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JP2004247474A - Semiconductor device, manufacturing method thereof, and film forming method - Google Patents

Semiconductor device, manufacturing method thereof, and film forming method Download PDF

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JP2004247474A
JP2004247474A JP2003035152A JP2003035152A JP2004247474A JP 2004247474 A JP2004247474 A JP 2004247474A JP 2003035152 A JP2003035152 A JP 2003035152A JP 2003035152 A JP2003035152 A JP 2003035152A JP 2004247474 A JP2004247474 A JP 2004247474A
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JP
Japan
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nitrogen
film
dielectric constant
high dielectric
semiconductor device
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Application number
JP2003035152A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Namikata
浩志 南方
Masaomi Yamaguchi
正臣 山口
Yoshihiro Sugiyama
芳弘 杉山
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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Abstract

【課題】High−k絶縁膜をゲート絶縁膜として用いた場合に、ゲート電極に添加したドーパント不純物のチャネル領域への拡散を抑制し、トランジスタの性能の劣化を抑制しうる半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】有機金属材料と、シリコンと窒素とを構成元素として含む窒素源材料とを原料とする化学気相成長法によりシリコン基板10上に形成された窒素含有高誘電率膜14を含むゲート絶縁膜15と、ゲート絶縁膜15上に形成されたゲート電極16とを有する。
【選択図】 図2
Semiconductor device capable of suppressing diffusion of a dopant impurity added to a gate electrode into a channel region and suppressing deterioration of transistor performance when a High-k insulating film is used as a gate insulating film, and a method of manufacturing the same I will provide a.
Kind Code: A1 A gate including a nitrogen-containing high dielectric constant film formed on a silicon substrate by a chemical vapor deposition method using an organometallic material and a nitrogen source material containing silicon and nitrogen as constituent elements. It has an insulating film 15 and a gate electrode 16 formed on the gate insulating film 15.
[Selection] Fig. 2

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高誘電率膜をゲート絶縁膜に用いた半導体装置及びその製造方法に係り、ゲート電極に添加されたドーパント不純物の拡散を抑制しうる高誘電率膜をゲート絶縁膜に用いた半導体装置及びその製造方法並びにこのような高誘電率膜の成膜方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、MIS(Metal Insulator Semiconductor)トランジスタのゲート絶縁膜には、シリコン酸化膜、シリコン窒化酸化膜等のシリコン酸化膜系の絶縁膜が用いられている。しかしながら、近年、LSIの微細化、高性能化が進行し、ゲート絶縁膜の膜厚も極めて薄くなってきている。このため、シリコン酸化膜系の絶縁膜では、トンネル効果に起因するゲートリーク電流により十分な絶縁耐圧を確保できなくなりつつある。このような背景から、ゲート絶縁膜として、所望のトランジスタ特性を確保するとともに十分な絶縁耐圧が得られ、ゲートリーク電流を十分に抑制しうる構造や材料について種々の検討がなされている。
【0003】
近年、ゲートリーク電流を抑制し、十分な絶縁耐圧を確保しうるゲート絶縁膜として、Al、ZrO、HfO等の高誘電率材料からなる絶縁膜(以下、High−k絶縁膜という)が注目されている(例えば、特許文献1等を参照)。シリコン酸化膜系の絶縁膜よりも誘電率の高い絶縁膜を用いることにより、同等のMIS容量を確保するためのゲート絶縁膜の膜厚を厚くすることができる。したがって、このような高誘電率材料を用いることにより、同等のトランジスタ特性を実現しつつ絶縁耐圧を向上することが期待できる。
【0004】
ところが、ゲート絶縁膜として,単にHigh−k絶縁膜を用いた場合、次のような難点が知られている。すなわち、半導体装置の製造工程等における熱処理において、従来のHigh−k絶縁膜では、ポリシリコンよりなるゲート電極にドーパント不純物として添加されたボロンが半導体基板内に拡散するのを抑制することができない。この結果、ゲート電極に添加されたボロンが半導体基板内のチャネル領域にまで拡散し、トランジスタの性能が劣化する。
【0005】
ボロンのチャネル領域への拡散を防止する方法としては、ゲート絶縁膜として、窒素を添加したHigh−k絶縁膜を用いる方法が知られている。
【0006】
例えば、CVD法において、高誘電率材料の金属源となる有機金属材料とともに、窒素源として一酸化窒素(NO)やアンモニア(NH)を添加することにより、窒素が添加されたHigh−k絶縁膜を形成する方法が知られている。
【0007】
また、スパッタリング法によりZrN膜を形成し、ZrN膜を熱酸化することにより、窒素が添加されたZrO(ZrON)膜をゲート絶縁膜として形成する方法が提案されている(非特許文献1を参照)。或いは、スパッタリング法によりHfN膜を形成し、HfN膜を熱酸化することにより、窒素が添加されたHfO(HfO)膜をゲート絶縁膜として形成する方法が提案されている(非特許文献2を参照)。
【0008】
【特許文献1】
特解2001−230247号公報
【非特許文献1】
M. Koyama et al., “Thermally Stable Ultra−Thin Nitrogen Incorporated ZrO Gate Dielectric Prepared by Low Temperature Oxidation of ZrN” International Electron Devices Meeting Technical Digest (2001), p. 459 − 462
【非特許文献2】
C.S. Kang et al., “Improved Thermal Stability and Device Performance of Ultra−thin (EOT<10 angstrom) Gate Dielectric MOSFETs by using Hafnium Oxynitride (HfO)” 2002 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers (2001), p. 146 − 147
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、まず、CVD法において窒素源としてNOやNHを添加することによりHigh−k絶縁膜に窒素を添加する方法では、効率的に必要量の窒素をHigh−k絶縁膜に添加することが困難であった。
【0010】
また、上記従来のスパッタリング法を用いてHigh−k絶縁膜に窒素を添加する方法では、まず、スパッタリング法により窒化膜を形成し、その後に窒化膜を酸化する必要がある。このため、効率的に窒化膜が添加されたHigh−k絶縁膜を形成することは困難であった。また、成膜にスパッタリング法を用いているため、被覆性が良好なゲート絶縁膜を形成することは困難であった。
【0011】
本発明の目的は、High−k絶縁膜をゲート絶縁膜として用いた場合に、ゲート電極に添加したドーパント不純物のチャネル領域への拡散を抑制し、トランジスタの性能の劣化を抑制しうる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、半導体基板上に形成され、窒素が添加された高誘電率膜よりなる窒素含有高誘電率膜と、窒素が添加されていない高誘電率膜よりなる窒素非含有高誘電率膜とを含むゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有することを特徴とする半導体装置により達成される。
【0013】
また、上記目的は、半導体基板上に、有機金属材料と、シリコンと窒素とを構成元素として含む窒素源材料とを原料とする化学気相成長法により、窒素が添加された高誘電率膜よりなる窒素含有高誘電率膜を形成する工程と、前記窒素含有高誘電率膜上に、ゲート電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法により達成される。
【0014】
また、上記目的は、有機金属材料と、シリコンと窒素とを構成元素として含む窒素源材料とを原料とする化学気相成長法により、窒素が添加された高誘電率膜を成膜することを特徴とする成膜方法により達成される。
【0015】
【発明の実施の形態】
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態による成膜方法について図1を用いて説明する。図1は本実施形態による成膜方法に用いる成膜装置の構造を示す概略図である。本実施形態による成膜方法は、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor deposition:有機金属化学気相成長)法により、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜を成膜するものである。
【0016】
まず、本実施形態による成膜方法に用いる成膜装置について図1を用いて説明する。
【0017】
図示するように、成膜が行われる反応室26内には、ヒータ機能を備えたサセプタ28上に、窒素含有高誘電率膜を成膜すべきシリコン基板10が載置される。サセプタ28上方には、原料ガスが噴出されるシャワーヘッド30が設けられている。反応室26には、ターボ分子ポンプ32及びドライポンプ34が接続され、反応室26内の圧力が制御することができるようになっている。
【0018】
また、反応室26のシャワーヘッド30上方側には、反応室26内に原料ガス等を導入するための配管36が接続されている。配管36は、窒素ガス、酸素ガスを導入するための配管36aと、Al源として用いる有機金属材料が貯蔵されたシリンダ38aに接続された配管36bと、窒素源として用いるシリコンと窒素とを構成元素として含む化合物が貯蔵されたシリンダ38bに接続された配管36cとに分岐している。シリンダ38a、38bには、それぞれバブリング法によりシリンダ38a、38b内の原料を反応室26内に供給するための窒素ガスが導入される配管40a、40bが設けられている。配管36、40a、40bには、それぞれ反応室内への原料ガス等の流量を制御するためのマスフローコントローラ(MFC)42a、42b、42cが設けられている。
【0019】
MOCVD法の原料には、Al源としてTTBAl(tri(tertiarybutyl)aluminum、Al[(t−C])を用い、窒素源としてBTBAS(bis(tertiarybutylamino)silane、(t−CNH)SiH)を用いる。
【0020】
次に、本実施形態による成膜方法について図3を用いて説明する。
【0021】
まず、シリンダ38a、38bにそれぞれ貯蔵されたTTBAl、BTBASを、配管40a、40bから窒素ガスをそれぞれシリンダ38a、38b内に導入することにより、窒素ガスをキャリアとしたバブリング法により反応室26内へ導入する。また、バブリング法によりTTBAl、BTBASを反応室26に導入するとともに、配管36aより酸素ガスを反応室26内へ導入する。
【0022】
成膜条件は、例えば、シリンダ38aから反応室26内へTTBAlを供給するためのバブリングに用いる窒素ガスの流量を100〜300cc/min、シリンダ38bから反応室26内へBTBASを供給するためバブリングに用いる窒素ガスの流量を50〜200cc/minとする。また、成膜時のシリンダ38a、38bの温度をそれぞれ20〜60℃、配管36a、36bの温度をそれぞれ25〜70℃とし、配管36a、36b内壁への原料の固着を防止する。また、反応室26内の圧力を65Pa、成膜温度を500℃、成膜速度を1.7nm/minとする。
【0023】
反応室26内に導入され、シャワーヘッド30を介してシリコン基板10側へ噴出したTTBAl、BTBASは分解反応を起こす。これにより、シリコン基板10上に、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜が堆積されていく。
【0024】
こうして、シリコン基板10上に、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜が成膜される。
【0025】
上述のように、本実施形態による成膜方法は、窒素源としてシリコンと窒素とを構成元素として含む化合物であるBTBASを用いたCVD法により、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜を形成することに主たる特徴がある。
【0026】
前述の通り、従来、ZrON膜、HfON膜等の窒素が添加された高誘電率膜は、スパッタ法による窒化膜の形成及び窒化膜の酸化という2段階の工程を用いて形成する必要があった。このため、高誘電率膜に効率よく必要量の窒素を添加することは困難であった。また、スパッタ法によって成膜されていたため、被覆性の良好な高誘電率膜を形成することが困難であった。さらには、数nmオーダーの薄膜を均一に形成することも困難であった。
【0027】
一方、CVD法により高誘電率膜を成膜する際に、窒素源として単にNOやNHを添加しただけでは、窒素が十分に添加された高誘電率膜を形成することは困難であった。これは、高誘電率膜を構成する金属と酸素との親和性が強い等の理由によるものと考えられる。
【0028】
これに対し、本実施形態による成膜方法では、Al源として有機金属材料を用い、窒素源としてBTBASを用いたCVD法により、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜を形成している。本願発明者は、BTBASを窒素源として用いることにより、高い効率で十分に窒素を酸化アルミニウム膜に添加することができることを確認している。
【0029】
なお、本実施形態による成膜方法では、窒素源としてシリコンを構成元素として含む化合物を用いているため、成膜される窒素含有高誘電率膜には、微量のシリコンが含まれる。
【0030】
このように、本実施形態によれば、窒素源としてシリコンと窒素とを構成元素として含む化合物であるBTBASを用いたCVD法により、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜を形成するので、効率的に窒素が十分に添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜を形成することができる。
【0031】
なお、本実施形態では、Al源のTTBAlとともに、BTBASを反応室26内に供給したが、BTBASを反応室26内に供給するタイミングを適宜設定してもよい。例えば、BTBASを供給せずにTTBAlのみを供給した状態で成膜を行い、続いて、TTBAlとともにBTBASを供給した状態で成膜を行う。続いて、再度BTBASを供給せずにTTBAlのみを供給した状態で成膜を行う。このように、所望のタイミングでBTBASを反応室26内に供給することにより、最終的に成膜される酸化アルミニウム膜の所定の深さの位置に窒素を添加することもできる。つまり、窒素が添加されていない酸化アルミニウム膜と、窒素が添加された酸化アルミニウム膜との積層膜を形成することができる。
【0032】
なお、本実施形態では、窒素が添加された酸化アルミニウム膜を形成する場合を例に説明したが、上述したように、BTBASを窒素源として用いることにより、窒素が添加された種々の高誘電率膜を成膜することができる。例えば、ハフニウムアルミネート(HfAlO)膜、酸化ハフニウム(HfO)膜、酸化ジルコニウム(ZrO)膜、酸化チタン(TiO)膜、酸化タンタル(Ta)膜等の高誘電率膜をMOCVD法により成膜する場合にも、BTBASを窒素源として添加することにより、窒素が添加されたこれらの高誘電率膜を成膜することができる。また、IIIA族元素、すなわちY、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等の酸化物よりなる高誘電率膜をMOCVD法により成膜する場合にも、BTBASを窒素源として添加することにより、窒素が添加されたこれらの高誘電率膜を成膜することができる。
【0033】
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態による半導体装置及びその製造方法について図2乃至図4を用いて説明する。図2は本実施形態による半導体装置の構造を示す断面図、図3及び図4は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
【0034】
まず、本実施形態による半導体装置の構造について図2を用いて説明する。
【0035】
シリコン基板上10に、シリコン酸化膜12と、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14とが順次積層されてなるゲート絶縁膜15が形成されている。ゲート絶縁膜15上には、ポリシリコン膜よりなるゲート電極16が形成されている。ゲート電極16の側壁には、サイドウォール絶縁膜18が形成されている。
【0036】
シリコン基板10内には、ゲート電極16に自己整合で、ドーパント不純物が低濃度に導入され、これにより低濃度拡散層20aが形成されている。さらに、シリコン基板10内には、サイドウォール絶縁膜18及びゲート電極16に自己整合で、ドーパント不純物が高濃度に導入され、これにより高濃度拡散層20bが形成されている。これら低濃度拡散層20a及び高濃度拡散層20bにより、ソース/ドレイン拡散層22が構成されている。
【0037】
こうして、シリコン基板10に、ゲート電極16と、ソース/ドレイン拡散層22とを有するMOSトランジスタが形成されている。
【0038】
本実施形態による半導体装置は、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14を含むゲート絶縁膜15を有することに主たる特徴がある。窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14は、第1実施形態による成膜方法、すなわち窒素源としてシリコンと窒素とを構成元素として含む化合物を用いてMOCVD法により形成されるものであり、膜中に十分に窒素が添加されている。このような窒素含有高誘電率膜14により、ドーパント不純物としてゲート電極16に添加されたボロンが熱処理によりシリコン基板10内のチャネル領域へ拡散するのを十分に抑制することができ、トランジスタの性能の劣化を抑制することができる。
【0039】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図3及び図4を用いて説明する。
【0040】
まず、シリコン基板10に、例えば通常のSTI(Shallow Trench Isolation)法により、素子領域(図示せず)を画定する。
【0041】
次いで、SC−2洗浄液(HCl/H混合液)を用いてシリコン基板10表面を洗浄することにより、シリコン基板10表面に、膜厚1nmのシリコン酸化膜12を形成する(図3(a)を参照)。
【0042】
次いで、第1実施形態による成膜方法により、シリコン酸化膜12上に、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる膜厚0.5〜3nmの窒素含有高誘電率膜14を形成する(図3(b)を参照)。
【0043】
本実施形態による半導体装置の製造方法は、第1実施形態による成膜方法、すなわち、窒素源としてシリコンと窒素とを構成元素として含む化合物であるBTBASを用いたMOCVD法により、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14を形成することに主たる特徴がある。十分に窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14を形成することができるので、ドーパント不純物としてポリシリコン膜よりなるゲート電極16に添加されるボロンが、熱処理によってシリコン基板10内のチャネル領域へ拡散するのを十分に抑制し、トランジスタの性能が劣化するのを抑制することができる。
【0044】
窒素含有高誘電率膜14を形成した後、窒素含有高誘電率膜14上に、例えばCVD法により、ポリシリコン膜44を形成する。
【0045】
次いで、ポリシリコン膜44上にレジスト膜46を形成し、フォトリソグラフィにより、ゲート電極形成予定領域上にレジスト膜46を残存させる(図3(c)を参照)。
【0046】
次に、レジスト膜46をマスクとして、エッチングによりポリシリコン膜44をパターニングし、ポリシリコン膜44よりなるゲート電極16を形成する(図3(d)を参照)。
【0047】
次いで、ゲート電極16をマスクとして、ボロンイオン(B)をイオン注入し、シリコン基板10内に、ゲート電極16に自己整合で、LDD構造の低濃度拡散層20aとなる不純物ドープ領域48aを形成する(図4(a)を参照)。なお、ボロンイオンの代わりに、フッ化ボロンイオン(BF )をイオン注入してもよい。
【0048】
次いで、ゲート電極16のパターニングの際にマスクとして用いたレジスト膜46を剥離する。
【0049】
次いで、例えばRTA法による熱処理を行い、不純物ドープ領域48aに注入したドーパント不純物を活性化する。こうして、不純物ドープ領域48a中のドーパント不純物を活性化することにより、低濃度拡散層20aが形成される。
【0050】
次いで、全面に、例えばCVD法により、シリコン酸化膜50を形成する(図4(b)を参照)。
【0051】
この後、例えばRIE(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング)法によりシリコン酸化膜50を異方性エッチングし、ゲート電極16の側壁にサイドウォール絶縁膜18を形成する(図4(c)を参照)。
【0052】
次いで、ゲート電極16及びサイドウォール絶縁膜18をマスクとして、ボロンイオンをイオン注入し、LDD構造の高濃度拡散層20bとなる不純物ドープ領域48bを形成する(図4(d)を参照)。このとき、ゲート電極16にもドーパント不純物としてボロンが添加される。
【0053】
次いで、例えばRTA法による熱処理を行い、ゲート電極16及び不純物ドープ領域48b中のボロンを活性化する。こうして、不純物ドープ領域48b中のドーパント不純物としてのボロンを活性化することにより高濃度拡散層20bが形成され、低濃度拡散層20a及び高濃度拡散層20bから構成されるLDD構造のソース/ドレイン拡散層22が形成される。
【0054】
こうして、図2に示す本実施形態による半導体装置が製造される。
【0055】
本実施形態による半導体装置の製造方法では、窒素源にBTBASを用いたMOCVD法により、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14がゲート絶縁膜15としてシリコン基板10とゲート電極16との間に形成されている。このため、ドーパント不純物を活性化するための熱処理等の製造工程における高温処理の際に、ゲート電極16に添加されたボロンが、シリコン基板10内に形成されるチャネル領域に拡散するのを抑制することができる。
【0056】
このように、本実施形態によれば、Al源として有機金属材料を用い、窒素源としてBTBASを用いたMOCVD法により、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14を形成するので、効率よく十分に窒素が添加された窒素含有高誘電率膜14を形成することができる。これにより、ポリシリコン膜よりなるゲート電極16にドーパント不純物として添加したボロンがシリコン基板10内のチャネル領域へ拡散するのを抑制し、トランジスタの性能の劣化を抑制することができる。
【0057】
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態による半導体装置及びその製造方法について図5及び図6を用いて説明する。図5は本実施形態による半導体装置の構造を示す断面図、図6は本実施形態による半導体装置におけるゲート絶縁膜の材料組成のデプスプロファイルを示すグラフである。なお、第2実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【0058】
本実施形態による半導体装置の基本的な構造は、第2実施形態による半導体装置とほぼ同様であり、第2実施形態による半導体装置とは、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14に代えて、窒素が添加されたハフニウムアルミネート(HfAlO)膜よりなる窒素含有高誘電率膜52を有する点で異なっている。すなわち、図5に示すように、シリコン基板10上に、シリコン酸化膜12と、窒素が添加されたハフニウムアルミネート膜よりなる窒素含有高誘電率膜52とが順次積層されてなるゲート絶縁膜53が形成されている。
【0059】
本実施形態による半導体装置は、窒素が添加されたハフニウムアルミネート膜よりなる窒素含有高誘電率膜52を含むゲート絶縁膜53を有することに主たる特徴がある。窒素が添加されたハフニウムアルミネート膜よりなる窒素含有高誘電率膜52は、第2実施形態における窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14と同様に、窒素源にシリコンと窒素とを構成元素として含む化合物を用いてMOCVD法により形成されるので、膜中に十分に窒素が添加されたものである。このような窒素含有高誘電率膜52により、ドーパント不純物としてゲート電極16に添加されたボロンがシリコン基板10内のチャネル領域へ拡散するのを十分に抑制することができ、トランジスタの性能の劣化を抑制することができる。
【0060】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について説明する。
【0061】
本実施形態による半導体装置は、窒素含有高誘電率膜52の成膜を除いて、第2実施形態による場合とほぼ同様にして製造することができる。以下、本実施形態による半導体装置における窒素含有高誘電率膜52の成膜方法について説明する。
【0062】
窒素含有高誘電率膜52を成膜するための原料ガスには、第2実施形態による半導体装置の製造方法において用いた第1実施形態による成膜方法と同様に、Al源としてTTBAlを用い、窒素源としてBTBAS(bis(tertiarybutylamino)silane、(t−CNH)SiH)を用いる。さらに、Hf源として、TTBHf(tri(tertiarybutyl)hafnium、Hf[(t−C])を用いる。
【0063】
成膜の際には、第1実施形態による成膜方法の場合と同様にしてTTBAl、BTBASをバブリング法により反応室26内へ供給するとともに、窒素ガスをキャリアとするバブリング法によりTTBHfを反応室26内へ供給する。また、バブリング法によりTTBAl、BTBAS、及びTTBHfを反応室26に導入するとともに、配管36aより酸素ガスを反応室26内へ導入する。
【0064】
成膜条件は、例えば、TTBAlを反応室内へ供給するためのバブリングに用いる窒素ガスの流量を30〜300cc/min、BTBASを反応室内へ供給するためのバブリングに用いる窒素ガスの流量を50〜200cc/min、TTBHfを反応室内へ供給するためのバブリングに用いる窒素ガスの流量を50〜500cc/min、成膜室内の圧力を65Pa、成膜温度を500℃、成膜速度を1.7nm/minとする。
【0065】
上述のように、本実施形態による半導体装置の製造方法は、窒素源としてシリコンと窒素とを構成元素として含む化合物であるBTBASを用いたMOCVD法により、窒素が添加されたハフニウムアルミネート膜よりなる窒素含有高誘電率膜52を形成することに主たる特徴がある。
【0066】
本願発明者は、BTBASを窒素源として用いることにより、高い効率で十分に窒素をハフニウムアルミネート膜に添加することができることを確認している。図6はRBS(Rutherford Backscattering Spectrometry:ラザフォード後方散乱分光法)により測定した本実施形態による半導体装置における窒素含有高誘電率膜52の材料組成のデプスプロファイルを示すグラフである。
【0067】
図6に示すグラフの横軸の深さおよそ0〜3.5nmまでの範囲が窒素含有高誘電率膜52である。深さおよそ3.5〜4.75nmまでの範囲がシリコン酸化膜12である。深さおよそ4.74nm以上がシリコン基板10である。グラフから明らかなように、ハフニウムアルミネート膜よりなる窒素含有高誘電率膜52の厚さ方向に、最大窒素濃度が4at%(原子百分率)でほぼ均一に窒素が添加されていることが分かる。
【0068】
こうして、十分に窒素が添加されたハフニウムアルミネート膜よりなる窒素含有高誘電率膜52を形成することにより、ドーパント不純物としてポリシリコン膜よりなるゲートゲート電極に添加されるボロンが、熱処理によってシリコン基板10内のチャネル領域へ拡散するのを十分に抑制することが可能となる。
【0069】
このように、本実施形態によれば、Al源、Hf源として有機金属材料を用い、窒素源としてBTBASを用いたMOCVD法により、窒素が添加されたハフニウムアルミネート膜よりなる窒素含有高誘電率膜52を形成するので、効率よく十分に窒素が添加された窒素含有高誘電率膜14を形成することができる。これにより、ポリシリコン膜よりなるゲート電極16にドーパント不純物として添加したボロンがシリコン基板10内のチャネル領域へ拡散するのを抑制し、トランジスタの性能の劣化を抑制することができる。
【0070】
[第4実施形態]
本発明の第4実施形態による半導体装置及びその製造方法について図7を用いて説明する。図7は本実施形態による半導体装置の構造を示す断面図である。なお、第2実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【0071】
本実施形態による半導体装置の基本的構造は、図2に示す第2実施形態による半導体装置とほぼ同様である。本実施形態による半導体装置の主たる特徴は、図7に示すように、シリコン酸化膜12と、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14と、さらに、窒素が添加されていない通常の酸化アルミニウム膜よりなる高誘電率膜56とが順次積層されてなるゲート絶縁膜57を有する点にある。なお、本願明細書にいう「窒素が添加されていない」とは、意図的に窒素を膜中に添加していないことを意味する。例えば、MOCVD法による成膜の際に、BTBAS等の窒素源となる原料が添加されずに成膜された膜は、窒素が添加されていない膜である。
【0072】
第2実施形態による半導体装置においては、シリコン酸化膜12と、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14とを有するゲート絶縁膜15を形成していた。この場合、窒素含有高誘電率膜14に窒素を添加することによって、窒素含有高誘電率膜14との界面に固定電荷が発生する等の不具合が生じ、高誘電率材料をゲート絶縁膜に用いた利点が十分に活かされない事態も想定される。
【0073】
これに対して、本実施形態による半導体装置は、窒素が添加された窒素含有高誘電率膜14上に、窒素が添加されていない通常の酸化アルミニウム膜よりなる高誘電率膜56を有している。このような積層構造により、まず、第2実施形態による場合と同様に、ゲート電極16に添加されたボロンのチャネル領域への拡散を、窒素が添加された窒素含有高誘電率膜14により抑制することができる。さらに、別途形成した窒素が添加されていない通常の高誘電率膜56により、高誘電率材料をゲート絶縁膜に用いた利点を十分に活かすことができる。
【0074】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について説明する。
【0075】
本実施形態による半導体装置は、第2実施形態による場合とほぼ同様にして製造することができる。ここで、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14と、通常の酸化アルミニウム膜よりなる高誘電率膜56との積層構造は、以下のようにして形成することができる。
【0076】
まず、第2実施形態による場合と同様にして、第1実施形態による成膜方法を用いて、TTBAl、BTBASを原料とするMOCVD法により、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14を成膜する。
【0077】
窒素含有高誘電率膜14の成膜に続いて、成膜装置の反応室26へのBTBASの供給のみを停止して窒素源の供給を遮断した状態で、TTBAlを原料とするMOCVD法により、酸化アルミニウム膜を形成する。こうして、窒素が添加された窒素含有高誘電率膜14を成膜したものと同一の成膜装置の反応室26内で、窒素が添加されていない通常の酸化アルミニウム膜よりなる高誘電率膜56が連続的に成膜される。
【0078】
以上のようにして、同一の成膜装置の反応室26において、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14と、通常の酸化アルミニウム膜よりなる高誘電率膜56との積層構造が形成される。
【0079】
このように、本実施形態によれば、Al源として有機金属材料を用い、窒素源としてBTBASを用いたMOCVD法により形成され、効率よく十分に窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14上に、窒素が添加されていない高誘電率膜56を形成するので、ポリシリコン膜よりなるゲート電極16にドーパント不純物として添加されたボロンのチャネル領域への拡散を窒素含有高誘電率膜14により抑制する一方、窒素が添加されていない通常の高誘電率膜56により、高誘電率材料をゲート絶縁膜に用いた利点を十分に活かすことができる。
【0080】
なお、本実施形態では、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14と、通常の高誘電率膜56とを同一の成膜装置の反応室26内で連続的に形成したが、必ずしも両者を連続的に形成する必要はない。すなわち、別個の成膜装置を用いて、窒素含有高誘電率膜14と高誘電率膜26とをそれぞれ成膜してもよい。
【0081】
また、本実施形態では、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14上に、窒素が添加されていない酸化アルミニウム膜よりなる高誘電率膜56を成膜したが、高誘電率膜56は酸化アルミニウム膜に限定されるものではなく、窒素が添加されていない他の高誘電率膜を成膜してもよい。
【0082】
また、本実施形態では、窒素含有高誘電率膜14上に、窒素が添加されていない通常の高誘電率膜56を形成したが、窒素含有高誘電率膜14と、窒素が添加されていない通常の高誘電率膜56との上下を入れ替えてもよい。すなわち、図8に示すように、シリコン酸化膜12上に、窒素が添加されていない通常の高誘電率膜56を形成し、通常の高誘電率膜56上に、窒素含有高誘電率膜14を形成してもよい。
【0083】
また、本実施形態では、第2実施形態による半導体装置において、窒素が添加された酸化アルミニウム膜と、窒素が添加されていない酸化アルミニウム膜との積層構造を形成したが、第3実施形態による半導体装置においても、本実施形態による場合と同様の積層構造を形成してもよい。すなわち、窒素が添加されたハフニウムアルミネート膜と、窒素が添加されていないハフニウムアルミネート膜との積層構造を形成してもよい。
【0084】
[第5実施形態]
本発明の第5実施形態による半導体装置及びその製造方法について図9を用いて説明する。図9は本実施形態による半導体装置の構造を示す断面図である。なお、第2実施形態による半導体装置及びその構造と同様の構成要素については同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
【0085】
本実施形態による半導体装置の基本的構造は、図2に示す第2実施形態による半導体装置とほぼ同様である。本実施形態による半導体装置の主たる特徴は、図9に示すように、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14a、14bが、窒素が添加されていない通常の酸化アルミニウム膜よりなる高誘電率膜58の上下に形成されている点にある。すなわち、本実施形態による半導体装置は、シリコン酸化膜12と、窒素が添加された窒素含有高誘電率膜14aと、窒素が添加されていない通常の高誘電率膜58と、窒素が添加された窒素含有高誘電率膜14bとが順次積層されてなるゲート絶縁膜59を有している。窒素含有高誘電率膜14a、14bは、第1実施形態による成膜方法、すなわち窒素源としてシリコンと窒素とを構成元素として含む化合物を用いてMOCVD法により形成されるものであり、膜中に十分に窒素が添加されている。
【0086】
本実施形態による半導体装置は、第2実施形態による場合と同様にゲート電極16に添加されたボロンのチャネル領域への拡散を、高誘電率膜58の上下に形成され、窒素が添加された窒素含有高誘電率膜14a、14bにより更に効果的に抑制する一方、窒素含有高誘電率膜14a、14bとの間に形成された通常の高誘電率膜58により、高誘電率材料をゲート絶縁膜に用いた利点を十分に生かすことができる。
【0087】
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について説明する。
【0088】
本実施形態による半導体装置は、第2実施形態による場合とほぼ同様にして製造することができる。ここで、通常の酸化アルミニウム膜よりなる高誘電率膜58と、その上下に形成された窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14a、14bと積層構造は、第4実施形態による場合と同様に、MOCVD法において、窒素源としてのBTBASの添加の有無を適宜切り替えることにより、以下のようにして形成することができる。
【0089】
まず、第2実施形態による場合と同様にして、第1実施形態による成膜方法を用いて、TTBAl、BTBASを原料とするMOCVD法により、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14aを成膜する。
【0090】
窒素含有高誘電率膜14aの成膜に続いて、成膜装置の反応室26へのBTBASの供給のみを停止して窒素源の供給を遮断した状態で、TTAlを原料とするMOCVD法により、酸化アルミニウム膜よりなる高誘電率膜58を形成する。
【0091】
次いで、再度、第2実施形態による場合と同様にして、TTBAl、BTBASを原料とするMOCVD法により、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14bを成膜する。
【0092】
以上のようにして、同一の成膜装置の反応室26において、通常の酸化アルミニウム膜よりなる高誘電率膜58と、その上下に形成された窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14a、14bとの積層構造が連続的に形成される。
【0093】
なお、本実施形態では、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14a、14bと、通常の高誘電率膜56とを同一の成膜装置の反応室26内で連続的に形成したが、必ずしもこれらを連続的に形成する必要はない。すなわち、別個の成膜装置を用いて、窒素含有高誘電率膜14a、14bと、高誘電率膜26とをそれぞれ成膜してもよい。
【0094】
また、本実施形態では、窒素が添加された酸化アルミニウム膜よりなる窒素含有高誘電率膜14a、14bとの間に、窒素が添加されていない酸化アルミニウム膜よりなる高誘電率膜58を成膜したが、高誘電率膜58は酸化アルミニウム膜に限定されるものではなく、窒素が添加されていない他の高誘電率膜を成膜してもよい。
【0095】
また、本実施形態では、第2実施形態による半導体装置において、窒素が添加されていない酸化アルミニウム膜と、その上下に形成された窒素が添加されていない酸化アルミニウム膜との積層構造を形成したが、第3実施形態による半導体装置においても、本実施形態による場合と同様の積層構造を形成してもよい。すなわち、窒素が添加されていないハフニウムアルミネート膜と、その上下に形成された窒素が添加されたハフニウムアルミネート膜との積層構造を形成してもよい。
【0096】
[変形実施形態]
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【0097】
例えば、上記実施形態では、酸化アルミニウム膜又はハフニウムアルミネート膜に窒素を添加する場合を例に説明したが、本発明を適用することにより窒素を添加しうる高誘電率膜はこれらに限定されるものではない。例えば、酸化ハフニウム(HfO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化チタン(TiO)、酸化タンタル(Ta)よりなる高誘電率膜に本発明を適用して窒素を添加してもよい。また、IIIA族元素、すなわちY、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等の酸化物よりなる高誘電率膜に本発明を適用して窒素を添加してもよい。または、これらの金属を含むアルミネートよりなる高誘電率膜に本発明により窒素を添加してもよい。
【0098】
また、上記実施形態では、窒素添加高誘電率膜をMOCVD法により形成するための窒素源として、BTBASを用いる場合を例に説明したが、窒素源材料はBTBASに限定されるものではない。シリコンと窒素とを構成元素として含む化合物であれば、窒素添加高誘電率膜を形成するための窒素源材料として用いることができる。例えば、TDMASi(テトラジメチルアミノシラン)等を窒素源材料として用いることができる。
【0099】
また、窒素添加高誘電率膜をMOCVD法により形成するためのAl等の金属源についても、上記実施形態において示したTTBAl、TTBHfに限定されるものではない。例えば、TEAl(トリエチルアルミニウム)、TDMAHf(テトラジメチルアミノハフニウム)等の有機金属材料を金属源として用いることができる。
【0100】
また、上記実施形態では、ポリシリコン膜をゲート電極16にパターニングした後に、ドーパント不純物としてボロンをゲート電極16にイオン注入する場合について説明したが、ゲート電極16となるポリシリコン膜の成膜時に同時にボロンを添加してもよい。すなわち、CVD法によるポリシリコン膜の成膜の際に、ジボラン(B)等を添加することにより、ゲート電極16にドーパント不純物としてボロンを添加することとしてもよい。
【0101】
また、上記実施形態では、ポリシリコン膜よりなるゲート電極16を形成したが、ゲート電極16の材料及び構造はこれに限定されるものではない。例えば、ポリシリコン膜上に、金属シリサイドを積層し、ゲート電極16をポリサイド構造としてもよい。また、ポリシリコン膜上に金属膜を積層し、ゲート電極16をポリメタル構造としてもよい。
【0102】
また、上記実施形態では、シリコン基板10と、窒素含有高誘電率膜14、14b又は高誘電率膜56との界面に、シリコン酸化膜12を形成する場合について説明したが、必ずしもシリコン酸化膜12を形成する必要はない。或いは、シリコン酸化膜12に代えて、シリコン窒化酸化膜等のシリコン酸化膜系の絶縁膜を形成してもよい。
【0103】
(付記1) 半導体基板上に形成され、窒素が添加された高誘電率膜よりなる窒素含有高誘電率膜と、窒素が添加されていない高誘電率膜よりなる窒素非含有高誘電率膜とを含むゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有することを特徴とする半導体装置。
【0104】
(付記2) 付記1記載の半導体装置において、前記ゲート絶縁膜は、前記窒素非含有高誘電率膜の上下に、前記窒素含有高誘電率膜をそれぞれ有することを特徴とする半導体装置。
【0105】
(付記3) 付記1又は2記載の半導体装置において、前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板との界面に、シリコン酸化膜系の絶縁膜を更に有することを特徴とする半導体装置。
【0106】
(付記4) 付記1乃至3のいずれかに記載の半導体装置において、前記窒素含有高誘電率膜は、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化タンタル膜、又はハフニウムアルミネート膜に窒素が添加されたものであることを特徴とする半導体装置。
【0107】
(付記5) 付記1乃至4のいずれかに記載の半導体装置において、前記ゲート電極に、ボロンが添加されていることを特徴とする半導体装置。
【0108】
(付記6) 半導体基板上に、有機金属材料と、シリコンと窒素とを構成元素として含む窒素源材料とを原料とする化学気相成長法により、窒素が添加された高誘電率膜よりなる窒素含有高誘電率膜を形成する工程と、前記窒素含有高誘電率膜上に、ゲート電極を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0109】
(付記7) 付記6記載の半導体装置の製造方法において、前記半導体基板上又は前記窒素含有高誘電率膜上に、窒素が添加されていない高誘電率膜よりなる窒素非含有高誘電率膜を形成する工程を更に有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0110】
(付記8) 付記7記載の半導体装置の製造方法において、前記窒素含有高誘電率膜と前記窒素非含有高誘電率膜とを同一の反応室内において連続的に形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0111】
(付記9) 付記6乃至8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記ゲート電極を形成する工程では、ボロンが添加された前記ゲート電極を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0112】
(付記10) 付記6乃至9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記窒素源材料は、BTBASであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0113】
(付記11) 付記6乃至10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法において、前記窒素含有高誘電率膜は、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化タンタル膜、又はハフニウムアルミネート膜に窒素が添加されたものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0114】
(付記12) 有機金属材料と、シリコンと窒素とを構成元素として含む窒素源材料とを原料とする化学気相成長法により、窒素が添加された高誘電率膜を成膜することを特徴とする成膜方法。
【0115】
(付記13) 付記12記載の成膜方法において、前記窒素源材料は、BTBASであることを特徴とする成膜方法。
【0116】
(付記14) 付記12又は13記載の成膜方法において、前記高誘電率膜は、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化タンタル膜、又はハフニウムアルミネート膜であることを特徴とする成膜方法。
【0117】
【発明の効果】
以上の通り、本発明によれば、有機金属材料と、シリコンと窒素とを構成元素として含む窒素源材料とを原料とする化学気相成長法により、窒素が添加された高誘電率膜を成膜するので、効率よく十分に窒素が添加された高誘電率膜を形成することができる。
【0118】
また、本発明によれば、半導体基板上に、有機金属材料と、シリコンと窒素とを構成元素として含む窒素源材料とを原料とする化学気相成長法により、窒素が添加された高誘電率膜よりなる窒素含有高誘電率膜を形成し、窒素含有高誘電率膜上に、ゲート電極を形成するので、ドーパント不純物としてゲート電極に添加されるボロンが半導体基板内のチャネル領域に拡散するのを抑制し、トランジスタの性能の劣化を抑制することができる。
【0119】
また、本発明によれば、半導体基板上に、有機金属材料と、シリコンと窒素とを構成元素として含む窒素源材料とを原料とする化学気相成長法により形成された窒素が添加された高誘電率膜よりなる窒素含有高誘電率膜と、窒素が添加されていない窒素非含有高誘電率膜とを有するゲート絶縁膜を形成するので、ドーパント不純物としてゲート電極に添加されたボロンのチャネル領域への拡散を窒素含有高誘電率膜により抑制する一方、窒素非含有高誘電率膜により、高誘電率材料をゲート絶縁膜に用いた利点を十分に生かすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による成膜方法に用いる成膜装置の構造を示す概略図である。
【図2】本発明の第2実施形態による半導体装置の構造を示す断面図である。
【図3】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図4】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図5】本発明の第3実施形態による半導体装置の構造を示す断面図である。
【図6】本発明の第3実施形態による半導体装置における高誘電率膜のRBSによる材料組成のデプスプロファイルを示すグラフである。
【図7】本発明の第4実施形態による半導体装置の構造を示す断面図である。
【図8】本発明の第4実施形態の変形例による半導体装置の構造を示す断面図である。
【図9】本発明の第5実施形態による半導体装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
10…シリコン基板
12…シリコン酸化膜
14、14a、14b…窒素含有高誘電率膜
15…ゲート絶縁膜
16…ゲート電極
18…サイドウォール絶縁膜
20a…低濃度拡散層
20b…高濃度拡散層
22…ソース/ドレイン拡散層
26…反応室
28…サセプタ
30…シャワーヘッド
32…ターボ分子ポンプ
34…ドライポンプ
36、36a、36b、36c…配管
38a、38b…シリンダ
40a、40b…配管
42a、42b、42c…マスフローコントローラ
44…ポリシリコン膜
46…レジスト膜
48a…不純物ドープ領域
48b…不純物ドープ領域
50…シリコン酸化膜
52…窒素含有高誘電率膜
53…ゲート絶縁膜
56…高誘電率膜
57…ゲート絶縁膜
58…高誘電率膜
59…ゲート絶縁膜
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device using a high dielectric constant film as a gate insulating film and a method for manufacturing the same, and relates to a semiconductor device using a high dielectric constant film capable of suppressing diffusion of dopant impurities added to a gate electrode as a gate insulating film. The present invention relates to an apparatus, a method for manufacturing the same, and a method for forming such a high dielectric constant film.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a gate insulating film of a MIS (Metal Insulator Semiconductor) transistor, a silicon oxide film-based insulating film such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film has been used. However, in recent years, miniaturization and high performance of LSI have been advanced, and the thickness of the gate insulating film has also become extremely thin. For this reason, it is becoming difficult for a silicon oxide film-based insulating film to secure a sufficient withstand voltage due to a gate leak current caused by a tunnel effect. From such a background, various studies have been made on a structure and a material that can secure desired transistor characteristics, obtain a sufficient withstand voltage, and sufficiently suppress a gate leak current as a gate insulating film.
[0003]
In recent years, as a gate insulating film capable of suppressing a gate leak current and securing a sufficient withstand voltage, Al2O3, ZrO2, HfO2(See, for example, Patent Document 1 and the like). By using an insulating film having a higher dielectric constant than a silicon oxide-based insulating film, the thickness of a gate insulating film for securing equivalent MIS capacitance can be increased. Therefore, by using such a high dielectric constant material, it is expected that the withstand voltage is improved while realizing equivalent transistor characteristics.
[0004]
However, when a High-k insulating film is simply used as a gate insulating film, the following difficulties are known. That is, in a heat treatment in a manufacturing process of a semiconductor device or the like, in a conventional High-k insulating film, diffusion of boron added as a dopant impurity to a gate electrode made of polysilicon cannot be suppressed in a semiconductor substrate. As a result, boron added to the gate electrode diffuses to the channel region in the semiconductor substrate, and the performance of the transistor deteriorates.
[0005]
As a method for preventing the diffusion of boron into the channel region, a method using a high-k insulating film to which nitrogen is added as a gate insulating film is known.
[0006]
For example, in a CVD method, nitrogen monoxide (NO) or ammonia (NH) is used as a nitrogen source together with an organic metal material serving as a metal source of a high dielectric constant material.3) Is known to form a High-k insulating film to which nitrogen is added.
[0007]
Also, a ZrN film is formed by a sputtering method, and the ZrO film to which nitrogen is added is formed by thermally oxidizing the ZrN film.2A method of forming a (ZrON) film as a gate insulating film has been proposed (see Non-Patent Document 1). Alternatively, a HfN film is formed by a sputtering method, and the HfN film is thermally oxidized to form a HfO film to which nitrogen is added.2(HfOxNyA method of forming a film as a gate insulating film has been proposed (see Non-Patent Document 2).
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2001-230247 A
[Non-patent document 1]
M. Koyama et al. , “Thermally Stable Ultra-Thin Nitrogen Incorporated ZrO.2  Gate Dielectric Prepared by Low Temperature Oxidation of ZrN "International Electron Devices Meetings Technical Digest (2001), p. 459-462.
[Non-patent document 2]
C. S. Kang et al. , "Improved Thermal Stability and Device Performance of Ultra-thin (EOT <10 angstrom) Gate Dielectric MOSFETs by using Hafnium Oxynitride (EOT <10 angstrom)xNy) "2002 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers (2001), p. 146-147.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, first, NO and NH are used as nitrogen sources in the CVD method.3In the method of adding nitrogen to the High-k insulating film by adding, it is difficult to efficiently add a necessary amount of nitrogen to the High-k insulating film.
[0010]
In addition, in the method of adding nitrogen to a High-k insulating film by using the conventional sputtering method, it is necessary to first form a nitride film by a sputtering method and then oxidize the nitride film. Therefore, it has been difficult to efficiently form a High-k insulating film to which a nitride film is added. In addition, since a sputtering method is used for film formation, it is difficult to form a gate insulating film with good coverage.
[0011]
An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of suppressing diffusion of a dopant impurity added to a gate electrode into a channel region and suppressing deterioration of transistor performance when a High-k insulating film is used as a gate insulating film. It is to provide a manufacturing method thereof.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The object is to form a nitrogen-containing high dielectric constant film formed on a semiconductor substrate and made of a nitrogen-added high dielectric constant film, and a nitrogen-free high dielectric constant film made of a nitrogen-doped high dielectric constant film. And a gate electrode formed on the gate insulating film.
[0013]
In addition, the above object is achieved by forming a high dielectric constant film to which nitrogen is added by a chemical vapor deposition method using a metal organic material and a nitrogen source material containing silicon and nitrogen as constituent elements on a semiconductor substrate. And a step of forming a gate electrode on the nitrogen-containing high-dielectric-constant film.
[0014]
Further, the above object is to form a high dielectric constant film to which nitrogen is added by a chemical vapor deposition method using an organometallic material and a nitrogen source material containing silicon and nitrogen as constituent elements. This is achieved by a characteristic film forming method.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[First Embodiment]
The film forming method according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure of a film forming apparatus used in the film forming method according to the present embodiment. The film forming method according to the present embodiment is to form a nitrogen-containing high dielectric constant film made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor deposition). .
[0016]
First, the film forming apparatus used in the film forming method according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
[0017]
As shown, a silicon substrate 10 on which a nitrogen-containing high dielectric constant film is to be formed is placed on a susceptor 28 having a heater function in a reaction chamber 26 where the film is formed. Above the susceptor 28, a shower head 30 from which a source gas is jetted is provided. A turbo-molecular pump 32 and a dry pump 34 are connected to the reaction chamber 26 so that the pressure in the reaction chamber 26 can be controlled.
[0018]
A pipe 36 for introducing a source gas or the like into the reaction chamber 26 is connected to the upper side of the shower head 30 of the reaction chamber 26. The pipe 36 includes a pipe 36a for introducing nitrogen gas and oxygen gas, a pipe 36b connected to a cylinder 38a storing an organic metal material used as an Al source, and silicon and nitrogen used as nitrogen sources. And a pipe 36c connected to a cylinder 38b in which a compound containing the compound is stored. The cylinders 38a and 38b are provided with pipes 40a and 40b, respectively, into which nitrogen gas for supplying the raw materials in the cylinders 38a and 38b into the reaction chamber 26 by a bubbling method. The pipes 36, 40a, and 40b are provided with mass flow controllers (MFCs) 42a, 42b, and 42c for controlling the flow rates of the source gas and the like into the reaction chamber, respectively.
[0019]
The raw materials for the MOCVD method include TTBAl (tri (tertiarybutyl)) aluminum and Al [(t-C4H9)3]) And BTBAS (bis (tert-butylylamino) silane, (t-C4H9NH)2SiH2) Is used.
[0020]
Next, the film forming method according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
[0021]
First, TTBAl and BTBAS stored in the cylinders 38a and 38b, respectively, are introduced into the reaction chamber 26 by a bubbling method using nitrogen gas as a carrier by introducing nitrogen gas from the pipes 40a and 40b into the cylinders 38a and 38b, respectively. Introduce. In addition, TTBAl and BTBAS are introduced into the reaction chamber 26 by a bubbling method, and oxygen gas is introduced into the reaction chamber 26 from a pipe 36a.
[0022]
The film forming conditions include, for example, a flow rate of nitrogen gas used for bubbling for supplying TTBAl from the cylinder 38a into the reaction chamber 26 of 100 to 300 cc / min, and bubbling for supplying BTBAS from the cylinder 38b into the reaction chamber 26. The flow rate of the nitrogen gas used is 50 to 200 cc / min. The temperature of the cylinders 38a and 38b during film formation is set to 20 to 60 ° C., and the temperature of the pipes 36a and 36b is set to 25 to 70 ° C., respectively, to prevent the raw materials from sticking to the inner walls of the pipes 36a and 36b. The pressure in the reaction chamber 26 is 65 Pa, the film forming temperature is 500 ° C., and the film forming rate is 1.7 nm / min.
[0023]
TTBAl and BTBAS introduced into the reaction chamber 26 and jetted toward the silicon substrate 10 via the shower head 30 cause a decomposition reaction. Thus, a nitrogen-containing high dielectric constant film made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added is deposited on the silicon substrate 10.
[0024]
Thus, a nitrogen-containing high dielectric constant film made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added is formed on the silicon substrate 10.
[0025]
As described above, the film formation method according to the present embodiment uses a nitrogen-containing aluminum oxide film formed of a nitrogen-added aluminum oxide film by a CVD method using BTBAS which is a compound containing silicon and nitrogen as constituent elements as a nitrogen source. There is a main feature in forming a dielectric constant film.
[0026]
As described above, conventionally, a high-dielectric-constant film to which nitrogen is added, such as a ZrON film or an HfON film, needs to be formed using a two-step process of forming a nitride film by sputtering and oxidizing the nitride film. . For this reason, it has been difficult to efficiently add a required amount of nitrogen to the high dielectric constant film. In addition, since the film was formed by the sputtering method, it was difficult to form a high dielectric constant film with good coverage. Furthermore, it has been difficult to form a thin film on the order of several nm uniformly.
[0027]
On the other hand, when a high dielectric constant film is formed by a CVD method, NO or NH is simply used as a nitrogen source.3It was difficult to form a high dielectric constant film to which nitrogen was sufficiently added only by adding. This is considered to be due to the strong affinity between the metal constituting the high dielectric constant film and oxygen.
[0028]
On the other hand, in the film forming method according to the present embodiment, a nitrogen-containing high dielectric constant film made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added is formed by a CVD method using an organometallic material as an Al source and BTBAS as a nitrogen source. Has formed. The present inventor has confirmed that nitrogen can be sufficiently added to an aluminum oxide film with high efficiency by using BTBAS as a nitrogen source.
[0029]
In the film forming method according to the present embodiment, since a compound containing silicon as a constituent element is used as the nitrogen source, the nitrogen-containing high dielectric constant film to be formed contains a trace amount of silicon.
[0030]
As described above, according to the present embodiment, the nitrogen-containing high dielectric constant film made of the aluminum oxide film to which nitrogen is added by the CVD method using BTBAS, which is a compound containing silicon and nitrogen as constituent elements, as a nitrogen source. Is formed, a nitrogen-containing high dielectric constant film made of an aluminum oxide film to which nitrogen is sufficiently added can be efficiently formed.
[0031]
In the present embodiment, BTBAS is supplied into the reaction chamber 26 together with TTBAl as the Al source, but the timing of supplying BTBAS into the reaction chamber 26 may be appropriately set. For example, a film is formed in a state where only TTBAl is supplied without supplying BTBAS, and subsequently, a film is formed in a state where BTBAS is supplied together with TTBAl. Subsequently, film formation is performed in a state where only TTBAl is supplied without supplying BTBAS again. Thus, by supplying BTBAS into the reaction chamber 26 at a desired timing, nitrogen can be added to a position of a predetermined depth of the aluminum oxide film to be finally formed. That is, a stacked film of an aluminum oxide film to which nitrogen is not added and an aluminum oxide film to which nitrogen is added can be formed.
[0032]
In this embodiment, the case where the aluminum oxide film to which nitrogen is added is described as an example. However, as described above, by using BTBAS as a nitrogen source, various high dielectric constants to which nitrogen is added can be used. A film can be formed. For example, a hafnium aluminate (HfAlO) film, a hafnium oxide (HfO2) Film, zirconium oxide (ZrO)2) Film, titanium oxide (TiO)2) Film, tantalum oxide (Ta)2O5Also when a high dielectric constant film such as a film is formed by the MOCVD method, by adding BTBAS as a nitrogen source, these high dielectric constant films to which nitrogen has been added can be formed. In addition, a high dielectric constant film made of an oxide of a Group IIIA element, that is, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, or the like is formed by MOCVD. Also in the case of forming a film, by adding BTBAS as a nitrogen source, these high dielectric constant films to which nitrogen is added can be formed.
[0033]
[Second embodiment]
The semiconductor device according to the second embodiment of the present invention and the method for fabricating the same will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIGS. 3 and 4 are process sectional views showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment.
[0034]
First, the structure of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIG.
[0035]
A gate insulating film 15 is formed on a silicon substrate 10 by sequentially stacking a silicon oxide film 12 and a nitrogen-containing high dielectric constant film 14 made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added. On the gate insulating film 15, a gate electrode 16 made of a polysilicon film is formed. A side wall insulating film 18 is formed on the side wall of the gate electrode 16.
[0036]
In the silicon substrate 10, a dopant impurity is introduced at a low concentration in a self-aligned manner with the gate electrode 16, thereby forming a low concentration diffusion layer 20 a. Further, in the silicon substrate 10, a dopant impurity is introduced at a high concentration in a self-alignment manner with the side wall insulating film 18 and the gate electrode 16, thereby forming a high concentration diffusion layer 20b. The low concentration diffusion layer 20a and the high concentration diffusion layer 20b constitute a source / drain diffusion layer 22.
[0037]
Thus, a MOS transistor having the gate electrode 16 and the source / drain diffusion layer 22 is formed on the silicon substrate 10.
[0038]
The semiconductor device according to the present embodiment is mainly characterized in that it has a gate insulating film 15 including a nitrogen-containing high dielectric constant film 14 made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added. The nitrogen-containing high dielectric constant film 14 made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added is formed by the film forming method according to the first embodiment, that is, the MOCVD method using a compound containing silicon and nitrogen as constituent elements as a nitrogen source. And nitrogen is sufficiently added to the film. With such a nitrogen-containing high dielectric constant film 14, boron added as a dopant impurity to the gate electrode 16 can be sufficiently suppressed from diffusing into the channel region in the silicon substrate 10 by heat treatment, and the performance of the transistor can be improved. Deterioration can be suppressed.
[0039]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
[0040]
First, an element region (not shown) is defined on the silicon substrate 10 by, for example, a normal STI (Shallow Trench Isolation) method.
[0041]
Next, the SC-2 washing solution (HCl / H2O2By cleaning the surface of the silicon substrate 10 using the liquid mixture, a silicon oxide film 12 having a thickness of 1 nm is formed on the surface of the silicon substrate 10 (see FIG. 3A).
[0042]
Next, the nitrogen-containing high-dielectric-constant film 14 made of a nitrogen-added aluminum oxide film having a thickness of 0.5 to 3 nm is formed on the silicon oxide film 12 by the film forming method according to the first embodiment (FIG. 3). (B)).
[0043]
In the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment, nitrogen is added by the film forming method according to the first embodiment, that is, MOCVD using BTBAS, which is a compound containing silicon and nitrogen as constituent elements, as a nitrogen source. The main feature is that the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 made of an aluminum oxide film is formed. Since the nitrogen-containing high-dielectric-constant film 14 made of an aluminum oxide film sufficiently doped with nitrogen can be formed, boron added to the gate electrode 16 made of a polysilicon film as a dopant impurity is removed by heat treatment. Diffusion to a channel region in the transistor can be sufficiently suppressed, and deterioration of transistor performance can be suppressed.
[0044]
After the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 is formed, a polysilicon film 44 is formed on the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 by, for example, a CVD method.
[0045]
Next, a resist film 46 is formed on the polysilicon film 44, and the resist film 46 is left on the region where the gate electrode is to be formed by photolithography (see FIG. 3C).
[0046]
Next, using the resist film 46 as a mask, the polysilicon film 44 is patterned by etching to form the gate electrode 16 made of the polysilicon film 44 (see FIG. 3D).
[0047]
Then, using the gate electrode 16 as a mask, boron ions (B+Is ion-implanted to form an impurity-doped region 48a in the silicon substrate 10 which becomes the low-concentration diffusion layer 20a having the LDD structure by self-alignment with the gate electrode 16 (see FIG. 4A). Instead of boron ions, boron fluoride ions (BF2 +) May be ion-implanted.
[0048]
Next, the resist film 46 used as a mask when patterning the gate electrode 16 is removed.
[0049]
Next, a heat treatment by, for example, an RTA method is performed to activate the dopant impurities implanted into the impurity doped region 48a. Thus, by activating the dopant impurities in the impurity-doped region 48a, the low concentration diffusion layer 20a is formed.
[0050]
Next, a silicon oxide film 50 is formed on the entire surface by, for example, a CVD method (see FIG. 4B).
[0051]
Thereafter, the silicon oxide film 50 is anisotropically etched by, for example, RIE (Reactive Ion Etching: Reactive Ion Etching) to form a sidewall insulating film 18 on the side wall of the gate electrode 16 (see FIG. 4C). ).
[0052]
Then, using the gate electrode 16 and the sidewall insulating film 18 as a mask, boron ions are implanted to form an impurity-doped region 48b to be the high-concentration diffusion layer 20b having the LDD structure (see FIG. 4D). At this time, boron is also added to the gate electrode 16 as a dopant impurity.
[0053]
Next, heat treatment by, for example, an RTA method is performed to activate boron in the gate electrode 16 and the impurity-doped region 48b. Thus, by activating boron as a dopant impurity in the impurity doped region 48b, the high concentration diffusion layer 20b is formed, and the source / drain diffusion of the LDD structure composed of the low concentration diffusion layer 20a and the high concentration diffusion layer 20b is performed. Layer 22 is formed.
[0054]
Thus, the semiconductor device according to the present embodiment shown in FIG. 2 is manufactured.
[0055]
In the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment, the nitrogen-containing high-dielectric-constant film 14 made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added is used as the gate insulating film 15 by the MOCVD method using BTBAS as the nitrogen source. It is formed between the electrode 16. For this reason, at the time of high-temperature processing in a manufacturing process such as heat treatment for activating dopant impurities, diffusion of boron added to the gate electrode 16 to a channel region formed in the silicon substrate 10 is suppressed. be able to.
[0056]
As described above, according to the present embodiment, the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 made of the aluminum oxide film to which nitrogen is added is formed by the MOCVD method using the organometallic material as the Al source and BTBAS as the nitrogen source. Therefore, it is possible to efficiently form the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 to which nitrogen is sufficiently added. Accordingly, it is possible to suppress the boron added as a dopant impurity to the gate electrode 16 made of the polysilicon film from diffusing into the channel region in the silicon substrate 10 and suppress the deterioration of the transistor performance.
[0057]
[Third embodiment]
The semiconductor device according to the third embodiment of the present invention and the method for fabricating the same will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment, and FIG. 6 is a graph showing the depth profile of the material composition of the gate insulating film in the semiconductor device according to the present embodiment. The same components as those of the semiconductor device and the method of manufacturing the same according to the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
[0058]
The basic structure of the semiconductor device according to the present embodiment is substantially the same as that of the semiconductor device according to the second embodiment. The semiconductor device according to the second embodiment is different from the semiconductor device according to the second embodiment in that a nitrogen-containing high dielectric The difference is that a nitrogen-containing high dielectric constant film 52 composed of a nitrogen-added hafnium aluminate (HfAlO) film is used instead of the refractive index film 14. That is, as shown in FIG. 5, a gate insulating film 53 formed by sequentially stacking a silicon oxide film 12 and a nitrogen-containing high dielectric constant film 52 made of a hafnium aluminate film to which nitrogen is added on a silicon substrate 10. Is formed.
[0059]
The semiconductor device according to the present embodiment is characterized mainly in that it has a gate insulating film 53 including a nitrogen-containing high dielectric constant film 52 made of a hafnium aluminate film to which nitrogen is added. The nitrogen-containing high dielectric constant film 52 made of a hafnium aluminate film to which nitrogen is added is the same as the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added in the second embodiment. Since the film is formed by a MOCVD method using a compound containing nitrogen and nitrogen as constituent elements, nitrogen is sufficiently added to the film. With such a nitrogen-containing high dielectric constant film 52, boron added as a dopant impurity to the gate electrode 16 can be sufficiently suppressed from diffusing into a channel region in the silicon substrate 10, and deterioration of transistor performance can be prevented. Can be suppressed.
[0060]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained.
[0061]
The semiconductor device according to the present embodiment can be manufactured in substantially the same manner as that according to the second embodiment, except that the nitrogen-containing high dielectric constant film 52 is formed. Hereinafter, the method for forming the nitrogen-containing high dielectric constant film 52 in the semiconductor device according to the present embodiment will be described.
[0062]
As the source gas for forming the nitrogen-containing high dielectric constant film 52, TTBAl was used as an Al source in the same manner as the film forming method according to the first embodiment used in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment. BTBAS (bis (tertiarybutylamino) silane, (t-C4H9NH)2SiH2) Is used. Further, as an Hf source, TTBHf (tri (tertarybutyl) hafnium, Hf [(t−C4H9)3]) Is used.
[0063]
At the time of film formation, TTBAl and BTBAS are supplied into the reaction chamber 26 by a bubbling method in the same manner as in the case of the film formation method according to the first embodiment, and TTBHf is supplied to the reaction chamber by a bubbling method using nitrogen gas as a carrier. 26. Further, TTBAl, BTBAS, and TTBHf are introduced into the reaction chamber 26 by a bubbling method, and oxygen gas is introduced into the reaction chamber 26 from a pipe 36a.
[0064]
The deposition conditions are, for example, a flow rate of nitrogen gas used for bubbling for supplying TTBAl into the reaction chamber of 30 to 300 cc / min, and a flow rate of nitrogen gas used for bubbling for supplying BTBAS into the reaction chamber of 50 to 200 cc. / Min, the flow rate of nitrogen gas used for bubbling for supplying TTBHf into the reaction chamber is 50 to 500 cc / min, the pressure in the film formation chamber is 65 Pa, the film formation temperature is 500 ° C., and the film formation rate is 1.7 nm / min. And
[0065]
As described above, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment includes the hafnium aluminate film to which nitrogen is added by the MOCVD method using BTBAS, which is a compound containing silicon and nitrogen as constituent elements, as a nitrogen source. The main feature is that the nitrogen-containing high dielectric constant film 52 is formed.
[0066]
The inventors of the present application have confirmed that nitrogen can be sufficiently added to a hafnium aluminate film with high efficiency by using BTBAS as a nitrogen source. FIG. 6 is a graph showing the depth profile of the material composition of the nitrogen-containing high dielectric constant film 52 in the semiconductor device according to the present embodiment, which is measured by RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry).
[0067]
The range from the depth of about 0 to 3.5 nm on the horizontal axis of the graph shown in FIG. 6 is the nitrogen-containing high dielectric constant film 52. The silicon oxide film 12 has a depth of about 3.5 to 4.75 nm. The silicon substrate 10 has a depth of about 4.74 nm or more. As is clear from the graph, it can be seen that nitrogen is almost uniformly added at a maximum nitrogen concentration of 4 at% (atomic percentage) in the thickness direction of the nitrogen-containing high dielectric constant film 52 made of a hafnium aluminate film.
[0068]
Thus, by forming the nitrogen-containing high dielectric constant film 52 made of a hafnium aluminate film to which nitrogen is sufficiently added, boron added as a dopant impurity to a gate gate electrode made of a polysilicon film is heat-treated. It is possible to sufficiently suppress the diffusion into the channel region in.
[0069]
As described above, according to the present embodiment, a nitrogen-containing high dielectric constant made of a hafnium aluminate film to which nitrogen is added by MOCVD using an organometallic material as an Al source and a Hf source and using BTBAS as a nitrogen source. Since the film 52 is formed, it is possible to efficiently form the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 to which nitrogen is sufficiently added. Accordingly, it is possible to suppress the boron added as a dopant impurity to the gate electrode 16 made of the polysilicon film from diffusing into the channel region in the silicon substrate 10 and suppress the deterioration of the transistor performance.
[0070]
[Fourth embodiment]
The semiconductor device and the method for fabricating the same according to the fourth embodiment of the present invention will be explained with reference to FIG. FIG. 7 is a sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment. The same components as those of the semiconductor device and the method of manufacturing the same according to the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
[0071]
The basic structure of the semiconductor device according to the present embodiment is substantially the same as the semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. The main features of the semiconductor device according to the present embodiment are, as shown in FIG. 7, a silicon oxide film 12, a nitrogen-containing high dielectric constant film 14 made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added, and further, nitrogen is added. And a high dielectric constant film 56 made of a normal aluminum oxide film. It should be noted that the phrase "no nitrogen is added" in the specification of the present application means that nitrogen is not intentionally added to the film. For example, a film formed without adding a nitrogen source or other source material such as BTBAS during film formation by the MOCVD method is a film to which nitrogen is not added.
[0072]
In the semiconductor device according to the second embodiment, the gate insulating film 15 having the silicon oxide film 12 and the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added is formed. In this case, the addition of nitrogen to the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 causes problems such as generation of fixed charges at the interface with the nitrogen-containing high dielectric constant film 14, and the high dielectric constant material is used for the gate insulating film. It is also assumed that the advantages that have been used are not fully utilized.
[0073]
On the other hand, the semiconductor device according to the present embodiment has a high dielectric constant film 56 made of a normal aluminum oxide film to which nitrogen is not added, on the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 to which nitrogen is added. I have. With such a laminated structure, first, similarly to the case of the second embodiment, diffusion of boron added to the gate electrode 16 into the channel region is suppressed by the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 to which nitrogen is added. be able to. Further, the advantage of using a high-dielectric-constant material for the gate insulating film can be fully utilized by the separately formed ordinary high-dielectric-constant film 56 to which nitrogen is not added.
[0074]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained.
[0075]
The semiconductor device according to the present embodiment can be manufactured in substantially the same manner as that according to the second embodiment. Here, a laminated structure of the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added and the high dielectric constant film 56 made of a normal aluminum oxide film can be formed as follows. .
[0076]
First, in the same manner as in the second embodiment, a nitrogen-containing high dielectric constant made of a nitrogen-added aluminum oxide film is formed by MOCVD using TTBAl and BTBAS as a raw material, using the film forming method according to the first embodiment. The rate film 14 is formed.
[0077]
Subsequent to the formation of the nitrogen-containing high-dielectric-constant film 14, the supply of BTBAS to the reaction chamber 26 of the film forming apparatus was stopped and the supply of the nitrogen source was shut off, and the MOCVD method using TTBAl as a raw material was performed. An aluminum oxide film is formed. Thus, in the reaction chamber 26 of the same film forming apparatus as that on which the nitrogen-containing high-dielectric-constant film 14 to which nitrogen is added is formed, the high-dielectric-constant film 56 made of a normal aluminum oxide film to which nitrogen is not added. Are continuously formed.
[0078]
As described above, in the reaction chamber 26 of the same film forming apparatus, the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added and the high dielectric constant film 56 made of a normal aluminum oxide film are used. A laminated structure is formed.
[0079]
As described above, according to the present embodiment, the nitrogen content of the aluminum oxide film formed by the MOCVD method using the organometallic material as the Al source and BTBAS as the nitrogen source is efficiently and sufficiently doped with nitrogen. Since the high dielectric constant film 56 to which nitrogen is not added is formed on the dielectric constant film 14, the diffusion of boron added as a dopant impurity to the gate electrode 16 made of the polysilicon film into the channel region is performed by the nitrogen-containing high dielectric constant. On the other hand, the advantage of using a high-dielectric-constant material for the gate insulating film can be fully utilized by the ordinary high-dielectric-constant film 56 to which nitrogen is not added, while suppressing by the dielectric film 14.
[0080]
In this embodiment, the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added and the normal high dielectric constant film 56 are continuously formed in the reaction chamber 26 of the same film forming apparatus. However, both need not necessarily be formed continuously. That is, the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 and the high dielectric constant film 26 may be formed using separate film forming apparatuses.
[0081]
In the present embodiment, the high dielectric constant film 56 made of an aluminum oxide film to which nitrogen is not added is formed on the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added. The dielectric constant film 56 is not limited to the aluminum oxide film, and another high dielectric constant film to which nitrogen is not added may be formed.
[0082]
Further, in the present embodiment, the normal high dielectric constant film 56 to which nitrogen is not added is formed on the nitrogen-containing high dielectric constant film 14, but the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 and the nitrogen-free high dielectric constant film are not added. The upper and lower portions of the normal high dielectric constant film 56 may be exchanged. That is, as shown in FIG. 8, a normal high dielectric constant film 56 to which nitrogen is not added is formed on the silicon oxide film 12, and the nitrogen-containing high dielectric constant film 14 is formed on the normal high dielectric constant film 56. May be formed.
[0083]
In the present embodiment, the semiconductor device according to the second embodiment has a stacked structure of an aluminum oxide film to which nitrogen is added and an aluminum oxide film to which nitrogen is not added. Also in the device, the same laminated structure as that according to the present embodiment may be formed. That is, a stacked structure of a hafnium aluminate film to which nitrogen is added and a hafnium aluminate film to which nitrogen is not added may be formed.
[0084]
[Fifth Embodiment]
The semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention and the method for fabricating the same will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a sectional view showing the structure of the semiconductor device according to the present embodiment. The same components as those of the semiconductor device and the structure according to the second embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted or simplified.
[0085]
The basic structure of the semiconductor device according to the present embodiment is substantially the same as the semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. The main feature of the semiconductor device according to the present embodiment is that, as shown in FIG. 9, the nitrogen-containing high dielectric constant films 14a and 14b made of a nitrogen-added aluminum oxide film are formed of a normal aluminum oxide film to which nitrogen is not added. The point is that it is formed above and below the high dielectric constant film 58 made of. That is, the semiconductor device according to the present embodiment has the silicon oxide film 12, the nitrogen-containing high dielectric constant film 14a to which nitrogen is added, the normal high dielectric constant film 58 to which nitrogen is not added, and the nitrogen added. A gate insulating film 59 is formed by sequentially stacking the nitrogen-containing high dielectric constant film 14b. The nitrogen-containing high dielectric constant films 14a and 14b are formed by the film forming method according to the first embodiment, that is, the MOCVD method using a compound containing silicon and nitrogen as constituent elements as a nitrogen source. Sufficient nitrogen is added.
[0086]
In the semiconductor device according to the present embodiment, as in the case of the second embodiment, the diffusion of boron added to the gate electrode 16 into the channel region is performed above and below the high dielectric constant film 58, The high-permittivity films 14a, 14b further effectively suppress the high-permittivity material, while the high-permittivity film 58 formed between the nitrogen-containing high-permittivity films 14a, 14b reduces the high-permittivity material to a gate insulating film. The advantage used in the above can be fully utilized.
[0087]
Next, the method for fabricating the semiconductor device according to the present embodiment will be explained.
[0088]
The semiconductor device according to the present embodiment can be manufactured in substantially the same manner as that according to the second embodiment. Here, the laminated structure of the high dielectric constant film 58 made of a normal aluminum oxide film and the nitrogen-containing high dielectric constant films 14a and 14b made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added formed above and below the film is the fourth embodiment. As in the case of the embodiment, in the MOCVD method, by appropriately switching the presence or absence of addition of BTBAS as a nitrogen source, it can be formed as follows.
[0089]
First, in the same manner as in the second embodiment, a nitrogen-containing high dielectric constant made of a nitrogen-added aluminum oxide film is formed by MOCVD using TTBAl and BTBAS as a raw material, using the film forming method according to the first embodiment. The rate film 14a is formed.
[0090]
Subsequent to the formation of the nitrogen-containing high dielectric constant film 14a, only the supply of BTBAS to the reaction chamber 26 of the film forming apparatus was stopped and the supply of the nitrogen source was shut off, and the MOCVD method using TTAl as a raw material was performed. A high dielectric constant film 58 made of an aluminum oxide film is formed.
[0091]
Next, in the same manner as in the second embodiment, a nitrogen-containing high dielectric constant film 14b made of a nitrogen-added aluminum oxide film is formed by MOCVD using TTBAl and BTBAS as raw materials.
[0092]
As described above, in the reaction chamber 26 of the same film forming apparatus, the high dielectric constant film 58 made of a normal aluminum oxide film and the nitrogen-containing high A laminated structure with the dielectric films 14a and 14b is continuously formed.
[0093]
In this embodiment, the nitrogen-containing high dielectric constant films 14a and 14b made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added and the normal high dielectric constant film 56 are continuously formed in the reaction chamber 26 of the same film forming apparatus. However, it is not always necessary to form them continuously. That is, the nitrogen-containing high dielectric constant films 14a and 14b and the high dielectric constant film 26 may be formed using separate film forming apparatuses.
[0094]
In this embodiment, a high dielectric constant film 58 made of an aluminum oxide film to which nitrogen is not added is formed between the nitrogen-containing high dielectric constant films 14a and 14b made of an aluminum oxide film to which nitrogen is added. However, the high dielectric constant film 58 is not limited to the aluminum oxide film, and another high dielectric constant film to which nitrogen is not added may be formed.
[0095]
Further, in the present embodiment, in the semiconductor device according to the second embodiment, a stacked structure of an aluminum oxide film to which nitrogen is not added and an aluminum oxide film to which nitrogen is not formed formed thereover is formed. In the semiconductor device according to the third embodiment, the same stacked structure as that according to the present embodiment may be formed. That is, a stacked structure of a hafnium aluminate film to which nitrogen is not added and a hafnium aluminate film to which nitrogen is added formed above and below the film may be formed.
[0096]
[Modified embodiment]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.
[0097]
For example, in the above embodiment, the case where nitrogen is added to the aluminum oxide film or the hafnium aluminate film has been described as an example. However, a high dielectric constant film to which nitrogen can be added by applying the present invention is not limited thereto. Not something. For example, hafnium oxide (HfO2), Zirconium oxide (ZrO)2), Titanium oxide (TiO)2), Tantalum oxide (Ta)2O5The present invention may be applied to a high-dielectric-constant film made of (1) to add nitrogen. Further, the present invention is applied to a high dielectric constant film made of an oxide of a group IIIA element, that is, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu or the like. Nitrogen may be added by application. Alternatively, nitrogen may be added to a high dielectric constant film made of an aluminate containing these metals according to the present invention.
[0098]
In the above embodiment, the case where BTBAS is used as the nitrogen source for forming the nitrogen-added high dielectric constant film by the MOCVD method has been described as an example, but the nitrogen source material is not limited to BTBAS. Any compound containing silicon and nitrogen as constituent elements can be used as a nitrogen source material for forming a nitrogen-added high dielectric constant film. For example, TDMASi (tetradimethylaminosilane) or the like can be used as a nitrogen source material.
[0099]
Further, the metal source such as Al for forming the nitrogen-added high dielectric constant film by the MOCVD method is not limited to TTBAl and TTBHf shown in the above embodiment. For example, an organic metal material such as TEAl (triethylaluminum) and TDMAHf (tetradimethylaminohafnium) can be used as a metal source.
[0100]
In the above-described embodiment, the case where boron is ion-implanted as a dopant impurity into the gate electrode 16 after patterning the polysilicon film on the gate electrode 16 has been described. Boron may be added. That is, when a polysilicon film is formed by the CVD method, diborane (B2H6) May be added to the gate electrode 16 to add boron as a dopant impurity.
[0101]
In the above embodiment, the gate electrode 16 made of the polysilicon film is formed, but the material and structure of the gate electrode 16 are not limited to this. For example, a metal silicide may be stacked on a polysilicon film, and the gate electrode 16 may have a polycide structure. Further, a metal film may be stacked on the polysilicon film, and the gate electrode 16 may have a polymetal structure.
[0102]
Further, in the above embodiment, the case where the silicon oxide film 12 is formed at the interface between the silicon substrate 10 and the nitrogen-containing high dielectric constant films 14, 14b or the high dielectric constant film 56 has been described. Need not be formed. Alternatively, instead of the silicon oxide film 12, a silicon oxide film-based insulating film such as a silicon nitride oxide film may be formed.
[0103]
(Supplementary Note 1) A nitrogen-containing high dielectric constant film formed of a nitrogen-added high dielectric constant film and a nitrogen-free high dielectric constant film of a nitrogen-free high dielectric constant film formed on a semiconductor substrate. And a gate electrode formed on the gate insulating film.
[0104]
(Supplementary Note 2) The semiconductor device according to Supplementary Note 1, wherein the gate insulating film has the nitrogen-containing high dielectric constant film above and below the nitrogen-free high dielectric constant film, respectively.
[0105]
(Supplementary Note 3) The semiconductor device according to supplementary note 1 or 2, wherein the gate insulating film further includes a silicon oxide-based insulating film at an interface with the semiconductor substrate.
[0106]
(Supplementary Note 4) In the semiconductor device according to any one of Supplementary Notes 1 to 3, the nitrogen-containing high dielectric constant film includes an aluminum oxide film, a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, a tantalum oxide film, or a hafnium aluminate film. A semiconductor device, characterized in that is added.
[0107]
(Supplementary Note 5) The semiconductor device according to any one of Supplementary Notes 1 to 4, wherein boron is added to the gate electrode.
[0108]
(Supplementary Note 6) Nitrogen formed of a high dielectric constant film to which nitrogen is added by a chemical vapor deposition method using a metal organic material and a nitrogen source material containing silicon and nitrogen as constituent elements on a semiconductor substrate. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of forming a high-k film containing nitrogen; and a step of forming a gate electrode on the high-k film containing nitrogen.
[0109]
(Supplementary Note 7) In the method for manufacturing a semiconductor device according to Supplementary Note 6, the nitrogen-free high dielectric constant film made of the high dielectric constant film to which nitrogen is not added is provided on the semiconductor substrate or the nitrogen containing high dielectric constant film. A method for manufacturing a semiconductor device, further comprising a step of forming.
[0110]
(Supplementary Note 8) The method of manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 7, wherein the nitrogen-containing high dielectric constant film and the nitrogen-free high dielectric constant film are continuously formed in the same reaction chamber. Manufacturing method.
[0111]
(Supplementary Note 9) In the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary Notes 6 to 8, the step of forming the gate electrode includes forming the gate electrode to which boron is added. Method.
[0112]
(Supplementary Note 10) The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary Notes 6 to 9, wherein the nitrogen source material is BTBAS.
[0113]
(Supplementary Note 11) In the method of manufacturing a semiconductor device according to any one of Supplementary Notes 6 to 10, wherein the nitrogen-containing high dielectric constant film is an aluminum oxide film, a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, a tantalum oxide film, or a hafnium aluminate. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein nitrogen is added to a film.
[0114]
(Supplementary Note 12) A high dielectric constant film to which nitrogen is added is formed by a chemical vapor deposition method using an organometallic material and a nitrogen source material containing silicon and nitrogen as constituent elements. Film forming method.
[0115]
(Supplementary note 13) The film forming method according to supplementary note 12, wherein the nitrogen source material is BTBAS.
[0116]
(Supplementary Note 14) The film formation method according to supplementary note 12 or 13, wherein the high dielectric constant film is an aluminum oxide film, a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, a tantalum oxide film, or a hafnium aluminate film. Film formation method.
[0117]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a nitrogen-added high dielectric constant film is formed by a chemical vapor deposition method using a metal organic material and a nitrogen source material containing silicon and nitrogen as constituent elements. Since the film is formed, a high dielectric constant film to which nitrogen is sufficiently added can be efficiently formed.
[0118]
Further, according to the present invention, a nitrogen-added high dielectric constant is formed on a semiconductor substrate by a chemical vapor deposition method using a metal organic material and a nitrogen source material containing silicon and nitrogen as constituent elements. Since a nitrogen-containing high dielectric constant film made of a film is formed and a gate electrode is formed on the nitrogen-containing high dielectric constant film, boron added to the gate electrode as a dopant impurity diffuses into a channel region in a semiconductor substrate. , And deterioration of the performance of the transistor can be suppressed.
[0119]
Further, according to the present invention, a semiconductor substrate to which nitrogen formed by a chemical vapor deposition method using an organometallic material and a nitrogen source material containing silicon and nitrogen as constituent elements is added. Since a gate insulating film having a nitrogen-containing high-k film made of a dielectric film and a nitrogen-free high-k film to which nitrogen is not added is formed, a boron channel region added to the gate electrode as a dopant impurity is formed. While diffusion into the gate insulating film is suppressed by the nitrogen-containing high dielectric constant film, the advantage of using the high dielectric constant material for the gate insulating film can be sufficiently utilized by the nitrogen-free high dielectric constant film.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a structure of a film forming apparatus used in a film forming method according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a structure of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a process sectional view (part 1) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a process sectional view (part 2) illustrating the method for fabricating the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view showing a structure of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing a depth profile of a material composition by a RBS of a high dielectric constant film in a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view illustrating a structure of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention;
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a structure of a semiconductor device according to a modification of the fourth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a structure of a semiconductor device according to a fifth embodiment;
[Explanation of symbols]
10. Silicon substrate
12 ... Silicon oxide film
14, 14a, 14b: nitrogen-containing high dielectric constant film
15 ... Gate insulating film
16 ... Gate electrode
18 ... Sidewall insulating film
20a: low concentration diffusion layer
20b: High concentration diffusion layer
22: source / drain diffusion layer
26 ... Reaction chamber
28 ... susceptor
30 ... shower head
32 ... Turbo molecular pump
34 ... Dry pump
36, 36a, 36b, 36c ... piping
38a, 38b ... cylinder
40a, 40b ... piping
42a, 42b, 42c ... mass flow controller
44 ... Polysilicon film
46 ... Resist film
48a: impurity-doped region
48b: impurity-doped region
50: silicon oxide film
52 ... Nitrogen-containing high dielectric constant film
53 ... Gate insulating film
56 ... High dielectric constant film
57 ... Gate insulating film
58 ... High dielectric constant film
59 ... Gate insulating film

Claims (10)

半導体基板上に形成され、窒素が添加された高誘電率膜よりなる窒素含有高誘電率膜と、窒素が添加されていない高誘電率膜よりなる窒素非含有高誘電率膜とを含むゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と
を有することを特徴とする半導体装置。
A gate insulating film formed on a semiconductor substrate and including a nitrogen-containing high-k film made of a nitrogen-doped high-k film and a nitrogen-free high-k film made of a nitrogen-free high-k film. A membrane,
And a gate electrode formed on the gate insulating film.
請求項1記載の半導体装置において、
前記ゲート絶縁膜は、前記窒素非含有高誘電率膜の上下に、前記窒素含有高誘電率膜をそれぞれ有する
ことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the gate insulating film has the nitrogen-containing high dielectric constant film above and below the nitrogen-free high dielectric constant film, respectively.
請求項1又は2記載の半導体装置において、
前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板との界面に、シリコン酸化膜系の絶縁膜を更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein
The semiconductor device, wherein the gate insulating film further includes a silicon oxide-based insulating film at an interface with the semiconductor substrate.
半導体基板上に、有機金属材料と、シリコンと窒素とを構成元素として含む窒素源材料とを原料とする化学気相成長法により、窒素が添加された高誘電率膜よりなる窒素含有高誘電率膜を形成する工程と、
前記窒素含有高誘電率膜上に、ゲート電極を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Nitrogen-containing high dielectric constant film composed of a high dielectric constant film to which nitrogen is added by a chemical vapor deposition method using a metal organic material and a nitrogen source material containing silicon and nitrogen as constituent elements on a semiconductor substrate. Forming a film;
Forming a gate electrode on the nitrogen-containing high-dielectric-constant film.
請求項4記載の半導体装置の製造方法において、
前記半導体基板上又は前記窒素含有高誘電率膜上に、窒素が添加されていない高誘電率膜よりなる窒素非含有高誘電率膜を形成する工程を更に有する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4,
Forming a non-nitrogen-containing high-k film made of a high-k film to which nitrogen is not added, on the semiconductor substrate or on the nitrogen-containing high-k film. Method.
請求項5記載の半導体装置の製造方法において、
前記窒素含有高誘電率膜と前記窒素非含有高誘電率膜とを同一の反応室内において連続的に形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5,
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the nitrogen-containing high dielectric constant film and the nitrogen-free high dielectric constant film are continuously formed in the same reaction chamber.
請求項4乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記ゲート電極を形成する工程では、ボロンが添加された前記ゲート電極を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein in the step of forming the gate electrode, the gate electrode to which boron is added is formed.
請求項4乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記窒素源材料は、BTBASである
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the nitrogen source material is BTBAS.
請求項4乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記窒素含有高誘電率膜は、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化タンタル膜、又はハフニウムアルミネート膜に窒素が添加されたものである
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the nitrogen-containing high dielectric constant film is a film obtained by adding nitrogen to an aluminum oxide film, a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, a tantalum oxide film, or a hafnium aluminate film.
有機金属材料と、シリコンと窒素とを構成元素として含む窒素源材料とを原料とする化学気相成長法により、窒素が添加された高誘電率膜を成膜する
ことを特徴とする成膜方法。
Forming a high dielectric constant film to which nitrogen is added by a chemical vapor deposition method using an organic metal material and a nitrogen source material containing silicon and nitrogen as constituent elements. .
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