JP3618320B2 - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体装置およびその製造方法に係り、金属酸化物絶縁層を高配向化し、半導体素子、特にＭＩＳ型トランジスタの動作特性と信頼性の改善をはかった半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩの高性能化・高速化に従って、ＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型トランジスタの微細化が進んでいる。これに伴って、ＭＩＳ型トランジスタのゲート絶縁層も急速に薄膜化しており、極薄膜のシリコン酸化物絶縁層を均一にかつ高い信頼性で形成する技術から、より比誘電率の高い金属酸化物絶縁層を用いて物理膜厚を厚くすることによりリーク電流を低減しかつゲート電極直下での移動度劣化なしで形成する技術に移行しつつある。
【０００３】
しかしながら、従来、金属酸化物単体では多結晶化することが避けられず、多結晶粒界に起因するリークや固定電荷が発生したり、比誘電率の異方性に起因する比誘電率低下と電界集中によるリーク発生が懸念されている。
【０００４】
そこで金属酸化物をシリケートにし、かつ化学量論組成からずらすことによってアモルファス状態を維持させてこれらの問題を抑制することが試みられている。しかしながらこのようなシリケートにおいては、比誘電率の低いシリコン酸化物のアモルファス相に比誘電率の高い金属酸化物の微結晶相が分散した状態に相分離してしまうため、比誘電率の面内不均一と電界集中によるリーク発生が懸念されている。
【０００５】
また、金属酸化物絶縁層をエピタキシャル成長する提案もなされているが、ＣｅＯ_２のようなシリコンと極めて格子不整合の小さな場合も含めてシリコン−酸素−金属結合で構成される界面を有する場合は、この結合では結合方向に垂直な方向の回転障壁が低く界面ストレスを緩和するように金属酸化物の結晶構造が歪んでしまうため、配向制御は困難であった。シリコン（１１１）面上においてはＣｅＯ_２（１１１）のエピタキシャル成長による単結晶金属酸化物絶縁層の形成も報告されている。しかしながらシリコン（００１）面上においては高誘電率金属酸化物絶縁層のエピタキシャル成長は困難であり、例えばスパッタリング法やＭＯＣＶＤ法で形成したジルコニウム酸化物の場合は、基板法線方向に（１１１）配向が優先的ではあるが（２００）や（２２０）配向の混在したＺｒＯ_２となる。
【０００６】
このように高誘電率を有する金属酸化物ゲート絶縁層においては、結晶性が高く、かつその結晶の配向性の高い金属酸化物絶縁層を形成することが理想とされているが、未だ実現されていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、結晶性が高くかつ配向性の高い金属酸化物絶縁層を形成し、比誘電率の面内均一性が向上すると共に、粒界起因のリーク電流や固定電荷の発生が抑制され、半導体素子、特にＭＩＳ型トランジスタの動作特性と長期信頼性の改善をはかった半導体装置が実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、シリコン（００１）基板のシリコン（００１）面上に結晶性が高くかつ配向性の高い金属酸化物絶縁層を得るために研究した結果、シリコン（００１）基板と、金属酸化物絶縁層との界面に、基板のシリコンと、金属酸化物の金属に結合する窒素１原子層からなる界面層を存在せしめる事により結晶面又は軸が基板法線方向に極めて強く配向した多結晶あるいは単結晶の金属酸化物絶縁層を形成することができることを見出した。
【０００９】
すなわち、本発明は、シリコン（００１）基板と、
前記シリコン（００１）基板上に形成され、前記シリコン（００１）基板の方線方向に結晶面又は軸が配向した単結晶もしくは多結晶の金属酸化物の絶縁層と、
前記シリコン（００１）基板と前記絶縁層との界面に前記シリコン（００１）基板のシリコン原子と前記金属酸化物の金属原子の両方に結合する１原子層の窒素層とを備える半導体装置である。
【００１０】
また、本発明は、第１の有機金属ソースガスを用いてシリコン（００１）基板表面に、前記シリコン（００１）基板のシリコン原子に結合する１原子層の窒素層と、前記窒素層の窒素に結合する金属を含む金属酸化物層との積層体を自己停止的に成膜する第１工程と、
前記第１の工程における成膜条件を自己停止条件からずらし前記金属酸化物層を厚膜化する第２工程と、
を行なうことにより絶縁層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１１】
本発明の半導体装置においては、シリコン（００１）面と金属酸化物絶縁層の界面を、結合方向に垂直な方向の回転障壁の低いシリコン−酸素−金属結合ではなく、回転および変角障壁の高いシリコン−窒素−金属結合で形成するため、絶縁層の結晶の配向性を制御することができる。
【００１２】
図１に、絶縁層としてＺｒＯ_２を用いた場合において、シリコン（００１）表面にシリコン原子と前記絶縁層の金属原子の両方に結合する１原子層の窒素層を介して１分子層のＺｒＯ_２が形成された構造の計算例を示す。これらの構造はＲＨＦ／ＬＡＮＬ２ＤＺレベル（一部はＲＨＦ／ＬＡＮＬ２ＭＢ）の非経験的分子軌道法で最適化した。
【００１３】
図１（ａ−１）、（ａ−２）はシリコンダイマー列方向に２個分、ダイマー列と直交方向に３個分の計６個のＺｒ酸化物が形成された状態を示し、（ａ−１）は、［−１１０］方向からの図、（ａ−２）は［００１］方向からの図である。図１（ｂ−１）、（ｂ−２）はダイマー列方向に３個分、ダイマー列と直交方向に１個分の計３個のＺｒ酸化物が形成された状態である。（ｂ−１）は、［１１０］方向からの図、（ｂ−２）は、［００１］方向からの図である。
【００１４】
図１では端部のＺｒをＯＨ基で終端したモデルを用いているため、その部分はＺｒ−Ｏ−Ｚｒ結合を有する部分と結合角が異なっているが、カバレージが１モノレイヤに達した場合はこのような仮想的な状態にはならず、基板平面方向にはほぼ均一な結合角となる。
【００１５】
図１（ａ−１）、（ａ−２）と（ｂ−１）、（ｂ−２）から、一原子層の窒素層を介することにより、正方晶ＺｒＯ_２は（００２）ＺｒＯ_２／／（００１）Ｓｉの方位関係で安定に成長しうることがわかる。
【００１６】
この大きさのモデル計算では［−１１０］方向のＺｒ−Ｚｒ距離とＳｉ−Ｓｉ距離の不整合率は３〜５％であり、格子定数から求まる３．３％とほぼ一致している。金属酸化物とシリコンについて、想定している面の格子定数をそれぞれａおよびｂとすると、格子不整合率は△＝｜（ｂ−ａ）／ｂ｜で表される。コヒーレント成長が達成される臨界膜厚を超えて厚膜化した場合でも、格子不整合から発生するミスフィット転位密度から期待されるドメインの大きさはｂ／△の程度であり、典型的には数１０ｎｍ以上の結晶が成長する。
【００１７】
このように本発明の半導体装置の如くシリコン（００１）基板上に１原子層の窒素層を介することにより、前記シリコン（００１）基板上に金属酸化物結晶の面または軸がシリコン（００１）基板の方線方向に配向した単結晶あるいは多結晶の金属酸化物絶縁層が実現できる。
【００１８】
また、本発明の半導体装置においては絶縁層に存在する窒素量が極めて少ない。
【００１９】
従来、ＭＩＳ型トランジスタのゲート絶縁層として比誘電率がシリコン酸化膜と金属酸化物絶縁膜との中間にあたる窒素を含んだシリコン酸化膜いわゆるシリコン酸窒化膜も、単独あるいは金属酸化物との積層構造で用いられている。しかしながら、シリコン酸窒化膜では、窒素はシリコン酸窒化膜表面およびシリコン酸窒化膜とシリコン基板との界面に偏析し易い。
【００２０】
図１５にシリコン（００１）ｃ（４ｘ２）清浄表面をＮＯ酸窒化した場合の窒素と酸素の安定位置の例として、スピン分極を考慮した第一原理ＧＧＡ−ＤＦＴ計算で決定した結果を示す。ｃ（４×２）は、非対称ダイマーがダイマー列方向に２つとダイマー列と直交方向に２つ反強磁性配列をした、中心に格子点がある（４×２）面心格子を意味する。
【００２１】
図１５（ａ−１）、（ａ−２）、（ａ−３）は３つのＮＯ分子が解離吸着して安定構造をとった状態の一例を示し、（ａ−１）は［１１０］方向からの図、（ａ−２）は［００１］方向からの図、（ａ−３）は［−１１０］方向からの図である。図１５中（１）で示した窒素はシリコンに３配位しているが、（２）で示した窒素は２配位でダングリングボンドが残存している。このように、Ｓｉ−Ｓｉ結合に挿入された窒素および酸素の結合状態は多様となり、金属酸化物結晶が一方向に配高した状態にはなり難い。また界面から数原子層の間にランダムに存在する窒素は、正の固定電荷を発生させ、リモートクーロン散乱によるキャリア移動度低下を誘起したり、界面準位の原因となってしまう。
【００２２】
また、従来ＭＩＳ型トランジスタのゲート絶縁層としてシリコンと金属と窒素の３元系酸化物いわゆるシリケートを単独あるいは金属酸化物との積層構造にて用いる技術がある。このような構造を用いる場合にも、Ｓｉ−Ｓｉ結合に挿入された窒素および酸素の結合状態は多様となり、金属酸化物結晶が一方向に配向した状態にはなり難い。さらに界面から数原子層の間にランダムに存在する窒素は界面準位やキャリア移動度低下の原因となってしまう。
【００２３】
本発明の半導体装置においては、金属酸化物層が安定に配向制御されるため、比誘電率の面内均一性が向上すると共に、金属酸化物粒界起因のリーク電流や固定電荷が抑制される。また絶縁層に存在する窒素量が少ないため窒素の存在に起因する界面準位やキャリア移動度低下が生じにくいという作用も生じる。したがって長期信頼性の改善をはかったＭＩＳ型トランジスタが実現できる。
【００２４】
また、本発明の半導体装置においては、前記シリコン（００１）基板の最表面と前記１原子層の窒素層のいずれか、あるいはその両方のダングリングボンドは、フッ素（Ｆ）、水素（Ｈ）、重水素（Ｄ）のいずれか終端されていることが望ましく、それにより界面準位発生が抑制される。
【００２５】
本発明において、金属酸化物としては、上記ＺｒＯ_２の他、ＨｆＯ_２，ＣｅＯ_２，Ｐｒ_２Ｏ_３，Ｙ_２Ｏ_３，ＳＴＯ（ＳｒＴｉＯ_３）等のように、その酸化物が正方晶あるいは立方晶系の結晶構造をとりうる金属の酸化物およびそれら金属とシリコンを含有する複合酸化物が挙げられる。特にＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、シリコンを含有する、Ｚｒ又はＨｆの複合酸化物は、従来よりシリコン半導体プロセスで用いられてきたＴｉと同族元素であるＺｒ、Ｈｆの酸化物であり、高いプロセス整合性が期待できるため特に望ましい。
【００２６】
これらの金属酸化物においては、例えば、ＨｆＯ_２では（００２）ＨｆＯ_２／／Ｓｉ（００１）（格子不整合率１．６％）、ＣｅＯ_２では（１１０）ＣｅＯ_２／／Ｓｉ（００１）（格子不整合率０．３５％）、Ｐｒ_２Ｏ_３では（１１０）Ｐｒ_２Ｏ_３／／（００１）Ｓｉ（格子不整合率２．６％）、Ｙ_２Ｏ_３では（１１０）Ｙ_２Ｏ_３／／（００１）Ｓｉ（格子不整合率２．４％）、ＳＴＯでは（００１）ＳＴＯ／／（００１）Ｓｉ（格子不整合率１．６％）、等の方位関係で本質的に同じ界面構造が得られる。
【００２７】
本発明の半導体装置における、金属酸化物絶縁層にはシリコンなど他の元素を含んでいても良いが、高配高性の金属酸化物絶縁層を得る上で、２０原子％以下より好ましくは１６．７原子％以下であることが望ましい。
【００２８】
本発明の半導体装置シリコン基板のシリコン（００１）面と金属酸化物絶縁層との界面に１原子層の窒素層を形成するには、ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、あるいはリモートプラズマＣＶＤ法、特に有機金属ソースガスを用いたＭＯＣＶＤ法により形成することができる。
【００２９】
具体的には、まず、シリコン（００１）基板のシリコン（００１）表面に、有機金属ソースガス、後述する第１の有機金属ソースガスを用いて、前記シリコン（００１）基板のシリコン原子に結合する１原子層の窒素層と、前記窒素層上に前記窒素に結合する金属を含む金属酸化物層との積層体を自己停止的に成膜する第１工程を行なう。
【００３０】
このとき、シリコン基板としてはフッ素（Ｆ）あるいは水素（Ｈ）あるいは重水素（Ｄ）で終端処理されたものを用いるか、あるいは前記有機金属ソースガスにＦ，ＨあるいはＤが含まれているものを用いることによって、シリコン基板表面に生成しうるＳｉあるいはＮのダングリングボンドを終端し安定化することが望ましい。
【００３１】
前記第１の有機金属ソースガスとしては、有機金属錯体ガス、例えば下記式（１）又は（２）で表される化合物が挙げられる。
【００３２】
Ｍ（ＮＸＸ´）_２（ＯＲ´）_２ 式（１）
Ｍ（ＮＸＲ）_２（ＯＲ´）_２ 式（２）
（ただし式（１）、（２）において、ＭはＺｒ，Ｈｆ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｙ，Ｓｒ，Ｔｉ等、その酸化物が正方晶あるいは立方晶系の結晶構造をとりうる金属から選択される少なくとも一種の金属元素、Ｎは窒素であり、Ｘ及びＸ´はＨ，Ｄ，あるいはＦから選択される元素で同じであっても異なっていても良く、Ｒ及びＲ´はそれぞれ異なっており、炭化水素基から選択される少なくとも一種の官能基である。）
前記Ｒ及びＲ´の具体例としては、ＣＨ_３基、Ｃ_２Ｈ_５基、ＣＨ（ＣＨ_３）_２基、Ｃ（ＣＨ_３）_３基、Ｃ_３Ｈ_７基、Ｃ_４Ｈ_９基等の官能基が挙げられる。
【００３３】
前記式（２）のＲとＲ´との関係は、実用上の蒸気圧が十分に高い化合物ＲＨを形成するとともに、少なくとも原子Ｘ（Ｘ＝Ｈ、ＤあるいはＦ）との結合エンタルピー△Ｈが△Ｈ（Ｒ−Ｘ）結合＞△Ｈ（Ｒ´−Ｘ）結合であることが必要であり、さらには原子Ｘによるこれら有機金属錯体ガスからのＲ、Ｒ´引き抜き反応の反応障壁がＲ＜Ｒ´であることが好ましい。より詳細には、上記有機金属錯体ガス分子自体およびこの分子が基板に吸着反応した後において、ある注目する原子ＡおよびＢ間の結合エンタルピー△Ｈ（Ａ−Ｂ）（一般に＞０である）が、ＡおよびＢのバックボンドに結合した原子団（および基板）による結合エンタルピーの変調効果も含めて、室温から成膜温度の範囲において以下の条件を満たすことが望ましい。
【００３４】
すなわち、原料／生成ガス分子における△Ｈを△Ｈｇとし、基板に吸着反応した後の△Ｈを△Ｈｓとし、
△Ｈ１＝△Ｈｓ（Ｎ−Ｓｉ）＋△Ｈｇ（Ｒ−Ｘ）−｛△Ｈｓ（Ｓｉ−Ｘ）＋△Ｈｇ（Ｎ−Ｒ）｝、
△Ｈ２＝△Ｈｓ（Ｍ−Ｓｉ）＋△Ｈｇ（Ｎ−Ｘ）−｛△Ｈｓ（Ｓｉ−Ｘ）＋△Ｈｇ（Ｍ−Ｎ）｝、
△Ｈ３＝△Ｈｓ（Ｓｉ−Ｏ）＋△Ｈｇ（Ｒ´−Ｘ）−｛△Ｈｓ（Ｓｉ−Ｘ）＋△Ｈｇ（Ｏ−Ｒ´）｝、
△Ｈ４＝△Ｈｓ（Ｍ−Ｓｉ）＋△Ｈｇ（Ｏ−Ｘ）−｛△Ｈｓ（Ｓｉ−Ｘ）＋△Ｈｇ（Ｍ−Ｏ）｝、
△Ｈ５＝△Ｈｓ（Ｎ−Ｓｉ）＋△Ｈｇ（Ｘ−Ｘ´）−｛△Ｈｓ（Ｓｉ−Ｘ´）＋△Ｈｇ（Ｎ−Ｘ）｝、
△Ｈ６＝△Ｈｓ（Ｎ−Ｓｉ）＋△Ｈｇ（Ｘ−Ｘ´）−｛△Ｈｓ（Ｓｉ−Ｘ）＋△Ｈｇ（Ｎ−Ｘ´）｝、
とした時、△Ｈ１＞０かつ△Ｈ１＞△Ｈ２かつ△Ｈ１＞△Ｈ３かつ△Ｈ１＞△Ｈ４かつ△Ｈ１＞△Ｈ５かつ△Ｈ１＞△Ｈ６を満たすことが必要である。
【００３５】
なお、上記第１の有機金属ソースガスに用いられる有機金属錯体は気相中でモノマーであっても良いし、ダイマー等のオリゴマーを形成していても良い。
【００３６】
次に、第１の有機金属ソースガスとは異なる第２の有機金属ソースガスを用いて厚膜化する第２工程を実施することにより金属酸化物層を成膜および厚膜化することができる。この場合は同時に、基板側からＳｉ−Ｎ−金属結合で構成される１層分に生じる可能性のある欠損部分を金属酸化物層で充填することもできる。
【００３７】
前記第２の有機金属ソースガスとしては、有機金属錯体ガス、例えば下記式（３）で表される化合物が挙げられる。
ＭＲ´´_２（ＯＲ´）_２ 式（３）
（ただし式（３）において、ＭはＺｒ，Ｈｆ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｙ，Ｓｒ、Ｔｉ等、その酸化物が正方晶あるいは立方晶系の結晶構造をとりうる金属から選択される少なくとも一種の金属元素、Ｒ´及びＲ´´は同じであっても異なっていても良く、炭化水素基から選択される少なくとも一種の官能基である。）
前記Ｒ´及びＲ´´の具体例としては、ＣＨ_３基、Ｃ_２Ｈ_５基、ＣＨ（ＣＨ_３）_２基、Ｃ（ＣＨ_３）_３基、Ｃ_３Ｈ_７基、Ｃ_４Ｈ_９基等の官能基が挙げられる。
【００３８】
ここで、Ｒ´とＲ´´は、実用上の蒸気圧が十分に高い化合物Ｒ´Ｒ´´あるいはＲ´Ｘ、Ｒ´´Ｘを形成するとともに、
△Ｈ７＝△Ｈｓ（Ｍ−Ｏ）＋△Ｈｇ（Ｒ´−Ｒ´´）−｛△Ｈｓ（Ｏ−Ｒ´）＋△Ｈｇ（Ｍ−Ｒ´´）｝、
△Ｈ８＝△Ｈｓ（Ｏ−Ｏ）＋△Ｈｇ（Ｒ´−Ｒ´）−｛△Ｈｓ（Ｏ−Ｒ´）＋△Ｈｇ（Ｏ−Ｒ´）｝
とした時、△Ｈ７＞０かつ△Ｈ７＞△Ｈ８を満たすことが必要であるか、または、
△Ｈ９＝△Ｈｓ（Ｍ−Ｎ）＋△Ｈｇ（Ｒ´´−Ｈ）−｛△Ｈｓ（Ｎ−Ｘ）＋△Ｈｇ（Ｍ−Ｒ´´）｝、
△Ｈ１０＝△Ｈｓ（Ｍ−Ｎ）＋△Ｈｇ（Ｏ−Ｘ）−｛△Ｈｓ（Ｎ−Ｘ）＋△Ｈｇ（Ｍ−Ｏ）｝、
△Ｈ１１＝△Ｈｓ（Ｎ−Ｏ）＋△Ｈｇ（Ｒ´−Ｘ）−｛△Ｈｓ（Ｎ−Ｘ）＋△Ｈｇ（Ｏ−Ｒ´）｝
とした時、△Ｈ９＞０かつ△Ｈ９＞△Ｈ１０かつ△Ｈ９＞△Ｈ１１を満たすことが必要である。
【００３９】
なお、上記第２の有機金属ソースガスに用いられる有機金属錯体は気相中でモノマーであっても良いし、ダイマー等のオリゴマーを形成していても良い。
【００４０】
第２工程における基板温度の高温化または前記第２の有機金属ソースガス分圧の高圧化によって第２工程における厚膜化を行なう場合、以下の条件を取ればよい。
【００４１】
前記の結合エンタルピーの変化△Ｈ７に対応する反応式を一般に、
Ｓｕｂ ＋ ｒ＊Ｓｒｃ（ｇａｓ） ＝ Ｓｕｂ´ ＋ ｓ＊Ｐｒｏｄ（ｇａｓ）
Ｓｕｂ＝反応前の基板、Ｓｕｂ´＝反応後の基板、Ｓｒｃ＝第２の有機金属ソースガス、Ｐｒｏｄ＝Ｒ´Ｒ´´等の反応副生成物ガス、と表した時、平衡定数Ｋ７は、
Ｋ７＝（ｐＰｒｏｄ）^ｓ／（ｐＳｒｃ）^ｒ＝Ｃ＊ｅｘｐ（−△Ｈ７／ｋＴ）
ｐＳｒｃ＝第２の有機金属ソースガスの分圧、ｐＰｒｏｄ＝反応副生成物ガスの分圧、Ｃ＝順方向と逆方向との前指数因子の比、ｋ＝Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数、Ｔ＝基板温度（Ｋ）、と表される。自己停止条件での平衡定数をＫ７（０）とすると、Ｋ７／Ｋ７（０）＞＞１を満たすように基板温度Ｔまたは前記第２の有機金属ソースガス分圧ｐＳｒｃを設定すればよい。もちろん、反応副生成物ガスのスカベンジによるｐＰｒｏｄの低分圧化も有効である。
【００４２】
また、第２工程は、前記第２の有機金属ソースガスを用いず、第１工程における基板温度の高温化または前記第１の有機金属ソースガス分圧の高圧化によって第１工程における反応の自己停止条件からずらすことにより成膜および厚膜化を行なうこともできる。この場合は、以下の条件を取ればよい。
【００４３】
下記の結合エンタルピーの変化
△Ｈ１２＝△Ｈｓ（Ｍ−Ｏ）＋△Ｈｇ（Ｒ´−ＮＲＸ）−｛△Ｈｓ（Ｍ−ＮＲＸ）＋△Ｈｇ（Ｏ−Ｒ´）｝
に対応する反応式を一般に、
Ｓｕｂ ＋ ｒ＊Ｓｒｃ（ｇａｓ） ＝ Ｓｕｂ´ ＋ ｓ＊Ｐｒｏｄ（ｇａｓ）
Ｓｕｂ＝反応前の基板、Ｓｕｂ´＝反応後の基板、Ｓｒｃ＝第１の有機金属ソースガス、Ｐｒｏｄ＝ＮＸＲ´Ｒ´´等の反応副生成物ガス、と表した時、平衡定数Ｋ１２は
Ｋ１２＝（ｐＰｒｏｄ）^ｓ／（ｐＳｒｃ）^ｒ＝Ｃ＊ｅｘｐ（−△Ｈ１２／ｋＴ）
ｐＳｒｃ＝第１の有機金属ソースガスの分圧、ｐＰｒｏｄ＝反応副生成物ガスの分圧、Ｃ＝順方向と逆方向との前指数因子の比、ｋ＝Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数、Ｔ＝基板温度（Ｋ）、と表される。自己停止条件での平衡定数をＫ１２（０）とすると、Ｋ１２／Ｋ１２（０）＞＞１を満たすように基板温度Ｔまたは前記第１の有機金属ソースガス分圧ｐＳｒｃを設定すればよい。もちろん、反応副生成物ガスのスカベンジによるｐＰｒｏｄの低分圧化も有効である。
【００４４】
シリコンを含有する絶縁層を形成する場合には、前記のガスに換えてあるいは他に無機シランガスと酸化剤ガス；有機シランガスと酸化剤ガスがなど用いられる。無機シランガスとしては、ＳｉＨ_４，ＳｉＤ_４，Ｓｉ_２Ｈ_６，Ｓｉ_２Ｄ_６など、有機シランガスとしてはＳｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_４，Ｓｉ（ＯＣ_４Ｈ_９）_４，ＨＳｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_３，Ｈ_２Ｓｉ（ＯＣ_２Ｈ_５）_２など、およびそれらの重水素置換体などが挙げられる。酸化剤ガスとしては、Ｏ_２，Ｎ_２Ｏ，ＮＯなどが挙げられる。
【００４５】
本発明にかかる絶縁層は、ＭＩＳ型トランジスタのゲート絶縁膜や、キャパシタ、センサー、などの半導体素子の絶縁層に用いることができる。特にＭＩＳ型トランジスタのゲート絶縁膜に適用されることが望ましい。
【００４６】
【発明の実施の形態】
以下本発明を具体的に説明する。
（第１の実施形態）
本発明は典型的なＭＩＳ型トランジスタ形成プロセスやダマシンゲートＭＩＳ型トランジスタ形成プロセスなどＭＩＳ型トランジスタ形成プロセスに適用できる。
【００４７】
まず典型的なＭＩＳ型トランジスタ形成プロセスについて説明する。
【００４８】
まず、図２に示すように、単結晶のｐ型シリコン（００１）基板１１を水素終端した後、基板１１の表面に、素子分離の役割を果たす深い溝を形成し、ＣＶＤ法によりシリコン酸化層１３で埋め込み、素子分離領域１２を形成する。（第１工程）
次に、図３に示すように、ゲート絶縁層として高誘電率金属酸化物層であるＺｒＯ_２層１４を形成する（ＺｒＯ_２層の形成方法は、後で詳細に述べる）。（第２工程）
次に、図４に示すように、ＺｒＯ_２層１４の上部にゲート電極としてポリシリコン層１５をＣＶＤ法によって形成する。（第３工程）
次に、図５に示すように、ポリシリコン１５上にフォトレジストパターン１６を形成する。（第４工程）
次に、図６に示すように、フォトレジストパターン１６をマスクとして、ポリシリコン層１５を反応性イオンエッチングし、第１のゲート電極１５を形成する。（第５工程）
次に、砒素のイオン注入を、例えば加速電圧４０ｋｅＶ、ドーズ量２ｘ１０^１５ｃｍ^−２の条件で行い活性化熱処理することで、高不純物濃度のｎ^＋型ゲート電極１５、ｎ^＋型ソース領域１７、ｎ^＋型ドレイン領域１８を同時に形成する。（第６工程）
次に、図７に示すように、全面に３００ｎｍのシリコン酸化層をＣＶＤ法により堆積し、層間絶縁層１９を形成する。この後、層間絶縁層１９上にコンタクトホール形成用のフォトレジストパターン（不図示）を形成し、これをマスクとして反応性イオンエッチング法により層間絶縁層１９をエッチングして、コンタクトホールを開口する。最後に、全面にＡｌ層をスパッタ法により形成した後、これをパターニングして、ソース電極１１０、ドレイン電極１１１、および第２のゲート電極１１２を形成してｎ型ＭＩＳ型トランジスタが完成する。（第７工程）
ＭＩＳ型トランジスタの基本構成は図７に示すようにシリコン基板１１と、前記シリコン基板に互いに離間して設けられたソース領域１７及びドレイン領域１８と、前記シリコン基板１１上にゲート絶縁層１４と、前記ゲート絶縁層１４上に形成されたゲート電極を備えてなる。
【００４９】
なお、本実施形態では、ｎ型ＭＩＳ型トランジスタの製造工程を示したが、ｐ型ＭＩＳ型トランジスタでは導電型がｎ型とｐ型で入れ替わる点が異なるだけであり、基本的な製造工程はまったく同じである。
【００５０】
次にダマシンゲートプロセスによるＭＩＳ型トランジスタ形成について説明する。
【００５１】
図１６は、この種のＭＩＳ型トランジスタの製造方法（ダミーゲートプロセス）を示す工程断面図である。
【００５２】
まず、図１６（ａ）に示すように、シリコン基板１１０１の表面にトレンチを形成し、このトレンチをシリコン酸化層等の絶縁層１１０２で埋め込むことにより、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）による素子分離を行う。（第１工程）
次に図１６（ｂ）に示すように、シリコン基板１１０１のＭＯＳトランジスタ形成領域に不純物イオンを注入し、アニールを行うことによって、ウェル１１０３を形成する。（第２工程）
次に図１６（ｃ）に示すように、シリコン基板１１０１の表面にダミーゲート絶縁層１１０４としてのシリコン酸化層を熱酸化により形成し、ダミーゲート絶縁層１１０４上にダミーゲート電極１１０５となる多結晶シリコン層を堆積し、この多結晶シリコン層をパターニングしてダミーゲート電極１１０５を形成し、続いてソース／ドレイン形成予定領域のダミーゲート絶縁層１１０４を除去し、ダミーゲート電極１１０５およびウェル１１０３の表面を酸化してシリコン酸化層１１０６を形成し、ダミーゲート電極１１０５をマスクにして不純物イオンをウェル１１０３の表面に注入し、熱処理を行ってエクステンション（低不純物濃度で浅い拡散領域）１１０７を形成する。エクステンション１１０７は、ソース／ドレイン領域の一部を構成する。（第３工程）
次に図１６（ｄ）に示すように、ゲート側壁絶縁層１１０８となるシリコン窒化層を全面に堆積し、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）等の異方性エッチングによる全面エッチングを行ってゲート側壁絶縁層１１０８を形成した後、ゲート側壁絶縁層１１０８およびダミーゲート電極１１０５をマスクにして不純物イオンをウェル１１０３の表面に注入し、熱処理を行ってソース／ドレイン領域（高不純物濃度で深い領域）１１０９を形成する。（第４工程）
次に図１６（ｅ）に示すように、層間絶縁層１１１０となるシリコン酸化層等の絶縁層を全面に堆積した後、ダミーゲート電極１１０５の上面が露出するまで上記絶縁層の表面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により研磨して、表面を平坦化する。（第５工程）
次に図１６（ｆ）に示すように、ダミーゲート電極１１０５をＣＤＥ等の等方性エッチングにより除去して開口部（ゲート溝）を形成した後、このゲート溝の底面に露出するダミーゲート絶縁層１１０４をウエットエッチング処理により除去する。（第６工程）
次に図１６（ｇ）に示すように、ゲート溝の底面に高誘電率金属酸化物層であるＺｒＯ_２層１１１１を形成する（ＺｒＯ_２層の形成方法は、後で詳細に述べる）。
【００５３】
最後に、図１６（ｈ）に示すように、Ｗ層等の金属層あるいはポリシリコン層あるいはシリコンゲルマニウム層をゲート溝を埋め込む膜厚でもって全面に堆積した後、ゲート溝の外部の不要な金属層をＣＭＰにより除去して、ゲート電極１１１２を形成する。上記金属層を堆積する前に、反応防止層として例えばチタン窒化層をＣＶＤ法により堆積してもよい。
【００５４】
このようなダマシンゲートプロセスを用いれば、高温熱処理であるアニールが必要なソース／ドレイン領域１１０７，１１０９を、ゲート電極１１１２よりも先に形成できるので、ゲート電極１１１２を形成した後の熱工程を低温化できる。したがって、微細化には有利であり、かつ比較的熱耐性に乏しいゲート電極や金属酸化物からなるゲート絶縁層１１１１をＭＩＳ型トランジスタに適用することが容易になる。
【００５５】
ここで高誘電率金属酸化物絶縁層であるＺｒＯ_２層１４もしくはＺｒＯ_２層１１１１の形成工程の詳細を説明する。
【００５６】
まず、シリコン（００１）基板の水素終端されたシリコン（００１）表面に、第１の有機金属ソースガスとして有機Ｚｒ錯体であるＺｒ（ＮＨＲ）_２（ＯＲ´）_２を供給し前記シリコン（００１）基板のシリコン原子に結合する１原子層の窒素層と、前記窒素層上に前記窒素に結合するＺｒを含むＺｒ酸化物層との積層体を自己停止的に成膜する第１の工程を行い、さらに、第１の有機金属ソースガスとは異なる第２の有機金属ソースガスとしてＮを含まない有機Ｚｒ錯体であるＺｒＲ´´_２（ＯＲ´）_２を供給し、前記ＺｒＯ_２層を厚膜化する第２の工程を実施する。
【００５７】
図８は水素終端されているシリコン（００１）基板上の１箇所のモノハライドを形成しているシリコンダイマーに注目し、前記シリコンダイマーの前記第１及び第２工程における状態を示す模式図である。
【００５８】
第１工程によって図８（ａ）に示すように、第１の有機金属ソースガスである有機Ｚｒ錯体 Ｚｒ（ＮＨＲ）_２（ＯＲ´）_２が水素で終端されたモノハライドシリコンダイマーに接近すると、Ｚｒ錯体のＮに結合した官能基Ｒがシリコンダイマーの終端Ｈ原子と選択的に反応しＲＨとして脱離することによりＳｉ−Ｎ−Ｚｒ結合が形成されて反応が停止する。また、この結合が形成された後のＮ原子はＨ終端されている。なお、ＲとＲ´は、Ｈとの結合エネルギーがＲ−Ｈ結合＞Ｒ´−Ｈ結合であるように選択することが必要であり、さらにはＨ原子によるこれら有機金属錯体ガスからのＲ，Ｒ´引き抜き反応の反応障壁がＲ＜Ｒ´であることが必要であり、これによりこの反応が自己停止する。Ｒ´がＨやＲと速やかに反応する場合には図８（ａ）過程の反応が自己停止的ではなく連続的に進行してしまう。
【００５９】
次に、第２工程によって図８（ｂ）に示すように第２の有機金属ソースガスであるＮを含まないＺｒ錯体 ＺｒＲ´´_２（ＯＲ´）_２が図８（ａ）で形成された第１層の表面に接近すると、Ｚｒ錯体のＺｒに結合した官能基Ｒ´´が第１層表面を終端している官能基Ｒ´と選択的に反応しＲ´Ｒ´´として脱離することにより、図８（ｃ）の過程に示すように、Ｚｒ−Ｏ−Ｚｒ結合が形成される。このようにして、第１層と第２層までのＺｒＯ_２層がエピタキシャル成長する。この第２層の表面は官能基Ｒ´で終端されているため、Ｎを含まないＺｒ錯体ＺｒＲ´´_２（ＯＲ´）_２が接近するとこの錯体のＺｒに結合した官能基Ｒ´´が表面の官能基Ｒ´と選択的に反応しＲ´Ｒ´´として脱離することによりＺｒ−Ｏ−Ｚｒ結合が連続的に形成される。
【００６０】
図８（ｂ）、（ｃ）の過程は所望のＺｒ酸化物膜厚が得られるまで進行する。なお、上記実施例はＨ原子終端の場合で説明したが、ＤやＦでも同様の反応が生じる。
【００６１】
図９は、水素終端されているシリコン（００１）基板上のモノハライドを形成しているシリコンダイマー及びそのダイマー間に着目し、前記シリコンダイマー及びダイマー間の前記第１及び第２工程における状態を示す模式図である。
【００６２】
第１の工程によって、図９（ａ）に示すように、第１の有機金属ソースガスであるＺｒ錯体Ｚｒ（ＮＨＲ）_２（ＯＲ´）_２がモノハライドを形成しているシリコンダイマーに接近すると、Ｚｒ錯体のＮに結合した官能基Ｒがシリコンダイマーの終端Ｈ原子と選択的に反応しＲＨとして脱離することによりＳｉ−Ｎ−Ｚｒ結合が形成されて反応が停止する。また、この結合が形成された後のＮ原子はＨ終端されている。
【００６３】
次に、シリコンダイマー列間についても、図９（ｂ´）の過程に示すようにＮを含まないＺｒ錯体ＺｒＲ´´_２（ＯＲ´）_２が接近すると、Ｚｒ錯体のＺｒに結合した官能基Ｒ´´が第１層のＮを終端しているＨと選択的に反応しＨＲ´´として脱離することにより、図９（ｃ´）の過程に示すように、第１層のシリコンダイマー列間にもＺｒ−Ｏ−Ｚｒ結合が形成される。このようにして、第１層のＺｒＯ_２層のエピタキシャル成長が完結する。この第１層の表面は官能基Ｒ´で終端されているため、第２工程によって、Ｎを含まないＺｒ錯体ＺｒＲ´´_２（ＯＲ´）_２が接近するとこの錯体のＺｒに結合した官能基Ｒ´´が表面の官能基Ｒ´と選択的に反応しＲ´Ｒ´´として脱離することによりＺｒ−Ｏ−Ｚｒ結合が形成される。このようにして、第１層と第２層までのＺｒＯ_２層がエピタキシャル成長する。この第２層の表面は官能基Ｒ´で終端されているため、Ｎを含まないＺｒ錯体ＺｒＲ´´_２（ＯＲ´）_２が接近するとこの錯体のＺｒに結合した官能基Ｒ´´が表面の官能基Ｒ´と選択的に反応しＲ´Ｒ´´として脱離することにより、図８（ｃ）と同様の過程でＺｒ−Ｏ−Ｚｒ結合が連続的に形成される。
【００６４】
図９（ｂ´）、（ｃ´）および図８（ｃ）と同様の過程は所望のＺｒ酸化物膜厚が得られるまで進行する。なお、上記実施例はＨ原子終端の場合で説明したが、ＤやＦでも同様の反応が生じる。
【００６５】
（第２の実施形態）
第１の実施形態は、水素終端し表面にモノハライドを形成したシリコン（００１）基板を使用したが、本実施形態では、水素終端し表面にダイハライドを形成したシリコン（００１）基板を使用した。ダイハライドを形成したシリコン（００１）基板を使用した以外は第１の実施形態と同様の処理を行なった。
【００６６】
図１０は水素終端されているシリコン（００１）基板上の１箇所のダイハライドを形成しているシリコンに注目し、前記シリコンの前記第１及び第２工程における状態を示す模式図である。
【００６７】
第１工程によって図１０（ａ）に示すように、第１の有機金属ソースガスである有機Ｚｒ錯体 Ｚｒ（ＮＨＲ）_２（ＯＲ´）_２が水素で終端されたダイハライドを形成しているシリコンに接近すると、Ｚｒ錯体のＮに結合した官能基Ｒがシリコンダイハイドライドの終端Ｈ原子の一方と選択的に反応しＲＨとして脱離することによりＳｉ−Ｎ−Ｚｒ結合が形成されて反応が停止する。また、この結合が形成された後のＮ原子とシリコン原子は共にＨ終端されている。
【００６８】
次に、第２工程によって図１０（ｂ）の過程に示すように第２の有機金属ソースガスであるＮを含まないＺｒ錯体 ＺｒＲ´´_２（ＯＲ´）_２が図１０（ａ）過程で形成された第１層の表面に接近すると、図１０（ｃ）の過程に示すように、Ｚｒ錯体のＺｒに結合した官能基Ｒ´´が第１層表面を終端している官能基Ｒ´と選択的に反応しＲ´Ｒ´´として脱離することによりＺｒ−Ｏ−Ｚｒ結合が形成される。第１層のシリコンダイマー列間にＺｒ−Ｏ−Ｚｒ結合が形成される過程は、第１の実施形態の図９（ｂ´）（ｃ´）で述べた過程と同じである。この第２層の表面は官能基Ｒ´で終端されているため、Ｎを含まないＺｒ錯体ＺｒＲ´´_２（ＯＲ´）_２が接近するとこの錯体のＺｒに結合した官能基Ｒ´´が表面の官能基Ｒ´と選択的に反応しＲ´Ｒ´´として脱離することによりＺｒ−Ｏ−Ｚｒ結合が連続的に形成される。
【００６９】
図１０（ｂ）（ｃ）と同様の過程は所望のＺｒ酸化物膜厚が得られるまで進行する。なお、上記実施例はＨ原子終端の場合で説明したが、ＤやＦでも同様である。
（第３の実施形態）
第１、第２の実施形態は、水素終端したシリコン（００１）基板を使用したが、本実施形態では、終端処理なしのシリコン（００１）基板を使用した。終端処理なしのシリコン（００１）基板を使用した以外は第１の実施形態と同様の処理を行った。
【００７０】
まず、終端処理なしのシリコン（００１）基板の清浄ダイマーシリコン（００１）表面に、第１の有機金属ソースガスとして有機Ｚｒ錯体であるＺｒ（ＮＨ_２）_２（ＯＲ´）_２を供給し前記シリコン（００１）基板のシリコン原子に結合する１原子層の窒素層と、前記窒素層上に前記窒素に結合するＺｒを含むＺｒ酸化物層との積層体を自己停止的に成膜する第１の工程を行い、さらに、第１の有機金属ソースガスとは異なる第２の有機金属ソースガスとしてＮを含まない有機Ｚｒ錯体であるＺｒＲ´´_２（ＯＲ´）_２を供給し、成膜条件を自己停止条件からずらし前記ＺｒＯ_２層を厚膜化する第２工程を実施する。
【００７１】
図１１、図１２は終端処理なしのシリコン（００１）基板上の１箇所の清浄シリコンダイマーに注目しそのシリコンダイマーの前記第１及び第２工程における状態を示す模式図である。
【００７２】
図１１（ａ）、図１２（ａ）の過程に示すように、第１の有機金属ソースガスである有機Ｚｒ錯体Ｚｒ（ＮＨ_２）_２（ＯＲ´）_２が清浄ダイマーに接近すると、シリコン表面側に特別な終端原子は存在しないものの、Ｚｒ錯体のＮの孤立電子対がダイマーシリコンに求核的に配位する。Ｚｒ錯体のＮに結合したＨ原子が全て残存すれば、図１１（ａ）に示すようにＳｉ−Ｎ−Ｚｒ結合が形成されて反応が停止すると共に、Ｎ原子とダイマーシリコン原子は共にＨ終端される。一方、図１２（ａ）に示すようにＨ原子の半分が残存すれば、Ｓｉ−Ｎ−Ｚｒ結合が形成されて反応が停止すると共に、Ｎ原子はＨ終端される。なお、ＨとＲ´は、Ｈとの結合エネルギーがＨ−Ｈ結合＞Ｒ´−Ｈ結合であるように選択することが必要であり、さらにはＨ原子によるこれら有機金属錯体ガスからのＨ，Ｒ´引き抜き反応の反応障壁がＨ＜Ｒ´であることが必要であり、これによりこの反応が自己停止する。Ｒ´がＨやＲと速やかに反応する場合には図１１（ａ）、図１２（ａ）の反応が自己停止的ではなく連続的に進行してしまう。
【００７３】
次に、第２工程によって図１１（ｂ）、図１２（ｂ）の過程に示すように第２の有機金属ソースガスであるＮを含まないＺｒ錯体ＺｒＲ´´_２（ＯＲ´）_２が図１１（ａ）、図１２（ａ）過程で形成された第１層の表面に接近すると、Ｚｒ錯体のＺｒに結合した官能基Ｒ´´が第１層表面を終端している官能基Ｒ´と選択的に反応しＲ´Ｒ´´として脱離することにより、図１１（ｃ）、図１２（ｃ）の過程に示すように、Ｚｒ−Ｏ−Ｚｒ結合が形成される。このようにして、第１層と第２層までのＺｒＯ_２層がエピタキシャル成長する。第１層のシリコンダイマー列間にＺｒ−Ｏ−Ｚｒ結合が形成される過程は、第１の実施形態の図９（ｂ´）（ｃ´）で述べた過程と同じである。この第２層の表面は官能基Ｒ´で終端されているため、Ｎを含まないＺｒ錯体ＺｒＲ´´_２（ＯＲ´）_２が接近するとこの錯体のＺｒに結合した官能基Ｒ´´が表面の官能基Ｒ´と選択的に反応しＲ´Ｒ´´として脱離することによりＺｒ−Ｏ−Ｚｒ結合が連続的に形成される。
【００７４】
図１１（ｂ）（ｃ）および図１２（ｂ）（ｃ）と同様の過程は所望のＺｒ酸化物膜厚が得られるまで進行する。なお、上記実施例はＨ原子終端の場合で説明したが、ＤやＦでも同様である。
（第４の実施形態）
図１３は、有機Ｚｒ錯体を原料ガスとしたダウンフローＣＶＤ法による、ＺｒＯ_２ゲート絶縁層の形成方法を示す説明図である。以下に第１の実施形態の具体的手法について説明する。
【００７５】
まず、成膜チャンバー５０内の基板支持台５２上にゲート絶縁層形成前までの工程を完了した半導体基板５１をセットする。
【００７６】
基板５１のゲート絶縁層形成領域は、通常の洗浄工程すなわち、ＳＰＭ（Ｈ_２ＳＯ_４／Ｈ_２Ｏ_２）→ＤＨＦ（ＨＦ／Ｈ_２Ｏ）→ＡＰＭ（ＮＨ_４ＯＨ／Ｈ_２Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ）→ＤＨＦ（ＨＦ／Ｈ_２Ｏ）→ＨＰＭ（ＨＣｌ／Ｈ_２Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ）→ＤＨＦ（ＨＦ／Ｈ_２Ｏ）→乾燥、を経て軽水素Ｈによりダイハイドライド終端されたシリコン（００１）面が露出している。
【００７７】
基板支持台５２には、内部にヒータ５３および冷却剤を循環させるための冷却パイプ５４が設けられている。成膜チャンバー５０には原料ガスを成膜チャンバー５０内に導入するためのノズル５７が設けられ、排気系５６にて真空排気される。ノズル５７には、独立のガス導入系５８ａ等が接続されている。また、ガス導入系５８の一部５８ｃにはマイクロ波キャビティ５１４が設けられ、高周波電源５９が接続されている。抵抗加熱ヒーターにより半導体基板５１を５００°Ｃまで加熱する。この段階で基板５１のゲート絶縁層形成領域は、ダイハイドライド終端からモノハイドライド終端に変換された。
【００７８】
成膜チャンバー５０内に第１の有機金属ソースガスとしてＨｅ希釈したＺｒ（ＮＨＲ）_２（ＯＲ´）_２（ただしＲ＝ＣＨ_３，Ｒ´＝Ｃ（ＣＨ_３）_３）を２０ｃｍ^３／ｍｉｎ、Ｎ_２を１２０ｃｍ^３／ｍｉｎ、の流量で独立のガス導入系５８ａ、５８ｃより同時に導入し、排気系５６により、チャンバー内圧力を１．６０Ｐａに保たれるようにしておく。この時、マイクロ波キャビティ５１４に２．４５ＧＨｚのＲＦ電力を１００Ｗ印加して放電させておく。高周波は気相中での有機金属錯体のオリゴマー化の程度を選択するために印加した。ＴＯＦ−ＱＭＳで測定した結果、この条件ではモノマー及びダイマーであった。この条件でシリコン基板側からＳｉ−Ｎ−Ｚｒ結合で構成される１層分５１０が自己停止的に形成された。
【００７９】
次に、成膜チャンバー５０内を１．３３ｘ１０^−５Ｐａまで排気した後、第２の有機金属ソースガスとしてＨｅ希釈したＺｒＲ´´_２（ＯＲ´）_２（ただしＲ´＝Ｃ（ＣＨ_３）_３、Ｒ´´＝ＣＨ_３）を２０ｃｍ^３／ｍｉｎ、Ａｒを１２０ｃｍ^３／ｍｉｎ、の流量で独立のガス導入系５８ａ、５８ｃより同時に導入し、排気系５６により、チャンバー内圧力を１．４６Ｐａに保たれるようにしておく。更にＯ_２を全圧が１．６０Ｐａに保たれるようにガス導入系５８ｂから導入する。この時、マイクロ波キャビティ５１４に２．４５ＧＨｚのＲＦ電力を１００Ｗ印加して放電させておく。高周波は気相中での有機金属錯体のオリゴマー化の程度を選択するために印加した。ＴＯＦ−ＱＭＳで測定した結果、この条件ではモノマー及びダイマーであった。この条件で３００秒間成膜を行う。この条件では約１ｎｍ／ｍｉｎの成膜速度なので、およそ５ｎｍのＺｒＯ_２層５１１が成膜された。
【００８０】
各工程後の基板を角度分解Ｘ線光電子スペクトル法により、Ｚｒ３ｄ，Ｓｉ２ｐ，Ｏ１ｓ，Ｎ１ｓスペクトルを測定した。この結果、シリコン基板との界面はＳｉ−Ｎ−Ｚｒ結合が形成されておりＺｒ−Ｓｉ結合およびＺｒ−Ｏ結合は形成されていなかった。また、Ｚｒ酸化物バルク層ではＺｒ−Ｏ結合のみで、Ｚｒ−Ｎ結合およびＳｉ−Ｎ結合は形成されていなかった。また、ＴＥＭ／ＸＴＥＭ観察の結果、基板法線方向に（００２）配向し、かつ平面方向に平均２０ｎｍの単結晶ドメインを持ったＺｒＯ_２が形成されていることが確認された。また、ＴＥＭよりも広範囲での結晶性を調べるためＸＲＤ測定を行った結果、θ−２θ法では基板法線方向に（００２）配向し（１１１）や（２２０）回折ピークは検出限界以下であり、かつ（００２）配向のロッキングカーブの半値全幅は０．５ｄｅｇと多結晶の場合の１２ｄｅｇに比べて大幅に改善されたＺｒＯ_２であることが確認された。
【００８１】
この工程で形成したＺｒＯ_２を用いたＭＩＳキャパシタで電気特性を評価した。酸化膜換算膜厚、比誘電率および界面準位密度はＣ−Ｖ測定により求めた。リーク電流はＩ−Ｖ測定により求めた。物理膜厚と酸化膜換算膜厚は良い線形関係にあり、比誘電率は２１程度が得られた。界面準位密度はフォーミングガス（５％Ｈ_２／Ｎ_２）アニール前後で各々２ｘ１０^１２ｃｍ^−２ｅＶ^−１，４ｘ１０^１１ｃｍ^−２ｅＶ^−１であった。５ＭＶ／ｃｍの電界でのリーク電流は、酸化膜換算膜厚０．７５ｎｍの時０．９Ａ／ｃｍ^２であった。
【００８２】
なお、本実施例においては反応容器内での放電は行わなかったが、半導体基板に対向させた電極に高周波をかける方法、あるいは、マイクロ波放電やマグネトロン放電など１ｘ１０^１１イオン／ｃｍ^３以上の高密度プラズマを形成する方法、例えば、従来用いられている平行平板型プラズマＣＶＤ装置やサイクロトロン共鳴を利用したプラズマＣＶＤ装置、誘導電流を用いたプラズマＣＶＤ装置、ヘリコン波を用いたプラズマＣＶＤ装置などを用いたときにも、薄膜形成時の条件によって、本願の請求項にて示した状況が実現できる。
【００８３】
また第１の有機金属ソースガスであるＺｒ（ＮＨＲ）_２（ＯＲ´）_２，第２の有機金属ソースガスであるＺｒＲ´´_２（ＯＲ´）_２の代わりに、それぞれＨｆ（ＮＨＲ）_２（ＯＲ´）_２，ＨｆＲ´´_２（ＯＲ´）_２やその重水素置換体，Ｆ置換体を用いてもよい。特にＤを含有するガスやＤ終端シリコン表面およびＦ終端シリコン表面を用いることは絶縁層の長期信頼性改善の点で好ましい。
（第５の実施形態）
図１４は、有機Ｈｆ錯体を原料ガスとした熱ＣＶＤ法による、ＨｆＯ_２ゲート絶縁層の形成方法を示す実施例５の説明図である。
【００８４】
本発明を実施した半導体装置の製造方法はまず、成膜チャンバー６０内の基板支持台６２上にゲート絶縁層形成前までの工程を完了した半導体基板６１をセットする。
【００８５】
基板６１のゲート絶縁層形成領域は、通常の洗浄工程すなわち、ＳＰＭ（Ｈ_２ＳＯ_４／Ｈ_２Ｏ_２）→ＤＨＦ（ＨＦ／Ｈ_２Ｏ）→ＡＰＭ（ＮＨ_４ＯＨ／Ｈ_２Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ）→ＤＨＦ（ＨＦ／Ｈ_２Ｏ）→ＨＰＭ（ＨＣｌ／Ｈ_２Ｏ_２／Ｈ_２Ｏ）→ＤＨＦ（ＤＦ／Ｄ_２Ｏ）→乾燥、を経て重水素Ｄによりダイハイドライド終端されたシリコン（００１）面が露出している。
【００８６】
基板支持台６２には、内部にヒータ６３および冷却剤を循環させるための冷却パイプ６４が設けられている。成膜チャンバー６０には原料ガスを成膜チャンバー６０内に導入するためのノズル６７が設けられ、排気系６６にて真空排気される。ノズル６７には、独立のガス導入系６８ａ等が接続されている。抵抗加熱ヒーターにより半導体基板６１を６００°Ｃまで加熱する。この段階で基板６１のゲート絶縁層形成領域は、重水素Ｄダイハイドライド終端から重水素Ｄモノハイドライド終端に変換された。
【００８７】
成膜チャンバー６０内に第１の有機金属ソースガスとしてＨｅ希釈したＨｆ（ＮＤＲ）_２（ＯＲ´）_２（ただしＲ＝ＣＨ_３，Ｒ´＝Ｃ（ＣＨ_３）_３）を２０ｃｍ^３／ｍｉｎ、Ｎ_２を１２０ｃｍ^３／ｍｉｎ、の流量で独立のガス導入系６８ａ、６８ｃより同時に導入し、排気系６６により、チャンバー内圧力を１．６０Ｐａに保たれるようにしておく。この条件でシリコン基板側からＳｉ−Ｎ−Ｈｆ結合で構成される１層分６１０が自己停止的に形成された。
【００８８】
次に、成膜チャンバー６０内を１．３３ｘ１０^−５Ｐａまで排気した後、第２の有機金属ソースガスとしてＨｅ希釈したＨｆＲ´´_２（ＯＲ´）_２（ただしＲ´＝Ｃ（ＣＨ_３）_３，Ｒ´´＝ＣＨ_３）を２０ｃｍ^３／ｍｉｎ、Ａｒを１２０ｃｍ^３／ｍｉｎの流量で独立のガス導入系６８ａ、６８ｃより同時に導入し、排気系５６により、チャンバー内圧力を１．４６Ｐａに保たれるようにしておく。更にＯ_２を全圧が１．６０Ｐａに保たれるようにガス導入系６８ｂから導入する。この条件で３００秒間成膜を行う。この条件では約１ｎｍ／ｍｉｎの成膜速度なので、およそ５ｎｍのＨｆＯ_２層６１１が成膜された。
【００８９】
各工程後の基板を角度分解Ｘ線光電子スペクトル法により、Ｈｆ４ｆ，Ｓｉ２ｐ，Ｏ１ｓ，Ｎ１ｓスペクトルを測定した。この結果、シリコン基板との界面はＳｉ−Ｎ−Ｈｆ結合が形成されておりＨｆ−Ｓｉ結合およびＨｆ−Ｏ結合は形成されていなかった。また、Ｈｆ酸化物バルク層ではＨｆ−Ｏ結合のみで、Ｈｆ−Ｎ結合およびＳｉ−Ｎ結合は形成されていなかった。Ｓｉ−Ｄ結合については、５０ｎｍ程度まで厚膜化したサンプルで赤外吸収スペクトルを測定した結果、約１５８０ｃｍ^−１にＳｉ−Ｄ結合の伸縮振動に帰属される吸収バンドが観測されたことから、Ｄが添加されＳｉ−Ｄ結合を形成していることが確認された。また、ＴＥＭ／ＸＴＥＭ観察の結果、基板法線方向に（００２）配向し、かつ平面方向に平均２０ｎｍの単結晶ドメインを持ったＨｆＯ_２が形成されていることが確認された。また、ＴＥＭよりも広範囲での結晶性を調べるためＸＲＤ測定を行った結果、θ−２θ法では基板法線方向に（００２）配向し（１１１）や（２２０）回折ピークは検出限界以下であり、かつ（００２）配向のロッキングカーブの半値全幅は０．５ｄｅｇと多結晶の場合の１２ｄｅｇに比べて大幅に改善されたＨｆＯ_２であることが確認された。
【００９０】
この工程で形成したＨｆＯ_２を用いたＭＩＳキャパシタで電気特性を評価した。酸化膜換算膜厚、比誘電率および界面準位密度はＣ−Ｖ測定により求めた。リーク電流はＩ−Ｖ測定により求めた。物理膜厚と酸化膜換算膜厚は良い線形関係にあり、比誘電率は２１程度が得られた。界面準位密度はフォーミングガス（５％Ｈ２／Ｎ２）アニール前後で各々２ｘ１０^１２ｃｍ^−２ｅＶ^−１，４ｘ１０^１１ｃｍ^−２ｅＶ^−１であった。５ＭＶ／ｃｍの電界でのリーク電流は、酸化膜換算膜厚０．７５ｎｍの時０．９Ａ／ｃｍ^２であった。
【００９１】
またＨｆ（ＮＤＲ）_２（ＯＲ´）_２，ＨｆＲ´´_２（ＯＲ´）_２の代わりに、Ｚｒ（ＮＨＲ）_２（ＯＲ´）_２，ＺｒＲ´´_２（ＯＲ´）_２やその重水素置換体，Ｆ置換体を用いてもよい。特にＤを含有するガスやＤ終端シリコン表面およびＦ終端シリコン表面を用いることは絶縁層の長期信頼性改善の点で好ましい。
【００９２】
【発明の効果】
本発明を用いれば、極めて結晶性が高くかつ結晶配向性の高い金属酸化層が得られるため、比誘電率の面内均一性が向上すると共に、金属酸化物粒界起因のリーク電流が抑制される。したがって長期信頼性の改善をはかった半導体装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における、シリコン（００１）２ｘ１表面に１原子層の窒素層を介して１層のＺｒＯ_２が形成された構造の計算例を示した説明図。
【図２】本発明の一実施例に係るｎ型ＭＩＳ型トランジスタの製造工程を示す断面図。
【図３】本発明の一実施例に係るｎ型ＭＩＳ型トランジスタの製造工程を示す断面図。
【図４】本発明の一実施例に係るｎ型ＭＩＳ型トランジスタの製造工程を示す断面図。
【図５】本発明の一実施例に係るｎ型ＭＩＳ型トランジスタの製造工程を示す断面図。
【図６】本発明の一実施例に係るｎ型ＭＩＳ型トランジスタの製造工程を示す断面図。
【図７】本発明の一実施例に係るｎ型ＭＩＳ型トランジスタの製造工程を示す断面図。
【図８】シリコン（００１）モノハイドライド表面へのＺｒ酸化物ゲート絶縁層（ＺｒＯ_２層）の形成方法を示す説明図。
【図９】シリコン（００１）モノハイドライド表面へのＺｒ酸化物ゲート絶縁層（ＺｒＯ_２層）の形成方法を示す説明図。
【図１０】シリコン（００１）ダイハイドライド表面へのＺｒ酸化物ゲート絶縁層（ＺｒＯ_２層）の形成方法を示す説明図。
【図１１】シリコン（００１）清浄表面へのＺｒ酸化物ゲート絶縁層（ＺｒＯ_２層）の形成方法を示す説明図。
【図１２】シリコン（００１）清浄表面へのＺｒ酸化物ゲート絶縁層（ＺｒＯ_２層）の形成方法を示す説明図。
【図１３】本発明の一実施例で用いられたＣＶＤ装置を示す概略図。
【図１４】本発明の一実施例で用いられたＣＶＤ装置を示す概略図。
【図１５】従来のシリコン（００１）ｃ（４ｘ２）表面に窒素を含む絶縁層が形成される初期過程での構造の計算例を示した説明図。
【図１６】本発明の一実施例に係るダマシンゲートプロセスによるＭＩＳ型トランジスタの製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
１１…ｐ型シリコン基板
１２…素子分離用の溝
１３…シリコン酸化層（素子分離領域）
１４…ＺｒＯ_２層
１５…ポリシリコン層
１６…フォトレジストパターン
１７…ｎ^＋型ソース領域
１８…ｎ^＋型ドレイン領域
１９…シリコン酸化層（層間絶縁層）
１１０…ソース電極（金属電極）
１１１…ドレイン電極（金属電極）
１１２…ゲート電極（金属電極）
５０，６０…成膜チャンバー、
５１，６１…ゲート絶縁層形成前までの工程を完了した半導体基板、
５２，６２…基板支持台、
５３，６３…ヒータ、
５４，６４…冷却パイプ、
５５，６５…高周波電源、
５６，６６…排気系、
５７…ノズル、
５８，６８…ガス導入系、
５９，６９…高周波電源、
５１０，６１０…シリコン基板側からＳｉ−Ｎ−Ｚｒ結合で構成される１層分のＺｒＯＮゲート絶縁層、
５１１，６１１…ＺｒＯ_２ゲート絶縁層、
５１４…マイクロ波キャビティ
１１０１…シリコン基板
１１０２…絶縁層
１１０３…ウエル
１１０４…ダミーゲート絶縁層
１１０５…ダミーゲート電極
１１０６…シリコン酸化層
１１０７…エクステンション
１１０８…ゲート側壁絶縁層
１１０９…ソース／ドレイン領域
１１１０…層間絶縁層
１１１１…ゲート絶縁層
１１１２…ゲート電極

Claims (8)

1. シリコン（００１）基板と、
   前記シリコン（００１）基板上に形成され、前記シリコン（００１）基板の方線方向に結晶面又は軸が配向した単結晶もしくは多結晶の金属酸化物の絶縁層と、
   前記シリコン（００１）基板と前記絶縁層との界面に前記シリコン（００１）基板のシリコン原子と前記金属酸化物の金属原子の両方に結合する１原子層の窒素層とを備える半導体装置。
2. 前記半導体装置は、ＭＩＳ型トランジスタを備え、前記絶縁層は、前記ＭＩＳ型トランジスタのゲート絶縁層であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記絶縁層とシリコン（００１）基板との界面において、前記シリコン（００１）基板の最表面と前記１原子層の窒素層のいずれか、あるいはその両方のダングリングボンドは、フッ素、水素、あるいは重水素のいずれかで終端されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 前記絶縁層は、正方晶系あるいは立方晶系の結晶構造をとりうる金属酸化物であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 前記絶縁層は、ＺｒＯ_２、ＨｆＯ_２、もしくはシリコンを含有する、Ｚｒ又はＨｆの複合酸化物のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
6. 第１の有機金属ソースガスを用いてシリコン（００１）基板表面に、前記シリコン（００１）基板のシリコン原子に結合する１原子層の窒素層と、前記窒素層の窒素に結合する金属を含む金属酸化物層との積層体を自己停止的に成膜する第１工程と、
   前記第１の工程における成膜条件を自己停止条件からずらし前記金属酸化物層を厚膜化する第２工程と、
   を行なうことにより絶縁層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 前記シリコン（００１）基板は、フッ素、水素あるいは重水素で終端処理されており、前記第１工程及び第２工程は、有機金属ソースガスを用いたＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、あるいはリモートプラズマＣＶＤ法のいずれかにより形成されることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記第１の有機金属ソースガスは、金属原子に、窒素を介して官能基が２つ以上と、窒素以外の元素を介して官能基が１つ以上結合している構造を有するガスであることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。

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