JP2007081211A - Insulated gate semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】 絶縁ゲート型半導体装置及びその製造方法に関し、デバイス特性を劣化させることなく、且つ、既存の製造工程になじみやすい工程によりフェルミレベルピンニングを除去する。
【解決手段】 Hfを構成元素として含む高誘電体膜3と多結晶シリコンまたは金属シリサイドからなるゲート電極5との間に、ゲート電極5のバンドギャップ内にフェルミレベルピンニングを発生させる準位を発生させない程度にゲート電極5との再ネットワークの構造緩和ができるアモルファス構造のSiO2 膜4を介在させる。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To remove Fermi level pinning by a process that is easy to become familiar with an existing manufacturing process without deteriorating device characteristics, with respect to an insulated gate semiconductor device and a manufacturing method thereof.
A level generating Fermi level pinning is generated in a band gap of a gate electrode 5 between a high dielectric film 3 containing Hf as a constituent element and a gate electrode 5 made of polycrystalline silicon or metal silicide. An amorphous SiO 2 film 4 capable of relaxing the structure of the re-network with the gate electrode 5 is interposed to such an extent that it does not occur.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は絶縁ゲート型半導体装置及びその製造方法に関するものであり、特に、ゲート絶縁膜としてHfを構成成分とする高誘電体膜を用いた絶縁ゲート型半導体装置におけるフェルミレベルピンニングを防止するための構成に特徴のある絶縁ゲート型半導体装置及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to an insulated gate semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to prevent Fermi level pinning in an insulated gate semiconductor device using a high dielectric film having Hf as a component as a gate insulating film. The present invention relates to an insulated gate semiconductor device having a characteristic structure and a method for manufacturing the same.
近年のワイヤレス通信技術の発展や情報コンテンツの多様化により、携帯情報端末で処理する情報量が飛躍的に増大し、情報処理の中核を担うLSIには微細化、低消費電力化、高速動作化、及び、低電圧化が要求されている。 With the recent development of wireless communication technology and diversification of information contents, the amount of information processed by portable information terminals has increased dramatically, and LSIs that play a central role in information processing have become smaller, lower power consumption, and faster operation. And lowering of voltage is required.
このような要請に応えるために、LSIを構成するMOSFETのゲート酸化膜の薄膜化が急速に進んでおり、既に、物理的限界まで薄膜化されたゲート絶縁膜をさらに薄膜化すると、キャリアが直接ゲート絶縁膜をトンネリングしてゲートリーク電流が増大する問題が発生する。 In order to meet such demands, the gate oxide film of MOSFETs constituting an LSI has been rapidly thinned. If the gate insulating film already thinned to the physical limit is further thinned, carriers directly There is a problem in that the gate leakage current increases due to tunneling of the gate insulating film.
例えば、ゲート長が65nmのMISFETにおいては、等価酸化膜厚(EOT:Equivalent Oxide Thickness)で1.2〜1.6nmのゲート絶縁膜が要求されるが、ゲート絶縁膜として従来と同様にSiO2 膜を用いた場合には、トンネル電流によりゲートリーク電流が許容値を超えてしまう。 For example, in the MISFET gate length is 65 nm, equivalent oxide thickness (EOT: Equivalent Oxide Thickness) In the gate insulating film of 1.2~1.6nm is required, conventionally used as the gate insulating film as well as SiO 2 When the film is used, the gate leakage current exceeds the allowable value due to the tunnel current.
そこで、EOTとして上記の膜厚を維持するとともに、ゲートリーク電流を抑制するために、SiO2 (比誘電率〜3.9)に代わって高誘電率の絶縁膜、即ち、High−k膜の採用が検討されており、このようなHigh−k膜としてはHfO2 (比誘電率〜25)、Al2 O3 (比誘電率9〜11)が挙げられる。 Therefore, in order to maintain the above-mentioned film thickness as EOT and suppress gate leakage current, an insulating film having a high dielectric constant instead of SiO 2 (relative dielectric constant˜3.9), that is, a high-k film is used. Adoption has been studied, and examples of such a High-k film include HfO 2 (relative dielectric constant˜25) and Al 2 O 3 (relative dielectric constant 9˜11).
このような、High−k膜をゲート絶縁膜として採用することによって、同じEOTでも物理的膜厚を厚くすることができ、それによって、キャリアのトンネルを防止してゲートリーク電流を抑制することができる。 By adopting such a High-k film as the gate insulating film, the physical film thickness can be increased even with the same EOT, thereby preventing the tunneling of carriers and suppressing the gate leakage current. it can.
特に、ゲート絶縁膜として、比誘電率が非常に大きなHfO2 を用いた場合には、ゲートリーク電流抑制効果が大きくなるので、High−k膜としてはHfO2 、HfSiON、HfAlOx やHfAlON等のHfを含んだHigh−k膜の研究が盛んに行われている。 In particular, when HfO 2 having a very high relative dielectric constant is used as the gate insulating film, the effect of suppressing the gate leakage current is increased. Therefore, as the High-k film, HfO 2 , HfSiON, HfAlO x , HfAlON, etc. Researches on high-k films containing Hf have been actively conducted.
しかし、Hfを含んだHigh−k膜をゲート絶縁膜として用いた場合、多結晶Siゲート電極の仕事関数が不純物濃度で変化しないフェルミレベルピンニングが発生し、このフェルミレベルピンニングはp型の場合に顕著であることが報告されている。 However, when a High-k film containing Hf is used as a gate insulating film, Fermi level pinning occurs in which the work function of the polycrystalline Si gate electrode does not change depending on the impurity concentration. It has been reported to be prominent.
このような、フェルミレベルピンニングの原因としては、
(1)High−k/Si界面での酸素が抜けたことが原因になり、HfとSiとの間で結合が発生し、このHf−Si結合が原因となってピンニングが起こることが報告されている(例えば、非特許文献1参照)。
As a cause of such Fermi level pinning,
(1) It has been reported that bonding occurs between Hf and Si due to the loss of oxygen at the High-k / Si interface, and pinning occurs due to this Hf-Si bonding. (For example, refer nonpatent literature 1).
また、
(2)High−k/Si界面では、High−k膜中に酸素欠損が数多くあり、この酸素欠陥が有している電荷が2- であり、この電荷に起因して界面に電気双極子が発生して、バンドの湾曲を引起し、ピンニングが起こるという仮説が提案されている(例えば、非特許文献2参照)。
Also,
(2) At the High-k / Si interface, there are many oxygen vacancies in the High-k film, and the charge of the oxygen vacancies is 2 − , and electric dipoles are present at the interface due to this charge. A hypothesis has been proposed that this occurs and causes bending of the band to cause pinning (see, for example, Non-Patent Document 2).
(3)或いは、p型多結晶Si中のBとHfとが結合してVthを大きくシフトすることも報告されている(例えば、特許文献1参照)。 (3) Alternatively, it has also been reported that B and Hf in p-type polycrystalline Si are combined to greatly shift V th (see, for example, Patent Document 1).
しかし、本発明者が鋭意研究した結果、上記(3)のHf−B結合については、Hfの原子量は非常に大きいので固相拡散は殆ど起こらず、p型多結晶Si中のBと結合することは考えられないとの結論に至った。 However, as a result of intensive studies by the present inventors, the Hf-B bond in (3) above has a very large atomic weight of Hf, so that solid phase diffusion hardly occurs and bonds with B in p-type polycrystalline Si. I came to the conclusion that this is not possible.
また、上記(2)の酸素欠損説は、Gauss型基底関数に基づくOrder(N)法の第1原理計算はなされておらず、本発明者が詳細に検討した結果、この酸素欠損説では、フェルミレベルピンニングの現象を説明することができないとの結論に至った。 In addition, the oxygen deficiency theory in (2) has not been subjected to the first principle calculation of the Order (N) method based on the Gaussian basis function. As a result of detailed examination by the present inventor, It came to the conclusion that the phenomenon of Fermi level pinning cannot be explained.
即ち、中性の酸素欠損によって発生する準位はHfO2 中のバンドギャップ内ではあるが、Siと比較した場合にはSiの価電子帯のトップからすぐ下に発生するため、Siのバンドギャップ内には準位を発生させないので、ピンニングに影響を与えることはない。 That is, the level generated by neutral oxygen vacancies is in the band gap in HfO 2 , but is generated just below the top of the valence band of Si when compared with Si. Since no level is generated in the pin, pinning is not affected.
そこで、上記(1)の界面での酸素抜けについて検討してみた結果、界面での酸素抜けがある場合、近傍のSiのp軌道と近傍のHfのd軌道とが偶然にも位相がそろって結合軌道を作り、余剰電子を取込み、Siのバンドギャップ中に準位を形成することを見いだした(例えば、非特許文献3参照)。 Thus, as a result of examining the oxygen desorption at the interface of (1) above, when there is oxygen desorption at the interface, the phase of the p orbit of the nearby Si and the d orbit of the nearby Hf coincided by chance. It was found that bonding orbitals were created, surplus electrons were taken in, and levels were formed in the Si band gap (see, for example, Non-Patent Document 3).
この準位はSiの伝導帯の直下にあり、SiにBをドープしても、この準位に取り込まれている余剰電子がSi側に流れて、p型になるのを抑制するためにフェルミレベルピンニングの現象が発生する。
なお、n型の場合には、余剰電子で満たされた準位は、フェルミレベルを上昇させているだけであるので、影響を与えることはなく、実験結果を旨く説明できるものである。
This level is just below the conduction band of Si. Even if Si is doped with B, Fermi is suppressed in order to prevent surplus electrons taken into this level from flowing to the Si side and becoming p-type. Level pinning phenomenon occurs.
In the case of the n-type, since the level filled with surplus electrons only increases the Fermi level, it has no effect and can explain the experimental results well.
このようなフェルミレベルピンニングが発生すると、特に、p型多結晶Siに対しては仕事関数の制御が不可能になり、Vth制御ができなくなり、High−k膜の実用化への大きな障害となっている。 When such Fermi level pinning occurs, it becomes impossible to control the work function, especially for p-type polycrystalline Si, and V th control cannot be performed, which is a major obstacle to the practical use of high-k films. It has become.
そこで、フェルミレベルピンニングを回避するために、High−k/多結晶Si界面にSiO2 膜やSiN膜を挿入することが検討されている。
また、ゲート電極をPtシリサイドやNiシリサイド等のシリサイド電極とした場合、その組成比を変えることで、フェルミレベルピンニングを除去することも試みられている。
Further, when the gate electrode is a silicide electrode such as Pt silicide or Ni silicide, it has been attempted to remove Fermi level pinning by changing the composition ratio.
しかしながら、SiO2 膜を挿入した場合には、フェルミレベルピンニングを除去できないことが判明した。
これは、後述するように通常の熱酸化膜はフレキシブル性に欠けるハードなTridymite構造に近いアモルファス構造のSiO2 膜であるため、酸素欠損に伴って発生するボンドの組み換えにより構造緩和ができないためである。
However, it has been found that the Fermi level pinning cannot be removed when the SiO 2 film is inserted.
This is because, as will be described later, a normal thermal oxide film is an amorphous SiO 2 film close to a hard Tridymite structure that lacks flexibility, so that the structure cannot be relaxed by recombination of bonds generated due to oxygen deficiency. is there.
また、SiN膜を挿入する場合には、2nm程度の膜厚にする必要があり、その結果、EOTを増加してしまい、デバイス特性が劣化するという問題がある。 Further, when a SiN film is inserted, it is necessary to have a film thickness of about 2 nm. As a result, there is a problem that EOT is increased and device characteristics are deteriorated.
また、シリサイド電極の組成比を変えた場合には、シリサイド電極の仕事関数はその組成比に依存するため、ゲート電極の仕事関数を任意に設定することが困難になるという問題がある。 Further, when the composition ratio of the silicide electrode is changed, the work function of the silicide electrode depends on the composition ratio, so that it is difficult to arbitrarily set the work function of the gate electrode.
したがって、本発明は、デバイス特性を劣化させることなく、且つ、既存の製造工程になじみやすい工程によりフェルミレベルピンニングを除去することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to remove Fermi level pinning by a process that does not deteriorate device characteristics and is easily adapted to an existing manufacturing process.
図1は本発明の原理的構成図であり、ここで図1を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
なお、図における符号2は、ゲート絶縁膜である。
図1参照
上記課題を解決するために、本発明は、絶縁ゲート型半導体装置において、Hfを構成元素として含む高誘電体膜3と多結晶シリコンまたは金属シリサイドからなるゲート電極5との間に、ゲート電極5のバンドギャップ内にフェルミレベルピンニングを発生させる準位を発生させない程度にゲート電極5との再ネットワークの構造緩和ができるアモルファス構造のSiO2 膜4を介在させたことを特徴とする。
FIG. 1 is a diagram illustrating the basic configuration of the present invention. Means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
In the figure,
In order to solve the above problem, in the insulated gate semiconductor device, the present invention provides a high dielectric film 3 containing Hf as a constituent element and a gate electrode 5 made of polycrystalline silicon or metal silicide. It is characterized in that an SiO 2
このように、高誘電体膜3に対するキャップ層となるアモルファス構造のSiO2 膜4として、ゲート電極5との再ネットワークの構造緩和ができるソフトな構造のSiO2 膜4とすることによって、高誘電体膜3/SiO2 膜4界面の酸素抜けによる酸素欠損をボンドの組み換えによって消滅させることができるので、ゲート電極5のバンドギャップ内に準位が発生することがなく、それによって、フェルミレベルピンニングの発生を抑制することができる。 Thus, as a SiO 2 film 4 of amorphous structure as a cap layer for high dielectric film 3, by the SiO 2 film 4 of soft structure capable structural relaxation re networks between the gate electrode 5, the high dielectric Oxygen deficiency due to oxygen loss at the interface between the body film 3 and the SiO 2 film 4 can be eliminated by recombination of bonds, so that no level is generated in the band gap of the gate electrode 5, thereby allowing Fermi level pinning. Can be suppressed.
また、このようなゲート電極5との再ネットワークの構造緩和ができるソフトな構造のアモルファス構造のSiO2 膜4としては、α−クォーツ或いはβ−クォーツに近いアモルファス構造のSiO2 膜4が典型的なものである。 As the SiO 2 film 4 of amorphous structure of soft structure capable structural relaxation re network with such a gate electrode 5, alpha-quartz or SiO 2 film 4 of amorphous structure closer to β- quartz is typically It is a thing.
このようなSiO2 膜4は、X線回折等ではアモルファス状態を示すが、電子顕微鏡で微細構造を確認するとα−クォーツ或いはβ−クォーツに近い構造になっている。
なお、単結晶Siや多結晶Siを熱酸化させた場合、或いは、CVD法等でSiO2 膜4を堆積させた場合には、Tridymite構造に近いアモルファス構造のSiO2 膜になるが、このようなTridymite構造に近いアモルファス構造のSiO2 膜では、ボンド組み換えができず酸素欠損の消滅ができないので、上述のように、フェルミレベルピンニングを除去することはできない。
Such an SiO 2
When single crystal Si or polycrystal Si is thermally oxidized, or when the SiO 2 film 4 is deposited by a CVD method or the like, an amorphous SiO 2 film close to the Trimitite structure is obtained. In an SiO 2 film having an amorphous structure close to the Tridymite structure, bond recombination cannot be performed and oxygen vacancies cannot be eliminated, so that Fermi level pinning cannot be removed as described above.
この場合、SiO2 膜4の膜厚としては、0.45nm以上1nm未満とすることが望ましく、0.45nm未満ではゲート電極5との再ネットワークの構造緩和が不十分であり、一方、1nm以上になるとEOTが大きくなってデバイス特性が劣化する。
In this case, the film thickness of the SiO 2
また、Hfを構成元素として含む高誘電体膜3としては、Hfを含んでいればどの様なものでも良いが、HfO2 、HfSiO、HfSiON、HfAlO、或いは、HfAlONが典型的なものであり、特に、結晶化温度を高くしてアモルファス膜としての特性を維持するとともに、比誘電率を高く維持するためにはAlを含有することが望ましく、Al2 O3 膜はフェルミレベルピンニングが発生しないので、この点からもAlを混合することが望ましい。
なお、移動度の低下を低減するためには、HfSiONが望ましい。
The high dielectric film 3 containing Hf as a constituent element may be any film as long as it contains Hf, but HfO 2 , HfSiO, HfSiON, HfAlO, or HfAlON is typical, In particular, it is desirable to contain Al in order to maintain the characteristics as an amorphous film by increasing the crystallization temperature and to maintain a high relative dielectric constant, and since the Al 2 O 3 film does not generate Fermi level pinning. From this point, it is desirable to mix Al.
Note that HfSiON is desirable to reduce the decrease in mobility.
また、この場合のHfを構成元素として含む高誘電体膜3におけるSiを含めた金属元素に占めるHfの原子比は50%以上であることが望ましく、それによって、高誘電体膜3の比誘電率を十分高くできるので、物理的膜厚を厚くしてもEOTを小さく保つことができ、ゲートリーク電流を抑制することが可能になる。 In this case, it is desirable that the atomic ratio of Hf in the metal elements including Si in the high dielectric film 3 containing Hf as a constituent element is 50% or more, whereby the relative dielectric constant of the high dielectric film 3 Since the rate can be sufficiently high, the EOT can be kept small even if the physical film thickness is increased, and the gate leakage current can be suppressed.
また、上述の絶縁ゲート型半導体装置を製造するためには、半導体基体1上に、Hfを構成元素として含む高誘電体膜3及びアモルファスシリコン膜を順次堆積させたのち、酸化性雰囲気中で熱処理を行うことによって、アモルファスシリコン膜をSiO2 膜4に変換させ、次いで、SiO2 膜4上にゲート電極5となる多結晶シリコンまたは金属シリサイドを堆積させれば良い。
なお、「半導体基体」とは、半導体基板及び半導体エピタキシャル層を含むものである。
In order to manufacture the above-described insulated gate type semiconductor device, a high dielectric film 3 containing amorphous silicon film and an amorphous silicon film containing Hf as a constituent element are sequentially deposited on the semiconductor substrate 1 and then heat-treated in an oxidizing atmosphere. To convert the amorphous silicon film into the SiO 2 film 4, and then deposit polycrystalline silicon or metal silicide to be the gate electrode 5 on the SiO 2 film 4.
The “semiconductor substrate” includes a semiconductor substrate and a semiconductor epitaxial layer.
また、この場合の熱処理温度としては、基板温度として300℃〜400℃の範囲が望ましく、300℃未満であると酸化が不十分になり、一方、400℃を超えると酸化速度が速くなり、ソフトなα−クォーツ或いはβ−クォーツに近いアモルファス構造のSiO2 膜4を均一に形成することが困難になる。 The heat treatment temperature in this case is preferably in the range of 300 ° C. to 400 ° C. as the substrate temperature. When the temperature is lower than 300 ° C., the oxidation becomes insufficient. On the other hand, when the temperature exceeds 400 ° C., the oxidation rate increases. It becomes difficult to uniformly form the SiO 2 film 4 having an amorphous structure close to α-quartz or β-quartz.
本発明では、Hfを構成元素として含む高誘電体膜とゲート電極との間に、ゲート電極のバンドギャップ内にフェルミレベルピンニングを発生させる準位を発生させない程度にゲート電極との再ネットワークの構造緩和ができるアモルファス構造のSiO2 膜、典型的には、α−クォーツ或いはβ−クォーツに近いアモルファス構造のSiO2 膜をキャップ層として挿入しているので、ゲート電極のバンドギャップ内に準位が発生することがなく、それによって、フェルミレベルピンニングの発生を抑制することができる。 In the present invention, the structure of the re-network with the gate electrode to such an extent that a level causing Fermi level pinning is not generated in the band gap of the gate electrode between the high dielectric film containing Hf as a constituent element and the gate electrode. Since the SiO 2 film having an amorphous structure that can be relaxed, typically an SiO 2 film having an amorphous structure close to α-quartz or β-quartz is inserted as a cap layer, the level is not within the band gap of the gate electrode. It does not occur, thereby suppressing the occurrence of Fermi level pinning.
ここで、図2乃至図6を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図2参照
図2は、本発明の実施の形態のMISFETの概略的構成図であり、n型シリコン基板11上にHfO2 、HfSiO、HfSiON、HfAlO、或いは、HfAlON等のHfを構成元素とするからなる高誘電体膜12、α−クォーツ或いはβ−クォーツに近いアモルファス構造のSiO2 膜からなるキャップ層13、及び、多結晶シリコンまたは金属シリサイドからなるゲート電極14を順次積層してゲート構造を構成するとともに、ゲート構造の両側にp型ソース・ドレイン領域15を形成し、その上にソース・ドレイン電極16を形成したものである。
Here, with reference to FIG. 2 thru | or FIG. 6, embodiment of this invention is described.
See Figure 2
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the MISFET according to the embodiment of the present invention, and a high-level element comprising Hf such as HfO 2 , HfSiO, HfSiON, HfAlO, or HfAlON on the n-
図3参照
図3は、キャップ層界面の分子構造のモデル図であり、キャップ層13と高誘電体膜12との界面で発生した酸素欠損17は、ボンドの組み換えで消失している様子を示している。
なお、ここでは説明を簡単にするために、高誘電体膜12としてHfO2 を、キャップ層13として、β−クォーツに近いアモルファス構造のSiO2 膜を、また、ゲート電極14として多結晶シリコンを用いて示している。
See Figure 3
FIG. 3 is a model diagram of the molecular structure of the cap layer interface, and shows that the
In order to simplify the description, HfO 2 is used as the
図4参照
図4は、比較のために示した従来のSiO2 膜をキャップ層18とした場合のキャップ層界面の分子構造のモデル図であり、キャップ層18を構成するTridymite構造に近いアモルファス構造のSiO2 膜はβ−クォーツに近いアモルファス構造のSiO2 膜に比べてフレキシブルではないのでボンドの組み換えが起こらず、キャップ層18と高誘電体膜12との界面で発生した酸素欠損17はそのまま存在することになる。
なお、ここでも説明を簡単にするために、高誘電体膜12としてHfO2 を、キャップ層18として、Tridymite構造に近いアモルファス構造のSiO2 膜を、また、ゲート電極14として多結晶シリコンを用いて示している。
See Figure 4
FIG. 4 is a model diagram of the molecular structure of the interface of the cap layer when the conventional SiO 2 film shown for comparison is used as the
Here, in order to simplify the description, HfO 2 is used as the
図5参照
図5は、本発明の実施の形態におけるゲート電極を構成する多結晶シリコンにおける状態密の説明図であり、バンドギャップ内に酸素欠損17に起因する準位が形成されていないことが分かる。
See Figure 5
FIG. 5 is an explanatory diagram of the state density in the polycrystalline silicon constituting the gate electrode in the embodiment of the present invention, and it can be seen that no level due to the
図6参照
図6は、比較のために示した従来のSiO2 膜をキャップ層18とした場合の多結晶シリコンにおける状態密の説明図であり、バンドギャップ内に酸素欠損17に起因する準位19が形成されており、この準位19にフェルミレベルがピンニングされて動かなくなる。
See FIG.
FIG. 6 is an explanatory diagram of state density in polycrystalline silicon when the conventional SiO 2 film shown for comparison is used as the
以上、説明したように、本発明の実施の形態においては、高誘電体膜とゲート電極との間に、ボンドの組み換えが可能なソフトなα−クォーツ或いはβ−クォーツに近いアモルファス構造のSiO2 膜をキャップ層として介在させているので、高誘電体膜/キャップ層界面に酸素抜けによる酸素欠陥が発生しても、ボンドの組み換えにより酸素欠陥は消滅し、その結果、ゲート電極のバンドギャップ内にフェルミレベルピンニングの原因となる準位が発生することがない。
なお、SiO2 の微細構造としては、Quartz構造及びTridymite構造以外にCristobalite構造があるが、Cristobalite構造はQuartz構造及びTridymite構造よりエネルギーが高く不安定であるので界面構造としては排除される。
As described above, in the embodiment of the present invention, a soft α-quartz or amorphous structure SiO 2 close to β-quartz capable of recombination of bonds between the high dielectric film and the gate electrode. Since the film is interposed as a cap layer, even if an oxygen defect due to oxygen loss occurs at the interface of the high dielectric film / cap layer, the oxygen defect disappears due to the recombination of the bond, and as a result, within the band gap of the gate electrode. Thus, no level that causes Fermi level pinning is generated.
In addition to the Quartz structure and the Trimitite structure, the SiO 2 fine structure includes a Cristobalite structure. However, since the Cristobalite structure is higher in energy and unstable than the Quartz structure and the Trimitite structure, it is excluded as an interface structure.
次に、以上の事項を前提として、図7乃至図9を参照して本発明の実施例1のMISFETの製造工程を説明する。
図7参照
まず、n型シリコン基板21に素子分離領域22を形成したのち、全面にLL−D&A(Layer−by−Layer Deposition & Annealing)法を用いて厚さが1.6nm〜5.0nm、例えば、2.4nmのHfAlOx からなる高誘電体膜23を堆積させる。
Next, on the premise of the above matters, the manufacturing process of the MISFET of Example 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.
See FIG.
First, after the
なお、このLL−D&A法による成長工程においては、例えば、基板温度を300〜400℃とした状態で、Hf源としてHf〔N(CH3 )2 〕4 (TDMAH)を用い、Al源としてAl(NH3 )3 (TMA)を用い、O源としてH2 Oを用い、キャリアガスとしてN2 ガスを用いて、一原子層単位の成長を行う。 In the growth process by the LL-D & A method, for example, Hf [N (CH 3 ) 2 ] 4 (TDMAH) is used as the Hf source and Al is used as the Al source in a state where the substrate temperature is 300 to 400 ° C. Using (NH 3 ) 3 (TMA), using H 2 O as the O source, and using N 2 gas as the carrier gas, growth is performed in units of one atomic layer.
例えば、Al2 O3 原子層及びHfO2 原子層を交互に堆積させ、堆積させる毎にRTA(Rapid Thermal Anneal)を行って成膜するものであり、HfAlOx におけるHf:Alの比は、Al2 O3 原子層とHfO2 原子層の積層数で制御すれば良く、ここでは、例えば、Hf:Al=6:4とする。 For example, Al 2 O 3 atomic layers and HfO 2 atomic layers are alternately deposited, and RTA (Rapid Thermal Anneal) is performed every time they are deposited, and the ratio of Hf: Al in HfAlO x is Al 2 O 3 atomic layer and may be controlled by the number of stacked HfO 2 atomic layers, where, for example, Hf: Al = 6: and 4.
次いで、例えば、450℃の基板温度において、プラズマCVD法を用いて、α−Si膜24を堆積させる。
この時、α−Si膜24は次工程の酸化で膨張するので、α−SiO2 膜になったときの膜厚が0.45nm〜1nm(但し、1nmは除く)となるように成膜する。
Next, for example, an α-Si film 24 is deposited using a plasma CVD method at a substrate temperature of 450 ° C.
At this time, since the α-Si film 24 is expanded by oxidation in the next step, the film is formed so that the film thickness when it becomes the α-SiO 2 film is 0.45 nm to 1 nm (excluding 1 nm). .
次いで、300℃〜400℃、例えば、350℃の基板温度で、酸化性雰囲気、例えば、乾燥O2 雰囲気中で熱処理することによってα−Si膜24を酸化させてα−SiO2 膜に変換してキャップ層25とする。
また、この時の酸化は低温でゆっくり行われるので、α−SiO2 膜は、α−Si膜24の結晶状態を反映してα−クォーツ或いはβ−クォーツに近いアモルファス構造となる。
また、低温酸化であるので、この酸化工程において、HfAlOx が結晶化することはない。
Next, the α-Si film 24 is oxidized and converted to an α-SiO 2 film by heat treatment in an oxidizing atmosphere, for example, a dry O 2 atmosphere at a substrate temperature of 300 ° C. to 400 ° C., for example, 350 ° C. The
Further, since the oxidation at this time is performed slowly at a low temperature, the α-SiO 2 film has an amorphous structure close to α-quartz or β-quartz reflecting the crystal state of the α-Si film 24.
Further, since it is a low-temperature oxidation, HfAlO x is not crystallized in this oxidation step.
次いで、CVD法を用いてキャップ層25上に多結晶シリコン膜26を堆積する。
Next, a
図8参照
次いで、フォトリソグラフィー工程とドライエッチング工程を用いて多結晶シリコン膜26乃至高誘電体膜23を例えば、65nm長さに成形することによって、ゲート絶縁膜27及びゲート電極28からなるゲート構造を形成する。
See FIG.
Next, the
次いで、ゲート構造をマスクとしてBイオン29を浅く注入することによってp型エクステンション領域30を形成する。
Next, the p-
次いで、全面にSiO2 膜を形成したのち、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール31を形成し、次いで、ゲート構造及びサイドウォール31をマスクとしてBイオン32を注入することによってp型ソース・ドレイン領域33を形成するとともに、ゲート電極28にBをドープする。
Next, after forming a SiO 2 film on the entire surface, anisotropic etching is performed to form a
図9参照
次いで、全面にCo膜を堆積させたのち、熱処理により合金化すことによって、p型ソース・ドレイン領域33及びゲート電極28の表面にCoシリサイド電極34を形成したのち、未反応のCo膜を除去する。
See FIG.
Next, a Co film is deposited on the entire surface, and then alloyed by heat treatment to form a
次いで、全面にBPSGからなる層間絶縁膜35を堆積させたのち、Coシリサイド電極34に対するビアホールを形成し、次いで、このビアホール内をTiN膜を介してWで埋め込んでプラグ36を形成することによって、MISFETの基本構造が完成する。
Next, after depositing an
このように、本発明の実施例1においては、ゲート絶縁膜として高誘電率のHfAlOx を用いる際に、キャップ層としてα−Siを低温酸化したα−クォーツ或いはβ−クォーツに近いα−SiO2 膜を用いているので、HfAlOx /α−SiO2 膜界面において酸素抜けによる酸素欠損が発生しても、ソフトなα−SiO2 膜によるボンドの組み換えによって界面の酸素欠損は消滅する。 Thus, in Example 1 of the present invention, when a high dielectric constant HfAlO x is used as the gate insulating film, α-quartz obtained by low-temperature oxidation of α-Si as the cap layer or α-SiO close to β-quartz. Since two films are used, even if oxygen vacancies occur due to oxygen loss at the interface of the HfAlO x / α-SiO 2 film, the oxygen vacancies at the interface disappear due to recombination of bonds by the soft α-SiO 2 film.
その結果、酸素欠損に起因する準位が多結晶シリコンのバンドギャップ内に発生することがないので、フェルミレベルピンニングが発生することはない。 As a result, levels due to oxygen vacancies do not occur in the band gap of polycrystalline silicon, so Fermi level pinning does not occur.
また、本発明の実施例1においては、高誘電体膜としてAlを含むHfAlOx を用いているが、Al2 O3 自体はピンニングを発生せず、また、結晶化温度が高いためアモルファス膜としての特性を維持することが容易であり、さらに、SiO2 に比べてAl2 O3 は比誘電率が高いので比誘電率を高く維持することができるため好適である。 In Example 1 of the present invention, HfAlO x containing Al is used as the high dielectric film, but Al 2 O 3 itself does not cause pinning and has a high crystallization temperature, so that it is an amorphous film. It is easy to maintain the above characteristics, and Al 2 O 3 is preferable because it has a higher relative dielectric constant than SiO 2 and can maintain a higher relative dielectric constant.
次に、図10を参照して本発明の実施例2のMISFETを説明するが、高誘電体膜の組成及び製造方法が異なるだけで、他の構成は上記の実施例1と同じであるので、最終的な素子構造のみを図示する。
図10参照
図10は、本発明の実施例2のMISFETの概略的断面図であり、まず、n型シリコン基板21に素子分離領域22を形成したのち、全面にLPCVD法(減圧CVD法)を用いて厚さが1.6nm〜5.0nm、例えば、2.4nmのHfSiONからなる高誘電体膜37を堆積させる。
Next, the MISFET according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 10. However, since the composition of the high dielectric film and the manufacturing method are different, other configurations are the same as those of the first embodiment. Only the final device structure is shown.
See FIG.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a MISFET according to Example 2 of the present invention. First, an
なお、このLPCVD法による成長工程においては、Hf源として(t−C4 H9 O)4 Hfを用い、Si源としてSi2 H6 を用い、O源としてO2 またはO3 を用い、キャリアガスとしてN2 ガスを用いて成膜し、成膜後に650℃でNH3 による窒化処理或いは450℃以下でのN2 プラズマ処理によりNを導入する。
なお、Hfの組成比は(t−C4 H9 O)4 Hfの流量比によって制御するものである。
In the growth process by this LPCVD method, (t-C 4 H 9 O) 4 Hf is used as the Hf source, Si 2 H 6 is used as the Si source, O 2 or O 3 is used as the O source, and the carrier A film is formed using N 2 gas as a gas, and N is introduced after the film formation by nitriding with NH 3 at 650 ° C. or N 2 plasma processing at 450 ° C. or lower.
The composition ratio of Hf is to control the flow rate ratio of (t-C 4 H 9 O ) 4 Hf.
以降は、上記の実施例1と全く同様に、α−Si膜24を堆積させたのち低温酸化することによって、α−クォーツ或いはβ−クォーツに近いアモルファス構造のα−SiO2 膜とし、次いで、多結晶Si層を堆積させてゲート構造を形成し、p型エクステンション領域30、サイドウォール31、p型ソース・ドレイン領域33、Coシリサイド電極34、層間絶縁膜35、及び、プラグ36を順次形成することによって本発明の実施例2のMISFETの基本構造が完成する。
Thereafter, in the same manner as in the first embodiment, the α-Si film 24 is deposited and then oxidized at a low temperature to obtain an α-SiO 2 film having an amorphous structure close to α-quartz or β-quartz. A polycrystalline Si layer is deposited to form a gate structure, and a p-
この本発明の実施例2においても、ゲート絶縁膜として高誘電率のHfSiONを用いる際に、キャップ層としてα−Siを低温酸化したα−クォーツ或いはβ−クォーツに近いα−SiO2 膜を用いているので、HfSiON/α−SiO2 膜界面において酸素抜けによる酸素欠損が発生しても、ソフトなα−SiO2 膜によるボンドの組み換えによって界面の酸素欠損は消滅する。 Also in the second embodiment of the present invention, when HfSiON having a high dielectric constant is used as the gate insulating film, α-quartz obtained by low-temperature oxidation of α-Si or α-SiO 2 film close to β-quartz is used as the cap layer. Therefore, even if oxygen vacancies occur due to oxygen loss at the interface of the HfSiON / α-SiO 2 film, the oxygen vacancies at the interface disappear due to recombination of bonds by the soft α-SiO 2 film.
また、ゲート絶縁膜となるHfSiONにはキャリアの移動度の低下の原因となるAl(Al2 O3 )が含まれていないので、高誘電体膜としてHfAlOx を用いた場合に比べて移動度が向上するので、高速化が可能になる。 Further, since HfSiON serving as a gate insulating film does not contain Al (Al 2 O 3 ) that causes a decrease in carrier mobility, the mobility is higher than that in the case of using HfAlO x as a high dielectric film. As a result, the speed can be increased.
以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、各実施例においてはpチャネル型MISFETを例に説明しているが、nチャネル型MISFETにも適用されるものである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications are possible. For example, in each embodiment, p The channel type MISFET is described as an example, but the present invention is also applied to an n channel type MISFET.
また、上記の各実施例においては、ゲート電極として多結晶Siを用いているが、多結晶Siに限られるものではなく、Niシリサイド(仕事関数=4.7eV)或いはPtシリサイド(仕事関数=4.9eV)等の金属シリサイド、または、Pt(仕事関数=5.7eV)等の金属を用いても良いが、仕事関数の観点からはNiシリサイドが特に望ましい。 In each of the above embodiments, polycrystalline Si is used as the gate electrode. However, the gate electrode is not limited to polycrystalline Si, and Ni silicide (work function = 4.7 eV) or Pt silicide (work function = 4). .9 eV) or a metal silicide such as Pt (work function = 5.7 eV) may be used, but Ni silicide is particularly desirable from the viewpoint of the work function.
また、上記の実施例1においては、高誘電体膜の製造方法としてLL−D&A法を用いているが、LL−D&A法に限られるものではなく、通常のALD法或いはLPCVD法を用いても良いものであり、さらには、スパッタ法を用いても良いものである。 In the first embodiment, the LL-D & A method is used as a method for manufacturing the high dielectric film. However, the method is not limited to the LL-D & A method, and a normal ALD method or LPCVD method may be used. It is good, and furthermore, a sputtering method may be used.
また、上記の実施例2においては、高誘電体膜の製造方法としてLPCVD法を用いているが、LPCVD法に限られるものではなく、通常のALD法或いはLL−D&A法を用いても良いものであり、さらには、スパッタ法を用いても良いものである。 In the second embodiment, the LPCVD method is used as a method for producing the high dielectric film. However, the present invention is not limited to the LPCVD method, and a normal ALD method or LL-D & A method may be used. Furthermore, a sputtering method may be used.
また、上記の実施例1或いは実施例2おいては、高誘電体膜としてHfAlOx 或いはHfSiONを用いているがHfAlOx 或いはHfSiONに限られるものではなく、Hfを構成元素とする高誘電体膜であれば良く、例えば、HfO2 、HfSiO、或いは、HfAlONを用いても良いものである。 In Example 1 or Example 2 described above, HfAlO x or HfSiON is used as the high dielectric film, but it is not limited to HfAlO x or HfSiON, and the high dielectric film having Hf as a constituent element is used. For example, HfO 2 , HfSiO, or HfAlON may be used.
ここで再び図1を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図1参照
(付記1) Hfを構成元素として含む高誘電体膜3と多結晶シリコンまたは金属シリサイドからなるゲート電極5との間に、前記ゲート電極5のバンドギャップ内にフェルミレベルピンニングを発生させる準位を発生させない程度に前記ゲート電極5との再ネットワークの構造緩和ができるアモルファス構造のSiO2 膜4を介在させたことを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。
(付記2) Hfを構成元素として含む高誘電体膜3と多結晶シリコンまたは金属シリサイドからなるゲート電極5との間に、α−クォーツ或いはβ−クォーツに近いアモルファス構造のSiO2 膜4を介在させたことを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置。
(付記3) 上記SiO2 膜4の膜厚が、0.45nm以上1nm以下であることを特徴とする付記1または2に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
(付記4) 上記Hfを構成元素として含む高誘電体膜3が、HfO2 、HfSiO、HfSiON、HfAlO、或いは、HfAlONのいずれかからなることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
(付記5) 上記Hfを構成元素として含む高誘電体膜3におけるSiを含めた金属元素に占めるHfの原子比が50%以上であることを特徴とする付記1乃至4のいずれか1に記載の絶縁ゲート型半導体装置。
(付記6) 半導体基体1上に、Hfを構成元素として含む高誘電体膜3及びアモルファスシリコン膜を順次堆積させたのち、酸化性雰囲気中で熱処理を行うことによって、前記アモルファスシリコン膜をSiO2 膜4に変換させ、次いで、前記SiO2 膜4上にゲート電極5となる多結晶シリコンまたは金属シリサイドを堆積させる工程を含むことを特徴とする絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
(付記7) 上記熱処理における基板温度が、300℃〜400℃であることを特徴とする付記6記載の絶縁ゲート型半導体装置の製造方法。
The detailed features of the present invention will be described again with reference to FIG. 1 again.
Again see Figure 1
(Supplementary Note 1) A level for generating Fermi level pinning in the band gap of the gate electrode 5 between the high dielectric film 3 containing Hf as a constituent element and the gate electrode 5 made of polycrystalline silicon or metal silicide. An insulated gate semiconductor device comprising an amorphous SiO 2 film 4 capable of relaxing the structure of the re-network with the gate electrode 5 to the extent that it does not occur.
(Supplementary Note 2) An SiO 2 film 4 having an amorphous structure close to α-quartz or β-quartz is interposed between the high dielectric film 3 containing Hf as a constituent element and the gate electrode 5 made of polycrystalline silicon or metal silicide. An insulated gate semiconductor device characterized by being made.
(Supplementary Note 3) film thickness of the SiO 2 film 4, the insulated gate semiconductor device according to
(Supplementary note 4) The high dielectric film 3 containing Hf as a constituent element is made of any one of HfO 2 , HfSiO, HfSiON, HfAlO, or HfAlON. Insulated gate type semiconductor device.
(Appendix 5) Any one of appendices 1 to 4, wherein an atomic ratio of Hf in metal elements including Si in the high dielectric film 3 containing Hf as a constituent element is 50% or more. Insulated gate type semiconductor device.
(Supplementary Note 6) A high dielectric film 3 containing Hf as a constituent element and an amorphous silicon film are sequentially deposited on the semiconductor substrate 1, and then heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere to thereby convert the amorphous silicon film into SiO 2. A method of manufacturing an insulated gate semiconductor device, comprising the step of converting the
(Additional remark 7) The substrate temperature in the said heat processing is 300 to 400 degreeC, The manufacturing method of the insulated gate semiconductor device of Additional remark 6 characterized by the above-mentioned.
本発明の活用例としては、MISFETが典型的なものであるが、MIS型ダイオードや、半導体基板と多結晶配線等を利用した容量素子にも適用されるものである。 As a practical example of the present invention, a MISFET is typical, but it can also be applied to a MIS type diode or a capacitive element using a semiconductor substrate and a polycrystalline wiring.
1 半導体基体
2 ゲート絶縁膜
3 高誘電体膜
4 SiO2 膜
5 ゲート電極
11 n型シリコン基板
12 高誘電体膜
13 キャップ層
14 ゲート電極
15 p型ソース・ドレイン電極
16 ソース・ドレイン電極
17 酸素欠損
18 キャップ層
19 準位
21 n型シリコン基板
22 素子分離領域
23 高誘電体膜
24 α−Si膜
25 キャップ層
26 多結晶シリコン膜
27 ゲート絶縁膜
28 ゲート電極
29 Bイオン
30 p型エクステンション領域
31 サイドウォール
32 Bイオン
33 p型ソース・ドレイン領域
34 Coシリサイド電極
35 層間絶縁膜
36 プラグ
37 高誘電体膜
1
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