JP2002110969A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコン基板との界面にSiO₂層を形成するこ
となくチタン酸化物を形成して、SiO₂換算1.5nmの絶縁
膜容量を有するゲート絶縁膜を形成し得るMIS電界効果
トランジスタを製造することのできる半導体装置の製造
方法を提供する。 【解決手段】 ＭＩＳ電界効果トランジスタを製造する
に当たり、シリコン基板（２０）上に、直接あるいはＳ
ｉＯ₂換算２ｎｍ以下の界面遷移層を介して、非晶質あ
るいは一部にルチル結晶を含む形態のチタン酸化物（２
３）を１０ｎｍ以下の膜厚で堆積する工程、および、前
記チタン酸化物が形成された前記シリコン基板を１５℃
／ｓｅｃ以上の昇温速度で熱処理することによって、膜
厚１０ｎｍ以下、比誘電率４０以上でルチル結晶を含む
チタン酸化物（２４）を形成して、ゲート絶縁膜を得る
工程を具備することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置および
その製造方法に係り、特にチタン酸化物をゲート絶縁膜
として使用するＭＩＳ電界効果トランジスタを備える半
導体装置およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】サブ０．１μｍ世代のＣＭＯＳ（Ｃｏｍ
ｐｌｅｍｅｎｔａｌｙ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅ
ｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）デバイスにおけるゲート絶縁
膜は、ＳｉＯ₂換算で１．５ｎｍという高いスペックが
要求されている。厚さ１．５ｎｍのＳｉＯ₂は、絶縁性
が悪いためゲート絶縁膜として実用できない。そこで、
ＳｉＯ₂よりも比誘電率の大きな材料を利用してゲート
絶縁膜の物理的な膜厚を大きくすることによって絶縁性
を確保しつつ、ＳｉＯ₂換算１．５ｎｍの絶縁膜容量を
得るという、いわゆるＨｉｇｈ−Ｋ絶縁膜技術の研究開
発が盛んに行なわれている。

【０００３】Ｈｉｇｈ−Ｋ材料の性能でもっとも重要な
のはその比誘電率である。なんとなれば、同じＳｉＯ₂
換算膜厚を得るために必要とされるＨｉｇｈ−Ｋ絶縁膜
の物理膜厚は、その比誘電率が高いほど厚くすることが
できるので、リーク電流をより低減することができるた
めである。

【０００４】実用が検討されているＴａ₂Ｏ₅、Ｔｉ
Ｏ₂、ＺｒＯ₂、ＨｆＯ₂、およびＬａ₂Ｏ ₃などのＨｉｇ
ｈ−Ｋ材料のうちで最も比誘電率が高いのはＴｉＯ₂で
あり、ＬＳＩのゲート絶縁膜の有力候補とされている。
しかしながら、チタン酸化物の最も好ましい性質である
比誘電率の高さが、現実にゲート絶縁膜として使用され
る水準の薄膜では必ずしも維持できないという現象が複
数の研究で確認されている。

【０００５】ここで、図１を参照して、チタン酸化物の
物理膜厚の変化に伴う比誘電率の変化について説明す
る。図１のグラフには、チタン酸化物の物理膜厚と比誘
電率との関係を示した。チタン酸化物は、ＴｉＯ₂ター
ゲットを用いてＲＦスパッタリングによりＳｉ基板上に
堆積した後、酸素雰囲気で加熱処理（８００℃）を施す
ことにより形成したものである。チタン酸化物の膜厚が
減少するにしたがって、その比誘電率が低下することが
図１のグラフに表わされており、特に膜厚２０ｎｍと５
０ｎｍとの間で、比誘電率は臨界的な変化を示してい
る。２０ｎｍ以下の膜厚で形成されたチタン酸化物では
比誘電率＜４０であり、チタン酸化物以外のＨｉｇｈ−
Ｋ材料と同程度の値になってしまう。

【０００６】チタン酸化物の薄膜化に伴なう比誘電率劣
化の原因は、その結晶構造の違いにある。チタン酸化物
にはいくつかの結晶形態が存在するが、代表的なものは
比誘電率の高いルチル結晶（ε＞９０）と比誘電率の低
いアナターゼ結晶（ε〜３０）との２つである。図１の
グラフに示された範囲の膜厚のチタン酸化物をＸ線回折
法により調べたところ、膜厚が５０ｎｍ以上の場合には
ルチル結晶が支配的であるのに対して、２０ｎｍ以下の
膜厚ではルチル結晶よりもアナターゼ結晶の方が支配的
であった。特に、膜厚１０ｎｍの薄膜では、アナターゼ
結晶単相の膜である。

【０００７】１０ｎｍ以下の薄いチタン酸化膜の結晶構
造がルチル結晶にならないという現象は、ＴｉＯ₂のＲ
Ｆスパッタリングという製造方法に特有なものではな
い。例えばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、反応性スパッタリング法など
により形成されたチタン酸化物についても、その結晶構
造がアナターゼ結晶であることが報告されている。

【０００８】これらの実験結果に共通しているのは、８
００〜９００℃という、チタン酸化物のバルク結晶では
アナターゼ結晶からルチル結晶への相転移に十分な高温
で加熱処理しているにもかかわらず、アナターゼ結晶が
安定に存在しているという点である。ちなみに、ＴｉＯ
₂のＲＦスパッタリングにより形成された膜厚１０ｎｍ
のチタン酸化物の場合、１０００℃で加熱したところで
ルチル結晶への相転移は認められなかった。チタン酸化
物の膜厚が１０ｎｍ程度に薄くなった際に、アナターゼ
結晶からルチル結晶への相転移が阻害されているものと
考えられる。

【０００９】薄膜のチタン酸化物でルチル結晶を得る方
法としては、チタン窒化物を酸素雰囲気中で熱処理する
方法が挙げられる。この方法によれば、１０ｎｍ程度の
薄膜の場合であっても、チタン酸化物は最も安定なルチ
ル結晶となる。チタン窒化物を酸化するこの手法では、
準安定相であるアナターゼ結晶が形成されない。したが
って、薄膜化に伴なうアナターゼ結晶からルチル結晶へ
の相転移阻害の影響を回避できるためである。

【００１０】しかしながら、上述したような手法でルチ
ル結晶を得るためには、少なくとも７００℃以上の酸素
雰囲気中での加熱が必要である。このような環境では、
雰囲気から拡散した酸素によって、チタン酸化物の下に
存在するシリコン基板の酸化が進行してしまうという問
題がある。例えば７００℃で加熱すると、少なくとも２
ｎｍ以上のシリコン酸化膜がチタン酸化膜とＳｉ基板と
の間に形成される。ゲート絶縁膜の構造としてチタン酸
化物／シリコン酸化膜積層となることは、界面特性の点
から悪いことではないが、シリコン酸化膜が２ｎｍ以上
になってしまうことは、チタン酸化膜との積層で２ｎｍ
以上の性能しか得られないことを意味している。したが
って、ＳｉＯ₂換算１．５ｎｍという性能を得るために
は、この手法は用いることができない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
のチタン酸化物の製造方法では、実際にゲート絶縁膜で
使用される１０ｎｍ以下の膜厚では結晶構造がルチル結
晶にならず、他の材料に対する誘電率の高さという優位
性が得られなかった。チタン窒化物を酸化すれば、ルチ
ル結晶を含む膜厚１０ｎｍ以下のチタン酸化物を得るこ
とが可能となるものの、この場合にはチタン窒化物の酸
化条件でシリコン基板が２ｎｍ以上酸化されてしまう。
このため、ＳｉＯ₂換算１．５ｎｍという性能を得る上
でこの手法を採用することができなかった。

【００１２】本発明は、上述の問題点を考慮してなされ
たものであり、その目的は、チタン酸化物からなるとと
もにＳｉＯ₂換算１．５ｎｍの絶縁膜容量を有するゲー
ト絶縁膜を具備したＭＩＳ電界効果トランジスタを有す
る半導体装置を提供することを目的とする。

【００１３】また本発明は、シリコン基板との界面にＳ
ｉＯ₂層を形成することなくチタン酸化物を形成して、
ＳｉＯ₂換算１．５ｎｍの絶縁膜容量を有するゲート絶
縁膜を形成し得るＭＩＳ電界効果トランジスタを製造す
ることの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。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、シリコン基板と、前記基板上に直接ある
いはＳｉＯ₂換算２ｎｍ以下の界面遷移層を介して形成
されたゲート絶縁膜と、ゲート電極とを具備し、前記ゲ
ート絶縁膜は、膜厚１０ｎｍ以下、比誘電率４０以上の
チタン酸化物から構成され、このチタン酸化物中にルチ
ル結晶が存在するＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔ
ｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電界効果トランジ
スタを備えることを特徴とする半導体装置を提供する。

【００１５】また、本発明は、ＭＩＳ電界効果トランジ
スタを製造するに当たり、シリコン基板上に、直接ある
いはＳｉＯ₂換算２ｎｍ以下の界面遷移層を介して、非
晶質あるいは一部にルチル結晶を含む形態のチタン酸化
物を１０ｎｍ以下の膜厚で堆積する工程、および前記チ
タン酸化物が形成された前記シリコン基板を１５℃／ｓ
ｅｃ以上の昇温速度で熱処理することによって、膜厚１
０ｎｍ以下、比誘電率４０以上でルチル結晶を含むチタ
ン酸化物を形成して、ゲート絶縁膜を得る工程を具備す
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】本発明においては、Ｈｉｇｈ−Ｋ材料とし
て最も有望なチタン酸化物の高い比誘電率を発揮させつ
つ、実際に使用される膜厚でゲート絶縁膜を形成するた
めに、その膜厚を１０ｎｍ以下とするとともに比誘電率
を４０以上に限定した。界面遷移層を介してシリコン基
板上にゲート絶縁膜が形成される場合には、ＳｉＯ₂換
算１．５ｎｍの絶縁膜容量を確保するために、その界面
遷移層の膜厚を２ｎｍ以下に規定している。

【００１７】上述したような膜厚および比誘電率を備え
るとともにルチル結晶を含むチタン酸化物からなるゲー
ト絶縁膜を得るためには、本発明者らは急速に昇温して
熱処理を施す必要があることを見出して、その昇温速度
を１５℃／ｓｅｃ以上に規定したものである。

【００１８】以下、本発明を詳細に説明する。

【００１９】従来の方法でルチル結晶を含むチタン酸化
物を形成できなかったのは、チタン酸化物の成膜／加熱
の製造工程において次の２つの現象が生じることによ
る。一つは、チタン酸化物の結晶形態として低温相であ
るアナターゼ結晶が形成されてしまうことであり、もう
一つは、１０ｎｍ以下の膜厚ではアナターゼ結晶からル
チル結晶への相転移が阻害されて、アナターゼ結晶が安
定化してしまうことである。ルチル結晶を含むチタン酸
化物を薄膜で形成するためには、この２つの阻害要因を
同時にクリアする必要がある。

【００２０】本発明の製造方法においては、まず、チタ
ン酸化物の初期状態としてアナターゼ結晶を含まず、完
全な非晶質あるいはその一部にルチル結晶を含む形態の
薄膜を準備する。こうした初期状態を準備することによ
って、原理的にアナターゼ結晶の成長とその安定化とを
避けることが可能となる。

【００２１】さらに本発明の方法においては、こうした
アナターゼ結晶を含まないチタン酸化物を急速に熱処理
する。室温からルチル結晶が安定となる高温域まで昇温
する過程において、ルチル結晶よりもアナターゼ結晶が
安定となる低温域を通過することは避けられないので、
この段階でアナターゼ結晶が成長して安定化する可能性
がある。しかしながら、昇温速度を高くすることによっ
て、アナターゼ結晶が安定となる中間温度域をすばやく
通過させて、アナターゼ結晶が核発生したとしてもその
成長を抑制し、ルチル結晶の核発生と成長を優先的に進
めることが可能となる。

【００２２】また本発明における急速熱処理は、チタン
酸化物の結晶化を行なう目的でなされるため、必ずしも
酸素雰囲気を必要とされない。したがって、従来法のチ
タン窒化物酸化の際に問題となっていたような、シリコ
ン基板の酸化を原理的に回避することができる。

【００２３】ここで、従来法と比較しながら図２ないし
図５を参照して、本発明の原理を説明する。

【００２４】図２は、従来の手法におけるチタン酸化物
結晶の成長を示した模式図であり、この場合には、アナ
ターゼ結晶を含むチタン酸化物が熱処理される。図２
（ａ）に示されるように、初期状態（成膜後）において
はＳｉ基板２０上のチタン酸化物２１にアナターゼ結晶
が存在している。熱処理工程でアナターゼ結晶の核成長
が進行し、薄膜特有のルチル結晶への相転移阻害によっ
て、最終形態（加熱処理後）のチタン酸化物２２は、図
２（ｂ）に示すようにアナターゼ結晶から構成される。

【００２５】図３は、非晶質あるいはその一部にルチル
結晶を含むチタン酸化物を、１℃／ｓｅｃ程度の低速で
昇温した場合の、チタン酸化物の結晶化を示した模式図
である。初期状態（成膜後）においては、図３（ａ）に
示すように、Ｓｉ基板２０上に非晶質チタン酸化物２３
が形成されている。３００℃〜７００℃では、アナター
ゼ結晶の方が生成エネルギーが低いため、この温度範囲
ではアナターゼ結晶が優先的に核発生／成長する。しか
も昇温速度が１℃／ｓｅｃと遅いため、アナターゼ結晶
が十分成長してしまい、その後ルチル結晶が安定になる
高温域に達したときには、薄膜特有のルチル結晶への相
転移阻害によって、膜の最終形態（加熱処理後）のチタ
ン酸化物２２は、図３（ｂ）に示すようにアナターゼ結
晶から構成される。

【００２６】図４は、本発明の方法におけるチタン酸化
物の結晶化を示した模式図であり、ここでは、非晶質あ
るいはその一部にルチル結晶を含むチタン酸化物が、１
５℃／ｓｅｃ以上の速い昇温速度で加熱処理される。初
期状態（成膜後）においては、図４（ａ）に示すよう
に、Ｓｉ基板２０上に非晶質チタン酸化物２３が形成さ
れている。昇温速度が速いので、アナターゼ結晶の核発
生／成長に対しルチル結晶の核発生／成長を優先的に進
めることができ、最終形態（加熱処理後）には、図４
（ｂ）に示すようにルチル結晶の占有度を高めたチタン
酸化物２４が得られる。

【００２７】図５は、従来法のチタン酸化物の形成過程
を示す模式図であり、ここでは、チタン窒化物が酸素雰
囲気で熱処理される。初期状態（成膜後）には、図５
（ａ）に示すように、Ｓｉ基板２０上にチタン窒化物２
５が形成されている。この手法では、酸素雰囲気で熱処
理が行なわれ、しかもその温度は少なくとも７００℃以
上と高温である。このため、最終状態（加熱処理後）に
は、図５（ｂ）に示すようにルチル結晶を含むチタン酸
化物２６が形成されるものの、シリコン基板が２ｎｍ以
上酸化されることによってＳｉＯ₂層２７が形成され
る。その結果、絶縁膜容量が許容できないほどに低下し
てしまう。

【００２８】図６は、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示
した最終形態のチタン酸化物２２および２４に対応した
ＸＲＤの結晶スペクトルである。チタン酸化膜は、ヘリ
カルスパッタ方式によるＴｉＯ₂ターゲットからのスパ
ッタリングによって準備したものであり、最終熱処理温
度はともに９５０℃である。昇温速度１℃／ｓｅｃの際
にはアナターゼ結晶しか得られないのに対し、１５℃／
ｓｅｃで昇温した際には、ルチルが支配的で、わずかに
アナターゼのピークが観察される。この結晶の特徴を反
映して、膜の比誘電率はアナターゼ単相の場合よりも高
くなった。具体的には、１℃／ｓｅｃで昇温して得られ
たチタン酸化物の比誘電率は３０であるのに対し、１５
℃／ｓｅｃで昇温して得られたチタン酸化物の比誘電率
は６０である。

【００２９】以上のように、本発明の方法を用いること
によって、少なくともその一部にルチル結晶を含む膜厚
１０ｎｍ以下のチタン酸化物を、シリコン基板表面の酸
化を抑制しながら形成することが可能となる。アナター
ゼ結晶の比誘電率が３０程度であるのに対して、ルチル
結晶の比誘電率は９０以上なので、本発明のＭＩＳ電界
効果トランジスタにおけるチタン酸化物の比誘電率は、
少なくとも４０以上となる。比誘電率の最大値は１７０
であり、この値はルチル結晶の比誘電率でこの材料の最
大値である。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明
を用いたＭＩＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏ
ｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆ
ｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）およびその製造方法を
説明する。

【００３１】（実施例１）図７は、本実施例のＭＩＳＦ
ＥＴの断面構造である。

【００３２】図示するように、素子分離領域２を有する
シリコン基板１上には、ゲート電極８／少なくとも一部
にルチル結晶を含むチタン酸化物７／界面遷移層６の積
層からなるＭＩＳ構造が形成されている。これらは、キ
ャップＳｉＯ₂膜９とともにゲート側壁５に取り囲まれ
ており、シリコン基板１中には、高濃度に不純物を拡散
した深い拡散領域３および浅い拡散領域４が、ＭＩＳ構
造に自己整合的に形成されている。

【００３３】次に、図８を参照して本実施例にかかるＭ
ＩＳＦＥＴの製造方法を説明する。

【００３４】まず、通常の工程により素子分離２を施し
たシリコン基板１を準備し、この基板を希ＨＦ水溶液で
処理して、シリコン表面の自然酸化膜を除去する。この
後、基板上に非晶質あるいはその一部にルチル結晶を含
むチタン酸化物１０を、１０ｎｍ以下の膜厚で堆積す
る。本発明において膜厚を１０ｎｍ以下としたのは、Ｓ
ｉＯ₂換算１．５ｎｍの性能を得るためにはこのような
薄膜が必要なためである。膜厚は少なくとも２ｎｍ以上
あることが望ましい。薄すぎるとリーク電流が増加す
る。より好ましくは、膜厚は２ｎｍ以上５ｎｍ以下であ
る。このような酸化物の堆積手法としては、スパッタリ
ング法、ＣＶＤ法など任意のものを用いることができる
が、一例として、ヘリカルスパッタ方式による成膜の例
を説明する。

【００３５】本実施例では、シリコン基板との界面酸化
膜を極力減少させるため、２ｓｔｅｐスパッタによりチ
タン酸化物を堆積した。第一ステップにおいては、Ａｒ
ガスのみを用いて、アルゴン流量１４ｓｃｃｍ、電力６
０Ｗの条件でＴｉＯ₂をスパッタした。引き続いて、ア
ルゴン／酸素混合ガスを用いて第二ステップのＴｉＯ ₂
スパッタを行なった。アルゴン／酸素の流量比は１４／
０．３ｓｃｃｍ、電力は８０Ｗとした。第二ステップに
おいて酸素ガスを混合することによって、チタン酸化膜
自体に酸素が十分含まれるようになり、結果としてリー
ク電流が大きく減少する。

【００３６】２ｓｔｅｐの合計で膜厚１０ｎｍの平坦性
のよいチタン酸化物が堆積された。なお、堆積時の基板
温度は常温であった。このようにして成膜されたチタン
酸化物をＸ線回折法で分析したところ何の結晶ピークも
得られず、断面のＴＥＭ観察からも、この膜が全く結晶
を含まないアモルファスの形態であることが確認され
た。成膜の直後には、図８（ａ）に示すようにチタン酸
化膜１０とシリコン基板１との間には、界面遷移層６が
形成されている。これは、第一ステップのＴｉＯ ₂堆積
時に雰囲気の残留酸素あるいはＴｉＯ₂ターゲットに含
まれる酸素がスパッタのためのプラズマで励起されて、
シリコン表面を酸化してしまったものと考えられる。そ
の界面遷移層６の膜厚は１ｎｍ以下であり、チタン酸化
物１０と界面遷移層６との積層でＳｉＯ₂換算１．５ｎ
ｍという性能を得るうえでは問題ない厚みに抑えられて
いる。本発明において界面遷移層は、薄ければ薄いほど
望ましいが、不可避的に０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下の界
面遷移層６が設けられていてもよい。

【００３７】こうして形成されたチタン酸化物１０の上
に、図８（ｂ）に示すように、ゲート電極８およびキャ
ップＳｉＯ₂膜９を堆積する。熱的安定性およびしきい
値制御における仕事関数の適性さの観点から、ゲート電
極８はシリコン、チタン窒化物などにより形成すること
が好ましい。キャップＳｉＯ₂膜９は、例えばゲート電
極８としてチタン窒化物を用いる場合などに、このチタ
ン窒化物を酸化から保護する目的で使用される。

【００３８】その後、ゲート電極８およびキャップＳｉ
Ｏ₂膜９がチタン酸化物１０上に形成された基板を急速
熱処理して、図８（ｃ）に示すように少なくとも一部に
ルチル結晶を含むチタン酸化物７を形成する。本発明に
おいて熱処理の条件としては、室温からの昇温速度１５
℃／ｓｅｃ以上とし、シリコン基板の酸化を極力予防す
るために、Ｎ₂雰囲気、希ガス雰囲気等の酸素を含まな
い非酸化性雰囲気が望まれる。また最終熱処理温度は、
ルチル結晶が安定となる７００〜１０００℃の範囲が好
ましい。昇温速度が速ければ速いほど、アナターゼ結晶
粒の成長が抑えられるため望ましい。現行の製造装置で
の昇温速度の上限はほぼ１５０℃／ｓｅｃである。ここ
では一例として最終熱処理温度９５０℃、昇温速度１５
℃／ｓｅｃ、９００℃での保持時間３０秒、窒素雰囲気
で熱処理を行なった。熱処理後の結晶構造は、図６のス
ペクトルに示したようにルチル結晶が支配的な形態とな
っている。

【００３９】チタン酸化物の結晶化に急速熱酸化を用い
ることによって、チタン酸化物結晶の粒径を小さくする
という効果ももたらされる。急速熱酸化を用いない場
合、例えば６０分間程度の長時間熱処理を行なう場合に
は、アナターゼ結晶粒の成長が起こって、その粒径は大
きい場合には２００ｎｍ程度になり得る。しかも、その
粒界には成長しきれなかった微細粒子が生じて、粒径の
ばらつきが生じてしまう。このように粒径が大きくばら
ついた膜でゲート絶縁膜が構成されると、同一のシリコ
ンウェハ上におけるデバイス間で、一つのトランジスタ
のゲート絶縁膜中に含まれる粒子数が変化するおそれが
ある。あるいはゲート絶縁膜中に一つの粒子しか含まれ
ない場合でも、その配向の違いなどに起因して、結果と
してデバイス特性（しきい値電圧、リーク電流など）に
大きなばらつきが生じることが予想される。

【００４０】これに対して、典型的には例えば昇温時間
＋最終熱処理温度３０秒程度の短時間熱処理が設定でき
る急速熱処理を用いた場合には、結晶の粒成長が十分起
きないままに熱処理が終了するために、核発生の段階で
の粒子形態により最終的な膜の粒子構造が決定される。
これによって結晶の粒径は非常に小さくなり、典型的に
はゲート長以下、すなわち１０ｎｍ以下になる。配向性
の観点からは、粒成長が抑制されることによって、より
ランダムな配向となるものの、粒径が１０ｎｍ以下であ
るため、一つのトランジスタのゲート絶縁膜に含まれる
粒子は数１０以上の単位となり、平均化の効果でデバイ
ス間のばらつきはほとんど無視できるようになる。最終
熱処理温度での保持時間は、１５秒〜１分とすることが
望ましい。

【００４１】また、本実施例のようにチタン酸化物上に
ゲート電極を堆積し、その後に結晶化の熱処理を行なう
場合は、チタン酸化物の凝集を抑制し、膜を平坦なまま
に維持する効果をも有する。

【００４２】この後、図８（ｃ）の基板に対し公知の方
法によってゲート加工、浅い拡散層形成、ゲート側壁形
成、深い拡散層形成を施すことにより、図７に示すＭＩ
ＳＦＥＴが得られる。なお、図７中には示されていない
が、少なくとも一部にルチル結晶を含むチタン酸化物か
らなるゲート絶縁膜７とゲート電極８との間には、Ｓｉ
Ｏ₂換算２ｎｍ以下の界面遷移層がさらに形成されてい
てもよい。この場合には、ゲート絶縁膜７とゲート電極
８との密着性、およびその界面の電気的特性、さらにゲ
ートリーク電流の性能が向上する。

【００４３】（実施例２）図９は、本実施例のＭＩＳＦ
ＥＴの断面図である。

【００４４】図示するように、素子分離領域２を有する
シリコン基板１上に、ゲート電極８／少なくとも一部に
ルチル結晶を含むチタン酸化物７／界面遷移層６の積層
からなるＭＩＳ構造が形成されており、これらはゲート
側壁５、ＳｉＮ膜１３、およびＳｉＯ₂膜１２により取
り囲まれている。また、シリコン基板１中には、高濃度
に不純物を拡散した深い拡散領域３、浅い拡散領域４、
およびサリサイド１１が、ＭＩＳ構造に自己整合的に形
成されている。

【００４５】図１０には、本実施例にかかるＭＩＳＦＥ
Ｔの製造方法の工程の一例を表わす断面図を示す。

【００４６】まず、公知の工程により、いわゆるリプレ
ースメントゲートの方式で、シリコン基板１内に拡散層
３，４、およびサリサイド１１を形成した。さらに、ゲ
ート側壁５、ＳｉＮ膜１３およびＳｉＯ₂膜１２を形成
した後、ゲートＭＩＳ構造となるべき部分を開孔した。
こうしたシリコン基板に対し、非晶質あるいは少なくと
も一部にルチル結晶を含むチタン酸化物１０を堆積す
る。チタン酸化物の堆積方法としては、スパッタリング
法、ＣＶＤ法など任意のものを用いることができるが、
本実施例では、ゲート構造となるべき溝の部分に段差被
覆性よくチタン酸化物を堆積するという目的から、ＣＶ
Ｄ法による成膜が好ましい。ＣＶＤの原料ガスとして
は、有機系、塩素系など特に限定されない。その後、ゲ
ート電極８、例えばチタン窒化物をスパッタ法などによ
り堆積する。こうして、図１０（ａ）に示すような構造
が得られる。

【００４７】引き続き、図１０（ａ）に示す構造のシリ
コン基板を、非酸化性雰囲気、例えば窒素雰囲気で急速
熱処理することにより、図１０（ｂ）に示す構造が得ら
れる。本実施例では、拡散層３，４、およびサリサイド
１１などがシリコン基板１１中にすでに作り込まれてい
るために、これらの構造を破壊しないよう、最終的に熱
処理温度としては７００〜９００℃の範囲で行なう必要
がある。昇温速度としては、実施例１と同様、１５℃／
ｓｅｃ以上に設定する。最終熱処理温度での保持時間
は、１５秒〜１分であることが望ましい。熱処理完了
後、ＣＭＰなどによる平坦化を行なって、図９のＭＩＳ
ＦＥＴが得られる。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、チ
タン酸化物からなるとともにＳｉＯ₂換算１．５ｎｍの
絶縁膜容量を有するゲート絶縁膜を具備したＭＩＳ電界
効果トランジスタを有する半導体装置が提供される。ま
た本発明によれば、シリコン基板との界面にＳｉＯ₂層
を形成することなくチタン酸化物を形成して、ＳｉＯ₂
換算１．５ｎｍの絶縁膜容量を有するゲート絶縁膜を形
成し得るＭＩＳ電界効果トランジスタを製造することの
できる半導体装置の製造方法が提供される。

【００４９】本発明により、絶縁膜容量が非常に高く、
リーク電流は少ないという、従来よりも高性能なＨｉｇ
ｈ−Ｋゲート絶縁膜を有する高速シリコンＬＳＩを得る
ことが可能となり、その工業的価値は絶大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】チタン酸化物の膜厚と比誘電率との関係を表わ
すグラフ図。

【図２】従来法のチタン酸化物結晶の成長を表わす模式
図。

【図３】従来法のチタン酸化物結晶の成長を表わす模式
図。

【図４】本発明におけるチタン酸化物結晶の成長を表わ
す模式図。

【図５】従来法のチタン酸化物結晶の成長を表わす模式
図。

【図６】非晶質チタン酸化物の熱処理による結晶化にお
ける昇温速度の影響を表わすＸＲＤ結晶スペクトル。

【図７】本発明におけるＭＩＳＦＥＴの一例を表わす断
面図。

【図８】本発明におけるＭＩＳＦＥＴの製造工程の一例
を表わす断面図。

【図９】本発明におけるＭＩＳＦＥＴの他の例を表わす
断面図。

【図１０】本発明におけるＭＩＳＦＥＴの製造工程の他
の例を表わす断面図。

【符号の説明】

１…Ｓｉ基板 ２…素子分離領域 ３…深い拡散層 ４…浅い拡散層 ５…ゲート側壁 ６…界面遷移層 ７…少なくとも一部にルチル結晶を含むチタン酸化物 ８…ゲート電極 ９…キャップＳｉＯ₂膜 １０…非晶質あるいはその一部にルチル結晶を含むチタ
ン酸化物 １１…サリサイド １２…ＳｉＯ₂膜 １３…ＳｉＮ膜 ２０…Ｓｉ基板 ２１…アナターゼ結晶を含むチタン酸化物 ２２…アナターゼ結晶を含むチタン酸化物 ２３…非晶質チタン酸化物 ２４…ルチル結晶を含むチタン酸化物 ２５…チタン窒化物 ２６…ルチル結晶を含むチタン酸化物 ２７…ＳｉＯ₂層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F040 DA00 DC01 EC04 ED01 ED07 EF13 EH07 FA03 FA11 FA16 FB04 5F058 BA01 BC03 BF14 BJ01 BJ04

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン基板と、前記基板上に直接ある
   いはＳｉＯ₂換算２ｎｍ以下の界面遷移層を介して形成
   されたゲート絶縁膜と、ゲート電極とを具備し、 前記ゲート絶縁膜は、膜厚１０ｎｍ以下、比誘電率４０
   以上のチタン酸化物から構成され、このチタン酸化物中
   にルチル結晶が存在するＭＩＳ電界効果トランジスタを
   備えることを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 前記ゲート絶縁膜とゲート電極との間に
   形成されたＳｉＯ₂換算２ｎｍ以下の界面遷移層をさら
   に具備するＭＩＳ電界効果トランジスタを備えることを
   特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 【請求項３】 前記ゲート絶縁膜を構成するチタン酸化
   物の粒径は、ゲート長以下であるＭＩＳ電界効果トラン
   ジスタを備えることを特徴とする請求項１または２に記
   載の半導体装置。
4. 【請求項４】 ＭＩＳ電界効果トランジスタを製造する
   に当たり、シリコン基板上に、直接あるいはＳｉＯ₂換
   算２ｎｍ以下の界面遷移層を介して、非晶質あるいは一
   部にルチル結晶を含む形態のチタン酸化物を１０ｎｍ以
   下の膜厚で堆積する工程、および前記チタン酸化物が形
   成された前記シリコン基板を１５℃／ｓｅｃ以上の昇温
   速度で熱処理することによって、膜厚１０ｎｍ以下、比
   誘電率４０以上でルチル結晶を含むチタン酸化物を形成
   して、ゲート絶縁膜を得る工程を具備することを特徴と
   する半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】 前記熱処理は、非酸化性雰囲気で行なわ
   れることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製
   造方法。