JP3251462B2 - MIS semiconductor device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、MIS ( Metal-Insul
ator-Semiconductor ) 半導体デバイスおよびその製造
方法に関し、さらに詳細には、Si単結晶基板と、この
Si単結晶基板上に形成された絶縁層を備えるMIS半
導体デバイスおよびその製造方法に関するものである。The present invention relates to a MIS (Metal-Insul
The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a MIS semiconductor device including a Si single crystal substrate, an insulating layer formed on the Si single crystal substrate, and a method of manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体結晶基板であるSi基板上に、絶
縁層(誘電体膜)を形成、集積化した電子デバイスが考
案されている。半導体と誘電体では、集積度のさらに高
いLSI、SOI技術による誘電体分離LSI、不揮発
性メモリー、赤外線センサー、光変調器および光スイッ
チ、OEIC(光・電子集積回路: opto -electronici
ntegrated circuits )等が試作されている。2. Description of the Related Art An electronic device in which an insulating layer (dielectric film) is formed and integrated on a Si substrate, which is a semiconductor crystal substrate, has been devised. In semiconductors and dielectrics, LSIs with higher integration, dielectric isolation LSIs using SOI technology, nonvolatile memories, infrared sensors, optical modulators and optical switches, OEICs (opto-electronic integrated circuits: opto-electronici
ntegrated circuits) are being prototyped.
【0003】これら誘電体材料を用いた半導体デバイス
において、最適なデバイス特性およびその再現性を確保
するためには、単結晶を用いることが必要である。多結
晶体では粒界による物理量の攪乱のため、良好なデバイ
ス特性を得ることが難しい。このことは薄膜材料につい
ても同様で、できるだけ完全な単結晶に近い機能材料の
エピタキシャル膜が望まれる。Si基板上に酸化物の誘
電体および強誘電体のエピタキシャル形成が実現できる
と、Siの半導体的性質と誘電体の性質を積極的に利用
できるため、前記のようなはば広い応用が可能となって
くる。In semiconductor devices using these dielectric materials, it is necessary to use single crystals in order to ensure optimum device characteristics and reproducibility thereof. In the case of a polycrystal, it is difficult to obtain good device characteristics due to disturbance of physical quantities by grain boundaries. The same is true for a thin film material, and an epitaxial film of a functional material as close to a perfect single crystal as possible is desired. If epitaxial formation of dielectric and ferroelectric oxides can be realized on a Si substrate, the semiconductor properties of Si and the properties of dielectrics can be positively utilized. It is becoming.
【0004】DRAM用のMISキャパシタの基本とな
る、SiFETにおけるゲートは、酸化膜として通常多
結晶またはアモルファスSiO2 膜が用いられ、MOS
構造を構成している。集積化が進むに伴い、MOSキャ
パシタの寸法は、より小さいものが要求され、現在の集
積度では限界にきている。SiO2 の誘電率は約3であ
り、FETのゲートを働かせるための電荷をMOSキャ
パシタで確保するには、さらに大きな誘電率を有する誘
電体をSiO2 の替わりに用い、かつ良好なMOS特性
を得なければならない。SiO2 はSiと非常に相性が
よいため多結晶またはアモルファスの状態でSiデバイ
スに用いられてきた。しかしながら、SiO2 代替の他
材料では、多結晶またはアモルファスの状態では、前述
の理由により、Siデバイスには実際に用いられていな
いのが現状である。The gate of a SiFET, which is the basis of a MIS capacitor for a DRAM, is usually formed of a polycrystalline or amorphous SiO 2 film as an oxide film.
Make up the structure. As the integration advances, the size of the MOS capacitor is required to be smaller, and the current degree of integration has reached its limit. The dielectric constant of SiO 2 is about 3, and in order to secure charge for operating the gate of the FET with a MOS capacitor, a dielectric having a larger dielectric constant is used in place of SiO 2 and good MOS characteristics are obtained. I have to get. Since SiO 2 is very compatible with Si, it has been used for Si devices in a polycrystalline or amorphous state. However, at present, other materials instead of SiO 2 are not actually used in Si devices in a polycrystalline or amorphous state for the above-mentioned reason.
【0005】すなわち、SiO2 に代わり、誘電率が大
きく、単結晶で、MOS(MIS)特性の優れた材料が
必要とされている。That is, a material having a large dielectric constant, a single crystal, and excellent MOS (MIS) characteristics is required in place of SiO 2 .
【0006】近年、SiO2 に代わる酸化物として、A
ppl.Phys.58(6),15 Septemb
er 1985 の第2407ページ、およびApp
l.Phys.63(2),15 January 1
988 の第581ページ等に報告されているように、
ZrO2 が注目されている。この報告では、ZrO2 が
Si単結晶基板上にエピタキシャル成長できることが述
べられているが、その結晶は単一配向膜でなく、ほかの
結晶面が含まれることが述べられている。通常バルクの
ZrO2 は、2500℃以上で立方晶、2500℃から
1000℃付近で正方晶、1000℃付近から室温で単
斜晶になる。一般にエピタキシャル薄膜においては対称
性の高い立方晶が得られやすい。これは立方晶では等価
な結晶面が、正方晶、単斜晶に比べて多く存在するため
である。正方晶、単斜晶の材料は立方晶の材料より等価
でない結晶面が多く存在するため、得ようとする配向面
の他に、異なる結晶面が混入しやすい。したがって、Z
rO2 の場合も室温で単斜晶の材料であるので、これま
で、単一配向のエピタキシャル膜は得られていない。In recent years, as oxides replacing SiO 2 , A
ppl. Phys. 58 (6), 15 September
er 1985, page 2407, and App
l. Phys. 63 (2), 15 January 1
As reported on page 581 of 988,
ZrO 2 has received attention. This report states that ZrO 2 can be epitaxially grown on a Si single crystal substrate, but that the crystal is not a single orientation film but includes other crystal planes. Normally, bulk ZrO 2 becomes cubic at 2500 ° C. or higher, tetragonal at 2500 ° C. to around 1000 ° C., and monoclinic at around 1000 ° C. to room temperature. Generally, a cubic crystal with high symmetry is easily obtained in an epitaxial thin film. This is because cubic crystals have more equivalent crystal planes than tetragonal crystals and monoclinic crystals. Since tetragonal and monoclinic materials have many crystal planes that are not equivalent to cubic materials, different crystal planes are likely to be mixed in addition to the orientation plane to be obtained. Therefore, Z
Since rO 2 is also a monoclinic material at room temperature, no single-oriented epitaxial film has been obtained so far.
【0007】前記Appl.Phys.58(6),1
5 September 1985の第2407ページ
には、ZrO2 の成膜温度が800℃以下では、単斜晶
のZrO2 膜が得られ、800℃では正方晶のZrO2
膜が得られると述べられている。これらのZrO2 膜に
おいては、ZrO2 の(002)配向面以外に(11
1)、(11-1)または(200)の結晶面が存在する
ことが示され、ZrO2の単一配向膜は得られていな
い。また、これまでZrO2 単一配向膜が得られたとの
報告例はない。また、膜の反射高速電子線回折 ( Refle
ction High EnergyElectron Diffraction−以下、RH
EEDと称することがある)によるZrO2膜結晶表面
の評価では、RHEED像がスポットであることが述べ
られており、その表面に大きな凹凸が存在すると考えら
れる。このように、ZrO2 のエピタキシャル膜の結晶
性および表面性が良好な膜はこれまで得られていない。
さらに、ZrO2 膜を用いたMISキャパシタは、これ
まで作製評価されたことはないが、上記のように、単一
配向でない場合、異なる配向面同士の界面に粒界が形成
され、また、表面性の悪い場合には、その上に形成され
る電極または半導体との界面が乱れる。したがって、粒
界および界面での物理量の撹乱のため、絶縁性の低下、
界面特性の悪化などが生じ、良好なデバイス特性を得る
ことが難しい。The above Appl. Phys. 58 (6), 1
5 September The first 2407 pages of 1985, at a deposition temperature of the ZrO 2 is 800 ° C. or less, ZrO 2 film is obtained monoclinic, 800 ° C. in the tetragonal ZrO 2
It is stated that a film is obtained. In these ZrO 2 films, (11) other than the (002) orientation plane of ZrO 2
1), (11-1) or (200) was found to exist, and a single orientation film of ZrO 2 was not obtained. There is no report that a single orientation film of ZrO 2 has been obtained so far. In addition, reflection high-energy electron diffraction (Refle
ction High Energy Electron Diffraction-below, RH
Evaluation of the ZrO 2 film crystal surface by EED) states that the RHEED image is a spot, and it is considered that large irregularities are present on the surface. Thus, a film having good crystallinity and surface properties of a ZrO 2 epitaxial film has not been obtained so far.
Further, although a MIS capacitor using a ZrO 2 film has not been manufactured and evaluated, a grain boundary is formed at an interface between different orientation planes when the orientation is not unidirectional as described above. When the property is poor, the interface with the electrode or semiconductor formed thereon is disturbed. Therefore, due to the disturbance of the physical quantity at the grain boundaries and the interface, the insulation property decreases,
Deterioration of interface characteristics occurs, and it is difficult to obtain good device characteristics.
【0008】一方、酸化物材料のYSZ(ZrO2 にY
をドープさせた材料)がSi単結晶上にエピタキシャル
成長できることが報告されている。YSZは、ZrO2
と同様、高い化学安定性、広いバンドギャップ(約5e
V)、大きい誘電率(約20)を具備しているためMI
Sキャパシターに好都合な材料であると考えられた。ま
た、特にYSZは、立方晶の結晶であるので、単一配向
のエピタキシャル膜が得やすいことが大きな特徴であ
る。On the other hand, the oxide material YSZ (ZrO 2 has Y
Is reported to be capable of epitaxial growth on a Si single crystal. YSZ is ZrO 2
As well as high chemical stability, wide band gap (about 5e
V), having a large dielectric constant (about 20),
It was considered a convenient material for the S capacitor. In addition, since YSZ is a cubic crystal, it is a great feature that a single-oriented epitaxial film is easily obtained.
【0009】このYSZを用いてMIS構造が作製、評
価され、Appl.Phys.Lett.61(2
6),28 December 1992 の第318
4ページに報告されている。この報告ではMOS(MI
S)特性として、もっとも基礎となるC−V特性を評価
しているが、C−V特性に大きなヒステリシスがみら
れ、良好なMOS(MIS)特性は得られなかった。A MIS structure is manufactured and evaluated by using this YSZ, and is described in Appl. Phys. Lett. 61 (2
6), No. 318 of 28 December 1992
Reported on page 4. In this report, MOS (MI
As the S) characteristic, the most basic CV characteristic was evaluated. However, a large hysteresis was observed in the CV characteristic, and a good MOS (MIS) characteristic was not obtained.
【0010】このように、C−V特性に大きなヒステリ
シスがみられるYSZにおいては、これを用いてMIS
FETを作製した場合にも、FETのゲート領域におい
て、C−Vのヒステリシスが存在するため、トランジス
タにおけるしきい値の変動が大きく実用にならない。As described above, in YSZ in which a large hysteresis is observed in the CV characteristic, the MIS
Even when an FET is manufactured, the threshold voltage of the transistor greatly fluctuates due to the presence of CV hysteresis in the gate region of the FET, which is not practical.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
Si単結晶上に形成したエピタキシャルYSZ膜は、S
iO2 に代わるSi用誘電体膜として、誘電率の点では
極めて有望であるが、MOS(MIS)特性として、も
っとも基礎となるC−V特性に、ヒステリシスがみら
れ、良好なMOS(MIS)特性は得られず、Siデバ
イス用のMISキャパシタとして、利用が不可能であっ
た。As described above,
The epitaxial YSZ film formed on the Si single crystal
Although it is very promising as a dielectric film for Si as a substitute for iO 2 in terms of dielectric constant, hysteresis is observed in the most basic CV characteristic as a MOS (MIS) characteristic, and a good MOS (MIS) No characteristics were obtained, and it could not be used as a MIS capacitor for a Si device.
【0012】そこで、本発明は、C−V特性にヒステリ
シスがみられず良好なMIS特性を示すMIS半導体デ
バイスおよびその製造方法を提供することを目的とする
ものである。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a MIS semiconductor device exhibiting good MIS characteristics without showing hysteresis in CV characteristics and a method for manufacturing the same.
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
(1)〜(14)の本発明により達成される。 (1) Si単結晶基板と、このSi単結晶基板上に形
成された絶縁層とを備えるMIS半導体デバイスにおい
て、前記絶縁層が、酸素を除く構成元素に換算してZr
を93mol%以上含有し、ZrO2 を主成分とする単一
配向エピタキシャル膜により形成されていることを特徴
とするMIS半導体デバイス。 (2) 前記絶縁層を形成するエピタキシャル膜の(0
02)面または(111)面の反射のロッキングカーブ
の半値幅が1.5°以下である上記(1)のMIS半導
体デバイス。 (3) 前記絶縁層を形成するエピタキシャル膜は、そ
の表面の少なくとも80%が、基準長さ500nmでの十
点平均粗さRzが2nm以下である上記(1)または
(2)のMIS半導体デバイス。 (4) 前記Si単結晶基板として、その基板表面が、
Zr金属と、酸素とにより形成された1×1の表面構造
を有するSi表面処理基板を用いる上記(1)ないし
(3)のいずれかのMIS半導体デバイス。 (5) 前記単結晶基板として、Si単結晶を、その
(100)面または(111)面が基板表面となるよう
に用いる上記(1)ないし(4)のいずれかのMIS半
導体デバイス。 (6) 誘電体層が前記絶縁層により構成されたMIS
キャパシタである上記(1)ないし(5)のいずれかの
MIS半導体デバイス。 (7) ゲート酸化物層が前記絶縁層により構成された
MISFETである上記(1)ないし(6)のいずれか
のMIS半導体デバイス。 (8) 上記(1)ないし(7)のいずれかのMIS半
導体デバイスを製造する方法において、真空槽内で、S
i単結晶基板の加熱、真空槽内中への酸化性ガスの導
入、および単結晶基板表面への蒸発によるZrの供給を
行い、前記単結晶基板の基板表面に、ZrO2 薄膜をエ
ピタキシャル成長させてZrO2 を主成分とする単一配
向エピタキシャル膜である絶縁層を形成することを特徴
とするMIS半導体デバイスの製造方法。 (9) 前記単結晶基板の表面に、その近傍から酸化性
ガスを噴射し、前記単結晶基板近傍だけ他の部分より酸
化性ガス分圧の高い雰囲気を作る上記(8)のMIS半
導体デバイスの製造方法。 (10) 前記単結晶基板を、基板表面面積が10cm2
以上のものとするとともに、基板面内で回転することに
より、前記酸化性ガス高分圧雰囲気でZr蒸発物を前記
単結晶基板の全体にわたって供給し、この単結晶基板の
全基板表面にわたって実質的に均一な単一配向エピタキ
シャル膜を形成する上記(8)または(9)のMIS半
導体デバイスの製造方法。 (11) 前記Si単結晶基板として、基板表面が、Z
rと酸素により形成された1×1の表面構造となるよう
に前処理したSi単結晶基板を用いることを特徴とする
上記(8)ないし(10)のいずれかのMIS半導体デ
バイスの製造方法。 (12) 前記Si単結晶基板の基板表面に0.2〜1
0nmのSi酸化物層を形成し、この後、真空槽内で基板
温度を600〜1200℃に設定するとともに、前記真
空槽内に酸化性ガスを導入して少なくとも基板近傍の雰
囲気を1×10-4〜1×10-1Torrとし、この状態で、
前記Si酸化物層が形成された基板表面にZrを蒸発に
より供給して、前処理したSi単結晶基板を用いる上記
(8)ないし(11)のいずれかのMIS半導体デバイ
スの製造方法。 (13) 前記Si酸化物を形成する際、酸化性ガスを
導入した真空槽内で、Si単結晶基板を300〜700
℃に加熱し、真空槽内の少なくとも基板近傍の雰囲気の
酸素分圧を1×10-4Torr以上として、Si酸化物層を
形成する上記(12)のMIS半導体デバイスの製造方
法。 (14) 前記Si単結晶基板として、Si単結晶を、
その(100)面または(111)面が基板表面となる
ように用いる上記(8)ないし(13)のいずれかのM
IS半導体デバイスの製造方法。This and other objects are achieved by the present invention which is defined below as (1) to (14). (1) In a MIS semiconductor device including a Si single crystal substrate and an insulating layer formed on the Si single crystal substrate, the insulating layer is made of Zr in terms of a constituent element excluding oxygen.
MIS semiconductor device characterized by being formed by a single oriented epitaxial film containing ZrO 2 as a main component and containing 93 mol% or more of (2) (0) of the epitaxial film forming the insulating layer;
The MIS semiconductor device according to the above (1), wherein the half width of the rocking curve of the reflection on the (02) plane or the (111) plane is 1.5 ° or less. (3) The MIS semiconductor device according to (1) or (2), wherein at least 80% of the surface of the epitaxial film forming the insulating layer has a ten-point average roughness Rz of 2 nm or less at a reference length of 500 nm. . (4) As the Si single crystal substrate, the substrate surface is
The MIS semiconductor device according to any one of the above (1) to (3), which uses a Si surface-treated substrate having a 1 × 1 surface structure formed by Zr metal and oxygen. (5) The MIS semiconductor device according to any one of (1) to (4), wherein a Si single crystal is used as the single crystal substrate so that the (100) plane or the (111) plane is the substrate surface. (6) MIS in which a dielectric layer is constituted by the insulating layer
The MIS semiconductor device according to any one of the above (1) to (5), which is a capacitor. (7) The MIS semiconductor device according to any one of (1) to (6), wherein the gate oxide layer is a MISFET including the insulating layer. (8) In the method for manufacturing a MIS semiconductor device according to any one of the above (1) to (7),
i. heating the single crystal substrate, introducing an oxidizing gas into the vacuum chamber, and supplying Zr by evaporation to the surface of the single crystal substrate, and epitaxially growing a ZrO 2 thin film on the substrate surface of the single crystal substrate. A method for manufacturing a MIS semiconductor device, comprising forming an insulating layer which is a single-oriented epitaxial film containing ZrO 2 as a main component. (9) The MIS semiconductor device according to the above (8), wherein an oxidizing gas is jetted onto the surface of the single crystal substrate from the vicinity thereof to create an atmosphere having a higher partial pressure of the oxidizing gas than other portions only in the vicinity of the single crystal substrate. Production method. (10) The single crystal substrate has a substrate surface area of 10 cm 2.
In addition to the above, by rotating in the plane of the substrate, Zr evaporate is supplied over the entire single crystal substrate in the oxidizing gas high partial pressure atmosphere, and substantially over the entire substrate surface of the single crystal substrate. (9) The method for manufacturing a MIS semiconductor device according to the above (8) or (9), wherein a uniform single-oriented epitaxial film is formed uniformly. (11) As the Si single crystal substrate, the substrate surface is Z
The method for manufacturing a MIS semiconductor device according to any one of the above (8) to (10), wherein a Si single crystal substrate pretreated so as to have a 1 × 1 surface structure formed by r and oxygen is used. (12) 0.2 to 1 on the surface of the Si single crystal substrate
After forming a silicon oxide layer having a thickness of 0 nm, the substrate temperature is set to 600 to 1200 ° C. in a vacuum chamber, and an oxidizing gas is introduced into the vacuum chamber to reduce the atmosphere at least in the vicinity of the substrate to 1 × 10 6. -4 to 1 × 10 -1 Torr, and in this state,
The method for manufacturing a MIS semiconductor device according to any one of the above (8) to (11), wherein Zr is supplied to the surface of the substrate on which the Si oxide layer is formed by evaporation to use a pretreated Si single crystal substrate. (13) When forming the Si oxide, the Si single crystal substrate is placed in a vacuum chamber into which an oxidizing gas has been introduced.
(12) The method for manufacturing a MIS semiconductor device according to the above (12), wherein the MIS semiconductor device is formed by heating to a temperature of at least 1 ° C. and setting the oxygen partial pressure of the atmosphere in the vacuum chamber at least near the substrate to 1 × 10 −4 Torr or more. (14) As the Si single crystal substrate, a Si single crystal is
The M according to any of (8) to (13) above, wherein the (100) plane or the (111) plane is used as the substrate surface.
Manufacturing method of IS semiconductor device.
【0014】[0014]
【発明の作用・効果】本発明のMIS半導体デバイス、
例えばMISキャパシタ、MISFET等は、Si単結
晶基板、このSi単結晶基板上に誘電体層等として形成
されたZrO2 を主成分とする単一配向エピタキシャル
膜を備えた構造により、その最も基礎となるC−V特性
においてヒステリシスを生じさせることなく、良好なM
IS特性を得ることができる。従来例で用いられている
YSZでは、ZrO2 中に希土類の添加物を含み、結晶
性、表面性も悪いためC−V特性においてヒステリシス
が生るものと考えられる。本発明では、高純度のZrO
2 を高結晶性、高表面性で形成しているためヒステリシ
スはほとんど生じない。The MIS semiconductor device of the present invention,
For example, MIS capacitors, MISFETs, and the like are most fundamentally formed by a structure including a Si single crystal substrate and a single orientation epitaxial film mainly composed of ZrO 2 formed as a dielectric layer or the like on the Si single crystal substrate. Good CV characteristics without causing hysteresis.
IS characteristics can be obtained. It is considered that YSZ used in the conventional example contains a rare earth additive in ZrO 2 , and has poor crystallinity and surface properties, so that hysteresis occurs in CV characteristics. In the present invention, high purity ZrO
Since 2 is formed with high crystallinity and high surface properties, almost no hysteresis occurs.
【0015】さらに、特に、単結晶基板をその面内で回
転させるときには、10cm2 以上の大面積で均一で高品
質の酸化物薄膜を得ることができる。これに対し、従来
は、単結晶基板上に酸化物薄膜を形成する場合、基板面
積が2.25cm2 (約15×15mm2 )程度が最大であ
った。Furthermore, when the single crystal substrate is rotated in the plane, a uniform and high quality oxide thin film having a large area of 10 cm 2 or more can be obtained. On the other hand, conventionally, when an oxide thin film is formed on a single crystal substrate, the maximum substrate area is about 2.25 cm 2 (about 15 × 15 mm 2 ).
【0016】[0016]
【具体的構成】本発明において、MIS半導体デバイス
とは、Si単結晶基板上に金属酸化物絶縁層を備える半
導体デバイスを示すこととし、このMIS半導体デバイ
スとしては、例えば、MISキャパシタやMISFET
が挙げられる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the present invention, a MIS semiconductor device refers to a semiconductor device having a metal oxide insulating layer on a Si single crystal substrate. Examples of the MIS semiconductor device include a MIS capacitor and a MISFET.
Is mentioned.
【0017】本発明のMISキャパシタは、図1に示さ
れているように、Si単結晶基板11、このSi単結晶
基板11上に誘電体層12として形成されたZrO2 薄
膜、および一対の電極13と14を備えている。すなわ
ち、MISキャパシタにおいては、金属酸化物絶縁層を
誘電体層として用いている。As shown in FIG. 1, the MIS capacitor of the present invention comprises a Si single crystal substrate 11, a ZrO 2 thin film formed as a dielectric layer 12 on the Si single crystal substrate 11, and a pair of electrodes. 13 and 14 are provided. That is, in the MIS capacitor, the metal oxide insulating layer is used as the dielectric layer.
【0018】本発明のMISFETは、図2に示されて
いるように、Si単結晶基板21と、このSi単結晶基
板21上にゲート酸化物層22として形成されたZrO
2 薄膜と、ソースおよびドレイン23、24と、ゲート
電極25と、ソースおよびドレイン電極26、27と、
絶縁層28とを備えている。すなわち、MISFETに
おいては、金属酸化物絶縁層をゲート酸化物層として用
いている。As shown in FIG. 2, the MISFET of the present invention has a Si single crystal substrate 21 and a ZrO 2 formed as a gate oxide layer 22 on the Si single crystal substrate 21.
2 thin film, source and drain 23, 24, gate electrode 25, source and drain electrodes 26, 27,
And an insulating layer 28. That is, in the MISFET, the metal oxide insulating layer is used as the gate oxide layer.
【0019】本発明において、MISキャパシタとMI
SFETに用いられるZrO2 薄膜自体の組成や結晶構
造等は共通である。In the present invention, the MIS capacitor and the MI
The composition, crystal structure, and the like of the ZrO 2 thin film used for the SFET are common.
【0020】上記ZrO2 薄膜は、ZrO2 を主成分と
する単一配向エピタキシャル膜であり、酸素を除く構成
元素に換算してZrを93mol%以上、特に95mol%以
上、さらに98mol%以上、さらに99.5mol%以上であ
ることが好ましい。純度が高ければ高いほど、C−V特
性カーブに現れるヒステリシスが小さくなる。また、Z
rO2 の絶縁抵抗も高くなり、リーク電流も小さくなる
ことを実験により確認した。リーク電流が多くなると、
MISキャパシタを半導体回路に応用した場合、ノイズ
ばかりでなく、回路動作が不可能になる。また、MIS
FETの場合も同様で、特にMISFETをDRAMに
用いたときには記憶保持特性が悪化する。The above-mentioned ZrO 2 thin film is a single-oriented epitaxial film containing ZrO 2 as a main component, and converts Zr to 93 mol% or more, particularly 95 mol% or more, more preferably 98 mol% or more, in terms of constituent elements excluding oxygen. It is preferably at least 99.5 mol%. The higher the purity, the smaller the hysteresis that appears in the CV characteristic curve. Also, Z
It was confirmed by experiments that the insulation resistance of rO 2 was increased and the leak current was also reduced. When the leakage current increases,
When the MIS capacitor is applied to a semiconductor circuit, not only noise but also circuit operation becomes impossible. Also, MIS
The same applies to the case of FETs, especially when MISFETs are used in DRAMs, the storage retention characteristics deteriorate.
【0021】上記Zrの含有量の上限は、現在のところ
99.99%である。なお、上記酸化薄膜は、7mol%未
満で希土類金属やP等の不純物を含んでいてもよい。The upper limit of the Zr content is 99.99% at present. The oxide thin film may contain impurities such as rare earth metals and P at less than 7 mol%.
【0022】上記ZrO2 薄膜の結晶は、単一の配向面
のみ有し、その表面の80%以上、好ましくは90%以
上、特に95%以上が、基準長さ500nmでの十点平均
粗さRzが2nm以下であることが望ましい。単一の配向
面のみを有し、表面性が良好な場合には、その上に形成
される電極または半導体との界面が良好である。したが
って、界面特性を向上させることができるので、満足の
ゆく絶縁性を保持し、良好なデバイス特性を得ることが
できる。なお、上記のパーセンテージは、ZrO2 薄膜
の全面にわたって平均に分布した任意の10ケ所以上を
測定しての値である。The crystal of the ZrO 2 thin film has only a single orientation plane, and 80% or more, preferably 90% or more, particularly 95% or more of the surface has a ten-point average roughness at a reference length of 500 nm. It is desirable that Rz be 2 nm or less. When the substrate has only a single orientation plane and has good surface properties, the interface with an electrode or a semiconductor formed thereon is good. Therefore, since the interface characteristics can be improved, satisfactory insulation properties can be maintained and good device characteristics can be obtained. Note that the above percentage is a value obtained by measuring 10 or more arbitrary locations distributed on average over the entire surface of the ZrO 2 thin film.
【0023】ZrO2 薄膜の膜厚は、0.5〜50nm、
特に1〜30nmが好ましい。ZrO2 薄膜の膜厚が0.
5nm未満であると、デバイスを構成したとき、リークを
生じる傾向がある。これは、膜にピンホールが発生する
可能性が高くなるためであると考えられる。また膜厚が
厚すぎると、MIS容量が低下してしまう。The thickness of the ZrO 2 thin film is 0.5 to 50 nm,
Particularly, 1 to 30 nm is preferable. When the thickness of the ZrO 2 thin film is 0.
If it is less than 5 nm, a leak tends to occur when a device is constructed. It is considered that this is because the possibility that pinholes occur in the film increases. If the film thickness is too large, the MIS capacity will decrease.
【0024】ZrO2 薄膜の反射高速電子線回折 ( Ref
lection High Energy Electr on Diffraction −以下、
RHEEDと称することがある)像は、そのストリーク
性が高い。すなわち、RHEED像がストリークであっ
て、しかもシャープである。以上により、本発明のZr
O2 薄膜は、単結晶となり、MISキャパシタの誘電体
層等に用いると、粒界による物理量の撹乱等がなくな
り、良好な機能を発揮する。Reflection high-speed electron diffraction of ZrO 2 thin film (Ref
lection High Energy Electr on Diffraction-
The RHEED image) has a high streak property. That is, the RHEED image is streak and sharp. As described above, the Zr of the present invention
The O 2 thin film is a single crystal, and when used for a dielectric layer of a MIS capacitor, does not disturb the physical quantity due to grain boundaries, and exhibits a good function.
【0025】なお、本発明のMISキャパシタおよびM
ISFETにおいては、Si単結晶基板の基板表面、す
なわち薄膜形成表面側が浅く(例えば、5nm程度以下)
酸化され、SiO2 等の層が形成されていてもよい。こ
れは、ZrO2 薄膜中の酸素がSi単結晶基板の基板表
面に拡散する場合があるからである。また、成膜の方法
によっては、ZrO2 薄膜形成時にSi基板表面にSi
酸化層が残留する場合がある。The MIS capacitor of the present invention and M
In the ISFET, the substrate surface of the Si single crystal substrate, that is, the thin film forming surface side is shallow (for example, about 5 nm or less).
It may be oxidized to form a layer such as SiO 2 . This is because oxygen in the ZrO 2 thin film may diffuse to the substrate surface of the Si single crystal substrate. Also, depending on the method of deposition, Si on Si substrate surface during ZrO 2 thin film formation
An oxide layer may remain.
【0026】次に、本発明のMISキャパシタおよびM
ISFETの製造方法、特にこれらに用いられる組成Z
rO2 の単一配向エピタキシャル膜を中心として、MI
SキャパシタまたはMISFETである半導体デバイス
の製造方法について詳細に説明する。Next, the MIS capacitor of the present invention and M
Method for producing ISFET, particularly composition Z used for these
The MI is centered on the single oriented epitaxial film of rO 2.
A method for manufacturing a semiconductor device that is an S capacitor or a MISFET will be described in detail.
【0027】なお、本発明の製造方法を実施するにあた
っては、図3に示したような蒸着装置1を用いることが
望ましい。In carrying out the manufacturing method of the present invention, it is desirable to use a vapor deposition apparatus 1 as shown in FIG.
【0028】蒸着装置1は、真空槽1aを有し、この真
空槽1a内には、上部に単結晶基板2を保持するホルダ
3が配置されている。このホルダ3は、回転軸4を介し
てモータ5に接続されており、このモータ5によって回
転され、上記単結晶基板2をその基板面内で回転させる
ことができるようになっている。上記ホルダ3内には、
単結晶基板2を加熱するヒータ6が内蔵されている。The vapor deposition apparatus 1 has a vacuum chamber 1a, in which a holder 3 for holding a single crystal substrate 2 is disposed. The holder 3 is connected to a motor 5 via a rotation shaft 4 and is rotated by the motor 5 so that the single crystal substrate 2 can be rotated in the substrate plane. In the holder 3,
A heater 6 for heating the single crystal substrate 2 is incorporated.
【0029】蒸着装置1は、また、酸化性ガス供給装置
7を備えており、この酸化性ガス供給装置7の酸化性ガ
ス供給口8は、上記ホルダ3の直ぐ下方に配置されてい
る。これによって、酸化性ガスは、単結晶基板2近傍で
その分圧が高くされるようになっている。ホルダ3の更
に下方には、Zr蒸発部9が配置されている。このZr
蒸発部9には、金属源の他に、電子線発生装置等の金属
源に蒸発のためのエネルギを供給するためのエネルギ供
給装置が配置されている。なお、図において、Pは、真
空ポンプである。The vapor deposition apparatus 1 further includes an oxidizing gas supply device 7, and an oxidizing gas supply port 8 of the oxidizing gas supply device 7 is disposed immediately below the holder 3. Thus, the partial pressure of the oxidizing gas is increased near the single crystal substrate 2. Below the holder 3, a Zr evaporator 9 is disposed. This Zr
In the evaporating section 9, an energy supply device for supplying energy for evaporation to a metal source such as an electron beam generator is arranged in addition to the metal source. In the drawings, P is a vacuum pump.
【0030】本発明のMIS半導体デバイスの製造方法
においては、まず、上記ホルダに単結晶基板をセットす
る。このとき、単結晶基板としては、Siの単結晶半導
体基板が用いられ、目的の酸化物薄膜が形成される基板
表面として、(100)面あるいは(111)面が選択
される。基板表面上に形成される機能膜をエピタキシャ
ル成長させた単結晶とし、しかも結晶を適切な方位とす
るためである。なお、基板表面は、鏡面仕上げのウエハ
ーを用い表面をエッチング洗浄しておくことが好まし
い。エッチング洗浄は40%フッ化アンモニウム水溶液
等により行う。In the method of manufacturing a MIS semiconductor device according to the present invention, first, a single crystal substrate is set on the holder. At this time, a single crystal semiconductor substrate of Si is used as a single crystal substrate, and a (100) plane or a (111) plane is selected as a substrate surface on which a target oxide thin film is formed. This is because the functional film formed on the substrate surface is made into a single crystal epitaxially grown, and the crystal is oriented in an appropriate direction. Preferably, the substrate surface is etched and cleaned using a mirror-finished wafer. The etching cleaning is performed with a 40% ammonium fluoride aqueous solution or the like.
【0031】本発明のMISキャパシタを製造するため
に用いるSi単結晶基板は、例えば10cm2 以上の基板
面積を持つことができる。これにより、MISキャパシ
タを従来に比べて極めて安価なものとすることができ
る。なお、基板の面積の上限は特にないが、現状では4
00cm2 程度である。これにより、現在2インチ〜8イ
ンチのSiウエハーを用いた半導体プロセス、特に6イ
ンチタイプの半導体プロセスが主流であるが、これに対
応が可能である。The Si single crystal substrate used to manufacture the MIS capacitor of the present invention can have a substrate area of, for example, 10 cm 2 or more. As a result, the MIS capacitor can be made extremely inexpensive as compared with the related art. There is no particular upper limit on the area of the substrate.
It is about 00 cm 2 . As a result, a semiconductor process using a 2-inch to 8-inch Si wafer, in particular, a 6-inch type semiconductor process is mainly used, but it is possible to cope with this.
【0032】清浄化されたSi単結晶基板は、極めて反
応性が高いため、これを保護する目的と、ZrO2 を主
成分とする良好なエピタキシャル膜を成長させる目的
で、Si単結晶基板の基板表面を次のようにして表面処
理する。Since the cleaned Si single crystal substrate has extremely high reactivity, the substrate of the Si single crystal substrate is used for the purpose of protecting the substrate and growing a good epitaxial film containing ZrO 2 as a main component. The surface is surface-treated as follows.
【0033】まず、基板表面が清浄化されたSi単結晶
基板を真空槽中に配置し、酸化性ガスを導入しつつ加熱
して、Si単結晶基板表面に、Si酸化物層を形成す
る。酸化性ガスとしては、酸素、オゾン、原子状酸素、
NO2 等を用いることができる。清浄化されたSi単結
晶基板の基板表面は、上記したように極めて反応性に富
むため、これを保護膜として用い、Si単結晶基板表面
を再配列、汚染などから保護する。上記Si酸化物層の
層厚は、0.2〜10nm程度とすることが好ましい。
0.2nm未満ではSi表面の保護が不完全であるからで
ある。上限を10nmとした理由は、後述する。First, a Si single crystal substrate whose surface has been cleaned is placed in a vacuum chamber and heated while introducing an oxidizing gas to form a Si oxide layer on the surface of the Si single crystal substrate. Oxidizing gases include oxygen, ozone, atomic oxygen,
NO 2 or the like can be used. Since the surface of the cleaned Si single crystal substrate is extremely reactive as described above, it is used as a protective film to protect the surface of the Si single crystal substrate from rearrangement and contamination. The thickness of the Si oxide layer is preferably about 0.2 to 10 nm.
If the thickness is less than 0.2 nm, the protection of the Si surface is incomplete. The reason for setting the upper limit to 10 nm will be described later.
【0034】上記の加熱は、300〜700℃の温度
に、0〜10分程度保持して行う。このとき、昇温速度
は、30〜70℃/分程度とする。温度が高すぎたり、
昇温速度が早すぎると、Si酸化膜の形成が不十分にな
り、逆に、温度が低すぎたり、保持時間が長すぎると、
Si酸化膜が厚すぎてしまう。The above heating is carried out at a temperature of 300 to 700 ° C. for about 0 to 10 minutes. At this time, the heating rate is about 30 to 70 ° C./min. If the temperature is too high,
If the rate of temperature rise is too fast, the formation of the Si oxide film will be insufficient, and conversely, if the temperature is too low or the holding time is too long,
The Si oxide film is too thick.
【0035】酸化性ガスの導入は、例えば酸化性ガスと
して酸素を用いる場合、真空槽内を当初1×10-7〜1
×10-4Torr程度の真空にし、酸化性ガスの導入によ
り、少なくともSi単結晶基板の近傍の雰囲気の酸素分
圧が1×10-4となるようにして行うことが好ましい。
この雰囲気の酸素分圧が上限となる状態は純酸素状態で
あるが、空気であってもよく、特に1×10-1Torr程度
以下であることが好ましい。When oxidizing gas is introduced, for example, when oxygen is used as the oxidizing gas, the inside of the vacuum chamber is initially 1 × 10 −7 to 1
It is preferable that the vacuum is set to about × 10 −4 Torr, and the introduction of an oxidizing gas is performed so that at least the oxygen partial pressure of the atmosphere near the Si single crystal substrate becomes 1 × 10 −4 .
The state in which the oxygen partial pressure of this atmosphere has an upper limit is a pure oxygen state, but it may be air, particularly preferably about 1 × 10 −1 Torr or less.
【0036】上記工程後、真空中で加熱する。Si表面
結晶は、保護膜により、保護されているので、残留ガス
である炭化水素と反応してSiC膜が形成される等の汚
染がない。After the above steps, heating is performed in a vacuum. Since the Si surface crystal is protected by the protective film, there is no contamination such as formation of a SiC film by reacting with hydrocarbons as residual gas.
【0037】加熱温度は、600〜1200℃、特に7
00〜1100℃とすることが好ましい。600℃未満
であると、Si単結晶基板表面に後述する1×1構造が
得られない。1200℃を超えると、保護膜によるSi
表面結晶の保護が十分でなくSi単結晶基板の結晶性が
乱れてしまう。The heating temperature is 600 to 1200 ° C., especially 7
The temperature is preferably set to 00 to 1100 ° C. If the temperature is lower than 600 ° C., a 1 × 1 structure described later cannot be obtained on the surface of the Si single crystal substrate. If the temperature exceeds 1200 ° C., Si
The protection of the surface crystal is not sufficient, and the crystallinity of the Si single crystal substrate is disturbed.
【0038】ついで、Zrと酸化性ガスを表面に供給す
る。この過程でZrである金属は、前工程で形成したS
i酸化物による保護膜を還元し、除去する。同時に露出
したSi表面結晶表面にZrと酸素により、1×1の表
面構造が形成される。Next, Zr and an oxidizing gas are supplied to the surface. In this process, the metal that is Zr replaces the Sr formed in the previous process.
The protective film made of the i-oxide is reduced and removed. At the same time, a 1 × 1 surface structure is formed on the exposed Si surface crystal surface by Zr and oxygen.
【0039】表面構造は、反射高速電子線回折(Reflec
tion High Energy Electron Diffraction :以下、RH
EEDと称する)による像のパターンで調べることがで
きる。例えば、本発明が目的とする1×1の表面構造の
場合、電子線入射方向が[110]で図15の(a)に
示したような1倍周期C1の完全なストリークパターン
となり、入射方向を[1-10]にしても全く同じパター
ンとなる。一方、Si単結晶清浄表面は、1×2、2×
1、または、1×2と2×1が混在している表面構造と
なる。このような場合には、RHEED像のパターン
は、電子線の入射方向[110]または[1-10]のい
ずれか、または両方で図15の(b)に示したような、
1倍周期C1と2倍周期C2を持つパターンになる。本
発明の1×1の表面構造においては、上記RHEEDの
パターンでみて、入射方向が[110]および[1-1
0]両方で、図15の(b)の2倍周期C2が見られな
い。The surface structure was determined by reflection high-energy electron diffraction (Reflec
tion High Energy Electron Diffraction: RH
(Referred to as EED). For example, in the case of a 1 × 1 surface structure aimed at by the present invention, the electron beam incident direction is [110], and a complete streak pattern with a one-time period C1 as shown in FIG. Is exactly the same pattern when [1-10] is set. On the other hand, the Si single crystal clean surface is 1 × 2, 2 ×
1 or a surface structure in which 1 × 2 and 2 × 1 are mixed. In such a case, the pattern of the RHEED image is as shown in FIG. 15B in one or both of the electron beam incident directions [110] and [1-10].
The pattern has a one-time period C1 and a two-time period C2. In the 1 × 1 surface structure of the present invention, the incident directions are [110] and [1-1] in the RHEED pattern.
0], the double cycle C2 of FIG. 15B is not observed in both cases.
【0040】またSi(100)清浄表面は、1×1構
造を示す場合がある。われわれの実験でも何度か観察さ
れたが、1×1を示す条件は、不明確で安定に再現性よ
く1×1をSi清浄面で得ることは、現状では不可能で
ある。Also, the clean Si (100) surface may show a 1 × 1 structure. Although it has been observed several times in our experiments, it is impossible at present to obtain 1 × 1 on a Si-clean surface with an unclear, stable and reproducible condition showing 1 × 1.
【0041】1×2、2×1、1×1いずれの構造のS
i清浄面は、真空中、高温で汚染されやすく、特に残留
ガス中に含まれる炭化水素と反応し表面にSiCを形成
し、基板表面の結晶が乱れる。したがって、Si基板上
に酸化膜を結晶成長させる際に適した1×1構造を安定
に形成することがこれまで不可能であった。S of any structure of 1 × 2, 2 × 1, 1 × 1
The i-clean surface is easily contaminated at high temperatures in a vacuum, and reacts particularly with hydrocarbons contained in the residual gas to form SiC on the surface, and the crystal on the substrate surface is disturbed. Therefore, it has not been possible to stably form a 1 × 1 structure suitable for crystal growth of an oxide film on a Si substrate.
【0042】以上、Si(100)面を例に説明したが
(111)面においても、清浄面の構造は異なるが、基
本的に同様な現象があらわれ、Si基板上に酸化膜を結
晶成長させる際に適した1×1構造を安定に形成するこ
とはこれまで不可能であった。The Si (100) plane has been described above as an example, but the (111) plane has a similar structure although the structure of the clean surface is different, and an oxide film is grown on a Si substrate. Until now, it has been impossible to stably form a suitable 1 × 1 structure.
【0043】Zrの供給量は、ZrO2 換算で、0.3
〜10nm、特に3〜7程度が好ましい。0.3nm未満で
は、Si酸化物の還元の効果が十分に発揮できず、10
nmを超えると表面に原子レベルの凹凸が発生し易くな
り、表面の結晶の配列は、凹凸により、1×1構造でな
くなることがあるためである。なお、上記Si酸化物層
の層厚の上限の好ましい値を10nmとした理由は、10
nmを超えると、上記のように金属を供給してもSi酸化
物層を十分に還元できなくなる可能性がでてくるからで
ある。The supply amount of Zr is 0.3 ZrO 2 conversion.
It is preferably from 10 to 10 nm, particularly preferably from about 3 to 7. If it is less than 0.3 nm, the effect of reducing the Si oxide cannot be sufficiently exhibited, and
If the thickness exceeds nm, atomic level irregularities are likely to occur on the surface, and the crystal arrangement on the surface may not be a 1 × 1 structure due to the irregularities. The reason why the preferable upper limit of the thickness of the Si oxide layer is set to 10 nm is as follows.
If the thickness exceeds nm, there is a possibility that the Si oxide layer cannot be sufficiently reduced even if the metal is supplied as described above.
【0044】酸化性ガスとして酸素を用いる場合は、2
〜50cc/分程度供給することが好ましい。最適酸素量
は、真空槽の大きさ、ポンプの排気速度その他の要因で
決まり、あらかじめ最適な流量を求めておく。When oxygen is used as the oxidizing gas, 2
It is preferable to supply about 50 cc / min. The optimum amount of oxygen is determined by the size of the vacuum chamber, the pumping speed of the pump, and other factors, and the optimum flow rate is determined in advance.
【0045】以上のSi基板表面処理は以下の効果があ
る。The above-described Si substrate surface treatment has the following effects.
【0046】結晶表面の数原子層における表面構造は、
バルク(3次元的な大きな結晶)の結晶構造を切断した
ときに考えられる仮想的な表面の原子配列構造とは一般
に異なる。それは片側の結晶がなくなくなることにより
表面に現れた原子の周囲の状況が変化し、これに対応し
てエネルギーのより低い安定な状態になろうとするから
である。その構造変化は、主として、原子位置の緩和に
留まる場合と、原子の組み換えが生じ、再配列構造を形
成する場合とがある。前者はほとんどの結晶表面で存在
する。後者は一般に表面の超格子構造を形成する。バル
クの表面構造の単位ベクトルの大きさをa、bとすると
き、ma、nbの大きさの超格子構造が生じた場合これ
をm×n構造とよぶ。清浄化されたSi(100)の表
面は、1×2または2×1構造、Si(111)表面
は、7×7または2×8構造の大きな単位メッシュをも
つ複雑な超構造となる。また、これら、清浄化されたS
i表面は、反応性に富み、とくに、酸化物薄膜をエピタ
キシャル形成する温度(700℃以上)では、真空中の
残留ガス、とくに炭化水素と反応をおこし、表面にSi
Cが形成されることにより基板表面が汚染され、表面結
晶が乱れる。The surface structure in several atomic layers on the crystal surface is as follows:
This is generally different from a virtual surface atomic arrangement structure that can be considered when a bulk (three-dimensional large crystal) crystal structure is cut. This is because the disappearance of the crystal on one side changes the situation around the atoms that have appeared on the surface, and correspondingly tries to become a stable state with lower energy. The structural change mainly includes a case where the atomic position is merely relaxed and a case where the rearrangement of atoms occurs to form a rearranged structure. The former is present on most crystal surfaces. The latter generally form a superlattice structure on the surface. When the magnitudes of the unit vectors of the bulk surface structure are a and b, a superlattice structure having a magnitude of ma and nb is called an m × n structure. The surface of the cleaned Si (100) has a 1 × 2 or 2 × 1 structure, and the Si (111) surface has a complex superstructure having a large unit mesh of a 7 × 7 or 2 × 8 structure. In addition, these purified S
The i-surface is highly reactive, and reacts particularly with a residual gas in a vacuum, especially a hydrocarbon, at a temperature (700 ° C. or higher) at which an oxide thin film is epitaxially formed, and the Si surface is formed on the surface.
The formation of C contaminates the substrate surface and disturbs surface crystals.
【0047】Si基板上に酸化物をエピタキシャル成長
させるためには、Si表面の構造が安定で、かつ結晶構
造情報を成長させる酸化物膜へ伝える役割を果たさなけ
ればならない。酸化物エピタキシャル膜結晶において、
バルク結晶構造を切断したときに考えられる原子配列構
造は1×1構造となるので、酸化物をエピタキシャル成
長させるための基板の表面構造は、1×2、2×1、7
×7または2×8構造の大きな単位メッシュをもつ複雑
な超構造は好ましくなく、安定な1×1構造が必要であ
る。また、エピタキシャル成長は、700℃以上の温度
で行うため、反応性に富んだSi表面を保護する必要が
ある。To epitaxially grow an oxide on a Si substrate, the structure of the Si surface must be stable and play a role of transmitting crystal structure information to the grown oxide film. In the oxide epitaxial film crystal,
Since the atomic arrangement structure considered when cutting the bulk crystal structure is a 1 × 1 structure, the surface structure of the substrate for epitaxially growing an oxide is 1 × 2, 2 × 1, 7
Complex superstructures with large unit meshes of × 7 or 2 × 8 structures are not preferred and require a stable 1 × 1 structure. In addition, since the epitaxial growth is performed at a temperature of 700 ° C. or more, it is necessary to protect the reactive Si surface.
【0048】次に、以上のように、表面が処理されたS
i単結晶基板を用いてZrO2 の単一配向エピタキシャ
ル膜を形成する。Next, as described above, S
A single orientation epitaxial film of ZrO 2 is formed using an i single crystal substrate.
【0049】このZrO2 を主成分とする単一配向エピ
タキシャル膜の形成にあたっては、まず、表面を処理し
たSi単結晶基板を加熱する。成膜時における加熱温度
はZrO2 の結晶化のために400℃以上が望ましく、
さらに、約750℃以上が結晶性が優れ、特に分子レベ
ル膜結晶表面平坦性を得るためには850℃以上が好ま
しい。なお、単結晶基板の加熱温度の上限は、1300
℃程度である。In forming a single-oriented epitaxial film containing ZrO 2 as a main component, first, a Si single crystal substrate whose surface has been treated is heated. The heating temperature at the time of film formation is desirably 400 ° C. or higher for crystallization of ZrO 2 ,
Furthermore, the crystallinity is excellent at about 750 ° C. or more, and particularly preferably 850 ° C. or more in order to obtain the crystal surface flatness at the molecular level film. Note that the upper limit of the heating temperature of the single crystal substrate is 1300
It is about ° C.
【0050】次いで、Zrを電子ビーム等で加熱し蒸発
を行う。Zr金属、および酸化性ガスを単結晶基板に供
給し、ZrO2 を主成分とする薄膜を得る。ここで、成
膜速度は、0.05〜1.00nm/s、好ましくは0.1
00〜0.500nm/sとすることが望ましい。その理由
は、遅すぎると、基板の酸化が起こり、また早すぎると
形成される薄膜の結晶性が悪く表面に凸凹が生じるから
である。したがって、成膜速度は導入される酸素量で最
適値が決定される。このため、ZrO2 薄膜の蒸着に先
立ち、Zr金属蒸着源に加えた電力量条件により、単位
時間あたりどの程度蒸発し、ZrおよびZrO2 の蒸着
膜を形成するかを真空蒸着槽内の基板近傍に設置した膜
厚計により測定し較正しておく。上記酸化性ガスとして
は、酸素、オゾン、原子状酸素、NO2 等を用いること
ができる。ここでは、以下酸素を用いることとして説明
する。酸素は真空ポンプで継続的に槽内を排気しつつ真
空蒸着槽内に設けられたノズルにより、2〜50cc/
分、好ましくは5〜25cc/分の酸素ガスを継続的に噴
射させ、真空槽内の少なくとも単結晶基板近傍に10-3
〜10-1Torr程度の酸素雰囲気を作る。最適酸素量は、
チャンバーの大きさ、ポンプの排気速度その他の要因に
より決まり、あらかじめ適当な流量を求めておく。ここ
で酸素ガス圧の上限を10-1Torrとしたのは、同真空槽
内にある蒸発源中の金属源を劣化させることなく、かつ
その蒸発速度を一定に蒸着させるためである。さらに真
空蒸着槽に酸素ガスを導入するに際しては、単結晶基板
の表面にその近傍から酸素ガスを噴射し、単結晶基板近
傍付近にだけ高い酸素分圧の雰囲気をつくるとよく、こ
れにより少ない酸素導入量で基板上での反応をより促進
させることができる。この時、真空槽内は継続的に排気
されているので真空槽のほとんどの部分は10-4〜10
-66Torrの低い圧力になっている。Next, Zr is heated by an electron beam or the like to evaporate. Zr metal and an oxidizing gas are supplied to the single crystal substrate to obtain a thin film containing ZrO 2 as a main component. Here, the deposition rate is 0.05 to 1.00 nm / s, preferably 0.1 to 1.00 nm / s.
It is desirable to set it to 00 to 0.500 nm / s. The reason for this is that if it is too slow, the substrate will be oxidized, and if it is too early, the formed thin film will have poor crystallinity and cause irregularities on the surface. Therefore, the optimum value of the film formation rate is determined by the amount of oxygen introduced. For this reason, prior to the deposition of the ZrO 2 thin film, the amount of evaporation per unit time and the formation of the Zr and ZrO 2 deposited films are determined by the amount of power applied to the Zr metal deposition source near the substrate in the vacuum deposition tank. Measure and calibrate with the thickness gauge installed in As the oxidizing gas, oxygen, ozone, atomic oxygen, NO 2 or the like can be used. Here, description will be made on the assumption that oxygen is used. Oxygen is continuously exhausted from the chamber by a vacuum pump, and a nozzle provided in the vacuum evaporation chamber is used to supply 2 to 50 cc / oxygen.
Min, preferably 5 to 25 cc / min of oxygen gas is continuously injected, and 10 -3 is supplied at least to the vicinity of the single crystal substrate in the vacuum chamber.
An oxygen atmosphere of about 10 -1 Torr is created. The optimal amount of oxygen is
An appropriate flow rate is determined in advance depending on the size of the chamber, the pumping speed of the pump, and other factors. Here, the upper limit of the oxygen gas pressure is set to 10 -1 Torr so that the metal source in the evaporation source in the vacuum chamber is not degraded and the evaporation rate is deposited at a constant rate. Further, when introducing oxygen gas into the vacuum deposition tank, it is preferable to inject oxygen gas from the vicinity of the surface of the single crystal substrate to create an atmosphere with a high oxygen partial pressure only in the vicinity of the single crystal substrate. The reaction on the substrate can be further promoted by the amount introduced. At this time, since the inside of the vacuum chamber is continuously evacuated, most of the vacuum chamber is 10 -4 to 10
-6 The pressure is as low as 6 Torr.
【0051】また単結晶基板の1cm2 程度の狭い領域で
は、この方法で単結晶基板上で酸化反応を促進すること
ができるが、基板面積が10cm2 以上、たとえば直径2
インチの大きな単結晶基板面積に成膜するためには図1
のように基板を回転させ、高酸素分圧を基板全面に供給
することにより、大面積での膜作製が可能となる。この
とき、基板の回転数は、10rpm 以上であることが望ま
しい。回転数が遅いと基板面内で膜厚の分布が生じるた
めである。この基板の回転数の上限は特にないが、通常
は真空装置の機構上120rpm 程度である。[0051] In narrow region 2 of about 1cm of the single-crystal substrate, it is possible to promote the oxidation reaction on the single crystal substrate in this manner, the substrate area of 10 cm 2 or more, for example, a diameter of 2
Fig. 1
By rotating the substrate as described above and supplying a high oxygen partial pressure to the entire surface of the substrate, a large-area film can be formed. At this time, the rotation speed of the substrate is desirably 10 rpm or more. This is because if the number of rotations is low, a film thickness distribution occurs in the substrate surface. Although there is no particular upper limit on the number of rotations of the substrate, it is usually about 120 rpm due to the mechanism of the vacuum apparatus.
【0052】以上、製造方法の詳細を説明したが、この
製造方法は、従来の真空蒸着法、スパッタリング法、レ
ーザーアブレーション法の比較において特に明確なごと
く、不純物の介在の余地のない、しかも制御しやすい操
作条件化で実施しうるため、再現性よく完全性が高い目
的物を大面積で得るのに好適である。さらに本方法をM
BE装置を用いても、全く同様にして目的の薄膜を得る
ことができる。Although the details of the manufacturing method have been described above, this manufacturing method is particularly clear in comparison with the conventional vacuum evaporation method, sputtering method, and laser ablation method, and has no room for the presence of impurities and is controlled. Since it can be carried out under easy operation conditions, it is suitable for obtaining a target substance with high reproducibility and high completeness over a large area. In addition, the method
Even if a BE apparatus is used, a target thin film can be obtained in exactly the same manner.
【0053】以上のようにして得られたMISキャパシ
タ材料は、電極が形成され、半導体プロセスにより、微
細加工されて、多数のMISキャパシタとされる。本発
明のMISキャパシタは、高純度のZrO2 を高結晶性
で形成しているためC−V特性においてヒステリシスを
ほとんど生ずることがなく、ヒステリシスを生じたとし
ても、そのヒステリシスはC値の半値における電圧の幅
(以下、ヒステリシス値と称する)で0.3V 程度以下
である。また、MIS ( Metal-Insulator-Semiconduct
or ) 構造の絶縁層 ( Insulator ) の見掛け上の誘電
率を20程度と大きくすることができる。上記のような
MISキャパシタは、上記組成ZrO2の単一配向エピ
タキシャル膜をゲート酸化物層として用い、半導体プロ
セスにより、ソースおよびドレイン等を形成することに
より、DRAM用のMISFETとすることができる。
SiO2 を絶縁層に用いた従来のMISキャパシタに比
べ、本発明のMISキャパシタは、絶縁層の誘電率が1
0〜20と、従来の5〜10倍になるため、現在限界に
きている集積度をさらに上げることが可能となる。The MIS capacitor material obtained as described above has electrodes formed thereon and is finely processed by a semiconductor process to obtain a large number of MIS capacitors. In the MIS capacitor of the present invention, since high-purity ZrO 2 is formed with high crystallinity, almost no hysteresis is generated in the CV characteristic. The voltage width (hereinafter, referred to as a hysteresis value) is about 0.3 V or less. MIS (Metal-Insulator-Semiconduct
or) The apparent dielectric constant of the insulating layer (Insulator) having the structure can be increased to about 20. The MIS capacitor as described above can be formed as a MISFET for DRAM by forming a source and a drain by a semiconductor process using a single-oriented epitaxial film of the above composition ZrO 2 as a gate oxide layer.
Compared to a conventional MIS capacitor using SiO 2 for the insulating layer, the MIS capacitor of the present invention has a dielectric constant of 1 for the insulating layer.
Since it is 0 to 20, which is 5 to 10 times the conventional value, it is possible to further increase the integration density which is currently at the limit.
【0054】[0054]
【実施例】以下、本発明の具体的実施例を示し、本発明
をさらに詳細に説明する。EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail by showing specific examples of the present invention.
【0055】実施例1 実施例1として、MISキャパシタの場合について以下
説明する。Embodiment 1 As Embodiment 1, the case of a MIS capacitor will be described below.
【0056】酸化物薄膜を成長させる単結晶基板とし
て、その表面が(100)面となるように切断、鏡面
研磨したSi単結晶、その表面が(111)となるよ
うに切断、鏡面研磨したSi単結晶ウエハーを用いた。
鏡面表面は購入後40%フッ化アンモニウム水溶液によ
り、エッチング洗浄を行った。なお、単結晶基板は、直
径2インチの円形基板を用いた。As a single crystal substrate for growing an oxide thin film, a Si single crystal cut and mirror-polished so that the surface becomes (100) plane, and a Si single crystal which is cut and mirror-polished so that the surface becomes (111) A single crystal wafer was used.
After the purchase, the mirror surface was cleaned by etching with a 40% ammonium fluoride aqueous solution. Note that a circular substrate having a diameter of 2 inches was used as the single crystal substrate.
【0057】真空槽内に設置された回転および加熱機構
を備えた基板ホルダーに上記単結晶基板を固定し、真空
蒸着槽を10-6Torrまでポンプにより排気した。その
後、基板洗浄面をSi酸化物を用いて保護するため、6
00℃で、酸素を基板付近にノズルから25cc/分の割
合で導入し、基板表面に、約1nmのSi酸化物膜を熱酸
化で形成した。ついで、再び真空蒸着槽を10-6Torrま
で排気した後、基板を900℃に加熱し回転させた。回
転数は20rpm とした。The single crystal substrate was fixed to a substrate holder provided in a vacuum chamber and provided with a rotation and heating mechanism, and the vacuum evaporation chamber was evacuated to 10 -6 Torr by a pump. Then, in order to protect the cleaning surface of the substrate using Si oxide, 6
At 00 ° C., oxygen was introduced into the vicinity of the substrate from the nozzle at a rate of 25 cc / min, and an approximately 1 nm Si oxide film was formed on the surface of the substrate by thermal oxidation. Then, the vacuum evaporation tank was evacuated again to 10 -6 Torr, and the substrate was heated to 900 ° C. and rotated. The rotation speed was 20 rpm.
【0058】その後、金属Zrを蒸発源から供給した。
このとき同時に、基板近傍の雰囲気の酸素分圧が10-2
Torrとなるように、ノズルから酸素ガスを10cc/分の
割合で導入し、a前記(100)面基板上に金属Zr
を蒸発源から蒸発させることにより、Zr金属酸化物の
膜厚に換算して5nm供給し、1×1の表面構造を備える
Si表面処理基板を、b前記(111)面基板上に金
属Zrを蒸発源から蒸発させることにより、Zr金属酸
化物の膜厚に換算して5nm供給し、1×1の表面構造を
備えるSi表面処理基板をそれぞれ得た。これらの表面
をRHEEDにより測定したパターン像を図4および5
に示す。Thereafter, metal Zr was supplied from an evaporation source.
At the same time, the oxygen partial pressure of the atmosphere near the substrate is 10 −2.
Oxygen gas was introduced at a rate of 10 cc / min from the nozzle so that the pressure became Torr, and a metal Zr was placed on the (100) plane substrate.
Is evaporated from an evaporation source to supply 5 nm in terms of the thickness of a Zr metal oxide to provide a Si surface-treated substrate having a 1 × 1 surface structure, and b to deposit metal Zr on the (111) plane substrate. By evaporating from the evaporation source, 5 nm in terms of the thickness of the Zr metal oxide was supplied to obtain Si surface-treated substrates each having a 1 × 1 surface structure. Pattern images of these surfaces measured by RHEED are shown in FIGS.
Shown in
【0059】これらはすべて入射方向[110]で測定
したものであるが90°回転しても全くおなじパターン
であった。すなわち、安定な1×1の表面構造をしたS
i表面処理基板が得られていることが確認される。All of these were measured in the incident direction [110], and the patterns were exactly the same even when rotated by 90 °. That is, S having a stable 1 × 1 surface structure
It is confirmed that an i-surface treated substrate has been obtained.
【0060】さらに、このSi表面処理基板上に、基板
温度900℃、回転数は20rpm 、ノズルから酸素ガス
を25cc/分の割合で導入した状態で金属Zrを蒸発源
から供給することにより、膜厚10nmのZrO2 膜を、
前記a、bの処理基板上に得た。Further, metal Zr is supplied from the evaporation source onto the Si surface-treated substrate while the substrate temperature is 900 ° C., the rotation speed is 20 rpm, and oxygen gas is introduced from the nozzle at a rate of 25 cc / min. A 10 nm thick ZrO 2 film
Obtained on the substrates a and b.
【0061】得られた2種類の薄膜について測定したX
線回折パターンの結果を図6および7に示す。図6に
は、ZrO2 の(002)ピークが観察されている。図
7では、ZrO2 の(111)ピークはSi基板 のピ
ークと完全に重なっている。ZrO2 の結晶構造、対称
性を反映した方位に強く配向した結晶膜が得られている
ことがわかる。とくにこれらのピークは、それぞれ一つ
の反射面のみからの反射であり、ZrO2 膜において従
来例ではみられない単一配向性の高結晶性の膜であるこ
とがわかる。さらにこの反射のロッキングカーブの半値
幅はそれぞれ0.7°(実測値)、0.7°(Si基板
を含む実測値)であり配向性に優れることも確認でき
た。X measured for the two types of obtained thin films
The results of the line diffraction pattern are shown in FIGS. In FIG. 6, the (002) peak of ZrO 2 is observed. In FIG. 7, the (111) peak of ZrO 2 completely overlaps the peak of the Si substrate. It can be seen that a crystal film strongly oriented in the direction reflecting the crystal structure and symmetry of ZrO 2 was obtained. Particularly, these peaks are reflections from only one reflection surface, respectively, and it can be seen that the ZrO 2 film is a single-orientation highly crystalline film which is not seen in the conventional example. Further, the half-widths of the rocking curve of this reflection were 0.7 ° (actual value) and 0.7 ° (actual value including the Si substrate), respectively, and it was also confirmed that the orientation was excellent.
【0062】さらに、図8および9にこの薄膜のRHE
ED ( Reflection High Energy Electron Diffraction
)パターンを示す。電子線の入射方向はSi基板の[1
10]方向からのものを示した。この結果からわかるよ
うに、この構造の薄膜表面の回折パターンは、完全にス
トリークであるパターンであり、従来例でみられたスト
リークが部分的にスポットに近いパターンとは全く異な
る。この完全にストリークであるパターンは、ZrO2
が結晶性、表面性に優れるものであることを表わすもの
である。図10にa処理基板上に形成したZrO2 膜の
厚子間力顕微鏡(AFM)により観察した表面像を示
す。b処理基板上のZrO2 膜も表面状態がほぼ同様で
あった。また、上記2種類の膜について、それぞれの表
面のほぼ全体にわたって10か所、JIS B0610
による十点平均粗さRz(基準長さL:500nm)を測
定したところ、Si(100)基板上のZrO2 膜では
平均で0.70nm、最大で0.95nm、最小で0.1
0、Si(111)基板上のZrO2 膜では平均で0.
80nm、最大で1.00nm、最小で0.08と分子レベ
ルで平坦であった。FIGS. 8 and 9 show the RHE of this thin film.
ED (Reflection High Energy Electron Diffraction
) Shows the pattern. The incident direction of the electron beam is [1] on the Si substrate.
10] direction. As can be seen from the results, the diffraction pattern on the surface of the thin film having this structure is a completely streak pattern, which is completely different from the pattern in which the streak is partially close to a spot in the conventional example. This completely streak pattern is ZrO 2
Is excellent in crystallinity and surface properties. FIG. 10 shows a surface image of the ZrO 2 film formed on the processing substrate a, which was observed with an AFM. The surface state of the ZrO 2 film on the b-treated substrate was almost the same. In addition, with respect to the above two types of films, JIS B0610 was applied to 10 places over almost the entire surface of each.
Was measured, the ZrO 2 film on the Si (100) substrate had an average of 0.70 nm, a maximum of 0.95 nm, and a minimum of 0.1
0, on the average on a ZrO 2 film on a Si (111) substrate.
It was flat at a molecular level of 80 nm, 1.00 nm at the maximum, and 0.08 at the minimum.
【0063】また、蛍光X線分析により上記2種類のZ
rO2 薄膜の組成について測定したところ、Zr,O2
以外の不純物は検出限界以下で検出できなかった。Further, the two types of Z were determined by X-ray fluorescence analysis.
When the composition of the rO 2 thin film was measured, Zr, O 2
Other impurities were not detected below the detection limit.
【0064】つぎに、上記ZrO2 膜表面に面積約0.
15mm2 のPt電極膜を形成し、上部電極とし、Siウ
エハにはAlによるオーミック電極を設けたMISキャ
パシタを作製した。Siウエハは5Ωcmのp型ウエハで
ある。Next, the surface of the above-mentioned ZrO 2 film having an area of about 0.
A Pt electrode film of 15 mm 2 was formed and used as an upper electrode, and an MIS capacitor having an Si ohmic electrode provided with an ohmic electrode of Al was produced. The Si wafer is a 5Ωcm p-type wafer.
【0065】作製したMISキャパシタのC−V特性を
図11および図12に示す。C−V特性は、1MHz で、
バイアス電圧を0.4V/sec で変化させて測定した。こ
れらの図に示されたC−V特性から明瞭なように、本発
明を用いた試料は、C−V特性においてヒステリシスが
みられない。図13は比較のため、従来例のYSZ薄膜
を用いて作製したMISキャパシタのC−V特性を示
す。図13ではバイアス電圧を変化させると、ヒステリ
シス値が約1.5V 以上と大きなヒステリシス幅値が見
られる。FIGS. 11 and 12 show CV characteristics of the MIS capacitor thus manufactured. The CV characteristic is 1MHz,
The measurement was performed while changing the bias voltage at 0.4 V / sec. As is clear from the CV characteristics shown in these figures, the samples using the present invention show no hysteresis in the CV characteristics. FIG. 13 shows CV characteristics of a MIS capacitor manufactured using a conventional YSZ thin film for comparison. In FIG. 13, when the bias voltage is changed, a large hysteresis width value of about 1.5 V or more is seen.
【0066】また、リーク電流もYSZを用いたとき2
3μA/cm2 であったのに対し、本実施例では、2μA/cm
2 と、10倍以上向上した。The leakage current is 2 when YSZ is used.
In contrast to 3 μA / cm 2 , in this example, 2 μA / cm 2
2 and more than 10 times improved.
【0067】実施例2 次に、実施例2としてMISFETの場合について説明
する。Embodiment 2 Next, a case of a MISFET will be described as Embodiment 2.
【0068】図14の(a)に示したように、単結晶基
板として、その表面が(100)面となるように切断
し、鏡面研磨したSi単結晶ウエハーを用いた。この基
板はp−タイプで抵抗率10Ωcm直径2インチの円形基
板のウエハーである。はじめに、この基板101を図1
4の(b)に示したように、局所酸化法(以下、LOC
OS法)により素子分離した。LOCOS分離に使用す
るSiO2 酸化膜102の膜厚は、600nmである。つ
いで、基板101上の自然酸化膜を除去するため40%
フッ化アンモニウム水溶液により、エッチング洗浄を行
った。As shown in FIG. 14A, an Si single crystal wafer which was cut so that its surface became a (100) plane and mirror-polished was used as a single crystal substrate. This substrate is a p-type circular wafer having a resistivity of 10 Ωcm and a diameter of 2 inches. First, this substrate 101 is
As shown in FIG. 4B, the local oxidation method (hereinafter referred to as LOC)
(OS method). The thickness of the SiO 2 oxide film 102 used for the LOCOS separation is 600 nm. Then, 40% for removing the natural oxide film on the substrate 101
Etching cleaning was performed with an ammonium fluoride aqueous solution.
【0069】真空槽内に設置された回転および加熱機構
を備えた基板ホルダーに上記基板101を固定し、真空
蒸着槽を10-6Torrまでポンプにより排気した。その
後、基板洗浄面をSi酸化膜を用いて保護するため、6
00℃で、酸素を基板付近にノズルから25cc/分の割
合で導入し、基板表面に約1nmのSi酸化物膜を熱酸化
で形成した。ついで、再び真空蒸着槽を10-6Torrまで
排気した後、基板を900℃に加熱し回転させた。回転
数は20rpm とした。The substrate 101 was fixed to a substrate holder provided with a rotation and heating mechanism installed in a vacuum chamber, and the vacuum evaporation chamber was evacuated to 10 -6 Torr by a pump. After that, in order to protect the substrate cleaning surface using the Si oxide film, 6
At 00 ° C., oxygen was introduced into the vicinity of the substrate from the nozzle at a rate of 25 cc / min, and an approximately 1 nm Si oxide film was formed on the surface of the substrate by thermal oxidation. Then, the vacuum evaporation tank was evacuated again to 10 -6 Torr, and the substrate was heated to 900 ° C. and rotated. The rotation speed was 20 rpm.
【0070】その後、金属Zrを蒸発源から供給した。
このとき同時に、ノズルから酸素ガスを25cc/分の割
合で導入し、金属と酸素を反応させ厚さ約50nmのZr
O2膜103を図14(c)に示したように形成した。Thereafter, metal Zr was supplied from an evaporation source.
At the same time, oxygen gas is introduced from the nozzle at a rate of 25 cc / min to allow the metal and oxygen to react, thereby causing a Zr having a thickness of about 50 nm.
The O 2 film 103 was formed as shown in FIG.
【0071】得られたZrO2 薄膜103について測定
したX線の結果は、図6と同様、ZrO2 の(002)
ピークが明瞭に観察され、ZrO2 の結晶構造、対称性
を反映した方位に強く配向した結晶膜が得られているこ
とを確認した。またこのZrO2 膜表面をAFMにより
観察したところ、分子レベルの平坦性が確認でき、ま
た、膜の全面にわたって10カ所JISB0610によ
る十点平均粗さRz(基準長さL:500nm)を測定し
たところ、平均で0.60nm、最大で1.2nm、最小で
0.20nmであった。[0071] The obtained results of the measured X-ray for the ZrO 2 thin film 103 is similar to FIG. 6, the ZrO 2 (002)
The peak was clearly observed, and it was confirmed that a crystal film strongly oriented in an orientation reflecting the crystal structure and symmetry of ZrO 2 was obtained. When the surface of the ZrO 2 film was observed by AFM, flatness at the molecular level could be confirmed, and the ten-point average roughness Rz (reference length L: 500 nm) was measured at 10 places over the entire surface of the film according to JIS B0610. The average was 0.60 nm, the maximum was 1.2 nm, and the minimum was 0.20 nm.
【0072】さらに、ZrO2 薄膜が形成された領域の
組成をEPMAを用いて調べたところ、不純物は検出限
界以下であった。Further, when the composition of the region where the ZrO 2 thin film was formed was examined using EPMA, the impurities were below the detection limit.
【0073】このZrO2 膜の誘電率を求めると20の
値が得られ、SiO2 の3の値と比較して、6倍以上高
い値が得られた。When the dielectric constant of this ZrO 2 film was determined, a value of 20 was obtained, which was at least 6 times higher than the value of 3 of SiO 2 .
【0074】次に、図14の(d)に示したように、ゲ
ート電極となる多結晶−シリコン104をCVD法によ
り成膜した。成膜条件は、圧力5×10-1Torr、基板温
度650℃で行い、厚さ250nm形成した。その後図1
4の(e)に示したように、フォトリソグラフィにより
パターニングしたのち、RIEエッチング(反応性イオ
ンエッチング)を行い、MIS構造を得た。Next, as shown in FIG. 14D, a polycrystalline silicon 104 serving as a gate electrode was formed by a CVD method. The film was formed at a pressure of 5 × 10 −1 Torr and a substrate temperature of 650 ° C. to form a film having a thickness of 250 nm. Then Figure 1
As shown in (e) of FIG. 4, after patterning by photolithography, RIE etching (reactive ion etching) was performed to obtain an MIS structure.
【0075】その後、図14の(f)に示したように、
イオン注入法により、Pを注入し、ソースおよびドレイ
ン105を形成したのち、900℃で20分アニール処
理を施した。最後に図14の(g)に示したように、ス
パッタリングによりAl電極106を形成し、エッチン
グにより、Al配線を行い実施例2−1のMISFET
を完成させた。また、Si単結晶基板の(111)面を
基板表面として用いて、この上に上記と同様にしてゲー
ト酸化物層となる厚さ約50nmのZrO2 薄膜を形成
し、さらに上記と同様にして、ゲート電極等を形成して
実施例2−2のMISFETを得た。Thereafter, as shown in FIG.
After P was implanted by ion implantation to form the source and drain 105, annealing was performed at 900 ° C. for 20 minutes. Finally, as shown in FIG. 14 (g), the Al electrode 106 is formed by sputtering, and Al wiring is formed by etching, and the MISFET of Example 2-1 is formed.
Was completed. Using the (111) plane of the Si single crystal substrate as the substrate surface, a ZrO 2 thin film having a thickness of about 50 nm to be a gate oxide layer is formed thereon in the same manner as described above, and further similar to the above. Then, a gate electrode and the like were formed to obtain a MISFET of Example 2-2.
【0076】以上説明した半導体デバイスの加工方法
は、本実施例に係るFETを得るための一具体例であ
り、とくに限定されるものではない。The semiconductor device processing method described above is a specific example for obtaining the FET according to the present embodiment, and is not particularly limited.
【0077】このように得られた実施例2−1および2
−2のFETは、ZrO2 をMISキャパシタとして用
いている。ZrO2 は誘電率20と従来のSiO2 に比
べ6倍以上大きく、従って、従来のFET製造工程を大
幅に変更することなく、プレーナ型で集積度を向上する
ことができる。また、本実施例2−1および2−2のF
ETにおけるMIS構造は、上述したように、ヒステリ
シスの非常に少ないC−V特性を有しているため、FE
Tにおける、しきい値は従来のYSZをMIS構造に用
いた場合、−1から5V もの変化が見られ、実用にはな
らなかったものに対し、本発明で安定し、1.8〜2.
4V の間で変化するのみであった。また、リーク電流も
YSZの10倍小さいため、安定したトランジスタ特性
が得られた。Examples 2-1 and 2 thus obtained
-2 FET uses a ZrO 2 as MIS capacitors. ZrO 2 has a dielectric constant of 20 and is at least 6 times larger than that of conventional SiO 2 , and therefore, it is possible to improve the degree of integration in a planar type without greatly changing the conventional FET manufacturing process. Also, F of Examples 2-1 and 2-2
As described above, the MIS structure in the ET has CV characteristics with very little hysteresis,
When the conventional YSZ is used for the MIS structure, the threshold value at T changes from -1 to 5 V, which is not practical but is stable in the present invention.
It only changed between 4V. In addition, since the leak current was 10 times smaller than that of YSZ, stable transistor characteristics were obtained.
【0078】本発明によると、集積度の向上、しきい値
の安定が可能であり、従来のトランジスタ特性を大幅に
改善することができる。According to the present invention, it is possible to improve the degree of integration and stabilize the threshold value, and it is possible to greatly improve the conventional transistor characteristics.
【0079】[0079]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によるエピ
タキシャル成長したZrO2 膜は、純度が98%以上で
高い結晶性および表面性を有しているため、YSZ膜の
ように、C−V特性に、ヒステリシスがみられることな
く、良好なMOS特性が得られる。このMIS構造はS
iデバイス用のMISキャパシタとして、利用価値のき
わめて高いものである。As described above, the ZrO 2 film epitaxially grown according to the present invention has a high crystallinity and surface property with a purity of 98% or more, and therefore has a CV characteristic like a YSZ film. In addition, good MOS characteristics can be obtained without any hysteresis. This MIS structure is S
It is very useful as an MIS capacitor for an i-device.
【図1】MISキャパシタの基本構造を示す断面図であ
る。FIG. 1 is a sectional view showing a basic structure of a MIS capacitor.
【図2】MISFETの基本構造を示す断面図である。FIG. 2 is a sectional view showing a basic structure of a MISFET.
【図3】本発明の電子デバイス用基板の製造方法に用い
られる蒸着装置の1例を示す図である。FIG. 3 is a view showing one example of a vapor deposition apparatus used in the method for manufacturing an electronic device substrate of the present invention.
【図4】Zr金属と酸素により形成された1×1の表面
構造を有する実施例1におけるaのSi基板の表面構造
を示す図面代用写真であって、RHEEDパターンを示
すものであり、Si単結晶[110]方向から電子線を
入射した回折パターンである。FIG. 4 is a drawing substitute photograph showing the surface structure of the Si substrate a in Example 1 having a 1 × 1 surface structure formed of Zr metal and oxygen, showing a RHEED pattern, It is a diffraction pattern in which an electron beam was incident from the crystal [110] direction.
【図5】Zr金属と酸素により形成された1×1の表面
構造を有する実施例2におけるbのSi基板の表面構造
を示す図面代用写真であって、RHEEDパターンを示
すものであり、Si単結晶[110]方向から電子線を
入射した回折パターンである。FIG. 5 is a drawing substitute photograph showing a surface structure of a Si substrate b in Example 2 having a 1 × 1 surface structure formed of Zr metal and oxygen, showing a RHEED pattern, It is a diffraction pattern in which an electron beam was incident from the crystal [110] direction.
【図6】Si(100)基板上に得られたZrO2 の膜
構造のX線回折図である。FIG. 6 is an X-ray diffraction diagram of a film structure of ZrO 2 obtained on a Si (100) substrate.
【図7】Si(111)基板上に得られたZrO2 の膜
構造のX線回折図である。FIG. 7 is an X-ray diffraction diagram of a film structure of ZrO 2 obtained on a Si (111) substrate.
【図8】Si(100)基板上に得られたZrO2 の結
晶構造を示す図面代用写真であって、Si単結晶基板の
[110]から電子線を入射した場合のRHEED回折
パターンを示す図である。FIG. 8 is a drawing substitute photograph showing the crystal structure of ZrO 2 obtained on a Si (100) substrate, showing a RHEED diffraction pattern when an electron beam is incident from [110] on a Si single crystal substrate. It is.
【図9】Si(111)基板上に得られたZrO2 の結
晶構造を示す図面代用写真であって、Si単結晶基板の
[110]から電子線を入射した場合のRHEED回折
パターンを示す図である。FIG. 9 is a drawing substitute photograph showing the crystal structure of ZrO 2 obtained on a Si (111) substrate, showing a RHEED diffraction pattern when an electron beam is incident from [110] on a Si single crystal substrate. It is.
【図10】Si(100)基板上のZrO2 薄膜の表面
を示す図面代用写真であって、ZrO2 膜の原子間力顕
微鏡による薄膜表面像である。FIG. 10 is a drawing substitute photograph showing the surface of a ZrO 2 thin film on a Si (100) substrate, and is a thin film surface image of the ZrO 2 film by an atomic force microscope.
【図11】本発明の実施例によるSi(100)基板上
のZrO2 膜を用いたMISキャパシタのC−V特性を
示すグラフ図である。FIG. 11 is a graph showing CV characteristics of a MIS capacitor using a ZrO 2 film on a Si (100) substrate according to an embodiment of the present invention.
【図12】本発明の実施例によるSi(111)基板上
のZrO2 膜を用いたMISキャパシタのC−V特性を
示すグラフ図である。FIG. 12 is a graph showing CV characteristics of a MIS capacitor using a ZrO 2 film on a Si (111) substrate according to an example of the present invention.
【図13】従来例のYSZ膜を用いたMISキャパシタ
のC−V特性を示すグラフ図である。FIG. 13 is a graph showing CV characteristics of a conventional MIS capacitor using a YSZ film.
【図14】本発明の1実施例によるMISFETの製造
方法を説明するための説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram for explaining the method for manufacturing the MISFET according to one embodiment of the present invention.
【図15】(a)は、1×1の表面構造のRHEEDパ
ターンを示す模式図であり、(b)は、2×1、1×
2、あるいはこれらが混合している場合の表面構造のR
HEEDパターンを示す模式図である。FIG. 15A is a schematic diagram illustrating a RHEED pattern having a 1 × 1 surface structure, and FIG. 15B is a schematic diagram illustrating 2 × 1, 1 ×.
2 or R of the surface structure when they are mixed
It is a schematic diagram which shows a HEED pattern.
1 蒸着装置 1a 真空槽 2 単結晶基板 3 ホルダ 4 回転軸 5 モータ 6 ヒータ 7 酸化性ガス供給装置 8 酸化性ガス供給口 9 Zr蒸発部 11 Si単結晶基板 12 誘電体層 13 電極 14 電極 21 Si単結晶基板 22 ゲート酸化物層 23 ソースおよびドレイン 24 ソースおよびドレイン 25 ゲート電極 26 ソースおよびドレイン電極 27 ソースおよびドレイン電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Evaporation apparatus 1a Vacuum tank 2 Single crystal substrate 3 Holder 4 Rotating shaft 5 Motor 6 Heater 7 Oxidizing gas supply device 8 Oxidizing gas supply port 9 Zr evaporator 11 Si single crystal substrate 12 Dielectric layer 13 Electrode 14 Electrode 21 Si Single crystal substrate 22 Gate oxide layer 23 Source and drain 24 Source and drain 25 Gate electrode 26 Source and drain electrode 27 Source and drain electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 27/04 27/108 (56)参考文献 特開 平8−264524(JP,A) 特開 平8−181289(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/314 H01L 21/316 H01L 21/203 H01L 21/31 H01L 27/04 H01L 27/10 ──────────────────────────────────────────────────の Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI H01L 27/04 27/108 (56) References JP-A-8-264524 (JP, A) JP-A 8-181289 (JP, A) (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/314 H01L 21/316 H01L 21/203 H01L 21/31 H01L 27/04 H01L 27/10
Claims (14)
上に形成された絶縁層とを備えるMIS半導体デバイス
において、前記絶縁層が、酸素を除く構成元素に換算し
てZrを93mol%以上含有し、ZrO2 を主成分とす
る単一配向エピタキシャル膜により形成されていること
を特徴とするMIS半導体デバイス。1. An MIS semiconductor device comprising a Si single-crystal substrate and an insulating layer formed on the Si single-crystal substrate, wherein the insulating layer contains 93 mol% or more of Zr in terms of a constituent element excluding oxygen. A MIS semiconductor device comprising a single-oriented epitaxial film containing ZrO 2 as a main component.
の(002)面または(111)面の反射のロッキング
カーブの半値幅が1.5°以下である請求項1のMIS
半導体デバイス。2. The MIS according to claim 1, wherein a half-width of a rocking curve of reflection of a (002) plane or a (111) plane of the epitaxial film forming the insulating layer is 1.5 ° or less.
Semiconductor device.
は、その表面の少なくとも80%が、基準長さ500nm
での十点平均粗さRzが2nm以下である請求項1または
2のMIS半導体デバイス。3. The epitaxial film forming the insulating layer has at least 80% of its surface a reference length of 500 nm.
3. The MIS semiconductor device according to claim 1, wherein the ten-point average roughness Rz is 2 nm or less.
面が、Zr金属と、酸素とにより形成された1×1の表
面構造を有するSi表面処理基板を用いる請求項1ない
し3のいずれかのMIS半導体デバイス。4. The Si single crystal substrate according to claim 1, wherein the substrate surface is a Si surface-treated substrate having a 1 × 1 surface structure formed by Zr metal and oxygen. MIS semiconductor device.
その(100)面または(111)面が基板表面となる
ように用いる請求項1ないし4のいずれかのMIS半導
体デバイス。5. An Si single crystal as the single crystal substrate,
5. The MIS semiconductor device according to claim 1, wherein said (100) plane or (111) plane is used as a substrate surface.
MISキャパシタである請求項1ないし5のいずれかの
MIS半導体デバイス。6. The MIS semiconductor device according to claim 1, wherein a dielectric layer is a MIS capacitor constituted by said insulating layer.
されたMISFETである請求項1ないし6のいずれか
のMIS半導体デバイス。7. The MIS semiconductor device according to claim 1, wherein the gate oxide layer is a MISFET including the insulating layer.
導体デバイスを製造する方法において、真空槽内で、S
i単結晶基板の加熱、真空槽内中への酸化性ガスの導
入、および単結晶基板表面への蒸発によるZrの供給を
行い、前記単結晶基板の基板表面に、ZrO2 薄膜をエ
ピタキシャル成長させてZrO2 を主成分とする単一配
向エピタキシャル膜である絶縁層を形成することを特徴
とするMIS半導体デバイスの製造方法。8. The method for manufacturing a MIS semiconductor device according to claim 1, wherein the S
i. heating the single crystal substrate, introducing an oxidizing gas into the vacuum chamber, and supplying Zr by evaporation to the surface of the single crystal substrate, and epitaxially growing a ZrO 2 thin film on the substrate surface of the single crystal substrate. A method for manufacturing a MIS semiconductor device, comprising forming an insulating layer which is a single-oriented epitaxial film containing ZrO 2 as a main component.
酸化性ガスを噴射し、前記単結晶基板近傍だけ他の部分
より酸化性ガス分圧の高い雰囲気を作る請求項8のMI
S半導体デバイスの製造方法。9. The MI according to claim 8, wherein an oxidizing gas is jetted onto the surface of the single crystal substrate from the vicinity thereof, and an atmosphere having a higher partial pressure of the oxidizing gas than other portions is formed only in the vicinity of the single crystal substrate.
A method for manufacturing an S semiconductor device.
0cm2 以上のものとするとともに、基板面内で回転する
ことにより、前記酸化性ガス高分圧雰囲気でZr蒸発物
を前記単結晶基板の全体にわたって供給し、この単結晶
基板の全基板表面にわたって実質的に均一な単一配向エ
ピタキシャル膜を形成する請求項8または9のMIS半
導体デバイスの製造方法。10. The single-crystal substrate having a substrate surface area of 1
0 cm 2 or more, and by rotating in the substrate plane, the Zr evaporate is supplied over the entire single crystal substrate in the oxidizing gas high partial pressure atmosphere, and over the entire substrate surface of the single crystal substrate. 10. The method for manufacturing a MIS semiconductor device according to claim 8, wherein a substantially uniform single-oriented epitaxial film is formed.
が、Zrと酸素により形成された1×1の表面構造とな
るように前処理したSi単結晶基板を用いることを特徴
とする請求項8ないし10のいずれかのMIS半導体デ
バイスの製造方法。11. A Si single crystal substrate which has been pre-treated so that the substrate surface has a 1 × 1 surface structure formed by Zr and oxygen is used as the Si single crystal substrate. 10. The method for manufacturing a MIS semiconductor device according to any one of the above items.
2〜10nmのSi酸化物層を形成し、この後、真空槽内
で基板温度を600〜1200℃に設定するとともに、
前記真空槽内に酸化性ガスを導入して少なくとも基板近
傍の雰囲気を1×10-4〜1×10-1Torrとし、この状
態で、前記Si酸化物層が形成された基板表面にZrを
蒸発により供給して、前処理したSi単結晶基板を用い
る請求項8ないし11のいずれかのMIS半導体デバイ
スの製造方法。12. The method of claim 1, further comprising the step of: adding 0.1% to the surface of the Si single crystal substrate.
After forming a Si oxide layer of 2 to 10 nm, the substrate temperature is set at 600 to 1200 ° C. in a vacuum chamber,
An oxidizing gas is introduced into the vacuum chamber to at least set the atmosphere near the substrate to 1 × 10 −4 to 1 × 10 −1 Torr. In this state, Zr is applied to the surface of the substrate on which the Si oxide layer is formed. The method for manufacturing a MIS semiconductor device according to claim 8, wherein a pretreated Si single crystal substrate supplied by evaporation is used.
ガスを導入した真空槽内で、Si単結晶基板を300〜
700℃に加熱し、真空槽内の少なくとも基板近傍の雰
囲気の酸素分圧を1×10-4Torr以上として、Si酸化
物層を形成する請求項12のMIS半導体デバイスの製
造方法。13. When forming the Si oxide, the Si single crystal substrate is placed in a vacuum chamber into which an oxidizing gas has been introduced.
13. The method for manufacturing a MIS semiconductor device according to claim 12, wherein the Si oxide layer is formed by heating to 700 ° C. and setting the oxygen partial pressure of the atmosphere in the vacuum chamber at least near the substrate to 1 × 10 −4 Torr or more.
晶を、その(100)面または(111)面が基板表面
となるように用いる請求項8ないし13のいずれかのM
IS半導体デバイスの製造方法。14. The M according to claim 8, wherein a Si single crystal is used as the Si single crystal substrate so that the (100) plane or the (111) plane becomes the substrate surface.
Manufacturing method of IS semiconductor device.
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