JP2005064052A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】素子分離層4が形成されたシリコン基板2上に、下地膜としてのSiON膜8を形成し、SiON膜8上に高誘電体膜としてのHfAlOx膜10を形成する。その後、温度が1050℃、酸素分圧が0.02%の窒素雰囲気、処理時間が1秒の条件で1回目のPDAを行うことにより、HfAlOx膜10を緻密化する。続いて、温度が600℃、酸素分圧が1%の窒素雰囲気、処理時間が15分の条件で2回目のPDAを行うことにより、1回目のPDAにより生じたHfAlOx膜10の酸素抜けを回復させて、トランジスタ界面特性を改善する。
【選択図】 図2
Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に高誘電体膜を含むゲート絶縁膜の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置に対して、動作の高速化と、低消費電力化が要求されている。動作の高速化を実現する方法として、MOSFETのゲート容量を増やして、駆動電流を増加させる方法がある。ゲート容量を増加させるために、ゲート絶縁膜としてのシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜(以下「シリコン酸化膜等」という。)の薄膜化が行われている。しかし、シリコン酸化膜等の膜厚を1.5nm以下にまで薄膜化すると、ゲートリーク電流が増加してしまい、低消費電力化は難しく、さらには電荷を蓄積することが困難であるという問題があった。
【0003】
そこで、従来のシリコン酸化膜(比誘電率k=3.9)よりも高い比誘電率kを有する高誘電体膜をゲート絶縁膜として用いる方法が提案されている。高誘電体膜の1つである金属酸化膜として、例えば、アルミニウム酸化膜(k=9)、ジルコニウム酸化膜(k=20)、ハフニウム酸化膜(k=20)、タンタル酸化膜(k=25)、チタン酸化膜(k=40)等を挙げることができる。これらの金属酸化膜は電荷蓄積量が多く、シリコン酸化膜等と同じ容量値であっても実際の物理的な膜厚を厚く設定することができるため、ゲートリーク電流の増加を抑制することができる(例えば、非特許文献1参照)。
【0004】
上記金属酸化膜をゲート絶縁膜として用いる場合、フッ酸溶液による前処理を行ったシリコン基板上に直接形成するよりも、シリコン基板上に予め1nm以下の膜厚でシリコン酸化膜等を下地膜として形成した後、この下地膜上に金属酸化膜を形成する方法が好適である。ゲート絶縁膜形成後の後処理による界面層の膜厚増加を抑制することができ、ゲート絶縁膜トータルの酸化膜換算膜厚(EOT:equivalent oxide thickness)を小さくすることができるためである。また、下地膜は、高誘電体膜中に存在する電荷のRemote Charge散乱によって、キャリア移動度が低下するのを抑制するという効果もある。なお、ゲート絶縁膜トータルのEOTを1.5nm以下にする場合、上述したように、下地膜の膜厚は1nm以下にすることが望ましい。
【0005】
しかしながら、下地膜の膜厚を1nm以下にしても、高誘電体膜形成後に行われる後工程の熱処理によって、下地膜の膜厚が増加してしまうという問題がある。特に、ポリシリコンをゲート電極として使用した場合、不純物活性化のような高温熱処理が要求されるため、この問題は顕著である。例えば、下地膜としてシリコン酸化膜を0.5nm程度の膜厚で形成しても、ポリシリコンゲートスタック構造が完成したときには、下地膜の膜厚が1nm程度にまで増加してしまう。
下地膜をシリコン酸化膜に代えてシリコン酸窒化膜にすると、膜厚増加をある程度抑制することができるが、抑制効果は窒素濃度に比例する。つまり、膜厚増加を許容できる範囲に抑えるためには、シリコン酸窒化膜中の窒素濃度を非常に高くする必要があるが、この場合にはトランジスタの界面特性が劣化してしまうという問題があった。
【0006】
ところで、下地膜の膜厚が増加してしまう熱処理の1つとして、高誘電体膜の堆積直後に行われる熱処理(PDA:post deposition anneal)(以下「PDA」という。)がある。PDAによって高誘電体膜(例えば、金属酸化膜)の緻密化や不純物の低減等が行われ、ゲートリーク電流の低減や、比誘電率の向上等の効果がある。
PDAの雰囲気は酸素を含む場合が多いが、本発明者の実験結果によれば、PDA雰囲気中の酸素分圧が高すぎると、金属酸化膜を透過して下地膜に達する酸素量が増え、下地膜の膜厚増加が顕著になる。図6は、PDA時の酸素分圧と、ゲート絶縁膜のEOTとの関係を示す図である。図6において、縦軸はHfAlOxを3nm堆積させたhigh−kキャパシタのCVカーブから算出したEOTであり、横軸はPDA時の酸素分圧である。図6に示すように、PDA時の酸素分圧が増加するに従って、EOTが増加することが分かる。
一方、PDA雰囲気中の酸素分圧が低すぎると、金属酸化膜から下地膜への酸素抜けが発生してしまい、トランジスタの界面特性は極端に劣化する。図7は、PDA時の酸素分圧と、high−kキャパシタのヒステリシスとの関係を示す図である。図7において、縦軸はHfAlOxを3nm堆積させたhigh−kキャパシタのヒステリシスであり、横軸はPDA時の酸素分圧である。図7に示すように、PDA時の酸素分圧が増加するに従って、ヒステリシスが増加することが分かる。このヒステリシスの増加は界面準位の増加によるものであり、界面特性の劣化を示唆している。かかるヒステリシスの増大は、トランジスタの閾値のばらつきの要因となり、トランジスタ自体の特性劣化につながる。
【0007】
また、ヒステリシスなどのトランジスタの界面特性を良好に保つためには、PDAの温度はポリシリコン電極の活性化温度と同程度がそれ以上であることが望ましいとされている(例えば、非特許文献2参照)。
【0008】
【非特許文献1】
Journal of Applied Physics、vol. 89 5243、2001年
【非特許文献2】
金 雨植等、“Thermal stability of poly−Si gate Al2O3 MISFETs”、第50回応用物理学関連連合講演会予稿集、2003年3月、29p−ZX−20
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、PDA温度を高温化すると、下地膜の膜厚増加の一因となってしまう。
このように、下地膜の膜厚増加抑制と、トランジスタの界面特性維持とは、トレードオフの関係にある。従って、下地膜の膜厚増加を抑制しつつ、トランジスタの界面特性の劣化を抑制できるPDA条件を見出すのは困難であった。
【0010】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、PDA時の下地膜の膜厚増加を抑制すると共に、トランジスタ界面特性の劣化を抑制することを目的とする。
【0011】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、高誘電体膜を含むゲート絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法であって、
基板上に下地膜を形成する工程と、
前記下地膜よりも高い比誘電率を有し、金属を含有する高誘電体膜を形成する工程と、
前記高誘電体膜を緻密化させるための第1の熱処理を行う工程と、
前記第1の熱処理よりも低い温度、且つ、高い酸素分圧の第2の熱処理を行う工程と、
前記第2の熱処理の後、前記高誘電体膜上にゲート電極を形成する工程と、を含むことを特徴とするものである。
【0012】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記第1の熱処理の温度が900℃以上1050℃以下であり、且つ、酸素分圧が0.001%以上0.02%以下であることが好適である。
【0013】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記第2の熱処理の温度が500℃以上であり、且つ、酸素分圧が0.2%以上100%以下であることが好適である。
【0014】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記第1の熱処理の処理時間が1秒以上5秒以下であり、前記第2の熱処理の処理時間が30秒以上30分以下であることが好適である。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
【0016】
図1〜図4は、本発明の実施の形態による半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
先ず、図1(a)に示すように、基板2としてのシリコン基板の素子分離領域に、素子分離層4をSTI(shallow trench isolation)法により形成する。そして、図示しないが、不純物注入及び熱処理を行って、シリコン基板2内にウェル領域を形成する。
なお、シリコン基板に代えて、SiGe基板や石英基板等を、基板2として用いてもよい。また、STI法に代えてLOCOS法を用いて、素子分離構造(分離酸化膜)を形成してもよい。
【0017】
次に、図1(b)に示すように、シリコン基板2上に形成された自然酸化膜6を希フッ酸溶液により除去する。この前処理により、活性領域のシリコン基板2表面が露出する。希フッ酸溶液は、例えば、HF:H2O=1:100のものを用いることができる。
【0018】
そして、図1(c)に示すように、後に形成する高誘電体膜の下地膜8としてのSiON膜(シリコン酸窒化膜)を、例えば、0.7nm程度の膜厚で形成する。SiON膜8は、例えば、NO2、H2およびN2の混合ガスを用いてランプ加熱酸化法により形成することができる。
なお、異なるガス系を用いてSiON膜8を形成してもよく、加熱炉やケミカルオキサイドを用いてSiON膜8を形成してもよい。また、酸化膜形成後にプラズマ窒化を行うことによりSiON膜8を形成してもよい。また、下地膜8として、SiON膜に代えて、SiO2膜(シリコン酸化膜)、SiN膜(シリコン窒化膜)あるいはCeO2膜を用いることができる。また、下地膜8の膜厚は、1nm以下が好適である。
【0019】
次に、図2(a)に示すように、高誘電体膜10としてHfAlOx膜をALD(atomic layer deposition;原子層成長)法を用いて、例えば、3nmの膜厚で形成する。HfAlOx膜10のHf濃度は、例えば、30%である。ここで、SiON膜8とHfAlOx膜10とからなるゲート絶縁膜トータルの酸化膜換算膜厚は1.5nmである。
高誘電体膜10としては、HfAlOx膜以外に、Al2O3(アルミナ)膜、ZrO2(ジルコニア)膜、HfO2(ハフニア)膜等を用いることができる。また、高誘電体膜10の形成方法としては、ALD法以外に、CVD法やPVD法等を用いることができる。
【0020】
そして、例えば、1050℃、1秒、添加されたO2分圧(以下「酸素分圧」という。)0.02%のN2雰囲気中で、1回目のPDA(post deposition anneal)を行う。この1回目のPDAにより、SiON膜8の膜厚増加を抑制しつつHfAlOx膜10の緻密化を行うが、HfAlOx膜10の酸素抜けが発生するためトランジスタ界面特性が劣化する。ここで、第1の熱処理としての1回目のPDAは、高温、低酸素分圧、短処理時間の処理条件で行う。具体的な条件としては、例えば、900℃以上1050℃以下の温度、0.001%以上0.02%以下の酸素分圧、1秒以上5秒以下の処理時間が好適である。さらに、温度が1050℃、酸素分圧0.004%の窒素雰囲気、処理時間が1秒の条件がより好適である。なお、雰囲気ガスとしては、N2以外に、HeやAr等の不活性ガスを用いることができる(後述の2回目のPDAについても同様)。
【0021】
次に、図2(b)に示すように、例えば、600℃、15分、酸素分圧1%であるN2雰囲気中で、2回目のPDAを行う。この2回目のPDAにより、HfAlOx膜10の酸素抜けが回復するため、トランジスタ界面特性が改善される。ここで、第2の熱処理としての2回目のPDAは、低温、高酸素分圧、長処理時間の条件で行う。具体的な条件としては、例えば、第1の熱処理よりも低く500℃以上の温度、0.2%以上100%以下の酸素分圧、30秒以上30分以下の処理時間が好適である。さらに、温度が700℃、酸素分圧0.2%の窒素雰囲気、処理時間が30秒の条件がより好適である。
【0022】
次に、図2(c)に示すように、HfAlOx膜10上にポリシリコン膜12を、例えば、150nm程度の膜厚で形成する。その後、ポリシリコン膜12内に不純物を注入し、注入された不純物を活性化するための熱処理を行うことにより、ドープトポリシリコンシリコン膜となる。
【0023】
次に、図3(a)に示すように、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングにより、ドープトポリシリコン膜とHfAlOx膜10とSiON膜8とをパターニングする。これにより、ドープトポリシリコン膜からなるゲート電極13が形成される。
【0024】
そして、図3(b)に示すように、ゲート電極13およびゲート絶縁膜10,8をマスクとして、不純物をシリコン基板2内に注入し、注入された不純物を活性化するための熱処理を行う。これにより、シリコン基板2上層にエクステンション領域14が形成される。
【0025】
次に、図3(c)に示すように、シリコン基板2の全面に、シリコン窒化膜16を形成する。そして、このシリコン窒化膜16を異方性エッチングする。これにより、図4(a)に示すように、ゲート電極13の側面を覆うサイドウォール17が形成される。さらに、ゲート電極13及びサイドウォール17をマスクとして、不純物をシリコン基板2内に注入し、注入された不純物を活性化するための熱処理を行う。これにより、シリコン基板2上層に、エクステンション領域14と接続するソース/ドレイン領域18が形成される。
【0026】
次に、図4(b)に示すように、シリコン基板2の全面に、ゲート電極13を覆うように、層間絶縁膜20を形成する。
【0027】
次に、図4(c)に示すように、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングにより、層間絶縁膜20内に接続孔を形成する。続いて、接続孔内に層間絶縁膜20上にまで突出する引出し配線22,24,26を形成する。
以上の工程を得て、MOSトランジスタが形成される。
【0028】
以上説明したように、本実施の形態では、下地膜8と高誘電体膜10とを有するゲート絶縁膜を形成した後、高温、低酸素分圧の条件で第1の熱処理を行い、さらに低温、高酸素分圧の条件で第2の熱処理を行った。第1の熱処理は処理時間が短く、酸素分圧が低いため、下地膜8の膜厚増加を抑制しつつ、高誘電体膜10の緻密化を行うことができる。この第1の熱処理により、高誘電体膜10の酸素抜けが発生し、トランジスタ界面特性が劣化してしまうが、第2の熱処理により、高誘電体膜10の酸素抜けを回復させることができ、トランジスタ界面特性を改善することができる。また、第2の熱処理は処理温度が低いため、下地膜8の膜厚増加を抑制することができる。これより、ゲートリーク電流の増加を抑制することができる。
従って、上述したような2回のPDAを行うことにより、PDA時の下地膜8の膜厚増加を抑制すると共に、トランジスタの界面特性の劣化を抑制することができる。よって、界面特性が良好で、EOTが薄いMOSトランジスタを製造することができる。
【0029】
本発明者は、PDAを高温低酸素分圧の条件で1回行った場合と、PDAを高温低酸素分圧の条件および低温高酸素分圧の条件で2回行った場合のhigh−kキャパシタのCVカーブを比較した。図5は、PDAを1回行った場合と2回行った場合のhigh−kキャパシタのC−V特性を示す図である。
図5に示すように、PDAを1回行った場合には80mVであったヒステリシスを、PDAを2回行うことにより50mVまで低減できることが分かった。
【0030】
なお、1回目及び2回目のPDAの条件は、上述した条件に限らず、高誘電体膜10の膜厚・膜種に応じて、本発明の効果が得られるように適宜変更してもよい。
【0031】
【発明の効果】
本発明によれば、PDA時の下地膜の膜厚増加を抑制すると共に、トランジスタ界面特性の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態による半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である(その1)。
【図2】本発明の実施の形態による半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である(その2)。
【図3】本発明の実施の形態による半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である(その3)。
【図4】本発明の実施の形態による半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である(その4)。
【図5】PDAを1回行った場合と2回行った場合のhigh−kキャパシタのC−V特性を示す図である。
【図6】PDA時の酸素分圧と、ゲート絶縁膜のEOTとの関係を示す図である。
【図7】PDA時の酸素分圧と、high−kキャパシタのヒステリシスとの関係を示す図である。
【符号の説明】
2 基板(シリコン基板)
4 素子分離層
6 自然酸化膜
8 下地膜(SiON膜)
10 高誘電体膜(HfAlOx膜)
12 ポリシリコン膜
13 ゲート電極
14 エクステンション領域
16 シリコン窒化膜
17 サイドウォール
18 ソース/ドレイン領域
20 層間絶縁膜
22,24,26 引出し配線
Claims (4)
- 高誘電体膜を含むゲート絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法であって、
基板上に下地膜を形成する工程と、
前記下地膜よりも高い比誘電率を有し、金属を含有する高誘電体膜を形成する工程と、
前記高誘電体膜を緻密化させるための第1の熱処理を行う工程と、
前記第1の熱処理よりも低い温度、且つ、高い酸素分圧の第2の熱処理を行う工程と、
前記第2の熱処理の後、前記高誘電体膜上にゲート電極を形成する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の熱処理の温度が900℃以上1050℃以下であり、且つ、酸素分圧が0.001%以上0.02%以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項2に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2の熱処理の温度が500℃以上であり、且つ、酸素分圧が0.2%以上100%以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1から3の何れかに記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の熱処理の処理時間が1秒以上5秒以下であり、前記第2の熱処理の処理時間が30秒以上30分以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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