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JPH11135774A - High dielectric constant silicate gate dielectric - Google Patents

High dielectric constant silicate gate dielectric

Info

Publication number
JPH11135774A
JPH11135774A JP10242453A JP24245398A JPH11135774A JP H11135774 A JPH11135774 A JP H11135774A JP 10242453 A JP10242453 A JP 10242453A JP 24245398 A JP24245398 A JP 24245398A JP H11135774 A JPH11135774 A JP H11135774A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal
silicate
substrate
silicon
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP10242453A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mark Anthony John
マーク アンソニー ジョン
Scott R Summerfelt
アール.サマーフェルト スコット
Robert M Wallace
エム.ウォーレス ロバート
D Wilk Glen
ディ.ウィルク グレン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Texas Instruments Inc
Original Assignee
Texas Instruments Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Texas Instruments Inc filed Critical Texas Instruments Inc
Publication of JPH11135774A publication Critical patent/JPH11135774A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D64/00Electrodes of devices having potential barriers
    • H10D64/60Electrodes characterised by their materials
    • H10D64/66Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes
    • H10D64/68Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes characterised by the insulator, e.g. by the gate insulator
    • H10D64/691Electrodes having a conductor capacitively coupled to a semiconductor by an insulator, e.g. MIS electrodes characterised by the insulator, e.g. by the gate insulator comprising metallic compounds, e.g. metal oxides or metal silicates 
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/28Manufacture of electrodes on semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/268
    • H01L21/28008Making conductor-insulator-semiconductor electrodes
    • H01L21/28017Making conductor-insulator-semiconductor electrodes the insulator being formed after the semiconductor body, the semiconductor being silicon
    • H01L21/28158Making the insulator
    • H01L21/28167Making the insulator on single crystalline silicon, e.g. using a liquid, i.e. chemical oxidation
    • H01L21/28185Making the insulator on single crystalline silicon, e.g. using a liquid, i.e. chemical oxidation with a treatment, e.g. annealing, after the formation of the gate insulator and before the formation of the definitive gate conductor

Landscapes

  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高誘電率シリケート・ゲート誘電体を備えた
電界効果型半導体デバイスを提供すること。 【解決手段】 シリコン基板上に半導体性チャンネル領
域24を形成し、この基板の上に金属シリケート・ゲー
ト誘電体層36を形成し、次に伝導性ゲート38を形成
する。シリケート層36は、ハフニウム・シリケートな
ど、ゲート誘電体の誘電定数が二酸化シリコンの誘電定
数よりずっと大きいものが良い。ただし、シリケート・
ゲート誘電体は、高ブレークダウン、低境界領域状態密
度、高安定性など二酸化シリンコンの利点を備えて設計
することもできる。
(57) [Problem] To provide a field effect semiconductor device provided with a high dielectric constant silicate gate dielectric. SOLUTION: A semiconductor channel region 24 is formed on a silicon substrate, a metal silicate gate dielectric layer 36 is formed on the substrate, and then a conductive gate 38 is formed. The silicate layer 36 is preferably a material such as hafnium silicate in which the dielectric constant of the gate dielectric is much larger than that of silicon dioxide. However, silicate
The gate dielectric can also be designed with the advantages of silicon dioxide, such as high breakdown, low boundary region density of state, and high stability.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
構成及びその製造方法に関し、特に、集積回路上に形成
される電界効果デバイス用のゲート誘電体に関する。
The present invention relates to a structure of a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a gate dielectric for a field effect device formed on an integrated circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】電界効果型トランジスタのような半導体
デバイスは、電子工業において広く使われている。この
ようなデバイスは、非常に小型のサイズで形成され、1
つの単結晶シリコン基板または「チップ」上に数千、数
百万のそのようなデバイスが形成されることもあり、そ
れらが相互に接続され、マイクロプロセッサのような集
積回路において有用な機能を果たす。
2. Description of the Related Art Semiconductor devices such as field effect transistors are widely used in the electronics industry. Such devices are formed in very small sizes,
Thousands and millions of such devices may be formed on a single monocrystalline silicon substrate or "chip", interconnected and performing useful functions in integrated circuits such as microprocessors .

【0003】トランジスタの設計及び製造は非常に複雑
であるが、1つのトランジスタの一般的構造及び動作
は、単純である。図1は、単純化された電界効果型トラ
ンジスタの断面図である。電界効果型トランジスタにお
いて、基板100の表面付近の部分は、処理過程でのチ
ャンネル120の役割をする。チャンネル120は電気
的にソース140とドレイン160とに接続され、ソー
ス140とドレイン160との間に電圧の差が存在する
場合に電流がチャンネル120を流れるようになってい
る。チャンネル120の半導体特性が変化することによ
って、チャンネル120を覆う伝導層であるゲート19
0に印加される電圧によって抵抗が制御される。このよ
うに、ゲート190の電圧を変化させることによって、
チャンネル120を何らかの電流が流される。ゲート1
90とチャンネル120とは、ゲート誘電体180によ
って分離されている。ゲート誘電体は絶縁性であり、ゲ
ート190とチャンネル120との間に、作動中、殆ど
電流が流れないようになっている(ただし誘電体が薄い
場合は「トンネル効果」による電流が流れる)。しかし
ながら、ゲート誘電体があっても、ゲート電圧はチャン
ネル120に電界を誘導する。これが「電界効果トラン
ジスタ」という名の由来である。
[0003] Although the design and fabrication of transistors is very complex, the general structure and operation of a single transistor is simple. FIG. 1 is a cross-sectional view of a simplified field-effect transistor. In the field effect transistor, a portion near the surface of the substrate 100 serves as a channel 120 in a processing process. The channel 120 is electrically connected to the source 140 and the drain 160 so that a current flows through the channel 120 when a voltage difference exists between the source 140 and the drain 160. When the semiconductor characteristics of the channel 120 change, the gate 19 which is a conductive layer covering the channel 120 is formed.
The resistance is controlled by the voltage applied to zero. Thus, by changing the voltage of the gate 190,
Some current flows through the channel 120. Gate 1
90 and channel 120 are separated by a gate dielectric 180. The gate dielectric is insulative so that little current flows between the gate 190 and the channel 120 during operation (though current flows due to "tunneling" if the dielectric is thin). However, even with the gate dielectric, the gate voltage induces an electric field in the channel 120. This is the origin of the name "field effect transistor".

【0004】一般的に、集積回路の動作及び密度は、
「スケーリング」つまりチップ上の個々の半導体デバイ
スのサイズを縮小することによって、高めることができ
る。ところが、電界効果半導体デバイスは、チャンネル
の幅に正比例する出力信号を出すので、前記スケーリン
グは出力を減らすことになる。この効果を補償するため
に、これまでは一般に、ゲート誘電体180の厚さを減
らし、ゲートをチャンネルに接近させることによって電
界効果を高めていた。
Generally, the operation and density of integrated circuits are
"Scaling" can be enhanced by reducing the size of individual semiconductor devices on a chip. However, since the field effect semiconductor device outputs an output signal that is directly proportional to the width of the channel, the scaling reduces the output. To compensate for this effect, in the past, the field effect has generally been enhanced by reducing the thickness of the gate dielectric 180 and bringing the gate closer to the channel.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】デバイスのサイズが益
々小さくなるにつれ、ゲート誘電体の厚さも減ってき
た。デバイスの更なるサイズ縮小は可能ではあるが、ゲ
ート誘電体の厚さは、従来のゲート誘電体材料である二
酸化シリコンでは、事実上、ほぼ限界まで減らされてい
る。二酸化シリコンのゲート誘電体をこれ以上縮小する
には、膨大な問題が絡んでくる。極端に薄い層にする
と、酸化物を通じての直接的トンネル効果によって大き
な電流リークが生じる。また、そのような薄い層は、文
字通り原子の数層から形成されるので、そのような層を
繰り返し製造するには厳格な製造制御が必要となる。更
に、均一に覆うことも限界に来ている。というのは、デ
バイス・パラメータは、誘電体材料の1つの単一層があ
るかないかで大きく変化してしまう。更にまた、そのよ
うな薄い層は不純物に対する拡散バリアが弱くなる。
As device sizes have become smaller and smaller, the thickness of the gate dielectric has also decreased. Although further device size reductions are possible, the thickness of the gate dielectric has been virtually reduced to near limit with the conventional gate dielectric material silicon dioxide. The further shrinking of the silicon dioxide gate dielectric involves enormous problems. Extremely thin layers result in large current leakage due to direct tunneling through the oxide. Also, since such thin layers are literally formed from several layers of atoms, repeated manufacturing of such layers requires strict manufacturing control. Furthermore, uniform covering has reached its limit. The device parameters vary greatly with or without one single layer of dielectric material. Furthermore, such thin layers provide a weak diffusion barrier for impurities.

【0006】二酸化シリコンの限界を認識した研究者達
は、二酸化シリコンより厚く形成されても同じ電界効果
性能が得られる誘電体材料を捜し求めてきた。この性能
は、「等価酸化膜厚」として表現される。代わりの材料
の層の厚さが大きくても、ずっと薄い二酸化シリコン
(普通「酸化」シリコンと呼ばれる)の層と同等の効果
を持つ材料である。有力候補となっている材料は、殆ど
と言うわけではないが、多くは、五酸化タンタルやバリ
ウム・ストロンチウム・チタネートなどの酸化金属であ
る。
[0006] Recognizing the limitations of silicon dioxide, researchers have sought dielectric materials that can be formed thicker than silicon dioxide and still provide the same field effect performance. This performance is expressed as “equivalent oxide film thickness”. A thicker alternative material layer is a material that has the same effect as a much thinner layer of silicon dioxide (commonly referred to as "oxidized" silicon). Most, but not all, promising candidates are metal oxides such as tantalum pentoxide and barium strontium titanate.

【0007】研究者達は、そのような酸化金属でゲート
誘電体を形成することは問題があることを見いだした。
典型的な酸化金属蒸着温度において、形成に必要な酸素
環境又は酸素含有前駆体はシリコン基板を酸化し易く、
基板とゲート誘電体との境界領域に酸化物の層を作って
しまう。このような酸化物層が境界にあると、有効酸化
物の厚さが増大し、代替ゲート誘電体を使用する効果が
削減されてしまう。境界領域における酸化物層の存在
は、代わりとなった誘電電界効果デバイスの性能に重大
な足枷となる。
Researchers have found that forming a gate dielectric with such a metal oxide is problematic.
At typical metal oxide deposition temperatures, the oxygen environment or oxygen containing precursor required for formation is likely to oxidize the silicon substrate,
An oxide layer is created at the interface between the substrate and the gate dielectric. Having such an oxide layer at the boundary increases the effective oxide thickness and reduces the effectiveness of using an alternative gate dielectric. The presence of an oxide layer in the boundary region is a significant barrier to the performance of alternative dielectric field effect devices.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の問題に
鑑みてなされたもので、金属シリケート誘電体層を利用
した半導体デバイス構造、及びそれを製造するための方
法を提供する。本発明によれば、金属シリケート・ゲー
ト誘電体は、従来のサーマル二酸化シリコン又は窒化シ
リコン誘電体の誘電定数より実質的に高い誘電定数で形
成することができるので、金属シリケート誘電体層は、
従来のゲート誘電体より実質的に厚く形成しても同等の
電界効果が得られる。本発明は、従来の誘電体に見られ
る境界領域での二酸化シリンコンの形成や境界領域の高
密度状態といった欠点を殆ど避けることができる。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and provides a semiconductor device structure using a metal silicate dielectric layer, and a method for manufacturing the same. According to the present invention, the metal silicate gate dielectric can be formed with a dielectric constant substantially higher than that of a conventional thermal silicon dioxide or silicon nitride dielectric, so that the metal silicate dielectric layer comprises:
An equivalent field effect can be obtained even when formed substantially thicker than conventional gate dielectrics. The present invention can substantially avoid the disadvantages such as the formation of silicon dioxide in the boundary region and the high density state of the boundary region, which are found in the conventional dielectric.

【0009】本発明は、かなりの量のシリコンを特にシ
リコン/誘電体境界領域に含む酸化物誘電体材料を使用
することによって、他の代替誘電体の問題を全体的に除
くことができる。1つの好ましい実施の形態において、
段階的シリケート層が形成され、シリコン境界領域に近
い部分ではシリケート層は大量のSiO2 成分を含む一
方、シリケート層の上部では酸化金属成分を大量に含
む。このような構成により、主としてシリコン境界領域
でSiO2 結合を得る結果、境界領域の状態密度が低く
なる。しかしながら、シリケート層に高原子数金属が含
まれるため、膜の誘電定数をかなり高くすることができ
る。また、本発明が提供する非晶質シリケート・ゲート
誘電体は、高密度の微細構造を持ち、多結晶誘電体にお
ける粒状境界に関連する問題の多くを除くことができ
る。
The present invention can totally eliminate the problems of other alternative dielectrics by using oxide dielectric materials that contain significant amounts of silicon, especially at the silicon / dielectric interface. In one preferred embodiment,
A graded silicate layer is formed, where the silicate layer contains a large amount of SiO 2 component near the silicon boundary region, while the silicate layer contains a large amount of metal oxide component above the silicate layer. With such a configuration, as a result of obtaining SiO 2 bonds mainly in the silicon boundary region, the state density in the boundary region is reduced. However, since the silicate layer contains a high atomic number metal, the dielectric constant of the film can be considerably increased. Also, the amorphous silicate gate dielectric provided by the present invention has a high density microstructure and can eliminate many of the problems associated with granular boundaries in polycrystalline dielectrics.

【0010】本発明の1面が開示する半導体デバイスの
製造方法は、単結晶シリコン基板を提供し、その基板上
に金属シリケート誘電体層を形成し、その金属シリケー
ト誘電体層に伝導性ゲートを形成する。この方法は、金
属シリケート誘電体層を形成するためのいくつかの方法
の1つから成ることができる。例えば、清浄なSi表面
に金属を蒸着し、アニールにより珪化物層を形成し、そ
れを酸化させる。あるいは、酸化環境において基板上に
金属を蒸着し、次に酸化環境にてアニールする。あるい
は、どちらかの方法と同様にして、金属とシリコンの両
方を基板上に蒸着する。
According to one aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising providing a single crystal silicon substrate, forming a metal silicate dielectric layer on the substrate, and forming a conductive gate on the metal silicate dielectric layer. Form. The method can consist of one of several methods for forming a metal silicate dielectric layer. For example, a metal is deposited on a clean Si surface, a silicide layer is formed by annealing, and the silicide layer is oxidized. Alternatively, metal is deposited on the substrate in an oxidizing environment and then annealed in an oxidizing environment. Alternatively, in the same manner as either method, both metal and silicon are deposited on the substrate.

【0011】また、本発明の他の面が開示する電界効果
デバイスが形成された集積回路は、単結晶シリコン半導
体チャンネルと、このチャンネル領域に重ねられた金属
シリケート誘電体と、このゲート誘電体に重ねられた伝
導性ゲートとを備える。ゲート誘電体は非晶質又は多結
晶の膜のどちらであっても良い。金属シリケートは、例
えば、ジルコニウム・シリケート、セリウム・シリケー
ト、亜鉛シリケート、トリウム・シリケート、ビスマス
・シリケート、ハフニウム・シリケート、ランタン・シ
リケート、タンタル・シリケート、又は、これらの材料
の組み合わせであって良い。金属シリケート層は、段階
的組成を持ち、半導体チャンネル領域に近い部分におけ
る金属に対するシリコンの割合は、伝導性ゲートに近い
部分における金属に対するシリコンの割合より大きくす
ることが好ましい。
According to another aspect of the present invention, there is provided an integrated circuit on which a field effect device is formed, comprising a single-crystal silicon semiconductor channel, a metal silicate dielectric overlaid on the channel region, and a gate dielectric. Stacked conductive gates. The gate dielectric can be either an amorphous or polycrystalline film. The metal silicate may be, for example, zirconium silicate, cerium silicate, zinc silicate, thorium silicate, bismuth silicate, hafnium silicate, lanthanum silicate, tantalum silicate, or a combination of these materials. Preferably, the metal silicate layer has a graded composition, with the ratio of silicon to metal near the semiconductor channel region being greater than the ratio of silicon to metal near the conductive gate.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態は、
以下に説明するように、代表的にはSi(100)基板
を使用して製造することができる。これらの実施の形態
の説明は、図2に示されたように、基板20の上にエピ
タキシャル層22を形成し、そのエピタキシャル層22
内に活性チャンネル領域24を注入した後から始める。
また、本発明に係わる領域内においてチャンネル24に
は、保護又はネイティブ酸化シリコン領域26(好まし
くは、1nm未満の酸化物からなる)が重ねられること
を前提とする。このような酸化シリコン層は、清浄な基
板を約30秒間、600−700度Cに、10-3Tor
r以下の酸素環境で熱することによって形成することが
できる。このステップに至るまでの様々な製造過程は当
業者にとって公知であり、本発明は、それらのどれにも
適用することができる。以下の例においては、チャンネ
ル24が、上層22に形成されるとする。ただし、本発
明は、基板20その他の比較的純粋なSi基板に直接的
に形成されるゲート誘電体にも適用することができる。
以下の説明において、層20、層22、領域24は、文
脈上特定の物を指す場合を除いて、相互に入れ換えられ
ることがある。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As described below, it can be typically manufactured using a Si (100) substrate. In the description of these embodiments, as shown in FIG. 2, an epitaxial layer 22 is formed on a substrate 20 and the epitaxial layer 22 is formed.
After the active channel region 24 has been implanted therein.
It is also assumed that a protective or native silicon oxide region 26 (preferably of less than 1 nm of oxide) is overlaid on the channel 24 within the region according to the invention. Such a silicon oxide layer can be applied to a clean substrate at 600-700 ° C. for about 30 seconds at 10 −3 Torr.
It can be formed by heating in an oxygen environment of r or less. The various manufacturing processes leading to this step are known to those skilled in the art, and the present invention can be applied to any of them. In the following example, it is assumed that the channel 24 is formed in the upper layer 22. However, the invention is also applicable to gate dielectrics formed directly on substrate 20 or other relatively pure Si substrates.
In the following description, the layer 20, the layer 22, and the region 24 may be interchanged with each other, unless the context indicates a specific thing.

【0013】シリケート・ゲート誘電体を形成するため
の特定の実施の形態は、酸化シリコン領域26が、その
まま残されてシリケート層の形成に使用されるか、ある
いは除去されて下にあるシリコンがシリケート層の形成
に使用されるか、あるいは除去されて金属シリケート蒸
着過程において基板との相互作用を阻止するための化学
反応抑制層に置き換えるかによって区別される。これに
続く説明は、シリケート形成材料の蒸着用に基板を準備
することに関し、それに続く特定の実施形態に適用され
る。酸化シリコン領域26を除去する場合、本発明にと
って、2つの好ましい表面がある。領域26を除去し
て、図3に示されたように、何もない露出上面28とし
て残すか、図4に示されたように、水素を付けた表面に
する。酸化物領域26が除去される場合、反応性の高い
Si表面の化学反応が防止できるのであれば、例えば特
定の処理において酸素に触れるのが許される時点まで超
真空(10-8Torr未満)で処理することによって防
止できるのであれば、露出表面は、水素付き表面よりも
水素無し表面の方が好ましい。そうでなければ、露出S
i表面は、水素など適当な反応抑制剤で止めるべきであ
る。水素は、再酸化を防止し、且つ処理の適当な時点で
簡単に除去することができる。
Particular embodiments for forming a silicate gate dielectric include silicon oxide regions 26 that may be left intact and used to form a silicate layer, or the underlying silicon may be removed to form a silicate layer. It is distinguished by whether it is used to form a layer or is removed and replaced with a chemical reaction inhibiting layer to prevent interaction with the substrate during the metal silicate deposition process. The description that follows relates to preparing the substrate for deposition of the silicate-forming material and applies to the specific embodiments that follow. When removing the silicon oxide region 26, there are two preferred surfaces for the present invention. The region 26 is removed, leaving an empty exposed top surface 28, as shown in FIG. 3, or a hydrogenated surface, as shown in FIG. When the oxide region 26 is removed, if a chemical reaction on the highly reactive Si surface can be prevented, for example, in an ultra-vacuum (less than 10 −8 Torr) until a point where oxygen is allowed to be exposed in a specific process. The exposed surface is preferably a non-hydrogen surface rather than a hydrogen surface, as long as it can be prevented by treatment. Otherwise, exposure S
The i-surface should be stopped with a suitable reaction inhibitor such as hydrogen. Hydrogen prevents re-oxidation and can be easily removed at the appropriate point in the process.

【0014】酸化物を除去する方法は、本発明にとって
決定的なことではないと考えられる。要は、その上に重
ねる蒸着が行われるまで、酸化物無しの清浄な表面が維
持できればよいのである。酸化物26を除去する1つの
好ましい方法は、湿潤HFに触れさせること。たとえ
ば、基板を希釈HFに30秒間浸した後、脱イオン水で
洗浄する。これにより、ネイティブ酸化物を除去し、且
つ表面を水素で止めることができる。この他の好ましい
方法として、HF蒸気に当てる方法がある。これによっ
ても、ほぼ同様の結果が得られる。ただし、この方法
は、クラスター・ツール内で使用できるので、更に表面
の再酸化ないし汚染を防止することができる。どちらの
方法も、この他の除去薬品を使って良い。HFあるいは
NH4 F溶液は、表面止めの最終ステップに使用するの
に好ましい。
The method of oxide removal is not believed to be critical to the present invention. In short, it is only necessary that a clean surface without oxide can be maintained until vapor deposition is performed thereon. One preferred method of removing oxide 26 is to expose it to wet HF. For example, the substrate is immersed in diluted HF for 30 seconds and then washed with deionized water. Thus, the native oxide can be removed and the surface can be stopped with hydrogen. Another preferred method is to apply HF vapor. With this, almost the same result can be obtained. However, since this method can be used in a cluster tool, reoxidation or contamination of the surface can be further prevented. Both methods may use other removal chemicals. HF or NH 4 F solutions are preferred for use in the final step of surface finishing.

【0015】他のいくつかの方法によれば、図3に示さ
れたように、表面止め無しの表面28になる。そのよう
な方法の1つは、クラスター・ツールによるSiフラッ
クス離脱に適用される。10-8Torr未満で温度78
0度Cで、好ましくは1.5オングストローム/sec
のSiフラックスを600秒間適用することによって、
ネイティブ酸化物を除去できるだけでなく、原子的に滑
らかな段差付き表面が得られ、超薄型ゲート誘電体にと
って有利である。あるいは単に、基板を水素環境の真空
下で高温に熱することによる離脱でも良い。ただし、S
iフラックス方法の方が優れた表面構造をもたらすと考
えられる。いずれにせよ、重ねる蒸着が完成するまで基
板が超高真空に保持されるのでない限り、表面28は、
例えば水素環境下のプラズマまたは高温フィラメントに
よって生成される水素原子に晒すことによって、水素止
めすることができる。
According to some other methods, as shown in FIG. 3, an unstopped surface 28 results. One such method applies to Si flux desorption with a cluster tool. Temperature below 78 at 10 -8 Torr
0 ° C., preferably 1.5 Å / sec
By applying a Si flux of 600 seconds
Not only can native oxide be removed, but an atomically smooth stepped surface is obtained, which is advantageous for ultra-thin gate dielectrics. Alternatively, detachment may be performed simply by heating the substrate to a high temperature under vacuum in a hydrogen environment. Where S
It is believed that the i-flux method results in a better surface structure. In any case, unless the substrate is held in an ultra-high vacuum until the overlay deposition is completed, surface 28
Hydrogen termination can be achieved, for example, by exposure to hydrogen atoms generated by a plasma or hot filament in a hydrogen environment.

【0016】表面28は、窒化シリコンあるいはオキシ
窒化シリコン層のような超薄膜層によってパッシベート
することもできる。厳密に言えば、これはシリコンの酸
化物ではない。このような層は、拡散バリアとして機能
し、重ねるシリケート層を形成している間、基板に酸化
耐性を提供する。オキシ窒化シリコン層が使用された場
合、オキシ窒化の好ましい方法は、NOに晒すことであ
る。この他の方法によって生成されるオキシ窒化物は、
ここに開示されるゲート誘電体構造を完成するのに必要
な厚さにおいて充分な酸化耐性を提供するとは考えられ
ないし、且つ/又は処理温度がより高温になり、そのよ
うなことは好ましくない。例えば、N2O処理は、NO
処理と比較して、Nの貢献度がずっと低い。NH3 処理
は、事前にSiO2 膜を用意する必要があり、このよう
に、NH3 を使用して均一なサブ・ナノメータのオキシ
窒化物膜を得るのは困難である。また、NH3 アニール
では、膜構造に水素が入り込むという好ましくないこと
も生じる。
The surface 28 can be passivated by an ultra-thin layer such as a silicon nitride or silicon oxynitride layer. Strictly speaking, this is not an oxide of silicon. Such a layer acts as a diffusion barrier and provides oxidation resistance to the substrate while forming the overlapping silicate layers. If a silicon oxynitride layer is used, the preferred method of oxynitridation is to expose to NO. Oxynitrides produced by this other method are:
It is not believed to provide sufficient oxidation resistance in the thickness required to complete the gate dielectric structures disclosed herein, and / or higher processing temperatures are not preferred. For example, N 2 O treatment is NO
The contribution of N is much lower than the processing. In the NH 3 treatment, it is necessary to prepare a SiO 2 film in advance, and thus it is difficult to obtain a uniform sub-nanometer oxynitride film using NH 3 . In addition, in the NH 3 annealing, there is an unfavorable result that hydrogen enters the film structure.

【0017】本発明に適用される典型的なNO処理は、
次のように行う。基板からパッド酸化物を除去し清浄に
する。クリーニングの最終ステップとして、基板を希釈
HFに30秒間浸し、脱イオン水で洗浄する。次に基板
を反応チャンバに入れ、反応チャンバを3x10-8To
rrまで真空にしてから、基板を500度Cに熱して基
板表面から水素反応抑制を除く。基板を700度Cに熱
して、チャンバに4TorrのNOを10秒間導入し、
オキシ窒化物反応抑制層を形成する。図5は、パッシベ
ーション層30、例えば、オキシ窒化物あるいは窒化物
パッシベーション層を示す。
A typical NO treatment applied to the present invention is:
Proceed as follows. Remove and clean the pad oxide from the substrate. As a final cleaning step, the substrate is immersed in diluted HF for 30 seconds and washed with deionized water. Next, the substrate is placed in the reaction chamber, and the reaction chamber is set to 3 × 10 −8 To
After evacuating to rr, the substrate is heated to 500 ° C. to remove hydrogen reaction suppression from the substrate surface. The substrate was heated to 700 ° C., and 4 Torr of NO was introduced into the chamber for 10 seconds.
An oxynitride reaction suppression layer is formed. FIG. 5 shows a passivation layer 30, for example, an oxynitride or nitride passivation layer.

【0018】基板を上記のように清浄なSi表面、酸化
物層、あるいは保護バリア層を提供すべく準備ができた
ら、いくつかの方法の1つによって、基板の上に金属シ
リケート・ゲート誘電体を形成する。以下に説明するゲ
ート誘電体形成の特定の実施の形態は、広範囲の金属シ
リケート組成及び構造に簡単に適用できるが、好ましい
金属シリケート組成及び構造は、以下に述べるいくつか
の特性を持つ。
When the substrate is ready to provide a clean Si surface, oxide layer, or protective barrier layer as described above, the metal silicate gate dielectric may be deposited on the substrate by one of several methods. To form Although the particular embodiments of gate dielectric formation described below are readily applicable to a wide range of metal silicate compositions and structures, the preferred metal silicate compositions and structures have several properties described below.

【0019】第1に、金属シリケートは、シリコンにつ
いで安定していることが好ましい。適当なシリケートを
形成する熱は、一般に、酸化シリコンを形成する熱より
もネガティブである。これは、より安定なゲート構造を
形成し、境界領域酸化シリコンが形成され易くなるのを
避けるためである。これらのシリケートの例を挙げるな
ら、Ba,La,Hf、及び希土類元素である。SiO
2 に近い形成熱を持つシリケート(例えば、Sr,Y,
Zr,Ta)も、本発明において有用であるが、これ
らのシリケートの安定性は、一般的に、第1のグループ
のものより低い。表1は、形成熱を考慮した場合の、こ
の層の候補であり、比較のために二酸化シリコンも入れ
てある。
First, the metal silicate is preferably stable next to silicon. The heat to form a suitable silicate is generally more negative than the heat to form silicon oxide. This is to form a more stable gate structure and to prevent the boundary region silicon oxide from being easily formed. Examples of these silicates are Ba, La, Hf, and rare earth elements. SiO
Silicate with a formation heat close to 2 (eg, Sr, Y,
Zr, Ta) are also useful in the present invention, but the stability of these silicates is generally lower than that of the first group. Table 1 is a candidate for this layer when considering the heat of formation, and silicon dioxide is also included for comparison.

【表1】 [Table 1]

【0020】第2に、金属シリケートは、二酸化シリコ
ンの誘電定数(4以下)あるいは窒化シリコンの誘電定
数(7以下)に比較して高い誘電定数を持つことが好ま
しい。一般的に、シリケートの誘電定数は、含まれる金
属の原子数と共に増加する。従って、Ba,La,Hf
のような原子量の高い金属、及び希土類元素が好まし
い。
Second, the metal silicate preferably has a higher dielectric constant than the dielectric constant of silicon dioxide (4 or less) or the dielectric constant of silicon nitride (7 or less). Generally, the dielectric constant of a silicate increases with the number of atoms of the contained metal. Therefore, Ba, La, Hf
Metals having a high atomic weight, such as, and rare earth elements are preferred.

【0021】第3に、シリケートは、多結晶または非晶
質膜として形成することができる。一般的に、多結晶膜
は、より良い誘電定数を持つ。ただし、非晶質膜は、一
般により高いブレークダウン性能を持ち、拡散バリアも
良く、境界領域の状態密度も低い。また、本発明による
シリケート誘電体の形成の好ましい実施の形態の多くに
おいて、非晶質膜の形成は、多結晶膜の形成より簡単で
ある。というのは、多結晶膜を形成するには均一な化学
量が必要になるからである。非晶質シリケート膜は、混
合金属シリケート膜に1つまたはそれ以上の金属を含む
ことによって、安定化させることもできる。
Third, the silicate can be formed as a polycrystalline or amorphous film. Generally, polycrystalline films have better dielectric constants. However, an amorphous film generally has higher breakdown performance, a good diffusion barrier, and a low density of states in a boundary region. Also, in many of the preferred embodiments of forming a silicate dielectric according to the present invention, forming an amorphous film is simpler than forming a polycrystalline film. This is because a uniform stoichiometry is required to form a polycrystalline film. Amorphous silicate films can also be stabilized by including one or more metals in the mixed metal silicate film.

【0022】最後に、本発明は、段階的(グラデーショ
ン付き)誘電組成を利用している。好ましい実施の形態
において、シリケート膜が形成される部分では、シリコ
ンの金属に対する割合が、膜の深さ方向に変化する。例
えば、基板との境界領域が主としてSiO2 である段階
的シリケート膜(例えば2-10 モル%酸化金属)を形成
することによって、純粋なSiO2 によって得られるの
と同様な質の境界領域を提供することができる。シリコ
ンの金属に対する割合は、断面から見て次第に減ってい
くので、ゲート誘電体膜の上部に近づくにつれて酸化金
属の割合が増えていくことになる。
Finally, the present invention utilizes a graded (graded) dielectric composition. In a preferred embodiment, in the portion where the silicate film is formed, the ratio of silicon to metal changes in the depth direction of the film. For example, provide a similar quality of the boundary area and that obtained by the pure SiO 2 to form a graded silicate film boundary region between the substrate is primarily SiO 2 (e.g., 2 -10 mol% metal oxide) can do. Since the ratio of silicon to metal gradually decreases when viewed from the cross section, the ratio of metal oxide increases as approaching the top of the gate dielectric film.

【0023】実施の形態1 本発明の1実施の形態において、清浄なSi表面に金属
を蒸着することによって、金属シリケート誘電体を形成
し、これをアニールすることによって珪化金属を形成
し、この珪化物層を酸化させ、それをアニールする。こ
の実施の形態において、図3あるいは図4に示されたよ
うな基板が使用される。図4に示されたように、表面2
8がパッシベートされている場合、基板は、真空又は不
活性環境において500度Cに熱することによってパッ
シベートは簡単に除去できる。
Embodiment 1 In one embodiment of the present invention, a metal silicate dielectric is formed by depositing a metal on a clean Si surface, and a metal silicide is formed by annealing the metal silicate dielectric. The material layer is oxidized and annealed. In this embodiment, a substrate as shown in FIG. 3 or FIG. 4 is used. As shown in FIG.
If 8 is passivated, the substrate can be easily removed by heating to 500 ° C. in a vacuum or inert environment.

【0024】図6において、例えば、スパッタ法、蒸
着、化学蒸着(CVD)又はプラズマCVDにより、金
属層32(例えば、ジルコニウム又はハフニウム)を直
接的に表面28に蒸着する。スパッタ法は、平行化(c
ollimated)スパッタ又は長距離(long−
throw)スパッタのような低エネルギー・プラズマ
・システムによって行うのが好ましい。尚、低蒸着速度
(例えば、1秒で数オングストロームという程度)が好
ましい。なぜなら、全体の蒸着厚さが小さく、また均一
性が望まれるからである。8インチ・ウェハの場合、蒸
着を行うシステムは、ベース圧力10-8Torr以下、
作業圧力10-4Torr以下、スパッタ・ガンとウェハ
との間の距離は16インチ(約40cm)に設定し、ま
た均一性を向上させるべくウェハを回転しても良い。ス
パッタ・ガンとしては、アルゴンが使える。蒸着の間、
ウェハは400度Cに保つ。
Referring to FIG. 6, a metal layer 32 (eg, zirconium or hafnium) is deposited directly on surface 28 by, for example, sputtering, vapor deposition, chemical vapor deposition (CVD), or plasma CVD. In the sputtering method, the parallelization (c
originated sputter or long-range (long-
Preferably, it is performed by a low energy plasma system such as a sputter. Note that a low deposition rate (for example, about several angstroms per second) is preferable. This is because the entire vapor deposition thickness is small and uniformity is desired. In the case of an 8-inch wafer, the system for performing deposition is based on a base pressure of 10 −8 Torr or less.
The working pressure is less than 10 -4 Torr, the distance between the sputter gun and the wafer is set at 16 inches (about 40 cm), and the wafer may be rotated to improve uniformity. Argon can be used as a sputter gun. During deposition
The wafer is kept at 400 degrees C.

【0025】スパッタ法の代わりに、金属層32は、電
子ビーム源から500度Cの基板に蒸着させても良い。
その際のネット蒸着速度は、1秒当たり10分の1オン
グストロームから数オングストロームである。基板を回
転させて、均一性を向上することが好ましい。その他、
例えば四塩化ジルコニウム及び水素ガスのような適当な
前駆体を使用するCVD法又はプラズマCVD法を使用
しても良い。これらの方法においても、低めの蒸着速度
及び温度(600度C以下)が好ましい。また、下流プ
ラズマ型リアクタの方が、基板でプラズムが生成される
リアクタより好ましい。
Instead of the sputtering method, the metal layer 32 may be deposited on a substrate at 500 ° C. from an electron beam source.
At this time, the net deposition rate is from 1/10 angstroms to several angstroms per second. Preferably, the substrate is rotated to improve uniformity. Others
For example, a CVD method using a suitable precursor such as zirconium tetrachloride and hydrogen gas or a plasma CVD method may be used. Also in these methods, a lower deposition rate and a lower temperature (600 ° C. or lower) are preferable. Also, downstream plasma reactors are preferred over reactors where plasma is generated on the substrate.

【0026】図7において、珪化金属層34の形成は、
金属層32を備えた基板20を不活性環境、還元環境、
又は真空でアニールして行う。正確な値は、使用する金
属の種類及び所望の珪化物の厚さに依存するが、一般的
には、20秒間、700度Cの真空でアニールすれば充
分である。殆どの珪化物処理において、基板20からの
シリコンは金属層32に拡散して珪化金属層34を形成
する。尚、この技術において、金属層32は厚めに蒸着
しておき、アニールの際、層32のうち珪化物に変換し
ない部分を残るようにしても良い。この場合、珪化物の
厚さはアニール時間によって調節し、余分な金属は、珪
化物アニール・ステップの後で、エッチングにより除去
する。
In FIG. 7, the metal silicide layer 34 is formed by
The substrate 20 provided with the metal layer 32 is placed in an inert environment, a reducing environment,
Alternatively, annealing is performed in a vacuum. The exact value depends on the type of metal used and the desired silicide thickness, but it is generally sufficient to anneal in a vacuum of 700 ° C. for 20 seconds. In most silicide processing, silicon from substrate 20 diffuses into metal layer 32 to form metal silicide layer 34. In this technique, the metal layer 32 may be deposited to be thicker so that a portion of the layer 32 that is not converted to silicide remains during annealing. In this case, the silicide thickness is controlled by the anneal time, and excess metal is etched away after the silicide anneal step.

【0027】図8において、珪化物層34は、酸化によ
りシリケート層36に変換される。このステップにおい
ては酸化の制御が重要である。というのは、酸化が充分
でないと耐性が不十分であり、また酸化しすぎると層3
6の容量が減ってしまう(下にあるシリコンが酸化して
いまうため)。このステップには、いろいろの酸素アニ
ール処理が使用できる。例えば、紫外線を使うかまたは
使わない低温度酸素アニール、あるいは紫外線を使うO
3 のような活性酸素アニール、下流酸素プラズマ、N2
O、あるいはDCバイアス基板を使う低温酸素プラズマ
などである。この最後の処理の例として、1mTorr
で作動する下流1500W ECR源を使用し、基板に
直流60V以下を接続し、13.56MHzまたは30
0kHzを適用して、また、基板に80度Cで冷却する
ヘリウム・バックサイドを適用しても良い。処理時間
は、実験的に、耐性と誘電定数が許容範囲内にあるよう
定める。
In FIG. 8, the silicide layer 34 is converted to a silicate layer 36 by oxidation. In this step, control of oxidation is important. This is because if the oxidation is insufficient, the resistance is insufficient.
The capacity of 6 is reduced (since the underlying silicon is oxidized). Various oxygen annealing treatments can be used for this step. For example, low temperature oxygen annealing with or without ultraviolet light, or O with ultraviolet light
Active oxygen anneal such as 3 , downstream oxygen plasma, N 2
O or low-temperature oxygen plasma using a DC bias substrate. As an example of this last process, 1 mTorr
Using a downstream 1500W ECR source operating at 13.60MHz or 30.
Helium backside cooling at 80 ° C. may be applied to the substrate by applying 0 kHz. The processing time is experimentally determined so that the resistance and the dielectric constant are within an allowable range.

【0028】一般的に、シリケート層36の高温アニー
ルを選択することによって、低温酸化の後で膜を高密に
し結晶化させる。例えば、基板は、750度Cで20秒
間アルゴンでアニールすることによって高密度化するこ
とができる。このアニールは、不活性または還元環境で
行うことができ、特に、金属層32がハロゲンを使用し
たCVD法で蒸着された場合は、還元環境が有効であ
る。還元環境が使用された場合、シリケート層36の誘
電特性を改善するために、酸素での低温のポスト・アニ
ールを付加的に行うことができる。
Generally, by selecting a high temperature anneal of the silicate layer 36, the film will be dense and crystallized after low temperature oxidation. For example, the substrate can be densified by annealing with argon at 750 ° C. for 20 seconds. This annealing can be performed in an inert or reducing environment. In particular, when the metal layer 32 is deposited by a CVD method using halogen, the reducing environment is effective. If a reducing environment is used, an additional low-temperature post-anneal with oxygen can be performed to improve the dielectric properties of the silicate layer 36.

【0029】最後に、図9を参照して、導電性ゲート3
8が、シリケート・ゲート誘電体36の上に蒸着され
る。ゲート38を蒸着する処理は、当業者にとって良く
知られている。ゲート38は、例えば、ドープされたポ
リシリコン、金属、又は導電性酸化金属で形成すること
ができる。この実施の形態の変形例として、珪化物のス
テップ及び酸化のステップは組み合わせてもかまわな
い。珪化物が完全に形成される前に酸化環境を導入する
か、あるいは、この2つのステップを完全に重ねても良
い。後者の場合、図2に示されたような基板が好まし
い。というのは、酸化シリコン層26は、シリケート層
36の形成にとっては、酸素とシリコンであるから。
Finally, referring to FIG.
8 is deposited on the silicate gate dielectric 36. The process of depositing gate 38 is well known to those skilled in the art. Gate 38 may be formed, for example, of doped polysilicon, metal, or conductive metal oxide. As a modified example of this embodiment, the step of silicide and the step of oxidation may be combined. The oxidizing environment may be introduced before the silicide is completely formed, or the two steps may be completely repeated. In the latter case, a substrate as shown in FIG. 2 is preferred. This is because the silicon oxide layer 26 is oxygen and silicon for forming the silicate layer 36.

【0030】実施の形態2 本発明の第2の実施の形態では、金属シリケート・ゲー
ト誘電体の形成は、酸化環境で基板上に金属を蒸着し、
アニールすることによって行われる。この実施の形態
は、図2、図3、または図4に対応するいずれかの基板
を利用し、金属の蒸着は、第1の実施の形態で説明した
方法の1つを使用するのが好ましい。第1の実施の形態
との違いは、以下の通りである。
Embodiment 2 In a second embodiment of the present invention, forming a metal silicate gate dielectric comprises depositing a metal on a substrate in an oxidizing environment;
This is performed by annealing. This embodiment utilizes any of the substrates corresponding to FIG. 2, FIG. 3, or FIG. 4, and the metal deposition preferably uses one of the methods described in the first embodiment. . The differences from the first embodiment are as follows.

【0031】図10を参照して、酸化金属層40は、清
浄なSiの上に、上記スパッタ法により蒸着して良い。
ただし、金属が基板に供給される際、酸素の活性をある
程度制御して層40を少なくとも部分的に酸化する。例
えば、アルゴンでのスパッタリングで、酸素流量をアル
ゴンの流量の10分の1ぐらいにして、基板近傍に酸素
または水プラス水素を導入する。1秒当たり0.1ナノ
メータの金属蒸着速度を得るには、酸化ガスを、蒸着処
理開始から0−5秒後に導入するのが好ましい。
Referring to FIG. 10, metal oxide layer 40 may be deposited on clean Si by the above-described sputtering method.
However, when the metal is provided to the substrate, the activity of oxygen is controlled to some extent to at least partially oxidize layer 40. For example, by sputtering with argon, the flow rate of oxygen is reduced to about 1/10 of the flow rate of argon, and oxygen or water plus hydrogen is introduced near the substrate. To obtain a metal deposition rate of 0.1 nanometer per second, it is preferable to introduce the oxidizing gas 0-5 seconds after the start of the deposition process.

【0032】酸化金属層40が蒸着によって生成される
場合、酸化させる物は、基板近傍に加えるのが好まし
い。蒸着された金属をほぼ完全に酸化するには、5-10
Torr以下の酸素を使用して、0.1nm/秒で金属
蒸着を行う。CVD法を使用する場合は、適当な前駆体
が必要な酸素を供給する(例えば、四塩化ジルコニウム
と水)。
When the metal oxide layer 40 is formed by vapor deposition, the substance to be oxidized is preferably added near the substrate. To almost completely oxidize the deposited metal is 5 -10
Metal deposition is performed at 0.1 nm / sec using oxygen of Torr or less. When using the CVD method, a suitable precursor supplies the required oxygen (eg, zirconium tetrachloride and water).

【0033】図11を参照において、層40は基板と反
応させられ金属シリケート層36を形成する。これは、
第1実施の形態で説明したように、低温酸素アニールと
それに続く高温アニールによって行うのが好ましい。好
ましい酸素アニールの1つの例は、O3 下、400度
C、60秒間のアニールである。
Referring to FIG. 11, layer 40 is reacted with the substrate to form metal silicate layer 36. this is,
As described in the first embodiment, the annealing is preferably performed by low-temperature oxygen annealing followed by high-temperature annealing. One example of a preferred oxygen anneal is an anneal under O 3 at 400 ° C. for 60 seconds.

【0034】尚、この実施の形態は、段階的シリケート
層を生成すべく簡単に改変することができる。この方法
の1つの変形例が図12に示される。ここにおいて、層
40は、酸化シリコン層26の上に蒸着される。このよ
うな実施の形態において、アニールを行う間の酸素の活
動は削減することができ、シリケート層36の形成は、
層26から酸素とシリコンの両方を「盗む」ことによっ
て行うことができる。基板のグラデーションは、層26
と層40の相対的初期厚さを調整することによって、調
整することができる。また、Siを層40に供給するの
に、勢いの良いイオンを離れたプラズマから注入し、基
板にDCバイアスをかけて、浸透深さを調整すると良
い。例えば、シランを使って層40にSiを注入しても
良い。
It should be noted that this embodiment can be easily modified to produce a graded silicate layer. One variation of this method is shown in FIG. Here, layer 40 is deposited over silicon oxide layer 26. In such an embodiment, the activity of oxygen during the annealing can be reduced, and the formation of the silicate layer 36
This can be done by "stealing" both oxygen and silicon from layer 26. The gradation of the substrate is layer 26
It can be adjusted by adjusting the relative initial thickness of the layers 40 and 40. In order to supply Si to the layer 40, it is preferable to inject vigorous ions from remote plasma and apply a DC bias to the substrate to adjust the penetration depth. For example, Si may be implanted into the layer 40 using silane.

【0035】実施の形態3 本発明の第3の実施の形態では、金属シリケート・ゲー
ト誘電体の形成は、酸化環境で基板上に金属とシリコン
の両方を蒸着し、続いてアニールを行うことによって行
う。この実施の形態において、基板の準備は、図2乃至
図5に示されたものから選択できる。この方法は、シリ
ケート膜の成分として基板からのシリコンに頼らないの
で、基板の酸化を制限する表面、例えば図5の拡散バリ
ア表面が好ましい。金属とシリコンの蒸着には、第1の
実施の形態で述べた方法の1つを使用することができ
る。ただし、以下の相違点がある。
Embodiment 3 In a third embodiment of the present invention, the formation of a metal silicate gate dielectric is performed by depositing both metal and silicon on a substrate in an oxidizing environment, followed by annealing. Do. In this embodiment, the preparation of the substrate can be selected from those shown in FIGS. Since this method does not rely on silicon from the substrate as a component of the silicate film, a surface that limits oxidation of the substrate, such as the diffusion barrier surface of FIG. 5, is preferred. One of the methods described in the first embodiment can be used for depositing metal and silicon. However, there are the following differences.

【0036】図13を参照して、酸化金属及びシリコン
層42は、第2の実施の形態における酸化金属40の蒸
着で述べたように、清浄なSi表面にスパッタリングで
蒸着する。金属とシリコンの両方の蒸着は、金属ターゲ
ットを適当な珪化物ターゲットに取り替えることによっ
て完成する。この方法の不利な点は、単一組成のターゲ
ットから段階的層を蒸着するのが困難であるという点で
ある。
Referring to FIG. 13, the metal oxide and silicon layer 42 is deposited on the clean Si surface by sputtering as described in the deposition of metal oxide 40 in the second embodiment. Deposition of both metal and silicon is accomplished by replacing the metal target with a suitable silicide target. The disadvantage of this method is that it is difficult to deposit a graded layer from a single composition target.

【0037】酸化金属とシリコンの層42の生成が蒸着
(evaporation)によって行われるのであれ
ば、第2の実施の形態と同様の方法を選択することがで
きる。この場合、別々の電子ビーム源からの金属とシリ
コンを使って、シリコンの金属に対する割合を蒸着過程
で調整することが好ましい。
If the formation of the metal oxide and silicon layer 42 is performed by evaporation, a method similar to that of the second embodiment can be selected. In this case, it is preferable to use metal and silicon from different electron beam sources and adjust the ratio of silicon to metal during the deposition process.

【0038】CVD法を使用する場合は、適当な前駆体
が必要な酸素を提供することになる。前駆体の組み合わ
せ、例えばシランと四塩化ジルコニウムと酸素を組み合
わせて使用することによって、均一な化学量的層を生成
することができるが、段階的組成層を得ることは困難で
ある。段階的層を得るには、CVD前駆体として、四塩
化シリコンと四塩化ジルコニウムと水を組み合わせて使
用するのが好ましい。
When using the CVD method, a suitable precursor will provide the required oxygen. The use of a combination of precursors, such as a combination of silane, zirconium tetrachloride and oxygen, can produce a uniform stoichiometric layer, but it is difficult to obtain a graded composition layer. To obtain a graded layer, it is preferable to use a combination of silicon tetrachloride, zirconium tetrachloride and water as a CVD precursor.

【0039】この処理を使用して高性能シリケート層を
形成するには、一般的に、前述の第1及び第2の実施の
形態で説明したような、低温酸素アニールと高温アニー
ルの両方が必要である。図14と図15は、それぞれ、
酸化シリコン層26上に蒸着された層42、及び拡散バ
リア層30(例えば、オキシ窒化シリコン層)上に蒸着
された層42を示す。前述のように、拡散バリア層30
があれば、より積極的な酸素アニールを選択することが
できる。
In order to form a high-performance silicate layer using this process, generally, both low-temperature oxygen annealing and high-temperature annealing as described in the first and second embodiments are required. It is. FIG. 14 and FIG.
Shown is a layer 42 deposited on the silicon oxide layer 26 and a layer 42 deposited on the diffusion barrier layer 30 (eg, a silicon oxynitride layer). As described above, the diffusion barrier layer 30
If so, more aggressive oxygen annealing can be selected.

【0040】実施の形態4 本発明の第4の実施の形態において、金属シリケート誘
電体の形成は、金属とシリコンの両方を基板に蒸着し、
それをアニールすることによって行う。この実施の形態
によって形成されるシリケートは、図2、図3、図4、
又は図5に基づいて準備された基板上に形成することが
できる。簡単に言ってしまうなら、この実施の形態は、
第1の実施の形態の金属蒸着/珪化物技術と、第3の実
施の形態の金属/シリコン蒸着源とを組み合わせて、珪
化物を直接的に蒸着するものである。
Embodiment 4 In a fourth embodiment of the present invention, forming a metal silicate dielectric comprises depositing both metal and silicon on a substrate,
This is done by annealing it. The silicate formed by this embodiment is shown in FIGS.
Alternatively, it can be formed on a substrate prepared based on FIG. To put it simply, this embodiment is
The silicide is directly deposited by combining the metal deposition / silicide technique of the first embodiment and the metal / silicon deposition source of the third embodiment.

【0041】図16を参照して、珪化金属層44を清浄
なSi表面に蒸着するのに、第1の実施の形態における
金属層34の蒸着で説明したように、スパッタ法を使用
する。金属とシリコンの蒸着は、金属ターゲットを適当
な珪化物ターゲットに取り替えることによって行う。こ
の方法の不利な点は、単一組成ターゲットから段階的層
を形成するのが困難であるという点である。
Referring to FIG. 16, to deposit metal silicide layer 44 on a clean Si surface, a sputtering method is used as described in the deposition of metal layer 34 in the first embodiment. Metal and silicon are deposited by replacing the metal target with a suitable silicide target. The disadvantage of this method is that it is difficult to form a graded layer from a single composition target.

【0042】珪化金属層44の生成を蒸着(evapo
ration)法によって行う場合、第1の実施の形態
と同様な方法を選択することができる。この場合、金属
とシリコンの電子ビーム源を別々に用意して、シリコン
の金属に対する割合を蒸着過程で変化させるのが好まし
い。
The formation of the metal silicide layer 44 is performed by evaporation (evaporation).
(ratio) method, a method similar to that of the first embodiment can be selected. In this case, it is preferable that metal and silicon electron beam sources are separately prepared, and the ratio of silicon to metal is changed during the deposition process.

【0043】CVD法を使用する場合は、適当な前駆体
が必要な酸素を提供することになる。前駆体の組み合わ
せ、例えばシランと四塩化ジルコニウムを組み合わせて
使用することによって、均一な化学量的層を生成するこ
とができるが、段階的組成層を得ることは困難である。
段階的層を得るには、CVD前駆体として、四塩化シリ
コンと四塩化ジルコニウムと水素を組み合わせて使用す
るのが好ましい。塩素が膜に入り込むのを防止するに
は、水素の量を多めにする必要がある。
When using the CVD method, a suitable precursor will provide the required oxygen. The use of a combination of precursors, such as a combination of silane and zirconium tetrachloride, can produce a uniform stoichiometric layer, but it is difficult to obtain a graded composition layer.
To obtain a graded layer, it is preferable to use a combination of silicon tetrachloride, zirconium tetrachloride and hydrogen as a CVD precursor. To prevent chlorine from entering the film, the amount of hydrogen must be increased.

【0044】この処理を使用して、層44から高性能シ
リケート層46(図17)を形成するには、一般的に、
前述の特に第1の実施の形態で説明したような、低温酸
素アニールと高温アニールの両方が必要である。前述の
ように、拡散バリア層30があれば、より積極的な酸素
アニールを選択することができる。
To form a high performance silicate layer 46 (FIG. 17) from layer 44 using this process, generally,
Both low-temperature oxygen anneal and high-temperature anneal, as described in the first embodiment in particular, are necessary. As described above, with the diffusion barrier layer 30, more aggressive oxygen annealing can be selected.

【0045】実施の形態5 本発明の第5の実施の形態において、金属シリケートの
形成には、酸化金属とシリコンの両方を基板に蒸着し、
続いて酸素アニールを行う。この方法は、前述の珪化物
を使用する方法より上手く作用することがある。という
のは、蒸着層が高還元(すなわち酸素欠乏)状態ではな
く、少なくとも珪化物を使用する中間的方法と同程度に
あるからである。
Embodiment 5 In a fifth embodiment of the present invention, a metal silicate is formed by depositing both metal oxide and silicon on a substrate.
Subsequently, oxygen annealing is performed. This method may work better than the silicide method described above. This is because the deposited layer is not in a highly reduced (ie, oxygen deficient) state, but at least as good as an intermediate method using silicide.

【0046】この実施の形態によって形成されるシリケ
ートは、図2、図3、図4、又は図5に基づき準備され
た基板の上に形成することができる。
The silicate formed according to this embodiment can be formed on a substrate prepared based on FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4, or FIG.

【0047】図19を参照して、部分的に還元された金
属シリケート層50を清浄なSi表面に蒸着するのに、
ZrO2 のような酸化金属とSi元素とを同時にスパッ
タして(co−sputtering)、酸素欠乏ジル
コニウム・シリケートを形成する。あるいはまた、Hf
2 とSiを組み合わせて、酸素欠乏ハフニウム・シリ
ケートを形成しても良い。このジルコニウムは部分的に
還元されているが、珪化ジルコニウムを完全に酸化させ
るよりは簡単に、完全に酸化してシリケートにすること
ができる。
Referring to FIG. 19, to deposit a partially reduced metal silicate layer 50 on a clean Si surface,
A metal oxide such as ZrO 2 and a Si element are simultaneously sputtered (co-sputtering) to form oxygen-deficient zirconium silicate. Alternatively, Hf
A combination of O 2 and Si, may be formed anoxic hafnium silicate. Although this zirconium is partially reduced, it can be completely oxidized to silicate more easily than to completely oxidize zirconium silicide.

【0048】8インチのウェハで蒸着を行うシステムと
しては、ベース圧力10-8Torr以下、作業圧力10
-3Torr以下、スパッタガンとウェハとの間の距離は
16インチ(約40cm)にセットし、より均一にする
ためにウェハは回転するのが良い。アルゴン又はアルゴ
ンと酸素の混合物(酸素10−50%以下)が、スパッ
タガスとして使用できる。蒸着を行う間、ウェハは温度
400−500度Cに保つ。RF電力は、低めに約50
−100ワットにセットして、粒や欠陥を防止する。S
iの電力設定は、普通それほど重要ではない。ZrO2
の設定と同じで良い。
As a system for performing vapor deposition on an 8-inch wafer, a base pressure of 10 −8 Torr or less and a working pressure of
At -3 Torr or less, the distance between the sputter gun and the wafer is set at 16 inches (about 40 cm), and the wafer is preferably rotated for more uniformity. Argon or a mixture of argon and oxygen (10-50% oxygen or less) can be used as the sputter gas. During the deposition, the wafer is kept at a temperature of 400-500C. RF power can be as low as about 50
Set to -100 watts to prevent grain and defects. S
The power setting of i is usually not critical. ZrO 2
It may be the same as the setting.

【0049】スパッタ法に代わるものとして、酸化ジル
コニウム電子ビーム源とシリコン電子ビーム源から50
0−600度Cの基板上に蒸着させて、部分的に還元さ
れた金属シリケート層50を形成しても良い。この際、
1秒間に10分の1オングストロームから数オングスト
ローム程度の蒸着速度にする。基板は、均一にするため
に、回転するのが良い。
As an alternative to the sputtering method, a zirconium oxide electron beam source and a silicon
A partially reduced metal silicate layer 50 may be formed by vapor deposition on a substrate at 0 to 600 ° C. On this occasion,
The deposition rate is set to about 1/10 angstrom to several angstrom per second. The substrate may be rotated for uniformity.

【0050】次に図20を参照して、部分的に還元され
た金属シリケート50が、酸化によりシリケート層52
に変わる。このステップにおいては酸化の制御が重要で
ある。酸化が不十分であると、充分な耐性が得られず、
また酸化しすぎると、層52の容量は減る(下にあるシ
リコンが酸化するため)。酸素下、約400−550度
Cで約30分以下ポスト・アニールすることによって、
普通、リーク電流を低く保ちながら容量を増大させるこ
とができる。より高温あるいは長時間のアニールは、容
量を減らすことになる傾向がある。このステップの酸素
アニールの方法としてはいろいろある。例えば、紫外線
を使うかまたは使わない低温度酸素アニール、あるいは
紫外線を使うO3 のような活性酸素アニール、下流酸素
プラズマ、N2 O、あるいはDCバイアスされた基板を
使う低温酸素プラズマなどである。この最後の処理の近
似的例として、1mTorrで作動する下流1500W
ECR源を使用し、基板に直流60V以下に接続し、1
3.56MHzまたは300kHzを適用して、また、
基板に80度Cで冷却するヘリウム・バックサイドを適
用しても良い。処理時間は、実験的に、耐性と誘電定数
が許容範囲内にあるよう定める。
Next, referring to FIG. 20, a partially reduced metal silicate 50 is converted into a silicate layer 52 by oxidation.
Changes to In this step, control of oxidation is important. If the oxidation is insufficient, sufficient resistance cannot be obtained,
Also, if oxidized too much, the capacity of layer 52 will decrease (because the underlying silicon will oxidize). By post-annealing at about 400-550 ° C. for about 30 minutes or less under oxygen,
Usually, the capacitance can be increased while keeping the leakage current low. Higher temperatures or longer anneals tend to reduce capacity. There are various oxygen annealing methods in this step. For example, a low temperature oxygen anneal with or without ultraviolet light, or an active oxygen anneal such as O 3 with ultraviolet light, a downstream oxygen plasma, N 2 O, or a low temperature oxygen plasma using a DC biased substrate. As an approximate example of this last process, a 1500 W downstream operating at 1 mTorr
Use an ECR source, connect it to the board at DC 60V or less,
Applying 3.56 MHz or 300 kHz,
Helium backside cooling at 80 ° C. may be applied to the substrate. The processing time is experimentally determined so that the resistance and the dielectric constant are within an allowable range.

【0051】一般的に、シリケート層52の高温アニー
ルを選択することによって、低温酸化の後で膜を高密に
し結晶化させる。例えば、基板は、750度Cで20秒
間アルゴン下でアニールすることによって高密度化する
ことができる。このアニールは不活性または還元環境で
行うことができ、特に、部分的に還元された金属シリケ
ート層50がハロゲンを使用したCVD法で蒸着された
場合は、還元環境が有効である。還元環境が使用された
場合、シリケート層52の誘電特性を改善するために、
酸素下での低温ポスト・アニールを付加的に行うことが
できる。物理蒸着(PVD)された誘電体では、不活性
又は酸化環境が一般的に好ましい。前述の実施の形態で
説明したように、拡散バリア層30があれば、より積極
的な酸素アニールを選択することができる。ZrO2
ような酸化金属及びシリコンを独立に導入することによ
って、シリケート誘電体の金属からシリコンへの段階的
断面を直接的に制御することができる。
In general, by selecting a high temperature anneal of the silicate layer 52, the film will be dense and crystallized after low temperature oxidation. For example, the substrate can be densified by annealing at 750 ° C. for 20 seconds under argon. This annealing can be performed in an inert or reducing environment. In particular, the reducing environment is effective when the partially reduced metal silicate layer 50 is deposited by a CVD method using halogen. If a reducing environment is used, to improve the dielectric properties of the silicate layer 52,
An additional low temperature post-anneal under oxygen can be performed. For physical vapor deposited (PVD) dielectrics, an inert or oxidizing environment is generally preferred. As described in the above embodiment, if the diffusion barrier layer 30 is provided, more aggressive oxygen annealing can be selected. By independently introducing a metal oxide such as ZrO 2 and silicon, the metal-to-silicon stepped cross section of the silicate dielectric can be directly controlled.

【0052】我々の得た知見では、ゲート誘電体にとっ
て、厳密に化学量的ZrSiO4 を形成することが必ず
しも望ましいわけではなく、それよりも、わずかにZr
を豊富に含むか、あるいはZr欠乏膜を形成する方が好
ましいことがある。化学量的ZrSiO4 があれば、結
晶化が容易になるが、非晶質では非化学量的膜の方が安
定している。更に、Zr含有率を制御することによっ
て、誘電定数やSiO2に似た境界領域特性を制御する
ことができる。酸素が豊富なシリケートは、リーク電流
が少なく、境界領域特性も良くなる。というのは、Si
2 に似た境界領域及び膜は、両者を改善するからであ
る。
From our findings, it is not always desirable for the gate dielectric to form strictly stoichiometric ZrSiO 4 , but rather a slight ZrSiO 4.
In some cases, it is preferable to include abundantly or to form a Zr-deficient film. The stoichiometric ZrSiO 4 facilitates crystallization, but the non-stoichiometric film is more stable in an amorphous state. Further, by controlling the Zr content, it is possible to control the dielectric constant and boundary region characteristics similar to SiO 2 . Oxygen-rich silicates have low leakage current and good boundary region characteristics. Because Si
This is because a boundary region and a film similar to O 2 improve both.

【0053】本発明の変形例として、部分的に還元され
た金属シリケート層50の酸素含有量を少し変化するこ
とができる。スパッタ法あるいは蒸着(evapora
tion)法においてSiの代わりにSiO2 を使用す
ることによって、酸素含有量をわずかに増やすことがで
きる。このSiO2 スパッタ法では、SiOが形成さ
れ、ZrO2 やSiより多い酸素を提供するが、化学量
的ZrSiO4 を形成するほどではない。
As a variant of the invention, the oxygen content of the partially reduced metal silicate layer 50 can be changed slightly. Sputtering or evaporation (evapora)
The oxygen content can be increased slightly by using SiO 2 instead of Si in the method. In this SiO 2 sputtering method, SiO is formed and provides more oxygen than ZrO 2 or Si, but not so much as to form stoichiometric ZrSiO 4 .

【0054】わずかに還元された金属シリケート層が所
望されことが多い。しかし、時には、まず、完全にでは
ないがより多く還元された金属シリケート層50が好ま
しいこともある。そのような場合、ZrO2 の代わりに
Zrを使い、Siの代わりにSiO2 を使えば良い。こ
の結果として得られるSiOは、酸素含有量が上述の珪
化物を使用する方法より多いが、第5実施の形態による
ZrO2 /Si方法よりは少ないシリケートを提供す
る。
A slightly reduced metal silicate layer is often desired. However, sometimes, first, but not completely, the more reduced metal silicate layer 50 may be preferred. In such a case, Zr may be used instead of ZrO 2 and SiO 2 may be used instead of Si. The resulting SiO provides a silicate with a higher oxygen content than the silicide method described above, but less than the ZrO 2 / Si method according to the fifth embodiment.

【0055】実施の形態6 前述の実施の形態の他に、蒸着ステップのいくつかを反
復することによってシリケート層の組成を変化させるこ
ともできる。図17と図18において、例えば、層46
は、中間層になるだけである。例えば、第4の実施の形
態で説明した電子ビーム蒸着法を使用して、シリコン、
金属、又はその組み合わせたものを蒸着した1つ又はそ
れ以上の単一層を生成し、酸化環境で短時間のアニール
を行い、中間層46を形成する。次に同様の処理で、同
じ又は異なった組成で第2の中間層を蒸着する。この方
法を使用すると、酸化シリコン層と酸化金属層が、最終
アニール以前に交互に挟まれることになる。あるいは、
段階的組成を直接的に蒸着しても良い。
Embodiment 6 In addition to the embodiments described above, the composition of the silicate layer can be changed by repeating some of the deposition steps. 17 and 18, for example, the layer 46
Only becomes an intermediate layer. For example, using the electron beam evaporation method described in the fourth embodiment, silicon,
One or more single layers of metal, or a combination thereof, are deposited and a short anneal is performed in an oxidizing environment to form the intermediate layer 46. Next, in a similar process, a second intermediate layer having the same or different composition is deposited. Using this method, the silicon oxide and metal oxide layers will be interleaved before the final anneal. Or,
The graded composition may be deposited directly.

【0056】本発明は以上の実施の形態に限定されるも
のではない。ここでは、簡単にするために、特定の基板
及び特定の型のデバイスを取り上げたが、本発明は、重
ねる伝導性領域の電界効果を使用する活性領域の半導体
特性を変化させるデバイス一般に適用することができ
る。以上述べてきたステップは、他の組み合わせでもシ
リケート・ゲート誘電体を生成することができ、それら
も本発明の範囲に入るものとする。
The present invention is not limited to the above embodiment. Although a particular substrate and a particular type of device have been discussed herein for simplicity, the present invention applies generally to devices that change the semiconductor properties of the active region using the field effect of the overlying conductive region. Can be. The above described steps can produce silicate gate dielectrics in other combinations as well, which are also within the scope of the present invention.

【0057】本出願は以下の米国仮出願から優先権を主
張する。即ち、米国仮出願第60/053,661号、
出願日1997年7月24日、第60/053,616
号、出願日1997年7月24日、及び第60/05
3,617号、出願日1997年7月24日。
This application claims priority from the following US provisional application: That is, US Provisional Application No. 60 / 053,661,
Filing date July 24, 1997, No. 60 / 053,616
No., filing date July 24, 1997, and No. 60/05
3,617, filed July 24, 1997.

【0058】本発明は、併願された第TBD(TI−2
5859)及び第TBD(TI−26146)と関連す
るものであり、これらは以上で参照されている。
The present invention relates to the presently filed TBD (TI-2
5859) and TBD No. (TI-26146), which are referenced above.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】代表的な従来例としての集積回路電界効果トラ
ンジスタの断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of an integrated circuit field effect transistor as a typical conventional example.

【図2】本発明による半導体デバイスの断面で、シリケ
ート・ゲート誘電体の蒸着に適した表面を表す図であ
る。
FIG. 2 shows a cross section of a semiconductor device according to the invention, representing a surface suitable for the deposition of a silicate gate dielectric.

【図3】本発明による半導体デバイスの断面で、シリケ
ート・ゲート誘電体の蒸着に適した表面を表す図であ
る。
FIG. 3 shows a cross section of a semiconductor device according to the invention, representing a surface suitable for the deposition of a silicate gate dielectric.

【図4】本発明による半導体デバイスの断面で、シリケ
ート・ゲート誘電体の蒸着に適した表面を表す図であ
る。
FIG. 4 shows a cross section of a semiconductor device according to the invention, representing a surface suitable for the deposition of a silicate gate dielectric.

【図5】本発明による半導体デバイスの断面で、シリケ
ート・ゲート誘電体の蒸着に適した表面を表す図であ
る。
FIG. 5 is a cross-section of a semiconductor device according to the present invention, illustrating a surface suitable for depositing a silicate gate dielectric.

【図6】本発明の1実施の形態による半導体デバイス製
造過程を表す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a process of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.

【図7】本発明の1実施の形態による半導体デバイス製
造過程を表す断面図である。
FIG. 7 is a sectional view illustrating a semiconductor device manufacturing process according to one embodiment of the present invention.

【図8】本発明の1実施の形態による半導体デバイス製
造過程を表す断面図である。
FIG. 8 is a sectional view illustrating a semiconductor device manufacturing process according to one embodiment of the present invention.

【図9】本発明の1実施の形態による半導体デバイス製
造過程を表す断面図である。
FIG. 9 is a sectional view illustrating a semiconductor device manufacturing process according to one embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第2の実施の形態による半導体デバ
イス製造過程を表す断面図である。
FIG. 10 is a sectional view illustrating a semiconductor device manufacturing process according to a second embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第2の実施の形態による半導体デバ
イス製造過程を表す断面図である。
FIG. 11 is a sectional view illustrating a semiconductor device manufacturing process according to a second embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第2の実施の形態による半導体デバ
イス製造過程を表す断面図である。
FIG. 12 is a sectional view illustrating a semiconductor device manufacturing process according to a second embodiment of the present invention.

【図13】本発明の第3の実施の形態による半導体デバ
イス製造過程を表す断面図である。
FIG. 13 is a sectional view illustrating a semiconductor device manufacturing process according to a third embodiment of the present invention.

【図14】本発明の第3の実施の形態による半導体デバ
イス製造過程を表す断面図である。
FIG. 14 is a sectional view illustrating a semiconductor device manufacturing process according to a third embodiment of the present invention.

【図15】本発明の第3の実施の形態による半導体デバ
イス製造過程を表す断面図である。
FIG. 15 is a sectional view illustrating a semiconductor device manufacturing process according to a third embodiment of the present invention.

【図16】本発明の第4の実施の形態による半導体デバ
イス製造過程を表す断面図である。
FIG. 16 is a sectional view illustrating a semiconductor device manufacturing process according to a fourth embodiment of the present invention.

【図17】本発明の第4の実施の形態による半導体デバ
イス製造過程を表す断面図である。
FIG. 17 is a sectional view illustrating a semiconductor device manufacturing process according to a fourth embodiment of the present invention.

【図18】本発明の第4の実施の形態による半導体デバ
イス製造過程を表す断面図である。
FIG. 18 is a sectional view illustrating a semiconductor device manufacturing process according to a fourth embodiment of the present invention.

【図19】本発明の第5の実施の形態による半導体デバ
イス製造過程を表す断面図である。
FIG. 19 is a sectional view illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図20】本発明の第5の実施の形態による半導体デバ
イス製造過程を表す断面図である。
FIG. 20 is a sectional view illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to a fifth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20、100 基板 24、120 チャンネル 140 ソース 160 ドレイン 180 ゲート誘電体 190 ゲート 22 エピタキシャル層 26 酸化シリコン領域 28 表面 30 拡散バリア層 32 金属層 34 珪化物層 36 シリケート・ゲート誘電体 40 酸化金属層 42 シリコン層 44 珪化金属層 46、52 シリケート層 50 部分的に還元された金属シリケート層 20, 100 Substrate 24, 120 Channel 140 Source 160 Drain 180 Gate dielectric 190 Gate 22 Epitaxial layer 26 Silicon oxide region 28 Surface 30 Diffusion barrier layer 32 Metal layer 34 Silicide layer 36 Silicate gate dielectric 40 Metal oxide layer 42 Silicon Layer 44 Metal silicide layer 46, 52 Silicate layer 50 Partially reduced metal silicate layer

フロントページの続き (72)発明者 ロバート エム.ウォーレス アメリカ合衆国 テキサス州リチャードソ ン,パーク ベンド ドライブ 428 (72)発明者 グレン ディ.ウィルク アメリカ合衆国 テキサス州ダラス,マー クビル ドライブ 9050 ナンバー821Continued on the front page (72) Robert M. Inventor. Wallace Park Bend Drive, Richardson, Texas, United States 428 (72) Inventor Glendi. Wilk United States Dallas, Texas, Markville Drive 9050 Number 821

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 集積回路上に電界効果デバイスを製作す
る方法であって、 単結晶シリコン基板を備えるステップと、 前記基板上に金属シリケート誘電層を形成するステップ
と、 前記金属シリケート誘電層に伝導性ゲートを形成するス
テップとからなる方法。
1. A method of fabricating a field effect device on an integrated circuit, comprising: providing a single crystal silicon substrate; forming a metal silicate dielectric layer on the substrate; Forming a conductive gate.
【請求項2】 前記基板上に金属シリケート誘電層を形
成するステップが、基板上に清浄なSiを露出し、 Si表面に第1の金属を蒸着し、 不活性環境で前記基板をアニールすることによって、基
板上に第1の金属の珪化物の層を形成し、 第1の金属の珪化物の層を酸化することによって、金属
シリケート誘電層を形成することから成ることを特徴と
する請求項1に記載の方法。
2. The step of forming a metal silicate dielectric layer on the substrate includes exposing clean Si on the substrate, depositing a first metal on the Si surface, and annealing the substrate in an inert environment. Forming a first metal silicide layer on the substrate, and oxidizing the first metal silicide layer to form a metal silicate dielectric layer. 2. The method according to 1.
【請求項3】 前記金属シリケート誘電層を形成するス
テップが、 酸化環境で第1の金属とシリコンを基板上に蒸着するこ
とによって、基板上に少なくとも部分的に酸化された層
を形成し、 基板を酸化環境でアニールすることから成ることを特徴
とする請求項1に記載の方法。
3. The step of forming a metal silicate dielectric layer comprises: forming at least a partially oxidized layer on a substrate by depositing a first metal and silicon on the substrate in an oxidizing environment; 2. The method of claim 1 comprising annealing in a oxidizing environment.
【請求項4】 前記第1の金属とシリコンを蒸着するス
テップが、第1の金属とシリコンから成るターゲットか
ら物質を基板上にスパッタすることから成ることを特徴
とする請求項3に記載の方法。
4. The method of claim 3, wherein the step of depositing the first metal and silicon comprises sputtering a substance onto a substrate from a target comprising the first metal and silicon. .
【請求項5】 前記第1の金属とシリコンを蒸着するス
テップが、第1の金属とシリコンを共通の源から蒸着さ
せることから成ることを特徴とする請求項3に記載の方
法。
5. The method of claim 3, wherein depositing the first metal and silicon comprises depositing the first metal and silicon from a common source.
【請求項6】 前記第1の金属とシリコンを蒸着するス
テップが、第1の金属とシリコンを別々の源から同時に
蒸着させることから成ることを特徴とする請求項3に記
載の方法。
6. The method of claim 3, wherein the step of depositing the first metal and silicon comprises simultaneously depositing the first metal and silicon from separate sources.
【請求項7】 前記金属シリケート誘電層を形成するス
テップが、 基板上に清浄なSiを露出し、 Si表面に部分的に還元された金属シリケートを蒸着
し、 酸素環境で前記部分的に還元された金属シリケート基板
をアニールすることによって、金属のシリケート誘電層
を形成することから成ることを特徴とする請求項1に記
載の方法。
7. The step of forming a metal silicate dielectric layer includes exposing clean Si on a substrate, depositing partially reduced metal silicate on a Si surface, and removing the partially reduced metal silicate in an oxygen environment. 2. The method of claim 1, comprising forming a metal silicate dielectric layer by annealing the metal silicate substrate.
【請求項8】 前記Si表面に部分的に還元された金属
シリケートを蒸着するステップが、金属酸化物とシリコ
ンとを同時に物理的に蒸着させることから成ることを特
徴とする請求項7に記載の方法。
8. The method of claim 7, wherein the step of depositing the partially reduced metal silicate on the Si surface comprises simultaneously physically depositing a metal oxide and silicon. Method.
【請求項9】 前記Si表面に部分的に還元された金属
シリケートを蒸着するステップが、酸化ジルコニウム、
酸化ハフニウム、及びそれらの混合物から成るグループ
から選択された酸化物とシリコンとを同時に物理的に蒸
着させることから成ることを特徴とする請求項7に記載
の方法。
9. The step of depositing a partially reduced metal silicate on the Si surface comprises: zirconium oxide;
The method of claim 7, comprising simultaneously physical depositing an oxide and silicon selected from the group consisting of hafnium oxide and mixtures thereof.
【請求項10】 電界効果デバイスが製作された集積回
路であって、前記電界効果デバイスは、 単結晶シリコン半導体チャンネル領域と、 前記チャンネル領域に重ねられた金属シリケート・ゲー
ト誘電体とを備え、 前記金属シリケートは、ジルコニウム・シリケート、バ
リウム・シリケート、セリウム・シリケート、亜鉛シリ
ケート、トリウム・シリケート、ビスマス・シリケー
ト、ハフニウム・シリケート、タンタル・シリケート、
及びそれらの組み合わせから成るグループから選択され
る、 さらに前記ゲート誘電体を覆う導電ゲートとを有するこ
とを特徴とする。
10. An integrated circuit in which a field effect device has been fabricated, said field effect device comprising: a single crystal silicon semiconductor channel region; and a metal silicate gate dielectric overlaid on said channel region. Metal silicates are zirconium silicate, barium silicate, cerium silicate, zinc silicate, thorium silicate, bismuth silicate, hafnium silicate, tantalum silicate,
And a conductive gate covering the gate dielectric.
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