JP3637325B2 - Field effect transistor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二酸化珪素と金属酸化物からなるシリケート(珪酸塩)をゲート絶縁膜に用いたMIS型電界効果トランジスタに関する。
【0002】
【従来の技術】
LSIの高速化・高集積化は、スケーリング則に従ったMOSデバイスの微細化によって進められてきた。このスケーリング則は、絶縁膜の膜厚やゲート長さ等のMOSデバイスの各部分を高さ方向と横方向の寸法を同時に縮小することにより、微細化時に素子の特性を正常に保ち、また性能を上げることを可能にするものである。
【0003】
次世代MOSトランジスタにおいては、必要とされるゲート絶縁膜容量から、SiO2 ゲート絶縁膜として2nm以下の膜厚が要求されている。しかし、従来よりゲート絶縁膜として用いられてきたSiO2 は、この膜厚領域では直接トンネル電流が流れ始める厚さであり、リーク電流の抑制ができず、消費電力の増加等の問題を回避できない。そこで最近、次世代MOSトランジスタにおいては、SiO2 よりも誘電率が高い材料をゲート絶縁膜に用いて、シリコン酸化膜換算の実効膜厚を2nm以下に抑えつつ、物理膜厚を稼いでリーク電流を抑えることが試みられている。
【0004】
SiO2 の代替絶縁膜材料として、SiO2 と金属酸化物からなるシリケート(珪酸塩)材料が検討されている。しかし、この種の材料では、拡散層の不純物活性化工程等に代表される、通常のトランジスタ製造工程に必須の高温熱処理工程において、シリケートからなるゲート絶縁膜中に微細な結晶が析出し、ゲート絶縁膜の誘電率が場所によって不均一になる現象が懸念されている。
【0005】
図8は、ゲート絶縁膜にZrシリケートを用い、トランジスタの拡散層の不純物活性化処理に必要な1000℃,30秒の熱処理を行う前後の電子顕微鏡写真である。図8(a)は熱処理前の断面構造写真であり、熱処理前は均質な膜である。それに対し、図8(b)は熱処理後の断面構造写真であり、熱処理後は明らかに微細な結晶粒が析出し、組成が分離して不均質な膜になっていることが分かる。図8(c)は熱処理後の平面構造写真であり、色の濃い部分はZrの濃度が高く結晶質であり、誘電率が高いことを示している。色の薄い部分はZrの濃度が低く、誘電率が低いことを示している。それぞれの大きさは10〜30nm程度で分布し、これらのシリケート材料が適用される次世代のトランジスタのゲート領域の大きさに近く、このような組成の不均質さは、トランジスタの特性の著しいばらつき、劣化を引き起こすと考えられる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ゲート絶縁膜に誘電率の高いシリケートを用いた場合、トランジスタの製造工程中の熱処理によって微小な結晶粒が析出し、不均質な組成のゲート絶縁膜となり、歩留まりの劣化やトランジスタ特性の劣化,ばらつきを引き起こす問題があった。
【0007】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、ゲート絶縁膜にシリケートを用いた場合においても、ゲート絶縁膜の組成の不均質化や微小結晶粒の析出を抑制することができ、歩留まり向上及び特性向上に寄与し得る電界効果トランジスタを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
(構成)
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【0009】
即ち本発明は、シリコン基板上にZr,Hf,La,Ce,Y,Bi,Prの少なくとも一つを含むシリケートからなるゲート絶縁膜を介してゲート電極を設けた電界効果トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜を構成するシリケートにMg,Ca,Mnの少なくとも一つを添加してなることを特徴とする。
【0010】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものが挙げられる。
【0011】
(1) シリケートを構成する金属元素の濃度は17at%以下(より望ましくは10at%以下)であり、シリケートに添加する金属元素の濃度は1at%以上で、且つシリケートを構成する金属元素の濃度よりも低いこと。
(2) シリケートに添加する金属元素の濃度は、シリケートを構成する金属元素の濃度の1/2以下であること。
【0012】
(3) ゲート絶縁膜は非晶質であること。
(4) ゲート絶縁膜に窒素を含有すること。
【0013】
(5) シリケートに添加する金属元素としてMg又はMnを用いた場合、Mg又はMnの濃度は1at%以上(より望ましくは2at%以上)であること。
(6) シリケートに添加する金属元素としてCaを用いた場合、Caの濃度は2at%以上であること。
【0014】
(作用)
本発明によれば、シリケートを構成する主要金属として、Zr,Hf,La,Ce,Y,Bi,Prの少なくとも一つを用いることにより、ゲート絶縁膜の誘電率を高めることができる。これに加え、シリケートに特定の金属元素としてMg,Ca,Mnの少なくとも一つを添加することで、ゲート絶縁膜の粘性を高めることができる。ゲート絶縁膜の粘性が高くなると、トランジスタ製造工程における熱処理に際してシリケート中の金属元素が移動しにくくなり、金属元素の相分離が抑制されることになる。従って、シリケートからなるゲート絶縁膜の組成の不均質化や微小結晶粒の析出等による特性劣化を抑制することができ、電界効果トランジスタの歩留まり向上及び特性向上に寄与することが可能となる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【0016】
(実施形態)
図1は、本発明の一実施形態に係わるMIS型トランジスタの概略構造を示す断面図である。
【0017】
図中の101はp型シリコン基板であり、102は素子分離領域であり、シリコン基板101の素子分離領域102で囲まれた素子形成領域上にゲート絶縁膜103を介してゲート電極104が形成されている。ゲート絶縁膜103は、HfO2 とSiO2 からなる高誘電率のシリケートであり、このシリケート中にMgが添加されたものである。ゲート電極104は、ポリシリコン膜であるが、この代わりにTiN,TaN,W,Nb,Ru,Ru酸化物等の金属電極を用いてもよい。
【0018】
ゲート電極104を挟んで基板101の表面層にはn型不純物層105が形成されている。この不純物層105は、例えばAsを40KeVのエネルギーで面密度5×1015程度イオンインプラすることによって表面から浅く導入された拡散層(ソース・ドレイン領域)であり、その表面にはNiやCo等のシリサイド層106が形成されている。ゲート絶縁膜103及びゲート電極104の側部には、SiONからなる側壁絶縁膜107が形成されている。
【0019】
上記の各部を形成した基板表面には、CVDシリコン酸化膜などからなる層間絶縁膜108が形成されている。この層間絶縁膜108には、ゲート及びソース・ドレインに接続するためのコンタクト孔が設けられている。そして、ゲート電極104及びソース・ドレイン領域105のシリサイド層106に接続するようにAl配線109が設けられている。
【0020】
次に、図2を参照して本実施形態のMIS型電界効果トランジスタの製造工程を説明する。
【0021】
まず、図2(a)に示すように、面方位(100)、比抵抗4〜6Ωcmのp型シリコン基板101上に、反応性イオンエッチングにより、素子分離のための溝を形成する。続いて、例えばLP(ロープレッシャー)−TEOS(Tetra ethyl ortho silicate:珪酸エチル)膜を埋め込むことにより素子分離領域102を形成する。なお、図では素子分離領域102が基板表面よりも上方に出ているが、素子分領域103の上面を基板表面と同じ高さにしてもよい。
【0022】
次いで、図2(b)に示すように、例えばレーザーアブレーション成膜法を用いて、例えば酸素分圧1〜100Paの雰囲気中、基板温度が室温から300℃で、膜厚5nmのシリケートからなるゲート絶縁膜103を成膜する。このゲート絶縁膜103は、HfO2 とSiO2 からなるHfシリケートにMgを僅かに添加したものである。本実施形態では、例えばシリケート中のHfの濃度は10at%、Mgの濃度は5at%となっていた。
【0023】
なお、この工程において、スパッタ成膜法を用いて、例えば酸素分圧1〜5Paの雰囲気中、基板温度が室温〜300℃で、膜厚3nmのHf金属,Hfシリサイド,若しくはHfシリケートをシリコン基板101上に堆積し、同時に若しくはこれに続いてMgをスパッタし、酸素若しくは窒素雰囲気中で400〜1000℃の温度でアニールすることにより、Mgを含有するHfシリケートを形成してもよい。
【0024】
さらに、蒸着法を用いて、基板温度が室温〜300℃で膜厚4nmのHf金属、又はHfシリサイドをシリコン基板101上に堆積し、同時に若しくはこれに続いてMgを堆積し、酸素若しくは窒素雰囲気中で600〜1000℃の温度でアニールして、Mgを含有するHfシリケートを形成してもよい。
【0025】
また、図2(c)に示すように、CVD成膜法を用いて、酸素雰囲気中でのC1636HfO4 ガスとモノシラン(SiH4 )ガスと窒素ガスの混合ガス、HfCl4 ガスとNH3 ガスとSiH4 ガスの混合ガス、若しくはHf(SO4 2 ガスとNH3 ガスとSiH4 ガスの混合ガス等のHfを含む混合ガスに、さらにMgSO4 ガス等のMgを含むガスを混合し、例えば1〜104 Paの圧力で、1〜1000sccmの流量で供給し、基板温度を室温〜800℃の温度範囲において堆積し、堆積後に600〜1000℃の酸素雰囲気中でアニールしてMgを含むHfシリケートを形成してもよい。
【0026】
また、図2(d)に示すように、シリコン基板101を酸素雰囲気中で加熱、BOX(燃焼酸化)することにより、若しくはCVDによって、シリコン基板101上に1〜4nm程度のSiO2 膜114を形成し、続いて例えばHf金属ターゲット若しくは、Hf金属原子とSi原子を少なくとも含み、かつMgを添加されたターゲットを用いて、例えば蒸着法で、シリコン基板101上に金属元素を有する膜115を堆積する。その後、例えば真空中若しくは窒素中で400〜900℃の加熱によって、少なくとも金属元素をSiO2 膜に拡散させる工程を行い、シリコン基板101上に少なくともMg原子,Hf原子,Si原子、酸素原子を含有するシリケートを形成してもよい。
【0027】
次いで、図2(e)に示すように、化学気相成長法によってポリシリコン膜を全面に堆積し、このポリシリコン膜中に例えばオキシ塩化リン(POCl3 )を用いて、850℃,30分間リン拡散処理を行い、ポリシリコン膜を低抵抗化させる。このポリシリコン膜への不純物の添加は後の工程で、拡散層への不純物添加と同時にイオンインプラを用いて行ってもよい。また、ポリシリコン膜の代わりにGeをドープしたポリシリコン膜を用いてもよい。
【0028】
次いで、図3(f)に示すように、ポリシリコン膜をパターニングしてゲート電極104を形成する。このとき、ゲート電極104に合わせてゲート絶縁膜103も同時にパターニングするのが好ましいが、必ずしもゲート電極104とゲート絶縁膜103の側面の端面が一致する必要はない。図3(f)のようにゲート絶縁膜103がゲート電極104に比べて凹になっている形状や、図3(g)のようにゲート絶縁膜103がゲート電極104に比べて凸になっている形状でもよく、さらに全体に傾斜がついていても問題はない。
【0029】
次いで、図3(h)に示すように、全面にSiON膜を堆積した後エッチバックすることにより、ゲート部の側壁に側壁絶縁膜107を形成する。次いで、図3(j)に示すように、全面に、例えば加速電圧70KeV、ドーズ量1×1015cm-2で砒素Asをイオン注入し、その後、例えば900℃,30分若しくは1000℃,30秒の熱処理を行い、砒素をシリコン基板101中に拡散し活性化させ、ソース領域及びドレイン領域105を形成する。このとき、シリケートからなるゲート絶縁膜103がMgを含むことにより、シリケートの組成の不均質化、微小結晶の析出を抑制することができる。さらに、その拡散層105にNi若しくはCoを蒸着し、熱処理することでシリサイド層106を作成し、拡散層の抵抗を低減することが望ましい。
【0030】
なお、上記の図3(h)の側壁を作る工程と、図3(i)のイオン注入を行う工程は、必要に応じて順番を入れ替えてもよい。
【0031】
これ以降の工程は通常のMIS型トランジスタの作製工程に準じており、化学気相成長法によって全面に層間絶縁膜108となるシリコン酸化膜を堆積し、この層間絶縁膜108にコンタクト孔を開口し、続いてスパッタ法によって全面にAl膜109を堆積し、このAl膜109を反応性イオンエッチングによってパターニングすることにより、前記図1に示したような構造を有するMIS型トランジスタが完成する。
【0032】
このように本実施形態によれば、高温熱処理を行ってもシリケートからなるゲート絶縁膜103が均質な組成を有しており、微細な析出物などの出現しない高誘電率のゲート絶縁膜を用いたMIS型トランジスタを実現することができる。
【0033】
図4(a)はHfO2 濃度50%のHfシリケートを900℃で熱処理した後の平面構造写真であり、明らかに微細な結晶粒の析出が起きており、組成も分離しているのが分る。それに対し、図4(b)は上記HfシリケートにMgOを5%添加した膜の熱処理後の構造写真であり、明らかに微結晶の析出を抑制できているのが分かる。このとき、MgOを添加した試料の粘度は添加前の約5倍になっている。このように、MgOを添加することで微細な結晶粒の析出を抑制することは、Zrシリケートに関しても同様であり、著しい改善を示す。
【0034】
図5は、シリケートへのMgO,MnO,CaOを添加した場合の粘度の組成依存性を測定した図であり、1at%以上から著しく組成に依存して粘度が増加することが分る。この粘度の増加によって、シリケートの構成元素が容易に拡散・凝集することができなくなる。これによって図4に示したように、微細な結晶粒の析出を抑制することが可能であり、有効な添加物の組成は、MgOを例に取ると2at%以上(Mgの濃度が1at%以上)が効果的であり、望ましくは4at%以上(Mgの濃度が2at%以上)であると効果がより著しく期待できる。
【0035】
図6は、SiO2 混合物の表面張力(エネルギー)のイオン濃度(イオン半径/イオン価数)依存性を示した図である。ここでは、Siの値が基準であり、SiO2 にSiを添加した場合の表面エネルギーを基準とし、それよりも大きな値を示す材料(例えばMg,Ca,Mn等)とSiO2 の混合物は表面エネルギーが大きくなるため、表面積を小さくしようとするため、まとまっていようとする傾向がある。
【0036】
それに対し、TiなどのSiの値よりも小さい値を示す材料とSiO2 の混合物は表面エネルギーが小さいため、小さな塊に分散することが可能である。よって、Siよりも大きな値を示す、Mg,Ca,Mn等の材料を添加することで、一塊の混合体でいる傾向が強いSiO2 との混合体を形成することができる。これらの傾向からも、シリケートにおいて、小さな塊である微結晶の析出を抑制するにはMg等の添加物を添加することが有効であることが分る。
また、シリケートにおける金属元素の濃度が増加すると、金属元素起因の固定電荷によるクーロン散乱が引き起こされ、トランジスタの電子の移動度が劣化する。例えば、図7に示すように、Zr元素の場合は濃度17at%を越えると特に低電界側で移動度が顕著に劣化する。これは、Zr元素に限らずHf元素でも同様であった。よって、シリケート全体の金属元素の濃度は17at%以下であることが望ましい。また、より高速動作を要求されるロジックデバイスなどへの適用を考えた場合は、シリケート全体の金属元素の濃度は10at%以下であることが望ましい。
【0037】
さらに、シリケートの誘電率は含有する金属酸化物の誘電率とSiO2 の誘電率の濃度比で決まるため、含有する金属酸化物の誘電率は高い方が望ましい。例えば、MgOはZrO2 に比べて誘電率が低いため、シリケートの誘電率を高く保持するためには添加するMgの濃度はZrに比べて低くすることが望ましい。また、ZrO2 とMgOの誘電率はεZrO2 :εMgO〜2:1程度であるので、誘電率を高く保持するためにはMgの濃度はZrの濃度の1/2以下であることが望ましい。
【0038】
(変形例)
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。シリケートにおける微結晶の析出を抑制するために添加する金属はMgに限るものではなく,CaやMnを用いてもよい。さらに、Mg等の単体ではなく、必要に応じてMg,Ca,Mn等の複数の元素を組み合わせてもよい。また、粘性を更に向上させるために、分子半径の大きな窒素,アルゴン,クリプトン,キセノン等の元素を添加、若しくはMg等の元素と同時に添加することで、原子の移動を抑制し、微結晶の析出の抑制をすることが可能である。また、添加する濃度も、シリケートの物性、若しくは熱処理の条件に応じて、適当な値に変更することも可能である。このように、本発明の趣旨に反しない範囲で絶縁膜の構成元素の飛散を抑制するバリア膜として用いるのであれば、様々な形態で本発明の技術として利用することができる。
【0039】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【0040】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、シリケートからなるゲート絶縁膜を用いた電界効果トランジスタにおいて、Mg,Ca,Mnの少なくとも一つを添加することによって、熱処理中にゲート絶縁膜中に微小な結晶が析出することを抑制することができる。これによって、高温な熱処理を必要とする従来の製造工程を経ても、高誘電率且つ均質なゲート絶縁膜を実現し、電界効果トランジスタの高集積化及び高性能化をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係わるMIS型トランジスタの概略構造を示す断面図。
【図2】第1の実施形態に係わるMIS型トランジスタの製造工程を示す断面図。
【図3】第1の実施形態に係わるMIS型トランジスタの製造工程を示す断面図。
【図4】Mg添加によるシリケート熱処理前後の構造変化を示す電子顕微鏡写真。
【図5】MgO,MnO、CaOをシリケートに添加した場合の粘度の組成依存性を示す図。
【図6】SiO2 への元素添加による表面張力の陽イオン濃度依存性を示す図。
【図7】シリケートにおける金属元素の濃度と電子の移動度との関係を示す図。
【図8】ゲート絶縁膜にZrシリケートを用い場合の熱処理前後の断面状態及び表面状態を示す電子顕微鏡写真。
【符号の説明】
101…シリコン基板
102…素子分離領域
103…Hfシリケートからなるゲート絶縁膜
104…ゲート電極
105…ソース・ドレイン領域
106…シリサイド層
107…側壁絶縁膜
108…層間絶縁膜
109…Al配線
110…レジスト
114…SiO2 絶縁膜
115…Hf,Zr等の金属薄膜
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a MIS field effect transistor using a silicate (silicate) made of silicon dioxide and a metal oxide as a gate insulating film.
[0002]
[Prior art]
High speed and high integration of LSI have been promoted by miniaturization of MOS devices according to the scaling rule. This scaling rule keeps the element characteristics normal and fine in miniaturization by simultaneously reducing the height and lateral dimensions of each part of the MOS device, such as the thickness of the insulating film and the gate length. It is possible to raise.
[0003]
In the next-generation MOS transistor, a film thickness of 2 nm or less is required as the SiO 2 gate insulating film because of the required gate insulating film capacitance. However, SiO 2 that has been conventionally used as a gate insulating film has such a thickness that a tunnel current starts to flow directly in this film thickness region, so that leakage current cannot be suppressed and problems such as increase in power consumption cannot be avoided. . Therefore, recently, in the next generation MOS transistor, a material having a dielectric constant higher than that of SiO 2 is used for the gate insulating film, and the effective film thickness in terms of silicon oxide film is suppressed to 2 nm or less, and the physical film thickness is increased to increase the leakage current. Attempts have been made to suppress this.
[0004]
Alternatively the insulating film material of SiO 2, silicate of SiO 2 and metal oxides (silicates) material have been studied. However, in this type of material, fine crystals are precipitated in the gate insulating film made of silicate in a high temperature heat treatment process essential for a normal transistor manufacturing process, such as an impurity activation process of a diffusion layer, and the gate. There is a concern that the dielectric constant of the insulating film becomes non-uniform depending on the location.
[0005]
FIG. 8 is an electron micrograph before and after performing heat treatment at 1000 ° C. for 30 seconds necessary for impurity activation treatment of the diffusion layer of the transistor using Zr silicate for the gate insulating film. FIG. 8A is a cross-sectional structure photograph before the heat treatment, and is a homogeneous film before the heat treatment. On the other hand, FIG. 8B is a photograph of the cross-sectional structure after the heat treatment, and it can be seen that after the heat treatment, fine crystal grains are clearly precipitated and the composition is separated to form a heterogeneous film. FIG. 8C is a planar structure photograph after the heat treatment, and the dark portion indicates that the Zr concentration is high and crystalline, and the dielectric constant is high. The light-colored portion indicates that the Zr concentration is low and the dielectric constant is low. Each size is distributed in the order of 10 to 30 nm, and is close to the size of the gate region of the next-generation transistor to which these silicate materials are applied. Such inhomogeneity of the composition causes significant variation in transistor characteristics. It is thought to cause deterioration.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In this way, when a silicate with a high dielectric constant is used for the gate insulating film, fine crystal grains are precipitated by heat treatment during the transistor manufacturing process, resulting in a heterogeneous composition of the gate insulating film, yield deterioration, and transistor characteristics. There was a problem that caused deterioration and dispersion.
[0007]
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and the purpose thereof is to make the composition of the gate insulating film inhomogeneous and to precipitate fine crystal grains even when silicate is used for the gate insulating film. It is an object of the present invention to provide a field effect transistor capable of suppressing the above-described problems and contributing to improvement in yield and characteristics.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
(Constitution)
In order to solve the above problems, the present invention adopts the following configuration.
[0009]
That is, the present invention relates to a field effect transistor in which a gate electrode is provided on a silicon substrate via a gate insulating film made of silicate containing at least one of Zr, Hf, La, Ce, Y, Bi, and Pr. It is characterized in that at least one of Mg, Ca, and Mn is added to the silicate constituting the above.
[0010]
Here, preferred embodiments of the present invention include the following.
[0011]
(1) The concentration of the metal element constituting the silicate is 17 at% or less (more desirably 10 at% or less), the concentration of the metal element added to the silicate is 1 at% or more, and the concentration of the metal element constituting the silicate is Also low.
(2) The concentration of the metal element added to the silicate must be ½ or less of the concentration of the metal element constituting the silicate.
[0012]
(3) The gate insulating film must be amorphous.
(4) The gate insulating film contains nitrogen.
[0013]
(5) When Mg or Mn is used as the metal element to be added to the silicate, the concentration of Mg or Mn is 1 at% or more (more preferably 2 at% or more).
(6) When Ca is used as the metal element to be added to the silicate, the Ca concentration must be 2 at% or more.
[0014]
(Function)
According to the present invention, the dielectric constant of the gate insulating film can be increased by using at least one of Zr, Hf, La, Ce, Y, Bi, and Pr as the main metal constituting the silicate. In addition, the viscosity of the gate insulating film can be increased by adding at least one of Mg, Ca, and Mn as a specific metal element to the silicate. When the viscosity of the gate insulating film is increased, the metal element in the silicate becomes difficult to move during the heat treatment in the transistor manufacturing process, and phase separation of the metal element is suppressed. Accordingly, it is possible to suppress the deterioration of characteristics due to the heterogeneity of the composition of the gate insulating film made of silicate, the precipitation of fine crystal grains, and the like, and it is possible to contribute to the improvement of the yield and the characteristics of the field effect transistor.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.
[0016]
(Embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a MIS transistor according to an embodiment of the present invention.
[0017]
In the figure, 101 is a p-type silicon substrate, 102 is an element isolation region, and a gate electrode 104 is formed on the element formation region surrounded by the element isolation region 102 of the silicon substrate 101 via a gate insulating film 103. ing. The gate insulating film 103 is a high dielectric constant silicate composed of HfO 2 and SiO 2 , and Mg is added to the silicate. The gate electrode 104 is a polysilicon film, but a metal electrode such as TiN, TaN, W, Nb, Ru, or Ru oxide may be used instead.
[0018]
An n-type impurity layer 105 is formed on the surface layer of the substrate 101 with the gate electrode 104 interposed therebetween. The impurity layer 105 is a diffusion layer (source / drain region) introduced shallowly from the surface by, for example, ion implantation of As with an energy of 40 KeV and a surface density of about 5 × 10 15 , and Ni, Co, or the like is formed on the surface. The silicide layer 106 is formed. Sidewall insulating films 107 made of SiON are formed on the sides of the gate insulating film 103 and the gate electrode 104.
[0019]
An interlayer insulating film 108 made of a CVD silicon oxide film or the like is formed on the substrate surface on which each of the above portions is formed. The interlayer insulating film 108 is provided with contact holes for connection to the gate and the source / drain. An Al wiring 109 is provided so as to connect to the gate electrode 104 and the silicide layer 106 in the source / drain region 105.
[0020]
Next, a manufacturing process of the MIS field effect transistor of this embodiment will be described with reference to FIG.
[0021]
First, as shown in FIG. 2A, a trench for element isolation is formed by reactive ion etching on a p-type silicon substrate 101 having a plane orientation (100) and a specific resistance of 4 to 6 Ωcm. Subsequently, for example, an element isolation region 102 is formed by embedding an LP (low pressure) -TEOS (Tetra ethyl orthosilicate) film. In the figure, the element isolation region 102 protrudes above the substrate surface, but the upper surface of the element separation region 103 may be the same height as the substrate surface.
[0022]
Next, as shown in FIG. 2B, for example, a laser ablation film forming method is used to form a gate made of silicate having a film thickness of 5 nm and a substrate temperature of room temperature to 300 ° C. in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1 to 100 Pa. An insulating film 103 is formed. This gate insulating film 103 is obtained by slightly adding Mg to Hf silicate composed of HfO 2 and SiO 2 . In this embodiment, for example, the concentration of Hf in the silicate is 10 at%, and the concentration of Mg is 5 at%.
[0023]
In this step, a sputter film forming method is used to form Hf metal, Hf silicide, or Hf silicate having a film thickness of 3 nm and a silicon substrate at a substrate temperature of room temperature to 300 ° C., for example, in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 1 to 5 Pa. Hf silicate containing Mg may be formed by depositing on 101 and simultaneously or subsequently sputtering Mg and annealing at a temperature of 400 to 1000 ° C. in an oxygen or nitrogen atmosphere.
[0024]
Further, Hf metal or Hf silicide with a substrate temperature of room temperature to 300 ° C. and a film thickness of 4 nm is deposited on the silicon substrate 101 by vapor deposition, and Mg is deposited at the same time or subsequently, in an oxygen or nitrogen atmosphere. Among them, annealing may be performed at a temperature of 600 to 1000 ° C. to form Hf silicate containing Mg.
[0025]
Further, as shown in FIG. 2 (c), a CVD film forming method is used to mix C 16 H 36 HfO 4 gas, monosilane (SiH 4 ) gas, nitrogen gas, HfCl 4 gas in an oxygen atmosphere. NH 3 gas and the SiH 4 gas mixed gas, or the Hf (SO 4) 2 gas and the NH 3 gas and SiH 4 gas mixture containing Hf of mixed gas of the gas, a further gas containing Mg, such as MgSO 4 gas For example, the substrate is deposited in a temperature range of room temperature to 800 ° C. at a pressure of 1 to 10 4 Pa at a flow rate of 1 to 1000 sccm, and annealed in an oxygen atmosphere at 600 to 1000 ° C. after the deposition. Hf silicate containing Mg may be formed.
[0026]
Further, as shown in FIG. 2D, an SiO 2 film 114 of about 1 to 4 nm is formed on the silicon substrate 101 by heating the silicon substrate 101 in an oxygen atmosphere, BOX (combustion oxidation), or by CVD. Subsequently, a film 115 having a metal element is deposited on the silicon substrate 101 by, for example, vapor deposition using, for example, a Hf metal target or a target containing at least Hf metal atoms and Si atoms and added with Mg. To do. Thereafter, for example, at least a metal element is diffused into the SiO 2 film by heating at 400 to 900 ° C. in vacuum or nitrogen, and contains at least Mg atoms, Hf atoms, Si atoms, and oxygen atoms on the silicon substrate 101. A silicate may be formed.
[0027]
Next, as shown in FIG. 2E, a polysilicon film is deposited on the entire surface by chemical vapor deposition, and, for example, phosphorus oxychloride (POCl 3 ) is used in the polysilicon film at 850 ° C. for 30 minutes. Phosphorus diffusion treatment is performed to reduce the resistance of the polysilicon film. The addition of impurities to the polysilicon film may be performed in a later step by using ion implantation at the same time as the addition of impurities to the diffusion layer. Further, instead of the polysilicon film, a polysilicon film doped with Ge may be used.
[0028]
Next, as shown in FIG. 3F, the gate electrode 104 is formed by patterning the polysilicon film. At this time, it is preferable that the gate insulating film 103 be patterned at the same time as the gate electrode 104, but the side surfaces of the gate electrode 104 and the gate insulating film 103 do not necessarily coincide with each other. A shape in which the gate insulating film 103 is concave as compared with the gate electrode 104 as shown in FIG. 3F, or a shape where the gate insulating film 103 is convex as compared with the gate electrode 104 as shown in FIG. The shape may be sufficient, and even if the whole is inclined, there is no problem.
[0029]
Next, as shown in FIG. 3H, a sidewall insulating film 107 is formed on the sidewall of the gate portion by depositing a SiON film on the entire surface and then etching back. Next, as shown in FIG. 3 (j), arsenic As ions are implanted into the entire surface, for example, at an acceleration voltage of 70 KeV and a dose amount of 1 × 10 15 cm −2 , and thereafter, for example, 900 ° C., 30 minutes or 1000 ° C., 30 A second heat treatment is performed to diffuse and activate arsenic in the silicon substrate 101 to form the source and drain regions 105. At this time, when the gate insulating film 103 made of silicate contains Mg, it is possible to suppress inhomogeneous composition of the silicate and precipitation of microcrystals. Furthermore, it is desirable to form a silicide layer 106 by depositing Ni or Co on the diffusion layer 105 and heat-treating it, thereby reducing the resistance of the diffusion layer.
[0030]
Note that the order of the step of forming the side wall in FIG. 3H and the step of performing ion implantation in FIG. 3I may be interchanged as necessary.
[0031]
The subsequent steps are in accordance with a normal MIS transistor manufacturing process. A silicon oxide film to be an interlayer insulating film 108 is deposited on the entire surface by chemical vapor deposition, and contact holes are opened in the interlayer insulating film 108. Subsequently, an Al film 109 is deposited on the entire surface by sputtering, and the Al film 109 is patterned by reactive ion etching, thereby completing the MIS transistor having the structure shown in FIG.
[0032]
As described above, according to the present embodiment, the gate insulating film 103 made of silicate has a homogeneous composition even when high-temperature heat treatment is performed, and a high dielectric constant gate insulating film in which fine precipitates do not appear is used. The conventional MIS transistor can be realized.
[0033]
FIG. 4 (a) is a planar structure photograph after heat treatment of Hf silicate with a HfO 2 concentration of 50% at 900 ° C., clearly showing that fine crystal grains are precipitated and the composition is separated. The On the other hand, FIG. 4B is a structural photograph after heat treatment of a film in which 5% of MgO is added to the Hf silicate, and it can be seen that the precipitation of microcrystals is clearly suppressed. At this time, the viscosity of the sample to which MgO is added is about 5 times that before the addition. Thus, the suppression of the precipitation of fine crystal grains by adding MgO is the same for Zr silicate and shows a marked improvement.
[0034]
FIG. 5 is a diagram showing the composition dependency of the viscosity when MgO, MnO, and CaO are added to the silicate. It can be seen that the viscosity increases remarkably depending on the composition from 1 at% or more. This increase in viscosity makes it difficult for the constituent elements of the silicate to diffuse and aggregate. As a result, as shown in FIG. 4, it is possible to suppress the precipitation of fine crystal grains, and the effective additive composition is 2 at% or more when MgO is taken as an example (Mg concentration is 1 at% or more). ) Is effective. Desirably, the effect can be expected more significantly when the concentration is 4 at% or more (Mg concentration is 2 at% or more).
[0035]
FIG. 6 is a graph showing the dependence of the surface tension (energy) of the SiO 2 mixture on the ion concentration (ion radius / ion valence). Here, the value of Si is the standard, and the surface energy when Si is added to SiO 2 is the standard, and a mixture of a material (for example, Mg, Ca, Mn, etc.) showing a larger value and SiO 2 is the surface. Since energy increases, there is a tendency to gather together in order to reduce the surface area.
[0036]
On the other hand, a mixture of a material having a value smaller than the value of Si, such as Ti, and SiO 2 has a small surface energy and can be dispersed in a small lump. Therefore, by adding a material such as Mg, Ca, or Mn that shows a larger value than Si, it is possible to form a mixture with SiO 2, which tends to be a lump mixture. From these tendencies, it can be seen that it is effective to add an additive such as Mg to suppress the precipitation of microcrystals which are small lumps in the silicate.
Further, when the concentration of the metal element in the silicate is increased, Coulomb scattering due to the fixed charges caused by the metal element is caused, and the electron mobility of the transistor is deteriorated. For example, as shown in FIG. 7, in the case of the Zr element, when the concentration exceeds 17 at%, the mobility is remarkably deteriorated particularly on the low electric field side. This was the same not only for the Zr element but also for the Hf element. Therefore, the concentration of the metal element in the entire silicate is desirably 17 at% or less. When considering application to a logic device or the like that requires higher speed operation, the concentration of the metal element in the entire silicate is desirably 10 at% or less.
[0037]
Furthermore, since the dielectric constant of the silicate is determined by the concentration ratio of the dielectric constant of the contained metal oxide and the dielectric constant of SiO 2 , it is desirable that the contained metal oxide has a higher dielectric constant. For example, since MgO has a lower dielectric constant than ZrO 2 , it is desirable that the concentration of Mg to be added be lower than that of Zr in order to keep the dielectric constant of the silicate high. Further, since the dielectric constants of ZrO 2 and MgO are approximately εZrO 2 : εMgO˜2: 1, the Mg concentration is desirably ½ or less of the Zr concentration in order to keep the dielectric constant high.
[0038]
(Modification)
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above. The metal added to suppress the precipitation of microcrystals in the silicate is not limited to Mg, and Ca or Mn may be used. Furthermore, instead of a simple substance such as Mg, a plurality of elements such as Mg, Ca, and Mn may be combined as necessary. In order to further improve the viscosity, elements such as nitrogen, argon, krypton, and xenon with large molecular radii are added or added simultaneously with elements such as Mg, thereby suppressing atom migration and precipitation of microcrystals. It is possible to suppress this. The concentration to be added can also be changed to an appropriate value according to the physical properties of the silicate or the heat treatment conditions. As described above, as long as it is used as a barrier film that suppresses scattering of constituent elements of the insulating film without departing from the spirit of the present invention, it can be used as the technique of the present invention in various forms.
[0039]
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0040]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, in a field effect transistor using a silicate gate insulating film, by adding at least one of Mg, Ca, and Mn, a minute amount is formed in the gate insulating film during the heat treatment. The precipitation of simple crystals can be suppressed. As a result, even through a conventional manufacturing process that requires high-temperature heat treatment, a high dielectric constant and homogeneous gate insulating film can be realized, and high integration and high performance of the field effect transistor can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a MIS transistor according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the MIS transistor according to the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the MIS transistor according to the first embodiment.
FIG. 4 is an electron micrograph showing the structural change before and after silicate heat treatment by addition of Mg.
FIG. 5 is a graph showing the composition dependency of viscosity when MgO, MnO, and CaO are added to a silicate.
FIG. 6 is a graph showing the cation concentration dependence of the surface tension by adding an element to SiO 2 .
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the concentration of metal elements in silicate and the mobility of electrons.
FIG. 8 is an electron micrograph showing a cross-sectional state and a surface state before and after heat treatment when Zr silicate is used for a gate insulating film.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Silicon substrate 102 ... Element isolation region 103 ... Gate insulating film 104 made of Hf silicate ... Gate electrode 105 ... Source / drain region 106 ... Silicide layer 107 ... Side wall insulating film 108 ... Interlayer insulating film 109 ... Al wiring 110 ... Resist 114 ... SiO 2 insulating film 115 ... Metal thin film such as Hf and Zr

Claims (5)

シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された、ジルコニウム,ハフニウム,ランタン,セリウム,イットリウム,ビスマス,プラセオジムの少なくとも一つを含むシリケートに、マグネシウム,カルシウム,マンガンの少なくとも一つを添加してなるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
を具備してなることを特徴とする電界効果トランジスタ。
A silicon substrate;
A gate insulating film formed by adding at least one of magnesium, calcium , and manganese to a silicate including at least one of zirconium, hafnium, lanthanum, cerium, yttrium, bismuth, and praseodymium formed on the silicon substrate;
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A field effect transistor comprising:
前記シリケートを構成する金属元素の濃度は17at%以下であり、前記シリケートに添加する金属元素の濃度は1at%以上で、且つ前記シリケートを構成する金属元素の濃度よりも低いことを特徴とする請求項1記載の電界効果トランジスタ。The concentration of the metal element constituting the silicate is 17 at% or less, the concentration of the metal element added to the silicate is 1 at% or more, and lower than the concentration of the metal element constituting the silicate. Item 1. The field effect transistor according to Item 1. 前記シリケートを構成する金属元素の濃度は10at%以下であることを特徴とする請求項2記載の電界効果トランジスタ。3. The field effect transistor according to claim 2, wherein the concentration of the metal element constituting the silicate is 10 at% or less. 前記シリケートに添加する金属元素の濃度は、前記シリケートを構成する金属元素の濃度の1/2以下であることを特徴とする請求項2又は3記載の電界効果トランジスタ。4. The field effect transistor according to claim 2, wherein the concentration of the metal element added to the silicate is ½ or less of the concentration of the metal element constituting the silicate. 前記ゲート絶縁膜は非晶質であることであることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の電界効果トランジスタ。The field effect transistor according to claim 1, wherein the gate insulating film is amorphous.
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