JP2006032596A - Method for manufacturing gate insulating film - Google Patents

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Nozomi Hattori
望 服部
Kazutoshi Murata
和俊 村田
Naomasa Miyatake
直正 宮武
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form a gate insulating film of a high quality more quickly without increasing a cost. <P>SOLUTION: By an atomic layer growing method which repeats a cycle of the supply of a silicon material gas 121 to a purge, to a supply of an oxygen material gas 122, and to the purge; a silicon oxide layer 154 is formed. Thereafter, a mixed gas in which the silicon material gas 121 is mixed with the oxygen material gas 122 is supplied onto the silicon oxide layer 154. In this state, for instance, the insulating layer composed of silicon oxide is formed with a film thickness of about 55 nm as a whole thick enough to withstand a gate voltage. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、低温ポリシリコンTFTなどに用いられるゲート絶縁膜の作製方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a gate insulating film used for a low-temperature polysilicon TFT or the like.

ガラス基板の上に形成されたTFT(Thin Film Transistor)をスイッチング素子として用いるアクティブマトリックス型液晶表示装置は、高画質の平面ディスプレイとして開発されている。スイッチング素子として用いられているTFTは、耐熱性の低いガラス基板の上に形成されているため、例えば、ゲート絶縁膜は、高温処理を行わないプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって形成されている。   An active matrix liquid crystal display device using a TFT (Thin Film Transistor) formed on a glass substrate as a switching element has been developed as a high-quality flat display. Since the TFT used as the switching element is formed on a glass substrate having low heat resistance, for example, the gate insulating film is formed by a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method that does not perform high-temperature processing. .

ところが、CVD法により形成される膜は、膜中に多くの結晶欠陥を含んでおり、緻密性が充分でないなど、信頼性があまり高くない。また、膜の形成時に、プラズマ中の荷電粒子の影響により、半導体と絶縁膜との界面に損傷を受けるなどの問題もある。例えば、界面がプラズマにより損傷を受けるとトラップが形成され、性能を大きく低下させる。このように、電界効果型のトランジスタでは、ゲート絶縁膜をCVD法により形成するとトランジスタの特性があまり良くなく、また、経時的に変化が大きいなどの問題を有していた。   However, a film formed by the CVD method has many crystal defects in the film, and is not very reliable because it is not dense enough. In addition, there is a problem that the interface between the semiconductor and the insulating film is damaged due to the influence of charged particles in the plasma when the film is formed. For example, when the interface is damaged by plasma, a trap is formed, which greatly reduces the performance. As described above, in the field effect transistor, when the gate insulating film is formed by the CVD method, the characteristics of the transistor are not so good, and there is a problem that the change with time is large.

このような問題を解消する技術として、ゲート絶縁膜を原子層成長方法により形成する技術が提案されている(特許文献1、2,3,4参照)。原子層成長方法は、形成しようとする膜を構成する各元素の原料を基板に交互に供給することにより、原子層単位で薄膜を形成する技術である。原子層成長方法では、各元素の原料を供給している間に1層あるいはn層だけを表面に吸着させ、余分な原料は成長に寄与させないようにしている。これを、成長の自己停止作用という。原子層成長方法では、プラズマを利用することがないので、高品質な膜が形成できる。   As a technique for solving such a problem, a technique for forming a gate insulating film by an atomic layer growth method has been proposed (see Patent Documents 1, 2, 3, and 4). The atomic layer growth method is a technique for forming a thin film in units of atomic layers by alternately supplying a raw material of each element constituting a film to be formed to a substrate. In the atomic layer growth method, only one layer or n layer is adsorbed on the surface while the raw materials for each element are being supplied, so that excess raw materials do not contribute to the growth. This is called self-stopping action of growth. Since the atomic layer growth method does not use plasma, a high-quality film can be formed.

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開平1−179423号公報 特開平5−160152号公報 特開2001−172767号公報 特開2002−353154号公報
The applicant has not yet found prior art documents related to the present invention by the time of filing other than the prior art documents specified by the prior art document information described in this specification.
JP-A-1-179423 JP-A-5-160152 JP 2001-172767 A JP 2002-353154 A

しかしながら、上述した原子層成長方法では、原子層単位で薄膜を形成するため、膜の形成に多くの時間を必要とするという問題があった。TFTのゲート絶縁膜は、膜厚が100nm程度であり、従来の原子層成長法により形成すると非常に多くの時間を必要とし、現実的ではない。   However, in the above-described atomic layer growth method, since a thin film is formed in units of atomic layers, there is a problem that a long time is required for forming the film. The gate insulating film of the TFT has a film thickness of about 100 nm, and requires a very long time if formed by the conventional atomic layer growth method, which is not realistic.

原子層成長法で形成した絶縁膜を、半導体との界面に緩衝層として配置し、この上にプラズマCVD法でより高速に絶縁膜を形成することで、品質を確保した状態でゲート絶縁膜の形成時間の短縮を図る技術もある。しかしながら、この技術では、原子層成長法を適用するための原料や装置と、CVD法を用いるための原料や装置とが異なるため、製造のためのコストが高くなるという問題があった。   An insulating film formed by atomic layer deposition is arranged as a buffer layer at the interface with the semiconductor, and an insulating film is formed on the insulating film at a higher speed by plasma CVD. There is also a technique for shortening the formation time. However, this technique has a problem in that the cost for manufacturing is increased because the raw material and apparatus for applying the atomic layer growth method are different from the raw material and apparatus for using the CVD method.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、コストの上昇を招くことなく、より迅速に高品質のゲート絶縁膜が形成できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to allow a high-quality gate insulating film to be formed more quickly without causing an increase in cost.

本発明に係るゲート絶縁膜の作製方法は、反応容器の内部に配置されて所定温度に加熱された基板の上に、第1物質の化合物から構成された第1原料ガスを供給して第1物質の化合物が基板の上に吸着した吸着層が形成された状態とする第1工程と、第1原料ガスの供給を停止した後、反応容器の内部より第1原料ガスを除去する第2工程と、酸素及び窒素のうち少なくとも1つからなる第2物質を含む第2原料ガスを吸着層の表面に供給して吸着層の第1物質と第2物質との化合物からなる第1絶縁層が基板の上に形成された状態とする第3工程と、第1原料ガスと第2原料ガスとを第1絶縁層の表面に供給し、第1物質と第2物質との化合物からなる第2絶縁層が第1絶縁層の表面に形成された状態とする第4工程とを少なくとも備え、第1絶縁層と第2絶縁層とから構成されたゲート絶縁膜が基板の上に形成された状態とするようにしたものである。
従って、第1絶縁層が形成される下層の表面にはプラズマが照射されることなく、ゲート絶縁膜とこの下層との間に、プラズマ照射を起因とする損傷が発生しにくい。
In the method for manufacturing a gate insulating film according to the present invention, a first source gas composed of a compound of a first substance is supplied to a first substrate disposed inside a reaction vessel and heated to a predetermined temperature. A first step in which an adsorption layer in which a compound of a substance is adsorbed on a substrate is formed; and a second step of removing the first source gas from the inside of the reaction vessel after stopping the supply of the first source gas And supplying a second source gas containing a second substance composed of at least one of oxygen and nitrogen to the surface of the adsorption layer, thereby providing a first insulating layer made of a compound of the first substance and the second substance of the adsorption layer. A third step of forming a state formed on the substrate, a first source gas and a second source gas are supplied to the surface of the first insulating layer, and a second step comprising a compound of the first substance and the second substance. And at least a fourth step in which the insulating layer is formed on the surface of the first insulating layer, 1 insulating layer and the gate insulating film is composed of a second insulating layer is obtained by such a state of being formed on the substrate.
Therefore, the surface of the lower layer on which the first insulating layer is formed is not irradiated with plasma, and damage due to plasma irradiation is unlikely to occur between the gate insulating film and this lower layer.

上記ゲート絶縁膜の作製方法において、第1工程,第2工程,第3工程を含む一連の周期を繰り返して複数層の第1絶縁層を形成し、複数層の第1絶縁層を形成した後、第2絶縁層を形成するようにすればよい。
なお、第1物質がシリコンであれば、酸化シリコン,窒化シリコン,酸窒化シリコンなどのシリコン化合物からなるゲート絶縁膜が形成できる。また、第1物質がハフニウムであれば、酸化ハフニウムからなるゲート絶縁膜が形成できる。また、第1物質がジルコニウムであれば、二酸化ジルコニウムからなるゲート絶縁膜が形成できる。
In the above method for manufacturing a gate insulating film, a plurality of first insulating layers are formed by repeating a series of cycles including the first step, the second step, and the third step, and the plurality of first insulating layers are formed. The second insulating layer may be formed.
If the first material is silicon, a gate insulating film made of a silicon compound such as silicon oxide, silicon nitride, or silicon oxynitride can be formed. If the first material is hafnium, a gate insulating film made of hafnium oxide can be formed. If the first material is zirconium, a gate insulating film made of zirconium dioxide can be formed.

本発明に係る他のゲート絶縁膜の作製方法は、反応容器の内部に配置されて所定温度に加熱された基板の上に、第1物質の化合物から構成された第1原料ガスを供給して第1物質の化合物が基板の上に吸着した吸着層が形成された状態とする第1工程と、第1原料ガスの供給を停止した後、反応容器の内部より第1原料ガスを除去する第2工程と、酸素及び窒素のうち少なくとも1つからなる第2物質を含む第2原料ガスを吸着層の表面に供給して吸着層の第1物質と第2物質との化合物からなる第1化合物層が基板の上に形成された状態とする第3工程と、第2原料ガスの供給を停止した後、反応容器の内部より第2原料ガスを除去する第4工程と、第3物質の化合物から構成された第3原料ガスを第1化合物層の表面に供給して第1物質,第2物質,及び第3物質の化合物からなる第2化合物層が基板の上に形成された状態とする第5工程と、第3原料ガスの供給を停止した後、反応容器の内部より第3原料ガスを除去する第6工程と、第2原料ガスを第2化合物層の表面に供給して第1物質と第2物質と第3物質との化合物からなる第1絶縁層が基板の上に形成された状態とする第7工程と、第1原料ガスと第2原料ガスと第3原料ガスとを第1絶縁層の表面に供給し、第1物質と第2物質と第3物質との化合物からなる第2絶縁層が第1絶縁層の表面に形成された状態とする第8工程とを少なくとも備え、第1絶縁層と第2絶縁層とから構成されたゲート絶縁膜が基板の上に形成された状態とするようにしたものである。
従って、第1絶縁層が形成される下層の表面にはプラズマが照射されることなく、ゲート絶縁膜とこの下層との間に、プラズマ照射を起因とする損傷が発生しにくい。
In another method of manufacturing a gate insulating film according to the present invention, a first source gas composed of a compound of a first substance is supplied onto a substrate disposed in a reaction vessel and heated to a predetermined temperature. A first step in which an adsorption layer in which a compound of the first substance is adsorbed on the substrate is formed; and after the supply of the first source gas is stopped, the first source gas is removed from the inside of the reaction vessel. A first compound composed of a compound of the first material and the second material in the adsorption layer by supplying a second source gas containing a second material comprising at least one of oxygen and nitrogen to the surface of the adsorption layer in two steps A third step of forming a layer on the substrate, a fourth step of removing the second source gas from the inside of the reaction vessel after stopping the supply of the second source gas, and a compound of the third substance Supplying a third source gas composed of the first material layer to the surface of the first compound layer; After the fifth step of forming the second compound layer made of the second substance and the compound of the third substance on the substrate, and after stopping the supply of the third source gas, the third step is performed from the inside of the reaction vessel. A sixth step of removing the source gas, and supplying a second source gas to the surface of the second compound layer to form a first insulating layer made of a compound of the first substance, the second substance, and the third substance on the substrate A seventh step of forming a state, a first source gas, a second source gas, and a third source gas are supplied to the surface of the first insulating layer, and the first material, the second material, and the third material At least an eighth step in which a second insulating layer made of a compound is formed on the surface of the first insulating layer, and a gate insulating film composed of the first insulating layer and the second insulating layer is formed on the substrate. It is set as the state formed in this.
Therefore, the surface of the lower layer on which the first insulating layer is formed is not irradiated with plasma, and damage due to plasma irradiation is unlikely to occur between the gate insulating film and this lower layer.

上記ゲート絶縁膜の作製方法において、第1工程,第2工程,第3工程を含む一連の周期を繰り返して複数層の第1絶縁層を形成し、複数層の第1絶縁層を形成した後、第2絶縁層を形成するようにすればよい。
上記第1物質はハフニウムであり、第2物質はシリコンである。また、第1物質はハフニウムであり、第2物質はアルミニウムである。また、第1物質はジルコニウムであり、第2物質はシリコンである。
In the above method for manufacturing a gate insulating film, a plurality of first insulating layers are formed by repeating a series of cycles including the first step, the second step, and the third step, and the plurality of first insulating layers are formed. The second insulating layer may be formed.
The first material is hafnium and the second material is silicon. The first material is hafnium, and the second material is aluminum. The first material is zirconium, and the second material is silicon.

以上説明したように、本発明によれば、原子層成長法により所定の膜厚の第1絶縁層を形成した後、原子層成長法で用いた膜を構成する元素の各原料ガスを同時に供給するCVD法により第2絶縁層を積層させ、これらによりゲート絶縁膜を作製するようにしたので、コストの上昇を招くことなく、より迅速に高品質のゲート絶縁膜が形成できるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, after the first insulating layer having a predetermined thickness is formed by the atomic layer growth method, each source gas of the elements constituting the film used in the atomic layer growth method is simultaneously supplied. Since the second insulating layer is laminated by the CVD method and the gate insulating film is produced by these, it is possible to form a high-quality gate insulating film more quickly without causing an increase in cost. Effect.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図1,2は、本発明の実施の形態におけるゲート絶縁膜の作製方法を説明するための工程図である。図1,2では、本発明の方法を、液晶表示装置などに用いられるトップゲート型の薄膜トランジスタに適用した場合について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 are process diagrams for explaining a method for manufacturing a gate insulating film according to an embodiment of the present invention. 1 and 2, the case where the method of the present invention is applied to a top gate type thin film transistor used in a liquid crystal display device or the like will be described.

まず、図1(a)に示すように、ガラス基板101の上に、所定の間隔を開けてソース電極102,ドレイン電極103が形成された状態とする。これらは、例えば、所定の金属膜をガラス基板101の上に形成した後、金属膜を公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工することで形成できる。なお、ガラス以外の材料からなる基板であってもよい。   First, as shown in FIG. 1A, a source electrode 102 and a drain electrode 103 are formed on a glass substrate 101 at a predetermined interval. These can be formed, for example, by forming a predetermined metal film on the glass substrate 101 and then processing the metal film by a known photolithography technique and etching technique. A substrate made of a material other than glass may be used.

次に、図1(b)に示すように、ガラス基板101の上にソース電極102,ドレイン電極103に渡るポリシリコン層(低温ポリシリコン層)104が形成された状態とする。ポリシリコン層104は、ガラス基板101の上に、例えば、膜厚100nm程度にアモルファスSiの膜を形成した後、線状のエキシマレーザを基板に対して一方向から連続的に重なり合うように照射することによってアモルファスSiを多結晶化し、多結晶化した膜を公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより加工することで形成できる。   Next, as shown in FIG. 1B, a polysilicon layer (low-temperature polysilicon layer) 104 is formed on the glass substrate 101 so as to extend over the source electrode 102 and the drain electrode 103. For example, after forming an amorphous Si film with a thickness of about 100 nm on the glass substrate 101, the polysilicon layer 104 is irradiated with a linear excimer laser so as to continuously overlap the substrate from one direction. Thus, amorphous Si can be polycrystallized, and the polycrystallized film can be formed by processing with a known photolithography technique and etching technique.

次に、形成したポリシリコン層104や各電極を含めたガラス基板101を、所定の反応容器の内部に固定し、所定の排気機構により反応容器内を2〜3Pa程度の圧力とする。ついで、基板温度400℃の状態とし、反応容器内にSiCl4からなるシリコン原料ガス121を導入し、図1(c)に示すように、ポリシリコン層104の上にシリコン原料ガス121が供給された状態とする。シリコン原料ガス121の供給は、約30秒間行う。このことにより、ポリシリコン層104の上に原料であるSiCl4分子が吸着したSiCl4分子層(吸着層)151が形成された状態とする。 Next, the formed polysilicon layer 104 and the glass substrate 101 including each electrode are fixed inside a predetermined reaction vessel, and the pressure in the reaction vessel is set to a pressure of about 2 to 3 Pa by a predetermined exhaust mechanism. Next, the substrate temperature is set to 400 ° C., a silicon source gas 121 made of SiCl 4 is introduced into the reaction vessel, and the silicon source gas 121 is supplied onto the polysilicon layer 104 as shown in FIG. State. The silicon source gas 121 is supplied for about 30 seconds. Thus, a state in which SiCl 4 molecules layer SiCl 4 molecules are adsorbed as a raw material on the polysilicon layer 104 (adsorption layer) 151 is formed.

次に、反応容器内へのシリコン原料ガス121の導入を停止し、反応容器内に、例えば窒素ガスなどの不活性ガスを導入し、不活性ガスにより反応容器内をパージし、ポリシリコン層104に吸着したもの(SiCl4分子層151)以外の余剰ガスが反応容器から除去された状態とする。パージは、約30秒間行う。また、不活性ガスの供給は、基板の直上から垂直に行う。 Next, the introduction of the silicon source gas 121 into the reaction vessel is stopped, an inert gas such as nitrogen gas is introduced into the reaction vessel, the inside of the reaction vessel is purged with the inert gas, and the polysilicon layer 104 The surplus gas other than the one adsorbed on (SiCl 4 molecular layer 151) is removed from the reaction vessel. The purge is performed for about 30 seconds. The inert gas is supplied vertically from directly above the substrate.

次に、反応容器の内部にH2Oからなる酸素原料ガス122を導入し、酸素原料ガス122がSiCl4分子層151の表面に供給された状態とする。酸素原料ガス122の供給は、約30秒間行う。このことにより、ポリシリコン層104の表面に吸着している分子(SiCl4分子層151)が酸化され、図1(d)に示すように、ポリシリコン層104の表面にシリコン1原子層分の酸化シリコン層152が形成された状態とする。基板温度は400℃の状態を保持する。 Next, an oxygen source gas 122 made of H 2 O is introduced into the reaction vessel so that the oxygen source gas 122 is supplied to the surface of the SiCl 4 molecular layer 151. The supply of the oxygen source gas 122 is performed for about 30 seconds. As a result, molecules adsorbed on the surface of the polysilicon layer 104 (SiCl 4 molecular layer 151) are oxidized, and as shown in FIG. It is assumed that the silicon oxide layer 152 is formed. The substrate temperature is kept at 400 ° C.

次に、反応容器の内部を不活性ガスによってパージし、ポリシリコン層104(酸化シリコン層152)の上に不活性ガスが供給された状態とし、酸素原料ガスが酸化シリコン層152の上より除去された状態とする。パージは、約30秒間行う。
次に、図1(e)に示すように、すでに形成されている1原子層分の酸化シリコン層152の上にSiCl4からなるシリコン原料ガス121を供給し、酸化シリコン層152の上に新たなSiCl4分子層153が形成された状態とする。
Next, the inside of the reaction vessel is purged with an inert gas so that the inert gas is supplied onto the polysilicon layer 104 (silicon oxide layer 152), and the oxygen source gas is removed from above the silicon oxide layer 152. It is assumed that The purge is performed for about 30 seconds.
Next, as shown in FIG. 1 (e), a silicon source gas 121 made of SiCl 4 is supplied onto the silicon oxide layer 152 corresponding to one atomic layer that has already been formed. It is assumed that a simple SiCl 4 molecular layer 153 is formed.

次に、反応容器の内部にH2Oからなる酸素原料ガス122を導入し、酸素原料ガス122がSiCl4分子層153の表面に供給された状態とする。酸素原料ガス122の供給は、約30秒間行う。
このことにより、酸化シリコン層152の表面に吸着している分子(SiCl4分子層153)が酸化され、図1(f)に示すように、ポリシリコン層104の表面にシリコン2原子層分の酸化シリコン層154が形成された状態とする。
Next, an oxygen source gas 122 made of H 2 O is introduced into the reaction vessel so that the oxygen source gas 122 is supplied to the surface of the SiCl 4 molecular layer 153. The supply of the oxygen source gas 122 is performed for about 30 seconds.
As a result, the molecules adsorbed on the surface of the silicon oxide layer 152 (SiCl 4 molecular layer 153) are oxidized, and as shown in FIG. It is assumed that the silicon oxide layer 154 is formed.

以上に説明した、図1(c)〜図1(d)を用いて説明した工程の周期を例えば30回繰り返すことで、膜厚5nm程度の酸化シリコン膜が形成された状態とする。図1(c)〜図1(f)の説明では、上記周期を2回繰り返していることになる。なお、周期の繰り返しは、30回に限るものではなく、1回でもよく、また、20回でもよい。   By repeating the process described with reference to FIGS. 1C to 1D 30 times, for example, 30 times, a silicon oxide film having a thickness of about 5 nm is formed. In the description of FIG. 1C to FIG. 1F, the above cycle is repeated twice. Note that the repetition of the cycle is not limited to 30 times, and may be 1 time or 20 times.

以上のようにして、ポリシリコン層104の上に原子層成長法により膜厚5nm程度の薄い酸化シリコン膜を形成した後、反応容器の内部にSiCl4からなるシリコン原料ガスとH2Oからなる酸素原料ガスとを供給し、これらが混合された混合ガス123が上記酸化シリコン膜の上に供給された状態とし、例えば、50nm程度の膜厚に酸化シリコンを堆積する。
この結果、図2(g)に示すように、ポリシリコン層104を含むガラス基板101の上にゲート絶縁膜として機能する(ゲート電圧に耐える)膜厚55nm程度の絶縁層105が形成された状態が得られる。
As described above, a thin silicon oxide film having a thickness of about 5 nm is formed on the polysilicon layer 104 by atomic layer growth, and then the silicon source gas made of SiCl 4 and H 2 O are formed inside the reaction vessel. Oxygen source gas is supplied, and the mixed gas 123 in which these are mixed is supplied onto the silicon oxide film, and silicon oxide is deposited to a thickness of about 50 nm, for example.
As a result, as shown in FIG. 2G, an insulating layer 105 having a thickness of about 55 nm is formed on the glass substrate 101 including the polysilicon layer 104. The insulating layer 105 functions as a gate insulating film (withstands gate voltage). Is obtained.

以上に説明したように、まず、原子層成長法により薄い酸化シリコン膜を形成した後、原子層成長法で用いたシリコン原料ガスと酸素原料ガスとを混合したガスを用いたCVD法により所定の厚さにまで絶縁層105を形成した後、図2(h)に示すように、ソース電極102とドレイン電極103とに挟まれた領域の絶縁層105の上に、例えばアルミニウムからなるゲート電極106が形成された状態とする。   As described above, first, after a thin silicon oxide film is formed by atomic layer growth, a predetermined method is applied by CVD using a gas in which a silicon source gas and an oxygen source gas used in the atomic layer growth method are mixed. After the insulating layer 105 is formed to a thickness, as shown in FIG. 2H, the gate electrode 106 made of, for example, aluminum is formed on the insulating layer 105 in a region sandwiched between the source electrode 102 and the drain electrode 103. Is formed.

例えば、絶縁層105の上に膜厚100nm程度にアルミニウムの膜を形成し、形成したアルミニウムの膜に、所望の形状のレジストパターンを形成し、レジストパターンをマスクとしてアルミニウム膜を選択的にエッチングすることで、ゲート電極106を形成することができる。   For example, an aluminum film having a thickness of about 100 nm is formed over the insulating layer 105, a resist pattern having a desired shape is formed on the formed aluminum film, and the aluminum film is selectively etched using the resist pattern as a mask. Thus, the gate electrode 106 can be formed.

次に、ゲート電極106の形成に用いた上記レジストパターンを用い、絶縁層105を選択的にエッチングし、図2(i)に示すように、ゲート絶縁膜107が形成された状態とする。また、これらの加工により、ゲート電極106の両脇の領域のポリシリコン層104が露出された状態とする。   Next, the insulating layer 105 is selectively etched using the resist pattern used to form the gate electrode 106, so that the gate insulating film 107 is formed as shown in FIG. Further, by these processes, the polysilicon layer 104 in the regions on both sides of the gate electrode 106 is exposed.

次に、ゲート電極106をマスクとして利用し、ゲート電極106の両脇に露出したポリシリコン層104に例えばリンをイオン注入することで、図2(j)に示すように、ソース108及びドレイン109が形成された状態とする。これらの結果、ソース電極102にオーミック接続したソース108及びドレイン電極103にオーミック接続したドレイン109が形成される。   Next, by using the gate electrode 106 as a mask, for example, phosphorus is ion-implanted into the polysilicon layer 104 exposed on both sides of the gate electrode 106, so that a source 108 and a drain 109 are formed as shown in FIG. Is formed. As a result, a source 108 ohmically connected to the source electrode 102 and a drain 109 ohmically connected to the drain electrode 103 are formed.

また、ポリシリコン層104のゲート電極106の下方の領域は、イオンが注入されず、ノンドープであり、チャネルが形成される領域(チャネル領域)となる。従って、図2(j)に示す薄膜トランジスタは、チャネル領域を挾むように接して配置されたソース108及びドレイン109と、チャネル領域の上に形成されたゲート絶縁膜107と、ゲート絶縁膜107の上に形成されたゲート電極106とから構成されたものとなる。   The region below the gate electrode 106 of the polysilicon layer 104 is not doped with ions and is non-doped and becomes a region where a channel is formed (channel region). Accordingly, the thin film transistor illustrated in FIG. 2J includes a source 108 and a drain 109 which are disposed so as to sandwich the channel region, a gate insulating film 107 formed over the channel region, and a gate insulating film 107. The gate electrode 106 is formed.

上述した図2(j)に示す薄膜トランジスタ(電界効果トランジスタ)は、原子層成長方法とCVD法とにより形成した絶縁層105を加工することでゲート絶縁膜107を形成した。従って、本実施の形態では、ポリシリコン層104のチャネル領域に接触する部分のゲート絶縁膜107は、原子層成長法により形成されたSiO2膜から構成されている。 In the thin film transistor (field effect transistor) shown in FIG. 2J described above, the gate insulating film 107 is formed by processing the insulating layer 105 formed by the atomic layer growth method and the CVD method. Therefore, in this embodiment, the portion of the gate insulating film 107 in contact with the channel region of the polysilicon layer 104 is composed of an SiO 2 film formed by atomic layer growth.

この結果、本実施の形態による電界効果型トランジスタによれば、半導体層のチャネル領域とゲート絶縁膜との界面は、プラズマに曝されることがないので、例えばゲート絶縁膜における界面準位密度の増加を抑制できるようになり、トランジスタの特性劣化が抑制できるようになる。
また、原子層成長方法による酸化シリコン膜は、膜厚5nm程度とあまり厚く形成する必要がないので、原子層成長方法のみでゲート絶縁膜に必要な膜厚まで形成する場合に比較し、本実施の形態の方法によればより短時間でゲート絶縁膜が作製できるようになる。
As a result, according to the field effect transistor according to the present embodiment, the interface between the channel region of the semiconductor layer and the gate insulating film is not exposed to plasma. The increase can be suppressed, and the deterioration of transistor characteristics can be suppressed.
In addition, since the silicon oxide film formed by the atomic layer growth method does not need to be formed as thick as about 5 nm, the present embodiment is compared with the case where the gate insulating film is formed only by the atomic layer growth method. According to the method of this embodiment, the gate insulating film can be manufactured in a shorter time.

ところで、上述したゲート絶縁膜は、例えば、図3に示す装置により作成できる。図3に示す処理装置は、気相による膜の成長が行われる成膜チャンバー301と、成膜チャンバー301の内部に配置された加熱機構を備えた基板台302とを備える。また、成膜チャンバー301は、排気機構304と、ガス供給機構305,306,307を備える。   By the way, the above-described gate insulating film can be formed by, for example, the apparatus shown in FIG. The processing apparatus illustrated in FIG. 3 includes a film formation chamber 301 in which a film is grown in a gas phase, and a substrate table 302 provided with a heating mechanism disposed inside the film formation chamber 301. The film forming chamber 301 includes an exhaust mechanism 304 and gas supply mechanisms 305, 306, and 307.

図3に示す処理装置では、まず、処理対象の基板303を基板台302の上に搬入し、成膜チャンバー301を密閉された状態とした後、基板台302の加熱機構により基板303を400℃に加熱し、所定の各ガスをガス供給機構305,306,307により供給することで、前述した各膜の形成ができる。   In the processing apparatus shown in FIG. 3, first, the substrate 303 to be processed is loaded onto the substrate table 302, the film formation chamber 301 is sealed, and then the substrate 303 is heated to 400 ° C. by the heating mechanism of the substrate table 302. Each of the above-described films can be formed by supplying a predetermined gas by the gas supply mechanisms 305, 306, and 307.

次に、前述した本実施の形態におけるゲート絶縁膜の特性について説明する。
この評価では、次に示すように試料を作製する。まず、(100)面を主面とする単結晶シリコンからなる基板の上に、前述した本発明の方法によりゲート絶縁膜を形成し、基板の裏面とゲート絶縁膜とに電極を形成し、MOSキャパシタを形成する。ゲート絶縁膜の形成は、図1(c)〜図2(a)に説明した方法と同様である。
以上のことにより作製した試料の電気的特性を調査した結果、ゲート絶縁膜は、界面準位密度が8×1010cm-2eV-1、固定電荷密度が3×1011cm-2、絶縁耐圧が6MV/cmである。このように、本発明によれば、高品質のゲート絶縁膜が得られる。
Next, characteristics of the gate insulating film in this embodiment described above will be described.
In this evaluation, a sample is prepared as follows. First, a gate insulating film is formed by the above-described method of the present invention on a substrate made of single crystal silicon having a (100) plane as a main surface, and electrodes are formed on the back surface and the gate insulating film of the substrate. A capacitor is formed. The formation of the gate insulating film is the same as the method described with reference to FIGS.
As a result of investigating the electrical characteristics of the sample manufactured as described above, the gate insulating film has an interface state density of 8 × 10 10 cm −2 eV −1 , a fixed charge density of 3 × 10 11 cm −2 , and an insulating property. The breakdown voltage is 6 MV / cm. Thus, according to the present invention, a high-quality gate insulating film can be obtained.

ところで、上述では、ゲート絶縁膜として酸化シリコンの膜を例に説明したが、これに限るものではない。例えば、酸素原料ガスの代わりに、アンモニアなどの窒素原料ガスを用いることで、窒化シリコンからなるゲート絶縁膜が形成できる。図1(c)〜図2(a)を用いた説明において、酸素原料ガス122を窒素原料ガスに置き換えれば、前述した説明と同様にすることで、高品質な窒化シリコンからなるゲート絶縁膜が作製できる。   In the above description, the silicon oxide film is described as an example of the gate insulating film, but the present invention is not limited to this. For example, a gate insulating film made of silicon nitride can be formed by using a nitrogen source gas such as ammonia instead of the oxygen source gas. In the description using FIGS. 1C to 2A, if the oxygen source gas 122 is replaced with a nitrogen source gas, a gate insulating film made of high-quality silicon nitride can be obtained in the same manner as described above. Can be made.

窒化シリコンの場合について説明すると、まず、処理対象の基板を所定の反応容器の内部に固定し、所定の排気機構により反応容器内を4Pa程度の圧力にまで排気し、ついで、基板温度を500℃の状態とし、反応容器内にジクロロシランからなるシリコン原料ガスを導入し、基板の上にシリコン原料ガスが供給された状態とする。シリコン原料ガスを導入した状態では、反応容器の内部圧力を66Pa程度とし、シリコン原料ガスが基板の上に供給されている時間は30秒程度とする。このことにより、基板のゲート絶縁膜表面には、ジクロロシラン分子層(吸着層)が形成される。   The case of silicon nitride will be described. First, the substrate to be treated is fixed inside a predetermined reaction vessel, the inside of the reaction vessel is evacuated to a pressure of about 4 Pa by a predetermined exhaust mechanism, and then the substrate temperature is set to 500 ° C. In this state, the silicon source gas made of dichlorosilane is introduced into the reaction vessel, and the silicon source gas is supplied onto the substrate. In the state where the silicon source gas is introduced, the internal pressure of the reaction vessel is set to about 66 Pa, and the time during which the silicon source gas is supplied onto the substrate is set to about 30 seconds. As a result, a dichlorosilane molecular layer (adsorption layer) is formed on the surface of the gate insulating film of the substrate.

次に、反応容器内へのシリコン原料ガスの導入を停止し、反応容器内に、例えば窒素ガスなどの不活性ガスを導入し、不活性ガスにより反応容器内をパージし、余剰ガスが反応容器から除去された状態とする。パージは、約30秒間行う。
次に、反応容器の内部にアンモニアからなる窒素原料ガスを導入し、窒素原料ガスがジクロロシラン分子層の表面に供給された状態とする。窒素原料ガスを導入した状態では、反応容器の内部圧力を66Pa程度とし、窒素原料ガスの供給は、約30秒間行う。このことにより、ジクロロシラン分子層が窒化され、基板の上にシリコン1原子層分の窒化シリコン層が形成された状態とする。基板温度は500℃の状態を保持する。
Next, the introduction of the silicon source gas into the reaction vessel is stopped, an inert gas such as nitrogen gas is introduced into the reaction vessel, the inside of the reaction vessel is purged with the inert gas, and excess gas is removed from the reaction vessel. Removed. The purge is performed for about 30 seconds.
Next, a nitrogen source gas made of ammonia is introduced into the reaction vessel so that the nitrogen source gas is supplied to the surface of the dichlorosilane molecular layer. In the state where the nitrogen source gas is introduced, the internal pressure of the reaction vessel is set to about 66 Pa, and the supply of the nitrogen source gas is performed for about 30 seconds. As a result, the dichlorosilane molecular layer is nitrided, and a silicon nitride layer equivalent to one atomic layer of silicon is formed on the substrate. The substrate temperature is maintained at 500 ° C.

次に、反応容器の内部を不活性ガスによってパージし、窒化シリコンの上に不活性ガスが供給された状態とし、窒素原料ガスが窒化シリコン層の上より除去された状態とする。パージは、約30秒間行う。
次に、すでに形成されている1原子層分の窒化シリコン層の上にシリコン原料ガスを供給し、窒化シリコン層の上に新たなジクロロシラン分子層が形成された状態とする。
次に、反応容器の内部に窒素原料ガスを導入し、窒素原料ガスがジクロロシラン分子層の表面に供給された状態とする。窒素原料ガスの供給は、約30秒間行う。
Next, the inside of the reaction vessel is purged with an inert gas so that the inert gas is supplied onto the silicon nitride, and the nitrogen source gas is removed from the silicon nitride layer. The purge is performed for about 30 seconds.
Next, a silicon source gas is supplied onto the silicon nitride layer for one atomic layer that has already been formed, so that a new dichlorosilane molecular layer is formed on the silicon nitride layer.
Next, a nitrogen source gas is introduced into the reaction vessel so that the nitrogen source gas is supplied to the surface of the dichlorosilane molecular layer. The nitrogen source gas is supplied for about 30 seconds.

このことにより、窒化シリコン層の表面に吸着しているジクロロシラン分子層が酸化され、シリコン2原子層分の窒化シリコン層が形成された状態とする。
以上に説明したシリコン原料ガスの供給→パージ→窒素原料ガスの供給→パージの周期を例えば100回繰り返すことで、所望の膜厚の窒化シリコン膜が形成された状態とする。
As a result, the dichlorosilane molecular layer adsorbed on the surface of the silicon nitride layer is oxidized, and a silicon nitride layer corresponding to two silicon atomic layers is formed.
By repeating the silicon source gas supply → purge → nitrogen source gas supply → purge cycle described above, for example, 100 times, a silicon nitride film having a desired film thickness is formed.

次に、反応容器の内部に上記シリコン原料ガスと窒素原料ガスとを供給し、これらが混合された混合ガスが上記窒化シリコン膜の上に供給された状態とし、所望の膜厚に窒化シリコンを堆積する。例えば、シリコン原料ガスを流量15sccmとしたキャリアガスと共に供給し、窒素原料ガスを流量60sccmとしたキャリアガスと共に供給し、反応容器内の圧力は、27Pa程度とし、また、基板温度は600℃程度とし、20分程度行う。なお、sccmは、「standard cc/min」を示し、1分間あたりの流量(cc)を、気圧や温度で規格化したものである。   Next, the silicon source gas and the nitrogen source gas are supplied to the inside of the reaction vessel, and the mixed gas in which these are mixed is supplied onto the silicon nitride film, and silicon nitride is formed to a desired film thickness. accumulate. For example, a silicon source gas is supplied with a carrier gas having a flow rate of 15 sccm, a nitrogen source gas is supplied with a carrier gas having a flow rate of 60 sccm, the pressure in the reaction vessel is about 27 Pa, and the substrate temperature is about 600 ° C. , About 20 minutes. Note that sccm indicates “standard cc / min” and is a standardized flow rate per minute (cc) by atmospheric pressure or temperature.

この結果、基板の上にゲート絶縁膜形成面に、膜厚30nm程度の窒化シリコン(Si34)からなる絶縁層が形成された状態が得られる。
以上のことにより形成された窒化シリコンからなる絶縁層をゲート絶縁膜として用いた場合、電気的特性は、界面準位密度が3×1011cm-2eV-1、固定電荷密度が5×1011cm-2、絶縁耐圧が7MV/cmとなる。このように、本発明によれば、高品質のゲート絶縁膜が得られる。
As a result, a state is obtained in which an insulating layer made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) having a thickness of about 30 nm is formed on the gate insulating film forming surface on the substrate.
When an insulating layer made of silicon nitride formed as described above is used as a gate insulating film, the electrical characteristics are as follows: interface state density is 3 × 10 11 cm −2 eV −1 , and fixed charge density is 5 × 10. 11 cm −2 and the withstand voltage is 7 MV / cm. Thus, according to the present invention, a high-quality gate insulating film can be obtained.

また、シリコン酸窒化物(SiOxy)からなるゲート絶縁膜の作製にも適用可能である。例えば、まず、シリコン原料ガスの供給→パージ→酸素原料ガスの供給→パージ→シリコン原料ガスの供給→パージ→窒素原料ガスの供給→パージの周期を複数回繰り返す原子層成長方法により薄いシリコン酸窒化物の膜を形成する。これに引き続き、シリコン原料ガス,酸素原料ガス,窒素原料ガスを同時の供給し、薄いシリコン酸窒化物の膜の上に、所望の厚さとなるまでシリコン酸窒化物の膜を形成すればよい。 It can also be applied to the production of a gate insulating film made of silicon oxynitride (SiO x N y ). For example, first, silicon source gas supply → purge → oxygen source gas supply → purge → silicon source gas supply → purge → nitrogen source gas supply → thin silicon oxynitridation by atomic layer growth method in which the purge cycle is repeated several times. Form a film of objects. Subsequently, the silicon source gas, the oxygen source gas, and the nitrogen source gas are supplied simultaneously, and the silicon oxynitride film is formed on the thin silicon oxynitride film to a desired thickness.

また、本発明は、シリコンからなる絶縁膜に限らず、アルミナ(Al23)、二酸化チタン(TiO2)、二酸化ジルコニウム(ZrO2)、二酸化ハフニウム(HfO2)、二酸化ランタン(LaO2)、あるいは、HfSiO2,HfAlO2,ZrSiO2などの二元合金の酸化物、窒化アルミニウム(AlN)、窒化チタン(TiN)、窒化ジルコニウム(ZrN)、窒化ハフニウム(HfN)、窒化ランタン(LaN)、あるいは、二元合金の窒化物などからなるゲート絶縁膜の作製にも適用可能である。 Further, the present invention is not limited to an insulating film made of silicon, but alumina (Al 2 O 3 ), titanium dioxide (TiO 2 ), zirconium dioxide (ZrO 2 ), hafnium dioxide (HfO 2 ), lanthanum dioxide (LaO 2 ). Or oxides of binary alloys such as HfSiO 2 , HfAlO 2 , ZrSiO 2 , aluminum nitride (AlN), titanium nitride (TiN), zirconium nitride (ZrN), hafnium nitride (HfN), lanthanum nitride (LaN), Alternatively, the present invention can be applied to the production of a gate insulating film made of a binary alloy nitride or the like.

酸化ハフニウムの場合について説明すると、まず、処理対象の基板を所定の反応容器の内部に固定し、所定の排気機構により反応容器内を4Pa程度の圧力にまで排気し、ついで、基板温度を350℃の状態とし、反応容器内にテトラキスジエチルアミノハフニウム(TDEAH)からなるハフニウム原料ガスを導入し、基板の上にハフニウム原料ガスが供給された状態とする。ハフニウム原料ガスを導入した状態では、反応容器の内部圧力を66Pa程度とし、ハフニウム原料ガスが基板の上に供給されている時間は30秒程度とする。このことにより、基板のゲート絶縁膜表面には、TDEAH分子層(吸着層)が形成される。   The case of hafnium oxide will be described. First, the substrate to be processed is fixed inside a predetermined reaction vessel, the reaction vessel is evacuated to a pressure of about 4 Pa by a predetermined exhaust mechanism, and then the substrate temperature is set to 350 ° C. In this state, a hafnium source gas made of tetrakisdiethylaminohafnium (TDEAH) is introduced into the reaction vessel, and the hafnium source gas is supplied onto the substrate. In the state where the hafnium source gas is introduced, the internal pressure of the reaction vessel is set to about 66 Pa, and the time during which the hafnium source gas is supplied onto the substrate is set to about 30 seconds. As a result, a TDEAH molecular layer (adsorption layer) is formed on the surface of the gate insulating film of the substrate.

次に、反応容器内へのハフニウム原料ガスの導入を停止し、反応容器内に、例えば窒素ガスなどの不活性ガスを導入し、不活性ガスにより反応容器内をパージし、余剰ガスが反応容器から除去された状態とする。パージは、約30秒間行う。
次に、反応容器の内部にH2Oからなる酸素原料ガスを導入し、酸素原料ガスがTDEAH分子層の表面に供給された状態とする。酸素原料ガスを導入した状態では、反応容器の内部圧力を2700Pa程度とし、酸素原料ガスの供給は、約30秒間行う。このことにより、TDEAH分子層が酸化され、基板の上にハフニウム1原子層分の酸化ハフニウム層が形成された状態とする。基板温度は350℃の状態を保持する。
Next, the introduction of the hafnium source gas into the reaction vessel is stopped, an inert gas such as nitrogen gas is introduced into the reaction vessel, and the inside of the reaction vessel is purged with the inert gas. Removed. The purge is performed for about 30 seconds.
Next, an oxygen source gas composed of H 2 O is introduced into the reaction vessel so that the oxygen source gas is supplied to the surface of the TDEAH molecular layer. In a state where the oxygen source gas is introduced, the internal pressure of the reaction vessel is set to about 2700 Pa, and the oxygen source gas is supplied for about 30 seconds. As a result, the TDEAH molecular layer is oxidized, and a hafnium oxide layer corresponding to one atomic layer of hafnium is formed on the substrate. The substrate temperature is maintained at 350 ° C.

次に、反応容器の内部を不活性ガスによってパージし、酸化ハフニウムの上に不活性ガスが供給された状態とし、酸素原料ガスが酸化ハフニウム層の上より除去された状態とする。パージは、約30秒間行う。
次に、すでに形成されている1原子層分の酸化ハフニウム層の上にハフニウム原料ガスを供給し、酸化ハフニウム層の上に新たなTDEAH分子層が形成された状態とする。
次に、反応容器の内部に酸素原料ガスを導入し、酸素原料ガスがTDEAH分子層の表面に供給された状態とする。酸素原料ガスの供給は、約30秒間行う。
Next, the inside of the reaction vessel is purged with an inert gas so that the inert gas is supplied onto the hafnium oxide, and the oxygen source gas is removed from the hafnium oxide layer. The purge is performed for about 30 seconds.
Next, a hafnium source gas is supplied onto the already formed one atomic layer of hafnium oxide layer, and a new TDEAH molecular layer is formed on the hafnium oxide layer.
Next, an oxygen source gas is introduced into the reaction vessel so that the oxygen source gas is supplied to the surface of the TDEAH molecular layer. The oxygen source gas is supplied for about 30 seconds.

このことにより、酸化ハフニウム層の表面に吸着しているTDEAH分子層が酸化され、ハフニウム2原子層分の酸化ハフニウム層が形成された状態とする。
以上に説明したハフニウム原料ガスの供給→パージ→酸素原料ガスの供給→パージの周期を例えば100回繰り返すことで、所望の膜厚の酸化ハフニウム膜が形成された状態とする。
As a result, the TDEAH molecular layer adsorbed on the surface of the hafnium oxide layer is oxidized, and a hafnium oxide layer corresponding to a hafnium diatomic layer is formed.
The hafnium source gas supply → purge → oxygen source gas supply → purge cycle described above is repeated 100 times, for example, to form a hafnium oxide film having a desired film thickness.

次に、反応容器の内部に上記ハフニウム原料ガスと酸素原料ガスとを供給し、これらが混合された混合ガスが上記酸化ハフニウム膜の上に供給された状態とし、所望の膜厚に酸化ハフニウムを堆積する。例えば、ハフニウム原料ガスを流量20sccmとしたキャリアガスと共に供給し、酸素原料ガスを流量100sccmとしたキャリアガスと共に供給し、反応容器内の圧力は、135Pa程度とし、また、基板温度は500℃程度とし、5分程度行う。   Next, the hafnium source gas and the oxygen source gas are supplied to the inside of the reaction vessel, and the mixed gas is supplied onto the hafnium oxide film, and hafnium oxide is formed in a desired film thickness. accumulate. For example, a hafnium source gas is supplied with a carrier gas with a flow rate of 20 sccm, an oxygen source gas is supplied with a carrier gas with a flow rate of 100 sccm, the pressure in the reaction vessel is about 135 Pa, and the substrate temperature is about 500 ° C. Perform for about 5 minutes.

この結果、基板の上にゲート絶縁膜形成面に、膜厚33nm程度の酸化ハフニウム(HfO2)からなる絶縁層が形成された状態が得られる。
以上のことにより形成された酸化ハフニウムからなる絶縁層をゲート絶縁膜として用いた場合、電気的特性は、界面準位密度が1×1011cm-2eV-1、固定電荷密度が2×1011cm-2、絶縁耐圧が3MV/cmとなる。このように、本発明によれば、高品質のゲート絶縁膜が得られる。
As a result, a state is obtained in which an insulating layer made of hafnium oxide (HfO 2 ) having a thickness of about 33 nm is formed on the surface of the gate insulating film formed on the substrate.
When an insulating layer made of hafnium oxide formed as described above is used as a gate insulating film, the electrical characteristics are as follows: interface state density is 1 × 10 11 cm −2 eV −1 , and fixed charge density is 2 × 10. 11 cm −2 and the withstand voltage is 3 MV / cm. Thus, according to the present invention, a high-quality gate insulating film can be obtained.

次に、二酸化ジルコニウムの場合について説明する。まず、処理対象の基板を所定の反応容器の内部に固定し、所定の排気機構により反応容器内を4Pa程度の圧力にまで排気し、ついで、基板温度を350℃の状態とし、反応容器内にテトラターシャリーブトキシジルコニウム(ZTB:Zr(t−OC494)からなるジルコニウム原料ガスを導入し、基板の上にジルコニウム原料ガスが供給された状態とする。ジルコニウム原料ガスを導入した状態では、反応容器の内部圧力を50Pa程度とし、ジルコニウム原料ガスが基板の上に供給されている時間は100秒程度とする。このことにより、基板のゲート絶縁膜表面には、ZTB分子層(吸着層)が形成される。 Next, the case of zirconium dioxide will be described. First, the substrate to be processed is fixed inside a predetermined reaction vessel, the inside of the reaction vessel is evacuated to a pressure of about 4 Pa by a predetermined exhaust mechanism, and then the substrate temperature is set to 350 ° C. A zirconium source gas made of tetratertiary butoxyzirconium (ZTB: Zr (t-OC 4 H 9 ) 4 ) is introduced, and the zirconium source gas is supplied onto the substrate. In the state where the zirconium source gas is introduced, the internal pressure of the reaction vessel is set to about 50 Pa, and the time during which the zirconium source gas is supplied onto the substrate is set to about 100 seconds. As a result, a ZTB molecular layer (adsorption layer) is formed on the surface of the gate insulating film of the substrate.

次に、反応容器内へのジルコニウム原料ガスの導入を停止し、反応容器内に、例えば窒素ガスなどの不活性ガスを導入し、不活性ガスにより反応容器内をパージし、余剰ガスが反応容器から除去された状態とする。パージは、約30秒間行う。
次に、反応容器の内部にH2Oからなる酸素原料ガスを導入し、酸素原料ガスがZTB分子層の表面に供給された状態とする。酸素原料ガスを導入した状態では、反応容器の内部圧力を600〜700Pa程度とし、酸素原料ガスの供給は、約30秒間行う。このことにより、ZTB分子層が酸化され、基板の上にジルコニウム1原子層分の酸化ジルコニウム層が形成された状態とする。基板温度は350℃の状態を保持する。
Next, the introduction of the zirconium raw material gas into the reaction vessel is stopped, an inert gas such as nitrogen gas is introduced into the reaction vessel, the inside of the reaction vessel is purged with the inert gas, and excess gas is removed from the reaction vessel. Removed. The purge is performed for about 30 seconds.
Next, an oxygen source gas composed of H 2 O is introduced into the reaction vessel so that the oxygen source gas is supplied to the surface of the ZTB molecular layer. In the state where the oxygen source gas is introduced, the internal pressure of the reaction vessel is set to about 600 to 700 Pa, and the oxygen source gas is supplied for about 30 seconds. As a result, the ZTB molecular layer is oxidized, and a zirconium oxide layer corresponding to one atomic layer of zirconium is formed on the substrate. The substrate temperature is maintained at 350 ° C.

次に、反応容器の内部を不活性ガスによってパージし、酸化ジルコニウムの上に不活性ガスが供給された状態とし、酸素原料ガスが酸化ジルコニウム層の上より除去された状態とする。パージは、約30秒間行う。
次に、すでに形成されている1原子層分の酸化ジルコニウム層の上にジルコニウム原料ガスを供給し、酸化ジルコニウム層の上に新たなZTB分子層が形成された状態とする。
次に、反応容器の内部に酸素原料ガスを導入し、酸素原料ガスがZTB分子層の表面に供給された状態とする。酸素原料ガスの供給は、約30秒間行う。
Next, the inside of the reaction vessel is purged with an inert gas so that the inert gas is supplied onto the zirconium oxide, and the oxygen source gas is removed from above the zirconium oxide layer. The purge is performed for about 30 seconds.
Next, a zirconium raw material gas is supplied onto the already formed zirconium oxide layer for one atomic layer, and a new ZTB molecular layer is formed on the zirconium oxide layer.
Next, an oxygen source gas is introduced into the reaction vessel so that the oxygen source gas is supplied to the surface of the ZTB molecular layer. The oxygen source gas is supplied for about 30 seconds.

このことにより、酸化ジルコニウム層の表面に吸着しているZTB分子層が酸化され、ジルコニウム2原子層分の酸化ジルコニウム層が形成された状態とする。
以上に説明したジルコニウム原料ガスの供給→パージ→酸素原料ガスの供給→パージの周期を例えば30回繰り返すことで、所望の膜厚の二酸化ジルコニウム膜が形成された状態とする。
As a result, the ZTB molecular layer adsorbed on the surface of the zirconium oxide layer is oxidized, and a zirconium oxide layer corresponding to two atomic layers of zirconium is formed.
The zirconium dioxide film having a desired film thickness is formed by repeating, for example, 30 cycles of the zirconium raw material gas supply → purge → oxygen raw material gas supply → purge described above.

次に、反応容器の内部に上記ジルコニウム原料ガスと酸素原料ガスとを供給し、これらが混合された混合ガスが上記酸化ジルコニウム膜の上に供給された状態とし、所望の膜厚に酸化ジルコニウムを堆積する。例えば、ジルコニウム原料ガスを流量15sccmとしたキャリアガスと共に供給し、酸素原料ガスを流量60sccmとしたキャリアガスと共に供給し、反応容器内の圧力は、30Pa程度とし、また、基板温度は400℃程度とし、10分程度行う。   Next, the zirconium raw material gas and the oxygen raw material gas are supplied to the inside of the reaction vessel, and a mixed gas in which these are mixed is supplied onto the zirconium oxide film, and zirconium oxide is formed in a desired film thickness. accumulate. For example, a zirconium source gas is supplied with a carrier gas having a flow rate of 15 sccm, an oxygen source gas is supplied with a carrier gas having a flow rate of 60 sccm, the pressure in the reaction vessel is about 30 Pa, and the substrate temperature is about 400 ° C. Perform for about 10 minutes.

この結果、基板の上にゲート絶縁膜形成面に、膜厚36nm程度の酸化ジルコニウム(ZrO2)からなる絶縁層が形成された状態が得られる。
以上のことにより形成された二酸化ジルコニウムからなる絶縁層をゲート絶縁膜として用いた場合、電気的特性は、界面準位密度が2×1011cm-2eV-1、固定電荷密度が5×1011cm-2、絶縁耐圧が4MV/cmとなる。このように、本発明によれば、高品質のゲート絶縁膜が得られる。
As a result, it is possible to obtain a state in which an insulating layer made of zirconium oxide (ZrO 2 ) having a thickness of about 36 nm is formed on the gate insulating film forming surface on the substrate.
When an insulating layer made of zirconium dioxide formed as described above is used as a gate insulating film, the electrical properties are as follows: interface state density is 2 × 10 11 cm −2 eV −1 , and fixed charge density is 5 × 10. 11 cm −2 and the withstand voltage is 4 MV / cm. Thus, according to the present invention, a high-quality gate insulating film can be obtained.

次に、二元合金の酸化物であるHfSiO2の場合について説明する。まず、処理対象の基板を所定の反応容器の内部に固定し、所定の排気機構により反応容器内を4Pa程度の圧力にまで排気し、ついで、基板温度を350℃の状態とし、反応容器内にテトラキスジエチルアミノハフニウム(TDEAH)からなるハフニウム原料ガスを導入し、基板の上にハフニウム原料ガスが供給された状態とする。ハフニウム原料ガスを導入した状態では、反応容器の内部圧力を66Pa程度とし、ハフニウム原料ガスが基板の上に供給されている時間は30秒程度とする。このことにより、基板のゲート絶縁膜表面には、TDEAH分子層(吸着層)が形成される。 Next, the case of HfSiO 2 which is an oxide of a binary alloy will be described. First, the substrate to be processed is fixed inside a predetermined reaction vessel, the inside of the reaction vessel is evacuated to a pressure of about 4 Pa by a predetermined exhaust mechanism, and then the substrate temperature is set to 350 ° C. A hafnium source gas made of tetrakisdiethylaminohafnium (TDEAH) is introduced, and the hafnium source gas is supplied onto the substrate. In the state where the hafnium source gas is introduced, the internal pressure of the reaction vessel is set to about 66 Pa, and the time during which the hafnium source gas is supplied onto the substrate is set to about 30 seconds. As a result, a TDEAH molecular layer (adsorption layer) is formed on the surface of the gate insulating film of the substrate.

次に、反応容器内へのハフニウム原料ガスの導入を停止し、反応容器内に、例えば窒素ガスなどの不活性ガスを導入し、不活性ガスにより反応容器内をパージし、余剰ガスが反応容器から除去された状態とする。パージは、約30秒間行う。
次に、反応容器の内部にH2Oからなる酸素原料ガスを導入し、酸素原料ガスがTDEAH分子層の表面に供給された状態とする。酸素原料ガスを導入した状態では、反応容器の内部圧力を2700Pa程度とし、酸素原料ガスの供給は、約30秒間行う。このことにより、TDEAH分子層が酸化され、基板の上にハフニウム1原子層分の酸化ハフニウム層が形成された状態とする。基板温度は350℃の状態を保持する。
Next, the introduction of the hafnium source gas into the reaction vessel is stopped, an inert gas such as nitrogen gas is introduced into the reaction vessel, and the inside of the reaction vessel is purged with the inert gas. Removed. The purge is performed for about 30 seconds.
Next, an oxygen source gas composed of H 2 O is introduced into the reaction vessel so that the oxygen source gas is supplied to the surface of the TDEAH molecular layer. In a state where the oxygen source gas is introduced, the internal pressure of the reaction vessel is set to about 2700 Pa, and the oxygen source gas is supplied for about 30 seconds. As a result, the TDEAH molecular layer is oxidized, and a hafnium oxide layer corresponding to one atomic layer of hafnium is formed on the substrate. The substrate temperature is maintained at 350 ° C.

次に、反応容器の内部を不活性ガスによってパージし、酸化ハフニウムの上に不活性ガスが供給された状態とし、酸素原料ガスが酸化ハフニウム層の上より除去された状態とする。パージは、約30秒間行う。
次に、すでに形成されている1原子層分の酸化ハフニウム層の上にトリスジメチルアミノシラン(TDMAS:HSi[N(CH323)からなるシリコン原料ガスを導入し、基板の上に上記シリコン原料ガスが供給された状態とする。シリコン原料ガスを導入した状態では、反応容器の内部圧力を120〜130Pa程度とし、シリコン原料ガスが基板の上に供給されている時間は30秒程度とする。このことにより、基板のゲート絶縁膜表面には、ハフニウムシリケートの分子層(吸着層)が形成される。
Next, the inside of the reaction vessel is purged with an inert gas so that the inert gas is supplied onto the hafnium oxide, and the oxygen source gas is removed from the hafnium oxide layer. The purge is performed for about 30 seconds.
Next, a silicon source gas composed of trisdimethylaminosilane (TDMAS: HSi [N (CH 3 ) 2 ] 3 ) is introduced onto the already formed hafnium oxide layer for one atomic layer, and the above-mentioned material is introduced onto the substrate. The silicon source gas is supplied. In a state where the silicon source gas is introduced, the internal pressure of the reaction vessel is set to about 120 to 130 Pa, and the time during which the silicon source gas is supplied onto the substrate is set to about 30 seconds. As a result, a hafnium silicate molecular layer (adsorption layer) is formed on the surface of the gate insulating film of the substrate.

次に、反応容器内へのシリコン原料ガスの導入を停止し、反応容器内に、不活性ガスを導入し、不活性ガスにより反応容器内をパージし、余剰ガスが反応容器から除去された状態とする。パージは、約30秒間行う。
次に、反応容器の内部にH2Oからなる酸素原料ガスを導入し、酸素原料ガスがハフニウムシリケート分子層の表面に供給された状態とする。酸素原料ガスを導入した状態では、反応容器の内部圧力を2700Pa程度とし、酸素原料ガスの供給は、約30秒間行う。このことにより、ハフニウムシリケート分子層が酸化され、基板の上に1分子層分のHfSiO2層が形成された状態とする。基板温度は350℃の状態を保持する。
Next, the introduction of the silicon source gas into the reaction vessel is stopped, the inert gas is introduced into the reaction vessel, the inside of the reaction vessel is purged with the inert gas, and the excess gas is removed from the reaction vessel. And The purge is performed for about 30 seconds.
Next, an oxygen source gas composed of H 2 O is introduced into the reaction vessel so that the oxygen source gas is supplied to the surface of the hafnium silicate molecular layer. In a state where the oxygen source gas is introduced, the internal pressure of the reaction vessel is set to about 2700 Pa, and the oxygen source gas is supplied for about 30 seconds. As a result, the hafnium silicate molecular layer is oxidized, and the HfSiO 2 layer for one molecular layer is formed on the substrate. The substrate temperature is maintained at 350 ° C.

以上に説明したハフニウム原料ガスの供給→パージ→酸素原料ガスの供給→パージ→シリコン原料ガスの供給→パージ→酸素原料ガスの供給→パージの周期を例えば50回繰り返すことで、所望の膜厚のHfSiO2膜が形成された状態とする。 The above-described hafnium source gas supply → purge → oxygen source gas supply → purge → silicon source gas supply → purge → oxygen source gas supply → purge cycle is repeated 50 times, for example. It is assumed that the HfSiO 2 film is formed.

次に、反応容器の内部に上記ハフニウム原料ガスとシリコン原料ガスと酸素原料ガスとを供給し、これらが混合された混合ガスが上記酸化ハフニウム膜の上に供給された状態とし、所望の膜厚にHfSiO2を堆積する。例えば、ハフニウム原料ガスを流量20sccmとしたキャリアガスと共に供給し、シリコン原料ガスを流量10sccmとしたキャリアガスと共に供給し、酸素原料ガスを流量100sccmとしたキャリアガスと共に供給し、反応容器内の圧力は、135Pa程度とし、また、基板温度は500℃程度とし、5分程度行う。 Next, the hafnium source gas, the silicon source gas, and the oxygen source gas are supplied to the inside of the reaction vessel, and the mixed gas is supplied onto the hafnium oxide film to obtain a desired film thickness. HfSiO 2 is deposited on the substrate. For example, a hafnium source gas is supplied with a carrier gas with a flow rate of 20 sccm, a silicon source gas is supplied with a carrier gas with a flow rate of 10 sccm, an oxygen source gas is supplied with a carrier gas with a flow rate of 100 sccm, and the pressure in the reaction vessel is And about 135 Pa, and the substrate temperature is about 500 ° C. for about 5 minutes.

この結果、基板の上にゲート絶縁膜形成面に、膜厚35nm程度のHfSiO2からなる絶縁層が形成された状態が得られる。
以上のことにより形成されたHfSiO2からなる絶縁層をゲート絶縁膜として用いた場合、電気的特性は、界面準位密度が1×1011cm-2eV-1、固定電荷密度が4×1011cm-2、絶縁耐圧が5MV/cmとなる。このように、本発明によれば、高品質のゲート絶縁膜が得られる。
As a result, a state is obtained in which an insulating layer made of HfSiO 2 having a thickness of about 35 nm is formed on the gate insulating film forming surface on the substrate.
When an insulating layer made of HfSiO 2 formed as described above is used as a gate insulating film, the electrical characteristics are as follows: interface state density is 1 × 10 11 cm −2 eV −1 , and fixed charge density is 4 × 10. 11 cm −2 and the withstand voltage is 5 MV / cm. Thus, according to the present invention, a high-quality gate insulating film can be obtained.

また、上述した製造過程において、シリコン原料ガスであるTDMASの代わりに、トリメチルアルミニウム(TMA:Al(CH33)からなるアルミニウム原料ガスを用いることで、同様の工程によりHfAlO2からなるゲート絶縁膜が形成できる。 Further, in the manufacturing process described above, an aluminum source gas made of trimethylaluminum (TMA: Al (CH 3 ) 3 ) is used in place of the TDMAS which is a silicon source gas, so that gate insulation made of HfAlO 2 can be obtained by the same process. A film can be formed.

本発明の実施の形態におけるゲート絶縁膜の作製方法を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating the preparation methods of the gate insulating film in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態におけるゲート絶縁膜の作製方法を説明するための工程図である。It is process drawing for demonstrating the preparation methods of the gate insulating film in embodiment of this invention. 本発明のゲート絶縁膜の作製を行うための処理装置の構成例を概略的に示す構成図である。It is a block diagram which shows roughly the structural example of the processing apparatus for producing the gate insulating film of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

101…ガラス基板、102…ソース電極、103…ドレイン電極、104…ポリシリコン層(低温ポリシリコン層)、105…絶縁層、106…ゲート電極、107…ゲート絶縁膜、108…ソース、109…ドレイン、121…シリコン原料ガス、122…酸素原料ガス、123…混合ガス、151…SiCl4分子層(吸着層)、152…酸化シリコン層、153…SiCl4分子層、154…酸化シリコン層。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Glass substrate, 102 ... Source electrode, 103 ... Drain electrode, 104 ... Polysilicon layer (low-temperature polysilicon layer), 105 ... Insulating layer, 106 ... Gate electrode, 107 ... Gate insulating film, 108 ... Source, 109 ... Drain , 121 ... silicon source gas, 122 ... oxygen source gas, 123 ... mixed gas, 151 ... SiCl 4 molecules layer (adsorption layer), 152 ... silicon oxide layer, 153 ... SiCl 4 molecules layer, 154 ... silicon oxide layer.

Claims (10)

反応容器の内部に配置されて所定温度に加熱された基板の上に、第1物質の化合物から構成された第1原料ガスを供給して前記第1物質の化合物が前記基板の上に吸着した吸着層が形成された状態とする第1工程と、
前記第1原料ガスの供給を停止した後、前記反応容器の内部より前記第1原料ガスを除去する第2工程と、
酸素及び窒素のうち少なくとも1つからなる第2物質を含む第2原料ガスを前記吸着層の表面に供給して前記吸着層の前記第1物質と前記第2物質との化合物からなる第1絶縁層が前記基板の上に形成された状態とする第3工程と、
前記第1原料ガスと前記第2原料ガスとを前記第1絶縁層の表面に供給し、前記第1物質と前記第2物質との化合物からなる第2絶縁層が前記第1絶縁層の表面に形成された状態とする第4工程と
を少なくとも備え、
前記第1絶縁層と前記第2絶縁層とから構成されたゲート絶縁膜が前記基板の上に形成された状態とする
ことを特徴とするゲート絶縁膜の作製方法。
A first source gas composed of a compound of the first substance is supplied onto a substrate disposed inside the reaction vessel and heated to a predetermined temperature, and the compound of the first substance is adsorbed on the substrate. A first step in which an adsorption layer is formed;
A second step of removing the first source gas from the inside of the reaction vessel after stopping the supply of the first source gas;
Supplying a second source gas containing a second substance made of at least one of oxygen and nitrogen to the surface of the adsorption layer to form a first insulation composed of a compound of the first substance and the second substance of the adsorption layer; A third step in which a layer is formed on the substrate;
The first source gas and the second source gas are supplied to the surface of the first insulating layer, and the second insulating layer made of a compound of the first material and the second material is the surface of the first insulating layer. And at least a fourth step of forming a state formed in
A method for manufacturing a gate insulating film, comprising: forming a gate insulating film including the first insulating layer and the second insulating layer on the substrate.
請求項1記載のゲート絶縁膜の作製方法において、
前記第1工程,前記第2工程,前記第3工程を含む一連の周期を繰り返して複数層の前記第1絶縁層を形成し、
複数層の前記第1絶縁層を形成した後、前記第2絶縁層を形成する
ことを特徴とするゲート絶縁膜の作製方法。
In the manufacturing method of the gate insulating film of Claim 1,
A plurality of first insulating layers are formed by repeating a series of cycles including the first step, the second step, and the third step;
After forming a plurality of first insulating layers, the second insulating layer is formed. A method for manufacturing a gate insulating film.
請求項1又は2記載のゲート絶縁膜の作製方法において、
前記第1物質はシリコンであることを特徴とするゲート絶縁膜の作製方法。
In the manufacturing method of the gate insulating film of Claim 1 or 2,
The method for manufacturing a gate insulating film, wherein the first material is silicon.
請求項1又は2記載のゲート絶縁膜の作製方法において、
前記第1物質はハフニウムであることを特徴とするゲート絶縁膜の作製方法。
In the manufacturing method of the gate insulating film of Claim 1 or 2,
The method of manufacturing a gate insulating film, wherein the first material is hafnium.
請求項1又は2記載のゲート絶縁膜の作製方法において、
前記第1物質はジルコニウムであることを特徴とするゲート絶縁膜の作製方法。
In the manufacturing method of the gate insulating film of Claim 1 or 2,
A method for manufacturing a gate insulating film, wherein the first material is zirconium.
反応容器の内部に配置されて所定温度に加熱された基板の上に、第1物質の化合物から構成された第1原料ガスを供給して前記第1物質の化合物が前記基板の上に吸着した吸着層が形成された状態とする第1工程と、
前記第1原料ガスの供給を停止した後、前記反応容器の内部より前記第1原料ガスを除去する第2工程と、
酸素及び窒素のうち少なくとも1つからなる第2物質を含む第2原料ガスを前記吸着層の表面に供給して前記吸着層の前記第1物質と前記第2物質との化合物からなる第1化合物層が前記基板の上に形成された状態とする第3工程と、
前記第2原料ガスの供給を停止した後、前記反応容器の内部より前記第2原料ガスを除去する第4工程と、
第3物質の化合物から構成された第3原料ガスを前記第1化合物層の表面に供給して前記第1物質,第2物質,及び第3物質の化合物からなる第2化合物層が前記基板の上に形成された状態とする第5工程と、
前記第3原料ガスの供給を停止した後、前記反応容器の内部より前記第3原料ガスを除去する第6工程と、
前記第2原料ガスを前記第2化合物層の表面に供給して前記第1物質と前記第2物質と前記第3物質との化合物からなる第1絶縁層が前記基板の上に形成された状態とする第7工程と、
前記第1原料ガスと前記第2原料ガスと前記第3原料ガスとを前記第1絶縁層の表面に供給し、前記第1物質と前記第2物質と前記第3物質との化合物からなる第2絶縁層が前記第1絶縁層の表面に形成された状態とする第8工程と
を少なくとも備え、
前記第1絶縁層と前記第2絶縁層とから構成されたゲート絶縁膜が前記基板の上に形成された状態とする
ことを特徴とするゲート絶縁膜の作製方法。
A first source gas composed of a compound of the first substance is supplied onto a substrate disposed inside the reaction vessel and heated to a predetermined temperature, and the compound of the first substance is adsorbed on the substrate. A first step in which an adsorption layer is formed;
A second step of removing the first source gas from the inside of the reaction vessel after stopping the supply of the first source gas;
A first compound comprising a compound of the first substance and the second substance of the adsorption layer by supplying a second source gas containing a second substance of at least one of oxygen and nitrogen to the surface of the adsorption layer; A third step in which a layer is formed on the substrate;
A fourth step of removing the second source gas from the inside of the reaction vessel after stopping the supply of the second source gas;
A third source gas composed of a compound of a third material is supplied to the surface of the first compound layer, and a second compound layer composed of the compound of the first material, the second material, and the third material is formed on the substrate. A fifth step of forming a state above,
A sixth step of removing the third source gas from the inside of the reaction vessel after stopping the supply of the third source gas;
A state in which a first insulating layer made of a compound of the first material, the second material, and the third material is formed on the substrate by supplying the second source gas to the surface of the second compound layer And the seventh step,
The first source gas, the second source gas, and the third source gas are supplied to the surface of the first insulating layer, and are formed of a compound of the first material, the second material, and the third material. And at least an eighth step in which two insulating layers are formed on the surface of the first insulating layer,
A method for manufacturing a gate insulating film, comprising: forming a gate insulating film including the first insulating layer and the second insulating layer on the substrate.
請求項6記載のゲート絶縁膜の作製方法において、
前記第1工程,前記第2工程,前記第3工程を含む一連の周期を繰り返して複数層の前記第1絶縁層を形成し、
複数層の前記第1絶縁層を形成した後、前記第2絶縁層を形成する
ことを特徴とするゲート絶縁膜の作製方法。
In the manufacturing method of the gate insulating film of Claim 6,
A plurality of first insulating layers are formed by repeating a series of cycles including the first step, the second step, and the third step;
After forming a plurality of first insulating layers, the second insulating layer is formed. A method for manufacturing a gate insulating film.
請求項6又は7記載のゲート絶縁膜の作製方法において、
前記第1物質はハフニウムであり、前記第2物質はシリコンであることを特徴とするゲート絶縁膜の作製方法。
In the manufacturing method of the gate insulating film of Claim 6 or 7,
The method of manufacturing a gate insulating film, wherein the first material is hafnium and the second material is silicon.
請求項6又は7記載のゲート絶縁膜の作製方法において、
前記第1物質はハフニウムであり、前記第2物質はアルミニウムであることを特徴とするゲート絶縁膜の作製方法。
In the manufacturing method of the gate insulating film of Claim 6 or 7,
The method of manufacturing a gate insulating film, wherein the first material is hafnium and the second material is aluminum.
請求項6又は7記載のゲート絶縁膜の作製方法において、
前記第1物質はジルコニウムであり、前記第2物質はシリコンであることを特徴とするゲート絶縁膜の作製方法。
In the manufacturing method of the gate insulating film of Claim 6 or 7,
The method of manufacturing a gate insulating film, wherein the first material is zirconium and the second material is silicon.
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