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JP2003204058A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof

Info

Publication number
JP2003204058A
JP2003204058A JP2002003091A JP2002003091A JP2003204058A JP 2003204058 A JP2003204058 A JP 2003204058A JP 2002003091 A JP2002003091 A JP 2002003091A JP 2002003091 A JP2002003091 A JP 2002003091A JP 2003204058 A JP2003204058 A JP 2003204058A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
oxide film
high dielectric
film
dielectric constant
metal oxide
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002003091A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kazuhiko Yamamoto
和彦 山本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP2002003091A priority Critical patent/JP2003204058A/en
Publication of JP2003204058A publication Critical patent/JP2003204058A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属酸化膜をゲート絶縁膜に、ドープドポリ
シリコンもしくはドープドポリシリコンゲルマニウムを
ゲート電極に備えた半導体装置において、容量値の低下
とリーク電流の増加を抑制し、電極からのドーパントの
染み出しを防止する。 【解決手段】 ハフニウム酸化膜105を堆積した後
で、タンタル金属106を堆積した後、ドープドシリコ
ン108を堆積させ、活性化熱処理を行う。この結果、
シリコン基板とハフニウム酸化膜105との界面にはタ
ンタルシリサイドとタンタル酸化膜の複合膜110が形
成されるので、誘電率を低下させるシリコン酸化膜の形
成を抑制できる。この複合膜により、ポリシリコンの結
晶グレインはゲート絶縁膜に貫通しないのでリーク電流
が増加せず、ドーパントの拡散もない。
PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress a decrease in capacitance value and an increase in leak current in a semiconductor device having a metal oxide film as a gate insulating film and doped polysilicon or doped polysilicon germanium as a gate electrode. Further, it prevents the exudation of the dopant from the electrode. SOLUTION: After depositing a hafnium oxide film 105, depositing tantalum metal 106, depositing doped silicon 108, and performing activation heat treatment. As a result,
Since the composite film 110 of tantalum silicide and tantalum oxide film is formed at the interface between the silicon substrate and the hafnium oxide film 105, the formation of the silicon oxide film that lowers the dielectric constant can be suppressed. With this composite film, the crystal grains of polysilicon do not penetrate the gate insulating film, so that the leakage current does not increase and there is no diffusion of the dopant.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置及びその
製造方法に係り、さらに詳しくは高誘電体ゲート絶縁膜
を有するMOSFET、MOSキャパシタの製造方法に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a method of manufacturing a MOSFET and a MOS capacitor having a high dielectric gate insulating film.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、ロジック・デバイスの特性に対し
て、高速動作と低消費電力動作の両立が要求されてい
る。高速動作を実現するためには、MOSFETのゲー
ト容量を増大させて、駆動電流を増加させる必要があ
る。従来のシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜を材料と
するゲート酸化膜構造では、ゲート容量を増加させるた
めに絶縁膜膜厚を1.5nm以下に薄膜化すると、キャ
パシタに流れるリーク電流が増加してしまうので、高速
動作は実現できても低消費電力化は難しく、さらには電
荷を蓄積するというキャパシタ本来の動作も困難にな
る。
2. Description of the Related Art In recent years, both high speed operation and low power consumption operation have been required for the characteristics of logic devices. In order to realize high speed operation, it is necessary to increase the gate capacitance of the MOSFET and increase the drive current. In the conventional gate oxide film structure using a silicon oxide film or a silicon oxynitride film, if the thickness of the insulating film is reduced to 1.5 nm or less in order to increase the gate capacitance, the leak current flowing through the capacitor increases. Therefore, even if high-speed operation can be realized, it is difficult to reduce power consumption, and further, the original operation of the capacitor for accumulating charges becomes difficult.

【0003】このため、MOSFETのゲート絶縁膜の
材料として、シリコン酸化膜(比誘電率:3.9)より
も比誘電率が高いことで材料である、高誘電率金属酸化
膜、例えば、アルミニウム酸化膜(同:9)、ジルコニ
ウム酸化膜(同:20)、ハフニウム酸化膜(同:2
0)、タンタル酸化膜(同:25)、チタン酸化膜
(同:40)などを適用する試みがなされている(例え
ば、Journal of Applied Physics vol. 89 5243(2001)
を参照)。これら金属酸化膜の比誘電率はシリコン酸化
膜に比べて大きいために電荷蓄積量が大きい。このた
め、同じ容量値であっても実際の物理的な膜厚を厚く設
定できるので、キャパシタのリーク電流の増加を抑制す
ることができる。
Therefore, as a material of the gate insulating film of the MOSFET, a high dielectric constant metal oxide film, for example, aluminum, which has a higher relative dielectric constant than a silicon oxide film (relative dielectric constant: 3.9) is used. Oxide film (same: 9), zirconium oxide film (same: 20), hafnium oxide film (same: 2)
0), tantalum oxide film (25: the same), titanium oxide film (40: the same), etc. have been attempted (for example, Journal of Applied Physics vol. 89 5243 (2001).
See). Since the relative permittivity of these metal oxide films is larger than that of the silicon oxide film, the charge storage amount is large. For this reason, even if the capacitance value is the same, the actual physical film thickness can be set to be thick, and an increase in the leak current of the capacitor can be suppressed.

【0004】一方、MOSFETのゲート電極材料に
は、古くは抵抗率の低いアルミニウムが用いられてき
た。しかし、アルミニウムは固有の仕事関数を有してい
るため、p型MOSFETと、n型MOSFETとの双
方に対して、個別に閾値電圧を設定することができなか
った。このため、トランジスタのチャネル構造が埋め込
みタイプとなりキャリア移動度を上げることが困難であ
った。そこで、現在はアルミニウムに代わって不純物を
ドープしたシリコン(ドープドシリコン)がゲート電極
材料として用いられている。なお、ドーパント材料(シ
リコンゲート電極にドーピングする不純物)としては、
n型MOSFETのゲート電極にはリン(P)、p型M
OSFETのゲート電極にはボロン(B)などが使用さ
れ、ドーパント材料を選択することでドープドシリコン
電極の仕事関数が制御でき、p型、n型のそれぞれに対
して閾値を変えることができる。
On the other hand, aluminum having a low resistivity has been used for a long time as a gate electrode material of MOSFET. However, since aluminum has a unique work function, the threshold voltage cannot be set individually for both the p-type MOSFET and the n-type MOSFET. Therefore, the channel structure of the transistor becomes a buried type, and it is difficult to increase the carrier mobility. Therefore, at present, silicon doped with impurities (doped silicon) is used as the gate electrode material instead of aluminum. As the dopant material (impurity for doping the silicon gate electrode),
The gate electrode of the n-type MOSFET is phosphorus (P), p-type M
Boron (B) or the like is used for the gate electrode of the OSFET, the work function of the doped silicon electrode can be controlled by selecting the dopant material, and the threshold value can be changed for each of p-type and n-type.

【0005】したがって、従来のMOSFET構造は、
ゲート絶縁膜にシリコン酸化膜、ゲート電極にドープド
シリコンという組み合わせが用いられる。
Therefore, the conventional MOSFET structure is
A combination of a silicon oxide film for the gate insulating film and doped silicon for the gate electrode is used.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電極材
料にドープドシリコンを用いつつ、単に、ゲート絶縁膜
材料をシリコン酸化膜から高誘電率金属酸化膜に置き換
えると、高誘電率金属酸化膜中の酸素原子とドープドシ
リコン膜中のシリコン原子とが相互に拡散して、界面に
シリコン酸化膜が形成されてしまう。界面にシリコン酸
化膜が形成されると、シリコン酸化膜の比誘電率は、高
誘電率金属酸化膜の比誘電率と比べて低いために、トー
タルの容量値が著しく低下してしまうため、高融点体金
属酸化膜を用いる利点が損なわれることになる。
However, when the gate insulating film material is simply replaced with a high dielectric constant metal oxide film while using doped silicon as the electrode material, the high dielectric constant metal oxide film contains Oxygen atoms and silicon atoms in the doped silicon film diffuse with each other to form a silicon oxide film at the interface. When the silicon oxide film is formed at the interface, the relative permittivity of the silicon oxide film is lower than that of the high-dielectric-constant metal oxide film, so that the total capacitance value is significantly reduced. The advantage of using the melting point metal oxide film is lost.

【0007】本発明が解決しようとする課題は、高誘電
率金属酸化膜中の酸素原子と、ドープトシリコン膜中の
シリコン原子との相互拡散を抑えることであり、高速動
作と低消費電力動作の両立する半導体装置とその製造方
法を提供することを目的とする。
The problem to be solved by the present invention is to suppress the mutual diffusion of oxygen atoms in the high dielectric constant metal oxide film and silicon atoms in the doped silicon film, which results in high speed operation and low power consumption operation. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device and a manufacturing method thereof that are compatible with each other.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
は、基板上に第1の金属酸化膜と、第2の金属酸化膜
と、前記第2の金属酸化膜に含まれる金属のシリサイド
と、シリコンを含む電極(ドープドシリコン電極)とが
直接接する積層構造を備えている。
A semiconductor device according to the present invention includes a first metal oxide film, a second metal oxide film, and a metal silicide contained in the second metal oxide film on a substrate. , A laminated structure in which an electrode containing silicon (doped silicon electrode) is in direct contact.

【0009】より具体的には、高誘電率金属酸化膜をゲ
ート絶縁膜とするMOSFETにおいて、ゲート絶縁膜
とドープドシリコン、ドープドシリコンゲルマニウム電
極の界面に金属を挟んだことを特徴とする。
More specifically, a MOSFET having a high dielectric constant metal oxide film as a gate insulating film is characterized in that a metal is sandwiched at the interface between the gate insulating film and the doped silicon or doped silicon germanium electrode.

【0010】本発明に係る半導体装置によると、前記第
2の金属酸化膜に含まれる金属のシリサイドが第1の金
属酸化膜とシリコンを含む電極との間でシリコン原子が
拡散することを防止するためシリコン酸化膜の形成は抑
制される。また、第1の金属酸化膜と、シリサイドの界
面に形成される第2の金属酸化膜はシリコン酸化膜より
も比誘電率が高いため、第2の金属酸化膜が形成されて
も容量値が低下することはない。
According to the semiconductor device of the present invention, the metal silicide contained in the second metal oxide film is prevented from diffusing silicon atoms between the first metal oxide film and the electrode containing silicon. Therefore, the formation of the silicon oxide film is suppressed. Further, since the second metal oxide film formed at the interface between the first metal oxide film and the silicide has a higher relative dielectric constant than the silicon oxide film, the capacitance value is high even if the second metal oxide film is formed. It never drops.

【0011】また、活性化熱処理時にドープドシリコン
電極のグレインが形成されても、第2の金属酸化膜に含
まれる金属のシリサイドが存在するため、シリコンを含
む電極と第1の金属酸化膜との間にグレインバウンダリ
ーは貫通しないので、高誘電率金属酸化膜ゲート絶縁膜
には貫通したグレインが導入されることはない。さらに
高誘電率金属酸化膜ゲート絶縁膜には貫通グレインバウ
ンダリーが形成されることはなく、さらにゲート絶縁膜
上に金属あるいは高誘電率金属酸化膜、金属シリサイド
が存在するため、ドープドシリコン電極中のドーパント
がゲート絶縁膜に拡散されることはなく、MOSFET
の閾値が変動しない。
Further, even if the grains of the doped silicon electrode are formed during the activation heat treatment, since the metal silicide contained in the second metal oxide film exists, the electrode containing silicon and the first metal oxide film are Since the grain boundary does not penetrate during this period, the penetrated grains are not introduced into the high dielectric constant metal oxide film gate insulating film. Further, a high-dielectric-constant metal oxide film does not form a through-grain boundary in the gate insulating film, and a metal, high-dielectric-constant metal oxide film, or metal silicide exists on the gate insulating film. The dopant inside does not diffuse into the gate insulating film,
The threshold of does not change.

【0012】本発明に係る半導体装置の製造方法は、高
誘電体膜が形成可能な金属が挟まれた構造を有し、高誘
電率金属酸化膜ゲート絶縁膜を形成する工程と、前記高
誘電率金属酸化膜ゲート絶縁膜上に高誘電体膜が形成可
能な金属を堆積する工程と、前記金属上にドープドシリ
コン電極を堆積する工程と、前記ドープドシリコン電極
を熱処理して電気的に活性化する工程とを含むことを特
徴とする。
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention has a structure in which a metal capable of forming a high dielectric film is sandwiched, and a step of forming a high dielectric constant metal oxide film gate insulating film; Rate metal oxide film a step of depositing a metal capable of forming a high dielectric film on the gate insulating film, a step of depositing a doped silicon electrode on the metal, and a heat treatment of the doped silicon electrode to electrically And a step of activating.

【0013】本発明によれば、高誘電率金属酸化膜ゲー
ト絶縁膜とドープドシリコン電極の間に、高誘電体膜を
形成可能な金属が挟まっているために、高誘電率金属酸
化膜の酸素とドープドシリコン膜のシリコンが相互拡散
しても、金属の存在により、酸素は金属と反応して金属
酸化膜を形成し、シリコンは金属と反応してシリサイド
を形成する。したがって、シリコン酸化膜の形成は抑制
され、容量値の低下を防止することができる。
According to the present invention, since the metal capable of forming the high dielectric constant film is sandwiched between the high dielectric constant metal oxide film gate insulating film and the doped silicon electrode, the high dielectric constant metal oxide film is formed. Even when oxygen and silicon of the doped silicon film interdiffuse, due to the presence of the metal, oxygen reacts with the metal to form a metal oxide film, and silicon reacts with the metal to form a silicide. Therefore, the formation of the silicon oxide film is suppressed, and the capacitance value can be prevented from decreasing.

【0014】また活性化熱処理時にドープドシリコン電
極のグレインが形成されても、界面の金属の存在により
グレインバウンダリーは貫通しないので、高誘電率金属
酸化膜ゲート絶縁膜には貫通したグレインが導入される
ことはない。さらに高誘電率金属酸化膜ゲート絶縁膜に
は貫通グレインバウンダリーが形成されることはなく、
さらにゲート絶縁膜上に金属あるいは高誘電率金属酸化
膜、金属シリサイドが存在するため、ドープドシリコン
電極中のドーパントがゲート絶縁膜に拡散されることは
なく、MOSFETの閾値が変動しない。
Further, even if the grain of the doped silicon electrode is formed during the activation heat treatment, the grain boundary does not penetrate due to the presence of the metal at the interface, so the penetrated grain is introduced into the high dielectric constant metal oxide film gate insulating film. It will not be done. Further, a through-grain boundary is not formed in the high dielectric constant metal oxide film gate insulating film,
Further, since the metal, the high dielectric constant metal oxide film, and the metal silicide are present on the gate insulating film, the dopant in the doped silicon electrode is not diffused into the gate insulating film and the threshold value of the MOSFET does not change.

【0015】本発明に係る半導体装置の製造方法は、高
誘電率金属酸化膜ゲート酸化膜と、ドープドシリコン電
極の間に、高誘電体膜が形成可能な金属が挟まれた構造
を有し、高誘電率金属酸化膜ゲート絶縁膜を形成する工
程と、前記高誘電率金属酸化膜ゲート絶縁膜上に高誘電
体膜が形成可能な金属を堆積する工程と、前記金属上に
ドープドシリコン電極を堆積する工程と、前記ドープド
シリコン電極を熱処理して電気的に活性化する工程とを
含むことを特徴とする。
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention has a structure in which a metal capable of forming a high dielectric constant film is sandwiched between a high dielectric constant metal oxide film gate oxide film and a doped silicon electrode. Forming a high dielectric constant metal oxide gate insulating film, depositing a metal capable of forming a high dielectric constant film on the high dielectric constant metal oxide gate insulating film, and doping silicon on the metal It is characterized by including a step of depositing an electrode and a step of heat-treating the doped silicon electrode to electrically activate it.

【0016】本発明に係る半導体装置の製造方法は、半
導体基板をエッチングして洗浄する工程と、前記半導体
基板を窒化してシリコン窒化膜を形成する工程と、前記
高誘電体金属上に高誘電率金属酸化膜を堆積する工程
と、前記高誘電率金属酸化膜を酸素を含まないガス中で
熱処理する工程と、前記高誘電率金属酸化膜上に高誘電
体金属を堆積する工程と、前記高誘電体金属上にドープ
ドシリコンを堆積する工程と、前記ドープドシリコンを
活性化熱処理してドープドポリシリコンを形成する工程
とを備えている。また、本発明に係る他の半導体装置の
製造方法は、半導体基板をエッチングして洗浄する工程
と、前記半導体基板を窒化してシリコン窒化膜を形成す
る工程と、前記高誘電体金属上に高誘電率金属酸化膜を
堆積する工程と、前記高誘電率金属酸化膜を酸素を含ま
ないガス中で熱処理する工程と、前記高誘電率金属酸化
膜上に高誘電体金属を堆積する工程と、前記高誘電体金
属上にドープドシリコンゲルマニウムを堆積する工程
と、前記ドープドシリコンゲルマニウムを活性化熱処理
してドープドポリシリコンゲルマニウムを形成する工程
とを備えている。
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention comprises a step of etching and cleaning a semiconductor substrate, a step of nitriding the semiconductor substrate to form a silicon nitride film, and a high dielectric constant on the high dielectric metal. A step of depositing a high-k metal oxide film, a step of heat-treating the high-k metal oxide film in a gas containing no oxygen, a step of depositing a high-dielectric metal film on the high-k metal oxide film, The method comprises the steps of depositing doped silicon on the high-dielectric metal and activating heat treatment of the doped silicon to form doped polysilicon. Another method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a step of etching and cleaning a semiconductor substrate, a step of nitriding the semiconductor substrate to form a silicon nitride film, and a step of forming a silicon nitride film on the high dielectric metal. Depositing a dielectric constant metal oxide film, heat treating the high dielectric constant metal oxide film in a gas containing no oxygen, depositing a high dielectric metal on the high dielectric constant metal oxide film, The method comprises the steps of depositing doped silicon germanium on the high dielectric metal and activating heat treatment of the doped silicon germanium to form doped polysilicon germanium.

【0017】これらの場合における半導体基板の窒化
は、アンモニア雰囲気中での熱処理、もしくはアンモニ
アプラズマ雰囲気中での熱処理により形成することを特
徴とする。
The nitriding of the semiconductor substrate in these cases is characterized by being formed by heat treatment in an ammonia atmosphere or heat treatment in an ammonia plasma atmosphere.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】(実施形態)以下、本発明の実施
の形態を、図面を参照しながら説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (Embodiment) An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0019】まず、図1(a)に示すように、シリコン
基板101をSTI(Shallow Trenchi
Isolation)などの公知の素子分離方法によ
って素子分離絶縁膜102を形成し、活性領域と非活性
領域に分離する。素子分離絶縁膜102形成後の活性領
域表面には、自然酸化膜103が形成されている。
First, as shown in FIG. 1A, a silicon substrate 101 is mounted on an STI (Shallow Trench).
Element isolation insulating film 102 is formed by a known element isolation method such as isolation, and is separated into an active region and an inactive region. A natural oxide film 103 is formed on the surface of the active region after the element isolation insulating film 102 is formed.

【0020】次に、図1(b)に示すように、自然酸化
膜103を希釈フッ酸(HF:H2O=1:200)で
エッチング除去した後、純水を用いて水洗し、窒素ブロ
ーにより乾燥させることにより、活性領域を露出させ
る。乾燥方法は純水をイソプロピルアルコールで置換し
た後、減圧雰囲気で乾燥させてもよい。
Next, as shown in FIG. 1B, the natural oxide film 103 is removed by etching with diluted hydrofluoric acid (HF: H2O = 1: 200), followed by washing with pure water and nitrogen blowing. The active area is exposed by drying. As a drying method, pure water may be replaced with isopropyl alcohol and then dried in a reduced pressure atmosphere.

【0021】次に、図1(c)に示すように、アンモニ
ア雰囲気中で急速熱処理を行い、シリコン基板101の
表面を窒化させ、シリコン窒化膜104を形成する。シ
リコン窒化膜104の膜厚は1nm程度以下である。急
速熱処理の条件は、例えば、温度600℃、時間30
秒、圧力は1X105Pa以下である。本実施例では急
速熱処理で行っているが、炉を用いても構わない。な
お、圧力を1X105Pa以下の減圧雰囲気とするの
は、熱処理時の酸素混入によるシリコン窒化膜への酸素
の混入を防止するためで、もし、酸素が混入すればシリ
コン窒化膜の比誘電率が著しく低下してキャパシタトー
タルの容量値が低下してしまうからである。
Next, as shown in FIG. 1C, rapid thermal processing is performed in an ammonia atmosphere to nitride the surface of the silicon substrate 101 and form a silicon nitride film 104. The film thickness of the silicon nitride film 104 is about 1 nm or less. The conditions of the rapid thermal treatment are, for example, a temperature of 600 ° C. and a time of 30
Second, the pressure is 1 × 10 5 Pa or less. Although rapid thermal processing is performed in this embodiment, a furnace may be used. The reason why the pressure is reduced to 1 × 10 5 Pa or less is to prevent oxygen from being mixed into the silicon nitride film due to mixing of oxygen during the heat treatment. If oxygen is mixed, the relative dielectric constant of the silicon nitride film is reduced. Is significantly reduced and the total capacitance value of the capacitors is reduced.

【0022】このシリコン窒化膜104の役割は、シリ
コン基板101とシリコン基板101上に堆積する膜と
の反応を抑制するためで、界面におけるハフニウムシリ
サイドやシリコン酸化膜の形成を抑制するものである。
The role of the silicon nitride film 104 is to suppress the reaction between the silicon substrate 101 and the film deposited on the silicon substrate 101, and to suppress the formation of hafnium silicide or silicon oxide film at the interface.

【0023】次に、図1(d)に示すように、化学気相
成長法(CVD法)によりハフニウム酸化膜105を堆
積する。膜厚は3nm以上10nm以下である。ハフニ
ウム酸化膜105の堆積条件は、堆積温度400℃、圧
力30Pa、原料ガスはテトラジエチルアミノハフニウ
ムと酸素(酸化ガス)との混合ガスである。これに、キ
ャリアガスとして窒素を用いて、ハフニウム酸化膜10
5を堆積する。テトラジエチルアミノハフニウム流量は
0.1ml/min(標準状態)、キャリア窒素流量は
500ml/min(標準状態)、酸素流量は500m
l/min(標準状態)とする。
Next, as shown in FIG. 1D, a hafnium oxide film 105 is deposited by a chemical vapor deposition method (CVD method). The film thickness is 3 nm or more and 10 nm or less. The deposition conditions for the hafnium oxide film 105 are a deposition temperature of 400 ° C., a pressure of 30 Pa, and the source gas is a mixed gas of tetradiethylaminohafnium and oxygen (oxidizing gas). By using nitrogen as a carrier gas, the hafnium oxide film 10 is formed.
5 is deposited. Tetradiethylamino hafnium flow rate is 0.1 ml / min (standard state), carrier nitrogen flow rate is 500 ml / min (standard state), oxygen flow rate is 500 m.
1 / min (standard state).

【0024】なおハフニウム酸化膜の堆積方法は、CV
D法に限られず、スパッタ法、電子ビーム蒸着法、分子
線エピタキシー法などでも構わない。スパッタ法でハフ
ニウム酸化膜105を堆積する場合の実現可能なスパッ
タ条件の例は、スパッタターゲットとして金属ハフニウ
ムを使用し、チャンバー圧力0.4kPa、スパッタ電
力100W、アルゴン流量20ml/min(標準状
態)程度で行えばよい。
The hafnium oxide film is deposited by CV
The method is not limited to the D method, and a sputtering method, an electron beam evaporation method, a molecular beam epitaxy method, or the like may be used. An example of the sputtering conditions that can be realized when depositing the hafnium oxide film 105 by the sputtering method is that metal hafnium is used as the sputtering target, the chamber pressure is 0.4 kPa, the sputtering power is 100 W, and the argon flow rate is about 20 ml / min (standard state). You can go in.

【0025】次に、ハフニウム酸化膜105を窒素雰囲
気中で急速熱処理を行い、CVD堆積したハフニウム酸
化膜105中に含まれる水分などの不純物を加熱除去す
る。熱処理の条件は温度400℃以上、時間30秒以上
とする。不純物の脱離温度が400℃以上であるため、
熱処理は400℃以上の温度が必要である。本実施形態
では急速熱処理で行っているが、炉を用いても構わな
い。
Next, the hafnium oxide film 105 is subjected to rapid thermal processing in a nitrogen atmosphere to remove impurities such as water contained in the CVD-deposited hafnium oxide film 105 by heating. The heat treatment conditions are a temperature of 400 ° C. or higher and a time of 30 seconds or longer. Since the desorption temperature of impurities is 400 ° C or higher,
The heat treatment requires a temperature of 400 ° C. or higher. In this embodiment, rapid thermal processing is used, but a furnace may be used.

【0026】次に、図2(e)に示すように、スパッタ
法によりタンタル106を堆積する。タンタル106の
膜厚は1nm以下でよい。
Next, as shown in FIG. 2E, tantalum 106 is deposited by the sputtering method. The film thickness of the tantalum 106 may be 1 nm or less.

【0027】タンタル106の堆積条件は、スパッタタ
ーゲットとして、金属タンタルを使用し、チャンバー圧
力は0.4kPa以上、スパッタ電力50W以下、アル
ゴン流量20ml/min(標準状態)で行う。
The deposition condition of tantalum 106 is that metal tantalum is used as the sputtering target, the chamber pressure is 0.4 kPa or more, the sputtering power is 50 W or less, and the argon flow rate is 20 ml / min (standard state).

【0028】なお、チャンバー圧力が0.4kPa以
上、スパッタ電力が50W以下である理由は、スパッタ
リング時発生する高誘電率金属酸化膜へのプラズマダメ
ージを低減するためである。
The reason why the chamber pressure is 0.4 kPa or more and the sputtering power is 50 W or less is to reduce plasma damage to the high dielectric constant metal oxide film generated during sputtering.

【0029】次に、図2(f)に示すように、CVD法
によりノンドープシリコン107を堆積する。膜厚は2
00nm程度である。ノンドープシリコン107の堆積
条件は、堆積温度620℃、原料ガスとしてシランガス
を用いる。なお堆積温度は600℃以上が好ましい。そ
の理由はノンドープシリコン107の構造がアモルファ
ス相である場合、活性化熱処理時に大きなグレインを形
成してしまい、貫通グレインバウンダリーがゲート絶縁
膜に導入されてしまうためである。したがってノンドー
プシリコン107堆積時には、完全なアモルファス相で
なく微結晶を含む結晶相が好ましく、600℃以上の堆
積温度であれば、形成できる。
Next, as shown in FIG. 2F, non-doped silicon 107 is deposited by the CVD method. Film thickness is 2
It is about 00 nm. The deposition conditions for the non-doped silicon 107 are a deposition temperature of 620 ° C. and silane gas as a source gas. The deposition temperature is preferably 600 ° C. or higher. The reason is that when the structure of the non-doped silicon 107 is in the amorphous phase, large grains are formed during the activation heat treatment, and the penetrating grain boundary is introduced into the gate insulating film. Therefore, when the non-doped silicon 107 is deposited, a crystalline phase containing microcrystals is preferable rather than a completely amorphous phase, and can be formed at a deposition temperature of 600 ° C. or higher.

【0030】次に、図2(g)に示すように、ノンドー
プシリコン107にリンもしくはボロンをイオン注入し
てドープドシリコン108を形成する。イオン注入の条
件は、リン注入の場合、一価のリンを10keV、ドーズ
量8X1015cm-2を注入し、ボロン注入の場合、一価
のボロンを5keVでドーズ量5X1015cm-2程度導入
する。
Next, as shown in FIG. 2G, phosphorus or boron is ion-implanted into the non-doped silicon 107 to form the doped silicon 108. The ion implantation conditions are as follows: monovalent phosphorus at a dose of 10 keV and a dose of 8 × 10 15 cm -2 , and boron implantation at 5 keV and a dose of 5 × 10 15 cm -2. To do.

【0031】次に、図3(h)に示すように、ドープド
シリコン108のドーパントを活性化するため急速熱酸
化処理を行い、活性化されたドープドポリシリコン10
8a形成する。熱処理の条件は、窒素雰囲気中で900
℃、30秒とする。なお、急速熱処理を使用したが、炉
を用いて行っても構わない。炉を用いる場合の熱処理条
件は、750℃、30分程度とする。このとき同時にハ
フニウム酸化膜105とドープドポリシリコン108a
の界面のタンタル金属106はタンタルシリサイドとタ
ンタル酸化膜の複合膜110に変わる。複合膜は基板側
に近いほどタンタルシリサイドが多く、ハフニウム酸化
膜に近いほどタンタル酸化膜の組成に近づく。
Next, as shown in FIG. 3H, a rapid thermal oxidation process is performed to activate the dopant of the doped silicon 108, and the activated doped polysilicon 10 is activated.
8a is formed. The heat treatment condition is 900 in a nitrogen atmosphere.
C, 30 seconds. Although the rapid thermal processing is used, a furnace may be used. When the furnace is used, the heat treatment conditions are 750 ° C. and about 30 minutes. At this time, the hafnium oxide film 105 and the doped polysilicon 108a are simultaneously formed.
The tantalum metal 106 at the interface of is transformed into a composite film 110 of tantalum silicide and tantalum oxide film. The composite film has more tantalum silicide as it is closer to the substrate side, and the composition is closer to that of the tantalum oxide film as it is closer to the hafnium oxide film.

【0032】このように、本発明では、ドープトシリコ
ン電極と高誘電率金属酸化膜とが直接接する従来の構造
は好ましくないため、高誘電率金属酸化膜中の酸素原子
と、ドープトシリコン膜中のシリコン原子との相互拡散
を防止するために、タンタルなどの金属を挟み込むので
ある。タンタル金属はタンタルシリサイドとタンタル酸
化膜の複合膜110に変化することによってドープドポ
リシリコン108aで発生したグレインバウンダリーは
ハフニウム酸化膜105に導入されることはなく、した
がってボロンやリンが拡散することもない。
As described above, according to the present invention, the conventional structure in which the doped silicon electrode and the high-dielectric-constant metal oxide film are in direct contact with each other is not preferable. Therefore, the oxygen atoms in the high-dielectric-constant metal oxide film and the doped silicon film are Metals such as tantalum are sandwiched in order to prevent mutual diffusion with the silicon atoms inside. The grain boundary generated in the doped polysilicon 108a due to the change of the tantalum metal into the composite film 110 of tantalum silicide and tantalum oxide film is not introduced into the hafnium oxide film 105, and therefore boron and phosphorus diffuse. Nor.

【0033】次に、図3(i)に示すように、公知の方法
を用いてゲート電極領域にレジスト膜を形成した後、ド
ライエッチング工程によってエッチングし、ゲートキャ
パシタ構造を形成する。
Next, as shown in FIG. 3I, a resist film is formed in the gate electrode region by a known method, and then a dry etching process is performed to form a gate capacitor structure.

【0034】最後に、図3(j)に示すように、低濃度不
純物拡散層を形成し、サイドウオール111を形成し、
ソース/ドレインとなる高濃度不純物拡散層(不図示)
を形成するなど通常のMIS型トランジスタの製造プロ
セスに従って、ゲート電極に高誘電率ゲート絶縁膜を有
するMIS型トランジスタが完成する。
Finally, as shown in FIG. 3 (j), a low-concentration impurity diffusion layer is formed, a sidewall 111 is formed,
High-concentration impurity diffusion layer to be source / drain (not shown)
A MIS type transistor having a high dielectric constant gate insulating film as a gate electrode is completed according to a normal manufacturing process of a MIS type transistor such as forming a.

【0035】このようにして、シリコン基板101、ゲ
ート絶縁膜としてハフニウム酸化膜105、上部電極と
して活性化されたドープドポリシリコン108a、ゲー
ト絶縁膜とゲート電極の界面にタンタルシリサイドとタ
ンタル酸化膜の複合膜110とを備えたゲートキャパシ
タが構成される。なお実施例では、ゲート絶縁膜として
ハフニウム酸化膜を挙げたが、ジルコニウム酸化膜、タ
ンタル酸化膜、チタン酸化膜でも構わない。金属材料と
してタンタルを挙げたが、ハフニウム、ジルコニウム、
チタン、アルミニウムでも構わない。
Thus, the silicon substrate 101, the hafnium oxide film 105 as the gate insulating film, the activated polysilicon 108a as the upper electrode, the tantalum silicide and the tantalum oxide film at the interface between the gate insulating film and the gate electrode. A gate capacitor including the composite film 110 is configured. Although the hafnium oxide film is used as the gate insulating film in the embodiment, it may be a zirconium oxide film, a tantalum oxide film, or a titanium oxide film. Although tantalum was mentioned as the metal material, hafnium, zirconium,
Titanium or aluminum may be used.

【0036】ドープドシリコン膜は膜中のドーパントを
電気的に活性化させるために、900℃以上の活性化熱
処理が必要である。一般に堆積直後のドープドシリコン
膜はアモルファス相、もしくは微結晶相から成るが、高
温の活性化熱処理時により大きなグレインを有する多結
晶ポリシリコンに変わる。このときドープドシリコン膜
中に形成された結晶グレインが、下地の金属酸化膜に貫
通して、高誘電率金属酸化膜中に連なるグレインバウン
ダリーを形成する。絶縁膜に形成されたグレインバウン
ダリーは電流のリークパスとして作用するため、リーク
電流が増大し、キャパシタ動作ができなくなるが、本発
明によると、ドープドシリコンの活性化熱処理をおこな
っても界面に金属層を設けたことにより、リーク電流の
増大を抑制できる。
The doped silicon film requires activation heat treatment at 900 ° C. or higher in order to electrically activate the dopant in the film. Generally, the doped silicon film immediately after deposition is composed of an amorphous phase or a microcrystalline phase, but it is changed to polycrystalline polysilicon having large grains by high temperature activation heat treatment. At this time, the crystal grains formed in the doped silicon film penetrate the underlying metal oxide film to form a grain boundary which is continuous in the high dielectric constant metal oxide film. Since the grain boundary formed in the insulating film acts as a current leakage path, the leakage current increases and the capacitor cannot operate.However, according to the present invention, even if the heat treatment for activating the doped silicon is performed, the metal remains on the interface. By providing the layer, an increase in leak current can be suppressed.

【0037】また、ドープドシリコン膜のドーパントは
n型不純物にリン、p型不純物にボロンをドーピングす
る。リンに比べてボロンは原子半径が小さく非常に膜中
を拡散しやすい特徴がある。一般に、シリコン酸化膜に
比べて金属酸化膜ゲート絶縁膜では膜厚が厚く設定され
てはいるが、金属酸化膜中にグレインバウンダリーが貫
通していると、グレインを介したボロンの拡散が顕著に
なり、シリコン基板に達したボロンがMOSFETの閾
値を変動させてしまうが、金属酸化膜中にグレインバウ
ンダリーが貫通していないため、グレインを介したボロ
ンの拡散を抑制できる点で、極めて効果が大きい。
As the dopant of the doped silicon film, the n-type impurity is doped with phosphorus and the p-type impurity is doped with boron. Boron has a smaller atomic radius than phosphorus, and is very easy to diffuse in the film. Generally, the thickness of the metal oxide film gate insulating film is set to be thicker than that of the silicon oxide film, but if the grain boundary penetrates in the metal oxide film, the diffusion of boron through the grains is remarkable. Therefore, the boron reaching the silicon substrate fluctuates the threshold value of the MOSFET, but since the grain boundary does not penetrate into the metal oxide film, it is extremely effective in suppressing the diffusion of boron through the grain. Is big.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の半導体装置はハフニウム酸化膜上にタンタル金属を堆
積した後、ドープドシリコン電極を形成するので、ドー
プドシリコン膜の活性化において熱処理を行っても、ハ
フニウム酸化膜とドープドシリコン膜が反応してシリコ
ン酸化膜が形成されることはなく、誘電率が低下するこ
とはない。ドープドシリコン膜は結晶化してドープドポ
リシリコン膜になってもグレインバウンダリーがハフニ
ウム酸化膜に貫通することはなく、リーク電流が増加す
ることもない。さらにはグレインバウンダリーが貫通し
ないのでボロンが拡散してシリコン基板に到達し、MO
SFETの閾値を変動させることもない。
As is apparent from the above description, in the semiconductor device of the present invention, the tantalum metal is deposited on the hafnium oxide film and then the doped silicon electrode is formed. Even if the above is performed, the hafnium oxide film and the doped silicon film do not react with each other to form a silicon oxide film, and the dielectric constant does not decrease. Even if the doped silicon film is crystallized into a doped polysilicon film, the grain boundary does not penetrate the hafnium oxide film and the leak current does not increase. Furthermore, since the grain boundary does not penetrate, boron diffuses and reaches the silicon substrate.
It does not change the threshold of the SFET.

【0039】本発明に係る半導体装置は、高誘電率金属
酸化膜をゲート絶縁膜として用いているにもかかわら
ず、ドープトシリコンなどのゲート電極との界面にシリ
コン酸化膜が形成されていないためリーク特性なども良
好であり、高速動作と低消費電力動作の両立を図ること
ができる次世代ロジック・デバイスなどに用いることが
できる。
In the semiconductor device according to the present invention, although the high dielectric constant metal oxide film is used as the gate insulating film, the silicon oxide film is not formed at the interface with the gate electrode such as doped silicon. It has good leak characteristics and can be used for next-generation logic devices that can achieve both high-speed operation and low-power consumption operation.

【0040】本発明に係る半導体装置の製造方法によれ
ば、絶縁膜の上部界面において容量値を低下させる原因
となるシリコン酸化膜の形成を抑制することができる。
その結果、ドープドシリコン膜の活性化熱処理に際して
結晶グレインが金属酸化膜ゲート絶縁膜に貫通すること
を防止することができ、さらにはボロンの拡散を大幅に
抑制することができる。
According to the method of manufacturing the semiconductor device of the present invention, it is possible to suppress the formation of the silicon oxide film which causes the capacitance value to decrease at the upper interface of the insulating film.
As a result, it is possible to prevent the crystal grains from penetrating the metal oxide film gate insulating film during the activation heat treatment of the doped silicon film, and further to significantly suppress the diffusion of boron.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を
示す工程断面図
FIG. 1 is a process sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を
示す工程断面図
FIG. 2 is a process sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施の形態の半導体装置の製造方法を
示す工程断面図
FIG. 3 is a process sectional view showing the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 シリコン基板 102 素子分離絶縁膜 103 自然酸化膜 104 シリコン窒化膜 105 ハフニウム酸化膜 106 タンタル金属 107 ノンドープシリコン 108 ドープドシリコン 108a 活性化されたドープドポリシリコン 110 タンタルシリサイドとタンタル酸化膜の複合膜 111 サイドウォール 101 Silicon substrate 102 element isolation insulating film 103 Natural oxide film 104 Silicon nitride film 105 hafnium oxide film 106 tantalum metal 107 non-doped silicon 108 doped silicon 108a Activated doped polysilicon 110 Composite film of tantalum silicide and tantalum oxide film 111 sidewall

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F140 AA01 AA02 AA06 AA24 AC33 BA01 BD02 BD07 BD11 BD12 BD13 BD16 BE02 BE08 BE09 BE10 BE16 BE17 BE19 BF01 BF04 BG08 BG28 BG32 BG38 BG44 BG56 CB04    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F-term (reference) 5F140 AA01 AA02 AA06 AA24 AC33                       BA01 BD02 BD07 BD11 BD12                       BD13 BD16 BE02 BE08 BE09                       BE10 BE16 BE17 BE19 BF01                       BF04 BG08 BG28 BG32 BG38                       BG44 BG56 CB04

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】高誘電率金属酸化膜をゲート絶縁膜とする
MOSFETにおいて、ゲート絶縁膜とドープドシリコ
ン、ドープドシリコンゲルマニウム電極の界面に金属を
挟んだことを特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device comprising a MOSFET having a high dielectric constant metal oxide film as a gate insulating film, wherein a metal is sandwiched at an interface between the gate insulating film and doped silicon or a doped silicon germanium electrode.
【請求項2】半導体基板をエッチングして洗浄する工程
と、前記半導体基板を窒化してシリコン窒化膜を形成す
る工程と、前記高誘電体金属上に高誘電率金属酸化膜を
堆積する工程と、前記高誘電率金属酸化膜を酸素を含ま
ないガス中で熱処理する工程と、前記高誘電率金属酸化
膜上に高誘電体金属を堆積する工程と、前記高誘電体金
属上にドープドシリコンを堆積する工程と、前記ドープ
ドシリコンを活性化熱処理してドープドポリシリコンを
形成する工程とを備えた半導体装置の製造方法。
2. A step of etching and cleaning a semiconductor substrate, a step of nitriding the semiconductor substrate to form a silicon nitride film, and a step of depositing a high dielectric constant metal oxide film on the high dielectric metal. A heat treatment of the high dielectric constant metal oxide film in a gas containing no oxygen, a step of depositing a high dielectric constant metal on the high dielectric constant metal oxide film, and a doped silicon on the high dielectric constant metal. And a step of forming a doped polysilicon by activating heat treatment of the doped silicon to form doped polysilicon.
【請求項3】半導体基板をエッチングして洗浄する工程
と、前記半導体基板を窒化してシリコン窒化膜を形成す
る工程と、前記高誘電体金属上に高誘電率金属酸化膜を
堆積する工程と、前記高誘電率金属酸化膜を酸素を含ま
ないガス中で熱処理する工程と、前記高誘電率金属酸化
膜上に高誘電体金属を堆積する工程と、前記高誘電体金
属上にドープドシリコンゲルマニウムを堆積する工程
と、前記ドープドシリコンゲルマニウムを活性化熱処理
してドープドポリシリコンゲルマニウムを形成する工程
とを備えた半導体装置の製造方法。
3. A step of etching and cleaning a semiconductor substrate, a step of nitriding the semiconductor substrate to form a silicon nitride film, and a step of depositing a high dielectric constant metal oxide film on the high dielectric metal. A heat treatment of the high dielectric constant metal oxide film in a gas containing no oxygen, a step of depositing a high dielectric constant metal on the high dielectric constant metal oxide film, and a doped silicon on the high dielectric constant metal. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of depositing germanium; and a step of activating heat treatment of the doped silicon germanium to form doped polysilicon germanium.
【請求項4】請求項2、請求項3に記載の半導体基板の
窒化は、アンモニア雰囲気中での熱処理、もしくはアン
モニアプラズマ雰囲気中での熱処理により形成すること
を特徴とする半導体装置の製造方法。
4. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the nitriding of the semiconductor substrate according to claim 2 or 3 is performed by heat treatment in an ammonia atmosphere or heat treatment in an ammonia plasma atmosphere.
【請求項5】請求項2、請求項3に記載の高誘電体金属
は、ハフニウム、ジルコニウム、タンタル、チタン、ア
ルミニウムのいずれか一つを含むことを特徴とする半導
体装置の製造方法。
5. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the high dielectric metal according to claim 2 or 3 contains any one of hafnium, zirconium, tantalum, titanium, and aluminum.
【請求項6】請求項2、請求項3に記載の高誘電率金属
酸化膜は、ハフニウム、ジルコニウム、タンタル、チタ
ン、アルミニウムのいずれか一つを含む酸化膜であるこ
とを特徴とする半導体装置。
6. The semiconductor device according to claim 2, wherein the high dielectric constant metal oxide film is an oxide film containing any one of hafnium, zirconium, tantalum, titanium, and aluminum. .
【請求項7】請求項2、請求項3に記載の酸素を含まな
いガスは、窒素、アルゴン、水素のいずれか一つを含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the oxygen-free gas according to claim 2 or 3 contains any one of nitrogen, argon and hydrogen.
【請求項8】請求項2、請求項3に記載のドープドシリ
コン膜、ドープドポリシリコン膜はイオン注入、拡散の
いずれかを用いて形成することを特徴とする半導体装置
の製造方法。
8. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the doped silicon film and the doped polysilicon film according to claim 2 or 3 are formed by using either ion implantation or diffusion.
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