JP2000332235A - Semiconductor device and its manufacture - Google Patents

Semiconductor device and its manufacture

Info

Publication number
JP2000332235A
JP2000332235A JP11135400A JP13540099A JP2000332235A JP 2000332235 A JP2000332235 A JP 2000332235A JP 11135400 A JP11135400 A JP 11135400A JP 13540099 A JP13540099 A JP 13540099A JP 2000332235 A JP2000332235 A JP 2000332235A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
oxide film
semiconductor device
insulating film
film
gate insulating
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
JP11135400A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Keiichi Haraguchi
恵一 原口
Masahiro Ushiyama
雅弘 牛山
Shinpei Tsujikawa
真平 辻川
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.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi 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 Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP11135400A priority Critical patent/JP2000332235A/en
Publication of JP2000332235A publication Critical patent/JP2000332235A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To hold high mobility of conductive carriers by a method wherein at least a part of a gate insulation film is composed of a material capable of accumulating charges. SOLUTION: A silicon oxide film is used as a MOSFET gate insulation film and nitrogen is used as an electrostatic property material. After a silicon substrate is dipped in a solution containing ammonia and a hydrogen peroxide, a surface oxide film is removed with a fluoric acid solution, and after a field oxide film is formed, the silicon substrate is heated in a wet oxidation ambience to form the silicon oxide film. Immediately after formation of the oxide film, an oxynitriding processing is performed in an oxynitriding furnace. Introduced nitrogen atoms are easy to deposit on an interface between a silicon oxide film 1 and a silicon substrate 8 originally, but, since the oxidation advances simultaneously, a structure as if a silicon oxynitride film 2 is sandwiched between the silicon oxide films 1 is formed.

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】本発明はゲート絶縁膜をもつ
半導体装置およびその製造方法に関する。
The present invention relates to a semiconductor device having a gate insulating film and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来のMOSFET(Metal-Oxide Sem
iconductor Field-Effect Transistor)の基本構造
は、例えばn型MOSFETの場合、図10に示すよう
に、p型基板上のゲート絶縁膜11(3〜10nm程度)
とゲート電極3からなり、この両脇にn型拡散層(ソー
ス4とドレイン5)が配置されている。MOSFETを
動作させるには、ゲート電極3を正バイアスし、基板8
とゲート絶縁膜11との境界付近の基板側のエネルギバ
ンドを折り曲げ、電気的に反転させることで、チャネル
を形成し、ソース4とドレイン5の電極(図示略)の間
にキャリアを伝導させる。
2. Description of the Related Art Conventional MOSFET (Metal-Oxide Sem)
For example, in the case of an n-type MOSFET, as shown in FIG. 10, the basic structure of an i-conductor field-effect transistor is a gate insulating film 11 (about 3 to 10 nm) on a p-type substrate.
And a gate electrode 3, and n-type diffusion layers (source 4 and drain 5) are arranged on both sides thereof. To operate the MOSFET, the gate electrode 3 is positively biased and the substrate 8
By bending and electrically inverting the energy band on the substrate side near the boundary between the gate insulating film 11 and the gate insulating film 11, a channel is formed, and carriers are conducted between the source 4 and drain 5 electrodes (not shown).

【0003】取扱うデータ量の増大とともに、MOSF
ETの高速化が必要とされてきているが、MOSFET
の高速化は通常、ゲート長を短く、ゲート酸化膜を薄
く、ソース/ドレインを浅接合化すること等によってな
される。ところが、ゲート長を約0.3μm以下に短く
すると、チャネルが開いていないにも関らずソース/ド
レイン間にリーク電流が流れたり、しきい電圧が下がっ
てきたりするようになる。そこで通常、チャネル領域に
基板よりもさらに高い濃度になるようにホウ素をイオン
注入する(図10のチャネルストッパ7)。こうするこ
とで基板内部のエネルギ準位を持ち上げ、ソース/ドレ
イン間に流れる電流のリークパスを塞ぐことができるよ
うにしている(特開平5−102477)。
As the amount of data handled increases, MOSF
Higher speed ET is required, but MOSFET
In general, the speeding up is performed by shortening the gate length, making the gate oxide film thinner, and making the source / drain a shallow junction. However, when the gate length is reduced to about 0.3 μm or less, a leak current flows between the source / drain and the threshold voltage decreases even though the channel is not open. Therefore, usually, boron ions are implanted into the channel region so as to have a higher concentration than the substrate (the channel stopper 7 in FIG. 10). By doing so, the energy level inside the substrate is raised, and the leak path of the current flowing between the source and the drain can be closed (Japanese Patent Laid-Open No. 5-102477).

【0004】このような事情は伝導型が異なるp型MO
SFETでも全く同じであり、導電型が代わるだけであ
る。
[0004] In such a situation, a p-type MO having a different conduction type is used.
The same is true for the SFET, only the conductivity type is changed.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】従来のMOSFETで
は、パンチスルーの抑制のために、チャネル領域にイオ
ン注入によって、濃度が1016/cm3ないし1017/cm3
程度の不純物を導入する。これにより、基板内部のエネ
ルギ準位だけではなく、ゲート絶縁膜界面付近のエネル
ギ準位もつられて上昇し、しきい電圧が高くなってしま
う。この場合、しきい電圧を調整するためにカウンター
ドープ法のように、さらにチャネル領域(図10の1
0)にイオン注入をする必要が出てくる。
In the conventional MOSFET, in order to suppress punch-through, the concentration is set to 10 16 / cm 3 to 10 17 / cm 3 by ion implantation into the channel region.
Introduce some impurities. As a result, not only the energy level inside the substrate but also the energy level near the interface of the gate insulating film rises, and the threshold voltage increases. In this case, in order to adjust the threshold voltage, a channel region (1 in FIG.
It becomes necessary to perform ion implantation in 0).

【0006】このため、伝導キャリアのイオン化不純物
散乱の確率が高まり、キャリア移動度が低下してしま
う。これは、デバイスの動作速度が遅くなることを意味
している。つまり、従来のMOSFETではしきい電圧
を調整するためにキャリアの通過するチャネル領域10
に不純物を導入したために、伝導キャリアの散乱確率が
高くなり、移動度が下がり、結果的に半導体装置の動作
速度が遅くなるという事態を招いていた。
[0006] Therefore, the probability of scattering of ionized impurities of the conductive carrier increases, and the carrier mobility decreases. This means that the operation speed of the device is reduced. That is, in the conventional MOSFET, in order to adjust the threshold voltage, the channel region 10 through which carriers pass is formed.
, The scattering probability of conduction carriers is increased, the mobility is reduced, and as a result, the operation speed of the semiconductor device is reduced.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】図1に上記課題を解決し
た本発明の半導体装置の一例としてのMOSFETの断
面図を示す。図において、2はシリコン酸窒化膜、3は
ゲート電極、4はソース、5はドレイン、6は埋め込み
絶縁膜、7はチャネルストッパ、8はシリコン基板、9
は素子分離絶縁膜である。
FIG. 1 is a sectional view of a MOSFET as an example of a semiconductor device according to the present invention which has solved the above-mentioned problems. In the figure, 2 is a silicon oxynitride film, 3 is a gate electrode, 4 is a source, 5 is a drain, 6 is a buried insulating film, 7 is a channel stopper, 8 is a silicon substrate, 9
Is an element isolation insulating film.

【0008】前述のように、チャネル領域へのイオン注
入はキャリアの散乱源となる。このとき、電流は低下す
る。電流の低下なしに適正なしきい電圧を得るにはチャ
ネルに不純物を入れずにしきい電圧を制御する構造が必
要となる。そこで、ゲート絶縁膜に例えば正の電荷を蓄
積することができれば、図2に示す如く、電子から見た
ゲート絶縁膜の静電エネルギが低下し(つまり、実効的
にゲート電極14を正バイアスしたのと同じ効果のため
に)、しきい電圧を下げることができる。この逆の極に
帯電する材料を用いれば、しきい電圧を上げることがで
きる。
As described above, ion implantation into the channel region becomes a scattering source of carriers. At this time, the current decreases. In order to obtain an appropriate threshold voltage without lowering the current, a structure for controlling the threshold voltage without introducing impurities into the channel is required. Therefore, if a positive charge can be stored in the gate insulating film, for example, as shown in FIG. 2, the electrostatic energy of the gate insulating film as viewed from the electrons decreases (that is, the gate electrode 14 is effectively biased positively). The threshold voltage can be lowered). If a material charged to the opposite pole is used, the threshold voltage can be increased.

【0009】従ってゲート絶縁膜の少なくとも一部分を
電荷が蓄積できる材料(2,15または18)で構成す
ることによって実現できる。このような絶縁膜と帯電材
料の組合わせとしては、例えば、シリコン酸化膜と窒素
とが考えられる。すなわち、適当な条件の下でシリコン
酸化膜を窒化処理することにより、本発明のMOSFE
Tが得られる。
Therefore, it can be realized by forming at least a part of the gate insulating film from a material (2, 15 or 18) capable of storing electric charges. As such a combination of the insulating film and the charging material, for example, a silicon oxide film and nitrogen can be considered. That is, by nitriding the silicon oxide film under appropriate conditions, the MOSFE of the present invention can be formed.
T is obtained.

【0010】また、例えば、バンドギャップの小さいチ
タン酸化膜に砒素などのV族元素を添加することによっ
てゲート絶縁膜に帯電の機能を持たせることもできる。
このような構造は砒素以外のV族元素によっても達せら
れる。また、p型MOSFETに関しては、砒素の代わ
りにガリウムなどのようなIII族元素を用いることによ
って達せられる。
Further, for example, a gate insulating film can be provided with a charging function by adding a group V element such as arsenic to a titanium oxide film having a small band gap.
Such a structure can be achieved by a group V element other than arsenic. Further, the p-type MOSFET can be achieved by using a group III element such as gallium instead of arsenic.

【0011】上記のようなゲート絶縁膜は、例えばNM
OSの場合、ゲート絶縁膜中に数10meV〜1eV程
度の正に帯電する準位ができるので、ゲート電極に正電
圧を印加しなくても、正電圧を印加している状態と同じ
状態が作れるので、その分、しきい電圧を下げることが
できる。
The above gate insulating film is made of, for example, NM
In the case of OS, since a positively charged level of about several tens of meV to 1 eV is formed in the gate insulating film, the same state as a state where a positive voltage is applied can be formed without applying a positive voltage to the gate electrode. Therefore, the threshold voltage can be reduced accordingly.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】(実施例1)本発明の一つの実施
例を図9に示したn型MOSFETの断面図を用いて説
明する。本実施例ではMOSFETのゲート絶縁膜とし
てシリコン酸化膜、帯電性材料として窒素を用いる場合
を示す。図9の絶縁膜の部分は線分ABの断面に沿って
AからBに向かって、埋め込み絶縁膜6、ゲート電極
3、シリコン酸化膜1(1nm)、シリコン酸窒化膜2
(1.5nm)、シリコン酸化膜1(0.5nm)、シリコ
ン基板8となっている。シリコン基板8にはソース・ド
レイン間のリーク電流を防ぐためにチャネルストッパ7
としてホウ素がイオン注入されている。
(Embodiment 1) One embodiment of the present invention will be described with reference to the sectional view of an n-type MOSFET shown in FIG. This embodiment shows a case where a silicon oxide film is used as a gate insulating film of a MOSFET and nitrogen is used as a chargeable material. In the portion of the insulating film in FIG. 9, the buried insulating film 6, the gate electrode 3, the silicon oxide film 1 (1 nm), and the silicon oxynitride film 2 extend from A to B along the section of the line segment AB.
(1.5 nm), a silicon oxide film 1 (0.5 nm), and a silicon substrate 8. The silicon substrate 8 has a channel stopper 7 for preventing leakage current between the source and the drain.
Is ion-implanted with boron.

【0013】このような絶縁膜の形成方法を以下に示
す。シリコン基板をアンモニアと過酸化水素を含んだ水
溶液に浸漬した後、フッ酸水溶液で表面酸化膜を除去
し、これに続いてフィールド酸化膜を形成してからシリ
コン基板を流量10リットル/分のウェット酸化雰囲気
中、基板温度850℃に加熱して3nm厚のシリコン酸化
膜(SiO2膜)を形成する。酸化膜形成後すぐに、酸
窒化炉において酸窒化処理をする。その処理方法は、基
板温度1000℃、亜酸化窒素ガス(N2Oガス)を流
量3SLM(Standard Litter per Minute)で流し
ている雰囲気中で10分間放置するという方法である。
A method for forming such an insulating film will be described below. After the silicon substrate is immersed in an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide, the surface oxide film is removed with a hydrofluoric acid aqueous solution, and then a field oxide film is formed. The substrate is heated to 850 ° C. in an oxidizing atmosphere to form a 3 nm-thick silicon oxide film (SiO 2 film). Immediately after the oxide film is formed, an oxynitriding process is performed in an oxynitriding furnace. The processing method is a method in which the substrate is kept at 1000 ° C. for 10 minutes in an atmosphere in which nitrous oxide gas (N 2 O gas) is flowing at a flow rate of 3 SLM (Standard Litter per Minute).

【0014】このとき、窒化と同時に酸化も進むため、
絶縁膜の膜厚は3.5nmと、少し厚くなる。導入された
窒素原子は元々シリコン酸化膜1とシリコン基板8の界
面に析出し易いが、酸化も同時に進むために、ちょうど
シリコン酸窒化膜2をシリコン酸化膜1でサンドイッチ
したような構造物が形成される。ゲート電極には燐を添
加したポリシリコンを化学気相成長法(CVD法)によ
って形成する。
At this time, oxidation proceeds simultaneously with nitridation.
The thickness of the insulating film is slightly increased to 3.5 nm. Although the introduced nitrogen atoms originally tend to precipitate at the interface between the silicon oxide film 1 and the silicon substrate 8, the oxidation proceeds at the same time, so that a structure in which the silicon oxynitride film 2 is sandwiched by the silicon oxide film 1 is formed. Is done. The gate electrode is formed of polysilicon doped with phosphorus by a chemical vapor deposition method (CVD method).

【0015】図9の線分ABに沿った断面のゲート電圧
を印加していないときのエネルギバンド図は図11に示
すようになる。窒素原子はV族元素であるため周囲が4
価を単位とする原子の構造物の中では余剰の電子13が
存在する。実際、窒素がシリコン基板中に注入された場
合にはn型のドーパントとなる。この余剰電子13は基
板側にある薄いシリコン酸化膜1をトンネルする。この
ため、シリコン酸窒化膜2は正に帯電する。MOSFE
Tのしきい電圧は、この帯電した分だけ低くなる。別の
見方をすれば、余剰の電子13がシリコン酸化膜1−基
板界面に入り込むことになる。
FIG. 11 shows an energy band diagram when a gate voltage is not applied in a cross section along the line AB in FIG. Since the nitrogen atom is a group V element, its surroundings are 4
An extra electron 13 exists in the atomic structure having valence as a unit. In fact, when nitrogen is implanted into a silicon substrate, it becomes an n-type dopant. The surplus electrons 13 tunnel through the thin silicon oxide film 1 on the substrate side. Therefore, the silicon oxynitride film 2 is positively charged. MOSFE
The threshold voltage of T becomes lower by the amount of the charge. From another viewpoint, surplus electrons 13 enter the silicon oxide film 1-substrate interface.

【0016】ゲートに正電圧を印加したときの図11に
対応するエネルギバンド図を図12に示す。MOSFE
Tのチャネル領域の伝導キャリア(この場合は電子1
3)は、ゲート絶縁膜11が正に帯電している効果があ
るため、しきい電圧を下げることができる。
FIG. 12 shows an energy band diagram corresponding to FIG. 11 when a positive voltage is applied to the gate. MOSFE
The conduction carriers in the channel region of T (in this case, electrons 1
In 3), since the gate insulating film 11 has the effect of being positively charged, the threshold voltage can be reduced.

【0017】高くなったしきい電圧を下げるために、図
10に示すように、チャネル領域10に基板の導電型と
異なる導電型を持つドーパント(この場合はn型で、例
えば砒素)を浅く(界面から10nmくらい)イオン注入
する方法があるが、この方法では伝導キャリアがイオン
化不純物散乱を受け、キャリア移動度が低下してしま
う。
To lower the increased threshold voltage, as shown in FIG. 10, a dopant (in this case, n-type, for example, arsenic) having a conductivity type different from the conductivity type of the substrate is made shallow in the channel region 10 (FIG. 10). There is a method of ion implantation (about 10 nm from the interface). However, in this method, conduction carriers are scattered by ionized impurities, and carrier mobility is reduced.

【0018】一方、本発明の方法によれば、カウンター
ドープ法のように、チャネル領域に不純物を注入する必
要がない。このため、伝導キャリアのイオン化不純物に
対する散乱確率は相対的に低く抑えられ、平均自由行程
が大きいので、キャリア移動度が高い。このために、最
終的にMOSFETの動作速度を高くすることができ
る。
On the other hand, according to the method of the present invention, unlike the counter doping method, it is not necessary to implant impurities into the channel region. For this reason, the scattering probability of the conduction carriers for ionized impurities is relatively low, and the mean free path is large, so that the carrier mobility is high. Therefore, the operation speed of the MOSFET can be finally increased.

【0019】(実施例2)本発明の一つの実施例を図1
に示したn型MOSFETの断面図を用いて説明する。
本実施例に示すMOSFETの構造(図1)やエネルギ
バンド図(図11,図12)は定性的には前記実施例1
と同じになる。また、製造工程もゲート絶縁膜の部分を
除き同様である。本実施例ではMOSFETのゲート絶
縁膜としてシリコン酸化膜、帯電材料としてチタン酸化
膜を用いる場合を示す。
(Embodiment 2) One embodiment of the present invention is shown in FIG.
This will be described with reference to the cross-sectional view of the n-type MOSFET shown in FIG.
The structure (FIG. 1) and energy band diagrams (FIGS. 11 and 12) of the MOSFET shown in this embodiment are qualitatively
Will be the same as The manufacturing process is the same except for the gate insulating film. This embodiment shows a case where a silicon oxide film is used as a gate insulating film of a MOSFET and a titanium oxide film is used as a charging material.

【0020】図1の絶縁膜の部分は線分ABの断面に沿
ってAからBに向かって、埋め込み絶縁膜6、ゲート電
極3、シリコン酸化膜1(0.5nm)、チタン酸化膜1
8(10nm)、シリコン酸化膜1(0.5nm)、p型シ
リコン基板8となっている。基板にはソースドレイン間
のリーク電流を防ぐためにチャネルストッパ7としてホ
ウ素がイオン注入されている。
In the portion of the insulating film shown in FIG. 1, a buried insulating film 6, a gate electrode 3, a silicon oxide film 1 (0.5 nm), a titanium oxide film 1
8 (10 nm), a silicon oxide film 1 (0.5 nm), and a p-type silicon substrate 8. Boron is ion-implanted into the substrate as a channel stopper 7 to prevent a leak current between the source and the drain.

【0021】このようなゲート絶縁膜の形成方法を以下
に示す。シリコン基板を前記実施例1に示したごとく洗
浄、素子分離を行い、有機金属気相成長法(MOCVD
法)の施せるチャンバ内に導入する。減圧(1Torr)の
酸化性雰囲気(酸素流量50sccm(standard cc per
minute))で、基板温度850℃にする。この状態で
500秒放置することで0.5nmのシリコン熱酸化膜を
形成する。
A method for forming such a gate insulating film will be described below. The silicon substrate is cleaned and subjected to element isolation as described in the first embodiment, and is subjected to metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
Method). Oxidizing atmosphere at reduced pressure (1 Torr) (oxygen flow rate 50 sccm (standard cc per
minute)), the substrate temperature is set to 850 ° C. By leaving this state for 500 seconds, a silicon thermal oxide film of 0.5 nm is formed.

【0022】次に、有機金属ガスとしてチタニウムテト
ライソプロポキサイド(Ti−(OC374)を用
い、流量5sccmで100秒間堆積し、10nmのチタン酸
化膜(TiO2)を形成する。次に砒素をイオン注入す
る。さらにモノシラン(SiH4)ガスと亜酸化窒素
(N2O)ガスを導入して0.5nmのシリコン酸化膜を
形成する。形成されたチタン酸化膜は結晶構造がルチル
構造で、緻密な高誘電率膜となる。この製造方法によ
り、電気測定による実効膜厚2nmの3層の積層構造のゲ
ート絶縁膜が形成される。
Next, titanium tetraisopropoxide (Ti- (OC 3 H 7 ) 4 ) is used as an organometallic gas and deposited at a flow rate of 5 sccm for 100 seconds to form a 10 nm titanium oxide film (TiO 2 ). Next, arsenic is ion-implanted. Further, a monosilane (SiH 4 ) gas and a nitrous oxide (N 2 O) gas are introduced to form a 0.5 nm silicon oxide film. The formed titanium oxide film has a rutile crystal structure and is a dense high dielectric constant film. By this manufacturing method, a gate insulating film having a laminated structure of three layers having an effective film thickness of 2 nm by electrical measurement is formed.

【0023】このゲート絶縁膜を用いたMOSFETの
構造図は図1に示すようになり、図1の線分ABに沿っ
た断面のゲート電圧を印加していないときのエネルギバ
ンド図は図11に示すようになる。また、ゲートに正電
圧を印加したときの図11に対応するエネルギバンド図
を図12に示す。MOSFETのゲート絶縁膜自身は正
に帯電するので、しきい電圧を下げることができる。
FIG. 1 is a structural diagram of a MOSFET using this gate insulating film. FIG. 11 is an energy band diagram of a cross section taken along line AB in FIG. 1 when no gate voltage is applied. As shown. FIG. 12 shows an energy band diagram corresponding to FIG. 11 when a positive voltage is applied to the gate. Since the gate insulating film of the MOSFET itself is positively charged, the threshold voltage can be reduced.

【0024】本発明の方法によれば、チャネル領域にし
きい値調整用の不純物を注入する必要がない。このた
め、伝導キャリアのイオン化不純物に対する散乱確率が
低く抑えられ、キャリア移動度を高く保てる。よって、
MOSFETの動作速度を高く保てる。
According to the method of the present invention, it is not necessary to implant a threshold adjusting impurity into the channel region. For this reason, the scattering probability of the conductive carriers to the ionized impurities is suppressed low, and the carrier mobility can be kept high. Therefore,
The operating speed of the MOSFET can be kept high.

【0025】(実施例3)本発明の一つの実施例を図5
に示したn型MOSFETの断面図を用いて説明する。
前記実施例1で示した絶縁膜の構造ではゲート電極3側
にもシリコン酸化膜1を有していたが、ゲート電極3と
シリコン基板8間のリーク電流を無視してよい場合に
は、このシリコン酸化膜1は省略することができる。こ
の方がゲート絶縁膜11の厚みを薄くでき、MOSFE
Tの高速動作に向いている。図5の線分ABに沿う断面
の、ゲート電圧を印加しないときのエネルギバンド図を
図6に示す。絶縁膜から電子13がゲート絶縁膜11界
面に逃げるため、ゲート絶縁膜11は正に帯電し、その
分しきい電圧は低くなり伝導キャリア濃度が高くなる。
(Embodiment 3) One embodiment of the present invention is shown in FIG.
This will be described with reference to the cross-sectional view of the n-type MOSFET shown in FIG.
In the structure of the insulating film shown in the first embodiment, the silicon oxide film 1 is provided also on the gate electrode 3 side. However, when the leakage current between the gate electrode 3 and the silicon substrate 8 can be ignored, The silicon oxide film 1 can be omitted. This makes it possible to reduce the thickness of the gate insulating film 11, and
Suitable for high-speed operation of T. FIG. 6 shows an energy band diagram of a cross section along the line AB in FIG. 5 when no gate voltage is applied. Since the electrons 13 escape from the insulating film to the interface of the gate insulating film 11, the gate insulating film 11 is positively charged, and accordingly, the threshold voltage decreases and the concentration of the conductive carriers increases.

【0026】上記のようなゲート絶縁膜11の構造は、
前記実施例1で示した方法と同様にして2nm厚のシリコ
ン酸化膜を形成した後、酸窒化炉において酸窒化処理を
することで形成できる。その処理方法は、基板温度10
00℃、窒素で5%に希釈した一酸化窒素(NO)ガス
を流量3SLMで流している雰囲気中で20分間放置す
るという方法である。このとき、窒化と同時に酸化も進
むため、絶縁膜膜厚は2.5nmと、少し厚くなる。導入
された窒素原子は元々シリコン酸化膜1とシリコン基板
8の界面に析出し易いが、酸化も同時に進むため、図5
の線分ABの断面に沿ってAからBに向かって、埋め込
み絶縁膜6、ゲート電極3、シリコン酸窒化膜2(2n
m)、シリコン酸化膜1(0.5nm)、シリコン基板8
という構造物が形成される。
The structure of the gate insulating film 11 as described above is as follows.
After a silicon oxide film having a thickness of 2 nm is formed in the same manner as in the first embodiment, the silicon oxide film can be formed by oxynitriding in an oxynitriding furnace. The processing method uses a substrate temperature of 10
This is a method in which nitrogen monoxide (NO) gas diluted to 5% with nitrogen at 00 ° C. is allowed to stand for 20 minutes in an atmosphere in which a flow rate of 3 SLM is flowing. At this time, oxidation proceeds simultaneously with nitridation, so that the thickness of the insulating film is slightly increased to 2.5 nm. Although the introduced nitrogen atoms originally tend to precipitate at the interface between the silicon oxide film 1 and the silicon substrate 8, the oxidation proceeds at the same time.
Along the section of line AB from A to B, the buried insulating film 6, the gate electrode 3, the silicon oxynitride film 2 (2n
m), silicon oxide film 1 (0.5 nm), silicon substrate 8
Is formed.

【0027】(実施例4)本発明の一つの実施例を図5
に示したn型MOSFETの断面図を用いて説明する。
本発明はゲート絶縁膜11とゲート電極3に用いる材料
を除き、前記実施例3で示した形態と同様である。シリ
コン基板を前記実施例1に示したごとく洗浄、素子分離
を行い、電子ビーム蒸着法(EB蒸着法)の施せるチャ
ンバ内に導入する。チャンバ内を高真空(10-7Torr)
状態に、基板温度を650℃にする。シリコン基板にオ
ゾン(O3)ジェットを照射し、この状態で30分間放
置することで厚さ0.5nmのシリコン酸化膜1を形成す
る。
(Embodiment 4) One embodiment of the present invention is shown in FIG.
This will be described with reference to the cross-sectional view of the n-type MOSFET shown in FIG.
The present invention is the same as the embodiment shown in Embodiment 3 except for the materials used for the gate insulating film 11 and the gate electrode 3. The silicon substrate is cleaned and element-separated as described in the first embodiment, and is introduced into a chamber where electron beam evaporation (EB evaporation) can be performed. High vacuum in chamber (10 -7 Torr)
In this state, the substrate temperature is set to 650 ° C. The silicon substrate is irradiated with an ozone (O 3 ) jet, and left in this state for 30 minutes to form a silicon oxide film 1 having a thickness of 0.5 nm.

【0028】次に、高純度(99.99%)のチタンオ
キサイド(TiO2)ターゲットに電子ビームを照射
し、シリコン酸化膜上にチタン酸化膜18を堆積する。
電子ビームエミッション電流は45mA、堆積時間は8
分間とすると、膜厚10nmのチタン酸化膜18が形成さ
れる。
Next, a high-purity (99.99%) titanium oxide (TiO 2 ) target is irradiated with an electron beam to deposit a titanium oxide film 18 on the silicon oxide film.
Electron beam emission current is 45 mA, deposition time is 8
In this case, a 10 nm-thick titanium oxide film 18 is formed.

【0029】砒素をイオン注入した後、ゲート電極は別
のチャンバでスパッタ法を用いて膜厚200nmのタング
ステン(W)を堆積する。ゲート絶縁膜、ゲート電極を
上記のようにして形成した図5のMOSFETの断面
は、線分ABのAからBに向かって、埋め込み絶縁膜
6、ゲート電極3、チタン酸化膜18(10nm)、シリ
コン酸化膜1(0.5nm)、シリコン基板8という構造
となる。形成されたチタン酸化膜は結晶構造がアナター
ゼ構造で、緻密な高誘電率膜となる。この製造方法によ
り、電気測定による実効膜厚1.5nmの2層の積層構造
のゲート絶縁膜が形成される。
After arsenic is ion-implanted, 200 nm-thick tungsten (W) is deposited on the gate electrode by sputtering in another chamber. The cross section of the MOSFET shown in FIG. 5 in which the gate insulating film and the gate electrode are formed as described above shows that the buried insulating film 6, the gate electrode 3, the titanium oxide film 18 (10 nm) The structure has a silicon oxide film 1 (0.5 nm) and a silicon substrate 8. The formed titanium oxide film has an anatase crystal structure and is a dense high dielectric constant film. According to this manufacturing method, a gate insulating film having a laminated structure of two layers with an effective film thickness of 1.5 nm by electrical measurement is formed.

【0030】図5の線分ABに沿う断面の、ゲート電圧
を印加しないときのエネルギバンド図を図6に示す。絶
縁膜から電子13がゲート絶縁膜11界面やゲート電極
3に逃げるため、ゲート絶縁膜11は正に帯電し、その
分しきい電圧は低くできるという点は前記実施例1の場
合と同様である。
FIG. 6 shows an energy band diagram of a cross section taken along line AB in FIG. 5 when no gate voltage is applied. Since the electrons 13 escape from the insulating film to the interface of the gate insulating film 11 and the gate electrode 3, the gate insulating film 11 is positively charged, and the threshold voltage can be reduced accordingly, as in the case of the first embodiment. .

【0031】(実施例5)本発明の一つの実施例を図7
に示したn型MOSFETの断面図を用いて説明する。
前記実施例1で示した絶縁膜の構造では基板側にもシリ
コン酸化膜1を有していたが、ゲート電極3−シリコン
基板8間のリーク電流が多少大きくなってもよい場合に
は、このシリコン酸化膜1は省略することができる。
(Embodiment 5) One embodiment of the present invention is shown in FIG.
This will be described with reference to the cross-sectional view of the n-type MOSFET shown in FIG.
In the structure of the insulating film shown in the first embodiment, the silicon oxide film 1 is also provided on the substrate side. However, when the leakage current between the gate electrode 3 and the silicon substrate 8 may be slightly increased, The silicon oxide film 1 can be omitted.

【0032】図7の線分ABに沿う断面の、ゲート電圧
を印加しないときのエネルギバンド図を図8に示す。こ
の構造はゲート絶縁膜11の厚みを薄くしてMOSFE
Tを高速動作させるのに向いている。絶縁膜から電子1
3が基板側のゲート絶縁膜11界面やゲート電極3に逃
げるため、ゲート絶縁膜11は正に帯電し、その分しき
い電圧は低くなり伝導キャリア濃度が高くなる。
FIG. 8 shows an energy band diagram of a cross section taken along line AB in FIG. 7 when no gate voltage is applied. This structure reduces the thickness of the gate insulating film 11 and reduces the thickness of the MOSFE.
It is suitable for operating T at high speed. Electron 1 from insulating film
Since 3 escapes to the gate insulating film 11 interface or the gate electrode 3 on the substrate side, the gate insulating film 11 is positively charged, and accordingly, the threshold voltage decreases and the conduction carrier concentration increases.

【0033】ただし、導入した窒素がゲート絶縁膜11
とシリコン基板8の界面より基板8側にはみ出てしまう
と、伝導キャリア(この場合は電子13)の散乱体とな
り、移動度が低下してしまう恐れがある。
However, the introduced nitrogen is used for the gate insulating film 11.
If it protrudes from the interface between the silicon substrate 8 and the substrate 8 side, it becomes a scatterer of the conductive carriers (in this case, the electrons 13), and the mobility may be reduced.

【0034】上記のようなゲート絶縁膜11の構造は、
前記実施例1で示した方法と同様にして2nm厚のシリコ
ン酸化膜を形成した後、酸窒化炉において酸窒化処理を
することで形成できる。その処理方法は、基板温度95
0℃、窒素で5%に希釈したNOガスを流量3SLMで
流している雰囲気中で40分間放置するという方法であ
る。このとき、基板温度が、前記実施例1の場合に比べ
てやや低いため、窒化と酸化の速度がほぼ同時となり、
上記のように窒素原子がシリコン基板8にはみ出ないよ
うな構造を形成することが可能となる。このようにし
て、図7の線分ABの断面に沿ってAからBに向かっ
て、埋め込み絶縁膜6、ゲート電極3、シリコン酸化膜
1(2nm)、シリコン酸窒化膜2(0.5nm)、シリコ
ン基板8という構造物が形成される。
The structure of the gate insulating film 11 as described above is as follows.
After a silicon oxide film having a thickness of 2 nm is formed in the same manner as in the first embodiment, the silicon oxide film can be formed by oxynitriding in an oxynitriding furnace. The processing method uses a substrate temperature of 95.
This is a method in which NO gas diluted to 5% with nitrogen at 0 ° C. is allowed to stand for 40 minutes in an atmosphere flowing at a flow rate of 3 SLM. At this time, since the substrate temperature is slightly lower than in the case of Example 1, the rates of nitridation and oxidation become almost simultaneous,
As described above, a structure in which nitrogen atoms do not protrude into the silicon substrate 8 can be formed. Thus, the buried insulating film 6, the gate electrode 3, the silicon oxide film 1 (2 nm), and the silicon oxynitride film 2 (0.5 nm) from A to B along the section of the line segment AB in FIG. , A silicon substrate 8 is formed.

【0035】(実施例6)本発明の一つの実施例を図7
に示したn型MOSFETの断面図を用いて説明する。
本発明のゲート絶縁膜の構造(図7)とエネルギバンド
図(図8)は、定性的には前記実施例5で示したものと
同様である。
(Embodiment 6) One embodiment of the present invention is shown in FIG.
This will be described with reference to the cross-sectional view of the n-type MOSFET shown in FIG.
The structure (FIG. 7) and energy band diagram (FIG. 8) of the gate insulating film of the present invention are qualitatively the same as those shown in the fifth embodiment.

【0036】上記のようなゲート絶縁膜11の作製方法
を以下に示す。シリコン基板を前記実施例1に示したご
とく洗浄、素子分離を行い、有機金属気相成長法(MO
CVD法)の施せるチャンバ内に導入する。減圧(1To
rr)の酸化性雰囲気(酸素流量50sccm)で、基板温度
350℃にする。次に、有機金属ガスとしてチタニウム
テトライソプロポキサイド(Ti−(OC374)を
用い、流量5sccmで100秒間堆積し、10nmのチタン
酸化膜(TiO2)を形成する。さらに砒素をイオン注
入した後、モノシラン(SiH4)ガスと亜酸化窒素
(N2O)ガスを導入して0.5nmのシリコン酸化膜を
形成する。ゲート電極3はポリシリコンを用いる。形成
されたチタン酸化膜は結晶構造がアナターゼ構造で、緻
密な高誘電率膜となる。この製造方法により、電気測定
による実効膜厚1.5nmの2層の積層構造のゲート絶縁
膜が形成される。
A method for manufacturing the gate insulating film 11 as described above will be described below. The silicon substrate was cleaned and subjected to element isolation as described in the first embodiment, and the metal organic chemical vapor deposition (MO) was performed.
(CVD method). Decompression (1 To
The substrate temperature is set to 350 ° C. in an oxidizing atmosphere (oxygen flow rate 50 sccm) of (rr). Next, titanium tetraisopropoxide (Ti- (OC 3 H 7 ) 4 ) is used as an organic metal gas and deposited at a flow rate of 5 sccm for 100 seconds to form a 10 nm titanium oxide film (TiO 2 ). After arsenic is further ion-implanted, monosilane (SiH 4 ) gas and nitrous oxide (N 2 O) gas are introduced to form a 0.5 nm silicon oxide film. The gate electrode 3 uses polysilicon. The formed titanium oxide film has an anatase crystal structure and is a dense high dielectric constant film. According to this manufacturing method, a gate insulating film having a laminated structure of two layers with an effective film thickness of 1.5 nm by electrical measurement is formed.

【0037】なお、本発明のゲート絶縁膜11を作製す
る材料の有機金属ガスとして、タンタラムエチレート
(Ta−(OC255)を用い、タンタルオキサイド
膜(Ta25)を堆積する方法でも所望の構造を得るこ
とができる。
It is to be noted that tantalum ethylate (Ta- (OC 2 H 5 ) 5 ) is used as an organometallic gas for forming the gate insulating film 11 of the present invention, and a tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ) is used. A desired structure can also be obtained by a deposition method.

【0038】(実施例7)本発明の一つの実施例を図1
に示したn型MOSFETの断面図を用いて説明する。
本実施例ではMOSFETのゲート絶縁膜としてシリコ
ン酸化膜、帯電性材料として窒素を用いる場合を示す。
図1の絶縁膜の部分は線分ABの断面に沿ってAからB
に向かって、埋め込み絶縁膜6、ゲート電極3、シリコ
ン酸窒化膜2(3nm)、シリコン基板8となっている。
(Embodiment 7) One embodiment of the present invention is shown in FIG.
This will be described with reference to the cross-sectional view of the n-type MOSFET shown in FIG.
This embodiment shows a case where a silicon oxide film is used as a gate insulating film of a MOSFET and nitrogen is used as a chargeable material.
The portion of the insulating film in FIG. 1 is from A to B along the section of line AB.
Toward the buried insulating film 6, the gate electrode 3, the silicon oxynitride film 2 (3 nm), and the silicon substrate 8.

【0039】前記実施例1で示した絶縁膜の構造ではゲ
ート電極3側、シリコン基板8側の両方にシリコン酸化
膜を有していたが、ゲート電極からのリーク電流よりも
低コストを優先する場合には本実施例に示す方法が適し
ている。
In the structure of the insulating film shown in the first embodiment, the silicon oxide film is provided on both the gate electrode 3 side and the silicon substrate 8 side, but priority is given to lower cost over leakage current from the gate electrode. In this case, the method described in this embodiment is suitable.

【0040】図1の線分ABに沿う断面の、ゲート電圧
を印加しないときのエネルギバンド図を図2に示す。ゲ
ート絶縁膜11から電子13が基板側のゲート絶縁膜1
1界面に逃げるため、ゲート絶縁膜11は正に帯電し、
その分しきい電圧は低くなり伝導キャリア濃度が高くな
る。ただし導入した窒素が絶縁膜−基板の界面より基板
側にはみ出てしまうと、伝導キャリア(この場合は電子
13)の散乱体となり、移動度が低下してしまう恐れが
ある。
FIG. 2 shows an energy band diagram of a section taken along line AB in FIG. 1 when no gate voltage is applied. The electrons 13 from the gate insulating film 11 are transferred from the gate insulating film 1 on the substrate side.
To escape to one interface, the gate insulating film 11 is positively charged,
As a result, the threshold voltage decreases and the concentration of the conductive carriers increases. However, if the introduced nitrogen protrudes from the insulating film-substrate interface to the substrate side, it becomes a scatterer of conductive carriers (electrons 13 in this case), and the mobility may be reduced.

【0041】このような絶縁膜の形成方法を以下に示
す。シリコン基板をアンモニアと過酸化水素を含んだ水
溶液に浸漬した後、フッ酸水溶液で表面酸化膜を除去
し、これに続いてすぐに、窒化炉において窒化処理をす
る。その処理条件は、基板温度800℃、窒素で5%に
希釈したアンモニア(NH3)ガスを流量3SLMで流
している雰囲気中で20分間放置するという方法であ
る。この方法で、窒素濃度の一様な窒化膜(膜厚は2n
m)が形成される。
The method for forming such an insulating film is described below. After immersing the silicon substrate in an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide, the surface oxide film is removed with a hydrofluoric acid aqueous solution, and immediately thereafter, a nitriding treatment is performed in a nitriding furnace. The processing condition is a method in which the substrate is left for 20 minutes in an atmosphere in which an ammonia (NH 3 ) gas diluted to 5% with nitrogen is flowing at a flow rate of 3 SLM at a substrate temperature of 800 ° C. By this method, a nitride film having a uniform nitrogen concentration (film thickness 2n)
m) is formed.

【0042】(実施例8)本発明の一つの実施例を図1
に示したn型MOSFETの断面図を用いて説明する。
本実施例ではMOSFETのゲート絶縁膜としてシリコ
ン酸化膜、帯電性材料としてチタン酸化膜を用いる場合
を示す。図1のゲート絶縁膜の部分は線分ABの断面に
沿ってAからBに向かって、埋め込み絶縁膜6、ゲート
電極3、チタン酸化膜18(10nm)、シリコン基板8
となっている。本実施例で採用するゲート絶縁膜11の
構造は、前記実施例7で示したものと同様である。
(Embodiment 8) One embodiment of the present invention is shown in FIG.
This will be described with reference to the cross-sectional view of the n-type MOSFET shown in FIG.
This embodiment shows a case where a silicon oxide film is used as a gate insulating film of a MOSFET and a titanium oxide film is used as a charging material. The buried insulating film 6, the gate electrode 3, the titanium oxide film 18 (10 nm), the silicon substrate 8 and the gate insulating film shown in FIG.
It has become. The structure of the gate insulating film 11 employed in this embodiment is the same as that shown in the seventh embodiment.

【0043】図1の線分ABに沿う断面の、ゲート電圧
を印加しないときのエネルギバンド図を図2に示す。
FIG. 2 shows an energy band diagram of a cross section taken along line AB in FIG. 1 when no gate voltage is applied.

【0044】上記のようなゲート絶縁膜11の作製方法
を以下に示す。シリコン基板を前記実施例1に示したご
とく洗浄、素子分離を行い、電子ビーム蒸着法(EB蒸
着法)の施せるチャンバ内に導入する。チャンバ内を高
真空(10の-7Torr)状態に、基板温度は室温にする。
シリコン基板にオゾン(O3)ジェットを照射し、この
状態で30分間放置することで厚さ0.5nmのシリコン
酸化膜1を形成する。次に、高純度(99.99%)の
チタンオキサイド(TiO2)ターゲットに電子ビーム
を照射し、シリコン酸化膜上にチタン酸化膜18を堆積
する。電子ビームエミッション電流は45mA、堆積時
間は8分間とすると、膜厚10nmのチタン酸化膜18が
形成される。
A method for manufacturing the above gate insulating film 11 will be described below. The silicon substrate is cleaned and element-separated as described in the first embodiment, and is introduced into a chamber where electron beam evaporation (EB evaporation) can be performed. The inside of the chamber is in a high vacuum (10 −7 Torr) state, and the substrate temperature is room temperature.
The silicon substrate is irradiated with an ozone (O 3 ) jet, and left in this state for 30 minutes to form a silicon oxide film 1 having a thickness of 0.5 nm. Next, a high purity (99.99%) titanium oxide (TiO 2 ) target is irradiated with an electron beam to deposit a titanium oxide film 18 on the silicon oxide film. Assuming that the electron beam emission current is 45 mA and the deposition time is 8 minutes, a 10 nm-thick titanium oxide film 18 is formed.

【0045】次に、シリコン基板をラピッドサーマルア
ニール(RTA)装置のチャンバに移し、酸素流量50
sccmの雰囲気中でアニール温度950℃、アニール時間
240秒のアニール処理を施す。砒素をイオン注入した
後、ゲート電極は別のチャンバでスパッタ法を用いて膜
厚200nmのモリブデン(Mo)を堆積する。形成され
たチタン酸化膜は結晶構造がアナターゼ構造で、緻密な
高誘電率膜となる。この製造方法により、電気測定によ
る実効膜厚1.0nmの単層構造のゲート絶縁膜が形成さ
れる。
Next, the silicon substrate is transferred to a chamber of a rapid thermal annealing (RTA) apparatus, and an oxygen flow rate of 50
Annealing is performed at an annealing temperature of 950 ° C. and an annealing time of 240 seconds in an atmosphere of sccm. After ion implantation of arsenic, a 200 nm-thick molybdenum (Mo) film is deposited on the gate electrode by sputtering in another chamber. The formed titanium oxide film has an anatase crystal structure and is a dense high dielectric constant film. With this manufacturing method, a gate insulating film having a single-layer structure with an effective film thickness of 1.0 nm obtained by electrical measurement is formed.

【0046】なお、本発明においてゲート電極3として
はモリブデンの他に窒化モリブデン(MoN)やタング
ステン(W)、窒化タングステン(WN)等を堆積する
こともできる。
In the present invention, molybdenum nitride (MoN), tungsten (W), tungsten nitride (WN) or the like can be deposited as the gate electrode 3 in addition to molybdenum.

【0047】(実施例9)本発明の一つの実施の形態を
図3に示したMOSFETの断面図を用いて説明する。
MOSFETのゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜、帯
電性材料としてガリウムを用いる場合を示す。図3の絶
縁膜の部分は線分ABの断面に沿ってAからBに向かっ
て、埋め込み絶縁膜6、ゲート電極3、ガリウム注入シ
リコン酸化膜15、シリコン基板8となっている。基板
にはソースドレイン間のリーク電流を防ぐためにチャネ
ルストッパ7として砒素がイオン注入されている。
(Embodiment 9) An embodiment of the present invention will be described with reference to the cross-sectional view of the MOSFET shown in FIG.
A case where a silicon oxide film is used as a gate insulating film of a MOSFET and gallium is used as a chargeable material will be described. The insulating film portion in FIG. 3 includes a buried insulating film 6, a gate electrode 3, a gallium-implanted silicon oxide film 15, and a silicon substrate 8 from A to B along the cross section of the line segment AB. Arsenic is ion-implanted into the substrate as a channel stopper 7 to prevent a leak current between the source and the drain.

【0048】ガリウム原子はIII族元素であるため周囲
が4価を単位とする原子の構造物の中では電子が不足
し、ホールが生じる。実際、ガリウムがシリコン基板中
に注入された場合にはp型のドーパントとなる。
Since the gallium atom is a group III element, there is a shortage of electrons in the structure of the atom whose unit is tetravalent, and a hole is generated. In fact, when gallium is implanted into a silicon substrate, it becomes a p-type dopant.

【0049】図3の線分ABに沿った断面のゲート電圧
を印加していないときのエネルギバンド図は図4に示す
ようになる。このホール17は励起してゲート絶縁膜1
1両側にある界面に到達する。このため、ガリウム注入
シリコン酸化膜15は負に帯電する。MOSFETのし
きい電圧は、この帯電した分だけ高く(絶対値が小さ
く)なる。
FIG. 4 shows an energy band diagram of the cross section along the line AB in FIG. 3 when no gate voltage is applied. This hole 17 is excited to generate the gate insulating film 1.
1 Reach the interfaces on both sides. Therefore, the gallium-implanted silicon oxide film 15 is negatively charged. The threshold voltage of the MOSFET becomes higher (absolute value becomes smaller) by the charged amount.

【0050】このような絶縁膜の形成方法を以下に示
す。n型のシリコン基板をアンモニアと過酸化水素を含
んだ水溶液に浸漬した後、フッ酸水溶液で表面酸化膜を
除去し、これに続いてフィールド酸化膜を形成してか
ら、シリコン基板を流量10リットル/分のウェット酸
化雰囲気中、基板温度850℃に加熱して14nm厚のシ
リコン酸化膜を形成する。次に、ガリウムを深さが14
nmになるようにイオン注入し、その後、窒素雰囲気中1
000℃でアニールする。そして、フッ素系エッチング
ガスを用いてシリコン酸化膜1を10nm分除去する。残
されたシリコン酸化膜は4nm厚で、その膜中にはガリウ
ム原子がほぼ一様に広がっている。
The method for forming such an insulating film will be described below. After the n-type silicon substrate is immersed in an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide, the surface oxide film is removed with a hydrofluoric acid aqueous solution, and then a field oxide film is formed. The substrate temperature is heated to 850 ° C. in a wet oxidation atmosphere at a rate of / min. To form a silicon oxide film having a thickness of 14 nm. Next, gallium was added to a depth of 14
ion implantation, and then in a nitrogen atmosphere for 1
Anneal at 000 ° C. Then, the silicon oxide film 1 is removed by 10 nm using a fluorine-based etching gas. The remaining silicon oxide film is 4 nm thick, and gallium atoms are almost uniformly spread in the film.

【0051】(実施例10)本発明の一つの実施の形態
を図3に示したMOSFETの断面図を用いて説明す
る。MOSFETのゲート絶縁膜としてシリコン酸化
膜、帯電性材料としてガリウムを添加したチタン酸化膜
を用いる場合を示す。図3の絶縁膜の部分は線分ABの
断面に沿ってAからBに向かって、埋め込み絶縁膜6、
ゲート電極3、ガリウム注入チタン酸化膜18、シリコ
ン基板8となっている。基板にはソースドレイン間のリ
ーク電流を防ぐためにチャネルストッパ7として砒素が
イオン注入されている。なお、本発明のMOSFETの
構造は前記実施例9に示されている。
(Embodiment 10) One embodiment of the present invention will be described with reference to the cross-sectional view of the MOSFET shown in FIG. A case where a silicon oxide film is used as a gate insulating film of a MOSFET and a titanium oxide film to which gallium is added as a charging material is shown. The portion of the insulating film in FIG. 3 extends from A to B along the cross section of the line segment AB from the buried insulating film 6,
The gate electrode 3, the gallium-implanted titanium oxide film 18, and the silicon substrate 8 are provided. Arsenic is ion-implanted into the substrate as a channel stopper 7 to prevent a leak current between the source and the drain. The structure of the MOSFET of the present invention is shown in the ninth embodiment.

【0052】このような絶縁膜の形成方法を以下に示
す。n型のシリコン基板をアンモニアと過酸化水素を含
んだ水溶液に浸漬した後、フッ酸水溶液で表面酸化膜を
除去し、これに続いてフィールド酸化膜を形成してか
ら、スパッタ法の施せるチャンバ内に導入する。チャン
バ内を真空(1Torr)状態に、基板温度は室温にする。
高純度(99.99%)のチタンオキサイド(Ti
2)ターゲットに酸素ラジカルを照射し、シリコン基
板上にチタン酸化膜18を堆積する。次にガリウムをイ
オン注入する。
A method for forming such an insulating film will be described below. After the n-type silicon substrate is immersed in an aqueous solution containing ammonia and hydrogen peroxide, the surface oxide film is removed with a hydrofluoric acid aqueous solution, and then a field oxide film is formed. To be introduced. The inside of the chamber is in a vacuum (1 Torr) state, and the substrate temperature is room temperature.
High purity (99.99%) titanium oxide (Ti
O 2 ) The target is irradiated with oxygen radicals to deposit a titanium oxide film 18 on the silicon substrate. Next, gallium is ion-implanted.

【0053】次に、シリコン基板をラピッドサーマルア
ニール(RTA)装置のチャンバに移し、酸素流量50
sccmの雰囲気中でアニール温度950℃、アニール時間
240秒のアニール処理を施す。ゲート電極は同じチャ
ンバでスパッタ法を用いて膜厚200nmのモリブデン
(Mo)を堆積する。形成されたチタン酸化膜18は結
晶構造がアナターゼ構造で、緻密な高誘電率膜となる。
この製造方法により、電気測定による実効膜厚1.0nm
の単層構造のゲート絶縁膜が形成される。
Next, the silicon substrate is transferred to a chamber of a rapid thermal annealing (RTA) apparatus, and an oxygen flow rate of 50
Annealing is performed at an annealing temperature of 950 ° C. and an annealing time of 240 seconds in an atmosphere of sccm. For the gate electrode, molybdenum (Mo) having a thickness of 200 nm is deposited in the same chamber by a sputtering method. The formed titanium oxide film 18 has an anatase crystal structure and is a dense high dielectric constant film.
By this manufacturing method, an effective film thickness of 1.0 nm by electric measurement
Is formed.

【0054】なお、本発明においてゲート電極3として
はモリブデンの他に窒化モリブデン(MoN)やタング
ステン(W)、窒化タングステン(WN)等を堆積する
こともできる。
In the present invention, molybdenum nitride (MoN), tungsten (W), tungsten nitride (WN), or the like can be deposited as the gate electrode 3 in addition to molybdenum.

【0055】[0055]

【発明の効果】本発明によれば、ゲート絶縁膜11中に
帯電性材料を導入することでしきい電圧の調整ができる
ので、伝導キャリアの移動度を高く保つことが可能であ
る。
According to the present invention, the threshold voltage can be adjusted by introducing a chargeable material into the gate insulating film 11, so that the mobility of the conductive carriers can be kept high.

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

【図1】本発明の一実施例の半導体装置であるn型MO
SFETの断面図。
FIG. 1 shows an n-type MO as a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an SFET.

【図2】図1に示す半導体装置の線分ABに沿った断面
のエネルギバンド図。
FIG. 2 is an energy band diagram of a cross section along a line segment AB of the semiconductor device shown in FIG.

【図3】本発明の一実施例の半導体装置であるp型MO
SFETの断面図。
FIG. 3 shows a p-type MO as a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an SFET.

【図4】図3に示す半導体装置の線分ABに沿った断面
のエネルギバンド図。
FIG. 4 is an energy band diagram of a cross section along a line segment AB of the semiconductor device shown in FIG. 3;

【図5】本発明の一実施例の半導体装置であるn型MO
SFETの断面図。
FIG. 5 shows an n-type MO as a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an SFET.

【図6】図5に示す半導体装置の線分ABに沿った断面
のエネルギバンド図。
6 is an energy band diagram of a cross section taken along a line AB of the semiconductor device shown in FIG. 5;

【図7】本発明の一実施例の半導体装置であるn型MO
SFETの断面図。
FIG. 7 shows an n-type MO as a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an SFET.

【図8】図7に示す半導体装置の線分ABに沿った断面
のエネルギバンド図。
8 is an energy band diagram of a cross section along a line AB of the semiconductor device illustrated in FIG. 7;

【図9】本発明の一実施例の半導体装置であるn型MO
SFETの断面図。
FIG. 9 is an n-type MO as a semiconductor device according to one embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a cross-sectional view of an SFET.

【図10】従来例のn型MOSFETの断面図。FIG. 10 is a sectional view of a conventional n-type MOSFET.

【図11】図10に示す半導体装置の線分ABに沿った
断面のエネルギバンド図。
FIG. 11 is an energy band diagram of a cross section along a line AB of the semiconductor device shown in FIG. 10;

【図12】図10に示す半導体装置の線分ABに沿った
断面のエネルギバンド図。
12 is an energy band diagram of a cross section along a line AB of the semiconductor device shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…シリコン酸化膜、2…シリコン酸窒化膜、3…ゲー
ト電極、4…ソース、5…ドレイン、6…埋め込み絶縁
膜、7…チャネルストッパ、8…シリコン基板、9…素
子分離絶縁膜、10…チャネル領域、11…ゲート絶縁
膜、12…正電荷、13…電子、14…電極のフェルミ
面、15…ガリウム注入シリコン酸化膜、16…負電
荷、17…ホール、18…チタン酸化膜、19…基板の
フェルミ面。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon oxide film, 2 ... Silicon oxynitride film, 3 ... Gate electrode, 4 ... Source, 5 ... Drain, 6 ... Buried insulating film, 7 ... Channel stopper, 8 ... Silicon substrate, 9 ... Element isolation insulating film, 10 ... Channel region, 11 gate insulating film, 12 positive charge, 13 electron, 14 Fermi surface of electrode, 15 gallium-implanted silicon oxide film, 16 negative charge, 17 hole, 18 titanium oxide film, 19 ... Fermi surface of the substrate.

フロントページの続き (72)発明者 辻川 真平 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Fターム(参考) 5F040 DA06 ED02 ED03 ED05 FC15Continued on the front page (72) Inventor Shinpei Tsujikawa 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji-shi, Tokyo F-term in Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. 5F040 DA06 ED02 ED03 ED05 FC15

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1導電型を有する半導体基板にゲート絶
縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記半導体基板
内に互いに分離して設けられた第2導電型の拡散層領域
を備えた半導体装置において、ゲート絶縁膜の全部また
はその一部が第1導電型に帯電することを特徴とする半
導体装置。
A gate electrode provided on a semiconductor substrate having a first conductivity type via a gate insulating film; and a diffusion layer region of a second conductivity type provided separately in the semiconductor substrate. In a semiconductor device, a whole or a part of a gate insulating film is charged to a first conductivity type.
【請求項2】請求項1記載の半導体装置において、第2
導電型キャリアの流れる領域の不純物濃度が、1016
cm3以下であることを特徴とする半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein
The impurity concentration of the region where the conductive type carrier flows is 10 16 /
A semiconductor device having a size of not more than cm 3 .
【請求項3】請求項1記載の半導体装置において、ゲー
ト絶縁膜が積層構造になっていて、第1導電型帯電性材
料となる材料からなる層と別の層との、少なくとも2層
以上によって構成されることを特徴とする半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film has a laminated structure, and includes at least two layers of a layer made of a material to be a first conductive type charging material and another layer. A semiconductor device comprising:
【請求項4】請求項1記載の半導体装置において、第1
導電型帯電性材料となる材料が窒素原子を添加したシリ
コン酸化膜からなることを特徴とする半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
A semiconductor device, wherein a material to be a conductive type charging material is a silicon oxide film to which nitrogen atoms are added.
【請求項5】請求項1記載の半導体装置において、第1
導電型帯電性材料となる材料がシリコン窒化膜からなる
ことを特徴とする半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
A semiconductor device, wherein a material serving as a conductive type charging material is a silicon nitride film.
【請求項6】請求項1記載の半導体装置において、第1
導電型帯電性材料となる材料がチタン酸化膜からなるこ
とを特徴とする半導体装置。
6. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
A semiconductor device, wherein a material to be a conductive type charging material is a titanium oxide film.
【請求項7】請求項1記載の半導体装置において、第1
導電型帯電性材料となる材料がタンタル酸化膜からなる
ことを特徴とする半導体装置。
7. The semiconductor device according to claim 1, wherein:
A semiconductor device, wherein a material serving as a conductive charging material is a tantalum oxide film.
【請求項8】第1導電型を有する半導体基板にゲート絶
縁膜を介して設けられたゲート電極と、前記半導体基板
内に互いに分離して設けられた第2導電型の拡散層領域
を備えた半導体装置の製造方法において、ゲート絶縁膜
の全部またはその一部に第1導電型に帯電性を付与する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. A semiconductor device having a first conductivity type, comprising a gate electrode provided on a semiconductor substrate with a gate insulating film interposed therebetween, and a diffusion layer region of a second conductivity type provided separately in the semiconductor substrate. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: imparting chargeability to a first conductivity type to all or a part of a gate insulating film.
【請求項9】請求項8記載の半導体装置において、第1
導電型に帯電性を付与した絶縁膜を形成するために、窒
素原子を添加したシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、チ
タン酸化膜、タンタル酸化膜のいずれかを形成すること
を特徴とする半導体装置の製造方法。
9. The semiconductor device according to claim 8, wherein:
Forming a silicon oxide film to which nitrogen atoms are added, a silicon nitride film, a titanium oxide film, or a tantalum oxide film in order to form an insulating film having conductivity-type chargeability; Production method.
JP11135400A 1999-05-17 1999-05-17 Semiconductor device and its manufacture Pending JP2000332235A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP11135400A JP2000332235A (en) 1999-05-17 1999-05-17 Semiconductor device and its manufacture

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP11135400A JP2000332235A (en) 1999-05-17 1999-05-17 Semiconductor device and its manufacture

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2000332235A true JP2000332235A (en) 2000-11-30

Family

ID=15150844

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP11135400A Pending JP2000332235A (en) 1999-05-17 1999-05-17 Semiconductor device and its manufacture

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2000332235A (en)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002280461A (en) * 2001-03-22 2002-09-27 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor device and its fabricating method
JP2003069011A (en) * 2001-08-27 2003-03-07 Hitachi Ltd Semiconductor device and method of manufacturing the same
KR100395762B1 (en) * 2001-07-31 2003-08-21 삼성전자주식회사 Non-volatile memory device and method of fabricating the same
JP2004289061A (en) * 2003-03-25 2004-10-14 Renesas Technology Corp Semiconductor device and its manufacturing method
JP2005531136A (en) * 2002-05-20 2005-10-13 アドバンスト・マイクロ・ディバイシズ・インコーポレイテッド Gate oxidation method for high performance MOS transistors by reducing remote scattering
JP2006093670A (en) * 2004-08-25 2006-04-06 Nec Electronics Corp Semiconductor device and its manufacturing method
KR100618098B1 (en) * 2001-01-16 2006-08-30 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼 Semiconductor device and manufacturing method of the same
WO2006097977A1 (en) * 2005-03-11 2006-09-21 Fujitsu Limited Semiconductor device and method for manufacturing same
US7375403B2 (en) 2003-09-26 2008-05-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device and method of manufacturing the same

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100618098B1 (en) * 2001-01-16 2006-08-30 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼 Semiconductor device and manufacturing method of the same
JP2002280461A (en) * 2001-03-22 2002-09-27 Mitsubishi Electric Corp Semiconductor device and its fabricating method
KR100395762B1 (en) * 2001-07-31 2003-08-21 삼성전자주식회사 Non-volatile memory device and method of fabricating the same
JP2003069011A (en) * 2001-08-27 2003-03-07 Hitachi Ltd Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2005531136A (en) * 2002-05-20 2005-10-13 アドバンスト・マイクロ・ディバイシズ・インコーポレイテッド Gate oxidation method for high performance MOS transistors by reducing remote scattering
JP4524995B2 (en) * 2003-03-25 2010-08-18 ルネサスエレクトロニクス株式会社 Semiconductor device
JP2004289061A (en) * 2003-03-25 2004-10-14 Renesas Technology Corp Semiconductor device and its manufacturing method
US7968397B2 (en) 2003-09-26 2011-06-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device and method of manufacturing the same
US7375403B2 (en) 2003-09-26 2008-05-20 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device and method of manufacturing the same
US7687869B2 (en) 2003-09-26 2010-03-30 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP2006093670A (en) * 2004-08-25 2006-04-06 Nec Electronics Corp Semiconductor device and its manufacturing method
US20080048210A1 (en) * 2005-03-11 2008-02-28 Fujitsu Limited Semiconductor device and method for making the same
WO2006097977A1 (en) * 2005-03-11 2006-09-21 Fujitsu Limited Semiconductor device and method for manufacturing same
US8188553B2 (en) * 2005-03-11 2012-05-29 Fujitsu Semiconductor Limited Semiconductor device and method for making the same
JP4992710B2 (en) * 2005-03-11 2012-08-08 富士通セミコンダクター株式会社 MOS transistor and manufacturing method thereof
US20120208354A1 (en) * 2005-03-11 2012-08-16 Fujitsu Semiconductor Limited Semiconductor device and method for making the same
US8497178B2 (en) 2005-03-11 2013-07-30 Fujitsu Semiconductor Limited Semiconductor device and method for making the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6787451B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP7471787B2 (en) Electronic device and method for manufacturing same
KR100530401B1 (en) Semiconductor device having a low-resistance gate electrode
US6110784A (en) Method of integration of nitrogen bearing high K film
US6955973B2 (en) Method for forming a semiconductor device
US6455330B1 (en) Methods to create high-k dielectric gate electrodes with backside cleaning
US20050202659A1 (en) Ion implantation of high-k materials in semiconductor devices
JP2014049747A (en) Semiconductor device including tungsten gate electrode and method for manufacturing the same
TW201036063A (en) Semiconductor device and the fabrication method thereof
US6100204A (en) Method of making ultra thin gate oxide using aluminum oxide
US6524918B2 (en) Method for manufacturing a gate structure incorporating therein aluminum oxide as a gate dielectric
JP2003249497A (en) Method for fabricating semiconductor device
JP4489368B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP2006351583A (en) Semiconductor device and its manufacturing method
CN103855014B (en) P-type MOSFET and manufacturing method thereof
KR102579576B1 (en) Contact integration for reduced interface and series contact resistance
JP2000332235A (en) Semiconductor device and its manufacture
US8928051B2 (en) Metal oxide semiconductor (MOS) device with locally thickened gate oxide
JP2003069013A (en) Semiconductor device and method of manufacturing the same
JP5960491B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US8889515B2 (en) Method for fabricating semiconductor device by changing work function of gate metal layer
US6432780B2 (en) Method for suppressing boron penetrating gate dielectric layer by pulsed nitrogen plasma doping
JPH1012609A (en) Semiconductor device and its manufacture
US7015088B2 (en) High-K gate dielectric defect gettering using dopants
KR20130051283A (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same