JP2005159316A - 半導体装置の製造方法及び成膜装置並びに記憶媒体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 減圧雰囲気且つ加熱雰囲気下において反応容器内にてハフニウム有機化合物の蒸気と例えばジシランガスとを反応させてシリコン膜の上にハフニウムシリケート膜を成膜し、このハフニウムシリケート膜の上にジクロロシランガスと酸化二窒素ガスとを反応させてバリヤ層となるシリコン酸化膜を積層し、その上にゲート電極となるポリシリコン膜を形成する。
【選択図】 図3
Description
ここでΦmは電極の仕事関数、Φsは基板の仕事関数、Q0xは膜中の電荷、C0xは膜の単位面積当りの容量である。
基板上に原料ガスを反応させてハフニウム化合物膜からなる絶縁膜を成膜する第1の工程と、
前記絶縁膜上にハフニウムの拡散を抑えるためのシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜からなるバリヤ膜を成膜する第2の工程と、を備えたことを特徴とする。なおバリヤ膜としてシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を積層したものを用いたとしても、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜の一方がバリヤ膜として機能するので、本発明の技術的範囲に含まれる。
基板が搬入される反応容器と、
この反応容器内の処理雰囲気を加熱する加熱手段と、
ハフニウム化合物膜からなる絶縁膜を成膜するための原料ガスを反応容器内に供給するハフニウム化合物膜用の原料ガス供給手段と、
ハフニウムの拡散を抑えるためのシリコン酸化膜からなるバリヤ膜を成膜するための原料ガスを反応容器内に供給するシリコン酸化膜用の原料ガス供給手段と、
基板上に前記絶縁膜、バリヤ膜をこの順に積層するように各手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
他の発明は、本発明にかかる半導体装置の製造方法を実施するためのプログラムを格納したことを特徴とする記憶媒体である。この記憶媒体に格納されたプログラムは本発明の成膜装置に用いられる制御部であるコンピュータにインストールされ、これによって成膜装置が稼働して上述の各工程が実施されることになる。このプログラムは、より具体的には、基板上に前記絶縁膜、バリヤ膜をこの順に積層するように、即ち基板上に原料ガスを反応させてハフニウム化合物膜からなる絶縁膜を成膜する第1のステップと、前記絶縁膜上にハフニウムの拡散を抑えるためのシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜からなるバリヤ膜を成膜する第2のステップと、を実行するように、成膜装置の前記加熱手段、ハフニウム化合物膜用の原料ガス供給手段及びシリコン酸化膜用の原料ガス供給手段(あるいはシリコン窒化膜用の原料ガス供給手段)を制御するための命令群を含むものである。また本発明の方法において、例えば前記バリヤ膜上にシラン系のガスを反応させて電極となるポリシリコン膜を成膜する第3の工程を含む場合には、この第3の工程であるステップを更に実行するようにプログラムが組まれている。更にまた第1の工程の後、加熱雰囲気下でアンモニアガスにより前記ハフニウム化合物膜をアニールする工程を行う場合、或いは加熱雰囲気下で酸素ガス又はオゾンガスにより前記ハフニウム化合物膜をアニールする工程を行う場合には、これらの工程であるステップを更に実行するようにプログラムが組まれている。
こうした一連の動作は、制御部5がプログラム5aを読み出して各部に制御信号を与えることにより実行される。即ち、上記のS1〜S9はこの実施例に係る半導体装置の製造方法を構成するステップに相当するものであり、前記プログラム5aは、例えば反応容器1内にウエハWが搬入された後、前記ステップS2〜S9を順次実行するように、また入力画面で設定したプロセスレシピに書き込まれているパラメータの値を読み込んでそのパラメータ値が得られるようにヒータ34、圧力調整部32、ガス供給機器群46、52、62、72及び82を制御するための命令群を含んでいる。なおこの説明におけるプログラム5aは、ウエハWが反応容器1内に搬入された後、起動されるプログラムとしているが、ウエハWが搬入される動作に関する命令が本発明の対象となるプログラムに含まれていてもよい。
(ゲート絶縁膜の作成)
A.実施例1
既述の成膜装置と同種の成膜装置を用いて、ウエハ上のP型シリコン膜の表面に、ゲート絶縁膜であるハフニウムシリケート膜を成膜し、次いで同じ成膜装置を用いてバリヤ層であるCVDシリコン酸化膜及びゲート電極となるポリシリコン膜をこの順に成膜した。この積層体を実施例1とする。各成膜時のプロセス条件及び膜厚は以下の通りである。
〔ハフニウムシリケート膜のプロセス条件〕
・設定温度:200〜300℃
・設定圧力:0.3〜0.5Torr
・テトラターシャリーブトキシハフニウムの設定流量:0.1〜0.3sccm
・ジシランガスの設定流量:200〜400sccm
・膜厚:25Å
〔CVDシリコン酸化膜のプロセス条件〕
・設定温度:700〜750℃
・設定圧力:0.4Torr
・ジクロロシランガスの設定流量:0.05sccm
・酸化二窒素ガスの設定流量:0.15sccm
・膜厚:10Å
〔ポリシリコン膜のプロセス条件〕
・設定温度:620℃
・設定圧力:0.2Torr
・モノシランガスの設定流量:250sccm
・膜厚:1500Å
B.実施例2
シリコン膜上にハフニウムシリケート膜を成膜した後に、600〜800℃の加熱雰囲気下でアンモニア(NH3)ガスによりハフニウムシリケート膜をアニールした他は実施例1と同様に成膜した。この積層体を実施例2とする。
C.比較例1
バリヤ層であるCVDシリコン酸化膜を成膜しない他は実施例1と同様にして膜厚が互いに異なる4通りの積層体を形成した。これらの積層体をまとめて比較例1とする。
D.参照例1
ハフニウムシリケート膜及びバリヤ層であるシリコン酸化膜の代わりに、従来の一般的なゲート絶縁膜であるシリコン熱酸化膜(シリコン表面を加熱して酸化した膜)を成膜し、その他は実施例1と同様にして積層体を得た。この例ではシリコン酸化膜の膜厚を4通りに設定して、4通りの積層体を形成した。これらの積層体をまとめて参照例1とする。
E.実施例3
ウエハ上のN型シリコン膜の表面にゲート絶縁膜であるハフニウムシリケート膜を成膜し、次いで同じ装置を用いてバリヤ層であるシリコン窒化膜及びゲート電極となるポリシリコン膜をこの順に成膜した。この積層体を実施例4とする。ハフニウムシリケート膜及びポリシリコン膜のプロセス条件は実施例1と同じであり、シリコン窒化膜のプロセス条件は以下の通りである。
〔シリコン窒化膜のプロセス条件〕
・設定温度:600〜650℃
・設定圧力:0.15Torr
・ジクロロシランガスの設定流量:20〜40sccm
・アンモニアガスの設定流量:100〜150sccm
・膜厚:3〜10Å
F.比較例2
シリコン窒化膜を成膜しない他は実施例3と同様にして積層体を形成した。この積層体を比較例2とする。
H.参照例2
ハフニウムシリケート膜及びバリヤ層であるシリコン窒化膜の代わりに、従来の一般的なゲート絶縁膜である熱酸化膜を成膜し、その他は実施例3と同様にして積層体を得た。この積層体を参照例2とする。
(フラットバンド電圧の測定)
各積層体のフラットバンド電圧(Vfb)を夫々測定した。フラットバンド電圧の測定方法は、標準的なCV測定器にて測定を行った。
(オゾンガスを用いたアニールの効果確認試験)
膜厚1nmのシリコン酸化膜が表面に形成された基板の上にテトラターシャリブトキシハフニウムとジシランガスとを使用し、所定のプロセス条件でハフニウムシリケート膜を成膜し、当該膜に対して250℃の加熱雰囲気下でオゾンガスにより3分間アニールした。そしてこの膜のゲート電極に−3Vの定電圧ストレスを印加した後に、標準的なCV測定器にてフラットバンド電圧(Vfb)の測定を行い、時間の経過と共にVfbがどれくらいシフトするかを調べた。この結果を図9の実施例4(◇)としてプロットしてある。
(アンモニアガスを用いたアニールの効果確認試験)
テトラターシャリブトキシハフニウムとジシランガスとを使用し、所定のプロセス条件で基板上にハフニウムシリケート膜を成膜し、当該膜に対してアンモニアガス雰囲気下でアニールした。アニール温度は800℃、圧力は2.66×102Pa(2Torr)、アンモニアガスの流量は2slm、アニール時間は30分に設定した。
1 反応容器
32 圧力調整部
34 ヒータ
40 第1のガス供給管
5 制御部
50 第2のガス供給管
60 第3のガス供給管
70 第4のガス供給管
80 第5のガス供給管
9 シリコン酸化膜
90 シリコン膜
91 ハフニウムシリケート膜
92 シリコン酸化膜
93 ポリシリコン膜
100 第6のガス供給管
110 第7のガス供給管
Claims (14)
- 基板上に形成された絶縁膜の上に、この絶縁膜に電圧を印加するための電極を形成した半導体装置を製造する方法において、
基板上に原料ガスを反応させてハフニウム化合物膜からなる絶縁膜を成膜する第1の工程と、
前記絶縁膜上にハフニウムの拡散を抑えるためのシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜からなるバリヤ膜を成膜する第2の工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記バリヤ膜上にシラン系のガスを反応させて電極となるポリシリコン膜を成膜する第3の工程を備えた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。
- 前記第2の工程は、シラン系のガスと酸化二窒素ガスとを反応させてシリコン酸化膜を成膜する工程であることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程は、ハフニウム有機化合物とシラン系ガスとを反応させてハフニウムシリケート膜を基板上に成膜する工程であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程の後、加熱雰囲気下でアンモニアガスにより前記ハフニウム化合物膜をアニールする工程を行うことを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程の後、加熱雰囲気下で酸素ガス又はオゾンガスにより前記ハフニウム化合物膜をアニールする工程を行うことを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1の工程は、ハフニウム化合物膜からなる絶縁膜を成膜する代わりに、基板上に原料ガスを反応させてジルコニウム化合物膜からなる絶縁膜を成膜する工程であることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
- 基板上に形成された絶縁膜の上に、この絶縁膜に電圧を印加するための電極を形成した半導体装置を製造するための成膜装置において、
基板が搬入される反応容器と、
この反応容器内の処理雰囲気を加熱する加熱手段と、
ハフニウム化合物膜からなる絶縁膜を成膜するための原料ガスを反応容器内に供給するハフニウム化合物膜用の原料ガス供給手段と、
ハフニウムの拡散を抑えるためのシリコン酸化膜からなるバリヤ膜を成膜するための原料ガスを反応容器内に供給するシリコン酸化膜用の原料ガス供給手段と、
基板上に前記絶縁膜、バリヤ膜をこの順に積層するように各手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする成膜装置。 - シラン系のガスを反応させて電極となるポリシリコン膜を成膜するための原料ガスを供給するポリシリコン膜用の原料ガス供給手段を備えたことを特徴とする請求項8記載の成膜装置。
- ハフニウム化合物膜をアニールするためのアンモニアガスを反応容器内に供給するアンモニアアニール用の原料ガス供給手段を備えたことを特徴とする請求項8または9記載の成膜装置。
- ハフニウム化合物膜をアニールするためのオゾンガスを反応容器内に供給するオゾンアニール用の原料ガス供給手段を備えたことを特徴とする請求項8ないし10のいずれかに記載の成膜装置。
- シリコン酸化膜用の原料ガス供給手段の代わりに、ハフニウムの拡散を抑えるためのシリコン窒化膜からなるバリヤ膜を成膜するための原料ガスを反応容器内に供給するシリコン窒化膜用の原料ガス供給手段を設けたことを特徴とする請求項8ないし11のいずれかに記載の成膜装置。
- ハフニウム化合物膜用の原料ガス供給手段の代わりに、ジルコニウム化合物からなる絶縁膜を成膜するための原料ガスを反応管内に供給するジルコニウム化合物膜用の原料ガス供給手段を設けたことを特徴とする請求項8ないし11のいずれかに記載の成膜装置。
- 請求項1ないし7のいずれかに記載の半導体装置の製造方法を実施するためのプログラムを格納したことを特徴とする記憶媒体。
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