JP2006054382A - Metallic silicate film, manufacturing method thereof, semiconductor device, and manufacturing method thereof - Google Patents

Metallic silicate film, manufacturing method thereof, semiconductor device, and manufacturing method thereof Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress a current leakage pass and to improve capacitor capacity Cs by devising the distribution of silicon and a metal in the film thickness direction of a metallic silicate film to be used for a capacity insulating film of the capacitor. <P>SOLUTION: On the interface side of the metallic silicate film 101 as compared with the inner side of the film 101 in the film thickness direction of the film 101, the composition ratio of silicon constituting the film 101 is higher than that of the metal, and on the inner side of the film 101 as compared with the interface side of the film 101 in the film thickness direction, the composition ratio of the metal constituting the film 101 is higher than that of silicon. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、膜厚方向にハフニウムの組成比とシリコンの組成比を変化させたハフニウムシリケート膜の成膜が容易な金属シリケート膜と金属シリケート膜の製造方法およびその膜を用いた半導体装置と半導体装置の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a metal silicate film in which a hafnium silicate film in which the composition ratio of hafnium and the composition ratio of silicon are changed in the film thickness direction can be easily formed, a method for manufacturing the metal silicate film, and a semiconductor device and a semiconductor using the film The present invention relates to a device manufacturing method.

半導体装置、特に半導体メモリ装置では、キャパシタは情報の記憶保持手段として用いられる。キャパシタメモリの種類は揮発性と不揮発性とに分別され、揮発性メモリとしてはDRAM(Dynamic Random Access Memory)やSRAM(Static RAM)があり、不揮発性メモリとしてはFeRAM(Ferroelectric RAM)やMRAM(Magnetic RAM)が知られている。   In a semiconductor device, particularly a semiconductor memory device, a capacitor is used as information storage and holding means. Capacitor memory types are classified into volatile and non-volatile, and volatile memory includes DRAM (Dynamic Random Access Memory) and SRAM (Static RAM), and non-volatile memory includes FeRAM (Ferroelectric RAM) and MRAM (Magnetic). RAM) is known.

例えば、DRAMは、キャパシタメモリとスイッチング用の電界効果型トランジスタ(MOSFET)とを有するメモリセル構造を持ち、近年さらなる微細化および高集積化、キャパシタメモリの大容量化が進められている。微細化および高集積化された半導体装置内でキャパシタがメモリセル機能を十分に果たすためには、1ビットあたり25fF〜40fF程度の蓄積容量(Cs)を確保する必要がある。   For example, a DRAM has a memory cell structure including a capacitor memory and a switching field effect transistor (MOSFET). In recent years, further miniaturization and higher integration and an increase in capacity of a capacitor memory have been promoted. In order for a capacitor to sufficiently perform a memory cell function in a miniaturized and highly integrated semiconductor device, it is necessary to secure a storage capacity (Cs) of about 25 fF to 40 fF per bit.

しかしながら、半導体装置の微細化・高集積化が進むにつれて、単位メモリセルにおけるキャパシタ占有面積は減少している。これは、キャパシタの蓄積容量も減少することを意味する。したがって、微細化・高集積化された半導体装置では、そこに組み込まれるキャパシタの蓄積容量を増加させるために、深いトレンチ(Deep Trench:DT)形状を用いて、キャパシタ絶縁膜にSiOやSiONよりも比誘電率の高い金属酸化膜(HfO2やAl23、ZrO2など)や金属シリケート膜(HfSiO2など)の高誘電率(High−k)材料の採用が提案されている。 However, as the semiconductor device is miniaturized and highly integrated, the area occupied by the capacitor in the unit memory cell is decreasing. This means that the storage capacity of the capacitor is also reduced. Therefore, in a miniaturized and highly integrated semiconductor device, in order to increase the storage capacity of a capacitor incorporated therein, a deep trench (DT) shape is used, and a capacitor insulating film is made more than SiO or SiON. The use of a high dielectric constant (High-k) material such as a metal oxide film (HfO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2, etc.) or a metal silicate film (HfSiO 2 ) having a high relative dielectric constant has been proposed.

金属酸化膜は一般に比誘電率は高いものの成膜後の熱処理により膜の結晶化が発生し、キャパシタ絶縁膜として用いた場合に結晶粒界を通過してリーク電流が増加する問題やそれに応じて耐熱性が悪化する問題が生じていた(HfO2は耐熱性がおよそ700℃である)。これに対して、金属シリケート膜は金属酸化膜よりも比誘電率は小さいが、シリコン酸化物が含まれることから金属酸化物単体の膜よりも熱的に安定で結晶化温度が高くなることが開示されている(例えば、特許文献1参照。)。 Although the metal oxide film generally has a high relative dielectric constant, the film is crystallized by heat treatment after film formation, and when used as a capacitor insulating film, the leakage current increases through the crystal grain boundary. There was a problem that heat resistance deteriorated (HfO 2 has a heat resistance of approximately 700 ° C.). In contrast, a metal silicate film has a relative dielectric constant smaller than that of a metal oxide film, but since it contains silicon oxide, it is thermally stable and has a higher crystallization temperature than a film of a metal oxide alone. (For example, refer to Patent Document 1).

特開2003-318174号公報JP 2003-318174 A

解決しようとする問題点は、耐熱性が低いため熱処理によって結晶化が発生し、キャパシタ絶縁膜として用いた場合に結晶粒界を通過してリーク電流が増加する点であり、また耐熱性の高い従来の金属シリケート膜では比誘電率が大幅に低下する点である。   The problem to be solved is that since heat resistance is low, crystallization occurs due to heat treatment, and when used as a capacitor insulating film, the leakage current increases through the crystal grain boundary, and also has high heat resistance. In the conventional metal silicate film, the relative dielectric constant is greatly reduced.

本発明の金属シリケート膜は、金属シリケート膜の膜厚方向において膜の内部側より膜の界面側で、金属シリケート膜を構成するシリコンの組成比が金属の組成比と比較して高く、前記金属シリケート膜の膜厚方向において膜の界面側より膜の内部側で、金属シリケート膜を構成する金属の組成比がシリコンの組成比と比較して高いことを最も主要な特徴とする。   In the metal silicate film of the present invention, in the film thickness direction of the metal silicate film, the composition ratio of silicon constituting the metal silicate film is higher than the metal composition ratio on the interface side of the film from the inner side of the film. The main feature is that the composition ratio of the metal constituting the metal silicate film is higher than the composition ratio of silicon in the film thickness direction of the silicate film from the interface side to the inside of the film.

本発明の金属シリケート膜の製造方法は、金属シリケート膜の膜厚方向において膜の内部側より膜の界面側で、金属シリケート膜を構成するシリコンの組成比が金属の組成比と比較して高く、前記金属シリケート膜の膜厚方向において膜の界面側より膜の内部側で、金属シリケート膜を構成する金属の組成比がシリコンの組成比と比較して高い金属シリケート膜の製造方法であって、前記金属シリケート膜の成膜は、シリコン原子の層を形成するとともにシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程および金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程のいずれも少なくとも一回以上行うことを成膜の1サイクルとし、前記金属シリケート膜の界面側を形成する成膜工程では、前記成膜の一サイクルは、金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程よりシリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程を多く行い、前記金属シリケート膜の内部側を形成する成膜工程では、前記成膜の一サイクルは、金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程よりシリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程を多く行い、前記成膜の1サイクルごとに、もしくは前記成膜の1サイクルを所定回数繰り返した後に金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲内か否かを判定する工程を行い、前記判定において、金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲内の場合には成膜を終了し、前記判定において、金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲からはずれた場合には前記成膜の1サイクルを再び行うことを最も主要な特徴とする。   In the metal silicate film manufacturing method of the present invention, the composition ratio of silicon constituting the metal silicate film is higher than the metal composition ratio in the film thickness direction of the metal silicate film on the interface side of the film from the inner side of the film. A metal silicate film manufacturing method in which the composition ratio of the metal constituting the metal silicate film is higher than the composition ratio of silicon on the inner side of the film from the interface side of the film in the film thickness direction of the metal silicate film. The metal silicate film is formed by forming a layer of silicon atoms and a step of forming a layer of oxygen atoms on the layer of silicon atoms and forming a layer of metal atoms and forming oxygen atoms on the layer of metal atoms. Performing at least one of the steps of forming a layer is one cycle of film formation, and in the film formation step of forming the interface side of the metal silicate film, one cycle of film formation is Forming a group of silicon atoms and forming a layer of oxygen atoms on the layer of silicon atoms and forming a layer of oxygen atoms more than the step of forming a layer of oxygen atoms on the layer of metal atoms and forming a layer of oxygen atoms on the layer of metal atoms; In the film forming step of forming the inner side of the metal silicate film, the one cycle of the film forming includes forming a layer of silicon atoms from the step of forming a layer of metal atoms and a layer of oxygen atoms on the layer of metal atoms. In addition to the formation of the oxygen atom layer on the silicon atom layer, the composition ratio of the metal silicate film is determined every cycle of the film formation or after repeating the film formation cycle a predetermined number of times. In the determination, if the composition ratio and the film thickness of the metal silicate film are within a desired range, the film formation is terminated. ,Money When the composition ratio of the silicate film and the film thickness deviates from the desired range and most important feature to perform again one cycle of the film forming.

本発明の半導体装置は、電極間に金属シリケート膜を挟んだキャパシタを備えた半導体装置であって、前記金属シリケート膜は、前記金属シリケート膜の膜厚方向において膜の中心より膜の界面側で、金属シリケート膜を構成するシリコンの組成比が金属の組成比と比較して高く、前記金属シリケート膜の膜厚方向において膜の界面側より膜の内部側で、金属シリケート膜を構成する金属の組成比がシリコンの組成比と比較して高いことを最も主要な特徴とする。   The semiconductor device of the present invention is a semiconductor device including a capacitor having a metal silicate film sandwiched between electrodes, and the metal silicate film is closer to the interface of the film than the center of the film in the thickness direction of the metal silicate film. The composition ratio of silicon constituting the metal silicate film is higher than the composition ratio of the metal, and the metal silicate film is formed on the inner side of the film from the interface side of the film in the film thickness direction of the metal silicate film. The main feature is that the composition ratio is higher than that of silicon.

本発明の半導体装置の製造方法は、電極間に金属シリケート膜を挟んだキャパシタを備えた半導体装置の製造方法であって、前記金属シリケート膜の形成工程は、シリコン原子の層を形成するとともにシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程および金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程のいずれも少なくとも一回以上行うことを成膜の1サイクルとし、前記金属シリケート膜の界面側を形成する成膜工程では、前記成膜の一サイクルは、金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程よりシリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程を多く行い、前記金属シリケート膜の内部側を形成する成膜工程では、前記成膜の一サイクルは、金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程よりシリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程を多く行い、前記成膜の1サイクルごとに、もしくは前記成膜の1サイクルを所定回数繰り返した後に金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲内か否かを判定する工程を行い、前記判定において、金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲内の場合には成膜を終了し、前記判定において、金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲からはずれた場合には前記成膜の1サイクルを再び行うことで、金属シリケート膜の膜厚方向において膜の内部側より膜の界面側で、金属シリケート膜を構成するシリコンの組成比が金属の組成比と比較して高く、前記金属シリケート膜の膜厚方向において膜の界面側より膜の内部側で、金属シリケート膜を構成する金属の組成比がシリコンの組成比と比較して高い金属シリケート膜を形成することを最も主要な特徴とする。   A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device having a capacitor having a metal silicate film sandwiched between electrodes, wherein the forming step of the metal silicate film forms a silicon atom layer and silicon The step of forming the oxygen atom layer on the atomic layer and the step of forming the metal atom layer and the step of forming the oxygen atom layer on the metal atom layer are performed at least once. In the film formation step of forming a cycle and forming the interface side of the metal silicate film, one cycle of the film formation is more silicon than the step of forming a metal atom layer and an oxygen atom layer on the metal atom layer. In addition to forming an atomic layer, many steps of forming an oxygen atom layer on the silicon atom layer are performed. In the film forming step of forming the inner side of the metal silicate film, one of the film formation steps is performed. Iccle has more steps to form a silicon atom layer and a silicon atom layer than to form a metal atom layer on the metal atom layer and to form a silicon atom layer on the silicon atom layer. Performing the step of determining whether the composition ratio and the film thickness of the metal silicate film are within a desired range every cycle of the film formation or after repeating the film formation cycle a predetermined number of times, In the determination, when the composition ratio and the film thickness of the metal silicate film are within a desired range, the film formation is terminated, and when the composition ratio and the film thickness of the metal silicate film are out of the desired range in the determination. In this case, the composition ratio of silicon constituting the metal silicate film is compared with the composition ratio of the metal in the film thickness direction of the metal silicate film from the inner side of the film to the interface side of the film by performing one cycle of the film formation again. do it And forming a metal silicate film having a higher composition ratio of the metal constituting the metal silicate film than the composition ratio of silicon on the inner side of the film from the interface side of the film in the film thickness direction of the metal silicate film. The most important feature.

本発明の金属シリケート膜は、金属シリケート膜の膜厚方向において膜の内部側より膜の界面側で、金属シリケート膜を構成するシリコンの組成比が金属の組成比と比較して高いため、酸化シリコン(SiO2)膜に近い金属シリケート膜となるので、Si界面と金属との反応が抑制され、リークパスとなる結晶化が防止できる。このため、この金属シリケート膜をキャパシタの容量絶縁膜に用いた場合には、キャパシタリークを減少させることができる。また、SiO2に近い金属シリケート膜となるので耐熱性も向上する。一方、金属シリケート膜の膜厚方向において膜の界面側より膜の内部側で、金属シリケート膜を構成する金属の組成比がシリコンの組成比と比較して高いため、金属酸化膜に近い金属シリケート膜となるため、より比誘電率を増加させることが可能になる。このため、この金属シリケート膜をキャパシタの容量絶縁膜に用いた場合には、容量Csを増加させることができるという利点がある。 In the metal silicate film of the present invention, the composition ratio of silicon constituting the metal silicate film is higher in the film thickness direction of the metal silicate film than the inner side of the film, compared with the composition ratio of the metal. Since the metal silicate film is close to a silicon (SiO 2 ) film, the reaction between the Si interface and the metal is suppressed, and crystallization that becomes a leak path can be prevented. For this reason, when this metal silicate film is used as a capacitor insulating film of a capacitor, capacitor leakage can be reduced. Further, since the metal silicate film is close to SiO 2 , the heat resistance is improved. On the other hand, since the composition ratio of the metal constituting the metal silicate film is higher than the composition ratio of silicon in the film thickness direction of the metal silicate film from the interface side of the film to the inner side of the film, the metal silicate close to the metal oxide film Since it is a film, the relative permittivity can be further increased. For this reason, when this metal silicate film is used as a capacitor insulating film of a capacitor, there is an advantage that the capacitance Cs can be increased.

本発明の金属シリケート膜の製造方法は、シリコン原子の層を形成するとともにシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程および金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程のいずれも少なくとも一回以上行うことを成膜の1サイクルとして成膜を行うため、例えば、金属シリケート膜の界面側を形成する成膜工程では、成膜の一サイクルは、金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程よりシリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程を多く行うことで、酸化シリコン(SiO2)に近い金属シリケート膜を成膜することができる。これによって、Si界面と金属との反応が抑制され、リークパスとなる結晶化が防止できる。このため、この金属シリケート膜をキャパシタの容量絶縁膜に用いた場合には、キャパシタリークを減少させることができる。また、SiO2に近い金属シリケート膜となるので耐熱性も向上する。一方、金属シリケート膜の内部側を形成する成膜工程では、成膜の一サイクルは、金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程よりシリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程を多く行うことで、金属酸化膜に近い金属シリケート膜を成膜することができる。これによって、比誘電率を増加させることが可能になる。このため、この金属シリケート膜をキャパシタの容量絶縁膜に用いた場合には、容量Csを増加させることができるという利点がある。さらに、成膜の1サイクルごとに金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲内か否かを判定することで、所望の膜厚、所望の金属組成比、シリコン組成比に調整することが可能になり、各ステップで金属シリケート膜組成を制御することが可能になる。 The method for producing a metal silicate film of the present invention includes a step of forming a layer of silicon atoms and forming a layer of oxygen atoms on the layer of silicon atoms, and forming a layer of metal atoms and oxygen atoms on the layer of metal atoms. For example, in the film formation process for forming the interface side of the metal silicate film, one cycle of film formation is performed at least once at least once. , Forming a layer of silicon atoms and forming a layer of oxygen atoms on the silicon atom layer more than forming a layer of oxygen atoms on the metal atom layer and forming a layer of oxygen atoms on the metal atom layer; Thus, a metal silicate film close to silicon oxide (SiO 2 ) can be formed. As a result, the reaction between the Si interface and the metal is suppressed, and crystallization as a leak path can be prevented. For this reason, when this metal silicate film is used as a capacitor insulating film of a capacitor, capacitor leakage can be reduced. Further, since the metal silicate film is close to SiO 2 , the heat resistance is improved. On the other hand, in the film formation process for forming the inner side of the metal silicate film, one cycle of film formation is a layer of silicon atoms compared to the process of forming a metal atom layer and forming an oxygen atom layer on the metal atom layer. In addition, by performing many steps of forming an oxygen atom layer on the silicon atom layer, a metal silicate film close to the metal oxide film can be formed. This makes it possible to increase the relative dielectric constant. For this reason, when this metal silicate film is used as a capacitor insulating film of a capacitor, there is an advantage that the capacitance Cs can be increased. Further, by determining whether the composition ratio and the film thickness of the metal silicate film are within a desired range for each cycle of film formation, the desired film thickness, the desired metal composition ratio, and the silicon composition ratio are adjusted. It becomes possible to control the metal silicate film composition at each step.

本発明の半導体装置は、本発明の金属シリケート膜をキャパシタの絶縁膜に用いていることから、Si界面と金属との反応が抑制され、リークパスとなる結晶化が防止できるので、キャパシタリークを減少させることができるという利点がある。また、金属シリケート膜の比誘電率を増加させることが可能になるため、容量Csを増加させることができるという利点がある。   Since the semiconductor device of the present invention uses the metal silicate film of the present invention as an insulating film of a capacitor, the reaction between the Si interface and the metal is suppressed, and crystallization as a leak path can be prevented, thereby reducing the capacitor leak. There is an advantage that can be made. Further, since the relative dielectric constant of the metal silicate film can be increased, there is an advantage that the capacitance Cs can be increased.

本発明の半導体装置の製造方法は、本発明の金属シリケート膜の製造方法によりキャパシタの絶縁膜を形成することから、金属シリケート膜の界面側を形成する成膜工程では、成膜の一サイクルは、シリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程を金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程より多く行うことで、酸化シリコン(SiO2)に近い金属シリケート膜を成膜することができる。これによって、基板界面と金属との反応が抑制され、リークパスとなる結晶化が防止できる。このため、この金属シリケート膜をキャパシタの容量絶縁膜に用いた場合には、キャパシタリークを減少させることができる。また、酸化シリコン(SiO2)に近い金属シリケート膜となるので耐熱性も向上する。一方、金属シリケート膜の内部側を形成する成膜工程では、成膜の一サイクルは、金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程をシリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程より多く行うことで、金属酸化膜に近い金属シリケート膜を成膜することができる。これによって、比誘電率を増加させることが可能になる。このため、この金属シリケート膜をキャパシタの容量絶縁膜に用いた場合には、容量Csを増加させることができるという利点がある。さらに、成膜の1サイクルごとに金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲内か否かを判定することで、所望の膜厚、所望の金属組成比、シリコン組成比に調整することが可能になり、各ステップで金属シリケート膜組成を制御することが可能になる。 Since the semiconductor device manufacturing method of the present invention forms the insulating film of the capacitor by the metal silicate film manufacturing method of the present invention, in the film forming step of forming the interface side of the metal silicate film, one cycle of film formation is , Forming the silicon atom layer and forming the oxygen atom layer on the silicon atom layer more than forming the metal atom layer and forming the oxygen atom layer on the metal atom layer. Thus, a metal silicate film close to silicon oxide (SiO 2 ) can be formed. As a result, the reaction between the substrate interface and the metal is suppressed, and crystallization as a leak path can be prevented. For this reason, when this metal silicate film is used as a capacitor insulating film of a capacitor, capacitor leakage can be reduced. Further, since the metal silicate film is close to silicon oxide (SiO 2 ), the heat resistance is also improved. On the other hand, in the film forming step for forming the inner side of the metal silicate film, one cycle of film forming includes forming a layer of metal atoms and a step of forming a layer of oxygen atoms on the layer of metal atoms. In addition, the metal silicate film close to the metal oxide film can be formed by performing more than the step of forming the oxygen atom layer on the silicon atom layer. This makes it possible to increase the relative dielectric constant. For this reason, when this metal silicate film is used as a capacitor insulating film of a capacitor, there is an advantage that the capacitance Cs can be increased. Further, by determining whether the composition ratio and the film thickness of the metal silicate film are within a desired range for each cycle of film formation, the desired film thickness, the desired metal composition ratio, and the silicon composition ratio are adjusted. It becomes possible to control the metal silicate film composition at each step.

耐熱性を有することでリークパスとなる結晶化が防止できるとともに、従来の酸化シリコン系のキャパシタ絶縁膜の比誘電率より高い比誘電率を有する金属シリケート膜を得るという目的を、ハフニウムシリケート膜の膜厚方向のハフニウムとシリコンの組成比を調整することで実現した。   The purpose of obtaining a metal silicate film having a dielectric constant higher than that of a conventional silicon oxide-based capacitor insulating film, as well as preventing leakage crystallization by having heat resistance, is a film of a hafnium silicate film. This was achieved by adjusting the composition ratio of hafnium and silicon in the thickness direction.

本発明の金属シリケート膜に係る一実施例を、図1の組成比と膜厚との関係図によって説明する。   One embodiment of the metal silicate film of the present invention will be described with reference to the relationship diagram of composition ratio and film thickness in FIG.

図1に示すように、金属シリケート膜101は、例えばハフニウムシリケート膜からなり、その膜厚方向において膜の中心より膜の界面側で、ハフニウムシリケート膜を構成するハフニウムの組成比が高くなり、ハフニウムシリケート膜を構成するシリコンの組成比が低くなるものである。   As shown in FIG. 1, the metal silicate film 101 is made of, for example, a hafnium silicate film, and the composition ratio of hafnium constituting the hafnium silicate film is higher on the interface side of the film than the center of the film in the film thickness direction. The composition ratio of silicon constituting the silicate film is lowered.

上記ハフニウムシリケート膜の界面側(表裏面側)では、ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は0%より大きく30%以下であり、ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は70%以上100%未満である。またハフニウムシリケート膜の内部側では、ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は30%以上100%未満であり、ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は0%より大きく70%以下である。   On the interface side (front and back sides) of the hafnium silicate film, the composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is greater than 0% and not more than 30%, and the composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is 70%. It is less than 100%. On the inner side of the hafnium silicate film, the composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is 30% to less than 100%, and the composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is greater than 0% and less than 70%. is there.

上記ハフニウムシリケート膜の界面側(表裏面側)では、ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は0%より大きく30%以下であり、ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は70%以上100%未満であることから、界面側は酸化シリコンに近い組成となるので、耐熱性が高くなり、熱処理によって結晶化が発生し難くなる。この結果、リーク経路となる結晶粒界が発生し難くなるので、この金属シリケート膜をキャパシタ絶縁膜として用いた場合に結晶粒界を通過してリーク電流が増加するという従来技術の問題が解決される。   On the interface side (front and back sides) of the hafnium silicate film, the composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is greater than 0% and not more than 30%, and the composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is 70%. Since the composition is less than 100%, the interface side has a composition close to that of silicon oxide, so that the heat resistance is high, and crystallization hardly occurs by heat treatment. As a result, a crystal grain boundary that becomes a leakage path is less likely to occur, so that when the metal silicate film is used as a capacitor insulating film, the problem of the prior art that the leakage current increases through the crystal grain boundary is solved. The

一方、上記ハフニウムシリケート膜の内部側では、ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は30%以上100%未満であり、ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は0%より大きく70%以下であることから、内部側は酸化ハフニウムに近い組成となるので、金属シリケート膜としての比誘電率の低下を抑制することができる。   On the other hand, on the inner side of the hafnium silicate film, the composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is 30% or more and less than 100%, and the composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is greater than 0% and 70%. Since the inner side has a composition close to that of hafnium oxide, it is possible to suppress a decrease in relative dielectric constant as a metal silicate film.

上記金属シリケート膜101は窒素を含む雰囲気で熱処理されることが好ましい。このような窒化処理によって、窒素を含む膜となり耐熱性がさらに向上する。   The metal silicate film 101 is preferably heat-treated in an atmosphere containing nitrogen. By such nitriding treatment, a film containing nitrogen is obtained, and the heat resistance is further improved.

本発明の金属シリケート膜は、その界面側(表裏面側)を構成するシリコンの組成比がハフニウムの組成比と比較して高いため、SiO2に近い金属シリケート膜となるので、Si界面と金属(ハフニウム)との反応が抑制され、リークパスとなる結晶化が防止できる。このため、この金属シリケート膜をキャパシタの容量絶縁膜に用いた場合には、キャパシタリークを減少させることができる。また、SiO2に近い金属シリケート膜となるので耐熱性も向上する。一方、金属シリケート膜の膜厚方向において膜の界面側より膜の内部側で、金属シリケート膜を構成する金属(ハフニウム)の組成比がシリコンの組成比と比較して高いため、金属酸化膜(例えば金属がハフニウムの場合にはHfO2)に近い金属シリケート膜となるため、より比誘電率を増加させることが可能になる。このため、この金属シリケート膜をキャパシタの容量絶縁膜に用いた場合には、容量Csを増加させることができるという利点がある。 The metal silicate film of the present invention is a metal silicate film close to SiO 2 because the composition ratio of silicon constituting the interface side (front and back sides) is higher than the composition ratio of hafnium. Reaction with (hafnium) is suppressed, and crystallization as a leak path can be prevented. For this reason, when this metal silicate film is used as a capacitor insulating film of a capacitor, capacitor leakage can be reduced. Further, since the metal silicate film is close to SiO 2 , the heat resistance is improved. On the other hand, since the composition ratio of the metal (hafnium) constituting the metal silicate film is higher than the composition ratio of silicon in the film thickness direction of the metal silicate film from the interface side of the film to the inner side of the film, the metal oxide film ( For example, when the metal is hafnium, it becomes a metal silicate film close to HfO 2 ), so that the relative dielectric constant can be further increased. For this reason, when this metal silicate film is used as a capacitor insulating film of a capacitor, there is an advantage that the capacitance Cs can be increased.

次に、本発明の半導体装置に係る一実施例を、図2の概略構成断面図および図3の回路図によって説明する。   Next, an embodiment of the semiconductor device according to the present invention will be described with reference to a schematic sectional view of FIG. 2 and a circuit diagram of FIG.

図2(1)に示すように、本発明の半導体装置は、電極111、112間に金属シリケート膜101からなる高誘電体膜を挟んだキャパシタを備えたものであり、上記キャパシタの構成は、例えば、図2(2)に示すように、トレンチキャパシタ200に適用できる。すなわち、半導体基板(例えばシリコン基板)201に形成されたトレンチ202表面にそって、半導体基板201には不純物を拡散させてなる第1電極211が形成されている。トレンチ202表面には上記金属シリケート膜101がキャパシタ絶縁膜として形成されている。そしてトレンチ202を埋め込むように第2電極212が例えば導電膜で形成されている。この導電膜としては、例えば不純物を導入したポリシリコン膜を用いることができる。上記各不純物には、例えば一般の半導体装置の拡散層に用いられているn型不純物もしくはp型不純物を用いることができる。   As shown in FIG. 2A, the semiconductor device of the present invention includes a capacitor having a high dielectric film made of a metal silicate film 101 between electrodes 111 and 112, and the configuration of the capacitor is as follows. For example, it can be applied to a trench capacitor 200 as shown in FIG. That is, along the surface of the trench 202 formed in the semiconductor substrate (for example, silicon substrate) 201, the first electrode 211 formed by diffusing impurities is formed in the semiconductor substrate 201. On the surface of the trench 202, the metal silicate film 101 is formed as a capacitor insulating film. The second electrode 212 is formed of, for example, a conductive film so as to fill the trench 202. As this conductive film, for example, a polysilicon film into which impurities are introduced can be used. As each impurity, for example, an n-type impurity or a p-type impurity used in a diffusion layer of a general semiconductor device can be used.

上記金属シリケート膜101は、例えば、前記実施例1によって説明したハフニウムシリケート膜を用いることができ、ハフニウムシリケート膜の膜厚方向において膜の中心より膜の界面側で、ハフニウムシリケート膜を構成するシリコンの組成比がハフニウムの組成比と比較して高く、ハフニウムシリケート膜の膜厚方向において膜の界面側より膜の内部側で、ハフニウムシリケート膜を構成するハフニウムの組成比がシリコンの組成比と比較して高いものである。すなわち、膜の界面側では、酸化シリコン(SiO2)に近いハフニウムシリケート膜となり、膜の内部側では、酸化ハフニウム(HfO2)に近いハフニウムシリケート膜となっている。 As the metal silicate film 101, for example, the hafnium silicate film described in the first embodiment can be used, and the silicon constituting the hafnium silicate film is closer to the interface of the film than the center of the film in the film thickness direction of the hafnium silicate film. The composition ratio of hafnium is higher than the composition ratio of hafnium, and the composition ratio of hafnium constituting the hafnium silicate film is compared with the composition ratio of silicon in the film thickness direction of the hafnium silicate film from the interface side to the inside of the film. And expensive. That is, a hafnium silicate film close to silicon oxide (SiO 2 ) is formed on the interface side of the film, and a hafnium silicate film close to hafnium oxide (HfO 2 ) is formed on the inner side of the film.

上記ハフニウムシリケート膜は、界面側で、膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は0%より大きく30%以下とし、膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は70%以上100%未満とする。これによって、界面側においては、酸化シリコン(SiO2)に近いハフニウムシリケート膜となり、耐熱性が高まり、内部側のハフニウムシリケートの結晶化を防止することができる。なお、上記範囲よりシリコンが少なくなり、ハフニウムが多くなると、酸化シリコンの性質が低減されるため、耐熱性が低くなり、内部側のハフニウムシリケートの結晶化を防止することができにくくなるという不都合が生じる。一方、ハフニウムシリケート膜の内部側で、膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は30%以上100%未満とし、膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は0%より大きく70%以下とする。これによって、内部側において、HfO2に近いハフニウムシリケート膜となり、通常のハフニウムシリケートよりも高誘電率を得ることができる。なお、上記範囲よりハフニウムが少なくなり、シリコンが多くなると、HfO2の性質が低減されるため、誘電率が低くなるという不都合が生じる。 In the hafnium silicate film, the composition ratio of hafnium to silicon in the film is greater than 0% and not more than 30% on the interface side, and the composition ratio of silicon to hafnium in the film is not less than 70% and less than 100%. As a result, a hafnium silicate film close to silicon oxide (SiO 2 ) is formed on the interface side, heat resistance is improved, and crystallization of the hafnium silicate on the inner side can be prevented. Note that when the amount of silicon is reduced from the above range and the amount of hafnium is increased, the properties of silicon oxide are reduced, so that the heat resistance is lowered and it is difficult to prevent crystallization of the internal hafnium silicate. Arise. On the other hand, on the inner side of the hafnium silicate film, the composition ratio of hafnium to silicon in the film is 30% or more and less than 100%, and the composition ratio of silicon to hafnium in the film is greater than 0% and 70% or less. As a result, a hafnium silicate film close to HfO 2 is formed on the inner side, and a higher dielectric constant can be obtained than ordinary hafnium silicate. If hafnium is reduced from the above range and silicon is increased, the property of HfO 2 is reduced, which causes a disadvantage that the dielectric constant is lowered.

上記トレンチキャパシタ200は、図3に示すような、ダイナミックランダムアクセスメモリ(DRAM)のメモリセルに適用することができる。このメモリセル300は、1個のMOSトランジスタ310と1個のキャパシタ320からなり、このキャパシタ320に上記トレンチキャパシタ200を適用することができる。   The trench capacitor 200 can be applied to a memory cell of a dynamic random access memory (DRAM) as shown in FIG. The memory cell 300 includes one MOS transistor 310 and one capacitor 320, and the trench capacitor 200 can be applied to the capacitor 320.

本発明の半導体装置(メモリセル300)は、本発明の金属シリケート膜101をキャパシタ絶縁膜に用いていることから、半導体基板201のシリコン界面および第2電極212のシリコン界面と金属シリケート膜101の金属(ハフニウム)との反応が抑制され、リークパスとなる結晶化が防止できるので、キャパシタリークを減少させることができるという利点がある。また、金属シリケート膜101の比誘電率を増加させることが可能になるため、容量Csを増加させることができるという利点がある。   Since the semiconductor device (memory cell 300) of the present invention uses the metal silicate film 101 of the present invention as a capacitor insulating film, the silicon interface of the semiconductor substrate 201, the silicon interface of the second electrode 212, and the metal silicate film 101 Since the reaction with the metal (hafnium) is suppressed and crystallization as a leak path can be prevented, there is an advantage that the capacitor leak can be reduced. Further, since the relative dielectric constant of the metal silicate film 101 can be increased, there is an advantage that the capacitance Cs can be increased.

本発明の金属シリケート膜の成膜方法に係る一実施例を、図4のフローチャートによって説明する。   One embodiment of the method for forming a metal silicate film of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG.

図4に示すように、まず「前処理」S1によって、基板(例えばシリコン基板)11の成膜表面の前処理(例えば洗浄等)を行う。上記基板は、シリコン基板に限定されず、ガラス基板、石英基板、セラミックス基板等の絶縁基板、シリコン基板、化合物半導体基板等の半導体基板等の各種基板を用いることも可能である。上記「前処理」は、基板がシリコン基板の場合には、基板上の自然酸化膜を除去するために希フッ酸で20secから60secの範囲で洗浄後、例えばアンモニア(NH3)ガス雰囲気中で600℃から1000℃の範囲において熱処理を施し、シリコン基板表面を窒化させる。 As shown in FIG. 4, first, a pretreatment (for example, cleaning) of the deposition surface of the substrate (for example, a silicon substrate) 11 is performed by “pretreatment” S1. The substrate is not limited to a silicon substrate, and various substrates such as an insulating substrate such as a glass substrate, a quartz substrate, and a ceramic substrate, and a semiconductor substrate such as a silicon substrate and a compound semiconductor substrate can also be used. In the case where the substrate is a silicon substrate, the above-mentioned “pretreatment” is performed after cleaning in a range of 20 to 60 seconds with dilute hydrofluoric acid in order to remove a natural oxide film on the substrate, for example, in an ammonia (NH 3 ) gas atmosphere. Heat treatment is performed in the range of 600 ° C. to 1000 ° C. to nitride the silicon substrate surface.

次に、「Si-Oサイクル」S2として、シリコン原子の層を形成するとともにシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する。この層形成は、原子層蒸着法〔一般にALD(Atomic Layer Deposition)法という〕(図示せず)を用いる。   Next, as the “Si—O cycle” S2, a layer of silicon atoms is formed and an oxygen atom layer is formed on the silicon atom layer. This layer formation uses an atomic layer deposition method (generally referred to as an ALD (Atomic Layer Deposition) method) (not shown).

上記「Si-Oサイクル」S2を詳述する。まずALD装置の成膜チャンバ内に上記前処理を行った基板を収納し、基板を、例えば250℃〜400℃に加熱、保持する。そして「Si前駆体ガスの供給」S21の工程を行う。この工程では、上記基板上にシリコン(Si)前駆体ガスを供給し、基板表面に吸着させる。上記Si前駆体ガスとしては、例えばSi〔N(CH3)(C25)〕4、〔SiH(CH3220を用いることができる。 The “Si—O cycle” S2 will be described in detail. First, the substrate subjected to the above pretreatment is housed in a film forming chamber of an ALD apparatus, and the substrate is heated and held at, for example, 250 ° C. to 400 ° C. Then, the process of “supplying Si precursor gas” S21 is performed. In this step, silicon (Si) precursor gas is supplied onto the substrate and adsorbed on the substrate surface. As the Si precursor gas, for example, Si [N (CH 3 ) (C 2 H 5 )] 4 or [SiH (CH 3 ) 2 ] 20 can be used.

次に、「不活性なガスによるパージ」S22の工程を行う。この工程では、基板表面にアルゴン(Ar)ガスを供給して、成膜雰囲気のパージを行い、残留ガスの気相反応を抑制する。この不活性なガスには、アルゴンの他の希ガス、窒素ガス等を用いることができるが、パージ効率、コスト等を考慮するとアルゴンを用いることが好ましい。   Next, the “purging with an inert gas” step S22 is performed. In this step, argon (Ar) gas is supplied to the substrate surface to purge the film formation atmosphere and suppress the gas phase reaction of the residual gas. As the inert gas, other rare gas such as argon, nitrogen gas, or the like can be used, but argon is preferably used in consideration of purge efficiency, cost, and the like.

次に、「酸素含有物の供給」S23の工程を行う。この工程では、オゾン(O3)もしくは水(H2O)を基板表面に供給して、シリコン(Si)原子の層上に酸素(O)原子の層を形成する。 Next, the process of “supply of oxygen-containing material” S23 is performed. In this step, ozone (O 3 ) or water (H 2 O) is supplied to the substrate surface to form an oxygen (O) atom layer on the silicon (Si) atom layer.

次に、「不活性なガスによるパージ」S24の工程を行う。この工程では、基板表面にアルゴン(Ar)ガスを供給して、成膜雰囲気のパージを行い、残留ガスの気相反応を抑制する。この不活性なガスには、アルゴンの他の希ガス、窒素ガス等を用いることができるが、パージ効率、コスト等を考慮するとアルゴンを用いることが好ましい。   Next, the “purging with inert gas” step S24 is performed. In this step, argon (Ar) gas is supplied to the substrate surface to purge the film formation atmosphere and suppress the gas phase reaction of the residual gas. As the inert gas, other rare gas such as argon, nitrogen gas, or the like can be used, but argon is preferably used in consideration of purge efficiency, cost, and the like.

以上がシリコン(Si)原子の層上に酸素(O)原子の層を形成する「Si-Oサイクル」S2である。   The above is the “Si—O cycle” S2 in which a layer of oxygen (O) atoms is formed on a layer of silicon (Si) atoms.

次に、金属(例えばハフニウム)原子の層を形成するとともに金属(例えばハフニウム)原子の層上に酸素原子の層を形成する「金属-Oサイクル」S3を行う。以下、金属はハフニウムを一例として説明する。また、この層形成は、上記「Si-Oサイクル」に引き続き原子層蒸着法により行い、「Si-Oサイクル」S2に引き続きin-situで成膜を行う。   Next, a “metal-O cycle” S3 is performed in which a layer of metal (eg, hafnium) atoms is formed and an oxygen atom layer is formed on the layer of metal (eg, hafnium) atoms. Hereinafter, the metal will be described using hafnium as an example. In addition, this layer formation is performed by the atomic layer deposition method subsequent to the “Si—O cycle”, and the film formation is performed in-situ following the “Si—O cycle” S2.

上記「金属-Oサイクル」S3を詳述する。まずALD装置の成膜チャンバ内に収納されている基板を、例えば250℃〜400℃に加熱、保持する。そして「金属前駆体ガスの供給」S31の工程を行う。この工程では、上記基板上に金属前駆体ガスを供給し、基板表面に吸着させる。例えば、金属シリケート膜としてハフニウムシリケート膜を成膜する場合には、上記ハフニウム前駆体ガスとして、例えば、Hf〔N(CH3)(C25)〕4、Hf〔N(CH324を用いることができる。 The “metal-O cycle” S3 will be described in detail. First, a substrate housed in a film forming chamber of an ALD apparatus is heated and held at, for example, 250 ° C. to 400 ° C. Then, the process of “supply of metal precursor gas” S31 is performed. In this step, a metal precursor gas is supplied onto the substrate and adsorbed on the substrate surface. For example, when a hafnium silicate film is formed as the metal silicate film, examples of the hafnium precursor gas include Hf [N (CH 3 ) (C 2 H 5 )] 4 , Hf [N (CH 3 ) 2. ] 4 can be used.

次に、「不活性なガスによるパージ」S32の工程を行う。この工程では、基板表面にアルゴン(Ar)ガスを供給して、成膜雰囲気のパージを行い、残留ガスの気相反応を抑制する。この不活性なガスには、アルゴンの他の希ガス、窒素ガス等を用いることができるが、パージ効率、コスト等を考慮するとアルゴンを用いることが好ましい。   Next, the “purging with an inert gas” step S32 is performed. In this step, argon (Ar) gas is supplied to the substrate surface to purge the film formation atmosphere and suppress the gas phase reaction of the residual gas. As the inert gas, other rare gas such as argon, nitrogen gas, or the like can be used, but argon is preferably used in consideration of purge efficiency, cost, and the like.

次に、「酸素含有物の供給」S33の工程を行う。この工程では、酸化性を有するガス、例えばオゾン(O3)もしくは水蒸気(H2O)もしくは過酸化水素(H22)を基板表面に供給して、金属原子の層上に酸素(O)原子の層を形成する。 Next, the process of “supply of oxygen-containing material” S33 is performed. In this step, an oxidizing gas such as ozone (O 3 ), water vapor (H 2 O), or hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is supplied to the substrate surface, and oxygen (O ) Form an atomic layer.

次に、「不活性なガスによるパージ」S34の工程を行う。この工程では、基板表面にアルゴン(Ar)ガスを供給して、成膜雰囲気のパージを行い、残留ガスの気相反応を抑制する。この不活性なガスには、アルゴンの他の希ガス、窒素ガス等を用いることができるが、パージ効率、コスト等を考慮するとアルゴンを用いることが好ましい。   Next, the “purging with an inert gas” step S34 is performed. In this step, argon (Ar) gas is supplied to the substrate surface to purge the film formation atmosphere and suppress the gas phase reaction of the residual gas. As the inert gas, other rare gas such as argon, nitrogen gas, or the like can be used, but argon is preferably used in consideration of purge efficiency, cost, and the like.

以上が金属原子の層上に酸素(O)原子の層を形成する「金属-Oサイクル」S3である。   The above is the “metal-O cycle” S3 in which a layer of oxygen (O) atoms is formed on a layer of metal atoms.

金属シリケート膜を形成する場合には、シリコン原子の層を形成するとともにシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程である「Si-Oサイクル」S2および金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程である「金属-Oサイクル」S3のいずれも少なくとも一回以上行う。このサイクルを成膜の1サイクルとする。   In the case of forming a metal silicate film, a silicon atom layer is formed, and an “Si—O cycle” S2, which is a process of forming an oxygen atom layer on the silicon atom layer, and a metal atom layer are formed. The “metal-O cycle” S3, which is a step of forming an oxygen atom layer on the metal atom layer, is performed at least once. This cycle is defined as one cycle of film formation.

そして、金属シリケート膜の膜厚方向において、膜の内部側より膜の界面側で金属シリケート膜を構成するシリコンの組成比が金属の組成比と比較して高く、一方、膜の界面側より膜の内部側で金属シリケート膜を構成する金属の組成比がシリコンの組成比と比較して高くなるようにする。このため、金属シリケート膜の界面側を形成する成膜工程では、成膜の一サイクルは、シリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程である「Si-Oサイクル」S2を金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程である「金属-Oサイクル」S3より多く行う。一方、金属シリケート膜の内部側を形成する成膜工程では、成膜の一サイクルは、金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程である「金属-Oサイクル」S3をシリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程である「Si-Oサイクル」S2より多く行う。   In the film thickness direction of the metal silicate film, the composition ratio of silicon constituting the metal silicate film is higher on the interface side of the film than on the inner side of the film, compared to the composition ratio of the metal, whereas the film is formed on the interface side of the film. The composition ratio of the metal constituting the metal silicate film on the inner side is made higher than the composition ratio of silicon. For this reason, in the film formation process for forming the interface side of the metal silicate film, one cycle of film formation is a process of forming a layer of oxygen atoms and a layer of oxygen atoms on the silicon atom layer. The “-O cycle” S2 is performed more than the “metal-O cycle” S3, which is a step of forming a layer of metal atoms and forming a layer of oxygen atoms on the layer of metal atoms. On the other hand, in the film formation process for forming the inner side of the metal silicate film, one cycle of film formation is a process for forming a metal atom layer and forming a layer of oxygen atoms on the metal atom layer. The O cycle “S3” is performed more than the “Si—O cycle” S2, which is a step of forming a layer of silicon atoms and forming a layer of oxygen atoms on the silicon atom layer.

また、上記成膜の1サイクルにおいて、上記「Si-Oサイクル」S2、「金属-Oサイクル」S3は、連続して複数回行ってもよく、または交互に行ってもよい。   In one cycle of the film formation, the “Si—O cycle” S2 and the “metal-O cycle” S3 may be continuously performed a plurality of times or alternately.

例えば、「Si-Oサイクル」S2を連続して複数回行った後に「金属-Oサイクル」S3を連続して複数回行うことを繰り返し交互に行うことができる。また、逆に「金属-Oサイクル」S3を連続して複数回行った後に「Si-Oサイクル」S2を連続して複数回行うことを繰り返し交互に行うことができる。   For example, the “Si-O cycle” S2 can be repeated alternately and repeatedly after the “metal-O cycle” S3 is continuously performed a plurality of times. Conversely, “Si—O cycle” S2 can be repeatedly performed alternately after repeatedly performing “metal-O cycle” S3 a plurality of times.

もしくは、「Si-Oサイクル」S2を連続して複数回行った後に「金属-Oサイクル」S3を連続して複数回行うことができる。また、逆に「金属-Oサイクル」S3を連続して複数回行った後に「Si-Oサイクル」S2を連続して複数回行うことができる。   Alternatively, the “metal-O cycle” S3 can be continuously performed a plurality of times after the “Si-O cycle” S2 is continuously performed a plurality of times. Conversely, the “Si—O cycle” S2 can be continuously performed a plurality of times after the “metal-O cycle” S3 is continuously performed a plurality of times.

そして、成膜の1サイクル毎に、「金属シリケート膜は所望の組成比・膜厚か否か」S4の工程で金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲内か否かを判定する。この判定において、金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲内の場合、すなわち「Yes」の場合には次の工程の「窒化処理」S4に進む。一方、上記判定において、金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲からはずれた場合、すなわち「No」の場合には、上記成膜の1サイクルを再び行う。そして、上記判定が「Yes」となるまで、成膜を繰り返す。   Then, in each step of film formation, “whether the metal silicate film has a desired composition ratio / film thickness” is determined in step S4 to determine whether the composition ratio and film thickness of the metal silicate film are within a desired range. To do. In this determination, if the composition ratio and the film thickness of the metal silicate film are within the desired ranges, that is, if “Yes”, the process proceeds to “nitriding treatment” S4 in the next step. On the other hand, in the above determination, when the composition ratio and the film thickness of the metal silicate film deviate from the desired ranges, that is, “No”, one cycle of the film formation is performed again. The film formation is repeated until the above determination is “Yes”.

上記説明した成膜方法では、成膜の1サイクル毎に「金属シリケート膜は所望の組成比・膜厚か否か」S4の判定を行うことになるが、「Si-Oサイクル」S2および「金属-Oサイクル」S3をある程度の回数を繰り返し行った後、すなわち、成膜の1サイクルを複数回行った(図面中、破線で示す経路の場合)後に、上記「金属シリケート膜は所望の組成比・膜厚か否か」S4の判定を行うこともできる。   In the film forming method described above, the determination of “whether the metal silicate film has a desired composition ratio / film thickness” S4 is performed for each cycle of film formation, but “Si—O cycle” S2 and “ After the “metal-O cycle” S3 is repeated a certain number of times, that is, after one cycle of film formation is performed a plurality of times (in the case of the path indicated by the broken line in the drawing), the above “metal silicate film has a desired composition. It is also possible to determine whether or not the ratio / thickness is the film thickness.

その後、「窒化処理」S5によって、金属シリケート膜を窒化処理する。この窒化処理は、例えば、アンモニア(NH3)ガス雰囲気において、600℃から1000℃の範囲で熱処理を施し、金属シリケート膜中に窒素を導入する。 Thereafter, the metal silicate film is nitrided by “nitriding” S5. In this nitriding treatment, for example, heat treatment is performed in the range of 600 ° C. to 1000 ° C. in an ammonia (NH 3 ) gas atmosphere, and nitrogen is introduced into the metal silicate film.

上記説明したように、成膜の1サイクルは、上記「Si-Oサイクル」S2と「金属-Oサイクル」S3とをいずれも少なくとも一回以上行うものである。   As described above, one cycle of film formation is one in which the “Si—O cycle” S2 and the “metal-O cycle” S3 are both performed at least once.

ここで、成膜の1サイクルにおいて、「Si-Oサイクル」S2と「金属-Oサイクル」S3との実施回数を変えた場合のシリコンの組成比〔Si/(HF+Si)〕およびハフニウムに組成比〔Hf/(HF+Si)〕について表1に示す。   Here, in one cycle of film formation, the composition ratio of silicon [Si / (HF + Si)] and the composition ratio of hafnium when the number of executions of “Si-O cycle” S2 and “metal-O cycle” S3 are changed are used. [Hf / (HF + Si)] is shown in Table 1.

Figure 2006054382
Figure 2006054382

表1に示すように、「Si-Oサイクル」S2を3回行い、「金属-Oサイクル」S3を1回行うことにより、シリコン(Si)の組成比は76%になり、ハフニウム(Hf)の組成比は24%になる。または、「Si-Oサイクル」S2を2回行い、「金属-Oサイクル」S3を1回行うことにより、シリコン(Si)の組成比は70%になり、ハフニウム(Hf)の組成比は30%になる。このような成膜サイクルは、ハフニウムシリケート膜の界面側を成膜するステップ1、3に採用される。なお、「Si-Oサイクル」S2の回数を4回以上とし、さらにシリコンの組成比を高めることも可能である。   As shown in Table 1, by performing “Si—O cycle” S2 three times and “metal-O cycle” S3 once, the composition ratio of silicon (Si) becomes 76%, and hafnium (Hf) The composition ratio is 24%. Alternatively, by performing the “Si—O cycle” S2 twice and performing the “metal-O cycle” S3 once, the composition ratio of silicon (Si) becomes 70% and the composition ratio of hafnium (Hf) is 30%. %become. Such a film formation cycle is employed in steps 1 and 3 for forming the interface side of the hafnium silicate film. It should be noted that the number of “Si—O cycles” S2 may be set to 4 or more to further increase the silicon composition ratio.

そして、内部側に入るに従い、ハフニウムの組成比を高めて行く。例えば「Si-Oサイクル」S2を1回行い、「金属-Oサイクル」S3を3回行うことにより、シリコン(Si)の組成比は34%になり、ハフニウム(Hf)の組成比は66%になる。この成膜の1サイクルは、ハフニウムシリケート膜の内部側を成膜するステップ2に採用されることが好ましい。なお、「金属-Oサイクル」S3の回数を4回以上とし、さらにハフニウムの組成比を高めることも可能である。   And as it enters the inner side, the composition ratio of hafnium is increased. For example, the composition ratio of silicon (Si) is 34% and the composition ratio of hafnium (Hf) is 66% by performing “Si—O cycle” S2 once and “metal-O cycle” S3 three times. become. One cycle of this film formation is preferably employed in step 2 in which the inner side of the hafnium silicate film is formed. It is possible to increase the number of “metal-O cycle” S3 to 4 or more and further increase the composition ratio of hafnium.

また、上記成膜の1サイクルにおいて、「Si-Oサイクル」S2を行い、「金属-Oサイクル」S3を行わないことにより、シリコン(Si)の組成比は100%となり、酸化シリコン層を得ることもできる。したがって、ハフニウムシリケート膜の界面のみ酸化シリコン層とすることも可能である。一方、「Si-Oサイクル」S2を行わず、「金属-Oサイクル」S3のみを行うことにより、ハフニウム(Hf)の組成比は100%となり、酸化ハフニウム膜を得ることもできる。したがって、ハフニウムシリケート膜の膜厚方向においてその中央部のみ酸化ハフニウム層とすることも可能である。   Further, in one cycle of the film formation, by performing the “Si-O cycle” S2 and not performing the “metal-O cycle” S3, the composition ratio of silicon (Si) becomes 100%, and a silicon oxide layer is obtained. You can also. Accordingly, only the interface of the hafnium silicate film can be a silicon oxide layer. On the other hand, by performing only the “metal-O cycle” S3 without performing the “Si—O cycle” S2, the composition ratio of hafnium (Hf) becomes 100%, and a hafnium oxide film can be obtained. Therefore, it is also possible to make a hafnium oxide layer only in the central portion in the film thickness direction of the hafnium silicate film.

なお、上記表1では、「Si-Oサイクル」S2では、シリコン(Si)の前駆体ガスに〔SiH(CH3220を用い、酸素含有物にオゾン(O3)を用い、パージガスにアルゴンを用いた。また、「金属-Oサイクル」S3では、ハフニウム(Hf)の前駆体ガスにHf〔N(CH3)(C25)〕4を用い、酸素含有物にオゾン(O3)を用い、パージガスにアルゴンを用いた。なお、上記表1に示した組成比は一例であって、原料ガスによって成膜の組成が変わることがある。 In Table 1, in the “Si—O cycle” S2, [SiH (CH 3 ) 2 ] 20 is used as the precursor gas for silicon (Si), ozone (O 3 ) is used as the oxygen-containing material, and purge gas is used. Argon was used. In the “metal-O cycle” S3, Hf [N (CH 3 ) (C 2 H 5 )] 4 is used as the precursor gas of hafnium (Hf), ozone (O 3 ) is used as the oxygen-containing material, Argon was used as the purge gas. Note that the composition ratios shown in Table 1 above are examples, and the composition of the film formation may vary depending on the source gas.

今、成膜の1サイクルにおいて「Si-Oサイクル」S2を「金属-Oサイクル」S3よりも多く行う場合をステップ1、ステップ3とし、「Si-Oサイクル」S2を「金属-Oサイクル」S3よりも少なく行う場合をステップ2とすると、本発明の金属シリケート膜の製造方法では、ステップ1、ステップ2、ステップ3の順に成膜することで、金属シリケート膜の膜厚方向において膜の内部側より膜の界面側で、金属シリケート膜を構成するシリコンの組成比が金属の組成比と比較して高く、金属シリケート膜の膜厚方向において膜の界面側より膜の内部側で、金属シリケート膜を構成する金属の組成比がシリコンの組成比と比較して高くなる、本発明の金属シリケート膜を製造することができる。よって、膜厚方向においてハフニウムの組成比およびシリコンの組成比を所望の組成比とするハフニウムシリケート膜を形成することができる。   Now, the case where “Si-O cycle” S2 is performed more than “metal-O cycle” S3 in one cycle of film formation is referred to as step 1 and step 3, and “Si-O cycle” S2 is “metal-O cycle”. Assuming that the number of steps is less than S3 is Step 2, in the metal silicate film manufacturing method of the present invention, the film is formed in the order of Step 1, Step 2, and Step 3 so that the inside of the film in the film thickness direction of the metal silicate film. The composition ratio of silicon constituting the metal silicate film is higher than the metal composition ratio on the interface side of the film from the side, and the metal silicate is present on the inner side of the film from the interface side of the film in the film thickness direction of the metal silicate film. The metal silicate film of the present invention in which the composition ratio of the metal constituting the film is higher than the composition ratio of silicon can be produced. Therefore, a hafnium silicate film having a desired composition ratio of hafnium and silicon can be formed in the film thickness direction.

次に、上記3ステップを適用した成膜例について説明する。   Next, a film forming example to which the above three steps are applied will be described.

図5に示すように、まず始めにステップ1を行う、このステップ1では、「Si-Oサイクル」S2のサイクル比1に対して「金属-Oサイクル」S3のサイクル比を1未満として処理を繰り返す。このサイクル比で処理を繰り返すことでシリコン(Si)リッチなハフニウムシリケート膜を形成することができる。すなわち、ハフニウムシリケート膜の界面側(表裏面側)で、ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は0%より大きく30%以下とし、ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は70%以上100%未満となるように、組成比の制御を行う。このように制御されたハフニウムシリケート膜の界面側は酸化シリコンに近い組成となるので、耐熱性が高くなり、熱処理によって結晶化が発生し難くなる。この結果、リーク経路となる結晶粒界が発生し難くなるので、このハフニウムシリケート膜をキャパシタ絶縁膜として用いた場合に結晶粒界を通過してリーク電流が増加するという従来技術の問題が解決される。上記ステップ1によって、成膜しようとするハフニウムシリケート膜の膜厚の例えば10%を形成する。   As shown in FIG. 5, first, step 1 is performed. In this step 1, the cycle ratio of “metal-O cycle” S3 is set to less than 1 with respect to the cycle ratio 1 of “Si—O cycle” S2. repeat. By repeating the process at this cycle ratio, a silicon (Si) -rich hafnium silicate film can be formed. That is, on the interface side (front and back sides) of the hafnium silicate film, the composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is greater than 0% and not more than 30%, and the composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is 70%. The composition ratio is controlled so as to be less than 100%. Since the interface side of the hafnium silicate film thus controlled has a composition close to that of silicon oxide, the heat resistance is increased and crystallization is less likely to occur by heat treatment. As a result, a crystal grain boundary that becomes a leakage path is less likely to occur, so that when the hafnium silicate film is used as a capacitor insulating film, the problem of the prior art that the leakage current increases through the crystal grain boundary is solved. The By the above step 1, for example, 10% of the film thickness of the hafnium silicate film to be formed is formed.

次にステップ2を行う、このステップ2では、「Si-Oサイクル」S2のサイクル比1に対して「金属-Oサイクル」S3のサイクル比を1より多くして処理を繰り返す。このサイクル比で処理を繰り返すことでハフニウム(Hf)リッチなハフニウムシリケート膜を形成することができる。すなわち、ハフニウムシリケート膜の内部側で、ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は0%より大きく70%以下とし、ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は30%以上100%未満となるように、組成比の制御を行う。このように制御されたハフニウムシリケート膜の内部側では、ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は30%以上100%未満であり、ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は0%より大きく70%以下であることから、内部側は酸化ハフニウムに近い組成となるので、金属シリケート膜としての比誘電率の低下を抑制することができる。上記ステップ2によって、成膜しようとするハフニウムシリケート膜の膜厚の例えば80%を形成する。   Next, step 2 is performed. In this step 2, the cycle ratio of the “metal-O cycle” S3 is made larger than 1 with respect to the cycle ratio 1 of the “Si—O cycle” S2, and the process is repeated. By repeating the process at this cycle ratio, a hafnium (Hf) rich hafnium silicate film can be formed. That is, on the inner side of the hafnium silicate film, the composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is greater than 0% and less than or equal to 70%, and the composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is 30% or more and less than 100%. Thus, the composition ratio is controlled. On the inner side of the hafnium silicate film thus controlled, the composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is 30% or more and less than 100%, and the composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is from 0%. Since it is largely 70% or less, the inner side has a composition close to that of hafnium oxide, so that it is possible to suppress a decrease in relative dielectric constant as a metal silicate film. By the above step 2, for example, 80% of the thickness of the hafnium silicate film to be formed is formed.

最後にステップ3を行う、このステップ3では上記ステップ1と同様に、「Si-Oサイクル」S2のサイクル比1に対して「金属-Oサイクル」S3のサイクル比を1未満として処理を繰り返す。このサイクル比で処理を繰り返すことでシリコン(Si)リッチなハフニウムシリケート膜を形成することができる。すなわち、ハフニウムシリケート膜の界面側(表裏面側)で、ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は0%より大きく30%以下とし、ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は70%以上100%未満となるように、組成比の制御を行う。このように制御されたハフニウムシリケート膜の界面側は酸化シリコンに近い組成となるので、耐熱性が高くなり、熱処理によって結晶化が発生し難くなる。この結果、リーク経路となる結晶粒界が発生し難くなるので、このハフニウムシリケート膜をキャパシタ絶縁膜として用いた場合に結晶粒界を通過してリーク電流が増加するという従来技術の問題が解決される。上記ステップ3によって、成膜しようとするハフニウムシリケート膜の膜厚の例えば10%を形成する。   Finally, step 3 is performed. In step 3, as in step 1 above, the cycle ratio of “metal-O cycle” S3 is set to less than 1 with respect to the cycle ratio 1 of “Si—O cycle” S2, and the process is repeated. By repeating the process at this cycle ratio, a silicon (Si) -rich hafnium silicate film can be formed. That is, on the interface side (front and back sides) of the hafnium silicate film, the composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is greater than 0% and not more than 30%, and the composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is 70%. The composition ratio is controlled so as to be less than 100%. Since the interface side of the hafnium silicate film thus controlled has a composition close to that of silicon oxide, the heat resistance is increased and crystallization is less likely to occur by heat treatment. As a result, a crystal grain boundary that becomes a leakage path is less likely to occur, so that when the hafnium silicate film is used as a capacitor insulating film, the problem of the prior art that the leakage current increases through the crystal grain boundary is solved. The By the above step 3, for example, 10% of the film thickness of the hafnium silicate film to be formed is formed.

上記説明したように、ハフニウムシリケート膜は、総膜厚で見た場合、ステップ1:ステップ2:ステップ3=1:8:1程度の割合で成膜処理を繰り返すことが望ましい。例えば総膜厚が5nmのハフニウムシリケート膜を成膜する場合、ステップ1とステップ3で0.5nm、ステップ2で4nmの膜厚に達するよう処理を繰り返せばよい。   As described above, when the hafnium silicate film is viewed in terms of the total film thickness, it is desirable to repeat the film forming process at a ratio of step 1: step 2: step 3 = 1: 8: 1. For example, when a hafnium silicate film having a total film thickness of 5 nm is formed, the process may be repeated to reach a film thickness of 0.5 nm in step 1 and step 3 and 4 nm in step 2.

また、上記説明したように、ハフニウムシリケート膜を形成した後、例えばアンモニア(NH3)雰囲気を用いて、600℃から1000℃の範囲において熱処理を施し、ハフニウムシリケート膜中に窒素を導入しても良い。 Further, as described above, after the hafnium silicate film is formed, heat treatment is performed in the range of 600 ° C. to 1000 ° C. using, for example, an ammonia (NH 3 ) atmosphere, and nitrogen is introduced into the hafnium silicate film. good.

また、上記金属シリケート膜の製造方法では、成膜の1サイクル毎に「金属シリケート膜は所望の組成比・膜厚か否か」S4の判定を行っている。実際の製造ラインでは、成膜の1サイクル毎に膜厚おおび組成比の判定を行うことは成膜時間がかかりすぎる場合もある。そこで、予め成膜の1サイクルにおいて、「Si−Oサイクル」S2および「金属−Oサイクル」S3のそれぞれの実施回数を実験もしくはシミュレーション等により導きだしておいて、成膜を行っても良い。そして、成膜の最後に「金属シリケート膜は所望の組成比・膜厚か否か」S4の判定を行う。このようなシーケンスをとることによって、成膜のスループットの向上が得られる。   In the method for manufacturing the metal silicate film, the determination of “whether the metal silicate film has a desired composition ratio / film thickness” or not is performed for each cycle of film formation. In an actual production line, it may take too much time to determine the film thickness and the composition ratio for each cycle of film formation. Therefore, in one cycle of film formation, the number of executions of “Si-O cycle” S2 and “metal-O cycle” S3 may be derived in advance by experiment or simulation, and film formation may be performed. Then, at the end of the film formation, the determination of “whether the metal silicate film has a desired composition ratio / film thickness” or not is performed. By taking such a sequence, the throughput of film formation can be improved.

本発明の金属シリケート膜の製造方法は、シリコン原子の層を形成するとともにシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する「Si−Oサイクル」S2および金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する「金属−Oサイクル」S3のいずれも少なくとも一回以上行うことを成膜の1サイクルとして成膜を行うため、例えば、金属シリケート膜の界面側を形成する成膜工程では、成膜の一サイクルは、「金属−Oサイクル」S3より「Si−Oサイクル」S2を多く行うことで、酸化シリコン(SiO2)に近い金属シリケート膜を成膜することができる。これによって、Si界面と金属との反応が抑制され、リークパスとなる結晶化が防止できる。このため、この金属シリケート膜をキャパシタの容量絶縁膜に用いた場合には、キャパシタリークを減少させることができる。また、SiO2に近い金属シリケート膜となるので耐熱性も向上する。一方、金属シリケート膜の内部側を形成する成膜工程では、成膜の一サイクルは、「金属−Oサイクル」S3を「Si−Oサイクル」S2より多く行うことで、金属酸化膜に近い金属シリケート膜を成膜することができる。これによって、比誘電率を増加させることが可能になる。このため、この金属シリケート膜をキャパシタの容量絶縁膜に用いた場合には、容量Csを増加させることができるという利点がある。さらに、成膜の1サイクルごとに金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲内か否かを判定することで、所望の膜厚、所望の金属組成比、シリコン組成比に調整することが可能になり、各ステップで金属シリケート膜組成を制御することが可能になる。 The method for producing a metal silicate film of the present invention includes forming a layer of silicon atoms and forming a layer of oxygen atoms on the silicon atom layer, the “Si—O cycle” S2 and a layer of metal atoms, and a metal atom. For example, the interface side of the metal silicate film is formed in order to form the film as one cycle of film formation of at least one of the “metal-O cycle” S3 for forming a layer of oxygen atoms on the metal layer. In the film forming process, one cycle of film forming is to form a metal silicate film close to silicon oxide (SiO 2 ) by performing “Si-O cycle” S2 more than “metal-O cycle” S3. Can do. As a result, the reaction between the Si interface and the metal is suppressed, and crystallization as a leak path can be prevented. For this reason, when this metal silicate film is used as a capacitor insulating film of a capacitor, capacitor leakage can be reduced. Further, since the metal silicate film is close to SiO 2 , the heat resistance is improved. On the other hand, in the film formation process for forming the inner side of the metal silicate film, one cycle of film formation is performed by performing “metal-O cycle” S3 more than “Si-O cycle” S2, thereby making the metal close to the metal oxide film. A silicate film can be formed. This makes it possible to increase the relative dielectric constant. For this reason, when this metal silicate film is used as a capacitor insulating film of a capacitor, there is an advantage that the capacitance Cs can be increased. Further, by determining whether the composition ratio and the film thickness of the metal silicate film are within a desired range for each cycle of film formation, the desired film thickness, the desired metal composition ratio, and the silicon composition ratio are adjusted. It becomes possible to control the metal silicate film composition at each step.

次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る一実施例を、図6および図7の製造工程断面図によって説明する。図6および図7では、一般的なトレンチキャパシタの製造方法に本発明を適用した製造方法を説明する。   Next, an embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention will be described with reference to the manufacturing process sectional views of FIGS. 6 and 7, a manufacturing method in which the present invention is applied to a general trench capacitor manufacturing method will be described.

図6(1)に示すように、半導体基板11表面の薬液処理を行う。この薬液処理には、例えば希フッ酸を用い、半導体基板11表面の自然酸化膜(図示せず)を除去する。上記薬液処理後、上記半導体基板11表面に酸化膜12を形成する。この酸化膜12は、例えば熱酸化法を用い、例えば850℃で半導体基板11表面を熱酸化して例えば2nm程度の酸化膜12を堆積する。続いて、できるだけ放置させずに、上記酸化膜12上に窒化膜13を形成する。この窒化膜13は、例えば780℃の成膜温度で220nm程度の厚さに形成される。続いて、薬液処理により上記窒化膜13表面の不純物を除去する。この薬液には、例えば塩酸とオゾンの混合薬液を用いる。次いで、上記窒化膜13上にマスク層14を形成する。このマスク層14は、例えばホウ素シリケートガラス(BSG)で形成され、例えば700℃の成膜温度で1400nmの厚さに形成される。続いて、例えば回転塗布法を用いて上記酸化膜14上にレジスト膜15を形成する。このレジスト膜15は例えば800nmの厚さに形成される。   As shown in FIG. 6A, the chemical treatment of the surface of the semiconductor substrate 11 is performed. For this chemical treatment, for example, dilute hydrofluoric acid is used, and a natural oxide film (not shown) on the surface of the semiconductor substrate 11 is removed. After the chemical treatment, an oxide film 12 is formed on the surface of the semiconductor substrate 11. The oxide film 12 is formed by, for example, using a thermal oxidation method and thermally oxidizing the surface of the semiconductor substrate 11 at, for example, 850 ° C. to deposit an oxide film 12 having a thickness of, for example, about 2 nm. Subsequently, a nitride film 13 is formed on the oxide film 12 without leaving as much as possible. The nitride film 13 is formed to a thickness of about 220 nm at a film formation temperature of 780 ° C., for example. Subsequently, impurities on the surface of the nitride film 13 are removed by chemical treatment. As this chemical solution, for example, a mixed chemical solution of hydrochloric acid and ozone is used. Next, a mask layer 14 is formed on the nitride film 13. The mask layer 14 is formed of, for example, boron silicate glass (BSG), and is formed to a thickness of 1400 nm at a film formation temperature of 700 ° C., for example. Subsequently, a resist film 15 is formed on the oxide film 14 using, for example, a spin coating method. The resist film 15 is formed with a thickness of 800 nm, for example.

次に、図6(2)に示すように、通常のリソグラフィー技術によって、上記レジスト膜15を加工して、トレンチを形成するための開口部16を形成する。   Next, as shown in FIG. 6B, the resist film 15 is processed by a normal lithography technique to form an opening 16 for forming a trench.

次に、図6(3)に示すように、上記レジスト膜15をエッチングマスクに用いて、上記マスク層14、窒化膜13、酸化膜12に開口部16を延長形成する。この加工には反応性イオンエッチングを用いることができる。その後、上記半導体基板11上の上記レジスト膜15およびパーティクルを除去する。この除去処理は、アッシング処理もしくは薬液処理による。この薬液処理には、例えば硫酸と過酸化水素水との混合薬液を用いることができる。   Next, as shown in FIG. 6 (3), the opening 16 is formed in the mask layer 14, the nitride film 13, and the oxide film 12 by using the resist film 15 as an etching mask. For this processing, reactive ion etching can be used. Thereafter, the resist film 15 and particles on the semiconductor substrate 11 are removed. This removal process is based on an ashing process or a chemical process. In this chemical solution treatment, for example, a mixed chemical solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution can be used.

次に、図6(4)に示すように、上記マスク層14、窒化膜13をエッチングマスクに用いて、半導体基板11をエッチングし、トレンチ17を形成する。このトレンチ17は、例えばテーパを有する状態に形成する。このテーパ角度は例えば85°から90°未満の範囲で設定される。上記エッチング加工には、反応性イオンエッチングを行う。このときのトレンチ17は、例えば5.0μmから8.0μmの範囲の深さを有し、半導体基板11表面での開口は100nmから250nmの範囲を有する。したがって、アスペクト比が40以上のトレンチが形成されることになる。   Next, as shown in FIG. 6 (4), the semiconductor substrate 11 is etched using the mask layer 14 and the nitride film 13 as an etching mask to form a trench 17. The trench 17 is formed to have a taper, for example. This taper angle is set in the range of, for example, 85 ° to less than 90 °. In the etching process, reactive ion etching is performed. At this time, the trench 17 has a depth of, for example, 5.0 μm to 8.0 μm, and an opening on the surface of the semiconductor substrate 11 has a range of 100 nm to 250 nm. Therefore, a trench having an aspect ratio of 40 or more is formed.

次に、例えば薬液処理によって、上記マスク層14を除去する。この薬液処理には、例えば硫酸とフッ酸との混合薬液を用いることができる。その結果、図7(5)に示すように、窒化シリコン膜13表面が露出される。   Next, the mask layer 14 is removed by chemical treatment, for example. For this chemical treatment, for example, a mixed chemical solution of sulfuric acid and hydrofluoric acid can be used. As a result, the surface of the silicon nitride film 13 is exposed as shown in FIG.

次に、図7(6)に示すように、プレート側の電極形成として、トレンチ17内を洗浄する。この洗浄工程では、例えば希フッ酸による洗浄を用いる。その後、ヒ素(As)もしくはリン(P)を気相拡散によりトレンチ17内部の半導体基板11にドーピングして、プレート電極18を形成する。   Next, as shown in FIG. 7 (6), the inside of the trench 17 is cleaned as the electrode formation on the plate side. In this cleaning step, for example, cleaning with dilute hydrofluoric acid is used. Thereafter, arsenic (As) or phosphorus (P) is doped into the semiconductor substrate 11 inside the trench 17 by vapor phase diffusion to form the plate electrode 18.

次に、図7(7)に示すように、上記トレンチ17の内面にキャパシタ絶縁膜19を形成する。このキャパシタ絶縁膜19は、上記実施例1、2,3等で説明した金属シリケート膜(例えばハフニウムシリケート膜)を用いる。   Next, as shown in FIG. 7 (7), a capacitor insulating film 19 is formed on the inner surface of the trench 17. The capacitor insulating film 19 uses the metal silicate film (for example, hafnium silicate film) described in the first, second, third, etc.

まず、トレンチ内の自然酸化膜を除去するために希フッ酸で20secから60secの範囲で洗浄後、たとえばNH3ガス雰囲気用いて600℃から1000℃の範囲において熱処理を施し、トレンチ内のSi表面を窒化させる。続いて、ALD法を用いて、金属シリケート膜(例えばハフニウムシリケート膜)からなるキャパシタ絶縁膜19を形成する。 First, in order to remove the natural oxide film in the trench, the substrate is cleaned with dilute hydrofluoric acid in the range of 20 to 60 seconds, and then subjected to heat treatment in the range of 600 ° C. to 1000 ° C. using, for example, an NH 3 gas atmosphere. Is nitrided. Subsequently, a capacitor insulating film 19 made of a metal silicate film (for example, a hafnium silicate film) is formed by using the ALD method.

上記ハフニウムシリケート膜の成膜方法は、以下のようにして行う。前記図5に示したように、まず始めにステップ1を行う、このステップ1では、シリコン原子の層を形成するとともにシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する「Si-Oサイクル」S2のサイクル比1に対して、金属(ハフニウム)原子の層を形成するとともに金属(ハフニウム)原子の層上に酸素原子の層を形成する「金属-Oサイクル」S3のサイクル比を1未満として処理を繰り返す。このサイクル比で処理を繰り返すことでシリコン(Si)リッチなハフニウムシリケート膜を形成することができる。すなわち、ハフニウムシリケート膜の界面側(表裏面側)で、ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は0%より大きく30%以下とし、ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は70%以上100%未満となるように、組成比の制御を行う。このように制御されたハフニウムシリケート膜の界面側は酸化シリコンに近い組成となるので、耐熱性が高くなり、熱処理によって結晶化が発生し難くなる。この結果、リーク経路となる結晶粒界が発生し難くなるので、このハフニウムシリケート膜をキャパシタ絶縁膜として用いた場合に結晶粒界を通過してリーク電流が増加するという従来技術の問題が解決される。上記ステップ1によって、成膜しようとするハフニウムシリケート膜の膜厚の例えば10%を形成する。   The hafnium silicate film is formed as follows. As shown in FIG. 5, first, step 1 is performed. In this step 1, a silicon atom layer is formed and an oxygen atom layer is formed on the silicon atom layer "Si-O cycle" S2. The cycle ratio of the “metal-O cycle” S3 in which a metal (hafnium) atom layer is formed and an oxygen atom layer is formed on the metal (hafnium) atom layer is set to less than 1 for a cycle ratio of 1. repeat. By repeating the process at this cycle ratio, a silicon (Si) -rich hafnium silicate film can be formed. That is, on the interface side (front and back sides) of the hafnium silicate film, the composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is greater than 0% and not more than 30%, and the composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is 70%. The composition ratio is controlled so as to be less than 100%. Since the interface side of the hafnium silicate film thus controlled has a composition close to that of silicon oxide, the heat resistance is increased and crystallization is less likely to occur by heat treatment. As a result, a crystal grain boundary that becomes a leakage path is less likely to occur, so that when the hafnium silicate film is used as a capacitor insulating film, the problem of the prior art that the leakage current increases through the crystal grain boundary is solved. The By the above step 1, for example, 10% of the film thickness of the hafnium silicate film to be formed is formed.

次にステップ2を行う、このステップ2では、上記「Si-Oサイクル」S2のサイクル比1に対して上記「金属-Oサイクル」S3のサイクル比を1より多くして処理を繰り返す。このサイクル比で処理を繰り返すことでハフニウム(Hf)リッチなハフニウムシリケート膜を形成することができる。すなわち、ハフニウムシリケート膜の内部側で、ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は0%より大きく70%以下とし、ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は30%以上100%未満となるように、組成比の制御を行う。このように制御されたハフニウムシリケート膜の内部側では、ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は30%以上100%未満であり、ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は0%より大きく70%以下であることから、内部側は酸化ハフニウムに近い組成となるので、金属シリケート膜としての比誘電率の低下を抑制することができる。上記ステップ2によって、成膜しようとするハフニウムシリケート膜の膜厚の例えば80%を形成する。   Next, step 2 is performed. In this step 2, the cycle ratio of the “metal-O cycle” S3 is made larger than 1 with respect to the cycle ratio 1 of the “Si—O cycle” S2, and the process is repeated. By repeating the process at this cycle ratio, a hafnium (Hf) rich hafnium silicate film can be formed. That is, on the inner side of the hafnium silicate film, the composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is greater than 0% and less than or equal to 70%, and the composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is 30% or more and less than 100%. Thus, the composition ratio is controlled. On the inner side of the hafnium silicate film thus controlled, the composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is 30% or more and less than 100%, and the composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is from 0%. Since it is largely 70% or less, the inner side has a composition close to that of hafnium oxide, so that it is possible to suppress a decrease in relative dielectric constant as a metal silicate film. By the above step 2, for example, 80% of the thickness of the hafnium silicate film to be formed is formed.

最後にステップ3を行う、このステップ3では上記ステップ1と同様に、上記「Si-Oサイクル」S2のサイクル比1に対して上記「金属-Oサイクル」S3のサイクル比を1未満として処理を繰り返す。このサイクル比で処理を繰り返すことでシリコン(Si)リッチなハフニウムシリケート膜を形成することができる。すなわち、ハフニウムシリケート膜の界面側(表裏面側)で、ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は0%より大きく30%以下とし、ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は70%以上100%未満となるように、組成比の制御を行う。このように制御されたハフニウムシリケート膜の界面側は酸化シリコンに近い組成となるので、耐熱性が高くなり、熱処理によって結晶化が発生し難くなる。この結果、リーク経路となる結晶粒界が発生し難くなるので、このハフニウムシリケート膜をキャパシタ絶縁膜として用いた場合に結晶粒界を通過してリーク電流が増加するという従来技術の問題が解決される。上記ステップ3によって、成膜しようとするハフニウムシリケート膜の膜厚の例えば10%を形成する。   Finally, step 3 is performed. In this step 3, similarly to step 1, the cycle ratio of the “metal-O cycle” S3 is set to less than 1 with respect to the cycle ratio 1 of the “Si—O cycle” S2. repeat. By repeating the process at this cycle ratio, a silicon (Si) -rich hafnium silicate film can be formed. That is, on the interface side (front and back sides) of the hafnium silicate film, the composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is greater than 0% and not more than 30%, and the composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is 70%. The composition ratio is controlled so as to be less than 100%. Since the interface side of the hafnium silicate film thus controlled has a composition close to that of silicon oxide, the heat resistance is increased and crystallization is less likely to occur by heat treatment. As a result, a crystal grain boundary that becomes a leakage path is less likely to occur, so that when the hafnium silicate film is used as a capacitor insulating film, the problem of the prior art that the leakage current increases through the crystal grain boundary is solved. The By the above step 3, for example, 10% of the film thickness of the hafnium silicate film to be formed is formed.

上記説明したように、ハフニウムシリケート膜は、総膜厚で見た場合、ステップ1:ステップ2:ステップ3=1:8:1程度の割合で成膜処理を繰り返すことが望ましい。例えば総膜厚が5nmのハフニウムシリケート膜を成膜する場合、ステップ1とステップ3で0.5nm、ステップ2で4nmの膜厚に達するよう処理を繰り返せばよい。   As described above, when the hafnium silicate film is viewed in terms of the total film thickness, it is desirable to repeat the film forming process at a ratio of step 1: step 2: step 3 = 1: 8: 1. For example, when a hafnium silicate film having a total film thickness of 5 nm is formed, the process may be repeated to reach a film thickness of 0.5 nm in step 1 and step 3 and 4 nm in step 2.

上記シリコン原子の層を形成するとともにシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する「Si-Oサイクル」S2は以下のように行う。   The “Si—O cycle” S2 for forming the silicon atom layer and forming an oxygen atom layer on the silicon atom layer is performed as follows.

前記図4によって説明したように、まずALD装置の成膜チャンバ内に上記前処理を行った基板を収納し、基板を、例えば250℃〜400℃に加熱、保持する。そして「Si前駆体ガスの供給」S21の工程を行う。この工程では、上記基板上にシリコン(Si)前駆体ガスを供給し、基板表面に吸着させる。上記Si前駆体ガスとしては、例えばSi〔N(CH3)(C25)〕4、〔SiH(CH3220を用いることができる。 As described with reference to FIG. 4, first, the substrate that has been subjected to the above pretreatment is housed in the film forming chamber of the ALD apparatus, and the substrate is heated and held at, for example, 250 ° C. to 400 ° C. Then, the process of “supplying Si precursor gas” S21 is performed. In this step, silicon (Si) precursor gas is supplied onto the substrate and adsorbed on the substrate surface. As the Si precursor gas, for example, Si [N (CH 3 ) (C 2 H 5 )] 4 or [SiH (CH 3 ) 2 ] 20 can be used.

次に、「不活性なガスによるパージ」S22の工程を行う。この工程では、基板表面にアルゴン(Ar)ガスを供給して、成膜雰囲気のパージを行い、残留ガスの気相反応を抑制する。この不活性なガスには、アルゴンの他の希ガス、窒素ガス等を用いることができるが、パージ効率、コスト等を考慮するとアルゴンを用いることが好ましい。   Next, the “purging with an inert gas” step S22 is performed. In this step, argon (Ar) gas is supplied to the substrate surface to purge the film formation atmosphere and suppress the gas phase reaction of the residual gas. As the inert gas, other rare gas such as argon, nitrogen gas, or the like can be used, but argon is preferably used in consideration of purge efficiency, cost, and the like.

次に、「酸素含有物の供給」S23の工程を行う。この工程では、オゾン(O3)もしくは水(H2O)を基板表面に供給して、シリコン(Si)原子の層上に酸素(O)原子の層を形成する。 Next, the process of “supply of oxygen-containing material” S23 is performed. In this step, ozone (O 3 ) or water (H 2 O) is supplied to the substrate surface to form an oxygen (O) atom layer on the silicon (Si) atom layer.

次に、「不活性なガスによるパージ」S24の工程を行う。この工程では、基板表面にアルゴン(Ar)ガスを供給して、成膜雰囲気のパージを行い、残留ガスの気相反応を抑制する。この不活性なガスには、アルゴンの他の希ガス、窒素ガス等を用いることができるが、パージ効率、コスト等を考慮するとアルゴンを用いることが好ましい。   Next, the “purging with inert gas” step S24 is performed. In this step, argon (Ar) gas is supplied to the substrate surface to purge the film formation atmosphere and suppress the gas phase reaction of the residual gas. As the inert gas, other rare gas such as argon, nitrogen gas, or the like can be used, but argon is preferably used in consideration of purge efficiency, cost, and the like.

以上のようにシリコン(Si)原子の層上に酸素(O)原子の層を形成する「Si-Oサイクル」S2を行えばよい。   As described above, the “Si—O cycle” S2 for forming a layer of oxygen (O) atoms on a layer of silicon (Si) atoms may be performed.

また、金属(ハフニウム)原子の層を形成するとともに金属(ハフニウム)原子の層上に酸素原子の層を形成する「金属-Oサイクル」S3は以下のように行う。   In addition, the “metal-O cycle” S3 for forming a layer of metal (hafnium) atoms and forming a layer of oxygen atoms on the layer of metal (hafnium) atoms is performed as follows.

前記図4によって説明したように、まずALD装置の成膜チャンバ内に収納されている基板を、例えば250℃〜400℃に加熱、保持する。そして「金属前駆体ガスの供給」S31の工程を行う。この工程では、上記基板上に金属前駆体ガスを供給し、基板表面に吸着させる。例えば、金属シリケート膜としてハフニウムシリケート膜を成膜する場合には、上記ハフニウム前駆体ガスとして、例えば、Hf〔N(CH3)(C25)〕4、Hf〔N(CH324を用いることができる。 As described with reference to FIG. 4, first, the substrate accommodated in the film forming chamber of the ALD apparatus is heated and held at, for example, 250 ° C. to 400 ° C. Then, the process of “supply of metal precursor gas” S31 is performed. In this step, a metal precursor gas is supplied onto the substrate and adsorbed on the substrate surface. For example, when a hafnium silicate film is formed as the metal silicate film, examples of the hafnium precursor gas include Hf [N (CH 3 ) (C 2 H 5 )] 4 , Hf [N (CH 3 ) 2. ] 4 can be used.

次に、「不活性なガスによるパージ」S32の工程を行う。この工程では、基板表面にアルゴン(Ar)ガスを供給して、成膜雰囲気のパージを行い、残留ガスの気相反応を抑制する。この不活性なガスには、アルゴンの他の希ガス、窒素ガス等を用いることができるが、パージ効率、コスト等を考慮するとアルゴンを用いることが好ましい。   Next, the “purging with an inert gas” step S32 is performed. In this step, argon (Ar) gas is supplied to the substrate surface to purge the film formation atmosphere and suppress the gas phase reaction of the residual gas. As the inert gas, other rare gas such as argon, nitrogen gas, or the like can be used, but argon is preferably used in consideration of purge efficiency, cost, and the like.

次に、「酸素含有物の供給」S33の工程を行う。この工程では、酸化性を有するガス、例えばオゾン(O3)もしくは水蒸気(H2O)もしくは過酸化水素(H22)を基板表面に供給して、金属原子の層上に酸素(O)原子の層を形成する。 Next, the process of “supply of oxygen-containing material” S33 is performed. In this step, an oxidizing gas such as ozone (O 3 ), water vapor (H 2 O), or hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is supplied to the substrate surface, and oxygen (O ) Form an atomic layer.

次に、「不活性なガスによるパージ」S34の工程を行う。この工程では、基板表面にアルゴン(Ar)ガスを供給して、成膜雰囲気のパージを行い、残留ガスの気相反応を抑制する。この不活性なガスには、アルゴンの他の希ガス、窒素ガス等を用いることができるが、パージ効率、コスト等を考慮するとアルゴンを用いることが好ましい。   Next, the “purging with an inert gas” step S34 is performed. In this step, argon (Ar) gas is supplied to the substrate surface to purge the film formation atmosphere and suppress the gas phase reaction of the residual gas. As the inert gas, other rare gas such as argon, nitrogen gas, or the like can be used, but argon is preferably used in consideration of purge efficiency, cost, and the like.

以上のような金属原子の層上に酸素(O)原子の層を形成する「金属-Oサイクル」S3を行えばよい。   The “metal-O cycle” S3 for forming a layer of oxygen (O) atoms on the metal atom layer as described above may be performed.

上記ハフニウムシリケート膜からなるキャパシタ絶縁膜19は、成膜した後に、例えばアンモニア(NH3)雰囲気用いて、600℃から1000℃の範囲において熱処理を施し、ハフニウムシリケート膜中に窒素を導入しても良い。 After the capacitor insulating film 19 made of the hafnium silicate film is formed, heat treatment is performed in the range of 600 ° C. to 1000 ° C. using, for example, an ammonia (NH 3 ) atmosphere, and nitrogen is introduced into the hafnium silicate film. good.

次に、図7(8)に示すように、上記キャパシタ絶縁膜19上に上記トレンチ17を埋め込むノード電極20を形成する。このノード電極20は、例えば、ヒ素(As)をドーピングしたアモルファスシリコン膜を480℃から530℃の成膜温度で成膜したものを用いる。その後の工程は、従来から知られている半導体製造工程を行うことができる。   Next, as shown in FIG. 7 (8), the node electrode 20 is formed on the capacitor insulating film 19 to fill the trench 17. As the node electrode 20, for example, an amorphous silicon film doped with arsenic (As) is formed at a film formation temperature of 480 ° C. to 530 ° C. Subsequent processes can be performed by a conventionally known semiconductor manufacturing process.

上記半導体装置の製造方法では、キャパシタ絶縁膜19に本発明の金属シリケート膜を用いたことから、キャパシタ絶縁膜19を成膜した後に1000℃程度の熱工程を行っても、キャパシタ絶縁膜19の界面にシリコンリッチな層が形成されていることから、耐熱性が向上され、金属シリケート膜内部の結晶化を防止し、リーク電流の経路となる結晶粒界の発生が抑制される。また、キャパシタ絶縁膜19の内部は酸化ハフニウムに近い組成となるため、従来のハフニウムシリケート膜に比較して比誘電率を高めることができる。このため、キャパシタ容量Csを増加させることが可能となる。よって、従来のキャパシタ絶縁膜の比誘電率よりもより高い膜を形成し、Cs増加により次世代(例えば、65nm世代、45nm世代、およびそれ以降の世代)の半導体プロセスへの適用が可能となる。   In the semiconductor device manufacturing method, since the metal silicate film of the present invention is used for the capacitor insulating film 19, even if a heat process of about 1000 ° C. is performed after the capacitor insulating film 19 is formed, the capacitor insulating film 19 Since the silicon-rich layer is formed at the interface, the heat resistance is improved, the crystallization inside the metal silicate film is prevented, and the generation of crystal grain boundaries serving as a leakage current path is suppressed. Further, since the inside of the capacitor insulating film 19 has a composition close to that of hafnium oxide, the relative dielectric constant can be increased as compared with the conventional hafnium silicate film. For this reason, the capacitor capacitance Cs can be increased. Therefore, a film having a higher dielectric constant than that of the conventional capacitor insulating film is formed, and application to next-generation semiconductor processes (for example, 65 nm generation, 45 nm generation, and later generations) becomes possible by increasing Cs. .

本発明の金属シリケート膜、その製造方法および半導体装置、その製造方法は、キャパシタの容量絶縁膜に適用することができ、そのキャパシタはメモリ装置の記憶素子に適用することができる。   The metal silicate film of the present invention, its manufacturing method and semiconductor device, and its manufacturing method can be applied to a capacitor insulating film of a capacitor, and the capacitor can be applied to a memory element of a memory device.

金属シリケート膜に係る一実施例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed one Example which concerns on a metal silicate film | membrane. 半導体装置に係る一実施例を示した概略構成断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a semiconductor device. 半導体装置に係る一実施例を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed one Example which concerns on a semiconductor device. 金属シリケート膜の製造方法に係る一実施例を示したフローチャートである。It is the flowchart which showed one Example which concerns on the manufacturing method of a metal silicate film | membrane. 金属シリケート膜の製造方法に係る一実施例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed one Example which concerns on the manufacturing method of a metal silicate film | membrane. 半導体装置の製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図である。It is manufacturing process sectional drawing which showed one Example concerning the manufacturing method of a semiconductor device. 半導体装置の製造方法に係る一実施例を示した製造工程断面図である。It is manufacturing process sectional drawing which showed one Example concerning the manufacturing method of a semiconductor device.

符号の説明Explanation of symbols

101…金属シリケート膜   101 ... Metal silicate film

Claims (28)

金属シリケート膜の膜厚方向において膜の内部側より膜の界面側で、金属シリケート膜を構成するシリコンの組成比が金属の組成比と比較して高く、
前記金属シリケート膜の膜厚方向において膜の界面側より膜の内部側で、金属シリケート膜を構成する金属の組成比がシリコンの組成比と比較して高い
ことを特徴とする金属シリケート膜。
In the film thickness direction of the metal silicate film, the composition ratio of silicon constituting the metal silicate film is higher than the composition ratio of the metal on the interface side of the film from the inner side of the film,
A metal silicate film characterized in that, in the film thickness direction of the metal silicate film, the composition ratio of the metal constituting the metal silicate film is higher than the composition ratio of silicon on the inner side of the film from the interface side of the film.
前記金属シリケート膜はハフニウムシリケート膜からなる
ことを特徴とする請求項1記載の金属シリケート膜。
The metal silicate film according to claim 1, wherein the metal silicate film is made of a hafnium silicate film.
前記金属シリケート膜はハフニウムシリケート膜からなり、
前記ハフニウムシリケート膜の界面側では、
前記ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は0%より大きく30%以下であり、
前記ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は70%以上100%未満である
ことを特徴とする請求項1記載の金属シリケート膜。
The metal silicate film is made of a hafnium silicate film,
On the interface side of the hafnium silicate film,
The composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is greater than 0% and less than or equal to 30%.
The metal silicate film according to claim 1, wherein a composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is 70% or more and less than 100%.
前記金属シリケート膜はハフニウムシリケート膜からなり、
前記ハフニウムシリケート膜の内部側では、
前記ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は30%以上100%未満であり、
前記ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は0%より大きく70%以下である
ことを特徴とする請求項1記載の金属シリケート膜。
The metal silicate film is made of a hafnium silicate film,
On the inside side of the hafnium silicate film,
The composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is 30% or more and less than 100%,
2. The metal silicate film according to claim 1, wherein a composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is greater than 0% and equal to or less than 70%.
前記金属シリケート膜は窒素を含む雰囲気で熱処理された膜からなる
ことを特徴とする請求項1記載の金属シリケート膜。
The metal silicate film according to claim 1, wherein the metal silicate film is a film heat-treated in an atmosphere containing nitrogen.
金属シリケート膜の膜厚方向において膜の内部側より膜の界面側で、金属シリケート膜を構成するシリコンの組成比が金属の組成比と比較して高く、
前記金属シリケート膜の膜厚方向において膜の界面側より膜の内部側で、金属シリケート膜を構成する金属の組成比がシリコンの組成比と比較して高い金属シリケート膜の製造方法であって、
前記金属シリケート膜の成膜は、シリコン原子の層を形成するとともにシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程および金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程のいずれも少なくとも一回以上行うことを成膜の1サイクルとし、
前記金属シリケート膜の界面側を形成する成膜工程では、前記成膜の一サイクルは、金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程よりシリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程を多く行い、
前記金属シリケート膜の内部側を形成する成膜工程では、前記成膜の一サイクルは、金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程よりシリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程を多く行い、
前記成膜の1サイクルごとに、もしくは前記成膜の1サイクルを所定回数繰り返した後に、金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲内か否かを判定する工程を行い、
前記判定において、金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲内の場合には成膜を終了し、
前記判定において、金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲からはずれた場合には前記成膜の1サイクルを再び行う
ことを特徴とする金属シリケート膜の製造方法。
In the film thickness direction of the metal silicate film, the composition ratio of silicon constituting the metal silicate film is higher than the composition ratio of the metal on the interface side of the film from the inner side of the film,
In the film thickness direction of the metal silicate film, the metal silicate film has a higher composition ratio than the silicon composition ratio on the inner side of the film from the film interface side.
The metal silicate film is formed by forming a layer of silicon atoms and forming an oxygen atom layer on the silicon atom layer, and forming a metal atom layer and an oxygen atom layer on the metal atom layer. It is assumed that one of the steps of forming at least one or more times is one cycle of film formation,
In the film formation step of forming the interface side of the metal silicate film, one cycle of the film formation includes forming a layer of metal atoms and forming a layer of silicon atoms from a step of forming a layer of oxygen atoms on the layer of metal atoms. Many steps of forming an oxygen atom layer on a silicon atom layer,
In the film forming step of forming the inner side of the metal silicate film, one cycle of the film formation includes a layer of silicon atoms than a step of forming a layer of metal atoms and an oxygen atom layer on the metal atom layer. Many steps of forming an oxygen atom layer on a silicon atom layer,
Performing a step of determining whether or not the composition ratio and the film thickness of the metal silicate film are within a desired range after each cycle of the film formation or after repeating the film formation cycle a predetermined number of times,
In the determination, if the composition ratio and the film thickness of the metal silicate film are within a desired range, the film formation is terminated,
In the determination, when the composition ratio and the film thickness of the metal silicate film deviate from a desired range, one cycle of the film formation is performed again. The method of manufacturing a metal silicate film,
前記金属シリケート膜の成膜後、前記金属シリケート膜に窒素を含む雰囲気で熱処理を施す
ことを特徴とする請求項6記載の金属シリケート膜の製造方法。
The method for producing a metal silicate film according to claim 6, wherein after the metal silicate film is formed, the metal silicate film is heat-treated in an atmosphere containing nitrogen.
前記シリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程は原子層蒸着法によって行う
ことを特徴とする請求項6記載の金属シリケート膜の製造方法。
The method for producing a metal silicate film according to claim 6, wherein the step of forming the layer of silicon atoms and the step of forming a layer of oxygen atoms on the layer of silicon atoms are performed by an atomic layer deposition method.
前記金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程は原子層蒸着法によって行う
ことを特徴とする請求項6記載の金属シリケート膜の製造方法。
The method for producing a metal silicate film according to claim 6, wherein the step of forming the metal atom layer and the step of forming the oxygen atom layer on the metal atom layer are performed by an atomic layer deposition method.
前記シリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程は、
成膜雰囲気内にシリコンの前駆体ガスを供給する工程と、
前記成膜雰囲気内に不活性なガスを供給して成膜雰囲気のパージを行う工程と、
前記成膜雰囲気内に酸素含有物を供給する工程と、
前記成膜雰囲気内に不活性なガスを供給して成膜雰囲気のパージを行う工程と
を備えたことを特徴とする請求項6記載の金属シリケート膜の製造方法。
The step of forming the layer of silicon atoms and forming the layer of oxygen atoms on the layer of silicon atoms,
Supplying a silicon precursor gas into the film-forming atmosphere;
Supplying an inert gas into the film formation atmosphere to purge the film formation atmosphere;
Supplying an oxygen-containing material in the film-forming atmosphere;
The method for producing a metal silicate film according to claim 6, further comprising: supplying an inert gas into the film formation atmosphere to purge the film formation atmosphere.
前記金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程は、
成膜雰囲気内に金属の前駆体ガスを供給する工程と、
前記成膜雰囲気内に不活性なガスを供給して成膜雰囲気のパージを行う工程と、
前記成膜雰囲気内に酸素含有物を供給する工程と、
前記成膜雰囲気内に不活性なガスを供給して成膜雰囲気のパージを行う工程と
を備えたことを特徴とする請求項6記載の金属シリケート膜の製造方法。
Forming the metal atom layer and forming the oxygen atom layer on the metal atom layer,
Supplying a metal precursor gas in a film-forming atmosphere;
Supplying an inert gas into the film formation atmosphere to purge the film formation atmosphere;
Supplying an oxygen-containing material in the film-forming atmosphere;
The method for producing a metal silicate film according to claim 6, further comprising: supplying an inert gas into the film formation atmosphere to purge the film formation atmosphere.
前記金属シリケート膜はハフニウムシリケート膜からなり、
前記ハフニウムシリケート膜の界面側を形成する成膜工程では、
前記ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は0%より大きく30%以下とし、
前記ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は70%以上100%未満とする
ことを特徴とする請求項6記載の金属シリケート膜の製造方法。
The metal silicate film is made of a hafnium silicate film,
In the film forming process for forming the interface side of the hafnium silicate film,
The composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is greater than 0% and 30% or less,
The method for producing a metal silicate film according to claim 6, wherein a composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is 70% or more and less than 100%.
前記金属シリケート膜はハフニウムシリケート膜からなり、
前記ハフニウムシリケート膜の内部側を形成する成膜工程では、
前記ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は30%以上100%未満であり、
前記ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は0%より大きく70%以下である
ことを特徴とする請求項6記載の金属シリケート膜の製造方法。
The metal silicate film is made of a hafnium silicate film,
In the film forming process for forming the inner side of the hafnium silicate film,
The composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is 30% or more and less than 100%,
The method for producing a metal silicate film according to claim 6, wherein a composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is greater than 0% and equal to or less than 70%.
前記最初の成膜の1サイクルを行う前に、
前記成膜表面を洗浄した後、成膜表面の窒化処理を行う
ことを特徴とする請求項6記載の金属シリケート膜の製造方法。
Before performing one cycle of the first film formation,
The method for producing a metal silicate film according to claim 6, wherein after the film formation surface is cleaned, nitriding treatment is performed on the film formation surface.
電極間に金属シリケート膜を挟んだキャパシタを備えた半導体装置であって、
前記金属シリケート膜は、
前記金属シリケート膜の膜厚方向において膜の中心より膜の界面側で、金属シリケート膜を構成するシリコンの組成比が金属の組成比と比較して高く、
前記金属シリケート膜の膜厚方向において膜の界面側より膜の内部側で、金属シリケート膜を構成する金属の組成比がシリコンの組成比と比較して高い
ことを特徴とする半導体装置。
A semiconductor device comprising a capacitor with a metal silicate film sandwiched between electrodes,
The metal silicate film is
The composition ratio of silicon constituting the metal silicate film is higher than the composition ratio of the metal on the interface side of the film from the center of the film in the film thickness direction of the metal silicate film,
A semiconductor device characterized in that a composition ratio of a metal constituting the metal silicate film is higher than a composition ratio of silicon on the inner side of the film from the interface side of the film in the film thickness direction of the metal silicate film.
前記金属シリケート膜はハフニウムシリケート膜からなる
ことを特徴とする請求項15記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 15, wherein the metal silicate film is made of a hafnium silicate film.
前記金属シリケート膜はハフニウムシリケート膜からなり、
前記ハフニウムシリケート膜の界面側では、
前記ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は0%より大きく30%以下であり、
前記ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は70%以上100%未満である
ことを特徴とする請求項15記載の半導体装置。
The metal silicate film is made of a hafnium silicate film,
On the interface side of the hafnium silicate film,
The composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is greater than 0% and less than or equal to 30%.
The semiconductor device according to claim 15, wherein a composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is 70% or more and less than 100%.
前記金属シリケート膜はハフニウムシリケート膜からなり、
前記ハフニウムシリケート膜の内部側では、
前記ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は30%以上100%未満であり、
前記ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は0%より大きく70%以下である
ことを特徴とする請求項15記載の半導体装置。
The metal silicate film is made of a hafnium silicate film,
On the inside side of the hafnium silicate film,
The composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is 30% or more and less than 100%,
The semiconductor device according to claim 15, wherein a composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is greater than 0% and equal to or less than 70%.
前記金属シリケート膜は窒素を含む雰囲気で熱処理された膜からなる
ことを特徴とする請求項15記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 15, wherein the metal silicate film is a film that is heat-treated in an atmosphere containing nitrogen.
電極間に金属シリケート膜を挟んだキャパシタを備えた半導体装置の製造方法であって、
前記金属シリケート膜の形成工程は、
シリコン原子の層を形成するとともにシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程および金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程のいずれも少なくとも一回以上行うことを成膜の1サイクルとし、
前記金属シリケート膜の界面側を形成する成膜工程では、前記成膜の一サイクルは、金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程よりシリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程を多く行い、
前記金属シリケート膜の内部側を形成する成膜工程では、前記成膜の一サイクルは、金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程よりシリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程を多く行い、
前記成膜の1サイクルごとに、もしくは前記成膜の1サイクルを所定回数繰り返した後に、金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲内か否かを判定する工程を行い、
前記判定において、金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲内の場合には成膜を終了し、
前記判定において、金属シリケート膜の組成比と膜厚とが所望の範囲からはずれた場合には前記成膜の1サイクルを再び行うことで、
金属シリケート膜の膜厚方向において膜の内部側より膜の界面側で、金属シリケート膜を構成するシリコンの組成比が金属の組成比と比較して高く、
前記金属シリケート膜の膜厚方向において膜の界面側より膜の内部側で、金属シリケート膜を構成する金属の組成比がシリコンの組成比と比較して高い金属シリケート膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A method of manufacturing a semiconductor device comprising a capacitor with a metal silicate film sandwiched between electrodes,
The metal silicate film forming step includes:
At least one of the step of forming a layer of silicon atoms and forming a layer of oxygen atoms on the layer of silicon atoms and a step of forming a layer of metal atoms and a layer of oxygen atoms on the layer of metal atoms are included. Doing more than once is one cycle of film formation,
In the film formation step of forming the interface side of the metal silicate film, one cycle of the film formation includes forming a layer of metal atoms and forming a layer of silicon atoms from a step of forming a layer of oxygen atoms on the layer of metal atoms. Many steps of forming an oxygen atom layer on a silicon atom layer,
In the film forming step of forming the inner side of the metal silicate film, one cycle of the film formation includes a layer of silicon atoms than a step of forming a layer of metal atoms and an oxygen atom layer on the metal atom layer. Many steps of forming an oxygen atom layer on a silicon atom layer,
Performing a step of determining whether or not the composition ratio and the film thickness of the metal silicate film are within a desired range after each cycle of the film formation or after repeating the film formation cycle a predetermined number of times,
In the determination, if the composition ratio and the film thickness of the metal silicate film are within a desired range, the film formation is terminated,
In the determination, when the composition ratio and the film thickness of the metal silicate film deviate from the desired range, by performing one cycle of the film formation again,
In the film thickness direction of the metal silicate film, the composition ratio of silicon constituting the metal silicate film is higher than the composition ratio of the metal on the interface side of the film from the inner side of the film,
A metal silicate film having a metal composition ratio higher than that of silicon is formed on the inner side of the film from the interface side of the film in the film thickness direction of the metal silicate film. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記金属シリケート膜の成膜後、前記金属シリケート膜に窒素を含む雰囲気で熱処理を施す
ことを特徴とする請求項20記載の半導体装置の製造方法。
21. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 20, wherein after the metal silicate film is formed, the metal silicate film is subjected to heat treatment in an atmosphere containing nitrogen.
前記シリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程は原子層蒸着法によって行う
ことを特徴とする請求項20記載の半導体装置の製造方法。
21. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 20, wherein the step of forming the silicon atom layer and the step of forming the oxygen atom layer on the silicon atom layer are performed by an atomic layer deposition method.
前記金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程は原子層蒸着法によって行う
ことを特徴とする請求項20記載の半導体装置の製造方法。
21. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 20, wherein the step of forming the metal atom layer and the step of forming the oxygen atom layer on the metal atom layer are performed by an atomic layer deposition method.
前記シリコン原子の層を形成するとともシリコン原子の層上に酸素原子の層を形成する工程は、
成膜雰囲気内にシリコンの前駆体ガスを供給する工程と、
前記成膜雰囲気内に不活性なガスを供給して成膜雰囲気のパージを行う工程と、
前記成膜雰囲気内に酸素含有物を供給する工程と、
前記成膜雰囲気内に不活性なガスを供給して成膜雰囲気のパージを行う工程と
を備えたことを特徴とする請求項20記載の半導体装置の製造方法。
The step of forming the layer of silicon atoms and forming the layer of oxygen atoms on the layer of silicon atoms,
Supplying a silicon precursor gas into the film-forming atmosphere;
Supplying an inert gas into the film formation atmosphere to purge the film formation atmosphere;
Supplying an oxygen-containing material in the film-forming atmosphere;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 20, further comprising: supplying an inert gas into the film formation atmosphere to purge the film formation atmosphere.
前記金属原子の層を形成するととも金属原子の層上に酸素原子の層を形成する工程は、
成膜雰囲気内に金属の前駆体ガスを供給する工程と、
前記成膜雰囲気内に不活性なガスを供給して成膜雰囲気のパージを行う工程と、
前記成膜雰囲気内に酸素含有物を供給する工程と、
前記成膜雰囲気内に不活性なガスを供給して成膜雰囲気のパージを行う工程と
を備えたことを特徴とする請求項20記載の半導体装置の製造方法。
Forming the metal atom layer and forming the oxygen atom layer on the metal atom layer,
Supplying a metal precursor gas in a film-forming atmosphere;
Supplying an inert gas into the film formation atmosphere to purge the film formation atmosphere;
Supplying an oxygen-containing material in the film-forming atmosphere;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 20, further comprising: supplying an inert gas into the film formation atmosphere to purge the film formation atmosphere.
前記金属シリケート膜はハフニウムシリケート膜からなり、
前記ハフニウムシリケート膜の界面側を形成する成膜工程では、
前記ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は0%より大きく30%以下とし、
前記ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は70%以上100%未満とする
ことを特徴とする請求項20記載の半導体装置の製造方法。
The metal silicate film is made of a hafnium silicate film,
In the film forming process for forming the interface side of the hafnium silicate film,
The composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is greater than 0% and 30% or less,
21. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 20, wherein a composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is 70% or more and less than 100%.
前記金属シリケート膜はハフニウムシリケート膜からなり、
前記ハフニウムシリケート膜の内部側を形成する成膜工程では、
前記ハフニウムシリケート膜中のシリコンに対するハフニウムの組成比は30%以上100%未満であり、
前記ハフニウムシリケート膜中のハフニウムに対するシリコンの組成比は0%より大きく70%以下である
ことを特徴とする請求項20記載の半導体装置の製造方法。
The metal silicate film is made of a hafnium silicate film,
In the film forming process for forming the inner side of the hafnium silicate film,
The composition ratio of hafnium to silicon in the hafnium silicate film is 30% or more and less than 100%,
21. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 20, wherein a composition ratio of silicon to hafnium in the hafnium silicate film is greater than 0% and equal to or less than 70%.
前記最初の成膜の1サイクルを行う前に、
前記成膜表面を洗浄した後、成膜表面の窒化処理を行う
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