JP2011071431A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
Semiconductor device and method for manufacturing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011071431A JP2011071431A JP2009223028A JP2009223028A JP2011071431A JP 2011071431 A JP2011071431 A JP 2011071431A JP 2009223028 A JP2009223028 A JP 2009223028A JP 2009223028 A JP2009223028 A JP 2009223028A JP 2011071431 A JP2011071431 A JP 2011071431A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- semiconductor device
- insulating film
- dielectric constant
- high dielectric
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D84/00—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
- H10D84/01—Manufacture or treatment
- H10D84/0123—Integrating together multiple components covered by H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integrating multiple IGBTs
- H10D84/0126—Integrating together multiple components covered by H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integrating multiple IGBTs the components including insulated gates, e.g. IGFETs
- H10D84/0151—Manufacturing their isolation regions
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D84/00—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
- H10D84/01—Manufacture or treatment
- H10D84/0123—Integrating together multiple components covered by H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integrating multiple IGBTs
- H10D84/0126—Integrating together multiple components covered by H10D12/00 or H10D30/00, e.g. integrating multiple IGBTs the components including insulated gates, e.g. IGFETs
- H10D84/0144—Manufacturing their gate insulating layers
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D84/00—Integrated devices formed in or on semiconductor substrates that comprise only semiconducting layers, e.g. on Si wafers or on GaAs-on-Si wafers
- H10D84/01—Manufacture or treatment
- H10D84/02—Manufacture or treatment characterised by using material-based technologies
- H10D84/03—Manufacture or treatment characterised by using material-based technologies using Group IV technology, e.g. silicon technology or silicon-carbide [SiC] technology
- H10D84/038—Manufacture or treatment characterised by using material-based technologies using Group IV technology, e.g. silicon technology or silicon-carbide [SiC] technology using silicon technology, e.g. SiGe
-
- H10W10/014—
-
- H10W10/17—
Landscapes
- Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
- Element Separation (AREA)
Abstract
【課題】ナローチャネル特性の劣化を抑制する。
【解決手段】素子分離領域STIは、半導体基板100に形成されたトレンチ104内に設けられており、トレンチ104の側壁上に形成された下地絶縁膜105を有している。素子形成領域100a上にはゲート絶縁膜112が形成されており、ゲート絶縁膜112は高誘電率膜110を有している。高誘電率膜110の第1の部分110aは、素子形成領域100aにおける上面上に形成されており、高誘電率膜110の第2の部分110bは、素子形成領域における上部側面104a上に下地絶縁膜105を介して形成されている。第2の部分110bと下地絶縁膜105との間には、MISトランジスタの閾値電圧を変更する金属を含有する第1のキャップ膜106が設けられている。
【選択図】図6To suppress degradation of narrow channel characteristics.
An element isolation region STI is provided in a trench 104 formed in a semiconductor substrate 100, and has a base insulating film 105 formed on a side wall of the trench 104. A gate insulating film 112 is formed on the element formation region 100 a, and the gate insulating film 112 has a high dielectric constant film 110. The first portion 110a of the high dielectric constant film 110 is formed on the upper surface in the element formation region 100a, and the second portion 110b of the high dielectric constant film 110 is underlying insulating on the upper side surface 104a in the element formation region. It is formed through the film 105. A first cap film 106 containing a metal that changes the threshold voltage of the MIS transistor is provided between the second portion 110 b and the base insulating film 105.
[Selection] Figure 6
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、特に、MIS(Metal Insulator Semiconductor)トランジスタの閾値電圧を変更する金属を含有するキャップ膜を備えた半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device including a cap film containing a metal that changes a threshold voltage of a MIS (Metal Insulator Semiconductor) transistor and a manufacturing method thereof.
デザインルールにおける半導体装置の縮小に伴い、回路の集積度は飛躍的に向上しており、1チップ上に1億個以上の電界効果型トランジスタ(FET:Field Effect Transistor)の搭載が可能となっている。高性能なトランジスタを実現するためには、ゲート長の縮小だけで無く、ゲート絶縁膜の薄膜化も求められている。 With the reduction of semiconductor devices in the design rules, the degree of circuit integration has dramatically improved, and more than 100 million field effect transistors (FETs) can be mounted on one chip. Yes. In order to realize a high-performance transistor, not only reduction of the gate length but also reduction of the gate insulating film is required.
従来、ゲート絶縁膜には、シリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜が用いられている。しかし、EOT(Equivalent Oxide Thickness:等価酸化膜厚)が2nm以下まで小さくなると、ゲートリーク電流が増大するため回路の消費電力が増大するという問題が発生する。ゲートリーク電流を低減しつつEOTの薄膜化を実現するために、高誘電率膜に関心が寄せられている。また、EOTの更なる薄膜化のために、高誘電率膜とメタルゲート電極(メタルゲート電極はシリコン電極ではなく窒化チタン又は窒化タンタル等のメタル材料からなるゲート電極である)とを有するトランジスタについて多くの研究開発がなされている。 Conventionally, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film is used as the gate insulating film. However, when the EOT (Equivalent Oxide Thickness: equivalent oxide thickness) is reduced to 2 nm or less, a problem arises in that the power consumption of the circuit increases because the gate leakage current increases. In order to reduce the thickness of the EOT while reducing the gate leakage current, there is an interest in a high dielectric constant film. Further, a transistor having a high dielectric constant film and a metal gate electrode (a metal gate electrode is not a silicon electrode but a gate electrode made of a metal material such as titanium nitride or tantalum nitride) for further thinning of the EOT. A lot of research and development has been done.
高誘電率膜とメタルゲート電極とを有するトランジスタを実現する上での課題の一つに、トランジスタの閾値電圧の制御がある。従来のゲート電極であるシリコン電極では、不純物イオンを注入することによりシリコン電極の仕事関数を調整し、よって、N型FET及びP型FETのそれぞれに適した閾値電圧を実現している。すなわち、N型FETに対しては、シリコン電極にヒ素又はリン等のN型不純物を注入することによりシリコン電極の仕事関数の低減を図り、P型FETに対しては、シリコン電極にボロン等のP型不純物を注入することによりシリコン電極の仕事関数の増大を図っている。しかし、メタルゲート電極では、不純物イオンの注入による仕事関数の制御が出来ない。そのため、ゲート電極としてメタルゲート電極を用いたときには、トランジスタの閾値電圧の制御が大きな課題となっている。なお、本明細書中においては、N型FET及びP型FETにおいて閾値電圧の変化を統一的に表現するために、閾値電圧は絶対値で記載する。これにより、N型FET及びP型FETに関係なく、閾値電圧が0Vに近づく方向に変化した場合を「閾値電圧が低下(低減)する、又は、閾値電圧が低くなる」と記載し、閾値電圧が0Vから遠ざかる方向に変化した場合を「閾値電圧が上昇する、又は、閾値電圧が高くなる」と記載する。 One of the problems in realizing a transistor having a high dielectric constant film and a metal gate electrode is control of the threshold voltage of the transistor. In the conventional silicon electrode which is a gate electrode, the work function of the silicon electrode is adjusted by implanting impurity ions, thereby realizing a threshold voltage suitable for each of the N-type FET and the P-type FET. That is, for an N-type FET, the work function of the silicon electrode is reduced by injecting an N-type impurity such as arsenic or phosphorus into the silicon electrode. For a P-type FET, boron or the like is used for the silicon electrode. The work function of the silicon electrode is increased by implanting P-type impurities. However, the metal gate electrode cannot control the work function by implanting impurity ions. Therefore, when a metal gate electrode is used as the gate electrode, control of the threshold voltage of the transistor is a big problem. In this specification, the threshold voltage is described as an absolute value in order to uniformly express the change in the threshold voltage in the N-type FET and the P-type FET. As a result, regardless of the N-type FET and the P-type FET, the case where the threshold voltage changes in a direction approaching 0 V is described as “the threshold voltage decreases (decreases) or the threshold voltage decreases”. Is described as "the threshold voltage increases or the threshold voltage increases".
高誘電率膜とメタルゲート電極とを有するトランジスタにおいて閾値電圧を制御する方法が非特許文献1に開示されている。非特許文献1に開示されたトランジスタでは、素子形成領域上に酸化膜及び高誘電率膜が順に形成されており、このトランジスタは、上記酸化膜と高誘電率膜との界面に電気双極子を発生させる金属酸化膜(キャップ膜)を備えている。 Non-Patent Document 1 discloses a method for controlling a threshold voltage in a transistor having a high dielectric constant film and a metal gate electrode. In the transistor disclosed in Non-Patent Document 1, an oxide film and a high dielectric constant film are sequentially formed on an element formation region, and this transistor has an electric dipole at the interface between the oxide film and the high dielectric constant film. A metal oxide film (cap film) to be generated is provided.
図8はキャップ膜を有する従来の半導体装置の平面図である。図9(a)は図8に示すIXA−IXA線における断面図であり、(b)は図8に示すIXB−IXB線における断面図である。なお、図8及び図9(a)において、「NFET」はN型MISトランジスタが形成されている領域を示しており、「STI」は素子分離領域を示している。また、図8において、「S」、「D」及び「G」はそれぞれソース領域、ドレイン領域及びゲート領域を示しており、「W」及び「L」はそれぞれゲート幅及びゲート長さを示している。 FIG. 8 is a plan view of a conventional semiconductor device having a cap film. 9A is a cross-sectional view taken along line IXA-IXA shown in FIG. 8, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line IXB-IXB shown in FIG. 8 and 9A, “NFET” indicates a region where an N-type MIS transistor is formed, and “STI” indicates an element isolation region. In FIG. 8, “S”, “D”, and “G” indicate a source region, a drain region, and a gate region, respectively, and “W” and “L” indicate a gate width and a gate length, respectively. Yes.
図8〜図9(b)に示すように、従来の半導体装置では、シリコン基板700内にトレンチ701が形成されている。トレンチ701内には下地絶縁膜(例えばシリコン酸化膜)702を介して素子分離絶縁膜703が形成されており、下地絶縁膜702と素子分離絶縁膜703とで素子分離領域STI(Shallow Trench Isolation)が構成されている。シリコン基板700のうち素子分離領域STIで囲まれた部分は素子形成領域700aであり、素子形成領域700a上にはゲート絶縁膜707及びゲート電極710が順に設けられている。ゲート絶縁膜707では、シリコン酸化膜704、ハフニウム酸化膜705及びキャップ膜706が素子形成領域700a上に順に設けられており、ゲート電極710では、TiN膜708及びポリシリコン膜709がゲート絶縁膜707上に順に設けられている。ゲート電極710の側面上にはサイドウォール712が設けられている。また、素子形成領域700a内には、エクステンション領域711がゲート電極710の側方下に形成されており、ソースドレイン領域713がサイドウォール712の側方下に形成されている。
As shown in FIGS. 8 to 9B, in the conventional semiconductor device, a
このような半導体装置を製造するときには、キャップ膜706を形成してから熱処理を行う。すると、キャップ膜706中の金属(N型FETを製造するときには例えばランタン、P型FETを製造するときには例えばアルミニウム)がハフニウム酸化膜705とシリコン酸化膜704との界面まで拡散する。これにより、この界面には電気双極子が発生し、よって、トランジスタの閾値電圧を低減させることができる。非特許文献1には、キャップ膜としてランタン酸化膜を用いればN型FETの閾値電圧を400mV程度低くすることができ、キャップ膜としてアルミニウム酸化膜を用いればP型FETの閾値電圧を300mV程度低くすることができる,と記載されている。
When manufacturing such a semiconductor device, heat treatment is performed after the
しかしながら、非特許文献1に開示された方法でMISトランジスタの閾値電圧を低減させると、ナローチャネル特性が劣化することが分かった。図10は、従来のN型MISトランジスタのナローチャネル特性の評価結果を模式的に示すグラフ図である。 However, it has been found that when the threshold voltage of the MIS transistor is reduced by the method disclosed in Non-Patent Document 1, the narrow channel characteristics are deteriorated. FIG. 10 is a graph schematically showing the evaluation results of the narrow channel characteristics of a conventional N-type MIS transistor.
キャップ膜を形成しない場合、図10の線91に示すように、ゲート幅に対する閾値電圧の変動はほとんど見られなかった。一方、キャップ膜を形成すると、図10の線92に示すように、ゲート幅が広い場合にはゲート幅に対する閾値電圧の変動はほとんど見られなかったが、ゲート幅が狭い場合にはゲート幅が狭くなるにつれて閾値電圧は高くなった。具体的には、ゲート幅が広い場合(ゲート幅が例えば10μmである場合)、膜厚が1nmであるランタン酸化膜を膜厚が2nmであるハフニウム酸化膜上に形成すれば、閾値電圧を500mV程度低くすることができた(Δ1≒500mV)。この結果は、非特許文献1に記載の実験データと同程度である。しかし、ゲート幅が狭くなるに従い閾値電圧が高くなり、ゲート幅が0.1μm程度まで狭くなると閾値電圧が200mV以上も高くなった(Δ2≧200mV)。つまり、ゲート幅が狭くなると、ランタンによる閾値電圧の低下効果が500mVから300mV以下に大きく低下した(ナローチャネル特性の劣化、閾値電圧のゲート幅依存性)。
When the cap film was not formed, as shown by the
また、不図示であるが、従来のP型MISトランジスタのナローチャネル特性を調べたところ、N型MISトランジスタと同様に、ゲート幅が広い場合にはゲート幅に対する閾値電圧の変動はほとんど見られなかったが、ゲート幅が狭い場合にはゲート幅が狭くなるにつれて閾値電圧は高くなった。 Although not shown, when the narrow channel characteristics of a conventional P-type MIS transistor are examined, as with the N-type MIS transistor, when the gate width is wide, there is almost no variation in the threshold voltage with respect to the gate width. However, when the gate width was narrow, the threshold voltage increased as the gate width narrowed.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ナローチャネル特性の劣化を抑制可能なトランジスタ及びその製造方法を提供することである。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a transistor capable of suppressing deterioration of narrow channel characteristics and a method for manufacturing the same.
前記課題を解決するため、本発明では、キャップ膜を素子形成領域上のみならず下地絶縁膜(下地絶縁膜は、素子分離領域の形成時にトレンチの側壁上に形成される)上にも形成する。 In order to solve the above problem, in the present invention, the cap film is formed not only on the element formation region but also on the base insulating film (the base insulating film is formed on the sidewall of the trench when the element isolation region is formed). .
キャップ膜を有する従来の半導体装置においてナローチャネル特性の劣化が生じる要因として、次の3つが考えられる。1つ目の要因は、キャップ膜の形成時、素子分離領域のうち素子形成領域と接する部分(トランジスタのエッジ部)ではカバレッジ劣化によりキャップ膜が薄膜化する,ということである。2つ目の要因は、高誘電率膜の形成時、トランジスタのエッジ部ではローディング効果により高誘電率膜が厚膜化する,ということである。3つ目の要因は、キャップ膜に加わる応力がトランジスタの中央部とトランジスタのエッジ部とでは互いに異なるのでキャップ膜中の金属が熱処理中にメタルゲート電極中に拡散する,ということである。 There are three possible causes for the degradation of the narrow channel characteristics in a conventional semiconductor device having a cap film. The first factor is that when the cap film is formed, the cap film is thinned due to coverage deterioration in a portion of the element isolation region that is in contact with the element formation region (the edge portion of the transistor). The second factor is that when the high dielectric constant film is formed, the high dielectric constant film becomes thicker due to the loading effect at the edge portion of the transistor. The third factor is that the metal applied to the cap film diffuses into the metal gate electrode during the heat treatment because the stress applied to the cap film is different between the central portion of the transistor and the edge portion of the transistor.
前述の3つの要因の全てに共通することは、トランジスタのエッジ部においてのみキャップ膜の効果が低減するということである。ゲート幅が広い場合、トランジスタのエッジ部がトランジスタ全体に与える影響は小さいため、素子形成領域上にキャップ膜を形成すればトランジスタの閾値電圧を低減させることができる。しかし、ゲート幅が狭い場合、トランジスタのエッジ部がトランジスタ全体に与える影響は大きいので、トランジスタのエッジ部におけるキャップ膜の効果の低減を無視できず、そのため、トランジスタの閾値電圧は上昇する。 What is common to all the above three factors is that the effect of the cap film is reduced only at the edge of the transistor. When the gate width is wide, the influence of the edge portion of the transistor on the entire transistor is small. Therefore, if a cap film is formed over the element formation region, the threshold voltage of the transistor can be reduced. However, when the gate width is narrow, the influence of the edge portion of the transistor on the entire transistor is large, and thus the reduction in the effect of the cap film at the edge portion of the transistor cannot be ignored, and therefore the threshold voltage of the transistor increases.
本発明では、素子分離領域の形成時に、ランタン又はアルミニウム等を含むキャップ膜を下地絶縁膜上に形成する。これにより、トランジスタのエッジ部においてのみ、キャップ膜の膜厚を従来よりも厚くすることができる。よって、トランジスタのエッジ部におけるキャップ膜の効果の低下を防止することができる。従って、閾値電圧をトランジスタのエッジ部とトランジスタの中央部とで略同一にすることができるので、ナローチャネル特性の劣化を抑制できる。 In the present invention, a cap film containing lanthanum or aluminum is formed on the base insulating film when forming the element isolation region. Thereby, the film thickness of the cap film can be made thicker than before only at the edge portion of the transistor. Accordingly, it is possible to prevent a reduction in the effect of the cap film at the edge portion of the transistor. Therefore, the threshold voltage can be made substantially the same at the edge portion of the transistor and the central portion of the transistor, so that deterioration of the narrow channel characteristic can be suppressed.
具体的には、本発明に係る半導体装置は、半導体基板に形成されたトレンチ内に設けられ、素子形成領域を囲む素子分離領域と、素子形成領域上に設けられ、高誘電率膜を有するゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを備えている。素子分離領域は、トレンチの側壁上に形成された酸素を含有する下地絶縁膜を有している。高誘電率膜は、素子形成領域における上面上に形成された第1の部分と、素子形成領域における上部側面上に下地絶縁膜を介して形成された第2の部分とを有している。高誘電率膜における第2の部分と下地絶縁膜との間には、MISトランジスタの閾値電圧を変更する金属を含有する第1のキャップ膜が設けられている。 Specifically, a semiconductor device according to the present invention is provided in a trench formed in a semiconductor substrate, and includes an element isolation region surrounding the element formation region, and a gate provided on the element formation region and having a high dielectric constant film. An insulating film and a gate electrode provided on the gate insulating film are provided. The element isolation region has a base insulating film containing oxygen formed on the sidewall of the trench. The high dielectric constant film has a first portion formed on the upper surface in the element formation region and a second portion formed on the upper side surface in the element formation region via a base insulating film. A first cap film containing a metal that changes the threshold voltage of the MIS transistor is provided between the second portion of the high dielectric constant film and the base insulating film.
このように本発明に係る半導体装置では、トランジスタのエッジ部に第1のキャップ膜が設けられている。よって、トランジスタのエッジ部におけるキャップ膜の効果を向上させることができる。 Thus, in the semiconductor device according to the present invention, the first cap film is provided at the edge portion of the transistor. Therefore, the effect of the cap film at the edge portion of the transistor can be improved.
後述の好ましい実施形態では、素子分離領域は、トレンチ内に下地絶縁膜を介して形成された素子分離絶縁膜をさらに備えており、下地絶縁膜と素子分離絶縁膜との間には、第1のキャップ膜が設けられている。 In a preferred embodiment to be described later, the element isolation region further includes an element isolation insulating film formed in the trench via the base insulating film, and the first region is between the base insulating film and the element isolation insulating film. The cap film is provided.
後述の好ましい実施形態では、ゲート電極は、素子形成領域における上部側面上に高誘電率膜の第2の部分を介して形成されている。 In a preferred embodiment described later, the gate electrode is formed on the upper side surface in the element formation region via the second portion of the high dielectric constant film.
本発明に係る半導体装置では、ゲート絶縁膜は、素子形成領域上に形成された酸素含有膜と、酸素含有膜上に形成された高誘電率膜における第1の部分と、高誘電率膜における第1の部分の上に形成され、金属を含有する第2のキャップ膜とを有することが好ましい。これにより、トランジスタの閾値電圧を所望値とすることができる。 In the semiconductor device according to the present invention, the gate insulating film includes an oxygen-containing film formed on the element formation region, a first portion in the high dielectric constant film formed on the oxygen-containing film, and a high dielectric constant film. It is preferable to have a second cap film formed on the first portion and containing a metal. Thereby, the threshold voltage of the transistor can be set to a desired value.
後述の好ましい実施形態では、第2のキャップ膜は、高誘電率膜における第2の部分の上にも形成されている。また、高誘電率膜における第2の部分の上に形成されている第2のキャップ膜の膜厚は、高誘電率膜における第1の部分の上に形成されている第2のキャップ膜の膜厚よりも薄い。 In a preferred embodiment described later, the second cap film is also formed on the second portion of the high dielectric constant film. In addition, the film thickness of the second cap film formed on the second portion of the high dielectric constant film is the same as that of the second cap film formed on the first portion of the high dielectric constant film. Thinner than film thickness.
後述の好ましい実施形態では、酸素含有膜はシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜であり、下地絶縁膜はシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜である。 In a preferred embodiment described later, the oxygen-containing film is a silicon oxide film or a silicon oxynitride film, and the base insulating film is a silicon oxide film or a silicon oxynitride film.
後述の好ましい実施形態では、高誘電率膜の第2の部分における金属の不純物濃度は、高誘電率膜の第1の部分における金属の不純物濃度と同等、又はそれよりも高い。 In a preferred embodiment described later, the metal impurity concentration in the second portion of the high dielectric constant film is equal to or higher than the metal impurity concentration in the first portion of the high dielectric constant film.
後述の好ましい実施形態では、MISトランジスタは、Nチャネル型MISトランジスタであり、金属は、ランタン、ジスプロシウム、スカンジウム、エルビウム、マグネシウム及びストロンチウムの中から選択される少なくとも1つである。 In a preferred embodiment described later, the MIS transistor is an N-channel MIS transistor, and the metal is at least one selected from lanthanum, dysprosium, scandium, erbium, magnesium, and strontium.
後述の好ましい実施形態では、MISトランジスタは、Pチャネル型MISトランジスタであり、金属は、アルミニウムである。 In a preferred embodiment described later, the MIS transistor is a P-channel MIS transistor, and the metal is aluminum.
後述の好ましい実施形態では、高誘電率膜は、ハフニウム酸化膜、ハフニウムシリコン酸化膜、窒化ハフニウムシリコン酸化膜、ジルコニウム酸化膜又はハフニウムジルコニウム酸化膜の何れかである。 In a preferred embodiment described below, the high dielectric constant film is any of a hafnium oxide film, a hafnium silicon oxide film, a hafnium silicon oxide film, a zirconium oxide film, or a hafnium zirconium oxide film.
後述の好ましい実施形態では、ゲート電極は、窒化チタン膜、窒化タンタル膜、タンタルカーバイド膜及び窒化タンタルカーバイド膜のうちの何れか1つからなる単層膜又は2つ以上からなる積層膜である。 In a preferred embodiment described later, the gate electrode is a single-layer film made of any one of a titanium nitride film, a tantalum nitride film, a tantalum carbide film, and a tantalum nitride carbide film, or a laminated film made of two or more.
本発明の半導体装置では、素子分離領域における素子形成領域に隣接するエッジ部の上面には凹部が形成されており、高誘電率膜における第2の部分は凹部の内面上に設けられている。このようにエッジ部の上面に凹部が形成されているので、トランジスタのエッジ部に第1のキャップ膜を設けることができる。 In the semiconductor device of the present invention, a recess is formed on the upper surface of the edge portion adjacent to the element formation region in the element isolation region, and the second portion of the high dielectric constant film is provided on the inner surface of the recess. As described above, since the concave portion is formed on the upper surface of the edge portion, the first cap film can be provided on the edge portion of the transistor.
後述の好ましい実施形態では、下地絶縁膜は金属を含有している。 In a preferred embodiment described later, the base insulating film contains a metal.
本発明の半導体装置の製造方法は、素子形成領域を囲むように半導体基板にトレンチを形成した後、トレンチの側壁上に酸素を含有する下地絶縁膜を設ける工程(a)と、下地絶縁膜上にMISトランジスタの閾値電圧を変更する金属を含有するキャップ膜を設ける工程(b)と、工程(b)の後に、トレンチ内に下地絶縁膜を介して素子分離絶縁膜を設け、下地絶縁膜と素子分離絶縁膜とを有する素子分離領域を形成する工程(c)と、工程(c)の後に、素子形成領域上に高誘電率膜を有するゲート絶縁膜を設ける工程(d)と、ゲート絶縁膜上にゲート電極を設ける工程(e)とを備えている。工程(d)では、素子形成領域における上部側面上に下地絶縁膜及びキャップ膜を介して高誘電率膜を形成する。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step (a) of forming a trench in a semiconductor substrate so as to surround an element formation region, and then providing a base insulating film containing oxygen on the sidewall of the trench; (B) providing a cap film containing a metal that changes the threshold voltage of the MIS transistor, and after the step (b), an element isolation insulating film is provided in the trench via the base insulating film, A step (c) of forming an element isolation region having an element isolation insulating film, a step (d) of providing a gate insulating film having a high dielectric constant film on the element formation region after the step (c), and gate insulation And (e) providing a gate electrode on the film. In the step (d), a high dielectric constant film is formed on the upper side surface in the element formation region via a base insulating film and a cap film.
後述の好ましい実施形態では、工程(b)の後に、金属をキャップ膜から下地絶縁膜へ拡散させる工程(f)を備えている。 In a preferred embodiment described later, a step (f) of diffusing metal from the cap film into the base insulating film is provided after the step (b).
本発明では、ナローチャネル特性の劣化を抑制することができる。 In the present invention, it is possible to suppress degradation of narrow channel characteristics.
以下では、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されない。また、以下に示す実施形態に記載の膜厚、材料及び作製方法等は、一例に過ぎず、以下に記載の事項に限定されない。また、以下の実施形態では、実質的に同一の部材に対して同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to embodiment shown below. In addition, the film thickness, material, manufacturing method, and the like described in the following embodiments are merely examples, and are not limited to the items described below. Moreover, in the following embodiment, the same code | symbol may be attached | subjected with respect to substantially the same member, and the description may be abbreviate | omitted.
図1〜図5(b)を参照しながら、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す。図1は、本実施形態に係る半導体装置の平面図である。図2(a)〜図5(b)は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。図2(a)〜図4(b)は図1に示すVIA−VIA線における断面図であり、図5(a)及び(b)は図1に示すVIB−VIB線における断面図である。図1〜図4(b)において、「NFET」はN型MISトランジスタが形成されている領域を示しており、「STI」は素子分離領域を示している。つまり、本実施形態では、N型MISトランジスタを備えた半導体装置の製造方法及びその構造を示す。また、図1において、「S」、「D」及び「G」はそれぞれソース領域、ドレイン領域及びゲート領域を示しており、「W」及び「L」はそれぞれゲート幅及びゲート長さを示しており、「A」は、素子分離領域STIのうち素子形成領域と接する部分(本実施形態では、「N型FETのエッジ部」と称する)である。 A method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view of the semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 2A to FIG. 5B are cross-sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to this embodiment in the order of steps. 2A to 4B are cross-sectional views taken along the line VIA-VIA shown in FIG. 1, and FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views taken along the line VIB-VIB shown in FIG. 1 to 4B, “NFET” indicates a region where an N-type MIS transistor is formed, and “STI” indicates an element isolation region. That is, in this embodiment, a method for manufacturing a semiconductor device including an N-type MIS transistor and its structure are shown. In FIG. 1, “S”, “D”, and “G” indicate a source region, a drain region, and a gate region, respectively, and “W” and “L” indicate a gate width and a gate length, respectively. “A” is a portion in contact with the element formation region in the element isolation region STI (referred to as an “edge portion of the N-type FET” in the present embodiment).
まず、図2(a)に示す工程では、熱酸化法により、例えばシリコンからなる半導体基板(以下、「基板」と称する)100の上に、例えば膜厚10nmのシリコン酸化膜101を形成する。続いて、シリコン酸化膜101の上に、例えば膜厚70nmのシリコン窒化膜102を形成する。続いて、シリコン窒化膜102の上にレジスト膜(不図示)を形成してから、フォトリソグラフィ技術を用いてレジスト膜のうち素子分離領域STIとなる部分に開口を形成する。これにより、シリコン窒化膜102の上には、素子分離領域STIとなる部分においてシリコン窒化膜102を露出するレジストパターン103が形成される。
First, in the process shown in FIG. 2A, a
次に、図2(b)に示す工程では、レジストパターン103(図2(a)を参照)をマスクに用いて、シリコン窒化膜102、シリコン酸化膜101、及び基板100をエッチングする。これにより、基板100内に、深さが例えば300nmのトレンチ104が形成される。続いて、レジストパターン103を除去し、その後、酸素ガス及び水素ガス雰囲気中で熱処理を行う。これにより、トレンチ104の側壁上及び底面上に、例えば膜厚2nmのシリコン酸化膜からなる下地絶縁膜105が形成される(工程(a))。
Next, in the process shown in FIG. 2B, the
次に、図2(c)に示す工程では、例えばALD(Atomic Layer Deposition)法を用いて、シリコン窒化膜102の上面及び側面、シリコン酸化膜101の側面、並びに、下地絶縁膜105の上に、例えば膜厚1nmのランタン酸化膜からなる第1のキャップ膜(キャップ膜)106を形成する(工程(b))。続いて、窒素ガス雰囲気中において、例えば800℃で30秒間、熱処理を行う。これにより、第1のキャップ膜106中のランタンが下地絶縁膜105へ拡散する(工程(f))。よって、下地絶縁膜105内にはランタンが存在することになる。このとき、ランタンが下地絶縁膜105における第1のキャップ膜106との界面近傍に存在するように、熱拡散を行うことが好ましい。
Next, in the step shown in FIG. 2C, the top surface and side surface of the
次に、図3(a)に示す工程では、例えば、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)又は熱CVD法を用いて、トレンチ104の内部を埋め込むように基板100の全面上に例えば膜厚500nmのシリコン酸化膜(不図示)を形成する。その後、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)法を用いて、シリコン酸化膜におけるシリコン窒化膜102よりも上に存在している部分、及び、第1のキャップ膜106におけるシリコン窒化膜102よりも上に存在している部分を除去する。これにより、基板100上の表面が平坦化され、トレンチ104内にはシリコン酸化膜からなる素子分離絶縁膜107が下地絶縁膜105及び第1のキャップ膜106を介してトレンチ104の側壁上及び底面上に形成される。つまり、第1のキャップ膜106は、トレンチ104内において、下地絶縁膜105と素子分離絶縁膜107とで挟まれる。この素子分離絶縁膜107と第1のキャップ膜106と下地絶縁膜105とで素子分離領域STIが構成され(工程(c))、基板100のうち素子分離領域STIで囲まれた部分が素子形成領域100aとなる。
Next, in the process shown in FIG. 3A, for example, silicon having a film thickness of, for example, 500 nm is formed on the entire surface of the
次に、図3(b)に示す工程では、例えばリン酸などの薬液を用いたエッチングにより、シリコン酸化膜101上のシリコン窒化膜102、及び第1のキャップ膜106におけるシリコン酸化膜101よりも上に存在している部分を除去する。続いて、所望の領域を開口するレジストパターン(図示せず)を形成した後、そのレジストパターンをマスクに用いて基板100に対して不純物イオン108を注入する。本実施形態ではN型FETを作製するので、不純物イオン108として例えばホウ素等のP型不純物を用いれば良い。このようにして、P型ウェル(不図示)の形成及びチャネル領域の閾値電圧の調整を行う。続いて、上記レジストパターンを除去してから、基板100に注入された不純物(P型不純物)を拡散及び活性化させるために、窒素雰囲気下において1000℃で1分間のアニールを行う。
Next, in the process shown in FIG. 3B, the
次に、図3(c)に示す工程では、例えばフッ酸などの薬液を用いたエッチングにより、シリコン酸化膜101を除去する。このとき、トレンチ104中に形成されたシリコン酸化膜のウェットエッチングレートは、熱酸化法で形成されたシリコン酸化膜101のウェットエッチングレートよりも高い。そのため、N型FETのエッジ部では、素子分離絶縁膜107の上面に凹部107aが形成される。これにより、第1のキャップ膜106のうちトレンチの側壁の上部(素子形成領域における上部側面)104a上に形成された部分が露出される。
Next, in the step shown in FIG. 3C, the
次に、図4(a)及び図5(a)に示す工程では、素子形成領域100a上に、例えば膜厚が1nmのシリコン酸化膜からなる酸素含有膜109を形成する。続いて、例えばALD法により、酸素含有膜109の上面上、凹部107aの内面上、及び素子分離領域STIの上面上に、例えば膜厚2nmのHfO2膜(ハフニウム酸化膜)からなる高誘電率膜110を形成する。これにより、第1のキャップ膜106は、高誘電率膜110のうち素子形成領域における上部側面104a上に形成された部分(第2の部分)110bと下地絶縁膜105とに挟まれる。また、下地絶縁膜105内には、ランタンが含まれている。これらのことから、下地絶縁膜105と高誘電率膜110の第2の部分110bとの界面にランタンが存在するので、この界面には電気双極子が発生する。よって、N型FETのエッジ部において第1のキャップ膜106により閾値電圧を低減させることが可能となる。
Next, in the steps shown in FIGS. 4A and 5A, an oxygen-containing
続いて、高誘電率膜110の上面上に、例えば膜厚が1nmであるランタン酸化膜からなる第2のキャップ膜111を形成する。よって、第2のキャップ膜111は、高誘電率膜110のうち酸素含有膜109の上面上に形成された部分(第1の部分)110aの上面上だけでなく、高誘電率膜110の第2の部分110bの上面上にも形成される。なお、第2のキャップ膜111のうち高誘電率膜110の第2の部分110b上に形成された部分の膜厚は、カバレッジ劣化により、第2のキャップ膜111のうち高誘電率膜110の第1の部分110a上に形成された部分の膜厚よりも薄い。それから、第2のキャップ膜111の上面上に、例えば膜厚10nmのTiN膜(窒化チタン膜)113を形成し、TiN膜113の上面上に、例えば膜厚80nmのポリシリコン膜114を形成する。
Subsequently, a
次に、図4(b)及び図5(b)に示す工程では、ポリシリコン膜114の上面上にレジストマスク(不図示)を形成した後、そのレジストマスクをマスクとしてドライエッチングを行う。このとき、ゲート長Lが例えば50nmとなるように、ドライエッチングを行えば良い。このドライエッチングにより、酸素含有膜109、高誘電率膜110の第1の部分110a及び第2のキャップ膜111が順に積層されて構成されたゲート絶縁膜112が素子形成領域100aの上面上に形成され(工程(d))、TiN膜113及びポリシリコン膜114が順に積層されて構成されたゲート電極115がゲート絶縁膜112の上面上に形成される(工程(e))。なお、図4(b)に示すように、ゲート絶縁膜112は、素子形成領域における上部側面104a上にも形成されており、ゲート電極115は、ゲート絶縁膜112(高誘電率膜110における第2の部分110b)を介して素子形成領域における上部側面104a上にも形成されている。
Next, in the steps shown in FIGS. 4B and 5B, after forming a resist mask (not shown) on the upper surface of the
続いて、基板100の上面上に、所望の領域において開口されたレジスト(不図示)を形成する。そして、そのレジスト及びゲート電極115をマスクとして、砒素イオン又はリンイオン等のN型不純物をイオン注入する。このとき、注入エネルギーは例えば2〜5keVであり、ドーズ量は例えば1×1015〜1×1016/cm2である。これにより、素子形成領域100aにおけるゲート電極115の側方下に、N型エクステンション領域116が形成される。その後、レジストを除去する。
Subsequently, a resist (not shown) opened in a desired region is formed on the upper surface of the
続いて、基板100の上面上に例えば80nmのシリコン窒化膜(不図示)を形成した後、そのシリコン窒化膜に対して異方性エッチングを行う。これにより、ゲート電極115の側面上には、サイドウォールスペーサー117が形成される。
Subsequently, after forming a silicon nitride film (not shown) of 80 nm, for example, on the upper surface of the
続いて、基板100の上面上に、所望の領域において開口されたレジスト(不図示)を形成する。そして、そのレジスト、ゲート電極115及びサイドウォールスペーサー117をマスクとして、砒素イオン又はリンイオン等のN型不純物をイオン注入する。このとき、注入エネルギーは例えば30keVであり、ドーズ量は例えば1×1016/cm2である。これにより、素子形成領域におけるサイドウォールスペーサー117の側方下に、N型ソースドレイン領域118が形成される。その後、レジストを除去する。
Subsequently, a resist (not shown) opened in a desired region is formed on the upper surface of the
それから、1000℃で0秒のスパイクアニールを行う。これにより、N型エクステンション領域116に注入されたN型不純物が拡散及び活性化され、N型エクステンション領域116の接合深さが20nm程度となる。同じく、N型ソースドレイン領域118に注入されたN型不純物が拡散及び活性化され、N型ソースドレイン領域118の接合深さが60nm程度となる。このようにして本実施形態に係る半導体装置が作製される。
Then, spike annealing is performed at 1000 ° C. for 0 second. As a result, the N-type impurity implanted into the N-
このスパイクアニール工程では、第2のキャップ膜111中のランタンが高誘電率膜110と酸素含有膜109との界面へ拡散する。これにより、その界面には電気双極子が発生するので、N型FETの閾値電圧を低減させることができる。
In this spike annealing process, lanthanum in the
それだけでなく、このスパイクアニール工程では、第1のキャップ膜106中のランタンが高誘電率膜110の第2の部分110bへ拡散する。このように、高誘電率膜110の第1の部分110aへは第2のキャップ膜111中のランタンが拡散するに過ぎないが、高誘電率膜110の第2の部分110bへは第2のキャップ膜111中のランタンだけでなく第1のキャップ膜106中のランタンも拡散する。よって、高誘電率膜110の第2の部分110bにおけるランタン濃度は高誘電率膜110の第1の部分110aにおけるランタン濃度以上になる。
In addition, in this spike annealing process, lanthanum in the
以下では、図1及び図6(a)〜図7を参照しながら、本実施形態に係る半導体装置の構成を簡単に説明する。図6(a)は図1に示すVIA−VIA線における断面図であり、図6(b)は図1に示すVIB−VIB線における断面図である。図7は、ナローチャネル特性の評価結果を模式的に示すグラフ図である。 Hereinafter, the configuration of the semiconductor device according to the present embodiment will be briefly described with reference to FIGS. 1 and 6A to 7. 6A is a cross-sectional view taken along line VIA-VIA shown in FIG. 1, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line VIB-VIB shown in FIG. FIG. 7 is a graph schematically showing the evaluation results of the narrow channel characteristics.
基板100内には、トレンチ104が形成されている。トレンチ104の側壁上及び底面上には、下地絶縁膜105及び第1のキャップ膜106が順に形成されており、トレンチ104内には、下地絶縁膜105及び第1のキャップ膜106を介して素子分離絶縁膜107が形成されている。下地絶縁膜105と第1のキャップ膜106と素子分離絶縁膜107とで素子分離領域STIが構成されており、基板100のうち素子分離領域STIで囲まれた部分が素子形成領域100aである。
A
素子形成領域100aの上にはゲート絶縁膜112及びゲート電極115が順に形成されている。ゲート絶縁膜112では、酸素含有膜109、高誘電率膜110及び第2のキャップ膜111が素子形成領域100a上に順に形成されており、酸素含有膜109と高誘電率膜110との界面にはランタンが存在している。ゲート電極115では、TiN膜113及びポリシリコン膜114がゲート絶縁膜112の上に順に形成されている。
A
高誘電率膜110は、素子形成領域100a上だけでなく素子分離領域STI上にも形成されており、具体的には、下地絶縁膜105及び第1のキャップ膜106を介して素子形成領域における上部側面104a上にも設けられている(第2の部分110b)。よって、第1のキャップ膜106は、素子形成領域における上部側面104a上において下地絶縁膜105と高誘電率膜110の第2の部分110bとで挟まれている。同様に、第2のキャップ膜111、TiN膜113及びポリシリコン膜114は、素子形成領域100a上だけでなく素子分離領域STI上にも形成されている。
The high dielectric
ゲート電極115の側面上にはサイドウォールスペーサー117が形成されており、素子形成領域100a内のうちゲート電極115の側方下にはN型エクステンション領域116が形成されており、素子形成領域100a内のうちサイドウォールスペーサー117の側方下にはN型ソースドレイン領域118が形成されている。
A
以上説明したように、本実施形態では、第1のキャップ膜106が、トレンチ104内において下地絶縁膜105と素子分離絶縁膜107とで挟まれており、素子形成領域における上部側面104a上において下地絶縁膜105と高誘電率膜110の第2の部分110bとで挟まれている。また、下地絶縁膜105は、特に第1のキャップ膜106との界面近傍において、ランタンを含有している。これらのことから、下地絶縁膜105と高誘電率膜110の第2の部分110bとの界面に電気双極子が発生するので、N型FETのエッジ部Aにおいて第1のキャップ膜106により閾値電圧の低減を図ることができる。よって、本実施形態では、図7の線61に示すように、ナローチャネル特性の低下を抑制することができる。
As described above, in the present embodiment, the
本実施形態では、N型FETのエッジ部Aにおいて第1のキャップ膜106により閾値電圧を低減させることができる。そのため、第2のキャップ膜111を形成するときにN型FETのエッジ部Aにおいてその第2のキャップ膜111の膜厚が薄くなったとしても(カバレッジ劣化)、ナローチャネル特性の低下を抑制できる。さらに、高誘電率膜110を形成するときにN型FETのエッジ部Aにおいてその高誘電率膜110の膜厚が厚くなったとしても(ローディング効果)、ナローチャネル特性の低下を抑制できる。それだけでなく、熱処理中に第2のキャップ膜111中のランタンがゲート電極115に拡散しても、ナローチャネル特性の低下を抑制できる。
In the present embodiment, the threshold voltage can be reduced by the
また、本実施形態では、酸素含有膜109と高誘電率膜110との界面にはランタンが存在しているので、この界面には電気双極子が発生する。よって、N型FETの閾値電圧を低減させることができる。
Further, in this embodiment, since lanthanum exists at the interface between the oxygen-containing
なお、本実施形態は以下に示す構成を有していても良い。 In addition, this embodiment may have the structure shown below.
図2(b)に示す工程では、シリコン窒化膜102及びシリコン酸化膜101のそれぞれのエッチング端面が基板100のエッチング端面よりも5nm程度トランジスタの中央部側に位置するように、シリコン窒化膜102、シリコン酸化膜101、及び基板100をエッチングすることが好ましい。これにより、次工程である下地絶縁膜105をトレンチ104の側壁上及び底面上に形成する工程において、トレンチ104の側壁の上端の角を落として丸めることができる。これにより、トレンチ104の側壁の上端において電界が集中することを回避できる。
In the step shown in FIG. 2B, the
図2(c)における熱処理では、その熱処理の条件、下地絶縁膜105の構成及び第1のキャップ膜106の構成によっては、第1のキャップ膜106が完全になくなるまでランタンが下地絶縁膜105に拡散する場合がある。この場合、素子形成領域における上部側面104a上には、下地絶縁膜105と第1のキャップ膜106との境界が存在しない。別の言い方をすると、製造された半導体装置では、下地絶縁膜105上に第1のキャップ膜106が形成されておらず、その代わりに下地絶縁膜105が高誘電率膜110の第2の部分110bとの界面近傍にランタンを含有している。このような構成を有する半導体装置であっても、下地絶縁膜105と高誘電率膜110との界面にランタンが存在するので、ナローチャネル特性の劣化を抑制することができる。なお、ランタンが第1のキャップ膜106から下地絶縁膜105へ拡散した後に第1のキャップ膜106を除去しても良い。
In the heat treatment in FIG. 2C, depending on the conditions of the heat treatment, the structure of the
図2(c)における熱処理を省略しても良い。この場合には、図3(b)における熱処理又は図4(b)及び図5(b)における熱処理により、第1のキャップ膜106中のランタンが下地絶縁膜105へ拡散する。しかし、図2(c)において熱処理を行えば、その熱処理の後に第1のキャップ膜106が除去された場合であってもナローチャネル特性の劣化を抑制することができる。よって、図2(c)において熱処理を行うことが好ましい。
The heat treatment in FIG. 2C may be omitted. In this case, the lanthanum in the
図4(b)及び図5(b)における熱処理では、その熱処理の条件、高誘電率膜110の構成及び第2のキャップ膜111の構成によっては、第2のキャップ膜111が完全になくなるまでランタンが高誘電率膜110の下部又は酸素含有膜109の上部へ拡散する場合がある。この場合、製造された半導体装置では、高誘電率膜110と第2のキャップ膜111との境界が存在しない。別の言い方をすると、製造された半導体装置では、高誘電率膜110の上に第2のキャップ膜111が形成されておらず、その代わりに酸素含有膜109と高誘電率膜110との界面近傍にランタンが存在している。このような構成を有する半導体装置であっても、酸素含有膜109と高誘電率膜110との界面にランタンが存在するので、N型FETの閾値電圧を低減させることができる。
In the heat treatment in FIGS. 4B and 5B, the
図4(b)及び図5(b)における熱処理においてランタンを高誘電率膜110の下部まで拡散させることが難しい場合には、第2のキャップ膜111を酸素含有膜109と高誘電率膜110との間に形成すれば良い。
When it is difficult to diffuse lanthanum to the lower part of the high dielectric
下地絶縁膜105は、シリコン酸化膜に限定されず、例えばシリコン酸窒化膜であっても良い。下地絶縁膜105が酸素を含有していれば、第1のキャップ膜106を用いてナローチャネル特性の劣化を抑制することができる。
The base
下地絶縁膜105の膜厚は、2nmに限定されず、1〜10nm程度の範囲内であれば良い。下地絶縁膜105の膜厚が0.5〜15nm程度の範囲内であれば、ナローチャネル特性の劣化を抑制することができる。
The thickness of the
第1のキャップ膜106は、N型FETの閾値電圧を低下させることができる金属を含有していれば良い。このような金属としては、ランタン以外に、ジスプロシウム(Dy)、スカンジウム(Sc)、エルビウム(Er)、マグネシウム(Mg)及びストロンチウム(Sr)等を挙げることができる。よって、第1のキャップ膜106は、ランタン酸化膜に限定されず、上記金属のうちの何れか1つの金属からなる膜であっても良く、上記金属のうちの何れか1つの金属の酸化膜であっても良く、上記金属のうちの何れか2つ以上の金属を含む膜であっても良く、上記金属のうちの何れか2つ以上の金属の酸化物を含有する膜であっても良い。
The
第1のキャップ膜106の膜厚は、1nmに限定されない。N型FETのエッジ部Aにおける閾値電圧の低下量に応じて、第1のキャップ膜106の膜厚を調整することが好ましい。つまり、N型FETのエッジ部Aにおける閾値電圧の低下量が小さいと想定される場合(例えばゲート幅がそれほど狭くない場合)には、第1のキャップ膜106の膜厚を薄膜化(例えば、0.5nm)すれば良く、N型FETのエッジ部Aにおける閾値電圧の低下量が大きいと想定される場合(例えばゲート幅が狭い場合)には、第1のキャップ膜106の膜厚を厚膜化(例えば、2nm)すればよい。
The film thickness of the
第1のキャップ膜106が下地絶縁膜105と高誘電率膜110の第2の部分110bとで挟まれていれば、ナローチャネル特性の劣化を抑制することができる。よって、第1のキャップ膜106は、下地絶縁膜105を介して素子形成領域における上部側面104a上のみに形成されていれば良く。高誘電率膜110は、第1の部分110a及び第2の部分110bのみからなっても良い。
If the
高誘電率膜110は、シリコン酸化物、シリコン窒化物及びシリコン酸窒化物よりも高誘電率な材料からなれば良く、具体的には誘電率が8以上の金属酸化物、金属酸窒化物、シリケート又は窒素含有シリケートからなれば良い。よって、高誘電率膜110は、HfO2膜に限定されず、HfSiO膜(ハフニウムシリコン酸化膜)、HfSiON膜(窒化ハフニウムシリコン酸化膜)、ZrO2膜(ジルコニウム酸化膜)、又はHfZrO膜(ハフニウムジルコニウム酸化膜)等であっても良い。
The high dielectric
第2のキャップ膜111は、ランタン酸化膜に限定されず、第1のキャップ膜106として使用可能な膜であれば良い。また、第1のキャップ膜106と第2のキャップ膜111とは、同一の材料からなっても良いし、相異なる材料からなっても良い。
The
ゲート絶縁膜112はランタンを含有していなくても良い。ゲート絶縁膜112がランタンを含有していない場合であっても、第1のキャップ膜106が下地絶縁膜105と高誘電率膜110の第2の部分110bとの間に形成されていれば、ナローチャネル特性の劣化を抑制することができる。
The
ゲート電極115におけるTiN膜113の代わりに、TaN膜(タンタルナイトライド膜)、TaC膜(タンタルカーバイド膜)、及びTaCN(窒化タンタルカーバイド膜)等のうちのいずれか一種類の単層膜又は二種類以上の積層膜を用いても良い。また、ゲート電極115は、ポリシリコン膜114を有していなくても良い。
Instead of the
素子形成領域100a内のうちN型エクステンション領域116の下方に、P型ポケット領域が形成されていても良い。また、ゲート電極115の上面上及びN型ソースドレイン領域118の上面上に、例えば膜厚が20nmのNiSiからなるシリサイド層が形成されていても良い。
A P-type pocket region may be formed below the N-
以上N型FETについて説明したが、トランジスタの導電型はP型であっても良い。本実施形態に係る半導体装置がP型FETを備えている場合には、上記記載における導電型は互いに逆となり、第1及び第2のキャップ膜106,111はアルミニウムからなる膜又はアルミニウム酸化膜である。また、本実施形態に係る半導体装置では、素子分離領域STIを挟んでN型FETとP型FETとが形成されていても良い。
Although the N-type FET has been described above, the conductivity type of the transistor may be P-type. When the semiconductor device according to the present embodiment includes a P-type FET, the conductivity types in the above description are opposite to each other, and the first and
本発明は、例えば高誘電率膜を有するトランジスタにとって有用である。 The present invention is useful, for example, for a transistor having a high dielectric constant film.
100 基板(半導体基板)
100a 素子形成領域
101 シリコン酸化膜
102 シリコン窒化膜
103 レジストパターン
104 トレンチ
104a 素子形成領域における上部側面
105 下地絶縁膜
106 第1のキャップ膜
107 素子分離絶縁膜
107a 凹部
109 酸素含有膜
110 高誘電率膜
110a 第1の部分
110b 第2の部分
111 第2のキャップ膜
112 ゲート絶縁膜
113 TiN膜
114 ポリシリコン膜
115 ゲート電極
116 N型エクステンション領域
117 サイドウォールスペーサー
118 N型ソースドレイン領域
STI 素子分離領域
100 substrate (semiconductor substrate)
100a Element formation region
101 Silicon oxide film
102 Silicon nitride film
103 resist pattern
104 trench
104a Upper side surface in element formation region
105 Underlying insulating film
106 First cap membrane
107 element isolation insulating film
107a recess
109 Oxygen-containing film
110 High dielectric constant film
110a first part
110b second part
111 Second cap membrane
112 Gate insulation film
113 TiN film
114 Polysilicon film
115 Gate electrode
116 N-type extension region
117 Sidewall spacer
118 N-type source / drain region
STI element isolation region
Claims (17)
前記半導体基板に形成されたトレンチ内に設けられ、前記素子形成領域を囲む素子分離領域と、
前記素子形成領域上に設けられ、高誘電率膜を有するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極とを備え、
前記素子分離領域は、前記トレンチの側壁上に形成された酸素を含有する下地絶縁膜を有し、
前記高誘電率膜は、前記素子形成領域における上面上に形成された第1の部分と、前記素子形成領域における上部側面上に前記下地絶縁膜を介して形成された第2の部分とを有し、
前記高誘電率膜における第2の部分と前記下地絶縁膜との間には、前記MISトランジスタの閾値電圧を変更する金属を含有する第1のキャップ膜が設けられている半導体装置。 A semiconductor device including a MIS transistor formed in an element formation region in a semiconductor substrate,
An element isolation region provided in a trench formed in the semiconductor substrate and surrounding the element formation region;
A gate insulating film provided on the element formation region and having a high dielectric constant film;
A gate electrode provided on the gate insulating film,
The element isolation region has a base insulating film containing oxygen formed on a sidewall of the trench,
The high dielectric constant film has a first portion formed on the upper surface in the element formation region and a second portion formed on the upper side surface in the element formation region via the base insulating film. And
A semiconductor device in which a first cap film containing a metal that changes a threshold voltage of the MIS transistor is provided between a second portion of the high dielectric constant film and the base insulating film.
前記素子分離領域は、前記トレンチ内に前記下地絶縁膜を介して形成された素子分離絶縁膜をさらに備え、
前記下地絶縁膜と前記素子分離絶縁膜との間には、前記第1のキャップ膜が設けられている半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The element isolation region further includes an element isolation insulating film formed in the trench through the base insulating film,
A semiconductor device in which the first cap film is provided between the base insulating film and the element isolation insulating film.
前記ゲート電極は、前記素子形成領域における上部側面上に前記高誘電率膜の前記第2の部分を介して形成されている半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The gate electrode is formed on the upper side surface in the element formation region via the second portion of the high dielectric constant film.
前記ゲート絶縁膜は、前記素子形成領域上に形成された酸素含有膜と、前記酸素含有膜上に形成された前記高誘電率膜における前記第1の部分と、前記高誘電率膜における前記第1の部分の上に形成され、前記金属を含有する第2のキャップ膜とを有する半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
The gate insulating film includes an oxygen-containing film formed on the element formation region, the first portion in the high dielectric constant film formed on the oxygen-containing film, and the first portion in the high dielectric constant film. And a second cap film formed on the first portion and containing the metal.
前記第2のキャップ膜は、前記高誘電率膜における前記第2の部分の上にも形成されている半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4,
The semiconductor device wherein the second cap film is also formed on the second portion of the high dielectric constant film.
前記高誘電率膜における前記第2の部分の上に形成されている前記第2のキャップ膜の膜厚は、前記高誘電率膜における前記第1の部分の上に形成されている前記第2のキャップ膜の膜厚よりも薄い半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5,
The film thickness of the second cap film formed on the second portion in the high dielectric constant film is the second thickness formed on the first portion in the high dielectric constant film. Semiconductor device thinner than the cap film thickness.
前記酸素含有膜はシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜である半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 4 to 6,
The semiconductor device, wherein the oxygen-containing film is a silicon oxide film or a silicon oxynitride film.
前記高誘電率膜の前記第2の部分における前記金属の不純物濃度は、前記高誘電率膜の前記第1の部分における前記金属の不純物濃度と同等、又はそれよりも高い半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
A semiconductor device in which an impurity concentration of the metal in the second portion of the high dielectric constant film is equal to or higher than an impurity concentration of the metal in the first portion of the high dielectric constant film.
前記MISトランジスタは、Nチャネル型MISトランジスタであり、
前記金属は、ランタン、ジスプロシウム、スカンジウム、エルビウム、マグネシウム及びストロンチウムの中から選択される少なくとも1つである半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8,
The MIS transistor is an N-channel MIS transistor,
The semiconductor device, wherein the metal is at least one selected from lanthanum, dysprosium, scandium, erbium, magnesium, and strontium.
前記MISトランジスタは、Pチャネル型MISトランジスタであり、
前記金属は、アルミニウムである半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 8,
The MIS transistor is a P-channel MIS transistor,
The semiconductor device, wherein the metal is aluminum.
前記高誘電率膜は、ハフニウム酸化膜、ハフニウムシリコン酸化膜、窒化ハフニウムシリコン酸化膜、ジルコニウム酸化膜又はハフニウムジルコニウム酸化膜の何れかである半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 10,
The semiconductor device, wherein the high dielectric constant film is any one of a hafnium oxide film, a hafnium silicon oxide film, a hafnium silicon oxide film, a zirconium oxide film, or a hafnium zirconium oxide film.
前記ゲート電極は、窒化チタン膜、窒化タンタル膜、タンタルカーバイド膜及び窒化タンタルカーバイド膜のうちの何れか1つからなる単層膜又は2つ以上からなる積層膜である半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 11,
The gate electrode is a semiconductor device which is a single layer film made of any one of a titanium nitride film, a tantalum nitride film, a tantalum carbide film and a tantalum nitride carbide film or a laminated film made of two or more.
前記下地絶縁膜はシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜である半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 12,
A semiconductor device in which the base insulating film is a silicon oxide film or a silicon oxynitride film.
前記素子分離領域における前記素子形成領域に隣接するエッジ部の上面には、凹部が形成されており、
前記高誘電率膜における前記第2の部分は前記凹部の内面上に設けられている半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 13,
A recess is formed on the upper surface of the edge portion adjacent to the element formation region in the element isolation region,
The semiconductor device, wherein the second portion of the high dielectric constant film is provided on an inner surface of the recess.
前記下地絶縁膜は前記金属を含有している半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 14,
The base insulating film is a semiconductor device containing the metal.
前記素子形成領域を囲むように前記半導体基板にトレンチを形成した後、前記トレンチの側壁上に酸素を含有する下地絶縁膜を設ける工程(a)と、
前記下地絶縁膜上に前記MISトランジスタの閾値電圧を変更する金属を含有するキャップ膜を設ける工程(b)と、
工程(b)の後に、前記トレンチ内に前記下地絶縁膜を介して素子分離絶縁膜を設け、前記下地絶縁膜と前記素子分離絶縁膜とを有する素子分離領域を形成する工程(c)と、
工程(c)の後に、前記素子形成領域上に高誘電率膜を有するゲート絶縁膜を設ける工程(d)と、
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を設ける工程(e)とを備え、
前記工程(d)では、前記素子形成領域における上部側面上に前記下地絶縁膜及び前記キャップ膜を介して前記高誘電率膜を形成する半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device including a MIS transistor formed in an element formation region in a semiconductor substrate,
After forming a trench in the semiconductor substrate so as to surround the element formation region, a step (a) of providing a base insulating film containing oxygen on a sidewall of the trench;
Providing a cap film containing a metal for changing a threshold voltage of the MIS transistor on the base insulating film (b);
After the step (b), a step (c) of providing an element isolation insulating film through the base insulating film in the trench and forming an element isolation region having the base insulating film and the element isolation insulating film;
A step (d) of providing a gate insulating film having a high dielectric constant film on the element formation region after the step (c);
Providing a gate electrode on the gate insulating film (e),
In the step (d), a method of manufacturing a semiconductor device, wherein the high dielectric constant film is formed on the upper side surface in the element formation region via the base insulating film and the cap film.
前記工程(b)の後に、前記金属を前記キャップ膜から前記下地絶縁膜へ拡散させる工程(f)を備えている半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 16,
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a step (f) of diffusing the metal from the cap film into the base insulating film after the step (b).
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009223028A JP2011071431A (en) | 2009-09-28 | 2009-09-28 | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
| PCT/JP2010/004821 WO2011036841A1 (en) | 2009-09-28 | 2010-07-29 | Semiconductor device and method for manufacturing same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009223028A JP2011071431A (en) | 2009-09-28 | 2009-09-28 | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2011071431A true JP2011071431A (en) | 2011-04-07 |
Family
ID=43795611
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2009223028A Pending JP2011071431A (en) | 2009-09-28 | 2009-09-28 | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2011071431A (en) |
| WO (1) | WO2011036841A1 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011159969A (en) * | 2010-01-21 | 2011-08-18 | Renesas Electronics Corp | Semiconductor device having dual work function metal |
| CN109786436A (en) * | 2017-11-14 | 2019-05-21 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | Integrated chip and forming method thereof |
| KR20200026717A (en) * | 2018-08-29 | 2020-03-11 | 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 | Flash memory structure with enhanced floating gate |
| US10741555B2 (en) | 2017-11-15 | 2020-08-11 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Metal gate modulation to improve kink effect |
| US11239313B2 (en) | 2018-10-30 | 2022-02-01 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Integrated chip and method of forming thereof |
| US11810959B2 (en) | 2017-11-14 | 2023-11-07 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Transistor layout to reduce kink effect |
| US12538485B2 (en) | 2018-08-29 | 2026-01-27 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Flash memory structure with enhanced floating gate |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2976726A1 (en) | 2011-06-16 | 2012-12-21 | St Microelectronics Crolles 2 | INTEGRATED CIRCUIT COMPRISING AN ISOLATION TRENCH AND CORRESPONDING METHOD |
| US9087872B2 (en) | 2011-07-27 | 2015-07-21 | Stmicroelectronics (Crolles 2) Sas | Method for forming an insulating trench in a semiconductor substrate and structure, especially CMOS image sensor, obtained by said method |
| CN117690954B (en) * | 2024-02-01 | 2024-05-07 | 合肥晶合集成电路股份有限公司 | Semiconductor device and method for manufacturing the same |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01138730A (en) * | 1987-11-25 | 1989-05-31 | Fujitsu Ltd | Semiconductor device |
| JP2001160623A (en) * | 1999-12-02 | 2001-06-12 | Nec Ic Microcomput Syst Ltd | Semiconductor device and method for manufacturing semiconductor |
| JP2006269789A (en) * | 2005-03-24 | 2006-10-05 | Toshiba Corp | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
-
2009
- 2009-09-28 JP JP2009223028A patent/JP2011071431A/en active Pending
-
2010
- 2010-07-29 WO PCT/JP2010/004821 patent/WO2011036841A1/en not_active Ceased
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011159969A (en) * | 2010-01-21 | 2011-08-18 | Renesas Electronics Corp | Semiconductor device having dual work function metal |
| CN109786436A (en) * | 2017-11-14 | 2019-05-21 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | Integrated chip and forming method thereof |
| KR20190054904A (en) * | 2017-11-14 | 2019-05-22 | 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 | Transistor layout to reduce kink effect |
| US11810959B2 (en) | 2017-11-14 | 2023-11-07 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Transistor layout to reduce kink effect |
| US11688784B2 (en) | 2017-11-14 | 2023-06-27 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Transistor layout to reduce kink effect |
| US10861951B2 (en) | 2017-11-14 | 2020-12-08 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Transistor layout to reduce kink effect |
| KR102202818B1 (en) * | 2017-11-14 | 2021-01-15 | 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 | Transistor layout to reduce kink effect |
| US10971590B2 (en) | 2017-11-14 | 2021-04-06 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Transistor layout to reduce kink effect |
| US10998315B2 (en) | 2017-11-15 | 2021-05-04 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Metal gate modulation to improve kink effect |
| US11063044B2 (en) | 2017-11-15 | 2021-07-13 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Metal gate modulation to improve kink effect |
| US11532621B2 (en) | 2017-11-15 | 2022-12-20 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Metal gate modulation to improve kink effect |
| US10741555B2 (en) | 2017-11-15 | 2020-08-11 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Metal gate modulation to improve kink effect |
| US11107825B2 (en) | 2018-08-29 | 2021-08-31 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Flash memory structure with enhanced floating gate |
| KR102307838B1 (en) | 2018-08-29 | 2021-10-06 | 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 | Flash memory structure with enhanced floating gate |
| KR20200026717A (en) * | 2018-08-29 | 2020-03-11 | 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 | Flash memory structure with enhanced floating gate |
| US12022651B2 (en) | 2018-08-29 | 2024-06-25 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Flash memory structure with enhanced floating gate |
| US12538485B2 (en) | 2018-08-29 | 2026-01-27 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Flash memory structure with enhanced floating gate |
| US11239313B2 (en) | 2018-10-30 | 2022-02-01 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Integrated chip and method of forming thereof |
| US11923411B2 (en) | 2018-10-30 | 2024-03-05 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. | Integrated chip and method of forming thereof |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2011036841A1 (en) | 2011-03-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5442332B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| US8546211B2 (en) | Replacement gate having work function at valence band edge | |
| US20130260549A1 (en) | Replacement gate with reduced gate leakage current | |
| TWI446457B (en) | Laterally diffused gold-oxygen semi-transistor and manufacturing method thereof | |
| JP2011071431A (en) | Semiconductor device and method for manufacturing the same | |
| JP5427148B2 (en) | Semiconductor device | |
| US8183641B2 (en) | Semiconductor device and method for manufacturing same | |
| JP4939960B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| TWI469262B (en) | Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device | |
| US9196706B2 (en) | Method for manufacturing P-type MOSFET | |
| US8809176B2 (en) | Replacement gate with reduced gate leakage current | |
| US20120045876A1 (en) | Method for manufacturing a semiconductor device | |
| US8691655B2 (en) | Method of semiconductor integrated circuit fabrication | |
| US20090294877A1 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| US9029225B2 (en) | Method for manufacturing N-type MOSFET | |
| JP4005055B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| JP4040602B2 (en) | Semiconductor device | |
| US20140035058A1 (en) | Semiconductor Devices and Methods of Manufacturing the Same | |
| JP5444176B2 (en) | Semiconductor device | |
| US8008728B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device | |
| JP2010123669A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| JP5676111B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| JP2012099549A (en) | Method of manufacturing semiconductor device | |
| JP4828982B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
| KR20100038976A (en) | Semiconductor device having gate dielectric doped with nitrogen and method of the same |