JP2001044420A - Field-effect transistor and manufacture thereof - Google Patents

Field-effect transistor and manufacture thereof

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JP2001044420A
JP2001044420A JP11210732A JP21073299A JP2001044420A JP 2001044420 A JP2001044420 A JP 2001044420A JP 11210732 A JP11210732 A JP 11210732A JP 21073299 A JP21073299 A JP 21073299A JP 2001044420 A JP2001044420 A JP 2001044420A
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metal oxide
tungsten
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To form a field-effect transistor with a gate insulating film thickness equal to or below a specific value in terms of Si oxide film-converted film thickness by forming a laminated film of a silicon nitride film and tungsten- titanium mixed oxide or tungsten-zirconium mixed oxide as a gate insulating film on a single crystal silicon substrate. SOLUTION: An element isolation region 210 of STI structure is formed on a n-type single crystal silicon substrate 201. A silicon nitride film 204, 1 nm or so in film thickness, is formed on a channel region 203, and a WTO film (Ti/(W+Ti)=0.2) 205, 12 nm or so in film thickness, is formed thereon. A gate electrode 206 is formed on the metal oxide insulating film 205 through self alignment to source-drain regions 202. Source-drain electrodes 207, electrically connected with the respective source-drain regions 202 through contact holes formed in a layer insulating film 208, are formed. The silicon film- converted film thickness of the gate insulating film is not larger than 1.0 nm.

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、電界効果トランジ
スタとその製造方法に関する。
The present invention relates to a field effect transistor and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体トランジスタの更なる高集
積化を実現するために、Si酸化膜換算膜厚が1nm以
下であり、且つ、ゲートリーク電流が、ゲート電圧1V
時に1mA/cm以下であるゲート絶縁膜が要求され
ている。現在、ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜が使
用されているが、膜厚1nmのシリコン酸化膜に電圧1
Vを印加すると、直接トンネル電流だけでも10A/c
を超えるので使用できない。また、膜厚1nm以下
のシリコン酸化膜をシリコンウエハー上に制御性良く、
しかも均一に成膜することは極めて困難である。
2. Description of the Related Art In recent years, in order to realize a higher integration of a semiconductor transistor, an equivalent silicon oxide film thickness is 1 nm or less, and a gate leakage current is reduced to a gate voltage of 1 V.
Sometimes a gate insulating film having a current of 1 mA / cm 2 or less is required. At present, a silicon oxide film is used as a gate insulating film.
When V is applied, the direct tunnel current alone is 10 A / c.
can not be used because more than m 2. In addition, a silicon oxide film having a thickness of 1 nm or less is formed on a silicon wafer with good controllability.
Moreover, it is extremely difficult to form a uniform film.

【0003】そこで、ゲート絶縁膜としてシリコン酸化
膜の代わりに、金属酸化物などの高誘電体薄膜を用いる
ことにより、ゲート絶縁膜のSi酸化膜換算膜厚を縮小
する試みが行われている。現在までの試みにおいて、金
属酸化物絶縁膜はチャネル(Si)直上に、またはシリ
コン酸化膜を介して、もしくはシリコン窒化膜を介して
形成されている。
Therefore, attempts have been made to reduce the equivalent oxide thickness of the gate insulating film by using a high dielectric thin film such as a metal oxide instead of the silicon oxide film as the gate insulating film. In attempts to date, the metal oxide insulating film has been formed immediately above the channel (Si), through a silicon oxide film, or through a silicon nitride film.

【0004】チャネル(Si)直上に金属酸化物絶縁膜
を形成したMDS(Metal−Dielectric
−Semiconductor)−FET(Field
−Effect−Transistor)では、金属酸
化物絶縁膜を形成中または金属酸化物絶縁膜を形成後の
熱処理(金属酸化物絶縁膜改良のための酸素中アニール
もしくはソース−ドレイン活性化)の最中に、シリコン
−金属酸化物絶縁膜の界面で相互拡散が起こる。すなわ
ち、チャネル中へは金属が拡散し、金属酸化物中へはシ
リコンが拡散する。前者はトランジスターのデバイス特
性劣化を招く。後者は金属酸化物の結晶性低下を引き起
こしその誘電率を低下させる。更に、熱処理後には、金
属酸化物絶縁膜とチャネル(Si)間にシリコン酸化膜
が形成され、チャネルとゲート絶縁物の界面に低誘電率
層が挿入されてしまう。以上のような理由から、ゲート
絶縁膜厚がシリコン酸化膜換算で1nm以下のトランジ
スタ作成はこの構造では困難である。
An MDS (Metal-Dielectric) in which a metal oxide insulating film is formed immediately above a channel (Si)
-Semiconductor-FET-Field (Field)
In (Effect-Transistor), during the formation of the metal oxide insulating film or during the heat treatment after the formation of the metal oxide insulating film (anneal in oxygen or source-drain activation for improving the metal oxide insulating film). Interdiffusion occurs at the interface of the silicon-metal oxide insulating film. That is, metal diffuses into the channel and silicon diffuses into the metal oxide. The former causes deterioration of device characteristics of the transistor. The latter causes a decrease in the crystallinity of the metal oxide and lowers its dielectric constant. Furthermore, after the heat treatment, a silicon oxide film is formed between the metal oxide insulating film and the channel (Si), and a low dielectric constant layer is inserted at the interface between the channel and the gate insulator. For the above reasons, it is difficult to form a transistor having a gate insulating film thickness of 1 nm or less in terms of a silicon oxide film with this structure.

【0005】チャネル上にシリコン酸化膜を介して金属
酸化物絶縁膜を形成したMDIS(Metal−Die
lectric−Insulator−Semicon
ductor)−FETでは、上記のチャネル(Si)
直上に金属酸化物絶縁膜を形成したMDS−FETに比
較して相互拡散は抑制される。しかし、金属酸化物絶縁
膜を形成中または金属酸化物絶縁膜を形成後の熱処理
(金属酸化物絶縁膜改良のための酸素中アニールもしく
はソース−ドレイン活性化)の後では、金属酸化物絶縁
膜とチャネル(Si)界面のシリコン酸化膜膜厚が増大
してしまう。この熱処理後のシリコン酸化膜膜厚を制御
性よく1nm以下に抑えるのは困難である。以上のよう
な理由から、ゲート絶縁膜厚1nm以下のトランジスタ
作成はこの構造では困難である。
An MDIS (Metal-Die) having a metal oxide insulating film formed on a channel via a silicon oxide film.
Electric-Insulator-Semicon
duct) -FET, the above-mentioned channel (Si)
Interdiffusion is suppressed as compared with an MDS-FET in which a metal oxide insulating film is formed directly above. However, during the formation of the metal oxide insulating film or after the heat treatment after the formation of the metal oxide insulating film (annealing in oxygen or source-drain activation for improving the metal oxide insulating film), the metal oxide insulating film Then, the thickness of the silicon oxide film at the channel (Si) interface increases. It is difficult to control the thickness of the silicon oxide film after the heat treatment to 1 nm or less with good controllability. For the above reasons, it is difficult to form a transistor having a gate insulating film thickness of 1 nm or less with this structure.

【0006】チャネル(Si)直上に、シリコン窒化膜
を介して金属酸化物絶縁膜を形成したMDIS−FET
では、シリコン窒化膜の緻密な構造のため、上記の相互
拡散が抑制される。また、シリコン窒化膜の酸化耐性の
ため、チャネル−ゲート絶縁膜界面でのシリコン酸化膜
形成が抑制される。このため、良好な動作が可能なMD
IS−FETを実現できると考えられる。
An MDIS-FET in which a metal oxide insulating film is formed directly above a channel (Si) via a silicon nitride film
In the above, due to the dense structure of the silicon nitride film, the above-mentioned interdiffusion is suppressed. Further, due to the oxidation resistance of the silicon nitride film, formation of the silicon oxide film at the interface between the channel and the gate insulating film is suppressed. For this reason, the MD capable of operating well
It is considered that an IS-FET can be realized.

【0007】ゲート絶縁物として金属酸化物を形成する
場合、基板に損傷を与えない点、低温成膜が可能な点、
段差被覆性が良い点等から鑑みて有機金属材料ガスを用
いた気相成長方法が有望だと考えられる。更に、膜厚−
組成の均一性を考慮すると、低圧有機金属気相成長方法
(LP−MOCVD)が最も有望だと考えられる。
When a metal oxide is formed as a gate insulator, the substrate is not damaged, low-temperature film formation is possible,
In view of the good step coverage, a vapor phase growth method using an organometallic material gas is considered promising. Furthermore, the film thickness-
Considering the compositional uniformity, low-pressure metalorganic vapor phase epitaxy (LP-MOCVD) is considered the most promising.

【0008】また、金属酸化物成膜後に、ソース−ドレ
イン活性化や金属酸化物の酸素アニールを行った場合、
熱処理条件によっては上記相互拡散−シリコン窒化膜の
酸化−シリコン窒化膜/シリコン界面でのシリコン酸化
膜の形成が起こるという問題点がある。
When the source-drain activation or the oxygen annealing of the metal oxide is performed after the formation of the metal oxide,
Depending on the heat treatment conditions, there is a problem that the above-mentioned interdiffusion-oxide of silicon nitride film-silicon oxide film is formed at the silicon nitride film / silicon interface.

【0009】半導体トランジスタの更なる高集積化を実
現するために、Si酸化膜換算膜厚が1nm以下且つゲ
ートリーク電流がゲート電圧1V時に1mA/cm
下であるゲート絶縁膜が要求されている。これを実現す
るにはゲート絶縁膜としてシリコン窒化膜と金属酸化物
絶縁膜の積層膜を使用することが有望であるが、以下の
ような問題がある。
In order to realize further higher integration of a semiconductor transistor, a gate insulating film having an equivalent Si oxide film thickness of 1 nm or less and a gate leak current of 1 mA / cm 2 or less at a gate voltage of 1 V is required. . To realize this, it is promising to use a stacked film of a silicon nitride film and a metal oxide insulating film as a gate insulating film, but there are the following problems.

【0010】第一の問題は、金属酸化物絶縁膜のリーク
特性である。上記のリーク特性を満たすには、シリコン
酸化膜換算膜厚1nmの高誘電体薄膜に1V印加した場
合のリーク電流密度が、1mA/cm以下である必要
がある。しかし、現在まで試みられたAl、Zr
、Bi、Ta、TiOなどの金属酸
化物絶縁膜すべてはリーク特性を満足しない。
The first problem is a leak characteristic of the metal oxide insulating film. In order to satisfy the above leak characteristics, the leak current density when 1 V is applied to a high dielectric thin film having a silicon oxide equivalent film thickness of 1 nm needs to be 1 mA / cm 2 or less. However, Al 2 O 3 , Zr
All of the metal oxide insulating films such as O 2 , Bi 2 O 3 , Ta 2 O 5 , and TiO 2 do not satisfy the leak characteristics.

【0011】第二の問題は、シリコン窒化膜が金属酸化
物成膜時に酸化され、シリコン窒化膜の誘電率が低下す
ることである。シリコン窒化膜の金属に対するバリヤー
性を確保するためには、最低0.8nmの膜厚が必要で
あり、シリコン窒化膜がまったく酸化されないとして
も、そのシリコン酸化膜換算膜厚は0.45nmとな
る。従って、ゲート絶縁膜のシリコン酸化膜換算膜厚を
1nm以下に抑え、且つ、金属酸化物絶縁膜のシリコン
酸化膜換算膜厚を0.5nm以上確保するためには、シ
リコン窒化膜の酸化を酸素濃度10%以内に抑える必要
がある。この時、膜厚0.8nmのシリコン窒化膜の誘
電率は約6で、シリコン換算膜厚は0.5nmである。
現在までにLP−MOCVD法により堆積されている金
属酸化物として五酸化タンタル及び酸化チタンがある
が、金属酸化物の絶縁特性を確保するためには、基板温
度を500℃以上に上げる必要がある。この時、シリコ
ン窒化膜中の酸素濃度は10%以上となる。500℃以
上の基板温度が必要なのは、使用される有機金属材料の
分解温度が200℃以上であるため、原料ガスが完全に
分解するには、500℃以上の温度を必要とするためで
ある。基板温度が500℃以下の場合、堆積された金属
酸化物中に有機金属材料に含まれる炭素や窒素等が残留
する。例えば、ジャーナル−オブ−マテリアルズ−ケミ
ストリー8巻1773ページ(Journal of
Materials Chemisty Vol.8
(1998) P.1773)によれば、酸化チタンを
Ti(OPr (OCHCH(NMe))で
堆積する際、基板温度を450℃とすると、堆積した膜
中に2.9%の炭素が検出されている。また、ジャパニ
ーズ−ジャーナル−オブ−アプライド−フィジックス3
0巻L1974ページ(Japanese Journ
al of Applied Physics Vo
l.30(1991)P.L1974)によれば、酸化
タンタルをペンタジメチルアミノタンタル(Ta(N
(CH)で堆積する際、基板温度を450℃
とすると、堆積した膜中に4.0 %の炭素が検出され
ている。一方、エレクトロケミカル−アンド−ソリッド
ステート−レター1巻178ページ(Electroc
hemical and Solid−State L
ettersVol.1 (1998)P.178)で
は、膜厚0.8nmの酸素濃度9.6%のシリコン酸窒
化膜(Si4−x x=0.67)上にペンタ
ジメチルアミノタンタルと酸素用いて五酸化タンタルを
基板温度520℃で堆積しているが、五酸化タンタル堆
積後のシリコン窒酸化膜中の酸素量は、SIMSによれ
ば約40%に増加している。酸素濃度の増加は10%を
はるかに上回っている。従って、従来の有機原料ガス及
び基板温度を用いてはゲート絶縁膜の膜厚をSi酸化膜
換算膜厚で1nmとすることは非常に困難である。
The second problem is that the silicon nitride film is
Is oxidized during film formation, and the dielectric constant of the silicon nitride film decreases.
Is Rukoto. Barrier to silicon nitride metal
In order to ensure performance, a film thickness of at least 0.8 nm is required.
Yes, assuming that the silicon nitride film is not oxidized at all
The equivalent silicon oxide film thickness is 0.45 nm.
You. Therefore, the equivalent silicon oxide film thickness of the gate insulating film is
1 nm or less, and silicon of the metal oxide insulating film
In order to secure the equivalent oxide thickness of 0.5 nm or more,
Oxidation of recon nitride film must be kept within 10% oxygen concentration
There is. At this time, a silicon nitride film having a thickness of 0.8 nm is induced.
The electric conductivity is about 6, and the silicon equivalent film thickness is 0.5 nm.
Gold deposited by LP-MOCVD method to date
Group oxides include tantalum pentoxide and titanium oxide
However, in order to ensure the insulating properties of metal oxide,
The temperature must be raised to 500 ° C. or higher. At this time, Silico
The oxygen concentration in the nitrided film becomes 10% or more. 500 ° C or less
The substrate temperature above is required only for the organometallic material used.
Since the decomposition temperature is 200 ° C or higher, the raw material gas is completely
Decomposition requires a temperature of 500 ° C or higher.
is there. If the substrate temperature is below 500 ° C, the deposited metal
Carbon, nitrogen, etc. contained in organometallic materials remain in oxides
I do. For example, Journal-of-Materials-Chem
Stream 8 Volume 1773 (Journal of
Materials Chemistry Vol. 8
(1998) P.A. According to 1773), titanium oxide is
Ti (OPr i)3(OCH2CH2(NMe2))so
When depositing, if the substrate temperature is 450 ° C., the deposited film
2.9% of carbon is detected in it. Also, Japani
Home-Journal-of-Applied-Physics 3
0 volume L1974 page (Japanese Journal
al of Applied Physics Vo
l. 30 (1991) p. According to L1974), oxidation
Tantalum is replaced with pentadimethylamino tantalum (Ta (N
(CH3)2)5), The substrate temperature is 450 ° C.
Then, 4.0% of carbon is detected in the deposited film.
ing. On the other hand, electro-chemical and solid
State Letter 1 Volume 178 Pages (Electroc
chemical and Solid-State L
letters Vol. 1 (1998) p. 178)
Is a silicon oxynitride having a thickness of 0.8 nm and an oxygen concentration of 9.6%.
Film (Si3N4-xOx x = 0.67)
Tantalum pentoxide using dimethylamino tantalum and oxygen
Deposited at a substrate temperature of 520 ° C.
The amount of oxygen in the silicon oxynitride film after stacking was determined by SIMS.
The number has increased to about 40%. 10% increase in oxygen concentration
It is much better. Therefore, conventional organic source gas and
And substrate temperature, the thickness of the gate insulating film is
It is very difficult to make the equivalent film thickness 1 nm.

【0012】第三の問題は、シリコン窒化膜上に、金属
酸化物成膜後には、ソース−ドレイン活性化及び金属酸
化物の酸素アニールの熱処理があるが、熱処理条件によ
っては上記相互拡散−シリコン窒化膜の酸化−シリコン
窒化膜/シリコン界面でのシリコン酸化膜の形成が起こ
る点である。従って、相互拡散−シリコン窒化膜の酸化
−シリコン酸化膜の形成を抑制し、且つ、ソース−ドレ
イン活性化及び金属酸化物の酸素欠損補償及び金属酸化
物中の不純物除去が可能な熱処理条件を見出す必要があ
る。
The third problem is that after the metal oxide film is formed on the silicon nitride film, there are heat treatments for source-drain activation and metal oxide oxygen annealing. The point is that formation of a silicon oxide film at the oxide-silicon nitride film / silicon interface of the nitride film occurs. Accordingly, a heat treatment condition capable of suppressing the formation of the interdiffusion-oxidation of the silicon nitride film-silicon oxide film, activating the source-drain, compensating for oxygen deficiency of the metal oxide and removing impurities in the metal oxide is found. There is a need.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
した従来技術の欠点を改良し、特に、ゲート絶縁膜厚が
Si酸化膜換算膜厚1nm以下の新規な電界効果トラン
ジスタとその製造方法を提供するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to improve the above-mentioned disadvantages of the prior art, and in particular, a novel field effect transistor having a gate insulating film thickness of 1 nm or less in terms of Si oxide film and a method of manufacturing the same. Is provided.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するため、基本的には、以下に記載されたような技
術構成を採用するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention basically employs the following technical configuration to achieve the above object.

【0015】即ち、本発明に係わる電界効果トランジス
タの第1態様は、単結晶シリコン基板上にゲート絶縁膜
として、シリコン窒化膜及びタングステン−チタン混合
酸化物又はタングステン−ジルコニウム混合酸化物の積
層膜が設けられていることを特徴とするものであり、
叉、第2態様は、前記積層膜上に設けられるゲート電極
は、貴金属Ir、Pt、Au、Ag、Ru、Os、高融
点金属Co、導電性酸化物RuO、RhO、OsO
、IrO、ReO、ReO、MoO、SrR
uOの何れか、又は、これらの各材料の合金である
か、又は、前記各材料を複数層に形成した構造であるこ
とを特徴とするものである。
That is, in a first embodiment of the field effect transistor according to the present invention, a laminated film of a silicon nitride film and a tungsten-titanium mixed oxide or a tungsten-zirconium mixed oxide is formed as a gate insulating film on a single crystal silicon substrate. It is characterized by being provided,
In a second aspect, the gate electrode provided on the laminated film is formed of a noble metal Ir, Pt, Au, Ag, Ru, Os, a high melting point metal Co, a conductive oxide RuO 2 , RhO 2 , OsO.
2 , IrO 2 , ReO 2 , ReO 3 , MoO 2 , SrR
Any one of uO 3 , an alloy of each of these materials, or a structure in which each of the above materials is formed in a plurality of layers.

【0016】叉、本発明に係わる電界効果トランジスタ
の製造方法の第1態様は、単結晶シリコン基板上にシリ
コン窒化膜を形成する第1の工程と、前記シリコン窒化
膜上にタングステン原料ガスとしてヘキサジメチルアミ
ノジタングステン(W(N(CH)を含む
有機金属材料ガスと酸化ガスを用いてタングステン−チ
タン混合酸化物またはタングステン−ジルコニウム混合
金属酸化物を形成する第2の工程と、前記金属酸化物上
に導電膜を形成する第3の工程と、前記金属酸化物及び
前記導電膜をパターニングしてゲート絶縁膜とゲート電
極とを形成する第4の工程と、前記ゲート絶縁膜及びゲ
ート電極とをイオン注入用マスクとしてゲート絶縁膜及
びゲート電極に対して自己整合的に拡散層に不純物イオ
ンを注入する第5の工程と、前記不純物を熱処理により
活性化しソース−ドレイン領域を形成する第6の工程
と、酸素アニールする第7の工程とを含むことを特徴と
するものであり、叉、第2態様は、前記第2の工程の基
板温度は、350℃以上400℃以下であり、前記第7
の工程の酸素アニール温度は、350℃以上400℃以
下であることを特徴とするものであり、叉、第3態様
は、前記ゲート電極が、貴金属Ir、Pt、Au、A
g、Ru、Os、高融点金属Co、導電性酸化物RuO
、RhO、OsO、IrO、ReO、ReO
、MoO、SrRuOの何れか、又は、これらの
各材料の合金であるか、又は、前記各材料を複数層に形
成したものであることを特徴とするものであり、叉、第
4態様は、前記酸化ガスが、二酸化窒素ガスを含むこと
を特徴とするものである。
A first aspect of the method for manufacturing a field effect transistor according to the present invention is a first step of forming a silicon nitride film on a single crystal silicon substrate, and a step of forming a hexagonal gas as a tungsten source gas on the silicon nitride film. Second Step of Forming Tungsten-Titanium Mixed Oxide or Tungsten-Zirconium Mixed Metal Oxide Using Organometallic Material Gas Containing Dimethylaminoditungsten (W 2 (N (CH 3 ) 2 ) 6 ) and Oxidizing Gas A third step of forming a conductive film on the metal oxide, a fourth step of patterning the metal oxide and the conductive film to form a gate insulating film and a gate electrode, Using the film and the gate electrode as an ion implantation mask, impurity ions are implanted into the diffusion layer in a self-aligned manner with respect to the gate insulating film and the gate electrode. A fifth step, a sixth step of activating the impurities by heat treatment to form a source-drain region, and a seventh step of oxygen annealing. Means that the substrate temperature in the second step is 350 ° C. or more and 400 ° C. or less;
The oxygen annealing temperature in the step is characterized by being 350 ° C. or more and 400 ° C. or less, and the third aspect is that the gate electrode is made of a noble metal Ir, Pt, Au, A
g, Ru, Os, refractory metal Co, conductive oxide RuO
2 , RhO 2 , OsO 2 , IrO 2 , ReO 2 , ReO
3 , MoO 2 , SrRuO 3 , or an alloy of each of these materials, or a material in which each of the above materials is formed in a plurality of layers. In an embodiment, the oxidizing gas includes a nitrogen dioxide gas.

【0017】WOの結晶は高い誘電率を有するが(バ
ルク値で約2000)、リーク電流が非常に大きく(バ
ルクでの抵抗率は1kΩcm)、伝導帯の底がシリコン
の伝導帯の底よりも低く、そのままではゲート絶縁膜と
して使用できない。WOが高い誘電率を有するのは、
ペロブスカイト構造ABOからAサイトを抜いた構造
を有するためである。また、大きなリーク電流は、結晶
化したとき酸素欠陥が多量に形成されるためである。
The WO 3 crystal has a high dielectric constant (about 2000 in bulk value), but has a very large leakage current (resistivity in bulk is 1 kΩcm) and the conduction band bottom is lower than the silicon conduction band bottom. And cannot be used as it is as a gate insulating film. WO 3 has a high dielectric constant because
This is because having a structure in which disconnect the A site of a perovskite structure ABO 3. The large leak current is due to the formation of a large amount of oxygen defects when crystallized.

【0018】本発明者は、WOに酸化チタン(TiO
)または酸化ジルコン(ZrO)を添加すると、誘
電率を高く保持したままリーク電流密度を低減させ、エ
ネルギーバンドをその価電子帯の頂上がシリコンの価電
子帯頂上よりも低く且つその伝導帯の頂上がシリコンの
伝導帯頂上よりも高くなるように改善できることを見出
した。これは次の理由による。
The present inventor has proposed that WO 3 be made of titanium oxide (TiO 2).
2 ) or the addition of zircon oxide (ZrO 2 ) reduces the leakage current density while keeping the dielectric constant high, and reduces the energy band so that the top of its valence band is lower than the top of the valence band of silicon and its conduction band is lower. Can be improved to be higher than the top of the conduction band of silicon. This is for the following reason.

【0019】WOに酸化チタン(TiO)または酸
化ジルコン(ZrO)を添加すると、添加量が一定値
以下においては、WO中のW6+イオンがTi4+
オン、Zr4+イオンで置換されることになる。これは
置換イオンの6配位イオン半径が、6配位W6+イオン
半径0.060nmと近いためである。酸化チタン中の
6配位Ti4+イオン半径は0.061nmであり、酸
化ジルコン中の6配位Zr4+イオン半径は0.072
nmである。
[0019] The addition of titanium oxide WO 3 (TiO 2) or zirconium oxide (ZrO 2), the addition amount is below a certain value, W 6+ ions in WO 3 is replaced by Ti 4+ ions, Zr 4+ ions Will be. This is because the 6-coordinate ionic radius of the substituted ion is close to the 6-coordinate W 6 + ionic radius of 0.060 nm. The six-coordinate Ti 4+ ion radius in titanium oxide is 0.061 nm, and the six-coordinate Zr 4+ ion radius in zircon oxide is 0.072 nm.
nm.

【0020】この置換が起こっても誘電率が高く維持さ
れるのは、置換イオンのイオン半径が、W6+イオン半
径と近いため、WOの結晶性に大きな影響を与えない
ためである。
The reason why the dielectric constant is maintained high even when the substitution occurs is that the ionic radius of the substituted ion is close to the ionic radius of W 6 +, so that the crystallinity of WO 3 is not significantly affected.

【0021】また、この置換によってリークが低減する
のは、Ti4+イオン、Zr4+イオンともに4価イオ
ンであるため正孔が導入されることとなり、これがWO
中の電荷担体である電子と相殺するためである。
The reason that the substitution reduces the leakage is that holes are introduced because both Ti 4+ ions and Zr 4+ ions are tetravalent ions, and this results in WO.
This is for canceling out the charge carrier electrons in 3 .

【0022】この置換を行うと、エネルギーバンドをそ
の価電子帯の頂上が、シリコンの価電子帯頂上よりも低
く、且つ、伝導帯の底がシリコンの伝導帯の底よりも高
くなるように改善できるのは、置換によって結晶性がほ
とんど影響を受けないときはエネルギーバンドが置換イ
オンのものに近づくためである。
With this substitution, the energy band is improved so that the top of its valence band is lower than the top of the valence band of silicon and the bottom of the conduction band is higher than the bottom of the conduction band of silicon. The reason is that the energy band approaches that of the substituted ion when the crystallinity is hardly affected by the substitution.

【0023】本発明者は、前記した第1の態様による製
造方法に記載の方法で半導体トランジスターを形成する
場合、タングステンの原料ガスとしてヘキサジメチルア
ミノジタングステン(W(N(CH)を用
いると、基板温度を350℃としても膜中に残る炭素、
窒素量をLP−MOCVD法で成膜された五酸化タンタ
ル、酸化チタン等の金属酸化物に比べて大幅に減少させ
ることができることを見出した。これは、ヘキサジメチ
ルアミノジタングステンの分解温度が170℃と従来の
金属酸化物を堆積するのに使用される有機金属ガスに比
べ30℃以上低いことに起因する。タングステン−チタ
ン比が4:1の金属酸化物を成膜した場合、基板温度が
350℃において、膜中炭素濃度は1.9%である。ま
た、窒素は検出されなかった。ジャパニーズ−ジャーナ
ル−オブ−アプライド−フィッジクス30巻1974ペ
ージ(Japanese Journal of Ap
plied Physics Vol.30(199
1)P.1974)によれば、基板温度380℃で五酸
化タンタルをペンタジメチルアミノタンタル(Ta(N
(CH)を用いて堆積した場合、炭素量は
7.5%、窒素量は2.0%であり、また、ジャーナル
−オブ−マテリアルズ−ケミストリー8巻1773ペー
ジ(Journal of Materials Ch
emistryVol.8(1998)P.1773)
によれば、基板温度350℃で酸化チタンをTi(OP
(OCHCH(NMe))で堆積した膜
中に7.7%の炭素が検出されている。従って、ヘキサ
ジメチルアミノジタングステンを用いた場合、従来と比
較し膜中炭素濃度が約4分の1に低減されている。
When forming a semiconductor transistor by the method described in the manufacturing method according to the first aspect, the present inventor uses hexadimethylaminoditungsten (W 2 (N (CH 3 ) 2 )) as a source gas for tungsten. 6 ), carbon remaining in the film even when the substrate temperature is set to 350 ° C.,
It has been found that the amount of nitrogen can be greatly reduced as compared with metal oxides such as tantalum pentoxide and titanium oxide formed by LP-MOCVD. This is due to the fact that the decomposition temperature of hexadimethylaminoditungsten is 170 ° C., which is 30 ° C. or more lower than the organometallic gas used for depositing a conventional metal oxide. When a metal oxide having a tungsten-titanium ratio of 4: 1 is formed, the carbon concentration in the film at a substrate temperature of 350 ° C. is 1.9%. Further, nitrogen was not detected. Japanese-Journal of Applied-Physics, Vol. 30, p. 1974 (Japanese Journal of Ap)
Plied Physics Vol. 30 (199
1) P.I. According to 1974), tantalum pentoxide is converted to pentadimethylamino tantalum (Ta (N
When deposited using (CH 3 ) 2 ) 5 ), the amount of carbon is 7.5%, the amount of nitrogen is 2.0%, and Journal of Materials Chemistry, Vol. 8, p. 1773 (Journal of Japan) Materials Ch
emistryVol. 8 (1998) p. 1773)
According to the above, at a substrate temperature of 350 ° C., titanium oxide is converted to Ti (OP
r i) 3 (OCH 2 CH 2 (NMe 2)) 7.7% of carbon in deposited films in is detected. Therefore, when hexadimethylaminoditungsten is used, the carbon concentration in the film is reduced to about one-fourth as compared with the conventional case.

【0024】本発明者は、タングステンを主成分とした
金属酸化物を厚さ1nm以下のシリコン窒化膜上に成膜
−酸素アニールする際に、タングステン原料としてヘキ
サジメチルアミノジタングステンを用い、堆積時基板温
度−酸素アニール温度をともに350℃以上400℃以
下とすれば、金属酸化物の絶縁特性を劣化させることな
く、相互拡散−シリコン窒化膜の酸化を大幅に抑制でき
ることを見出した。上記基板温度−酸素アニール温度を
用いた場合、シリコン窒化膜中の酸素濃度は10%以下
であり、窒化膜の誘電率を6以上にすることができる。
これは、タングステン原料として、ヘキサジメチルアミ
ノジタングステンを用いることにより金属酸化物の絶縁
特性を劣化させることなく、堆積時基板温度−酸素アニ
ール温度を低下させることができたためである。したが
って上記の方法によれば、ゲート絶縁膜のSi酸化膜換
算膜厚が1nm以下であることを特徴としたMDIS構
造の良好な電界効果トランジスタを実現することができ
る。
The inventor of the present invention used hexadimethylaminoditungsten as a tungsten raw material when depositing a metal oxide containing tungsten as a main component on a silicon nitride film having a thickness of 1 nm or less and performing oxygen annealing. It has been found that, when both the substrate temperature and the oxygen annealing temperature are 350 ° C. or more and 400 ° C. or less, the oxidation of the interdiffusion-silicon nitride film can be significantly suppressed without deteriorating the insulating properties of the metal oxide. When the above substrate temperature-oxygen annealing temperature is used, the oxygen concentration in the silicon nitride film is 10% or less, and the dielectric constant of the nitride film can be 6 or more.
This is because by using hexadimethylaminoditungsten as a tungsten raw material, it was possible to lower the substrate temperature during deposition-oxygen annealing temperature without deteriorating the insulating properties of the metal oxide. Therefore, according to the above method, it is possible to realize a field effect transistor having a good MDIS structure, characterized in that the equivalent thickness of the gate insulating film in terms of Si oxide film is 1 nm or less.

【0025】ゲート電極に用いる導電膜は、酸素雰囲気
中でアニールされるので、耐酸化性を持つ金属であるか
伝導性を持つ金属酸化物である必要がある。本発明者
は、その中でも貴金属Ir、Pt、Au、Ag、Ru、
Os、高融点金属Co、導電性酸化物RuO、RhO
、OsO、IrO、ReO、ReO、MoO
、SrRuOのいずれかまたはこれらの各材料の合
金であるか、または前記各材料を複数層に形成した構造
の導電膜を用いた場合、トランジスター動作が特に良い
ことを確認した。
The conductive film used for the gate electrode is formed in an oxygen atmosphere.
Is the metal resistant to oxidation because it is annealed in
It must be a conductive metal oxide. The inventor
Are noble metals Ir, Pt, Au, Ag, Ru,
Os, refractory metal Co, conductive oxide RuO2, RhO
2, OsO2, IrO2, ReO2, ReO3, MoO
2, SrRuO3Of any of these or a combination of each of these
Gold or a structure in which the above materials are formed in multiple layers
When the conductive film is used, the transistor operation is particularly good.
It was confirmed.

【0026】金属酸化物を堆積する際、シリコン窒化膜
の酸化を抑制し、且つ、有機金属材料ガスが十分酸化さ
れるようにする必要がある。二酸化窒素は強い酸化力を
持つがシリコン窒化膜をほとんど酸化しない。したがっ
て二酸化窒素を酸化ガスとして用いることが望ましい。
When depositing a metal oxide, it is necessary to suppress the oxidation of the silicon nitride film and to sufficiently oxidize the organometallic material gas. Although nitrogen dioxide has a strong oxidizing power, it hardly oxidizes a silicon nitride film. Therefore, it is desirable to use nitrogen dioxide as the oxidizing gas.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】本発明に係わる電界効果トランジ
スタは、単結晶シリコン基板上にゲート絶縁膜として、
シリコン窒化膜及びタングステン−チタン混合酸化物又
はタングステン−ジルコニウム混合酸化物の積層膜が設
けられていることを特徴とするものである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A field effect transistor according to the present invention is formed as a gate insulating film on a single crystal silicon substrate.
A stacked film of a silicon nitride film and a tungsten-titanium mixed oxide or a tungsten-zirconium mixed oxide is provided.

【0028】叉、本発明に係わる電界効果トランジスタ
は、単結晶シリコン基板上にシリコン窒化膜を形成する
第1の工程と、前記シリコン窒化膜上にタングステン原
料ガスとしてヘキサジメチルアミノジタングステン(W
(N(CH)を含む有機金属材料ガスと酸
化ガスを用いてタングステン−チタン混合酸化物または
タングステン−ジルコニウム混合金属酸化物を基板温度
350℃以上400℃以下で形成する第2の工程と、前
記金属酸化物上に導電膜を形成する第3の工程と、前記
金属酸化物及び前記導電膜をパターニングしてゲート絶
縁膜とゲート電極とを形成する第4の工程と、前記ゲー
ト絶縁膜及びゲート電極とをイオン注入用マスクとして
ゲート絶縁膜及びゲート電極に対して自己整合的に拡散
層に不純物イオンを注入する第5の工程と、前記不純物
を熱処理により活性化しソース−ドレイン領域を形成す
る第6の工程と、350℃以上400℃以下の処理温度
で酸素アニールする第7の工程とを含むことを特徴とす
るものである。
The field effect transistor according to the present invention comprises a first step of forming a silicon nitride film on a single crystal silicon substrate, and a step of forming hexadimethylaminoditungsten (W) as a tungsten source gas on the silicon nitride film.
2 (N (CH 3) 2 ) 6) using organic metal material gas and the oxidizing gas tungsten containing - first forming zirconium mixed metal oxide below 400 ° C. substrate temperature of 350 ° C. or higher - titanium mixed oxide or tungsten A second step, a third step of forming a conductive film on the metal oxide, a fourth step of patterning the metal oxide and the conductive film to form a gate insulating film and a gate electrode, A fifth step of implanting impurity ions into the diffusion layer in a self-aligned manner with respect to the gate insulating film and the gate electrode by using the gate insulating film and the gate electrode as an ion implantation mask; A sixth step of forming a drain region; and a seventh step of performing oxygen annealing at a processing temperature of 350 ° C. or more and 400 ° C. or less. .

【0029】[0029]

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面に
従って説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0030】図1に本発明で用いる薄膜気相成長装置の
一例の概略図を示す。本装置は試料処理室101と交換
室102から成り、交換室102には複数枚のウェハー
107が収納できる。試料処理室101と交換室102
の間にはゲートバルブ104が設けられており、それそ
れの部屋は複数のポンプにより構成される排気系13
2、133、134により排気される。また、試料処理
室101と交換室102とのウェハー移動のためにウェ
ハー搬送機構105が設けられている。成膜時試料処理
室101はウェハーによって二つ部分に分離される。ウ
ェハーより下の部分にはヒーター106があり、ウェハ
ーを所定の温度に加熱する。また、ウェハーより上の部
分には成膜時、有機金属材料ガス及び酸化ガスがガス供
給系111〜130により導入され、ウェハー上面に金
属酸化物が形成される。ガス供給系111〜130は三
種類の原料ガスを独立に試料処理室に導入するガス供給
系111〜118、119〜124、125〜130よ
りなる。各々のガス供給系は基本的に同じ構成であり、
113、122、128の原料シリンダー及び111−
112−115−117、119−121−123、1
25−127−129のストップバルブ及び114、1
20、126のマスフローコントローラー及び118、
124、130の排気系から成る。ガス供給系111〜
118は、W材料ヘキサジメチルアミノジタングステン
(W(N(CHの供給系であり、原料シリ
ンダー113には、キャリアーガスを導入するためのマ
スフローコントローラー114、ストップバルブ11
5、キャリアーガスボンベ116が接続されている。原
料シリンダー113は、ヘキサジメチルアミノジタング
ステンの昇華温度120℃に、原料シリンダー122、
128は、マスフローコントローラーが稼動するに十分
な蒸気圧が得られるよう加熱されている。各ガス供給系
がこのような構成を持つことにより、原料ガスを定量的
に且つ安定に供給することができる。即ち、119〜1
24から成るガス供給系を例にとって説明すると、ガス
が導入される場合、先ず、ストップバルブ119を閉
じ、ストップバルブ121、123を開け、マスフロー
コントローラー120により所望の流量のガスを流しな
がらガス流量の安定を待つ。次に、ストップバルブ12
3を閉じ、ストップバルブ119を開ければ、原料ガス
を定量的に且つ安定に供給することができる。また、1
11〜118から成るガス供給系により、ヘキサジメチ
ルアミノジタングステンを供給する場合には、先ず、ス
トップバルブ111を閉じ、ストップバルブ112、1
15、117を開け、マスフローコントローラー114
により所望の流量のガスを流しながらガス流量の安定を
待つ。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a thin film vapor phase growth apparatus used in the present invention. This apparatus includes a sample processing chamber 101 and an exchange chamber 102, and a plurality of wafers 107 can be stored in the exchange chamber 102. Sample processing chamber 101 and exchange chamber 102
Between them, a gate valve 104 is provided, and each room has an exhaust system 13 composed of a plurality of pumps.
It is exhausted by 2, 133, 134. Further, a wafer transfer mechanism 105 is provided for moving the wafer between the sample processing chamber 101 and the exchange chamber 102. During film formation, the sample processing chamber 101 is separated into two parts by a wafer. Below the wafer is a heater 106 for heating the wafer to a predetermined temperature. During film formation, an organic metal material gas and an oxidizing gas are introduced into a portion above the wafer by the gas supply systems 111 to 130, and a metal oxide is formed on the upper surface of the wafer. The gas supply systems 111 to 130 include gas supply systems 111 to 118, 119 to 124, and 125 to 130 for independently introducing three kinds of source gases into the sample processing chamber. Each gas supply system has basically the same configuration,
113, 122, 128 raw material cylinders and 111-
112-115-117, 119-121-123, 1
25-127-129 stop valve and 114, 1
20, 126 mass flow controllers and 118,
It comprises 124 and 130 exhaust systems. Gas supply system 111-
Reference numeral 118 denotes a supply system for the W material hexadimethylaminoditungsten (W 2 (N (CH 3 ) 2 ) 6 , and a mass flow controller 114 for introducing a carrier gas into the raw material cylinder 113, and a stop valve 11.
5. The carrier gas cylinder 116 is connected. The raw material cylinder 113 has a raw material cylinder 122 at a sublimation temperature of 120 ° C. of hexadimethylaminoditungsten.
128 is heated so that a vapor pressure sufficient for operating the mass flow controller is obtained. When each gas supply system has such a configuration, the source gas can be supplied quantitatively and stably. That is, 119-1
Taking the gas supply system consisting of 24 as an example, when gas is introduced, first, the stop valve 119 is closed, the stop valves 121 and 123 are opened, and the mass flow controller 120 allows the gas to flow at a desired flow rate. Wait for stability. Next, the stop valve 12
By closing the stop valve 119 and opening the stop valve 119, the source gas can be supplied quantitatively and stably. Also, 1
When hexadimethylaminoditungsten is supplied by the gas supply system including 11 to 118, first, the stop valve 111 is closed, and the stop valves 112, 1
15, 117 are opened and the mass flow controller 114 is opened.
Waits for the gas flow rate to stabilize while flowing the gas at the desired flow rate.

【0031】本装置においては、各ガス供給系が独立で
あるため、有機金属材料ガスと酸化ガスは接触せず、配
管−マスフローコントローラーの詰まりを防げるだけで
なく、原料ガスの定量的、且つ、安定な供給を図ること
ができる。
In the present apparatus, since each gas supply system is independent, the organic metal material gas and the oxidizing gas do not come into contact with each other, which prevents not only clogging of the piping and the mass flow controller, but also quantitative and raw material gas. Stable supply can be achieved.

【0032】原料ガスが接触する部分すべては、ヒータ
ーにより有機金属材料ガスの沸点−昇華点以上且つ分解
温度以下に設定されている。これにより、配管−マスフ
ローコントローラーの詰まりを防げるだけでなく、原料
ガスの定量的且つ安定な供給を図ることができる。特
に、試料処理室の加熱は、パーティクルの抑制するとい
う効果も同時にもたらす。
[0032] The heater is set at a temperature not lower than the boiling point-sublimation point of the organometallic material gas and not higher than the decomposition temperature by a heater in all portions where the source gas comes into contact. This not only prevents clogging of the piping-mass flow controller, but also enables quantitative and stable supply of the source gas. In particular, the heating of the sample processing chamber also has an effect of suppressing particles.

【0033】ウェハーより上の部分を排気する配管は、
途中二つに分かれ、排気系133前で合流する。分かれ
た配管の一方にはゲートバルブ108が設けられ、他方
にはゲートバルブ109及び水冷トラップ110が設け
られている。成膜時ゲートバルブ108は閉じられ、ゲ
ートバルブ109が開かれる。このような構成をとれ
ば、排気系133における有機金属材料ガスの固化や液
化を防ぐことができ、排気系133の寿命延長という効
果を得ることができる。また、成膜していないときに
は、成膜時ゲートバルブ108、109は開けられてい
る。このような構成をとれば、排気速度が高まりより高
真空を得られる。なお、試料処理室の内圧をモニターす
るため、試料処理室には真空計131が設置されてい
る。
The piping for exhausting the portion above the wafer is as follows:
It splits into two parts on the way and joins in front of the exhaust system 133. One of the divided pipes is provided with a gate valve 108, and the other is provided with a gate valve 109 and a water-cooled trap 110. During film formation, the gate valve 108 is closed, and the gate valve 109 is opened. With such a configuration, solidification and liquefaction of the organometallic material gas in the exhaust system 133 can be prevented, and the effect of extending the life of the exhaust system 133 can be obtained. When the film is not formed, the gate valves 108 and 109 during film formation are open. With such a configuration, the pumping speed increases and a higher vacuum can be obtained. Note that a vacuum gauge 131 is provided in the sample processing chamber to monitor the internal pressure of the sample processing chamber.

【0034】WOのW6+サイトの一部をTi4+
置換した金属酸化物(以下、これをWTOと呼ぶ)を例
にとって本発明の成膜方法の実施形態について説明す
る。
An embodiment of the film forming method of the present invention will be described by taking as an example a metal oxide in which a part of the W 6+ site of WO 3 has been replaced by Ti 4+ (hereinafter referred to as WTO).

【0035】WTOを成膜する際の原料、原料温度、マ
スフローコントローラー温度は、W原料としてヘキサジ
メチルアミノジタングステン(W(N(CH
昇華温度120℃、分解温度170℃)、原料温度1
20℃、マスフローコントローラー温度は150℃、T
i原料としてTi(OPr(OCHCH(N
Me))、原料温度75℃、マスフローコントローラ
ー温度は145℃であり、酸化ガスNOのマスフロー
コントローラー温度は145℃であり、試料処理室の内
壁温度は150℃である。
The raw material, the raw material temperature, and the mass flow controller temperature at the time of forming the WTO are hexadimethylaminoditungsten (W 2 (N (CH 3 ) 2 )) as the W raw material.
6 Sublimation temperature 120 ° C, decomposition temperature 170 ° C), Raw material temperature 1
20 ° C, mass flow controller temperature is 150 ° C, T
Ti (OPr i ) 3 (OCH 2 CH 2 (N
Me 2 )), the raw material temperature is 75 ° C., the mass flow controller temperature is 145 ° C., the mass flow controller temperature of the oxidizing gas NO 2 is 145 ° C., and the inner wall temperature of the sample processing chamber is 150 ° C.

【0036】図2に基板温度400℃、NOの分圧
3.5×10−3Torrを保った時の、膜組成の原料
ガス流量比依存性を示す。この図のとおり、膜組成は原
料ガス流量比に対して連続的に変化しており、原料ガス
流量比を調節することによって所望の組成を持った膜を
成膜することができる。
FIG. 2 shows the dependency of the film composition on the flow rate of the source gas when the substrate temperature is 400 ° C. and the partial pressure of NO 2 is 3.5 × 10 −3 Torr. As shown in this figure, the film composition changes continuously with respect to the source gas flow ratio, and a film having a desired composition can be formed by adjusting the source gas flow ratio.

【0037】上記条件でWTOをIr(200nm)/
SiO(500nm)/Si基板上に成膜し、1気圧
800℃、10分の窒素アニール、1気圧400℃、1
0分の酸素アニールを施し、上部電極として金を蒸着し
た試料のリーク電流密度及び誘電率の組成依存性を、夫
々図3及び図4に示す。ただし、各組成におけるWTO
膜は、膜厚がシリコン酸化膜換算膜厚で1nmとなるよ
うに形成されており、リーク電流密度は印加電圧1V時
のものである。WOのW6+サイトが40%を超えて
置換されると、WTO膜の結晶系がペロブスカイト型で
はなくなり、高誘電率を得られなくなるため、40%を
超える置換は行っていない。図3より、WO のW
6+サイトの15〜25 %をTi4+で置換すると、
シリコン酸化膜換算膜厚1nm、1V印加時で、リーク
電流が10−3A/cm以下に抑制される。この置換
によってリークが低減するのは、Ti4+イオンが4価
イオンであるので、正孔が導入されることとなり、これ
がWO中の電荷担体である電子と相殺するためであ
る。図4より、置換量が15〜25%の場合、誘電率は
120〜240の値を取る。この置換を行っても誘電率
が高く維持されるのは、Ti4+イオンのイオン半径
が、0.061nmと、WO中の6配位W6+イオン
半径0.060nmと近いため、WOの結晶性に大き
な影響を与えないためである。
Under the above conditions, WTO is increased to Ir (200 nm) /
A film is formed on a SiO 2 (500 nm) / Si substrate, and is annealed at 1 atm at 800 ° C. for 10 minutes, at 1 atm at 400 ° C.
FIGS. 3 and 4 show the composition dependence of the leak current density and the dielectric constant of a sample on which gold was deposited as an upper electrode after oxygen annealing for 0 minutes. However, the WTO in each composition
The film is formed so as to have a thickness of 1 nm in terms of a silicon oxide film, and has a leak current density at an applied voltage of 1 V. If the W 6+ site of WO 3 is replaced by more than 40%, the crystal system of the WTO film will not be a perovskite type, and a high dielectric constant will not be obtained. Therefore, the replacement exceeding 40% is not performed. From FIG. 3, the W of WO 3
Replacing 15-25% of the 6+ sites with Ti 4+ gives
The leakage current is suppressed to 10 −3 A / cm 2 or less when the equivalent silicon oxide film thickness is 1 nm and 1 V is applied. The reason why the substitution reduces the leakage is that the Ti 4+ ion is a tetravalent ion, so that a hole is introduced, which cancels out the electron, which is a charge carrier in WO 3 . According to FIG. 4, when the substitution amount is 15 to 25%, the dielectric constant takes a value of 120 to 240. The dielectric constant is maintained high even if the substitution, the ionic radius of Ti 4+ ions, and 0.061Nm, since close to the six-coordinate W 6+ ion radius 0.060nm in WO 3, of WO 3 This is because crystallinity is not significantly affected.

【0038】図5はp型シリコン基板上に10nm成膜
したW6+サイトをTi4+イオンで15、20、25
%置換したWTOの容量―電圧特性である。印加電圧が
負の場合すべての場合において容量―電圧曲線が立ち上
がりを見せている。また、本発明者は、この容量―電圧
曲線が立ち上がりは、Ti4+の置換量が15〜25%
の範囲に入っている場合において確認した。よってW
6+をTi4+イオンで15〜25%置換した場合、W
TOのエネルギーバンドをその価電子帯の頂上がシリコ
ンの価電子帯頂上よりも低く、且つ、その伝導帯の底が
シリコンの伝導帯の底よりも高くなるように改善されて
いる。
FIG. 5 shows a W 6+ site formed on a p-type silicon substrate with a thickness of 10 nm, and Ti 4+ ions at 15, 20, 25.
It is a capacity-voltage characteristic of WTO with% substitution. When the applied voltage is negative, the capacity-voltage curve shows a rise in all cases. Further, the present inventor has found that the rise of the capacity-voltage curve indicates that the substitution amount of Ti 4+ is 15 to 25%.
It was confirmed when it was within the range. Therefore W
When 6+ is replaced with 15 to 25% of Ti 4+ ions, W
The energy band of TO has been improved such that the top of its valence band is lower than the top of the valence band of silicon and the bottom of its conduction band is higher than the bottom of the conduction band of silicon.

【0039】図6に、W原料としてヘキサジメチルアミ
ノジタングステン、Ti原料としてTi(OPr
(OCHCH(NMe))、酸化ガスとしてNO
を用いて形成された、Ti4+置換イオン量が20%
のWTO中の炭素濃度の基板温度依存性をオージェ発光
分析で測定した結果を示す。なお、窒素濃度は、基板温
度300℃以上では検出下限以下であった。膜中炭素濃
度は、基板温度が350℃で0.33%である。この値
は、現在ゲート絶縁膜として検討されている酸化タンタ
ル−酸化チタンを従来の原料ガスを用い基板温度を35
0℃として成膜した場合の膜中炭素濃度の20分の1以
下である。これは、ヘキサジメチルアミノジタングステ
ンの分解温度が170℃と従来の金属酸化物を堆積する
のに使用される有機金属ガスに比べ30℃以上低いこと
に起因する。
FIG. 6 shows that hexadimethylaminoditungsten is used as a W raw material, and Ti (OPr i ) 3 is used as a Ti raw material.
(OCH 2 CH 2 (NMe 2 )), NO as oxidizing gas
Formed using 2, Ti 4+ substitution amount of ions 20%
4 shows the results of measuring the substrate temperature dependence of the carbon concentration in WTO by Auger emission spectroscopy. The nitrogen concentration was below the lower limit of detection at a substrate temperature of 300 ° C. or higher. The carbon concentration in the film is 0.33% at a substrate temperature of 350 ° C. This value is obtained by using a conventional source gas of tantalum oxide-titanium oxide, which is currently considered as a gate insulating film, and setting the substrate temperature to 35.
It is not more than 1/20 of the carbon concentration in the film when the film is formed at 0 ° C. This is due to the fact that the decomposition temperature of hexadimethylaminoditungsten is 170 ° C., which is 30 ° C. or more lower than the organometallic gas used for depositing a conventional metal oxide.

【0040】図7に、基板温度300℃から450℃で
堆積したTi4+イオン量が、20%のWTOをまず窒
素中で850℃、10分熱処理した後酸素アニールした
場合の膜中炭素濃度の酸素アニール温度依存性を示す。
堆積温度が300℃の場合、アニール温度が450℃以
下では炭素−窒素とも膜中に残存している。一方、堆積
温度が350℃の場合は、酸素アニール温度が350℃
以上では膜中から不純物がほぼ完全に除去されている。
図8に、基板温度300℃から450℃で堆積したタン
グステン−チタン酸化物を窒素中で850℃、10分熱
処理した後、10分間酸素アニールしオージェ発光分析
により測定したシリコン窒素化膜中の酸素濃度の酸素ア
ニール温度依存性を示す。堆積基板温度が450℃の場
合、酸素アニール温度が300℃以上ではシリコン窒素
膜中の酸素濃度は10%を超えている。一方、堆積基板
温度が400℃以下の場合には酸素アニール温度400
度以下ではシリコン窒素化膜中の酸素濃度は10%以下
に抑えられている。また、酸素アニール温度450度以
下においてSIMS測定を行ったが、相互拡散は認めら
れなかった。従って、タングステンを主成分とした金属
酸化物を厚さ1nm以下のシリコン窒化膜上に成膜−酸
素アニールする際に、タングステン原料としてヘキサジ
メチルアミノジタングステンを用い、堆積時基板温度−
酸素アニール温度をともに350℃以上400℃以下と
すれば、金属酸化物の絶縁特性を劣化させることなく、
相互拡散−シリコン窒化膜の酸化を大幅に抑制できる。
これは、タングステン原料としてヘキサジメチルアミノ
ジタングステンを用いることにより、金属酸化物膜中に
残存する不純物量を低減しつつ、堆積時基板温度−酸素
アニール温度を低下させることができたためである。窒
化膜中の酸素濃度は10%以下であれば窒化膜の誘電率
を6以上にできる。従って、タングステン原料としてヘ
キサジメチルアミノジタングステンを用い、且つ、上記
基板温度−酸素アニール温度を用いれば、ゲート絶縁膜
のSi酸化膜換算膜厚が1nm以下であることを特徴と
したMDIS構造の良好な電界効果トランジスタを実現
することができる。
FIG. 7 shows the concentration of carbon in the film when the WTO with 20% Ti 4+ ion deposited at a substrate temperature of 300 ° C. to 450 ° C. is first heat-treated at 850 ° C. for 10 minutes in nitrogen and then annealed with oxygen. 4 shows the oxygen annealing temperature dependency.
When the deposition temperature is 300 ° C., when the annealing temperature is 450 ° C. or less, both carbon and nitrogen remain in the film. On the other hand, when the deposition temperature is 350 ° C., the oxygen annealing temperature is 350 ° C.
As described above, impurities are almost completely removed from the film.
FIG. 8 shows that the tungsten-titanium oxide deposited at a substrate temperature of 300 ° C. to 450 ° C. is heat-treated in nitrogen at 850 ° C. for 10 minutes, then annealed with oxygen for 10 minutes, and oxygen in the silicon nitride film measured by Auger emission analysis 4 shows the oxygen annealing temperature dependence of the concentration. When the deposition substrate temperature is 450 ° C., when the oxygen annealing temperature is 300 ° C. or higher, the oxygen concentration in the silicon nitrogen film exceeds 10%. On the other hand, when the deposition substrate temperature is 400 ° C. or less, the oxygen annealing temperature 400
Below the temperature, the oxygen concentration in the silicon nitride film is suppressed to 10% or less. SIMS measurement was performed at an oxygen annealing temperature of 450 ° C. or lower, but no interdiffusion was observed. Therefore, a metal oxide containing tungsten as a main component is formed on a silicon nitride film having a thickness of 1 nm or less. When performing oxygen annealing, hexadimethylaminoditungsten is used as a tungsten raw material, and a substrate temperature during deposition is reduced.
When the oxygen annealing temperature is set to 350 ° C. or more and 400 ° C. or less, the insulating properties of the metal oxide are not deteriorated.
Interdiffusion-The oxidation of the silicon nitride film can be greatly suppressed.
This is because by using hexadimethylaminoditungsten as a tungsten raw material, it was possible to lower the substrate temperature during deposition and the oxygen annealing temperature while reducing the amount of impurities remaining in the metal oxide film. If the oxygen concentration in the nitride film is 10% or less, the dielectric constant of the nitride film can be 6 or more. Therefore, when hexadimethylaminoditungsten is used as the tungsten raw material and the above-mentioned substrate temperature-oxygen annealing temperature is used, the equivalent thickness of the gate insulating film in terms of the Si oxide film is 1 nm or less, and the MDIS structure is excellent. A simple field-effect transistor can be realized.

【0041】図9に、基板温度400℃、NOの分圧
3.5×10−3Torrで成膜されたWTO膜(Ti
/(W+Ti)=0.2)をゲート絶縁膜とするn型M
DIS−FETの断面構造を示す。不純物濃度5×10
15cm−3程度のn型単結晶シリコン基板201上
に、STI構造の素子分離領域210が形成されてい
る。また、n型トランジスタ形成領域には、pウェル
(図示せず)が形成されている。この素子分離領域21
0で分離されたトランジスター領域には、閾値をコント
ロールするための不純物濃度5×1016cm−3程度
のp型チャネル不純物層が形成されており(図示せ
ず)、不純物濃度5×1019cm−3程度のn型拡散
層からなるソース−ドレイン領域202が形成されてい
る。チャネル領域203上に、1nm程度の膜厚のシリ
コン窒化膜204が形成され、更にその上に12nm程
度の膜厚のWTO膜(Ti/(W+Ti)=0.2)2
05が形成されている。金属酸化物絶縁膜205上にゲ
ート電極206がソース−ドレイン領域202に対して
自己整合的に形成されている。層間絶縁膜208に設け
たコンタクト孔を介して各ソース−ドレイン領域202
と電気的に導通した各ソース−ドレイン電極207が形
成されている。更に、パッシベイション膜209によっ
て全体が覆われている。
FIG. 9 shows a WTO film (Ti) formed at a substrate temperature of 400 ° C. and a partial pressure of NO 2 of 3.5 × 10 −3 Torr.
/(W+Ti)=0.2) with n-type M as gate insulating film
1 shows a cross-sectional structure of a DIS-FET. Impurity concentration 5 × 10
An element isolation region 210 having an STI structure is formed on an n-type single crystal silicon substrate 201 of about 15 cm −3 . A p-well (not shown) is formed in the n-type transistor formation region. This element isolation region 21
In the transistor region separated by 0, a p-type channel impurity layer having an impurity concentration of about 5 × 10 16 cm −3 for controlling a threshold is formed (not shown), and the impurity concentration is 5 × 10 19 cm. A source-drain region 202 composed of about -3 n-type diffusion layers is formed. A silicon nitride film 204 having a thickness of about 1 nm is formed on the channel region 203, and a WTO film (Ti / (W + Ti) = 0.2) 2 having a thickness of about 12 nm is further formed thereon.
05 is formed. A gate electrode 206 is formed on the metal oxide insulating film 205 in a self-aligned manner with respect to the source-drain region 202. Each source-drain region 202 is formed through a contact hole provided in the interlayer insulating film 208.
Each source-drain electrode 207 electrically connected to this is formed. Further, the whole is covered with the passivation film 209.

【0042】次に、n型MDIS−FETの製造方法に
ついて、図10に基づき順次説明する。
Next, a method of manufacturing the n-type MDIS-FET will be sequentially described with reference to FIG.

【0043】n型単結晶シリコン基板201の表面を過
酸化水素、アンモニア、塩酸の混合水溶液を用いる洗浄
法により洗浄する。なお、単結晶シリコン基板201表
面を洗浄することが目的であるため、上記以外の洗浄法
を用いても良いことは言うまでもない。次に、シリコン
基板201上にpウェルを形成する。次に、RIE法を
用いて基板201上に溝を掘り、その溝に絶縁膜を埋め
込み、トレンチ型の素子分離領域210を形成する。次
に、厚さ5nm程度のシリコン酸化膜211を形成した
後チャネルイオン注入を行い、p型チャネル不純物層
(図示せず)を形成する。次に、800℃、10秒程度
のRTAによりp型チャネル不純物層の活性化を行う
(図10(a))。次に、シリコン酸化膜をフッ酸によ
り剥離し、アンモニアを用いたRTNにより1000℃
でシリコン窒化膜204(膜厚0.8nm)を形成す
る。次に、シリコン窒化膜204上にMOCVD法を用
いて膜厚12.5nmの金属酸化物絶縁膜205WTO
(Ti/(W+Ti)=0.2)を、基板温度400℃
で形成する。次に、金属酸化物絶縁膜205にIrから
なるゲート電極206を形成する(図10(b))。
The surface of n-type single crystal silicon substrate 201 is cleaned by a cleaning method using a mixed aqueous solution of hydrogen peroxide, ammonia and hydrochloric acid. Since the purpose is to clean the surface of the single crystal silicon substrate 201, it goes without saying that a cleaning method other than the above may be used. Next, a p-well is formed on the silicon substrate 201. Next, a trench is dug on the substrate 201 by RIE, and an insulating film is buried in the trench to form a trench-type element isolation region 210. Next, after a silicon oxide film 211 having a thickness of about 5 nm is formed, channel ion implantation is performed to form a p-type channel impurity layer (not shown). Next, the p-type channel impurity layer is activated by RTA at 800 ° C. for about 10 seconds (FIG. 10A). Next, the silicon oxide film is peeled off with hydrofluoric acid, and is subjected to RTN using ammonia at 1000 ° C.
To form a silicon nitride film 204 (0.8 nm thick). Next, a 12.5 nm-thick metal oxide insulating film 205 WTO is formed on the silicon nitride film 204 by MOCVD.
(Ti / (W + Ti) = 0.2) at a substrate temperature of 400 ° C.
Formed. Next, a gate electrode 206 made of Ir is formed on the metal oxide insulating film 205 (FIG. 10B).

【0044】次に、ゲート電極206上にフォトレジス
トパターン(図示せず)を形成し、これをエッチング用
マスクとして異方性エッチングを行い、ゲート電極20
6、金属酸化物絶縁膜205をパターニングする。次
に、フォトレジストパターン、ゲート電極206、金属
酸化物絶縁膜205をイオン注入用マスクとして用い、
基板201に不純物イオン(砒素)を注入することによ
り、ゲート電極206、金属酸化物絶縁膜205に対し
て自己整合的にソース−ドレイン領域202を形成する
(図10(c))。次に、フォトレジストパターンを除
去し、ソース−ドレイン活性化のための熱処理(窒素雰
囲気、800℃、10分)を行う。この工程は、金属酸
化物絶縁膜205の結晶化も兼ねる。次に、酸素雰囲
気、400℃、10分の酸素アニールを行い金属酸化物
絶縁膜中の酸素欠損の補償及び不純物の除去を行う。次
に、ソース−ドレイン領域202上のシリコン窒化膜を
除去し、層間絶縁膜208を形成する。次に、ソース−
ドレイン領域202及びゲート電極206まで達するコ
ンタクト孔を形成し、Alを堆積した後、これをパター
ニングし、ゲート電極206及び配線207を形成す
る。更に、全面にパッシベイション膜209を形成し、
図9に示すトランジスターを得る。
Next, a photoresist pattern (not shown) is formed on the gate electrode 206, and anisotropic etching is performed using the photoresist pattern as an etching mask to form a gate electrode 20.
6. Pattern the metal oxide insulating film 205. Next, using the photoresist pattern, the gate electrode 206, and the metal oxide insulating film 205 as a mask for ion implantation,
By implanting impurity ions (arsenic) into the substrate 201, the source-drain region 202 is formed in a self-aligned manner with respect to the gate electrode 206 and the metal oxide insulating film 205 (FIG. 10C). Next, the photoresist pattern is removed, and a heat treatment (a nitrogen atmosphere, 800 ° C., 10 minutes) for source-drain activation is performed. This step also serves as crystallization of the metal oxide insulating film 205. Next, oxygen annealing in an oxygen atmosphere at 400 ° C. for 10 minutes is performed to compensate for oxygen vacancies in the metal oxide insulating film and remove impurities. Next, the silicon nitride film on the source-drain region 202 is removed, and an interlayer insulating film 208 is formed. Next, the source-
After forming a contact hole reaching the drain region 202 and the gate electrode 206 and depositing Al, this is patterned to form a gate electrode 206 and a wiring 207. Further, a passivation film 209 is formed on the entire surface,
The transistor shown in FIG. 9 is obtained.

【0045】以上のような工程で作成したトランジスタ
ーの単位面積当たりのゲート容量は、3.8μFrad
/cmであり、ゲート絶縁膜のシリコン換算膜厚が
1.0nmのとき、期待される単位面積当たりのゲート
容量3.6μFrad/cmを上回っていた。つま
り、作成したトランジスターのゲート絶縁膜のシリコン
換算膜厚は、1.0nm以下である。これは、上記工程
で形成した金属酸化物205は10nm程度の薄膜にお
いても高い誘電率(約150)を持つこと、及び、金属
酸化物205を形成する際、W原料ガスとして170℃
の分解温度を持つヘキサジメチルアミノジタングステン
を用いたことにより、金属酸化物205の形成温度−酸
素アニール温度をともに400度以下としても、金属酸
化物205中の不純物を完全に除去できたこと、及び、
金属酸化物205の形成温度−酸素アニール温度をとも
に400℃以下とするとシリコン窒化膜204中の酸素
濃度を10%以下に抑えられたこと、及び、Irの酸化
物が電気伝導性をもつことによる。
The gate capacitance per unit area of the transistor formed by the above-described steps is 3.8 μFrad.
/ Cm 2 , and when the silicon equivalent film thickness of the gate insulating film was 1.0 nm, the expected gate capacitance per unit area exceeded 3.6 μFrad / cm 2 . That is, the equivalent silicon thickness of the gate insulating film of the formed transistor is 1.0 nm or less. This is because the metal oxide 205 formed in the above process has a high dielectric constant (about 150) even in a thin film of about 10 nm, and when forming the metal oxide 205, 170 ° C.
By using hexadimethylaminoditungsten having a decomposition temperature of, the impurities in the metal oxide 205 could be completely removed even when both the formation temperature of the metal oxide 205 and the oxygen annealing temperature were set to 400 degrees or less. as well as,
When both the formation temperature of the metal oxide 205 and the oxygen annealing temperature are 400 ° C. or less, the oxygen concentration in the silicon nitride film 204 can be suppressed to 10% or less, and the Ir oxide has electric conductivity. .

【0046】図11に上記工程で作成したトランジスタ
ーのゲートリーク電流密度のゲート電圧依存性を示す。
ゲート電圧1V時のゲートリーク電流密度は10−3
/cmである。これは、上記工程で形成した金属酸化
物205が10nm程度の薄膜においても電界強度1M
V/cm印加時のリーク電流密度10−3A/cm
下という特長を持つためである。
FIG. 11 shows the gate voltage dependence of the gate leakage current density of the transistor manufactured in the above process.
The gate leakage current density at a gate voltage of 1 V is 10 −3 A
/ Cm 2 . This is because even if the metal oxide 205 formed in the above step is a thin film having a thickness of about
This is because it has a feature of a leak current density of 10 −3 A / cm 2 or less when V / cm is applied.

【0047】また、上記工程で作成したトランジスター
の動作を確認したところ、正常な動作を示した。これは
金属酸化物205を形成する際、W原料ガスとして17
0℃の分解温度を持つヘキサジメチルアミノジタングス
テンを用いたことにより、金属酸化物205の絶縁特性
劣化を起こさず、形成温度−酸素アニール温度をともに
400度以下にできたために、ゲート絶縁膜とシリコン
基板との間の相互拡散を抑制できたことによる。
Further, when the operation of the transistor prepared in the above process was confirmed, a normal operation was shown. This is because when forming the metal oxide 205, 17 W
By using hexadimethylaminoditungsten having a decomposition temperature of 0 ° C., the insulation characteristics of the metal oxide 205 did not deteriorate, and both the formation temperature and the oxygen annealing temperature could be reduced to 400 ° C. or less. This is because mutual diffusion with the silicon substrate could be suppressed.

【0048】このように、ゲート絶縁膜のSi酸化膜換
算膜厚が1nm以下であり、且つ、ゲート電圧1V時の
ゲートリーク電流が10−3A/cm以下であること
を特徴とするMDIS構造の薄膜電界効果トランジスタ
を実現することができた。
As described above, the MDIS is characterized in that the gate insulating film has a thickness equivalent to a Si oxide film of 1 nm or less and a gate leak current at a gate voltage of 1 V is 10 −3 A / cm 2 or less. A thin-film field-effect transistor having a structure can be realized.

【0049】なお、ゲート電極206はIrに限らず、
酸素アニールで酸化されないもの、または酸化物が電気
伝導性を持つものであれば良い。本発明者は、貴金属P
t、Au、Ag、Ru、Os、高融点金属Co、導電性
酸化物RuO、RhO、OsO、IrO、Re
、ReO、MoO、SrRuOやこれらの各
材料の合金を用いても上記実施形態のトランジスターは
同様の効果及び作用を得ることを確認した。
The gate electrode 206 is not limited to Ir.
Any material that is not oxidized by oxygen annealing or an oxide having electrical conductivity may be used. The inventor has determined that the precious metal P
t, Au, Ag, Ru, Os, refractory metal Co, conductive oxides RuO 2 , RhO 2 , OsO 2 , IrO 2 , Re
It has been confirmed that the transistor of the above-described embodiment can obtain the same effect even when O 2 , ReO 3 , MoO 2 , SrRuO 3 or an alloy of these materials is used.

【0050】また、ゲート電極206は、前記各材料を
複数層に形成した構造にしてもよく、例えば、チタン層
の上に白金層が形成された2層構造であっても同様の効
果及び作用を得ることを確認した。
The gate electrode 206 may have a structure in which each of the above-mentioned materials is formed in a plurality of layers. For example, the same effect and action can be obtained even in a two-layer structure in which a platinum layer is formed on a titanium layer. Confirmed that you get.

【0051】本発明者は、金属酸化物205の材質が、
WOのW6+サイトの一部をZr 4+で置換した金属
酸化物WZOであっても、上記のトランジスターは同様
の効果及び作用を得ることを確認した。Zr4+を含む
金属酸化物を作成する場合、原料ガスとしては、例え
ば、テトラキスジエチルアミノジルコニウム(Zr(N
(CH沸点120℃、分解温度200℃以
上)が使用できる。原料加熱温度、マスフローコントロ
ーラー温度は、テトラキスジエチルアミノジルコニウム
の場合は、各々70℃、110℃とするのが良い。ま
た、この場合において、試料処理室の内壁温度は150
℃とするのが良い。WZOはZr4+が12〜27%の
場合、誘電率100以上、且つ、10nm程度の薄膜に
おいて、電界強度1MV/cm印加時のリーク電流密度
10−3A/cm以下という特長を持つ。従って、ゲ
ート絶縁膜の膜厚がSi酸化膜換算膜厚1nm以下であ
り、且つ、ゲートリーク電流がゲート電圧1V時に10
−3A/cm以下であることを特徴とするMDIS構
造の電界効果トランジスタを提供することができる。
The present inventor has found that the material of the metal oxide 205 is
WO3W6+Part of the site is Zr 4+Metal substituted with
Even if the oxide is WZO, the above transistor is the same.
It was confirmed that the effects and effects of the above were obtained. Zr4+including
When producing metal oxides, for example,
For example, tetrakisdiethylaminozirconium (Zr (N
(CH3)2)4Boiling point 120 ° C, decomposition temperature 200 ° C or less
Above) can be used. Raw material heating temperature, mass flow control
Roller temperature is tetrakisdiethylaminozirconium
In this case, the temperature is preferably 70 ° C. and 110 ° C., respectively. Ma
In this case, the inner wall temperature of the sample processing chamber is 150
℃ is good. WZO is Zr4+Of 12-27%
In the case, a dielectric constant of 100 or more and a thin film of about 10 nm
, The leakage current density when applying an electric field strength of 1 MV / cm
10-3A / cm2It has the following features. Therefore,
The thickness of the gate insulating film is 1 nm or less in terms of Si oxide film.
And the gate leakage current is 10 when the gate voltage is 1 V.
-3A / cm2MDIS structure characterized by the following
The field effect transistor of the structure can be provided.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
ゲート絶縁膜の膜厚がSi酸化膜換算膜厚1nm以下で
あり、且つ、ゲートリーク電流がゲート電圧1V時に1
−3A/cm以下であることを特徴とするMDIS
構造の電界効果トランジスタを提供することができる。
As described above, according to the present invention,
When the thickness of the gate insulating film is 1 nm or less in terms of Si oxide film, and the gate leakage current is 1 V when the gate voltage is 1 V,
MDIS characterized by being at most 0 -3 A / cm 2.
A field effect transistor having a structure can be provided.

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

【図1】本発明の薄膜気相成長装置の構成を示す図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a thin film vapor deposition apparatus of the present invention.

【図2】本発明の膜組成の原料ガス流量比依存性を示す
グラフである。
FIG. 2 is a graph showing the dependency of the film composition of the present invention on the flow rate of source gas.

【図3】本発明の金属酸化物誘電膜のリーク電流の組成
依存性を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the composition dependency of the leak current of the metal oxide dielectric film of the present invention.

【図4】本発明の金属酸化物誘電膜の誘電率の組成依存
性を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing the composition dependency of the dielectric constant of the metal oxide dielectric film of the present invention.

【図5】p型シリコン上のTi−doped酸化タング
ステンWOの容量−電圧特性を示すグラフである。
[5] capacity of Ti-Doped tungsten oxide WO 3 on p-type silicon - is a graph showing the voltage characteristic.

【図6】MOCVDで堆積されたTi−doped酸化
タングステン中炭素濃度の基板温度依存性を示すグラフ
である。
FIG. 6 is a graph showing the substrate temperature dependence of the carbon concentration in Ti-doped tungsten oxide deposited by MOCVD.

【図7】Ti−doped酸化タングステン中炭素濃度
の酸素アニール温度依存性を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing the oxygen annealing temperature dependence of the carbon concentration in Ti-doped tungsten oxide.

【図8】Ti−doped酸化タングステン直下のシリ
コン窒化膜中の酸素濃度の酸素アニール温度依存性を示
すグラフである。
FIG. 8 is a graph showing the oxygen annealing temperature dependency of the oxygen concentration in the silicon nitride film immediately below Ti-doped tungsten oxide.

【図9】本発明の半導体装置の構造を示す断面図であ
る。
FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a structure of a semiconductor device of the present invention.

【図10】本発明の半導体装置の製造工程を示す断面図
である。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device of the present invention.

【図11】本発明の半導体装置のゲートリーク特性を示
すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing gate leakage characteristics of the semiconductor device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 試料処理室 102 試料交換室 103 試料処理室中のウェハー 104 ゲートバルブ 105 ウェハー搬送機構 106 ヒーター 107 試料交換室中のウェハー 108 ゲートバルブ 109 ゲートバルブ 110 水冷トラップ 111 ストップバルブ 112 ストップバルブ 113 原料シリンダー 114 マスフローコントローラー 115 ストップバルブ 116 キャリアーガスボンベ 117 ストップバルブ 118 排気系 119 ストップバルブ 120 マスフローコントローラー 121 ストップバルブ 122 原料シリンダー 123 ストップバルブ 124 排気系 125 ストップバルブ 126 マスフローコントローラー 127 ストップバルブ 128 原料シリンダー 129 ストップバルブ 130 排気系 131 真空計 132 排気系 133 排気系 134 排気系 201 Si(100)基板 202 ソース−ドレイン領域 203 チャネル領域 204 シリコン窒化膜 205 不純物添加酸化タングステン 206 ゲート電極 207 ソース−ドレイン電極 208 層間絶縁膜 209 パッシベイション膜 211 シリコン酸化膜 101 Sample processing chamber 102 Sample exchange chamber 103 Wafer in sample processing chamber 104 Gate valve 105 Wafer transport mechanism 106 Heater 107 Wafer in sample exchange chamber 108 Gate valve 109 Gate valve 110 Water cooling trap 111 Stop valve 112 Stop valve 113 Raw material cylinder 114 Mass flow controller 115 Stop valve 116 Carrier gas cylinder 117 Stop valve 118 Exhaust system 119 Stop valve 120 Mass flow controller 121 Stop valve 122 Material cylinder 123 Stop valve 124 Exhaust system 125 Stop valve 126 Mass flow controller 127 Stop valve 128 Material cylinder 129 Stop valve 130 Exhaust system 131 Vacuum gauge 13 Exhaust system 133 Exhaust system 134 Exhaust system 201 Si (100) substrate 202 Source-drain region 203 Channel region 204 Silicon nitride film 205 Impurity-doped tungsten oxide 206 Gate electrode 207 Source-drain electrode 208 Interlayer insulating film 209 Passivation film 211 Silicon Oxide film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/318 H01L 21/318 C Fターム(参考) 5F040 DA14 DA19 DB01 EC01 EC04 EC08 ED01 ED03 ED04 EH02 EH05 EK05 FC21 5F045 AA04 AB31 AB33 AB40 AC07 AC08 AC11 AD07 AD08 AF01 AF03 BB16 CA05 DC51 DC55 DP01 DP02 DP03 EK05 EK07 HA16 5F058 BA01 BA06 BD01 BD03 BD05 BD09 BD10 BF01 BF02 BF06 BF22 BF29 BF30 BF51 BF52 BF55 BF64 BF75 BH01 BH02 BH03 BJ01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 21/318 H01L 21/318 CF term (Reference) 5F040 DA14 DA19 DB01 EC01 EC04 EC08 ED01 ED03 ED04 EH02 EH05 EK05 FC21 5F045 AA04 AB31 AB33 AB40 AC07 AC08 AC11 AD07 AD08 AF01 AF03 BB16 CA05 DC51 DC55 DP01 DP02 DP03 EK05 EK07 HA16 5F058 BA01 BA06 BD01 BD03 BD05 BD09 BD10 BF01 BF02 BF06 BF22 BF29 BF30 B01B03 BF51 B52H55

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 単結晶シリコン基板上にゲート絶縁膜と
して、シリコン窒化膜及びタングステン−チタン混合酸
化物又はタングステン−ジルコニウム混合酸化物の積層
膜が設けられていることを特徴とする電界効果トランジ
スタ。
1. A field-effect transistor in which a silicon nitride film and a stacked film of a mixed oxide of tungsten and titanium or a mixed oxide of tungsten and zirconium are provided as a gate insulating film over a single crystal silicon substrate.
【請求項2】 前記積層膜上に設けられるゲート電極
は、貴金属Ir、Pt、Au、Ag、Ru、Os、高融
点金属Co、導電性酸化物RuO、RhO、OsO
、IrO、ReO、ReO、MoO、SrR
uOの何れか、又は、これらの各材料の合金である
か、又は、前記各材料を複数層に形成した構造であるこ
とを特徴とする請求項1記載の電界効果トランジスタ。
2. The gate electrode provided on the laminated film is made of a noble metal Ir, Pt, Au, Ag, Ru, Os, a refractory metal Co, a conductive oxide RuO 2 , RhO 2 , OsO.
2 , IrO 2 , ReO 2 , ReO 3 , MoO 2 , SrR
2. The field-effect transistor according to claim 1, wherein one of uO 3 , an alloy of each of these materials, or a structure in which each of the materials is formed in a plurality of layers.
【請求項3】 単結晶シリコン基板上にシリコン窒化膜
を形成する第1の工程と、前記シリコン窒化膜上にタン
グステン原料ガスとしてヘキサジメチルアミノジタング
ステン(W(N(CH)を含む有機金属材
料ガスと酸化ガスを用いてタングステン−チタン混合酸
化物またはタングステン−ジルコニウム混合金属酸化物
を形成する第2の工程と、前記金属酸化物上に導電膜を
形成する第3の工程と、前記金属酸化物及び前記導電膜
をパターニングしてゲート絶縁膜とゲート電極とを形成
する第4の工程と、前記ゲート絶縁膜及びゲート電極と
をイオン注入用マスクとしてゲート絶縁膜及びゲート電
極に対して自己整合的に拡散層に不純物イオンを注入す
る第5の工程と、前記不純物を熱処理により活性化しソ
ース−ドレイン領域を形成する第6の工程と、酸素アニ
ールする第7の工程とを含むことを特徴とする電界効果
トランジスタの製造方法。
3. A first step of forming a silicon nitride film on a single crystal silicon substrate, and hexadimethylaminoditungsten (W 2 (N (CH 3 ) 2 ) 6 as a tungsten source gas on the silicon nitride film. A) forming a tungsten-titanium mixed oxide or a tungsten-zirconium mixed metal oxide using an organometallic material gas containing) and an oxidizing gas; and 3) forming a conductive film on the metal oxide. Forming a gate insulating film and a gate electrode by patterning the metal oxide and the conductive film; forming a gate insulating film and a gate using the gate insulating film and the gate electrode as an ion implantation mask; A fifth step of implanting impurity ions into the diffusion layer in a self-aligned manner with respect to the electrode; The a sixth step, a seventh step in the method of manufacturing the field effect transistor, characterized in that it comprises a for oxygen annealing to form regions.
【請求項4】 前記第2の工程の基板温度は、350℃
以上400℃以下であり、前記第7の工程の酸素アニー
ル温度は、350℃以上400℃以下であることを特徴
とする請求項3記載の電界効果トランジスタの製造方
法。
4. The substrate temperature in the second step is 350 ° C.
4. The method according to claim 3, wherein the oxygen annealing temperature in the seventh step is 350 ° C. or more and 400 ° C. or less.
【請求項5】 前記ゲート電極が、貴金属Ir、Pt、
Au、Ag、Ru、Os、高融点金属Co、導電性酸化
物RuO、RhO、OsO、IrO、Re
、ReO、MoO、SrRuOの何れか、又
は、これらの各材料の合金であるか、又は、前記各材料
を複数層に形成したものであることを特徴とする請求項
3又は4記載の電界効果トランジスタの製造方法。
5. The method according to claim 1, wherein the gate electrode is made of a noble metal Ir, Pt,
Au, Ag, Ru, Os, high melting point metal Co, conductive oxides RuO 2 , RhO 2 , OsO 2 , IrO 2 , Re
4. It is any one of O 2 , ReO 3 , MoO 2 , SrRuO 3 , an alloy of each of these materials, or formed by forming each of the materials in a plurality of layers. 5. The method for manufacturing a field-effect transistor according to 4.
【請求項6】 前記酸化ガスが、二酸化窒素ガスを含む
ことを特徴とする請求項3又は4記載の電界効果トラン
ジスタの製造方法。
6. The method according to claim 3, wherein the oxidizing gas includes a nitrogen dioxide gas.
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