JP2005340329A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 高誘電率膜を含むN型MOSFETおよびP型MOSFETを備えた半導体装置において、閾値電圧を安定的に低下させるとともに、MOSFET特性を向上させる。
【解決手段】 半導体装置100は、シリコン基板102と、シリコン基板102上に形成された高濃度高誘電率膜108bおよび多結晶シリコン膜114を含むN型MOSFET118と、シリコン基板102上に、N型MOSFET118に並置して形成された低濃度高誘電率膜108aおよび多結晶シリコン膜114とを含むP型MOSFET120と、を備える。低濃度高誘電率膜108aおよび低濃度高誘電率膜108aは、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む。低濃度高誘電率膜108aにおける上記金属元素の濃度は、高濃度高誘電率膜108bにおけるものよりも低い。
【選択図】 図1

Description

本発明は、高誘電率膜を含むN型MOSFETおよびP型MOSFETを備えた半導体装置およびその製造方法に関する。
近年、半導体装置の構成材料として、high−kとよばれる高誘電率膜の利用が検討され始めている。high−k材料の代表的なものとしては、Zr、Hf等を含む酸化物が挙げられる。こうした材料をMOSFETのゲート絶縁膜に用いることにより、ゲート絶縁膜の物理的な厚みをある程度厚くしても電気的なシリコン酸化膜換算膜厚は薄くなり、物理的・構造的に安定なゲート絶縁膜を実現することができる。このため、MOSFET特性の向上のためにMOS容量を増大させること、およびゲートリーク電流を従来のシリコン酸化膜を用いた場合に比べて低減することの両方またはいずれか一方が可能となる。
特許文献1には、このようなhigh−k材料を用いたN型MOSFETおよびP型MOSFETを含むCMOSデバイスが開示されている。ここで、N型MOSFETおよびP型MOSFETは、シリコン酸化膜等の低誘電率膜と、高誘電率膜とにより構成されたゲート絶縁膜と、多結晶シリコン等により構成されたゲート電極とを含む。ゲート電極は、ゲート絶縁膜の高誘電率膜に接して設けられている。
特開2002−280461号公報 C.Hobbs et al,"Fermi Level Pinning at the PolySi/Metal Oxide Interface",2003 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers,4-89114-035-6/03
しかし、最近の研究によれば、ゲート絶縁膜を高誘電率膜で構成し、ゲート電極を多結晶シリコンで構成した場合、フェルミレベルピニング(Fermi Level Pinning)といわれる現象が起こるとの知見が得られている(非特許文献1)。フェルミレベルピニングは、ゲート電極中のゲート絶縁膜側界面近傍において、高誘電率膜を構成する金属がゲート電極を構成する多結晶シリコン中に拡散し、シリコンと上記金属との結合に基づく準位が形成されることにより生じると考えられている。
MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート電極の多結晶シリコン中に高誘電率膜を構成する金属が拡散すると、ゲート絶縁膜との界面近傍において多結晶シリコン中に空乏層が発生する。このような空乏層の影響で、フェルミレベルピニングが生じ、ゲート電圧を印加してもゲート絶縁膜に充分な電界が印加されず、チャネル領域においてキャリアを誘起することが困難となる。この結果、閾値電圧が上昇するとともに、閾値電圧のばらつきが大きくなるという課題が生じていた。
このようなフェルミレベルピニングは、とくに、HfやZrを高誘電率膜に用いた場合、P型不純物を含む多結晶シリコンにより構成されたゲート電極を有するP型MOSFETで生じやすい。
ところで、従来のCMOSデバイスでは、それぞれLSIの内部回路を構成するN型MOSFETとP型MOSFETとの間で同一の組成および膜厚の高誘電率膜がゲート絶縁膜に用いられていた。高誘電率膜の誘電率を高くしてMOSFET特性を向上させるためには、HfやZr等の金属の濃度を高くすることが好ましい。
この一方、HfやZr等特定の元素を含有する高誘電率膜を用いた場合、上述したように、P型MOSFETでは、HfやZr等の金属の拡散がフェルミレベルピニングの原因となるため、P型MOSFETの閾値電圧が高くなり、Si基板中の不純物濃度調整で所望の閾値電圧に設定することが困難なレベルにまで上昇してしまう。
本発明は、こうした事情に鑑みてなされたものであり、高誘電率膜を含むN型MOSFETおよびP型MOSFETを備えた半導体装置において、閾値電圧を安定的に低下させるとともに、MOSFET特性を向上させる技術を提供することを目的とする。
本発明者らは、上述したような問題への対策を検討する過程において、閾値電圧の上昇量は、高誘電率膜中の特定の元素の濃度に依存することを見出した。またこの原因は、高誘電率膜の薄膜下によるMOS容量の増大ではなく、高誘電率膜に含まれる特定の元素が高誘電率膜からゲート電極へ拡散する量が高誘電率膜中の当該元素の濃度に依存することを見出し、本発明に想到した。
本発明によれば、半導体基板と、半導体基板上に形成され、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む第一の高誘電率膜により構成された第一のゲート絶縁膜と、第一のゲート絶縁膜上に、第一の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第一のゲート電極と、を含むN型MOSFETと、半導体基板上に、N型MOSFETに並置して形成され、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む第二の高誘電率膜により構成された第二のゲート絶縁膜と、第二のゲート絶縁膜上に、第二の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第二のゲート電極と、を含むP型MOSFETと、を備え、第二の高誘電率膜において、少なくとも多結晶シリコン膜と接する界面における金属元素の濃度が、第一の高誘電率膜の多結晶シリコン膜と接する界面における金属元素の濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置が提供される。
上記非特許文献1には、多結晶シリコンに接してHfO等の高誘電率膜を設けるとフェルミレベルピニングが生じることが報告されている。このようなフェルミレベルピニングは、P型MOSFETにおいて影響が大きい。とくに、HfOやHfAlO等、Hfを含む高誘電率膜において、P型MOSFETでの影響が大きくなる。しかし、本発明において、P型MOSFETにおける第二の高誘電率膜が多結晶シリコン膜と接する界面において、金属元素の濃度が低くされているので、第二の高誘電率膜が多結晶シリコン膜と接していても、第二の高誘電率膜中の金属元素が多結晶シリコン膜に拡散する量が減り、多結晶シリコン中の空乏層の発生を抑制することができる。これにより、P型MOSFETにおけるフェルミレベルピニングの影響を低減することができる。そのため、P型MOSFETの閾値電圧の上昇を抑制することができるとともに、ばらつきを小さくすることができる。
また、N型MOSFETにおける第一の高誘電率膜中の金属元素の濃度を高く形成することにより、第一の高誘電率膜の誘電率を高くしてN型MOSFETのMOSFET特性を向上させることもできる。
ここで、とくに限定はされないが、第一の高誘電率膜と第二の高誘電率膜の膜厚は、略等しく形成される。上述したように、本発明によれば、第二の高誘電率膜において多結晶シリコン膜との界面の金属元素の濃度が低いので、第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜の膜厚を、ゲートリーク電流が問題とならない程度に厚くしても、P型MOSFETにおけるフェルミレベルピニングの発生を防ぐことができ、P型MOSFETの閾値電圧を安定的に低下させることができる。
本発明によれば、半導体基板と、半導体基板上に形成され、多結晶シリコン膜により構成された第一のゲート電極と、半導体基板と多結晶シリコン膜との間に、多結晶シリコン膜に接して設けられた第一の高誘電率膜により構成された第一のゲート絶縁膜と、を含むN型MOSFETと、半導体基板上にN型MOSFETに並置して形成され、多結晶シリコン膜により構成された第二のゲート電極と、半導体基板と第二のゲート電極との間に、多結晶シリコン膜に接して設けられ、当該多結晶シリコン膜中に拡散する金属元素を含む第二の高誘電率膜により構成された第二のゲート絶縁膜と、を含むP型MOSFETと、を備え、第一の高誘電率膜は、金属元素を含み、当該金属元素が第二の高誘電率膜から当該第二の高誘電率膜に接する多結晶シリコン膜に拡散する量は、当該金属元素が第一の高誘電率膜から当該第一の高誘電率膜に接する多結晶シリコン膜に拡散する量よりも多く、第二の高誘電率膜において、少なくとも多結晶シリコン膜と接する界面における金属元素の濃度が、第一の高誘電率膜の多結晶シリコン膜と接する界面における金属元素の濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置が提供される。
ここで、同濃度の金属元素が含まれるとき、当該金属元素が第二の高誘電率膜から当該第二の高誘電率膜に接する多結晶シリコン膜に拡散する量は、当該金属元素が第一の高誘電率膜から当該第一の高誘電率膜に接する多結晶シリコン膜に拡散する量よりも多い。
本発明において、P型MOSFETにおける第二の高誘電率膜中の金属元素の濃度が低く形成されているので、第二の高誘電率膜が多結晶シリコン膜と接していても、第二の高誘電率膜中の金属が多結晶シリコン膜に拡散する量が減り、多結晶シリコン中の空乏層の発生を抑制することができる。これにより、P型MOSFETにおけるフェルミレベルピニングの影響を低減することができる。そのため、P型MOSFETの閾値電圧の上昇を抑制することができるとともに、ばらつきを小さくすることができる。
本発明の半導体装置において、第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜は、HfおよびSiを含むことができる。またこの場合、第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜において、HfとSiの合計含有量に対するHfの含有率は、20原子%以上とすることができる。より好ましくは、HfとSiの合計含有量に対するHfの含有率は、30原子%以上とすることができる。
本発明の半導体装置において、第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜は、それぞれ独立して、HfSiOまたはHfAlOあるいはこれらの窒化物により構成することができる。ここで、HfAlOにおいて、HfとAlの合計含有量に対するHfの割合の下限は、20原子%以上とすることができる。また、第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜は、Alを含まない構成とすることもできる。
以上のような場合に、P型MOSFETにおけるフェルミレベルピニングの影響が問題となる。しかし、本発明において、P型MOSFETにおける第二の高誘電率膜中の金属元素の濃度が低く形成されているため、上述したように、P型MOSFETにおけるフェルミレベルピニングの影響を低減することができる。
本発明の半導体装置において、第二の高誘電率膜中の金属元素の平均濃度が、第一の高誘電率膜中の金属元素の平均濃度よりも低くなるようにすることができる。
本発明によれば、半導体基板と、半導体基板上に形成され、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む第一の高誘電率膜により構成された第一のゲート絶縁膜と、第一のゲート絶縁膜上に、第一の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第一のゲート電極と、を含むN型MOSFETと、半導体基板上に、N型MOSFETに並置して形成され、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む第二の高誘電率膜により構成された第二のゲート絶縁膜と、第二のゲート絶縁膜上に、第二の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第二のゲート電極と、を含むP型MOSFETと、を備え、第二の高誘電率膜中の金属元素の平均濃度が、第一の高誘電率膜中の金属元素の平均濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置が提供される。
ここで、第二の高誘電率膜中の金属元素の濃度とは、第二の高誘電率膜中における金属元素の平均濃度のことである。また、第一の高誘電率膜中の金属元素の濃度とは、第一の高誘電率膜中における金属元素の平均濃度のことである。第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜は、それぞれ、膜中の金属元素の濃度が均一となるように形成することもできるが、濃度が異なるように形成することもできる。たとえば、第一の高誘電率膜の多結晶シリコン膜との界面における濃度と、第二の高誘電率膜の多結晶シリコン膜との界面における濃度とを等しくするとともに、他の領域において、第一の高誘電率膜中の金属濃度が第二の高誘電率膜中の金属濃度よりも高くなるようにすることもできる。
本発明において、P型MOSFETにおける第二の高誘電率膜中の金属元素の濃度がN型MOSFETにおける第一の高誘電率膜中の金属元素の濃度よりも低く形成されるので、第二の高誘電率膜が多結晶シリコン膜と接していても、第二の高誘電率膜中の金属元素が多結晶シリコン膜に拡散する量が減り、多結晶シリコン中の空乏層の発生を低減することができる。これにより、P型MOSFETにおけるフェルミレベルピニングの影響を低減することができる。そのため、P型MOSFETの閾値電圧の上昇を低減することができるとともに、ばらつきを小さくすることができる。
本発明の半導体装置における第二の高誘電率膜において、少なくとも多結晶シリコン膜と接する界面における金属元素の濃度が、当該膜中の他の領域における金属元素の濃度よりも低くなるようにすることができる。これにより、P型MOSFETにおいても、高誘電率膜を用いることの効果を得つつ、多結晶シリコン膜への金属元素の拡散を低減してフェルミレベルピニングの影響を低減することができる。
本発明の半導体装置において、N型MOSFETの第一のゲート絶縁膜は、半導体基板と第一の高誘電率膜との間に設けられたシリコン酸化膜をさらに含むことができ、P型MOSFETの第二のゲート絶縁膜は、半導体基板と第二の高誘電率膜との間に設けられたシリコン酸化膜をさらに含むことができる。シリコン酸化膜は、窒素を含むこともできる。
半導体基板と第一の高誘電率膜との間、および半導体基板と第二の高誘電率膜との間にシリコン酸化膜を設けることにより、第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜中の金属元素が半導体基板に拡散等するのを防ぐことができる。
本発明の半導体装置において、N型MOSFETの第一のゲート電極において、多結晶シリコン膜はN型不純物を含むことができ、P型MOSFETの第二のゲート電極において、多結晶シリコン膜はP型不純物を含むことができる。
上述したようなフェルミレベルピニングは、P型不純物を含む多結晶シリコン膜が高誘電率膜と接している場合に顕著に生じる。しかし、本発明によれば、P型MOSFETにおける第二の高誘電率膜中の金属元素の濃度が低いので、第二の高誘電率膜が多結晶シリコン膜と接していても、第二の高誘電率膜中の金属元素が多結晶シリコン膜に拡散する量が減り、多結晶シリコン中の空乏層の発生を抑制することができる。
本発明の半導体装置において、N型MOSFETおよびP型MOSFETは、LSIの内部回路を構成することができる。
本発明によれば、N型MOSFETおよびP型MOSFETを含む半導体装置の製造方法であって、PウェルおよびNウェルが並置して形成された半導体基板の全面に、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む高誘電率膜を形成する工程と、Nウェル上の高誘電率膜を保護膜で覆う工程と、保護膜をマスクとして、Pウェル上の高誘電率膜に、金属元素をイオン注入して、Pウェル上における高誘電率膜中の金属元素の濃度をNウェル上における高誘電率膜中の金属元素の濃度よりも高くする工程と、高誘電率膜上に、多結晶シリコン膜を形成する工程と、高誘電率膜および多結晶シリコン膜を選択的に除去してゲート電極形状に加工する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、N型MOSFETおよびP型MOSFETを含む半導体装置の製造方法であって、PウェルおよびNウェルが並置して形成された半導体基板の全面に、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む高誘電率膜を形成する工程と、Pウェル上の高誘電率膜を保護膜で覆う工程と、保護膜をマスクとして、Nウェル上の高誘電率膜に、HfまたはZr以外の元素をイオン注入して、Nウェル上における高誘電率膜中の金属元素の濃度をPウェル上における高誘電率膜中の金属元素の濃度よりも低くする工程と、高誘電率膜上に、多結晶シリコン膜を形成する工程と、高誘電率膜および多結晶シリコン膜を選択的に除去してゲート電極形状に加工する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。ここで、HfやZr以外の元素とは、これらの金属元素と結合して、これらの金属元素が多結晶シリコン膜中に拡散するのを抑制することのできる元素であることが好ましく、たとえば、Si、Ge等が好ましく用いられる。
本発明の半導体装置の製造方法は、高誘電率膜を形成する工程の前に、半導体基板の全面に、シリコン酸化膜を形成する工程をさらに含むことができる。
本発明によれば、N型MOSFETおよびP型MOSFETを含む半導体装置の製造方法であって、PウェルおよびNウェルが並置して形成された半導体基板の全面に、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含み、金属元素の濃度が低い低濃度高誘電率膜を形成する工程と、Nウェル上の低濃度高誘電率膜を保護膜で覆う工程と、保護膜をマスクとして、Pウェル上の低濃度高誘電率膜を選択的に除去する工程と、Pウェル上に、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含み、当該金属元素の濃度が低濃度高誘電率膜中の金属元素の濃度より高い高濃度高誘電率膜を形成する工程と、低濃度高誘電率膜および高濃度高誘電率膜上に、多結晶シリコン膜を形成する工程と、低濃度高誘電率膜、高濃度高誘電率膜および多結晶シリコン膜を選択的に除去してゲート電極形状に加工する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
本発明の半導体装置の製造方法は、低濃度高誘電率膜を形成する工程の前に、半導体基板の全面に、シリコン酸化膜を形成する工程をさらに含むことができる。
本発明によれば、N型MOSFETおよびP型MOSFETを含む半導体装置の製造方法であって、PウェルおよびNウェルが並置して形成された半導体基板の全面に、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含み、金属元素の濃度が高い高濃度高誘電率膜を形成する工程と、Pウェル上の高濃度高誘電率膜を保護膜で覆う工程と、保護膜をマスクとして、Nウェル上の高濃度高誘電率膜を選択的に除去する工程と、Nウェル上に、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含み、当該金属元素の濃度が高濃度高誘電率膜中の金属元素の濃度より低い低濃度高誘電率膜を形成する工程と、低濃度高誘電率膜および高濃度高誘電率膜上に、多結晶シリコン膜を形成する工程と、低濃度高誘電率膜、高濃度高誘電率膜および多結晶シリコン膜を選択的に除去してゲート電極形状に加工する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
本発明の半導体装置の製造方法は、高濃度高誘電率膜を形成する工程の前に、半導体基板の全面に、シリコン酸化膜を形成する工程をさらに含むことができる。
本発明によれば、高誘電率膜を含むN型MOSFETおよびP型MOSFETを備えた半導体装置において、閾値電圧を安定的に低下させるとともに、MOSFET特性を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
(第一の実施の形態)
図1は、本実施の形態における半導体装置100の構成を示す断面図である。本実施の形態において、半導体装置100は、N型MOSFET118およびP型MOSFET120を含むCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)デバイスである。また、このCMOSデバイスは、LSIの内部回路を構成する。
半導体装置100は、P型の導電型を有するPウェル102aおよびN型の導電型を有するNウェル102bが設けられたシリコン基板102と、Pウェル102aとNウェル102bとを分離する素子分離領域104とを含む。Pウェル102aおよびNウェル102bには、それぞれ、N型MOSFET118およびP型MOSFET120が形成されている。
Pウェル102aには、一対の不純物拡散領域121が設けられ、これらの間にチャネル領域(不図示)が形成されている。チャネル領域上には、シリコン酸化膜106および高濃度高誘電率膜108bがこの順で積層されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられ、多結晶シリコン膜114により構成されたゲート電極と、側壁絶縁膜115と、により構成されたゲートが設けられる。ここで、多結晶シリコン膜114は、高濃度高誘電率膜108bに接して設けられる。N型MOSFET118の多結晶シリコン膜114には、N型不純物がドープされている。これらによりN型MOSFET118が構成される。
また、同様に、Nウェル102bにも一対の不純物拡散領域122が設けられ、これらの間にチャネル領域(不図示)が形成されている。チャネル領域上には、シリコン酸化膜106および低濃度高誘電率膜108aがこの順で積層されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられ、多結晶シリコン膜114により構成されたゲート電極と、側壁絶縁膜116と、により構成されたゲートが設けられる。ここで、多結晶シリコン膜114は、低濃度高誘電率膜108aに接して設けられる。P型MOSFET120の多結晶シリコン膜114には、P型不純物がドープされている。これらにより、P型MOSFET120が構成される。
高濃度高誘電率膜108bおよび低濃度高誘電率膜108aは、酸化シリコンよりも比誘電率の高い膜であり、いわゆるhigh−k膜を用いることができる。高濃度高誘電率膜108bおよび低濃度高誘電率膜108aは、比誘電率10以上の材料により構成することができる。具体的には、高濃度高誘電率膜108bおよび低濃度高誘電率膜108aは、それぞれ、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む材料により構成することができ、これらのいずれかの金属元素を含む酸化膜、シリケート膜等とすることができる。このような材料を用いることにより、高濃度高誘電率膜108bおよび低濃度高誘電率膜108aの比誘電率を高くすることができるとともに、良好な耐熱性を付与することができる。そのため、MOSFETのサイズ縮小化、信頼性向上に寄与することができる。高濃度高誘電率膜108bおよび低濃度高誘電率膜108aは、同じ材料により構成することもできるが、異なる材料により構成することもできる。
第一の高誘電率膜111および第二の高誘電率膜112は、HfおよびSiを含む材料により構成することができる。この場合、HfとSiの合計含有量に対するHfの含有率は、20原子%以上とすることができる。また、第一の高誘電率膜111および第二の高誘電率膜112は、それぞれ独立して、HfSiOまたはHfAlOあるいはこれらの窒化物により構成することができる。ここで、HfAlOにおいて、HfとAlの合計含有量に対するHfの割合の下限は、20原子%以上とすることができる。また、第一の高誘電率膜および第二の高誘電率膜は、Alを含まない構成とすることもできる。
上述したように、高誘電率膜に接して多結晶シリコン膜を形成すると、多結晶シリコン膜中に高誘電率膜中のHfやZr等の金属元素が拡散し、多結晶シリコン膜中の高誘電率膜との界面において空乏層が発生してしまう。これにより、フェルミレベルピニングが生じ、とくにP型MOSFETの閾値電圧が上昇するという問題があった。 本実施の形態において、P型MOSFET120の低濃度高誘電率膜108aにおけるHfやZr等の金属元素(以下単に拡散元素という)の平均濃度は、N型MOSFET118の高濃度高誘電率膜108bにおける拡散元素の平均濃度よりも低い。
N型MOSFET118の高濃度高誘電率膜108bにおける金属元素の平均濃度は、たとえば40原子%とすることができる。これにより、N型MOSFET118の誘電率を高めることができ、MOSFET特性を向上させることができる。P型MOSFET120の低濃度高誘電率膜108aにおける平均濃度は、たとえば20原子%とすることができる。これにより、フェルミレベルピニングの影響を低減することができる。
高濃度高誘電率膜108bおよび低濃度高誘電率膜108aを構成する材料として、上述したような拡散元素を含むものを用いた場合、P型MOSFET120において、フェルミレベルピニングの影響により、閾値電圧が上昇してしまうという課題が生じ得るが、本実施の形態における半導体装置100の構成によれば、P型MOSFET120の低濃度高誘電率膜108a中の拡散元素の濃度が低いので、フェルミレベルピニングの影響を低減することができる。一方、N型MOSFET118の高濃度高誘電率膜108b中の拡散元素の濃度は高いので、高濃度高誘電率膜108bの誘電率を高くすることができ、MOSFET特性を良好にすることができる。
図2および図3は、図1に示した構成の半導体装置100の製造手順の一例を示す工程断面図である。
まず、公知の技術により、シリコン基板102に、STI(Shallow Trench Isolation)による素子分離領域104を形成した後、P型不純物をイオン注入してPウェル102a、N型不純物をイオン注入してNウェル102bを、それぞれ形成する(図2(a))。素子分離領域104は、たとえばLOCOS法等の公知の他の方法で形成してもよい。
つづいて、公知の技術により、Pウェル102aおよびNウェル102bにチャネル領域をそれぞれ形成する。なお、Pウェル102aおよびNウェル102bのチャネル領域の下方に、N型不純物およびP型不純物をそれぞれイオン注入することにより、パンチスルーストッパー領域を形成することもできる。このようなパンチスルーストッパー領域を形成することにより、短チャネル効果を抑制することができる。
つづいて、シリコン基板102の表面にシリコン酸化膜106(たとえば膜厚約1nm〜2nm)を形成する(図2(b))。シリコン酸化膜106は、たとえばシリコン基板102の表面を熱酸化することにより形成することができる。熱酸化の条件としては、たとえば、処理温度900℃、処理時間40秒〜50秒程度とすることができる。
つづいて、シリコン酸化膜106上に、低濃度高誘電率膜108a(たとえば膜厚約1.5〜2.5nm、拡散元素濃度約20原子%)を形成する(図2(c))。低濃度高誘電率膜108aは、CVD法やALD法(原子層堆積法)等により成膜することができる。本実施の形態では、低濃度高誘電率膜108aとしてハフニウムシリケートを採用する。この成膜は、有機ハフニウム原料ガス、酸化性ガスおよびシリコン含有ガスを用いて行う。成膜ガス中の各成分の流量を適宜制御することにより、形成される低濃度高誘電率膜108a中の拡散元素の濃度を所望の値とすることができる。ここで、たとえば、酸化性ガスとして酸素、シリコン含有ガスとしてモノシラン(SiH)を用いることができる。
つづいて、Nウェル102b上に、フォトレジスト110を形成する。フォトレジスト110は、低濃度高誘電率膜108a上にレジストを塗布し、パターン形成用マスク(不図示)を用いて露光・現像することにより形成される。この状態で、低濃度高誘電率膜108aの露出した部分(Pウェル102a上)にHfイオンを注入する(図2(d))。Hfイオンの注入は、たとえば、0.1keV、4×1014cm-2〜6×1014cm-2の条件で行うことができる。
これにより、Pウェル102a上の低濃度高誘電率膜108aを拡散元素濃度が高い高濃度高誘電率膜108b(拡散元素濃度約40原子%以上)とする。つづいて、高濃度高誘電率膜108bおよび低濃度高誘電率膜108aが除去されないように、たとえばオゾン等を用いたドライ雰囲気下でフォトレジスト110を剥離する(図3(e))。
この後、たとえば窒素やアンモニア等の窒素含有ガスを用いてアニールを行う。窒素アニールの条件としては、たとえばアンモニアを用いた場合、処理温度900〜1000℃、処理時間40秒等とする。アニールを行うことにより、ハフニウムシリケートの結晶化を抑制することができる。
その後、高濃度高誘電率膜108bおよび低濃度高誘電率膜108a上に、多結晶シリコン膜114を成膜する(図3(f))。次いで、Pウェル102a上に成膜された多結晶シリコン膜114にはN型不純物をイオン注入し、Nウェル102b上に成膜された多結晶シリコン膜114にはP型不純物をイオン注入する。
つづいて、シリコン酸化膜106、高濃度高誘電率膜108b、低濃度高誘電率膜108a、および多結晶シリコン膜114を選択的にドライエッチングし、ゲート電極の形状に加工する(図3(g))。
次いで、Pウェル102a上において、シリコン酸化膜106、高濃度高誘電率膜108b、および多結晶シリコン膜114の側壁に側壁絶縁膜115を形成する。また、Nウェル102b上において、シリコン酸化膜106、低濃度高誘電率膜108a、および多結晶シリコン膜114の側壁に側壁絶縁膜116を形成する。側壁絶縁膜115および側壁絶縁膜116は、たとえば、フルオロカーボンガスなどを用いた異方性エッチングにより形成することができる。
つづいて、Pウェル102aおよびNウェル102b表面に、それぞれ、チャネル領域と後述する不純物拡散領域との電気的接続部であるソース/ドレインエクステンション領域を形成する。
次に、Pウェル102a上において、ゲート電極および側壁絶縁膜115をマスクとして、Pウェル102aの表層にPやAs等のN型不純物をドープして不純物拡散領域121を形成する。また、Nウェル102b上において、ゲート電極および側壁絶縁膜116をマスクとして、Nウェル102bの表層にBやAl等のP型不純物をドープして不純物拡散領域122を形成する。これにより、ソース領域およびドレイン領域が形成される。その後、非酸化雰囲気中で熱処理を行うことにより、不純物の活性化を行う。以上のプロセスにより、図1に示したCMOSデバイスである半導体装置100が形成される。
本実施の形態において、フェルミレベルピニングの影響が大きいP型MOSFET120においては、低濃度高誘電率膜108aを拡散元素の濃度の低い低濃度高誘電率膜108aにより構成することにより、低濃度高誘電率膜108aから多結晶シリコン膜114に拡散する金属(本実施の形態ではHf)の量を低減することができ、多結晶シリコン膜114中の空乏層の発生を低減することができる。これにより、P型MOSFET120の閾値電圧を安定的に低下させることができる。
一方、N型MOSFET118において、高濃度高誘電率膜108b中の拡散元素の濃度を低濃度高誘電率膜108aと同様に低くしてしまうと、高濃度高誘電率膜108bの比誘電率が低くなり、MOSFET特性を良好に保つことができない。しかし、本実施の形態において、N型MOSFET118の高濃度高誘電率膜108b中の拡散元素の濃度は、低濃度高誘電率膜108aとは独立に制御され、低濃度高誘電率膜108aよりも高くなるように形成されるので、N型MOSFET118の高濃度高誘電率膜108bの誘電率を高く保ち、MOSFET特性を良好に保つことができる。また、上述したように、低濃度高誘電率膜108a中の拡散元素の濃度が低いので、高濃度高誘電率膜108bおよび低濃度高誘電率膜108aの膜厚を、ゲートリーク電流が問題とならない程度に厚くしても、P型MOSFET120におけるフェルミレベルピニングの発生を防ぐことができ、P型MOSFET120の閾値電圧を安定的に低下させることができる。
(第二の実施の形態)
本実施の形態においても、半導体装置100は、第一の実施の形態において図1に示したのと同様の構成を有する。図4は本実施の形態における半導体装置100の製造工程の一例を示す工程断面図である。
まず、第一の実施の形態において、図2(a)および図2(b)を参照して説明したのと同様の処理を行い、シリコン基板102上にシリコン酸化膜106を形成する(図4(a)および図4(b))。
つづいて、シリコン酸化膜106上に、拡散元素の濃度が高い高濃度高誘電率膜108b(たとえば膜厚約1.5〜2.5nm、拡散元素濃度約40原子%)を形成する(図4(c))。この点で、シリコン酸化膜106上に低濃度高誘電率膜108aを形成する第一の実施の形態と工程が異なる。高濃度高誘電率膜108bは、低濃度高誘電率膜108aと同様、CVD法やALD法(原子層堆積法)等により成膜することができる。本実施の形態では、高濃度高誘電率膜108bとしてハフニウムシリケートを採用する。
つづいて、Pウェル102a上に、フォトレジスト110を形成する。フォトレジスト110は、高濃度高誘電率膜108b上にレジストを塗布し、パターン形成用マスク(不図示)を用いて露光・現像することにより形成される。この状態で、高濃度高誘電率膜108bの露出した部分(Nウェル102b上)にSiイオンを注入する(図4(d))。Siイオンの注入は、たとえば、0.1keV、5×1014cm-2〜7×1014cm-2の条件で行うことができる。
これにより、Nウェル102b上の高濃度高誘電率膜108bを拡散元素濃度が低い低濃度高誘電率膜108a(拡散元素濃度約20原子%以下)とする。つづいて、第一の実施の形態と同様、高濃度高誘電率膜108bおよび低濃度高誘電率膜108aが除去されないように、たとえばオゾン等を用いたドライ雰囲気下でフォトレジスト110を剥離する(図3(e))。
なお、Siイオンの注入は、加速電圧を変えることによりSiイオンの浸入深さを変えて、複数回行うこともできる。たとえば、浸入深さが浅くなるほどドーズ量を多くし、多結晶シリコン膜114との界面における低濃度高誘電率膜108a中の拡散元素の濃度が他の領域よりも低くなるようにすることができる。図5は、低濃度高誘電率膜108aを、シリコン酸化膜106と接する界面と多結晶シリコン膜114と接する界面とで拡散元素の濃度が異なるように形成した例を示す図である。ここで、低濃度高誘電率膜108aは、第一の低濃度高誘電率膜領域107aと、第二の低濃度高誘電率膜領域107bと、第三の低濃度高誘電率膜領域107cとにより構成される。ここで、各領域における拡散元素の濃度は、第一の低濃度高誘電率膜領域107a、第二の低濃度高誘電率膜領域107b、第三の低濃度高誘電率膜領域107cの順で低くなるようにされる。このような構成とすることにより、P型MOSFET120においても、高誘電率膜を用いることの効果を得つつ、多結晶シリコン膜114への拡散元素の拡散を低減してフェルミレベルピニングの影響を低減することができる。
この後、第一の実施の形態において図3を参照して説明したのと同様の処理を行うことにより、図1に示した半導体装置100を得ることができる。本実施の形態においても、第一の実施の形態と同様の効果が得られる。
(第三の実施の形態)
本実施の形態においても、半導体装置100は、第一の実施の形態において図1に示したのと同様の構成を有する。図6は本実施の形態における半導体装置100の製造工程の一例を示す工程断面図である。
まず、第一の実施の形態において、図2(a)から図2(c)を参照して説明したのと同様の処理を行い、シリコン基板102上にシリコン酸化膜106および低濃度高誘電率膜108aを形成する。
つづいて、Nウェル102b上に、フォトレジスト110を形成する(図6(a))。フォトレジスト110は、低濃度高誘電率膜108a上にレジストを塗布し、パターン形成用マスク(不図示)を用いて露光・現像することにより形成される。この状態で、たとえば希フッ酸(DHF)を用いてウェットエッチングを行う。これにより、Pウェル102a上の低濃度高誘電率膜108aが選択的に除去される(図6(b))。
その後、Pウェル102a上のシリコン酸化膜106の上に、低濃度高誘電率膜108aよりも拡散濃度の高い高濃度高誘電率膜108bを形成する(図6(c))。次いで、低濃度高誘電率膜108aおよび高濃度高誘電率膜108bが除去されないように、たとえばオゾン等を用いたドライ雰囲気下でフォトレジスト110を剥離する。これにより、第一の実施の形態において図3(e)に示したのと同様の構成となる。この後、第一の実施の形態において図3を参照して説明したのと同様の処理を行うことにより、図1に示した半導体装置100を得ることができる。本実施の形態においても、第一の実施の形態と同様の効果が得られる。
また、低濃度高誘電率膜108aは、成膜ガス中の拡散元素ガスの濃度を変えて、複数層形成することもできる。これにより、図5に示したのと同様の構成とすることができ、同様の効果が得られる。
また、以上の例では、低濃度高誘電率膜108aを先に形成して一部除去した後に高濃度高誘電率膜108bを形成する形態を説明したが、第二の実施の形態で説明したのと同様、まず、シリコン酸化膜106上に高濃度高誘電率膜108bを形成してもよい。この後、Nウェル102b上の高濃度高誘電率膜108bを除去し、当該除去した領域に低濃度高誘電率膜108aを形成してもよい。これによっても、図1に示したのと同様の半導体装置100を得ることができる。
以上、図面を参照して本発明の実施の形態および実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
たとえば、上記の実施の形態においては、高誘電率膜として、ハフニウムシリケート膜を用いる形態について説明したが、これ以外にも、Hf、Zrなどの酸化膜、シリケート膜、酸窒化膜等を用いることもできる。
さらに、Hf、Zrに限らず、本発明は、多結晶シリコン膜に接して設けられた場合に、当該多結晶シリコン膜に拡散してフェルミレベルピニングを生じる原因となる元素を含むゲート絶縁膜を有するN型MOSFETおよびP型MOSFETに適用することができる。
以上の実施の形態において、低濃度高誘電率膜108aや高濃度高誘電率膜108b等の高誘電率膜中の拡散元素の濃度は、たとえばSIMS(二次イオン質量分析装置)により測定することができる。
本発明の実施の形態における半導体装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順の一例を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順の一例を示す工程断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順の他の例を示す工程断面図である。 P型MOSFETにおける低濃度高誘電率膜の構成の一例を詳細に示す断面図である。 本発明の実施の形態における半導体装置の製造手順の他の例を示す工程断面図である。
符号の説明
100 半導体装置
102 シリコン基板
102a Pウェル
102b Nウェル
104 素子分離領域
106 シリコン酸化膜
108a 低濃度高誘電率膜
108b 高濃度高誘電率膜
114 多結晶シリコン膜
115 側壁絶縁膜
116 側壁絶縁膜
118 N型MOSFET
120 P型MOSFET
121 不純物拡散領域
122 不純物拡散領域

Claims (11)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成され、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む第一の高誘電率膜により構成された第一のゲート絶縁膜と、前記第一のゲート絶縁膜上に、前記第一の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第一のゲート電極と、を含むN型MOSFETと、
    前記半導体基板上に、前記N型MOSFETに並置して形成され、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む第二の高誘電率膜により構成された第二のゲート絶縁膜と、前記第二のゲート絶縁膜上に、前記第二の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第二のゲート電極と、を含むP型MOSFETと、
    を備え、
    前記第二の高誘電率膜において、少なくとも前記多結晶シリコン膜と接する界面における前記金属元素の濃度が、前記第一の高誘電率膜の前記多結晶シリコン膜と接する界面における前記金属元素の濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置。
  2. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成され、多結晶シリコン膜により構成された第一のゲート電極と、前記半導体基板と前記多結晶シリコン膜との間に、前記多結晶シリコン膜に接して設けられた第一の高誘電率膜により構成された第一のゲート絶縁膜と、を含むN型MOSFETと、
    前記半導体基板上に前記N型MOSFETに並置して形成され、多結晶シリコン膜により構成された第二のゲート電極と、前記半導体基板と前記第二のゲート電極との間に、前記多結晶シリコン膜に接して設けられ、当該多結晶シリコン膜中に拡散する金属元素を含む第二の高誘電率膜により構成された第二のゲート絶縁膜と、を含むP型MOSFETと、
    を備え、
    前記第一の高誘電率膜は、前記金属元素を含み、当該金属元素が前記第二の高誘電率膜から当該第二の高誘電率膜に接する前記多結晶シリコン膜に拡散する量は、当該金属元素が前記第一の高誘電率膜から当該第一の高誘電率膜に接する前記多結晶シリコン膜に拡散する量よりも多く、
    前記第二の高誘電率膜において、少なくとも前記多結晶シリコン膜と接する界面における前記金属元素の濃度が、前記第一の高誘電率膜の前記多結晶シリコン膜と接する界面における前記金属元素の濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置。
  3. 請求項1または2に記載の半導体装置において、
    前記第二の高誘電率膜中の前記金属元素の平均濃度が、前記第一の高誘電率膜中の前記金属元素の平均濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置。
  4. 半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成され、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む第一の高誘電率膜により構成された第一のゲート絶縁膜と、前記第一のゲート絶縁膜上に、前記第一の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第一のゲート電極と、を含むN型MOSFETと、
    前記半導体基板上に、前記N型MOSFETに並置して形成され、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む第二の高誘電率膜により構成された第二のゲート絶縁膜と、前記第二のゲート絶縁膜上に、前記第二の高誘電率膜に接して設けられた多結晶シリコン膜により構成された第二のゲート電極と、を含むP型MOSFETと、
    を備え、
    前記第二の高誘電率膜中の前記金属元素の平均濃度が、前記第一の高誘電率膜中の前記金属元素の平均濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置。
  5. 請求項1乃至4いずれかに記載の半導体装置において、
    前記第二の高誘電率膜において、少なくとも前記多結晶シリコン膜と接する界面における前記金属元素の濃度が、当該膜中の他の領域における前記金属元素の濃度よりも低いことを特徴とする半導体装置。
  6. 請求項1乃至5いずれかに記載の半導体装置において、
    前記N型MOSFETの前記第一のゲート絶縁膜は、前記半導体基板と前記第一の高誘電率膜との間に設けられたシリコン酸化膜をさらに含み、
    前記P型MOSFETの前記第二のゲート絶縁膜は、前記半導体基板と前記第二の高誘電率膜との間に設けられたシリコン酸化膜をさらに含むことを特徴とする半導体装置。
  7. 請求項1乃至6いずれかに記載の半導体装置において、
    前記N型MOSFETの前記第一のゲート電極において、前記多結晶シリコン膜はN型不純物を含み、
    前記P型MOSFETの前記第二のゲート電極において、前記多結晶シリコン膜はP型不純物を含むことを特徴とする半導体装置。
  8. N型MOSFETおよびP型MOSFETを含む半導体装置の製造方法であって、
    PウェルおよびNウェルが並置して形成された半導体基板の全面に、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む高誘電率膜を形成する工程と、
    前記Nウェル上の前記高誘電率膜を保護膜で覆う工程と、
    前記保護膜をマスクとして、前記Pウェル上の前記高誘電率膜に、前記金属元素をイオン注入して、前記Pウェル上における前記高誘電率膜中の前記金属元素の濃度を前記Nウェル上における前記高誘電率膜中の前記金属元素の濃度よりも高くする工程と、
    前記高誘電率膜上に、多結晶シリコン膜を形成する工程と、
    前記高誘電率膜および前記多結晶シリコン膜を選択的に除去してゲート電極形状に加工する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. N型MOSFETおよびP型MOSFETを含む半導体装置の製造方法であって、
    PウェルおよびNウェルが並置して形成された半導体基板の全面に、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含む高誘電率膜を形成する工程と、
    前記Pウェル上の前記高誘電率膜を保護膜で覆う工程と、
    前記保護膜をマスクとして、前記Nウェル上の前記高誘電率膜に、HfまたはZr以外の元素をイオン注入して、前記Nウェル上における前記高誘電率膜中の前記金属元素の濃度を前記Pウェル上における前記高誘電率膜中の前記金属元素の濃度よりも低くする工程と、
    前記高誘電率膜上に、多結晶シリコン膜を形成する工程と、
    前記高誘電率膜および前記多結晶シリコン膜を選択的に除去してゲート電極形状に加工する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. N型MOSFETおよびP型MOSFETを含む半導体装置の製造方法であって、
    PウェルおよびNウェルが並置して形成された半導体基板の全面に、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含み、前記金属元素の濃度が低い低濃度高誘電率膜を形成する工程と、
    前記Nウェル上の前記低濃度高誘電率膜を保護膜で覆う工程と、
    前記保護膜をマスクとして、前記Pウェル上の前記低濃度高誘電率膜を選択的に除去する工程と、
    前記Pウェル上に、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含み、当該金属元素の濃度が前記低濃度高誘電率膜中の前記金属元素の濃度より高い高濃度高誘電率膜を形成する工程と、
    前記低濃度高誘電率膜および前記高濃度高誘電率膜上に、多結晶シリコン膜を形成する工程と、
    前記低濃度高誘電率膜、前記高濃度高誘電率膜および前記多結晶シリコン膜を選択的に除去してゲート電極形状に加工する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. N型MOSFETおよびP型MOSFETを含む半導体装置の製造方法であって、
    PウェルおよびNウェルが並置して形成された半導体基板の全面に、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含み、前記金属元素の濃度が高い高濃度高誘電率膜を形成する工程と、
    前記Pウェル上の前記高濃度高誘電率膜を保護膜で覆う工程と、
    前記保護膜をマスクとして、前記Nウェル上の前記高濃度高誘電率膜を選択的に除去する工程と、
    前記Nウェル上に、HfおよびZrからなる群から選択される一または二以上の金属元素を含み、当該金属元素の濃度が前記高濃度高誘電率膜中の前記金属元素の濃度より低い低濃度高誘電率膜を形成する工程と、
    前記低濃度高誘電率膜および前記高濃度高誘電率膜上に、多結晶シリコン膜を形成する工程と、
    前記低濃度高誘電率膜、前記高濃度高誘電率膜および前記多結晶シリコン膜を選択的に除去してゲート電極形状に加工する工程と、
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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