JP4950710B2 - Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法、特に金属酸化物膜や金属珪酸化物膜をゲート絶縁膜に用いた半導体装置及び半導体装置の製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device using a metal oxide film or a metal silicate film as a gate insulating film and a method for manufacturing the semiconductor device.

MISFETの微細化に伴いゲート絶縁膜の薄膜化が要求されているが、従来より用いられているシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜では、ダイレクトトンネル電流の増加により、約2nmで薄膜化の限界に達してしまう。   With the miniaturization of MISFETs, thinning of the gate insulating film is required. However, in the conventional silicon oxide film and silicon oxynitride film, the limit of thinning is about 2 nm due to the increase of direct tunnel current. Will reach.

そこで、誘電率がシリコン酸化膜よりも高い金属酸化物膜や金属珪酸化物膜(金属シリケート膜)をゲート絶縁膜に用いることにより、実効膜厚を維持したまま、実際の膜厚(物理膜厚)を厚くして、リーク電流を抑制するという提案がなされている。   Therefore, by using a metal oxide film or metal silicate film (metal silicate film) whose dielectric constant is higher than that of silicon oxide film as the gate insulating film, the actual film thickness (physical film thickness) is maintained while maintaining the effective film thickness. ) Is made thick to suppress leakage current.

しかしながら、金属酸化物膜をゲート絶縁膜に用いた場合には、シリコン基板との間で良好な界面が得られ難いという問題がある。また、金属珪酸化物膜をゲート絶縁膜に用いた場合には、ある程度良好な界面が得られるが、金属酸化物膜に比べて誘電率が小さいという問題がある。   However, when a metal oxide film is used for the gate insulating film, there is a problem that it is difficult to obtain a good interface with the silicon substrate. In addition, when a metal silicate film is used as a gate insulating film, a good interface can be obtained to some extent, but there is a problem that a dielectric constant is smaller than that of a metal oxide film.

シリコン基板と金属酸化物膜との界面にシリコン酸窒化膜を形成するという方法も考えられるが、シリコン酸窒化膜の膜厚を1nm以下にすることは困難であり、ゲート絶縁膜の実効的な膜厚を薄くすることができない。   Although a method of forming a silicon oxynitride film at the interface between the silicon substrate and the metal oxide film is also conceivable, it is difficult to reduce the thickness of the silicon oxynitride film to 1 nm or less. The film thickness cannot be reduced.

また、シリコン基板上に金属酸化物膜を形成した後、熱処理によってシリコン基板と金属酸化物膜との界面に金属珪酸化物膜を形成し、両者の積層構造にするという方法も考えられる。しかしながら、この場合には、両者の構成金属が必然的に同じものとなり、金属酸化物膜と金属珪酸化物膜との最適な組み合わせを得ることが難しいという問題がある。また、金属酸化物膜が結晶構造を有しているため、誘電率の結晶面方位依存性に起因して、局所的な実効膜厚がばらつくという問題もある。   Another possible method is to form a metal oxide film on the silicon substrate, and then form a metal silicate film at the interface between the silicon substrate and the metal oxide film by heat treatment to form a laminated structure of the two. However, in this case, both constituent metals are necessarily the same, and there is a problem that it is difficult to obtain an optimal combination of a metal oxide film and a metal silicate film. In addition, since the metal oxide film has a crystal structure, there is a problem that the local effective film thickness varies due to the dependency of the dielectric constant on the crystal plane orientation.

このように、ゲート絶縁膜の薄膜化の限界に対して、シリコン酸化膜よりも誘電率の高い絶縁膜として、金属酸化物膜や金属珪酸化物膜を用いるという提案がなされているが、特性の点で、多くの解決すべき課題が残されている。 As described above, a proposal has been made to use a metal oxide film or a metal silicate film as an insulating film having a dielectric constant higher than that of a silicon oxide film in order to limit the thinning of the gate insulating film . In that respect, many problems to be solved remain.

本発明は上記従来の課題に対してなされたものであり、金属酸化物膜或いは金属珪酸化物膜をゲート絶縁膜に用いた半導体装置において、特性の向上をはかることが可能な半導体装置及びその製造方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and in a semiconductor device using a metal oxide film or a metal silicate film as a gate insulating film, the semiconductor device capable of improving characteristics and its manufacture It aims to provide a method.

第1の発明は、金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜をゲート絶縁膜の少なくとも一部に用いた半導体装置であって、前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜にフッ素又は窒素の少なくとも一方が含まれていることを特徴とする。   A first invention is a semiconductor device using an insulating film containing metal, silicon and oxygen as at least a part of a gate insulating film, wherein the insulating film containing metal, silicon and oxygen contains at least one of fluorine and nitrogen. It is included.

第2の発明は、金属酸化物膜をゲート絶縁膜の少なくとも一部に用いた半導体装置であって、半導体基板と前記金属酸化物膜との間に、金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜が形成され、前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜にフッ素又は窒素の少なくとも一方が含まれていることを特徴とする。   A second invention is a semiconductor device using a metal oxide film as at least a part of a gate insulating film, wherein an insulating film containing metal, silicon, and oxygen is provided between a semiconductor substrate and the metal oxide film. The formed insulating film containing metal, silicon, and oxygen contains at least one of fluorine and nitrogen.

第1及び第2の発明によれば、金属珪酸化物膜中にフッ素を含有させることにより、半導体基板を構成するシリコンと金属珪酸化物膜との界面に存在するタングリングボンドをフッ素によって終端させることができる。したがって、通常の金属珪酸化物膜よりも界面準位密度を低くすることができ、良好な界面特性を得ることが可能となる。   According to the first and second inventions, by including fluorine in the metal silicate film, the tangling bond existing at the interface between silicon and the metal silicate film constituting the semiconductor substrate is terminated with fluorine. Can do. Therefore, the interface state density can be made lower than that of a normal metal silicate film, and good interface characteristics can be obtained.

また、第1及び第2の発明によれば、金属珪酸化物膜中に窒素を含有させることにより、金属珪酸化物膜の誘電率を上げることができ、実効膜厚を薄くすることができる。また、例えば金属酸化物膜中の酸素欠損を補償するための酸化雰囲気でのアニールにおいて、半導体基板を構成するシリコンと金属珪酸化物膜との界面での酸化反応を抑制することができ、実効膜厚を薄くすることができるとともに、界面準位密度の低い良好な界面特性を得ることが可能となる。   Further, according to the first and second inventions, by including nitrogen in the metal silicate film, the dielectric constant of the metal silicate film can be increased and the effective film thickness can be reduced. Further, for example, in the annealing in an oxidizing atmosphere for compensating oxygen vacancies in the metal oxide film, the oxidation reaction at the interface between silicon and the metal silicate film constituting the semiconductor substrate can be suppressed, and the effective film It is possible to reduce the thickness and obtain good interface characteristics with a low interface state density.

このように、半導体基板と金属酸化物膜との間に、フッ素又は窒素の少なくとも一方が含まれた金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を形成することにより、金属酸化物膜及び金属珪酸化物膜からなるゲート絶縁膜の実効膜厚の低減及びリーク電流の低減をはかることができることは勿論、良好な界面特性を有する高性能のトランジスタを実現することが可能となる。   Thus, by forming an insulating film containing metal, silicon and oxygen containing at least one of fluorine and nitrogen between the semiconductor substrate and the metal oxide film, the metal oxide film and the metal silicate film It is possible not only to reduce the effective film thickness of the gate insulating film made of and to reduce leakage current, but also to realize a high-performance transistor having good interface characteristics.

第3の発明は、金属酸化物膜をゲート絶縁膜の少なくとも一部に用いた半導体装置であって、半導体基板と前記金属酸化物膜との間に、金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜が形成され、前記金属酸化物膜及び前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜が非結晶膜であることを特徴とする。   A third invention is a semiconductor device using a metal oxide film as at least a part of a gate insulating film, wherein an insulating film containing metal, silicon and oxygen is provided between a semiconductor substrate and the metal oxide film. The formed metal oxide film and the insulating film containing metal, silicon, and oxygen are amorphous films.

第4の発明は、金属酸化物膜をゲート絶縁膜の少なくとも一部に用いた半導体装置であって、半導体基板と前記金属酸化物膜との間に、金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜が形成され、前記金属酸化物膜を構成する主たる金属元素と前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を構成する主たる金属元素とが異なることを特徴とする。   A fourth invention is a semiconductor device using a metal oxide film as at least a part of a gate insulating film, wherein an insulating film containing metal, silicon and oxygen is provided between a semiconductor substrate and the metal oxide film. The main metal element formed and constituting the metal oxide film is different from the main metal element constituting the metal, silicon and oxygen insulating film.

第5の発明は、金属酸化物膜をゲート絶縁膜の少なくとも一部に用いた半導体装置の製造方法であって、半導体基板上に金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を形成する工程と、前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜上に金属酸化物膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。   A fifth invention is a method of manufacturing a semiconductor device using a metal oxide film as at least a part of a gate insulating film, the step of forming an insulating film containing metal, silicon and oxygen on a semiconductor substrate; And a step of forming a metal oxide film over the insulating film containing metal, silicon, and oxygen.

第5の発明において、前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を形成する工程の後、前記金属酸化物膜を形成する工程の前に、前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜の結晶化温度よりも低く且つ前記金属酸化物膜の結晶化温度よりも高い温度で熱処理を行うことが好ましい。   5th invention WHEREIN: After the process of forming the said insulating film containing a metal, silicon, and oxygen, before the process of forming the said metal oxide film, the crystallization temperature of the said insulating film containing a metal, silicon, and oxygen It is preferable to perform the heat treatment at a temperature lower than that and higher than the crystallization temperature of the metal oxide film.

第3の発明によれば、金属酸化物膜及び金属珪酸化物膜からなるゲート絶縁膜の実効膜厚の低減及びリーク電流の低減をはかることができるという基本的な効果が得られる他、金属酸化物膜及び金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜が非結晶膜であるため、誘電率の結晶面方位依存性に起因する局所的な実効膜厚のばらつきが低減され、しきい値電圧等のばらつきの少ない信頼性に優れたトランジスタを得ることできる。   According to the third aspect of the invention, the basic effect that the effective film thickness of the gate insulating film made of the metal oxide film and the metal silicate film can be reduced and the leakage current can be reduced is obtained. Since the material film and the insulating film containing metal, silicon, and oxygen are non-crystalline films, variations in local effective film thickness due to the dependence of the dielectric constant on the crystal plane orientation are reduced, and variations in threshold voltage, etc. A transistor with less reliability and excellent reliability can be obtained.

第4の発明によれば、金属酸化物膜及び金属珪酸化物膜からなるゲート絶縁膜の実効膜厚の低減及びリーク電流の低減をはかることができるという基本的な効果が得られる他、金属酸化物膜を構成する主たる金属元素と金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を構成する主たる金属元素とが異なるため、それぞれに適した金属元素を選択することにより、安定な金属珪酸化物膜によって良好な界面特性を得ることができるとともに、金属酸化物膜として誘電率の高いものを用いることができ、優れた特性を有するトランジスタを得ることできる。   According to the fourth aspect of the invention, the basic effect that the effective thickness of the gate insulating film made of the metal oxide film and the metal silicate film can be reduced and the leakage current can be reduced is obtained. Since the main metal element constituting the material film is different from the main metal element constituting the insulating film containing metal, silicon and oxygen, a suitable metal element can be selected for each, and a stable metal silicate film can be obtained. Interface characteristics can be obtained, and a metal oxide film having a high dielectric constant can be used, so that a transistor having excellent characteristics can be obtained.

第5の発明によれば、従来のように、金属酸化物膜を形成した後に熱処理によって金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を形成するのではなく、金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を形成した後に金属酸化物膜を形成するので、金属酸化物膜の主たる構成金属元素と金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜の主たる構成金属元素とを容易に異ならせることができる。また、金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を形成する工程の後、金属酸化物膜を形成する工程の前に、金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜の結晶化温度よりも低く且つ金属酸化物膜の結晶化温度よりも高い温度で熱処理を行うことにより、金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜並びに金属酸化物膜の非晶質膜を容易に得ることができる。   According to the fifth invention, instead of forming an insulating film containing metal, silicon and oxygen by heat treatment after forming a metal oxide film as in the prior art, an insulating film containing metal, silicon and oxygen is formed. Then, since the metal oxide film is formed, the main constituent metal element of the metal oxide film and the main constituent metal element of the insulating film containing metal, silicon, and oxygen can be easily made different. In addition, after the step of forming the insulating film containing metal, silicon, and oxygen, and before the step of forming the metal oxide film, the temperature is lower than the crystallization temperature of the insulating film containing metal, silicon, and oxygen and the metal oxide By performing heat treatment at a temperature higher than the crystallization temperature of the film, an insulating film containing metal, silicon, and oxygen and an amorphous film of a metal oxide film can be easily obtained.

第6の発明は、金属酸化物膜をゲート絶縁膜の少なくとも一部に用いた半導体装置の製造方法であって、半導体基板上に金属酸化物膜を形成した後、酸化力の異なる複数種類のガスを含む雰囲気で熱処理を行うことを特徴とする。   A sixth invention is a method of manufacturing a semiconductor device using a metal oxide film as at least a part of a gate insulating film, and after forming a metal oxide film on a semiconductor substrate, a plurality of types having different oxidizing powers Heat treatment is performed in an atmosphere containing gas.

第6の発明において、前記熱処理は、前記半導体基板と前記金属酸化物膜との境界領域のシリコンが酸化されず、前記金属酸化物膜に含まれる金属が酸化されるような条件で行われることが好ましい。   6th invention WHEREIN: The said heat processing is performed on the conditions that the silicon | silicone of the boundary area | region of the said semiconductor substrate and the said metal oxide film is not oxidized, but the metal contained in the said metal oxide film is oxidized. Is preferred.

第7の発明は、金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜をゲート絶縁膜の少なくとも一部に用いた半導体装置の製造方法であって、半導体基板上に金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を形成した後、酸化力の異なる複数種類のガスを含む雰囲気で熱処理を行うことを特徴とする。   A seventh invention is a method of manufacturing a semiconductor device using an insulating film containing metal, silicon and oxygen as at least a part of a gate insulating film, and forming an insulating film containing metal, silicon and oxygen on a semiconductor substrate Then, heat treatment is performed in an atmosphere containing a plurality of types of gases having different oxidizing powers.

第7の発明において、前記熱処理は、前記半導体基板と前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜との境界領域のシリコンが酸化されず、前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜に含まれる金属が酸化されるような条件で行われることが好ましい。   In a seventh aspect of the invention, the heat treatment does not oxidize silicon in a boundary region between the semiconductor substrate and the insulating film containing the metal, silicon, and oxygen, and the metal contained in the insulating film containing the metal, silicon, and oxygen. It is preferable that the reaction be performed under conditions that allow oxidation.

第6及び第7の発明によれば、酸化力の異なる複数種類のガスを含む雰囲気で熱処理を行うことにより、半導体基板と金属酸化物膜との界面領域或いは半導体基板と金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜との界面領域にシリコン酸化膜を形成することなく、金属酸化物膜或いは金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜の組成を化学量論的組成に近づけることができ、緻密な金属酸化物膜或いは金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を得ることができる。したがって、ゲート絶縁膜の実効膜厚の低減及びリーク電流の低減をはかることができ、優れた特性を有するトランジスタを得ることできる。   According to the sixth and seventh inventions, by performing heat treatment in an atmosphere containing a plurality of types of gases having different oxidizing powers, the interface region between the semiconductor substrate and the metal oxide film or the semiconductor substrate and the metal, silicon, and oxygen A metal oxide film or an insulating film containing metal, silicon and oxygen can be brought close to a stoichiometric composition without forming a silicon oxide film in an interface region with the insulating film containing the dense metal oxide. A film or an insulating film containing metal, silicon, and oxygen can be obtained. Therefore, the effective thickness of the gate insulating film and the leakage current can be reduced, and a transistor having excellent characteristics can be obtained.

第8の発明は、金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜をゲート絶縁膜の少なくとも一部に用いた半導体装置の製造方法であって、半導体基板上にシリコン酸化膜系絶縁膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜系絶縁膜上に金属膜を形成する工程と、熱処理により前記シリコン酸化膜系絶縁膜と前記金属膜とを反応させて金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。   An eighth invention is a method of manufacturing a semiconductor device using an insulating film containing metal, silicon, and oxygen as at least a part of a gate insulating film, the step of forming a silicon oxide insulating film on a semiconductor substrate; Forming a metal film on the silicon oxide insulating film; and reacting the silicon oxide insulating film with the metal film by heat treatment to form an insulating film containing metal, silicon, and oxygen. It is characterized by having.

第8の発明において、前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を形成する際に、前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜上に前記金属膜の一部を残置させるようにしてもよい。   In the eighth invention, when the insulating film containing metal, silicon and oxygen is formed, a part of the metal film may be left on the insulating film containing metal, silicon and oxygen.

第9の発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にシリコン酸化膜系絶縁膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜系絶縁膜上に第1の金属膜を形成する工程と、熱処理により前記シリコン酸化膜系絶縁膜と前記第1の金属膜とを反応させて第1の金属膜を構成する金属元素、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を形成する工程と、前記熱処理の際に前記シリコン酸化膜系絶縁膜と反応せずに残置した前記第1の金属膜の一部を除去する工程と、前記第1の金属膜の一部が除去された領域に前記第1の金属膜を構成する金属元素とは異なる金属元素で構成された第2の金属膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。   According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a silicon oxide insulating film on a semiconductor substrate; forming a first metal film on the silicon oxide insulating film; A step of reacting the silicon oxide insulating film with the first metal film to form an insulating film containing a metal element, silicon and oxygen constituting the first metal film, and during the heat treatment, Removing a part of the first metal film left without reacting with the silicon oxide insulating film; and applying the first metal film to a region where the part of the first metal film is removed. Forming a second metal film composed of a metal element different from the constituent metal elements.

第10の発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にシリコン酸化膜系絶縁膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜系絶縁膜上に第1の金属膜を形成する工程と、前記第1の金属膜の一部を除去する工程と、前記第1の金属膜の一部が除去された領域に前記第1の金属膜を構成する金属元素とは異なる金属元素で構成された第2の金属膜を形成する工程と、熱処理により、前記シリコン酸化膜系絶縁膜と前記第1の金属膜とを反応させて第1の金属膜を構成する金属元素、シリコン及び酸素を含む第1の絶縁膜を形成するとともに、前記シリコン酸化膜系絶縁膜と前記第2の金属膜とを反応させて第2の金属膜を構成する金属元素、シリコン及び酸素を含む第2の絶縁膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。   A method of manufacturing a semiconductor device according to a tenth aspect of the invention includes a step of forming a silicon oxide film-based insulating film on a semiconductor substrate, a step of forming a first metal film on the silicon oxide film-based insulating film, A step of removing a part of the first metal film, and a region made of a metal element different from the metal element constituting the first metal film in a region where the part of the first metal film is removed. A first metal element containing silicon and oxygen, which forms the first metal film by reacting the silicon oxide insulating film and the first metal film by a step of forming a second metal film and a heat treatment. And forming a second insulating film containing a metal element, silicon, and oxygen constituting the second metal film by reacting the silicon oxide film-based insulating film with the second metal film. And a step of performing.

第8乃至第10の発明によれば、熱処理によってシリコン酸化膜系絶縁膜と金属膜とを反応させて金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を形成することにより、膜質に優れた誘電率の高い絶縁膜を得ることができる。また、熱処理の際に、金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜上に金属膜の一部を残置させることにより、残置した金属膜をゲート電極として用いることができ、製造工程の簡略化、生産性の向上をはかることができる。また、第9及び第10の発明によれば、ゲート電極に異なった金属を用いたデュアルメタルトランジスタを容易に作製することができる。   According to the eighth to tenth inventions, the silicon oxide film-based insulating film and the metal film are reacted by heat treatment to form the insulating film containing metal, silicon, and oxygen, so that the film quality is excellent and the dielectric constant is high. An insulating film can be obtained. In addition, by leaving a part of the metal film on the insulating film containing metal, silicon, and oxygen during the heat treatment, the remaining metal film can be used as a gate electrode, thereby simplifying the manufacturing process and productivity. Can be improved. Further, according to the ninth and tenth aspects, a dual metal transistor using different metals for the gate electrode can be easily manufactured.

第11の発明に係る半導体装置は、金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜をゲート絶縁膜の少なくとも一部に用いた第1及び第2の領域を有し、前記第1及び第2の領域の金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を構成する金属元素が同一であり、且つ、前記第1及び第2の領域の金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜の金属元素、シリコン及び酸素の組成比が互いに異なることを特徴とする。   A semiconductor device according to an eleventh aspect of the invention includes first and second regions using an insulating film containing metal, silicon, and oxygen as at least a part of a gate insulating film. The metal elements constituting the insulating film containing metal, silicon, and oxygen are the same, and the composition ratio of the metal elements of the insulating film containing the metal, silicon, and oxygen, silicon, and oxygen in the first and second regions is the same. It is different from each other.

第12の発明に係る半導体装置は、金属酸化物膜をゲート絶縁膜の少なくとも一部に用いた第1の領域と、金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜をゲート絶縁膜の少なくとも一部に用いた第2の領域とを有し、前記第1の領域の金属酸化物膜を構成する金属元素と前記第2の領域の金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を構成する金属元素とが同一あることを特徴とする。   According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device including: a first region using a metal oxide film as at least part of a gate insulating film; and an insulating film containing metal, silicon, and oxygen as at least part of the gate insulating film. The metal element constituting the metal oxide film in the first region and the metal element constituting the insulating film containing metal, silicon and oxygen in the second region are the same. It is characterized by that.

第13の発明は、ゲート絶縁膜が互いに異なる第1及び第2の領域を有する半導体装置の製造方法であって、前記第1の領域の半導体基板上にシリコン酸化膜系絶縁膜を形成する工程と、前記第1の領域のシリコン酸化膜系絶縁膜上及び前記第2の領域の半導体基板上に金属酸化物膜を形成する工程と、前記第2の領域の金属酸化物膜と前記半導体基板のシリコンとを熱処理によって反応させて金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。   A thirteenth aspect of the invention is a method of manufacturing a semiconductor device having first and second regions having different gate insulating films, and a step of forming a silicon oxide insulating film on the semiconductor substrate of the first region Forming a metal oxide film on the silicon oxide insulating film in the first region and on the semiconductor substrate in the second region, the metal oxide film in the second region, and the semiconductor substrate And a step of forming an insulating film containing metal, silicon and oxygen by reacting with silicon by heat treatment.

第14の発明は、ゲート絶縁膜が互いに異なる第1及び第2の領域を有する半導体装置の製造方法であって、半導体基板上又は半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜系絶縁膜上に金属酸化物膜を形成する工程と、前記第2の領域に形成された金属酸化物膜に選択的にシリコンを導入する工程と、シリコンが導入された前記金属酸化物膜を熱処理によって金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜に変換する工程と、を有することを特徴とする。   A fourteenth aspect of the invention is a method of manufacturing a semiconductor device having first and second regions in which gate insulating films are different from each other, wherein a metal is formed on a semiconductor substrate or a silicon oxide-based insulating film formed on the semiconductor substrate. A step of forming an oxide film, a step of selectively introducing silicon into the metal oxide film formed in the second region, and a heat treatment of the metal oxide film into which silicon has been introduced by heat treatment. And a step of converting into an insulating film containing oxygen.

第15の発明は、ゲート絶縁膜が互いに異なる第1及び第2の領域を有する半導体装置の製造方法であって、半導体基板上にシリコン酸化膜系絶縁膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜系絶縁膜上に金属酸化物膜を形成する工程と、前記第2の領域に形成された前記シリコン酸化膜系絶縁膜に選択的に損傷を与える工程と、損傷が与えられ前記シリコン酸化膜系絶縁膜と前記金属酸化物膜とを熱処理によって反応させて金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を形成する工程と、を有することを特徴とする。   A fifteenth aspect of the invention is a method of manufacturing a semiconductor device having first and second regions having different gate insulating films, the step of forming a silicon oxide insulating film on a semiconductor substrate, and the silicon oxide film Forming a metal oxide film on the base insulating film; selectively damaging the silicon oxide insulating film formed in the second region; and damaging the silicon oxide film And a step of reacting the insulating film with the metal oxide film by heat treatment to form an insulating film containing metal, silicon, and oxygen.

第11及び第12の発明によれば、第1の領域と第2の領域とで金属、シリコン及び酸素の組成比を異ならせることにより(第12の発明では、第1の領域の金属酸化物膜のシリコンの組成比は実質的にゼロ)、第1の領域と第2の領域とで実効膜厚の異なったゲート絶縁膜構造を得ることができる。また、第13乃至第15の発明によれば、このような実効膜厚の異なったゲート絶縁膜構造を生産性よく容易に作製することができる。   According to the eleventh and twelfth inventions, the first region and the second region have different composition ratios of metal, silicon, and oxygen (in the twelfth invention, the metal oxide in the first region). The composition ratio of silicon in the film is substantially zero), and a gate insulating film structure having different effective film thicknesses in the first region and the second region can be obtained. In addition, according to the thirteenth to fifteenth inventions, such gate insulating film structures having different effective film thicknesses can be easily manufactured with high productivity.

なお、上記各発明において、金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜は、実質的には金属珪酸化物膜(金属シリケート膜)を指す。また、金属珪酸化物膜には、金属酸化物とシリコン酸化物が相分離して混合物となって存在している態様、金属、シリコン及び酸素が化合物として一様に存在している態様があるものとする。   In each of the above inventions, the insulating film containing metal, silicon, and oxygen substantially refers to a metal silicate film (metal silicate film). In addition, the metal silicate film has a mode in which the metal oxide and the silicon oxide are present as a mixture by phase separation, and a mode in which the metal, silicon and oxygen are uniformly present as a compound. And

本発明によれば、金属酸化物膜や金属珪酸化物膜をゲート絶縁膜に用いた半導体装置において、特性、信頼性、生産性等の向上をはかることが可能となる。   According to the present invention, it is possible to improve characteristics, reliability, productivity, and the like in a semiconductor device using a metal oxide film or a metal silicate film as a gate insulating film.

(実施形態1)
以下、本発明の第1の実施形態を図面を参照して説明する。
(Embodiment 1)
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施形態1(A))
図1は、本発明の実施形態1(A)に係る半導体装置の構成例を示した断面図である。
(Embodiment 1 (A))
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a semiconductor device according to Embodiment 1A of the present invention.

シリコン基板1上に、ゲート絶縁膜として、金属珪酸化物膜(金属シリケート膜、ここではジルコニウム珪酸化物膜)6及び金属酸化物膜3(ここではジルコニウム酸化物膜)が形成されており、金属酸化物膜3上には、ゲート電極として、チタン窒化膜4及びタングステン膜5が形成されている。   A metal silicate film (metal silicate film, here, zirconium silicate film) 6 and a metal oxide film 3 (here, zirconium oxide film) are formed on the silicon substrate 1 as a gate insulating film. On the material film 3, a titanium nitride film 4 and a tungsten film 5 are formed as gate electrodes.

ジルコニウム珪酸化物膜6の膜厚は約1.5nm、ジルコニウム酸化物膜3の膜厚は約3nmで、それぞれのシリコン酸化膜換算膜厚はいずれも約0.5nmであり、実効的なゲート絶縁膜厚は約1nmである。ゲート電極とシリコン基板1との間のジルコニウム珪酸化物膜6中には、微量のフッ素が含まれている。また、ゲート電極の幅は50nm程度である。   The thickness of the zirconium silicate film 6 is about 1.5 nm, the thickness of the zirconium oxide film 3 is about 3 nm, and the equivalent silicon oxide film thickness is about 0.5 nm. The film thickness is about 1 nm. A small amount of fluorine is contained in the zirconium silicate film 6 between the gate electrode and the silicon substrate 1. The width of the gate electrode is about 50 nm.

ジルコニウム珪酸化物膜6に含まれるフッ素の量は、単位体積当たりの原子数が、1×1019cm-3〜1×1021cm-3であることが望ましい。特に、シリコン基板1との界面付近において、5×1019cm-3〜5×1020cm-3の濃度ピークを持つようにすることが望ましい。 The amount of fluorine contained in the zirconium silicate film 6 is preferably 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 in terms of the number of atoms per unit volume. In particular, it is desirable to have a concentration peak of 5 × 10 19 cm −3 to 5 × 10 20 cm −3 in the vicinity of the interface with the silicon substrate 1.

なお、金属珪酸化物膜6としては、ジルコニウム珪酸化物膜の他、ハフニウム珪酸化物膜、ランタニウム珪酸化物膜、ガドリニウム珪酸化物膜、イットリウム珪酸化物膜、アルミニウム珪酸化物膜、チタニウム珪酸化物膜を用いてもよい。また、これらの金属元素(Zr,Hf,La,Gd,Y,Al,Ti)を2種類以上含む金属珪酸化物膜を用いてもよい。   The metal silicate film 6 may be a zirconium silicate film, a hafnium silicate film, a lanthanium silicate film, a gadolinium silicate film, an yttrium silicate film, an aluminum silicate film, or a titanium silicate film. Good. Alternatively, a metal silicate film containing two or more of these metal elements (Zr, Hf, La, Gd, Y, Al, Ti) may be used.

また、金属酸化物膜3としては、ジルコニウム酸化物膜の他、タンタル酸化物膜、チタン酸化物膜、ランタン酸化物膜、ハフニウム酸化物膜、ガドリニウム酸化物膜、イットリウム酸化物膜、アルミニウム酸化物膜を用いてもよい。また、これらの金属元素(Zr,Ta,Ti,La,Hf,Gd,Y,Al)を2種類以上含む金属酸化物膜を用いてもよい。   In addition to the zirconium oxide film, the metal oxide film 3 includes a tantalum oxide film, a titanium oxide film, a lanthanum oxide film, a hafnium oxide film, a gadolinium oxide film, an yttrium oxide film, and an aluminum oxide. A membrane may be used. Alternatively, a metal oxide film containing two or more of these metal elements (Zr, Ta, Ti, La, Hf, Gd, Y, Al) may be used.

次に、図2(a)〜図4(i)を参照して、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。   Next, with reference to FIGS. 2A to 4I, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment will be described.

まず、図2(a)に示すように、STI技術によって素子分離領域(図示せず)が形成されたシリコン基板1の表面に、熱酸化法により膜厚3nmのシリコン酸化膜7を形成する。続いて、膜厚50nmのポリシリコン膜8及び膜厚30nmのシリコン窒化膜9を、LPCVD法を用いて堆積する。   First, as shown in FIG. 2A, a silicon oxide film 7 having a thickness of 3 nm is formed by thermal oxidation on the surface of the silicon substrate 1 on which an element isolation region (not shown) is formed by the STI technique. Subsequently, a polysilicon film 8 having a thickness of 50 nm and a silicon nitride film 9 having a thickness of 30 nm are deposited using the LPCVD method.

次に、図2(b)に示すように、リソグラフィ技術及びRIE法を用いてシリコン窒化膜9及びポリシリコン膜8を選択的に除去し、ゲート電極が形成される予定領域にダミーゲートパターン10を形成する。   Next, as shown in FIG. 2B, the silicon nitride film 9 and the polysilicon film 8 are selectively removed using a lithography technique and an RIE method, and a dummy gate pattern 10 is formed in a region where a gate electrode is to be formed. Form.

次に、図2(c)に示すように、1000℃の熱酸化により、ポリシリコン膜8の側壁にシリコン酸化膜11を形成する。その後、例えば、加速電圧15keV、ドーズ量5×1014cm-2の条件でAsのイオン注入を行い、ゲート電極に対して自己整合的にソース・ドレインのエクステンション領域12を形成する。 Next, as shown in FIG. 2C, a silicon oxide film 11 is formed on the sidewalls of the polysilicon film 8 by thermal oxidation at 1000.degree. Thereafter, for example, As ions are implanted under the conditions of an acceleration voltage of 15 keV and a dose of 5 × 10 14 cm −2 to form the source / drain extension regions 12 in a self-aligned manner with respect to the gate electrode.

次に、図3(d)に示すように、例えば800℃、10秒のRTAを行った後、全面に膜厚10nmのシリコン窒化膜13及び膜厚50nmのシリコン酸化膜14を、LPCVD法を用いて堆積する。その後、エッチバックを行うことにより、シリコン酸化膜14の側壁を形成する。   Next, as shown in FIG. 3D, after performing RTA at 800 ° C. for 10 seconds, for example, a silicon nitride film 13 having a thickness of 10 nm and a silicon oxide film 14 having a thickness of 50 nm are formed on the entire surface by LPCVD. Use to deposit. Thereafter, etch back is performed to form sidewalls of the silicon oxide film 14.

次に、図3(e)に示すように、例えば、加速電圧35keV、ドーズ量5×1015cm-2の条件でAsのイオン注入を行い、引き続き1035℃、10秒のRTAを行うことにより、ソース・ドレイン拡散層15が形成される。 Next, as shown in FIG. 3E, for example, As ions are implanted under the conditions of an acceleration voltage of 35 keV and a dose of 5 × 10 15 cm −2 , and subsequently, RTA is performed at 1035 ° C. for 10 seconds. Then, the source / drain diffusion layer 15 is formed.

次に、図3(f)に示すように、全面に膜厚100nmのシリコン酸化膜16を堆積し、続いてCMP法を用いて平坦化を行うことにより、ダミーゲートパターン10の上部を露出させる。   Next, as shown in FIG. 3F, a 100 nm-thickness silicon oxide film 16 is deposited on the entire surface, followed by planarization using a CMP method to expose the upper portion of the dummy gate pattern 10. .

次に、図4(g)に示すように、ホット燐酸を用いてシリコン窒化膜9を除去し、続いてドライエッチングを用いてポリシリコン膜8を除去する。さらに、しきい値調整のためのチャネルイオン注入及び活性化アニールを行う。その後、シリコン酸化膜7を希弗酸溶液を用いて除去し、チャネル領域となるシリコン基板1の表面を露出させる。   Next, as shown in FIG. 4G, the silicon nitride film 9 is removed using hot phosphoric acid, and then the polysilicon film 8 is removed using dry etching. Further, channel ion implantation and activation annealing for threshold adjustment are performed. Thereafter, the silicon oxide film 7 is removed using a dilute hydrofluoric acid solution to expose the surface of the silicon substrate 1 serving as a channel region.

次に、図4(h)に示すように、塩化ジルコニウム(ZrCl4 )、テトラエトキシシラン(TEOS、Si(OC2 5 4 )及び、酸化剤であるO2 、2 O、NO又はH2 Oを用いたLPCVD法により、膜厚約1.5nmのジルコニウム珪酸化物膜6を堆積する。続いて、800℃、30秒のアニールを行った後、塩化ジルコニウム(ZrCl4 )及び、酸化剤であるO2 、2 O、NO又はH2 Oを用いたLPCVD法により、膜厚約3nmのジルコニウム酸化物膜3を堆積する。 Next, as shown in FIG. 4 (h), zirconium chloride (ZrCl 4 ), tetraethoxysilane (TEOS, Si (OC 2 H 5 ) 4 ) and oxidizing agents O 2, N 2 O, NO or A zirconium silicate film 6 having a thickness of about 1.5 nm is deposited by LPCVD using H 2 O. Subsequently, after annealing at 800 ° C. for 30 seconds, the film thickness is about 3 nm by LPCVD using zirconium chloride (ZrCl 4 ) and oxidizing agents O 2, N 2 O, NO or H 2 O. A zirconium oxide film 3 is deposited.

次に、図4(i)に示すように、全面に膜厚10nmのチタン窒化膜4及び膜厚100nmのタングステン膜5を堆積する。その後、加速電圧30keV、ドーズ量1×1015cm-2の条件でフッ素のイオン注入を行い、タングステン膜5の中にフッ素を導入する。 Next, as shown in FIG. 4I, a 10 nm thick titanium nitride film 4 and a 100 nm thick tungsten film 5 are deposited on the entire surface. Thereafter, fluorine ions are implanted under the conditions of an acceleration voltage of 30 keV and a dose of 1 × 10 15 cm −2 to introduce fluorine into the tungsten film 5.

その後、CMP法を用いて平坦化を行う。さらに、非酸化性の雰囲気(例えば、窒素或いはアルゴン雰囲気)で、500℃〜650℃程度の温度でアニールを行う。このアニール処理により、タングステン膜5中に導入したフッ素が拡散し、シリコン基板1との界面に形成されたジルコニウム珪酸化物膜6中にフッ素が偏析する。   Thereafter, planarization is performed using a CMP method. Furthermore, annealing is performed at a temperature of about 500 ° C. to 650 ° C. in a non-oxidizing atmosphere (for example, nitrogen or argon atmosphere). By this annealing treatment, fluorine introduced into the tungsten film 5 is diffused, and fluorine is segregated in the zirconium silicate film 6 formed at the interface with the silicon substrate 1.

以上のようにして、図1に示したような構造が作製される。その後、通常の配線工程等を経て、トランジスタが完成する。   As described above, the structure as shown in FIG. 1 is manufactured. Thereafter, the transistor is completed through a normal wiring process and the like.

このように、本実施形態では、高誘電体膜である金属酸化物膜とチャネル領域となるシリコン基板との間の界面領域に、シリコン酸化膜及びシリコン酸窒化膜(SiON膜)よりも誘電率の高い金属珪酸化物膜を形成することにより、界面領域におけるシリコン酸化膜換算膜厚を1nm以下にすることが可能になる。   Thus, in this embodiment, the dielectric constant of the interface region between the metal oxide film, which is a high dielectric film, and the silicon substrate, which is the channel region, is higher than that of the silicon oxide film and the silicon oxynitride film (SiON film). By forming a high metal silicate film, the equivalent silicon oxide film thickness in the interface region can be reduced to 1 nm or less.

また、金属珪酸化物膜中にフッ素を添加することにより、シリコン基板との界面に存在するタングリングボンドを終端させることができるため、通常の金属珪酸化物膜よりも界面準位密度が低くなり、良好な界面特性を実現することが可能となる。   In addition, by adding fluorine in the metal silicate film, the tangling bond existing at the interface with the silicon substrate can be terminated, so the interface state density is lower than that of a normal metal silicate film, Good interface characteristics can be realized.

したがって、金属酸化物膜及び金属珪酸化物膜からなるゲート絶縁膜の実効膜厚を極薄化することが可能になるとともに、リーク電流が少なく且つ短チャンネル効果が抑制された高性能のトランジスタを実現することができる。   Therefore, the effective film thickness of the gate insulating film made of the metal oxide film and the metal silicate film can be made extremely thin, and a high-performance transistor with less leakage current and suppressed short channel effect can be realized. can do.

なお、本実施形態では、ゲート絶縁膜形成後に高温熱工程の無いダマシンゲートプロセスを用いた例を示したが、金属ゲート電極の代わりに多結晶シリコン膜をゲート電極とする、通常のトランジスタ形成プロセスを用いても、同様の効果を得ることが可能である。   In this embodiment, an example using a damascene gate process without a high-temperature heat process after the formation of the gate insulating film is shown. However, a normal transistor forming process in which a polycrystalline silicon film is used as the gate electrode instead of the metal gate electrode. Even if is used, the same effect can be obtained.

また、本実施形態では、ゲート絶縁膜に金属酸化物膜及び金属珪酸化物膜の積層構造を用いたが、金属珪酸化物膜の単層膜を用い、この金属珪酸化物膜中にフッ素を含有させるようにしてもよい。   Further, in this embodiment, a stacked structure of a metal oxide film and a metal silicate film is used for the gate insulating film. However, a single layer film of a metal silicate film is used, and fluorine is contained in the metal silicate film. You may do it.

(実施形態1(B))
図5は、本発明の実施形態1(B)に係る半導体装置の構成例を示した断面図である。基本的な構造は、図1に示した実施形態1(A)と類似しており、図1に示した構成要素に対応する構成要素には同一の参照番号を付している。
(Embodiment 1 (B))
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration example of the semiconductor device according to Embodiment 1 (B) of the present invention. The basic structure is similar to that of Embodiment 1 (A) shown in FIG. 1, and the same reference numerals are assigned to the components corresponding to the components shown in FIG.

ジルコニウム珪酸化物膜6の膜厚は約1.5nm、ジルコニウム酸化物膜3の膜厚は約3nmで、それぞれのシリコン酸化膜換算膜厚はいずれも約0.5nmであり、実効的なゲート絶縁膜厚は約1nmである。ゲート電極とシリコン基板1との間のジルコニウム珪酸化物膜6中には、微量の窒素が含まれている。また、ゲート電極の幅は50nm程度である。   The thickness of the zirconium silicate film 6 is about 1.5 nm, the thickness of the zirconium oxide film 3 is about 3 nm, and the equivalent silicon oxide film thickness is about 0.5 nm. The film thickness is about 1 nm. A very small amount of nitrogen is contained in the zirconium silicate film 6 between the gate electrode and the silicon substrate 1. The width of the gate electrode is about 50 nm.

ジルコニウム珪酸化物膜6に含まれる窒素の量は、全原子数を面密度に換算して、1×1014cm-2〜1×1015cm-2であることが望ましい。特に、シリコン基板1との界面付近において濃度ピークを持つようにすることが望ましい。 The amount of nitrogen contained in the zirconium silicate film 6 is preferably 1 × 10 14 cm −2 to 1 × 10 15 cm −2 when the total number of atoms is converted into the surface density. In particular, it is desirable to have a concentration peak near the interface with the silicon substrate 1.

なお、ジルコニウム珪酸化物膜6及びジルコニウム酸化物膜3の代わりに、実施形態1(A)と同様、各種の金属珪酸化物膜及び金属酸化物膜を用いることも可能である。   Instead of the zirconium silicate film 6 and the zirconium oxide film 3, various metal silicate films and metal oxide films can be used as in the first embodiment (A).

次に、図6(a)〜図7(d)を参照して、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。なお、途中の工程(図4(g)までの工程)までは実施形態1(A)と同様であるため、ここではその後の工程について説明する。   Next, with reference to FIGS. 6A to 7D, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment will be described. In addition, since it is the same as that of Embodiment 1 (A) until the middle process (process to FIG.4 (g)), the subsequent process is demonstrated here.

図4(g)に示した工程の後、図6(a)に示すように、露出したシリコン基板1の表面に、膜厚約0.7nmのシリコン酸窒化膜18を形成する。   After the step shown in FIG. 4G, a silicon oxynitride film 18 having a thickness of about 0.7 nm is formed on the exposed surface of the silicon substrate 1 as shown in FIG. 6A.

次に、図6(b)に示すように、塩化ジルコニウム(ZrCl4 )とO2 又はH2 Oとを用いたLPCVD法により、膜厚約1nmのジルコニウム酸化物膜19を堆積する。 Next, as shown in FIG. 6B, a zirconium oxide film 19 having a thickness of about 1 nm is deposited by LPCVD using zirconium chloride (ZrCl 4 ) and O 2 or H 2 O.

続いて、図7(c)に示すように、800℃、30秒の条件でアニールを行うことにより、溝の底面にのみ、膜厚約1.5nmの窒素を含んだジルコニウム珪酸化物膜6が形成される。   Subsequently, as shown in FIG. 7C, the zirconium silicate film 6 containing nitrogen having a thickness of about 1.5 nm is formed only on the bottom surface of the groove by annealing at 800 ° C. for 30 seconds. It is formed.

次に、図7(d)に示すように、塩化ジルコニウム(ZrCl4 )及び、酸化剤であるO2 、2 O、NO又はH2 Oを用いたLPCVD法により、膜厚約3nmのジルコニウム酸化物膜3を堆積する。続いて、400℃、3分の条件で、オゾン雰囲気にてアニールを行うことにより、成膜直後に存在するジルコニウム酸化物膜3中の酸素欠陥を補償する。 Next, as shown in FIG. 7 (d), zirconium having a film thickness of about 3 nm is formed by LPCVD using zirconium chloride (ZrCl 4 ) and oxidizing agents O 2, N 2 O, NO or H 2 O. An oxide film 3 is deposited. Subsequently, annealing is performed in an ozone atmosphere at 400 ° C. for 3 minutes to compensate for oxygen defects in the zirconium oxide film 3 existing immediately after the film formation.

その後、全面に膜厚10nmのチタン窒化膜4及び膜厚100nmのタングステン膜5を堆積し、さらにCMP法を用いて平坦化を行う。このようにして、図5に示したような構造が作製される。その後、通常の配線工程等を経て、トランジスタが完成する。   Thereafter, a titanium nitride film 4 having a thickness of 10 nm and a tungsten film 5 having a thickness of 100 nm are deposited on the entire surface, and further planarized using a CMP method. In this way, a structure as shown in FIG. 5 is produced. Thereafter, the transistor is completed through a normal wiring process and the like.

このように、本実施形態においても、実施形態1(A)と同様、金属酸化物膜とシリコン基板との間の界面領域に金属珪酸化物膜を形成することにより、界面領域におけるシリコン酸化膜換算膜厚を1nm以下にすることが可能になる。   As described above, in this embodiment as well, in the same manner as in the first embodiment (A), by forming the metal silicate film in the interface region between the metal oxide film and the silicon substrate, the silicon oxide film equivalent in the interface region is converted. The film thickness can be made 1 nm or less.

また、金属珪酸化物膜中に窒素を添加することにより、金属珪酸化物膜自身の誘電率を上げることができる。その結果、ゲート絶縁膜の実効膜厚が薄くなり、トランジスタの性能を向上させることができる。また、金属珪酸化物膜中に窒素を添加することにより、金属酸化物膜中の酸素欠損を補償するための酸化雰囲気でのアニールにおいて、酸化剤による金属珪酸化物膜/シリコン界面での酸化反応を抑制することができる。その結果、ゲート絶縁膜の実効膜厚を薄くすることができるとともに、低温酸化工程での界面準位の増加を低く抑えることができ、良好な界面特性を実現することができる。   Moreover, the dielectric constant of the metal silicate film itself can be increased by adding nitrogen to the metal silicate film. As a result, the effective thickness of the gate insulating film is reduced, and the performance of the transistor can be improved. In addition, by adding nitrogen to the metal silicate film, an oxidation reaction at the metal silicate film / silicon interface by an oxidant is performed in annealing in an oxidizing atmosphere to compensate for oxygen vacancies in the metal oxide film. Can be suppressed. As a result, the effective thickness of the gate insulating film can be reduced, and an increase in the interface state in the low-temperature oxidation process can be suppressed to a low level, so that favorable interface characteristics can be realized.

したがって、金属酸化物膜及び金属珪酸化物膜からなるゲート絶縁膜の実効膜厚を極薄化することが可能になるとともに、リーク電流が少なく且つ短チャンネル効果が抑制された高性能のトランジスタを実現することができる。   Therefore, the effective film thickness of the gate insulating film made of the metal oxide film and the metal silicate film can be made extremely thin, and a high-performance transistor with less leakage current and suppressed short channel effect can be realized. can do.

なお、本実施形態では、ゲート絶縁膜に金属酸化物膜及び金属珪酸化物膜の積層構造を用いたが、金属珪酸化物膜の単層膜を用い、この金属珪酸化物膜中に窒素を含有させるようにしてもよい。また、ダマシンゲートプロセスに限らず、通常のトランジスタ形成プロセスに用いることも可能である。   In this embodiment, a stacked structure of a metal oxide film and a metal silicate film is used for the gate insulating film. However, a single layer film of a metal silicate film is used, and nitrogen is contained in the metal silicate film. You may do it. Further, the present invention is not limited to the damascene gate process, and can be used for a normal transistor formation process.

(実施形態2)
以下、本発明の第2の実施形態を図面を参照して説明する。なお、図面については、第1の実施形態の説明に用いたものを援用することができるため、それらの図面を用いて説明を行う。
(Embodiment 2)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, about drawing, since what was used for description of 1st Embodiment can be used, it demonstrates using those drawings.

(実施形態2(A))
図1は、本発明の実施形態2(A)に係る半導体装置の構成例を示した断面図である。
(Embodiment 2 (A))
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a semiconductor device according to Embodiment 2A of the present invention.

シリコン基板1上に、ゲート絶縁膜として、金属珪酸化物膜(金属シリケート膜、ここではジルコニウム珪酸化物膜)6及び金属酸化物膜3(ここではタンタル酸化物膜)が形成されており、金属酸化物膜3上には、ゲート電極として、チタン窒化膜4及びタングステン膜5が形成されている。   A metal silicate film (metal silicate film, here a zirconium silicate film) 6 and a metal oxide film 3 (here a tantalum oxide film) are formed on the silicon substrate 1 as a gate insulating film. On the material film 3, a titanium nitride film 4 and a tungsten film 5 are formed as gate electrodes.

ジルコニウム珪酸化物膜6の膜厚は約1.5nm、タンタル酸化物膜3の膜厚は約3nmで、それぞれのシリコン酸化膜換算膜厚はいずれも約0.5nmであり、実効的なゲート絶縁膜厚は約1nmである。また、ゲート電極の幅は50nm程度である。   The film thickness of the zirconium silicate film 6 is about 1.5 nm, the film thickness of the tantalum oxide film 3 is about 3 nm, and the equivalent silicon oxide film thickness is about 0.5 nm. The film thickness is about 1 nm. The width of the gate electrode is about 50 nm.

なお、金属珪酸化物膜6としては、ジルコニウム珪酸化物膜の他、ハフニウム珪酸化物膜、ランタニウム珪酸化物膜、ガドリニウム珪酸化物膜、イットリウム珪酸化物膜、アルミニウム珪酸化物膜、チタニウム珪酸化物膜を用いてもよい。また、これらの金属元素を2種類以上含む金属珪酸化物膜を用いてもよい。   The metal silicate film 6 may be a zirconium silicate film, a hafnium silicate film, a lanthanium silicate film, a gadolinium silicate film, an yttrium silicate film, an aluminum silicate film, or a titanium silicate film. Good. Alternatively, a metal silicate film containing two or more of these metal elements may be used.

また、金属酸化物膜3としては、タンタル酸化物膜の他、チタン酸化物膜、ランタン酸化物膜、ハフニウム酸化物膜、ジルコニウム酸化物膜、ガドリニウム酸化物膜、イットリウム酸化物膜、アルミニウム酸化物膜を用いてもよい。また、これらの金属元素を2種類以上含む金属酸化物膜を用いてもよい。   In addition to the tantalum oxide film, the metal oxide film 3 includes a titanium oxide film, a lanthanum oxide film, a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, a gadolinium oxide film, an yttrium oxide film, and an aluminum oxide. A membrane may be used. Alternatively, a metal oxide film containing two or more of these metal elements may be used.

次に、図2(a)〜図4(h)を参照して、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。   Next, with reference to FIGS. 2A to 4H, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described.

まず、図2(a)に示すように、STI技術によって素子分離領域(図示せず)が形成されたシリコン基板1の表面に、熱酸化法により膜厚3nmのシリコン酸化膜7を形成する。続いて、膜厚50nmのポリシリコン膜8及び膜厚30nmのシリコン窒化膜9を、LPCVD法を用いて堆積する。   First, as shown in FIG. 2A, a silicon oxide film 7 having a thickness of 3 nm is formed by thermal oxidation on the surface of the silicon substrate 1 on which an element isolation region (not shown) is formed by the STI technique. Subsequently, a polysilicon film 8 having a thickness of 50 nm and a silicon nitride film 9 having a thickness of 30 nm are deposited using the LPCVD method.

次に、図2(b)に示すように、リソグラフィ技術及びRIE法を用いてシリコン窒化膜9及びポリシリコン膜8を選択的に除去し、ゲート電極が形成される予定領域にダミーゲートパターン10を形成する。   Next, as shown in FIG. 2B, the silicon nitride film 9 and the polysilicon film 8 are selectively removed using a lithography technique and an RIE method, and a dummy gate pattern 10 is formed in a region where a gate electrode is to be formed. Form.

次に、図2(c)に示すように、1000℃の熱酸化により、ポリシリコン膜8の側壁にシリコン酸化膜11を形成する。その後、例えば、加速電圧15keV、ドーズ量5×1014cm-2の条件でAsのイオン注入を行い、ゲート電極に対して自己整合的にソース・ドレインのエクステンション領域12を形成する。 Next, as shown in FIG. 2C, a silicon oxide film 11 is formed on the sidewalls of the polysilicon film 8 by thermal oxidation at 1000.degree. Thereafter, for example, As ions are implanted under the conditions of an acceleration voltage of 15 keV and a dose of 5 × 10 14 cm −2 to form the source / drain extension regions 12 in a self-aligned manner with respect to the gate electrode.

次に、図3(d)に示すように、例えば800℃、10秒のRTAを行った後、全面に膜厚10nmのシリコン窒化膜13及び膜厚50nmのシリコン酸化膜14を、LPCVD法を用いて堆積する。その後、エッチバックを行うことにより、シリコン酸化膜14の側壁を形成する。   Next, as shown in FIG. 3D, after performing RTA at 800 ° C. for 10 seconds, for example, a silicon nitride film 13 having a thickness of 10 nm and a silicon oxide film 14 having a thickness of 50 nm are formed on the entire surface by LPCVD. Use to deposit. Thereafter, etch back is performed to form sidewalls of the silicon oxide film 14.

次に、図3(e)に示すように、例えば、加速電圧35keV、ドーズ量5×1015cm-2の条件でAsのイオン注入を行い、引き続き1035℃、10秒のRTAを行うことにより、ソース・ドレイン拡散層15が形成される。 Next, as shown in FIG. 3E, for example, As ions are implanted under the conditions of an acceleration voltage of 35 keV and a dose of 5 × 10 15 cm −2 , and subsequently, RTA is performed at 1035 ° C. for 10 seconds. Then, the source / drain diffusion layer 15 is formed.

次に、図3(f)に示すように、全面に膜厚100nmのシリコン酸化膜16を堆積し、続いてCMP法を用いて平坦化を行うことにより、ダミーゲートパターン10の上部を露出させる。   Next, as shown in FIG. 3F, a 100 nm-thickness silicon oxide film 16 is deposited on the entire surface, followed by planarization using a CMP method to expose the upper portion of the dummy gate pattern 10. .

次に、図4(g)に示すように、ホット燐酸を用いてシリコン窒化膜9を除去し、続いてドライエッチングを用いてポリシリコン膜8を除去する。さらに、しきい値調整のためのチャネルイオン注入及び活性化アニールを行う。その後、シリコン酸化膜7を希弗酸溶液を用いて除去し、チャネル領域となるシリコン基板1の表面を露出させる。   Next, as shown in FIG. 4G, the silicon nitride film 9 is removed using hot phosphoric acid, and then the polysilicon film 8 is removed using dry etching. Further, channel ion implantation and activation annealing for threshold adjustment are performed. Thereafter, the silicon oxide film 7 is removed using a dilute hydrofluoric acid solution to expose the surface of the silicon substrate 1 serving as a channel region.

次に、図4(h)に示すように、テトラターシャリブトキシジルコニウム(Zr(t−OC4 9 4 )、テトラエトキシシラン(TEOS、Si(OC2 5 4 )及び、O2 又はH2 Oを用いたLPCVD法により、膜厚約1.5nmのジルコニウム珪酸化物膜6を堆積する。続いて、800℃、30秒のアニールを行った後、ペンタエトキシタンタリウム(Ta(OC2 5 5 )及びO2 を用いたLPCVD法により、600℃の温度で膜厚約3nmのタンタル酸化物膜3を堆積する。 Next, as shown in FIG. 4 (h), tetra-tertiary-butoxy zirconium (Zr (t-OC 4 H 9) 4), tetraethoxysilane (TEOS, Si (OC 2 H 5) 4) and, O 2 Alternatively, a zirconium silicate film 6 having a thickness of about 1.5 nm is deposited by LPCVD using H 2 O. Subsequently, after annealing at 800 ° C. for 30 seconds, tantalum having a film thickness of about 3 nm at a temperature of 600 ° C. by LPCVD using pentaethoxy tantalum (Ta (OC 2 H 5 ) 5 ) and O 2. An oxide film 3 is deposited.

次に、図4(i)に示すように、全面に膜厚10nmのチタン窒化膜4及び膜厚100nmのタングステン膜5を堆積し、さらにCMP法を用いて平坦化を行う。   Next, as shown in FIG. 4I, a titanium nitride film 4 having a thickness of 10 nm and a tungsten film 5 having a thickness of 100 nm are deposited on the entire surface, and further planarized using a CMP method.

以上のようにして、図1に示したような構造が作製される。その後、通常の配線工程等を経て、トランジスタが完成する。配線工程は通常500℃以下で行われるため、タンタル酸化物膜3は非晶質状態を維持している。   As described above, the structure as shown in FIG. 1 is manufactured. Thereafter, the transistor is completed through a normal wiring process and the like. Since the wiring process is usually performed at 500 ° C. or lower, the tantalum oxide film 3 maintains an amorphous state.

このように、本実施形態では、高誘電体膜である金属酸化物膜とチャネル領域となるシリコン基板との間の界面領域に、シリコン酸化膜及びシリコン酸窒化膜(SiON膜)よりも誘電率の高い金属珪酸化物膜を形成することにより、界面領域におけるシリコン酸化膜換算膜厚を1nm以下にすることが可能になり、また良好な界面特性を実現することが可能となる。   Thus, in this embodiment, the dielectric constant of the interface region between the metal oxide film, which is a high dielectric film, and the silicon substrate, which is the channel region, is higher than that of the silicon oxide film and the silicon oxynitride film (SiON film). By forming a metal silicate film having a high thickness, the equivalent silicon oxide film thickness in the interface region can be reduced to 1 nm or less, and good interface characteristics can be realized.

したがって、金属酸化物膜及び金属珪酸化物膜からなるゲート絶縁膜の実効膜厚を極薄化することが可能になるとともに、リーク電流が少なく且つ短チャンネル効果が抑制された高性能のトランジスタを実現することができる。   Therefore, the effective film thickness of the gate insulating film made of the metal oxide film and the metal silicate film can be made extremely thin, and a high-performance transistor with less leakage current and suppressed short channel effect can be realized. can do.

また、従来のように、金属酸化物膜を形成した後に熱処理によってシリコン基板と金属酸化物膜との界面に金属珪酸化物膜を形成するのではなく、本実施形態では、金属珪酸化物膜を堆積した後に金属酸化物膜を堆積するので、金属酸化物膜の主たる構成金属元素と金属珪酸化物膜の主たる構成金属元素とを異ならせることができる。したがって、安定な金属珪酸化物膜により良好な界面特性を得ることができるとともに、誘電率の高い金属酸化物膜を金属珪酸化物膜上に形成することが可能である。   Further, instead of forming a metal silicate film at the interface between the silicon substrate and the metal oxide film by heat treatment after forming the metal oxide film as in the prior art, in this embodiment, the metal silicate film is deposited. Then, since the metal oxide film is deposited, the main constituent metal element of the metal oxide film can be made different from the main constituent metal element of the metal silicate film. Therefore, it is possible to obtain good interface characteristics with a stable metal silicate film and to form a metal oxide film having a high dielectric constant on the metal silicate film.

また、金属珪酸化物膜を堆積した後、金属珪酸化物膜の結晶化温度よりも低く且つ金属酸化物膜の結晶化温度よりも高い温度で熱処理を行い、その後に金属酸化物膜を堆積することにより、金属酸化物膜及び金属珪酸化物膜をともに非晶質にすることができる。したがって、誘電率の結晶面方位依存性に起因する局所的な実効膜厚のばらつきが低減され、しきい値電圧等のばらつきの少ない信頼性に優れたトランジスタを得ることできる。   In addition, after depositing the metal silicate film, heat treatment is performed at a temperature lower than the crystallization temperature of the metal silicate film and higher than the crystallization temperature of the metal oxide film, and then depositing the metal oxide film. Thus, both the metal oxide film and the metal silicate film can be made amorphous. Therefore, local variation in effective film thickness due to the dependence of dielectric constant on crystal plane orientation is reduced, and a transistor with excellent reliability with little variation in threshold voltage and the like can be obtained.

なお、本実施形態においても、第1の実施形態と同様、金属珪酸化物膜中にフッ素及び窒素の少なくとも一方を添加するようにしてもよい。また、ダマシンゲートプロセスに限らず、通常のトランジスタ形成プロセスに用いることも可能である。ただし、この場合は、金属酸化物膜が結晶化することもある。   Also in this embodiment, as in the first embodiment, at least one of fluorine and nitrogen may be added to the metal silicate film. Further, the present invention is not limited to the damascene gate process, and can be used for a normal transistor formation process. However, in this case, the metal oxide film may be crystallized.

(実施形態2(B))
図5は、本発明の実施形態2(B)に係る半導体装置の構成例を示した断面図である。基本的な構造は、図1に示した実施形態2(A)と類似しており、図1に示した構成要素に対応する構成要素には同一の参照番号を付している。
(Embodiment 2 (B))
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration example of a semiconductor device according to Embodiment 2 (B) of the present invention. The basic structure is similar to that of Embodiment 2 (A) shown in FIG. 1, and the same reference numerals are assigned to the components corresponding to the components shown in FIG.

本実施形態では、金属酸化物膜3としてジルコニウム酸化物膜を、金属珪酸化物膜6としてジルコニウム珪酸化物膜を用いている。ジルコニウム珪酸化物膜6の膜厚は約1.5nm、ジルコニウム酸化物膜3の膜厚は約3nmで、それぞれのシリコン酸化膜換算膜厚はいずれも約0.5nmであり、実効的なゲート絶縁膜厚は約1nmである。また、ゲート電極の幅は50nm程度である。   In this embodiment, a zirconium oxide film is used as the metal oxide film 3, and a zirconium silicate film is used as the metal silicate film 6. The thickness of the zirconium silicate film 6 is about 1.5 nm, the thickness of the zirconium oxide film 3 is about 3 nm, and the equivalent silicon oxide film thickness is about 0.5 nm. The film thickness is about 1 nm. The width of the gate electrode is about 50 nm.

なお、ジルコニウム珪酸化物膜6及びジルコニウム酸化物膜3の代わりに、実施形態2(A)と同様、各種の金属珪酸化物膜及び金属酸化物膜を用いることも可能である。   Instead of the zirconium silicate film 6 and the zirconium oxide film 3, various metal silicate films and metal oxide films can be used as in the second embodiment (A).

次に、図6(a)〜図7(d)を参照して、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。なお、途中の工程(図4(g)までの工程)までは実施形態2(A)と同様であるため、ここではその後の工程について説明する。   Next, with reference to FIGS. 6A to 7D, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment will be described. In addition, since it is the same as that of Embodiment 2 (A) until the process on the way (process to FIG.4 (g)), the subsequent process is demonstrated here.

図4(g)に示した工程の後、図6(a)に示すように、露出したシリコン基板1の表面に、膜厚約0.7nmのシリコン酸窒化膜18を形成する。   After the step shown in FIG. 4G, a silicon oxynitride film 18 having a thickness of about 0.7 nm is formed on the exposed surface of the silicon substrate 1 as shown in FIG. 6A.

次に、図6(b)に示すように、テトラターシャリブトキシジルコニウム(Zr(t−OC4 9 4 )及び、O2 又はH2 Oを用いたLPCVD法により、膜厚約1nmのジルコニウム酸化物膜19を堆積する。 Next, as shown in FIG. 6B, the film thickness of about 1 nm is obtained by LPCVD using tetratertiarybutoxyzirconium (Zr (t-OC 4 H 9 ) 4 ) and O 2 or H 2 O. A zirconium oxide film 19 is deposited.

続いて、図7(c)に示すように、800℃、30秒の条件でアニールを行うことにより、溝の底面にのみ、膜厚約1.5nmのジルコニウム珪酸化物膜6が形成される。   Subsequently, as shown in FIG. 7C, annealing is performed under the conditions of 800 ° C. and 30 seconds to form a zirconium silicate film 6 having a thickness of about 1.5 nm only on the bottom surface of the groove.

次に、図7(d)に示すように、テトラターシャリブトキシジルコニウム(Zr(t−OC4 9 4 )及び、O2 又はH2 Oを用いたLPCVD法により、膜厚約3nmのジルコニウム酸化物膜3を堆積する。 Next, as shown in FIG. 7D, a film having a thickness of about 3 nm is formed by LPCVD using tetratertiarybutoxyzirconium (Zr (t-OC 4 H 9 ) 4 ) and O 2 or H 2 O. A zirconium oxide film 3 is deposited.

その後、全面に膜厚10nmのチタン窒化膜4及び膜厚100nmのタングステン膜5を堆積し、さらにCMP法を用いて平坦化を行う。このようにして、図5に示したような構造が作製される。その後、通常の配線工程等を経て、トランジスタが完成する。配線工程は通常500℃以下で行われるため、ジルコニウム酸化物膜3は非晶質状態を維持している。   Thereafter, a titanium nitride film 4 having a thickness of 10 nm and a tungsten film 5 having a thickness of 100 nm are deposited on the entire surface, and further planarized using a CMP method. In this way, a structure as shown in FIG. 5 is produced. Thereafter, the transistor is completed through a normal wiring process and the like. Since the wiring process is normally performed at 500 ° C. or lower, the zirconium oxide film 3 maintains an amorphous state.

このように、本実施形態においても、実施形態2(A)と同様、金属酸化物膜とシリコン基板との間の界面領域に金属珪酸化物膜を形成することにより、界面領域におけるシリコン酸化膜換算膜厚を1nm以下にすることが可能となり、また良好な界面特性を実現することが可能となる。   Thus, also in this embodiment, as in Embodiment 2 (A), by forming a metal silicate film in the interface region between the metal oxide film and the silicon substrate, conversion to a silicon oxide film in the interface region The film thickness can be reduced to 1 nm or less, and good interface characteristics can be realized.

したがって、金属酸化物膜及び金属珪酸化物膜からなるゲート絶縁膜の実効膜厚を極薄化することが可能になるとともに、リーク電流が少なく且つ短チャンネル効果が抑制された高性能のトランジスタを実現することができる。   Therefore, the effective film thickness of the gate insulating film made of the metal oxide film and the metal silicate film can be made extremely thin, and a high-performance transistor with less leakage current and suppressed short channel effect can be realized. can do.

また、金属酸化物膜及び金属珪酸化物膜をともに非晶質にすることができるため、誘電率の結晶面方位依存性に起因する局所的な実効膜厚のばらつきが低減され、しきい値電圧等のばらつきの少ない信頼性に優れたトランジスタを得ることできる。   In addition, since both the metal oxide film and the metal silicate film can be made amorphous, variation in local effective film thickness due to the crystal plane orientation dependence of the dielectric constant is reduced, and the threshold voltage is reduced. Thus, it is possible to obtain a transistor with excellent reliability with little variation.

なお、本実施形態においても、第1の実施形態と同様、金属珪酸化物膜中にフッ素及び窒素の少なくとも一方を添加するようにしてもよい。また、ダマシンゲートプロセスに限らず、通常のトランジスタ形成プロセスに用いることも可能である。ただし、この場合は、金属酸化物膜が結晶化することもある。   Also in this embodiment, as in the first embodiment, at least one of fluorine and nitrogen may be added to the metal silicate film. Further, the present invention is not limited to the damascene gate process, and can be used for a normal transistor formation process. However, in this case, the metal oxide film may be crystallized.

(実施形態3)
以下、本発明の第3の実施形態を図面を参照して説明する。
(Embodiment 3)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施形態3(A))
図8(a)〜図10(h)は、本発明の実施形態3(A)に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
(Embodiment 3 (A))
8A to 10H are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 3A of the present invention.

まず、図8(a)に示すように、シリコン基板101にAsをイオン注入し、続いて熱拡散を行うことことにより、深さ1μm程度のN型領域102を形成する。   First, as shown in FIG. 8A, As ions are implanted into the silicon substrate 101, followed by thermal diffusion, thereby forming an N-type region 102 having a depth of about 1 μm.

次に、図8(b)に示すように、所定の領域に膜厚600nm程度のシリコン酸化膜を埋め込み、STI構造の素子分離領域103を形成する。   Next, as shown in FIG. 8B, a silicon oxide film having a thickness of about 600 nm is buried in a predetermined region, thereby forming an element isolation region 103 having an STI structure.

次に、図8(c)に示すように、膜厚10nm程度の保護酸化膜104を形成する。続いて、トランジスタのしきい値電圧を調整するための不純物イオン105を注入する。   Next, as shown in FIG. 8C, a protective oxide film 104 having a thickness of about 10 nm is formed. Subsequently, impurity ions 105 for adjusting the threshold voltage of the transistor are implanted.

次に、保護酸化膜104を剥離した後、図9(d)に示すように、膜厚1nm程度のシリコン酸窒化膜(SiON膜)106を形成する。引き続き、CVD法等により、膜厚数nmのGdOx からなる金属酸化物膜(高誘電体膜)107を形成する。CVD法等で形成された金属酸化物膜は、一般に化学量論的組成と異なった疎な膜である。そこで、金属酸化物膜107を化学量論的組成に近づけるために、酸化処理(熱処理)を行う。この酸化処理では、シリコン基板101表面のシリコンが酸化されず、金属酸化物膜107のみが選択的に酸化されるようにする。そのため、酸化力の異なる2種類のガスを含む雰囲気で熱処理を行う。具体的には、酸化剤である水蒸気(H2 O)と還元剤である水素(H2 )を含む雰囲気で熱処理を行う。 Next, after removing the protective oxide film 104, a silicon oxynitride film (SiON film) 106 having a thickness of about 1 nm is formed as shown in FIG. Subsequently, a metal oxide film (high dielectric film) 107 made of GdO x with a film thickness of several nm is formed by CVD or the like. A metal oxide film formed by a CVD method or the like is generally a sparse film having a different stoichiometric composition. Therefore, an oxidation treatment (heat treatment) is performed to bring the metal oxide film 107 close to the stoichiometric composition. In this oxidation treatment, silicon on the surface of the silicon substrate 101 is not oxidized, and only the metal oxide film 107 is selectively oxidized. Therefore, heat treatment is performed in an atmosphere containing two kinds of gases having different oxidizing powers. Specifically, heat treatment is performed in an atmosphere containing water vapor (H 2 O) as an oxidizing agent and hydrogen (H 2 ) as a reducing agent.

図11は、シリコン及びガドリニウムの酸化における平衡水素・水蒸気分圧曲線である。シリコン酸化膜と金属酸化物膜との標準自由エネルギーが異なるため、水素と水蒸気の分圧比を適切に選択することにより、金属酸化物膜に対しては酸化性で、シリコン酸化膜に対しては還元性の雰囲気を形成することができる。Gibbs自由エネルギーに基づく熱力学的計算によれば、図11のハッチングで示した領域で熱処理を行うことにより、シリコンは酸化されずガドリニウムのみを酸化することができる。   FIG. 11 is an equilibrium hydrogen / water vapor partial pressure curve in the oxidation of silicon and gadolinium. Since the standard free energy of the silicon oxide film and the metal oxide film is different, by appropriately selecting the partial pressure ratio of hydrogen and water vapor, it is oxidizing to the metal oxide film and to the silicon oxide film A reducing atmosphere can be formed. According to the thermodynamic calculation based on Gibbs free energy, silicon is not oxidized but only gadolinium can be oxidized by performing heat treatment in the region shown by hatching in FIG.

上述したような条件で熱処理を行うことにより、界面領域にシリコン酸化膜を形成することなく、GdOx のみを化学量論的組成に近づけることができ、緻密な金属酸化物膜107を得ることが可能である。したがって、ゲート絶縁膜の物理的膜厚を増加させることなく、リーク電流の少ない優れた特性のゲート絶縁膜を得ることができる。なお、シリコン基板表面にシリコン酸化物が形成されている場合には、このシリコン酸化物を上記の熱処理によって還元することも可能である。 By performing the heat treatment under the conditions as described above, only GdO x can be brought close to the stoichiometric composition without forming a silicon oxide film in the interface region, and a dense metal oxide film 107 can be obtained. Is possible. Therefore, it is possible to obtain a gate insulating film having excellent characteristics with little leakage current without increasing the physical thickness of the gate insulating film. When silicon oxide is formed on the surface of the silicon substrate, this silicon oxide can be reduced by the above heat treatment.

次に、図9(e)に示すように、CVD法等を用いて膜厚150nmの多結晶シリコン膜108を堆積する。続いて、フォトレジストをマスクとして多結晶シリコン膜108のエッチングを行い、所望のゲート形状を得る。   Next, as shown in FIG. 9E, a polycrystalline silicon film 108 having a film thickness of 150 nm is deposited by using a CVD method or the like. Subsequently, the polycrystalline silicon film 108 is etched using the photoresist as a mask to obtain a desired gate shape.

次に、図9(f)に示すように、ゲート電極(多結晶シリコン膜108)をマスクとして、加速電圧10keV、ドーズ量5×1014cm-2でBF2 のイオン注入を行い、ソース・ドレインのエクステンション領域109(LDD領域)を形成する。このエクステンション領域109は、pn接合電界を緩和してホットエレクトロン生成を抑制する効果がある。 Next, as shown in FIG. 9F, ion implantation of BF 2 is performed with an acceleration voltage of 10 keV and a dose of 5 × 10 14 cm −2 using the gate electrode (polycrystalline silicon film 108) as a mask. A drain extension region 109 (LDD region) is formed. The extension region 109 has an effect of relaxing the pn junction electric field and suppressing the generation of hot electrons.

次に、図10(g)に示すように、LP−CVD法等を用いて、ライナー層110となる膜厚10nm程度のシリコン酸化膜(SiO2 膜)を堆積する。続いて、LP−CVD法等により、膜厚50nm程度のシリコン窒化膜(SiN膜)111を堆積する。 Next, as shown in FIG. 10G, a silicon oxide film (SiO 2 film) having a film thickness of about 10 nm to be the liner layer 110 is deposited by LP-CVD or the like. Subsequently, a silicon nitride film (SiN film) 111 having a thickness of about 50 nm is deposited by LP-CVD or the like.

次に、図10(h)に示すように、RIE法によりSiN膜111をエッチングし、ゲート側壁にのみSiN膜111を残す。ライナー層110は、RIEを行う際のエッチングストッパーの役割を果たす。その後、ソース・ドレインの高濃度拡散層を形成するために、加速電圧5keV、ドーズ量5×1015cm-2でBのイオン注入を行う。さらに、1000℃で10秒程度の活性化アニール処理を行う。その後、層間絶縁膜、コンタクト、上部配線等の形成を行う。 Next, as shown in FIG. 10H, the SiN film 111 is etched by the RIE method, leaving the SiN film 111 only on the gate sidewall. The liner layer 110 serves as an etching stopper when performing RIE. Thereafter, B ions are implanted at an acceleration voltage of 5 keV and a dose of 5 × 10 15 cm −2 in order to form a source / drain high-concentration diffusion layer. Further, activation annealing is performed at 1000 ° C. for about 10 seconds. Thereafter, an interlayer insulating film, a contact, an upper wiring, and the like are formed.

(実施形態3(B))
図12(a)〜図13(f)は、本発明の実施形態3(B)に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
(Embodiment 3 (B))
12A to 13F are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 3B of the present invention.

まず、実施形態3(A)と同様、シリコン基板121に素子分離領域122を形成する。その後、図12(a)に示すように、将来ゲートを形成する領域にダミーゲート123を形成する。ダミーゲート123は、層間絶縁膜に対してエッチングの選択比が得られる構造であればどのような構造でもよいが、本実施形態では、以下のようにしてダミーゲート123を形成している。まず、膜厚数nmの熱酸化膜124(シリコン酸化膜)を形成し、さらに多結晶シリコン膜125及びシリコン窒化膜(SiN膜)126をCVD法により形成する。続いて、フォトレジストをマスクとして、SiN膜126を所望の形状に加工する。フォトレジストを除去した後、SiN膜126をマスクとして多結晶シリコン膜125及び熱酸化膜124をエッチングし、ダミーゲート123を形成する。   First, as in Embodiment Mode 3 (A), the element isolation region 122 is formed in the silicon substrate 121. Thereafter, as shown in FIG. 12A, a dummy gate 123 is formed in a region where a gate is to be formed in the future. The dummy gate 123 may have any structure as long as the etching selectivity with respect to the interlayer insulating film can be obtained. In this embodiment, the dummy gate 123 is formed as follows. First, a thermal oxide film 124 (silicon oxide film) having a film thickness of several nm is formed, and a polycrystalline silicon film 125 and a silicon nitride film (SiN film) 126 are formed by CVD. Subsequently, the SiN film 126 is processed into a desired shape using the photoresist as a mask. After removing the photoresist, the polysilicon film 125 and the thermal oxide film 124 are etched using the SiN film 126 as a mask to form a dummy gate 123.

次に、図12(b)に示すように、ダミーゲート123をマスクとして、加速電圧5keV、ドーズ量5×1015cm-2でBのイオン注入を行い、ソース・ドレインの高濃度拡散層127を形成する。 Next, as shown in FIG. 12B, ion implantation of B is performed with an acceleration voltage of 5 keV and a dose of 5 × 10 15 cm −2 using the dummy gate 123 as a mask, and a high-concentration source / drain diffusion layer 127. Form.

次に、図12(c)に示すように、CVD法により層間絶縁膜128を堆積する。さらに、CMP法によって平坦化を行い、ダミーゲート123の上面を露出させる。   Next, as shown in FIG. 12C, an interlayer insulating film 128 is deposited by the CVD method. Further, planarization is performed by CMP to expose the upper surface of the dummy gate 123.

次に、図13(d)に示すように、露出したダミーゲート123をウエットエッチング或いはドライエッチングによって除去する。   Next, as shown in FIG. 13D, the exposed dummy gate 123 is removed by wet etching or dry etching.

次に、希フッ酸処理等の前処理を行った後、図13(e)に示すように、酸窒化等により膜厚1nm程度のシリコン酸窒化膜129を形成する。さらに、CVD法等により膜厚数nmのGdOx から成る金属酸化物膜130を形成する。続いて、実施形態3(A)と同様に、酸化力の異なる2種類のガスを含む雰囲気、具体的には水蒸気及び水素を含む雰囲気で熱処理を行う。これにより、実施形態3(A)と同様、シリコン基板121表面のシリコンが酸化されず、金属酸化物膜130のみが選択的に酸化される。その結果、界面領域にシリコン酸化膜を形成することなく、GdOx のみを化学量論的組成に近づけることができ、緻密な金属酸化物膜130が得られる。したがって、ゲート絶縁膜の物理的膜厚を増加させることなく、リーク電流の少ない優れた特性のゲート絶縁膜を得ることができる。 Next, after pretreatment such as dilute hydrofluoric acid treatment, as shown in FIG. 13E, a silicon oxynitride film 129 having a thickness of about 1 nm is formed by oxynitridation or the like. Further, a metal oxide film 130 made of GdO x with a film thickness of several nm is formed by CVD or the like. Subsequently, similarly to Embodiment 3 (A), heat treatment is performed in an atmosphere containing two kinds of gases having different oxidizing powers, specifically, an atmosphere containing water vapor and hydrogen. As a result, as in Embodiment 3A, the silicon on the surface of the silicon substrate 121 is not oxidized, and only the metal oxide film 130 is selectively oxidized. As a result, only the GdO x can be brought close to the stoichiometric composition without forming a silicon oxide film in the interface region, and a dense metal oxide film 130 can be obtained. Therefore, it is possible to obtain a gate insulating film having excellent characteristics with little leakage current without increasing the physical thickness of the gate insulating film.

次に、図13(f)に示すように、アルミニウム等のゲート電極材料をCVD法により堆積し、続いてCMP法により平坦化を行うことにより、ゲート電極131が形成される。その後、コンタクト、上部配線等の形成を行う。   Next, as shown in FIG. 13F, a gate electrode 131 is formed by depositing a gate electrode material such as aluminum by a CVD method and then performing planarization by a CMP method. Thereafter, contacts, upper wirings and the like are formed.

以上、第3の実施形態について説明したが、本実施形態では以下のような変更が可能である。   Although the third embodiment has been described above, the following modifications are possible in this embodiment.

上述した実施形態では、酸化力の異なる2種類のガスを含む雰囲気として、水蒸気及び水素を含む雰囲気を例にあげて説明したが、一酸化炭素(CO)と二酸化炭素(CO)を含む雰囲気を用いて熱処理を行ってもよい。この場合、二酸化炭素が酸化剤として機能し、一酸化炭素が還元剤として機能する。   In the above-described embodiment, an atmosphere containing water vapor and hydrogen has been described as an example of an atmosphere containing two kinds of gases having different oxidizing powers. However, an atmosphere containing carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO) is used. May be used for heat treatment. In this case, carbon dioxide functions as an oxidizing agent, and carbon monoxide functions as a reducing agent.

また、上述した実施形態では、ゲート絶縁膜として、シリコン酸窒化膜及び金属酸化物膜の積層構造を例に説明したが、金属酸化物膜の代わりに金属珪酸化物膜を用いてもよい。また、ゲート絶縁膜として、金属酸化物膜或いは金属珪酸化物膜の単層膜を用いてもよい。さらに、金属珪酸化物膜上に金属酸化物膜を形成した積層構造であってもよい。これらの場合にも、酸化力の異なる2種類のガスを含む雰囲気で熱処理を行うことにより、緻密な金属酸化物膜或いは金属珪酸化物膜を得ることができる。   In the above-described embodiment, the laminated structure of the silicon oxynitride film and the metal oxide film is described as an example of the gate insulating film, but a metal silicate film may be used instead of the metal oxide film. Alternatively, a single layer film of a metal oxide film or a metal silicate film may be used as the gate insulating film. Furthermore, a laminated structure in which a metal oxide film is formed on the metal silicate film may be used. Also in these cases, a dense metal oxide film or metal silicate film can be obtained by performing heat treatment in an atmosphere containing two types of gases having different oxidizing powers.

また、上述した実施形態では、金属酸化物膜に含まれる金属元素としてガドリニウムを例に説明したが、金属酸化物膜或いは金属珪酸化物膜には、ジルコニウム、ガドリニウム、ハフニウム、ランタン、イットリウム、アルミニウム、チタンの中の少なくとも一つの金属元素が含まれていればよい。   In the above-described embodiment, gadolinium is described as an example of the metal element contained in the metal oxide film. However, in the metal oxide film or the metal silicate film, zirconium, gadolinium, hafnium, lanthanum, yttrium, aluminum, It is sufficient that at least one metal element in titanium is contained.

(実施形態4)
以下、本発明の第4の実施形態を図面を参照して説明する。
(Embodiment 4)
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施形態4(A))
図14(a)〜図14(c)は、本発明の実施形態4(A)に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
(Embodiment 4 (A))
14A to 14C are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 4A of the present invention.

まず、図14(a)に示すように、シリコン基板201内に素子分離領域202を形成する。続いて、ドライ酸化法或いはウエット酸化法により、膜厚約2nmのシリコン酸化膜203を形成する。さらに、メッキ法或いはスパッタ法により、金属膜204として膜厚100nm程度のジルコニウム膜を形成する。メッキ法を用いる場合には、ジルコニウムのシード層を形成した後、硫酸ジルコニウム(Zr(SO4 2 ・4H2 O)水溶液中で電気分解を行うことによって、ジルコニウム膜204を形成する。メッキ法を用いることにより、ジルコニウム膜204を制御性及び生産性よく形成することができる。 First, as shown in FIG. 14A, an element isolation region 202 is formed in a silicon substrate 201. Subsequently, a silicon oxide film 203 having a thickness of about 2 nm is formed by a dry oxidation method or a wet oxidation method. Further, a zirconium film having a thickness of about 100 nm is formed as the metal film 204 by plating or sputtering. When the plating method is used, after forming a zirconium seed layer, the zirconium film 204 is formed by performing electrolysis in an aqueous solution of zirconium sulfate (Zr (SO 4 ) 2 .4H 2 O). By using the plating method, the zirconium film 204 can be formed with good controllability and productivity.

次に、図14(b)に示すように、不活性雰囲気にて、結晶化の起こらない程度の条件で熱処理を行う。熱処理を行うことで、シリコン酸化膜203とジルコニウム膜204との界面で酸化還元反応及び相互拡散が起こり、膜厚4nm程度(シリコン酸化膜換算膜厚1nm程度)のジルコニウム珪酸化物膜205が形成される。ジルコニウムは、わずかな酸素によって表面に酸化膜が形成され、強い酸化耐性を示すことが知られている(例えば、銅の第1イオン化電位ΔEは7.73(eV)程度であるのに対し、ジルコニウムは6.84(eV)程度である)。したがって、ジルコニウム膜204の表面は空気中で容易に酸化され、ジルコニウム酸化物膜206が形成される。   Next, as shown in FIG. 14B, heat treatment is performed in an inert atmosphere under conditions that do not cause crystallization. By performing the heat treatment, a redox reaction and interdiffusion occur at the interface between the silicon oxide film 203 and the zirconium film 204, and a zirconium silicate film 205 having a thickness of about 4 nm (about 1 nm equivalent to a silicon oxide film thickness) is formed. The Zirconium is known to have an oxidation film formed on the surface by a slight amount of oxygen and exhibit strong oxidation resistance (for example, the first ionization potential ΔE of copper is about 7.73 (eV), whereas Zirconium is about 6.84 (eV)). Therefore, the surface of the zirconium film 204 is easily oxidized in the air, and a zirconium oxide film 206 is formed.

ジルコニウム膜204の表面がある程度酸化されると、それ以上酸化は進行せず、穏やかな条件下での熱処理においてジルコニウム膜204の内部は金属状態を保っている。したがって、内部に残っているジルコニウムをそのまま電極として用いてもよい。また、硫酸或いはフッ酸でジルコニウム酸化物膜206を除去し、さらに過酸化水素水等でジルコニウム膜204を除去し、残ったジルコニウム珪酸化物膜205上に新たに金属膜を形成してもよい。本実施形態では、ジルコニウム膜204を剥離せずに、そのまま電極として使用する場合について述べる。   When the surface of the zirconium film 204 is oxidized to some extent, the oxidation does not proceed any more, and the inside of the zirconium film 204 is kept in a metallic state in the heat treatment under a mild condition. Therefore, zirconium remaining inside may be used as an electrode as it is. Alternatively, the zirconium oxide film 206 may be removed with sulfuric acid or hydrofluoric acid, the zirconium film 204 may be further removed with hydrogen peroxide solution, and a new metal film may be formed on the remaining zirconium silicate film 205. In the present embodiment, a case where the zirconium film 204 is used as it is without peeling off will be described.

ジルコニウム珪酸化物膜205を形成した後、図14(c)に示すように、膜厚200nm程度のキャップ絶縁膜であるシリコン窒化膜(SiN膜)207を全面に形成する。その後、シリコン窒化膜207及びジルコニウム膜204等をゲート電極の形状にパターニングする。続いて、ゲート電極をマスクとして不純物のイオン注入を行い、注入された不純物の活性化を行って、ソース・ドレイン拡散層211を形成する。   After the zirconium silicate film 205 is formed, as shown in FIG. 14C, a silicon nitride film (SiN film) 207 which is a cap insulating film having a thickness of about 200 nm is formed on the entire surface. Thereafter, the silicon nitride film 207, the zirconium film 204, and the like are patterned into the shape of the gate electrode. Subsequently, impurities are ion-implanted using the gate electrode as a mask, and the implanted impurities are activated to form the source / drain diffusion layer 211.

その後、スペーサーとなるSiN膜208を形成し、さらにRIEにより基板表面を露出させる。続いて、BPSG成膜時のバリア及びRIE時のストッパーとなるライナーSiN膜209を15nm程度形成する。続いて、BPSG膜210を成膜し、さらに800℃、30分のウエット酸化雰囲気下でBPSG膜210の高密度化を行う。その後、CMP法により、SiN膜207〜209をストッパーにしてBPSG膜210の平坦化を行い、トランジスタが完成する。   Thereafter, a SiN film 208 serving as a spacer is formed, and the substrate surface is exposed by RIE. Subsequently, a liner SiN film 209 serving as a barrier during BPSG film formation and a stopper during RIE is formed to a thickness of about 15 nm. Subsequently, a BPSG film 210 is formed, and the BPSG film 210 is further densified in a wet oxidation atmosphere at 800 ° C. for 30 minutes. Thereafter, the BPSG film 210 is planarized by the CMP method using the SiN films 207 to 209 as stoppers, thereby completing the transistor.

このように、本実施形態によれば、シリコン酸化膜上にジルコニウム膜を形成し、熱処理によってシリコン酸化膜とジルコニウム膜とを反応させてジルコニウム珪酸化物膜を形成するので、膜質に優れた誘電率の高いジルコニウム珪酸化物膜をゲート絶縁膜として用いることができるとともに、熱処理後に残ったジルコニウム膜をそのままゲート電極として用いることができ、製造工程の簡略化、生産性の向上をはかることができる。   As described above, according to the present embodiment, a zirconium film is formed on a silicon oxide film, and a silicon silicate film is formed by reacting the silicon oxide film and the zirconium film by heat treatment, so that the dielectric constant having excellent film quality is achieved. High zirconium silicate film can be used as the gate insulating film, and the zirconium film remaining after the heat treatment can be used as the gate electrode as it is, so that the manufacturing process can be simplified and the productivity can be improved.

(実施形態4(B))
図15(a)〜図16(e)は、本発明の実施形態4(B)に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。本実施形態は、実施形態4(A)で説明した方法を応用し、ゲート電極に異なる種類の金属を用いたデュアルメタルトランジスタを形成するものである。なお、図14(a)〜図14(c)に示した実施形態4(A)の構成要素と対応する構成要素については同一の参照番号を付している。
(Embodiment 4 (B))
FIGS. 15A to 16E are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 4B of the present invention. In this embodiment, the method described in Embodiment 4 (A) is applied to form a dual metal transistor using different kinds of metals for the gate electrode. In addition, the same reference number is attached | subjected about the component corresponding to the component of Embodiment 4 (A) shown to Fig.14 (a)-FIG.14 (c).

まず、実施形態4(A)と同様の工程により、シリコン酸化膜(図示せず)上にジルコニウム膜204を形成し、さらに熱処理によってシリコン酸化膜とジルコニウム膜204とを反応させることにより、図15(a)に示すように、ジルコニウム珪酸化物膜205を形成する。   First, a zirconium film 204 is formed on a silicon oxide film (not shown) by a process similar to that in Embodiment 4 (A), and further, the silicon oxide film and the zirconium film 204 are reacted by heat treatment, whereby FIG. As shown in (a), a zirconium silicate film 205 is formed.

次に、図15(b)に示すように、ジルコニウム膜204の一部を除去する。具体的には、ジルコニウム膜204を残置させる領域上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして、硫酸或いはフッ酸によりジルコニウム酸化物膜206を除去し、さらに過酸化水素水等でジルコニウム膜204を除去する。その後、全面にジルコニウム以外の金属膜として、イットリウム膜212を100nmの膜厚で形成する。   Next, as shown in FIG. 15B, a part of the zirconium film 204 is removed. Specifically, a resist pattern is formed on a region where the zirconium film 204 is left, and the zirconium oxide film 206 is removed with sulfuric acid or hydrofluoric acid using the resist pattern as a mask. 204 is removed. Thereafter, an yttrium film 212 having a thickness of 100 nm is formed on the entire surface as a metal film other than zirconium.

次に、図15(c)に示すように、CMP法によって平坦化を行う。基板を大気中に取り出すことで、ジルコニウム膜204の表面にはジルコニウム酸化物膜206が、イットリウム膜212の表面にはイットリウム酸化物膜213が形成される。イットリウムの第1イオン化電位ΔEは6.38程度であり、ジルコニウムと同様に空気中で容易に酸化される。   Next, as shown in FIG. 15C, planarization is performed by a CMP method. By taking out the substrate into the atmosphere, a zirconium oxide film 206 is formed on the surface of the zirconium film 204, and an yttrium oxide film 213 is formed on the surface of the yttrium film 212. The first ionization potential ΔE of yttrium is about 6.38, and is easily oxidized in the air like zirconium.

次に、図16(d)に示すように、キャップ絶縁膜であるシリコン窒化膜207を200nmの膜厚で形成する。その後、シリコン窒化膜207及びジルコニウム膜204、イットリウム膜212等をゲート電極の形状にパターニングする。   Next, as shown in FIG. 16D, a silicon nitride film 207 as a cap insulating film is formed to a thickness of 200 nm. Thereafter, the silicon nitride film 207, the zirconium film 204, the yttrium film 212, and the like are patterned into the shape of the gate electrode.

その後、実施形態4(A)と同様にして、ソース・ドレイン拡散層211、スペーサーSiN膜208、ライナーSiN膜209、BPSG膜210等を形成、図16(e)に示すような構造のトランジスタが完成する。   Thereafter, in the same manner as in the embodiment 4 (A), the source / drain diffusion layer 211, the spacer SiN film 208, the liner SiN film 209, the BPSG film 210, and the like are formed. A transistor having a structure as shown in FIG. Complete.

本実施形態では、デュアルメタルトランジスタの製造に際し、実施形態4(A)と同様、膜質に優れた誘電率の高い金属珪酸化物膜をゲート絶縁膜として用いることができとともに、製造工程の簡略化や生産性の向上をはかることが可能となる。   In this embodiment, when manufacturing a dual metal transistor, a metal silicate film having excellent film quality and high dielectric constant can be used as a gate insulating film, as in Embodiment 4 (A), and the manufacturing process can be simplified. Productivity can be improved.

(実施形態4(C))
図17(a)〜図17(e)は、本発明の実施形態4(C)に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。本実施形態は、実施形態4(A)で説明した方法を応用し、ゲート電極に異なる種類の金属を用いたデュアルメタルトランジスタを形成するものである。なお、図14(a)〜図14(c)に示した実施形態4(A)の構成要素と対応する構成要素については同一の参照番号を付している。
(Embodiment 4 (C))
FIGS. 17A to 17E are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 4C of the present invention. In this embodiment, the method described in Embodiment 4 (A) is applied to form a dual metal transistor using different kinds of metals for the gate electrode. In addition, the same reference number is attached | subjected about the component corresponding to the component of Embodiment 4 (A) shown to Fig.14 (a)-FIG.14 (c).

まず、実施形態4(A)と同様の工程により、図17(a)に示すように、シリコン酸化膜203上にジルコニウム膜204を形成し、さらにジルコニウム膜204上にジルコニウム酸化物膜206を形成する。   First, as shown in FIG. 17A, the zirconium film 204 is formed on the silicon oxide film 203 and the zirconium oxide film 206 is formed on the zirconium film 204 by the same process as that in Embodiment 4A. To do.

次に、図17(b)に示すように、ジルコニウム膜204の一部を除去する。具体的には、ジルコニウム膜204を残置させる領域上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして、硫酸或いはフッ酸によりジルコニウム酸化物膜206を除去し、さらに過酸化水素水等でジルコニウム膜204を除去する。その後、全面にジルコニウム以外の金属膜として、イットリウム膜212を100nmの膜厚で形成する。   Next, as shown in FIG. 17B, a part of the zirconium film 204 is removed. Specifically, a resist pattern is formed on a region where the zirconium film 204 is left, and the zirconium oxide film 206 is removed with sulfuric acid or hydrofluoric acid using the resist pattern as a mask. 204 is removed. Thereafter, an yttrium film 212 having a thickness of 100 nm is formed on the entire surface as a metal film other than zirconium.

次に、図17(c)に示すように、CMP法によって平坦化を行う。その後、不活性雰囲気にて、結晶化の起こらない程度の条件で熱処理を行う。熱処理を行うことで、シリコン酸化膜203とジルコニウム膜204との界面、及びシリコン酸化膜203とイットリウム膜212との界面で、酸化還元反応及び相互拡散が起こり、それぞれ膜厚4nm程度(シリコン酸化膜換算膜厚1nm程度)のジルコニウム珪酸化物膜205及びイットリウム珪酸化物膜214が形成される。また、基板を大気中に取り出すことで、ジルコニウム膜204の表面にはジルコニウム酸化物膜206が、イットリウム膜212の表面にはイットリウム酸化物膜213が形成される。   Next, as shown in FIG. 17C, planarization is performed by a CMP method. Thereafter, heat treatment is performed in an inert atmosphere under conditions that do not cause crystallization. By performing the heat treatment, an oxidation-reduction reaction and mutual diffusion occur at the interface between the silicon oxide film 203 and the zirconium film 204 and the interface between the silicon oxide film 203 and the yttrium film 212, and each has a thickness of about 4 nm (silicon oxide film A zirconium silicate film 205 and an yttrium silicate film 214 having a conversion film thickness of about 1 nm are formed. Further, by removing the substrate into the atmosphere, a zirconium oxide film 206 is formed on the surface of the zirconium film 204, and an yttrium oxide film 213 is formed on the surface of the yttrium film 212.

次に、図18(d)に示すように、キャップ絶縁膜であるシリコン窒化膜207を200nmの膜厚で形成する。その後、シリコン窒化膜207、ジルコニウム膜204及びイットリウム膜212等をゲート電極の形状にパターニングする。   Next, as shown in FIG. 18D, a silicon nitride film 207 as a cap insulating film is formed to a thickness of 200 nm. Thereafter, the silicon nitride film 207, the zirconium film 204, the yttrium film 212, and the like are patterned into the shape of the gate electrode.

その後、実施形態4(A)と同様にして、ソース・ドレイン拡散層211、スペーサーSiN膜208、ライナーSiN膜209、BPSG膜210等を形成、図18(e)に示すような構造のトランジスタが完成する。   Thereafter, in the same manner as in the embodiment 4 (A), the source / drain diffusion layer 211, the spacer SiN film 208, the liner SiN film 209, the BPSG film 210, and the like are formed. A transistor having a structure as shown in FIG. Complete.

本実施形態でも、デュアルメタルトランジスタの製造に際し、実施形態4(A)及び実施形態4(B)と同様、膜質に優れた誘電率の高い金属珪酸化物膜をゲート絶縁膜として用いることができとともに、製造工程の簡略化や生産性の向上をはかることが可能となる。   Also in this embodiment, in manufacturing a dual metal transistor, a metal silicate film having excellent film quality and high dielectric constant can be used as a gate insulating film as in the case of Embodiment 4 (A) and Embodiment 4 (B). It is possible to simplify the manufacturing process and improve productivity.

なお、上述した実施形態4(A)〜4(C)では、金属珪酸化物膜に含まれる金属元素としてジルコニウム及びイットリウムを例にあげて説明したが、金属珪酸化物膜には、ジルコニウム、ガドリニウム、ハフニウム、ランタン、イットリウム、アルミニウム、チタンの中の少なくとも一つの金属元素が含まれていればよい。   In Embodiments 4 (A) to 4 (C) described above, zirconium and yttrium have been described as examples of the metal element contained in the metal silicate film. However, the metal silicate film includes zirconium, gadolinium, It is sufficient that at least one metal element selected from hafnium, lanthanum, yttrium, aluminum, and titanium is included.

また、上述した実施形態4(A)〜4(C)では、ゲート絶縁膜としてシリコ金属珪酸化物膜の単層膜を用いた例について説明したが、金属珪酸化物膜上に金属酸化物膜を形成した積層構造であってもよい。この場合には、熱処理によって金属珪酸化物膜を形成した後、金属珪酸化物膜上の未反応の金属膜を除去し、その後に金属酸化物膜を形成すればよい。金属酸化物膜としては、上述した各種金属元素の少なくとも一つを含む膜でもよいし、タンタル酸化物膜やビスマス・ストロンチウム・チタン酸化物膜(BSTO)等でもよい。   In the above-described Embodiments 4 (A) to 4 (C), an example in which a single-layer silicon metal silicate film is used as the gate insulating film has been described. However, a metal oxide film is formed on the metal silicate film. The formed laminated structure may be sufficient. In this case, after the metal silicate film is formed by heat treatment, the unreacted metal film on the metal silicate film is removed, and then the metal oxide film is formed. The metal oxide film may be a film containing at least one of the various metal elements described above, a tantalum oxide film, a bismuth / strontium / titanium oxide film (BSTO), or the like.

また、上述した実施形態4(A)〜4(C)では、シリコン酸化膜上に金属膜を形成するようにしたが、シリコン酸化膜に限らずシリコン酸化膜系絶縁膜であればよく、例えばシリコン酸窒化膜(SiON膜)上に金属膜を形成するようにしてもよい。   In the above-described Embodiments 4 (A) to 4 (C), the metal film is formed on the silicon oxide film. However, the present invention is not limited to the silicon oxide film, and any silicon oxide-based insulating film may be used. A metal film may be formed on the silicon oxynitride film (SiON film).

さらに、ゲート電極に用いる金属についても種々変形可能であり、例えばタングステン膜を用いてもよく、さらにバリアメタルであるTiN膜とタングステン膜との積層構造にしてもよい。   Furthermore, the metal used for the gate electrode can be variously modified. For example, a tungsten film may be used, and a laminated structure of a TiN film and a tungsten film as a barrier metal may be used.

(実施形態5)
以下、本発明の第5の実施形態を図面を参照して説明する。
(Embodiment 5)
Hereinafter, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施形態5(A))
図19(a)〜図19(c)は、本発明の実施形態5(A)に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
(Embodiment 5 (A))
FIG. 19A to FIG. 19C are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 5A of the present invention.

まず、図19(a)に示すように、シリコン基板301上に、厚さ1nm以下の極薄いシリコン酸化膜(SiO2 膜)302を形成する。続いて、シリコン酸化膜302の一部を選択的に除去して、シリコン基板301上にシリコン酸化膜302の存在する領域と存在しない領域を形成する。その後、全面にLa,Hf,Zr,Gd等の金属を含む金属酸化物膜303を堆積する。 First, as shown in FIG. 19A, an extremely thin silicon oxide film (SiO 2 film) 302 having a thickness of 1 nm or less is formed on a silicon substrate 301. Subsequently, part of the silicon oxide film 302 is selectively removed to form a region where the silicon oxide film 302 exists and a region where the silicon oxide film 302 does not exist on the silicon substrate 301. Thereafter, a metal oxide film 303 containing a metal such as La, Hf, Zr, or Gd is deposited on the entire surface.

次に、図19(b)に示すように、上述した構造を有する基板に対して熱処理を行う。この熱処理の条件を適当に選ぶことにより、シリコン酸化膜302を除去した領域では金属酸化物膜303とシリコン基板301のシリコンとが反応して金属珪酸化物膜304が形成され、シリコン酸化膜302を除去しなかった領域では金属酸化物膜303及びシリコン酸化膜302の積層膜が残る。   Next, as shown in FIG. 19B, heat treatment is performed on the substrate having the above-described structure. By appropriately selecting the conditions for this heat treatment, the metal oxide film 303 reacts with the silicon of the silicon substrate 301 in the region where the silicon oxide film 302 is removed, and a metal silicate film 304 is formed. In the region not removed, the laminated film of the metal oxide film 303 and the silicon oxide film 302 remains.

次に、図19(c)に示すように、全面にTiN等からなるゲート電極用の電極膜305を形成し、さらにシリコン酸化膜302、金属酸化物膜303、金属珪酸化物膜304及び電極膜305をパターニングする。このようにして、ゲート絶縁膜の実効的な膜厚が互いに異なったゲート電極構造が形成される。   Next, as shown in FIG. 19C, an electrode film 305 for a gate electrode made of TiN or the like is formed on the entire surface, and further a silicon oxide film 302, a metal oxide film 303, a metal silicate film 304, and an electrode film. 305 is patterned. In this way, gate electrode structures having different effective film thicknesses of the gate insulating film are formed.

(実施形態5(B))
図20(a)〜図20(c)は、本発明の実施形態5(B)に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
(Embodiment 5 (B))
20A to 20C are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 5B of the present invention.

まず、図20(a)に示すように、実施形態5(A)と同様にして、シリコン基板301上にシリコン酸化膜302及び金属酸化物膜303を形成する。   First, as shown in FIG. 20A, a silicon oxide film 302 and a metal oxide film 303 are formed on a silicon substrate 301 in the same manner as in the embodiment 5A.

次に、図20(b)に示すように、上述した構造を有する基板に対して熱処理を行う。この熱処理の条件を適当に選ぶ、例えば実施形態5(A)で行った熱処理の温度よりも高い温度で熱処理を行うことにより、シリコン酸化膜302を除去した領域と除去しなかった領域とで、金属元素、酸素及びシリコンの組成比が異なった金属珪酸化物膜306及び307を形成することができる。形成された金属珪酸化物膜は、酸素濃度は金属珪酸化物膜307の方が金属珪酸化物膜306よりも高く、シリコン濃度は金属珪酸化物膜306の方が金属珪酸化物膜307よりも高くなる。   Next, as shown in FIG. 20B, heat treatment is performed on the substrate having the above-described structure. By appropriately selecting the conditions for this heat treatment, for example, by performing heat treatment at a temperature higher than the temperature of the heat treatment performed in Embodiment 5 (A), a region where the silicon oxide film 302 is removed and a region where the silicon oxide film 302 is not removed are obtained. Metal silicate films 306 and 307 having different composition ratios of metal element, oxygen, and silicon can be formed. In the formed metal silicate film, the oxygen concentration of the metal silicate film 307 is higher than that of the metal silicate film 306, and the silicon concentration of the metal silicate film 306 is higher than that of the metal silicate film 307.

次に、図20(c)に示すように、実施形態5(A)と同様にして電極膜305を形成し、さらに金属珪酸化物膜306、307及び電極膜305をパターニングする。このようにして、ゲート絶縁膜の実効的な膜厚が互いに異なったゲート電極構造が形成される。   Next, as shown in FIG. 20C, an electrode film 305 is formed in the same manner as in Embodiment 5A, and the metal silicate films 306 and 307 and the electrode film 305 are patterned. In this way, gate electrode structures having different effective film thicknesses of the gate insulating film are formed.

(実施形態5(C))
図21(a)〜図21(c)は、本発明の実施形態5(C)に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
(Embodiment 5 (C))
FIG. 21A to FIG. 21C are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 5C of the present invention.

まず、図21(a)に示すように、実施形態5(A)と同様にして、シリコン基板301上にシリコン酸化膜302及び金属酸化物膜303を形成する。このとき、金属酸化物膜303中の酸素濃度を化学量論比よりも低くしておく。   First, as shown in FIG. 21A, a silicon oxide film 302 and a metal oxide film 303 are formed on a silicon substrate 301 in the same manner as in Embodiment 5A. At this time, the oxygen concentration in the metal oxide film 303 is set lower than the stoichiometric ratio.

次に、図21(b)に示すように、上述した構造を有する基板に対して熱処理を行う。熱処理の条件(加熱温度、加熱時間)、シリコン酸化膜の膜厚、金属酸化物膜の組成比等を適当に選ぶことにより、シリコン酸化膜302を除去した領域と除去しなかった領域とで、異なった絶縁膜構造にすることができる。シリコン酸化膜302を除去した領域では、金属酸化物膜303とシリコン基板301のシリコンとが反応してシリコン基板301の表面付近に金属珪酸化物膜308が形成され、金属珪酸化物膜308と金属酸化物膜303との積層構造になる。また、シリコン酸化膜302を除去しなかった領域では、金属酸化物膜303とシリコン酸化膜302とが反応して、化学量論比に近い組成の金属酸化物膜309が形成される。   Next, as shown in FIG. 21B, heat treatment is performed on the substrate having the above-described structure. By appropriately selecting the conditions of the heat treatment (heating temperature, heating time), the thickness of the silicon oxide film, the composition ratio of the metal oxide film, etc., the region where the silicon oxide film 302 is removed and the region where it is not removed Different insulating film structures can be obtained. In the region where the silicon oxide film 302 is removed, the metal oxide film 303 reacts with the silicon of the silicon substrate 301 to form a metal silicate film 308 near the surface of the silicon substrate 301. A laminated structure with the material film 303 is formed. In a region where the silicon oxide film 302 is not removed, the metal oxide film 303 and the silicon oxide film 302 react to form a metal oxide film 309 having a composition close to the stoichiometric ratio.

次に、図21(c)に示すように、実施形態5(A)と同様にして電極膜305を形成し、さらに金属珪酸化物膜308、金属酸化物膜303、309及び電極膜305をパターニングする。このようにして、ゲート絶縁膜の実効的な膜厚が互いに異なったゲート電極構造が形成される。   Next, as shown in FIG. 21C, an electrode film 305 is formed in the same manner as in Embodiment 5A, and the metal silicate film 308, the metal oxide films 303 and 309, and the electrode film 305 are patterned. To do. In this way, gate electrode structures having different effective film thicknesses of the gate insulating film are formed.

(実施形態5(D))
図22(a)〜図22(c)は、本発明の実施形態5(D)に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
(Embodiment 5 (D))
FIG. 22A to FIG. 22C are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 5D of the present invention.

まず、図22(a)に示すように、実施形態5(A)と同様にして、シリコン基板301上にシリコン酸化膜302及び金属酸化物膜303を形成する。このとき、金属酸化物膜303中の酸素濃度を化学量論比よりも低くしておく。   First, as shown in FIG. 22A, a silicon oxide film 302 and a metal oxide film 303 are formed on a silicon substrate 301 in the same manner as in the embodiment 5A. At this time, the oxygen concentration in the metal oxide film 303 is set lower than the stoichiometric ratio.

次に、図22(b)に示すように、上述した構造を有する基板に対して熱処理を行う。熱処理の条件(加熱温度、加熱時間)、シリコン酸化膜の膜厚、金属酸化物膜の組成比等を適当に選ぶことにより、シリコン酸化膜302を除去した領域と除去しなかった領域とで、異なった絶縁膜構造にすることができる。シリコン酸化膜302を除去した領域では、シリコン基板301の表面に近いほどシリコンの組成比が高い金属珪酸化物膜310が形成される。また、シリコン酸化膜302を除去しなかった領域では、化学量論比に近い組成の金属酸化物膜312が形成されるとともに、シリコン基板301の表面付近には金属珪酸化物膜311が形成される。   Next, as shown in FIG. 22B, heat treatment is performed on the substrate having the above-described structure. By appropriately selecting the conditions of the heat treatment (heating temperature, heating time), the thickness of the silicon oxide film, the composition ratio of the metal oxide film, etc., the region where the silicon oxide film 302 is removed and the region where it is not removed Different insulating film structures can be obtained. In the region where the silicon oxide film 302 is removed, a metal silicate film 310 having a higher silicon composition ratio is formed closer to the surface of the silicon substrate 301. In the region where the silicon oxide film 302 is not removed, a metal oxide film 312 having a composition close to the stoichiometric ratio is formed, and a metal silicate film 311 is formed near the surface of the silicon substrate 301. .

次に、図21(c)に示すように、実施形態5(A)と同様にして電極膜305を形成し、さらに金属珪酸化物膜310、311、金属酸化物膜312及び電極膜305をパターニングする。このようにして、ゲート絶縁膜の実効的な膜厚が互いに異なったゲート電極構造が形成される。   Next, as shown in FIG. 21C, an electrode film 305 is formed in the same manner as in Embodiment 5A, and the metal silicate films 310 and 311, the metal oxide film 312 and the electrode film 305 are patterned. To do. In this way, gate electrode structures having different effective film thicknesses of the gate insulating film are formed.

(実施形態5(E))
図23(a)〜図23(c)は、本発明の実施形態5(E)に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
(Embodiment 5 (E))
FIG. 23A to FIG. 23C are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 5E of the present invention.

まず、図23(a)に示すように、シリコン基板301上に、La,Hf,Zr,Gd等の金属を含む金属酸化物膜313を堆積する。続いて、フォトレジスト314をマスクとして、イオン注入法によりシリコンイオンを金属酸化物膜313中に導入する。このイオン注入の条件は、イオンの飛程が金属酸化物膜313中になるような条件とし、例えば金属酸化物膜313の厚さが3〜5nm程度の場合には加速電圧を0.5〜1keV程度に設定する。   First, as shown in FIG. 23A, a metal oxide film 313 containing a metal such as La, Hf, Zr, or Gd is deposited on the silicon substrate 301. Subsequently, silicon ions are introduced into the metal oxide film 313 by ion implantation using the photoresist 314 as a mask. The ion implantation conditions are such that the range of ions is in the metal oxide film 313. For example, when the thickness of the metal oxide film 313 is about 3 to 5 nm, the acceleration voltage is 0.5 to 5. Set to about 1 keV.

次に、図23(b)に示すように、フォトレジスト314をプラズマアッシング及び酸化性薬液による湿式処理によって除去した後、熱処理を行う。この熱処理により、金属酸化物膜313中にシリコンを導入した領域では、金属酸化物膜313が金属珪酸化物膜315(La2 SiO5 等)に変換される。シリコンを導入していない領域では、金属酸化物膜313がそのまま残置する。このようにシリコンイオンを金属酸化物膜313中に予め導入しておくことにより、熱処理の温度を実施形態5(A)で行った熱処理の温度より低くしても、金属珪酸化物膜315を形成することが可能である。 Next, as shown in FIG. 23B, after the photoresist 314 is removed by plasma ashing and wet processing using an oxidizing chemical solution, heat treatment is performed. By this heat treatment, the metal oxide film 313 is converted into a metal silicate film 315 (La 2 SiO 5 or the like) in a region where silicon is introduced into the metal oxide film 313. In the region where silicon is not introduced, the metal oxide film 313 is left as it is. Thus, by introducing silicon ions into the metal oxide film 313 in advance, the metal silicate film 315 is formed even if the temperature of the heat treatment is lower than the temperature of the heat treatment performed in Embodiment 5A. Is possible.

次に、図23(c)に示すように、実施形態5(A)と同様にして電極膜305を形成し、さらに金属珪酸化物膜315、金属酸化物膜313及び電極膜305をパターニングする。このようにして、ゲート絶縁膜の実効的な膜厚が互いに異なったゲート電極構造が形成される。   Next, as shown in FIG. 23C, an electrode film 305 is formed in the same manner as in Embodiment 5A, and the metal silicate film 315, the metal oxide film 313, and the electrode film 305 are patterned. In this way, gate electrode structures having different effective film thicknesses of the gate insulating film are formed.

なお、上記の例ではシリコン基板301上に直接金属酸化物膜313を堆積するようにしたが、シリコン基板301上に薄いシリコン酸化膜を形成し、このシリコン酸化膜上に金属酸化物膜313を堆積するようにしてもよい。この場合、最終的に得られるゲート絶縁膜の構造は、イオン注入を行った領域及び行わなかった領域とも、シリコン酸化膜と金属酸化物膜313或いは金属珪酸化物膜315との積層膜となる。   In the above example, the metal oxide film 313 is directly deposited on the silicon substrate 301. However, a thin silicon oxide film is formed on the silicon substrate 301, and the metal oxide film 313 is formed on the silicon oxide film. It may be deposited. In this case, the structure of the gate insulating film finally obtained is a laminated film of the silicon oxide film and the metal oxide film 313 or the metal silicate film 315 in both the region where the ion implantation is performed and the region where the ion implantation is not performed.

(実施形態5(F))
図24(a)〜図24(c)は、本発明の実施形態5(F)に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
(Embodiment 5 (F))
24A to 24C are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to Embodiment 5F of the present invention.

まず、図24(a)に示すように、シリコン基板301上に、厚さ1nm以下の極薄いシリコン酸化膜316を形成する。続いて、シリコン酸化膜316上に、La,Hf,Zr,Gd等の金属を含む金属酸化物膜317を堆積する。続いて、フォトレジスト318をマスクとして、ArやSi等のイオンのイオン注入法を行う。このイオン注入の条件は、イオンの飛程がシリコン酸化膜316中になるような条件にする。このイオン注入により、シリコン酸化膜316に意図的に損傷が与えられる。   First, as shown in FIG. 24A, an extremely thin silicon oxide film 316 having a thickness of 1 nm or less is formed on a silicon substrate 301. Subsequently, a metal oxide film 317 containing a metal such as La, Hf, Zr, or Gd is deposited on the silicon oxide film 316. Subsequently, ion implantation of ions such as Ar and Si is performed using the photoresist 318 as a mask. The ion implantation conditions are such that the ion range is in the silicon oxide film 316. By this ion implantation, the silicon oxide film 316 is intentionally damaged.

次に、図24(b)に示すように、フォトレジスト318を除去した後、熱処理を行う。この熱処理により、シリコン酸化膜316に損傷が与えられた領域では、金属酸化物膜317とシリコン酸化膜316とが反応して金属珪酸化物膜319が形成され、シリコン酸化膜316に損傷が与えられていない領域では、シリコン酸化膜316及び金属酸化物膜317の積層膜が残置する。シリコン酸化膜316に予め損傷を与えておくことにより、シリコンと酸素との結合が弱められているため、熱処理の温度を実施形態5(A)で行った熱処理の温度より低くしても、金属珪酸化物膜319を形成することが可能である。   Next, as shown in FIG. 24B, after the photoresist 318 is removed, heat treatment is performed. In the region where the silicon oxide film 316 is damaged by this heat treatment, the metal oxide film 317 and the silicon oxide film 316 react to form a metal silicate film 319, and the silicon oxide film 316 is damaged. In a region that is not, the stacked film of the silicon oxide film 316 and the metal oxide film 317 remains. By damaging the silicon oxide film 316 in advance, the bond between silicon and oxygen is weakened. Therefore, even if the temperature of the heat treatment is lower than the temperature of the heat treatment performed in Embodiment 5A, the metal A silica film 319 can be formed.

次に、図24(c)に示すように、実施形態5(A)と同様にして電極膜305を形成し、さらに金属珪酸化物膜319、金属酸化物膜317、シリコン酸化膜316及び電極膜305をパターニングする。このようにして、ゲート絶縁膜の実効的な膜厚が互いに異なったゲート電極構造が形成される。   Next, as shown in FIG. 24C, an electrode film 305 is formed in the same manner as in Embodiment 5A, and a metal silicate film 319, a metal oxide film 317, a silicon oxide film 316, and an electrode film are formed. 305 is patterned. In this way, gate electrode structures having different effective film thicknesses of the gate insulating film are formed.

このように、本実施形態5によれば、ゲート絶縁膜に金属酸化物膜や金属珪酸化物膜を用いることにより、ゲート絶縁膜の実効的な膜厚を薄くすることができるとともに、ゲート絶縁膜の構造を複数の領域で異ならせることにより、各領域でのゲート絶縁膜の実効的な膜厚を異ならせることができる。   Thus, according to the fifth embodiment, by using a metal oxide film or a metal silicate film for the gate insulating film, the effective thickness of the gate insulating film can be reduced, and the gate insulating film By varying the structure in a plurality of regions, the effective thickness of the gate insulating film in each region can be varied.

なお、本実施形態5において、金属酸化物膜や金属珪酸化物膜には、Al,Sn,Sc,Ti,Sr,Y,Zr,Ba,La,Gd,Hf,Taの中の少なくとも一つの金属元素が含まれていればよい。ただし、シリコン酸化膜との反応によって金属酸化物膜や金属珪酸化物膜を形成する例では、Sn及びTaはSiよりも還元性が弱いため、上述した金属元素のうちSn及びTa以外の金属元素を用いることが好ましい。   In the fifth embodiment, the metal oxide film or the metal silicate film includes at least one metal of Al, Sn, Sc, Ti, Sr, Y, Zr, Ba, La, Gd, Hf, and Ta. It only needs to contain an element. However, in an example in which a metal oxide film or a metal silicate film is formed by reaction with a silicon oxide film, Sn and Ta are less reducible than Si, so among the above-described metal elements, metal elements other than Sn and Ta Is preferably used.

また、本実施形態5では、シリコン基板上に形成されるシリコン酸化膜系絶縁膜としてシリコン酸化膜を例に説明したが、シリコン酸化膜系絶縁膜としてシリコン酸窒化膜を用いるようにしてもよい。   In the fifth embodiment, a silicon oxide film is described as an example of a silicon oxide film-based insulating film formed on a silicon substrate. However, a silicon oxynitride film may be used as the silicon oxide film-based insulating film. .

以上、本発明の実施形態1〜5を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。例えば、上記各実施形態で示した構造や製造方法を適宜組み合わせることも可能である。その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。   As mentioned above, although Embodiment 1-5 of this invention was demonstrated, this invention is not limited to said each embodiment. For example, the structures and manufacturing methods shown in the above embodiments can be appropriately combined. In addition, the present invention can be implemented with various modifications without departing from the spirit of the present invention.

本発明の第1及び第2の実施形態に係る半導体装置の第1の例を示した断面図。Sectional drawing which showed the 1st example of the semiconductor device which concerns on the 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の第1及び第2の実施形態に係る半導体装置の第1の例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about the 1st example of the semiconductor device which concerns on the 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の第1及び第2の実施形態に係る半導体装置の第1の例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about the 1st example of the semiconductor device which concerns on the 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の第1及び第2の実施形態に係る半導体装置の第1の例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about the 1st example of the semiconductor device which concerns on the 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の第1及び第2の実施形態に係る半導体装置の第2の例を示した断面図。Sectional drawing which showed the 2nd example of the semiconductor device which concerns on the 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の第1及び第2の実施形態に係る半導体装置の第2の例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about the 2nd example of the semiconductor device which concerns on the 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の第1及び第2の実施形態に係る半導体装置の第2の例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about the 2nd example of the semiconductor device which concerns on the 1st and 2nd embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の第1の例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about the 1st example of the semiconductor device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の第1の例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about the 1st example of the semiconductor device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の第1の例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about the 1st example of the semiconductor device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係り、シリコン及びガドリニウムの酸化における平衡水素・水蒸気分圧曲線を示した図。The figure which showed the equilibrium hydrogen and water vapor partial pressure curve in the oxidation of silicon and gadolinium concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の第2の例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about the 2nd example of the semiconductor device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の第2の例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about the 2nd example of the semiconductor device which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の第1の例についてその製造工程を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed the manufacturing process about the 1st example of the semiconductor device which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の第2の例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about the 2nd example of the semiconductor device which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の第2の例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about the 2nd example of the semiconductor device which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の第3の例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about the 3rd example of the semiconductor device which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の第3の例についてその製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of the manufacturing process about the 3rd example of the semiconductor device which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の第1の例についてその製造工程を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed the manufacturing process about the 1st example of the semiconductor device which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の第2の例についてその製造工程を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed the manufacturing process about the 2nd example of the semiconductor device which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の第3の例についてその製造工程を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed the manufacturing process about the 3rd example of the semiconductor device which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の第4の例についてその製造工程を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed the manufacturing process about the 4th example of the semiconductor device which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の第5の例についてその製造工程を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed the manufacturing process about the 5th example of the semiconductor device which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の第6の例についてその製造工程を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed the manufacturing process about the 6th example of the semiconductor device which concerns on the 5th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…シリコン基板、3、19…金属酸化物膜、4…チタン窒化膜、5…タングステン膜、6…金属珪酸化物膜、7、11、14、16…シリコン酸化膜、8…ポリシリコン膜、9、13…シリコン窒化膜、10…ダミーゲートパターン、12…エクステンション領域、15…ソース・ドレイン拡散層、18…シリコン酸窒化膜
101、121…シリコン基板、102…N型領域、103、122…素子分離領域、104…保護酸化膜、105…不純物イオン、106、129…シリコン酸窒化膜、107、130…金属酸化物膜、108、125…多結晶シリコン膜、109…エクステンション領域、110…ライナー層、111、126…シリコン窒化膜、123…ダミーゲート、124…熱酸化膜、127…ソース・ドレインの高濃度拡散層、128…層間絶縁膜、131…ゲート電極
201…シリコン基板、202…素子分離領域、203…シリコン酸化膜、204、212…金属膜、205、214…金属珪酸化物膜、206、213…金属酸化物膜、207、208、209…シリコン窒化膜、210…BPSG膜、211…ソース・ドレイン拡散層
301…シリコン基板、302、316…シリコン酸化膜、303、309、312、313、317…金属酸化物膜、304、306、307、308、310、311、315、319…金属珪酸化物膜、305…電極膜、314、318…フォトレジスト
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon substrate, 3, 19 ... Metal oxide film, 4 ... Titanium nitride film, 5 ... Tungsten film, 6 ... Metal silicate film, 7, 11, 14, 16 ... Silicon oxide film, 8 ... Polysilicon film, DESCRIPTION OF SYMBOLS 9, 13 ... Silicon nitride film, 10 ... Dummy gate pattern, 12 ... Extension area | region, 15 ... Source-drain diffused layer, 18 ... Silicon oxynitride film 101, 121 ... Silicon substrate, 102 ... N-type area | region, 103, 122 ... Element isolation region, 104 ... protective oxide film, 105 ... impurity ions, 106, 129 ... silicon oxynitride film, 107, 130 ... metal oxide film, 108, 125 ... polycrystalline silicon film, 109 ... extension region, 110 ... liner Layers 111, 126 ... Silicon nitride film, 123 ... Dummy gate, 124 ... Thermal oxide film, 127 ... High concentration expansion of source / drain Spread layer, 128 ... interlayer insulating film, 131 ... gate electrode 201 ... silicon substrate, 202 ... element isolation region, 203 ... silicon oxide film, 204, 212 ... metal film, 205, 214 ... metal silicate film, 206, 213 ... Metal oxide film, 207, 208, 209 ... Silicon nitride film, 210 ... BPSG film, 211 ... Source / drain diffusion layer 301 ... Silicon substrate, 302, 316 ... Silicon oxide film, 303, 309, 312, 313, 317 ... Metal oxide film, 304, 306, 307, 308, 310, 311, 315, 319 ... Metal silicate film, 305 ... Electrode film, 314, 318 ... Photoresist

Claims (5)

金属酸化物膜をゲート絶縁膜の少なくとも一部に用いた半導体装置であって、半導体基板と前記金属酸化物膜との間に、金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜が形成され、前記金属酸化物膜及び前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜が非結晶膜であり、前記金属酸化物膜を構成する主たる金属元素と前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を構成する主たる金属元素とが異なることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device using a metal oxide film as at least a part of a gate insulating film, wherein an insulating film containing metal, silicon and oxygen is formed between a semiconductor substrate and the metal oxide film, and the metal oxide film things film and the metal, the insulating film is an amorphous film der containing silicon and oxygen is, the a main metal element forming the metal oxide film a metal, and a main metal element constituting the insulating film containing silicon and oxygen A semiconductor device characterized by different . 前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜は、フッ素又は窒素の少なくとも一方が添加されている
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1, wherein at least one of fluorine and nitrogen is added to the insulating film containing metal, silicon, and oxygen.
前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜は、ジルコニウム珪酸化物膜、ハフニウム珪酸化物膜、ランタニウム珪酸化物膜、ガドリニウム珪酸化物膜、イットリウム珪酸化物膜、アルミニウム珪酸化物膜、またはチタニウム珪酸化物膜である
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The insulating film containing metal, silicon, and oxygen is a zirconium silicate film, a hafnium silicate film, a lanthanium silicate film, a gadolinium silicate film, an yttrium silicate film, an aluminum silicate film, or a titanium silicate film. The semiconductor device according to claim 1.
前記金属酸化物膜は、タンタル酸化物膜、チタン酸化物膜、ランタン酸化物膜、ハフニウム酸化物膜、ジルコニウム酸化物膜、ガドリニウム酸化物膜、イットリウム酸化物膜、またはアルミニウム酸化物膜である
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The metal oxide film is a tantalum oxide film, a titanium oxide film, a lanthanum oxide film, a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, a gadolinium oxide film, an yttrium oxide film, or an aluminum oxide film. The semiconductor device according to claim 1.
金属酸化物膜をゲート絶縁膜の少なくとも一部に用いた半導体装置の製造方法であって、半導体基板上に金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を形成する工程と、前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜上に金属酸化物膜を形成する工程と、を有し、前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜を形成する工程の後、前記金属酸化物膜を形成する工程の前に、前記金属、シリコン及び酸素を含む絶縁膜の結晶化温度よりも低く且つ前記金属酸化物膜の結晶化温度よりも高い温度で熱処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。   A method of manufacturing a semiconductor device using a metal oxide film as at least a part of a gate insulating film, comprising: forming an insulating film containing metal, silicon and oxygen on a semiconductor substrate; and Forming a metal oxide film over the insulating film including, after the step of forming the insulating film containing the metal, silicon and oxygen, before the step of forming the metal oxide film, A method for manufacturing a semiconductor device, wherein heat treatment is performed at a temperature lower than a crystallization temperature of an insulating film containing metal, silicon, and oxygen and higher than a crystallization temperature of the metal oxide film.
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