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JP2005191341A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2005191341A JP2003431910A JP2003431910A JP2005191341A JP 2005191341 A JP2005191341 A JP 2005191341A JP 2003431910 A JP2003431910 A JP 2003431910A JP 2003431910 A JP2003431910 A JP 2003431910A JP 2005191341 A JP2005191341 A JP 2005191341A
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芳弘 杉山
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Abstract

【課題】 ゲート絶縁膜としてヒステリシスが小さく、フラットバンド電圧の変化ΔVfbが小さな酸化物高誘電率絶縁膜を有する半導体装置を提供する。
【解決手段】 半導体装置は、シリコン基板と、前記シリコン基板表面に形成された酸化シリコン層と、前記酸化シリコン層上に形成された第1酸化物層、その上に形成された第2酸化物層、さらにその上に形成された第3酸化物層を含む高誘電率絶縁層であって、第1酸化物層と第3酸化物層は、第2酸化物層より小さい酸素の拡散係数を有する、高誘電率絶縁層と、前記高誘電率絶縁層上に形成されたゲート電極と、を有する。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having an oxide high dielectric constant insulating film having a small hysteresis and a small flat band voltage change ΔVfb as a gate insulating film.
A semiconductor device includes a silicon substrate, a silicon oxide layer formed on the surface of the silicon substrate, a first oxide layer formed on the silicon oxide layer, and a second oxide formed thereon. And a high dielectric constant insulating layer including a third oxide layer formed thereon, wherein the first oxide layer and the third oxide layer have a smaller oxygen diffusion coefficient than the second oxide layer. A high dielectric constant insulating layer, and a gate electrode formed on the high dielectric constant insulating layer.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、半導体装置とその製造方法に関し、特に高誘電率の絶縁膜を有する半導体装置とその製造方法に関する。     The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a high dielectric constant insulating film and a manufacturing method thereof.

半導体集積回路装置に用いられる代表的半導体素子として、MOSトランジスタを代表とする絶縁ゲート(IG)型電界効果トランジスタ(FET)が広く用いられている。半導体集積回路装置の高集積化のために、IG−FETはスケーリング則に従って微細化されてきた。微細化は、ゲート絶縁膜を薄くする、ゲート長を短くする、等IG−FETの各寸法を縮小し、微細化した素子の性能を正常に保ち、性能を向上することを可能とする。   As a typical semiconductor element used in a semiconductor integrated circuit device, an insulated gate (IG) field effect transistor (FET) typified by a MOS transistor is widely used. In order to achieve high integration of semiconductor integrated circuit devices, IG-FETs have been miniaturized according to scaling rules. Miniaturization makes it possible to reduce the dimensions of the IG-FET, such as reducing the thickness of the gate insulating film, shortening the gate length, etc., maintaining the performance of the miniaturized element normally, and improving the performance.

次世代のMOSトランジスタのゲート酸化膜の厚さは2nm以下に薄膜化することが要求される。この膜厚は直接トンネル電流が流れ始める厚さであり、ゲートリーク電流が増加し、消費電力が増大することになる。ゲート絶縁膜として酸化シリコンを用いる限り微細化に限界が生じる。ゲート絶縁膜を貫通するトンネル電流を抑制するためには、厚いゲート絶縁膜を用いることが望まれる。   The thickness of the gate oxide film of the next generation MOS transistor is required to be reduced to 2 nm or less. This film thickness is the thickness at which the tunnel current starts to flow directly, and the gate leakage current increases and the power consumption increases. As long as silicon oxide is used as the gate insulating film, there is a limit to miniaturization. In order to suppress a tunnel current passing through the gate insulating film, it is desirable to use a thick gate insulating film.

ゲート絶縁膜の酸化シリコン膜換算膜厚を2nm以下としつつ、物理的膜厚を増大させるため、酸化シリコンよりも誘電率の高い高誘電率絶縁材料をゲート絶縁膜に用いる提案がなされている。酸化シリコンの比誘電率は、成膜方法にもよるが、約3.5〜4.5(例えば3.9)と言われている。窒化シリコンは酸化シリコンより高い誘電率を有し、比誘電率は約7〜8(例えば7.5)と言われている。   In order to increase the physical film thickness while reducing the equivalent film thickness of the gate insulating film to 2 nm or less, a proposal has been made to use a high dielectric constant insulating material having a dielectric constant higher than that of silicon oxide for the gate insulating film. The relative dielectric constant of silicon oxide is said to be about 3.5 to 4.5 (for example, 3.9) depending on the film forming method. Silicon nitride has a higher dielectric constant than silicon oxide, and the relative dielectric constant is said to be about 7-8 (for example, 7.5).

特開2001−274378は、ゲート絶縁膜として、酸化シリコンより誘電率の高い、(比誘電率が200〜300の)チタン酸バリウム(Ba(Sr)TiO);(比誘電率が約60の)酸化チタン(TiO);(比誘電率が25近傍である)酸化タンタル(Ta)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ハフニウム(HfO);(比誘電率が約7.5の)窒化シリコン(Si);(比誘電率が約7.8の)アルミナ(Al)を用いることを提案している。また、これらの高誘電率絶縁材料膜とシリコン基板との間に酸化シリコン膜を介在させる構造も提案している。 JP 2001-274378 A has a dielectric constant higher than that of silicon oxide as a gate insulating film (barium titanate (Ba (Sr) TiO 3 ) having a relative dielectric constant of 200 to 300); ) Titanium oxide (TiO 2 ); (dielectric constant is around 25) Tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ); (dielectric constant is about 7.5) It is proposed to use silicon nitride (Si 3 N 4 ); alumina (Al 2 O 3 ) (with a relative dielectric constant of about 7.8). In addition, a structure in which a silicon oxide film is interposed between the high dielectric constant insulating material film and the silicon substrate is also proposed.

特開2001−274378号公報 IG−FETのゲート絶縁膜として誘電率の高い新たな材料を採用すると、新たな問題も生じる。酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムは高温処理により結晶化し、結晶粒界、欠陥準位を介した電気伝導により、リーク電流が増加する。新たな材料の実用化を促進するためには、新たな問題を解決することが望まれる。JP, 2001-274378, A When a new material with a high dielectric constant is adopted as a gate insulating film of IG-FET, a new problem will also arise. Zirconium oxide and hafnium oxide are crystallized by high-temperature treatment, and leakage current increases due to electric conduction through crystal grain boundaries and defect levels. In order to promote the practical application of new materials, it is desirable to solve new problems.

特開2001−77111は、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムに酸化アルミニウムを添加することにより、結晶構造の形成を阻害し、アモルファス相を維持させることを提案する。   Japanese Patent Laid-Open No. 2001-77111 proposes that the addition of aluminum oxide to zirconium oxide or hafnium oxide inhibits the formation of a crystal structure and maintains an amorphous phase.

特開2003−8011は、酸化ハフニウムに酸化シリコンを添加することにより、熱的安定性を増加させることを提案する。   JP 2003-8011 proposes to increase the thermal stability by adding silicon oxide to hafnium oxide.

特開2001−77111号公報JP 2001-77111 A 特開2003−8011号公報JP 2003-8011 A

特開2003−23005は、シリコン基板上に金属酸化膜からなる高誘電率材料(High-k材料)層を成膜すると、金属酸化膜とシリコン基板の界面にシリコン酸化物層が形成され、有効な誘電率が低下してしまうことを指摘し、金属酸化膜形成前に酸素の代わりに水素を流すことを提案する。   In Japanese Patent Laid-Open No. 2003-23005, when a high dielectric constant material (High-k material) layer made of a metal oxide film is formed on a silicon substrate, a silicon oxide layer is formed at the interface between the metal oxide film and the silicon substrate. It is pointed out that the dielectric constant is lowered, and it is proposed to flow hydrogen instead of oxygen before forming the metal oxide film.

特開2002−359370は、ゲート電極からシリコン基板への不純物拡散やゲート絶縁膜からゲート電極あるいはシリコン基板への金属元素や酸素の拡散を抑制するため、高誘電率ゲート絶縁膜の両面に窒素原子層を形成することを提案する。
特開2003−23005号公報 特開2002−359370号公報
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-359370 discloses nitrogen atoms on both surfaces of a high dielectric constant gate insulating film in order to suppress impurity diffusion from the gate electrode to the silicon substrate and diffusion of metal elements and oxygen from the gate insulating film to the gate electrode or silicon substrate. It is proposed to form a layer.
JP 2003-23005 A JP 2002-359370 A

本発明の目的は、酸化シリコンより誘電率の高い高誘電率絶縁材料を用いたゲート絶縁膜を有する半導体装置を提供することである。
本発明の他の目的は、酸化シリコンより誘電率の高い高誘電率絶縁材料をゲート絶縁膜として形成することのできる半導体装置の製造方法を提供することである。
An object of the present invention is to provide a semiconductor device having a gate insulating film using a high dielectric constant insulating material having a dielectric constant higher than that of silicon oxide.
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device, in which a high dielectric constant insulating material having a dielectric constant higher than that of silicon oxide can be formed as a gate insulating film.

本発明のさらに他の目的は、フラットバンド電圧の変化とヒステリシスを低減した高誘電率酸化物膜をゲート絶縁膜として用いた半導体装置を提供することである。
本発明の他の目的は、ゲート絶縁膜としてフラットバンド電圧の変化とヒステリシスを低減した高誘電率酸化物膜を形成することのできる半導体装置の製造方法を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a semiconductor device using a high dielectric constant oxide film with reduced flat band voltage change and hysteresis as a gate insulating film.
Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of forming a high dielectric constant oxide film with reduced flat band voltage change and hysteresis as a gate insulating film.

本発明の1観点によれば、シリコン基板と、前記シリコン基板表面に形成された酸化シリコン層と、前記酸化シリコン層上に形成された第1酸化物層、その上に形成された第2酸化物層、さらにその上に形成された第3酸化物層を含む高誘電率絶縁層であって、第1酸化物層と第3酸化物層は、第2酸化物層より小さい酸素の拡散係数を有する、高誘電率絶縁層と、前記高誘電率絶縁層上に酸化可能物質で形成されたゲート電極と、を有する半導体装置が提供される。   According to one aspect of the present invention, a silicon substrate, a silicon oxide layer formed on the surface of the silicon substrate, a first oxide layer formed on the silicon oxide layer, and a second oxide formed thereon A high dielectric constant insulating layer including a physical layer and a third oxide layer formed thereon, wherein the first oxide layer and the third oxide layer have a smaller oxygen diffusion coefficient than the second oxide layer There is provided a semiconductor device having a high dielectric constant insulating layer and a gate electrode formed of an oxidizable material on the high dielectric constant insulating layer.

本発明の他の観点によれば、(a)シリコン基板表面の自然酸化膜をウエットエッチングで除去する工程と、(b)自然酸化膜を除去したシリコン基板表面に化学処理により下地酸化シリコン層を形成する工程と、(c)下地酸化シリコン層の上に、第1の酸素供給率で第1高誘電率酸化物層をCVDで形成する工程と、(d)前記第1高誘電率酸化物層の上に、前記第1の酸素供給率より高い第2の酸素供給率で第2高誘電率酸化物層をCVDで形成する工程と、(e)前記第2高誘電率酸化物層の上に、前記第2の酸素供給率より低い第3の酸素供給率で第3高誘電率酸化物層をCVDで形成する工程と、(f)前記第3高誘電率酸化物層の上に酸化可能材料でゲート電極を形成する工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。   According to another aspect of the present invention, (a) a step of removing the natural oxide film on the surface of the silicon substrate by wet etching, and (b) a base silicon oxide layer is formed on the silicon substrate surface from which the natural oxide film has been removed by chemical treatment. And (c) forming a first high dielectric constant oxide layer by CVD on the underlying silicon oxide layer at a first oxygen supply rate, and (d) the first high dielectric constant oxide. Forming a second high dielectric constant oxide layer by CVD on the layer at a second oxygen supply rate higher than the first oxygen supply rate; and (e) the second high dielectric constant oxide layer Forming a third high dielectric constant oxide layer by CVD at a third oxygen supply rate lower than the second oxygen supply rate; and (f) on the third high dielectric constant oxide layer. Forming a gate electrode with an oxidizable material.

下地酸化シリコン層上に、酸化シリコンより誘電率の高い高誘電率絶縁膜を、熱CVDで成膜する際、成膜ガス中の酸素量を成長初期と成長終期で抑制し、成長中間期では十分量の酸素を供給すると、フラットバンド電圧の変化が減少し、ヒステリシスの少ないゲート絶縁膜を形成できることが見出された。   When a high dielectric constant insulating film having a dielectric constant higher than that of silicon oxide is formed on the underlying silicon oxide layer by thermal CVD, the amount of oxygen in the deposition gas is suppressed at the initial growth stage and the final growth stage. It has been found that when a sufficient amount of oxygen is supplied, the change in the flat band voltage is reduced and a gate insulating film with little hysteresis can be formed.

フラットバンド電圧は、固定電荷に応じて変化し、ヒステリシスはトラップ準位に応じて変化すると言われている。成長初期と終期では、成膜ガス中の酸素供給量を抑制することにより、高誘電率絶縁層と隣接層との界面に反応層が形成されて固定電荷が生じることを抑制し、成長の中間期に酸素を十分量供給することにより、膜中にトラップ準位が形成されることを抑制し、ヒステリシスが少なくなったと考えられる。   The flat band voltage is said to change according to the fixed charge, and the hysteresis is said to change according to the trap level. In the initial and final stages of growth, by suppressing the amount of oxygen supplied in the deposition gas, a reaction layer is formed at the interface between the high-dielectric-constant insulating layer and the adjacent layer, and fixed charges are generated. It is considered that by supplying a sufficient amount of oxygen during the period, the formation of trap levels in the film was suppressed and the hysteresis was reduced.

酸化ハフニウム(ハフニア)は、酸化シリコンより数倍から十数倍高い誘電率を示し得る絶縁体であり、IG−FETのゲート絶縁膜として高い可能性を有する。酸化ハフニウムは結晶化し易い物質であり、薄く均一な厚さを有する緻密な膜を形成することは容易でない。シリコン基板上に酸化ハフニウムのみでゲート絶縁膜を形成すると、リークの多い結晶性絶縁膜が形成されやすい。   Hafnium oxide (hafnia) is an insulator that can exhibit a dielectric constant several to ten times higher than that of silicon oxide, and has a high possibility as a gate insulating film of an IG-FET. Hafnium oxide is a substance that easily crystallizes, and it is not easy to form a thin and dense film having a uniform thickness. When a gate insulating film is formed using only hafnium oxide on a silicon substrate, a crystalline insulating film with a lot of leakage is easily formed.

酸化ハフニウム(HfO)に酸化アルミニウム(アルミナ〉(Al)を混ぜると結晶化を抑制することができる。結晶化が抑制されるとリーク電流は低減する。酸化アルミニウムは、酸化ハフニウムより低い誘電率を有する。なるべく高い誘電率を得るためには、酸化ハフニウムに混合する酸化アルミニウムの量はHf1−xAlO(0<x<0.3)に制限することが好ましい。結晶化抑制の目的からは、Hf1−xAlO(0.1<x<0.3)が好ましい。 When hafnium oxide (HfO 2 ) is mixed with aluminum oxide (alumina) (Al 2 O 3 ), crystallization can be suppressed, and when crystallization is suppressed, leakage current is reduced. In order to obtain a dielectric constant as high as possible, the amount of aluminum oxide mixed with hafnium oxide is preferably limited to Hf 1-x Al x O (0 <x <0.3). Hf 1-x Al x O (0.1 <x <0.3) is preferable for the purpose of suppressing the oxidation.

このような高誘電率絶縁膜を、基板に悪影響を与えず、良好な膜質で形成できる方法として熱化学気相堆積(CVD)がある。
熱CVDでHfAlO膜を形成すると、フラットバンド電圧が物質そのものの物性から求められる値(理想値)からずれてしまう。フラットバンド電圧の変化は、固定電荷によるものと考えられる。例えば、シリコン基板表面上に限られた厚さの酸化シリコン層を形成し、その上に十分量の酸素を供給して高品質のHfAlO膜を成膜すると、下地の酸化シリコン層ないし反応層が不要に成長する。この反応層に固定電荷が存在しており、フラットバンド電圧をシフトさせると考えられる。HfAlO膜の上に多結晶シリコン層のゲート電極を形成すると、HfAlO膜と多結晶シリコン層との界面にも酸化シリコン層ないし反応層が成長し、固定電荷を発生させると考えられる。
Thermal chemical vapor deposition (CVD) is a method by which such a high dielectric constant insulating film can be formed with good film quality without adversely affecting the substrate.
When the HfAlO film is formed by thermal CVD, the flat band voltage deviates from the value (ideal value) obtained from the physical properties of the substance itself. The change in the flat band voltage is considered to be due to a fixed charge. For example, when a silicon oxide layer having a limited thickness is formed on the surface of a silicon substrate and a sufficient amount of oxygen is supplied thereon to form a high quality HfAlO film, the underlying silicon oxide layer or reaction layer is formed. Grows unnecessarily. A fixed charge is present in the reaction layer, which is thought to shift the flat band voltage. When a gate electrode of a polycrystalline silicon layer is formed on the HfAlO film, it is considered that a silicon oxide layer or a reaction layer grows also at the interface between the HfAlO film and the polycrystalline silicon layer to generate a fixed charge.

HfAlO膜成膜中の酸素供給量を極力抑制すると、反応層の形成を抑制し、固定電荷の発生を抑制することができる。この場合、成長したHfAlO膜は酸素欠損の状態となり、トラップが発生し、容量(C)対電圧(V)の関係にヒステリシスを発生させてしまうと考えられる。   When the amount of oxygen supply during the formation of the HfAlO film is suppressed as much as possible, formation of the reaction layer can be suppressed and generation of fixed charges can be suppressed. In this case, it is considered that the grown HfAlO film is in an oxygen deficient state, traps are generated, and hysteresis is generated in the relationship between capacitance (C) and voltage (V).

本発明者は、上記2種類のHfAlO膜の利点を併せ持ち、両者の欠点を互いに補う構成を検討した。ヒステリシスを抑制するには、酸素供給量を十分として高誘電率酸化物層を堆積するのがよい。フラットバンド電圧の変化量が小さな高誘電率絶縁膜を形成するには高誘電率絶縁層から隣接層との界面への酸素などの拡散を抑制するのがよい。拡散を抑制するには酸素濃度の低いHfAlO膜が有効である。AlO膜は、酸素の拡散係数が低く、さらに有効であろう。Al濃度の高いHfAlOもAl濃度の低いHfAlOより酸素の拡散防止に有効であろう。以下、本発明者の行なった実験に沿って説明する。   The present inventor has studied a configuration that has the advantages of the above two types of HfAlO films and compensates for the disadvantages of both. In order to suppress the hysteresis, it is preferable to deposit a high dielectric constant oxide layer with a sufficient oxygen supply amount. In order to form a high dielectric constant insulating film with a small amount of change in flat band voltage, it is preferable to suppress diffusion of oxygen or the like from the high dielectric constant insulating layer to the interface with the adjacent layer. An HfAlO film having a low oxygen concentration is effective for suppressing diffusion. An AlO film will have a low oxygen diffusion coefficient and will be more effective. HfAlO with a high Al concentration will also be more effective in preventing oxygen diffusion than HfAlO with a low Al concentration. In the following, description will be made along with experiments conducted by the present inventors.

図1Aに示すように、シリコン基板1の表面を硫酸過酸化水素(SPM)で洗浄した。シリコン基板1表面には自然酸化膜2が形成されている。自然酸化膜2表面に付着している有機汚染が洗浄される。   As shown in FIG. 1A, the surface of the silicon substrate 1 was cleaned with sulfuric acid hydrogen peroxide (SPM). A natural oxide film 2 is formed on the surface of the silicon substrate 1. Organic contamination adhering to the surface of the natural oxide film 2 is cleaned.

図1Bに示すように、シリコン基板を純水で10分間流水洗浄した。硫酸過酸化水素洗浄の残さが純水によってリンスされる。
図1Cに示すように、希HF水溶液にシリコン基板1を浸し、シリコン基板表面の自然酸化膜2を除去した。
As shown in FIG. 1B, the silicon substrate was washed with pure water for 10 minutes. The residue of the sulfuric acid hydrogen peroxide cleaning is rinsed with pure water.
As shown in FIG. 1C, the silicon substrate 1 was immersed in a dilute HF aqueous solution, and the natural oxide film 2 on the surface of the silicon substrate was removed.

図1Dに示すように、シリコン基板を純水で10分間流水洗浄した。HF+HOの酸化膜除去工程の残さが純水によってリンスされる。
図1Eに示すように、シリコン基板をSC2(塩酸過酸化水素水)洗浄し、シリコン表面にSC2によるケミカルオキサイド膜3を厚さ約0.3nm形成した。自然酸化膜2より清浄な薄い酸化シリコン膜3が形成される。シリコン表面が露出して撥水性になった表面に酸化シリコン膜が形成されることにより、表面が親水性になり、ウォーターマークの発生も防止される。
As shown in FIG. 1D, the silicon substrate was washed with running pure water for 10 minutes. The remainder of the HF + H 2 O oxide film removal step is rinsed with pure water.
As shown in FIG. 1E, the silicon substrate was washed with SC2 (hydrochloric acid hydrogen peroxide solution), and a chemical oxide film 3 made of SC2 was formed on the silicon surface to a thickness of about 0.3 nm. A thin silicon oxide film 3 that is cleaner than the natural oxide film 2 is formed. By forming the silicon oxide film on the surface that is exposed to water and becomes water-repellent, the surface becomes hydrophilic and the generation of watermarks is prevented.

図1Fに示すように、シリコン基板を純水で10分間流水洗浄した。SC2による酸化シリコン膜形成工程の残さが純水によってリンスされる。続いて、熱乾燥(窒素雰囲気)により、基板表面を乾燥した。この工程までは全サンプルに共通である。その後、シリコン基板をCVD成膜装置に搬入した。次の図1Gの工程の説明に先立ち、CVD成膜装置の1実施形態を説明する。   As shown in FIG. 1F, the silicon substrate was washed with running pure water for 10 minutes. The remainder of the silicon oxide film formation step by SC2 is rinsed with pure water. Subsequently, the substrate surface was dried by thermal drying (nitrogen atmosphere). This process is common to all samples. Thereafter, the silicon substrate was carried into a CVD film forming apparatus. Prior to the description of the next step of FIG. 1G, an embodiment of a CVD film forming apparatus will be described.

図2は、熱CVD成膜装置の構成を概略的に示す。反応室6の中にシャワーヘッド8が配置され、シャワーヘッド8の下方にヒータHを備えたサセプタ7が配置されている。シャワーヘッド8には、独立した配管9A,9Bが設けられている。配管9Aには、マスフローコントローラMFCを介して、ハフニウムソースガスバブラ10a、アルミニウムソースガスバブラ10b、窒素ガス供給管10c、酸素ガス供給管10dが接続されている。ハフニウムソースガスバブラ10aは、窒素ガスをバブリングガスとし、テトラキスジメチルアミノハフニウム(Hf[N(CH)を収容している。アルミニウムソースガスバブラ10bは、窒素ガスをバブリングガスとし、トリターシャリブチルアルミニウム(Al(t−Cを収容している。 FIG. 2 schematically shows the configuration of a thermal CVD film forming apparatus. A shower head 8 is disposed in the reaction chamber 6, and a susceptor 7 having a heater H is disposed below the shower head 8. The shower head 8 is provided with independent pipes 9A and 9B. A hafnium source gas bubbler 10a, an aluminum source gas bubbler 10b, a nitrogen gas supply pipe 10c, and an oxygen gas supply pipe 10d are connected to the pipe 9A via a mass flow controller MFC. The hafnium source gas bubbler 10a contains nitrogen gas as a bubbling gas and contains tetrakisdimethylaminohafnium (Hf [N (CH 3 ) 2 ] 4 ). The aluminum source gas bubbler 10b contains nitrogen gas as a bubbling gas and contains tritertiary butyl aluminum (Al (t-C 4 H 9 ) 3 .

マスフローコントローラMFCは、Hf、Alの原料ガス、窒素ガス、酸素ガスを所定流量で供給する。この成膜ガスが配管9Aからシャワーヘッド8を介してサセプタ7上に供給される。シャワーヘッド8には他の配管9Bも接続されており、独立に他の成膜ガスを供給することもできる。サセプタ7は、500℃に保たれ、その上に載置されるシリコンウエハ1も500℃になる。   The mass flow controller MFC supplies Hf, Al source gas, nitrogen gas, and oxygen gas at a predetermined flow rate. This film forming gas is supplied onto the susceptor 7 from the pipe 9 </ b> A via the shower head 8. Other piping 9B is also connected to the shower head 8, and other film-forming gas can also be supplied independently. The susceptor 7 is kept at 500 ° C., and the silicon wafer 1 placed thereon is also 500 ° C.

図1Gに示すように、シリコン基板1のケミカルオキサイド膜3の上に、基板温度500℃、雰囲気圧力65Pa、総流量1100sccmの熱CVDによって、厚さ0.5nmのAlO膜4a、その上に厚さ2.5nmのHfAlO膜4b、その上に厚さ0.5nmのAlO膜4cを積層し、積層構造の高誘電率絶縁膜4を成膜した。次の図1Hの比較サンプルを説明する前に、1実施形態として得られた各サンプルの成膜ガスについて説明する。   As shown in FIG. 1G, an AlO film 4a having a thickness of 0.5 nm is formed on the chemical oxide film 3 of the silicon substrate 1 by thermal CVD at a substrate temperature of 500 ° C., an atmospheric pressure of 65 Pa, and a total flow rate of 1100 sccm. A 2.5-nm thick HfAlO film 4b and a 0.5-nm thick AlO film 4c were stacked thereon to form a high dielectric constant insulating film 4 having a stacked structure. Before describing the next comparative sample of FIG. 1H, the film forming gas of each sample obtained as one embodiment will be described.

図2Bは、各サンプルの高誘電率絶縁層堆積時の成膜ガスの流量比を示す表である。酸化シリコン膜3の上にAlO膜4aを成膜する時のソースガスは、(Al(t−Cをバブリングして含んだ300sccmの窒素ガスと、30sccmの酸素ガスと、残部(770sccm)の窒素ガスであり、総流量は1100sccmである。酸素ガス30sccmは、酸化物層を成長するための最小限の流量とも言える量である。極めて酸素の乏しい条件で、AlO膜4aが成膜される。 FIG. 2B is a table showing the flow rate ratio of the deposition gas when depositing the high dielectric constant insulating layer of each sample. The source gas for forming the AlO film 4a on the silicon oxide film 3 is 300 sccm nitrogen gas containing (Al (t-C 4 H 9 ) 3 bubbling), 30 sccm oxygen gas, and the balance (770 sccm) of nitrogen gas, the total flow rate is 1100 sccm, and the oxygen gas 30 sccm is a minimum flow rate for growing an oxide layer. A film is formed.

AlO膜4aの上に、HfAlO膜を成膜する時のソースガスは、(Hf[N(CH)をバブリングして含んだ300sccmの窒素ガスと、(Al(t−Cをバブリングして含んだ30sccmの窒素ガスと、100sccmの酸素ガスと、残部(670sccm)の窒素ガスである。総流量は同じ1100sccmである。HfAlOの組成としては、Hf0.8Al0.2Oを作成した。100sccmの酸素は酸素欠損を防止するのに十分な量の酸素であり、十分な酸素濃度が付与される。 The source gas for forming the HfAlO film on the AlO film 4a is 300 sccm of nitrogen gas containing (Hf [N (CH 3 ) 2 ] 4 ) and (Al (t-C 4). 30 sccm of nitrogen gas bubbling H 9 ) 3 , 100 sccm of oxygen gas, and the remainder (670 sccm) of nitrogen gas, the total flow rate is the same 1100 sccm, and the composition of HfAlO is Hf 0.8 Al 0.2 O was prepared, and 100 sccm of oxygen is a sufficient amount of oxygen to prevent oxygen deficiency and a sufficient oxygen concentration is imparted.

HfAlO膜4bの上に、AlO膜4cを成膜する時のソースガスは、AlO膜4a成膜時と同様、(Al(t−Cをバブリングした300sccmの窒素ガスと、30sccmの酸素ガスと、残部(770sccm)の窒素ガス(総流量は1100sccm)である。 The source gas for forming the AlO film 4c on the HfAlO film 4b is the same as that for forming the AlO film 4a, that is, 300 sccm of nitrogen gas obtained by bubbling (Al (t-C 4 H 9 ) 3 , and 30 sccm. Oxygen gas and the remainder (770 sccm) of nitrogen gas (total flow rate is 1100 sccm).

図1Gを再び参照し、十分な酸素を供給されて成膜されたHfAlO膜4bの上下を、酸素供給量を著しく低下した条件で成膜したAlO膜4a、4cが挟んで、全体として積層高誘電率絶縁膜4を形成している。ケミカルオキサイド膜3と積層高誘電率絶縁膜4とが、複合絶縁膜5を形成する。絶縁膜5の上にドープしたシリコン膜を形成し、絶縁ゲート電極を作成することができる。   Referring again to FIG. 1G, the upper and lower sides of the HfAlO film 4b formed by supplying sufficient oxygen are sandwiched by the AlO films 4a and 4c formed under the condition that the oxygen supply amount is significantly reduced. A dielectric constant insulating film 4 is formed. The chemical oxide film 3 and the laminated high dielectric constant insulating film 4 form a composite insulating film 5. An insulating gate electrode can be formed by forming a doped silicon film on the insulating film 5.

図1Hに示すように、ケミカルオキサイド膜3の上に、基板温度500℃、雰囲気圧力65Pa、総流量1100sccmの熱CVDにより、単層のHfAlO膜4を成膜した比較サンプルも作成した。十分量の酸素を供給した場合(HfAlO膜4x)と酸素供給量を極力制限した場合(HfAlO膜4y)を作成した。   As shown in FIG. 1H, a comparative sample in which a single-layer HfAlO film 4 was formed on the chemical oxide film 3 by thermal CVD at a substrate temperature of 500 ° C., an atmospheric pressure of 65 Pa, and a total flow rate of 1100 sccm was also prepared. A case where a sufficient amount of oxygen was supplied (HfAlO film 4x) and a case where the oxygen supply amount was limited as much as possible (HfAlO film 4y) were prepared.

HfAlO膜4xは、HfAlO膜4bと同様の、(Hf[N(CH)をバブリングして含んだ300sccmの窒素ガスと、(Al(t−Cをバブリングして含んだ30sccmの窒素ガスと、100sccmの酸素ガスと、残部(670sccm)の窒素ガスを用いて、全厚さ3.5nmを成膜した。酸素供給量が十分な条件である。 The HfAlO film 4x is similar to the HfAlO film 4b by bubbling 300 sccm of nitrogen gas containing (Hf [N (CH 3 ) 2 ] 4 ) and (Al (t-C 4 H 9 ) 3 ). A total thickness of 3.5 nm was formed using 30 sccm of nitrogen gas, 100 sccm of oxygen gas, and the remaining (670 sccm) of nitrogen gas, with sufficient oxygen supply.

HfAlO膜4yは、(Hf[N(CH)をバブリングして含んだ300sccmの窒素ガスと、(Al(t−Cをバブリングした30sccmの窒素ガスと、30sccmの酸素ガスと、残部(740sccm)の窒素ガスを用いて、全厚さ3.5nmを成膜した。酸素供給量が著しく低下した条件である。 The HfAlO film 4y includes a 300 sccm nitrogen gas containing (Hf [N (CH 3 ) 2 ] 4 ), a 30 sccm nitrogen gas containing (Al (t-C 4 H 9 ) 3 , and 30 sccm. A total thickness of 3.5 nm was formed using the remaining oxygen gas and the remainder (740 sccm) of nitrogen gas under the condition that the oxygen supply amount was significantly reduced.

高誘電率絶縁層4を成膜した後、窒素雰囲気中800℃、30秒間のポストデポアニーリングを行い、その後シランを原料とした低圧CVD(LPCVD)によりドープした多結晶シリコン層を堆積し、MOSダイオード構造を形成した。多結晶シリコン層の代わりに、シリサイド層、又はTi,W,Alを含むメタルゲート構造としてもよく、該ゲート電極と接するコンタクトプラグとの接触抵抗を下げる材料を選択できる。   After the high dielectric constant insulating layer 4 is formed, post-deposition annealing is performed in a nitrogen atmosphere at 800 ° C. for 30 seconds, and then a polycrystalline silicon layer doped by low pressure CVD (LPCVD) using silane as a raw material is deposited, and MOS A diode structure was formed. Instead of the polycrystalline silicon layer, a silicide layer or a metal gate structure containing Ti, W, and Al may be used, and a material that lowers the contact resistance with the contact plug in contact with the gate electrode can be selected.

図3A,3B,3Cは、これら3種類のサンプルを用いたMOSダイオード構造を作成し、CV測定を行った結果を示す。図3Aは、十分な酸素供給(100sccm)の下でHfAlO膜4xを成長したサンプルSxであり、ヒステリシスは約−3.5mVと非常に小さい。但し、フラットバンド電圧のシフト量は約0.65Vと大きい。図3Bは、酸素供給量を非常に低く(30sccm)して成長したHfAlO膜4yのサンプルSyであり、ヒステリシスが約−56mVと非常に大きい。フラットバンド電圧のシフト量は約0.57Vまで低減している。図3Cは、積層高誘電体膜4のサンプルSoであり、ヒステリシスは約−26mV程度で許容範囲内である。フラットバンド電圧のシフト量は0.57V程度と小さい。   3A, 3B, and 3C show the results of making a MOS diode structure using these three types of samples and performing CV measurement. FIG. 3A shows a sample Sx obtained by growing the HfAlO film 4x under a sufficient oxygen supply (100 sccm), and the hysteresis is very small as about −3.5 mV. However, the shift amount of the flat band voltage is as large as about 0.65V. FIG. 3B shows a sample Sy of the HfAlO film 4y grown with a very low oxygen supply amount (30 sccm), and the hysteresis is very large at about −56 mV. The shift amount of the flat band voltage is reduced to about 0.57V. FIG. 3C is a sample So of the laminated high dielectric film 4, and the hysteresis is about −26 mV and within the allowable range. The shift amount of the flat band voltage is as small as about 0.57V.

図4は、これらの結果をまとめて示す。横軸がフラットバンド電圧のシフト量ΔVfbを単位Vで示し、縦軸がヒステリシスを単位mVで示す。左上側ほど優れた特性である。比較サンプルSx,Syと較べて、サンプルSoの特性が優れていることが明瞭である。   FIG. 4 summarizes these results. The horizontal axis indicates the shift amount ΔVfb of the flat band voltage in the unit V, and the vertical axis indicates the hysteresis in the unit mV. The upper left is better. It is clear that the characteristics of the sample So are superior as compared with the comparative samples Sx and Sy.

比較サンプルSxにおいては、十分な酸素が供給されたため、膜中の酸素欠損は起きていないが、下地酸化シリコン膜3および多結晶シリコンゲート電極との界面に酸素が供給され、反応層が生じ、固定電荷が発生したと考えられる。   In the comparative sample Sx, since sufficient oxygen was supplied, no oxygen deficiency occurred in the film, but oxygen was supplied to the interface between the underlying silicon oxide film 3 and the polycrystalline silicon gate electrode, and a reaction layer was generated. It is thought that a fixed charge was generated.

比較サンプルSyにおいては、酸素供給量を著しく下げて成膜したため、下地酸化シリコン膜、多結晶シリコンゲート電極との界面への酸素供給量は抑制され、反応層の形成、従って固定電荷の発生が抑制されて、フラットバンド電圧のシフト量は低くなっている。しかし、酸素供給量が著しく少ないため酸素欠損が起き、トラップが増加していると考えられる。   In the comparative sample Sy, the film was formed by significantly reducing the oxygen supply amount, so that the oxygen supply amount to the interface with the underlying silicon oxide film and the polycrystalline silicon gate electrode was suppressed, and the formation of the reaction layer and hence the generation of fixed charges was suppressed. As a result, the shift amount of the flat band voltage is reduced. However, since oxygen supply is extremely small, oxygen deficiency occurs and traps are considered to increase.

積層サンプルSoにおいては、(再び図1Gを参照して)高誘電率絶縁層の表面部を酸素の拡散係数がHfAlOより小さなAlO膜で形成した。酸素の拡散係数が小さなAlO膜で挟まれたHfAlO膜から酸素が外側に拡散することは抑制される。さらに、AlO膜4a、4c成膜時は、酸素供給量が低くされている。比較サンプルSy同様酸素供給量が低いので、下地酸化シリコン層、多結晶シリコン層との界面に供給される酸素を抑制すると考えられる。AlO膜4aが先に形成されるので、HfAlO膜4b成膜時に十分量の酸素を供給してもその酸素が下地酸化シリコン層やその後形成される多結晶シリコン層との界面に供給されることを抑制すると考えられる。反応層の形成を抑制してフラットバンド電圧の変化を抑制するであろう。高誘電率絶縁膜の主要部分であるHfAlO膜は十分な酸素を供給して成膜されるので、トラップは少なく、ヒステリシスが抑制されるのであろう。このようにして、ポリシリコン層の様にゲート電極構造製作中の条件によっては酸化を生じるゲート電極材料を用いることができるため、半導体装置構造設計の許容度が上がる。なお、酸素の拡散係数は、酸素濃度の高低には依存しない。   In the laminated sample So (see FIG. 1G again), the surface portion of the high dielectric constant insulating layer was formed of an AlO film having an oxygen diffusion coefficient smaller than that of HfAlO. Oxygen diffusion from the HfAlO film sandwiched between AlO films having a small oxygen diffusion coefficient is suppressed. Further, when the AlO films 4a and 4c are formed, the oxygen supply amount is set low. Like the comparative sample Sy, since the oxygen supply amount is low, it is considered that oxygen supplied to the interface with the underlying silicon oxide layer and the polycrystalline silicon layer is suppressed. Since the AlO film 4a is formed first, even if a sufficient amount of oxygen is supplied during the formation of the HfAlO film 4b, the oxygen is supplied to the interface with the underlying silicon oxide layer and the subsequently formed polycrystalline silicon layer. It is thought to suppress It will suppress the formation of the reaction layer and suppress changes in the flat band voltage. Since the HfAlO film, which is the main part of the high dielectric constant insulating film, is formed by supplying sufficient oxygen, there will be few traps and hysteresis will be suppressed. In this way, the gate electrode material that causes oxidation can be used depending on the conditions during the fabrication of the gate electrode structure, such as a polysilicon layer, thereby increasing the tolerance of the semiconductor device structure design. The oxygen diffusion coefficient does not depend on the oxygen concentration.

酸化物の高誘電率絶縁膜を中央部と両側表面部とに分け、中央部は十分な酸素を供給してトラップの少ない良好な膜質とし、両表面部は組成を選択して酸素の拡散係数の低い膜にし、成膜時の酸素供給量を低くすることにより、反応層の形成を抑制して固定電荷の発生を抑制することにより、フラットバンド電圧のシフト量が小さく、ヒステリシスも小さい酸化物高誘電率絶縁膜を形成することができたと考えられる。   The oxide high dielectric constant insulating film is divided into a central part and both side surface parts, and the central part supplies sufficient oxygen for good film quality with few traps, and both surface parts have a composition to select the oxygen diffusion coefficient. An oxide with low flat band voltage shift and low hysteresis by suppressing the formation of the reaction layer and suppressing the generation of fixed charges by reducing the oxygen supply amount during film formation It is considered that a high dielectric constant insulating film could be formed.

酸化物高誘電率絶縁層の下地として、シリコン基板上にケミカルオキサイドによる酸化シリコン層を形成する場合を説明したが、その表面を窒化してもよいであろう。他の方法で窒素を導入してもよい。又、薄い酸化シリコン層を形成する方法もSC2洗浄に限らない。   Although the case where a silicon oxide layer made of chemical oxide is formed on a silicon substrate as the base of the oxide high dielectric constant insulating layer has been described, the surface thereof may be nitrided. Nitrogen may be introduced by other methods. Further, the method of forming a thin silicon oxide layer is not limited to SC2 cleaning.

厚さ方向に性質の変わる高誘電率絶縁膜の中央部として、HfAlOを用いたが、Alは結晶化抑制のための添加剤である。HfOは結晶化しやすい性質を有するが、結晶化を抑制するためAlの他Si等を添加してもよいであろう。また、膜厚が薄くなる等結晶化を抑制する条件が加われば、中央部の高誘電率絶縁膜としてHfOを用いることも可能であろう。酸化物高誘電率絶縁膜としてHfOに限らず、誘電率の高い酸化物であるTiO,TaO,ZrO,YO,WO,AlO、LaOを用いることが可能であろう。   HfAlO is used as the central portion of the high dielectric constant insulating film whose properties change in the thickness direction, but Al is an additive for suppressing crystallization. HfO has the property of being easily crystallized, but in order to suppress crystallization, Si or the like may be added in addition to Al. In addition, if conditions for suppressing crystallization, such as a thin film thickness, are added, it will be possible to use HfO as the high dielectric constant insulating film in the center. It is possible to use not only HfO but also TiO, TaO, ZrO, YO, WO, AlO, and LaO, which are oxides having a high dielectric constant, as the oxide high dielectric constant insulating film.

厚さ方向に性質の変わる高誘電率絶縁膜の酸素の拡散抑制効果を有する両表面部として、AlOを用いたが、AlOに限るものではない。酸素の拡散係数の低い酸化物は代表的にはAlOであるが、AlOに他の元素を添加したり、他の絶縁材とAlOとの混合物を用いてもよいであろう。たとえば、AlOにNを添加したAlON、中央部のHfAlOよりAl組成の高いHfAlO等としてもよいであろう。また、AlOは、HfOなどと較べて誘電率が低いので、誘電率を高くするため、HfO,TiO,TaO,ZrO,YO,WOを添加してもよいであろう。HfとAlの組成は中央部と同一であっても酸素濃度の低いHfAlOを用いてもよい。酸素濃度の低いHfAlO膜が低い酸素の拡散係数を有することは、サンプル4yの結果からも推察される。組成を調整した時も、酸素供給量を抑制することが好ましいであろう。例えば、積層酸化物高誘電率絶縁層のCVDにおいて、総流量は一定とし、成長初期と終期の酸素供給量は、成長中期の酸素供給量の半分以下とする。   AlO is used as both surface portions of the high dielectric constant insulating film whose properties change in the thickness direction and has an effect of suppressing the diffusion of oxygen. However, the present invention is not limited to AlO. The oxide having a low oxygen diffusion coefficient is typically AlO. However, other elements may be added to AlO, or a mixture of another insulating material and AlO may be used. For example, AlON in which N is added to AlO, HfAlO having a higher Al composition than HfAlO in the central portion, and the like may be used. Moreover, since AlO has a lower dielectric constant than HfO or the like, HfO, TiO, TaO, ZrO, YO, and WO may be added to increase the dielectric constant. Even if the composition of Hf and Al is the same as that of the central portion, HfAlO having a low oxygen concentration may be used. It can be inferred from the result of the sample 4y that the HfAlO film having a low oxygen concentration has a low oxygen diffusion coefficient. Even when the composition is adjusted, it may be preferable to suppress the oxygen supply amount. For example, in the CVD of the stacked oxide high dielectric constant insulating layer, the total flow rate is constant, and the oxygen supply amount at the beginning and the end of growth is set to be less than half of the oxygen supply amount at the middle stage of growth.

酸素拡散抑制効果を有する両表面部4a、4cの厚さは、0.3nm〜1nmとすることが好ましい。0.3nm未満では、十分な酸素拡散抑制効果を得ることが困難になる。1nmを越えると、酸化シリコン等価膜厚を過度に増加させてしまう。誘電率の高い高誘電率絶縁層4bの厚さは1nm〜5nm、微細化されたトランジスタにおいては1nm〜3nm程度が好ましいであろう。両表面部4a、4cの厚さの和は、中央の高誘電率絶縁層4bの厚さより薄いことが好ましい。   The thickness of both surface portions 4a and 4c having an oxygen diffusion suppressing effect is preferably 0.3 nm to 1 nm. If it is less than 0.3 nm, it is difficult to obtain a sufficient oxygen diffusion suppressing effect. If it exceeds 1 nm, the silicon oxide equivalent film thickness is excessively increased. The thickness of the high dielectric constant insulating layer 4b having a high dielectric constant is preferably about 1 nm to 5 nm, and about 1 nm to 3 nm in a miniaturized transistor. The sum of the thicknesses of both surface portions 4a and 4c is preferably thinner than the thickness of the central high dielectric constant insulating layer 4b.

なお、中央部と表面部との組成を階段的に変化させる代わりに、連続的にないしは徐々に変化させてもよいであろう。酸素の拡散係数も連続的ないし徐々に変化することになろう。   Instead of changing the composition of the central portion and the surface portion stepwise, it may be changed continuously or gradually. The oxygen diffusion coefficient will also change continuously or gradually.

CVD成膜を基板温度500℃で行なったが、成膜温度は500℃に限らない。400℃−600℃の成膜温度で、良好にHfAlO膜を成長できるであろう。
Hfの原料ガスは、(Hf[N(CH)に限らない。Hf(OtC、Hf{N(C、Hf{N(CH)(C)}等を用いてもよいであろう。Alの原料ガスもAl(t−Cに限らない。Al(C、Al(CH等を用いてもよいであろう。
Although CVD film formation was performed at a substrate temperature of 500 ° C., the film formation temperature is not limited to 500 ° C. An HfAlO film will be able to grow well at a deposition temperature of 400 ° C.-600 ° C.
The source gas for Hf is not limited to (Hf [N (CH 3 ) 2 ] 4 ). Hf (OtC 4 H 9 ) 4 , Hf {N (C 2 H 5 ) 2 } 4 , Hf {N (CH 3 ) (C 2 H 5 )} 4, etc. may be used. Al source gas is also not limited to Al (t-C 4 H 9 ) 3. Al (C 2 H 5 ) 3 , Al (CH 3 ) 3 or the like may be used.

HfAlOを熱CVDする場合を説明したが、他の高誘電率絶縁膜を熱CVDで成長する場合にも、成長初期と成長終期とに酸素の拡散係数の低い高誘電率絶縁層を成膜することにより、ヒステリシスを抑制し、フラットバンド電圧の変化を抑制することが可能であろう。原料ガスは、有機金属に限らないが、特に有機金属原料を用いた場合、可能性が高いであろう。   Although the case where HfAlO is thermally CVD has been described, a high dielectric constant insulating layer having a low oxygen diffusion coefficient is formed at the initial growth stage and at the end of growth even when another high dielectric constant insulating film is grown by thermal CVD. As a result, it will be possible to suppress hysteresis and suppress changes in the flat band voltage. The source gas is not limited to an organic metal, but will likely be high when an organic metal source is used.

図5Aは、nチャネルIG−FETの構成を示す。シリコン基板11にシャロートレンチアイソレーション(STI)による素子分離領域12が形成され、活性領域にp型ウェル13pが形成される。他の場所にはn型ウェルも作られる。活性領域表面上に酸化シリコン層3を介して上述の高誘電率積層ゲート絶縁膜4が形成される。ゲート絶縁膜4は、酸素供給量を低下した条件で成膜した酸素の拡散係数の低い酸化物高誘電率絶縁膜4a、4cで酸素を十分量供給して成長した酸化物高誘電率絶縁膜4bを挟んだ積層構造を有する。   FIG. 5A shows the configuration of an n-channel IG-FET. An element isolation region 12 by shallow trench isolation (STI) is formed in the silicon substrate 11, and a p-type well 13p is formed in the active region. N-type wells are also created elsewhere. The above-described high dielectric constant laminated gate insulating film 4 is formed on the active region surface via the silicon oxide layer 3. The gate insulating film 4 is an oxide high dielectric constant insulating film grown by supplying a sufficient amount of oxygen with the oxide high dielectric constant insulating films 4a and 4c having a low oxygen diffusion coefficient formed under the condition that the oxygen supply amount is reduced. It has a laminated structure sandwiching 4b.

ゲート絶縁膜4の上には燐(P)又は砒素(As)をドープしたn型多結晶シリコンのゲート電極15nが形成される。ゲート電極の両側の基板表面にn型エクステンション領域16nが形成される。ゲート電極の側壁上に酸化シリコン等のサイドウォールスペーサ17が形成され、サイドウォールスペーサ17の外側の基板内に高濃度のn型ソース/ドレイン領域18nが形成される。ゲート電極15n、ソース/ドレイン領域18nの上には、CoSi等のシリサイド層19が形成される。このようにして、nチャネルIG−FET20nが形成される。   On the gate insulating film 4, an n-type polycrystalline silicon gate electrode 15 n doped with phosphorus (P) or arsenic (As) is formed. N-type extension regions 16n are formed on the substrate surface on both sides of the gate electrode. Sidewall spacers 17 such as silicon oxide are formed on the side walls of the gate electrode, and high-concentration n-type source / drain regions 18n are formed in the substrate outside the sidewall spacers 17. A silicide layer 19 such as CoSi is formed on the gate electrode 15n and the source / drain regions 18n. In this way, the n-channel IG-FET 20n is formed.

上記の構成によれば、ゲート絶縁膜は高誘電率絶縁膜を用いて形成されているため、等価酸化シリコン膜厚を薄くしても、物理的膜厚を厚くでき、トンネル電流を抑制できる。積層ゲート絶縁膜の構成により、ヒステリシスを抑制し、フラットバンド電圧の変化を抑制することが可能となる。なお、ゲート電極をシリコンの代わりにアルミニウムで形成することもできる。アルミニウム電極はアルミニウムのスパッタリングや、シリコンからアルミニウムへの置換により形成することができる。   According to the above configuration, since the gate insulating film is formed using the high dielectric constant insulating film, even if the equivalent silicon oxide film thickness is reduced, the physical film thickness can be increased and the tunnel current can be suppressed. With the structure of the stacked gate insulating film, hysteresis can be suppressed and a change in flat band voltage can be suppressed. Note that the gate electrode can be formed of aluminum instead of silicon. The aluminum electrode can be formed by sputtering aluminum or replacing silicon with aluminum.

図5Bは、半導体集積回路装置の構成例を示す。シリコン基板11には、n型ウェル13n、p型ウェル13pが形成される。p型ウェル13pには上述のnチャネルIG−FET20nが形成される。n型ウェル13nにはpチャネルIG−FET20pが形成される。参照符号の後のp、nは導電型を示す。pチャネルIG−FET20pは、nチャネルIG−FETの各半導体領域の導電型を反転した構成を有する。   FIG. 5B shows a configuration example of a semiconductor integrated circuit device. In the silicon substrate 11, an n-type well 13n and a p-type well 13p are formed. The n-channel IG-FET 20n is formed in the p-type well 13p. A p-channel IG-FET 20p is formed in the n-type well 13n. P and n after the reference symbol indicate the conductivity type. The p-channel IG-FET 20p has a configuration in which the conductivity type of each semiconductor region of the n-channel IG-FET is inverted.

ゲート絶縁膜は、nチャネルIG−FET、pチャネルIG−FETともに、厚さを制限した酸化シリコン層3の上に、Hf0.8Al0.2O高誘電率絶縁膜4bを酸素濃度の低いAlO膜4a、4cで挟んだ積層を用いて形成される。高誘電率絶縁膜は、ヒステリシスが小さく、フラットバンド電圧の変化ΔVfbが抑制される。 As for the gate insulating film, both the n-channel IG-FET and the p-channel IG-FET have an Hf 0.8 Al 0.2 O high dielectric constant insulating film 4b formed on the silicon oxide layer 3 whose thickness is limited. It is formed using a stack sandwiched between low AlO films 4a and 4c. The high dielectric constant insulating film has a small hysteresis and suppresses a flat band voltage change ΔVfb.

ゲート電極を覆って、層間絶縁膜21が形成され、層間絶縁膜中に多層配線24が形成される。各配線24は、バリアメタル層22と銅等の主配線層23を用いて構成される。
図6は、多層配線構造を有する半導体集積回路装置の構成例を示す。シリコン基板101に、シャロートレンチアイソレーション(STI)による素子分離領域102が形成されている。素子分離領域102で囲まれた活性領域内にMOSトランジスタを形成するため、p型ウエル103、n型ウエル104が形成されている。
An interlayer insulating film 21 is formed so as to cover the gate electrode, and a multilayer wiring 24 is formed in the interlayer insulating film. Each wiring 24 is configured using a barrier metal layer 22 and a main wiring layer 23 such as copper.
FIG. 6 shows a configuration example of a semiconductor integrated circuit device having a multilayer wiring structure. An element isolation region 102 by shallow trench isolation (STI) is formed on the silicon substrate 101. In order to form a MOS transistor in the active region surrounded by the element isolation region 102, a p-type well 103 and an n-type well 104 are formed.

p型ウエル領域103上に、ゲート絶縁膜105、多結晶シリコンゲート電極106、サイドウォールスペーサ107が形成され、ゲート電極106の両側にエクステンション付n型ソース/ドレイン領域108が形成される。n型ウエル領域104においては、p型ソース/ドレイン領域109が形成される。   A gate insulating film 105, a polycrystalline silicon gate electrode 106, and sidewall spacers 107 are formed on the p-type well region 103, and extension-type n-type source / drain regions 108 are formed on both sides of the gate electrode 106. In the n-type well region 104, a p-type source / drain region 109 is formed.

ゲート電極を覆って半導体基板上に窒化シリコン層111が形成され、その上にホスホシリケートガラス(PSG、燐ドープ酸化シリコン)層112が形成される。PSG層112、窒化シリコン層111を貫通して、TiNのバリアメタル層B11とタングステン層V1とで形成されたビア導電体が形成される。   A silicon nitride layer 111 is formed on the semiconductor substrate so as to cover the gate electrode, and a phosphosilicate glass (PSG, phosphorus-doped silicon oxide) layer 112 is formed thereon. A via conductor formed of the TiN barrier metal layer B11 and the tungsten layer V1 is formed through the PSG layer 112 and the silicon nitride layer 111.

PSG層112の上に、有機絶縁層113、酸化シリコン層114が積層される。この積層の中に、バリアメタル層B1、銅配線層W1、補助バリアメタル層Blx、補助銅配線層W1xで形成された配線パターンが埋め込まれる。このようにして第1配線層WL1が形成される。   An organic insulating layer 113 and a silicon oxide layer 114 are stacked on the PSG layer 112. A wiring pattern formed of the barrier metal layer B1, the copper wiring layer W1, the auxiliary barrier metal layer B1x, and the auxiliary copper wiring layer W1x is embedded in this stack. In this way, the first wiring layer WL1 is formed.

第1配線層WL1の上に、窒化シリコン層121、酸化シリコン層122、有機絶縁層123、酸化シリコン層124の積層が形成され、第2配線WL2用の層間絶縁膜が形成される。第2配線用層間絶縁膜に、バリアメタル層B2、銅配線層W2、補助バリアメタル層B2x、補助銅配線層W2xで形成された第2配線層WL2が埋め込まれる。   A stack of a silicon nitride layer 121, a silicon oxide layer 122, an organic insulating layer 123, and a silicon oxide layer 124 is formed on the first wiring layer WL1, and an interlayer insulating film for the second wiring WL2 is formed. The second wiring layer WL2 formed of the barrier metal layer B2, the copper wiring layer W2, the auxiliary barrier metal layer B2x, and the auxiliary copper wiring layer W2x is embedded in the second wiring interlayer insulating film.

第3配線層WL3、第4配線層WL4用の層間絶縁膜は、第2配線WL2に対する層間絶縁膜と同様、窒化シリコン層131、141、酸化シリコン層132、142、有機絶縁層133、143、酸化シリコン層134、144の積層で形成される。   Similar to the interlayer insulating film for the second wiring WL2, the interlayer insulating films for the third wiring layer WL3 and the fourth wiring layer WL4 are silicon nitride layers 131 and 141, silicon oxide layers 132 and 142, organic insulating layers 133 and 143, A stack of silicon oxide layers 134 and 144 is formed.

第3配線層WL3、第4配線層WL4のダマシン配線の構造は、第2配線層と同様である。バリアメタル層Bn、銅配線層Wn、補助バリアメタル層Bnx、補助銅配線層Wnxで配線パターンが形成される。   The damascene wiring structure of the third wiring layer WL3 and the fourth wiring layer WL4 is the same as that of the second wiring layer. A wiring pattern is formed by the barrier metal layer Bn, the copper wiring layer Wn, the auxiliary barrier metal layer Bnx, and the auxiliary copper wiring layer Wnx.

第5配線層WL5〜第7配線層WL7は、第2配線層WL2〜第4配線層WL4とは異なる構成を有する。第5配線層WL5の層間絶縁膜は、窒化シリコン層151、酸化シリコン層152、窒化シリコン層153、酸化シリコン層154の積層で形成されている。配線パターンの構成は、第2〜第4配線WL4と同様である。   The fifth wiring layer WL5 to the seventh wiring layer WL7 have different configurations from the second wiring layer WL2 to the fourth wiring layer WL4. The interlayer insulating film of the fifth wiring layer WL5 is formed by stacking a silicon nitride layer 151, a silicon oxide layer 152, a silicon nitride layer 153, and a silicon oxide layer 154. The configuration of the wiring pattern is the same as that of the second to fourth wirings WL4.

第6配線層、第7配線層に対する層間絶縁膜も、第5配線層WL5同様窒化シリコン層161、171、酸化シリコン層162、172、窒化シリコン層163、173、酸化シリコン層164、174で形成されている。配線パターンの構成は、第5配線WL5と同様である。   Similarly to the fifth wiring layer WL5, an interlayer insulating film for the sixth wiring layer and the seventh wiring layer is formed of silicon nitride layers 161 and 171, silicon oxide layers 162 and 172, silicon nitride layers 163 and 173, and silicon oxide layers 164 and 174. Has been. The configuration of the wiring pattern is the same as that of the fifth wiring WL5.

上層配線は、配線間ピッチが広くなり、配線密度が緩やかになる。このため、配線間の浮遊容量を低減するため、低誘電率絶縁層を用いる必要性が低くなる。そこで、第5〜第7配線層では、有機絶縁層を用いず、層間絶縁層の信頼性を高めている。   In the upper layer wiring, the pitch between the wirings becomes wider and the wiring density becomes lower. For this reason, in order to reduce the stray capacitance between wirings, the necessity of using a low dielectric constant insulating layer is reduced. Therefore, in the fifth to seventh wiring layers, the organic insulating layer is not used, and the reliability of the interlayer insulating layer is enhanced.

最上層の第8配線層WL8は、独自の構成を有する。窒化シリコン層181、酸化シリコン層182で下部絶縁層が形成され、バリアメタル層B81、タングステン層V8でビア部が形成される。   The uppermost eighth wiring layer WL8 has a unique configuration. A lower insulating layer is formed by the silicon nitride layer 181 and the silicon oxide layer 182, and a via portion is formed by the barrier metal layer B81 and the tungsten layer V8.

ビア部の上に、TiN層B82、アルミニウム層W8、TiN層B83でパッド兼用の配線層が形成されている。なお、アルミニウムの代りにCuを用いることもできる。最上層の配線を覆って、酸化シリコン層183、窒化シリコン層190が形成されている。   A wiring layer also serving as a pad is formed of the TiN layer B82, the aluminum layer W8, and the TiN layer B83 on the via portion. Cu can also be used in place of aluminum. A silicon oxide layer 183 and a silicon nitride layer 190 are formed so as to cover the uppermost wiring.

図6の構成においては、第1配線層WL1〜第7配線層WL7の全てにおいて配線パターン中に補助バリアメタル層を埋め込み、ボイドの発生を抑制している。層間絶縁膜の構成は、下部配線層と最上層を除く上部配線層でその構成が異なっている。   In the configuration of FIG. 6, the auxiliary barrier metal layer is embedded in the wiring pattern in all of the first wiring layer WL1 to the seventh wiring layer WL7 to suppress the generation of voids. The structure of the interlayer insulating film is different between the lower wiring layer and the upper wiring layer except the uppermost layer.

図7は、多層配線構造を有する半導体集積回路装置の他の構成例を示す。半導体基板内に形成するMOSトランジスタ構造及びソース/ドレインの引出し導電性プラグの構成は、図6と同様である。   FIG. 7 shows another configuration example of a semiconductor integrated circuit device having a multilayer wiring structure. The structure of the MOS transistor structure and the source / drain lead conductive plug formed in the semiconductor substrate is the same as that shown in FIG.

PSG層112の上に、SiC層116、有機絶縁層117、SiC層118の積層が形成され、バリアメタル層B1、銅配線層W1で第1配線層WL1が形成されている。補助バリアメタル層は用いられていない。   A stack of a SiC layer 116, an organic insulating layer 117, and a SiC layer 118 is formed on the PSG layer 112, and a first wiring layer WL1 is formed of a barrier metal layer B1 and a copper wiring layer W1. No auxiliary barrier metal layer is used.

第2配線層WL2〜第4配線層WL4は、第1配線層WL1と同様の構成を有する。第4配線層WL4を例にとって説明すると、層間絶縁膜はSiC層141、有機絶縁層142、SiC層143で形成されている。デュアルダマシン配線は、バリアメタル層B4と銅層W4で形成され、補助バリアメタル層は配置されていない。   The second wiring layer WL2 to the fourth wiring layer WL4 have the same configuration as the first wiring layer WL1. Taking the fourth wiring layer WL4 as an example, the interlayer insulating film is formed of a SiC layer 141, an organic insulating layer 142, and a SiC layer 143. The dual damascene wiring is formed of a barrier metal layer B4 and a copper layer W4, and no auxiliary barrier metal layer is disposed.

第5配線層WL5〜第8配線層WL8はそれぞれ同様の構成を有する。第5配線層WL5を例にとって説明すると、層間絶縁膜は、SiC層151、酸化炭化シリコン(SiOC)層152、SiC層153、酸化炭化シリコン層154で形成されている。デュアルダマシン配線は、バリアメタル層Bおよび銅配線層Wで形成され、補助バリアメタル層は配置されていない。   The fifth wiring layer WL5 to the eighth wiring layer WL8 have the same configuration. Taking the fifth wiring layer WL5 as an example, the interlayer insulating film is formed of an SiC layer 151, a silicon oxide carbide (SiOC) layer 152, an SiC layer 153, and a silicon oxide carbide layer 154. The dual damascene wiring is formed of a barrier metal layer B and a copper wiring layer W, and no auxiliary barrier metal layer is disposed.

第9配線層WL9は、SiC層191、酸化シリコン層192、SiC層193、酸化シリコン層194で形成された層間絶縁膜に、バリアメタル層B9、銅配線層W9、補助バリアメタル層B9x、補助銅配線層W9xで形成されたデュアルダマシン配線が埋め込まれる。   The ninth wiring layer WL9 includes a barrier metal layer B9, a copper wiring layer W9, an auxiliary barrier metal layer B9x, and an auxiliary insulating film formed on an interlayer insulating film formed of the SiC layer 191, the silicon oxide layer 192, the SiC layer 193, and the silicon oxide layer 194. A dual damascene wiring formed of the copper wiring layer W9x is embedded.

第10配線WL10は、第9配線WL9と同様の構成を有する。SiC層201、酸化シリコン層202、SiC層203、酸化シリコン層204で形成されて層間絶縁膜にバリアメタル層B10、銅配線層W10、補助バリアメタル層B10x、補助銅配線層W10xで形成されたデュアルダマシン配線が埋め込まれる。   The tenth wiring WL10 has a configuration similar to that of the ninth wiring WL9. The SiC layer 201, the silicon oxide layer 202, the SiC layer 203, and the silicon oxide layer 204 are formed, and the interlayer insulating film is formed of the barrier metal layer B10, the copper wiring layer W10, the auxiliary barrier metal layer B10x, and the auxiliary copper wiring layer W10x. Dual damascene wiring is embedded.

最上配線層WL11は、図6の最上配線と同様の構成を有する。SiC層211、酸化シリコン層212が積層され、この中にTiNのバリアメタル層B11と、Wの配線層W11で形成されたビア導電体が埋め込まれている。ビア導電体の上に、TiN層B111、アルミニウム、又は銅を含むアルミニウム合金で形成された主配線層W12、TiNの上部バリアメタル層B112で形成されたボンディングパッド兼用最上配線層が形成される。この配線層を覆って、酸化シリコン層213、窒化シリコン層220が形成される。   The uppermost wiring layer WL11 has a configuration similar to that of the uppermost wiring in FIG. A SiC layer 211 and a silicon oxide layer 212 are laminated, and a via conductor formed of a TiN barrier metal layer B11 and a W wiring layer W11 is embedded therein. On the via conductor, a TiN layer B111, a main wiring layer W12 formed of aluminum or an aluminum alloy containing copper, and a bonding pad combined uppermost wiring layer formed of an upper barrier metal layer B112 of TiN are formed. A silicon oxide layer 213 and a silicon nitride layer 220 are formed to cover this wiring layer.

図7の構成においては、下層から上層に向って3段階で層間絶縁層の積層構成が変化し、実質的誘電率は下層ほど低くされている。下層配線は高密度であり、配線の付随容量を低減するためには層間絶縁層の誘電率を低減することが好ましい。   In the configuration of FIG. 7, the laminated configuration of the interlayer insulating layer changes in three stages from the lower layer to the upper layer, and the substantial dielectric constant is lowered as the lower layer. The lower layer wiring has a high density, and it is preferable to reduce the dielectric constant of the interlayer insulating layer in order to reduce the accompanying capacitance of the wiring.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、HfAlOの組成はHf0.8Al0.2Oに限らない。さらに、他の金属酸化物を用いることも可能であろう。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. For example, the composition of HfAlO is not limited to Hf 0.8 Al 0.2 O. In addition, other metal oxides could be used.

その他、種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。
以下、本発明の特徴を付記する。
(付記1)(1) シリコン基板と、
前記シリコン基板表面に形成された酸化シリコン層と、
前記酸化シリコン層上に形成された第1酸化物層、その上に形成された第2酸化物層、さらにその上に形成された第3酸化物層を含む高誘電率絶縁層であって、第1酸化物層と第3酸化物層は、第2酸化物層より小さい酸素の拡散係数を有する、高誘電率絶縁層と、
前記高誘電率絶縁層上に形成されたゲート電極と、
を有する半導体装置。
It will be apparent to those skilled in the art that other various modifications, improvements, and combinations can be made.
The features of the present invention will be described below.
(Appendix 1) (1) A silicon substrate,
A silicon oxide layer formed on the surface of the silicon substrate;
A high dielectric constant insulating layer including a first oxide layer formed on the silicon oxide layer, a second oxide layer formed thereon, and a third oxide layer formed thereon; The first oxide layer and the third oxide layer have a high dielectric constant insulating layer having a smaller oxygen diffusion coefficient than the second oxide layer;
A gate electrode formed on the high dielectric constant insulating layer;
A semiconductor device.

(付記2)(2) 前記第2酸化物層は、HfO,TiO,TaO,ZrO,YO,WO,AlO、LaOのいずれかを含む請求項1記載の半導体装置。
(付記3)(3) 前記第2酸化物層は、HfO、または、HfAlO,HfSiO,HfAlSiO、HfAlON,HfSiON,HfAlSiONのいずれかで形成されている請求項2記載の半導体装置。
(Supplementary Note 2) (2) The semiconductor device according to claim 1, wherein the second oxide layer includes any one of HfO, TiO, TaO, ZrO, YO, WO, AlO, and LaO.
(Supplementary Note 3) (3) The semiconductor device according to claim 2, wherein the second oxide layer is formed of any one of HfO, HfAlO, HfSiO, HfAlSiO, HfAlON, HfSiON, and HfAlSiON.

(付記4)(4) 前記第1酸化物層および前記第3酸化物層は、AlOを含む請求項1〜3のいずれか1項記載の半導体装置。
(付記5)(5) 前記第1酸化物層および前記第3酸化物層は、さらにHfO,TiO,TaO,ZrO,YO,WOのいずれかを含む付記4記載の半導体装置。
(Appendix 4) (4) The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3, wherein the first oxide layer and the third oxide layer contain AlO.
(Supplementary Note 5) (5) The semiconductor device according to Supplementary Note 4, wherein the first oxide layer and the third oxide layer further include any one of HfO, TiO, TaO, ZrO, YO, and WO.

(付記6)(6) 前記第2酸化物層は、前記第1酸化物層および前記第3酸化物層よりもトラップ準位が少ない付記1〜5のいずれか1項記載の半導体装置。
(付記7) 前記第2酸化物層はHfAlO層であり、、前記第1酸化物層および前記第3酸化物層はAlO層である付記1〜6のいずれか1項記載の半導体装置。
(Appendix 6) (6) The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 5, wherein the second oxide layer has a trap level lower than that of the first oxide layer and the third oxide layer.
(Supplementary note 7) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 6, wherein the second oxide layer is an HfAlO layer, and the first oxide layer and the third oxide layer are AlO layers.

(付記8) 前記第2酸化物層の厚さは1nm〜5nmである付記1〜7のいずれか1項記載の半導体装置。
(付記9) 前記第1酸化物層または前記第3酸化物層の厚さは、0.3nm〜1nmである付記1〜8のいずれか1項記載の半導体装置。
(Supplementary note 8) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 7, wherein the thickness of the second oxide layer is 1 nm to 5 nm.
(Supplementary note 9) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 8, wherein a thickness of the first oxide layer or the third oxide layer is 0.3 nm to 1 nm.

(付記10)(7) 前記第2酸化物層の厚さは1nm〜5nmの範囲であり、前記第1酸化物層と前記第3酸化物層の厚さは0.3nm〜1nmの範囲である付記1〜7のいずれか1項記載の半導体装置。     (Appendix 10) (7) The thickness of the second oxide layer is in the range of 1 nm to 5 nm, and the thickness of the first oxide layer and the third oxide layer is in the range of 0.3 nm to 1 nm. The semiconductor device according to any one of appendices 1 to 7.

(付記11)(8) (a)シリコン基板表面の自然酸化膜をウエットエッチングで除去する工程と、
(b)自然酸化膜を除去したシリコン基板表面に化学処理により下地酸化シリコン層を形成する工程と、
(c)下地酸化シリコン層の上に、第1の酸素供給率で第1高誘電率酸化物層をCVDで形成する工程と、
(d)前記第1高誘電率酸化物層の上に、前記第1の酸素供給率より高い第2の酸素供給率で第2高誘電率酸化物層をCVDで形成する工程と、
(e)前記第2高誘電率酸化物層の上に、前記第2の酸素供給率より低い第3の酸素供給率で第3高誘電率酸化物層をCVDで形成する工程と、
(f)前記第3高誘電率酸化物層の上に酸化可能材料でゲート電極を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
(Additional remark 11) (8) (a) The process of removing the natural oxide film of the silicon substrate surface by wet etching,
(B) forming a base silicon oxide layer by chemical treatment on the surface of the silicon substrate from which the natural oxide film has been removed;
(C) forming a first high dielectric constant oxide layer by CVD on the underlying silicon oxide layer at a first oxygen supply rate;
(D) forming a second high dielectric constant oxide layer on the first high dielectric constant oxide layer by CVD at a second oxygen supply rate higher than the first oxygen supply rate;
(E) forming a third high dielectric constant oxide layer on the second high dielectric constant oxide layer by CVD at a third oxygen supply rate lower than the second oxygen supply rate;
(F) forming a gate electrode with an oxidizable material on the third high dielectric constant oxide layer;
A method of manufacturing a semiconductor device including:

(付記12) 前記工程(b)は、塩酸、過酸化水素水溶液による処理を行なう付記11記載の半導体装置の製造方法。
(付記13) 前記工程(c)、(e)の少なくとも一方は、AlOを含む層を堆積する付記11または12記載の半導体装置の製造方法。
(Additional remark 12) The said process (b) is a manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 11 which performs the process by hydrochloric acid and hydrogen peroxide aqueous solution.
(Additional remark 13) At least one of the said process (c) and (e) is a manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 11 or 12 which deposits the layer containing AlO.

(付記14) 前記工程(d)は、HfAlO層を堆積し、前記工程(C)(e)の少なくとも一方はAlO層かAl組成の高いHfAlO層を堆積する付記11〜13のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。     (Additional remark 14) The said process (d) deposits a HfAlO layer, At least one of the said process (C) (e) deposits an HfAlO layer with a high Alf layer or Al composition any one of Additional remarks 11-13 The manufacturing method of the semiconductor device of description.

(付記15)(9) 前記工程(d)は、前記第1高誘電率酸化物層下に実質的に新たな反応層を成長させることなく行われる付記11〜14のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。     (Appendix 15) (9) The process according to any one of appendices 11 to 14, wherein the step (d) is performed without growing a new reaction layer under the first high dielectric constant oxide layer. A method for manufacturing a semiconductor device.

(付記16)(10) 前記工程(f)は、前記第3高誘電率酸化物層の上に実質的に新たな反応層を成長させることなく行われる付記11〜15のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。     (Additional remark 16) (10) The said process (f) is any one of Additional remarks 11-15 performed without growing a new reaction layer on the said 3rd high dielectric constant oxide layer substantially. Semiconductor device manufacturing method.

(付記17) 前記工程(f)は、シリコン層またはアルミニウム層を堆積する付記16記載の半導体装置の製造方法。
(付記18) 前記工程(c)、(e)は、前記工程(d)と成長ガスの総流量は同一で、酸素供給量は半分以下で行う付記11〜17のいずれか1項記載の半導体装置の製造方法。
産業上の利用の可能性
微細化したIG−FETを含む半導体集積回路装置等に利用できる。
(Additional remark 17) The said process (f) is a manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 16 which deposits a silicon layer or an aluminum layer.
(Supplementary note 18) The semiconductor according to any one of supplementary notes 11 to 17, wherein the steps (c) and (e) are the same as the step (d) in that the total flow rate of the growth gas is the same and the oxygen supply amount is half or less. Device manufacturing method.
Industrial applicability It can be used for semiconductor integrated circuit devices including miniaturized IG-FETs.

シリコン基板上に高誘電率絶縁膜を化学気相堆積(CVD)で形成する方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the method of forming a high dielectric constant insulating film on a silicon substrate by chemical vapor deposition (CVD). 熱CVD装置の構成を概略的に示すブロック図、および実験条件をまとめて示す表である。It is the table | surface which shows the block diagram which shows the structure of a thermal CVD apparatus roughly, and experimental conditions collectively. 作成したMOS構造のC−V特性を示すグラフである。It is a graph which shows the CV characteristic of the produced MOS structure. フラットバンド電圧変化量ΔVfbとヒステリシスをまとめて示すグラフである。It is a graph which shows collectively flat band voltage variation | change_quantity (DELTA) Vfb and hysteresis. 実施例によるMOSトランジスタの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the MOS transistor by an Example. 半導体集積回路装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a semiconductor integrated circuit device. 半導体集積回路装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a semiconductor integrated circuit device.

符号の説明Explanation of symbols

1 シリコン基板
2 自然酸化膜
3 ケミカルオキサイド膜(酸化シリコン膜)
4 高誘電率絶縁層
4x 酸素供給量の十分な高誘電率絶縁層
4y 酸素供給量を低くした高誘電率絶縁層
4a 酸素供給量を低くしたAlO層
4b 酸素供給量の十分なHfAlO層
4c 酸素供給量を低くしたAlO層
5 ゲート絶縁層
6 反応室
7 サセプタ
8 シャワーヘッド
9 配管
1 Silicon substrate 2 Natural oxide film 3 Chemical oxide film (silicon oxide film)
4 High dielectric constant insulating layer 4x High dielectric constant insulating layer with sufficient oxygen supply amount 4y High dielectric constant insulating layer with low oxygen supply amount 4a AlO layer with low oxygen supply amount 4b HfAlO layer with sufficient oxygen supply amount 4c Oxygen supply layer AlO layer with low supply 5 Gate insulating layer 6 Reaction chamber 7 Susceptor 8 Shower head 9 Piping

Claims (10)

シリコン基板と、
前記シリコン基板表面に形成された酸化シリコン層と、
前記酸化シリコン層上に形成された第1酸化物層、その上に形成された第2酸化物層、さらにその上に形成された第3酸化物層を含む高誘電率絶縁層であって、第1酸化物層と第3酸化物層は、第2酸化物層より小さい酸素の拡散係数を有する、高誘電率絶縁層と、
前記高誘電率絶縁層上に形成されたゲート電極と、
を有する半導体装置。
A silicon substrate;
A silicon oxide layer formed on the surface of the silicon substrate;
A high dielectric constant insulating layer including a first oxide layer formed on the silicon oxide layer, a second oxide layer formed thereon, and a third oxide layer formed thereon; The first oxide layer and the third oxide layer have a high dielectric constant insulating layer having a smaller oxygen diffusion coefficient than the second oxide layer;
A gate electrode formed on the high dielectric constant insulating layer;
A semiconductor device.
前記第2酸化物層は、HfO,TiO,TaO,ZrO,YO,WO,AlO,LaOのいずれかを含む請求項1記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the second oxide layer includes any one of HfO, TiO, TaO, ZrO, YO, WO, AlO, and LaO. 前記第2酸化物層は、HfO、または、HfAlO,HfSiO,HfAlSiO、HfAlON,HfSiON,HfAlSiONのいずれかで形成されている請求項2記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2, wherein the second oxide layer is formed of any one of HfO, HfAlO, HfSiO, HfAlSiO, HfAlON, HfSiON, and HfAlSiON. 前記第1酸化物層および前記第3酸化物層は、AlOを含む請求項1〜3のいずれか1項記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the first oxide layer and the third oxide layer contain AlO. 前記第1酸化物層および前記第3酸化物層は、さらにHfO,TiO,TaO,ZrO,YO,WOのいずれかを含む請求項4記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4, wherein the first oxide layer and the third oxide layer further include any one of HfO, TiO, TaO, ZrO, YO, and WO. 前記第2酸化物層は、前記第1酸化物層および前記第3酸化物層よりもトラップ準位が少ない請求項1〜5のいずれか1項記載の半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1, wherein the second oxide layer has a lower trap level than the first oxide layer and the third oxide layer. 前記第2酸化物層の厚さは1nm〜5nmの範囲であり、前記第1酸化物層と前記第3酸化物層の厚さは0.3nm〜1nmの範囲である請求項1〜6のいずれか1項記載の半導体装置。 The thickness of the second oxide layer is in the range of 1 nm to 5 nm, and the thickness of the first oxide layer and the third oxide layer is in the range of 0.3 nm to 1 nm. The semiconductor device according to claim 1. (a)シリコン基板表面の自然酸化膜をウエットエッチングで除去する工程と、
(b)自然酸化膜を除去したシリコン基板表面に化学処理により下地酸化シリコン層を形成する工程と、
(c)下地酸化シリコン層の上に、第1の酸素供給率で第1高誘電率酸化物層をCVDで形成する工程と、
(d)前記第1高誘電率酸化物層の上に、前記第1の酸素供給率より高い第2の酸素供給率で第2高誘電率酸化物層をCVDで形成する工程と、
(e)前記第2高誘電率酸化物層の上に、前記第2の酸素供給率より低い第3の酸素供給率で第3高誘電率酸化物層をCVDで形成する工程と、
(f)前記第3高誘電率酸化物層の上に酸化可能材料でゲート電極を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
(A) removing a natural oxide film on the surface of the silicon substrate by wet etching;
(B) forming a base silicon oxide layer by chemical treatment on the surface of the silicon substrate from which the natural oxide film has been removed;
(C) forming a first high dielectric constant oxide layer by CVD on the underlying silicon oxide layer at a first oxygen supply rate;
(D) forming a second high dielectric constant oxide layer on the first high dielectric constant oxide layer by CVD at a second oxygen supply rate higher than the first oxygen supply rate;
(E) forming a third high dielectric constant oxide layer on the second high dielectric constant oxide layer by CVD at a third oxygen supply rate lower than the second oxygen supply rate;
(F) forming a gate electrode with an oxidizable material on the third high dielectric constant oxide layer;
A method of manufacturing a semiconductor device including:
前記工程(d)は、前記第1高誘電率酸化物層下に実質的に新たな反応層を成長させることなく行われる請求項8記載の半導体装置の製造方法。 9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the step (d) is performed without growing a new reaction layer under the first high dielectric constant oxide layer. 前記工程(f)は、前記第3高誘電率酸化物層の上に実質的に新たな反応層を成長させることなく行われる請求項8または9記載の半導体装置の製造方法。 10. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 8, wherein the step (f) is performed without growing a new reaction layer on the third high dielectric constant oxide layer.
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