JP2009152303A - Method of depositing insulating film - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To deposit an insulating film which is applicable as a high-dielectric-constant gate insulating film and can compatibly have a low EOT and a low interface state. <P>SOLUTION: A method of depositing an insulating film includes: a first step of depositing an Hf-Si film 102 on an Si substrate 101 by sputtering; a second step of depositing an HfSiO film 103 by oxidizing the Hf-Si film; and a third step of forming an HfSiON film 105 by nitriding the HfSiO film. In the second step, the Hf-Si film is irradiated with near ultraviolet light when the Hf-Si film is oxidized and a surface layer portion of the Si substrate is oxidized to form an SiO<SB>2</SB>film 104. The near ultraviolet light has a wavelength of 220 to 380 nm. As a light source for the near ultraviolet light, Kr<SB>2</SB>excimer lamp, KrF excimer lamp, XeCl excimer lamp, or XeF excimer lamp is used. In the second step, the Hf-Si film is oxidized using oxygen activated using plasma excitation, photoexcitation, or ozone supply. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、絶縁膜の形成方法に関するものであり、とくに半導体装置における高誘電率ゲート絶縁膜としての使用に適する絶縁膜の形成方法に関する。   The present invention relates to an insulating film forming method, and more particularly to an insulating film forming method suitable for use as a high dielectric constant gate insulating film in a semiconductor device.

半導体基板上に形成される殆どの高集積回路(LSI)の基本デバイスの1つである金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)は、半導体に形成されるソース領域、ドレイン領域及びチャネル領域と、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とから成る。ゲート電極にしきい値電圧(Vth)以上の電圧が印加されることにより、ソース領域−ドレイン領域間のチャネル領域に電流が流れ、トランジスタがOFFからONに切り換えられる。   A metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET), which is one of the basic devices of most highly integrated circuits (LSI) formed on a semiconductor substrate, includes a source region, a drain region and a channel region formed in a semiconductor, It consists of a gate insulating film and a gate electrode. When a voltage equal to or higher than the threshold voltage (Vth) is applied to the gate electrode, a current flows in the channel region between the source region and the drain region, and the transistor is switched from OFF to ON.

LSIの動作性能の向上のため、LSIのデザインルールを縮小する必要がある。デザインルールの縮小、即ちトランジスタにおけるゲート長(GL)の減少に伴って、ゲート絶縁膜としてのゲート酸化膜の厚さ(tox)も減少させる必要がある(tox=0.018GL)。これは、シリコン基板とゲート電極との間を高いキャパシタンスに維持するためである。 In order to improve the operation performance of the LSI, it is necessary to reduce the LSI design rules. As the design rule is reduced, that is, the gate length (GL) of the transistor is reduced, the thickness (t ox ) of the gate oxide film as the gate insulating film needs to be reduced (t ox = 0.018GL). This is to maintain a high capacitance between the silicon substrate and the gate electrode.

ゲート酸化膜の薄膜化に伴い、1nm(3分子層程度)以下の物理膜厚が要求されるSiO膜は、リーク電流が増加するためゲート酸化膜として使用できない。 As the gate oxide film becomes thinner, an SiO 2 film that requires a physical film thickness of 1 nm (about 3 molecular layers) or less cannot be used as a gate oxide film because the leakage current increases.

そのため、SiO膜を誘電率が高い新たな誘電材料に取って替え、キャパシタンスを低下させることなくリーク電流の少ない厚い膜を使用する必要がある。 Therefore, it is necessary to replace the SiO 2 film with a new dielectric material having a high dielectric constant, and to use a thick film with little leakage current without lowering the capacitance.

高誘電率(High−k)のゲート絶縁膜には、例えば、次のような材料からなるものが例示される。本発明において、高誘電率(High−k)を有する材料とは、SiOの比誘電率ε=3.9よりも高い比誘電率を有する材料をいう。すなわち、HfO、HfON、HfSiO、HfSiON、HfAlO、HfAlON、LaO、LaON、LaAlO、LaAlON、ZrO、ZrON、ZrSiO、ZrSiONなどである。 Examples of the high dielectric constant (High-k) gate insulating film include those made of the following materials. In the present invention, a material having a high dielectric constant (High-k) refers to a material having a relative dielectric constant higher than the relative dielectric constant ε r = 3.9 of SiO 2 . That is, HfO 2 , HfON, HfSiO, HfSiON, HfAlO, HfAlON, LaO 2 , LaON, LaAlO 3 , LaAlON, ZrO 2 , ZrON, ZrSiO, ZrSiON, and the like.

High−kゲート絶縁膜の形成方法としては、特許文献1に記載されるような有機金属材料を使ったCVD法や、原子層堆積(ALD)法、スパッタ法などが検討されている。この中で、形成されるゲート絶縁膜への炭素不純物の混入が少ない点で、スパッタ法が有利である。   As a method for forming a high-k gate insulating film, a CVD method using an organic metal material as described in Patent Document 1, an atomic layer deposition (ALD) method, a sputtering method, and the like have been studied. Among these, the sputtering method is advantageous in that carbon impurities are less mixed into the formed gate insulating film.

ここで、最も実用に近いHigh−kゲート絶縁膜であるHfSiON膜の、スパッタ法を用いた形成プロセスの一例を、図4を用いて説明する。図4において、501はSi基板、502はHf単独金属膜若しくはHf−Si混合金属膜、503はHfSiO膜、504はSiO膜、505はHfSiON膜である。 Here, an example of the formation process using the sputtering method of the HfSiON film which is the most practical high-k gate insulating film will be described with reference to FIG. In FIG. 4, reference numeral 501 denotes an Si substrate, 502 denotes an Hf single metal film or Hf—Si mixed metal film, 503 denotes an HfSiO film, 504 denotes an SiO 2 film, and 505 denotes an HfSiON film.

まず、熱酸化工程では、洗浄したSi基板501上に熱酸化法により1〜2nm厚のSiO膜504を形成する。次に、金属膜堆積工程では、SiO膜504の上に、Hf単独金属膜若しくはHf−Si混合金属膜502をスパッタ法により堆積する。次に、酸化工程では、活性化された酸素を用いたHf単独金属膜若しくはHf−Si混合金属膜502の酸化を行い、HfSiO膜503を形成する。その後、窒化工程では、プラズマ窒化によりHfSiO膜503中に窒素を導入し、HfSiON膜505を形成する。金属膜502を酸化する工程において、Hf原子がSiO膜504中に拡散してシリケート層が形成され、最終的に低誘電率のSiO膜504は初期よりも薄膜化し、高誘電率のHfSiON膜505が形成される。その結果、初期SiO膜厚から導出されるよりも等価酸化膜厚(EOT)の小さい膜が形成されるのである。ここで 等価酸化膜厚(EOT)とは、高誘電率(High−k)膜の物理的な厚さを、SiO膜と等価な電気的膜厚に換算した値のことをいう。 First, in the thermal oxidation step, a SiO 2 film 504 having a thickness of 1 to 2 nm is formed on the cleaned Si substrate 501 by a thermal oxidation method. Next, in the metal film deposition step, an Hf single metal film or an Hf—Si mixed metal film 502 is deposited on the SiO 2 film 504 by sputtering. Next, in the oxidation step, the Hf single metal film or the Hf—Si mixed metal film 502 is oxidized using activated oxygen to form the HfSiO film 503. Thereafter, in the nitriding step, nitrogen is introduced into the HfSiO film 503 by plasma nitriding to form the HfSiON film 505. In the step of oxidizing the metal film 502, Hf atoms are diffused into the SiO 2 film 504 to form a silicate layer. Finally, the low dielectric constant SiO 2 film 504 is thinner than the initial film, and the high dielectric constant HfSiON is formed. A film 505 is formed. As a result, a film having an equivalent oxide thickness (EOT) smaller than that derived from the initial SiO 2 thickness is formed. Here, the equivalent oxide film thickness (EOT) refers to a value obtained by converting the physical thickness of the high dielectric constant (High-k) film into an electrical film thickness equivalent to the SiO 2 film.

しかし、初期SiO膜504を1.2nm以下にすることは難しく、HfのSiO膜504中への拡散にも限界があるために、最終的に下地SiO膜504の膜厚を十二分に薄くすることが難しく、更にEOTを低減する事は困難であった。 However, the initial SiO 2 film 504 that is difficult to below 1.2 nm, for there is a limit to diffusion into the SiO 2 film 504 of Hf, ultimately thickness twelve underlying SiO 2 film 504 It was difficult to reduce the thickness evenly, and it was difficult to reduce EOT.

このHfSiON膜505下のSiO膜504の薄膜化を実現する方法として、図5に示されるように、金属膜502の堆積を行う前の熱酸化を行わず、Si基板501上に直接金属膜502をスパッタ法により堆積する方法がある。 As a method of realizing the thinning of the SiO 2 film 504 under the HfSiON film 505, as shown in FIG. 5, the metal film 502 is directly deposited on the Si substrate 501 without performing thermal oxidation before the metal film 502 is deposited. There is a method of depositing 502 by sputtering.

まず、金属膜堆積工程では、Si基板501上にHfを含む金属膜としてのHf−Si混合金属膜502をスパッタ法により堆積させる。次に、酸化工程では、活性化された酸素を用いたHf−Si混合金属膜502の酸化を行い、HfSiO膜503を形成する。その後、窒化工程では、プラズマ窒化によりHfSiO膜503中に窒素を導入し、HfSiON膜505を形成する。金属膜502の酸化の際に、下地のSi基板501の表層部も酸化され、初期SiO膜504を形成しておく図4の方法と比較して、極めて薄いSiO膜504が形成される。その結果、等価酸化膜厚(EOT)の極めて小さい膜が得られる。
特開2004−140292号公報
First, in the metal film deposition step, an Hf—Si mixed metal film 502 as a metal film containing Hf is deposited on the Si substrate 501 by sputtering. Next, in the oxidation step, the Hf—Si mixed metal film 502 is oxidized using activated oxygen to form an HfSiO film 503. Thereafter, in the nitriding step, nitrogen is introduced into the HfSiO film 503 by plasma nitriding to form the HfSiON film 505. When the metal film 502 is oxidized, the surface layer portion of the underlying Si substrate 501 is also oxidized, and an extremely thin SiO 2 film 504 is formed as compared with the method of FIG. 4 in which the initial SiO 2 film 504 is formed. . As a result, a film having an extremely small equivalent oxide thickness (EOT) can be obtained.
JP 2004-140292 A

しかしながら、熱酸化膜を用いずSi基板501上にスパッタにより金属膜502を直接形成する図5のHigh−kゲート絶縁膜形成方法においては、充分低いEOTが得られる反面、次のような問題点があった。すなわち、HfSiON膜505の下のSiO膜504が薄すぎるために、良好なSiO/Si界面が形成されず、界面準位が増加する場合があった。 However, in the method of forming the High-k gate insulating film of FIG. 5 in which the metal film 502 is directly formed on the Si substrate 501 without using the thermal oxide film, a sufficiently low EOT can be obtained, but the following problems are encountered. was there. That is, since the SiO 2 film 504 under the HfSiON film 505 is too thin, a good SiO 2 / Si interface is not formed, and the interface state may increase.

本発明は、以上のような技術的課題に鑑みて、高誘電率ゲート絶縁膜としての使用に適し、低EOTと低界面準位が両立できる絶縁膜を形成することを目的とするものである。   SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above technical problems, the present invention aims to form an insulating film that is suitable for use as a high dielectric constant gate insulating film and can achieve both a low EOT and a low interface state. .

本発明によれば、上記の目的を達成するものとして、次のような絶縁膜の形成方法が提供される。すなわち、この方法は、シリコン基板の上に絶縁膜を形成する方法であって、シリコン基板の上に金属膜を形成する第1の工程と、前記金属膜を酸化して金属と酸素とを含む膜を形成する第2の工程と、を含む。この方法は、前記第2の工程において、前記金属膜を酸化する際に該金属膜に近紫外光を照射し、前記シリコン基板の表層部を酸化して前記酸化シリコン膜を形成することを特徴とする。   According to the present invention, the following method for forming an insulating film is provided to achieve the above object. That is, this method is a method of forming an insulating film on a silicon substrate, and includes a first step of forming a metal film on the silicon substrate, and oxidizing the metal film to include metal and oxygen. A second step of forming a film. This method is characterized in that, in the second step, when the metal film is oxidized, the metal film is irradiated with near ultraviolet light to oxidize a surface layer portion of the silicon substrate to form the silicon oxide film. And

本発明の一態様においては、前記方法は、前記第2の工程で形成された金属と酸素とを含む膜を窒化して金属と酸素と窒素とを含む膜を形成する第3の工程を含む。本発明の一態様においては、前記金属は、Hf、Al、La、Zr、Ta及びYの少なくとも1つである。本発明の一態様においては、前記金属膜は、前記金属に加えてシリコンをも含む。   In one aspect of the present invention, the method includes a third step of nitriding the film containing the metal and oxygen formed in the second step to form a film containing the metal, oxygen, and nitrogen. . In one aspect of the present invention, the metal is at least one of Hf, Al, La, Zr, Ta, and Y. In one embodiment of the present invention, the metal film includes silicon in addition to the metal.

本発明の一態様においては、前記近紫外光の波長は220〜380nmである。本発明の一態様においては、前記近紫外光の光源として、Krエキシマランプ、KrFエキシマランプ、XeClエキシマランプ及びXeFエキシマランプの少なくとも1つを用いる。 In one aspect of the present invention, the near-ultraviolet light has a wavelength of 220 to 380 nm. In one embodiment of the present invention, at least one of a Kr 2 excimer lamp, a KrF excimer lamp, a XeCl excimer lamp, and a XeF excimer lamp is used as the near-ultraviolet light source.

本発明の一態様においては、前記第2の工程で前記金属膜を活性化された酸素を用いて酸化する。本発明の一態様においては、前記活性化された酸素は、プラズマ励起、光励起及びオゾン供給の少なくとも1つを用いて活性化されたものである。本発明の一態様においては、前記第1工程で前記金属膜をスパッタにより形成する。   In one embodiment of the present invention, the metal film is oxidized using activated oxygen in the second step. In one embodiment of the present invention, the activated oxygen is activated using at least one of plasma excitation, photoexcitation, and ozone supply. In one aspect of the present invention, the metal film is formed by sputtering in the first step.

本発明によれば、高誘電率ゲート絶縁膜としての使用に適し、低EOTと低界面準位が両立できる絶縁膜の形成が可能となる。   According to the present invention, it is possible to form an insulating film that is suitable for use as a high dielectric constant gate insulating film and can achieve both a low EOT and a low interface state.

以下、図面を参照しながら、本発明による絶縁膜の形成方法の実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of a method for forming an insulating film according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明による絶縁膜の形成方法の一実施形態を説明するための工程断面図である。また、図2は、本発明による絶縁膜の形成方法の実施に使用される装置の模式的断面図である。これらの図において、101はシリコン基板すなわちSi基板、102は金属膜としてのHf単独金属膜若しくはHfとSiとの混合金属膜(Hf−Si膜)である。103は金属と酸素とを含む膜としての金属と酸素とシリコンとを含む膜としてのHfSiO膜(Hfシリケート膜)、104は酸化シリコン膜すなわちSiO膜である。105は金属と酸素と窒素とを含む膜としての金属と酸素と窒素とシリコンとを含む膜としてのHfSiON膜(窒化Hfシリケート膜)である。また、111は酸化処理室、112は基板支持体、113はガス導入手段、114は排気手段、115は誘電体管、116は電力供給手段、117は光透過窓、118は近紫外光照明系である。 FIG. 1 is a process cross-sectional view for explaining an embodiment of a method for forming an insulating film according to the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an apparatus used for carrying out the method for forming an insulating film according to the present invention. In these drawings, reference numeral 101 denotes a silicon substrate, that is, a Si substrate, and reference numeral 102 denotes an Hf single metal film as a metal film or a mixed metal film of Hf and Si (Hf-Si film). Reference numeral 103 denotes a HfSiO film (Hf silicate film) as a film containing metal, oxygen and silicon as a film containing metal and oxygen, and 104 denotes a silicon oxide film, that is, a SiO 2 film. Reference numeral 105 denotes an HfSiON film (nitride Hf silicate film) as a film containing metal, oxygen, nitrogen and silicon as a film containing metal, oxygen and nitrogen. 111 is an oxidation treatment chamber, 112 is a substrate support, 113 is a gas introduction means, 114 is an exhaust means, 115 is a dielectric tube, 116 is a power supply means, 117 is a light transmission window, and 118 is a near-ultraviolet illumination system. It is.

絶縁膜は、HfSiON膜105とSiO膜104とにより形成される。ここで、SiO膜104が存在することで、界面特性が向上し、絶縁膜の電気的絶縁性が高められる。但し、SiO膜104は、HfSiON膜105より比誘電率が小さいので、SiO膜104の膜厚はHfSiON膜105の膜厚より小さくするのが好ましい。SiO/Si界面特性を向上させ低界面準位を得るためにはSiO膜104の膜厚は0.3nm以上であるのが好ましく、絶縁膜のEOTを低く維持するためにはSiO膜104の膜厚は0.9nm以下であるのが好ましい。 The insulating film is formed by the HfSiON film 105 and the SiO 2 film 104. Here, the presence of the SiO 2 film 104 improves the interface characteristics and enhances the electrical insulation of the insulating film. However, the SiO 2 film 104, and the specific dielectric constant is smaller than the HfSiON film 105, the film thickness of the SiO 2 film 104 is preferably smaller than the thickness of the HfSiON film 105. In order to improve the SiO 2 / Si interface characteristics and obtain a low interface state, the thickness of the SiO 2 film 104 is preferably 0.3 nm or more, and in order to keep the EOT of the insulating film low, the SiO 2 film The film thickness of 104 is preferably 0.9 nm or less.

まず、金属膜堆積工程(シリコン基板の上に金属膜を形成する第1の工程)では、洗浄したSi基板101の上にシリコンを含む金属膜としてのHf−Si膜102をスパッタ法により堆積形成する。スパッタ法によれば、炭素不純物等の不純物の混入が少ない金属膜を形成することができる。    First, in a metal film deposition step (first step of forming a metal film on a silicon substrate), an Hf-Si film 102 as a metal film containing silicon is deposited on the cleaned Si substrate 101 by sputtering. To do. According to the sputtering method, a metal film in which impurities such as carbon impurities are hardly mixed can be formed.

次に、酸化工程(金属膜を酸化して金属とシリコンと酸素とを含む膜を形成する第2の工程)では、近紫外光をHf−Si膜102に向けて照射しながら、活性化された酸素を用いてHf−Si膜102の酸化を行い、HfSiO膜103を形成する。近紫外光はHf−Si膜102等の金属膜を透過するので、Si基板101の表層部が近紫外光により励起される。従って、酸化工程では、Hf−Si膜102の酸化と共に、Si基板101の表層部の酸化も促進され、十分低い界面準位を有するSiO膜104が形成される。活性化された酸素としては、たとえばプラズマ励起、光励起及びオゾン供給の少なくとも1つを用いて活性化されたものを用いることができる。 Next, in the oxidation step (second step of oxidizing the metal film to form a film containing metal, silicon, and oxygen), activation is performed while irradiating near-ultraviolet light toward the Hf-Si film 102. The Hf-Si film 102 is oxidized using the oxygen to form the HfSiO film 103. Since near-ultraviolet light passes through a metal film such as the Hf-Si film 102, the surface layer portion of the Si substrate 101 is excited by near-ultraviolet light. Therefore, in the oxidation step, the oxidation of the surface layer portion of the Si substrate 101 is promoted together with the oxidation of the Hf-Si film 102, and the SiO 2 film 104 having a sufficiently low interface state is formed. As the activated oxygen, for example, oxygen activated by at least one of plasma excitation, photoexcitation, and ozone supply can be used.

その後、窒化工程(金属と酸素とを含む膜を窒化して金属と酸素と窒素とを含む膜を形成する第3の工程)では、プラズマ窒化によりHfSiO膜103中に窒素を導入し、HfSiON膜105を形成する。   Thereafter, in a nitriding step (third step of nitriding a film containing metal and oxygen to form a film containing metal, oxygen and nitrogen), nitrogen is introduced into the HfSiO film 103 by plasma nitridation, and the HfSiON film 105 is formed.

以下、酸化工程につき、使用される装置の構成を含めて、詳細に説明する。まず、Hf−Si膜102付のSi基板101を基板支持体112上に載置し、所要の温度に加熱する。ガス導入手段113を介してOなどの酸化性ガスを酸化処理室111内に導入し、排気手段114の実効排気速度を制御し酸化処理室111内を一定の圧力に維持する。近紫外光照明系118から発せられた近紫外光を光透過窓117を通してHf−Si膜102に向けて照射する。電力供給手段116から誘電体管115を通して酸化処理室111内に電力を供給することによりプラズマを発生させ、酸化性ガスを励起し、活性化された酸素を基板近傍に供給する。活性化された酸素によりHf−Si膜102が酸化されてHigh−k膜の一種であるHfSiO膜103が形成されると共に、Si基板101の表層部も酸化され、良好な界面を有するSiO膜104が制御性良く形成される。 Hereinafter, the oxidation process will be described in detail including the configuration of the apparatus used. First, the Si substrate 101 with the Hf-Si film 102 is placed on the substrate support 112 and heated to a required temperature. An oxidizing gas such as O 2 is introduced into the oxidation treatment chamber 111 through the gas introduction means 113, and the effective exhaust speed of the exhaust means 114 is controlled to maintain the inside of the oxidation treatment chamber 111 at a constant pressure. Near-ultraviolet light emitted from the near-ultraviolet illumination system 118 is irradiated toward the Hf-Si film 102 through the light transmission window 117. By supplying power from the power supply means 116 to the oxidation treatment chamber 111 through the dielectric tube 115, plasma is generated, the oxidizing gas is excited, and activated oxygen is supplied to the vicinity of the substrate. The Hf-Si film 102 is oxidized by the activated oxygen to form a HfSiO film 103 which is a kind of High-k film, and the surface layer portion of the Si substrate 101 is also oxidized, and an SiO 2 film having a good interface 104 is formed with good controllability.

酸化工程で照射される近紫外光の波長は220〜380nmであるのが好ましい。この近紫外光は、Hf−Si膜などの金属膜更には形成されつつあるHfSiO膜などの金属と酸素とを含む膜に吸収されずに、大部分がSiに吸収されるので、シリコン基板の表層部に効率よく酸化シリコン膜を形成することができる。このような近紫外光の光源としては、Krエキシマランプ、KrFエキシマランプ、XeClエキシマランプ及びXeFエキシマランプが例示される。これらの光源は複数種類を併用しても良い。 The wavelength of near ultraviolet light irradiated in the oxidation step is preferably 220 to 380 nm. This near-ultraviolet light is not absorbed by a metal film such as an Hf-Si film or a film containing oxygen and a metal such as an HfSiO film that is being formed, but is mostly absorbed by Si. A silicon oxide film can be efficiently formed on the surface layer portion. Examples of such near-ultraviolet light sources include Kr 2 excimer lamps, KrF excimer lamps, XeCl excimer lamps, and XeF excimer lamps. These light sources may be used in combination.

本発明においては、金属として、Hf、Al、La、Zr、Ta及びYの少なくとも1つを用いることができる。本発明においては、金属膜は、上記金属からなるものの他に、これらの金属とシリコンとを含む膜であってもよい。   In the present invention, at least one of Hf, Al, La, Zr, Ta, and Y can be used as the metal. In the present invention, the metal film may be a film containing these metals and silicon in addition to the above metal.

本発明においては、絶縁膜を構成する金属と酸素とを含む膜としては、上記HfSiO膜やZrSiO膜のような金属シリケート膜、更にはHfO膜やLaO膜やZrOやHfAlO膜やLaAlO膜のような金属酸化膜が例示される。また、絶縁膜を構成する金属と酸素と窒素とを含む膜としては、上記のHfSiON膜やZrSiON膜のような窒化金属シリケート膜、更にはHfON膜やHfAlON膜やLaON膜やLaAlON膜やZrON膜などの金属酸化窒化膜が例示される。 In the present invention, as a film containing metal and oxygen constituting the insulating film, the metal silicate film such as the HfSiO film or the ZrSiO film, the HfO 2 film, the LaO 2 film, the ZrO 2 , the HfAlO film, or the LaAlO film. A metal oxide film such as three films is exemplified. In addition, as a film containing metal, oxygen and nitrogen constituting the insulating film, the above-mentioned metal silicate film such as HfSiON film and ZrSiON film, and further, HfON film, HfAlON film, LaON film, LaAlON film and ZrON film Examples thereof include metal oxynitride films.

図3に、本発明による絶縁膜の形成方法を用いて、HfSiON膜及びSiO膜からなる絶縁膜を図1の実施形態に従って形成した場合の、SiO膜厚(下地酸化膜厚)の近紫外光照度依存性の一例を示す。このデータは次のようにして得られたものである。 FIG. 3 shows the SiO 2 film thickness (underlying oxide film thickness) in the case where the insulating film formed of the HfSiON film and the SiO 2 film is formed according to the embodiment of FIG. 1 by using the insulating film forming method according to the present invention. An example of ultraviolet light illumination dependence is shown. This data was obtained as follows.

Si基板101上の金属膜102として、Si含有率30原子%のHf−Si混合金属をスパッタ法を用いて0.5nm厚に堆積したものを使用した。酸化処理時の基板温度は300℃に制御した。酸化性ガスとしてOを用い、これを流量1slmで供給した。酸化処理装置内は200Paの圧力に維持した。近紫外光源として308nm付近に発光ピークを有するXeClエキシマランプを用いた。酸素の活性化には表面波干渉プラズマ(SIP)を用い、中性酸素ラジカルを基板近傍に供給した。酸化時間は1分間に固定した。近紫外光照度は10〜100mW/cmの範囲で変化させた。 As the metal film 102 on the Si substrate 101, a film in which an Hf—Si mixed metal having a Si content of 30 atomic% was deposited to a thickness of 0.5 nm by a sputtering method was used. The substrate temperature during the oxidation treatment was controlled at 300 ° C. O 2 was used as the oxidizing gas and supplied at a flow rate of 1 slm. The pressure inside the oxidation treatment apparatus was maintained at 200 Pa. A XeCl excimer lamp having an emission peak near 308 nm was used as a near-ultraviolet light source. Surface wave interference plasma (SIP) was used for oxygen activation, and neutral oxygen radicals were supplied in the vicinity of the substrate. The oxidation time was fixed at 1 minute. The near-ultraviolet light illuminance was changed in the range of 10 to 100 mW / cm 2 .

その結果、SiO膜厚は、高照度領域で飽和傾向が見られるものの、近紫外光照度を変化させることにより下地SiO膜厚を0.3〜0.7nmの範囲で制御可能であることが分かった。 As a result, the SiO 2 film thickness tends to be saturated in the high illuminance region, but the underlying SiO 2 film thickness can be controlled in the range of 0.3 to 0.7 nm by changing the near ultraviolet light illuminance. I understood.

以上のことから、酸化工程において金属膜を透過する近紫外光を照射することにより、基板表層部に良好な界面を有するSiO膜を所望の膜厚に制御性良く形成することが可能になり、低EOTと共に低界面準位のHigh−k絶縁膜の形成が可能である。 From the above, it becomes possible to form a SiO 2 film having a good interface on the substrate surface layer portion with a desired controllability by irradiating near ultraviolet light that passes through the metal film in the oxidation step. A high-k insulating film having a low interface state and a low EOT can be formed.

以下実施例を挙げて本発明による絶縁膜の形成方法をより具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the method for forming an insulating film according to the present invention will be described more specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
本実施例は、図1及び図2の実施形態に従って実施し、Hf−Si混合金属膜からHfSiON膜を形成した。基板101として、直径200mmのP型単結晶Si基板を使用した。
[Example 1]
This example was carried out according to the embodiment of FIGS. 1 and 2, and an HfSiON film was formed from an Hf—Si mixed metal film. As the substrate 101, a P-type single crystal Si substrate having a diameter of 200 mm was used.

まず、基板101の表面をRCA洗浄により洗浄し、不純物や、自然酸化膜の除去を行った。   First, the surface of the substrate 101 was cleaned by RCA cleaning, and impurities and natural oxide films were removed.

次に、基板101を図示しないRFマグネトロン方式のスパッタ装置内に搬送した。なおスパッタ装置のターゲットにはHf及びSiを用いた。まず、基板101をスパッタ装置内に搬送した後、スパッタ装置内の排気を行い5.5x10−4Paまで減圧した。また、基板101を加熱手段により加熱し、300℃に保持した。これらにより、金属膜102の堆積中に金属膜102を酸化させる虞のある酸素や水分などをスパッタ装置外へと排気した。続いて、スパッタ装置内に5sccmの流量でArガスを導入し、スパッタ装置内を0.2Paに保持した。続いて、それぞれのターゲットに高周波電圧を印加してプラズマを生成し、ターゲットを構成するHf原子及びSi原子のスパッタを行った。それぞれのターゲットにおいてスパッタされたHf原子及びSi原子は、ターゲットに対向する位置に支持された基板101に向けて飛び、基板101上に堆積された。この処理によって、膜厚1nmのHf及びSiからなる金属膜(Hf−Si膜)102が形成された。このとき堆積形成された膜中のSiの組成比は約30原子%であった。 Next, the substrate 101 was transferred into an RF magnetron type sputtering apparatus (not shown). Note that Hf and Si were used as targets for the sputtering apparatus. First, after transporting the substrate 101 into the sputtering apparatus, the sputtering apparatus was evacuated and the pressure was reduced to 5.5 × 10 −4 Pa. Further, the substrate 101 was heated by a heating means and held at 300 ° C. Thus, oxygen, moisture, or the like that may oxidize the metal film 102 during the deposition of the metal film 102 was exhausted out of the sputtering apparatus. Subsequently, Ar gas was introduced into the sputtering apparatus at a flow rate of 5 sccm, and the inside of the sputtering apparatus was held at 0.2 Pa. Subsequently, a high frequency voltage was applied to each target to generate plasma, and Hf atoms and Si atoms constituting the target were sputtered. The Hf atoms and Si atoms sputtered on each target flew toward the substrate 101 supported at a position facing the target, and were deposited on the substrate 101. By this treatment, a metal film (Hf-Si film) 102 made of Hf and Si having a thickness of 1 nm was formed. At this time, the composition ratio of Si in the deposited film was about 30 atomic%.

次に、クラスター装置を構成する酸化装置の酸化処理室111内へと膜102付の基板101を搬送し、酸化処理を行った。酸素の活性化には、表面波励起プラズマを用いた。ガス導入手段113を介して、1slmの流量でOガスを導入した。さらに酸化処理室111内の圧力を250Paに保持した。このとき、基板101の温度は、基板101を支持すると共に基板101を加熱可能なヒータを内蔵するステージすなわち基板支持体112によって300℃に保持された。XeClエキシマランプを用いた近紫外光照明系118からの近紫外光を光透過窓117を通して金属膜102上で50mW/cmの照度で照射した。その後、2.45GHzのマイクロ波をアンテナを含む電力供給手段116から放射し、装置内外を真空隔離する誘電体管115を介して酸化処理室内に導入し表面波プラズマを生成した。かくして励起された酸素プラズマによって、基板101上のHf及びSiからなる金属膜102の酸化を行い、HfSiO膜103を形成した。この際、XeClエキシマランプ118からの近紫外光は、Hf−Si膜102及び形成されつつあるHfSiO膜103を透過し下地の基板101の表層部のSiを励起し、その酸化が促進されて良好な界面を有するSiO膜104が形成された。 Next, the substrate 101 with the film 102 was transferred into the oxidation treatment chamber 111 of the oxidation apparatus constituting the cluster apparatus, and oxidation treatment was performed. A surface wave excitation plasma was used for oxygen activation. O 2 gas was introduced through the gas introduction means 113 at a flow rate of 1 slm. Furthermore, the pressure in the oxidation treatment chamber 111 was maintained at 250 Pa. At this time, the temperature of the substrate 101 was maintained at 300 ° C. by a stage that supports the substrate 101 and incorporates a heater capable of heating the substrate 101, that is, the substrate support 112. Near-ultraviolet light from a near-ultraviolet light illumination system 118 using a XeCl excimer lamp was irradiated on the metal film 102 through the light transmission window 117 at an illuminance of 50 mW / cm 2 . Thereafter, 2.45 GHz microwaves were radiated from the power supply means 116 including an antenna, and introduced into the oxidation chamber through a dielectric tube 115 that vacuum-isolated the inside and outside of the apparatus to generate surface wave plasma. The HfSiO film 103 was formed by oxidizing the metal film 102 made of Hf and Si on the substrate 101 by the oxygen plasma thus excited. At this time, near-ultraviolet light from the XeCl excimer lamp 118 passes through the Hf-Si film 102 and the HfSiO film 103 being formed, excites Si in the surface layer portion of the underlying substrate 101, and the oxidation thereof is promoted to be good. A SiO 2 film 104 having a smooth interface was formed.

次に、形成されたHfSiO膜103を窒化する為、表面波励起プラズマにより窒素プラズマを発生する図示しないプラズマ装置内に基体を搬送した。なお、前記スパッタ装置とプラズマ装置とは、複数の工程を連続で行う為のクラスター装置を構成するモジュールの一つであり、各装置間で基板を搬送するエリアは常時高真空に保持された。このため、コスパッタ処理から窒化処理までの間、コスパッタされたHf及びSiが装置内に残存する酸素などにより酸化され難い雰囲気内に基板が保持された。   Next, in order to nitride the formed HfSiO film 103, the substrate was transferred into a plasma apparatus (not shown) that generates nitrogen plasma by surface wave excitation plasma. The sputtering device and the plasma device are one of modules constituting a cluster device for continuously performing a plurality of processes, and the area for transporting the substrate between the devices was always kept at a high vacuum. For this reason, the substrate was held in an atmosphere in which the co-sputtered Hf and Si were not easily oxidized by oxygen remaining in the apparatus from the co-sputtering process to the nitriding process.

プラズマ装置において、200sccmの流量でNガスを導入した。プラズマ装置内の圧力を30Paに保持した。このとき、基板101は、基板101を支持すると共に基板を加熱可能なヒータを内蔵するステージによって200℃に保持された。その後、2.45GHzのマイクロ波を図示しないアンテナから放射し、装置内外を隔離する図示しない誘電体を介してプラズマ装置内に導入し表面波プラズマを生成した。かくして励起された窒素プラズマによって、HfSiO膜103の窒化を行った。 In the plasma apparatus, N 2 gas was introduced at a flow rate of 200 sccm. The pressure in the plasma apparatus was kept at 30 Pa. At this time, the substrate 101 was held at 200 ° C. by a stage incorporating a heater that supports the substrate 101 and can heat the substrate. Thereafter, 2.45 GHz microwaves were radiated from an antenna (not shown) and introduced into the plasma device via a dielectric (not shown) that isolates the inside and outside of the device to generate surface wave plasma. The HfSiO film 103 was nitrided by the nitrogen plasma thus excited.

かくして形成した膜をTEMにより断面観察したところ、シリコン基板101上に膜厚約0.6nmの薄い酸化シリコン膜104が形成され、更にその上に膜厚1.6nmのHfSiON膜105が形成されていることが確認された。更に、XPSにより窒化されたHfシリケート膜105に含まれる窒素濃度を測定したところ、約11原子%の窒素が膜中に導入されていることが確認された。電気特性を測定したところ、EOT1.02nm,リーク電流密度2.3E−4A/cmの十分低い良好な結果が得られた。 When the cross section of the film thus formed was observed by TEM, a thin silicon oxide film 104 having a thickness of about 0.6 nm was formed on the silicon substrate 101, and a HfSiON film 105 having a thickness of 1.6 nm was further formed thereon. It was confirmed that Further, when the nitrogen concentration contained in the Hf silicate film 105 nitrided by XPS was measured, it was confirmed that about 11 atomic% of nitrogen was introduced into the film. When the electrical characteristics were measured, good results with sufficiently low EOT of 1.02 nm and a leakage current density of 2.3E-4 A / cm 2 were obtained.

[実施例2]
本実施例は、図1及び図2の実施形態に従って実施し、Hf単独金属膜からHfSiON膜を形成した。基板101として、直径200mmのP型単結晶Si基板を使用した。
[Example 2]
This example was carried out according to the embodiment of FIGS. 1 and 2, and an HfSiON film was formed from an Hf single metal film. As the substrate 101, a P-type single crystal Si substrate having a diameter of 200 mm was used.

まず、基板101の表面をRCA洗浄により洗浄し、不純物や、自然酸化膜の除去を行った。   First, the surface of the substrate 101 was cleaned by RCA cleaning, and impurities and natural oxide films were removed.

次に、基板101を図示しないRFマグネトロン方式のスパッタ装置内に搬送した。なおスパッタ装置のターゲットにはHfのみを用いた。まず、基板101をスパッタ装置内に搬送した後、スパッタ装置内の排気を行い3.0x10−4Paまで減圧した。また、基板101を加熱手段により加熱し、300℃に保持した。これらにより、金属膜102の堆積中に金属膜102を酸化させる虞のある酸素や水分などをスパッタ装置外へと排気した。続いて、スパッタ装置内に10sccmの流量でArガスを導入し、スパッタ装置内を0.2Paに保持した。続いて、ターゲットに高周波電圧を印加してプラズマを生成し、ターゲットを構成するHf原子のスパッタを行った。ターゲットにおいてスパッタされたHf原子は、ターゲットに対向する位置に支持された基板101に向けて飛び、基板101上に堆積された。この処理によって、膜厚0.7nmのHfからなる金属膜(Hf膜)102が形成された。 Next, the substrate 101 was transferred into an RF magnetron type sputtering apparatus (not shown). Note that only Hf was used as the target of the sputtering apparatus. First, after transporting the substrate 101 into the sputtering apparatus, the sputtering apparatus was evacuated and the pressure was reduced to 3.0 × 10 −4 Pa. Further, the substrate 101 was heated by a heating means and held at 300 ° C. Thus, oxygen, moisture, or the like that may oxidize the metal film 102 during the deposition of the metal film 102 was exhausted out of the sputtering apparatus. Subsequently, Ar gas was introduced into the sputtering apparatus at a flow rate of 10 sccm, and the inside of the sputtering apparatus was held at 0.2 Pa. Subsequently, a high frequency voltage was applied to the target to generate plasma, and sputtering of Hf atoms constituting the target was performed. The Hf atoms sputtered on the target flew toward the substrate 101 supported at a position facing the target and deposited on the substrate 101. By this treatment, a metal film (Hf film) 102 made of Hf having a thickness of 0.7 nm was formed.

次に、クラスター装置を構成する酸化装置の酸化処理室111内へと膜102付の基板101を搬送し、酸化処理を行った。酸素の活性化には、表面波励起プラズマを用いた。ガス導入手段113を介して、1slmの流量でOガスを導入した。さらに酸化処理室111内の圧力を200Paに保持した。このとき、基板101の温度は、基板101を支持すると共に基板101を加熱可能なヒータを内蔵するステージすなわち基板支持体112によって450℃に保持された。XeClエキシマランプを用いた近紫外光照明系118からの近紫外光を光透過窓117を通して金属膜102上で100mW/cmの照度で照射した。その後、2.45GHzのマイクロ波をアンテナを含む電力供給手段116から放射し、装置内外を真空隔離する誘電体管115を介して酸化処理室内に導入し表面波プラズマを生成した。かくして励起された酸素プラズマによって、基板101上のHf膜102の酸化を行い、HfSiO膜103を形成した。この際、XeClエキシマランプ118からの近紫外光は、Hf膜102及び形成されつつあるHfSiO膜103を透過し下地の基板101の表層部のSiを励起し、その酸化が促進されて良好な界面を有するSiO膜104が形成された。 Next, the substrate 101 with the film 102 was transferred into the oxidation treatment chamber 111 of the oxidation apparatus constituting the cluster apparatus, and oxidation treatment was performed. A surface wave excitation plasma was used for oxygen activation. O 2 gas was introduced through the gas introduction means 113 at a flow rate of 1 slm. Furthermore, the pressure in the oxidation treatment chamber 111 was maintained at 200 Pa. At this time, the temperature of the substrate 101 was maintained at 450 ° C. by a stage that supports the substrate 101 and incorporates a heater capable of heating the substrate 101, that is, the substrate support 112. Near-ultraviolet light from a near-ultraviolet light illumination system 118 using a XeCl excimer lamp was irradiated on the metal film 102 through the light transmission window 117 at an illuminance of 100 mW / cm 2 . Thereafter, 2.45 GHz microwaves were radiated from the power supply means 116 including an antenna, and introduced into the oxidation chamber through a dielectric tube 115 that vacuum-isolated the inside and outside of the apparatus to generate surface wave plasma. The Hf film 102 on the substrate 101 was oxidized by the oxygen plasma thus excited to form the HfSiO film 103. At this time, near-ultraviolet light from the XeCl excimer lamp 118 passes through the Hf film 102 and the HfSiO film 103 that is being formed to excite Si in the surface layer portion of the underlying substrate 101, and its oxidation is promoted to achieve a good interface. A SiO 2 film 104 having the structure was formed.

次に、形成されたHfSiO膜103を窒化する為、表面波励起プラズマにより窒素プラズマを発生する図示しないプラズマ装置内に基体を搬送した。なお、前記スパッタ装置とプラズマ装置とは、複数の工程を連続で行う為のクラスター装置を構成するモジュールの一つであり、各装置間で基板を搬送するエリアは常時高真空に保持された。このため、スパッタ処理から窒化処理までの間、スパッタされたHfが装置内に残存する酸素などにより酸化され難い雰囲気内に基板が保持された。   Next, in order to nitride the formed HfSiO film 103, the substrate was transferred into a plasma apparatus (not shown) that generates nitrogen plasma by surface wave excitation plasma. The sputtering device and the plasma device are one of modules constituting a cluster device for continuously performing a plurality of processes, and the area for transporting the substrate between the devices was always kept at a high vacuum. For this reason, the substrate was held in an atmosphere in which the sputtered Hf was difficult to be oxidized by oxygen remaining in the apparatus from the sputtering process to the nitriding process.

プラズマ装置において、400sccmの流量でNガスを導入した。プラズマ装置内の圧力を40Paに保持した。このとき、基板101は、基板101を支持すると共に基板を加熱可能なヒータを内蔵するステージによって200℃に保持された。その後、2.45GHzのマイクロ波を図示しないアンテナから放射し、装置内外を隔離する図示しない誘電体を介してプラズマ装置内に導入し表面波プラズマを生成した。かくして励起された窒素プラズマによって、HfSiO膜103の窒化を行った。 In the plasma apparatus, N 2 gas was introduced at a flow rate of 400 sccm. The pressure in the plasma apparatus was kept at 40 Pa. At this time, the substrate 101 was held at 200 ° C. by a stage incorporating a heater that supports the substrate 101 and can heat the substrate. Thereafter, 2.45 GHz microwaves were radiated from an antenna (not shown) and introduced into the plasma device via a dielectric (not shown) that isolates the inside and outside of the device to generate surface wave plasma. The HfSiO film 103 was nitrided by the nitrogen plasma thus excited.

かくして形成した膜をTEMにより断面観察したところ、シリコン基板101上に膜厚約0.6nmの薄い酸化シリコン膜104が形成され、更にその上に膜厚1.5nmのHfSiON膜105が形成されていることが確認された。更に、XPSにより窒化されたHfシリケート膜105に含まれる窒素濃度を測定したところ、約9原子%の窒素が膜中に導入されていることが確認された。電気特性を測定したところ、EOT0.95nm,リーク電流密度8.1E−4A/cmの十分低い良好な結果が得られた。 When the cross section of the film thus formed was observed by TEM, a thin silicon oxide film 104 having a thickness of about 0.6 nm was formed on the silicon substrate 101, and a HfSiON film 105 having a thickness of 1.5 nm was further formed thereon. It was confirmed that Further, when the nitrogen concentration contained in the Hf silicate film 105 nitrided by XPS was measured, it was confirmed that about 9 atomic% of nitrogen was introduced into the film. When the electrical characteristics were measured, good results with sufficiently low EOT of 0.95 nm and leakage current density of 8.1E-4 A / cm 2 were obtained.

[実施例3]
本実施例は、図1及び図2の実施形態に従って実施し、La−Al混合金属膜からLaAlO膜を形成した。基板101として、直径200mmのP型単結晶Si基板を使用した。
[Example 3]
This example was performed according to the embodiment of FIGS. 1 and 2, and a LaAlO film was formed from a La—Al mixed metal film. As the substrate 101, a P-type single crystal Si substrate having a diameter of 200 mm was used.

まず、基板101の表面をRCA洗浄により洗浄し、不純物や、自然酸化膜の除去を行った。   First, the surface of the substrate 101 was cleaned by RCA cleaning, and impurities and natural oxide films were removed.

次に、基板101を図示しないRFマグネトロン方式のスパッタ装置内に搬送した。なおスパッタ装置のターゲットにはLa及びAlを用いた。まず、基板101をスパッタ装置内に搬送した後、スパッタ装置内の排気を行い1.0x10−4Paまで減圧した。また、基板101を加熱手段により加熱し、250℃に保持した。これらにより、金属膜102の堆積中に金属膜102を酸化させる虞のある酸素や水分などをスパッタ装置外へと排気した。続いて、スパッタ装置内に10sccmの流量でArガスを導入し、スパッタ装置内を0.2Paに保持した。続いて、それぞれのターゲットに高周波電圧を印加してプラズマを生成し、ターゲットを構成するLa原子及びAl原子のスパッタを行った。それぞれのターゲットにおいてスパッタされたLa原子及びAl原子は、ターゲットに対向する位置に支持された基板101に向けて飛び、基板101上に堆積された。この処理によって、膜厚0.8nmのLa及びAlからなる金属膜(La−Al膜)102が形成された。このとき堆積形成された金属膜102中のAlの組成比は35原子%であった。 Next, the substrate 101 was transferred into an RF magnetron type sputtering apparatus (not shown). Note that La and Al were used as targets of the sputtering apparatus. First, after transporting the substrate 101 into the sputtering apparatus, the sputtering apparatus was evacuated and decompressed to 1.0 × 10 −4 Pa. Further, the substrate 101 was heated by a heating means and maintained at 250 ° C. Thus, oxygen, moisture, or the like that may oxidize the metal film 102 during the deposition of the metal film 102 was exhausted out of the sputtering apparatus. Subsequently, Ar gas was introduced into the sputtering apparatus at a flow rate of 10 sccm, and the inside of the sputtering apparatus was held at 0.2 Pa. Subsequently, a high frequency voltage was applied to each target to generate plasma, and La atoms and Al atoms constituting the target were sputtered. La atoms and Al atoms sputtered on each target flew toward the substrate 101 supported at a position facing the target, and were deposited on the substrate 101. By this treatment, a metal film (La—Al film) 102 made of La and Al having a film thickness of 0.8 nm was formed. At this time, the Al composition ratio in the deposited metal film 102 was 35 atomic%.

次に、クラスター装置を構成する酸化装置の酸化処理室111内へと膜102付の基板101を搬送し、酸化処理を行った。酸素の活性化には、表面波励起プラズマを用いた。ガス導入手段113を介して、1slmの流量でOガスを導入した。さらに酸化処理室111内の圧力を200Paに保持した。このとき、基板101の温度は、基板101を支持すると共に基板101を加熱可能なヒータを内蔵するステージすなわち基板支持体112によって300℃に保持された。Krエキシマランプを用いた近紫外光照明系118からの近紫外光を光透過窓117を通して金属膜102上で40mW/cmの照度で照射した。その後、2.45GHzのマイクロ波をアンテナを含む電力供給手段116から放射し、装置内外を真空隔離する誘電体管115を介して酸化処理室内に導入し表面波プラズマを生成した。かくして励起された酸素プラズマによって、基板101上のLa−Al膜102の酸化を行い、LaAlO膜103を形成した。この際、Krエキシマランプ118からの近紫外光は、La−Al膜102及び形成されつつあるLaAlO膜103を透過し下地の基板101の表層部のSiを励起し、その酸化が促進されて良好な界面を有するSiO膜104が形成された。 Next, the substrate 101 with the film 102 was transferred into the oxidation treatment chamber 111 of the oxidation apparatus constituting the cluster apparatus, and oxidation treatment was performed. A surface wave excitation plasma was used for oxygen activation. O 2 gas was introduced through the gas introduction means 113 at a flow rate of 1 slm. Furthermore, the pressure in the oxidation treatment chamber 111 was maintained at 200 Pa. At this time, the temperature of the substrate 101 was maintained at 300 ° C. by a stage that supports the substrate 101 and incorporates a heater capable of heating the substrate 101, that is, the substrate support 112. Near-ultraviolet light from a near-ultraviolet light illumination system 118 using a Kr 2 excimer lamp was irradiated on the metal film 102 through the light transmission window 117 at an illuminance of 40 mW / cm 2 . Thereafter, 2.45 GHz microwaves were radiated from the power supply means 116 including an antenna, and introduced into the oxidation chamber through a dielectric tube 115 that vacuum-isolated the inside and outside of the apparatus to generate surface wave plasma. The La—Al film 102 on the substrate 101 was oxidized by the oxygen plasma thus excited to form a LaAlO film 103. At this time, near-ultraviolet light from the Kr 2 excimer lamp 118 is transmitted through the La—Al film 102 and the LaAlO film 103 being formed to excite Si in the surface layer portion of the underlying substrate 101, and its oxidation is promoted. An SiO 2 film 104 having a good interface was formed.

かくして形成した膜をTEMにより断面観察したところ、シリコン基板101上に膜厚約0.5nmの薄い酸化シリコン膜104が形成され、更にその上に膜厚1.5nmのLaAlO膜103が形成されていることが確認された。電気特性を測定したところ、EOT0.87nm,リーク電流密度5.5E−2A/cmの十分低い良好な結果が得られた。 When the cross section of the film thus formed was observed by TEM, a thin silicon oxide film 104 having a thickness of about 0.5 nm was formed on the silicon substrate 101, and a LaAlO film 103 having a thickness of 1.5 nm was further formed thereon. It was confirmed that When the electrical characteristics were measured, good results with a sufficiently low EOT of 0.87 nm and a leakage current density of 5.5E-2 A / cm 2 were obtained.

[実施例4]
本実施例は、図1及び図2の実施形態に従って実施し、Zr−Si混合金属膜からZrSiO膜を形成した。基板101として、直径200mmのP型単結晶Si基板を使用した。
[Example 4]
This example was carried out according to the embodiment of FIGS. 1 and 2, and a ZrSiO film was formed from a Zr—Si mixed metal film. As the substrate 101, a P-type single crystal Si substrate having a diameter of 200 mm was used.

まず、基板101の表面をRCA洗浄により洗浄し、不純物や、自然酸化膜の除去を行った。   First, the surface of the substrate 101 was cleaned by RCA cleaning, and impurities and natural oxide films were removed.

次に、基板101を図示しないRFマグネトロン方式のスパッタ装置内に搬送した。なおスパッタ装置のターゲットにはZr及びSiを用いた。まず、基板101をスパッタ装置内に搬送した後、スパッタ装置内の排気を行い2.3x10−4Paまで減圧した。また、基板101を加熱手段により加熱し、300℃に保持した。これらにより、金属膜102の堆積中に金属膜102を酸化させる虞のある酸素や水分などをスパッタ装置外へと排気した。続いて、スパッタ装置内に5sccmの流量でArガスを導入し、スパッタ装置内を0.2Paに保持した。続いて、それぞれのターゲットに高周波電圧を印加してプラズマを生成し、ターゲットを構成するZr原子及びSi原子のスパッタを行った。それぞれのターゲットにおいてスパッタされたZr原子及びSi原子は、ターゲットに対向する位置に支持された基板101に向けて飛び、基板101上に堆積された。この処理によって、膜厚0.7nmのZr及びSiからなる金属膜(Zr−Si膜)102が形成された。このとき堆積形成された金属膜102中のSiの組成比は30原子%であった。 Next, the substrate 101 was transferred into an RF magnetron type sputtering apparatus (not shown). Note that Zr and Si were used as targets for the sputtering apparatus. First, after transporting the substrate 101 into the sputtering apparatus, the sputtering apparatus was evacuated and the pressure was reduced to 2.3 × 10 −4 Pa. Further, the substrate 101 was heated by a heating means and held at 300 ° C. Thus, oxygen, moisture, or the like that may oxidize the metal film 102 during the deposition of the metal film 102 was exhausted out of the sputtering apparatus. Subsequently, Ar gas was introduced into the sputtering apparatus at a flow rate of 5 sccm, and the inside of the sputtering apparatus was held at 0.2 Pa. Subsequently, a high frequency voltage was applied to each target to generate plasma, and Zr atoms and Si atoms constituting the target were sputtered. Zr atoms and Si atoms sputtered on each target flew toward the substrate 101 supported at a position facing the target, and were deposited on the substrate 101. By this treatment, a metal film (Zr—Si film) 102 made of Zr and Si having a thickness of 0.7 nm was formed. At this time, the composition ratio of Si in the deposited metal film 102 was 30 atomic%.

次に、クラスター装置を構成する酸化装置の酸化処理室111内へと膜102付の基板101を搬送し、酸化処理を行った。酸素の活性化には、表面波励起プラズマを用いた。ガス導入手段113を介して、1slmの流量でOガスを導入した。さらに酸化処理室111内の圧力を250Paに保持した。このとき、基板101の温度は、基板101を支持すると共に基板101を加熱可能なヒータを内蔵するステージすなわち基板支持体112によって300℃に保持された。XeClエキシマランプを用いた近紫外光照明系118からの近紫外光を光透過窓117を通して金属膜102上で50mW/cmの照度で照射した。その後、2.45GHzのマイクロ波をアンテナを含む電力供給手段116から放射し、装置内外を真空隔離する誘電体管115を介して酸化処理室内に導入し表面波プラズマを生成した。かくして励起された酸素プラズマによって、基板101上のZr−Si膜102の酸化を行い、ZrSiO膜103を形成した。この際、XeClエキシマランプ118からの近紫外光は、Zr−Si膜102及び形成されつつあるZrSiO膜103を透過し下地の基板101の表層部のSiを励起し、その酸化が促進されて良好な界面を有するSiO膜104が形成された。 Next, the substrate 101 with the film 102 was transferred into the oxidation treatment chamber 111 of the oxidation apparatus constituting the cluster apparatus, and oxidation treatment was performed. A surface wave excitation plasma was used for oxygen activation. O 2 gas was introduced through the gas introduction means 113 at a flow rate of 1 slm. Furthermore, the pressure in the oxidation treatment chamber 111 was maintained at 250 Pa. At this time, the temperature of the substrate 101 was maintained at 300 ° C. by a stage that supports the substrate 101 and incorporates a heater capable of heating the substrate 101, that is, the substrate support 112. Near-ultraviolet light from a near-ultraviolet light illumination system 118 using a XeCl excimer lamp was irradiated on the metal film 102 through the light transmission window 117 at an illuminance of 50 mW / cm 2 . Thereafter, 2.45 GHz microwaves were radiated from the power supply means 116 including an antenna, and introduced into the oxidation chamber through a dielectric tube 115 that vacuum-isolated the inside and outside of the apparatus to generate surface wave plasma. The Zr—Si film 102 on the substrate 101 was oxidized by the oxygen plasma thus excited to form a ZrSiO film 103. At this time, the near-ultraviolet light from the XeCl excimer lamp 118 passes through the Zr—Si film 102 and the ZrSiO film 103 being formed, excites Si in the surface layer portion of the underlying substrate 101, and the oxidation thereof is promoted to be good. A SiO 2 film 104 having a smooth interface was formed.

かくして形成した膜をTEMにより断面観察したところ、シリコン基板101上に膜厚約0.5nmの薄い酸化シリコン膜104が形成され、更にその上に膜厚1.3nmのZrSiO膜103が形成されていることが確認された。電気特性を測定したところ、EOT0.85nm,リーク電流密度4.3E−2A/cmの十分低い良好な結果が得られた。 When the cross section of the film thus formed was observed by TEM, a thin silicon oxide film 104 having a thickness of about 0.5 nm was formed on the silicon substrate 101, and a ZrSiO film 103 having a thickness of 1.3 nm was further formed thereon. It was confirmed that When the electrical characteristics were measured, good results with a sufficiently low EOT of 0.85 nm and a leakage current density of 4.3E-2 A / cm 2 were obtained.

[実施例5]
本実施例は、図1及び図2の実施形態に従って実施し、Zr単独金属膜からZrSiO膜を形成した。基板101として、直径200mmのP型単結晶Si基板を使用した。
[Example 5]
This example was performed according to the embodiment of FIGS. 1 and 2, and a ZrSiO film was formed from a Zr single metal film. As the substrate 101, a P-type single crystal Si substrate having a diameter of 200 mm was used.

まず、基板101の表面をRCA洗浄により洗浄し、不純物や、自然酸化膜の除去を行った。   First, the surface of the substrate 101 was cleaned by RCA cleaning, and impurities and natural oxide films were removed.

次に、基板101を図示しないRFマグネトロン方式のスパッタ装置内に搬送した。なおスパッタ装置のターゲットにはZrのみを用いた。まず、基板101をスパッタ装置内に搬送した後、スパッタ装置内の排気を行い2.0x10−4Paまで減圧した。また、基板101を加熱手段により加熱し、300℃に保持した。これらにより、金属膜102の堆積中に金属膜102を酸化させる虞のある酸素や水分などをスパッタ装置外へと排気した。続いて、スパッタ装置内に10sccmの流量でArガスを導入し、スパッタ装置内を0.2Paに保持した。続いて、それぞれのターゲットに高周波電圧を印加してプラズマを生成し、ターゲットを構成するZr原子のスパッタを行った。ターゲットにおいてスパッタされたZr原子は、ターゲットに対向する位置に支持された基板101に向けて飛び、基板101上に堆積された。この処理によって、膜厚0.5nmのZrからなる金属膜(Zr膜)102が形成された。 Next, the substrate 101 was transferred into an RF magnetron type sputtering apparatus (not shown). Note that only Zr was used as the target of the sputtering apparatus. First, after transporting the substrate 101 into the sputtering apparatus, the sputtering apparatus was evacuated and the pressure was reduced to 2.0 × 10 −4 Pa. Further, the substrate 101 was heated by a heating means and held at 300 ° C. Thus, oxygen, moisture, or the like that may oxidize the metal film 102 during the deposition of the metal film 102 was exhausted out of the sputtering apparatus. Subsequently, Ar gas was introduced into the sputtering apparatus at a flow rate of 10 sccm, and the inside of the sputtering apparatus was held at 0.2 Pa. Subsequently, a high frequency voltage was applied to each target to generate plasma, and sputtering of Zr atoms constituting the target was performed. Zr atoms sputtered on the target flew toward the substrate 101 supported at a position facing the target and deposited on the substrate 101. By this treatment, a metal film (Zr film) 102 made of Zr having a thickness of 0.5 nm was formed.

次に、クラスター装置を構成する酸化装置の酸化処理室111内へと膜102付の基板101を搬送し、酸化処理を行った。酸素の活性化には、表面波励起プラズマを用いた。ガス導入手段113を介して、1slmの流量でOガスを導入した。さらに酸化処理室111内の圧力を200Paに保持した。このとき、基板101の温度は、基板101を支持すると共に基板101を加熱可能なヒータを内蔵するステージすなわち基板支持体112によって450℃に保持された。XeClエキシマランプを用いた近紫外光照明系118からの近紫外光を光透過窓117を通して金属膜102上で80mW/cmの照度で照射した。その後、2.45GHzのマイクロ波をアンテナを含む電力供給手段116から放射し、装置内外を真空隔離する誘電体管115を介して酸化処理室内に導入し表面波プラズマを生成した。かくして励起された酸素プラズマによって、基板101上のZr膜102の酸化を行い、ZrSiO膜103を形成した。この際、XeClエキシマランプ118からの近紫外光は、Zr膜102及び形成されつつあるZrSiO膜103を透過し下地の基板101の表層部のSiを励起し、その酸化が促進されて良好な界面を有するSiO膜104が形成された。 Next, the substrate 101 with the film 102 was transferred into the oxidation treatment chamber 111 of the oxidation apparatus constituting the cluster apparatus, and oxidation treatment was performed. A surface wave excitation plasma was used for oxygen activation. O 2 gas was introduced through the gas introduction means 113 at a flow rate of 1 slm. Furthermore, the pressure in the oxidation treatment chamber 111 was maintained at 200 Pa. At this time, the temperature of the substrate 101 was maintained at 450 ° C. by a stage that supports the substrate 101 and incorporates a heater capable of heating the substrate 101, that is, the substrate support 112. Near-ultraviolet light from a near-ultraviolet light illumination system 118 using a XeCl excimer lamp was irradiated on the metal film 102 through the light transmission window 117 at an illuminance of 80 mW / cm 2 . Thereafter, 2.45 GHz microwaves were radiated from the power supply means 116 including an antenna, and introduced into the oxidation chamber through a dielectric tube 115 that vacuum-isolated the inside and outside of the apparatus to generate surface wave plasma. The Zr film 102 on the substrate 101 was oxidized by the oxygen plasma thus excited to form a ZrSiO film 103. At this time, near-ultraviolet light from the XeCl excimer lamp 118 passes through the Zr film 102 and the ZrSiO film 103 that is being formed, and excites Si in the surface layer portion of the underlying substrate 101, and its oxidation is promoted to achieve a good interface. A SiO 2 film 104 having the structure was formed.

かくして形成した膜をTEMにより断面観察したところ、シリコン基板101上に膜厚約0.6nmの薄い酸化シリコン膜104が形成され、更にその上に膜厚1.3nmのZrSiO膜103が形成されていることが確認された。電気特性を測定したところ、EOT0.83nm,リーク電流密度7.8E−2A/cmの十分低い良好な結果が得られた。 When the cross section of the film thus formed was observed by TEM, a thin silicon oxide film 104 having a thickness of about 0.6 nm was formed on the silicon substrate 101, and a ZrSiO film 103 having a thickness of 1.3 nm was further formed thereon. It was confirmed that When the electrical characteristics were measured, good results were obtained with a sufficiently low EOT of 0.83 nm and a leakage current density of 7.8E-2 A / cm 2 .

本発明による絶縁膜の形成方法の一実施形態を説明するための工程断面図である。It is process sectional drawing for demonstrating one Embodiment of the formation method of the insulating film by this invention. 本発明による絶縁膜の形成方法の実施に使用される装置の模式的断面図である。It is typical sectional drawing of the apparatus used for implementation of the formation method of the insulating film by this invention. 本発明による絶縁膜の形成方法を用いて絶縁膜を形成した場合の下地酸化膜厚の近紫外光照度依存性の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the near-ultraviolet-light illumination dependence of the base oxide film thickness at the time of forming an insulating film using the formation method of the insulating film by this invention. 従来の高誘電率ゲート絶縁膜の形成工程の一例を説明するための工程断面図である。It is process sectional drawing for demonstrating an example of the formation process of the conventional high dielectric constant gate insulating film. 従来の高誘電率ゲート絶縁膜の形成工程の他の例を説明するための工程断面図である。It is process sectional drawing for demonstrating the other example of the formation process of the conventional high dielectric constant gate insulating film.

符号の説明Explanation of symbols

101,501 Si基板
102,502 金属膜
103,503 金属シリケート膜
104,504 SiO
105,505 窒化金属シリケート膜
111 酸化処理室
112 基板支持体
113 ガス導入手段
114 排気手段
115 誘電体管
116 電力供給手段
117 光透過窓
118 近紫外光照明系
101, 501 Si substrate 102, 502 Metal film 103, 503 Metal silicate film 104, 504 SiO 2 film 105, 505 Metal nitride silicate film 111 Oxidation chamber 112 Substrate support 113 Gas introduction means 114 Exhaust means 115 Dielectric tube 116 Electric power Supply means 117 Light transmission window 118 Near ultraviolet light illumination system

Claims (9)

シリコン基板の上に絶縁膜を形成する方法であって、
シリコン基板の上に金属膜を形成する第1の工程と、
前記金属膜を酸化して金属と酸素とを含む膜を形成する第2の工程と、を含み、
前記第2の工程において、前記金属膜を酸化する際に該金属膜に近紫外光を照射し、前記シリコン基板の表層部を酸化して前記酸化シリコン膜を形成することを特徴とする、絶縁膜の形成方法。
A method of forming an insulating film on a silicon substrate,
A first step of forming a metal film on a silicon substrate;
A second step of oxidizing the metal film to form a film containing metal and oxygen,
In the second step, when the metal film is oxidized, the metal film is irradiated with near ultraviolet light to oxidize a surface layer portion of the silicon substrate to form the silicon oxide film. Method for forming a film.
前記第2の工程で形成された金属と酸素とを含む膜を窒化して金属と酸素と窒素とを含む膜を形成する第3の工程を含むことを特徴とする、請求項1に記載の絶縁膜の形成方法。   The method according to claim 1, further comprising a third step of nitriding the film containing metal and oxygen formed in the second step to form a film containing metal, oxygen, and nitrogen. A method for forming an insulating film. 前記金属は、Hf、Al、La、Zr、Ta及びYの少なくとも1つであることを特徴とする、請求項1〜2のいずれか一項に記載の絶縁膜の形成方法。   3. The method of forming an insulating film according to claim 1, wherein the metal is at least one of Hf, Al, La, Zr, Ta, and Y. 4. 前記金属膜は、前記金属に加えてシリコンをも含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の絶縁膜の形成方法。   The method for forming an insulating film according to claim 1, wherein the metal film includes silicon in addition to the metal. 前記近紫外光の波長は220〜380nmであることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載の絶縁膜の形成方法。   The method for forming an insulating film according to claim 1, wherein the wavelength of the near ultraviolet light is 220 to 380 nm. 前記近紫外光の光源として、Krエキシマランプ、KrFエキシマランプ、XeClエキシマランプ及びXeFエキシマランプの少なくとも1つを用いることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の絶縁膜の形成方法。 Wherein as a light source of near ultraviolet light, Kr 2 excimer lamp, which comprises using at least one of KrF excimer lamps, XeCl excimer lamp and XeF excimer lamp, insulation according to any one of claims 1 to 5 Method for forming a film. 前記第2の工程で前記金属膜を活性化された酸素を用いて酸化することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の絶縁膜の形成方法。   The method for forming an insulating film according to claim 1, wherein the metal film is oxidized using activated oxygen in the second step. 前記活性化された酸素は、プラズマ励起、光励起及びオゾン供給の少なくとも1つを用いて活性化されたものであることを特徴とする、請求項7に記載の絶縁膜の形成方法。   8. The method of forming an insulating film according to claim 7, wherein the activated oxygen is activated using at least one of plasma excitation, photoexcitation, and ozone supply. 前記第1工程で前記金属膜をスパッタにより形成することを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の絶縁膜の形成方法。   The method for forming an insulating film according to claim 1, wherein the metal film is formed by sputtering in the first step.
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