JP2006093240A - Method of forming film - Google Patents

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JP2006093240A JP2004273968A JP2004273968A JP2006093240A JP 2006093240 A JP2006093240 A JP 2006093240A JP 2004273968 A JP2004273968 A JP 2004273968A JP 2004273968 A JP2004273968 A JP 2004273968A JP 2006093240 A JP2006093240 A JP 2006093240A
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silicate film
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Takeshi Takahashi
高橋  毅
Shintaro Aoyama
真太郎 青山
Akinaga Kakimoto
明修 柿本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of forming a film by which a hafnium silicate gate insulating film which can be raised in the temperature of crystallization without deteriorating interfacial characteristics can be formed by a MOCVD method by introducing nitrogen. <P>SOLUTION: At the time of forming a metallic silicate film on a silicon substrate by the MOCVD method by supplying a first vapor phase raw material containing a metallic element and a second vapor phase raw material containing Si, a step of forming the metallic silicate film is executed at treating pressure set within a pressure range, in which the depositing speed of an oxide component containing the metallic element contained in the metallic silicate constituting the metallic silicate film is lowered when the flow rate of the second vapor phase raw material is increased. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は半導体装置に係り、特に高誘電体膜を有する、超微細化高速半導体装置の製造方法に関する。     The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing an ultrafine high-speed semiconductor device having a high dielectric film.

今日の超高速半導体装置では、微細化プロセスの進歩とともに、0.1μm以下のゲート長が可能になりつつある。一般に微細化とともに半導体装置の動作速度は向上するが、このように非常に微細化された半導体装置では、ゲート絶縁膜の膜厚を、微細化によるゲート長の短縮に伴って、スケーリング則に従って減少させる必要がある。   In today's ultra-high-speed semiconductor devices, gate lengths of 0.1 μm or less are becoming possible as the miniaturization process advances. In general, the operation speed of a semiconductor device increases with miniaturization. However, in such a semiconductor device that is extremely miniaturized, the thickness of the gate insulating film is reduced according to the scaling law as the gate length is shortened by miniaturization. It is necessary to let

しかしゲート長が0.1μm以下になると、ゲート絶縁膜の厚さも、従来の熱酸化膜を使った場合、1〜2nm、あるいはそれ以下に設定する必要があるが、このように非常に薄いゲート絶縁膜ではトンネル電流が増大し、その結果ゲートリーク電流が増大する問題を回避することができない。   However, when the gate length is 0.1 μm or less, the thickness of the gate insulating film needs to be set to 1 to 2 nm or less when the conventional thermal oxide film is used. In the insulating film, the tunnel current increases, and as a result, the problem that the gate leakage current increases cannot be avoided.

このような事情で従来より、比誘電率が熱酸化膜のものよりもはるかに大きく、このため実際の膜厚が大きくても換算膜厚Tox(SiO2膜に換算した場合の膜厚)が小さいTa25やAl23,ZrO2,HfO2、さらにはZrSiO4あるいはHfSiO4のような高誘電体材料(いわゆるhigh−K材料)をゲート絶縁膜に対して適用することが提案されている。このような高誘電体材料を使うことにより、ゲート長が0.1μm以下と、非常に短い超高速半導体装置においても10nm程度の物理的膜厚のゲート絶縁膜を使うことができ、トンネル効果によるゲートリーク電流を抑制することができる。 Under such circumstances, the relative dielectric constant is much larger than that of the thermal oxide film so far, so that even if the actual film thickness is large, the converted film thickness Tox (the film thickness when converted to the SiO 2 film) is large. It is proposed to apply a small dielectric material such as Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , ZrO 2 , HfO 2 , or ZrSiO 4 or HfSiO 4 (so-called high-K material) to the gate insulating film. Has been. By using such a high dielectric material, it is possible to use a gate insulating film having a physical film thickness of about 10 nm even in an extremely short ultrahigh-speed semiconductor device having a gate length of 0.1 μm or less. Gate leakage current can be suppressed.

特にZrSiO4あるいはHfSiO4などの金属シリケート材料は、ZrO2あるいはHfO2のような酸化物材料と比べて多少比誘電率が低下するものの結晶化温度が著しく上昇し、半導体装置の製造工程で使われる熱処理を行った場合でも膜中に結晶化が生じるのを効果的に抑制することができるため、高速半導体装置の高誘電体ゲート絶縁膜材料として極めて好適であると考えられている。また従来、高誘電体ゲート絶縁膜中に窒素を導入し、結晶化を抑制すると共にゲート電極からチャネル領域への、特に拡散係数の大きなBなどのドーパントの拡散を抑制することが行われている。窒素を導入することで結晶化温度を上昇させようとする場合には、窒素原子は膜中のSi原子と結合するのが好ましく、従って高誘電体ゲート絶縁膜は膜中に充分な量のSi原子を含んでいる必要がある。
特開2001−284344号公報 WO03/049173号公報 米国特許第6551948号公報
In particular, a metal silicate material such as ZrSiO 4 or HfSiO 4 has a slightly lower relative dielectric constant than an oxide material such as ZrO 2 or HfO 2 , but the crystallization temperature is remarkably increased, so that it is used in the manufacturing process of semiconductor devices. Even when heat treatment is performed, the occurrence of crystallization in the film can be effectively suppressed. Therefore, it is considered to be extremely suitable as a high dielectric gate insulating film material for a high-speed semiconductor device. Conventionally, nitrogen is introduced into the high dielectric gate insulating film to suppress crystallization and suppress diffusion of a dopant such as B having a large diffusion coefficient from the gate electrode to the channel region. . When nitrogen is introduced to increase the crystallization temperature, nitrogen atoms are preferably bonded to Si atoms in the film, and thus the high dielectric gate insulating film has a sufficient amount of Si in the film. Must contain atoms.
JP 2001-284344 A WO03 / 049173 US Pat. No. 6,551,948

従来、このような高誘電体ゲート絶縁膜は、原子層堆積(ALD)法あるいはMO(有機金属)CVD法により形成できることが知られている。特に1原子層ずつ堆積することで膜を形成するALD法を使った場合、膜中に任意の組成勾配を形成することが可能である。例えば特開2001−284344号公報には、ZrSiO4ゲート絶縁膜において、シリコン基板との界面近傍がSiリッチになるように、また前記界面から離れるにつれてZrリッチになるように、ALD技術を使って組成勾配を形成することが記載されている。一方、ALD法では1原子層ずつ原料ガスを切り替え、さらに間にパージ工程を挟みながら堆積を行うため時間がかかり、半導体装置の製造スループットが低下する問題点を有している。 Conventionally, it is known that such a high dielectric gate insulating film can be formed by atomic layer deposition (ALD) method or MO (organometallic) CVD method. In particular, when an ALD method for forming a film by depositing one atomic layer at a time is used, an arbitrary composition gradient can be formed in the film. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-284344, an ALD technique is used in a ZrSiO 4 gate insulating film so that the vicinity of the interface with the silicon substrate becomes Si-rich and becomes Zr-rich as the distance from the interface increases. It is described to form a composition gradient. On the other hand, the ALD method has a problem that it takes time because the source gas is switched one atomic layer at a time and deposition is performed while a purge process is sandwiched therebetween, and the manufacturing throughput of the semiconductor device is reduced.

これに対しMOCVD法では、有機金属化合物原料を使って一括して堆積を行うため、半導体装置の製造スループットを大きく向上させることができる。一方、MOCVD法を使った場合、特に高誘電体ゲート絶縁膜のように膜厚が最大でも1nm程度の非常に薄い膜を形成しようとすると、成膜中に原料供給量を変更する等の方法では、所望の組成勾配を形成することが困難であった。従来、MOCVD法を使って高誘電体ゲート絶縁膜を形成する場合、厚さ方向にほぼ一様な組成の膜を形成することが想定されていた。   On the other hand, in the MOCVD method, since the deposition is performed using the organometallic compound raw material, the manufacturing throughput of the semiconductor device can be greatly improved. On the other hand, when the MOCVD method is used, particularly when a very thin film having a maximum thickness of about 1 nm, such as a high-dielectric gate insulating film, is to be formed, a method of changing the material supply amount during film formation, etc. Thus, it was difficult to form a desired composition gradient. Conventionally, when a high dielectric gate insulating film is formed using the MOCVD method, it has been assumed to form a film having a substantially uniform composition in the thickness direction.

しかし、例えば高誘電体ゲート絶縁膜の結晶化温度を増大させ、あるいは膜中を通過するドーパントのつきぬけなどの問題を解決するために膜中に窒素原子を導入するような場合、窒素原子が、チャネルが形成されているシリコン基板表面近傍に到達して界面準位などの欠陥を形成しないように、窒素濃度がゲート絶縁膜下面においては低く上面においては高くなるような濃度勾配を形成するのが望ましい。   However, for example, when nitrogen atoms are introduced into the film in order to increase the crystallization temperature of the high dielectric gate insulating film or to solve problems such as penetration of a dopant passing through the film, In order not to reach the vicinity of the surface of the silicon substrate where the channel is formed and form defects such as interface states, a concentration gradient is formed such that the nitrogen concentration is low at the bottom surface of the gate insulating film and high at the top surface. desirable.

また近年、高誘電体ゲート絶縁膜のラフネスとゲートリーク電流との相関も調査されており、ラフネスが大きいほどリーク電流が増大する傾向があることが判明している。MOCVD法により形成された金属シリケート膜では金属元素の含有比率が増すほど金属酸化物相が優勢になり、膜のラフネスが大きくなる。また金属シリケート膜の膜厚方向に組成分布を形成する場合は、膜中の金属元素比率が大きい部分を基点にラフネスが拡大するという問題がある。   In recent years, the correlation between the roughness of the high dielectric gate insulating film and the gate leakage current has been investigated, and it has been found that the leakage current tends to increase as the roughness increases. In the metal silicate film formed by the MOCVD method, the metal oxide phase becomes dominant as the content ratio of the metal element increases, and the roughness of the film increases. In addition, when the composition distribution is formed in the film thickness direction of the metal silicate film, there is a problem that the roughness increases with a base portion where the metal element ratio is large.

実際の半導体装置の製造過程では、チャネル領域のキャリア移動度を向上させるため、高誘電体絶縁膜とシリコン基板との間に、極めて薄い界面層(SiO2またはSiON)を介在させる。このような界面層のシリコン酸化膜上にMOCVD法にて高誘電体絶縁膜を形成する場合、金属アミド化合物のような成膜原料の選択によっては、さらにラフネスを増大させる可能性がある。 In an actual semiconductor device manufacturing process, an extremely thin interface layer (SiO 2 or SiON) is interposed between the high dielectric insulating film and the silicon substrate in order to improve the carrier mobility in the channel region. When a high dielectric insulating film is formed on the silicon oxide film of such an interface layer by MOCVD, the roughness may be further increased depending on the selection of a film forming material such as a metal amide compound.

そこで本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な成膜方法を提供することを概括的課題とする。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is a general object of the present invention to provide a novel and useful film forming method that solves the above problems.

本発明のより具体的な課題は、MOCVD法により、シリコン基板上に窒素原子を含む金属シリケート膜を、前記窒素原子の濃度が前記シリコン基板との界面近傍で小さく、前記界面から離間するにつれて増大するようなプロファイルで含むように形成できる成膜方法を提供することにある。   A more specific problem of the present invention is that a metal silicate film containing nitrogen atoms is formed on a silicon substrate by MOCVD, and the concentration of the nitrogen atoms is small in the vicinity of the interface with the silicon substrate and increases as the distance from the interface is increased. It is an object of the present invention to provide a film forming method that can be formed so as to be included in such a profile.

さらに本発明の他の課題は、MOCVD法により、シリコン基板上に金属シリケート膜を形成する際に、形成される金属シリケート膜のラフネスを低減できる成膜方法を提供することにある。   Still another object of the present invention is to provide a film forming method capable of reducing the roughness of the formed metal silicate film when the metal silicate film is formed on the silicon substrate by MOCVD.

本発明は上記の課題を、
請求項1に記載したように、
有機金属CVD法によるシリコン基板上への金属シリケート膜の形成方法であって、
前記シリコン基板表面に、前記金属シリケート膜を構成する金属元素を含む有機金属化合物よりなる第1の気相原料と有機シリコン化合物よりなる第2の気相原料とを供給する工程と、
前記第1の気相原料と前記第2の気相原料とを前記シリコン基板表面にて分解し、金属シリケート膜を形成する工程と、
前記金属シリケート膜中に窒素原子を導入する工程とよりなり、
前記金属シリケート膜を形成する工程は、単一の成膜条件にて前記金属シリケート膜の膜厚方向に組成傾斜層を形成することを特徴とする成膜方法により、または
請求項2に記載したように、
前記組成傾斜層は、前記金属シリケート膜表面から前記シリコン基板側に向かって金属元素濃度が増加する組成勾配を有することを特徴とする請求項1記載の成膜方法により、または
請求項3に記載したように、
前記第1の原料はターシャリブトキシル基を配位子とする金属アルコシキド原料であり、前記第2の原料は、シリコンアルコキシド原料であることを特徴とする請求項1または2記載の成膜方法により、または
請求項4に記載したように、
前記単一の成膜条件は、前記第2の気相原料の流量を増加すると前記金属シリケート中の前記金属元素の酸化物成分の堆積速度が低下するような圧力範囲内に設定することを特徴とする請求項1〜3のうち、いずれか一項記載の成膜方法により、または
請求項5に記載したように、
前記第2の原料の流量により前記組成勾配を制御する請求項1〜4のうち、いずれか一項記載の成膜方法により、または
請求項6に記載したように、
前記第1の気相原料はターシャリブチルハフニウムよりなり、前記第2の気相原料はテトラエチルオルソシリケートよりなり、前記前記金属シリケート膜はハフニウムシリケートよりなることを特徴とする請求項1記載の成膜方法により、または
請求項7に記載したように、
前記処理圧力は、40Pa以上、133Pa以下であることを特徴とする請求項6記載の成膜方法により、または
請求項8に記載したように、
前記成膜工程において、前記第2の気相原料は、0.05SCCM〜1.0SCCMの範囲の流量で供給されることを特徴とする請求項6または7記載の成膜方法により、または
請求項9に記載したように、
前記成膜工程において、前記前記第1および第2の気相原料は、前記ハフニウムシリケート膜がSiを50原子%を超える濃度で含むように形成されることを特徴とする請求項6〜8のうち、いずれか一項記載の成膜方法により、または
請求項10に記載したように、
前記窒素原子を導入する工程は、窒素ラジカルによるラジカル窒化工程であることを特徴とする請求項1〜9に記載の成膜方法により、または
請求項11に記載したように、
前記窒素ラジカルは、窒素ガスの高周波プラズマ励起により形成されることを特徴とする請求項1〜10に記載の成膜方法により、または
請求項12に記載したように、
前記金属シリケート膜を形成する工程に先立って、前記シリコン基板上にシリコン酸化膜を、紫外光励起酸素ラジカルを使ったラジカル酸化により形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1〜9のうち、いずれか一項記載の成膜方法により、または
請求項13に記載したように、
前記金属シリケート膜を形成するに先立って、前記シリコン酸化膜を窒素ラジカルで窒化する工程をさらに含むことを特徴とする請求項12記載の成膜方法により、または
請求項14に記載したように、
前記窒素ラジカルは、窒素ガスの高周波プラズマ励起により形成されることを特徴とする請求項13記載の成膜方法により、解決する。
The present invention solves the above problems.
As described in claim 1,
A method for forming a metal silicate film on a silicon substrate by an organic metal CVD method,
Supplying a first vapor phase material made of an organometallic compound containing a metal element constituting the metal silicate film and a second vapor phase material made of an organic silicon compound to the silicon substrate surface;
Decomposing the first vapor phase raw material and the second vapor phase raw material on the silicon substrate surface to form a metal silicate film;
A step of introducing nitrogen atoms into the metal silicate film,
The step of forming the metal silicate film includes forming a composition gradient layer in a film thickness direction of the metal silicate film under a single film formation condition, or according to claim 2. like,
The film formation method according to claim 1, wherein the composition gradient layer has a composition gradient in which a metal element concentration increases from the surface of the metal silicate film toward the silicon substrate side. Like
3. The film forming method according to claim 1, wherein the first raw material is a metal alkoxide raw material having a tertiary riboxyl group as a ligand, and the second raw material is a silicon alkoxide raw material. Or as described in claim 4
The single film forming condition is set within a pressure range in which the deposition rate of the oxide component of the metal element in the metal silicate decreases when the flow rate of the second vapor phase raw material is increased. According to any one of claims 1 to 3, or as described in claim 5,
The film forming method according to any one of claims 1 to 4, wherein the composition gradient is controlled by a flow rate of the second raw material, or as described in claim 6.
2. The composition according to claim 1, wherein the first vapor phase raw material is made of tertiary butyl hafnium, the second vapor phase raw material is made of tetraethyl orthosilicate, and the metal silicate film is made of hafnium silicate. By membrane method or as described in claim 7
The process pressure is 40 Pa or more and 133 Pa or less by the film forming method according to claim 6, or as described in claim 8.
The film forming method according to claim 6 or 7, wherein, in the film forming step, the second vapor phase raw material is supplied at a flow rate in a range of 0.05 SCCM to 1.0 SCCM. As described in 9,
9. The film forming step, wherein the first and second vapor phase raw materials are formed so that the hafnium silicate film contains Si at a concentration exceeding 50 atomic%. Among them, according to any one of the film forming methods, or as described in claim 10,
The step of introducing a nitrogen atom is a radical nitridation step with a nitrogen radical, or, as described in claim 11,
The nitrogen radical is formed by high-frequency plasma excitation of nitrogen gas, by the film forming method according to claim 1, or as described in claim 12,
Prior to the step of forming the metal silicate film, the method further includes a step of forming a silicon oxide film on the silicon substrate by radical oxidation using an ultraviolet photoexcited oxygen radical. , By the film forming method according to any one of the above, or as described in claim 13,
The film forming method according to claim 12, further comprising a step of nitriding the silicon oxide film with nitrogen radicals prior to forming the metal silicate film, or as described in claim 14.
The nitrogen radical is formed by the film forming method according to claim 13, wherein the nitrogen radical is formed by high-frequency plasma excitation of nitrogen gas.

本発明によれば、有機金属CVD法によるシリコン基板上への金属シリケート膜の形成を、前記シリコン基板表面に、前記金属シリケート膜を構成する金属元素を含む有機金属化合物よりなる第1の気相原料と有機シリコン化合物よりなる第2の気相原料とを供給し、前記第1の気相原料と前記第2の気相原料とを前記シリコン基板表面にて分解し、金属シリケート膜を形成し、前記金属シリケート膜中に窒素原子を導入することにより行い、その際に前記金属シリケート膜を形成する工程を、前記第1の気相原料が分解して金属酸化物を生成するインキュベーション時間と前記第2の気相原料が分解するインキュベーション時間の差が拡大する単一の成膜条件を設定して実行することにより、前記金属シリケート膜の膜厚方向に組成傾斜層を形成する。前記第2の気相原料のインキュベーション時間が前記第1の気相原料のインキュベーション時間よりも長いため、成膜初期において前記金属元素を高濃度で膜中に取り込むことが可能になる。一方、成膜初期を過ぎると前記第2の気相原料が前記金属元素の膜中への取り込みを抑制し、このため得られる金属シリケート膜は上層部がSiに富んだ組成を有するようになる。例えば本発明によれば、特に前記第1の気相原料としてターシャリブチルハフニウム(HTB)を使い、前記第2の気相原料としてテトラエチルオルソシリケート(TEOS)を使った場合、前記処理圧力を40Pa以上、133Pa以下に設定することにより、下層部においてハフニウム濃度が高く、上層部においてSi濃度の高い、組成勾配を有するハフニウムシリケート膜を形成することができる。このように上層部においてSi濃度の高い金属シリケート膜中に窒素原子を導入して膜の結晶化温度を増大させる場合、窒素原子はSi濃度の高い前記膜上層部に濃集し、シリコン基板との界面近傍に到達するものはわずかである。これにより、界面準位の形成等、半導体装置の電気特性を劣化させることなく、膜中への窒素原子の導入により金属シリケート膜の結晶化温度を上昇させることができる。このような金属シリケート膜をゲート絶縁膜として使った場合、半導体プロセスに伴う熱処理を行っても、ゲート絶縁膜が結晶化することがなく、ゲート電極からチャネル領域へのドーパント元素のつきぬけなど、半導体装置の電気特性を変化させる要因をさらに排除することが可能になる。   According to the present invention, the formation of the metal silicate film on the silicon substrate by the organic metal CVD method is performed on the surface of the silicon substrate by the first vapor phase comprising the organometallic compound containing the metal element constituting the metal silicate film. A raw material and a second vapor phase raw material made of an organic silicon compound are supplied, and the first vapor phase raw material and the second vapor phase raw material are decomposed on the silicon substrate surface to form a metal silicate film. Performing the step of forming the metal silicate film by introducing nitrogen atoms into the metal silicate film, and the step of forming the metal silicate film by decomposing the first vapor phase raw material and generating a metal oxide A composition gradient layer is formed in the thickness direction of the metal silicate film by setting and executing a single film forming condition in which a difference in incubation time for decomposing the second vapor phase raw material is increased. Formation to. Since the incubation time of the second vapor phase raw material is longer than the incubation time of the first vapor phase raw material, the metal element can be taken into the film at a high concentration at the initial stage of film formation. On the other hand, after the initial stage of film formation, the second gas phase raw material suppresses the incorporation of the metal element into the film, and the resulting metal silicate film has a composition rich in Si in the upper layer portion. . For example, according to the present invention, particularly when tertiary butyl hafnium (HTB) is used as the first gas phase raw material and tetraethyl orthosilicate (TEOS) is used as the second gas phase raw material, the processing pressure is set to 40 Pa. As described above, by setting the pressure to 133 Pa or less, it is possible to form a hafnium silicate film having a composition gradient with a high hafnium concentration in the lower layer portion and a high Si concentration in the upper layer portion. In this way, when nitrogen atoms are introduced into the metal silicate film having a high Si concentration in the upper layer portion to increase the crystallization temperature of the film, the nitrogen atoms are concentrated in the upper layer portion of the film having a high Si concentration, and the silicon substrate and Few things reach the vicinity of the interface. Thus, the crystallization temperature of the metal silicate film can be increased by introducing nitrogen atoms into the film without deteriorating the electrical characteristics of the semiconductor device such as the formation of interface states. When such a metal silicate film is used as a gate insulating film, the gate insulating film does not crystallize even when heat treatment associated with the semiconductor process is performed. Factors that change the electrical characteristics of the device can be further eliminated.

特に前記シリコン基板と金属シリケート膜との間に紫外光励起酸素ラジカルにより形成された酸化膜を介在させ、さらにこの酸化膜を窒素ラジカルで窒化しておくことにより、前記金属シリケート膜の組成如何に関わらず、金属シリケート膜表面のラフネスを低減することができる。   In particular, an oxide film formed by ultraviolet light-excited oxygen radicals is interposed between the silicon substrate and the metal silicate film, and this oxide film is nitrided with nitrogen radicals, so that the composition of the metal silicate film is affected. Therefore, the roughness of the surface of the metal silicate film can be reduced.

特に前記金属シリケート膜中のSi原子の濃度を50原子%以上に設定すると、熱処理した後でも前記金属シリケート膜の結晶化を回避することが可能である。   In particular, when the concentration of Si atoms in the metal silicate film is set to 50 atomic% or more, crystallization of the metal silicate film can be avoided even after heat treatment.

[原理]
図1は、本発明で使われるMOCVD装置の構成を示す。
[principle]
FIG. 1 shows the configuration of an MOCVD apparatus used in the present invention.

図1を参照するに、MOCVD装置20はポンプ21により排気される処理容器22を備え、前記処理容器22中には被処理基板Wを保持する保持台22Aが設けられている。   Referring to FIG. 1, the MOCVD apparatus 20 includes a processing container 22 that is evacuated by a pump 21, and a holding table 22 </ b> A that holds a substrate W to be processed is provided in the processing container 22.

また前記処理容器22中には前記被処理基板Wに対向するようにシャワーヘッド22Sが設けられ、前記シャワーヘッド22Sには、酸素ガスを供給するライン22aが図示を省略したMFC(質量流量コントローラ)およびバルブV1を介して接続されている。   Further, a shower head 22S is provided in the processing container 22 so as to face the substrate W to be processed, and a line 22a for supplying oxygen gas is not shown in the shower head 22S. And is connected via a valve V1.

前記MOCVD装置20は、ターシャリブチルハフニウム(HTB)など有機金属化合物原料を保持する容器23Bを備えており、前記容器23B中の有機金属化合物原料は、Heガスなどの圧送ガスにより、流体流量コントローラ22dを経由して気化器22eに供給され、前記気化器22eでArなどのキャリアガスの介助により気化された有機金属化合物原料ガスが、バルブV3を介してシャワーヘッド22Sに供給される。   The MOCVD apparatus 20 includes a container 23B for holding an organic metal compound raw material such as tertiary butyl hafnium (HTB), and the organic metal compound raw material in the container 23B is a fluid flow controller by a pressurized gas such as He gas. The organometallic compound source gas supplied to the vaporizer 22e via 22d and vaporized with the aid of a carrier gas such as Ar in the vaporizer 22e is supplied to the shower head 22S via the valve V3.

さらに前記MOCVD装置20には、TEOSなどの有機シリコン化合物原料を保持する加熱容器23Aを備えており、前記加熱容器23Aで蒸発した前記有機シリコン化合物原料ガスが、MFC22bおよびバルブV2を介してシャワーヘッド22Sに供給される。   Further, the MOCVD apparatus 20 is provided with a heating vessel 23A for holding an organic silicon compound material such as TEOS, and the organic silicon compound material gas evaporated in the heating vessel 23A is supplied to the shower head through the MFC 22b and the valve V2. 22S.

前記シャワーヘッド22S内において前記酸素ガス、有機シリコン化合物原料ガスおよび有機金属化合物原料ガスはそれぞれの経路を通り、前記シャワーヘッド22Sのうち前記シリコン基板Wに対向する面に形成された開口部22sより、前記処理容器22内のプロセス空間に放出される。   In the shower head 22S, the oxygen gas, the organic silicon compound source gas, and the organometallic compound source gas pass through their respective paths, and through an opening 22s formed on the surface of the shower head 22S that faces the silicon substrate W. , And discharged into the process space in the processing vessel 22.

図2は、図1のMOCVD装置20において基板温度を550℃に設定し、HTBガスを0.33SCCM、酸素ガスを300SCCMの流量で供給しながらTEOSガス流量を0(ゼロ)SCCMから徐々に増大させた場合に、前記シリコン基板W上に形成されるHfシリケート膜の堆積速度を、前記処理容器22内のプロセス圧を40Pa(0.3Torr),133Pa(1Torr)および399Pa(3Torr)に設定した場合について求めた結果を示す。ただし図2中、前記Hfシリケート膜の堆積速度は、300秒間堆積を行った後に測定した膜厚により表されている。   2 shows that the substrate temperature is set to 550 ° C. in the MOCVD apparatus 20 of FIG. 1, and the TEOS gas flow rate is gradually increased from 0 (zero) SCCM while supplying HTB gas at a flow rate of 0.33 SCCM and oxygen gas at a flow rate of 300 SCCM. In this case, the deposition rate of the Hf silicate film formed on the silicon substrate W was set such that the process pressure in the processing vessel 22 was 40 Pa (0.3 Torr), 133 Pa (1 Torr), and 399 Pa (3 Torr). The result obtained for the case is shown. However, in FIG. 2, the deposition rate of the Hf silicate film is expressed by the film thickness measured after deposition for 300 seconds.

図2を参照するに、TEOS流量が0SCCMの場合には前記シリコン基板W上にはSiを含まないHfO2膜が堆積するのに対し、TEOS流量が増大すると前記HfO2膜中に含まれるSiの濃度が増大し、膜はHfシリケートの組成を有するようになる。 Referring to FIG. 2, Si that when TEOS flow rate is 0SCCM whereas HfO 2 film is on the silicon substrate W contains no Si is deposited, contained in the HfO 2 film and TEOS flow rate is increased As the concentration of Hf increases, the film has a composition of Hf silicate.

その際、前記プロセス圧を399Pa(3Torr)に設定した場合には、図2よりわかるようにTEOS濃度の増加と共に膜厚も増加するのに対し、前記プロセス圧を133Pa(1Torr)あるいは40Pa(0.3Torr)に設定した場合には、堆積速度はTEOS濃度の増加と共に最初は増大するが、やがて減少に転じることがわかる。   At this time, when the process pressure is set to 399 Pa (3 Torr), as shown in FIG. 2, the film thickness increases as the TEOS concentration increases, whereas the process pressure is 133 Pa (1 Torr) or 40 Pa (0 Torr). .3 Torr), it can be seen that the deposition rate initially increases with an increase in TEOS concentration, but then begins to decrease.

図3は、このようにして得られたHfシリケート膜の屈折率を、TEOS流量の関数として示す図である。   FIG. 3 is a diagram showing the refractive index of the Hf silicate film thus obtained as a function of the TEOS flow rate.

図3を参照するに、TEOS流量が0SCCMの場合、得られた膜は2.05〜2.1の屈折率を有しており、HfO2の屈折率値によく一致している。このことから、前記TEOS流量を0SCCMに設定して形成した膜は、実際にHfO2膜であると考えられる。 Referring to FIG. 3, when the TEOS flow rate is 0 SCCM, the obtained film has a refractive index of 2.05 to 2.1, which closely matches the refractive index value of HfO 2 . From this, it is considered that the film formed with the TEOS flow rate set to 0 SCCM is actually an HfO 2 film.

これに対し、TEOSを原料ガスに添加して形成した膜の場合、屈折率が1.8前後まで低下しているが、SiO2膜の屈折率が1.4程度であることを考えると、このようにして原料ガスにTEOSを添加して形成した膜は、実際にハフニウムシリケート膜であるものと考えられる。 On the other hand, in the case of a film formed by adding TEOS to the source gas, the refractive index is lowered to around 1.8, but considering that the refractive index of the SiO 2 film is about 1.4, The film formed by adding TEOS to the source gas in this way is considered to be a hafnium silicate film.

図4は、得られたハフニウムシリケート膜中のSi濃度Si(Si/(Si+Hf))と屈折率の関係を示す。ただし図4中、前記Si濃度はSiの原子%で示されている。なお本発明では膜中のSi濃度、Hf濃度はXPS法により測定している。   FIG. 4 shows the relationship between the Si concentration Si (Si / (Si + Hf)) and the refractive index in the obtained hafnium silicate film. However, in FIG. 4, the Si concentration is indicated by atomic percent of Si. In the present invention, the Si concentration and Hf concentration in the film are measured by the XPS method.

図4よりわかるように膜中のSi濃度と屈折率との間には明確な対応関係が存在しており、このことから先の図3の関係では、TEOS流量と共に、得られるハフニウムシリケート膜中のSi濃度が変化していることが示されているのがわかる。   As can be seen from FIG. 4, there is a clear correspondence between the Si concentration in the film and the refractive index. Therefore, in the relationship shown in FIG. 3, in the hafnium silicate film obtained along with the TEOS flow rate. It can be seen that the Si concentration is changed.

図5は、先に説明した図2の関係から、図3,図4の関係を使って前記ハフニウムシリケート膜中に含まれるSiO2成分の割合を算出し、この算出されたSiO2成分の割合をもとに、SiO2の比容積を使って前記ハフニウムシリケート膜中におけるSiO2成分の仮想的な堆積速度を算出した結果を示す。同様に図6は、前記図2、図3、図4の関係から前記ハフニウムシリケート膜中に含まれるHfO2成分の割合を算出し、この算出されたHfO2成分の割合をもとにHfO2の比容積を使ってHfO2成分の仮想的な堆積速度を算出した結果を示す。 5 calculates the ratio of the SiO 2 component contained in the hafnium silicate film using the relationship of FIGS. 3 and 4 from the relationship of FIG. 2 described above, and the calculated ratio of the SiO 2 component. based on, shows the result of calculating the virtual deposition rate of the SiO 2 component in the hafnium silicate film with a specific volume of the SiO 2. Similarly, FIG. 6, FIG. 2, FIG. 3, and calculates the ratio of HfO 2 component contained in the hafnium silicate film from the relationship of FIG. 4, HfO 2 the percentage of the calculated HfO 2 component based on The result of having calculated the virtual deposition rate of the HfO 2 component using the specific volume of is shown.

図5、図6を参照するに、プロセス圧が40Pa(0.3Torr)の場合、TEOS供給により膜中にSiO2成分が導入されるとHfO2成分の堆積速度が急減するのがわかる。同様なHfO2成分の堆積速度の低下はプロセス圧が133Pa(1Torr)の場合にも生じているが、プロセス圧が399Pa(3Torr)の場合には生じていないのがわかる。図5,6の現象は、ハフニウムシリケート膜の堆積の際に、処理容器22に導入されたTEOSによりHf原子の堆積が阻止される作用が生じていることを示唆している。 Referring to FIGS. 5 and 6, when the process pressure is 40 Pa (0.3 Torr), it can be seen that the deposition rate of the HfO 2 component sharply decreases when the SiO 2 component is introduced into the film by supplying TEOS. It can be seen that a similar decrease in the deposition rate of the HfO 2 component occurs even when the process pressure is 133 Pa (1 Torr), but does not occur when the process pressure is 399 Pa (3 Torr). The phenomenon of FIGS. 5 and 6 suggests that the deposition of Hf atoms is prevented by TEOS introduced into the processing vessel 22 during the deposition of the hafnium silicate film.

図7は、図2においてTEOS流量をさらに増大し、5〜20SCCMの範囲で変化させた場合の、ハフニウムシリケート膜の堆積速度(左縦軸)および膜中のHf濃度(右側縦軸)を示す。   FIG. 7 shows the deposition rate of the hafnium silicate film (left vertical axis) and the Hf concentration in the film (right vertical axis) when the TEOS flow rate in FIG. 2 is further increased and changed in the range of 5 to 20 SCCM. .

図7を参照するに、TEOS流量の増大と共に堆積速度がやや減少し、これに対応して膜中のHf濃度が20原子%の値、すなわちHf原子とSi原子の比が1:4の割合に収斂しているのがわかる。ただし図7では基板温度を550℃に設定し、前記処理容器22中に酸素ガスを300SCCMの流量で供給しており、HTBをTEOSに対して0.1mol%の割合で導入している。   Referring to FIG. 7, as the TEOS flow rate increases, the deposition rate slightly decreases, and correspondingly, the Hf concentration in the film is 20 atomic%, that is, the ratio of Hf atoms to Si atoms is 1: 4. You can see that they are converging. However, in FIG. 7, the substrate temperature is set to 550 ° C., oxygen gas is supplied into the processing vessel 22 at a flow rate of 300 SCCM, and HTB is introduced at a rate of 0.1 mol% with respect to TEOS.

図8は、以上を勘案した図1のMOCVD装置中において生じているMOCVDプロセスのモデルを示す。   FIG. 8 shows a model of the MOCVD process occurring in the MOCVD apparatus of FIG.

図8を参照するに、HTBがシャワーヘッド22Sから処理容器22内のプロセス空間に導入されると配位子(CH33Cが脱離し、非常に活性な前駆体Hf(OH)4(以下HTB‘と記す)が形成される。このHTB’が前記基板Wの表面あるいはシャワーヘッドの表面に輸送されると、表面反応によりH2Oが脱離してHfO2の堆積が生じる。また脱離したH2Oは前記脱離した配位子(CH33Cと結合し、(CH33C−OHの形で処理容器22外部に排出される。 Referring to FIG. 8, when HTB is introduced from the shower head 22S into the process space in the processing vessel 22, the ligand (CH 3 ) 3 C is desorbed and the very active precursor Hf (OH) 4 ( (Hereinafter referred to as HTB ′). If the HTB 'is transported to the surface of the surface or the shower head of the the substrate W, the deposition HfO 2 occurs by surface reaction H 2 O is eliminated. Further, the desorbed H 2 O is bonded to the desorbed ligand (CH 3 ) 3 C and discharged to the outside of the processing vessel 22 in the form of (CH 3 ) 3 C—OH.

一方、このような反応が生じている低圧の系内にTEOSが導入されると、図8に示すように活性なHTB‘の一部とTEOSが結合して、反応式   On the other hand, when TEOS is introduced into a low-pressure system in which such a reaction occurs, a part of active HTB 'and TEOS are combined as shown in FIG.

であらわされる前駆体(HTB’−TEOS)’が形成される。この前駆体(HTB’−TEOS)’が前記シリコン基板Wの表面に輸送されると、Hfに富んだハフニウムシリケート(HfSiOと記す)膜が堆積する。一方、前記前駆体(HTB’−TEOS)’の一部はシャワーヘッド22Sに輸送され、Hfに富んだハフニウムシリケートが堆積する。 A precursor (HTB′-TEOS) ′ is formed. When this precursor (HTB′-TEOS) ′ is transported to the surface of the silicon substrate W, a Hf-rich hafnium silicate (referred to as HfSiO) film is deposited. Meanwhile, a part of the precursor (HTB′-TEOS) ′ is transported to the showerhead 22S, and Hf-rich hafnium silicate is deposited.

このように低圧の反応では、HTB’によるHfO2膜の堆積反応と(HTB’−TEOS)’の堆積反応とが競合しており、TEOSが導入されるとHTB’によるHfO2の堆積反応が急激に抑制され、先に図5,6で説明したHfO2成分の堆積速度の急激な低下が引き起こされるものと考えられる。 In this way, the low pressure of the reaction, 'the deposition reaction of the HfO 2 film by (HTB'-TEOS)' HTB has deposition reaction and conflicts, is HfO 2 deposition reaction by the TEOS is introduced HTB ' This is considered to be suppressed rapidly and cause a rapid decrease in the deposition rate of the HfO 2 component described above with reference to FIGS.

一方、前記シャワーヘッド22Sに供給されるTEOS流量がさらに増大すると、前記前駆体(HTB’−TEOS)‘にTEOSがさらに結合した、反応式   On the other hand, when the flow rate of TEOS supplied to the shower head 22S is further increased, the reaction formula in which TEOS is further bonded to the precursor (HTB'-TEOS) '.

であらわされる別の前駆体(HTB’−(TEOS))“が形成され、この前駆体(HTB’−(TEOS))“がシリコン基板Wの表面に輸送されるとSiに富んだハフニウムシリケート(HfSiOと記す)が堆積する。またその際、一部の前駆体(HTB‘−(TEOS))“は、前記シャワーヘッド22Sの表面に輸送されてSiに富んだハフニウムシリケート膜の堆積を生じる。この前駆体(HTB’−(TEOS))“が関わる反応は、133Pa(1Torr)を超える通常のMOCVDプロセスにおいて支配的となる反応である。 Is formed, and when this precursor (HTB '-(TEOS)) "is transported to the surface of the silicon substrate W, the Si-rich hafnium silicate ( HfSiO) is deposited. At this time, a part of the precursor (HTB ′-(TEOS)) ”is transported to the surface of the showerhead 22S to cause the deposition of a Si-rich hafnium silicate film. This precursor (HTB ′-( The reaction involving TEOS)) "is the dominant reaction in the normal MOCVD process above 133 Pa (1 Torr).

前記別の前駆体(HTB’−(TEOS))“は、1個のHf原子にそれぞれの酸素原子を介して4個のSi原子が結合した構造を有しており、このような前駆体が関与する反応により形成されたハフニウムシリケート膜では、膜中におけるHf原子とSi原子の比が、図7に示すように1:4になる傾向が生じる。   The another precursor (HTB ′-(TEOS)) ”has a structure in which four Si atoms are bonded to one Hf atom via each oxygen atom. In the hafnium silicate film formed by the reaction involved, the ratio of Hf atoms to Si atoms in the film tends to be 1: 4 as shown in FIG.

図9は、図1のMOCVD装置20において40Pa(0.3Torr)の圧力下において形成されるハフニウムシリケート膜の膜厚と、原子%であらわしたSi濃度(Si/(Si+Hf))との関係を示す。   FIG. 9 shows the relationship between the film thickness of the hafnium silicate film formed under the pressure of 40 Pa (0.3 Torr) in the MOCVD apparatus 20 of FIG. 1 and the Si concentration (Si / (Si + Hf)) expressed in atomic%. Show.

図9を参照するに、成膜実験は550℃の基板温度でTEOS流量を様々に変化させながら行っているが、形成されるハフニウムシリケート膜中のSi濃度には矢印で示す極小点が生じており、ハフニウムシリケート膜の膜厚が大きい場合には膜中のSi濃度が高く、一方形成されるハフニウムシリケート膜の膜厚が減少すると膜中のHf濃度が増加する傾向が生じているのがわかる。   Referring to FIG. 9, the film formation experiment was performed while changing the TEOS flow rate at various substrate temperatures of 550 ° C., but there was a minimum point indicated by an arrow in the Si concentration in the formed hafnium silicate film. When the film thickness of the hafnium silicate film is large, the Si concentration in the film is high. On the other hand, when the film thickness of the formed hafnium silicate film decreases, the Hf concentration in the film tends to increase. .

図9において前記ハフニウムシリケート膜の膜厚がさらに減少すると膜中のSi濃度は再び増加するが、これはハフニウムシリケート膜とシリコン基板Wとの界面に形成されたSiO2を主成分とする界面膜中のSiが検出されているものと推測される
図10(A),(B)は、図9の結果をもとに導出された、シリコン基板41上に39.9Pa(0.3Torr)の圧力下において形成されたハフニウムシリケート膜42のモデルを示す。ただし図10(A)はTEOS流量を0.05SCCMに設定した場合を、図10(B)はTEOS流量を1.0SCCMに設定した場合を示している。
In FIG. 9, when the thickness of the hafnium silicate film further decreases, the Si concentration in the film increases again. This is an interface film mainly composed of SiO 2 formed at the interface between the hafnium silicate film and the silicon substrate W. 10A and 10B are estimated to be 39.9 Pa (0.3 Torr) on the silicon substrate 41 derived from the result of FIG. The model of the hafnium silicate film | membrane 42 formed under pressure is shown. However, FIG. 10A shows the case where the TEOS flow rate is set to 0.05 SCCM, and FIG. 10B shows the case where the TEOS flow rate is set to 1.0 SCCM.

図10(A),(B)を参照するに、前記シリコン基板41とハフニウムシリケート膜42との間にはSiO2を主成分とした界面層41Aが形成されており、特にTEOS流量を0.05SCCMに設定した場合には、図10(A)に示すように前記ハフニウムシリケート膜42のうち、前記界面層41Aに接する部分に、Hf濃度が前記界面層41Aに向かって増大するハフニウムシリケート組成傾斜層42Aが、前記ハフニウムシリケート膜42の膜厚の実質的な部分にわたって形成されるのがわかる。 Referring to FIGS. 10A and 10B, an interface layer 41A mainly composed of SiO 2 is formed between the silicon substrate 41 and the hafnium silicate film 42. When set to 05 SCCM, a hafnium silicate composition gradient in which the Hf concentration increases toward the interface layer 41A in the portion of the hafnium silicate film 42 in contact with the interface layer 41A as shown in FIG. It can be seen that the layer 42A is formed over a substantial portion of the thickness of the hafnium silicate film 42.

これに対し、図10(B)に示すように前記TEOS流量を1.0SCCMに増大させた場合には、この組成傾斜層42Aの厚さは著しく減少する。   On the other hand, when the TEOS flow rate is increased to 1.0 SCCM as shown in FIG. 10B, the thickness of the composition gradient layer 42A is remarkably reduced.

先に図2の関係に関連して図5,6で説明した関係を参照すると、HTBとTEOSを原料として使った低圧でのMOCVDプロセスでは、前駆体(HTB’−TEOS)’のインキュベーション時間が、前駆体(HTB’)のそれよりも長いため、成膜の初期にはHTB’からHfO2膜が成長し、その後で(HTB’−TEOS)’からハフニウムシリケート膜が成長すると考えられる。その結果、Hf濃度の高い膜の上にSi濃度の高い膜が形成され、組成勾配を有する膜が自然に形成されるものと考えられる。 5 and 6 with reference to the relationship of FIG. 2, the incubation time of the precursor (HTB′-TEOS) ′ is low in the low-pressure MOCVD process using HTB and TEOS as raw materials. , 'longer than that of, the initial deposition HTB precursor (HTB)' HfO 2 film is grown from, considered then (HTB'-TEOS) 'hafnium silicate film grows from. As a result, it is considered that a film having a high Si concentration is formed on a film having a high Hf concentration, and a film having a composition gradient is naturally formed.

同様の関係は、前記MOCVDプロセスを133Pa(1Torr)のプロセス圧で行った場合、換言すると、前記プロセス圧を、前記TEOS流量を増加すると成膜速度の低下が生じるような圧力範囲内に設定して成膜を行った場合においても成立すると考えられる。

[第1実施例]
図11は、本発明第1実施例による、前記シリコン基板41上へのハフニウムシリケート膜を使ったゲート絶縁膜の形成方法を示すフローチャート、図12(A),(B)は、図12のプロセスにより形成される半導体装置の構成を示す図である。ただし図12(B)は、図12(A)のハフニウムシリケート膜42中における窒素原子の濃度分布を示している。
A similar relationship is that when the MOCVD process is performed at a process pressure of 133 Pa (1 Torr), in other words, the process pressure is set within a pressure range in which the film formation rate decreases when the TEOS flow rate is increased. It is considered that this is true even when the film is formed.

[First embodiment]
FIG. 11 is a flowchart showing a method of forming a gate insulating film using a hafnium silicate film on the silicon substrate 41 according to the first embodiment of the present invention, and FIGS. 12A and 12B show the process of FIG. It is a figure which shows the structure of the semiconductor device formed by these. However, FIG. 12B shows the concentration distribution of nitrogen atoms in the hafnium silicate film 42 of FIG.

図11を参照するに、最初にステップ1においてHF処理したシリコン基板41を図1のMOCVD装置20の処理容器22中に被処理基板Wとして導入し、ステップ2において前記処理容器22を40Pa(0.3Torr)以上、133Pa(1Torr)以下のプロセス圧に設定する。さらにHTBとTEOSを供給することにより、前記シリコン基板41表面に、下部においてHfに富み上部においてSiに富む組成傾斜層42Aを含むハフニウムシリケート膜42を堆積すると同時に、前記シリコン基板41とハフニウムシリケート膜42との界面に界面層41Aを形成する。   Referring to FIG. 11, first, the silicon substrate 41 subjected to the HF treatment in step 1 is introduced as the substrate W to be processed into the processing container 22 of the MOCVD apparatus 20 in FIG. 1, and in step 2, the processing container 22 is set to 40 Pa (0 .. 3 Torr) to 133 Pa (1 Torr) or less. Further, by supplying HTB and TEOS, the silicon substrate 41 and the hafnium silicate film are simultaneously deposited on the surface of the silicon substrate 41, including a hafnium silicate film 42 including a composition gradient layer 42A rich in Hf at the bottom and rich in Si at the top. An interface layer 41 A is formed at the interface with 42.

図11のステップ2においては、TEOS流量を0.05SCCM〜1.0SCCMの範囲において設定することにより、前記組成傾斜層42A中におけるHf濃度を適宜設定できる。   In Step 2 of FIG. 11, the Hf concentration in the composition gradient layer 42A can be appropriately set by setting the TEOS flow rate in the range of 0.05 SCCM to 1.0 SCCM.

さらに図11の工程においては前記ステップ2の後、ステップ3において前記ハフニウムシリケート膜42に対し、例えばプラズマ窒化処理などにより窒素原子を導入し、その後でステップ4において前記ハフニウムシリケート膜42上に、図12(A)に示すようにポリシリコンなどのゲート電極43を形成する。すなわち図12(A)は、本発明第1実施例による半導体装置40の構成を示す図である。   Further, in the process of FIG. 11, after step 2, in step 3, nitrogen atoms are introduced into the hafnium silicate film 42 by, for example, plasma nitriding, and then in step 4, the hafnium silicate film 42 is formed on the hafnium silicate film 42. 12A, a gate electrode 43 such as polysilicon is formed. 12A is a diagram showing a configuration of the semiconductor device 40 according to the first embodiment of the present invention.

本実施例では図11のステップ3の工程において前記ハフニウムシリケート膜42中に窒素原子を導入する際に、前記ハフニウムシリケート膜42中に、上部がSiに富み下部がHfに富んだ組成傾斜層42Aが形成されているため、導入された窒素原子の大部分は前記ハフニウムシリケート膜42の上部においてSi原子と結合し、その結果、前記ハフニウムシリケート膜42中には、図12(B)に示すように膜上部において濃度が高く、膜下部において濃度が低くなるような窒素プロファイルが形成される。このような窒素プロファイルを有するハフニウムシリケート膜42では、膜下部に到達する窒素原子の数はわずかである。   In this embodiment, when nitrogen atoms are introduced into the hafnium silicate film 42 in the step 3 of FIG. 11, the composition gradient layer 42A rich in Si in the upper part and rich in Hf in the lower part in the hafnium silicate film 42. Therefore, most of the introduced nitrogen atoms are bonded to Si atoms in the upper part of the hafnium silicate film 42. As a result, the hafnium silicate film 42 has a structure as shown in FIG. A nitrogen profile is formed such that the concentration is high in the upper part of the film and lower in the lower part of the film. In the hafnium silicate film 42 having such a nitrogen profile, the number of nitrogen atoms reaching the lower part of the film is small.

また、前記ハフニウムシリケート膜42の下部に窒素原子が到達しても、このような窒素原子の大部分は、前記ハフニウムシリケート膜42とシリコン基板41との界面に形成されたSiO2を主成分とする界面膜41A中に固定され、その結果、前記シリコン基板41の表面に到達した窒素原子によるシリコン基板表面における界面準位などの欠陥形成が効果的に抑制される。 Even if nitrogen atoms reach the lower part of the hafnium silicate film 42, most of the nitrogen atoms are mainly composed of SiO 2 formed at the interface between the hafnium silicate film 42 and the silicon substrate 41. As a result, the formation of defects such as interface states on the surface of the silicon substrate due to the nitrogen atoms reaching the surface of the silicon substrate 41 is effectively suppressed.

またこのように本実施例によれば、前記ハフニウムシリケート膜42の上部には高濃度で窒素原子が含まれるため、この部分において膜42の結晶化が抑制され、前記ハフニウムシリケート膜42の上部に形成されるポリシリコンなどのゲート電極(図示せず)からの前記シリコン基板41への、前記ハフニウムシリケート膜42中に形成された結晶粒界を介したドーパント元素の拡散あるいはリーク電流の発生が効果的に抑制される。さらにこのようにハフニウムシリケート膜42中に窒素原子を導入することにより膜42の比誘電率が向上し、換算膜厚Toxがさらに低減される。   As described above, according to this embodiment, since the upper portion of the hafnium silicate film 42 contains nitrogen atoms at a high concentration, the crystallization of the film 42 is suppressed in this portion, and the hafnium silicate film 42 is formed on the upper portion of the hafnium silicate film 42. Diffusion of a dopant element or generation of a leak current from a formed gate electrode (not shown) such as polysilicon to the silicon substrate 41 via a crystal grain boundary formed in the hafnium silicate film 42 is effective. Is suppressed. Further, by introducing nitrogen atoms into the hafnium silicate film 42 in this way, the relative dielectric constant of the film 42 is improved, and the equivalent film thickness Tox is further reduced.

なお、図11のステップ3においける窒化処理は、WO03/049173号に記載のような高周波リモートプラズマ源を使った窒化処理、あるいは米国特許第6551948号公報に記載されたマイクロ波プラズマ基板処理装置を使うことが可能である。また図11のステップ3の窒化処理は、例えば前記ハフニウムシリケート膜42をNOガスあるいはN2Oガスなどの窒素雰囲気に露出することによって行うことも可能である。 Note that the nitriding treatment in Step 3 of FIG. 11 is a nitriding treatment using a high-frequency remote plasma source as described in WO 03/049173, or a microwave plasma substrate processing apparatus described in US Pat. No. 6,551,948. Can be used. In addition, the nitriding treatment in Step 3 of FIG. 11 can be performed by exposing the hafnium silicate film 42 to a nitrogen atmosphere such as NO gas or N 2 O gas, for example.

図13は、このようにして形成された本実施例によるハフニウムシリケート膜およびHfO2膜の成膜直後のX線回折図形を、また図14は同じハフニウムシリケート膜およびHfO2膜の1000℃における急速熱処理(RTP)工程の後でのX線回折図形を示す。 FIG. 13 shows an X-ray diffraction pattern immediately after the formation of the hafnium silicate film and the HfO 2 film according to this example formed as described above, and FIG. 14 shows the rapid growth of the same hafnium silicate film and the HfO 2 film at 1000 ° C. 2 shows an X-ray diffraction pattern after a heat treatment (RTP) step.

図13を参照するに、HfO2膜の場合には堆積直後の状態においても膜は結晶化しており、さらにSi濃度が17原子%程度のハフニウムシリケート膜でも結晶化が多少生じているのがわかる。また図14より、このような膜に対して熱処理を行った場合には、Siを50原子%程度の濃度で含む膜であっても結晶化が生じているのがわかる。 Referring to FIG. 13, it can be seen that in the case of the HfO 2 film, the film is crystallized even in the state immediately after the deposition, and further, the crystallization is slightly generated even in the hafnium silicate film having the Si concentration of about 17 atomic%. . Further, FIG. 14 shows that when such a film is subjected to heat treatment, crystallization occurs even in a film containing Si at a concentration of about 50 atomic%.

一方、先に説明した図11のステップ3の工程においてハフニウムシリケート膜中に窒素原子を導入することにより膜の結晶化温度が上昇し、このような膜の結晶化を抑制することが可能になる。

[第2実施例]
先の実施例においては、HF処理したシリコン基板上にハフニウムシリケート膜をMOCVD法により直接に形成して組成傾斜層を形成していたが、本発明の発明者はシリコン基板上にシリコン基板表面を覆うように界面酸化膜あるいは界面酸窒化膜を予め形成し、その上に前記ハフニウムシリケート膜をMOCVD法により堆積した場合にも、同様な組成傾斜層が形成されるかどうかの検証実験を、本発明の第2実施例として行った。
On the other hand, by introducing nitrogen atoms into the hafnium silicate film in the step 3 of FIG. 11 described above, the crystallization temperature of the film rises, and it becomes possible to suppress crystallization of such a film. .

[Second Embodiment]
In the previous embodiment, the hafnium silicate film was directly formed on the HF-treated silicon substrate by the MOCVD method to form the composition gradient layer. However, the inventor of the present invention applied the silicon substrate surface on the silicon substrate. An interfacial oxide film or interfacial oxynitride film is formed in advance so as to cover, and even when the hafnium silicate film is deposited thereon by the MOCVD method, a verification experiment is conducted to confirm whether a similar composition gradient layer is formed. This was carried out as a second embodiment of the invention.

図15は、本実施例第2実施例において作成した半導体装置60の構成を示す。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。   FIG. 15 shows the configuration of the semiconductor device 60 created in the second embodiment of the present embodiment. However, in the figure, the same reference numerals are assigned to portions corresponding to the portions described above, and description thereof is omitted.

図15を参照するに、本実施例ではシリコン基板41上に紫外光励起酸素ラジカルにより酸化膜を0.4nm程度の膜厚に形成し、さらにこれをリモートプラズマ励起した窒素ラジカルにより処理することにより、厚さが0.5nm程度の酸窒化膜41Bを形成している。かかるシリコン基板表面の紫外光励起酸素ラジカルによる酸化膜形成は、典型的には2.66Pa(0.02Torr)の圧力下、450℃の基板温度で酸素ガスを基板表面に供給しながらこれを波長が172nmの紫外光により励起することで実行される。また前記酸化膜の窒化処理は、例えばトロイダル型のリモートプラズマ源を使い、これにArガスと窒素ガスを供給し、400kHz程度の高周波励起を行うことで形成された窒素ラジカルを使って行われる。WO03/049173号公報を参照。   Referring to FIG. 15, in this embodiment, an oxide film is formed to a thickness of about 0.4 nm on the silicon substrate 41 by ultraviolet light excited oxygen radicals, and this is further processed by nitrogen radicals excited by remote plasma, An oxynitride film 41B having a thickness of about 0.5 nm is formed. The formation of an oxide film by ultraviolet light-excited oxygen radicals on the surface of the silicon substrate is typically performed at a wavelength of 2.66 Pa (0.02 Torr) while supplying oxygen gas to the substrate surface at a substrate temperature of 450 ° C. It is executed by exciting with ultraviolet light of 172 nm. The nitriding treatment of the oxide film is performed using, for example, a nitrogen radical formed by using a toroidal type remote plasma source, supplying Ar gas and nitrogen gas thereto, and performing high frequency excitation of about 400 kHz. See WO03 / 049173.

一方、前記図1のMOCVD装置20を使ったハフニウムシリケート膜42の堆積は、かかる酸窒化膜41B上においてなされる。   On the other hand, the hafnium silicate film 42 is deposited on the oxynitride film 41B using the MOCVD apparatus 20 of FIG.

図16は、このようにして前記酸窒化膜41B上に形成したハフニウムシリケート膜42について求めた、膜厚と膜中におけるSi濃度との関係を、シリコン基板41上に直接に形成したハフニウムシリケート膜と比較して示す図である。ただし図16の関係は、前記ハフニウムシリケート膜の堆積を40Pa(0.3Torr)の圧力下、550℃の基板温度で行った場合のものである。   FIG. 16 shows the relationship between the film thickness and the Si concentration in the film obtained for the hafnium silicate film 42 formed on the oxynitride film 41B in this way, and the hafnium silicate film formed directly on the silicon substrate 41. FIG. However, the relationship of FIG. 16 is the case where the deposition of the hafnium silicate film is performed at a substrate temperature of 550 ° C. under a pressure of 40 Pa (0.3 Torr).

図16を参照するに、ハフニウムシリケート膜42の成膜を酸窒化膜41B上において行った場合であっても、膜厚が小さい場合には膜中にHfの濃集が生じており、膜下部においてHfに富み、膜上部においてSiに富むような組成傾斜層が形成されているのがわかる。   Referring to FIG. 16, even when the hafnium silicate film 42 is formed on the oxynitride film 41B, when the film thickness is small, Hf is concentrated in the film, It can be seen that a composition gradient layer rich in Hf and rich in Si is formed in the upper part of the film.

先の実施例と同様に、このような組成傾斜層はTEOS流量を増加すると成膜速度の低下が生じるような圧力範囲内に設定した40〜133Pa(0.3〜1Torr)の処理圧力においてMOCVDプロセスを実行することにより形成することができる。また本実施例においても前記ハフニウムシリケート膜42中に窒素原子を導入することにより前記膜42中に、膜表面において窒素濃度が高く膜下面において窒素濃度が低い窒素濃度分布を形成することが可能である。   Similar to the previous embodiment, such a composition gradient layer is MOCVD at a processing pressure of 40 to 133 Pa (0.3 to 1 Torr) set within a pressure range in which the film formation rate is lowered when the TEOS flow rate is increased. It can be formed by executing a process. Also in this embodiment, by introducing nitrogen atoms into the hafnium silicate film 42, it is possible to form a nitrogen concentration distribution with a high nitrogen concentration on the film surface and a low nitrogen concentration on the film lower surface in the film 42. is there.

図17は、図15の構造について求めたC−V特性を、また図18はこのC−V特性から求められたハフニウムシリケート膜42の比誘電率を示す。ただしこの測定では前記シリコン基板41として比抵抗が0.6〜1.5Ω・cmの基板を使い、またハフニウムシリケート膜42としては、Si濃度が50%の膜を使っている。   17 shows the CV characteristics obtained for the structure of FIG. 15, and FIG. 18 shows the relative dielectric constant of the hafnium silicate film 42 obtained from the CV characteristics. However, in this measurement, a substrate having a specific resistance of 0.6 to 1.5 Ω · cm is used as the silicon substrate 41, and a film having a Si concentration of 50% is used as the hafnium silicate film 42.

図17を参照するに、C−V特性の測定はエリプソメトリで測定した物理的膜厚の異なる3種類の試料(24nm,16nm,9.5nm)について、印加電圧を−4Vから+8Vまで変化させながら行われているが、図18よりわかるように実測膜厚と酸化膜換算膜厚(Tox)との間には良好な直線関係が成立しており、ハフニウムシリケート膜42の比誘電率kは11.0であると算出される。   Referring to FIG. 17, CV characteristics are measured by changing the applied voltage from -4V to + 8V for three types of samples (24 nm, 16 nm, and 9.5 nm) having different physical film thicknesses measured by ellipsometry. However, as can be seen from FIG. 18, a good linear relationship is established between the actually measured film thickness and the equivalent oxide film thickness (Tox), and the relative dielectric constant k of the hafnium silicate film 42 is It is calculated to be 11.0.

図19は、図15の構成において前記界面膜41Bの膜厚を様々に変化させた場合のハフニウムシリケート膜42の表面あらさRaを示す。図中、「UVO2」は前記界面膜41Bを紫外光励起酸素ラジカルにより形成した場合を、「UVO2+RFN」は、前記界面膜41Bを、前記紫外光励起酸素ラジカルにより形成したシリコン酸化膜を高周波リモートプラズマ励起により形成した窒素ラジカルで窒化した場合を示す。一方、「HF-last」は、前記界面膜41Bを設けずに、第1実施例のようにHF処理したシリコン基板41上に直接にハフニウムシリケート膜42を堆積した場合を示す。ただし横軸の界面膜41Bの膜厚は、XPS法により測定したものである。 FIG. 19 shows the surface roughness Ra of the hafnium silicate film 42 when the thickness of the interface film 41B is variously changed in the configuration of FIG. In the figure, “UVO 2 ” indicates the case where the interface film 41 B is formed by ultraviolet photoexcited oxygen radicals, and “UVO 2 + RFN” indicates that the interface film 41 B is a silicon oxide film formed by the ultraviolet photoexcited oxygen radicals as a high-frequency remote. The case of nitriding with nitrogen radicals formed by plasma excitation is shown. On the other hand, “HF-last” indicates a case where the hafnium silicate film 42 is deposited directly on the HF-treated silicon substrate 41 as in the first embodiment without providing the interface film 41B. However, the thickness of the interface film 41B on the horizontal axis is measured by the XPS method.

図19を参照するに、前記界面膜41Bを設けない場合、あるいは界面膜41Bの膜厚が0.4nm以下の場合、ハフニウムシリケート膜42の表面粗さRaが0.3〜0.4nm程度まで増大するのに対し、前記界面膜41BがUVO2膜の場合は前記界面膜41Bの厚さが約0.4nm以上で、また前記界面膜41BがUVO2+RFN膜の場合は前記界面膜41Bの厚さが約0.6nm以上で、膜41Bの表面粗さRaが0.2nm程度まで低減されるのがわかる。 Referring to FIG. 19, when the interface film 41B is not provided, or when the film thickness of the interface film 41B is 0.4 nm or less, the surface roughness Ra of the hafnium silicate film 42 is about 0.3 to 0.4 nm. On the other hand, when the interface film 41B is a UVO 2 film, the thickness of the interface film 41B is about 0.4 nm or more, and when the interface film 41B is a UVO 2 + RFN film, the thickness of the interface film 41B is increased. Is about 0.6 nm or more, it can be seen that the surface roughness Ra of the film 41B is reduced to about 0.2 nm.

図20は、様々な下地上に形成した様々な組成のハフニウムシリケート膜およびハフニウム酸化物膜について、表面粗さRaおよびRmsを求めた結果を示す。   FIG. 20 shows the results of determining the surface roughness Ra and Rms for hafnium silicate films and hafnium oxide films having various compositions formed on various bases.

図20を参照するに、HfO2膜をHF処理したシリコン基板表面に直接に堆積した場合には膜の表面粗さRaは0.32nmを超え、二乗平均粗さRmsは0.41nmを超えるのに対し、ハフニウムシリケート膜をHF処理したシリコン基板表面に直接形成した場合には、表面粗さRaが0.30nmまで低減され、また二乗平均粗さRmsも4.0nm以下に低減することができるのがわかる。 Referring to FIG. 20, when the HfO 2 film is directly deposited on the surface of the silicon substrate that has been subjected to HF treatment, the surface roughness Ra of the film exceeds 0.32 nm, and the root mean square roughness Rms exceeds 0.41 nm. On the other hand, when the hafnium silicate film is formed directly on the surface of the silicon substrate subjected to HF treatment, the surface roughness Ra is reduced to 0.30 nm, and the root mean square roughness Rms can also be reduced to 4.0 nm or less. I understand.

また図20ではハフニウムシリケート膜を紫外光励起酸素ラジカルにより厚さが0.2nmのシリコン酸化膜(UVO2)が形成されているシリコン基板上に形成した場合には表面粗さRaは約0.33nm、二乗平均粗さRmsも約0.416nmと増加するのに対し、HfO2膜あるいはハフニウムシリケート膜を、前記UVO2膜をリモートプラズマ窒化して形成した酸窒化膜(UVO2+RFN)上に形成した場合には表面粗さRaは最大でも0.287nm、また二乗平均粗さRmsも最大で0.360nmまで低減されるのがわかる。 In FIG. 20, when a hafnium silicate film is formed on a silicon substrate on which a silicon oxide film (UVO 2 ) having a thickness of 0.2 nm is formed by ultraviolet photoexcited oxygen radicals, the surface roughness Ra is about 0.33 nm. The mean square roughness Rms increases to about 0.416 nm, whereas an HfO 2 film or a hafnium silicate film is formed on an oxynitride film (UVO 2 + RFN) formed by remote plasma nitriding the UVO 2 film. In this case, the surface roughness Ra is reduced to 0.287 nm at the maximum, and the root mean square roughness Rms is also reduced to the maximum 0.360 nm.

以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。   Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope described in the claims.

本発明で使われるMOCVD装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the MOCVD apparatus used by this invention. 図1のMOCVD装置で形成されるハフニウムシリケート膜の堆積速度とTEOS流量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the deposition rate of a hafnium silicate film | membrane formed with the MOCVD apparatus of FIG. 1, and a TEOS flow rate. 図2で得られたハフニウムシリケート膜の屈折率とTEOS流量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the refractive index of the hafnium silicate film | membrane obtained in FIG. 2, and TEOS flow volume. 図2で得られたハフニウムシリケート膜の屈折率と膜中のSi濃度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the refractive index of the hafnium silicate film | membrane obtained in FIG. 2, and Si density | concentration in a film | membrane. 図2で得られたハフニウムシリケート膜中の、SiO2成分の仮想的堆積速度とTEOS流量との関係を示す図である。Hafnium silicate film obtained in FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a virtual deposition rate and TEOS flow rate of the SiO 2 component. 図2で得られたハフニウムシリケート膜中の、HfO2成分の仮想的堆積速度とTEOS流量との関係を示す図である。Hafnium silicate film obtained in FIG. 2 is a diagram showing a relationship between a virtual deposition rate and TEOS flow rate of HfO 2 components. TEOS流量を増大させた場合のハフニウムシリケート膜の堆積速度および膜組成とTEOS流量との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the deposition rate of a hafnium silicate film | membrane when a TEOS flow rate is increased, a film composition, and a TEOS flow rate. ハフニウムシリケート膜の堆積反応モデルを示す図である。It is a figure which shows the deposition reaction model of a hafnium silicate film | membrane. 図1のMOCVD装置において低圧でハフニウムシリケート膜を形成した場合の膜厚と膜組成との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the film thickness at the time of forming a hafnium silicate film | membrane in low pressure in the MOCVD apparatus of FIG. 1, and a film | membrane composition. (A),(B)は、図1のMOCVD装置においてハフニウムシリケート膜を様々なTEOS流量で形成した場合の、ハフニウムシリケート膜中に形成される組成勾配を示す図である。(A), (B) is a figure which shows the composition gradient formed in a hafnium silicate film | membrane at the time of forming a hafnium silicate film | membrane with various TEOS flow volume in the MOCVD apparatus of FIG. 本発明の第1実施例による成膜方法を示すフローチャートである。3 is a flowchart illustrating a film forming method according to a first embodiment of the present invention. (A),(B)は、本発明第1実施例の成膜方法により形成される半導体装置の構成を示す図である。(A), (B) is a figure which shows the structure of the semiconductor device formed by the film-forming method of 1st Example of this invention. 本発明第1実施例の成膜方法により形成されたハフニウムシリケート膜の成膜直後のX線回折図形を示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction figure immediately after film-forming of the hafnium silicate film | membrane formed by the film-forming method of 1st Example of this invention. 本発明第1実施例の成膜方法により形成されたハフニウムシリケート膜の熱処理後のX線回折図形を示す図である。It is a figure which shows the X-ray-diffraction figure after the heat processing of the hafnium silicate film | membrane formed with the film-forming method of 1st Example of this invention. 本発明第2実施例の成膜方法により形成される半導体装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the semiconductor device formed with the film-forming method of 2nd Example of this invention. 本発明第2実施例の成膜方法により得られるハフニウムシリケート膜中のSi濃度分布を示す図である。It is a figure which shows Si concentration distribution in the hafnium silicate film | membrane obtained by the film-forming method of 2nd Example of this invention. 図15の構成をもとに形成したキャパシタC−V特性を示す図である。It is a figure which shows the capacitor CV characteristic formed based on the structure of FIG. 本発明第2実施例の成膜方法により得られるハフニウムシリケート膜の比誘電率を示す図である。It is a figure which shows the dielectric constant of the hafnium silicate film | membrane obtained by the film-forming method of 2nd Example of this invention. 図15の構成におけるハフニウムシリケート膜の表面粗さと界面層との関係を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the surface roughness of the hafnium silicate film and the interface layer in the configuration of FIG. 15. 様々な表面上に形成された様々なHf含有膜の、下地面と表面粗さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a base surface and surface roughness of various Hf containing films | membranes formed on various surfaces.

符号の説明Explanation of symbols

20 MOCVD装置
21 排気系
22 処理容器
22A 基板保持台
22a 酸素ガスライン
22b,22d MFC
22c 原料ガスライン
22e 気化器
22S シャワーヘッド
22s 開口部
23A,23B 原料容器
41 シリコン基板
41A 界面層
41B 界面酸窒化膜
42 ハフニウムシリケート膜
42A 組成勾配層
42B,42C Siリッチ層
43 ゲート電極
20 MOCVD equipment 21 Exhaust system 22 Processing vessel 22A Substrate holder 22a Oxygen gas line 22b, 22d MFC
22c raw material gas line 22e vaporizer 22S shower head 22s opening 23A, 23B raw material container 41 silicon substrate 41A interface layer 41B interface oxynitride film 42 hafnium silicate film 42A composition gradient layer 42B, 42C Si rich layer 43 gate electrode

Claims (14)

有機金属CVD法によるシリコン基板上への金属シリケート膜の形成方法であって、
前記シリコン基板表面に、前記金属シリケート膜を構成する金属元素を含む有機金属化合物よりなる第1の気相原料と有機シリコン化合物よりなる第2の気相原料とを供給する工程と、
前記第1の気相原料と前記第2の気相原料とを前記シリコン基板表面にて分解し、金属シリケート膜を形成する工程と、
前記金属シリケート膜中に窒素原子を導入する工程とよりなり、
前記金属シリケート膜を形成する工程は、単一の成膜条件にて前記金属シリケート膜の膜厚方向に組成傾斜層を形成することを特徴とする成膜方法。
A method for forming a metal silicate film on a silicon substrate by an organic metal CVD method,
Supplying a first vapor phase material made of an organometallic compound containing a metal element constituting the metal silicate film and a second vapor phase material made of an organic silicon compound to the silicon substrate surface;
Decomposing the first vapor phase raw material and the second vapor phase raw material on the silicon substrate surface to form a metal silicate film;
A step of introducing nitrogen atoms into the metal silicate film,
The step of forming the metal silicate film comprises forming a composition gradient layer in the film thickness direction of the metal silicate film under a single film formation condition.
前記組成傾斜層は、前記金属シリケート膜表面から前記シリコン基板側に向かって金属元素濃度が増加する組成勾配を有することを特徴とする請求項1記載の成膜方法。   2. The film forming method according to claim 1, wherein the composition gradient layer has a composition gradient in which a metal element concentration increases from the surface of the metal silicate film toward the silicon substrate side. 前記第1の原料はターシャリブトキシル基を配位子とする金属アルコシキド原料であり、前記第2の原料は、シリコンアルコキシド原料であることを特徴とする請求項1または2記載の成膜方法。   3. The film forming method according to claim 1, wherein the first raw material is a metal alkoxide raw material having a tertiary riboxyl group as a ligand, and the second raw material is a silicon alkoxide raw material. . 前記単一の成膜条件は、前記第2の気相原料の流量を増加すると前記金属シリケート中の前記金属元素の酸化物成分の堆積速度が低下するような圧力範囲内に設定することを特徴とする請求項1〜3のうち、いずれか一項記載の成膜方法。   The single film forming condition is set within a pressure range in which the deposition rate of the oxide component of the metal element in the metal silicate decreases when the flow rate of the second vapor phase raw material is increased. The film forming method according to any one of claims 1 to 3. 前記第2の原料の流量により前記組成勾配を制御する請求項1〜4のうち、いずれか一項記載の成膜方法。   The film forming method according to claim 1, wherein the composition gradient is controlled by a flow rate of the second raw material. 前記第1の気相原料はターシャリブチルハフニウムよりなり、前記第2の気相原料はテトラエチルオルソシリケートよりなり、前記前記金属シリケート膜はハフニウムシリケートよりなることを特徴とする請求項1記載の成膜方法。   2. The composition according to claim 1, wherein the first vapor phase raw material is made of tertiary butyl hafnium, the second vapor phase raw material is made of tetraethyl orthosilicate, and the metal silicate film is made of hafnium silicate. Membrane method. 前記処理圧力は、40Pa以上、133Pa以下であることを特徴とする請求項6記載の成膜方法。   The film forming method according to claim 6, wherein the processing pressure is 40 Pa or more and 133 Pa or less. 前記成膜工程において、前記第2の気相原料は、0.05SCCM〜1.0SCCMの範囲の流量で供給されることを特徴とする請求項6または7記載の成膜方法。   8. The film forming method according to claim 6, wherein in the film forming step, the second vapor phase raw material is supplied at a flow rate in a range of 0.05 SCCM to 1.0 SCCM. 前記成膜工程において、前記前記第1および第2の気相原料は、前記ハフニウムシリケート膜がSiを50原子%を超える濃度で含むように形成されることを特徴とする請求項6〜8のうち、いずれか一項記載の成膜方法。   9. The film forming step, wherein the first and second vapor phase raw materials are formed so that the hafnium silicate film contains Si at a concentration exceeding 50 atomic%. The film-forming method as described in any one of them. 前記窒素原子を導入する工程は、窒素ラジカルによるラジカル窒化工程であることを特徴とする請求項1〜9に記載の成膜方法。   The film forming method according to claim 1, wherein the step of introducing the nitrogen atom is a radical nitridation step using nitrogen radicals. 前記窒素ラジカルは、窒素ガスの高周波プラズマ励起により形成されることを特徴とする請求項1〜10に記載の成膜方法。   The film forming method according to claim 1, wherein the nitrogen radical is formed by high frequency plasma excitation of nitrogen gas. 前記金属シリケート膜を形成する工程に先立って、前記シリコン基板上にシリコン酸化膜を、紫外光励起酸素ラジカルを使ったラジカル酸化により形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項1〜9のうち、いずれか一項記載の成膜方法。   Prior to the step of forming the metal silicate film, the method further includes a step of forming a silicon oxide film on the silicon substrate by radical oxidation using an ultraviolet photoexcited oxygen radical. The film-forming method as described in any one. 前記金属シリケート膜を形成するに先立って、前記シリコン酸化膜を窒素ラジカルで窒化する工程をさらに含むことを特徴とする請求項12記載の成膜方法。   13. The film forming method according to claim 12, further comprising a step of nitriding the silicon oxide film with nitrogen radicals prior to forming the metal silicate film. 前記窒素ラジカルは、窒素ガスの高周波プラズマ励起により形成されることを特徴とする請求項13記載の成膜方法。   The film forming method according to claim 13, wherein the nitrogen radical is formed by high frequency plasma excitation of nitrogen gas.
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