JP2005166696A - 金属化合物薄膜およびその製造方法、ならびに当該金属化合物薄膜を含む半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 基板表面を洗浄した後(S10)、界面層または拡散防止膜を形成し(S12)、その上に金属酸化膜を堆積する(S14)。つづいて、NH3雰囲気下でアニールを行い、金属酸化膜中に窒素を拡散させる(S16)。ステップ14およびステップ16の処理を所定回数行った後(S18のYES)、O2雰囲気下でアニールを行う(S20)。O2雰囲気下でのアニールを650℃より高い温度で行うことにより、金属酸化膜のリーク電流を低減することができる。
【選択図】 図3
Description
また本発明の別の目的は、こうした半導体装置に好適に用いることのできる窒素含有金属化合物薄膜を安定的に製造する方法を提供することにある。
図1(a)に示すように、トランジスタは、シリコン基板102表面の素子分離膜104によって分離された素子領域に形成されている。シリコン基板102表面に高誘電体ゲート絶縁膜106を介してゲート電極108が形成され、その側壁にサイドウォール110が形成されている。ゲート電極108の両脇に位置するシリコン基板102表面近傍にソース/ドレイン112が形成されている。
まず、図2(a)に示すように、シリコン基板102中に公知の方法によりSTI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離膜104を設ける。次いで基板全面に高誘電体ゲート絶縁膜106を形成する(図2(b))。高誘電体ゲート絶縁膜106はALD法により形成される。高誘電体ゲート絶縁膜106の成膜方法の詳細については後述する。
図3は、本実施の形態における高誘電体ゲート絶縁膜106の成膜工程を示すフローチャートである。
図示した成膜装置200は、金属酸化膜を形成するためのALD装置210と、ランプ式加熱によるアニールを行うアニール室212がロードロック室214を介してつながっているためシリコン基板102を大気にさらすことなく連続処理できるようになっている。
図1(a)に示した構造のMIS型トランジスタを作製した。トランジスタの作製プロセスは、図2を参照して実施の形態で説明した方法と同様に行った。高誘電体ゲート絶縁膜106は、図3を参照して説明した手順で行った。高誘電体ゲート絶縁膜106の成膜は、図4に示した成膜装置200を用いて一般的なALD法により行った。
まず、シリコン基板102表面をDHF(希フッ酸)で洗浄し、成膜装置200のロードロック室214に入れた。その後、シリコン基板102をアニール室212に搬送した。酸素雰囲気下で約850〜950℃で約30秒間、アニールを行い、シリコン基板102表面にシリコン酸化膜(界面層)を形成した。これにより、物理膜厚が約1.0〜2.0nmのシリコン酸化膜が形成された。
図5に本実施例で使用したALD装置210の概略図を示す。ALD装置210は、酸化剤としてのH2Oの原料タンク220、Alの原料としてTMA(トリメチルアルミニウム:Al(CH3)3)の原料タンク222、Hfの原料としてTDMAH(テトラキスジメチルアミノハフニウム:Hf[N(CH3)2]4)の原料タンク224を含む。原料タンク220〜224は、恒温水槽226、恒温水槽228および恒温槽230によって、それぞれ、約25℃、約20℃、および約60℃の一定温度に保たれている。シリコン基板102は、ALD装置210の成膜室232に搬送した。成膜室232内に設けられた抵抗加熱ヒーター234により、シリコン基板102を約200〜300℃の温度に保った。アルゴン(Ar)ガスを各原料のキャリアガスおよびパージガスとして用いた。ガスの流量は、マスフローコントローラー(MFC1〜4)によって制御した。また、バルブによって成膜室232に導入する原料ガスを切り替えた。ここで、TMA、パージガス、H2Oガス、パージガス、TDMAH、パージガス、H2Oガス、パージガスの順にガスを導入し、これらを数回繰り返した。
アンモニアアニール時の温度を650℃、酸素アニール時の温度を650℃とした以外は例5と同様に行った。
アンモニアアニール時の温度を750℃、酸素アニール時の温度を650℃とした以外は例5と同様に行った。
酸素アニール時の温度を650℃とした以外は例5と同様に行った。
アンモニアアニール時の温度を950℃、酸素アニール時の温度を650℃とした以外は例5と同様に行った。
図7の(a)〜(d)は、それぞれ例1〜4の高誘電体ゲート絶縁膜106のXPSスペクトルを示す。図7の(e)は、粉末状のHfNのXPSスペクトルを示す。ここで、結合エネルギー15〜17eVに測定されるスペクトルピークは、Hf原子の周囲が窒素原子のみに囲まれた構造を有するときに測定されるものである。高誘電体ゲート絶縁膜106がこのような構造を有すると、高誘電体ゲート絶縁膜106のリーク電流が大きくなる。上述したように、アンモニアアニールを行うことにより、高誘電体ゲート絶縁膜106中に窒素が導入されるが、図7の(a)〜(d)のXPSスペクトルは、結合エネルギー15〜17eVに測定されるスペクトルピークを有しない。このことから、アンモニアアニールにより膜中に窒素を導入した場合、窒素は分散されており、Hfの周囲には酸素原子と窒素原子が分散した構造となっていることが示唆される。このような構造とすることにより、HfAlON中にメタリックな結合が生じるのを防ぐことができ、ゲートリーク電流の増加を抑えることができる。
本例においても、XPSスペクトルは結合エネルギー15〜17eVに測定されるスペクトルピークを有しなかった。また、HfO2を示す結合エネルギー18eV前後(17.5〜18.5eV)、および20eV前後(19.5〜20.5eV)のピークが明瞭に示された。ここで、二つのピークの間の谷部分(18.5〜19eV)の強度に対する18eV前後のピークの強度比が1.5以上、20eV前後のピークの強度比が1.2以上となる明瞭なピークが測定された。
上記金属酸化物に窒素が導入された金属酸窒化物、
等が例示される。また、これらの金属化合物に対し、適宜、珪素等が導入されていてもよい。また、これらの金属を組み合わせて用いることもできる。
104 素子分離膜
105 拡散防止膜
106 高誘電体ゲート絶縁膜
108 ゲート電極
110 サイドウォール
112 ソース/ドレイン
200 成膜装置
210 ALD装置
212 アニール室
214 ロードロック室
220、222、224 原料タンク
226、228、230 恒温水槽
232 成膜室
234 ヒーター
Claims (9)
- 基板上に、原子層堆積法により金属酸化膜を形成する工程と、
前記金属酸化膜に対して、窒素化合物ガスを含む雰囲気中で第一のアニールを行い、前記金属酸化膜中に窒素を拡散させ、金属酸窒化膜を形成する工程と、
前記金属酸窒化膜に対して、酸化性ガスを含む雰囲気中で650℃より高い温度で第二のアニールを行う工程と、
を含むことを特徴とする金属化合物薄膜の製造方法。 - 請求項1に記載の金属化合物薄膜の製造方法において、
前記金属酸窒化膜を形成する工程において、650℃より高い温度で前記第一のアニールを行うことを特徴とする金属化合物薄膜の製造方法。 - 基板上に、原子層堆積法により金属酸化膜を形成する工程と、
前記金属酸化膜に対して、窒素化合物ガスを含む雰囲気中で650℃より高い温度で第一のアニールを行い、前記金属酸化膜中に窒素を拡散させ、金属酸窒化膜を形成する工程と、
前記金属酸窒化膜に対して、酸化性ガスを含む雰囲気中で第二のアニールを行う工程と、
を含むことを特徴とする金属化合物薄膜の製造方法。 - 請求項1乃至3いずれかに記載の金属化合物薄膜の製造方法において、
前記金属酸化膜を形成する工程および前記金属酸窒化膜を形成する工程を複数回繰り返した後に、前記第二のアニールを行う工程を行うことを特徴とする金属化合物薄膜の製造方法。 - 請求項1乃至4いずれかに記載の金属化合物薄膜の製造方法において、
前記金属酸化膜は、Hf、Zr、Al、Si、Y、およびランタノイドの群から選択される一以上の元素を含むことを特徴とする金属化合物薄膜の製造方法。 - 半導体基板上に、金属化合物薄膜を形成する工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記金属化合物薄膜を、請求項1乃至5いずれかに記載の金属化合物薄膜の製造方法により形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上に、ゲート絶縁膜と導電膜とをこの順で形成する工程と、前記ゲート絶縁膜および前記導電膜をパターニングしてゲート部分を形成する工程とを含む半導体装置の製造方法であって、
前記ゲート絶縁膜を、請求項1乃至5いずれかに記載の金属化合物薄膜の製造方法により形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 少なくともHf、N、およびOを含み、膜中の窒素濃度が5原子%以上であって、X線光電子分光法によってHf4f軌道の結合エネルギー17.5〜18.5eVおよび19.5〜20.5eVの2つのスペクトルピークを有するとともに、15〜17eVのスペクトルピークを有しないことを特徴とする金属化合物薄膜。
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された金属化合物薄膜と、を含む半導体装置であって、
前記金属化合物薄膜は、少なくともHf、N、およびOを含み、膜中の窒素濃度が5原子%以上であって、X線光電子分光法によってHf4f軌道の結合エネルギー17.5〜18.5eVおよび19.5〜20.5eVの2つのスペクトルピークを有するとともに、15〜17eVのスペクトルピークを有しないことを特徴とする半導体装置。
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