JP2003017687A - 半導体装置 - Google Patents
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-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/43—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
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Abstract
(57)【要約】
【課題】本発明の目的は、シリコン単結晶基板を母材と
したＭＩＳ型トランジスタ素子において、非晶質でかつ
比誘電率の高いゲート絶縁膜を有する半導体装置を提供
することにある。 【解決手段】本発明は、シリコン単結晶基板上に、ゲー
ト絶縁膜として、３種類の金属元素から構成される非晶
質の複合酸化膜を用いたことにより、比誘電率が高く、
かつ緻密化したゲート絶縁膜を備えた半導体装置、特に
ＭＩＳ型トランジスタ素子を提供することができる。
したＭＩＳ型トランジスタ素子において、非晶質でかつ
比誘電率の高いゲート絶縁膜を有する半導体装置を提供
することにある。 【解決手段】本発明は、シリコン単結晶基板上に、ゲー
ト絶縁膜として、３種類の金属元素から構成される非晶
質の複合酸化膜を用いたことにより、比誘電率が高く、
かつ緻密化したゲート絶縁膜を備えた半導体装置、特に
ＭＩＳ型トランジスタ素子を提供することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に係わ
り、特にゲート絶縁膜を有するＭＩＳ型トランジスタ素
子に関する。
り、特にゲート絶縁膜を有するＭＩＳ型トランジスタ素
子に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏ
ｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型半導体装置はさま
ざまな電子部品に利用されており、高集積化・低コスト
化のためにその最小加工寸法の縮小が進められている。
近年では、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ―Ｏｘｉｄｅ―Ｓ
ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ
−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の微細化は、＜０．１μｍの
ゲート長まで目前に迫っている状況である。これに伴
い、ＳｉＯ２ゲート絶縁膜の薄膜化が進められてきた。
しかし、ＳｉＯ２薄膜の膜厚が１.５ｎｍ以下になる
と、直接トンネル電流に起因してリーク電流が増大する
ため、薄膜化には限界があると予測されている。
ｒ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型半導体装置はさま
ざまな電子部品に利用されており、高集積化・低コスト
化のためにその最小加工寸法の縮小が進められている。
近年では、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ―Ｏｘｉｄｅ―Ｓ
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−Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の微細化は、＜０．１μｍの
ゲート長まで目前に迫っている状況である。これに伴
い、ＳｉＯ２ゲート絶縁膜の薄膜化が進められてきた。
しかし、ＳｉＯ２薄膜の膜厚が１.５ｎｍ以下になる
と、直接トンネル電流に起因してリーク電流が増大する
ため、薄膜化には限界があると予測されている。
【０００３】そこで、ゲート絶縁膜を従来材ＳｉＯ
２（比誘電率３.９）より誘電率の高い誘電体材料に置
き換えるという試みがなされている。高誘電体材料を用
いると、物理膜厚を厚くしたまま、ＳｉＯ２と同一のゲ
ート容量を得ることができる。このため、スケーリング
則に従って素子を微細化した場合にも、ゲート絶縁膜中
の直接トンネリングによるゲート電極／シリコン基板間
のリーク電流を抑えられると考えられている。
２（比誘電率３.９）より誘電率の高い誘電体材料に置
き換えるという試みがなされている。高誘電体材料を用
いると、物理膜厚を厚くしたまま、ＳｉＯ２と同一のゲ
ート容量を得ることができる。このため、スケーリング
則に従って素子を微細化した場合にも、ゲート絶縁膜中
の直接トンネリングによるゲート電極／シリコン基板間
のリーク電流を抑えられると考えられている。
【０００４】特開平１１−１３５７７４号報において、
高誘電体ゲート絶縁膜としてシリケート誘電体を用いた
半導体装置が開示されている。ＳｉＯ２に金属酸化物を
固溶したシリケート誘電体は、Ｓｉ上において熱的安定
性が高く、急峻なゲート絶縁膜／シリコン界面を形成で
きる利点を有する。また、これまでゲート絶縁膜として
用いてきたＳｉＯ２の利点をそのまま利用することが出
来る。さらに、シリケート誘電体は非晶質であるためリ
ーク電流特性にも優れている。
高誘電体ゲート絶縁膜としてシリケート誘電体を用いた
半導体装置が開示されている。ＳｉＯ２に金属酸化物を
固溶したシリケート誘電体は、Ｓｉ上において熱的安定
性が高く、急峻なゲート絶縁膜／シリコン界面を形成で
きる利点を有する。また、これまでゲート絶縁膜として
用いてきたＳｉＯ２の利点をそのまま利用することが出
来る。さらに、シリケート誘電体は非晶質であるためリ
ーク電流特性にも優れている。
【０００５】シリケート誘電体に固溶させる金属元素に
は、ジルコニウム、セリウム、亜鉛など多くの金属元素
を用いることが出来る。一般的に、酸化物が高い比誘電
率を示す金属元素をより多く含有させることにより、シ
リケート誘電体の比誘電率をより向上することが出来
る。
は、ジルコニウム、セリウム、亜鉛など多くの金属元素
を用いることが出来る。一般的に、酸化物が高い比誘電
率を示す金属元素をより多く含有させることにより、シ
リケート誘電体の比誘電率をより向上することが出来
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＳｉＯ
２内に他の金属元素を多量に固溶すると、金属元素は酸
化物として安定に固溶できなくなる。つまり、ゲート絶
縁膜内で金属酸化物の凝集や相分離が起こり、リーク電
流の増加や本来得るべきゲート容量が得られないといっ
た問題があった。
２内に他の金属元素を多量に固溶すると、金属元素は酸
化物として安定に固溶できなくなる。つまり、ゲート絶
縁膜内で金属酸化物の凝集や相分離が起こり、リーク電
流の増加や本来得るべきゲート容量が得られないといっ
た問題があった。
【０００７】また、比誘電率の高い金属酸化物は一般的
に分極率が高いため、ＳｉＯ２内に固溶すると、同時に
膜が粗になり、酸素バリア性が失われてしまう。その結
果、ゲート絶縁膜中を酸素が拡散し、シリコン界面で酸
素とシリコンが反応する。この反応により、シリコン界
面に低誘電率なＳｉＯ２層が成長し、ゲート絶縁膜の比
誘電率は実効的に低下してしまうことが問題となってい
た。
に分極率が高いため、ＳｉＯ２内に固溶すると、同時に
膜が粗になり、酸素バリア性が失われてしまう。その結
果、ゲート絶縁膜中を酸素が拡散し、シリコン界面で酸
素とシリコンが反応する。この反応により、シリコン界
面に低誘電率なＳｉＯ２層が成長し、ゲート絶縁膜の比
誘電率は実効的に低下してしまうことが問題となってい
た。
【０００８】本発明の目的は、ゲート絶縁膜中の金属酸
化物の凝集や相分離を抑制し、かつ酸素バリア性を保持
して、低誘電率なＳｉＯ２層の形成を抑制して、ゲート
絶縁膜の比誘電率を向上させた半導体装置を提供するこ
とにある。
化物の凝集や相分離を抑制し、かつ酸素バリア性を保持
して、低誘電率なＳｉＯ２層の形成を抑制して、ゲート
絶縁膜の比誘電率を向上させた半導体装置を提供するこ
とにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、シリコン基板
上にゲート絶縁膜を有する半導体装置において、ゲート
絶縁膜は、３種類の金属元素を含む非晶質な複合酸化膜
であることを特徴とし、好ましくはそのゲート絶縁膜
は、比誘電率の低い第１の金属元素を主成分とし、該第
１の金属元素より比誘電率が高くその金属元素に固溶す
る第２の金属元素と、前記第１の金属元素と第２の金属
元素から構成される複合酸化物の相分離を抑制する第３
の金属元素を含む非晶質な複合酸化膜からなる。また、
そのゲート絶縁膜は、前記３種類の金属元素のうち１種
類が希土類元素であることを特徴とする。３種類の金属
元素を含む非晶質な複合酸化物は、従来のＳｉＯ２より
高い比誘電率を得ることができ、さらに前記３種類の金
属元素のうち１種類を希土類元素にすることで、ゲート
絶縁膜を緻密化することができるため、ゲート絶縁膜中
の金属酸化物の凝集や相分離を抑制することができる。
また、同時に酸素バリア性も向上する。
上にゲート絶縁膜を有する半導体装置において、ゲート
絶縁膜は、３種類の金属元素を含む非晶質な複合酸化膜
であることを特徴とし、好ましくはそのゲート絶縁膜
は、比誘電率の低い第１の金属元素を主成分とし、該第
１の金属元素より比誘電率が高くその金属元素に固溶す
る第２の金属元素と、前記第１の金属元素と第２の金属
元素から構成される複合酸化物の相分離を抑制する第３
の金属元素を含む非晶質な複合酸化膜からなる。また、
そのゲート絶縁膜は、前記３種類の金属元素のうち１種
類が希土類元素であることを特徴とする。３種類の金属
元素を含む非晶質な複合酸化物は、従来のＳｉＯ２より
高い比誘電率を得ることができ、さらに前記３種類の金
属元素のうち１種類を希土類元素にすることで、ゲート
絶縁膜を緻密化することができるため、ゲート絶縁膜中
の金属酸化物の凝集や相分離を抑制することができる。
また、同時に酸素バリア性も向上する。
【００１０】本発明の半導体装置は、ゲート絶縁膜が希
土類元素を含む非晶質な複合酸化膜であることを特徴と
する。希土類元素によるゲート絶縁膜の緻密化は、ゲー
ト絶縁膜が３種類の金属元素から構成される非晶質な複
合酸化物である場合に最も効果的であるが、必ずしも３
種類に限定されるものではない。
土類元素を含む非晶質な複合酸化膜であることを特徴と
する。希土類元素によるゲート絶縁膜の緻密化は、ゲー
ト絶縁膜が３種類の金属元素から構成される非晶質な複
合酸化物である場合に最も効果的であるが、必ずしも３
種類に限定されるものではない。
【００１１】本発明の半導体装置は、ゲート絶縁膜は、
比誘電率２０以上、好ましくは３０〜４００の金属酸化
物を構成する第１の金属元素と、比誘電率２０未満、好
ましくは２〜３０未満の金属酸化物を構成する第２の金
属元素と、前記第１の金属元素と前記第２の金属元素か
ら構成される複合酸化物を緻密化する第３の金属元素と
を含む非晶質な複合酸化膜であることを特徴とする。第
１の金属元素の酸化物は主にゲート絶縁膜の比誘電率を
向上する役割を担い、第２の金属元素の酸化物は、半導
体装置の作製プロセスにおける高温熱処理に対して、ゲ
ート絶縁膜が非晶質な状態を維持する役割を担う。
比誘電率２０以上、好ましくは３０〜４００の金属酸化
物を構成する第１の金属元素と、比誘電率２０未満、好
ましくは２〜３０未満の金属酸化物を構成する第２の金
属元素と、前記第１の金属元素と前記第２の金属元素か
ら構成される複合酸化物を緻密化する第３の金属元素と
を含む非晶質な複合酸化膜であることを特徴とする。第
１の金属元素の酸化物は主にゲート絶縁膜の比誘電率を
向上する役割を担い、第２の金属元素の酸化物は、半導
体装置の作製プロセスにおける高温熱処理に対して、ゲ
ート絶縁膜が非晶質な状態を維持する役割を担う。
【００１２】非晶質な状態を形成する第２の金属元素の
酸化物に対して、第２の金属元素と異なる金属元素を固
溶すると、密度が変化する。この現象は特にガラスの分
野において利用される技術である。上述したように、酸
化物が高い比誘電率を示す第１の金属元素を第２の金属
元素の酸化物に固溶する場合、凝集・相分離や膜密度の
減少が問題となる。本発明では、以上で示した第１と第
２の金属元素から構成される複合酸化物を緻密化する第
３の金属元素をさらに固溶することによって、複合金属
酸化物中の金属元素が安定に固溶できるようになり、凝
集や相分離の抑制が可能になる。
酸化物に対して、第２の金属元素と異なる金属元素を固
溶すると、密度が変化する。この現象は特にガラスの分
野において利用される技術である。上述したように、酸
化物が高い比誘電率を示す第１の金属元素を第２の金属
元素の酸化物に固溶する場合、凝集・相分離や膜密度の
減少が問題となる。本発明では、以上で示した第１と第
２の金属元素から構成される複合酸化物を緻密化する第
３の金属元素をさらに固溶することによって、複合金属
酸化物中の金属元素が安定に固溶できるようになり、凝
集や相分離の抑制が可能になる。
【００１３】前記第１の金属元素として、酸化物の比誘
電率が３０以上を示す金属元素を選択すると、ゲート絶
縁膜の比誘電率を更に向上することができる点で有利で
ある。
電率が３０以上を示す金属元素を選択すると、ゲート絶
縁膜の比誘電率を更に向上することができる点で有利で
ある。
【００１４】前記第３の金属元素には希土類元素が好ま
しい。また、前記第３の金属元素の含有量は、ゲート絶
縁膜中における全金属元素量に対して元素比で０．５％
以上２０％以下であることが好ましい。この条件の範囲
内で、非晶質の複合酸化膜を得ることができる。しか
し、元素比で０．５％より少ない場合には、前記第３の
金属元素による緻密化の効果は得られず、また２０％よ
り多くなると、固溶せず相分離が生じて比誘電率やリー
ク電流の増加が生じる。
しい。また、前記第３の金属元素の含有量は、ゲート絶
縁膜中における全金属元素量に対して元素比で０．５％
以上２０％以下であることが好ましい。この条件の範囲
内で、非晶質の複合酸化膜を得ることができる。しか
し、元素比で０．５％より少ない場合には、前記第３の
金属元素による緻密化の効果は得られず、また２０％よ
り多くなると、固溶せず相分離が生じて比誘電率やリー
ク電流の増加が生じる。
【００１５】本発明の半導体装置は、ゲート絶縁膜は比
誘電率２０以上の金属酸化物を構成する第１の金属元素
と、比誘電率２０未満の金属酸化物を構成する第２の金
属元素から構成される非晶質な複合酸化窒化膜であるこ
とを特徴とする。
誘電率２０以上の金属酸化物を構成する第１の金属元素
と、比誘電率２０未満の金属酸化物を構成する第２の金
属元素から構成される非晶質な複合酸化窒化膜であるこ
とを特徴とする。
【００１６】非晶質な複合酸化膜中において、酸素原子
は金属元素に対して２配位をとり平面的に結合する。こ
れに対して、酸素原子の一部を窒素原子に置換した複合
酸化窒化膜においては、窒素原子は３配位をとり立体的
に結合する。ゆえに、酸素原子の一部を窒素原子に置換
することにより、ゲート絶縁膜の緻密化が可能となる。
また、窒素の置換により、比誘電率を向上することがで
きる。
は金属元素に対して２配位をとり平面的に結合する。こ
れに対して、酸素原子の一部を窒素原子に置換した複合
酸化窒化膜においては、窒素原子は３配位をとり立体的
に結合する。ゆえに、酸素原子の一部を窒素原子に置換
することにより、ゲート絶縁膜の緻密化が可能となる。
また、窒素の置換により、比誘電率を向上することがで
きる。
【００１７】前記第１の金属元素として、酸化物の比誘
電率が３０以上を示す金属元素を選択すると、ゲート絶
縁膜の比誘電率を更に向上することができる点で有利で
ある。また、前記複合酸化窒化膜中の窒素元素含有量
が、ゲート絶縁膜中の全非金属元素量に対して元素比で
０．５％以上５０％以下であることが好ましい。第２の
金属酸化物の緻密化という点で窒素元素量の増加は効果
的であるが、窒素を元素比で５０％より多くするとゲー
ト絶縁膜のリーク電流の増加をもたらす。
電率が３０以上を示す金属元素を選択すると、ゲート絶
縁膜の比誘電率を更に向上することができる点で有利で
ある。また、前記複合酸化窒化膜中の窒素元素含有量
が、ゲート絶縁膜中の全非金属元素量に対して元素比で
０．５％以上５０％以下であることが好ましい。第２の
金属酸化物の緻密化という点で窒素元素量の増加は効果
的であるが、窒素を元素比で５０％より多くするとゲー
ト絶縁膜のリーク電流の増加をもたらす。
【００１８】ここで、本発明のゲート絶縁膜を構成する
第１の金属元素は、Ｂａ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚ
ｒ、Ｈｆ及びＰｂの１種以上であることが好ましい。Ｂ
ａＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｚ
ｒＯ２、ＨｆＯ２又はＰｂＯはそれぞれ約３４、約５
０、約３００、２５−５０、２０−８０、約２５、約３
０又は約４３の高い比誘電率を示す。第１の金属元素
は、元素比で５〜３０％が好ましい。
第１の金属元素は、Ｂａ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚ
ｒ、Ｈｆ及びＰｂの１種以上であることが好ましい。Ｂ
ａＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＷＯ３、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２、Ｚ
ｒＯ２、ＨｆＯ２又はＰｂＯはそれぞれ約３４、約５
０、約３００、２５−５０、２０−８０、約２５、約３
０又は約４３の高い比誘電率を示す。第１の金属元素
は、元素比で５〜３０％が好ましい。
【００１９】また、第２の金属元素としては、Ｓｉ及び
Ａｌの１種以上が望ましい。酸化物であるＳｉＯ２及び
Ａｌ２Ｏ３半導体装置の製造プロセスにおける高温熱処
理に対して、非晶質な状態を維持することができる。前
者が約３．９及び後者が１２の低い比誘電率を示す。第
２の金属元素は、２元系では元素比で６５〜９５％、３
元系では６５〜８５％が好ましい。
Ａｌの１種以上が望ましい。酸化物であるＳｉＯ２及び
Ａｌ２Ｏ３半導体装置の製造プロセスにおける高温熱処
理に対して、非晶質な状態を維持することができる。前
者が約３．９及び後者が１２の低い比誘電率を示す。第
２の金属元素は、２元系では元素比で６５〜９５％、３
元系では６５〜８５％が好ましい。
【００２０】第３の金属元素としては、Ｙ，Ｃｅ，Ｐ
ｒ，Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈ
ｏ，Ｅｒ，Ｙｍ，Ｙｂ及びＬｎの１種以上からなる。
ｒ，Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈ
ｏ，Ｅｒ，Ｙｍ，Ｙｂ及びＬｎの１種以上からなる。
【００２１】本発明の半導体装置は、前記ゲート絶縁膜
とシリコン基板との界面に、シリコン酸化膜又はシリコ
ン窒化膜から構成される界面制御層を具備することを特
徴とする。シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜から構成
される界面制御層を具備することにより、前記ゲート絶
縁膜の成膜時のような酸化プロセスによるシリコン界面
の酸化を抑制し、実効的な比誘電率の低下を抑えること
ができる。なお、本構造では、界面制御層も絶縁膜とし
て機能するため、前記ゲート絶縁膜と界面制御層の積層
ゲート絶縁膜構造として、ゲート容量を考慮する必要が
ある。
とシリコン基板との界面に、シリコン酸化膜又はシリコ
ン窒化膜から構成される界面制御層を具備することを特
徴とする。シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜から構成
される界面制御層を具備することにより、前記ゲート絶
縁膜の成膜時のような酸化プロセスによるシリコン界面
の酸化を抑制し、実効的な比誘電率の低下を抑えること
ができる。なお、本構造では、界面制御層も絶縁膜とし
て機能するため、前記ゲート絶縁膜と界面制御層の積層
ゲート絶縁膜構造として、ゲート容量を考慮する必要が
ある。
【００２２】
【発明の実施の形態】（実施例１）図１は本発明に係る
ＭＩＳ型トランジスタであり、図２及び図３はその製造
方法を示す断面図である。Ｓｉ単結晶基板１０１はｐ−
ｔｙｐｅで（１００）面方位、抵抗率１０〜１５Ω・ｃ
ｍの基板である（図２（ａ））。素子分離領域１０２は
Ｓｉ単結晶基板１０１に深さ約０．４μｍの溝を形成し
た後にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐ
ｏｓｉｔｉｏｎ）法により、ＳｉＯ２膜を全面成膜し
て、次にＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃ
ａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）で平坦化させて作製した
（図２（b））。
ＭＩＳ型トランジスタであり、図２及び図３はその製造
方法を示す断面図である。Ｓｉ単結晶基板１０１はｐ−
ｔｙｐｅで（１００）面方位、抵抗率１０〜１５Ω・ｃ
ｍの基板である（図２（ａ））。素子分離領域１０２は
Ｓｉ単結晶基板１０１に深さ約０．４μｍの溝を形成し
た後にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐ
ｏｓｉｔｉｏｎ）法により、ＳｉＯ２膜を全面成膜し
て、次にＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃ
ａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）で平坦化させて作製した
（図２（b））。
【００２３】次に、希ＨＦ処理により基板表面のＳｉＯ
２膜を除去した後、ＣＶＤ法により１０３ゲート絶縁膜
となるＢａ−Ｓｉ−Ｇｄ複合酸化膜を作製した（図２
（c））。この場合、第１の金属元素はＢａ、第２の金
属元素はＳｉ、第１と第２の複合酸化膜を緻密化する第
３の金属元素はＧｄである。
２膜を除去した後、ＣＶＤ法により１０３ゲート絶縁膜
となるＢａ−Ｓｉ−Ｇｄ複合酸化膜を作製した（図２
（c））。この場合、第１の金属元素はＢａ、第２の金
属元素はＳｉ、第１と第２の複合酸化膜を緻密化する第
３の金属元素はＧｄである。
【００２４】図４は、本実施例に用いたＣＶＤ装置の概
略図である。Ｂａ原料としてジピバロイルメタナート・
バリウム（Ｂａ（ｄｐｍ）２）、Ｓｉ原料としてシリコ
ン・イソプロポキサイド（Ｓｉ（Ｏ―ｉＰｒ）４）及び
Ｇｄ原料としてジピバロイルメタナート・ガドリニウム
（Ｇｄ（ｄｐｍ）３）、を用い、それぞれＢａ原料容器
１１４、Ｓｉ原料容器１１５及びＧｄ原料容器１１６に
封入した。十分な蒸気を得るために、各原料を封入した
原料容器を１００〜２５０℃に加熱し、アルゴンキャリ
アガスにより薄膜形成室１１１に導入した。アルゴンキ
ャリアガスはアルゴンボンベ１１７より供給した。各原
料のアルゴンキャリアガスの流量を１００〜５００ｓｃ
ｃｍに制御して、ゲート絶縁膜中の金属元素の組成を調
整した。
略図である。Ｂａ原料としてジピバロイルメタナート・
バリウム（Ｂａ（ｄｐｍ）２）、Ｓｉ原料としてシリコ
ン・イソプロポキサイド（Ｓｉ（Ｏ―ｉＰｒ）４）及び
Ｇｄ原料としてジピバロイルメタナート・ガドリニウム
（Ｇｄ（ｄｐｍ）３）、を用い、それぞれＢａ原料容器
１１４、Ｓｉ原料容器１１５及びＧｄ原料容器１１６に
封入した。十分な蒸気を得るために、各原料を封入した
原料容器を１００〜２５０℃に加熱し、アルゴンキャリ
アガスにより薄膜形成室１１１に導入した。アルゴンキ
ャリアガスはアルゴンボンベ１１７より供給した。各原
料のアルゴンキャリアガスの流量を１００〜５００ｓｃ
ｃｍに制御して、ゲート絶縁膜中の金属元素の組成を調
整した。
【００２５】反応ガスであるＯ２ガスは酸素ボンベ１１
８から供給し、その流量を１００ｓｃｃｍとした。以上
のガスは、シャワヘッド１１９により均一にＳｉ単結晶
基板１０１上へと供給した。薄膜形成室はホットウォー
ル型で、薄膜形成室加熱用ヒータ１２０により１５０℃
に加熱した。ＣＶＤ反応における残留ガスは真空ポンプ
１２２により排気した。圧力調整バルブ１２１で薄膜形
成室の圧力を０．１ｔｏｒｒに調整し、基板加熱用ヒー
タ１１３により基板温度を３００℃以上５００℃以下に
加熱した。成膜時間を１〜５分として、膜厚５〜２５ｎ
ｍを得た。ＡＥＳ（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓ
ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析によって、Ｂａ、Ｓｉ及
びＧｄ、の元素を調べたところ、２５：７０：５であっ
た。ＸＲＤ（Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）分
析を行った結果、作製した膜からはピークは同定され
ず、非晶質な膜であることが分かった。
８から供給し、その流量を１００ｓｃｃｍとした。以上
のガスは、シャワヘッド１１９により均一にＳｉ単結晶
基板１０１上へと供給した。薄膜形成室はホットウォー
ル型で、薄膜形成室加熱用ヒータ１２０により１５０℃
に加熱した。ＣＶＤ反応における残留ガスは真空ポンプ
１２２により排気した。圧力調整バルブ１２１で薄膜形
成室の圧力を０．１ｔｏｒｒに調整し、基板加熱用ヒー
タ１１３により基板温度を３００℃以上５００℃以下に
加熱した。成膜時間を１〜５分として、膜厚５〜２５ｎ
ｍを得た。ＡＥＳ（Ａｕｇｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓ
ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）分析によって、Ｂａ、Ｓｉ及
びＧｄ、の元素を調べたところ、２５：７０：５であっ
た。ＸＲＤ（Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）分
析を行った結果、作製した膜からはピークは同定され
ず、非晶質な膜であることが分かった。
【００２６】次にゲート電極１０４となる多結晶Ｓｉ膜
を３００ｎｍ成膜した（図２（d））。その後ｎチャン
ネル領域にはリンを、ｐチャンネル領域にはボロンをそ
れぞれ注入し、８００℃、１０〜３０ｍｉｎの窒素雰囲
気中熱処理して活性化した。ゲート電極１０４は多結晶
Ｓｉ膜を通常のホトリソグラフィー法を用いてパターニ
ングし、セルフアラインにてＲＩＥによりエッチングし
て形成した（図２（e））。また同様にゲート絶縁膜１
０３を加工して形成した。
を３００ｎｍ成膜した（図２（d））。その後ｎチャン
ネル領域にはリンを、ｐチャンネル領域にはボロンをそ
れぞれ注入し、８００℃、１０〜３０ｍｉｎの窒素雰囲
気中熱処理して活性化した。ゲート電極１０４は多結晶
Ｓｉ膜を通常のホトリソグラフィー法を用いてパターニ
ングし、セルフアラインにてＲＩＥによりエッチングし
て形成した（図２（e））。また同様にゲート絶縁膜１
０３を加工して形成した。
【００２７】次にゲート電極１０４をマスクしてソース
/ドレイン領域１０５に周期率表の第５族の原子（Ｐ，
Ａｓ，Ｓｂ）或いは第３族の原子（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉ
ｎ）のイオン注入を行い、８００℃、３０ｓｅｃのＡｒ
中熱処理を施す事により低抵抗の拡散領域を形成した
（図３（ｆ））。次にＣＶＤ法によりＳｉＯ２保護膜１
０６を形成した（図３（ｇ））。さらにソース/ドレイ
ン１０５上にスルーホールを作製した後、ＣＶＤ法によ
りＷ−プラグ電極１０７を作製した（図３（ｈ））。最
後にＡｌ配線１０８をＷ−プラグ１０７上に作製してＭ
ＩＳ型トランジスタ素子を作製した（図３（ｉ））。
/ドレイン領域１０５に周期率表の第５族の原子（Ｐ，
Ａｓ，Ｓｂ）或いは第３族の原子（Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉ
ｎ）のイオン注入を行い、８００℃、３０ｓｅｃのＡｒ
中熱処理を施す事により低抵抗の拡散領域を形成した
（図３（ｆ））。次にＣＶＤ法によりＳｉＯ２保護膜１
０６を形成した（図３（ｇ））。さらにソース/ドレイ
ン１０５上にスルーホールを作製した後、ＣＶＤ法によ
りＷ−プラグ電極１０７を作製した（図３（ｈ））。最
後にＡｌ配線１０８をＷ−プラグ１０７上に作製してＭ
ＩＳ型トランジスタ素子を作製した（図３（ｉ））。
【００２８】図３（ｉ）に示したように、本実施例の半
導体装置（ＭＩＳ型トランジスタ素子）は、シリコン単
結晶基板上に、素子分離絶縁膜と、ゲート絶縁膜と、ゲ
ート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記素子分離
絶縁膜と前記ゲート絶縁膜との間で前記ゲート絶縁膜を
挟んで両側に形成されたソース及びドレイン領域と、前
記素子分離絶縁膜とゲート絶縁膜とゲート電極とソース
及びドレイン領域とを保護する保護膜と、ソース及びド
レイン領域の各々に接して前記保護膜を貫通して形成さ
れたプラグ電極と、プラグ電極に接して保護膜上に形成
された配線とを有する構成となる。
導体装置（ＭＩＳ型トランジスタ素子）は、シリコン単
結晶基板上に、素子分離絶縁膜と、ゲート絶縁膜と、ゲ
ート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記素子分離
絶縁膜と前記ゲート絶縁膜との間で前記ゲート絶縁膜を
挟んで両側に形成されたソース及びドレイン領域と、前
記素子分離絶縁膜とゲート絶縁膜とゲート電極とソース
及びドレイン領域とを保護する保護膜と、ソース及びド
レイン領域の各々に接して前記保護膜を貫通して形成さ
れたプラグ電極と、プラグ電極に接して保護膜上に形成
された配線とを有する構成となる。
【００２９】片方のＡｌ配線１０８をアースにして、ゲ
ート電極１０４に−２〜２Ｖ変化させた場合のＣ−Ｖ特
性よりＥＯＴ（ＳｉＯ２換算膜厚）を算出した。その結
果を図５にまとめて示す。５−２５ｎｍ膜厚間で最小２
乗法から求めた勾配は誘電率を意味し、約１８であっ
た。５ｎｍの膜に対して、リーク電流密度を測定したと
ころ、１Ｖの電圧印加時に４×１０−４Ａ／ｃｍ２であ
った。
ート電極１０４に−２〜２Ｖ変化させた場合のＣ−Ｖ特
性よりＥＯＴ（ＳｉＯ２換算膜厚）を算出した。その結
果を図５にまとめて示す。５−２５ｎｍ膜厚間で最小２
乗法から求めた勾配は誘電率を意味し、約１８であっ
た。５ｎｍの膜に対して、リーク電流密度を測定したと
ころ、１Ｖの電圧印加時に４×１０−４Ａ／ｃｍ２であ
った。
【００３０】また、物理膜厚がゼロの場合にＥＯＴが約
０.２ｎｍであり、１０３ゲート絶縁膜と１０１Ｓｉ単
結晶基板界面に低誘電率なＳｉＯ２層の形成を薄く抑え
ることができた。さらに、１００時間大気中に放置した
後に同様のＣ−Ｖ特性を評価したところ、特性の劣化は
認められなかった。
０.２ｎｍであり、１０３ゲート絶縁膜と１０１Ｓｉ単
結晶基板界面に低誘電率なＳｉＯ２層の形成を薄く抑え
ることができた。さらに、１００時間大気中に放置した
後に同様のＣ−Ｖ特性を評価したところ、特性の劣化は
認められなかった。
【００３１】比較のために、Ｇｄを固溶しないＢａ−Ｓ
ｉ複合酸化膜を作製した。Ｇｄ（ｄｐｍ）３原料の供給
を停止した以外は、作製条件を同じにした。成膜時間を
１〜５分として、膜厚５−２５ｎｍを得た。ＡＥＳ分析
によって、Ｂａ及びＳｉの元素を調べたところ、２５：
７５であった。同様のＣ−Ｖ測定からＥＯＴを算出した
結果を図５に併記した。誘電率は約１３であり、Ｇｄを
固溶した場合と比較して低下した。また、５ｎｍの膜に
対して、リーク電流密度を測定したところ、１Ｖの電圧
印加時に２×１０−１Ａ／ｃｍ２であった。これは、Ｂ
ａＯが相分離したことによるものであった。このことか
ら、Ｇｄの固溶によりＢａＯの相分離を抑制できること
がわかった。
ｉ複合酸化膜を作製した。Ｇｄ（ｄｐｍ）３原料の供給
を停止した以外は、作製条件を同じにした。成膜時間を
１〜５分として、膜厚５−２５ｎｍを得た。ＡＥＳ分析
によって、Ｂａ及びＳｉの元素を調べたところ、２５：
７５であった。同様のＣ−Ｖ測定からＥＯＴを算出した
結果を図５に併記した。誘電率は約１３であり、Ｇｄを
固溶した場合と比較して低下した。また、５ｎｍの膜に
対して、リーク電流密度を測定したところ、１Ｖの電圧
印加時に２×１０−１Ａ／ｃｍ２であった。これは、Ｂ
ａＯが相分離したことによるものであった。このことか
ら、Ｇｄの固溶によりＢａＯの相分離を抑制できること
がわかった。
【００３２】また、物理膜厚がゼロの場合にＥＯＴが約
０.７ｎｍであり、Ｇｄを固溶した場合と比較してＳｉ
界面に形成するＳｉＯ２の膜厚は増加した。この結果か
ら、Ｂａ−Ｓｉ複合酸化膜へＧｄを固溶することによ
り、酸素バリア性が向上し、低誘電率なＳｉＯ２の形成
を抑制できることが分かった。
０.７ｎｍであり、Ｇｄを固溶した場合と比較してＳｉ
界面に形成するＳｉＯ２の膜厚は増加した。この結果か
ら、Ｂａ−Ｓｉ複合酸化膜へＧｄを固溶することによ
り、酸素バリア性が向上し、低誘電率なＳｉＯ２の形成
を抑制できることが分かった。
【００３３】更に、１００時間大気中に放置した後に同
様のＣ−Ｖ特性を評価したところ、比誘電率は約７まで
低下した。これは、凝集したＢａＯが大気中の水と反応
し、Ｂａ（ＯＨ）２等が形成したことによるものであ
る。Ｇｄの固溶により、ＢａＯが相分離に伴う吸湿反応
も抑制できることが分かった。
様のＣ−Ｖ特性を評価したところ、比誘電率は約７まで
低下した。これは、凝集したＢａＯが大気中の水と反応
し、Ｂａ（ＯＨ）２等が形成したことによるものであ
る。Ｇｄの固溶により、ＢａＯが相分離に伴う吸湿反応
も抑制できることが分かった。
【００３４】以上のように、本実施例より、Ｂａ−Ｓｉ
複合酸化膜にＧｄを固溶することで、ＢａＯの凝集や吸
湿反応による析出にともなう劣化を抑制できることを確
認した。
複合酸化膜にＧｄを固溶することで、ＢａＯの凝集や吸
湿反応による析出にともなう劣化を抑制できることを確
認した。
【００３５】ここで、Ｂａ−Ｓｉ複合酸化膜に、第３の
金属元素としてＧｄを固溶した場合を示したが、Ｙ、Ｌ
ａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｔｂ，Ｄ
ｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ及びＹｂのいずれの元素であって
も、同様の効果を得ることが出来た。
金属元素としてＧｄを固溶した場合を示したが、Ｙ、Ｌ
ａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｔｂ，Ｄ
ｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ及びＹｂのいずれの元素であって
も、同様の効果を得ることが出来た。
【００３６】また、第１の金属元素としてＢａ以外に、
酸化物が高い比誘電率を示すＮｂ、Ｗ、Ｐｂ、Ｔａ、Ｔ
ｉ、Ｚｒ、Ｈｆのいずれ金属元素を用いてもよい。
酸化物が高い比誘電率を示すＮｂ、Ｗ、Ｐｂ、Ｔａ、Ｔ
ｉ、Ｚｒ、Ｈｆのいずれ金属元素を用いてもよい。
【００３７】本実施例において、ゲート絶縁膜の作製方
法としてＣＶＤ法を用いたが、電子ビーム蒸着法やスパ
ッタ法など良好な薄膜を作製できる方法であれば、何れ
の方法を用いても良い。
法としてＣＶＤ法を用いたが、電子ビーム蒸着法やスパ
ッタ法など良好な薄膜を作製できる方法であれば、何れ
の方法を用いても良い。
【００３８】また、ゲート電極として多結晶Ｓｉを用い
ているが、上記誘電体材料と反応しない金属、例えば
Ｗ，Ｍｏ，ＴｉＮ，ＴｉＳｉ２等を用いてもよい。さら
に、多結晶Ｓｉにリンをドープしてもよい。Ａｌ配線を
説明したが、低抵抗な金属材料ならよく、例えばＣｕ材
料を用いてもよい。
ているが、上記誘電体材料と反応しない金属、例えば
Ｗ，Ｍｏ，ＴｉＮ，ＴｉＳｉ２等を用いてもよい。さら
に、多結晶Ｓｉにリンをドープしてもよい。Ａｌ配線を
説明したが、低抵抗な金属材料ならよく、例えばＣｕ材
料を用いてもよい。
【００３９】（実施例２）実施例１と同様に、ＣＶＤ法
によりゲート絶縁膜１０３となるＢａ−Ｓｉ−Ｇｄ複合
酸化膜を作製した。Ｇｄの固溶量（Ｇｄ／（Ｇｄ＋Ｂａ
＋Ｓｉ））を元素比で０、０．５、５、２０、３０％と
したＢａ−Ｓｉ−Ｇｄ複合酸化膜を約１００ｎｍ作製し
た。この膜の結晶性について、ＸＲＤ分析を行った。Ｇ
ｄ固溶量３０％時のＧｄ２Ｏ３回折ピーク強度を１００
％として、Ｇｄの固溶量に対するＧｄ２Ｏ３回折ピーク
強度を図６に示した。
によりゲート絶縁膜１０３となるＢａ−Ｓｉ−Ｇｄ複合
酸化膜を作製した。Ｇｄの固溶量（Ｇｄ／（Ｇｄ＋Ｂａ
＋Ｓｉ））を元素比で０、０．５、５、２０、３０％と
したＢａ−Ｓｉ−Ｇｄ複合酸化膜を約１００ｎｍ作製し
た。この膜の結晶性について、ＸＲＤ分析を行った。Ｇ
ｄ固溶量３０％時のＧｄ２Ｏ３回折ピーク強度を１００
％として、Ｇｄの固溶量に対するＧｄ２Ｏ３回折ピーク
強度を図６に示した。
【００４０】２０％以下のＧｄ固溶量において、作製し
た膜が非晶質であるために、ピークは認められなかっ
た。これに対して、Ｇｄの固溶量３０％では、立方晶Ｇ
ｄ２Ｏ ３のピークが同定でき、相分離していることが分
かった。また、Ｇｄの固溶量が０％のときに、ＢａＯピ
ークが同定され、ＢａＯが相分離していることが分かっ
た。
た膜が非晶質であるために、ピークは認められなかっ
た。これに対して、Ｇｄの固溶量３０％では、立方晶Ｇ
ｄ２Ｏ ３のピークが同定でき、相分離していることが分
かった。また、Ｇｄの固溶量が０％のときに、ＢａＯピ
ークが同定され、ＢａＯが相分離していることが分かっ
た。
【００４１】以上のように、本実施例より、Ｇｄ固溶量
を元素比で０．５％以上２０％以下とすることで、相分
離せずに、本発明の非晶質な複合酸化膜が得られること
を確認した。
を元素比で０．５％以上２０％以下とすることで、相分
離せずに、本発明の非晶質な複合酸化膜が得られること
を確認した。
【００４２】（実施例３）本実施例では、第１の金属元
素としてＺｒ、第２の金属元素としてＡｌを選び、第３
の金属元素としてＬａとした、Ｚｒ−Ａｌ−Ｌａ複合酸
化膜をゲート絶縁膜に用いたＭＩＳ型トランジスタを作
成した。
素としてＺｒ、第２の金属元素としてＡｌを選び、第３
の金属元素としてＬａとした、Ｚｒ−Ａｌ−Ｌａ複合酸
化膜をゲート絶縁膜に用いたＭＩＳ型トランジスタを作
成した。
【００４３】実施例１と同様に、素子分離領域１０２は
Ｓｉ単結晶基板１０１に深さ約０．４μｍの溝を形成し
た後にＣＶＤ法により、ＳｉＯ２膜を全面成膜し、次に
ＣＭＰで平坦化させて作製した。
Ｓｉ単結晶基板１０１に深さ約０．４μｍの溝を形成し
た後にＣＶＤ法により、ＳｉＯ２膜を全面成膜し、次に
ＣＭＰで平坦化させて作製した。
【００４４】また、実施例１と同様に、希ＨＦ処理によ
り基板表面のＳｉＯ２膜を除去した。ゲート絶縁膜１０
３であるＺｒ−Ａｌ−Ｌａ複合酸化膜をスパッタ法によ
り作製した。スパッタターゲットには、組成比をＺｒ：
Ａｌ：Ｌａ＝１７：８０：３としたＺｒ−Ａｌ−Ｌａ複
合酸化物焼結体を用いた。不活性雰囲気中、１００℃で
成膜することにより、物理膜厚３〜１５ｎｍのＺｒ−Ａ
ｌ−Ｌａ複合酸化膜を得た。なお、成膜後には、窒素雰
囲気中、８００℃での後熱処理を行った。
り基板表面のＳｉＯ２膜を除去した。ゲート絶縁膜１０
３であるＺｒ−Ａｌ−Ｌａ複合酸化膜をスパッタ法によ
り作製した。スパッタターゲットには、組成比をＺｒ：
Ａｌ：Ｌａ＝１７：８０：３としたＺｒ−Ａｌ−Ｌａ複
合酸化物焼結体を用いた。不活性雰囲気中、１００℃で
成膜することにより、物理膜厚３〜１５ｎｍのＺｒ−Ａ
ｌ−Ｌａ複合酸化膜を得た。なお、成膜後には、窒素雰
囲気中、８００℃での後熱処理を行った。
【００４５】次に、実施例１と同様にして、ＭＩＳ型ト
ランジスタ素子を作製した。片方のＡｌ配線１０８をア
ースにして、ゲート電極１０４に−２〜２Ｖ変化させた
場合のＣ−Ｖ特性よりＥＯＴを算出した。その結果を図
７に示す。３〜１５ｎｍ膜厚間で最小２乗法から求めた
勾配は誘電率を意味し、約１７であった。また物理膜厚
がゼロの場合にＥＯＴが約０.２ｎｍであり、ゲート絶
縁膜１０３とＳｉ単結晶基板１０１界面に低誘電率なＳ
ｉＯ２層の形成を薄く抑えることができた。さらに、１
００時間大気中に放置した後にＣ−Ｖ特性を評価したと
ころ、特性の劣化は認められなかった。
ランジスタ素子を作製した。片方のＡｌ配線１０８をア
ースにして、ゲート電極１０４に−２〜２Ｖ変化させた
場合のＣ−Ｖ特性よりＥＯＴを算出した。その結果を図
７に示す。３〜１５ｎｍ膜厚間で最小２乗法から求めた
勾配は誘電率を意味し、約１７であった。また物理膜厚
がゼロの場合にＥＯＴが約０.２ｎｍであり、ゲート絶
縁膜１０３とＳｉ単結晶基板１０１界面に低誘電率なＳ
ｉＯ２層の形成を薄く抑えることができた。さらに、１
００時間大気中に放置した後にＣ−Ｖ特性を評価したと
ころ、特性の劣化は認められなかった。
【００４６】比較例として、組成比をＺｒ：Ａｌ＝２
０：８０としたＺｒ−Ａｌ複合酸化物焼結体をターゲッ
トとして成膜したＺｒ−Ａｌ複合酸化膜３〜１５ｎｍに
対して、同様のＣ−Ｖ特性よりＥＯＴを算出した。その
結果を図７にまとめて示す。３〜１５ｎｍ膜厚間で誘電
率は約１２であった。また、物理膜厚がゼロの場合にＥ
ＯＴが約０.６ｎｍであり、Ｓｉ界面に０．６ｎｍのＳ
ｉＯ２層が形成した。このように、Ｌａを固溶した場合
と比較して、比誘電率及び酸素バリア性は小さいことが
分かった。
０：８０としたＺｒ−Ａｌ複合酸化物焼結体をターゲッ
トとして成膜したＺｒ−Ａｌ複合酸化膜３〜１５ｎｍに
対して、同様のＣ−Ｖ特性よりＥＯＴを算出した。その
結果を図７にまとめて示す。３〜１５ｎｍ膜厚間で誘電
率は約１２であった。また、物理膜厚がゼロの場合にＥ
ＯＴが約０.６ｎｍであり、Ｓｉ界面に０．６ｎｍのＳ
ｉＯ２層が形成した。このように、Ｌａを固溶した場合
と比較して、比誘電率及び酸素バリア性は小さいことが
分かった。
【００４７】以上のように、Ｚｒ−Ａｌ複合酸化膜中に
Ｌａを固溶することによって膜を緻密化した結果、ゲー
ト絶縁膜として良好な特性が得られることが確認でき
た。
Ｌａを固溶することによって膜を緻密化した結果、ゲー
ト絶縁膜として良好な特性が得られることが確認でき
た。
【００４８】（実施例４）本実施例では、第１の金属元
素としてＴｉ、第２の金属元素としてＳｉを選び、Ｔｉ
−Ｓｉ複合酸化窒化膜をゲート絶縁膜に用いたＭＩＳ型
トランジスタを作成した。
素としてＴｉ、第２の金属元素としてＳｉを選び、Ｔｉ
−Ｓｉ複合酸化窒化膜をゲート絶縁膜に用いたＭＩＳ型
トランジスタを作成した。
【００４９】実施例１と同様に、素子分離領域１０２は
Ｓｉ単結晶基板１０１に深さ約０．４μｍの溝を形成し
た後にＣＶＤ法により、ＳｉＯ２膜を全面成膜し、次に
ＣＭＰで平坦化させて作製した。
Ｓｉ単結晶基板１０１に深さ約０．４μｍの溝を形成し
た後にＣＶＤ法により、ＳｉＯ２膜を全面成膜し、次に
ＣＭＰで平坦化させて作製した。
【００５０】また、実施例１と同様に、希ＨＦ処理によ
り基板表面のＳｉＯ２膜を除去した。ゲート絶縁膜１０
３であるＴｉ−Ｓｉ複合酸化窒化膜を作成する上で、ま
ずＴｉ−Ｓｉ複合酸化膜をＣＶＤ法により作製した。Ｔ
ｉ及びＳｉ原料には、それぞれイソプロポキサイド・チ
タニウム（Ｔｉ（Ｏ−ｉＰｒ）２）及びＳｉ（Ｏ―ｉＰ
ｒ）４原料を用いた。Ｔｉ−Ｓｉ複合酸化膜の組成はＴ
ｉ：Ｓｉ＝１０：９０とした。
り基板表面のＳｉＯ２膜を除去した。ゲート絶縁膜１０
３であるＴｉ−Ｓｉ複合酸化窒化膜を作成する上で、ま
ずＴｉ−Ｓｉ複合酸化膜をＣＶＤ法により作製した。Ｔ
ｉ及びＳｉ原料には、それぞれイソプロポキサイド・チ
タニウム（Ｔｉ（Ｏ−ｉＰｒ）２）及びＳｉ（Ｏ―ｉＰ
ｒ）４原料を用いた。Ｔｉ−Ｓｉ複合酸化膜の組成はＴ
ｉ：Ｓｉ＝１０：９０とした。
【００５１】サンプルを大気中に暴露する前に、Ｔｉ−
Ｓｉ複合酸化膜をアンモニアガス雰囲気中７００℃の窒
化処理を行い、本発明のゲート絶縁膜１０３であるＴｉ
−Ｓｉ複合酸化窒化膜を作成した。膜厚は５〜２５ｎｍ
とした。ＡＥＳにより、窒素の含有量を測定したとこ
ろ、酸素と窒素の元素量に対して窒素は約２２％であっ
た。
Ｓｉ複合酸化膜をアンモニアガス雰囲気中７００℃の窒
化処理を行い、本発明のゲート絶縁膜１０３であるＴｉ
−Ｓｉ複合酸化窒化膜を作成した。膜厚は５〜２５ｎｍ
とした。ＡＥＳにより、窒素の含有量を測定したとこ
ろ、酸素と窒素の元素量に対して窒素は約２２％であっ
た。
【００５２】次に、実施例１及び実施例３と同様にして
ＭＩＳ型トランジスタ素子を作製した。片方のＡｌ配線
１０８をアースにして、ゲート電極１０４に−２〜２Ｖ
変化させた場合のＣ−Ｖ特性よりＥＯＴを算出した。そ
の結果を図８に示す。５〜２５ｎｍ膜厚間で最小２乗法
から求めた勾配は誘電率を意味し、約１５であった。ま
た物理膜厚がゼロの場合にＥＯＴが約０.３ｎｍであ
り、ゲート絶縁膜１０３とＳｉ単結晶基板１０１界面に
低誘電率なＳｉＯ２層の形成を薄く抑えることができ
た。さらに、１００時間大気中に放置した後にＣ−Ｖ特
性を評価したところ、特性の劣化は認められなかった。
ＭＩＳ型トランジスタ素子を作製した。片方のＡｌ配線
１０８をアースにして、ゲート電極１０４に−２〜２Ｖ
変化させた場合のＣ−Ｖ特性よりＥＯＴを算出した。そ
の結果を図８に示す。５〜２５ｎｍ膜厚間で最小２乗法
から求めた勾配は誘電率を意味し、約１５であった。ま
た物理膜厚がゼロの場合にＥＯＴが約０.３ｎｍであ
り、ゲート絶縁膜１０３とＳｉ単結晶基板１０１界面に
低誘電率なＳｉＯ２層の形成を薄く抑えることができ
た。さらに、１００時間大気中に放置した後にＣ−Ｖ特
性を評価したところ、特性の劣化は認められなかった。
【００５３】比較例として、窒化処理を行う前のＴｉ−
Ｓｉ複合酸化膜に対して、同様のＣ−Ｖ特性よりＥＯＴ
を算出した。その結果を図８にまとめて示す。５〜２５
ｎｍ膜厚間で誘電率は約１２であった。また、物理膜厚
がゼロの場合にＥＯＴが約０.５ｎｍであり、Ｓｉ界面
に０．５ｎｍのＳｉＯ２層が形成した。このように、窒
素を固溶した場合と比較して、比誘電率及び酸素バリア
性は小さいことが分かった。
Ｓｉ複合酸化膜に対して、同様のＣ−Ｖ特性よりＥＯＴ
を算出した。その結果を図８にまとめて示す。５〜２５
ｎｍ膜厚間で誘電率は約１２であった。また、物理膜厚
がゼロの場合にＥＯＴが約０.５ｎｍであり、Ｓｉ界面
に０．５ｎｍのＳｉＯ２層が形成した。このように、窒
素を固溶した場合と比較して、比誘電率及び酸素バリア
性は小さいことが分かった。
【００５４】以上のように、Ｔｉ−Ｓｉ複合酸化膜中の
酸素を窒素に置換することで膜を緻密化した結果、ゲー
ト絶縁膜として良好な特性が得られることが確認でき
た。
酸素を窒素に置換することで膜を緻密化した結果、ゲー
ト絶縁膜として良好な特性が得られることが確認でき
た。
【００５５】（実施例５）本実施例では、第１の金属元
素としてＨｆ、第２の金属元素としてＳｉ、及び第３の
金属元素としてＮｄから構成される非晶質な複合酸化膜
をゲート絶縁膜に用いたＭＩＳ型トランジスタを作成し
た実施例１と同様に、素子分離領域１０２はＳｉ単結晶
基板１０１に深さ約０．４μｍの溝を形成した後にＣＶ
Ｄ法により、ＳｉＯ２膜を全面成膜して、次にＣＭＰで
平坦化させて作製した。
素としてＨｆ、第２の金属元素としてＳｉ、及び第３の
金属元素としてＮｄから構成される非晶質な複合酸化膜
をゲート絶縁膜に用いたＭＩＳ型トランジスタを作成し
た実施例１と同様に、素子分離領域１０２はＳｉ単結晶
基板１０１に深さ約０．４μｍの溝を形成した後にＣＶ
Ｄ法により、ＳｉＯ２膜を全面成膜して、次にＣＭＰで
平坦化させて作製した。
【００５６】希ＨＦ処理により基板表面のシリコン酸化
膜を除去した後、ＮＨ３ガス中７００℃３０秒の熱処理
によって、シリコン基板表面にシリコン窒化膜を形成し
た。
膜を除去した後、ＮＨ３ガス中７００℃３０秒の熱処理
によって、シリコン基板表面にシリコン窒化膜を形成し
た。
【００５７】次に、ＨｆとＳｉとＮｄからなる混合層を
成膜した。成膜には、３元系イオンビームスパッタ法を
用いて行った。Ｈｆターゲット、Ｓｉターゲット及びＮ
ｄターゲットをセットし、３つのイオン源を同時に使用
し形成した。ターゲットを照射するイオンビームの出力
を変化させることによって、Ｈｆ：Ｓｉ：Ｎｄの元素比
が１０：８５：５である混合層を作製した。得られた混
合層を、酸素雰囲気中、３５０℃で熱処理を行い、非晶
質なＨｆ−Ｓｉ−Ｎｄ複合酸化膜からなるゲート絶縁膜
１０３を作製した。
成膜した。成膜には、３元系イオンビームスパッタ法を
用いて行った。Ｈｆターゲット、Ｓｉターゲット及びＮ
ｄターゲットをセットし、３つのイオン源を同時に使用
し形成した。ターゲットを照射するイオンビームの出力
を変化させることによって、Ｈｆ：Ｓｉ：Ｎｄの元素比
が１０：８５：５である混合層を作製した。得られた混
合層を、酸素雰囲気中、３５０℃で熱処理を行い、非晶
質なＨｆ−Ｓｉ−Ｎｄ複合酸化膜からなるゲート絶縁膜
１０３を作製した。
【００５８】以下、実施例１と同様にして、ＭＩＳ型ト
ランジスタ素子を作製した。片方のアルミ配線１０９を
アースにして、ゲート電極１０５に−２〜２Ｖの電圧を
変化させた場合のＣ−Ｖ特性よりＥＯＴ（ＳｉＯ２換算
膜厚）を算出した。膜厚１０〜４０ｎｍのゲート絶縁膜
に対して評価を行った。非晶質なＨｆ−Ｓｉ−Ｎｄ複合
酸化膜の比誘電率を求めた結果、約１６であった。ま
た、物理膜厚がゼロの場合にＥＯＴが約０.２ｎｍであ
った。
ランジスタ素子を作製した。片方のアルミ配線１０９を
アースにして、ゲート電極１０５に−２〜２Ｖの電圧を
変化させた場合のＣ−Ｖ特性よりＥＯＴ（ＳｉＯ２換算
膜厚）を算出した。膜厚１０〜４０ｎｍのゲート絶縁膜
に対して評価を行った。非晶質なＨｆ−Ｓｉ−Ｎｄ複合
酸化膜の比誘電率を求めた結果、約１６であった。ま
た、物理膜厚がゼロの場合にＥＯＴが約０.２ｎｍであ
った。
【００５９】本実施例より、ＨｆとＳｉとＮｄからなる
混合層を形成し、前記混合層を酸化したゲート絶縁膜を
作製することによって、良好なゲート絶縁膜が得られる
ことを確認した。
混合層を形成し、前記混合層を酸化したゲート絶縁膜を
作製することによって、良好なゲート絶縁膜が得られる
ことを確認した。
【００６０】また、非晶質なＨｆ−Ｓｉ−Ｎｄ複合酸化
膜とシリコン基板の間にシリコン窒化膜を挟んだ構造に
することで、シリコン基板の酸化を抑制できることも確
認した。
膜とシリコン基板の間にシリコン窒化膜を挟んだ構造に
することで、シリコン基板の酸化を抑制できることも確
認した。
【００６１】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、シリコ
ン単結晶基板を母材としたＭＩＳ型トランジスタ素子に
おいて、ゲート絶縁膜として、３種類の金属元素から構
成される非晶質な複合酸化膜、特に、比誘電率２０以上
の金属酸化物を構成する第１の金属元素と、比誘電率２
０未満の金属酸化物を構成する第２の金属元素と、前記
第１の金属元素と前記第２の金属元素から構成される複
合酸化物を緻密化する第３の金属元素から構成される非
晶質な複合酸化膜とすることで、緻密化したゲート絶縁
膜が得られるために、第１の金属元素酸化物の相分離に
伴う膜質の劣化を抑制し、かつ酸素バリア性を向上した
半導体装置を提供することができた。また、本発明によ
って形成したゲート絶縁膜を用いることで、ゲート長
０．１μｍ以下のＭＩＳトランジスタを提供することが
できた。
ン単結晶基板を母材としたＭＩＳ型トランジスタ素子に
おいて、ゲート絶縁膜として、３種類の金属元素から構
成される非晶質な複合酸化膜、特に、比誘電率２０以上
の金属酸化物を構成する第１の金属元素と、比誘電率２
０未満の金属酸化物を構成する第２の金属元素と、前記
第１の金属元素と前記第２の金属元素から構成される複
合酸化物を緻密化する第３の金属元素から構成される非
晶質な複合酸化膜とすることで、緻密化したゲート絶縁
膜が得られるために、第１の金属元素酸化物の相分離に
伴う膜質の劣化を抑制し、かつ酸素バリア性を向上した
半導体装置を提供することができた。また、本発明によ
って形成したゲート絶縁膜を用いることで、ゲート長
０．１μｍ以下のＭＩＳトランジスタを提供することが
できた。
【図１】 本発明に係るＭＩＳ型トランジスタ素子の概
略図である。
略図である。
【図２】 本発明に係るＭＩＳ型トランジスタ素子の製
造工程を示す断面図である。
造工程を示す断面図である。
【図３】 本発明に係るＭＩＳ型トランジスタ素子の製
造工程を示す断面図である。
造工程を示す断面図である。
【図４】 本発明に係るゲート絶縁膜であるＢａ−Ｓｉ
−Ｇｄ複合酸化膜を作製するＣＶＤ装置の概略図であ
る。
−Ｇｄ複合酸化膜を作製するＣＶＤ装置の概略図であ
る。
【図５】 本発明のゲート絶縁膜であるＢａ−Ｓｉ−Ｇ
ｄ複合酸化膜中の物理膜厚とＥＯＴとの関係を示す線図
である。
ｄ複合酸化膜中の物理膜厚とＥＯＴとの関係を示す線図
である。
【図６】 本発明のゲート絶縁膜であるＢａ−Ｓｉ−Ｇ
ｄ複合酸化膜中のＧｄ／（Ｇｄ＋Ｂａ＋Ｓｉ）比に対す
るＧｄ２Ｏ３ピーク強度比の関係を示す線図である。
ｄ複合酸化膜中のＧｄ／（Ｇｄ＋Ｂａ＋Ｓｉ）比に対す
るＧｄ２Ｏ３ピーク強度比の関係を示す線図である。
【図７】 本発明のＺｒ−Ａｌ−Ｌａ複合酸化物の物理
膜厚とＥＯＴとの関係を示す線図である。
膜厚とＥＯＴとの関係を示す線図である。
【図８】 本発明のＴｉ−Ｓｉ複合酸化窒化膜の物理膜
厚とＥＯＴとの関係を示す線図である。
厚とＥＯＴとの関係を示す線図である。
１０１…Ｓｉ単結晶基板、１０２…素子分離領域、１０
３…ゲート絶縁膜、１０４…ゲート電極、１０５…ソー
ス・ドレイン領域、１０６…ＳｉＯ２保護膜、１０７…
プラグ電極、１０８…Ａｌ配線、１１１…薄膜形成室、
１１２…シリコン基板、１１３…基板加熱用ヒータ、１
１４…Ｂａ原料容器、１１５…Ｓｉ原料容器、１１６…
Ｇｄ原料容器、１１７…アルゴンボンベ、１１８…酸素
ボンベ、１１９…シャワヘッド、１２０…薄膜形成室加
熱用ヒータ、１２１…圧力調整バルブ、１２２…真空ポ
ンプ。
３…ゲート絶縁膜、１０４…ゲート電極、１０５…ソー
ス・ドレイン領域、１０６…ＳｉＯ２保護膜、１０７…
プラグ電極、１０８…Ａｌ配線、１１１…薄膜形成室、
１１２…シリコン基板、１１３…基板加熱用ヒータ、１
１４…Ｂａ原料容器、１１５…Ｓｉ原料容器、１１６…
Ｇｄ原料容器、１１７…アルゴンボンベ、１１８…酸素
ボンベ、１１９…シャワヘッド、１２０…薄膜形成室加
熱用ヒータ、１２１…圧力調整バルブ、１２２…真空ポ
ンプ。
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フロントページの続き
(72)発明者 鈴木 孝明
茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株
式会社日立製作所日立研究所内
(72)発明者 村田 康彦
茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株
式会社日立製作所日立研究所内
(72)発明者 内藤 孝
茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株
式会社日立製作所日立研究所内
(72)発明者 平谷 正彦
東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地
株式会社日立製作所中央研究所内
Ｆターム(参考） 4K030 AA06 AA11 AA14 AA16 BA42
BB05 CA04 FA10 JA06 LA15
5F140 AA00 AA24 BA01 BD01 BD04
BD05 BD07 BD13 BE03 BE08
BE09 BE10 BE17 BF01 BF03
BF04 BF05 BF07 BF08 BF10
BG32 BG33 BG38 BH21 BJ01
BJ05 BJ07 BJ27 BK13 BK21
BK25 BK30 BK38 CA03 CB04
CC03 CC12 CE05
Claims (13)
- 【請求項１】シリコン基板上にゲート絶縁膜を有する半
導体装置において、前記ゲート絶縁膜は、比誘電率の低
い第１の金属元素を主成分とし、該第１の金属元素より
比誘電率が高くその金属元素に固溶する第２の金属元素
と、前記第１の金属元素と第２の金属元素から構成され
る複合酸化物の相分離を抑制する第３の金属元素を含む
非晶質な複合酸化膜であることを特徴とする半導体装
置。 - 【請求項２】シリコン基板上にゲート絶縁膜を有する半
導体装置において、前記ゲート絶縁膜は、比誘電率２０
以上の金属酸化物を構成する第１の金属元素と、比誘電
率２０未満の金属酸化物を構成する第２の金属元素と、
前記第１の金属元素と前記第２の金属元素から構成され
る複合酸化物を緻密化する第３の金属元素とを含む非晶
質な複合酸化膜であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項３】シリコン基板上にゲート絶縁膜を有する半
導体装置において、前記ゲート絶縁膜は、比誘電率３０
以上の金属酸化物を構成する第１の金属元素と、比誘電
率３０未満の金属酸化物を構成する第２の金属元素と、
前記第１の金属元素と前記第２の金属元素から構成され
る複合酸化物を緻密化する第３の金属元素とを含む非晶
質な複合酸化膜であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項４】シリコン基板上にゲート絶縁膜を有する半
導体装置において、前記ゲート絶縁膜は比誘電率２０以
上の金属酸化物を構成する第１の金属元素と、比誘電率
２０未満の金属酸化物を構成する第２の金属元素とを含
む非晶質な複合酸化窒化膜であることを特徴とする半導
体装置。 - 【請求項５】シリコン基板上にゲート絶縁膜を有する半
導体装置において、前記ゲート絶縁膜は比誘電率３０以
上の金属酸化物を構成する第１の金属元素と、比誘電率
３０未満の金属酸化物を構成する第２の金属元素とを含
む非晶質な複合酸化窒化膜であることを特徴とする半導
体装置。 - 【請求項６】請求項４又は５において、前記複合酸化窒
化膜中の窒素元素含有量が、前記ゲート絶縁膜中の全非
金属元素量に対して元素比で０．５〜５０％であること
を特徴とする半導体装置。 - 【請求項７】請求項１〜６のいずれかにおいて、前記第
１の金属元素が、Ｂａ、Ｎｂ、Ｗ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚｒ、
Ｈｆ及びＰｂの１種以上であることを特徴とする半導体
装置。 - 【請求項８】請求項１〜７のいずれかにおいて、前記第
２の金属元素が、Ｓｉ及びＡｌの１種以上であることを
特徴とする半導体装置。 - 【請求項９】請求項１〜３、７、８のいずれかにおい
て、前記第３の金属元素が希土類元素であることを特徴
とする半導体装置。 - 【請求項１０】請求項９において、前記第３の金属元素
の含有量が、前記ゲート絶縁膜中の全金属元素量に対し
て元素比で０．５〜２０％であることを特徴とする半導
体装置。 - 【請求項１１】シリコン基板上にゲート絶縁膜を有する
半導体装置において、前記ゲート絶縁膜は、元素比で
０．５〜２０％の希土類元素を含む非晶質な複合酸化膜
であることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項１２】請求項１〜３、７〜１１のいずれかにお
いて、前記希土類元素が、Ｙ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ、Ｐ
ｍ、Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｙ
ｍ，Ｙｂ及びＬｎの１種以上からなることを特徴とする
半導体装置。 - 【請求項１３】請求項１〜１２のいずれかにおいて、前
記ゲート絶縁膜と前記シリコン基板との界面に、シリコ
ン酸化膜又はシリコン窒化膜から構成される界面制御層
を具備することを特徴とする半導体装置。
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