JP2003258243A

JP2003258243A - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2003258243A
Application number: JP2002052483A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Hayashi; 重徳林
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-02-28
Filing date: 2002-02-28
Publication date: 2003-09-12

Abstract

(57)【要約】【課題】金属酸化物からなるゲート絶縁膜の信頼性を
向上させ、素子特性の向上をはかる。【解決手段】ゲート絶縁膜に金属酸化物膜を用いる半
導体装置の製造方法において、シリコン基板１上にＰＶ
Ｄ法で金属酸化物、もしくは金属窒化物状態で初期層２
１を成膜した後、ＣＶＤ法で同種もしくは異種の金属酸
化物層２２を形成する。初期層２１をＰＶＤ法で作製す
ることにより、シリコン基板１と金属酸化物界面を制御
性良く形成した後、ＣＶＤ法で金属酸化物層を均一性良
く形成する。ゲート絶縁膜の密着性、結晶構造を改善
し、酸化膜換算膜厚、リーク電流を低減し、信頼性が向
上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高誘電体からなる
ゲート絶縁膜を有する半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体装置における高集積化およ
び高速化に対する技術進展に伴い、ＭＯＳＦＥＴの微細
化が進められている。微細化に伴いゲート絶縁膜の薄膜
化を進めると、トンネル電流によるゲートリーク電流の
増大といった問題が顕在化してくる。

【０００３】この問題を抑制するために、ゲート絶縁膜
にＨｆＯ₂やＺｒＯ₂等の金属酸化物の高誘電率材料を用
いたゲート絶縁膜により、薄いＳｉＯ₂換算膜厚を実現
しながら物理的な膜厚を厚くするという手法が研究され
ている。

【０００４】また、昨今のシステムＬＳＩにおいては、
演算処理を行なう内部回路、入出力を受け持つ周辺回
路、ＤＲＡＭなど、複数の機能を持つ回路を一つのチッ
プに集積することが一般的となっている。このようなシ
ステムＬＳＩを構成するＭＯＳＦＥＴには、それぞれの
機能に応じて、リーク電流は大きくても高駆動力である
ことや、駆動力は低くてもリーク電流が小さいことが求
められる。これを実現するために、ゲート絶縁膜をなす
ＳｉＯ₂を複数の膜厚に作り分けるマルチゲート酸化膜
技術が用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前節で述べたｈｉｇｈ
−ｋゲート絶縁膜に関しては、現在、種々の高誘電率材
料が種々の薄膜形成方法を用いて形成されているが、実
用化に向けては様々な課題がある。これらは、シリコン
基板表面と高誘電率膜との間に、ＳｉＯ₂層やシリケー
ト層といった低誘電率の界面層が形成され実効的な誘電
率を下げてしまう、高誘電率材料が金属酸化物であるが
ゆえに柱状成長しその粒界を通してリーク電流が流れて
しまうといった問題である。これらには、結晶化温度と
いった材料物性に起因した問題と、薄膜形成方法などの
プロセスに起因した問題がある。

【０００６】特に、薄膜形成方法については、大別し
て、物理的成膜方法と化学的成膜方法があるが、材料物
性と相俟ってそれぞれの長所短所がある。化学的成膜方
法は、ＭＯ−ＣＶＤ法やＡＬ−ＣＶＤ法に代表されるよ
うに、ダメージレスで自己整合性や均一性に優れている
が、残留不純物、密着性の問題、さらには、核生成密度
が低くグレイン成長しやすいといった課題がある。他
方、物理的成膜法は、ダメージや均一性に問題がある
が、密着性が良く、核生成密度が高くグレインの少ない
膜が成長しやすいといった特徴がある。

【０００７】本発明の目的は、ゲート絶縁膜の信頼性を
向上させ、素子特性の向上をはかることにある。上記金
属酸化物からなる高誘電率薄膜を、密着性・均一性良
く、結晶粒界等の影響を抑えたモフォロジーで、さらに
は低誘電率界面層の生成を抑えて形成する製造方法を提
供することで、酸化膜換算膜厚およびリーク電流を低減
し、信頼性を向上することにある。

【０００８】上記の課題を解消することにあり、物理的
成膜法と化学的成膜法のそれぞれの特徴を生かし、金属
酸化物薄膜の材料物性を鑑みた、薄いＳｉＯ２換算膜厚
でゲートリークの小さいゲート絶縁膜を得ることを可能
とする半導体装置とその製造方法を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の半導体装
置の製造方法は、シリコン基板上に第１の層を物理的成
膜法により堆積し、前記第１の層の上に第２の層を化学
的成膜法により堆積して前記第１の層と前記第２の層と
の高誘電率積層膜からなるゲート絶縁膜を形成すること
を特徴とする。

【００１０】この構成によると、第１の層を物理的成膜
法で形成することにより、密着性・核生成密度を向上さ
せ、第２の層を化学的成膜法で形成することにより、均
一性を向上させることができる。

【００１１】本発明の第２の半導体装置の製造方法は、
上記の第１の半導体装置の製造方法において、高誘電率
積層膜を構成する金属元素として、ハフニウム、ジルコ
ニウム、チタン、タンタル、アルミニウムおよび希土類
金属の群から選択することを開示している。

【００１２】本発明の第３の半導体装置の製造方法は、
上記の第１または第２の半導体装置の製造方法におい
て、第１の層の物理的成膜法による堆積工程の雰囲気と
して、イオン照射下の雰囲気を用いることを特徴とす
る。

【００１３】この構成によると、スパッタ法やイオンア
シスト蒸着法など、低エネルギーイオンのアシスト効果
により密着性を向上させることができる。本発明の第４
の半導体装置の製造方法は、上記の第１〜第３の何れか
の半導体装置の製造方法において、第１の層の物理的成
膜法による堆積工程の雰囲気として、Ｏ₂を含む雰囲気
を用いることを特徴とする。

【００１４】この構成によると、第１の層を金属酸化物
薄膜の状態、すなわち高誘電率薄膜として堆積すること
を開示している。本発明の第５の半導体装置の製造方法
は、上記の第１〜第３の何れかの半導体装置の製造方法
において、第１の層の物理的成膜法による堆積工程の雰
囲気として、Ｎ₂もしくはＮ₂Ｏ，Ｏ₂を含むを含む雰囲
気を用いることを特徴とする。

【００１５】この構成によると、第１の層を金属窒化物
薄膜の状態で堆積することにより、第２の層の化学的成
膜法における酸化性、高温条件下での、Ｓｉ基板からの
Ｓｉの拡散、および雰囲気から酸素の拡散による低誘電
率界面層の形成を抑えることができる。

【００１６】本発明の第６の半導体装置の製造方法は、
上記の第１〜第５の何れかの半導体装置の製造方法にお
いて、第１の層と第２の層とに、それぞれ異なる高誘電
率材料を用いることを特徴とする。

【００１７】この構成によると、金属酸化物薄膜の材料
物性面から見た場合、第１の層としては、誘電率はさほ
ど高くなくとも、粒界が少ない、もしくは非晶質状態を
取り易い材料が望ましく、第２の層としては、物性値の
優れた、すなわち誘電率の高い材料が望ましい。

【００１８】本発明の第７の半導体装置の製造方法は、
上記の第１〜第６の何れかの半導体装置の製造方法にお
いて、堆積時の基板温度として、第１の層については非
晶質膜が得られる程度の低温、第２の層については結晶
性被膜が得られる程度の高温とすることを特徴とする。

【００１９】この構成によると、第１の非晶質層でリー
ク電流を抑えながら、第２の結晶層で誘電率を向上させ
ることができる。本発明の半導体装置は、高誘電体から
なるゲート絶縁膜をシリコン基板上に有する半導体装置
であって、前記ゲート絶縁膜として、シリコン基板上に
異なる高誘電率材料からなる少なくとも２層からなる高
誘電率積層膜を形成したことを特徴とする。

【００２０】この構成によると、金属酸化物薄膜の個々
の材料物性に鑑み、それぞれの特徴を生かした積層膜を
構成することで、薄いＳｉＯ₂換算膜厚でゲートリーク
の小さいゲート絶縁膜を実現できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施の形態の
（実施例１）〜（実施例３）を（比較例１）（比較例
２）と対比して説明する。

【００２２】（比較例１）物理的成膜（ＰＶＤ）法によ
る従来のゲート絶縁膜の製造方法について、図４を参照
しながら説明する。

【００２３】例えばｐ型シリコン基板１を、フッ酸水溶
液で表面自然酸化膜を除去し水洗後、成膜装置チャンバ
ー内部に導入する。成膜装置としては、ＰＶＤ法、例え
ば、直流スパッタ法に基づく装置を用い、金属酸化物薄
膜２をシリコン基板１の上に形成する。金属酸化物薄膜
２として、例えば、ハフニウム酸化物（ＨｆＯ₂）を形
成する場合、ハフニウム（Ｈｆ）金属をターゲットに用
いる。ＡｒガスとＯ₂ガスの混合ガスからなる雰囲気を
用いて直流電圧を印加し、放電を起こすと、反応性スパ
ッタにより、ＨｆＯ₂膜からなる金属酸化物薄膜２が形
成される。スパッタ時間を制御することにより、３〜１
０ｎｍのＨｆＯ₂薄膜を得る。このＨｆＯ₂薄膜は、結晶
化温度（およそ６００℃）以下の基板温度で形成する場
合には、非晶質で断面構造にも柱状構造は見られない。
しかしながら、この工程において、基板からのＳｉの拡
散、雰囲気からの酸素の拡散によって、シリコン基板１
と金属酸化物薄膜２の間に界面層３が３ｎｍ程度形成さ
れることは否めない。この界面層は、ＳｉＯ₂リッチな
シリケートと考えられる。

【００２４】その後、例えば、タングステン（Ｗ）を、
スパッタ法を用いて堆積し、周知のリソグラフィ／ドラ
イエッチング工程により、ゲート電極４に加工し、キャ
パシタ構造を得ることが出来る。

【００２５】（比較例２）化学的成膜（ＣＶＤ）法によ
る従来のゲート絶縁膜の製造方法について、図５を参照
しながら説明する。

【００２６】同じくｐ型シリコン基板１を、フッ酸水溶
液で表面自然酸化膜を除去し水洗後、成膜装置チャンバ
ー内部に導入する。成膜装置としては、ＣＶＤ法、例え
ば、有機金属前駆体を用いたＣＶＤ装置を用い、金属酸
化物薄膜２をシリコン基板１上に形成する。金属酸化物
薄膜２として、同じく、ハフニウム酸化物（ＨｆＯ₂）
を形成する場合、ハフニウム（Ｈｆ）の有機金属錯体で
あるテトラキスジエチルアミノハフニウム（Ｈｆ（ＮＥ
ｔ２）４）をＣＶＤ原料に用いる。原料のＨｆ（ＮＥｔ
₂）₄液体をＮ₂ガスでバブリングし、Ｎ₂ガスをキャリア
ガスとして成膜装置チャンバーへと輸送する。もう一つ
の原料である酸素はＯ₂ガスの形で別系統の配管から基
板上へ導き、Ｈｆ（ＮＥｔ₂）₄と反応させてＨｆＯ₂膜
からなる金属酸化物薄膜２が形成される。ガス導入時間
を制御することにより、３〜１０ｎｍのＨｆＯ₂薄膜を
得る。ＨｆＯ₂薄膜中の有機成分を離脱させるためには
３００℃以上の基板温度加熱が必要で、このときのＨｆ
Ｏ₂薄膜の構造は、多結晶で断面構造にも柱状構造が顕
著に見られる。この工程においても、先の（比較例１）
と同様、基板からのＳｉの拡散、雰囲気からの酸素の拡
散によって、シリコン基板１と金属酸化物薄膜２の間に
界面層３が３ｎｍ程度形成される、この界面層は、Ｓｉ
Ｏ₂リッチなシリケートと考えられる。

【００２７】その後、例えば、タングステン（Ｗ）を、
スパッタ法を用いて堆積し、周知のリソグラフィ／ドラ
イエッチング工程により、ゲート電極４に加工し、キャ
パシタ構造を得ることが出来る。

【００２８】上記、（比較例１）のＰＶＤ法および（比
較例２）のＣＶＤ法を用いて、シリコン基板１上に金属
酸化物薄膜２を形成した段階で、金属酸化物薄膜２のシ
リコン基板１への密着性を評価する目的で、スクラッチ
試験を行った。その結果を図２に示す。

【００２９】図２（ａ）が（比較例１）のＰＶＤ成膜法
によるもので、図２（ｂ）が（比較例２）のＣＶＤ成膜
法によるものの測定結果である。図から分かるとおり、
ＰＶＤ法に比べて、ＣＶＤ法により作製した金属酸化物
薄膜の方が、はるかに低い負荷でシリコン基板から剥離
しており、密着性は低いものと理解される。

【００３０】これら金属酸化物薄膜をゲート絶縁膜とし
て用いる場合、後工程で、堆積される薄膜の応力を様々
な熱処理工程で受けるために、その密着性は重要な問題
である。その意味では、ＰＶＤ法の方が望ましいと考え
られ、特に、（比較例１）のスパッタ法やイオンアシス
ト蒸着法等の低エネルギイオン照射下の成膜法は、イオ
ン衝撃による適度なミキシング効果により、緻密性・密
着性の高い膜をえることができる。

【００３１】さらに、（比較例１）のＰＶＤ法および
（比較例２）のＣＶＤ法を用いて作製した、３〜１０ｎ
ｍの金属酸化物薄膜２を用いたゲート絶縁膜のキャパシ
タ特性を図３に示す。

【００３２】横軸がＣ−Ｖ測定より求めた酸化膜換算膜
厚（ｎｍ）で、縦軸がＩ−Ｖ測定より求めたゲート印加
電圧＋１Ｖ時のリーク電流（Ａ／ｃｍ²）である。ゲー
ト絶縁膜としては、酸化膜換算膜厚・リーク電流とも小
さいほど、また、酸化膜換算膜厚の減少に対してリーク
電流の増加の少ないほど、優れていると考えられる。

【００３３】図３（ａ）が（比較例１）のＰＶＤ法によ
るもので、図３（ｂ）が（比較例２）のＣＶＤ法による
ものの測定結果である。図から分かるとおり、ＰＶＤ法
に比べてＣＶＤ法により作製した金属酸化物薄膜は、酸
化膜換算膜厚に関しては小さく、誘電率の高い結晶性の
薄膜が得られている、あるいは、ダメージが少なく界面
層の形成が抑えられていると考えられるが、反面、リー
ク電流に関しては、かなり大きく、上述の柱状構造に基
づく結晶粒界を介して電流が流れているものと推定され
る。

【００３４】以上、（比較例１）および（比較例２）に
基づき述べてきたように、ＣＶＤ法は、ＭＯ−ＣＶＤ法
やＡＬ−ＣＶＤ法に代表されるように、ダメージレスで
自己整合性や均一性に優れているが、残留不純物、密着
性の問題、さらには、核生成密度が低くグレイン成長し
やすいといった課題があり、他方、ＰＶＤ法は、ダメー
ジや均一性に問題があるが、密着性が良く、核生成密度
が高くグレインの少ない膜が成長しやすいといった特徴
がある。信頼性の高い優れたゲート絶縁膜を得るために
は、上記金属酸化物からなる高誘電率薄膜を、密着性・
均一性良く、結晶粒界などの影響を抑えたモフォロジー
で、さらには低誘電率界面層の生成を抑えて形成する製
造方法を構築し、酸化膜換算膜厚・リーク電流を低減
し、信頼性を向上させることが必要である。

【００３５】本発明は、これらの課題を解消することに
あり、下記に示す本発明の実施の形態である（実施例
１）〜（実施例３）では、ＰＶＤ法とＣＶＤ法のそれぞ
れの特徴を生かし、金属酸化物薄膜の材料物性を鑑み
た、薄いＳｉＯ₂換算膜厚でゲートリークの小さいゲー
ト絶縁膜を得ることを可能とする半導体装置とその製造
方法を実現している。

【００３６】（実施例１）次に、本発明の（実施例１）
としての金属酸化物高誘電率膜からなるゲート絶縁膜の
製造方法について図１を参照しながら説明する。

【００３７】金属酸化物薄膜の材料物性に鑑み、ＰＶＤ
法とＣＶＤ法のそれぞれの特徴を生かして、２段階成膜
による積層膜を構成する。まず、（比較例１）と同じよ
うに、例えばｐ型シリコン基板１を、フッ酸水溶液で表
面自然酸化膜を除去し水洗後、ＰＶＤ装置に導入し、初
期層２１として金属酸化物薄膜を堆積する。

【００３８】初期層２１としては、例えば、ＨｆＯ₂薄
膜をＡｒガスとＯ₂ガスの混合ガスからなる雰囲気を用
いて反応性スパッタにより形成する。初期層の膜厚とし
ては１〜２ｎｍが好適であり、スパッタ時間制御により
最適化することができる。その後、直ちに真空を破るこ
となく、ＣＶＤ装置に導入し、（比較例２）と同じよう
に、ＭＯ−ＣＶＤ法により、金属酸化物層２２を堆積す
る。Ｈｆ（ＮＥｔ₂）₄をＣＶＤ原料に用い、基板温度３
００℃以上で、ガス導入時間を制御することにより、初
期層２１の膜厚とあわせて３〜１０ｎｍのＨｆＯ₂薄膜
を得る。

【００３９】このときのＨｆＯ₂薄膜の構造は、初期層
２１は非晶質であるが、金属酸化物層２２やはり多結晶
性ではあるが断面構造は（比較例２）に比べて柱状構造
や粒界は明確ではない。ＰＶＤによる初期層２１の存在
により、ＣＶＤ膜の成長核が均一高密度に形成されたた
めと考えられる。ただし、この工程においても、上述の
（比較例１）（比較例２）の場合と同様に、基板からの
Ｓｉの拡散、雰囲気からの酸素の拡散によって、シリコ
ン基板１と初期層２１の間に界面層３が形成される。

【００４０】その後、（比較例１）（比較例２）の場合
と同様に、タングステン（Ｗ）を、スパッタ法を用いて
堆積し、周知のリソグラフィ／ドライエッチング工程に
より、ゲート電極４に加工し、キャパシタ構造を得るこ
とが出来る。

【００４１】この（実施例１）の工程の中で、シリコン
基板１の上に初期層２１と金属酸化物層２２からなるゲ
ート絶縁膜としての高誘電率積層膜２３を形成した段階
で、シリコン基板１への密着性を評価する目的で、スク
ラッチ試験を行った結果を図２（ｃ）に示す。

【００４２】この図２からわかるように、（比較例１）
のＰＶＤ法による（ａ）には及ばないものの、（比較例
２）のＣＶＤ法による（ｂ）に比べてはるかに密着性が
向上しているのがわかる。

【００４３】また、（実施例１）の工程を用いて作製し
た３〜１０ｎｍの金属酸化物薄膜を用いたゲート絶縁膜
のキャパシタ特性を図３（ｃ）に示す。この図３からわ
かるように、（比較例１）のＰＶＤ法による（ａ）に比
べては酸化膜換算膜厚が低減されており、（比較例２）
のＣＶＤ法による（ｂ）に比べてはリーク電流が低減さ
れているのがわかり、ゲート絶縁膜としての特性は向上
していると考えられる。ＰＶＤ法による初期層２１の存
在によって、ＣＶＤ法による金属酸化物層２２の粒界が
減少、膜厚方向のリークパスが分断されたため、リーク
電流が低減され、他方、金属酸化物層２２の優れた結晶
性・均一性による高誘電性により酸化物換算膜厚が低減
されたものと考えられる。

【００４４】（実施例２）次に、本発明の（比較例２）
としての金属酸化物高誘電率膜からなるゲート絶縁膜の
製造方法について再度、図１を参照しながら説明する。

【００４５】本実施形態でも、ＰＶＤ法とＣＶＤ法のそ
れぞれの特徴を生かして、２段階成膜による積層膜を構
成する点は同じであるが、シリコン基板１と初期層２１
の間の界面層３の形成を抑えるために、ＰＶＤ法の特徴
を生かして、初期層２１を金属窒化物の状態で形成す
る。まず、（比較例１）に従って、例えばｐ型シリコン
基板１を、フッ酸水溶液で表面自然酸化膜を除去し水洗
後、ＰＶＤ装置に導入し、初期層２１として金属窒化物
薄膜を堆積する。

【００４６】初期層２１としては、例えば、ＨｆＮｘ薄
膜をＡｒガスとＮ₂ガスの混合ガスからなる雰囲気を用
いて反応性スパッタにより形成する。初期層の膜厚とし
ては１〜２ｎｍが好適であり、スパッタ時間制御により
最適化することができる。その後、直ちに真空を破るこ
となく、ＣＶＤ装置に導入し、（比較例２）にしたがっ
て、ＭＯ−ＣＶＤ法により、金属酸化物層２２を堆積す
る。Ｈｆ（ＮＥｔ₂）₄をＣＶＤ原料に用い、基板温度３
００℃以上で、ＨｆＯ₂薄膜を形成する。このとき初期
層２１は、金属酸化物層２２の酸化性雰囲気により大部
分酸化されるので、ガス導入時間を制御することによ
り、初期層２１の膜厚とあわせて３〜１０ｎｍのＨｆＯ
₂薄膜を得る。これらＨｆＯ₂薄膜の構造は、（実施例
１）と同等であるが、シリコン基板１と初期層２１の間
の界面層３は１ｎｍ程度低減される。

【００４７】その後、同様に、タングステン（Ｗ）を、
スパッタ法を用いて堆積し、周知のリソグラフィ／ドラ
イエッチング工程により、ゲート電極４に加工し、キャ
パシタ構造を得ることが出来る。

【００４８】上記（実施例２）の工程を用いて作製し
た、３〜１０ｎｍの金属酸化物薄膜を用いたゲート絶縁
膜のキャパシタ特性を図３（ｄ）に示す。初期層２１に
金属酸化物を用いた（実施例１）の（ｃ）に比べて、酸
化膜換算膜厚、リーク電流が低減されているのがわか
り、ゲート絶縁膜としての特性は向上していると考えら
れる。ＰＶＤ法の特性を生かして、初期層２１に金属窒
化物膜を形成することによって、基板からのＳｉの拡
散、雰囲気からの酸素の拡散を抑えることができ、シリ
コン基板１と金属酸化物薄膜２の間に低誘電率の界面層
３が形成されるのを低減できたものと考えられる。

【００４９】（実施例３）次に、本発明の（実施例１）
としての金属酸化物高誘電率膜からなるゲート絶縁膜の
製造方法について再度、図１を参照しながら説明する。

【００５０】本実施形態でも、ＰＶＤ法とＣＶＤ法のそ
れぞれの特徴を生かして、２段階成膜による積層膜を構
成する点は同じであるが、金属酸化物薄膜の材料物性を
鑑み、初期層２１と金属酸化物薄膜２２を構成する金属
に異種のものを用いる。上述のように、初期層２１に好
ましい材料物性としては、結晶化温度が高く非晶質構造
をとりやすいこと、金属酸化物薄膜２２に好ましい材料
物性としては、結晶化温度が低く多結晶構造をとりやす
くとも、誘電率等物性値の大きいことが想定される。一
般に、ＰＶＤ法とＣＶＤ法とでは、ＣＶＤ法の方が低温
で結晶性薄膜が得られやすいため、同一の基板温度で形
成しても、ＰＶＤ法による初期層２１は非晶質とＣＶＤ
法による金属酸化物層２２は結晶性のものが得られやす
いが、初期層２１に結晶化温度の高い金属材料を、金属
酸化物薄膜２２に誘電率等物性値の大きい金属材料を選
べば、さらにゲート絶縁膜の特性向上が期待できる。こ
こでは、たとえば、初期層２１を構成する金属材料とし
てＨｆを、金属酸化物薄膜２２を構成する金属材料とし
てジルコニウム（Ｚｒ）を用いることができる。アニー
ル実験等から、ＨｆＯ₂薄膜に比べて、ＺｒＯ₂薄膜は結
晶化温度が１００℃以上低いが、酸化膜換算膜厚は低い
ことが分かっている。

【００５１】まず、（比較例１）に従って、例えばｐ型
シリコン基板１を、フッ酸水溶液で表面自然酸化膜を除
去し水洗後、ＰＶＤ装置に導入し、初期層２１として金
属窒化物薄膜を堆積する。初期層２１としては、（比較
例１）と同様、ＨｆＮｘ薄膜をＡｒガスとＮ₂ガスの混
合ガスからなる雰囲気を用いて反応性スパッタにより形
成する。初期層の膜厚としては１〜２ｎｍが好適であ
り、スパッタ時間制御により最適化することができる。

【００５２】その後、直ちに真空を破ることなく、ＣＶ
Ｄ装置に導入し、（比較例２）にしたがって、ＭＯ−Ｃ
ＶＤ法により、金属酸化物層２２を堆積する。金属酸化
物層２２としては、ＺｒＯ₂を形成するものとし、Ｚｒ
の有機金属錯体であるテトラキスジエチルアミノジルコ
ニウム（Ｚｒ（ＮＥｔ₂）₄）をＣＶＤ原料に用いる。

【００５３】このとき、初期層２１および金属酸化物層
２２の堆積基板温度としては、金属酸化物層２２のＭＯ
−ＣＶＤ堆積基板温度にあわせて４００℃とした。初期
層２１は、金属酸化物層２２の酸化性雰囲気により大部
分酸化されるので、ガス導入時間を制御することによ
り、初期層２１の膜厚とあわせて３〜１０ｎｍの高誘電
率積層膜２３を得る。この高誘電率積層膜２３の構造
は、（実施例２）と同等である。

【００５４】その後、（実施例１）（実施例２）と同様
に、タングステン（Ｗ）を、スパッタ法を用いて堆積
し、周知のリソグラフィ／ドライエッチング工程によ
り、ゲート電極４に加工し、キャパシタ構造を得ること
が出来る。

【００５５】上記（比較例１）の工程を用いて作製し
た、３〜１０ｎｍの高誘電率積層膜２３を用いたゲート
絶縁膜のキャパシタ特性を図３（ｅ）に示す。同一の金
属酸化物を用いた（比較例１）の（ｄ）に比べて、酸化
膜換算膜厚、リーク電流が低減されているのがわかり、
ゲート絶縁膜としての特性は向上していると考えられ
る。金属酸化物の材料物性とＰＶＤ法／ＣＶＤ法の２段
階堆積法の特性を生かして、優れたゲート絶縁膜が得ら
れたものと考えられる。

【００５６】なお、ゲート電極４との界面制御を目的と
して、３層以上の積層膜とすることも効果的である。ま
た、この（実施例３）では、初期層２１と金属酸化物薄
膜２２を構成する金属に異種のものを用いることで、同
一の基板温度でのＰＶＤ法とＣＶＤ法の２段階成膜によ
り、非晶質膜と多結晶膜の積層構造としたが、もちろ
ん、初期層２１と金属酸化物薄膜２２を構成する金属に
同種のものを用い、ＰＶＤ法とＣＶＤ法の２段階成膜に
おいて別々の基板温度を設定する（ＣＶＤ成膜時に比べ
ＰＶＤ成膜時の基板温度を低くする）ことにより、非晶
質膜と多結晶膜の積層構造としてもよい。

【００５７】また、上記の各実施例においては、高誘電
率積層膜２３を構成する金属元素として、ハフニウム、
またはハフニウムとジルコニウムを用いたが、ハフニウ
ム、ジルコニウム、チタン、タンタル、アルミニウムお
よび希土類金属の群から選択して半導体装置を同様に製
造できる。

【００５８】

【発明の効果】以上のように本発明の第１の半導体装置
の製造方法によると、第１の層をＰＶＤ法で形成するこ
とにより、密着性・核生成密度を向上させ、第２の層を
ＣＶＤ法で形成することにより、均一性を向上させるこ
とができる。

【００５９】本発明の第２の半導体装置の製造方法によ
ると、金属元素として、ハフニウム、ジルコニウム、チ
タン、タンタル、アルミニウムおよび希土類金属の群か
ら選択することにより、優れたゲート絶縁膜を得ること
ができる。

【００６０】本発明の第３の半導体装置の製造方法によ
ると、第１の層のＰＶＤ法による堆積工程の雰囲気とし
て、イオン照射下の雰囲気を用いる工程を用いることに
より、低エネルギーイオンのアシスト効果により密着性
を向上させることができる。

【００６１】本発明の第４の半導体装置の製造方法によ
ると、第１の層のＰＶＤ法による堆積工程の雰囲気とし
て、Ｏ₂を含む雰囲気を用いて金属酸化物薄膜を形成す
ることにより、密着性・核生成密度を向上させ、第２の
層をＣＶＤ法で形成することにより、均一性を向上させ
ることができる。

【００６２】本発明の第５の半導体装置の製造方法によ
ると、第１の層のＰＶＤ法による堆積工程の雰囲気とし
て、Ｎ₂もしくはＮ₂Ｏ，Ｏ₂を含む雰囲気を用いて金属
窒素化物薄膜を形成することにより、第２の層のＣＶＤ
法における酸化性、高温条件下での、Ｓｉ基板からのＳ
ｉの拡散、および雰囲気から酸素の拡散による低誘電率
界面層の形成を抑えることができる。

【００６３】本発明の第６の半導体装置の製造方法によ
ると、第１の層と第２の層に材料物性の異なる金属材料
を用いることにより、ゲート絶縁膜の特性を向上させる
ことができる。

【００６４】本発明の第７の半導体装置の製造方法によ
ると、堆積時の基板温度として、第１の層については非
晶質膜が得られる程度の低温、第２の層については結晶
性被膜が得られる程度の高温とすることにより、第１の
非晶質層でリーク電流を抑えながら、第２の結晶層で誘
電率を向上させることができる。

【００６５】本発明の半導体装置によると、ゲート絶縁
膜として、シリコン基板上に異なる高誘電率材料からな
る少なくとも２層からなる高誘電率積層膜を形成した金
属酸化物薄膜の個々の材料物性に鑑み、それぞれの特徴
を生かした積層膜を構成することで、薄いＳｉＯ₂換算
膜厚でゲートリークの小さいゲート絶縁膜を実現するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の（実施例１）〜（実施例３）のＭＯＳ
キャパシタの断面図

【図２】本発明の（実施例１）および（比較例１）（比
較例２）により作製したゲート絶縁膜のスクラッチ試験
結果を示す図

【図３】本発明の（実施例１）〜（実施例３）および
（比較例１）（比較例２）により作製したＭＯＳキャパ
シタの酸化膜換算膜厚とリーク電流の関係を示す図

【図４】（比較例１）のＭＯＳキャパシタの断面図

【図５】（比較例２）のＭＯＳキャパシタの断面図

【符号の説明】

１シリコン基板２金属酸化物膜３界面層４ゲート電極２１金属酸化物層２２初期層２３高誘電率積層膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F058 BA20 BD01 BD05 BF06 BF12 BJ04 5F140 AA24 AA39 AC32 AC33 BA01 BD01 BD02 BD04 BD11 BD12 BD15 BE02 BE07 BE09 BE10 BE20 BF01 BF07 CE10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板上に第１の層を物理的成膜法
により堆積し、前記第１の層の上に第２の層を化学的成膜法により堆積
して前記第１の層と前記第２の層との高誘電率積層膜か
らなるゲート絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法。
【請求項２】高誘電率積層膜を構成する金属元素とし
て、ハフニウム、ジルコニウム、チタン、タンタル、ア
ルミニウムおよび希土類金属の群から選択することを特
徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】第１の層の物理的成膜法による堆積工程の
雰囲気として、イオン照射下の雰囲気を用いることを特
徴とする請求項１または請求項２記載の半導体装置の製
造方法。
【請求項４】第１の層の物理的成膜法による堆積工程の
雰囲気として、Ｏ₂を含む雰囲気を用いることを特徴と
する請求項１〜請求項３の何れかに記載の半導体装置の
製造方法。
【請求項５】第１の層の物理的成膜法による堆積工程の
雰囲気として、Ｎ₂もしくはＮ₂Ｏ，Ｏ₂を含むを含む雰
囲気を用いることを特徴とする請求項１から請求項３の
何れかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】第１の層と第２の層とに、それぞれ異なる
高誘電率材料を用いることを特徴とする請求項１〜請求
項５の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】堆積時の基板温度として、第１の層につい
ては非晶質膜が得られる程度の低温、第２の層について
は結晶性被膜が得られる程度の高温とすることを特徴と
する請求項１〜請求項６の何れかに記載の半導体装置の
製造方法。
【請求項８】高誘電体からなるゲート絶縁膜をシリコン
基板上に有する半導体装置であって、前記ゲート絶縁膜
として、シリコン基板上に異なる高誘電率材料からなる
少なくとも２層からなる高誘電率積層膜を形成した半導
体装置。