JP2006140514A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 高誘電率膜を含むゲート絶縁膜を有するMISトランジスタを有する半導体装置及びその製造方法に関し、ポリシリコンの異常成長やゲートリーク電流を抑制しうる半導体装置の構造及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 半導体基板10に形成され、ハフニウム組成xが0.7<x<1であるHfxAl1−xOyよりなる誘電体膜16と、誘電体膜16上に形成され、誘電体膜16とは異なる誘電体膜18とを有するゲート絶縁膜20と、ゲート絶縁膜20上に形成され、ポリシリコン膜を有するゲート電極24とを有する。これにより、ポリシリコン膜の形成過程における局所的な異常成長が防止される。また、ゲートリーク電流を大幅に低減することができる。
【選択図】 図9
【解決手段】 半導体基板10に形成され、ハフニウム組成xが0.7<x<1であるHfxAl1−xOyよりなる誘電体膜16と、誘電体膜16上に形成され、誘電体膜16とは異なる誘電体膜18とを有するゲート絶縁膜20と、ゲート絶縁膜20上に形成され、ポリシリコン膜を有するゲート電極24とを有する。これにより、ポリシリコン膜の形成過程における局所的な異常成長が防止される。また、ゲートリーク電流を大幅に低減することができる。
【選択図】 図9
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、特に、高誘電率膜よりなるゲート絶縁膜を有するMIS(Metal-Insulator-Semiconductor)トランジスタを有する半導体装置及びその製造方法に関する。
半導体装置の高集積化によるMISトランジスタの微細化に伴い、ゲート絶縁膜の薄膜化が進んでいる。数年後にはゲート長50nm以下に対応したトランジスタの開発が見込まれており、シリコン酸化膜換算で1nm以下の膜厚を有するゲート絶縁膜が必要となってくる。
従来より、ゲート絶縁膜としてはシリコン酸化膜系の絶縁膜が広く用いられてきた。しかしながら、シリコン酸化膜系の絶縁膜では膜厚が約3nm程度以下になるとトンネルリーク電流が顕著となり、絶縁膜としての機能を果たさなくなるという問題が指摘されている。このため、シリコン酸化膜系の絶縁膜に代わる新しい材料によりシリコン酸化膜換算で1nm以下のゲート絶縁膜を形成することが検討されている。
シリコン酸化膜系の絶縁膜に代わるゲート絶縁膜材料として、シリコン酸化膜よりも誘電率が高い材料(High−k材料)を用いることが検討されている。高誘電率材料を用いることにより、ゲート絶縁膜の物理膜厚を厚くすることができ、リーク電流を抑えることができる。
高誘電率材料としては様々な金属酸化物材料が提案されており、ZrO2、Al2O3、HfO2、TaO2等の材料が注目されている。なかでも、HfO2は、比誘電率が20〜30程度と高い、ZrO2と比べてシリサイド化しにくい、成長中にシリコン基板との間に形成される界面層が増加しにくい、等の利点があり有望である。
しかしながら、HfO2は、堆積直後(as-grown)の状態で部分的に結晶化しているため、リーク電流が大きいという欠点を有している。また、HfO2上にポリシリコン膜を堆積すると、ポリシリコンの局所的な異常成長が生じることが知られている。
HfO2の結晶化の問題に関しては、例えば特許文献1に記載されているように、ゲート絶縁膜中に非晶質材料を介在させることが提案されている。また、例えば特許文献2に記載されているように、HfO2に結晶化しにくいSiO2やAl2O3等を混入することで結晶化を抑制し、リーク電流を低減することが提案されている。また、ポリシリコンの異常成長に関しては、例えば非特許文献1に記載されているように、HfO2膜とポリシリコン膜との間にAl2O3膜を介在させることでポリシリコンの異常成長を抑制することが提案されている。
特開2001−267566号公報
特開2002−033320号公報
"Compatibility of polycrystalline silicon gate deposition with HfO2 and Al2O3/HfO2 gate dielectrics", DC Gilmer et al., Appl. Phys. Lett. Vol.81, pp.1288-1290 (2002)
しかしながら、HfO2−Al2O3混合系(以下、HfxAl1−xOyと表す)の高誘電率膜について本願発明者等が鋭意検討を行った結果、HfO2にAl2O3等を混入して結晶化を抑制した場合であっても、Hfリッチな領域ではゲートリーク電流が増大することがあることが判明した。また、このHfリッチな領域においては、ポリシリコンゲートの異常成長による島状突起物が生成されることが判明した。
本発明の目的は、HfxAl1−xOyを含むゲート絶縁膜を有するMISトランジスタにおいて、ゲートリーク電流や島状突起物の発生を抑制しうる半導体装置の構造及びその製造方法を提供することにある。
上記目的は、半導体基板上に形成され、ハフニウム組成xが0.7<x<1であるHfxAl1−xOyよりなる第1の誘電体膜と、前記第1の誘電体膜上に形成され、前記第1の誘電体膜とは異なる第2の誘電体膜とを有するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成され、ポリシリコン膜を有するゲート電極とを有することを特徴とする半導体装置によって達成される。
また、上記目的は、半導体基板上に形成され、ハフニウム組成xが0.7<x<1であり膜厚が1nm以下のHfxAl1−xOy膜を有するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたポリシリコン膜を有するゲート電極とを有することを特徴とする半導体装置によって達成される。
また、上記目的は、半導体基板上に、ハフニウム組成xが0.7<x<1であるHfxAl1−xOyよりなる第1の誘電体膜を堆積する工程と、前記第1の誘電体膜上に、前記第1の誘電体膜とは異なる第2の誘電体膜を堆積する工程と、前記第2の誘電体膜上に、ポリシリコン膜を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法によっても達成される。
また、上記目的は、半導体基板上に、シリコン酸化膜系の絶縁膜よりなる第1の誘電体膜を形成する工程と、前記第1の誘電体膜上に、ハフニウム組成xが0.7<x<1であり膜厚が1nm以下のHfxAl1−xOyよりなる第2の誘電体膜を形成する工程と、前記第2の誘電体膜上に、ポリシリコン膜を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法によっても達成される。
また、上記目的は、半導体基板上に、HfxAl1−xOyよりなる誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体膜上に、550℃より低い温度でシリコン膜を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法によっても達成される。
以上の通り、本発明によれば、HfxAl1−xOy膜とシリコン膜との間にシリコン膜の異常成長を抑制しうる絶縁膜を形成し、HfxAl1−xOyの膜厚を1nm以下に設定し、又は、HfxAl1−xOy上にアモルファス状態でシリコン膜を堆積するので、HfxAl1−xOy上にシリコン膜を形成する際のシリコン膜の局所的な異常成長を抑制することができる。また、ゲートリーク電流を大幅に低減することができる。
[本発明の原理]
HfxAl1−xOyについて本願発明者等が鋭意検討を行った結果、HfxAl1−xOy膜中を流れるリーク電流は、ハフニウム組成(x)に大きく依存することが判明した。ハフニウム組成xが0.9以上の場合には、大きなリーク電流が観測される。これは、この組成のHfxAl1−xOy膜が、堆積直後(as-deposition)の状態でも部分的に結晶化しているためと考えられる。また、ハフニウム組成xが0.7<x<1の範囲のHfxAl1−xOyでは、HfxAl1−xOy膜上にゲート電極用のポリシリコン膜を成膜すると、ポリシリコン膜の局所的な異常成長が発生し、大きな島状突起物が生成される。異常成長がリーク電流と直接関係するかどうかは判らないが、島状突起物が生成されると半導体装置製造プロセスに影響を及ぼし、設計通りの半導体装置を製造することができない。
HfxAl1−xOyについて本願発明者等が鋭意検討を行った結果、HfxAl1−xOy膜中を流れるリーク電流は、ハフニウム組成(x)に大きく依存することが判明した。ハフニウム組成xが0.9以上の場合には、大きなリーク電流が観測される。これは、この組成のHfxAl1−xOy膜が、堆積直後(as-deposition)の状態でも部分的に結晶化しているためと考えられる。また、ハフニウム組成xが0.7<x<1の範囲のHfxAl1−xOyでは、HfxAl1−xOy膜上にゲート電極用のポリシリコン膜を成膜すると、ポリシリコン膜の局所的な異常成長が発生し、大きな島状突起物が生成される。異常成長がリーク電流と直接関係するかどうかは判らないが、島状突起物が生成されると半導体装置製造プロセスに影響を及ぼし、設計通りの半導体装置を製造することができない。
これらの現象を詳しく調べるため、本願発明者等は、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)を用い、ポリシリコン/HfxAl1−xOy構造の局所リーク電流特性を調べた。図1はその結果を示す図である。図1(a)がハフニウム組成x=0.7の場合における表面トポグラフ像であり、図1(b)が(a)のトポグラフ像と同時に観測したリーク電流の面内分布を示す図である。図1(c)がハフニウム組成x=0.8の場合における表面トポグラフ像であり、図1(d)が(c)のトポグラフ像と同時に観測したリーク電流の面内分布を示す図である。図1(e)がハフニウム組成x=0.9の場合における表面トポグラフ像であり、図1(f)が(e)のトポグラフ像と同時に観測したリーク電流の面内分布を示す図である。図1(g)がハフニウム組成x=1.0の場合における表面トポグラフ像であり、図1(h)が(g)のトポグラフ像と同時に観測したリーク電流の面内分布を示す図である。
図1(c)及び(e)に示すトポグラフ像には、多数の島状突起物が観測される。この島状突起部は、ポリシリコンが異常成長して生成されたものである。一方、ハフニウム組成x=1.0及び0.7の場合には、図1(a)及び図1(g)に示されるように、島状突起物は発生していない。また、島状突起物は、ポリシリコン膜の成長初期には観察されず、ポリシリコン膜の厚さが十分に厚く成長したときに発生することが判った。
一方、図1(b),(d),(f),(g)に示すように、リーク電流はハフニウム組成xが多いほど、大きいことが判明した。このリーク電流スポットは必ずしも島状突起物の箇所とは一致していない。ハフニウム組成x=0.8の場合には、局所的にリーキーなスポットが存在することが判った。この局所リーク電流スポットは、4μm2あたり1〜2個の割合で発生し、島状突起物の発生する密度と同じであることも判った。
図2は、HfxAl1−xOyをゲート絶縁膜とするMOSキャパシタにおけるゲートリーク電流のハフニウム組成及びゲート面積依存性を示すグラフである。図2に示すように、ハフニウム組成x=0.5及びx=1.0の試料では、ゲート面積が小さくなってもリーク電流のばらつきに大きな変化はないが、ハフニウム組成x=0.8の試料では、ゲート面積が小さくなるほどにリーク電流のばらつきが大きくなっている。この現象は、ゲート面積が大きい場合には含まれる局所リークスポットの数が均一化されてばらつきが小さくなるのに対し、ゲート面積が小さい場合には、ゲート中に局所リーク電流スポットが存在する場合にはリーキーで存在しない場合にリーク電流が小さくなると考えることで説明することができる。
図3は、ハフニウム組成とポリシリコンの異常成長との関係を示すトポグラフ像である。図3(a)がハフニウム組成x=0.6の場合であり、図3(b)がハフニウム組成x=0.7の場合であり、図3(c)がハフニウム組成x=0.8の場合であり、図3(d)がハフニウム組成x=0.9の場合であり、図3(e)がハフニウム組成1.0の場合である。
図3に示すように、ハフニウム組成xが0.7以下(0<x≦0.7)の場合及び1.0の場合にはポリシリコンの局所的な異常成長は観察されないが、ハフニウム組成xが0.8及び0.9の場合にはポリシリコンの局所的な異常成長が観察される。
図4は、析出物の数と高さとの関係を示すグラフである。図中、●印がハフニウム組成x=1の場合、■印がハフニウム組成x=0.9の場合、▼印がハフニウム組成x=0.8の場合、○印がハフニウム組成x=0.7の場合、□印がハフニウム組成x=0.6の場合である。
図示するように、ハフニウム組成が0.8及び0.9の場合に析出物の高さが高い方にまで分布しており、異常成長が生じていることが判る。
ハフニウム組成x=1.0はHfO2に相当する組成であり、上記非特許文献1においてポリシリコンの異常成長が観察された条件であるが、本願発明者等の検討結果では異常成長は確認できなかった。本願発明者等の検討結果では、ハフニウム組成x=1.0の場合よりも、ハフニウム組成x=0.8,0.9の場合の方が高い頻度で異常成長が発生している。このことから、ハフニウム組成x=0.8,0.9の場合におけるポリシリコンの異常成長は、非特許文献1に見られるHfO2上におけるポリシリコンの異常成長とは異なり、HfxAl1−xOy特有の現象であると考えられる。
上述のように、ハフニウム組成xが0.7<x<1であるHfxAl1−xOyでは、ポリシリコンの局所的な異常成長が生じる。したがって、ポリシリコンの異常成長を防止するには、ハフニウム組成xを0.7以下に設定すればよい。しかしながら、ハフニウム組成xが0.5以下では、リーク電流を低減する効果はあるが、Al2O3組成が大きい分、比誘電率は小さくなる。高い誘電率を得るためには、HfO2組成のより大きな膜を形成することが望ましい。
そこで、本発明の第1の方法では、HfxAl1−xOy膜とポリシリコン膜との間に、ポリシリコン膜の異常成長を抑制しうる絶縁膜を形成する。ポリシリコンの異常成長は、上記組成のHfxAl1−xOy膜上に直にポリシリコン膜を成長することにより発生する。したがって、HfxAl1−xOy膜とポリシリコン膜との間に、ポリシリコン膜の異常成長を抑制しうる絶縁膜、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、シリコン窒化酸化膜、Al2O3(アルミナ)膜、HfO2組成xが0.7以下(0<x≦0.7)のHfxAl1−xOy膜などを介在させることにより、ポリシリコンの異常成長を抑制することができる。
図5は、Hf0.8Al0.2Oy膜とポリシリコン膜との間にシリコン窒化膜を形成した場合におけるトポグラフ像である。図3(c)と図5との比較から明らかなように、シリコン窒化膜を介在させることにより、ポリシリコンの局所的な異常成長を抑制することができる。
図4の▽印は、Hf0.8Al0.2Oy膜とポリシリコン膜との間にシリコン窒化膜を形成した場合における析出物の数と高さとの関係を示している。シリコン窒化膜を設けることによりポリシリコンの異常成長が抑制できることは、図4のグラフからも明らかである。
図6は、Hf0.8Al0.2Oy膜とポリシリコン膜との間にシリコン窒化膜を形成した場合におけるゲートリーク電流のゲート面積依存性を示すグラフである。図示するように、シリコン窒化膜を形成することにより、形成しない場合と比較してリーク電流を大幅に低減できるとともに、リーク電流のばらつきを小さくすることができる。
また、本発明の第2の方法では、HfxAl1−xOyの膜厚を1nm以下に設定する。膜厚が1nm以下のHfxAl1−xOyの場合、ハフニウム組成xが0.7<x<1の場合であっても、ポリシリコンの異常成長を抑制することができる。但し、この場合には、ゲート絶縁膜として十分な物理膜厚を確保するために、他の絶縁膜との積層膜によりゲート絶縁膜を構成することが望ましい。
図7は、Hf0.8Al0.2Oy膜の膜厚を変化したときの表面状態の変化を示す図である。図7(a)は膜厚が2nmの場合を、図7(b)は膜厚が1nmの場合を、図7(c)は膜厚が0.5nmの場合を、それぞれ示している。
図示するように、膜厚が1nm以下の場合には、ポリシリコンの異常成長により生じる島状突起物を大幅に低減することができる。
また、本発明の第3の方法では、HfxAl1−xOy上にポリシリコンを堆積する代わりに、アモルファスシリコンを堆積する。本願発明者等が鋭意検討を行ったところ、アモルファスシリコンの成膜温度まで低温化すると、異常成長により生じる島状突起物の大きさが小さくなることが判明した。したがって、ポリシリコン膜に代えてアモルファスシリコン膜を堆積することにより、異常成長を抑制することができる。
図8は、Hf0.8Al0.2Oy上に550℃でアモルファスシリコンを堆積した場合におけるトポグラフ像である。図3(c)と図8との比較から明らかなように、成膜温度を低温化することにより、島状突起物の大きさを小さくすることができる。
図4の×印は、Hf0.8Al0.2Oy膜上にアモルファスシリコン膜を堆積した場合における析出物の数と高さとの関係を示している。アモルファスシリコン膜を堆積することにより島状突起物を小さくできることは、図4のグラフからも明らかである。
なお、HfxAl1−xOyは、正確には(HfO2)x(Al2O3)と表されるが、HfとAlの個々の酸化状態は特に規定されるものではないため、酸素組成yは、ハフニウム組成xによって変化する。
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態による半導体装置及びその製造方法について図9乃至図11を用いて説明する。
本発明の第1実施形態による半導体装置及びその製造方法について図9乃至図11を用いて説明する。
図9は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図10及び図11は本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図9を用いて説明する。
シリコン基板10上には、素子分離膜12が形成されている。素子分離膜12により画定されたシリコン基板10の素子領域上には、界面層14、Hf0.8Al0.2Oy膜16及びアルミナ膜18を有するゲート絶縁膜20が形成されている。ゲート絶縁膜20上には、ポリシリコン膜よりなるゲート電極24が形成されている。ゲート電極24の側壁部分には、側壁絶縁膜28が形成されている。ゲート電極24の両側のシリコン基板10中には、ソース/ドレイン拡散層32が形成されている。
このように、本実施形態による半導体装置は、ゲート絶縁膜20が、Hf0.8Al0.2Oy膜16上に形成されたAl2O3膜18を有する点に主たる特徴がある。前述の通り、ハフニウム組成0.7<x<1のHfxAl1−xOy膜上にポリシリコン膜を直に堆積した場合、ポリシリコンの局所的な異常成長が発生し、ゲートリーク電流の増加を引き起こす。本実施形態による半導体装置のようにHf0.8Al0.2Oy膜16上にAl2O3膜18を形成し、Al2O3膜18上にポリシリコン膜を堆積することにより、ポリシリコンの異常成長を防止することができる。したがって、本実施形態による半導体装置によれば、ゲートリーク電流を低減することができる。
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図10及び図11を用いて説明する。
まず、シリコン基板10中に、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法により、素子領域を画定する素子分離膜12を形成する(図10(a))。
次いで、素子分離膜12が形成されたシリコン基板10上に、MOCVD法により、膜厚3nmのHf0.8Al0.2Oy膜16を堆積する。Hf0.8Al0.2Oy膜16は、例えば、Al原料にTTBAl(tri-tertiary butyl Al)を、Hf原料にTTBHf(tetra butoxy Hf)を、酸化ガスにO2ガスを、キャリアガスにN2を用い、基板温度を500℃、TTBHfの流量を500sccm、TTBAlの流量を35sccm、O2流量を100sccm、総流量を1500sccmとして形成する。
なお、Hf0.8Al0.2Oy膜16の成膜の際に、シリコン基板10とHf0.8Al0.2Oy膜16との界面には、界面層14が形成される。なお、界面層14は、Hf0.8Al0.2Oy膜16の成膜過程でシリコン基板10が酸化されることにより形成されるものと考えられている。
次いで、Hf0.8Al0.2Oy膜16上に、例えば膜厚1nmのAl2O3膜18を堆積する(図10(b))。Al2O3膜18は、例えばAl原料にTTBAlを、酸化ガスにO2ガスを、キャリアガスにN2を用い、基板温度を500℃、TTBAlの流量を300sccm、O2流量を100sccm、総流量を1500sccmとして形成する。
なお、Al2O3膜18は、Hf0.8Al0.2Oy膜16を堆積したと同様の成膜室内において連続して成膜することが望ましい。Al2O3膜18は、Hf0.8Al0.2Oy膜16を堆積する際に用いるハフニウム源の供給を停止することにより堆積することができる。これにより、Hf0.8Al0.2Oy膜16が堆積後に大気に曝されることはなく、良質の界面を得ることができる。
こうして、シリコン基板10上に、Hf0.8Al0.2Oy膜16とAl2O3膜18との積層膜よりなるゲート絶縁膜20を形成する。
次いで、ゲート絶縁膜20上に、例えば減圧CVD法により、例えば膜厚150nmのポリシリコン膜22を形成する(図10(c))。ポリシリコン膜22は、例えば、SiH4(20%)、He(80%)の原料を用い、総流量を500sccm、圧力を30Pa、成膜温度を620℃として形成する。
上記ポリシリコン膜22の成膜条件は、Hf0.8Al0.2Oy膜上に直にポリシリコン膜を堆積すると局所的な異常成長が生じる条件である。しかしながら、本実施形態では、Hf0.8Al0.2Oy膜16とポリシリコン膜22との間にAl2O3膜18が形成されているため、ポリシリコン膜22の局所的な異常成長が生じることはない。
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングによりポリシリコン膜22をパターニングし、ポリシリコン膜22よりなるゲート電極24を形成する(図10(d))。
次いで、ゲート電極24をマスクとして、例えば砒素イオンをイオン注入し、ゲート電極24の両側のシリコン基板10中に、LDD領域或いはエクステンション領域となる不純物拡散領域26を形成する(図11(a))。
次いで、例えばCVD法により、例えば膜厚110nmのシリコン窒化膜を堆積した後、このシリコン窒化膜をエッチバックし、ゲート電極24の側壁部分にシリコン窒化膜よりなる側壁絶縁膜28を形成する(図11(b))。
次いで、ゲート電極24及び側壁絶縁膜28をマスクとして、例えば砒素イオンをイオン注入し、ゲート電極24の両側のシリコン基板10中に、不純物拡散領域30を形成する。
次いで、例えば1050℃1秒間の短時間熱処理を行いイオン注入した不純物を活性化し、不純物拡散領域26,30よりなるソース/ドレイン拡散層32を形成する(図11(c))。
こうして、図9に示す半導体装置が製造される。
このように、本実施形態によれば、Hf0.8Al0.2Oy膜とポリシリコン膜との間にAl2O3膜を介在させるので、ポリシリコン膜の形成過程における局所的な異常成長を防止することができる。また、ゲートリーク電流を大幅に低減することができる。
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態による半導体装置及びその製造方法について図12を用いて説明する。なお、図9乃至図11に示す第1実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
本発明の第2実施形態による半導体装置及びその製造方法について図12を用いて説明する。なお、図9乃至図11に示す第1実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
図12は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
本実施形態による半導体装置は、基本的な構造は図9に示す第1実施形態による半導体装置と同様である。本実施形態による半導体装置が第1実施形態による半導体装置と異なる点は、Al2O3膜18の代わりにシリコン窒化膜34が形成されている点にある。
シリコン窒化膜34も、Al2O3膜18と同様に、ポリシリコンの局所的な異常成長を防止する効果がある。したがって、シリコン窒化膜34をHf0.8Al0.2Oy膜16とゲート電極24との間に介在させることにより、ポリシリコンの異常成長を防止することができる。したがって、本実施形態による半導体装置によれば、ゲートリーク電流を低減することができる。
また、窒素を含むシリコン系の絶縁膜はボロンの拡散を抑制する効果を有する。したがって、P型トランジスタにあっては、ゲート電極24からのボロンの突き抜けを防止することができ、ボロンの突き抜けに起因するトランジスタ特性の劣化を防止することができる。
なお、本実施形態による半導体装置は、第1実施形態による半導体装置の製造方法において、アルミナ膜18を形成する代わりにシリコン窒化膜34を形成することにより、製造することができる。
シリコン窒化膜34は、例えば減圧CVD法により、例えば膜厚0.5nmのシリコン窒化膜を堆積することにより、形成することができる。シリコン窒化膜はアルミナ膜よりも比誘電率が小さいため、アルミナ膜よりも膜厚を薄くすることが望ましい。
このように、本実施形態によれば、Hf0.8Al0.2Oy膜とポリシリコン膜との間にシリコン窒化膜を介在させるので、ポリシリコン膜の形成過程における局所的な異常成長を防止することができる。また、ゲートリーク電流を大幅に低減することができる。
なお、上記実施形態では、Hf0.8Al0.2Oy膜上にシリコン窒化膜を形成したが、シリコン窒化膜の代わりにSiON膜を用いてもよい。
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態による半導体装置及びその製造方法について図13を用いて説明する。なお、図9乃至図12に示す第1及び第2実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
本発明の第3実施形態による半導体装置及びその製造方法について図13を用いて説明する。なお、図9乃至図12に示す第1及び第2実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
図13は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
本実施形態による半導体装置は、基本的な構造は図9に示す第1実施形態による半導体装置と同様である。本実施形態による半導体装置が第1実施形態による半導体装置と異なる点は、Al2O3膜18の代わりにHf0.5Al0.5Oy膜36が形成されている点にある。
ハフニウム組成xが0.7以下のHfxAl1−xOyの場合、前述の通り、HfxAl1−xOy上にポリシリコンを直に堆積しても局所的な異常成長は生じない。したがって、少なくともポリシリコンに接する最上部のHfxAl1−xOyのハフニウム組成xを0.7以下にすることにより、ポリシリコンの異常成長を防止することができる。したがって、本実施形態による半導体装置によれば、ゲートリーク電流を低減することができる。
なお、本実施形態による半導体装置は、第1実施形態による半導体装置の製造方法において、Al2O3膜18を形成する代わりにHf0.5Al0.5Oy膜36を形成することにより、製造することができる。具体的には、例えば、Al原料にTTBAlを、Hf原料にTTBHfを、酸化ガスにO2ガスを、キャリアガスにN2を用い、基板温度を500℃、TTBHfの流量を500sccm、TTBAlの流量を140sccm、O2流量を100sccm、総流量を1500sccmとして形成する。これにより、Hf0.5Al0.5Oy膜36を形成することができる。Hf0.5Al0.5Oy膜36の膜厚は、例えば1nmとする。
HfxAl1−xOyは、Al2O3やシリコン窒化膜よりも比誘電率が大きいため、第1及び第2実施形態による半導体装置よりもゲート絶縁膜20の物理膜厚を厚くできるというメリットがある。より大きい比誘電率を得るためには、ハフニウム組成xを上限値である0.7に近づけることが望ましい。
このように、本実施形態によれば、HfxAl1−xOy膜とポリシリコン膜との間にハフニウム組成xが0.7以下のHfxAl1−xOy膜を介在させるので、ポリシリコン膜の形成過程における局所的な異常成長を防止することができる。また、第1及び第2実施形態による半導体装置の場合と比較して比誘電率の高い材料を介在させるので、ゲート絶縁膜の物理膜厚をより厚くすることができる。したがって、ゲートリーク電流を大幅に低減することができる。
なお、上記実施形態では、Hf0.8Al0.2Oy膜16上に、Hf0.5Al0.5Oy膜36を形成したが、少なくともポリシリコンに接する最上部のHfxAl1−xOyのハフニウム組成xを0.7以下にすることにより、ポリシリコンの異常成長を防止することができる。したがって、Hf0.5Al0.5Oy膜36のハフニウム組成は、これに限定されるものではない。また、ハフニウム組成をステップ状に変化させる必要は必ずしもなく、表面側のハフニウム組成xが0.7以下になるように徐々にハフニウム組成を減少した傾斜組成層を用いるようにしてもよい。
[第4実施形態]
本発明の第4実施形態による半導体装置及びその製造方法について図14及び図15を用いて説明する。なお、図9乃至図13に示す第1乃至第3実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
本発明の第4実施形態による半導体装置及びその製造方法について図14及び図15を用いて説明する。なお、図9乃至図13に示す第1乃至第3実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
図14は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図15端本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図14を用いて説明する。
シリコン基板10上には、素子分離膜12が形成されている。素子分離膜12により画定されたシリコン基板10の素子領域上には、膜厚1nmのSiON膜38と膜厚1nmのHf0.8Al0.2Oy膜16とを有するゲート絶縁膜20が形成されている。ゲート絶縁膜20上には、ポリシリコン膜よりなるゲート電極24が形成されている。ゲート電極24の側壁部分には、側壁絶縁膜28が形成されている。ゲート電極24の両側のシリコン基板10中には、ソース/ドレイン拡散層32が形成されている。
このように、本実施形態による半導体装置は、ゲート絶縁膜20が、膜厚1nmのSiON膜38と膜厚1nmのHf0.8Al0.2Oy膜16とにより構成されていることに主たる特徴がある。前述の通り、HfxAl1−xOyの膜厚を1nm以下にすることにより、ポリシリコンの局所的な異常成長を抑制することができる。また、Hf0.8Al0.2Oy膜16の下地にSiON膜38を形成することにより、ゲート絶縁膜20の物理膜厚を増加することができる。したがって、本実施形態による半導体装置によれば、ゲートリーク電流を低減することができる。また、窒素を含むシリコン系の絶縁膜を用いることにより、ボロンドープのゲート電極24を有するP型トランジスタにあってはゲート電極24からのボロンの突き抜けを防止することができる。したがって、ボロンの突き抜けに起因するトランジスタ特性の劣化を防止することができる。
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図15を用いて説明する。
まず、シリコン基板10中に、例えばSTI法により、素子領域を画定する素子分離膜12を形成する。
次いで、素子分離膜12が形成されたシリコン基板10上に、熱酸化法により、例えば膜厚1nmのSiON膜38を形成する(図15(a))。
次いで、SiON膜38上に、例えばMOCVD法により、膜厚1nmのHf0.8Al0.2Oy膜16を堆積する(図15(b))。
次いで、ゲート絶縁膜20上に、例えば減圧CVD法により、例えば膜厚150nmのポリシリコン膜22を形成する(図15(c))。
上記ポリシリコン膜22の成膜条件は、Hf0.8Al0.2Oy膜上に直にポリシリコン膜を堆積すると局所的な異常成長が生じる条件である。しかしながら、本実施形態では、Hf0.8Al0.2Oy膜16の膜厚が1nmであり、ポリシリコン膜22の局所的な異常成長は抑制される。
次いで、例えば図10(d)〜図11(c)に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ゲート電極24、ソース/ドレイン拡散層32等を形成する。
このように、本実施形態によれば、HfxAl1−xOyの膜厚を1nm以下にするので、ポリシリコンの局所的な異常成長を抑制することができる。下地にSiON膜を形成するので、ゲート絶縁膜の物理膜厚を増加することができるとともに、P型トランジスタにあってはゲート電極からのボロンの突抜けを防止することができる。したがって、本実施形態による半導体装置によれば、ゲートリーク電流を低減することができる。
[第5実施形態]
本発明の第5実施形態による半導体装置及びその製造方法について図16及び図17を用いて説明する。なお、図9乃至図15に示す第1乃至第4実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
本発明の第5実施形態による半導体装置及びその製造方法について図16及び図17を用いて説明する。なお、図9乃至図15に示す第1乃至第4実施形態による半導体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符号を付し説明を省略し或いは簡略にする。
図16は本実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図、図17端本実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
はじめに、本実施形態による半導体装置の構造について図16を用いて説明する。
シリコン基板10上には、素子分離膜12が形成されている。素子分離膜12により画定されたシリコン基板10の素子領域上には、界面層14及びHf0.8Al0.2Oy膜16を有するゲート絶縁膜20が形成されている。ゲート絶縁膜20上には、ポリシリコン膜よりなるゲート電極24が形成されている。ゲート電極24の側壁部分には、側壁絶縁膜28が形成されている。ゲート電極24の両側のシリコン基板10中には、ソース/ドレイン拡散層32が形成されている。
次に、本実施形態による半導体装置の製造方法について図17を用いて説明する。
まず、シリコン基板10中に、例えばSTI法により、素子領域を画定する素子分離膜12を形成する(図17(a))。
次いで、素子分離膜12が形成されたシリコン基板10上に、MOCVD法により、膜厚3nmのHf0.8Al0.2Oy膜16を堆積する(図17(b))。
なお、Hf0.8Al0.2Oy膜16の成膜の際に、シリコン基板10とHf0.8Al0.2Oy膜16との界面には、界面層14が形成される。
次いで、ゲート絶縁膜20上に、例えば減圧CVD法により、例えば膜厚150nmのアモルファスシリコン膜40を形成する(図17(c))。アモルファスシリコン膜40は、例えば、SiH4(20%)、He(80%)の原料を用い、総流量を500sccm、圧力を30Pa、成膜温度を550℃として形成する。ポリシリコン膜の成膜条件と同条件で、成膜温度を550℃以下に下げることにより、アモルファスシリコン膜を堆積することができる。
ゲート電極材料の成膜温度をアモルファスシリコンの成膜温度まで低温化することにより、成膜過程の局所的な異常成長を抑制することができる。
この後、例えば図10(d)乃至図11(d)に示す第1実施形態による半導体装置の製造方法と同様にして、ゲート電極24、ソース/ドレイン拡散層32等を形成する。
なお、アモルファスシリコン膜40は、不純物の活性加熱処理の際に結晶化してポリシリコンとなるが、この熱処理過程で島状突起物の異常成長が生じることはない。
このように、本実施形態によれば、HfxAl1−xOy上に、アモルファスシリコンを堆積するので、膜形成過程及びその後の結晶加熱処理過程において島状突起物の異常成長を防止することができる。
[変形実施形態]
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記第1乃至第3実施形態では、ハフニウム組成xが0.7<x<1のHfxAl1−xOy膜上に、窒素を含むシリコン系絶縁膜、アルミナ膜又はハフニウム組成xが0.7以下のHfxAl1−xOy膜を形成したが、ポリシリコン膜の異常成長を抑制しうる材料であれば他の誘電体膜を適用してもよい。また、ハフニウム組成xが0.7<x<1のHfxAl1−xOy膜上に形成する誘電体膜は、1層である必要はなく、2層以上の膜であっても差し支えない。
また、上記第4実施形態では、シリコン基板とHfxAl1−xOy膜との間にSiON膜を形成したが、SiON膜の代わりに他の誘電体膜を形成してもよい。例えば、SiON膜の代わりに、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜を用いることができる。但し、ポリシリコン膜からのボロンの突き抜けを防止する観点からは、窒素を含むシリコン系絶縁膜を用いることが望ましい。
また、上記第1乃至第5実施形態では、ポリシリコン膜よりなるゲート電極を有する半導体装置に本発明を適用する場合を示したが、ゲート電極の構造はこれに限定されるものではない。例えば、ポリシリコン膜とシリサイド膜との積層膜よりなるポリサイドゲート構造や、ポリシリコン膜と金属膜との積層膜よりなるポリメタルゲート構造のゲート電極を有する半導体装置においても本発明を同様に適用することができる。
また、ゲート絶縁膜上にポリシリコン膜よりなるダミーゲート電極を形成した後、このダミーゲート電極をアルミ等の金属材料に置換してなるゲート電極を有する半導体装置においても本発明を同様に適用することができる。
また、上記実施形態では、N型MISトランジスタに本発明を適用した場合を示したが、P型MISトランジスタにおいても同様に適用することができる。
上述したとおり、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。
(付記1) 半導体基板上に形成され、ハフニウム組成xが0.7<x<1であるHfxAl1−xOyよりなる第1の誘電体膜と、前記第1の誘電体膜上に形成され、前記第1の誘電体膜とは異なる第2の誘電体膜とを有するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成され、ポリシリコン膜を有するゲート電極と
を有することを特徴とする半導体装置。
前記ゲート絶縁膜上に形成され、ポリシリコン膜を有するゲート電極と
を有することを特徴とする半導体装置。
(付記2)付記1記載の半導体装置において、
前記第2の誘電体膜は、窒素を含むシリコン系絶縁膜、アルミナ膜又はハフニウム組成xが0<x≦0.7のHfxAl1−xOy膜である
ことを特徴とする半導体装置。
前記第2の誘電体膜は、窒素を含むシリコン系絶縁膜、アルミナ膜又はハフニウム組成xが0<x≦0.7のHfxAl1−xOy膜である
ことを特徴とする半導体装置。
(付記3) 半導体基板上に形成され、ハフニウム組成xが0.7<x<1であり膜厚が1nm以下のHfxAl1−xOy膜を有するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成され、ポリシリコン膜を有するゲート電極と
を有することを特徴とする半導体装置。
前記ゲート絶縁膜上に形成され、ポリシリコン膜を有するゲート電極と
を有することを特徴とする半導体装置。
(付記4) 付記3記載の半導体装置において、
前記半導体基板と前記HfxAl1−xOy膜との間に、窒素を含むシリコン系絶縁膜を更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
前記半導体基板と前記HfxAl1−xOy膜との間に、窒素を含むシリコン系絶縁膜を更に有する
ことを特徴とする半導体装置。
(付記5) 付記4記載の半導体装置において、
前記窒素を含むシリコン系絶縁膜は、シリコン窒化膜又はSiON膜である
ことを特徴とする半導体装置。
前記窒素を含むシリコン系絶縁膜は、シリコン窒化膜又はSiON膜である
ことを特徴とする半導体装置。
(付記6) 半導体基板上に、ハフニウム組成xが0.7<x<1であるHfxAl1−xOyよりなる第1の誘電体膜を堆積する工程と、
前記第1の誘電体膜上に、前記第1の誘電体膜とは異なる第2の誘電体膜を堆積する工程と、
前記第2の誘電体膜上に、ポリシリコン膜を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第1の誘電体膜上に、前記第1の誘電体膜とは異なる第2の誘電体膜を堆積する工程と、
前記第2の誘電体膜上に、ポリシリコン膜を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記7) 付記6記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の誘電体膜及び前記第2の誘電体膜は、同一の成膜室内で連続して形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第1の誘電体膜及び前記第2の誘電体膜は、同一の成膜室内で連続して形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記8) 付記6又は7記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2の誘電体膜は、アルミナ膜又はハフニウム組成xが0<x≦0.7のHfxAl1−xOy膜である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第2の誘電体膜は、アルミナ膜又はハフニウム組成xが0<x≦0.7のHfxAl1−xOy膜である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記9) 付記6記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2の誘電体膜は、窒素を含むシリコン系絶縁膜である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第2の誘電体膜は、窒素を含むシリコン系絶縁膜である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記10) 半導体基板上に、シリコン酸化膜系の絶縁膜よりなる第1の誘電体膜を形成する工程と、
前記第1の誘電体膜上に、ハフニウム組成xが0.7<x<1であり膜厚が1nm以下のHfxAl1−xOyよりなる第2の誘電体膜を形成する工程と、
前記第2の誘電体膜上に、ポリシリコン膜を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第1の誘電体膜上に、ハフニウム組成xが0.7<x<1であり膜厚が1nm以下のHfxAl1−xOyよりなる第2の誘電体膜を形成する工程と、
前記第2の誘電体膜上に、ポリシリコン膜を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記11) 付記10記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の誘電体膜は、SiON膜である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第1の誘電体膜は、SiON膜である
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記12) 半導体基板上に、HfxAl1−xOyよりなる誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜上に、550℃より低い温度でシリコン膜を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記誘電体膜上に、550℃より低い温度でシリコン膜を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記13) 付記12記載の半導体装置の製造方法において、
前記シリコン膜を形成する工程では、非晶質状態の前記シリコン膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記シリコン膜を形成する工程では、非晶質状態の前記シリコン膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
10…シリコン基板
12…素子分離膜
14…界面層
16…Hf0.8Al0.2Oy膜
18…Al2O3膜
20…ゲート絶縁膜
22…ポリシリコン膜
24…ゲート電極
26,30…不純物拡散領域
28…側壁絶縁膜
32…ソース/ドレイン拡散層
34…シリコン窒化膜
36…Hf0.5Al0.5Oy膜
38…SiON膜
40…アモルファスシリコン膜
12…素子分離膜
14…界面層
16…Hf0.8Al0.2Oy膜
18…Al2O3膜
20…ゲート絶縁膜
22…ポリシリコン膜
24…ゲート電極
26,30…不純物拡散領域
28…側壁絶縁膜
32…ソース/ドレイン拡散層
34…シリコン窒化膜
36…Hf0.5Al0.5Oy膜
38…SiON膜
40…アモルファスシリコン膜
Claims (10)
- 半導体基板上に形成され、ハフニウム組成xが0.7<x<1であるHfxAl1−xOyよりなる第1の誘電体膜と、前記第1の誘電体膜上に形成され、前記第1の誘電体膜とは異なる第2の誘電体膜とを有するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成され、ポリシリコン膜を有するゲート電極と
を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第2の誘電体膜は、窒素を含むシリコン系絶縁膜、アルミナ膜又はハフニウム組成xが0<x≦0.7のHfxAl1−xOy膜である
ことを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板上に形成され、ハフニウム組成xが0.7<x<1であり膜厚が1nm以下のHfxAl1−xOy膜を有するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成され、ポリシリコン膜を有するゲート電極と
を有することを特徴とする半導体装置。 - 請求項3記載の半導体装置において、
前記半導体基板と前記HfxAl1−xOy膜との間に、窒素を含むシリコン系絶縁膜を更に有する
ことを特徴とする半導体装置。 - 請求項4記載の半導体装置において、
前記窒素を含むシリコン系絶縁膜は、シリコン窒化膜又はSiON膜である
ことを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板上に、ハフニウム組成xが0.7<x<1であるHfxAl1−xOyよりなる第1の誘電体膜を堆積する工程と、
前記第1の誘電体膜上に、前記第1の誘電体膜とは異なる第2の誘電体膜を堆積する工程と、
前記第2の誘電体膜上に、ポリシリコン膜を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項6記載の半導体装置の製造方法において、
前記第2の誘電体膜は、窒素を含むシリコン系絶縁膜、アルミナ膜又はハフニウム組成xが0<x≦0.7のHfxAl1−xOy膜である
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、シリコン酸化膜系の絶縁膜よりなる第1の誘電体膜を形成する工程と、
前記第1の誘電体膜上に、ハフニウム組成xが0.7<x<1であり膜厚が1nm以下のHfxAl1−xOyよりなる第2の誘電体膜を形成する工程と、
前記第2の誘電体膜上に、ポリシリコン膜を形成する工程と
を有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、HfxAl1−xOyよりなる誘電体膜を形成する工程と、
前記誘電体膜上に、550℃より低い温度でシリコン膜を形成する工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項9記載の半導体装置の製造方法において、
前記シリコン膜を形成する工程では、非晶質状態の前記シリコン膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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