JP2003289140A - 電界効果トランジスタ - Google Patents
電界効果トランジスタInfo
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Abstract
る、組成の不均質化や微小結晶粒の析出を抑制すること
ができ、MIS型トランジスタの歩留まり向上及び特性
向上に寄与する。 【解決手段】 シリコン基板101上に、Hfを10at
%含むHfシリケートからなるゲート絶縁膜103を介
してゲート電極104を形成したMIS型トランジスタ
において、ゲート絶縁膜103を構成するHfシリケー
トにMgを5at%添加した。
Description
酸化物からなるシリケート(珪酸塩)をゲート絶縁膜に
用いたMIS型電界効果トランジスタに関する。
ング則に従ったMOSデバイスの微細化によって進めら
れてきた。このスケーリング則は、絶縁膜の膜厚やゲー
ト長さ等のMOSデバイスの各部分を高さ方向と横方向
の寸法を同時に縮小することにより、微細化時に素子の
特性を正常に保ち、また性能を上げることを可能にする
ものである。
要とされるゲート絶縁膜容量から、SiO2 ゲート絶縁
膜として2nm以下の膜厚が要求されている。しかし、
従来よりゲート絶縁膜として用いられてきたSiO
2 は、この膜厚領域では直接トンネル電流が流れ始める
厚さであり、リーク電流の抑制ができず、消費電力の増
加等の問題を回避できない。そこで最近、次世代MOS
トランジスタにおいては、SiO2 よりも誘電率が高い
材料をゲート絶縁膜に用いて、シリコン酸化膜換算の実
効膜厚を2nm以下に抑えつつ、物理膜厚を稼いでリー
ク電流を抑えることが試みられている。
2 と金属酸化物からなるシリケート(珪酸塩)材料が検
討されている。しかし、この種の材料では、拡散層の不
純物活性化工程等に代表される、通常のトランジスタ製
造工程に必須の高温熱処理工程において、シリケートか
らなるゲート絶縁膜中に微細な結晶が析出し、ゲート絶
縁膜の誘電率が場所によって不均一になる現象が懸念さ
れている。
用い、トランジスタの拡散層の不純物活性化処理に必要
な1000℃,30秒の熱処理を行う前後の電子顕微鏡
写真である。図8(a)は熱処理前の断面構造写真であ
り、熱処理前は均質な膜である。それに対し、図8
(b)は熱処理後の断面構造写真であり、熱処理後は明
らかに微細な結晶粒が析出し、組成が分離して不均質な
膜になっていることが分かる。図8(c)は熱処理後の
平面構造写真であり、色の濃い部分はZrの濃度が高く
結晶質であり、誘電率が高いことを示している。色の薄
い部分はZrの濃度が低く、誘電率が低いことを示して
いる。それぞれの大きさは10〜30nm程度で分布
し、これらのシリケート材料が適用される次世代のトラ
ンジスタのゲート領域の大きさに近く、このような組成
の不均質さは、トランジスタの特性の著しいばらつき、
劣化を引き起こすと考えられる。
縁膜に誘電率の高いシリケートを用いた場合、トランジ
スタの製造工程中の熱処理によって微小な結晶粒が析出
し、不均質な組成のゲート絶縁膜となり、歩留まりの劣
化やトランジスタ特性の劣化,ばらつきを引き起こす問
題があった。
ので、その目的とするところは、ゲート絶縁膜にシリケ
ートを用いた場合においても、ゲート絶縁膜の組成の不
均質化や微小結晶粒の析出を抑制することができ、歩留
まり向上及び特性向上に寄与し得る電界効果トランジス
タを提供することにある。
するために本発明は、次のような構成を採用している。
f,La,Ce,Y,Bi,Prの少なくとも一つを含
むシリケートからなるゲート絶縁膜を介してゲート電極
を設けた電界効果トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜
を構成するシリケートにMg,Ca,Mnの少なくとも
一つを添加してなることを特徴とする。
は次のものが挙げられる。
は17at%以下(より望ましくは10at%以下)であ
り、シリケートに添加する金属元素の濃度は1at%以上
で、且つシリケートを構成する金属元素の濃度よりも低
いこと。 (2) シリケートに添加する金属元素の濃度は、シリケー
トを構成する金属元素の濃度の1/2以下であること。
Mg又はMnを用いた場合、Mg又はMnの濃度は1at
%以上(より望ましくは2at%以上)であること。 (6) シリケートに添加する金属元素としてCaを用いた
場合、Caの濃度は2at%以上であること。
成する主要金属として、Zr,Hf,La,Ce,Y,
Bi,Prの少なくとも一つを用いることにより、ゲー
ト絶縁膜の誘電率を高めることができる。これに加え、
シリケートに特定の金属元素としてMg,Ca,Mnの
少なくとも一つを添加することで、ゲート絶縁膜の粘性
を高めることができる。ゲート絶縁膜の粘性が高くなる
と、トランジスタ製造工程における熱処理に際してシリ
ケート中の金属元素が移動しにくくなり、金属元素の相
分離が抑制されることになる。従って、シリケートから
なるゲート絶縁膜の組成の不均質化や微小結晶粒の析出
等による特性劣化を抑制することができ、電界効果トラ
ンジスタの歩留まり向上及び特性向上に寄与することが
可能となる。
形態によって説明する。
に係わるMIS型トランジスタの概略構造を示す断面図
である。
102は素子分離領域であり、シリコン基板101の素
子分離領域102で囲まれた素子形成領域上にゲート絶
縁膜103を介してゲート電極104が形成されてい
る。ゲート絶縁膜103は、HfO2 とSiO2 からな
る高誘電率のシリケートであり、このシリケート中にM
gが添加されたものである。ゲート電極104は、ポリ
シリコン膜であるが、この代わりにTiN,TaN,
W,Nb,Ru,Ru酸化物等の金属電極を用いてもよ
い。
面層にはn型不純物層105が形成されている。この不
純物層105は、例えばAsを40KeVのエネルギー
で面密度5×1015程度イオンインプラすることによっ
て表面から浅く導入された拡散層(ソース・ドレイン領
域)であり、その表面にはNiやCo等のシリサイド層
106が形成されている。ゲート絶縁膜103及びゲー
ト電極104の側部には、SiONからなる側壁絶縁膜
107が形成されている。
Dシリコン酸化膜などからなる層間絶縁膜108が形成
されている。この層間絶縁膜108には、ゲート及びソ
ース・ドレインに接続するためのコンタクト孔が設けら
れている。そして、ゲート電極104及びソース・ドレ
イン領域105のシリサイド層106に接続するように
Al配線109が設けられている。
型電界効果トランジスタの製造工程を説明する。
(100)、比抵抗4〜6Ωcmのp型シリコン基板1
01上に、反応性イオンエッチングにより、素子分離の
ための溝を形成する。続いて、例えばLP(ロープレッ
シャー)−TEOS(Tetra ethyl ortho silicate:珪
酸エチル)膜を埋め込むことにより素子分離領域102
を形成する。なお、図では素子分離領域102が基板表
面よりも上方に出ているが、素子分領域103の上面を
基板表面と同じ高さにしてもよい。
レーザーアブレーション成膜法を用いて、例えば酸素分
圧1〜100Paの雰囲気中、基板温度が室温から30
0℃で、膜厚5nmのシリケートからなるゲート絶縁膜
103を成膜する。このゲート絶縁膜103は、HfO
2 とSiO2 からなるHfシリケートにMgを僅かに添
加したものである。本実施形態では、例えばシリケート
中のHfの濃度は10at%、Mgの濃度は5at%となっ
ていた。
を用いて、例えば酸素分圧1〜5Paの雰囲気中、基板
温度が室温〜300℃で、膜厚3nmのHf金属,Hf
シリサイド,若しくはHfシリケートをシリコン基板1
01上に堆積し、同時に若しくはこれに続いてMgをス
パッタし、酸素若しくは窒素雰囲気中で400〜100
0℃の温度でアニールすることにより、Mgを含有する
Hfシリケートを形成してもよい。
〜300℃で膜厚4nmのHf金属、又はHfシリサイ
ドをシリコン基板101上に堆積し、同時に若しくはこ
れに続いてMgを堆積し、酸素若しくは窒素雰囲気中で
600〜1000℃の温度でアニールして、Mgを含有
するHfシリケートを形成してもよい。
膜法を用いて、酸素雰囲気中でのC 16H36HfO4 ガス
とモノシラン(SiH4 )ガスと窒素ガスの混合ガス、
HfCl4 ガスとNH3 ガスとSiH4 ガスの混合ガ
ス、若しくはHf(SO4 )2ガスとNH3 ガスとSi
H4 ガスの混合ガス等のHfを含む混合ガスに、さらに
MgSO4 ガス等のMgを含むガスを混合し、例えば1
〜104 Paの圧力で、1〜1000sccmの流量で供給
し、基板温度を室温〜800℃の温度範囲において堆積
し、堆積後に600〜1000℃の酸素雰囲気中でアニ
ールしてMgを含むHfシリケートを形成してもよい。
基板101を酸素雰囲気中で加熱、BOX(燃焼酸化)
することにより、若しくはCVDによって、シリコン基
板101上に1〜4nm程度のSiO2 膜114を形成
し、続いて例えばHf金属ターゲット若しくは、Hf金
属原子とSi原子を少なくとも含み、かつMgを添加さ
れたターゲットを用いて、例えば蒸着法で、シリコン基
板101上に金属元素を有する膜115を堆積する。そ
の後、例えば真空中若しくは窒素中で400〜900℃
の加熱によって、少なくとも金属元素をSiO2 膜に拡
散させる工程を行い、シリコン基板101上に少なくと
もMg原子,Hf原子,Si原子、酸素原子を含有する
シリケートを形成してもよい。
相成長法によってポリシリコン膜を全面に堆積し、この
ポリシリコン膜中に例えばオキシ塩化リン(POC
l3 )を用いて、850℃,30分間リン拡散処理を行
い、ポリシリコン膜を低抵抗化させる。このポリシリコ
ン膜への不純物の添加は後の工程で、拡散層への不純物
添加と同時にイオンインプラを用いて行ってもよい。ま
た、ポリシリコン膜の代わりにGeをドープしたポリシ
リコン膜を用いてもよい。
リコン膜をパターニングしてゲート電極104を形成す
る。このとき、ゲート電極104に合わせてゲート絶縁
膜103も同時にパターニングするのが好ましいが、必
ずしもゲート電極104とゲート絶縁膜103の側面の
端面が一致する必要はない。図3(f)のようにゲート
絶縁膜103がゲート電極104に比べて凹になってい
る形状や、図3(g)のようにゲート絶縁膜103がゲ
ート電極104に比べて凸になっている形状でもよく、
さらに全体に傾斜がついていても問題はない。
SiON膜を堆積した後エッチバックすることにより、
ゲート部の側壁に側壁絶縁膜107を形成する。次い
で、図3(j)に示すように、全面に、例えば加速電圧
70KeV、ドーズ量1×10 15cm-2で砒素Asをイ
オン注入し、その後、例えば900℃,30分若しくは
1000℃,30秒の熱処理を行い、砒素をシリコン基
板101中に拡散し活性化させ、ソース領域及びドレイ
ン領域105を形成する。このとき、シリケートからな
るゲート絶縁膜103がMgを含むことにより、シリケ
ートの組成の不均質化、微小結晶の析出を抑制すること
ができる。さらに、その拡散層105にNi若しくはC
oを蒸着し、熱処理することでシリサイド層106を作
成し、拡散層の抵抗を低減することが望ましい。
と、図3(i)のイオン注入を行う工程は、必要に応じ
て順番を入れ替えてもよい。
スタの作製工程に準じており、化学気相成長法によって
全面に層間絶縁膜108となるシリコン酸化膜を堆積
し、この層間絶縁膜108にコンタクト孔を開口し、続
いてスパッタ法によって全面にAl膜109を堆積し、
このAl膜109を反応性イオンエッチングによってパ
ターニングすることにより、前記図1に示したような構
造を有するMIS型トランジスタが完成する。
理を行ってもシリケートからなるゲート絶縁膜103が
均質な組成を有しており、微細な析出物などの出現しな
い高誘電率のゲート絶縁膜を用いたMIS型トランジス
タを実現することができる。
リケートを900℃で熱処理した後の平面構造写真であ
り、明らかに微細な結晶粒の析出が起きており、組成も
分離しているのが分る。それに対し、図4(b)は上記
HfシリケートにMgOを5%添加した膜の熱処理後の
構造写真であり、明らかに微結晶の析出を抑制できてい
るのが分かる。このとき、MgOを添加した試料の粘度
は添加前の約5倍になっている。このように、MgOを
添加することで微細な結晶粒の析出を抑制することは、
Zrシリケートに関しても同様であり、著しい改善を示
す。
CaOを添加した場合の粘度の組成依存性を測定した図
であり、1at%以上から著しく組成に依存して粘度が増
加することが分る。この粘度の増加によって、シリケー
トの構成元素が容易に拡散・凝集することができなくな
る。これによって図4に示したように、微細な結晶粒の
析出を抑制することが可能であり、有効な添加物の組成
は、MgOを例に取ると2at%以上(Mgの濃度が1at
%以上)が効果的であり、望ましくは4at%以上(Mg
の濃度が2at%以上)であると効果がより著しく期待で
きる。
ルギー)のイオン濃度(イオン半径/イオン価数)依存
性を示した図である。ここでは、Siの値が基準であ
り、SiO2 にSiを添加した場合の表面エネルギーを
基準とし、それよりも大きな値を示す材料(例えばM
g,Ca,Mn等)とSiO2 の混合物は表面エネルギ
ーが大きくなるため、表面積を小さくしようとするた
め、まとまっていようとする傾向がある。
さい値を示す材料とSiO2 の混合物は表面エネルギー
が小さいため、小さな塊に分散することが可能である。
よって、Siよりも大きな値を示す、Mg,Ca,Mn
等の材料を添加することで、一塊の混合体でいる傾向が
強いSiO2 との混合体を形成することができる。これ
らの傾向からも、シリケートにおいて、小さな塊である
微結晶の析出を抑制するにはMg等の添加物を添加する
ことが有効であることが分る。また、シリケートにおけ
る金属元素の濃度が増加すると、金属元素起因の固定電
荷によるクーロン散乱が引き起こされ、トランジスタの
電子の移動度が劣化する。例えば、図7に示すように、
Zr元素の場合は濃度17at%を越えると特に低電界側
で移動度が顕著に劣化する。これは、Zr元素に限らず
Hf元素でも同様であった。よって、シリケート全体の
金属元素の濃度は17at%以下であることが望ましい。
また、より高速動作を要求されるロジックデバイスなど
への適用を考えた場合は、シリケート全体の金属元素の
濃度は10at%以下であることが望ましい。
属酸化物の誘電率とSiO2 の誘電率の濃度比で決まる
ため、含有する金属酸化物の誘電率は高い方が望まし
い。例えば、MgOはZrO2 に比べて誘電率が低いた
め、シリケートの誘電率を高く保持するためには添加す
るMgの濃度はZrに比べて低くすることが望ましい。
また、ZrO2 とMgOの誘電率はεZrO2 :εMg
O〜2:1程度であるので、誘電率を高く保持するため
にはMgの濃度はZrの濃度の1/2以下であることが
望ましい。
態に限定されるものではない。シリケートにおける微結
晶の析出を抑制するために添加する金属はMgに限るも
のではなく,CaやMnを用いてもよい。さらに、Mg
等の単体ではなく、必要に応じてMg,Ca,Mn等の
複数の元素を組み合わせてもよい。また、粘性を更に向
上させるために、分子半径の大きな窒素,アルゴン,ク
リプトン,キセノン等の元素を添加、若しくはMg等の
元素と同時に添加することで、原子の移動を抑制し、微
結晶の析出の抑制をすることが可能である。また、添加
する濃度も、シリケートの物性、若しくは熱処理の条件
に応じて、適当な値に変更することも可能である。この
ように、本発明の趣旨に反しない範囲で絶縁膜の構成元
素の飛散を抑制するバリア膜として用いるのであれば、
様々な形態で本発明の技術として利用することができ
る。
で、種々変形して実施することができる。
リケートからなるゲート絶縁膜を用いた電界効果トラン
ジスタにおいて、Mg,Ca,Mnの少なくとも一つを
添加することによって、熱処理中にゲート絶縁膜中に微
小な結晶が析出することを抑制することができる。これ
によって、高温な熱処理を必要とする従来の製造工程を
経ても、高誘電率且つ均質なゲート絶縁膜を実現し、電
界効果トランジスタの高集積化及び高性能化をはかるこ
とができる。
の概略構造を示す断面図。
の製造工程を示す断面図。
の製造工程を示す断面図。
化を示す電子顕微鏡写真。
た場合の粘度の組成依存性を示す図。
ン濃度依存性を示す図。
動度との関係を示す図。
処理前後の断面状態及び表面状態を示す電子顕微鏡写
真。
Claims (5)
- 【請求項1】シリコン基板と、 前記シリコン基板上に形成された、ジルコニウム,ハフ
ニウム,ランタン,セリウム,イットリウム,ビスマ
ス,プラセオジムの少なくとも一つを含むシリケート
に、マグネシウム,カリウム,マンガンの少なくとも一
つを添加して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、 を具備してなることを特徴とする電界効果トランジス
タ。 - 【請求項2】前記シリケートを構成する金属元素の濃度
は17at%以下であり、前記シリケートに添加する金属
元素の濃度は1at%以上で、且つ前記シリケートを構成
する金属元素の濃度よりも低いことを特徴とする請求項
1記載の電界効果トランジスタ。 - 【請求項3】前記シリケートを構成する金属元素の濃度
は10at%以下であることを特徴とする請求項2記載の
電界効果トランジスタ。 - 【請求項4】前記シリケートに添加する金属元素の濃度
は、前記シリケートを構成する金属元素の濃度の1/2
以下であることを特徴とする請求項2又は3記載の電界
効果トランジスタ。 - 【請求項5】前記ゲート絶縁膜は非晶質であることであ
ることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の電界
効果トランジスタ。
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