KR20100125464A - Film forming method and semiconductor device manufacturing method - Google Patents
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Abstract
성막 방법은 실리콘 기판 표면에 산화막을 형성하는 공정과, 상기 산화막을 에칭하고, 상기 산화막에 의해 계면 산화막을, XPS법으로 측정한 상기 계면 산화막의 막 두께가 6.7Å 이하이고 6.0Å 이상이 되도록 형성하는 공정과, 상기 계면 산화막 상에 HfO2막을 MOCVD법에 의해 산화 분위기 중에서 형성하는 공정을 포함한다.The film forming method is a step of forming an oxide film on the surface of a silicon substrate, etching the oxide film, and forming an interfacial oxide film by the oxide film so that the film thickness of the interfacial oxide film measured by XPS method is 6.7 kPa or less and 6.0 kPa or more. And forming a HfO 2 film on the interfacial oxide film in an oxidizing atmosphere by MOCVD.
Description
본 발명은 일반적으로 성막 방법과 관한 것으로서, 특히 이른바 high-K막으로 불리는 고 유전체 막의 성막 방법 및 high-K막을 사용한 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
미세화 기술의 진보에 수반하여, 오늘날에는 게이트 길이가 60㎚를 밑도는 것과 같은 초미세화·초고속 반도체 장치의 제조가 가능하게 되어 있다.With the progress of miniaturization technology, it is possible to manufacture ultrafine and ultrafast semiconductor devices such as gate lengths of less than 60 nm today.
이러한 초미세화·초고속 반도체 장치에서는, 게이트 길이의 축소에 수반하여, 게이트 산화막의 막 두께도 스케일링측을 따라서 감소시킬 필요가 있지만, 예를 들어 게이트 길이가 45㎚를 밑도는 것과 같은 반도체 장치에서는, 게이트 산화막의 막 두께도 종래의 열산화막을 사용했을 경우, 1㎚ 또는 그 이하로 설정할 필요가 있다. 그러나, 이와 같이 매우 얇은 게이트 절연막에서는 터널 전류가 증대하고, 그 결과 게이트 리크 전류가 증대하는 문제를 회피할 수 없다.In such ultrafine and ultrafast semiconductor devices, the thickness of the gate oxide film needs to be reduced along the scaling side with the reduction of the gate length. For example, in a semiconductor device such that the gate length is less than 45 nm, the gate is reduced. In the case where a conventional thermal oxide film is used, it is necessary to set the thickness of the oxide film to 1 nm or less. However, in such a very thin gate insulating film, the tunnel current increases and as a result, the gate leak current increases.
이러한 사정으로, 종래, 비(比)유전율이 열산화막의 것보다도 훨씬 크고, 이 때문에 실제의 막 두께가 커도 SiO2 환산 막 두께(EOT)가 작은 Ta2O5나 Al2O3, ZrO2, HfO2, 또는 ZrSiO4 또는 HfSiO4와 같은 고 유전체(이른바, high-K 유전체) 재료를 게이트 절연막에 대해서 적용하는 것이 제안되고 있다. 이러한 고 유전체 재료를 사용함으로써, 게이트 길이가 45㎚m 이하로 매우 짧은 초고속 반도체 장치에서도 수㎚의 물리적 막 두께의 게이트 절연막을 사용할 수 있어, 터널 효과에 의한 게이트 리크 전류를 억제할 수 있다. 일반적으로, 이러한 고 유전체 재료는 실리콘 기판 표면에 형성된 경우 다결정 구조가 된다.For this reason, the relative dielectric constant is much larger than that of the thermal oxide film. Therefore, even if the actual film thickness is large, Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , ZrO 2 having a small SiO 2 conversion film thickness (EOT) It is proposed to apply a high dielectric (so-called high-K dielectric) material, such as HfO 2 , or ZrSiO 4 or HfSiO 4 , to the gate insulating film. By using such a high dielectric material, a gate insulating film having a physical thickness of several nm can be used even in an ultrafast semiconductor device having a very short gate length of 45 nm or less, and the gate leak current due to the tunnel effect can be suppressed. In general, such high dielectric materials become polycrystalline structures when formed on silicon substrate surfaces.
실리콘 기판 표면에 직접 고 유전체 막을 형성한 경우에는, 실리콘 기판과 고 유전체 막의 사이에서 Si 원자와 금속 원자의 대규모 상호 확산이 생기기 쉽기 때문에, 고 유전체 막은 실리콘 기판 표면에 매우 얇은 계면 산화막을 거쳐서 형성되는 것이 일반적이다.In the case where a high dielectric film is directly formed on the surface of the silicon substrate, large interdiffusion of Si atoms and metal atoms is likely to occur between the silicon substrate and the high dielectric film. Is common.
이러한 계면 산화막 상에 고 유전체 막을 형성한 구성의 게이트 절연막에서는, 게이트 절연막의 산화막 환산 막 두께를 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하고, 이를 위해서는 게이트 절연막중의 비유전율이 낮은 계면 산화막의 비율, 따라서 막 두께를 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하다.In the gate insulating film in which the high dielectric film is formed on such an interfacial oxide film, it is preferable to reduce the oxide film conversion film thickness of the gate insulating film as much as possible, and for this purpose, the ratio of the interfacial oxide film having a low relative dielectric constant in the gate insulating film, and thus the film thickness. It is desirable to reduce as much as possible.
일 측면에 의하면, 본 발명은 실리콘 기판 표면에 산화막을 형성하는 공정과, 상기 산화막을 에칭하고, 상기 산화막에 의해 계면 산화막을, XPS법으로 측정한 상기 계면 산화막의 막 두께가 6.7Å 이하이고 6.0Å 이상이 되도록 형성하는 공정과, 상기 계면 산화막 상에 HfO2막을 MOCVD법에 의해 산화 분위기 중에서 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 성막 방법을 제공한다.According to one aspect, the present invention provides a step of forming an oxide film on a surface of a silicon substrate, etching the oxide film, and measuring the interface oxide film by the oxide film using the XPS method. And forming a HfO 2 film on the interfacial oxide film in an oxidizing atmosphere by an MOCVD method.
다른 측면에 의하면, 본 발명은 실리콘 기판 표면에 산화막을 형성하는 공정과, 상기 산화막을 에칭하고, 상기 산화막에 의해 계면 산화막을, XPS법으로 측정한 상기 계면 산화막의 막 두께가 6.7Å 이하이고 6.0Å 이상이 되도록 형성하는 공정과, 상기 계면 산화막 상에 HfO2막을 MOCVD법에 의해 산화 분위기 중에서 형성하는 공정과, 상기 HfO2막 상에 실리콘막 또는 금속막을 형성하는 공정과, 상기 실리콘막 또는 금속막을 패터닝하여 게이트 전극 패턴을 형성하는 공정과, 상기 게이트 전극 패턴을 마스크로, 상기 실리콘 기판 중에 불순물 원소를 도입하여, 소스 및 드레인 영역을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법을 제공한다.According to another aspect, the present invention provides a step of forming an oxide film on the surface of a silicon substrate, etching the oxide film, and measuring the interface oxide film by the oxide film using the XPS method. and the step of forming is at least Å, and the step of forming in an oxidizing atmosphere by the MOCVD method HfO 2 film on the surface oxide film, the HfO 2 film Forming a silicon film or a metal film on the substrate; forming a gate electrode pattern by patterning the silicon film or the metal film; introducing an impurity element into the silicon substrate using the gate electrode pattern as a mask, and It provides a method for manufacturing a semiconductor device, comprising the step of forming a region.
본 발명에 의하면, 실리콘 기판 상에 형성된 계면 산화막의 막 두께를 에칭에 의해 6.7Å 이하이고 6.0Å 이상으로 설정함으로써, 그 위에서의 HfO2막의 성막에 영향을 주는 일 없이, 상기 계면 산화막과 HfO2막을 적층한 적층막의 산화막 환산 막 두께를 최소화하고, 또한 상기 적층막의 리크 전류를 감소시키는 것이 가능해진다.According to the present invention, by setting the film thickness of the interfacial oxide film formed on the silicon substrate to 6.7 Pa or less and 6.0 Pa or more by etching, the interfacial oxide film and the HfO 2 are not affected without affecting the film formation of the HfO 2 film thereon. It is possible to minimize the oxide film equivalent film thickness of the laminated film in which the films are laminated, and to reduce the leakage current of the laminated film.
도 1a는 제 1 실시형태를 설명하는 도면(그것의 1),
도 1b는 제 1 실시형태를 설명하는 도면(그것의 2),
도 1c는 제 1 실시형태를 설명하는 도면(그것의 3),
도 1d는 제 1 실시형태를 설명하는 도면(그것의 4),
도 2는 실시형태에서 사용되는 MOCVD 장치의 구성을 도시하는 도면,
도 3은 제 1 실시형태에서의 EOT와 계면 산화막의 막 두께 및 HfO2막의 막 두께의 관계를 나타내는 도면,
도 4는 제 1 실시형태에서 얻어지는 구조를 설명하는 도면,
도 5는 제 1 실시형태에서의 리크 전류와 EOT의 관계를 나타내는 도면,
도 6a는 제 1 실시형태에서의 성막 메커니즘의 개요를 도시하는 도면(그것의 1),
도 6b는 제 1 실시형태에서의 성막 메커니즘의 개요를 도시하는 도면(그것의 2),
도 6c는 제 1 실시형태에서의 성막 메커니즘의 개요를 도시하는 도면(그것의 3),
도 7a는 종래의 성막 메커니즘의 개요를 도시하는 도면(그것의 1),
도 7b는 종래의 성막 메커니즘의 개요를 도시하는 도면(그것의 2),
도 8a는 제 1 실시형태에 의한 성막 방법을 도시하는 도면(그것의 1),
도 8b는 제 1 실시형태에 의한 성막 방법을 도시하는 도면(그것의 2),
도 8c는 제 1 실시형태에 의한 성막 방법을 도시하는 도면(그것의 3),
도 9a는 제 2 실시형태에 의한 반도체 장치의 제조 방법을 도시하는 도면(그것의 1),
도 9b는 제 2 실시형태에 의한 반도체 장치의 제조 방법을 도시하는 도면(그것의 2),
도 9c는 제 2 실시형태에 의한 반도체 장치의 제조 방법을 도시하는 도면(그것의 3),
도 9d는 제 2 실시형태에 의한 반도체 장치의 제조 방법을 도시하는 도면(그것의 4).1A is a view for explaining a first embodiment (1 thereof),
1B is a view for explaining the first embodiment (2 of it),
1C is a view for explaining the first embodiment (3 thereof),
1D is a view for explaining the first embodiment (4 of it),
2 is a diagram showing a configuration of a MOCVD apparatus used in the embodiment;
3 is a diagram showing a relationship between a film thickness of an EOT and an interfacial oxide film and a film thickness of an HfO 2 film according to the first embodiment;
4 is a view for explaining the structure obtained in the first embodiment;
5 is a diagram illustrating a relationship between a leak current and an EOT in the first embodiment;
FIG. 6A is a diagram (1 thereof) showing an outline of a film forming mechanism in the first embodiment; FIG.
FIG. 6B is a diagram showing an outline of a film formation mechanism in the first embodiment (2 of it),
FIG. 6C is a diagram (3 thereof) showing an outline of the film forming mechanism in the first embodiment; FIG.
FIG. 7A is a diagram showing an outline of a conventional film forming mechanism (1 thereof),
7B is a diagram showing an outline of a conventional film forming mechanism (2 thereof),
8A is a diagram showing the film formation method according to the first embodiment (1 thereof),
8B is a view showing the film forming method according to the first embodiment (2 of it),
8C is a diagram showing the film formation method according to the first embodiment (3 thereof),
FIG. 9A is a diagram (1 thereof) showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment; FIG.
FIG. 9B is a diagram (2 of it) showing the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment; FIG.
FIG. 9C is a view (3 thereof) showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment; FIG.
FIG. 9D is a diagram showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment (4 thereof). FIG.
[제 1 실시형태][First embodiment]
맨 먼저, 본 발명의 제 1 실시형태로서 본 발명의 기초가 되는 성막 실험을 설명한다.First, as a first embodiment of the present invention, a film forming experiment which is the basis of the present invention will be described.
본 실시형태에서는, 맨 먼저, 도 1a에 도시하는 바와 같이, (100) 배향의 실리콘 기판(11)의 표면에 산소 분위기 중, 1000℃의 열처리에 의해 열산화막(12)을 예를 들어 16Å의 막 두께로 형성하고, 이와 같이 열산화막(12)이 형성된 실리콘 기판(11)을, 도 1b에 화살표로 나타낸 바와 같이, 용기(13) 중에 보지(保持)된 HF 에칭액(etchant)(13A)에 상기 실리콘 기판(11)이 그 하나의 측연부로부터 상기 HF에칭액(13A)에 들어가도록 일정한 제어된 속도로 침지하고, 이어서 보다 빠른 속도로 급속히 끌어올림으로써, 도 1c에 도시하는 바와 같이, 상기 열산화막(12)의 막 두께(t1)를 상기 실리콘 기판(11)의 한쪽의 측으로부터 다른 쪽의 측으로 연속적으로 변화시킨다. 도 1c의 예에서는, 상기 열산화막(12)은, 상기 기판(11)의 영역(11B)에서는 상기 막 두께(t1)가 XPS법으로 측정하여 6.0Å 이상으로 존재하고 있지만, 영역(11A)에서는 상기 막 두께(t1)가 6.0Å 미만이 되거나, 또는 열산화막(12)이 소실되어 있다. 이 「6.0Å」의 막 두께(t1)의 임계적 의의에 대해서는 다음에 상세하게 설명한다.In the present embodiment, first, as shown in FIG. 1A, the
또한, 도 1d의 공정에서, 상기 도 1c의 구조 상에 HfO2막(14)이 MOCVD법에 의해 16 내지 17Å의 막 두께로 형성된다. 상기 HfO2막(14)은 그 아래의 열산화막(12)과 함께 적층막(16)을 형성한다. 다만, 다음에 설명하는 바와 같이, 도 1d의 구조에서는 상기 열산화막(12)의 표면 상태는 도 1c의 에칭 처리에 의해 당초의 열산화막(12)의 표면 상태로부터 변화해 있고, 따라서 이하의 설명에서는 상기 적층막(16)을 구성하는 열산화막(12)을 「계면 산화막」으로 칭하기로 한다.Further, in the process of FIG. 1D, the HfO 2 film 14 is formed on the structure of FIG. 1C with a film thickness of 16 to 17 kPa by the MOCVD method. The HfO 2 film 14 forms a
도 2는 본 실시형태에서 상기 HfO2막(14)을 성막하는데 사용되는 성막 장치 MOCVD 장치(60)의 구성을 도시한다.2 shows the configuration of the film forming
도 2를 참조함에 있어서, 상기 MOCVD 장치(60)는 펌프(61)에 의해 배기되는 처리 용기(62)를 구비하고, 상기 처리 용기(62) 중에는 피처리 기판(W)을 보지하는 보지대(62A)가 마련되어 있다.Referring to FIG. 2, the
또한, 상기 처리 용기(62) 중에는 상기 피처리 기판(W)에 대향하도록 샤워 헤드(62S)가 마련되고, 상기 샤워 헤드(62S)에는 산소 가스를 공급하는 라인(62a)이 도시를 생략한 MFC(질량 유량 컨트롤러) 및 밸브(V1)를 거쳐서 접속되어 있다.Further, in the
상기 MOCVD 장치(60)는 제 3 부틸 하프늄(HTB) 등 유기 금속 화합물 원료를 보지하는 용기(63B)를 구비하고 있고, 상기 용기(63B) 중의 유기 금속 화합물 원료는 He 가스 등의 압송 가스에 의해, 유체 유량 컨트롤러(62d)를 경유하여 기화기(62e)에 공급되며, 상기 기화기(62e)에서 Ar 등의 캐리어 가스의 개조(介助)에 의해 기화된 유기 금속 화합물 원료 가스가 밸브(V3)를 거쳐서 샤워 헤드(62S)에 공급된다.The
상기 샤워 헤드(62S) 내에서, 상기 산소 가스, HTB 가스는 각각의 경로를 통해 상기 샤워 헤드(62S) 중 상기 실리콘 기판(W)에 대향하는 면에 형성된 개구부(62S)로부터 상기 처리 용기(62) 내의 프로세스 공간에 방출된다.In the
본 실시형태에서는 상기 도 1c의 상태의 실리콘 기판(21)을 상기 처리 용기(62) 중에 도입하고, 상기 기판 보지대(62A) 상에 피처리 기판(W)으로서 보지하며, 예를 들어 상기 처리 용기(62)의 내압을 0.3토르, 기판 온도를 480℃로 설정하고, 상기 샤워 헤드(62S)로부터 산소 가스를 100sccm의 유량으로, 또한 HTB를 상기 유체 유량 컨트롤러(62d)에서의 유량으로 45mg/분의 값으로 도입함으로써, 상기 열산화막(12)이 부분적으로 형성된 실리콘 기판(11) 상에 HfO2막을 16 내지 18Å 막 두께로 동일하게 형성한다.In this embodiment, the
한편, 상기 도 1a의 공정에서의 열산화막(12)의 형성은 공지의 열처리 장치를 사용하여 행해진다. 따라서, 열처리 장치의 설명은 생략한다.In addition, formation of the
도 3은, 도 1d에 도시하는, 막 두께가 연속적으로 변화하는 계면 산화막(12) 상에 대략 일정한 막 두께로 HfO2막(14)을 MOCVD법에 의해 형성한 실리콘 기판(11)에 대해서, 상기 계면 산화막(12)의 막 두께 및 HfO2막의 막 두께를 XPS법에 의해 구하고, 또한 상기 계면 산화막(12)과 HfO2막(14)의 적층 구조에 대해 EOT를 인라인 전기 측정법에 의해 구한 결과를 나타낸다. 이 인라인 전기 측정법은 코로나 바이어스 기술, 진동 켈빈 프로브 기술 및 펄스 광원 기술을 조합시킨 것으로, KLA-Tencor사의 Quantox 장치에 의해 구하고 있다. 측정의 상세에 대해서는 비특허문헌 1을 참조하길 바란다. 상기 EOT, 계면 산화막(12)의 XPS 막 두께 및 HfO2막(14)의 XPS 막 두께는 모두 옹스트롬(Å) 단위로 나타내고 있다.FIG. 3 shows the
도 3 중 「REF」는 도 1c의 상태의 시료에 대해서 구한 상기 계면 산화막(12)의 EOT와 XPS 막 두께의 관계를 나타내는 것으로, 대조 표준을 나타낸다. 상기 「REF」는 동일 계면 산화막(12)에 대해서의 EOT와 XPS 막 두께의 관계를 나타내고 있기 때문에, EOT와 XPS 막 두께는 일대일로 대응하여 직선으로 나타내진다. 여기서, EOT는 커패시터의 등가 회로를 기초로 전기적으로 구한 막 두께를 나타내는데 비하여, XPS법으로 구한 계면 산화막(12) 또는 HfO2막(14)의 막 두께는 막 중에 포함되는 Si 원자 또는 Hf 원자의 수를 반영하고 있다.In FIG. 3, "REF" shows the relationship between the EOT and the XPS film thickness of the
도 3을 참조함에 있어서, 상기 계면 산화막(12)의 XPS 막 두께(t1)가 14Å부터 6.7Å까지의 범위(6.7Å<t1≤14Å)의 「영역 I」에서는, 상기 적층막(16)의 EOT는 상기 계면 산화막(12)의 XPS 막 두께(t1)의 감소와 함께, 상기 직선(REF)에 대략 평행하게 감소하고 있는 것을 알 수 있다. 상기 영역 I에서는 상기 HfO2막(14)의 XPS 막 두께(t2)는 거의 일정하게 16.5Å 내지 17.5Å의 범위에 있는 것으로부터, 상기 「영역 I」에서 보이는 적층막(16)의 EOT의 감소는 상기 계면 산화막(12)의 물리 막 두께의 감소에 대응하여 생긴 것이라고 생각된다.Referring to FIG. 3, in the "region I" of the XPS film thickness t1 of the
이것에 비해, 상기 계면 산화막(12)의 XPS 막 두께(t1)가 6.7Å 이하이고 6.0Å 이상의 「영역 Ⅱ」(6.0Å≤t1≤6.7Å)에서는, 상기 적층막(16)의 EOT는 상기 열산화막(12)의 XPS 막 두께가 감소하면, 상기 직선 「REF」보다도 급속하게 감소하고, 계면 산화막(12)의 XPS 막 두께(t1)가 6.0Å에 도달한 곳에서, 상기 적층막(16)의 EOT는 최소가 되는 것을 알 수 있다.On the other hand, when the XPS film thickness t1 of the
한편, 상기 계면 산화막(12)의 XPS 막 두께(t1)가 6.0Å을 밑도는 영역 Ⅲ에서는, 상기 막 두께(t1)는 거의 6.0Å에서 변화하지 않음에도 불구하고, 적층막(16)의 EOT가 급격하게 약 12Å부터 30Å까지 증대하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 영역 Ⅲ에서는 HfO2막(14)의 막 두께(t2)도 다소 감소하고 있는 것을 알 수 있다.On the other hand, in the region III where the XPS film thickness t1 of the
상기 도 3의 영역 Ⅰ 및 Ⅱ는 도 1c, 도 1d에 도시한 기판(11) 상의 영역(11B)에서 관찰되는 것인데 비하여, 상기 영역 Ⅲ은 상기 도 1c, 도 1d에서의 영역(11A)에서 관찰되는 것으로, 상기 실리콘 기판(11)과 HfO2막(14)의 계면에, HfO2막(14)의 성막시에 사용된 산소에 의해, 도 4에 도시하는 바와 같이 겉보기의 비유전율이 작고, 또는 물리 막 두께가 큰 산화막(12A)이 형성되어 있는 것을 나타내고 있다고 해석된다. 그 때, 상기 산화막(12A)의 XPS 막 두께(t1)는 증대하고 있지 않는 것, 즉 Si 원자의 원자수는 증가하고 있지 않은 것으로부터, 상기 산화막(12A)은 상기 영역(11B)에 형성되어 있는 계면 산화막(12)과는 달리 다공질막이 되어 있는 것이라고 해석된다. 또한, 도 3에 있어서 영역 Ⅲ에서 생기고 있는 HfO2막(14)의 막 두께의 감소는, 기초가 되는 산화막(12A)이 다공질로 되어 막질이 열화하고 있기 때문에, Hf 원자의 퇴적이 생기기 어렵고, HfO2막(14)의 성막시에 인큐베이션 시간이 증대하고 있는 것에 의한 것이라고 해석된다.The regions I and II in FIG. 3 are observed in the
도 5는 상기 도 4의 구조에 대해서 구한, EOT와 리크 전류(Jg)의 관계를 나타낸다. 다만 도 5 중, 리크 전류는 먼저 설명한 KLT-Tencor사의 Quantox 장치에 의해 측정하고 있고, 내전압(耐電壓)(V)을 사용한 리크 전류 지수(Jg index)에 의해 표현되어 있다. 상기 리크 전류 지수의 값은 리크 전류(Jg)의 대수(對數) 플롯에 대응하여, 값이 작을수록 리크 전류가 크고, 값이 크면 클수록 리크 전류는 감소한다.FIG. 5 shows the relationship between the EOT and the leakage current Jg obtained for the structure of FIG. In FIG. 5, the leak current is measured by the KLT-Tencor Quantox apparatus described above, and is expressed by a leak current index (Jg index) using a breakdown voltage (V). The value of the leakage current index corresponds to the logarithmic plot of the leakage current Jg. The smaller the value, the larger the leakage current, and the larger the value, the smaller the leakage current.
도 5를 참조함에 있어서, 도 3의 영역 Ⅰ에 대응하는 시료에서는 상기 적층막(16)을 흐르는 리크 전류(Jg)가 EOT와 함께, 이중 동그라미로 나타내는, 통상의 열산화막 상에 에칭하지 않고 HfO2막을 형성한 제 1 비교 대조 시료(THOx/HfO2)의 경우와 대략 동일하게, 즉 동일 기울기로 변화하고 있는데 비해서, 영역 Ⅱ에서는 리크 전류(Jg)는 도면 중에 ■로 나타내는, 자외광 여기 산소 라디칼로 형성한 산화막 상에, 에칭하지 않고 HfO2막을 형성한 제 2 비교 대조 시료(UVO2/HfO2)의 경우와 대략 동일하게 변화하고 있는 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, in the sample corresponding to region I of FIG. 3, HfO without etching on a conventional thermal oxide film, in which the leakage current Jg flowing through the
또한, 도 5 중 Ⅲ으로 나타내는 상기 도 3의 영역 Ⅲ에서는, EOT가 상기 도 3에 대응하여 크게 증대하고 있고, 리크 전류(Jg)의 값도 크며(리크 전류 지수의 값이 09 내지 0.6V), 형성되어 있는 계면 산화막(12A)이 다공질의 막질이 떨어지는 산화막으로 구성되어 있는 것을 나타내고 있다.In the region III of FIG. 3 indicated by III in FIG. 5, the EOT is greatly increased corresponding to FIG. 3, the value of the leakage current Jg is also large (the value of the leakage current index is 09 to 0.6V). The
또한, 상기 도 3의 플롯에서는, 상기 영역 Ⅰ을 영역 Ⅱ와 구분하는 임계적 의의를 인정하는 것이 곤란하다고 생각될지도 모르지만, 도 5의 리크 전류의 플롯에서 상기 영역 Ⅰ과 영역 Ⅱ를 비교하면, 영역 Ⅰ 및 Ⅱ를 구분하는 임계적 의의가 존재하고 있는 것은 분명하다. 또한, 영역 Ⅱ와 영역 Ⅲ의 사이의 임계적 의의도 분명하게 인정된다.In addition, in the plot of FIG. 3, it may be considered difficult to recognize the critical significance of dividing the region I from the region II. However, in the plot of the leakage current of FIG. 5, the region I and the region II are compared. It is clear that there is a critical meaning that distinguishes between I and II. In addition, the critical significance between the region II and the region III is also clearly recognized.
특히, 도 5에서 ■로 나타낸, 자외광 여기 산소 라디칼에 의해 계면 산화막을 형성하고, 그 위에 에칭을 행하지 않고 HfO2막을 형성한 상기 제 2 비교 대조 구조와 비교하면, 본 발명에서는 동일 EOT에서 도면 중 「A:본 발명 영역 Ⅱ」로 한 직선으로 나타내는 리크 전류(Jg)의 값이, 동일 도면 중 「B:UVO2/HfO₂」로 한 직선으로 나타내는 상기 제 2 비교 대조 구조에서의 리크 전류(Jg)의 값보다도, 특히 EOT의 값이 약 13Å 이상의 범위에서 보다 작아져서, 리크 전류 특성이 향상하고 있는 것을 알 수 있다.In particular, in comparison with the second comparative control structure in which an interfacial oxide film is formed by ultraviolet light-excited oxygen radicals, which are indicated by? In FIG. 5, and an HfO 2 film is formed without etching thereon, in the present invention, it is shown in the same EOT. The leakage current (Jg) in the second comparative control structure in which the value of the leakage current (Jg) represented by a straight line in "A: the present invention region II" is represented by a straight line "B: UVO 2 / HfO₂" in the same drawing ( From the value of Jg), especially, the value of EOT becomes smaller in the range of about 13 mA or more, and it turns out that the leak current characteristic improves.
도 6a 내지 도 6c는 본 실시형태에서 이러한 리크 전류 특성의 향상이 얻어지는 메커니즘을 설명하는 도면이다.6A to 6C are diagrams illustrating the mechanism by which such an improvement in the leakage current characteristic is obtained in the present embodiment.
도 6a 내지 도 6c를 참조함에 있어서, 본 실시형태에서는 도 6a에 도시하는 바와 같이, 도 1a의 공정에서 형성되는 열산화막(12)은 성막 시점에서 표면의 Si 원자가 산소 원자에 의해 실질적으로 모두 종단된 상태가 되어 있지만, 도 1b의 에칭 공정에 의해 그 표면의 일부가 제거되고, 그 결과 도 6b의 상태에서는 상기 계면 산화막(12)의 표면에 Si 원자의 댕글링 본드(dangling bond)가 다수 형성되게 된다.6A to 6C, in the present embodiment, as shown in FIG. 6A, the
그래서, 상기 도 6c의 공정에서 이러한 계면 산화막(12) 상에 HfO2막(14)을 MOCVD법에 의해 퇴적하면, HfO2막(14)의 성막 초기에 상기 계면 산화막(12)의 표면에서 고밀도로 핵 생성이 발생하고, 형성되는 HfO2막(14)의 막 밀도 및 막 표면의 평탄성이 향상한다. 도 5에서 보여지는 리크 전류 특성의 향상은 이러한 HfO2막(14)의 막 밀도 및 평탄성의 향상에 의한 것이라고 생각된다. 또한 이것에 수반하여, 본 실시형태에서는 인큐베이션 시간도 감소하여, 성막 효율이 향상된다.Thus, when the HfO 2 film 14 is deposited on the
이것에 비해서 도 7a에 도시하는 바와 같이, 표면의 댕글링 본드가 종단된 열산화막(12) 상에 직접 HfO2막을 MOCVD법에 의해 형성한 경우에는, 도 7b에 도시하는 바와 같이 HfO2막(14)의 성막 초기에서의 핵 생성 밀도가 낮고, 인큐베이션 시간이 길어져, 형성되는 HfO2막의 막질이 열화하거나 막 표면의 평탄성이 열화하거나 하는 문제가 생긴다. 이 때문에, 도 7a, 도 7b의 성막 방법에서는 본 실시형태와 같이 우수한 리크 전류 특성을 얻을 수 없다.On the other hand, as shown in FIG. 7A, when the HfO 2 film is formed directly by the MOCVD method on the
도 8a 내지 도 8c는 상기의 지견에 기초하는 본 실시형태에 의한 성막 방법의 개요를 나타내는 도면이다.8A to 8C are diagrams showing an outline of the film formation method according to the present embodiment based on the above findings.
도 8a를 참조함에 있어서, (100) 배향한 실리콘 기판(21)의 (100) 면 상에는, 예를 들어 산소 분위기 중 1000℃에서의 열처리에 의해 열산화막(22)이 형성되고, 도 8b의 공정에서, 상기 열산화막(22)을 HF 또는 BHF를 사용한 에칭액 중에서 웨트 에칭하여, 그 막 두께(t1)를 6.0Å 이상, 6.7 이하의 범위까지 감소시켜 계면 산화막(22A)을 형성한다. 이러한 웨트 에칭은 에칭액의 온도 및 에칭 시간을 제어함으로써 실행 가능하다. 예를 들어, 상기 열산화막(22)을 20Å의 막 두께로 형성한 경우, 24℃의 HF 에칭액을 사용하여 60초간의 에칭을 행함으로써, 상기 막 두께(t1)를 소정 범위로 제어할 수 있다.Referring to FIG. 8A, on the (100) plane of the (100) oriented
또는, 상기 도 8b의 에칭 공정을 드라이 에칭에 의해 행하는 것도 가능하다.Alternatively, the etching step of FIG. 8B may be performed by dry etching.
또는, 도 8b의 에칭 공정은 케미컬 드라이 에칭에 의해 행하는 것도 가능하다. 예를 들어, 상기 도 2의 MOCVD 장치(60)를 이용하여, 상기 열산화막(22)이 형성된 상기 실리콘 기판을 처리 용기(62) 내의 상기 기판 보지대(62A) 상에 피처리 기판(W)으로서 보지한다. 상기 처리 용기의 압력을 1 내지 2토르, 기판 온도를 150 내지 200℃로 설정하고, 라인(62f 및 62g)으로부터 상기 샤워 헤드(62S)를 거쳐서 각각 HF 가스 및 NH3 가스를 상기 처리 용기(62)에 도입한다. 이 방법에 의하면, 상기 열산화막(22)의 막 두께를 상기 소정 범위가 될 때까지 케미컬 에칭하여, 데미지가 없는 계면 산화막(22A)을 형성하는 것이 가능하다. 상기 열산화막(22)의 막 두께를 상기 소정 범위로 감소시켜, 계면 산화막(22A)을 형성하는 것이 가능하다.Or the etching process of FIG. 8B can also be performed by chemical dry etching. For example, by using the
또한, 도 8b의 구조를 상기 도 2의 MOCVD 장치(60)의 처리 용기(62) 중에 도입하여, 상기 기판 보지대(62A) 상에 피처리 기판(W)으로서 보지하고, 예를 들어 상기 처리 용기(62)의 내압을 0.3토르, 기판 온도를 480℃로 설정하며, 상기 샤워 헤드(62S)로부터 산소 가스를 100sccm의 유량으로, 또한 HTB를 상기 유체 유량 컨트롤러(62d)에서의 유량으로 45mg/분의 값으로 도입함으로써, 상기 계면 산화막(12A) 상에 HfO2막(23)이 예를 들어 16 내지 18Å의 막 두께로 동일하게 형성된다.In addition, the structure of FIG. 8B is introduced into the
이와 같이 하여 형성된 상기 계면 산화막(22A)과 HfO2막(23)의 적층막(24)은 앞서 도 3에서 설명한 바와 같이 EOT가 최소가 되고, 또한 도 5에서 설명한 바와 같이 우수한 리크 전류 특성을 나타낸다.The
[제 2 실시형태]Second Embodiment
도 9a 내지 도 9d는 상기 도 8a의 적층막(24)을 게이트 절연막으로서 사용한 반도체 장치의 제조 공정을 나타낸다.9A to 9D show a process for manufacturing a semiconductor device using the
도 9a를 참조함에 있어서, (100) 배향을 갖는 실리콘 기판(41)의 (100) 표면에는 소자 분리 영역(41Ⅰ)에 의해 소자 영역(41A)이 구획 형성되어 있고, 또한 상기 실리콘 기판(41) 표면에는 상기 도 8a 내지 도 8c의 공정에 의해 상기 적층막(24)과 동일한 구성의 유전체막(42)이 형성되어 있다.Referring to Fig. 9A, an
또한, 도 9b의 공정에서, 상기 유전체막(42) 상에 폴리실리콘 또는 아모퍼스 실리콘으로 이루어지는 실리콘막(43)이 퇴적되고, 도 9c의 공정에서 상기 실리콘막(43)을 패터닝함으로써 게이트 전극(43G)이 형성된다. 또한, 도 8c의 공정에서는 상기 유전체막(42G)이 상기 게이트 전극(43G)을 마스크로 패터닝되어 게이트 절연막(42G)이 형성된다.In addition, in the process of FIG. 9B, a
또한, 도 9d의 공정에서, 상기 실리콘 기판(41) 중에, 상기 게이트 전극(43G)을 마스크로, 상기 반도체 장치가 n채널 MOS 트랜지스터이면 P+나 As+ 또는 Sb+를 이온 주입하고, 또한 상기 반도체 장치가 p채널 MOS 트랜지스터이면 B+를 이온 주입하며, 상기 소자 영역(41A)에서, 상기 실리콘 기판(41) 중 상기 게이트 전극의 제 1 및 제 2 측에, 각각 소스 및 드레인 확산 영역(41S 및 41D)을 형성한다. 또한, 동시에, 상기 게이트 전극(43G)을 소정의 도전형으로 도핑한다.In the process of FIG. 9D, if the semiconductor device is an n-channel MOS transistor, the
이러한 공정에 의해 제조된 반도체 장치는 상기 도 8d의 적층막(24)과 동일한 적층 구조를 갖는 막(42)을 게이트 절연막(42G)으로서 사용하고 있기 때문에, 앞서 도 3에서 설명한 바와 같이 EOT가 작고, 또한 도 5에서 설명한 바와 같이 리크 전류 특성이 우수하기 때문에, 게이트 길이를 32㎚ 이하로 단축하여도 동작하는 것이 가능하다.In the semiconductor device manufactured by this process, since the
또한, 상기 실리콘막(43) 대신에 금속막 또는 도전성 금속 질화물막을 사용하여, 메탈 게이트를 갖는 반도체 장치를 제조하는 것도 가능하다.It is also possible to manufacture a semiconductor device having a metal gate by using a metal film or a conductive metal nitride film instead of the
이상, 본 발명을 바람직한 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 특정의 실시형태로 한정되는 것이 아니며, 특허청구의 범위에 기재한 요지 내에서 여러가지 변형·변경이 가능하다.As mentioned above, although this invention was demonstrated about preferable embodiment, this invention is not limited to this specific embodiment, A various deformation | transformation and a change are possible within the summary described in a claim.
본 발명은 2008년 3월 28일 출원의 일본특허출원 제 2008-087446 호를 우선권 주장의 기초로 하는 것이며, 그 전체 내용을 원용한다.This invention is based on Japanese Patent Application No. 2008-087446 of an application on March 28, 2008 as a priority claim, and uses the whole content.
Claims (5)
실리콘 기판 표면에 산화막을 형성하는 공정과,
상기 산화막을 에칭하고, 상기 산화막에 의해 계면 산화막을, XPS법으로 측정한 상기 계면 산화막의 막 두께가 6.7Å 이하이고 6.0Å 이상이 되도록 형성하는 공정과,
상기 계면 산화막 상에 HfO2막을 MOCVD법에 의해 산화 분위기 중에서 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는
성막 방법.In the film forming method,
Forming an oxide film on the silicon substrate surface;
Etching the oxide film and forming an interfacial oxide film by the oxide film such that the interfacial oxide film is 6.7 kPa or less and 6.0 kPa or more, measured by XPS;
Forming an HfO 2 film on the interfacial oxide film in an oxidizing atmosphere by MOCVD;
The deposition method.
상기 실리콘 기판의 표면에 산화막을 형성하는 공정은 열산화막을 형성하는 공정인 것을 특징으로 하는
성막 방법.The method of claim 1,
The step of forming an oxide film on the surface of the silicon substrate is characterized in that the step of forming a thermal oxide film
The deposition method.
상기 에칭 공정은 상기 계면 산화막의 막 두께가 6.0Å이 되도록 실행되는 것을 특징으로 하는
성막 방법.The method of claim 2,
The etching step is performed so that the film thickness of the interfacial oxide film is 6.0 kPa.
The deposition method.
상기 HfO2막을 형성하는 공정은 제 3 부틸 하프늄을 원료로서 실행되는 것을 특징으로 하는
성막 방법.The method of claim 1,
The step of forming the HfO 2 film is characterized in that the third butyl hafnium is used as a raw material.
The deposition method.
실리콘 기판 표면에 산화막을 형성하는 공정과,
상기 산화막을 에칭하고, 상기 산화막에 의해 계면 산화막을, XPS법으로 측정한 상기 계면 산화막의 막 두께가 6.7Å 이하이고 6.0Å 이상이 되도록 형성하는 공정과,
상기 계면 산화막 상에 HfO2막을 MOCVD법에 의해 산화 분위기 중에서 형성하는 공정과,
상기 HfO2막 상에 실리콘막 또는 금속막을 형성하는 공정과,
상기 실리콘막 또는 금속막을 패터닝하여 게이트 전극 패턴을 형성하는 공정과,
상기 게이트 전극 패턴을 마스크로, 상기 실리콘 기판중에 불순물 원소를 도입하여, 소스 및 드레인 영역을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는
반도체 장치의 제조 방법.In the manufacturing method of a semiconductor device,
Forming an oxide film on the silicon substrate surface;
Etching the oxide film and forming an interfacial oxide film by the oxide film such that the interfacial oxide film is 6.7 kPa or less and 6.0 kPa or more, measured by XPS;
Forming a HfO 2 film on the interfacial oxide film in an oxidizing atmosphere by MOCVD;
Forming a silicon film or a metal film on the HfO 2 film;
Patterning the silicon film or the metal film to form a gate electrode pattern;
Forming a source and a drain region by introducing an impurity element into the silicon substrate using the gate electrode pattern as a mask;
The manufacturing method of a semiconductor device.
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