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JP3834564B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description

【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特にSiGe薄膜を含むゲート電極及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置としてのMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)の微細化及び高集積化が進められている。これに伴い、駆動電流確保や消費電力低減の観点から、ゲート絶縁膜の薄膜化が進められている。
スケーリング則の要請から、ゲート絶縁膜として広く用いられてきたシリコン酸化膜(SiO膜)は、2nm以下の膜厚で成膜することが必要となっている。しかし、このような極薄のSiO膜をゲート絶縁膜として用いた場合、トンネル電流によるゲート漏れ電流が、ソース/ドレイン電流に対して無視できない値となり、MOSFETの高性能化及び低消費電力化において大きな課題となっている。
【0003】
その対策として、SiO膜に比べて高い比誘電率を有する高誘電体膜をゲート絶縁膜に用いる方法が提案されている。これにより、実効的なゲート絶縁膜の膜厚(すなわち電気的換算膜厚)を薄くしたままで物理的膜厚を厚くすることができ、トンネル電流によるゲート漏れ電流を抑えることができる。
【0004】
一方、ゲート電極の電気的換算膜厚を縮小させるために、ゲート電極の空乏化に起因する寄生容量を減らす方法も提案されている。例えば、ゲート電極にシリコンゲルマニウム(以下「SiGe」という。)膜を用いる方法である。SiGe膜をゲート電極に用いたトランジスタには、以下のような利点がある。
先ず、ゲート電極中の導電型不純物(例えば、ボロン)の活性化率が向上するため、ボロンのドーズ量を減らすことができる。これにより、ゲート電極下のゲート絶縁膜及びチャネル領域へのボロンの突き抜けを抑制することができ、ゲートの漏れ電流を抑制することができる。また、このボロンの活性化率の向上によりゲート電極の空乏化が抑制され、空乏化に起因した寄生容量が減少する。これに伴い、寄生容量に相当する分だけゲート絶縁膜を厚くすることができ、ゲート漏れ電流を更に抑制することができる。
また、PチャネルMOSFETにおいて、SiGeの仕事関数が基板(Si)に比べて小さいので、しきい値電圧(Vth)を所望の値に調整した際に、チャネル濃度を低くすることができる。これにより、垂直方向の電界が低下するため、基板のキャリア移動度が改善され、トランジスタ駆動能力が向上する。
さらに、従来ゲート電極に用いられていたポリシリコン膜に比べて、SiGe膜は成長速度が大きいので、短時間での成膜が可能である。また、SiGe膜は、Siに比べてより低温での多結晶化が可能である。低温且つ短時間で導電型不純物を十分に拡散させるためには、多結晶質の方が有利である。従って、成膜時及び後工程での熱拡散工程の熱履歴(Thermal Budget)を低減することができる。
【0005】
ところで、SiGe膜を用いたゲート電極において、SiGe膜の成膜時にその膜表面が荒れてしまうという問題がある。かかる表面荒れが発生すると、後工程のドライエッチングによるゲート電極加工が困難になってしまう。この問題を回避するために、極薄の非晶質Si膜(シードSi膜)をSiGe膜とゲート絶縁膜であるSiO膜との間に形成して、SiGe膜の表面荒れを抑制する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
【0006】
【特許文献1】
特開2002−261274号公報 (第5頁、図3)
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このシードSi膜の導入は、トランジスタ特性に最も影響を及ぼすゲート電極−ゲート絶縁膜界面のゲルマニウム組成(以下「Ge組成」という。)を低下させてしまう。
また、後工程の熱処理によりGeをSiGe膜からシードSi膜に拡散させた場合においても、ウェハ面内の温度バラツキ等の理由により、拡散後のゲート電極−ゲート絶縁膜界面のGe組成にバラツキが生じてしまう。
その結果、ゲート電極−ゲート絶縁膜界面におけるGe組成を設計値通りに制御することが困難となってしまうという問題があった。さらに、ゲート電極−ゲート絶縁膜界面におけるGe組成の変化により仕事関数が変化し、トランジスタのしきい値電圧にバラツキが発生してしまうという問題があった。
【0008】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、ゲート電極を構成するSiGe膜の表面荒れを抑制すると共に、ゲート電極−ゲート絶縁膜界面におけるGe組成の制御性を改善することを目的とする。
【0009】
【課題を解決する為の手段】
この発明に係る半導体装置は、SiGe膜を含むゲート電極を有する半導体装置であって、
基板上に形成された誘電体膜と、
前記誘電体膜上に形成され、膜厚が0.1nm〜0.3nmであり、かつ、HfO膜からなる下地ゲート絶縁膜とを備え、
前記下地ゲート絶縁膜上に前記SiGe膜が形成されたことを特徴とするものである。
【0010】
この発明に係る半導体装置において、前記誘電体膜が、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜であることが好適である。
【0011】
この発明に係る半導体装置において、前記誘電体膜は、前記基板上に形成された第1誘電体膜と、該第1誘電体膜上に形成された第2誘電体膜とを含み、
前記第1誘電体膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜であり、
前記第2誘電体膜は、Al 、ZrO 、La 、HfSiOx、ZrSiOx、HfAlOxまたはZrAlOxからなる膜であることが好適である。
【0012】
この発明に係る半導体装置において、前記ゲート電極が、前記下地ゲート絶縁膜上に形成された非晶質SiGe膜と、該非晶質SiGe膜上に形成された多結晶SiGe膜とを備えることが好適である。
【0013】
この発明に係る半導体装置において、前記ゲート電極が、該多結晶SiGe膜上に形成されたSi膜を更に備えることが好適である。
【0014】
この発明に係る製造方法において、基板上に、誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜上にHfO膜からなる下地ゲート絶縁膜を0.1nm〜0.3nmの膜厚で形成する工程と、
前記下地ゲート絶縁膜上にSiGe膜を形成する工程と、
前記SiGe膜をパターニングしてゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をマスクとしたイオン注入により基板上層にソース/ドレイン領域を形成する工程と、
を含むことが好適である。
【0015】
この発明に係る製造方法において、前記SiGe膜を形成した後、前記SiGe膜上にSi膜を形成する工程を更に含み、
前記ゲート電極を形成する工程では、前記Si膜を更にパターニングすることが好適である。
【0016】
この発明に係る製造方法において、前記SiGe膜を形成する工程は、
前記下地ゲート絶縁膜上に非晶質SiGe膜を形成する工程と、
前記非晶質SiGe膜上に多結晶SiGe膜を形成する工程と、
を含むことが好適である。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
【0018】
実施の形態1.
先ず、本発明の実施の形態1による半導体装置の構造について説明する。
図1は、本発明の実施の形態1による半導体装置を説明するための断面図である。
図1に示すように、基板2としてのシリコン基板には、トランジスタのような半導体素子が形成される素子領域と、この素子領域を分離する分離領域とがあり、該分離領域にフィールド絶縁膜(「素子分離絶縁膜」ともいう。)4が形成されている。また、図示しないが、素子領域の基板2内には、ウェル領域が形成されている。
【0019】
素子領域の基板2上には、多層膜6,8からなるゲート絶縁膜が形成されている。
基板2の直上に形成された下層誘電体膜6は、例えば、SiO膜、Si膜、SiON膜(以下、「SiO膜等」という。)を用いることができる。SiO膜等からなる下層誘電体膜6の膜厚は、例えば、0.7nmである。
また、下層誘電体膜6を、SiO膜等に代えて、該SiO膜等よりも比誘電率が高い高誘電体膜(High−k膜)を用いることができる。ここで、高誘電体膜の材料としては、例えば、Al、HfO、ZrO、Laのような金属酸化物や、金属窒化物や、金属酸窒化物や、HfSiOx、ZrSiOxのような金属シリケートや、HfAlOx、ZrAlOxのような金属アルミネート等を用いることができる。この場合、物理的膜厚を大きくすることができるため、ゲート漏れ電流の抑制の観点から好適である。
また、下層誘電体膜6を、SiO膜と、その上に形成された上記高誘電体膜との積層膜とすることができる。すなわち、ゲート絶縁膜を、基板2上に形成されたSiO膜等と、このSiO膜等上に形成された上記高誘電体膜と、この高誘電体膜上に形成された遷移金属の酸化物膜(後述)との積層膜とすることができる。この場合、高誘電体膜とシリコン基板2との固相反応をSiO膜等により抑制することができる。また、界面特性の改善、ゲート漏れ電流の抑制の観点から好適である。
【0020】
下層誘電体膜6上には、遷移金属の酸化物膜(以下「遷移金属酸化物膜」という。)8が形成されている。すなわち、ゲート絶縁膜は、該ゲート絶縁膜の最上層に、遷移金属酸化物膜8を備えている。この遷移金属酸化物膜8は、ゲート絶縁膜として機能すると共に、後述するSiGe膜を形成するための下地膜として機能する。遷移金属酸化物膜8としては、HfO膜を用いることができる。HfO膜からなる遷移金属酸化物膜8の膜厚は、例えば、0.1nm(一原子層)〜5nmが好適である。
なお、下層誘電体膜6としてHfO膜を用いることにより、ゲート絶縁膜をHfO膜のみで構成することもできる。この場合には、HfO膜の膜厚は、例えば、4nm〜5nmが好適である。
遷移金属酸化物膜8は、例えば熱的安定性の要求により0.3nm程度あるいはそれ以下の膜厚にまで極薄膜化された場合でも、均一性の良い成長が求められる。よって、遷移金属酸化物膜8の成長には、ALD法やMOCVD法を用いることが好適である(後述)。
【0021】
遷移金属酸化物膜8上に、ゲート電極10としてのSiGe膜が形成されている。SiGe膜10は、Si(100−x)Geなる組成式で表されるが、Ge組成X(%)は、20%〜30%が好適である。遷移金属酸化物膜8の直上にSiGe膜10を形成することにより、シードSi膜を介在させなくても、優れた平坦性が得られる(後述)。
【0022】
また、該ゲート電極下方のチャネル領域(図示省略)を挟んで、シリコン基板2の上層にソース/ドレイン領域12が形成されている。
【0023】
次に、上記半導体装置の製造方法について説明する。
図2は、図1に示した半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
先ず、図2(a)に示すように、シリコン基板2の分離領域に、STI(Shallow Trench Isolation)技術を用いて、フィールド絶縁膜4を形成する。そして、図示しないが、シリコン基板2の素子領域に導電型不純物のイオン注入を行い、さらにアニール処理を行うことによって、ウェル領域を形成する。
【0024】
次に、図2(b)に示すように、所定の前処理(例えば、自然酸化膜の除去)を行った後、熱酸化(あるいは熱窒化あるいは熱酸窒化)又はプラズマ酸化(あるいはプラズマ窒化あるいはプラズマ酸窒化)等の方法を用いて、シリコン基板2上に下層誘電体膜6としてのSiO膜等(上述)を、例えば0.7nmの膜厚で形成する。
なお、上述したように、SiO膜等に代えて或いはSiO膜等と共に、高誘電体膜を下層誘電体膜6として形成することができる。この場合、高誘電体膜の成長に、ALD(Atomic Layer Deposition)法やMOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いることができる。
【0025】
次に、下層誘電体膜6上に、ALD法又はMOCVD法を用いて、遷移金属酸化物膜8としてのHfO膜を形成する。ALD法を用いてHfO膜を形成する場合、例えば、基板温度を300℃とし、HfClを原料とし、HO又はOを酸化剤とする。この条件での1原子層あたりの平均成膜レートによれば、HfO膜を0.3nm程度あるいはそれ以下の膜厚にまで極薄膜化することができる。HfO膜8を極薄膜化する場合も、上記方法を用いれば均一性の良い成長を行うことができる。
【0026】
遷移金属酸化物膜8を形成した後で、SiGe膜(後述)を形成する前に、極微量酸素雰囲気中での熱処理を行うことが好適である(後述する実施の形態2,3についても同様)。遷移金属酸化物膜8としてHfO膜を形成した場合には、例えば、ランプ式の急速昇降温アニール装置(RTA:Rapid Thermal Annealer)において800℃程度の温度で数秒間熱処理を行う。この熱処理により、遷移金属酸化物膜8中の酸素欠損が補償されると同時に、遷移金属酸化物膜8中の不純物濃度を減少させることができる。
HfO膜8の直下にSiO膜等6が形成されている場合には、この熱処理によってHfO膜8からSiO膜等6にHfが拡散し、SiO膜等6がHfシリケート化するため、下層誘電体膜6の電気的換算膜厚が減少する。これにより、遷移金属酸化物膜8の物理的膜厚を厚くすることができるので、ゲート漏れ電流を更に抑制することができる。
【0027】
続いて、CVD法を用いて、HfO膜8上にSiGe膜10を、例えば、50nm〜150nmの膜厚で形成する。ここで、Si(100−x)Geの組成式で表されるSiGe膜10中のGe組成X(%)は、20〜30%とするのが好適である。
また、SiGe膜10の成膜温度は、450℃以上且つ500℃未満が好適である。これは、成膜温度が500℃以上の場合には、シードSi膜を介在させずにSiGe膜10を成長させる際、SiGe膜10の表面荒れが著しくなるためである。また、成膜温度が450℃未満の場合は、SiGe膜10の成長速度が遅くスループットが低いため、生産性の観点から好ましくないためである。
SiGe膜10の形成には、例えば、バッチ式の縦型LPCVD装置を用いることができる。SiGe膜10の成長条件は、例えば、SiH流量:1slm;H希釈10%GeH流量:0.96slm;成長温度:475℃;成長圧力:200Paである。この形成条件の場合、膜堆積速度が結晶核成長速度に比べて早いため、非晶質のSiGe膜10が得られる。かかる非晶質のSiGe膜10の表面平坦性は著しく改善され、該表面における凹凸の最大値は2nm程度にまで縮小される。
【0028】
ここで、本発明者は、種々の誘電体膜上にSiGe膜を形成させた場合のSiGe膜の表面モフォロジーを調査した。その調査結果を、図3〜図5を参照して説明する。
【0029】
図3は、SiO膜上にSiGe膜を形成した場合の、SiGe膜の表面モフォロジーを示す顕微鏡写真である。詳細には、図3(a)はSiO膜上に膜厚5nmのシードSi膜を介してSiGe膜を形成した場合、図3(b)はSiO膜上に直接SiGe膜を形成した場合におけるそれぞれのSiGe膜表面を示す図である。なお、SiGe膜のGe組成xは30%とし、成長条件は、SiH流量:1slm;H希釈10%GeH流量:0.96slm;成長温度:475℃;成長圧力:200Paとした。
図3(a)に示すように、SiO膜上にシードSi膜を介在させてSiGe膜を形成した場合には、平坦な表面モフォロジー(二乗平均粗さ:1.3nm)が達成されている。一方、図3(b)に示すように、シードSi膜を介在させない場合には、SiGe膜の結晶粒が突起物状に観察され、表面モフォロジーが劣化(二乗平均粗さ:14.5nm)している。
【0030】
図4は、Al膜上にSiGe膜を形成した場合の、SiGe膜の表面モフォロジーを示す顕微鏡写真である。詳細には、図4(a)はAl膜上に膜厚5nmのシードSi膜を介してSiGe膜を形成した場合、図4(b)はAl膜上に直接SiGe膜を形成した場合におけるそれぞれのSiGe膜表面を示す図である。
図4(a)に示すように、Al膜上にシードSi膜を介在させてSiGe膜を形成した場合には、図3(a)に示した場合と同様に、平坦な表面モフォロジー(二乗平均粗さ:0.3nm)が達成されている。一方、図4(b)に示すように、シードSi膜を介在させない場合には、図3(b)に示した場合と同様に、SiGe膜の結晶粒が突起物状に観察され、表面モフォロジーが劣化(二乗平均粗さ:14.6nm)している。
【0031】
図5は、HfO膜上にSiGe膜を形成した場合の、SiGe膜の表面モフォロジーを示す顕微鏡写真である。詳細には、図5(a)はHfO膜上に膜厚5nmのシードSi膜を介してSiGe膜を形成した場合、図5(b)はHfO膜上に直接SiGe膜を形成した場合におけるそれぞれのSiGe膜表面を示す図である。
図5(a),(b)に示すように、シードSi膜の有無に関わらず、平坦な表面モフォロジー(ともに二乗平均粗さ:0.2nm)が達成されている。すなわち、上述したようにSiO膜又はAl膜上にSiGe膜を形成する場合と異なり、HfO膜の上にSiGe膜を形成する場合には、シードSi膜を介在させなくてもSiGe膜の平坦な表面モフォロジーが得られることが分かった。
【0032】
次に、図2(c)に示すように、公知のリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、SiGe膜10、遷移金属酸化物膜8および下層誘電体膜6を順次パターニングする。これにより、MOSFETのゲート電極が形成される。
さらに、図2(d)に示すように、ゲート電極をマスクとして導電型不純物をイオン注入することにより、シリコン基板2上層にソース/ドレイン領域12を形成する。
【0033】
以上説明したように、本実施の形態1では、ゲート絶縁膜の最上層に遷移金属酸化物膜8を形成した。すなわち、遷移金属酸化物膜8をゲート絶縁膜兼下地膜として形成した。そして、この遷移金属酸化物膜8の直上にSiGe膜10を形成した。
これにより、従来のようなシードSi膜を形成することなく、SiGe膜表面の平坦性を確保することができる。ゲート絶縁膜−ゲート電極界面に、シードSi膜を介在させる必要がないため、該界面におけるSiGe膜のGe組成を設計値通りに制御することができ、トランジスタにおけるしきい値電圧のバラツキを抑えることができる。従って、しきい値電圧のバラツキを抑えたトランジスタを、ウェハ面内で均一に形成することができる。
【0034】
また、上述したような表面平坦性に優れたSiGe膜10をゲート電極に適用することにより、後工程のゲート加工工程におけるプロセスマージンが拡大し、加工歩留まりを改善することができ、生産性が向上する。
また、SiGe膜10は非晶質膜であるため、ゲート電極、ソース/ドレイン領域、エクステンション領域、ポケット領域を形成する際、注入する導電型不純物のチャネリングを抑制することができる。よって、トランジスタにおけるしきい値電圧のバラツキを抑制することができる。
【0035】
なお、本実施の形態1では非晶質のSiGe膜10を形成したが、本発明者は、上述したSiGe膜の成長条件で圧力のみを30Pa以下に下げて、SiGe膜を形成し、その表面平坦性を調査した。得られたSiGe膜は、グレインサイズが15nm程度に小さく、且つそのグレインサイズが揃った多結晶のSiGe膜であった。遷移金属酸化物膜上にかかる多結晶SiGe膜を形成した場合も、シードSi膜を形成することなく、SiGe膜表面の平坦性を確保することができることが分かった。よって、非晶質のSiGe膜を形成する場合と同様に、ゲート絶縁膜−ゲート電極界面におけるGe組成を設計値通りに制御することができる。
さらに、かかる多結晶SiGe膜をゲート電極として用いることにより、後工程で注入された導電型不純物(例えば、ボロン)の拡散に要する熱処理をより低減できるため、トランジスタにおけるゲート漏れ電流を更に抑えることができる。
【0036】
実施の形態2.
先ず、本発明の実施の形態2による半導体装置の構造について説明する。
図6は、本発明の実施の形態2による半導体装置を説明するための断面図である。
図6に示す本実施の形態2による半導体装置と、前述した実施の形態1による半導体装置との相違点は、非晶質のSiGe膜10を薄膜化し、その薄膜化したSiGe膜10上に多結晶のSiGe膜14が更に形成されている点である。
すなわち、図6に示すように、本実施の形態2による半導体装置は、ゲート電極として、HfO膜8上に形成された非晶質のSiGe膜10と、該SiGe膜10上に形成された多結晶のSiGe膜14とを備えたものである。
非晶質のSiGe膜10の膜厚は、例えば、20nm〜30nm程度である。多結晶のSiGe膜14の膜厚は、ゲート電極全体の膜厚が50nm〜150nmとなるように制御すればよい。
【0037】
次に、上記半導体装置の製造方法について説明する。
先ず、実施の形態1による製造方法と同様に、非晶質のSiGe膜10まで形成する。なお、非晶質のSiGe膜10は、例えば、20nm〜30nm程度の膜厚で形成する。このように薄膜化した場合でも、SiGe膜形成中の結晶粒成長が起こらないため、ゲート絶縁膜−ゲート電極界面において連続したSiGe膜10の形成が可能である。
【0038】
次に、図示しないが、LPCVD法を用いて、SiGe膜10上に多結晶のSiGe膜14を形成する。このSiGe膜14の形成には、上述したバッチ式の縦型LPCVD装置を用いることができ、SiGe膜14の成長条件は、例えば、SiH流量:0.6slm;H希釈10%GeH流量:0.58slm;成長温度:475℃、成長圧力:10Paである。
かかる条件で形成されたSiGe膜14は、上記非晶質SiGe膜10と同じ成長温度であるにも関わらず、多結晶質の膜となる。また、非晶質SiGe膜10と多結晶SiGe膜14とは同じ成長温度で形成するため、多結晶SiGe膜14成長中において非晶質SiGe膜10の膜質が保たれる。また、SiGe膜10,14を同一のLPCVD装置内で連続して成長させることができるため、スループットや生産性が低下しない。
【0039】
次に、実施の形態1と同様に、公知のリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて、多結晶SiGe膜14、非晶質SiGe膜10、遷移金属酸化物膜8および下層誘電体膜6を順次パターニングする。これにより、MOSFETのゲート電極が形成される。さらに、実施の形態1と同様に、ゲート電極をマスクとして導電型不純物をイオン注入することにより、シリコン基板2上層にソース/ドレイン領域12を形成する。
【0040】
以上説明したように、本実施の形態2では、ゲート絶縁膜の最上層に遷移金属酸化物膜8を形成した。すなわち、遷移金属酸化物膜8をゲート絶縁膜兼下地膜として形成した。そして、この遷移金属酸化物膜8の直上にSiGe膜10を形成した。従って、実施の形態1と同様の効果が得られる。
【0041】
さらに、本実施の形態2では、薄膜化した非晶質SiGe膜10の上に、多結晶SiGe膜14を形成した。これにより、後工程でゲート電極に注入された導電性不純物(例えばボロン)を、多結晶質の結晶粒界に沿った増速拡散現象を利用して、効率良く熱拡散させることができる。従って、下層誘電体膜6及びHfO膜8に対して、後工程の熱履歴(Thermal Budget)を低減することができ、ゲート絶縁膜6,8の漏れ電流特性や長期信頼性等の電気的特性が改善される。よって、トランジスタ素子の信頼性が向上するため、歩留まりが向上し、生産性が向上する。
【0042】
なお、本実施の形態2では、非晶質SiGe膜10上に多結晶SiGe膜14を形成したが、多結晶SiGe膜14に代えて、多結晶Si膜を形成してもよい。この場合も、ゲート電極に注入された導電性不純物を、増速拡散現象を利用して、効率良く熱拡散させることができる。
【0043】
実施の形態3.
先ず、本発明の実施の形態3による半導体装置の構造について説明する。
図7は、本発明の実施の形態3による半導体装置を説明するための断面図である。
図7に示す本実施の形態3による半導体装置と、前述した実施の形態2による半導体装置との相違点は、多結晶のSiGe膜14上に、Si膜(以下「キャップSi膜」という。)16が更に形成されている点である。
すなわち、図7に示すように、本実施の形態3による半導体装置は、ゲート電極として、HfO膜8上に形成された非晶質のSiGe膜10と、該SiGe膜10上に形成された多結晶のSiGe膜14と、該SiGe膜14上に形成されたキャップSi膜16とを備えたものである。
非晶質のSiGe膜10の膜厚は、実施の形態2と同様に、例えば、20nm〜30nm程度である。多結晶のSiGe膜14とキャップSi膜16の膜厚は、ゲート電極全体の膜厚が50nm〜150nmとなるようにそれぞれ制御すればよい。なお、図7では、SiGe膜14の膜厚よりもキャップSi膜16の膜厚の方が厚いが、SiGe膜14の膜厚の方が厚くてもよい。
【0044】
次に、上記半導体装置の製造方法について説明する。
先ず、実施の形態2による製造方法と同様に、多結晶のSiGe膜14まで形成する。多結晶のSiGe膜14の膜厚は、後述するキャップSi膜16の膜厚を考慮して、実施の形態2よりも薄膜化する。
【0045】
次に、図示しないが、LPCVD法を用いて、SiGe膜14上にキャップSi膜16を形成する。このキャップSi膜16の形成には、上述したバッチ式の縦型LPCVD装置を用いることができ、SiGe膜14の成長温度よりも高い温度を適用することができる。キャップSi膜16の成長条件は、例えば、SiH流量:1slm;成長温度:530℃、成長圧力:100Paである。
キャップSi膜16は、多結晶SiGe膜14の結晶性の影響を受けて成長するため、多くの領域が多結晶化して成長される。ここで、多結晶Si膜を成長させるには、通常600℃以上の高温を要するが、多結晶SiGe膜14を介在させた場合にはそれよりも低い、例えば、530℃程度の低温においても多結晶化する。
【0046】
以上説明したように、本実施の形態3では、ゲート絶縁膜の最上層に遷移金属酸化物膜8を形成した。すなわち、遷移金属酸化物膜8をゲート絶縁膜兼下地膜として形成した。そして、この遷移金属酸化物膜8の直上にSiGe膜10を形成した。従って、実施の形態1と同様の効果が得られる。
【0047】
さらに、本実施の形態3では、多結晶SiGe膜14上に多結晶のキャップSi膜16を形成した。これにより、実施の形態2と同様に、後工程で注入された導電性不純物(例えばボロン)を多結晶質の結晶粒界に沿った増速拡散現象を利用して、効率良く熱拡散することができる。従って、下層誘電体膜6及びHfO膜8に対して、後工程の熱履歴(Thermal Budget)を低減することができ、ゲート絶縁膜6,8の漏れ電流特性や長期信頼性等の電気的特性が改善される。よって、トランジスタ素子の信頼性が向上するため、歩留まりが向上し、生産性が向上する。
また、多結晶SiGe膜14上にキャップSi膜16を形成することにより、後工程で公知のサリサイドプロセスを用いて、サリサイド配線を形成する際に、SiGe膜のGeに起因したサリサイド不良を回避することができる。このため、歩留まりが向上し、生産性が向上する。
また、多結晶SiGe膜14を介在させてキャップSi膜16を通常よりも低温で多結晶化させることができるため、下層誘電体膜6及びHfO膜8に対して、後工程の熱履歴(Thermal Budget)を更に低減することができ、ゲート絶縁膜6,8の漏れ電流特性や長期信頼性等の電気的特性が改善される。よって、トランジスタ素子の信頼性が向上するため、歩留まりが向上し、生産性が向上する。
また、ゲート電極に不純物を導入した後に行われる洗浄工程において、SiGe膜よりもSi膜の方がエッチングレートが低い。このため、実施の形態1,2よりも洗浄工程におけるゲート電極の膜厚の減少を低減でき、ゲート電極中の導電性不純物濃度の減少並びに面内分布の変動を抑制することができる。従って、トランジスタを設計どおりに製造することができ、生産再現性・安定性が向上する。
【0048】
次に、本実施の形態3の変形例について説明する。トランジスタに要求される性能に応じて、以下の変形例を用いることができる。
図8は、本発明の実施の形態3の第1変形例を説明するための断面図であり、図9は、本発明の実施の形態3の第2変形例を説明するための断面図である。
【0049】
第1変形例は、図8に示すように、多層膜10,14,16からなるゲート電極をマスクとして不純物を注入することによりエクステンション22を形成し、ゲート電極の側壁を覆うようにサイドウォール20を形成し、ゲート電極及びサイドウォール20をマスクとして不純物を注入することにより、エクステンション22よりも不純物濃度が高いソース/ドレイン領域12を形成したものである。
【0050】
第2変形例は、図9に示すように、図8に示した第1変形例の構造を形成した後、図示しない保護膜を形成した後、例えば、Co膜、Ni膜、Ta膜、Ti膜等の金属膜を形成し、熱処理を施すことにより、キャップSi膜16及びソース/ドレイン領域12の表層に、例えば、CoSiのような金属シリサイド層24を形成したものである。すなわち、第1変形例の構造を形成した後、サリサイド法により金属シリサイド層24を形成したものである。本第2変形例により、拡散層を低抵抗化することができる。
かかる第1及び第2変形例により、半導体装置の性能を更に向上させることができる。
【0051】
【発明の効果】
本発明によれば、ゲート電極を構成するSiGe膜の表面荒れを抑制すると共に、ゲート電極−ゲート絶縁膜界面におけるGe組成の制御性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態1による半導体装置を説明するための断面図である。
【図2】 図1に示した半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図3】 SiO膜上にSiGe膜を形成した場合の、SiGe膜の表面モフォロジーを示す顕微鏡写真である。
【図4】 Al膜上にSiGe膜を形成した場合の、SiGe膜の表面モフォロジーを示す顕微鏡写真である。
【図5】 HfO膜上にSiGe膜を形成した場合の、SiGe膜の表面モフォロジーを示す顕微鏡写真である。
【図6】 本発明の実施の形態2による半導体装置を説明するための断面図である。
【図7】 本発明の実施の形態3による半導体装置を説明するための断面図である。
【図8】 本発明の実施の形態3の第1変形例を説明するための断面図である。
【図9】 本発明の実施の形態3の第2変形例を説明するための断面図である。
【符号の説明】
2 基板(シリコン基板)
4 フィールド絶縁膜
6 下層誘電体膜(SiO膜等)
8 遷移金属酸化物膜(HfO膜)
10 SiGe膜
12 ソース/ドレイン領域
14 SiGe膜(多結晶SiGe膜)
16 Si膜(キャップSi膜)
20 サイドウォール
22 エクステンション
24 金属シリサイド層
[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a gate electrode including a SiGe thin film and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) as semiconductor devices have been miniaturized and highly integrated. Along with this, thinning of the gate insulating film has been promoted from the viewpoint of securing driving current and reducing power consumption.
A silicon oxide film (SiO2) that has been widely used as a gate insulating film due to the demand for scaling law2It is necessary to form a film with a film thickness of 2 nm or less. However, such extremely thin SiO2When the film is used as a gate insulating film, the gate leakage current due to the tunnel current becomes a value that cannot be ignored with respect to the source / drain current, which is a big problem in improving the performance and power consumption of the MOSFET.
[0003]
As a countermeasure, SiO2A method has been proposed in which a high dielectric film having a relative dielectric constant higher than that of a film is used as a gate insulating film. Thus, the physical film thickness can be increased while the effective gate insulating film thickness (that is, the electrical equivalent film thickness) is kept thin, and the gate leakage current due to the tunnel current can be suppressed.
[0004]
On the other hand, in order to reduce the electrical equivalent film thickness of the gate electrode, a method of reducing the parasitic capacitance resulting from the depletion of the gate electrode has been proposed. For example, a silicon germanium (hereinafter referred to as “SiGe”) film is used for the gate electrode. A transistor using a SiGe film as a gate electrode has the following advantages.
First, since the activation rate of conductive impurities (for example, boron) in the gate electrode is improved, the dose of boron can be reduced. As a result, boron penetration into the gate insulating film and channel region under the gate electrode can be suppressed, and gate leakage current can be suppressed. In addition, depletion of the gate electrode is suppressed by improving the boron activation rate, and parasitic capacitance due to depletion is reduced. Accordingly, the gate insulating film can be made thicker by the amount corresponding to the parasitic capacitance, and the gate leakage current can be further suppressed.
Further, since the work function of SiGe is smaller than that of the substrate (Si) in the P-channel MOSFET, the channel concentration can be lowered when the threshold voltage (Vth) is adjusted to a desired value. As a result, the electric field in the vertical direction is reduced, so that the carrier mobility of the substrate is improved and the transistor driving capability is improved.
Furthermore, since the SiGe film has a higher growth rate than the polysilicon film conventionally used for the gate electrode, it can be formed in a short time. Further, the SiGe film can be polycrystallized at a lower temperature than Si. In order to sufficiently diffuse conductive impurities at a low temperature and in a short time, polycrystalline is more advantageous. Therefore, it is possible to reduce the thermal history of the thermal diffusion process at the time of film formation and in the subsequent process.
[0005]
By the way, in the gate electrode using the SiGe film, there is a problem that the film surface is roughened when the SiGe film is formed. When such surface roughness occurs, it becomes difficult to process the gate electrode by dry etching in a later step. In order to avoid this problem, an ultra-thin amorphous Si film (seed Si film) is made of SiGe film and SiO, which is a gate insulating film.2A method for suppressing surface roughness of the SiGe film formed between the film and the film has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2002-261274 A (Page 5, FIG. 3)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the introduction of the seed Si film lowers the germanium composition (hereinafter referred to as “Ge composition”) at the interface between the gate electrode and the gate insulating film that most affects the transistor characteristics.
Further, even when Ge is diffused from the SiGe film to the seed Si film by a heat treatment in a subsequent process, the Ge composition at the interface between the gate electrode and the gate insulating film after the diffusion varies due to a temperature variation in the wafer surface or the like. It will occur.
As a result, there has been a problem that it is difficult to control the Ge composition at the gate electrode-gate insulating film interface as designed. Furthermore, there is a problem in that the work function changes due to the change in the Ge composition at the gate electrode-gate insulating film interface, resulting in variations in the threshold voltage of the transistor.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and suppresses surface roughness of the SiGe film constituting the gate electrode and improves controllability of the Ge composition at the gate electrode-gate insulating film interface. With the goal.
[0009]
[Means for solving the problems]
  A semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device having a gate electrode including a SiGe film,
  A dielectric film formed on the substrate;
  Formed on the dielectric film, the film thickness is 0.1 nm ~0.3nm and HfO2Substrate consisting of a filmGate insulationWith a membrane,
  The baseGate insulationThe SiGe film is formed on the film.
[0010]
  In the semiconductor device according to the present invention, theDielectric film, Silicon oxide film, silicon nitride film or silicon oxynitride filmIsIs preferred.
[0011]
  In the semiconductor device according to the present invention, theThe dielectric film includes a first dielectric film formed on the substrate and a second dielectric film formed on the first dielectric film,
  The first dielectric film is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film,
  The second dielectric film is made of Al. 2 O 3 , ZrO 2 , La 2 O 3 , HfSiOx, ZrSiOx, HfAlOx or ZrAlOxIt is preferable that
[0012]
  In the semiconductor device according to the present invention, the gate electrode includes the baseGate insulationIt is preferable to include an amorphous SiGe film formed on the film and a polycrystalline SiGe film formed on the amorphous SiGe film.
[0013]
In the semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the gate electrode further includes a Si film formed on the polycrystalline SiGe film.
[0014]
  In the manufacturing method according to the present invention, a step of forming a dielectric film on the substrate;
  HfO on the dielectric film2Substrate consisting of a filmGate insulationFrom 0.1 nm0.3forming with a film thickness of nm;
  The baseGate insulationForming a SiGe film on the film;
  Patterning the SiGe film to form a gate electrode;
  Forming source / drain regions on the substrate by ion implantation using the gate electrode as a mask;
  Is preferably included.
[0015]
The manufacturing method according to the present invention further includes a step of forming a Si film on the SiGe film after forming the SiGe film,
In the step of forming the gate electrode, it is preferable to further pattern the Si film.
[0016]
  In the manufacturing method according to the present invention, the step of forming the SiGe film includes:
  The baseGate insulationForming an amorphous SiGe film on the film;
  Forming a polycrystalline SiGe film on the amorphous SiGe film;
  Is preferably included.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be simplified or omitted.
[0018]
Embodiment 1 FIG.
First, the structure of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the silicon substrate as the substrate 2 has an element region in which a semiconductor element such as a transistor is formed, and an isolation region that isolates the element region, and a field insulating film ( Also referred to as “element isolation insulating film”) 4 is formed. Although not shown, a well region is formed in the substrate 2 in the element region.
[0019]
On the substrate 2 in the element region, a gate insulating film composed of multilayer films 6 and 8 is formed.
The lower dielectric film 6 formed immediately above the substrate 2 is, for example, SiO 22Film, Si3N4Film, SiON film (hereinafter referred to as “SiO2"Membrane etc." ) Can be used. SiO2The film thickness of the lower dielectric film 6 made of a film or the like is, for example, 0.7 nm.
Further, the lower dielectric film 6 is made of SiO.2Instead of a film etc., the SiO2A high dielectric film (High-k film) having a higher relative dielectric constant than a film or the like can be used. Here, as a material of the high dielectric film, for example, Al2O3, HfO2, ZrO2, La2O3Metal oxides such as, metal nitrides, metal oxynitrides, metal silicates such as HfSiOx and ZrSiOx, metal aluminates such as HfAlOx and ZrAlOx, and the like can be used. In this case, the physical film thickness can be increased, which is preferable from the viewpoint of suppressing the gate leakage current.
Further, the lower dielectric film 6 is made of SiO.2A laminated film of the film and the high dielectric film formed thereon can be formed. That is, the gate insulating film is formed on the SiO 2 formed on the substrate 2.2This film and this SiO2A laminated film of the high dielectric film formed on a film or the like and a transition metal oxide film (described later) formed on the high dielectric film can be formed. In this case, the solid phase reaction between the high dielectric film and the silicon substrate 2 is performed using SiO.2It can be suppressed by a film or the like. Moreover, it is suitable from a viewpoint of improvement of interface characteristics and suppression of gate leakage current.
[0020]
A transition metal oxide film (hereinafter referred to as “transition metal oxide film”) 8 is formed on the lower dielectric film 6. That is, the gate insulating film includes the transition metal oxide film 8 on the uppermost layer of the gate insulating film. The transition metal oxide film 8 functions as a gate insulating film and also functions as a base film for forming a SiGe film described later. As the transition metal oxide film 8, HfO2A membrane can be used. HfO2The film thickness of the transition metal oxide film 8 made of a film is preferably, for example, 0.1 nm (monoatomic layer) to 5 nm.
The lower dielectric film 6 is HfO.2By using the film, the gate insulating film is changed to HfO.2It can also be composed only of a film. In this case, HfO2The film thickness is preferably 4 nm to 5 nm, for example.
The transition metal oxide film 8 is required to grow with good uniformity even when the transition metal oxide film 8 is made extremely thin to a thickness of about 0.3 nm or less due to thermal stability requirements, for example. Therefore, it is preferable to use the ALD method or the MOCVD method for the growth of the transition metal oxide film 8 (described later).
[0021]
On the transition metal oxide film 8, a SiGe film as the gate electrode 10 is formed. The SiGe film 10 is made of Si.(100-x)GexThe Ge composition X (%) is preferably 20% to 30%. By forming the SiGe film 10 immediately above the transition metal oxide film 8, excellent flatness can be obtained without a seed Si film (described later).
[0022]
A source / drain region 12 is formed in the upper layer of the silicon substrate 2 with a channel region (not shown) below the gate electrode interposed therebetween.
[0023]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device will be described.
FIG. 2 is a process cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the semiconductor device shown in FIG.
First, as shown in FIG. 2A, a field insulating film 4 is formed in an isolation region of the silicon substrate 2 by using an STI (Shallow Trench Isolation) technique. Although not shown, a well region is formed by ion implantation of conductive impurities into the element region of the silicon substrate 2 and further annealing.
[0024]
Next, as shown in FIG. 2B, after performing a predetermined pretreatment (for example, removal of a natural oxide film), thermal oxidation (or thermal nitridation or thermal oxynitridation) or plasma oxidation (or plasma nitridation or SiO 2 as the lower dielectric film 6 on the silicon substrate 2 by using a method such as plasma oxynitridation).2A film or the like (described above) is formed with a film thickness of 0.7 nm, for example.
As described above, SiO2Instead of a film etc. or SiO2A high dielectric film can be formed as the lower dielectric film 6 together with the film and the like. In this case, an ALD (Atomic Layer Deposition) method or a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method can be used for the growth of the high dielectric film.
[0025]
Next, HfO as the transition metal oxide film 8 is formed on the lower dielectric film 6 by using the ALD method or the MOCVD method.2A film is formed. HfO using ALD method2When forming a film, for example, the substrate temperature is set to 300 ° C. and HfCl4As a raw material, H2O or O3Is an oxidizing agent. According to the average film formation rate per atomic layer under these conditions, HfO2The film can be made very thin to a thickness of about 0.3 nm or less. HfO2Even when the film 8 is made very thin, the above method can be used to perform growth with good uniformity.
[0026]
After forming the transition metal oxide film 8 and before forming a SiGe film (described later), it is preferable to perform heat treatment in an extremely small amount of oxygen atmosphere (the same applies to Embodiments 2 and 3 described later). ). HfO as the transition metal oxide film 82When the film is formed, for example, heat treatment is performed for several seconds at a temperature of about 800 ° C. in a lamp type rapid thermal annealing apparatus (RTA: Rapid Thermal Annealer). By this heat treatment, oxygen vacancies in the transition metal oxide film 8 are compensated, and at the same time, the impurity concentration in the transition metal oxide film 8 can be reduced.
HfO2SiO immediately below the film 82When the film 6 or the like is formed, this heat treatment causes HfO2From film 8 to SiO2Hf diffuses into the film 6 etc., and SiO2Since the film 6 or the like 6 becomes Hf silicate, the electrical equivalent film thickness of the lower dielectric film 6 decreases. Thereby, since the physical film thickness of the transition metal oxide film 8 can be increased, the gate leakage current can be further suppressed.
[0027]
Subsequently, using a CVD method, HfO2The SiGe film 10 is formed on the film 8 with a film thickness of 50 nm to 150 nm, for example. Where Si(100-x)GexThe Ge composition X (%) in the SiGe film 10 represented by the composition formula is preferably 20 to 30%.
The deposition temperature of the SiGe film 10 is preferably 450 ° C. or higher and lower than 500 ° C. This is because when the film forming temperature is 500 ° C. or higher, the surface roughness of the SiGe film 10 becomes significant when the SiGe film 10 is grown without the seed Si film interposed. Further, when the film formation temperature is lower than 450 ° C., the growth rate of the SiGe film 10 is slow and the throughput is low, which is not preferable from the viewpoint of productivity.
For example, a batch type vertical LPCVD apparatus can be used to form the SiGe film 10. The growth conditions of the SiGe film 10 are, for example, SiH4Flow rate: 1 slm; H2Diluted 10% GeH4Flow rate: 0.96 slm; Growth temperature: 475 ° C .; Growth pressure: 200 Pa. In this formation condition, since the film deposition rate is faster than the crystal nucleus growth rate, an amorphous SiGe film 10 can be obtained. The surface flatness of the amorphous SiGe film 10 is remarkably improved, and the maximum unevenness on the surface is reduced to about 2 nm.
[0028]
Here, the inventor investigated the surface morphology of the SiGe film when the SiGe film was formed on various dielectric films. The investigation result will be described with reference to FIGS.
[0029]
FIG. 3 shows SiO2It is a microscope picture which shows the surface morphology of a SiGe film at the time of forming a SiGe film on a film. Specifically, FIG. 3 (a) shows SiO.2When a SiGe film is formed on the film via a seed Si film having a thickness of 5 nm, FIG.2It is a figure which shows each SiGe film surface in the case of forming a SiGe film directly on a film | membrane. The Ge composition x of the SiGe film is 30% and the growth condition is SiH.4Flow rate: 1 slm; H2Diluted 10% GeH4Flow rate: 0.96 slm; Growth temperature: 475 ° C .; Growth pressure: 200 Pa.
As shown in FIG.2When a SiGe film is formed on a film with a seed Si film interposed therebetween, a flat surface morphology (root mean square roughness: 1.3 nm) is achieved. On the other hand, as shown in FIG. 3B, when the seed Si film is not interposed, the crystal grains of the SiGe film are observed as projections, and the surface morphology deteriorates (root mean square roughness: 14.5 nm). ing.
[0030]
Figure 4 shows Al2O3It is a microscope picture which shows the surface morphology of a SiGe film at the time of forming a SiGe film on a film. Specifically, FIG. 4 (a) shows Al.2O3When a SiGe film is formed on the film via a seed Si film having a thickness of 5 nm, FIG.2O3It is a figure which shows each SiGe film surface in the case of forming a SiGe film directly on a film | membrane.
As shown in FIG.2O3When the SiGe film is formed on the film with the seed Si film interposed, as in the case shown in FIG. 3A, a flat surface morphology (root mean square roughness: 0.3 nm) is achieved. Yes. On the other hand, as shown in FIG. 4B, when the seed Si film is not interposed, the crystal grains of the SiGe film are observed in the shape of protrusions as in the case shown in FIG. Has deteriorated (root mean square roughness: 14.6 nm).
[0031]
FIG. 5 shows HfO2It is a microscope picture which shows the surface morphology of a SiGe film at the time of forming a SiGe film on a film. Specifically, FIG. 5 (a) shows HfO.2When a SiGe film is formed on the film via a seed Si film having a thickness of 5 nm, FIG.2It is a figure which shows each SiGe film surface in the case of forming a SiGe film directly on a film | membrane.
As shown in FIGS. 5A and 5B, a flat surface morphology (both mean square roughness: 0.2 nm) is achieved regardless of the presence or absence of the seed Si film. That is, as described above, SiO2Film or Al2O3Unlike the case of forming a SiGe film on the film, HfO2It was found that when the SiGe film is formed on the film, a flat surface morphology of the SiGe film can be obtained without interposing the seed Si film.
[0032]
Next, as shown in FIG. 2C, the SiGe film 10, the transition metal oxide film 8, and the lower dielectric film 6 are sequentially patterned using a known lithography technique and etching technique. Thereby, the gate electrode of the MOSFET is formed.
Further, as shown in FIG. 2D, source / drain regions 12 are formed in the upper layer of the silicon substrate 2 by ion-implanting conductive impurities using the gate electrode as a mask.
[0033]
As described above, in the first embodiment, the transition metal oxide film 8 is formed as the uppermost layer of the gate insulating film. That is, the transition metal oxide film 8 was formed as a gate insulating film / underlayer film. Then, a SiGe film 10 was formed immediately above the transition metal oxide film 8.
Thereby, the flatness of the SiGe film surface can be ensured without forming a conventional seed Si film. Since it is not necessary to interpose the seed Si film at the gate insulating film-gate electrode interface, the Ge composition of the SiGe film at the interface can be controlled as designed, and the variation in threshold voltage in the transistor can be suppressed. Can do. Therefore, transistors with reduced variations in threshold voltage can be formed uniformly within the wafer surface.
[0034]
Further, by applying the SiGe film 10 having excellent surface flatness as described above to the gate electrode, the process margin in the subsequent gate processing step can be expanded, the processing yield can be improved, and the productivity is improved. To do.
In addition, since the SiGe film 10 is an amorphous film, channeling of conductive impurities to be implanted can be suppressed when forming the gate electrode, the source / drain region, the extension region, and the pocket region. Thus, variation in threshold voltage among transistors can be suppressed.
[0035]
In the first embodiment, the amorphous SiGe film 10 is formed. However, the present inventor forms the SiGe film by reducing only the pressure to 30 Pa or less under the above-described growth conditions of the SiGe film, and the surface thereof. The flatness was investigated. The obtained SiGe film was a polycrystalline SiGe film having a grain size as small as about 15 nm and uniform grain size. It was found that even when the polycrystalline SiGe film is formed on the transition metal oxide film, the flatness of the SiGe film surface can be secured without forming the seed Si film. Therefore, as in the case of forming an amorphous SiGe film, the Ge composition at the gate insulating film-gate electrode interface can be controlled as designed.
Further, by using such a polycrystalline SiGe film as a gate electrode, the heat treatment required for diffusion of conductive impurities (for example, boron) implanted in a later process can be further reduced, so that the gate leakage current in the transistor can be further suppressed. it can.
[0036]
Embodiment 2. FIG.
First, the structure of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
The difference between the semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. 6 and the semiconductor device according to the first embodiment described above is that the amorphous SiGe film 10 is thinned and a large number of films are formed on the thinned SiGe film 10. A crystalline SiGe film 14 is further formed.
That is, as shown in FIG. 6, the semiconductor device according to the second embodiment has HfO as the gate electrode.2An amorphous SiGe film 10 formed on the film 8 and a polycrystalline SiGe film 14 formed on the SiGe film 10 are provided.
The film thickness of the amorphous SiGe film 10 is, for example, about 20 nm to 30 nm. The film thickness of the polycrystalline SiGe film 14 may be controlled so that the film thickness of the entire gate electrode is 50 nm to 150 nm.
[0037]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device will be described.
First, the amorphous SiGe film 10 is formed as in the manufacturing method according to the first embodiment. The amorphous SiGe film 10 is formed with a film thickness of, for example, about 20 nm to 30 nm. Even when the thickness is reduced in this way, crystal grain growth does not occur during the formation of the SiGe film, and therefore, a continuous SiGe film 10 can be formed at the gate insulating film-gate electrode interface.
[0038]
Next, although not shown, a polycrystalline SiGe film 14 is formed on the SiGe film 10 using LPCVD. For the formation of the SiGe film 14, the above-described batch type vertical LPCVD apparatus can be used. The growth condition of the SiGe film 14 is, for example, SiH.4Flow rate: 0.6 slm; H2Diluted 10% GeH4Flow rate: 0.58 slm; growth temperature: 475 ° C., growth pressure: 10 Pa.
The SiGe film 14 formed under such conditions becomes a polycrystalline film despite the same growth temperature as the amorphous SiGe film 10. Further, since the amorphous SiGe film 10 and the polycrystalline SiGe film 14 are formed at the same growth temperature, the quality of the amorphous SiGe film 10 is maintained during the growth of the polycrystalline SiGe film 14. Further, since the SiGe films 10 and 14 can be continuously grown in the same LPCVD apparatus, the throughput and productivity are not lowered.
[0039]
Next, similarly to the first embodiment, the polycrystalline SiGe film 14, the amorphous SiGe film 10, the transition metal oxide film 8, and the lower dielectric film 6 are sequentially formed using a known lithography technique and etching technique. Pattern. Thereby, the gate electrode of the MOSFET is formed. Further, as in the first embodiment, source / drain regions 12 are formed in the upper layer of the silicon substrate 2 by ion-implanting conductive impurities using the gate electrode as a mask.
[0040]
As described above, in the second embodiment, the transition metal oxide film 8 is formed as the uppermost layer of the gate insulating film. That is, the transition metal oxide film 8 was formed as a gate insulating film / underlayer film. Then, a SiGe film 10 was formed immediately above the transition metal oxide film 8. Therefore, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0041]
Further, in the second embodiment, the polycrystalline SiGe film 14 is formed on the thin amorphous SiGe film 10. As a result, the conductive impurities (for example, boron) implanted into the gate electrode in the subsequent process can be efficiently thermally diffused using the accelerated diffusion phenomenon along the polycrystalline crystal grain boundary. Therefore, the lower dielectric film 6 and HfO2The thermal history of the subsequent process can be reduced with respect to the film 8, and the electrical characteristics such as leakage current characteristics and long-term reliability of the gate insulating films 6 and 8 are improved. Therefore, since the reliability of the transistor element is improved, the yield is improved and the productivity is improved.
[0042]
In the second embodiment, the polycrystalline SiGe film 14 is formed on the amorphous SiGe film 10, but a polycrystalline Si film may be formed instead of the polycrystalline SiGe film 14. Also in this case, the conductive impurities injected into the gate electrode can be efficiently diffused by utilizing the enhanced diffusion phenomenon.
[0043]
Embodiment 3 FIG.
First, the structure of the semiconductor device according to the third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
The difference between the semiconductor device according to the third embodiment shown in FIG. 7 and the semiconductor device according to the second embodiment described above is that an Si film (hereinafter referred to as “cap Si film”) is formed on the polycrystalline SiGe film 14. 16 is further formed.
That is, as shown in FIG. 7, the semiconductor device according to the third embodiment has HfO as the gate electrode.2An amorphous SiGe film 10 formed on the film 8, a polycrystalline SiGe film 14 formed on the SiGe film 10, and a cap Si film 16 formed on the SiGe film 14 were provided. Is.
The film thickness of the amorphous SiGe film 10 is, for example, about 20 nm to 30 nm, as in the second embodiment. The film thicknesses of the polycrystalline SiGe film 14 and the cap Si film 16 may be controlled so that the film thickness of the entire gate electrode is 50 nm to 150 nm. In FIG. 7, the cap Si film 16 is thicker than the SiGe film 14, but the SiGe film 14 may be thicker.
[0044]
Next, a method for manufacturing the semiconductor device will be described.
First, the polycrystalline SiGe film 14 is formed as in the manufacturing method according to the second embodiment. The film thickness of the polycrystalline SiGe film 14 is made thinner than that of the second embodiment in consideration of the film thickness of a cap Si film 16 described later.
[0045]
Next, although not shown, a cap Si film 16 is formed on the SiGe film 14 using the LPCVD method. The above-described batch type vertical LPCVD apparatus can be used to form the cap Si film 16, and a temperature higher than the growth temperature of the SiGe film 14 can be applied. The growth condition of the cap Si film 16 is, for example, SiH4Flow rate: 1 slm; growth temperature: 530 ° C., growth pressure: 100 Pa.
Since the cap Si film 16 is grown under the influence of the crystallinity of the polycrystalline SiGe film 14, many regions are grown to be polycrystalline. Here, in order to grow the polycrystalline Si film, a high temperature of 600 ° C. or higher is usually required. Crystallize.
[0046]
As described above, in the third embodiment, the transition metal oxide film 8 is formed as the uppermost layer of the gate insulating film. That is, the transition metal oxide film 8 was formed as a gate insulating film / underlayer film. Then, a SiGe film 10 was formed immediately above the transition metal oxide film 8. Therefore, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0047]
Further, in the third embodiment, the polycrystalline cap Si film 16 is formed on the polycrystalline SiGe film 14. Thereby, as in the second embodiment, the conductive impurities (for example, boron) implanted in the subsequent process can be efficiently thermally diffused using the accelerated diffusion phenomenon along the polycrystalline grain boundary. Can do. Therefore, the lower dielectric film 6 and HfO2The thermal history of the subsequent process can be reduced with respect to the film 8, and the electrical characteristics such as leakage current characteristics and long-term reliability of the gate insulating films 6 and 8 are improved. Therefore, since the reliability of the transistor element is improved, the yield is improved and the productivity is improved.
Further, by forming the cap Si film 16 on the polycrystalline SiGe film 14, a salicide defect caused by Ge in the SiGe film is avoided when a salicide wiring is formed in a later process using a known salicide process. be able to. For this reason, a yield improves and productivity improves.
Further, since the cap Si film 16 can be polycrystallized at a lower temperature than usual by interposing the polycrystalline SiGe film 14, the lower dielectric film 6 and the HfO2The thermal history of the post-process can be further reduced with respect to the film 8, and the electrical characteristics such as the leakage current characteristics and long-term reliability of the gate insulating films 6 and 8 are improved. Therefore, since the reliability of the transistor element is improved, the yield is improved and the productivity is improved.
In the cleaning process performed after introducing impurities into the gate electrode, the Si film has a lower etching rate than the SiGe film. Therefore, a reduction in the thickness of the gate electrode in the cleaning process can be reduced as compared with Embodiments 1 and 2, and a reduction in the conductive impurity concentration in the gate electrode and a variation in the in-plane distribution can be suppressed. Therefore, the transistor can be manufactured as designed, and the production reproducibility and stability are improved.
[0048]
Next, a modification of the third embodiment will be described. The following modifications can be used depending on the performance required for the transistor.
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a first modification of the third embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining a second modification of the third embodiment of the present invention. is there.
[0049]
In the first modification, as shown in FIG. 8, an extension 22 is formed by implanting impurities using a gate electrode made of multilayer films 10, 14, and 16 as a mask, and a sidewall 20 is formed so as to cover the sidewall of the gate electrode. The source / drain regions 12 having an impurity concentration higher than that of the extension 22 are formed by implanting impurities using the gate electrode and the sidewall 20 as a mask.
[0050]
As shown in FIG. 9, the second modified example is formed after forming the structure of the first modified example shown in FIG. 8 and then forming a protective film (not shown), for example, Co film, Ni film, Ta film, Ti A metal film such as a film is formed, and a heat treatment is performed to form a metal silicide layer 24 such as CoSi on the surface layer of the cap Si film 16 and the source / drain regions 12. That is, after the structure of the first modification is formed, the metal silicide layer 24 is formed by the salicide method. According to the second modification, the resistance of the diffusion layer can be reduced.
With the first and second modifications, the performance of the semiconductor device can be further improved.
[0051]
【The invention's effect】
According to the present invention, the surface roughness of the SiGe film constituting the gate electrode can be suppressed, and the controllability of the Ge composition at the gate electrode-gate insulating film interface can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process sectional view for explaining the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. 1;
[Fig. 3] SiO2It is a microscope picture which shows the surface morphology of a SiGe film at the time of forming a SiGe film on a film.
[Fig.4] Al2O3It is a microscope picture which shows the surface morphology of a SiGe film at the time of forming a SiGe film on a film.
FIG. 5 HfO2It is a microscope picture which shows the surface morphology of a SiGe film at the time of forming a SiGe film on a film.
FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a first modification of the third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining a second modification of the third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
2 Substrate (silicon substrate)
4 Field insulation film
6 Lower dielectric film (SiO2Membrane)
8 Transition metal oxide film (HfO2film)
10 SiGe film
12 Source / drain regions
14 SiGe film (polycrystalline SiGe film)
16 Si film (cap Si film)
20 sidewall
22 Extension
24 Metal silicide layer

Claims (9)

SiGe膜を含むゲート電極を有する半導体装置であって、
基板上に形成された誘電体膜と、
前記誘電体膜上に形成され、膜厚が0.1nm〜0.3nmであり、かつ、HfO膜からなる下地ゲート絶縁膜とを備え、
前記下地ゲート絶縁膜上に前記SiGe膜が形成されたことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device having a gate electrode including a SiGe film,
A dielectric film formed on the substrate;
A base gate insulating film formed on the dielectric film, having a thickness of 0.1 nm to 0.3 nm and made of an HfO 2 film;
A semiconductor device, wherein the SiGe film is formed on the base gate insulating film.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記誘電体膜が、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜からなる下層誘電体膜であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, wherein the dielectric film is a lower dielectric film made of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film.
請求項1に記載の半導体装置において、
前記誘電体膜は、前記基板上に形成された第1誘電体膜と、該第1誘電体膜上に形成された第2誘電体膜とを含み、
前記第1誘電体膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜またはシリコン酸窒化膜であり、
前記第2誘電体膜は、Al、ZrO、La、HfSiOx、ZrSiOx、HfAlOxまたはZrAlOxからなる膜であることを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The dielectric film includes a first dielectric film formed on the substrate and a second dielectric film formed on the first dielectric film,
The first dielectric film is a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film,
The semiconductor device, wherein the second dielectric film is a film made of Al 2 O 3 , ZrO 2 , La 2 O 3 , HfSiOx, ZrSiOx, HfAlOx, or ZrAlOx.
請求項1から3の何れかに記載の半導体装置において、
前記ゲート電極が、前記下地ゲート絶縁膜上に形成された非晶質SiGe膜と、該非晶質SiGe膜上に形成された多結晶SiGe膜とを備えたことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
A semiconductor device, wherein the gate electrode includes an amorphous SiGe film formed on the base gate insulating film and a polycrystalline SiGe film formed on the amorphous SiGe film.
請求項4に記載の半導体装置において、
前記ゲート電極が、該多結晶SiGe膜上に形成されたSi膜を更に備えたことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 4,
The semiconductor device, wherein the gate electrode further comprises a Si film formed on the polycrystalline SiGe film.
基板上に、誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜上にHfO膜からなる下地ゲート絶縁膜を0.1nm〜0.3nmの膜厚で形成する工程と、
前記下地ゲート絶縁膜上にSiGe膜を形成する工程と、
前記SiGe膜をパターニングしてゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極をマスクとしたイオン注入により基板上層にソース/ドレイン領域を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a dielectric film on the substrate;
Forming a base gate insulating film made of an HfO 2 film with a thickness of 0.1 nm to 0.3 nm on the dielectric film;
Forming a SiGe film on the underlying gate insulating film;
Patterning the SiGe film to form a gate electrode;
Forming source / drain regions on the substrate by ion implantation using the gate electrode as a mask;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項6に記載の製造方法において、
前記SiGe膜を形成した後、前記SiGe膜上にSi膜を形成する工程を更に含み、
前記ゲート電極を形成する工程では、前記Si膜を更にパターニングすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
The manufacturing method according to claim 6,
Forming a Si film on the SiGe film after forming the SiGe film;
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein in the step of forming the gate electrode, the Si film is further patterned.
請求項6又は7に記載の製造方法において、
前記SiGe膜を形成する工程は、
前記下地ゲート絶縁膜上に非晶質SiGe膜を形成する工程と、
前記非晶質SiGe膜上に多結晶SiGe膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of Claim 6 or 7,
The step of forming the SiGe film includes
Forming an amorphous SiGe film on the underlying gate insulating film;
Forming a polycrystalline SiGe film on the amorphous SiGe film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
請求項6から8の何れかに記載の製造方法において、
前記SiGe膜を450℃以上且つ500℃未満の温度で形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method in any one of Claim 6 to 8,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the SiGe film is formed at a temperature of 450 ° C. or higher and lower than 500 ° C.
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