JP3647785B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特にMIS電界効果トランジスタを備える半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
サブ0.1um世代のCMOS(Complementaly Metal−Oxide−Semiconductor)デバイスのゲート絶縁膜はSiO2換算1.5nm以下の性能が要求されている。厚さ1.5nmのSiO2は絶縁性が悪く、リーク電流による消費電力増加よりも高速性を重視するLogicデバイスにおいてすら実用できない。また、より多くの需要が確実視される個人用携帯電子機器のためのLSIデバイスに求められる最大の要求は低消費電力性であり、そのリーク電流密度がデバイス全体の消費電力に対し大きな部分を占めるゲート絶縁膜に対しては、従来のSiO2よりも各段にリーク電流の低い新規材料の導入が必須とされている。
【0003】
SiO2換算1.5nm以下の絶縁膜容量を実現しかつ低リーク特性を得るためには、SiO2よりも比誘電率の高い材料(High−K材料)を利用し、物理膜厚を大きくすることが有効である。例えば、SiO2の10倍の比誘電率を持つ材料を使用すれば、SiO2換算1.5nmの性能を得るための物理膜厚は15nmに設定でき、直接トンネル電流による膜の絶縁性破綻を回避することが出来る。
【0004】
SiO2よりも高い比誘電率を示すHigh−K材料は数多いが、1000℃近いプロセス温度に耐えなければならないという制約から、現実のLSIプロセスに適用出来るHigh−K材料は限られている。その中で、チタン、ジルコニウム、ハフニウムの金属酸化物は耐熱性において他材料に比べて優れた性質を有していて、LSIへの適用が有望視されている。
しかし、これらの金属酸化物をLSIのゲート絶縁膜に用いることにはいくつかの原理的な困難さが伴う。なかでも最大の問題と認識されているのは、これら金属酸化物とシリコン基板の界面の電気的特性の悪さについてである。この問題を回避する為に、シリコン基板との界面の電気的特性に優れたSiO2、SiONなどの材料を界面に挿入し、界面特性を向上させる方法が提案されている。
【0005】
しかし、この方法には大きな問題点がある。それは、界面特性を向上させるために挿入するSiO2など(以下、界面バッファ層と記載)の絶縁膜の比誘電率が低いため、金属酸化物との積層全体でのSiO2換算膜厚を下げられなくなることである。現状、最も制御された手法でシリコン基板上に再現性良く形成できる最も薄いSiO2膜の厚さは8オングストローム程度である。この事実に基づけば、原理的に、金属酸化物とSiO2の積層ではSiO2換算8オングストローム以下の絶縁膜は実現できなくなる。さらには、金属酸化物の成膜、後熱処理などの製造工程において界面バッファ層がほぼ例外無く成長するという事実があり、実質、金属酸化物とSiO2の積層構造でSiO2換算15オングストローム以下の絶縁膜を実現するのは困難と推測される。
【0006】
また、金属酸化物と界面バッファ層は異種物質であり、両者の界面には原理的に多くの格子欠陥が導入されると考えられる。このことは、ゲート絶縁膜の電気的性質を劣化させる致命的悪要因である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、High−K材料(特に金属酸化物)をSiO2、SiONなどの界面バッファ層と積層してゲート絶縁膜となす製造方法では、原理的側面、製造法的側面から考慮してSiO2換算15オングストローム以下の絶縁膜を形成することは困難であり、かつ良好な電気的特性を保持することが困難であった。
【0008】
本発明は上述の問題点を考慮してなされたもので、その目的は、シリコン基板との界面特性を良好に保つための界面バッファ層の実質的な存在を維持しつつ、その物理膜厚を制御性良く低減させ、SiO2換算15オングストローム以下の絶縁膜を有するシリコンLSIデバイスの製造方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、シリコン基板上に、シリコンと酸素を少なくとも含む絶縁膜を形成する工程と、絶縁膜上に、酸素が化学量論組成よりも不足した組成を持ち、チタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかの元素、又は、チタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかの元素及びシリコンを含む金属酸化物を形成する工程と、絶縁膜および金属酸化物上に、ゲート電極材料を10nm以上200nm未満堆積させ、積層構造を形成する工程と、積層構造を熱処理することにより、絶縁膜および金属酸化物にて酸素を再分布させる工程と、を備えることを特徴とする。
【0011】
本発明の特徴を説明するための概略図を図1に示す。本発明の最大の特徴は、図1に示すように、シリコン基板上にSiO2などの絶縁膜を界面バッファ層として形成する工程と、前記界面バッファ層の上部に、化学量論組成よりも酸素が不足した組成の金属酸化物を形成する工程と、さらにその上部を導電性膜、たとえばゲート電極で覆った後に熱処理工程を加える工程を行うという製造方法の手順にある。このような製造方法により、あらかじめ厚めに成膜した界面バッファ層の上部一部分が解離され、そこで発生した酸素が酸素不足の金属酸化物に吸収されて金属酸化物を化学量論組成に引き戻す一方、界面バッファ層の物理膜厚は低減する。本発明による界面バッファ層の低減幅は、金属酸化物の物理膜厚と酸素不足の程度、すなわち金属酸化物部分の酸素吸収能力によって自在に制御できる。本発明の特徴の1つは、従来の方法が出来るだけ薄い物理膜厚を持つ界面バッファ層を形成しこの上に出来るだけ静的に金属酸化物を積層していったのに対し、本発明では界面バッファ層をあらかじめ厚めに成膜し、その一部を金属酸化物に積極的に取り込むことで物理膜厚を低減するという点に発想の転換がある。
【0012】
従来方法の特徴を説明するための概略図を図2、図3に示す。従来の方法では、現状の水準で最も薄い8オングストロームのSiO2を形成したとしても、図2に模式的に示したように金属酸化物の堆積時に界面バッファ層が成長するケースがほとんどであり、この事実を鑑みれば、将来的に8オングストロームよりもさらに薄いSiO2膜が再現性良くできたとしても、従来法によれば金属酸化物の成膜時点で界面バッファ層が実用できない水準まで厚膜化する。
【0013】
また、本発明の特徴の2つめは、界面バッファ層/金属酸化物積層をゲート電極で被覆した後に熱処理することにある。その理由は以下の通りである。従来の方法では出来るだけ薄い界面バッファ層を形成した後に出来るだけ静的な手法で金属酸化物を積層したのちに、膜中欠陥を回復するためのアニールが必須であった。このアニールは窒素雰囲気中で行われることが一般的だが、図3に模式的に示したように、窒素雰囲気中に不純物として含まれる極わずかの酸素原子がシリコン基板に到達し界面バッファ層を成長させるという事実が確認されている。
これにより、この積層構造のSiO2換算膜厚は著しく劣化してしまう。これに対し、本発明では金属酸化物上部に例えばポリシリコンなどの導電性膜、プロセスの簡単化の観点から望ましくはゲート電極材料を被覆した後にアニールを行うことが特徴である。導電性膜は窒素雰囲気中の不純物酸素を効果的にブロックし界面バッファ層の成長を完全に抑える。ある見方をすれば、バッファ層/酸素不足金属酸化物積層にゲート電極で「ふた」をして熱処理することにより、この積層構造内部での酸素の再分布を利用するともいえる。従来の方法で行われる膜中欠陥回復は、本発明では界面バッファ層を構成していた酸素の再分布によって行われる。
【0014】
さらに本発明においては、上で述べた事柄に加え、付随的な利点が生じることが原理的に予測できる。
【0015】
原理的に予測される第一の利点として、界面バッファ層とシリコン基板との界面特性が、従来法よりも良くなる可能性が高いことが挙げられる。従来法で行われているSiO2の薄膜化は、例えば急速熱酸化によるSiO2極薄膜化、あるいは化学溶液処理による表面酸化膜形成などの技術により行われている。これらの手法で物理膜厚10オングストロームを切るSiO2が実現出来ることは間違い無いが、一方で、このような薄いSiO2膜の素性というのは、本当に良くわかっていない。SiO2とSiの界面特性が良好であるという定説は、熱平衡状態でゆっくりと熱酸化して形成された既存のSiO2膜についてのものであり、前記の特異的な手法で形成したSiO2膜について必ずしも成り立つものではない。一方、本発明では通常の熱酸化SiO2、あるいは素性の知れたSiON膜などを従来の技術で制御できる範囲で成膜したのちに金属酸化物との界面付近の一部を消費して薄膜化するので、シリコン基板との界面特性に関しては従来の良質さが間違い無く保たれる。以上説明した内容を模式的に示したのが図4である。
【0016】
本発明の第二の付随的利点として、金属酸化物と界面バッファ層の界面が構造的に安定化することが挙げられる。ここまでの説明では、金属酸化物との界面で、界面バッファ層の一部が解離されると述べてきた。この際生じる酸素については金属酸化物に吸い込まれるとして、酸素に加えてシリコン原子も生成されることをわすれてはならない。この生成されたシリコン原子はその濃度勾配が駆動力となリ金属酸化物側に拡散することが予測される。酸素原子はその拡散常数が大きいために金属酸化物全体に行き渡るが、シリコン原子はその原子半径が比較的大きいために自由に拡散できず金属酸化物の下部(界面バッファ層側)に局在分布する。本発明で規定した製造方法の条件においては金属酸化物中のシリコン原子は酸素と結合し酸化状態を示すことが予測される。添加されたシリコン原子は金属酸化物の比誘電率を若干低下させるものの、その分布が局在していることと拡散量自体が金属酸化物全体の体積に比較して微量であるために、積層絶縁膜全体のSiO2換算膜厚への影響はほとんど考慮しなくて良い。むしろ、金属酸化物と界面バッファ層の界面に、金属酸化物とシリコン酸化物が混ざったような領域が存在することは、界面原子構造の急峻性を緩和して欠陥密度を低減させる効果がある。以上説明した事柄を模式的に図5に示す。
引き続き、本発明の実現性を説明する。図6,7は、本発明の手法において界面バッファ層の物理膜厚を低減出来ることを実証した断面TEM写真である。
【0017】
図6は従来法における、ジルコニウム酸化物を堆積後に600℃60分間酸素熱処理を行い充分に化学量論組成に到達させた後にポリシリコンを堆積した試料を1000℃アニールした時の界面構造の変化を示す断面TEM写真である。この場合には、1000℃アニールをしても界面バッファ層の物理膜厚は低減しない。これに対し図7は本発明の手順により、シリコン基板上に界面バッファ層(この場合はSiON)を堆積、その上部に酸素不足組成のジルコニウム酸化物を堆積し、ゲート電極としてポリシリコンを堆積した後に、1000℃で熱処理した時の界面構造の変化である。本発明の概念の適用により、1000℃アニールによって界面SiON膜の物理膜厚を15オングストロームから10オングストロームに低減することに成功した。図6と図7の違いはジルコニウム酸化物の初期状態として酸素の吸い込みの余地を設けているかいないかであり、この初期条件設定の違いにより酸素の再分布がおきるか起きないかの違いである。
【0018】
図8は本発明により製作したポリシリコンゲート/ジルコニウム酸化物/SiON/Si構造の容量−電圧特性である。図9は参照のために示した、従来の方法による金ゲート/ジルコニウム酸化物/SiON/Si構造の容量−電圧特性である。まず図9の従来法の結果を説明すると、この構造においては、ジルコニウム酸化物とSiON界面の格子欠陥に起因して、大きなヒステリシス特性が発生しており、さらにC−V曲線の形から界面準位密度の多さがうかがわれる。これに対し本発明の方法によれば、図8に示したようにヒステリシス特性は完全に消失し、さらにC−V曲線の形から界面準位密度は実用的な水準に到達していることがわかる。これは、本発明の製造方法によって得られた積層絶縁膜構造が格子欠陥をほとんど含まない理想的な構造となっていることを示唆している。
【0019】
また、本発明では、金属酸化物を構成する金属元素を、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、さらにはそれらの金属元素に加えてシリコンが含まれる場合が望ましい。その根拠はこれらの元素が熱的に安定で本発明で提案した製造方法に最も適している為である。
【0020】
以上のように、本発明の金属酸化物/界面バッファ層積層ゲート絶縁膜の製造方法によれば、従来よりも薄いSiO2換算膜厚を有する積層絶縁膜を制御性良く製造することが可能となる。さらに付随的に金属酸化物/界面バッファ層界面の構造安定化、界面バッファ層/シリコン基板界面の電気的特性向上などの利点が生まれる。これは本発明で提案した積層絶縁膜構造の製造方法によってのみ得られるものである。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明を用いたMISFET(Metal−Insulator−Semiconductor Field Effect Transistor)およびその製造方法を説明する。
【0022】
図10は、本実施例のMISFETの断面構造である。
【0023】
図示するように、シリコン基板1上には、ゲート電極8/金属酸化膜7/界面バッファ層6の積層からなるMIS構造が形成されていて、ゲート電極8はゲート側壁9に取り囲まれている。シリコン基板1中には高濃度に不純物を拡散した深い拡散領域3および浅い拡散領域4とサリサイド5とが、MIS構造に自己整合的に形成されている。
【0024】
次に、図11〜14を参照して本実施例にかかるMISFETの製造方法を説明する。
【0025】
通常の工程により素子分離2を施したシリコン基板1を準備する。次に、このシリコン基板表面の自然酸化膜を希HF溶液処理により剥離し、シリコン表面を水素終端する。引き続きシリコン表面にシリコン基板との界面特性の良い絶縁膜を界面バッファ層(初期状態)10として形成する。ここでは一例としてSiON膜を、NO雰囲気、850℃の熱処理により厚さ約1.5nm成膜した。本発明においては界面バッファ層の材料としてはシリコンと酸素を必須成分として含む化合物でありSiO2あるいはSiONが挙げられる。特に酸素を必須成分として含むSiO2あるいはSiONが望ましい。界面バッファ層には、シリコンと酸素以外にも窒素添加することが望ましく、その場合、窒素濃度の望ましい範囲は15原子%以下が望ましい。この範囲であると、比誘電率向上、不純物拡散抑制などの効果が生じ、Si基板との界面に格子欠陥が発生し電気的特性が劣化することもない。
【0026】
界面バッファ層の成膜方法としては、公知の方法を用いれば良く、熱酸化、熱酸窒化、プラズマ酸化、プラズマ酸窒化、熱酸化プラスプラズマ窒化等を用いることが出来る。またSiO2やSiONにチタン、ジルコニウム、ハフニウムなどの金属元素が混入しても構わない。金属元素の濃度は10原子%以下が望ましく、それはこれ以上の濃度になると界面特性の著しい劣化が起きるためである。この状態での素子の断面構造を図11に示す。界面バッファ層(初期状態)の厚さは、3オングストローム以上15オングストーム以下の範囲内であることが望ましい。このように界面バッファ層(初期状態)の物理膜厚範囲を限定する理由は、後述するように、界面バッファ層(終状態)の最小物理膜厚を3オングストローム、最大物理膜厚を15オングストロームとするためである。
【0027】
この後、酸素不足組成の金属酸化膜11を界面バッファ層10上に堆積する。その方法は多様でありこれが本発明の適用できる範囲を限定するものではない、ここでは一例として、ジルコニウム酸化物ターゲットを用い、アルゴン雰囲気プラズマを利用したRFスパッタリング法により、厚さ3nmのZrOx(X<2)を堆積した(図12)。この例においては、スパッタリング時のプラズマ雰囲気に酸素が欠乏していることが膜からの酸素脱離を引き起こして酸素不足の金属酸化物が形成される。他にも、例えばジルコニウム金属を堆積した後に500℃以下の低温で乾燥酸化を行う方法などが考えられる。このような実験条件ではジルコニウムは完全に化学量論組成にならず酸素不足の組成をとることがわかっている。
【0028】
化学量論組成よりも酸素が不足した組成の金属酸化膜としては、チタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかの元素の酸化物、又はチタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかの元素とシリコンを含む酸化物、すなわちチタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかの元素のシリケートが挙げられる。いずれの化合物も、酸素は化学量論組成から、不足酸素のパーセンテージをxとして、0<x<=40原子%以下の範囲で不足していることが望ましい。0<xとする理由は、金属酸化物がわずかでも酸素不足になっていれば本発明で説明した界面膜厚の低減、界面欠陥の低減などの作用が得られるためであり、一方酸素不足の度合いを40原子%以下であると、安定な構造を保ち、酸素を下の界面膜からより良く吸収するからである。
【0029】
引き続き、導電性膜としてゲート電極8を堆積し、図13の構造を得た。本発明において、導電性膜としては、ゲート電極材料が挙げられ、例えばポリシリコン、チタン、タンタル、タングステン、モリブデンなどの高融点金属材料やこれらの窒化物などを用いることができ、その堆積方法としては既存の方法を用いれば良い。導電性膜の厚さとしては、10nm以上200nm未満であることが望ましい。10nm以上と規定した理由は、これ以上の厚さがあれば導電性材料の種類によらず熱処理雰囲気からの酸素拡散を十分抑制出来るためである。一方200nm未満としたのは、既存のLSIにおける標準的なゲート電極材料の厚さがこれを超えないためであり、LSIの構造的特徴から来るものである。
【0030】
さらに、図13の構造を熱処理し、図14の構造を得る。ここでは一例としてゲート電極にポリシリコンを用い、熱処理条件は、昇温速度100℃/sec、1000℃、窒素雰囲気で20秒間行った。この熱処理により、界面バッファ層(初期状態)10の上部が還元され、生成された酸素が酸素不足組成金属酸化膜11に補填され、金属酸化膜7と界面バッファ層(終状態)6の積層構造が形成される。界面バッファ層(終状態)6は部分的な還元作用を受けて、初期状態よりもその物理膜厚が減少する。本発明において、熱処理条件は800℃以上から1050℃以下、加熱時間は5秒以上30秒以下の範囲であることが素子特性望ましい。
【0031】
これに引き続いてゲート電極の加工、浅い拡散領域4の形成、ゲート側壁9の形成、深い拡散領域4の形成、サリサイド5の形成を公知の方法によって行うことにより、図10の構造を得る。
熱処理後のゲート絶縁膜は、界面バッファ層が0.3nm以上1.5nm
以下、金属酸化物層が1.5nm以上3nm以下の範囲にある積層構造となっていることにより、SiO2換算膜厚が低く抑えられることになる。
【0032】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、シリコン基板との界面特性を良好に保つための界面バッファ層の実質的な存在を維持しつつ、その物理膜厚を制御性良く低減させ、SiO2換算15オングストローム以下の絶縁膜を有するシリコンLSIデバイスを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のゲート絶縁膜の製造方法の特徴を説明する概略図。
【図2】 従来法における問題点を示す概略図。
【図3】 従来法における問題点を示す概略図。
【図4】 本発明の従来法に対する改善点を示す概略図。
【図5】 本発明の従来法に対する改善点を示す概略図。
【図6】 従来法における熱処理時の界面バッファ層の変化を示す断面TEM写真。
【図7】 本発明における熱処理時の界面バッファ層の変化を示す断面TEM写真。
【図8】 本発明における電気的特性の改善を示す容量−電圧特性を示す特性図。
【図9】 従来法における電気的特性の劣化を示す容量−電圧特性を示す特性図。
【図10】 本発明におけるMISFETの一例を示す断面図。
【図11】 本発明におけるMISFETの製造工程の一例を示す断面図。
【図12】 本発明におけるMISFETの製造工程の一例を示す断面図。
【図13】 本発明におけるMISFETの製造工程の一例を示す断面図。
【図14】 本発明におけるMISFETの製造工程の一例を示す断面図。
【符号の説明】
1・・・シリコン基板
2・・・素子分離領域
3・・・深い拡散層
4・・・浅い拡散層
5・・・サリサイド
6・・・界面バッファ層(終状態)
7・・・金属酸化膜
8・・・ゲート電極
9・・・ゲート側壁
10・・・界面バッファ層(初期状態)
11・・・酸素不足組成金属窒化物[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device including a MIS field effect transistor.
[0002]
[Prior art]
A gate insulating film of a sub 0.1 um generation CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) device is required to have a performance of 1.5 nm or less in terms of SiO 2 . SiO 2 having a thickness of 1.5 nm has poor insulation, and cannot be practically used even in a Logic device in which high speed is more important than an increase in power consumption due to leakage current. In addition, the greatest demand for LSI devices for personal portable electronic devices for which more demand is anticipated is low power consumption, and the leakage current density is a large part of the power consumption of the entire device. For the occupied gate insulating film, it is essential to introduce a new material having a lower leakage current at each stage than conventional SiO 2 .
[0003]
In order to realize an insulating film capacity of 1.5 nm or less in terms of SiO 2 and to obtain low leakage characteristics, a material having a higher dielectric constant than that of SiO 2 (High-K material) is used and the physical film thickness is increased. Is effective. For example, if a material having a relative
[0004]
There are many High-K materials exhibiting a relative dielectric constant higher than that of SiO 2 , but the High-K materials applicable to actual LSI processes are limited due to the restriction that they must withstand process temperatures close to 1000 ° C. Among them, metal oxides of titanium, zirconium, and hafnium have superior heat resistance compared to other materials, and are expected to be applied to LSI.
However, the use of these metal oxides for LSI gate insulating films involves some fundamental difficulties. Of these, the biggest problem is recognized as the poor electrical properties of the interface between these metal oxides and the silicon substrate. In order to avoid this problem, a method of improving the interface characteristics by inserting a material such as SiO 2 or SiON having excellent electrical characteristics at the interface with the silicon substrate into the interface has been proposed.
[0005]
However, this method has a big problem. This is because the dielectric constant of the insulating film such as SiO 2 inserted to improve the interface characteristics (hereinafter referred to as the interface buffer layer) is low, so the SiO 2 equivalent film thickness of the entire stack with the metal oxide is reduced. It is impossible to do so. At present, the thinnest SiO 2 film that can be formed on the silicon substrate with the most controlled technique with good reproducibility is about 8 Å. Based on this fact, in principle, an insulating film having a thickness of 8 angstroms or less in terms of SiO 2 cannot be realized by stacking a metal oxide and SiO 2 . Furthermore, there is a fact that the interface buffer layer grows almost without exception in the manufacturing process such as film formation of metal oxide and post-heat treatment, and it is substantially less than 15 angstroms in terms of SiO 2 in the laminated structure of metal oxide and SiO 2 . It is estimated that it is difficult to realize an insulating film.
[0006]
Further, the metal oxide and the interface buffer layer are different materials, and it is considered that many lattice defects are introduced in principle at the interface between them. This is a fatal evil factor that degrades the electrical properties of the gate insulating film.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the manufacturing method in which a high-K material (particularly metal oxide) is laminated with an interface buffer layer such as SiO 2 or SiON to form a gate insulating film, it is considered from the principle side and the manufacturing method side. It was difficult to form an insulating film of 15 angstroms or less in terms of SiO 2 , and it was difficult to maintain good electrical characteristics.
[0008]
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned problems, and its purpose is to maintain the physical thickness of the interface buffer layer for maintaining good interface characteristics with the silicon substrate while maintaining the physical film thickness. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a silicon LSI device having an insulating film with a controllable reduction and an SiO 2 equivalent of 15 angstroms or less.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes a step of forming an insulating film containing at least silicon and oxygen on a silicon substrate, and a composition in which oxygen is less than the stoichiometric composition on the insulating film, titanium, A step of forming a metal oxide containing any one element of zirconium and hafnium, or any element of titanium, zirconium, and hafnium and silicon, and a gate electrode material of 10 nm or more and 200 nm on the insulating film and the metal oxide And a step of redistributing oxygen in the insulating film and the metal oxide by heat-treating the layered structure.
[0011]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the features of the present invention. As shown in FIG. 1, the greatest feature of the present invention is that an insulating film such as SiO 2 is formed as an interface buffer layer on a silicon substrate, and an oxygen buffer is formed above the interface buffer layer rather than the stoichiometric composition. The manufacturing method includes a step of forming a metal oxide having a composition lacking, and a step of applying a heat treatment step after the upper portion is covered with a conductive film such as a gate electrode. By such a manufacturing method, the upper part of the interface buffer layer formed thick in advance is dissociated, and the oxygen generated therein is absorbed by the oxygen-deficient metal oxide to bring the metal oxide back to the stoichiometric composition, The physical film thickness of the interface buffer layer is reduced. The reduction width of the interface buffer layer according to the present invention can be freely controlled by the physical film thickness of the metal oxide and the degree of oxygen deficiency, that is, the oxygen absorption capacity of the metal oxide portion. One of the features of the present invention is that an interface buffer layer having a physical film thickness as thin as possible is formed by a conventional method, and a metal oxide is stacked as statically as possible on the interface buffer layer. Then, the idea is changed in that the interface buffer layer is formed thick in advance and a physical film thickness is reduced by actively incorporating a part of the interface buffer layer into the metal oxide.
[0012]
Schematic diagrams for explaining the characteristics of the conventional method are shown in FIGS. In the conventional method, even when the thinnest 8 angstroms of SiO 2 at the current level is formed, as shown schematically in FIG. 2, in most cases, the interface buffer layer grows during the deposition of the metal oxide. In view of this fact, even if a SiO 2 film thinner than 8 angstroms could be made in the future with good reproducibility, the conventional method would increase the thickness of the interface buffer layer to a level where it could not be used at the time of metal oxide deposition. Turn into.
[0013]
The second feature of the present invention is that the interface buffer layer / metal oxide stack is covered with a gate electrode and then heat-treated. The reason is as follows. In the conventional method, after forming the interface buffer layer as thin as possible and then laminating the metal oxide by a static method as much as possible, annealing for recovering the defects in the film is essential. This annealing is generally performed in a nitrogen atmosphere, but as shown schematically in FIG. 3, very few oxygen atoms contained as impurities in the nitrogen atmosphere reach the silicon substrate and grow the interface buffer layer. The fact of letting it be confirmed.
As a result, the SiO2 equivalent film thickness of this laminated structure is significantly deteriorated. On the other hand, the present invention is characterized in that annealing is performed after a metal oxide is coated on the metal oxide, for example, from the viewpoint of simplification of the process, preferably from a gate electrode material. The conductive film effectively blocks impurity oxygen in the nitrogen atmosphere and completely suppresses the growth of the interface buffer layer. From a certain point of view, it can be said that the buffer layer / oxygen-deficient metal oxide stack is heat-treated by “covering” with the gate electrode, thereby utilizing the oxygen redistribution inside the stack structure. In-film defect recovery performed by a conventional method is performed by redistribution of oxygen that constitutes the interface buffer layer in the present invention.
[0014]
Furthermore, in the present invention, in addition to the matters described above, it can be predicted in principle that an accompanying advantage will occur.
[0015]
The first advantage predicted in principle is that the interface characteristics between the interface buffer layer and the silicon substrate are more likely to be better than the conventional method. The thinning of SiO 2 performed by the conventional method is performed by a technique such as the formation of a very thin SiO 2 film by rapid thermal oxidation or the formation of a surface oxide film by chemical solution treatment. There is no doubt that SiO 2 with a physical thickness of less than 10 angstroms can be realized by these methods, but the feature of such a thin SiO 2 film is not really well understood. Dogma that interfacial characteristics between SiO 2 and Si is good, is for the existing SiO 2 film formed by slowly thermally oxidized in a thermal equilibrium state, SiO 2 film formed by the above specific techniques Does not necessarily hold. On the other hand, in the present invention, normal thermal oxide SiO 2 or SiON film having a known feature is formed in a range that can be controlled by conventional techniques, and then a part of the vicinity of the interface with the metal oxide is consumed to reduce the thickness. Therefore, the conventional quality is definitely maintained for the interface characteristics with the silicon substrate. FIG. 4 schematically shows the contents described above.
[0016]
A second attendant advantage of the present invention is that the interface between the metal oxide and the interface buffer layer is structurally stabilized. In the description so far, it has been described that a part of the interface buffer layer is dissociated at the interface with the metal oxide. It should not be forgotten that the oxygen generated at this time is sucked into the metal oxide and that silicon atoms are also generated in addition to oxygen. It is predicted that the generated silicon atoms will diffuse toward the remetal oxide side with the concentration gradient as a driving force. Oxygen atoms spread throughout the metal oxide because of its large diffusion constant, but silicon atoms cannot be freely diffused because of its relatively large atomic radius, and the local distribution is located below the metal oxide (on the interface buffer layer side). To do. Under the conditions of the production method defined in the present invention, silicon atoms in the metal oxide are expected to be bonded to oxygen and exhibit an oxidation state. Although the added silicon atoms slightly reduce the relative permittivity of the metal oxide, the distribution is localized and the amount of diffusion itself is very small compared to the volume of the entire metal oxide. The influence on the SiO 2 equivalent film thickness of the entire insulating film need not be considered. Rather, the presence of a region in which the metal oxide and the silicon oxide are mixed at the interface between the metal oxide and the interface buffer layer has the effect of relaxing the steepness of the interface atomic structure and reducing the defect density. . The matters described above are schematically shown in FIG.
Subsequently, the feasibility of the present invention will be described. 6 and 7 are cross-sectional TEM photographs demonstrating that the physical film thickness of the interface buffer layer can be reduced by the method of the present invention.
[0017]
FIG. 6 shows the change in interface structure when a sample deposited with polysilicon is annealed at 1000 ° C. after oxygen oxide heat treatment is performed at 600 ° C. for 60 minutes after the zirconium oxide is deposited to reach a sufficient stoichiometric composition. It is a cross-sectional TEM photograph shown. In this case, the physical film thickness of the interface buffer layer is not reduced even by annealing at 1000 ° C. In contrast, FIG. 7 shows that the interface buffer layer (in this case, SiON) is deposited on the silicon substrate, the oxygen-deficient zirconium oxide is deposited thereon, and polysilicon is deposited as the gate electrode by the procedure of the present invention. This is a change in the interface structure when heat-treated at 1000 ° C. later. By applying the concept of the present invention, the physical thickness of the interfacial SiON film was successfully reduced from 15 Å to 10 Å by 1000 ° C. annealing. The difference between FIG. 6 and FIG. 7 is whether or not there is room for oxygen absorption as the initial state of zirconium oxide, and whether or not oxygen redistribution occurs or does not occur due to the difference in the initial condition setting. .
[0018]
FIG. 8 is a capacitance-voltage characteristic of a polysilicon gate / zirconium oxide / SiON / Si structure fabricated according to the present invention. FIG. 9 is a capacitance-voltage characteristic of a gold gate / zirconium oxide / SiON / Si structure according to a conventional method shown for reference. First, the results of the conventional method shown in FIG. 9 will be described. In this structure, a large hysteresis characteristic is generated due to lattice defects at the interface between the zirconium oxide and the SiON. It can be seen that there is a lot of density. On the other hand, according to the method of the present invention, the hysteresis characteristic disappears completely as shown in FIG. 8, and the interface state density has reached a practical level from the shape of the CV curve. Understand. This suggests that the laminated insulating film structure obtained by the manufacturing method of the present invention has an ideal structure containing almost no lattice defects.
[0019]
In the present invention, it is desirable that the metal element constituting the metal oxide contains titanium, zirconium, hafnium, and silicon in addition to these metal elements. This is because these elements are thermally stable and are most suitable for the production method proposed in the present invention.
[0020]
As described above, according to the method for manufacturing a metal oxide / interface buffer layer stacked gate insulating film of the present invention, it is possible to manufacture a stacked insulating film having a thinner SiO 2 equivalent film thickness than the conventional one with good controllability. Become. In addition, there are incidental advantages such as stabilization of the structure of the metal oxide / interface buffer layer interface and improvement of electrical characteristics of the interface buffer layer / silicon substrate interface. This can be obtained only by the method of manufacturing the laminated insulating film structure proposed in the present invention.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor) using the present invention and a manufacturing method thereof will be described with reference to the drawings.
[0022]
FIG. 10 shows a cross-sectional structure of the MISFET of this example.
[0023]
As shown in the figure, a MIS structure composed of a stack of a
[0024]
Next, a manufacturing method of the MISFET according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0025]
A
[0026]
As a method for forming the interface buffer layer, a known method may be used, and thermal oxidation, thermal oxynitridation, plasma oxidation, plasma oxynitridation, thermal oxidation plus plasma nitridation, or the like can be used. Further, metal elements such as titanium, zirconium, hafnium, etc. may be mixed in SiO 2 or SiON. The concentration of the metal element is desirably 10 atomic% or less, because when the concentration is higher than this, the interface characteristics are significantly deteriorated. FIG. 11 shows a cross-sectional structure of the element in this state. The thickness of the interface buffer layer (initial state) is preferably in the range of 3 angstroms to 15 angstroms. The reason for limiting the physical film thickness range of the interface buffer layer (initial state) as described above is that, as will be described later, the minimum physical film thickness of the interface buffer layer (final state) is 3 angstroms and the maximum physical film thickness is 15 angstroms. It is to do.
[0027]
Thereafter, a
[0028]
As a metal oxide film having a composition in which oxygen is insufficient compared to the stoichiometric composition, an oxide of any element of titanium, zirconium, or hafnium, or an oxide containing any element of titanium, zirconium, or hafnium and silicon, That is, a silicate of any element of titanium, zirconium, and hafnium can be given. In any compound, it is desirable that oxygen is deficient in the range of 0 <x <= 40 atomic% or less, where x is the percentage of deficient oxygen, from the stoichiometric composition. The reason why 0 <x is that even if the metal oxide is slightly oxygen deficient, the effects such as reduction of the interface film thickness and reduction of interface defects described in the present invention can be obtained, while oxygen deficiency This is because when the degree is 40 atomic% or less, a stable structure is maintained and oxygen is better absorbed from the lower interface film.
[0029]
Subsequently, a
[0030]
Further, the structure of FIG. 13 is heat-treated to obtain the structure of FIG. Here, as an example, polysilicon is used for the gate electrode, and the heat treatment is performed at a temperature increase rate of 100 ° C./sec, 1000 ° C., and in a nitrogen atmosphere for 20 seconds. By this heat treatment, the upper portion of the interface buffer layer (initial state) 10 is reduced, and the generated oxygen is compensated for in the oxygen-deficient composition
[0031]
Subsequent processing of the gate electrode, formation of the
The gate insulating film after the heat treatment has an interface buffer layer of 0.3 nm to 1.5 nm.
Hereinafter, when the metal oxide layer has a laminated structure in the range of 1.5 nm or more and 3 nm or less, the SiO 2 equivalent film thickness can be kept low.
[0032]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, while maintaining the substantial presence of the interface buffer layer for maintaining good interface characteristics with the silicon substrate, the physical film thickness is reduced with good controllability, and SiO 2 It is possible to obtain a silicon LSI device having an insulating film with a conversion of 15 angstroms or less.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating the characteristics of a method for manufacturing a gate insulating film according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing problems in the conventional method.
FIG. 3 is a schematic diagram showing problems in the conventional method.
FIG. 4 is a schematic diagram showing an improvement over the conventional method of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing an improvement over the conventional method of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional TEM photograph showing the change of the interface buffer layer during heat treatment in the conventional method.
FIG. 7 is a cross-sectional TEM photograph showing the change of the interface buffer layer during heat treatment in the present invention.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing capacitance-voltage characteristics showing improvement of electrical characteristics in the present invention.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing capacitance-voltage characteristics indicating deterioration of electrical characteristics in a conventional method.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of a MISFET in the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of a MISFET in the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of a MISFET in the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of a MISFET in the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing an example of a manufacturing process of a MISFET in the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
7 ...
11 ... Oxygen-deficient metal nitride
Claims (2)
前記絶縁膜上に、酸素が化学量論組成よりも不足した組成を持ち、チタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかの元素、又は、チタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかの元素及びシリコンを含む金属酸化物を形成する工程と、
前記絶縁膜および前記金属酸化物上に、ゲート電極材料を10nm以上200nm未満堆積させ、積層構造を形成する工程と、
前記積層構造を熱処理することにより、前記絶縁膜および前記金属酸化物にて酸素を再分布させる工程と、
を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming an insulating film containing at least silicon and oxygen on a silicon substrate;
On the insulating film, oxygen is Chi lifting a composition that is insufficient than the stoichiometric composition of titanium, zirconium, any element hafnium or metal oxide containing titanium, zirconium, one of the elements and silicon hafnium Forming a product,
A step of depositing a gate electrode material of 10 nm or more and less than 200 nm on the insulating film and the metal oxide to form a stacked structure ;
By annealing the laminated structure, a step of re-distribution of oxygen in the insulating film and the metal oxide,
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