JP2003017686A - Semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method therefor

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JP2003017686A
JP2003017686A JP2001197841A JP2001197841A JP2003017686A JP 2003017686 A JP2003017686 A JP 2003017686A JP 2001197841 A JP2001197841 A JP 2001197841A JP 2001197841 A JP2001197841 A JP 2001197841A JP 2003017686 A JP2003017686 A JP 2003017686A
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insulating film
gate insulating
group
metal
semiconductor device
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JP2001197841A
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Japanese (ja)
Inventor
Masaru Kadoshima
勝 門島
Toshihide Namatame
俊秀 生田目
Takaaki Suzuki
孝明 鈴木
Yasuhiko Murata
康彦 村田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device compensating negative fixed electric charges generated in a gate insulation film in the case of using Al2 O3 and Ln2 O3 for the film and suppressing the shift of a flat band voltage, and to provide the manufacturing method. SOLUTION: In the semiconductor device provided with the gate insulation film on a silicon single crystal substrate, the gate insulation film is provided with the composition of A1-x Bx Oy (x=0.01 to 0.3, y=1.5 to 3.0, A is a group III metal, B is at least one of a group V metal and a group VI metal) and is also composed of the multiple layers of the layer composed of one or more kinds of a silicon oxidie and a silicon nitride and the layer provided with the composition of A1-x Bx Oy (x=0.01 to 0.3, y=1.5 to 3.0, A is the group III metal, B is one or more kinds of the group V metal and the group VI metal).

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、新規な半導体装置
とその製造方法に係わり、特にゲート絶縁膜を有するM
IS型トランジスタ素子とその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a novel semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to an M having a gate insulating film.
The present invention relates to an IS type transistor element and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、MIS(Metal Insul
ator Semiconductor)型トランジス
タ素子の微細化は<0.1μmのゲート長まで目前に迫
っている状況である。このような微細化に伴ってMIS
型トランジスタ素子のゲート絶縁膜の材料として、比誘
電率が3.9のSiOより高誘電率な材料を用いるこ
とが検討されている。これらの材料は比誘電率が高いた
めに、物理膜厚が厚いままSiOと同一のゲート容量
を得ることができる。このためにスケーリング則に従っ
て素子を微細化した場合にも、ゲート絶縁膜中の直接ト
ンネリングによるゲート/基板間のリーク電流を抑えら
れると考えられている。
2. Description of the Related Art In recent years, MIS (Metal Insul)
The miniaturization of attor semiconductor (transistor) type transistor devices is in the situation of approaching to a gate length of <0.1 μm. With such miniaturization, MIS
As a material for the gate insulating film of the p-type transistor element, use of a material having a relative dielectric constant of 3.9 and a higher dielectric constant than that of SiO 2 has been studied. Since these materials have a high relative dielectric constant, the same gate capacitance as that of SiO 2 can be obtained while the physical film thickness is large. Therefore, it is considered that even when the element is miniaturized according to the scaling rule, the leak current between the gate and the substrate due to the direct tunneling in the gate insulating film can be suppressed.

【0003】高誘電率なゲート絶縁膜には、Si基板上
での高熱的安定性、ショットキーバリア、酸素拡散の観
点からIII族元素の酸化物が有効と考えられている。A
及びLn(Ln:希土類元素)は、それ
ぞれ約10及び10〜20の比誘電率を有することが知
られている。従来のSiOを上記材料に置き換えるこ
とによって、物理膜厚を約2.5倍及び2.5〜5倍に
厚くすることが出来る。
From the viewpoint of high thermal stability on the Si substrate, Schottky barrier, and oxygen diffusion, it is considered that the oxide of the group III element is effective for the gate insulating film having a high dielectric constant. A
L 2 O 3 and Ln 2 O 3 (Ln: rare earth element) are known to have a relative dielectric constant of about 10 and 10 to 20, respectively. By replacing the conventional SiO 2 with the above materials, the physical film thickness can be increased to about 2.5 times and 2.5 to 5 times.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】ところが、ゲート絶縁
膜にAl及びLn(Ln:ランタノイド元
素)を用いた場合に、膜中やSi界面での欠陥等に起因
する負の固定電荷が発生して、フラットバンド電圧がシ
フトするといったことが問題となっている。フラットバ
ンド電圧のシフトは、MIS型トランジスタの閾値をシ
フトさせてしまう。
However, when Al 2 O 3 and Ln 2 O 3 (Ln: lanthanoid element) are used for the gate insulating film, a negative effect caused by defects in the film or at the Si interface is generated. The problem is that fixed charges are generated and the flat band voltage shifts. The shift of the flat band voltage shifts the threshold value of the MIS transistor.

【0005】また、Al及びLnを用いた
ゲート絶縁膜において、吸湿反応によって、膜中に固定
電荷が発生し、同様にフラットバンド電圧がシフトする
ことが問題となっている。さらに、更なる微細化の要求
を満足させるには、さらに高誘電率化したゲート絶縁膜
が必要となってくる。
Further, in a gate insulating film using Al 2 O 3 and Ln 2 O 3 , a fixed charge is generated in the film due to a moisture absorption reaction, and similarly, a flat band voltage shifts. . Furthermore, in order to satisfy the demand for further miniaturization, a gate insulating film having a higher dielectric constant is required.

【0006】本発明の目的は、ゲート絶縁膜にAl
及びLnを用いた場合の膜中に発生する負の固
定電荷を補償して、フラットバンド電圧のシフトを抑え
た半導体装置とその製造法を提供することにある。
An object of the present invention is to use Al 2 O as a gate insulating film.
3 and Ln 2 O 3 are used to compensate for the negative fixed charges generated in the film and to provide a semiconductor device in which the shift of the flat band voltage is suppressed and a manufacturing method thereof.

【0007】[0007]

【問題点を解決するための手段】本発明は、シリコン単
結晶基板上にゲート絶縁膜を有する半導体装置、より具
体的には、シリコン単結晶基板上に、素子分離絶縁膜
と、ゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に形成されたゲ
ート電極と、前記素子分離絶縁膜と前記ゲート絶縁膜と
の間で前記ゲート絶縁膜を挟んで両側に形成されたソー
ス及びドレイン領域と、前記素子分離絶縁膜とゲート絶
縁膜とゲート電極とソース及びドレイン領域とを保護す
る保護膜と、前記ソース及びドレイン領域の各々に接し
て前記保護膜を貫通して形成されたプラグ電極と、該プ
ラグ電極に接して前記保護膜上に形成された配線とを有
する半導体装置において、前記ゲート絶縁膜は、A
1−x(x=0.01〜0.3、y=1.5〜
3.0、AはIII族金属、BはV族金属及びVI族金属の
1種以上)の組成を有することを特徴とする。
The present invention relates to a semiconductor device having a gate insulating film on a silicon single crystal substrate, and more specifically, an element isolation insulating film and a gate insulating film on a silicon single crystal substrate. A gate electrode formed on the gate insulating film, source and drain regions formed on both sides of the gate insulating film between the element separating insulating film and the gate insulating film, and the element separating An insulating film, a gate insulating film, a gate electrode, a protective film for protecting the source and drain regions, a plug electrode formed in contact with each of the source and drain regions and penetrating the protective film, and a plug electrode In the semiconductor device having a wiring formed in contact with the protective film, the gate insulating film is A
1-x B x O y ( x = 0.01~0.3, y = 1.5~
3.0, A is a group III metal, and B is one or more of group V metal and group VI metal).

【0008】即ち、本発明の特徴は、シリコン単結晶基
板を母材としたMIS型トランジスタ素子において、ゲ
ート絶縁膜として、xが0.01〜0.3、好ましくは
0.01以上0.3未満、yが1.5〜3.0、好まし
くは1.5以上3.0未満であるA1−xの組
成を有し、前記AはIII族金属、前記BはV族金属及びV
I族金属の1種以上とし、好ましくは1種とすることに
ある。
That is, a feature of the present invention is that, in a MIS type transistor device using a silicon single crystal substrate as a base material, x is 0.01 to 0.3, preferably 0.01 or more and 0.3 as a gate insulating film. less, y is 1.5 to 3.0, preferably has a composition of a 1-x B x O y is less than 1.5 to 3.0, wherein a is group III metal, the B group V Metal and V
There is at least one, and preferably one, Group I metal.

【0009】一般的に酸化物中においてIII族金属は+
3価イオンになっているが、+5価もしくは+6価とな
るV族もしくはVI族金属元素を固溶させることにより正
の電荷を加え、負の固定電荷を補償することができる。
この効果は、固溶させるV族及びVI族金属元素の割合と
して元素比で0.01以上で得ることが出来る。
Generally, the group III metal in the oxide is +
Although it is a trivalent ion, it is possible to add a positive charge by compensating a group V or group VI metal element having a valence of +5 or +6 to compensate for a fixed negative charge.
This effect can be obtained when the element ratio of the group V and group VI metal elements to be dissolved is 0.01 or more.

【0010】一方、III族元素の酸化物はSi基板上で
の熱的安定性が高いのに対し、固溶するV族及びVI族元
素の酸化物はSi基板上での熱的安定性が低い。このた
め、V族及びVI族元素の酸化物をSi基板上に形成した
場合、Si界面に低誘電率なSiO層を形成してしま
う。固溶させるV族もしくはVI族金属元素の割合を元素
比で0.3以上にすると、III族元素酸化物はSi基板
上における熱的安定性を失い、Si界面におけるSiO
層の成長を促進し、実効的に比誘電率を低下させてし
まう。以上のことから、固溶させるV族もしくはVI族金
属元素の割合は、元素比で0.01以上0.3未満とす
る。
On the other hand, the oxide of the group III element has a high thermal stability on the Si substrate, whereas the oxide of the group V and VI elements which form a solid solution has a high thermal stability on the Si substrate. Low. Therefore, when the oxides of the V group and VI group elements are formed on the Si substrate, a SiO 2 layer having a low dielectric constant is formed at the Si interface. When the ratio of the group V or group VI metal elements to be dissolved is set to 0.3 or more in terms of element ratio, the group III element oxide loses thermal stability on the Si substrate, and SiO at the Si interface.
This promotes the growth of the two layers and effectively lowers the relative dielectric constant. From the above, the ratio of the group V or group VI metal element to be solid-solved is 0.01 or more and less than 0.3 in terms of element ratio.

【0011】本発明のゲート絶縁膜を構成するIII族金
属として、Al、Sc、Y及びLn(Ln:希土類元
素)の1種以上が好ましく、より好ましくは1種である
ことにある。III族元素酸化物の中でも、Al
Sc、Y及びLn は、Si基板上で
熱力学的に非常に安定である。よって、低誘電率なSi
の成長を抑制でき、Siと急峻な界面を形成するこ
とが可能である。
Group III gold constituting the gate insulating film of the present invention
As a genus, Al, Sc, Y and Ln (Ln: rare earth element
1) or more, and more preferably 1)
Especially. Al among group III element oxidesTwoOThree,
ScTwoOThree, YTwoOThreeAnd Ln TwoOThreeOn the Si substrate
It is thermodynamically very stable. Therefore, the low dielectric constant Si
OTwoGrowth can be suppressed and a sharp interface with Si can be formed.
And are possible.

【0012】本発明のゲート絶縁膜を構成するV族金属
としては、Ta及びNbの1種以上が好ましく、より好
ましくは1種、及びVI族金属としてはWとすることが好
ましい。各金属の酸化物であるTa、Nb
及びWOの比誘電率はそれぞれ約25〜50、50及
び300であり、これらの金属元素を固溶させることに
よって、ゲート絶縁膜の比誘電率を向上させることが出
来る。
The group V metal constituting the gate insulating film of the present invention is preferably one or more of Ta and Nb, more preferably one, and the group VI metal is preferably W. Ta 2 O 5 and Nb 2 O 5 which are oxides of each metal
The relative permittivities of WO 3 and WO 3 are about 25 to 50, 50 and 300, respectively, and the solid permittivity of these metal elements can improve the relative permittivity of the gate insulating film.

【0013】又、本発明は、前述の半導体装置におい
て、前記ゲート絶縁膜は、酸化シリコン及び窒化シリコ
ンの1種以上で構成される層と、A1−x(x
=0.01〜0.3、y=1.5〜3.0、AはIII族
金属、BはV族金属及びVI族金属の1種以上)の組成を
有する層との多層からなることを特徴とする。
In the semiconductor device according to the present invention, the gate insulating film may be a layer composed of at least one of silicon oxide and silicon nitride, and A 1−x B x O y (x
= 0.01 to 0.3, y = 1.5 to 3.0, A is a group III metal, B is a group V metal and a group VI metal). Is characterized by.

【0014】即ち、シリコン単結晶基板を母材としたM
IS型トランジスタ素子において、ゲート絶縁膜は、酸
化シリコン及び窒化シリコンの1種以上、好ましくは1
種で構成される層と、好ましくは、xが0.01以上
0.3未満、yが1.5以上3.0未満であるA1−x
の組成を有し、前記AはIII族金属、前記Bは
V族金属もしくはVI族金属で構成される層との多層、好
ましくは二層構造とすることにある。Si基板の界面
に、酸化シリコン又は窒化シリコンで構成される層を配
置することによって、電子伝導帯のバリア高さを高く出
来、リーク電流を大幅に低減できる。また、MIS型ト
ランジスタの特性を悪化させる界面準位も減少させるこ
とも可能である。
That is, M using a silicon single crystal substrate as a base material
In the IS type transistor device, the gate insulating film is one or more of silicon oxide and silicon nitride, preferably 1 or more.
A layer composed of seeds, preferably A 1-x in which x is 0.01 or more and less than 0.3 and y is 1.5 or more and less than 3.0
It has a composition of B x O y, the A is a group III metal, and the B is a multi-layer, preferably a two-layer structure with a layer composed of a group V metal or a group VI metal. By arranging a layer made of silicon oxide or silicon nitride at the interface of the Si substrate, the barrier height of the electron conduction band can be increased and the leak current can be greatly reduced. It is also possible to reduce the interface state which deteriorates the characteristics of the MIS transistor.

【0015】更に、本発明は、シリコン単結晶基板上に
ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の製造法、より具体
的には、シリコン単結晶基板上に、素子分離絶縁膜を形
成する工程と、ゲート絶縁膜を形成する工程と、該ゲー
ト絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記素子分
離絶縁膜と前記ゲート絶縁膜との間で前記ゲート絶縁膜
を挟んで両側にソース及びドレイン領域を形成する工程
と、前記素子分離絶縁膜とゲート絶縁膜とゲート電極と
ソース及びドレイン領域とを保護する保護膜を形成する
工程と、前記ソース及びドレイン領域の各々に接して前
記保護膜を貫通させてプラグ電極を形成する工程と、該
プラグ電極に接して前記保護膜上に配線を形成する工程
とを順次有する半導体装置の製造法において、前記ゲー
ト絶縁膜はA1−x(x=0.01〜0.3、
y=1.5〜3.0、AはIII族金属、BはV族金属及
びVI族金属の少なくとも一方)の組成を有する複合酸化
物からなり、CVD法によって形成することを特徴とす
る。
Furthermore, the present invention is a method for manufacturing a semiconductor device in which a gate insulating film is formed on a silicon single crystal substrate, more specifically, a step of forming an element isolation insulating film on the silicon single crystal substrate, A step of forming a gate insulating film, a step of forming a gate electrode on the gate insulating film, and a source and drain region on both sides with the gate insulating film sandwiched between the element isolation insulating film and the gate insulating film. Forming a protective film for protecting the element isolation insulating film, the gate insulating film, the gate electrode, and the source and drain regions, and penetrating the protective film in contact with each of the source and drain regions. In the method for manufacturing a semiconductor device, which sequentially includes a step of forming a plug electrode and a step of forming a wiring on the protective film in contact with the plug electrode, the gate insulating film is A 1- x B x O y (x = 0.01~0.3,
y = 1.5 to 3.0, A is a group III metal, B is a composite oxide having a composition of at least one of a group V metal and a group VI metal), and is formed by a CVD method.

【0016】又、本発明は、前述の半導体装置の製造法
において、酸化シリコン及び窒化シリコンの1種以上で
構成される層と、前述のCVD法によって形成されるA
1− 層との多層とするものである。
Further, according to the present invention, in the above-mentioned method for manufacturing a semiconductor device, a layer formed of at least one of silicon oxide and silicon nitride and the above-mentioned CVD method are used.
In which a multilayer of 1- x B x O y layer.

【0017】本発明により、ゲート絶縁膜にAl
及びLnを用いた場合の膜中に吸湿によって発生
する負の固定電荷を補償して、フラットバンド電圧のシ
フトを抑え、更に、更なる微細化の要求を満足させる高
誘電率のゲート絶縁膜が得られるものである。
According to the present invention, Al 2 O 3 is formed on the gate insulating film.
And a high dielectric constant gate that compensates for negative fixed charges generated by moisture absorption in the film when Ln 2 O 3 is used to suppress the shift of the flat band voltage and further satisfies the demand for further miniaturization. An insulating film can be obtained.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】(実施例1)図1は、本発明に係
るMISトランジスタの製造方法を示す断面図である。
図1(a)のSi単結晶基板101はp−typeで、
(100)面方位、抵抗率10〜15Ω・cmの基板で
ある。図1(bの)素子分離領域102は101Si単
結晶基板に深さ約0.4μmの溝を形成した後にCVD
(ChemicalVapor Depositio
n)法により、SiO膜を全面成膜し、次にCMP
(Chemical Mechanical Poli
shing)で平坦化させて作製した。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (Embodiment 1) FIG. 1 is a sectional view showing a method for manufacturing a MIS transistor according to the present invention.
The Si single crystal substrate 101 of FIG. 1A is p-type,
The substrate has a (100) plane orientation and a resistivity of 10 to 15 Ω · cm. The element isolation region 102 shown in FIG. 1B is formed by forming a groove having a depth of about 0.4 μm on a 101Si single crystal substrate and then performing CVD.
(Chemical Vapor Deposition
n) method, a SiO 2 film is formed on the entire surface, and then CMP is performed.
(Chemical Mechanical Poli
It was prepared by flattening with a shin.

【0019】次に図1(c)のCVD法によりゲート絶
縁膜103となるAl−Ta−O膜を作製した。Al原
料にはAl(CHを用いた。また、Ta原料には
Ta(OC原料を用いた。各原料は、アルゴ
ンキャリアガスによるバブリング法で基板に供給した。
アルゴンキャリアガスは50sccmで搬送した。原料
を分解するためのOガスも50sccmで基板に供給
した。反応容器の圧力を0.1torrとし、基板温度
を500℃とした。成膜時間を1〜5分として、膜厚4
〜20nmの複合酸化物層を得た。
Next, an Al-Ta-O film to be the gate insulating film 103 was formed by the CVD method shown in FIG. Al (CH 3 ) 3 was used as the Al raw material. A Ta (OC 2 H 5 ) 5 raw material was used as the Ta raw material. Each raw material was supplied to the substrate by a bubbling method using an argon carrier gas.
The argon carrier gas was transported at 50 sccm. O 2 gas for decomposing the raw material was also supplied to the substrate at 50 sccm. The pressure of the reaction vessel was 0.1 torr and the substrate temperature was 500 ° C. Film formation time is 1 to 5 minutes and film thickness is 4
A complex oxide layer of ~ 20 nm was obtained.

【0020】ICPS(Inductively Co
upled Plasma Spectrometr
y)分析によって、AlとTaの元素を調べたところ、
各々は元素比で、85%:15%であった。次に、図1
(d)のゲート電極104となる多結晶Si膜を300
nm成膜し、更に図1(e)のゲート電極104を得
た。
ICPS (Inductively Co)
upd Plasma Spectrometer
y) When the elements of Al and Ta were examined by analysis,
The respective element ratios were 85%: 15%. Next, FIG.
The polycrystalline Si film to be the gate electrode 104 in FIG.
nm, and a gate electrode 104 shown in FIG. 1E is obtained.

【0021】その後、nチャンネル領域にはリンを、p
チャンネル領域にはボロンをそれぞれ注入し、800
℃、10〜30minの窒素雰囲気中熱処理して活性化
した。図2(f)に示すように、ゲート電極104は多
結晶Si膜を通常のホトリソグラフィー法を用いてパタ
ーニングし、セルフアラインにてRIEによりエッチン
グして形成し、同様に103ゲート絶縁膜を加工した。
次に104ゲート電極をマスクして105ソース/ドレ
イン領域に周期率表の第5族の原子(P,As,Sb)
或いは第3族の原子(B,Al,Ga,In)のイオン
注入を行い、800℃、30secのAr中熱処理を施
す事により低抵抗の拡散領域を形成した。次に、図2
(g)のCVD法によりSiO保護膜106を形成し
た。さらに図2(h)のソース/ドレイン105上にス
ルーホールを作製した後、CVD法によりW−プラグ電
極107を作製した。最後に図2(h)のAl配線10
8をW−プラグ107上に作製してMIS型トランジス
タ素子を作製した。
Thereafter, phosphorus is added to the n-channel region and p
Boron is injected into the channel region to 800
Activated by heat treatment in a nitrogen atmosphere at a temperature of 10 to 30 minutes. As shown in FIG. 2F, the gate electrode 104 is formed by patterning a polycrystalline Si film using a normal photolithography method and etching by RIE by self-alignment, and similarly processing a 103 gate insulating film. did.
Next, by masking the 104 gate electrode, the atoms (P, As, Sb) of Group 5 of the periodic table are formed in the 105 source / drain regions.
Alternatively, Group 3 atoms (B, Al, Ga, In) are ion-implanted and subjected to heat treatment in Ar at 800 ° C. for 30 sec to form a low resistance diffusion region. Next, FIG.
The SiO 2 protective film 106 was formed by the CVD method (g). Furthermore, after forming a through hole on the source / drain 105 of FIG. 2H, a W-plug electrode 107 was formed by the CVD method. Finally, the Al wiring 10 of FIG.
8 was manufactured on the W-plug 107 to manufacture a MIS type transistor element.

【0022】図3は、片方のAl配線108をアースに
して、ゲート電極104に−2〜2V変化させた場合の
C−V特性よりEOT(SiO換算膜厚)を算出した
結果を示す線図である。4〜20nm膜厚間で最小2乗
法から求めた勾配は誘電率を意味し、約15であった。
また物理膜厚がゼロの場合にEOTが約0.4nmであ
り、ゲート絶縁膜103とSi単結晶基板101界面に
低誘電率なSiO層の形成を薄く抑えることができ
た。また、C−V特性において、フラットバンド電圧の
シフトは0.02Vであった。
FIG. 3 is a line showing the result of calculating the EOT (SiO 2 converted film thickness) from the CV characteristics when one of the Al wirings 108 is grounded and the gate electrode 104 is changed by −2 to 2V. It is a figure. The gradient obtained by the method of least squares between the film thicknesses of 4 to 20 nm means the dielectric constant and was about 15.
Further, when the physical film thickness is zero, the EOT is about 0.4 nm, and the formation of the SiO 2 layer having a low dielectric constant at the interface between the gate insulating film 103 and the Si single crystal substrate 101 can be suppressed thin. In addition, in the CV characteristics, the shift of the flat band voltage was 0.02V.

【0023】比較例として、Al原料にはAl(C
のみを基板に供給し、O/(Ar+O)比
は同じ条件で、Al膜を形成した。基板温度等の
条件についても、同じ条件に固定した。成膜時間を1〜
5分として、膜厚3〜15nmを得た。同様のC−V測
定からEOTを算出した結果を図3に併記した。Al
膜の誘電率は約9であった。また、3nmの膜のC
−V特性において、フラットバンド電圧は、0.35V
のシフトが認められた。
As a comparative example, Al (C
HThree)ThreeSupply only to the substrate,Two/ (Ar + OTwo)ratio
Under the same conditions,TwoOThreeA film was formed. Substrate temperature, etc.
The conditions were also fixed to the same. Deposition time from 1
After 5 minutes, a film thickness of 3 to 15 nm was obtained. Similar C-V measurement
The result of calculating the EOT from the measurement is also shown in FIG. AlTwo
O ThreeThe dielectric constant of the film was about 9. Also, C of 3 nm film
In the -V characteristic, the flat band voltage is 0.35V
Shift was recognized.

【0024】このように、AlにTaを固
溶することによって、比誘電率を9から15まで向上す
ることが分かった。さらに、Taを固溶すること
によって、フラットバンド電圧のシフトが認められなく
なったことから、Al膜中に発生する負の固定電
荷を補償出来ることも分かった。
Thus, it was found that the solid permittivity of Ta 2 O 5 in Al 2 O 3 improves the relative dielectric constant from 9 to 15. Furthermore, it was found that the solid fixed solution of Ta 2 O 5 made it possible to compensate for the negative fixed charge generated in the Al 2 O 3 film because the flat band voltage shift was not observed.

【0025】更に、フラットバンド電圧のシフトを抑
え、更なる微細化の要求を満足させる高誘電率のゲート
絶縁膜が得られること、ゲート長を0.1μm以下とす
るMISトランジスタが得られることも分かった。
Furthermore, it is possible to obtain a high-permittivity gate insulating film that suppresses the shift of the flat band voltage and satisfies the requirements for further miniaturization, and obtain a MIS transistor having a gate length of 0.1 μm or less. Do you get it.

【0026】本実施例では、Al原料としてAl(CH
、Ta原料としてTa(OC を用いた
が、他の原料を用いても良い。また、原料の供給法とし
てバブリング法を用いたが、液体原料を直接気化させる
方法を用いてよい。また、Alに固溶する材料
は、上述したTaのみでなく、NbやWのようなV族及
びVI族元素であっても、同様の効果があることを確認し
た。
In this embodiment, Al (CH
Three)Three, Ta as raw material Ta (OC TwoH5)5Used
However, other raw materials may be used. In addition, as a raw material supply method
Bubbling method was used, but the liquid raw material is directly vaporized.
Any method may be used. Also, AlTwoOThreeMaterial that dissolves in
Is not only Ta mentioned above but also V group such as Nb and W.
It has been confirmed that the same effect can be obtained with Group VI and Group VI elements.
It was

【0027】ゲート電極として多結晶Siを用いている
が、誘電体材料と反応しない金属、例えばW,Mo,T
iN,TiSi等を用いてもよい。さらに、多結晶S
iにリンをドープしてもよい。Al配線を説明したが、
低抵抗な金属材料ならよく、例えばCu材料を用いても
よい。
Polycrystalline Si is used as the gate electrode, but a metal that does not react with the dielectric material, such as W, Mo or T, is used.
iN, may be used TiSi 2 or the like. Furthermore, polycrystalline S
The i may be doped with phosphorus. Al wiring was explained,
A low resistance metal material may be used, and for example, a Cu material may be used.

【0028】本実施例より、AlにV族及びVI族
元素を固溶させることにより、Al 膜中に発生す
る負の固定電荷を補償できること、及び比誘電率を向上
することを確認出来た。
According to this embodiment, AlTwoOThreeGroup V and group VI
By dissolving the elements in solid solution, Al TwoOThreeOccurs in the membrane
The ability to compensate for negative fixed charges and improve the relative permittivity
I was able to confirm that

【0029】(実施例2)Taの元素比を0〜50%に
変化させたAl−Ta−O膜を実施例1と同様の方法で
作製した。Taの元素比は、CVD原料の流量比によっ
て調整した。得られたサンプルにAu上部電極を真空蒸
着法で形成し、Au/Al−Ta−O/Siキャパシタ
の高周波容量―電圧(C−V)測定により、比誘電率を
求めた。また、TEM分析により、Si界面のSiO
膜厚を測定した。また、得られた膜中の元素比は、IC
PS分析により求めた。
(Example 2) An Al-Ta-O film in which the elemental ratio of Ta was changed to 0 to 50% was prepared in the same manner as in Example 1. The elemental ratio of Ta was adjusted by the flow rate ratio of the CVD raw material. An Au upper electrode was formed on the obtained sample by a vacuum vapor deposition method, and the relative dielectric constant was determined by measuring the high frequency capacitance-voltage (CV) of the Au / Al-Ta-O / Si capacitor. In addition, by TEM analysis, SiO 2 at the Si interface
The film thickness was measured. The element ratio in the obtained film is IC
It was determined by PS analysis.

【0030】図4は、膜中の元素比に対する比誘電率及
びSi界面のSiO膜厚の依存性を示す線図である。
Ta元素の固溶割合を多くするに従い、比誘電率が向上
した。しかし、Si界面に形成するSiOの膜厚が増
加した。特に、Taの固溶量が30%を超えると、Si
の膜厚は急激に増加する傾向を示し、その厚さが1
nm程度までになり、形成したゲート絶縁膜のSi界面
上での熱的安定性が悪くなった。
FIG. 4 is a diagram showing the dependence of the relative dielectric constant and the SiO 2 film thickness at the Si interface on the element ratio in the film.
The relative permittivity was improved as the solid solution ratio of the Ta element was increased. However, the film thickness of SiO 2 formed at the Si interface increased. Particularly, when the solid solution amount of Ta exceeds 30%, Si
The thickness of O 2 tends to increase rapidly, and the thickness is 1
up to about nm, and the thermal stability on the Si interface of the formed gate insulating film deteriorates.

【0031】図5は、Taの固溶量に対するフラットバ
ンド電圧のシフト値(ΔVFB)を示す線図である。T
aの固溶量が増加するに従い、ΔVFBはゼロに漸近し
た。ゆえに、Taの固溶量によりAl膜中に発生
する負の固定電荷を補償できた。
FIG. 5 is a diagram showing the shift value (ΔV FB ) of the flat band voltage with respect to the solid solution amount of Ta. T
ΔV FB asymptotically approached zero as the solid solution amount of a increased. Therefore, the negative fixed charge generated in the Al 2 O 3 film can be compensated by the solid solution amount of Ta.

【0032】以上の実施例により、Alに対する
Taの固溶量を元素比で0.3以下にすることで、Al
の熱的安定性を保ちながら、膜中に発生する負の
固定電荷の補償、及び比誘電率の向上が可能であると共
に、ゲート長を0.1μm以下とするMISトランジス
タが得られることが確認された。
According to the above embodiment, the solid solution amount of Ta in Al 2 O 3 is set to 0.3 or less in terms of element ratio,
While maintaining the thermal stability of 2 O 3 , it is possible to compensate the negative fixed charges generated in the film and improve the relative dielectric constant, and obtain a MIS transistor having a gate length of 0.1 μm or less. It was confirmed.

【0033】また、Al及びLn(Ln:
希土類元素)を用いたゲート絶縁膜において、吸湿によ
る固定電荷の発生を抑制ことが確認された。
Further, Al 2 O 3 and Ln 2 O 3 (Ln:
It was confirmed that the generation of fixed charges due to moisture absorption was suppressed in the gate insulating film using a rare earth element).

【0034】[0034]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、シリコ
ン単結晶基板を母材としたMIS型トランジスタ素子に
おいて、ゲート絶縁膜として、特定のA1−x
の組成(AはIII族金属、BはV族金属、VI族金属)と
することにより、膜中に発生する負の固定電荷を補償で
き、高誘電率化が実現できると共に、ゲート長を0.1
μm以下とするMISトランジスタを提供することがで
きた。
As described above, according to the present invention, in a MIS type transistor device using a silicon single crystal substrate as a base material, a specific A 1-x B x O y is used as a gate insulating film.
(A is a group III metal, B is a group V metal, and group VI metal), the negative fixed charges generated in the film can be compensated, a high dielectric constant can be realized, and the gate length can be 0. .1
It was possible to provide a MIS transistor having a thickness of μm or less.

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

【図1】 本発明の実施形態に係るMISトランジスタ
素子の製造工程を示す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing a manufacturing process of a MIS transistor element according to an embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の実施形態に係るMISトランジスタ
素子の製造工程を示す断面図。
FIG. 2 is a sectional view showing a manufacturing process of the MIS transistor element according to the embodiment of the present invention.

【図3】 本発明のAl−Ta−O膜の物理膜厚とEO
Tの関係を示す線図。
FIG. 3 is a physical film thickness and EO of the Al—Ta—O film of the present invention.
The diagram which shows the relationship of T.

【図4】 本発明に係るAl−Ta−O膜中のTa/
(Al+Ta)比に対する比誘電率とSi界面SiO
膜厚との関係を示す線図。
FIG. 4 shows Ta / in the Al—Ta—O film according to the present invention.
Relative permittivity to (Al + Ta) ratio and Si interface SiO 2
The diagram which shows the relationship with a film thickness.

【図5】 本発明に係るAl−Ta−O膜中のTa/
(Al+Ta)比に対するフラットバンド電圧のシフト
値の関係を示す線図。
FIG. 5 shows Ta / in the Al—Ta—O film according to the present invention.
The figure which shows the relationship of the shift value of a flat band voltage with respect to (Al + Ta) ratio.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101…Si単結晶基板、102…素子分離領域、10
3…ゲート絶縁膜、104…ゲート電極、105…ソー
ス・ドレイン領域、106…SiO保護膜、107…
プラグ電極、108…Al配線。
101 ... Si single crystal substrate, 102 ... Element isolation region, 10
3 ... Gate insulating film, 104 ... Gate electrode, 105 ... Source / drain region, 106 ... SiO 2 protective film, 107 ...
Plug electrode, 108 ... Al wiring.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 孝明 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 村田 康彦 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Fターム(参考) 4K030 AA11 AA14 AA16 BA42 CA04 FA10 LA15 5F058 BA01 BA11 BC03 BD01 BD04 BD05 BD10 BF04 BF27 BF29 BJ01 5F140 AA00 AA06 AA39 BA01 BD01 BD05 BD07 BD13 BE10 BF01 BF04 BF05 BF07 BF08 BF10 BG38 BG43 BG44 BH21 BJ01 BJ05 BJ07 BJ27 BK13 BK21 BK25 BK30 BK38 CA03 CB04 CC03 CC12 CE05    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Takaaki Suzuki             7-1-1, Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Prefecture             Inside the Hitachi Research Laboratory, Hitachi Ltd. (72) Inventor Yasuhiko Murata             7-1-1, Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Prefecture             Inside the Hitachi Research Laboratory, Hitachi Ltd. F-term (reference) 4K030 AA11 AA14 AA16 BA42 CA04                       FA10 LA15                 5F058 BA01 BA11 BC03 BD01 BD04                       BD05 BD10 BF04 BF27 BF29                       BJ01                 5F140 AA00 AA06 AA39 BA01 BD01                       BD05 BD07 BD13 BE10 BF01                       BF04 BF05 BF07 BF08 BF10                       BG38 BG43 BG44 BH21 BJ01                       BJ05 BJ07 BJ27 BK13 BK21                       BK25 BK30 BK38 CA03 CB04                       CC03 CC12 CE05

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】シリコン単結晶基板上にゲート絶縁膜を有
する半導体装置において、前記ゲート絶縁膜は、A
1−x(x=0.01〜0.3、y=1.5〜
3.0、AはIII族金属、BはV族金属及びVI族金属の
1種以上)の組成を有することを特徴とする半導体装
置。
1. In a semiconductor device having a gate insulating film on a silicon single crystal substrate, the gate insulating film is A
1-x B x O y ( x = 0.01~0.3, y = 1.5~
3.0, A is a group III metal, and B is a group V metal and a group VI metal).
【請求項2】シリコン単結晶基板上にゲート絶縁膜を有
する半導体装置において、前記ゲート絶縁膜は、酸化シ
リコン及び窒化シリコンの1種以上からなる層と、A
1−x(x=0.01〜0.3、y=1.5〜
3.0、AはIII族金属、BはV族金属及びVI族金属の
1種以上)の組成を有する層との多層からなることを特
徴とする半導体装置。
2. A semiconductor device having a gate insulating film on a silicon single crystal substrate, wherein the gate insulating film comprises a layer made of at least one of silicon oxide and silicon nitride, and A
1-x B x O y ( x = 0.01~0.3, y = 1.5~
3.0, A is a group III metal, and B is a multilayer having a layer having a composition of one or more of a group V metal and a group VI metal).
【請求項3】請求項1又は2において、前記ゲート絶縁
膜はその長さが0.1μm以下でことを特徴とする半導
体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film has a length of 0.1 μm or less.
【請求項4】請求項1〜3のいずれかにおいて、前記半
導体装置は、シリコン単結晶基板上に、素子分離絶縁膜
と、ゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜上に形成されたゲ
ート電極と、前記素子分離絶縁膜と前記ゲート絶縁膜と
の間で前記ゲート絶縁膜を挟んで両側に形成されたソー
ス及びドレイン領域と、前記素子分離絶縁膜とゲート絶
縁膜とゲート電極とソース及びドレイン領域とを保護す
る保護膜と、前記ソース及びドレイン領域の各々に接し
て前記保護膜を貫通して形成されたプラグ電極と、該プ
ラグ電極に接して前記保護膜上に形成された配線とを有
することを特徴とする半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein an element isolation insulating film, a gate insulating film, and a gate electrode formed on the gate insulating film are formed on a silicon single crystal substrate. Source and drain regions formed on both sides of the gate insulating film between the element isolation insulating film and the gate insulating film, the element isolation insulating film, the gate insulating film, the gate electrode, and the source and drain region And a plug electrode formed in contact with each of the source and drain regions and penetrating the protective film, and a wiring formed on the protective film in contact with the plug electrode. A semiconductor device characterized by the above.
【請求項5】請求項1〜4のいずれかにおいて、前記II
I族金属がAl、Sc、Y、Ln(Ln:希土類元素)
の1種以上であることを特徴とする半導体装置。
5. The method according to claim 1, wherein the II
Group I metal is Al, Sc, Y, Ln (Ln: rare earth element)
1. A semiconductor device comprising one or more of
【請求項6】請求項1〜5のいずれかにおいて、前記V
族金属がTa及びNbの1種以上であることを特徴とす
る半導体装置。
6. The V according to any one of claims 1 to 5.
A semiconductor device, wherein the group metal is at least one of Ta and Nb.
【請求項7】請求項1〜6のいずれかにおいて、前記VI
族金属がWであることを特徴とする半導体装置。
7. The VI according to any one of claims 1 to 6.
A semiconductor device, wherein the group metal is W.
【請求項8】シリコン単結晶基板上にゲート絶縁膜を形
成する半導体装置の製造法において、前記ゲート絶縁膜
はA1−x(x=0.01〜0.3、y=1.
5〜3.0、AはIII族金属、BはV族金属及びVI族金
属の1種以上)の組成を有する複合酸化物からなり、該
複合酸化物をCVD法によって形成することを特徴とす
る半導体装置の製造法。
8. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a gate insulating film is formed on a silicon single crystal substrate, wherein the gate insulating film is A 1-x B x O y (x = 0.01 to 0.3, y = 1.
5 to 3.0, A is a group III metal, B is a composite oxide having a composition of at least one of a group V metal and a group VI metal), and the composite oxide is formed by a CVD method. Method for manufacturing semiconductor device.
【請求項9】シリコン単結晶基板上にゲート絶縁膜を形
成する工程を有する半導体装置の製造法において、前記
ゲート絶縁膜は酸化シリコン及び窒化シリコンの1種以
上からなる層と、A1−x(x=0.01〜
0.3、y=1.5〜3.0、AはIII族金属、BはV
族金属及びVI族金属の1種以上)の組成を有する複合酸
化物層との多層からなり、該複合酸化物層をCVD法に
よって形成することを特徴とする半導体装置の製造法。
9. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising a step of forming a gate insulating film on a silicon single crystal substrate, wherein the gate insulating film comprises a layer made of at least one of silicon oxide and silicon nitride, and A 1-x. B x O y (x = 0.01~
0.3, y = 1.5 to 3.0, A is a group III metal, B is V
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a multi-layer including a complex oxide layer having a composition of one or more of group metals and group VI metals), the complex oxide layer being formed by a CVD method.
【請求項10】請求項8又は9のいずれかにおいて、前
記ゲート絶縁膜を形成する工程の前に前記シリコン単結
晶基板上に素子分離絶縁膜を形成する工程と、前記ゲー
ト絶縁膜を形成する工程の後に、前記ゲート絶縁膜上に
ゲート電極を形成する工程と、前記素子分離絶縁膜と前
記ゲート絶縁膜との間で前記ゲート絶縁膜を挟んで両側
にソース及びドレイン領域を形成する工程と、前記素子
分離絶縁膜とゲート絶縁膜とゲート電極とソース及びド
レイン領域とを保護する保護膜を形成する工程と、前記
ソース及びドレイン領域の各々に接して前記保護膜を貫
通させてプラグ電極を形成する工程と、該プラグ電極に
接して前記保護膜上に配線を形成する工程とを順次有す
ることを特徴とする半導体装置の製造法。
10. The method according to claim 8, wherein before the step of forming the gate insulating film, a step of forming an element isolation insulating film on the silicon single crystal substrate, and the gate insulating film are formed. After the step, a step of forming a gate electrode on the gate insulating film, and a step of forming source and drain regions on both sides with the gate insulating film sandwiched between the element isolation insulating film and the gate insulating film. Forming a protective film that protects the element isolation insulating film, the gate insulating film, the gate electrode, and the source and drain regions; and forming a plug electrode by contacting each of the source and drain regions and penetrating the protective film. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a forming step and a step of forming a wiring on the protective film in contact with the plug electrode.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2004084313A1 (en) * 2003-03-20 2004-09-30 Fujitsu Limited Semiconductor device having high dielectric film neutralizing fixed charge
US7256145B2 (en) 2003-03-13 2007-08-14 Fujitsu Limited Manufacture of semiconductor device having insulation film of high dielectric constant
JP2008218827A (en) * 2007-03-06 2008-09-18 Tokyo Institute Of Technology Semiconductor device and capacitor

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