JP2001332547A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

Semiconductor device and its manufacturing method

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JP2001332547A
JP2001332547A JP2000246882A JP2000246882A JP2001332547A JP 2001332547 A JP2001332547 A JP 2001332547A JP 2000246882 A JP2000246882 A JP 2000246882A JP 2000246882 A JP2000246882 A JP 2000246882A JP 2001332547 A JP2001332547 A JP 2001332547A
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metal
silicate layer
film
metal silicate
semiconductor device
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JP2000246882A
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Takeshi Yamaguchi
豪 山口
Hideki Satake
秀喜 佐竹
Akira Chokai
明 鳥海
Shin Fukushima
伸 福島
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a semiconductor device that has an excellent interface characteristics between a silicon substrate and a metal silicate layer. SOLUTION: This semiconductor device where an active element is formed on a silicon substrate 51 has a metal silicate layer 53 that is formed on the silicon substrate 51, and an electrode layer 54 that is formed on the metal silicon substrate 53. In the metal silicon substrate 53, the concentration of the configuration metal is gradually reduced from the interface between the electrode and metal silicate layers 54 and 53 toward the interface between the silicon substrate 51 and the silicate layer 53.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法、特に金属シリケイト層を有する半導体装置
及びその製造方法に関する。
The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device having a metal silicate layer and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】LSIの高速化・高集積化は、スケーリ
ング則にのっとった電界効果トランジスタの微細化によ
って進められてきた。ゲート絶縁膜、ゲート等のMOS
デバイスの各部分について、高さ方向と横方向の寸法を
同時に縮小することで、素子の特性を正常に保ち、また
性能を上げることを可能にしてきた。
2. Description of the Related Art Higher speed and higher integration of LSIs have been promoted by miniaturization of field effect transistors in accordance with the scaling rule. MOS such as gate insulating film and gate
By simultaneously reducing the height and lateral dimensions of each part of the device, it has been possible to maintain normal device characteristics and increase performance.

【0003】このスケーリング則によると、2000年
以降の次世代のMISトランジスタのゲート絶縁膜厚に
対しては、酸化膜換算で2nm程度以下が要求される。
しかしながら、シリコン酸化膜(SiO2 膜)では、厚
さ2nm以下になると、直接トンネル電流が極めて大き
くなり、リーク電流の抑制ができず、消費電力が増加す
るという問題が生じる。
According to this scaling rule, the thickness of the gate insulating film of the next generation MIS transistor after 2000 must be about 2 nm or less in terms of an oxide film.
However, when the thickness of the silicon oxide film (SiO 2 film) is 2 nm or less, the direct tunnel current becomes extremely large, so that the leakage current cannot be suppressed and the power consumption increases.

【0004】そこで、SiO2 よりも誘電率が高い材料
を用いて、シリコン酸化膜換算実効膜厚を2nm以下に
抑えつつ、物理膜厚を稼いでリーク電流を抑えることが
試みられている。
Therefore, it has been attempted to increase the physical film thickness and suppress the leak current by using a material having a dielectric constant higher than that of SiO 2 and suppressing the effective silicon oxide film thickness to 2 nm or less.

【0005】また、電界効果トランジスタでは、リーク
電流の抑制もさることながら、Si基板とゲート絶縁膜
の界面特性が特に重要である。したがって、ゲート絶縁
膜には、高誘電率であり、かつSi基板との界面特性を
良好に保持できる絶縁膜材料が必要であり、近年になっ
て金属シリケイト(珪酸塩)膜が有望であることが報告
され始めた("Electrical properties of hafnium sili
cate gate dielectrics deposited directly on silico
n" G.C.Wilk and R.M.Wallace APPLIED PHYSICS LETTER
S VOLUME 74, NUMBER 19, p2854-2856, MAY 1999)。
In the field effect transistor, the interface characteristics between the Si substrate and the gate insulating film are particularly important, while suppressing the leakage current. Therefore, the gate insulating film requires an insulating film material having a high dielectric constant and capable of maintaining good interface characteristics with the Si substrate, and a metal silicate (silicate) film has recently been promising. Began to be reported ("Electrical properties of hafnium sili
cate gate dielectrics deposited directly on silico
n "GCWilk and RMWallace APPLIED PHYSICS LETTER
S VOLUME 74, NUMBER 19, p2854-2856, MAY 1999).

【0006】このような金属シリケイト膜は、スパッタ
法や蒸着法によってSi基板上に金属を成膜し、酸素雰
囲気中で熱処理して形成したり、シリサイドターゲット
を用いたスパッタ法により成膜したりされている。
[0006] Such a metal silicate film is formed by forming a metal on a Si substrate by a sputtering method or a vapor deposition method and heat-treating it in an oxygen atmosphere, or by a sputtering method using a silicide target. Have been.

【0007】しかしながら、これらの手法では、金属シ
リケイト膜の膜質が酸素の導入量や熱処理温度或いはタ
ーゲットの組成比に大きく依存するために、金属シリケ
イト膜の特性の制御が困難であった。例えば、熱処理や
酸素処理が不十分であれば金属シリケイト膜が金属的に
なり、過剰であればSiO2 的な金属シリケイト膜にな
る。高い誘電率を得るためには、金属的、SiO2 的両
者の中間のプロセス条件を満たさなければならず、容易
に製造することは難しかった。
However, in these techniques, it is difficult to control the characteristics of the metal silicate film because the quality of the metal silicate film greatly depends on the amount of introduced oxygen, the heat treatment temperature, or the composition ratio of the target. For example, if the heat treatment or the oxygen treatment is insufficient, the metal silicate film becomes metallic, and if it is excessive, the metal silicate film becomes an SiO 2 -like metal silicate film. In order to obtain a high dielectric constant, it is necessary to satisfy an intermediate process condition between both metallic and SiO 2 , and it has been difficult to manufacture easily.

【0008】また、これらの手法では、Si基板と金属
シリケイト層との界面に金属元素が多く分布し、それら
がトラップサイトとなり、Si基板と金属シリケイト層
との界面の特性が悪化するという問題もあった。
[0008] Further, these methods also have a problem that a large amount of metal elements are distributed at the interface between the Si substrate and the metal silicate layer, which serve as trap sites, and the characteristics of the interface between the Si substrate and the metal silicate layer are deteriorated. there were.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、スケ
ーリング則を満たすため、SiO2 よりも誘電率が高い
金属シリケイトをゲート絶縁膜に用いることが要望され
ているが、従来の方法では、金属シリケイト層を制御性
よく形成することが困難であり、シリコン基板と金属シ
リケイト層との界面に金属元素が多く分布しやすく、S
i基板と金属シリケイト層との間の界面特性が悪化する
という問題があった。
As described above, in order to satisfy the scaling rule, it is required to use a metal silicate having a higher dielectric constant than SiO 2 for the gate insulating film. It is difficult to form a silicate layer with good controllability, and a large amount of metal element is easily distributed at the interface between the silicon substrate and the metal silicate layer.
There is a problem that the interface characteristics between the i-substrate and the metal silicate layer deteriorate.

【0010】本発明は、上記従来の問題を解決するため
になされたものであり、シリコン基板と金属シリケイト
層との間の良好な界面特性を得ることが可能な半導体装
置及びその製造方法を提供することを目的とする。
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned conventional problems, and provides a semiconductor device capable of obtaining good interface characteristics between a silicon substrate and a metal silicate layer, and a method of manufacturing the same. The purpose is to do.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
は、シリコン基板に能動素子が形成されてなる半導体装
置において、前記半導体装置は、前記シリコン基板上に
形成された金属シリケイト層と、前記金属シリケイト層
上に形成された電極層とを備え、前記金属シリケイト層
は、その構成金属の濃度が前記電極層と前記金属シリケ
イト層との界面から前記シリコン基板と前記金属シリケ
イト層との界面に向かってしだいに減少するように構成
されていることを特徴とする(半導体装置A)。
According to the present invention, there is provided a semiconductor device comprising an active element formed on a silicon substrate, wherein the semiconductor device comprises: a metal silicate layer formed on the silicon substrate; An electrode layer formed on a metal silicate layer, wherein the metal silicate layer has a concentration of constituent metal from an interface between the electrode layer and the metal silicate layer to an interface between the silicon substrate and the metal silicate layer. The semiconductor device is characterized in that it is configured to gradually decrease (semiconductor device A).

【0012】また、本発明に係る半導体装置は、シリコ
ン基板に能動素子が形成されてなる半導体装置におい
て、前記半導体装置は、前記シリコン基板上に形成され
た金属シリケイト層と、前記金属シリケイト層上に形成
された電極層とを備え、前記金属シリケイト層に含有さ
れる構成金属の濃度は、該金属シリケイトの化学量論組
成における該金属の濃度以下であり、かつ、前記電極層
と前記金属シリケイト層との界面側での前記構成金属の
濃度よりも前記シリコン基板と前記金属シリケイト層と
の界面側での前記構成金属の濃度の方が低くなるように
構成されていることを特徴とする(半導体装置B)。
Further, according to the present invention, there is provided a semiconductor device in which an active element is formed on a silicon substrate, wherein the semiconductor device comprises a metal silicate layer formed on the silicon substrate, and a metal silicate layer formed on the metal silicate layer. Wherein the concentration of the constituent metal contained in the metal silicate layer is not more than the concentration of the metal in the stoichiometric composition of the metal silicate, and the electrode layer and the metal silicate It is characterized in that the concentration of the constituent metal on the interface side between the silicon substrate and the metal silicate layer is lower than the concentration of the constituent metal on the interface side with the layer ( Semiconductor device B).

【0013】半導体装置A或いはBにおいて、前記金属
シリケイト層の構成金属はZr(ジルコニウム)、Hf
(ハフニウム)又はLa(ランタン)であることが好ま
しい。金属シリケイトを容易に形成するためである。誘
電率向上のためにはLaが好ましく、プロセス適合性の
観点からはZr又はHfが好ましい。
In the semiconductor device A or B, the metal constituting the metal silicate layer is Zr (zirconium), Hf
(Hafnium) or La (lanthanum). This is for easily forming the metal silicate. La is preferable for improving the dielectric constant, and Zr or Hf is preferable from the viewpoint of process compatibility.

【0014】半導体装置A或いはBにおいて、前記金属
シリケイト層の構成金属がZr、Hf又はLaである場
合、その金属シリケイトの化学量論組成は、ZrSiO
4 、HfSiO4 、La2 SiO5 であることから、前
記金属シリケイト層はその構成金属の濃度が、ZrSi
4 及びHfSiO4 では約17原子パーセント以下、
La2 SiO5 では25原子パーセント以下となるよう
に構成されていることが好ましい。より好ましくは、前
記金属シリケイト層は、該構成金属の濃度が7原子パー
セント以下となるように構成されていることが好まし
い。さらに、前記シリコン基板と前記金属シリケイト層
との界面での該構成金属の濃度が1原子パーセント以下
となるように構成されていることが好ましい。
In the semiconductor device A or B, when the metal constituting the metal silicate layer is Zr, Hf or La, the stoichiometric composition of the metal silicate is ZrSiO
4 , HfSiO 4 and La 2 SiO 5 , the metal silicate layer has a constituent metal concentration of ZrSi 4.
Less than about 17 atomic percent for O 4 and HfSiO 4 ,
Preferably, La 2 SiO 5 is configured to be 25 atomic percent or less. More preferably, the metal silicate layer is preferably configured so that the concentration of the constituent metal is 7 atomic percent or less. Furthermore, it is preferable that the concentration of the constituent metal at the interface between the silicon substrate and the metal silicate layer is 1 atomic percent or less.

【0015】半導体装置A或いはBにおいて、前記金属
シリケイト層は、金属、シリコン及び酸素に加えて、さ
らに誘電率向上のために窒素を含んでいてもよい。
In the semiconductor device A or B, the metal silicate layer may further contain nitrogen in addition to metal, silicon and oxygen for improving a dielectric constant.

【0016】半導体装置A或いはBにおいて、前記半導
体装置は電界効果型トランジスタを備え、前記金属シリ
ケイト層は前記電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜
であることが好ましい。
In the semiconductor device A or B, it is preferable that the semiconductor device includes a field-effect transistor, and the metal silicate layer is a gate insulating film of the field-effect transistor.

【0017】半導体装置A或いはBにおいて、前記金属
シリケイト層は、膜厚が0.5nm以上4nm以下であ
ることが好ましい。
In the semiconductor device A or B, it is preferable that the metal silicate layer has a thickness of 0.5 nm or more and 4 nm or less.

【0018】本発明に係る半導体装置の製造方法は、シ
リコン基板上に金属酸化膜を形成することによって、前
記シリコン基板と前記金属酸化膜との界面に金属シリケ
イト層を形成する工程と、前記金属シリケイト層上の金
属酸化膜を選択的に除去して前記金属シリケイト層を残
す工程とを有することを特徴とする(製造方法A)。
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a metal silicate layer on an interface between the silicon substrate and the metal oxide film by forming a metal oxide film on a silicon substrate; Selectively removing a metal oxide film on the silicate layer to leave the metal silicate layer (manufacturing method A).

【0019】製造方法Aにおいて、前記金属酸化膜を選
択的に除去する工程は、ウエットエッチング法又はスパ
ッタ法を用いて行われることが好ましい。
In the manufacturing method A, the step of selectively removing the metal oxide film is preferably performed by using a wet etching method or a sputtering method.

【0020】製造方法Aにおいて、前記金属酸化膜は非
晶質相を含む膜であることが好ましい。これにより、金
属酸化膜と金属シリケイト層とのエッチング速度差をと
りやすくなる。
In the manufacturing method A, the metal oxide film is preferably a film containing an amorphous phase. This makes it easier to obtain a difference in etching rate between the metal oxide film and the metal silicate layer.

【0021】製造方法Aにおいて、欠陥を回復しかつS
iO2 成長抑制のため、前記金属酸化膜を選択的に除去
する工程の後、前記金属シリケイト層を800℃以下の
温度で熱処理する工程をさらに有することが好ましい。
また、5分以下の短時間であれば、900℃以下であっ
てもよい。また、さらに望ましくは、300℃〜500
℃とする。
In the manufacturing method A, defects are recovered and S
Preferably, after the step of selectively removing the metal oxide film, a step of heat-treating the metal silicate layer at a temperature of 800 ° C. or less to suppress iO 2 growth.
The temperature may be 900 ° C. or less for a short time of 5 minutes or less. Further, more desirably, 300 ° C. to 500 ° C.
° C.

【0022】製造方法Aにおいて、前記金属酸化膜を選
択的に除去する工程の後、前記金属シリケイト層に励起
酸素を照射する工程をさらに有することが、温度を上げ
ることなく欠陥が回復できるため好ましい。
In the manufacturing method A, it is preferable to further include a step of irradiating the metal silicate layer with excited oxygen after the step of selectively removing the metal oxide film because defects can be recovered without raising the temperature. .

【0023】製造方法Aにおいて、前記シリコン基板上
に前記金属酸化膜を形成する際に、励起酸素を照射する
ことが、温度を上げることなく欠陥が回復できるため好
ましい。
In the manufacturing method A, when forming the metal oxide film on the silicon substrate, it is preferable to irradiate with excited oxygen because defects can be recovered without increasing the temperature.

【0024】また、本発明に係る半導体装置の製造方法
は、シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成する工程
と、前記シリコン酸化膜上に、前記シリコン酸化膜に対
する固溶限界以上の金属原子を有する金属膜又は金属シ
リサイド膜を形成する工程と、前記金属膜又は金属シリ
サイド膜中の金属原子を前記シリコン酸化膜中に拡散さ
せて金属シリケイト層を形成する(より好ましくは、拡
散せずに残った金属膜又は金属シリサイド膜を利用する
ことで電極を同時に形成する)工程とを有することを特
徴とする(製造方法B)。
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, there is provided a step of forming a silicon oxide film on a silicon substrate; Forming a metal film or a metal silicide film, and diffusing metal atoms in the metal film or the metal silicide film into the silicon oxide film to form a metal silicate layer (more preferably, remaining without being diffused) Simultaneously forming an electrode by using a metal film or a metal silicide film) (manufacturing method B).

【0025】製造方法A或いはBにおいて、前記金属シ
リケイト層中に窒素を導入する処理を含むようにしても
よい。その際に、励起窒素を用いることが好ましい。
In the manufacturing method A or B, a treatment for introducing nitrogen into the metal silicate layer may be included. At that time, it is preferable to use excited nitrogen.

【0026】なお、製造方法A及びBは、先の半導体装
置A及びBを得るための製造方法に適したものである。
The manufacturing methods A and B are suitable for the manufacturing method for obtaining the semiconductor devices A and B described above.

【0027】また、本発明に係る半導体装置の製造方法
は、窒素雰囲気中又は励起窒素の照射下において、金属
酸化物ターゲットを用いた蒸着法、スパッタ法又はレー
ザーアブレーション法にてシリコン基板上に成膜を行う
ことにより、窒素を含有する金属シリケイト層を形成す
る工程を有することを特徴とする(製造方法C)。
Further, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention comprises forming a semiconductor device on a silicon substrate by vapor deposition using a metal oxide target, sputtering, or laser ablation in a nitrogen atmosphere or under irradiation of excited nitrogen. The method includes a step of forming a metal silicate layer containing nitrogen by forming a film (manufacturing method C).

【0028】また、本発明に係る半導体装置の製造方法
は、窒素雰囲気中又は励起窒素の照射下において、少な
くとも金属及び酸素を含むガスを用いたCVD法にてシ
リコン基板上に成膜を行うことにより、窒素を含有する
金属シリケイト層を形成する工程を有することを特徴と
する(製造方法D)。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a film is formed on a silicon substrate by a CVD method using a gas containing at least a metal and oxygen in a nitrogen atmosphere or under irradiation of excited nitrogen. Forming a metal silicate layer containing nitrogen (Production method D).

【0029】製造方法C或いはDにおいて、前記窒素を
含有する金属シリケイト層に対して、酸素雰囲気中にて
800℃以下の温度で熱処理する、或いは励起酸素を照
射する工程をさらに有することが好ましい。
In the production method C or D, it is preferable to further include a step of heat-treating the nitrogen-containing metal silicate layer at a temperature of 800 ° C. or lower in an oxygen atmosphere or irradiating with excited oxygen.

【0030】また、本発明に係る半導体装置の製造方法
は、シリコン基板上に形成された金属、シリコン及び窒
素を含む膜(MSiNx 膜、Mは金属元素)を酸素雰囲
気中にて800℃以下の温度で熱処理して、窒素を含有
する金属シリケイト層を形成する工程を有することを特
徴とする(製造方法E)。
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a film containing a metal, silicon, and nitrogen (MSiN x film, M is a metal element) formed on a silicon substrate is 800 ° C. or less in an oxygen atmosphere. (A manufacturing method E) by forming a metal silicate layer containing nitrogen by performing a heat treatment at the temperature described above.

【0031】また、本発明に係る半導体装置の製造方法
は、シリコン基板上に形成された金属、シリコン及び窒
素を含む膜(MSiNx 膜、Mは金属元素)に励起酸素
を照射して、窒素を含有する金属シリケイト層を形成す
る工程を有することを特徴とする(製造方法F)。
Further, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that a film (MSiN x film, M is a metal element) containing metal, silicon and nitrogen formed on a silicon substrate is irradiated with excited oxygen, (Process F) for forming a metal silicate layer containing

【0032】製造方法E或いはFにおいて、金属とシリ
コン及び窒素を含むターゲットを用いて、蒸着法、スパ
ッタ法又はレーザーアブレーション法にて、前記金属、
シリコン及び窒素を含む膜を形成することが好ましい。
In the manufacturing method E or F, using a target containing a metal, silicon and nitrogen, the metal, silicon or nitrogen is deposited by a vapor deposition method, a sputtering method or a laser ablation method.
It is preferable to form a film containing silicon and nitrogen.

【0033】また、本発明に係る半導体装置の製造方法
は、シリコン基板上に金属窒化膜を形成する工程と、前
記金属窒化膜を酸素雰囲気中にて800℃以下の温度で
熱処理して窒素を含有する金属シリケイト層を形成する
工程とを有することを特徴とする(製造方法G)。
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, there is provided a step of forming a metal nitride film on a silicon substrate, and heat-treating the metal nitride film in an oxygen atmosphere at a temperature of 800 ° C. or less to reduce nitrogen. Forming a metal silicate layer to be contained (manufacturing method G).

【0034】また、本発明に係る半導体装置の製造方法
は、シリコン基板上に金属窒化膜を形成する工程と、前
記金属窒化膜に励起酸素を照射して窒素を含有する金属
シリケイト層を形成する工程とを有することを特徴とす
る(製造方法H)。
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of forming a metal nitride film on a silicon substrate and a step of irradiating the metal nitride film with excited oxygen to form a metal silicate layer containing nitrogen. (Production method H).

【0035】製造方法A〜Hにおいて、前記金属シリケ
イト層の構成金属は、Zr、Hf又はLaであることが
好ましい。
In the manufacturing methods A to H, the constituent metal of the metal silicate layer is preferably Zr, Hf or La.

【0036】製造方法A〜Hにおいて、前記金属シリケ
イト層は、電界効果トランジスタのゲート絶縁膜である
ことが好ましい。
In the manufacturing methods A to H, it is preferable that the metal silicate layer is a gate insulating film of a field effect transistor.

【0037】[0037]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0038】(実施形態1)金属酸化物をSi基板上に
成膜すると、金属シリケイト(珪酸塩)層がSi基板と
金属酸化物の間に形成される。本発明において、金属シ
リケイト層とは、実質的に金属シリケイトからなるもの
である。金属シリケイトは一般式で、Mx SiO
4-δ(M:金属元素、0<x≦1.0、3≦δ≦4)で
表される。ただし、金属元素がLaの場合は、Lax
iO5-δ(0<x<2、4≦δ≦5)で表される。本発
明者らは、この金属シリケイト層が安定な構造・組成で
形成され、Si基板界面での電気的特性も非常によいこ
とを見出した。
(Embodiment 1) When a metal oxide is formed on a Si substrate, a metal silicate (silicate) layer is formed between the Si substrate and the metal oxide. In the present invention, the metal silicate layer is substantially composed of metal silicate. The metal silicate is of the general formula M x SiO
4-δ (M: metal element, 0 <x ≦ 1.0, 3 ≦ δ ≦ 4) However, when the metal element is La, La x S
iO 5-δ (0 <x <2, 4 ≦ δ ≦ 5). The present inventors have found that this metal silicate layer is formed with a stable structure and composition, and that the electrical characteristics at the Si substrate interface are also very good.

【0039】図1は、レーザーアブレーション法により
Si基板1上にZrO2 膜2を形成したときの断面図で
ある。
FIG. 1 is a sectional view when a ZrO 2 film 2 is formed on a Si substrate 1 by a laser ablation method.

【0040】図1に示すように、Si基板1上にZrO
2 膜2を成膜すると、界面にZrシリケイト層3が形成
される。このZrシリケイト層3の誘電率は14であ
り、Zrシリサイドを酸化してZrシリケイト膜を形成
した場合(〜12)よりも高いことがわかった。前記金
属シリケイト層は、膜厚が0.5nm以上4nm以下で
あることが望ましい。さらに望ましくは、1nm以上3
nm以下である。また、Zrシリケイト層3とSi基板
1の界面特性を評価したところ、非常に良好な電気特性
を示し、電界効果トランジスタのゲート絶縁膜として用
いることが、非常に有効であることがわかった。
As shown in FIG. 1, ZrO
When the second film 2 is formed, a Zr silicate layer 3 is formed at the interface. The dielectric constant of the Zr silicate layer 3 was 14, which was higher than the case where the Zr silicate was oxidized to form a Zr silicate film (up to 12). The metal silicate layer preferably has a thickness of 0.5 nm or more and 4 nm or less. More preferably, 1 nm or more 3
nm or less. Further, when the interface characteristics between the Zr silicate layer 3 and the Si substrate 1 were evaluated, it showed very good electric characteristics, and it was found that the use as a gate insulating film of a field effect transistor was very effective.

【0041】また、本発明らは、このZrシリケイト層
3をゲート絶縁膜として利用するために、HF溶液を用
いて上層のZrO2 膜2をエッチングすることを試み
た。
The present inventors have attempted to etch the upper ZrO 2 film 2 using an HF solution in order to use the Zr silicate layer 3 as a gate insulating film.

【0042】図2は、この試料をHF溶液を用いてエッ
チングした時の、ZrO2 膜2と界面に形成されたZr
シリケイト層3のエッチングレートを調べた図である。
FIG. 2 shows the ZrO 2 film 2 and the ZrO formed at the interface when this sample was etched using an HF solution.
FIG. 3 is a diagram illustrating an etching rate of a silicate layer 3.

【0043】黒丸はZrO2 膜2を450℃で成膜した
ときであり、白丸は350℃で成膜した場合を示してい
る。また、エッチング時間150秒以前はZrO2 膜2
をエッチングしている場合であり、150秒以降はZr
シリケイト層3をエッチングしている場合である。Zr
2 膜2の成膜温度が450℃の場合、ZrO2 膜2の
エッチングレートは120pm/sec、成膜温度が3
50℃の場合、200pm/secであった。Zrシリ
ケイト層3のエッチングレートは、いずれの場合も2p
m/secであった。
The black circles indicate the case where the ZrO 2 film 2 was formed at 450 ° C., and the white circles indicate the case where the ZrO 2 film was formed at 350 ° C. Before the etching time of 150 seconds, the ZrO 2 film 2 was used.
Is etched, and after 150 seconds, Zr
This is the case where the silicate layer 3 is being etched. Zr
When the film formation temperature of the O 2 film 2 is 450 ° C., the etching rate of the ZrO 2 film 2 is 120 pm / sec and the film formation temperature is 3
At 50 ° C., it was 200 pm / sec. The etching rate of the Zr silicate layer 3 is 2 p in each case.
m / sec.

【0044】このようにZrO2 膜2とZrシリケイト
層3ではエッチングレートが50倍以上異なることがわ
かった。ZrO2 膜2の膜厚、成膜温度を変えた場合
も、界面に形成されたZrシリケイト層3のエッチング
レートが急激に遅くなることがわかった。
As described above, it was found that the etching rates of the ZrO 2 film 2 and the Zr silicate layer 3 were different by 50 times or more. It was also found that the etching rate of the Zr silicate layer 3 formed at the interface was rapidly reduced even when the film thickness and the film forming temperature of the ZrO 2 film 2 were changed.

【0045】これは、ZrO2 膜2と界面に形成された
Zrシリケイト層3とではエッチングレートに大きな差
があり、Zrシリケイト層をエッチングによって選択的
に残すことが十分可能であることを示している。これ
は、金属酸化物と、金属シリケイトというSi元素を含
んだ材料の特性の差が原因であると考えられ、金属とし
てZrに限らず、HfやLa等、界面にシリケイト層が
形成される金属酸化物であれば、適当なエッチング手法
を用いることによって、同様に実現可能である。
This indicates that there is a large difference in the etching rate between the ZrO 2 film 2 and the Zr silicate layer 3 formed at the interface, and it is sufficiently possible to selectively leave the Zr silicate layer by etching. I have. This is considered to be due to a difference in characteristics between a metal oxide and a material containing a Si element called a metal silicate. As a metal, not only Zr but also a metal such as Hf or La, which forms a silicate layer at an interface, such as Hf or La An oxide can be similarly realized by using an appropriate etching technique.

【0046】このような実験結果に基づいて、本発明で
は、Si基板上に金属酸化膜を形成することにより、S
i基板と金属酸化膜の界面に金属シリケイト層を形成
し、その後金属シリケイト層上の金属酸化膜をエッチン
グレートの差を利用して選択的に剥離して金属シリケイ
ト層を残し、この金属シリケイト層を高誘電体ゲート絶
縁膜として用いる電界効果トランジスタの製造方法を提
供する。
Based on the above experimental results, the present invention forms a metal oxide film on a Si substrate,
A metal silicate layer is formed at the interface between the i-substrate and the metal oxide film, and then the metal oxide film on the metal silicate layer is selectively peeled off by utilizing a difference in etching rate to leave the metal silicate layer. And a method of manufacturing a field-effect transistor using the same as a high dielectric gate insulating film.

【0047】また、金属シリケイト層は過剰に熱処理を
するとSiO2 化するため、金属シリケイトの欠陥回復
に、低温でも欠陥回復力に優れる励起酸素を選択的に残
された金属シリケイト層に照射する。また、この欠陥回
復には、800℃以下の熱処理か或いは5分以下の熱処
理も有効である。
Further, since the metal silicate layer is converted into SiO 2 when subjected to an excessive heat treatment, the remaining metal silicate layer is selectively irradiated with excited oxygen excellent in defect recovery even at a low temperature in order to recover defects of the metal silicate. For this defect recovery, heat treatment at 800 ° C. or less or heat treatment for 5 minutes or less is also effective.

【0048】さらに、高誘電率化を実現するために、こ
の金属シリケイト層に窒素原子を含有させることで、M
x SiO4-δz (M:金属元素、0<x≦1.0、3
≦δ≦4、0≦z≦1)を形成することも有用である。
ただし、金属元素がLaの場合は、Lax SiO5-δ
z (0<x<2、4≦δ≦5、0≦z≦1)である。こ
れらの場合、留意する点は、SiO2 化を制御するため
に、酸素雰囲気中での過剰な焼鈍を行わないことであ
る。SiO2 化を抑制しつつ、シリケイト膜に窒素を導
入させるには、金属シリケイト膜を窒素雰囲気中で窒化
するか、金属、シリコン及び窒素を含む膜(MSiNx
膜:Mは金属元素)に励起酸素を照射するか、或いはM
SiNx 膜を低温で酸化する手法が有用である。
Further, in order to realize a higher dielectric constant, the metal silicate layer is made to contain nitrogen atoms, so that M
x SiO 4-δ N z (M: metal element, 0 <x ≦ 1.0, 3
It is also useful to form ≦ δ ≦ 4, 0 ≦ z ≦ 1).
However, when the metal element is La, La x SiO 5-δ N
z (0 <x <2, 4 ≦ δ ≦ 5, 0 ≦ z ≦ 1). In these cases, it should be noted that excessive annealing in an oxygen atmosphere is not performed in order to control the formation of SiO 2 . In order to introduce nitrogen into the silicate film while suppressing the formation of SiO 2 , the metal silicate film is nitrided in a nitrogen atmosphere or a film containing metal, silicon, and nitrogen (MSiN x
Film: M is a metal element) irradiated with excited oxygen or M
A technique of oxidizing the SiN x film at a low temperature is useful.

【0049】図3は、本発明により作成した電界効果ト
ランジスタの断面図である。ここではnチャネルMIS
トランジスタを作成した。
FIG. 3 is a sectional view of a field-effect transistor formed according to the present invention. Here, n channel MIS
A transistor was created.

【0050】図3に示すように、p型シリコン基板51
中には素子分離領域52が形成されている。このp型シ
リコン基板51上には、金属シリケイトからなるゲート
絶縁膜53が形成されている。このゲート絶縁膜53の
詳しい形成方法については後述する。
As shown in FIG. 3, a p-type silicon substrate 51
An element isolation region 52 is formed therein. On this p-type silicon substrate 51, a gate insulating film 53 made of metal silicate is formed. A detailed method of forming the gate insulating film 53 will be described later.

【0051】ゲート絶縁膜53上には、ポリシリコンか
らなるゲート電極54が形成されている。ゲート電極5
4を挟むシリコン基板51中に、n型不純物が導入され
た拡散層(ソース・ドレイン領域)55が形成されてい
る。ゲート電極54及びゲート絶縁膜53の側面には、
ゲート側壁(例えばCVDシリコン窒化膜など)56が
形成されている。これらによって電界効果トランジスタ
が構成されている。
On the gate insulating film 53, a gate electrode 54 made of polysilicon is formed. Gate electrode 5
A diffusion layer (source / drain region) 55 into which an n-type impurity is introduced is formed in a silicon substrate 51 sandwiching the semiconductor substrate 4. On the side surfaces of the gate electrode 54 and the gate insulating film 53,
A gate side wall (for example, a CVD silicon nitride film) 56 is formed. These form a field effect transistor.

【0052】この電界効果トランジスタ上には、層間絶
縁膜(例えばCVDシリコン酸化膜など)57が形成さ
れ、この層間絶縁膜57に設けられたコンタクト孔を介
して、ゲート電極54およびソース・ドレイン領域55
にAl配線58が接続されている。
An interlayer insulating film (for example, a CVD silicon oxide film) 57 is formed on the field effect transistor, and the gate electrode 54 and the source / drain regions are formed through contact holes provided in the interlayer insulating film 57. 55
Is connected to an Al wiring 58.

【0053】(実施形態1−1)次に、図4を参照し
て、図3に示したMISトランジスタの製造方法を説明
する。
(Embodiment 1-1) Next, a method of manufacturing the MIS transistor shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG.

【0054】まず、図4(a)に示すように、面方位
(100)、比抵抗4〜6Ωcmのp型シリコン基板5
1上に、反応性イオンエッチングにより、素子分離のた
めの溝を形成する。続いて、例えばLP−TEOS膜を
埋め込むことにより素子分離領域52を形成する。
First, as shown in FIG. 4A, a p-type silicon substrate 5 having a plane orientation (100) and a specific resistance of 4 to 6 Ωcm.
On 1, a groove for element isolation is formed by reactive ion etching. Subsequently, for example, an element isolation region 52 is formed by embedding an LP-TEOS film.

【0055】次に、図4(b)に示すように、レーザー
アブレーション成膜法を用いて、例えば酸素分圧10P
aの雰囲気中、基板温度350℃で、膜厚30nmのZ
r原子、酸素原子を含むZrO2 膜(金属酸化物膜)5
9をSi基板51上に成膜する。レーザーアブレーショ
ン成膜法を用いることで、成膜時に光励起の作用によっ
て、各元素が十分なエネルギーを有し、かつ組成ずれが
少ない金属酸化物を形成できる。後の工程で説明する
が、金属酸化物膜を選択的に剥離する工程では、金属酸
化物のエッチングレートがより速いほうが界面層との選
択比を大きく取れるため、結晶性膜を成膜するよりも、
非晶質膜になる条件で成膜する方が選択的剥離の観点か
ら好ましい。
Next, as shown in FIG. 4B, a laser ablation film forming method is used, for example, to obtain an oxygen partial pressure of 10P.
a, a substrate temperature of 350 ° C. and a film thickness of 30 nm
ZrO 2 film containing r and oxygen atoms (metal oxide film) 5
9 is formed on the Si substrate 51. By using the laser ablation film formation method, a metal oxide in which each element has sufficient energy and has a small composition deviation can be formed by the action of light excitation at the time of film formation. As will be described in a later step, in the step of selectively peeling the metal oxide film, the higher the etching rate of the metal oxide, the larger the selectivity with the interface layer, and thus the higher the etching rate of the metal oxide film. Also,
It is preferable to form the film under the condition that the film becomes an amorphous film from the viewpoint of selective peeling.

【0056】このとき、ZrO2 膜59を成膜すると同
時に、Si基板51とZrO2 膜59との界面にはZr
シリケイト層53が形成される。このZrシリケイト層
53は、この時点でZr、O、Si各元素が十分なエネ
ルギーを有し、組成がずれ難い。このことは、所望の組
成を有し、欠陥が少なく、高密度のZrシリケイト層5
3が形成されることに有利に働く。光励起エネルギーを
用いることで、過剰な基板加熱は必要なくなり、Zrシ
リケイト層53のSiO2 化を抑制でき、Zrシリケイ
ト層53の高誘電率化に有利である。また、シリコン基
板51上にZrO2 膜59を成膜するとき、励起酸素を
照射することによって、欠陥の少ない金属酸化物が形成
されるので、より良好な金属シリケイト層53を形成す
ることができる。
[0056] At the same time when forming the ZrO 2 film 59, the interface between the Si substrate 51 and the ZrO 2 film 59 Zr
A silicate layer 53 is formed. At this point, the Zr, O, and Si elements have sufficient energy in the Zr silicate layer 53 and the composition is unlikely to shift. This means that the high-density Zr silicate layer 5 having a desired composition, few defects,
3 is advantageously formed. By using photoexcitation energy, excessive heating of the substrate is not required, and the formation of SiO 2 in the Zr silicate layer 53 can be suppressed, which is advantageous for increasing the dielectric constant of the Zr silicate layer 53. In addition, when the ZrO 2 film 59 is formed on the silicon substrate 51, a metal oxide with few defects is formed by irradiating with the excited oxygen, so that a better metal silicate layer 53 can be formed. .

【0057】この工程で、シリコン基板51とZrO2
膜59の間に、Si、Zr及び酸素を安定に含有するZ
rシリケイト層53が0.5〜4nm形成される。
In this step, the silicon substrate 51 and ZrO 2
Between the films 59, Z containing stably Si, Zr and oxygen
The r-silicate layer 53 is formed in a thickness of 0.5 to 4 nm.

【0058】次に、図4(c)に示すように、濃度2%
の希HF溶液を用いて100秒程度ウエットエッチング
する。するとZrO2 膜59はエッチングされ、Zrシ
リケイト層53のみが選択的に残る。このときエッチン
グ速度がZrシリケイト層53で急激に減少するので、
エッチング時間が1〜3割程度長くなってもZrシリケ
イト層59の膜厚は大きな変化がなく、容易にかつ膜厚
の制御性よく良好なZrシリケイト層53のみを選択的
に残すことができる。このエッチングの際にスパッタ法
を用いても良好なZrシリケイト層を残すことができ
る。
Next, as shown in FIG.
Wet etching using the diluted HF solution of about 100 seconds. Then, the ZrO 2 film 59 is etched, leaving only the Zr silicate layer 53 selectively. At this time, since the etching rate sharply decreases in the Zr silicate layer 53,
Even if the etching time is increased by about 30% to 30%, the film thickness of the Zr silicate layer 59 does not largely change, and only the Zr silicate layer 53 which is easy and has good controllability of the film thickness can be selectively left. A good Zr silicate layer can be left even by using a sputtering method at the time of this etching.

【0059】次に、図4(d)に示すように、エッチン
グによって残されたZrシリケイト層53に励起酸素源
60によって励起酸素を照射する。このように、エッチ
ング後、励起酸素を照射することで、Zrシリケイト層
53をSiO2 化させずに、より膜中の欠陥を減少させ
ることができる。
Next, as shown in FIG. 4D, the Zr silicate layer 53 left by the etching is irradiated with excited oxygen by an excited oxygen source 60. In this manner, by irradiating with excited oxygen after etching, defects in the film can be further reduced without converting the Zr silicate layer 53 into SiO 2 .

【0060】この欠陥を減少させるには、例えば酸素雰
囲気中で800℃以下の熱処理或いは、5分以下の短時
間の熱処理を行ってもよい。
To reduce the defects, for example, a heat treatment at 800 ° C. or less or a short heat treatment of 5 minutes or less in an oxygen atmosphere may be performed.

【0061】次に、図3に示すように、化学気相成長法
によってポリシリコン膜を全面に堆積し、このポリシリ
コン膜をパターニングしてゲート電極54を形成する。
続いて、例えば450℃、圧力1Pa〜105 Paにお
いて、窒素ガスで希釈したSiH4 ガスとNH3 ガスの
混合ガスを用いて、例えば5nm〜200nmのCVD
シリコン窒化膜からなるゲート側壁56を形成する。
Next, as shown in FIG. 3, a polysilicon film is deposited on the entire surface by a chemical vapor deposition method, and the polysilicon film is patterned to form a gate electrode 54.
Then, for example 450 ° C., at a pressure 1Pa~10 5 Pa, using a mixed gas of SiH 4 gas and NH 3 gas diluted with nitrogen gas, for example 5nm~200nm of CVD
A gate sidewall 56 made of a silicon nitride film is formed.

【0062】以後の工程は、通常のMISトランジスタ
の製造工程と同様である。すなわち、例えば加速電圧2
0keV、ドーズ量1×1015cm-2で砒素のイオン注
入を行い、ソース・ドレイン領域55を形成する。続い
て、化学気相成長法によって全面に層間絶縁膜57とな
るCVDシリコン酸化膜を堆積し、この層間絶縁膜57
にコンタクト孔を開口する。続いて、スパッタ法によっ
て全面にAl膜を堆積し、このAl膜を反応性イオンエ
ッチングによってパターニングして、Al配線58を形
成する。
Subsequent steps are the same as the steps for manufacturing a normal MIS transistor. That is, for example, acceleration voltage 2
Arsenic ions are implanted at 0 keV and at a dose of 1 × 10 15 cm −2 to form source / drain regions 55. Subsequently, a CVD silicon oxide film serving as an interlayer insulating film 57 is deposited on the entire surface by a chemical vapor deposition method.
A contact hole is opened at the bottom. Subsequently, an Al film is deposited on the entire surface by sputtering, and the Al film is patterned by reactive ion etching to form an Al wiring 58.

【0063】(実施形態1−2)次に、図5を参照し
て、図3に示すMISトランジスタの別の製造方法を説
明する。
(Embodiment 1-2) Next, another method of manufacturing the MIS transistor shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG.

【0064】まず、図5(a)に示すように、面方位
(100)、比抵抗4〜6Ωcmのp型シリコン基板5
1上に、反応性イオンエッチングにより、素子分離のた
めの溝を形成する。続いて、例えばLP−TEOS膜を
埋め込むことにより素子分離領域52を形成する。
First, as shown in FIG. 5A, a p-type silicon substrate 5 having a plane orientation (100) and a specific resistance of 4 to 6 Ωcm is used.
On 1, a groove for element isolation is formed by reactive ion etching. Subsequently, for example, an element isolation region 52 is formed by embedding an LP-TEOS film.

【0065】次に、図5(b)に示すように、Si基板
51を酸素雰囲気中で加熱、BOX(燃焼酸化)、もし
くはCVDによって、Si基板上にSiO2 膜62を形
成する。
Next, as shown in FIG. 5B, the SiO 2 film 62 is formed on the Si substrate 51 by heating, BOX (combustion oxidation), or CVD in the oxygen atmosphere.

【0066】次に、図5(c)に示すように、例えばZ
r金属ターゲットを用いて、例えば蒸着法で、SiO2
膜62上に、SiO2 膜中における固溶限界以上の量の
金属元素を有する金属膜63を堆積する。金属膜63の
代わりに金属シリサイド膜を堆積してもよく、この場合
には少なくとも金属原子とシリコン原子を含有するター
ゲットを用いればよい。
Next, as shown in FIG.
by using the r metal target, for example by vapor deposition, SiO 2
On the film 62, a metal film 63 having a metal element in an amount equal to or more than the solid solution limit in the SiO 2 film is deposited. A metal silicide film may be deposited instead of the metal film 63. In this case, a target containing at least metal atoms and silicon atoms may be used.

【0067】次に、図5(d)に示すように、例えば、
真空中で500〜800℃の加熱によって金属膜63中
の金属元素をSiO2 膜62中に拡散させる工程を行
い、シリコン基板51上に少なくとも金属シリケイト層
53を形成する。ここでは金属元素としてZrを用い
た。金属膜63中には、SiO2 膜中における固溶限界
以上の量の金属元素が含まれているため、固溶限界によ
る拡散の抑制作用により、金属原子を制御性よく、必要
十分にSiO2 膜62中に含有させることができ、誘電
率の高い金属シリケイト層53を形成できる。金属膜の
代わりに金属シリサイド膜を用いた場合にも同様の効果
が得られる。
Next, as shown in FIG. 5D, for example,
A step of diffusing the metal element in the metal film 63 into the SiO 2 film 62 by heating at 500 to 800 ° C. in vacuum is performed to form at least the metal silicate layer 53 on the silicon substrate 51. Here, Zr was used as the metal element. During the metal film 63, because it contains a metal element in an amount of more than the solubility limit of SiO 2 film, the inhibition of diffusion due to solubility limit, the metal atom with good controllability, the necessary and sufficient SiO 2 The metal silicate layer 53 having a high dielectric constant can be formed in the film 62. Similar effects can be obtained when a metal silicide film is used instead of a metal film.

【0068】次に、図3に示すように、化学気相成長法
によってポリシリコン膜を全面に堆積し、このポリシリ
コン膜をパターニングしてゲート電極54を形成する。
続いて、例えば450℃、圧力1Pa〜105 Paにお
いて、窒素ガスで希釈したSiH4 ガスとNH3 ガスの
混合ガスを用いて、例えば5nm〜200nmのCVD
シリコン窒化膜からなるゲート側壁56を形成する。
Next, as shown in FIG. 3, a polysilicon film is deposited on the entire surface by a chemical vapor deposition method, and the polysilicon film is patterned to form a gate electrode 54.
Then, for example 450 ° C., at a pressure 1Pa~10 5 Pa, using a mixed gas of SiH 4 gas and NH 3 gas diluted with nitrogen gas, for example 5nm~200nm of CVD
A gate sidewall 56 made of a silicon nitride film is formed.

【0069】以後の工程は、通常のMISトランジスタ
の製造工程と同様である。すなわち、例えば加速電圧2
0keV、ドーズ量1×1015cm-2で砒素のイオン注
入を行い、ソース・ドレイン領域55を形成する。続い
て、化学気相成長法によって全面に層間絶縁膜57とな
るCVDシリコン酸化膜を堆積し、この層間絶縁膜57
にコンタクト孔を開口する。続いて、スパッタ法によっ
て全面にAl膜を堆積し、このAl膜を反応性イオンエ
ッチングによってパターニングして、Al配線58を形
成する。
Subsequent steps are the same as the steps for manufacturing a normal MIS transistor. That is, for example, acceleration voltage 2
Arsenic ions are implanted at 0 keV and at a dose of 1 × 10 15 cm −2 to form source / drain regions 55. Subsequently, a CVD silicon oxide film serving as an interlayer insulating film 57 is deposited on the entire surface by a chemical vapor deposition method.
A contact hole is opened at the bottom. Subsequently, an Al film is deposited on the entire surface by sputtering, and the Al film is patterned by reactive ion etching to form an Al wiring 58.

【0070】なお、上述した例(図4、図5で説明した
例)において、金属シリケイト層53が形成された後
に、窒素雰囲気中もしくは励起窒素の照射によって金属
シリケイト層53を窒化させることは、金属シリケイト
層53がSiO2 化するのを防ぎつつ、膜中の欠陥を補
完し、高誘電率化を実現できる。窒化によって得られた
窒素原子を含有する金属シリケイト膜53は、特性上よ
りゲート絶縁膜として好ましい。
In the above-described example (examples described with reference to FIGS. 4 and 5), after the metal silicate layer 53 is formed, nitriding the metal silicate layer 53 in a nitrogen atmosphere or by irradiation with excited nitrogen is performed as follows. While preventing the metal silicate layer 53 from being converted into SiO 2 , defects in the film can be complemented and a high dielectric constant can be realized. The metal silicate film 53 containing nitrogen atoms obtained by nitriding is more preferable as a gate insulating film in terms of characteristics.

【0071】(実施形態1−3)次に、図6を参照し
て、図3に示すMISトランジスタの別の製造方法につ
いて説明する。
(Embodiment 1-3) Next, another method of manufacturing the MIS transistor shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG.

【0072】まず、図6(a)に示すように、面方位
(100)、比抵抗4〜6Ωcmのp型シリコン基板5
1上に、反応性イオンエッチングにより、素子分離のた
めの溝を形成する。続いて、例えばLP−TEOS膜を
埋め込むことにより素子分離領域52を形成する。
First, as shown in FIG. 6A, a p-type silicon substrate 5 having a plane orientation (100) and a specific resistance of 4 to 6 Ωcm.
On 1, a groove for element isolation is formed by reactive ion etching. Subsequently, for example, an element isolation region 52 is formed by embedding an LP-TEOS film.

【0073】次に、図6(b)に示すように、シリコン
基板51を圧力10Pa〜105 Paの窒素ガス雰囲気
中に設置し、例えばレーザーアブレーション法を用い
て、例えばZr原子と窒化シリコンを少なくとも含んだ
SiNからなるターゲットにレーザー光を照射して、シ
リコン基板51上に少なくともZr原子、窒素原子を含
有する絶縁膜64を堆積する。レーザーアブレーション
法以外では蒸着法やスパッタ法を用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 6B, the silicon substrate 51 is placed in a nitrogen gas atmosphere at a pressure of 10 Pa to 10 5 Pa, and for example, Zr atoms and silicon nitride are removed by, for example, a laser ablation method. A target made of at least SiN is irradiated with laser light to deposit an insulating film 64 containing at least Zr atoms and nitrogen atoms on the silicon substrate 51. Other than the laser ablation method, an evaporation method or a sputtering method may be used.

【0074】次に、図6(c)に示すように、例えば酸
素原子を含む300℃〜800℃の雰囲気に晒して、少
なくともZr原子、窒素原子及びSi原子を含有する絶
縁膜64中に酸素原子を導入したゲート絶縁膜53(窒
素を含有する金属シリケイト層)を形成する。この場
合、5分以下の短い時間の熱処理や、励起酸素源60か
らの励起酸素照射を用いることも有用である。
Next, as shown in FIG. 6C, for example, by exposing to an atmosphere of 300 ° C. to 800 ° C. containing oxygen atoms, the insulating film 64 containing at least Zr atoms, nitrogen atoms, and Si atoms contains oxygen. A gate insulating film 53 (metal silicate layer containing nitrogen) into which atoms are introduced is formed. In this case, it is also useful to use heat treatment for a short time of not more than 5 minutes or irradiation with excited oxygen from the excited oxygen source 60.

【0075】次に、図3に示すように、化学気相成長法
によってポリシリコン膜を全面に堆積し、このポリシリ
コン膜をパターニングしてゲート電極54を形成する。
続いて、例えば450℃、圧力1Pa〜105 Paにお
いて、窒素ガスで希釈したSiH4 ガスとNH3 ガスの
混合ガスを用いて、例えば5nm〜200nmのCVD
シリコン窒化膜からなるゲート側壁56を形成する。
Next, as shown in FIG. 3, a polysilicon film is deposited on the entire surface by a chemical vapor deposition method, and the polysilicon film is patterned to form a gate electrode 54.
Then, for example 450 ° C., at a pressure 1Pa~10 5 Pa, using a mixed gas of SiH 4 gas and NH 3 gas diluted with nitrogen gas, for example 5nm~200nm of CVD
A gate sidewall 56 made of a silicon nitride film is formed.

【0076】以後の工程は、通常のMISトランジスタ
の製造工程と同様である。すなわち、例えば加速電圧2
0keV、ドーズ量1×1015cm-2で砒素のイオン注
入を行い、ソース・ドレイン領域55を形成する。続い
て、化学気相成長法によって全面に層間絶縁膜57とな
るCVDシリコン酸化膜を堆積し、この層間絶縁膜57
にコンタクト孔を開口する。続いて、スパッタ法によっ
て全面にAl膜を堆積し、このAl膜を反応性イオンエ
ッチングによってパターニングして、Al配線58を形
成する。
Subsequent steps are the same as the steps of manufacturing a normal MIS transistor. That is, for example, acceleration voltage 2
Arsenic ions are implanted at 0 keV and at a dose of 1 × 10 15 cm −2 to form source / drain regions 55. Subsequently, a CVD silicon oxide film serving as an interlayer insulating film 57 is deposited on the entire surface by a chemical vapor deposition method.
A contact hole is opened at the bottom. Subsequently, an Al film is deposited on the entire surface by sputtering, and the Al film is patterned by reactive ion etching to form an Al wiring 58.

【0077】(実施形態1−4)次に、図7を参照し
て、図3に示すMISトランジスタの別の製造方法を説
明する。
(Embodiment 1-4) Next, another method of manufacturing the MIS transistor shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG.

【0078】まず、図7(a)に示すように、面方位
(100)、比抵抗4〜6Ωcmのp型シリコン基板5
1上に、反応性イオンエッチングにより、素子分離のた
めの溝を形成する。続いて、例えばLP−TEOS膜を
埋め込むことにより素子分離領域52を形成する。
First, as shown in FIG. 7A, a p-type silicon substrate 5 having a plane orientation (100) and a specific resistance of 4 to 6 Ωcm is used.
On 1, a groove for element isolation is formed by reactive ion etching. Subsequently, for example, an element isolation region 52 is formed by embedding an LP-TEOS film.

【0079】次に、図7(b)に示すように、例えばC
VD法によって、窒素希釈雰囲気中でのZrCl4 ガス
とNH3 ガスの混合ガス、もしくはZr(SO4 2
スとNH3 ガスの混合ガス等の、Zrを含む酸性ガスと
窒素を含むアンモニアガスを、例えば1〜105 Paの
圧力、1〜1000sccmの流量で、それぞれ交互に
供給、排気し、基板温度が室温〜800℃の温度範囲に
おいて、例えば窒化ジルコニウム膜、もしくはZr、窒
素及びSiを含む膜(ZrSiNx 膜)65を堆積す
る。
Next, as shown in FIG.
By the VD method, an ammonia gas containing nitrogen and an acid gas containing Zr, such as a mixed gas of ZrCl 4 gas and NH 3 gas or a mixed gas of Zr (SO 4 ) 2 gas and NH 3 gas in a nitrogen-diluted atmosphere. Are alternately supplied and evacuated at a pressure of 1 to 10 5 Pa and a flow rate of 1 to 1000 sccm, for example, in a temperature range of room temperature to 800 ° C., for example, a zirconium nitride film, or Zr, nitrogen and Si. A film (ZrSiN x film) 65 is deposited.

【0080】次に、図7(c)に示すように、この基板
を、例えば200℃〜800℃の温度で酸素原子を含む
雰囲気に晒して、少なくともZr、窒素及びSiを含有
する膜65中に酸素原子を導入することによって、窒素
原子を含有する金属シリケイト層53を形成する。この
熱処理は、5分以下の短い時間の熱処理或いは励起酸素
を照射する処理でもよい。
Next, as shown in FIG. 7C, the substrate is exposed to an atmosphere containing oxygen atoms at a temperature of, for example, 200 ° C. to 800 ° C., thereby forming a film 65 containing at least Zr, nitrogen and Si. The metal silicate layer 53 containing nitrogen atoms is formed by introducing oxygen atoms into the metal. This heat treatment may be a heat treatment for a short time of 5 minutes or less or a treatment for irradiating with excited oxygen.

【0081】次に、図3に示すように、化学気相成長法
によってポリシリコン膜を全面に堆積し、このポリシリ
コン膜をパターニングしてゲート電極54を形成する。
続いて、例えば450℃、圧力1Pa〜105 Paにお
いて、窒素ガスで希釈したSiH4 ガスとNH3 ガスの
混合ガスを用いて、例えば5nm〜200nmのCVD
シリコン窒化膜からなるゲート側壁56を形成する。
Next, as shown in FIG. 3, a polysilicon film is deposited on the entire surface by a chemical vapor deposition method, and the polysilicon film is patterned to form a gate electrode 54.
Then, for example 450 ° C., at a pressure 1Pa~10 5 Pa, using a mixed gas of SiH 4 gas and NH 3 gas diluted with nitrogen gas, for example 5nm~200nm of CVD
A gate sidewall 56 made of a silicon nitride film is formed.

【0082】以後の工程は、通常のMISトランジスタ
の製造工程と同様である。すなわち、例えば加速電圧2
0keV、ドーズ量1×1015cm-2で砒素のイオン注
入を行い、ソース・ドレイン領域55を形成する。続い
て、化学気相成長法によって全面に層間絶縁膜57とな
るCVDシリコン酸化膜を堆積し、この層間絶縁膜57
にコンタクト孔を開口する。続いて、スパッタ法によっ
て全面にAl膜を堆積し、このAl膜を反応性イオンエ
ッチングによってパターニングして、Al配線58を形
成する。
The subsequent steps are the same as the steps for manufacturing a normal MIS transistor. That is, for example, acceleration voltage 2
Arsenic ions are implanted at 0 keV and at a dose of 1 × 10 15 cm −2 to form source / drain regions 55. Subsequently, a CVD silicon oxide film serving as an interlayer insulating film 57 is deposited on the entire surface by a chemical vapor deposition method.
A contact hole is opened at the bottom. Subsequently, an Al film is deposited on the entire surface by sputtering, and the Al film is patterned by reactive ion etching to form an Al wiring 58.

【0083】以上、本発明のいくつかの製造方法を示し
てきたが、以下のような方法で窒素を含有する金属シリ
ケイト層を形成することも可能である。
Although several manufacturing methods of the present invention have been described above, it is also possible to form a nitrogen-containing metal silicate layer by the following method.

【0084】例えば、窒素雰囲気中或いは励起窒素を照
射しながら、金属原子と酸素原子を含むターゲット(金
属酸化物ターゲット)を使い、蒸着法、スパッタ法又は
レーザーアブレーション法によって、或いは、窒素雰囲
気中或いは励起窒素を照射しながら、金属原子と酸素原
子を含むガスを用いたCVD法によって、シリコン基板
上に絶縁膜を堆積させることで、窒素を含有する金属シ
リケイト層を形成することも可能である。このような絶
縁膜を堆積させた後に、800℃以下の酸素ガス雰囲気
に晒してゲート絶縁膜を形成しても良い。また、酸素ガ
ス雰囲気に晒すかわりに、活性な酸素原子(励起酸素)
を照射するようにしても良い。
For example, using a target (metal oxide target) containing metal atoms and oxygen atoms in a nitrogen atmosphere or while irradiating with excited nitrogen, by a vapor deposition method, a sputtering method, a laser ablation method, or in a nitrogen atmosphere or It is also possible to form a metal silicate layer containing nitrogen by depositing an insulating film on a silicon substrate by a CVD method using a gas containing metal atoms and oxygen atoms while irradiating with excited nitrogen. After depositing such an insulating film, the gate insulating film may be formed by exposure to an oxygen gas atmosphere at 800 ° C. or lower. Instead of exposing to an oxygen gas atmosphere, active oxygen atoms (excited oxygen)
May be applied.

【0085】なお、上述した本実施形態の方法は、ダマ
シンゲート(damascene gate)若しくは置換ゲート(re
placement gate)トランジスタプロセスのゲート絶縁膜
に適用することも有効である。
The method of the present embodiment described above uses a damascene gate or a replacement gate (re
It is also effective to apply the present invention to a gate insulating film in a transistor process.

【0086】例えば、通常ダマシンゲートトランジスタ
プロセスでは、ダミーゲートを用いてトランジスタ構造
を形成した後、TEOSの堆積、CMPによる研磨を行
い、その後ダミーゲートを剥離してゲート絶縁膜を形成
するが、形成されるゲート絶縁膜の段差被覆性が良好で
ないため、膜厚の不均一性などの問題が生じ、デバイス
特性のばらつきや劣化が生じやすい。
For example, in a normal damascene gate transistor process, after a transistor structure is formed using a dummy gate, TEOS is deposited and polished by CMP, and then the dummy gate is peeled off to form a gate insulating film. Since the step coverage of the gate insulating film to be formed is not good, problems such as non-uniformity of the film thickness occur, and variations and deterioration of device characteristics tend to occur.

【0087】上述した本実施形態の方法を用いて、ダミ
ーゲートを剥離した後に露出したSi基板表面を含む全
面に金属酸化膜を堆積し、Si基板との界面に形成され
る金属シリケイト層をゲート絶縁膜として用いることに
より、金属シリケイト層の膜厚を金属酸化膜の膜厚に依
存せずに一定にすることができるため、均一な膜厚のゲ
ート絶縁膜を得ることができる。
Using the method of the present embodiment described above, a metal oxide film is deposited on the entire surface including the surface of the Si substrate exposed after the dummy gate has been peeled off, and the metal silicate layer formed at the interface with the Si substrate is gated. When used as an insulating film, the thickness of the metal silicate layer can be made constant without depending on the thickness of the metal oxide film, so that a gate insulating film having a uniform thickness can be obtained.

【0088】(実施形態2)次に、レーザーアブレーシ
ョン法によってSi基板上に金属酸化膜を形成するとと
もに、Si基板と金属酸化膜との界面に金属シリケイト
層を形成した場合について、作成された試料の分析結果
を説明する。具体的には、TEMによって断面観察を行
うとともに、EDX分析を行った。
(Embodiment 2) Next, a sample prepared in the case where a metal oxide film was formed on a Si substrate by a laser ablation method and a metal silicate layer was formed at an interface between the Si substrate and the metal oxide film. The result of the analysis will be described. Specifically, the cross section was observed with a TEM, and the EDX analysis was performed.

【0089】図8は、Si基板上にZrO2 膜(金属酸
化膜)を形成した試料の断面TEM写真である。ZrO
2 膜とSi基板の界面に、Zrシリケイト層(界面シリ
ケイト層:interfacial Zr silicate)が形成されてい
ることがわかる。
FIG. 8 is a TEM photograph of a cross section of a sample in which a ZrO 2 film (metal oxide film) is formed on a Si substrate. ZrO
It can be seen that a Zr silicate layer (interfacial silicate layer: interfacial Zr silicate) is formed at the interface between the two films and the Si substrate.

【0090】図9は、界面シリケイト層の上面からSi
基板に向かって、界面シリケイト層の組成を分析した結
果を示したものである。
FIG. 9 shows a state in which the Si
FIG. 9 shows the result of analyzing the composition of the interface silicate layer toward the substrate.

【0091】図9に示すように、界面シリケイト層の上
面からSi基板に向かって(丸数字1から丸数字6に向
かって)、Zrの濃度(原子パーセント)が7%からし
だいに減少し、界面シリケイト層とSi基板との界面で
は検出限界以下すなわち、1%以下になっている。した
がって、このようにして得られたシリケイト界面層を用
いることで、バルク領域に対して界面でのZr濃度が低
い、傾斜組成構造を有するシリケイトゲート絶縁膜を得
ることができる。
As shown in FIG. 9, the Zr concentration (atomic percent) gradually decreases from 7% from the upper surface of the interface silicate layer toward the Si substrate (from the circled number 1 to the circled number 6). At the interface between the interface silicate layer and the Si substrate, it is below the detection limit, that is, below 1%. Therefore, by using the silicate interface layer thus obtained, a silicate gate insulating film having a gradient composition structure with a low Zr concentration at the interface with respect to the bulk region can be obtained.

【0092】ここで、このようにして得られた界面シリ
ケイト層の濃度について考えると、Zrシリケイト層
(界面シリケイト層)の化学量論組成における濃度より
もZr濃度が高い、すなわちZr濃度が約17%よりも
高いと、Zr−Si結合を有するZrシリサイドが形成
されるため、リーク特性が劣化する。したがって、バル
ク領域のZr濃度は17%以下であることが好ましい。
Here, considering the concentration of the interfacial silicate layer thus obtained, the Zr concentration is higher than the concentration in the stoichiometric composition of the Zr silicate layer (interfacial silicate layer), that is, the Zr concentration is about 17%. %, Zr silicide having a Zr-Si bond is formed, so that leak characteristics deteriorate. Therefore, the Zr concentration in the bulk region is preferably 17% or less.

【0093】また、金属酸化膜として通常のZrO
x (x〜2)を用いる場合、図9の測定結果からもわか
るように、Zrシリケイト層のバルク領域のZr濃度は
7%程度が最大となる。この場合、誘電率はSiO2
りも充分大きく(ε=7〜8程度)、またリーク特性の
劣化も生じない。したがって、Zrシリケイト層のバル
ク領域におけるZr濃度の最大値が7%或いは7%以下
であることが好ましい。
Further, as a metal oxide film, ordinary ZrO
When x ( x x2) is used, the Zr concentration in the bulk region of the Zr silicate layer reaches a maximum of about 7%, as can be seen from the measurement results in FIG. In this case, the dielectric constant is sufficiently higher than that of SiO 2 (ε = approximately 7 to 8), and the leak characteristics do not deteriorate. Therefore, the maximum value of the Zr concentration in the bulk region of the Zr silicate layer is preferably 7% or 7% or less.

【0094】図10(a)は、レーザーアブレーション
成膜法でZrO2 膜を作製し、界面シリケイト層を絶縁
膜として用いた、Au/界面シリケイト層(Zrシリケ
イト層)/Si構造のMISキャパシタについて、その
C−V特性を測定した結果を示したものである。図10
(b)は、図10(a)の界面シリケイト層と同程度の
Zr濃度を有するターゲットを用いて成膜した、Au/
堆積法によるZrシリケイト層/Si構造のMISキャ
パシタについて、そのC−V特性を測定した結果を示し
たものである。
FIG. 10A shows a MIS capacitor having an Au / interfacial silicate layer (Zr silicate layer) / Si structure in which a ZrO 2 film is formed by a laser ablation film forming method and an interfacial silicate layer is used as an insulating film. And the results of measuring the CV characteristics thereof. FIG.
(B) shows an Au / Al film formed using a target having the same Zr concentration as the interfacial silicate layer of FIG.
FIG. 4 shows the results of measuring the CV characteristics of a MIS capacitor having a Zr silicate layer / Si structure by a deposition method.

【0095】蓄積容量と膜厚から見積もられた誘電率
は、両者共にε=7〜8と同程度であり、SiO2 より
も充分に高い値を示している。一方、C−Vカーブに関
しては、図10(b)の堆積法によるZrシリケイト層
を用いたキャパシタの方は歪んでいるのに対し、図10
(a)の方ではその様な歪は見られておらず、良好な界
面特性が得られることがわかる。
The dielectric constant estimated from the storage capacitance and the film thickness is almost the same as ε = 7 to 8 and is sufficiently higher than that of SiO 2 . On the other hand, as for the CV curve, the capacitor using the Zr silicate layer formed by the deposition method of FIG.
In the case of (a), no such distortion is observed, and it can be seen that good interface characteristics can be obtained.

【0096】以上のように、Zr酸化膜とSiとの界面
反応によって得られた、Zrシリケイト層の上層側界面
から下層側界面に向かってZr濃度がしだいに減少する
傾斜組成構造を有するZrシリケイト層を用いる(別の
観点から見ると、Zrシリケイト層の下層側界面でのZ
r濃度が上層側界面でのZr濃度よりも低いZrシリケ
イト層を用いる)ことにより、Zrシリケイト層とSi
基板との界面ではZr濃度が低いために良好な界面特性
を得ることができるとともに、Zrシリケイト層のバル
ク領域ではZr濃度が高いために高誘電率化を達成する
ことができ、優れた特性を有するMIS型電界効果トラ
ンジスタを得ることができる。
As described above, a Zr silicate having a gradient composition structure obtained by the interfacial reaction between a Zr oxide film and Si and having a gradually decreasing Zr concentration from the upper interface to the lower interface of the Zr silicate layer. Layer (from another perspective, the Zr silicate layer at the lower interface
(a Zr silicate layer whose r concentration is lower than the Zr concentration at the upper layer side interface) is used.
At the interface with the substrate, good interface characteristics can be obtained because the Zr concentration is low, and a high dielectric constant can be achieved because the Zr concentration is high in the bulk region of the Zr silicate layer. MIS field-effect transistor having the above characteristics.

【0097】なお、Zrの代わりにHf或いはLaを用
いてもよい。特にHfはZrと同様の性質を有している
ため、Hf濃度に関する数値については、上述したZr
濃度に関する数値が同様に当てはまる。
Note that Hf or La may be used instead of Zr. In particular, since Hf has the same properties as Zr, the numerical values relating to the Hf concentration are as described above for Zr.
The numerical values for the concentrations apply analogously.

【0098】以下、上述したような構造を有するMIS
トランジスタについて説明する。基本的な構造について
は実施形態1で示した図3の構造と同様であり、基本的
な製造方法については実施形態1で示した図4の方法と
同様である。ここでは、製造方法について図4を参照し
て説明する。
Hereinafter, the MIS having the above-described structure will be described.
The transistor is described. The basic structure is the same as the structure of FIG. 3 shown in the first embodiment, and the basic manufacturing method is the same as the method of FIG. 4 shown in the first embodiment. Here, the manufacturing method will be described with reference to FIG.

【0099】まず、図4(a)に示すように、面方位
(100)、比抵抗4〜6Ωcmのp型シリコン基板5
1上に、反応性イオンエッチングにより、素子分離のた
めの溝を形成する。続いて、例えばLP−TEOS膜を
埋め込むことにより素子分離領域52を形成する。
First, as shown in FIG. 4A, a p-type silicon substrate 5 having a plane orientation (100) and a specific resistance of 4 to 6 Ωcm is used.
On 1, a groove for element isolation is formed by reactive ion etching. Subsequently, for example, an element isolation region 52 is formed by embedding an LP-TEOS film.

【0100】次に、図4(b)に示すように、レーザー
アブレーション成膜法を用いて、例えば酸素分圧約10
Paの雰囲気中、基板温度300〜600℃において、
膜厚10nmのZrO2 膜(金属酸化膜)59をSi基
板51上に成膜する。レーザーアブレーション成膜法を
用いることで、成膜時に光励起の作用によって各元素が
十分なエネルギーを有しているため、組成ずれが少ない
膜を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 4B, using a laser ablation film forming method, for example, an oxygen partial pressure of about 10
At a substrate temperature of 300 to 600 ° C. in an atmosphere of Pa,
A ZrO 2 film (metal oxide film) 59 having a thickness of 10 nm is formed on the Si substrate 51. By using the laser ablation film formation method, each element has sufficient energy by the action of light excitation at the time of film formation, so that a film with less composition deviation can be formed.

【0101】ZrO2 膜59の成膜と同時に、Si基板
51とZrO2 膜59との界面には厚さ2〜3nm程度
のZrシリケイト層53が形成される。このようにして
形成されるZrシリケイト層53は、形成時にZr、O
及びSiの各元素が十分なエネルギーを有しているた
め、組成がずれ難く、所望の組成を有し、欠陥が少ない
高密度のものが得られる。また、このようにして形成さ
れるZrシリケイト層53は、Si基板51側にSi、
ZrO2 膜59側にZrが多く存在するため、Zr濃度
がSi基板51側に向かってしだいに低くなる傾斜組成
構造となる。また、光励起反応であり、過剰な運動エネ
ルギーを持たないため、Si基板51表面へのダメージ
を低減することができる。
[0102] Simultaneously with formation of the ZrO 2 film 59, Zr silicate layer 53 having a thickness of about 2~3nm the interface between the Si substrate 51 and the ZrO 2 film 59 is formed. The Zr silicate layer 53 formed in this manner forms Zr, O
Since each element of Si and Si has sufficient energy, a composition is unlikely to shift, a desired composition is obtained, and a high-density material having few defects can be obtained. Further, the Zr silicate layer 53 formed in this manner has a structure in which Si,
Since a large amount of Zr is present on the ZrO 2 film 59 side, a gradient composition structure is obtained in which the Zr concentration gradually decreases toward the Si substrate 51 side. Further, since this is a photoexcitation reaction and does not have excessive kinetic energy, damage to the surface of the Si substrate 51 can be reduced.

【0102】また、ZrO2 膜59を成膜する際に励起
酸素を照射することにより、Si基板界面での酸化反応
を促進することができるため、SiO2 組成に近く、欠
陥が少ない、傾斜組成を有する、より良好な金属シリケ
イト層53を形成することができる。
[0102] Further, by irradiating the excited oxygen when forming the ZrO 2 film 59, it is possible to promote the oxidation reaction at the Si substrate interface, close to the SiO 2 composition, is small defects, graded composition , And a better metal silicate layer 53 can be formed.

【0103】次に、図4(c)に示すように、濃度2%
の希HF溶液を用いて100秒程度ウエットエッチング
を行うと、ZrO2 膜59はエッチングされ、Zrシリ
ケイト層53のみが選択的に残る。このとき、エッチン
グ速度がZrシリケイト層53で急激に減少するので、
エッチング時間が1〜3割程度長くなってもZrシリケ
イト層53の膜厚に大きな変化はなく、容易かつ膜厚制
御性よく、良好なZrシリケイト層53のみを選択的に
残すことができる。
Next, as shown in FIG.
When wet etching is performed for about 100 seconds using a dilute HF solution, the ZrO 2 film 59 is etched, and only the Zr silicate layer 53 remains selectively. At this time, since the etching rate sharply decreases in the Zr silicate layer 53,
Even if the etching time becomes longer by about 30 to 30%, there is no significant change in the film thickness of the Zr silicate layer 53, and only the excellent Zr silicate layer 53 can be selectively left easily and with good film thickness controllability.

【0104】次に、図4(d)に示すように、エッチン
グによって残されたZrシリケイト層53に対して、励
起酸素源60から励起酸素を照射する。励起酸素照射の
代わりに、RTA処理を行っても良い。
Next, as shown in FIG. 4D, excited oxygen is irradiated from the excited oxygen source 60 to the Zr silicate layer 53 left by the etching. RTA treatment may be performed instead of the excitation oxygen irradiation.

【0105】次に、図3に示すように、化学気相成長法
によってポリシリコン膜を全面に堆積し、このポリシリ
コン膜をパターニングしてゲート電極54を形成する。
続いて、例えば450℃、圧力1Pa〜105 Paにお
いて、窒素ガスで希釈したSiH4 ガスとNH3 ガスの
混合ガスを用いて、例えば5nm〜200nmのCVD
シリコン窒化膜からなるゲート側壁56を形成する。
Next, as shown in FIG. 3, a polysilicon film is deposited on the entire surface by a chemical vapor deposition method, and the polysilicon film is patterned to form a gate electrode.
Then, for example 450 ° C., at a pressure 1Pa~10 5 Pa, using a mixed gas of SiH 4 gas and NH 3 gas diluted with nitrogen gas, for example 5nm~200nm of CVD
A gate sidewall 56 made of a silicon nitride film is formed.

【0106】以後の工程は、通常のMISトランジスタ
の製造工程と同様である。すなわち、例えば加速電圧2
0keV、ドーズ量1×1015cm-2で砒素のイオン注
入を行い、ソース・ドレイン領域55を形成する。続い
て、化学気相成長法によって全面に層間絶縁膜57とな
るCVDシリコン酸化膜を堆積し、この層間絶縁膜57
にコンタクト孔を開口する。続いて、スパッタ法によっ
て全面にAl膜を堆積し、このAl膜を反応性イオンエ
ッチングによってパターニングして、Al配線58を形
成する。
The subsequent steps are the same as the steps for manufacturing a normal MIS transistor. That is, for example, acceleration voltage 2
Arsenic ions are implanted at 0 keV and at a dose of 1 × 10 15 cm −2 to form source / drain regions 55. Subsequently, a CVD silicon oxide film serving as an interlayer insulating film 57 is deposited on the entire surface by a chemical vapor deposition method.
A contact hole is opened at the bottom. Subsequently, an Al film is deposited on the entire surface by sputtering, and the Al film is patterned by reactive ion etching to form an Al wiring 58.

【0107】なお、本実施形態において、傾斜組成を得
るために、金属シリケイト層を形成した後に金属膜をさ
らに堆積し、熱処理によって金属膜中の金属原子を金属
シリケイト層中に拡散させても良い。また、金属シリケ
イト層形成後に、金属イオンを金属シリケイト層中に低
エネルギーでイオン注入しても良い。
In this embodiment, in order to obtain a graded composition, a metal film may be further deposited after forming the metal silicate layer, and the metal atoms in the metal film may be diffused into the metal silicate layer by heat treatment. . Further, after forming the metal silicate layer, metal ions may be implanted into the metal silicate layer with low energy.

【0108】また、本実施形態は、第1の実施形態と同
様、ダマシンゲート若しくは置換ゲートトランジスタプ
セスのゲート絶縁膜に適用することも可能である。
Also, the present embodiment can be applied to a gate insulating film of a damascene gate or a replacement gate transistor like the first embodiment.

【0109】以上、本発明の実施形態を説明したが、本
発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣
旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施するこ
とが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階
の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み
合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例え
ば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除
されても、所定の効果が得られるものであれば発明とし
て抽出され得る。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be variously modified and implemented without departing from the gist thereof. Further, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining the disclosed constituent elements. For example, even if some constituent elements are deleted from the disclosed constituent elements, they can be extracted as an invention as long as a predetermined effect can be obtained.

【0110】[0110]

【発明の効果】本発明によれば、誘電率が高くシリコン
基板との界面特性に優れた金属シリケイト層を得ること
ができ、この金属シリケイト層をゲート絶縁膜として用
いることでMISトランジスタの性能を向上させること
が可能となる。
According to the present invention, a metal silicate layer having a high dielectric constant and excellent interface characteristics with a silicon substrate can be obtained. By using this metal silicate layer as a gate insulating film, the performance of a MIS transistor can be improved. It can be improved.

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

【図1】本発明の実施形態に係り、シリコン基板上に金
属酸化膜を形成することで、これらの界面に金属シリケ
イト層が形成されることを示した断面図。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing that a metal silicate layer is formed on an interface between a metal oxide film and a silicon oxide film on a silicon substrate according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施形態に係り、金属酸化膜と金属シ
リケイト層のエッチングレートを示した図。
FIG. 2 is a diagram showing an etching rate of a metal oxide film and a metal silicate layer according to the embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施形態に係るMISトランジスタの
構造を示した断面図。
FIG. 3 is a sectional view showing the structure of the MIS transistor according to the embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施形態に係るMISトランジスタの
製造工程の一例を示した工程断面図。
FIG. 4 is a process cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of the MIS transistor according to the embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施形態に係るMISトランジスタの
製造工程の他の例を示した工程断面図。
FIG. 5 is a process sectional view showing another example of the manufacturing process of the MIS transistor according to the embodiment of the present invention.

【図6】本発明の実施形態に係るMISトランジスタの
製造工程の他の例を示した工程断面図。
FIG. 6 is a process sectional view showing another example of the manufacturing process of the MIS transistor according to the embodiment of the present invention.

【図7】本発明の実施形態に係るMISトランジスタの
製造工程の他の例を示した工程断面図。
FIG. 7 is a process sectional view showing another example of the manufacturing process of the MIS transistor according to the embodiment of the present invention.

【図8】本発明の実施形態に係り、シリコン基板上に金
属酸化膜を形成した試料の断面構造をTEMによって観
察したときの顕微鏡写真。
FIG. 8 is a micrograph of a cross-sectional structure of a sample in which a metal oxide film is formed on a silicon substrate observed by TEM according to the embodiment of the present invention.

【図9】図8に示した試料について、金属シリケイト層
中のZr濃度を示した図。
FIG. 9 is a diagram showing the Zr concentration in the metal silicate layer for the sample shown in FIG.

【図10】本発明によって得られたMISキャパシタの
C−V特性を従来技術と対比して示した図。
FIG. 10 is a diagram showing CV characteristics of a MIS capacitor obtained by the present invention in comparison with a conventional technology.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…シリコン基板 2…ZrO2 膜(金属酸化膜) 3…Zrシリケイト層(金属シリケイト層) 51…シリコン基板 52…素子分離領域 53…ゲート絶縁膜(金属シリケイト層) 54…ゲート電極(電極層) 55…ソース・ドレイン領域 56…ゲート側壁 57…層間絶縁膜 58…Al配線 59…ZrO2 膜(金属酸化膜) 60…酸素励起源 62…SiO2 膜(シリコン酸化膜) 63…金属膜又は金属シリサイド膜 64…Zr原子、窒素原子を含有する絶縁膜 65…窒化ジルコニウム膜、又はZr、窒素及びシリコ
ンを含む膜
1 ... silicon substrate 2 ... ZrO 2 film (metal oxide film) 3 ... Zr silicates layer (metal silicates layer) 51 ... silicon substrate 52 ... isolation region 53 ... gate insulating film (metal silicates layer) 54 ... gate electrode (electrode layer 55, source / drain regions 56, gate side walls 57, interlayer insulating film 58, Al wiring 59, ZrO 2 film (metal oxide film) 60, oxygen excitation source 62, SiO 2 film (silicon oxide film) 63, metal film or Metal silicide film 64: an insulating film containing Zr atoms and nitrogen atoms 65: a zirconium nitride film or a film containing Zr, nitrogen and silicon

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/203 H01L 21/203 S Z 21/318 21/318 B 29/78 29/78 301G (72)発明者 鳥海 明 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 福島 伸 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Fターム(参考) 4K029 AA06 BA52 BB02 BC05 BD01 CA01 CA05 DB05 DB20 FA01 GA01 4K030 AA03 AA13 BA38 BB12 CA04 DA02 DA09 LA02 5F040 DA19 DC01 EC07 ED03 EK05 FA07 FC22 5F058 BA20 BC03 BC11 BC20 BD01 BD05 BD09 BD18 BF02 BF17 BF22 BF24 BF29 BF40 BH03 BH04 BH16 BJ01 BJ10 5F103 AA01 AA08 DD30 LL08 PP03 RR05 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI theme coat ゛ (Reference) H01L 21/203 H01L 21/203 S Z 21/318 21/318 B 29/78 29/78 301G (72) Inventor Akira Toriumi 1 Toshiba-cho, Komukai Toshiba-cho, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture, Japan Inside the Toshiba R & D Center (72) Inventor Shin Fukushima 1-Toshiba-cho, Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa R & D Center Toshiba Corporation F-term (reference) 4K029 AA06 BA52 BB02 BC05 BD01 CA01 CA05 DB05 DB20 FA01 GA01 4K030 AA03 AA13 BA38 BB12 CA04 DA02 DA09 LA02 5F040 DA19 DC01 EC07 ED03 EK05 FA07 FC22 5F058 BA20 BC03 BC11 BC20 BD01 BD05 BF18 BD20 BH03 BH04 BH16 BJ01 BJ10 5F103 AA01 AA08 DD30 LL08 PP03 RR05

Claims (15)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】シリコン基板に能動素子が形成されてなる
半導体装置において、 前記半導体装置は、前記シリコン基板上に形成された金
属シリケイト層と、前記金属シリケイト層上に形成され
た電極層とを備え、 前記金属シリケイト層は、その構成金属の濃度が前記電
極層と前記金属シリケイト層との界面から前記シリコン
基板と前記金属シリケイト層との界面に向かってしだい
に減少するように構成されていることを特徴とする半導
体装置。
1. A semiconductor device comprising an active element formed on a silicon substrate, the semiconductor device comprising: a metal silicate layer formed on the silicon substrate; and an electrode layer formed on the metal silicate layer. The metal silicate layer is configured so that the concentration of the constituent metal gradually decreases from the interface between the electrode layer and the metal silicate layer toward the interface between the silicon substrate and the metal silicate layer. A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
【請求項2】シリコン基板に能動素子が形成されてなる
半導体装置において、 前記半導体装置は、前記シリコン基板上に形成された金
属シリケイト層と、 前記金属シリケイト層上に形成された電極層とを備え、 前記金属シリケイト層に含有される構成金属の濃度は、
該金属シリケイトの化学量論組成における該金属の濃度
以下であり、かつ、前記電極層と前記金属シリケイト層
との界面側での前記構成金属の濃度よりも前記シリコン
基板と前記金属シリケイト層との界面側での前記構成金
属の濃度の方が低くなるように構成されていることを特
徴とする半導体装置。
2. A semiconductor device comprising an active element formed on a silicon substrate, the semiconductor device comprising: a metal silicate layer formed on the silicon substrate; and an electrode layer formed on the metal silicate layer. The concentration of the constituent metal contained in the metal silicate layer,
The concentration of the metal in the stoichiometric composition of the metal silicate is less than or equal to the concentration of the constituent metal on the interface side between the electrode layer and the metal silicate layer. A semiconductor device characterized in that the concentration of the constituent metal on the interface side is lower.
【請求項3】前記金属シリケイト層の構成金属はZr又
はHfであり、前記金属シリケイト層は該構成金属の濃
度が7原子パーセント以下となるように構成されている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
3. The metal silicate layer according to claim 1, wherein the metal constituting the metal silicate layer is Zr or Hf, and the metal silicate layer is constituted so that the concentration of the metal constituting the metal silicate layer is 7 atomic percent or less. Or the semiconductor device according to 2.
【請求項4】前記半導体装置は電界効果型トランジスタ
を備え、前記金属シリケイト層は前記電界効果型トラン
ジスタのゲート絶縁膜であることを特徴とする請求項1
又は2に記載の半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device includes a field effect transistor, and the metal silicate layer is a gate insulating film of the field effect transistor.
Or the semiconductor device according to 2.
【請求項5】前記金属シリケイト層は、膜厚が0.5n
m以上4nm以下であることを特徴とする請求項1又は
2に記載の半導体装置。
5. The metal silicate layer has a thickness of 0.5 n.
The semiconductor device according to claim 1, wherein the length is not less than m and not more than 4 nm.
【請求項6】シリコン基板上に金属酸化膜を形成するこ
とによって、前記シリコン基板と前記金属酸化膜との界
面に金属シリケイト層を形成する工程と、 前記金属シリケイト層上の金属酸化膜を選択的に除去し
て前記金属シリケイト層を残す工程とを有することを特
徴とする半導体装置の製造方法。
6. A step of forming a metal silicate layer at an interface between the silicon substrate and the metal oxide film by forming a metal oxide film on a silicon substrate; and selecting a metal oxide film on the metal silicate layer. And removing the metal silicate layer by removing the metal silicate layer.
【請求項7】前記金属酸化膜を選択的に除去する工程の
後、前記金属シリケイト層を800℃以下の温度で熱処
理する工程をさらに有することを特徴とする請求項6に
記載の半導体装置の製造方法。
7. The semiconductor device according to claim 6, further comprising, after the step of selectively removing the metal oxide film, a step of heat-treating the metal silicate layer at a temperature of 800 ° C. or less. Production method.
【請求項8】シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成す
る工程と、 前記シリコン酸化膜上に、前記シリコン酸化膜に対する
固溶限界以上の金属原子を有する金属膜又は金属シリサ
イド膜を形成する工程と、 前記金属膜又は金属シリサイド膜中の金属原子を前記シ
リコン酸化膜中に拡散させて金属シリケイト層を形成す
る工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方
法。
8. A step of forming a silicon oxide film on a silicon substrate, and a step of forming a metal film or a metal silicide film having a metal atom having a solid solution limit or more on the silicon oxide film on the silicon oxide film. Forming a metal silicate layer by diffusing metal atoms in the metal film or the metal silicide film into the silicon oxide film.
【請求項9】前記金属シリケイト層中に窒素を導入する
処理を含むことを特徴とする請求項6乃至8のいずれか
に記載の半導体装置の製造方法。
9. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6, further comprising a step of introducing nitrogen into said metal silicate layer.
【請求項10】窒素雰囲気中又は励起窒素の照射下にお
いて、金属酸化物ターゲットを用いた蒸着法、スパッタ
法又はレーザーアブレーション法にてシリコン基板上に
成膜を行うことにより、窒素を含有する金属シリケイト
層を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置
の製造方法。
10. A metal containing nitrogen by forming a film on a silicon substrate by a vapor deposition method, a sputtering method or a laser ablation method using a metal oxide target in a nitrogen atmosphere or under irradiation of excited nitrogen. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a step of forming a silicate layer.
【請求項11】窒素雰囲気中又は励起窒素の照射下にお
いて、少なくとも金属及び酸素を含むガスを用いたCV
D法にてシリコン基板上に成膜を行うことにより、窒素
を含有する金属シリケイト層を形成する工程を有するこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法。
11. A CV using a gas containing at least a metal and oxygen in a nitrogen atmosphere or under irradiation of excited nitrogen.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a step of forming a metal silicate layer containing nitrogen by forming a film on a silicon substrate by Method D.
【請求項12】シリコン基板上に形成された金属、シリ
コン及び窒素を含む膜を酸素雰囲気中にて800℃以下
の温度で熱処理して、窒素を含有する金属シリケイト層
を形成する工程を有することを特徴とする半導体装置の
製造方法。
12. A process for forming a metal silicate layer containing nitrogen by heat-treating a film containing metal, silicon and nitrogen formed on a silicon substrate in an oxygen atmosphere at a temperature of 800 ° C. or less. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項13】シリコン基板上に形成された金属、シリ
コン及び窒素を含む膜に励起酸素を照射して、窒素を含
有する金属シリケイト層を形成する工程を有することを
特徴とする半導体装置の製造方法。
13. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: irradiating a film containing metal, silicon and nitrogen formed on a silicon substrate with excited oxygen to form a metal silicate layer containing nitrogen. Method.
【請求項14】シリコン基板上に金属窒化膜を形成する
工程と、 前記金属窒化膜を酸素雰囲気中にて800℃以下の温度
で熱処理して窒素を含有する金属シリケイト層を形成す
る工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方
法。
14. A step of forming a metal nitride film on a silicon substrate, and a step of heat-treating the metal nitride film at a temperature of 800 ° C. or less in an oxygen atmosphere to form a nitrogen-containing metal silicate layer. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項15】シリコン基板上に金属窒化膜を形成する
工程と、 前記金属窒化膜に励起酸素を照射して窒素を含有する金
属シリケイト層を形成する工程とを有することを特徴と
する半導体装置の製造方法。
15. A semiconductor device comprising: a step of forming a metal nitride film on a silicon substrate; and a step of irradiating the metal nitride film with excited oxygen to form a metal silicate layer containing nitrogen. Manufacturing method.
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