JP3665766B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電界効果トランジスターにおいては、微細化につれそのゲート長が短縮されることによって、短チャネル効果等さまざまな問題が生じている。例えば、ゲート絶縁膜に酸化シリコンを用いる場合、駆動力を向上するためには薄膜化が必要となる。しかしながらゲート絶縁膜の物理膜厚が薄くなるとトンネル電流が流れるようになり、特にオフ時のリーク電流として問題となる。
【0003】
そこでゲート絶縁膜として酸化シリコンより誘電率の高い高誘電率材料を用いることで、物理膜厚を厚くしても駆動力を高める方法が期待されている。
【0004】
そのひとつとしてSiO2膜中に様々な元素を混入して誘電率を高める手法がある。この方法では、半導体基板とゲート絶縁膜の界面部分に、元素が混入し難く、ゲート絶縁膜中に元素濃度が低い層が存在する問題がある。元素濃度が低いこの層は、誘電率が他の領域よりも低く、キャパシタの直列接合と等価となり、ゲート絶縁膜の実効誘電率が界面低誘電率層の増大とともに急激に低下する問題となる。
【0005】
そこでスパッタ法等により、SiO2膜中に混有させる元素の濃度を高めることがなされてきたが、今度は混入する元素がSiO2膜中で析出して微結晶化してしまうという問題が生じた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、混入元素が析出して微結晶化することがなくかつ、半導体基板とゲート絶縁膜の界面部分に、元素濃度が低い層を生じないゲート絶縁膜を具備する半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたアモルファスSi 1−y Zr y O 2 (0.1≦y≦1)からなる第1のゲート絶縁膜と、
前記第1のゲート絶縁膜上に形成されたアモルファスSi 1−x Zr x O 2 (0<x≦0.5かつx<y)からなる第2のゲート絶縁膜と、
前記第2のゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを具備することを特徴とする半導体装置を提供する。
【0008】
このとき、前記第1のゲート絶縁膜において、Zrの組成yの値が前記基板側から膜厚方向に連続的に減少してもよい。
【0010】
また、本発明は、シリコン基板上に、Zrからなる薄膜を形成する工程と、
前記Zrからなる薄膜上に、アモルファスSi 1−x Zr x O 2 (0<x≦0.5)からなる第2のゲート絶縁膜を形成することで、前記シリコン基板及び前記第2のゲート絶縁膜との間にアモルファスSi 1−y Zr y O 2 (0.1≦y≦1かつx<y)からなる第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜上にゲート電極を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【0011】
このとき、前記薄膜を、スパッタガスに純度97%以上のNg(NgはAr、Kr、Xe、Ne、Heのいずれか一種類以上から選ばれる希ガス)ガスを用いて形成し、
前記第2の絶縁膜を、スパッタガスにNg(NgはAr、Kr、Xe、Ne、Heのいずれか一種類以上から選ばれる希ガス)ガス及び前記Ngガスに対する混合比率pが0%<p<0.13%である酸化ガスとの混合気体を用いることで形成することが好ましい。
【0012】
また、前記薄膜を、ZrHa z (zは、1≦z≦8を満たす整数 HaはF、Cl、Br、I のいずれか一種類以上から選ばれるハロゲン)ガス及びSiHu (uは、1≦u≦8を満たす整数 HaはF、Cl、Br、Iのいずれか一種類以上から選ばれるハロゲン)を用いて形成し、
前記第2のゲート絶縁膜を、ZrHm w (wは、1≦w≦8を満たす整数 HmはOtBu、OiPr、ジピバロイルメタナト配位子(C 11 H 19 O 2 )、Ot−Am、 2,2,6,6−テトラメチル−3,5−オクタンジオナト配位子(C 12 H 32 O 2 )、ジイソブチリルメタナト配位子(C9H15O2)、TEOS、METHDのいずれか一種類以上から選ばれる)及びSiHmv(vは、1≦v≦8を満たす整数 HmはOtBu、OiPr、ジピバロイルメタナト配位子(C11H19O2)、Ot−Am、2,2,6,6−テトラメチル−3,5−オクタンジオナト配位子(C12H21O2)、ジイソブチリルメタナト配位子(C9H15O2)、TEOSのいずれか一種類以上から選ばれる)を用いて形成することが好ましい。
【0013】
また、前記Zrからなる薄膜は0.33モノレイヤーから2.0モノレイヤーの範囲にあることが好ましい。
【0014】
また、シリコン基板上にアモルファスSi 1−y Zr y O 2 (0.1≦y≦1)からなる第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第1のゲート絶縁膜上にアモルファスSi 1−x Zr x O 2 (0<x≦0.5かつx<y)からなる第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第2のゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置を提供する。
【0015】
このとき、前記第1のゲート絶縁膜及び前記第2の絶縁膜を、ZrHm w (wは、1≦w≦8を満たす整数 HmはOtBu、OiPr、ジピバロイルメタナト配位子(C 11 H 19 O 2 )、Ot−Am、 2,2,6,6−テトラメチル−3,5−オクタンジオナト配位子(C12H32O2)、ジイソブチリルメタナト配位子(C9H15O2)、TEOS、METHDのいずれか一種類以上から選ばれる)及びSiHmv(vは、1≦v≦8を満たす整数 HmはOtBu、OiPr、ジピバロイルメタナト配位子(C11H19O2)、Ot−Am、2,2,6,6−テトラメチル−3,5−オクタンジオナト配位子(C12H21O2)、ジイソブチリルメタナト配位子(C9H15O2)、TEOSのいずれか一種類以上から選ばれる)を用いて形成することが好ましい。
【0016】
また、前記第1のゲート絶縁膜及び前記第2のゲート絶縁膜を、ターゲット面と基板面とのなす角が60度から120度の範囲にあるようなスパッタ装置を用いて形成することが好ましい。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を示しながら発明の実施の形態を示す。
【0018】
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る半導体装置の断面図である。
【0019】
この半導体装置は、シリコン等からなる半導体基板14と、この半導体基板14上に形成された第1のゲート絶縁膜13とを具備している。このゲート絶縁膜13は、アモルファスSi 1−y Zr y O 2 (0.1≦y≦1)からなる。
【0020】
また、第1のゲート絶縁膜13上には、第2のゲート絶縁膜12が形成されている。この第2のゲート絶縁膜12は、アモルファスSi 1−x Zr x O 2 (0<x≦0.5かつx<y)からなる。
【0021】
第2のゲート絶縁膜12上には、ゲート電極11が形成されている。ゲート電極11としては、タングステン等の高融点金属を用いることができる。
【0022】
この半導体装置では、ゲート絶縁膜として、下層に金属組成比が高い金属シリケードを形成し、上層にこれより金属組成比が低い金属シリケードを形成している。このように形成することゲート絶縁膜中に含有されている金属が析出することを防ぎつつ、なおかつゲート絶縁膜の誘電率を高くすることが可能となる。
【0023】
このような効果は、下層としてアモルファスSi 1−y Zr y O 2 (0.1≦y≦1)を形成し、上層として、アモルファスSi 1−x Zr x O 2 (0<x≦0.5かつx<y)を選択することで顕著となる。
【0024】
図6は、ジルコニウムシリケートについて、ジルコニウムの含有量と温度との関係を示した相図である。
【0025】
図6に示すように、ジルコニウムシリケートの場合、ジルコニウム濃度が0%から70%へ高くなるほど混合状態の不安定性が高くなる。これはZrO 2 とSiO2の混合物はスピノーダル不安定性を有するためである。また、アモルファス状態を示すZr x Si 1−x O 2 シリケートは準安定状態にすぎない。
【0026】
また、図6に示すように、ジルコニウム濃度が70%から100%へとさらに高くなると、ZrO2の核形成に引き続いてZrSiO4の包晶を発生するために、このジルコニウム濃度におけるアモルファス状態を示すZr x Si 1−x O 2 シリケートは、ジルコニウム濃度がより低い場合よりもさらに不安定な状態にある。
【0027】
したがって現実的な熱処理時間において準安定なアモルファス状態を保つためには、ジルコニウムの混合量は40重量%以下、すなわちジルコニウムの組成は0.4以下であることが望ましい。
【0028】
このことから、図1に示す半導体装置では、ゲート絶縁膜の大部分を占める第2の金属シリケート膜12において、金属が析出しないためには、金属組成xが0<x≦0.4であることが望ましいことが分かる。
【0029】
次に、図7に、ジルコニウムシリケートの誘電率とジルコニウム組成の関係を示す。
【0030】
図7に示すように、ジルコニウムシリケートの誘電率は、ジルコニウムの金属組成が0.4に達するまでに急激に上昇することが分かる。
【0031】
図1に示す半導体装置における第1の金属シリケート膜13のように、高々2モノレイヤー程度の膜厚では、バルクの相図である図6は適用されず、金属組成が0.4を越えても安定化する。さらに高々2モノレイヤー程度の膜厚部分がアモルファスではなくても、シリケート膜全体の誘電率にはほとんど影響が無い上に、ゲートチャネル領域の電気特性に与える影響も軽微である。
【0032】
以上のことを考慮すると、下層に位置する極めて薄い第1の金属シリケート膜13の金属組成比yに対する上限は、数学的な上限値である1となる。一方、図7に示すように、第1の金属シリケート膜13の金属組成比yが0.1未満であれば十分な誘電率が得られない。したがって第1の金属シリケート膜13の金属組成yは0.1≦y≦1であることが望ましい。
【0033】
次に、この半導体装置の製造方法について説明する。
【0034】
先ず、オフアクシス配置のスパッタ法によって基板温度500℃、Ar雰囲気のみで、Si(シリコン)基板14上にZr(ジルコニウム)膜を約1モノレイヤー成膜する。オフアクシス装置とは、成長基板に対して斜め方向からスパッタ原料を供給するものである。なお、成長基板面に対して平行にスパッタ原料を供給してもよい。また、この薄膜形成工程では、Si基板14の表面は還元される。
【0035】
次に、Ar雰囲気のみでZr膜上に、SiZrO2膜12を厚さ約10nm成膜する。このときのZr膜の表面は酸化される。この工程によりSiZrO2膜12よりZr濃度の高いSiZrO2膜13が、Si基板14の界面に形成される。
【0036】
次に、Zr濃度が低いSiZrO2膜13上に、蒸着法等によりタングステン等の金属電極11を形成する。
【0037】
本実施形態の製造方法において、前記薄膜を、スパッタガスに純度97%以上のNg(NgはAr、Kr、Xe、Ne、Heのいずれか一種類以上から選ばれる希ガス)ガスを用いて形成し、前記第2の絶縁膜を、スパッタガスにNg(NgはAr、Kr、Xe、Ne、Heのいずれか一種類以上から選ばれる希ガス)ガス及び前記Ngガスに対する混合比率pが0%<p<0.13%である酸化ガスとの混合気体を用いることで形成することができる。
【0038】
次に、この半導体装置の断面TEM写真を図2に示す。
【0039】
図2の結果では、ゲート絶縁膜12とシリコン基板14との間に極めて薄いがゲート絶縁膜13が形成されているのが見える。
【0040】
図3に、図2に示す基板断面のTEM−EDXの結果を示す。
【0041】
図3に示すように、深さ10nmから12nm付近、すなわちZrSiO2膜12(図2)で相対的にZr濃度が高く、深さ4nmから10nm付近、すなわちZrSiO2膜13(図2)でZr濃度が低くなっていることが分かる。ただし図3に示す濃度分布の測定結果では、膜厚方向の分解能が約3nm程度なので、1モノレイヤー程度の層は分解能以下となり、濃度分布の明瞭な段差は観測されていない。
【0042】
しかしながら空間分解能が低いので、ZrSiO2膜12のSi基板23界面側に、Si基板23からのSi濃度が高い領域が観測されるべきである。これにも関わらず、実際の図3に示す結果はSi濃度が逆に低くなっている。したがってSi基板23界面側にZr濃度の高いZrSiO2薄膜ができていると考えられる。
【0043】
このような製造方法を採用したことにより、Si基板とゲート絶縁膜との界面にSiO2のような低誘電率の層が形成されず、高誘電率のZrSiO2層が形成されるので、同じ膜厚でも実効誘電率の高いゲート絶縁膜を形成することができる。
【0044】
図4に、比較例として、Si基板34上にZrSiO2膜を直接蒸着して形成し、この上にゲート電極31を形成した半導体装置の断面図を示す。
【0045】
図4に示すように、比較例の方法では、Si基板34とZrSiO2膜32との界面にSiO2層33の薄い層が形成されていることが分かる。
【0046】
この薄いSiO2層33は、誘電率が低く、ゲート絶縁膜全体の誘電率を低下させてしまう問題がある。
【0047】
本発明では、このような誘電率の低い薄膜は形成されず、ゲート絶縁膜の高誘電率化を実現できる。
【0048】
(実施形態2)
本実施形態では、Zr濃度の高い第1のゲート絶縁膜がSi基板側から膜厚方向に、Zr濃度が連続的に減少する構造を採用したものである。
【0049】
図5に示すように、この半導体装置は、Si基板53上に、第1のZrSiO2ゲート絶縁膜54が形成されている。この上に第2のZrSiO2ゲート絶縁膜52が形成されている。この上にタングステン等のゲート電極51が形成されている。
【0050】
第1のゲート絶縁膜54のZr濃度は、第2のゲート絶縁膜52よりも高く、かつSi基板53の界面から膜厚方向に連続的に減少している。その他のZr濃度は実施形態1と同様である。このような構造でも本発明の効果がある。
【0051】
(実施形態3)
次に、本発明における半導体装置の別の製造方法について説明する。
【0052】
先ず、Si基板をフッ酸によって下処理を行い、表面の自然SiO2膜を剥離する。その後Si基板を硫酸と過酸化水素の混合溶液に浸し、炭素系汚染物質を除去する。次に、このSi基板を水中におき、水素終端を行う。
【0053】
このような処理を行ったSi基板を速やかにCVD装置内に導入し、装置内を真空にする。
【0054】
次に、CVD装置内では、成膜温度800℃でSi基板上にZr薄膜を1モノレイヤー成膜する。原料ガスとしてZrCl4ガス、キャリアガスとしてArとH2の混合ガスを用いる。Si基板上のZr膜が1モノレイヤー成長後、原料ガスを遮断する。この工程によりSi基板の表面は還元される。
【0055】
その後ArとH2の混合ガスであるキャリアガスを十分流し、CVD装置内の残留原料ガスを十分に排気する。次に、キャリアガスを遮断して装置内を十分な真空度に保つ。
【0056】
次に、CDV装置内にZr(t−OBu)4−TEOS−O2ガスを導入し、成長温度550℃にてZr:Si=20:80の割合のジルコニウムシリケートを成膜する。この工程により、1モノレイヤーの厚さで成膜されたZr膜が酸化されてSi基板のシリコンと混合し、シリコン基板の界面にSi0.7Si0.3SiO2からなる第1のゲート絶縁膜が形成される。この第1のゲート絶縁層上にはSi0.8Zr0.2Si2からなる第2のゲート絶縁膜が形成される。
【0057】
次に、この第2のゲート絶縁膜上に、タングステン等の高融点金属からなるゲート絶縁膜を形成する。
【0058】
この後の工程は通常のMOS工程によりソース領域及びドレイン領域を形成することによって、本実施形態の半導体装置を形成できる。
【0059】
また、本実施形態では、前記薄膜を、ZrHa z (zは、1≦z≦8を満たす整数 HaはF、Cl、Br、I のいずれか一種類以上から選ばれるハロゲン)ガス及びSiHu (uは、1≦u≦8を満たす整数 HaはF、Cl、Br、Iのいずれか一種類以上から選ばれるハロゲン)を用いて形成することができる。
【0060】
また、本実施形態では、第2のゲート絶縁膜を、ZrHm w (wは、1≦w≦8を満たす整数 HmはOtBu、OiPr、ジピバロイルメタナト配位子(C 11 H 19 O 2 )、Ot−Am、 2,2,6,6−テトラメチル−3,5−オクタンジオナト配位子(C12H32O2)、ジイソブチリルメタナト配位子(C9H15O2)、TEOS、METHDのいずれか一種類以上から選ばれる)及びSiHmv(vは、1≦v≦8を満たす整数 HmはOtBu、OiPr、ジピバロイルメタナト配位子(C11H19O2)、Ot−Am、2,2,6,6−テトラメチル−3,5−オクタンジオナト配位子(C12H21O2)、ジイソブチリルメタナト配位子(C9H15O2)、TEOSのいずれか一種類以上から選ばれる)を用いて形成することができる。
【0061】
また、前記Zrからなる薄膜は、Zrの濃度が高いシリケードを確実に形成するためには、0.33モノレイヤーから2.0モノレイヤーであることが好ましい。
【0062】
【発明の効果】
本発明は、半導体基板とゲート絶縁膜の界面部分に、混入元素の濃度を高めた層を作製することでゲート絶縁膜の実効誘電率を高め、ゲート絶縁膜として必要な物理膜厚を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態1に係る半導体装置の断面図。
【図2】 本発明の実施形態1に係る半導体装置の断面図。
【図3】 本発明の実施形態1に係る半導体装置の厚み方向のZr、Si、O各元素の濃度変化を示す図。
【図4】 比較例の半導体装置の断面図。
【図5】 本発明の実施形態2に係る半導体装置の断面図。
【図6】 ジルコニウムシリケートについて、ジルコニウムの含有量と温度との関係を示した相図。
【図7】 ジルコニウムシリケートの誘電率とジルコニウム組成の関係を示す図。
【符号の説明】
11・・・ゲート電極
12・・・Si 1−x Zr x O 2 膜
13・・・Si 1−y Zr y O 2 膜
14・・・半導体基板
31・・・ゲート電極
32・・・Si0.8Zr0.2膜
33・・・SiO2膜
34・・・シリコン基板
51・・・ゲート電極
52・・・Si 1−x Zr x O 2 膜
53・・・半導体基板
54・・・第1のゲート絶縁膜
52・・・第2のゲート絶縁膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In a field effect transistor, various problems such as a short channel effect are caused by a reduction in gate length as the size is reduced. For example, when silicon oxide is used for the gate insulating film, it is necessary to reduce the thickness in order to improve driving force. However, when the physical film thickness of the gate insulating film is reduced, a tunnel current flows, which becomes a problem particularly as a leakage current at the time of OFF.
[0003]
Therefore, a method for increasing the driving force even when the physical film thickness is increased is expected by using a high dielectric constant material having a dielectric constant higher than that of silicon oxide as the gate insulating film.
[0004]
As one of them, there is a technique for increasing the dielectric constant by mixing various elements in the SiO 2 film. In this method, there is a problem that an element is hardly mixed in an interface portion between the semiconductor substrate and the gate insulating film, and a layer having a low element concentration exists in the gate insulating film. This layer having a low element concentration has a lower dielectric constant than other regions, and is equivalent to a series junction of capacitors. This causes a problem that the effective dielectric constant of the gate insulating film rapidly decreases as the interface low dielectric constant layer increases.
[0005]
By Therefore sputtering, but is possible to increase the concentration of the element to be混有in the SiO 2 film have been made, this time contaminating elements occur a problem that fine crystallized precipitates with SiO 2 film .
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and does not cause the mixed elements to precipitate and microcrystallize, and a layer having a low element concentration is formed at the interface between the semiconductor substrate and the gate insulating film. An object of the present invention is to provide a semiconductor device including a non-gate insulating film and a method for manufacturing the same.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor substrate,
A first gate insulating film made of amorphous Si 1-y Zr y O 2 (0.1 ≦ y ≦ 1) formed on the semiconductor substrate;
A second gate insulating film made of amorphous Si 1-x Zr x O 2 (0 <x ≦ 0.5 and x <y) formed on the first gate insulating film;
There is provided a semiconductor device comprising a gate electrode formed on the second gate insulating film.
[0008]
At this time, in the first gate insulating film, the value of the composition y of Zr may continuously decrease in the film thickness direction from the substrate side.
[0010]
The present invention also includes a step of forming a thin film made of Zr on a silicon substrate,
By forming a second gate insulating film made of amorphous Si 1-x Zr x O 2 (0 <x ≦ 0.5) on the thin film made of Zr , the silicon substrate and the second gate insulating film are formed. Forming a first gate insulating film made of amorphous Si 1-y Zr y O 2 (0.1 ≦ y ≦ 1 and x <y) between the films ;
And a step of forming a gate electrode on the second insulating film. A method of manufacturing a semiconductor device is provided.
[0011]
At this time, the thin film is formed using a sputtering gas of Ng having a purity of 97% or more (Ng is a rare gas selected from Ar, Kr, Xe, Ne, and He).
The second insulating film is formed by using a sputtering gas of Ng (Ng is a rare gas selected from at least one of Ar, Kr, Xe, Ne, and He) gas and a mixing ratio p of the Ng gas of 0% <p. It is preferably formed by using a mixed gas with an oxidizing gas of <0.13%.
[0012]
Further, the thin film is made of ZrHa z (z is an integer satisfying 1 ≦ z ≦ 8, Ha is F, Cl, Br, I A halogen selected from one or more of the above) and SiH u (u is an integer satisfying 1 ≦ u ≦ 8, Ha is a halogen selected from one or more of F, Cl, Br, or I). Forming,
ZrHm w (w is an integer satisfying 1 ≦ w ≦ 8) Hm is OtBu, OiPr, dipivaloylmethanato ligand (C 11 H 19 O 2 ), Ot-Am, 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-octanedionato ligand (C 12 H 32 O 2) , diisobutyryl isocyanatomethyl ligand (C 9 H 15 O 2) , TEOS, the METHD Any one or more) and SiHm v (v is an integer satisfying 1 ≦ v ≦ 8) Hm is OtBu, OiPr, dipivaloylmethanato ligand (C 11 H 19 O 2 ), Ot-Am , 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-octanedionato ligand (C 12 H 21 O 2) , diisobutyryl isocyanatomethyl ligand (C 9 H 15 O 2) , any TEOS It is preferable to use one or more types.
[0013]
The thin film made of Zr is preferably in the range of 0.33 monolayer to 2.0 monolayer.
[0014]
A step of forming a first gate insulating film made of amorphous Si 1-y Zr y O 2 (0.1 ≦ y ≦ 1) on a silicon substrate;
Forming a second gate insulating film made of amorphous Si 1-x Zr x O 2 (0 <x ≦ 0.5 and x <y) on the first gate insulating film;
And a step of forming a gate electrode on the second gate insulating film.
[0015]
At this time, the first gate insulating film and the second insulating film are made of ZrHm w (w is an integer satisfying 1 ≦ w ≦ 8, Hm is OtBu, OiPr, dipivaloylmethanato ligand (C 11 H 19 O 2 ), Ot-Am, 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-octanedionate ligand (C 12 H 32 O 2 ), diisobutyrylmethanato ligand (C 9 H 15 O 2 ), TEOS, or METHD) and SiHm v (v is an integer satisfying 1 ≦ v ≦ 8) Hm is OtBu, OiPr, dipivaloylmethanato ligand (C 11 H 19 O 2 ), Ot-Am, 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-octanedionate ligand (C 12 H 21 O 2 ), diisobutyrylmethanato ligand (C 9 H 15 O 2), the TEOS Is preferably formed using a chosen) from displacement or one or more.
[0016]
The first gate insulating film and the second gate insulating film are preferably formed using a sputtering apparatus in which an angle formed between the target surface and the substrate surface is in a range of 60 degrees to 120 degrees. .
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to
[0019]
This semiconductor device includes a
[0020]
A second
[0021]
A
[0022]
In this semiconductor device, a metal silicate having a high metal composition ratio is formed as a gate insulating film in the lower layer, and a metal silicate having a lower metal composition ratio is formed in the upper layer. By forming the gate insulating film in this way, it is possible to prevent the metal contained in the gate insulating film from being deposited and to increase the dielectric constant of the gate insulating film.
[0023]
Such effects are obtained by forming amorphous Si 1-y Zr y O 2 (0.1 ≦ y ≦ 1) as a lower layer and amorphous Si 1-x Zr x O 2 (0 <x ≦ 0.5 ) as an upper layer. And it becomes remarkable by selecting x <y) .
[0024]
FIG. 6 is a phase diagram showing the relationship between the zirconium content and the temperature for zirconium silicate.
[0025]
As shown in FIG. 6, in the case of zirconium silicate, the instability of the mixed state increases as the zirconium concentration increases from 0% to 70%. This is because a mixture of ZrO 2 and SiO 2 has spinodal instability. Further, Zr x Si 1-x O 2 silicate indicating an amorphous state is only metastable state.
[0026]
Further, as shown in FIG. 6, when the zirconium concentration is further increased from 70% to 100%, ZrSiO 4 peritectic crystals are generated following the nucleation of ZrO 2 , and thus an amorphous state at this zirconium concentration is shown. Zr x Si 1-x O 2 silicate is in a more unstable state than when the zirconium concentration is lower.
[0027]
Therefore, in order to maintain a metastable amorphous state during a practical heat treatment time, it is desirable that the amount of zirconium mixed is 40% by weight or less, that is, the composition of zirconium is 0.4 or less.
[0028]
Therefore, in the semiconductor device shown in FIG. 1, the metal composition x is 0 <x ≦ 0.4 so that no metal is deposited in the second
[0029]
Next, FIG. 7 shows the relationship between the dielectric constant of zirconium silicate and the zirconium composition.
[0030]
As shown in FIG. 7, it can be seen that the dielectric constant of zirconium silicate rapidly increases until the metal composition of zirconium reaches 0.4.
[0031]
As in the first
[0032]
Considering the above, the upper limit for the metal composition ratio y of the extremely thin first
[0033]
Next, a method for manufacturing this semiconductor device will be described.
[0034]
First, a Zr (zirconium) film of about 1 monolayer is formed on a Si (silicon)
[0035]
Next, a SiZrO 2 film 12 is formed to a thickness of about 10 nm on the Zr film only in an Ar atmosphere. At this time, the surface of the Zr film is oxidized. By this step, a SiZrO 2 film 13 having a higher Zr concentration than the SiZrO 2 film 12 is formed at the interface of the
[0036]
Next, a
[0037]
In the manufacturing method of the present embodiment, the thin film is formed by using Ng gas (Ng is a rare gas selected from one or more of Ar, Kr, Xe, Ne, and He) having a purity of 97% or more as a sputtering gas. The mixing ratio p of the second insulating film with respect to Ng (Ng is a rare gas selected from at least one of Ar, Kr, Xe, Ne, and He) gas and the Ng gas as a sputtering gas is 0%. <P <0.13% can be formed by using a mixed gas with an oxidizing gas.
[0038]
Next, a cross-sectional TEM photograph of this semiconductor device is shown in FIG.
[0039]
In the result of FIG. 2, it can be seen that the
[0040]
FIG. 3 shows a TEM-EDX result of the substrate cross section shown in FIG.
[0041]
As shown in FIG. 3, the Zr concentration is relatively high at a depth of 10 nm to 12 nm, that is, the ZrSiO 2 film 12 (FIG. 2), and the ZrSiO 2 film 13 (FIG. 2) has a Zr concentration of 4 nm to 10 nm. It can be seen that the concentration is low. However, in the measurement result of the concentration distribution shown in FIG. 3, since the resolution in the film thickness direction is about 3 nm, a layer of about 1 monolayer is less than the resolution, and a clear step in the concentration distribution is not observed.
[0042]
However, since the spatial resolution is low, a region where the Si concentration from the Si substrate 23 is high should be observed on the Si substrate 23 interface side of the ZrSiO 2 film 12. Nevertheless, the actual results shown in FIG. 3 show that the Si concentration is low. Therefore, it is considered that a ZrSiO 2 thin film having a high Zr concentration is formed on the interface side of the Si substrate 23.
[0043]
By adopting such a manufacturing method, a low dielectric constant layer such as SiO 2 is not formed at the interface between the Si substrate and the gate insulating film, and a high dielectric constant ZrSiO 2 layer is formed. A gate insulating film having a high effective dielectric constant can be formed even with a film thickness.
[0044]
As a comparative example, FIG. 4 shows a cross-sectional view of a semiconductor device in which a ZrSiO 2 film is directly deposited on a Si substrate 34 and a
[0045]
As shown in FIG. 4, in the method of the comparative example, it can be seen that a thin layer of the SiO 2 layer 33 is formed at the interface between the Si substrate 34 and the ZrSiO 2 film 32.
[0046]
The thin SiO 2 layer 33 has a low dielectric constant, and there is a problem that the dielectric constant of the entire gate insulating film is lowered.
[0047]
In the present invention, such a thin film having a low dielectric constant is not formed, and a high dielectric constant of the gate insulating film can be realized.
[0048]
(Embodiment 2)
In this embodiment, the first gate insulating film having a high Zr concentration employs a structure in which the Zr concentration continuously decreases in the film thickness direction from the Si substrate side.
[0049]
As shown in FIG. 5, in this semiconductor device, a first ZrSiO 2
[0050]
The Zr concentration of the first
[0051]
(Embodiment 3)
Next, another method for manufacturing a semiconductor device in the present invention will be described.
[0052]
First, the Si substrate is pretreated with hydrofluoric acid, and the natural SiO 2 film on the surface is peeled off. Thereafter, the Si substrate is immersed in a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide to remove carbon-based contaminants. Next, this Si substrate is placed in water and hydrogen termination is performed.
[0053]
The Si substrate that has been subjected to such treatment is quickly introduced into the CVD apparatus, and the inside of the apparatus is evacuated.
[0054]
Next, in the CVD apparatus, one monolayer of Zr thin film is formed on the Si substrate at a film forming temperature of 800 ° C. ZrC l4 gas as a material gas, a mixed gas of Ar and H 2 as a carrier gas. After the Zr film on the Si substrate grows one monolayer, the source gas is shut off. By this step, the surface of the Si substrate is reduced.
[0055]
Thereafter, a carrier gas that is a mixed gas of Ar and H 2 is sufficiently flowed to sufficiently exhaust the residual raw material gas in the CVD apparatus. Next, the carrier gas is shut off and the inside of the apparatus is kept at a sufficient degree of vacuum.
[0056]
Next, Zr (t-OBu) 4 -TEOS-O 2 gas is introduced into the CDV apparatus, and a zirconium silicate film having a ratio of Zr: Si = 20: 80 is formed at a growth temperature of 550 ° C. By this step, the Zr film formed with a thickness of one monolayer is oxidized and mixed with silicon of the Si substrate, and the first gate made of Si 0.7 Si 0.3 SiO 2 is formed at the interface of the silicon substrate. An insulating film is formed. A second gate insulating film made of Si 0.8 Zr 0.2 Si 2 is formed on the first gate insulating layer.
[0057]
Next, a gate insulating film made of a refractory metal such as tungsten is formed on the second gate insulating film.
[0058]
In the subsequent processes, the semiconductor device of this embodiment can be formed by forming the source region and the drain region by a normal MOS process.
[0059]
In the present embodiment, the thin film is made of ZrHa z (z is an integer satisfying 1 ≦ z ≦ 8, Ha is F, Cl, Br, I A halogen selected from one or more of the above) and SiH u (u is an integer satisfying 1 ≦ u ≦ 8, Ha is a halogen selected from one or more of F, Cl, Br, or I). Can be formed.
[0060]
In this embodiment, the second gate insulating film is made of ZrHm w (w is an integer satisfying 1 ≦ w ≦ 8, Hm is OtBu, OiPr, dipivaloylmethanato ligand (C 11 H 19 O 2 ), Ot-Am, 2,2,6,6- tetramethyl-3,5-octanedionato ligand (C 12 H 32 O 2) , diisobutyryl isocyanatomethyl ligand (C 9 H 15 O 2 ), TEOS, or METHD) and SiHm v (v is an integer satisfying 1 ≦ v ≦ 8) Hm is OtBu, OiPr, a dipivaloylmethanato ligand (C 11 H 19 O 2), Ot-Am, 2,2,6,6- tetramethyl-3,5-octanedionato ligand (C 12 H 21 O 2) , diisobutyryl isocyanatomethyl ligand (C 9 H 15 O 2), one of the TEOS kind It can be formed using the chosen) from above.
[0061]
The Zr thin film is preferably from 0.33 monolayer to 2.0 monolayer in order to reliably form a silicate with a high Zr concentration.
[0062]
【The invention's effect】
The present invention increases the effective dielectric constant of the gate insulating film by reducing the physical film thickness necessary for the gate insulating film by producing a layer with an increased concentration of mixed elements at the interface between the semiconductor substrate and the gate insulating film. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to
FIG. 2 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing changes in the concentration of each element of Zr, Si, and O in the thickness direction of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a semiconductor device of a comparative example.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a semiconductor device according to
FIG. 6 is a phase diagram showing the relationship between the zirconium content and temperature for zirconium silicate.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the dielectric constant of zirconium silicate and the zirconium composition.
[Explanation of symbols]
11 ... gate electrode 12 ··· Si 1-x Zr x O 2 film 13 ··· Si 1-y Zr y O 2
Claims (9)
前記半導体基板上に形成されたアモルファスSi Amorphous Si formed on the semiconductor substrate 1−y1-y ZrZr yy OO 22 (0.1≦y≦1)からなる第1のゲート絶縁膜と、A first gate insulating film made of (0.1 ≦ y ≦ 1);
前記第1のゲート絶縁膜上に形成されたアモルファスSi Amorphous Si formed on the first gate insulating film 1−x1-x ZrZr xx OO 22 (0<x≦0.5かつx<y)からなる第2のゲート絶縁膜と、A second gate insulating film made of (0 <x ≦ 0.5 and x <y);
前記第2のゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを具備することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device comprising: a gate electrode formed on the second gate insulating film.
前記Zrからなる薄膜上に、アモルファスSi On the thin film made of Zr, amorphous Si 1−x1-x ZrZr xx OO 22 (0<x≦0.5)からなる第2のゲート絶縁膜を形成することで、前記シリコン基板及び前記第2のゲート絶縁膜との間にアモルファスSiBy forming a second gate insulating film made of (0 <x ≦ 0.5), amorphous Si is formed between the silicon substrate and the second gate insulating film. 1−y1-y ZrZr yy OO 22 (0.1≦y≦1かつx<y)からなる第1のゲート絶縁膜を形成する工程と、Forming a first gate insulating film made of (0.1 ≦ y ≦ 1 and x <y);
前記第2の絶縁膜上にゲート電極を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。 And a step of forming a gate electrode on the second insulating film.
前記第2の絶縁膜を、スパッタガスにNg(NgはAr、Kr、Xe、Ne、Heのいずれか一種類以上から選ばれる希ガス)ガス及び前記Ngガスに対する混合比率pが0%<p<0.13%である酸化ガスとの混合気体を用いることで形成することを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。The thin film is formed using Ng (Ng is a rare gas selected from one or more of Ar, Kr, Xe, Ne, and He) gas having a purity of 97% or more as a sputtering gas,
The mixing ratio p of the second insulating film with respect to Ng (Ng is a rare gas selected from one or more of Ar, Kr, Xe, Ne, and He) gas and the Ng gas is 0% <p. 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the semiconductor device is formed by using a gas mixture with an oxidizing gas of <0.13%.
前記第2のゲート絶縁膜を、ZrHm The second gate insulating film is made of ZrHm ww (wは、1≦w≦8を満たす整数 HmはOtBu、OiPr、ジピバロイルメタナト配位子(C(W is an integer satisfying 1 ≦ w ≦ 8. Hm is OtBu, OiPr, dipivaloylmethanato ligand (C 1111 HH 1919 OO 22 )、Ot−Am、), Ot-Am, 2,2,6,6−テトラメチル−3,5−オクタンジオナト配位子(C2,2,6,6-tetramethyl-3,5-octanedionate ligand (C 1212 HH 3232 OO 22 )、ジイソブチリルメタナト配位子(C), Diisobutyrylmethanato ligand (C 99 HH 1515 OO 22 )、TEOS、METHDのいずれか一種類以上から選ばれる)及びSiHm), TEOS, or METHD) or SiHm vv (vは、1≦v≦8を満たす整数 HmはOtBu、OiPr、ジピバロイルメタナト配位子(C(V is an integer satisfying 1 ≦ v ≦ 8. Hm is OtBu, OiPr, dipivaloylmethanato ligand (C 1111 HH 1919 OO 22 )、Ot−Am、2,2,6,6−テトラメチル−3,5−オクタンジオナト配位子(C), Ot-Am, 2,2,6,6-tetramethyl-3,5-octanedionate ligand (C 1212 HH 2121 OO 22 )、ジイソブチリルメタナト配位子(C), Diisobutyrylmethanato ligand (C 99 HH 1515 OO 22 )、TEOSのいずれか一種類以上から選ばれる)を用いて形成することを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方法。4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the semiconductor device is formed using at least one of TEOS).
前記第1のゲート絶縁膜上にアモルファスSi Amorphous Si is formed on the first gate insulating film. 1−x1-x ZrZr xx OO 22 (0<x≦0.5かつx<y)からなる第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、Forming a second gate insulating film (0 <x ≦ 0.5 and x <y);
前記第2のゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程とを具備することを特徴とする And a step of forming a gate electrode on the second gate insulating film. 半導体装置の製造方法。A method for manufacturing a semiconductor device.
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