JP2013012675A - 金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法、および基板処理装置 - Google Patents
金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法、および基板処理装置 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】単結晶領域102を有する基板101上に、金属膜であって、該金属膜の酸化物の誘電率が酸化シリコン膜よりも高く、かつ金属膜の酸化物が単結晶領域102とエピタキシャル関係を有する金属膜103を、単結晶領域102と金属膜103とが界面反応しない基板温度で形成する(図1(b))。金属膜103が形成された基板101を、上記界面反応しない基板温度で、単結晶領域102と金属膜103とが界面反応しない酸素分圧の酸素ガス雰囲気に暴露する(図1(c))。酸素ガス雰囲気に暴露された基板103を、上記酸素分圧の酸素ガス雰囲気に保持し、金属膜の酸化物である金属酸化物高誘電体膜が結晶化する基板温度で熱処理する(図1(d)。
【選択図】図1
Description
例えばシリコン系MOSFETにおいては、プロセス上の安定性や絶縁特性に優れた酸化シリコン膜が、長年、ゲート絶縁膜材料として用いられてきた。しかし、近年の素子微細化に伴いゲート絶縁膜の薄層化が進んでおり、ゲート長が100nm以下の素子ではスケーリング則の要請から、ゲート絶縁膜である酸化シリコン膜の厚さは1.5nm以下であることが必要となっている。この様な極薄の絶縁膜を用いると、ゲートバイアス電圧を印加することにより生じるゲートリーク電流が、ソース/ドレイン電流に対して無視できない値となるため、シリコン系MOSFETの高性能化と低消費電力化における大きな問題となっている。
de=dh(εo/εh) ・・・(1)
本発明の特徴は、単結晶領域が少なくとも表面に形成されている基板(少なくとも表面が単結晶領域である基板)上に酸化シリコン膜よりも誘電率が高い金属酸化物高誘電体膜をエピタキシャル成長させる工程において、上記単結晶領域(基板表面)上に、金属膜であって、該金属膜の酸化物(金属酸化物高誘電体膜)の誘電率が酸化シリコン膜の誘電率よりも高く、かつ該酸化物が上記単結晶領域とエピタキシャル関係を有する金属膜を、上記単結晶領域と上記金属膜との界面反応が引き起こされない温度にて形成し、次いで、上記金属膜を調整された酸素ガス雰囲気に曝しながら熱処理することで、上記金属酸化物高誘電体膜を形成し、更に、上記金属酸化物高誘電体膜を該金属酸化物高誘電体膜が結晶化する温度まで昇温して熱処理することにある。このようにして、半導体材料上に、予め界面酸化シリコン膜や界面シリコン窒化膜を形成せずに、金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜を製造することができ、上記半導体材料と上記金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜との界面における界面酸化膜の形成を抑制することが可能となる。本発明では、金属酸化物高誘電体膜が形成される単結晶領域のダングリングボンドに1対1で対応するように上記金属酸化物高誘電体膜がエピタキシャル成長するので、ダングリングボンドの形成を著しく低減することが可能となり、従来のように界面酸化シリコン膜や界面シリコン窒化膜などを形成しなくても、結晶粒界および/または界面準位を低減することができる。
装置内への基板の導入と装置外への基板の排出とは、上述の独立した大気開放手段を用いて大気開放した、ロードロック室201を介して行なう。また、基板搬送室202、スパッタ室203、第一の熱処理室204、第二の熱処理室209は、膜中への不純物の混入を低減するため常時高真空に保たれており、ロードロック室201と基板搬送室202との間での基板の搬送は、ロードロック室201を真空排気手段により排気した状態で行なわれる。
まず表面に単結晶領域が形成された基板を、大気圧状態のロードロック室201に導入し、その後、上述の独立した真空排気手段により、所定の圧力に達するまでロードロック室201の排気を行う。
次に、制御部900からの制御信号により、ゲートバルブ206を開き、基板搬送機構205を用いて、ロードロック室201にて保持された基板を高真空状態に保持された基板搬送室202へ搬送し、その後、ゲートバルブ206を閉じる。次に、制御部900からの制御信号により、ゲートバルブ207を開き、基板搬送機構205を用いて、基板搬送室202にて保持された基板を高真空状態に保持されたスパッタ室203へ搬送し、その後、ゲートバルブ207を閉じる。
次に、制御部900からの制御信号により、ゲートバルブ207を開き、基板搬送機構205を用いて、スパッタリング室203にて金属膜が形成された基板を高真空状態に保持された基板搬送室202へ搬送し、その後、ゲートバルブ207を閉じる。次に、制御部900からの制御信号により、ゲートバルブ208を開き、基板搬送機構205を用いて、基板搬送室202にて保持された金属膜が形成された基板を、高真空状態に保持された第一の熱処理室204へ搬送し、その後、ゲートバルブ208を閉じる。
次に、制御部900からの制御信号により、ゲートバルブ208を開き、基板搬送機構205を用いて、第一の熱処理室204にて金属酸化物高誘電体膜が形成された基板を高真空状態に保持された基板搬送室202へ搬送し、その後、ゲートバルブ208を閉じる。次に、制御部900からの制御信号により、ゲートバルブ210を開き、基板搬送機構205を用いて、基板搬送室202にて保持された、金属酸化物高誘電体膜が形成された基板を高真空状態に保持された第二の熱処理室209へ搬送し、その後、ゲートバルブ210を閉じる。
なお、後述の制御部900は、上記図3に示す各構成を統合して制御することができる。
まず、基板ホルダー303に基板302を設置し、その後、基板ホルダー303の高さおよび回転速度を、上述の上下動作制御機構とホルダー回転動作制御機構を駆動させて、基板302上に形成される金属膜の膜厚分布が均一となるように調整する。次に、制御部900がスパッタ装置を制御して、バルブ318および320を開き、不活性ガス源314から供給された不活性ガスを、マスフローコントローラー316により流量を制御して真空容器301に導入する。
なお、後述の制御部900は、上記図4A(図4B)に示す各構成を統合して制御することができる。
図4Aにおいて、酸素ガスは、酸素ガス源407より供給され、バルブ409および410とマスフローコントローラー408とを介して、処理室411に導入されている。
まず、金属酸化物高誘電体膜を構成する金属膜が形成された基板402を、真空容器401へ搬送し、サセプター403上に設置する。次に、制御部900が熱処理装置を制御して、バルブ409および410を開き、酸素ガス源407から供給された酸素ガスを、マスフローコントローラー408により流量を制御して処理室411に導入する。このとき、排気ポンプ406と処理室411の間に設置された不図示のコンダクタンスバルブにより排気速度が調整され、処理室411は所定の酸素分圧に設定されている。すなわち、制御部900が、不図示のコンダクタンスバルブを制御することにより、処理室411内を所定の酸素分圧に設定する。次に、制御部900は、上記の酸素ガス雰囲気でヒーター404をオンし、金属膜と単結晶領域が界面反応しない温度となるように、サセプター403および基板402の加熱を行い、金属膜を酸化する。この処理により、基板上402上に金属酸化物高誘電体膜が形成される。
金属膜を酸化することで金属酸化物高誘電体膜が形成された基板4021(図4Aでは402)を、真空容器4011へ搬送し、サセプター4031上に設置する。次に、制御部900は、ヒーター4041をオンし、金属酸化物高誘電体膜が結晶化する温度となるように、サセプター4031および基板4021の温度を昇温する。この処理により、基板上4021上に形成された金属酸化物高誘電体膜が結晶化し、これが単結晶領域の結晶情報を引き継ぐことにより、金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜が形成される。
なお、時刻a−f間の基板温度は、基板上に形成された金属膜と単結晶領域とが界面反応しない温度(すなわち、t1以下)に設定されている。また、時刻j−k間の基板温度は、金属酸化物高誘電体膜が結晶化する温度(すわなち、t2以上)に設定されている。
図9において、符号900は基板処理装置(例えば、図1、2、3、4A、4Bに示す装置等)907全体を制御する制御手段としての制御部である。この制御部900は、種々の演算、制御、判別などの処理動作を実行するCPU901、およびこのCPU901によって実行される様々な制御プログラムなどを格納するROM902を有する。また、制御部900は、CPU901の処理動作中のデータや入力データなどを一時的に格納するRAM903、およびフラッシュメモリやSRAM等の不揮発性メモリ904などを有する。
本発明の第一の実施例として、金属酸化物高誘電体膜の一つである酸化ハフニウムをシリコン(001)基板上にエピタキシャル成長させた例について以下に説明する。
(1)第一の工程
・処理装置:スパッタリング装置203
・到達圧力:1.33×10−6Pa
・ターゲット:金属ハフニウムターゲット
・プロセスガス:Arガス
・スパッタリング用電源:DC電源
・プロセス時の投入電力:600W
・プロセス圧力:0.02Pa
・膜厚:2.0nm
(2)第二の工程
・処理装置:第一の熱処理装置204
・到達圧力:6.65×10−7Pa
・プロセスガス:O2ガス
・プロセス圧力:1.0Pa
(3)第三の工程
・処理装置:第一の熱処理装置204
・到達圧力:6.65×10−7Pa
・プロセスガス:O2ガス
・プロセス圧力:1.0Pa
なお、本実施例において、第一の工程における基板温度は室温であり、第二の工程から第三の工程にかけての基板温度は、室温から750℃まで連続的に昇温させた。
また、第二の工程開始後、基板温度が350℃に達した時点で基板を取り出してXPSで分析したところ、シリコン(001)基板上に形成された膜は、金属ハフニウム成分を含まない酸化ハフニウム膜として得られており、界面におけるハフニウムシリサイド膜またはハフニウムシリケイト膜もほとんど検出されなかった。このことから、本実施例における第二の工程において、シリコン(001)基板上には、金属ハフニウム成分が在留していない金属酸化物高誘電体膜としての酸化ハフニウム膜が形成されており、また、基板の結晶情報を伝達しにくくする金属ハフニウム膜とシリコン(001)基板との界面反応層についても、ほぼ抑制できていることが確認できた。
本発明の第二の実施例として、金属酸化物高誘電体膜の一つである酸化ジルコニウム膜をシリコン(001)基板上に形成した。なお、本実施例では、ターゲット材料を除き、第一の実施例と同様の実験方法・実験条件を用いて金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の形成を行った。
本発明の第三の実施例として、金属酸化物高誘電体膜の一つであるアルミナ膜を、6H−構造の炭化シリコン(0001)基板上にエピタキシャル成長した(0001)配向の窒化アルミニウムガリウム膜上に形成した。なお、窒化アルミニウムガリウム膜の下地層は、窒化ガリウム膜である。また、本実施例では、ターゲット材料と基板(基板上に形成した半導体膜も含む)材料、および第三の工程にて最終的に到達させた基板温度を除いて、第一の実施例と同様の実験方法・実験条件を用いて金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の形成を行った。
本発明の第四の実施例として、金属酸化物高誘電体膜の一つであるアルミナ膜を、4H−構造の炭化シリコン(0001)単結晶層上に形成した。なお、本実施例では、基板(基板表面の単結晶領域も含む)材料を除き、第三の実施例と同様の実験方法・実験条件を用いて金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の形成を行った。
前述した実施形態の制御部900の機能を実現するように前述した実施形態の構成を動作させるプログラムを記憶媒体に記憶させ、該記憶媒体に記憶されたプログラムをコードとして読み出し、コンピュータにおいて実行する処理方法も上述の実施形態の範疇に含まれる。即ちコンピュータ読み取り可能な記憶媒体も実施例の範囲に含まれる。また、前述のコンピュータプログラムが記憶された記憶媒体はもちろんそのコンピュータプログラム自体も上述の実施形態に含まれる。
102 単結晶領域
103 金属膜
104 酸素ガス
105 ヒーター
106 金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜
108 金属酸化物高誘電体膜
Claims (19)
- 半導体からなる単結晶領域が少なくとも表面に形成されている基板上に、金属膜であって、該金属膜の酸化物の誘電率が酸化シリコン膜の誘電率よりも高く、かつ前記金属膜の酸化物が前記単結晶領域とエピタキシャル関係を有する金属膜を、前記単結晶領域と前記金属膜とが界面反応しない基板温度で形成する第一の工程と、
前記金属膜が形成された基板を、所定の酸素分圧の酸素ガス雰囲気に曝しながら、該単結晶領域と該金属膜とが界面反応しない基板温度で熱処理することによって前記金属膜を酸化して、前記単結晶領域上に前記金属膜の酸化物からなる金属酸化物高誘電体膜を形成する第二の工程と、
前記第二の工程にて前記単結晶領域上に形成された前記金属酸化物高誘電体膜を、該金属酸化物高誘電体膜が結晶化する基板温度まで昇温して熱処理することによって前記基板上に金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜を形成する第三の工程と
を有し、
前記所定の酸素分圧を、前記金属酸化物高誘電体膜の前記単結晶領域に接する面において、前記酸化により残留した、前記金属膜の一部からなる金属成分をより低減するような分圧に設定することを特徴とする金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法。 - 前記所定の酸素分圧を、前記金属膜の一部からなる金属成分が少なくとも前記面に残留しないような分圧に設定することを特徴とする請求項1に記載の金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法。
- 前記単結晶領域は、シリコン、ゲルマニウム、炭素、およびガリウムの少なくとも1つの元素を含む単結晶領域であり、
前記金属膜は、ハフニウム、ジルコニウム、およびアルミニウムの少なくとも1つの元素を含む金属膜であり、
前記単結晶領域と金属酸化物高誘電体膜とがエピタキシャル関係を有するように、前記単結晶領域に含まれる元素および前記金属膜に含まれる元素は選択されていることを特徴とする請求項1または2に記載の金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法。 - 前記第二の工程および前記第三の工程における前記酸素分圧は、大気圧未満、かつ0.13Pa以上であることを特徴とする請求項3に記載の金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法。
- 前記第二の工程および前記第三の工程における酸素ガスの分圧が100Pa以下、かつ0.13Pa以上であることを特徴とする請求項4に記載の金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法。
- 前記第二の工程および前記第三の工程における酸素ガスの分圧が10Pa以下、かつ0.13Pa以上であることを特徴とする請求項4に記載の金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法。
- 前記単結晶領域が炭化シリコンであり、
前記金属膜がアルミニウムであり、
前記第一の工程および前記第二の工程における前記基板温度が、700℃未満に設定されていることを特徴とする請求項2乃至6のいずれか1項に記載の金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法。 - 前記単結晶領域が窒化ガリウムまたは窒化アルミニウムガリウムであり、
前記金属膜がアルミニウムであり、
前記第一の工程および前記第二の工程における前記基板温度が、500℃未満に設定されていることを特徴とする請求項2乃至6のいずれか1項に記載の金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法。 - 前記単結晶領域がシリコンを含有する材料であり、
前記金属膜がハフニウム、ジルコニウム、またはハフニウムとジルコニウムとの合金であり
前記第一の工程および前記第二の工程における前記基板温度が、420℃未満に設定されていることを特徴とする請求項2乃至6のいずれか1項に記載の金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法。 - 前記第三の工程における前記熱処理の温度が420℃以上に設定されていることを特徴とする請求項2乃至6、9のいずれか1項に記載の金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法。
- 前記第三の工程における前記熱処理の温度が600℃以上に設定されていることを特徴とする請求項2乃至6、9のいずれか1項に記載の金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法。
- 前記第三の工程における前記熱処理の温度が750℃以上に設定されていることを特徴とする請求項7または8に記載の金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法。
- 前記第一の工程における前記金属膜が、ハフニウム、ジルコニウム、アルミニウムの少なくとも一つ以上の元素の組み合わせからなるターゲットをスパッタリングすることにより形成されることを特徴とする請求項2乃至12のいずれか1項に記載の金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法。
- 単結晶領域が少なくとも表面に形成されている基板上に、金属膜であって、該金属膜の酸化物の誘電率が酸化シリコン膜の誘電率よりも高く、かつ前記金属膜の酸化物が前記単結晶領域とエピタキシャル関係を有する金属膜を形成し、該金属膜を酸化して金属酸化物高誘電体膜を形成し、該金属酸化物高誘電体膜を結晶化して金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜を形成することが可能な基板処理装置であって、
前記単結晶領域上に前記金属膜を成膜するための成膜手段と、
酸素ガスを供給しながら、前記成膜手段により形成された前記金属膜に対して所定の熱処理を施して、前記金属膜を酸化するための第一の熱処理手段と、
前記第一の熱処理手段によって形成された金属酸化物高誘電体膜に対して所定の熱処理を施すための第二の熱処理手段と、
前記基板の温度および前記酸素ガスの分圧が所定の値となるように前記第一の熱処理手段を制御する第一の制御手段と、
前記基板の温度が所定の値となるように前記第二の熱処理手段を制御する第二の制御手段とを備え、
前記成膜手段は、前記金属膜の成膜の際には、前記基板の温度が、前記単結晶領域と前記金属膜とが界面反応しない基板温度になるように構成されており、
前記第一の熱処理手段は、
前記基板を加熱するための第一の基板加熱手段と、
前記酸素の分圧を調整するための分圧調整手段とを有し、
前記第一の制御手段は、前記金属膜を酸化して前記金属酸化物高誘電体膜を形成する場合は、前記基板の温度が前記単結晶領域と前記金属膜とが界面反応しない基板温度になるように前記第一の基板加熱手段を制御し、かつ前記酸素ガスの分圧が、前記金属酸化物高誘電体膜の前記単結晶領域に接する面において、前記酸化により残留した、前記金属膜の一部からなる金属成分をより低減するような分圧となるように前記分圧調整手段を制御し、
前記第二の熱処理手段は、
前記基板を加熱するための第二の基板加熱手段を有し、
前記第二の制御手段は、前記金属酸化物高誘電体膜を結晶化する際には、前記基板の温度が前記金属酸化物高誘電体膜が結晶化する温度になるように前記第二の基板加熱手段を制御することを特徴とする基板処理装置。 - 前記第一の制御手段は、前記酸素ガスの分圧が前記金属膜の一部からなる金属成分が少なくとも前記面に残留しないような分圧となるように前記分圧調整手段を制御することを特徴とする請求項14に記載の基板処理装置。
- 前記成膜手段は、スパッタリング装置であり、
前記第一の熱処理手段および第二の熱処理手段は、前記スパッタリング装置とは別個に設けられた熱処理装置であることを特徴とする請求項14または15に記載の基板処理装置。 - 前記成膜手段による前記成膜と前記第一の熱処理手段による前記熱処理と前記第二の熱処理手段による前記熱処理とは、同一の真空容器にて行われることを特徴とする請求項14または15に記載の基板処理装置。
- コンピュータに請求項1乃至13のいずれか1項に記載の金属酸化物高誘電体エピタキシャル膜の製造方法を実行させるためのコンピュータプログラム。
- コンピュータにより読み出し可能なプログラムを格納した記憶媒体であって、請求項18記載のコンピュータプログラムを格納したことを特徴とする記憶媒体。
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