WO2005022624A1 - 絶縁膜形成方法 - Google Patents

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Tomoo Ueno
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National University Corporation Tokyo University Of Agriculture And Technology
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    • H01L21/02252—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a process other than a deposition process formation by plasma treatment, e.g. plasma oxidation of the substrate

Definitions

  • the present invention relates to a method for forming an insulating film, and more particularly, to a method for forming an insulating film on a given semiconductor substrate by forming a metal oxide as an insulator.
  • an insulating film has been indispensable for the operation of an electronic device, and various methods have been used for its formation.
  • electronic devices such as MOSFETs and ULS, which is an integrated form of the devices
  • demands for the characteristics of the gate insulating film placed adjacent to the FET channel have become strict in order to reduce the power consumption of the elements.
  • the gate insulating film a silicon oxide film obtained by performing an oxidation reaction while maintaining the surface of a semiconductor silicon substrate at a temperature of about 800 ° C in an oxygen atmosphere has been frequently used. .
  • TSIA Semiconductor Industry Association
  • JEITA Electronics and Information Technology Industry Association
  • ITRS International Technology Roadmap for Semiconductor
  • an Hf-containing silicon oxide film serving as a gate insulating film is formed on the surface of the silicon substrate.
  • a metal hafnium layer is first formed on a silicon substrate, and then the metal hafnium layer is oxidized in an oxidizing atmosphere using plasmatized oxygen.
  • a technique of forming an insulating film of hafnium oxide thereon is known (see Patent Document 2).
  • an organic metal material containing no oxygen for example, a source gas containing hafnium is supplied to form a hafnium metal layer over the entire surface of the silicon substrate by a CVD method, and then an oxygen gas is supplied.
  • a technique of forming an insulating film by oxidizing a hafnium metal film in advance is known (see Patent Document 3).
  • Patent Document 1 JP 2003-179049 A
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-249497
  • Patent Document 3 JP 2004-158481 A
  • Patent Document 1 has a problem that the equivalent oxide thickness (EOT) cannot be sufficiently reduced because the insulating film is a mixture of silicon oxide and hafnium oxide. Remains. Furthermore, there is another problem when the flatness of the insulating film / silicon interface cannot be maintained, and there is a concern that the mobility of carriers moving in the channel region is reduced.
  • Japanese Patent Application No. 2003-345019 filed on August 28, 2003
  • Patent Document 2 in the step of oxidizing hafnium, there is no disclosure of a means for realizing a force that desirably has an oxidation temperature of 0 ° C or more and 300 ° C.
  • a metal film made of only metal atoms such as hafnium or dinoreconium is formed on a silicon substrate, and then an oxygen gas or an oxygen gas in a plasma state is formed.
  • an oxygen gas or an oxygen gas in a plasma state was supplied to oxidize the metal film to form an insulating film.
  • an insulating film having a higher dielectric constant than a silicon oxide film could be formed, but the oxidation temperature could not be lowered.
  • the silicon substrate is oxidized, resulting in a two-layer structure of a silicon oxide film and an oxide film of hafnium, zirconium, etc., and a problem that the dielectric constant is lowered remains.
  • a gate insulating film is formed using a high dielectric material such as hafnium or zirconium, the silicon substrate is oxidized and an insulating layer having a low dielectric constant is not formed. It is an object of the present invention to form a gate insulating film without a large amount of impurities therein, thereby improving the performance of a semiconductor device.
  • the invention of claim 3 is characterized in that the inert gas is krypton gas or xenon gas.
  • the surface of the silicon substrate can be covered with the metal film.
  • a mixed gas of krypton gas or xenon gas and oxygen gas is brought into a plasma state, so that the oxidation temperature of the metal film is relatively low at 250 ° C and 450 ° C. Can be.
  • the molecular chain of the oxygen gas is cut off by the presence of the krypton gas xenon gas, and the oxygen gas easily forms oxygen atoms within the above-mentioned temperature range.
  • the silicon substrate is easily oxidized at a temperature of 450 ° C and covered with a metal layer, the possibility of forming a silicon oxide film is extremely low, and the formation of an interface low-k layer is prevented. Becomes possible.
  • the invention of claim 4 is characterized in that the material of the metal film includes at least one of oxides of hafnium, zirconium and aluminum, which are high dielectric constant materials.
  • the semiconductor device is manufactured by using the insulating film forming method according to claim 1.
  • An electronic device is characterized.
  • an electronic device manufactured by using the insulating film forming method according to any one of the second to fourth aspects.
  • heating means for heating the metal film to a temperature of 250 ° C to 450 ° C
  • An electronic device manufacturing apparatus comprising:
  • the invention of claim 8 is characterized in that the inert gas is krypton gas or xenon gas.
  • the invention according to claim 9 is characterized in that the insulator contains at least one of oxides of hafnium, zirconium and aluminum.
  • an electronic device manufactured by using the electronic device manufacturing apparatus according to any one of the seventh to ninth aspects.
  • an electronic device with high integration and miniaturization. Further, according to the present invention, an insulating film having no impurity and a high dielectric constant is provided, and further higher integration An electronic device manufacturing apparatus suitable for manufacturing a miniaturized electronic device can be provided.
  • FIG. 1 is a principle diagram of a gallium nitride film forming apparatus.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a titanium oxide film forming apparatus.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of an apparatus for forming a titanium oxide film, a hafnium oxide film, a zirconium oxide film, or an anode oxide film.
  • FIG. 4 is a relationship diagram showing the correspondence between the physical film thickness (horizontal axis) of hafnium oxide formed according to the present invention and the equivalent oxide film thickness (E OT) (vertical axis).
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between applied voltage and leakage current density of hafnium oxide.
  • FIG. 6 is a diagram showing that the value of the leak current density was unchanged after high-temperature annealing at 850 ° C. for 30 minutes in nitrogen after hafnium oxide was prepared.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the physical film thickness (horizontal axis) and the equivalent oxide film thickness (EOT) (vertical axis) of dinoreconium oxide formed according to the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing the relationship between applied voltage and leakage current density of dinoconium oxide.
  • the present invention relates to a method for forming an insulating film.
  • description will be given based on the drawings.
  • FIG. 1 shows a principle diagram of the film forming apparatus used in this example.
  • a method for forming a gallium nitride (GaN) film on a sapphire (A10) substrate will be described.
  • 101 is a vacuum container
  • 102 is a gallium molecular beam source.
  • a substrate 103 made of a sapphire installed in a vacuum vessel is fixed to a heating holder 104. Further, a gas inlet 105 is provided in the vacuum vessel.
  • the degree of vacuum in the vacuum vessel 101 is evacuated to 1 ⁇ 10 ′′ 8 Torr or less using the pump 100.
  • the temperature of the heating holder 104 is raised, and the sapphire substrate 103 The substrate temperature was 40 ° C.
  • a gallium raw material was introduced from the gallium molecular beam source 102 toward the sapphire substrate.
  • the melting point of metallic gallium was about 30 ° C., and the substrate temperature in this embodiment was gallium.
  • the supply of gallium is stopped, the temperature of the heating holder 104 is further raised, and then ammonia (NH 3) gas is supplied from the gas inlet 105 to form gallium nitride containing no impurities.
  • a film was formed.
  • Example 2 An embodiment of the method for forming an insulating film according to the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, a method of forming a photocatalytic titanium oxide which is an insulator on a glass substrate will be described.
  • 201 is a vacuum vessel
  • 202 is a sputter target of titanium metal
  • a DC power supply for sputter is connected.
  • a glass substrate 203 set in a vacuum vessel is set on a substrate holder 204.
  • a gas inlet 205 for introducing a sputtering gas is provided in the vacuum vessel 201.
  • a vacuum vessel 207 for performing an oxidation treatment is provided via a gate vanoleb 206 for sealing the vacuum vessel, and a heating holder 208 and a gas inlet 209 are attached to the vacuum vessel 207.
  • the glass substrate on which the titanium metal film is deposited is moved onto the heating holder 208 in the vacuum vessel 207 via the gate vane levule 206.
  • the glass substrate is heated by the heating holder 208, oxygen gas is introduced from the gas inlet 209, and titanium metal is oxidized, whereby glass coated with titanium oxide having photocatalytic properties is produced.
  • the substrate temperature required for oxidation by oxygen gas was about 400 ° C. in this example.
  • the vacuum container 201 and the vacuum container 207 are connected to each other via the gate valve 206. Each container has a function equivalent to that of the force, and the metal deposition and the oxidation treatment are performed separately. It is possible.
  • FIG. 3 shows a principle diagram of the film forming apparatus used in this example.
  • 301 is a vacuum vessel
  • 302 is a sputter target of titanium metal.
  • DC power supply for sputtering is connected.
  • a glass substrate 303 set in a vacuum vessel is set on a substrate holder 304.
  • a gas inlet 305 for introducing a sputtering gas is provided in the vacuum vessel 301.
  • a vacuum vessel 307 for performing an oxidation treatment is provided via a gate valve 306 for sealing the vacuum vessel, and a heating holder 308 is attached to the vacuum vessel 307. Further, oxygen gas is introduced into the vacuum vessel 307 through the flexible tube 309. The gas enters a plasma state in a quartz tube 311 to which the microwave cavity 310 is attached.
  • a metal titanium film is formed by sputtering on a glass substrate.
  • the method of forming the titanium metal film by sputtering was the same as the treatment in the vacuum vessel 201 of Example 2, and the thickness of the formed metal titanium film was 50 nm. Thereafter, the glass substrate on which the titanium metal film is deposited is moved onto the heating holder 308 in the vacuum chamber 307 via the gate valve 306. After the glass substrate is heated by the heating holder 308, a flexible tube 309 is supplied with oxygen gas (0) 100 sccm through the quartz tube 311 into the vacuum vessel 307.
  • the degree of vacuum in the vacuum vessel 307 becomes 1 Torr.
  • a microwave of 2.45 GHz and 100 W is introduced into the quartz tube 311 through the microwave cavity 310 to oxidize oxygen gas into a high-energy plasma state and irradiate the substrate with oxygen gas.
  • oxygen gas By oxidizing the oxygen plasma force metallic titanium irradiated on the substrate, a glass coated with titanium oxide having photocatalytic properties is produced.
  • the substrate temperature required for the oxidation of titanium metal by oxygen plasma was about 300 ° C. in this example.
  • the vacuum vessel 301 and the vacuum vessel 307 are connected via the gate valve 306.
  • the metal deposition and the oxidation treatment may be performed separately in separate vessels having the same function. Can be manufactured.
  • a metal titanium film is formed on a glass substrate by sputtering.
  • the method of forming the titanium metal film by sputtering was the same as the treatment in the vacuum vessel 201 of Example 2, and the thickness of the formed metal titanium film was 50 nm.
  • the glass substrate on which the titanium metal film is deposited is moved onto the heating holder 308 in the vacuum chamber 307 via the gate valve 306.
  • a flexible tube 309 is supplied with a mixed gas of krypton (Kr) + oxygen (O) at a flow ratio of 100: 1 to a total of lOOsccm, and the quartz tube 311 Through the vacuum vessel 307.
  • Kr krypton
  • O oxygen
  • a microwave of 2.45 GHz and 100 W is introduced into the quartz tube 311 through the microwave cavity 310 to generate a mixed plasma of krypton and oxygen.
  • Most of the plasma energy is absorbed by krypton, and its excitation energy (9.92 eV) is passed to oxygen by collisions in the plasma, almost all of which is dissociated to atomic oxygen and the metal on the glass Oxidizes titanium.
  • the substrate temperature required for the oxidation of metallic titanium in this example was about 200 ° C.
  • the vacuum vessel 301 and the vacuum vessel 307 are connected via the gate valve 306.However, the vacuum vessel 301 and the vacuum vessel 307 can be manufactured by separately performing metal deposition and oxidation treatment in separate vessels having the same function. It is.
  • the film forming apparatus used in this example is the same as that in FIG. 3 in Example 3, except that a titanium metal sputter target 302 is a metal hafnium sputter target, a glass substrate 303 is a silicon substrate, Each has been replaced.
  • the silicon substrate on which the metal hafnium film has been deposited is vacuum-evacuated through the gate valve 306. It is moved onto the heating holder 308 in the vessel 307. After heating the silicon substrate with the Caro heat honoredator 308, the flexible tube 309 mixes krypton (Kr) + oxygen ( ⁇ )
  • the gas is supplied at a flow rate of 100: 1 so as to total 100 sccm, and introduced into the vacuum vessel 307 through the quartz tube 311. By introducing the mixed gas, the degree of vacuum in the vacuum vessel 307 becomes 1 Torr.
  • xenon gas may be used instead of krypton gas.
  • a microwave of 2.45 GHz and 100 W is introduced into the quartz tube 311 through the microwave cavity 310 to generate a mixed plasma of krypton and oxygen.
  • Atomic oxygen obtained from the mixed plasma oxidizes metal hafnium on the silicon substrate.
  • the substrate temperature required for oxidation of metal hafnium was about 300 ° C.
  • the physical thickness of the formed hafnium oxide was about 6 nm
  • the equivalent oxide thickness (EOT) was about It is 1.5 nm
  • the results are shown in FIG. Also shown in this case, as the leak current density at IV, 1 X 10- 8 AZcm 2
  • FIG. 10 X 10- 8 AZcm 2 The following values are examples obtained in FIG. Further, FIG.
  • the hafnium oxide insulating film formed by using the present invention has high temperature resistance, and the insulating film does not deteriorate even after the next process, for example, a high-temperature annealing process for activating impurities. It can be seen that it has the characteristic of:
  • the vacuum vessel 301 and the vacuum vessel 307 are connected via the gate valve 306.
  • the metal deposition and the oxidation treatment are performed separately in individual vessels having the same function. It can also be produced by
  • the film forming apparatus used in this example is the same as that in FIG. 3 in Example 3, except that the titanium metal sputter target 302 is a metal zirconium sputter target, the glass substrate 303 is a silicon substrate, Each has been replaced.
  • the vacuum degree of the vacuum vessel 301 is evacuated to 1 ⁇ 10 ′′ 7 Torr or less using the pump 100. Thereafter, argon as a sputtering gas is introduced from the gas inlet 305.
  • the degree of vacuum in the vacuum container 301 was 2 X 10- 3 Torr.
  • the silicon substrate on which the metal zirconium film has been deposited is moved onto the heating holder 308 in the vacuum vessel 307 via the gate vanoleb 306. After heating the silicon substrate with the Caro heat honoredator 308, the flexible tube 309 mixes krypton and oxygen ( ⁇ ).
  • the combined gas is supplied at a flow ratio of 100: 1 so that the total gas becomes 100 sccm, and is introduced into the vacuum container 307 through the quartz tube 311.
  • the degree of vacuum in the vacuum vessel 307 becomes lTorr.
  • xenon gas may be used instead of krypton gas.
  • a microwave of 2.45 GHz and 100 W is introduced into the quartz tube 311 through the microwave cavity 310 to generate a mixed plasma of krypton and oxygen.
  • Atomic oxygen obtained from the mixed plasma oxidizes the metal dinoconium on the silicon substrate.
  • the substrate temperature required for the oxidation of metal zirconium in this example is about 400 ° C
  • the physical thickness of the formed zirconium oxide is about 8 nm
  • the equivalent oxide thickness (EOT) is about 2 nm.
  • Figure 7 shows the results.
  • the leakage current density in IV an example obtained a value of 1 X 10- 8 A / cm 2 or less in FIG.
  • the vacuum vessel 301 and the vacuum vessel 307 are connected via the gate vane lev 306, but it is also possible to separate the metal deposition and the oxidation treatment in separate vessels having the same function. Can be manufactured.
  • hafnium oxide and zirconium oxide on a silicon substrate Although the method of forming hafnium oxide and zirconium oxide on a silicon substrate has been described, it is needless to say that those of hafnium oxide, dinoreconium oxide, and aluminum oxide can be combined.
  • the film forming apparatus used in this embodiment is the same as that in FIG. 3 in Embodiment 3, except that a titanium metal sputter target 302 is a metal aluminum sputter target, a glass substrate 303 is a silicon substrate, Each has been replaced.
  • the degree of vacuum in the vacuum vessel 301 is reduced by 1 ⁇ 10 ′′ 7 Torr using the pump 100. Exhaust below. Thereafter, argon as a sputtering gas is introduced from the gas inlet 305. Degree of vacuum in the vacuum chamber 301 at that time was 2 X 10- 3 Torr. A metal aluminum film is formed on the silicon substrate 303 placed on the substrate holder 304 from the metal aluminum sputter target 302 by DC sputtering. When the sputtering power was 30 W, the thickness of the formed metal aluminum film was 2 nm.
  • the silicon substrate on which the metal aluminum film has been deposited is moved onto the heating holder 308 in the vacuum vessel 307 via the gate vane lev 306. After heating the silicon substrate with the Caro heat honoreda 308, the flexible tube 309 mixes krypton and oxygen ( ⁇ )
  • the gas is supplied at a flow rate of 100: 1 so as to total 100 sccm, and is introduced into the vacuum vessel 307 through the quartz tube 311. By introducing the mixed gas, the degree of vacuum in the vacuum vessel 307 becomes 1 Torr.
  • a microwave of 2.45 GHz and 100 W is introduced into the quartz tube 311 through the microwave cavity 310 to generate a mixed plasma of krypton and oxygen.
  • Atomic oxygen obtained from the mixed plasma oxidizes metallic aluminum on the silicon substrate.
  • the substrate temperature required for the oxidation of metallic aluminum was about 450 ° C
  • the physical thickness of the formed aluminum oxide was about 4 nm
  • the equivalent oxide thickness (EOT) was about 4 nm.
  • a 2 nm, there as your Keru leakage current density to IV, 1 X 10- 7 a / cm 2 also the following values were obtained example.
  • the vacuum vessel 301 and the vacuum vessel 307 are connected via the gate valve 306.
  • the metal deposition and the oxidation treatment may be performed separately in separate vessels having the same function. Can be manufactured. Similar effects are obtained even at a substrate temperature of about 250 ° C.
  • the insulating film forming method according to the present invention can produce an extremely excellent insulating film in a semiconductor, particularly in a MOSFET transistor or its integrated circuit.

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Abstract

　半導体基板上に形成する絶縁膜を高性能化して、リーク電流の少ない電子デバイスを製造する方法を提供する。高誘電材料金属のみを半導体基板上に金属膜として形成し、その金属膜を２５０～４５０°Cに加熱し、その加熱した金属膜に、クリプトンガス（またはキセノンガス）を酸素ガスと混合させ、その混合ガスをプラズマ化したガスを加えることにより、金属膜を酸化して、半導体基板上に絶縁膜を形成するようにしたことを特徴とする。

Description

明 細 書
絶縁膜形成方法
技術分野
[0001] 本発明は、絶縁膜形成方法に関し、特に任意の半導体基板上に金属酸化物を絶 縁物として形成する絶縁膜形成方法に関する。
背景技術
[0002] 従来から絶縁膜は、電子デバイスの動作に欠かせない存在であり、その形成には 様々な方法が用いられてきた。近年、例えば MOSFET及びその集積形態である U LSI等の電子デバイスでは、素子の低消費電力化を図るため、 FETチャンネル部に 隣接して配置されるゲート絶縁膜の特性に対する要求が厳しくなつている。従来、こ のゲート絶縁膜には、半導体であるシリコン基板の表面を酸素雰囲気中、 800°C程 度の温度に維持して、酸化反応させることによって得られるシリコン酸化膜が多用さ れてきた。
[0003] 近年の素子の微細化、高集積化によって、このゲート絶縁膜の材料をシリコン酸化 膜から、比誘電率の大きな材料へ代える必要が生じてきた。これはスケーリング則に 従った素子の低電圧駆動を実現するために、シリコン酸化膜厚を薄くして容量を増 大させ、反転層電荷密度を維持、増大させることで対処が可能であったところ、その シリコン酸化膜の膜厚が 3nm以下に薄膜ィ匕すると、電子の波動性に起因する直接ト ンネルがもたらす漏れ電流の増大により、絶縁膜としての機能が損なわれてきたこと による。
[0004] この問題は、世界的にも広く認知されており、米国、欧州、韓国、台湾およびわが 国の世界半導体 5極の半導体関連業界団体である、米国の Semiconductor Industry Association (SIA)、欧州の European Electronic Component Association(EEC 入早早 国の Korea Semiconductor Industry Association(KSIA)、台湾の Taiwan
Semiconductor Industry Association(TSIA)およびわ力 s国の Japan Electronics and Information Technology Industry Association(JEITA)力 S中 、となり策疋'してレヽる
International Technology Roadmap for Semiconductor (ITRS)に百羊しレヽ。 [0005] ITRSでは、これから数年後にはシリコン酸化膜に代えて、ゲート絶縁膜に高誘電率 材料を導入する必要性が述べられているものの、「その解決策は未だに知られてい なレ、」としている。このような状況の中で、世界各国の研究機関等では、ハフニウム酸 化物ゃジノレコニゥム酸化物およびアルミニウム酸化物等の金属酸化物を次世代グー ト絶縁膜材料の筆頭候補として、その作成プロセスを含めて精力的な研究が行われ ている。
[0006] 例えば、シリコン基板上に金属ハフニウム層を形成し、この金属ハフニウム層および シリコン基板の表面部を熱酸化することにより、ゲート絶縁膜となる Hf含有シリコン酸 化膜をシリコン基板の表面部に形成する技術が知られている
(例えば、特許文献 1参照)。
[0007] また、非酸化性雰囲気中において、まず、シリコン基板上に金属ハフニウム層を形 成し、その後プラズマ化された酸素による酸化雰囲気中で金属属ハフニウム層を酸 化することにより、シリコン基板上に酸化ハフニウムによる絶縁膜を形成する技術が知 られている（特許文献 2参照)。
[0008] さらに、酸素を含まない有機金属材料、例えば、ハフニウムを含有する原料ガスを 供給して CVD法により、シリコン基板上全面に亘つてハフニウム金属層を形成し、そ の後酸素ガスを供給してハフニウム金属膜を酸化して、絶縁膜を形成する技術が知 られている（特許文献 3参照)。
[0009] 特許文献 1 :特開 2003 - 179049号公報
特許文献 2：特開 2003 - 249497号公報
特許文献 3 :特開 2004— 158481号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] し力 ながら特許文献 1に記載の技術では、シリコン酸化物とハフニウム酸化物が 混在する絶縁膜であるので、酸化膜換算膜厚 (EOT)を充分薄くすることができないと いった問題が残る。さらに、絶縁膜/シリコン界面の平坦性が維持できず、チャンネ ノレ領域を移動するキャリアの移動度低下が懸念されるとレ、つた問題がある。また本件 出願の基礎出願（特願 2003—345019号、出願日 2003年 8月 28日）の出願後に公 開された特許文献 2に記載の技術では、ハフニウムを酸化する工程において、酸化 温度は 0°C以上 300°Cが望ましいとしている力 実現手段が開示されていないので、 どのようにすればこのような比較的低温での酸化が可能なの力、不明である。特に段 落 0044の 4行目から 7行目における「し力 ながら、 · · · ·酸素濃度分布の均一性が 不十分である。」との記載からすれば、当該酸化手法では酸化が不十分である問題 が残っている。さらに、本件出願の基礎出願（特願 2003—345019号、出願日 2003 年 8月 28日）の出願後に公開された特許文献 3に記載の技術では、堆積した金属酸 化物中に有機物が不純物として多量に含まれる可能性が高いことから、膜の原子密 度を低下させ、膜の誘電率を低下させるという問題が解決されていない。
[0011] 提案されている金属酸化膜の形成方法においては、シリコン基板上にハフニウムや ジノレコニゥム等の金属原子のみからなる金属膜を形成し、しかる後に、酸素ガス、ま たはプラズマ状態の酸素ガスを供給して、金属膜を酸化させて、絶縁膜を形成して いたので、シリコン酸化膜よりは誘電率の高い絶縁膜の形成が可能になったものの、 酸化温度を低めることができず、依然として金属膜の酸化工程において、シリコン基 板が酸化されて、シリコン酸化膜とハフニウムやジルコニウム等の酸化膜との 2層構 造になって、誘電率が低下するという問題が残る。
[0012] そこで、本発明は、ハフニウムやジルコニウム等の高誘電材料を用いてゲート絶縁 膜を形成する際に、シリコン基板が酸化されて誘電率の低い絶縁層が形成されず、 また金属絶縁層に不純物が多量には存在しなレ、ゲート絶縁膜を形成できるようにし、 それによつて半導体素子の性能を向上させることを目的とする。
課題を解決するための手段
[0013] 上記の目的を達成するために、請求項 1の発明では、金属原子の酸化物を絶縁物と して、任意の材料からなる半導体基板上に形成する絶縁膜形成方法において、
1) 前記金属原子のみを前記任意の半導体基板上に金属膜として形成するステツ プと、
2) 前記金属膜を加熱するステップと、
3) 前記金属膜に酸素原子あるいは窒素原子を含むガスを供給するステップと、
4) 前記供給されたガスにより、前記任意の半導体基板上に形成された金属膜を酸 化あるいは窒化するステップ
とからなる。
[0014] また請求項 2の発明では、金属原子の酸化物を絶縁物として任意の材料からなる 半導体基板上に形成する絶縁膜形成方法において、
1) 前記金属原子のみを前記任意の半導体基板上に金属膜として形成するステツ プと、
2) 前記金属膜を 250°Cから 450°Cの温度に加熱するステップと、
3) 前記金属膜に不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスを気体プラズマ状態として供 給するステップと、
4) 該供給された気体プラズマ状態の酸素ガスにより、前記任意の半導体基板上に 形成された金属膜を酸化するステップ、
とからなる。
[0015] 請求項 3の発明では、前記不活性ガスが、クリプトンガスまたはキセノンガスであるこ とを特徴とするものである。
[0016] このようにすると、まず、金属膜をシリコン基板上に形成することによって、シリコン基 板表面を金属膜で覆うことができる。そしてその金属膜を酸化するためにクリプトンガ スまたはキセノンガス、と酸素ガスの混合ガスをプラズマ状態にすることにより、金属 膜の酸化温度を 250°C力 450°Cと比較的低温にすることができる。これはクリプトンガ スゃキセノンガスの存在により、酸素ガスの分子鎖が断ち切られ、上述の温度範囲内 で容易に酸素原子の形態となるからである。しかも、シリコン基板は 450°Cの温度では 酸化されにくぐかつ金属層に覆われているので、シリコン酸化膜が形成される可能 性は極めて低くなり、界面低誘電率層の形成を防止することが可能となる。
[0017] また、請求項 4の発明では、前記金属膜の材料が高誘電率材料である、ハフニウム 、ジルコニウムまたはアルミニウムの酸化物の少なくともいずれか一つを含むことを特 徴とする。
[0018] このようにすることにより、不純物を含まずかつ誘電率の高い絶縁膜を形成すること が可能となる。
[0019] また、請求項 5の発明では、請求項 1に記載の絶縁膜形成方法を用いて製作した 電子デバイスを特徴とするものである。
また、請求項 6の発明では、請求項 2乃至 4のいずれ力 1項に記載の絶縁膜形成方 法を用いて製作した電子デバイスを特徴とするものである。
[0020] さらに、請求項 7記載の発明では、金属原子の酸化物を絶縁物として、半導体基板 上に形成する電子デバイス製造装置において、
1) 前記金属原子のみを前記半導体基板上に金属膜として形成する手段と、
2) 前記金属膜を 250°Cから 450°Cの温度に加熱する加熱手段と、
3) 前記金属膜に不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスを気体プラズマ状態として供 給する手段と、
4) 前記供給された気体プラズマ状態の酸素ガスにより、前記任意の半導体基板上 に形成された金属膜を酸化する手段、
とからなる電子デバイス製造装置を特長とするものである。
[0021] 請求項 8の発明では、前記不活性ガスが、クリプトンガスまたはキセノンガスであること を特徴とするものである。
請求項 9の発明では、前記絶縁物が、ハフニウム、ジルコニウムまたはアルミニウムの 酸化物の少なくともいずれか一つを含むことを特徴とするものである。
請求項 10の発明では、請求項 7乃至 9のいずれか 1項に記載の電子デバイス製造装 置を用いて製作した電子デバイスを特徴とするものである。
発明の効果
[0022] 本発明によれば、不純物を含まずかつ誘電率の高い絶縁膜を形成することが可能 となる。
また本発明によれば、高集積化、微細化がされた電子デバイスの提供が可能となる さらに本発明によれば、不純物を含まずかつ誘電率の高い絶縁膜を有するとともに 、さらに高集積化され微細化された電子デバイスの製造に適した電子デバイス製造 装置を提供することができる。
図面の簡単な説明
[0023] [図 1]窒化ガリウム膜成膜装置の原理図である。 [図 2]チタン酸化膜成膜装置の構成図である。
[図 3]チタン酸化膜、またはハフニウム酸化膜、またはジルコニウム酸化膜、またはァ ノレミニゥム酸化膜成膜装置の構成図である。
[図 4]本発明により形成した酸化ハフニウムの物理膜厚 (横軸）と酸化膜換算膜厚 (E OT) (縦軸）との対応を示す関係図である。
[図 5]酸化ハフニウムの、印加電圧とリーク電流密度との関係を示す図である。
[図 6]酸化ハフニウム作成後に、窒素中 850°C、 30分の高温ァニールを施した後の、 リーク電流密度の値が不変であったことを示す図である。
[図 7]本発明により形成した酸化ジノレコニゥムの物理膜厚 (横軸）と、酸化膜換算膜厚 (EOT) (縦軸）との関係を示す図である。
[図 8]酸化ジノレコニゥムの、印加電圧とリーク電流密度との関係を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
[0024] 本発明は絶縁膜形成方法に関するものである。以下、図面に基づいて説明する。
実施例 1
[0025] 本発明に係る絶縁膜形成方法の一実施例について説明する。本実施例に用いた 成膜装置の原理図を図 1に示す。本実施例では、サフアイャ (A1 0 )基板上に窒化 ガリウム（GaN)膜を成膜する方法について説明する。図 1において、 101は真空容 器、 102はガリウム分子線源である。真空容器内に設置されたサフアイャからなる基 板 103が加熱ホルダー 104に固定されている。また、ガス導入口 105が真空容器に 備え付けられている。
[0026] 図 1の装置において、まずポンプ 100を用いて真空容器 101の真空度を 1 X 10"8T orr以下に排気する。この真空環境で加熱ホルダー 104を昇温することでサフアイャ 基板 103を加熱する。基板温度は 40°Cとした。ガリウム分子線源 102からサフアイャ 基板に向けてガリウム原料を導入する。金属ガリウムの融点は約 30°Cであり、本実施 例の基板温度ではガリウムは多数の微細な液滴になっている。ガリウムの供給を止め 、加熱ホルダー 104をさらに昇温した後、ガス導入口 105よりアンモニア（NH )ガス を供給することにより、不純物を含まない窒化ガリウム膜が形成された。
実施例 2 [0027] 本発明に係る絶縁膜の形成方法の一実施例について、図 2を用いて説明する。本 実施例に於いては、ガラス基板上に、絶縁物であり光触媒性を有するチタン酸化物 を形成する方法について説明する。図 2において、 201は真空容器、 202は金属チ タンのスパッタターゲットであり、スパッタ用の DC電源が接続されている。真空容器内 に設置されたガラス基板 203が基板ホルダー 204に設置されている。また、スパッタ ガス導入のためのガス導入口 205が真空容器 201に備え付けられている。さらに、真 空容器を封止するゲートバノレブ 206を介して、酸化処理を行なう為の真空容器 207 が備え付けられてあり、加熱ホルダー 208およびガス導入口 209が真空容器 207に 取り付けられている。
[0028] 図 2の装置において、ポンプ 100を用いて真空容器 201の真空度を 1 X 10— 5Torr 以下に排気する。その後、ガス導入口 205からスパッタガスであるアルゴンを導入す る。その際の真空容器 201の真空度は 2 X 10— 3Torrであった。スパッタ電力 100W の DCスパッタによってスパッタターゲット 202から基板ホルダー 204に設置されたガ ラス基板 203に、金属チタン膜をスパッタ成膜する。成膜された金属チタン膜の膜厚 は 50nmであった。
[0029] ゲートバノレブ 206を介して、金属チタン膜が堆積されたガラス基板を真空容器 207 内の加熱ホルダー 208上に移動させる。加熱ホルダー 208によりガラス基板を加熱し 、ガス導入口 209から酸素ガスを導入し、金属チタンを酸化させることにより、光触媒 性を有するチタン酸化物でコーティングされたガラスが作製される。なお、酸素ガスに よる酸化に必要な基板温度は、本実施例では約 400°Cであった。本実施例では、真 空容器 201と真空容器 207がゲートバルブ 206を介して接続されていた力 同等の 機能を有するそれぞれ個別の容器で、金属堆積と酸化処理とを分けておこなうことで も作製可能である。
実施例 3
[0030] 本発明に関わる、チタン酸化物をガラス基板上に形成する方法の一実施例につい て説明する。なお、本実施例は上記実施例 2と比べて、酸化時に必要となる基板温 度が低減化されているものである。図 3に、本実施例に用いた成膜装置の原理図を 示す。図 3において、 301は真空容器、 302は金属チタンのスパッタターゲットであり 、スパッタ用 DC電源が接続されている。真空容器内に設置されたガラス基板 303が 基板ホルダー 304の上に設置されている。また、スパッタガス導入のためのガス導入 口 305が真空容器 301に備え付けられている。さらに、真空容器を封止するゲートバ ルブ 306を介して、酸化処理を行なう為の真空容器 307が備え付けられてあり、その 真空容器 307には、加熱ホルダー 308が取り付けられている。また、この真空容器 3 07に酸素ガスがフキシブルチューブ 309を通じて導入される。ガスは、マイクロ波キ ャビティ 310が取り付けられた石英管 311内でプラズマ状態になる。
[0031] 図 3の真空容器 301において、ガラス基板上に金属チタン膜をスパッタ成膜する。
この金属チタン膜のスパッタ成膜法は、実施例 2の真空容器 201内での処理と同様 であり成膜された金属チタン膜の膜厚は 50nmであった。この後、ゲートバルブ 306 を介して、金属チタン膜が堆積されたガラス基板を真空容器 307内の加熱ホルダー 308上に移動させる。加熱ホルダー 308によりガラス基板を加熱した後、フレキシブ ノレチューブ 309力ら、酸素ガス (0 )100sccmを石英管 311を通じて真空容器 307内
2
に導入する。酸素ガス導入によって真空容器 307内の真空度は lTorrとなる。
[0032] 石英管 311にマイクロ波キヤビティ 310を通じて 2. 45GHz、 100Wのマイクロ波を 導入し、酸素ガスをエネルギーの高いプラズマ状態とし、基板上に照射する。基板上 に照射された酸素プラズマ力 金属チタンを酸化させることにより、光触媒性を有する チタン酸化物でコーティングされたガラスが作製される。なお、酸素プラズマによる金 属チタンの酸化に必要な基板温度は、本実施例では約 300°Cであった。本実施例 では、真空容器 301と真空容器 307がゲートバルブ 306を介して接続されていたが、 同等の機能を有するそれぞれ個別の容器で、金属堆積と酸化処理とを分けておこな うことでも作製可能である。
実施例 4
[0033] 本発明に関わる、チタン酸化物をガラス基板上に形成する方法の一実施例につい て説明する。なお、本実施例は上記実施例 2および 3と比べて、酸化時に必要となる 基板温度がさらに低減化されているものである。なお、本実施例に用いた成膜装置 は、実施例 3と同一のものである。
[0034] 図 3の真空容器 301において、ガラス基板上に金属チタン膜をスパッタ成膜する。 この金属チタン膜のスパッタ成膜法は、実施例 2の真空容器 201内での処理と同様 であり成膜された金属チタン膜の膜厚は 50nmであった。この後、ゲートバルブ 306 を介して、金属チタン膜が堆積されたガラス基板を真空容器 307内の加熱ホルダー 308上に移動させる。加熱ホルダー 308によりガラス基板を加熱した後、フレキシブ ノレチューブ 309力、ら、クリプトン（Kr) +酸素（O )の混合ガスを 100 : 1の流量比で合 計 lOOsccmになるよう供給し、石英管 311を通じて真空容器 307内に導入する。混 合ガス導入によって真空容器 307内の真空度は lTorrとなる。
[0035] 石英管 311にマイクロ波キヤビティ 310を通じて 2. 45GHz, 100Wのマイクロ波を 導入し、クリプトンと酸素の混合プラズマを発生させる。プラズマエネルギーの大半を クリプトンが吸収し、その励起エネルギー（9. 92eV)をプラズマ内での衝突により酸 素へ渡すことにより、ほぼすべてが原子状酸素の状態にまで解離され、ガラス上の金 属チタンを酸化させる。なお、本実施例における金属チタンの酸化に必要な基板温 度は、約 200°Cであった。本実施例では、真空容器 301と真空容器 307がゲートバ ルブ 306を介して接続されていたが、同等の機能を有するそれぞれ個別の容器で、 金属堆積と酸化処理とを分けておこなうことでも作製可能である。
実施例 5
[0036] 本発明に関わる、酸化ハフニウムをシリコン基板上に形成する方法の一実施例に ついて説明する。なお、本実施例に用いた成膜装置は、実施例 3における図 3と同一 のものであるが、金属チタンのスパッタターゲット 302が金属ハフニウムのスパッタタ 一ゲットに、ガラス基板 303がシリコン基板に、それぞれ置き換えられているものであ る。
[0037] 図 3の装置において、ポンプ 100を用いて真空容器 301の真空度を 1 X 10"?Torr 以下に排気する。その後、ガス導入口 305からスパッタガスであるアルゴンを導入す る。その際の真空容器 301の真空度は 2 X 10— 3Torrであった。 DCスパッタによって 金属ハフニウムスパッタターゲット 302から基板ホルダー 304に設置されたシリコン基 板 303に、金属ハフニウム膜を成膜する。スパッタ電力を 30Wにした場合、成膜され た金属ハフニウム膜の膜厚は 3nmであった。
[0038] ゲートバルブ 306を介して、金属ハフニウム膜が堆積されたシリコン基板を真空容 器 307内の加熱ホルダー 308上に移動させる。カロ熱ホノレダー 308によりシリコン基板 を加熱した後、フレキシブルチューブ 309からクリプトン（Kr) +酸素（〇 )の混合ガ
2
スを 100 : 1の流量比で合計 lOOsccmになるよう供給し、石英管 311を通じて真空容 器 307内に導入する。混合ガス導入によって真空容器 307内の真空度は lTorrとな る。尚、クリプトンガスに代えてキセノンガスを用いてもよい。
[0039] 石英管 311にマイクロ波キヤビティ 310を通じて 2. 45GHz, 100Wのマイクロ波を 導入し、クリプトンと酸素の混合プラズマを発生させる。混合プラズマから得られる原 子状酸素がシリコン基板上の金属ハフニウムを酸化させる。なお、本実施例における 金属ハフニウムの酸化に必要な基板温度は、約 300°Cであり、形成された酸化ハフ 二ゥムの物理膜厚は約 6nm、酸化膜換算膜厚 (EOT)は約 1. 5nmであり、その結果 を図 4に示す。またこの場合の、 IVにおけるリーク電流密度として、 1 X 10— 8AZcm2 以下の値が得られた例を図 5に示す。さらに、酸化ハフニウム作成後に、窒素中 850 °C、 30分の高温ァニールを施しても、上記リーク電流密度の値が不変であったことを 図 6に示す。この結果により、本発明を用いて作成した酸化ハフニウム絶縁膜は、高 温耐性があり、次のプロセス、例えば不純物活性化のための高温ァニールのプロセ スを経ても、絶縁膜の劣化が起きないという特性を有していることがわかる。
[0040] 本実施例では、真空容器 301と真空容器 307がゲートバルブ 306を介して接続さ れていたが、同等の機能を有するそれぞれ個別の容器で、金属堆積と酸化処理とを 分けておこなうことでも作製可能である。
実施例 6
[0041] 本発明に関わる、酸化ジノレコニゥムをシリコン基板上に形成する方法の一実施例に ついて説明する。なお、本実施例に用いた成膜装置は、実施例 3における図 3と同一 のものであるが、金属チタンのスパッタターゲット 302が金属ジルコニウムのスパッタタ 一ゲットに、ガラス基板 303がシリコン基板に、それぞれ置き換えられているものであ る。
[0042] 図 3の装置において、ポンプ 100を用いて真空容器 301の真空度を 1 X 10"7Torr 以下に排気する。その後、ガス導入口 305からスパッタガスであるアルゴンを導入す る。その際の真空容器 301の真空度は 2 X 10— 3Torrであった。 DCスパッタによって 金属ジルコニウムスパッタターゲット 302から基板ホルダー 304に設置されたシリコン 基板 303に、金属ジノレコニゥム膜を成膜する。スパッタ電力が 50Wの場合、成膜され た金属ジルコニウム膜の膜厚は 4nmであった。
[0043] ゲートバノレブ 306を介して、金属ジルコニウム膜が堆積されたシリコン基板を真空 容器 307内の加熱ホルダー 308上に移動させる。カロ熱ホノレダー 308によりシリコン基 板を加熱した後、フレキシブルチューブ 309から、クリプトン ば +酸素（〇 )の混
2 合ガスを 100 : 1の流量比で合計 lOOsccmになるよう供給し、石英管 311を通じて真 空容器 307内に導入する。混合ガス導入によって真空容器 307内の真空度は lTor rとなる。尚、クリプトンガスに代えて、キセノンガスを用いてもよい。
[0044] 石英管 311にマイクロ波キヤビティ 310を通じて 2. 45GHz, 100Wのマイクロ波を 導入し、クリプトンと酸素の混合プラズマを発生させる。混合プラズマから得られる原 子状酸素がシリコン基板上の金属ジノレコニゥムを酸化させる。なお、本実施例におけ る金属ジルコニウムの酸化に必要な基板温度は、約 400°Cであり、形成された酸化 ジルコニウムの物理膜厚は約 8nm、酸化膜換算膜厚（EOT)は約 2nmであった。そ の結果を図 7に示す。また IVにおけるリーク電流密度として、 1 X 10— 8A/cm2以下 の値が得られた例を図 8に示す。本実施例では、真空容器 301と真空容器 307がゲ 一トバノレブ 306を介して接続されていたが、同等の機能を有するそれぞれ個別の容 器で、金属堆積と酸化処理とを分けておこなうことでも作製可能である。
なお酸化ハフニウム、酸化ジルコニウムをシリコン基板上に形成する方法について 、それぞれ説明したが、酸化ハフニウム、酸化ジノレコニゥム、酸化アルミニウムのそれ 等を組み合わせることもできることは勿論である。
実施例 7
[0045] 本発明に関わる、酸化アルミニウムをシリコン基板上に形成する方法の一実施例に ついて説明する。なお、本実施例に用いた成膜装置は、実施例 3における図 3と同一 のものであるが、金属チタンのスパッタターゲット 302が金属アルミニウムのスパッタタ 一ゲットに、ガラス基板 303がシリコン基板に、それぞれ置き換えられているものであ る。
[0046] 図 3の装置において、ポンプ 100を用いて真空容器 301の真空度を 1 X 10"7Torr 以下に排気する。その後、ガス導入口 305からスパッタガスであるアルゴンを導入す る。その際の真空容器 301の真空度は 2 X 10— 3Torrであった。 DCスパッタによって 金属アルミニウムスパッタターゲット 302から基板ホルダー 304に設置されたシリコン 基板 303に、金属アルミニウム膜を成膜する。スパッタ電力が 30Wの場合、成膜され た金属アルミニウム膜の膜厚は 2nmであった。
[0047] ゲートバノレブ 306を介して、金属アルミニウム膜が堆積されたシリコン基板を真空容 器 307内の加熱ホルダー 308上に移動させる。カロ熱ホノレダー 308によりシリコン基板 を加熱した後、フレキシブルチューブ 309から、クリプトン ば +酸素（〇 )の混合
2 ガスを 100 : 1の流量比で合計 lOOsccmになるよう供給し、石英管 311を通じて真空 容器 307内に導入する。混合ガス導入によって真空容器 307内の真空度は lTorrと なる。
[0048] 石英管 311にマイクロ波キヤビティ 310を通じて 2. 45GHz, 100Wのマイクロ波を 導入し、クリプトンと酸素との混合プラズマを発生させる。混合プラズマから得られる原 子状酸素がシリコン基板上の金属アルミニウムを酸化させる。なお、本実施例におけ る金属アルミニウムの酸化に必要な基板温度は、約 450°Cであり、形成された酸化ァ ノレミニゥムの物理膜厚は約 4nm、酸化膜換算膜厚（EOT)は約 2nmであり、 IVにお けるリーク電流密度として、 1 X 10— 7A/cm2以下の値が得られた例もある。本実施例 では、真空容器 301と真空容器 307がゲートバルブ 306を介して接続されていたが、 同等の機能を有するそれぞれ個別の容器で、金属堆積と酸化処理とを分けておこな うことでも作製可能である。なお、基板温度が約 250°Cにおいても、同様な効果が得 られている。
産業上の利用可能性
[0049] 以上のように、本発明に係わる絶縁膜形成方法により、半導体、特に MOSFETト ランジスターあるいはその集積回路におレ、て、極めて優れた絶縁膜を生成することが でき、それによつて、微細化がされ、集積回路の高集積化された電子デバイス、半導 体装置を提供できる。

Claims

請求の範囲
[1] 金属原子の酸化物を絶縁物として、任意の材料からなる半導体基板上に形成する 絶縁膜形成方法にぉレ、て、
1) 前記金属原子のみを前記任意の半導体基板上に金属膜として形成するステツ プと、
2) 前記金属膜を加熱するステップと、
3) 前記金属膜に酸素原子あるいは窒素原子を含むガスを供給するステップと、
4) 前記供給されたガスにより、前記任意の半導体基板上に形成された金属膜を酸 化あるいは窒化するステップ
とからなる絶縁膜形成方法。
[2] 金属原子の酸化物を絶縁物として、任意の材料からなる半導体基板上に形成する 絶縁膜形成方法にぉレ、て、
1) 前記金属原子のみを前記任意の半導体基板上に金属膜として形成するステツ プと、
2) 前記金属膜を 250°Cから 450°Cの温度に加熱するステップと、
3) 前記金属膜に不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスを気体プラズマ状態として供 給するステップと、
4) 前記供給された気体プラズマ状態の酸素ガスにより、前記任意の材料からなる 半導体基板上に形成された金属膜を酸化するステップ
とからなる絶縁膜形成方法。
[3] 前記不活性ガスが、クリプトンガスまたはキセノンガスであることを特徴とする請求項
2に記載の絶縁膜形成方法。
[4] 前記絶縁物が、ハフニウム、ジルコニウムまたはアルミニウムの酸化物の少なくとも いずれか一つを含むことを特徴とする請求項 2または 3に記載の絶縁膜形成方法。
[5] 請求項 1に記載の絶縁膜形成方法を用いて製作した電子デバイス。
[6] 請求項 2乃至 4のいずれか 1項に記載の絶縁膜形成方法を用いて製作した電子デ ノイス。
[7] 金属原子の酸化物を絶縁物として、任意の材料からなる半導体基板上に形成する 電子デバイス製造装置にぉレ、て、
1) 前記金属原子のみを前記任意の半導体基板上に金属膜として形成する手段と
2) 前記金属膜を 250°Cから 450°Cの温度に加熱する加熱手段と、
3) 前記金属膜に不活性ガスと酸素ガスとの混合ガスを気体プラズマ状態として供 給する手段と、
4) 前記供給された気体プラズマ状態の酸素ガスにより、前記任意の半導体基板上 に形成された金属膜を酸化する手段
とからなる電子デバイス製造装置。
[8] 前記不活性ガスが、クリプトンガスまたはキセノンガスであることを特徴とする請求項
7に記載の電子デバイス製造装置。
[9] 前記絶縁物が、ハフニウム、ジルコニウムまたはアルミニウムの酸化物の少なくとも いずれか一つを含むことを特徴とする請求項 7または 8に記載の電子デバイス製造装 置。
[10] 請求項 7乃至 9のいずれか 1項に記載の電子デバイス製造装置を用いて製作した 電子デバイス。
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