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JP4040602B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、高誘電率膜を含むN型MOSFETおよびP型MOSFETを備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
近年、半導体装置の構成材料として、high−kとよばれる高誘電率膜の利用が検討され始めている。high−k材料の代表的なものとしては、Zr、Hf等を含む酸化物が挙げられる。こうした材料をMOSFETのゲート絶縁膜に用いることにより、ゲート絶縁膜の物理的な厚みをある程度厚くしても電気的なシリコン酸化膜換算膜厚は薄くなり、物理的・構造的に安定なゲート絶縁膜を実現することができる。このため、MOSFET特性の向上のためにMOS容量を増大させること、およびゲートリーク電流を従来のシリコン酸化膜を用いた場合に比べて低減することの両方またはいずれか一方が可能となる。
特許文献1には、このようなhigh−k材料を用いたnMOSFETおよびpMOSFETを含むCMOSデバイスが開示されている。ここで、nMOSFETおよびpMOSFETは、シリコン酸化膜等の低誘電率膜と、高誘電率膜とにより構成されたゲート絶縁膜と、多結晶シリコン等により構成されたゲート電極とを含む。ゲート電極は、ゲート絶縁膜の高誘電率膜に接して設けられている。
特開2002−280461号公報 C.Hobbs et al,"Fermi Level Pinning at the PolySi/Metal Oxide Interface",2003 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers,4-89114-035-6/03
しかし、最近の研究によれば、ゲート絶縁膜を高誘電率膜で構成し、ゲート電極を多結晶シリコンで構成した場合、フェルミレベルピニング(Fermi Level Pinning)といわれる現象が起こるとの知見が得られている(非特許文献1)。フェルミレベルピニングは、ゲート電極中のゲート絶縁膜側界面近傍において、高誘電率膜を構成する金属がゲート電極を構成する多結晶シリコン中に拡散し、シリコンと上記金属との結合に基づく準位が形成されることにより生じると考えられている。
MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート電極の多結晶シリコン中に高誘電率膜を構成する金属が拡散すると、ゲート絶縁膜との界面近傍において多結晶シリコン中に空乏層が発生する。このような空乏層の影響で、ゲート電圧を印加してもゲート絶縁膜に充分な電界が印加されず、チャネル領域においてキャリアを誘起することが困難となる。この結果、閾値電圧が上昇するとともに、閾値電圧のばらつきが大きくなるという課題が生じていた。
このようなフェルミレベルピニングは、とくに、HfやZrを高誘電率膜に用いた場合、P型不純物を含む多結晶シリコンにより構成されたゲート電極を有するP型MOSFETで生じやすい。
ところで、従来のCMOSデバイスでは、それぞれLSIの内部回路を構成するN型MOSFETとP型MOSFETとの間で同一の組成および膜厚の高誘電率膜がゲート絶縁膜に用いられていた。このような場合、CMOSデバイスにおいて、ゲートリーク電流は、N型MOSFETの方がP型MOSFETよりも大きく問題となっていた。そのため、消費電力設計の観点から、N型MOSFETのゲートリーク電流に着目し、これが許容可能レベルになる膜厚の高誘電率膜を成膜していた。
この一方、HfやZr等特定の元素を含有する高誘電率膜を用いた場合、上述した理由により、P型MOSFETの閾値電圧はゲート絶縁膜にシリコン酸化膜を用いた場合よりも高くなり、Si基板中の不純物濃度調整で所望の閾値電圧に設定することが困難なレベルにまで上昇してしまう。
本発明は、こうした事情に鑑みてなされたものであり、高誘電率膜を含むN型MOSFETおよびP型MOSFETを備えた半導体装置において、閾値電圧を低下させることにより所望の範囲で閾値電圧を制御可能とするとともに、ゲートリーク電流を増大させないようにする技術を提供することを目的とする。
本発明者らは、上述したような問題への対策を検討する過程において、閾値電圧の上昇量は、高誘電率膜の膜厚に依存することを見出した。またこの原因は、高誘電率膜の薄膜下によるMOS容量の増大ではなく、高誘電率膜に含まれる特定の元素が高誘電率膜からゲート電極へ拡散する量が膜厚に依存することを見出し、本発明に想到した。
本発明によれば、
半導体基板と、
半導体基板上に形成された第一のシリコン酸化膜および当該第一のシリコン酸化膜上に形成され、HfおよびZrからなる群から選択される元素を含む第一の高誘電率膜により構成された第一のゲート絶縁膜と、第一のゲート絶縁膜上に、第一の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第一のゲート電極と、を含むN型MOSFETと、
N型MOSFETに並置して形成され、半導体基板上に形成された第二のシリコン酸化膜および当該第二のシリコン酸化膜上に形成され、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の元素を含む第二の高誘電率膜により構成された第二のゲート絶縁膜と、第二のゲート絶縁膜上に、第二の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第二のゲート電極と、を含むP型MOSFETと、
を備え、
第一のシリコン酸化膜の膜厚と第二のシリコン酸化膜の膜厚とは等しく、
第二の高誘電率膜の膜厚は、第一の高誘電率膜よりも薄いことを特徴とする半導体装置が提供される。第一のシリコン酸化膜および第二のシリコン酸化膜は、窒素を含むこともできる。
なお、第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜は、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の元素と、Si、OおよびNからなる群から選択される一または二以上の元素との化合物により構成することができる。
上記非特許文献1には、多結晶シリコンに接してHfO等の高誘電率膜を設けるとフェルミレベルピニングが生じることが報告されている。このようなフェルミレベルピニングは、P型MOSFETにおいて影響が大きい。とくに、HfOやHfAlO等、Hfを含む高誘電率膜において、P型MOSFETでの影響が大きくなる。しかし、本発明において、P型MOSFETにおける第二の高誘電率膜の膜厚が薄く形成されているので、第二の高誘電率膜が多結晶シリコン膜と接していても、第二の高誘電率膜中の金属が多結晶シリコン膜に拡散する量が減り、多結晶シリコン中の空乏層の発生を抑制することができる。これにより、P型MOSFETにおけるフェルミレベルピニングの影響を低減することができる。そのため、P型MOSFETの閾値電圧の上昇を抑制することができるとともに、ばらつきを小さくすることができる。
また、N型MOSFETにおける高誘電率膜の膜厚は厚く形成することができ、N型MOSFETで問題となるゲートリーク電流の増大を抑制することができる。
本発明の半導体装置において、第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜は、HfおよびSiを含むことができる。またこの場合、第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜において、HfとSiの合計含有量に対するHfの含有率は、20%以上とすることができる。より好ましくは、HfとSiの合計含有量に対するHfの含有率は、30%以上とすることができる。
本発明の半導体装置において、第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜は、それぞれ独立して、HfSiOまたはHfAlOあるいはこれらの窒化物により構成することができる。ここで、HfAlOにおいて、HfとAlの合計含有量に対するHfの割合の下限は、20%以上とすることができる。また、第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜は、Alを含まない構成とすることもできる。
以上のような場合に、P型MOSFETにおけるフェルミレベルピニングの影響が問題となる。しかし、本発明において、P型MOSFETにおける第二の高誘電率膜の膜厚が薄く形成されているため、上述したように、P型MOSFETにおけるフェルミレベルピニングの影響を低減することができる。
本発明によれば、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第一のシリコン酸化膜および当該第一のシリコン酸化膜上に形成され、HfおよびZrからなる群から選択される元素を含む第一の高誘電率膜により構成された第一のゲート絶縁膜と、前記第一のゲート絶縁膜上に、前記第一の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第一のゲート電極と、を含むN型MOSFETと、
前記N型MOSFETに並置して形成され、前記半導体基板上に形成された第二のシリコン酸化膜および当該第二のシリコン酸化膜上に形成され、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の元素を含む第二の高誘電率膜により構成された第二のゲート絶縁膜と、前記第二のゲート絶縁膜上に、前記第二の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第二のゲート電極と、を含むP型MOSFETと、
を備え、
前記第一のシリコン酸化膜の膜厚は、前記第二のシリコン酸化膜の膜厚よりも薄く、
前記第二の高誘電率膜の膜厚は、前記第一の高誘電率膜よりも薄いことを特徴とする半導体装置が提供される。第一のシリコン酸化膜および第二のシリコン酸化膜は、窒素を含むこともできる。
半導体基板と第一の高誘電率膜との間、および半導体基板と第二の高誘電率膜との間にシリコン酸化膜を設けることにより、第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜中の金属が半導体基板に拡散等するのを防ぐことができる。
本発明の半導体装置におけるN型MOSFETの第一のゲート電極において、多結晶シリコン膜はN型不純物を含むことができ、P型MOSFETの第二のゲート電極において、多結晶シリコン膜はP型不純物を含むことができる。
上述したようなフェルミレベルピニングは、P型不純物を含む多結晶シリコン膜が高誘電率膜と接している場合に顕著に生じる。しかし、本発明によれば、P型MOSFETにおける第二の高誘電率膜の膜厚が薄く形成されているので、第二の高誘電率膜が多結晶シリコン膜と接していても、第二の高誘電率膜中の金属が多結晶シリコン膜に拡散する量が減り、多結晶シリコン中の空乏層の発生を抑制することができる。
本発明の半導体装置において、第一の高誘電率膜の膜厚dと第二の高誘電率膜の膜厚dとの関係は、d/d≧1.5とすることができる。また、上限は特に制限されないが、たとえば、d/d≦3とすることができる。
第一の高誘電率膜の膜厚と第二の高誘電率膜の膜厚とをこのような関係とすることにより、フェルミレベルピニングの影響を緩和して閾値電圧を低下させるとともに、ゲートリーク電流の増大を抑制させることができる。ここで、第一の高誘電率膜をたとえばHfSiNOにより構成した場合、膜厚dは、1.5nm以上とすることができる。これにより、N型MOSFETにおいてゲートリーク電流の増大を抑制することができる。また、第二の高誘電率膜の膜厚dは、たとえば1nm以下、より好ましくは0.5nm以下とすることができる。これにより、フェルミレベルピニングの影響を低減することができる。
本発明の半導体装置において、N型MOSFETおよびP型MOSFETは、LSIの内部回路を構成することができる。
本発明によれば、N型MOSFETおよびP型MOSFETを含む半導体装置の製造方法であって、PウェルおよびNウェルが並置して形成された半導体基板の全面に、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の元素を含む高誘電率材料により構成された第一の層を形成する工程と、Pウェル上の第一の層を保護膜で覆う工程と、保護膜をマスクとして、Nウェル上の第一の層を選択的に除去する工程と、少なくともNウェル上に、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の元素を含む高誘電率材料により構成された第二の層を形成する工程と、第一の層および第二の層上に、多結晶シリコン膜を形成する工程と、第一の層、第二の層、および多結晶シリコン膜を選択的に除去してゲート電極形状に加工する工程と、を含み、第二の層を形成する工程において、Nウェル上における第一の層と第二の層との合計膜厚が、Pウェル上における第一の層と第二の層との合計膜厚よりも薄くなるように第二の層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
なお、第一の層および第二の層は、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の元素と、Si、OおよびNからなる群から選択される一または二以上の元素との化合物により構成することができる。
本発明の半導体装置の製造方法は、前記第一の層を形成する工程の前に、前記半導体基板の全面に、シリコン酸化膜を形成する工程をさらに含むことができ、前記第一の層を形成する工程において、前記シリコン酸化膜上に前記第一の層を形成することができる。シリコン酸化膜は、窒素を含むこともできる。
本発明の半導体装置の製造方法において、第一の層および第二の層は、HfおよびSiを含むことができる。
本発明の半導体装置の製造方法において、第一の層および第二の層において、HfとSiの合計含有量に対するHfの含有率は、20%以上とすることができる。
本発明の半導体装置の製造方法において、第一の層および第二の層は、それぞれ独立して、HfSiOまたはHfAlOあるいはこれらの窒化物により構成することができる。ここで、HfAlOにおいて、HfとAlの合計含有量に対するHfの割合の下限は、20%以上とすることができる。また、第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜は、Alを含まない構成とすることもできる。
本発明によれば、高誘電率膜を含むN型MOSFETおよびP型MOSFETを備えた半導体装置において、P型MOSFETの閾値電圧を低下させることにより所望の範囲で閾値電圧を制御可能とするとともに、N型MOSFETのゲートリーク電流を増大させないようにすることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
(第一の実施の形態)
図1は、本実施の形態における半導体装置100の構成を示す断面図である。本実施の形態において、半導体装置100は、N型MOSFET118およびP型MOSFET120を含むCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)デバイスである。また、このCMOSデバイスは、LSIの内部回路を構成する。
半導体装置100は、P型の導電型を有するPウェル102aおよびN型の導電型を有するNウェル102bが設けられたシリコン基板102と、Pウェル102aとNウェル102bとを分離する素子分離領域104とを含む。Pウェル102aおよびNウェル102bには、それぞれ、N型MOSFET118およびP型MOSFET120が形成されている。
Pウェル102aには、一対の不純物拡散領域121が設けられ、これらの間にチャネル領域(不図示)が形成されている。チャネル領域上には、シリコン酸化膜106および第一の高誘電率膜111がこの順で積層されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられ、多結晶シリコン膜114により構成されたゲート電極と、側壁絶縁膜115と、により構成されたゲートが設けられる。ここで、多結晶シリコン膜114は、第一の高誘電率膜111に接して設けられる。N型MOSFET118の多結晶シリコン膜114には、N型不純物がドープされている。これらによりN型MOSFET118が構成される。
また、同様に、Nウェル102bにも一対の不純物拡散領域122が設けられ、これらの間にチャネル領域(不図示)が形成されている。チャネル領域上には、シリコン酸化膜106および第二の高誘電率膜112がこの順で積層されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられ、多結晶シリコン膜114により構成されたゲート電極と、側壁絶縁膜116と、により構成されたゲートが設けられる。ここで、多結晶シリコン膜114は、第二の高誘電率膜112に接して設けられる。P型MOSFET120の多結晶シリコン膜114には、P型不純物がドープされている。これらにより、P型MOSFET120が構成される。
第一の高誘電率膜111および第二の高誘電率膜112は、酸化シリコンよりも比誘電率の高い膜であり、いわゆるhigh−k膜を用いることができる。第一の高誘電率膜111および第二の高誘電率膜112は、比誘電率10以上の材料により構成することができる。具体的には、第一の高誘電率膜111および第二の高誘電率膜112は、それぞれ、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の元素を含む材料により構成することができ、これらのいずれかの元素を含む酸化膜、シリケート膜等とすることができる。このような材料を用いることにより、第一の高誘電率膜111および第二の高誘電率膜112の比誘電率を高くすることができるとともに、良好な耐熱性を付与することができる。そのため、MOSFETのサイズ縮小化、信頼性向上に寄与することができる。第一の高誘電率膜111および第二の高誘電率膜112は、同じ材料により構成することもできるが、異なる材料により構成することもできる。
第一の高誘電率膜111および第二の高誘電率膜112は、HfおよびSiを含む材料により構成することができる。この場合、HfとSiの合計含有量に対するHfの含有率は、20%以上とすることができる。また、第一の高誘電率膜111および第二の高誘電率膜112は、それぞれ独立して、HfSiOまたはHfAlOあるいはこれらの窒化物により構成することができる。ここで、HfAlOにおいて、HfとAlの合計含有量に対するHfの割合の下限は、20%以上とすることができる。また、第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜は、Alを含まない構成とすることもできる。
本実施の形態において、P型MOSFET120の第二の高誘電率膜112の積層方向における膜厚は、N型MOSFET118の第一の高誘電率膜111の膜厚よりも薄く形成される。以下、単に膜厚というときは、積層方向の膜厚を示す。N型MOSFET118およびP型MOSFET120を備えた半導体装置100において、N型MOSFET118におけるゲートリーク電流の増大を抑制するとともに、P型MOSFET120におけるフェルミレベルピニングの影響を低減するためには、第一の高誘電率膜111の膜厚dと第二の高誘電率膜112の膜厚dとの関係が、d/d≧1.5となるようにすることが好ましい。
N型MOSFET118の第一の高誘電率膜111の膜厚は、たとえば1.5nm以上とすることができる。これにより、N型MOSFET118においてゲートリーク電流の増大を抑制することができる。また、上限は特に制限されないが、たとえば、d/d≦3とすることができる。P型MOSFET120の第二の高誘電率膜112の膜厚は、たとえば1nm以下、より好ましくは0.5nm以下とすることができる。これにより、フェルミレベルピニングの影響を低減することができる。
第一の高誘電率膜111および第二の高誘電率膜112を構成する材料として、上述したような元素を含むものを用いた場合、P型MOSFET120において、フェルミレベルピニングの影響により、閾値電圧が上昇してしまうという課題が生じ得るが、本実施の形態における半導体装置100の構成によれば、P型MOSFET120の第二の高誘電率膜112の膜厚が薄く形成されるので、フェルミレベルピニングの影響を低減することができる。一方、N型MOSFET118の第一の高誘電率膜111の膜厚は、厚く形成されるので、ゲートリーク電流の増大を抑制することもできる。
また、とくに制限はないが、N型MOSFET118およびP型MOSFET120において、シリコン酸化膜106の積層方向における膜厚は、略等しく形成することができる。
図2および図3は、図1に示した構成の半導体装置100の製造手順の一例を示す工程断面図である。
まず、公知の技術により、シリコン基板102に、STI(Shallow Trench Isolation)による素子分離領域104を形成した後、P型不純物をイオン注入してPウェル102a、N型不純物をイオン注入してNウェル102bを、それぞれ形成する(図2(a))。素子分離領域104は、たとえばLOCOS法等の公知の他の方法で形成してもよい。
つづいて、公知の技術により、Pウェル102aおよびNウェル102bにチャネル領域をそれぞれ形成する。なお、Pウェル102aおよびNウェル102bのチャネル領域の下方に、N型不純物およびP型不純物をそれぞれイオン注入することにより、パンチスルーストッパー領域を形成することもできる。このようなパンチスルーストッパー領域を形成することにより、短チャネル効果を抑制することができる。
つづいて、シリコン基板102の表面にシリコン酸化膜106(たとえば膜厚約1nm〜2nm)を形成する(図2(b))。シリコン酸化膜106は、たとえばシリコン基板102の表面を熱酸化することにより形成することができる。熱酸化の条件としては、たとえば、処理温度900℃、処理時間40秒〜50秒程度とすることができる。
つづいて、シリコン酸化膜106上に、高誘電率膜108(たとえば膜厚約1nm)を形成する(図2(c))。高誘電率膜108は、CVD法やALD法(原子層堆積法)等により成膜することができる。本実施の形態では、高誘電率膜108としてハフニウムシリケートを採用する。この成膜は、有機ハフニウム原料ガス、酸化性ガスおよびシリコン含有ガスを用いて行う。ここで、たとえば、酸化性ガスとして酸素、シリコン含有ガスとしてモノシラン(SiH)を用いることができる。
この後、たとえばアンモニア等の窒素含有ガスを用いてアニールを行う。この条件としては、処理温度900〜1000℃、処理時間40秒等とする。アニールを行うことにより、ハフニウムシリケートの結晶化を抑制することができる。
つづいて、Pウェル102a上に、フォトレジスト110を形成する(図2(d))。フォトレジスト110は、高誘電率膜108上にレジストを塗布し、パターン形成用マスク(不図示)を用いて露光・現像することにより形成される。この状態で、たとえば希フッ酸(DHF)を用いてウェットエッチングを行う。これにより、Nウェル102b上の高誘電率膜108が選択的に除去される。つづいて、Pウェル102a上の高誘電率膜108が除去されないように、たとえばオゾン等を用いたドライ雰囲気下でフォトレジスト110を剥離する(図3(e))。
次いで、高誘電率膜108およびシリコン酸化膜106上に、第二の高誘電率膜112(たとえば膜厚約0.7nm)を形成する(図3(f))。第二の高誘電率膜112は、高誘電率膜108と同様にして形成することができる。以上の処理により、Pウェル102a上において、Nウェル102b上よりも膜厚が厚い高誘電率膜が形成される。
その後、第二の高誘電率膜112上に、多結晶シリコン膜114を成膜する(図3(g))。次いで、Pウェル102a上に成膜された多結晶シリコン膜114にはN型不純物をイオン注入し、Nウェル102b上に成膜された多結晶シリコン膜114にはP型不純物をイオン注入する。
つづいて、シリコン酸化膜106、高誘電率膜108、第二の高誘電率膜112、および多結晶シリコン膜114を選択的にドライエッチングし、ゲート電極の形状に加工する。次いで、Pウェル102a上において、シリコン酸化膜106、高誘電率膜108、第二の高誘電率膜112、および多結晶シリコン膜114の側壁に側壁絶縁膜115を形成する。また、Nウェル102b上において、シリコン酸化膜106、第二の高誘電率膜112、および多結晶シリコン膜114の側壁に側壁絶縁膜116を形成する(図3(h))。
側壁絶縁膜115および側壁絶縁膜116は、たとえば、フルオロカーボンガスなどを用いた異方性エッチングにより形成することができる。ここで、第一の高誘電率膜111は、高誘電率膜108および第二の高誘電率膜112により構成される。
つづいて、Pウェル102aおよびNウェル102b表面に、それぞれ、チャネル領域と後述する不純物拡散領域との電気的接続部であるソース/ドレインエクステンション領域を形成する。
次に、Pウェル102a上において、ゲート電極および側壁絶縁膜115をマスクとして、Pウェル102aの表層にPやAs等のN型不純物をドープして不純物拡散領域121を形成する。また、Nウェル102b上において、ゲート電極および側壁絶縁膜116をマスクとして、Nウェル102bの表層にBやAl等のP型不純物をドープして不純物拡散領域122を形成する。これにより、ソース領域およびドレイン領域が形成される。その後、非酸化雰囲気中で熱処理を行うことにより、不純物の活性化を行う。以上のプロセスにより、CMOSデバイスである半導体装置100が形成される。
本実施の形態において、フェルミレベルピニングの影響が大きいP型MOSFET120においては、第二の高誘電率膜112の膜厚を薄くすることにより、第二の高誘電率膜112から多結晶シリコン膜114に拡散する金属(本実施の形態ではHf)の量を低減することができ、多結晶シリコン膜114中の空乏層の発生を低減することができる。これにより、P型MOSFETの閾値電圧を低下させることができる。これにより、シリコン基板中に注入する不純物濃度を調整することにより、P型MOSFETの閾値電圧を所望の範囲に制御することができる。一方、N型MOSFET118において、第一の高誘電率膜111の膜厚を第二の高誘電率膜112と同様に薄くしてしまうと、ゲートリーク電流が問題となる。しかし、本実施の形態において、N型MOSFET118の第一の高誘電率膜111の膜厚は、第二の高誘電率膜112とは独立に制御され、第二の高誘電率膜112よりも厚く形成されるので、N型MOSFET118におけるゲートリーク電流を増大させることがない。このように、本実施の形態における半導体装置100によれば、N型MOSFET118におけるゲートリーク電流を増大させることなく、P型MOSFET120におけるフェルミレベルピニングを抑制することができる。また、本実施の形態における半導体装置100によれば、N型MOSFET118のゲートリーク電流を増大させることがないため、スタンバイ時の消費電力を従来と同等とすることができる。
(第二の実施の形態)
本実施の形態においても、第一の実施の形態において、図2(a)から図2(d)を参照して説明したのと同様に処理を行い、シリコン基板102上にシリコン酸化膜106および高誘電率膜108を形成し、Pウェル102a上にフォトレジスト110を形成する。この状態で、たとえば希フッ酸(DHF)を用いてウェットエッチングを行い、Nウェル102b上の高誘電率膜108およびシリコン酸化膜106を選択的に除去する(図4)。本実施の形態において、高誘電率膜108とともに、シリコン酸化膜106も除去する点で、第一の実施の形態と異なる。
つづいて、フォトレジスト110を除去した後、シリコン基板102のNウェル102bの表面を熱酸化することにより、Nウェル102b上にシリコン酸化膜(不図示)を形成する。つづいて、シリコン酸化膜106およびNウェル102b上のシリコン酸化膜上に高誘電率膜を形成する。この高誘電率膜は、高誘電率膜108と同様にして形成することができる。
Nウェル102b上に形成するシリコン酸化膜の膜厚は、シリコン酸化膜106の膜厚と略同一とすることもできるが、シリコン酸化膜106の膜厚より厚くしてもよい。
たとえば、Nウェル102b上のシリコン酸化膜の膜厚は、シリコン酸化膜106と高誘電率膜108の膜厚の合計膜厚と略等しくすることもできる。このような例を図5に示す。
本実施の形態における半導体装置100の製造方法によれば、高誘電率膜108を除去した後にNウェル102b上にシリコン酸化膜を形成するので、高誘電率膜108をエッチング除去する際に、シリコン酸化膜に欠陥を生じさせるおそれがない。そのため、高誘電率膜108を種々の条件でエッチング除去することができる。
第一の実施の形態において、図1に示した構成のP型MOSFET120を用いて、第二の高誘電率膜112の膜厚とP型MOSFET120の閾値電圧との関係を調べた。その結果を図6に示す。図示したように、第二の高誘電率膜112の膜厚が厚くなると、P型MOSFET120の閾値電圧が上昇する。第二の高誘電率膜112の膜厚が1nm以下のときに、閾値電圧が製品適用に可能なレベル(約0.5V以下)となることが示された。また、第二の高誘電率膜112の膜厚を0.5nm以下とすると、より効果的に閾値電圧の上昇を抑えることができることも判明した。シリコン酸化膜106の膜厚を異ならせたP型MOSFET120について検討したが、いずれも同様の結果を示した。
一方、ここでは図示していないが、N型MOSFET118において、第一の高誘電率膜111の膜厚が1.5nm以上のときにゲートリーク電流の影響が低減されることも示された。以上の結果から、第一の高誘電率膜111の膜厚dと第二の高誘電率膜112の膜厚dとの関係が、d/d≧1.5となる場合に、CMOSデバイスにおけるゲートリーク電流の影響とフェルミレベルピニングの影響をともに低減することができることが判明した。
以上、図面を参照して本発明の実施の形態および実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、上記の実施の形態においては、高誘電率膜として、ハフニウムシリケート膜を用いる形態について説明したが、これ以外にも、Hf、Zrなどの酸化膜、シリケート膜、酸窒化膜等を用いることもできる。また、第一の実施の形態において、図2および図3を参照して説明した処理で、高誘電率膜108と第二の高誘電率膜112とは、異なる材料により形成することもできる。また、図1に示した第一の高誘電率膜111および第二の高誘電率膜112は、それぞれ組成の異なる複数の高誘電率膜を積層した構造とすることもできる。
さらに、Hf、Zrに限らず、本発明は、多結晶シリコン膜に接して設けられた場合に、当該多結晶シリコン膜に拡散してフェルミレベルピニングを生じる原因となる元素を含むゲート絶縁膜を有するN型MOSFETおよびP型MOSFETに適用することができる。
第一の実施の形態において、図3(e)を参照して説明した処理で、フォトレジスト110を除去するとともに、図3(f)を参照して説明した処理で、Pウェル102a上にも第二の高誘電率膜112を形成する形態を示したが、フォトレジスト110を残したまま、Nウェル102b上のみに第二の高誘電率膜112を形成するようにすることもできる。この場合、高誘電率膜108の膜厚を、N型MOSFET118においてゲートリーク電流が問題とならない程度の厚さすることができる。このように、第一の高誘電率膜111および第二の高誘電率膜112は種々の方法で形成することができる。
第一の実施の形態において、図3(e)を参照して説明した処理で、Nウェル102b上の高誘電率膜108を除去する形態を説明したが、このとき、高誘電率膜108は完全に除去されなくてもよい。また、Nウェル102b上の高誘電率膜108が除去されるとともに、Nウェル102b上のシリコン酸化膜106の一部も同時に除去されてもよい。本発明において、最終的に、N型MOSFET118の第一の高誘電率膜111の膜厚とP型MOSFET120の第二の高誘電率膜112の膜厚がそれぞれ所望の値となっていればよい。
本発明の実施の形態における半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順の一例を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順の一例を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造途中の構成を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 P型MOSFETにおける高誘電率膜の膜厚と、閾値電圧との関係を示す図である。
符号の説明
100 半導体装置
102 シリコン基板
102a Pウェル
102b Nウェル
104 素子分離領域
106 シリコン酸化膜
108 高誘電率膜
111 第一の高誘電率膜
112 第二の高誘電率膜
114 多結晶シリコン膜
115 側壁絶縁膜
116 側壁絶縁膜
118 N型MOSFET
120 P型MOSFET
121 不純物拡散領域
122 不純物拡散領域

Claims (10)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成された第一のシリコン酸化膜および当該第一のシリコン酸化膜上に形成され、HfおよびZrからなる群から選択される元素を含む第一の高誘電率膜により構成された第一のゲート絶縁膜と、前記第一のゲート絶縁膜上に、前記第一の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第一のゲート電極と、を含むN型MOSFETと、
    前記N型MOSFETに並置して形成され、前記半導体基板上に形成された第二のシリコン酸化膜および当該第二のシリコン酸化膜上に形成され、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の元素を含む第二の高誘電率膜により構成された第二のゲート絶縁膜と、前記第二のゲート絶縁膜上に、前記第二の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第二のゲート電極と、を含むP型MOSFETと、
    を備え、
    前記第一のシリコン酸化膜の膜厚と前記第二のシリコン酸化膜の膜厚とは等しく、
    前記第二の高誘電率膜の膜厚は、前記第一の高誘電率膜よりも薄いことを特徴とする半導体装置。
  2. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成された第一のシリコン酸化膜および当該第一のシリコン酸化膜上に形成され、HfおよびZrからなる群から選択される元素を含む第一の高誘電率膜により構成された第一のゲート絶縁膜と、前記第一のゲート絶縁膜上に、前記第一の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第一のゲート電極と、を含むN型MOSFETと、
    前記N型MOSFETに並置して形成され、前記半導体基板上に形成された第二のシリコン酸化膜および当該第二のシリコン酸化膜上に形成され、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の元素を含む第二の高誘電率膜により構成された第二のゲート絶縁膜と、前記第二のゲート絶縁膜上に、前記第二の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第二のゲート電極と、を含むP型MOSFETと、
    を備え、
    前記第一のシリコン酸化膜の膜厚は、前記第二のシリコン酸化膜の膜厚よりも薄く、
    前記第二の高誘電率膜の膜厚は、前記第一の高誘電率膜よりも薄いことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項2に記載の半導体装置において、
    前記第一のシリコン酸化膜と前記第一の高誘電率膜との合計膜厚と、前記第二のシリコン酸化膜と前記第二の高誘電率膜との合計膜厚とが等しいことを特徴とする半導体装置。
  4. 請求項1乃至3いずれかに記載の半導体装置において、
    前記第一の高誘電率膜と前記第二の高誘電率膜とが、同じ材料により構成された半導体装置。
  5. 請求項1乃至4いずれかに記載の半導体装置において、
    前記N型MOSFETの前記第一のゲート電極において、前記多結晶シリコン膜はN型不純物を含み、
    前記P型MOSFETの前記第二のゲート電極において、前記多結晶シリコン膜はP型不純物を含むことを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項1乃至5いずれかに記載の半導体装置において、
    前記第一の高誘電率膜の膜厚dと前記第二の高誘電率膜の膜厚dとの関係は、d/d≧1.5であることを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項1乃至6いずれかに記載の半導体装置において、
    前記第一の高誘電率膜および前記第二の高誘電率膜は、HfおよびSiを含むことを特徴とする半導体装置。
  8. 請求項7に記載の半導体装置において、
    前記第一の高誘電率膜および前記第二の高誘電率膜において、HfとSiの合計含有量に対するHfの含有率は、20%以上であることを特徴とする半導体装置。
  9. 請求項1乃至8いずれかに記載の半導体装置において、
    前記第一の高誘電率膜および前記第二の高誘電率膜は、それぞれ独立して、HfSiOまたはHfAlO、あるいはこれらの窒化物により構成されたことを特徴とする半導体装置。
  10. 請求項1乃至9いずれかに記載の半導体装置において、
    前記N型MOSFETおよび前記P型MOSFETは、LSIの内部回路を構成することを特徴とする半導体装置。
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