JP2008198982A - 絶縁膜積層体、絶縁膜積層体の製造方法、半導体装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】微結晶組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層3aと、非晶質組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層3bとが半導体基板2上に積層されてなる積層膜からなり、積層膜の窒素濃度が15原子%以上40原子%以下の範囲であることを特徴とする半導体装置用の絶縁膜積層体3を採用する。
【選択図】図1
Description
このためゲート絶縁膜には、リーク電流値を少なくすること、ボロン漏れ耐性に優れていることが求められている。
これらの材料は、MOCVD法などで作製されるが、非晶質であることが好ましいとされている。その理由は、これらの材料からなる膜が多結晶化されると、必然的に結晶粒界が存在することになり、この結晶粒界が要因になってリーク電流値が増大してしまう、ということである。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、ボロン漏れの抑制とリーク電流増加の抑制とを同時に実現可能な、絶縁膜及びこの絶縁膜を備えた半導体装置と、絶縁膜の製造方法及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明の半導体装置用の絶縁膜積層体においては、前記半導体基板上に、微結晶組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層と、非晶質組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層とが順次積層されていることが好ましい。
また、本発明の半導体装置用の絶縁膜積層体においては、前記半導体基板上に、非晶質組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層と、微結晶組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層とが順次積層されていてもよい。
更に、本発明の半導体装置用の絶縁膜積層体においては、前記の微結晶組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層の、In−plane−X線回折測定法の(111)の回折ピークから求めた結晶サイズが1nm以上5nm以下の範囲であることが好ましい。
また、本発明の半導体装置用の絶縁膜積層体の製造方法においては、前記微結晶質層形成工程が、非晶質組織からなる第1ハフニウム含有シリコン酸化物層を形成する工程と、前記第1ハフニウム含有シリコン酸化物層を窒素、酸素またはアルゴンの雰囲気中でアニールする工程とを少なくとも含むことが好ましい。
更に、前記第1ハフニウム含有シリコン酸化物層の(Si/(Hf+Si))比が0原子%超50原子%以下の範囲であることが好ましい。
また、本発明の半導体装置用の絶縁膜積層体の製造方法においては、前記非晶質層形成工程が、非晶質組織からなる第2ハフニウム含有シリコン酸化物層を形成する工程と、前記第2ハフニウム含有シリコン酸化物層をアンモニア雰囲気中で窒化処理またはプラズマ雰囲気中で窒化処理する工程とからなることが好ましい。
また、前記第2ハフニウム含有窒化シリコン酸化物層の(Si/(Hf+Si))比が0原子%超50原子%以下の範囲であることが好ましい。
また、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にMOSトランジスタを形成する際に、前記MOSトランジスタのゲート絶縁膜を、先のいずれかに記載の半導体装置用の絶縁膜積層体の製造方法によって製造することを特徴とする。
また、上記の絶縁膜積層体によれば、微結晶組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層の結晶サイズが1nm以上5nm以下の範囲とされているので、ゲートリーク電流を大幅に抑制できる。
また、上記の絶縁膜積層体の製造方法によれば、前記微結晶質層形成工程において、非晶質組織からなる第1ハフニウム含有シリコン酸化物層を形成してからアニールすることによって、非晶質組織からなる第1ハフニウム含有シリコン酸化物層を微結晶組織からなる層にすることができる。また、第1ハフニウム含有シリコン酸化物層の(Si/(Hf+Si))比を0原子%超50原子%以下の範囲とすることで、絶縁膜積層体の誘電率をより高めることができる。
また、上記の絶縁膜積層体の製造方法によれば、前記非晶質層形成工程において、非晶質組織からなる第2ハフニウム含有シリコン酸化物層を形成してからアンモニア雰囲気中での窒化処理またはプラズマ雰囲気中での窒化処理をすることによって、第2ハフニウム含有シリコン酸化物層を非晶質組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層にすることができる。また、第2ハフニウム含有シリコン酸化物層の(Si/(Hf+Si))比を0原子%超50原子%以下の範囲にし、積層膜の窒素濃度を15原子%以上40原子%以下の範囲にすることで、ボロン漏れを抑制できる。
また、上記の半導体装置の製造方法によれば、上記の絶縁膜積層体をゲート絶縁膜として形成するので、リーク電流の抑制が可能であるとともにボロン漏れ現象が抑制可能な半導体装置を製造できる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。ここでは、半導体装置をMOSトランジスタに適用した例について説明する。図1は、本実施形態の半導体装置であるMOSトランジスタの断面構造を示す模式図である。尚、以下の説明において参照する図面は、半導体装置及びその製造方法を説明する図面であり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際の半導体装置の寸法関係とは異なっている。
ゲート絶縁膜3は、本発明に係る絶縁膜積層体であって、微結晶組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層3a(以下、微結晶質層3aという。)と、非晶質組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層3b(以下、非晶質層3bという。)とが積層されて構成されている。
微結晶質層3aは、1nm〜9nm程度の厚みを有しており、ハフニウム(Hf)、シリコン(Si)、酸素(O)及び窒素(N)から構成されている。(Si/(Hf+Si))比で表した場合の微結晶質層3aのSiとHfの組成比は、0原子%超50原子%以下、好ましくは30原子%以上40原子%以下の範囲とされている。(Si/(Hf+Si))比がこの範囲内であれば、誘電率を高めることができ、リーク電流の発生を防止できる。また、微結晶質層3aは、微細な結晶粒が集合した組織からなり、結晶粒の平均粒径(結晶サイズ)は、1nm以上5nm以下の範囲とされている。結晶サイズがこの範囲であれば、ゲートリーク電流を大幅に低減できる。なお、結晶サイズは、微結晶質層3aのX線回折パターンをIn−plane−X線回折測定法によって測定し、得られた回折パターンの(111)の回折ピークから求めることができる。
また、ゲート電極4は、窒化シリコンなどの上部絶縁膜4aによって被覆されており、更にゲート電極4の側壁部には、シリコン酸化膜4b等からなるサイドウォールが形成されている。
更に、ソース・ドレインコンタクト領域5Aの外側には、ソース・ドレイン高濃度領域5Bが形成されている。ソース・ドレイン高濃度領域5Bは、ソース・ドレインコンタクト領域5Aの場合と同様に、砒素等のN型不純物がイオン注入されることによって形成される。ソース・ドレイン高濃度領域5BにおけるN型不純物の濃度は、ソース・ドレインコンタクト領域5AにおけるN型不純物濃度よりも高濃度に設定されている。これら、ソース・ドレインコンタクト領域5A及びソース・ドレイン高濃度領域5Bによって、ソース・ドレイン領域が形成される。
次に、図2〜図10を参照して、図1に示すMOSトランジスタ1(半導体装置)の製造方法について説明する。図2〜図10は、MOSトランジスタ1の製造方法を説明する図であって、図2に素子分離絶縁膜2aの形成工程を示し、図3〜図4に微結晶質層形成工程を示し、図5〜図6には非晶質層形成工程を示す。また、図7にゲート電極4及びゲート絶縁膜3の形成工程を示し、図8にソース・ドレインコンタクト領域5Aの形成工程を示し、図9にサイドウォール(窒化シリコン膜4b)の形成工程を示し、図10にはソース・ドレイン高濃度領域5Bの形成工程を示す。
まず図2に示すように、半導体基板2上に、STI(Shallow Trench Isolation)法により深さが200〜350nm程度の酸化シリコンからなる素子分離絶縁膜2aを形成する。この素子分離絶縁膜2aの形成によって、半導体基板2に活性領域が形成される。
次に、半導体基板2にボロンを注入してP型ウェル層2bを形成する。ボロンを注入した後に、損傷回復のために熱処理を実施してもよい。
次に、図3に示すように、半導体基板2上に、非晶質組織からなる第1ハフニウム含有シリコン酸化物層13aを形成する。第1ハフニウム含有シリコン酸化物層13aは、MOCVD法またはALD法によって形成することが好ましく、特にMOCVD法で形成することが好ましい。MOCVD法で形成する際の反応ガスとしては、例えば次のようなシリコン源ガス及びハフニウム源ガスの混合ガスからなる反応ガスを用いることができる。
シリコン源ガスとしては、Si2H6、SiH4、Si(MMP)4((Tetrakis 1-Methoxy-2-Methyl-2-Propoxy Silane)Si[OC(CH3)2CH2OCH3]4)、Si(DMAP)((Tetrakis 1-(N,N-dimethylamino)-2Propoxy Silane)Si[OCH(CH3)CH2N(CH3)2]4)、TDMASi(Tetrakis diemethyl amido Silane)Si[N(CH3)2]4)等を用いることができる。
また、ハフニウム源ガスとしては、THB((Hafnium tetra-t-butoxide)Hf[OC(CH3)3]4)、TDEAH((Tetrakis diethylamido hafnium)C16H40N4Hf)、TDMAH((Tetrakis dimethylamino hafnium)C8H24N4Hf)、Hf(MMP)4((Tetrakis 1-Methoxy-2-methyl-2-propoxy hafnium)Hf[OC(CH3)2CH2OCH3]4)、Hf(NO3)4等を用いることができる。
シリコン源ガスとハフニウム源ガスの流量比は、特に限定されないが、ハフニウム含有シリコン酸化物層13aにおける(Si/(Hf+Si))比が0原子%超50原子%以下、好ましくは20〜45原子%の範囲となるように調整することが好ましい。
また、反応ガスには、酸素などの酸化性ガス等のキャリアガスが含まれてもよい。また、半導体基板2の基板温度は、例えば300℃程度にすればよい。
このアニール処理によって、第1ハフニウム含有シリコン酸化物層13aが微結晶化されて微結晶組織(微結晶層3a)になる。このとき、結晶サイズが1〜5nm程度になるようにアニール温度を適宜調整するとよい。
次に、図5に示すように、非晶質組織からなる第2ハフニウム含有シリコン酸化物層13bを形成する。第2ハフニウム含有シリコン酸化物層13bは、微結晶質層形成工程と同様に、MOCVD法またはALD法によって形成することが好ましく、特にMOCVD法で形成することが好ましい。MOCVD法で形成する際の反応ガスとしては、上述のシリコン源ガス及びハフニウム源ガスの混合ガスを用いればよい。
シリコン源ガスとハフニウム源ガスの流量比は、特に限定されないが、ハフニウム含有シリコン酸化物層13bにおける(Si/(Hf+Si))比が0原子%超50原子%以下、好ましくは30〜40原子%の範囲となるように調整することが好ましい。
また、反応ガスには、酸素等の酸化性ガス等のキャリアガスが含まれてもよい。また、半導体基板2の基板温度は、例えば300℃程度にすればよい。
このようにして形成された第2ハフニウム含有シリコン酸化物層13bは、組織のほとんど全部が非晶質相となる。第2ハフニウム含有シリコン酸化物層13bの膜厚は、0.5nm〜5nm程度がよい。
また、このときの窒化処理によって、窒素原子が第1ハフニウム含有シリコン酸化物層13a(微結晶層3a)まで侵入し、微結晶質層3aの窒素濃度が向上する。これにより、微結晶質層3a及び非晶質層3bの全体の窒素濃度が、15〜40原子%の範囲になる。
このようにして、微結晶質層3a及び非晶質層3bからなる積層膜が形成される。
次に、非晶質層3bの上に、CVD法により、ボロン等のP型不純物が含有された多結晶シリコン膜を形成する。次いで、多結晶シリコン膜上に、スパッタリング法により金属膜として、例えばタングステン、窒化タングステン、タングステンシリサイド等の高融点金属膜を形成する。これら多結晶シリコン膜及び高融点金属膜は、後の工程においてパターンニングされてゲート電極になる。そして高融点金属膜上には、窒化シリコン膜を形成する。
その後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によって、微結晶質層3a、非晶質層3b、多結晶シリコン膜、高融点金属膜及び窒化シリコン膜をパターニングすることにより、図7に示すような、ゲート絶縁膜3、ゲート電極4及び上部絶縁膜4aが形成される。
次に、図8に示すように、ゲート電極4をマスクとして、N型不純物(例えば、砒素:As)のイオン注入を行い、窒素雰囲気中にてアニーリングを行い、ソース・ドレインコンタクト領域5Aを形成する。
次に、半導体基板2及びゲート電極4を覆うようにシリコン酸化膜を形成し、次に異方性エッチングを行って半導体基板2の表面を露出させる。このようにして、図9に示すように、シリコン酸化膜4bからなるサイドウォールを形成する。
次に、図10に示すように、ゲート電極4及びサイドウォール(シリコン酸化膜4b)をマスクとして、高濃度のN型不純物(例えば、砒素:As)のイオン注入を行い、窒素雰囲気中にてアニーリングを行い、ソース・ドレイン高濃度領域5Bを形成する。
このようにして、図1に示すMOSトランジスタ1が製造される。
図11には、上記のMOSトランジスタ1を備えたDRAM素子の断面模式図を示す。
図11に示すDRAM(ダイナミックランダムアクセスメモリ)素子は、半導体基板2上に複数の層間絶縁膜31が積層され、更に、各層間絶縁膜31を貫通するコンタクトプラグ32(ビット線コンタクト32a、ストレージノードコンタクト32bを含む〉、ビット線33、セルキャパシタ34、配線35等が形成されて構成されている。
また、上記のゲート絶縁膜3によれば、微結晶組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層3aの結晶サイズが1nm以上5nm以下の範囲とされているので、ゲートリーク電流を大幅に抑制できる。
また、上記のゲート絶縁膜3の製造方法によれば、微結晶質層形成工程において、ハフニウム含有シリコン酸化物層を形成してからアニールするので、非晶質組織を微結晶組織にすることができる。
また、上記のゲート絶縁膜3の製造方法によれば、非晶質層形成工程において、非晶質組織からなるハフニウム含有シリコン酸化物層を形成してからアンモニア雰囲気中での窒化処理またはプラズマ雰囲気中での窒化処理をするので、ハフニウム含有シリコン酸化物層をハフニウム含有窒化シリコン酸化物層にすることができる。
また、上記のMOSトランジスタ1の製造方法によれば、上記のゲート絶縁膜3を形成するので、リーク電流の抑制が可能であるとともにボロン漏れ現象が抑制可能なMOSトランジスタ1またはDRAM素子を製造できる。
本発明に係る絶縁膜積層体を評価するために、絶縁膜積層体をnMOSFETのゲート絶縁膜としたTEG(Test Element Group)を作製した。
まず、p型シリコン半導体基板にSTI(Shallow Trench Isolation)などの素子分離絶縁膜を埋め込み形成した。その後、露出したシリコン半導体基板の表面にボロンなどのチャネルイオン注入を行って、P型ウエルを形成した。
すなわち、シリコン源ガスとしてSi2H6を使用し、ハフニウム源ガスとしてTHBを用い、基板温度300℃の条件でMOCVD法により、非晶質の第1ハフニウム含有シリコン酸化物層を2nmの厚みで形成した。なお、(Si/(Hf+Si))比が25%となるようにガス流量比を調整した。
次に、窒素雰囲気中で900℃で10秒間加熱する条件でポストアニールを行い、非晶質の第1ハフニウム含有シリコン酸化物層を微結晶化させて、微結晶質層を形成した。
次に、アンモニア雰囲気中で700℃、30分間の条件で窒化処理を行って、非晶質組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層を形成した。
このようにして本発明に係るゲート絶縁膜を形成した。
その後、側壁絶縁膜及び素子分離絶縁膜に堆積している金属膜はシリサイドに変化しないので除去した。
次に、CVD法などによりBPSGなどのシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜をシリコン半導体基板上に堆積させた。そして、RIE法などにより層間絶縁膜をエッチングしてソース/ドレイン領域上及びゲート電極上の金属シリサイド膜を露出するコンタクト孔を形成した。
次に、層間絶縁膜上に銅やアルミニウムなどの金属膜を形成し、これをパターニングして、ソース/ドレイン領域上及びゲート電極上の金属シリサイド膜とコンタクト孔を介して電気的に接続された複数の配線を形成した。さらに、パッシベーション膜などを半導体基板上に形成してトランジスタを完成させた。このトランジスタのゲート絶縁膜を構成する微結晶質層の結晶サイズは3nmであり、ゲート絶縁膜の窒素濃度は20原子%であった。
図12に示すように、結晶サイズが1〜5nmの範囲で、リーク電流値が低下することが明らかになった。
非晶質のハフニウム含有シリコン酸化物層を窒化させる際のアンモニア窒化の条件を適宜変更したこと以外は上記実験例1と同様にして、ゲート絶縁膜中の窒素濃度が0、15、40%であるトランジスタを製造した。
得られたトランジスタについて、ボロン漏れ量と窒素濃度との関係を調べた。結果を図13に示す。
図13に示すように、窒素濃度が15〜40%の範囲で、ボロン漏れ量が低下することが明らかになった。
非晶質層を形成することなく、微結晶質層のみからなるゲート絶縁膜を形成したこと以外は、上記実験例1と同様にして、微結晶質層の結晶サイズが0〜10nmの範囲であるゲート絶縁膜を備えたトランジスタを製造した。
図14に示すように、微結晶質層と非晶質層からなるゲート絶縁膜では、結晶サイズが1〜5nmの範囲でリーク電流値が低下する一方、微結晶質層のみからなるゲート絶縁膜では、結晶サイズを変更してもリーク電流値が低下することがなかった。
非晶質層を形成することなく、微結晶質層のみからなるゲート絶縁膜を形成したこと以外は、上記実験例2と同様にして、ゲート絶縁膜の窒素濃度が0〜40原子%の範囲であるゲート絶縁膜を備えたトランジスタを製造した。
図15に示すように、微結晶質層と非晶質層からなるゲート絶縁膜では、窒素濃度が15〜40原子%の範囲でボロン漏れ量が低下した。これは、微結晶質層のみからなるゲート絶縁膜のボロン漏れ量とほぼ同等であった。本発明に係るゲート絶縁膜は、ボロン漏れ耐性に不利な微結晶質層を有する場合であっても、微結晶質層を含めたゲート絶縁膜全体の窒素濃度を調整することで、ボロン漏れ耐性を向上できることが分かった。
Claims (11)
- 微結晶組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層と、非晶質組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層とが半導体基板上に積層されてなる積層膜からなり、前記積層膜の窒素濃度が15原子%以上40原子%以下の範囲であることを特徴とする半導体装置用の絶縁膜積層体。
- 前記半導体基板上に、微結晶組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層と、非晶質組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層とが順次積層されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置用の絶縁膜積層体。
- 前記半導体基板上に、非晶質組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層と、微結晶組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層とが順次積層されていることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置用の絶縁膜積層体。
- 前記の微結晶組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層の、In−plane−X線回折測定法の(111)の回折ピークから求めた結晶サイズが1nm以上5nm以下の範囲であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の半導体装置用の絶縁膜積層体。
- 半導体基板上に、微結晶組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層を形成する微結晶質層形成工程と、非晶質組織からなるハフニウム含有窒化シリコン酸化物層を形成する非晶質層形成工程とを、任意の順序で行うことを特徴とする半導体装置用の絶縁膜積層体の製造方法。
- 前記微結晶質層形成工程は、非晶質組織からなる第1ハフニウム含有シリコン酸化物層を形成する工程と、前記第1ハフニウム含有シリコン酸化物層を窒素、酸素またはアルゴンの雰囲気中でアニールする工程とを少なくとも含むことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置用の絶縁膜積層体の製造方法。
- 前記第1ハフニウム含有シリコン酸化物層の(Si/(Hf+Si))比が0原子%超50原子%以下の範囲であることを特徴とする請求項6に記載の半導体装置用の絶縁膜積層体の製造方法。
- 前記非晶質層形成工程は、非晶質組織からなる第2ハフニウム含有シリコン酸化物層を形成する工程と、前記第2ハフニウム含有シリコン酸化物層をアンモニア雰囲気中で窒化処理またはプラズマ雰囲気中で窒化処理する工程とからなることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の半導体装置用の絶縁膜積層体の製造方法。
- 前記第2ハフニウム含有シリコン酸化物層の(Si/(Hf+Si))比が0原子%超50原子%以下の範囲であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置用の絶縁膜積層体の製造方法。
- 半導体基板上に形成されたMOSトランジスタを具備してなり、前記MOSトランジスタのゲート絶縁膜が、請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の半導体装置用の絶縁膜積層体であることを特徴とする半導体装置。
- 半導体基板上にMOSトランジスタを形成する際に、前記MOSトランジスタのゲート絶縁膜を、請求項5乃至請求項9のいずれかに記載の半導体装置用の絶縁膜積層体の製造方法によって製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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