JP3447644B2 - 半導体装置の製造方法及び電界効果型トランジスタの製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法及び電界効果型トランジスタの製造方法

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JP3447644B2 JP2000019704A JP2000019704A JP3447644B2 JP 3447644 B2 JP3447644 B2 JP 3447644B2 JP 2000019704 A JP2000019704 A JP 2000019704A JP 2000019704 A JP2000019704 A JP 2000019704A JP 3447644 B2 JP3447644 B2 JP 3447644B2
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  • Electrodes Of Semiconductors (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に係わり、特に電界効果型トランジスタのゲート絶
縁膜、ゲート電極の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来半導体集積回路の高速化は主に素子
を微細にすることによって図られてきた。近年では0.
13μmさらには0.1μmのデザインルールによって
記憶素子や論理デバイスが作られようとし動作周波数1
GHz以上を達成しようとしている。
【0003】このようなデザインルールの微細化によっ
て電界効果方トランジスタのゲート絶縁膜であるシリコ
ン酸化膜はますます薄くなりつつある。これは微細化に
よって電界効果型トランジスタの電流駆動力が低下する
ためで、ゲート絶縁膜であるシリコン酸化膜をより薄し
ゲート電極の容量を大きくすることによって電流駆動力
を高める必要があるためである。例えばゲート長が0.
1μmの論理デバイスでは、シリコン酸化膜の膜厚は約
3nmと非常に薄く形成しなければ十分な駆動力が得ら
れないと予測されている。
【0004】一方シリコン酸化膜が上述のように薄くな
ると、フローラー・ノルドハイム(Flowlor-Nordheim)ト
ンネル電流からダイレクト・トンネル電流がゲート絶縁
膜のリーク電流の主因になり非常に大量のリーク電流が
生じる。このためトランジスタのスタンバイ時にもリー
ク電流が流れ消費電力が増大したり、素子特性の劣化が
生じる問題が予測される。
【0005】上記問題を解決する方法としてデバイスの
駆動力を落とすことなくゲート絶縁膜を厚く形成するこ
とでゲート絶縁膜のトンネルリーク電流を低減を図る試
みがなされている。これはシリコン酸化膜の比誘電率
(3.9)よりも十分に大きい比誘電率をもつ金属酸化
物(例えばチタン酸化物やタンタル酸化物)をゲート絶
縁膜として用いる試みである。
【0006】これまでスパッタ法やCVD法によって、
これら金属酸化膜を形成しようとする研究が多いが、い
ずれの方法もまだゲート絶縁膜として使用に耐えうる良
質な絶縁膜の実現には至っていない。一つの原因として
金属酸化膜中の酸素が十分に均一に膜中に存在せず、欠
陥密度が非常に多くなることがあげられる。このような
欠陥密度の増大によってリーク電流の抑制が十分に実現
されていない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述したようにデバイ
スのさらなる微細化にたえうるゲート絶縁膜は実現して
いない。
【0008】本発明は上記問題を解決するためになされ
たものであり、ゲート長50nmにも十分にたえうる良
好な高誘電率ゲート絶縁膜を具備する半導体装置の製造
方法を提供することを目的とする。
【0009】また本発明は、ゲート長50nmにたえう
る良好な金属ゲート電極/高誘電率ゲート絶縁膜の積層
構造を具備する半導体装置の製造方法を提供することを
目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、半導体膜上に、シリコン熱酸化膜の比誘
電率よりも高い比誘電率を示す酸化物になる第1の金属
を堆積する工程と、前記第1の金属上に、遷移金属ある
いは貴金属からなり、前記第1の金属より電気陰性度が
小さい第2の金属を堆積する工程と、前記積層体を酸化
性雰囲気で熱処理する工程とを具備することを特徴とす
る半導体装置の製造方法を提供する。
【0011】また、本発明は、半導体膜に接して、シリ
コン熱酸化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を示すゲー
ト絶縁膜用酸化物になる第1の金属の酸化物を堆積する
工程と、第1の金属の酸化物に接する、遷移金属あるい
は貴金属からなり、第1の金属より電気陰性度が小さい
第2の金属を堆積する工程と、積層体を酸化性雰囲気で
熱処理する工程とを具備することを特徴とする電界効果
型トランジスタの製造方法を提供する。
【0012】また本発明は、半導体膜上に、チタン、タ
ンタル、アルミニウムから選んだ少なくとも1種類以上
の第1の金属を堆積する工程と、前記第1の金属上に、
遷移金属あるいは貴金属からなり、前記第1の金属より
電気陰性度が小さい第2の金属を堆積する工程と、前記
積層体を酸化性雰囲気で熱処理する工程とを具備するこ
とを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【0013】また本発明は、半導体膜に接して、チタ
ン、タンタル、アルミニウムから選んだ少なくとも1種
類以上の第1の金属のゲート絶縁膜用酸化物を堆積する
工程と、第1の金属の酸化物に接する、遷移金属あるい
は貴金属からなり、第1の金属より電気陰性度が小さい
第2の金属を堆積する工程と、積層体を酸化性雰囲気で
熱処理する工程とを具備することを特徴とする電界効果
型トランジスタの製造方法を提供する。
【0014】また本発明は、半導体膜上に、チタン、タ
ンタル、アルミニウムから選んだ少なくとも1種類以上
の第1の金属を堆積する工程と、前記第1の金属上に、
タングステン、モッリブデン、白金、パラジウムから選
んだ少なくとも1種類以上の第2の金属を堆積する工程
と、前記積層体を酸化性雰囲気で熱処理する工程とを具
備することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供す
る。
【0015】また、本発明は、半導体膜に接して、チタ
ン、タンタル、アルミニウムから選んだ少なくとも1種
類以上の第1の金属のゲート絶縁膜用酸化物を堆積する
工程と、第1の金属の酸化物に接する、タングステン、
モッリブデン、白金、パラジウムから選んだ少なくとも
1種類以上の第2の金属を堆積する工程と、積層体を酸
化性雰囲気で熱処理する工程とを具備することを特徴と
する電界効果型トランジスタの製造方法を提供する。
【0016】また本発明は、半導体膜上に、シリコン熱
酸化膜の比誘電率よりも高い比誘電率を示す酸化物にな
る第1の金属の酸化物を堆積する工程と、前記第1の金
属の酸化物上に、遷移金属あるいは貴金属からなり、前
記第1の金属より電気陰性度が小さい第2の金属の酸化
物を堆積する工程と、前記積層体を還元性雰囲気で熱処
理する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の
製造方法を提供する。
【0017】また本発明は、半導体膜上に、チタン、タ
ンタル、アルミニウムから選んだ少なくとも1種類以上
の第1の金属の酸化物を堆積する工程と、前記第1の金
属の酸化物上に、遷移金属あるいは貴金属からなり、前
記第1の金属より電気陰性度が小さい第2の金属の酸化
物を堆積する工程と、前記積層体を還元性雰囲気で熱処
理する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の
製造方法を提供する。
【0018】また本発明は、半導体膜上に、チタン、タ
ンタル、アルミニウムから選んだ少なくとも1種類以上
の第1の金属の酸化物を堆積する工程と、前記第1の金
属の酸化物上に、タングステン、モッリブデン、白金、
パラジウムから選んだ少なくとも1種類以上の第2の金
属の酸化物を堆積する工程と、前記積層体を還元性雰囲
気で熱処理する工程とを具備することを特徴とする半導
体装置の製造方法を提供する。
【0019】本発明の酸化性雰囲気の熱処理は450℃
以下の基板温度であることがより好ましい。また本発明
の還元性熱処理は600℃以下の基板温度であることが
より好ましい。
【0020】
【発明の実施の形態】(実施例1)先ず図1に示すよう
に、例えば洗浄化処理を施し水素終端をして表面に半導
体膜が露出したシリコン基板201上に、シリコン熱酸
化膜の比誘電率(3.9)よりも高い比誘電率を示す酸
化物になる第1の金属としてチタン(Ti)膜202を
厚さ20nm〜30nm例えば20nm蒸着法で堆積す
る。第1の金属としてはチタンの他にタンタル(T
a)、アルミニウム(Al)やこれらの積層膜や合金等
でもよく酸化物が少なくともシリコン熱酸化膜の比誘電
率(3.9)よりも高い比誘電率を示せばよい。
【0021】次に、このチタン膜202上に、遷移金属
あるいは貴金属からなり、第1の金属より電気陰性度が
小さい第2の金属としてタングステン(W)膜203を
厚さ5nm例えば蒸着法で堆積する。第2の金属として
はタングステンの他にモリブデン(Mo)、白金(P
t)、パラジウム(Pd)やこれらの積層膜や合金など
でもよく、第1の金属よりも電気陰性度が小さい遷移金
属や貴金属であればよい。
【0022】次に、この状態で真空熱処理炉に基板を移
し真空状態に引いて、タングステン膜203表面に付着
している水分(H2O)やハイドロカーボン(CH)な
どの表面付着物を除去する。
【0023】次に、高純度のアルゴン(Ar)ガス雰囲
気でこの基板を所望の温度例えば300℃まで過熱す
る。ここでは高純度のアルゴンガス雰囲気を用いたが、
高純度の窒素(N2)ガスなどの雰囲気で行ってもよ
い。
【0024】次に、図2に示すように、基板温度が所望
の温度で安定したことを確認して、アルゴンガスを高純
度の酸素ガスに切り替えて流し、約1時間そのままの状
態に保持し、シリコン基板201/チタン膜202/タ
ングステン膜203からなる積層体を上述した酸素ガス
(酸化性雰囲気)で熱処理する。この時チャンバ中のO
2分子205はチタン膜203に接触することによって
遷移金属や貴金属の触媒作用によりO原子206に解離
し吸着される。この酸素原子206は活性原子であり、
タングステン膜203中を拡散し、第1の金属であるチ
タン膜202表面に到着する。第1の金属であるチタン
は、第2の金属であるタングステンよりも電気陰性度が
大きく酸化しやすいので、酸素原子と反応して金属酸化
物になる。ここではチタン膜202が酸化されて酸化チ
タン(Ti22)膜204が形成される。
【0025】このように本発明では遷移金属や貴金属の
触媒作用を用いて酸化性雰囲気ガスを解離し電気陰性度
の差を利用して第1の金属を選択的に酸化しているの
で、450℃以下で高誘電体膜であるチタン酸化膜20
4を形成可能である。したがってスパッタ等の方法によ
るような高温工程がなく、高誘電体膜であるチタン酸化
膜204にダメージを与えることがない。
【0026】また、解離したO原子は第2の金属である
遷移金属や貴金属膜中を均一に拡散するので第1の金属
であるチタン膜202を均一に酸化でき、膜欠陥の低い
良好な高誘電体膜204を形成できる。
【0027】また、第1の金属であるチタン膜202を
酸化する際、チタン膜202が直接酸化性雰囲気中に露
出されていないので基板内において酸化むらが生じにく
く素子特性の基板の面内ばらつきを低減できる。
【0028】さらに第2の金属であるタングステン膜2
03と酸化により形成された金属酸化物であるチタン酸
化膜204間の界面は欠陥準位のない良好な界面状態で
あるのでこのまま第2の金属をゲート電極に利用すれば
リーク電流を低減できる。
【0029】次にこのゲート構造の製造方法を用いた電
界効果型トランジスタの製造方法について説明する。
【0030】本実施例では、LDD(Lightly Doped Dra
in)構造の電界効果型トランジスタをもつCMOSデバ
イスの製造工程を例に用いる。
【0031】先ず図3に示すように、n型シリコン基板
101の所望の領域にp型ウェル領域102をボロンド
ープ等によって形成する。次に、例えばシャロー・トレ
ンチ・アイソレーション(STI)103によって素子
領域を分離し、次にこの素子領域のシリコン表面を露出
させ、清浄化処理を施す。
【0032】次に、ダミーゲート絶縁膜104としてシ
リコン酸化膜を例えば厚さ5nm〜10nm、温度80
0℃〜950℃で水素と酸素ガスを用いた燃焼酸化法で
形成する。
【0033】次に、ダミーゲート絶縁膜104を介し
て、NMOS(図3中左側)とPMOS(図3中右側)
が各々形成される素子領域にチャネルイオン注入をす
る。
【0034】次に、多結晶シリコンからなるダミーゲー
ト電極105を厚さ200〜300nm堆積する。次
に、このダミーゲート電極105、ダミーゲート絶縁膜
104を同時に所望の形状にRIEで加工した後、NM
OS領域にn-層、PMOS領域にp-層を形成するた
め、それぞれリン(P)およびフッ化ホウ素(BF2
をイオン注入する。NOMOS領域、PMOS領域に所
望のイオンを打ち分けるには、互いの領域をフォトレジ
ストで保護してイオン注入をすればよい。
【0035】次に、フォトレジストを除去した後に清浄
化処理を施し、側壁絶縁膜106となる絶縁膜を堆積す
る。これにはCVDで形成したSiO2膜を使用すれば
よいが、Si34膜でもよい。次に、RIEによる異方
性エッチングでダミーゲート電極105の側壁部にのみ
側壁絶縁膜106を残す。
【0036】次に、素子分離領域の酸化膜、ダミーゲー
ト電極105、側璧絶縁膜106をマスク材として、ソ
ース・ドレイン形成のためにイオン注入する。NMOS
領域にはn型不純物である砒素(As)をイオン注入し
PMOS領域にはp型不純物であるホウ素(B)をフッ
化ホウ素(BF2)の形でイオン注入する。このとき一
方の領域をイオン注入するときは他方の領域をフォトレ
ジストでマスクしてイオン注入すればよい。この後、活
性化のための熱処理を例えば1000〜1100℃、1
〜3秒の条件で行い拡散層111を形成する。
【0037】次に、CVDでSiO2絶縁膜107を堆
積し、化学的機械的研磨法(ChemicalMechanical Polis
h)で基板表面を平坦化しつつ、多結晶シリコンからなる
ダミーゲート電極105の頂部を露出させる。
【0038】次に、図4に示すように、ダミーゲート電
極105とダミーゲート絶縁膜104をそれぞれ選択的
に除去し、トレンチ部108を形成する。この後トレン
チ部108の露出したシリコン基板101の表面半導体
膜の清浄化処理をする。
【0039】この後の工程は前述した高誘電体膜の形成
方法を用いる。
【0040】図5は図4のトレンチ部108を拡大した
図である。
【0041】先ず、図5に示すように、露出したシリコ
ン基板101の半導体膜上に、第1の金属としてチタン
(Ti)109を厚さ5〜10nm例えば10nm蒸着
法にて堆積する。このチタン膜109上に第2の金属と
してタングステン(W)110を5〜10nm例えば5
nm蒸着法にて堆積する。
【0042】次に、この状態で真空熱処理炉に基板を移
し、真空状態に引いて、タングステン膜110に付着し
ている水分(H2O)、ハイドロカーボン(CH)など
を除去する。
【0043】次に、高純度のアルゴン(Ar)ガス雰囲
気で、基板を所望の温度例えば300℃まで加熱する。
ここでは、高純度のアルゴンガス雰囲気で行なったが、
高純度の窒素(N2)ガスなどの雰囲気で行なってもよ
い。基板温度が所望の温度に安定したことを確認して、
アルゴンガスを高純度の酸素ガス切り替えて流し、約1
時間そのままの状態に保持する。この酸化処理によって
チタン酸化膜からなる高誘電体ゲート絶縁膜が形成され
る。
【0044】次に、図6に示すように、基板を室温まで
冷却して大気中にもどし、表面清浄化処理を施した後、
再度、第2の金属であるタングステン膜111を厚さ1
00〜300nm例えば300nm蒸着法にて堆積しゲ
ート電極を形成する。
【0045】次に、図7に示すように、フォトレジスト
を塗布してCMPを施し、基板表面を平坦にする。この
ときフォトレジストを塗布したのは、トレンチ部108
に形成されたキーホールを埋めてゲート構造を保護する
ためである。フォトレジストはこの後除去する。
【0046】このようにして形成した本発明によるNM
OSFET、PMOSFETともにゲート絶縁膜109
のリーク電流は、10-10A/cm2のレベルであり、膜
厚10nm相当のシリコン酸化膜と同等のリークレベル
であった。
【0047】また、チタン酸化物からなる高誘電体をゲ
ート絶縁物として用いているので、NMOSFET、P
MOSFETとも正常なトランジスタ特性を示した。こ
れらのトランジスタのソース、ドレインを接地して、C
V特性から求めたSiO2換算膜厚は2〜3nm、透過
型電子顕微鏡観察から求めたTiO2膜厚は20〜30
nmで、ウェハ全面では膜厚のばらつきがまだあった。
TiO2膜の比誘電率は約40であった。
【0048】CMPの際、レジストによってトレンチ部
108が保護されていたので、第2の金属/第1の金属
の酸化物/Si基板のゲート構造部には影響がなく、F
ETで重要なゲート絶縁膜/半導体チャネル界面の特性
に影響を与えなかった。
【0049】一方、詳細にW/TiO2/Si構造をX
線光電子分光法(XPS)で調べると、TiO2/Si
基板界面は大部分がTiOx(x=0.8〜2)とSi
と境界が急峻に形成されていた。しかし、部分的にはS
iOx(x=1〜4)がTiOxとSi基板界面に存在
する場合もあった。この場合でもトランジスタのゲート
リーク電流は十分に小さく、また、正常なトランジスタ
特性を示した。このため、TiOx/Si基板界面に薄
くシリコン酸化膜が存在してもよいことが分かる。
【0050】また、例えばプラズマ窒化処理をして、半
導体チャネル部と高誘電体膜の間に他の絶縁膜であるS
iON膜を形成してもよい。
【0051】ゲートのリーク電流をより抑えるために
は、第1の金属を堆積するときに、第1の金属はなるべ
くアモルファス状態かアモルファスのような微結晶粒で
あることが効果的である。これは第1の金属が酸化され
る際にアモルファス状態であるとO原子が第1の金属膜
中を均一に拡散されやすいためである。このようなアモ
ルファス状態またはアモルファスのような微結晶粒薄膜
を実現するには、基板を例えば−50〜0℃に冷却して
第1の金属を堆積することが効果的であった。このため
液体窒素で冷却した窒素ガスを基板支持台に流して基板
支持台および基板を冷却してもよい。
【0052】さらに、第2の金属もアモルファス状態に
形成することで第2の勤続中をO原子がより均一に拡散
するため、第1の金属にO原子をより均一に供給するこ
とも可能となる。
【0053】(実施例2)本実施例では、第1の金属を
予め酸化させて半導体上に堆積し、この金属酸化膜上に
第2の金属である遷移金属あるいは貴金属膜を形成し酸
化性雰囲気中で熱処理したものである。最初に金属酸化
膜を形成することで後の酸化性雰囲気中の熱処理時間を
短くできる。
【0054】先ず、図8に示すように、例えば洗浄化処
理を施し水素終端をして表面に半導体膜が露出したシリ
コン基板201上に、シリコン熱酸化膜の比誘電率
(3.9)よりも高い比誘電率を示す酸化物になる第1
の金属としてチタン(Ti)を用いこの金属酸化物とし
てチタン酸化物(Ti22)膜207を厚さ5nm〜1
0nm例えば10nm蒸着法で堆積する。第1の金属と
してはチタンの他にタンタル(Ta)、アルミニウム
(Al)やこれらの積層膜や合金等でもよくこれらの金
属酸化物を堆積する。
【0055】次に、このチタン酸化物膜207上に、遷
移金属あるいは貴金属からなり、第1の金属より電気陰
性度が小さい第2の金属としてタングステン(W)膜2
03を厚さ5nm例えば蒸着法で堆積する。第2の金属
としてはタングステンの他にモリブデン(Mo)、白金
(Pt)、パラジウム(Pd)やこれらの積層膜や合金
などでもよく、第1の金属よりも電気陰性度が小さい遷
移金属や貴金属であればよい。
【0056】次に、この状態で真空熱処理炉に基板を移
し真空状態に引いて、タングステン膜203表面に付着
している水分(H2O)やハイドロカーボン(CH)な
どの表面付着物を除去する。
【0057】次に、高純度のアルゴン(Ar)ガス雰囲
気でこの基板を所望の温度例えば300℃まで過熱す
る。ここでは高純度のアルゴンガス雰囲気を用いたが、
高純度の窒素(N2)ガスなどの雰囲気で行ってもよ
い。
【0058】次に、図9に示すように、基板温度が所望
の温度で安定したことを確認して、アルゴンガスを高純
度の酸素ガスに切り替えて流し、約1時間そのままの状
態に保持し、シリコン基板201/チタン酸化膜207
/タングステン膜203からなる積層体を上述の酸素ガ
ス(酸化性雰囲気)で熱処理する。この時チャンバ中の
2分子205はタングステン膜203に接触すること
によって遷移金属や貴金属の触媒作用によりO原子20
6に解離し吸着される。この酸素原子206は活性原子
であり、遷移金属や貴金属膜であるタングステン膜20
3中を拡散し、第1の金属の金属酸化膜であるチタン酸
化物膜207表面に到着する。第1の金属であるチタン
は、第2の金属であるタングステンよりも電気陰性度が
大きく酸化しやすいので、酸素原子と反応してより良好
なチタン酸化物208になる。これを二次イオン質量分
析法(SIMS)、ラザフォード・バック・スキャタリ
ング(RBS)、透過型電子顕微鏡(TEM)観察およ
びX線光電子分光法(XPS)で解析したら、Ti22
膜207はTiO/TiO2が混在した薄膜208に変
わっていることを確認した。さらにTEMで詳しく観察
すると、特にTiOx膜206/Si基板201界面の
平坦性に優れていた。
【0059】このように本実施例でも実施例1と同様
に、第2の金属膜203の遷移金属や貴金属の触媒作用
を用いているので、450℃以下で高誘電体膜206を
形成可能である。したがってスパッタ等の方法によるよ
うな高温工程がなく、高誘電体膜208にダメージを与
えることがない。
【0060】また、解離したO原子は遷移金属や貴金属
膜中を均一に拡散するので第1のチタン酸化物膜207
を均一に酸化でき、膜欠陥の低い良好な高誘電体膜20
8を形成できる。
【0061】また、第1の金属の酸化物であるチタン酸
化物207を酸化する際、このチタン酸化物207が直
接酸化性雰囲気中に露出されていないので基板内におい
て酸化むらが生じにくく素子特性の基板の面内ばらつき
を低減できる。
【0062】さらに第2の金属である遷移金属や貴金属
膜203と酸化により形成された金属酸化物感の界面は
欠陥準位のない良好な界面状態であるのでこのまま第2
の金属をゲート電極に利用すればリーク電流を低減でき
る。
【0063】また、高誘電体膜206は両界面とも他の
物質で被覆されている。このため、高誘電体膜の酸化に
伴う堆積膨張、ストレスは、第2の金属が薄いので第2
の金属が変形することでストレスを吸収できる。このた
め、第2の金属203、高誘電体膜208、Si基板2
01の構造で特に大きなストレスの発生は認められなか
った。
【0064】本実施例においても、実施例1と同様の方
法を用いて電界効果型トランジスタの製造方法に用いる
ことができる。
【0065】(実施例3)本実施例では、半導体膜上に
第1の金属の酸化物を形成し、この上に第2の金属の酸
化物を形成し、還元性雰囲気中にて熱処理を施した例で
ある。
【0066】先ず、図10に示すように、実施例1で用
いた方法によりダミーゲート絶縁膜、ダミー電極を形成
しこれらを除去することによって、シリコン基板301
の上にCVD絶縁膜ゲート側壁302、イオン注入によ
りソース・ドレイン領域311、CVDによりSiO2
絶縁膜303を形成する。
【0067】次に、図11に示すように、第1の金属の
金属酸化物としてチタン酸化物(TiO2)305を2
0〜30nm例えば20nmスパッタ法にて堆積する。
次に、連続的に第2の金属の金属酸化物としてタングス
テン酸化物(WO3)306を5〜10nm例えば5n
mスパッタ法にて堆積する。この工程は、大気中にウェ
ハを露出しない連続工程であることが望ましい。このよ
うに大気中に晒さず連続形成することで、チタン酸化膜
BR>の酸素欠損を低減することができる。さらに基板温
度300〜450℃で、酸化性雰囲気中30〜60分熱
処理をしてもよい。これは、第1の金属の金属酸化膜3
05の緻密化のための操作である。
【0068】次に、還元性雰囲気で該基板を300〜6
00℃、H2O分圧10〜100ppm、窒素雰囲気で
45分間熱処理した。熱処理時間は、還元したい第2の
金属の金属酸化物の量で決まり、5〜10nmのWO3
をWに還元するには、上記熱処理条件で45〜60分で
十分であった。この還元処理によって、第1の金属の金
属酸化膜305ないに余分に参加され欠陥を形成してい
た領域を、程よく還元することで、欠陥を修正すること
ができる。このようにすることでリーク電流の抑制され
た高誘電体ゲート絶縁膜を形成できる。
【0069】次に、図12に示すように、清浄化処理を
施し、W膜307をさらに厚さ100〜300nm例え
ば100nm蒸着法にて堆積する。次に、図13に示す
ように、フォトレジストを基板前面に塗布し、CMP平
坦化処理を行ない、ゲート電極以外の不用なWを除去
し、ゲート絶縁膜305/ゲート電極306、307の
積層構造を形成する。次に、シリコン酸化膜をCVD法
で堆積し、CMPで平坦化処理をした。この後、配線形
成工程に入る。第2の金属酸化物の還元工程では、水素
濃度を制御すれば、水素雰囲気で熱処理をしても効果が
あった。
【0070】本実施例では、高誘電体ゲート絶縁膜30
5になる金属酸化物とゲート電極306になる金属酸化
物を大気中に晒さずに連続して堆積しているので、高誘
電体ゲート絶縁膜305になる金属酸化物が後の工程に
よって酸素欠損をする確率を低減している。また、ゲー
ト電極306になる金属酸化物を還元雰囲気中で還元
し、金属ゲート電極306を形成することで、金属ゲー
ト電極306/高誘電率ゲート絶縁膜305の界面は良
好に形成されリーク電流の少ない良好なゲート構造を提
供できる。
【0071】第1の金属としては、チタン(Ti)、タ
ンタル(Ta)或いはアルミニウム(Al)から選ばれ
る少なくとも1種以上の金属或いはこれらの積層膜或い
はこれらの合金でもよい。
【0072】また、第2の金属としては、タングステン
(W)、モリブデン(Mo)、白金(Pt)或いはパラ
ジウム(Pd)から選ばれる少なくとも1種以上の金属
或いはこれらの積層膜或いはこれらの合金でもよい。
【0073】(実施例4)本実施例では、ダミーゲート
絶縁膜、ダミーゲート電極を用いずに半導体基板上に本
発明のゲート構造を最初に形成した例を示す。
【0074】先ず、図14に示すように、シリコン基板
401に、清浄化処理を施した後に、第1の金属として
チタン膜402を膜厚5〜10nm堆積し、続いて第2
の金属としてタングステン膜403を膜厚20〜30n
m例えば20nm蒸着法によって堆積する。
【0075】次に、図15に示すように、この基板40
1を酸化性雰囲気で熱処理する。これによりチタン膜4
02は選択的に酸化されてチタン酸化膜(TiOX(x=
0.8〜2))404になる。
【0076】次に、図16に示すように、さらにタング
ステン膜405を堆積し、通常のPEPとRIEによ
り、FETのゲート電極になる部分のW/TiOX膜を
残して、それ以外の金属および第1の金属の金属酸化物
薄膜を除去する。
【0077】次に、図17に示すように、NMOS領域
にn-層、PMOS領域にp-層を形成するため、ゲート
電極をマスク材としてそれぞれリン(P)およびフッ化
ホウ素(BF2)をイオン注入する。NMOS領域、P
MOS領域に所望のイオンを打ち分けるには、互いの領
域をフォトレジストで保護してイオン注入すればよい。
【0078】次に、フォトレジストを除去した後に清浄
化処理を施し、側壁絶縁膜406を堆積する。これには
CVDで形成したSiO2膜を使用すればよいが、Si3
4膜でもよい。RIEよる異方性エッチングでゲート
電極側壁部にのみ絶縁膜を残せばよい。
【0079】次に、素子分離領域の酸化膜、ゲート電
極、ゲート電極側璧をマスク材として、ソース・ドレイ
ン形成のためにイオン注入する。NMOS領域にn型不
純物である砒素(As)をイオン注入するときはPMO
S領域をフォトレジストでマスクし、逆にPMOS領域
にp型不純物であるホウ素(B)をイオン注入するとき
はNMOS領域をフォトレジストでマスクして、フッ化
ホウ素(BF2)イオンを用いて行なう。次に、プラズ
マCVDで低温でSiO2膜407を堆積し、ゲート電
極を完全にSiO2膜407で覆った後に、活性化のた
めの熱処理を例えば1000〜1100℃で1〜3秒ア
ニールを施し拡散層を形成する。さらにCVDでSiO
2膜を堆積し、化学的機械的研磨法(Chemical Mechanica
l Polish, CMP)で基板表面を平坦化する。
【0080】このようにして形成したNMOS、PMO
S FETともゲート絶縁膜のリーク電流は、10-10
A/cm2のレベルであり、10nm相当のシリコン酸
化膜と同等のリークレベルであった。また、NMOS、
PMOS FETとも正常なトランジスタ特性を示し
た。ソース、ドレインを接地して、CV特性から求めた
SiO2換算膜厚は2〜3nm、透過型電子顕微鏡観察
から求めたTiO2膜厚は20〜30nmで、ウェハ前
面では膜厚のばらつきがまだあった。TiO2の比誘電
率は約40であった。本実施例では、第1の金属の金属
酸化物、第2の金属を直接RIEで加工した。また、第
1の金属であるTiをTiOX(X=0.8〜2)に酸化
して、さらにW/TiOXゲート構造をSiO2絶縁膜で
完全に覆ってから、不純物の活性化熱処理を短時間で行
なったため、W/TiOXゲート構造には特に異常は観
察されなかった。また、心配されたRIEダメージもま
ったく観察されなかった。
【0081】また、第1の金属としては、チタン(T
i)、タンタル(Ta)或いはアルミニウム(Al)か
ら選ばれる少なくとも1種以上の金属或いはこれらの積
層膜或いはこれらの合金でもよい。
【0082】また、第2の金属としては、タングステン
(W)、モリブデン(Mo)、白金(Pt)或いはパラ
ジウム(Pd)から選ばれる少なくとも1種以上の金属
或いはこれらの積層膜或いはこれらの合金でもよい。
【0083】また、本実施例では、ゲート電極に加工す
る前に第2の金属であるW/第1の金属であるTiを酸
化処理して、TiOXを先に形成したが、熱処理する雰
囲気の水素濃度にさえ注意を払えば、W/Ti薄膜をゲ
ート構造に加工した後で酸化処理して、TiOXを作成
してもよい。
【0084】
【発明の効果】本発明によれば、第1の金属の酸化膜と
第2の金属の界面は連続的に形成され、活性酸素は、第
2の金属の表面で吸着解離して、第1の金属に拡散して
第1の金属を酸化する。第1の金属は、下面は半導体
に、上面は第2の金属に接着したまま酸化することにな
る。
【0085】このため、酸化は均一に第2の金属側から
進行し、組成の一定な第2の金属の酸化膜が形成でき
る。また、第2の金属の酸化物(高融点ゲート絶縁膜)
は形成後、大気に晒されることもなく、また、形成温度
以上の処理温度に晒されることもないので、良好なゲー
ト構造を提供できる。
【0086】また、本発明は、第1の金属酸化物を半導
体の上に堆積し、第2の金属酸化物をその上に堆積する
ので、第1の金属の酸化物は、両界面は薄膜または基板
で保護されているので、製造工程の途中で安定である。
しかる後、還元性雰囲気で熱処理すると、還元しやすい
第2の金属の酸化物が優先的に還元されて、第2の金属
になる。の工程は大気中に基板を晒すことなく、連続で
堆積できるので、良好なゲート構造を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1にかかる半導体装置の製造
方法を説明する工程断面図。
【図2】 本発明の実施例1にかかる半導体装置の製造
方法を説明する工程断面図。
【図3】 本発明の実施例1にかかる半導体装置の製造
方法を説明する工程断面図。
【図4】 本発明の実施例1にかかる半導体装置の製造
方法を説明する工程断面図。
【図5】 本発明の実施例1にかかる半導体装置の製造
方法を説明する工程断面図。
【図6】 本発明の実施例1にかかる半導体装置の製造
方法を説明する工程断面図。
【図7】 本発明の実施例1にかかる半導体装置の製造
方法を説明する工程断面図。
【図8】 本発明の実施例2にかかる半導体装置の製造
方法を説明する工程断面図。
【図9】 本発明の実施例2にかかる半導体装置の製造
方法を説明する工程断面図。
【図10】 本発明の実施例3にかかる半導体装置の製
造方法を説明する工程断面図。
【図11】 本発明の実施例3にかかる半導体装置の製
造方法を説明する工程断面図。
【図12】 本発明の実施例3にかかる半導体装置の製
造方法を説明する工程断面図。
【図13】 本発明の実施例3にかかる半導体装置の製
造方法を説明する工程断面図。
【図14】 本発明の実施例4にかかる半導体装置の製
造方法を説明する工程断面図。
【図15】 本発明の実施例4にかかる半導体装置の製
造方法を説明する工程断面図。
【図16】 本発明の実施例4にかかる半導体装置の製
造方法を説明する工程断面図。
【図17】 本発明の実施例4にかかる半導体装置の製
造方法を説明する工程断面図。
【符号の説明】
101…n型Si基板 102…pウェル 103…STI用SiO2 104…ゲート絶縁膜 105…多結晶シリコン 106…ゲート側壁絶縁膜 107… SiO2 108…トレンチ部 109…チタン薄膜 110…タングステン薄膜 111…タングステン薄膜 201…Si基板 202…チタン薄膜 203…タングステン薄膜 204…Ti/TiO2が混在した薄膜 205…酸素分子 206…酸素原子 301…Si基板 302…ゲート側壁膜 303…SiO2 304…トレンチ部 305…チタン酸化物(TiO2) 306…タングステン酸化膜(WO3) 401…Si基板 402…チタン薄膜 403…タングステン薄膜 404…チタン酸化物(TiOX(X=0.8〜2) 405…タングステン 405…側壁絶縁膜 407…SiO2
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 29/78 (56)参考文献 特開 平10−12844(JP,A) 特開 平9−45679(JP,A) 特開 平10−50701(JP,A) 特開 平11−67756(JP,A) 特開 平11−214386(JP,A) 特開 平10−56175(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/28 H01L 21/316 H01L 29/423 H01L 29/49 H01L 29/78

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体膜上に、シリコン熱酸化膜の比誘電
    率よりも高い比誘電率を示す酸化物になる第1の金属を
    堆積する工程と、 前記第1の金属上に、遷移金属あるいは貴金属からな
    り、前記第1の金属より電気陰性度が小さい第2の金属
    を堆積する工程と、 前記積層体を酸化性雰囲気で熱処理する工程とを具備す
    ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 半導体膜に接して、シリコン熱酸化膜の比
    誘電率よりも高い比誘電率を示すゲート絶縁膜用酸化物
    になる第1の金属の酸化物を堆積する工程と、 前記第1の金属の酸化物に接する、遷移金属あるいは貴
    金属からなり、前記第1の金属より電気陰性度が小さい
    第2の金属を堆積する工程と、 前記積層体を酸化性雰囲気で熱処理する工程とを具備す
    ることを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方
    法。
  3. 【請求項3】半導体膜上に、チタン、タンタル、アルミ
    ニウムから選んだ少なくとも1種類以上の第1の金属を
    堆積する工程と、 前記第1の金属上に、遷移金属あるいは貴金属からな
    り、前記第1の金属より電気陰性度が小さい第2の金属
    を堆積する工程と、 前記積層体を酸化性雰囲気で熱処理する工程とを具備す
    ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 半導体膜に接して、チタン、タンタル、ア
    ルミニウムから選んだ少なくとも1種類以上の第1の金
    属のゲート絶縁膜用酸化物を堆積する工程と、 前記第1の金属の酸化物に接する、遷移金属あるいは貴
    金属からなり、前記第1の金属より電気陰性度が小さい
    第2の金属を堆積する工程と、 前記積層体を酸化性雰囲気で熱処理する工程とを具備す
    ることを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方
    法。
  5. 【請求項5】半導体膜上に、チタン、タンタル、アルミ
    ニウムから選んだ少なくとも1種類以上の第1の金属を
    堆積する工程と、 前記第1の金属上に、タングステン、モッリブデン、白
    金、パラジウムから選んだ少なくとも1種類以上の第2
    の金属を堆積する工程と、 前記積層体を酸化性雰囲気で熱処理する工程とを具備す
    ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 半導体膜に接して、チタン、タンタル、ア
    ルミニウムから選んだ少なくとも1種類以上の第1の金
    属のゲート絶縁膜用酸化物を堆積する工程と、 前記第1の金属の酸化物に接する、タングステン、モッ
    リブデン、白金、パラジウムから選んだ少なくとも1種
    類以上の第2の金属を堆積する工程と、 前記積層体を酸化性雰囲気で熱処理する工程とを具備す
    ることを特徴とする電界効果型トランジスタの製造方
    法。
  7. 【請求項7】前記第1の金属の酸化物の膜厚は5nm〜
    10nmであることを特徴とする請求項2、4及び6の
    いずれかに記載の 電界効果型トランジスタの製造方法。
  8. 【請求項8】半導体膜上に、シリコン熱酸化膜の比誘電
    率よりも高い比誘電率を示す酸化物になる第1の金属の
    酸化物を堆積する工程と、 前記第1の金属の酸化物上に、遷移金属あるいは貴金属
    からなり、前記第1の金属より電気陰性度が小さい第2
    の金属の酸化物を堆積する工程と、 前記積層体を還元性雰囲気で熱処理する工程とを具備す
    ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項9】半導体膜上に、チタン、タンタル、アルミ
    ニウムから選んだ少なくとも1種類以上の第1の金属の
    酸化物を堆積する工程と、 前記第1の金属の酸化物上に、遷移金属あるいは貴金属
    からなり、前記第1の金属より電気陰性度が小さい第2
    の金属の酸化物を堆積する工程と、 前記積層体を還元性雰囲気で熱処理する工程とを具備す
    ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  10. 【請求項10】半導体膜上に、チタン、タンタル、アル
    ミニウムから選んだ少なくとも1種類以上の第1の金属
    の酸化物を堆積する工程と、 前記第1の金属の酸化物上に、タングステン、モッリブ
    デン、白金、パラジウムから選んだ少なくとも1種類以
    上の第2の金属の酸化物を堆積する工程と、 前記積層体を還元性雰囲気で熱処理する工程とを具備す
    ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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