JP2009059964A - Method of manufacturing semiconductor apparatus - Google Patents

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Masahiro Koike
正浩 小池
Kosuke Tatsumura
光介 辰村
Yoshiki Kamata
善己 鎌田
Masato Koyama
正人 小山
Yasushi Nakasaki
靖 中崎
Masamichi Suzuki
正道 鈴木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a semiconductor apparatus that improves interfacial characteristics of an insulating film having a metal element. <P>SOLUTION: The method includes a step of forming a structure wherein a lower layer, a Ge layer, a Ge oxide layer, and an upper layer are stacked in order, and a step of removing the Ge oxide layer and Ge layer using a heat treatment to bond the upper layer and the lower layer directly to each other. The upper layer or the lower layer is formed of an insulator having a metal element. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は半導体装置の製造方法に係り、特に積層構造の製造方法に係る。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a laminated structure.

半導体デバイスの高速化・高性能化が進められて来たが、今までのような単純なスケーリングによる方法ではもはや難しくなってきている。例えば、一般的にゲート絶縁膜(gate insulator film)として用いられているSiO2膜では、リーク電流(leakage current)が許容できないほど多くなるため、1nm以下の薄膜化は困難である。このリーク電流の正体は主に量子トンネル効果(quantum tunneling effect)によるものであり、物理膜厚が小さい膜ほどその影響が強くなる。   Although high speed and high performance of semiconductor devices have been promoted, it is no longer difficult with a simple scaling method as in the past. For example, in a SiO2 film that is generally used as a gate insulator film, the leakage current is unacceptably large, so it is difficult to reduce the thickness to 1 nm or less. The identity of this leakage current is mainly due to the quantum tunneling effect, and the influence of the film becomes smaller as the physical film thickness is smaller.

それゆえ、SiO2膜にかわるゲート絶縁膜として、金属元素を含む高誘電体膜(high dielectric film; high-k film)に期待が寄せられるようになった。ゲート絶縁膜の誘電率(dielectric constant)をSiO2膜の誘電率3.9よりも高くすれば、物理的に薄膜化する代わりに、電気的に薄膜化できるからである。   Therefore, a high dielectric film (high dielectric film; high-k film) containing a metal element has come to be expected as a gate insulating film replacing the SiO2 film. This is because if the dielectric constant of the gate insulating film is higher than the dielectric constant 3.9 of the SiO2 film, it can be electrically thinned instead of physically thinned.

例えば、HfO2は、約18の誘電率を持つことが知られており、SiO2膜と同じキャパシタンスがSiO2膜よりも厚い物理膜厚(physical thickness)で得られる。ここで、SiO2の膜厚に換算したときの高誘電体膜の電気的膜厚EOT(Equivalent Oxide Thickness; 酸化膜換算膜厚)を用いて比較すると、同じEOTでHfO2膜はSiO2膜よりも約4.6倍(= 18/3.9)も物理的に厚くできることになる。絶縁膜が厚くなると、電子が絶縁膜のバンドギャップ中をトンネリングする距離が長くなり、トンネリング確率が小さくなるため、リーク電流が低く抑えられる。   For example, HfO2 is known to have a dielectric constant of about 18, and the same capacitance as the SiO2 film is obtained with a physical thickness that is thicker than that of the SiO2 film. Here, when compared using the electrical film thickness EOT (Equivalent Oxide Thickness) of the high-dielectric film when converted to the SiO2 film thickness, the HfO2 film is about the same as the SiO2 film at the same EOT. 4.6 times (= 18 / 3.9) can be physically thick. When the insulating film becomes thicker, the distance that electrons tunnel through the band gap of the insulating film becomes longer and the tunneling probability becomes lower, so that the leakage current can be kept low.

しかし、実際には、Si基板上にHfO2膜を形成すると、その界面にいわゆる界面層(interfacial layer)が形成される傾向にある。これは主に成膜中の雰囲気にある酸素がHfO2膜を通り抜けて基板を酸化するからである。こうして形成された界面層は、誘電率がSiO2膜とほぼ同じ、あるいはわずかに大きい程度の低誘電体(low dielectric material; low-k material)である。まず、前処理したSi基板上に高誘電体膜の堆積を行う。するとSi基板上に界面層が形成される。その後、例えば、N2雰囲気で熱処理を行うと、条件によっては、界面層はほぼそのままの膜厚を維持することもあるが、雰囲気中、あるいは膜中の酸素がSi基板に到達して基板を酸化し、さらに増膜してしまうこともある。HfO2膜以外にも、チタニア膜(titania film)、ジルコニア膜(zirconia film)、Hfシリケート膜(hafnium silicate film)やHfアルミネート膜(hafnium aluminate film)などの他の膜でも、同様に界面層が形成される傾向にある。この界面層は、高誘電率化の大きな障害であった。   However, actually, when an HfO2 film is formed on a Si substrate, a so-called interfacial layer tends to be formed at the interface. This is mainly because oxygen in the atmosphere during film formation passes through the HfO2 film and oxidizes the substrate. The interface layer thus formed is a low dielectric material (low-k material) having a dielectric constant substantially equal to or slightly larger than that of the SiO2 film. First, a high dielectric film is deposited on a pretreated Si substrate. Then, an interface layer is formed on the Si substrate. After that, for example, when heat treatment is performed in an N2 atmosphere, the interface layer may maintain almost the same thickness depending on the conditions, but oxygen in the atmosphere or in the film reaches the Si substrate and oxidizes the substrate. However, the film may be further increased. In addition to the HfO2 film, other layers such as titania film, titania film, zirconia film, Hf silicate film, and Hf aluminate film also have an interface layer. Tend to be formed. This interface layer was a major obstacle to increasing the dielectric constant.

ここで、特定の材料、条件を満たせば界面層を除去できることが知られている(非特許文献1参照)。ZrO2をGe基板に熱処理なしに堆積すると、GeO2に近い組成と思われるGe酸化物界面層が形成される。この界面層は、熱処理すると
GeO2 + Ge → 2GeO(gas) (1)
の反応により熱分解され、GeO(gas)の状態で界面から脱離(desorption)する。すると、最初にあった界面層はなくなり、ZrO2/Ge構造が形成される。しかしながら、この現象はGe基板上のZrO2にしか生じず汎用性がない。さらに、Ge基板を用いたMIS構造は界面準位(interfacial state)が多いという問題や、Geの融点が低いため熱処理するとその界面で相互拡散などが起こり、高誘電体膜の改質をねらいとした高温熱処理(>700℃)ができないという問題があった。
Here, it is known that the interface layer can be removed if specific materials and conditions are satisfied (see Non-Patent Document 1). When ZrO2 is deposited on a Ge substrate without heat treatment, a Ge oxide interface layer that has a composition close to that of GeO2 is formed. When this interface layer is heat-treated
GeO2 + Ge → 2GeO (gas) (1)
And is desorbed from the interface in the state of GeO (gas). Then, the interface layer that was originally present disappears, and a ZrO2 / Ge structure is formed. However, this phenomenon occurs only in ZrO2 on the Ge substrate and is not versatile. In addition, the MIS structure using a Ge substrate has many problems such as interfacial state, and because the melting point of Ge is low, heat treatment causes interdiffusion at the interface, which aims to modify the high dielectric film. There was a problem that high temperature heat treatment (> 700 ° C.) was not possible.

そこで、近年、LaAlOに代表されるような、Si基板との間に界面層を生じない高誘電体膜を用いることが試みられている。La:Al:Oが1:1:3の組成の場合、物理膜厚(physical thickness)が2nmでEOT=0.31nmであることから、誘電率は約25である(非特許文献2参照)。   Therefore, in recent years, attempts have been made to use a high dielectric film such as LaAlO that does not generate an interface layer with the Si substrate. When the composition of La: Al: O is 1: 1: 3, the physical thickness is 2 nm and EOT = 0.31 nm, so the dielectric constant is about 25 (see Non-Patent Document 2).

だが、直接接合するときに、LaAlOのLaやAlなどの金属がSi基板に拡散する問題がある。金属が基板に拡散すると、MISFET(metal insulator semiconductor field effect transistor)において移動度が劣化するなどの問題があるため、拡散を抑制する必要がある。また、直接接合すると界面付近のSi基板中の歪みが大きくなることも界面準位が多くなるという点で好ましくない。さらに、将来的にプロセスの低温化が求められていることを考えると、LaAlOをSi基板上に直接接合するために高温を必要とすることも今後問題になりうる。このような理由により、良好な界面を持ち、基板への金属の拡散がなく、界面近傍で基板の歪みが緩和されている絶縁膜と基板の直接接合は、従来までに実現されていない。   However, there is a problem that metals such as LaAlO La and Al diffuse into the Si substrate when directly bonding. When metal diffuses into the substrate, there is a problem that mobility is deteriorated in a metal insulator semiconductor field effect transistor (MISFET), and thus diffusion needs to be suppressed. In addition, when the direct bonding is performed, the strain in the Si substrate near the interface increases, which is not preferable from the viewpoint of increasing the interface state. Furthermore, considering that there is a need to lower the process temperature in the future, the need for a high temperature to bond LaAlO directly to the Si substrate may become a problem in the future. For these reasons, direct bonding between an insulating film and a substrate that has a good interface, does not diffuse metal into the substrate, and relaxes the distortion of the substrate in the vicinity of the interface has not been realized so far.

さらに、高誘電体膜/メタルゲート電極の界面でも、双方の層が相互拡散(inter-diffusion)して混合層が生じる問題がある。例えば、HfSiON膜の上にTiN電極を形成するとその界面において反応がおこり、900℃の熱処理を施すとEOTが増大し、1100℃の熱処理ではリーク電流が増大することが報告されている(非特許文献3参照)。   Furthermore, there is a problem in that a mixed layer is generated by inter-diffusion of both layers at the interface of the high dielectric film / metal gate electrode. For example, it has been reported that when a TiN electrode is formed on a HfSiON film, a reaction occurs at the interface, and EOT increases when heat treatment at 900 ° C. is performed, and leakage current increases at heat treatment at 1100 ° C. (non-patent document) Reference 3).

また、異種の高誘電体膜の積層でも、双方の層が相互拡散(inter-diffusion)して混合層が生じてしまい所望の絶縁膜が作成できないという問題がある。例えば、HfTiSiO/SiO2積層構造は、TiO2/HfSiO/SiO2積層構造よりも、EOTが厚くなるという報告がある(非特許文献4参照)。
Y. Kamata et al., Jpn. J. Appl. Phys. 44, 2323 (2005). M. Suzuki et al., Tech. Dig. - Int. Electron Devices Meet. 2005, 445 (2005). H. Watanabe et al., “Thermal degradation of HfSiON dielectrics caused by TiN gate electrodes and its impact on electrical properties”, Jpn. J. Appl. Phys. 45, 2933 (2006). 有村他「構造最適化によるHfTiSiO高誘電率ゲート絶縁膜の高性能化」第54回応用物理学会関係連合会講演予稿集 843 (2007春 青山学院大学)
Further, even when different types of high dielectric films are laminated, there is a problem that a desired insulating film cannot be formed because both layers are inter-diffusion to form a mixed layer. For example, there is a report that the EOT becomes thicker in the HfTiSiO / SiO2 laminated structure than in the TiO2 / HfSiO / SiO2 laminated structure (see Non-Patent Document 4).
Y. Kamata et al., Jpn. J. Appl. Phys. 44, 2323 (2005). M. Suzuki et al., Tech. Dig.- Int. Electron Devices Meet. 2005, 445 (2005). H. Watanabe et al., “Thermal degradation of HfSiON dielectrics caused by TiN gate electrodes and its impact on electrical properties”, Jpn. J. Appl. Phys. 45, 2933 (2006). Arimura et al. "High performance of HfTiSiO high dielectric constant gate insulating film by structural optimization" Proceedings of the 54th Japan Society of Applied Physics related conferences 843 (Aoyama Gakuin University)

本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、金属元素を有する絶縁膜の界面特性を向上させる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device that improves the interface characteristics of an insulating film containing a metal element.

本発明の半導体装置の製造方法は、下層、Ge層、Ge酸化物層、上層の順に積層された構造を形成する工程と、熱処理を用いてGe酸化物層及びGe層を除去して、上層と下層とを直接接合させる工程とを有し、上層及び下層の何れかは金属元素を有する絶縁物で形成されることを特徴とする。   The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming a structure in which a lower layer, a Ge layer, a Ge oxide layer, and an upper layer are stacked in this order, and a heat treatment to remove the Ge oxide layer and the Ge layer. And a step of directly joining the lower layer, and either the upper layer or the lower layer is formed of an insulator containing a metal element.

本発明は、金属元素を有する絶縁膜の界面特性を向上させる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the manufacturing method of the semiconductor device which improves the interface characteristic of the insulating film which has a metal element.

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol shall be attached | subjected to a common structure through embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted. Each figure is a schematic diagram for promoting explanation and understanding of the invention, and its shape, dimensions, ratio, and the like are different from those of an actual device. However, these are in consideration of the following explanation and known techniques. The design can be changed as appropriate.

(第1の実施形態)
第1の実施形態は、Si基板と反応して界面層を形成しやすい高誘電体膜をSi基板の上に界面層なしに形成した半導体装置の製造方法に係る。図1は、第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。
(First embodiment)
The first embodiment relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which a high dielectric film that easily forms an interface layer by reacting with an Si substrate is formed on the Si substrate without an interface layer. FIG. 1 is a view for explaining the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.

まず、Si基板1にSC2 (HCl/H2O2/H2O)洗浄、続いてHF処理を施す。続いて、純水により流水洗浄し、乾燥させた後、成膜装置に導入する。その上に、CVDによりGe層2を堆積する(図1(a)参照)。続いて、その上にCVDによりHf、Zr、Yなどの金属を有する高誘電体膜、例えばHfO2膜3を堆積する(図1(b)参照)。すると、Ge層2上にHfO2膜3を形成するときに、Ge層2とHfO2膜3が反応してGeO2層4が形成される(図1(c)参照)。そして熱処理を行うと、式(1)に示す反応が生じ、GeO2層4/Ge層2は反応してGeO(gas)として界面から脱離し、高誘電体膜を通り抜け、外方に拡散する。熱処理を続けることによって、すべてのGeO2とGeがGeO(gas)となって消失する(図1(d)参照)。この結果、界面層のない、HfO2膜3/Si基板1の直接接合が形成される(図1(e)参照)。   First, the Si substrate 1 is subjected to SC2 (HCl / H2O2 / H2O) cleaning, followed by HF treatment. Subsequently, the substrate is washed with pure water and dried, and then introduced into a film forming apparatus. A Ge layer 2 is deposited thereon by CVD (see FIG. 1 (a)). Subsequently, a high dielectric film having a metal such as Hf, Zr, or Y, for example, an HfO2 film 3 is deposited thereon by CVD (see FIG. 1B). Then, when the HfO2 film 3 is formed on the Ge layer 2, the Ge layer 2 and the HfO2 film 3 react to form the GeO2 layer 4 (see FIG. 1C). When the heat treatment is performed, the reaction shown in the formula (1) occurs, and the GeO2 layer 4 / Ge layer 2 reacts and is desorbed from the interface as GeO (gas), passes through the high dielectric film, and diffuses outward. By continuing the heat treatment, all GeO2 and Ge disappear as GeO (gas) (see FIG. 1 (d)). As a result, an HfO2 film 3 / Si substrate 1 direct junction without an interface layer is formed (see FIG. 1E).

GeO2 + Ge → 2GeO(gas) (1)
第1の実施形態では、下層(Si基板1)の上にGeO2層4とGe層2の二層構造を挿入して、下層(Si基板1)と接することなしに上層(HfO2膜3)を形成することができ、Si基板と反応しやすい高誘電体膜であっても界面層の形成を抑制できる。その後、挿入したGeO2層4とGe層2の二層構造を、低温熱処理を用いて反応、消失させる。GeO2層4およびGe層2の消失に伴いHfO2膜3が下降し、界面特性に優れたHfO2膜3/Si基板1積層構造を形成できる。なお、前述したように、Si基板上にHfO2膜を直接堆積させる際には成膜雰囲気中の酸素によって界面層が生じてしまうが、第1の実施形態のように、予め成膜されたHfO2膜とSi基板とを接合させれば界面層を生じさせることなくHfO2/Si構造が形成できる。また、本実施形態では、HfO2膜を堆積させる際に同時にGeO2層4が形成されるため、プロセス簡略化に優れる。
GeO2 + Ge → 2GeO (gas) (1)
In the first embodiment, a two-layer structure of GeO2 layer 4 and Ge layer 2 is inserted on the lower layer (Si substrate 1), and the upper layer (HfO2 film 3) is formed without contacting the lower layer (Si substrate 1). The formation of the interface layer can be suppressed even with a high dielectric film that can be formed and easily reacts with the Si substrate. Thereafter, the inserted two-layer structure of GeO2 layer 4 and Ge layer 2 reacts and disappears using low-temperature heat treatment. With the disappearance of the GeO2 layer 4 and the Ge layer 2, the HfO2 film 3 descends, and an HfO2 film 3 / Si substrate 1 laminated structure having excellent interface characteristics can be formed. As described above, when the HfO2 film is directly deposited on the Si substrate, an interface layer is generated by oxygen in the film formation atmosphere. However, as in the first embodiment, the HfO2 film previously formed is formed. If the film and the Si substrate are bonded, an HfO2 / Si structure can be formed without generating an interface layer. Further, in this embodiment, since the GeO2 layer 4 is formed at the same time as the HfO2 film is deposited, the process is excellent.

第1の実施形態の変形例を説明する。図1(a)に示す工程の後にCVDによりHf層6を堆積する(図1(f)参照)。そして、Hf層6を熱酸化してHfO2膜3を形成する。そのとき、Ge層2も酸化され、GeO2層4とGe層の二層構造となる(図1(g)参照)。その後の工程は、図1(d)、(e)に示す通りである。本変形例では、Hf層5を酸化するプロセスにおいて、同時にGeO2層4とGe層の二層構造が形成されるため、プロセス簡略化に優れる。なお、本変形例では、基板の上にGe層2のみを堆積したが、Ge層2、GeO2層4を順次堆積してもかまわない。   A modification of the first embodiment will be described. After the step shown in FIG. 1A, an Hf layer 6 is deposited by CVD (see FIG. 1F). Then, the Hf layer 6 is thermally oxidized to form the HfO 2 film 3. At that time, the Ge layer 2 is also oxidized to form a two-layer structure of the GeO2 layer 4 and the Ge layer (see FIG. 1G). Subsequent steps are as shown in FIGS. In this modification, since the two-layer structure of the GeO2 layer 4 and the Ge layer is formed at the same time in the process of oxidizing the Hf layer 5, the process is excellent. In this modification, only the Ge layer 2 is deposited on the substrate, but the Ge layer 2 and the GeO2 layer 4 may be sequentially deposited.

(第2の実施形態)
第2の実施形態は、Si基板と反応して界面層を形成し難い高誘電体膜をSi基板の上に界面層なしに形成した半導体装置の製造方法に係る。図2は、第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。
(Second Embodiment)
The second embodiment relates to a method of manufacturing a semiconductor device in which a high dielectric film that hardly reacts with an Si substrate to form an interface layer is formed on the Si substrate without an interface layer. FIG. 2 is a view for explaining the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment.

まず、Si基板1にSC2 (HCl/H2O2/H2O)洗浄、続いてHF処理を施す。続いて、純水により流水洗浄し、乾燥させた後、成膜装置に導入する。その上に、CVDによりGe層2を堆積する(図2(a)参照)。そして、Ge層2上にCVDでGeO2層4を形成する(図2(b)参照)。このとき、Ge層2の上部を酸化してGeO2層4を形成しても良い。続いて、その上にCVDにより高誘電体膜であるLaAlO膜3を堆積する(図2(c)参照)。すると、LaAlO膜3からLa、Al などの金属原子5がSi基板の方向に拡散するが、アモルファスのGeO2層4に取り込まれるため、Si基板1への拡散は抑えられる(図2(d)参照)。熱処理を行うとGeO2はGeと反応して、GeO(g)となり高誘電体膜を通り抜け、外方に拡散する(図2(e)参照)。そして、熱処理を続けると、すべてのGeO2とGeがGeO(g)となって消失する。熱処理中においては、La、AlはGeO2層4に取り込まれているため、拡散することはない。すべてのGeO2とGeがGeO(g)となって消失すると、La、AlはLaAlO/Si基板の界面に残置され、結果的にLaAlO膜側に取り込まれる。このように、GeO2層4およびGe層2の消失に伴いLaAlO膜3が下降し、LaもしくはAlの拡散を抑制しかつ界面層のない、LaAlO/Si基板の直接接合が形成される(図2(f)参照)。   First, the Si substrate 1 is subjected to SC2 (HCl / H2O2 / H2O) cleaning, followed by HF treatment. Subsequently, the substrate is washed with pure water and dried, and then introduced into a film forming apparatus. A Ge layer 2 is deposited thereon by CVD (see FIG. 2A). Then, a GeO2 layer 4 is formed on the Ge layer 2 by CVD (see FIG. 2B). At this time, the upper portion of the Ge layer 2 may be oxidized to form the GeO 2 layer 4. Subsequently, a LaAlO film 3 which is a high dielectric film is deposited thereon by CVD (see FIG. 2C). Then, the metal atoms 5 such as La and Al diffuse from the LaAlO film 3 in the direction of the Si substrate, but are taken into the amorphous GeO2 layer 4 so that the diffusion to the Si substrate 1 can be suppressed (see FIG. 2D). ). When heat treatment is performed, GeO2 reacts with Ge to become GeO (g), passes through the high dielectric film, and diffuses outward (see FIG. 2E). When the heat treatment is continued, all GeO2 and Ge disappear as GeO (g). During the heat treatment, since La and Al are taken into the GeO2 layer 4, they do not diffuse. When all GeO2 and Ge disappear as GeO (g), La and Al are left at the interface of the LaAlO / Si substrate and are eventually taken into the LaAlO film side. In this way, the LaAlO film 3 descends with the disappearance of the GeO2 layer 4 and the Ge layer 2, thereby forming a direct bonding of the LaAlO / Si substrate that suppresses the diffusion of La or Al and has no interface layer (FIG. 2). (Refer to (f)).

第2の実施形態においては、Si基板1中にLaやAlが基板中に拡散してないため、移動度の劣化を低減できる。また、第2の実施形態のLaAlO膜3成膜時の下層であるGeO2層4が消失してSi基板1と接合するため、Si基板1上に直接形成されたそれよりも歪が緩和し、従って界面準位も低減できる。   In the second embodiment, since La and Al are not diffused in the Si substrate 1, the deterioration of mobility can be reduced. In addition, since the GeO2 layer 4 which is the lower layer at the time of forming the LaAlO film 3 of the second embodiment disappears and is joined to the Si substrate 1, the strain is relaxed more than that directly formed on the Si substrate 1, Therefore, the interface state can also be reduced.

なお、Si基板と反応して界面層を形成し難い高誘電体膜としては、他にLa2O3,CeO2などが挙げられる。   In addition, La2O3, CeO2 and the like are other examples of the high dielectric film that hardly reacts with the Si substrate to form the interface layer.

(第3の実施形態)
第3の実施形態は、金属を有する絶縁膜の上に、直接金属電極を形成した半導体装置の製造方法に係る。図3は、第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。
(Third embodiment)
The third embodiment relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which a metal electrode is directly formed on an insulating film having metal. FIG. 3 is a view for explaining the method for manufacturing the semiconductor device according to the third embodiment.

まず、図示しないSi基板などの上に高誘電体膜であるHfSiON膜3を形成する。その上に、CVDによりGe層2、GeO2層4を順次堆積する(図3(a)参照)。続いて、その上にCVDによりTiN電極6を堆積する(図3(b)(c)参照)。そして熱処理を行うと、式(1)に示す反応が生じ、GeO2層4/Ge層2は反応してGeO(gas)として界面から脱離し、TiN電極6を通り抜け、外方に拡散する。熱処理を続けることによって、すべてのGeO2とGeがGeO(gas)となって消失する(図3(d)参照)。この結果、反応層のない、TiN/HfSiONの直接接合が形成される(図3(e)参照)。   First, an HfSiON film 3 that is a high dielectric film is formed on a Si substrate or the like (not shown). A Ge layer 2 and a GeO 2 layer 4 are sequentially deposited thereon by CVD (see FIG. 3A). Subsequently, a TiN electrode 6 is deposited thereon by CVD (see FIGS. 3B and 3C). When the heat treatment is performed, the reaction shown in the formula (1) occurs, and the GeO2 layer 4 / Ge layer 2 reacts and is desorbed from the interface as GeO (gas), passes through the TiN electrode 6, and diffuses outward. By continuing the heat treatment, all GeO2 and Ge disappear as GeO (gas) (see FIG. 3D). As a result, a TiN / HfSiON direct bond without a reaction layer is formed (see FIG. 3E).

第3の実施形態によれば、TiN/HfSiON構造は、混合層もなく、TiやNなどがHfSiON膜中に拡散して、リーク電流を増大させることもない。したがって、リモートクーロン散乱(Remote Coulomb Scattering)による移動度劣化なども低減できる。なお、HfSiON膜の上にTiN電極を形成すると、成膜のときに反応して混合層が生じてしまうが、第3の実施形態のように、予め成膜されたTiN電極とHfSiON膜とが接するのであれば混合層は生じない。   According to the third embodiment, the TiN / HfSiON structure has no mixed layer, and Ti, N, etc. are diffused in the HfSiON film, and the leakage current is not increased. Therefore, it is possible to reduce mobility degradation due to remote Coulomb scattering. If a TiN electrode is formed on the HfSiON film, a mixed layer is generated by reaction at the time of film formation. However, as in the third embodiment, the TiN electrode and the HfSiON film formed in advance are formed. If it contacts, a mixed layer will not arise.

(第4の実施形態)
第4の実施形態は、異種金属を有する絶縁膜同士の積層構造を形成した半導体装置の製造方法に係る。図4は、第4の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図である。
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which a laminated structure of insulating films having different metals is formed. FIG. 4 is a view for explaining the method for manufacturing the semiconductor device according to the fourth embodiment.

まず、図示しないSi基板などの上に高誘電体膜であるHfSiON膜3aを形成する。その上に、CVDによりGe層2を堆積する(図4(a)参照)。あるいはこのときGe層2の上にGeO2層4を形成しても良い。続いて、その上にCVDによりZrO2膜3bを堆積する(図4(b)参照)。すると、Ge層2がZrO2膜3bと反応し、Ge層2はGeO2層4とGe層2の二層構造となる(図4(c)参照)。そして熱処理を行うと、式(1)に示す反応が生じ、GeO2層4/Ge層2は反応してGeO(gas)として界面から脱離し、ZrO2膜3bを通り抜け、外方に拡散する。熱処理を続けることによって、すべてのGeO2とGeがGeO(gas)となって消失する(図4(d)参照)。この結果、反応層のない、異種絶縁膜同士のZrO2/HfSiO積層構造が形成される(図4(e)参照)。   First, an HfSiON film 3a that is a high dielectric film is formed on a Si substrate or the like (not shown). A Ge layer 2 is deposited thereon by CVD (see FIG. 4A). Alternatively, the GeO 2 layer 4 may be formed on the Ge layer 2 at this time. Subsequently, a ZrO2 film 3b is deposited thereon by CVD (see FIG. 4B). Then, the Ge layer 2 reacts with the ZrO2 film 3b, and the Ge layer 2 has a two-layer structure of the GeO2 layer 4 and the Ge layer 2 (see FIG. 4C). When the heat treatment is performed, the reaction shown in the formula (1) occurs, and the GeO2 layer 4 / Ge layer 2 reacts and desorbs from the interface as GeO (gas), passes through the ZrO2 film 3b, and diffuses outward. By continuing the heat treatment, all GeO2 and Ge disappear as GeO (gas) (see FIG. 4D). As a result, a ZrO2 / HfSiO laminated structure of different insulating films without a reaction layer is formed (see FIG. 4E).

このようにできた異種絶縁膜同士の積層構造は、相互拡散を起こしておらず、両者の界面が平坦な所望の絶縁膜を形成することができた。これによって、EOTが増大する、リーク電流が増加するなどの不測の問題も生じがたい。それゆえ、異種絶縁膜のそれぞれの誘電率と物理膜厚を考慮することによって、望ましいEOTと物理膜厚の両方を満たした絶縁膜構造を容易に実現できる。通常、異種絶縁膜同士を順に成膜して積層すると混合層が生じてしまう。しかしながら、第4の実施形態は、成膜中の膜同士の混合化がなく、また成膜中における酸化等がない。このため、予め成膜された絶縁膜同士が接しても混合層は生じず、絶縁膜界面での組成の変化も抑えられる。また、将来的には、膜厚方向だけでなく膜の面積もスケーリングされる。このため、アスペクト比という観点からあまりに絶縁膜が厚いと実際の作製上で問題となる。そのため、絶縁膜は、リーク電流を抑えるために充分な厚さを確保しつつ、アスペクト比を大きくするために物理膜厚を調整しやすいことが好ましい。第4の実施形態の積層膜は、所望の異種絶縁膜の積層構造を容易に提供できる点で好ましい。   The laminated structure of the different kinds of insulating films thus formed did not cause mutual diffusion, and a desired insulating film having a flat interface could be formed. As a result, unexpected problems such as an increase in EOT and an increase in leakage current are unlikely to occur. Therefore, an insulating film structure satisfying both a desirable EOT and a physical film thickness can be easily realized by considering the dielectric constants and physical film thicknesses of the different insulating films. Usually, when different types of insulating films are sequentially formed and stacked, a mixed layer is generated. However, in the fourth embodiment, there is no mixing of films during film formation, and there is no oxidation or the like during film formation. For this reason, even if the insulating films formed in advance are in contact with each other, a mixed layer is not generated, and a change in composition at the insulating film interface can be suppressed. In the future, not only the film thickness direction but also the film area will be scaled. For this reason, if the insulating film is too thick from the viewpoint of aspect ratio, there is a problem in actual fabrication. For this reason, it is preferable that the insulating film is easily adjusted in physical film thickness in order to increase the aspect ratio while ensuring a sufficient thickness to suppress leakage current. The laminated film of the fourth embodiment is preferable in that it can easily provide a desired laminated structure of different kinds of insulating films.

なお、第4の実施形態では、HfSiON膜3aの上にGe層2のみを堆積したが、Ge層2、GeO2層4を順次堆積してもかまわない。   In the fourth embodiment, only the Ge layer 2 is deposited on the HfSiON film 3a. However, the Ge layer 2 and the GeO2 layer 4 may be sequentially deposited.

(第5の実施形態)
第5の実施形態では、第1〜4の実施形態にて上述したGeO2層4とGe層2との反応についてより詳細に説明する。なお、便宜上、第1の実施形態を例にして説明するが、第2〜4実施形態でも同様である。
(Fifth embodiment)
In the fifth embodiment, the reaction between the GeO2 layer 4 and the Ge layer 2 described in the first to fourth embodiments will be described in more detail. For convenience, the first embodiment will be described as an example, but the same applies to the second to fourth embodiments.

堆積するGe層2の物理膜厚T2は、上層(HfO2膜3)をGe層2に堆積したときに形成される、典型的なGeO2層4の物理膜厚T4及びそれぞれの数密度から規定することができる。GeO2層4とGe層2は式(1)に示す反応が生じる。このため、GeO(gas)としてGeO2層4とGe層2をすべて消失させるために、GeO2層4/Ge層2構造全体のOとGeの原子分率は、式(2)の関係に近いことが望ましい。   The physical film thickness T2 of the Ge layer 2 to be deposited is defined by the physical film thickness T4 of the typical GeO2 layer 4 formed when the upper layer (HfO2 film 3) is deposited on the Ge layer 2 and the respective number density. be able to. The GeO2 layer 4 and Ge layer 2 undergo the reaction shown in the formula (1). Therefore, in order to eliminate all of GeO2 layer 4 and Ge layer 2 as GeO (gas), the atomic fraction of O and Ge in the entire structure of GeO2 layer 4 / Ge layer 2 should be close to the relationship of equation (2). Is desirable.

[O] / [Ge] = 1 (2)
ここで、[O], [Ge]はそれぞれO(酸素), Geの原子分率のことであり、式(3)で規格化したものである。
[O] / [Ge] = 1 (2)
Here, [O] and [Ge] are atomic fractions of O (oxygen) and Ge, respectively, and are normalized by the equation (3).

[O] + [Ge] = 100 (at. %) (3)
また、GeO2層4とGe層2が各層において一様であり、それぞれの層における単位体積あたりのGeO2, Geの数をそれぞれN4, N2とすると、
N2 T2 = N4 T4 (4)
を満たすとき、それぞれの層のすべてが(1)式の反応をすることになるので、もっとも理想的に界面層を除去できる。ここでN2は、Geが単結晶の場合、4.42x10^22 (cm^-3)である(なお、基本的な物性値は、主にS. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd Ed. (Wiley-Interscience, New York, 1981を根拠にしている。また、N4は、反応の条件により様々な値を取る。このため、[O]/[Ge]が1よりも小さくても、つまり、GeO(gas)として消失するよりもGeが多くてもかまわない。熱酸化のときに酸化を行うことによって[O]を供給すれば、(2)式を容易に満たすことができる。そのような理由で、OとGeの原子分率の比として、
[O] / [Ge] ≦ 1 (5)
を満たすことが条件となる。しかしながら、望ましくは[O]/[Ge]が1に近い方が良い。必要とするGe層の厚さT2は、上層(HfO2膜3)により決定される典型的な界面層の厚さT4とGeO2の密度N4の情報がわかれば、(3)-(5)式から求められる。
[O] + [Ge] = 100 (at.%) (3)
Further, GeO2 layer 4 and Ge layer 2 are uniform in each layer, and the number of GeO2 and Ge per unit volume in each layer is N4 and N2, respectively.
N2 T2 = N4 T4 (4)
When satisfying the condition, all of the respective layers will react according to the formula (1), so that the interface layer can be removed most ideally. Here, N2 is 4.42x10 ^ 22 (cm ^ -3) when Ge is a single crystal (note that the basic physical properties are mainly SM Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd Ed. (Wiley- Based on Interscience, New York, 1981. N4 takes various values depending on the reaction conditions, so even if [O] / [Ge] is less than 1, that is, GeO (gas The amount of Ge may be larger than the amount disappeared as) .If [O] is supplied by performing oxidation during thermal oxidation, the equation (2) can be easily satisfied. As the ratio of atomic fraction of O and Ge,
[O] / [Ge] ≤ 1 (5)
It is a condition to satisfy. However, it is desirable that [O] / [Ge] is close to 1. The required Ge layer thickness T2 can be obtained from Equations (3)-(5) if the typical interface layer thickness T4 determined by the upper layer (HfO2 film 3) and the GeO2 density N4 are known. Desired.

次に、GeO2層4とGe層2とが(1)式の反応を起こすための熱処理温度について説明する。まず前提として、熱処理は、少なくともGeの融点938℃よりも低い温度で行わなければならない。より実際的には、上層および下層が、GeO2層4、Ge層2、熱処理雰囲気ガスなどと反応し始める温度未満が上限となる。例えば、下層に水素終端されたSi層を用いて酸素含有雰囲気において熱処理をした場合、Siが酸化し始める温度より低い必要があり、それは700℃である。また、一般に半導体装置に使用される材料同士でも、700℃以下程度であれば反応しがたく、700℃以下であることが好ましい。   Next, the heat treatment temperature for causing the reaction of the formula (1) between the GeO2 layer 4 and the Ge layer 2 will be described. First of all, the heat treatment must be performed at a temperature lower than at least the melting point of Ge, 938 ° C. More practically, the upper limit is lower than the temperature at which the upper layer and the lower layer start to react with GeO 2 layer 4, Ge layer 2, heat treatment atmosphere gas, and the like. For example, when heat treatment is performed in an oxygen-containing atmosphere using a Si layer terminated with hydrogen as the lower layer, the temperature needs to be lower than the temperature at which Si starts to oxidize, which is 700 ° C. Further, even materials generally used in semiconductor devices are hardly reacted at about 700 ° C. or lower, and preferably 700 ° C. or lower.

一方、(1)式の反応を起こすための熱処理温度の下限350℃である。これを示す実験結果について詳細に説明する。まず、Ge基板上にメタルマスクを通してAuを熱蒸着し、円形のパターンを形成した。そして、H2/N2が5%の雰囲気で30分間、350℃の熱処理を施した。図5(a)、(b)は熱処理後のAuを光学顕微鏡で調べたものである。図5(a)中、一番大きな円形パターンの面積は1mm^2であり、図5(b)は図5(a)を20倍に拡大したものである。図5(a)、(b)に示すように、Auは、熱処理前には円形に一様に形成されていたが、熱処理後にはほとんどGe基板上から消失してしまう。尚、比較するため、同様の実験をSi基板上に対しても行ったが、その場合にはAuが消失することは無かった(図5(c),(d)参照)。したがって、この現象は、Auの特性によるものではなく、SiとGeの違いによって生じたものである。そして、これは、AuとGe基板との界面に存在したGeO2がGe基板と(1)式の反応を起こして脱離したためと考えられる。なお、このとき形成したAuは基板との反応性が低く剥離しやすいものだったので、GeO(g)ともにGe基板から脱離したものと考えられる。   On the other hand, the lower limit of the heat treatment temperature for causing the reaction of the formula (1) is 350 ° C. The experimental results showing this will be described in detail. First, Au was thermally deposited on a Ge substrate through a metal mask to form a circular pattern. Then, heat treatment was performed at 350 ° C. for 30 minutes in an atmosphere of 5% H2 / N2. FIGS. 5A and 5B are obtained by examining the Au after the heat treatment with an optical microscope. In FIG. 5 (a), the area of the largest circular pattern is 1 mm ^ 2, and FIG. 5 (b) is an enlargement of FIG. 5 (a) 20 times. As shown in FIGS. 5A and 5B, Au was uniformly formed in a circular shape before the heat treatment, but almost disappeared from the Ge substrate after the heat treatment. For comparison, the same experiment was performed on the Si substrate, but in that case, Au did not disappear (see FIGS. 5C and 5D). Therefore, this phenomenon is not caused by the characteristics of Au, but is caused by the difference between Si and Ge. This is presumably because GeO2 present at the interface between Au and the Ge substrate was detached by causing a reaction of the formula (1) with the Ge substrate. Note that since the Au formed at this time had low reactivity with the substrate and was easily peeled off, it is considered that both GeO (g) were detached from the Ge substrate.

Ge以外の下層の上に形成されたGe反応層とGe層が350℃という低温で除去できるということは、本実施形態の優れた点である。Ge層を除去するために下層が酸化されるようでは、上層と下層との反応層を防ぐことは難しいからである。350℃という温度では、大抵の場合下層を酸化することはない。例えば、下層がSi基板のとき、350℃の熱処理は、Ge反応層とGe層を除去するためだけに働き、Si基板の酸化を引き起こすことはない。   The fact that the Ge reaction layer and Ge layer formed on the lower layer other than Ge can be removed at a low temperature of 350 ° C. is an excellent point of this embodiment. This is because it is difficult to prevent the reaction layer between the upper layer and the lower layer if the lower layer is oxidized to remove the Ge layer. At a temperature of 350 ° C, the lower layer is not oxidized in most cases. For example, when the lower layer is a Si substrate, the heat treatment at 350 ° C. works only to remove the Ge reaction layer and the Ge layer, and does not cause oxidation of the Si substrate.

以上のことから、熱処理の温度は、938℃未満で可能であり、350℃かそれに近い温度であることが望ましい。   From the above, the temperature of the heat treatment can be less than 938 ° C., and is desirably 350 ° C. or a temperature close thereto.

(第6の実施形態)
第6の実施形態では、第1〜4の実施形態にて上述した上層および下層についてより詳細に説明する。
(Sixth embodiment)
In the sixth embodiment, the upper layer and the lower layer described above in the first to fourth embodiments will be described in more detail.

第1〜4の実施形態では、GeO(gas)が高誘電体膜や電極、基板を通り抜けて外方拡散する例を示した。しかしながら、Ge酸化物層4とGe層2が除去されるのならば、GeO(gas)が全て通り抜けずにそれらの膜中に取り込まれてもかまわない。たとえ取り込まれたとしても、基板では半導体の性質は維持され、電極では導電性を劣化させることはない。   In the first to fourth embodiments, GeO (gas) has been shown as an example of outward diffusion through a high dielectric film, an electrode, and a substrate. However, if the Ge oxide layer 4 and the Ge layer 2 are removed, all of GeO (gas) may be taken into these films without passing through. Even if incorporated, the semiconductor property is maintained in the substrate, and the conductivity is not deteriorated in the electrode.

高誘電体膜の場合には、Geが膜中に入っても電気的に影響を及ぼさない膜と、そのままでは絶縁性の保持ができない膜に分類できる。   In the case of a high dielectric film, it can be classified into a film that does not have an electrical influence even if Ge enters the film, and a film that cannot be kept insulating as it is.

端的な例として、Si上とGe上にHfO2を堆積した場合を用いて説明する。Si上に比べGe上の場合、HfO2はリーク電流増大・CVヒステリシス等の顕著な電気的特性劣化を起こす。第一原理スピン分極非局所近似密度汎関数法(SP-GGA-DFT法:Spin-Polarized Generalized Gradient Approximation Density Functional Theory)による我々の計算によれば、その原因はSiあるいはGeがHf置換サイトを占めるような欠陥を生じるためである。Siの場合には、4価のHfを同じ4価のSiで置換することから予想されるように、gap中欠陥準位は生じない。ところが、同じ4価でもGeの場合には、gap中の伝導帯に近いところに非占有の“浅い”欠陥準位が出現する。Geの場合のこの欠陥準位の波動関数、およびSiの場合のこれに対応する波動関数をもつ準位を調べた結果、Siではまさに伝導帯下端に張り付いた準位とGeのgap中欠陥準位が対応していることがわかった。Siでは伝導帯下端に張り付いているので、伝導帯下端近傍を構成するHf 5d軌道起因の拡がった軌道と混ざり合っている。しかしながら、Geではこの混ざりが生じていないためgap中に下降してしまっているのである。GeおよびSiの周りの電子密度分布を詳細に調べた結果、この準位がGeあるいはSiからある酸素の方向に伸びたsp軌道に起因した反結合性軌道であることがわかった。   As a simple example, the case where HfO2 is deposited on Si and Ge will be described. In the case of Ge over H over Si, HfO2 causes significant electrical characteristics degradation such as increased leakage current and CV hysteresis. According to our calculation by the first-principles spin-polarized nonlocal approximate density functional theory (SP-GGA-DFT method: Spin-Polarized Generalized Gradient Approximation Density Functional Theory), the cause is that Si or Ge occupies the Hf substitution site This is to cause such defects. In the case of Si, no defect level occurs in the gap, as expected from replacing tetravalent Hf with the same tetravalent Si. However, in the case of Ge with the same tetravalence, an unoccupied “shallow” defect level appears near the conduction band in the gap. As a result of investigating the wave function of this defect level in the case of Ge and the corresponding wave function in the case of Si, in Si, the level stuck to the bottom of the conduction band and the defect in the gap of Ge It was found that the levels corresponded. Since Si sticks to the bottom of the conduction band, it is mixed with the expanded orbit caused by the Hf 5d orbit that forms the vicinity of the bottom of the conduction band. However, in Ge, this mixing does not occur, so it falls in the gap. As a result of examining the electron density distribution around Ge and Si in detail, it was found that this level is an antibonding orbital caused by sp orbits extending from Ge or Si in the direction of oxygen.

したがって、他の元素で構成される上層についても、Geの価電子軌道であるGe4p軌道との軌道混成のし易さによってGeが含有した場合の影響の有無を分類することができる。空間的な歪みは充分に緩和されると仮定して、軌道混成のし易さを原子軌道エネルギーで考える。   Therefore, the upper layer composed of other elements can also be classified as to whether there is an influence when Ge is contained depending on the ease of orbital hybridization with Ge4p orbitals that are Ge valence orbitals. Assuming that the spatial distortion is sufficiently relaxed, the ease of orbital hybridization is considered in terms of atomic orbital energy.

文献「鳥海、応用物理、1453(2006)」や文献「Y. Kamata et al., 2007MRS Spring Meeting, G4.2(2007)」等で報告されているように、Ge基板上にイットリア(Y2O3)やジルコニア(ZrO2)を堆積した場合には、Geが膜中に拡散してもリーク電流増大・CVヒステリシス等の顕著な電気的特性劣化は起こらないが、ハフニア(HfO2)では劣化が起こる。これらイットリアやジルコニア、ハフニアでの実験結果を考慮すると、Ge4p軌道からおおよそ1.3eV以上浅い(つまり、真空準位に近づく方向)位置に複数の電子で占有された価電子準位をもたない場合は軌道混成が十分に起こりgap中の準位は生じない。逆に、その位置において複数の電子が価電子準位を占めている場合は軌道混成が不十分になり、gap中の準位は生じてしまうことがわかった。   Yttria (Y2O3) on a Ge substrate as reported in the literature “Chokai, Applied Physics, 1453 (2006)” and the literature “Y. Kamata et al., 2007 MRS Spring Meeting, G4.2 (2007)”. When zirconia (ZrO2) is deposited, significant electrical property degradation such as increased leakage current and CV hysteresis does not occur even if Ge diffuses in the film, but degradation occurs in hafnia (HfO2). Considering these experimental results in yttria, zirconia, and hafnia, when there is no valence level occupied by multiple electrons at a position that is shallower than 1.3eV (ie, closer to the vacuum level) from the Ge4p orbital Has sufficient orbital hybridization and no levels in the gap. Conversely, it was found that when multiple electrons occupy the valence level at that position, the orbital hybridization becomes insufficient and a level in the gap occurs.

そこで、種々の原子について原子軌道エネルギーをSP-GGA-DFT法で計算した。その一部を図6に示す。図6は、O, Si, Ge, Y, Zr, La, Hfの原子軌道エネルギーについて示したものである。Zrでは5sの2個、4dの2個の電子いずれもGe4pから1eV以内にあるため、軌道混成が十分に起こり、gap中の準位は生じない。Yでは4d電子がこの範囲よりも浅いものの1個しか存在しないため、軌道混成が起こり、gap中の準位は生じない。一方Hfでは、6sの2個はGe4pよりむしろ深いものの5dの2個の電子がこの範囲より浅くなってしまうため、軌道混成が不十分になり、gap中の準位が生じる。Laは6sの2個と5dの1個がGe4pからおおよそ1eVの前後に分布しているため、軌道混成が十分に起こり、gap中の準位は生じない。   Therefore, we calculated the atomic orbital energy for various atoms by SP-GGA-DFT method. A part thereof is shown in FIG. FIG. 6 shows the atomic orbital energy of O, Si, Ge, Y, Zr, La, and Hf. In Zr, two electrons in 5s and two electrons in 4d are both within 1eV from Ge4p, so orbital hybridization occurs sufficiently and no level in gap is generated. In Y, there is only one 4d electron that is shallower than this range, so orbital hybridization occurs, and the level in gap does not occur. On the other hand, in Hf, two of 6s are deeper than Ge4p, but two electrons of 5d are shallower than this range, so orbital hybridization becomes insufficient and a level in gap occurs. Since La 6s and 1d 5d are distributed around 1eV from Ge4p, orbital hybridization occurs sufficiently, and the level in gap does not occur.

この基準にしたがって、酸化物、酸窒化物、酸弗化物、あるいはこれらの複合物として想定される構成元素を分類すると次のようにまとめられる。Geが膜中に取り込まれたとしても特別な後処理を施すことなく良好な電気的特性が得られる分類に入れられる元素として、Li、Na、K、Rb、Cs、B、Al、S、Ga、As、Se、In、Sn、Sb、Te、Tl、Pb、Bi、Po、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、La、Gd、Ta、W、Re、Os、Pt、Ce、Sm、Eu、が挙げられる。一方、Geが膜中に取り込まれた場合、酸化物では電子的欠陥が発生する分類に入れられる元素として、Tc、Ru、Rh、Pd、Pt、Lu、Hf、Pr、Nd、Pm、Tb、Cy、Er、Tm、Hoが挙げられる。   According to this standard, constituent elements assumed as oxides, oxynitrides, oxyfluorides, or composites thereof are classified as follows. Li, Na, K, Rb, Cs, B, Al, S, Ga as elements that can be put in a class that provides good electrical properties without special post-treatment even if Ge is incorporated into the film , As, Se, In, Sn, Sb, Te, Tl, Pb, Bi, Po, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, La, Gd , Ta, W, Re, Os, Pt, Ce, Sm, Eu. On the other hand, when Ge is incorporated into the film, the elements that can be put into the classification where an electronic defect occurs in the oxide are Tc, Ru, Rh, Pd, Pt, Lu, Hf, Pr, Nd, Pm, Tb, Cy, Er, Tm, Ho are mentioned.

なお、軌道混成し易い元素を主たる構成元素として含む酸化物、酸窒化物、酸弗化物、あるいはこれらの複合物、などをGeの上層にもちいる場合は、特別な後処理工程を施さなくても電気的特性に影響はない。以下に説明するように、軌道混成が不充分な元素からなる上層の場合には、そのままでは電子的欠陥が発生するが、欠陥に起因する余剰電子を補償するための後処理工程(酸化・窒化)を施せば、電気的には完全にきれいに不活性化できる。そして、後処理は窒化より酸化であることが好ましい。   In addition, when an oxide, oxynitride, oxyfluoride, or a composite thereof containing an element easily mixed with orbital as a main constituent element is used in the upper layer of Ge, a special post-treatment process is not required. Does not affect the electrical characteristics. As will be described below, in the case of an upper layer made of an element with insufficient orbital hybridization, an electronic defect is generated as it is, but a post-processing step (oxidation / nitridation) for compensating for excess electrons caused by the defect. ) Can be completely inactivated electrically. The post-treatment is preferably oxidation rather than nitriding.

以下、ハフニア(HfO2)の場合について、我々のSP-GGA-DFT法計算で明らかにされた結果について、図11を参照して説明する。   Hereinafter, in the case of hafnia (HfO2), the results clarified by our SP-GGA-DFT method calculation will be described with reference to FIG.

GeはSiに比べ凝集熱・格子間原子生成熱ともにGeが小さく、GeO生成も容易なためGe供給源は出来易い。このGe供給源からHfO2中へ拡散するGeの特徴を以下に列記する。列記したカッコ数字は、図7中の丸数字と対応している。   Ge has a lower heat of cohesion and interstitial heat than Si, and Ge can be easily generated. The characteristics of Ge diffusing from this Ge source into HfO2 are listed below. The parenthesized numbers listed correspond to the circled numbers in FIG.

図7(a)は、生成エネルギーのフェルミ準位依存性を示す図である。ここで、Geの化学ポテンシャルμGeは、Ge基板/High-k界面を想定して結晶Geでの値μGe(bulk)に採った。また、酸素の化学ポテンシャルμOは酸素が十分に供給されている酸素リッチな状況を考え、酸素分子の値の半分1/2μO2とした。また、ハフニアの価電子帯上端VBMから測った伝導帯下端CBMのエネルギーには、計算で求められたバンドギャップEg:4.48eVを採った。この値は実測値5.68eVに対して1.2eV程度小さい。ただし、本実施形態において用いた第一原理バンド計算の理論枠組みの範囲内では、バンドギャップは実測値よりも過小評価されることが理論的に証明されている。また、その補正手法も理論的には示されている。だたし、補正には膨大な計算を要するため、実施はしていない。Ge単独(格子間ゲルマニウム(Gei))では生成熱が高くHfO2中へは溶解し難い(丸数字1参照)。格子間GeO((GeO)i)は、生成熱が低下しHfO2中の拡散も容易になる(丸数字2参照)。格子間GeOは、電子構造的には、中性のGei(0)とOi(0)がHfO2格子中に押し込まれている状態ではなく、Gei 2+とOi 2-に解離している状態を採る。こうして出来たOi 2-が格子酸素を押し出し、そして押し出された酸素が新たなOi 2-となることが繰り返される、いわゆるinterstitialcy機構でOの拡散が起こり易くなる。したがってイオン性の欠陥対としてのGei(2+)も拡散し易くなる。Geiと(GeO)iの荷電状態のフェルミ準位依存性は、何れも「負のU」的振舞いを示し、共にそのままでは正孔捕獲に対して極めて活性である(丸数字3参照)。なお、本来はある準位に電子が2つ入る(電子の注入)と、電子間のクーロン反発(Charging Energy)でエネルギー損が生じるはずである。しかしながら、電子注入が引き起こす大きな格子緩和によるクーロンエネルギーの利得が電子間斥力を上回ると、ある準位に電子が2つ入っている方が得になる。このことを「負のU」的振舞いという。 FIG. 7A is a diagram showing the Fermi level dependence of the generated energy. Here, the chemical potential μ Ge of Ge is assumed to be a value μ Ge (bulk) in crystalline Ge assuming a Ge substrate / High-k interface. The chemical potential μ O of oxygen was set to 1/2 μ O 2 which is half the value of oxygen molecules in consideration of an oxygen-rich situation where oxygen is sufficiently supplied. The band gap Eg: 4.48 eV obtained by calculation was adopted as the energy of the conduction band bottom CBM measured from the valence band top VBM of hafnia. This value is about 1.2 eV smaller than the actually measured value of 5.68 eV. However, it is theoretically proved that the band gap is underestimated from the actually measured value within the theoretical framework of the first principle band calculation used in the present embodiment. The correction method is also shown theoretically. However, since correction requires enormous calculation, it is not implemented. Ge alone (interstitial germanium (Ge i )) has a high heat of formation and is difficult to dissolve in HfO 2 (see number 1). Interstitial GeO ((GeO) i ) reduces the heat of formation and facilitates diffusion in HfO 2 (see circled numeral 2). In terms of electronic structure, interstitial GeO is not in a state where neutral Gei (0) and Oi (0) are pushed into the HfO2 lattice, but dissociated into Ge i 2+ and O i 2- Take a state. The so-called interstitialcy mechanism in which O i 2− thus produced extrudes lattice oxygen and the extruded oxygen becomes new O i 2− becomes easy to diffuse. Accordingly, Gei (2+) as an ionic defect pair is also easily diffused. The Fermi level dependence of the charge states of Ge i and (GeO) i both exhibit “negative U” behavior, and both are extremely active against hole trapping as they are (see circled number 3). Originally, when two electrons enter a certain level (injection of electrons), energy loss should occur due to Coulomb repulsion (Charging Energy) between the electrons. However, if the gain of Coulomb energy due to the large lattice relaxation caused by electron injection exceeds the repulsive force between electrons, it is advantageous to have two electrons in a certain level. This is called “negative U” behavior.

そこで、Geを含むハフニアと、それに窒素を加えた場合や酸素を加えた場合の電子状態を比較した。図7(b)は、電子エネルギーを横軸に、状態密度を縦軸に採り、種種の状態の原子についてハフニア中の電子状態を示す図である。VB(HfO2)はハフニアの価電子帯、CB(HfO2)はハフニアの伝導帯、VBM(Si)はシリコンの価電子帯上端、CBM(Si)はシリコンの伝導帯下端、黒矢印は占有準位、白矢印は非占有準位を示す。さらに、(GeO)i-2Noは、格子間GeO( (GeO)i )と酸素置換型窒素(No)2個が“対”を形成して、完全に電荷補償した構造を示す。Gei−4Noは、格子間Ge(Gei)と酸素置図換型窒素(No)4個が“対”を形成して、完全に電荷補償した構造を示す。No(3)は、単斜晶HfO2中の3配位酸素(O(3))を置換した窒素を示す。Gei−2Oiは、格子間Ge(Gei)と格子間酸素(Oi)2個が“対”を形成して、完全に電荷補償した構造を示す。Gei−1No、Gei−2NoやGei−1Oiは、電荷補償が不完全でgap中に余剰電子による占有準位が残ってしまう構造を示す。Perfectは、欠陥のない完全な単斜晶HfO2を示す。   Therefore, we compared the electronic state of hafnia containing Ge with that of nitrogen or oxygen. FIG. 7B is a diagram showing electronic states in hafnia for atoms in various states, with the electron energy on the horizontal axis and the state density on the vertical axis. VB (HfO2) is the valence band of hafnia, CB (HfO2) is the conduction band of hafnia, VBM (Si) is the top of the valence band of silicon, CBM (Si) is the bottom of the conduction band of silicon, and the black arrow is the occupied level A white arrow indicates an unoccupied level. Further, (GeO) i-2No indicates a structure in which interstitial GeO ((GeO) i) and two oxygen-substituted nitrogen (No) form a “pair” and are completely charge compensated. Gei-4No indicates a structure in which interstitial Ge (Gei) and four oxygen-replaced nitrogen (No) form a “pair” and are completely charge compensated. No (3) represents nitrogen substituted for tricoordinate oxygen (O (3)) in monoclinic HfO2. Gei-2Oi shows a structure in which two interstitial Ge (Gei) and two interstitial oxygen (Oi) form a “pair” and are completely charge compensated. Gei-1No, Gei-2No, and Gei-1Oi show structures in which charge compensation is incomplete and occupied levels due to surplus electrons remain in the gap. Perfect shows perfect monoclinic HfO2 without defects.

Geiと(GeO)iはともに酸素置換型窒素(NO)(1〜4個)と"対"を形成すると電気的不活性化に向かう(丸数字4参照)。ただし、価電子帯上端の上昇や伝導帯下端の直下に非占有準位をもたらすので注意は必要である。一方、酸素(Oi)との"対"形成(Gei-2Oi)により、Geiの余剰電子は完全に補償され、しかも伝導帯下端の直下に非占有準位を形成することなく不活性化できる(丸数字5参照)。このため、Ge混入により生じる電気的特性の悪化は、酸素や窒素の導入により解消することが可能であり、酸素を導入した方がより好ましいことがわかる。 When Ge i and (GeO) i form “pairs” with oxygen-substituted nitrogen (N O ) (1 to 4), they go to electrical deactivation (see circled numeral 4). However, care must be taken because it causes an unoccupied level immediately above the upper end of the valence band and directly below the lower end of the conduction band. On the other hand, the oxygen (O i) and the "pair" formed (Ge i -2O i), the excess electrons of Ge i is fully compensated, yet without forming a unoccupied levels just below the conduction band minimum non Can be activated (see number 5). For this reason, it can be understood that the deterioration of the electrical characteristics caused by mixing of Ge can be eliminated by introducing oxygen or nitrogen, and it is more preferable to introduce oxygen.

(第7の実施形態)
第7の実施形態では、第1〜4の実施形態を適用したCMOSFETの製造方法、特にゲートファーストプロセスについて説明する。ここでは、便宜上、第1および第3の実施形態の高誘電体膜をゲート絶縁膜とする例を用いて説明するが、無論、第2および第4の実施形態も同様に適用できる。
(Seventh embodiment)
In the seventh embodiment, a method of manufacturing a CMOSFET to which the first to fourth embodiments are applied, particularly a gate first process will be described. Here, for the sake of convenience, description will be made using an example in which the high dielectric film of the first and third embodiments is a gate insulating film, but of course, the second and fourth embodiments can be similarly applied.

図8に示すように、シリコン基板1に素子分離層7を形成する。素子分離層7は、局所酸化法や、STI(Shallow Trench Isolation)法を用いてもよいし、メサ型でも構わない。素子分離層7を形成した後、通常のイオン注入によりp型ウェル領域8及びn型ウェル領域9をそれぞれに形成する。つづいて、素子分離層7、ウェル領域8,9を含むシリコン基板の表面の自然酸化膜を通常のウェットエッチングにより除去した後、直ちに成膜装置に搬送する。   As shown in FIG. 8, an element isolation layer 7 is formed on the silicon substrate 1. The element isolation layer 7 may use a local oxidation method, an STI (Shallow Trench Isolation) method, or may be a mesa type. After the element isolation layer 7 is formed, a p-type well region 8 and an n-type well region 9 are respectively formed by normal ion implantation. Subsequently, the natural oxide film on the surface of the silicon substrate including the element isolation layer 7 and the well regions 8 and 9 is removed by normal wet etching, and then immediately transferred to the film forming apparatus.

ここで、第1の実施形態にて述べたように、Si基板1上に高誘電体膜、例えば非晶質のHfO2膜とGeO2層とGe層の積層構造を形成する。その後、低温アニールすることにより、GeO2層とGe層が消失するので、ゲート絶縁膜10,11を界面層無しに形成できる。また、p型ウェル8あるいはn型ウェル9の一方にだけGe層を形成してから高誘電体膜を堆積すれば、高誘電体と基板1の積層構造において、界面層のあるものとないものをつくりわけできる。   Here, as described in the first embodiment, a high dielectric film such as an amorphous HfO 2 film, a GeO 2 layer, and a Ge layer are formed on the Si substrate 1. Thereafter, the GeO 2 layer and the Ge layer disappear by low-temperature annealing, so that the gate insulating films 10 and 11 can be formed without an interface layer. In addition, if a high dielectric film is deposited after forming a Ge layer only in one of the p-type well 8 or the n-type well 9, the laminated structure of the high dielectric and the substrate 1 may or may not have an interface layer. Can be made.

その後、第3の実施形態にて述べた方法を用いて、ゲート絶縁膜10,11上にゲート電極となる単層又は多層の導電膜を界面層無しに形成できる。ここで、例えば、nチャネルMISトランジスター用にタンタルカーバイドを、p-MISFET用にタングステンをそれぞれCVDにより10nm成膜し、その上部にチタンナイトライドをCVDにより10nm成膜し、その上部に多結晶シリコン層を減圧CVDにより50nm成膜する。   Thereafter, by using the method described in the third embodiment, a single-layer or multi-layer conductive film serving as a gate electrode can be formed on the gate insulating films 10 and 11 without an interface layer. Here, for example, a tantalum carbide film for an n-channel MIS transistor and a tungsten film for a p-MISFET are formed to a thickness of 10 nm by CVD, a titanium nitride film is formed to a thickness of 10 nm by CVD, and a polycrystalline silicon film is formed thereon. The layer is deposited to 50 nm by low pressure CVD.

n-MISFET用導電膜には、タンタルシリサイド、窒化タンタルシリサイド、窒化チタンシリサイド、タングステンシリサイド、窒化タングステンシリサイド等を用いることができる。また、p-MISFET用導電膜には、ルテニウム、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、白金、白金イリジウムなどを用いることができる。   For the conductive film for n-MISFET, tantalum silicide, tantalum nitride silicide, titanium nitride silicide, tungsten silicide, tungsten nitride silicide, or the like can be used. Further, for the p-MISFET conductive film, ruthenium, titanium nitride, titanium aluminum nitride, platinum, platinum iridium, or the like can be used.

引き続き、フォトリソグラフィ技術によるパターニングを行い、異方性エッチングにより不要な膜を削除し、それぞれゲート電極12,13を形成する。さらに、ゲート電極12,13を用いて自己整合的に、リンとボロンのイオン注入によりn-及びp-MISFETの高不純物濃度の浅いエクステンション層14,15を形成する。エクステンション層14,15の形成には、選択エピタキシャル成長法を用いデバイス特性としても短チャンネル効果の抑制が可能であるエレベート型ソース・ドレイン構造を用いてもよい。また、エレベート型ソース・ドレイン構造の形成の際に、同時に不純物を導入してもよい。   Subsequently, patterning is performed by a photolithography technique, unnecessary films are removed by anisotropic etching, and gate electrodes 12 and 13 are formed, respectively. Further, shallow extension layers 14 and 15 of high impurity concentration of n- and p-MISFETs are formed by ion implantation of phosphorus and boron in a self-aligning manner using the gate electrodes 12 and 13. For the formation of the extension layers 14 and 15, an elevated source / drain structure that can suppress the short channel effect as a device characteristic using a selective epitaxial growth method may be used. Further, impurities may be introduced simultaneously with the formation of the elevated source / drain structure.

次に、ゲート電極12,13とソース・ドレイン領域(エクステンション層14,15および深い拡散層18,19)の絶縁のための側壁16,17を形成する。エクステンション層14,15の場合よりも大きな加速電圧によりリン及びボロンのイオン注入を行い、深い拡散層18,19を形成する。ここまでの工程で、ソース・ドレインの活性化プロセス温度としては、例えば、ゲート絶縁膜であるHfO2膜10,11が結晶化しない温度、例えば900℃で行う。   Next, side walls 16 and 17 for insulating the gate electrodes 12 and 13 and the source / drain regions (extension layers 14 and 15 and deep diffusion layers 18 and 19) are formed. Phosphorus and boron ions are implanted at a higher acceleration voltage than in the case of the extension layers 14 and 15, and the deep diffusion layers 18 and 19 are formed. In the steps so far, the source / drain activation process temperature is, for example, a temperature at which the HfO 2 films 10 and 11 as the gate insulating films are not crystallized, for example, 900 ° C.

また、ソース・ドレイン領域の活性化プロセス条件としては、フラッシュランプアニール、レーザーアニールなどを用いることができる。これらによれば、より短時間の処理で半導体中不純物の活性化を実現できるので、ゲート電極/絶縁膜/半導体構造の耐熱性を維持しやすくなる。   As the activation process conditions for the source / drain regions, flash lamp annealing, laser annealing, or the like can be used. According to these, since the activation of impurities in the semiconductor can be realized in a shorter time, it becomes easy to maintain the heat resistance of the gate electrode / insulating film / semiconductor structure.

その後、減圧CVDにより層間絶縁膜20となるシリコン酸化膜を堆積し、CMP(chemical mechanical planarization)によりゲート電極の上端を露出させたのち、スパッター法などによりニッケル層を50nm成膜する。その後、500℃の低温熱処理を行うことで、ニッケルと多結晶Siの界面領域からシリサイドが形成されNiSiが形成する。ここで、本実施例においては多結晶Siが全てシリサイドへと変換されている。もちろん、Niの膜厚をより薄くすることで多結晶Siの一部をシリサイド化するにとどめても良い。この後、硫酸と過酸化水素水の混合溶液などで未反応のNiを除去する。 Thereafter, a silicon oxide film to be an interlayer insulating film 20 is deposited by low pressure CVD, and the upper end of the gate electrode is exposed by CMP (chemical mechanical planarization), and then a nickel layer is formed to a thickness of 50 nm by a sputtering method or the like. Thereafter, by performing a low-temperature heat treatment at 500 ° C., silicide is formed from the interface region between nickel and polycrystalline Si to form Ni 2 Si. Here, in this embodiment, all the polycrystalline Si is converted into silicide. Of course, a part of the polycrystalline Si may be silicidized by making the Ni film thinner. Thereafter, unreacted Ni is removed with a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution.

以上説明した製造工程により、図8に示す構造のCMOSFET半導体装置が作製できる。第7の実施形態の半導体装置の構造では、ゲート絶縁膜10とp型ウェル領域8、ゲート絶縁膜11とn型ウェル領域9は界面低誘電率層を挟まずに直接接触している。さらに、ゲート絶縁膜10とゲート電極12、ゲート絶縁膜11とゲート電極13は界面低誘電率層を挟まずに直接接触している。このため、絶縁膜容量を極めて高い値に設定することが可能であり、トランジスターの電流駆動力が高くなる。   Through the manufacturing process described above, the CMOSFET semiconductor device having the structure shown in FIG. 8 can be manufactured. In the structure of the semiconductor device of the seventh embodiment, the gate insulating film 10 and the p-type well region 8 and the gate insulating film 11 and the n-type well region 9 are in direct contact with no interfacial low dielectric constant layer interposed therebetween. Further, the gate insulating film 10 and the gate electrode 12, and the gate insulating film 11 and the gate electrode 13 are in direct contact with no interfacial low dielectric constant layer interposed therebetween. For this reason, it is possible to set the insulating film capacitance to an extremely high value, and the current driving capability of the transistor is increased.

(第8の実施形態)
第8の実施形態では、第1〜4の実施形態を適用したCMOSFETの製造方法、特にリプレースメントゲートプロセスについて説明する。ここでは、便宜上、第1および第3の実施形態の高誘電体膜をゲート絶縁膜とする例を用いて説明するが、無論、第2および第4の実施形態も同様に適用できる。
(Eighth embodiment)
In the eighth embodiment, a method of manufacturing a CMOSFET to which the first to fourth embodiments are applied, particularly a replacement gate process will be described. Here, for the sake of convenience, description will be made using an example in which the high dielectric film of the first and third embodiments is a gate insulating film, but of course, the second and fourth embodiments can be similarly applied.

前述した第7の実施形態では、ゲート絶縁膜及びゲート電極の加工を行った後に、不純物を導入してソース・ドレイン領域を形成する工程を用いて図8に示す構造の半導体装置を作製した。これに対し、第8の実施形態では、多結晶シリコンなどからなるダミーゲートを用いて、自己整合的にソース・ドレイン領域を形成する。この際、ソース・ドレイン領域の形成は、1000℃以上の高温で行われる。その後、ダミーゲートをウェットエッチング又は、ドライエッチング等の既存の製造方法によりダミーゲートを除去する(図9参照)。   In the seventh embodiment described above, the semiconductor device having the structure shown in FIG. 8 is manufactured by using the process of forming the source / drain regions by introducing impurities after processing the gate insulating film and the gate electrode. On the other hand, in the eighth embodiment, source / drain regions are formed in a self-aligned manner using a dummy gate made of polycrystalline silicon or the like. At this time, the source / drain regions are formed at a high temperature of 1000 ° C. or higher. Thereafter, the dummy gate is removed by an existing manufacturing method such as wet etching or dry etching (see FIG. 9).

ここで、ダミーゲートを除去した後にできる溝21の内部に、第1および第3の実施形態にて述べたように、その界面に反応層を形成すること無しに、ゲート絶縁膜及びゲート電極を形成する。例えば、高誘電体膜としてHfO2膜を形成し、Ge層2、GeO2層4を順次堆積し、ゲート電極を堆積後、アニールによりGe層2およびGeO2層4を除去する。n-MISFETにはn-MISFET用ゲート電極12、例えば窒素を添加したハフニウムシリサイドを、p-MISFETにはp-MISFET用ゲート電極13、例えばニッケルリッチなニッケルシリサイドをゲート電極として形成する。   Here, as described in the first and third embodiments, the gate insulating film and the gate electrode are formed in the groove 21 formed after the dummy gate is removed without forming a reaction layer at the interface. Form. For example, an HfO 2 film is formed as a high dielectric film, a Ge layer 2 and a GeO 2 layer 4 are sequentially deposited, a gate electrode is deposited, and then the Ge layer 2 and the GeO 2 layer 4 are removed by annealing. The n-MISFET is formed with an n-MISFET gate electrode 12, for example, hafnium silicide to which nitrogen is added, and the p-MISFET is formed with a p-MISFET gate electrode 13, for example, nickel-rich nickel silicide.

他にも、n-MISFETのゲート電極には、希土類金属のシリサイド(ハフニウムシリサイド、エルビウム・イットリウム等)、金属のシリサイド(チタンシリサイド・ジルコニウム・タンタル等)、金属のシリサイドに窒素を添加した窒化金属シリサイド、タンタルカーバイド・タンタルナイトライド、及び、これらにエルビウムなどからなる希土類金属を添加した合金、等を用いることができる。   In addition, n-MISFET gate electrodes include rare earth metal silicides (hafnium silicide, erbium, yttrium, etc.), metal silicides (titanium silicide, zirconium, tantalum, etc.), and metal nitrides with nitrogen added to metal silicides. Silicide, tantalum carbide / tantalum nitride, and alloys obtained by adding a rare earth metal such as erbium to these can be used.

また、p-MISFETのゲート電極には、白金族元素(白金・イリジウム・ルテニウム・パラジウム・オスミウム等)、白金族元素どうしの合金あるいはシリサイド、ルテニウム及び、イリジウムの酸化物、SrRuO、金、銀、窒化チタンアルミニウム、タングステン及びその窒化物、モリブデン及びその窒化物あるいは酸化物等を用いることができる。   In addition, the gate electrode of the p-MISFET includes a platinum group element (platinum, iridium, ruthenium, palladium, osmium, etc.), an alloy of platinum group elements or silicide, ruthenium, an oxide of iridium, SrRuO, gold, silver, Titanium aluminum nitride, tungsten and its nitride, molybdenum and its nitride or oxide can be used.

さらに、全面上にタングステン等の金属薄膜を、例えばCVD法によって被覆性よく堆積する。その後、CMPなどによりデバイス平坦化を実施することにより、CMOSFETを得ることができる。   Further, a metal thin film such as tungsten is deposited on the entire surface with good coverage by, for example, the CVD method. Thereafter, the device is planarized by CMP or the like, whereby a CMOSFET can be obtained.

第8の実施形態では、ゲート電極/ゲート絶縁膜界面形成後には、約1000℃にも達する高温工程がなく、せいぜい500℃以下の熱プロセスしか必要ない。従って、両構造の熱的な安定性に対する危惧が少なくて済み、500℃程度に耐える金属材料、例えば窒素添加ハフニウムシリサイド、ニッケルリッチなニッケルシリサイドなどを用いることができる。これらの材料は仕事関数がシリコンバンドエッジに近いためトランジスターのしきい値電圧を低くできる。すなわち、第8の実施形態では、原理的な耐熱性不良の懸念無くこれらの低閾値ゲート電極材料を用いることが可能となる。   In the eighth embodiment, after the gate electrode / gate insulating film interface is formed, there is no high-temperature step reaching about 1000 ° C., and only a thermal process of 500 ° C. or lower is required. Therefore, there is less concern about the thermal stability of both structures, and a metal material that can withstand about 500 ° C., such as nitrogen-added hafnium silicide, nickel-rich nickel silicide, or the like can be used. Since these materials have a work function close to the silicon band edge, the threshold voltage of the transistor can be lowered. That is, in the eighth embodiment, it is possible to use these low threshold gate electrode materials without fear of a fundamental heat resistance failure.

(第9の実施形態)
第9の実施形態では、第1〜4の実施形態を適用したFG型不揮発性メモリの製造方法ついて、図10(a)〜(e)を参照しつつ説明する。図10(a)〜(e)の左側と右側の図面は互いに直交する断面を示している。ここでは、便宜上、第1の実施形態の高誘電体膜をゲート絶縁膜とする例を用いて説明するが、無論、第2〜第4の実施形態も同様に適用できる。
(Ninth embodiment)
In the ninth embodiment, a method for manufacturing an FG type nonvolatile memory to which the first to fourth embodiments are applied will be described with reference to FIGS. The left and right drawings in FIGS. 10A to 10E show cross sections orthogonal to each other. Here, for the sake of convenience, description will be made using an example in which the high dielectric film of the first embodiment is a gate insulating film, but of course, the second to fourth embodiments can be similarly applied.

まず、図10(a)に示すように、所望の不純物をドーピングしたp型シリコン基板1の表面に、第1の実施形態にて述べたように、その界面に反応層を形成すること無しに、Si基板1の上にトンネル膜24を形成できる。例えば、Si基板、Ge層、GeO2層、HfO2膜の積層構造を形成後、低温アニールすることにより、GeO2層とGe層が消失するので、HfO2/Si基板構造が界面層無しに形成できる。   First, as shown in FIG. 10 (a), as described in the first embodiment, a reaction layer is not formed on the surface of a p-type silicon substrate 1 doped with a desired impurity. A tunnel film 24 can be formed on the Si substrate 1. For example, since the GeO2 layer and the Ge layer disappear by performing low-temperature annealing after forming a stacked structure of a Si substrate, a Ge layer, a GeO2 layer, and an HfO2 film, an HfO2 / Si substrate structure can be formed without an interface layer.

つづいて、浮遊ゲート電極となる厚さ60nmの浮遊ゲート電極(リンドープの結晶性シリコン層)23をCVD(chemical vapor deposition)法で堆積する。   Subsequently, a floating gate electrode (phosphorus-doped crystalline silicon layer) 23 having a thickness of 60 nm to be a floating gate electrode is deposited by a CVD (chemical vapor deposition) method.

その後、レジストマスク(図示せず)を用いた反応性イオンエッチング(RIE、reactive ion etching)法により、マスク材22、浮遊ゲート電極23、トンネル絶縁膜24を順次エッチング加工し、さらにシリコン基板1の露出領域をエッチングして、深さ100nmの素子分離溝を形成する。   Thereafter, the mask material 22, the floating gate electrode 23, and the tunnel insulating film 24 are sequentially etched by a reactive ion etching (RIE) method using a resist mask (not shown). The exposed region is etched to form an element isolation trench having a depth of 100 nm.

次いで、図10(b)に示すように、全面に素子分離用のシリコン酸化膜26を堆積して、素子分離溝を完全に埋め込む。その後、表面部分のシリコン酸化膜26をCMP(chemical mechanical polishing)法で除去して、表面を平坦化する。このとき、マスク材であるシリコン窒化膜22の上面が露出する。ついで、露出したマスク材22を選択的にエッチング除去した後、シリコン酸化膜7の露出表面を希フッ酸溶液等でエッチング除去し、浮遊ゲート電極23の側壁面を露出させる。   Next, as shown in FIG. 10B, a silicon oxide film 26 for element isolation is deposited on the entire surface to completely fill the element isolation trench. Thereafter, the silicon oxide film 26 on the surface portion is removed by a CMP (chemical mechanical polishing) method to planarize the surface. At this time, the upper surface of the silicon nitride film 22 as a mask material is exposed. Next, the exposed mask material 22 is selectively removed by etching, and then the exposed surface of the silicon oxide film 7 is removed by etching with a diluted hydrofluoric acid solution or the like to expose the side wall surface of the floating gate electrode 23.

次いで、図10(c)に示すように、第1の実施形態で述べた方法により、電極間絶縁膜27として高誘電体膜を界面層無しに形成する。例えば、浮遊ゲート電極(リンドープの結晶性シリコン層)23、Ge層、GeO2層、HfAlO膜の積層構造を形成し、低温アニールすることにより、GeO2層とGe層を消失させる。   Next, as shown in FIG. 10C, a high dielectric film is formed without an interface layer as the interelectrode insulating film 27 by the method described in the first embodiment. For example, a stacked structure of a floating gate electrode (phosphorus-doped crystalline silicon layer) 23, a Ge layer, a GeO2 layer, and an HfAlO film is formed, and the GeO2 layer and the Ge layer are eliminated by low-temperature annealing.

次いで、図10(d)に示すように、制御ゲート電極としてCVD法でリンドープのn型多結晶シリコン層28を620℃で堆積して形成し、その上にタングステンシリサイド(WSi)層29を形成することにより、WSi層/多結晶Si層からなる2層構造の厚さ100nmの導電層を形成する。ここで、WSi層29は、W(CO)を原料ガスとするCVD法を用いてWを堆積し、その後の熱工程で多結晶シリコン層をWSixに変換することにより形成する。 Next, as shown in FIG. 10D, a phosphorus-doped n + -type polycrystalline silicon layer 28 is deposited by CVD at 620 ° C. as a control gate electrode, and a tungsten silicide (WSi) layer 29 is formed thereon. By forming, a conductive layer having a two-layer structure of WSi layer / polycrystalline Si layer and having a thickness of 100 nm is formed. Here, the WSi layer 29 is formed by depositing W using a CVD method using W (CO) 6 as a source gas and converting the polycrystalline silicon layer into WSix in a subsequent thermal process.

なお、これらの膜の製造方法はここに示した方法に限らず、他の原料ガスを用いてもよい。また、ALD,CVD法以外の例えばスパッター法,蒸着法,レーザーアブレーション法,MBE法、またこれらの手法を組み合わせた成膜方法も可能である。   Note that the manufacturing method of these films is not limited to the method shown here, and other source gases may be used. In addition to ALD and CVD methods, for example, sputtering, vapor deposition, laser ablation, MBE, and film formation methods combining these methods are also possible.

その後、レジストマスク(図示せず)を用いたRIE法により、WSi層29,多結晶シリコン層28、トンネル膜27、単結晶シリコン浮遊ゲート電極23b、トンネル絶縁膜24を順次エッチング加工して、ワード線方向のスリット部を形成する。これにより、浮遊ゲート電極及び制御ゲート電極の形状が確定する。   Thereafter, the WSi layer 29, the polycrystalline silicon layer 28, the tunnel film 27, the single crystal silicon floating gate electrode 23b, and the tunnel insulating film 24 are sequentially etched by the RIE method using a resist mask (not shown) to form the word A slit portion in the linear direction is formed. Thereby, the shapes of the floating gate electrode and the control gate electrode are determined.

最後に、図10(e)に示すように、露出面に電極側壁酸化膜と呼ばれるシリコン酸化膜30を熱酸化法で形成後、イオン注入法を用いてn型のソース/ドレイン拡散層31を形成する。さらに、全面を覆うようにシリコン酸化膜などの層間絶縁膜32をCVD法で形成する。その後は、周知の方法で配線層等を形成して不揮発性メモリセルが完成する。 Finally, as shown in FIG. 10E, a silicon oxide film 30 called an electrode side wall oxide film is formed on the exposed surface by a thermal oxidation method, and then an n-type + source / drain diffusion layer 31 is used by an ion implantation method. Form. Further, an interlayer insulating film 32 such as a silicon oxide film is formed by a CVD method so as to cover the entire surface. Thereafter, a wiring layer or the like is formed by a well-known method to complete the nonvolatile memory cell.

(第10の実施形態)
第10の実施形態では、第1〜4の実施形態を適用したSONOS型不揮発性メモリの製造方法ついて、図11(a)〜(e)を参照しつつ説明する。図11(a)〜(e)の左側と右側の図面は互いに直交する断面を示している。ここでは、便宜上、第1の実施形態の高誘電体膜をゲート絶縁膜とする例を用いて説明するが、無論、第2〜第4の実施形態も同様に適用できる。
(Tenth embodiment)
In the tenth embodiment, a method of manufacturing a SONOS type nonvolatile memory to which the first to fourth embodiments are applied will be described with reference to FIGS. The left and right drawings in FIGS. 11A to 11E show cross sections orthogonal to each other. Here, for the sake of convenience, description will be made using an example in which the high dielectric film of the first embodiment is a gate insulating film, but of course, the second to fourth embodiments can be similarly applied.

まず、図11(a)に示すように、所望の不純物をドーピングしたp型Si基板1の表面に、第1の実施形態で述べた方法を用いることにより、高誘電体膜のトンネル絶縁膜34を界面層無しに形成できる。上から順に、高誘電体膜例えばHfAlO膜、GeO2層、Ge層、Si基板1の積層構造を形成し、低温アニールすることにより、GeO2層とGe層を消失させる。   First, as shown in FIG. 11A, a tunnel insulating film 34 of a high dielectric film is formed on the surface of a p-type Si substrate 1 doped with a desired impurity by using the method described in the first embodiment. Can be formed without an interface layer. In order from the top, a high-dielectric film such as a HfAlO film, a GeO2 layer, a Ge layer, and a Si substrate 1 are formed and annealed at a low temperature to eliminate the GeO2 layer and the Ge layer.

つづいて、電荷蓄積層となる厚さ60nmのシリコン窒化膜33をCVD(chemical vapor deposition)法で堆積する。このとき使用するガスは、例えばジクロルシラン(SiHCl)とアンモニア(NH)、もしくはヘキサクロルジシラン(SiCl)とアンモニア(NH)を用いて行い、成膜温度は約450℃から800℃である。 Subsequently, a silicon nitride film 33 having a thickness of 60 nm serving as a charge storage layer is deposited by a CVD (chemical vapor deposition) method. The gas used at this time is, for example, dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ) and ammonia (NH 3 ), or hexachlorodisilane (Si 2 Cl 6 ) and ammonia (NH 3 ), and the film formation temperature is about 450 ° C. To 800 ° C.

その後、レジストマスク(図示せず)を用いたRIE法により、電荷蓄積層であるシリコン窒化膜33、トンネル絶縁膜34を順次エッチング加工し、さらにSi基板1の露出領域をエッチングして、深さ100nmの素子分離溝を形成する。   Thereafter, the silicon nitride film 33 and the tunnel insulating film 34, which are charge storage layers, are sequentially etched by RIE using a resist mask (not shown), and the exposed region of the Si substrate 1 is further etched to obtain a depth. A 100 nm isolation trench is formed.

次いで、図11(b)に示すように、全面に素子分離用のシリコン酸化膜26を堆積して、素子分離溝を完全に埋め込む。その後、表面部分のシリコン酸化膜26をCMP法で除去して、表面を平坦化する。このとき、シリコン窒化膜33の上面が露出する。   Next, as shown in FIG. 11B, a silicon oxide film 26 for element isolation is deposited on the entire surface to completely fill the element isolation trench. Thereafter, the silicon oxide film 26 on the surface portion is removed by a CMP method to planarize the surface. At this time, the upper surface of the silicon nitride film 33 is exposed.

次いで、図11(c)に示すように、シリコン酸化膜26の露出表面を希フッ酸溶液でエッチング除去し、シリコン窒化膜33の側壁面を露出させる。その後、全面にブロック絶縁膜35となる厚さ15nmのHfAlO膜を第1の実施形態で述べた方法により形成する。実施形態では下地はSi基板であったが、SiN膜でも適用可能である。成膜中に表面が酸化されるとSiON膜となり電荷保持特性が劣化するが、第1の実施形態の方法を用いれば、SiN膜の特性を維持しながらその上にHfAlO膜を形成できる。ここで、本実施例では、素子分離用シリコン酸化膜26の表面を少しエッチングして、ブロック絶縁膜35に段差を持たせるような構造を用いているが、これに限定されるものではなく、ブロック絶縁膜35を平坦になるように構成しても良く、これはトンネル絶縁膜および電荷蓄積層との所望の容量比に応じて選択が可能である。   Next, as shown in FIG. 11C, the exposed surface of the silicon oxide film 26 is etched away with a dilute hydrofluoric acid solution to expose the side wall surface of the silicon nitride film 33. Thereafter, a 15 nm thick HfAlO film to be the block insulating film 35 is formed on the entire surface by the method described in the first embodiment. In the embodiment, the base is a Si substrate, but a SiN film is also applicable. If the surface is oxidized during film formation, the film becomes a SiON film and the charge retention characteristics deteriorate. However, if the method of the first embodiment is used, an HfAlO film can be formed thereon while maintaining the characteristics of the SiN film. Here, in the present embodiment, the surface of the element isolation silicon oxide film 26 is slightly etched to use a structure in which the block insulating film 35 has a step, but this is not a limitation. The block insulating film 35 may be configured to be flat, and this can be selected according to a desired capacitance ratio between the tunnel insulating film and the charge storage layer.

次いで、制御ゲート電極としてCVD法でリンドープのn型シリコン層28を420℃で堆積して形成し、その上にWSi層29を形成することにより、WSi層29/シリコン層28からなる2層構造の厚さ100nmの電極層を形成する。ここで、WSi層29は、W(CO)を原料ガスとするCVD法を用いてWを堆積し、その後の熱工程で多結晶シリコン層をWSixに変換することにより形成する。 Next, a phosphorus-doped n + -type silicon layer 28 is deposited by CVD at 420 ° C. as a control gate electrode, and a WSi layer 29 is formed thereon to form two layers of WSi layer 29 / silicon layer 28. An electrode layer having a structure thickness of 100 nm is formed. Here, the WSi layer 29 is formed by depositing W using a CVD method using W (CO) 6 as a source gas and converting the polycrystalline silicon layer into WSix in a subsequent thermal process.

なお、これらの膜の製造方法はここに示した方法に限らず、他の原料ガスを用いてもよい。また、ALD,CVD法以外の例えばスパッター法,蒸着法,レーザーアブレーション法,MBE法、またこれらの手法を組み合わせた成膜方法も可能である。   Note that the manufacturing method of these films is not limited to the method shown here, and other source gases may be used. In addition to ALD and CVD methods, for example, sputtering, vapor deposition, laser ablation, MBE, and film formation methods combining these methods are also possible.

続いて、該制御ゲート電極となるWSi層上にマスク材となるシリコン窒化膜22を堆積する。その後、レジストマスク(図示せず)を用いたRIE法により、シリコン窒化膜22、WSi層29、非晶質シリコン層28、ブロック層35であるHfAlOx膜、電荷蓄積層33であるシリコン窒化膜層、トンネル絶縁膜34であるSiON膜を順次エッチング加工して、図11(d)に示すように、ワード線方向のスリット部を形成する。   Subsequently, a silicon nitride film 22 serving as a mask material is deposited on the WSi layer serving as the control gate electrode. Thereafter, the silicon nitride film 22, the WSi layer 29, the amorphous silicon layer 28, the HfAlOx film as the block layer 35, and the silicon nitride film layer as the charge storage layer 33 are formed by RIE using a resist mask (not shown). Then, the SiON film as the tunnel insulating film 34 is sequentially etched to form a slit portion in the word line direction as shown in FIG.

最後に、図11(e)に示すように、露出面に電極側壁酸化膜と呼ばれるシリコン酸化膜30を熱酸化法で形成後、イオン注入法を用いてn型のソース/ドレイン拡散層31を形成する。さらに、全面を覆うようにシリコン酸化膜などの層間絶縁膜32をCVD法で形成する。その後は、周知の方法で配線層等を形成してSONOS型不揮発性メモリセルが完成する。 Finally, as shown in FIG. 11E, a silicon oxide film 30 called an electrode sidewall oxide film is formed on the exposed surface by a thermal oxidation method, and then an n + type source / drain diffusion layer 31 is formed by using an ion implantation method. Form. Further, an interlayer insulating film 32 such as a silicon oxide film is formed by a CVD method so as to cover the entire surface. Thereafter, a wiring layer and the like are formed by a well-known method to complete the SONOS type nonvolatile memory cell.

以上、各実施形態では、絶縁膜としてHfAlO膜、HfSiON膜、HfO2膜など、電極としてTiN、TaCなど、基板としてSi基板の例を示したが、本実施形態はそれらの材料に限定されるものではない。絶縁膜、基板、電極の間で反応したり、絶縁膜を構成する元素が基板に拡散したりするすべての場合に適用できる。例えば、基板としては、Si, SixGe1-x (1≧x>0)、III-V族化合物などでも良い。例えば、電極としては、Mo, Al, Ti, Ta, Au, Pt, Wなどの金属、TiN, TaNなどの導電性金属窒化物、TaCなどの導電性金属炭化物、NiSi、PtSiなどの導電性金属珪化物、RuOなどの導電性酸化物ジャーマナイドなどの二元化合物、TiAlN, TaAlNなどの三元化合物、それ以上の元素を含む化合物、でも、導電性の低い材料であれば何でも良い。それらの積層構造、多層構造でも構わない。   As described above, in each embodiment, an example of an HfAlO film, an HfSiON film, an HfO2 film, etc. as an insulating film, an TiN, TaC, etc. as an electrode, and an Si substrate as a substrate has been shown, but this embodiment is limited to those materials is not. The present invention can be applied to all cases in which a reaction occurs between the insulating film, the substrate, and the electrode, or an element constituting the insulating film diffuses into the substrate. For example, the substrate may be Si, SixGe1-x (1 ≧ x> 0), a III-V group compound, or the like. For example, the electrodes include metals such as Mo, Al, Ti, Ta, Au, Pt, and W, conductive metal nitrides such as TiN and TaN, conductive metal carbides such as TaC, and conductive metals such as NiSi and PtSi. Binary compounds such as silicide, conductive oxide germanide such as RuO, ternary compounds such as TiAlN and TaAlN, and compounds containing higher elements may be used as long as they have low conductivity. A laminated structure or a multilayer structure thereof may be used.

また、GeO2層4やHfO2膜3など化学組成について、本実施形態では化学量論比を用いて説明したが、酸素欠損型等の非化学量論比を採っても無論かまわない。   Further, the chemical composition of the GeO2 layer 4 and the HfO2 film 3 has been described using the stoichiometric ratio in the present embodiment, but it is of course possible to adopt a non-stoichiometric ratio such as an oxygen deficient type.

また、例えば絶縁膜と絶縁膜、電極と電極のように、異種同士の組み合わせにも適用できるし、電極と絶縁膜と基板のように、二種類以上の組み合わせも可能である。また、絶縁膜や電極の形成法は、CVDでもスパッターでも構わない。   Further, for example, the present invention can be applied to combinations of different types such as an insulating film and an insulating film, an electrode and an electrode, and two or more kinds of combinations such as an electrode, an insulating film, and a substrate are also possible. The insulating film and the electrode may be formed by CVD or sputtering.

また、SOI (silicon on insulator)構造や縦型トランジスター構造などにも適用可能である。   It can also be applied to SOI (silicon on insulator) structures and vertical transistor structures.

また、第7の実施形態のCMOSFETの製造方法で述べたように、反応させるGeは下地表面全体に堆積しても良いし、選択的に堆積しても良い。さらに、これはCMOSFETに限らない。一般に、基板の上にGeがある領域とない領域を形成してから高誘電体膜を堆積すれば、高誘電体と基板の積層構造において、界面層がないものとあるものを作りわけできる。   Further, as described in the CMOSFET manufacturing method of the seventh embodiment, the reacted Ge may be deposited on the entire underlying surface or may be selectively deposited. Furthermore, this is not limited to CMOSFETs. In general, if a high dielectric film is deposited after forming a region with and without Ge on a substrate, it is possible to make a layered structure of a high dielectric and a substrate with or without an interface layer.

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限られず、特許請求の範囲に記載の発明の要旨の範疇において様々に変更可能である。また、本発明は、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not restricted to these, In the category of the summary of the invention as described in a claim, it can change variously. In addition, the present invention can be variously modified without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Furthermore, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment.

第1の実施形態およびその変形例を説明するための断面模式図Cross-sectional schematic diagram for explaining the first embodiment and its modifications 第2の実施形態を説明するための断面模式図Cross-sectional schematic diagram for explaining the second embodiment 第3の実施形態を説明するための断面模式図Cross-sectional schematic diagram for explaining the third embodiment 第4の実施形態を説明するための断面模式図Cross-sectional schematic diagram for explaining a fourth embodiment 熱処理した(a),(b)Au/Ge構造および(c),(d)Au/Si構造の光学顕微鏡像Optical micrographs of heat-treated (a), (b) Au / Ge structures and (c), (d) Au / Si structures. 各種元素のエネルギー準位図Energy level diagram of various elements ハフニア内におけるGe等の電子状態を示す図Diagram showing electronic states of Ge, etc. in hafnia 第7の実施形態のCMOSFETを説明するための断面模式図Sectional schematic diagram for demonstrating CMOSFET of 7th Embodiment 第8の実施形態のCMOSFETを説明するための断面模式図Sectional schematic diagram for demonstrating CMOSFET of 8th Embodiment 第9の実施形態のFG型メモリを説明するための断面模式図Sectional schematic diagram for demonstrating FG type memory of 9th Embodiment 第10の実施形態のSONOS型メモリを説明するための断面模式図Sectional schematic diagram for explaining a SONOS type memory according to the tenth embodiment

符号の説明Explanation of symbols

1 Si基板
2 Ge層
3, 3a, 3b 高誘電体膜
4 GeO2層(Ge反応層)
5 金属原子
6 金属層
7 素子分離
8 p型ウェル
9 n型ウェル
10, 11 ゲート絶縁膜
12, 13 ゲート電極
14, 15 浅いエクステンション層
16, 17 側壁
18, 19 深い拡散層
20 層間絶縁膜
21 溝
22 マスク材
23 浮遊電極
24 トンネル絶縁膜
26 シリコン酸化膜
27 電極間絶縁膜
28 制御電極
29 WSi層
30 電極間側壁酸化膜
31 ソース・ドレイン拡散層
32 層間絶縁膜
33 シリコン窒化膜
34 トンネル絶縁膜
35 ブロック層(HfAlO膜)
1 Si substrate
2 Ge layer
3, 3a, 3b High dielectric film
4 GeO2 layer (Ge reaction layer)
5 metal atoms
6 Metal layer
7 element isolation
8 p-type well
9 n-type well
10, 11 Gate insulation film
12, 13 Gate electrode
14, 15 Shallow extension layer
16, 17 sidewall
18, 19 Deep diffusion layer
20 Interlayer insulation film
21 groove
22 Mask material
23 Floating electrode
24 Tunnel insulation film
26 Silicon oxide film
27 Interelectrode insulation film
28 Control electrode
29 WSi layer
30 Interelectrode sidewall oxide film
31 Source / drain diffusion layers
32 Interlayer insulation film
33 Silicon nitride film
34 Tunnel insulation film
35 Block layer (HfAlO film)

Claims (7)

下層、Ge層、Ge酸化物層、上層の順に積層された構造を形成する工程と、
熱処理を用いて前記Ge酸化物層及び前記Ge層を除去して、前記上層と前記下層とを直接接合させる工程とを有し、
前記上層及び前記下層の何れかは金属元素を有する絶縁物で形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a structure in which a lower layer, a Ge layer, a Ge oxide layer, and an upper layer are stacked in this order;
Removing the Ge oxide layer and the Ge layer using heat treatment, and directly bonding the upper layer and the lower layer,
Either of the upper layer and the lower layer is formed of an insulator containing a metal element.
前記上層および前記下層のうち一方は前記金属元素を有する絶縁物で形成され、他方はSi、SixGe1-x (1≧x>0)およびIII-V族化合物のいずれかで形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 One of the upper layer and the lower layer is formed of an insulator having the metal element, and the other is formed of one of Si, SixGe1-x (1 ≧ x> 0), and a III-V group compound. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1. 前記上層および前記下層のうち一方は金属、導電性金属酸化物、導電性金属窒化物、導電金属珪化物および導電性金属炭化物のいずれかで形成され、他方は前記金属元素を有する絶縁物で形成されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 One of the upper layer and the lower layer is formed of any one of metal, conductive metal oxide, conductive metal nitride, conductive metal silicide, and conductive metal carbide, and the other is formed of an insulator having the metal element. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein: 前記上層および前記下層は何れも前記金属元素を有する絶縁物で形成され、それぞれ有する金属元素が異なることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the upper layer and the lower layer are both formed of an insulator having the metal element, and the metal elements are different from each other. 下記式(1)を満たすことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
[O] / [Ge] ≦ 1 ・・・式(1)
ただし、[Ge]は前記Ge酸化物層および前記Ge層中におけるGeの原子分率であり、および[O]は前記Ge酸化物層および前記Ge層中における酸素の原子分率である。
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the following formula (1) is satisfied.
[O] / [Ge] ≦ 1 (1)
However, [Ge] is the atomic fraction of Ge in the Ge oxide layer and the Ge layer, and [O] is the atomic fraction of oxygen in the Ge oxide layer and the Ge layer.
前記熱処理は350℃以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the heat treatment is performed at 350 ° C. or higher. 前記金属元素を有する絶縁物は、Tc、Ru、Rh、Pd、Pt、Lu、Hf、Pr、Nd、Pm、Tb、Cy、Er、TmおよびHoの何れかの金属元素を有する絶縁物から選ばれ、
前記上層と前記下層を直接接合させる工程の後に、酸化処理を行うことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
The insulator having the metal element is selected from insulators having any metal element of Tc, Ru, Rh, Pd, Pt, Lu, Hf, Pr, Nd, Pm, Tb, Cy, Er, Tm, and Ho. And
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein an oxidation treatment is performed after the step of directly bonding the upper layer and the lower layer.
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