JP5407645B2 - 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に関するものであり、例えば、高誘電率膜をゲート絶縁膜としたMIS型半導体装置における実効仕事関数の調整手段に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and, for example, relates to a means for adjusting an effective work function in a MIS type semiconductor device using a high dielectric constant film as a gate insulating film.
近年、MIS型半導体装置においては、ゲート絶縁膜に高誘電材料を用いて特性の向上が図られてきている。例えば、HfO2やHfSiON等のハフニウム系の材料を用いたゲート絶縁膜ではそれまでのシリコン酸窒化膜よりも比誘電率を3倍以上にすることができ、リーク電流の低減に大きな効果があった。 In recent years, MIS type semiconductor devices have been improved in characteristics by using a high dielectric material for a gate insulating film. For example, a gate insulating film using a hafnium-based material such as HfO 2 or HfSiON can have a relative dielectric constant of three times or more than that of a conventional silicon oxynitride film, and has a great effect on reducing leakage current. It was.
しかしながら、高誘電材料を用いた場合、ゲート絶縁膜中の固定電荷やゲート絶縁膜界面でのダイポールにより、実効仕事関数が変調されてしきい値電圧が大きくなり十分なオン電流が得られないという問題があった。 However, when a high dielectric material is used, the effective work function is modulated by the fixed charge in the gate insulating film or the dipole at the interface of the gate insulating film, the threshold voltage increases, and sufficient on-current cannot be obtained. There was a problem.
そこで、実効仕事関数を変調するために、nチャネル型MISFETの高誘電材料ゲート絶縁膜上にランタン酸化膜を成膜して実効仕事関数を、nチャネル型MISFETに必要な4.8eVに近づけている。一方、pチャネル型MISFETでは、高誘電材料ゲート絶縁膜上にアルミニウム酸化膜を成膜して実効仕事関数を、pチャネル型MISFETに必要な4.0eVに近づけている(例えば、特許文献1或いは非特許文献1参照)。
Therefore, in order to modulate the effective work function, a lanthanum oxide film is formed on the high dielectric material gate insulating film of the n-channel type MISFET, and the effective work function is brought close to 4.8 eV necessary for the n-channel type MISFET. Yes. On the other hand, in the p-channel type MISFET, an aluminum oxide film is formed on the high dielectric material gate insulating film to bring the effective work function close to 4.0 eV necessary for the p-channel type MISFET (for example,
上述のように、仕事関数を調整するために、2つの領域のゲート絶縁膜上に異なる種類の酸化膜をそれぞれ形成する場合、大きく分けて2つの方法がある。例えば、全面に第1の領域に形成するためのゲート絶縁膜と第1の調整用酸化膜を形成し、第2の領域に形成したゲート絶縁膜と第1の調整用酸化膜を除去する。次いで、全面にゲート絶縁膜と第2の調整用酸化膜を形成し、第1の領域に形成したゲート絶縁膜と第2の酸化膜を除去する場合がある。 As described above, in order to adjust the work function, when different types of oxide films are formed on the gate insulating films in the two regions, there are roughly two methods. For example, the gate insulating film and the first adjustment oxide film to be formed in the first region are formed on the entire surface, and the gate insulating film and the first adjustment oxide film formed in the second region are removed. Next, a gate insulating film and a second adjustment oxide film may be formed over the entire surface, and the gate insulating film and the second oxide film formed in the first region may be removed.
或いは、ゲート絶縁膜及び第1の調整用酸化膜を形成したのち、第1の調整用酸化膜のうち第2の領域上に形成した部分を除去し、次いで、全面に第2の調整用酸化膜を形成したのち、第2の調整用酸化膜のうち第1の領域上に形成された部分を除去する場合がある。 Alternatively, after forming the gate insulating film and the first adjustment oxide film, the portion of the first adjustment oxide film formed on the second region is removed, and then the second adjustment oxidation film is formed on the entire surface. After the film is formed, a portion of the second adjustment oxide film formed on the first region may be removed.
前者ではゲート絶縁膜を2回形成する必要があり工程数が増加するとともに、一度成膜したゲート絶縁膜を除去するために必要以上に基板にエッチングの影響を及ぼし、特性および信頼性が劣化する可能性があるという問題がある。一方、後者は絶縁膜上の酸化膜を除去する際のエッチングの作用がゲート絶縁膜に及ぶため信頼性が劣化する可能性があるという問題がある。 In the former, it is necessary to form the gate insulating film twice, which increases the number of processes, and affects the substrate more than necessary in order to remove the gate insulating film once formed, thereby deteriorating characteristics and reliability. There is a problem that there is a possibility. On the other hand, the latter has a problem that reliability may be deteriorated because the etching action when removing the oxide film on the insulating film reaches the gate insulating film.
したがって、本発明は、高誘電率膜を用いた相補型トランジスタの実効仕事関数を調整して適切なしきい値電圧を実現する際に、エッチング工程数を低減するとともに、エッチングダメージの発生を回避することを目的とする。 Therefore, the present invention reduces the number of etching steps and avoids etching damage when adjusting the effective work function of a complementary transistor using a high dielectric constant film to achieve an appropriate threshold voltage. For the purpose.
本発明の一観点からは、nチャネル絶縁ゲートトランジスタとpチャネル絶縁ゲートトランジスタとを有する半導体装置であって、前記nチャネル絶縁ゲートトランジスタのSiO2より誘電率の高い第1のゲート絶縁膜と、TiN膜、或いは、TiN膜が前記第1のゲート絶縁膜側となるTiN膜/多結晶シリコン膜構造のいずれかである第1金属ゲート電極との間にアルミニウム膜を有するとともに、前記pチャネル絶縁ゲートトランジスタのSiO2より誘電率の高い第2のゲート絶縁膜と第2金属ゲート電極との間に酸化アルミニウム膜を有することを特徴とする半導体装置が提供される。 From one aspect of the present invention, a semiconductor device having an n-channel insulated gate transistor and a p-channel insulated gate transistor, the first gate insulating film having a higher dielectric constant than SiO 2 of the n-channel insulated gate transistor , TiN film, or together with an aluminum film between the first metal gate electrode is any one of TiN film / polysilicon film structure TiN film serving as the first gate insulating film side, the p Ji Yaneru There is provided a semiconductor device comprising an aluminum oxide film between a second gate insulating film having a dielectric constant higher than that of SiO 2 of the insulated gate transistor and a second metal gate electrode.
また、本発明の別の観点からは、半導体基板にn型領域及びp型領域を形成する工程と、前記n型領域及び前記p型領域の表面にSiO2より誘電率の高いゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にアルミニウム膜を形成する工程と、前記アルミニウム膜上に第1金属ゲート膜を形成する工程と、前記n型領域上に設けた前記第1金属ゲート膜を選択的に除去し、前記n型領域上に設けた前記アルミニウム膜を選択的に露出させる工程と、露出した前記アルミニウム膜を酸化して酸化アルミニウム膜にする工程と、前記酸化アルミニウム膜上に第2金属ゲート膜を形成する工程とを少なくとも有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。 From another viewpoint of the present invention, a step of forming an n-type region and a p-type region in a semiconductor substrate, and a gate insulating film having a dielectric constant higher than that of SiO 2 on the surfaces of the n-type region and the p-type region are provided. A step of forming, a step of forming an aluminum film on the gate insulating film, a step of forming a first metal gate film on the aluminum film, and the first metal gate film provided on the n-type region. Selectively removing and exposing the aluminum film provided on the n-type region; oxidizing the exposed aluminum film to form an aluminum oxide film; and A method of manufacturing a semiconductor device, comprising at least a step of forming a two-metal gate film.
開示の半導体装置及びその製造方法によれば、nチャネル型MISFETの実効的仕事関数をAl極薄膜で調整するとともに、pチャネル型MISFETの実効的仕事関数をAl極薄膜の酸化物で調整しているので、エッチング工程数を低減するとともに、エッチングダメージの発生を回避することが可能となる。 According to the disclosed semiconductor device and the manufacturing method thereof, the effective work function of the n-channel MISFET is adjusted by the Al ultrathin film, and the effective work function of the p-channel MISFET is adjusted by the oxide of the Al ultrathin film. As a result, the number of etching steps can be reduced, and the occurrence of etching damage can be avoided.
ここで、図1及び図2を参照して、本発明の実施の形態の半導体装置を説明する。図1は本発明の実施の形態の半導体装置の概念的断面図であり、nチャネル絶縁ゲート型トランジスタ1のゲート絶縁膜3とゲート電極6との間に0.5原子層乃至2.0原子層のアルミニウム膜4を設けて仕事関数を小さくしてしきい値電圧を小さくする。
Here, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a conceptual cross-sectional view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention, in which a 0.5 atomic layer to a 2.0 atomic layer are provided between a
一方、pチャネル絶縁ゲート型トランジスタ2のゲート絶縁膜3とゲート電極6との間に0.5原子層乃至2.0原子層のアルミニウム膜4を酸化した酸化アルミニウム膜5を設けて仕事関数を大きくしてしきい値電圧を小さくする。
On the other hand, an
図2は、実効的仕事関数のAl膜厚依存性の説明図である。ここでは、TiN単層膜、下層に1原子層のAl膜を設けたAl1層/TiN、下層に2原子層のAl膜を設けたAl2層/TiN、及び、Al単層膜の4つのゲート構造の実効的仕事関数の第一原理計算に基づく結果を示している。 FIG. 2 is an explanatory diagram of the dependency of the effective work function on the Al film thickness. Here, there are four gates: a TiN single layer film, an Al1 layer / TiN with a single atomic layer Al film underneath, an Al2 layer / TiN with a double atomic layer Al film underneath, and an Al single layer film The results based on the first-principles calculation of the effective work function of the structure are shown.
図2に示すように、ゲート絶縁膜3とTiN膜7との間に1原子層のアルミニウム膜4がある場合、実効的仕事関数は0.21eV下がって4.30eVとなる。アルミニウム膜4を2原子層にした場合に4.18eVまで下がり、アルミニウムの実効仕事関数に近づいていく。
As shown in FIG. 2, when there is a monoatomic aluminum film 4 between the
一方、pチャネル型MISFETにおいては、上述の非特許文献1にも示されているように、ハフニウム酸化膜上に酸化アルミニウム膜5を形成することで実効仕事関数が大きくなり、しきい値電圧は小さくなる。
On the other hand, in the p-channel type MISFET, as shown in
しかしながら、アルミニウム膜3の膜厚を厚くするほど、酸化によって形成される酸化アルミニウム膜4の膜厚も厚くなり、ゲート絶縁膜全体としての電気的容量が減少してしまう。
However, as the film thickness of the
例えば、アルミニウム膜3を2原子層積層した後に酸化して得られる酸化アルミニウム膜5の膜厚は0.8nm程度になり、これは電気的容量に換算した酸化シリコン膜の0.2nm程度となる。これ以上換算膜厚が大きくなると、1nm程度の酸化シリコン換算膜厚のゲート絶縁膜を有するデバイスの電気的容量を大幅に減少させることになり特性が劣化する。したがって成膜するアルミニウム膜3は2原子層以下であることが必要となる。なお、アルミニウム膜3を挿入する効果を保つためには、0.5原子層は必要であり、好適には1原子層乃至2原子層とする。この場合の原子層は成膜レートから換算した膜厚である。
For example, the thickness of the
また、ゲート絶縁膜3としては、HfO2、(HfZr)O2、HfSiON等の少なくともハフニウム(Hf)を含む高誘電率材料が好適である。
As the
また、ゲート電極6としては、パターニング精度を良好にするとともに、エッチング工程において他にダメージを与えないために、下層側をTiN膜7とし上層側を多結晶シリコン膜8とした積層構造が好適である。即ち、TiN膜7だけでゲート電極6を構成するとウエットエッチング工程であるのでパターニング精度が充分ではない。一方、多結晶シリコン膜8だけでゲート電極6を形成した場合には、パターン精度は良好であるものの多結晶シリコン膜8のエッチング工程においてゲート絶縁膜等の他の構成にエッチングダメージを与える虞がある。 The gate electrode 6 preferably has a laminated structure in which the lower layer side is the TiN film 7 and the upper layer side is the polycrystalline silicon film 8 in order to improve the patterning accuracy and prevent other damage in the etching process. is there. That is, if the gate electrode 6 is composed only of the TiN film 7, the patterning accuracy is not sufficient because it is a wet etching process. On the other hand, when the gate electrode 6 is formed using only the polycrystalline silicon film 8, the pattern accuracy is good, but there is a risk of etching damage to other components such as the gate insulating film in the etching process of the polycrystalline silicon film 8. is there.
また、エクステンション領域やソース・ドレイン領域の形成工程においては、夫々サイドウォールを設けるが、この場合のサイドウォールはシリコン酸化膜でも良いし或いはシリコン窒化膜でも良く、両者を組み合わせても良い。 Further, in the process of forming the extension region and the source / drain region, sidewalls are provided. In this case, the sidewalls may be silicon oxide films or silicon nitride films, or a combination of both.
なお、ソース・ドレイン領域等をダミーゲートを用いて形成する場合には、ゲート電極6は単層のTiN膜7で構成しても良い。また、ダミーゲートは、パターニング精度を良好にするとともに、エッチング工程において他にダメージを与えないために、下層側をTiN膜7とし上層側を多結晶シリコン膜8とした積層構造が好適である。但し、この場合には、シリサイド電極の形成工程においてダミーゲートの表面がシリサイド化されないようにシリコン窒化膜等をカバー膜として設けることが望ましい。 When the source / drain regions and the like are formed using a dummy gate, the gate electrode 6 may be composed of a single layer TiN film 7. The dummy gate preferably has a laminated structure in which the lower layer side is the TiN film 7 and the upper layer side is the polycrystalline silicon film 8 in order to improve the patterning accuracy and prevent other damage in the etching process. However, in this case, it is desirable to provide a silicon nitride film or the like as a cover film so that the surface of the dummy gate is not silicided in the process of forming the silicide electrode.
また、ソース・ドレイン領域の表面及び多結晶シリコン膜8の表面に形成するシリサイド電極としてはより低抵抗なNiシリサイド電極が好適であるが、Coシリサイド等の他のシリサイド材料を用いても良い。 Further, the silicide electrode formed on the surface of the source / drain region and the surface of the polycrystalline silicon film 8 is preferably a low resistance Ni silicide electrode, but other silicide materials such as Co silicide may be used.
なお、本発明においては、上述のように、酸化アルミニウム膜5はアルミニウム膜6を選択的に露出させて酸化により形成する。したがって、ゲート絶縁膜3の形成は1度であり、また、ゲート絶縁膜3そのものに対するエッチングの作用を最小限にすることができる。それによって、適切な実効仕事関数を有したnチャネル型MISFETとpチャネル型MISFETを有する半導体装置を、高い信頼性を持ちつつ、容易に形成することができる。
In the present invention, as described above, the
以上を前提として、次に、図3乃至図7を参照して本発明の実施例1の半導体装置の製造工程を説明する。まず、図3(a)に示すように、p型シリコン基板11上に酸化膜12及びSiN膜13を順次形成し、通常のフォトエッチング工程で酸化膜12及びSiN膜13をパターニングする。次いで、パターニングした酸化膜12及びSiN膜13をマスクとしp型シリコン基板11の露出をエッチングして素子分離溝14を形成する。
Based on the above, next, the manufacturing process of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 3A, an
次いで、図3(b)に示すように、全面にシリコン酸化膜を素子分離溝14を埋め込むように成膜したのち、CMP(化学機械研磨)処理を行うことによりSTI(Shallow Trench Isolation)構造の埋込絶縁膜15を形成する。
Next, as shown in FIG. 3B, a silicon oxide film is formed on the entire surface so as to fill the
次いで、図3(c)に示すように、酸化膜12及びSiN膜13を薬液除去して、p型シリコン基板11の表面を露出させる。この露出した領域が素子形成領域となる。
Next, as shown in FIG. 3C, the
次いで、図3(d)に示すように、フォトレジストによるパターニングとイオン注入を交互に行って、一方の素子形成領域にBを選択的に注入してp型ウエル領域16を形成し、他方の素子形成領域にPを選択的に注入してn型ウエル領域17を形成する。
Next, as shown in FIG. 3D, patterning with a photoresist and ion implantation are alternately performed, and B is selectively implanted into one element formation region to form a p-
次いで、図4(e)に示すように、CVD法を用いてゲート絶縁膜となる厚さが、例えば、2nmのHfO2膜18を形成したのち、例えば、Alをターゲットとしたスパッタリング法によって、例えば、2原子層のAl膜19を形成する。
Next, as shown in FIG. 4E, after forming a HfO 2 film 18 having a thickness of, for example, 2 nm as a gate insulating film using a CVD method, for example, by a sputtering method using Al as a target, For example, a two atomic
次いで、図4(f)に示すように、全面にゲート電極の一部となる厚さが、例えば、10nmのTiN膜20と、耐酸化及びエッチングダメージを軽減するための厚さが、例えば、30nmのSiN膜21を順次形成する。
Next, as shown in FIG. 4 (f), the thickness that becomes a part of the gate electrode on the entire surface is, for example, a 10
次いで、図4(g)に示すように、p型ウエル領域16を覆うレジストパターン22を形成し、このレジストパターン22をマスクとして、露出したSiN膜21を例えば、RIE(反応性イオンエッチング)により除去する。次いで、露出したTiN膜20を例えば、過酸化水素水溶液を用いて除去してアルミニウム膜19を選択的に露出させる。
Next, as shown in FIG. 4G, a resist
次いで、図4(h)に示すように、レジストパターン22を除去したのち、SiN膜21を耐酸化マスクとしてp型ウエル領域17上に露出したアルミニウム膜19を酸素雰囲気中で500℃において熱酸化処理することによりAl2O3膜23に変換する。
Next, as shown in FIG. 4H, after the resist
次いで、図5(m)に示すように、全面にpチャネル型MISFETのゲート電極の一部となる厚さが、例えば、10nmのTiN膜24と、耐酸化及びエッチングダメージを軽減するための厚さが、例えば、30nmのSiN膜25を順次形成する。
Next, as shown in FIG. 5 (m), the thickness that becomes a part of the gate electrode of the p-channel type MISFET is, for example, a 10
次いで、図5(n)に示すように、n型ウエル領域17を選択的に覆うようにレジストパターン26を設ける。次いで、図5(o)に示すように、レジストパターン22をマスクとして、露出したSiN膜25を例えば、RIEにより除去したのち、露出したTiN膜24を例えば、過酸化水素水溶液を用いて除去する。
Next, as shown in FIG. 5N, a resist
次いで、図6(p)に示すように、レジストパターン26を除去したのち、露出したSiN膜21,25を領域により除去する。次いで、図6(q)に示すように、露出したTiN膜20,24上に厚さが、例えば、80nmの多結晶シリコン膜27を形成する。
Next, as shown in FIG. 6 (p), after the resist
次いで、図6(r)に示すように、レジストパターン(図示は省略)をマスクとして、多結晶シリコン膜27乃至HfO2膜18を順次エッチングにより除去することによって、幅が、例えば、32nmのゲート構造を形成する。
Next, as shown in FIG. 6R, by using the resist pattern (not shown) as a mask, the
次いで、図7(s)に示すように、全面に例えば、SiN膜を厚さが5nmになるように堆積させたのち、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール28を形成する。次いで、フォトレジストによるパターニングとサイドウォール28及びゲート構造をマスクとするイオン注入を交互に行ったのち、活性化熱処理を行って、n型エクテンション領域29及びp型エクステンション領域30を順次形成する。
Next, as shown in FIG. 7S, for example, a SiN film is deposited on the entire surface so as to have a thickness of 5 nm, and then sidewalls 28 are formed by performing anisotropic etching. Next, after patterning with a photoresist and ion implantation using the
なお、n型エクステンション領域29の形成に際しては、例えば、Asを1keVの加速エネルギーで1×1015cm-2だけ注入する。一方、p型エクステンション領域30の形成に際しては、例えば、Bを0.5keVの加速エネルギーで1×1015cm-2だけ注入する。
In forming the n-
次いで、図7(t)に示すように、全面に例えば、SiN膜を厚さが40nmになるように堆積させたのち、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール31を形成する。次いで、フォトレジストによるパターニングとサイドウォール31及びゲート構造をマスクとするイオン注入を交互に行ったのち、活性化熱処理を行って、n+ 型ソース・ドレイン領域32及びp+ 型ソース・ドレイン領域33を順次形成する。
Next, as shown in FIG. 7 (t), for example, a SiN film is deposited on the entire surface so as to have a thickness of 40 nm, and then sidewalls 31 are formed by performing anisotropic etching. Next, patterning with a photoresist and ion implantation using the
なお、n+ 型ソース・ドレイン領域32の形成に際しては、例えば、Asを5keVの加速エネルギーで5×1015cm-2だけ注入する。一方、p+ 型ソース・ドレイン領域33の形成に際しては、例えば、Bを3keVの加速エネルギーで5×1015cm-2だけ注入する。
In forming the n + -type source /
次いで、図7(u)に示すように、全面に厚さが、例えば、10nmのNi膜を成膜したのち、例えば、450℃でアニールして露出したシリコン表面をシリサイド化する。次いで、絶縁膜上に堆積した未反応のNi膜を除去することにより、Niシリサイド電極34〜37を形成する。
Next, as shown in FIG. 7 (u), after a Ni film having a thickness of, for example, 10 nm is formed on the entire surface, the exposed silicon surface is silicided by annealing at, for example, 450 ° C. Next,
以降は、図示を省略するものの、層間絶縁膜を形成したのち、ソース・ドレイン領域に達するプラグを形成し、次いで、必要とする多層配線構造に応じて配線層の形成、層間絶縁膜の形成、接続プラグの形成を繰り返すことによって本発明の実施例1の半導体装置が完成する。 Thereafter, although illustration is omitted, after forming the interlayer insulating film, a plug reaching the source / drain region is formed, and then the formation of the wiring layer, the formation of the interlayer insulating film according to the required multilayer wiring structure, By repeating the formation of the connection plug, the semiconductor device of Example 1 of the present invention is completed.
このように、本発明の実施例1においては、HfO2膜の成膜工程が一度であるとともに、除去のためのエッチング工程が、ゲート構造の形成工程以外はないのでエッチング工程数が低減するとともに、エッチングダメージの発生を回避することが可能となる。 As described above, in Example 1 of the present invention, the number of etching steps is reduced because the HfO 2 film is formed once and there is no etching step other than the gate structure forming step. It is possible to avoid the occurrence of etching damage.
次に、図8乃至図13を参照して、本発明の実施例2の半導体装置の製造工程を説明する。まず、上記の図3(a)乃至図3(d)に示したように、p型シリコン基板11上にSTI構造の埋込絶縁膜15を形成したのち、p型ウエル領域16及びn型ウエル領域17を形成する。次いで、図8(a)に示すように、CVD法を用いてゲート絶縁膜となるHfO2膜18を形成する。
Next, with reference to FIGS. 8 to 13, a manufacturing process of the semiconductor device of Example 2 of the present invention will be described. First, as shown in FIGS. 3A to 3D, after forming the buried insulating
次いで、図8(b)に示すように、全面にダミーゲートとなる厚さが、例えば、10nmのTiN膜38と、厚さが、例えば、50nmの多結晶シリコン膜39、及び、厚さが、例えば、30nmのカバー膜40を順次形成する。この場合のカバー膜40は、ダミーゲートのシリサイド反応を防止するために設けるものであり、例えば、SiN膜により形成する。また、多結晶シリコン膜39はドライエッチングにより精度良くパターニングするために設け、一方、TiN膜38は過酸化水素水溶液等を用いたウエットエッチングによりゲート絶縁膜となるHfO2膜18にエッチングダメージを与えないために設ける。
Next, as shown in FIG. 8B, a
次いで、図8(c)に示すように、レジストパターン(図示は省略)をマスクとして、カバー膜40乃至HfO2膜18を順次エッチングにより除去することによって、幅が、例えば、32nmのダミーゲートを形成する。
Next, as shown in FIG. 8C, by using the resist pattern (not shown) as a mask, the
次いで、図8(d)に示すように、全面に例えば、SiN膜を厚さが5nmになるように堆積させたのち、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール28を形成する。次いで、フォトレジストによるパターニングとサイドウォール28及びダミーゲート構造をマスクとするイオン注入を交互に行ったのち、活性化熱処理を行って、n型エクテンション領域29及びp型エクステンション領域30を順次形成する。
Next, as shown in FIG. 8D, for example, a SiN film is deposited on the entire surface so as to have a thickness of 5 nm, and then sidewalls 28 are formed by performing anisotropic etching. Next, patterning with a photoresist and ion implantation using the
なお、n型エクステンション領域29の形成に際しては、例えば、Asを1keVの加速エネルギーで1×1015cm-2だけ注入する。一方、p型エクステンション領域30の形成に際しては、例えば、Bを0.5keVの加速エネルギーで1×1015cm-2だけ注入する。
In forming the n-
次いで、図9(e)に示すように、全面に例えば、SiN膜を厚さが40nmになるように堆積させたのち、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール31を形成する。次いで、フォトレジストによるパターニングとサイドウォール31及びダミーゲート構造をマスクとするイオン注入を交互に行ったのち、活性化熱処理を行って、n+ 型ソース・ドレイン領域32及びp+ 型ソース・ドレイン領域33を順次形成する。
Next, as shown in FIG. 9E, for example, a SiN film is deposited on the entire surface so as to have a thickness of 40 nm, and then the
なお、n+ 型ソース・ドレイン領域32の形成に際しては、例えば、Asを5keVの加速エネルギーで5×1015cm-2だけ注入する。一方、p+ 型ソース・ドレイン領域33の形成に際しては、例えば、Bを5keVの加速エネルギーで5×1015cm-2だけ注入する。
In forming the n + -type source /
次いで、図9(f)に示すように、全面に厚さが、例えば、10nmのNi膜を成膜したのち、例えば、450℃でアニールして露出したシリコン表面をシリサイド化する。次いで、絶縁膜上に堆積した未反応のNi膜を除去することにより、n+ 型ソース・ドレイン領域32及びp+ 型ソース・ドレイン領域33の表面にNiシリサイド電極34,36を形成する。
Next, as shown in FIG. 9F, after a Ni film having a thickness of, for example, 10 nm is formed on the entire surface, the exposed silicon surface is silicided by annealing at, for example, 450 ° C. Next, the
次いで、図9(g)に示すように、全面に例えば、酸化シリコン膜を堆積させたのち、CMP処理により平坦化することによってダミーゲートを埋め込む層間絶縁膜41を形成する。
Next, as shown in FIG. 9G, after depositing, for example, a silicon oxide film on the entire surface, an
次いで、図10(h)に示すように、カバー膜40、多結晶シリコン膜39及びTiN膜38を順次除去して凹部を形成する。
Next, as shown in FIG. 10H, the
次いで、図10(i)に示すように、例えば、Alターゲットを用いたスパッタリング法により2原子層のAl膜19を形成する。次いで、ゲート電極となるTiN膜20を凹部を完全に埋め込むように形成したのち、耐酸化及びエッチングダメージを軽減するための厚さが、例えば、30nmのSiN膜21を順次形成する。
Next, as shown in FIG. 10I, a diatomic
次いで、図10(k)に示すように、p型ウエル領域16を覆うレジストパターン42を形成し、このレジストパターン42をマスクとして、露出したSiN膜21を例えば、RIEにより除去する。次いで、露出したTiN膜20を例えば、過酸化水素水溶液を用いて除去してアルミニウム膜19を選択的に露出させる。
Next, as shown in FIG. 10K, a resist
次いで、図11(l)に示すように、レジストパターン42を除去したのち、SiN膜21を耐酸化マスクとしてp型ウエル領域17上に露出したアルミニウム膜19を酸素雰囲気中で500℃において熱酸化処理することによりAl2O3膜23に変換する。
Next, as shown in FIG. 11L, after removing the resist
次いで、図10(m)に示すように、全面にpチャネル型MISFETのゲート電極となるTiN膜24を凹部を完全に埋め込むように堆積させたのち、耐酸化及びエッチングダメージを軽減するための厚さが、例えば、30nmのSiN膜25を順次形成する。
Next, as shown in FIG. 10 (m), a
次いで、図12(n)に示すように、n型ウエル領域17を選択的に覆うようにレジストパターン43を設ける。次いで、図12(o)に示すように、レジストパターン43をマスクとして、露出したSiN膜25を例えば、RIEにより除去したのち、露出したTiN膜24を例えば、過酸化水素水溶液を用いて除去する。
Next, as shown in FIG. 12 (n), a resist
次いで、図13(p)に示すように、レジストパターン43を除去する。次いで、図13(q)に示すように、SiN膜21,25をRIEで除去した後、CMP処理を行ってTiN膜20,24からなる埋込ゲート電極を形成する。
Next, as shown in FIG. 13 (p), the resist
以降は、図示を省略するものの、再び、層間絶縁膜を形成したのち、ソース・ドレイン領域に達するプラグを形成し、次いで、必要とする多層配線構造に応じて配線層の形成、層間絶縁膜の形成、接続プラグの形成を繰り返すことによって本発明の実施例2の半導体装置が完成する。 Thereafter, although illustration is omitted, after forming the interlayer insulating film again, plugs reaching the source / drain regions are formed, and then the formation of the wiring layer according to the required multilayer wiring structure, the interlayer insulating film By repeating the formation and the formation of the connection plug, the semiconductor device of Example 2 of the present invention is completed.
このように、本発明の実施例2においても、HfO2膜18からなる高誘電率ゲート絶縁膜を除去するエッチング工程は、ダミーゲート構造の形成工程以外はないのでエッチング工程数が低減するとともに、エッチングダメージの発生を回避することが可能となる。 Thus, also in Example 2 of the present invention, the etching process for removing the high dielectric constant gate insulating film made of the HfO 2 film 18 is not a dummy gate structure forming process, so the number of etching processes is reduced. Etching damage can be avoided.
ここで、実施例1及び実施例2を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を開示する。
(付記1) nチャネル絶縁ゲートトランジスタとpチャネル絶縁ゲートトランジスタとを有する半導体装置であって、前記nチャネル絶縁ゲートトランジスタのSiO2より誘電率の高い第1のゲート絶縁膜と、TiN膜、或いは、TiN膜が前記第1のゲート絶縁膜側となるTiN膜/多結晶シリコン膜構造のいずれかである第1金属ゲート電極との間にアルミニウム膜を有するとともに、前記pチャネル絶縁ゲートトランジスタのSiO2より誘電率の高い第2のゲート絶縁膜と第2金属ゲート電極との間に酸化アルミニウム膜を有することを特徴とする半導体装置。
(付記2) 前記SiO2より誘電率の高いゲート絶縁膜が、少なくともハフニウムを含有することを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
(付記3) 前記アルミニウム膜の膜厚が、0.5原子層乃至2原子層であることを特徴とする付記1または付記2に記載の半導体装置。
(付記4) 半導体基板にn型領域及びp型領域を形成する工程と、前記n型領域及び前記p型領域の表面にSiO2より誘電率の高いゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にアルミニウム膜を形成する工程と、前記アルミニウム膜上に第1金属ゲート膜を形成する工程と、前記n型領域上に設けた前記第1金属ゲート膜を選択的に除去し、前記n型領域上に設けた前記アルミニウム膜を選択的に露出させる工程と、露出した前記アルミニウム膜を酸化して酸化アルミニウム膜にする工程と、前記酸化アルミニウム膜上に第2金属ゲート膜を形成する工程とを少なくとも有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記5) 前記ゲート絶縁膜と前記アルミニウム膜の形成工程が前記ゲート絶縁膜と前記アルミニウム膜を順次積層する工程であり、前記n型領域上に設けた前記アルミニウム膜を選択的に露出させる工程が、前記アルミニウム膜上に前記第1金属ゲート膜及び耐酸化膜を全面に形成したのち、前記n型領域上に設けた前記第1金属ゲート膜及び前記耐酸化膜を除去して前記アルミニウム膜を露出させる工程であることを特徴とする付記4に記載の半導体装置の製造方法。
(付記6) 前記アルミニウム膜を形成する工程が、前記ゲート絶縁膜上にダミーゲートを形成したのち、前記ダミーゲートをマスクの一部としてソース・ドレイン領域を形成し、次いで、層間絶縁膜を形成したのち前記ダミーゲートを除去し、次いで、前記ダミーゲートを除去した凹部を含めた全面にアルミニウム膜を形成する工程であり、前記n型領域上に設けた前記アルミニウム膜を選択的に露出させる工程が、前記アルミニウム膜上に前記凹部を埋め込むように前記第1金属ゲート膜と耐酸化膜を形成したのち、前記n型領域上に設けた前記第1金属ゲート膜及び前記耐酸化膜を除去して前記アルミニウム膜を露出させる工程であることを特徴とする付記5に記載の半導体装置の製造方法。
(付記7) 前記ダミーゲートが、前記ゲート絶縁膜側からTiN膜、多結晶シリコン膜、及び、耐酸化膜を順次積層したTiN膜/多結晶シリコン膜/耐酸化膜構造であることを特徴とする付記6に記載の半導体装置の製造方法。
(付記8) 前記SiO2より誘電率の高いゲート絶縁膜が、少なくともハフニウムを含有することを特徴とする付記4乃至付記7のいずれか1に記載の半導体装置の製造方法。(付記9) 前記アルミニウム膜の膜厚が、0.5原子層乃至2原子層であることを特徴とする付記4乃至付記8のいずれか1に記載の半導体装置の製造方法。
Here, the following supplementary notes are disclosed regarding the embodiment of the present invention including Example 1 and Example 2.
(Supplementary Note 1) A semiconductor device having an n-channel insulated gate transistor and a p-channel insulated gate transistor, the first gate insulating film having a higher dielectric constant than SiO 2 of the n-channel insulated gate transistor, and a TiN film, or The TiN film has an aluminum film between the TiN film / polycrystalline silicon film structure and the first metal gate electrode on the first gate insulating film side, and the p-channel insulated gate transistor SiO wherein a has 2 than the higher second gate insulating film having a dielectric constant of aluminum oxide between the second metal gate electrode.
(Supplementary note 2) The semiconductor device according to
(Supplementary note 3) The semiconductor device according to
(Appendix 4 ) Forming an n-type region and a p-type region in a semiconductor substrate, forming a gate insulating film having a dielectric constant higher than that of SiO 2 on the surfaces of the n-type region and the p-type region, and the gate A step of forming an aluminum film on the insulating film; a step of forming a first metal gate film on the aluminum film; and selectively removing the first metal gate film provided on the n-type region, a step of selectively exposing the aluminum film provided on the n-type region; a step of oxidizing the exposed aluminum film to form an aluminum oxide film; and forming a second metal gate film on the aluminum oxide film. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: at least a step.
(Supplementary Note 5 ) The step of forming the gate insulating film and the aluminum film is a step of sequentially laminating the gate insulating film and the aluminum film, and the step of selectively exposing the aluminum film provided on the n-type region However, after forming the first metal gate film and the oxidation resistant film on the entire surface of the aluminum film, the first metal gate film and the oxidation resistant film provided on the n-type region are removed to remove the aluminum film. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 4 , wherein the step of exposing the semiconductor device is performed.
(Appendix 6 ) In the step of forming the aluminum film, after forming a dummy gate on the gate insulating film, a source / drain region is formed using the dummy gate as a part of a mask, and then an interlayer insulating film is formed. Thereafter, the dummy gate is removed, and then an aluminum film is formed on the entire surface including the recess from which the dummy gate is removed, and the aluminum film provided on the n-type region is selectively exposed. However, after forming the first metal gate film and the oxidation resistant film so as to bury the recess on the aluminum film, the first metal gate film and the oxidation resistant film provided on the n-type region are removed. The method for manufacturing a semiconductor device according to
(Appendix 7 ) The dummy gate has a TiN film / polycrystalline silicon film / oxidation resistant film structure in which a TiN film, a polycrystalline silicon film, and an oxidation resistant film are sequentially laminated from the gate insulating film side. The manufacturing method of the semiconductor device according to appendix 6 .
(Supplementary note 8 ) The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of supplementary notes 4 to 7 , wherein the gate insulating film having a dielectric constant higher than that of SiO 2 contains at least hafnium. (Supplementary note 9 ) The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of supplementary notes 4 to 8 , wherein the aluminum film has a thickness of 0.5 atomic layer to 2 atomic layer.
1 nチャネル絶縁ゲート型トランジスタ
2 pチャネル絶縁ゲート型トランジスタ
3 ゲート絶縁膜
4 アルミニウム膜
5 酸化アルミニウム膜
6 ゲート電極
7 TiN膜
8 多結晶シリコン膜
11 p型シリコン基板
12 酸化膜
13 SiN膜
14 素子分離溝
15 埋込絶縁膜
16 p型ウエル領域
17 n型ウエル領域
18 HfO2膜
19 Al膜
20,24,38 TiN膜
21,25 SiN膜
23 Al2O3膜
26,42,43 レジストパターン
27,39 多結晶シリコン膜
28,31 サイドウォール
29 n型エクステンション領域
30 p型エクステンション領域
32 n+ 型ソース・ドレイン領域
33 p+ 型ソース・ドレイン領域
34〜37 Niシリサイド電極
40 カバー膜
41 層間絶縁膜
1 n-channel insulated gate transistor 2 p-channel insulated
Claims (4)
前記nチャネル絶縁ゲートトランジスタのSiO2より誘電率の高い第1のゲート絶縁膜と、TiN膜、或いは、TiN膜が前記第1のゲート絶縁膜側となるTiN膜/多結晶シリコン膜構造のいずれかである第1金属ゲート電極との間にアルミニウム膜を有するとともに、
前記pチャネル絶縁ゲートトランジスタのSiO2より誘電率の高い第2のゲート絶縁膜と第2金属ゲート電極との間に酸化アルミニウム膜を有することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having an n-channel insulated gate transistor and a p-channel insulated gate transistor,
A first gate insulating film having a dielectric constant higher than that of SiO 2 of the n-channel insulating gate transistor, and a TiN film or a TiN film / polycrystalline silicon film structure in which the TiN film is on the first gate insulating film side And having an aluminum film between the first metal gate electrode,
A semiconductor device comprising an aluminum oxide film between a second gate insulating film having a dielectric constant higher than SiO 2 of the p-channel insulated gate transistor and a second metal gate electrode.
前記n型領域及び前記p型領域の表面にSiO2より誘電率の高いゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にアルミニウム膜を形成する工程と、
前記アルミニウム膜上に第1金属ゲート膜を形成する工程と、
前記n型領域上に設けた前記第1金属ゲート膜を選択的に除去し、前記n型領域上に設けた前記アルミニウム膜を選択的に露出させる工程と、
露出した前記アルミニウム膜を酸化して酸化アルミニウム膜にする工程と、
前記酸化アルミニウム膜上に第2金属ゲート膜を形成する工程とを少なくとも有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an n-type region and a p-type region in a semiconductor substrate;
Forming a gate insulating film having a higher dielectric constant than SiO 2 on the surfaces of the n-type region and the p-type region;
Forming an aluminum film on the gate insulating film;
Forming a first metal gate film on the aluminum film;
Selectively removing the first metal gate film provided on the n-type region and selectively exposing the aluminum film provided on the n-type region;
Oxidizing the exposed aluminum film into an aluminum oxide film;
And forming a second metal gate film on the aluminum oxide film.
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