JP2004266263A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Shigenori Hayashi
重徳 林
Kazuhiko Yamamoto
山本  和彦
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the formation of an interface which acts as a low dielectric layer and to obtain an insulating metal oxide film having a stoichiometric composition. <P>SOLUTION: A metal film 12 is deposited on a silicon substrate 1 under a non-oxidative atmosphere. Subsequently, the metal film 12 is oxidized with an oxygen radical 13 to form a metal oxide film 2 which acts as a gate insulation film. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

本発明は、高誘電体材料からなるゲート絶縁膜を有する半導体装置の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having a gate insulating film made of a high dielectric material.

近年の半導体装置における高集積化及び高速化に対する技術進展に伴い、MOSFETの微細化が進められている。微細化に伴いゲート絶縁膜の薄膜化を進めると、トンネル電流に起因するゲートリーク電流の増大等の問題が顕在化してくる。この問題を抑制するために、ハフニウム酸化物(HfO2 )やジルコニム酸化物(ZrO2 )等の金属酸化物、つまり高誘電率材料をゲート絶縁膜に用いることにより、薄い酸化膜(SiO2 膜)換算膜厚EOT(Equivalent Oxide Thickness)を実現しながら物理的な膜厚を厚くするという手法が研究されている。例えば非特許文献1にはZrO2 をゲート絶縁膜に用いた手法が開示されている。
山口、佐竹、鳥海、固体素子及び材料に関する国際会議2000 アブストラクト(Extended Abstracts of the 2000 International Conference on Solid State Devices and Materials)、日本、2000年8月29日、pp.228-229
2. Description of the Related Art MOSFETs have been miniaturized along with recent technological developments for high integration and high speed in semiconductor devices. As the thickness of the gate insulating film is reduced with miniaturization, problems such as an increase in gate leak current due to a tunnel current become apparent. In order to suppress this problem, a thin oxide film (SiO 2 film) is formed by using a metal oxide such as hafnium oxide (HfO 2 ) or zirconium oxide (ZrO 2 ), that is, a high dielectric constant material for the gate insulating film. A method of increasing the physical film thickness while realizing the equivalent film thickness EOT (Equivalent Oxide Thickness) has been studied. For example, Non-Patent Document 1 discloses a method using ZrO 2 for a gate insulating film.
Yamaguchi, Satake, Chokai, Extended Abstracts of the 2000 International Conference on Solid State Devices and Materials, Japan, August 29, 2000, pp.228-229

しかしながら、このZrO2 等の金属酸化物を用いたゲート絶縁膜においては、シリコン基板表面と高誘電率ゲート絶縁膜との間に界面層(例えばシリケート層)が形成されることが報告されている。この界面層は、高誘電率材料となる金属酸化物と比べて誘電率が小さいので、界面層の存在によってゲート絶縁膜の実効的な誘電率が下がってしまう。 However, it has been reported that in a gate insulating film using a metal oxide such as ZrO 2 , an interface layer (for example, a silicate layer) is formed between the surface of a silicon substrate and a high-dielectric-constant gate insulating film. . Since the interface layer has a smaller dielectric constant than a metal oxide serving as a high dielectric constant material, the presence of the interface layer lowers the effective dielectric constant of the gate insulating film.

また、高誘電体材料よりなるゲート絶縁膜において、実効的な誘電率と共に耐熱性を向上させる手段として、各種の金属酸化物膜を用いた複合膜や傾斜組成膜が提案されている。ところが、これらの金属酸化物膜の堆積時又は酸化時における相互拡散によって、界面層厚さ、及び複合膜等における膜厚方向の組成分布に関しては、必ずしも設計通りの膜が得られていない。   As means for improving the effective dielectric constant and heat resistance of a gate insulating film made of a high dielectric material, a composite film using various metal oxide films and a gradient composition film have been proposed. However, due to interdiffusion at the time of deposition or oxidation of these metal oxide films, a film as designed is not necessarily obtained with respect to the thickness of the interface layer and the composition distribution in the thickness direction of the composite film and the like.

前記に鑑み、本発明は、低誘電率層となる界面層の形成を抑えて、化学量論組成を持つ絶縁性金属酸化物膜を得られるようにすることを第1の目的とし、所望の界面層厚さ及び組成を持つ複合金属酸化物膜を得られるようにすることを第2の目的とする。   In view of the above, it is a first object of the present invention to suppress formation of an interface layer serving as a low dielectric constant layer, to obtain an insulating metal oxide film having a stoichiometric composition, A second object is to obtain a composite metal oxide film having an interface layer thickness and a composition.

前記の各目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、非酸化性雰囲気中において、シリコン領域の上に金属膜を堆積する工程と、酸素ラジカルを用いて金属膜を酸化させることにより、ゲート絶縁膜となる金属酸化膜を形成する工程とを備えている。   In order to achieve each of the above objects, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes the steps of: depositing a metal film on a silicon region in a non-oxidizing atmosphere; and oxidizing the metal film using oxygen radicals. Forming a metal oxide film to be a gate insulating film.

本発明の半導体装置の製造方法によると、high-kゲート絶縁膜材料となる金属を予め堆積した後、該金属の酸化種として酸素ラジカルを用いるため、処理温度を適切に設定することによって、制御性の高い酸化性雰囲気中で金属に酸素を供給することができる。従って、シリコン基板等のシリコン領域の酸化を極力抑えながら金属膜を酸化させることができるので、低誘電率界面層の形成を抑えることができ、それによって、化学量論組成を持つ絶縁性金属酸化膜つまりhigh-kゲート絶縁膜を形成することができる。   According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, after previously depositing a metal to be a material for a high-k gate insulating film, an oxygen radical is used as an oxidizing species of the metal. Oxygen can be supplied to the metal in a highly oxidizing atmosphere. Therefore, the metal film can be oxidized while minimizing the oxidation of the silicon region such as the silicon substrate, so that the formation of the low dielectric constant interface layer can be suppressed, whereby the insulating metal oxide having the stoichiometric composition can be suppressed. A film, that is, a high-k gate insulating film can be formed.

また、本発明の半導体装置の製造方法によると、金属膜の堆積工程と金属膜の酸化工程とが分離されているため、従来の高温雰囲気下における金属酸化膜形成工程のように膜堆積機構に酸化プロセスが律速されることがない。また、金属膜の酸化工程は、酸素ラジカルの反応性を利用した比較的低温のプロセスである。従って、複合膜や傾斜組成膜等の堆積時又は酸化時においても、膜構成原子同士の間の相互拡散、及び膜構成原子とシリコン領域中のシリコン原子との間の相互拡散を防止できるため、所望の界面層厚さ及び組成を持つ複合金属酸化物膜(又は傾斜組成膜)を得ることができる。   Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, since the step of depositing the metal film and the step of oxidizing the metal film are separated from each other, the film deposition mechanism is not required as in the conventional step of forming a metal oxide film under a high temperature atmosphere. The oxidation process is not limited. Further, the oxidation process of the metal film is a relatively low-temperature process utilizing the reactivity of oxygen radicals. Therefore, even when depositing or oxidizing a composite film, a gradient composition film, or the like, it is possible to prevent interdiffusion between film constituent atoms and between the film constituent atoms and silicon atoms in the silicon region, A composite metal oxide film (or a gradient composition film) having a desired interface layer thickness and composition can be obtained.

尚、本願において、非酸化性雰囲気とは、実質的に酸素(酸化種)を含まない雰囲気を意味する。   In the present application, the non-oxidizing atmosphere means an atmosphere that does not substantially contain oxygen (oxidizing species).

本発明の半導体装置の製造方法において、酸素ラジカルは、酸素を含むガスを用いてプラズマ発生装置により供給されてもよいし又はオゾン発生装置により供給されてもよい。尚、後者のオゾン発生装置を用いる場合、オゾン発生装置から生じたオゾンがシリコン領域表面で酸素ラジカルと酸素分子とに分解することにより、酸素ラジカルが供給される。   In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, oxygen radicals may be supplied by a plasma generator using an oxygen-containing gas or may be supplied by an ozone generator. When the latter ozone generator is used, oxygen radicals are supplied by the decomposition of the ozone generated from the ozone generator into oxygen radicals and oxygen molecules on the surface of the silicon region.

本発明の半導体装置の製造方法において、金属膜を酸化させる領域と、酸素ラジカルを発生させる領域とが実質的に分離されていることが好ましい。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is preferable that a region for oxidizing the metal film and a region for generating oxygen radicals are substantially separated.

このようにすると、例えばリモートプラズマ酸化において酸素ラジカルと共に生じた酸素イオンが、金属膜を酸化させる領域に入りこむことを防止できる。   This can prevent oxygen ions generated together with oxygen radicals in, for example, remote plasma oxidation from entering a region where the metal film is oxidized.

本発明の半導体装置の製造方法において、金属膜の酸化は、電気的に浮遊電位に保たれた試料ホルダーの上で行なわれることが好ましい。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, it is preferable that the oxidation of the metal film is performed on a sample holder that is electrically kept at a floating potential.

このようにすると、プラズマ酸化等において酸素イオンが金属膜を酸化してしまうことを防止又は抑制できる。   This can prevent or suppress oxygen ions from oxidizing the metal film in plasma oxidation or the like.

本発明の半導体装置の製造方法において、金属膜を酸化させるときの温度の下限は、酸素ラジカルによって金属膜を酸化させることができる最低温度であってもよい。具体的には、Hf膜等の金属膜を酸化させるときの温度の下限は300℃程度である。   In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the lower limit of the temperature at which the metal film is oxidized may be the lowest temperature at which the metal film can be oxidized by oxygen radicals. Specifically, the lower limit of the temperature at which a metal film such as an Hf film is oxidized is about 300 ° C.

本発明の半導体装置の製造方法において、金属膜を酸化させるときの温度の上限は、酸素原子又は酸素分子によって金属膜の酸化が進行する最低温度であってもよい。具体的には、金属膜を酸化させるときの温度の上限は500℃程度である。   In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the upper limit of the temperature at which the metal film is oxidized may be the lowest temperature at which the oxidation of the metal film proceeds by oxygen atoms or oxygen molecules. Specifically, the upper limit of the temperature at which the metal film is oxidized is about 500 ° C.

本発明の半導体装置の製造方法において、金属膜を酸化させる際に、酸素ラジカルの金属膜への飛来数、又は酸素ラジカルによる処理時間若しくは処理温度を制御することによって、金属酸化膜とシリコン領域との界面に形成される界面層の厚さを制御してもよい。   In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, when oxidizing a metal film, by controlling the number of oxygen radicals flying to the metal film, or controlling the processing time or processing temperature by oxygen radicals, the metal oxide film and the silicon region The thickness of the interface layer formed at the interface may be controlled.

このようにすると、ゲート絶縁膜の信頼性又はキャリア移動度を向上させることができる。   This can improve the reliability of the gate insulating film or the carrier mobility.

本発明の半導体装置の製造方法において、金属膜を堆積するときのシリコン領域の温度を300℃未満とすると共に、金属膜となる金属粒子がシリコン領域に飛来する際の金属粒子1個当たりのエネルギーを1eV以下とすることが好ましい。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the temperature of the silicon region when depositing the metal film is set to less than 300 ° C., and the energy per metal particle when the metal particles serving as the metal film fly into the silicon region. Is preferably 1 eV or less.

このようにすると、シリコン領域と金属膜との間に界面層が形成されること、及び金属粒子の打ち込みによるシリコン領域へのダメージを防止できる。   This can prevent an interface layer from being formed between the silicon region and the metal film, and prevent damage to the silicon region due to implantation of metal particles.

本発明の半導体装置の製造方法において、金属膜を堆積する際に、金属膜が酸化されてなる金属酸化膜の厚さが3nm未満となるように金属膜の膜厚を設定すると、前述の本発明の効果が顕著に得られる。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, when depositing a metal film, the thickness of the metal film is set such that the thickness of the metal oxide film formed by oxidizing the metal film is less than 3 nm. The effects of the invention are remarkably obtained.

本発明の半導体装置の製造方法において、金属膜を堆積する際に、金属膜の膜厚を1.9nm未満に設定すると、前述の本発明の効果が顕著に得られる。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, when depositing a metal film, if the thickness of the metal film is set to less than 1.9 nm, the above-described effects of the present invention can be remarkably obtained.

本発明の半導体装置の製造方法において、金属膜を構成する元素が、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム及びシリコンよりなる群の中から選択されると、ゲート絶縁膜の誘電率が確実に高くなる。この場合、金属膜を構成する元素が、前記の群の中から2種類以上選択されると、ゲート絶縁膜において、誘電率と共に耐熱性を向上させることができる。また、前記の群の中から2種類以上選択された元素の金属膜中での組成比を、金属膜の膜厚方向に沿って変化させてもよい。   In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, when the element constituting the metal film is selected from the group consisting of hafnium, zirconium, titanium, tantalum, aluminum and silicon, the dielectric constant of the gate insulating film is reliably high. Become. In this case, when two or more elements constituting the metal film are selected from the above group, the gate insulating film can have improved heat resistance as well as dielectric constant. Further, the composition ratio of two or more elements selected from the above group in the metal film may be changed along the thickness direction of the metal film.

本発明の半導体装置の製造方法において、シリコン領域の上に金属膜に代えて金属窒化膜を堆積すると、ゲート絶縁膜において、誘電率と共に耐熱性を向上させることができる。   In the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, when a metal nitride film is deposited on a silicon region instead of a metal film, the gate insulating film can have improved dielectric constant and heat resistance.

本発明の半導体装置の製造方法において、ゲート絶縁膜を形成した後に、ゲート絶縁膜に対して熱処理を行なうと、ゲート絶縁膜の膜質を向上させることができる。このとき、熱処理が、実質的に酸素を含まない雰囲気、例えば不活性ガスよりなる雰囲気や真空雰囲気の中で行なわれると、界面層への酸素の供給を防止でき、それによって界面層の成長を抑制することができる。   In the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, when heat treatment is performed on the gate insulating film after forming the gate insulating film, the film quality of the gate insulating film can be improved. At this time, if the heat treatment is performed in an atmosphere that does not substantially contain oxygen, for example, an atmosphere made of an inert gas or a vacuum atmosphere, supply of oxygen to the interface layer can be prevented, thereby increasing the growth of the interface layer. Can be suppressed.

前記の各目的を達成するために、本発明に係る他の半導体装置の製造方法は、非酸化性雰囲気中において、シリコン領域の上に金属膜を堆積する工程と、該金属膜を酸化させることができるラジカルを用いて金属膜を酸化させることにより、ゲート絶縁膜となる金属酸化膜を形成する工程とを備えている。   In order to achieve each of the above objects, another method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes the steps of: depositing a metal film on a silicon region in a non-oxidizing atmosphere; and oxidizing the metal film. Forming a metal oxide film serving as a gate insulating film by oxidizing the metal film using radicals that can be formed.

本発明に係る他の半導体装置の製造方法によると、high-kゲート絶縁膜材料となる金属を予め堆積した後、該金属の酸化種(酸窒化種でもよい)として、金属膜を酸化(酸窒化でもよい)させることができるラジカル、例えば酸素ラジカル又はNOラジカル若しくはN2 Oラジカル等を用いるため、処理温度を適切に設定することによって、制御性の高い酸化性雰囲気中で金属に酸素を供給することができる。従って、シリコン基板等のシリコン領域の酸化を極力抑えながら金属膜を酸化させることができるので、低誘電率界面層の形成を抑えることができ、それによって、化学量論組成を持つ絶縁性金属酸化膜つまりhigh-kゲート絶縁膜を形成することができる。 According to another method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, after a metal serving as a material for a high-k gate insulating film is previously deposited, the metal film is oxidized (or oxynitrided) to oxidize (oxidize) the metal. Nitrogen may be used), for example, oxygen radicals, NO radicals, N 2 O radicals, or the like are used. By appropriately setting the treatment temperature, oxygen is supplied to the metal in a highly controllable oxidizing atmosphere. can do. Therefore, the metal film can be oxidized while minimizing the oxidation of the silicon region such as the silicon substrate, so that the formation of the low dielectric constant interface layer can be suppressed, whereby the insulating metal oxide having the stoichiometric composition can be suppressed. A film, that is, a high-k gate insulating film can be formed.

また、本発明の半導体装置の製造方法によると、金属膜の堆積工程と金属膜の酸化工程とが分離されているため、従来の高温雰囲気下における金属酸化膜形成工程のように膜堆積機構に酸化プロセスが律速されることがない。また、金属膜の酸化工程は、酸化種となるラジカルの反応性を利用した比較的低温のプロセスである。従って、複合膜や傾斜組成膜等の堆積時又は酸化時においても、膜構成原子同士の間の相互拡散、及び膜構成原子とシリコン領域中のシリコン原子との間の相互拡散を防止できるため、所望の界面層厚さ及び組成を持つ複合金属酸化物膜を得ることができる。   Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, since the step of depositing the metal film and the step of oxidizing the metal film are separated from each other, the film deposition mechanism is not required as in the conventional step of forming a metal oxide film under a high temperature atmosphere. The oxidation process is not limited. Further, the oxidation step of the metal film is a relatively low-temperature process utilizing the reactivity of radicals serving as oxidizing species. Therefore, even when depositing or oxidizing a composite film, a gradient composition film, or the like, it is possible to prevent interdiffusion between film constituent atoms and between the film constituent atoms and silicon atoms in the silicon region, A composite metal oxide film having a desired interface layer thickness and composition can be obtained.

本発明によると、シリコン領域の酸化を極力抑えながら金属膜を酸化させることができるので、低誘電率界面層の形成を抑えた、high-kゲート絶縁膜の形成を行なうことができる。また、本発明によると、金属膜の堆積工程と金属膜の酸化工程とを分離して、酸素ラジカルの反応性を利用した比較的低温の酸化プロセスを行なうため、複合膜や傾斜組成膜等の堆積時又は酸化時においても相互拡散を防止できるので、所望の界面層厚さ及び組成を持つ複合金属酸化物膜よりなるゲート絶縁膜を実現することができる。   According to the present invention, the metal film can be oxidized while suppressing the oxidation of the silicon region as much as possible, so that the high-k gate insulating film can be formed while suppressing the formation of the low dielectric constant interface layer. Further, according to the present invention, since the deposition process of the metal film and the oxidation process of the metal film are separated and a relatively low-temperature oxidation process utilizing the reactivity of oxygen radicals is performed, a composite film, a gradient composition film, etc. Since interdiffusion can be prevented even during deposition or oxidation, a gate insulating film made of a composite metal oxide film having a desired interface layer thickness and composition can be realized.

(比較例)
以下、本発明の各実施形態に対する比較例として、金属酸化物よりなる高誘電率ゲート絶縁膜の従来の形成方法について図面を参照しながら説明する。
(Comparative example)
Hereinafter, as a comparative example with respect to each embodiment of the present invention, a conventional method for forming a high dielectric constant gate insulating film made of a metal oxide will be described with reference to the drawings.

図1は、比較例に係る高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法の一工程を示す断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing one step of a method for forming a high dielectric constant gate insulating film according to a comparative example.

図1に示すように、まず、p型のシリコン基板1を、成膜装置のチャンバー内部に導入する。ここで、成膜装置としては、直流スパッタ法に基づく装置を用いる。続いて、シリコン基板1上に直接、金属酸化膜2を形成する。金属酸化膜2としては、ハフニウム酸化物(HfO2 )よりなる金属酸化膜を形成する。 As shown in FIG. 1, first, a p-type silicon substrate 1 is introduced into a chamber of a film forming apparatus. Here, an apparatus based on a DC sputtering method is used as a film forming apparatus. Subsequently, a metal oxide film 2 is formed directly on the silicon substrate 1. As the metal oxide film 2, a metal oxide film made of hafnium oxide (HfO 2 ) is formed.

スパッタ法による金属酸化膜2の形成においては、ターゲットとしてハフニウム(Hf)金属を用いると共にArガスとO2 ガスとの混合ガスからなる雰囲気を用いて、直流電圧の印加によりチャンバー内部に放電を起こす。このようにすると、反応性スパッタにより、HfO2 膜からなる金属酸化膜2が形成される。その際、スパッタ時間を制御することにより3〜10nm程度のHfO2 薄膜を得ることができる。 In the formation of the metal oxide film 2 by sputtering, hafnium (Hf) metal is used as a target and discharge is caused inside the chamber by applying a DC voltage using an atmosphere composed of a mixed gas of Ar gas and O 2 gas. . Thus, the metal oxide film 2 made of the HfO 2 film is formed by the reactive sputtering. At this time, an HfO 2 thin film of about 3 to 10 nm can be obtained by controlling the sputtering time.

しかしながら、この金属酸化膜2の形成工程において、図1又は図2(a)に示すように、シリコン基板1からのシリコンの拡散、及び雰囲気からの酸素の拡散によって、シリコン基板1と、金属酸化膜2であるHfO2 膜との間に界面層3が3nm程度形成される。この界面層3は、シリコン酸化膜リッチなシリケート層と考えられる。 However, in the step of forming the metal oxide film 2, as shown in FIG. 1 or 2 (a), the diffusion of silicon from the silicon substrate 1 and the diffusion of oxygen from the atmosphere cause An interface layer 3 of about 3 nm is formed between the film 2 and the HfO 2 film. This interface layer 3 is considered to be a silicon oxide film-rich silicate layer.

その後、金属酸化膜2の上に、例えばタングステン(W)膜をスパッタ法を用いて堆積した後、周知のリソグラフィ技術及びドライエッチング技術により、該W膜をゲート電極4に加工する。これによってキャパシタ構造を得ることができる。   After that, for example, a tungsten (W) film is deposited on the metal oxide film 2 by a sputtering method, and then the W film is processed into the gate electrode 4 by a known lithography technique and a dry etching technique. Thereby, a capacitor structure can be obtained.

本比較例を用いて作製した厚さ1.3〜10nmの金属酸化物薄膜(high-kゲート絶縁膜)におけるキャパシタ特性(high-k膜物理膜厚と酸化膜換算膜厚との関係)を図3の(a)のグラフに示す。図3において、堆積したhigh-k膜の物理膜厚tphy (nm)を横軸に示し、C−V測定により求めた酸化膜換算膜厚EOT(nm)を縦軸に示す。ここで、図3のグラフにおける傾きは、high-k膜の比誘電率kの逆数に相当する。従って、図3の(a)からk=30であることが分かる。また、図3の(a)に示す線を縦軸まで外挿することにより得られる、1.5nm程度の切片(y切片)は界面層のEOT値に相当する。すなわち、本比較例において界面層の物理厚さが3nm程度であったことを考慮すると、界面層の比誘電率は、シリコン酸化膜の約2倍の8程度であることが分かる。しかし、現在、high-kゲート絶縁膜の導入時期に期待されるEOT値は1.3nm程度未満と考えられているので、このようなEOT値の大きい界面層の形成を極力抑える必要がある。 The capacitor characteristics (the relationship between the high-k film physical film thickness and the equivalent oxide film thickness) of a metal oxide thin film (high-k gate insulating film) having a thickness of 1.3 to 10 nm manufactured using this comparative example are shown. This is shown in the graph of FIG. In FIG. 3, the horizontal axis represents the physical thickness t phy (nm) of the deposited high-k film, and the vertical axis represents the equivalent oxide thickness EOT (nm) obtained by CV measurement. Here, the slope in the graph of FIG. 3 corresponds to the reciprocal of the relative dielectric constant k of the high-k film. Therefore, it can be seen from FIG. 3A that k = 30. The intercept (y-intercept) of about 1.5 nm obtained by extrapolating the line shown in FIG. 3A to the vertical axis corresponds to the EOT value of the interface layer. That is, in consideration of the fact that the physical thickness of the interface layer is about 3 nm in this comparative example, it is understood that the relative dielectric constant of the interface layer is about 8 which is about twice that of the silicon oxide film. However, since the expected EOT value at the time of introducing the high-k gate insulating film is considered to be less than about 1.3 nm, it is necessary to minimize the formation of such an interface layer having a large EOT value.

本比較例のゲート絶縁膜の形成方法において、厚い界面層が形成される理由は次のように考えられる。すなわち、雰囲気ガス中の酸素イオンや酸素原子の反応性が高いために、金属酸化膜の堆積初期にシリコン基板表面が容易に酸化されてしまうからである。   The reason why the thick interface layer is formed in the method of forming the gate insulating film of this comparative example is considered as follows. That is, since the reactivity of oxygen ions and oxygen atoms in the atmosphere gas is high, the surface of the silicon substrate is easily oxidized in the initial stage of deposition of the metal oxide film.

(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法、具体的には金属酸化物よりなる高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法について説明する。
(1st Embodiment)
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, specifically, a method for forming a high dielectric constant gate insulating film made of a metal oxide will be described.

図4(a)〜(c)は、第1の実施形態に係る高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法、詳しくは、金属膜を酸化して金属酸化膜からなるゲート絶縁膜を形成する方法の各工程を示す断面図である。   FIGS. 4A to 4C show a method of forming a high dielectric constant gate insulating film according to the first embodiment, more specifically, a method of forming a gate insulating film made of a metal oxide film by oxidizing a metal film. It is sectional drawing which shows each process.

まず、p型のシリコン基板1の表面の自然酸化膜をフッ酸水溶液によって除去し、それによりシリコン清浄表面を露出させる。このとき、シリコン基板1の表面を清浄化した後に、必要に応じて、該表面を窒化してもよい。続いて、シリコン基板1を成膜装置(図示省略)のチャンバー内部に導入する。ここで、成膜装置として、PVD(physical vapor deposition )法、例えば直流スパッタ法に基づく装置を用いる。具体的には、図4(a)に示すように、直流スパッタ法により、金属原子(例えばHf原子)11をシリコン基板1に向けて飛ばして、それによってシリコン基板1上に直接、金属膜(例えばHf膜)12を形成する。金属膜12として、例えばハフニウム(Hf)金属膜を形成する場合、チャンバー内部において、ターゲット10としてハフニウム金属を用いると共に非酸化性雰囲気を用いて、直流電圧の印加により放電を起こす。このようにすると、反応性スパッタによりHf金属膜が形成される。ここで用いられる非酸化性雰囲気、例えば図4(a)のようなアルゴン(Ar)ガスからなる雰囲気の中には、実質的に酸素(酸化種)は含まれていない。また、スパッタ時間を制御することによって、所望の厚さを持つHf薄膜(金属膜12)を得ることができる。さらに、Hf薄膜を結晶化温度(約600℃)以下の基板温度で形成する場合、Hf薄膜は非晶質となり、その断面構造に柱状構造は見られない。   First, the natural oxide film on the surface of the p-type silicon substrate 1 is removed with a hydrofluoric acid aqueous solution, thereby exposing a clean silicon surface. At this time, after cleaning the surface of the silicon substrate 1, the surface may be nitrided as necessary. Subsequently, the silicon substrate 1 is introduced into a chamber of a film forming apparatus (not shown). Here, as a film forming apparatus, an apparatus based on a PVD (physical vapor deposition) method, for example, a DC sputtering method is used. Specifically, as shown in FIG. 4A, a metal atom (for example, Hf atom) 11 is blown toward the silicon substrate 1 by a direct current sputtering method, and thereby a metal film (for example, Hf atom) is directly formed on the silicon substrate 1. For example, an Hf film 12 is formed. When a hafnium (Hf) metal film is formed as the metal film 12, for example, a hafnium metal is used as the target 10 and a non-oxidizing atmosphere is used to generate a discharge by applying a DC voltage inside the chamber. By doing so, an Hf metal film is formed by reactive sputtering. The non-oxidizing atmosphere used here, for example, an atmosphere composed of argon (Ar) gas as shown in FIG. 4A, does not substantially contain oxygen (oxidizing species). Further, by controlling the sputtering time, an Hf thin film (metal film 12) having a desired thickness can be obtained. Further, when the Hf thin film is formed at a substrate temperature equal to or lower than the crystallization temperature (about 600 ° C.), the Hf thin film becomes amorphous, and no columnar structure is observed in the sectional structure.

また、金属膜12であるHf膜の堆積においては、Hf膜とシリコン基板1との界面におけるミキシング層の形成、及びそれに続く酸化を抑えるために、シリコン基板1の温度及び金属原子のエネルギーを小さくする。具体的には、シリコン基板1の温度を300℃未満とすることが望ましい。これにより、ミキシング層の厚さを薄くすることができるので、ミキシング層が酸化されて生じる界面層を薄くできる。また、Hf膜を堆積させる際には、シリコン基板1上に飛来する金属原子(Hf原子)11の1個あたりのエネルギー(粒子エネルギー)が小さいこと(具体的には1eV以下であること)がさらに望ましい。これにより、金属粒子の打ち込みによるシリコン領域へのダメージを防止できる。   In the deposition of the Hf film as the metal film 12, the temperature of the silicon substrate 1 and the energy of metal atoms are reduced in order to suppress the formation of a mixing layer at the interface between the Hf film and the silicon substrate 1 and the subsequent oxidation. I do. Specifically, it is desirable that the temperature of the silicon substrate 1 be lower than 300 ° C. Thus, the thickness of the mixing layer can be reduced, so that the interface layer generated by oxidizing the mixing layer can be reduced. When depositing an Hf film, the energy (particle energy) per metal atom (Hf atom) 11 flying on the silicon substrate 1 is small (specifically, it is 1 eV or less). More desirable. Thereby, damage to the silicon region due to the implantation of the metal particles can be prevented.

尚、本実施形態で用いているスパッタ法においては、基本的に粒子エネルギーは大きいが、動作圧力(チャンバー内部の圧力)として400Pa程度の低真空領域を選択することにより、粒子エネルギーを1eV程度に抑えることができる。また、本実施形態ではスパッタ法を用いているが、粒子エネルギ−を小さくするために、熱エネルギー程度の粒子エネルギーを実現できる、真空蒸着法、電子ビーム蒸着法、レーザ蒸着法又はCVD(chemical vapor deposition )法等を用いることもできる。   Although the particle energy is basically large in the sputtering method used in the present embodiment, the particle energy can be reduced to about 1 eV by selecting a low vacuum region of about 400 Pa as an operating pressure (pressure inside the chamber). Can be suppressed. In this embodiment, the sputtering method is used. However, in order to reduce the particle energy, it is possible to realize the particle energy of about the heat energy. The vacuum evaporation method, the electron beam evaporation method, the laser evaporation method, or the CVD (chemical vapor) method. deposition) method can also be used.

次に、図4(b)に示すように、酸化種として主に酸素ラジカル13を含む雰囲気に、Hfからなる金属膜12の表面をさらす。このとき、雰囲気中には、活性化されていない酸素原子(又は酸素分子)14も相当数含まれている。このような雰囲気中で金属膜12に対して酸化処理を行なうことにより、金属膜12から、ゲート絶縁膜となり且つ化学量論的組成を持つ金属酸化膜(具体的にはHfO2 膜)2が形成される。このとき、シリコン基板1と、金属酸化膜2であるHfO2 膜との間に界面層3が形成される。界面層3は、シリコン基板1の表面が酸化されてなるシリコン酸化膜、又は極僅かなHfを含むシリケートである。 Next, as shown in FIG. 4B, the surface of the metal film 12 made of Hf is exposed to an atmosphere mainly containing oxygen radicals 13 as oxidizing species. At this time, the atmosphere contains a considerable number of unactivated oxygen atoms (or oxygen molecules) 14. By oxidizing the metal film 12 in such an atmosphere, a metal oxide film (specifically, an HfO 2 film) 2 having a stoichiometric composition becomes a gate insulating film from the metal film 12. It is formed. At this time, an interface layer 3 is formed between the silicon substrate 1 and the HfO 2 film as the metal oxide film 2. The interface layer 3 is a silicon oxide film formed by oxidizing the surface of the silicon substrate 1, or a silicate containing a very small amount of Hf.

尚、酸素ラジカル13の発生装置としては、プラズマ発生装置やオゾン発生装置を用いることができるが、本実施形態では、図5に示すような、リモートプラズマ処理装置を用いることができる。以下、この装置による金属膜表面の酸化処理について説明する。   Note that a plasma generator or an ozone generator can be used as a generator of the oxygen radicals 13. In the present embodiment, a remote plasma processing apparatus as shown in FIG. 5 can be used. Hereinafter, the oxidation treatment of the metal film surface by this apparatus will be described.

まず、図5に示すように、シリコン基板(シリコンウェハ)1を、リモートプラズマ処理装置50のチャンバー51に導入し、基板ホルダー52の上に設置する。次に、チャンバー51の上側に設置されたラジカル生成室53に、ボンベ54から、酸素を含んだガス、例えばO2 ガス又はN2 Oガスを導入し、RF電力を印加することによって、ラジカル生成室53内に、酸素を含んだプラズマ55を発生させる。尚、RF電力の印加のために、高周波電源56がマッチャー57を介してラジカル生成室53に接続されている。また、チャンバー51とラジカル生成室53とは複数の接続孔により接続されている。 First, as shown in FIG. 5, a silicon substrate (silicon wafer) 1 is introduced into a chamber 51 of a remote plasma processing apparatus 50, and is placed on a substrate holder 52. Next, a gas containing oxygen, for example, an O 2 gas or an N 2 O gas is introduced from a cylinder 54 into a radical generation chamber 53 provided above the chamber 51, and RF power is applied to generate radicals. A plasma 55 containing oxygen is generated in the chamber 53. Note that a high-frequency power supply 56 is connected to the radical generation chamber 53 via a matcher 57 for applying RF power. The chamber 51 and the radical generation chamber 53 are connected by a plurality of connection holes.

プラズマ55の発生時には、ラジカル生成室53のプラズマ55にシリコンウェハ1が直接曝されることが無いように、空間的に又は電気的に酸素イオンをラジカル生成室53内に閉じ込める等の工夫が必要である。そこで、本実施形態では、バイアス電力を印加せずに基板ホルダー52を浮遊電位に保つことにより、プラズマ55にシリコンウェハ1が直接曝されることを防止する。これにより、シリコンウェハ1に到達する酸化種を、酸素イオンではなく、酸素原子(分子)14と酸素ラジカル13とにすることができる。尚、ラジカル生成室53の具体的な実現方式としては、種々のプラズマ発生装置の他に、オゾン発生装置を用いることもできる。後者のオゾン発生装置を用いた場合、オゾン発生装置から生じたオゾンがシリコン領域表面で酸素ラジカルと酸素分子とに分解することにより、酸素ラジカルが供給される。   At the time of generation of the plasma 55, it is necessary to confine spatially or electrically oxygen ions in the radical generation chamber 53 so that the silicon wafer 1 is not directly exposed to the plasma 55 in the radical generation chamber 53. It is. Therefore, in the present embodiment, the silicon wafer 1 is prevented from being directly exposed to the plasma 55 by maintaining the substrate holder 52 at the floating potential without applying the bias power. As a result, the oxidizing species reaching the silicon wafer 1 can be changed to oxygen atoms (molecules) 14 and oxygen radicals 13 instead of oxygen ions. As a specific method of realizing the radical generation chamber 53, an ozone generator can be used in addition to various plasma generators. When the latter ozone generator is used, ozone generated from the ozone generator is decomposed into oxygen radicals and oxygen molecules on the surface of the silicon region, so that oxygen radicals are supplied.

以上に説明したように、例えばO2 若しくはN2 Oを含むガスを用いたリモートプラズマ処理装置又はオゾン発生装置を用いてHf金属膜の酸化処理を行なうことにより、Hf金属膜に対して、主として酸素ラジカルを用いた酸化処理を行なうことができる。酸素ラジカルは、酸素原子(分子)と比べると、化学反応性が高い一方、酸素イオンと比べると、金属膜中へ入り込むための運動エネルギーが小さい。 As described above, for example, the Hf metal film is oxidized using a remote plasma processing apparatus or an ozone generator using a gas containing O 2 or N 2 O, so that the Hf metal film is mainly treated. Oxidation treatment using oxygen radicals can be performed. Oxygen radicals have higher chemical reactivity than oxygen atoms (molecules), but have lower kinetic energy to enter the metal film than oxygen ions.

さて、酸素原子(分子)を用いてHf金属膜を酸化することにより、金属酸化膜であるHfO2 膜を得るためには、数百℃以上の酸化性雰囲気中での熱処理が必要となる。しかし、その場合、Hf金属膜のみならずシリコン基板表面への酸素の供給も避けられないため、シリコン基板とHf金属膜との間に低誘電率の界面層が形成される。このような界面層が形成されると、図3の(a)のようにhigh-kゲート絶縁膜全体の誘電率が小さくなってしまう(すなわちEOTが大きくなってしまう)。また、高温の熱処理によって、金属膜の酸化と同時に金属酸化膜の結晶化が起こる結果、結晶粒界を介したリーク電流の程度が深刻になる。 Now, in order to obtain a HfO 2 film which is a metal oxide film by oxidizing the Hf metal film using oxygen atoms (molecules), a heat treatment in an oxidizing atmosphere of several hundred ° C. or more is required. However, in this case, supply of oxygen not only to the Hf metal film but also to the silicon substrate surface is unavoidable, so that an interface layer having a low dielectric constant is formed between the silicon substrate and the Hf metal film. When such an interface layer is formed, the dielectric constant of the entire high-k gate insulating film decreases as shown in FIG. 3A (that is, EOT increases). In addition, as a result of crystallization of the metal oxide film at the same time as oxidation of the metal film due to the high-temperature heat treatment, the degree of leakage current via the crystal grain boundaries becomes serious.

他方、酸素イオンを用いる場合には、シリコン基板の処理温度が300℃程度以下であっても、金属膜を酸化させることができる。これにより、金属酸化膜の結晶化を抑えることもできる。また、酸素イオンのエネルギー制御によって、界面層形成の抑制及び制御も行なうことができる。しかしながら、酸化対象の金属膜の膜厚が1nm前後になってくると、又は、酸化後の金属酸化膜の膜厚が3nm以下になってくると、原理的に不可能になるわけではないが、極薄の膜厚に対応する低エネルギーイオンを完全に制御することが容易ではなくなってくるので、界面層形成を抑制することが難しくなってくる。   On the other hand, when oxygen ions are used, the metal film can be oxidized even when the processing temperature of the silicon substrate is about 300 ° C. or less. Thus, crystallization of the metal oxide film can be suppressed. Further, by controlling the energy of oxygen ions, it is possible to suppress and control the formation of the interface layer. However, if the thickness of the metal film to be oxidized becomes about 1 nm, or if the thickness of the oxidized metal oxide film becomes 3 nm or less, it is not impossible in principle. In addition, since it becomes difficult to completely control low energy ions corresponding to an extremely thin film thickness, it becomes difficult to suppress the formation of an interface layer.

それに対して、酸素ラジカルを用いる場合には、その化学反応性と比較的低温での熱拡散効果とを併用することにより、酸素原子(分子)や酸素イオンとは異なるプロセスウィンドウが存在する。以下、このことについて図6及び図7を参照しながら説明する。   On the other hand, when oxygen radicals are used, a process window different from oxygen atoms (molecules) and oxygen ions exists by using both the chemical reactivity and the thermal diffusion effect at a relatively low temperature. Hereinafter, this will be described with reference to FIGS. 6 and 7.

図6の(a)のグラフは、酸素ラジカルを用いてHf金属膜に対する酸化処理を一定時間(120秒)行なった場合における、Hf金属膜の酸化後の膜厚増加率の処理温度に対する依存性を示している。尚、参考のため、図6の(b)のグラフに、酸素原子(酸素分子)を用いてHf金属膜に対する酸化処理を一定時間(120秒)行なった場合における、Hf金属膜の酸化後の膜厚増加率の処理温度に対する依存性を示している。ここで、膜厚増加率とは、酸化前のHf金属膜の膜厚t0 に対する酸化後のHf金属膜(Hf酸化膜)の膜厚tの比t/t0 のことである。Hf金属膜が酸化されて化学量論組成を持つHfO2 膜が形成された場合、t/t0 は1.6程度になる。従って、Hf金属膜の酸化によってt/t0 が1.6を越える程度に膜厚が増加している場合、界面層が形成されたと考えることができる。 The graph in FIG. 6A shows the dependence of the rate of increase in the thickness of the Hf metal film after oxidation on the processing temperature when the oxidation treatment of the Hf metal film is performed for a certain period of time (120 seconds) using oxygen radicals. Is shown. For reference, the graph of FIG. 6B shows the Hf metal film after the oxidation of the Hf metal film in the case where the oxidation treatment was performed on the Hf metal film using oxygen atoms (oxygen molecules) for a certain period of time (120 seconds). This shows the dependence of the film thickness increase rate on the processing temperature. Here, the film thickness increase rate is a ratio t / t 0 of the thickness t of the Hf metal film (Hf oxide film) after oxidation to the thickness t 0 of the Hf metal film before oxidation. When the Hf metal film is oxidized to form a HfO 2 film having a stoichiometric composition, t / t 0 is about 1.6. Therefore, if the thickness of the Hf metal film is increased to an extent that t / t 0 exceeds 1.6 due to oxidation of the Hf metal film, it can be considered that an interface layer has been formed.

図6からわかるように、酸素ラジカルを用いた酸化処理の温度が300℃程度と低い場合には、酸素原子(酸素分子)を用いた場合と同様に、Hf金属膜の酸化を示す膜厚増加は見られない。逆に、酸素ラジカルを用いた酸化処理の温度が500℃程度と高い場合には、酸素原子(酸素分子)を用いた場合と同様に、熱拡散によって酸化反応が完全に支配されてしまうので、界面層形成を避けることはできない。すなわち、酸素ラジカルを用いることによる優位性が見られるのは、これらの温度に挟まれた中間温度領域(300〜500℃)である。言い換えると、この温度領域において酸素原子(酸素分子)を用いた場合にはHf金属膜の酸化反応が見られないのに対して、この温度領域において酸素ラジカルを用いた場合にはHf金属膜の酸化反応による膜厚の増加が見られる。この場合、酸素ラジカルの化学反応性と基板加熱による熱拡散効果とがあいまって、独自の酸化反応機構が働いたものと考えられる。   As can be seen from FIG. 6, when the temperature of the oxidation treatment using oxygen radicals is as low as about 300 ° C., as in the case where oxygen atoms (oxygen molecules) are used, an increase in the film thickness indicating oxidation of the Hf metal film. Can not be seen. Conversely, when the temperature of the oxidation treatment using oxygen radicals is as high as about 500 ° C., the oxidation reaction is completely controlled by thermal diffusion, as in the case of using oxygen atoms (oxygen molecules). Interfacial layer formation cannot be avoided. That is, the advantage of using oxygen radicals is found in the intermediate temperature range (300 to 500 ° C.) between these temperatures. In other words, when oxygen atoms (oxygen molecules) are used in this temperature range, no oxidation reaction of the Hf metal film is observed, whereas when oxygen radicals are used in this temperature range, the Hf metal film is not oxidized. An increase in the film thickness due to the oxidation reaction is observed. In this case, it is considered that the chemical reaction of oxygen radicals and the thermal diffusion effect due to the heating of the substrate were combined, and a unique oxidation reaction mechanism worked.

図7は、膜厚3nmのHf金属膜に対して酸素ラジカルを用いて酸化処理を400℃で行なうことにより得られたHfO2 膜における、酸化膜換算膜厚EOT及びリーク電流密度Jgのそれぞれの処理時間(酸素ラジカルの照射時間)に対する依存性を示している。ここで、金属膜の酸化は、酸素ラジカルの供給量に加えて熱拡散現象にも依存しているため、金属膜が完全に酸化されて、安定した組成(化学量論組成)を持つ金属酸化膜が形成されるまでには、図7に示すように、金属膜膜厚及び酸化処理温度等に応じた一定の処理時間が必要になる。 FIG. 7 shows the respective oxide film equivalent film thickness EOT and leak current density Jg of a HfO 2 film obtained by performing an oxidation treatment at 400 ° C. using oxygen radicals on a 3 nm-thick Hf metal film. This shows the dependence on the processing time (irradiation time of oxygen radicals). Here, since the oxidation of the metal film depends not only on the supply amount of oxygen radicals but also on the thermal diffusion phenomenon, the metal film is completely oxidized and has a stable composition (stoichiometric composition). Until the film is formed, as shown in FIG. 7, a certain processing time is required according to the thickness of the metal film, the oxidation temperature and the like.

以上のように、酸素ラジカルを用いた金属膜の酸化においては、酸素ラジカルの化学反応性と比較的低温での熱拡散効果とを併用できることにより、酸素原子(酸素分子)や酸素イオンを用いた金属膜の酸化とは異なるプロセスウィンドウを持つことができる。   As described above, in the oxidation of a metal film using oxygen radicals, oxygen atoms (oxygen molecules) and oxygen ions are used because the chemical reactivity of oxygen radicals and the thermal diffusion effect at a relatively low temperature can be used together. It can have a different process window than the oxidation of the metal film.

また、本実施形態の酸素ラジカルを用いた酸化処理方法は、界面層形成が酸化膜換算膜厚EOTに深刻な影響を与える、金属酸化膜(具体的にはHfO2 膜)の膜厚が3nm未満の領域、言い換えると、酸化処理前の金属膜の膜厚が1.9nm未満の領域において、比較例等の従来技術に対して特に優位性を持つ。 Further, in the oxidation treatment method using oxygen radicals of this embodiment, the thickness of the metal oxide film (specifically, the HfO 2 film) is 3 nm because the formation of the interface layer has a serious effect on the oxide film equivalent thickness EOT. In the region where the thickness is less than 1.9 nm, in other words, in the region where the thickness of the metal film before the oxidation treatment is less than 1.9 nm, there is a particular advantage over the prior art such as the comparative example.

さらに、本実施形態においても、Hf金属膜12を酸化しつつ、シリコン基板1とHf金属膜12との間に形成される界面層3への酸素供給を防ぐためには、酸化処理されるHf金属膜12の膜厚及び処理温度等に応じて処理時間を制御する必要がある。ここで、本実施形態に基づいて各種膜厚(1〜6nm)のHf金属膜に対して処理温度400℃、処理時間120secの一律の酸化処理を行なうことにより作製した金属酸化膜(high-kゲート絶縁膜)における、キャパシタ特性(high-k膜物理膜厚と酸化膜換算膜厚EOTとの関係)を図3の(b)のグラフに示す。   Further, also in the present embodiment, in order to prevent the supply of oxygen to the interface layer 3 formed between the silicon substrate 1 and the Hf metal film 12 while oxidizing the Hf metal film 12, the Hf metal to be oxidized is used. It is necessary to control the processing time according to the film thickness of the film 12, the processing temperature, and the like. Here, a metal oxide film (high-k) manufactured by performing a uniform oxidation treatment on the Hf metal film having various thicknesses (1 to 6 nm) based on the present embodiment at a processing temperature of 400 ° C. and a processing time of 120 sec. The characteristics of the capacitor (the relationship between the high-k film physical film thickness and the equivalent oxide film thickness EOT) in the gate insulating film) are shown in the graph of FIG.

尚、本実施形態においては、図4(b)に示す金属膜12の酸化処理、つまりhigh-kゲート絶縁膜となる金属酸化膜2の形成工程の後に、金属酸化膜2の電気特性等の膜質を十分に向上させるために、図4(c)に示すように、後処理工程として、酸化処理後のアニールを行なう。具体的には、酸化処理における非平衡性を改善するために、つまり、酸素原子とHf金属原子との結合性や均一性を高めるために、後処理工程として、酸化処理後のアニールを行なう。このとき、実質的に酸素(酸化種)を含まない雰囲気中、例えば図4(c)のような窒素(N2 )からなる雰囲気中、又はアルゴン等の不活性ガスからなる雰囲気中で熱処理を行なうことにより、界面層3への酸素の供給を避け、それにより界面層3の厚さが増大することを抑制することができる。また、実質的に酸素を含まない雰囲気として、真空雰囲気を用いてもよい。 In the present embodiment, after the oxidation treatment of the metal film 12 shown in FIG. 4B, that is, the step of forming the metal oxide film 2 serving as the high-k gate insulating film, the electrical characteristics of the metal oxide film 2 are changed. In order to sufficiently improve the film quality, as shown in FIG. 4C, annealing after the oxidation treatment is performed as a post-processing step. Specifically, in order to improve the non-equilibrium in the oxidation treatment, that is, to improve the bonding property and uniformity between oxygen atoms and Hf metal atoms, annealing after the oxidation treatment is performed as a post-treatment step. At this time, the heat treatment is performed in an atmosphere containing substantially no oxygen (oxidizing species), for example, in an atmosphere of nitrogen (N 2 ) as shown in FIG. 4C, or in an atmosphere of an inert gas such as argon. By doing so, it is possible to avoid supply of oxygen to the interface layer 3 and thereby suppress an increase in the thickness of the interface layer 3. Further, a vacuum atmosphere may be used as the atmosphere that does not substantially contain oxygen.

以上に説明したように、本実施形態によると、high-kゲート絶縁膜材料となる金属(Hf金属)を予め堆積した後、該金属の酸化種として酸素ラジカル13を用いるため、処理温度を適切に設定することによって、制御性の高い酸化性雰囲気中で金属に酸素を供給することができる。従って、シリコン基板1の酸化を極力抑えながら金属膜12を酸化させることができるので、低誘電率の界面層3の形成を抑えることができ、それによって、化学量論組成を持つ絶縁性の金属酸化膜2つまりhigh-kゲート絶縁膜を形成することができる。   As described above, according to this embodiment, after the metal (Hf metal) serving as the material of the high-k gate insulating film is deposited in advance, and the oxygen radical 13 is used as the oxidizing species of the metal, the processing temperature is appropriately set. , Oxygen can be supplied to the metal in an oxidizing atmosphere with high controllability. Therefore, since the metal film 12 can be oxidized while suppressing the oxidation of the silicon substrate 1 as much as possible, the formation of the interface layer 3 having a low dielectric constant can be suppressed, whereby the insulating metal having a stoichiometric composition can be suppressed. The oxide film 2, that is, a high-k gate insulating film can be formed.

具体的には、比較例において数百℃以上の酸化性雰囲気でのスパッタリングによってHfO2 膜(金属酸化膜2)を形成すると、図2(a)に示すように、界面層3の厚さが大きくなるのに対して、本実施形態では、図2(b)に示すように、界面層3の厚さが薄くなり、その結果、図3の(b)のような優れた電気特性を得ることができる。具体的には、図3の(b)から、酸素ラジカルを用いた本実施形態におけるEOTへの界面層寄与分は0.4nm程度であって、比較例と比べて1nm程度も抑制されていることが分かる。 Specifically, when the HfO 2 film (metal oxide film 2) is formed by sputtering in an oxidizing atmosphere at a temperature of several hundred degrees Celsius or more in the comparative example, as shown in FIG. On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 2B, the thickness of the interface layer 3 is reduced, and as a result, excellent electrical characteristics as shown in FIG. 3B are obtained. be able to. Specifically, from FIG. 3B, the contribution of the interface layer to EOT in this embodiment using oxygen radicals is about 0.4 nm, which is suppressed by about 1 nm as compared with the comparative example. You can see that.

前述のように本実施形態においては、最適化の度合い等の詳細は不明であるが、酸素ラジカルの化学反応性と基板加熱による熱拡散効果とがあいまって独自の酸化反応機構が働き、その結果、界面層形成が最大限に抑えられると考えられる。また、本実施形態の酸素ラジカルを用いた酸化処理方法は、界面層形成が酸化膜換算膜厚EOTに深刻な影響を与える、金属酸化膜の膜厚が3nm未満の領域、つまり酸化処理前の金属膜の膜厚が1.9nm未満の領域において、比較例等の従来技術に対して特に優位性を持つ。   As described above, in the present embodiment, the details such as the degree of optimization are unknown, but a unique oxidation reaction mechanism works due to the combination of the chemical reactivity of oxygen radicals and the heat diffusion effect by substrate heating. It is considered that the formation of the interface layer can be suppressed to the maximum. Further, in the oxidation treatment method using oxygen radicals of the present embodiment, in the region where the thickness of the metal oxide film is less than 3 nm, that is, before the oxidation treatment, the formation of the interface layer seriously affects the equivalent oxide thickness EOT. In the region where the thickness of the metal film is less than 1.9 nm, it is particularly superior to the prior art such as the comparative example.

また、本実施形態の酸素ラジカルを用いた酸化処理は、酸素イオンを用いた酸化処理と比べて、膜均一性の面でプラズマ分布等の影響を直接受けないこと(例えば酸素イオンはプラズマ分布の影響を直接受けてしまう)、及び膜質の面でイオン衝撃等のダメージを受けないこと等の優位な点を持つ。   In addition, the oxidation treatment using oxygen radicals of the present embodiment is not directly affected by plasma distribution or the like in terms of film uniformity as compared with the oxidation treatment using oxygen ions (for example, oxygen ions And is not affected by ion bombardment in terms of film quality.

また、本実施形態によると、金属膜12の堆積工程と金属膜12の酸化工程とが分離されているため、従来の高温雰囲気下における金属酸化膜形成工程のように膜堆積機構に酸化プロセスが律速されることがない。また、金属膜12の酸化工程は、酸素ラジカル13の反応性を利用した比較的低温のプロセスである。従って、複合膜や傾斜組成膜等の堆積時又は酸化時においても、膜構成原子同士の間の相互拡散、及び膜構成原子とシリコン基板中のシリコン原子との間の相互拡散を防止できるため、所望の界面層厚さ及び組成を持つ複合金属酸化物膜を得ることができる。   Further, according to the present embodiment, since the deposition process of the metal film 12 and the oxidation process of the metal film 12 are separated, the oxidation process is not included in the film deposition mechanism as in the conventional metal oxide film formation process under a high temperature atmosphere. There is no limit. Further, the step of oxidizing the metal film 12 is a relatively low temperature process utilizing the reactivity of the oxygen radicals 13. Therefore, even when depositing or oxidizing a composite film or a gradient composition film, etc., it is possible to prevent interdiffusion between film constituent atoms and between the film constituent atoms and silicon atoms in the silicon substrate. A composite metal oxide film having a desired interface layer thickness and composition can be obtained.

尚、第1の実施形態において、higk-kゲート絶縁膜が形成されるシリコン領域はシリコン基板1に限られず、シリコン膜であってもよいし、又は、主としてシリコンからなる基板若しくは膜であってもよい。   In the first embodiment, the silicon region where the higk-k gate insulating film is formed is not limited to the silicon substrate 1 and may be a silicon film or a substrate or a film mainly made of silicon. Is also good.

また、第1の実施形態において、シリコン基板1の表面に直接、Hfからなる金属膜12を形成したが、これに代えて、金属膜12を形成する前に、シリコン基板1の表面に対して窒化処理(前処理)を行なってもよい。これにより、界面層の形成をさらに抑えることができる。   Further, in the first embodiment, the metal film 12 made of Hf is formed directly on the surface of the silicon substrate 1. Alternatively, the metal film 12 may be formed on the surface of the silicon substrate 1 before forming the metal film 12. A nitriding treatment (pretreatment) may be performed. Thereby, the formation of the interface layer can be further suppressed.

また、第1の実施形態において、金属膜12の材料としてHfを例にとって説明したが、Hfに限られず、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム又はその他の金属(例えば希土類金属の群から選択したLa等)を用いてもよい。このようにすると、金属膜が酸化されてなる金属酸化膜(つまりhigh-kゲート絶縁膜)の誘電率が高くなる。また、金属膜12を構成する元素として、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム及びその他の金属(例えば希土類金属の群から選択したLa等)並びにシリコンの中から2種類以上の元素を選択してもよい。このようにすると、high-kゲート絶縁膜において、誘電率と共に耐熱性を向上させることができる。このとき、選択された2種類以上の元素の金属膜中での組成比を、金属膜の膜厚方向に沿って変化させてもよい。   In the first embodiment, the material of the metal film 12 has been described using Hf as an example. However, the material is not limited to Hf, and may be zirconium, titanium, tantalum, aluminum, or another metal (for example, La or the like selected from the group of rare earth metals). ) May be used. By doing so, the dielectric constant of the metal oxide film (that is, the high-k gate insulating film) formed by oxidizing the metal film increases. Further, as an element constituting the metal film 12, two or more elements are selected from hafnium, zirconium, titanium, tantalum, aluminum and other metals (for example, La selected from the group of rare earth metals) and silicon. Is also good. This makes it possible to improve the heat resistance as well as the dielectric constant of the high-k gate insulating film. At this time, the composition ratio of the selected two or more elements in the metal film may be changed along the thickness direction of the metal film.

また、第1の実施形態において、金属膜12を酸化させるときの温度の下限は、酸素ラジカル13によって金属膜12を酸化させることができる最低温度であってもよい。具体的には、金属膜12がHf金属等である場合、該温度の下限は300℃である。   In the first embodiment, the lower limit of the temperature at which the metal film 12 is oxidized may be the lowest temperature at which the metal film 12 can be oxidized by the oxygen radicals 13. Specifically, when the metal film 12 is Hf metal or the like, the lower limit of the temperature is 300 ° C.

また、第1の実施形態において、金属膜12を酸化させるときの温度の上限は、酸素原子又は酸素分子によって金属膜12の酸化が進行する最低温度であってもよい。具体的には、金属膜12がHf金属等である場合、該温度の上限は500℃である。   In the first embodiment, the upper limit of the temperature at which the metal film 12 is oxidized may be the lowest temperature at which the oxidation of the metal film 12 proceeds by oxygen atoms or oxygen molecules. Specifically, when the metal film 12 is Hf metal or the like, the upper limit of the temperature is 500 ° C.

また、第1の実施形態において、金属膜12の酸化種となるラジカルとして酸素ラジカルを用いたが、これに代えて、NOラジカル又はN2 Oラジカル等の他のラジカルを用いてもよい。 In the first embodiment, an oxygen radical is used as a radical serving as an oxidizing species of the metal film 12, but another radical such as a NO radical or an N 2 O radical may be used instead.

また、第1の実施形態において、図4(b)に示す、金属酸化膜2の形成工程よりも後に、実質的に酸素を含まない雰囲気中において金属酸化膜2の上に他の金属膜を堆積する工程と、酸素を含む雰囲気中において該他の金属膜を酸化させることにより、ゲート絶縁膜となる他の金属酸化膜を形成する工程とを備えていてもよい。言い換えると、薄い金属膜の堆積と該金属膜の酸化とを繰り返し行なってもよい。このようにすると、金属膜が完全に酸化されるので、化学量論的組成を持つ金属酸化膜を得やすくなる。   In the first embodiment, after the step of forming the metal oxide film 2 shown in FIG. 4B, another metal film is formed on the metal oxide film 2 in an atmosphere containing substantially no oxygen. The method may include a step of depositing and a step of forming another metal oxide film to be a gate insulating film by oxidizing the other metal film in an atmosphere containing oxygen. In other words, the deposition of the thin metal film and the oxidation of the metal film may be repeatedly performed. In this case, since the metal film is completely oxidized, it becomes easy to obtain a metal oxide film having a stoichiometric composition.

また、第1の実施形態において、金属酸化膜2つまりhigh-k膜の用途としてゲート絶縁膜を例にして説明したが、これに代えて、high-k膜を他の用途、例えば容量絶縁膜に用いてもよいことは言うまでもない。   In the first embodiment, the metal oxide film 2, that is, the gate insulating film has been described as an example of the application of the high-k film. Needless to say, it may be used for

(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法、具体的には金属酸化物よりなる高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法について説明する。本実施形態の特徴は、ゲート絶縁膜を構成する高誘電体材料に、実効的な誘電率に加えて耐熱性を向上させる手段として提案されている、各種金属の酸窒化膜を用いることである。具体的には、酸素ラジカルを用いて金属窒化膜に対して酸化処理を施すことにより、高誘電体材料、つまりゲート絶縁膜用の金属酸窒化膜を得る方法について述べる。
(Second embodiment)
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, specifically, a method for forming a high dielectric constant gate insulating film made of a metal oxide will be described. The feature of the present embodiment is that an oxynitride film of various metals, which has been proposed as a means for improving the heat resistance in addition to the effective dielectric constant, is used for the high dielectric material constituting the gate insulating film. . Specifically, a method for obtaining a high dielectric material, that is, a metal oxynitride film for a gate insulating film by performing an oxidation treatment on a metal nitride film using oxygen radicals will be described.

図8(a)〜(c)は、第2の実施形態に係る高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。   FIGS. 8A to 8C are cross-sectional views showing each step of a method for forming a high dielectric constant gate insulating film according to the second embodiment.

まず、p型のシリコン基板1の表面の自然酸化膜をフッ酸水溶液によって除去し、それによりシリコン清浄表面を露出させる。このとき、シリコン基板1の表面を清浄化した後に、必要に応じて、該表面を窒化してもよい。続いて、シリコン基板1を成膜装置(図示省略)のチャンバー内部に導入する。ここで、成膜装置として、PVD法、例えば直流スパッタ法に基づく装置を用いる。具体的には、図8(a)に示すように、直流スパッタ法により、金属原子(例えばHf原子)11及び窒素原子16をシリコン基板1に向けて飛ばして、それによってシリコン基板1上に直接、金属窒化膜(例えばHfN(窒化ハフニウム)膜)17を形成する。金属窒化膜17として、例えばHfN金属窒化膜を形成する場合、チャンバー内部において、ターゲット10としてハフニウム金属を用いると共にArガスと窒素(N2 )ガスとからなる非酸化性雰囲気(図8(a)参照)を用いて、直流電圧の印加により放電を起こす。このようにすると、反応性スパッタによりHfN金属窒化膜が形成される。 First, the natural oxide film on the surface of the p-type silicon substrate 1 is removed with a hydrofluoric acid aqueous solution, thereby exposing a clean silicon surface. At this time, after cleaning the surface of the silicon substrate 1, the surface may be nitrided as necessary. Subsequently, the silicon substrate 1 is introduced into a chamber of a film forming apparatus (not shown). Here, an apparatus based on a PVD method, for example, a DC sputtering method is used as a film forming apparatus. Specifically, as shown in FIG. 8A, metal atoms (for example, Hf atoms) 11 and nitrogen atoms 16 are blown toward the silicon substrate 1 by a direct current sputtering method, and thereby, are directly formed on the silicon substrate 1. Then, a metal nitride film (for example, a HfN (hafnium nitride) film) 17 is formed. When, for example, an HfN metal nitride film is formed as the metal nitride film 17, inside the chamber, a hafnium metal is used as the target 10 and a non-oxidizing atmosphere composed of Ar gas and nitrogen (N 2 ) gas (FIG. 8A). ) To generate a discharge when a DC voltage is applied. By doing so, an HfN metal nitride film is formed by reactive sputtering.

すなわち、本実施形態が第1の実施形態(図4(a)〜(c)参照)と異なっている点は、シリコン基板1上にHf金属膜12に代えてHfN金属窒化膜17を形成している点である。   That is, the present embodiment is different from the first embodiment (see FIGS. 4A to 4C) in that an HfN metal nitride film 17 is formed on the silicon substrate 1 instead of the Hf metal film 12. That is the point.

次に、図8(b)に示すように、酸化種として主に酸素ラジカル13を含む雰囲気に、HfNからなる金属窒化膜17の表面をさらす。このとき、雰囲気中には、活性化されていない酸素原子(又は酸素分子)14も相当数含まれている。このような雰囲気中で金属窒化膜17に対して酸化処理を行なうことにより、金属窒化膜17から、ゲート絶縁膜となる金属酸窒化膜(具体的にはHfON膜)18が形成される。このとき、シリコン基板1と、金属酸窒化膜18であるHfON膜との間に界面層3が形成される。界面層3は、シリコン基板1の表面が酸化されてなるシリコン酸化膜、又は極僅かなHf及びNを含むシリケートである。   Next, as shown in FIG. 8B, the surface of the metal nitride film 17 made of HfN is exposed to an atmosphere mainly containing oxygen radicals 13 as oxidizing species. At this time, the atmosphere contains a considerable number of unactivated oxygen atoms (or oxygen molecules) 14. By oxidizing the metal nitride film 17 in such an atmosphere, a metal oxynitride film (specifically, an HfON film) 18 serving as a gate insulating film is formed from the metal nitride film 17. At this time, the interface layer 3 is formed between the silicon substrate 1 and the HfON film which is the metal oxynitride film 18. The interface layer 3 is a silicon oxide film formed by oxidizing the surface of the silicon substrate 1 or a silicate containing very small amounts of Hf and N.

尚、本実施形態では、酸素ラジカル13の発生装置として、第1の実施形態と同様に、図5に示すようなリモートプラズマ処理装置を用いる。具体的には、シリコン基板(シリコンウェハ)1を、リモートプラズマ処理装置50のチャンバー51に導入し、基板ホルダー52の上に設置する。次に、チャンバー51の上側に設置されたラジカル生成室53に、ボンベ54から、酸素を含んだガス、例えばO2 ガス又はN2 Oガスを導入し、RF電力を印加することによって、ラジカル生成室53内に、酸素を含んだプラズマ55を発生させる。ここで、基板ホルダー52を浮遊電位に保つことにより、シリコンウェハ1に到達する酸化種を、酸素イオンを除く酸素原子(分子)14と酸素ラジカル13とにすることができる。また、基板温度を400℃に保つことにより、主として酸素ラジカルによる酸化処理を、HfNからなる金属窒化膜17に対して行なうことができる。すなわち、HfN金属窒化膜17へ酸素を注入してHfON金属酸窒化膜18を形成することができる。 In this embodiment, a remote plasma processing apparatus as shown in FIG. 5 is used as the oxygen radical 13 generator, as in the first embodiment. Specifically, the silicon substrate (silicon wafer) 1 is introduced into the chamber 51 of the remote plasma processing apparatus 50, and is set on the substrate holder 52. Next, a gas containing oxygen, for example, an O 2 gas or an N 2 O gas is introduced from a cylinder 54 into a radical generation chamber 53 provided above the chamber 51, and RF power is applied to generate radicals. A plasma 55 containing oxygen is generated in the chamber 53. Here, by keeping the substrate holder 52 at the floating potential, the oxidizing species reaching the silicon wafer 1 can be oxygen atoms (molecules) 14 and oxygen radicals 13 excluding oxygen ions. By maintaining the substrate temperature at 400 ° C., the oxidation treatment mainly by oxygen radicals can be performed on the metal nitride film 17 made of HfN. That is, the HfON metal oxynitride film 18 can be formed by injecting oxygen into the HfN metal nitride film 17.

次に、HfON金属酸窒化膜18つまりhigh-kゲート絶縁膜の形成後、金属酸窒化膜18の電気特性等の膜質を十分に向上させるために、図8(c)に示すように、後処理工程として熱処理を行なう。このHfON膜形成後の熱処理においては、実質的に酸素(酸化種)を含まない雰囲気中、例えば図8(c)のような窒素からなる雰囲気中、又はアルゴン等の不活性ガスからなる雰囲気中で熱処理を行なうことにより、界面層3への酸素の供給を避け、それにより界面層3の厚さが増大することを抑制することができる。この熱処理によって、酸素が供給されたHfN金属窒化膜中に酸素を均等に分布させることができ、それによってHfON金属酸窒化膜18の組成を化学量論組成にすることができる。   Next, after the HfON metal oxynitride film 18, that is, the high-k gate insulating film, is formed, as shown in FIG. Heat treatment is performed as a processing step. In the heat treatment after the formation of the HfON film, in an atmosphere containing substantially no oxygen (oxidizing species), for example, in an atmosphere of nitrogen as shown in FIG. 8C, or in an atmosphere of an inert gas such as argon. By performing the heat treatment in, the supply of oxygen to the interface layer 3 can be avoided, and thereby the increase in the thickness of the interface layer 3 can be suppressed. By this heat treatment, oxygen can be evenly distributed in the HfN metal nitride film to which oxygen has been supplied, whereby the composition of the HfON metal oxynitride film 18 can be made stoichiometric.

以上に説明したように、本実施形態によると、high-kゲート絶縁膜材料となる窒化金属(HfN)を予め堆積した後、該窒化金属の酸化種として酸素ラジカル13を用いるため、処理温度を適切に設定することによって、制御性の高い酸化性雰囲気中で窒化金属に酸素を供給することができる。従って、シリコン基板1の酸化を極力抑えながら金属窒化膜17を酸化させることができるので、低誘電率の界面層3の形成を抑えることができ、それによって、化学量論組成を持つ絶縁性の金属酸窒化膜18つまりhigh-kゲート絶縁膜を形成することができる。   As described above, according to the present embodiment, after the metal nitride (HfN) serving as the material of the high-k gate insulating film is previously deposited, and the oxygen radical 13 is used as the oxidizing species of the metal nitride, the processing temperature is reduced. With appropriate settings, oxygen can be supplied to the metal nitride in an oxidizing atmosphere with high controllability. Therefore, the metal nitride film 17 can be oxidized while suppressing the oxidation of the silicon substrate 1 as much as possible, so that the formation of the interface layer 3 having a low dielectric constant can be suppressed. The metal oxynitride film 18, that is, the high-k gate insulating film can be formed.

また、本実施形態の酸素ラジカルを用いた酸化処理は、酸素イオンを用いた酸化処理と比べて、膜均一性の面でプラズマ分布等の影響を直接受けないこと(例えば酸素イオンはプラズマ分布の影響を直接受けてしまう)、及び膜質の面でイオン衝撃等のダメージを受けないこと等の優位な点を持つ。   In addition, the oxidation treatment using oxygen radicals of the present embodiment is not directly affected by plasma distribution or the like in terms of film uniformity as compared with the oxidation treatment using oxygen ions (for example, oxygen ions And is not affected by ion bombardment in terms of film quality.

また、本実施形態によると、金属窒化膜17の堆積工程と金属窒化膜17の酸化工程とが分離されているため、従来の高温雰囲気下における金属酸化膜形成工程のように膜堆積機構に酸化プロセスが律速されることがない。また、金属窒化膜17の酸化工程は、酸素ラジカル13の反応性を利用した比較的低温のプロセスである。従って、複合膜や傾斜組成膜等の堆積時又は酸化時においても、膜構成原子同士の間の相互拡散、及び膜構成原子とシリコン基板中のシリコン原子との間の相互拡散を防止できるため、所望の界面層厚さ及び組成を持つ複合金属酸窒化物膜を得ることができる。   Further, according to the present embodiment, since the deposition process of the metal nitride film 17 and the oxidation process of the metal nitride film 17 are separated, the oxidation process is performed by the film deposition mechanism as in the conventional metal oxide film formation process under a high temperature atmosphere. The process is not limited. Further, the oxidation step of the metal nitride film 17 is a relatively low temperature process utilizing the reactivity of the oxygen radicals 13. Therefore, even when depositing or oxidizing a composite film or a gradient composition film, etc., it is possible to prevent interdiffusion between film constituent atoms and between the film constituent atoms and silicon atoms in the silicon substrate. A composite metal oxynitride film having a desired interface layer thickness and composition can be obtained.

また、本実施形態によると、第1の実施形態のように金属膜12を酸化させて、ゲート絶縁膜となる金属酸化膜2を形成する代わりに、金属窒化膜17を酸化させて、ゲート絶縁膜となる金属酸窒化膜18を形成する。このため、ゲート絶縁膜において、誘電率と共に耐熱性を向上させることができる。   Further, according to the present embodiment, instead of forming the metal oxide film 2 serving as the gate insulating film by oxidizing the metal film 12 as in the first embodiment, the metal nitride film 17 is oxidized to form the gate insulating film. A metal oxynitride film 18 serving as a film is formed. For this reason, in the gate insulating film, the heat resistance as well as the dielectric constant can be improved.

尚、第2の実施形態において、higk-kゲート絶縁膜が形成されるシリコン領域はシリコン基板1に限られず、シリコン膜であってもよいし、又は、主としてシリコンからなる基板若しくは膜であってもよい。   In the second embodiment, the silicon region where the higk-k gate insulating film is formed is not limited to the silicon substrate 1 and may be a silicon film or a substrate or film mainly made of silicon. Is also good.

また、第2の実施形態において、シリコン基板1の表面に直接、HfNからなる金属窒化膜17を形成したが、これに代えて、金属窒化膜17を形成する前に、シリコン基板1の表面に対して窒化処理(前処理)を行なってもよい。これにより、界面層の形成をさらに抑えることができる。   Further, in the second embodiment, the metal nitride film 17 made of HfN is formed directly on the surface of the silicon substrate 1, but instead, the metal nitride film 17 is formed on the surface of the silicon substrate 1 before the metal nitride film 17 is formed. On the other hand, a nitriding treatment (pretreatment) may be performed. Thereby, the formation of the interface layer can be further suppressed.

また、第2の実施形態において、金属窒化膜17の材料としてHfの窒化物を例にとって説明したが、これに限られず、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム又はその他の金属(例えば希土類金属の群から選択したLa等)の窒化物を用いてもよい。このようにすると、金属窒化膜が酸化されてなる金属酸窒化膜(つまりhigh-kゲート絶縁膜)の誘電率が高くなる。また、金属窒化膜17を構成する元素(窒素以外)として、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム及びその他の金属(例えば希土類金属の群から選択したLa等)並びにシリコンの中から2種類以上の元素を選択してもよい。このようにすると、high-kゲート絶縁膜において、誘電率と共に耐熱性をさらに向上させることができる。このとき、選択された2種類以上の元素の金属窒化膜中での組成比を、金属窒化膜の膜厚方向に沿って変化させてもよい。   Further, in the second embodiment, the description has been given by taking the nitride of Hf as an example of the material of the metal nitride film 17. However, the material is not limited thereto, and zirconium, titanium, tantalum, aluminum or other metals (for example, from the group of rare earth metals). A nitride of selected La or the like may be used. By doing so, the dielectric constant of the metal oxynitride film (that is, the high-k gate insulating film) formed by oxidizing the metal nitride film increases. Further, as the elements (other than nitrogen) constituting the metal nitride film 17, two or more kinds of hafnium, zirconium, titanium, tantalum, aluminum and other metals (for example, La selected from the group of rare earth metals) and silicon are used. Elements may be selected. By doing so, the heat resistance as well as the dielectric constant of the high-k gate insulating film can be further improved. At this time, the composition ratio of the selected two or more elements in the metal nitride film may be changed along the thickness direction of the metal nitride film.

また、第2の実施形態において、金属窒化膜17を酸化させるときの温度の下限は、酸素ラジカル13によって金属窒化膜17を酸化させることができる最低温度(例えば300℃)であってもよい。   In the second embodiment, the lower limit of the temperature at which the metal nitride film 17 is oxidized may be the lowest temperature at which the metal nitride film 17 can be oxidized by the oxygen radicals 13 (for example, 300 ° C.).

また、第2の実施形態において、金属窒化膜17を酸化させるときの温度の上限は、酸素原子又は酸素分子によって金属窒化膜17の酸化が進行する最低温度(例えば500℃)であってもよい。   In the second embodiment, the upper limit of the temperature at which the metal nitride film 17 is oxidized may be the lowest temperature (for example, 500 ° C.) at which the oxidation of the metal nitride film 17 proceeds by oxygen atoms or oxygen molecules. .

また、第2の実施形態において、金属窒化膜17の酸化種となるラジカルとして酸素ラジカルを用いたが、これに代えて、NOラジカル又はN2 Oラジカル等の他のラジカルを用いてもよい。 Further, in the second embodiment, oxygen radicals are used as radicals that become oxidizing species of the metal nitride film 17, but other radicals such as NO radicals or N 2 O radicals may be used instead.

また、第2の実施形態において、図8(b)に示す、金属酸窒化膜18の形成工程よりも後に、実質的に酸素を含まない雰囲気中において金属酸窒化膜18の上に他の金属窒化膜(金属膜でもよい:以下同じ)を堆積する工程と、酸素を含む雰囲気中において該他の金属窒化膜を酸化させることにより、ゲート絶縁膜となる他の金属酸窒化膜を形成する工程とを備えていてもよい。言い換えると、薄い金属窒化膜の堆積と該金属窒化膜の酸化とを繰り返し行なってもよい。このようにすると、金属窒化膜が完全に酸化されるので、化学量論的組成を持つ金属酸窒化膜を得やすくなる。   In the second embodiment, after the step of forming the metal oxynitride film 18 shown in FIG. 8B, another metal is deposited on the metal oxynitride film 18 in an atmosphere substantially free of oxygen. A step of depositing a nitride film (may be a metal film; the same applies hereinafter) and a step of forming another metal oxynitride film to be a gate insulating film by oxidizing the other metal nitride film in an atmosphere containing oxygen May be provided. In other words, the deposition of the thin metal nitride film and the oxidation of the metal nitride film may be repeatedly performed. In this case, since the metal nitride film is completely oxidized, it becomes easy to obtain a metal oxynitride film having a stoichiometric composition.

また、第2の実施形態において、金属酸窒化膜18つまりhigh-k膜の用途としてゲート絶縁膜を例にして説明したが、これに代えて、high-k膜を他の用途、例えば容量絶縁膜に用いてもよいことは言うまでもない。   In the second embodiment, the metal oxynitride film 18, that is, the gate insulating film has been described as an example of the use of the high-k film. Needless to say, it may be used for a film.

(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法、具体的には金属酸化物よりなる高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法について説明する。本実施形態の特徴は、ゲート絶縁膜を構成する高誘電体材料に、実効的な誘電率を向上させながら耐熱性も向上させる手段として提案されている、各種高誘電体材料からなる複合金属酸化膜を用いることである。具体的には、複合金属膜に対して酸素ラジカルを用いて酸化処理を施すことにより、高誘電体材料、つまりゲート絶縁膜用の複合金属酸化膜を得る方法について述べる。
(Third embodiment)
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, specifically, a method for forming a high dielectric constant gate insulating film made of a metal oxide will be described. The feature of this embodiment is that a composite metal oxide made of various high dielectric materials has been proposed as a means for improving the effective dielectric constant and the heat resistance of the high dielectric material constituting the gate insulating film. The use of a membrane. Specifically, a method for obtaining a high dielectric material, that is, a composite metal oxide film for a gate insulating film by performing an oxidation treatment on the composite metal film using oxygen radicals will be described.

図9(a)〜(c)は、第3の実施形態に係る高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。   FIGS. 9A to 9C are cross-sectional views illustrating respective steps of a method for forming a high dielectric constant gate insulating film according to the third embodiment.

まず、p型のシリコン基板1の表面の自然酸化膜をフッ酸水溶液によって除去し、それによりシリコン清浄表面を露出させる。このとき、シリコン基板1の表面を清浄化した後に、必要に応じて、該表面を窒化してもよい。続いて、シリコン基板1を成膜装置(図示省略)のチャンバー内部に導入する。ここで、成膜装置として、PVD法、例えばコスパッタ(co-sputtering )法に基づく装置を用いる。具体的には、図9(a)に示すように、複数のターゲット10及び19を用いたコスパッタ法により、金属原子(例えばHf原子)11及び添加原子20(例えばシリコン(Si)又はアルミニウム(Al))を同時に又は交互にシリコン基板1に向けて飛ばして、それによってシリコン基板1上に直接、所望の組成を持つ複合金属膜(例えばHfとSiとのHfSi複合金属膜、又はHfとAlとのHfAl複合金属膜)21を形成する。複合金属膜21として、例えばHfSi複合金属膜を形成する場合、チャンバー内部において、ハフニウム金属よりなるターゲット10と、添加元素であるシリコンよりなる他のターゲット19とをそれぞれArガスからなる非酸化性雰囲気(図9(a)参照)中で用いて、直流電圧の印加により放電を起こす。このようにすると、反応性スパッタによりHfSi複合金属膜が形成される。   First, the natural oxide film on the surface of the p-type silicon substrate 1 is removed with a hydrofluoric acid aqueous solution, thereby exposing a clean silicon surface. At this time, after cleaning the surface of the silicon substrate 1, the surface may be nitrided as necessary. Subsequently, the silicon substrate 1 is introduced into a chamber of a film forming apparatus (not shown). Here, an apparatus based on a PVD method, for example, a co-sputtering method is used as a film forming apparatus. Specifically, as shown in FIG. 9A, metal atoms (for example, Hf atoms) 11 and additional atoms 20 (for example, silicon (Si) or aluminum (Al) are formed by a co-sputtering method using a plurality of targets 10 and 19. )) Simultaneously or alternately toward the silicon substrate 1, whereby a composite metal film having a desired composition (for example, an HfSi composite metal film of Hf and Si, or Hf and Al) is directly formed on the silicon substrate 1. HfAl composite metal film) 21 is formed. When, for example, an HfSi composite metal film is formed as the composite metal film 21, a target 10 made of hafnium metal and another target 19 made of silicon as an additive element are each placed in a non-oxidizing atmosphere made of Ar gas inside the chamber. (See FIG. 9 (a).) The discharge is caused by the application of a DC voltage. By doing so, an HfSi composite metal film is formed by reactive sputtering.

尚、図9(a)に示す工程において、各ターゲット10及び19への投入パワー並びに放電時間を変調させることにより、複合組成に加えて傾斜組成(金属膜中での各元素の組成比が膜厚方向に沿って変化するような組成)を持つ複合金属膜(例えばHfSi又はHfAl)を得ることができる。   In the step shown in FIG. 9A, the input power to each of the targets 10 and 19 and the discharge time are modulated, so that, in addition to the composite composition, the gradient composition (the composition ratio of each element in the metal film is reduced). A composite metal film (eg, HfSi or HfAl) having a composition that changes along the thickness direction can be obtained.

また、図9(a)に示す工程において、各ターゲット10及び19に代えて、合金ターゲット(例えばHfSi又はHfAlよりなるターゲット)を用いてもよい。   In the step shown in FIG. 9A, an alloy target (for example, a target made of HfSi or HfAl) may be used instead of the targets 10 and 19.

以上のように、本実施形態が第1の実施形態(図4(a)〜(c)参照)と異なっている点は、シリコン基板1上にHf金属膜12に代えて、例えばHfSi又はHfAlよりなる複合金属膜21を形成している点である。   As described above, the present embodiment is different from the first embodiment (see FIGS. 4A to 4C) in that, instead of the Hf metal film 12 on the silicon substrate 1, for example, HfSi or HfAl This is the point that the composite metal film 21 made of the metal is formed.

次に、図9(b)に示すように、酸化種として主に酸素ラジカル13を含む雰囲気に、HfSi又はHfAlよりなる複合金属膜21の表面をさらす。このとき、雰囲気中には、活性化されていない酸素原子(又は酸素分子)14も相当数含まれている。このような雰囲気中で複合金属膜21に対して酸化処理を行なうことにより、複合金属膜21から、ゲート絶縁膜となる複合金属酸化膜(具体的にはHfSiO2 膜又はHfAlO2 膜)22が形成される。このとき、シリコン基板1と複合金属酸化膜22との間に界面層3が形成される。界面層3は、シリコン基板1の表面が酸化されてなるシリコン酸化膜である。 Next, as shown in FIG. 9B, the surface of the composite metal film 21 made of HfSi or HfAl is exposed to an atmosphere mainly containing oxygen radicals 13 as oxidizing species. At this time, the atmosphere contains a considerable number of unactivated oxygen atoms (or oxygen molecules) 14. By performing an oxidation treatment on the composite metal film 21 in such an atmosphere, a composite metal oxide film (specifically, an HfSiO 2 film or an HfAlO 2 film) 22 serving as a gate insulating film is formed from the composite metal film 21. It is formed. At this time, the interface layer 3 is formed between the silicon substrate 1 and the composite metal oxide film 22. The interface layer 3 is a silicon oxide film formed by oxidizing the surface of the silicon substrate 1.

尚、本実施形態では、酸素ラジカル13の発生装置として、第1の実施形態と同様に、図5に示すようなリモートプラズマ処理装置を用いる。具体的には、シリコン基板(シリコンウェハ)1を、リモートプラズマ処理装置50のチャンバー51に導入し、基板ホルダー52の上に設置する。次に、チャンバー51の上側に設置されたラジカル生成室53に、ボンベ54から、酸素を含んだガス、例えばO2 ガス又はN2 Oガスを導入し、RF電力を印加することによって、ラジカル生成室53内に、酸素を含んだプラズマ55を発生させる。ここで、基板ホルダー52を浮遊電位に保つことにより、シリコンウェハ1に到達する酸化種を、酸素イオンを除く酸素原子(分子)14と酸素ラジカル13とにすることができる。また、基板温度を400℃に保つことにより、主として酸素ラジカルによる酸化処理を、HfSi又はHfAl等よりなる複合金属膜21に対して行なうことができる。すなわち、複合金属膜21へ酸素を注入して、HfSiO2 膜又はHfAlO2 膜等の複合金属酸化膜22を形成することができる。 In this embodiment, a remote plasma processing apparatus as shown in FIG. 5 is used as the oxygen radical 13 generator, as in the first embodiment. Specifically, the silicon substrate (silicon wafer) 1 is introduced into the chamber 51 of the remote plasma processing apparatus 50, and is set on the substrate holder 52. Next, a gas containing oxygen, for example, an O 2 gas or an N 2 O gas is introduced from a cylinder 54 into a radical generation chamber 53 provided above the chamber 51, and RF power is applied to generate radicals. A plasma 55 containing oxygen is generated in the chamber 53. Here, by keeping the substrate holder 52 at the floating potential, the oxidizing species reaching the silicon wafer 1 can be oxygen atoms (molecules) 14 and oxygen radicals 13 excluding oxygen ions. Further, by maintaining the substrate temperature at 400 ° C., the oxidation treatment mainly by oxygen radicals can be performed on the composite metal film 21 made of HfSi or HfAl. That is, by injecting oxygen into the composite metal film 21, a composite metal oxide film 22 such as an HfSiO 2 film or an HfAlO 2 film can be formed.

次に、複合金属酸化膜22つまりhigh-kゲート絶縁膜の形成後、複合金属酸化膜22の電気特性等の膜質を十分に向上させるために、図9(c)に示すように、後処理工程として熱処理を行なう。この複合金属酸化膜22の形成後の熱処理においては、実質的に酸素(酸化種)を含まない雰囲気中、例えば図9(c)のような窒素からなる雰囲気中、又はアルゴン等の不活性ガスからなる雰囲気中で熱処理を行なうことにより、界面層3への酸素の供給を避け、それにより界面層3の厚さが増大することを抑制することができる。この熱処理によって、酸素が供給された複合金属膜中に酸素を均等に分布させることができ、それによって複合金属酸化膜22の組成を化学量論組成にすることができる。   Next, after forming the composite metal oxide film 22, that is, the high-k gate insulating film, in order to sufficiently improve the film quality such as the electrical characteristics of the composite metal oxide film 22, as shown in FIG. Heat treatment is performed as a process. In the heat treatment after the formation of the composite metal oxide film 22, an atmosphere substantially free of oxygen (oxidizing species), for example, an atmosphere of nitrogen as shown in FIG. 9C, or an inert gas such as argon By performing the heat treatment in an atmosphere consisting of, supply of oxygen to the interface layer 3 can be avoided, thereby suppressing an increase in the thickness of the interface layer 3. By this heat treatment, oxygen can be evenly distributed in the composite metal film to which oxygen has been supplied, whereby the composition of the composite metal oxide film 22 can be made stoichiometric.

以上に説明したように、本実施形態によると、high-kゲート絶縁膜材料となる複合金属(HfSi又はHfAl)を予め堆積した後、該複合金属の酸化種として酸素ラジカル13を用いるため、処理温度を適切に設定することによって、制御性の高い酸化性雰囲気中で複合金属に酸素を供給することができる。従って、シリコン基板1の酸化を極力抑えながら複合金属膜21を酸化させることができるので、低誘電率の界面層3の形成を抑えることができ、それによって、化学量論組成を持つ絶縁性の複合金属酸化膜22つまりhigh-kゲート絶縁膜を形成することができる。   As described above, according to the present embodiment, after the composite metal (HfSi or HfAl) serving as the material of the high-k gate insulating film is previously deposited, the oxygen radical 13 is used as the oxidizing species of the composite metal. By setting the temperature appropriately, oxygen can be supplied to the composite metal in an oxidizing atmosphere with high controllability. Accordingly, the composite metal film 21 can be oxidized while suppressing the oxidation of the silicon substrate 1 as much as possible, so that the formation of the interface layer 3 having a low dielectric constant can be suppressed. The composite metal oxide film 22, that is, the high-k gate insulating film can be formed.

また、本実施形態の酸素ラジカルを用いた酸化処理は、酸素イオンを用いた酸化処理と比べて、膜均一性の面でプラズマ分布等の影響を直接受けないこと(例えば酸素イオンはプラズマ分布の影響を直接受けてしまう)、及び膜質の面でイオン衝撃等のダメージを受けないこと等の優位な点を持つ。   In addition, the oxidation treatment using oxygen radicals of the present embodiment is not directly affected by plasma distribution or the like in terms of film uniformity as compared with the oxidation treatment using oxygen ions (for example, oxygen ions And is not affected by ion bombardment in terms of film quality.

さらに、また、従来、ゲート絶縁膜を構成する高誘電体材料に、実効的な誘電率に加えて耐熱性を向上させる手段として提案されている、各種の金属酸化物膜を用いた複合膜や傾斜組成膜を用いた場合、これらの金属酸化物膜の堆積時又は酸化時における相互拡散によって、必ずしも設計通りの膜が得られなかった。   Furthermore, a composite film using various metal oxide films, which has been conventionally proposed as a means for improving heat resistance in addition to an effective dielectric constant, for a high dielectric material constituting a gate insulating film, When a gradient composition film was used, a film as designed was not always obtained due to mutual diffusion during deposition or oxidation of these metal oxide films.

それに対して、本実施形態によると、複合金属膜21の堆積工程と複合金属膜21の酸化工程とが分離されているため、従来の高温雰囲気下における金属酸化膜形成工程のように膜堆積機構に酸化プロセスが律速されることがない。また、複合金属膜21の酸化工程は、酸素ラジカル13の反応性を利用した比較的低温のプロセスである。従って、複合金属膜21(又は傾斜組成膜)の堆積時又は酸化時においても、膜構成原子同士の間の相互拡散、及び膜構成原子とシリコン基板中のシリコン原子との間の相互拡散を防止できるため、所望の界面層厚さ及び組成を持つ複合金属酸化膜22を得ることができる。   On the other hand, according to the present embodiment, the step of depositing the composite metal film 21 and the step of oxidizing the composite metal film 21 are separated, so that the film deposition mechanism is different from the conventional step of forming a metal oxide film in a high-temperature atmosphere. The oxidation process is not limited. Further, the step of oxidizing the composite metal film 21 is a relatively low temperature process utilizing the reactivity of the oxygen radicals 13. Therefore, even when depositing or oxidizing the composite metal film 21 (or the gradient composition film), mutual diffusion between film constituting atoms and between the film constituting atoms and silicon atoms in the silicon substrate are prevented. Therefore, a composite metal oxide film 22 having a desired interface layer thickness and composition can be obtained.

また、本実施形態によると、第1の実施形態のように金属膜12を酸化させて、ゲート絶縁膜となる金属酸化膜2を形成する代わりに、複合金属膜21を酸化させて、ゲート絶縁膜となる複合金属酸化膜22を形成する。このため、ゲート絶縁膜において、誘電率と共に耐熱性を向上させることができる。   Further, according to the present embodiment, instead of oxidizing the metal film 12 to form the metal oxide film 2 serving as the gate insulating film as in the first embodiment, the composite metal film 21 is oxidized to form the gate insulating film. A composite metal oxide film 22 serving as a film is formed. For this reason, in the gate insulating film, the heat resistance as well as the dielectric constant can be improved.

尚、第3の実施形態において、higk-kゲート絶縁膜が形成されるシリコン領域はシリコン基板1に限られず、シリコン膜であってもよいし、又は、主としてシリコンからなる基板若しくは膜であってもよい。   In the third embodiment, the silicon region where the higk-k gate insulating film is formed is not limited to the silicon substrate 1 and may be a silicon film or a substrate or film mainly made of silicon. Is also good.

また、第3の実施形態において、シリコン基板1の表面に直接、HfSi又はHfAlからなる複合金属膜21を形成したが、これに代えて、複合金属膜21を形成する前に、シリコン基板1の表面に対して窒化処理(前処理)を行なってもよい。これにより、界面層の形成をさらに抑えることができる。   Further, in the third embodiment, the composite metal film 21 made of HfSi or HfAl is formed directly on the surface of the silicon substrate 1, but instead of this, the silicon substrate 1 is formed before the composite metal film 21 is formed. The surface may be subjected to a nitriding treatment (pretreatment). Thereby, the formation of the interface layer can be further suppressed.

また、第3の実施形態において、複合金属膜21の材料としてHfSi又はHfAlを例にとって説明したが、これらに限られず、複合金属膜21を構成する元素として、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム及びその他の金属(例えば希土類金属の群から選択したLa等)並びにシリコンの中から2種類以上の元素を選択してもよい。また、複合金属膜21の堆積時に、第2の実施形態と同様に雰囲気中に窒素を導入することによって、複合金属窒化膜を形成し、それを酸化することにより、複合金属酸窒化膜を形成してもよい。   Further, in the third embodiment, HfSi or HfAl has been described as an example of the material of the composite metal film 21, but the material is not limited thereto, and zirconium, titanium, tantalum, aluminum, and other elements constituting the composite metal film 21 may be used. (For example, La selected from the group of rare earth metals) and silicon, two or more elements may be selected. Also, at the time of depositing the composite metal film 21, a composite metal nitride film is formed by introducing nitrogen into the atmosphere as in the second embodiment, and the composite metal oxynitride film is formed by oxidizing it. May be.

また、第3の実施形態において、複合金属膜21を酸化させるときの温度の下限は、酸素ラジカル13によって複合金属膜21を酸化させることができる最低温度(例えば300℃)であってもよい。   In the third embodiment, the lower limit of the temperature at which the composite metal film 21 is oxidized may be the lowest temperature (for example, 300 ° C.) at which the composite metal film 21 can be oxidized by the oxygen radicals 13.

また、第3の実施形態において、複合金属膜21を酸化させるときの温度の上限は、酸素原子又は酸素分子によって複合金属膜21の酸化が進行する最低温度(例えば500℃)であってもよい。   In the third embodiment, the upper limit of the temperature at which the composite metal film 21 is oxidized may be the lowest temperature at which the oxidation of the composite metal film 21 proceeds by oxygen atoms or oxygen molecules (for example, 500 ° C.). .

また、第3の実施形態において、複合金属膜21の酸化種となるラジカルとして酸素ラジカルを用いたが、これに代えて、NOラジカル又はN2 Oラジカル等の他のラジカルを用いてもよい。 Further, in the third embodiment, an oxygen radical is used as a radical serving as an oxidizing species of the composite metal film 21, but another radical such as a NO radical or an N 2 O radical may be used instead.

また、第3の実施形態において、図9(b)に示す、複合金属酸化膜22の形成工程よりも後に、実質的に酸素を含まない雰囲気中において複合金属酸化膜22のの上に他の複合金属膜(金属膜でもよい:以下同じ)を堆積する工程と、酸素を含む雰囲気中において該他の複合金属膜を酸化させることにより、ゲート絶縁膜となる他の複合金属酸化膜を形成する工程とを備えていてもよい。言い換えると、薄い複合金属膜の堆積と該複合金属膜の酸化とを繰り返し行なってもよい。このようにすると、複合金属膜が完全に酸化されるので、化学量論的組成を持つ複合金属酸化膜を得やすくなる。   Further, in the third embodiment, after the step of forming the composite metal oxide film 22 shown in FIG. 9B, another composite metal oxide film 22 is formed on the composite metal oxide film 22 in an atmosphere substantially free of oxygen. A step of depositing a composite metal film (may be a metal film; the same applies hereinafter) and oxidizing the other composite metal film in an atmosphere containing oxygen to form another composite metal oxide film serving as a gate insulating film And a step. In other words, the deposition of the thin composite metal film and the oxidation of the composite metal film may be repeatedly performed. In this case, since the composite metal film is completely oxidized, it becomes easy to obtain a composite metal oxide film having a stoichiometric composition.

また、第3の実施形態において、複合金属酸化膜22つまりhigh-k膜の用途としてゲート絶縁膜を例にして説明したが、これに代えて、high-k膜を他の用途、例えば容量絶縁膜に用いてもよいことは言うまでもない。   In the third embodiment, the composite metal oxide film 22, that is, the gate insulating film has been described as an example of the application of the high-k film. Needless to say, it may be used for a film.

ところで、本発明の各実施形態において、ゲート絶縁膜の信頼性やキャリア移動度への影響を考慮した場合、単純に界面層が薄ければ薄いほど良いというわけではない。すなわち、界面層厚さを所望の値に制御することが重要である。そのために、本発明の各実施形態においては、酸素ラジカルの金属膜(又は金属窒化膜若しくは複合金属膜)への飛来数、又は酸素ラジカルによる処理時間若しくは処理温度を制御することによって、金属酸化膜(又は金属酸窒化膜若しくは複合金属酸化膜)とシリコン基板との界面に形成される界面層厚さを制御することが可能である。   By the way, in each embodiment of the present invention, in consideration of the influence on the reliability of the gate insulating film and the carrier mobility, the thinner the interface layer, the better. That is, it is important to control the thickness of the interface layer to a desired value. For this purpose, in each embodiment of the present invention, the number of oxygen radicals flying to the metal film (or the metal nitride film or the composite metal film), or the processing time or the processing temperature by the oxygen radicals, is controlled, so that the metal oxide film is formed. (Or a metal oxynitride film or a composite metal oxide film) and the thickness of the interface layer formed at the interface between the silicon substrate and the silicon substrate.

以上に説明したように、本発明は、高誘電率膜の形成方法に関し、ゲート絶縁膜を有する電子デバイスの製造方法等に適用する場合に特に有用である。   As described above, the present invention relates to a method for forming a high dielectric constant film, and is particularly useful when applied to a method for manufacturing an electronic device having a gate insulating film.

比較例に係る高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法の一工程を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing one step of a method for forming a high-k gate insulating film according to a comparative example. (a)は比較例に係る高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法において厚い界面層が形成された様子を示す図であり、(b)は本発明の第1の実施形態に係る高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法において薄い界面層が形成された様子を示す図である。(A) is a figure which shows a mode that the thick interface layer was formed in the formation method of the high dielectric constant gate insulating film according to the comparative example, and (b) is a high dielectric constant gate according to the first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which a thin interface layer is formed in a method for forming an insulating film. 本発明の第1の実施形態及び比較例に係る高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法のそれぞれに基づいて作製したゲート絶縁膜におけるキャパシタ特性を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating capacitor characteristics of a gate insulating film manufactured based on each of the methods for forming a high dielectric constant gate insulating film according to the first embodiment of the present invention and a comparative example. (a)〜(c)は本発明の第1の実施形態に係る高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views illustrating respective steps of a method for forming a high dielectric constant gate insulating film according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1、第2及び第3の実施形態に係る高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法において用いるリモートプラズマ処理装置の構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram of a remote plasma processing apparatus used in a method of forming a high dielectric constant gate insulating film according to first, second, and third embodiments of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法における、Hf金属膜の酸化後の膜厚増加率の処理温度に対する依存性を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the dependence of the rate of increase in film thickness of the Hf metal film after oxidation on the processing temperature in the method for forming a high dielectric constant gate insulating film according to the first embodiment of the present invention. 膜厚3nmのHf金属膜に対して酸素ラジカルを用いて酸化処理を400℃で行なうことにより得られたHfO2 膜における、酸化膜換算膜厚EOT及びリーク電流密度Jgのそれぞれの処理時間(酸素ラジカル照射時間)に対する依存性を示す図である。In the HfO 2 film obtained by oxidizing a 3 nm-thick Hf metal film using oxygen radicals at 400 ° C., the respective processing time (oxygen equivalent film thickness EOT and leakage current density Jg) FIG. 4 is a diagram showing dependence on radical irradiation time). (a)〜(c)は本発明の第2の実施形態に係る高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows each process of the formation method of the high dielectric constant gate insulating film which concerns on 2nd Embodiment of this invention. (a)〜(c)は本発明の第3の実施形態に係る高誘電率ゲート絶縁膜の形成方法の各工程を示す断面図である。(A)-(c) is sectional drawing which shows each process of the formation method of the high dielectric constant gate insulating film which concerns on 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of reference numerals

1 シリコン基板
2 金属酸化膜(high−k層)
3 界面層
4 ゲート電極
10 ターゲット
11 金属原子
12 金属膜
13 酸素ラジカル
14 酸素原子(分子)
16 窒素原子
17 金属窒化膜
18 金属酸窒化膜
19 他のターゲット
20 添加原子
21 複合金属膜
22 複合金属酸化膜
50 リモートプラズマ処理装置
51 チャンバー
52 基板ホルダー
53 ラジカル生成室
54 ボンベ
55 プラズマ
56 高周波電源
57 マッチャー
1 silicon substrate 2 metal oxide film (high-k layer)
Reference Signs List 3 interface layer 4 gate electrode 10 target 11 metal atom 12 metal film 13 oxygen radical 14 oxygen atom (molecule)
Reference Signs List 16 nitrogen atom 17 metal nitride film 18 metal oxynitride film 19 other target 20 additional atom 21 composite metal film 22 composite metal oxide film 50 remote plasma processing apparatus 51 chamber 52 substrate holder 53 radical generation chamber 54 cylinder 55 plasma 56 high frequency power supply 57 Matcher

Claims (21)

非酸化性雰囲気中において、シリコン領域の上に金属膜を堆積する工程と、
酸素ラジカルを用いて前記金属膜を酸化させることにより、ゲート絶縁膜となる金属酸化膜を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Depositing a metal film on the silicon region in a non-oxidizing atmosphere;
Forming a metal oxide film serving as a gate insulating film by oxidizing the metal film using oxygen radicals.
前記酸素ラジカルは、酸素を含むガスを用いてプラズマ発生装置により供給されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method according to claim 1, wherein the oxygen radical is supplied by a plasma generator using a gas containing oxygen. 前記酸素ラジカルはオゾン発生装置により供給されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method according to claim 1, wherein the oxygen radical is supplied by an ozone generator. 前記金属膜を酸化させる領域と、前記酸素ラジカルを発生させる領域とが実質的に分離されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The method according to claim 1, wherein a region where the metal film is oxidized and a region where the oxygen radical is generated are substantially separated. 前記金属膜の酸化は、電気的に浮遊電位に保たれた試料ホルダーの上で行なわれることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The method according to claim 1, wherein the oxidation of the metal film is performed on a sample holder electrically kept at a floating potential. 前記金属膜を酸化させるときの温度の下限は、前記酸素ラジカルによって前記金属膜を酸化させることができる最低温度であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The method according to claim 1, wherein a lower limit of a temperature at which the metal film is oxidized is a minimum temperature at which the metal film can be oxidized by the oxygen radical. 前記金属膜を酸化させるときの温度の下限は300℃であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The method according to claim 1, wherein a lower limit of a temperature at which the metal film is oxidized is 300 ° C. 3. 前記金属膜を酸化させるときの温度の上限は、酸素原子又は酸素分子によって前記金属膜の酸化が進行する最低温度であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The method according to claim 1, wherein the upper limit of the temperature at which the metal film is oxidized is a minimum temperature at which oxidation of the metal film proceeds by oxygen atoms or oxygen molecules. 3. 前記金属膜を酸化させるときの温度の上限は500℃であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method according to claim 1, wherein an upper limit of a temperature at which the metal film is oxidized is 500 ° C. 前記金属膜を酸化させる際に、前記酸素ラジカルの前記金属膜への飛来数、又は前記酸素ラジカルによる処理時間若しくは処理温度を制御することによって、前記金属酸化膜と前記シリコン領域との界面に形成される界面層の厚さを制御することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   When the metal film is oxidized, the number of the oxygen radicals flying to the metal film, or the processing time or the processing temperature by the oxygen radical, is controlled to form an interface between the metal oxide film and the silicon region. 2. The method according to claim 1, wherein the thickness of the interface layer is controlled. 前記金属膜を堆積するときの前記シリコン領域の温度を300℃未満とすると共に、前記金属膜となる金属粒子が前記シリコン領域に飛来する際の前記金属粒子1個当たりのエネルギーを1eV以下とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The temperature of the silicon region when depositing the metal film is set to less than 300 ° C., and the energy per metal particle when the metal particles serving as the metal film fly to the silicon region is set to 1 eV or less. 2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein: 前記金属膜を堆積する際に、前記金属膜が酸化されてなる前記金属酸化膜の厚さが3nm未満となるように前記金属膜の膜厚を設定することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The film thickness of the metal film is set such that the thickness of the metal oxide film formed by oxidizing the metal film is less than 3 nm when depositing the metal film. Of manufacturing a semiconductor device. 前記金属膜を堆積する際に、前記金属膜の膜厚を1.9nm未満に設定することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The method according to claim 1, wherein when depositing the metal film, the thickness of the metal film is set to less than 1.9 nm. 前記金属膜を構成する元素は、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウム及びシリコンよりなる群の中から選択されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The method according to claim 1, wherein an element forming the metal film is selected from a group consisting of hafnium, zirconium, titanium, tantalum, aluminum, and silicon. 前記金属膜を構成する元素は、前記の群の中から2種類以上選択されることを特徴とする請求項14に記載の半導体装置の製造方法。   The method according to claim 14, wherein two or more elements constituting the metal film are selected from the group. 前記群の中から2種類以上選択された元素の前記金属膜中での組成比を、前記金属膜の膜厚方向に沿って変化させることを特徴とする請求項15に記載の半導体装置の製造方法。   17. The semiconductor device according to claim 15, wherein a composition ratio of two or more elements selected from the group in the metal film is changed along a thickness direction of the metal film. Method. 前記シリコン領域の上に前記金属膜に代えて金属窒化膜を堆積することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The method according to claim 1, wherein a metal nitride film is deposited on the silicon region instead of the metal film. 前記ゲート絶縁膜を形成した後に、前記ゲート絶縁膜に対して熱処理を行なうことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   2. The method according to claim 1, wherein a heat treatment is performed on the gate insulating film after forming the gate insulating film. 前記熱処理は、実質的に酸素を含まない雰囲気中において行なわれることを特徴とする請求項18に記載の半導体装置の製造方法。   19. The method according to claim 18, wherein the heat treatment is performed in an atmosphere containing substantially no oxygen. 前記雰囲気は不活性ガスよりなるか又は真空であることを特徴とする請求項19に記載の半導体装置の製造方法。   20. The method according to claim 19, wherein the atmosphere is made of an inert gas or a vacuum. 非酸化性雰囲気中において、シリコン領域の上に金属膜を堆積する工程と、
前記金属膜を酸化させることができるラジカルを用いて前記金属膜を酸化させることにより、ゲート絶縁膜となる金属酸化膜を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Depositing a metal film on the silicon region in a non-oxidizing atmosphere;
Forming a metal oxide film serving as a gate insulating film by oxidizing the metal film using radicals capable of oxidizing the metal film.
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