JP2012227189A - Method of manufacturing semiconductor device and semiconductor device - Google Patents

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Takayuki Suzuki
隆之 鈴木
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武雄 松木
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gate insulating film that allows reduction in leakage current and threshold value.SOLUTION: A method of manufacturing a semiconductor device comprises: a gate insulating film formation step of forming a gate insulating film 3 on a semiconductor substrate 1; and a gate electrode formation step of forming a gate electrode 4 on the gate insulating film 3. The gate insulating film formation step includes three steps: a first deposition step of depositing an oxide film of a first metal or an oxynitride film; a second deposition step of depositing a second metal or an oxide thereof on the oxide film of the first metal or the oxynitride film; and a heat-treatment step of performing a heat treatment to diffuse the second metal into the oxide film of the first metal.

Description

本発明は、半導体装置の製造方法および半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device.

金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor:MOSFET)のゲート絶縁膜の薄膜化に伴い、リーク電流が増大するという課題がある。この課題を解決する手法の一つに、シリコン酸化膜と比べ実膜厚を増加させる必要がある。そのような手法の一つとして、リーク電流を低減させるため、シリコン酸化膜より誘電率の低い化合物で形成されたゲート絶縁膜がある。   As the gate insulating film of a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) is thinned, there is a problem that leakage current increases. One technique for solving this problem is to increase the actual film thickness as compared to the silicon oxide film. One such technique is a gate insulating film formed of a compound having a lower dielectric constant than that of a silicon oxide film in order to reduce leakage current.

特許文献1〜3には、高誘電体により形成されたゲート絶縁膜を有する半導体装置が開示されている。特許文献1には、リーク電流の増加を抑制した消費電力の小さな半導体装置が開示されている。特許文献2には、同一導電型のチャンネル領域を有し、かつ閾値電圧の異なる複数の半導体素子を有する半導体装置が開示されている。特許文献3には、SiOより誘電率の高い絶縁体材料を用い、誘電特性を保ちつつ、膜厚を厚くしたゲート絶縁膜を有する半導体装置が開示されている。 Patent Documents 1 to 3 disclose a semiconductor device having a gate insulating film formed of a high dielectric material. Patent Document 1 discloses a semiconductor device with low power consumption that suppresses an increase in leakage current. Patent Document 2 discloses a semiconductor device having a plurality of semiconductor elements having channel regions of the same conductivity type and different threshold voltages. Patent Document 3 discloses a semiconductor device having an insulating material having a dielectric constant higher than that of SiO 2 and having a thick gate insulating film while maintaining dielectric characteristics.

非特許文献1〜4には、高誘電体膜の改良について報告されている。非特許文献1には、ゲート酸化膜に薄いHfOを用いた場合、熱処理を行い、正方晶のHfOに結晶化することで、熱処理を行わない非晶質な膜より、高誘電率を示す膜が得られると報告されている。非特許文献2には、閾値電圧を低減させるため、膜にMgやLaなどの金属元素を含有させることが報告されている。非特許文献3には、誘電体膜に金属元素を含有させる方法として、金属膜あるいは金属酸化膜の成膜後に熱処理を行う技術が開示されている。非特許文献4には、成膜時にLaを含有させておいたHfOは、HfOの結晶化温度で熱処理を行っても結晶化しないことが報告されている。 Non-Patent Documents 1 to 4 report improvements on high dielectric films. Non-Patent Document 1 discloses that when thin HfO 2 is used for the gate oxide film, heat treatment is performed and crystallization into tetragonal HfO 2 results in a higher dielectric constant than an amorphous film that is not subjected to heat treatment. It is reported that the films shown are obtained. Non-Patent Document 2 reports that the film contains a metal element such as Mg or La in order to reduce the threshold voltage. Non-Patent Document 3 discloses a technique of performing a heat treatment after forming a metal film or a metal oxide film as a method for containing a metal element in a dielectric film. Non-Patent Document 4 reports that HfO 2 containing La at the time of film formation does not crystallize even when heat treatment is performed at the crystallization temperature of HfO 2 .

特開2010−192520号公報JP 2010-192520 A 特開2009−200211号公報JP 2009-200191 A 特開2003−324193号公報JP 2003-324193 A

D.Ishikawa,"Extended Scalability of HfON/SiON Gate Stack Down to 0.57 nm Equivalent Oxide Thickness with High Carrier Mobility by Post−Deposition Annealing"JJAP 48, 2009, 04C004D. Ishikawa, “Extended Scalability of HfON / SiON Gate Stack Down Down to 0.57 nm Equivalent Oxide Thickness with High Carriage Mobility A J4” V. Narayanan "Band−Edge High−Performance High−k /Metal Gate n−MOSFETs using Cap Layers Containing Group IIA and IIIB Elements with Gate−First Processing for 45 nm and Beyond" VLSI Technology symposium 2006, Session22.2V. Narayan "Band-Edge High-Performance High-k / Metal Gate n-MOSFETs used in the Quantities of Semiconductors, IIA and IIIB Elements with Gates of Semiconductors. H.N. Alshareef "Thermally Stable N−Metal Gate MOSFETs Using La−Incorporated HfSiO Dielectric" VLSI Technology symposium 2006, Session2.1H. N. Alsharef "Thermally Stable N-Metal Gate MOSFETs Using La-Incorporated HfSiO Dielectric" VLSI Technology Symposium 2006, Session 2.1 Y. Yamamoto "Structural and electrical properties of HfLaOx films for an amorphous high−k gate insulator" Appl. Phys. Lett. 89, 2005, 032903Y. Yamamoto "Structural and electrical properties of HfLaOx films for an amorphous high-k gate insulator" Appl. Phys. Lett. 89, 2005, 032903

トランジスタの閾値Vtを低くし(必要性能に応じて、|Vt|を0.4ボルト〜0.2ボルト以下)、加えてリーク電流を低減させるには、結晶化したHfベース(もしくはZrベース)の酸化膜に、閾値を下げるための金属元素(例えば、LaやMg)を含有させる必要がある。   In order to reduce the threshold voltage Vt of the transistor (depending on the required performance, | Vt | is 0.4 to 0.2 volts or less) and reduce the leakage current, the crystallized Hf base (or Zr base) In this oxide film, it is necessary to contain a metal element (for example, La or Mg) for lowering the threshold.

非特許文献2では、HfO膜を形成後に、閾値制御用の金属膜を成膜し、続いてTiN膜形成、さらにPoly-Si膜形成を行い、パターニング後に熱処理を行うフローが開示されている。このようなフローで形成した場合、高誘電率膜の充分な結晶化が行なえず、比誘電率は充分大きくできないことを発明者らは見出した。 Non-Patent Document 2 discloses a flow of forming a metal film for threshold control after forming an HfO 2 film, subsequently forming a TiN film, further forming a Poly-Si film, and performing a heat treatment after patterning. . When formed by such a flow, the inventors have found that the high dielectric constant film cannot be sufficiently crystallized and the relative dielectric constant cannot be sufficiently increased.

非特許文献3では、HfSiO膜を形成し、LaOを成膜後に熱処理を行い、HfSiOとLaOxのミキシングを行なう方法である。この方法を用いると、非晶質の高誘電率膜が得られている。これによって、HfSiOはHfOと較べると結晶化温度が高いため、熱処理での充分な結晶化は行われていない。 Non-Patent Document 3 discloses a method in which an HfSiO film is formed, LaO x is formed, and then heat treatment is performed to mix HfSiO and LaOx. When this method is used, an amorphous high dielectric constant film is obtained. As a result, HfSiO has a higher crystallization temperature than HfO 2 , so that it is not sufficiently crystallized by heat treatment.

高誘電率膜の標準的な形成方法においては、膜中の不純物を除去して膜を安定化させるため、高誘電率膜形成直後に熱処理を行う方法が用いられる。このような方法を採った後に、閾値制御用の金属膜(第2の金属)を形成して拡散のための熱処理を行うと、結晶状態が不安定になる。熱処理の後、あるいは後続のトランジスタ形成工程における熱処理によって高誘電率膜が非晶質化し、比誘電率が減少するという問題が生ずることを、本発明者は見いだした。   In a standard method for forming a high dielectric constant film, a method of performing a heat treatment immediately after the formation of the high dielectric constant film is used in order to remove impurities in the film and stabilize the film. After such a method is adopted, if a metal film (second metal) for threshold control is formed and a heat treatment for diffusion is performed, the crystalline state becomes unstable. The present inventor has found that the high dielectric constant film becomes amorphous after the heat treatment or by the heat treatment in the subsequent transistor forming process, and the relative dielectric constant is reduced.

従って、トランジスタの閾値Vtを低くし、リーク電流を低減させるために高誘電率膜の結晶化を充分に行なう(加えて、後続のトランジスタ形成工程において、その結晶状態を安定に保つ)ことは、実現できていない。   Therefore, in order to reduce the threshold voltage Vt of the transistor and reduce the leakage current, the high dielectric constant film is sufficiently crystallized (in addition, the crystal state is kept stable in the subsequent transistor formation process) It has not been realized.

本発明によれば、半導体基板上に、ゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
前記ゲート絶縁膜上に、ゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
を備え、
前記ゲート絶縁膜形成工程は、第1金属の酸化膜あるいは酸窒化膜を成膜する第1の成膜工程と、
前記第1金属の酸化膜あるいは酸窒化膜上に第2金属または、その酸化物を成膜する第2の成膜工程と、
前記第2金属を前記第1金属の酸化膜中に拡散させるために熱処理する熱処理工程と、
を含む、半導体装置の製造方法が提供される。
According to the present invention, a gate insulating film forming step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate;
Forming a gate electrode on the gate insulating film; and
With
The gate insulating film forming step includes a first film forming step of forming a first metal oxide film or oxynitride film,
A second film forming step of forming a second metal or an oxide thereof on the oxide film or oxynitride film of the first metal;
A heat treatment step of heat treating the second metal to diffuse into the oxide film of the first metal;
A method for manufacturing a semiconductor device is provided.

さらに、本発明によれば、半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上にと設けられたゲート電極と、
を備え、
前記ゲート絶縁膜は、第2金属を含有した第1金属の酸化物が結晶化した膜である誘電体膜を有する半導体装置が提供される。
Furthermore, according to the present invention, a semiconductor substrate;
A gate insulating film provided on the semiconductor substrate;
A gate electrode provided on the gate insulating film;
With
The gate insulating film is provided with a semiconductor device having a dielectric film that is a film obtained by crystallizing an oxide of a first metal containing a second metal.

本発明によれば、第1金属の酸化膜を成膜した後、第2金属または、その酸化物を第1金属の酸化膜上に成膜し、熱処理を行っている。これにより、非晶質な膜と比べて誘電率の高い、結晶化したゲート絶縁膜として、第2金属を拡散した第1金属の酸化物の結晶化した膜を得ることができる。   According to the present invention, after the first metal oxide film is formed, the second metal or its oxide is formed on the first metal oxide film, and heat treatment is performed. Thereby, a crystallized film of the oxide of the first metal in which the second metal is diffused can be obtained as a crystallized gate insulating film having a higher dielectric constant than that of the amorphous film.

本発明によれば、2種類の金属元素が拡散され、かつ高い誘電率を示す結晶化したゲート絶縁膜を製造することにより、リーク電流および閾値を低減させた高誘電体膜を有する半導体装置、および半導体装置の製造方法が提供される。   According to the present invention, a semiconductor device having a high dielectric film with reduced leakage current and threshold by manufacturing a crystallized gate insulating film in which two kinds of metal elements are diffused and has a high dielectric constant, A method for manufacturing a semiconductor device is also provided.

(a)は、半導体装置の製造工程におけるゲート絶縁膜形成工程の断面図、(b)−(d)は、ゲート電極形成工程を説明するための断面図である。(A) is sectional drawing of the gate insulating film formation process in the manufacturing process of a semiconductor device, (b)-(d) is sectional drawing for demonstrating a gate electrode formation process. 本実施形態によるゲート絶縁膜形成工程を説明するためのフローチャートである。5 is a flowchart for explaining a gate insulating film forming step according to the present embodiment. 本実施形態による誘電体膜のin−plane X線回折スペクトルである。It is an in-plane X-ray diffraction spectrum of the dielectric film according to the present embodiment.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.

図1は、本実施形態による半導体装置の製造方法を説明するための図であり、(a)は、半導体装置の製造工程におけるゲート絶縁膜形成工程の断面図、(b)−(d)は、ゲート電極形成工程を説明するための断面図である。
図1に示すように、半導体基板1上に、ゲート絶縁膜3を形成するゲート絶縁膜形成工程と、ゲート絶縁膜3上に、ゲート電極4を形成するゲート電極形成工程と、を備え、ゲート絶縁膜形成工程は、第1金属の酸化膜あるいは酸窒化膜30を成膜する第1の成膜工程と、第1金属の酸化膜あるいは酸窒化膜30上に第2金属または、その酸化物32を成膜する第2の成膜工程と、第2金属を第1金属の酸化膜中に拡散させるために熱処理する熱処理工程の3工程を含む。
1A and 1B are views for explaining the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment. FIG. 1A is a cross-sectional view of a gate insulating film forming process in the process of manufacturing a semiconductor device, and FIGS. FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining a gate electrode formation step.
As shown in FIG. 1, a gate insulating film forming step for forming a gate insulating film 3 on a semiconductor substrate 1 and a gate electrode forming step for forming a gate electrode 4 on the gate insulating film 3 are provided. The insulating film forming step includes a first film forming step of forming a first metal oxide film or oxynitride film 30, and a second metal or oxide thereof on the first metal oxide film or oxynitride film 30. 3 includes a second film forming process for forming the film 32 and a heat treatment process for performing heat treatment to diffuse the second metal into the oxide film of the first metal.

まず、図1の(a)に示したゲート絶縁膜3を半導体基板1上に形成する(ゲート絶縁膜形成工程)。なお、本工程の詳細は、後述する。   First, the gate insulating film 3 shown in FIG. 1A is formed on the semiconductor substrate 1 (gate insulating film forming step). Details of this step will be described later.

次に、図1の(b),(c)に示すように、ゲート電極4を形成する(ゲート電極形成工程)。   Next, as shown in FIGS. 1B and 1C, the gate electrode 4 is formed (gate electrode forming step).

まず、図1の(b)に示すように、ゲート絶縁膜3上に、ゲート電極膜4を成膜する。
例えば、ゲート電極膜は、TiNで出来ている金属膜、または金属膜とポリシリコンの積層膜である。
First, as shown in FIG. 1B, a gate electrode film 4 is formed on the gate insulating film 3.
For example, the gate electrode film is a metal film made of TiN or a laminated film of a metal film and polysilicon.

次に、図1の(c)に示すように成膜したゲート絶縁膜3およびゲート電極膜4を、エッチングすることにより、ゲート構造を形成する。   Next, the gate insulating film 3 and the gate electrode film 4 formed as shown in FIG. 1C are etched to form a gate structure.

次に、図1の(d)に示すように、エクステンション領域5、ソース・ドレイン領域8、およびサイドウォール9を設ける。   Next, as shown in FIG. 1D, an extension region 5, a source / drain region 8, and a sidewall 9 are provided.

以上の工程により、図1(d)に示した本実施形態の半導体装置が得られる。   Through the above steps, the semiconductor device of the present embodiment shown in FIG. 1D is obtained.

図2は、本実施形態によるゲート絶縁膜形成工程を説明するためのフローチャートである。
図2に示すように、ゲート絶縁膜形成工程では、まず第1金属の酸化膜あるいは酸窒化膜30を成膜する(第1の成膜工程)。具体的に第1の成膜工程では、非晶質の第1金属の酸化膜あるいは酸窒化膜30を、素子分離領域2を設けた半導体基板1上に成膜する。また、成膜する際、第1金属の酸化膜30の膜厚を3nm以下にすることが好ましい。さらに、第1金属の酸化膜30の膜厚は、1nm以上3nm以下の範囲であることが好ましい。その理由として、半導体デバイスの高性能化には電気的に薄い膜が必要であり、電気的に厚すぎる膜では高性能化が達成できないこと、そして、電気的に厚すぎる膜では、第2の金属を拡散させるには、必要な温度が高くなりすぎることが挙げられる。
FIG. 2 is a flowchart for explaining the gate insulating film forming step according to the present embodiment.
As shown in FIG. 2, in the gate insulating film formation step, first, a first metal oxide film or oxynitride film 30 is formed (first film formation step). Specifically, in the first film formation step, an amorphous first metal oxide film or oxynitride film 30 is formed on the semiconductor substrate 1 provided with the element isolation region 2. Further, when forming the film, it is preferable that the thickness of the oxide film 30 of the first metal is 3 nm or less. Furthermore, the thickness of the first metal oxide film 30 is preferably in the range of 1 nm to 3 nm. The reason for this is that an electrically thin film is required to improve the performance of a semiconductor device, that an electrically thick film cannot achieve high performance, and a film that is too thick is In order to diffuse the metal, the necessary temperature may be too high.

なお、第1の成膜工程では、ALD(Atomic Layer Deposition)法やMOCVD(Molecular Organic Chemical Vapor Deposition)といった成膜方法をとっている。半導体基板1上に1nm未満(0.5〜0.7nm程度)の酸化シリコン膜や酸窒化シリコン膜を形成しておいても良い。   In the first film formation step, a film formation method such as an ALD (Atomic Layer Deposition) method or MOCVD (Molecular Organic Chemical Vapor Deposition) is employed. A silicon oxide film or silicon oxynitride film having a thickness of less than 1 nm (about 0.5 to 0.7 nm) may be formed on the semiconductor substrate 1.

次に、第1金属の酸化膜あるいは酸窒化膜30上に第2金属または、その酸化物32を成膜する(第2の成膜工程)。具体的には、第2金属またはその酸化物32を成膜する際、膜厚は、第1金属の酸化膜あるいは酸窒化膜30と比べて、20%以上35%程度以下の範囲となるように成膜する。この時上限は、第1金属の酸化物あるいは酸窒化物としての性質が保てる範囲である。また、成膜する第1金属の酸化膜あるいは酸窒化膜30は、非晶質であることが望ましく、第1金属の酸化膜あるいは酸窒化膜30であることが好ましい。なぜなら、成膜する厚さが1〜3nmと薄いため、多結晶として成膜するような温度では、成膜速度が速いため膜厚制御が困難になるからである。さらに、結晶質として成膜する場合、結晶粒の成長速度に異方性が生じ、成膜表面に凹凸が生じてしまう。この凹凸はゲート絶縁膜として使う場合、電界集中が生じるため電界強度が場所によって異なる。このため、特性の均一性は損なわれるという問題が生じる。   Next, a second metal or its oxide 32 is formed on the first metal oxide film or oxynitride film 30 (second film formation step). Specifically, when the second metal or its oxide 32 is formed, the film thickness is in the range of about 20% to about 35% as compared with the oxide film or oxynitride film 30 of the first metal. A film is formed. At this time, the upper limit is a range in which the properties of the first metal oxide or oxynitride can be maintained. The first metal oxide film or oxynitride film 30 is preferably amorphous, and is preferably the first metal oxide film or oxynitride film 30. This is because, since the film thickness is as thin as 1 to 3 nm, it is difficult to control the film thickness at a temperature at which the film is formed as a polycrystal because the film formation speed is high. Further, when a film is formed as a crystalline material, anisotropy occurs in the growth rate of crystal grains, and unevenness occurs on the film formation surface. When this unevenness is used as a gate insulating film, electric field concentration occurs, so the electric field strength varies depending on the location. For this reason, the problem that the uniformity of a characteristic is impaired arises.

なお、第2の成膜工程では、成膜膜厚が薄いことから、ALD(Atomic Layer Deposition)法やPVD(Physical Vapor Deposition)法といった成膜方法をとっている。   In the second film forming step, since the film thickness is thin, a film forming method such as an ALD (Atomic Layer Deposition) method or a PVD (Physical Vapor Deposition) method is employed.

次に、第2金属を第1金属の酸化膜30中に拡散させるために熱処理をする(熱処理工程)。具体的に熱処理温度は、半導体基板1の融点よりも低く、第2金属またはその酸化物が第1金属の酸化膜の半導体基板1表面側に拡散し、かつ外来拡散が起きない温度に設定する。例えば、第1金属にHf、第2金属にLaを用いた場合、熱処理温度は850℃以上1050℃以下の範囲である。   Next, heat treatment is performed to diffuse the second metal into the oxide film 30 of the first metal (heat treatment step). Specifically, the heat treatment temperature is set to a temperature that is lower than the melting point of the semiconductor substrate 1, the second metal or its oxide diffuses to the semiconductor substrate 1 surface side of the oxide film of the first metal, and no external diffusion occurs. . For example, when Hf is used as the first metal and La is used as the second metal, the heat treatment temperature is in the range of 850 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower.

なお、ゲート絶縁膜3の結晶構造は、正方晶または立方晶であり、第1金属は、Hf、またはZrの少なくとも1つを含む。さらに、第2金属は、La、Mg、Y、Al、及びLuの少なくとも1つを含む。これら、第1金属および第2金属の組み合わせとしては、NFETに対しては第1金属としてHf(もしくはZr)、第2金属としてLaやYやLuが挙げられる。PFETに対しては、第1金属としてNFET同様にHfHf(もしくはZr)、第2金属としてMgやAlが挙げられる。第2金属を拡散させるために比較的高温の熱処理が必要であることから、第1金属としては耐熱性があるHfが好ましい。第2金属としては、中でも、La(NFET)とMg(PFET)が好ましい。   Note that the crystal structure of the gate insulating film 3 is tetragonal or cubic, and the first metal includes at least one of Hf and Zr. Further, the second metal includes at least one of La, Mg, Y, Al, and Lu. As a combination of the first metal and the second metal, for the NFET, Hf (or Zr) is used as the first metal, and La, Y, and Lu are used as the second metal. For the PFET, the first metal may be HfHf (or Zr) as in the NFET, and the second metal may be Mg or Al. Since a relatively high temperature heat treatment is required to diffuse the second metal, Hf having heat resistance is preferable as the first metal. Among these, La (NFET) and Mg (PFET) are preferable as the second metal.

さらに、第2金属元素の原子数は、1×1015(atom/cm)以上、あるいは第2金属元素の原子数/(第1金属元素の原子数と第2金属元素の原子数の和)>20%であることが好ましい。結晶化したゲート酸化膜3に含有している第1および第2金属の原子数は、上記の範囲を下回って低い濃度であると、閾値を変えるという目的を十分に達成できなくなる。 Further, the number of atoms of the second metal element is 1 × 10 15 (atoms / cm 2 ) or more, or the number of atoms of the second metal element / (the sum of the number of atoms of the first metal element and the number of atoms of the second metal element) )> 20%. If the number of atoms of the first and second metals contained in the crystallized gate oxide film 3 is lower than the above range, the object of changing the threshold cannot be sufficiently achieved.

次に、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態の半導体装置におけるゲート絶縁膜3は、第2金属が拡散した第1金属の酸化物が結晶化した膜である誘電体膜である。結晶化した膜は、熱処理を行わない非晶質な膜より、高誘電率を示す。したがって、ゲート絶縁膜3の誘電率を高くすることができる。
Next, the effect of this embodiment will be described.
The gate insulating film 3 in the semiconductor device of the present embodiment is a dielectric film that is a film obtained by crystallizing an oxide of the first metal diffused by the second metal. A crystallized film exhibits a higher dielectric constant than an amorphous film that is not subjected to heat treatment. Therefore, the dielectric constant of the gate insulating film 3 can be increased.

(実施例)
図2に示すフローチャートに従い、ゲート絶縁膜3を作成した。
(Example)
A gate insulating film 3 was formed according to the flowchart shown in FIG.

図3は、本実施形態による誘電体膜のin−plane X線回折スペクトルである。
図3に示すように、それぞれ膜厚1.9nmのHfO膜と、そのHfO2膜に2×1015(atoms/cm)のLaを含有させた膜のin−plane X線回折のスペクトルであり、非晶質なHfO膜にLaを含有させると、正方晶に結晶を示すHfO膜になることが分かる。
FIG. 3 is an in-plane X-ray diffraction spectrum of the dielectric film according to the present embodiment.
As shown in FIG. 3, in-plane X-ray diffraction spectra of a 1.9 nm thick HfO 2 film and a film containing 2 × 10 15 (atoms / cm 2 ) La in the HfO 2 film, respectively. It can be seen that when La is contained in an amorphous HfO 2 film, a HfO 2 film showing crystals in a tetragonal crystal is obtained.

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.

1 半導体基板
2 素子分離領域
3 ゲート絶縁膜
4 ゲート電極
5 エクステンション領域
8 ソース・ドレイン領域
9 サイドウォール
30 第1金属の酸化膜あるいは酸窒化膜
32 第2金属あるいはその酸化物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Element isolation region 3 Gate insulating film 4 Gate electrode 5 Extension region 8 Source / drain region 9 Side wall
30 Oxide film or oxynitride film of first metal 32 Second metal or oxide thereof

Claims (11)

半導体基板上に、ゲート絶縁膜を形成するゲート絶縁膜形成工程と、
前記ゲート絶縁膜上に、ゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、
を備え、
前記ゲート絶縁膜形成工程は、第1金属の酸化膜あるいは酸窒化膜を成膜する第1の成膜工程と、
前記第1金属の酸化膜あるいは酸窒化膜上に第2金属または、その酸化物を成膜する第2の成膜工程と、
前記第2金属を第1金属の酸化膜中に拡散させるために熱処理する熱処理工程と、
を含む、
半導体装置の製造方法。
A gate insulating film forming step of forming a gate insulating film on the semiconductor substrate;
Forming a gate electrode on the gate insulating film; and
With
The gate insulating film forming step includes a first film forming step of forming a first metal oxide film or oxynitride film,
A second film forming step of forming a second metal or an oxide thereof on the oxide film or oxynitride film of the first metal;
A heat treatment step of performing heat treatment to diffuse the second metal into the oxide film of the first metal;
including,
A method for manufacturing a semiconductor device.
前記ゲート絶縁膜の結晶構造は、正方晶または立方晶である請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a crystal structure of the gate insulating film is a tetragonal crystal or a cubic crystal. 前記第1金属は、Hf、またはZrの少なくとも1つを含む請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first metal includes at least one of Hf and Zr. 前記第2金属は、La、Mg、Y、Al、及びLuの少なくとも1つを含む請求項1−3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the second metal includes at least one of La, Mg, Y, Al, and Lu. 前記第1の成膜工程において、第1金属の酸化膜の膜厚を3nm以下にする請求項1−4のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。   5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein in the first film formation step, the thickness of the oxide film of the first metal is 3 nm or less. 前記第2金属元素の原子数は、1×1015(atom/cm)以上、あるいは第2金属元素の原子数/(第1金属元素の原子数と第2金属元素の原子数の和)>20%である請求項1−5のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。 The number of atoms of the second metal element is 1 × 10 15 (atoms / cm 2 ) or more, or the number of atoms of the second metal element / (the sum of the number of atoms of the first metal element and the number of atoms of the second metal element). The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein> 20%. 半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、
を備え、
前記ゲート絶縁膜は、第2金属を含有した第1金属の酸化物が結晶化した膜である誘電体膜を有する半導体装置。
A semiconductor substrate;
A gate insulating film provided on the semiconductor substrate;
A gate electrode provided on the gate insulating film;
With
The semiconductor device having a dielectric film, wherein the gate insulating film is a film obtained by crystallizing an oxide of a first metal containing a second metal.
前記ゲート電極膜の結晶構造は、正方晶または立方晶である請求項7に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 7, wherein a crystal structure of the gate electrode film is a tetragonal crystal or a cubic crystal. 前記第1金属は、Hf、またはZrの少なくとも1つを含む請求項7または8に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 7, wherein the first metal includes at least one of Hf and Zr. 前記第2金属は、La、Mg、Y、Al、及びLuの少なくとも1つを含む請求項7−9のいずれか一項に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 7, wherein the second metal includes at least one of La, Mg, Y, Al, and Lu. 前記第2金属元素の原子数は、1×1015(atom/cm)以上、あるいは第2金属元素の原子数/(第1金属元素の原子数と第2金属元素の原子数の和)>20%である請求項7−10のいずれか一項に記載の半導体装置。 The number of atoms of the second metal element is 1 × 10 15 (atoms / cm 2 ) or more, or the number of atoms of the second metal element / (the sum of the number of atoms of the first metal element and the number of atoms of the second metal element). The semiconductor device according to claim 7, wherein> 20%.
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