JP2000077544A - Semiconductor element and manufacture thereof - Google Patents

Semiconductor element and manufacture thereof

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JP2000077544A
JP2000077544A JP10241355A JP24135598A JP2000077544A JP 2000077544 A JP2000077544 A JP 2000077544A JP 10241355 A JP10241355 A JP 10241355A JP 24135598 A JP24135598 A JP 24135598A JP 2000077544 A JP2000077544 A JP 2000077544A
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Japan
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film
silicon substrate
sion
ferroelectric
silicon
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Masato Koyama
正人 小山
Shinichi Takagi
信一 高木
Takeshi Yamaguchi
豪 山口
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor element which is provided with a buffer layer of good interface characteristics and film characteristics for preventing diffusion of a metal element from a ferroelectrics film to a silicon substrate, by providing an oxynitride layer as a buffer layer between the ferroelectrics film and the silicon substrate. SOLUTION: An SiON film 3 is formed as a buffer layer on a silicon substrate 1, and a ferroelectric film 4 and a gate insulating film 5 are formed into an island-shape on the SiON film 3. Since the SiON film is tighter in structure than a silicon oxide film, the ability for suppressing the diffusion of a metal element constituting a ferroelectrics is high. By controlling the nitrogen concentration in the film to 10% or below, interface characteristics and in-film fixed charge density which is about the same level as the silicon oxide film are provided. So, by using the SiON film, the metal diffusion from a ferroelectrics is prevented with a film which is thinner than the silicon oxide film while such interface and film characteristics of as almost the same level of the silicon oxide film are provided.

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、シリコン上に形成
された強誘電体を具備する半導体素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having a ferroelectric formed on silicon.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体膜をゲート絶縁膜に使用する不
揮発性メモリデバイス(Metal-Ferroelectric-Semicondu
ctor Field Effect Transistor : 以下MFSFET) は、高
密度化、非破壊読出し等の利点が期待される記憶装置で
ある。MFSFETを実現する上では、シリコン基板上に良好
な特性を示す強誘電体膜を成膜する必要がある。しかし
ながら、シリコン基板上に直接強誘電体膜を成膜する
と、シリコン基板と強誘電体膜の界面反応が生じ、シリ
コン基板上に良好な特性の強誘電体を成膜することは困
難であった。
2. Description of the Related Art A nonvolatile memory device using a ferroelectric film as a gate insulating film (Metal-Ferroelectric-Semicondu
ctor Field Effect Transistor (MFSFET) is a storage device that is expected to have advantages such as high density and non-destructive readout. In order to realize the MFSFET, it is necessary to form a ferroelectric film having good characteristics on a silicon substrate. However, when a ferroelectric film is formed directly on a silicon substrate, an interface reaction occurs between the silicon substrate and the ferroelectric film, and it is difficult to form a ferroelectric film having good characteristics on the silicon substrate. .

【0003】そこで、絶縁物からなるバッファ層を、強
誘電体とシリコンの界面に挿入することで、界面反応を
抑制することが試みられている。従来、シリコン酸化
膜、シリコン窒化膜をバッファ層として用いた報告が有
るが、それぞれの場合の利点と課題を以下に挙げる (1)シリコン酸化膜をバッファ層として用いる場合 シリコン酸化膜とシリコン基板の界面の優れた電気的特
性を利用できるという利点を有する。反面、シリコン酸
化膜が構造稠密でないために、その上の強誘電体膜を構
成する金属元素が、シリコン酸化膜中に拡散してしま
い、さらにはこの金属元素がシリコン基板と反応を起こ
す問題がある。このシリコン酸化膜中を拡散した金属元
素がシリコン基板中に達すると、MFSFETのチャネル部分
で深い準位などを作って素子特性に悪影響をもたらす。
この拡散は、シリコン酸化膜の膜厚を厚くすることであ
る程度防げる可能性がある。しかし、シリコン酸化膜は
低誘電率であるのに対し、強誘電体膜が一般的には高誘
電率で、その比は100 程度にも達する。このことから、
シリコン酸化膜を厚くすると、強誘電体中の電界を極端
に低下させるという弊害をもたらし、好ましくない。 (2)シリコン窒化膜をバッファ層として用いる場合 シリコン窒化膜は、構造稠密であり、強誘電体膜を構成
する金属元素の拡散を防止する役割を果たすと考えられ
る。しかし、シリコン窒化膜とシリコン基板の界面の電
気的特性は理想的なものではなく、通常多くの界面準位
を含んでいる。更にシリコン窒化膜自体良好な膜が得に
くく、膜中に電子的なトラップ準位が多く含まれている
という難点がある。これら界面準位や膜中のトラップ
は、強誘電体の分極情報を遮蔽してしまうため、望まし
くない。
Therefore, attempts have been made to suppress the interfacial reaction by inserting a buffer layer made of an insulator at the interface between the ferroelectric and silicon. Conventionally, there have been reports using a silicon oxide film and a silicon nitride film as a buffer layer. The advantages and problems in each case are described below. (1) When a silicon oxide film is used as a buffer layer This has the advantage that excellent electrical properties of the interface can be utilized. On the other hand, since the silicon oxide film is not structurally dense, the metal element constituting the ferroelectric film on the silicon oxide film diffuses into the silicon oxide film, and furthermore, there is a problem that the metal element reacts with the silicon substrate. is there. When the metal element diffused in the silicon oxide film reaches the silicon substrate, a deep level or the like is formed in a channel portion of the MFSFET, which adversely affects device characteristics.
This diffusion can be prevented to some extent by increasing the thickness of the silicon oxide film. However, while the silicon oxide film has a low dielectric constant, the ferroelectric film generally has a high dielectric constant, and the ratio reaches as high as about 100. From this,
An increase in the thickness of the silicon oxide film undesirably causes an adverse effect of extremely lowering the electric field in the ferroelectric. (2) When Using Silicon Nitride Film as Buffer Layer The silicon nitride film is dense in structure, and is considered to play a role in preventing diffusion of metal elements constituting the ferroelectric film. However, the electrical characteristics of the interface between the silicon nitride film and the silicon substrate are not ideal, and usually include many interface states. Further, it is difficult to obtain a good film of the silicon nitride film itself, and the film contains many electronic trap levels. These interface states and traps in the film are not desirable because they shield the polarization information of the ferroelectric.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】以上のように、シリコ
ン酸化膜やシリコン窒化膜を、バッファ層として用いて
も、強誘電体膜からシリコン基板への金属元素拡散の抑
制と、界面特性、膜特性の悪さに起因した強誘電体の分
極情報を遮蔽する効果の抑制を全て克服することは困難
であった。
As described above, even when a silicon oxide film or a silicon nitride film is used as a buffer layer, it is possible to suppress the diffusion of metal elements from the ferroelectric film to the silicon substrate, and to improve the interface characteristics and film characteristics. It has been difficult to overcome all of the suppression of the effect of blocking the polarization information of the ferroelectric due to the poor characteristics.

【0005】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、強誘電体膜からシリコン基板への金属元素の
拡散を防ぎ、かつ良好な界面特性、膜特性を与えるバッ
ファ層を備えた半導体素子及びその製造方法を提供する
ことを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a semiconductor device having a buffer layer which prevents diffusion of a metal element from a ferroelectric film to a silicon substrate and provides good interface characteristics and film characteristics. An object is to provide an element and a method for manufacturing the element.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、シリコン基板と、このシリコン基板上に
形成されたSiON膜と、このSiON膜上に形成され
た強誘電体膜とを具備することを特徴とする半導体素子
を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides a silicon substrate, an SiON film formed on the silicon substrate, and a ferroelectric film formed on the SiON film. And a semiconductor device comprising:

【0007】また、本発明は、シリコン基板と、このシ
リコン基板上に形成されたSiN膜と、このSiN膜上
に形成されたSiON膜と、このSiON膜上に形成さ
れた強誘電体膜を具備することを特徴とする半導体素子
を提供する。
Further, the present invention provides a silicon substrate, a SiN film formed on the silicon substrate, a SiON film formed on the SiN film, and a ferroelectric film formed on the SiON film. There is provided a semiconductor element characterized by comprising:

【0008】また、本発明は、前記SiON膜中の窒素
濃度は5%以上10%以下である半導体素子を提供す
る。また、本発明は、シリコン基板表面を窒化すること
により、SiN膜を形成する工程と、前記SiN膜上に
強誘電体膜を形成する工程と、熱処理により前記強誘電
体膜と前記SiN膜との化学反応を生じさせることによ
り、前記SiN膜の少なくとも一部をSiON膜へ変換
する工程とを具備することを特徴とする半導体素子の製
造方法を提供する。また、本発明は、前記窒化を、シリ
コン基板表面にNをイオン注入することによりなすこと
を特徴とする半導体素子の製造方法を提供する。
Further, the present invention provides a semiconductor device wherein the nitrogen concentration in the SiON film is 5% or more and 10% or less. The present invention also provides a step of forming a SiN film by nitriding the surface of a silicon substrate, a step of forming a ferroelectric film on the SiN film, and a step of heat-treating the ferroelectric film and the SiN film. Converting the at least a part of the SiN film into a SiON film by causing the chemical reaction described above. The present invention also provides a method for manufacturing a semiconductor device, wherein the nitriding is performed by ion-implanting N into the surface of a silicon substrate.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】本発明は、強誘電体膜とシリコン
基板間に、バッファ層として、オキシナイトライド( 以
下SiON) 層を配置した構造を特徴としている。Si
ON膜は、シリコン酸化膜よりも構造稠密であるため、
強誘電体を構成する金属元素の拡散を抑制する能力が高
い。またSiON膜は、膜中の窒素濃度を10% 以下に制
御することにより、シリコン酸化膜と同程度の界面特
性、膜中固定電荷密度を得ることができる。従って、S
iON膜を用いることにより、シリコン酸化膜と同等の
界面特性、膜特性を持ちながら、シリコン酸化膜よりも
薄い膜によって、強誘電体からの金属拡散を防止するこ
とが可能となる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention is characterized in that an oxynitride (hereinafter referred to as SiON) layer is arranged as a buffer layer between a ferroelectric film and a silicon substrate. Si
Since the ON film is denser than the silicon oxide film,
It has a high ability to suppress the diffusion of the metal element constituting the ferroelectric. By controlling the nitrogen concentration in the SiON film to 10% or less, it is possible to obtain the same interface characteristics and fixed charge density in the film as the silicon oxide film. Therefore, S
By using the iON film, it is possible to prevent metal diffusion from the ferroelectric by using a film thinner than the silicon oxide film while having the same interface characteristics and film characteristics as the silicon oxide film.

【0010】以下、本発明の強誘電体膜/SiON/シ
リコン構造を有する半導体素子及びその製造方法を図を
参照しながら示す。
Hereinafter, a semiconductor device having a ferroelectric film / SiON / silicon structure and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described with reference to the drawings.

【0011】(実施例1)図1は、本発明の第1の実施
例にかかるMFSFETの断面図である。シリコン基板1上に
バッファ層として、SiON膜3が形成され、このSi
ON膜3上に強誘電体膜4、ゲート電極5が島状に形成
されている。この島を覆うように層間絶縁膜7が形成さ
れている。シリコン基板1の前記島の両側には、ソース
/ドレイン領域6が形成され、層間絶縁物7の一部を除
去して、配線電極8により外部に電極が取り出されMFSF
ETを構成している。2は素子分離領域である。
FIG. 1 is a sectional view of an MFSFET according to a first embodiment of the present invention. An SiON film 3 is formed on a silicon substrate 1 as a buffer layer.
A ferroelectric film 4 and a gate electrode 5 are formed on the ON film 3 in an island shape. An interlayer insulating film 7 is formed to cover this island. Source / drain regions 6 are formed on both sides of the island of the silicon substrate 1, a part of the interlayer insulator 7 is removed, and the electrodes are taken out to the outside by the wiring electrodes 8.
Makes up ET. 2 is an element isolation region.

【0012】次に、このMFSFETの製造方法を図を用いて
説明する。先ず、図2に示すように、シリコン基板1に
対し、素子分離領域2を形成する。本実施例において
は、素子分離領域としてトレンチ2を形成した。
Next, a method of manufacturing the MFSFET will be described with reference to the drawings. First, as shown in FIG. 2, an element isolation region 2 is formed in a silicon substrate 1. In this embodiment, the trench 2 is formed as an element isolation region.

【0013】次に、図3に示すように、この素子分離さ
れたシリコン基板1の表面上に、酸化窒化雰囲気におけ
る熱処理を行い、膜中の窒素濃度が5%以上10% 以下のS
iON膜3を成膜する。SiON膜3の膜厚は好ましく
は5nm 以上とする。SiON膜3の堆積方法は、CVD(Ch
emical Vapor Deposition)法、シリコン酸化膜の窒化雰
囲気での熱処理等のプロセス等を用いても構わない。
Next, as shown in FIG. 3, a heat treatment in an oxynitriding atmosphere is performed on the surface of the silicon substrate 1 from which the elements have been separated, and the nitrogen concentration in the film is 5% or more and 10% or less.
An iON film 3 is formed. The thickness of the SiON film 3 is preferably 5 nm or more. The deposition method of the SiON film 3 is CVD (Ch
An emical vapor deposition method, a process such as a heat treatment in a nitriding atmosphere of a silicon oxide film, or the like may be used.

【0014】次に、図3に示すように、この基板上に、
例えばゾルゲル法により、強誘電体膜4、例えばSrBi2
Ta2 O 9 ( 以下SBT)を成膜する。強誘電体膜4としては
Pb(Zr,Ti)O3 (PZT) 、Bi4 Ti3 O 12(BiTO)等、どの材料
でも構わないし、成膜方法はゾルゲル法以外の方法でも
よい。
Next, as shown in FIG. 3, on this substrate,
For example, by a sol-gel method, a ferroelectric film 4 such as SrBi 2
Ta 2 O 9 (hereinafter SBT) is deposited. As the ferroelectric film 4
Any material such as Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT) and Bi 4 Ti 3 O 12 (BiTO) may be used, and the film formation method may be a method other than the sol-gel method.

【0015】ゾルゲル法による強誘電体膜4の成膜条件
は、ゾルゲル溶液をスピンコートにより回転速度1500rp
m 、回転時間20秒の条件で基板上に塗布する。スピンコ
ートの後、200 ℃で5 分試料を乾燥させ、溶液中の溶媒
を揮発させる。スピンコートおよび乾燥工程を三回繰り
返した後、800 ℃の温度で30分、大気圧酸素雰囲気中で
熱処理し、SBT の結晶化を行なう。このようにして成膜
されたSBT 膜4の膜厚は300nm 程度となる。
The conditions for forming the ferroelectric film 4 by the sol-gel method are as follows.
m, and a rotation time of 20 seconds. After spin coating, dry the sample at 200 ° C for 5 minutes to evaporate the solvent in the solution. After repeating the spin coating and drying processes three times, heat treatment is performed at 800 ° C. for 30 minutes in an oxygen atmosphere at atmospheric pressure to crystallize SBT. The thickness of the SBT film 4 thus formed is about 300 nm.

【0016】次に、図3に示すように、この試料上にゲ
ート電極5となる金属、例えばPt電極膜5を、電子ビー
ム蒸着法により50nm程度蒸着する。ゲート電極5の材料
は、Ptに限るわけではなく、Ir、Ru、Au、IrO2、RuO2
等、耐酸化性を有する導電性材料なら何でもよい。本実
施例においては、Pt蒸着後、SBT の結晶性を改善するた
めに、800 ℃、30分、酸素雰囲気中で基板の熱処理を行
う。
Next, as shown in FIG. 3, a metal serving as the gate electrode 5, for example, a Pt electrode film 5 is deposited on the sample by about 50 nm by an electron beam evaporation method. The material of the gate electrode 5 is not limited to Pt, but may be Ir, Ru, Au, IrO2, RuO2.
For example, any conductive material having oxidation resistance may be used. In this embodiment, after Pt deposition, the substrate is heat-treated at 800 ° C. for 30 minutes in an oxygen atmosphere in order to improve the crystallinity of SBT.

【0017】次に、図4に示すように、ゲート電極5を
形成するために、例えば光リソグラフィによってゲート
電極5のレジストパターンを形成する。その後、Ptゲー
ト電極5、SBT 膜4、SiON膜3をエッチングする。
本実施例では、Ptゲート電極5、SBT 膜4をArイオンミ
リングによりドライエッチング加工し、残るSiON膜
3は反応性イオンエッチングによって加工した。
Next, as shown in FIG. 4, in order to form the gate electrode 5, a resist pattern of the gate electrode 5 is formed by, for example, photolithography. After that, the Pt gate electrode 5, the SBT film 4, and the SiON film 3 are etched.
In this embodiment, the Pt gate electrode 5 and the SBT film 4 were dry-etched by Ar ion milling, and the remaining SiON film 3 was processed by reactive ion etching.

【0018】このようにして得られた試料に対し、イオ
ンの注入のレジストマスクを形成し、イオン注入法によ
り不純物イオンを注入し、熱処理を行なうことによっ
て、ソース/ドレイン領域6を形成した。その後、従来
の技術によって層間絶縁膜7を堆積、コンタクトホール
を開孔し、コンタクト配線として例えばAl電極8を堆積
して、図1に示すMFSFETを得る事が出来る。
A resist mask for ion implantation was formed on the sample thus obtained, impurity ions were implanted by ion implantation, and heat treatment was performed to form source / drain regions 6. After that, an MFSFET shown in FIG. 1 can be obtained by depositing an interlayer insulating film 7 by a conventional technique, opening a contact hole, and depositing, for example, an Al electrode 8 as a contact wiring.

【0019】本実施例によれば、強誘電体膜4とシリコ
ン基板1の間にSiONバッファ層3を形成しているの
で、強誘電体体4を構成する金属元素がシリコン基板1
中へ拡散することを防ぎ、かつ良好な界面特性、膜特性
を有するMFSFETを実現できる。
According to this embodiment, since the SiON buffer layer 3 is formed between the ferroelectric film 4 and the silicon substrate 1, the metal element forming the ferroelectric
An MFSFET that prevents diffusion into the interior and has good interface characteristics and film characteristics can be realized.

【0020】(実施例2)図5は、本発明の第2の実施
例にかかるMFSFETの断面図である。シリコン基板1上に
バッファ層として、SiON膜3が形成され、このSi
ON膜3上に強誘電体膜4、ゲート電極5が島状に形成
されている。このMFSFETでは、素子分離領域2として、
LOCOS 2によって素子分離している。シリコン基板1の
前記島の両側には、ソース/ドレイン領域6が形成さ
れ、配線電極8により外部に電極が取り出されMFSFETを
構成している。
FIG. 5 is a sectional view of an MFSFET according to a second embodiment of the present invention. An SiON film 3 is formed on a silicon substrate 1 as a buffer layer.
A ferroelectric film 4 and a gate electrode 5 are formed on the ON film 3 in an island shape. In this MFSFET, as an element isolation region 2,
The elements are separated by LOCOS 2. Source / drain regions 6 are formed on both sides of the island of the silicon substrate 1, and the electrodes are taken out by wiring electrodes 8 to form an MFSFET.

【0021】以下に、このMFSFETの作成方法について、
図面を用いて説明する。本実施例では、強誘電体膜4と
シリコン基板1間のSiONバッファ層3を、SiN膜
9をシリコン基板1上に形成し、その後強誘電体膜4を
形成して、強誘電体膜4中の酸素がSiN膜9を酸化さ
せることによって、形成する点に特徴がある。
Hereinafter, a method of manufacturing the MFSFET will be described.
This will be described with reference to the drawings. In this embodiment, the SiON buffer layer 3 between the ferroelectric film 4 and the silicon substrate 1 is formed, the SiN film 9 is formed on the silicon substrate 1, and then the ferroelectric film 4 is formed. It is characterized in that it is formed by oxidizing the SiN film 9 by oxygen therein.

【0022】先ず、図6に示すように、素子分離領域を
有するシリコン基板1上に、イオン注入のレジストマス
クを形成し、不純物イオン注入を行い、熱処理を行なう
ことによって、ソース/ドレイン領域6を形成する。こ
こで素子分離領域2は、一例としてLOCOS 構造2とし
た。
First, as shown in FIG. 6, a resist mask for ion implantation is formed on a silicon substrate 1 having an element isolation region, impurity ions are implanted, and heat treatment is performed to form source / drain regions 6. Form. Here, the element isolation region 2 has a LOCOS structure 2 as an example.

【0023】次に、図7に示すように、この基板上に、
例えばCVD 法により、シリコン窒化膜9を成膜する。シ
リコン窒化膜9の膜厚は好ましくは5nm 以上とする。シ
リコン窒化膜9の堆積方法に関しては、シリコン基板1
を熱窒化する方法、あるいはシリコン基板1を熱窒化
し、さらにCVD により、シリコン窒素化膜を体積する方
法を組み合わせても構わない。
Next, as shown in FIG. 7, on this substrate,
For example, a silicon nitride film 9 is formed by a CVD method. The thickness of the silicon nitride film 9 is preferably 5 nm or more. Regarding the method of depositing the silicon nitride film 9, the silicon substrate 1
Or a method in which the silicon substrate 1 is thermally nitrided, and a method in which the silicon nitride film is volumetrically formed by CVD.

【0024】次に、図8に示すように、この基板上に、
ゾルゲル法等により強誘電体膜4、例えばSBT 膜4を成
膜する。この後、この基板を800 ℃の酸素雰囲気中で熱
処理することにより、強誘電体膜4によりシリコン窒化
膜9を酸化し、SiON膜3に変換した。シリコン窒化
膜9をSiON膜3に変換するための酸素熱処理は、強
誘電体膜4を同時に結晶化させるための酸素熱処理でも
よい。
Next, as shown in FIG. 8, on this substrate,
A ferroelectric film 4, for example, an SBT film 4 is formed by a sol-gel method or the like. Thereafter, the silicon nitride film 9 was oxidized by the ferroelectric film 4 and converted into the SiON film 3 by subjecting the substrate to a heat treatment in an oxygen atmosphere at 800 ° C. The oxygen heat treatment for converting the silicon nitride film 9 into the SiON film 3 may be the oxygen heat treatment for simultaneously crystallizing the ferroelectric film 4.

【0025】また、シリコン窒化膜9が完全に酸化され
ず、残留して強誘電体膜/SiON膜/シリコン窒化膜
/シリコン基板の構造となってもよい。その後ゲート電
極5となる金属材料、例えばPt電極5を堆積する。コン
タクトホール用のレジストマスクによりPt膜5、SBT 膜
4、SiONバッファ層3をドライエッチング等の従来
技術によりエッチングし、その後ゲートのマスクパター
ンを形成し、Ptをエッチングしてゲート電極5を形成す
る。その後、コンタクト/配線として、例えばAl電極8
を堆積し、配線のパターニングを行なうことにより図5
に示す第2の実施例のMFSFETを得る事が出来る。
Also, the structure of the ferroelectric film / SiON film / silicon nitride film / silicon substrate may not be completely oxidized but remain. Thereafter, a metal material to be the gate electrode 5, for example, a Pt electrode 5 is deposited. The Pt film 5, the SBT film 4, and the SiON buffer layer 3 are etched by a conventional technique such as dry etching using a resist mask for a contact hole, then a gate mask pattern is formed, and the Pt is etched to form a gate electrode 5. . Then, as a contact / wiring, for example, an Al electrode 8
FIG. 5 is obtained by depositing
The MFSFET of the second embodiment shown in FIG.

【0026】本実施例によれば、シリコン窒化膜9を酸
化することによって、SiON膜3を形成した。このS
iON膜3が、強誘電体膜4を構成する金属元素がシリ
コン基板1中へ拡散することを防ぎ、良好な界面特性、
膜特性を有するMFSFETを実現できる。
According to the present embodiment, the SiON film 3 is formed by oxidizing the silicon nitride film 9. This S
The iON film 3 prevents the metal element constituting the ferroelectric film 4 from diffusing into the silicon substrate 1 and provides good interface characteristics.
An MFSFET having film characteristics can be realized.

【0027】(実施例3)図9は、本発明の第3の実施
例にかかるMFSFETの断面図である。シリコン基板1上に
バッファ層3として、SiON膜3が形成され、このS
iON膜3上に強誘電体膜4、ゲート電極5が島状に形
成されている。このMFSFETでは、LOCOS 2によって素子
分離している。シリコン基板1の前記島の両側には、ソ
ース/ドレイン領域6が形成され、配線電極8により外
部に電極が取り出されMFSFETを構成している。7は層間
絶縁膜である。
(Embodiment 3) FIG. 9 is a sectional view of an MFSFET according to a third embodiment of the present invention. An SiON film 3 is formed as a buffer layer 3 on a silicon substrate 1.
On the iON film 3, a ferroelectric film 4 and a gate electrode 5 are formed in an island shape. In this MFSFET, elements are separated by LOCOS2. Source / drain regions 6 are formed on both sides of the island of the silicon substrate 1, and the electrodes are taken out by wiring electrodes 8 to form an MFSFET. Reference numeral 7 denotes an interlayer insulating film.

【0028】以下に、このMFSFETの作成方法について、
図面を用いて説明する。本実施例では、窒素リッチに制
御されたシリコン基板1上を酸化することによりSiO
N膜3を作成した。
In the following, a method of manufacturing this MFSFET will be described.
This will be described with reference to the drawings. In this embodiment, the silicon substrate 1 controlled to be rich in nitrogen is
An N film 3 was formed.

【0029】先ず、図10に示すように、素子分離領域
2を有するシリコン基板1上に、一例として加速エネル
ギー20keV 、注入量5x1014cm-2の条件で窒素イオン注入
を行い、窒素リッチなシリコン表面改変層10を形成す
る。窒素イオン注入は、シリコン基板1に直接イオン注
入してもよいし、シリコン基板1の表面にシリコン酸化
膜等のパッシベーション膜を作成し、このパッシベーシ
ョン膜ごしに窒素イオンを注入してもよい。また、窒素
リッチなシリコン表面層の形成のために、窒素プラズマ
中へシリコン基板1を曝露してもよい。このとき少なく
とも、シリコン基板1の表面が窒素リッチに改変されれ
ばよい。窒素リッチに改変されたシリコンの表面からの
厚さは、好ましくは5nm 以上とする。
First, as shown in FIG. 10, nitrogen ions are implanted on a silicon substrate 1 having an element isolation region 2 under the conditions of an acceleration energy of 20 keV and an implantation amount of 5 × 10 14 cm −2 , for example. The surface modification layer 10 is formed. Nitrogen ion implantation may be performed by directly implanting ions into the silicon substrate 1 or by forming a passivation film such as a silicon oxide film on the surface of the silicon substrate 1 and implanting nitrogen ions through the passivation film. Further, the silicon substrate 1 may be exposed to nitrogen plasma for forming a nitrogen-rich silicon surface layer. At this time, at least the surface of the silicon substrate 1 may be modified to be nitrogen-rich. The thickness from the surface of the nitrogen-modified silicon is preferably 5 nm or more.

【0030】次に、図11に示すように、この基板上
に、ゾルゲル法等により強誘電体膜4として、例えばSB
T 膜4を成膜する。この後、800 ℃の酸素雰囲気熱処理
により、強誘電体膜4により、Nインプラ層10を酸化
しSiON膜3へと変換することで、強誘電体膜/Si
ON膜/シリコン構造を形成する。また、窒素リッチな
シリコン基板1の表面のSiON膜3の形成方法は、強
誘電体膜を結晶化させるための酸素熱処理によって行っ
てもよい。
Next, as shown in FIG. 11, a ferroelectric film 4 such as SB is formed on this substrate by a sol-gel method or the like.
A T film 4 is formed. Thereafter, the N implanted layer 10 is oxidized by the ferroelectric film 4 and converted into the SiON film 3 by heat treatment in an oxygen atmosphere at 800 ° C., whereby the ferroelectric film / Si
An ON film / silicon structure is formed. Further, the method of forming the SiON film 3 on the surface of the nitrogen-rich silicon substrate 1 may be performed by oxygen heat treatment for crystallizing the ferroelectric film.

【0031】その後ゲート電極5となる金属材料、例え
ばPtゲート電極5を堆積する。次に、図12に示すよう
に、ゲート電極のレジストパターンを形成する。その
後、Ptゲート電極5、SBT 膜4、SiON膜3を、例え
ばドライエッチングにより除去する。このようにして得
られた基板に対し、イオン注入のレジストマスクを形成
し、イオン注入法により不純物イオンを注入し、熱処理
を行なうことによって、ソース/ドレイン領域6を形成
する。
Thereafter, a metal material to be the gate electrode 5, for example, a Pt gate electrode 5 is deposited. Next, as shown in FIG. 12, a resist pattern for the gate electrode is formed. Thereafter, the Pt gate electrode 5, the SBT film 4, and the SiON film 3 are removed by, for example, dry etching. A resist mask for ion implantation is formed on the substrate thus obtained, impurity ions are implanted by an ion implantation method, and heat treatment is performed to form source / drain regions 6.

【0032】その後、従来の技術によって層間絶縁膜7
を堆積、コンタクトホールを開孔し、コンタクト配線8
として、例えばAl電極8を堆積し、Alを加工することで
図9に示す本実施例のMFSFETを得る事が出来る。
Thereafter, the interlayer insulating film 7 is formed by a conventional technique.
Is deposited, a contact hole is opened, and a contact wiring 8 is formed.
For example, by depositing an Al electrode 8 and processing Al, the MFSFET of this embodiment shown in FIG. 9 can be obtained.

【0033】本実施例によれば、窒素リッチに改変され
たシリコン表面からSiON膜3への変換によって強誘
電体膜/SiON膜/シリコン構造を得ることができ
た。また、本実施例でも、強誘電体膜5を構成する金属
元素がシリコン基板1中へ拡散することを防ぎ、良好な
界面特性、膜特性を有するMFSFETを実現できる。
According to the present embodiment, a ferroelectric film / SiON film / silicon structure could be obtained by converting the nitrogen-rich silicon surface into the SiON film 3. Also in the present embodiment, the metal element forming the ferroelectric film 5 is prevented from diffusing into the silicon substrate 1, and an MFSFET having good interface characteristics and film characteristics can be realized.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上詳述したとおり、本発明の強誘電体
膜/SiON膜/シリコン構造により、強誘電体膜を構
成する金属元素のシリコン基板への拡散を抑え、良好な
界面特性を有し、かつこの界面SiON膜の存在自体に
よる強誘電体特性の劣化をもたらさないといった効果が
期待でき、強誘電体膜を利用した不揮発性メモリの性能
向上が実現できる。
As described in detail above, the ferroelectric film / SiON film / silicon structure of the present invention suppresses the diffusion of the metal elements constituting the ferroelectric film into the silicon substrate and has good interface characteristics. In addition, the effect of not deteriorating the ferroelectric characteristics due to the existence of the interface SiON film itself can be expected, and the performance of the nonvolatile memory using the ferroelectric film can be improved.

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

【図1】 本発明の第1の実施例にかかるMFSFETの断面
図。
FIG. 1 is a sectional view of an MFSFET according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の第1の実施例にかかるMFSFETの製造
工程を示す断面図
FIG. 2 is a sectional view showing a manufacturing process of the MFSFET according to the first embodiment of the present invention.

【図3】 本発明の第1の実施例にかかるMFSFETの製造
工程を示す断面図
FIG. 3 is a sectional view showing a manufacturing process of the MFSFET according to the first embodiment of the present invention.

【図4】 本発明の第1の実施例にかかるMFSFETの製造
工程を示す断面図
FIG. 4 is a sectional view showing a manufacturing process of the MFSFET according to the first embodiment of the present invention.

【図5】 本発明の第2の実施例にかかるMFSFETの断面
図。
FIG. 5 is a sectional view of an MFSFET according to a second embodiment of the present invention.

【図6】 本発明の第2の実施例にかかるMFSFETの製造
工程を示す断面図
FIG. 6 is a sectional view showing a manufacturing process of the MFSFET according to the second embodiment of the present invention.

【図7】 本発明の第2の実施例にかかるMFSFETの製造
工程を示す断面図
FIG. 7 is a sectional view showing a manufacturing process of the MFSFET according to the second embodiment of the present invention.

【図8】 本発明の第2の実施例にかかるMFSFETの製造
工程を示す断面図
FIG. 8 is a sectional view showing a manufacturing process of the MFSFET according to the second embodiment of the present invention.

【図9】 本発明の第3の実施例にかかるMFSFETの断面
図。
FIG. 9 is a sectional view of an MFSFET according to a third embodiment of the present invention.

【図10】 本発明の第3の実施例にかかるMFSFETの製
造工程を示す断面図
FIG. 10 is a sectional view showing the manufacturing process of the MFSFET according to the third embodiment of the present invention.

【図11】 本発明の第3の実施例にかかるMFSFETの製
造工程を示す断面図
FIG. 11 is a sectional view showing a manufacturing process of the MFSFET according to the third embodiment of the present invention.

【図12】 本発明の第3の実施例にかかるMFSFETの製
造工程を示す断面図
FIG. 12 is a sectional view showing a manufacturing process of the MFSFET according to the third embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…シリコン基板 2…素子分離領域 3…SiONバッファ膜 4…強誘電体膜 5…ゲート電極 6…ソース/ドレイン領域 7…層間絶縁膜 8…電極 9…SiN膜 10…Nインプラ層 REFERENCE SIGNS LIST 1 silicon substrate 2 element isolation region 3 SiON buffer film 4 ferroelectric film 5 gate electrode 6 source / drain region 7 interlayer insulating film 8 electrode 9 SiN film 10 N implant layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 豪 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Fターム(参考) 5F001 AA17 AD12 AD60 AD62 AG10 AG12 AG21 AG23 5F083 FR06 JA05 JA14 JA15 JA17 JA19 JA38 JA43 NA01 NA02 PR03 PR15 PR21 PR33 PR36 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Go Yamaguchi 8 Shinsugita-cho, Isogo-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture F-term (reference) 5F001 AA17 AD12 AD60 AD62 AG10 AG12 AG21 AG23 5F083 FR06 JA05 JA14 JA15 JA17 JA19 JA38 JA43 NA01 NA02 PR03 PR15 PR21 PR33 PR36

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】シリコン基板と、 このシリコン基板上に形成されたSiON膜と、 このSiON膜上に形成された強誘電体膜とを具備する
ことを特徴とする半導体素子。
1. A semiconductor device comprising: a silicon substrate; a SiON film formed on the silicon substrate; and a ferroelectric film formed on the SiON film.
【請求項2】シリコン基板と、 このシリコン基板上に形成されたSiN膜と、 このSiN膜上に形成されたSiON膜と、 このSiON膜上に形成された強誘電体膜を具備するこ
とを特徴とする半導体素子。
2. A semiconductor device comprising: a silicon substrate; a SiN film formed on the silicon substrate; a SiON film formed on the SiN film; and a ferroelectric film formed on the SiON film. Characteristic semiconductor element.
【請求項3】前記SiON膜中の窒素濃度は5%以上1
0%以下である請求項1或いは請求項2記載の半導体素
子。
3. The nitrogen concentration in said SiON film is not less than 5% and not more than 1.
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the content is 0% or less.
【請求項4】シリコン基板表面を窒化することにより、
SiN膜を形成する工程と、 前記SiN膜上に強誘電体膜を形成する工程と、 熱処理により前記強誘電体膜とSiN膜との化学反応を
生じさせることにより、前記SiN膜の少なくとも一部
をSiON膜へ変換する工程とを具備することを特徴と
する半導体素子の製造方法。
4. The method according to claim 1, wherein the surface of the silicon substrate is nitrided.
Forming a SiN film; forming a ferroelectric film on the SiN film; and causing a chemical reaction between the ferroelectric film and the SiN film by heat treatment, thereby forming at least a portion of the SiN film. Converting a silicon nitride film into an SiON film.
【請求項5】前記窒化を、シリコン基板表面にNをイオ
ン注入することによりなすことを特徴とする請求項4記
載の半導体素子の製造方法。
5. The method according to claim 4, wherein the nitriding is performed by ion-implanting N into the surface of the silicon substrate.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002313966A (en) * 2001-04-16 2002-10-25 Yasuo Tarui Transistor type ferroelectric non-volatile storage element and its manufacturing method
KR100455737B1 (en) * 1998-12-30 2005-04-19 주식회사 하이닉스반도체 Gate oxide film formation method of semiconductor device

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