JP2005210060A - Semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device comprising a high dielectric constant oxide insulating film which functions as a gate insulating film and has a reduced silicon oxide converted film thickness, a small hysteresis, and a small shift in a flat band voltage (ΔVfb). <P>SOLUTION: A semiconductor device comprises: a silicon substrate; a silicon oxide layer formed on the surface of the silicon substrate; a first oxide layer which is composed of a high dielectric constant film having a dielectric constant higher than that of a silicon oxide and is formed above the silicon oxide layer; a first nitride layer which is formed above the first oxide layer and made of nitride having oxygen intercepting capability; and a gate electrode formed above the first nitride layer. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体装置とその製造方法に関し、特に高誘電率の酸化物絶縁膜を有する半導体装置とその製造方法に関する。     The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a high dielectric constant oxide insulating film and a manufacturing method thereof.

半導体集積回路装置に用いられる代表的半導体素子として、MOSトランジスタを代表とする絶縁ゲート(IG)型電界効果トランジスタ(FET)が広く用いられている。半導体集積回路装置の高集積化のために、IG−FETはスケーリング則に従って微細化されてきた。微細化は、ゲート絶縁膜を薄くする、ゲート長を短くする、等IG−FETの各寸法を縮小することにより、微細化した素子の性能を正常に保ち、性能を向上することを可能とする。   As a typical semiconductor element used in a semiconductor integrated circuit device, an insulated gate (IG) field effect transistor (FET) typified by a MOS transistor is widely used. In order to achieve high integration of semiconductor integrated circuit devices, IG-FETs have been miniaturized according to scaling rules. Miniaturization makes it possible to keep the performance of the miniaturized element normal and to improve the performance by reducing each dimension of the IG-FET, such as making the gate insulating film thinner, shortening the gate length, etc. .

次世代のMOSトランジスタのゲート酸化膜の厚さは2nm以下に薄膜化することが要求される。この膜厚は直接トンネル電流が流れ始める厚さであり、ゲートリーク電流が増加し、消費電力が増大することになる。ゲート絶縁膜として酸化シリコンを用いる限り微細化に限界が生じる。ゲート絶縁膜を貫通するトンネル電流を抑制するためには、厚いゲート絶縁膜を用いることが望まれる。   The thickness of the gate oxide film of the next generation MOS transistor is required to be reduced to 2 nm or less. This film thickness is the thickness at which the tunnel current starts to flow directly, and the gate leakage current increases and the power consumption increases. As long as silicon oxide is used as the gate insulating film, there is a limit to miniaturization. In order to suppress a tunnel current passing through the gate insulating film, it is desirable to use a thick gate insulating film.

ゲート絶縁膜の酸化シリコン換算膜厚(容量等価膜厚、CET)を2nm以下としつつ、物理的膜厚を増大させるため、酸化シリコンよりも誘電率の高い高誘電率絶縁材料をゲート絶縁膜に用いる提案がなされている。酸化シリコンの比誘電率は、成膜方法にもよるが、約3.5〜4.5(例えば3.9)と言われている。窒化シリコンは酸化シリコンより高い誘電率を有し、比誘電率は約7〜8(例えば7.5)と言われている。   In order to increase the physical film thickness while keeping the equivalent silicon oxide equivalent film thickness (capacitance equivalent film thickness, CET) of the gate insulating film to 2 nm or less, a high dielectric constant insulating material having a dielectric constant higher than that of silicon oxide is used for the gate insulating film. Proposals to use have been made. The relative dielectric constant of silicon oxide is said to be about 3.5 to 4.5 (for example, 3.9) depending on the film forming method. Silicon nitride has a higher dielectric constant than silicon oxide, and the relative dielectric constant is said to be about 7-8 (for example, 7.5).

特開2001−274378は、ゲート絶縁膜として、酸化シリコンより誘電率の高い、(比誘電率が200〜300の)チタン酸バリウム(ストロンチウム)(Ba(Sr)TiO);(比誘電率が約60の)酸化チタン(TiO);(比誘電率が25近傍である)酸化タンタル(Ta)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ハフニウム(HfO);(比誘電率が約7.5の)窒化シリコン(Si);(比誘電率が約7.8の)アルミナ(Al)を用いることを提案している。また、これらの高誘電率絶縁材料膜とシリコン基板との間に酸化シリコン膜を介在させる構造も提案している。 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-274378 has a dielectric constant higher than that of silicon oxide as a gate insulating film, that is, barium titanate (strontium) (Ba (Sr) TiO 3 ) (with a relative dielectric constant of 200 to 300); Titanium oxide (TiO 2 ) (about 60); tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ) (having a relative dielectric constant of about 25); It is proposed to use silicon nitride (7.5) (Si 3 N 4 ); alumina (Al 2 O 3 ) (with a relative dielectric constant of about 7.8). In addition, a structure in which a silicon oxide film is interposed between the high dielectric constant insulating material film and the silicon substrate is also proposed.

特開2001−274378号公報 IG−FETのゲート絶縁膜として誘電率の高い新たな材料を採用すると、新たな問題も生じる。酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムは高温処理により結晶化し易く、結晶粒界、欠陥準位を介した電気伝導により、リーク電流を増加させてしまう。JP, 2001-274378, A When a new material with a high dielectric constant is adopted as a gate insulating film of IG-FET, a new problem will also arise. Zirconium oxide and hafnium oxide are easily crystallized by high-temperature treatment, and increase the leakage current due to electric conduction through crystal grain boundaries and defect levels.

特開2001−77111は、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムに酸化アルミニウムを添加することにより、結晶構造の形成を阻害し、アモルファス相を維持させることを提案する。   Japanese Patent Laid-Open No. 2001-77111 proposes that the addition of aluminum oxide to zirconium oxide or hafnium oxide inhibits the formation of a crystal structure and maintains an amorphous phase.

特開2003−8011は、酸化ハフニウムに酸化シリコンを添加することにより、アモルファス相の酸化ハフニウムの熱的安定性を増加させることを提案する。   Japanese Patent Laid-Open No. 2003-8011 proposes to increase the thermal stability of amorphous hafnium oxide by adding silicon oxide to hafnium oxide.

特開2001−77111号公報JP 2001-77111 A 特開2003−8011号公報 特開2003−23005は、シリコン基板上に金属酸化膜からなる高誘電率材料(High-k材料)層を成膜すると、金属酸化膜とシリコン基板の界面にシリコン酸化物層が形成され、有効な誘電率が低下してしまうことを指摘し、金属酸化膜形成前に酸素の代わりに水素を流すことを提案する。Japanese Patent Laid-Open No. 2003-8011 discloses that when a high dielectric constant material (High-k material) layer made of a metal oxide film is formed on a silicon substrate, silicon oxide is formed at the interface between the metal oxide film and the silicon substrate. It is pointed out that a physical layer is formed and the effective dielectric constant is lowered, and it is proposed to flow hydrogen instead of oxygen before forming a metal oxide film.

特開2002−359370は、ゲート電極からシリコン基板への不純物拡散やゲート絶縁膜からゲート電極あるいはシリコン基板への金属元素や酸素の拡散を抑制するため、高誘電率ゲート絶縁膜の両面に窒素原子層を形成することを提案する。   Japanese Patent Laid-Open No. 2002-359370 discloses nitrogen atoms on both surfaces of a high dielectric constant gate insulating film in order to suppress impurity diffusion from the gate electrode to the silicon substrate and diffusion of metal elements and oxygen from the gate insulating film to the gate electrode or silicon substrate. It is proposed to form a layer.

特開2003−23005号公報JP 2003-23005 A 特開2002−359370号公報JP 2002-359370 A

本発明の目的は、新規なゲート絶縁膜構造を有する半導体装置を提供することである。
本発明の他の目的は、酸化シリコンより誘電率の高い高誘電率酸化物絶縁材料をゲート絶縁膜として含み、CETの増加、ヒステリシス、およびフラットバンド電圧ないし閾値の変化を抑制した半導体装置を提供することである。
An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a novel gate insulating film structure.
Another object of the present invention is to provide a semiconductor device that includes a high dielectric constant oxide insulating material having a dielectric constant higher than that of silicon oxide as a gate insulating film, and suppresses an increase in CET, hysteresis, and change in flat band voltage or threshold. It is to be.

本発明の1観点によれば、シリコン基板と、前記シリコン基板表面に形成された酸化シリコン層と、前記酸化シリコン層上方に形成された酸化シリコンより高い誘電率を有する高誘電率膜の第1酸化物層と、前記第1酸化物層の上方に酸素遮蔽能を有する窒化物で形成された第1窒化物層と、前記第1窒化物層上方に形成されたゲート電極と、を有する半導体装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, a first of a silicon substrate, a silicon oxide layer formed on the surface of the silicon substrate, and a high dielectric constant film having a higher dielectric constant than silicon oxide formed above the silicon oxide layer. A semiconductor having an oxide layer, a first nitride layer formed of a nitride having an oxygen shielding ability above the first oxide layer, and a gate electrode formed above the first nitride layer An apparatus is provided.

下地酸化シリコン層上に、高誘電率酸化物膜を、熱CVDで成膜し、その上に酸化可能な導電材層を積層して絶縁ゲート電極を形成する際、ゲート電極下に酸素遮蔽能を有する窒化物層を形成すると、反応層の形成を抑制することができ、フラットバンド電圧の変化が減少し、ヒステリシスの少ないゲート絶縁膜を形成できることが見出された。   When an insulating gate electrode is formed by depositing a high dielectric constant oxide film on the underlying silicon oxide layer by thermal CVD and stacking an oxidizable conductive material layer thereon, an oxygen shielding ability is formed under the gate electrode. It has been found that the formation of a nitride layer having can suppress the formation of a reaction layer, reduce the change in flat band voltage, and form a gate insulating film with little hysteresis.

酸化ハフニウム(ハフニア)は、酸化シリコンより数倍から十数倍高い誘電率を示し得る絶縁体であり、IG−FETのゲート絶縁膜として高い可能性を有する。酸化ハフニウム等の高誘電率の酸化物絶縁膜を、基板に悪影響を与えず、良好な膜質で形成できる方法として熱化学気相堆積(CVD)が知られている。   Hafnium oxide (hafnia) is an insulator that can exhibit a dielectric constant several to ten times higher than that of silicon oxide, and has a high possibility as a gate insulating film of an IG-FET. Thermal chemical vapor deposition (CVD) is known as a method by which an oxide insulating film having a high dielectric constant such as hafnium oxide can be formed with good film quality without adversely affecting the substrate.

シリコン基板表面上に酸化シリコン層を形成し、その上に熱CVDで酸化ハフニウム膜、多結晶シリコン膜を成膜して、絶縁ゲート電極構造を形成すると、フラットバンド電圧が変化してしまう。このため、閾値電圧の制御が困難になる。又、酸化ハフニウム膜とシリコン基板間の酸化膜が厚くなり、CETが増加してしまう。   When an insulating gate electrode structure is formed by forming a silicon oxide layer on the surface of a silicon substrate and forming a hafnium oxide film and a polycrystalline silicon film thereon by thermal CVD, the flat band voltage changes. This makes it difficult to control the threshold voltage. In addition, the oxide film between the hafnium oxide film and the silicon substrate becomes thick and CET increases.

本発明者は、酸化ハフニウム膜と多結晶シリコン層との界面等に反応層が成長し、固定電荷を発生させると考えた。酸化ハフニウム膜の表面を他の膜で覆うことにより多結晶シリコン層との界面における反応を抑制することを試みた。反応抑制膜として、まずAlN膜を試みた。以下、本発明者の行なった実験に沿って説明する。   The inventor considered that a reaction layer grows at the interface between the hafnium oxide film and the polycrystalline silicon layer and generates fixed charges. An attempt was made to suppress the reaction at the interface with the polycrystalline silicon layer by covering the surface of the hafnium oxide film with another film. First, an AlN film was tried as a reaction suppression film. In the following, description will be made along with experiments conducted by the present inventors.

図1Aに示すように、シリコン基板1の表面をHSO+H(SPM)で洗浄した。シリコン基板1表面には、空気中での放置により自然酸化膜2が形成されている。自然酸化膜2表面に付着している有機汚染が洗浄される。 As shown in FIG. 1A, the surface of the silicon substrate 1 was cleaned with H 2 SO 4 + H 2 O 2 (SPM). A natural oxide film 2 is formed on the surface of the silicon substrate 1 by being left in the air. Organic contamination adhering to the surface of the natural oxide film 2 is cleaned.

図1Bに示すように、シリコン基板を純水で10分間流水洗浄した。HSO+H洗浄の残さが純水によってリンスされる。
図1Cに示すように、希HF水溶液にシリコン基板1を約1分間浸し、シリコン基板表面の自然酸化膜2を除去した。
As shown in FIG. 1B, the silicon substrate was washed with pure water for 10 minutes. The residue of the H 2 SO 4 + H 2 O 2 wash is rinsed with pure water.
As shown in FIG. 1C, the silicon substrate 1 was immersed in a dilute HF aqueous solution for about 1 minute to remove the natural oxide film 2 on the silicon substrate surface.

図1Dに示すように、シリコン基板を純水で10分間流水洗浄した。HF+HOの酸化膜除去工程の残さが純水によってリンスされる。
図1Eに示すように、シリコン基板をSC2(HCl+H+HO)洗浄し、シリコン表面にSC2によるケミカルオキサイド膜3を厚さ約0.3nm形成した。自然酸化膜2より清浄な薄い酸化シリコン膜3が形成される。シリコン表面が露出して撥水性になった表面に酸化シリコン膜が形成されることにより、表面が親水性になり、ウォーターマークの発生も防止される。
As shown in FIG. 1D, the silicon substrate was washed with running pure water for 10 minutes. The remainder of the HF + H 2 O oxide film removal step is rinsed with pure water.
As shown in FIG. 1E, the silicon substrate was cleaned by SC2 (HCl + H 2 O 2 + H 2 O), and a chemical oxide film 3 made of SC 2 was formed on the silicon surface to a thickness of about 0.3 nm. A thin silicon oxide film 3 that is cleaner than the natural oxide film 2 is formed. By forming the silicon oxide film on the surface that is exposed to water and becomes water-repellent, the surface becomes hydrophilic and the generation of watermarks is prevented.

図1Fに示すように、シリコン基板を純水で10分間流水洗浄した。SC2による酸化シリコン膜形成工程の残さが純水によってリンスされる。続いて、熱乾燥(窒素雰囲気)により、基板表面を乾燥した。この工程までは全サンプルに共通である。その後、シリコン基板をCVD成膜装置に搬入した。次の図1Gの工程を説明する前に、CVD成膜装置の1実施形態を説明する。   As shown in FIG. 1F, the silicon substrate was washed with running pure water for 10 minutes. The remainder of the silicon oxide film formation step by SC2 is rinsed with pure water. Subsequently, the substrate surface was dried by thermal drying (nitrogen atmosphere). This process is common to all samples. Thereafter, the silicon substrate was carried into a CVD film forming apparatus. Before describing the next step of FIG. 1G, an embodiment of a CVD film forming apparatus will be described.

図2Aは、熱CVD成膜装置の構成を概略的に示す。反応室6の中にシャワーヘッド8が配置され、シャワーヘッド8の下方にヒータHを備えたサセプタ7が配置されている。シャワーヘッド8には、独立した配管9A,9Bが設けられている。配管9Aには、マスフローコントローラMFC1を介して、ハフニウムソースガスバブラ10a、アルミニウムソースガスバブラ10b、窒素ガス供給管10c、酸素ガス供給管10dが接続されている。   FIG. 2A schematically shows a configuration of a thermal CVD film forming apparatus. A shower head 8 is disposed in the reaction chamber 6, and a susceptor 7 having a heater H is disposed below the shower head 8. The shower head 8 is provided with independent pipes 9A and 9B. A hafnium source gas bubbler 10a, an aluminum source gas bubbler 10b, a nitrogen gas supply pipe 10c, and an oxygen gas supply pipe 10d are connected to the pipe 9A via a mass flow controller MFC1.

ハフニウムソースガスバブラ10aは、窒素ガスをバブリングガスとし、テトラターシャリブトキシハフニウム(Hf(OtC,TTBHf)を収容している。アルミニウムソースガスバブラ10bは、窒素ガスをバブリングガスとし、トリターシャリブチルアルミニウム(Al(t−C、TTBAl)を収容している。 The hafnium source gas bubbler 10a uses nitrogen gas as a bubbling gas and contains tetratertiarybutoxyhafnium (Hf (OtC 4 H 9 ) 4 , TTBHf). Aluminum source gas bubbler 10b is a nitrogen gas and bubbling gas, housing the tri tert-butylaluminum (Al (t-C 4 H 9) 3, TTBAl).

マスフローコントローラMFC1は、Hf、Alの有機原料ガス、窒素ガス、酸素ガスを所定流量で供給する。この成膜ガスが配管9Aからシャワーヘッド8を介してサセプタ7上に供給される。シャワーヘッド8には他の配管9Bも接続されており、マスフローコントローラMFC2を介してアンモニア(NH)配管10e、窒素配管10fに接続されている。アンモニアを有機金属原料ガスと混合すると反応してしまう可能性があるので、独立に供給できるようにしてある。サセプタ7は、一定温度に保たれ、その上に載置されるシリコンウエハ1もサセプタ7と同じ温度になる。 The mass flow controller MFC1 supplies Hf, Al organic source gas, nitrogen gas, and oxygen gas at a predetermined flow rate. This film forming gas is supplied onto the susceptor 7 from the pipe 9 </ b> A via the shower head 8. Another pipe 9B is also connected to the shower head 8, and is connected to an ammonia (NH 3 ) pipe 10e and a nitrogen pipe 10f via a mass flow controller MFC2. When ammonia is mixed with the organic metal source gas, it may react, so that it can be supplied independently. The susceptor 7 is kept at a constant temperature, and the silicon wafer 1 placed thereon also has the same temperature as the susceptor 7.

図1Gに示すように、シリコン基板1のケミカルオキサイド膜3の上に、総流量1100sccmの熱CVDによって、厚さ3nmの酸化ハフニウム(HfO)膜4x、その上に厚さ1nmの窒化アルミニウム(AlN)膜4yを積層し、積層構造の高誘電率絶縁膜を成膜したサンプルS1を作成した。 As shown in FIG. 1G, a hafnium oxide (HfO 2 ) film 4x having a thickness of 3 nm is formed on the chemical oxide film 3 of the silicon substrate 1 by thermal CVD at a total flow rate of 1100 sccm, and an aluminum nitride having a thickness of 1 nm is further formed thereon. A sample S1 in which a high dielectric constant insulating film having a laminated structure was formed by laminating an (AlN) film 4y was prepared.

図1Hに示すように、ケミカルオキサイド膜3の上に、総流量1100sccmの熱CVDにより、厚さ4nmの単層のHfO膜4sを成膜した比較サンプルS3も作成した。 As shown in FIG. 1H, a comparative sample S3 in which a single-layer HfO 2 film 4s having a thickness of 4 nm was formed on the chemical oxide film 3 by thermal CVD at a total flow rate of 1100 sccm was also created.

図2Bは、各サンプルの高誘電率絶縁層堆積時の成膜ガスの流量比を示す表である。酸化シリコン膜3の上にHfO膜4x、または4sを成膜する時のソースガスは、Hf(OtCをバブリングして含んだ500sccmの窒素ガスと、100sccmの酸素ガスと、残部(500sccm)の窒素ガスである。総流量は1100sccmである。100sccmの酸素は酸素欠損を防止した良質の酸化膜を形成するのに十分な量の酸素である。 FIG. 2B is a table showing the flow rate ratio of the deposition gas when depositing the high dielectric constant insulating layer of each sample. The source gas for forming the HfO 2 film 4x or 4s on the silicon oxide film 3 is 500 sccm nitrogen gas containing Hf (OtC 4 H 9 ) 4 bubbling, 100 sccm oxygen gas, The balance (500 sccm) of nitrogen gas. The total flow rate is 1100 sccm. 100 sccm of oxygen is a sufficient amount of oxygen to form a high-quality oxide film in which oxygen vacancies are prevented.

HfO膜4xの上に、AlN膜4yを成膜する時のソースガスは、(Al(t−C)をバブリングして含んだ300sccmの窒素ガスと、100sccmのNHガスと、残部(700sccm)の窒素ガス(総流量は1100sccm)である。総流量は同じである。 The source gas for forming the AlN film 4y on the HfO 2 film 4x is 300 sccm of nitrogen gas containing (Al (t-C 4 H 9 ) 3 ) and 100 sccm of NH 3 gas. And the remainder (700 sccm) of nitrogen gas (total flow rate is 1100 sccm). The total flow rate is the same.

高誘電率絶縁層4yまたは4sを成膜した後、窒素雰囲気中800℃、30秒間のポストデポアニーリングを行い、堆積した膜の緻密化、有機原料から混入したCの脱離を行なった。その後シランを原料とした低圧CVD(LPCVD)によりドープした多結晶シリコン層を堆積し、MOSダイオード構造のサンプルを形成した。なお、多結晶シリコン層の代わりに、シリサイド層、またはTi,W,Alを含むメタル層、ポリサイドなどの積層としてもよく、該ゲート電極に接するコンタクトプラグとの接触抵抗が低い構造を選ぶことができる。   After the high dielectric constant insulating layer 4y or 4s was formed, post-deposition annealing was performed in a nitrogen atmosphere at 800 ° C. for 30 seconds to densify the deposited film and desorb C mixed from the organic raw material. Thereafter, a polycrystalline silicon layer doped by low pressure CVD (LPCVD) using silane as a raw material was deposited to form a sample of a MOS diode structure. Instead of the polycrystalline silicon layer, a silicide layer, a metal layer containing Ti, W, Al, or a polycide may be laminated, and a structure having a low contact resistance with a contact plug in contact with the gate electrode is selected. it can.

図3A,3Bは、これら2種類のサンプルの構成を示す。図3Aは、実施例に従うサンプルS1を示す。シリコン基板1の表面にケミカルオキサイドによる酸化シリコン層3が形成され、その上にHfO層4xとAlN層4yの積層が形成され、その上にシリコン層5が形成されている。図3Bは、従来技術に従うサンプルS3を示す。積層の高誘電率絶縁層4x、4yの代わりに単層のHfO層4sが形成されている。 3A and 3B show the configurations of these two types of samples. FIG. 3A shows a sample S1 according to the example. A silicon oxide layer 3 made of chemical oxide is formed on the surface of the silicon substrate 1, a stacked layer of an HfO 2 layer 4x and an AlN layer 4y is formed thereon, and a silicon layer 5 is formed thereon. FIG. 3B shows a sample S3 according to the prior art. A single HfO 2 layer 4s is formed instead of the laminated high dielectric constant insulating layers 4x and 4y.

図3Cは、サンプル断面の透過型電子顕微鏡(TEM)撮像から求めた各膜厚および容量−電圧(C−V)測定から求めた容量等価膜厚CET(酸化シリコン換算膜厚)を示す。実施例に従うサンプルS1において、HfO膜4xの厚さは3.2nm、AlN膜4yの厚さは0.8nm(高誘電率絶縁膜4x、4y全体として4nm)であり、その下の酸化膜3の厚さは0.7nm、CETは1.9nmである。従来技術に従うサンプルS3においては、HfO膜4sの厚さは3.8nmであり、サンプルS1の高誘電率絶縁膜
厚4.0nmより薄いが、酸化膜3の厚さは1nmと0.3nm厚くなり、CETは2.2nmと0.3nm厚い。
FIG. 3C shows each film thickness obtained from transmission electron microscope (TEM) imaging of a sample cross section and a capacitance equivalent film thickness CET (silicon oxide equivalent film thickness) obtained from capacitance-voltage (CV) measurement. In the sample S1 according to the example, the thickness of the HfO 2 film 4x is 3.2 nm, the thickness of the AlN film 4y is 0.8 nm (the high dielectric constant insulating films 4x and 4y as a whole is 4 nm), and the oxide film thereunder 3 has a thickness of 0.7 nm and CET of 1.9 nm. In the sample S3 according to the prior art, the thickness of the HfO 2 film 4s is 3.8 nm, which is smaller than the high dielectric constant insulating film thickness 4.0 nm of the sample S1, but the thickness of the oxide film 3 is 1 nm and 0.3 nm. Thicker, CET is 2.2 nm and 0.3 nm thick.

絶縁膜全体の厚さはS1が4.7nm、S3が4.8nmとほぼ同等であるが、CETは、サンプルS1の方が0.3nm薄い。サンプルS1の方が、酸化膜3を薄い状態に維持でき、CETが薄いためゲート電圧による制御性が高いであろうことが判る。シリコン層5のように、酸素を透過、供与できる材料からなるゲート電極がAlN膜4yに接してもCETの変動を抑制する。   The total thickness of the insulating film is approximately equal to 4.7 nm for S1 and 4.8 nm for S3, but CET is 0.3 nm thinner for sample S1. It can be seen that the sample S1 can maintain the oxide film 3 in a thinner state, and the controllability by the gate voltage will be higher because the CET is thinner. Even if a gate electrode made of a material that can transmit and donate oxygen like the silicon layer 5 is in contact with the AlN film 4y, CET fluctuation is suppressed.

図3Dは、図3AのサンプルS1のAlN膜4yに代え、HfN膜4zを形成したサンプルS2の構成を示す。図3Eは、図3BのサンプルS3のHfO膜4sに代え、酸化シリコン膜の上に単層のHfN膜4tを形成したサンプルS4の構成を示す。さらに、酸化シリコン膜の上に単層のHf0.5Al0.5膜を形成したサンプルS5も作成した。 FIG. 3D shows a configuration of a sample S2 in which an HfN film 4z is formed instead of the AlN film 4y of the sample S1 in FIG. 3A. FIG. 3E shows a configuration of a sample S4 in which a single-layer HfN film 4t is formed on a silicon oxide film instead of the HfO 2 film 4s of the sample S3 in FIG. 3B. Further, a sample S5 in which a single layer Hf 0.5 Al 0.5 O y film was formed on the silicon oxide film was also prepared.

図4Aは、サンプルS1〜S4について測定したリーク電流を示すグラフである。測定条件は、以下の通りである。
測定には、Agilent Technology社製4156C(プレシジョン半導体パラメータ・アナライザ)を用い、MOSダイオードのゲート電圧を掃引した。
FIG. 4A is a graph showing the leakage current measured for samples S1 to S4. The measurement conditions are as follows.
For measurement, 4156C (Precision Semiconductor Parameter Analyzer) manufactured by Agilent Technology was used to sweep the gate voltage of the MOS diode.

酸化シリコン膜3上に高誘電率膜として単層のHfN膜4tを形成したサンプルS4のみが10−3〜10−1A/cmに及ぶ大きなリーク電流を示す。窒化ハフニウム膜は絶縁性とはいえないものも含む。他のサンプルのリーク電流は10−4A/cm以下であるが、特に高誘電率膜がHfO単層のサンプルS3とHfO/AlN積層のサンプルS1のリーク電流が低い。他の観点からみると、HfN単層ではリーク電流が大きくてとてもゲート絶縁膜に利用できなくても、HfO/HfN積層とすれば、ゲート絶縁膜として利用可能となり得る。 Only the sample S4 in which the single-layer HfN film 4t is formed as the high dielectric constant film on the silicon oxide film 3 exhibits a large leakage current ranging from 10 −3 to 10 −1 A / cm 2 . The hafnium nitride film includes those that are not insulating. The leakage current of the other samples is 10 −4 A / cm 2 or less, but the leakage current is particularly low in the sample S3 in which the high dielectric constant film is an HfO 2 single layer and the sample S1 in which the HfO 2 / AlN layer is stacked. From another point of view, even if the HfN single layer has a large leakage current and cannot be used as a gate insulating film, it can be used as a gate insulating film if an HfO 2 / HfN stack is used.

図4Bは、サンプルS1〜S5について、C−V測定から求めたヒステリシスとフラットバンド電圧の物性から期待される理想値からのシフト量ΔVfbを示すグラフである。左上方向が、両者共に小さい望ましい領域であり、右下方向が両者共に大きく望ましくない領域である。   FIG. 4B is a graph showing a shift amount ΔVfb from the ideal value expected from the physical properties of hysteresis and flat band voltage obtained from CV measurement for samples S1 to S5. The upper left direction is a small desirable region for both, and the lower right direction is a large undesirable region for both.

高誘電率膜がHfO単層のサンプルS3は、ヒステリシスはほぼ0と小さいが、ΔVfbが約0.33Vと大きい。高誘電率膜がHfN単層のサンプルS4は、ΔVfbが約0.24Vまで減少するが、ヒステリシスは約−0.1V以上と増大してしまう。高誘電率膜として単層のHf0.5Al0.5膜を形成したサンプルS5は、ΔVfbが約0.1V未満に減少しているがヒステリシスは−0.2Vより大きい値まで増大している。これら3種類の単層高誘電率膜のサンプルS3〜S5の測定値は、ほぼ直線p上にあり、フラットバンド電圧のシフト量ΔVfbとヒステリシスとがトレードオフの関係にあることを示しているようである。 Sample S3 having a high dielectric constant film of HfO 2 single layer has a small hysteresis of almost 0, but a large ΔVfb of about 0.33V. In the sample S4 having a high dielectric constant film of HfN, ΔVfb decreases to about 0.24V, but the hysteresis increases to about −0.1V or more. In sample S5 in which a single-layer Hf 0.5 Al 0.5 O y film was formed as a high dielectric constant film, ΔVfb decreased to less than about 0.1 V, but the hysteresis increased to a value greater than −0.2 V. doing. The measured values of the samples S3 to S5 of these three types of single-layer high dielectric constant films are almost on the straight line p, indicating that there is a trade-off relationship between the shift amount ΔVfb of the flat band voltage and the hysteresis. It is.

高誘電率膜がHfO/AlN積層のサンプルS1は、ΔVfbが約0.15Vと小さく、ヒステリシスも約−0.05Vと小さい。直線pから大きく原点(0,0)に近づき、大幅な特性の改善が実現されている。単層のHfO膜は固定電荷が多いが、HfO膜表面をAlN膜で覆うと固定電荷は減少するようである。高誘電率膜がHfO/HfN積層のサンプルS2は、ΔVfbが約0.3V以上と大きいが、フラットバンド電圧のシフト量は0.05V程度であり、従来の特性を示す直線pより若干原点(0,0)側にある。但し、HfNは導電性を有し得るので、固定電荷は当然減少し得るであろう。 In the sample S1 in which the high dielectric constant film is an HfO 2 / AlN laminated layer, ΔVfb is as small as about 0.15V, and the hysteresis is also small as about −0.05V. A large improvement in the characteristics is realized by approaching the origin (0, 0) largely from the straight line p. The single layer HfO 2 film has a large amount of fixed charge, but the fixed charge seems to decrease when the surface of the HfO 2 film is covered with an AlN film. Sample S2 in which the high dielectric constant film is HfO 2 / HfN stacked has a large ΔVfb of about 0.3 V or more, but the shift amount of the flat band voltage is about 0.05 V, which is slightly different from the straight line p indicating the conventional characteristics. It is on the (0,0) side. However, since HfN can be conductive, the fixed charge could naturally be reduced.

窒化アルミニウム、窒化ハフニウムは混合物を形成でき、絶縁物とすることができる。酸化ハフニウム膜上に窒化アルミニウム−ハフニウム(AlHfN)膜を形成すれば、線q上の特性となるであろう。酸化ハフニウムを窒化アルミニウム−ハフニウム(Al1−xHfN,0≦x≦1)で覆うことにより、ヒステリシスとフラットバンド電圧のシフト量との特性が改善されたゲート絶縁膜が形成できるであろう。 Aluminum nitride and hafnium nitride can form a mixture and can be an insulator. If an aluminum nitride-hafnium (AlHfN) film is formed on the hafnium oxide film, the characteristics on the line q will be obtained. By covering hafnium oxide with aluminum nitride-hafnium (Al 1-x Hf x N, 0 ≦ x ≦ 1), it is possible to form a gate insulating film with improved characteristics of hysteresis and flat band voltage shift amount. Let's go.

窒化アルミニウムに窒化シリコンを添加しても、同様の効果が期待できるであろう。なお、窒化膜を成膜しても、その後空気中に放置すると酸素を含むようになるものもある。このような酸素を含む膜であっても、上述の反応抑制など窒化膜としての特性を保つ膜は窒化膜と呼ぶ。   The same effect can be expected by adding silicon nitride to aluminum nitride. Note that even if a nitride film is formed, oxygen may be included when left in the air. Even in the case of such a film containing oxygen, a film that maintains characteristics as a nitride film such as the above-described reaction suppression is called a nitride film.

酸化ハフニウムは結晶化し易い物質であり、薄く均一な厚さを有する緻密な膜を形成することは容易でない。シリコン基板上に酸化ハフニウムのみでゲート絶縁膜を形成すると、リークの多い結晶性絶縁膜が形成されやすい。酸化ハフニウム(HfO)に酸化アルミニウム(アルミナ〉(AlO)や、酸化シリコン(SiO)を混ぜると結晶化を抑制することができる。上述のサンプルにおける酸化ハフニウム膜に酸化アルミニウムや酸化シリコンを添加しても、ヒステリシス−フラットバンド電圧シフト量の特性改善の効果は期待できるであろう。 Hafnium oxide is a substance that easily crystallizes, and it is not easy to form a thin and dense film having a uniform thickness. When a gate insulating film is formed using only hafnium oxide on a silicon substrate, a crystalline insulating film with a lot of leakage is easily formed. Crystallization can be suppressed by mixing hafnium oxide (HfO 2 ) with aluminum oxide (alumina) (AlO) or silicon oxide (SiO.) By adding aluminum oxide or silicon oxide to the hafnium oxide film in the above sample. However, the effect of improving the characteristic of the hysteresis-flat band voltage shift amount can be expected.

結晶化が抑制されるとリーク電流は低減する。酸化アルミニウム、酸化シリコンは、酸化ハフニウムより低い誘電率を有する。なるべく高い誘電率を得るためには、酸化ハフニウムに混合する酸化アルミニウムや酸化シリコンの量はHf1−xSiO、Hf1−xAlOと表記したとき(0<x<0.3)に制限することが好ましい。結晶化抑制の目的からは、(0.1<x<0.3)が好ましい。 When crystallization is suppressed, the leakage current is reduced. Aluminum oxide and silicon oxide have a lower dielectric constant than hafnium oxide. In order to obtain a dielectric constant as high as possible, the amount of aluminum oxide or silicon oxide mixed with hafnium oxide is expressed as Hf 1-x Si x O, Hf 1-x Al x O (0 <x <0.3). ) Is preferable. For the purpose of suppressing crystallization, (0.1 <x <0.3) is preferable.

さらに、酸化ハフニウム膜をゲート絶縁膜に用いた時の反応の原因としては、酸素の拡散が最も大きいであろう。高誘電率膜として、酸化ハフニウム以外の酸化物を用いても、酸素の拡散抑制の観点からは同様の効果が期待できよう。すなわち、高誘電率酸化物層は、Hf,Ti,Ta,Zr,Y,W,Al、およびこれらの混合物のいずれかの酸化物層ないしこれらの積層でよいであろう。高誘電率膜の比誘電率は、好ましくは10より大とする。酸化物高誘電率層に若干の窒素を導入してもよいであろう。このようなものも酸化物と呼ぶ。   Further, the diffusion of oxygen will be the largest cause of the reaction when the hafnium oxide film is used as the gate insulating film. Even if an oxide other than hafnium oxide is used as the high dielectric constant film, the same effect can be expected from the viewpoint of suppressing the diffusion of oxygen. That is, the high dielectric constant oxide layer may be any oxide layer or stack of Hf, Ti, Ta, Zr, Y, W, Al, and mixtures thereof. The relative dielectric constant of the high dielectric constant film is preferably greater than 10. Some nitrogen may be introduced into the oxide high dielectric constant layer. Such a thing is also called an oxide.

酸化物高誘電率絶縁層の下地として、シリコン基板上にSC2洗浄によるケミカルオキサイドの酸化シリコン層を形成する場合を説明したが、その表面を窒化してもよいであろう。このようなものも酸化シリコンと呼ぶ。他の方法で窒素を導入してもよい。又、薄い酸化シリコン層をSC2洗浄以外の方法で形成してもよい。ウェット処理に限らず、ドライ処理を行なってもよい。
又、酸化膜高誘電率層に窒化膜を挿入してもよいであろう。酸化物高誘電率層上にシリ
コン窒化膜を配して更にゲート電極より供給される酸素を遮断してもよく、その際該シリコン窒化膜を薄膜化すると応力を制御できる。シリコン窒化膜を用いた実施例については、後述する。
Although the case where a silicon oxide layer of chemical oxide is formed on a silicon substrate by SC2 cleaning as the base of the oxide high dielectric constant insulating layer has been described, the surface thereof may be nitrided. Such a thing is also called silicon oxide. Nitrogen may be introduced by other methods. A thin silicon oxide layer may be formed by a method other than SC2 cleaning. Not only wet processing but dry processing may be performed.
A nitride film may be inserted into the oxide film high dielectric constant layer. A silicon nitride film may be provided on the oxide high dielectric constant layer to block oxygen supplied from the gate electrode. At that time, the stress can be controlled by reducing the thickness of the silicon nitride film. An example using a silicon nitride film will be described later.

CVD成膜時の基板温度は、400℃−600℃の成膜温度で、良好にHfAlO膜を成長できるであろう。
Hfの原料ガスは、(Hf(OtC)に限らない。Hf[N(CH、Hf{N(C、Hf{N(CH)(C)}等を用いてもよいであろう。Alの原料ガスもAl(t−Cに限らない。Al(C、Al(CH等を用いてもよいであろう。原料ガスは、有機金属に限らないが、特に有機金属原料を用いた場合、可能性が高いであろう。窒化ガスとしてNHの他、ビスターシャルブチルアミノシラン(SiH[NHt−C,BTBAS),トリエチルアミン(N(C,TEN)などを用いてもよいであろう。
The substrate temperature at the time of CVD film formation is 400 ° C. to 600 ° C., and the HfAlO film can be grown well.
The source gas of Hf is not limited to (Hf (OtC 4 H 9 ) 4 ). Hf [N (CH 3 ) 2 ] 4 , Hf {N (C 2 H 5 ) 2 } 4 , Hf {N (CH 3 ) (C 2 H 5 )} 4, etc. may be used. Al source gas is also not limited to Al (t-C 4 H 9 ) 3. Al (C 2 H 5 ) 3 , Al (CH 3 ) 3 or the like may be used. The source gas is not limited to an organic metal, but will likely be high when an organic metal source is used. As the nitriding gas, other than NH 3 , binary butylaminosilane (SiH 2 [NHt—C 4 H 9 ] 2 , BTBAS), triethylamine (N (C 2 H 5 ) 3 , TEN) or the like may be used.

図5Aは、他の実施例によるゲート絶縁膜の構成を示す。シリコン基板1表面にケミカルオキサイドによる酸化シリコン層3が形成された構成は、図3A同様である。本実施例においては、窒化アルミニウム層4yと酸化ハフニウム層4xとが交互に積層される。図においては2層の酸化ハフニウム層4xを3層の窒化アルミニウム層4xが挟み込んだ構成となっている。最上の窒化アルミニウム層4yの上にシリコンゲート電極5が形成される。積層の数は適宜増減してもよい。少なくともゲート電極5と酸化シリコン層3に接する位置に窒化物層を配置する。   FIG. 5A shows a configuration of a gate insulating film according to another embodiment. The structure in which the silicon oxide layer 3 made of chemical oxide is formed on the surface of the silicon substrate 1 is the same as that shown in FIG. 3A. In this embodiment, aluminum nitride layers 4y and hafnium oxide layers 4x are alternately stacked. In the figure, two hafnium oxide layers 4x are sandwiched by three aluminum nitride layers 4x. A silicon gate electrode 5 is formed on the uppermost aluminum nitride layer 4y. You may increase / decrease the number of lamination | stacking suitably. A nitride layer is disposed at least at a position in contact with the gate electrode 5 and the silicon oxide layer 3.

図5Bは、CMOS構造の半導体装置の構成例を示す。シリコン基板11には、シャロートレンチアイソレーション(STI)による素子分離領域12が形成され、活性領域を画定する。活性領域内にn型ウェル13n、p型ウェル13pが形成される。p型ウェル13pにはnチャネルIG−FET20nが形成される。n型ウェル13nにはpチャネルIG−FET20pが形成される。活性領域表面にケミカルオキサイドによる酸化シリコン層3が形成され、その上にCVDにより酸化ハフニウム膜4xを一対の窒化アルミニウム膜4yで挟んだ高誘電率絶縁積層4が形成される。高誘電率絶縁積層4上に多結晶シリコンのゲート電極5n、5pが形成される。参照符号の後のp、nは導電型を示す。ゲート電極側壁上にサイドウォールスペーサ17が形成され、ゲート電極両側にエクステンション16n、16pを備えたソース/ドレイン領域18n、18pが形成される。ゲート電極、ソース/ドレイン領域の表面にはシリサイド層19が形成される。pチャネルIG−FET20pは、nチャネルIG−FET20nの各半導体領域の導電型を反転した構成を有している。   FIG. 5B illustrates a configuration example of a semiconductor device having a CMOS structure. In the silicon substrate 11, an element isolation region 12 is formed by shallow trench isolation (STI) to define an active region. An n-type well 13n and a p-type well 13p are formed in the active region. An n-channel IG-FET 20n is formed in the p-type well 13p. A p-channel IG-FET 20p is formed in the n-type well 13n. A silicon oxide layer 3 made of chemical oxide is formed on the surface of the active region, and a high dielectric constant insulating laminate 4 in which a hafnium oxide film 4x is sandwiched between a pair of aluminum nitride films 4y is formed thereon by CVD. Polycrystalline silicon gate electrodes 5 n and 5 p are formed on the high dielectric constant insulating laminate 4. P and n after the reference symbol indicate the conductivity type. Sidewall spacers 17 are formed on the side walls of the gate electrode, and source / drain regions 18n and 18p having extensions 16n and 16p are formed on both sides of the gate electrode. A silicide layer 19 is formed on the surface of the gate electrode and source / drain regions. The p-channel IG-FET 20p has a configuration in which the conductivity type of each semiconductor region of the n-channel IG-FET 20n is inverted.

酸化ハフニウム層と窒化アルミニウム層との積層を含む高誘電率絶縁膜は、CETが2nm以下で、ヒステリシスが小さく、フラットバンド電圧の変化ΔVfbが抑制されている。   A high dielectric constant insulating film including a stack of a hafnium oxide layer and an aluminum nitride layer has a CET of 2 nm or less, a small hysteresis, and a flat band voltage change ΔVfb is suppressed.

ゲート電極を覆って、層間絶縁膜21が形成され、層間絶縁膜中に多層配線24が形成される。各配線24は、バリアメタル層22と銅等の主配線層23を用いて構成される。
窒化アルミニウム層をゲート絶縁膜中の高誘電率絶縁膜であるHfO膜と多結晶シリコンのゲート電極との間に配置すると、酸化膜の膜厚増加や高誘電率膜の反応が抑制され、物理的膜厚が厚く、容量等価膜厚を薄くできることが判った。窒化シリコンは、酸素遮蔽能が高いことが知られており、窒化アルミニウムと同様の効果を示すことが期待される。また、窒化ハフニウムは導電体的になり得るが、窒化酸化ハフニウムは絶縁体とでき、高い誘電率の良好なゲート絶縁膜としての可能性を有する。
An interlayer insulating film 21 is formed so as to cover the gate electrode, and a multilayer wiring 24 is formed in the interlayer insulating film. Each wiring 24 is configured using a barrier metal layer 22 and a main wiring layer 23 such as copper.
When the aluminum nitride layer is disposed between the HfO 2 film, which is a high dielectric constant insulating film in the gate insulating film, and the gate electrode of polycrystalline silicon, the increase in the thickness of the oxide film and the reaction of the high dielectric constant film are suppressed, It was found that the physical film thickness is large and the capacitance equivalent film thickness can be reduced. Silicon nitride is known to have a high oxygen shielding ability and is expected to exhibit the same effect as aluminum nitride. In addition, hafnium nitride can be a conductor, but hafnium nitride oxide can be an insulator, and has the potential as a gate insulating film with a high dielectric constant.

図8Aは、作成したサンプルSの構成を概略的に示す断面図である。シリコン基板11に活性領域を画定する素子分離領域を作成し、活性領域にp型不純物、n型不純物をイオン注入して、p型ウェル13p、n型ウェル13nを作成した。活性領域表面に酸化シリコン膜3を厚さ約0.7nm形成し、その上に6種類の構成の高誘電率絶縁層41を有機金属化学気相堆積(MOCVD)で形成した。   FIG. 8A is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the created sample S. FIG. An element isolation region for defining an active region was formed in the silicon substrate 11, and a p-type impurity and an n-type impurity were ion-implanted into the active region to form a p-type well 13p and an n-type well 13n. A silicon oxide film 3 having a thickness of about 0.7 nm was formed on the surface of the active region, and a high dielectric constant insulating layer 41 having six types of structures was formed thereon by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).

高誘電率絶縁層41の堆積後、N雰囲気中、600℃〜1100℃、例えば800℃、30秒の熱処理(アニ−リング)で高誘電率膜を緻密化し、有機物由来の炭素を離脱させた後、酸素遮蔽機能を有し、酸化シリコンより高い誘電率を有する誘電体膜として、厚さ高々1nm未満の薄い窒化シリコン層42を積層した。 After the high dielectric constant insulating layer 41 is deposited, the high dielectric constant film is densified by heat treatment (annealing) at 600 ° C. to 1100 ° C., for example, 800 ° C. for 30 seconds in an N 2 atmosphere, and carbon derived from organic matter is released. Thereafter, a thin silicon nitride layer 42 having a thickness of less than 1 nm was stacked as a dielectric film having an oxygen shielding function and a dielectric constant higher than that of silicon oxide.

窒化シリコン膜42上に多結晶シリコン膜5を堆積し、レジストパターンを用いてパターニングして絶縁ゲート電極を形成した。p型ウェル13pにn型不純物、n型ウェル13nにp型不純物をイオン注入し、n型エクステンション領域16n、p型エクステンション領域16pを形成した。酸化シリコン層を堆積し、異方性エッチングしてゲート電極側壁上にサイドウォールスペーサ17を形成した。p型ウェル13pにn型不純物、n型ウェル13nにp型不純物をイオン注入し、n型ソース/ドレイン領域18n、p型ソース/ドレイン領域18pを形成した。   A polycrystalline silicon film 5 was deposited on the silicon nitride film 42 and patterned using a resist pattern to form an insulated gate electrode. An n-type impurity is ion-implanted into the p-type well 13p and a p-type impurity is ion-implanted into the n-type well 13n to form an n-type extension region 16n and a p-type extension region 16p. A silicon oxide layer was deposited and anisotropically etched to form sidewall spacers 17 on the gate electrode sidewalls. An n-type impurity is ion-implanted into the p-type well 13p and a p-type impurity is ion-implanted into the n-type well 13n to form an n-type source / drain region 18n and a p-type source / drain region 18p.

図8B−8Gは6種類の高誘電率絶縁層41の設計構造を示す。図8Bは、厚さ4nmの単層のHfO膜で高誘電率絶縁層41aを作成するサンプルS6である。図8Cは、厚さ3nmのHfO膜の上に厚さ1nmのHfON膜を積層して、高誘電率絶縁膜41bを作成するサンプルS7である。図8Dは、図8Cとは上下逆に、厚さ1nmのHfON膜の上に厚さ3nmのHfO膜を積層して高誘電率絶縁膜41cとするサンプルS8である。図8Eは、厚さ2nmのHfO膜の上下を厚さ1nmのHfON膜で挟んで、高誘電率絶縁膜41dとするサンプルs9である。図8F,8Gは、図8C,8Eの上側HfON膜をAlON膜に置き換え、高誘電率絶縁層41e、41fとするサンプルS10,S11である。 8B-8G show the design structures of six types of high dielectric constant insulating layers 41. FIG. FIG. 8B is a sample S6 in which the high-dielectric-constant insulating layer 41a is formed with a single-layer HfO 2 film having a thickness of 4 nm. FIG. 8C is a sample S7 in which a high dielectric constant insulating film 41b is formed by stacking a 1 nm thick HfON film on a 3 nm thick HfO 2 film. FIG. 8D is a sample S8 that is a reverse of FIG. 8C, and forms a high dielectric constant insulating film 41c by stacking a 3 nm thick HfO 2 film on a 1 nm thick HfON film. FIG. 8E shows a sample s9 in which a high dielectric constant insulating film 41d is formed by sandwiching the top and bottom of a 2 nm thick HfO 2 film with a 1 nm thick HfON film. 8F and 8G are samples S10 and S11 in which the upper HfON film in FIGS. 8C and 8E is replaced with an AlON film to obtain high dielectric constant insulating layers 41e and 41f.

このようにして、6種類のCMOS構造のサンプルS(S6〜S11)を形成した後、ゲート絶縁膜の等価酸化膜厚(EOT、容量以外の効果も取り入れている)を測定した。また、サンプルS6,S7,S9に付き、熱処理前後でのドレイン電流Id対ゲート電圧Vgの関係を測定した。電流電圧特性の測定には、Agilent Technology社製4156Cを用い、容量電圧特性の測定には、Agilent Technology社製4284Aを用いた。   Thus, after forming 6 types of samples S (S6 to S11) having a CMOS structure, the equivalent oxide thickness (EOT, effects other than capacitance) of the gate insulating film were measured. For the samples S6, S7, and S9, the relationship between the drain current Id and the gate voltage Vg before and after the heat treatment was measured. 4156C made by Agilent Technology was used for the measurement of current-voltage characteristics, and 4284A made by Agilent Technology was used for the measurement of capacity-voltage characteristics.

図8Hは、測定したEOTをまとめて示す表である。単層のHfO膜をSiN膜で覆ったサンプルS6は、EOT1.58nmであり、薄いSiN膜が酸素遮蔽能を発揮することを示唆している。HfO膜上にHfON膜を積層したサンプルS8のEOTは1.33nmであり、サンプルS6のEOT1.58nmと較べ、明らかに減少している。HfON膜が酸素遮蔽能を示し、多結晶シリコン層5から拡散し、薄いSiN膜では遮蔽し切れなかった酸素を遮蔽し、反応を防いでいると考えられる。HfO膜下側にHfON膜を配置したサンプルS8のEOTは、1.48nmであり、サンプルS6のEOTより薄い。酸素は下側の酸化シリコン膜3からも拡散し、下側のHfON膜がこの酸素を遮蔽したと考えることができる。HfO膜の上下にHfON膜を配置したサンプルS9のEOTは1.35nmと、サンプルS8のEOTより薄く、この考えを裏付ける。但し、HfONの誘電率はHfOより小さく、HfON膜の比を大きくするとEOTは相対的に大きくなり得る。 FIG. 8H is a table collectively showing measured EOT. Sample S6 in which the single-layer HfO 2 film is covered with a SiN film has an EOT of 1.58 nm, suggesting that a thin SiN film exhibits oxygen shielding ability. The EOT of the sample S8 in which the HfON film is stacked on the HfO 2 film is 1.33 nm, which is clearly reduced as compared with the EOT 1.58 nm of the sample S6. It is considered that the HfON film exhibits an oxygen shielding ability, diffuses from the polycrystalline silicon layer 5, shields oxygen that cannot be shielded by the thin SiN film, and prevents the reaction. The EOT of sample S8 in which the HfON film is disposed below the HfO 2 film is 1.48 nm, which is thinner than the EOT of sample S6. It can be considered that oxygen diffuses also from the lower silicon oxide film 3, and the lower HfON film shields this oxygen. The EOT of sample S9 in which HfON films are arranged above and below the HfO 2 film is 1.35 nm, which is thinner than the EOT of sample S8, supporting this idea. However, the dielectric constant of HfON is smaller than HfO 2 , and the EOT can be relatively increased when the ratio of the HfON film is increased.

HfON膜をAlON膜に置き換えたサンプルS10,S11のEOTは、1.36nm、1.36nmであり、サンプルS7,S9のEOT1.33nm、1.35nmにほぼ近い値である。AlON膜もHfON膜同様の酸素遮蔽能を有すると考えられる。AlN膜、SiN膜、HfON膜、AlON膜等の窒化物絶縁膜は、有効な酸素遮蔽能を有すると考えられる。HfO膜上にHfON膜ないしAlON膜を形成し、SiN膜を省略することも可能であろう。図5Aに示す構造において、酸化ハフニウム層4xを酸化窒化ハフニウムまたは酸化窒化アルミニウムの層4yで挟んでもよい。酸化ハフニウム層数を増減してもよい。 The EOTs of the samples S10 and S11 in which the HfON film is replaced with the AlON film are 1.36 nm and 1.36 nm, which are close to the EOTs 1.33 nm and 1.35 nm of the samples S7 and S9. The AlON film is considered to have the same oxygen shielding ability as the HfON film. A nitride insulating film such as an AlN film, a SiN film, a HfON film, or an AlON film is considered to have an effective oxygen shielding ability. It would be possible to form an HfON film or an AlON film on the HfO 2 film and omit the SiN film. In the structure shown in FIG. 5A, the hafnium oxide layer 4x may be sandwiched between layers of hafnium oxynitride or aluminum oxynitride 4y. The number of hafnium oxide layers may be increased or decreased.

図9Aは、サンプルS6,S7,S9に付き、熱処理後のドレイン電流Id対ゲート電圧Vgの関係を測定した結果を示す。サンプルS7の特性s7は,サンプルS6の特性s6よりゲート電圧で負の方向にシフトしている。サンプルS9の特性s9はさらに負にシフトしている。サンプルS6において、負の固定電荷が存在していたとすると、サンプルS7,S9では固定電荷が減少したことになる。HfO膜に隣接してHfON膜を配置すると、固定電荷を減少させることができると考えられる。 FIG. 9A shows the result of measuring the relationship between the drain current Id after the heat treatment and the gate voltage Vg for the samples S6, S7, and S9. The characteristic s7 of the sample S7 is shifted in the negative direction by the gate voltage from the characteristic s6 of the sample S6. The characteristic s9 of the sample S9 is further shifted negatively. If there is a negative fixed charge in sample S6, the fixed charge is reduced in samples S7 and S9. If the HfON film is disposed adjacent to the HfO 2 film, the fixed charge can be reduced.

この現象は、以下のように考えることができよう。堆積したHfO膜は、格子欠陥等のトラップを含み、電子をトラップする。熱処理により、HfON膜からHfO膜中にNが拡散すると、格子欠陥等のトラップを消滅させる機能がある。トラップが消滅すれば、固定電荷となっていた電子を消滅させることができる。上述の熱処理では、片側から拡散するNは、HfO膜全厚までは分布せず、両側にHfON膜を配置すると片側にHfON膜を配置した場合より効果が大きい。 This phenomenon can be considered as follows. The deposited HfO 2 film includes traps such as lattice defects and traps electrons. When N diffuses from the HfON film into the HfO 2 film by the heat treatment, there is a function of eliminating traps such as lattice defects. If the trap disappears, the electrons that have been fixed charges can be extinguished. In the heat treatment described above, N diffused from one side is not distributed up to the entire thickness of the HfO 2 film, and the effect is greater when the HfON film is arranged on both sides than when the HfON film is arranged on one side.

図9Bは、上記考えに基づき、シミュレーションを行なった結果を示す。サンプルS6,S7,S9の特性として、図9A同様の傾向を示す特性s6、s7、s9が得られた。上記の考え方の妥当性が支持されたと考えられる。   FIG. 9B shows the result of simulation based on the above idea. As the characteristics of the samples S6, S7, and S9, characteristics s6, s7, and s9 showing the same tendency as in FIG. 9A were obtained. It seems that the validity of the above idea was supported.

高誘電率酸化物層の表面に酸素遮蔽能を有する窒化物層を配置する構造において、酸素遮蔽窒化物膜はAlN膜、SiN膜の少なくとも1つを含むことが好ましいであろう。HfON膜、AlNO膜は高誘電率酸化物層としても、酸素遮蔽窒化物層としても利用できると考えられる。   In the structure in which the nitride layer having an oxygen shielding ability is disposed on the surface of the high dielectric constant oxide layer, it is preferable that the oxygen shielding nitride film includes at least one of an AlN film and an SiN film. It is considered that the HfON film and the AlNO film can be used both as a high dielectric constant oxide layer and an oxygen shielding nitride layer.

図6は、多層配線構造を有する半導体集積回路装置の構成例を示す。シリコン基板101に、シャロートレンチアイソレーション(STI)による素子分離領域102が形成されている。素子分離領域102で囲まれた活性領域内にMOSトランジスタを形成するため、p型ウエル103、n型ウエル104が形成されている。   FIG. 6 shows a configuration example of a semiconductor integrated circuit device having a multilayer wiring structure. An element isolation region 102 by shallow trench isolation (STI) is formed on the silicon substrate 101. In order to form a MOS transistor in the active region surrounded by the element isolation region 102, a p-type well 103 and an n-type well 104 are formed.

p型ウエル領域103上に、上述の構成の高誘電率ゲート絶縁膜105、多結晶シリコンゲート電極106、サイドウォールスペーサ107が形成され、ゲート電極106の両側にエクステンション付n型ソース/ドレイン領域108が形成される。n型ウエル領域104においては、p型ソース/ドレイン領域109が形成される。   On the p-type well region 103, the high dielectric constant gate insulating film 105, the polycrystalline silicon gate electrode 106, and the side wall spacer 107 having the above-described configuration are formed. The extension-type n-type source / drain regions 108 are formed on both sides of the gate electrode 106. Is formed. In the n-type well region 104, a p-type source / drain region 109 is formed.

ゲート電極を覆って半導体基板上に窒化シリコン層111が形成され、その上にホスホシリケートガラス(PSG、燐ドープ酸化シリコン)層112が形成される。PSG層112、窒化シリコン層111を貫通して、TiNのバリアメタル層B11とタングステン層V1とで形成されたビア導電体が形成される。   A silicon nitride layer 111 is formed on the semiconductor substrate so as to cover the gate electrode, and a phosphosilicate glass (PSG, phosphorus-doped silicon oxide) layer 112 is formed thereon. A via conductor formed of the TiN barrier metal layer B11 and the tungsten layer V1 is formed through the PSG layer 112 and the silicon nitride layer 111.

PSG層112の上に、有機絶縁層113、酸化シリコン層114が積層される。この積層の中に、バリアメタル層B1、銅配線層W1、補助バリアメタル層Blx、補助銅配線層W1xで形成された配線パターンが埋め込まれる。このようにして第1配線層WL1が形成される。   An organic insulating layer 113 and a silicon oxide layer 114 are stacked on the PSG layer 112. A wiring pattern formed of the barrier metal layer B1, the copper wiring layer W1, the auxiliary barrier metal layer B1x, and the auxiliary copper wiring layer W1x is embedded in this stack. In this way, the first wiring layer WL1 is formed.

第1配線層WL1の上に、窒化シリコン層121、酸化シリコン層122、有機絶縁層123、酸化シリコン層124の積層が形成され、第2配線WL2用の層間絶縁膜が形成される。第2配線用層間絶縁膜に、バリアメタル層B2、銅配線層W2、補助バリアメタル層B2x、補助銅配線層W2xで形成された第2配線層WL2が埋め込まれる。   A stack of a silicon nitride layer 121, a silicon oxide layer 122, an organic insulating layer 123, and a silicon oxide layer 124 is formed on the first wiring layer WL1, and an interlayer insulating film for the second wiring WL2 is formed. The second wiring layer WL2 formed of the barrier metal layer B2, the copper wiring layer W2, the auxiliary barrier metal layer B2x, and the auxiliary copper wiring layer W2x is embedded in the second wiring interlayer insulating film.

第3配線層WL3、第4配線層WL4用の層間絶縁膜は、第2配線WL2に対する層間絶縁膜と同様、窒化シリコン層131、141、酸化シリコン層132、142、有機絶縁層133、143、酸化シリコン層134、144の積層で形成される。   Similar to the interlayer insulating film for the second wiring WL2, the interlayer insulating films for the third wiring layer WL3 and the fourth wiring layer WL4 are silicon nitride layers 131 and 141, silicon oxide layers 132 and 142, organic insulating layers 133 and 143, A stack of silicon oxide layers 134 and 144 is formed.

第3配線層WL3、第4配線層WL4のダマシン配線の構造は、第2配線層と同様である。バリアメタル層Bn、銅配線層Wn、補助バリアメタル層Bnx、補助銅配線層Wnxで配線パターンが形成される。   The damascene wiring structure of the third wiring layer WL3 and the fourth wiring layer WL4 is the same as that of the second wiring layer. A wiring pattern is formed by the barrier metal layer Bn, the copper wiring layer Wn, the auxiliary barrier metal layer Bnx, and the auxiliary copper wiring layer Wnx.

第5配線層WL5〜第7配線層WL7は、第2配線層WL2〜第4配線層WL4とは異なる構成を有する。第5配線層WL5の層間絶縁膜は、窒化シリコン層151、酸化シリコン層152、窒化シリコン層153、酸化シリコン層154の積層で形成されている。配線パターンの構成は、第2〜第4配線WL4と同様である。   The fifth wiring layer WL5 to the seventh wiring layer WL7 have different configurations from the second wiring layer WL2 to the fourth wiring layer WL4. The interlayer insulating film of the fifth wiring layer WL5 is formed by stacking a silicon nitride layer 151, a silicon oxide layer 152, a silicon nitride layer 153, and a silicon oxide layer 154. The configuration of the wiring pattern is the same as that of the second to fourth wirings WL4.

第6配線層、第7配線層に対する層間絶縁膜も、第5配線層WL5同様窒化シリコン層161、171、酸化シリコン層162、172、窒化シリコン層163、173、酸化シリコン層164、174で形成されている。配線パターンの構成は、第5配線WL5と同様である。   Similarly to the fifth wiring layer WL5, an interlayer insulating film for the sixth wiring layer and the seventh wiring layer is formed of silicon nitride layers 161 and 171, silicon oxide layers 162 and 172, silicon nitride layers 163 and 173, and silicon oxide layers 164 and 174. Has been. The configuration of the wiring pattern is the same as that of the fifth wiring WL5.

上層配線は、配線間ピッチが広くなり、配線密度が緩やかになる。このため、配線間の浮遊容量を低減するため、低誘電率絶縁層を用いる必要性が低くなる。そこで、第5〜第7配線層では、有機絶縁層を用いず、層間絶縁層の信頼性を高めている。   In the upper layer wiring, the pitch between the wirings becomes wider and the wiring density becomes lower. For this reason, in order to reduce the stray capacitance between wirings, the necessity of using a low dielectric constant insulating layer is reduced. Therefore, in the fifth to seventh wiring layers, the organic insulating layer is not used, and the reliability of the interlayer insulating layer is enhanced.

最上層の第8配線層WL8は、独自の構成を有する。窒化シリコン層181、酸化シリコン層182で下部絶縁層が形成され、バリアメタル層B81、タングステン層V8でビア部が形成される。   The uppermost eighth wiring layer WL8 has a unique configuration. A lower insulating layer is formed by the silicon nitride layer 181 and the silicon oxide layer 182, and a via portion is formed by the barrier metal layer B81 and the tungsten layer V8.

ビア部の上に、TiN層B82、アルミニウム層W8、TiN層B83でパッド兼用の配線層が形成されている。なお、アルミニウムの代りにCuを用いることもできる。最上層の配線を覆って、酸化シリコン層183、窒化シリコン層190が形成されている。   A wiring layer also serving as a pad is formed of the TiN layer B82, the aluminum layer W8, and the TiN layer B83 on the via portion. Cu can also be used in place of aluminum. A silicon oxide layer 183 and a silicon nitride layer 190 are formed so as to cover the uppermost wiring.

図6の構成においては、第1配線層WL1〜第7配線層WL7の全てにおいて配線パターン中に補助バリアメタル層を埋め込み、ボイドの発生を抑制している。層間絶縁膜の構成は、下部配線層と最上層を除く上部配線層でその構成が異なっている。   In the configuration of FIG. 6, the auxiliary barrier metal layer is embedded in the wiring pattern in all of the first wiring layer WL1 to the seventh wiring layer WL7 to suppress the generation of voids. The structure of the interlayer insulating film is different between the lower wiring layer and the upper wiring layer except the uppermost layer.

図7は、多層配線構造を有する半導体集積回路装置の他の構成例を示す。半導体基板内に形成するMOSトランジスタ構造及びソース/ドレインの引出し導電性プラグの構成は、図6と同様である。   FIG. 7 shows another configuration example of a semiconductor integrated circuit device having a multilayer wiring structure. The structure of the MOS transistor structure and the source / drain lead conductive plug formed in the semiconductor substrate is the same as that shown in FIG.

PSG層112の上に、SiC層116、有機絶縁層117、SiC層118の積層が形成され、バリアメタル層B1、銅配線層W1で第1配線層WL1が形成されている。補助バリアメタル層は用いられていない。   A stack of a SiC layer 116, an organic insulating layer 117, and a SiC layer 118 is formed on the PSG layer 112, and a first wiring layer WL1 is formed of a barrier metal layer B1 and a copper wiring layer W1. No auxiliary barrier metal layer is used.

第2配線層WL2〜第4配線層WL4は、第1配線層WL1と同様の構成を有する。第4配線層WL4を例にとって説明すると、層間絶縁膜はSiC層141、有機絶縁層142、SiC層143で形成されている。デュアルダマシン配線は、バリアメタル層B4と銅層W4で形成され、補助バリアメタル層は配置されていない。   The second wiring layer WL2 to the fourth wiring layer WL4 have the same configuration as the first wiring layer WL1. Taking the fourth wiring layer WL4 as an example, the interlayer insulating film is formed of a SiC layer 141, an organic insulating layer 142, and a SiC layer 143. The dual damascene wiring is formed of a barrier metal layer B4 and a copper layer W4, and no auxiliary barrier metal layer is disposed.

第5配線層WL5〜第8配線層WL8はそれぞれ同様の構成を有する。第5配線層WL5を例にとって説明すると、層間絶縁膜は、SiC層151、酸化炭化シリコン(SiOC)層152、SiC層153、酸化炭化シリコン層154で形成されている。デュアルダマシン配線は、バリアメタル層Bおよび銅配線層Wで形成され、補助バリアメタル層は配置されていない。   The fifth wiring layer WL5 to the eighth wiring layer WL8 have the same configuration. Taking the fifth wiring layer WL5 as an example, the interlayer insulating film is formed of an SiC layer 151, a silicon oxide carbide (SiOC) layer 152, an SiC layer 153, and a silicon oxide carbide layer 154. The dual damascene wiring is formed of a barrier metal layer B and a copper wiring layer W, and no auxiliary barrier metal layer is disposed.

第9配線層WL9は、SiC層191、酸化シリコン層192、SiC層193、酸化シリコン層194で形成された層間絶縁膜に、バリアメタル層B9、銅配線層W9、補助バリアメタル層B9x、補助銅配線層W9xで形成されたデュアルダマシン配線が埋め込まれる。   The ninth wiring layer WL9 includes a barrier metal layer B9, a copper wiring layer W9, an auxiliary barrier metal layer B9x, and an auxiliary insulating film formed on an interlayer insulating film formed of the SiC layer 191, the silicon oxide layer 192, the SiC layer 193, and the silicon oxide layer 194. A dual damascene wiring formed of the copper wiring layer W9x is embedded.

第10配線WL10は、第9配線WL9と同様の構成を有する。SiC層201、酸化シリコン層202、SiC層203、酸化シリコン層204で形成されて層間絶縁膜にバリアメタル層B10、銅配線層W10、補助バリアメタル層B10x、補助銅配線層W10xで形成されたデュアルダマシン配線が埋め込まれる。   The tenth wiring WL10 has a configuration similar to that of the ninth wiring WL9. The SiC layer 201, the silicon oxide layer 202, the SiC layer 203, and the silicon oxide layer 204 are formed, and the interlayer insulating film is formed of the barrier metal layer B10, the copper wiring layer W10, the auxiliary barrier metal layer B10x, and the auxiliary copper wiring layer W10x. Dual damascene wiring is embedded.

最上配線層WL11は、FIG.7の最上配線と同様の構成を有する。SiC層211、酸化シリコン層212が積層され、この中にTiNのバリアメタル層B11と、Wの配線層W11で形成されたビア導電体が埋め込まれている。ビア導電体の上に、TiN層B111、アルミニウム、又は銅を含むアルミニウム合金で形成された主配線層W12、TiNの上部バリアメタル層B112で形成されたボンディングパッド兼用最上配線層が形成される。この配線層を覆って、酸化シリコン層213、窒化シリコン層220が形成される。   The uppermost wiring layer WL11 is formed in FIG. 7 has the same configuration as the uppermost wiring. A SiC layer 211 and a silicon oxide layer 212 are laminated, and a via conductor formed of a TiN barrier metal layer B11 and a W wiring layer W11 is embedded therein. On the via conductor, a TiN layer B111, a main wiring layer W12 formed of aluminum or an aluminum alloy containing copper, and a bonding pad combined uppermost wiring layer formed of an upper barrier metal layer B112 of TiN are formed. A silicon oxide layer 213 and a silicon nitride layer 220 are formed to cover this wiring layer.

図7の構成においては、下層から上層に向って3段階で層間絶縁層の積層構成が変化し、実質的誘電率は下層ほど低くされている。下層配線は高密度であり、配線の付随容量を低減するためには層間絶縁層の誘電率を低減することが好ましい。   In the configuration of FIG. 7, the laminated configuration of the interlayer insulating layer changes in three stages from the lower layer to the upper layer, and the substantial dielectric constant is lowered as the lower layer. The lower layer wiring has a high density, and it is preferable to reduce the dielectric constant of the interlayer insulating layer in order to reduce the accompanying capacitance of the wiring.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、他の金属酸化物を用いることも可能であろう。
その他、種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. For example, other metal oxides could be used.
It will be apparent to those skilled in the art that other various modifications, improvements, and combinations can be made.

以下、本発明の特徴を付記する。
(付記1)(1) シリコン基板と、
前記シリコン基板表面に形成された酸化シリコン層と、
前記酸化シリコン層上方に形成された酸化シリコンより高い誘電率を有する高誘電率膜の第1酸化物層と、
前記第1酸化物層の上方に酸素遮蔽能を有する窒化物で形成された第1窒化物層と、
前記第1窒化物層上方に形成されたゲート電極と、
を有する半導体装置。
The features of the present invention will be described below.
(Appendix 1) (1) A silicon substrate,
A silicon oxide layer formed on the surface of the silicon substrate;
A first oxide layer of a high dielectric constant film having a higher dielectric constant than silicon oxide formed above the silicon oxide layer;
A first nitride layer formed of a nitride having an oxygen shielding ability above the first oxide layer;
A gate electrode formed above the first nitride layer;
A semiconductor device.

(付記2)(2) 前記第1酸化物層は、Hf,Ti,Ta,Zr,Y,W,Al、Laのいずれかの酸化物を含む付記1記載の半導体装置。
(付記3)(3) 前記第1酸化物層は、酸化ハフニウム層を含み、前記第1窒化物層は窒化アルミニウム層または窒化シリコン層を含む付記1記載の半導体装置。
(Supplementary note 2) (2) The semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the first oxide layer includes an oxide of any one of Hf, Ti, Ta, Zr, Y, W, Al, and La.
(Supplementary note 3) (3) The semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the first oxide layer includes a hafnium oxide layer, and the first nitride layer includes an aluminum nitride layer or a silicon nitride layer.

(付記4) 前記第1酸化物層はAl,Siのいずれかも含む付記3記載の半導体装置。
(付記5)(4) 前記第1酸化物層は、酸化ハフニウム層の上下の少なくとも一方に、酸化窒化ハフニウム層または酸化窒化アルミニウム層も含む付記3または4記載の半導体装置。
(Supplementary note 4) The semiconductor device according to supplementary note 3, wherein the first oxide layer includes any one of Al and Si.
(Appendix 5) (4) The semiconductor device according to Appendix 3 or 4, wherein the first oxide layer includes a hafnium oxynitride layer or an aluminum oxynitride layer on at least one of the upper and lower sides of the hafnium oxide layer.

(付記6)(6) 前記第1酸化物層は、酸化窒化ハフニウム層または酸化窒化アルミニウム層も含む付記1〜5のいずれか1項記載の半導体装置。
(付記7) 前記第1窒化物層は、Hfも含む付記3〜5のいずれか1項記載の半導体装置。
(Appendix 6) (6) The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 5, wherein the first oxide layer also includes a hafnium oxynitride layer or an aluminum oxynitride layer.
(Supplementary note 7) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 3 to 5, wherein the first nitride layer includes Hf.

(付記8) 前記第1窒化物層は、AlよりもHfを多く含む付記7記載の半導体装置。     (Supplementary note 8) The semiconductor device according to supplementary note 7, wherein the first nitride layer contains more Hf than Al.

(付記9) 前記第1窒化物層は、Siも含む付記3または4記載の半導体装置。
(付記10) 前記第1窒化物層は、酸素も含む付記1〜9のいずれか1項記載の半導体装置。
(Supplementary note 9) The semiconductor device according to supplementary note 3 or 4, wherein the first nitride layer also includes Si.
(Supplementary note 10) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 9, wherein the first nitride layer includes oxygen.

(付記11) 前記第1窒化物層が、アルミニウムを含む窒化物層と、シリコンを含む窒化物層とを含む付記1〜10のいずれか1項記載の半導体装置。
(付記12)(5) 前記第1窒化物層は、酸化窒化ハフニウム層または酸化窒化アルミニウム層も含む付記1〜4,6〜11のいずれか1項記載の半導体装置。 (付記13) 前記高誘電率膜の絶縁積層は、前記第1酸化物層と前記酸化シリコン層との間に配置された第2窒化物層を含む付記1〜12のいずれか1項記載の半導体装置。
(Supplementary note 11) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 10, wherein the first nitride layer includes a nitride layer containing aluminum and a nitride layer containing silicon.
(Supplementary note 12) (5) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 4, 6 to 11, wherein the first nitride layer includes a hafnium oxynitride layer or an aluminum oxynitride layer. (Additional remark 13) The insulating lamination | stacking of the said high dielectric constant film | membrane includes the 2nd nitride layer arrange | positioned between the said 1st oxide layer and the said silicon oxide layer. Semiconductor device.

(付記14) 前記第2窒化物層は、Hf、Siのいずれかも含む付記13記載の半導体装置。
(付記15) 前記第2窒化物層は、酸素も含む付記13または14記載の半導体装置。
(Supplementary note 14) The semiconductor device according to supplementary note 13, wherein the second nitride layer includes any of Hf and Si.
(Additional remark 15) The said 2nd nitride layer is a semiconductor device of Additional remark 13 or 14 containing oxygen.

(付記16) 前記ゲート電極が酸素供与物質からなる付記1記載の半導体装置。
(付記17)(7) シリコン基板と、
前記シリコン基板表面に形成された酸化シリコン層と、
酸化シリコンより高い高誘電率膜の第1酸化膜とを含む半導体装置の製造方法であって、
(a)前記酸化シリコン上方に高誘電率の第1酸化物層を形成する工程と、
(b)前記第1酸化物層の上方に酸素遮蔽能を有する窒化物からなる第1窒化物層を形成する工程と、
(c)前記第1窒化物層上方にゲート電極を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
(Supplementary note 16) The semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the gate electrode is made of an oxygen donating substance.
(Appendix 17) (7) Silicon substrate;
A silicon oxide layer formed on the surface of the silicon substrate;
A method of manufacturing a semiconductor device including a first oxide film having a higher dielectric constant film than silicon oxide,
(A) forming a high dielectric constant first oxide layer above the silicon oxide;
(B) forming a first nitride layer made of a nitride having an oxygen shielding ability above the first oxide layer;
(C) forming a gate electrode above the first nitride layer;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:

(付記18)(8) さらに、
(d)前記酸化シリコン層を、塩酸−過酸化水素水処理で形成する工程、
を有する付記17記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 18) (8)
(D) forming the silicon oxide layer by hydrochloric acid-hydrogen peroxide treatment;
18. A method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 17, wherein:

(付記19) 前記第1窒化物層は、Hfも含む付記17または18記載の半導体装置の製造方法。
(付記20) 前記第1窒化物層に含まれるAlの含有量がHfの含有量より少ない付記19記載の半導体装置の製造方法。
(Additional remark 19) The said 1st nitride layer is a manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 17 or 18 containing Hf.
(Additional remark 20) The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 19 whose content of Al contained in a said 1st nitride layer is less than content of Hf.

(付記21) 前記ゲート電極が酸素供与物質からなる付記17記載の半導体装置の製造方法。
(付記22)(9)
前記工程(a)が有機金属気相成長法で酸化ハフニウム層を形成し、さらに、
(e)前記工程(a)の後、600℃〜1100℃のアニ−リングを行なう工程、
を含む付記17〜21のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
(Supplementary note 21) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 17, wherein the gate electrode is made of an oxygen donating substance.
(Appendix 22) (9)
The step (a) forms a hafnium oxide layer by metal organic vapor phase epitaxy;
(E) After the step (a), annealing at 600 ° C. to 1100 ° C.
22. A manufacturing method of a semiconductor device according to any one of appendices 17 to 21, including:

(付記23)(10)
前記工程(a)または(b)が、酸化窒化ハフニウム層または酸化窒化アルミニウム層を形成する工程を含む付記22記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 23) (10)
24. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 22, wherein the step (a) or (b) includes a step of forming a hafnium oxynitride layer or an aluminum oxynitride layer.

シリコン基板上に高誘電率絶縁膜を化学気相堆積(CVD)で形成する方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the method of forming a high dielectric constant insulating film on a silicon substrate by chemical vapor deposition (CVD). 熱CVD装置の構成を概略的に示すブロック図、および実験条件をまとめて示す表である。It is the table | surface which shows the block diagram which shows the structure of a thermal CVD apparatus roughly, and experimental conditions collectively. 作成したMOS構造のC−V特性を示すグラフである。It is a graph which shows the CV characteristic of the produced MOS structure. フラットバンド電圧変化量ΔVfbとヒステリシスをまとめて示すグラフである。It is a graph which shows collectively flat band voltage variation | change_quantity (DELTA) Vfb and hysteresis. 実施例によるMOSトランジスタの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the MOS transistor by an Example. 半導体集積回路装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a semiconductor integrated circuit device. 半導体集積回路装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a semiconductor integrated circuit device. サンプルの構成およびEOTの測定結果を示す断面図および表である。It is sectional drawing and a table | surface which show the structure of a sample, and the measurement result of EOT. ドレイン電流対ゲート電圧の特性の測定結果、およびシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the measurement result of the characteristic of drain current versus gate voltage, and a simulation result.

符号の説明Explanation of symbols

1 シリコン基板
2 自然酸化膜
3 ケミカルオキサイド膜(酸化シリコン膜)
4 高誘電率絶縁層
4x 酸化ハフニウム層
4y 窒化アルミニウム層
4z 窒化ハフニウム層
4s 酸化ハフニウム層
4t 窒化ハフニウム層
5 ゲート電極
6 反応室
7 サセプタ
8 シャワーヘッド
9 配管
11 シリコン基板
13 ウェル
16 エクステンション
17 サイドウォール
19 シリサイド
41 高誘電率層
42 酸素遮蔽層
1 Silicon substrate 2 Natural oxide film 3 Chemical oxide film (silicon oxide film)
4 High dielectric constant insulating layer 4x Hafnium oxide layer 4y Aluminum nitride layer 4z Hafnium nitride layer 4s Hafnium oxide layer 4t Hafnium nitride layer 5 Gate electrode 6 Reaction chamber 7 Susceptor 8 Shower head 9 Piping 11 Silicon substrate 13 Well 16 Extension 17 Side wall 19 Silicide 41 High dielectric constant layer 42 Oxygen shielding layer

Claims (10)

シリコン基板と、
前記シリコン基板表面に形成された酸化シリコン層と、
前記酸化シリコン層上方に形成された酸化シリコンより高い誘電率を有する高誘電率膜の第1酸化物層と、
前記第1酸化物層の上方に酸素遮蔽能を有する窒化物で形成された第1窒化物層と、
前記第1窒化物層上方に形成されたゲート電極と、
を有する半導体装置。
A silicon substrate;
A silicon oxide layer formed on the surface of the silicon substrate;
A first oxide layer of a high dielectric constant film having a higher dielectric constant than silicon oxide formed above the silicon oxide layer;
A first nitride layer formed of a nitride having an oxygen shielding ability above the first oxide layer;
A gate electrode formed above the first nitride layer;
A semiconductor device.
前記第1酸化物層は、Hf,Ti,Ta,Zr,Y,W,Al、Laのいずれかの酸化物を含む請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the first oxide layer includes an oxide of any one of Hf, Ti, Ta, Zr, Y, W, Al, and La. 前記第1酸化物層は、酸化ハフニウム層を含み、前記第1窒化物層は窒化アルミニウム層または窒化シリコン層を含む請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the first oxide layer includes a hafnium oxide layer, and the first nitride layer includes an aluminum nitride layer or a silicon nitride layer. 前記第1酸化物層は、酸化ハフニウム層の上下の少なくとも一方に、酸化窒化ハフニウム層または酸化窒化アルミニウム層も含む請求項3記載の半導体装置。 4. The semiconductor device according to claim 3, wherein the first oxide layer includes a hafnium oxynitride layer or an aluminum oxynitride layer on at least one of upper and lower sides of the hafnium oxide layer. 前記第1窒化物層は、酸化窒化ハフニウム層または酸化窒化アルミニウム層も含む請求項1〜3のいずれか1項記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the first nitride layer also includes a hafnium oxynitride layer or an aluminum oxynitride layer. 前記第1酸化物層は、酸化窒化ハフニウム層または酸化窒化アルミニウム層と酸化ハフニウム層との交互積層を含む請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the first oxide layer includes a hafnium oxynitride layer or an alternate stack of an aluminum oxynitride layer and a hafnium oxide layer. シリコン基板と、
前記シリコン基板表面に形成された酸化シリコン層と、
酸化シリコンより高い高誘電率の第1酸化膜とを含む半導体装置の製造方法であって、
(a)前記酸化シリコン層上方に高誘電率の第1酸化物層を形成する工程と、
(b)前記第1酸化物層の上方に酸素遮蔽能を有する窒化物からなる第1窒化物層を形成する工程と、
(c)前記第1窒化物層上方にゲート電極を形成する工程と、
を有する半導体装置の製造方法。
A silicon substrate;
A silicon oxide layer formed on the surface of the silicon substrate;
A method of manufacturing a semiconductor device including a first oxide film having a higher dielectric constant than silicon oxide,
(A) forming a high dielectric constant first oxide layer above the silicon oxide layer;
(B) forming a first nitride layer made of a nitride having an oxygen shielding ability above the first oxide layer;
(C) forming a gate electrode above the first nitride layer;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising:
さらに、
(d)前記酸化シリコン層を、塩酸−過酸化水素水処理で形成する工程、
を有する請求項7記載の半導体装置の製造方法。
further,
(D) forming the silicon oxide layer by hydrochloric acid-hydrogen peroxide treatment;
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7.
前記工程(a)が有機金属気相成長法で酸化ハフニウム層を形成し、さらに、
(e)前記工程(a)の後、600℃〜1100℃のアニ−リングを行なう工程、
を含む請求項7または8記載の半導体装置の製造方法。
The step (a) forms a hafnium oxide layer by metal organic vapor phase epitaxy;
(E) After the step (a), annealing at 600 ° C. to 1100 ° C.
The manufacturing method of the semiconductor device of Claim 7 or 8 containing these.
前記工程(a)または(b)が、酸化窒化ハフニウム層または酸化窒化アルミニウム層を形成する工程を含む請求項9記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9, wherein the step (a) or (b) includes a step of forming a hafnium oxynitride layer or an aluminum oxynitride layer.
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