JP4152271B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

【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関し、より詳細には、高誘電率の絶縁膜を有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路装置における高集積化が大きく進展しており、MOS(Metal Oxide Semiconductor)型半導体装置では高集積化に対応するためのトランジスタ等の素子の微細化、高性能化が図られている。特に、MOS構造を構成する要素の一つであるゲート絶縁膜に関しては、上記トランジスタの微細化、高速動作および低電圧化に対応すべく薄膜化が急速に進んでいる。
【0003】
ゲート絶縁膜を構成する材料としては、従来よりシリコン酸化膜(SiO膜)が用いられてきた。一方、ゲート電極の微細化に伴いゲート絶縁膜の薄膜化が進むと、キャリア(電子および正孔)がゲート絶縁膜を直接トンネリングすることによって生じるトンネル電流、すなわちゲートリーク電流が増大するようになる。例えば、130nmノードのデバイスで要求されるゲート絶縁膜の膜厚はSiO膜で2nm程度であるが、この領域はトンネル電流が流れ始める領域である。したがって、ゲート絶縁膜としてSiO膜を用いた場合には、ゲートリーク電流を抑制することができずに消費電力の増大を招くことになる。
【0004】
そこで、SiO膜に代えて、より誘電率の高い材料をゲート絶縁膜として使用する研究が行われている。
【0005】
高誘電率の絶縁膜(以下、High−k膜という。)としては、従来より、HfAlO膜、HfSiO膜およびHfO膜などが検討されている。しかしながら、これらの膜では、シリコン基板との間に膜厚1nm程度のSiO膜などが必要であり、こうした膜が存在しない場合には、高温での加熱処理の際にHigh−k膜とシリコンとの間で反応が起こり、ゲート絶縁膜としての特性が低下するという問題があった。このため、HfAlO膜、HfSiO膜およびHfO膜などをHigh−k膜として用いる場合には、ゲート絶縁膜の薄膜化に限界があった。
【0006】
これに対して、Y、GdおよびDyなどのLa系の酸化物ではシリコンとの反応が起こり難い。したがって、これらの酸化物からなる膜をHigh−k膜として用いる場合には、シリコン基板上に直接成膜して良好な特性を有するゲート絶縁膜とすることができる。
【0007】
ところで、High−k膜の実用化に際しては、良好な特性とともに良好な特性を実現できる加工技術も重要となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
図5は、ゲート絶縁膜としてHigh−k膜を用いた場合の従来法による電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor)の製造工程を示す断面図である。
【0009】
シリコン基板501上に素子分離領域502,503を形成した後、熱酸化法によってSiO膜504を形成する。次に、High−k膜505、ゲート電極としての多結晶シリコン膜506およびマスク材としてのSiO膜507を順に成長させる。その後、ゲート電極の寸法均一性向上を目的として反射防止膜508を形成してから、フォトリソグラフィ法を用いてレジストパターン509を形成する(図5(a))。
【0010】
次に、レジストパターン509をマスクとして反射防止膜508、SiO膜507をドライエッチングし、SiO膜パターン510を形成する(図5(b))。
【0011】
次に、SiO膜パターン510をマスクとして多結晶シリコン膜506をドライエッチングし、多結晶シリコン膜パターン511を形成する(図5(c))。
【0012】
その後、High−k膜505およびSiO膜504をエッチングすることによってゲート電極が完成するが、この際に次のような問題があった。
【0013】
図5(b)の構造において、High−k膜505が存在しない場合には、多結晶シリコン膜506と下地のSiO膜504との間の選択比が大きいために、SiO膜504が露出したところでエッチングが停止する。そして、希フッ酸などを用いたウェットエッチングによってSiO膜504を除去することによりゲート電極を形成することができる。
【0014】
一方、High−k膜505がある場合には、上記のようにして多結晶シリコン膜パターン511を形成した後、BCl、HBr、Oまたはフルオロカーボンなどのエッチングガスを用いて、High−k膜505のドライエッチングを行う。
【0015】
しかしながら、この際に、High−k膜505と下地のSiO膜504との選択比が小さいために、SiO膜504、さらにはその下のシリコン基板501までエッチングされてしまうという問題があった(図5(d))。このことは、エクステンション領域およびソース・ドレイン領域の形成を阻害することになる。
【0016】
シリコン基板への損傷を避けるには、High−k膜をエッチングする際のオーバーエッチング量を小さくすることが好ましい。しかしながら、この場合には、High−k膜の断面形状がテーパ形状、すなわち、上面から見てHigh−k膜が多結晶シリコン膜パターンから突き出した形状に加工される。このため、突き出した部分のHigh−k膜によって生じる電界の影響により半導体装置の電気的特性が低下するという問題があった。
【0017】
また、半導体装置の製造工程では、High−k膜に比較的高温の熱処理が加えられる。しかしながら、シリコン基板上に形成されたHigh−k膜と、素子分離領域上に形成されたHigh−k膜とでは熱の伝わり方に違いが生じる。そして、このことを原因としてHigh−k膜のエッチングにも違いが生じるという問題があった。
【0018】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、シリコン基板に損傷を与えずにHigh−k膜をエッチングすることのできる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0019】
また、本発明の目的は、良好な特性を有するHigh−k膜を用い、この良好な特性を実現可能なエッチング技術と組み合わせることによって、電気的特性に優れた半導体装置を製造する方法を提供することにある。
【0020】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体装置の製造方法は、シリコン基板の上に、LaおよびAlの酸化物ならびにPrおよびAlの酸化物膜のいずれか一方の絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程と、前記絶縁膜を、フッ化アンモニウム水溶液に過酸化水素を添加したpH9〜10の薬液を用いてウェットエッチングする工程とを有することを特徴とするものである。
【0022】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、シリコン基板の上にSiO膜を形成する工程と、前記SiO膜の上に、LaおよびAlの酸化物ならびにPrおよびAlの酸化物膜のいずれか一方の絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程と、前記絶縁膜を、フッ化アンモニウム水溶液に過酸化水素を添加したpH9〜10の薬液を用いてウェットエッチングする工程とを有することを特徴とするものである。
【0023】
本発明の半導体装置の製造方法において、薬液はフッ素およびアミンを含むものとすることができる。この場合、薬液はフッ化アンモニウム水溶液とすることができる。
【0024】
また、本発明の半導体装置の製造方法において、薬液は過酸化水素を含むことができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
本発明が対象とするHigh−k膜は、La(ランタン)およびAl(アルミニウム)の酸化物であるLaAlO並びにPr(プラセオジム)およびAlの酸化物であるPrAlOからなる膜である。LaAlOおよびPrAlOは、シリコンと反応し難く熱安定性が高いことから将来的に有望視されている材料である。尚、本明細書において、High−k膜とは、SiO膜よりも誘電率の大きい絶縁膜をいう。
【0026】
一般に、金属酸化膜をHigh−k膜として用いた場合に使用されるエッチング液はフッ酸系の薬液である。しかしながら、LaおよびPrの水溶液への溶解特性と、Alの水溶液への溶解特性とが大きく異なるために、従来は、LaAlO膜およびPrAlO膜を制御よく均一にエッチングすることは困難であった。
【0027】
図1は、La、PrおよびAlの溶解度のpH依存性を示したものである。図から分かるように、LaおよびPrは、pHの増加とともに一次関数的に溶解度が減少する。すなわち、酸性から中性領域での溶解度は大きいが、塩基性領域になると溶解度は小さくなる。一方、AlはpH5程度で極小値をとり、強酸性および弱アルカリ性での溶解度は大きな値を示す。
【0028】
本発明者は、鋭意研究した結果、LaとAlの溶解度が比較的近いpH領域の薬液を用いてLaAlO膜のエッチングを行うことにより、LaAlO膜を制御よく均一にエッチングできることを見出した。同様に、PrとAlの溶解度が比較的近いpH領域の薬液を用いてPrAlO膜のエッチングを行うことにより、PrAlO膜についても制御よく均一にエッチングできることを見出した。
【0029】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【0030】
実施の形態1
図2〜図4は、本実施の形態による半導体装置の製造工程を示す断面図である。尚、これらの図において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。
【0031】
まず、シリコン基板201上に公知の方法を用いて素子分離領域202,203を形成する。
【0032】
次に、シリコン基板201および素子分離領域202,203の上に、絶縁膜としてHigh−k膜205を形成する。High−k膜205としては、LaAlO膜およびPrAlO膜のいずれか一方を使用する。High−k膜205の膜厚は、例えば3nm〜7nm程度とすることができる。尚、High−k膜205を成膜した後は、膜の緻密化および不純物濃度低減のために熱処理を加えることが好ましい。熱処理の条件は、例えば600℃で2分間程度とすることができる。
【0033】
また、本実施の形態においては、図4(a)に示すように、素子分離領域202,203を形成した後、シリコン基板201上にSiO膜204を形成してからHigh−k膜205を形成してもよい。シリコン基板201とHigh−k膜205との間にSiO膜204を形成することによって、シリコン基板201とHigh−k膜205との間の反応を抑制することができるので、高温の熱処理を必要とする場合に好適である。また、このような構成とすることによって、High−k膜205のシリコン酸化膜換算膜厚を小さくすることが可能となる。尚、SiO膜204の膜厚は、例えば1nm程度とすることができ、熱酸化法などによって形成することができる。
【0034】
次に、図2(a)に示すように、High−k膜205の上に、ゲート電極となる多結晶シリコン膜206を形成する。尚、多結晶シリコン膜の代わりにアモルファスシリコン膜または多結晶シリコンゲルマニウム膜などを用いてもよい。
【0035】
多結晶シリコン膜206を形成した後は、これをパターニングしてゲート電極を形成する。ゲート電極の形成方法は、例えば、多結晶シリコン膜上にレジスト膜を形成し、これを露光・現像することにより形成したレジストパターンをマスクとして多結晶シリコン膜をエッチングすることによって形成することができる。また、多結晶シリコン膜上にシリコン酸化膜、レジスト膜を順に形成した後、シリコン酸化膜にレジストパターンを転写してハードマスクを形成し、このハードマスクを用いて多結晶シリコン膜をエッチングすることによっても形成することができる。
【0036】
図2は、ハードマスクを用いて多結晶シリコン膜をエッチングする例である。
【0037】
図2(a)に示すように、多結晶シリコン膜206上にハードマスクとなるSiO膜207、反射防止膜208およびレジスト膜209をこの順に形成する。反射防止膜208は、レジスト膜209をパターニングする際に、レジスト膜209を透過した露光光を吸収することによって、レジスト膜209と反射防止膜208との界面における露光光の反射をなくす役割を果たす。反射防止膜208としては有機物を主成分とする膜を用いることができ、例えば、スピンコート法などによって形成することができる。尚、本実施の形態においては、反射防止膜208はなくてもよい。
【0038】
次に、フォトリソグラフィ法によって所望の線幅を有するレジストパターン210を形成し、図2(b)の構造とする。
【0039】
次に、レジストパターン210をマスクとして反射防止膜208およびSiO膜207を順にエッチングする。その後、不要となったレジストパターン210を除去する。尚、反射防止膜208のエッチングが進行してSiO膜207が露出すると略同時に、レジストパターン210がエッチングによって消失するようにエッチング条件を設定してもよい。この場合、SiO膜207のエッチングは、反射防止膜パターン(図示せず)をマスクとして行う。ハードマスクとしてのSiO膜パターン210が形成された後は、例えば、酸素ガスを用いたプラズマ処理を行うことによって反射防止膜パターンを除去することができる。図2(c)は、SiO膜パターン211形成後の様子を示す断面図である。
【0040】
次に、SiO膜パターン211をマスクとして、多結晶シリコン膜206のエッチングを行い、図3(a)に示す構造とする。図において、多結晶シリコン膜パターン212はゲート電極である。
【0041】
一方、レジストパターンをマスクとしてゲート電極を形成する場合には、図2(a)において、多結晶シリコン膜206の上にレジスト膜のみを形成する。次に、レジスト膜を露光・現像することによってレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとした多結晶シリコン膜206のエッチングによってゲート電極を形成することができる。
【0042】
レジストパターンをマスクとして多結晶シリコン膜をエッチングする方が、工程数が少なくなり簡便である。これに対して、ハードマスクを用いる方法は、微細な電極パターンを形成するのに適している。
【0043】
次に、図3(a)において、SiO膜パターン211をマスクとしてHigh−k膜205のエッチングを行う。本実施の形態においては、pH9〜10、好ましくはpH9.0〜9.5の薬液を用いてHigh−k膜205をウェットエッチングする。
【0044】
図1から明らかなように、Pr、LaおよびAlの溶解度は、pH9〜10、特にpH9.0〜9.5の領域で同程度の値を示す。したがって、このようなpHを有する薬液を用いてLaAlO膜またはPrAlO膜のエッチングを行えば、La、PrおよびAlが一様に溶液中に溶け出す(すなわち、同程度のエッチング速度で溶液中に溶け出す)ので、制御よく均一なエッチングを行うことが可能となる。
【0045】
また、High−k膜205のエッチングに使用する薬液は、フッ素およびアミンを含むものであることが好ましい。例えば、NHF(フッ化アンモニウム)水溶液にH(過酸化水素)を添加した薬液を用いることができる。この場合、薬液のpHを9とし、High−k膜中のLaまたはPrの比率を0.5とすると、エッチング速度は室温で1nm/分程度となる。したがって、例えば、膜厚3nmのLaAlO膜またはPrAlO膜に対して、5分間〜6分間程度のエッチングを行うことによって、段差部分も含めてこれらの膜を良好な形状に加工することができる。
【0046】
このように、pH9〜10の薬液を用いたウェットエッチングによって、シリコン基板201への損傷を防いで選択的にHigh−k膜205を加工することが可能となる。この場合、薬液にHを添加することによって、シリコン基板201の損傷を一層防ぐことができる。
【0047】
本実施の形態によれば、High−k膜の断面形状がテーパ形状に加工されることはなく、電気的特性に優れた半導体装置を製造することができる。また、High−k膜中のLaやPrの比率にかかわらず、High−k膜を良好にエッチングすることができる。さらに、シリコン基板上に形成されたHigh−k膜、素子分離領域上に形成されたHigh−k膜にかかわらず、均一にHigh−k膜をエッチングすることができる。
【0048】
以上の工程によって、図3(b)に示す構造を得ることができる。尚、図3(b)において、ゲート電極上にはSiO膜パターン211が形成されているが、レジストパターンをマスクとして多結晶シリコン膜206をエッチングする場合にはSiO膜パターン211が形成されないことはいうまでもない。
【0049】
尚、図4(a)に示すSiO膜204を形成した場合には、上記と同様の工程を経ることによって、図4(b)に示す構造が得られる。図4(b)において、SiO膜204の上には、High−k膜205、ゲート電極としての多結晶シリコン膜パターン212およびSiO膜パターン211が形成されている。尚、レジストパターンをマスクとして多結晶シリコン膜パターン212を形成する場合ではSiO膜パターン211は形成されない。
【0050】
図3(b)または図4(b)に示す構造を形成した後は、層間絶縁膜、コンタクトおよび配線層の形成などの他、半導体装置の製造に必要な公知の工程を経ることによって本発明による半導体装置を製造することができる。
【0051】
【発明の効果】
本発明によれば、LaAlO膜およびPrAlO膜のいずれか一方をHigh−k膜として用い、pH9〜10の薬液でHigh−k膜をウェットエッチングすることによって、良好な電気的特性を有する半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 La、PrおよびAlの溶解度のpH依存性を示す図である。
【図2】 (a)〜(c)は、本実施の形態による半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図3】 (a)および(b)は、本実施の形態による半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図4】 (a)および(b)は、本実施の形態による半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図5】 (a)〜(d)は、従来の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
201,501 シリコン基板、
202,203,502,503 素子分離領域、
204,504 SiO
205,505 High−k膜、
206,506 多結晶シリコン膜、
207,507 SiO膜、
208,508 反射防止膜、
209 レジスト膜、
210,509 レジストパターン、
211,510 SiO膜パターン、
212,511 多結晶シリコン膜パターン。

Claims (3)

  1. シリコン基板の上に、LaおよびAlの酸化物ならびにPrおよびAlの酸化物膜のいずれか一方の絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程と、
    前記絶縁膜を、フッ化アンモニウム水溶液に過酸化水素を添加したpH9〜10の薬液を用いてウェットエッチングする工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. シリコン基板の上にSiO膜を形成する工程と、
    前記SiO膜の上に、LaおよびAlの酸化物ならびにPrおよびAlの酸化物膜のいずれか一方の絶縁膜を形成する工程と、
    前記絶縁膜の上にゲート電極を形成する工程と、
    前記絶縁膜を、フッ化アンモニウム水溶液に過酸化水素を添加したpH9〜10の薬液を用いてウェットエッチングする工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 前記薬液のpH、9.0〜9.5であることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
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