JP2006210636A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 半導体装置のゲート絶縁膜にかかる電界を緩和してリーク電流を下げるとともに、駆動電流も高くする。
【解決手段】 半導体基板1上の素子形成領域に形成されるゲート絶縁膜2、3と、ゲート絶縁膜2,3を介して形成されるゲート電極4と、ゲート電極4の両側の素子形成領域に形成されるソース及びドレイン層6a、6b、7a、7bとを備え、ゲート絶縁膜2、3は、ドレイン層7a、7bからソース層6a、6b方向に沿って高誘電率になるように、少なくとも2層で形成され、半導体装置のゲート絶縁膜2、3にかかる電界を緩和してリーク電流を下げることを特徴とする半導体装置。
【選択図】 図1
【解決手段】 半導体基板1上の素子形成領域に形成されるゲート絶縁膜2、3と、ゲート絶縁膜2,3を介して形成されるゲート電極4と、ゲート電極4の両側の素子形成領域に形成されるソース及びドレイン層6a、6b、7a、7bとを備え、ゲート絶縁膜2、3は、ドレイン層7a、7bからソース層6a、6b方向に沿って高誘電率になるように、少なくとも2層で形成され、半導体装置のゲート絶縁膜2、3にかかる電界を緩和してリーク電流を下げることを特徴とする半導体装置。
【選択図】 図1
Description
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関するものである。
従来、電界効果型トランジスタとして、金属−絶縁物−半導体の3層構造を有するMOSFETが用いられている。そして、半導体基板上に形成されるMOSFETの著しい微細化に伴い、ゲート絶縁膜の微細化が進んでおり、ゲート絶縁膜の膜厚は、2nm程度にまで達しつつある。ゲート絶縁膜は、従来からシリコン酸化膜が用いられてきたが、ゲート絶縁膜の膜厚が2nm程度よりも薄くなると、シリコン酸化膜のゲート絶縁膜に対する電子の透過率が劇的に増加するため、ゲート絶縁膜に印加される電界が強くなり、直接トンネル電流に起因するゲートリーク電流が大量に流れる。そのため、消費電力の増大やMOSFETの動作の劣化などシリコン酸化膜の信頼性が問題視されるようになった。
このゲート絶縁膜にかかる電界を緩和するために、ゲート絶縁膜に高誘電率の誘電体を用いることや、複数の誘電体で積層構造を形成することなど様々な方法が考えられている。
前者のゲート絶縁膜の場合、例えば、高誘電率ゲート絶縁膜の候補の一つであるHfSiON膜を用いたとすると、HfSiON膜はゲートリーク電流の低減に効果が大きく、酸化膜換算厚(EOT: Equivalent Oxide Thickness)が同じSiO2膜に比べて3桁ほど小さい。しかしながら、同じ物理膜厚で比較するとSiO2膜よりもリーク電流が大きくなってしまう。さらには、HfSiON膜は、高誘電率体の中では高い移動度を持つが、SiO2膜と比較すると移動度は劣るため、駆動電流が下がってしまうという問題点がある。
図6に後者に述べた電界を緩和するためのゲート絶縁膜の従来例を示す(例えば、特許文献1参照。)。このゲート絶縁膜は、半導体基板11上に形成され、中央部をシリコン酸化膜12、ソース16、ドレイン17側の端部を中空13として、ソース16側から低誘電率、高誘電率、低誘電率となるように横方向に積層構造をとったゲート絶縁膜を設けている。このようなゲート絶縁膜を設けることによって、中空部分のEOTはシリコン酸化膜のEOTの4倍程度になり、仮想的に下向きの凸型構造を有するゲート電極を有することになる。そのため、上記したゲート絶縁膜にかかる電界を緩和することができ、リーク電流を緩和することができる。しかしながら、上記ゲート絶縁膜は、電界を緩和し、リーク電流を下げることができるが、駆動電流が下がってしまうという問題点がある。
さらにこの駆動電流を上げるために、ゲート絶縁膜を中央部にシリコン酸化膜を設け、ソース、ドレイン側端部に高誘電率膜を設け、ソース側から高誘電率、低誘電率、高誘電率となるように横方向に積層方向をとったゲート絶縁膜がある。しかしながら、このゲート絶縁膜では、駆動電流を上げることができるものの、ゲート電極端部に発生する電界集中を緩和することができず、リーク電流が増えてしまうという問題点がある。
特開平8−181309号公報(第8頁、図1)
本発明は、半導体装置のゲート絶縁膜にかかる電界を緩和してリーク電流を下げるとともに、駆動電流も高くすることが可能な半導体装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の半導体装置は、半導体基板の表面上に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する半導体装置であって、前記ゲート絶縁膜が前記半導体基板の表面に平行な方向に複数層から構成され、ソース側がドレイン側より高誘電率になることを特徴としている。
本発明によれば、半導体装置のゲート絶縁膜にかかる電界を緩和してリーク電流を下げるとともに、駆動電流も高くすることができる。
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の実施例1に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
本実施例の半導体装置は、半導体基板1上に半導体基板1表面と平行な方向(横方向)に2層に積層したゲート絶縁膜2、3が形成され、ソース側の絶縁膜2はHfSiON層を有し、ドレイン側の絶縁膜3はSiO2層(SiON層)を有する。さらに、ゲート絶縁膜2、3上にゲート電極4が形成され、ゲート絶縁膜2、3とゲート電極4の両側面に側壁となる絶縁膜5が形成されている。また、半導体基板1中のゲート電極部の両側には不純物イオンを注入した浅いソース拡散層6aと浅いドレイン拡散層7a、さらに、半導体基板中の側壁の両側には不純物イオン注入した深いソース拡散層6bと深いドレイン拡散層7bが形成されている。
ここで、HfSiON層2の誘電率は、均一であっても、ソース側へ行くほど高誘電率になっていてもどちらでもよい。また、ソース側のゲート絶縁膜にHfSiON層2を用いていたが、ドレイン側よりも誘電率の高いその他の材料をソース側ゲート絶縁膜に用いてもよい。ドレイン側のゲート絶縁膜にSiO2層(SiON層)3を用いていたが、ソース側よりも誘電率の低いその他の材料をドレイン側ゲート絶縁膜に用いてもよい。
以上の構成から、ゲート絶縁膜のソース側の絶縁膜をHfSiON層2、ドレイン側をSiO2層(SiON層)3にすることによって、待機時のゲート電極へのリーク電流を下げ、駆動時の駆動電流を上げることができる。
次に、本実施例の半導体装置の製造方法を図2の工程断面図に示す。
まず、図2(a)に示すように、半導体基板1上に側壁転写ゲート形成のためのゲートダミー8を、例えば、SiN層を化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法などを用いて成膜し、レジスト等をマスクとして反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法などでエッチング加工を施すことにより側壁転写ゲートを形成する。その後、ドレイン側のゲート絶縁膜3用に低誘電率膜SiO2層(SiON層)をCVDやプラズマ窒化法などを用いて半導体基板1やゲートダミー8上に堆積させ、さらにそのゲート絶縁膜3上にCVD法などを用いてゲート電極に用いる多結晶シリコン4を成膜させる。
次に、図2(b)に示すように、多結晶シリコン4をレジスト等をマスクとしてRIE法を用いて所望の形状に加工し、ゲート電極を形成する。その後、希フッ酸水溶液でドレイン側のゲート絶縁膜3の露出部分とゲート電極下を所望の距離だけ剥離する。
次に、図2(c)に示すように、ソース側のゲート絶縁膜2である高誘電率のHfSiONをCVD法などを用いてゲート電極4やゲートダミー8上、さらにはゲート電極4下部の半導体基板1上に堆積させる。
次に、図2(d)に示すように、堆積させたゲート絶縁膜2をレジスト等をマスクとしてRIE法を用いて所望の形状に加工し、図2(e)に示すように、ゲートダミー8を熱燐酸を用いて剥離した後、ゲート電極側面のゲート絶縁膜2、3を希フッ酸水溶液で剥離する。
次に、図2(f)に示すように、ゲート電極4をマスクとして半導体基板1にイオン注入することによって不純物を導入し、浅いソース拡散層6a、浅いドレイン拡散層7aを形成する。続いて、CVD法などによって半導体基板1上に絶縁膜5を堆積させ、RIE法を用いて絶縁膜5を所望の形状に加工して、ゲート電極部4側面に側壁となる絶縁膜5を形成する。次に、これらゲート電極4、絶縁膜5をマスクとして半導体基板1上にイオン注入を行い、不純物を導入し、深いソース拡散層6b、深いドレイン拡散層7bを形成する。その後、イオン注入によって導入された不純物を活性化させるために短時間アニール(RTA:Rapid Thermal Annealing)法などの熱処理を行うことにより、本実施例の半導体装置が形成される。
以上の構成により、半導体基板1上のゲート絶縁膜2,3を、横方向に2層に分け、ソース側を高誘電率材料HfSiON層2に、ドレイン側を低誘電率材料SiO2層(SiON層)3にすることができ、待機時に流れるゲート電極4へのリーク電流を緩和し、駆動電流を上げた半導体装置を形成することができる。
図3は、本実施例の半導体装置のシミュレーションによる電流電圧特性である。図中の横軸は、ゲート電極に印加されたゲート電圧Vg、縦軸は、ドレイン電極を流れるドレイン電流Idである。まず、本実施例の半導体装置との比較の対象として、(a)ゲート絶縁膜を誘電率k=6の高誘電率のHfSiON層のみで形成した半導体装置を用い、その電流電圧特性を実線に示す。ここでゲート絶縁膜の物理膜厚は、Tph=2.8nmである。次に、(b)本実施例における半導体装置でゲート絶縁膜のドレイン側の低誘電率材料としてSiO2層(k=3.9)、ソース側の高誘電率材料としてk=8のHfSiON層を用いたときの電流電圧特性を点線に示す。ここで、ゲート絶縁膜の物理膜厚は、前記したHfSiON層のみでゲート絶縁膜を形成した半導体装置のリーク電流と同等になるように、Tph=2.4nmとした。続いて、図中の破線は、(c)本実施例における高誘電体HfSiON層の誘電率をk=11とした半導体装置の電流電圧特性である。ここで、ゲート絶縁膜の物理膜厚は、k=8のときと同様、Tph=2.4nmである。
次に、従来のシミュレーション結果(a)と本実施例のシミュレーション結果(b)、(c)をそれぞれ比較する。ここで、オフ電流、つまりゲート電圧Vg=0のときのドレイン電流はすべて10pA/μmで揃えている。まず、(b)k=8のとき、例えば、ゲート電圧Vg=1Vでのドレイン電流Idは、(a)に比べ11%増加しているのがわかる。さらに、(c)k=11のとき、例えば、Vg=1Vで見てみると、Idは17%増加している。ここで図中では示していないが、誘電率k=6のHfSiON層でTph=2.4nmとして本実施例の半導体装置を形成したときは、ゲート電圧Vg=1V時でのドレイン電流Idは1%劣化する。
以上からソース側の高誘電率材料HfSiON層の誘電率は、k>6にすることによって、リーク電流を抑制した状態で、駆動電流を上昇することができる。
ここで、本実施例のシミュレーションでは、高誘電率材料HfSiON層、低誘電率材料SiO2層ともに移動度を等しくしたため、高誘電率膜より移動度の高いSiO2層を低誘電率側に導入することを考慮している本実施例では、さらに駆動電流の改善が得られる。
以上から本発明の第1の実施形態によると、ゲート絶縁膜を横方向に複数層を有し、ソース側を高誘電率、ドレイン側を低誘電率にすることにより、待機時のリーク電流を下げることができるとともに、駆動時の駆動電流を上げることができる。ここで、ソース側高誘電率材料HfSiON層の誘電率は、k>6にすることが望ましい。また、ソース側のゲート絶縁膜で誘電率が均一なHfSiON層を用いていたが、HfSiON層の誘電率をゲート絶縁膜中央部よりソース側のゲート絶縁膜端部の方が、高誘電率になるようにすることによっても同様の効果が期待できる。この誘電率の変化は、HfSiON層中のHf濃度を上げていくことにより高誘電率へ遷移させることができる。
ここで、ゲート絶縁膜のドレイン側を低誘電体SiO2層とソース側を高誘電体HfSiON層との2層であったが、3層以上のゲート絶縁膜を用いてもよい。例えば、低誘電体SiO2層と高誘電体HfSiON層との間に複数の両者の中間体となる遷移層を形成してもよい。そのとき、複数層をなすそれぞれの層のゲート絶縁膜の誘電率がソース側ほど高誘電率になる方がよい。
図4は、本発明の実施例2に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
本実施形態における第1の実施形態との違いは、半導体基板1上のドレイン側のゲート絶縁膜3を図中に示すように、ドレイン側のゲート絶縁膜3端部の膜厚をゲート絶縁膜中央部の膜厚若しくはソース側高誘電率材料HfSiON層2の膜厚より厚くすることである。
ここで、このドレイン側のゲート絶縁膜3端部の膜厚は、中央部の膜厚若しくはソース側高誘電率材料HfSiON層2の膜厚に比べ1.2倍から2.5倍程度厚くなっていることが望ましい。また、ソース側のゲート絶縁膜にHfSiON層2を用いていたが、ドレイン側よりも誘電率の高いその他の材料をソース側のゲート絶縁膜に用いてもよい。ドレイン側のゲート絶縁膜にSiO2層(SiON層)3を用いていたが、ソース側よりも誘電率の低いその他の材料をドレイン側のゲート絶縁膜に用いてもよい。
以上の構成から、ゲート絶縁膜を横方向に複数層を有し、ソース側を高誘電率、ドレイン側を低誘電率にするだけでなく、ドレイン側のゲート絶縁膜3端部の膜厚をゲート絶縁膜中央部の膜厚より厚くすることによって、待機時のゲート電極へのリーク電流を実施例1以上に下げることができ、駆動時の駆動電流を上げることができる。
次に、本実施例の半導体装置の製造方法を図5の工程断面図に示す。
まず、図5(a)に示すように、半導体基板1上に側壁転写ゲート形成のためのゲートダミー8を、例えば、SiN層をCVD法などを用いて成膜し、レジスト等をマスクとしてRIE法などでエッチング加工を施すことにより側壁転写ゲートを形成する。その後、ソース側のゲート絶縁膜2用に高誘電率のHfSiON層をCVD法などを用いて半導体基板1やゲートダミー8上に堆積させ、さらにそのゲート絶縁膜2上にCVD法などを用いてゲート電極に用いる多結晶シリコン4を成膜させる。
次に、図5(b)に示すように、多結晶シリコン4をRIE法を用いて所望の形状に加工し、ゲート電極を形成する。その後、希フッ酸水溶液でソース側のゲート絶縁膜2の露出部分とゲート電極4下を所望の距離だけ剥離する。
次に、図5(c)のように、ゲート電極4上やゲートダミー8上、さらにはゲート電極4下部の半導体基板1上にドレイン側のゲート絶縁膜3である低誘電率SiO2層(SiON層)をCVD法などを用いて堆積させる。この時、同時にゲート電極4である多結晶シリコンを所望の膜厚を酸化させることができるため、ゲート絶縁膜中央部若しくはソース側高誘電率材料HfSiON層2よりもドレイン側ゲート絶縁膜3端部の方がSiO2層(SiON層)を厚く成膜することができる。このドレイン側のゲート絶縁膜3端部の膜厚は、ゲート絶縁膜中央部の膜厚若しくはソース側高誘電率材料HfSiON層2に比べ1.2倍から2.5倍程度厚くなっていることが望ましい。
次に、図5(d)に示すように、堆積させたドレイン側のゲート絶縁膜3をRIE法を用いて所望の形状に加工し、図5(e)に示すように、ゲートダミー8を熱燐酸を用いて剥離した後、ゲート電極4側面のゲート絶縁膜2、3を希フッ酸水溶液で剥離する。
次に、図5(f)に示すように、ゲート電極4をマスクとして半導体基板1にイオン注入によって不純物を導入し、浅いソース拡散層6a、浅いドレイン拡散層7aを形成する。そして、CVD法などによって絶縁膜5を堆積させ、RIE法を用いて所望の形状に加工して、ゲート電極4部側面に側壁となる絶縁膜5を形成する。続いて、これらゲート電極4、絶縁膜5をマスクとしてイオン注入を行い、不純物を導入し、深いソース拡散層6b、深いドレイン拡散層7bを形成する。その後、イオン注入によって導入された不純物を活性化させるためにRTA法などで熱処理を行うことにより、本実施例の半導体装置が形成される。
以上の形成工程により、ゲート絶縁膜を横方向に複数層に分け、ソース側を高誘電率材料HfSiON層2に、ドレイン側を低誘電率材料SiO2層(SiON層)3にすることができ、さらに、ゲート絶縁膜の膜厚をドレイン側のゲート絶縁膜3端部の膜厚の方がゲート絶縁膜中央部若しくはソース側高誘電率材料HfSiON層2よりも厚くすることができる。ここで、このドレイン側のゲート絶縁膜3端部の膜厚は、中央部の膜厚若しくはソース側高誘電率材料HfSiON層2の膜厚に比べ1.2倍から2.5倍程度厚くなっていることが望ましい。
本発明の第2の実施形態によると、ゲート絶縁膜を横方向に複数層を有し、ソース側を高誘電率、ドレイン側を低誘電率にし、ドレイン側のゲート絶縁膜端部の膜厚をゲート絶縁膜中央部の膜厚より厚くすることによって、ゲート絶縁膜にかかる電界を実施例1よりもさらに緩和することができることから待機時のリーク電流をさらに下げることができるとともに、駆動時の駆動電流も上げることができる。ここで、ソース側高誘電率材料HfSiON層の誘電率は、k>6にすることが望ましい。
また、ソース側のゲート絶縁膜で誘電率が均一なHfSiON層を用いていたが、HfSiON層の誘電率をゲート絶縁膜中央部よりソース側のゲート絶縁膜端部の方が、高誘電率になるようにすることによっても同様の効果が期待できる。ここで、この誘電率の変化は、HfSiON層中のHf濃度を上げていくことにより高誘電率へ遷移させることができる。また、ゲート絶縁膜のドレイン側を低誘電体SiO2層とソース側を高誘電体HfSiON層との2層であったが、3層以上のゲート絶縁膜を用いてもよい。例えば、低誘電体SiO2層と高誘電体HfSiON層との間に複数の両者の中間体となる遷移層を形成してもよい。そのとき、複数層をなすそれぞれの層のゲート絶縁膜の誘電率がソース側ほど高誘電率になる方がよい。
なお、本発明は、上述したような各実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。
1 半導体基板
2 ゲート絶縁膜(ソース側、HfSiON層)
3 ゲート絶縁膜(ドレイン側、SiO2層(SiON層))
4 ゲート電極(多結晶シリコン)
5 絶縁膜(側壁)
6a 浅いソース拡散層
6b 深いソース拡散層
7a 浅いドレイン拡散層
7b 深いドレイン拡散層
8 ゲートダミー(SiN層)
2 ゲート絶縁膜(ソース側、HfSiON層)
3 ゲート絶縁膜(ドレイン側、SiO2層(SiON層))
4 ゲート電極(多結晶シリコン)
5 絶縁膜(側壁)
6a 浅いソース拡散層
6b 深いソース拡散層
7a 浅いドレイン拡散層
7b 深いドレイン拡散層
8 ゲートダミー(SiN層)
Claims (10)
- 半導体基板上の素子形成領域に形成されるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜を介して形成されるゲート電極と、
前記ゲート電極の両側の素子形成領域に形成されるソース及びドレイン層とを備え、
前記ゲート絶縁膜は、前記ドレイン層から前記ソース層方向に沿って高誘電率になるように、少なくとも2層で形成されることを特徴とする半導体装置。 - 前記ゲート絶縁膜は、前記ドレイン層側にSiO2層又はSiON層を有し、前記ソース層側にHfSiON層を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記HfSiON層は、誘電率がk>6であることを特徴とする請求項2記載の半導体装置。
- 前記HfSiON層の誘電率は、前記ゲート絶縁膜の前記ソース層側端部の方が前記ドレイン層側より高くなっていることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の半導体装置。
- 前記ゲート絶縁膜で、前記ゲート絶縁膜の前記ドレイン層側端部の膜厚が前記ゲート絶縁膜の前記ドレイン層側と前記ソース層側の間の中央の膜厚より厚くなっていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載の半導体装置。
- 半導体基板上にSiO2膜又はSiON膜を堆積する工程と、
前記SiO2膜又は前記SiON膜上に多結晶シリコン膜を堆積させる工程と、
前記SiO2膜又は前記SiON膜及び多結晶シリコン膜をエッチングすることによりゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の前記SiO2膜又は前記SiON膜の一部をエッチングにより除去し、前記ゲート電極下部に凹部を形成する工程と、
前記半導体基板及び前記ゲート電極上にHfSiON膜を堆積させ、前記凹部を埋め込む工程と、
前記SiO2膜又は前記SiON膜及び前記HfSiON膜をエッチングし、前記ゲート電極下部に前記SiO2膜又は前記SiON膜及び前記HfSiON膜からなるゲート絶縁膜を形成する工程と
を備える半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上にHfSiON膜を堆積する工程と、
前記HfSiON膜上に多結晶シリコン膜を堆積させる工程と、
前記HfSiON膜及び多結晶シリコン膜をエッチングすることによりゲート電極を形成する工程と、
前記ゲート電極の前記HfSiON膜の一部をエッチングにより除去し、前記ゲート電極下部に凹部を形成する工程と、
前記半導体基板及び前記ゲート電極上にSiO2膜又はSiON膜を堆積させ、前記凹部を埋め込む工程と、
前記HfSiON膜及び前記SiO2膜又は前記SiON膜をエッチングし、前記ゲート電極下部に前記HfSiON膜及び前記SiO2膜又は前記SiON膜からなるゲート絶縁膜を形成する工程と
を備える半導体装置の製造方法。 - 前記SiO2膜又は前記SiON膜を堆積させる工程において、前記ゲート電極表面を酸化させながら前記SiO2膜又は前記SiON膜を堆積させることを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。
- 前記HfSiON膜を堆積させる工程及び前記SiO2膜又は前記SiON膜を堆積させる工程において、熱酸化法又は化学気相成長法を用いることを特徴とする請求項6乃至請求項8のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ゲート電極下部に凹部を形成する工程において、希フッ酸水溶液を用いることを特徴とする請求項6乃至請求項9のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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