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JP4445484B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法、特にゲート絶縁膜等の絶縁膜の性能向上に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to improvement in performance of an insulating film such as a gate insulating film.

MISFETの微細化に伴い、ゲート電極のより一層の低抵抗化が要求されてきている。また、ポリシリコンによるゲート電極では、空乏化の問題が無視できなくなってきている。そのため、メタル単層のゲート電極構造が望まれている。また、ゲート絶縁膜については、より一層の薄膜化の要求から、SiO2 の代わりに金属酸化膜系の高誘電体膜(例えばTiO2 膜)を用いることが提案されている。しかしながら、TiO2 膜を通常のCVD等で成膜した場合、以下ような問題が生じる。 With the miniaturization of MISFETs, there is a demand for further lowering the resistance of the gate electrode. Further, in the case of a gate electrode made of polysilicon, the problem of depletion cannot be ignored. Therefore, a metal single layer gate electrode structure is desired. Further, as a gate insulating film, it has been proposed to use a metal oxide-based high dielectric film (for example, a TiO 2 film) instead of SiO 2 because of a demand for further thinning. However, when the TiO 2 film is formed by normal CVD or the like, the following problems occur.

図9は、従来技術を説明するための工程断面図である。   FIG. 9 is a process cross-sectional view for explaining the prior art.

まず、図9(a)に示すように、シリコン基板100上に、ゲート絶縁膜となる10nm程度のTiO2 膜101を、LP−CVD法により成膜する。CVDガスとしては、例えばTi(C11192 2 Cl2 を用いればよい。 First, as shown in FIG. 9A, a TiO 2 film 101 of about 10 nm that becomes a gate insulating film is formed on a silicon substrate 100 by LP-CVD. As the CVD gas, for example, Ti (C 11 H 19 O 2 ) 2 Cl 2 may be used.

次に、図9(b)に示すように、メタル電極材料のゲート絶縁膜への拡散を防ぐため、或いは仕事関数を制御するために、バリアメタルとして、例えば10〜20nmの膜厚のTiN膜102を、TiCl4 とNH3 の混合ガス雰囲気にてCVD法により成膜する。 Next, as shown in FIG. 9B, in order to prevent diffusion of the metal electrode material into the gate insulating film or to control the work function, for example, a TiN film having a thickness of 10 to 20 nm as a barrier metal. 102 is formed by CVD in a mixed gas atmosphere of TiCl 4 and NH 3 .

次に、図9(c)に示すように、ゲート電極となるW、Al、Cu等のメタル電極膜103をCVD法等で成膜する。バリアメタル膜102及びメタル電極膜103を成膜した後、反応性イオンエッチング等により、ゲート電極パターンを形成する。   Next, as shown in FIG. 9C, a metal electrode film 103 made of W, Al, Cu or the like to be a gate electrode is formed by a CVD method or the like. After the barrier metal film 102 and the metal electrode film 103 are formed, a gate electrode pattern is formed by reactive ion etching or the like.

しかしながら、従来は、ゲート絶縁膜となるTiO2 膜101の膜構造に関して、以下のような問題があった。図10は、TiO2 膜101の膜構造を模式的に示したものであり、図10(a)はTiO2 膜101の断面図、図10(b)はTiO2 膜101の上面図である。 However, conventionally, there are the following problems with respect to the film structure of the TiO 2 film 101 which becomes a gate insulating film. Figure 10 is for the film structure of the TiO 2 film 101 shown schematically, FIG. 10 (a) is a cross-sectional view of the TiO 2 film 101, FIG. 10 (b) is a top view of the TiO 2 film 101 .

図9(a)の工程においてTiO2 膜101を成膜するときに、図10(a)及び(b)に示すように、TiO2 の結晶粒111間に明確な結晶粒界112が形成される。そのため、結晶粒界112において絶縁性が劣化し、ゲート絶縁膜であるTiO2 膜101の電気的絶縁性が極端に劣化してしまう。したがって、特性や信頼性に優れたMISトランジスタを作製することが著しく困難になってしまう。 When the TiO 2 film 101 is formed in the process of FIG. 9A, a clear crystal grain boundary 112 is formed between the TiO 2 crystal grains 111 as shown in FIGS. 10A and 10B. The For this reason, the insulating property is deteriorated at the crystal grain boundary 112, and the electrical insulating property of the TiO 2 film 101 which is a gate insulating film is extremely deteriorated. Therefore, it becomes extremely difficult to manufacture a MIS transistor having excellent characteristics and reliability.

このように、ゲート絶縁膜としてTiO2 等の金属酸化物を用いる場合、従来は、TiO2 等の結晶粒間に明確な結晶粒界が形成されるため、ゲート絶縁膜の電気的絶縁性が著しく劣化するという問題があった。 As described above, when a metal oxide such as TiO 2 is used as the gate insulating film, conventionally, a clear crystal grain boundary is formed between crystal grains such as TiO 2. There was a problem that it deteriorated remarkably.

本発明は上記従来の課題に対してなされたものであり、ゲート絶縁膜等の絶縁膜の絶縁性を向上させることができ、特性及び信頼性の向上をはかることが可能な半導体装置及びその製造方法を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and can improve the insulating properties of an insulating film such as a gate insulating film, and can improve characteristics and reliability, and its manufacture. It aims to provide a method.

本発明に係る半導体装置は、半導体基板の主面側に形成された絶縁膜を有し、該絶縁膜が、金属酸化物からなる互いに離間した複数の粒状絶縁領域と、隣接する粒状絶縁領域間に形成された非晶質絶縁物からなる粒間絶縁領域と、から構成され、前記粒状絶縁領域は、前記金属酸化物の結晶を少なくとも含んで構成され、前記粒間絶縁領域は、シリコン、酸素及び前記金属酸化物を構成する金属元素を少なくとも含んだ非晶質絶縁物で構成され、前記粒状絶縁領域を構成する前記金属酸化物の結晶粒は、単一の単結晶又は、単結晶どうしのなす角度が10度以内の複数の単結晶の集合で構成されていることを特徴とする。 A semiconductor device according to the present invention has an insulating film formed on the main surface side of a semiconductor substrate, and the insulating film is formed between a plurality of granular insulating regions made of metal oxide and spaced apart from each other and adjacent granular insulating regions. An intergranular insulating region made of an amorphous insulator formed in the insulating layer, wherein the granular insulating region includes at least the crystal of the metal oxide, and the intergranular insulating region is made of silicon, oxygen And an amorphous insulator containing at least a metal element constituting the metal oxide, and the crystal grains of the metal oxide constituting the granular insulating region are a single single crystal or single crystals. It is characterized by being composed of a set of a plurality of single crystals with an angle formed within 10 degrees .

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の主面側に金属化合物膜を形成する工程と、前記金属化合物膜を酸化して、前記金属化合物膜を構成する金属元素の金属酸化物からなる互いに離間した複数の粒状絶縁領域と、隣接する粒状絶縁領域間に形成された非晶質絶縁物からなる粒間絶縁領域と、から構成される絶縁膜を形成する工程と、を有し、前記金属化合物膜は、前記金属酸化物を構成する金属元素及びシリコンを少なくとも含んで構成され、前記粒状絶縁領域は、前記金属酸化物の結晶を少なくとも含んで構成され、前記粒間絶縁領域は、シリコン、酸素及び前記金属酸化物を構成する金属元素を少なくとも含んだ非晶質絶縁物で構成され、前記粒状絶縁領域を構成する前記金属酸化物の結晶粒は、単一の単結晶又は、単結晶どうしのなす角度が10度以内の複数の単結晶の集合で構成されていることを特徴とする。 A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a metal compound film on a main surface side of a semiconductor substrate, and a metal oxide of a metal element constituting the metal compound film by oxidizing the metal compound film. Forming an insulating film composed of a plurality of granular insulating regions spaced apart from each other, and an intergranular insulating region made of an amorphous insulator formed between adjacent granular insulating regions, The metal compound film includes at least a metal element constituting the metal oxide and silicon, the granular insulating region includes at least a crystal of the metal oxide, and the intergranular insulating region includes: It is composed of an amorphous insulator including at least silicon, oxygen, and a metal element constituting the metal oxide, and the crystal grain of the metal oxide constituting the granular insulating region is a single single crystal or a single crystal. Result What angle between and it is characterized in that it consists of a set of a plurality of single crystal within 10 degrees.

本発明によれば、絶縁膜を粒状絶縁領域と粒間絶縁領域とで構成することにより、粒状絶縁領域に含まれる結晶粒どおしが直接接触することを防止することができる。そのため、結晶粒間の明確な結晶粒界をなくすことができ、絶縁性の劣化を抑制することが可能となる。したがって、この絶縁膜をMISトランジスタのゲート絶縁膜に用いることにより、特性及び信頼性に優れたMISトランジスタを作製することができる。   According to the present invention, it is possible to prevent the crystal grains contained in the granular insulating region from coming into direct contact by configuring the insulating film with the granular insulating region and the intergranular insulating region. Therefore, a clear crystal grain boundary between crystal grains can be eliminated, and insulation deterioration can be suppressed. Therefore, by using this insulating film as the gate insulating film of the MIS transistor, a MIS transistor having excellent characteristics and reliability can be manufactured.

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施形態1)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る図であり、MISトランジスタのゲート絶縁膜等、電気的絶縁を行うための絶縁膜の構造を示した図である。図1(a)はその断面図、図1(b)はその上面図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram according to the first embodiment of the present invention, and shows the structure of an insulating film for electrical insulation, such as a gate insulating film of a MIS transistor. FIG. 1A is a sectional view thereof, and FIG. 1B is a top view thereof.

絶縁膜10の基本的な構造は、以下の通りである。絶縁膜10は、複数の粒状絶縁領域11と、隣接する粒状絶縁領域11間に形成された粒間絶縁領域12とから構成されている。粒状絶縁領域11は、金属酸化物からなる粒によって構成され、各粒状絶縁領域11は互いに離間している。粒間絶縁領域12は、非晶質絶縁物によって構成されている(構造Aとする)。   The basic structure of the insulating film 10 is as follows. The insulating film 10 includes a plurality of granular insulating regions 11 and an intergranular insulating region 12 formed between adjacent granular insulating regions 11. The granular insulating region 11 is composed of particles made of a metal oxide, and the granular insulating regions 11 are separated from each other. The intergranular insulating region 12 is formed of an amorphous insulator (structure A).

上記構造Aに対応する製造方法は、以下の通りである。まず、半導体基板の主面側に所定の金属化合物膜を形成する。続いて、この金属化合物膜を酸化して、金属酸化物(金属化合物膜を構成する金属元素の金属酸化物)からなる粒状絶縁領域11を形成するとともに、非晶質絶縁物からなる粒間絶縁領域12を形成する(製造方法Aとする)。   The manufacturing method corresponding to the structure A is as follows. First, a predetermined metal compound film is formed on the main surface side of the semiconductor substrate. Subsequently, the metal compound film is oxidized to form a granular insulating region 11 made of a metal oxide (metal oxide of a metal element constituting the metal compound film), and intergranular insulation made of an amorphous insulator. Region 12 is formed (referred to as manufacturing method A).

このように、絶縁膜10を粒状絶縁領域11と粒間絶縁領域12とで構成することにより、粒状絶縁領域11に含まれる結晶粒どおしが直接接触することがないため、結晶粒間の明確な結晶粒界がなくなる。そのため、絶縁膜のリーク電流を低減することができ、絶縁性の劣化を抑制することが可能となる。したがって、絶縁膜10をMISトランジスタのゲート絶縁膜等に用いることにより、特性及び信頼性の向上をはかることができる。   Thus, since the insulating film 10 is composed of the granular insulating regions 11 and the intergranular insulating regions 12, the crystal grains contained in the granular insulating regions 11 are not in direct contact with each other. Clear crystal grain boundaries disappear. Therefore, the leakage current of the insulating film can be reduced, and the deterioration of the insulating property can be suppressed. Therefore, the characteristics and reliability can be improved by using the insulating film 10 as a gate insulating film of the MIS transistor.

上記構造A及び製造方法Aの好ましい態様としては、以下の3態様があげられる。   Preferred embodiments of the structure A and production method A include the following three embodiments.

金属化合物膜は、粒状絶縁領域11の金属酸化物を構成する金属元素及びシリコンを少なくとも含んで構成されている。粒状絶縁領域11は、金属酸化物の結晶を少なくとも含んで構成されている。粒間絶縁領域12は、シリコン、酸素及び粒状絶縁領域11の金属酸化物を構成する金属元素を少なくとも含んだ非晶質絶縁物で構成されている(構造B、製造方法Bとする)。   The metal compound film includes at least a metal element constituting the metal oxide of the granular insulating region 11 and silicon. The granular insulating region 11 includes at least a metal oxide crystal. The intergranular insulating region 12 is made of an amorphous insulator containing at least a metal element constituting silicon, oxygen, and the metal oxide of the granular insulating region 11 (referred to as structure B and manufacturing method B).

金属化合物膜は、粒状絶縁領域11の金属酸化物を構成する第1の金属元素及び第1の金属元素とは異なる第2の金属元素を少なくとも含んで構成されている。粒状絶縁領域11は、金属酸化物の結晶を少なくとも含んで構成されている。粒間絶縁領域12は、酸素及び第2の金属元素を少なくとも含んだ非晶質絶縁物で構成されている(構造C、製造方法Cとする)。   The metal compound film is configured to include at least a first metal element constituting the metal oxide of the granular insulating region 11 and a second metal element different from the first metal element. The granular insulating region 11 includes at least a metal oxide crystal. The intergranular insulating region 12 is made of an amorphous insulator containing at least oxygen and a second metal element (referred to as structure C and manufacturing method C).

金属化合物膜は、粒状絶縁領域11の金属酸化物を構成する金属元素を少なくとも含んで構成されている。粒状絶縁領域11は、金属酸化物の結晶粒によって構成されている。粒間絶縁領域12は、粒状絶縁領域11の金属酸化物と同種の非晶質金属酸化物によって構成されている(構造D、製造方法Dとする)。   The metal compound film is configured to include at least a metal element constituting the metal oxide of the granular insulating region 11. The granular insulating region 11 is composed of metal oxide crystal grains. The intergranular insulating region 12 is made of an amorphous metal oxide of the same type as the metal oxide of the granular insulating region 11 (referred to as structure D and manufacturing method D).

上記構造A〜D及び製造方法A〜Dのさらに好ましい態様としては、以下の態様があげられる。   The following aspects are mentioned as a more preferable aspect of said structure AD and manufacturing method AD.

(1)構造及び製造方法Bにおいて、粒状絶縁領域11は、金属酸化物の結晶粒のみで構成されている、或いは金属酸化物の結晶粒及び該金属酸化物の非晶質を含んで構成されている。   (1) In the structure and manufacturing method B, the granular insulating region 11 is composed only of metal oxide crystal grains, or includes metal oxide crystal grains and amorphous metal oxide. ing.

(2)構造及び製造方法Dにおいて、粒状絶縁領域11は、金属酸化物の単結晶粒のみで構成されている。   (2) In the structure and manufacturing method D, the granular insulating region 11 is composed only of single crystal grains of metal oxide.

(3)構造及び製造方法Aにおいて、粒状絶縁領域11を構成する結晶粒は、同一結晶面方位のなす角度が10度以下、望ましくは5度以下である複数の単結晶(金属酸化物の単結晶)の集合により構成されている。単結晶どおしのなす角度が10度以内であれば、仮に単結晶どおしが接触して結晶粒界が形成されたとしてしても、結晶粒界エネルギーは小さく、電気的絶縁性をほとんど劣化させないためである。   (3) In the structure and manufacturing method A, the crystal grains constituting the granular insulating region 11 are a plurality of single crystals (single metal oxides) whose angle formed by the same crystal plane orientation is 10 degrees or less, preferably 5 degrees or less. Crystal). If the angle formed between the single crystals is within 10 degrees, even if the single crystals are in contact with each other and a crystal grain boundary is formed, the crystal grain boundary energy is small, and the electrical insulating property is reduced. This is because it hardly deteriorates.

(4)構造及び製造方法Bにおいて、粒間絶縁領域12を構成する非晶質絶縁物は、粒状絶縁領域11を構成する金属酸化物と同種の金属酸化物及びシリコン酸化物を少なくとも含み、場合によってはシリコン窒化酸化物或いはシリコン窒化物の少なくとも一つを含む。シリコン酸化物、シリコン窒化酸化物及びシリコン窒化物は、容易に非晶質となるため、粒間絶縁領域12の構成材料として適しているといえる。   (4) In the structure and the manufacturing method B, the amorphous insulator constituting the intergranular insulating region 12 includes at least a metal oxide and a silicon oxide of the same type as the metal oxide constituting the granular insulating region 11. In some cases, at least one of silicon nitride oxide and silicon nitride is included. Since silicon oxide, silicon nitride oxide, and silicon nitride easily become amorphous, it can be said that they are suitable as a constituent material of the intergranular insulating region 12.

(5)構造及び製造方法Cにおいて、粒間絶縁領域12を構成する第2の金属元素を含む第2の金属酸化物の結晶化温度は、粒状絶縁領域11を構成する第1の金属酸化物を含む第2の金属酸化物の結晶化温度より高い。第2の金属酸化物の結晶化温度が第1の金属酸化物の結晶化温度より高いため、第2の金属酸化物の非晶質が形成されやすくなる。   (5) In the structure and manufacturing method C, the crystallization temperature of the second metal oxide containing the second metal element constituting the intergranular insulating region 12 is the first metal oxide constituting the granular insulating region 11 Higher than the crystallization temperature of the second metal oxide containing. Since the crystallization temperature of the second metal oxide is higher than the crystallization temperature of the first metal oxide, an amorphous state of the second metal oxide is easily formed.

(6)構造及び製造方法Aにおいて、金属酸化物としては、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物、ハフニウム酸化物、タンタル酸化物、ニオブ酸化物、又はアルミニウム酸化物等、シリコン酸化物よりも誘電率が高い金属酸化物の少なくとも一つがあげられる。   (6) In the structure and manufacturing method A, the metal oxide has a dielectric constant higher than that of silicon oxide such as titanium oxide, zirconium oxide, hafnium oxide, tantalum oxide, niobium oxide, or aluminum oxide. There is at least one of high metal oxides.

(7)構造及び製造方法Aにおいて、金属酸化物及び金属化合物膜に含まれる金属元素としては、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、ニオブ、又はアルミニウムの少なくとも一つがあげられる。   (7) In the structure and manufacturing method A, examples of the metal element contained in the metal oxide and metal compound film include at least one of titanium, zirconium, hafnium, tantalum, niobium, and aluminum.

(8)構造及び製造方法Bにおいて、金属化合物膜としては、シリコンを含む金属窒化膜、シリコンを含む金属窒化酸化膜、シリコンを含む金属窒化炭化膜、シリコンを含む金属炭化膜、シリコンを含む金属酸化膜、シリコンを含む金属炭化酸化膜の少なくとも一つがあげられる。   (8) In the structure and manufacturing method B, as the metal compound film, a metal nitride film containing silicon, a metal oxynitride film containing silicon, a metal oxynitride film containing silicon, a metal carbide film containing silicon, and a metal containing silicon Examples thereof include at least one of an oxide film and a metal carbonized oxide film containing silicon.

(9)構造及び製造方法Dにおいて、金属化合物膜としては、金属窒化膜、金属窒化酸化膜、金属窒化炭化膜、金属炭化膜、金属酸化膜、金属炭化酸化膜の少なくとも一つがあげられる。   (9) In the structure and manufacturing method D, examples of the metal compound film include at least one of a metal nitride film, a metal nitrided oxide film, a metal nitrided carbonized film, a metal carbide film, a metal oxide film, and a metal carbonized oxide film.

(10)構造及び製造方法Dにおいて、絶縁膜10の厚さは、10nm程度以下、望ましくは5nm程度以下にする。このように絶縁膜10の厚さを薄くすると、非晶質金属酸化物からなる粒間絶縁領域12を形成しやすくなる。   (10) In the structure and manufacturing method D, the thickness of the insulating film 10 is about 10 nm or less, preferably about 5 nm or less. Thus, when the thickness of the insulating film 10 is reduced, the intergranular insulating region 12 made of an amorphous metal oxide is easily formed.

(11)構造及び製造方法Aにおいて、絶縁膜10をMISトランジスタのゲート絶縁膜として用いる場合、絶縁膜10の下地としては、シリコン基板、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜或いはシリコン窒化酸化膜があげられる。特に、シリコン基板と絶縁膜10との間に数原子層程度のシリコン酸化膜、シリコン窒化膜或いはシリコン窒化酸化膜が形成されていると、界面準位の制御が容易になるため、電子やホールの移動度を高めることが可能となる。   (11) In the structure and manufacturing method A, when the insulating film 10 is used as a gate insulating film of a MIS transistor, the base of the insulating film 10 is a silicon substrate, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a silicon oxynitride film. . In particular, when a silicon oxide film, silicon nitride film, or silicon oxynitride film of several atomic layers is formed between the silicon substrate and the insulating film 10, the interface state can be easily controlled. The mobility of can be increased.

(実施形態2)
図1は、本発明の第2の実施形態に係る図であり、MISトランジスタのゲート絶縁膜等、電気的絶縁を行うための絶縁膜の構造を示した図である。図2(a)はその断面図、図2(b)はその上面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 1 is a diagram according to a second embodiment of the present invention, and shows a structure of an insulating film for performing electrical insulation, such as a gate insulating film of a MIS transistor. FIG. 2A is a sectional view thereof, and FIG. 2B is a top view thereof.

本実施形態では、粒状絶縁領域11及び粒間絶縁領域12から構成される主絶縁領域10a(図1に示した絶縁膜10の領域に対応)の少なくとも一方の表面上に、該一方の表面を覆うように被覆絶縁領域13が形成されており、粒状絶縁領域11、粒間絶縁領域12及び被覆絶縁領域13によって絶縁膜10を構成している。被覆絶縁領域13は、粒間絶縁領域12を構成する非晶質絶縁物と同種の非晶質絶縁物によって構成されている。粒状絶縁領域11及び粒間絶縁領域12については、第1の実施形態と同様である。   In the present embodiment, the one surface is placed on at least one surface of the main insulating region 10a (corresponding to the region of the insulating film 10 shown in FIG. 1) composed of the granular insulating regions 11 and the intergranular insulating regions 12. A covering insulating region 13 is formed so as to cover, and the insulating film 10 is constituted by the granular insulating region 11, the intergranular insulating region 12, and the covering insulating region 13. The covering insulating region 13 is made of an amorphous insulator of the same type as the amorphous insulator that forms the intergranular insulating region 12. The granular insulating region 11 and the intergranular insulating region 12 are the same as in the first embodiment.

粒状絶縁領域11及び粒間絶縁領域12から構成される主絶縁領域10aの表面は、粒状絶縁領域11に含まれる結晶粒によって凹凸が形成されている場合があり、モフォロジーの劣化を招く場合がある。本実施形態では、被覆絶縁領域13を形成することにより、このようなモフォロジーの劣化を抑制することが可能になる。   The surface of the main insulating region 10a composed of the granular insulating region 11 and the intergranular insulating region 12 may have irregularities formed by crystal grains contained in the granular insulating region 11, which may cause deterioration in morphology. . In the present embodiment, by forming the covering insulating region 13, it is possible to suppress such deterioration of morphology.

(実施形態3)
図3は、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a process cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.

まず、図3(a)に示すように、シリコン基板30上に、金属化合物膜31として、厚さ2nm程度のシリコンを含むTiN膜を成膜する。このシリコンを含むTiN膜31の成膜法としては、TiCl4 、NH3 及びSiH4 の混合ガス雰囲気でのCVD法があげられる。 First, as shown in FIG. 3A, a TiN film containing silicon having a thickness of about 2 nm is formed on the silicon substrate 30 as the metal compound film 31. As a method for forming the TiN film 31 containing silicon, there is a CVD method in a mixed gas atmosphere of TiCl 4 , NH 3 and SiH 4 .

また、シリコンを含むTiN膜31を成膜する場合、混合ガスとしては、上述したTiCl4 /NH3 /SiH4 以外にも、以下の混合ガスを用いることができる。 In addition, when the TiN film 31 containing silicon is formed, the following mixed gas can be used as the mixed gas in addition to the above-described TiCl 4 / NH 3 / SiH 4 .

(C5 5 )(C8 8 )Ti/NH3 /SiH4 系、
(C5 5 2 Ti[N(CH3 2 2 /NH3 /SiH4 系、
(C5 5 2 TiCl2 /NH3 /SiH4 系、
[(CH3 3 SiCH2 4 Ti/NH3 系、
Ti[N(CH3 2 4 /SiH4 系、
Ti[N(C2 5 2 4 /SiH4 系、
(C5 5 2 Ti(N3 2 /SiH4 系。
(C 5 H 5 ) (C 8 H 8 ) Ti / NH 3 / SiH 4 system,
(C 5 H 5 ) 2 Ti [N (CH 3 ) 2 ] 2 / NH 3 / SiH 4 system,
(C 5 H 5 ) 2 TiCl 2 / NH 3 / SiH 4 system,
[(CH 3 ) 3 SiCH 2 ] 4 Ti / NH 3 system,
Ti [N (CH 3 ) 2 ] 4 / SiH 4 system,
Ti [N (C 2 H 5 ) 2 ] 4 / SiH 4 system,
(C 5 H 5 ) 2 Ti (N 3 ) 2 / SiH 4 system.

後者の3種類の混合ガスは、NH3 やNラジカルのような窒化剤がなくてもTiNを成膜できるが、窒化剤を添加して成膜してもよい。 The latter three types of mixed gas can form a film of TiN without a nitriding agent such as NH 3 or N radicals, but may be formed by adding a nitriding agent.

また、Siを含むTiターゲット或いはN及びSiを含むTiターゲットをターゲットとして用いるとともに、Ar(Kr又はXeでもよい)とN(N2 など)を含む混合ガスのプラズマを用いたスパッタ法(真空蒸着法でもよい)によって、シリコンを含むTiN膜を成膜することも可能である。スパッタ法を用いる場合、ArやXeなどのターゲットをスパッタするイオン、及びターゲットから離脱した粒子のエネルギーを、最大で100eV以下、望ましくは50eV以下、より望ましくは20eV以下程度にする。このようにすると、膜表面へのダメージを少なくできるため、より信頼性の高いゲート絶縁膜を形成することが可能である。 In addition, a Ti target containing Si or a Ti target containing N and Si is used as a target, and a sputtering method (vacuum deposition) using a mixed gas plasma containing Ar (Kr or Xe) and N (N 2 etc.) is used. It is also possible to form a TiN film containing silicon. When the sputtering method is used, the energy of ions sputtered from the target such as Ar or Xe and the particles separated from the target are set to 100 eV or less, desirably 50 eV or less, and more desirably 20 eV or less. In this way, damage to the film surface can be reduced, so that a more reliable gate insulating film can be formed.

次に、図3(b)に示すように、O2 雰囲気、O3 雰囲気、酸素ラジカル雰囲気或いは水蒸気雰囲気中において、熱処理によりシリコンを含むTiN膜31の酸化を行う。この酸化処理により、第1の実施形態の構造Bに対応した絶縁膜32(ゲート絶縁膜)が形成される。すなわち、TiO2 結晶粒からなる粒状絶縁領域33が形成されるとともに、隣接する粒状絶縁領域33間には非晶質絶縁物からなる粒間絶縁領域34が形成される。粒間絶縁領域34には、Ti酸化物及びシリコン酸化物が少なくとも含まれ、場合によってはシリコン窒化物或いはシリコン窒化酸化物等も含まれる。 Next, as shown in FIG. 3B, the TiN film 31 containing silicon is oxidized by heat treatment in an O 2 atmosphere, an O 3 atmosphere, an oxygen radical atmosphere, or a water vapor atmosphere. By this oxidation treatment, an insulating film 32 (gate insulating film) corresponding to the structure B of the first embodiment is formed. That is, a granular insulating region 33 made of TiO 2 crystal grains is formed, and an intergranular insulating region 34 made of an amorphous insulator is formed between adjacent granular insulating regions 33. The intergranular insulating region 34 includes at least Ti oxide and silicon oxide, and also includes silicon nitride or silicon nitride oxide depending on the case.

なお、上記酸化処理を過剰に行うことにより、シリコン基板30と絶縁膜32の界面にシリコン酸化膜を形成してもよい。   Note that a silicon oxide film may be formed at the interface between the silicon substrate 30 and the insulating film 32 by excessively performing the oxidation treatment.

また、シリコンを含むTiN膜31が薄くなるほど、酸化処理中に発生する窒素或いはシリコンを含むTiN膜31の成膜中に混入した塩素や炭素等の不純物が、酸化処理中に外方に拡散しやすくなるため、不純物の少ない良質な絶縁膜が得られやすい。従って、シリコンを含むTiN膜31の膜厚は、5nm以下、望ましくは2nm程度にすることが望ましい。膜厚の厚い絶縁膜32を形成する場合には、上記膜厚を有する膜厚の薄いシリコンを含むTiN膜31の成膜工程と酸化工程とを繰り返し行う。これにより、膜厚の厚い絶縁膜32を形成することも可能である。   Further, as the TiN film 31 containing silicon becomes thinner, impurities such as chlorine and carbon mixed during the formation of the nitrogen or silicon TiN film 31 generated during the oxidation process diffuse outward during the oxidation process. Therefore, it is easy to obtain a high-quality insulating film with few impurities. Therefore, the thickness of the TiN film 31 containing silicon is preferably 5 nm or less, and preferably about 2 nm. In the case of forming the thick insulating film 32, the film forming process and the oxidizing process of the TiN film 31 containing thin silicon having the above film thickness are repeated. Thereby, it is also possible to form a thick insulating film 32.

次に、図3(c)に示すように、バリアメタル35として例えばTiN膜をCVD法により成膜し、さらにバリアメタル35上にゲート電極膜36として所望の金属膜を成膜する。   Next, as shown in FIG. 3C, for example, a TiN film is formed as a barrier metal 35 by a CVD method, and a desired metal film is formed as a gate electrode film 36 on the barrier metal 35.

以上の工程により、第1の実施形態の構造Bに対応した絶縁膜32をゲート絶縁膜に適用した構造が形成される。   Through the above steps, a structure in which the insulating film 32 corresponding to the structure B of the first embodiment is applied to the gate insulating film is formed.

なお、TiO2 結晶粒33は、単一の単結晶粒であってもよく、同一結晶面方位のなす角度が10度以下、望ましくは5度以下の複数の単結晶粒の集合であってもよい。単結晶粒どおしのなす角度が10度以下では、それらの結晶粒界エネルギーが小さいため、絶縁性の劣化がほとんどないためである。 The TiO 2 crystal grain 33 may be a single single crystal grain, or may be a set of a plurality of single crystal grains whose angle formed by the same crystal plane orientation is 10 degrees or less, preferably 5 degrees or less. Good. This is because, when the angle formed between the single crystal grains is 10 degrees or less, the crystal grain boundary energy is small, so that there is almost no deterioration in insulation.

また、シリコンを含むTiN膜31の酸化を行う時に、過剰な酸化によりシリコン基板30と絶縁膜32の界面にシリコン酸化膜が形成され、その膜厚が厚すぎる場合がある。このような場合は、シリコンを含むTiN膜31の成膜前に、あらかじめシリコン基板30上に1nm程度の極薄いシリコン窒化酸化膜を、NO或いはN2 O等のガスを含む雰囲気で形成しておき、このシリコン窒化酸化膜によってシリコン基板30が酸化されるのを防げばよい。また、あらかじめシリコン窒化酸化膜の代わりにシリコン酸化膜を形成しておいてもよい。 Further, when the TiN film 31 containing silicon is oxidized, a silicon oxide film is formed at the interface between the silicon substrate 30 and the insulating film 32 due to excessive oxidation, and the film thickness may be too thick. In such a case, before forming the TiN film 31 containing silicon, an extremely thin silicon oxynitride film of about 1 nm is formed in advance on the silicon substrate 30 in an atmosphere containing a gas such as NO or N 2 O. In addition, it is only necessary to prevent the silicon substrate 30 from being oxidized by the silicon oxynitride film. Further, a silicon oxide film may be formed in advance instead of the silicon oxynitride film.

また、本実施形態ではシリコンを含むTiN膜31を酸化して絶縁膜32を形成するようにしたが、種々の変形が可能である。   In the present embodiment, the insulating film 32 is formed by oxidizing the TiN film 31 containing silicon, but various modifications are possible.

絶縁膜32に含まれる金属酸化物を構成する金属元素としては、上記Tiの他に、Zr、Hf、Ta、Nb、Alを用いることも可能である。以下、これらの金属元素を用いた例を列挙する。   In addition to Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, and Al can be used as the metal element constituting the metal oxide contained in the insulating film 32. Examples using these metal elements are listed below.

TaCl5 /NH3 /SiH4 系の混合ガス、TaBr5 /NH3 /SiH4 系の混合ガス、或いはTaI5 /NH3 /SiH4 系の混合ガスを用いたCVD法によってSiを含むTaN膜を形成し、このTaN膜を酸化する。これにより、Ta2 5 の結晶粒を少なくとも含む粒状絶縁領域33が形成されるとともに、Ta酸化物及びシリコン酸化物等を含む粒間絶縁領域34が形成される。 TaN film containing Si by a CVD method using a TaCl 5 / NH 3 / SiH 4 mixed gas, a TaBr 5 / NH 3 / SiH 4 mixed gas, or a TaI 5 / NH 3 / SiH 4 mixed gas And the TaN film is oxidized. As a result, a granular insulating region 33 including at least Ta 2 O 5 crystal grains and an intergranular insulating region including Ta oxide and silicon oxide are formed.

Ta(OC2 5 )/SiH4 系の混合ガスを用いたCVD法によって、Cを1%以上含有するSiを含むTa2 5 膜を形成し、このTa2 5 膜をオゾンを用いて酸化することにより、CをOに置換する。これにより、Ta2 5 の結晶粒を少なくとも含む粒状絶縁領域33が形成されるとともに、Ta酸化物及びシリコン酸化物等を含む粒間絶縁領域34が形成される。 A Ta 2 O 5 film containing Si containing 1% or more of C is formed by CVD using a mixed gas of Ta (OC 2 H 5 ) / SiH 4 , and this Ta 2 O 5 film is made of ozone. C is replaced with O by oxidation. As a result, a granular insulating region 33 including at least Ta 2 O 5 crystal grains and an intergranular insulating region including Ta oxide and silicon oxide are formed.

NbCl5 /NH3 /SiH4 系の混合ガス、NbBr5 /NH3 /SiH4 系の混合ガス、或いはNbI5 /NH3 /SiH4 系の混合ガスを用いたCVD法によってSiを含むNbN膜を形成し、このNbN膜を酸化する。これにより、Nb2 5 の結晶粒を少なくとも含む粒状絶縁領域33が形成されるとともに、Nb酸化物及びシリコン酸化物等を含む粒間絶縁領域34が形成される。 NbN film containing Si by a CVD method using a mixed gas of NbCl 5 / NH 3 / SiH 4 system, a mixed gas of NbBr 5 / NH 3 / SiH 4 system, or a mixed gas of NbI 5 / NH 3 / SiH 4 system And the NbN film is oxidized. Thereby, the granular insulating region 33 including at least the crystal grains of Nb 2 O 5 is formed, and the intergranular insulating region 34 including Nb oxide and silicon oxide is formed.

TiBr4 /NH3 /SiH4 系の混合ガス、或いはTiI4 /NH3 /SiH4 系の混合ガスを用いたCVD法によってSiを含むTiN膜を形成し、このTiN膜を酸化する。これにより、TiO2 の結晶粒を少なくとも含む粒状絶縁領域33が形成されるとともに、Ti酸化物及びシリコン酸化物等を含む粒間絶縁領域34が形成される。 The TiN film containing Si was formed by TiBr 4 / NH 3 / SiH 4 gas mixture of, or TiI 4 / NH 3 / SiH 4 based CVD method using a mixed gas to oxidize the TiN film. Thereby, the granular insulating region 33 including at least crystal grains of TiO 2 is formed, and the intergranular insulating region 34 including Ti oxide and silicon oxide is formed.

ZrCl4 /NH3 /SiH4 系の混合ガス、ZrBr4 /NH3 /SiH4 系の混合ガス、ZrI4 /NH3 /SiH4 系の混合ガス、Zr[N(C2 5 2 4 /NH3 /SiH4 系の混合ガス、或いはZr[N(CH3 2 4 /NH3 /SiH4 系の混合ガスを用いたCVD法によってSiを含むZrN膜を形成し、このZrN膜を酸化する。これにより、ZrO2 の結晶粒を少なくとも含む粒状絶縁領域33が形成されるとともに、Zr酸化物及びシリコン酸化物等を含む粒間絶縁領域34が形成される。 ZrCl 4 / NH 3 / SiH 4 mixed gas, ZrBr 4 / NH 3 / SiH 4 mixed gas, ZrI 4 / NH 3 / SiH 4 mixed gas, Zr [N (C 2 H 5 ) 2 ] 4 / NH 3 / SiH 4 gas mixture of, or Zr [N (CH 3) 2 ] to form a ZrN film containing Si by CVD method using 4 / NH 3 / SiH 4 gas mixture of, the ZrN Oxidize the membrane. As a result, a granular insulating region 33 including at least ZrO 2 crystal grains is formed, and an intergranular insulating region including Zr oxide and silicon oxide is formed.

HfCl4 /NH3 /SiH4 系の混合ガス、HfBr4 /NH3 /SiH4 系の混合ガス、或いはHfI4 /NH3 /SiH4 系の混合ガスを用いたCVD法によってSiを含むHfN膜を形成し、このHfN膜を酸化する。これにより、HfO2 の結晶粒を少なくとも含む粒状絶縁領域33が形成されるとともに、Hf酸化物及びシリコン酸化物等を含む粒間絶縁領域34が形成される。 HfCl 4 / NH 3 / SiH 4 gas mixture of, HfBr 4 / NH 3 / SiH 4 gas mixture of, or HfI 4 / NH 3 / SiH 4 based HfN film containing Si by CVD method using a mixed gas And the HfN film is oxidized. As a result, a granular insulating region 33 including at least HfO 2 crystal grains and an intergranular insulating region including Hf oxide and silicon oxide are formed.

このように、Si及び金属元素を含む金属化合物膜を酸化することにより、金属酸化物及びシリコン酸化物等を含む非晶質の粒間絶縁領域34が容易に形成される。   Thus, by oxidizing the metal compound film containing Si and a metal element, an amorphous intergranular insulating region 34 containing a metal oxide, a silicon oxide, or the like is easily formed.

また、上述した例では、Si及び金属元素を含む金属化合物膜を酸化することにより、金属酸化物の結晶を含む粒状絶縁領域33と、金属酸化物及びシリコン酸化物等を含む非晶質の粒間絶縁領域34を形成するようにしたが、以下に示すような例も考えられる。   Further, in the above-described example, by oxidizing a metal compound film containing Si and a metal element, a granular insulating region 33 containing a metal oxide crystal and an amorphous grain containing a metal oxide, silicon oxide, etc. The inter-insulating region 34 is formed, but the following examples are also conceivable.

まず、第1の金属元素及び第1の金属元素とは異なる第2の金属元素を少なくとも含む金属化合物膜をシリコン基板30上に形成する。この金属化合物膜を酸化することにより、第1の金属元素の金属酸化物(第1の金属酸化物)で構成される粒状絶縁領域33と、第2の金属元素の金属酸化物で構成される粒間絶縁領域34とからなる絶縁膜32を形成する(第2の金属酸化物)。   First, a metal compound film including at least a first metal element and a second metal element different from the first metal element is formed on the silicon substrate 30. By oxidizing this metal compound film, a granular insulating region 33 composed of a metal oxide of a first metal element (first metal oxide) and a metal oxide of a second metal element are formed. An insulating film 32 composed of the intergranular insulating region 34 is formed (second metal oxide).

このとき、第2の金属酸化物の結晶化温度が第1の金属酸化物の結晶化温度よりも高くなるように、第1の金属元素及び第2の金属元素を選択しておく。酸化温度を、第1の金属酸化物の結晶化温度よりも高く、第2の金属酸化物の結晶化温度よりも低くすることで、結晶粒状態の第1の金属酸化物と非晶質状態の第2の金属酸化物を形成することが可能となり、図3に示した構造と同様の構造を得ることができる。   At this time, the first metal element and the second metal element are selected so that the crystallization temperature of the second metal oxide is higher than the crystallization temperature of the first metal oxide. By making the oxidation temperature higher than the crystallization temperature of the first metal oxide and lower than the crystallization temperature of the second metal oxide, the first metal oxide in the crystalline state and the amorphous state The second metal oxide can be formed, and a structure similar to the structure shown in FIG. 3 can be obtained.

(実施形態4)
図4は、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
(Embodiment 4)
FIG. 4 is a process sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.

まず、図4(a)に示すように、シリコン基板40上に、金属化合物膜41として、厚さ5nm以下、望ましくは2nm程度のTiN膜を成膜する。このTiN膜41の成膜法としては、TiCl4 及びNH3 の混合ガス雰囲気でのCVD法があげられる。 First, as shown in FIG. 4A, a TiN film having a thickness of 5 nm or less, preferably about 2 nm is formed on the silicon substrate 40 as the metal compound film 41. As a method of forming the TiN film 41, a CVD method in a mixed gas atmosphere of TiCl 4 and NH 3 can be cited.

また、TiN膜41を成膜する場合、混合ガスとしては、上述したTiCl4 /NH3 以外にも、以下の混合ガスを用いることができる。 When forming the TiN film 41, the following mixed gas can be used as the mixed gas in addition to the above-described TiCl 4 / NH 3 .

(C5 5 )(C8 8 )Ti/NH3 系、
(C5 5 2 Ti[N(CH3 2 2 /NH3 系、
(C5 5 2 TiCl2 /NH3 系、
[(CH3 3 SiCH2 4 Ti/NH3 系、
Ti[N(CH3 2 4 系、
Ti[N(C2 5 2 4 系、
(C5 5 2 Ti(N3 2 系。
(C 5 H 5 ) (C 8 H 8 ) Ti / NH 3 system,
(C 5 H 5 ) 2 Ti [N (CH 3 ) 2 ] 2 / NH 3 system,
(C 5 H 5 ) 2 TiCl 2 / NH 3 system,
[(CH 3 ) 3 SiCH 2 ] 4 Ti / NH 3 system,
Ti [N (CH 3 ) 2 ] 4 system,
Ti [N (C 2 H 5 ) 2 ] 4 system,
(C 5 H 5 ) 2 Ti (N 3 ) 2 system.

後者の3種類の混合ガスは、NH3 やNラジカルのような窒化剤がなくてもTiNを成膜できるが、窒化剤を添加して成膜してもよい。 The latter three types of mixed gas can form a film of TiN without a nitriding agent such as NH 3 or N radicals, but may be formed by adding a nitriding agent.

また、Tiターゲット或いはNを含むTiターゲットをターゲットとして用いるとともに、Ar(Kr又はXeでもよい)とN(N2 など)を含む混合ガスのプラズマを用いたスパッタ法(真空蒸着法でもよい)によって、TiN膜を成膜することも可能である。スパッタ法を用いる場合、ArやXeなどのターゲットをスパッタするイオン、及びターゲットから離脱した粒子のエネルギーを、最大で100eV以下、望ましくは50eV以下、より望ましくは20eV以下程度にする。このようにすると、成膜表面へのダメージを少なくできるため、より信頼性の高いゲート絶縁膜を形成することが可能である。 Further, a Ti target or a Ti target containing N is used as a target, and a sputtering method using a mixed gas plasma containing Ar (may be Kr or Xe) and N (N 2 or the like) (may be a vacuum deposition method). A TiN film can also be formed. When the sputtering method is used, the energy of ions sputtered from the target such as Ar or Xe and the particles separated from the target are set to 100 eV or less, desirably 50 eV or less, and more desirably 20 eV or less. In this way, damage to the film formation surface can be reduced, so that a more reliable gate insulating film can be formed.

次に、図4(b)に示すように、O2 雰囲気、O3 雰囲気、酸素ラジカル雰囲気或いは水蒸気雰囲気中において、熱処理(500℃以下が望ましい)によりTiN膜41の酸化を行う。この酸化処理により、第1の実施形態の構造Dに対応した絶縁膜42(ゲート絶縁膜)が形成される。すなわち、TiO2 結晶粒からなる粒状絶縁領域43が形成されるとともに、隣接する粒状絶縁領域43間にはTiO2 の非晶質絶縁物からなる粒間絶縁領域44が形成される。 Next, as shown in FIG. 4B, the TiN film 41 is oxidized by heat treatment (desirably 500 ° C. or less) in an O 2 atmosphere, an O 3 atmosphere, an oxygen radical atmosphere, or a water vapor atmosphere. By this oxidation treatment, an insulating film 42 (gate insulating film) corresponding to the structure D of the first embodiment is formed. That is, a granular insulating region 43 made of TiO 2 crystal grains is formed, and an intergranular insulating region 44 made of an amorphous insulator of TiO 2 is formed between adjacent granular insulating regions 43.

TiN膜41の膜厚が2nmと薄いため、膜厚が厚い場合に比べて結晶化エネルギーが非常に高くなる。そのため、10nm以上の膜厚の厚いTiNを酸化した時のように、結晶粒が大きく成長して結晶粒どおしがぶつかり合うことがない。したがって、明確な結晶粒界を形成することはなく、隣接するTiO2 結晶粒(粒状絶縁領域43)間には非晶質TiO2 からなる粒間絶縁領域44が形成される。 Since the film thickness of the TiN film 41 is as thin as 2 nm, the crystallization energy becomes very high compared with the case where the film thickness is large. For this reason, the crystal grains do not grow large and the crystal grains do not collide with each other as when thick TiN having a thickness of 10 nm or more is oxidized. Therefore, a clear grain boundary is not formed, and an intergranular insulating region 44 made of amorphous TiO 2 is formed between adjacent TiO 2 crystal grains (granular insulating region 43).

図5は、TiO2 膜厚を変化させたときの、TiN膜の酸化温度に対するTiO2 結晶粒径を示したものである。また、図6は、図5のA、B及びC点におけるTiO2 膜の膜構造を示したものである。 FIG. 5 shows the TiO 2 crystal grain size with respect to the oxidation temperature of the TiN film when the TiO 2 film thickness is changed. FIG. 6 shows the film structure of the TiO 2 film at points A, B and C in FIG.

酸化温度が低い場合には、TiO2 膜厚が厚くても結晶粒径の大きなTiO2 が成長し難い(例えば、図5のA点に対応)。したがって、TiO2 膜は図6(a)に示すような構造となる。TiO2 膜厚が薄い場合には、酸化温度が高くても結晶粒径の大きなTiO2 は成長しない(例えば、図5のB点に対応)。したがって、TiO2 膜は図6(b)に示すような構造となる。酸化温度が高く、かつTiO2 膜厚が厚い場合には、結晶粒の大きなTiO2 が成長し(例えば、図5のC点に対応)、隣接するTiO2 結晶粒間に明確な明確な結晶粒界が形成され、TiO2 膜は図6(c)に示すような構造となる。したがって、TiO2 膜厚及び酸化温度を適当に選定することにより、結晶粒間に非晶質領域が形成されたリーク電流の少ないTiO2 膜を得ることが可能となる。 If the oxidation temperature is low, TiO 2 big grain size even thick TiO 2 film thickness is unlikely to grow (e.g., corresponding to point A in FIG. 5). Therefore, the TiO 2 film has a structure as shown in FIG. When the TiO 2 film thickness is thin, TiO 2 having a large crystal grain size does not grow even if the oxidation temperature is high (for example, corresponding to point B in FIG. 5). Therefore, the TiO 2 film has a structure as shown in FIG. When the oxidation temperature is high and the TiO 2 film thickness is thick, TiO 2 with large crystal grains grows (for example, corresponding to the point C in FIG. 5), and a clear crystal between adjacent TiO 2 crystal grains. Grain boundaries are formed, and the TiO 2 film has a structure as shown in FIG. Therefore, by appropriately selecting the TiO 2 film thickness and the oxidation temperature, it is possible to obtain a TiO 2 film with a small leakage current in which an amorphous region is formed between crystal grains.

次に、図4(c)に示すように、バリアメタル45として例えばTiN膜をCVD法により成膜し、さらにバリアメタル45上にゲート電極膜46として所望の金属膜を成膜する。   Next, as shown in FIG. 4C, for example, a TiN film is formed as a barrier metal 45 by a CVD method, and a desired metal film is formed as a gate electrode film 46 on the barrier metal 45.

以上の工程により、第1の実施形態の構造Dに対応した絶縁膜42をゲート絶縁膜に適用した構造が形成される。   Through the above steps, a structure in which the insulating film 42 corresponding to the structure D of the first embodiment is applied to the gate insulating film is formed.

なお、TiO2 結晶粒43は、単一の単結晶粒であってもよく、同一結晶面方位のなす角度が10度以下、望ましくは5度以下の複数の単結晶粒の集合であってもよい。単結晶粒同士のなす角度が10度以下では、それらの結晶粒界エネルギーが小さいため、絶縁性の劣化がほとんどないためである。 The TiO 2 crystal grain 43 may be a single single crystal grain, or may be a set of a plurality of single crystal grains whose angle formed by the same crystal plane orientation is 10 degrees or less, preferably 5 degrees or less. Good. This is because when the angle formed between the single crystal grains is 10 degrees or less, the crystal grain boundary energy is small, so that there is almost no deterioration in insulation.

また、本実施形態ではTiN膜41を酸化して絶縁膜42を形成するようにしたが、種々の変形が可能である。   In the present embodiment, the TiN film 41 is oxidized to form the insulating film 42, but various modifications are possible.

絶縁膜42に含まれる金属酸化物を構成する金属元素としては、上記Tiの他に、Zr、Hf、Ta、Nb、Alを用いることも可能である。以下、これらの金属元素を用いた例を列挙する。   In addition to Ti, Zr, Hf, Ta, Nb, and Al can be used as the metal element constituting the metal oxide contained in the insulating film 42. Examples using these metal elements are listed below.

TaCl5 /NH3 系の混合ガス、TaBr5 /NH3 系の混合ガス、TaI5 /NH3 系の混合ガス、或いは[(CH3 2 N]5 Taガスを用いたCVD法によってTaN膜を形成し、このTaN膜を酸化する。これにより、Ta2 5 の結晶粒からなる粒状絶縁領域43が形成されるとともに、非晶質のTa2 5 からなる粒間絶縁領域44が形成される。 TaN film by CVD using TaCl 5 / NH 3 mixed gas, TaBr 5 / NH 3 mixed gas, TaI 5 / NH 3 mixed gas, or [(CH 3 ) 2 N] 5 Ta gas And the TaN film is oxidized. Thereby, the granular insulating region 43 made of Ta 2 O 5 crystal grains and the intergranular insulating region 44 made of amorphous Ta 2 O 5 are formed.

Ta(OC2 5 )/SiH4 系の混合ガスを用いたCVD法によって、タンタル窒化酸化膜を形成し、この膜を酸化することによりNをOに置換する。または、この混合ガス系においてCを1%以上含有するタンタル窒化酸化膜を形成するか、或いはTa(OC2 5 )のみを用いてCを1%以上含有するTa2 5 膜を形成し、これらの膜をオゾンを用いて酸化することにより、CやNをOに置換する。これらの方法により、Ta2 5 の結晶粒からなる粒状絶縁領域43が形成されるとともに、非晶質のTa2 5 からなる粒間絶縁領域44が形成される。 A tantalum oxynitride film is formed by CVD using a mixed gas of Ta (OC 2 H 5 ) / SiH 4 , and this film is oxidized to replace N with O. Alternatively, in this mixed gas system, a tantalum oxynitride film containing 1% or more of C is formed, or a Ta 2 O 5 film containing 1% or more of C is formed using only Ta (OC 2 H 5 ). These films are oxidized using ozone to replace C and N with O. By these methods, the granular insulating region 43 made of Ta 2 O 5 crystal grains and the intergranular insulating region 44 made of amorphous Ta 2 O 5 are formed.

NbCl5 /NH3 系の混合ガス、NbBr5 /NH3 系の混合ガス、或いはNbI5 /NH3 系の混合ガスを用いたCVD法によってNbN膜を形成し、このNbN膜を酸化する。これにより、Nb2 5 の結晶粒からなる粒状絶縁領域43が形成されるとともに、非晶質のNb2 5 からなる粒間絶縁領域44が形成される。 NbCl 5 / NH 3 -based mixed gas, a NbN film formed by NbBr 5 / NH 3 -based mixed gas, or NBI 5 / NH 3 based CVD method using a mixed gas oxidizes the NbN film. As a result, a granular insulating region 43 made of Nb 2 O 5 crystal grains and an intergranular insulating region 44 made of amorphous Nb 2 O 5 are formed.

TiBr4 /NH3 系の混合ガス、或いはTiI4 /NH3 系の混合ガスを用いたCVD法によってTiN膜を形成し、このTiN膜を酸化する。これにより、TiO2 の結晶粒からなる粒状絶縁領域43が形成されるとともに、非晶質のTiO2 からなる粒間絶縁領域44が形成される。 The TiN film is formed by TiBr 4 / NH 3 gas mixture of, or TiI 4 / NH 3 based CVD method using a mixed gas to oxidize the TiN film. As a result, a granular insulating region 43 made of TiO 2 crystal grains and an intergranular insulating region 44 made of amorphous TiO 2 are formed.

ZrCl4 /NH3 系の混合ガス、ZrBr4 /NH3 系の混合ガス、ZrI4 /NH3 系の混合ガス、Zr[N(C2 5 2 4 /NH3 系の混合ガス、或いはZr[N(CH3 2 4 /NH3 系の混合ガスを用いたCVD法によってZrN膜を形成し、このZrN膜を酸化する。これにより、ZrO2 の結晶粒からなる粒状絶縁領域43が形成されるとともに、非晶質のZrO2 からなる粒間絶縁領域44が形成される。 ZrCl 4 / NH 3 mixed gas, ZrBr 4 / NH 3 mixed gas, ZrI 4 / NH 3 mixed gas, Zr [N (C 2 H 5 ) 2 ] 4 / NH 3 mixed gas, Alternatively, a ZrN film is formed by a CVD method using a mixed gas of Zr [N (CH 3 ) 2 ] 4 / NH 3 , and this ZrN film is oxidized. As a result, a granular insulating region 43 made of ZrO 2 crystal grains and an intergranular insulating region 44 made of amorphous ZrO 2 are formed.

HfCl4 /NH3 系の混合ガス、HfBr4 /NH3 系の混合ガス、或いはHfI4 /NH3 系の混合ガスを用いたCVD法によってHfN膜を形成し、このHfN膜を酸化する。これにより、HfO2 の結晶粒からなる粒状絶縁領域43が形成されるとともに、非晶質のHfO2 からなる粒間絶縁領域44が形成される。 HfCl 4 / NH 3 gas mixture of, HfBr 4 / NH 3 gas mixture of, or by CVD using HFI 4 / NH 3 -based mixed gas to form an HfN film, oxidizing the HfN layer. As a result, a granular insulating region 43 made of HfO 2 crystal grains and an intergranular insulating region 44 made of amorphous HfO 2 are formed.

このように、金属元素を含む膜厚の薄い金属化合物膜を酸化することにより、金属酸化物の結晶粒からなる粒状絶縁領域43が形成されるとともに、該金属酸化物の非晶質領域からなる粒間絶縁領域44が容易に形成される。   Thus, by oxidizing a thin metal compound film containing a metal element, a granular insulating region 43 made of metal oxide crystal grains is formed, and an amorphous region made of the metal oxide is made. Intergranular insulating regions 44 are easily formed.

(実施形態5)
図7(a)〜図8(f)は、本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示した工程断面図である。
(Embodiment 5)
FIG. 7A to FIG. 8F are process cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.

上述した第1〜第4の実施形態では、MISトランジスタのゲート絶縁膜等に用いる絶縁膜の構造及び成膜方法について説明したが、本実施形態は、このような構造及び成膜法をダマシンゲート構造を有するMISトランジスタに適用した例である。   In the first to fourth embodiments described above, the structure and film forming method of the insulating film used for the gate insulating film of the MIS transistor have been described. However, in the present embodiment, such a structure and film forming method are applied to the damascene gate. This is an example applied to a MIS transistor having a structure.

まず、図7(a)に示すように、シリコン基板50にSTI技術等を用いて素子分離領域51を形成する。続いて、例えば厚さ6nm程度のダミーゲート酸化膜52、300nm程度のダミーポリシリコン膜53及び50nm程度のシリコン窒化膜54の積層構造からなるダミーゲート構造を、酸化技術、CVD技術、リソグラフィー技術及びRIE技術等を用いて形成する。その後、イオン注入技術を用いてソース・ドレイン拡散層のエクステンション領域55を形成する。さらに、シリコン窒化膜56からなる幅が40nm程度のゲート側壁膜を、CVD技術とRIE技術を用いて形成する。   First, as shown in FIG. 7A, an element isolation region 51 is formed on a silicon substrate 50 using an STI technique or the like. Subsequently, for example, a dummy gate structure composed of a laminated structure of a dummy gate oxide film 52 having a thickness of about 6 nm, a dummy polysilicon film 53 having a thickness of about 300 nm, and a silicon nitride film 54 having a thickness of about 50 nm is formed by an oxidation technique, a CVD technique, a lithography technique, and the like. It is formed using RIE technology or the like. Thereafter, an extension region 55 of the source / drain diffusion layer is formed by using an ion implantation technique. Further, a gate sidewall film having a width of about 40 nm made of the silicon nitride film 56 is formed by using the CVD technique and the RIE technique.

次に、図7(b)に示すように、イオン注入技術により高濃度のソース・ドレイン拡散層57を形成する。続いて、サリサイドプロセス技術を用いて、ダミーゲートをマスクとして、ソース・ドレイン領域のみに40nm程度のCoSi2 又はTiSi2 等の金属シリサイド膜58を形成する。 Next, as shown in FIG. 7B, a high concentration source / drain diffusion layer 57 is formed by an ion implantation technique. Subsequently, a salicide process technique is used to form a metal silicide film 58 of about 40 nm of CoSi 2 or TiSi 2 only on the source / drain regions using the dummy gate as a mask.

次に、図7(c)に示すように、層間絶縁膜59として、例えばSiO2 膜をCVD法により全面に堆積する。その後、CMP技術によって平坦化処理を行うことにより、シリコン窒化膜54及び56の表面を露出させる。 Next, as shown in FIG. 7C, as the interlayer insulating film 59, for example, a SiO 2 film is deposited on the entire surface by the CVD method. Thereafter, a planarization process is performed by a CMP technique to expose the surfaces of the silicon nitride films 54 and 56.

次に、図8(d)に示すように、例えば燐酸を用いて、ダミーゲート上部のシリコン窒化膜54を層間絶縁膜59に対して選択的に除去する。このとき、ゲート側壁のシリコン窒化膜56もポリシリコン膜53の高さ程度までエッチングされる。続いて、例えばラジカル原子エッチング技術を用いて、ポリシリコン膜53を層間絶縁膜59及びシリコン窒化膜56に対して選択的に除去する。   Next, as shown in FIG. 8D, the silicon nitride film 54 above the dummy gate is selectively removed from the interlayer insulating film 59 using, for example, phosphoric acid. At this time, the silicon nitride film 56 on the gate side wall is also etched to the height of the polysilicon film 53. Subsequently, the polysilicon film 53 is selectively removed from the interlayer insulating film 59 and the silicon nitride film 56 by using, for example, a radical atom etching technique.

次に、図8(e)に示すように、フッ酸等のウェットエッチング処理により、ダミーゲート酸化膜52を除去する。その後、ゲート絶縁膜60を形成する。このゲート絶縁膜60には、第1〜第4の実施形態で示した構造及び成膜法による絶縁膜を用いる。続いて、ゲート絶縁膜60上にゲート電極61となる電極膜を形成する。   Next, as shown in FIG. 8E, the dummy gate oxide film 52 is removed by a wet etching process such as hydrofluoric acid. Thereafter, the gate insulating film 60 is formed. As the gate insulating film 60, the insulating film formed by the structure and film forming method shown in the first to fourth embodiments is used. Subsequently, an electrode film to be the gate electrode 61 is formed on the gate insulating film 60.

次に、図8(f)に示すように、CMP技術を用いて、ゲート絶縁膜60及びゲート電極61の平坦化処理を、層間絶縁膜59が露出するまで行う。   Next, as shown in FIG. 8F, the planarization process of the gate insulating film 60 and the gate electrode 61 is performed using the CMP technique until the interlayer insulating film 59 is exposed.

以上の工程により、ゲート絶縁膜60が高誘電体膜、ゲート電極61がメタル電極で形成され、ソース・ドレイン領域に金属シリサイドを用いたMISトランジスタが完成する。   Through the above steps, the gate insulating film 60 is formed of a high dielectric film, the gate electrode 61 is formed of a metal electrode, and a MIS transistor using metal silicide in the source / drain regions is completed.

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

本発明の第1の実施形態における絶縁膜の構造を模式的に示した図。The figure which showed typically the structure of the insulating film in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態における絶縁膜の構造を模式的に示した図。The figure which showed typically the structure of the insulating film in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態における主として絶縁膜の形成方法を示した工程断面図。Process sectional drawing which mainly showed the formation method of the insulating film in the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態における主として絶縁膜の形成方法を示した工程断面図。Process sectional drawing which mainly showed the formation method of the insulating film in the 4th Embodiment of this invention. TiO2 膜厚を変化させたときの、TiN膜の酸化温度に対するTiO2 結晶粒径を示した図。When changing the TiO 2 film thickness, it shows a TiO 2 crystal grain diameter to the oxidation temperature of the TiN film. 図5のA、B及びC点におけるTiO2 膜の膜構造を模式的に示した図。Figure a film structure of the TiO 2 film shown schematically in A, B and point C in FIG. 本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る半導体装置の製造工程の一部を示した工程断面図。Process sectional drawing which showed a part of manufacturing process of the semiconductor device which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 従来技術を説明するための工程断面図。Sectional drawing for demonstrating a prior art. 従来技術に係る絶縁膜の膜構造を模式的に示した図。The figure which showed typically the film | membrane structure of the insulating film which concerns on a prior art.

符号の説明Explanation of symbols

10、32、42…絶縁膜
11、33、43…粒状絶縁領域
12、34、44…粒間絶縁領域
13…被覆絶縁領域
30、40…シリコン基板
31、41…金属化合物膜
35、45…バリアメタル
36、46…ゲート電極膜
50…シリコン基板
51…素子分離領域
52…ダミーゲート酸化膜
53…ダミーポリシリコン膜
54、56…シリコン窒化膜
55、57…ソース・ドレイン拡散層
58…金属シリサイド膜
59…層間絶縁膜
60…ゲート絶縁膜
61…ゲート電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 32, 42 ... Insulating film 11, 33, 43 ... Granular insulating region 12, 34, 44 ... Intergranular insulating region 13 ... Covering insulating region 30, 40 ... Silicon substrate 31, 41 ... Metal compound film 35, 45 ... Barrier Metal 36, 46 ... Gate electrode film 50 ... Silicon substrate 51 ... Element isolation region 52 ... Dummy gate oxide film 53 ... Dummy polysilicon film 54, 56 ... Silicon nitride film 55, 57 ... Source / drain diffusion layer 58 ... Metal silicide film 59 ... Interlayer insulating film 60 ... Gate insulating film 61 ... Gate electrode

Claims (5)

半導体基板の主面側に形成された絶縁膜を有し、該絶縁膜が、金属酸化物からなる互いに離間した複数の粒状絶縁領域と、隣接する粒状絶縁領域間に形成された非晶質絶縁物からなる粒間絶縁領域と、から構成され、
前記粒状絶縁領域は、前記金属酸化物の結晶を少なくとも含んで構成され、前記粒間絶縁領域は、シリコン、酸素及び前記金属酸化物を構成する金属元素を少なくとも含んだ非晶質絶縁物で構成され
前記粒状絶縁領域を構成する前記金属酸化物の結晶粒は、単一の単結晶又は、単結晶どうしのなす角度が10度以内の複数の単結晶の集合で構成されていることを特徴とする半導体装置。
An insulating film formed on a main surface side of a semiconductor substrate, the insulating film being formed between a plurality of granular insulating regions made of metal oxide and spaced apart from each other and adjacent granular insulating regions An intergranular insulating region made of a material, and
The granular insulating region includes at least a crystal of the metal oxide, and the intergranular insulating region includes an amorphous insulator including at least silicon, oxygen, and a metal element constituting the metal oxide. It is,
The metal oxide crystal grains constituting the granular insulating region are composed of a single single crystal or a set of a plurality of single crystals having an angle of 10 degrees or less between the single crystals. Semiconductor device.
前記絶縁膜は、前記粒状絶縁領域及び粒間絶縁領域から構成される主絶縁領域の少なくとも一方の表面を覆い、前記粒間絶縁領域を構成する非晶質絶縁物と同種の非晶質絶縁物からなる被覆絶縁領域を、さらに含んで構成されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The insulating film covers at least one surface of the main insulating region composed of the granular insulating region and the intergranular insulating region, and is an amorphous insulator of the same type as the amorphous insulator constituting the intergranular insulating region The semiconductor device according to claim 1, further comprising a covering insulating region made of 前記金属酸化物を構成する金属元素には、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、ニオブ又はアルミニウムが含まれることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the metal element constituting the metal oxide includes titanium, zirconium, hafnium, tantalum, niobium, or aluminum. 半導体基板の主面側に金属化合物膜を形成する工程と、前記金属化合物膜を酸化して、前記金属化合物膜を構成する金属元素の金属酸化物からなる互いに離間した複数の粒状絶縁領域と、隣接する粒状絶縁領域間に形成された非晶質絶縁物からなる粒間絶縁領域と、から構成される絶縁膜を形成する工程と、を有し、
前記金属化合物膜は、前記金属酸化物を構成する金属元素及びシリコンを少なくとも含んで構成され、前記粒状絶縁領域は、前記金属酸化物の結晶を少なくとも含んで構成され、前記粒間絶縁領域は、シリコン、酸素及び前記金属酸化物を構成する金属元素を少なくとも含んだ非晶質絶縁物で構成され
前記粒状絶縁領域を構成する前記金属酸化物の結晶粒は、単一の単結晶又は、単結晶どうしのなす角度が10度以内の複数の単結晶の集合で構成されていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
A step of forming a metal compound film on a main surface side of a semiconductor substrate; and a plurality of spaced apart granular insulating regions made of a metal oxide of a metal element constituting the metal compound film by oxidizing the metal compound film; Forming an insulating film composed of an intergranular insulating region made of an amorphous insulator formed between adjacent granular insulating regions, and
The metal compound film includes at least a metal element constituting the metal oxide and silicon, the granular insulating region includes at least a crystal of the metal oxide, and the intergranular insulating region includes: It is composed of an amorphous insulator containing at least a metal element constituting silicon, oxygen and the metal oxide ,
The metal oxide crystal grains constituting the granular insulating region are composed of a single single crystal or a set of a plurality of single crystals having an angle of 10 degrees or less between the single crystals. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記金属酸化物を構成する金属元素には、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、ニオブ又はアルミニウムが含まれることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the metal element constituting the metal oxide includes titanium, zirconium, hafnium, tantalum, niobium, or aluminum.
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