JP2008306036A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シリコン基板1上にHfO2膜3を形成する工程と、HfO2膜3上にゲート電極膜5を形成する工程と、HfO2膜3及びゲート電極膜5が形成されたシリコン基板1に熱処理を施して、HfO2膜3を結晶化する工程と、を含む。熱処理温度は例えば800℃である。
【選択図】図1
Description
S. Kremmer, et al., J. Appl. Phys. 97, 074315 (2005) K. Kita, et al., Appl. Phys. Lett. 86, 102906 (2005) K. Tomida, et al., Appl. Phys. Lett. 89, 142902 (2006) D. H. Triyoso, et al., SISC, P−4 (2006)
また、ハフニウム酸化物は結晶構造により誘電率が異なり、一般的に熱処理により誘電率の低い単斜晶(monoclinic)を形成する。これに対し、ハフニウム酸化物にジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、シリコン(Si)などを混ぜることで、誘電率の高い立方晶(cubic)、正方晶(tetragonal)を実現している例がある。(例えば、非特許文献2〜4参照。)また、ハフニウム酸化物をTiN膜で覆いアニール処理することで、ハフニウム酸化物中のボイドを無くしその平坦性を改善した例がある(例えば、非特許文献4参照。)。
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、不純物を混ぜなくても立方晶、正方晶又は斜方晶のハフニウム酸化物を形成することができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的とする。
発明2の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に金属酸化物を形成する工程と、前記金属酸化物上に第1ゲート電極膜を形成する工程と、前記第1ゲート電極膜上に第2ゲート電極膜を形成する工程と、前記金属酸化物及び前記第1、第2ゲート電極膜が形成された前記半導体基板に熱処理を施して、前記金属酸化物を結晶化する工程と、を含むことを特徴とするものである。
発明4の半導体装置の製造方法は、発明3の半導体装置の製造方法において、前記保護膜は第1保護膜と第2保護膜とを有し、前記保護膜を形成する工程では、前記金属酸化物上に前記第1保護膜を形成し、当該第1保護膜上に前記第2保護膜を形成することを特徴とするものである。
発明6の半導体装置の製造方法は、発明5の半導体装置の製造方法において、前記ゲート電極膜は第1ゲート電極膜と第2ゲート電極膜とを有し、前記ゲート電極膜を形成する工程では、前記保護膜が除去された前記金属酸化物上に前記第1ゲート電極膜を形成し、当該第1ゲート電極膜上に前記第2ゲート電極膜を形成することを特徴とするものである。
発明9の半導体装置の製造方法は、発明8の半導体装置の製造方法において、前記ゲート電極膜は、シリコン膜、シリサイド膜、金属窒化物、金属炭化物、又は金属単体からなる膜であることを特徴とするものである。
発明11の半導体装置の製造方法は、発明8から発明10の何れか一の半導体装置の製造方法において、前記熱処理の温度を400℃以上、1000℃以下とすることを特徴とするものである。ここで、400℃はHfO2膜が結晶化し始める温度である。また、後述の実験結果で示すように、900℃〜1000℃ではHfO2膜に単斜晶(monoclinic)構造が出現し始めて誘電率が低くなってくるが、1000℃においても結晶構造の主体は立方晶(cubic)である。
(1)第1実施形態
図1(a)〜(d)は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
まず始めに、図1(a)に示すように、ハフニウム酸化物(HfO2)からなる薄膜(以下、HfO2膜ともいう。)3をシリコン基板1上に形成する。このHfO2膜3の形成方法は例えばスパッタリング法又はALD(Atomic Layer Deposition)法であり、形成する厚さは例えば1〜10nmである。
この第1実施形態では、シリコン基板1が本発明の「半導体基板」に対応し、HfO2膜3が本発明の「金属酸化物」に対応し、HfO2膜3´が本発明の「結晶化した金属酸化物」に対応している。さらに、ゲート電極膜5が本発明の「ゲート電極膜」に対応している。
上記の第1実施形態では、ゲート電極膜が1層からなる場合について説明した。しかしながら、本発明のゲート電極膜は1層構造に限定されるものではなく2層構造でも良い。この第2実施形態では、ゲート電極膜を2層構造とする場合について説明する。
図2(a)〜(d)は、本発明の第2実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図2において、図1と同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
なお、この第2実施形態では、第1ゲート電極膜15aと、第2ゲート電極膜15bとにより2層構造のゲート電極膜15を構成する場合について説明した。第1ゲート電極膜15aの材料は例えば金属窒化物、金属炭化物又は金属単体であり、第2ゲート電極膜15bの材料は例えばシリコン膜又はシリサイド膜である。これら各材料は自由に組み合わせて良いが、例えば下記a)〜h)はHfO2膜の結晶化に好適な組み合わせである。
b)TaN+Poly−Si、TaN+NiSi、TaN+PtSiなどTaN+シリサイド電極
c)TaC+Poly−Si、TaC+NiSi、TaC+PtSiなどTaC+シリサイド電極
d)HfN+Poly−Si、HfN+NiSi、HfN+PtSiなどHfN+シリサイド電極
f)TiC+Poly−Si、TiC+NiSi、TiC+PtSiなどTiC+シリサイド電極
g)HfC+Poly−Si、HfC+NiSi、HfC+PtSiなどHfC+シリサイド電極
h)ZrC+Poly−Si、ZrC+NiSi、ZrC+PtSiなどZrC+シリサイド電極
上記の第1、第2実施形態では、熱処理時のキャップ層としてゲート電極膜を使用する場合について説明した。しかしながら、本発明では、キャップ層は必ずしもゲート電極膜である必要はなく、他の膜であっても良い。この第3実施形態では、キャップ層に保護膜を使用する場合について説明する。
まず始めに、図3(a)に示すように、シリコン基板上にHfO2膜3を形成する。
次に、HfO2膜3上に保護膜7を形成する。この保護膜7の材料には、ゲート電極膜材料と同じSi、TiN、TaN、VN、ZrN、HfN、ScN、TiC、TaC、VC、ZrC、HfC、ScC、W、Pt、Niなど、シリコン膜、金属窒化物、金属炭化物又は金属単体を用いることができ、CVD又はスパッタリングで形成する。ここでは、保護膜7の一例としてTiN膜を例えば10〜100nmの厚さに形成する。
次に、HfO2膜3及び保護膜7が形成されたシリコン基板1に熱処理(アニール)を施して、HfO2膜3を結晶化する。第1、第2実施形態と同様に、この結晶化のための熱処理は、例えばN2雰囲気下で温度400〜1000℃で行えば良く、その中でも温度800℃が好適である。ここでは、例えばN2雰囲気下で、温度800℃の熱処理をHfO2膜3に施す。これにより、図3(b)に示すように、結晶構造が立方晶(cubic)のHfO2膜3´を得ることができる。
次に、図3(d)に示すように、HfO2膜3´上にゲート電極膜5を形成する。また、1層構造のゲート電極膜5ではなく、2層構造のゲート電極膜15(図2参照。)をHfO2膜3´上に形成しても良い。その後、図3(e)に示すように、フォトリソグラフィ及びドライエッチング技術により、ゲート電極膜5を電極形状にパターニングする。パターニング後のゲート電極膜5はMOSデバイスのゲート電極となり、その下のHfO2膜3´はMOSデバイスのゲート絶縁膜となる。
上記の第3実施形態では、保護膜は1層構造でも2層構造でも良いということについて説明した。第3実施形態において、保護膜が2層構造の場合は、結晶化後にこれら2層を全て除去することによりHfO2膜3´の表面を露出させることになる。しかしながら、本発明では、結晶化後に保護膜の一部をHfO2膜3´上に残しておいて、その上にゲート電極膜を形成しても良い。第4実施形態では、このような場合について説明する。
図4(a)〜(e)は、本発明の第4実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図4において、図1〜図3と同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
その後、図4(d)に示すように、フォトリソグラフィ及びドライエッチング技術により、2層構造のゲート電極膜25を電極形状にパターニングする。パターニング後のゲート電極膜25はMOSデバイスのゲート電極となり、その下のHfO2膜3´はMOSデバイスのゲート絶縁膜となる。
この第4実施形態では、ゲート電極膜25bが本発明の「第3のゲート電極膜」に対応する。また、第1保護膜17aが本発明の「第1保護膜」に対応し、第2保護膜17bが本発明の「第2保護膜」に対応している。その他の対応関係は、第1〜第3実施形態と同じである。
図5は、TEM(Transmission Electron Microscopy)による断面観察の結果を示す図である。この観察像は、シリコン基板(Si Sub)上に、ハフニウム酸化(HfO2)膜と、チタンシリサイド(TiN)膜と、ニッケルシリサイド(NiSi)シリコン膜を積層した後、800℃で熱処理(PGA)を行い、シリコン膜をニッケルシリサイド(NiSi)化した後の断面である。図5に示すように、HfO2膜は結晶化していることが分かった。また、膜厚は8.69nm(8.76nm)と見積もられる。カッコ外の8.69nmはTEM画像からの見積もり値であり、カッコ内の8.76nmは膜のデポレートからの見積もり値である。
次に、図7に示したデータにおいて、PDA処理よりもPGA処理の方が比誘電率(k値)が高い理由を調べるために、PDA又はPGA処理を施した試料の結晶構造を薄膜XRD(X−Ray Diffraction spectroscopy)で分析した。
次に、図9に示したデータにおいて、PGA処理温度が900℃以上になると比誘電率(k値)が減少する理由を調べるために、as−depoと、600〜1000℃のPGA処理を施した試料の結晶構造をそれぞれ薄膜XRDで分析した。
また、図11において、記号□はPGA処理温度が700℃のデータを示し、記号◆はPGA処理温度が800℃のデータを示し、記号▲はPGA処理温度が900℃のデータを示し、記号■はPGA処理温度が1000℃のデータを示す。PGA処理温度を、700℃〜1000℃まで変化させて比較すると、k値の増加(即ち、PGA処理温度の低下)に従い、リーク電流Jgも低く抑えられることが分かった。また、EOTが1nm付近において約二桁のリークメリットが得られることが分かった。HfO2膜の膜厚を薄くしてもリーク電流を低く抑えることができる。
Claims (13)
- 半導体基板上に金属酸化物を形成する工程と、
前記金属酸化物上にゲート電極膜を形成する工程と、
前記金属酸化物及び前記ゲート電極膜が形成された前記半導体基板に熱処理を施して、前記金属酸化物を結晶化する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上に金属酸化物を形成する工程と、
前記金属酸化物上に第1ゲート電極膜を形成する工程と、
前記第1ゲート電極膜上に第2ゲート電極膜を形成する工程と、
前記金属酸化物及び前記第1、第2ゲート電極膜が形成された前記半導体基板に熱処理を施して、前記金属酸化物を結晶化する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上に金属酸化物を形成する工程と、
前記金属酸化物上に保護膜を形成する工程と、
前記金属酸化物及び前記保護膜が形成された前記基板に熱処理を施して、前記金属酸化物を結晶化する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記保護膜は第1保護膜と第2保護膜とを有し、
前記保護膜を形成する工程では、
前記金属酸化物上に前記第1保護膜を形成し、当該第1保護膜上に前記第2保護膜を形成することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記熱処理により結晶化した前記金属酸化物上から前記保護膜を除去する工程と、
前記保護膜が除去された前記金属酸化物上にゲート電極膜を形成する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記ゲート電極膜は第1ゲート電極膜と第2ゲート電極膜とを有し、
前記ゲート電極膜を形成する工程では、
前記保護膜が除去された前記金属酸化物上に前記第1ゲート電極膜を形成し、当該第1ゲート電極膜上に前記第2ゲート電極膜を形成することを特徴とする請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上に金属酸化物を形成する工程と、
前記金属酸化物上に第1保護膜を形成する工程と、
前記第1保護膜上に第2保護膜を形成する工程と、
前記金属酸化物及び前記第1、第2保護膜が形成された前記基板に熱処理を施して、前記金属酸化物を結晶化する工程と、
前記熱処理により結晶化した前記金属酸化物上の前記第1保護膜上から前記第2保護膜を除去する工程と、
前記第2保護膜が除去された前記第1保護膜上に第3のゲート電極膜を形成する工程と、を含み、
前記第1保護膜はゲート電極膜材料からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記金属酸化物は、ハフニウム酸化膜であることを特徴とする請求項1から請求項7の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ゲート電極膜は、シリコン膜、シリサイド膜、金属窒化物、金属炭化物、又は金属単体からなる膜であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第1ゲート電極膜は、金属窒化物、金属炭化物又は金属単体からなる膜であり、
前記第2ゲート電極膜はシリコン膜、シリサイド膜であることを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記熱処理の温度を400℃以上、1000℃以下とすることを特徴とする請求項8から請求項10の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された金属酸化物と、
前記金属酸化物上に形成されたゲート電極膜と、を備え、
前記金属酸化物の結晶構造は立方晶、正方晶又は斜方晶であり、前記金属酸化物には不純物がドープされていないことを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された金属酸化物と、
前記金属酸化物上に形成された第1ゲート電極膜と、
前記第1ゲート電極膜上に形成された第2ゲート電極膜と、を備え、
前記金属酸化物の結晶構造は立方晶、正方晶又は斜方晶であり、前記金属酸化物には不純物がドープされていないことを特徴とする半導体装置。
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