電極をマスクとし、前記シリコン基板に不純物を注入してソース・ドレイン領域を形成する工程と、
前記ソース・ドレイン領域上に第1の金属シリサイド膜を形成する工程と、
前記犠牲ゲート電極を埋め込むようにして、前記シリコン基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜を加工して前記犠牲ゲート電極の表面を露出させる工程と、
前記犠牲ゲート電極をエッチングして前記犠牲ゲート絶縁膜を露出させる工程と、
前記犠牲ゲート絶縁膜をエッチングして前記シリコン基板に至る溝部を形成する工程と、
前記溝部の内面および前記層間絶縁膜の上にゲート絶縁膜を550℃以下で形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜の上に熱吸収膜を形成する工程と、
閃光およびレーザ光の少なくとも一方を前記熱吸収膜の側から前記シリコン基板に照射することによって前記ゲート絶縁膜に加熱処理を行う工程と
を有し、かつ前記した各工程を前記した順に行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a sacrificial gate electrode on the silicon substrate via a sacrificial gate insulating film;
Forming a sidewall insulating film on the sidewall portion of the sacrificial gate electrode;
Using the sacrificial gate electrode formed with the sidewall insulating film as a mask and implanting impurities into the silicon substrate to form source / drain regions;
Forming a first metal silicide film on the source / drain regions;
Forming an interlayer insulating film on the silicon substrate so as to embed the sacrificial gate electrode;
Processing the interlayer insulating film to expose the surface of the sacrificial gate electrode;
Etching the sacrificial gate electrode to expose the sacrificial gate insulating film;
Etching the sacrificial gate insulating film to form a groove reaching the silicon substrate;
Forming a gate insulating film on the inner surface of the groove and the interlayer insulating film at 550 ° C. or lower ;
Forming a heat absorption film on the gate insulating film;
Performing a heat treatment on the gate insulating film by irradiating the silicon substrate with at least one of flash light and laser light from the heat absorption film side ;
The method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that have a, and performs the respective steps as described above in the order described above.
前記熱吸収膜はシリコン膜である請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the heat absorption film is a silicon film. 前記加熱処理の後に前記シリコン膜の上に金属膜を形成する工程と、
加熱処理によって前記シリコン膜と前記金属膜を反応させて、前記ゲート絶縁膜上に第2の金属シリサイド膜を形成する工程とをさらに有する請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
Forming a metal film on the silicon film after the heat treatment;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, further comprising a step of reacting the silicon film and the metal film by heat treatment to form a second metal silicide film on the gate insulating film.
前記シリコン膜の膜厚は30nm以上である請求項2または3に記載の半導体装置の製造方法。   4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the thickness of the silicon film is 30 nm or more. 前記シリコン膜は非晶質のシリコン膜である請求項2〜4に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the silicon film is an amorphous silicon film. 前記ゲート絶縁膜は高誘電率絶縁膜を有する請求項1〜5に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film has a high dielectric constant insulating film. 前記高誘電率絶縁膜は、ハフニウム、ジルコニウム、ランタンおよびセリウムよりなる群から選ばれる少なくとも1以上の金属の酸化膜または珪酸化膜である請求項6に記載の半導体装置の製造方法。   7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the high dielectric constant insulating film is an oxide film or a silicate film of at least one metal selected from the group consisting of hafnium, zirconium, lanthanum, and cerium.
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