WO2012035684A1 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

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insulating film
semiconductor device
gate electrode
dielectric constant
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伊藤理
守山善也
大川浩
赤松晋
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device, and more particularly, to a MIS (metal insulator semiconductor) type semiconductor having a gate insulating film formed on a semiconductor substrate and a gate electrode formed on the gate insulating film.
  • the present invention relates to a device and a method for manufacturing a semiconductor device.
  • a gate insulating film is thinned in a MISFET (hereinafter referred to as a MIS transistor).
  • a MISFET hereinafter referred to as a MIS transistor.
  • a so-called high dielectric constant insulating film such as an HfO 2 film is used for the gate insulating film, thereby reducing the equivalent oxide thickness (EOT) and forming a gate electrode.
  • the high dielectric constant insulating film means an insulating film having a relative dielectric constant higher than that of the silicon nitride film, for example, an insulating film having a relative dielectric constant of 8 or more.
  • FIGS. 11 to 13 are cross-sectional views (cross-sectional views in the gate length direction) showing the conventional method of manufacturing a semiconductor device in the order of steps. 11 to 13, the “nMIS transistor region” shown on the left side indicates a region where an N-type MIS transistor is formed, and the “pMIS transistor region” shown on the right side indicates that a P-type MIS transistor is formed. Indicates the area.
  • a pMIS transistor region and an nMIS transistor region are partitioned by selectively forming a shallow trench isolation 101 on a semiconductor substrate 100 made of p-type silicon.
  • the portion of the pMIS transistor region surrounded by the shallow trench isolation 101 in the semiconductor substrate 100 becomes the active region 100a
  • the portion of the nMIS transistor region surrounded by the shallow trench isolation 101 in the semiconductor substrate 100 becomes the active region 100b.
  • an n-type well region 121N is formed in the semiconductor substrate 100 in the pMIS transistor region, and a p-type well region 121P is formed in the semiconductor substrate 100 in the nMIS transistor region.
  • a gate electrode 123a is formed on the active region 100a in the pMIS transistor region via the gate insulating film 122a by a photolithography method and a dry etching method, and the gate insulating film 122b is formed on the active region 100b in the nMIS transistor region.
  • the gate electrode 123b is formed.
  • the gate insulating film 122a includes an interface layer 102a made of a silicon oxide film, a high dielectric constant insulating film (hereinafter referred to as a high-k film) 103a formed on the interface layer 102a and made of an HfO 2 film,
  • the pMIS cap film 104a is formed on the high-k film 103a.
  • the gate insulating film 122b is an interface layer 102b made of a silicon oxide film, a high-k film 103b made of an HfO 2 film and formed on the interface layer 102b, and an nMIS formed on the high-k film 103b. It consists of a cap film 104b.
  • the work functions of the gate electrodes 123a and 123b can be controlled by the pMIS cap film 104a and the nMIS cap film 104b.
  • the gate electrode 123a includes a metal film 106a and a polysilicon film 107a formed on the metal film 106a.
  • the gate electrode 123b includes a metal film 106b and a polysilicon film 107b formed on the metal film 106b. It consists of.
  • extension regions 108a are formed on both sides of the gate electrode 123a, and the n-type impurity is formed in the semiconductor substrate 100 in the nMIS transistor region.
  • extension regions 108b are formed on both sides of the gate electrode 123b.
  • source / drain regions 112a are formed on both sides of the gate electrode 123a and the sidewall spacer 111a, and n-type impurities are introduced into the semiconductor substrate 100 in the nMIS transistor region.
  • the source / drain regions 112b are formed on both sides of the gate electrode 123b and the sidewall spacer 111b.
  • a CMIS element is formed by the above process.
  • a plurality of transistors having different threshold voltages (Vth) are formed in a semiconductor integrated circuit using the CMIS element as described above, and a low Vth transistor is required for a circuit that requires high-speed operation, and low standby leakage is required.
  • Vth threshold voltages
  • a high-performance semiconductor integrated circuit device can be formed by using a high Vth transistor.
  • FIG. 14 shows the relationship between the effective work function and the saturation current in the transistor.
  • the transistor saturation current in the case where the impurity in the transistor channel is set so that the highest saturation current can be obtained with each effective work function value is different for two types of source off leaks. It is indicated by a broken line.
  • each of the nMIS transistor and the pMIS transistor is different in that the saturation current is maximized with respect to the effective work function, and the source off leakage is caused even in the same conductivity type transistor. It can be seen that the effective work functions that maximize the saturation current are different between different transistors.
  • the “effective work function” is a work function obtained from the electrical characteristics of the MIS transistor, and a physical work function indicating a difference between a vacuum level and a metal energy level is a level in the insulating film. It can be obtained by taking into account such effects as Further, “saturation current” shown in FIG. 14 is a drive current per unit gate width and represents the drive power of the transistor.
  • the effective work function with respect to the desired source off-leakage current and Vth (threshold voltage) is too low in the nMIS transistor and too high in the pMIS transistor, the impurity concentration in the channel must be set high, so that the transistor saturation The current decreases. If the effective work function is too high for the nMIS transistor and too low for the pMIS transistor with respect to the desired source off-leakage current and Vth, impurities in the channel for Vth adjustment cannot be sufficiently introduced, so that the subthreshold characteristic is Since it deteriorates, the transistor saturation current under the condition of constant off-leakage current decreases.
  • an object of the present invention is to make it possible to provide a plurality of transistors of the same conductivity type having different work functions in a semiconductor device having a MIS structure using a high-k film as a gate insulating film. .
  • nMIS cap film and pMIS cap film as a method of separately forming gate structures having different work functions (stacked structure of gate insulating film and gate electrode).
  • a method of changing the film thickness, a method of separately forming metal electrodes for each transistor, and the like have been examined, but these methods are not practical because they cause a significant increase in manufacturing steps.
  • the inventors of the present application have different work functions by increasing the thickness of the interface layer constituting the bottom layer of the gate insulating film by selective oxidation after the formation of the gate structure. I came up with the idea of creating different gate structures.
  • the semiconductor device is a semiconductor device having a first MIS transistor and a second MIS transistor of the same conductivity type on the same semiconductor substrate, wherein the first MIS transistor includes A first gate insulating film formed on a first active region in a semiconductor substrate; and a first gate electrode formed on the first gate insulating film, wherein the second MIS transistor comprises: A first gate insulating film comprising: a second gate insulating film formed on a second active region of the semiconductor substrate; and a second gate electrode formed on the second gate insulating film.
  • first interface layer in contact with the semiconductor substrate, and a first high dielectric constant insulating film formed on the first interface layer
  • the second gate insulating film includes the semiconductor substrate and Second interface layer in contact
  • a second high dielectric constant insulating film formed on the second interface layer the thickness of the first interface layer is thicker than the thickness of the second interface layer.
  • the thickness of the interface layer of the gate insulating film in the first MIS transistor is the same as the thickness of the interface layer of the gate insulating film in the second MIS transistor having the same conductivity type as that of the first MIS transistor. Thicker than that. For this reason, since the EOT of the gate insulating film of the first MIS transistor increases, the effective work function of the first MIS transistor increases. Accordingly, in the semiconductor device having the MIS structure using the high-k film as the gate insulating film, it is possible to provide a plurality of the same conductivity type transistors having different work functions.
  • a first sidewall spacer is formed on a side surface of the first gate electrode via a first insulating spacer, and on the side surface of the second gate electrode.
  • a second sidewall spacer is formed through a second insulating spacer, and the thickness of the first insulating spacer may be smaller than the thickness of the second insulating spacer.
  • the interface layer of the gate insulating film in the first MIS transistor can be thickened by performing selective oxidation after forming the gate structure and before forming the sidewall spacer.
  • the first insulating spacer may be an offset spacer having an I-shaped cross section
  • the second insulating spacer may be a base spacer having an L-shaped cross section.
  • the first gate electrode includes a first metal-containing film formed on the first high dielectric constant insulating film, and a first silicon film formed on the first metal-containing film.
  • the second gate electrode includes a second metal-containing film formed on the second high dielectric constant insulating film and a second silicon film formed on the second metal-containing film.
  • a silicon oxide film is interposed between the first silicon film and the first insulating spacer, and is in contact with the second silicon film and the second insulating spacer. Also good.
  • a first metal silicide layer may be formed on the first silicon film, and a second metal silicide layer may be formed on the second silicon film, or
  • a silicon oxide film may be interposed between the first active region and the first sidewall spacer.
  • the first insulating spacer and the second insulating spacer may be made of a silicon nitride film.
  • the first MIS transistor and the second MIS transistor are pMIS transistors, and the first high dielectric constant insulating film and the second high dielectric constant insulating film contain aluminum. You may do it.
  • the first gate insulating film further includes a first cap film formed on the first high dielectric constant insulating film and containing aluminum
  • the second gate insulating film includes the first gate insulating film.
  • a second cap film formed on the high dielectric constant insulating film 2 and containing aluminum may be further included.
  • the first MIS transistor and the second MIS transistor are nMIS transistors, and the first high dielectric constant insulating film and the second high dielectric constant insulating film contain lanthanum. You may do it.
  • the first gate insulating film further includes a first cap film formed on the first high dielectric constant insulating film and containing lanthanum
  • the second gate insulating film includes the first gate insulating film.
  • the first high dielectric constant insulating film, the second high dielectric constant insulating film, the first cap film, and the second cap film are replaced with lanthanum instead of lanthanum, Dy (dysprosium), Sc (scandium), Gd ( Gadolinium) may be contained.
  • the first high dielectric constant insulating film and the second high dielectric constant insulating film may contain hafnium or zirconium.
  • the first interface layer and the second interface layer may be composed of a silicon oxide film.
  • the thickness of the first high dielectric constant insulating film and the thickness of the second high dielectric constant insulating film may be substantially the same, or the first high dielectric constant insulating film may be the same.
  • the material of the gate electrode and the material of the second gate electrode may be substantially the same. That is, in the semiconductor device according to the present invention, the first MIS transistor and the second MIS transistor may have substantially the same gate structure except for the thickness of the interface layer.
  • an effective work function of the first MIS transistor may be higher than an effective work function of the second MIS transistor.
  • the method for manufacturing a semiconductor device includes a step of sequentially forming an interface layer, a high dielectric constant insulating film, and a gate electrode material film on a semiconductor substrate having a first active region and a second active region ( a) and a first electrode including the interface layer and the high dielectric constant insulating film on the first active region by patterning the gate electrode material film, the high dielectric constant insulating film, and the interface layer.
  • a first gate electrode made of the gate electrode material film is formed through a gate insulating film, and a second gate insulating layer including the interface layer and the high dielectric constant insulating film is formed on the second active region.
  • a step (b) of forming a second gate electrode made of the gate electrode material film through the film, and a thickness of the interface layer in the first gate insulating film is selected after the step (b) Thickening step (c) Eteiru.
  • the semiconductor device manufacturing method of the present invention since the thickness of the interface layer of the gate insulating film in the first MIS transistor is selectively increased, the EOT of the gate insulating film of the first MIS transistor increases. The effective work function of the first MIS transistor is increased. Accordingly, in the semiconductor device having the MIS structure using the high-k film as the gate insulating film, it is possible to provide a plurality of the same conductivity type transistors having different work functions.
  • the first gate electrode and the second gate electrode are covered with an insulating film, and then the insulating film covers the first gate electrode.
  • Etching may be selectively performed, and thereafter, the interface layer in the first gate insulating film may be thickened by oxidation treatment. In this way, the thickness of the interface layer of the gate insulating film in the first MIS transistor can be reliably increased selectively.
  • the insulating film covering the first gate electrode and the second gate electrode may be, for example, a silicon nitride film.
  • the oxidation treatment for selectively increasing the thickness of the interface layer of the gate insulating film in the first MIS transistor may be, for example, heat treatment or plasma treatment in an oxygen-containing atmosphere.
  • the gate electrode material film includes a metal-containing film formed on the high dielectric constant insulating film and a silicon film formed on the metal-containing film.
  • the first electrode A silicon oxide film may be formed between the insulating film remaining on the side surface of the gate electrode and the silicon film in the first gate electrode.
  • the threshold voltage (Vth) is applied to the high dielectric constant insulating film between the step of forming the high dielectric constant insulating film and the step of forming the gate electrode material film.
  • a step of forming a cap film containing the adjusting metal may be included.
  • the present invention it is possible to provide a plurality of identical conductivity type transistors having different work functions in a semiconductor device having a MIS structure using a high-k film as a gate insulating film.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view (a cross-sectional view in the gate length direction) showing one process of a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view (a cross-sectional view in the gate length direction) showing one process of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view (a cross-sectional view in the gate length direction) showing one step of the method of manufacturing the semiconductor device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view (cross-sectional view in the gate length direction) showing one step of the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view (a cross-sectional view in the gate length direction) showing one process of a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view (a cross-sectional view in the gate length direction) showing one process of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view (cross-sectional view in the gate length direction) showing one step of the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view (cross-sectional view in the gate length direction) showing one step of the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view (a cross-sectional view in the gate length direction) showing one process of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view (cross-sectional view in the gate length direction) showing one step of the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view (cross-sectional view in the gate length direction) showing one step of the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between an equivalent oxide thickness (EOT) and an effective work function of a transistor in a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view (a cross-sectional view in the gate length direction) showing one step of a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view (cross-sectional view in the gate length direction) showing one step of a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between an equivalent oxide thickness (EOT) and an effective work function of a transistor in a semiconductor device according to an embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view (a cross-sectional view in the gate length direction) showing one step of a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
  • FIG. 12 is a
  • FIG. 13 is a cross-sectional view (a cross-sectional view in the gate length direction) showing one step of a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating the relationship between the effective work function and the saturation current in a transistor in which the channel dose is changed and the source off-leak is set constant.
  • 1 to 9 are cross-sectional views (cross-sectional views in the gate length direction) showing respective steps of the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment.
  • the rightmost “first pMIS transistor region” indicates a region where the first pMIS transistor is formed, and the second “second pMIS transistor region” from the right side. Indicates the region where the second pMIS transistor is formed, and the third “first nMIS transistor region” from the right indicates the region where the first nMIS transistor is formed.
  • the “second nMIS transistor region” indicates a region where the second nMIS transistor is formed.
  • the first pMIS transistor and the second nMIS transistor are used as, for example, low Vth (for example, 0.1 to 0.25 V) transistors that require high-speed operation.
  • the second pMIS transistor and the first nMIS transistor are used as, for example, a high Vth (eg, 0.35 to 0.5 V) transistor that requires low standby leakage.
  • an element isolation region 1 made of a shallow trench filled with, for example, a silicon oxide film is selectively formed on a semiconductor substrate 50 made of, for example, p-type silicon, thereby forming a pMIS transistor region. And the nMIS transistor region.
  • the portion surrounded by the element isolation region 1 in the semiconductor substrate 50 in the first pMIS transistor region becomes the active region 50a, and the portion surrounded by the element isolation region 1 in the semiconductor substrate 50 in the second pMIS transistor region.
  • the portion surrounded by the element isolation region 1 in the semiconductor substrate 50 in the first nMIS transistor region becomes the active region 50b, and the portion surrounded by the element isolation region 1 in the semiconductor substrate 50 in the second nMIS transistor region.
  • the portion becomes the active region 50d.
  • an n-type well region 51N is formed by introducing an n-type impurity such as arsenic into the semiconductor substrate 50 in the first and second pMIS transistor regions by ion implantation.
  • a p-type well region 51P is formed by introducing a p-type impurity such as boron into the semiconductor substrate 50 in the first and second nMIS transistor regions by ion implantation.
  • concentration of the n-type impurity introduced into the first pMIS transistor region and the concentration of the n-type impurity introduced into the second pMIS transistor region may be different from each other.
  • the concentration of the p-type impurity introduced may be different from the concentration of the p-type impurity introduced into the second nMIS transistor region.
  • the interface layer 2 made of, for example, a silicon oxide film and having a thickness of about 0.8 nm, and a thickness of about 1.2 nm containing, for example, Hf or Zr and O, A high dielectric constant insulating film (high-k film) 3 is sequentially formed.
  • the pMIS cap film 4 is removed from the first and second nMIS transistor regions, and then a high- After forming an nMIS cap film 4 ′ containing, for example, La and O on the k film 3 and the pMIS cap film 4, the nMIS cap film 4 ′ is removed from the first and second pMIS transistor regions.
  • the pMIS cap film 4 contains, for example, Al (aluminum) as an adjustment metal capable of increasing the effective work function of the pMIS transistor.
  • the nMIS cap film 4 ′ contains, for example, La (lanthanum) as an adjustment metal capable of increasing the effective work function of the nMIS transistor.
  • a metal-containing film 6 having a thickness of about 5 nm containing Ti, Ta, Ru, or the like and N, and a thickness of 60 nm made of polysilicon, for example.
  • the silicon film 7 having the same degree is sequentially formed.
  • a gate electrode 53a is formed on the active region 50a of the first pMIS transistor region via the gate insulating film 52a, and gate insulation is formed on the active region 50b of the second pMIS transistor region.
  • a gate electrode 53b is formed through the film 52b, a gate electrode 53c is formed through the gate insulating film 52c over the active region 50c in the first nMIS transistor region, and over the active region 50d in the second nMIS transistor region.
  • a gate electrode 53d is formed through the gate insulating film 52d.
  • the gate insulating film 52a includes the interface layer 2a, the high-k film 3a, and the pMIS cap film 4a.
  • the gate insulating film 52b includes the interface layer 2b, the high-k film 3b, and the pMIS cap film 4b.
  • the gate insulating film 52c includes the interface layer 2c, the high-k film 3c, and the nMIS cap film 4c.
  • the gate insulating film 52d includes the interface layer 2d, the high-k film 3d, and the nMIS cap film 4d. Consists of.
  • the gate electrode 53a is composed of the metal-containing film 6a and the silicon film 7a
  • the gate electrode 53b is composed of the metal-containing film 6b and the silicon film 7b
  • the gate electrode 53c is composed of the metal-containing film 6c and the silicon film 7c
  • the gate electrode 53d is composed of a metal-containing film 6d and a silicon film 7d.
  • an insulating film 8 made of, for example, a silicon nitride film and having a thickness of about 6 nm is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 50 including the gate electrodes 53a, 53b, 53c, and 53d.
  • the ion implantation conditions are, for example, an implantation energy of 0.8 keV and a dose amount of 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 2 .
  • germanium (Ge) and carbon (C) may be implanted into the semiconductor substrate 50 in the second pMIS transistor region before ion implantation of p-type impurities such as boron.
  • the Ge implantation conditions are, for example, an implantation energy of 5 keV and a dose amount of 5 ⁇ 10 14 cm ⁇ 2
  • the C implantation conditions are, for example, an implantation energy of 2 keV and a dose amount of 5 ⁇ 10 14 cm 2. -2 .
  • an n-type impurity such as arsenic is introduced into the semiconductor substrate 50 by ion implantation to thereby form a gate electrode 53d in the active region 50d.
  • the resist pattern is removed.
  • the ion implantation conditions are, for example, an implantation energy of 1.2 keV and a dose amount of 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 2 .
  • germanium (Ge) and carbon (C) may be implanted into the semiconductor substrate 50 in the second nMIS transistor region before ion implantation of an n-type impurity such as arsenic.
  • the Ge implantation conditions are, for example, an implantation energy of 5 keV and a dose amount of 5 ⁇ 10 14 cm ⁇ 2
  • the C implantation conditions are, for example, an implantation energy of 2 keV and a dose amount of 5 ⁇ 10 14 cm 2. -2 .
  • the resist pattern 11 is used as a mask by dry etching. Etching is performed on the insulating film 8.
  • an offset spacer 8a having an I-shaped cross-sectional shape is formed on the side surface of the gate electrode 53a in the first pMIS transistor region, and on the side surface of the gate electrode 53c in the first nMIS transistor region.
  • An offset spacer 8c having an I-shaped cross-sectional shape is formed. At this time, the widths of the offset spacers 8a and 8c are reduced to, for example, about 2.5 nm as compared with the thickness of the original insulating film 8 (for example, about 6 nm).
  • the interface layer 2a of the gate insulating film 52a in the first pMIS transistor region becomes about 0.3 nm thick from the edge side to become the interface layer 2A, and the first nMIS transistor region
  • the interface layer 2c of the gate insulating film 52c is thickened by about 0.3 nm from the edge side to become the interface layer 2C.
  • the thicknesses of the high-k films 3a and 3c are not substantially changed. That is, even after the formation of the thick interface layer 2A and the interface layer 2C, the high-k films 3a, 3b, 3c, and 3d have substantially the same thickness.
  • a silicon oxide film 13a having a thickness of about 0.3 nm is formed on the upper side and both sides of the silicon film 7a of the gate electrode 53a in the first pMIS transistor region.
  • a silicon oxide film 13c having a thickness of about 0.3 nm is formed on the upper and both sides of the silicon film 7c of the gate electrode 53c in the nMIS transistor region. That is, the silicon oxide film 13a is formed so as to be interposed between the silicon film 7a of the gate electrode 53a and the offset spacer 8a in the first pMIS transistor region, and the silicon of the gate electrode 53c in the first nMIS transistor region. Silicon oxide film 13c is formed so as to be interposed between film 7c and offset spacer 8c.
  • a silicon oxide film 13a having a thickness of about 0.3 nm is also formed on the surface of the active region 50a located on both sides of the gate electrode 53a, and the active region 50c located on both sides of the gate electrode 53c.
  • a silicon oxide film 13c having a thickness of about 0.3 nm is also formed on the surface portion of the silicon oxide film.
  • the interface layer 2a of the gate insulating film 52a and the side of the silicon film 7a of the gate electrode 53a are oxidized by oxygen transmitted through the offset spacer 8a, and the silicon film of the interface layer 2c of the gate insulating film 52c and the silicon film of the gate electrode 53c. 7c side part is oxidized by the oxygen which permeate
  • the gate structures of the second pMIS transistor region and the second nMIS transistor region are covered with the insulating film 8 having a thickness of about 6 nm.
  • the interface layer 2b of the gate insulating film 52b and the interface layer 2d of the gate insulating film 52d in the second nMIS transistor region do not become thick.
  • plasma treatment is performed in an oxygen-containing atmosphere.
  • a heat treatment at about 600 ° C. may be performed in an oxygen-containing atmosphere. Good.
  • the ion implantation conditions are, for example, an implantation energy of 0.8 keV and a dose amount of 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 2 .
  • germanium (Ge) and carbon (C) may be implanted into the semiconductor substrate 50 in the first pMIS transistor region before ion implantation of p-type impurities such as boron.
  • the Ge implantation conditions are, for example, an implantation energy of 5 keV and a dose amount of 5 ⁇ 10 14 cm ⁇ 2
  • the C implantation conditions are, for example, an implantation energy of 2 keV and a dose amount of 5 ⁇ 10 14 cm 2. -2 .
  • an n-type impurity such as arsenic is introduced into the semiconductor substrate 50 by ion implantation, whereby a gate electrode 53c in the active region 50c is formed.
  • the resist pattern is removed.
  • the ion implantation conditions are, for example, an implantation energy of 1.2 keV and a dose amount of 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 2 .
  • germanium (Ge) and carbon (C) may be implanted into the semiconductor substrate 50 in the first nMIS transistor region before ion implantation of an n-type impurity such as arsenic.
  • the Ge implantation conditions are, for example, an implantation energy of 5 keV and a dose amount of 5 ⁇ 10 14 cm ⁇ 2
  • the C implantation conditions are, for example, an implantation energy of 2 keV and a dose amount of 5 ⁇ 10 14 cm 2. -2 .
  • the silicon nitride film and the silicon oxide film are etched back.
  • sidewall spacers 18a, 18b, 18c, and 18d are formed on both side surfaces of the gate electrodes 53a, 53b, 53c, and 53d.
  • the side wall spacers 18a, 18b, 18c, and 18d have L-shaped cross-sectional shapes and are made of silicon oxide films, and the inner side wall spacers 16a, 16b, 16c, and 16d, and the inner side wall spacers 16a, 16b, It consists of outer side wall spacers 17a, 17b, 17c and 17d formed on 16c and 16d and made of a silicon nitride film.
  • the insulating film 8 remaining in each of the second pMIS transistor region and the second nMIS transistor region is also etched back.
  • a base spacer 8b having an L-shaped cross-sectional shape is formed between the gate electrode 53b and the sidewall spacer 18b (inner sidewall spacer 16b), and the gate electrode 53d and the sidewall spacer 18d (inner side).
  • a base spacer 8d having an L-shaped cross-sectional shape is formed between the side wall spacer 16d).
  • the base spacer 8b is in contact with the silicon film 7b of the gate electrode 53b
  • the base spacer 8d is in contact with the silicon film 7d of the gate electrode 53d.
  • the widths of the base spacers 8b and 8d are about the same as the thickness of the original insulating film 8 (for example, about 6 nm), and are larger than the widths of the offset spacers 8a and 8c (for example, about 2.5 nm).
  • the silicon oxide film 13a on the gate electrode 53a and the active region 50a and the silicon oxide film 13c on the gate electrode 53c and the active region 50c are also etched back.
  • the offset spacer 8a and the remaining silicon oxide film 13a are interposed between the side surface of the gate electrode 53a and the sidewall spacer 18a, and between the active region 50a (p-type extension region 9a) and the sidewall spacer 18a.
  • the remaining silicon oxide film 13a is interposed therebetween.
  • An offset spacer 8c and the remaining silicon oxide film 13c are interposed between the side surface of the gate electrode 53c and the sidewall spacer 18c, and between the active region 50c (p-type extension region 9c) and the sidewall spacer 18c.
  • the remaining silicon oxide film 13c is interposed between the two.
  • a p-type impurity such as boron is introduced into the semiconductor substrate 50 by ion implantation.
  • a p-type source / drain region 19a is formed in a region located outside the sidewall spacer 18a in the active region 50a, while a region located outside the sidewall spacer 18b in the active region 50b.
  • the resist pattern is removed.
  • the ion implantation conditions are, for example, an implantation energy of 1.6 keV and a dose amount of 1 ⁇ 10 15 cm ⁇ 2 .
  • germanium (Ge) may be implanted into the semiconductor substrate 50 in the first and second pMIS transistor regions before ion implantation of a p-type impurity such as boron.
  • the Ge implantation conditions are, for example, an implantation energy of 10 keV and a dose amount of 5 ⁇ 10 15 cm ⁇ 2 .
  • an n-type impurity such as arsenic is introduced into the semiconductor substrate 50 by ion implantation, whereby the active region 50c
  • An n-type source / drain region 19c is formed in a region located outside and below the sidewall spacer 18c, while an n-type source / drain region 19d is formed in a region located outside and outside the sidewall spacer 18d in the active region 50d.
  • the resist pattern is removed.
  • the ion implantation conditions are, for example, an implantation energy of 10 keV and a dose amount of 5 ⁇ 10 15 cm ⁇ 2 .
  • annealing is performed at about 1000 ° C. to activate the impurities introduced by ion implantation.
  • Al in the pMIS cap films 4a and 4b diffuses into the high-k films 3a and 3b to become Al-containing high-k films 3A and 3B, and nMIS in the high-k films 3c and 3d.
  • La in the cap films 4c and 4d for diffusion diffuses to become La-containing high-k films 3C and 3D.
  • annealing is performed at, for example, about 260 ° C., and the silicon films 7a, 7b, 7c of the gate electrodes 53a, 53b, 53c, 53d, 7d, the surface portions of the p-type source / drain regions 19a and 19b, and the surface portions of the n-type source / drain regions 19c and 19d are reacted with the metal film to form metal silicide layers 20a, 20b, 20c, 20d is formed, and then the unreacted metal film is removed.
  • a CMIS structure is formed by the above steps.
  • FIG. 10 shows the relationship between the equivalent oxide thickness (EOT) and the effective work function in the transistor of this embodiment.
  • EOT equivalent oxide thickness
  • the thin offset spacers 8a and 8c are formed on the side surfaces of the gate electrodes 53a and 53c, respectively, in an oxidizing atmosphere.
  • the interface layer 2a and the interface layer 2c are thickened to become the interface layer 2A and the interface layer 2C. Therefore, oxygen is sufficiently supplied from the interface layer 2A and the interface layer 2C containing sufficient oxygen to the high-k films (before the metal in the cap film diffuses) 3a and 3c. Oxygen desorption from the films 3a and 3c is suppressed. As a result, it becomes difficult to form the above-mentioned interface dipole, so that the effective work function can be set high in each MIS transistor.
  • the threshold voltage (Vth) increases, so that the source off-leak current is reduced. That is, the first nMIS transistor can be used for low leak applications. Further, in the first pMIS transistor having a high effective work function, the threshold voltage (Vth) is lowered, so that the driving force is improved. That is, the first pMIS transistor can be used for high driving force applications.
  • the thicknesses of the interface layers 2a and 2c of the gate insulating films 52a and 52c in the first pMIS transistor and the first nMIS transistor are selectively increased. For this reason, since the EOT of the gate insulating films 52a and 52c in the first pMIS transistor and the first nMIS transistor increases, the effective work functions of the first pMIS transistor and the first nMIS transistor increase. Accordingly, in the semiconductor device having the MIS structure using the high-k film as the gate insulating film, it is possible to provide a plurality of the same conductivity type transistors having different work functions.
  • the transistor drive current can be maximized in each of the low Vth MIS transistor and the high Vth MIS transistor.
  • a high-speed and low-leakage integrated circuit can be realized.
  • the silicon oxide film is formed as the interface layers 2a (2A), 2b, 2c (2C), and 2d.
  • a silicon oxynitride film may be formed instead of this, for example.
  • the pMIS cap films 4a and 4b and the nMIS cap films 4c and 4d are left in the final structure of the semiconductor device.
  • the final structure of the semiconductor device is that the Al-containing high-k films 3A and 3B and the La-containing high-k films 3C and 3D are formed, and the pMIS cap films 4a and 4b and the nMIS cap film 4c. And 4d are not necessarily left.
  • the pMIS cap is formed when the metal-containing film 6 is formed. It is not necessary to leave the film 4 and the nMIS cap film 4 '.
  • a cap film containing La (lanthanum) is used as the nMIS cap film 4 ′. Instead, Dy (dysprosium), Sc (scandium), Gd (gadolinium), or the like is used. You may use the cap film to contain.
  • the gate structure (excluding the interface layer thickness) of each MIS transistor is substantially the same.
  • the cap film thickness and the gate electrode material are changed for each transistor. May be.
  • the present invention is useful as a semiconductor device having a CMIS structure including a plurality of MIS transistors having different threshold voltages (Vth) and a method for manufacturing the same.

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Abstract

　同じ導電型の第１のＭＩＳトランジスタ及び第２のＭＩＳトランジスタが同じ半導体基板（５０）上に設けられている。第１のＭＩＳトランジスタにおけるゲート絶縁膜（５２ａ）の界面層（２Ａ）の厚さは、第２のＭＩＳトランジスタにおけるゲート絶縁膜（５２ｂ）の界面層（２ｂ）の厚さよりも厚い。

Description

半導体装置及びその製造方法
　本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有するＭＩＳ（metal insulator semiconductor ）型の半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
　半導体集積回路装置の高速化及び低消費電力化の要求に応じる為、ＭＩＳＦＥＴ（metal insulator semiconductor field-effect transitor：以下、ＭＩＳトランジスタと称する）では、ゲート絶縁膜の薄膜化が行われている。このようなゲート絶縁膜の薄膜化において、従来から使用されているシリコン酸化膜を薄膜化した場合、トンネル電流に起因するゲートリーク電流が増大する。そこで、シリコン酸化膜に代えて、ＨｆＯ2 膜等のいわゆる高誘電率絶縁膜をゲート絶縁膜に用いることによって、等価酸化膜厚（Equivalent oxide thickness：ＥＯＴ）を薄膜化すると共に、ゲート電極となるポリシリコン膜とゲート絶縁膜との間に、ゲート電極の一部として金属含有膜を挟み込む所謂ＭＩＰＳ（Metal Inserted Poly Silicon ）構造を用いることによって、ゲート電極の空乏化を防止することが試みられている（例えば非特許文献１参照）。尚、高誘電率絶縁膜とは、シリコン窒化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を持つ絶縁膜、例えば比誘電率が８以上の絶縁膜を意味する。
　以下、同一基板上に設けられたｎ型ＭＩＳトランジスタとｐ型ＭＩＳトランジスタとから構成されたＣＭＩＳ（Complementary metal insulator semiconductor ）素子を備え、ゲート絶縁膜にはＨｆＯ2 膜を、ゲート電極にはＭＩＰＳ構造をそれぞれ用いた従来の半導体装置の製造方法について、図１１～図１３を参照しながら説明する。図１１～図１３は、従来の半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図（ゲート長方向の断面図）である。尚、図１１～図１３において、左側に示す「ｎＭＩＳトランジスタ領域」とは、Ｎ型ＭＩＳトランジスタが形成される領域を示し、右側に示す「ｐＭＩＳトランジスタ領域」とは、Ｐ型ＭＩＳトランジスタが形成される領域を示す。
　まず、図１１に示すように、ｐ型シリコンからなる半導体基板１００の上部に、シャロートレンチ分離１０１を選択的に形成することによって、ｐＭＩＳトランジスタ領域とｎＭＩＳトランジスタ領域とを区画する。ここで、ｐＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板１００におけるシャロートレンチ分離１０１に囲まれた部分が活性領域１００ａとなり、ｎＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板１００におけるシャロートレンチ分離１０１に囲まれた部分が活性領域１００ｂとなる。
　次に、ｐＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板１００にｎ型ウェル領域１２１Ｎを形成し、ｎＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板１００にｐ型ウェル領域１２１Ｐを形成する。その後、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法により、ｐＭＩＳトランジスタ領域の活性領域１００ａ上にゲート絶縁膜１２２ａを介してゲート電極１２３ａを形成すると共に、ｎＭＩＳトランジスタ領域の活性領域１００ｂ上にゲート絶縁膜１２２ｂを介してゲート電極１２３ｂを形成する。
　ここで、ゲート絶縁膜１２２ａは、シリコン酸化膜からなる界面層１０２ａと、界面層１０２ａ上に形成され且つＨｆＯ2 膜からなる高誘電率絶縁膜（以下、ｈｉｇｈ－ｋ膜と称する）１０３ａと、ｈｉｇｈ－ｋ膜１０３ａ上に形成されたｐＭＩＳ用キャップ膜１０４ａとからなる。また、ゲート絶縁膜１２２ｂは、シリコン酸化膜からなる界面層１０２ｂと、界面層１０２ｂ上に形成され且つＨｆＯ2 膜からなるｈｉｇｈ－ｋ膜１０３ｂと、ｈｉｇｈ－ｋ膜１０３ｂ上に形成されたｎＭＩＳ用キャップ膜１０４ｂとからなる。ｐＭＩＳ用キャップ膜１０４ａ及びｎＭＩＳ用キャップ膜１０４ｂによって各ゲート電極１２３ａ及び１２３ｂの仕事関数の制御が可能となる。
　また、ゲート電極１２３ａは、メタル膜１０６ａと、メタル膜１０６ａ上に形成されたポリシリコン膜１０７ａとからなり、ゲート電極１２３ｂは、メタル膜１０６ｂと、メタル膜１０６ｂ上に形成されたポリシリコン膜１０７ｂとからなる。
　次に、図１２に示すように、ｐＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板１００にｐ型不純物を導入することによって、ゲート電極１２３ａの両側にエクステンション領域１０８ａを形成し、ｎＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板１００にｎ型不純物を導入することによって、ゲート電極１２３ｂの両側にエクステンション領域１０８ｂを形成する。
　次に、半導体基板１００上の全面にシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を順次堆積した後、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜に対して異方性エッチングを行う。これにより、図１３に示すように、ゲート電極１２３ａの両側面上に、シリコン酸化膜１０９ａ及びシリコン窒化膜１１０ａからなるサイドウォールスペーサ１１１ａが形成されると共に、ゲート電極１２３ｂの両側面上に、シリコン酸化膜１０９ｂ及びシリコン窒化膜１１０ｂからなるサイドウォールスペーサ１１１ｂが形成される。その後、ｐＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板１００にｐ型不純物を導入することによって、ゲート電極１２３ａ及びサイドウォールスペーサ１１１ａの両側にソースドレイン領域１１２ａを形成し、ｎＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板１００にｎ型不純物を導入することによって、ゲート電極１２３ｂ及びサイドウォールスペーサ１１１ｂの両側にソースドレイン領域１１２ｂを形成する。以上の工程によって、ＣＭＩＳ素子が形成される。
T. Schram 他、Novel Process To Pattern Selectively Dual Dielectric Capping Layers Using Soft-Mask Only、2008. Symp. On VLSI techonology 、p.44
　前述のようなＣＭＩＳ素子を使用して、異なる閾値電圧（Ｖｔｈ）を有する複数のトランジスタを半導体集積回路内に形成すると共に、高速動作が要求される回路では低Ｖｔｈトランジスタを、低スタンバイリークが要求される回路では高Ｖｔｈトランジスタを使用することによって、より高性能な半導体集積回路装置を形成することが可能となる。
　図１４は、トランジスタにおける実効仕事関数と飽和電流との関係を示している。図１４においては、実効仕事関数値を変化させながら、それぞれの実効仕事関数値で最も高い飽和電流が得られるようにトランジスタチャンネル内不純物を設定した場合のトランジスタ飽和電流を異なる２種類のソースオフリークについて破線で示している。
　図１４に示すように、ｎＭＩＳトランジスタ及びｐＭＩＳトランジスタのそれぞれにおいて、実効仕事関数に対して飽和電流が最大となる点が異なっていること、及び、同じ導電型のトランジスタであっても、ソースオフリークが異なるトランジスタの間では、飽和電流が最大となる実効仕事関数が異なっていることがわかる。
　尚、「実効仕事関数」とは、ＭＩＳトランジスタの電気特性から求められる仕事関数であって、真空準位と金属のエネルギー準位との差を示す物性的な仕事関数に絶縁膜中の準位などの影響を加味することによって得られる。また、図１４に示す「飽和電流」は、単位ゲート幅当たりの駆動電流であって、トランジスタの駆動力を表している。
　ところで、所望のソースオフリーク電流及びＶｔｈ（閾値電圧）に対して実効仕事関数がｎＭＩＳトランジスタにおいては低すぎ、ｐＭＩＳトランジスタにおいては高すぎる場合、チャンネル内不純物濃度を高く設定しなければならないので、トランジスタ飽和電流は低下する。また、所望のソースオフリーク電流及びＶｔｈに対して実効仕事関数がｎＭＩＳトランジスタにおいては高すぎ、ｐＭＩＳトランジスタにおいては低すぎる場合、Ｖｔｈ調整のためのチャンネル内不純物を十分に導入できないため、サブスレッショルド特性が悪化するので、オフリーク電流一定条件下でのトランジスタ飽和電流は低下する。
　従って、複数のＶｔｈを必要とする半導体集積回路装置において、それぞれのＶｔｈでのトランジスタ駆動電流を極大にするためには、異なる仕事関数を有する複数のゲート構造を１チップ内に形成することが必要となる。
　しかしながら、前述の従来の半導体装置の製造方法においては、ｎＭＩＳトランジスタ及びｐＭＩＳトランジスタのそれぞれにおいて一種類の仕事関数しか設定できない。
　前記に鑑み、本発明は、ゲート絶縁膜にｈｉｇｈ－ｋ膜を使用したＭＩＳ構造の半導体装置において、互いに異なる仕事関数を有する複数の同一導電型トランジスタを設けることを可能にすることを目的とする。
　前記の目的を達成するために、本願発明者らは、異なる仕事関数を有するゲート構造（ゲート絶縁膜とゲート電極とのスタック構造）を作り分ける方法として、ｎＭＩＳ用キャップ膜やｐＭＩＳ用キャップ膜の膜厚を変える方法、及び、トランジスタ毎にメタル電極を作り分ける方法等を検討してみたが、こられの方法はいずれも製造工程の大幅な増加を招くので、実用的ではない。
　そこで、本願発明者らは、さらなる検討を行った結果、ゲート構造の形成後に、ゲート絶縁膜の最下層を構成する界面層の厚さを選択的酸化により増大させることによって、異なる仕事関数を有するゲート構造を作り分けることに想到した。
　具体的には、本発明に係る半導体装置は、同じ導電型の第１のＭＩＳトランジスタ及び第２のＭＩＳトランジスタを同じ半導体基板上に有する半導体装置であって、前記第１のＭＩＳトランジスタは、前記半導体基板における第１の活性領域上に形成された第１のゲート絶縁膜と、前記第１のゲート絶縁膜上に形成された第１のゲート電極とを備え、前記第２のＭＩＳトランジスタは、前記半導体基板における第２の活性領域上に形成された第２のゲート絶縁膜と、前記第２のゲート絶縁膜上に形成された第２のゲート電極とを備え、前記第１のゲート絶縁膜は、前記半導体基板と接する第１の界面層と、前記第１の界面層上に形成された第１の高誘電率絶縁膜とを含み、前記第２のゲート絶縁膜は、前記半導体基板と接する第２の界面層と、前記第２の界面層上に形成された第２の高誘電率絶縁膜とを含み、前記第１の界面層の厚さは、前記第２の界面層の厚さよりも厚い。
　本発明に係る半導体装置によると、第１のＭＩＳトランジスタにおけるゲート絶縁膜の界面層の厚さは、第１のＭＩＳトランジスタと同じ導電型の第２のＭＩＳトランジスタにおけるゲート絶縁膜の界面層の厚さよりも厚い。このため、第１のＭＩＳトランジスタのゲート絶縁膜のＥＯＴが増大するので、第１のＭＩＳトランジスタの実効仕事関数が増大する。従って、ゲート絶縁膜にｈｉｇｈ－ｋ膜を使用したＭＩＳ構造の半導体装置において、互いに異なる仕事関数を有する複数の同一導電型トランジスタを設けることが可能となる。
　本発明に係る半導体装置において、前記第１のゲート電極の側面上には第１の絶縁性スペーサを介して第１のサイドウォールスペーサが形成されており、前記第２のゲート電極の側面上には第２の絶縁性スペーサを介して第２のサイドウォールスペーサが形成されており、前記第１の絶縁性スペーサの厚さは、前記第２の絶縁性スペーサの厚さよりも薄くてもよい。このようにすると、ゲート構造の形成後、サイドウォールスペーサの形成前に、選択酸化を行うことによって、第１のＭＩＳトランジスタにおけるゲート絶縁膜の界面層を厚くすることができる。この場合、前記第１の絶縁性スペーサは、Ｉ字状の断面形状を持つオフセットスペーサであり、前記第２の絶縁性スペーサは、Ｌ字状の断面形状を持つ下地スペーサであってもよい。また、前記第１のゲート電極は、前記第１の高誘電率絶縁膜上に形成された第１の金属含有膜と、前記第１の金属含有膜上に形成された第１のシリコン膜とを含み、前記第２のゲート電極は、前記第２の高誘電率絶縁膜上に形成された第２の金属含有膜と、前記第２の金属含有膜上に形成された第２のシリコン膜とを含み、前記第１のシリコン膜と前記第１の絶縁性スペーサとの間にはシリコン酸化膜が介在しており、前記第２のシリコン膜と前記第２の絶縁性スペーサと接していてもよい。ここで、前記第１のシリコン膜上には第１の金属シリサイド層が形成されており、前記第２のシリコン膜上には第２の金属シリサイド層が形成されていてもよいし、或いは、前記第１の活性領域と前記第１のサイドウォールスペーサとの間にもシリコン酸化膜が介在していてもよい。また、前記第１の絶縁性スペーサ及び前記第２の絶縁性スペーサはシリコン窒化膜から構成されていてもよい。
　本発明に係る半導体装置において、前記第１のＭＩＳトランジスタ及び前記第２のＭＩＳトランジスタはｐＭＩＳトランジスタであり、前記第１の高誘電率絶縁膜及び前記第２の高誘電率絶縁膜はアルミニウムを含有していてもよい。この場合、前記第１のゲート絶縁膜は、前記第１の高誘電率絶縁膜上に形成され且つアルミニウムを含有する第１のキャップ膜をさらに含み、前記第２のゲート絶縁膜は、前記第２の高誘電率絶縁膜上に形成され且つアルミニウムを含有する第２のキャップ膜をさらに含んでいてもよい。
　本発明に係る半導体装置において、前記第１のＭＩＳトランジスタ及び前記第２のＭＩＳトランジスタはｎＭＩＳトランジスタであり、前記第１の高誘電率絶縁膜及び前記第２の高誘電率絶縁膜はランタンを含有していてもよい。この場合、前記第１のゲート絶縁膜は、前記第１の高誘電率絶縁膜上に形成され且つランタンを含有する第１のキャップ膜をさらに含み、前記第２のゲート絶縁膜は、前記第２の高誘電率絶縁膜上に形成され且つランタンを含有する第２のキャップ膜をさらに含んでいてもよい。尚、第１の高誘電率絶縁膜、第２の高誘電率絶縁膜、第１のキャップ膜、第２のキャップ膜が、ランタンに代えて、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）を含有していてもよい。
　本発明に係る半導体装置において、前記第１の高誘電率絶縁膜及び前記第２の高誘電率絶縁膜はハフニウム又はジルコニウムを含んでいてもよい。
　本発明に係る半導体装置において、前記第１の界面層及び前記第２の界面層はシリコン酸化膜から構成されていてもよい。
　本発明に係る半導体装置において、前記第１の高誘電率絶縁膜の厚さと、前記第２の高誘電率絶縁膜の厚さとは実質的に同じであってもよいし、或いは、前記第１のゲート電極の材料と、前記第２のゲート電極の材料とは実質的に同じであってもよい。すなわち、本発明に係る半導体装置において、第１のＭＩＳトランジスタ及び第２のＭＩＳトランジスタは、界面層の厚さを除いて、実質的に同じゲート構造を有していてもよい。
　本発明に係る半導体装置において、前記第１のＭＩＳトランジスタの実効仕事関数は、前記第２のＭＩＳトランジスタの実効仕事関数よりも高くてもよい。
　また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、第１の活性領域及び第２の活性領域を有する半導体基板上に、界面層、高誘電率絶縁膜及びゲート電極材料膜を順次形成する工程（ａ）と、前記ゲート電極材料膜、前記高誘電率絶縁膜及び前記界面層をパターニングすることによって、前記第１の活性領域上に、前記界面層及び前記高誘電率絶縁膜を含む第１のゲート絶縁膜を介して、前記ゲート電極材料膜からなる第１のゲート電極を形成すると共に、前記第２の活性領域上に、前記界面層及び前記高誘電率絶縁膜を含む第２のゲート絶縁膜を介して、前記ゲート電極材料膜からなる第２のゲート電極を形成する工程（ｂ）と、前記工程（ｂ）の後に、前記第１のゲート絶縁膜における前記界面層の厚さを選択的に厚くする工程（ｃ）とを備えている。
　本発明に係る半導体装置の製造方法によると、第１のＭＩＳトランジスタにおけるゲート絶縁膜の界面層の厚さを選択的に厚くするため、第１のＭＩＳトランジスタのゲート絶縁膜のＥＯＴが増大するので、第１のＭＩＳトランジスタの実効仕事関数が増大する。従って、ゲート絶縁膜にｈｉｇｈ－ｋ膜を使用したＭＩＳ構造の半導体装置において、互いに異なる仕事関数を有する複数の同一導電型トランジスタを設けることが可能となる。
　本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記工程（ｃ）は、前記第１のゲート電極及び前記第２のゲート電極を絶縁膜によって覆った後、前記第１のゲート電極を覆う前記絶縁膜に対して選択的にエッチングを行い、その後、酸化処理によって前記第１のゲート絶縁膜における前記界面層を厚くする工程を含んでいてもよい。このようにすると、第１のＭＩＳトランジスタにおけるゲート絶縁膜の界面層の厚さを確実に選択的に厚くすることができる。この場合、第１のゲート電極及び第２のゲート電極を覆う絶縁膜は、例えばシリコン窒化膜であってもよい。また、第１のＭＩＳトランジスタにおけるゲート絶縁膜の界面層の厚さを選択的に厚くするための酸化処理は、例えば、酸素含有雰囲気中での熱処理又はプラズマ処理であってもよい。また、前記ゲート電極材料膜は、前記高誘電率絶縁膜上に形成された金属含有膜と、前記金属含有膜上に形成されたシリコン膜とを含み、前記工程（ｃ）において、前記第１のゲート電極の側面上に残存する前記絶縁膜と、前記第１のゲート電極における前記シリコン膜との間に、シリコン酸化膜が形成されてもよい。
　尚、本発明に係る半導体装置の製造方法において、高誘電率絶縁膜を形成する工程と、ゲート電極材料膜を形成する工程との間に、高誘電率絶縁膜上に、閾値電圧（Ｖｔｈ）調整用金属を含むキャップ膜を形成する工程を含んでいてもよい。
　本発明によると、ゲート絶縁膜にｈｉｇｈ－ｋ膜を使用したＭＩＳ構造の半導体装置において、互いに異なる仕事関数を有する複数の同一導電型トランジスタを設けることが可能となる。
図１は、一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図（ゲート長方向の断面図）である。 図２は、一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図（ゲート長方向の断面図）である。 図３は、一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図（ゲート長方向の断面図）である。 図４は、一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図（ゲート長方向の断面図）である。 図５は、一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図（ゲート長方向の断面図）である。 図６は、一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図（ゲート長方向の断面図）である。 図７は、一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図（ゲート長方向の断面図）である。 図８は、一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図（ゲート長方向の断面図）である。 図９は、一実施形態に係る半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図（ゲート長方向の断面図）である。 図１０は、一実施形態に係る半導体装置における等価酸化膜厚（ＥＯＴ）とトランジスタの実効仕事関数との関係を示す図である。 図１１は、従来の半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図（ゲート長方向の断面図）である。 図１２は、従来の半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図（ゲート長方向の断面図）である。 図１３は、従来の半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図（ゲート長方向の断面図）である。 図１４は、チャネルドーズを変化させてソースオフリークを一定に設定したトランジスタにおける実効仕事関数と飽和電流との関係を示す図である。
　以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。
　図１～図９は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図（ゲート長方向の断面図）である。尚、図１～図９において、一番右側の「第１のｐＭＩＳトランジスタ領域」とは、第１のｐＭＩＳトランジスタが形成される領域を示し、右側から２番目の「第２のｐＭＩＳトランジスタ領域」とは、第２のｐＭＩＳトランジスタが形成される領域を示し、右側から３番目の「第１のｎＭＩＳトランジスタ領域」とは、第１のｎＭＩＳトランジスタが形成される領域を示し、一番左側の「第２のｎＭＩＳトランジスタ領域」とは、第２のｎＭＩＳトランジスタが形成される領域を示す。
　尚、本実施形態においては、第１のｐＭＩＳトランジスタ及び第２のｎＭＩＳトランジスタは、例えば、高速動作が必要な低Ｖｔｈ（例えば０．１～０．２５Ｖ）トランジスタとして用いられる。また、第２のｐＭＩＳトランジスタ及び第１のｎＭＩＳトランジスタは、例えば、低スタンバイリークが必要な高Ｖｔｈ（例えば０．３５～０．５Ｖ）トランジスタとして用いられる。
　まず、図１に示すように、例えばｐ型シリコンからなる半導体基板５０の上部に、例えばシリコン酸化膜が充填されたシャロートレンチからなる素子分離領域１を選択的に形成することによって、ｐＭＩＳトランジスタ領域とｎＭＩＳトランジスタ領域とを区画する。ここで、第１のｐＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板５０における素子分離領域１に囲まれた部分が活性領域５０ａとなり、第２のｐＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板５０における素子分離領域１に囲まれた部分が活性領域５０ｂとなり、第１のｎＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板５０における素子分離領域１に囲まれた部分が活性領域５０ｃとなり、第２のｎＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板５０における素子分離領域１に囲まれた部分が活性領域５０ｄとなる。
　次に、第１及び第２のｐＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板５０に、例えば砒素等のｎ型不純物をイオン注入により導入することによって、ｎ型ウェル領域５１Ｎを形成する。また、第１及び第２のｎＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板５０に、例えばボロン等のｐ型不純物をイオン注入により導入することによって、ｐ型ウェル領域５１Ｐを形成する。尚、第１のｐＭＩＳトランジスタ領域に導入されるｎ型不純物の濃度と、第２のｐＭＩＳトランジスタ領域に導入されるｎ型不純物の濃度とが異なっていてもよいし、第１のｎＭＩＳトランジスタ領域に導入されるｐ型不純物の濃度と、第２のｎＭＩＳトランジスタ領域に導入されるｐ型不純物の濃度とが異なっていてもよい。
　次に、各ＭＩＳトランジスタ領域を含む半導体基板５０上に、例えばシリコン酸化膜からなる厚さ０．８ｎｍ程度の界面層２、及び、例えばＨｆ又はＺｒとＯとを含む厚さ１．２ｎｍ程度の高誘電率絶縁膜（ｈｉｇｈ－ｋ膜）３を順次形成する。
　次に、ｈｉｇｈ－ｋ膜３上に、例えばＡｌ及びＯを含むｐＭＩＳ用キャップ膜４を形成した後、第１及び第２のｎＭＩＳトランジスタ領域からｐＭＩＳ用キャップ膜４を除去し、その後、ｈｉｇｈ－ｋ膜３上及びｐＭＩＳ用キャップ膜４上に、例えばＬａ及びＯを含むｎＭＩＳ用キャップ膜４’を形成した後、第１及び第２のｐＭＩＳトランジスタ領域からｎＭＩＳ用キャップ膜４’を除去する。ここで、ｐＭＩＳ用キャップ膜４は、ｐＭＩＳトランジスタの実効仕事関数を高くすることができる調整用金属として、例えばＡｌ（アルミニウム）を含有している。また、ｎＭＩＳ用キャップ膜４’は、ｎＭＩＳトランジスタの実効仕事関数を高くすることができる調整用金属として、例えばＬａ（ランタン）を含有している。
　次に、ｐＭＩＳ用キャップ膜４上及びｎＭＩＳ用キャップ膜４’上に、例えばＴｉ、Ｔａ又はＲｕ等とＮとを含む厚さ５ｎｍ程度の金属含有膜６、及び例えばポリシリコンからなる厚さ６０ｎｍ程度のシリコン膜７を順次形成する。
　次に、フォトリソグラフィ法及びドライエッチング法により、シリコン膜７、金属含有膜６、ｐＭＩＳ用キャップ膜４、ｎＭＩＳ用キャップ膜４’、ｈｉｇｈ－ｋ膜３及び界面層２をパターニングする。これにより、図２に示すように、第１のｐＭＩＳトランジスタ領域の活性領域５０ａ上にゲート絶縁膜５２ａを介してゲート電極５３ａを形成し、第２のｐＭＩＳトランジスタ領域の活性領域５０ｂ上にゲート絶縁膜５２ｂを介してゲート電極５３ｂを形成し、第１のｎＭＩＳトランジスタ領域の活性領域５０ｃ上にゲート絶縁膜５２ｃを介してゲート電極５３ｃを形成し、第２のｎＭＩＳトランジスタ領域の活性領域５０ｄ上にゲート絶縁膜５２ｄを介してゲート電極５３ｄを形成する。
　ここで、ゲート絶縁膜５２ａは、界面層２ａとｈｉｇｈ－ｋ膜３ａとｐＭＩＳ用キャップ膜４ａとからなり、ゲート絶縁膜５２ｂは、界面層２ｂとｈｉｇｈ－ｋ膜３ｂとｐＭＩＳ用キャップ膜４ｂとからなり、ゲート絶縁膜５２ｃは、界面層２ｃとｈｉｇｈ－ｋ膜３ｃとｎＭＩＳ用キャップ膜４ｃとからなり、ゲート絶縁膜５２ｄは、界面層２ｄとｈｉｇｈ－ｋ膜３ｄとｎＭＩＳ用キャップ膜４ｄとからなる。
　また、ゲート電極５３ａは、金属含有膜６ａとシリコン膜７ａとからなり、ゲート電極５３ｂは、金属含有膜６ｂとシリコン膜７ｂとからなり、ゲート電極５３ｃは、金属含有膜６ｃとシリコン膜７ｃとからなり、ゲート電極５３ｄは、金属含有膜６ｄとシリコン膜７ｄとからなる。
　次に、図３に示すように、ゲート電極５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄの上を含む半導体基板５０上の全面に、例えばシリコン窒化膜からなる厚さ６ｎｍ程度の絶縁膜８を形成する。
　次に、第２のｐＭＩＳトランジスタ領域に開口を有するレジストパターン（図示省略）を用いて、例えばボロン等のｐ型不純物を半導体基板５０にイオン注入により導入することによって、図４に示すように、活性領域５０ｂにおけるゲート電極５３ｂの側方下に位置する領域にｐ型エクステンション領域９ｂを形成した後、前記レジストパターンを除去する。ここで、イオン注入条件は、例えば、注入エネルギーが０．８ｋｅＶ、ドーズ量が１×１０15ｃｍ-2である。尚、ボロン等のｐ型不純物のイオン注入の前に、ゲルマニウム（Ｇｅ）及び炭素（Ｃ）を第２のｐＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板５０に注入してもよい。この場合、Ｇｅの注入条件は、例えば、注入エネルギーが５ｋｅＶ、ドーズ量が５×１０14ｃｍ-2であり、Ｃの注入条件は、例えば、注入エネルギーが２ｋｅＶ、ドーズ量が５×１０14ｃｍ-2である。
　次に、第２のｎＭＩＳトランジスタ領域に開口を有するレジストパターン（図示省略）を用いて、例えば砒素等のｎ型不純物を半導体基板５０にイオン注入により導入することによって、活性領域５０ｄにおけるゲート電極５３ｄの側方下に位置する領域にｎ型エクステンション領域９ｄを形成した後、前記レジストパターンを除去する。ここで、イオン注入条件は、例えば、注入エネルギーが１．２ｋｅＶ、ドーズ量が１×１０15ｃｍ-2である。尚、砒素等のｎ型不純物のイオン注入の前に、ゲルマニウム（Ｇｅ）及び炭素（Ｃ）を第２のｎＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板５０に注入してもよい。この場合、Ｇｅの注入条件は、例えば、注入エネルギーが５ｋｅＶ、ドーズ量が５×１０14ｃｍ-2であり、Ｃの注入条件は、例えば、注入エネルギーが２ｋｅＶ、ドーズ量が５×１０14ｃｍ-2である。
　次に、図５に示すように、フォトリソグラフィ法により、第２のｐＭＩＳトランジスタ領域及び第２のｎＭＩＳトランジスタ領域を覆うレジストパターン１１を形成した後、レジストパターン１１をマスクとして、ドライエッチング法により、絶縁膜８に対してエッチングを行う。これにより、第１のｐＭＩＳトランジスタ領域のゲート電極５３ａの側面上に、Ｉ字状の断面形状を持つオフセットスペーサ８ａが形成されると共に、第１のｎＭＩＳトランジスタ領域のゲート電極５３ｃの側面上に、Ｉ字状の断面形状を持つオフセットスペーサ８ｃが形成される。このとき、オフセットスペーサ８ａ及び８ｃの幅は、元の絶縁膜８の厚さ（例えば６ｎｍ程度）と比較して、例えば２．５ｎｍ程度まで薄くなる。
　次に、レジストパターン１１を除去した後、例えば酸素を含むガスからなるプラズマ中において、半導体基板５０に対して、例えば４００℃程度で酸化処理を行う。これにより、図６に示すように、第１のｐＭＩＳトランジスタ領域におけるゲート絶縁膜５２ａの界面層２ａがそのエッジ側から０．３ｎｍ程度厚くなって界面層２Ａとなると共に、第１のｎＭＩＳトランジスタ領域におけるゲート絶縁膜５２ｃの界面層２ｃがそのエッジ側から０．３ｎｍ程度厚くなって界面層２Ｃとなる。ここで、厚い界面層２Ａ及び界面層２Ｃの形成後においても、ｈｉｇｈ－ｋ膜３ａ及び３ｃの厚さには実質的な変化はない。すなわち、厚い界面層２Ａ及び界面層２Ｃの形成後においても、ｈｉｇｈ－ｋ膜３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは実質的に同じ厚さを有している。
　また、図６に示す工程においては、第１のｐＭＩＳトランジスタ領域におけるゲート電極５３ａのシリコン膜７ａの上部及び両側部に厚さ０．３ｎｍ程度のシリコン酸化膜１３ａが形成されると共に、第１のｎＭＩＳトランジスタ領域におけるゲート電極５３ｃのシリコン膜７ｃの上部及び両側部に厚さ０．３ｎｍ程度のシリコン酸化膜１３ｃが形成される。すなわち、第１のｐＭＩＳトランジスタ領域におけるゲート電極５３ａのシリコン膜７ａとオフセットスペーサ８ａとの間に介在するようにシリコン酸化膜１３ａが形成されると共に、第１のｎＭＩＳトランジスタ領域におけるゲート電極５３ｃのシリコン膜７ｃとオフセットスペーサ８ｃとの間に介在するようにシリコン酸化膜１３ｃが形成される。また、ゲート電極５３ａの両側に位置する部分の活性領域５０ａの表面部にも厚さ０．３ｎｍ程度のシリコン酸化膜１３ａが形成されると共に、ゲート電極５３ｃの両側に位置する部分の活性領域５０ｃの表面部にも厚さ０．３ｎｍ程度のシリコン酸化膜１３ｃが形成される。
　尚、ゲート絶縁膜５２ａの界面層２ａ及びゲート電極５３ａのシリコン膜７ａ側部は、オフセットスペーサ８ａを透過した酸素によって酸化されており、ゲート絶縁膜５２ｃの界面層２ｃ及びゲート電極５３ｃのシリコン膜７ｃ側部は、オフセットスペーサ８ｃを透過した酸素によって酸化されている。
　一方、図６に示す工程において、第２のｐＭＩＳトランジスタ領域及び第２のｎＭＩＳトランジスタ領域のそれぞれのゲート構造は厚さ６ｎｍ程度の絶縁膜８により覆われているため、第２のｐＭＩＳトランジスタ領域のゲート絶縁膜５２ｂの界面層２ｂ、及び第２のｎＭＩＳトランジスタ領域のゲート絶縁膜５２ｄの界面層２ｄが厚くなることはない。
　尚、本実施形態において、界面層２ａ及び２ｃを酸化させるために、酸素含有雰囲気中でプラズマ処理を行ったが、これに代えて、酸素含有雰囲気中で例えば６００℃程度の熱処理を行ってもよい。
　次に、第１のｐＭＩＳトランジスタ領域に開口を有するレジストパターン（図示省略）を用いて、例えばボロン等のｐ型不純物を半導体基板５０にイオン注入により導入することによって、図７に示すように、活性領域５０ａにおけるゲート電極５３ａの側方下に位置する領域にｐ型エクステンション領域９ａを形成した後、前記レジストパターンを除去する。ここで、イオン注入条件は、例えば、注入エネルギーが０．８ｋｅＶ、ドーズ量が１×１０15ｃｍ-2である。尚、ボロン等のｐ型不純物のイオン注入の前に、ゲルマニウム（Ｇｅ）及び炭素（Ｃ）を第１のｐＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板５０に注入してもよい。この場合、Ｇｅの注入条件は、例えば、注入エネルギーが５ｋｅＶ、ドーズ量が５×１０14ｃｍ-2であり、Ｃの注入条件は、例えば、注入エネルギーが２ｋｅＶ、ドーズ量が５×１０14ｃｍ-2である。
　次に、第１のｎＭＩＳトランジスタ領域に開口を有するレジストパターン（図示省略）を用いて、例えば砒素等のｎ型不純物を半導体基板５０にイオン注入により導入することによって、活性領域５０ｃにおけるゲート電極５３ｃの側方下に位置する領域にｎ型エクステンション領域９ｃを形成した後、前記レジストパターンを除去する。ここで、イオン注入条件は、例えば、注入エネルギーが１．２ｋｅＶ、ドーズ量が１×１０15ｃｍ-2である。尚、砒素等のｎ型不純物のイオン注入の前に、ゲルマニウム（Ｇｅ）及び炭素（Ｃ）を第１のｎＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板５０に注入してもよい。この場合、Ｇｅの注入条件は、例えば、注入エネルギーが５ｋｅＶ、ドーズ量が５×１０14ｃｍ-2であり、Ｃの注入条件は、例えば、注入エネルギーが２ｋｅＶ、ドーズ量が５×１０14ｃｍ-2である。
　次に、半導体基板５０上の全面にシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を順次堆積した後、当該シリコン窒化膜及び当該シリコン酸化膜に対してエッチバックを行う。これにより、図８に示すように、ゲート電極５３ａ、５３ｂ、５３ｃ及び５３ｄの両側面上にサイドウォールスペーサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄが形成される。ここで、サイドウォールスペーサ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは、Ｌ字状の断面形状を持ち且つシリコン酸化膜からなる内側サイドウォールスペーサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄと、内側サイドウォールスペーサ１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ上に形成され且つシリコン窒化膜からなる外側サイドウォールスペーサ１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄとからなる。
　尚、図８に示す工程においては、第２のｐＭＩＳトランジスタ領域及び第２のｎＭＩＳトランジスタ領域のそれぞれに残存していた絶縁膜８もエッチバックされる。その結果、ゲート電極５３ｂとサイドウォールスペーサ１８ｂ（内側サイドウォールスペーサ１６ｂ）との間に、Ｌ字状の断面形状を持つ下地スペーサ８ｂが形成されると共に、ゲート電極５３ｄとサイドウォールスペーサ１８ｄ（内側サイドウォールスペーサ１６ｄ）との間に、Ｌ字状の断面形状を持つ下地スペーサ８ｄが形成される。ここで、下地スペーサ８ｂはゲート電極５３ｂのシリコン膜７ｂと接していると共に、下地スペーサ８ｄはゲート電極５３ｄのシリコン膜７ｄと接している。また、下地スペーサ８ｂ及び８ｄの幅は、元の絶縁膜８の厚さ（例えば６ｎｍ程度）と同程度であって、オフセットスペーサ８ａ及び８ｃの幅（例えば２．５ｎｍ程度）よりも厚い。
　また、図８に示す工程においては、ゲート電極５３ａ上及び活性領域５０ａ上のシリコン酸化膜１３ａ、並びにゲート電極５３ｃ上及び活性領域５０ｃ上のシリコン酸化膜１３ｃもエッチバックされる。その結果、ゲート電極５３ａの側面とサイドウォールスペーサ１８ａとの間にはオフセットスペーサ８ａ及び残存するシリコン酸化膜１３ａが介在すると共に、活性領域５０ａ（ｐ型エクステンション領域９ａ）とサイドウォールスペーサ１８ａとの間には残存するシリコン酸化膜１３ａが介在する。また、ゲート電極５３ｃの側面とサイドウォールスペーサ１８ｃとの間にはオフセットスペーサ８ｃ及び残存するシリコン酸化膜１３ｃが介在すると共に、活性領域５０ｃ（ｐ型エクステンション領域９ｃ）とサイドウォールスペーサ１８ｃとの間には残存するシリコン酸化膜１３ｃが介在する。
　次に、第１及び第２のｐ型ＭＩＳトランジスタ領域に開口を有するレジストパターン（図示省略）を用いて、例えばボロン等のｐ型不純物を半導体基板５０にイオン注入により導入することによって、図９に示すように、活性領域５０ａにおけるサイドウォールスペーサ１８ａの外側方下に位置する領域にをｐ型ソースドレイン領域１９ａ形成する一方、活性領域５０ｂにおけるサイドウォールスペーサ１８ｂの外側方下に位置する領域にｐ型ソースドレイン領域１９ｂを形成した後、前記レジストパターンを除去する。ここで、イオン注入条件は、例えば、注入エネルギーが１．６ｋｅＶ、ドーズ量が１×１０15ｃｍ-2である。尚、ボロン等のｐ型不純物のイオン注入の前に、ゲルマニウム（Ｇｅ）を第１及び第２のｐＭＩＳトランジスタ領域の半導体基板５０に注入してもよい。この場合、Ｇｅの注入条件は、例えば、注入エネルギーが１０ｋｅＶ、ドーズ量が５×１０15ｃｍ-2である。
　次に、第１及び第２のｎＭＩＳトランジスタ領域に開口を有するレジストパターン（図示省略）を用いて、例えば砒素等のｎ型不純物を半導体基板５０にイオン注入により導入することによって、活性領域５０ｃにおけるサイドウォールスペーサ１８ｃの外側方下に位置する領域にｎ型ソースドレイン領域１９ｃを形成する一方、活性領域５０ｄにおけるサイドウォールスペーサ１８ｄの外側方下に位置する領域にｎ型ソースドレイン領域１９ｄを形成した後、前記レジストパターンを除去する。ここで、イオン注入条件は、例えば、注入エネルギーが１０ｋｅＶ、ドーズ量が５×１０15ｃｍ-2である。
　その後、例えば１０００℃程度でアニールを行うことによって、イオン注入により導入された不純物を活性化する。このとき、ｈｉｇｈ－ｋ膜３ａ及び３ｂ中にｐＭＩＳ用キャップ膜４ａ及び４ｂ中のＡｌが拡散して、Ａｌ含有ｈｉｇｈ－ｋ膜３Ａ及び３Ｂとなると共に、ｈｉｇｈ－ｋ膜３ｃ及び３ｄ中にｎＭＩＳ用キャップ膜４ｃ及び４ｄ中のＬａが拡散して、Ｌａ含有ｈｉｇｈ－ｋ膜３Ｃ及び３Ｄとなる。
　その後、半導体基板５０上の全面に、例えばＮｉ等からなる金属膜を堆積した後、例えば２６０℃程度でアニール処理を行い、ゲート電極５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄのシリコン膜７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄの表面部、ｐ型ソースドレイン領域１９ａ及び１９ｂの表面部、並びにｎ型ソースドレイン領域１９ｃ及び１９ｄの表面部のそれぞれと、前記金属膜とを反応させて金属シリサイド層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを形成し、その後、未反応の金属膜を除去する。以上の工程によって、ＣＭＩＳ構造が形成される。
　図１０は、本実施形態のトランジスタにおける等価酸化膜厚（ＥＯＴ）と実効仕事関数との関係を示す。図１０に示すように、第２のｐＭＩＳトランジスタ及び第２のｎＭＩＳトランジスタと比較して、第１のｐＭＩＳトランジスタ及び第１のｎＭＩＳトランジスタでは、厚い界面層２Ａ及び２Ｃによって等価酸化膜厚が厚膜化すると同時に、実効仕事関数が上昇している。以下、その理由について述べる。
　例えばＨｆＯ2 からなるｈｉｇｈ－ｋ膜では、工程中の熱処理により、ｈｉｇｈ－ｋ膜中の酸素が拡散してｈｉｇｈ－ｋ膜中から抜け出るため、ｈｉｇｈ－ｋ膜と界面層との間に界面ダイポールが形成されるので、ｐＭＩＳトランジスタにおいてもｎＭＩＳトランジスタにおいても実効仕事関数が低くシフトしてしまうと考えられている。
　一方、図６に示す工程で説明したように、第１のｐＭＩＳトランジスタ及び第１のｎＭＩＳトランジスタでは、ゲート電極５３ａ及び５３ｃのそれぞれの側面に薄いオフセットスペーサ８ａ及び８ｃを形成した状態で酸化雰囲気に晒すことによって、界面層２ａ及び界面層２ｃが厚くなって界面層２Ａ及び界面層２Ｃとなる。このため、十分な酸素が含まれている界面層２Ａ及び界面層２Ｃからｈｉｇｈ－ｋ膜（キャップ膜中の金属が拡散する前）３ａ及び３ｃに十分に酸素が供給されるので、ｈｉｇｈ－ｋ膜３ａ及び３ｃからの酸素脱離が抑制される。これにより、前述の界面ダイポールが形成されにくくなる結果、各ＭＩＳトランジスタにおいて実効仕事関数を高く設定することができる。
　実効仕事関数が高く設定された第１のｎＭＩＳトランジスタでは、閾値電圧（Ｖｔｈ）が上昇するので、ソースオフリーク電流が低減される。すなわち、第１のｎＭＩＳトランジスタは、低リーク用途に使用可能である。また、実効仕事関数が高く設定された第１のｐＭＩＳトランジスタでは、閾値電圧（Ｖｔｈ）が低下するので、駆動力が向上する。すなわち、第１のｐＭＩＳトランジスタは、高駆動力用途に使用可能である。
　以上に説明したように、本実施形態によると、第１のｐＭＩＳトランジスタ及び第１のｎＭＩＳトランジスタにおけるゲート絶縁膜５２ａ及び５２ｃの界面層２ａ及び２ｃの厚さを選択的に厚くする。このため、第１のｐＭＩＳトランジスタ及び第１のｎＭＩＳトランジスタにおけるゲート絶縁膜５２ａ及び５２ｃのＥＯＴが増大するので、第１のｐＭＩＳトランジスタ及び第１のｎＭＩＳトランジスタの実効仕事関数が増大する。従って、ゲート絶縁膜にｈｉｇｈ－ｋ膜を使用したＭＩＳ構造の半導体装置において、互いに異なる仕事関数を有する複数の同一導電型トランジスタを設けることが可能となる。このように、複数の仕事関数を持つＭＩＳトランジスタを集積回路内に混載させることが可能となると、低ＶｔｈのＭＩＳトランジスタ及び高ＶｔｈのＭＩＳトランジスタのそれぞれにおいてトランジスタ駆動電流を極大化することができる結果、高速且つ低リークの集積回路を実現することができる。
　尚、本実施形態において、界面層２ａ（２Ａ）、２ｂ、２ｃ（２Ｃ）、２ｄとして、シリコン酸化膜を形成したが、これに代えて、例えばシリコン酸窒化膜を形成してもよい。
　また、本実施形態では、半導体装置の最終構造においてもｐＭＩＳ用キャップ膜４ａ及び４ｂ並びにｎＭＩＳ用キャップ膜４ｃ及び４ｄを残存させている。しかし、半導体装置の最終構造としては、Ａｌ含有ｈｉｇｈ－ｋ膜３Ａ及び３Ｂ並びにＬａ含有ｈｉｇｈ－ｋ膜３Ｃ及び３Ｄが形成されていれば良く、ｐＭＩＳ用キャップ膜４ａ及び４ｂ並びにｎＭＩＳ用キャップ膜４ｃ及び４ｄについては必ずしも残存させる必要はない。例えば、図１に示す工程において、金属含有膜６を形成する前に、Ａｌ含有ｈｉｇｈ－ｋ膜及びＬａ含有ｈｉｇｈ－ｋ膜を形成すれば、金属含有膜６を形成する際に、ｐＭＩＳ用キャップ膜４及びｎＭＩＳ用キャップ膜４’を残存させておく必要はない。
　また、本実施形態において、ｎＭＩＳ用キャップ膜４’として、Ｌａ（ランタン）を含有するキャップ膜を用いたが、これに代えて、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｓｃ（スカンジウム）又はＧｄ（ガドリニウム）等を含有するキャップ膜を用いてもよい。
　また、本実施形態においては、各ＭＩＳトランジスタにおけるゲート構造（界面層厚さを除く）を実質的に同じにしたが、これに代えて、例えば、キャップ膜厚さやゲート電極材料をトランジスタ毎に変えてもよい。
　以上に説明したように、本発明は、異なる閾値電圧（Ｖｔｈ）を持つ複数のＭＩＳトランジスタを備えたＣＭＩＳ構造の半導体装置及びその製造方法として有用である。
　　１　　素子分離領域
　　２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ　　界面層
　　２Ａ、２Ｃ　　厚い界面層
　　３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ　　ｈｉｇｈ－ｋ膜
　　３Ａ、３Ｂ　　Ａｌ含有ｈｉｇｈ－ｋ膜
　　３Ｃ、３Ｄ　　Ｌａ含有ｈｉｇｈ－ｋ膜
　　４、４ａ、４ｂ　　ｐＭＩＳ用キャップ膜
　　４’、４ｃ、４ｄ　　ｎＭＩＳ用キャップ膜
　　６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ　　金属含有膜
　　７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ　　シリコン膜
　　８　　絶縁膜
　　８ａ、８ｃ　　オフセットスペーサ
　　８ｂ、８ｄ　　下地スペーサ
　　９ａ、９ｂ　　ｐ型エクステンション領域
　　９ｃ、９ｄ　　ｎ型エクステンション領域
　１１　　レジストパターン
　１３ａ、１３ｃ　　シリコン酸化膜
　１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ　　内側サイドウォールスペーサ
　１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ　　外側サイドウォールスペーサ
　１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ　　サイドウォールスペーサ
　１９ａ、１９ｂ　　ｐ型ソースドレイン領域
　１９ｃ、１９ｄ　　ｎ型ソースドレイン領域
　２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ　　金属シリサイド層
　５０　　半導体基板
　５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ　　活性領域
　５１Ｎ　　ｎ型ウェル領域
　５１Ｐ　　ｐ型ウェル領域
　５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄ　　ゲート絶縁膜
　５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ　　ゲート電極

Claims (19)

  1. 　同じ導電型の第１のＭＩＳトランジスタ及び第２のＭＩＳトランジスタを同じ半導体基板上に有する半導体装置であって、
    　前記第１のＭＩＳトランジスタは、前記半導体基板における第１の活性領域上に形成された第１のゲート絶縁膜と、前記第１のゲート絶縁膜上に形成された第１のゲート電極とを備え、
    　前記第２のＭＩＳトランジスタは、前記半導体基板における第２の活性領域上に形成された第２のゲート絶縁膜と、前記第２のゲート絶縁膜上に形成された第２のゲート電極とを備え、
    　前記第１のゲート絶縁膜は、前記半導体基板と接する第１の界面層と、前記第１の界面層上に形成された第１の高誘電率絶縁膜とを含み、
    　前記第２のゲート絶縁膜は、前記半導体基板と接する第２の界面層と、前記第２の界面層上に形成された第２の高誘電率絶縁膜とを含み、
    　前記第１の界面層の厚さは、前記第２の界面層の厚さよりも厚いことを特徴とする半導体装置。
  2. 　請求項１に記載の半導体装置において、
    　前記第１のゲート電極の側面上には第１の絶縁性スペーサを介して第１のサイドウォールスペーサが形成されており、
    　前記第２のゲート電極の側面上には第２の絶縁性スペーサを介して第２のサイドウォールスペーサが形成されており、
    　前記第１の絶縁性スペーサの厚さは、前記第２の絶縁性スペーサの厚さよりも薄いことを特徴とする半導体装置。
  3. 　請求項２に記載の半導体装置において、
    　前記第１の絶縁性スペーサは、Ｉ字状の断面形状を持つオフセットスペーサであり、
    　前記第２の絶縁性スペーサは、Ｌ字状の断面形状を持つ下地スペーサであることを特徴とする半導体装置。
  4. 　請求項３に記載の半導体装置において、
    　前記第１のゲート電極は、前記第１の高誘電率絶縁膜上に形成された第１の金属含有膜と、前記第１の金属含有膜上に形成された第１のシリコン膜とを含み、
    　前記第２のゲート電極は、前記第２の高誘電率絶縁膜上に形成された第２の金属含有膜と、前記第２の金属含有膜上に形成された第２のシリコン膜とを含み、
    　前記第１のシリコン膜と前記第１の絶縁性スペーサとの間にはシリコン酸化膜が介在しており、
    　前記第２のシリコン膜と前記第２の絶縁性スペーサと接していることを特徴とする半導体装置。
  5. 　請求項４に記載の半導体装置において、
    　前記第１のシリコン膜上には第１の金属シリサイド層が形成されており、
    　前記第２のシリコン膜上には第２の金属シリサイド層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
  6. 　請求項５に記載の半導体装置において、
    　前記第１の活性領域と前記第１のサイドウォールスペーサとの間にもシリコン酸化膜が介在していることを特徴とする半導体装置。
  7. 　請求項６に記載の半導体装置において、
    　前記第１の絶縁性スペーサ及び前記第２の絶縁性スペーサはシリコン窒化膜からなることを特徴とする半導体装置。
  8. 　請求項７に記載の半導体装置において、
    　前記第１のＭＩＳトランジスタ及び前記第２のＭＩＳトランジスタはｐＭＩＳトランジスタであり、
    　前記第１の高誘電率絶縁膜及び前記第２の高誘電率絶縁膜はアルミニウムを含有することを特徴とする半導体装置。
  9. 　請求項８に記載の半導体装置において、
    　前記第１のゲート絶縁膜は、前記第１の高誘電率絶縁膜上に形成され且つアルミニウムを含有する第１のキャップ膜をさらに含み、
    　前記第２のゲート絶縁膜は、前記第２の高誘電率絶縁膜上に形成され且つアルミニウムを含有する第２のキャップ膜をさらに含むことを特徴とする半導体装置。
  10. 　請求項７に記載の半導体装置において、
    　前記第１のＭＩＳトランジスタ及び前記第２のＭＩＳトランジスタはｎＭＩＳトランジスタであり、
    　前記第１の高誘電率絶縁膜及び前記第２の高誘電率絶縁膜はランタンを含有することを特徴とする半導体装置。
  11. 　請求項１０に記載の半導体装置において、
    　前記第１のゲート絶縁膜は、前記第１の高誘電率絶縁膜上に形成され且つランタンを含有する第１のキャップ膜をさらに含み、
    　前記第２のゲート絶縁膜は、前記第２の高誘電率絶縁膜上に形成され且つランタンを含有する第２のキャップ膜をさらに含むことを特徴とする半導体装置。
  12. 　請求項９に記載の半導体装置において、
    　前記第１の高誘電率絶縁膜及び前記第２の高誘電率絶縁膜はハフニウム又はジルコニウムを含むことを特徴とする半導体装置。
  13. 　請求項１２に記載の半導体装置において、
    　前記第１の界面層及び前記第２の界面層はシリコン酸化膜からなることを特徴とする半導体装置。
  14. 　請求項１３に記載の半導体装置において、
    　前記第１の高誘電率絶縁膜の厚さと、前記第２の高誘電率絶縁膜の厚さとは実質的に同じであることを特徴とする半導体装置。
  15. 　請求項１４に記載の半導体装置において、
    　前記第１のゲート電極の材料と、前記第２のゲート電極の材料とは実質的に同じであることを特徴とする半導体装置。
  16. 　請求項１５に記載の半導体装置において、
    　前記第１のＭＩＳトランジスタの実効仕事関数は、前記第２のＭＩＳトランジスタの実効仕事関数よりも高いことを特徴とする半導体装置。
  17. 　第１の活性領域及び第２の活性領域を有する半導体基板上に、界面層、高誘電率絶縁膜及びゲート電極材料膜を順次形成する工程（ａ）と、
    　前記ゲート電極材料膜、前記高誘電率絶縁膜及び前記界面層をパターニングすることによって、前記第１の活性領域上に、前記界面層及び前記高誘電率絶縁膜を含む第１のゲート絶縁膜を介して、前記ゲート電極材料膜からなる第１のゲート電極を形成すると共に、前記第２の活性領域上に、前記界面層及び前記高誘電率絶縁膜を含む第２のゲート絶縁膜を介して、前記ゲート電極材料膜からなる第２のゲート電極を形成する工程（ｂ）と、
    　前記工程（ｂ）の後に、前記第１のゲート絶縁膜における前記界面層の厚さを選択的に厚くする工程（ｃ）とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  18. 　請求項１７に記載の半導体装置の製造方法において、
    　前記工程（ｃ）は、前記第１のゲート電極及び前記第２のゲート電極を絶縁膜によって覆った後、前記第１のゲート電極を覆う前記絶縁膜に対して選択的にエッチングを行い、その後、酸化処理によって前記第１のゲート絶縁膜における前記界面層を厚くする工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  19. 　請求項１８に記載の半導体装置の製造方法において、
    　前記ゲート電極材料膜は、前記高誘電率絶縁膜上に形成された金属含有膜と、前記金属含有膜上に形成されたシリコン膜とを含み、
    　前記工程（ｃ）において、前記第１のゲート電極の側面上に残存する前記絶縁膜と、前記第１のゲート電極における前記シリコン膜との間に、シリコン酸化膜が形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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