JP5464853B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、しきい値電圧が互いに異なる複数のＭＩＳ(Metal Insulator Semiconductor)トランジスタを有する半導体装置およびその製造方法に関するものである。
半導体装置の微細化に対応したゲート絶縁膜の薄膜化によって、ゲート絶縁膜のリーク電流が問題となってくる。これに対処するため、ゲート絶縁膜材料として高誘電率膜(Ｈｉｇｈ−ｋ膜）の導入が検討されている。この導入に際して、ＭＩＳトランジスタのしきい値電圧のピンニング現象が問題となり得る。これに対処するため、たとえば特開２００７−３２９２３７号公報（特許文献１）によれば、Ｈｆ系の高誘電率膜とゲート電極との界面にＡｌ系絶縁膜が挿入されている。
また高誘電率膜を有するＭＩＳトランジスタのしきい値電圧を制御するために、たとえば特開２００６−１３０９２号公報（特許文献２）によれば、ＭＩＳトランジスタのチャネル領域の不純物濃度が調整される。
特開２００７−３２９２３７号公報 特開２００６−１３０９２号公報
半導体装置の用途によっては、同一の半導体基板上に、しきい値電圧の絶対値が互いに異なる複数のＭＩＳトランジスタを混在させる必要がある。しきい値電圧の絶対値を不純物濃度の調整によって高めるためには、チャネル領域の不純物濃度を高める必要がある。しかしながらチャネル領域の不純物濃度が高くなると不純物散乱によって移動度が低下する。このため複数のＭＩＳトランジスタのうち、しきい値電圧の絶対値が大きい方のＭＩＳトランジスタの駆動電流が低下するという問題があった。
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、しきい値電圧の絶対値が互いに異なる複数のＭＩＳトランジスタが用いられる場合において、しきい値電圧の絶対値が大きい方のＭＩＳトランジスタの駆動電流の低下を抑制することができる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
本発明の一実施の形態における半導体装置の製造方法は、以下の工程を有する。
半導体基板上にｐ型不純物を注入することにより、ｐ型の導電型を有する第１および第２のｎＭＩＳチャネル領域が形成される。第１および第２のｎＭＩＳチャネル領域上に高誘電率膜が形成される。高誘電率膜のうち第１のｎＭＩＳチャネル領域上の部分を覆い、かつ高誘電率膜のうち第２のｎＭＩＳチャネル領域上の部分を露出するように、ランタンおよびマグネシウムの少なくともいずれかを含有するｎＭＩＳキャップ膜が形成される。第１のｎＭＩＳチャネル領域上に高誘電率膜およびｎＭＩＳキャップ膜を介して第１のｎＭＩＳ金属電極が形成され、かつ第２のｎＭＩＳチャネル領域上に高誘電率膜を介して第２のｎＭＩＳ金属電極が形成される。ｎＭＩＳキャップ膜に含有されるランタンおよびマグネシウムの少なくともいずれかが高誘電率膜の第１のｎＭＩＳチャネル領域上の部分に拡散される。
本発明の他の実施の形態における半導体装置の製造方法は、以下の工程を有する。
半導体基板上にｎ型不純物を注入することにより、ｎ型の導電型を有する第１および第２のｐＭＩＳチャネル領域が形成される。
第１および第２のｐＭＩＳチャネル領域上に高誘電率膜が形成される。
高誘電率膜のうち第１のｐＭＩＳチャネル領域上の部分を覆い、かつ高誘電率膜のうち第２のｐＭＩＳチャネル領域上の部分を露出するように、アルミニウムを含有するｐＭＩＳキャップ膜が形成される。
第１のｐＭＩＳチャネル領域上に高誘電率膜およびｐＭＩＳキャップ膜を介して第１のｐＭＩＳ金属電極が形成され、かつ第２のｐＭＩＳチャネル領域上に高誘電率膜を介して第２のｐＭＩＳ金属電極が形成される。
ｐＭＩＳキャップ膜に含有されるアルミニウムが高誘電率膜の第１のｐＭＩＳチャネル領域上の部分に拡散される。
本発明の一実施の形態における半導体装置およびその製造方法によれば、第２のｎＭＩＳ高誘電率膜におけるランタン原子濃度およびマグネシウム原子濃度の和は第１のｎＭＩＳ高誘電率膜におけるランタン原子濃度およびマグネシウム原子濃度の和よりも小さい。これにより、第１のｎＭＩＳ高誘電率膜を有する第１のｎＭＩＳトランジスタのしきい値電圧の絶対値に比して、第２のｎＭＩＳ高誘電率膜を有する第２のｎＭＩＳトランジスタのしきい値電圧の絶対値を、チャネル領域の不純物濃度を高めなくても大きくすることができる。よって第１のｎＭＩＳトランジスタのしきい値電圧の絶対値に比して第２のｎＭＩＳトランジスタのしきい値電圧の絶対値を大きくしつつ、第２のｎＭＩＳトランジスタの駆動電流の低下を抑制することができる。
本発明の他の実施の形態における半導体装置およびその製造方法によれば、第２のｐＭＩＳ高誘電率膜におけるアルミニウム原子濃度は第１のｐＭＩＳ高誘電率膜におけるアルミニウム原子濃度よりも小さい。これにより、第１のｐＭＩＳ高誘電率膜を有する第１のｐＭＩＳトランジスタのしきい値電圧の絶対値に比して、第２のｐＭＩＳ高誘電率膜を有する第２のｐＭＩＳトランジスタのしきい値電圧の絶対値を、チャネル領域の不純物濃度を高めなくても大きくすることができる。よって第１のｐＭＩＳトランジスタのしきい値電圧の絶対値に比して第２のｐＭＩＳトランジスタのしきい値電圧の絶対値を大きくしつつ、第２のｐＭＩＳトランジスタの駆動電流の低下を抑制することができる。
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。
図１を参照して、本実施の形態の半導体装置１００ｎは、第１および第２のｎＭＩＳトランジスタＴ１ｎ、Ｔ２ｎを有する。第１および第２のｎＭＩＳトランジスタＴ１ｎ、Ｔ２ｎは、半導体基板ＳＢ上において素子分離のためのシリコン酸化膜５１によって互いに分離されている。第１および第２のｎＭＩＳトランジスタＴ１ｎ、Ｔ２ｎのそれぞれは、第１および第２のｎＭＩＳしきい値電圧を有する。この第２のｎＭＩＳしきい値電圧の絶対値は、第１のｎＭＩＳしきい値電圧の絶対値よりも大きい。
第１のｎＭＩＳトランジスタＴ１ｎは、第１のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ１と、第１のｎＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｎと、第１のｎＭＩＳ金属電極Ｍ１ｎと、ゲートポリシリコン層ＧＰＳと、１対のｎ型ソースドレイン領域ＳＤｎと、ｎ型ソースドレインエクステンションＥＸｎと、ニッケルシリサイド層ＳＣｇ、ＳＣｓと、オフセットスペーサＯＳと、シリコン酸化膜ＳＯと、シリコン窒化膜ＳＮとを有する。
第２のｎＭＩＳトランジスタＴ２ｎは、第２のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ２と、第２のｎＭＩＳ高誘電率膜Ｈ２ｎと、第２のｎＭＩＳ金属電極Ｍ２ｎと、ゲートポリシリコン層ＧＰＳと、１対のｎ型ソースドレイン領域ＳＤｎと、ｎ型ソースドレインエクステンションＥＸｎと、ニッケルシリサイド層ＳＣｇ、ＳＣｓと、オフセットスペーサＯＳと、シリコン酸化膜ＳＯと、シリコン窒化膜ＳＮとを有する。
第１および第２のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ１、Ｃｎ２は、ｎチャネルを形成するためにｐ型不純物が添加された領域であって、半導体基板ＳＢ上に設けられている。好ましくは、第１および第２のｎチャネル領域Ｃｎ１、Ｃｎ２の各々の不純物濃度は同じである。
第１および第２のｎＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｎ、Ｈ２ｎのそれぞれは、第１および第２のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ１、Ｃｎ２上に設けられたＨｆ系絶縁膜である。Ｈｆ系絶縁膜は、たとえばＨｆＯ2またはＨｆＳｉＯＮを主成分としている。第１のｎＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｎは、ランタンおよびマグネシウムの少なくともいずれかを含有する。第２のｎＭＩＳ高誘電率膜Ｈ２ｎにおけるランタン原子濃度およびマグネシウム原子濃度の和は、第１のｎＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｎにおけるランタン原子濃度およびマグネシウム原子濃度の和よりも小さい。好ましくは、第２のｎＭＩＳ高誘電率膜Ｈ２ｎは、ランタンおよびマグネシウムのいずれも含有しない。
第１および第２のｎＭＩＳ金属電極Ｍ１ｎ、Ｍ２ｎのそれぞれは、第１および第２のｎＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｎ、Ｈ２ｎの上に設けられている。第１および第２のｎＭＩＳ金属電極Ｍ１ｎ、Ｍ２ｎは、好ましくは一の材料からなり、たとえばＴｉＮ（窒化チタン）からなる。
次に半導体装置１００ｎの製造方法について説明する。図２〜図５のそれぞれは、本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第１〜第４工程を概略的に示す部分断面図である。
図２を参照して、半導体基板ＳＢ上にｐ型不純物を注入することにより、ｐ型の導電型を有する第１および第２のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ１、Ｃｎ２が形成される。好ましくは、第１および第２のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ１、Ｃｎ２は同時に形成される。このように第１および第２のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ１、Ｃｎ２が同時に形成される場合、結果として、第１および第２のｎチャネル領域Ｃｎ１、Ｃｎ２の各々の不純物濃度は同じとなる。
図３を参照して、第１および第２のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ１、Ｃｎ２上に高誘電率膜ＨＫが形成される。高誘電率膜ＨＫは、シリコン酸化膜に比して高い誘電率を有するＨｆ系の絶縁膜である。
図４を参照して、高誘電率膜ＨＫのうち第１のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ１上の部分を覆い、かつ高誘電率膜ＨＫのうち第２のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ２上の部分を露出するように、ｎＭＩＳキャップ膜ＣＰｎが形成される。ｎＭＩＳキャップ膜ＣＰｎは、ランタンおよびマグネシウムの少なくともいずれかを含有する膜であり、たとえば酸化ランタン膜または酸化マグネシウム膜である。次に、金属層およびポリシリコン層が順に堆積される。この金属層は、第１および第２のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ１、Ｃｎ２のそれぞれの上においてｎＭＩＳキャップ膜ＣＰｎおよび高誘電率膜ＨＫと接するように堆積される。金属層の材料は、たとえばＴｉＮである。
図５を参照して、上記のポリシリコン層および金属層と、ｎＭＩＳキャップ膜ＣＰｎと、高誘電率膜ＨＫとのパターニングが行なわれる。
これにより、第１のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ１上において、高誘電率膜ＨＫがパターニングされることで形成された高誘電率膜ＨＫ１と、ｎＭＩＳキャップ膜ＣＰｎと、上記の金属層がパターニングされることで形成された第１のｎＭＩＳ金属電極Ｍ１ｎと、上記のポリシリコン層がパターニングされることで形成されたゲートポリシリコン層ＧＰＳとの積層体が形成される。また同時に、第２のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ１上において、高誘電率膜ＨＫがパターニングされることで形成された第２のｎＭＩＳ高誘電率膜Ｈ２ｎと、上記の金属層がパターニングされることで形成された第２のｎＭＩＳ金属電極Ｍ２ｎと、上記のポリシリコン層がパターニングされることで形成されたゲートポリシリコン層ＧＰＳとの積層体が形成される。
次にｎ型ソースドレインエクステンションＥＸｎおよびオフセットスペーサＯＳが形成される。
再び図１を参照して、シリコン酸化膜ＳＯ、シリコン窒化膜ＳＮが形成される。次にｎ型ソースドレイン領域ＳＤｎが形成される。次にニッケルシリサイド層ＳＣｇ、ＳＣｓが形成される。このニッケルシリサイド層ＳＣｇ、ＳＣｓの形成にともなう熱処理、または別途の熱処理によって、ｎＭＩＳキャップ膜ＣＰｎ（図５）が高誘電率膜ＨＫ１に拡散されることで、第１のｎＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｎが形成される。すなわちｎＭＩＳキャップ膜ＣＰｎに含有されるランタンおよびマグネシウムの少なくともいずれかが、高誘電率膜ＨＫ１（図５）、すなわち高誘電率膜ＨＫ（図４）の第１のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ１上の部分に拡散される。
以上により本実施の形態の半導体装置１００ｎが製造される。
図６は、本発明の実施の形態１に対する比較例における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。図６を参照して、比較例の半導体装置１００ｎＺにおいてｎＭＩＳトランジスタＴＬｎＺおよびＴＨｎＺの各々は高誘電率膜ＨＣｎを有する。ｎＭＩＳトランジスタＴＨｎＺのしきい値をｎＭＩＳトランジスタＴＬｎＺのしきい値よりも大きくするために、ｎＭＩＳトランジスタＴＨｎＺのチャネル領域ＣＨｎの不純物濃度は、ｎＭＩＳトランジスタＴＬｎＺのチャネル領域ＣＬｎの不純物濃度よりも高くされている。このためチャネル領域ＣＨｎにおいては不純物散乱の増大にともなう移動度の低下が生じる。これによりｎＭＩＳトランジスタＴＨｎＺの駆動電流が低下してしまう。
本実施の形態によれば、第１のｎＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｎには、ｎＭＩＳキャップ膜ＣＰｎから、ランタンおよびマグネシウムの少なくともいずれかの原子が拡散される。この結果、第１のｎＭＩＳトランジスタＴ１ｎにおける第１のｎＭＩＳ金属電極Ｍ１ｎの仕事関数が低減される。具体的には仕事関数が、上記拡散がない状態の値である４．５０ｅＶ程度から、４．０５ｅＶに近づくように低減される。この結果、第１のｎＭＩＳトランジスタＴ１ｎのしきい値電圧の絶対値が低減される。
一方、第１のｎＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｎと異なり、第２のｎＭＩＳ高誘電率膜Ｈ２ｎにはランタンおよびマグネシウムのいずれの原子も拡散されない。よって第２のｎＭＩＳ高誘電率膜Ｈ２ｎにおけるランタン原子濃度およびマグネシウム原子濃度の和は第１のｎＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｎにおけるランタン原子濃度およびマグネシウム原子濃度の和よりも小さい。この結果、第１のｎＭＩＳ金属電極Ｍ１ｎに比して第２のｎＭＩＳ金属電極Ｍ２ｎの仕事関数は大きくなる。これにより第２のｎＭＩＳトランジスタＴ２ｎのしきい値電圧の絶対値は、第１のｎＭＩＳトランジスタＴ１ｎのしきい値電圧の絶対値よりも大きくなる。
すなわち第２のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ２のチャネル濃度を高くしなくても、第２のｎＭＩＳトランジスタＴ２ｎのしきい値電圧の絶対値を大きくすることができる。これにより、不純物散乱の増大にともなう移動度の低下を避けつつ、第２のｎＭＩＳトランジスタＴ２ｎのしきい値電圧の絶対値を大きくすることができる。よって第１のｎＭＩＳトランジスタＴ１ｎのしきい値電圧の絶対値に比して第２のｎＭＩＳトランジスタＴ２ｎのしきい値電圧の絶対値を大きくしつつ、第２のｎＭＩＳトランジスタＴ２ｎの駆動電流の低下を抑制することができる。
また本実施の形態によれば、第１および第２のｎＭＩＳトランジスタＴ１ｎ、Ｔ２ｎの各々のしきい値電圧を相違させつつ、第１および第２のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ１、Ｃｎ２を同時に形成することができる。よって第１および第２のｎＭＩＳチャネル領域Ｃｎ１、Ｃｎ２の形成工程を簡略化することができる。
（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。
図７を参照して、本実施の形態の半導体装置１００ｐは、第１および第２のｐＭＩＳトランジスタＴ１ｐ、Ｔ２ｐを有する。第１および第２のｐＭＩＳトランジスタＴ１ｐ、Ｔ２ｐは、半導体基板ＳＢ上において素子分離のためのシリコン酸化膜５１によって互いに分離されている。第１および第２のｐＭＩＳトランジスタＴ１ｐ、Ｔ２ｐのそれぞれは、第１および第２のｐＭＩＳしきい値電圧を有する。この第２のｐＭＩＳしきい値電圧の絶対値は第１のｐＭＩＳしきい値電圧の絶対値よりも大きい。
第１のｐＭＩＳトランジスタＴ１ｐは、第１のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ１と、第１のｐＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｐと、第１のｐＭＩＳ金属電極Ｍ１ｐと、ゲートポリシリコン層ＧＰＳと、１対のｐ型ソースドレイン領域ＳＤｐと、ｐ型ソースドレインエクステンションＥＸｐと、ニッケルシリサイド層ＳＣｇ、ＳＣｓと、オフセットスペーサＯＳと、シリコン酸化膜ＳＯと、シリコン窒化膜ＳＮとを有する。
第２のｐＭＩＳトランジスタＴ２ｐは、第２のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ２と、第２のｐＭＩＳ高誘電率膜Ｈ２ｐと、第２のｐＭＩＳ金属電極Ｍ２ｐと、ゲートポリシリコン層ＧＰＳと、１対のｐ型ソースドレイン領域ＳＤｐと、ｐ型ソースドレインエクステンションＥＸｐと、ニッケルシリサイド層ＳＣｇ、ＳＣｓと、オフセットスペーサＯＳと、シリコン酸化膜ＳＯと、シリコン窒化膜ＳＮとを有する。
第１および第２のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ１、Ｃｐ２は、ｐチャネルを形成するためにｎ型不純物が添加された領域であって、半導体基板ＳＢ上に設けられている。好ましくは、第１および第２のｐチャネル領域Ｃｐ１、Ｃｐ２の各々の不純物濃度は同じである。
第１および第２のｐＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｐ、Ｈ２ｐのそれぞれは、第１および第２のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ１、Ｃｐ２上に設けられたＨｆ系絶縁膜である。第１のｐＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｐはアルミニウムを含有する。第２のｐＭＩＳ高誘電率膜Ｈ２ｐにおけるアルミニウム原子濃度は、第１のｐＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｐにおけるアルミニウム原子濃度よりも小さい。好ましくは、第２のｐＭＩＳ高誘電率膜Ｈ２ｐはアルミニウムを含有しない。
第１および第２のｐＭＩＳ金属電極Ｍ１ｐ、Ｍ２ｐのそれぞれは、第１および第２のｐＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｐ、Ｈ２ｐの上に設けられている。第１および第２のｐＭＩＳ金属電極Ｍ１ｐ、Ｍ２ｐは、好ましくは一の材料からなり、たとえばＴｉＮ（窒化チタン）からなる。
次に半導体装置１００ｐの製造方法について説明する。図８〜図１１のそれぞれは、本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の第１〜第４工程を概略的に示す部分断面図である。
図８を参照して、半導体基板ＳＢ上にｎ型不純物を注入することにより、ｎ型の導電型を有する第１および第２のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ１、Ｃｐ２が形成される。好ましくは、第１および第２のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ１、Ｃｐ２は同時に形成される。このように第１および第２のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ１、Ｃｐ２が同時に形成される場合、結果として、第１および第２のｐチャネル領域Ｃｐ１、Ｃｐ２の各々の不純物濃度は同じとなる。
図９を参照して、第１および第２のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ１、Ｃｐ２上に高誘電率膜ＨＫが形成される。高誘電率膜ＨＫは、シリコン酸化膜に比して高い誘電率を有するＨｆ系の絶縁膜である。
図１０を参照して、高誘電率膜ＨＫのうち第１のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ１上の部分を覆い、かつ高誘電率膜ＨＫのうち第２のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ２上の部分を露出するように、ｐＭＩＳキャップ膜ＣＰｐが形成される。ｐＭＩＳキャップ膜ＣＰｐは、アルミニウムを含有する膜であり、たとえば酸化アルミニウム膜である。次に、金属層およびポリシリコン層が順に堆積される。この金属層は、第１および第２のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ１、Ｃｐ２のそれぞれの上においてｐＭＩＳキャップ膜ＣＰｐおよび高誘電率膜ＨＫと接するように堆積される。金属層の材料は、たとえばＴｉＮである。
図１１を参照して、上記のポリシリコン層および金属層と、ｐＭＩＳキャップ膜ＣＰｐと、高誘電率膜ＨＫとのパターニングが行なわれる。
これにより、第１のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ１上において、高誘電率膜ＨＫがパターニングされることで形成された高誘電率膜ＨＫ１と、ｐＭＩＳキャップ膜ＣＰｐと、上記の金属層がパターニングされることで形成された第１のｐＭＩＳ金属電極Ｍ１ｐと、上記のポリシリコン層がパターニングされることで形成されたゲートポリシリコン層ＧＰＳとの積層体が形成される。また同時に、第２のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ１上において、高誘電率膜ＨＫがパターニングされることで形成された第２のｐＭＩＳ高誘電率膜Ｈ２ｐと、上記の金属層がパターニングされることで形成された第２のｐＭＩＳ金属電極Ｍ２ｐと、上記のポリシリコン層がパターニングされることで形成されたゲートポリシリコン層ＧＰＳとの積層体が形成される。
次にｐ型ソースドレインエクステンションＥＸｐおよびオフセットスペーサＯＳが形成される。
再び図７を参照して、シリコン酸化膜ＳＯ、シリコン窒化膜ＳＮが形成される。次にｐ型ソースドレイン領域ＳＤｐが形成される。次にニッケルシリサイド層ＳＣｇ、ＳＣｓが形成される。このニッケルシリサイド層ＳＣｇ、ＳＣｓの形成にともなう熱処理、または別途の熱処理によって、ｐＭＩＳキャップ膜ＣＰｐ（図１１）が高誘電率膜ＨＫ１に拡散されることで、第１のｐＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｐが形成される。すなわちｐＭＩＳキャップ膜ＣＰｐに含有されるアルミニウムが、高誘電率膜ＨＫ１（図１１）、すなわち高誘電率膜ＨＫ（図１０）の第１のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ１上の部分に拡散される。
以上により本実施の形態の半導体装置１００ｐが製造される。
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、第１のｐＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｐにはｐＭＩＳキャップ膜ＣＰｐからアルミニウム原子が拡散される。この結果、第１のｐＭＩＳトランジスタＴ１ｐにおける第１のｐＭＩＳ金属電極Ｍ１ｐの仕事関数が増大される。具体的には仕事関数が、上記拡散がない状態の値である４．５０ｅＶ程度から、５．１７ｅＶに近づくように増大される。この結果、第１のｐＭＩＳトランジスタＴ１ｐのしきい値電圧の絶対値が低減される。
一方、第１のｐＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｐと異なり、第２のｐＭＩＳ高誘電率膜Ｈ２ｐにはアルミニウム原子が拡散されない。よって第２のｐＭＩＳ高誘電率膜Ｈ２ｐにおけるアルミニウム原子濃度は第１のｐＭＩＳ高誘電率膜Ｈ１ｐにおけるアルミニウム原子濃度よりも小さい。この結果、第１のｐＭＩＳ金属電極Ｍ１ｐに比して第２のｐＭＩＳ金属電極Ｍ２ｐの仕事関数は小さくなる。これにより第２のｐＭＩＳトランジスタＴ２ｐのしきい値電圧の絶対値は、第１のｐＭＩＳトランジスタＴ１ｐのしきい値電圧の絶対値よりも大きくなる。
すなわち第２のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ２のチャネル濃度を高くしなくても、第２のｐＭＩＳトランジスタＴ２ｐのしきい値電圧の絶対値を大きくすることができる。これにより、不純物散乱の増大にともなう移動度の低下を避けつつ、第２のｐＭＩＳトランジスタＴ２ｐのしきい値電圧の絶対値を大きくすることができる。よって第１のｐＭＩＳトランジスタＴ１ｐのしきい値電圧の絶対値に比して第２のｐＭＩＳトランジスタＴ２ｐのしきい値電圧の絶対値を大きくしつつ、第２のｐＭＩＳトランジスタＴ２ｐの駆動電流の低下を抑制することができる。
また本実施の形態によれば、第１および第２のｐＭＩＳトランジスタＴ１ｐ、Ｔ２ｐの各々のしきい値電圧を相違させつつ、第１および第２のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ１、Ｃｐ２を同時に形成することができる。よって第１および第２のｐＭＩＳチャネル領域Ｃｐ１、Ｃｐ２の形成工程を簡略化することができる。
（実施の形態３）
図１２は、本発明の実施の形態３における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。図１２を参照して、本実施の形態の半導体装置１００ｃは、実施の形態２の半導体装置１００ｐの構成に加えて、実施の形態１における第１および第２のｎＭＩＳトランジスタＴ１ｎ、Ｔ２ｎをさらに有する。
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１または２の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、実施の形態１および２の各々と同様の効果が得られる。またｎＭＩＳ構造およびｐＭＩＳ構造を共に有するＣＭＩＳ構造を形成することができる。
（実施の形態４）
図１３は、本発明の実施の形態４における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。図１３を参照して、本実施の形態の半導体装置１００ｃＶは、実施の形態２の半導体装置１００ｐの構成に加えて、実施の形態１における第１のｎＭＩＳトランジスタＴ１ｎと、第２のｎＭＩＳトランジスタＴ２ｎＶとをさらに有する。第２のｎＭＩＳトランジスタＴ２ｎＶは、実施の形態１における第１のｎＭＩＳトランジスタＴ１ｎと同様の構成を有する。
なお、上記以外の構成については、上述した実施の形態１または２の構成とほぼ同じであるため、同一または対応する要素について同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。
本実施の形態によれば、実施の形態２と同様の効果が得られる。またｎＭＩＳ構造およびｐＭＩＳ構造を共に有するＣＭＩＳ構造を形成することができる。また実施の形態３と異なり、ｎＭＩＳキャップ膜ＣＰｎ（図４）を形成する工程が不要である。
（実施の形態５）
図１４は、本発明の実施の形態５における半導体装置としての半導体記憶装置の構成を概略的に示すブロック図である。
図１４を参照して、本実施の形態の半導体装置としての半導体記憶装置であるＳＲＡＭ(Static Random Access Memory)装置１００ｓは、メモリアレイＭＲおよび周辺回路部を有する。周辺回路部は、制御回路７０と、ワードドライバ６０と、列選択回路／入出力制御回路６５とを有する。
メモリアレイＭＲは、行列状に集積配置された複数のメモリセルＭＣ（セル部）と、行方向（Ｘ方向）に沿った複数のワード線ＷＬと、列方向（Ｙ方向）に沿った複数のビット線ＢＬとを有する。メモリセルＭＣは、情報を記憶するための単位構造である。
制御回路７０は、アドレスＡＤＤおよび制御信号ＣＴの入力に基づいてＳＲＡＭ装置１００ｓ全体を制御し、ワードドライバ６０および列選択回路／入出力制御回路６５に対して必要な指示あるいは制御を実行する。ワードドライバ６０は、ワード線ＷＬを駆動して選択された行のメモリセルＭＣに対するアクセスを実行する。また列選択回路／入出力制御回路６５は、制御回路７０からの指示に応答してメモリアレイＭＲの列選択を実行し、ビット線ＢＬの列選択動作を実行して、たとえばデータ書込時においては、入力データＤＩＮに基づいてビット線ＢＬを所定の論理レベルに駆動してデータ書込を実行する。また、データ読出時においては、ビット線ＢＬを介して選択されたメモリセルＭＣに流れる読出電流に基づいて選択されたメモリセルＭＣが保持していた出力データＤＯＵＴを生成して出力する。
図１５は、図１４の半導体記憶装置におけるメモリセルの構成を概略的に示す等価回路図である。
図１５を参照して、ある１つのメモリセルＭＣは、複数のビット線ＢＬ（図１４）に含まれる相補型データ線１０７、１０８と、複数のワード線ＷＬ（図１４）に含まれるワード線１０９との交差部に配置されている。メモリセルＭＣは、１対のインバータ回路からなるフリップフロップ回路と、１対のアクセストランジスタＱ３、Ｑ４とで構成されている。
フリップフロップ回路は、クロスカップリングされた２つの記憶ノードＮ１、Ｎ２を構成している。記憶ノードＮ１およびＮ２は、一方がＨｉｇｈかつ他方がＬｏｗの双安定状態を有する。この双安定状態は、メモリセルＭＣに所定の電源電圧を与え続けることによって保持し続けることができる。
１対のアクセストランジスタＱ３、Ｑ４の各々は、ＭＯＳトランジスタである。アクセストランジスタＱ３のソース／ドレイン領域の一方が記憶ノードＮ１に接続されており、ソース／ドレイン領域の他方はビット線１０７に接続されている。またアクセストランジスタＱ４のソース／ドレイン領域の一方は記憶ノードＮ２に接続されており、ソース／ドレイン領域の他方はビット線１０８に接続されている。またアクセストランジスタＱ３、Ｑ４の各々のゲートはワード線１０９に接続されている。これによりワード線１０９によってアクセストランジスタＱ３、Ｑ４の導通、非導通状態を制御することができる。
インバータ回路は１個のドライバトランジスタＱ１（またはＱ２）および１個の負荷トランジスタＱ５（またはＱ６）で構成されている。１対のドライバトランジスタＱ１、Ｑ２の各々は、ＭＯＳトランジスタである。１対のドライバトランジスタＱ１、Ｑ２のソース領域のそれぞれはＧＮＤ（接地電位）１１２および１１３の各々に接続されている。またドライバトランジスタＱ１のドレイン領域は記憶ノードＮ１に接続されており、ドライバトランジスタＱ２のドレイン領域は記憶ノードＮ２に接続されている。さらにドライバトランジスタＱ１のゲートは記憶ノードＮ２に接続されており、ドライバトランジスタＱ２のゲートは記憶ノードＮ１に接続されている。
負荷トランジスタＱ５、Ｑ６の各々はＭＯＳトランジスタである。負荷トランジスタＱ５、Ｑ６のそれぞれのソース領域は、Ｖｃｃ電源１１０、１１１に接続されている。また負荷トランジスタＱ５、Ｑ６のそれぞれのドレイン領域は記憶ノードＮ１、Ｎ２に接続されている。また負荷トランジスタＱ５のゲートは、ドライバトランジスタＱ１のゲートとドライバトランジスタＱ２のドレイン領域とに接続されている。また負荷トランジスタＱ６のゲートはドライバトランジスタＱ２のゲートとドライバトランジスタＱ１のドレイン領域とに接続されている。
このように、１対のインバータ回路をクロスカップリングさせることによりフリップフロップ回路が形成されている。
メモリセルＭＣにデータを書込むときは、ワード線１０９を選択してアクセストランジスタＱ３、Ｑ４を導通させ、所望の論理値に応じてビット線対１０７、１０８を強制的に電圧印加することにより、フリップフロップ回路の双安定状態がいずれかに設定される。またメモリセルＭＣからデータを読出すときは、アクセストランジスタＱ３、Ｑ４を導通させることで、記憶ノードＮ１、Ｎ２の電位がビット線１０７、１０８に伝達される。
トランジスタＱ１〜Ｑ６の各々は、実施の形態１および２において説明した第２のｎＭＩＳトランジスタＴ２ｎおよび第２のｐＭＩＳトランジスタＴ２ｐのいずれかと同様の構成を有する。また周辺回路部（図１４におけるメモリアレイＭＲ以外の部分）が有するトランジスタは、実施の形態１および２において説明した第１のｎＭＩＳトランジスタＴ１ｎおよび第１のｐＭＩＳトランジスタＴ１ｐの少なくともいずれかを含む。
本実施の形態によれば、トランジスタＱ１〜Ｑ６のしきい値電圧の絶対値をメモリアレイＭＲの動作上十分に大きな値としつつ、周辺回路部のしきい値電圧の絶対値を抑制することで半導体記憶装置を高速化することができる。
また特に微細化が求められる領域であるメモリアレイＭＲ領域において、第１および第２のｎＭＩＳトランジスタＴ１ｎ、Ｔ２ｎを作り分ける必要がなく、また第１および第２のｐＭＩＳトランジスタＴ１ｐ、Ｔ２ｐを作り分ける必要がない。よってこれらの作り分けにともなう半導体記憶装置の集積度の低下を抑制しつつ、上記の効果を得ることができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明は、しきい値電圧が互いに異なる複数のＭＩＳトランジスタを有する半導体装置およびその製造方法に特に有利に適用され得る。
本発明の実施の形態１における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第１工程を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第２工程を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第３工程を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態１における半導体装置の製造方法の第４工程を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態１に対する比較例における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の第１工程を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の第２工程を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の第３工程を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態２における半導体装置の製造方法の第４工程を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態３における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態４における半導体装置の構成を概略的に示す部分断面図である。 本発明の実施の形態５における半導体装置としての半導体記憶装置の構成を概略的に示すブロック図である。 図１４の半導体記憶装置におけるメモリセルの構成を概略的に示す等価回路図である。
符号の説明
ＣＰｎ ｎＭＩＳキャップ膜、ＣＰｐ ｐＭＩＳキャップ膜、Ｃｎ１ 第１のｎＭＩＳチャネル領域、Ｃｎ２ 第２のｎＭＩＳチャネル領域、Ｃｐ１ 第１のｐＭＩＳチャネル領域、Ｃｐ２ 第２のｐＭＩＳチャネル領域、ＨＫ，ＨＫ１ 高誘電率膜、Ｈ１ｎ 第１のｎＭＩＳ高誘電率膜、Ｈ２ｎ 第２のｎＭＩＳ高誘電率膜、Ｈ１ｐ 第１のｐＭＩＳ高誘電率膜、Ｈ２ｐ 第２のｐＭＩＳ高誘電率膜、Ｍ１ｎ 第１のｎＭＩＳ金属電極、Ｍ２ｎ 第２のｎＭＩＳ金属電極、Ｍ１ｐ 第１のｐＭＩＳ金属電極、Ｍ２ｐ 第２のｐＭＩＳ金属電極、Ｑ１〜Ｑ６ トランジスタ、ＳＢ 半導体基板、Ｔ１ｎ 第１のｎＭＩＳトランジスタ、Ｔ２ｎ 第２のｎＭＩＳトランジスタ、Ｔ１ｐ 第１のｐＭＩＳトランジスタ、Ｔ２ｐ 第２のｐＭＩＳトランジスタ、１００ｃ，１００ｃＶ，１００ｎ，１００ｐ 半導体装置、１００ｓ ＳＲＡＭ装置。

Claims (6)

  1. 半導体基板上にｐ型不純物を注入することにより、ｐ型の導電型を有する第１および第２のｎＭＩＳチャネル領域を形成する工程と、
    前記第１および第２のｎＭＩＳチャネル領域上に高誘電率膜を形成する工程と、
    前記高誘電率膜のうち前記第１のｎＭＩＳチャネル領域上の部分を覆い、かつ前記高誘電率膜のうち前記第２のｎＭＩＳチャネル領域上の部分を露出するように、ランタンおよびマグネシウムの少なくともいずれかを含有するｎＭＩＳキャップ膜を形成する工程と、 前記第１のｎＭＩＳチャネル領域上に前記高誘電率膜および前記ｎＭＩＳキャップ膜を介して第１のｎＭＩＳ金属電極を形成し、かつ前記第２のｎＭＩＳチャネル領域上に前記高誘電率膜を介して第２のｎＭＩＳ金属電極を形成する工程と、
    前記ｎＭＩＳキャップ膜に含有されるランタンおよびマグネシウムの少なくともいずれかを前記高誘電率膜の前記第１のｎＭＩＳチャネル領域上の部分に拡散させる工程とを備えた、半導体装置の製造方法。
  2. 前記第１および第２のｎＭＩＳ金属電極は一の材料からなる、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第１および第２のｎＭＩＳチャネル領域を形成する工程は、前記第１および第２のｎＭＩＳチャネル領域の各々を同時に形成することにより行なわれる、請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 半導体基板上にｎ型不純物を注入することにより、ｎ型の導電型を有する第１および第２のｐＭＩＳチャネル領域を形成する工程と、
    前記第１および第２のｐＭＩＳチャネル領域上に高誘電率膜を形成する工程と、
    前記高誘電率膜のうち前記第１のｐＭＩＳチャネル領域上の部分を覆い、かつ前記高誘電率膜のうち前記第２のｐＭＩＳチャネル領域上の部分を露出するように、アルミニウムを含有するｐＭＩＳキャップ膜を形成する工程と、
    前記第１のｐＭＩＳチャネル領域上に前記高誘電率膜および前記ｐＭＩＳキャップ膜を介して第１のｐＭＩＳ金属電極を形成し、かつ前記第２のｐＭＩＳチャネル領域上に前記高誘電率膜を介して第２のｐＭＩＳ金属電極を形成する工程と、
    前記ｐＭＩＳキャップ膜に含有されるアルミニウムを前記高誘電率膜の前記第１のｐＭＩＳチャネル領域上の部分に拡散させる工程とを備えた、半導体装置の製造方法。
  5. 前記第１および第２のｐＭＩＳ金属電極は一の材料からなる、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記第１および第２のｐＭＩＳチャネル領域を形成する工程は、前記第１および第２のｐＭＩＳチャネル領域の各々を同時に形成することにより行なわれる、請求項４または５に記載の半導体装置の製造方法。
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