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JP3563032B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP3563032B2
JP3563032B2 JP2000383878A JP2000383878A JP3563032B2 JP 3563032 B2 JP3563032 B2 JP 3563032B2 JP 2000383878 A JP2000383878 A JP 2000383878A JP 2000383878 A JP2000383878 A JP 2000383878A JP 3563032 B2 JP3563032 B2 JP 3563032B2
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buffer layer
silicon substrate
titanium
titanium oxide
insulating film
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正人 小山
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  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。特にチタン酸化物をゲート絶縁膜として用いた電界効果トランジスタとその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
ゲート長が0.1μm以下となる電界効果トランジスタの世代では、ゲート絶縁膜がSiO換算膜厚で1.5nm以下で駆動する性能が要求されている。従来どおりゲート絶縁膜にSiOを用いると、厚さが1.5nm以下であるのでトンネル電流が主となるリーク電流が多くなる問題がある。このリーク電流は、比較的消費電力が高くても高速性を求めるロジック回路ですら無視できないほど高く、リーク電流を防止し消費電力を低下することが課題となっている。
【0003】
そこで、SiOよりも比誘電率の大きな高誘電体材料をゲート絶縁膜として利用し、駆動性能を維持しつつ物理的なゲート膜厚を厚くすることでトンネル電流を阻止し、消費電力を低下する技術の研究開発が盛んに行われている。
【0004】
高誘電体材料として検討されている材料としてTiO、Ta、ZrO、HfO、La等の金属酸化物がある。これらの金属酸化物のうちで最も比誘電率が高いのはTiO(チタン酸化物)である。チタン酸化物は、DRAM等のキャパシタの誘電材料としてLSIで常用されてきた実績もあり、チタン酸化物を電界効果トランジスタのゲート絶縁膜として用いる研究開発が盛んになされている。
【0005】
しかしながらチタン酸化物はシリコンと反応性が高く、チタン酸化物をシリコン基板上に堆積する過程で、チタン酸化物膜とシリコン基板との界面に主にSiOからなる界面反応層が2nm以上形成されるという問題がある。
【0006】
このSiOを主とする界面反応層は、比誘電率がSiOなみに低いため、チタン酸化物膜と界面反応層とが積層された絶縁膜では、その電気的容量値がほとんど界面反応層の容量値で決定されてしまうという問題がある。また、このSiOを主とする界面層は厚さが2nm以上必然的に形成されてしまうために、ゲート絶縁膜としてSiO換算での要求される膜厚1.5nm以下を達成できないという問題もある。
【0007】
そこで、この界面反応層を形成しないように、SiONやSiN等の窒素を含む薄膜を、予めシリコン基板上に形成しておき、この窒素を含む薄膜上にチタン酸化物を成膜することが試みられている。しかしながらこの方法では、SiOを主とする界面反応層を抑制することはできるが、窒素を含む薄膜の性質によってゲート絶縁膜とシリコン基板との界面特性が大きく異なる結果をもたらす。例えば、ゲート絶縁膜とシリコン基板との界面付近に存在する窒素によって電気的特性が劣化する場合がある。具体的には、窒素原子による固定電荷に代表される余剰電荷、界面準位などの起源となる欠陥が多数界面に発生し、デバイス特性を劣化させてしまう。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、チタン酸化物を直接シリコン基板上に形成する方法では、シリコンとチタン酸化物とが反応することで、SiOを主とする界面反応層が厚さ2nm以上形成されることにより、絶縁膜容量が実用できない水準にまで低下するという問題がある。
【0009】
また、窒素を含む薄膜をバッファ層として、この界面反応層を抑制する試みがなされているが、こんどは窒素による界面特性の劣化が著しく未だ実用にはいたっていない。
【0010】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、高品質な界面特性を実現し、かつSiO換算で1.5nm以下の性能を有する高い絶縁膜容量の実現及びトンネル電流の抑制とを両立する半導体装置を提供することを目的とする。
【0011】
また、本発明は、このようなゲート絶縁膜をシリコン基板上に形成することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成されたチタン及びシリコンを含む酸化物からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成されたチタン酸化物からなるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記シリコン基板中の前記ゲート絶縁膜下に形成されたチャネル領域と、
前記シリコン基板中に離間して形成され、それらの間に前記チャネル領域を位置するようにして設けられたソース領域及びドレイン領域とを具備し、
前記バッファ層は、膜厚0.5nm以上2nm以下、チタンの原子濃度が1%以上8%以下であることを特徴とする半導体装置。
【0013】
また、前記バッファ層と前記シリコン基板との間に、膜厚1nm以下のSiO層が形成されていてもよい。
【0014】
前記バッファ層は、若干の窒素を含有しても良い。
【0015】
また、本発明は、シリコン基板表面に形成された酸化膜を剥離する工程と、
チタン酸化物をターゲットとし、酸素流量が0sccm以上1.2sccm以下の条件で、スパッタリングすることにより、前記シリコン基板上に、チタン及びシリコンを含む酸化物からなり、膜厚0.5nm以上2nm以下、チタンの原子濃度が1%以上8%以下であるバッファ層を形成する工程と、
チタン酸化物をターゲットとし、酸素流量が10sccm以上の条件で、スパッタリングすることにより、前記バッファ層上に、チタン酸化物からなるゲート絶縁膜を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【0016】
本発明では、SiOを主とする界面反応層を抑制するためにチタン酸化物を形成する前に、予めシリコン基板上にチタン原子、シリコン原子及び酸素原子からなるバッファ層を形成している。そして絶縁膜容量の値を著しく劣化させること無く、さらにシリコン基板との界面特性を高品質に保持するために、バッファ層の構成原料の比及びその膜厚を種々研究した結果、膜厚が2nm以下で、その構成元素がチタン及びシリコンを含む酸化物からなり、さらにそのチタンの原子濃度を1%以上8%以下にすることで上記目的を達成できることを見出した。
【0017】
このときのバッファ層は少なくとも0.5nmの膜厚であればよい。また、原子濃度とはその膜中に存在する全ての原子数に対して、その膜中を構成する原子の割合を表す。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下本発明の好ましい実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
【0019】
先ず、本発明の実施形態を説明するに先立って、従来技術の問題点を見出すために、チタン酸化物膜をシリコン基板上に直接成膜してみた。
【0020】
図1に、従来のCVD(ケミカルベイパーディポジッション)法により、シリコン基板上にチタン酸化膜を成膜したときの概念図を示す。
【0021】
先ず、図1(a)に示すように、予め自然酸化膜を除去したシリコン基板1を用意する。そしてこのシリコン基板1表面上に、チタンを含む有機金属ガス等のチタン原料ガス2及び酸素ガス3をシリコン基板1上に供給する。
【0022】
すると図1(b)に示すように、このCVDによる成膜方法では、シリコン基板1とチタン酸化物膜5の界面にはSiOを主成分とする界面反応層4が厚さ約2nmできてしまう。
【0023】
また、図2に、従来のチタンをターゲットとしたスパッタリング法により、シリコン基板上にチタン酸化膜を成膜した時の概念図を示す。
【0024】
この方法では、先ず、図2(a)に示すように、予め自然酸化膜を除去したシリコン基板1を用意する。そしてこのシリコン基板1表面上に、チタンターゲット6に励起されたアルゴン7を照射して、酸素雰囲気8中にてTi−O及びTiを供給する。
【0025】
すると図2(b)に示すように、このスパッタリングによる成膜法でも、シリコン基板1とチタン酸化物膜5の界面にはSiOを主成分とする界面反応層4が厚さ約2nmできてしまうことがわかった。
【0026】
これらの従来の成膜法に共通しているのは、シリコン基板1上にチタン酸化物が形成される初期の段階に、シリコン表面が多量の酸素に晒されていることである。このことは、化学的に活性なシリコン基板1の表面にチタンよりも酸素を多量に供給してしまうことであり、低誘電率なSiOを主とする界面反応層4を厚さ2nm以上成膜してしまう原因となる。従来は、チタン酸化物のバルク特性を高めるために成膜時に酸素ガスの供給量を過剰する傾向があった。これは一般にチタン酸化物は酸素原子が抜けやすいためで、酸素ガスの供給を過剰にしなければ組成比がストイキオメトリにならないためである。
【0027】
しかしながらこのとき生じる界面反応層は、少なくとも厚さが2nmとなり、さらにSiOを主成分とすることから比誘電率は4程度と低くなり絶縁膜容量が低下してしまう。
【0028】
本発明者らは以上の考察より、最初に酸素ガスの供給量を少なくし或いは全く供給せず、ターゲットとしてチタン酸化膜を用いてチタン酸化膜からなるバッファ層をシリコン基板上に形成する。そしてこのバッファ層上に改めて酸素ガスを十分供給する雰囲気中にて、チタン酸化物をターゲットとしてスパッタリングによりチタン酸化物からなるゲート絶縁膜を形成する。こうすることでSiOを主とする界面反応層の形成を防げることを見出した。
【0029】
図3に、本発明のチタン酸化膜からなるゲート絶縁膜の成膜方法を説明する概念図を示す。
【0030】
先ず、図3(a)に示すように、予め自然酸化膜が除去されたシリコン基板1を用意する。このシリコン基板1の表面上に、チタン酸化物からなるターゲット9に活性化されたアルゴン7を照射しスパッタリングする。こうすることでシリコン基板1上にTi−OやTiが供給される。このときの酸素供給量は極力少なくするか或いは供給を全くしないようにする。しかしながらターゲットをチタン酸化物としたので、このチタン酸化物から酸素8が蒸発しシリコン基板1の表面に供給される。
【0031】
こうして図3(b)に示すように、シリコン基板1上にチタン及びシリコンを含む酸化物からなるバッファ層10が形成される。この反応はチタン酸化物の成膜とシリコン基板1表面の酸化が同時に進行する形となり、バッファ層10にはチタン及びシリコンと酸素が混在することになる。
【0032】
次に、図3(c)に示すように、酸素ガス8を十分に供給し、チタン酸化物ターゲット9に励起したアルゴン7を照射し、バッファ層10上にTi−O及びTiを供給する。このときの反応は酸素ガス8が十分に供給されているので、チタン原子と酸素原子はストイキオメトリに近く非常に電気的特性の優れたチタン酸化物を形成できる。図3(d)は、これによりチタン酸化物からなるゲート絶縁膜11がバッファ層10上に形成された図である。
【0033】
このようにバッファ層を形成するときのプロセスを酸素の供給を少ないかゼロにし、ゲート絶縁膜を形成するときのプロセスを十分な酸素供給の条件で行う2段階プロセスとすることで、バルク特性に優れたチタン酸化物と比誘電率が高いチタン及びシリコンを含む酸化物からなるバッファ層を実現できる。
【0034】
図4は、バッファ層の組成分析結果を示す図である。
【0035】
図4に示すように、バッファ層にはチタン原子、シリコン原子及び酸素原子が含まれることが分かる。上述したようにチタンを含有していることでこのバッファ層はSiOよりも誘電率が高くなる。
【0036】
次に、図5にバッファ層の比誘電率を縦軸、バッファ層中のチタンの原子濃度を横軸にとったグラフを示す。
【0037】
図5から分かるように、TiSi膜中のチタンの原子濃度が高くなるとTiSi膜の誘電率は高くなる。しかしチタン原子の含有量が高くなりすぎると、チタンがTiOとSiOとに相分離し、チタン酸化物の結晶化、それに伴うリーク電流が増大する問題がある。またSiOが相分離することにより比誘電率が低下する問題もある。このTiOとSiOとの相分離はチタンの原子濃度が8%を越える辺りから顕在化することが分かった。そこで本発明ではチタン及びシリコンを含む酸化物からなるバッファ層のうち、チタンの原子濃度を8%以下と規定した。
【0038】
また、図5から分かるように、チタンの原子濃度が低すぎると比誘電率が下がり、チタンの原子濃度が1%よりも低いと比誘電率が5よりも低くなる。このことはバッファ層の膜厚を例えば膜厚2nmとすると、SiO換算膜厚が1.6nmとなり、0.1μm世代のスペックであるSiO換算膜厚が1.5nmを満たすことができない。そこで本発明ではチタンの原子濃度を1%以上と規定した。このときのバッファ層の膜厚は2nm以下としなければならない。本発明の方法では、バッファ層をスパッタ法により形成しているので膜厚の制御は容易にできる。本発明者らの実験では、バッファ層の膜厚を1.5nm以下にすることも可能となっている。バッファ層の膜厚としては、次のチタン酸化物成膜時にSiO界面層が発生しない程度であればよく0.5nm以上であれば良い。ただし0.1nm以下のSiOであればSiO換算膜厚としても十分に薄いので界面層として生じても問題ない。
【0039】
またこれらの考察よりTiSiからなるバッファ層は、チタン原子の原子濃度が2%以上4%以下であることが好ましい。本発明に係るバッファ層は微視的に見るとTiOとSiOの混合物となっていることが好ましい。また、バッファ層において、シリコンは原子濃度で20%以上40%以下、より好ましくは25%以上35%以下である。また酸素の原子濃度は65%以上70%以下であることがシリコン基板とバッファ層の界面特性と絶縁膜容量の向上を両立させるためには好ましい。
【0040】
また、バッファ層に例えば1×1020/cm以下程度の窒素原子が混在しても差し支えない。
【0041】
本発明では、バッファ層の形成時にチタン酸化物成膜初期に酸素流量を抑制することは、バッファ層の膜厚を2nm以下にする効果もある。具体的には酸素を完全に排除することでバッファ層を1.5nm以下にまで薄くできる。
【0042】
本発明では、バッファ層を形成するときの酸素の供給量を0sccm以上、2sccm以下としTiとOの比がストイキオメトリ(TiO)になるよりも十分に低くなるようにしている。ここでバッファ層の厚さやチタン原子の原子濃度、比誘電率はこの酸素供給量によって大きく影響を受ける。比誘電率を高くしてバッファ層の絶縁膜容量を高くするためには、酸素は完全に除去することが好ましい。一方チタンの原子濃度が高くなると若干のリーク電流が流れるため、リーク電流の低さを優先させるためには、若干の酸素を流すことが良い。
【0043】
以上詳述したような方法によって、バッファ層をシリコン基板上に形成したあと、チタン酸化物のバルク特性を高めるのに最適な、酸素大量に供給しながらスパッタする方法を用いると良いてゲート絶縁膜を形成すればよい。
【0044】
図6に、シリコン基板上に、TiSiからなるバッファ層、このバッファ層上に形成されたチタン酸化物膜を示す。
【0045】
図6に示すように、バッファ層のチタンの原子濃度が2%以上8%以下、好ましくは4%以下、膜厚が2nm以下となれば理想的な界面特性を得ることができる。
【0046】
図8は、上述した本発明の方法を用いてゲート絶縁膜を形成した電界効果トランジスタの断面図である。
【0047】
図7に示すように、この電界効果トランジスタは、シリコン基板1と、シリコン基板1上に形成されバッファ層4と、バッファ層4上に形成された多結晶シリコン等からなるゲート絶縁膜5と、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極12とを具備している。
【0048】
バッファ層4は、チタン及びシリコンを含む酸化物から構成され、チタンの原子濃度が1%以上8%以下、膜厚が2nm以下となるように形成されている。ゲート絶縁膜5は、チタン酸化膜で構成されている。
【0049】
バッファ層4/ゲート絶縁膜5/ゲート電極12の積層構造の側壁には、シリコン酸化物或いはシリコン窒化物等からなるゲート側壁15が形成されている。シリコン基板1中のゲート絶縁膜5下の位置には、チャネル領域が形成されている。このチャネル領域を挟む位置には高濃度に不純物を拡散した深い拡散領域13及び浅い拡散領域14が形成され、ソース領域/ドレイン領域を構成している。符号17は素子分離領域である。また、符号18は、深い拡散領域13上に形成されたサリサイド、符号19は、ゲート電極12上に形成されたサリサイドである。
【0050】
次に、図8を参照して、図7に示す電界効果トランジスタの製造方法について説明する。
【0051】
先ず、図8(a)に示すように、シリコン基板1上の所定の位置に、通常の工程によりシリコン酸化物等からなる素子分離領域17を形成する。次に、シリコン基板1上の自然酸化膜を希HF溶液処理により剥離し、シリコン表面を水素終端する。この工程は、Si表面に余分な酸化膜を形成させないために極めて重要である。
【0052】
次に、図8(b)に示すように、シリコン基板1上に、チタン原子、シリコン原子及び酸素原子から構成されるバッファ層17を形成する。この工程は、図3(a)(b)で説明したスパッタ法を用いた。
【0053】
具体的には、TiOをターゲットとして用い、RFスパッタリングにより励起したアルゴンをターゲットに照射して堆積した。この時のガス流量条件は、Arガスを20sccmとし、酸素流量を0sccmから1.2sccmまでの範囲で違う条件でバッファ層を形成した。この工程により、膜厚1.3nm(酸素が0sccmの条件)〜1.8nm(酸素が1.2sccmの条件)のバッファ層を形成した。当然のことながら、素子分離領域17上にはTiOx(x<2)が堆積する。
【0054】
次に、図8(c)に示すように、全面に高誘電率なチタン酸化物膜7を堆積する。この工程は、図3(c)(d)で説明したスパッタ法を用いた。
【0055】
具体的には、TiOをターゲットとして用い、RFスパッタリングにより励起したアルゴンをターゲットに照射し堆積した。この時のガス流量条件は、Arガスを10sccmとし、酸素ガスを10sccmとした。これは組成比がストイキオメトリに近く非常に電気的特性の優れたチタン酸化物を堆積するための条件である。このときのチタン酸化物4の膜厚は、リーク電流のことを考慮して1nm以上であることが好ましい。
【0056】
これらのスパッタ工程は、同じ装置内で、ガス流量条件だけを変更して連続して行った。こうすることで真空が破られることはなく、厳密に管理されたガス雰囲気中において、バッファ層4及びゲート絶縁膜7を形成できる。このことは絶縁膜に対する汚染(炭素、酸素、窒素など)を排除して絶縁膜の特性を向上させるうえで大変重要である。
【0057】
次に、図8(d)に示すように、通常の工程によりTiN、ポリシリコンなどのゲート電極材料を堆積し、エッチングによって加工しゲート電極12を形成する。次に、ゲート電極12をマスクとし、不純物をイオン注入することによって浅い拡散領域14を形成する。次に、全体に酸化シリコン或いは窒化シリコンを堆積し異方性エッチングすることによって、バッファ層4/ゲート絶縁膜5/ゲート電極12の側面にゲート側壁5を形成する。次に、ゲート電極12及びゲート側壁15をマスクとし、不純物をイオン注入することによって深い拡散領域13を形成する。このときの不純物の加速電圧は浅い拡散領域14よりも高くすれば良い。これらの不純物注入は、ゲート電極12中にも同時に行われる。次に、浅い拡散領域14及び深い拡散領域13及びゲート電極12に注入した不純物イオンを活性化のための熱処理を行う。
【0058】
この熱処理温度は、ゲート電極12に用いる材料に依存して若干変化し、典型的には900℃〜1050℃程度の熱処理が必要である。この条件で熱処理した場合のシリコン基板1/TiSiOバッファ層4/チタン酸化物ゲート絶縁膜5ゲート電極12の積層構造の断面図を図9に示す。図9(a)は、熱処理前、図9(b)は熱処理後を示す。
【0059】
チタン酸化物膜5は平坦性を保っていて、Ti−Si−Oバッファ層4は(a)熱処理前と、(b)熱処理後とほとんど膜厚が変化しない。つまりチタン酸化膜5における凝集の問題は無く、バッファ層4の再成長による容量低下の問題もほぼ無視できる。
【0060】
このように、本発明の積層絶縁膜構造は従来のCMOS工程に十分対応できる耐熱性を有している。
【0061】
次に、Coを蒸着して熱処理することによって、図7に示すように深い拡散領域13上にサリサイド18、ゲート電極12上にサリサイド19を形成することによって、前述した電界効果トランジスタを形成できる。
【0062】
図10は、このようにして作成した(a)電界効果トランジスタ及び酸化シリコンをゲート絶縁膜として用いた電界効果トランジスタのゲート電圧とソースドレイン電流の電気的特性を示した図である。
【0063】
本発明の電界効果トランジスタの特性(a)は、界面特性の指標であるSファクタ(ドレイン電流の1桁変化に対するゲート電圧の変化量)が、シリコン酸化膜をゲート絶縁膜として用いた電界効果トランジスタの特性(b)とほぼ同程度であり、高品質な界面特性を示していることが分かる。
【0064】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、高品質な界面特性を実現し、かつSiO換算で1.5nm以下の性能を有する高い絶縁膜容量の実現及びトンネル電流の抑制とを両立する半導体装置を提供することができる。
【0065】
また、本発明は、このようなゲート絶縁膜をシリコン基板上に形成することができる半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】CVDによりシリコン基板上にチタン酸化物膜を堆積する工程を示す図。
【図2】反応性スパッタによりシリコン基板上にチタン酸化物膜を堆積する工程を示す図。
【図3】本発明に係る方法によりシリコン基板上にバッファ層及びチタン酸化物膜をこの順に堆積する工程を示す図。
【図4】本発明に係る方法により堆積したバッファ層の元素分析結果を示す図。
【図5】本発明に係る方法により堆積したバッファ膜の比誘電率とTi原子の原子濃度の関係を示す実験結果を示す図。
【図6】本発明に係る方法により堆積したシリコン基板/TiSiOバッファ層/チタン酸化物膜の断面図。
【図7】本発明に係る電界効果トランジスタの断面図。
【図8】本発明に係る電界効果トランジスタの製造工程を説明するための図であり、図8(a)(b)(c)(d)は各工程における断面図。
【図9】本発明のシリコン基板/バッファ層/チタン酸化膜ゲート絶縁膜/ゲート電極における積層構造の熱処理前後の断面図であり、図9(a)は熱処理前、図9(b)は熱処理後のもの。
【図10】本発明に係る電界効果トランジスタ及びシリコン酸化物をゲート絶縁膜に用いた電界効果トランジスタの電圧電流特性図。
【符号の説明】
1・・・シリコン基板
2・・・チタン原料
3・・・酸素原料
4・・・SiOを主とする界面反応層
5・・・チタン酸化膜
6・・・チタンターゲット
7・・・アルゴン
8・・・酸素
9・・・チタン酸化物ターゲット
10・・・バッファ層
11・・・チタン酸化物膜
12・・・ゲート電極
13・・・深い拡散領域
14・・・浅い拡散領域
15・・・ゲート側壁
16・・・TiO
17・・・素子分離領域
18・・・サリサイド
19・・・サリサイド
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the same. In particular, the present invention relates to a field effect transistor using titanium oxide as a gate insulating film and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In the field-effect transistor generation in which the gate length is 0.1 μm or less, the performance that the gate insulating film is driven at 1.5 nm or less in terms of SiO 2 is required. If SiO 2 is used for the gate insulating film as in the related art, there is a problem that a leak current mainly consisting of a tunnel current increases because the thickness is 1.5 nm or less. This leakage current is so high that even a logic circuit that requires high speed even with relatively high power consumption cannot be ignored, and it is an issue to prevent the leakage current and reduce the power consumption.
[0003]
Therefore, a high dielectric material having a relative dielectric constant larger than that of SiO 2 is used as the gate insulating film, and a tunnel current is prevented by increasing the physical gate thickness while maintaining the driving performance, thereby reducing power consumption. The research and development of the technology to be performed is actively performed.
[0004]
Materials examined as high dielectric materials include metal oxides such as TiO 2 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 , HfO 2 , and La 2 O 3 . Among these metal oxides, TiO 2 (titanium oxide) has the highest relative dielectric constant. Titanium oxide has a track record of being commonly used in LSIs as a dielectric material for capacitors such as DRAMs, and research and development using titanium oxide as a gate insulating film of a field effect transistor have been actively conducted.
[0005]
However, titanium oxide has high reactivity with silicon, and in the process of depositing titanium oxide on a silicon substrate, an interface reaction layer mainly composed of SiO 2 is formed at an interface between the titanium oxide film and the silicon substrate of 2 nm or more. Problem.
[0006]
Since the interface reaction layer mainly composed of SiO 2 has a relative dielectric constant as low as that of SiO 2 , the insulating film in which the titanium oxide film and the interface reaction layer are laminated has almost the same electric capacitance value as the interface reaction layer. Is determined by the capacitance value of In addition, since the thickness of the interface layer mainly composed of SiO 2 is inevitably 2 nm or more, a required thickness of 1.5 nm or less in terms of SiO 2 cannot be achieved as a gate insulating film. There is also.
[0007]
In order to prevent the formation of the interface reaction layer, it has been attempted to form a thin film containing nitrogen such as SiON or SiN on a silicon substrate in advance and form a titanium oxide film on the thin film containing nitrogen. Have been. However, in this method, although the interface reaction layer mainly composed of SiO 2 can be suppressed, the interface characteristics between the gate insulating film and the silicon substrate greatly differ depending on the properties of the nitrogen-containing thin film. For example, electric characteristics may be degraded by nitrogen existing near the interface between the gate insulating film and the silicon substrate. Specifically, a large number of defects, such as excess charge typified by fixed charges due to nitrogen atoms and interface levels, occur at the interface, deteriorating the device characteristics.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the method of forming titanium oxide directly on a silicon substrate, the interface reaction layer mainly composed of SiO 2 is formed to a thickness of 2 nm or more by reacting silicon and titanium oxide. In addition, there is a problem that the capacitance of the insulating film is reduced to a level that cannot be practically used.
[0009]
Attempts have been made to suppress this interfacial reaction layer by using a thin film containing nitrogen as a buffer layer. However, the deterioration of the interfacial properties due to nitrogen has been remarkable, but has not yet reached practical use.
[0010]
The present invention has been made to solve the above problems, and realizes a high-quality interface characteristic, realizes a high insulating film capacity having a performance of 1.5 nm or less in terms of SiO 2 , and suppresses a tunnel current. It is an object of the present invention to provide a semiconductor device that achieves both.
[0011]
Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of forming such a gate insulating film on a silicon substrate.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the present invention provides a silicon substrate,
A buffer layer made of an oxide containing titanium and silicon formed on the silicon substrate,
A gate insulating film made of titanium oxide formed on the buffer layer,
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A channel region formed under the gate insulating film in the silicon substrate;
A source region and a drain region formed apart from each other in the silicon substrate and provided so as to locate the channel region therebetween;
The semiconductor device, wherein the buffer layer has a thickness of 0.5 nm or more and 2 nm or less and an atomic concentration of titanium of 1% or more and 8% or less.
[0013]
Further, an SiO 2 layer having a thickness of 1 nm or less may be formed between the buffer layer and the silicon substrate.
[0014]
The buffer layer may contain some nitrogen.
[0015]
Further, the present invention, the step of peeling the oxide film formed on the silicon substrate surface,
By sputtering with a target of titanium oxide and an oxygen flow rate of 0 sccm or more and 1.2 sccm or less, an oxide containing titanium and silicon is formed on the silicon substrate, and a film thickness of 0.5 nm or more and 2 nm or less, Forming a buffer layer having an atomic concentration of titanium of 1% or more and 8% or less;
Forming a gate insulating film made of titanium oxide on the buffer layer by sputtering with a target of titanium oxide and an oxygen flow rate of 10 sccm or more. And a method for producing the same.
[0016]
In the present invention, a buffer layer composed of titanium atoms, silicon atoms, and oxygen atoms is previously formed on a silicon substrate before forming a titanium oxide in order to suppress an interface reaction layer mainly composed of SiO 2 . In order to maintain the quality of the interface with the silicon substrate at a high quality without significantly deteriorating the value of the insulating film capacitance, the ratio of the constituent materials of the buffer layer and the thickness thereof were studied in various ways. In the following, it has been found that the above object can be achieved by setting the constituent element to an oxide containing titanium and silicon, and setting the atomic concentration of titanium to 1% or more and 8% or less.
[0017]
The buffer layer at this time may have a thickness of at least 0.5 nm. In addition, the atomic concentration indicates the ratio of the atoms constituting the film to the total number of atoms existing in the film.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0019]
First, prior to describing an embodiment of the present invention, a titanium oxide film was formed directly on a silicon substrate in order to find out the problems of the prior art.
[0020]
FIG. 1 shows a conceptual diagram when a titanium oxide film is formed on a silicon substrate by a conventional CVD (chemical vapor deposition) method.
[0021]
First, as shown in FIG. 1A, a silicon substrate 1 from which a natural oxide film has been removed in advance is prepared. Then, a titanium source gas 2 such as an organic metal gas containing titanium and an oxygen gas 3 are supplied onto the silicon substrate 1 on the surface of the silicon substrate 1.
[0022]
Then, as shown in FIG. 1B, in this film forming method by CVD, an interface reaction layer 4 mainly composed of SiO 2 is formed at the interface between the silicon substrate 1 and the titanium oxide film 5 to a thickness of about 2 nm. I will.
[0023]
FIG. 2 shows a conceptual diagram when a titanium oxide film is formed on a silicon substrate by a conventional sputtering method using titanium as a target.
[0024]
In this method, first, as shown in FIG. 2A, a silicon substrate 1 from which a natural oxide film has been removed in advance is prepared. The surface of the silicon substrate 1 is irradiated with the excited argon 7 on the titanium target 6 to supply Ti—O and Ti in an oxygen atmosphere 8.
[0025]
Then, as shown in FIG. 2B, even in this film forming method by sputtering, an interface reaction layer 4 containing SiO 2 as a main component is formed on the interface between the silicon substrate 1 and the titanium oxide film 5 to a thickness of about 2 nm. I found out.
[0026]
What is common to these conventional film forming methods is that the silicon surface is exposed to a large amount of oxygen at the initial stage when the titanium oxide is formed on the silicon substrate 1. This means that a larger amount of oxygen is supplied to the surface of the chemically active silicon substrate 1 than titanium, and the interface reaction layer 4 mainly composed of SiO 2 having a low dielectric constant has a thickness of 2 nm or more. It causes filming. Conventionally, there has been a tendency for the supply amount of oxygen gas to be excessive during film formation in order to enhance the bulk characteristics of titanium oxide. This is because oxygen atoms are generally easily released from titanium oxide, and the composition ratio does not become stoichiometric unless the supply of oxygen gas is excessive.
[0027]
However, the interfacial reaction layer formed at this time has a thickness of at least 2 nm and further contains SiO 2 as a main component, so that the relative dielectric constant is as low as about 4 and the insulating film capacity is reduced.
[0028]
From the above considerations, the present inventors first form a buffer layer made of a titanium oxide film on a silicon substrate using a titanium oxide film as a target, with the supply amount of oxygen gas being reduced or not supplied at all. Then, a gate insulating film made of titanium oxide is formed on the buffer layer again by sputtering in an atmosphere in which oxygen gas is sufficiently supplied, using titanium oxide as a target. By doing so, it has been found that formation of an interface reaction layer mainly composed of SiO 2 can be prevented.
[0029]
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a method for forming a gate insulating film made of a titanium oxide film according to the present invention.
[0030]
First, as shown in FIG. 3A, a silicon substrate 1 from which a natural oxide film has been removed in advance is prepared. On the surface of this silicon substrate 1, a target 9 made of titanium oxide is irradiated with activated argon 7 and sputtered. By doing so, Ti—O or Ti is supplied onto the silicon substrate 1. At this time, the supply amount of oxygen is reduced as much as possible or not supplied at all. However, since the target is titanium oxide, oxygen 8 evaporates from the titanium oxide and is supplied to the surface of the silicon substrate 1.
[0031]
Thus, as shown in FIG. 3B, a buffer layer 10 made of an oxide containing titanium and silicon is formed on the silicon substrate 1. In this reaction, the formation of titanium oxide and the oxidation of the surface of the silicon substrate 1 proceed simultaneously, and titanium, silicon, and oxygen are mixed in the buffer layer 10.
[0032]
Next, as shown in FIG. 3C, the oxygen gas 8 is sufficiently supplied, the titanium oxide target 9 is irradiated with the excited argon 7, and Ti—O and Ti are supplied onto the buffer layer 10. In this reaction, since the oxygen gas 8 is sufficiently supplied, the titanium atoms and the oxygen atoms are close to stoichiometry and can form a titanium oxide having excellent electric characteristics. FIG. 3D is a diagram in which the gate insulating film 11 made of titanium oxide is formed on the buffer layer 10 by this.
[0033]
As described above, the process for forming the buffer layer is a two-stage process in which the supply of oxygen is reduced to zero or zero, and the process for forming the gate insulating film is performed under a condition of sufficient oxygen supply. A buffer layer made of an excellent titanium oxide and an oxide containing titanium and silicon having a high relative dielectric constant can be realized.
[0034]
FIG. 4 is a diagram showing a composition analysis result of the buffer layer.
[0035]
As shown in FIG. 4, it can be seen that the buffer layer contains titanium atoms, silicon atoms, and oxygen atoms. As described above, by containing titanium, the buffer layer has a higher dielectric constant than SiO 2 .
[0036]
Next, FIG. 5 shows a graph in which the vertical axis indicates the relative dielectric constant of the buffer layer and the horizontal axis indicates the atomic concentration of titanium in the buffer layer.
[0037]
As it can be seen from FIG. 5, the dielectric constant of the TiSi x O y film when the atomic concentration of titanium in TiSi x O y film is high increases. However, if the content of titanium atoms is too high, there is a problem that titanium separates into TiO 2 and SiO 2 , which causes crystallization of titanium oxide and an accompanying increase in leakage current. There is also a problem that the relative dielectric constant is reduced due to phase separation of SiO 2 . It was found that this phase separation between TiO 2 and SiO 2 became apparent around the point where the atomic concentration of titanium exceeded 8%. Therefore, in the present invention, the atomic concentration of titanium in the buffer layer made of an oxide containing titanium and silicon is specified to be 8% or less.
[0038]
Also, as can be seen from FIG. 5, when the atomic concentration of titanium is too low, the relative dielectric constant decreases, and when the atomic concentration of titanium is lower than 1%, the relative dielectric constant becomes lower than 5. This means that the thickness of the buffer layer thickness, for example 2 nm, becomes equivalent SiO 2 thickness 1.6 nm, is equivalent SiO 2 thickness is spec 0.1μm generation can not meet the 1.5 nm. Therefore, in the present invention, the atomic concentration of titanium is specified to be 1% or more. At this time, the thickness of the buffer layer must be 2 nm or less. In the method of the present invention, since the buffer layer is formed by the sputtering method, the thickness can be easily controlled. In experiments conducted by the present inventors, it is possible to reduce the thickness of the buffer layer to 1.5 nm or less. The thickness of the buffer layer may be such that an SiO 2 interface layer is not generated during the next titanium oxide film formation, and may be 0.5 nm or more. However, if it is SiO 2 of 0.1 nm or less, even if it is formed as an interface layer, there is no problem even if the SiO 2 equivalent film thickness is sufficiently thin.
[0039]
The buffer layer consisting of TiSi x O y From these considerations, it is preferred atomic concentration of titanium atoms is 4% or less than 2%. The buffer layer according to the present invention is preferably microscopically a mixture of TiO 2 and SiO 2 . In the buffer layer, silicon has an atomic concentration of 20% or more and 40% or less, and more preferably 25% or more and 35% or less. The atomic concentration of oxygen is preferably 65% or more and 70% or less in order to achieve both the interface characteristics between the silicon substrate and the buffer layer and the improvement of the insulating film capacity.
[0040]
In addition, for example, about 1 × 10 20 / cm 3 or less of nitrogen atoms may be mixed in the buffer layer.
[0041]
In the present invention, suppressing the oxygen flow rate at the beginning of the titanium oxide film formation when forming the buffer layer also has the effect of reducing the thickness of the buffer layer to 2 nm or less. Specifically, the buffer layer can be thinned to 1.5 nm or less by completely eliminating oxygen.
[0042]
In the present invention, the supply amount of oxygen at the time of forming the buffer layer is set to 0 sccm or more and 2 sccm or less so that the ratio of Ti to O is sufficiently lower than that of stoichiometry (TiO 2 ). Here, the thickness of the buffer layer, the atomic concentration of titanium atoms, and the relative dielectric constant are greatly affected by the amount of supplied oxygen. In order to increase the relative dielectric constant and increase the insulating film capacity of the buffer layer, it is preferable to completely remove oxygen. On the other hand, when the atomic concentration of titanium increases, a slight leak current flows. Therefore, in order to give priority to a low leak current, it is preferable to flow a slight amount of oxygen.
[0043]
After forming the buffer layer on the silicon substrate by the method as described in detail above, it is preferable to use a method of sputtering while supplying a large amount of oxygen, which is optimal for improving the bulk characteristics of titanium oxide. May be formed.
[0044]
FIG. 6 shows a buffer layer made of TiSi x O y on a silicon substrate and a titanium oxide film formed on the buffer layer.
[0045]
As shown in FIG. 6, if the atomic concentration of titanium in the buffer layer is 2% or more and 8% or less, preferably 4% or less, and the film thickness is 2 nm or less, ideal interface characteristics can be obtained.
[0046]
FIG. 8 is a cross-sectional view of a field-effect transistor in which a gate insulating film is formed using the above-described method of the present invention.
[0047]
As shown in FIG. 7, this field-effect transistor includes a silicon substrate 1, a buffer layer 4 formed on the silicon substrate 1, a gate insulating film 5 made of polysilicon or the like formed on the buffer layer 4, And a gate electrode 12 formed on the gate insulating film.
[0048]
The buffer layer 4 is made of an oxide containing titanium and silicon, and is formed so that the atomic concentration of titanium is 1% or more and 8% or less and the film thickness is 2 nm or less. Gate insulating film 5 is composed of a titanium oxide film.
[0049]
A gate side wall 15 made of silicon oxide or silicon nitride is formed on the side wall of the stacked structure of the buffer layer 4 / gate insulating film 5 / gate electrode 12. At a position below the gate insulating film 5 in the silicon substrate 1, a channel region is formed. A deep diffusion region 13 and a shallow diffusion region 14 in which impurities are diffused at a high concentration are formed at positions sandwiching the channel region, and constitute a source region / drain region. Reference numeral 17 denotes an element isolation region. Reference numeral 18 denotes a salicide formed on the deep diffusion region 13, and reference numeral 19 denotes a salicide formed on the gate electrode 12.
[0050]
Next, a method of manufacturing the field-effect transistor shown in FIG. 7 will be described with reference to FIG.
[0051]
First, as shown in FIG. 8A, an element isolation region 17 made of silicon oxide or the like is formed at a predetermined position on the silicon substrate 1 by a normal process. Next, the natural oxide film on the silicon substrate 1 is peeled off by dilute HF solution treatment, and the silicon surface is terminated with hydrogen. This step is extremely important to prevent an extra oxide film from being formed on the Si surface.
[0052]
Next, as shown in FIG. 8B, a buffer layer 17 composed of titanium atoms, silicon atoms, and oxygen atoms is formed on the silicon substrate 1. In this step, the sputtering method described with reference to FIGS.
[0053]
Specifically, TiO 2 was used as a target, and the target was irradiated with argon excited by RF sputtering to deposit. The gas flow conditions at this time were such that the Ar gas was 20 sccm, and the buffer layer was formed under different conditions in the range of oxygen flow from 0 sccm to 1.2 sccm. By this step, a buffer layer having a thickness of 1.3 nm (under the condition of oxygen at 0 sccm) to 1.8 nm (under the condition of oxygen at 1.2 sccm) was formed. As a matter of course, TiOx (x <2) is deposited on the element isolation region 17.
[0054]
Next, as shown in FIG. 8C, a titanium oxide film 7 having a high dielectric constant is deposited on the entire surface. In this step, the sputtering method described with reference to FIGS.
[0055]
Specifically, TiO 2 was used as a target, and the target was irradiated with argon excited by RF sputtering to deposit. The gas flow conditions at this time were 10 sccm for Ar gas and 10 sccm for oxygen gas. This is a condition for depositing a titanium oxide having a composition ratio close to stoichiometry and having extremely excellent electric characteristics. At this time, the thickness of the titanium oxide 4 is preferably 1 nm or more in consideration of a leak current.
[0056]
These sputtering steps were performed continuously in the same apparatus, with only the gas flow conditions changed. By doing so, the buffer layer 4 and the gate insulating film 7 can be formed in a strictly controlled gas atmosphere without breaking the vacuum. This is very important in improving the characteristics of the insulating film by eliminating contamination (carbon, oxygen, nitrogen, etc.) on the insulating film.
[0057]
Next, as shown in FIG. 8D, a gate electrode material such as TiN or polysilicon is deposited by a normal process, and processed by etching to form a gate electrode 12. Next, using the gate electrode 12 as a mask, a shallow diffusion region 14 is formed by ion-implanting impurities. Next, silicon oxide or silicon nitride is entirely deposited and anisotropically etched to form gate sidewalls 5 on the side surfaces of buffer layer 4 / gate insulating film 5 / gate electrode 12. Next, a deep diffusion region 13 is formed by ion-implanting impurities using the gate electrode 12 and the gate side wall 15 as a mask. The acceleration voltage of the impurity at this time may be higher than that of the shallow diffusion region 14. These impurity implantations are simultaneously performed in the gate electrode 12. Next, heat treatment for activating the impurity ions implanted into the shallow diffusion region 14, the deep diffusion region 13, and the gate electrode 12 is performed.
[0058]
This heat treatment temperature varies slightly depending on the material used for the gate electrode 12, and typically requires a heat treatment of about 900 ° C. to 1050 ° C. FIG. 9 is a cross-sectional view of a laminated structure of the silicon substrate 1 / TiSiO buffer layer 4 / titanium oxide gate insulating film 5 and gate electrode 12 when heat treatment is performed under these conditions. FIG. 9A shows the state before the heat treatment, and FIG. 9B shows the state after the heat treatment.
[0059]
The titanium oxide film 5 keeps flatness, and the thickness of the Ti—Si—O buffer layer 4 hardly changes between (a) before the heat treatment and (b) after the heat treatment. That is, there is no problem of aggregation in the titanium oxide film 5, and the problem of capacity reduction due to the regrowth of the buffer layer 4 can be almost ignored.
[0060]
As described above, the laminated insulating film structure of the present invention has heat resistance enough to cope with the conventional CMOS process.
[0061]
Next, by depositing Co and performing a heat treatment, the salicide 18 is formed on the deep diffusion region 13 and the salicide 19 is formed on the gate electrode 12 as shown in FIG.
[0062]
FIG. 10 is a diagram showing the electrical characteristics of the gate voltage and the source / drain current of the field effect transistor (a) and the field effect transistor using silicon oxide as the gate insulating film thus formed.
[0063]
The characteristic (a) of the field effect transistor of the present invention is that the S factor (the amount of change in the gate voltage with respect to a single digit change in the drain current), which is an index of the interface characteristics, is such that This is almost the same as the characteristic (b) of FIG.
[0064]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, a semiconductor which realizes high-quality interface characteristics, realizes a high insulating film capacity having a performance of 1.5 nm or less in terms of SiO 2 , and suppresses a tunnel current. An apparatus can be provided.
[0065]
Further, the present invention can provide a method for manufacturing a semiconductor device capable of forming such a gate insulating film on a silicon substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a step of depositing a titanium oxide film on a silicon substrate by CVD.
FIG. 2 is a view showing a step of depositing a titanium oxide film on a silicon substrate by reactive sputtering.
FIG. 3 is a view showing a step of depositing a buffer layer and a titanium oxide film on a silicon substrate in this order by a method according to the present invention.
FIG. 4 is a view showing an elemental analysis result of a buffer layer deposited by a method according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing experimental results showing the relationship between the relative dielectric constant of a buffer film deposited by the method according to the present invention and the atomic concentration of Ti atoms.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a silicon substrate / TiSiO buffer layer / titanium oxide film deposited by a method according to the present invention.
FIG. 7 is a sectional view of a field-effect transistor according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram for explaining a manufacturing process of the field-effect transistor according to the present invention, and FIGS. 8A, 8B, 8C, and 8D are cross-sectional views in each process.
9 is a cross-sectional view before and after heat treatment of a laminated structure of the silicon substrate / buffer layer / titanium oxide film gate insulating film / gate electrode of the present invention, FIG. 9 (a) before heat treatment, and FIG. 9 (b) The latter one.
FIG. 10 is a voltage-current characteristic diagram of a field-effect transistor according to the present invention and a field-effect transistor using silicon oxide for a gate insulating film.
[Explanation of symbols]
1 ... silicon substrate 2 ... titanium material 3 ... oxygen source 4 ... of SiO 2 as a main interface reaction layer 5: titanium oxide film 6 ... titanium target 7 ... Argon 8 ... Oxygen 9 ... Titanium oxide target 10 ... Buffer layer 11 ... Titanium oxide film 12 ... Gate electrode 13 ... Deep diffusion region 14 ... Shallow diffusion region 15 ... Gate sidewall 16: TiO 2
17 element isolation region 18 salicide 19 salicide

Claims (3)

シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成されたチタン及びシリコンを含む酸化物からなるバッファ層と、
前記バッファ層上に形成されたチタン酸化物からなるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記シリコン基板中の前記ゲート絶縁膜下に形成されたチャネル領域と、
前記シリコン基板中に離間して形成され、それらの間に前記チャネル領域を位置するようにして設けられたソース領域及びドレイン領域とを具備し、
前記バッファ層は、膜厚0.5nm以上2nm以下、チタンの原子濃度が1%以上8%以下であることを特徴とする半導体装置。
A silicon substrate,
A buffer layer made of an oxide containing titanium and silicon formed on the silicon substrate,
A gate insulating film made of titanium oxide formed on the buffer layer,
A gate electrode formed on the gate insulating film;
A channel region formed under the gate insulating film in the silicon substrate;
A source region and a drain region formed apart from each other in the silicon substrate and provided so as to locate the channel region therebetween;
The semiconductor device, wherein the buffer layer has a thickness of 0.5 nm or more and 2 nm or less and an atomic concentration of titanium of 1% or more and 8% or less.
前記バッファ層と前記シリコン基板との間に、膜厚1nm以下のSiO層が形成されていることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein an SiO 2 layer having a thickness of 1 nm or less is formed between said buffer layer and said silicon substrate. シリコン基板表面に形成された酸化膜を剥離する工程と、
チタン酸化物をターゲットとし、酸化流量が0sccm以上1.2sccm以下の条件で、スパッタリングすることにより、前記シリコン基板上に、チタン及びシリコンを含む酸化物からなり、膜厚0.5nm以上2nm以下、チタンの原子濃度が1%以上8%以下であるバッファ層を形成する工程と、
チタン酸化物をターゲットとし、酸素流量が10sccm以上の条件で、スパッタリングすることにより、前記バッファ層上に、チタン酸化物からなるゲート絶縁膜を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Removing the oxide film formed on the silicon substrate surface,
By sputtering with a titanium oxide target under an oxidation flow rate of 0 sccm or more and 1.2 sccm or less, an oxide containing titanium and silicon is formed on the silicon substrate, and a film thickness of 0.5 nm or more and 2 nm or less, Forming a buffer layer having an atomic concentration of titanium of 1% or more and 8% or less;
Forming a gate insulating film made of titanium oxide on the buffer layer by sputtering with a target of titanium oxide and an oxygen flow rate of 10 sccm or more. Manufacturing method.
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