JP2010003843A - Formation method of insulation film, and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To form an insulation film reduced in mixture of carbon and variations in composition. <P>SOLUTION: In this formation method of an insulation film, a two-layer structure of silicon and metal is formed by sequentially forming a silicon layer and a metal layer on a substrate; a reaction temperature at which the silicon and the metal produce a metal silicide in targeted composition is selected; and a metal silicide layer is formed by heating the two-layer structure. A part within the metal remaining in an unreacted state is removed. The insulation layer is formed by oxidizing or nitriding the metal silicide layer. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、基板上への絶縁膜の形成方法と、そのような絶縁膜を適用した半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for forming an insulating film on a substrate and a method for manufacturing a semiconductor device to which such an insulating film is applied.

従来、MOSFETなどの半導体素子におけるゲート絶縁膜には、熱的安定性、界面特性などの観点から、長年にわたりシリコン酸化膜(SiO2)が用いられてきた。今後、半導体デバイスの高性能化を進めていくために、MOSFETのいっそうの微細化が画策されており、ゲート絶縁膜の膜厚も、1nmに満たない厚さが期待されている。   Conventionally, a silicon oxide film (SiO 2) has been used for many years as a gate insulating film in a semiconductor element such as a MOSFET from the viewpoint of thermal stability, interface characteristics, and the like. In the future, in order to promote higher performance of semiconductor devices, further miniaturization of MOSFETs is being planned, and the thickness of the gate insulating film is expected to be less than 1 nm.

しかし、SiO2ゲート絶縁膜の物理膜厚が2nm程度、あるいはそれ以下になると、直接トンネル効果によるゲートリーク電流の増大が深刻な問題となる。そこで、ゲート絶縁膜材料として、SiO2の代替として、高い誘電率を有するhigh-k材料の研究が盛んに行われている。high-k材料では、シリコン酸化膜換算の実効膜厚を1nm未満に抑えつつ、物理膜厚を厚くすることができるので、ゲートリーク電流の低減が期待される。   However, when the physical film thickness of the SiO2 gate insulating film is about 2 nm or less, an increase in gate leakage current due to the direct tunnel effect becomes a serious problem. Therefore, as a gate insulating film material, a high-k material having a high dielectric constant is actively researched as an alternative to SiO2. With a high-k material, it is possible to increase the physical film thickness while suppressing the effective film thickness in terms of silicon oxide film to less than 1 nm, so that a reduction in gate leakage current is expected.

high-k材料を選ぶ際には、膜厚を十分に厚くするために、誘電率が十分に高いことが望まれる。また、リーク電流増加の原因となるゲート絶縁膜の結晶化を引き起こさないように、結晶化温度が十分に高いことが必要である。さらには、バンドギャップが十分に大きいことも要求される。これらの点において、ジルコニウムシリケート、ハフニウムシリケート、ランタンシリケート、イットリウムシリケートなどの金属珪酸化物や、それを窒化した金属珪酸窒化物は、次世代のゲート絶縁膜材料として有望視されている。   When selecting a high-k material, it is desirable that the dielectric constant is sufficiently high in order to sufficiently increase the film thickness. In addition, the crystallization temperature needs to be sufficiently high so as not to cause crystallization of the gate insulating film which causes an increase in leakage current. Furthermore, the band gap is also required to be sufficiently large. In these respects, metal silicates such as zirconium silicate, hafnium silicate, lanthanum silicate, yttrium silicate, and metal silicate nitride obtained by nitriding the same are considered promising as next-generation gate insulating film materials.

金属珪酸化物や金属珪酸窒化物の作製手法としては、CVD法(化学的気相成長法)が主流であるが、この手法は多くの場合、原料として有機物を使用するために、炭素が混入する可能性が高い。炭素の混入は、欠陥準位の形成に寄与してリーク電流の増加を引き起こす可能性があると報告されている(たとえば、非特許文献1参照)。   As a method for producing metal silicates and metal silicate nitrides, CVD (chemical vapor deposition) is the mainstream, but this method often uses carbon as a raw material because organic materials are used as raw materials. Probability is high. It has been reported that the incorporation of carbon may contribute to the formation of defect levels and cause an increase in leakage current (see, for example, Non-Patent Document 1).

さらに、CVD法の場合、金属珪酸化物や金属珪窒化物中の金属元素とシリコンとの組成が、ウェーハ間やウェーハ内でばらつき、それがデバイス特性のばらつきに影響する可能性がある。   Further, in the case of the CVD method, the composition of the metal element in the metal silicate or metal silicon nitride and silicon varies between wafers or within the wafer, which may affect the variation in device characteristics.

CVD法に代えて、シリコン基板上にPVD法(スパッタリングなど)により、金属ハフニウム(Hf)層を形成し、金属Hf層を酸化処理することによって、Hf含有シリコン酸化膜をゲート絶縁膜として形成する方法が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。   Instead of the CVD method, a metal hafnium (Hf) layer is formed on a silicon substrate by a PVD method (sputtering or the like), and the metal Hf layer is oxidized to form an Hf-containing silicon oxide film as a gate insulating film. A method has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

図1に特許文献1の方法を示す。図1(a)〜図1(c)に示すように、シリコン基板110上に金属Hf層112を形成し、この金属Hf層112を酸化してHf含有シリコン酸化膜114を形成するわけであるが、この過程で、洗浄後のシリコン基板110上に残る汚染物質(炭素など)111や、スパッタリングに起因する基板表層部の欠陥113が、Hf含有シリコン酸化膜114中に取り込まれ、汚染物質や欠陥を低減することができる。酸化方法としては、急速加熱酸化や、酸素ラジカルを含むプラズマ酸化が用いられる。その後、図1(d)に示すように、Hf含有シリコン酸化膜114上にゲート電極膜となる導体膜115を形成する。   FIG. 1 shows the method of Patent Document 1. As shown in FIGS. 1A to 1C, a metal Hf layer 112 is formed on a silicon substrate 110, and the metal Hf layer 112 is oxidized to form a Hf-containing silicon oxide film 114. In this process, however, contaminants (such as carbon) 111 remaining on the cleaned silicon substrate 110 and defects 113 on the surface layer of the substrate caused by sputtering are taken into the Hf-containing silicon oxide film 114, and contaminants and Defects can be reduced. As the oxidation method, rapid heating oxidation or plasma oxidation containing oxygen radicals is used. Thereafter, as shown in FIG. 1D, a conductor film 115 to be a gate electrode film is formed on the Hf-containing silicon oxide film 114.

図2も同様に、スパッタリング法によるゲート絶縁膜の形成方法を示している(たとえば、特許文献2参照)。この方法では、金属ターゲット210を用い、酸素を含まない雰囲気中で、シリコン基板201上に金属イオン(たとえばHfイオン)211をスパッタリングして金属Hf膜212を形成する(図2(a))。その後、酸素ラジカル213を含む雰囲気中で、300〜500℃の温度範囲で酸化処理をして(図2(b))、金属酸化膜(HfO2膜)202を形成する(図2(c))。金属酸化膜202とシリコン基板201の界面にはシリコン酸化膜203が形成されている。なお、図2(b)の酸化処理において、活性化されない酸素原子(又は酸素分子)214も存在する。
特開2003−179049号 特開2005−79563号 “High-k gate dielectrics: Current status andmaterials properties considerations”, G. D. Wilk, R. M. Wallace, J. M. Anthony,J. Appl. Phys., 89, 5243 (2001).
2 also shows a method for forming a gate insulating film by a sputtering method (see, for example, Patent Document 2). In this method, a metal target 210 is used to sputter metal ions (for example, Hf ions) 211 on a silicon substrate 201 in an oxygen-free atmosphere to form a metal Hf film 212 (FIG. 2A). Thereafter, an oxidation treatment is performed in an atmosphere containing oxygen radicals 213 in a temperature range of 300 to 500 ° C. (FIG. 2B) to form a metal oxide film (HfO 2 film) 202 (FIG. 2C) . A silicon oxide film 203 is formed at the interface between the metal oxide film 202 and the silicon substrate 201. Note that there are oxygen atoms (or oxygen molecules) 214 that are not activated in the oxidation treatment of FIG.
JP 2003-179049 A JP 2005-79563 A “High-k gate dielectrics: Current status and materials properties considerations”, GD Wilk, RM Wallace, JM Anthony, J. Appl. Phys., 89, 5243 (2001).

本発明の実施形態では、炭素の混入を防止し、ウェーハ面内及びウェーハ間で均一な組成を持つ金属珪化酸化物もしくは金属珪酸窒化物から成る絶縁膜を形成する方法を提供する。また、そのような絶縁膜を適用した半導体装置の製造方法を提供する。   In an embodiment of the present invention, a method of forming an insulating film made of metal silicide oxide or metal silicate nitride having a uniform composition within a wafer surface and between wafers is provided. In addition, a method for manufacturing a semiconductor device to which such an insulating film is applied is provided.

本発明の第1の側面として、絶縁膜の形成方法を提供する。絶縁膜の形成方法は、
基板上に、シリコン層と金属層を順次形成して、シリコンと金属の2層構造を形成し、
前記シリコンと前記金属が目標とする組成で金属珪化物を生成する反応温度を選択し、前記2層構造を加熱して金属珪化物層を形成し、
前記金属のうち、未反応で残る部分を除去し、
前記金属珪化物層を酸化又は窒化して、絶縁膜を形成する
工程を含む。
As a first aspect of the present invention, a method for forming an insulating film is provided. The method of forming the insulating film is as follows:
A silicon layer and a metal layer are sequentially formed on the substrate to form a two-layer structure of silicon and metal,
Select a reaction temperature at which the silicon and the metal produce a metal silicide with a target composition, heat the two-layer structure to form a metal silicide layer,
Removing the unreacted portion of the metal,
A step of oxidizing or nitriding the metal silicide layer to form an insulating film;

第2の側面として、上述した絶縁膜を適用した半導体装置の製造方法を提供する。半導体装置の製造方法は、
半導体基板上に第1の絶縁膜を形成し、
前記第1の絶縁膜上にシリコン層と金属層を順次形成して、シリコンと金属の2層構造を形成し、
前記シリコンと前記金属が目標とする組成で金属珪化物を生成する反応温度を選択し、前記2層構造を加熱して金属珪化物層を形成し、
前記金属のうち、未反応で残る部分を除去し、
前記金属珪化物層を酸化又は窒化して、第2の絶縁膜を形成し、
前記第1及び第2の絶縁膜上に電極膜を形成する
工程を含む。
As a second aspect, a method for manufacturing a semiconductor device to which the above-described insulating film is applied is provided. The manufacturing method of the semiconductor device is as follows:
Forming a first insulating film on the semiconductor substrate;
A silicon layer and a metal layer are sequentially formed on the first insulating film to form a two-layer structure of silicon and metal,
Select a reaction temperature at which the silicon and the metal produce a metal silicide with a target composition, heat the two-layer structure to form a metal silicide layer,
Removing the unreacted portion of the metal,
Oxidizing or nitriding the metal silicide layer to form a second insulating film;
Forming an electrode film on the first and second insulating films;

炭素の混入と、組成ばらつきを低減した金属珪酸化物や金属珪酸窒化物を絶縁膜として形成することができる。このような絶縁膜を適用したデバイスの電気特性や信頼性を向上し、製造歩留まりを向上することができる。   Metal silicate and metal silicate nitride with reduced mixing of carbon and composition variation can be formed as an insulating film. The electrical characteristics and reliability of a device to which such an insulating film is applied can be improved, and the manufacturing yield can be improved.

以下、図面を参照して、本発明の良好な実施形態を説明する。図3は、本発明の第1実施形態の絶縁膜形成工程を示す図である。上述したように、有機原料を用いたCVD(化学気相成長)法による従来の絶縁膜形成方法では、(1) 絶縁膜中の金属とシリコンの組成比がウェーハ間、ウェーハ内でばらつく、(2) 絶縁膜中に炭素が混入する、といった問題が生じる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a diagram showing an insulating film forming process according to the first embodiment of the present invention. As described above, in the conventional method for forming an insulating film by a chemical vapor deposition (CVD) method using an organic raw material, (1) the composition ratio of metal and silicon in the insulating film varies between wafers and within the wafer. 2) There is a problem that carbon is mixed into the insulating film.

(1)の問題は、主として、ガス流量、ガス圧、温度のばらつきに起因するものと考えられる。(2)については、炭素を含む有機原料ガス(TEMAH等)を用いる場合は、絶縁膜中への炭素の残留は、避けられない。   The problem (1) is considered to be mainly due to variations in gas flow rate, gas pressure, and temperature. Regarding (2), when an organic source gas containing carbon (such as TEMAH) is used, carbon remains in the insulating film.

そこで、実施形態では、温度によって組成が決まる金属珪化物(MxSi1-x:Mは金属元素)を、炭素混入がきわめて少ないスパッタリング法を用いて作製した後、酸化又は窒化を行って、金属珪酸化物又は金属珪酸窒化物を作製して絶縁膜とする。 Therefore, in the embodiment, a metal silicide whose composition is determined by temperature (M x Si 1-x : M is a metal element) is produced using a sputtering method with very little carbon contamination, and then oxidized or nitrided, A metal silicate or a metal silicate nitride is produced to form an insulating film.

図3(a)において、シリコン基板11上に、第1の絶縁膜12を形成する。第1の絶縁膜は、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物等である。この例では、シリコン基板11上に、膜厚0.5〜1.0nmのシリコン酸化膜12を形成する。具体的には、シリコン基板11に前処理を行って水素終端化し、O2などの酸化性ガスを供給しながら加熱して、シリコン酸化膜を形成する。前処理は、たとえば、硫酸過水溶液(H2SO4:H2O2=4:1)中での処理後に0.5%フッ酸溶液での表面洗浄を行う。シリコン窒化膜を形成する場合は、プラズマ窒化法、熱窒化法など任意の方法を用いることができる。シリコン酸窒化膜を形成する場合は、シリコン酸化膜を形成してからプラズマ窒化する等、任意の方法を用いることができる。第1の絶縁膜12にシリコン窒化物やシリコン酸窒化物を用いると、絶縁膜全体の容量を上げることができるので有利である。   In FIG. 3A, a first insulating film 12 is formed on the silicon substrate 11. The first insulating film is silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, or the like. In this example, a silicon oxide film 12 having a thickness of 0.5 to 1.0 nm is formed on a silicon substrate 11. Specifically, the silicon substrate 11 is pretreated to be hydrogen-terminated, and heated while supplying an oxidizing gas such as O 2 to form a silicon oxide film. In the pretreatment, for example, the surface is washed with a 0.5% hydrofluoric acid solution after the treatment in an aqueous sulfuric acid solution (H2SO4: H2O2 = 4: 1). In the case of forming a silicon nitride film, any method such as a plasma nitridation method or a thermal nitridation method can be used. In the case of forming a silicon oxynitride film, any method such as plasma nitriding after forming a silicon oxide film can be used. Use of silicon nitride or silicon oxynitride for the first insulating film 12 is advantageous because the capacity of the entire insulating film can be increased.

次に、図3(b)に示すように、第1の絶縁膜12上に、後工程で形成しようとする金属珪酸化物(MxSi1-xO:Mは金属元素)の組成及び膜厚に対応したシリコン層13をスパッタリングで堆積する。たとえば、x=0.333のハフニウムシリケート、すなわち、ハフニウムとシリコンの組成比がほぼ1:2となる(Hf:Si=1:2)ハフニウムシリケートを6nm形成したいときは、シリコンを2.1nm堆積する。次に、スパッタリングで、金属ハフニウムを十分量(1.2nm以上)堆積する。スパッタリングの条件としては、出力100〜120W、全圧10mTorr(1.33Pa)、アルゴン雰囲気中で行う。 Next, as shown in FIG. 3B, a composition and a film of a metal silicate (M x Si 1-x O: M is a metal element) to be formed in a later process on the first insulating film 12. A silicon layer 13 corresponding to the thickness is deposited by sputtering. For example, to form hafnium silicate with x = 0.333, that is, hafnium silicate having a composition ratio of hafnium and silicon of approximately 1: 2 (Hf: Si = 1: 2) of 6 nm, silicon is deposited to 2.1 nm. To do. Next, a sufficient amount of metal hafnium (1.2 nm or more) is deposited by sputtering. The sputtering conditions are an output of 100 to 120 W, a total pressure of 10 mTorr (1.33 Pa), and an argon atmosphere.

これによって、図3(c)に示すように、シリコン層13上に十分な厚さの金属ハフニウム層14が堆積され、シリコンと金属の2層構造19が得られる。   As a result, as shown in FIG. 3C, a sufficiently thick metal hafnium layer 14 is deposited on the silicon layer 13, and a two-layer structure 19 of silicon and metal is obtained.

次に、図3(d)に示すように、窒素10Torr(1333Pa)を含む非酸化性雰囲気中で、800〜900℃でRTA(急峻熱処理)によるアニール処理を行い、ハフニウムの組成x=0.333のハフニウムシリサイド(HfxSi1-x)15を形成する。ハフニウムシリサイド15上には、未反応の金属ハフニウム14が残る。 Next, as shown in FIG. 3D, annealing is performed by RTA (rapid heat treatment) at 800 to 900 ° C. in a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen 10 Torr (1333 Pa), and the composition of hafnium x = 0. 333 hafnium silicide (Hf x Si 1-x ) 15 is formed. On the hafnium silicide 15, unreacted metal hafnium 14 remains.

次に、図3(e)に示すように、未反応の金属ハフニウム14を硫酸過水(H2SO4:H2O2=9:1)で除去する。   Next, as shown in FIG. 3E, the unreacted metal hafnium 14 is removed with sulfuric acid / hydrogen peroxide (H 2 SO 4: H 2 O 2 = 9: 1).

次に、図3(f)に示すように、ハフニウムシリサイド15をプラズマ酸化してハフニウムシリケート17を形成する。プラズマ酸化は、たとえば出力100W、全圧10mTorr(1.33Pa)、酸素雰囲気中で行う。プラズマ酸化後に、微量酸素を含む窒素雰囲気中で加熱を行うことで、不足量の酸素を補償してもよい。この場合、たとえば、全圧5Torr(667Pa)、0.2%の酸素を含む窒素雰囲気中で1000℃の加熱を行う。   Next, as shown in FIG. 3F, the hafnium silicide 15 is plasma-oxidized to form a hafnium silicate 17. For example, plasma oxidation is performed in an oxygen atmosphere with an output of 100 W, a total pressure of 10 mTorr (1.33 Pa). After the plasma oxidation, a deficient amount of oxygen may be compensated by heating in a nitrogen atmosphere containing a small amount of oxygen. In this case, for example, heating at 1000 ° C. is performed in a nitrogen atmosphere containing a total pressure of 5 Torr (667 Pa) and 0.2% oxygen.

この方法により、組成のばらつきが少なく、炭素を含まないハフニウムシリケート17を形成することができる。   By this method, hafnium silicate 17 containing little variation in composition and containing no carbon can be formed.

図4は、基板加熱温度と、ハフニウムシリサイドの組成の関係を示す図である。金属珪化物は、一定温度で決まった組成になることが知られている(たとえば、J.F. Ziegler et al. J. Appl. Phys, 44, 3851 (1973)参照)。図3の実施例では、ハフニウムとシリコンの組成比を1:2とするため、基板加熱温度を800〜900℃に設定した。ハフニウムの組成xをx=0.5にする場合、すなわちハフニウムとシリコンの組成比が1:1となるハフニウムシリサイドを形成したいときは、基板加熱温度を700〜750℃で加熱する。基板加熱温度を700℃未満とすることで、ハフニウムとシリコンの組成比を2:1にすることができると予想される。   FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the substrate heating temperature and the composition of hafnium silicide. Metal silicides are known to have a defined composition at a constant temperature (see, for example, J. F. Ziegler et al. J. Appl. Phys, 44, 3851 (1973)). In the example of FIG. 3, the substrate heating temperature was set to 800 to 900 ° C. in order to set the composition ratio of hafnium and silicon to 1: 2. When the hafnium composition x is set to x = 0.5, that is, when it is desired to form hafnium silicide having a hafnium / silicon composition ratio of 1: 1, the substrate heating temperature is heated to 700 to 750.degree. By setting the substrate heating temperature to less than 700 ° C., it is expected that the composition ratio of hafnium and silicon can be made 2: 1.

具体的には、Hf:Si=1:1のハフニウムシリケート17を6nmの膜厚で形成するときは、図3(b)の工程において、シリコン層13を1.6nm堆積する。その後、図3(c)の工程で金属ハフニウム層14を十分量(1.8nm以上)堆積し、窒素10Torr(1333Pa)を含む非酸化性雰囲気中で、700〜750℃でRTA処理をして、ハフニウムの組成x=0.5のハフニウムシリサイド15を形成する。以降の処理方法は、図3(e)、図3(f)と同様である。   Specifically, when the hafnium silicate 17 of Hf: Si = 1: 1 is formed with a film thickness of 6 nm, the silicon layer 13 is deposited by 1.6 nm in the process of FIG. Thereafter, a sufficient amount of metal hafnium layer 14 (1.8 nm or more) is deposited in the step of FIG. 3C, and RTA treatment is performed at 700 to 750 ° C. in a non-oxidizing atmosphere containing 10 Torr (1333 Pa) of nitrogen. A hafnium silicide 15 having a hafnium composition x = 0.5 is formed. Subsequent processing methods are the same as those in FIGS. 3E and 3F.

図5は、実施形態の絶縁膜形成のフローチャートである。まず、シリコン基板上に第1の絶縁膜を形成する(S1)。第1の絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜の中から選択される。次に、第1絶縁膜にシリコン層と金属層をこの順で堆積して、金属/シリコンの2層構造を作製する(S2)。金属は、ハフニウムの他、スカンジウム、イットリウム、ランタン、チタン、ジルコニウム、タンタル、アルミニウム等を用いてもよい。   FIG. 5 is a flowchart of forming the insulating film according to the embodiment. First, a first insulating film is formed on a silicon substrate (S1). The first insulating film is selected from a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxynitride film. Next, a silicon layer and a metal layer are deposited in this order on the first insulating film to produce a metal / silicon two-layer structure (S2). In addition to hafnium, scandium, yttrium, lanthanum, titanium, zirconium, tantalum, aluminum, or the like may be used as the metal.

次に、所望の組成の金属珪化物が得られるように、基板加熱温度を設定する(S3)。設定温度にて非酸化性雰囲気中で、金属/シリコン2層構造を加熱して、金属珪化物を形成する(S4)。そして、未反応で残る金属を除去する(S5)。その後、金属珪化物を酸化して、金属珪酸化膜を形成する(S6)。   Next, the substrate heating temperature is set so that a metal silicide having a desired composition is obtained (S3). The metal / silicon bilayer structure is heated at a set temperature in a non-oxidizing atmosphere to form a metal silicide (S4). Then, unreacted remaining metal is removed (S5). Thereafter, the metal silicide is oxidized to form a metal silicate film (S6).

金属珪酸化膜を形成する代わりに、金属珪化物を窒化して、金属珪窒化膜(MxSi1-xN)を形成してもよい(S7)。この場合は、得られた金属珪窒化膜をさらに酸化して、金属珪酸窒化膜(MxSi1-xON)を形成する(S8)。この金属珪窒化膜が、第2の絶縁膜となる。 Instead of forming the metal silicate film, the metal silicide may be nitrided to form a metal silicate film (M x Si 1-x N) (S7). In this case, the obtained metal silicate film is further oxidized to form a metal silicate nitride film (M x Si 1-x ON) (S8). This metal silicon nitride film becomes the second insulating film.

図6は、本発明の第2実施形態の絶縁膜の形成工程図である。第2実施形態では、図5のフローチャートでステップS7、S8に進んで、金属珪酸窒化膜を形成する。図6(a)は、図3(c)と同じであり、第1絶縁膜12上に、シリコン13と金属ハフニウム14の2層構造19を作製した状態を示す概略断面図である。   FIG. 6 is a process diagram for forming an insulating film according to the second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the process proceeds to steps S7 and S8 in the flowchart of FIG. 5 to form a metal silicate nitride film. FIG. 6A is the same as FIG. 3C and is a schematic cross-sectional view showing a state in which a two-layer structure 19 of silicon 13 and metal hafnium 14 is formed on the first insulating film 12.

次に、図6(b)に示すように、図3(d)と同様に、窒素10Torr(1333Pa)を含む非酸化性雰囲気中で、800〜900℃でRTA(急峻熱処理)によるアニール処理を行い、ハフニウムの組成x=0.333のハフニウムシリサイド15を形成する。ハフニウムシリサイド15上には、未反応の金属ハフニウム14が残る。   Next, as shown in FIG. 6B, similarly to FIG. 3D, annealing is performed by RTA (rapid heat treatment) at 800 to 900 ° C. in a non-oxidizing atmosphere containing nitrogen 10 Torr (1333 Pa). A hafnium silicide 15 having a hafnium composition x = 0.333 is formed. On the hafnium silicide 15, unreacted metal hafnium 14 remains.

次に、図6(c)に示すように、図3(e)と同様に、未反応の金属ハフニウム14を硫酸過水(H2SO4:H2O2=9:1)で除去する。   Next, as shown in FIG. 6 (c), unreacted metal hafnium 14 is removed with sulfuric acid / hydrogen peroxide (H2SO4: H2O2 = 9: 1) as in FIG. 3 (e).

次に、図6(d)に示すように、ハフニウムシリサイド15を窒化して、ハフニウム珪窒化膜21を形成する。このときの窒化条件は、たとえばプラズマ窒化の場合、出力500W、全圧20mTorr(2.67Pa)、窒素雰囲気中である。   Next, as shown in FIG. 6D, the hafnium silicide 15 is nitrided to form a hafnium silicate film 21. The nitriding conditions at this time are, for example, in the case of plasma nitriding, an output of 500 W, a total pressure of 20 mTorr (2.67 Pa), and a nitrogen atmosphere.

次に、図6(e)に示すように、ハフニウム珪窒化膜21を酸化して、ハフニウム珪酸窒化膜23を形成する。酸化条件は、たとえばプラズマ酸化の場合、出力100W、全圧10mTorr(1.33Pa)、酸素雰囲気中である。プラズマ酸化後に、微量酸素を含んだ窒素雰囲気中で加熱を行うことで、不足量の酸素を補償してもよい。この場合、たとえば、全圧5Torr(667Pa)、0.2%の酸素を含む窒素雰囲気中で1000℃、10秒間の加熱を行う。このハフニウム珪酸窒化膜23が第2の絶縁膜となる。ハフニウム珪酸窒化膜23は、図6(b)の加熱工程でシリコンとハフニウムが所望の組成となるように温度選択がされているので、組成ばらつきの少ない安定した絶縁膜となる。また、成膜に有機原料ガスを用いないので、炭素の混入が少ない。   Next, as shown in FIG. 6E, the hafnium silicate nitride film 21 is oxidized to form a hafnium silicate nitride film 23. For example, in the case of plasma oxidation, the oxidation conditions are an output of 100 W, a total pressure of 10 mTorr (1.33 Pa), and an oxygen atmosphere. After the plasma oxidation, a deficient amount of oxygen may be compensated by heating in a nitrogen atmosphere containing a small amount of oxygen. In this case, for example, heating is performed at 1000 ° C. for 10 seconds in a nitrogen atmosphere containing a total pressure of 5 Torr (667 Pa) and 0.2% oxygen. This hafnium silicate nitride film 23 becomes the second insulating film. The hafnium silicate nitride film 23 is a stable insulating film with little composition variation because the temperature is selected so that silicon and hafnium have a desired composition in the heating step of FIG. 6B. In addition, since no organic source gas is used for film formation, carbon is hardly mixed.

図7は、実施形態の絶縁膜を適用した半導体装置の構成例を示す概略断面図である。半導体装置50は、たとえば電界効果型トランジスタである。半導体装置50は、シリコン基板11上に、ゲート絶縁膜41を介して配置されるゲート電極36と、エクステンション(低濃度不純物拡散層)37と、ソース・ドレイン不純物拡散層(高濃度不純物拡散層)39を含む。ゲート電極36及びゲート絶縁膜41の側壁には、サイドウォールスペーサ38が配置されている。ソース・ドレイン不純物拡散層39は、図示しないプラグ電極によって上層の配線または素子と電気的に接続されている。   FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration example of a semiconductor device to which the insulating film of the embodiment is applied. The semiconductor device 50 is, for example, a field effect transistor. The semiconductor device 50 includes a gate electrode 36 disposed on a silicon substrate 11 via a gate insulating film 41, an extension (low concentration impurity diffusion layer) 37, and a source / drain impurity diffusion layer (high concentration impurity diffusion layer). 39. Sidewall spacers 38 are disposed on the side walls of the gate electrode 36 and the gate insulating film 41. The source / drain impurity diffusion layer 39 is electrically connected to an upper layer wiring or element by a plug electrode (not shown).

ゲート絶縁膜41は、第1絶縁膜12と、第1絶縁膜12上の第2絶縁膜35を含む。第2絶縁膜は、金属珪酸化膜(MxSi1-xO)又は金属珪酸窒化膜(MxSi1-xON)であり、高い誘電率を有する。また、スパッタリング法で成膜されたシリコンと金属の2層構造を所定の組成となる温度を選択して加熱処理しているので、ウェーハ間及びウェーハ内での組成ばらつきが抑制されている。 The gate insulating film 41 includes a first insulating film 12 and a second insulating film 35 on the first insulating film 12. The second insulating film is a metal silicate film (M x Si 1-x O) or a metal silicate nitride film (M x Si 1-x ON), and has a high dielectric constant. In addition, since the two-layer structure of silicon and metal formed by sputtering is subjected to heat treatment by selecting a temperature at a predetermined composition, variation in composition between wafers and within wafers is suppressed.

なお、図7の例では、実施形態の絶縁膜を電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜41に適応したが、キャパシタの誘電体膜に適用してもよい。実施形態の絶縁膜をシリコン基板上のキャパシタ構造に適用してもよい。   In the example of FIG. 7, the insulating film of the embodiment is applied to the gate insulating film 41 of the field effect transistor, but may be applied to a dielectric film of a capacitor. The insulating film of the embodiment may be applied to a capacitor structure on a silicon substrate.

以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
(付記1)
基板上にシリコン層と金属層を順次形成して、シリコンと金属の2層構造を形成し、
前記シリコンと前記金属が目標とする組成で金属珪化物を生成する反応温度を選択し、前記2層構造を加熱して金属珪化物層を形成し、
前記金属のうち、未反応で残る部分を除去し、
前記金属珪化物層を酸化又は窒化して、絶縁膜を形成する
工程を含む絶縁膜の形成方法。
(付記2)
前記金属珪化物層を窒化した場合は、得られた金属珪窒化膜を酸化して、金属珪酸窒化膜を形成する工程
をさらに含むことを特徴とする付記1に記載の絶縁膜の形成方法。
(付記3)
前記加熱温度は、前記金属珪化物中の金属の組成よりもシリコンの組成を多くする場合に、前記金属の組成を多くする場合と比較して、高く設定されることを特徴とする付記1又は2に記載の絶縁膜の形成方法。
(付記4)
前記シリコン層と前記金属層は、スパッタリング法により形成される、
ことを特徴とする付記1〜3のいずれか1に記載の絶縁膜の形成方法。
(付記5)
前記2層構造の形成工程と、前記加熱工程は、非酸化性雰囲気中で行われることを特徴とする付記1〜4のいずれか1に記載の絶縁膜の形成方法。
(付記6)
前記第1の絶縁膜は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜の中から選択されることを特徴とする付記1〜5のいずれか1に記載の絶縁膜の形成方法。
(付記7)
前記金属層は、スカンジウム、イットリウム、ランタン、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、タンタル、アルミニウムの中から選択されることを特徴とする付記1〜6のいずれか1に記載の絶縁膜の形成方法。
(付記8)
半導体基板上に第1の絶縁膜を形成し、
前記第1の絶縁膜上にシリコン層と金属層を順次形成して、シリコンと金属の2層構造を形成し、
前記シリコンと前記金属が目標とする組成で金属珪化物を生成する反応温度を選択し、前記2層構造を加熱して金属珪化物層を形成し、
前記金属のうち、未反応で残る部分を除去し、
前記金属珪化物層を酸化又は窒化して、第2の絶縁膜を形成し、
前記第1及び第2の絶縁膜上に電極膜を形成する
工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
The following notes are presented for the above explanation.
(Appendix 1)
A silicon layer and a metal layer are sequentially formed on the substrate to form a two-layer structure of silicon and metal,
Select a reaction temperature at which the silicon and the metal produce a metal silicide with a target composition, heat the two-layer structure to form a metal silicide layer,
Removing the unreacted portion of the metal,
A method for forming an insulating film, comprising oxidizing or nitriding the metal silicide layer to form an insulating film.
(Appendix 2)
2. The method for forming an insulating film according to claim 1, further comprising a step of oxidizing the obtained metal silicate film to form a metal silicate nitride film when the metal silicide layer is nitrided.
(Appendix 3)
The heating temperature is set higher when the composition of silicon is larger than the composition of the metal in the metal silicide, compared to the case where the composition of the metal is increased. 3. A method for forming an insulating film as described in 2.
(Appendix 4)
The silicon layer and the metal layer are formed by a sputtering method.
The method for forming an insulating film according to any one of appendices 1 to 3, wherein:
(Appendix 5)
The method for forming an insulating film according to any one of appendices 1 to 4, wherein the forming step of the two-layer structure and the heating step are performed in a non-oxidizing atmosphere.
(Appendix 6)
6. The method for forming an insulating film according to any one of appendices 1 to 5, wherein the first insulating film is selected from a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon oxynitride film.
(Appendix 7)
7. The method for forming an insulating film according to any one of appendices 1 to 6, wherein the metal layer is selected from scandium, yttrium, lanthanum, titanium, hafnium, zirconium, tantalum, and aluminum.
(Appendix 8)
Forming a first insulating film on the semiconductor substrate;
A silicon layer and a metal layer are sequentially formed on the first insulating film to form a two-layer structure of silicon and metal,
Select a reaction temperature at which the silicon and the metal produce a metal silicide with a target composition, heat the two-layer structure to form a metal silicide layer,
Removing the unreacted portion of the metal,
Oxidizing or nitriding the metal silicide layer to form a second insulating film;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising the step of forming an electrode film on the first and second insulating films.

公知のゲート絶縁膜形成方法を示す図である。It is a figure which shows the well-known gate insulating film formation method. 公知のゲート絶縁膜形成方法を示す図である。It is a figure which shows the well-known gate insulating film formation method. 本発明の第1実施形態の絶縁膜の形成工程図である。It is a formation process figure of the insulating film of a 1st embodiment of the present invention. 基板加熱温度と、ハフニウム及びシリコンの組成を示す図である。It is a figure which shows a substrate heating temperature and a composition of hafnium and silicon. 本発明の実施形態に係る絶縁膜形成のフローチャートである。It is a flowchart of the insulating film formation which concerns on embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態の絶縁膜の形成工程図。The formation process figure of the insulating film of 2nd Embodiment of this invention. 本発明の実施形態の絶縁膜を適用した半導体装置の概略模式図である。1 is a schematic diagram of a semiconductor device to which an insulating film according to an embodiment of the present invention is applied.

符号の説明Explanation of symbols

11 基板(シリコン基板)
12 第1絶縁膜
13 シリコン層
14 金属層(ハフニウム層)
15 金属珪化物層
17 金属珪酸化膜(MxSi1-xO;第2絶縁膜)
19 金属/シリコン2層構造
21 金属珪窒化物層
23 金属珪酸窒化膜(MxSi1-xON;第2絶縁膜)
35 第2絶縁膜
36 ゲート電極
37 ソース・ドレインエクステンション
38 サイドウォールスペーサ
39 ソース・ドレイン不純物拡散層
41 ゲート絶縁膜
50 半導体装置
11 Substrate (silicon substrate)
12 First insulating film 13 Silicon layer 14 Metal layer (hafnium layer)
15 Metal silicide layer 17 Metal silicate film (M x Si 1-x O; second insulating film)
19 Metal / silicon two-layer structure 21 Metal silicate nitride layer 23 Metal silicate nitride film (M x Si 1-x ON; second insulating film)
35 Second insulating film 36 Gate electrode 37 Source / drain extension 38 Side wall spacer 39 Source / drain impurity diffusion layer 41 Gate insulating film 50 Semiconductor device

Claims (5)

基板上にシリコン層と金属層を順次形成して、シリコンと金属の2層構造を形成し、
前記シリコンと前記金属が目標とする組成で金属珪化物を生成する反応温度を選択し、前記2層構造を加熱して金属珪化物層を形成し、
前記金属のうち、未反応で残る部分を除去し、
前記金属珪化物層を酸化又は窒化して、絶縁膜を形成する
工程を含む絶縁膜の形成方法。
A silicon layer and a metal layer are sequentially formed on the substrate to form a two-layer structure of silicon and metal,
Select a reaction temperature at which the silicon and the metal produce a metal silicide with a target composition, heat the two-layer structure to form a metal silicide layer,
Removing the unreacted portion of the metal,
A method for forming an insulating film, comprising oxidizing or nitriding the metal silicide layer to form an insulating film.
前記金属珪化物層を窒化した場合は、得られた金属珪窒化物層を酸化して、金属珪酸窒化物層を形成する工程
をさらに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。
2. The insulating film according to claim 1, further comprising a step of oxidizing the obtained metal silicon nitride layer to form a metal silicon nitride layer when the metal silicide layer is nitrided. Forming method.
前記加熱温度は、前記金属珪化物中の金属の組成よりもシリコンの組成を多くする場合は、前記金属の組成を多くする場合よりも高く設定されることを特徴とする請求項1又は2に記載の絶縁膜の形成方法。   The heating temperature is set to be higher when the composition of silicon is larger than the composition of the metal in the metal silicide than when the composition of the metal is increased. The insulating film formation method as described. 前記シリコン層と前記金属層は、スパッタリング法により形成される、
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の絶縁膜の形成方法。
The silicon layer and the metal layer are formed by a sputtering method.
The method for forming an insulating film according to claim 1, wherein:
半導体基板上に第1の絶縁膜を形成し、
前記第1の絶縁膜上にシリコン層と金属層を順次形成して、シリコンと金属の2層構造を形成し、
前記シリコンと前記金属が目標とする組成で金属珪化物を生成する反応温度を選択し、前記2層構造を加熱して金属珪化物層を形成し、
前記金属のうち、未反応で残る部分を除去し、
前記金属珪化物層を酸化又は窒化して、第2の絶縁膜を形成し、
前記第1及び第2の絶縁膜上に電極膜を形成する
工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a first insulating film on the semiconductor substrate;
A silicon layer and a metal layer are sequentially formed on the first insulating film to form a two-layer structure of silicon and metal,
Select a reaction temperature at which the silicon and the metal produce a metal silicide with a target composition, heat the two-layer structure to form a metal silicide layer,
Removing the unreacted portion of the metal,
Oxidizing or nitriding the metal silicide layer to form a second insulating film;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising the step of forming an electrode film on the first and second insulating films.
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