JP5284335B2 - Semiconductor device - Google Patents

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本発明は半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device.

MOSトランジスタにおいては、キャリアの膜中での直接トンネリング現象に起因して、ゲート/基板間のリーク電流が増加することが問題とされている。こうしたトンネリング現象を回避すべく、SiO2よりも比誘電率が飛躍的に大きい材料を用いてゲート絶縁膜を形成することが提案されている。具体的には、ZrO2やHfO2といった高誘電率金属の酸化物、あるいはそれとSiO2との化合物いわゆるシリケート等をはじめとする高誘電率の金属酸化膜である。さらに窒素を含有するシリケートは、1000℃でもアモルファス状態を維持することができ、比誘電率は20程度と高い。しかも、ホウ素などの不純物の膜中拡散が小さいことなどから、耐熱性を要求するCMOS工程への応用が期待されている。 In MOS transistors, there is a problem that leakage current between a gate and a substrate increases due to a direct tunneling phenomenon in a carrier film. In order to avoid such a tunneling phenomenon, it has been proposed to form a gate insulating film using a material whose dielectric constant is significantly higher than that of SiO 2 . Specifically, it is a metal oxide film having a high dielectric constant such as an oxide of a high dielectric constant metal such as ZrO 2 or HfO 2 , or a compound of the compound with SiO 2 so-called silicate. Furthermore, the silicate containing nitrogen can maintain an amorphous state even at 1000 ° C., and the relative dielectric constant is as high as about 20. In addition, since diffusion of impurities such as boron in the film is small, application to a CMOS process requiring heat resistance is expected.

しかしながら、多結晶Siからなるゲート電極とHfやZrのような金属酸化物からなるゲート絶縁膜とを組み合わせた場合には、閾値が変動してしまう。この変動は非常に大きく、通常行なわれるような基板部の不純物濃度の調整により合わせ込むことは困難である。こうした現象は、SiやGeといった純粋な半導体ゲート電極の場合のみならず、金属シリサイドあるいは金属ジャーマナイドでも起こりうる現象であることが確認されている。   However, when a gate electrode made of polycrystalline Si and a gate insulating film made of a metal oxide such as Hf or Zr are combined, the threshold value varies. This variation is very large, and it is difficult to make adjustment by adjusting the impurity concentration of the substrate portion as is normally done. Such a phenomenon has been confirmed to occur not only in the case of a pure semiconductor gate electrode such as Si or Ge but also in a metal silicide or metal germanide.

そこで、N−MISトランジスタに対して価数が1大きな添加元素を、P−MISトランジスタに対して価数が1小さな添加元素を添加し、荷電状態を変化させることによって閾値の変動を抑えるという方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−280461号公報
Therefore, a method of suppressing variation in threshold value by adding an additive element having a large valence of 1 to an N-MIS transistor and adding an additive element having a small valence of 1 to a P-MIS transistor and changing the charge state Has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
JP 2002-280461 A

しかしながら、N−MISトランジスタとP−MISトランジスタとで異なる添加元素を添加することは製造工程の煩雑化につながり、全体として製造コストが増大する。   However, adding different additive elements between the N-MIS transistor and the P-MIS transistor leads to complication of the manufacturing process and increases the manufacturing cost as a whole.

そして、閾値を低く抑えるには10at(原子)%もの高濃度の添加元素を添加しなければならない。添加元素の濃度が高濃度になってしまうと、添加元素自体の特性が無視できなくなる。例えば、過剰な添加元素は誘電率の低下につながる。さらに、過剰な添加元素により絶縁膜中には多数の固定電荷が存在することになるため、トランジスタのキャリアとなる電子あるいは正孔が絶縁膜中の固定電荷により散乱され、電子移動度あるいは正孔移動度の低下につながる。このように、高濃度の添加元素を金属酸化物からなるゲート絶縁膜に導入すると、誘電率の低下や、電子または正孔の移動度の低下につながり、特性が劣化するという問題がある。   In order to keep the threshold value low, an additive element having a concentration as high as 10 at (atomic)% must be added. If the concentration of the additive element becomes high, the characteristics of the additive element itself cannot be ignored. For example, excessive additive elements lead to a decrease in dielectric constant. In addition, since there are a large number of fixed charges in the insulating film due to excessive additive elements, electrons or holes serving as carriers of the transistor are scattered by the fixed charges in the insulating film, and electron mobility or hole This leads to a decrease in mobility. Thus, when a high concentration additive element is introduced into the gate insulating film made of a metal oxide, there is a problem that the dielectric constant is lowered and the mobility of electrons or holes is lowered, resulting in deterioration of characteristics.

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、素子特性の劣化を可及的に防止することのできる半導体装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of preventing deterioration of element characteristics as much as possible.

本発明の第1の態様による半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられた第1ゲート電極と、前記第1ゲート電極上に設けられ金属および酸素を含む電極間絶縁膜と、前記電極間絶縁膜上に設けられた第2ゲート電極と、前記第1および第2ゲート電極の両側の前記半導体基板に設けられたソース/ドレイン領域と、を備え、前記電極間絶縁膜は、リン、砒素、アンチモン、ビスマスのうちから選択された少なくとも1つの添加元素を含み、その含有量が0.1at%以上3at%以下であることを特徴とする。   A semiconductor device according to a first aspect of the present invention includes a semiconductor substrate, a gate insulating film provided on the semiconductor substrate, a first gate electrode provided on the gate insulating film, and the first gate electrode. An interelectrode insulating film containing metal and oxygen, a second gate electrode provided on the interelectrode insulating film, and a source / source provided on the semiconductor substrate on both sides of the first and second gate electrodes. The inter-electrode insulating film includes at least one additive element selected from phosphorus, arsenic, antimony, and bismuth, and the content thereof is not less than 0.1 at% and not more than 3 at% It is characterized by.

また、本発明の第2の態様による半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられた第1ゲート電極と、前記第1ゲート電極上に設けられ金属および酸素を含む電極間絶縁膜と、前記電極間絶縁膜上に設けられた第2ゲート電極と、前記第1および第2ゲート電極の両側の前記半導体基板に設けられたソース/ドレイン領域と、を備え、前記電極間絶縁膜は、硫黄、セレン、テルルのうちから選択された少なくとも1つの添加元素を含み、その含有量が0.003at%以上3at%以下であることを特徴とする。   A semiconductor device according to a second aspect of the present invention includes a semiconductor substrate, a gate insulating film provided on the semiconductor substrate, a first gate electrode provided on the gate insulating film, and the first gate. An interelectrode insulating film containing metal and oxygen provided on the electrode; a second gate electrode provided on the interelectrode insulating film; and provided on the semiconductor substrate on both sides of the first and second gate electrodes. The inter-electrode insulating film includes at least one additive element selected from sulfur, selenium, and tellurium, and the content thereof is 0.003 at% or more and 3 at% or less. It is characterized by.

本発明によれば、素子特性の劣化を可及的に防止することができる。   According to the present invention, deterioration of element characteristics can be prevented as much as possible.

本発明の実施形態を以下に図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による半導体装置は、半導体基板上に設けられ高誘電体からなるゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に設けられたゲート電極と、ゲート電極の両側の上記半導体基板に設けられたソース・ドレイン領域とを備えているMISトランジスタを有している。そして、ゲート絶縁膜は、金属および酸素を備えているとともに添加元素として3at(原子)%以下の濃度の5族、6族、15族、16族から選択された少なくとも1つの元素を含んでいる。以下では、ゲート絶縁膜中に含有される金属としてハフニウム(Hf)、添加元素としてアンチモン(Sb)を例に挙げて説明する。
(First embodiment)
The semiconductor device according to the first embodiment of the present invention includes a gate insulating film made of a high dielectric material provided on a semiconductor substrate, a gate electrode provided on the gate insulating film, and the semiconductor substrate on both sides of the gate electrode. It has a MIS transistor having a provided source / drain region. The gate insulating film includes metal and oxygen, and includes at least one element selected from Group 5, Group 6, Group 15 and Group 16 having a concentration of 3 at (atomic)% or less as an additive element. . In the following description, hafnium (Hf) is used as the metal contained in the gate insulating film, and antimony (Sb) is used as the additive element.

本実施形態による半導体装置のゲート絶縁膜を構成する金属および酸素は、ゲート絶縁膜中では、図1に模式的に示すように結合して金属酸化物を形成している。そして、図1に示すように、添加元素としてのSbはHfおよび酸素と置換してゲート絶縁膜中に含まれる。   The metal and oxygen constituting the gate insulating film of the semiconductor device according to the present embodiment combine to form a metal oxide in the gate insulating film as schematically shown in FIG. As shown in FIG. 1, Sb as an additive element is substituted for Hf and oxygen and contained in the gate insulating film.

上記した高誘電体としての金属酸化物には、酸素の欠損が成膜直後のみならず、半導体からなるゲート電極の形成工程あるいは活性化相当の熱処理工程において大量に形成される。その量はゲート絶縁膜の成膜条件あるいは半導体からなるゲート電極の形成条件あるいは活性化相当の熱処理条件によるが、欠損量の多い場合には0.1at%にも達する。
しかし、添加元素としてSbを添加することによって、ゲート絶縁膜からの酸素の脱離を抑制することができる。図1に示すように添加元素として添加されたSbはHfと置換されても酸素と置換されてもよい。いずれにしても、添加されたSbは絶縁膜中の酸素と強い結合を形成して安定化し、酸素の脱離を抑制する効果がある。
In the metal oxide as the high dielectric, oxygen vacancies are formed in a large amount not only immediately after film formation, but also in a gate electrode formation process or a heat treatment process corresponding to activation. The amount depends on the film formation condition of the gate insulating film, the formation condition of the gate electrode made of semiconductor, or the heat treatment condition corresponding to the activation, but reaches 0.1 at% when the amount of defects is large.
However, desorption of oxygen from the gate insulating film can be suppressed by adding Sb as an additive element. As shown in FIG. 1, Sb added as an additional element may be substituted with Hf or with oxygen. In any case, the added Sb forms a strong bond with oxygen in the insulating film, stabilizes it, and has an effect of suppressing desorption of oxygen.

図2は、本実施形態および比較例において添加されたSbの結合状態を示すXPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)によって測定されたスペクトルである。本実施形態において添加されたSbはおよそ1.0at%であり、比較例で添加されたSbはおよそ3.1at%であった。本実施形態および比較例とも、Sbは主に酸素と結合しており、Hfと置換して含まれていることがわかる。図2においてはHf−Sb結合が検出されていないが、これは、酸素の欠損量が高々0.1at%であり、Hf−Sb結合はXPSで検出できる量より少ないからである。こうした微量な元素の結合状態はEELS(Electron Energy Loss Spectroscopy)にて評価することができる。EELSは、原子番号の小さな元素の解析に優れる。したがって、リン、砒素、アンチモン、ビスマスなどを評価する際には、EELSを用いることが好ましい。   FIG. 2 is a spectrum measured by XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy) showing the binding state of Sb added in the present embodiment and the comparative example. In this embodiment, Sb added was approximately 1.0 at%, and Sb added in the comparative example was approximately 3.1 at%. In this embodiment and the comparative example, it is understood that Sb is mainly bonded to oxygen and is substituted for Hf. In FIG. 2, the Hf-Sb bond is not detected, because the oxygen deficiency is at most 0.1 at%, and the Hf-Sb bond is less than the amount detectable by XPS. The bonding state of these trace elements can be evaluated by EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy). EELS is excellent for the analysis of elements with small atomic numbers. Therefore, it is preferable to use EELS when evaluating phosphorus, arsenic, antimony, bismuth and the like.

こうした過剰なSbの添加により懸念される点としては誘電率の低下によるリーク電流の低下である。HfO2の誘電率がおよそ20程度、Sb23の誘電率がおよそ8程度であるので、Sbの過剰な添加は誘電率の低下によるリーク電流の増大を引き起こす可能性がある。 The point of concern due to the excessive addition of Sb is a decrease in leakage current due to a decrease in dielectric constant. Since the dielectric constant of HfO 2 is about 20 and the dielectric constant of Sb 2 O 3 is about 8, an excessive addition of Sb may cause an increase in leakage current due to a decrease in dielectric constant.

図3に本実施形態および比較例1,2におけるSbの添加濃度によるゲートリーク電流の変化を示す。Sbを1.0at%添加した本実施形態の場合は、Sbを添加しない比較例1の場合に比べてゲートリーク電流は大幅に減少した。この効果は、Sbの添加による誘電率の低下よりも高誘電体絶縁膜中の酸素欠損サイトを補償し、電子および正孔の捕獲サイトが低減した効果である。ところがSbを3.1at%添加した比較例2の場合は、Sbを1.0at%添加した本実施形態の場合に比べて、若干ゲートリーク電流が増加した。これは上記で述べたように、Sbの過剰な添加による誘電率の低下によるリーク電流の増大と考えられる。   FIG. 3 shows changes in gate leakage current depending on the addition concentration of Sb in this embodiment and Comparative Examples 1 and 2. In the case of the present embodiment in which Sb was added at 1.0 at%, the gate leakage current was greatly reduced as compared with the case of Comparative Example 1 in which Sb was not added. This effect is an effect that the oxygen deficient sites in the high dielectric insulating film are compensated more than the decrease in the dielectric constant due to the addition of Sb, and the trap sites of electrons and holes are reduced. However, in the case of Comparative Example 2 in which 3.1 at% of Sb was added, the gate leakage current slightly increased compared to the case of the present embodiment in which 1.0 at% of Sb was added. As described above, this is considered to be an increase in leakage current due to a decrease in dielectric constant due to excessive addition of Sb.

本実施形態の半導体装置と同様に、Sbを1.0at%添加したN型シリコンゲート−MOSキャパシタと、P型シリコンゲート−MOSキャパシタとの容量−電圧特性を図4に示す。図4に示すように、本実施形態のように、Sbを1.0at%添加したN型シリコンゲート−MOSキャパシタと、P型シリコンゲート−MOSキャパシタのフラットバンド電圧の差は0.7V程度あり、チャネル領域にイオン注入することで閾値を合わせることが可能であり、MISFETとして実用可能な程度にフラットバンド電圧の変動が抑えられている。その結果、正常動作が可能なMISトランジスタを備えた半導体装置が得られる。   Similar to the semiconductor device of this embodiment, FIG. 4 shows capacitance-voltage characteristics of an N-type silicon gate-MOS capacitor to which Sb is added at 1.0 at% and a P-type silicon gate-MOS capacitor. As shown in FIG. 4, as in this embodiment, the difference in flat band voltage between the N-type silicon gate-MOS capacitor to which Sb is added at 1.0 at% and the P-type silicon gate-MOS capacitor is about 0.7V. The threshold can be adjusted by implanting ions into the channel region, and the fluctuation of the flat band voltage is suppressed to a practical level as a MISFET. As a result, a semiconductor device including a MIS transistor capable of normal operation is obtained.

これに対して、図5に示すようにSbを添加しない従来の場合(Sb=0%)は、N型シリコンゲート−MOSキャパシタと、P型シリコンゲート−MOSキャパシタとのフラットバンド電圧の差は0.3V程度しかなく、チャネル領域にイオン注入することで閾値を合わせようとしても困難であり、MISFETとしては使用不可である。   On the other hand, as shown in FIG. 5, in the conventional case where Sb is not added (Sb = 0%), the difference in flat band voltage between the N-type silicon gate-MOS capacitor and the P-type silicon gate-MOS capacitor is Since it is only about 0.3 V, it is difficult to adjust the threshold by ion implantation into the channel region, and it cannot be used as a MISFET.

また、図6に示すようにSbを3.1at%添加した比較例の場合は、フラットバンド電圧の差は0.6Vと十分であるが、誘電率の低下による容量の低下と、Sb自身が形成する固定電荷の増大による負方向へのフラットバンドシフトが見られる。   Further, as shown in FIG. 6, in the case of the comparative example in which Sat is added at 3.1 at%, the difference in flat band voltage is 0.6 V, which is sufficient. However, the capacitance decreases due to the decrease in dielectric constant, and Sb itself A flat band shift in the negative direction due to an increase in the fixed charge formed is observed.

以上の説明および本発明者達の知見によれば、添加元素の量は0.003at%以上3at%以下にするのが望ましい。また、添加元素を3at%以下に低減すれば、固定電荷量の増大によるトランジスタキャリアとなる電子あるいは正孔の散乱による電子移動度あるいは正孔移動度の低下も無視できる程度に抑えることができる。   According to the above explanation and the knowledge of the present inventors, it is desirable that the amount of the additive element be 0.003 at% or more and 3 at% or less. Further, if the additive element is reduced to 3 at% or less, a decrease in electron mobility or hole mobility due to scattering of electrons or holes serving as transistor carriers due to an increase in the fixed charge amount can be suppressed to a negligible level.

以上説明したように、本実施形態によれば、閾値の変動を回避できるとともに特性の劣化を可及的に防止することができる。   As described above, according to this embodiment, it is possible to avoid fluctuations in the threshold and to prevent deterioration of characteristics as much as possible.

また、本実施形態においては、N−MISトランジスタとP−MISトランジスタとで同じ添加元素を添加するが可能となり、製造工程が煩雑化するのを防止することができ、製造コストが増大するのを抑制することができる。   In this embodiment, the same additive element can be added to the N-MIS transistor and the P-MIS transistor, so that the manufacturing process can be prevented from becoming complicated, and the manufacturing cost can be increased. Can be suppressed.

(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による半導体装置を図7に示す。図7は、本実施形態による半導体装置の断面図である。本実施形態による半導体装置は、MISトランジスタを備え、このMISトランジスタのゲート絶縁膜は第1実施形態の半導体装置のゲート絶縁膜と同じ構成となっている。図7に示すように、p型シリコン基板21上に、素子分離のためのシリコン熱酸化膜22が形成されている。シリコン基板表面には、砒素のイオン注入によってn型のソースおよびドレインとなる、浅い拡散層30aおよび深い拡散層30bが形成されている。シリコン基板21の表面には、HfSiSbOxからなるゲート絶縁膜24が形成されている。さらにゲート絶縁膜24上には、多結晶シリコンからなるゲート電極26が形成されている。また、ゲート電極26の側部には例えばシリコン酸化膜からなる側壁28が形成されている。ソース/ドレインの深い拡散層27bの上にはNiSi層26が形成されている。このように構成された本実施形態のMISトランジスタは層間絶縁膜34によって覆われている。
(Second Embodiment)
Next, FIG. 7 shows a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment. The semiconductor device according to the present embodiment includes a MIS transistor, and the gate insulating film of the MIS transistor has the same configuration as the gate insulating film of the semiconductor device of the first embodiment. As shown in FIG. 7, a silicon thermal oxide film 22 for element isolation is formed on a p-type silicon substrate 21. On the surface of the silicon substrate, a shallow diffusion layer 30a and a deep diffusion layer 30b, which become n-type source and drain by ion implantation of arsenic, are formed. A gate insulating film 24 made of HfSiSbOx is formed on the surface of the silicon substrate 21. Further, a gate electrode 26 made of polycrystalline silicon is formed on the gate insulating film 24. A side wall 28 made of, for example, a silicon oxide film is formed on the side of the gate electrode 26. A NiSi layer 26 is formed on the deep diffusion layer 27b of the source / drain. The MIS transistor of this embodiment configured as described above is covered with an interlayer insulating film 34.

次に、本実施形態による半導体装置の製造工程を図8(a)乃至図10(c)を参照して説明する。図8(a)乃至図10(c)は、本実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図である。   Next, the manufacturing process of the semiconductor device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS. 8A to 10C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the present embodiment.

まず、半導体基板21に素子分離領域22を形成する。ここでは、半導体基板としてはp型シリコン基板21を用い、よく知られた方法により素子分離領域22を形成した。すなわち、まず、基板21にSTI(Shallow Trench Isolation)用の溝(例えば、深さが約0.4μm)を設けてCVD(Chemical Vapor Deposition)法によりシリコン酸化膜を全面に堆積した。続いて、CMP(Chemo-Mechanical Polish)を行って上記溝内にシリコン酸化膜を埋め込んで、図8(a)に示すように素子分離領域22を得た。   First, the element isolation region 22 is formed in the semiconductor substrate 21. Here, a p-type silicon substrate 21 was used as the semiconductor substrate, and the element isolation region 22 was formed by a well-known method. That is, first, a trench for STI (Shallow Trench Isolation) (for example, a depth of about 0.4 μm) was provided on the substrate 21, and a silicon oxide film was deposited on the entire surface by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Subsequently, CMP (Chemo-Mechanical Polish) was performed to fill the trench with a silicon oxide film, thereby obtaining an element isolation region 22 as shown in FIG.

次に、素子を形成する領域に閾値調整のためのボロン(B)のイオン注入を行った後、図8(b)に示すように絶縁膜24としてのHfSiSbOxをスパッタリング法により成膜した。HfターゲットとSiターゲット、さらに添加する不純物として用いるSbターゲットの3つのターゲットを用い、印加するパワー比を制御して絶縁膜24中のHfとSiとの和に対するHfの比率(Hf/(Hf+Si))、および絶縁膜24中に含まれる不純物Sbの量を制御した。本実施形態では、比率Hf/(Hf+Si)は0.5としたが、0.3〜1.0の範囲内で任意の値とすることができる。また、Sbの量は1.0at%としたが、第1実施形態で説明したように、0.003at%〜3at%の範囲内の任意の値とすることができる。なお、不純物Sbの量はXPSを用いて評価を行った。
また、スパッタリングの際に雰囲気に混入させる窒素および酸素の量を制御することによって、誘電体膜中に窒素を含んだ酸窒化膜もしくは、窒化膜にしてもよい。成膜時の基板温度は任意に設定することが可能であるが、本実施形態では室温で行った。絶縁膜24の膜厚は、2nm〜5nmの範囲内で適宜決定することができるが、本実施形態では、4nmとした。
Next, after ion implantation of boron (B) for threshold adjustment was performed in a region where an element was to be formed, HfSiSbOx as an insulating film 24 was formed by sputtering as shown in FIG. 8B. The ratio of Hf to the sum of Hf and Si in the insulating film 24 (Hf / (Hf + Si) is controlled by using three targets, an Hf target and an Si target, and an Sb target used as an impurity to be added and controlling the applied power ratio. ) And the amount of impurity Sb contained in the insulating film 24 was controlled. In this embodiment, the ratio Hf / (Hf + Si) is 0.5, but can be any value within the range of 0.3 to 1.0. Moreover, although the amount of Sb is 1.0 at%, as described in the first embodiment, it can be set to any value within the range of 0.003 at% to 3 at%. Note that the amount of the impurity Sb was evaluated using XPS.
Further, the dielectric film may be an oxynitride film or a nitride film containing nitrogen by controlling the amounts of nitrogen and oxygen mixed in the atmosphere during sputtering. The substrate temperature at the time of film formation can be arbitrarily set, but in this embodiment, it was performed at room temperature. The thickness of the insulating film 24 can be determined as appropriate within a range of 2 nm to 5 nm, but in this embodiment, it is 4 nm.

次に、Si26ガスあるいはSiH4ガスを含む雰囲気においてCVD法によって、ゲート絶縁膜24上に半導体ゲート電極26となる多結晶シリコン膜を図8(c)に示すように堆積した。 Next, a polycrystalline silicon film to be the semiconductor gate electrode 26 was deposited on the gate insulating film 24 by CVD in an atmosphere containing Si 2 H 6 gas or SiH 4 gas as shown in FIG.

次に、多結晶シリコン膜上にレジストパターン40を形成し、このレジストパターン40をマスクとして、CFxガスを用いた反応性イオンエッチングを用いて、多結晶シリコン膜をパターニングすることによって、図9(a)に示すようにゲート電極26を形成した。続いて、上記レジストパターン40を残置した状態で、絶縁膜24をフッ化水素酸水溶液によりエッチングして、図9(b)に示すようにゲート絶縁膜24を形成する。このとき、ゲート絶縁膜24の両側には基板21の表面が露出する。   Next, a resist pattern 40 is formed on the polycrystalline silicon film, and by using this resist pattern 40 as a mask, the polycrystalline silicon film is patterned by reactive ion etching using CFx gas. A gate electrode 26 was formed as shown in a). Subsequently, the insulating film 24 is etched with an aqueous hydrofluoric acid solution with the resist pattern 40 left, to form a gate insulating film 24 as shown in FIG. 9B. At this time, the surface of the substrate 21 is exposed on both sides of the gate insulating film 24.

その後、図9(c)に示すように、露出した基板21に砒素(As)をイオン注入して、浅い不純物領域30aを形成した。この際のイオン注入条件は、加速電圧200eV、ドーズ量1×1015cm-2程度とした。 Thereafter, as shown in FIG. 9C, arsenic (As) is ion-implanted into the exposed substrate 21 to form a shallow impurity region 30a. The ion implantation conditions at this time were an acceleration voltage of 200 eV and a dose of about 1 × 10 15 cm −2 .

次に、上記レジストパターン40を除去した後、SiO2またはSiNをCVD法等により全面に堆積し、異方性エッチングを用いて全面エッチングすることによって、図10(a)に示すように、ゲート電極26の側面に10nmの膜厚でゲート側壁28を残置した。 Next, after removing the resist pattern 40, SiO 2 or SiN is deposited on the entire surface by a CVD method or the like, and is etched on the entire surface using anisotropic etching, as shown in FIG. A gate sidewall 28 was left on the side surface of the electrode 26 with a thickness of 10 nm.

ゲート側壁28およびゲート電極26をマスクとして用いて、基板21に砒素を例えば加速電圧10keV、ドーズ量1×1015cm-2の条件でイオン注入して、図10(b)に示すように、深い不純物領域30bを形成した。続いて、600℃以上の温度で熱処理を行うことにより不純物を活性化し、エクステンション層30aおよびソース/ドレイン領域30bを形成した。不純物を活性化するためには、1000℃程度の温度で10秒程度の短時間高温処理を施すことが好ましい。 Using the gate sidewall 28 and the gate electrode 26 as a mask, arsenic is ion-implanted into the substrate 21 under the conditions of an acceleration voltage of 10 keV and a dose of 1 × 10 15 cm −2 , as shown in FIG. A deep impurity region 30b was formed. Subsequently, heat treatment was performed at a temperature of 600 ° C. or higher to activate the impurities, and the extension layer 30a and the source / drain regions 30b were formed. In order to activate the impurities, it is preferable to perform a high-temperature treatment for a short time of about 10 seconds at a temperature of about 1000 ° C.

次に、全面にNi膜を形成して400℃程度の温度で熱処理を行って露出しているシリコンとNiを反応させた後、硫酸と過酸化水素水との混合液体により未反応のNiをエッチングにより除去した。これにより、図10(c)に示すように、ソース/ドレイン領域30b上にNiシリサイド(NiSi)層32が形成される。このとき、多結晶シリコンからなるゲート電極26の上面にも図示しないがNiシリサイド層が形成される。その後、全面にシリコン酸化膜をCVD法により堆積し、図7に示す層間絶縁膜34を形成した。   Next, a Ni film is formed on the entire surface, and heat treatment is performed at a temperature of about 400 ° C. to react the exposed silicon and Ni. Then, unreacted Ni is removed by a mixed liquid of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution. It was removed by etching. Thereby, as shown in FIG. 10C, a Ni silicide (NiSi) layer 32 is formed on the source / drain region 30b. At this time, a Ni silicide layer is also formed on the upper surface of the gate electrode 26 made of polycrystalline silicon (not shown). Thereafter, a silicon oxide film was deposited on the entire surface by a CVD method to form an interlayer insulating film 34 shown in FIG.

図示していないが、その後は、よく知られた方法により製造することにより、第一層配線までのMOS構造が得られる。例えば、層間絶縁膜34に、NiSi層32に通じるコンタクトホールを開口し、コンタクトホールの底面にバリアメタルとしてのTiNをCVDで堆積した後、全面にプラグ材料としてのWを堆積し、コンタクトホールを埋め込む。
その後、全面をCMPすることにより平坦化し、続いて配線材料としてAl−Cu膜を堆積し、フォトリソグラフィによりAl−Cu膜をパターニングすることによって、第一層配線までのMOS構造が得られる。
Although not shown in the drawing, a MOS structure up to the first layer wiring is obtained thereafter by manufacturing by a well-known method. For example, a contact hole leading to the NiSi layer 32 is opened in the interlayer insulating film 34, TiN as a barrier metal is deposited by CVD on the bottom surface of the contact hole, W is deposited as a plug material on the entire surface, and the contact hole is formed. Embed.
Thereafter, the entire surface is planarized by CMP, an Al—Cu film is subsequently deposited as a wiring material, and the Al—Cu film is patterned by photolithography to obtain a MOS structure up to the first layer wiring.

本実施形態の半導体装置も第1実施形態と同様に、閾値の変動を回避できるとともに特性の劣化を可及的に防止することができる。   Similarly to the first embodiment, the semiconductor device of the present embodiment can avoid fluctuations in threshold and can prevent deterioration of characteristics as much as possible.

また、第1実施形態と同様に、N−MISトランジスタとP−MISトランジスタとで同じ添加元素を添加するが可能となり、製造工程が煩雑化するのを防止することができ、製造コストが増大するのを抑制することができる。   Further, similarly to the first embodiment, the same additive element can be added to the N-MIS transistor and the P-MIS transistor, so that the manufacturing process can be prevented from becoming complicated, and the manufacturing cost increases. Can be suppressed.

(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による半導体装置を図11に示す。図11は本実施形態による半導体装置を示す断面図である。本実施形態の半導体装置は、図7に示す第2実施形態による半導体装置においてポリシリコンからなるゲート電極26を、金属半導体化合物、例えばNiシリサイド(NiSi)からなるゲート電極27に置き換えた構成となっている。
(Third embodiment)
Next, a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 11 is a sectional view of the semiconductor device according to the present embodiment. The semiconductor device of this embodiment has a configuration in which the gate electrode 26 made of polysilicon in the semiconductor device according to the second embodiment shown in FIG. 7 is replaced with a gate electrode 27 made of a metal semiconductor compound, for example, Ni silicide (NiSi). ing.

次に、本実施形態の半導体装置の製造工程を、図12を参照して説明する。図12は本実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図である。   Next, the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment.

まず、層間絶縁膜34を形成する工程までは、前述した第2実施形態と同様に形成する。その後、図12に示すように全面にNi膜29を堆積し、400℃程度の温度で熱処理を施して、多結晶シリコン膜26のシリコン全てとNiとを反応させてNiシリサイドを形成する。熱処理温度は400℃程度の低温であるため、エクステンション層30aおよびソース/ドレイン領域30bのプロファイルが変化することはない。多結晶シリコン膜26中には、リン(P)、ヒ素(As)やアンチモン(Sb)、あるいはボロン(B)を予め導入しておいてもよい。反応後、硫酸と過酸化水素水との混合液を用いて未反応のNiを除去することによって図11に示すようにNiSiからなるゲート電極27を形成する。   First, the processes up to the step of forming the interlayer insulating film 34 are formed in the same manner as in the second embodiment described above. Thereafter, as shown in FIG. 12, a Ni film 29 is deposited on the entire surface, and heat treatment is performed at a temperature of about 400 ° C. to react all the silicon in the polycrystalline silicon film 26 with Ni, thereby forming Ni silicide. Since the heat treatment temperature is as low as about 400 ° C., the profiles of the extension layer 30a and the source / drain region 30b do not change. In the polycrystalline silicon film 26, phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), or boron (B) may be introduced in advance. After the reaction, unreacted Ni is removed using a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution to form a gate electrode 27 made of NiSi as shown in FIG.

図示していないが、その後は、よく知られた方法により製造することにより、第一層配線までのMOS構造が得られる。例えば、層間絶縁膜34に、NiSi層32に通じるコンタクトホールを開口し、コンタクトホールの底面にバリアメタルとしてのTiNをCVDで堆積した後、全面にプラグ材料としてのWを堆積し、コンタクトホールを埋め込む。
その後、全面をCMPすることにより平坦化し、続いて配線材料としてAl−Cu膜を堆積し、フォトリソグラフィによりAl−Cu膜をパターニングすることによって、第一層配線までのMOS構造が得られる。
Although not shown in the drawing, a MOS structure up to the first layer wiring is obtained thereafter by manufacturing by a well-known method. For example, a contact hole leading to the NiSi layer 32 is opened in the interlayer insulating film 34, TiN as a barrier metal is deposited by CVD on the bottom surface of the contact hole, W is deposited as a plug material on the entire surface, and the contact hole is formed. Embed.
Thereafter, the entire surface is planarized by CMP, an Al—Cu film is subsequently deposited as a wiring material, and the Al—Cu film is patterned by photolithography to obtain a MOS structure up to the first layer wiring.

本実施形態の半導体装置も第1実施形態と同様に、閾値の変動を回避できるとともに特性の劣化を可及的に防止することができる。   Similarly to the first embodiment, the semiconductor device of the present embodiment can avoid fluctuations in threshold and can prevent deterioration of characteristics as much as possible.

また、第1実施形態と同様に、N−MISトランジスタとP−MISトランジスタとで同じ添加元素を添加するが可能となり、製造工程が煩雑化するのを防止することができ、製造コストが増大するのを抑制することができる。   Further, similarly to the first embodiment, the same additive element can be added to the N-MIS transistor and the P-MIS transistor, so that the manufacturing process can be prevented from becoming complicated, and the manufacturing cost increases. Can be suppressed.

(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態による半導体装置を図10に示す。本実施形態の半導体装置は、図7に示す第2実施形態の半導体装置において、ゲート絶縁膜24を、HfSiSbOxからなる絶縁膜24aと、HfSiOxからなる絶縁膜24bと、HfSiSbOxからなる絶縁膜24cとからなる3層構造のゲート絶縁膜24に置き換えた構成となっている。
(Fourth embodiment)
Next, FIG. 10 shows a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention. The semiconductor device of this embodiment is the same as the semiconductor device of the second embodiment shown in FIG. 7 except that the gate insulating film 24 includes an insulating film 24a made of HfSiSbOx, an insulating film 24b made of HfSiOx, and an insulating film 24c made of HfSiSbOx. The structure is replaced with a gate insulating film 24 having a three-layer structure.

次に、本実施形態の半導体装置の製造方法を図14(a)乃至図16(c)を参照して説明する。図14(a)乃至図16(c)は、本実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図である。   Next, a method for manufacturing the semiconductor device of this embodiment will be described with reference to FIGS. 14 (a) to 16 (c). FIG. 14A to FIG. 16C are cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor device of this embodiment.

まず、半導体基板21に素子分離領域22を設ける。ここでは、半導体基板としてはp型Si基板を用い、よく知られた方法により素子分離領域22を形成した。すなわち、まず、基板21にSTI用の溝(例えば、深さ約0.4μm)を設けてCVD法によりシリコン酸化膜を全面に堆積した。続いて、CMPを行って溝内にシリコン酸化膜を埋め込んで、図14(a)に示すように素子分離領域22を得た。   First, the element isolation region 22 is provided in the semiconductor substrate 21. Here, a p-type Si substrate was used as the semiconductor substrate, and the element isolation region 22 was formed by a well-known method. That is, first, an STI trench (for example, a depth of about 0.4 μm) was provided on the substrate 21, and a silicon oxide film was deposited on the entire surface by CVD. Subsequently, CMP was performed to fill the trench with a silicon oxide film, thereby obtaining an element isolation region 22 as shown in FIG.

続いて、素子を形成する領域に閾値調整のためにBのイオン注入を行った後、図14(b)に示すように絶縁膜24aとしてのHfSiSbOxをスパッタリング法により成膜した。HfターゲットとSiターゲット、さらに添加する不純物として用いるSbターゲットの3つのターゲットを用い、印加するパワー比を制御して絶縁膜24a中のHfとSiとの比率(Hf/(Hf+Si))、および絶縁膜24a中に含まれる不純物Sbの量を制御した。本実施形態では、比率Hf/(Hf+Si)は0.5としたが、0.3〜1.0の範囲内で任意の値とすることができる。また、Sbの量は1.0at%としたが、0.003at%〜3at%の範囲内で任意の値とすることができる。なお、不純物Sbの量はXPSを用いて評価を行った。また、スパッタリングの際に雰囲気に混入させる窒素および酸素の量を制御することによって、絶縁膜24a中に窒素を含んだ酸窒化膜もしくは、窒化膜にしてもよい。成膜時の基板温度は任意に設定することが可能であるが、本実施形態では室温で行った。HfSiSbOxからなる絶縁膜24aの膜厚は、0.5nm〜1.5nmの範囲内で適宜決定することができ、本実施形態では、1nmとした。   Subsequently, after ion implantation of B for threshold adjustment in a region where an element is to be formed, HfSiSbOx as an insulating film 24a was formed by sputtering as shown in FIG. 14B. Using three targets, an Hf target and an Si target, and an Sb target used as an impurity to be added, the ratio of Hf to Si in the insulating film 24a (Hf / (Hf + Si)) and insulation are controlled by controlling the applied power ratio. The amount of impurity Sb contained in the film 24a was controlled. In this embodiment, the ratio Hf / (Hf + Si) is 0.5, but can be any value within the range of 0.3 to 1.0. Moreover, although the amount of Sb is 1.0 at%, it can be set to any value within the range of 0.003 at% to 3 at%. Note that the amount of the impurity Sb was evaluated using XPS. Further, the insulating film 24a may be an oxynitride film or a nitride film containing nitrogen by controlling the amounts of nitrogen and oxygen mixed in the atmosphere during sputtering. The substrate temperature at the time of film formation can be arbitrarily set, but in this embodiment, it was performed at room temperature. The film thickness of the insulating film 24a made of HfSiSbOx can be determined as appropriate within a range of 0.5 nm to 1.5 nm, and is set to 1 nm in this embodiment.

次に、Sbターゲットにかけるパワーを0にして、Sbターゲットからのスパッタリングが起きないように設定してHfSiOxからなる絶縁膜24bを形成した。HfSiOxからなる絶縁膜24bの膜厚は1nm〜3nmの範囲内で適宜決定することができ、本実施形態では、2nmとした。   Next, the power applied to the Sb target was set to 0, and the insulating film 24b made of HfSiOx was formed so as not to cause sputtering from the Sb target. The thickness of the insulating film 24b made of HfSiOx can be appropriately determined within a range of 1 nm to 3 nm, and in this embodiment, it is 2 nm.

続いて、絶縁膜24b上に、絶縁膜24aの堆積方法と同様にしてHfSiSbOxからなる絶縁膜24cをスパッタリング法により成膜した。本実施形態では、比率Hf/(Hf+Si)は0.5としたが、0.3〜1.0の範囲内で任意の値とすることができる。Sbの量は1.0at%としたが、0.003at%〜3at%の範囲内で任意の値とすることができる。もちろんHfSiSbOxからなる絶縁膜24c中のSbの量は0.003at%〜3at%の範囲内であれば、下部のHfSiSbOxからなる膜24aとSbの含有量は異なっていてもよい。   Subsequently, an insulating film 24c made of HfSiSbOx was formed on the insulating film 24b by a sputtering method in the same manner as the method for depositing the insulating film 24a. In this embodiment, the ratio Hf / (Hf + Si) is 0.5, but can be any value within the range of 0.3 to 1.0. The amount of Sb is 1.0 at%, but can be any value within the range of 0.003 at% to 3 at%. Of course, as long as the amount of Sb in the insulating film 24c made of HfSiSbOx is in the range of 0.003 at% to 3 at%, the contents of the lower film 24a made of HfSiSbOx and Sb may be different.

ゲート絶縁膜24の堆積方法は上記の方法に限らない。例えば、CVD法で堆積する場合は、例えば添加元素のソースガスであるSbCl3等のガスを絶縁膜24aおよび絶縁膜24cの堆積時のみ流すことによってHfSiSbOxからなる絶縁膜24a、24cを形成してもよい。 The deposition method of the gate insulating film 24 is not limited to the above method. For example, when depositing by the CVD method, insulating films 24a and 24c made of HfSiSbOx are formed by flowing a gas such as SbCl 3 which is a source gas of an additive element only when depositing the insulating film 24a and the insulating film 24c. Also good.

次に、図14(c)に示すように、Si26あるいはSiH4を含む雰囲気でCVD法によって、ゲート絶縁膜24上に半導体ゲート電極26となる多結晶シリコン膜を堆積した。 Next, as shown in FIG. 14C, a polycrystalline silicon film to be the semiconductor gate electrode 26 was deposited on the gate insulating film 24 by CVD in an atmosphere containing Si 2 H 6 or SiH 4 .

次に、多結晶シリコン膜上にレジストパターン40を形成し、このレジストパターン40をマスクとして、CFxガスを用いた反応性イオンエッチングを用いて、多結晶シリコン膜をパターニングすることによって、図15(a)に示すようにゲート電極26を形成した。続いて、上記レジストパターン40を残置した状態で、絶縁膜24をフッ化水素酸水溶液によりエッチングして、図15(b)に示すように加工し、絶縁膜24a、24b、24cからなる3層構造のゲート絶縁膜24を得た。このとき、ゲート絶縁膜24の両側の半導体基板21の表面は露出している。   Next, a resist pattern 40 is formed on the polycrystalline silicon film, and by using this resist pattern 40 as a mask, the polycrystalline silicon film is patterned by reactive ion etching using CFx gas. A gate electrode 26 was formed as shown in a). Subsequently, with the resist pattern 40 left, the insulating film 24 is etched with a hydrofluoric acid aqueous solution and processed as shown in FIG. 15B to form three layers of insulating films 24a, 24b, and 24c. A gate insulating film 24 having a structure was obtained. At this time, the surface of the semiconductor substrate 21 on both sides of the gate insulating film 24 is exposed.

次に、図15(c)に示すように、露出した基板21に砒素をイオン注入して、浅い不純物領域30aを形成した。この際のイオン注入条件は、加速電圧200eV、ドーズ量1×1015cm-2程度とした。 Next, as shown in FIG. 15C, arsenic ions were implanted into the exposed substrate 21 to form a shallow impurity region 30a. The ion implantation conditions at this time were an acceleration voltage of 200 eV and a dose of about 1 × 10 15 cm −2 .

続いて、上記レジストパターン40を除去した後、SiO2またはSiNをCVD法等により全面に堆積し、全面エッチングすることによって、図16(a)に示すように、ゲート電極26の側面に10nmの膜厚でゲート側壁28を残置した。 Subsequently, after removing the resist pattern 40, SiO 2 or SiN is deposited on the entire surface by a CVD method or the like, and is etched on the entire surface, so that a 10 nm thickness is formed on the side surface of the gate electrode 26 as shown in FIG. The gate side wall 28 was left with a film thickness.

ゲート側壁28およびゲート電極26をマスクとして用い、基板21に砒素を例えば加速電圧10keV、ドーズ量1×1015cm-2の条件でイオン注入して、図16(b)に示すように、深い不純物領域30bを形成した。続いて、600℃以上の温度で熱処理してイオン注入した不純物を活性化し、エクステンション層30aおよびソース/ドレイン領域30bを形成した。不純物の活性化するためには、1000℃程度の温度で10秒程度の短時間高温処理を施すことが好ましい。 Using the gate sidewall 28 and the gate electrode 26 as a mask, arsenic is ion-implanted into the substrate 21 under the conditions of an acceleration voltage of 10 keV and a dose of 1 × 10 15 cm −2 , for example, as shown in FIG. Impurity region 30b was formed. Subsequently, the impurity implanted by heat treatment at a temperature of 600 ° C. or higher was activated, and the extension layer 30a and the source / drain regions 30b were formed. In order to activate the impurities, it is preferable to perform a high-temperature treatment for a short time of about 10 seconds at a temperature of about 1000 ° C.

次に、全面にNi膜を形成して400℃程度の温度で熱処理を行った後、硫酸と過酸化水素水との混合液体により未反応のNiをエッチングにより除去することにより、図16(c)に示すように、ソース/ドレイン領域30b上にNiシリサイド(NiSi)層32を形成した。このとき、多結晶シリコンからなるゲート電極26の上面にも図示しないがNiシリサイド層が形成される。その後、全面にシリコン酸化膜をCVD法により堆積して、図13に示す層間絶縁膜34を形成した。   Next, after forming a Ni film on the entire surface and performing a heat treatment at a temperature of about 400 ° C., unreacted Ni is removed by etching with a mixed liquid of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution, whereby FIG. ), A Ni silicide (NiSi) layer 32 was formed on the source / drain region 30b. At this time, a Ni silicide layer is also formed on the upper surface of the gate electrode 26 made of polycrystalline silicon (not shown). Thereafter, a silicon oxide film was deposited on the entire surface by a CVD method to form an interlayer insulating film 34 shown in FIG.

図示していないが、その後は、よく知られた方法により製造することにより、第一層配線までのMOS構造が得られる。例えば、層間絶縁膜34に、NiSi層32に通じるコンタクトホールを開口し、コンタクトホールの底面にバリアメタルとしてのTiNをCVDで堆積した後、全面にプラグ材料としてのWを堆積し、コンタクトホールを埋め込む。
その後、全面をCMPすることにより平坦化し、続いて配線材料としてAl−Cu膜を堆積し、フォトリソグラフィによりAl−Cu膜をパターニングすることによって、第一層配線までのMOS構造が得られる。
Although not shown in the drawing, a MOS structure up to the first layer wiring is obtained thereafter by manufacturing by a well-known method. For example, a contact hole leading to the NiSi layer 32 is opened in the interlayer insulating film 34, TiN as a barrier metal is deposited by CVD on the bottom surface of the contact hole, W is deposited as a plug material on the entire surface, and the contact hole is formed. Embed.
Thereafter, the entire surface is planarized by CMP, an Al—Cu film is subsequently deposited as a wiring material, and the Al—Cu film is patterned by photolithography to obtain a MOS structure up to the first layer wiring.

本実施形態の半導体装置も第1実施形態と同様に、閾値の変動を回避できるとともに特性の劣化を可及的に防止することができる。   Similarly to the first embodiment, the semiconductor device of the present embodiment can avoid fluctuations in threshold and can prevent deterioration of characteristics as much as possible.

また、第1実施形態と同様に、N−MISトランジスタとP−MISトランジスタとで同じ添加元素を添加するが可能となり、製造工程が煩雑化するのを防止することができ、製造コストが増大するのを抑制することができる。   Further, similarly to the first embodiment, the same additive element can be added to the N-MIS transistor and the P-MIS transistor, so that the manufacturing process can be prevented from becoming complicated, and the manufacturing cost increases. Can be suppressed.

なお、ゲート絶縁膜24は本実施形態のように3層である必要はなく、半導体基板との界面またはゲート電極との界面で添加元素の濃度が高ければよい。例えば、図17に示すように、添加元素が添加された高誘電体金属酸化膜からなるゲート絶縁膜24の添加元素の濃度は、ゲート絶縁膜中央部からゲート電極との界面および半導体基板との界面に向かってそれぞれ増大するように構成してもよい。また、ゲート絶縁膜中央部からゲート電極との界面および半導体基板との界面のうちの少なくとも一方の界面に向かって増大するように構成してもよい。なお、図17では添加元素の濃度は、ゲート絶縁膜中央部からゲート電極との界面および半導体基板との界面に向かって直線的に増大したが、段階的に増大するように構成してもよい。さらに、添加元素の濃度を段階的に増大するように形成した後、600℃程度の温度で熱処理を加えることによって、添加元素をゲート絶縁膜中央部に向かって拡散させてもよい。   Note that the gate insulating film 24 does not have to be three layers as in this embodiment, and it is sufficient that the concentration of the additive element is high at the interface with the semiconductor substrate or the interface with the gate electrode. For example, as shown in FIG. 17, the concentration of the additive element of the gate insulating film 24 made of a high dielectric metal oxide film to which the additive element is added is such that the concentration between the gate insulating film central portion and the interface with the gate electrode and the semiconductor substrate You may comprise so that it may each increase toward an interface. Further, the gate insulating film may be configured to increase from the center of the gate insulating film toward at least one of the interface with the gate electrode and the interface with the semiconductor substrate. In FIG. 17, the concentration of the additive element increases linearly from the center of the gate insulating film toward the interface with the gate electrode and the interface with the semiconductor substrate, but may be configured to increase stepwise. . Further, the additive element may be formed so that the concentration of the additive element increases stepwise, and then the additive element may be diffused toward the central portion of the gate insulating film by performing heat treatment at a temperature of about 600 ° C.

本実施形態のように、ゲート電極との界面あるいは半導体基板との界面で添加元素の濃度が高くなるように構成することにより、電極あるいは半導体基板近傍で形成されやすい酸素欠損を効果的に補償することが可能となるとともに、ゲートリーク電流の増大や固定電荷の増大をより少なくすることができる。   As in this embodiment, by configuring the concentration of the additive element to be high at the interface with the gate electrode or the interface with the semiconductor substrate, oxygen vacancies that are likely to form near the electrode or the semiconductor substrate are effectively compensated. In addition, the increase in gate leakage current and the increase in fixed charge can be reduced.

上述した第2実施形態乃至第4実施形態は種々の変更が可能である。添加元素としてアンチモン(Sb)を用いて説明したが、添加元素はSbと同じ15族元素であるリン(P)、砒素(As)、ビスマス(Bi)を用いてもよい。また、16族元素である硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)を用いてもよい。また、5族元素であるバナジウム(V)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)を用いてもよい。また、6族元素であるクロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)を用いてもよい。添加元素として、Sb、P、As、Biのいずれかを用いた場合は、ゲート電極の形成工程あるいは活性化相当の熱処理工程において形成された酸素の欠損を、上記元素がゲート絶縁膜中を拡散することによって効果的に補償するためには、0.1at%以上3at%以下であることが好ましい。また、添加元素として、S、Se、Te、V、Nb、Ta、Cr、Mo、Wのいずれかを用いた場合は、ゲート電極の形成工程あるいは活性化相当の熱処理工程において形成された酸素の欠損を補償するために、0.003at%以上3at%以下であることが好ましい。なお、添加元素は1種類である必要はなく複数の添加元素を同時に添加してもよい。しかし、第1実施形態で説明したように添加元素の合計濃度は3at%以下であることが望ましい。   Various modifications can be made to the above-described second to fourth embodiments. Although description has been made using antimony (Sb) as the additive element, phosphorus (P), arsenic (As), or bismuth (Bi), which are the same group 15 elements as Sb, may be used as the additive element. Further, sulfur (S), selenium (Se), and tellurium (Te) which are group 16 elements may be used. Vanadium (V), niobium (Nb), and tantalum (Ta) which are group 5 elements may be used. Further, chromium (Cr), molybdenum (Mo), or tungsten (W) which are group 6 elements may be used. When any of Sb, P, As, and Bi is used as the additive element, oxygen vacancies formed in the gate electrode formation process or the activation heat treatment process are diffused in the gate insulating film. In order to compensate effectively by doing, it is preferable that it is 0.1 at% or more and 3 at% or less. In addition, when any of S, Se, Te, V, Nb, Ta, Cr, Mo, and W is used as the additive element, oxygen formed in the gate electrode formation process or the heat treatment process corresponding to activation is used. In order to compensate for the deficiency, it is preferably 0.003 at% or more and 3 at% or less. Note that the additive element need not be one kind, and a plurality of additive elements may be added simultaneously. However, as described in the first embodiment, the total concentration of the additive elements is desirably 3 at% or less.

また、ソース/ドレイン領域30bの上に形成されるシリサイド層32としては、NiSiの代わりにCoSi2またはTiSi2を用いることもできる。 As the silicide layer 32 formed on the source / drain region 30b, CoSi 2 or TiSi 2 can be used instead of NiSi.

また、SiGeをゲート電極として用いてもよい。SiGeは、例えばSiH4またはSi26のガスに、Ge26などのGeを含有するガスを混入して形成することができる。ゲート電極として、シリサイドおよび/またはジャーマナイドを用いてもよい。この場合、シリサイドとしてはWSi2,NiSi,CoSi2,PtSi,およびMoSi2などが挙げられる。ジャーマナイドとしては、WGe2,NiGe,NiGe2,CoGe2,PtGe,およびMoGe2などが挙げられる。あるいはランタノイド系金属のシリサイド、ジャーマナイドでもよい。 Further, SiGe may be used as the gate electrode. SiGe, for example a gas SiH 4 or Si 2 H 6, can be formed by mixing a gas containing Ge such as Ge 2 H 6. Silicide and / or germanide may be used as the gate electrode. In this case, examples of the silicide include WSi 2 , NiSi, CoSi 2 , PtSi, and MoSi 2 . The germanide, WGe 2, NiGe, NiGe 2 , CoGe 2, PtGe, and the like moge 2 and the like. Alternatively, a lanthanoid metal silicide or germanide may be used.

また、ゲート絶縁膜24としては、HfO2からなる膜あるいはHfO2とアルミニウムの酸化物との混合膜を用いることもでき、ZrO2からなる膜あるいはZrO2とシリコンの酸化物との混合膜、ZrO2とAl23との混合膜でもよい。また、TiO2からなる膜あるいはTiO2とシリコンの酸化物との混合膜、TiO2とAl23との混合膜でもよい。また、La23に代表されるランタノイド系金属の酸化物あるいはこの酸化物とSiO2との混合物でもよい。La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,YbおよびLuといったランタノイド系金属の酸化物とAl23との混合物でもよい。 As the gate insulating film 24, a film made of HfO 2 or a mixed film of HfO 2 and aluminum oxide can be used, a film made of ZrO 2 or a mixed film of ZrO 2 and silicon oxide, A mixed film of ZrO 2 and Al 2 O 3 may be used. Further, a mixed film of an oxide film or a TiO 2 and silicon comprising a TiO 2, or a mixed film of TiO 2 and Al 2 O 3. Further, it may be an oxide of a lanthanoid metal typified by La 2 O 3 or a mixture of this oxide and SiO 2 . A mixture of an oxide of a lanthanoid metal such as La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu and Al 2 O 3 may be used.

ゲート絶縁膜24の成膜には、MOCVDあるいはハライド系のCVD、アトミック層堆積法を用いてもよい。電極の活性化等の熱処理により膜の相分離や結晶化を生じて、リーク電流の増加を招いてしまうことから、ゲート絶縁膜を窒化することが望ましく、例えば、NH3を含有する雰囲気でのCVDによって窒化することができる。あるいは、Nを含有する雰囲気、例えばHfの場合にはHf(N(C2524を用いたCVDで行うこともできる。金属酸化物中の金属を変更する場合には、その金属を含有するプリカーサとして窒素を含有したものを選択すればよい。また、プラズマにより活性化された窒素を雰囲気に含有させることもできる。あるいは、成膜後にNプラズマに曝してもよい。その際、添加元素の添加にはSbClなどの添加元素に対応する原料ガスを選択して同時に導入することによって添加すればよい。また、添加元素の添加方法は上記の成膜方法以外に、ゲート絶縁膜を堆積した後、添加元素をイオン注入することによって添加することも可能である。 For the formation of the gate insulating film 24, MOCVD, halide CVD, or atomic layer deposition may be used. It is desirable to nitride the gate insulating film because it causes phase separation and crystallization of the film due to heat treatment such as electrode activation, leading to an increase in leakage current. For example, in an atmosphere containing NH 3 It can be nitrided by CVD. Alternatively, an atmosphere containing N, for example, Hf in the case of Hf, can be performed by CVD using Hf (N (C 2 H 5 ) 2 ) 4 . When the metal in the metal oxide is changed, a precursor containing nitrogen may be selected as a precursor containing the metal. Further, nitrogen activated by plasma can be contained in the atmosphere. Or you may expose to N plasma after film-forming. At this time, the additive element may be added by selecting and simultaneously introducing a source gas corresponding to the additive element such as SbCl 3 . In addition to the above-described film forming method, the additive element can be added by ion-implanting the additive element after depositing the gate insulating film.

なお、酸素(O)がゲート電極側に抜けるのを防止するために、図18に示すようにゲート絶縁膜24とゲート電極26との間にSi酸化物またはSi酸窒化物からなる絶縁膜25を設けてもよい。しかし、誘電率の低下によるリーク電流の増大を防ぐため、上記絶縁膜25の膜厚は2nm以下であることが望ましい。   In order to prevent oxygen (O) from escaping to the gate electrode side, an insulating film 25 made of Si oxide or Si oxynitride is provided between the gate insulating film 24 and the gate electrode 26 as shown in FIG. May be provided. However, in order to prevent an increase in leakage current due to a decrease in dielectric constant, the film thickness of the insulating film 25 is desirably 2 nm or less.

また、酸素(O)が半導体基板側に抜けるのを防止するために、図19に示すように、ゲート絶縁膜24と半導体基板21との間にSi酸化物またはSi酸窒化物からなる絶縁膜23を設けてもよい。しかし、誘電率の低下によるリーク電流の増大を防ぐため、上記絶縁膜23の膜厚は2nm以下であることが望ましい。   In order to prevent oxygen (O) from escaping to the semiconductor substrate side, an insulating film made of Si oxide or Si oxynitride is formed between the gate insulating film 24 and the semiconductor substrate 21 as shown in FIG. 23 may be provided. However, in order to prevent an increase in leakage current due to a decrease in dielectric constant, the film thickness of the insulating film 23 is desirably 2 nm or less.

上記第2乃至第4実施形態では、Si基板の上に直接形成したMISトランジスタを例に挙げて説明したが、こうした構造に限定されるものではない。SOI(Silicon ON Insulator)構造、基板に垂直方向に電流を流す縦型MISトランジスタや、Si柱の側面に電流を流す縦型MISトランジスタに適用することもできる。   In the second to fourth embodiments, the MIS transistor formed directly on the Si substrate has been described as an example. However, the present invention is not limited to such a structure. The present invention can also be applied to an SOI (Silicon ON Insulator) structure, a vertical MIS transistor that allows current to flow in the direction perpendicular to the substrate, and a vertical MIS transistor that allows current to flow to the side surface of the Si pillar.

さらに、半導体基板として、シリコンの代わりにGe、SiGe、歪みSi、あるいは歪みGeを基板として用いた場合も、同様の効果が得られる。   Furthermore, the same effect can be obtained when Ge, SiGe, strained Si, or strained Ge is used as the substrate instead of silicon as the semiconductor substrate.

(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態による半導体装置を図20乃至図24(b)を参照して説明する。
(Fifth embodiment)
Next, a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施形態の半導体装置は、不揮発性半導体メモリ装置であって、図20にその断面図を示す。p型シリコン基板51上に、素子分離のためのシリコン熱酸化膜52が設けられている。シリコン基板51には、砒素のイオン注入によってn型のソースおよびドレインとなる浅い拡散層58aおよび深い拡散層58bが形成されている。また、シリコン基板51の表面には、トンネル酸化膜としてシリコン、酸素、窒素を主成分とするオキシナイトライドからなるトンネル酸化膜53が設けられている。トンネル酸化膜53上には、多結晶シリコンからなる浮遊ゲート電極54aが設けられている。さらに、この浮遊ゲート電極54a上には、膜厚15nmのハフニウム酸化物(HfSiSbOx)からなる電極間絶縁膜55が設けられている。さらに電極間絶縁膜55上には、多結晶シリコンからなる制御ゲート電極54bが設けられている。浮遊ゲート電極54a、電極間絶縁膜55、および制御ゲート電極54bはゲート部56を構成する。また、浮遊ゲート電極54a、電極間絶縁膜55、および制御ゲート電極54bからなるゲート部56の側部および上面にはシリコン酸化物からなる絶縁膜57が設けられている。また、絶縁膜57およびソースおよびドレイン領域58bは、シリコン酸化物からなる層間絶縁膜59によって覆われている。そして、この層間絶縁膜59には、ソースおよびドレイン領域58bと、制御ゲート電極54bとそれぞれコンタクトを取るための開口(図示せず)が設けられ、これらの開口を埋め込むように、Alからなる電極(図示せず)が設けられている。   The semiconductor device of this embodiment is a non-volatile semiconductor memory device, and FIG. A silicon thermal oxide film 52 for element isolation is provided on the p-type silicon substrate 51. In the silicon substrate 51, a shallow diffusion layer 58a and a deep diffusion layer 58b to be n-type source and drain are formed by arsenic ion implantation. On the surface of the silicon substrate 51, a tunnel oxide film 53 made of oxynitride containing silicon, oxygen, and nitrogen as main components is provided as a tunnel oxide film. On the tunnel oxide film 53, a floating gate electrode 54a made of polycrystalline silicon is provided. Further, an interelectrode insulating film 55 made of hafnium oxide (HfSiSbOx) having a film thickness of 15 nm is provided on the floating gate electrode 54a. Further, a control gate electrode 54 b made of polycrystalline silicon is provided on the interelectrode insulating film 55. The floating gate electrode 54a, the interelectrode insulating film 55, and the control gate electrode 54b constitute a gate portion 56. An insulating film 57 made of silicon oxide is provided on the side and upper surface of the gate portion 56 made of the floating gate electrode 54a, the interelectrode insulating film 55, and the control gate electrode 54b. The insulating film 57 and the source / drain regions 58b are covered with an interlayer insulating film 59 made of silicon oxide. The interlayer insulating film 59 is provided with openings (not shown) for making contact with the source and drain regions 58b and the control gate electrode 54b, and an electrode made of Al so as to fill these openings. (Not shown) is provided.

次に、本実施形態による不揮発性半導体メモリ装置の製造方法を、図21(a)乃至図24(b)を参照して説明する。   Next, the method for fabricating the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.

まず、図21(a)に示すように、半導体基板51に素子分離領域52を設ける。ここでは、半導体基板51としてはp型Si基板を用い、よく知られた方法により素子分離領域52を形成した。すなわち、まず、基板51にSTI用の溝(例えば、深さ約0.4μm)を設けてCVD法によりシリコン酸化膜を全面に堆積した。続いて、CMPを行って溝内にシリコン酸化膜を埋め込んで、図21(a)に示すように素子分離領域52を得た。   First, as shown in FIG. 21A, an element isolation region 52 is provided in a semiconductor substrate 51. Here, a p-type Si substrate was used as the semiconductor substrate 51, and the element isolation region 52 was formed by a well-known method. That is, first, an STI trench (for example, a depth of about 0.4 μm) was provided on the substrate 51, and a silicon oxide film was deposited on the entire surface by CVD. Subsequently, CMP was performed to fill a silicon oxide film in the trench, and an element isolation region 52 was obtained as shown in FIG.

次に、図21(b)に示すように、例えば乾燥酸素による熱酸化によって厚さ7nmのシリコン酸化膜を形成し、例えばアンモニア(NH3)ガス雰囲気中にこのシリコン酸化膜を曝して窒素原子を導入したオキシナイトライドからなるトンネル酸化膜(ゲート絶縁膜)53を形成する。 Next, as shown in FIG. 21B, a silicon oxide film having a thickness of 7 nm is formed by, for example, thermal oxidation with dry oxygen, and the silicon oxide film is exposed to, for example, an ammonia (NH 3 ) gas atmosphere to form nitrogen atoms. A tunnel oxide film (gate insulating film) 53 made of oxynitride into which is introduced is formed.

続いて、図21(c)に示すように、トンネル酸化膜53上に厚さ200nmの、リンが添加されたn型多結晶シリコン膜54aを堆積する。   Subsequently, as shown in FIG. 21C, an n-type polycrystalline silicon film 54a having a thickness of 200 nm and doped with phosphorus is deposited on the tunnel oxide film 53.

次に、図22(a)に示すように、多結晶シリコン膜54a上に例えば厚さ15nmの不純物としてアンチモン(Sb)が添加されたハフニウム酸化物(HfSiSbOx)からなる電極間絶縁膜55をスパッタリング法により成膜した。HfSiSbOxからなる電極間絶縁膜55の成膜は、HfターゲットとSiターゲット、さらに添加する不純物として用いるSbターゲットの3つのターゲットを用い、印加するパワー比を制御してHfSiSbOxからなる電極間絶縁膜55中のHfとSiとの和に対するHfの比率(Hf/(Hf+Si))、およびHfSiSbOx膜中に含まれる不純物Sbの量を制御することによって行った。本実施形態では、比率Hf/(Hf+Si)は0.5としたが、0.3〜1.0の範囲内で任意の値とすることができる。また、Sbの量は1.0atパーセントとしたが、0.003at%〜3at%の範囲内で任意の値とすることができる。   Next, as shown in FIG. 22A, an interelectrode insulating film 55 made of hafnium oxide (HfSiSbOx) to which antimony (Sb) is added as an impurity having a thickness of 15 nm, for example, is sputtered on the polycrystalline silicon film 54a. The film was formed by the method. The interelectrode insulating film 55 made of HfSiSbOx is formed by using three targets, that is, an Hf target, an Si target, and an Sb target used as an impurity to be added, and the applied power ratio is controlled to make the interelectrode insulating film 55 made of HfSiSbOx. This was performed by controlling the ratio of Hf to the sum of Hf and Si (Hf / (Hf + Si)) and the amount of impurity Sb contained in the HfSiSbOx film. In this embodiment, the ratio Hf / (Hf + Si) is 0.5, but can be any value within the range of 0.3 to 1.0. Moreover, although the amount of Sb is 1.0 at percent, it can be any value within the range of 0.003 at% to 3 at%.

続いて、図22(b)に示すように、650℃の温度で乾燥酸素を用いて熱処理を行う。
このとき導入される原子状酸素によって酸素欠損などの欠陥の修復が行われるとともにスパッタで堆積した際に導入されなかったSb原子が効率的に酸素欠損サイトあるいはハフニウム欠損サイトに導入されるのを助ける。
Subsequently, heat treatment is performed using dry oxygen at a temperature of 650 ° C. as shown in FIG.
Atomic oxygen introduced at this time repairs defects such as oxygen vacancies and helps efficiently introduce Sb atoms that were not introduced when deposited by sputtering into oxygen vacancy sites or hafnium vacancy sites. .

次に、図22(c)に示すように、電極間絶縁膜55上に厚さ200nmのリンが添加されたn型多結晶シリコン54bを堆積する。   Next, as shown in FIG. 22C, an n-type polycrystalline silicon 54b doped with phosphorus having a thickness of 200 nm is deposited on the interelectrode insulating film 55.

次に、図23(a)に示すように、n型多結晶シリコン54b上にレジストパターン60を形成し、このレジストパターン60をマスクとして、多結晶シリコン膜54b、電極間絶縁膜55、多結晶シリコン膜54a、およびトンネル酸化膜53を反応性イオンエッチング法によりパターニングして、ゲート部56およびゲート絶縁膜53を形成する。このとき、ゲート部56の両側には半導体基板51の表面が露出する。   Next, as shown in FIG. 23A, a resist pattern 60 is formed on the n-type polycrystalline silicon 54b, and using the resist pattern 60 as a mask, the polycrystalline silicon film 54b, the interelectrode insulating film 55, the polycrystalline The silicon film 54a and the tunnel oxide film 53 are patterned by a reactive ion etching method to form the gate portion 56 and the gate insulating film 53. At this time, the surface of the semiconductor substrate 51 is exposed on both sides of the gate portion 56.

さらに、図23(b)に示すように、露出した基板51の素子領域に砒素をイオン注入して、浅い不純物領域58aを形成した。この際の注入条件は、200eV、ドーズ量1×1015cm-2程度とした。その後、レジストパターンを除去する。 Further, as shown in FIG. 23B, arsenic ions are implanted into the exposed element region of the substrate 51 to form a shallow impurity region 58a. The implantation conditions at this time were 200 eV and a dose of about 1 × 10 15 cm −2 . Thereafter, the resist pattern is removed.

次に、図24(a)に示すように、加工ダメージの回復等を目的として酸化雰囲気中で熱処理を行い、ゲート部56の側面および上面を覆うように約3nmの後酸化膜57を形成する。   Next, as shown in FIG. 24A, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere for the purpose of recovery of processing damage and the like, and a post-oxide film 57 of about 3 nm is formed so as to cover the side surface and upper surface of the gate portion 56. .

次に、図24(b)に示すように、例えばリンを全面にドーズ量3×1015cm-2でイオン注入する。注入されたリンイオンはシリコン基板51の内部で加速エネルギーに依存するピーク深さを中心にして分布する。その後、例えば、1000℃で20秒間の熱処理を行い、リンをシリコン基板51中に拡散し活性化させ、ソース・ドレイン領域となる拡散層59bを形成する。その後、全面に厚さ300nmのシリコン酸化膜をCVD法により堆積し、図20に示す層間絶縁膜58を形成する。 Next, as shown in FIG. 24B, for example, phosphorus is ion-implanted over the entire surface with a dose of 3 × 10 15 cm −2 . The implanted phosphorus ions are distributed inside the silicon substrate 51 around the peak depth depending on the acceleration energy. Thereafter, for example, heat treatment is performed at 1000 ° C. for 20 seconds to diffuse and activate phosphorus in the silicon substrate 51 to form a diffusion layer 59b to be a source / drain region. Thereafter, a silicon oxide film having a thickness of 300 nm is deposited on the entire surface by a CVD method to form an interlayer insulating film 58 shown in FIG.

図示していないが、その後は、よく知られた方法により製造することにより、第一層配線までのMOS構造が得られる。例えば、層間絶縁膜58に、ソース・ドレイン領域57bに通じるコンタクトホールを開口し、コンタクトホールの底面にバリアメタルとしてのTiNをCVDで堆積した後、全面にプラグ材料としてのWを堆積し、コンタクトホールを埋め込む。その後、全面をCMPすることにより平坦化し、続いて配線材料としてAl−Cu膜を堆積し、フォトリソグラフィによりAl−Cu膜をパターニングすることによって、第一層配線までのMOS構造が得られる。   Although not shown in the drawing, a MOS structure up to the first layer wiring is obtained thereafter by manufacturing by a well-known method. For example, a contact hole leading to the source / drain region 57b is opened in the interlayer insulating film 58, TiN as a barrier metal is deposited by CVD on the bottom surface of the contact hole, W is deposited as a plug material on the entire surface, and then contact is made. Embed the hole. Thereafter, the entire surface is planarized by CMP, an Al—Cu film is subsequently deposited as a wiring material, and the Al—Cu film is patterned by photolithography to obtain a MOS structure up to the first layer wiring.

本実施形態によれば、浮遊ゲート電極54aと制御ゲート電極54bとの間の電極間絶縁膜55として、酸化ハフニウムにアンチモンを1%添加した材料から構成することにより、酸素欠損等の欠陥を補償することができ、リーク電流を低く抑えた不揮発性半導体メモリ装置を実現することができる。   According to this embodiment, the interelectrode insulating film 55 between the floating gate electrode 54a and the control gate electrode 54b is made of a material in which 1% of antimony is added to hafnium oxide, thereby compensating for defects such as oxygen vacancies. Thus, a nonvolatile semiconductor memory device with low leakage current can be realized.

以上説明したように、本実施形態によれば、素子特性の劣化を可及的に防止することができる。   As described above, according to the present embodiment, deterioration of element characteristics can be prevented as much as possible.

本実施形態は種々の変更が可能である。添加元素としてSbを用いて説明したが、添加元素はSbと同じ15族元素であるリン、砒素、ビスマスを用いてもよい。また、16族元素である硫黄、セレン、テルルを用いてもよい。また、5族元素であるバナジウム、ニオブ、タンタルを用いてもよい。また、6族元素であるクロム、モリブデン、タングステンを用いてもよい。添加元素として、Sb、P、As、Biのいずれかを用いた場合は、ゲート絶縁膜中を拡散することによって、効果的にゲート電極の形成工程あるいは活性化相当の熱処理工程において形成された酸素の欠損を補償するためには、0.1at%以上3at%以下であることが好ましい。また、添加元素として、S、Se、Te、V、Nb、Ta、Cr、Mo、Wのいずれかを用いた場合は、ゲート電極の形成工程あるいは活性化相当の熱処理工程において形成された酸素の欠損を補償するために、0.003at%以上3at%以下であることが好ましい。なお、添加元素は1種類である必要はなく複数の添加元素を同時に添加してもよい。しかし、第1実施形態で説明したように添加元素の合計濃度は3at%以下であることが望ましい。   Various modifications can be made to this embodiment. Although description has been given using Sb as the additive element, phosphorus, arsenic, or bismuth, which is the same group 15 element as Sb, may be used as the additive element. Further, sulfur, selenium and tellurium which are group 16 elements may be used. Vanadium, niobium, and tantalum, which are Group 5 elements, may be used. Further, a group 6 element such as chromium, molybdenum, or tungsten may be used. When any one of Sb, P, As, and Bi is used as the additive element, the oxygen formed in the gate electrode formation step or the heat treatment step corresponding to the activation effectively by diffusing in the gate insulating film. In order to compensate for deficiency, it is preferably 0.1 at% or more and 3 at% or less. In addition, when any of S, Se, Te, V, Nb, Ta, Cr, Mo, and W is used as the additive element, oxygen formed in the gate electrode formation process or the heat treatment process corresponding to activation is used. In order to compensate for the deficiency, it is preferably 0.003 at% or more and 3 at% or less. Note that the additive element need not be one kind, and a plurality of additive elements may be added simultaneously. However, as described in the first embodiment, the total concentration of the additive elements is desirably 3 at% or less.

また、浮遊ゲート電極54aと制御ゲート電極54bとしてSiGeをゲート電極として用いてもよい。SiGeは、例えばSiH4またはSi26のガスに、Ge26などのGeを含有するガスを混入して形成することができる。浮遊ゲート電極54aと制御ゲート電極54bとして、シリサイドおよび/またはジャーマナイドを用いてもよい。シリサイドとしてはWSi2,NiSi,CoSi2,PtSi,およびMoSi2などが挙げられる。ジャーマナイドとしては、WGe2,NiGe,NiGe2,CoGe2,PtGe,およびMoGe2などが挙げられる。あるいはランタノイド系金属のシリサイド、ジャーマナイドでもよい。 Further, SiGe may be used as the gate electrode as the floating gate electrode 54a and the control gate electrode 54b. SiGe, for example a gas SiH 4 or Si 2 H 6, can be formed by mixing a gas containing Ge such as Ge 2 H 6. Silicide and / or germanide may be used as the floating gate electrode 54a and the control gate electrode 54b. Examples of the silicide include WSi 2 , NiSi, CoSi 2 , PtSi, and MoSi 2 . The germanide, WGe 2, NiGe, NiGe 2 , CoGe 2, PtGe, and the like moge 2 and the like. Alternatively, a lanthanoid metal silicide or germanide may be used.

電極間絶縁膜55としては、HfO2膜、あるいはHfO2とアルミニウムの酸化物との混合物を用いることもでき、ZrO2、あるいはZrO2とシリコンの酸化物との混合物、またはZrO2とAl23との混合物でもよい。TiO2、あるいはTiO2とシリコンの酸化物との混合物、またはTiO2とAl23との混合物でもよい。La23に代表されるランタノイド系金属の酸化物、あるいはこの酸化物とSiO2との混合物でもよい。La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,YbおよびLuといったランタノイド系金属の酸化物、あるいはこの酸化物とAl23との混合物でもよい。 As the interelectrode insulating film 55, an HfO 2 film, a mixture of HfO 2 and aluminum oxide, ZrO 2 , a mixture of ZrO 2 and silicon oxide, or ZrO 2 and Al 2 can also be used. A mixture with O 3 may also be used. TiO 2 , a mixture of TiO 2 and silicon oxide, or a mixture of TiO 2 and Al 2 O 3 may be used. It may be an oxide of a lanthanoid metal typified by La 2 O 3 or a mixture of this oxide and SiO 2 . Even an oxide of a lanthanoid metal such as La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu, or a mixture of this oxide and Al 2 O 3 Good.

電極間絶縁膜55の成膜には、MOCVDあるいはハライド系のCVD、アトミック層堆積法を用いてもよい。電極の活性化等の熱処理により膜の相分離や結晶化を生じて、リーク電流の増加を招いてしまうことから、こうした絶縁膜55を窒化することが望ましく、例えば、NH3を含有する雰囲気でのCVDによって窒化することができる。あるいは、Nを含有する雰囲気、例えばHfの場合にはHf(N(C2524を用いたCVDで行うこともできる。金属酸化物中の金属を変更する場合には、その金属を含有するプリカーサとして窒素を含有したものを選択すればよい。また、プラズマにより活性化された窒素を雰囲気に含有させることもできる。あるいは、成膜後にNプラズマに曝してもよい。
その際添加元素の添加にはSbClなどの添加元素に対応する原料ガスを選択して同時に導入することによって添加すればよい。また、添加元素の添加方法は上記の成膜方法以外に、ゲート絶縁膜を堆積した後、添加元素をイオン注入することによって添加することも可能である。
For forming the interelectrode insulating film 55, MOCVD, halide CVD, or atomic layer deposition may be used. The insulating film 55 is preferably nitrided, for example, in an atmosphere containing NH 3 , because the film undergoes phase separation or crystallization due to heat treatment such as electrode activation, leading to an increase in leakage current. It can be nitrided by CVD. Alternatively, an atmosphere containing N, for example, Hf in the case of Hf, can be performed by CVD using Hf (N (C 2 H 5 ) 2 ) 4 . When the metal in the metal oxide is changed, a precursor containing nitrogen may be selected as a precursor containing the metal. Further, nitrogen activated by plasma can be contained in the atmosphere. Or you may expose to N plasma after film-forming.
At this time, the additive element may be added by selecting and simultaneously introducing a source gas corresponding to the additive element such as SbCl 3 . In addition to the above-described film forming method, the additive element can be added by ion-implanting the additive element after depositing the gate insulating film.

また、図18で説明した場合と同様に、電極間絶縁膜55と浮遊ゲート電極54aと制御ゲート電極54bとの間にSi酸化膜またはSi酸窒化膜を含んでいてもよい。しかし、誘電率の低下によるリーク電流の増大を防ぐため、上記Si酸化膜またはSi酸窒化膜の膜厚は2nm以下であることが望ましい。   Similarly to the case described with reference to FIG. 18, a Si oxide film or a Si oxynitride film may be included between the interelectrode insulating film 55, the floating gate electrode 54a, and the control gate electrode 54b. However, in order to prevent an increase in leakage current due to a decrease in dielectric constant, the thickness of the Si oxide film or Si oxynitride film is desirably 2 nm or less.

さらに、Ge、SiGe、歪みSi、あるいは歪みGeを半導体基板51として用いた場合も、第5実施形態と同様に不揮発性半導体メモリ装置を製造することができ、同様の効果が得られる。   Further, even when Ge, SiGe, strained Si, or strained Ge is used as the semiconductor substrate 51, the nonvolatile semiconductor memory device can be manufactured as in the fifth embodiment, and the same effect can be obtained.

以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、素子特性の劣化を可及的に防止することができる。   As described above, according to each embodiment of the present invention, it is possible to prevent deterioration of element characteristics as much as possible.

本発明の第1実施形態による半導体装置のゲート絶縁膜を構成する金属酸化膜中の結合状態を表わす模式図。FIG. 3 is a schematic diagram showing a bonding state in a metal oxide film constituting the gate insulating film of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1実施形態および比較例による半導体装置のゲート絶縁膜に添加されたSbの結合状態を表すXPSによって測定されたスペクトル。The spectrum measured by XPS showing the coupling | bonding state of Sb added to the gate insulating film of the semiconductor device by 1st Embodiment and comparative example of this invention. 本発明の第1実施形態および比較例による半導体装置のゲートリーク電流特性。6 shows gate leakage current characteristics of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention and a comparative example. 本発明の第1実施形態による半導体装置の容量−電圧特性を示す図。The figure which shows the capacity-voltage characteristic of the semiconductor device by 1st Embodiment of this invention. 従来の半導体装置の容量−電圧特性を示す図。FIG. 10 is a graph showing capacitance-voltage characteristics of a conventional semiconductor device. 比較例による半導体装置の容量−電圧特性を示す図。FIG. 11 is a graph showing capacitance-voltage characteristics of a semiconductor device according to a comparative example. 本発明の第2実施形態による半導体装置を示す断面図。Sectional drawing which shows the semiconductor device by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device by 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態による半導体装置を示す断面図。Sectional drawing which shows the semiconductor device by 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device by 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態による半導体装置を示す断面図。Sectional drawing which shows the semiconductor device by 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device by 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device by 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device by 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態の変形例による半導体装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device by the modification of 4th Embodiment of this invention. 本発明の第1乃至第4実施形態の変形例による半導体装置の断面図。Sectional drawing of the semiconductor device by the modification of 1st thru | or 4th Embodiment of this invention. 本発明の第1乃至第4実施形態の変形例による半導体装置の断面図。Sectional drawing of the semiconductor device by the modification of 1st thru | or 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態の変形例による半導体装置の断面図。Sectional drawing of the semiconductor device by the modification of 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device by 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device by 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device by 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態による半導体装置の製造工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the manufacturing process of the semiconductor device by 5th Embodiment of this invention.

21 半導体基板
22 素子分離領域
24 ゲート絶縁膜
24a 絶縁膜
24b 絶縁膜
24c 絶縁膜
26 ゲート電極
28 側壁
30a エクステンション層
30b ソース・ドレイン領域
32 シリサイド層
34 層間絶縁膜
21 Semiconductor substrate 22 Element isolation region 24 Gate insulating film 24a Insulating film 24b Insulating film 24c Insulating film 26 Gate electrode 28 Side wall 30a Extension layer 30b Source / drain region 32 Silicide layer 34 Interlayer insulating film

Claims (5)

半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられた第1ゲート電極と、
前記第1ゲート電極上に設けられ金属および酸素を含む電極間絶縁膜と、
前記電極間絶縁膜上に設けられた第2ゲート電極と、
前記第1および第2ゲート電極の両側の前記半導体基板に設けられたソース/ドレイン領域と、
を備え、
前記電極間絶縁膜は、リン、砒素、アンチモン、ビスマスのうちから選択された少なくとも1つの添加元素を含み、その含有量が0.1at%以上3at%以下であることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
A gate insulating film provided on the semiconductor substrate;
A first gate electrode provided on the gate insulating film;
An interelectrode insulating film including a metal and oxygen provided on the first gate electrode;
A second gate electrode provided on the interelectrode insulating film;
Source / drain regions provided in the semiconductor substrate on both sides of the first and second gate electrodes;
With
The inter-electrode insulating film contains at least one additive element selected from phosphorus, arsenic, antimony, and bismuth, and the content thereof is 0.1 at% or more and 3 at% or less.
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられた第1ゲート電極と、
前記第1ゲート電極上に設けられ金属および酸素を含む電極間絶縁膜と、
前記電極間絶縁膜上に設けられた第2ゲート電極と、
前記第1および第2ゲート電極の両側の前記半導体基板に設けられたソース/ドレイン領域と、
を備え、
前記電極間絶縁膜は、硫黄、セレン、テルルのうちから選択された少なくとも1つの添加元素を含み、その含有量が0.003at%以上3at%以下であることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate;
A gate insulating film provided on the semiconductor substrate;
A first gate electrode provided on the gate insulating film;
An interelectrode insulating film including a metal and oxygen provided on the first gate electrode;
A second gate electrode provided on the interelectrode insulating film;
Source / drain regions provided in the semiconductor substrate on both sides of the first and second gate electrodes;
With
The interelectrode insulating film contains at least one additive element selected from sulfur, selenium, and tellurium, and the content thereof is 0.003 at% or more and 3 at% or less.
前記電極間絶縁膜は、前記金属元素と前記添加元素との結合あるいは前記酸素と前記添加元素との結合を含むことを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the interelectrode insulating film includes a bond between the metal element and the additive element or a bond between the oxygen and the additive element. 前記電極間絶縁膜と前記第1ゲート電極との間および前記電極間絶縁膜と前記第2ゲート電極との間のいずれか一方にSi酸化物またはSi酸窒化物からなる絶縁膜を備えていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体装置。   An insulating film made of Si oxide or Si oxynitride is provided between the interelectrode insulating film and the first gate electrode and between the interelectrode insulating film and the second gate electrode. The semiconductor device according to claim 1, wherein: 前記金属は、Hf、Zr、Tiおよびランタノイド系元素からなる群から選択される少なくとも1種の元素であることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の半導体装置。 It said metals, Hf, Zr, semiconductor device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that at least one element selected from the group consisting of Ti and lanthanoid elements.
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