KR100650758B1 - Method for forming gate of semiconductor device - Google Patents

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Abstract

A method for forming a gate of a semiconductor device is provided to reduce the effective thickness of a gate oxide layer by using a TaHfO dielectric film with high permittivity as the gate oxide layer. A semiconductor substrate(1) having an isolation layer(2) is prepared. A silicon-based oxide layer(3) is formed on the substrate. A TaHfO layer(4) as a gate oxide layer is formed on the silicon-based oxide layer. The resultant structure is treated by N2O plasma and annealed under a high temperature. A barrier metal film(5) and a gate metal film(6) are sequentially formed on the resultant structure. By patterning the gate metal film, the barrier metal film, the TaHfO layer and the silicon-based oxide layer, a gate(8) is then formed.

Description

반도체 소자의 게이트 형성방법{METHOD FOR FORMING GATE OF SEMICONDUCTOR DEVICE}METHOOD FOR FORMING GATE OF SEMICONDUCTOR DEVICE

도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 소자의 게이트 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도.1A to 1D are cross-sectional views illustrating processes for forming a gate of a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 TaHfO막 증착 과정을 설명하기 위한 도면.2 is a view for explaining a TaHfO film deposition process according to the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

1 : 반도체 기판 2 : 소자분리막1 semiconductor substrate 2 device isolation film

3 : 실리콘계 산화막 4 : TaHfO막3: silicon oxide film 4: TaHfO film

5 : 베리어 금속막 6 : 게이트용 금속막5: Barrier Metal Film 6: Gate Metal Film

7 : 마스크패턴 8 : 게이트7: mask pattern 8: gate

본 발명은 반도체 소자의 제조방법에 관한 것으로, 특히, 반도체 소자의 게이트 형성방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly, to a method for forming a gate of a semiconductor device.

반도체 소자의 집적도가 급격하게 증가되는 추세에서, 모스팻(MOSFET) 소자의 게이트 도전막으로 주로 사용되어온 폴리실리콘막 또는 폴리사이드막으로는 미 세 선폭에서 요구되는 저저항값을 구현하는데 한계가 있는 바, 새로운 물질 및 구조의 게이트에 대한 개발이 필요하게 되었고, 그래서, 금속 게이트에 대한 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있다. As the degree of integration of semiconductor devices is rapidly increasing, polysilicon films or polyside films, which are mainly used as gate conductive films of MOSFET devices, have limitations in implementing low resistance values required for fine line widths. There is a need for development of gates of new materials and structures, and thus, research and development on metal gates is actively underway.

한편, 상기 게이트 도전막 뿐 아니라, 게이트 절연막의 경우도 고집적화가 진행됨에 따라 그 구성 재료의 개선이 요구되고 있다. 일반적으로, 모스팻(MOSFET) 소자의 게이트 절연막 재료로는 열산화에 의한 실리콘 산화막(SiO2)이 이용되어져 왔다. 그런데, 반도체 소자의 집적도가 증가되면서, 게이트 절연막의 두께 감소가 함께 요구되고 있는데, 게이트 절연막의 재료로서 실리콘 산화막이 이용되는 경우, 게이트 절연막의 두께가 너무 얇아지게 되면, 상기 게이트 절연막을 통해 다이렉트 터널링(direct tunneling)에 의한 누설 전류가 커지기 때문에, 결과적으로, 소자 특성이 안정적이지 못하게 된다. On the other hand, not only the gate conductive films but also the gate insulating films are required to improve their constituent materials as high integration proceeds. In general, a silicon oxide film (SiO 2) by thermal oxidation has been used as a gate insulating film material of a MOSFET. However, as the degree of integration of semiconductor devices is increased, the thickness of the gate insulating film is required to be reduced. When the silicon oxide film is used as a material of the gate insulating film, if the thickness of the gate insulating film becomes too thin, direct tunneling through the gate insulating film is performed. Since leakage current due to direct tunneling becomes large, the device characteristics become unstable as a result.

그러나, 실리콘 산화막(SiO2) 보다 유전율이 큰 고유전 물질을 게이트 절연막 재료로 적용할 때, 실리콘 산화막(SiO2)을 사용하는 경우와 비교하여 유효 두께를 현저히 낮출 수 있게 된다. 그러므로, 고집적 소자에 적용할 수 있는 고유전 물질을 게이트 절연막 재료로 이용하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있고, 그 예로서, HfO2(ε=20) 또는 Ta2O5(ε=25)막 등의 고유전 물질에 대한 연구가 이루어지고 있다. However, when the high dielectric material having a higher dielectric constant than the silicon oxide film SiO2 is used as the gate insulating film material, the effective thickness can be significantly lowered compared with the case where the silicon oxide film SiO2 is used. Therefore, studies are actively underway to use a high dielectric material that can be applied to a highly integrated device as a gate insulating material. As an example, a high dielectric material such as an HfO 2 (ε = 20) or Ta2O5 (ε = 25) film is used. There is research into the material.

상기 HfO2 또는 Ta2O5 막은 SiO2에 비해 5∼6배 정도의 높은 유전율을 갖는 것과 관련해서 게이트 산화막의 유효 두께를 손쉽게 감소시킬 수 있으며, 그래서, 고집적 소자의 제조에 유리하게 적용할 수 있다.The HfO2 or Ta2O5 film can easily reduce the effective thickness of the gate oxide film in relation to having a dielectric constant of about 5 to 6 times higher than that of SiO2, and thus can be advantageously applied to the fabrication of highly integrated devices.

그러나, 상기 HfO2막은 그 물질 특성상 열적 안정성이 취약하고, Ta2O5 막은 높은 누설전류 특성을 갖는다는 문제점이 있다. 그러므로, 상기 HfO2 또는 Ta2O5막들을 게이트 절연막 물질로 적용하기 위해서는, 그 증착 후에 누설 전류 특성 및 막질 개선을 위한 열처리가 필수적으로 수행되어야 한다. 그런데, 상기 후속 열처리가 진행됨에 따라, 게이트 절연막과 실리콘 기판의 계면에 저유전율 물질인 SiOX, Hf1-XSiXO2막등이 형성됨으로써, 실질적으로 원하는 수준의 유효두께 감소 효과를 얻지 못한다.However, the HfO 2 film has a poor thermal stability due to its material property, and the Ta 2 O 5 film has a high leakage current characteristic. Therefore, in order to apply the HfO 2 or Ta 2 O 5 films as the gate insulating film material, a heat treatment for improving leakage current characteristics and film quality must be performed after the deposition. However, as the subsequent heat treatment proceeds, SiO x, Hf 1-X Si X O 2 films , such as low dielectric constant materials, are formed at the interface between the gate insulating film and the silicon substrate, so that an effective thickness reduction effect is not substantially obtained. .

또한, 금속계 게이트 전극에 상기 Ta2O5막을 게이트 절연막으로 적용할 때, 게이트 전극의 일함수(Work Funtion)가 크기 때문에 NMOS 영역의 문턱전압이 1V 이상이 나오고, 이러한 높은 문턱전압을 낮추기 위해 B(보론) 대신 P(인)를 이온주입해야 하였다. 그런데, 이 경우 NMOS 영역에 매몰채널(Buried Channel)이 형성되므로 여러 가지 문제점이 발생된다.In addition, when the Ta2O5 film is applied to the metal gate electrode as a gate insulating film, the work voltage of the gate electrode is large, so that the threshold voltage of the NMOS region is 1V or more, and B (boron) is used to lower the high threshold voltage. Instead, P (phosphorus) had to be ion implanted. However, in this case, since a buried channel is formed in the NMOS region, various problems occur.

결국, 상기 HfO2 또는 Ta2O5막을 게이트 산화막 물질로 적용함에 있어서, 종래 기술로는 유효 두께, 누설 전류 특성, 열적 안정성 및 문턱전압 조절의 용이성 모두를 만족시킬 수 없다. As a result, in applying the HfO2 or Ta2O5 film as a gate oxide material, the prior art cannot satisfy all of effective thickness, leakage current characteristics, thermal stability, and ease of threshold voltage control.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고유전 물질의 게이트 산화막 물질로의 적용시에 유효 두께, 누설 전류 특성, 열적 안정성 및 문턱전압 조절의 용이성 모두를 만족시킬 수 있는 게이트 형성 방법을 제공함에 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and can satisfy all of the effective thickness, leakage current characteristics, thermal stability, and ease of threshold voltage control when the high dielectric material is applied to the gate oxide material. The purpose is to provide a gate forming method.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 게이트 형성방법은, 소자분리막이 구비된 반도체 기판을 제공하는 단계; 상기 기판 상에 실리콘계 산화막을 형성하는 단계; 상기 실리콘계 산화막 상에 게이트 절연막으로서 TaHfO막을 형성하는 단계; 상기 기판 결과물을 N2O 플라즈마 처리하는 단계; 상기 기판 결과물을 고온 열처리하는 단계; 상기 기판 결과물 상에 베리어 금속막과 게이트용 금속막을 순차로 형성하는 단계; 및 상기 게이트용 금속막, 베리어 금속막, TaHfO막 및 실리콘계 산화막을 순차로 식각하는 단계;를 포함한다. The gate forming method of the present invention for achieving the above object comprises the steps of providing a semiconductor substrate provided with a device isolation film; Forming a silicon oxide film on the substrate; Forming a TaHfO film as a gate insulating film on the silicon oxide film; N 2 O plasma treatment of the substrate output; High temperature heat treatment of the substrate product; Sequentially forming a barrier metal film and a gate metal film on the substrate resultant; And sequentially etching the gate metal film, the barrier metal film, the TaHfO film, and the silicon oxide film.

여기서, 상기 실리콘계 산화막은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질산화막(SiON)으로 형성하되, RTP(Rapid Thermal Process : 이하, RTP) 방식으로 700∼1100℃ 온도에서 15Å이하 두께로 형성한다. Here, the silicon oxide film is formed of a silicon oxide film (SiO 2) or a silicon nitride oxide film (SiON), but is formed to a thickness of 15 Pa or less at a temperature of 700 to 1100 ° C. using a rapid thermal process (RTP) method.

상기 TaHfO막은 ALD 방법에 따라 300∼500℃의 온도에서 20∼500Å의 두께로 형성한다. The TaHfO film is formed to a thickness of 20 to 500 Pa at a temperature of 300 to 500 ° C. according to the ALD method.

여기서, 상기 ALD 방법을 이용한 TaHfO막의 증착은, Ta 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 TaXOY 박막 증착 싸이클(회수:n)과 Hf 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 HfXOY 박막 증착 싸이클(회수:m)을 n:m이 9:1 이하가 되도록 반복 수행하는 방식으로 진행하거나, 또는, Ta 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, Hf 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 TaHfO 박막 증착 싸이클을 Ta 소오스가스 플로우 및 퍼지 회수(n')와 Hf 소오스가스 플로우 및 퍼지 회수(m')를 n':m'이 9:1 비율 이하가 되도록 제어하면서 반복 수행하는 방식으로 진행한다. Here, the deposition of the TaHfO film using the ALD method, Ta X O Y thin film deposition cycle (recovery: n) and Hf source gas flow step, purge step of Ta source gas flow step, purge step, reaction gas flow step and purge step , Hf X O Y thin film deposition cycle (recovery: m) of the reaction gas flow step and the purge step is carried out in such a manner that n: m is less than 9: 1, or Ta source gas flow step, purge step The TaHfO thin film deposition cycles of the Hf source gas flow step, the purge step, the reactant gas flow step, and the purge step are the Ta source gas flow and the purge recovery (n ') and the Hf source gas flow and the purge recovery (m'). The control is repeated so that m 'is less than or equal to 9: 1.

이때, 상기 TaHfO막의 증착은 Ta의 소오스가스로 Ta(OC2H5)5를 사용하거나 Ta를 함유한 다른 유기금속화합물(Ta[N(CH3)2]5 등)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 O3(농도 : 200±20g/m3), 플라즈마 O2 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 여기서, 상기 소오스가스는 50∼500sccm을 플로우시키고, 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시킨다. In this case, the TaHfO film is deposited using Ta (OC2H5) 5 as the source gas of Ta or any one selected from the group consisting of other organometallic compounds (Ta [N (CH3) 2] 5, etc.) containing Ta. As the reaction gas, any one selected from the group consisting of O 3 (concentration: 200 ± 20 g / m 3), plasma O 2 and H 2 O vapor is used. Here, the source gas flows 50 to 500 sccm, and the reaction gas flows 0.1 to 1 slm.

또한, 상기 TaHfO막의 증착은 Hf의 소오스가스로 C16H36HfO4를 사용하거나 Hf를 함유한 다른 유기금속화합물(TDEAHf, TEMAHf 등)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 O3(농도 : 200±20g/m3), 플라즈마 O2 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 여기서, 상기 소오스가스는 50∼500sccm을 플로우시키고, 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시킨다. In addition, the TaHfO film is deposited using C16H36HfO4 as the source gas of Hf, or any one selected from the group consisting of other organometallic compounds (TDEAHf, TEMAHf, etc.) containing Hf, and reacting with O3 (concentration: 200). ± 20 g / m3), one selected from the group consisting of plasma O2 and H2O vapors. Here, the source gas flows 50 to 500 sccm, and the reaction gas flows 0.1 to 1 slm.

상기 TaHfO막의 N2O 플라즈마 처리는, TaHfO막내 유기물 및 질소를 제거하고 산소 결핍지역에 산소를 공급하여주기 위한 저온 어닐링 공정으로서, 100∼500W의 RF 전력을 갖는 플라즈마를 이용해서, 200∼500℃ 온도범위와 0.1∼10torr 압력범위에서, N2O 가스 분위기로 1∼5분 동안 진행한다. The N2O plasma treatment of the TaHfO film is a low temperature annealing process for removing organic matter and nitrogen in the TaHfO film and supplying oxygen to an oxygen deficient region, using a plasma having an RF power of 100 to 500 W, in a temperature range of 200 to 500 ° C. And in a pressure range of 0.1 to 10 torr, for 1 to 5 minutes in an N 2 O gas atmosphere.

상기 TaHfO막의 고온 열처리는, 비정질 TaHfO막의 결정화를 유도하여 궁극적으로 TaHfO막의 유전성을 향상시키기 위한 열처리 단계로서, N2 또는 O2/N2(O2/N2=0.1이하) 분위기에서 500∼900℃의 온도로 진행한다. The high temperature heat treatment of the TaHfO film is a heat treatment step for inducing crystallization of the amorphous TaHfO film and ultimately improving the dielectric property of the TaHfO film. do.

여기서, 상기 고온 열처리는 전기로를 이용하여 600∼800℃ 온도로 상기 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행하거나, RTP를 이용하여 500∼800℃ 온도로 상압(700∼760torr) 또는 감압(1∼100torr) 챔버내에서 상기 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행한다. Here, the high temperature heat treatment may be performed while flowing the selected gas at a temperature of 600 to 800 ° C. by 5 sccm to 5 slm using an electric furnace, or at atmospheric pressure (700 to 760 torr) or reduced pressure (1 to 1 ° C.) at a temperature of 500 to 800 ° C. using RTP. 100 torr) in the chamber while flowing the selected gas by 5 sccm to 5 slm.

(실시예)(Example)

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 게이트 산화막 물질로서 TaHfO 삼원계 고유전막을 채용한 금속계 게이트를 구성한다. The present invention constitutes a metal gate employing a TaHfO ternary high dielectric film as the gate oxide material.

이 경우, TaHfO(ε=30∼50)막이 종래의 HfO2(ε=20)막 또는 Ta2O5(ε=25)막 보다 유전상수가 크고 누설전류가 적으며 열적 안정성이 뛰어난 물질인 것과 관련해서, 게이트 산화막을 차세대 고집적 소자에 적용하기에 용이한 얇은 두께로 형성시킬 수 있으며 안정정인 누설 전류 특성을 얻을 수 있다. In this case, in relation to the TaHfO (ε = 30-50) film, which is a material having a higher dielectric constant, less leakage current, and superior thermal stability than the conventional HfO2 (ε = 20) film or Ta2O5 (ε = 25) film, the gate The oxide film can be formed to a thin thickness which is easy to apply to the next generation high integration device, and stable leakage current characteristics can be obtained.

특히, 상기 TaHfO막은 열적 안정성이 뛰어난 물질인 것과 관련하여, 금속계 게이트 형성공정에서 선택적 산화(Selective oxidation)시 게이트 절연막과 실리콘 기판의 계면에 발생하는 저유전 산화막으로 인한 유효 산화막(Teff) 두께 증가 현상을 억제할 수 있다. 또한, 후속되는 산화분위기에서의 열처리 공정에 대한 저항성이 증가된다. In particular, the TaHfO film in relation to the superior thermal stability materials, metal-gate formation process selective oxidation (Selective oxidation) when the effective oxide due to the low dielectric oxide film generated on the interface between the gate insulating film and the silicon substrate (T eff) increased thickness in The phenomenon can be suppressed. In addition, resistance to subsequent heat treatment in an oxidizing atmosphere is increased.

또한, 종래 Ta2O5막을 금속계 게이트의 절연막으로 적용할 경우, 게이트 전극의 일함수(Work Funtion)가 크기 때문에 NMOS 영역의 문턱전압이 1V 이상이 나오고, 이러한 높은 문턱전압을 낮추기 위해 B(보론) 대신 P(인)를 이온주입해야 하였다. 그런데, 이 경우 NMOS 영역에 매몰채널(Buried Channel)이 형성되므로 여러 가지 문제점이 발생된다. 그러나, 본 발명의 TaHfO막의 경우 Ta2O5막에 비하여 문턱전압 조절이 용이하고, 따라서, 소자의 신뢰성이 향상된다. In addition, when a conventional Ta2O5 film is used as an insulating film of a metal gate, the threshold voltage of the NMOS region is greater than 1V because the work function of the gate electrode is large, and P is lowered instead of B (boron) to lower the high threshold voltage. (Phosphorus) had to be ion implanted. However, in this case, since a buried channel is formed in the NMOS region, various problems occur. However, in the case of the TaHfO film of the present invention, the threshold voltage can be easily adjusted as compared with the Ta2O5 film, thus improving the reliability of the device.

결과적으로, TaHfO 막을 채용한 금속계 게이트는 유효 두께, 누설 전류 특성, 열적 안정성 및 문턱전압 조절의 용이성 모든 면에서 종래의 HfO2(ε=20)막 또는 Ta2O5(ε=25)막을 채용한 금속계 게이트에 비해 우수하며 차세대 디램 제품에 용이하게 적용할 수 있다.As a result, the metal gate employing the TaHfO film is applied to the metal gate employing the conventional HfO2 (ε = 20) film or Ta2O5 (ε = 25) film in all aspects of effective thickness, leakage current characteristics, thermal stability, and ease of threshold voltage adjustment. Compared to other products, it can be easily applied to next generation DRAM products.

자세하게, 도 1a 내지 도 1d는 본 발명에 따른 반도체 소자의 게이트 형성방법을 설명하기 위한 공정별 단면도로서, 이를 설명하면 다음과 같다. 1A to 1D are cross-sectional views illustrating processes for forming a gate of a semiconductor device according to the present invention.

먼저, 도 1a에 도시된 바와 같이, 반도체 기판(1)의 표면에 공지된 STI(Shallow Trench Isolation) 공정으로 액티브영역을 한정하는 소자분리막들(2)을 형성하고, 이어서, 상기 반도체 기판(1)의 계면특성이 향상되도록 기판(1) 상에 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질산화막(SiON)과 같은 실리콘계 산화막(3)을 RTP(Rapid Thermal Process) 방식으로 O2 또는 N2O 가스 분위기 및 700∼1100℃ 온도 범위에서 15Å이하 두께로 형성한다. 여기서, 특히, 상기 실리콘 질산화막은 후속 O2 분위기에서 열처리시 반도체 기판(1)의 산화를 억제하는 역할을 한다. First, as shown in FIG. 1A, device isolation layers 2 defining an active region are formed on a surface of a semiconductor substrate 1 by a known shallow trench isolation (STI) process, and then the semiconductor substrate 1 is formed. In order to improve the interfacial properties of the N-O2 or N2O gas atmosphere and 700 to 1100, a silicon oxide film 3 such as a silicon oxide film (SiO 2) or a silicon nitride oxide film (SiON) is formed on the substrate 1 in a rapid thermal process (RTP) manner. It is formed to a thickness of 15 Pa or less in the temperature range. Here, in particular, the silicon oxynitride film serves to suppress oxidation of the semiconductor substrate 1 during heat treatment in a subsequent O 2 atmosphere.

그런다음, 상기 실리콘계 산화막(3) 상에 게이트 절연막으로서 TaHfO막(4)을 ALD 방법에 따라 300∼500℃의 온도에서 20∼500Å의 두께로, 바람직하게는, 20∼100Å의 두께로 형성한다. Then, a TaHfO film 4 is formed on the silicon oxide film 3 as a gate insulating film at a thickness of 20 to 500 kPa, preferably 20 to 100 kPa, at a temperature of 300 to 500 DEG C according to the ALD method. .

도 2는 ALD 공정에 따른 TaHfO막(4) 증착 과정을 설명하기 위한 도면으로서, 상기 TaHfO막(4)의 증착은, 도시된 바와 같이, Ta 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 TaXOY 박막 증착 싸이클(회수:n)과 Hf 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 HfXOY 박막 증착 싸이클(회수:m)을 n:m이 9:1 이하가 되도록 반복 수행하는 방식으로 진행하거나, 또는, Ta 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, Hf 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 TaHfO 박막 증착 싸이클을 Ta 소오스가스 플로우 및 퍼지 회수(n')와 Hf 소오스가스 플로우 및 퍼지 회수(m')를 n':m'이 9:1 비율 이하가 되도록 제어하면서 반복 수행하는 방식으로 진행한다. 2 is a view for explaining the TaHfO film 4 deposition process according to the ALD process, the deposition of the TaHfO film 4, as shown, Ta source gas flow step, purge step, reaction gas flow step and a: (m number of) n:: the purge step Ta X O Y film deposition cycles (number n) and Hf source gas flow step, a purge step, the reaction gas flow step and the purge step of Hf X O Y film deposition cycle m is The TaHfO thin film deposition cycle of the Ta source gas flow step, the purge step, the Hf source gas flow step, the purge step, the reaction gas flow step, and the purge step is carried out in such a manner as to repeat the process so that it becomes 9: 1 or less. The flow and purge recovery (n ') and the Hf source gas flow and purge recovery (m') are repeated in such a manner that n ': m' is controlled to be 9: 1 or less.

이때, 상기 TaHfO막(4)의 증착은 Ta의 소오스가스로 Ta(OC2H5)5를 사용하거나 Ta를 함유한 다른 유기금속화합물(Ta[N(CH3)2]5 등)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 O3, 플라즈마 O2 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 상기 Ta의 소오스가스는 50∼500sccm을 플로우시키고, 상기 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시킨다. 특히, 반응가스가 O3인 경우 그 농도는 200±20g/㎥으로 한다.At this time, the deposition of the TaHfO film 4 is selected from the group consisting of Ta (OC2H5) 5 or Ta-containing other organometallic compounds (Ta [N (CH3) 2] 5, etc.) as the source gas of Ta. Either one is used and one selected from the group consisting of O 3, plasma O 2 and H 2 O vapor is used as the reaction gas. At this time, the source gas of Ta flows 50-500 sccm, and the reaction gas flows 0.1-1 slm. In particular, when the reaction gas is O 3, the concentration is 200 ± 20 g / m 3.

또한, 상기 TaHfO막(4)의 증착은 Hf의 소오스가스로 C16H36HfO4를 사용하거나 Hf를 함유한 다른 유기금속화합물(TDEAHf, TEMAHf 등)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 O3, 플라즈마 O2 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용한다. 이때, 상기 Hf의 소오스가스는 50∼500sccm을 플로우시키고, 상기 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시킨다. 특히, 반응가스가 O3인 경우 그 농도는 200±20g/㎥으로 한다.In addition, the deposition of the TaHfO film 4 uses C16H36HfO4 as the source gas of Hf or any one selected from the group consisting of other organometallic compounds (TDEAHf, TEMAHf, etc.) containing Hf, and O3 as the reaction gas. , Any one selected from the group consisting of plasma O2 and H2O vapor is used. At this time, the source gas of Hf flows 50-500 sccm, and the reaction gas flows 0.1-1 slm. In particular, when the reaction gas is O 3, the concentration is 200 ± 20 g / m 3.

도 1b를 참조하면, ALD 방법에 따라 상기 TaHfO막(4)을 형성한 후, TaHfO막(4)내 유기물 및 질소를 제거하고 산소 결핍지역에 산소를 공급하여주기 위하여 N2O 플라즈마로 저온 어닐링을 수행한다. 여기서, 상기 N2O 플라즈마를 이용한 저온 어닐링은, 100∼500W의 RF 전력을 갖는 플라즈마를 이용해서, 200∼500℃ 온도범위와 0.1∼10torr 압력범위에서, N2O 가스 분위기로 1∼5분 동안 수행한다.Referring to FIG. 1B, after forming the TaHfO film 4 according to the ALD method, performing low temperature annealing with an N 2 O plasma to remove organic matter and nitrogen in the TaHfO film 4 and supply oxygen to an oxygen depletion region. do. Here, the low temperature annealing using the N 2 O plasma is performed for 1 to 5 minutes in an N 2 O gas atmosphere at a temperature range of 200 to 500 ° C. and a pressure range of 0.1 to 10 torr using a plasma having an RF power of 100 to 500 W.

그런다음, 상기 TaHfO막(4)의 결정화를 유도하여 궁극적으로 TaHfO막(4)의 유전성을 향상되도록, 전기로 열공정 또는 RTP 방식으로, N2 또는 O2/N2(O2/N2=0.1이하) 분위기에서 500∼900℃ 온도로 고온 열처리을 수행한다. 이때, 상기 전기로를 이용한 고온 열처리는 600∼800℃ 온도로 상기 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 수행하고, RTP를 이용한 고온 열처리는 500∼800℃ 온도로 상압(700∼760torr) 또는 감압(1∼100torr) 챔버내에서 상기 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 수행한다.Then, N2 or O2 / N2 (O2 / N2 = 0.1 or less) atmosphere by an electric furnace thermal process or RTP method, inducing crystallization of the TaHfO film 4 and ultimately improving the dielectric property of the TaHfO film 4. The high temperature heat treatment is performed at 500 to 900 ° C. At this time, the high temperature heat treatment using the electric furnace is performed while flowing the selected gas at a temperature of 600 to 800 ° C. by 5 sccm to 5 slm, and the high temperature heat treatment using RTP is performed at a normal pressure (700 to 760 torr) or a reduced pressure (1 to 500 to 800 ° C.). The selected gas is flowed in a chamber by 5 sccm to 5 slm.

그런 후, 도 1c에 도시된 바와 같이, 상기 TaHfO막(4) 상에 TiN 또는 WN와 같은 베리어 금속막(5)을 형성한다. 그런다음, 상기 베리어 금속막(5) 상에 게이트용 금속막(6)으로서 WSix, TiSix 및 W로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나의 금속막(6)을 형성한다. 그런다음, 상기 게이트용 금속막(6) 상에 게이트 패턴 형성을 위한 마스크패턴(7)을 형성한다.Then, as shown in FIG. 1C, a barrier metal film 5 such as TiN or WN is formed on the TaHfO film 4. Then, any one metal film 6 selected from the group consisting of WSix, TiSix and W is formed as the gate metal film 6 on the barrier metal film 5. Then, a mask pattern 7 for forming a gate pattern is formed on the gate metal film 6.

도 1d를 참조하면, 상기 마스크패턴(7)을 식각장벽으로 이용해서 상기 게이트용 금속막(6), 베리어 금속막(7), TaHfO막(4) 및 실리콘계 산화막(3)을 순차로 식각하여 게이트(8)를 형성한다. Referring to FIG. 1D, the gate metal film 6, the barrier metal film 7, the TaHfO film 4, and the silicon oxide film 3 are sequentially etched using the mask pattern 7 as an etch barrier. The gate 8 is formed.

이후, 도시하지는 않았으나, 공지의 후속 공정을 수행하여 본 발명의 반도체 소자를 완성한다.Thereafter, although not shown, the semiconductor device of the present invention is completed by performing a known subsequent process.

이상, 여기에서는 본 발명을 특정 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명이 그에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구의 범위는 본 발명의 정신과 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변형될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 알 수 있다.As mentioned above, although the present invention has been illustrated and described with reference to specific embodiments, the present invention is not limited thereto, and the following claims are not limited to the scope of the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention. It can be easily understood by those skilled in the art that can be modified and modified.

이상에서와 같이, 본 발명은 게이트 산화막 물질로서 유전상수가 큰 TaHfO(ε=30∼50) 삼원계 고유전막을 채용한 금속계 게이트를 구성함으로써, 게이트 산화막의 유효 두께를 낮출 수 있음은 물론 누설전류 발생 억제력을 향상시킬 수 있는 바, 고집적 메모리 제품에서 요구하는 얇은 두께의 안정된 누설전류 특성을 갖는 금속계 게이트를 구현할 수 있다. As described above, according to the present invention, by forming a metal gate using a TaHfO (ε = 30-50) ternary high dielectric film having a high dielectric constant as the gate oxide material, the effective thickness of the gate oxide film can be lowered as well as leakage current. As the generation suppression ability can be improved, the metal gate having the stable leakage current characteristic with the thin thickness required in the highly integrated memory product can be realized.

게다가, 상기 TaHfO막은 후속 열공정 및 산화분위기에 대한 저항성이 종래의 HfO2(ε=20)막 또는 Ta2O5(ε=25)막 보다 크므로, 금속 게이트 적용시 사용되는 선택적 산화(Selective oxidation)공정시 유효 산화막(Teff) 두께 증가 현상이 억제되 고, H2 리치(rich) 산화분위기에서 신뢰성 저하에 대한 저항성이 커지기 때문에, 소자의 내구성 및 신뢰성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. In addition, since the TaHfO film has a higher resistance to subsequent thermal processes and oxidation atmospheres than a conventional HfO 2 (ε = 20) film or Ta2O5 (ε = 25) film, the TaHfO film is used in a selective oxidation process used in a metal gate application. Since the effect of increasing the effective oxide film thickness (T eff ) is suppressed and the resistance to deterioration of reliability is increased in the H2 rich oxidation atmosphere, the durability and reliability of the device can be obtained.

더불어, 본 발명에서 TaHfO막을 게이트 산화막으로 적용한 금속계 게이트가 종래 Ta2O5막을 적용한 게이트에 비하여 문턱전압 조절이 용이하다.In addition, in the present invention, the metal gate in which the TaHfO film is applied as the gate oxide film is easier to adjust the threshold voltage than the gate in which the Ta2O5 film is conventionally applied.

결과적으로, 본 발명에서 TaHfO막을 채용한 금속계 게이트는 유효 두께, 누설 전류 특성, 열적 안정성 및 문턱전압 조절의 용이성 모든 면에서 종래의 HfO2(ε=20)막 또는 Ta2O5(ε=25)막을 채용한 금속계 게이트에 비해 우수하며 차세대 디램 제품에 용이하게 적용할 수 있다.As a result, the metal gate employing the TaHfO film in the present invention employs a conventional HfO2 (ε = 20) film or Ta2O5 (ε = 25) film in all aspects of effective thickness, leakage current characteristics, thermal stability, and ease of threshold voltage adjustment. It is superior to metal gates and can be easily applied to next generation DRAM products.

Claims (12)

소자분리막이 구비된 반도체 기판을 제공하는 단계; Providing a semiconductor substrate provided with an isolation layer; 상기 기판 상에 실리콘계 산화막을 형성하는 단계; Forming a silicon oxide film on the substrate; 상기 실리콘계 산화막 상에 게이트 절연막으로서 TaHfO막을 형성하는 단계;Forming a TaHfO film as a gate insulating film on the silicon oxide film; 상기 기판 결과물을 N2O 플라즈마 처리하는 단계;N 2 O plasma treatment of the substrate output; 상기 기판 결과물을 고온 열처리하는 단계;High temperature heat treatment of the substrate product; 상기 기판 결과물 상에 베리어 금속막과 게이트용 금속막을 순차로 형성하는 단계; 및Sequentially forming a barrier metal film and a gate metal film on the substrate resultant; And 상기 게이트용 금속막, 베리어 금속막, TaHfO막 및 실리콘계 산화막을 순차로 식각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 형성방법.And sequentially etching the gate metal film, the barrier metal film, the TaHfO film, and the silicon oxide film. 제 1 항에 있어서, 상기 실리콘계 산화막은 실리콘 산화막(SiO2) 또는 실리콘 질산화막(SiON)으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 형성방법.The method of claim 1, wherein the silicon oxide film is formed of a silicon oxide film (SiO 2) or a silicon nitride oxide film (SiON). 제 1 항에 있어서, 상기 상기 실리콘계 산화막은 RTP(Rapid Thermal Process) 방식으로 700∼1100℃ 온도에서 15Å이하 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 형성방법.The method of claim 1, wherein the silicon oxide film is formed to a thickness of 15 kPa or less at a temperature of 700 to 1100 ° C. using a rapid thermal process (RTP) method. 제 1 항에 있어서, 상기 TaHfO막은 ALD 방법에 따라 300∼500℃의 온도에서 20∼500Å의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 형성방법. The method of forming a gate of a semiconductor device according to claim 1, wherein the TaHfO film is formed at a thickness of 20 to 500 kPa at a temperature of 300 to 500 DEG C according to the ALD method. 제 4 항에 있어서, 상기 ALD 방법을 이용한 TaHfO막의 증착은, Ta 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 TaXOY 박막 증착 싸이클(회수:n)과 Hf 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 HfXOY 박막 증착 싸이클(회수:m)을 n:m이 9:1 이하가 되도록 반복 수행하는 방식으로 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 형성방법.5. The TaHfO film deposition method according to claim 4, wherein the TaHfO film is deposited using a Ta source gas flow step, a purge step, a reaction gas flow step, and a purge step of Ta X O Y thin film deposition cycle (recovery: n) and Hf source gas flow. The Hf X O Y thin film deposition cycle (recovery: m) of the steps, purge step, reaction gas flow step and purge step is repeated in such a manner that n: m is 9: 1 or less. Gate forming method. 제 4 항에 있어서, 상기 ALD 방법을 이용한 TaHfO막의 증착은, Ta 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, Hf 소오스가스 플로우 단계, 퍼지 단계, 반응가스 플로우 단계 및 퍼지 단계의 TaHfO 박막 증착 싸이클을 Ta 소오스가스 플로우 및 퍼지 회수(n')와 Hf 소오스가스 플로우 및 퍼지 회수(m')를 n':m'이 9:1 비율 이하가 되도록 제어하면서 반복 수행하는 방식으로 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 형성방법.The TaHfO thin film deposition cycle of Ta source gas flow step, purge step, Hf source gas flow step, purge step, reaction gas flow step and purge step is performed by Ta source gas deposition. The flow and purge recovery (n ') and Hf source gas flow and purge recovery (m') is carried out in such a manner that it is repeatedly performed while controlling so that n ': m' is less than 9: 1 ratio Gate forming method. 제 4 항에 있어서, 상기 TaHfO막의 증착은 Ta의 소오스가스로 Ta(OC2H5)5를 사용하거나 Ta를 함유한 다른 유기금속화합물(Ta[N(CH3)2]5 등)로 구성된 그룹으로 부터 선택되는 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 O3(농도 : 200±20g/m3), 플라즈마 O2 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 형성방법. 5. The method of claim 4, wherein the deposition of the TaHfO film is selected from the group consisting of Ta (OC2H5) 5 or Ta-containing other organometallic compounds (Ta [N (CH3) 2] 5, etc.) as the source gas of Ta. And using any one selected from the group consisting of O 3 (concentration: 200 ± 20 g / m 3), plasma O 2, and H 2 O vapor as the reaction gas. 제 4 항에 있어서, 상기 TaHfO막의 증착은 Hf의 소오스가스로 C16H36HfO4를 사용하거나 Hf를 함유한 다른 유기금속화합물(TDEAHf, TEMAHf 등)로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하고, 반응가스로 O3(농도 : 200±20g/m3), 플라즈마 O2 및 H2O 증기로 구성된 그룹으로부터 선택되는 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 형성방법. The method of claim 4, wherein the TaHfO film is deposited using C16H36HfO4 as the source gas of Hf, or any one selected from the group consisting of other organometallic compounds (TDEAHf, TEMAHf, etc.) containing Hf. (Concentration: 200 ± 20 g / m3), the gate forming method of a semiconductor device, characterized in that any one selected from the group consisting of plasma O2 and H2O vapor is used. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,The method according to claim 7 or 8, 상기 소오스가스는 50∼500sccm을 플로우시키고, 반응가스는 0.1∼1slm을 플로우시키는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 형성방법. The source gas flows 50 to 500 sccm, and the reaction gas flows 0.1 to 1 slm. 제 1 항에 있어서, 상기 TaHfO막의 N2O 플라즈마 처리는, 저온 어닐링 공정으로서, 100∼500W의 RF 전력을 갖는 플라즈마를 이용해서, 200∼500℃ 온도범위 및 0.1∼10torr 압력범위에서, N2O 가스 분위기로 1∼5분 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 형성방법.The N2O plasma treatment of the TaHfO film is a low temperature annealing process, using a plasma having an RF power of 100 to 500 W in an N 2 O gas atmosphere at a temperature range of 200 to 500 ° C. and a pressure range of 0.1 to 10 torr. The gate forming method of a semiconductor device, characterized in that for 1 to 5 minutes. 제 1 항에 있어서, 상기 TaHfO막의 고온 열처리는, 비정질 TaHfO막의 결정화 를 유도하여 궁극적으로 TaHfO막의 유전성을 향상시키기 위한 열처리 단계로서, N2 또는 O2/N2(O2/N2=0.1이하) 분위기에서 500∼900℃의 온도로 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 형성방법.The method of claim 1, wherein the high temperature heat treatment of the TaHfO film is a heat treatment step for inducing crystallization of the amorphous TaHfO film and ultimately improving the dielectric property of the TaHfO film, wherein the TaHfO film is 500 to 500 in an N2 or O2 / N2 (O2 / N2 = 0.1 or less) atmosphere. A method of forming a gate of a semiconductor device, characterized in that it proceeds to a temperature of 900 ℃. 제 11 항에 있어서, 상기 고온 열처리는, 전기로를 이용하여 600∼800℃ 온도로 상기 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행하거나, RTP를 이용하여 500∼800℃ 온도로 상압(700∼760torr) 또는 감압(1∼100torr) 챔버내에서 상기 선택된 가스를 5sccm∼5slm만큼 플로우 시키면서 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 소자의 게이트 형성방법.12. The method of claim 11, wherein the high temperature heat treatment is performed by flowing the selected gas at a temperature of 600 to 800 ° C. by 5 sccm to 5 slm using an electric furnace, or at atmospheric pressure (700 to 760 torr) at a temperature of 500 to 800 ° C. using RTP. Or in the reduced pressure (1-100 torr) chamber while flowing the selected gas by 5 sccm to 5 slm.
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