JP2006040977A - Method of manufacturing semiconductor device having insulation film, and semiconductor device - Google Patents

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Akira Sakai
酒井  朗
Shizuaki Zaima
鎭明 財満
Yukio Yasuda
幸夫 安田
Mitsuo Sakashita
満男 坂下
Akinari Takahashi
亮也 高橋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce leakage current by lowering the CET (converted equivalent SiO<SB>2</SB>thickness) of an insulation film in MOSFET. <P>SOLUTION: The surface of an Si substrate is radical-nitrided by nitrogen radicals. Then, an HfO<SB>2</SB>film is formed as a high dielectric constant film on the Si substrate whose surface is now radically nitrided. Thereafter, at least the high dielectric constant film is radically nitrided by nitrogen radicals, and the semiconductor formed with the high dielectric constant film after nitriding is heat-treated (RTO) in an oxygen atmosphere. The insulation film which has been applied with RTO treatment after radical nitriding of the Si substrate and radical nitriding of the HfO<SB>2</SB>film is found to have a lower CET and lower leakage current than an insulation film which has been applied with RTO treatment without conducting any one of radical nitriding of the Si substrate and radical nitriding of the HfO<SB>2</SB>film formed on the Si substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、絶縁膜と電極とを有したFET 、フローティングゲートトランジスタ、キャパシタなどの半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device such as an FET having a dielectric film and an electrode, a floating gate transistor, and a capacitor, and a manufacturing method thereof.

半導体デバイスの微細化・高集積化に伴い、MOSFETやMISFETのゲート絶縁膜も薄膜化の一途を辿ってきた。現在はその膜厚がSiO2に換算して1nmを切ろうとしており、薄膜化によるトンネルリーク電流の顕在化が問題視されている。消費電力や信頼性の観点から、デバイス動作に必要な信号電荷量を確保しつつ、ゲート絶縁膜の物理膜厚を厚くすることによってリーク電流を低減できる高誘電率材料の導入が求められている。 With the miniaturization and high integration of semiconductor devices, the gate insulating films of MOSFETs and MISFETs have been made thinner. At present, the film thickness is about 1 nm in terms of SiO 2 , and the manifestation of tunnel leakage current due to the thinning is regarded as a problem. From the viewpoint of power consumption and reliability, introduction of a high dielectric constant material that can reduce the leakage current by increasing the physical film thickness of the gate insulating film while ensuring the amount of signal charge necessary for device operation is required. .

そのために、下記特許文献1では、MIS トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜に高誘電率材料であるHfO2を用いている。このトランジスタではシリコン基板上にHfO2等の高誘電体膜を形成した後、その高誘電体膜の表面をラジカル窒素により窒化することで表面に窒化層を形成し、その窒化層の上にp型不純物を含むp型多結晶シリコン層によるゲート電極を形成している。この時、高誘電体膜の表面の窒化層は、ゲート電極のp型不純物として用いられているホウ素(B)が、各種の熱処理によって、高誘電体膜を通過してシリコン基板に拡散することを防止している。すなわち、高誘電体膜の表面の窒化層は、p型不純物のpチャネルへの拡散を防止して、pチャネルMOS トランジスタのしきい値電圧の変動を防止することに寄与している。 Therefore, in Patent Document 1 below, HfO 2 which is a high dielectric constant material is used for the gate insulating film in the MIS transistor. In this transistor, after a high dielectric film such as HfO 2 is formed on a silicon substrate, the surface of the high dielectric film is nitrided with radical nitrogen to form a nitride layer on the surface, and p is formed on the nitride layer. A gate electrode is formed of a p-type polycrystalline silicon layer containing type impurities. At this time, in the nitride layer on the surface of the high dielectric film, boron (B) used as a p-type impurity of the gate electrode diffuses through the high dielectric film and diffuses into the silicon substrate by various heat treatments. Is preventing. That is, the nitride layer on the surface of the high dielectric film prevents diffusion of p-type impurities into the p-channel and contributes to preventing fluctuations in the threshold voltage of the p-channel MOS transistor.

また、HfO2,ZrO2などの高誘電率薄膜は、熱処理工程において、雰囲気中の酸素を透過するので、その酸素がシリコン基板との界面に達して、SiO2膜が形成される。SiO2膜が形成されると、SiO2膜は、HfO2,ZrO2などに比べて、比誘電率が小さいので、絶縁膜のSiO2換算膜厚が大きくなる、すなわち、絶縁膜の等価比誘電率が小さくなり、絶縁膜を媒体とする静電容量が小さくなるという問題がある。そこで、下記特許文献2によると、熱処理工程において、シリコン基板との界面に形成されるSiO2膜の膜厚を原子層レベルに制御するために、熱処理工程における雰囲気中の残留酸素分圧を1×10-4Torr、残留水分圧を5×10-5Torr以下で行うことが行われている。 Further, high dielectric constant thin films such as HfO 2 and ZrO 2 transmit oxygen in the atmosphere in the heat treatment step, so that the oxygen reaches the interface with the silicon substrate, and an SiO 2 film is formed. When the SiO 2 film is formed, the SiO 2 film has a relative dielectric constant smaller than that of HfO 2 , ZrO 2, etc., so that the SiO 2 equivalent film thickness of the insulating film becomes large, that is, the equivalent ratio of the insulating film There is a problem that the dielectric constant decreases and the electrostatic capacity using the insulating film as a medium decreases. Therefore, according to the following Patent Document 2, in order to control the film thickness of the SiO 2 film formed at the interface with the silicon substrate to the atomic layer level in the heat treatment step, the residual oxygen partial pressure in the atmosphere in the heat treatment step is set to 1. It is carried out with × 10 −4 Torr and a residual moisture pressure of 5 × 10 −5 Torr or less.

下記特許文献3によると、高誘電率膜とシリコン基板との界面に形成されるSiO2膜の形成を抑制するために、高誘電率膜を形成する前に、基板表面に窒素イオンを注入したり、基板表面を窒素ラジカルにより窒化することが知られている。 According to the following Patent Document 3, in order to suppress the formation of the SiO 2 film formed at the interface between the high dielectric constant film and the silicon substrate, before forming the high dielectric constant film, nitrogen ions are implanted into the substrate surface. In addition, it is known that the substrate surface is nitrided with nitrogen radicals.

しかしながら、特許文献1は、p型不純物が高誘電体膜を透過するのを防止するために、高誘電体膜の表面を窒化する技術を開示しているのであって、高誘電体膜とシリコン基板との界面にSiO2膜を形成することを阻止して、高誘電体膜のSiO2換算膜厚が厚くなるのを防止していない。 However, Patent Document 1 discloses a technique for nitriding the surface of a high dielectric film in order to prevent p-type impurities from passing through the high dielectric film. The formation of the SiO 2 film at the interface with the substrate is not prevented, and the SiO 2 equivalent film thickness of the high dielectric film is not prevented from increasing.

また、特許文献2は、酸素ガスを含む雰囲気で高誘電率薄膜を形成したシリコン基板を熱処理すると、高誘電率薄膜とシリコン基板との界面にSiO2膜が形成されるが、このSiO2膜の形成を防止するために、加熱処理を酸素ガスの分圧が極めて低い環境で実施することを開示したものである。すなわち、望ましい状態では、酸素ガスを有しない環境で熱処理することが最も良いことを開示しているのであって、酸素雰囲気中で熱処理することで漏れ電流特性が良くなることは全く示唆されていない。 Further, Patent Document 2, when heat treatment of the silicon substrate formed with a high dielectric constant thin film in an atmosphere containing oxygen gas, although the SiO 2 film is formed on the interface between the high dielectric constant film and the silicon substrate, the SiO 2 film In order to prevent the formation of, the heat treatment is disclosed in an environment where the partial pressure of oxygen gas is extremely low. That is, it is disclosed that in a desirable state, it is best to heat-treat in an environment without oxygen gas, and there is no suggestion that the leakage current characteristics will be improved by heat-treating in an oxygen atmosphere. .

また、特許文献3は、シリコン基板の表面を窒素ラジカルで窒化することで、各用途のトランジスタ毎に、絶縁膜のSiO2換算膜厚を制御するようにしたものである。しかしながら、絶縁膜のSiO2換算膜厚を小さくすることや電流のリーク特性をさらに改善することは、開示されていない。 In Patent Document 3, the surface of the silicon substrate is nitrided with nitrogen radicals to control the SiO 2 equivalent film thickness of the insulating film for each transistor for each application. However, there is no disclosure of reducing the SiO 2 equivalent film thickness of the insulating film or further improving the current leakage characteristics.

また、非特許文献1には、絶縁膜としてHfONを用いる場合の特性がHfO2を用いた場合の特性と比較されている。しかしながら、絶縁膜のSiO2換算膜厚を小さくすることや電流のリーク特性をさらに改善することは、開示されていない。 Non-Patent Document 1 compares the characteristics when HfON is used as the insulating film with the characteristics when HfO 2 is used. However, there is no disclosure of reducing the SiO 2 equivalent film thickness of the insulating film or further improving the current leakage characteristics.

このように、従来技術は、シリコン基板と高誘電率膜との界面にSiO2が形成され、このSiO2が、高誘電率膜の等価SiO2換算膜厚を大きくしていた。そして、シリコン基板の界面にSiO2膜が形成され難い、製造方法が提供されているが、今だに、等価SiO2換算膜厚の十分に薄い絶縁膜を形成して、さらに、リーク電流を低減させる製造方法は確立されていない。 Thus, in the prior art, SiO 2 is formed at the interface between the silicon substrate and the high dielectric constant film, and this SiO 2 increases the equivalent SiO 2 equivalent film thickness of the high dielectric constant film. A manufacturing method has been provided in which it is difficult to form an SiO 2 film at the interface of a silicon substrate, but a sufficiently thin insulating film having an equivalent SiO 2 equivalent film thickness is still formed to further reduce leakage current. The manufacturing method to reduce is not established.

そこで、本発明は、絶縁膜とその上に電極とを有した半導体装置の製造方法において、等価SiO2換算膜厚の十分に薄い絶縁膜を有し、リーク電流を大幅に低減できる製造方法を提供することを目的とする。
さらに、低駆動電圧化、リーク特性を改善した半導体装置を提供することを目的とする。
Therefore, the present invention provides a manufacturing method of a semiconductor device having an insulating film and an electrode thereon, and a manufacturing method that has a sufficiently thin insulating film with an equivalent SiO 2 equivalent film thickness and can significantly reduce a leakage current. The purpose is to provide.
It is another object of the present invention to provide a semiconductor device having a low driving voltage and improved leakage characteristics.

特開2003−282873JP 2003-282873 A 特開2002−184773JP 2002-184773 A 特開2003−100896JP2003-100956 The Electrical and Material Chracterization of Hafnium Oxynitride Gate Dielectrics With TaN-Gate Electrode IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES,VOL.51,NO.2,FEBRUARY 2004The Electrical and Material Chracterization of Hafnium Oxynitride Gate Dielectrics With TaN-Gate Electrode IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES, VOL.51, NO.2, FEBRUARY 2004

上記課題を解決するための請求項1に記載の発明の構成は、半導体上に絶縁膜とその絶縁膜上に形成された電極とを有する半導体装置の製造方法において、半導体の表面を窒素ラジカルによりラジカル窒化する第1のラジカル窒化工程と、表面がラジカル窒化された半導体の上に高誘電率膜を形成する高誘電率膜形成工程と、少なくとも高誘電率膜を窒素ラジカルによりラジカル窒化する第2のラジカル窒化工程と、窒化の後に高誘電率膜の形成された半導体を酸素雰囲気において熱処理する熱処理工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。   According to a first aspect of the present invention for solving the above problem, in a method of manufacturing a semiconductor device having an insulating film on a semiconductor and an electrode formed on the insulating film, the surface of the semiconductor is formed by nitrogen radicals. A first radical nitriding step for radical nitriding, a high dielectric constant film forming step for forming a high dielectric constant film on a semiconductor whose surface is radical nitrided, and a second radical nitriding at least the high dielectric constant film with nitrogen radicals A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a radical nitriding step; and a heat treatment step of heat-treating a semiconductor in which a high dielectric constant film is formed after nitriding in an oxygen atmosphere.

ここで、基板材料としては、Si、GaAs、GaAsP 、GaN 、AlGaN 、AlGaInN などを用いることができるが、一般的には、Siが多用される。窒素ラジカルには、一般的には、窒素ガスをプラズマ化して電荷粒子を除去して得られる中性粒子である窒素原子ラジカルが用いられる。また、プラズマ発生室と、半導体の処理室を別にして、窒素ラジカルだけ半導体の表面に供給されるようにすることが望ましい。半導体表面をラジカル窒化する場合の温度範囲は、 0℃〜 800℃、雰囲気の圧力は10-5Torr〜10-2Torrが望ましい。高誘電率膜を形成する方法は、膜厚を薄くする関係上、電子ビーム蒸着法を用いることが望ましいが、nmオーダの膜を形成する方法であれば任意である。高誘電率膜の材料としてはAl2O3 、Ta2O3 、ZrO2 、HfO2 、Y2O3 、La2O3 、CeO2 、PrO2 、Gd2O3 、Sc2O3 、 LaAlO3 、 ZrTiO4 、(Zr,Sn)TiO4 、SrZrO4 、LaAl3O4 、SrTiO3 、BaSrTiO3 等の金属酸化膜或いは、これらのシリケートなどの混晶の形態でもよい。本発明において、最も望ましいのは、HfO2である。高誘電率膜をラジカル窒化する方法や条件は、基板をラジカル窒化する方法や条件と同一で良い。また、その後の酸素雰囲気での熱処理は、温度範囲は、500 ℃〜1000℃、酸素分圧は、10-3Torr〜103 Torrで残余の不活性ガス又は窒素ガスが1010Torr〜102 Torrが望ましい。ラジカル窒化して酸素雰囲気中で熱処理した後の高誘電率膜は、これらの処理をする前の堆積状態での高誘電率膜の結晶構造とは異なるものである。 Here, Si, GaAs, GaAsP, GaN, AlGaN, AlGaInN or the like can be used as the substrate material, but generally Si is frequently used. Generally, nitrogen atom radicals, which are neutral particles obtained by converting nitrogen gas into plasma and removing charged particles, are used as nitrogen radicals. In addition, it is desirable to supply a nitrogen radical to the surface of the semiconductor separately from the plasma generation chamber and the semiconductor processing chamber. The temperature range for radical nitriding the semiconductor surface is preferably 0 ° C. to 800 ° C., and the atmospheric pressure is preferably 10 −5 Torr to 10 −2 Torr. As a method of forming a high dielectric constant film, it is desirable to use an electron beam evaporation method in view of reducing the film thickness, but any method can be used as long as it is a method of forming a film on the order of nm. High dielectric constant materials include Al 2 O 3 , Ta 2 O 3 , ZrO 2 , HfO 2 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , PrO 2 , Gd 2 O 3 , Sc 2 O 3 , A metal oxide film such as LaAlO 3 , ZrTiO 4 , (Zr, Sn) TiO 4 , SrZrO 4 , LaAl 3 O 4 , SrTiO 3 , or BaSrTiO 3, or a mixed crystal such as silicate may be used. In the present invention, HfO 2 is most desirable. The method and conditions for radical nitriding the high dielectric constant film may be the same as the method and conditions for radical nitriding the substrate. Further, in the subsequent heat treatment in an oxygen atmosphere, the temperature range is 500 ° C. to 1000 ° C., the oxygen partial pressure is 10 −3 Torr to 10 3 Torr, and the remaining inert gas or nitrogen gas is 10 10 Torr to 10 2. Torr is desirable. The high dielectric constant film after radical nitridation and heat treatment in an oxygen atmosphere is different from the crystal structure of the high dielectric constant film in the deposited state before these treatments.

請求項2の発明は、半導体はシリコンであることを特徴とする請求項1に記載の半導体の製造方法であり、請求項3の発明は、高誘電率膜はHfO2から成ることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体の製造方法である。
半導体をシリコン(Si)とし、高誘電率膜をHfO2とする場合が、本件発明において最も一般的であり、本件発明の効果を十分に発揮することができる。
The invention of claim 2 is the semiconductor manufacturing method according to claim 1, wherein the semiconductor is silicon, and the invention of claim 3 is characterized in that the high dielectric constant film is made of HfO 2. A semiconductor manufacturing method according to claim 1 or 2.
The case where the semiconductor is silicon (Si) and the high dielectric constant film is HfO 2 is the most common in the present invention, and the effects of the present invention can be sufficiently exhibited.

請求項4の発明は、熱処理工程における雰囲気中の酸素分圧は、10-3Torr〜103 Torrであることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の半導体の製造方法である。
この範囲の酸素雰囲気中でラジカル窒化後の高誘電率膜と半導体とを熱処理することで、絶縁膜としての良好な特性が得られる。
According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor according to any one of the first to third aspects, the oxygen partial pressure in the atmosphere in the heat treatment step is 10 −3 Torr to 10 3 Torr. It is a manufacturing method.
Good characteristics as an insulating film can be obtained by heat-treating the high dielectric constant film after radical nitriding and the semiconductor in an oxygen atmosphere within this range.

請求項5の発明は、シリコン基板上に絶縁膜とその絶縁膜上に形成された電極とを有する半導体装置において、シリコン基板の表面に形成され、酸化シリコンの存在しない窒化シリコン膜と、窒化シリコン膜の上に形成された高誘電率膜から成る絶縁膜とを有することを特徴とする半導体装置である。
この半導体装置はMIS 型のトランジスタや、キャパシタなどであるが、シリコン基板上に形成された絶縁膜とその上の電極とを有する素子であれば、任意である。また、本発明では、シリコン基板と高誘電率膜との界面には窒化シリコン膜が形成されており、酸化シリコンから成る層が存在しないことが特徴である。この構成により、絶縁膜の等価比誘電率、静電容量を大きく、等価SiO2換算膜厚を小さくすることができる。従来においては、高誘電率膜とシリコン基板との界面に酸化シリコン膜が形成されるのであるが、上記した本件発明の製造方法を用いれば、酸化シリコン膜を形成を排除することができ、半導体装置としての低駆動電圧化、リーク特性を改善することができる。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having an insulating film on a silicon substrate and an electrode formed on the insulating film, a silicon nitride film formed on the surface of the silicon substrate and free of silicon oxide, and silicon nitride And an insulating film made of a high dielectric constant film formed on the film.
This semiconductor device is an MIS type transistor, a capacitor, or the like, but may be any element as long as it has an insulating film formed on a silicon substrate and an electrode thereon. Further, the present invention is characterized in that a silicon nitride film is formed at the interface between the silicon substrate and the high dielectric constant film, and there is no layer made of silicon oxide. With this configuration, the equivalent relative dielectric constant and capacitance of the insulating film can be increased, and the equivalent SiO 2 equivalent film thickness can be reduced. Conventionally, a silicon oxide film is formed at the interface between the high dielectric constant film and the silicon substrate. However, by using the manufacturing method of the present invention described above, the formation of the silicon oxide film can be eliminated, and the semiconductor As a device, the drive voltage can be reduced and the leakage characteristics can be improved.

請求項6に記載の発明は、絶縁膜は窒素ラジカルにより窒化された後に酸素雰囲気中で熱処理されて得られる高誘電率膜から成ることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置である。
後述するように、窒素ラジカルにより窒化された後に酸素雰囲気中で熱処理されて得られる高誘電率膜は、この処理が施される前の結晶とは異なるものと考えられる。この結晶状態がリーク電流の低減に寄与している。
A sixth aspect of the present invention is the semiconductor device according to the fifth aspect, wherein the insulating film is formed of a high dielectric constant film obtained by nitriding with nitrogen radicals followed by heat treatment in an oxygen atmosphere.
As will be described later, the high dielectric constant film obtained by nitriding with nitrogen radicals and then heat-treating in an oxygen atmosphere is considered to be different from the crystal before this treatment. This crystal state contributes to reduction of leakage current.

請求項7に記載の発明は、高誘電率膜はHfO2から成ることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の半導体装置である。
高誘電率膜をHfO2とすることで、本件発明の効果を十分に発揮することができる。HfO2はラジカル窒化によりHfONとなり、酸素雰囲気中での熱処理によりHfO2となるのであるが、処理前のHfO2と処理後のHfO2 とでは結晶状態が異なり、これにより、リーク電流の大幅な低減が実現される。
A seventh aspect of the present invention is the semiconductor device according to the fifth or sixth aspect, wherein the high dielectric constant film is made of HfO 2 .
By making the high dielectric constant film HfO 2 , the effects of the present invention can be sufficiently exerted. HfO 2 is HfON next by radical nitriding, but by heat treatment in an oxygen atmosphere is becoming a HfO 2, the process in front of HfO 2 and HfO 2 after treatment different crystalline state, thereby greatly the leakage current Reduction is realized.

本製造方法の発明は、半導体表面を窒素ラジカルで窒化し、その窒化された面上に高誘電率膜を形成し、さらに、高誘電率膜を窒素ラジカルで窒化して、酸素雰囲気中で熱処理して半導体装置を製造する方法である。
この方法によると、半導体と高誘電率膜との界面には、その半導体の酸化膜が形成されないので、高誘電率膜の等価SiO2換算膜厚は増大せず低い値を維持する。このため、駆動電圧の低減化が実現されるとともにリーク電流を減少させることかできた。また、半導体をシリコンとして、高誘電率膜をHfO2とする時には、リーク電流の顕著な低減が得られた。
According to the present manufacturing method, a semiconductor surface is nitrided with nitrogen radicals, a high dielectric constant film is formed on the nitrided surface, and the high dielectric constant film is nitrided with nitrogen radicals, followed by heat treatment in an oxygen atmosphere. Thus, a semiconductor device is manufactured.
According to this method, since the oxide film of the semiconductor is not formed at the interface between the semiconductor and the high dielectric constant film, the equivalent SiO 2 equivalent film thickness of the high dielectric constant film does not increase and maintains a low value. For this reason, the drive voltage can be reduced and the leakage current can be reduced. In addition, when the semiconductor is silicon and the high dielectric constant film is HfO 2 , a significant reduction in leakage current is obtained.

また、半導体装置の発明は、シリコン基板の表面に形成され、酸化シリコンの存在しない窒化シリコン膜と、窒化シリコン膜の上に形成された高誘電率膜から成る絶縁膜とを有することを特徴とする半導体装置である。
基板と高誘電率膜との間には酸化シリコン膜が形成されていないので、高誘電率膜の等価SiO2換算膜厚を増大させず、低い値に維持できる。このため、駆動電圧の低減が実現されるとともにリーク電流を減少させることかできた。
The invention of the semiconductor device is characterized in that it has a silicon nitride film formed on the surface of a silicon substrate and free of silicon oxide, and an insulating film made of a high dielectric constant film formed on the silicon nitride film. It is a semiconductor device.
Since no silicon oxide film is formed between the substrate and the high dielectric constant film, the equivalent SiO 2 equivalent film thickness of the high dielectric constant film is not increased and can be maintained at a low value. For this reason, the drive voltage can be reduced and the leakage current can be reduced.

高誘電率膜をHfO2とするとき、リーク電流の顕著な低減が得られた。HfO2はラジカル窒化によりHfONとなり、酸素雰囲気中での熱処理によりHfO2となるのであるが、処理前のHfO2と処理後のHfO2 とでは結晶状態が異なり、これにより、リーク電流の大幅な低減が実現されると考えられる。 When the high dielectric constant film is made of HfO 2 , a significant reduction in leakage current is obtained. HfO 2 is HfON next by radical nitriding, but by heat treatment in an oxygen atmosphere is becoming a HfO 2, the process in front of HfO 2 and HfO 2 after treatment different crystalline state, thereby greatly the leakage current A reduction is expected to be realized.

以下、本発明を具体的な実施の形態について説明する。
図1は、具体的な実施例に係る半導体装置10の構成を示す断面図である。p-Siから成るシリコン基板11の表面部にn+ 領域から成るソース領域12とドレイン領域13とが形成され、両者の間にp型チャネル領域14が形成されている。そして、シリコン基板11の表面部でp型チャネル領域の上部に絶縁膜15が形成され、その絶縁膜15の上に多結晶シリコンから成るゲート16が形成されている。また、ソース領域12、ドレイン領域13、及びゲート16の上に、それぞれ、金属層から成るソース電極17、ドレイン電極18、ゲート電極19が形成されている。本実施例はこの構造を有するMISFETの絶縁膜15の形成に関するものである。
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration of a semiconductor device 10 according to a specific embodiment. A source region 12 and a drain region 13 made of an n + region are formed on the surface portion of a silicon substrate 11 made of p-Si, and a p-type channel region 14 is formed between them. An insulating film 15 is formed above the p-type channel region on the surface portion of the silicon substrate 11, and a gate 16 made of polycrystalline silicon is formed on the insulating film 15. A source electrode 17, a drain electrode 18 and a gate electrode 19 made of a metal layer are formed on the source region 12, the drain region 13, and the gate 16, respectively. This embodiment relates to the formation of the insulating film 15 of the MISFET having this structure.

後述するように、絶縁膜15は、シリコン基板11の表面は窒素ラジカルにより窒化されて極薄くSiN 層が形成されており、そのSiN 層の上にHfO2から成る層が形成されたものである。 As will be described later, the insulating film 15 is formed by nitriding the surface of the silicon substrate 11 with nitrogen radicals to form an extremely thin SiN layer, and forming a layer made of HfO 2 on the SiN layer. .

図2は窒素ラジカルによるラジカル窒化装置50の構成を示した図面である。チャンバー59内には、試料台60が設けられ、その試料台60の上に窒化すべき半導体(試料)20が設けられている。また、チャンバー59の上部には、コイル52が備えられたプラズマ発生室53が設けられ、コイル52から発生する誘導磁場によりプラズマが生成される。また、プラズマ発生室53には排気ポート56が設けられており、図示しない排気装置によりプラズマ発生室53は排気される。そして、この排気に伴い、プラズマ発生室53は入力ポート54からプラズマの原料となる窒素ガスが導入される。   FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a radical nitriding apparatus 50 using nitrogen radicals. A sample stage 60 is provided in the chamber 59, and a semiconductor (sample) 20 to be nitrided is provided on the sample stage 60. In addition, a plasma generation chamber 53 provided with a coil 52 is provided above the chamber 59, and plasma is generated by an induction magnetic field generated from the coil 52. The plasma generation chamber 53 is provided with an exhaust port 56, and the plasma generation chamber 53 is exhausted by an exhaust device (not shown). Along with this exhaust, nitrogen gas which is a raw material of plasma is introduced from the input port 54 into the plasma generation chamber 53.

プラズマ発生室53と試料20が設けられた空間との間には多数の貫通孔34を有した金属板30が設けられている。金属板30はリング状の絶縁体32の上に設けられ、電源58により−Vボルトに直流バイアスされている。一方、コイル52は高周波電源51に接続されている。   A metal plate 30 having a large number of through holes 34 is provided between the plasma generation chamber 53 and the space in which the sample 20 is provided. The metal plate 30 is provided on the ring-shaped insulator 32 and is DC biased to −V volts by the power source 58. On the other hand, the coil 52 is connected to the high frequency power source 51.

入力ポート54から窒素ガスがプラズマ室53に導入され、コイル52に高周波が印加されると、N 2 より、電子、N + イオン、N ラジカルなどからなるプラズマが生成される。このうち陽イオンは、貫通孔34を通過する時、その側壁35に衝突して電子を放出する。これによりN ラジカルが得られる。これらの中性粒子は、イオンの加速エネルギーから衝突による放出エネルギーを減算したエネルギーに対応した所定の速度で、試料20に向けて飛行する。電界により垂直方向に加速された粒子を中性粒子化し、貫通孔34を通過させていることから、この中性粒子の飛行方向は鉛直方向となり指向性の優れたビームとなる。金属板30の貫通孔34は、碁盤の枡目状に形成されている。 When nitrogen gas is introduced into the plasma chamber 53 from the input port 54 and a high frequency is applied to the coil 52, plasma composed of electrons, N + ions, N radicals, etc. is generated from N 2 . Among these, when passing through the through-hole 34, the cation collides with the side wall 35 and emits electrons. This gives N radicals. These neutral particles fly toward the sample 20 at a predetermined velocity corresponding to energy obtained by subtracting the energy released from collision from the acceleration energy of ions. Since the particles accelerated in the vertical direction by the electric field are neutralized and passed through the through-hole 34, the flight direction of the neutral particles is a vertical direction, and the beam has excellent directivity. The through holes 34 of the metal plate 30 are formed in a grid pattern.

次に絶縁膜15の性質を理解するために、異なる製造方法により、絶縁膜を形成して、諸特性を測定し、各絶縁膜を評価したので、次に説明する。   Next, in order to understand the properties of the insulating film 15, an insulating film was formed by a different manufacturing method, various characteristics were measured, and each insulating film was evaluated.

1.実験方法
稀HF処理を施したp型シリコン基板(p-Si(100) )に、上記のラジカル窒化装置50を用いて、基板温度600 ℃、窒素分圧5 ×10-5Torrにてラジカル窒化を行い、厚さ約1nm の極薄Si窒化膜を形成した。ラジカル窒素は、分子状窒素を13.56MHzの高周波によってエネルギー励起させることにより生成し、更に励起状態の窒素をイオントラッパー装置(金属板30)に通過させることにより、電気的に中性なもののみを試料に照射した。
1. Experimental Method Using a radical nitriding device 50 on a p-type silicon substrate (p-Si (100)) that has been subjected to a rare HF treatment, radical nitriding at a substrate temperature of 600 ° C. and a nitrogen partial pressure of 5 × 10 −5 Torr. Then, an ultrathin Si nitride film having a thickness of about 1 nm was formed. Radical nitrogen is generated by exciting energy of molecular nitrogen with a high frequency of 13.56 MHz, and further passing the excited nitrogen through an ion trapper device (metal plate 30), so that only electrically neutral ones are generated. The sample was irradiated.

その後、電子ビーム蒸着法により、E-B (電子ビーム)ガンにて、HfO2を基板温度500 ℃にて蒸着した後に、HfO2/SiN表面を再度ラジカル窒化した。全膜厚は、約5nm であった。 Thereafter, HfO 2 was deposited by an electron beam evaporation method with an EB (electron beam) gun at a substrate temperature of 500 ° C., and then the surface of the HfO 2 / SiN was radically nitrided again. The total film thickness was about 5 nm.

この実験方法を用いて、図3(b)に示すように、シリコン基板11上にHfO2層15を形成した試料( 以下、この試料を、単に、「HfO2」で表記する。) 、図3(c)に示すように、シリコン基板11の表面をラジカル窒化してSiN 膜25を形成したものにHfO2層15を形成した試料( 以下、この試料を、単に、「HfO2/SiN」で表記する。) 、図3(d)に示すように、その試料をさらにラジカル窒化した試料( 以下、この試料を、単に、「HfON/SiN」で表記する。) の3 つの試料を作成し、ラジカル窒化の効果を比較検討した。熱処理は窒素雰囲気中での急速熱処理法( 以下、「RTA 」(Rapid Thermal Annealing) という) 、または酸素雰囲気中の急速熱処理法( 以下、「RTO 」(Rapid Thermal Oxidation) という) により、700 ℃、30秒間行った。これらの各処理工程の条件は図3(a)に示されている。 Using this experimental method, as shown in FIG. 3B, a sample in which the HfO 2 layer 15 is formed on the silicon substrate 11 (hereinafter, this sample is simply referred to as “HfO 2 ”), FIG. 3 (c), a sample in which the surface of the silicon substrate 11 is radical-nitrided to form the SiN film 25 and the HfO 2 layer 15 is formed (hereinafter, this sample is simply referred to as “HfO 2 / SiN”. 3) As shown in FIG. 3 (d), three samples were prepared: a sample obtained by radical nitriding the sample (hereinafter, this sample is simply referred to as “HfON / SiN”). The effects of radical nitriding were compared. Heat treatment is performed at 700 ° C. by a rapid heat treatment method in a nitrogen atmosphere (hereinafter referred to as “RTA” (Rapid Thermal Annealing)) or a rapid heat treatment method in an oxygen atmosphere (hereinafter referred to as “RTO” (Rapid Thermal Oxidation)). I went for 30 seconds. The conditions for each of these processing steps are shown in FIG.

これらの試料の膜厚評価には透過電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscopy)、膜中の結合状態をX線光電子分光法(XPS:X-ray Photoelectron Spectroscopy) を用いた。また、電気的特性は、Pt/ 絶縁膜/Si/Al構造のMIS キャパシタを作成し、容量- 電圧(C-V) 特性及び電流- 電圧(J-V) 特性により評価した。   For the film thickness evaluation of these samples, a transmission electron microscope (TEM) was used, and the bonding state in the film was measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The electrical characteristics were evaluated using capacitance-voltage (C-V) characteristics and current-voltage (J-V) characteristics by making MIS capacitors with a Pt / insulator / Si / Al structure.

2.HfO2膜の熱処理特性
図4、図5、図6は、シリコン基板及びHfO2膜共にラジカル窒化処理を施さない厚さ約5nm のHfO2単体膜をシリコン基板上に成膜した直後、RTA 処理後及びRTO 処理後の3通りの場合における、それぞれ、C-V 特性(図4)、J-V 特性(図5)、それらの特性から得られた等価SiO2換算膜厚( 以下、「CET 」(Capacitance Equivalent Oxidide Thickness)という) とリーク電流密度との関係(図6)をまとめたものである。図6から、RTA 処理、RTO 処理を施すにしたがって、CET が増加することが分かる。特にRTO 処理を施した場合には成膜直後のCET が1.5nm であるのに対して、RTO 処理後は2.1nm と大きく増加する。これは、HfO2は一般的に酸素透過性酸化物と言われており、酸素雰囲気中での高温熱処理により外部酸素が膜中を拡散し、Si基板界面にて酸化反応が促進されてSiO 膜が形成されたためと解釈される。
2. 4. Heat treatment characteristics of HfO 2 film FIGS. 4, 5, and 6 show the RTA treatment immediately after the HfO 2 single-layer film having a thickness of about 5 nm which is not subjected to radical nitriding treatment on both the silicon substrate and the HfO 2 film. CV characteristics (Fig. 4), JV characteristics (Fig. 5), and equivalent SiO 2 equivalent film thickness obtained from these characteristics (hereinafter referred to as "CET" (Capacitance Equivalent) (Oxidide Thickness)) and the leakage current density (FIG. 6). It can be seen from FIG. 6 that CET increases as RTA processing and RTO processing are performed. In particular, when the RTO treatment is performed, the CET immediately after the film formation is 1.5 nm, whereas after the RTO treatment, it increases greatly to 2.1 nm. This is because HfO 2 is generally said to be an oxygen-permeable oxide, and high-temperature heat treatment in an oxygen atmosphere diffuses external oxygen in the film, and the oxidation reaction is promoted at the Si substrate interface. Is interpreted as having been formed.

これに対し、RTA 処理後においても、CET の増加が確認された。酸素の透過は、膜中の酸素がSi基板界面に拡散するものと、熱処理時に外部酸素が膜中を透過しSi基板界面に拡散するものの2 種類が考えられるが、XPS による組成分析で成膜直後のHfO2膜はほぼストキイオメトリーであることが確認されており、膜中に余剰な酸素がないことから、RTA 処理に伴うCET の増加は、不活性ガス( 窒素) 中に含まれる微量酸素がHfO2膜を透過してSi基板に至り、Si基板表面で界面酸化反応が起こったためと考えられる。このような界面酸化反応は、膜全体の実効的な誘電率の低下をもたらすため、その解決が不可避である。 On the other hand, an increase in CET was confirmed even after RTA treatment. There are two types of oxygen permeation: one in which oxygen in the film diffuses into the Si substrate interface and the other in which external oxygen permeates through the film and diffuses into the Si substrate interface during heat treatment. The HfO 2 film immediately after is confirmed to be almost stoichiometric, and since there is no excess oxygen in the film, the increase in CET accompanying the RTA treatment is a trace amount contained in the inert gas (nitrogen). This is probably because oxygen permeated the HfO 2 film and reached the Si substrate, causing an interface oxidation reaction on the Si substrate surface. Such an interfacial oxidation reaction results in a decrease in the effective dielectric constant of the entire film, and thus a solution is inevitable.

図7、図8は、HfO2単体膜の成膜直後、RTA 処理後及びRTO 処理後のXPS によるSi2pスペクトル(図7)、O1s スペクトル(図8)を示す。各スペクトルにおいて、基板のSi-Si 信号により結合エネルギーの補正を行った。Si2p( 図7)及びO1s(図8)スペクトルから見てわかるように、RTA 処理、RTO 処理を施すに伴い、Si-O結合成分(Si2p:103.5eV,O1s:533.0eV)の信号強度が増大していることが確認できる。これらの結果は、熱処理に伴い、界面での酸化反応が促進していることを意味しており、上述の解釈とよく一致する。また、Si2pスペクトルから、sub-oxide ピークがSiO 2 結合ピークよりも低エネルギー側へ少しシフトしていることから、界面反応によって生成される酸化物はHf-Silicate であると結論付けられる。 7 and 8 show the Si2p spectrum (FIG. 7) and O1s spectrum (FIG. 8) by XPS immediately after the formation of the HfO 2 single film, after the RTA treatment and after the RTO treatment. In each spectrum, the binding energy was corrected by the Si-Si signal of the substrate. As can be seen from the Si2p (Fig. 7) and O1s (Fig. 8) spectra, the signal intensity of the Si-O bond component (Si2p: 103.5 eV, O1s: 533.0 eV) increases as RTA processing and RTO processing are performed. You can confirm that These results mean that the oxidation reaction at the interface is promoted with the heat treatment, which is in good agreement with the above interpretation. From the Si2p spectrum, it can be concluded that the oxide produced by the interfacial reaction is Hf-Silicate because the sub-oxide peak is slightly shifted to the lower energy side than the SiO 2 bond peak.

3. Si 基板表面窒化の効果(HfO2/SiN膜)
Si 基板表面の窒化が、第1のラジカル窒化工程に該当し、窒化の後に、HfO2を蒸着する工程が高誘電率膜形成工程に該当する。
図9、図10、図11は、Si基板表面に窒化処理を施し、HfO2を蒸着した膜厚約5nm のHfO2/SiNの成膜直後、RTA 処理後及びRTO 処理後の3通りの場合における、それぞれ、C-V 特性(図9)、J-V 特性(図10)及びそられの特性から得られたCET とリーク電流密度との関係(図11)を示す。
3. Si substrate surface nitriding effect (HfO 2 / SiN film)
Nitriding of the Si substrate surface corresponds to the first radical nitriding step, and the step of depositing HfO 2 after nitriding corresponds to the high dielectric constant film forming step.
9, 10, and 11 show three cases in which the Si substrate surface is subjected to nitridation and HfO 2 is deposited on the surface of the HfO 2 / SiN film having a thickness of about 5 nm, immediately after the RTA treatment, and after the RTO treatment. FIG. 9 shows CV characteristics (FIG. 9), JV characteristics (FIG. 10), and the relationship between CET obtained from these characteristics and the leakage current density (FIG. 11).

ここで、Si基板表面へのラジカル窒化の効果を比較検討するために、HfO2単体膜の場合の特性( 図6)を重ねて示している。図11からわかるように、HfO2単体膜と比べて、熱処理に伴うCET の増加が小さいことがわかる。特に、RTA 処理後の場合のCET は、堆積直後の場合に対してほぼ一定に保たれている。これまでに、CET の増加は、Si基板界面での酸化反応が原因であることを述べた。これらの結果は、HfO2/Si 基板界面へSiN 膜を導入することによって、界面酸化反応が抑制されていることを示唆している。 Here, in order to compare and examine the effect of radical nitriding on the surface of the Si substrate, the characteristics (FIG. 6) in the case of a single HfO 2 film are shown. As can be seen from FIG. 11, the increase in CET accompanying the heat treatment is small compared to the HfO 2 single film. In particular, the CET after the RTA treatment is almost constant compared to the case immediately after the deposition. So far, we have stated that the increase in CET is due to the oxidation reaction at the Si substrate interface. These results suggest that the interfacial oxidation reaction is suppressed by introducing a SiN film at the HfO 2 / Si substrate interface.

一方、一般にバルクSi3N4 の電子障壁高さは2.1eV とされており、HfO2の1.5eV よりも大きいことから、Si窒化膜を導入することで、リーク電流を低減することが期待された。しかし、図11に示されるように、今回作製した試料では、HfO2単体膜の場合と比べて、リーク電流密度に大きな変化はみられなかった。これは界面の窒化膜が約1nm と非常に薄いため、バルクSi3N4 本来のバンドギャップが形成されていないためと考えられる。 On the other hand, the bulk Si 3 N 4 generally has an electron barrier height of 2.1 eV, which is larger than 1.5 eV of HfO 2 , so the introduction of a Si nitride film is expected to reduce the leakage current. It was. However, as shown in FIG. 11, the sample manufactured this time showed no significant change in the leakage current density as compared with the case of the HfO 2 single film. This is thought to be because the band gap inherent to bulk Si 3 N 4 is not formed because the nitride film at the interface is as thin as about 1 nm.

図12、図13は、HfO2/SiN膜の成膜直後、RTA 処理後及びRTO 処理後のXPS によるSi2pスペクトル(図12)、O1s スペクトル(図13)を、それぞれ示す。Si2p( 図12)、O1s(図13)スペクトルから明らかなように、RTA 処理後の両スペクトルと、成膜直後の両スペクトルとは、ほぼ同様の形状をしていることがわかる。特に、Si2pスペクトルではSi-N結合(101.8eV) を示すピークが成膜直後及びRTA 処理後にも見られ、かつSi-O結合を示すピークが見られないことから、成膜時及びRTA 処理後においては界面にSi窒化膜が存在していることがわかる。これらのことから、界面のSi窒化膜が、成膜時及びRTA 処理によって引き起こされる基板への酸素拡散に対するバリアとして機能し、その結果、界面酸化反応が抑制されている考えることができる。以上の結果は上述した電気的特性の結果とも一致する。 FIGS. 12 and 13 show the Si2p spectrum (FIG. 12) and O1s spectrum (FIG. 13) by XPS immediately after the formation of the HfO 2 / SiN film, after the RTA treatment and after the RTO treatment, respectively. As is clear from the Si2p (FIG. 12) and O1s (FIG. 13) spectra, it can be seen that both spectra after the RTA treatment and both spectra immediately after film formation have substantially the same shape. In particular, the Si2p spectrum shows a peak showing Si-N bonds (101.8 eV) immediately after film formation and after RTA treatment, and no peak showing Si-O bonds is observed. It can be seen that there is a Si nitride film at the interface. From these facts, it can be considered that the Si nitride film at the interface functions as a barrier against oxygen diffusion to the substrate caused by the RTA treatment during the film formation, and as a result, the interface oxidation reaction is suppressed. The above results are consistent with the above-described electrical characteristics.

一方、図12に示すように、RTO 処理後の場合はSi2pスペクトルにおいて、Si-N結合を示すピークがSi-O結合側へシフトしている。これはRTO 処理によってシリコン基板界面の酸化反応が促進されたためと解釈できる。RTA 処理に比べてRTO 処理は膜中を透過する酸素の量が多いため、Si窒化膜が完全にバリアとしての機能を果たさなかったためと考えられるが、HfO2単体膜の場合( 図7)に比べてそのピーク位置はSi-O結合のピーク位置よりも低エネルギー側にあるため、拡散した酸素は界面のSi窒化膜中に取り込まれていると考えられる。したがって、界面の反応層はSi酸窒化膜であると思われる。 On the other hand, as shown in FIG. 12, in the Si2p spectrum after the RTO treatment, the peak indicating Si—N bond is shifted to the Si—O bond side. This can be interpreted as that the oxidation reaction at the silicon substrate interface was promoted by the RTO treatment. Compared to the RTA process, the RTO process has a larger amount of oxygen permeating through the film, so it is considered that the Si nitride film did not completely function as a barrier. However, in the case of the HfO 2 single film (Figure 7) In comparison, since the peak position is on the lower energy side than the peak position of the Si-O bond, it is considered that the diffused oxygen is taken into the Si nitride film at the interface. Therefore, the reaction layer at the interface seems to be a Si oxynitride film.

4. HfO2 表面窒化の効果(HfON/SiN 膜)
HfO2 表面窒化の工程が第2のラジカル窒化工程に該当する。
図14、図15、図16は、Si基板表面及びHfO2表面に窒化処理を施した場合の膜厚約5nm のHfON/SiN膜の成膜直後、RTA 処理後及びRTO 処理後の3つの場合における、それぞれ、C-V 特性(図14)、J-V 特性(図15)、及びそれらの特性から得られたCET とリーク電流密度の関係(図16)を示す。図16では、HfO2表面へのラジカル窒化の効果を比較検討するために、ラジカル窒化をしないHfO2/SiN膜の場合( 図11)を重ねて示している。HfO2表面へラジカル窒化処理を加えることで、加えない場合(HfO2/SiN膜)に比べて、成膜直後のリーク電流を3桁程度低減することができた。
4). Effect of HfO 2 surface nitriding (HfON / SiN film)
The process of nitriding HfO 2 corresponds to the second radical nitriding process.
14, 15, and 16 show three cases immediately after the formation of an about 5 nm-thickness HfON / SiN film when the Si substrate surface and the HfO 2 surface are nitrided, after the RTA treatment, and after the RTO treatment. FIG. 14 shows CV characteristics (FIG. 14), JV characteristics (FIG. 15), and the relationship between CET and leakage current density obtained from these characteristics (FIG. 16). In FIG. 16, in order to compare and examine the effect of radical nitriding on the HfO 2 surface, the case of an HfO 2 / SiN film without radical nitriding (FIG. 11) is shown. By applying radical nitridation treatment to the HfO 2 surface, the leakage current immediately after film formation was reduced by about three orders of magnitude compared to the case where it was not added (HfO 2 / SiN film).

先に、ラジカル窒化をしないHfO2/SiN膜について、界面の膜厚約1nm のSi窒化膜にリーク電流低減の効果がないことを述べた(図11)。このことから、HfO2表面へのラジカル窒化そのものにリーク電流低減の効果あると考えられる。成膜直後のHfON/SiN膜及びHfO2/SiN膜の断面TEM 像から、どちらの試料も結晶化していることが確認された。このことから、リーク電流の低減は結晶粒界に起因したリーク電流というよりは、むしろ、HfO2膜内の欠陥に起因した局所的なリークサイトがラジカル窒化によって修復されることによって生じたものと思われる。また、リーク電流特性において特に注目すべきことは、HfO2の表面をラジカル窒化したHfON/SiN膜のRTO 処理後のCET は、成膜直後のCET とほぼ同一であるにも関わらず、リーク電流は、成膜直後のリーク電流に比べて、更に2桁程度低減されていることである。このHfON/SiN膜のRTO 処理が熱処理工程に該当する。 Previously, regarding the HfO 2 / SiN film that is not radically nitrided, it was described that the Si nitride film having an interface thickness of about 1 nm has no effect of reducing the leakage current (FIG. 11). From this, it is considered that radical nitriding on the HfO 2 surface itself has an effect of reducing leakage current. From the cross-sectional TEM images of the HfON / SiN film and the HfO 2 / SiN film immediately after film formation, it was confirmed that both samples were crystallized. From this, the reduction in leakage current was caused not by the leakage current caused by the grain boundaries, but by the local nitridation sites caused by defects in the HfO 2 film being repaired by radical nitriding. Seem. Of particular note in the leakage current characteristics is that the Cf after the RTO treatment of the HfON / SiN film radical-nitrided on the surface of HfO 2 is almost the same as the CET immediately after the film formation. This is a further reduction of about two orders of magnitude compared to the leakage current immediately after film formation. This RTO treatment of the HfON / SiN film corresponds to the heat treatment process.

図17に、RTO 処理前後のCET を各試料についてまとめたものを示す。RTO 処理に伴うCET の増加量はHfO2膜が約0.6nm 、HfO2/SiN膜が約0.3nm であるのに対し、HfON/SiN膜は約0.1nm であり、明らかに他の試料に比べてCET の増加を抑制していることがわかる。図18(a)、(b)及び(c)に、RTO 処理を施したそれぞれの試料の断面TEM 像を示す。HfO2単体膜の試料のRTO 処理後の界面層膜厚は約2.0nm であり、これは、HfO2/SiN膜の試料をRTO 処理した後の界面層膜厚約0.9nm 、HfON/SiN膜の試料をRTO 処理した後の界面層膜厚約1.1nm と比べると、明らかに厚いことがわかる。熱処理に伴うCET の増加を、界面酸化反応によるものと考えれば、HfO2膜はシリコン基板の窒化処理を施すことによって明らかに界面酸化反応を抑制しているといえる。しかし、RTO 処理後において、HfO2膜の表面を窒化していないHfO2/SiN膜と表面を窒化したHfON/SiN膜を比較した場合、表面を窒化したHfON/SiN膜の方が、界面層膜厚が0.2nm 程厚いことから、界面層膜厚の減少効果は、HfO2層のラジカル窒化の効果とはいい難い。したがって、HfO2膜表面への窒化処理によるCET 増大の抑制効果は界面層膜厚だけでは説明できないことになる。 FIG. 17 shows a summary of CET before and after RTO treatment for each sample. Increase of CET accompanying RTO process HfO 2 film is about 0.6 nm, while the HfO 2 / SiN film is about 0.3 nm, HfON / SiN film is about 0.1 nm, obviously compared to other samples This shows that the increase in CET is suppressed. 18A, 18B and 18C show cross-sectional TEM images of the respective samples subjected to the RTO treatment. The interface layer thickness of the HfO 2 simplex film sample after RTO treatment is about 2.0 nm. This is because the interface layer thickness of the HfO 2 / SiN film sample after RTO treatment is about 0.9 nm and the HfON / SiN film. It is clear that the thickness of the interface layer after the RTO treatment of this sample is about 1.1 nm. If the increase in CET accompanying the heat treatment is considered to be due to the interfacial oxidation reaction, it can be said that the HfO 2 film clearly suppresses the interfacial oxidation reaction by nitriding the silicon substrate. However, after the RTO process, when comparing HfON / SiN film obtained by nitriding the HfO 2 / SiN film and surface not in nitriding the surface of the HfO 2 film, is more of HfON / SiN film obtained by nitriding the surface, the interfacial layer Since the film thickness is about 0.2 nm, the effect of reducing the interface layer film thickness is hardly the effect of radical nitriding of the HfO 2 layer. Therefore, the effect of suppressing the increase in CET by the nitriding treatment on the surface of the HfO 2 film cannot be explained only by the interface layer thickness.

これらの電気特性の改善を膜の結合状態と合わせて議論する。図19、20、21、22は、HfO2層の表面をラジカル窒化したHfON/SiN膜の成膜直後、RTA 処理後及びRTO 処理後のXPS によるSi2pスペクトル(図19)、O1s スペクトル(図20)を比較したものである。Si2p( 図19)、O1s(図20)スペクトルは、RTA 、RTO 処理後においても成膜直後とほぼ同じ形状であることがわかる。また、Si2pスペクトルにおいて成膜直後においてもsub-oxide ピークはSi-N結合より高エネルギー側にシフトしている。このピーク位置は図12に示すHfO2/SiN膜のRTO 処理後のスペクトルのピーク位置とほぼ一致しており、もはや界面はSi窒化膜でないことを示唆している。図21に示すN1s スペクトルにて、成膜直後のスペクトルにHf-N結合(396.0eV) を示すピークが確認できる。したがって、Si2pスペクトルのsub-oxide ピークのエネルギーシフトは、HfO2をラジカル窒化することによって、窒素と置換された未結合酸素がシリコン基板との界面へ拡散し、Si酸窒化膜を形成したためと考えられる。しかし、成膜後の熱処理においても、sub-oxide のピーク位置及び信号強度に大きな変化がないことから、それ以降の界面酸化反応は進行していないと思われる。事実、断面TEM 像から、成膜直後とRTO 処理後の界面層膜厚に変化がないことを確認している。 The improvement of these electrical characteristics will be discussed together with the bonding state of the film. 19, 20, 21, and 22 show XPS Si2p spectra (FIG. 19) and O1s spectra immediately after the formation of the HfON / SiN film obtained by radical nitriding the surface of the HfO 2 layer, after the RTA treatment and after the RTO treatment (FIG. 20). ). It can be seen that the Si2p (FIG. 19) and O1s (FIG. 20) spectra have substantially the same shape after the RTA and RTO treatments as they were immediately after film formation. In the Si2p spectrum, the sub-oxide peak is shifted to a higher energy side than the Si-N bond even immediately after film formation. This peak position almost coincides with the peak position of the spectrum after the RTO treatment of the HfO 2 / SiN film shown in FIG. 12, suggesting that the interface is no longer a Si nitride film. In the N1s spectrum shown in FIG. 21, a peak showing an Hf—N bond (396.0 eV) can be confirmed in the spectrum immediately after film formation. Therefore, the energy shift of the sub-oxide peak in the Si2p spectrum is thought to be due to the radical nitridation of HfO 2 and the unbonded oxygen substituted for nitrogen diffuses to the interface with the silicon substrate, forming a Si oxynitride film. It is done. However, since the sub-oxide peak position and signal intensity are not significantly changed even in the heat treatment after film formation, it is considered that the subsequent interface oxidation reaction has not progressed. In fact, it was confirmed from the cross-sectional TEM image that there was no change in the film thickness of the interface layer immediately after film formation and after RTO treatment.

続いて、熱処理が及ぼす膜の結合状態の変化について考察する。Hf4f( 図22)スペクトルにおいて成膜直後のピークはHfO2ピークよりも低エネルギー側にシフトしている。Hf-N結合エネルギーが15.3eVと報告されていることから、このシフトはHfO2膜中にHf-N結合が混在しているためと考えられる。さらに、Hf4fスペクトルは、RTA 処理、RTO 処理を施すと、この順に、HfO2のスペクトルに近づいていることがわかる。図21に示すN1s スペクトルにおいては、成膜直後とRTA 処理後では、Hf-N結合を示すピークは存在するもののRTO 処理後にはそのピークが消滅している。これらの結果は、RTO の熱処理によってHf-N結合がHf-O結合へ置換していることを意味している。以上のことから、RTO 処理においても、界面層膜厚をほぼ一定に保っている理由は、以下の通りである。RTO 処理中に、膜中を透過する酸素を、膜内のHf-N結合がHf-O結合へと置換することで酸素を取り込み、シリコン基板との界面へ酸素が拡散することを軽減させている。それにより、界面の酸化反応を抑制したためと考えられる。さらに、HfONの比誘電率は21と報告されており、HfO2の報告値とほぼ同一であることから、この置換による比誘電率の変化はなく、熱処理後においても、CET がほぼ一定に保たれたと考えられる。 Next, the change in the bonding state of the film caused by the heat treatment will be considered. In the Hf4f (FIG. 22) spectrum, the peak immediately after film formation is shifted to a lower energy side than the HfO 2 peak. Since the Hf-N bond energy is reported to be 15.3 eV, this shift is thought to be due to the presence of Hf-N bonds in the HfO 2 film. Furthermore, it can be seen that the Hf4f spectrum approaches the spectrum of HfO 2 in this order when RTA processing and RTO processing are performed. In the N1s spectrum shown in FIG. 21, a peak indicating an Hf—N bond exists immediately after film formation and after RTA treatment, but the peak disappears after RTO treatment. These results mean that the Hf-N bond is replaced with the Hf-O bond by the heat treatment of RTO. From the above, the reason why the interface layer thickness is kept almost constant in the RTO process is as follows. During the RTO process, oxygen permeating through the membrane is replaced by Hf-N bonds in the membrane with Hf-O bonds, which reduces oxygen diffusion to the interface with the silicon substrate. Yes. This is thought to be because the oxidation reaction at the interface was suppressed. Furthermore, since the relative permittivity of HfON is reported to be 21 and is almost the same as the reported value of HfO 2 , there is no change in the relative permittivity due to this substitution, and CET remains almost constant after heat treatment. It is thought that he was drunk.

また、XPS による解析からHfO2/SiN膜とHfON/SiN膜のRTO 処理後の構造はどちらもHfO2/SiN膜と考えることができる。RTO 処理後の界面層を同様なSi酸窒化膜が形成されているとして、そのSi酸窒化膜の誘電率を5と仮定すると、RTO 処理後のラジカル窒化していないHfO2/SiN膜の比誘電率は14.8であるのに対して、RTO 処理後のラジカル窒化したHfON/SiN膜の比誘電率は24.7であった。さらに、HfON/SiN膜が成膜後とRTO 処理後との場合において、EOT を変化させることなく、リーク電流を低減させるという事実を考慮すると、Hf-N結合を経て、Hf-O結合へ再配置することで形成されるHfO2膜は、置換を解さないHfO2膜に比べて比誘電率が高く、かつ低リークな膜に高品質化されたと考えることができる。RTO 処理後において、HfO2/SiN膜よりもHfON/SiN膜の界面層が厚いにも関わらず、CET が小さいのは上部HfO2膜の高品質化により比誘電率が高くなったのが原因であると考えられる。 From the XPS analysis, the structures of the HfO 2 / SiN film and the HfON / SiN film after the RTO treatment can be considered to be HfO 2 / SiN films. Assuming that a similar Si oxynitride film is formed on the interface layer after RTO treatment, and assuming that the dielectric constant of the Si oxynitride film is 5, the ratio of HfO 2 / SiN film without radical nitridation after RTO treatment The dielectric constant was 14.8, whereas the relative dielectric constant of the radical nitrided HfON / SiN film after RTO treatment was 24.7. Furthermore, in consideration of the fact that the leakage current is reduced without changing the EOT in both the case where the HfON / SiN film is formed and the case where the RTO treatment is performed, the Hf-N bond is returned to the Hf-O bond. It can be considered that the HfO 2 film formed by disposing the film has a higher relative dielectric constant than that of the HfO 2 film whose substitution is not solved, and has been improved in quality into a low-leakage film. After RTO process, despite the thick HfON / SiN film interface layer than HfO 2 / SiN film, because the the CET is low relative dielectric constant due to the high quality of the upper HfO 2 film is increased It is thought that.

このことを、結晶構造を用いて模式的に説明すると次のようになる。まず、HfO2/SiN膜の表面ラジカル窒化処理の効果として、図23に示すように、HfO2のO 原子の一部がN 原子に置換される。また、HfO2から遊離したO 原子は、一部、シリコン基板の界面に移動する。そして、界面に形成したSiN を酸化し、SiNOを構成する。次に、このラジカル窒化処理されたHfON/SiN膜をRTO 処理すると、図24に示すように、雰囲気中のO 原子がHfONのN 原子を置換し、HfONはHfO2となる。このとき、HfONから乖離されたN 原子の一部はシリコン基板の界面に移動し、界面に形成されたSiNO窒化し、SiN となり、SiNOから乖離したO 原子は、HfON膜に取り込まれ、HfO2に変化させることに寄与する。 This can be schematically explained using the crystal structure as follows. First, as an effect of the surface radical nitriding treatment of the HfO 2 / SiN film, as shown in FIG. 23, some of the O atoms of HfO 2 are replaced with N atoms. Also, some of the O atoms released from HfO 2 move to the silicon substrate interface. Then, SiN formed at the interface is oxidized to form SiNO. Next, when the radically nitrided HfON / SiN film is subjected to RTO treatment, as shown in FIG. 24, O atoms in the atmosphere replace N atoms of HfON, and HfON becomes HfO 2 . At this time, some of the N atoms dissociated from HfON move to the interface of the silicon substrate, SiNO nitridation formed at the interface becomes SiN, and O atoms dissociated from SiNO are taken into the HfON film, and HfO 2 It contributes to change.

このように、ラジカル窒化処理していないHfO2/SiN膜をラジカル窒化処理して、HfON/SiN膜とし、その後、RTO 処理して、元のラジカル窒化しない状態のHfO2/SiN膜に戻す。しかし、この2つの工程を経る前のHfO2/SiN膜と、2つの工程経たの後のHfO2/SiN膜は、電気的特性が向上し、リーク電流の低下とCET の増加の抑制を実現することができた。 In this manner, the HfO 2 / SiN film not subjected to radical nitridation treatment is subjected to radical nitridation treatment to form an HfON / SiN film, and then subjected to RTO treatment to return to the original HfO 2 / SiN film not subjected to radical nitridation. However, a HfO 2 / SiN film before undergoing the two steps, HfO 2 / SiN film after undergoing the two steps is to improve electrical characteristics, realizing suppression of increasingly lower and CET of leakage current We were able to.

5.結論
シリコン基板をラジカル窒化した後にHfO2膜を形成して、HfO2/SiN膜とした。その後、HfOをラジカル窒化して、HfON/SiN膜を作成した。次に、この膜を酸素雰囲気中の熱処理した(RTO処理) 。このようにして形成された絶縁膜のCET は、1.5nm であり、成膜直後の絶縁膜のCET の1.4nm に対して、0.1nm だけ増加したに過ぎない。一方、シリコン基板をラジカル窒化しない場合には、RTO 処理すると、CET は1.5nm から2.1nm と0.6nm 増加した。また、シリコン基板をラジカル窒化してHfO2膜を形成したHfO2/SiN膜は、RTO 処理すると、CET は1.4nm から 1.7nmへと0.3nm 増加した。このように本発明は、従来例であるシリコン基板をラジカル窒化せずにHfO2膜を形成してRTO 処理した場合に比べて、CET を2.1nm から1.5nm へと、0.6nm 低減させることができた。すなわち、CET を30% 低減できた。また、シリコン基板をラジカル窒化してHfO2膜を形成してRTO 処理した場合に比べて、CET を1.7nm から1.5nm へと0.2nm 低減できた。すなわち、CET を12% 低減できた。本件発明方法による絶縁膜は、リーク電流は、2 ×10-5A/cm2 (VFB-1V)が得られ、従来のシリコン基板をラジカル窒化せずにHfO2膜を形成してRTO 処理した場合のリーク電流と同一であったが、CET を小さくできている分だけ、CET に対するリーク電流は小さくなっている。
5. Conclusion HfO 2 film was formed after radical nitriding of the silicon substrate to form an HfO 2 / SiN film. Thereafter, HfO was radical-nitrided to form an HfON / SiN film. Next, this film was heat-treated in an oxygen atmosphere (RTO treatment). The CET of the insulating film thus formed is 1.5 nm, which is only increased by 0.1 nm from 1.4 nm of the CET of the insulating film immediately after film formation. On the other hand, when the silicon substrate was not radically nitrided, CET increased from 1.5 nm to 2.1 nm by 0.6 nm after RTO treatment. Further, HfO 2 / SiN film formed a HfO 2 film silicon substrate by radical nitriding, when RTO process, CET was 0.3nm increased to 1.7nm from 1.4 nm. As described above, according to the present invention, CET can be reduced by 0.6 nm from 2.1 nm to 1.5 nm as compared with the case where the conventional silicon substrate is not radical-nitrided and an HfO 2 film is formed and subjected to RTO treatment. did it. In other words, CET was reduced by 30%. In addition, the CET was reduced by 0.2 nm from 1.7 nm to 1.5 nm compared to the case where the silicon substrate was radical-nitrided to form an HfO 2 film and RTO treatment. In other words, CET was reduced by 12%. The insulating film according to the method of the present invention has a leakage current of 2 × 10 −5 A / cm 2 (V FB −1V), and forms an HfO 2 film without radical nitridation of a conventional silicon substrate to perform RTO treatment. The leakage current for CET is smaller by the amount that CET can be reduced.

上記に考察した事項はO 原子とN 原子との置換によるものであるので、絶縁膜はHfO2膜だけでなく、金属酸化物であれば、上記の考察は成立するものと考えられる。また、基板はラジカル窒化できる半導体であれば良いと考えられる。したがって、本発明において、絶縁膜はHfO2膜だけに限定されず、半導体はシリコンだけに限定されず、課題を解決するための手段の欄において例示した高誘電率を有する多数の金属酸化物など、基板として任意の半導体を用いることができる。 Since the matter discussed above is due to substitution of O atoms and N atoms, the above consideration is considered to be valid if the insulating film is not only an HfO 2 film but also a metal oxide. Further, it is considered that the substrate may be any semiconductor that can be radically nitrided. Therefore, in the present invention, the insulating film is not limited to the HfO 2 film, the semiconductor is not limited to silicon, and a number of metal oxides having a high dielectric constant exemplified in the section for solving the problem. Any semiconductor can be used as the substrate.

本発明は、ゲート絶縁膜を用いたMOS 、MIS 型のFET 及びその製造方法に用いることができ、特に、低電圧化と低いリーク電流を実現するのに有効である。例えば、携帯電話に待ち受け時間を飛躍的に向上させることができる。   The present invention can be used for a MOS, MIS type FET using a gate insulating film, and a method for manufacturing the same, and is particularly effective for realizing a low voltage and a low leakage current. For example, the standby time for a mobile phone can be dramatically improved.

本発明の具体的な実施例に係るトランジスタの構成を示した断面図。Sectional drawing which showed the structure of the transistor which concerns on the specific Example of this invention. ラジカル窒化装置を示した構成図。The block diagram which showed the radical nitriding apparatus. 本発明の具体的な実施例に係る絶縁膜の各形成工程とその条件を示した説明図。Explanatory drawing which showed each formation process of the insulating film which concerns on the specific Example of this invention, and its conditions. Si基板をラジカル窒化することなく、その上にHfO2膜形成した試料の断面図。Without the Si substrate to the radical nitriding, cross sectional view of a sample HfO 2 film formed thereon. Si基板をラジカル窒化して、ラジカル窒化されたSi基板上にHfO2膜形成した試料の断面図。The Si substrate by radical nitriding, cross sectional view of a sample HfO 2 film formed on a Si substrate that is radical nitriding. Si基板をラジカル窒化して、ラジカル窒化されたSi基板上にHfO2膜形成し、その後、HfO2膜をラジカル窒化した試料の断面図。The Si substrate by radical nitriding, HfO 2 film is formed on a Si substrate that is radical nitriding, then cross sectional view of a sample radical nitriding the HfO 2 film. Si基板上にHfO2膜を形成した試料のC-V 特性を示した特性図。Characteristic diagram showing the CV characteristic of a sample to form a HfO 2 film on the Si substrate. Si基板上にHfO2膜を形成した試料のJ-V 特性を示した特性図。Characteristic diagram showing a JV characteristics of the sample to form a HfO 2 film on the Si substrate. Si基板上にHfO2膜を形成した試料のCET 及びリーク電流と、成膜状態、RTA 後、RTO 後の処理方法との関係を示した特性図。And CET and leakage current of the sample to form a HfO 2 film on the Si substrate, the film formation state, after RTA, characteristic diagram showing the relationship between treatment method after RTO. Si 基板上にHfO2膜を形成した試料のXPS スペクトルを示した測定図。Measurements view showing the XPS spectrum of the sample to form a HfO 2 film on the Si substrate. Si 基板上にHfO2膜を形成した試料のXPS スペクトルを示した測定図。Measurements view showing the XPS spectrum of the sample to form a HfO 2 film on the Si substrate. Si基板の表面をラジカル窒化して、その表面上にHfO2膜を形成した試料のC-V 特性を示した特性図。By surface radical nitridation of the Si substrate, characteristic diagram showing the CV characteristic of a sample to form a HfO 2 film on its surface. Si基板の表面をラジカル窒化して、その表面上にHfO2膜を形成した試料のJ-V 特性を示した特性図。By surface radical nitridation of the Si substrate, characteristic diagram showing a JV characteristics of the sample to form a HfO 2 film on its surface. Si基板の表面をラジカル窒化して、その表面上にHfO2膜を形成した試料及びSi基板上にHfO2膜を形成した試料のCET 及びリーク電流と、成膜状態、RTA 後、RTO 後の処理方法との関係を示した特性図。The surface of the Si substrate by radical nitriding, the CET and leakage current of the sample to form a HfO 2 film on the sample and the Si substrate to form a HfO 2 film on its surface, deposition conditions, after RTA, after RTO The characteristic view which showed the relationship with a processing method. Si基板の表面をラジカル窒化して、その表面上にHfO2膜を形成した試料のXPS スペクトルを示した測定図。A measurement diagram showing the XPS spectrum of a sample in which the surface of a Si substrate is radically nitrided and an HfO 2 film is formed on the surface. Si基板の表面をラジカル窒化して、その表面上にHfO2膜を形成した試料のXPS スペクトルを示した測定図。A measurement diagram showing the XPS spectrum of a sample in which the surface of a Si substrate is radically nitrided and an HfO 2 film is formed on the surface. Si基板の表面をラジカル窒化して、その表面上にHfO2膜を形成し、そのHfO2膜をラジカル窒化した試料のC-V 特性を示した特性図。And the surface of the Si substrate by radical nitriding, the HfO 2 film is formed on its surface, characteristic view the HfO 2 film showed CV characteristic of the sample radical nitridation. Si基板の表面をラジカル窒化して、その表面上にHfO2膜を形成し、そのHfO2膜をラジカル窒化した試料のJ-V 特性を示した特性図。And the surface of the Si substrate by radical nitriding, the HfO 2 film is formed on its surface, characteristic view the HfO 2 film showed JV characteristics of samples radical nitridation. Si基板の表面をラジカル窒化して、その表面上にHfO2膜を形成し、そのHfO2膜をラジカル窒化した試料及びSi基板の表面をラジカル窒化して、その表面上にHfO2膜を形成した試料のCET 及びリーク電流と、成膜状態、RTA 後、RTO 後の処理方法との関係を示した特性図。J-V 特性を示した特性図。Radical nitriding the surface of the Si substrate, forming an HfO 2 film on the surface, radical nitriding the HfO 2 film and radical nitriding the surface of the Si substrate, forming an HfO 2 film on the surface The characteristic figure which showed the relationship between the CET and leakage current of the sample which was processed, the film-forming state, the processing method after RTA, and after RTO. A characteristic diagram showing the JV characteristics. HfO2、HfO2/SiN、HfON/SiNの各試料におけるRTO 処理前後のCET を示した測定図。HfO 2, HfO 2 / SiN, measurement view showing the CET before and after RTO processes in each sample HfON / SiN. HfO2、HfO2/SiN、HfON/SiNの各試料のRTO 処理後の断面の構造を示したTEM 写真。TEM photograph showing the cross-sectional structure of each of the HfO 2 , HfO 2 / SiN, and HfON / SiN samples after RTO treatment. Si基板の表面をラジカル窒化して、その表面上にHfO2膜を形成し、そのHfO2膜をラジカル窒化した試料のXPS スペクトルを示した測定図。A measurement diagram showing the XPS spectrum of a sample obtained by radical nitriding the surface of a Si substrate, forming an HfO 2 film on the surface, and radical nitriding the HfO 2 film. Si基板の表面をラジカル窒化して、その表面上にHfO2膜を形成し、そのHfO2膜をラジカル窒化した試料のXPS スペクトルを示した測定図。A measurement diagram showing the XPS spectrum of a sample obtained by radical nitriding the surface of a Si substrate, forming an HfO 2 film on the surface, and radical nitriding the HfO 2 film. Si基板の表面をラジカル窒化して、その表面上にHfO2膜を形成し、そのHfO2膜をラジカル窒化した試料のXPS スペクトルを示した測定図。A measurement diagram showing the XPS spectrum of a sample obtained by radical nitriding the surface of a Si substrate, forming an HfO 2 film on the surface, and radical nitriding the HfO 2 film. Si基板の表面をラジカル窒化して、その表面上にHfO2膜を形成し、そのHfO2膜をラジカル窒化した試料のXPS スペクトルを示した測定図。A measurement diagram showing the XPS spectrum of a sample obtained by radical nitriding the surface of a Si substrate, forming an HfO 2 film on the surface, and radical nitriding the HfO 2 film. 本発明方法によるHfO2膜のラジカル窒化による効果を示した説明図。Explanatory view showing the effect of the radical nitridation of the HfO 2 film according to the present invention method. 本発明方法によるHfO2膜のラジカル窒化した後RTO 処理した場合の効果を示した説明図。Explanatory drawing which showed the effect at the time of carrying out RTO processing after radical nitriding of the HfO 2 film by the method of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

11…Si基板
15…絶縁膜
16…ゲート
19…電極
50…ラジカル窒化装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Si substrate 15 ... Insulating film 16 ... Gate 19 ... Electrode 50 ... Radical nitriding apparatus

Claims (7)

半導体上に絶縁膜とその絶縁膜上に形成された電極とを有する半導体装置の製造方法において、
前記半導体の表面を窒素ラジカルによりラジカル窒化する第1のラジカル窒化工程と、
表面がラジカル窒化された前記半導体の上に高誘電率膜を形成する高誘電率膜形成工程と、
少なくとも前記高誘電率膜を窒素ラジカルによりラジカル窒化する第2のラジカル窒化工程と、
窒化の後に前記高誘電率膜の形成された前記半導体を酸素雰囲気において熱処理する熱処理工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
In a manufacturing method of a semiconductor device having an insulating film on a semiconductor and an electrode formed on the insulating film,
A first radical nitriding step of radical nitriding the surface of the semiconductor with nitrogen radicals;
A high dielectric constant film forming step of forming a high dielectric constant film on the semiconductor whose surface is radically nitrided;
A second radical nitriding step of radical nitriding at least the high dielectric constant film with nitrogen radicals;
And a heat treatment step of heat-treating the semiconductor on which the high dielectric constant film is formed in an oxygen atmosphere after nitriding.
前記半導体はシリコンであることを特徴とする請求項1に記載の半導体の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor according to claim 1, wherein the semiconductor is silicon. 前記高誘電率膜はHfO2から成ることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor according to claim 1, wherein the high dielectric constant film is made of HfO 2 . 前記熱処理工程における雰囲気中の酸素分圧は、10-3Torr〜103 Torrであることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の半導体の製造方法。 4. The method of manufacturing a semiconductor according to claim 1, wherein an oxygen partial pressure in the atmosphere in the heat treatment step is 10 −3 Torr to 10 3 Torr. 5. シリコン基板上に絶縁膜とその絶縁膜上に形成された電極とを有する半導体装置において、
前記シリコン基板の表面に形成され、酸化シリコンの存在しない窒化シリコン膜と、
前記窒化シリコン膜の上に形成された高誘電率膜から成る絶縁膜と
を有することを特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device having an insulating film on a silicon substrate and an electrode formed on the insulating film,
A silicon nitride film formed on the surface of the silicon substrate and free of silicon oxide;
And an insulating film made of a high dielectric constant film formed on the silicon nitride film.
前記絶縁膜は窒素ラジカルにより窒化された後に酸素雰囲気中で熱処理されて得られる高誘電率膜から成ることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。   6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the insulating film comprises a high dielectric constant film obtained by nitriding with nitrogen radicals and then heat-treating in an oxygen atmosphere. 前記高誘電率膜はHfO2から成ることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5, wherein the high dielectric constant film is made of HfO 2 .
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