JP3696196B2 - Semiconductor device - Google Patents

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という関係を満たすことを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、シリコン基板上にＭＩＳ型電界効果トランジスタが形成された半導体装置であって、前記ＭＩＳ型電界効果トランジスタのゲート絶縁膜は、金属・シリコン・酸素・窒素を主成分とする誘電体からなり、該誘電体中の金属の主成分がハフニウム，アルミニウム，若しくはそれらの混合物であり、前記誘電体の膜厚方向の各位置における膜組成を（ＨｆＯ₂）_{p ’}（Ａｌ₂Ｏ₃）_{q ’}（ＳｉＯ₂）_{r ’}（Ｓｉ₃Ｎ₄）_{s ’}と表すとき、（p’+q’）≧（r’+s’）となる位置が存在し、かつ前記位置よりもシリコン基板側に（p’+q’）＜（r’+s’）となる位置が存在し、さらに前記誘電体の膜全体としての組成を（ＨｆＯ₂）_p（Ａｌ₂Ｏ₃）_q（ＳｉＯ₂）_r（Ｓｉ₃Ｎ₄）_s と表示し、またα＝２×１０¹¹ｃｍ^-2，β＝３×１０¹¹ｃｍ^-2，γ＝６×１０¹¹ｃｍ^-2，δ＝１×１０¹¹ｃｍ^-2としたとき、０≦ｚ≦１，０≦ｘ≦１の範囲の値をとるｚ＝ｐ／（ｐ＋ｑ），ｘ＝ｒ／（ｒ＋ｓ）が
【数５】

という関係を満たすことを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、シリコン基板上にＭＩＳ型電界効果トランジスタが形成された半導体装置であって、前記ＭＩＳ型電界効果トランジスタのゲート絶縁膜は、金属・シリコン・酸素・窒素を主成分とする誘電体からなり、該誘電体中の金属の主成分がハフニウム，アルミニウム，若しくはそれらの混合物であり、前記誘電体の膜厚方向の各位置における膜組成を（ＨｆＯ₂）_{p ’}（Ａｌ₂Ｏ₃）_{q ’}（ＳｉＯ₂）_{r ’}（Ｓｉ₃Ｎ₄）_{s ’}と表すとき、（p’+q’）≧（r’+s’）となる位置が存在し、かつ前記位置よりもゲート電極側に（p’+q’）＜（r’+s’）となる位置が存在し、さらに前記誘電体の膜全体としての組成を（ＨｆＯ₂）_p（Ａｌ₂Ｏ₃）_q（ＳｉＯ₂）_r（Ｓｉ₃Ｎ₄）_s と表示し、またα＝２×１０¹¹ｃｍ^-2，β＝３×１０¹¹ｃｍ^-2，γ＝６×１０¹¹ｃｍ^-2，δ＝１×１０¹¹ｃｍ^-2としたとき、０≦ｚ≦１，０≦ｘ≦１の範囲の値をとるｚ＝ｐ／（ｐ＋ｑ），ｘ＝ｒ／（ｒ＋ｓ）が
【数６】

という関係を満たすことを特徴とする。
【００１４】
（作用）
本発明において、ゲート絶縁膜のヒステリシス現象を抑制する作用は、以下のように説明される。
【００１５】
本発明者の実験結果によれば、ｐ型シリコン基板上にキャパシタ絶縁膜として高誘電率絶縁膜を直接形成し、その上にゲート電極を蒸着してキャパシタを作製し、空乏領域から蓄積領域にわたるＣ−Ｖ特性を計測したところ、図１（ａ）のように、Ｃ−Ｖ特性は時計回りのヒステリシスを示した。一方、ｐ型シリコン基板上にキャパシタ絶縁膜としてシリコン酸窒化膜を用いたキャパシタを作製すると、図１（ｂ）のように、空乏領域から蓄積領域にわたるＣ−Ｖ特性は反時計回りのヒステリシスを示した。
【００１６】
上記のヒステリシス現象の時計回り・反時計回りの振る舞い方の違いは、高誘電率絶縁膜は電界印加に対して遅れを持つ分極成分が存在し（残留分極型ヒステリシス）、また窒素を含んだ界面層には電界印加に対して遅れを持ったキャリア捕獲の成分が存在する（キャリア注入型ヒステリシス）というモデルで矛盾なく説明することができる。
【００１７】
高誘電率絶縁膜とシリコン酸窒化膜界面層からなる積層ゲート絶縁膜のヒステリシス現象は、この両者の足し合わせで決まると考えられる。即ち、高誘電率絶縁膜と界面層で向きの違うヒステリシスが現れるので、その両者が打ち消し合うように高誘電率絶縁膜と界面層の関係を制御すれば、ヒステリシス現象を抑制・消失させることができる。
【００１８】
本発明者らは、不純物の極めて少ない高誘電率絶縁膜及び界面層を用いて、ヒステリシス現象として現れる電荷の大きさを実験的に評価した。その結果は、次のようにまとめられる。ＨｆＯ₂ における時計回りのヒステリシスに関わる発生電荷密度は、
ΔＮhys（ＨｆＯ₂）＝α＝２×１０¹¹ｃｍ^-2
である。また、Ａｌ₂Ｏ₃ における時計回りのヒステリシスに関わる発生電荷密度は、
ΔＮhys（Ａｌ₂Ｏ₃）＝β＝３×１０¹¹ｃｍ^-2
である。従って、ハフニウム・アルミニウム・オキサイド（ＨｆＯ₂）_z（Ａｌ₂Ｏ₃）_1-z における時計回りのヒステリシスに伴う発生電荷密度は、その組成ｚ（０≦ｚ≦１）の関数として
ΔＮhys（ｚ）＝αｚ＋β（１−ｚ）
と表される。
【００１９】
一方、界面層のシリコン酸窒化膜（ＳｉＯ₂）_x（Ｓｉ₃Ｎ₄）_1-x の反時計回りのヒステリシスに関わる発生電荷密度は、平均配位数の増分の２乗（Ｎav(x)−Ｎeq）² に比例した欠陥が発生するというＬｕｃｏｖｋｓｙらのモデルをもとにして、
ΔＮhys(x)＝γ（Ｎav(x)−Ｎeq）² ［ｃｍ^-2］
と表される。ここで、実験評価から、γ＝６×１０¹¹ｃｍ^-2であることが判っている。また、Ｎeq＝８／３＝２．６７はＳｉＯ₂ の平均配位数である。また、
【数７】

である。
【００２０】
なお、このようにして求められたヒステリシス電荷の大きさは、誘電体及び界面層の膜厚に依存しない。その理由は次の通りである。図１に示したように、残留分極型のヒステリシスは誘電体層の両端のヒステリシス電荷として現れ、バルク中は膜厚に拘わらず分極が打ち消し合うため、膜厚に依存せずに一定量のヒステリシス電荷が現れる。また、キャリア注入型のヒステリシスの場合は、ヒステリシスを生じさせるキャリア注入・放出が界面から一定のトンネル距離のところで起こり、その状況は界面層の膜厚が厚くなっても変化しないため、ヒステリシスの大きさが界面層の膜厚に依存しない。
【００２１】
以上述べたように、（ＨｆＯ₂）_z（Ａｌ₂Ｏ₃）_1-z ／（ＳｉＯ₂）_x（Ｓｉ₃Ｎ₄）_1-x 積層膜でヒステリシス現象を抑制して消失させるためには、時計回りと反時計回りのヒステリシス電荷を等しくするようにすればよい。その条件は、両層の組成の間にΔＮhys(z)＝ΔＮhys(x) という関係が成り立つことである。上記の実験の評価結果をもとにすると、Ｈｆ，Ａｌ，Ｏからなる高誘電率絶縁膜の組成ｚと、界面層のシリコン酸窒化膜の組成ｘとの間の関係として、０≦ｚ≦１，０≦ｘ≦１の範囲の値をとるｚとｘの関係として、
【数８】

【００２２】
が満たされればよい。即ち、この式が成り立つようにＨｆ，Ａｌ，Ｏからなる誘電体の組成ｚと、Ｓｉ，Ｏ，Ｎからなる界面層の組成ｘの関係を調整すれば、図２に示すように、ヒステリシスは完全に消失する。
【００２３】
また、ヒステリシスが完全に消滅しなくとも、高誘電体層と界面層のヒステリシスの打ち消し合いによるフラットバンド電圧（若しくはしきい値電圧）の変動が許容範囲以内に収まればトランジスタ動作に大きな支障を来たさない。ここで、許容されるフラットバンド電圧の変動量は、ＩＴＲＳでＥＯＴのばらつき（３σ）が４％以内とすべきとしていることを参考にして、以下のように決められる。
【００２４】
実効電界（シリコン酸化膜に換算した電界）５ＭＶ／ｃｍでトランジスタを動作させるならば、ゲート絶縁膜厚のばらつきによるＥＯＴの４％の変動は、ＥＯＴ＝１ｎｍで２０ｍＶのゲート・オーバードライブ電圧（Ｖｇ−Ｖth）の変動に相当する。ヒステリシスの発生によるフラットバンド電圧の変動は、ゲート絶縁膜厚のばらつきに起因するゲート・オーバードライブ電圧の変動に対して更に付け加わるので、ＥＯＴ＝１ｎｍにおいて２０ｍＶよりも小さくなくてはいけない。
【００２５】
現状の集積回路の研究開発におけるゲート絶縁膜厚の制御性を念頭に置くと、膜厚ばらつきとヒステリシスの発生によるゲート・オーバードライブ電圧の変動の合計を４％以内に抑えるためには、ヒステリシスによるフラットバンド電圧の変動を１σ相当以内（ＥＯＴ＝１ｎｍでフラットバンド電圧シフト量６ｍＶ以内）に抑えることを目標とすればよい。この条件は、高誘電率層と界面層とで打ち消し合った後に残るヒステリシス電荷量が、
｜ΔＮhys(z)−ΔＮhys(x)｜≦δ
δ＝１×１０¹¹ｃｍ^-2
を満たすことに相当する。この残留電荷の条件は、（ＨｆＯ₂）_z（Ａｌ₂Ｏ₃）_1-z／（ＳｉＯ₂）_x（Ｓｉ₃Ｎ₄）_1-x 積層膜の各層の膜組成ｚとｘの関係として
【数９】

と表される。
【００２６】
次に、ＭＩＳ型電界効果トランジスタのゲート・オーバードライブ電圧の変動以外に考慮すべきこととして、トランジスタの移動度の変動がある。即ち、ヒステリシス電荷が発生することでトランジスタのチャネル領域の反転層電荷量が変化する以外に、ゲート絶縁膜中のヒステリシス電荷量の変動による、リモート電荷散乱移動度の変動が生じる。この移動度の変動は、ヒステリシス電荷がシリコン基板界面近くにあるほど大きいので、界面層と高誘電体層による残留ヒステリシス電荷が許容範囲内にある限り、シリコン基板界面から遠くのヒステリシス電荷が相対的に大きく、シリコン基板界面から近くのヒステリシス電荷が相対的に小さいほど、トランジスタの移動度（キャリア速度）の変動を抑えるという点で有利になる。
【００２７】
ゲート電極／（ＨｆＯ₂）_z（Ａｌ₂Ｏ₃）_1-z ／（ＳｉＯ₂）_x（Ｓｉ₃Ｎ₄）_1-x ／Ｓｉ基板のスタック構造では、この条件は０≦ΔＮhys(z)−ΔNhys(x)≦δと表される。即ち、Ｈｆ，Ａｌ，Ｏの高誘電率絶縁層による時計回りのヒステリシスが、Ｓｉ，Ｏ，Ｎ界面層の反時計回りのヒステリシスよりも、許容範囲内で大きいという条件であり、
【数１０】

と表される。
【００２８】
また、同様のことを、ゲート電極／（ＳｉＯ₂）_x（Ｓｉ₃Ｎ₄）_1-x ／（ＨｆＯ₂）ｚ（Ａｌ₂Ｏ₃）_1-z ／Ｓｉ基板というスタック構造でゲート電極側に酸窒化層を持ってくる場合に適用すると、高誘電体層側のヒステリシス電荷を界面酸窒化膜層のヒステリシス電荷よりも小さくすることが必要である。残留ヒステリシス電荷が許容範囲内にある条件を考慮すれば、ｘとｚの関係は
【数１１】

となる。
【００２９】
以上のｘとｚの関係式を、図２に示した。その範囲内に各層の組成ｘとｚを取ることで、ヒステリシス現象を抑制した電界効果トランジスタを実現することができる。なお、簡単のためにここでは、高誘電体層と界面層の完全な２層構造を仮定して図２の関係を導いたが、多層膜からなるゲート絶縁膜でも同様の考え方が適用できる。さらに、ヒステリシス電荷は各元素の量に比例して発生する性質を持つので、ゲート絶縁膜を構成する各層の間で元素の相互拡散があったとしても、各元素がゲート絶縁膜から外部に消失しない限り、上記の議論は同様に有効である。
【００３０】
【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。
【００３１】
なお、以下の実施形態では、ハフニウム・アルミニウム・オキサイドの場合の例について説明するが、化学的な性質が近いジルコニウム・アルミニウム・オキサイド、若しくはゲート絶縁膜の金属元素がハフニウムとジルコニウムの混合物である、ハフニウム・ジルコニウム・アルミニウム・オキサイドでも、請求項に記載した係数α，β，γ，δの値が異なるだけで、同様の議論が成り立つ。
【００３２】
（第１の実施形態）
図３及び図４は、本発明の第１の実施形態に係わるＭＩＳＦＥＴの製造工程を示す断面図である。ここではｎチャネルＭＩＳＦＥＴの例を示すが、ｐチャネルＭＩＳＦＥＴでも導電型がｐ型とｎ型で入れ替わるだけであり、同様の作製過程を実施することができる。
【００３３】
まず、図３（ａ）に示すように、単結晶のｐ型シリコン基板２１の表面に、素子分離の役割を果たす深い溝を形成し、この溝をＣＶＤ法によりシリコン酸化膜２３で埋め込み、素子分離領域２２を形成する。
【００３４】
次いで、図３（ｂ）に示すように、ゲート絶縁膜２４を形成する。なお、このゲート絶縁膜２４の詳しい形成方法は、後でまとめて述べる。
【００３５】
次いで、図３（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜２４の上部に窒化チタン膜２５をスパッタ法によって形成する。窒化チタンは、シリコンのバンドギャップの中央近くの仕事関数を持つ。ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧の低電圧化の要請から、ｎチャネルＭＩＳＦＥＴではシリコンの伝導帯近くの仕事関数を有する金属若しくは金属窒化物、ｐチャネルＭＩＳＦＥＴではシリコンの価電子帯近くの仕事関数を有する金属若しくは金属窒化物を使う場合があり、窒化チタンの代わりに、そのような金属若しくは金属窒化物を使ってもよい。また、スパッタ法の代わりにＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法など、他の方法で窒化チタン膜２５を形成してもよい。
【００３６】
次いで、窒化チタン膜２５の上に、スパッタ法でＳｉＯ₂ 膜２６を堆積する。このＳｉＯ₂ 膜２６はＴＥＯＳのプラズマＣＶＤなど、他の方法で堆積してもよい。
【００３７】
次いで、図４（ｄ）に示すように、ＳｉＯ₂ 膜２６の上にフォトレジストを塗布した後、光や電子ビームリソグラフィによりフォトレジストパターン２７を形成する。
【００３８】
次いで、図４（ｅ）に示すように、フォトレジストパターン２７をマスクとして用い、順にＳｉＯ₂ 膜２６と窒化チタン膜２５の反応性イオンエッチングを行い、第１のゲート電極を形成する。その後、フォトレジストパターン２７を除去する。
【００３９】
次いで、砒素のイオン注入を、例えば加速電圧４０ｋｅＶ、ドーズ量３×１０¹⁵ｃｍ^-2の条件で行って、ｎ⁺ 型ソース領域２８、ｎ⁺ 型ドレイン領域２９を形成する。その後、希釈フッ酸系の溶液処理若しくは反応性エッチングを行い、第１のゲート電極直下以外の領域のゲート絶縁膜２４を除去する。このとき、同時に、第１のゲート電極の上層のＳｉＯ₂ 膜２６の全部若しくは一部も除去される。
【００４０】
次いで、図４（ｆ）に示すように、全面にシリコン酸化膜をＣＶＤ法（若しくはスパッタ法）により堆積し、層間絶縁膜３０を形成する。この後、層間絶縁膜３０上にコンタクトホール形成用のフォトレジストパターン（不図示）を形成し、これをマスクとして反応性イオンエッチング法により層間絶縁膜３０をエッチングして、コンタクトホールを開口する。最後に、全面にＡｌ膜をスパッタ法により形成した後、これをパターニングして、ソース電極２１０、ドレイン電極２１１、及び第２のゲート電極２１２を形成してｎチャネルＭＩＳＦＥＴが完成する。
【００４１】
次に、図５を用いて、ゲート絶縁膜２４の形成工程の詳細を説明する。本実施形態では、窒化膜から成る界面層を形成した後にＨｆＯ₂ を堆積した。
【００４２】
素子領域が定義された試料に対して、ゲート絶縁膜形成の前処理として希釈フッ酸処理を行った。この前処理工程は、標準的なＲＣＡ洗浄でもよいし、その他の洗浄工程でもよい。
【００４３】
次いで、前処理が終了したウェハに対して界面窒化層の形成を行った。本実施形態では、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）のチャンバに１Torrのアンモニアを導入し、８５０℃，３分間の加熱を行った。界面窒化膜形成の工程は、アンモニア窒化以外に、ラジカル窒化やプラズマ窒化を行ってもよい。ラジカル窒化のプロセスの一例は、１０^-4Torrの窒素ガスを流しているチャンバにＲＦ（１３．５６ＭＨｚ），２００Ｗを印加し、５００℃で２分間保持することである。このような方法に限らず、他にも様々な窒化法・プロセス条件を用いることができる。
【００４４】
なお、ここでは“界面窒化層”を形成したと説明したが、アンモニア中の残留ガス、特にＨ₂Ｏの影響で実際には“界面酸窒化膜”になっていることが多い。また、界面窒化膜を形成した試料を大気中に取り出すことでも酸化が進行し、窒化膜が酸窒化膜に変化する。
【００４５】
界面窒化層を形成した後に、レーザー・アブレーション（pulsed laser ablation）法で膜厚２ｎｍのＨｆＯ₂ を堆積した。本実施形態では、ＫｒＦエキシマ・レーザーを用いて、２００℃，０．１Torrの窒素雰囲気下でＨｆＯ₂ の堆積を行った。ＨｆＯ₂ の堆積法はレーザー・アブレーション法に限ることはなく、スパッタ法・ＣＶＤ法など、様々な方法を用いることができる。
【００４６】
引き続いて、ＲＴＡ装置を用いて、窒素雰囲気下で８５０℃，３０秒のポスト・デポジション・アニールを行った。このＲＴＡの条件は、ゲート絶縁膜・基板界面の欠陥を減少すること、及び窒素雰囲気中の残留酸素によってゲート絶縁膜の電気膜厚が増加しないこと、の両方を満たすように決めるべきである。従って、装置の仕様，窒素ガスの性質（残留不純物濃度）によって、ここに示した条件とは異なる温度・時間でアニールをすることがあり得る。
【００４７】
次に、スパッタ装置を用いて、１００ｎｍの窒化チタン（ＴｉＮ）を堆積した。本実施形態ではゲート電極として窒化チタンを用いたが、活性化アニールの耐熱性が確保できれば他の金属でもよい。ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧の制御を考慮してゲート電極材料を選ぶべきである。また、従来の電界効果トランジスタのように多結晶シリコンを使うことも可能である。その場合は、導電性ゲート電極上にＳｉＯ₂ 膜を形成する工程を省略すればよい。
【００４８】
以上で本実施形態によるゲート絶縁膜形成の方法の説明を終えるが、本実施形態の有効性を示すために更に、界面層の形成をアンモニア窒化，プラズマ酸窒化などの様々な方法で行って界面層の窒素濃度を幅広く変化させた試料でＨｆＯ₂ の堆積とＲＴＡを行い、ＭＩＳキャパシタを形成した。これらのキャパシタのヒステリシス量と、界面層の組成（界面層の形成直後、及びＲＴＡ後）の関係を調べた結果を、図６にまとめた。
【００４９】
図６の縦軸のヒステリシス量は、ゲート電圧を正の側から負の側へ掃引する場合のフラットバンド電圧Ｖfb(hl)と、ゲート電圧を負の側から正の側へ掃引する場合のフラットバンド電圧Ｖfb(lh)との差：ΔＶfb＝Ｖfb(lh)−ΔＶfb(hl)で定義した。図６の菱形の記号の横軸は界面酸窒化層形成直後の組成をＡＥＳ（Auger Electron Spectroscopy）で評価した結果を、また正方形の記号はＲＴＡ後の界面酸窒化層の組成を、それぞれ表している。
【００５０】
本実施形態の方法では、界面酸窒化膜の組成値ｘ：（ＳｉＯ₂）_x（Ｓｉ₃Ｎ₄）_1-x がＲＴＡ後の最終状態（キャパシタ形成後の状態）で０．６５から０．７５の範囲に入っており、ヒステリシスの大きさ６ｍＶ以内（ＥＯＴ＝２ｎｍ）を達成することができた。
【００５１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係わるＭＩＳＦＥＴの素子構造は、第１の実施形態と同様なので詳細な説明は省略する。本実施形態は、ゲート絶縁膜の製造工程のみが第１の実施形態と異なる。そこで、ゲート絶縁膜の製造工程について、図７を用いて詳細に説明する。
【００５２】
素子領域を定義する工程までを行った試料に対して、ゲート絶縁膜形成の前処理を施した。ここでは希釈フッ酸処理を行ったが、その代わりに標準的なＲＣＡ洗浄など、他の洗浄工程に代替することもできる。
【００５３】
次に、前処理が終了したウェハに対して界面窒化層の形成を行った。本実施形態では、ＲＴＡのチャンバに１Torrのアンモニアを流し、８５０℃，３分間の加熱を行った。第１の実施形態の場合と同じく、界面窒化層の形成は、ラジカル窒化、プラズマ窒化など、アンモニア窒化以外の方法で代替することもできる。なお、ここでは“界面窒化層”の形成と説明したが、実際にはアンモニア中の微量の残留ガスの影響で”界面酸窒化層”になっていることが多い。
【００５４】
次に、レーザー・アブレーション法で膜厚２ｎｍのゲート絶縁膜を堆積した。本実施形態では、組成を制御したハフニウム・アルミニウム酸化物のターゲットを用い、ＫｒＦエキシマ・レーザーを使って、２００℃，０．１Torrの窒素雰囲気下でハフニウム・アルミニウム酸化層（ＨｆＡｌＯ）の堆積を行った。なお、ＨｆＡｌＯの堆積法としては、レーザー・アブレーション法以外に、スパッタ法・ＣＶＤ法など多様な方法を用いることができる。
【００５５】
次に、ＲＴＡ装置を用いて、窒素雰囲気下で９００℃，３０秒のポスト・デポジション・アニールを行った。このＲＴＡによって、ゲート絶縁膜及び基板界面の欠陥を減少させることができる。しかし、一方では窒素ガス中の微量の残留酸素によってゲート絶縁膜の電気膜厚が増加する可能性があるので、欠陥の減少と電気膜厚増加の抑制を両立することを念頭に置いてアニール条件を決めるべきである。
【００５６】
ここで、Ａｌ₂Ｏ₃ 中の酸素拡散は、ＨｆＯ₂ 中よりも遅いことが知られている。従って、ＨｆＡｌＯ中の酸素拡散はＨｆＯ₂ と比べて遅くなる。このことは、第１の実施形態の場合（ＨｆＯ₂）と比べて、高いアニール温度を使えることを意味しており、本実施形態では９００℃のアニールを実施した。
【００５７】
ＨｆＡｌＯの堆積に引き続き、スパッタ装置を用いて１００ｎｍの窒化チタン（ＴｉＮ）を堆積した。この実施形態ではゲート電極に窒化チタンを用いたが、活性化アニール時の耐熱性が確保できる他の金属及び金属窒化物も使用できる。もちろん、従来の電界効果トランジスタのように多結晶シリコンを使うことも可能であり、様々なゲート電極材料を用いることができる。
【００５８】
ＲＴＡ後のゲート絶縁膜のＭＥＩＳ（Medium energy ion scattering）の分析結果によると、界面酸窒化膜層の組成ｘ＝０．７、またＨｆＡｌＯ層の組成ｚ＝０．８であった。前記図２から判るように、この場合、ヒステリシス量は許容範囲内に抑えられているが、シリコン基板近くに存在する界面酸窒化膜層の反時計回りのヒステリシス量が、ゲート側のＨｆＡｌＯ膜層の時計回りのヒステリシス量よりも少なくなっているため、チャネルキャリアの移動度の揺らぎの抑制に有利な条件になっている。
【００５９】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係わるＭＩＳＦＥＴの素子構造も、第１の実施形態と同様なので説明は省略する。本実施形態は、ゲート絶縁膜及びゲート電極の製造工程が第１、第２の実施形態と異なるので、その部分に関して図８を用いて詳細に説明する。
【００６０】
素子形成の領域を作製した試料に対して、ゲート絶縁膜形成の前処理を施した。ここでは希釈フッ酸処理を行ったが、他の洗浄工程に代替してもよい。本実施形態では界面層の形成は行わなかったが、その代わりに１，２モノレーヤ程度のごく薄い界面窒化膜層若しくは酸窒化膜層を、アンモニア窒化、ラジカル窒化、ダイレクト・プラズマ窒化、リモート・プラズマ窒化などの方法で形成してもよい。
【００６１】
次に、ＨｆＡｌＯのターゲットを用いたＲＦスパッタ法で、ゲート絶縁膜として膜厚５ｎｍのＨｆＡｌＯ膜を形成した。なお、ＨｆＡｌＯ膜の堆積法としては、ＭＯＣＶＤ法、ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒのＣＶＤ法など、その他の方法とプロセス条件を用いても構わない。引き続き、スパッタ法を用いて、ゲート絶縁膜の表面に酸窒化膜層を形成した。なお、このように表面酸窒化層を形成することは、ヒステリシスの抑制のみならず、ゲート電極からの元素の拡散を抑制するのにも有効である。
【００６２】
その次に、ＲＴＡ装置を用いて、窒素雰囲気下で９００℃，３０秒のポスト・デポジション・アニールを行った。このＲＴＡによって、ゲート絶縁膜及び基板界面の欠陥を減少させた。Ａｌ₂Ｏ₃ 中の酸素拡散は、ＨｆＯ₂ 中よりも何桁も遅いので、ＨｆＡｌＯの場合もＲＴＡの温度がかなり高くても窒素雰囲気中の残留酸素の影響によるゲート絶縁膜の膜厚増加は問題とならない。
【００６３】
ゲート絶縁膜の堆積に引き続き、スパッタ装置を用いて１００ｎｍの窒化チタン（ＴｉＮ）を堆積した。この実施形態ではゲート電極に窒化チタンを用いたが、活性化アニール時の耐熱性が確保できる他の金属及び金属窒化物も使用できる。もちろん、従来の電界効果トランジスタのように多結晶シリコンを使うことも可能であり、様々なゲート電極材料を用いることができる。
【００６４】
ＲＴＡ後のゲート絶縁膜のＭＥＩＳの分析結果によると、ゲート側の界面酸窒化膜層の組成ｘ＝０．４、また、シリコン基板側のＨｆＡｌＯ層の組成ｚ＝０．８であった。前記図２から判るように、この場合、ヒステリシス量は許容範囲内に抑えられているが、シリコン基板近くに存在するＨｆＡｌＯ層の時計回りのヒステリシス量が、ゲート側界面側の酸窒化膜層の反時計回りのヒステリシスよりも少なくなっているため、チャネルキャリアの移動度の揺らぎの抑制に有利な条件になっている。
【００６５】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、ゲート絶縁膜を成す金属酸化物膜における金属の主成分をＨｆ，Ａｌ，或いはこれらの混合物としたが、これら以外にＺｒを用いることも可能である。つまり、金属酸化物膜における金属の主成分としては、Ｈｆ，Ａｌ，Ｚｒの少なくとも一つを用いることが可能である。つまり、ゲート絶縁膜は、Ｈｆ，Ａｌ，Ｚｒの少なくとも一つを含む金属酸化物膜と酸窒化物膜との積層構造であればよい。
【００６６】
また、実施形態でＭＩＳＦＥＴについて説明したが、ＭＩＳ型のキャパシタに適用できるのは勿論のことである。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。
【００６７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、Ｈｆ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｏ，Ｎなどからなるゲート絶縁膜、特にハフニウム・アルミニウム・オキサイド層とシリコン酸窒化界面層の積層ゲート絶縁膜において、Ｈｆ，Ａｌ，Ｏの組成とＳｉ，Ｏ，Ｎの組成の関係を適切に選ぶことによって、当該ゲート絶縁膜のＣ−Ｖ特性のヒステリシスを抑制することができる。従って、ＭＩＳＦＥＴのしきい値電圧の不安定性を抑制した信頼性の高い集積回路を構成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するためのもので、高誘電率絶縁膜と界面層との積層によりヒステリシスが抑制される様子を示す模式図。
【図２】本発明に関わるＨｆＡｌＯ／ＳｉＯＮ積層膜の組成とヒステリシスとの関係を示す図。
【図３】第１の実施形態に係わるｎチャネルＭＩＳＦＥＴの製造工程を示す断面図。
【図４】第１の実施形態に係わるｎチャネルＭＩＳＦＥＴの製造工程を示す断面図。
【図５】第１の実施形態におけるゲート絶縁膜の製造工程を示す流れ図。
【図６】第１の実施形態及び他の条件で形成した試料のヒステリシス量の界面層組成に対する依存性を示す特性図。
【図７】第２の実施形態におけるゲート絶縁膜の製造工程を示す流れ図。
【図８】第３の実施形態におけるゲート絶縁膜の製造工程を示す流れ図。
【符号の説明】
２１…p型シリコン基板
２２…素子分離用の溝
２３…シリコン酸化膜(素子分離領域)
２４…ゲート絶縁膜
２５…窒化チタン膜
２６…シリコン酸化膜
２７…フォトレジストパターン
２８…ｎ⁺ 型ソース領域
２９…ｎ⁺ 型ドレイン領域
３０…シリコン酸化膜（層間絶縁膜）
２１０…ソース電極（金属電極）
２１１…ドレイン電極（金属電極）
２１２…ゲート電極（金属電極）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device in which a field effect transistor having a MIS (Metal Insulator Semiconductor) structure is formed, and more particularly to a semiconductor device in which the gate insulating film structure of the field effect transistor is improved.
[0002]
[Prior art]
With the miniaturization of silicon semiconductor integrated circuits, the dimensions of MIS field effect transistors are also miniaturized. According to the 2001 edition of the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), a technology node of 45 nm in 2010 and equivalent silicon oxide thickness (hereinafter referred to as EOT) 0.5-0.8 nm Is needed. In order to suppress the leakage current with such an extremely thin gate insulating film, it is necessary to use a gate insulating film having a high dielectric constant.
[0003]
However, in the conventional technology, the gate insulating film having a high dielectric constant cannot be made to have a good bulk film quality and interface characteristics comparable to a silicon thermal oxide film. In fact, when a MIS capacitor is fabricated with a metal oxide high dielectric constant insulating film and the capacitance-voltage characteristics (CV characteristics) are measured, the flat band voltage deviates from the ideal value, depending on the sweep direction of the CV characteristics. Undesirable characteristics appear for use as a gate insulating film, such as a hysteresis phenomenon in which the CV characteristics shift in the gate voltage direction. Further, if annealing is performed after the high dielectric constant insulating film is deposited in order to improve these undesirable characteristics, the EOT increases and the driving force of the transistor required by ITRS cannot be obtained. As described above, a small EOT and good device characteristics cannot be achieved by simply depositing a high dielectric constant insulating film on a silicon substrate and annealing it.
[0004]
Therefore, recently, an attempt has been made to form an interface layer of about several monolayers on a Si substrate and to form a high dielectric constant insulating film thereon (see, for example, Patent Document 1). This document states that inclusion of nitrogen in the interface layer is effective in suppressing the increase in EOT. However, in this case, not only the high dielectric constant insulating film but also the interface layer contains charges due to nitrogen, so that a flat band voltage shift and a hysteresis phenomenon occur remarkably as compared with the case where no interface layer is introduced.
[0005]
Among these undesirable phenomena that appear prominently by the introduction of the interface layer, the hysteresis phenomenon, in particular, causes fluctuations in the threshold voltage of the transistor and noise in the drain current. It has become. On the other hand, the fixed shift of the flat band voltage can be corrected to some extent by adjusting the substrate Fermi level by controlling the impurity concentration in the silicon substrate and adjusting the work function of the gate. Is supposed to come after the hysteresis phenomenon.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2000-49349 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Thus, conventionally, attempts have been made to use a high dielectric constant insulating film as the gate insulating film of the MIS field effect transistor. However, high dielectric constant insulating films such as metal oxides cause an increase in EOT by annealing. Although the EOT could be reduced by introducing an interface layer between the high dielectric constant insulating film and the silicon substrate, there was a problem that the hysteresis phenomenon was severely generated.
[0008]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and the object of the present invention is to determine the compositional relationship between the high dielectric constant insulating film and the interface layer (generally, each layer of the two-layer gate insulating film). It is an object of the present invention to provide a semiconductor device that can suppress the hysteresis phenomenon in the MIS field effect transistor by controlling and can equalize the threshold voltage of the MIS field effect transistor.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
(Constitution)
In order to solve the above problems, the present invention adopts the following configuration.
[0010]
That is, the present invention is a semiconductor device in which a MIS field effect transistor is formed on a silicon substrate, and the gate insulating film of the MIS field effect transistor is a metal oxide containing at least one of Hf, Al, and Zr. The metal oxide film and the oxynitride film have opposite hysteresis characteristics, and cancel each other between the metal oxide film and the oxynitride film. Hysteresis charge remaining after the match is 1 × 10¹¹cm^-2The material composition of each film is set so as to be as follows.
[0011]
The present invention also relates to a semiconductor device in which a MIS field effect transistor is formed on a silicon substrate, and the gate insulating film of the MIS field effect transistor is a dielectric composed mainly of metal, silicon, oxygen, and nitrogen. The main component of the metal in the dielectric is hafnium, aluminum, or a mixture thereof, and the dielectric film composition is (HfO).₂)_p(Al₂O_Three)_q(SiO₂)_r(Si_ThreeN_Four)_sAnd α = 2 × 10¹¹cm^-2, Β = 3 × 10¹¹cm^-2, Γ = 6 × 10¹¹cm^-2, Δ = 1 × 10¹¹cm^-2Where z = p / (p + q) and x = r / (r + s) taking values in the range of 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ x ≦ 1.
[Expression 4]

It is characterized by satisfying the relationship.
[0012]
The present invention also relates to a semiconductor device in which a MIS field effect transistor is formed on a silicon substrate, and the gate insulating film of the MIS field effect transistor is a dielectric composed mainly of metal, silicon, oxygen, and nitrogen. The main component of the metal in the dielectric is hafnium, aluminum, or a mixture thereof, and the film composition at each position in the film thickness direction of the dielectric is (HfO₂)_{p '}(Al₂O_Three)_{q '}(SiO₂)_{r '}(Si_ThreeN_Four)_{s '}When there is a position where (p ′ + q ′) ≧ (r ′ + s ′) exists, and (p ′ + q ′) <(r ′ + s ′) closer to the silicon substrate than the position And the composition of the entire dielectric film as (HfO₂)_p(Al₂O_Three)_q(SiO₂)_r(Si_ThreeN_Four)_sAnd α = 2 × 10¹¹cm^-2, Β = 3 × 10¹¹cm^-2, Γ = 6 × 10¹¹cm^-2, Δ = 1 × 10¹¹cm^-2Where z = p / (p + q) and x = r / (r + s) taking values in the range of 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ x ≦ 1.
[Equation 5]

It is characterized by satisfying the relationship.
[0013]
The present invention also relates to a semiconductor device in which a MIS field effect transistor is formed on a silicon substrate, and the gate insulating film of the MIS field effect transistor is a dielectric composed mainly of metal, silicon, oxygen, and nitrogen. The main component of the metal in the dielectric is hafnium, aluminum, or a mixture thereof, and the film composition at each position in the film thickness direction of the dielectric is (HfO₂)_{p '}(Al₂O_Three)_{q '}(SiO₂)_{r '}(Si_ThreeN_Four)_{s '}When there is a position where (p ′ + q ′) ≧ (r ′ + s ′), and (p ′ + q ′) <(r ′ + s ′) closer to the gate electrode than the position And the composition of the entire dielectric film as (HfO₂)_p(Al₂O_Three)_q(SiO₂)_r(Si_ThreeN_Four)_sAnd α = 2 × 10¹¹cm^-2, Β = 3 × 10¹¹cm^-2, Γ = 6 × 10¹¹cm^-2, Δ = 1 × 10¹¹cm^-2Where z = p / (p + q) and x = r / (r + s) taking values in the range of 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ x ≦ 1.
[Formula 6]

It is characterized by satisfying the relationship.
[0014]
(Function)
In the present invention, the action of suppressing the hysteresis phenomenon of the gate insulating film is explained as follows.
[0015]
According to the experiment results of the present inventor, a high dielectric constant insulating film is directly formed on a p-type silicon substrate as a capacitor insulating film, and a gate electrode is deposited thereon to produce a capacitor. When the CV characteristic was measured, as shown in FIG. 1A, the CV characteristic showed a clockwise hysteresis. On the other hand, when a capacitor using a silicon oxynitride film as a capacitor insulating film is fabricated on a p-type silicon substrate, the CV characteristic from the depletion region to the accumulation region has a counterclockwise hysteresis as shown in FIG. Indicated.
[0016]
The difference in the clockwise / counterclockwise behavior of the above hysteresis phenomenon is that the high dielectric constant insulating film has a polarization component that has a delay with respect to the applied electric field (residual polarization type hysteresis), and an interface containing nitrogen. This can be explained without contradiction using a model in which a layer has a carrier trapping component with a delay with respect to electric field application (carrier injection type hysteresis).
[0017]
It is considered that the hysteresis phenomenon of the laminated gate insulating film composed of the high dielectric constant insulating film and the silicon oxynitride film interface layer is determined by the addition of both. In other words, hysteresis appears in a different direction between the high dielectric constant insulating film and the interface layer. By controlling the relationship between the high dielectric constant insulating film and the interface layer so that they cancel each other, the hysteresis phenomenon can be suppressed or eliminated. it can.
[0018]
The inventors of the present invention experimentally evaluated the magnitude of the electric charge appearing as a hysteresis phenomenon using a high dielectric constant insulating film and an interface layer with very few impurities. The results are summarized as follows. HfO₂The generated charge density related to the clockwise hysteresis in
ΔNhys (HfO₂) = Α = 2 × 10¹¹cm^-2
It is. Al₂O_ThreeThe generated charge density related to the clockwise hysteresis in
ΔNhys (Al₂O_Three) = Β = 3 × 10¹¹cm^-2
It is. Therefore, hafnium aluminum oxide (HfO₂)_z(Al₂O_Three)_1-zThe generated charge density associated with the clockwise hysteresis in is as a function of its composition z (0 ≦ z ≦ 1)
ΔNhys (z) = αz + β (1-z)
It is expressed.
[0019]
On the other hand, the silicon oxynitride film (SiO₂)_x(Si_ThreeN_Four)_1-xThe generated charge density related to the counterclockwise hysteresis is the square of the average coordination number increment (Nav (x) −Neq)²Based on the model of Lucovksy et al.
ΔNhys (x) = γ (Nav (x) −Neq)²[Cm^-2]
It is expressed. Here, from experimental evaluation, γ = 6 × 10¹¹cm^-2Is known to be. Neq = 8/3 = 2.67 is SiO₂Is the average coordination number. Also,
[Expression 7]

It is.
[0020]
Note that the magnitude of the hysteresis charge thus obtained does not depend on the thickness of the dielectric and the interface layer. The reason is as follows. As shown in FIG. 1, the residual polarization type hysteresis appears as a hysteresis charge at both ends of the dielectric layer, and the polarization cancels out regardless of the film thickness in the bulk. Therefore, a certain amount of hysteresis does not depend on the film thickness. Charge appears. In the case of carrier injection type hysteresis, carrier injection / release that causes hysteresis occurs at a certain tunnel distance from the interface, and the situation does not change even when the interface layer thickness increases. Does not depend on the thickness of the interface layer.
[0021]
As mentioned above, (HfO₂)_z(Al₂O_Three)_1-z/ (SiO₂)_x(Si_ThreeN_Four)_1-xIn order to suppress and eliminate the hysteresis phenomenon in the laminated film, the clockwise and counterclockwise hysteresis charges may be made equal. The condition is that the relationship ΔNhys (z) = ΔNhys (x) is established between the compositions of both layers. Based on the evaluation results of the above experiment, the relationship between the composition z of the high dielectric constant insulating film made of Hf, Al, and O and the composition x of the silicon oxynitride film of the interface layer is 0 ≦ z ≦ As the relationship between z and x taking values in the range of 1, 0 ≦ x ≦ 1,
[Equation 8]

[0022]
Should be satisfied. That is, if the relationship between the composition z of the dielectric composed of Hf, Al, and O and the composition x of the interface layer composed of Si, O, and N is adjusted so that this equation holds, the hysteresis is as shown in FIG. Disappear completely.
[0023]
Even if the hysteresis does not disappear completely, if the fluctuation of the flat band voltage (or threshold voltage) due to cancellation of hysteresis between the high dielectric layer and the interface layer is within the allowable range, the transistor operation will be greatly hindered. I will not. Here, the allowable fluctuation amount of the flat band voltage is determined as follows with reference to the fact that the EOT variation (3σ) should be within 4% in ITRS.
[0024]
If the transistor is operated at an effective electric field (electric field converted to a silicon oxide film) of 5 MV / cm, a 4% variation in EOT due to variations in the gate insulating film thickness is a gate overdrive voltage (Vg of 20 mV at EOT = 1 nm). -Vth). Since the fluctuation of the flat band voltage due to the occurrence of hysteresis is further added to the fluctuation of the gate overdrive voltage caused by the fluctuation of the gate insulating film thickness, it must be smaller than 20 mV at EOT = 1 nm.
[0025]
Keeping in mind the controllability of the gate insulation film thickness in the current research and development of integrated circuits, in order to keep the total fluctuation in gate overdrive voltage due to film thickness variation and hysteresis within 4% The target may be to suppress the fluctuation of the flat band voltage to within 1σ (with EOT = 1 nm and within the flat band voltage shift amount of 6 mV). This condition is that the amount of hysteresis charge remaining after cancellation between the high dielectric constant layer and the interface layer is
| ΔNhys (z) −ΔNhys (x) | ≦ δ
δ = 1 × 10¹¹cm^-2
It is equivalent to satisfying. The condition of this residual charge is (HfO₂)_z(Al₂O_Three)_1-z/ (SiO₂)_x(Si_ThreeN_Four)_1-xAs the relationship between the film composition z and x of each layer of the laminated film
[Equation 9]

It is expressed.
[0026]
Next, in addition to the fluctuation of the gate overdrive voltage of the MIS type field effect transistor, there is a fluctuation in the mobility of the transistor. That is, in addition to the change in the inversion layer charge amount in the channel region of the transistor due to the generation of the hysteresis charge, the change in the remote charge scattering mobility due to the change in the hysteresis charge amount in the gate insulating film occurs. This variation in mobility is so large that the hysteresis charge is closer to the silicon substrate interface, so as long as the residual hysteresis charge due to the interface layer and the high dielectric layer is within the allowable range, the hysteresis charge far from the silicon substrate interface is relative. In particular, the smaller the hysteresis charge near the silicon substrate interface is, the more advantageous it is in suppressing fluctuations in transistor mobility (carrier velocity).
[0027]
Gate electrode / (HfO₂)_z(Al₂O_Three)_1-z/ (SiO₂)_x(Si_ThreeN_Four)_1-xIn the / Si substrate stack structure, this condition is expressed as 0 ≦ ΔNhys (z) −ΔNhys (x) ≦ δ. That is, the condition is that the clockwise hysteresis due to the high dielectric constant insulating layer of Hf, Al, O is larger within the allowable range than the counterclockwise hysteresis of the Si, O, N interface layer,
[Expression 10]

It is expressed.
[0028]
The same thing can be said about the gate electrode / (SiO₂)_x(Si_ThreeN_Four)_1-x/ (HfO₂) Z (Al₂O_Three)_1-zWhen applied to the case where an oxynitride layer is brought to the gate electrode side in a stack structure of / Si substrate, it is necessary to make the hysteresis charge on the high dielectric layer side smaller than the hysteresis charge on the interface oxynitride film layer. Considering the condition that the residual hysteresis charge is within the allowable range, the relationship between x and z is
## EQU11 ##

It becomes.
[0029]
The relational expression of x and z is shown in FIG. By taking the composition x and z of each layer within the range, a field effect transistor with suppressed hysteresis can be realized. For the sake of simplicity, the relationship shown in FIG. 2 is derived here assuming a complete two-layer structure of a high dielectric layer and an interface layer, but the same idea can be applied to a gate insulating film made of a multilayer film. Furthermore, the hysteresis charge is generated in proportion to the amount of each element, so even if there is mutual diffusion of elements between the layers that make up the gate insulating film, each element disappears from the gate insulating film to the outside. Unless otherwise stated, the above argument is equally valid.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.
[0031]
In the following embodiment, an example in the case of hafnium / aluminum / oxide will be described, but zirconium / aluminum / oxide having close chemical properties, or the metal element of the gate insulating film is a mixture of hafnium and zirconium. The same argument holds for hafnium, zirconium, aluminum, and oxide, except that the values of the coefficients α, β, γ, and δ described in the claims are different.
[0032]
(First embodiment)
3 and 4 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the MISFET according to the first embodiment of the present invention. Here, an example of an n-channel MISFET is shown, but a p-channel MISFET also has only the conductivity type switched between p-type and n-type, and a similar manufacturing process can be performed.
[0033]
First, as shown in FIG. 3A, a deep groove serving as an element isolation is formed on the surface of a single crystal p-type silicon substrate 21, and this groove is buried with a silicon oxide film 23 by a CVD method. An isolation region 22 is formed.
[0034]
Next, as shown in FIG. 3B, a gate insulating film 24 is formed. A detailed method of forming the gate insulating film 24 will be described later.
[0035]
Next, as shown in FIG. 3C, a titanium nitride film 25 is formed on the gate insulating film 24 by sputtering. Titanium nitride has a work function near the center of the silicon band gap. Due to the demand for lowering the threshold voltage of MISFET, metal or metal nitride having a work function near the conduction band of silicon in n-channel MISFET, and metal having a work function near the valence band of silicon in p-channel MISFET Alternatively, metal nitride may be used, and such metal or metal nitride may be used instead of titanium nitride. Further, the titanium nitride film 25 may be formed by other methods such as CVD (Chemical Vapor Deposition) instead of sputtering.
[0036]
Next, SiO 2 is sputtered on the titanium nitride film 25.₂A film 26 is deposited. This SiO₂The film 26 may be deposited by other methods, such as TEOS plasma CVD.
[0037]
Next, as shown in FIG.₂After applying a photoresist on the film 26, a photoresist pattern 27 is formed by light or electron beam lithography.
[0038]
Next, as shown in FIG. 4E, the photoresist pattern 27 is used as a mask, and SiO 2 is sequentially formed.₂Reactive ion etching of the film 26 and the titanium nitride film 25 is performed to form a first gate electrode. Thereafter, the photoresist pattern 27 is removed.
[0039]
Next, arsenic ion implantation is performed, for example, at an acceleration voltage of 40 keV and a dose of 3 × 10.¹⁵cm^-2N⁺Type source region 28, n⁺A type drain region 29 is formed. Thereafter, dilute hydrofluoric acid-based solution treatment or reactive etching is performed to remove the gate insulating film 24 in a region other than immediately below the first gate electrode. At the same time, at the same time, the upper SiO layer of the first gate electrode₂All or part of the film 26 is also removed.
[0040]
Next, as shown in FIG. 4F, a silicon oxide film is deposited on the entire surface by a CVD method (or sputtering method) to form an interlayer insulating film 30. Thereafter, a photoresist pattern (not shown) for forming a contact hole is formed on the interlayer insulating film 30, and the interlayer insulating film 30 is etched by reactive ion etching using this as a mask to open a contact hole. Finally, after an Al film is formed on the entire surface by sputtering, this is patterned to form the source electrode 210, the drain electrode 211, and the second gate electrode 212, thereby completing the n-channel MISFET.
[0041]
Next, details of the step of forming the gate insulating film 24 will be described with reference to FIG. In the present embodiment, HfO is formed after an interface layer made of a nitride film is formed.₂Deposited.
[0042]
Diluted hydrofluoric acid treatment was performed as a pretreatment for forming the gate insulating film on the sample in which the element region was defined. This pretreatment step may be standard RCA cleaning or other cleaning steps.
[0043]
Next, an interfacial nitride layer was formed on the wafer that had been pretreated. In this embodiment, 1 Torr of ammonia was introduced into a RTA (Rapid Thermal Annealing) chamber and heated at 850 ° C. for 3 minutes. In the step of forming the interface nitride film, radical nitridation or plasma nitridation may be performed in addition to ammonia nitridation. An example of a radical nitridation process is 10^-FourRF (13.56 MHz) and 200 W are applied to the chamber in which the nitrogen gas of Torr is flowing and held at 500 ° C. for 2 minutes. In addition to such a method, various other nitriding methods and process conditions can be used.
[0044]
Here, it is explained that the “interfacial nitride layer” is formed, but residual gas in ammonia, particularly H₂In many cases, it is actually an “interface oxynitride film” due to the influence of O. Further, when the sample having the interfacial nitride film is taken out into the atmosphere, the oxidation proceeds and the nitride film is changed to an oxynitride film.
[0045]
After forming the interfacial nitride layer, a 2 nm thick HfO film is formed by a pulsed laser ablation method.₂Deposited. In this embodiment, using a KrF excimer laser, HfO in a nitrogen atmosphere at 200 ° C. and 0.1 Torr.₂The deposition was done. HfO₂The deposition method is not limited to the laser ablation method, and various methods such as a sputtering method and a CVD method can be used.
[0046]
Subsequently, post-deposition annealing was performed at 850 ° C. for 30 seconds in a nitrogen atmosphere using an RTA apparatus. The RTA condition should be determined so as to satisfy both the reduction of defects at the interface between the gate insulating film and the substrate and the increase in the electric film thickness of the gate insulating film due to residual oxygen in the nitrogen atmosphere. Therefore, depending on the specifications of the apparatus and the nature of nitrogen gas (residual impurity concentration), annealing may be performed at a temperature and time different from the conditions shown here.
[0047]
Next, 100 nm of titanium nitride (TiN) was deposited using a sputtering apparatus. In this embodiment, titanium nitride is used as the gate electrode, but other metals may be used as long as the heat resistance of activation annealing can be ensured. The gate electrode material should be selected in consideration of the control of the threshold voltage of the MISFET. It is also possible to use polycrystalline silicon like a conventional field effect transistor. In that case, SiO on the conductive gate electrode.₂The step of forming a film may be omitted.
[0048]
Although the description of the method of forming the gate insulating film according to the present embodiment has been completed, the interface layer is further formed by various methods such as ammonia nitridation and plasma oxynitridation in order to show the effectiveness of the present embodiment. HfO with a sample with a wide range of nitrogen concentration₂And RTA were performed to form a MIS capacitor. The results of examining the relationship between the amount of hysteresis of these capacitors and the composition of the interface layer (immediately after formation of the interface layer and after RTA) are summarized in FIG.
[0049]
The hysteresis amount on the vertical axis in FIG. 6 indicates the flat band voltage Vfb (hl) when the gate voltage is swept from the positive side to the negative side, and the flat amount when the gate voltage is swept from the negative side to the positive side. Difference from band voltage Vfb (lh): ΔVfb = Vfb (lh) −ΔVfb (hl). The abscissa of the diamond symbol in FIG. 6 represents the result of evaluating the composition immediately after the formation of the interface oxynitride layer by AES (Auger Electron Spectroscopy), and the square symbol represents the composition of the interface oxynitride layer after RTA. Yes.
[0050]
In the method of this embodiment, the composition value x: (SiO of the interfacial oxynitride film₂)_x(Si_ThreeN_Four)_1-xWas in the range of 0.65 to 0.75 in the final state after RTA (the state after capacitor formation), and the hysteresis size was within 6 mV (EOT = 2 nm).
[0051]
(Second Embodiment)
Since the element structure of the MISFET according to the second embodiment of the present invention is the same as that of the first embodiment, detailed description thereof is omitted. This embodiment is different from the first embodiment only in the manufacturing process of the gate insulating film. Therefore, the manufacturing process of the gate insulating film will be described in detail with reference to FIG.
[0052]
A sample that had been processed up to the step of defining the element region was subjected to pretreatment for forming a gate insulating film. Although the diluted hydrofluoric acid treatment is performed here, it can be replaced with other cleaning steps such as standard RCA cleaning instead.
[0053]
Next, an interfacial nitride layer was formed on the wafer that had been pretreated. In this embodiment, 1 Torr of ammonia was allowed to flow into the RTA chamber, and heating was performed at 850 ° C. for 3 minutes. As in the case of the first embodiment, the formation of the interfacial nitride layer can be replaced by a method other than ammonia nitridation, such as radical nitridation or plasma nitridation. Here, the formation of the “interfacial nitride layer” has been described, but in practice, the “interfacial oxynitride layer” is often affected by a small amount of residual gas in ammonia.
[0054]
Next, a gate insulating film having a thickness of 2 nm was deposited by laser ablation. In this embodiment, a hafnium aluminum oxide target (HfAlO) is deposited using a KrF excimer laser in a nitrogen atmosphere of 200 ° C. and 0.1 Torr using a composition-controlled hafnium aluminum oxide target. It was. In addition to the laser ablation method, various methods such as a sputtering method and a CVD method can be used as the HfAlO deposition method.
[0055]
Next, post-deposition annealing was performed at 900 ° C. for 30 seconds in a nitrogen atmosphere using an RTA apparatus. By this RTA, defects at the gate insulating film and the substrate interface can be reduced. However, on the other hand, the electrical film thickness of the gate insulating film may increase due to a small amount of residual oxygen in the nitrogen gas, so the annealing conditions should be kept in mind to achieve both reduction of defects and suppression of electrical film thickness increase. Should be decided.
[0056]
Where Al₂O_ThreeOxygen diffusion in the HfO₂It is known to be slower than inside. Therefore, the oxygen diffusion in HfAlO is HfO.₂Slower than This is the case with the first embodiment (HfO₂This means that a higher annealing temperature can be used, and in this embodiment, annealing at 900 ° C. was performed.
[0057]
Subsequent to the deposition of HfAlO, 100 nm of titanium nitride (TiN) was deposited using a sputtering apparatus. In this embodiment, titanium nitride is used for the gate electrode, but other metals and metal nitrides that can ensure heat resistance during activation annealing can also be used. Of course, it is also possible to use polycrystalline silicon like a conventional field effect transistor, and various gate electrode materials can be used.
[0058]
According to the analysis result of the MEI (Medium energy ion scattering) of the gate insulating film after RTA, the composition of the interfacial oxynitride film layer was x = 0.7, and the composition of the HfAlO layer was z = 0.8. As can be seen from FIG. 2, in this case, the hysteresis amount is suppressed within an allowable range. This is a condition advantageous for suppressing fluctuations in channel carrier mobility.
[0059]
(Third embodiment)
Since the element structure of the MISFET according to the third embodiment of the present invention is also the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted. In the present embodiment, the manufacturing process of the gate insulating film and the gate electrode is different from those in the first and second embodiments, and the portions will be described in detail with reference to FIG.
[0060]
A sample for which an element formation region was manufactured was subjected to pretreatment for forming a gate insulating film. Although the diluted hydrofluoric acid treatment is performed here, it may be replaced with another cleaning step. In this embodiment, the interface layer was not formed, but instead, an extremely thin interface nitride film layer or oxynitride film layer of about 1,2 monolayer was formed by ammonia nitridation, radical nitridation, direct plasma nitridation, remote plasma. You may form by methods, such as nitriding.
[0061]
Next, an HfAlO film having a thickness of 5 nm was formed as a gate insulating film by RF sputtering using an HfAlO target. As a method for depositing the HfAlO film, other methods and process conditions such as an MOCVD method and a layer-by-layer CVD method may be used. Subsequently, an oxynitride film layer was formed on the surface of the gate insulating film by sputtering. Note that the formation of the surface oxynitride layer in this way is effective not only for suppressing hysteresis but also for suppressing diffusion of elements from the gate electrode.
[0062]
Next, post-deposition annealing was performed at 900 ° C. for 30 seconds in a nitrogen atmosphere using an RTA apparatus. By this RTA, defects at the gate insulating film and the substrate interface were reduced. Al₂O_ThreeOxygen diffusion in the HfO₂Since it is several orders of magnitude slower than the inside, even in the case of HfAlO, even if the temperature of the RTA is considerably high, an increase in the thickness of the gate insulating film due to the influence of residual oxygen in the nitrogen atmosphere does not matter.
[0063]
Following deposition of the gate insulating film, 100 nm of titanium nitride (TiN) was deposited using a sputtering apparatus. In this embodiment, titanium nitride is used for the gate electrode, but other metals and metal nitrides that can ensure heat resistance during activation annealing can also be used. Of course, it is also possible to use polycrystalline silicon like a conventional field effect transistor, and various gate electrode materials can be used.
[0064]
According to the analysis result of the gate insulating film after RTA, the composition of the interfacial oxynitride film layer on the gate side x = 0.4, and the composition z of the HfAlO layer on the silicon substrate side was 0.8. As can be seen from FIG. 2, in this case, the hysteresis amount is suppressed within an allowable range. Since it is less than the counterclockwise hysteresis, it is a condition advantageous for suppressing fluctuations in the mobility of the channel carrier.
[0065]
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiments. In the embodiment, the main component of the metal in the metal oxide film forming the gate insulating film is Hf, Al, or a mixture thereof, but Zr can also be used in addition to these. That is, at least one of Hf, Al, and Zr can be used as the main component of the metal in the metal oxide film. That is, the gate insulating film may be a stacked structure of a metal oxide film containing at least one of Hf, Al, and Zr and an oxynitride film.
[0066]
Further, although the MISFET has been described in the embodiment, it is needless to say that it can be applied to a MIS type capacitor. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0067]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, in the gate insulating film made of Hf, Al, Si, O, N, etc., particularly in the laminated gate insulating film of the hafnium-aluminum-oxide layer and the silicon oxynitride interface layer, Hf, By appropriately selecting the relationship between the composition of Al, O and the composition of Si, O, N, the hysteresis of the CV characteristic of the gate insulating film can be suppressed. Therefore, a highly reliable integrated circuit in which instability of the threshold voltage of the MISFET is suppressed can be configured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the principle of the present invention and showing how hysteresis is suppressed by the lamination of a high dielectric constant insulating film and an interface layer.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the composition and hysteresis of a HfAlO / SiON laminated film according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the n-channel MISFET according to the first embodiment.
4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the n-channel MISFET according to the first embodiment. FIG.
FIG. 5 is a flowchart showing a manufacturing process of a gate insulating film in the first embodiment.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the dependence of the hysteresis amount of the sample formed under the first embodiment and other conditions on the interface layer composition.
FIG. 7 is a flowchart showing a manufacturing process of a gate insulating film in the second embodiment.
FIG. 8 is a flowchart showing a manufacturing process of a gate insulating film in the third embodiment.
[Explanation of symbols]
21 ... p-type silicon substrate
22 ... groove for element isolation
23 ... Silicon oxide film (element isolation region)
24. Gate insulating film
25. Titanium nitride film
26 ... Silicon oxide film
27 ... Photoresist pattern
28 ... n⁺Type source area
29 ... n⁺Type drain region
30 ... Silicon oxide film (interlayer insulating film)
210 ... Source electrode (metal electrode)
211 ... Drain electrode (metal electrode)
212 ... Gate electrode (metal electrode)

Claims (3)

A semiconductor device in which a MIS field effect transistor is formed on a silicon substrate,
The gate insulating film of the MIS field effect transistor is made of a dielectric mainly composed of metal, silicon, oxygen, and nitrogen, and the main component of the metal in the dielectric is hafnium, aluminum, or a mixture thereof. The dielectric film composition is _expressed as (HfO ₂ ) _p (Al ₂ O ₃ ) _q (SiO ₂ ) _r (Si ₃ N ₄ ) _s, and α = 2 × 10 ¹¹ cm ⁻² , β = 3. When x10 ¹¹ cm ⁻² , γ = 6 × 10 ¹¹ cm ⁻² and δ = 1 × 10 ¹¹ cm ⁻² , z = p takes values in the range of 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ x ≦ 1. / (P + q), x = r / (r + s)

A semiconductor device characterized by satisfying this relationship. A semiconductor device in which a MIS field effect transistor is formed on a silicon substrate,
The gate insulating film of the MIS field effect transistor is made of a dielectric mainly composed of metal, silicon, oxygen, and nitrogen, and the main component of the metal in the dielectric is hafnium, aluminum, or a mixture thereof. When the film composition at each position in the film thickness direction of the dielectric is expressed as (HfO ₂ ) _{p ′} (Al ₂ O ₃ ) _{q ′} (SiO ₂ ) _{r ′} (Si ₃ N ₄ ) _{s ′} , (p ′ + q ′) ≧ (r ′ + s ′) exists, and there is a position (p ′ + q ′) <(r ′ + s ′) closer to the silicon substrate than the position. The composition of the dielectric film as a whole is _expressed as (HfO ₂ ) _p (Al ₂ O ₃ ) _q (SiO ₂ ) _r (Si ₃ N ₄ ) _s, and α = 2 × 10 ¹¹ cm ⁻² , β = 3 × 10 ¹¹ cm ⁻² , γ = 6 × 10 ¹¹ cm ⁻² , and δ = 1 × 10 ¹¹ cm ⁻² , z takes values in the range of 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ x ≦ 1 = P / (P + q), x = r / (r + s)

A semiconductor device characterized by satisfying this relationship. A semiconductor device in which a MIS field effect transistor is formed on a silicon substrate,
The gate insulating film of the MIS field effect transistor is made of a dielectric mainly composed of metal, silicon, oxygen, and nitrogen, and the main component of the metal in the dielectric is hafnium, aluminum, or a mixture thereof. When the film composition at each position in the film thickness direction of the dielectric is expressed as (HfO ₂ ) _{p ′} (Al ₂ O ₃ ) _{q ′} (SiO ₂ ) _{r ′} (Si ₃ N ₄ ) _{s ′} , (p ′ + q ′) ≧ (r ′ + s ′) exists, and there is a position (p ′ + q ′) <(r ′ + s ′) closer to the gate electrode than the position. The composition of the dielectric film as a whole is _expressed as (HfO ₂ ) _p (Al ₂ O ₃ ) _q (SiO ₂ ) _r (Si ₃ N ₄ ) _s, and α = 2 × 10 ¹¹ cm ⁻² , β = 3 × 10 ¹¹ cm ⁻² , γ = 6 × 10 ¹¹ cm ⁻² , and δ = 1 × 10 ¹¹ cm ⁻² , z takes values in the range of 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ x ≦ 1 = P / (P + q), x = r / (r + s) is

A semiconductor device characterized by satisfying this relationship.

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