JP5057957B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法、特に高誘電率絶縁層を備える半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device including a high dielectric constant insulating layer and a manufacturing method thereof.

スケーリングされるCMOS LSIの素子の微細化はゲート絶縁層の薄膜化を要求している。0.1μmを下回る世代の次世代MOS型電界効果トランジスタにおけるゲート絶縁層はSiO換算で1.5nm以下の膜厚が要求されている。しかし、この膜厚領域では直接トンネル電流によるリーク電流の抑制ができず、これにより消費電力の増加をもたらすことから、もはやSiOをゲート絶縁層として適用できない。よって、それに代替する材料として、高い誘電率を持ち、膜厚を厚くすることでリーク電流を抑制できるような材料、すなわちHigh−k材料の研究開発が現在世界中で盛んに行われている。 Miniaturization of a scaled CMOS LSI element requires a thin gate insulating layer. The gate insulating layer in the next generation MOS field effect transistor of the generation below 0.1 μm is required to have a film thickness of 1.5 nm or less in terms of SiO 2 . However, in this film thickness region, the leakage current due to the direct tunnel current cannot be suppressed, and this leads to an increase in power consumption. Therefore, SiO 2 can no longer be applied as the gate insulating layer. Therefore, as a substitute material, research and development of a material having a high dielectric constant and capable of suppressing a leak current by increasing the film thickness, that is, a high-k material, is being actively conducted all over the world.

これまで、数多くのHigh−k材料が提案されてきているが、特に近年では、高い誘電率はもとより、その熱的安定性から例えばHfO、HfSiO層もしくはこれに窒素を添加したHfSiON層が実用化に向けて有望視されている。特にHfSiON層に関しては、ゲート電極として用いる多結晶シリコンの活性化アニールのための熱処理プロセスを経ても、リーク電流、もしく不純物拡散の要因となる結晶化は誘起されず、かつSiO換算膜厚で0.6nmを達成している。(非特許文献1参照) Many high-k materials have been proposed so far, but in recent years, for example, HfO 2 , HfSiO layers, or HfSiON layers to which nitrogen is added are practically used because of their high dielectric constant and thermal stability. It is promising for the realization. In particular, with respect to the HfSiON layer, crystallization which causes leakage current or impurity diffusion is not induced even after a heat treatment process for activation annealing of polycrystalline silicon used as a gate electrode, and the equivalent SiO 2 thickness is obtained. 0.6 nm is achieved. (See Non-Patent Document 1)

しかしながら、このようなHfO、HfSiO、もしくはHfSiON層などのHf系材料をゲート絶縁層とした場合の構造には、半導体装置製造過程における熱処理により、シリコン基板とゲート絶縁層との界面において、ゲート絶縁層と基板のシリコンとの反応により生成されたSiOと考えられる低誘電率層が形成される。 However, in the structure in the case where an Hf-based material such as HfO 2 , HfSiO, or HfSiON layer is used as the gate insulating layer, the gate is formed at the interface between the silicon substrate and the gate insulating layer by heat treatment in the semiconductor device manufacturing process. A low dielectric constant layer is formed which is considered to be SiO 2 produced by the reaction between the insulating layer and the silicon of the substrate.

また、シリコン基板中のシリコンは半導体装置製造過程における熱処理を経るとこのゲート絶縁層中を拡散して絶縁層表面に析出しシリサイドを形成し、やはり低誘電率層を形成する。   Further, silicon in the silicon substrate diffuses in the gate insulating layer through heat treatment in the manufacturing process of the semiconductor device and precipitates on the surface of the insulating layer to form silicide, thereby forming a low dielectric constant layer.

これら低誘電率層の存在は、SiO換算で0.5nm以下といった、さらなるゲート絶縁層の薄膜化が要求される世代おいては、もはや致命的となる。 The existence of these low dielectric constant layers is no longer critical in the generation where a further thinning of the gate insulating layer is required, such as 0.5 nm or less in terms of SiO 2 .

また、問題は低誘電率界面層の存在だけではなく、このようなゲート絶縁層を用いたMISFETは、オン状態となるしきい値電圧が理想的な値よりもシフトしてしまう問題があり、低電源電圧状態でオン電流を確保することができないという問題点があった。このしきい値シフトの要因としては、ハフニウムが多結晶シリコン電極/絶縁層界面において多結晶シリコンを構成するシリコンや基板中を拡散してきたSiと結合し、このHf−Si結合準位がフェルミピニングをもたらすというモデルが考えられる。   In addition, the problem is not only the presence of the low dielectric constant interface layer, but the MISFET using such a gate insulating layer has a problem that the threshold voltage to turn on is shifted from an ideal value. There is a problem that the on-current cannot be secured in a low power supply voltage state. As a factor of this threshold shift, hafnium is bonded to silicon constituting the polycrystalline silicon or Si diffused in the substrate at the interface of the polycrystalline silicon electrode / insulating layer, and this Hf-Si bond level is Fermi pinning. The model that brings

これらの低誘電率層の形成及びしきい値シフトの問題は、Hf系材料を用いたゲート絶縁層に限らず、基板のシリコンが拡散しうる金属、もしくは電極である多結晶シリコンと反応しうる金属である、Zr,Ti,Taの酸化物を用いた高誘電率ゲート絶縁層を適用した場合においても同様に発生する。
IEDM Tech. Dig. (2003) 107.
These low dielectric constant layer formation and threshold shift problems are not limited to gate insulating layers using Hf-based materials, but can react with the metal on which the silicon of the substrate can diffuse or with polycrystalline silicon as the electrode. The same occurs when a high dielectric constant gate insulating layer using a metal, such as an oxide of Zr, Ti, or Ta, is applied.
IEDM Tech. Dig. (2003) 107.

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、半導体装置に適用される高誘電率絶縁層において、絶縁層構成成分とシリコンとの反応を抑制して、絶縁層表面に低誘電率層の形成を抑制し、かつしきい値シフトを抑制することが可能な半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and in a high dielectric constant insulating layer applied to a semiconductor device, a reaction between the insulating layer constituent components and silicon is suppressed, and a low dielectric constant layer is formed on the surface of the insulating layer. An object of the present invention is to provide a semiconductor device and a method for manufacturing the same that can suppress the formation of the substrate and suppress the threshold shift.

本発明者らは上記課題を克服するために鋭意研究した結果、前記課題はいずれも、絶縁層を構成する元素と、シリコン基板または電極を構成するシリコンとの反応により生じるものである点に着目し、絶縁層の上または下の界面における界面反応および基板からのシリコンの拡散を抑制する材料からなるバリア層を設けた構造が有効であることを見出した。   As a result of intensive studies to overcome the above problems, the present inventors have focused on the point that each of the above problems is caused by a reaction between an element constituting an insulating layer and silicon constituting a silicon substrate or an electrode. The present inventors have found that a structure provided with a barrier layer made of a material that suppresses interface reaction at the interface above or below the insulating layer and diffusion of silicon from the substrate is effective.

つまり高誘電率絶縁層の上の界面において、シリコンの拡散及びシリコンとのシリサイド生成反応や、低誘電率界面層の生成を起こすことがなく、かつSiOと比して十分高い誘電率をもつ絶縁層をバリア層として設けた構造を提供する。 In other words, at the interface above the high dielectric constant insulating layer, there is no silicon diffusion and silicide formation reaction with silicon, and no low dielectric constant interface layer is generated, and the dielectric constant is sufficiently higher than that of SiO 2. A structure in which an insulating layer is provided as a barrier layer is provided.

本発明(請求項1)は、シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成され少なくともHf,Zr,Ti,Taから選択される少なくとも一種の元素の酸化物の絶縁層と、
前記絶縁層上に形成されたポリシリコン電極と、
前記絶縁層と前記電極との界面に形成された、厚さが0.5nm以上2nm以下の、LaAlO層とを備えることを特徴とする半導体装置である。
The present invention (Claim 1) includes a silicon substrate,
An insulating layer of an oxide of at least one element selected from at least Hf, Zr, Ti, Ta formed on the silicon substrate;
A polysilicon electrode formed on the insulating layer;
A semiconductor device comprising: a LaAlO 3 layer having a thickness of 0.5 nm to 2 nm formed at an interface between the insulating layer and the electrode.

また、本発明(請求項2)は、前記LaAlO 層は、アモルファス層であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置である。
The present invention (Claim 2) is the semiconductor device according to Claim 1, wherein the LaAlO 3 layer is an amorphous layer.

また、本発明(請求項)は、前記LaAlO層は、前記絶縁層と前記ポリシリコン電極との界面に、前記絶縁層及び前記ポリシリコン電極に接して設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置である。
The present invention (Claim 3 ) is characterized in that the LaAlO 3 layer is provided at the interface between the insulating layer and the polysilicon electrode in contact with the insulating layer and the polysilicon electrode. A semiconductor device according to claim 1 .

また、本発明(請求項)は、前記絶縁層がゲート絶縁層であり、前記ポリシリコン電極がゲート電極であるMISFETを備えることを特徴とする請求項1ないし請求項いずれか一項に記載の半導体装置である。
The present invention (claim 4), wherein the insulating layer is a gate insulating layer, to an item to any one of claims 1 to claim 3, characterized in that it comprises a MISFET the polysilicon electrode is a gate electrode It is a semiconductor device of description.

また、本発明(請求項)は、シリコン基板上にHf,Zr,Ti,Taから選択される少なくとも一種の元素の酸化物の絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記絶縁層上にポリシリコン電極を形成する電極形成工程と、
前記絶縁層形成工程後で前記ポリシリコン電極形成工程前に、前記絶縁層表面に、厚さが0.5nm以上2nm以下の、LaAlO層を形成する金属酸化物形成工程とを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
Further, the present invention (Claim 5 ) includes an insulating layer forming step of forming an insulating layer of an oxide of at least one element selected from Hf, Zr, Ti, and Ta on a silicon substrate;
An electrode forming step of forming a polysilicon electrode on the insulating layer;
Performing a metal oxide forming step of forming a LaAlO 3 layer having a thickness of 0.5 nm to 2 nm on the surface of the insulating layer after the insulating layer forming step and before the polysilicon electrode forming step. A method for manufacturing a semiconductor device.

また、本発明(請求項)は、シリコン基板上にHf,Zr,Ti,Taから選択される少なくとも一種の元素の酸化物の絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記絶縁層上にポリシリコン電極を形成する電極形成工程と
前記絶縁層形成工程後で前記ポリシリコン電極形成工程前に、前記絶縁層表面に、メタルLa及びメタルAlを1原子層以下の厚さで堆積したメタル層を形成後、前記メタル層上に酸化性雰囲気で、厚さが0.5nm以上2nm以下の、LaAlO層を堆積すると共に前記メタル層を酸化する金属酸化物形成工程とを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
The present invention (Claim 6 ) includes an insulating layer forming step of forming an insulating layer of an oxide of at least one element selected from Hf, Zr, Ti, and Ta on a silicon substrate;
An electrode forming step of forming a polysilicon electrode on the insulating layer, and a thickness of one atomic layer or less of metal La and metal Al on the surface of the insulating layer after the insulating layer forming step and before the polysilicon electrode forming step. A metal oxide forming step of depositing a LaAlO 3 layer having a thickness of 0.5 nm to 2 nm and oxidizing the metal layer in an oxidizing atmosphere on the metal layer after forming the metal layer deposited in A method for manufacturing a semiconductor device is provided.

本発明によれば、半導体装置に適用される高誘電率絶縁層において、絶縁層構成成分とシリコンとの反応を抑制して、絶縁層表面に低誘電率層の形成を抑制し、かつしきい値シフトを抑制することが可能な半導体装置及びその製造方法を提供することができる。   According to the present invention, in a high dielectric constant insulating layer applied to a semiconductor device, the reaction between the insulating layer constituents and silicon is suppressed, the formation of a low dielectric constant layer on the surface of the insulating layer is suppressed, and the threshold is reduced. A semiconductor device capable of suppressing a value shift and a manufacturing method thereof can be provided.

以下では本発明を詳細に説明する。   The present invention is described in detail below.

まず、シリコン基板上に形成したLa及びAlを含む金属酸化物層(以下、La及びAlを含む金属酸化物層を「LaAlO層」と表記する。)の特性を、界面反応およびシリコン拡散抑制効果に着目して評価した結果を説明する。   First, the characteristics of a metal oxide layer containing La and Al formed on a silicon substrate (hereinafter, the metal oxide layer containing La and Al is referred to as “LaAlO layer”), interface reaction and silicon diffusion suppressing effect The results of evaluation with a focus on are described.

図1は、HF処理により自然酸化膜を除去したn型シリコン基板上に、LaAlO単結晶基板をターゲットとしたレーザーアブレーション法によりLaAlO層を5nm堆積した後、Rapid Thermal Anneal(RTA)装置へ導入し、常圧の窒素雰囲気で1000℃、30秒のRTA処理を施した試料の断面TEM像である。図1にみられるように、シリコン基板とLaAlO層との界面は直接接し、いかなる遷移層も存在しておらず、また低誘電率界面層も生成していない。また、LaAlO層はアモルファス層であった。 FIG. 1 shows that a LaAlO layer is deposited on a n-type silicon substrate from which a natural oxide film has been removed by HF treatment by a laser ablation method using a LaAlO 3 single crystal substrate as a target, and then introduced into a rapid thermal annealing (RTA) apparatus. 2 is a cross-sectional TEM image of a sample subjected to RTA treatment at 1000 ° C. for 30 seconds in a nitrogen atmosphere at normal pressure. As seen in FIG. 1, the interface between the silicon substrate and the LaAlO layer is in direct contact, no transition layer is present, and no low dielectric constant interface layer is generated. The LaAlO layer was an amorphous layer.

図2は前記LaAlO層のSi2s、Al2pおよびLa4d XPSスペクトルである。Si2sスペクトルに関しては、シリコンのピークは基板のメタルに起因するもののみであり、酸化物状態に起因するピークは観測されない。この結果はTEM像において界面層が生成しなかった結果と矛盾しない。さらに、Al2pおよびLa4d XPSスペクトルにおいても、いずれも酸化物に起因するピークのみでシリサイドの形成に起因するピークは観測されない。   FIG. 2 shows Si2s, Al2p and La4d XPS spectra of the LaAlO layer. Regarding the Si2s spectrum, the peak of silicon is only due to the metal of the substrate, and no peak due to the oxide state is observed. This result is consistent with the result that the interface layer was not generated in the TEM image. Furthermore, in the Al2p and La4d XPS spectra, both peaks due to oxides are not observed, and no peaks due to the formation of silicide are observed.

これらの結果は、1000℃の熱処理を施したとしても、LaAlO層は基板のシリコンとの反応による酸化物、シリサイドの生成のいずれも起きないことを示している。
これらの結果は、多結晶シリコン電極上にLaAlO層を積層した場合、LaAlO層と電極との界面においても同様に得られる。
These results indicate that even when heat treatment at 1000 ° C. is performed, the LaAlO layer does not generate oxide or silicide due to reaction of the substrate with silicon.
These results are similarly obtained at the interface between the LaAlO layer and the electrode when the LaAlO layer is laminated on the polycrystalline silicon electrode.

次に、このLaAlO層を、シリコン基板と、Hf酸化物のゲート絶縁層との界面に形成した場合のLaAlO層の特性を評価した結果を説明する。   Next, the results of evaluating the characteristics of the LaAlO layer when this LaAlO layer is formed at the interface between the silicon substrate and the gate insulating layer of Hf oxide will be described.

前記と同様な手法で2nmのLaAlO層をシリコン基板上に堆積させた後、これに連続してHfOをターゲットとしたレーザーアブレーション法によりHfOを堆積させ、1000℃,30秒のRTA処理を施した。 After a 2 nm LaAlO layer is deposited on a silicon substrate by the similar method, which in the HfO 2 deposited by laser ablation in which the HfO 2 as a target continuously, 1000 ° C., the RTA process for 30 seconds gave.

図3にこの試料の二次イオン質量分析法(SIMS)により酸素とシリコンの深さ方向分析を行った結果(図3(b))、及び比較のためLaAlO層を形成しない他は同じ条件にて作製したHfO単層膜に対する同じくSIMSによる分析を行った結果(図3(a))を示す。 FIG. 3 shows the result of analyzing the depth direction of oxygen and silicon by secondary ion mass spectrometry (SIMS) of this sample (FIG. 3B), and the same conditions except that no LaAlO layer is formed for comparison. FIG. 3A shows the result of SIMS analysis of the HfO 2 single layer film produced in the same manner.

図3から明らかなように、LaAlO層がシリコン基板と、HfO層との界面に存在している場合(図3(b))はシリコン基板からHfO層中や表面へのシリコンの拡散、およびシリコン基板とLaAlO層界面における界面層の生成は観測されないが、LaAlO層を設けず、HfO単層層の場合(図3(a))は、シリコン基板からのシリコンが層中を拡散して、HfO層表面に析出していること、及びシリコン基板とHfO層界面に界面層が生成していることがわかる。 As is clear from FIG. 3, when the LaAlO layer is present at the interface between the silicon substrate and the HfO 2 layer (FIG. 3B), the diffusion of silicon from the silicon substrate into the HfO 2 layer or on the surface, In addition, the generation of the interface layer at the interface between the silicon substrate and the LaAlO layer is not observed, but in the case of the HfO 2 single layer without providing the LaAlO layer (FIG. 3A), the silicon from the silicon substrate diffuses in the layer. It can be seen that it is deposited on the surface of the HfO 2 layer and that an interface layer is formed at the interface between the silicon substrate and the HfO 2 layer.

上記図3(a)と図3(b)との比較の結果により、HfO絶縁層におけるシリコンの拡散や界面層の発生に対する、LaAlO層のバリア性は絶大であることが示している。 The result of the comparison between FIG. 3A and FIG. 3B shows that the barrier property of the LaAlO layer against the diffusion of silicon in the HfO 2 insulating layer and the generation of the interface layer is tremendous.

次にLaAlO層のシリコン拡散に対するバリア性が発現するのに適した膜厚を評価するために、LaAlOの膜厚を0.3nm、0.5nm、0.7nm、0.9nmと変化させて、1000℃,30秒のRTA処理を施し、X線光電子分光法により表面に析出するシリコンのピーク強度を評価した結果を図4に示す。   Next, in order to evaluate the film thickness suitable for expressing the barrier property against the silicon diffusion of the LaAlO layer, the film thickness of LaAlO was changed to 0.3 nm, 0.5 nm, 0.7 nm, and 0.9 nm, FIG. 4 shows the results of evaluating the peak intensity of silicon deposited on the surface by X-ray photoelectron spectroscopy after performing RTA treatment at 1000 ° C. for 30 seconds.

図4から明らかなように、膜厚0.5nmを境にSiピーク強度が顕著に小さくなっており、0.5nm以上ではほぼ検出されない。すなわち、LaAlO層のシリコン拡散の十分なバリア性を得るには0.5nm以上の膜厚が望ましいことがわかる。   As is apparent from FIG. 4, the Si peak intensity is remarkably reduced with a film thickness of 0.5 nm as a boundary, and is hardly detected at 0.5 nm or more. That is, it can be seen that a film thickness of 0.5 nm or more is desirable in order to obtain a sufficient barrier property for silicon diffusion in the LaAlO layer.

次にLaAlO層(アモルファス層)の結晶化に対する耐熱性を評価するために、LaAlOの膜厚を1.5nm、2.0nm、2.5nmと変化させて、1000℃,30秒のRTA処理を施し、LaAlO(600)ピークに着目して、In−plane X線回折測定を行った結果を図5に示す。 Next, in order to evaluate the heat resistance against crystallization of the LaAlO layer (amorphous layer), the thickness of LaAlO was changed to 1.5 nm, 2.0 nm, and 2.5 nm, and RTA treatment at 1000 ° C. for 30 seconds was performed. FIG. 5 shows the results of In-plane X-ray diffraction measurement, focusing on the LaAlO 3 (600) peak.

図5から、LaAlO(600)の回折ピークは、膜厚1.5nm、2.0nmでは観測されないのに対し、2.5nmの膜厚では極微弱なピークが観測される。これは2.0nm以下の膜厚では、1000℃,30秒のRTA処理を施してもLaAlOは結晶化しないのに対し、2.5nmでは同プロセスを経ることで結晶化が誘起されることを示している。例えばゲート絶縁層における結晶化は、その結晶粒界が、電極である多結晶シリコンを活性化させるために導入されるホウ素や砒素といった不純物の拡散経路となり、これら不純物がチャネルまで拡散してしまうため、しきい値変動をもたらすことや、結晶粒界がトラップ準位を形成しうることから、抑制すべき現象である。このことを考慮するに、ゲート絶縁層のバリア層としてのLaAlO層は、1000℃,30秒のRTA処理を施しても結晶化が誘起されない、2nm以下の膜厚で用いることが望ましいといえる。 From FIG. 5, the diffraction peak of LaAlO 3 (600) is not observed at the film thicknesses of 1.5 nm and 2.0 nm, whereas a very weak peak is observed at the film thickness of 2.5 nm. This is because LaAlO does not crystallize even when RTA treatment is performed at 1000 ° C. for 30 seconds at a film thickness of 2.0 nm or less, whereas crystallization is induced by the same process at 2.5 nm. Show. For example, in the crystallization in the gate insulating layer, the crystal grain boundary becomes a diffusion path of impurities such as boron and arsenic introduced to activate the polycrystalline silicon as an electrode, and these impurities diffuse to the channel. This is a phenomenon to be suppressed because it causes threshold fluctuations and a crystal grain boundary can form a trap level. Considering this, it can be said that the LaAlO layer as the barrier layer of the gate insulating layer is desirably used with a film thickness of 2 nm or less so that crystallization is not induced even when the RTA treatment is performed at 1000 ° C. for 30 seconds.

前記のような、シリコン拡散へのバリア性、および結晶化への耐熱性の二つを考慮すると、LaAlOバリア層の膜厚は、0.5nm以上2nm以下のアモルファス層であることが望ましい。   In consideration of the above-described barrier property against silicon diffusion and heat resistance against crystallization, the LaAlO barrier layer is preferably an amorphous layer having a thickness of 0.5 nm to 2 nm.

図3(b)において観測されるような、シリコン基板のシリコンが拡散して絶縁層表面に析出する現象は、Zr、Ti、Taの酸化物を高誘電率絶縁層として適用した場合にも同様に観測される。すなわち、これらの絶縁層を単にゲート絶縁層として用いた場合、シリコン基板と絶縁層との界面においてはシリコン酸化物などを、絶縁層と電極との界面においては表面ではシリコン酸化物のほかにシリサイドなどを形成させ、低誘電率界面層となったり、しきい値をシフトさせてしまう懸念がある。しかしながらこれらの絶縁層においてもLaAlO層の存在によりシリコン基板と絶縁層構成成分との反応や、シリコンの絶縁層中での拡散が抑えられ、ひいては低誘電率界面層やしきい値シフトの発生を抑制することができる。   The phenomenon that silicon in the silicon substrate diffuses and precipitates on the surface of the insulating layer, as observed in FIG. 3B, is the same when an oxide of Zr, Ti, Ta is applied as the high dielectric constant insulating layer. Observed at. That is, when these insulating layers are simply used as the gate insulating layer, silicon oxide or the like is used at the interface between the silicon substrate and the insulating layer, and at the interface between the insulating layer and the electrode, silicon oxide is used on the surface in addition to silicon oxide. May form a low dielectric constant interface layer or shift the threshold value. However, even in these insulating layers, the presence of the LaAlO layer suppresses the reaction between the silicon substrate and the constituent components of the insulating layer and the diffusion of silicon in the insulating layer, which in turn reduces the occurrence of low dielectric constant interface layers and threshold shifts. Can be suppressed.

Hf、Zr、Ti、Taの酸化物は誘電率が高く、また耐熱性に優れているため、高温プロセスを経ても劣化が少なく、例えばMISFETのゲート絶縁層等半導体装置の絶縁層として適している。一方、LaとAlを含む金属酸化物は、上記の如くのバリア材として適した特性を有するのは元より、それ自体の誘電率が高いことから、薄膜化して高誘電率ゲート絶縁膜におけるシリコン界面でのバリア材として使用することに非常に適している。したがって両者を積層することにより信頼性の高い半導体装置を得ることができる。   Since oxides of Hf, Zr, Ti, and Ta have a high dielectric constant and excellent heat resistance, they are less deteriorated even after a high temperature process, and are suitable as an insulating layer of a semiconductor device such as a gate insulating layer of MISFET. . On the other hand, metal oxides containing La and Al not only have the characteristics suitable as a barrier material as described above, but also have a high dielectric constant, so that the silicon oxide in the high dielectric constant gate insulating film is made thinner. Very suitable for use as a barrier material at the interface. Therefore, a highly reliable semiconductor device can be obtained by laminating both.

LaAlO層は、具体的には例えばLaAlOで表されるLaとAlを含む複合酸化物が用いられるが、基板または電極との界面に低誘電率反応層を生成させにくい材料、例えば、LaやAlが一部含まれていても良い。 Specifically, for example, a composite oxide containing La and Al represented by LaAlO 3 is used for the LaAlO layer, but a material that hardly generates a low dielectric constant reaction layer at the interface with the substrate or the electrode, for example, La 2 O 3 and Al 2 O 3 may be partially included.

なお、上記の例では、一連の成膜をレーザーアブレーション法によって行ったが、この手法による製膜に限定されるものではなく、CVD法、MBE法、蒸着法、ALD法などの手法を用いてもよい。   In the above example, a series of film formation is performed by the laser ablation method, but the present invention is not limited to film formation by this method, and a method such as a CVD method, an MBE method, a vapor deposition method, or an ALD method is used. Also good.

また、上記の例では、LaAlO層はアモルファス層であったが、シリコン(100)基板上においては、シリコン(100)とLaAlOのミスマッチは1.1%と小さいため、シリコン基板上に積極的に形成したLaAlO結晶層、またLaAlOは、シリコン基板上にエピタキシャル成長することが可能であることから、更に望ましくは、結晶粒界が発生しにくいLaAlOのエピタキシャル単結晶層を用いても良い。このLaAlO結晶はペロブスカイト構造を有し非常に緻密で安定な層が形成されるためバリア材としても効果を示す。 In the above example, the LaAlO layer is an amorphous layer. However, on the silicon (100) substrate, the mismatch between silicon (100) and LaAlO 3 is as small as 1.1%. LaAlO 3 crystal layer, also LaAlO 3 formed on, since it is possible to epitaxially grow on a silicon substrate, and more preferably, grain boundaries may be used epitaxial single crystal layers of hard LaAlO 3 occurs . Since this LaAlO 3 crystal has a perovskite structure and a very dense and stable layer is formed, it is also effective as a barrier material.

本発明に係る半導体装置は、MISFETにおけるゲート絶縁層及びゲート電極構造、不揮発性メモリ素子のゲート電極及び絶縁層構造、容量素子のキャパシターの電極及び絶縁層構造等に適用することができるがこれらに限定されるものではない。   The semiconductor device according to the present invention can be applied to a gate insulating layer and gate electrode structure in a MISFET, a gate electrode and insulating layer structure of a nonvolatile memory element, a capacitor electrode and insulating layer structure of a capacitor element, etc. It is not limited.

図6はMISFETを有する半導体装置の一実施形態を示す断面図である。n型シリコン基板101表面に、シリコン酸化物層からなる素子分離層102が形成されている。素子分離層102により画定された素子領域には、ソース/ドレイン拡散層105が形成されている。ソース/ドレイン拡散層105間のn型シリコン基板101上には、厚さ約2nm〜5nmのゲート絶縁層103と、ゲート絶縁層103上に設けられた、ポリシリコン層であるゲート電極104が形成されている。   FIG. 6 is a cross-sectional view showing an embodiment of a semiconductor device having a MISFET. An element isolation layer 102 made of a silicon oxide layer is formed on the surface of the n-type silicon substrate 101. A source / drain diffusion layer 105 is formed in the element region defined by the element isolation layer 102. On the n-type silicon substrate 101 between the source / drain diffusion layers 105, a gate insulating layer 103 having a thickness of about 2 nm to 5 nm and a gate electrode 104 which is a polysilicon layer provided on the gate insulating layer 103 are formed. Has been.

ゲート絶縁層103とシリコン基板101との界面には厚さ約0.5nm〜2nmの基板−ゲート絶縁層界面バリア層1011、ゲート絶縁層103とゲート電極104との界面には厚さ約0.5nm〜2nmのゲート絶縁層−ゲート電極界面バリア層1012が形成されている。基板−ゲート絶縁層界面バリア層1011、ゲート絶縁層−ゲート電極界面バリア層1012に本発明に係るLaとAlを含む金属酸化物層が適用される。   A substrate-gate insulating layer interface barrier layer 1011 having a thickness of about 0.5 nm to 2 nm is formed at the interface between the gate insulating layer 103 and the silicon substrate 101, and a thickness of about 0.03 nm is formed at the interface between the gate insulating layer 103 and the gate electrode 104. A gate insulating layer-gate electrode interface barrier layer 1012 having a thickness of 5 nm to 2 nm is formed. The metal oxide layer containing La and Al according to the present invention is applied to the substrate-gate insulating layer interface barrier layer 1011 and the gate insulating layer-gate electrode interface barrier layer 1012.

基板−ゲート絶縁層界面バリア層1011、ゲート絶縁層103、ゲート電極104、ゲート絶縁層−ゲート電極界面バリア層1012の側壁にはシリコン窒化層のゲート側壁107が形成されている。こうして、ゲート電極104と、ソース/ドレイン拡散層105とを有するMISFETが構成されている。   A gate sidewall 107 of a silicon nitride layer is formed on the sidewalls of the substrate-gate insulating layer interface barrier layer 1011, the gate insulating layer 103, the gate electrode 104, and the gate insulating layer-gate electrode interface barrier layer 1012. Thus, a MISFET having the gate electrode 104 and the source / drain diffusion layer 105 is configured.

このようなMISFETが形成されたn型シリコン基板101上には、シリコン酸化層からなる層間絶縁層108が形成されている。層間絶縁層108には、ソース/ドレイン拡散層105に達するコンタクトホールが開口されている。コンタクトホール内には、ソース/ドレイン拡散層105に電気的に接続するアルミニウムの金属配線109が埋め込まれている。   On the n-type silicon substrate 101 on which such a MISFET is formed, an interlayer insulating layer 108 made of a silicon oxide layer is formed. A contact hole reaching the source / drain diffusion layer 105 is opened in the interlayer insulating layer 108. An aluminum metal wiring 109 that is electrically connected to the source / drain diffusion layer 105 is buried in the contact hole.

図6においては、ゲート絶縁層103に対して、その上下両界面に各々基板−ゲート絶縁層界面バリア層1011、ゲート絶縁層−ゲート電極界面バリア層1012を設けた例を示したが、基板−ゲート絶縁層界面バリア層1011、ゲート絶縁層−ゲート電極界面バリア層1012の少なくとも一方が存在していても本発明の効果が奏される。望ましくは、少なくとも基板−ゲート絶縁層界面バリア層1011が設けられており、さらに望ましくは、基板−ゲート絶縁層界面バリア層1011、ゲート絶縁層−ゲート電極界面バリア層1012の両方が設けられていることが本発明の効果を高める上で望ましい。   FIG. 6 shows an example in which a substrate-gate insulating layer interface barrier layer 1011 and a gate insulating layer-gate electrode interface barrier layer 1012 are provided on both upper and lower interfaces of the gate insulating layer 103. Even if at least one of the gate insulating layer interface barrier layer 1011 and the gate insulating layer-gate electrode interface barrier layer 1012 is present, the effect of the present invention is exhibited. Desirably, at least the substrate-gate insulating layer interface barrier layer 1011 is provided, and more desirably both the substrate-gate insulating layer interface barrier layer 1011 and the gate insulating layer-gate electrode interface barrier layer 1012 are provided. This is desirable for enhancing the effect of the present invention.

ゲート絶縁層103としてはHfO,HfO,HfSiO,HfSiON,ZrO,ZrSiO,TiO,TaO,Ta,SrTa,SrTiO,BaTiO,CaTiO,BaSr1−xTiO,PbTiO,PbZrTi1−x,SrBiTa,SrBi(TaNb1−x,CeO,HfAlO,HfAlON若しくはBi(TaNb1−x)Oなどにより構成されるものが挙げられる。 HfO as a gate insulating layer 103, HfO 2, HfSiO 4, HfSiON, ZrO 2, ZrSiO 4, TiO 2, TaO 5, Ta 2 O 5, Sr 2 Ta 2 O 7, SrTiO 3, BaTiO 3, CaTiO 3, Ba x Sr 1-x TiO 3, PbTiO 3, PbZr x Ti 1-x O 3, SrBi 2 Ta 2 O 9, SrBi 2 (Ta x Nb 1-x) 2 O 9, CeO 2, HfAlO, HfAlON or Bi 2 Examples include (Ta x Nb 1-x ) O 6 .

尚、ゲート電極106としては多結晶SiGeやTiN、Mo、Au、Al、Pt、Ag、Wなどの金属ゲート電極でもかまわない。   The gate electrode 106 may be a metal gate electrode such as polycrystalline SiGe, TiN, Mo, Au, Al, Pt, Ag, or W.

次に図6に示すMISFETを有する半導体装置の製造方法の一実施形態について図7、図8を用いて説明する。図7、図8はMISFETの製造工程の一実施形態を示す概略断面図である。   Next, an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device having a MISFET shown in FIG. 6 will be described with reference to FIGS. 7 and 8 are schematic cross-sectional views showing an embodiment of a manufacturing process of a MISFET.

ここではHfOゲート絶縁層に対して、LaAlO層を上下の界面バリア層に適用したMISFETを例として作製方法について説明する。 Here, a manufacturing method will be described by taking, as an example, a MISFET in which a LaAlO layer is applied to upper and lower interface barrier layers with respect to an HfO 2 gate insulating layer.

まず、図7(a)に示すように、p型シリコン基板101上に、シリコン熱酸化膜により素子分離領域102を形成する。なお、図では素子分離領域102が基板表面よりも上方に出ているが、素子分領域102の上面を基板表面と同じ高さにしてもよい。   First, as shown in FIG. 7A, an element isolation region 102 is formed on a p-type silicon substrate 101 by a silicon thermal oxide film. In the figure, the element isolation region 102 protrudes above the substrate surface, but the upper surface of the element separation region 102 may be the same height as the substrate surface.

次いで、図7(b)に示すように、シリコン基板表面にLaAlO層のバリア層1011を1.5nm形成する金属酸化物形成工程(A)、ゲート絶縁層となるHfO層を2nm形成する絶縁層形成工程、さらにLaAlO層のバリア層1012を再び1.5nm形成する金属酸化物形成工程(B)を行う。金属酸化物形成工程(A)、(B)の詳細は後述する。金属酸化物形成工程(A)、(B)は希望するバリア層の形成位置によって一方のみ行っても良いし、両方行っても良い。 Next, as shown in FIG. 7B, a metal oxide forming step (A) in which a barrier layer 1011 of a LaAlO layer is formed to 1.5 nm on the silicon substrate surface, and an insulation in which a HfO 2 layer to be a gate insulating layer is formed to 2 nm. A layer formation step, and further a metal oxide formation step (B) in which a barrier layer 1012 of a LaAlO layer is again formed to 1.5 nm are performed. Details of the metal oxide forming steps (A) and (B) will be described later. Only one or both of the metal oxide formation steps (A) and (B) may be performed depending on the desired formation position of the barrier layer.

次いで、図7(c)に示すように、化学気相成長法によってポリシリコン膜104を全面に堆積し、次いで、図8(d)に示すように、ポリシリコン膜をパターニングしてゲート電極104を形成する電極形成工程を行う。   Next, as shown in FIG. 7C, a polysilicon film 104 is deposited on the entire surface by chemical vapor deposition, and then the polysilicon film is patterned to form the gate electrode 104 as shown in FIG. An electrode forming step of forming is performed.

次いで、図8(e)に示すように、ゲート部の側壁に例えばシリコン窒化膜より形成される側壁絶縁膜107を形成する。   Next, as shown in FIG. 8E, a sidewall insulating film 107 made of, for example, a silicon nitride film is formed on the sidewall of the gate portion.

次いで、図8(f)に示すように、全面に、例えばPをイオン注入し、その後熱処理を行い、Pをシリコン基板101中に拡散し活性化させ、ソース領域及びドレイン領域105を形成する。   Next, as shown in FIG. 8F, for example, P is ion-implanted on the entire surface, and then heat treatment is performed, and P is diffused into the silicon substrate 101 to be activated, thereby forming a source region and a drain region 105.

これ以降の工程は通常のMIS型トランジスタの作製工程に準じており、化学気相成長法によって全面に層間絶縁膜となるシリコン酸化膜を堆積し、この層間絶縁膜108にコンタクト孔を開口し、続いてスパッタ法によって全面にAl膜を堆積し、このAl膜を反応性イオンエッチングによってパターニングしてアルミニウム配線109を形成することにより、前記図6に示したような構造を有するMIS型トランジスタが完成する。   The subsequent steps are in accordance with a normal MIS type transistor manufacturing process. A silicon oxide film serving as an interlayer insulating film is deposited on the entire surface by chemical vapor deposition, and a contact hole is opened in the interlayer insulating film 108. Subsequently, an Al film is deposited on the entire surface by sputtering, and this Al film is patterned by reactive ion etching to form an aluminum wiring 109, whereby a MIS transistor having the structure shown in FIG. 6 is completed. To do.

このようにして形成されたMISFETは、約1000℃以上の高温プロセスを経ても、ゲート絶縁層のリーク電流が極めて低く抑えられ、かつしきい値のシフトも観測されず、良好な動作を示す。   The MISFET formed in this way shows a satisfactory operation even when a high temperature process of about 1000 ° C. or higher is performed, the leakage current of the gate insulating layer is suppressed to be extremely low, and no threshold shift is observed.

以下に上記の金属酸化物形成工程(A)、(B)についてさらに詳細に説明する。   Hereinafter, the metal oxide forming steps (A) and (B) will be described in more detail.

金属酸化物形成工程(A)、(B)として適用可能な金属酸化物形成工程の内の1つの例は、シリコン基板表面若しくは絶縁膜表面、若しくはその両方に、レーザーアブレーション法、CVD法、MBE法、蒸着法、ALD法などの方法でLaとAlを含む酸化物を形成する。例えば、レーザーアブレーション法では、LaAlO単結晶をターゲットとした製膜で形成することができる。 One example of the metal oxide forming process applicable as the metal oxide forming process (A) or (B) is a laser ablation method, a CVD method, an MBE, or a silicon substrate surface or an insulating film surface. An oxide containing La and Al is formed by a method such as a method, a vapor deposition method, or an ALD method. For example, in the laser ablation method, it can be formed by film formation using a LaAlO 3 single crystal as a target.

金属酸化物形成工程(A)、(B)として適用可能な金属酸化物形成工程の他の例としては、シリコン基板表面若しくは絶縁膜表面、若しくはその両方に、メタルLa及びメタルAlを1原子層以下の厚さで堆積したメタル層を形成後、前記メタル層上に酸化性雰囲気でLa及びAlを含む酸化物層を堆積とすると共に前記メタル層を酸化する方法がある。このとき例えば分子ビームエピタキシー法(MBE法)を適用することができる。その具体例について以下に説明する。   As another example of the metal oxide forming step applicable as the metal oxide forming step (A) or (B), one atomic layer of metal La and metal Al is formed on the silicon substrate surface or the insulating film surface or both. There is a method in which after forming a metal layer deposited with the following thickness, an oxide layer containing La and Al is deposited on the metal layer in an oxidizing atmosphere and the metal layer is oxidized. At this time, for example, a molecular beam epitaxy method (MBE method) can be applied. Specific examples thereof will be described below.

まず、HF処理により自然酸化層を除去されたn型シリコン基板をMBEチャンバーへ導入し、基板温度を300℃とし、金属Laおよび金属Alを蒸発源として用いて、シリコン基板上にLaおよびAlを組成比1:1の割合で一原子層蒸着する。その後、基板温度を600℃に昇温させ、MBE装置に1×10−4Paの酸素を導入しながら、金属Laおよび金属Alを蒸発源として、1nmのLaAlO層を堆積する。 First, an n-type silicon substrate from which a natural oxide layer has been removed by HF treatment is introduced into an MBE chamber, the substrate temperature is set to 300 ° C., and La and Al are used as evaporation sources to form La and Al on the silicon substrate. Monolayer deposition is performed at a composition ratio of 1: 1. Thereafter, the substrate temperature is raised to 600 ° C., and while introducing 1 × 10 −4 Pa of oxygen into the MBE apparatus, a 1 nm LaAlO layer is deposited using metal La and metal Al as an evaporation source.

このようにして堆積された層のXPSスペクトルは、図2に示したものと同様のものであり、Siの酸化物状態のピークおよび、LaとAlのメタル起因のピークは観測されず、Siは基板のピークのみ、LaおよびAlはそれぞれ酸化物に起因するピークのみが観測された。この結果は、最初に一原子層堆積されたLaおよびAlは、その後のプロセスにより酸化され、シリコン基板上には直接LaAlO層が存在し、界面にいかなる遷移層も存在していないことを示している。また、このような方法により作製されたバリア層は、図3と同様なシリコン拡散に対する良好なバリア特性を示し、シリコンとのシリサイド生成反応および低誘電率界面層の生成を起こすことがない。   The XPS spectrum of the layer deposited in this way is similar to that shown in FIG. 2, and the peak of the oxide state of Si and the peak due to the metal of La and Al are not observed. Only the peak of the substrate and only the peak due to the oxide of La and Al were observed. This result shows that La and Al initially deposited in a monolayer are oxidized by subsequent processes, and there is a LaAlO layer directly on the silicon substrate and no transition layer at the interface. Yes. Further, the barrier layer produced by such a method exhibits good barrier characteristics against silicon diffusion similar to that shown in FIG. 3, and does not cause a silicide formation reaction with silicon and a low dielectric constant interface layer.

LaAlO層の断面TEM像。Cross-sectional TEM image of LaAlO layer. LaAlO層のXPSスペクトル。XPS spectrum of the LaAlO layer. LaAlO層及び比較例のSIMSによる分析結果を示す図。The figure which shows the analysis result by LaIMS of a LaAlO layer and a comparative example. X線光電子分光法によりLaAlO層の表面に析出するシリコンのピーク強度を評価した結果を示す図。The figure which shows the result of having evaluated the peak intensity of the silicon deposited on the surface of a LaAlO layer by X-ray photoelectron spectroscopy. LaAlO層のIn−plane X線回折測定を行った結果を示す図。The figure which shows the result of having performed the In-plane X-ray-diffraction measurement of the LaAlO layer. MISFETの一実施形態を示す断面図。Sectional drawing which shows one Embodiment of MISFET. MISFETの製造方法の一実施形態を示す断面図。Sectional drawing which shows one Embodiment of the manufacturing method of MISFET. MISFETの製造方法の一実施形態を示す断面図。Sectional drawing which shows one Embodiment of the manufacturing method of MISFET.

符号の説明Explanation of symbols

101・・・シリコン基板
1011・・・基板−ゲート絶縁層界面バリア層
1012・・・ゲート絶縁層−ゲート電極界面バリア層
102・・・素子分離層
103・・・ゲート絶縁層
104・・・ゲート電極
105・・・ソース/ドレイン拡散層
106・・・ゲート電極
107・・・ゲート側壁
108・・・層間絶縁層
109・・・アルミニウム配線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Silicon substrate 1011 ... Substrate-gate insulating layer interface barrier layer 1012 ... Gate insulating layer-gate electrode interface barrier layer 102 ... Element isolation layer 103 ... Gate insulating layer 104 ... Gate Electrode 105 ... Source / drain diffusion layer 106 ... Gate electrode 107 ... Gate side wall 108 ... Interlayer insulating layer 109 ... Aluminum wiring

Claims (6)

シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成され少なくともHf,Zr,Ti,Taから選択される少なくとも一種の元素の酸化物の絶縁層と、
前記絶縁層上に形成されたポリシリコン電極と、
前記絶縁層と前記電極との界面に形成された、厚さが0.5nm以上2nm以下の、LaAlO層とを備えることを特徴とする半導体装置。
A silicon substrate;
An insulating layer of an oxide of at least one element selected from at least Hf, Zr, Ti, Ta formed on the silicon substrate;
A polysilicon electrode formed on the insulating layer;
A semiconductor device comprising: a LaAlO 3 layer having a thickness of 0.5 nm or more and 2 nm or less formed at an interface between the insulating layer and the electrode.
前記LaAlO層は、アモルファス層であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the LaAlO 3 layer is an amorphous layer. 前記LaAlO層は、前記絶縁層と前記ポリシリコン電極との界面に、前記絶縁層及び前記ポリシリコン電極に接して設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装置。 The LaAlO 3 layer, said the interface between the insulating layer and the polysilicon electrode, the insulating layer and a semiconductor device according to claim 1 or claim 2 wherein, characterized in that provided in contact with the polysilicon electrode . 前記絶縁層がゲート絶縁層であり、前記ポリシリコン電極がゲート電極であるMISFETを備えることを特徴とする請求項1ないし請求項いずれか一項に記載の半導体装置。 Wherein the insulating layer is a gate insulating layer, a semiconductor device according to any one claims 1 to 3, characterized in that it comprises a MISFET the polysilicon electrode is a gate electrode. シリコン基板上にHf,Zr,Ti,Taから選択される少なくとも一種の元素の酸化物の絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記絶縁層上にポリシリコン電極を形成する電極形成工程と、
前記絶縁層形成工程後で前記ポリシリコン電極形成工程前に、前記絶縁層表面に、膜厚が0.5nm以上2nm以下の、LaAlO層を形成する金属酸化物形成工程とを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating layer of an oxide of at least one element selected from Hf, Zr, Ti, and Ta on a silicon substrate;
An electrode forming step of forming a polysilicon electrode on the insulating layer;
Performing a metal oxide forming step of forming a LaAlO 3 layer having a thickness of 0.5 nm or more and 2 nm or less on the surface of the insulating layer after the insulating layer forming step and before the polysilicon electrode forming step. A method for manufacturing a semiconductor device.
シリコン基板上にHf,Zr,Ti,Taから選択される少なくとも一種の元素の酸化物の絶縁層を形成する絶縁層形成工程と、
前記絶縁層上にポリシリコン電極を形成する電極形成工程と
前記絶縁層形成工程後で前記ポリシリコン電極形成工程前に、前記絶縁層表面に、メタルLa及びメタルAlを1原子層以下の厚さで堆積したメタル層を形成後、前記メタル層上に酸化性雰囲気で、厚さが0.5nm以上2nm以下の、LaAlO層を堆積すると共に前記メタル層を酸化する金属酸化物形成工程とを行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming an insulating layer of an oxide of at least one element selected from Hf, Zr, Ti, and Ta on a silicon substrate;
An electrode forming step of forming a polysilicon electrode on the insulating layer, and a thickness of one atomic layer or less of metal La and metal Al on the surface of the insulating layer after the insulating layer forming step and before the polysilicon electrode forming step. A metal oxide forming step of depositing a LaAlO 3 layer having a thickness of 0.5 nm to 2 nm and oxidizing the metal layer in an oxidizing atmosphere on the metal layer after forming the metal layer deposited in A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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