JP4354183B2 - 高k誘電体膜を備える半導体構造体、半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

高k誘電体膜を備える半導体構造体、半導体装置及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は集積回路の形成に用いられる素子と集積回路の製造方法に関する。より詳細には、集積回路の形成に用いられる高K誘電体に関する。
二酸化シリコンは、集積回路の形成に際して用いられる、今日まで最も一般的かつ有効な絶縁体である。この膜は非常に高度の信頼性を有し、特に、非常に低い欠陥密度の膜として形成することができる。この結果、二酸化シリコンは低いリークを達成する際に非常に有効な材料として機能する。ゲート誘電体に関して、誘電体の好適な特徴の一つは、誘電体がその上のゲートをその下のチャネルに結合させてチャネルがゲートに印加される信号に応答するようにすることである。この点において、この誘電体が一般的にKとして知られる高い誘電率を有することが望ましい。
現在、酸化シリコンよりも高い誘電率を有する高K誘電体を開発するために数多くの研究がなされている。この類の高K誘電体は多く存在するが、酸化シリコンの利点の一つは、そのバンドギャップが大きいために、非常に有効な絶縁体となっている点である。このようにして、高誘電率化を目的として開発される材料の多くは、十分に大きなバンドギャップを有しないか、あるいは、誘電体を流れる電流リークを防止するために十分な信頼性を有するように形成することが難しいことから問題を有することが判明していた。
高K誘電体に望まれる特性の一つは、高K誘電体がアモルファスであるということである。また高K誘電体は、製造期間中とそれに続く、完成した集積回路の一部として機能動作する期間中を含むすべての寿命に渡ってアモルファスであり続ける必要がある。高K誘電体の多くは、成膜時に十分に高いKと十分な信頼性を有するが、それに続く処理工程とその工程に関連する熱処理の期間を経る結果、これらの膜が結晶化されてしまう。このようにして結晶化されるこれらの膜は、その全長及び全幅に渡って完全に結晶化されるのではなく、形成される結晶構造の間の粒界として知られる領域を有することとなる。これらの粒界はリークを生じさせる領域であり、電気特性に影響する他の問題となる。
アモルファスに代わるものとして単結晶膜がある。理論的には、これら単結晶膜は通常、単結晶に形成することができる。単結晶膜にはいくつかの問題がある。一つには、膜の結晶構造をその下の半導体、通常はシリコン、の結晶構造に整合させてしまうのみならず、膜形成プロセス中に事実上完全な形で形成される膜の結晶構造にも整合させてしまうことである。単結晶層であるエピタキシャル層は当該技術分野においては知られるところである。シリコンはエピタキシャル成長により形成することができる。一般的に、これらのエピタキシャルプロセスは、他の成膜プロセスに比べると比較的に遅い。非常に微細な膜を単結晶の形で成長させることができる技術の一つに、分子線エピタキシャル成長法がある。この方法には、エピタキシャル成長が遅く、処理量、すなわち、所定時間当たりのウェハの処理枚数がCVDのような従来の成膜プロセスに比べると非常に小さい、という問題がある。このように、分子線エピタキシャル成長法(MBE)は一般的に量産に適する技術ではないと考えられる。MBE技術を用いるとしても、確実に欠陥の無い膜を得ることは未だに難しい。これを達成するには、圧力を非常に低くする必要があり、プロセスが非常に遅い。膜厚が10〜30オングストロームという非常に薄い層の場合、その成長にMBE装置で悠に2時間を要する。
新規の高K誘電体を開発するに当たって、誘電体が非常に高い誘電率を有してしまうと
いう別の問題も生じる可能性がある。誘電率が非常に高いと、トランジスタの特性に悪影響を及ぼすフリンジ電界効果と呼ばれる効果が生じる。この効果はゲートとソース/ドレインとの間の過剰な結合に関与する。このようにして、開発中の材料は通常、20〜40の範囲の誘電率を有することが望ましい。この望ましい誘電率範囲は技術がさらに進歩するに従っていくらか変わるものである。
望ましい高K誘電体の別の形態は、或る膜厚の酸化シリコンの容量と等価な容量という観点から評価される。酸化シリコンは非常に一般的であり、かつ、有効に使用されるので、酸化シリコンは標準となっており、この産業分野においては、或る特性は酸化シリコンとの関係で記載されることが多い。この場合、通常の望ましい酸化シリコン換算は5〜15オングストロームの間であるが、膜厚が5〜15オングストロームの酸化シリコンはリーク、信頼性及び成長速度に問題を有する。従って、膜がそのように薄いと使用する際だけでなく製造する際にも困難を伴う。望ましい結合は、酸化シリコン換算で5〜15オングストロームの膜厚を有し、実際の膜厚がこの膜厚よりも厚い誘電体を用いる場合に生じる。通常望ましいと考えられる実際の最小膜厚は約25オングストロームである。このようにして、誘電率が望ましい範囲にあり、高信頼性を有するように形成可能であり、膜厚が望ましい範囲にあり、かつ、製造プロセスにおいて製造可能な誘電体膜が必要となる。
ランタン、アルミニウム及び酸素を含む高K誘電体膜は非常に優れた高誘電率材料となる。この膜は、望ましい範囲の誘電率を有するという利点と高温でアモルファスのままの状態を維持する能力を有するという利点とを組み合わせたものであり、しかもリークが小さい。
図1に半導体材料からなる基板12、誘電体膜14及び導電膜16を有する集積回路を示す。基板12は少なくともその表面に半導体領域を有する。図示しない下層部は同様に半導体材料とするか、または、SOIに通常見られる絶縁材料とすることができる。半導体材料としては、単結晶シリコン、砒化ガリウム、シリコンゲルマニウム、及びゲルマニウムを挙げることができる。基板12の上を覆って誘電体層14が位置する。誘電体層14の上を覆って、ゲート電極として機能する導電膜16が位置する。誘電体層14はゲート絶縁膜またはゲート誘電体として動作する。基板12はここでは誘電体膜14との境界面の表面近傍の領域が示され、トランジスタのチャネルとなる。
ゲート誘電体14は、ランタン、アルミニウム及び酸素を含む混合物であるアルミン酸ランタンを有する。この混合物はアルミニウムとランタンの濃度が同じである場合に、LaAlOと表される。ゲート誘電体14は好ましくは、原子層化学気相成長法(ALCVD)を使用して形成する。ここで使用可能な他の方法には、物理気相成長法、有機金属化学気相成長法、及びパルスレーザ成膜法が含まれる。ALCVD法を使用すると膜厚を含む層形成を高精度に制御でき、ここにおいては、25オングストロームよりも厚く、好ましくは30〜90オングストロームの範囲の膜厚に制御する。現状の集積回路技術におけるゲート導電体16は通常、ポリシリコンであるが、タングステン、窒化チタン、窒化タンタルのような他の導電体、またはゲート導電体として有用なものであればどのような導電体を用いることもできる。
ALCVD法により成膜したゲート誘電体14は、膜を確実にアモルファスの状態で成膜させる場合にも有用である。現在のALCVD技術を用いる場合、代表的な温度範囲は200〜400℃であり、そのときの圧力は約13.33〜1333Pa(0.1〜10Torr)の範囲の値であり、ALCVD法には普通約133.3Pa(1.0Torr)が選択される。温度及び圧力はゲート誘電体14が確実にアモルファス状態となるように選択される。ALCVDプロセスにおいては、アルミニウム及びランタン及び酸素のそれぞれのソースが一サイクルの中の異なるタイミングで導入される。各材料はそれが導入
され、成膜される固有の時点をサイクルの中に有し、この成膜はすでに存在する層との間の反応の結果であり、その後、導入された材料は排気される、またはパージされる。続いて、他の材料が導入され、すでに存在する層との間で反応を起こし、パージにより取り除かれる。次に、第3の材料が導入され、反応を起こしてパージされる。このように、一つの完結するサイクルが3つの材料すべてに対応して行なわれるが、それぞれの材料のサイクル中におけるタイミング及び時点は異なる。アルミニウムの次に酸素、ランタンの次に酸素、アルミニウムの次に酸素なども考えられる。このようにして、一つの材料おきに酸素ソースが導入される。このようにある意味では、一つの材料の導入毎に一つの層が成膜される。この場合、サイクルを一通りすべて行なう毎に4つの成膜層、すなわち、一層のランタン、一層のアルミニウム、2層の酸素が層毎に成膜されるが、結果として得られる4つの層は2つの金属酸化層、すなわち、アルミニウム/酸素を一つの層として、ランタン/酸素を他方の層として観察することができる。これらの2つの層はこのようにして単層のアルミン酸ランタンを構成する。
このアルミン酸ランタンは誘電係数及び低リークを最適化する分野において非常に多くの利点をもたらす。他の材料の中には明らかな欠陥を有するものがある。例えば、酸化ランタンは正常な範囲の誘電率を有するが水分を吸収する。水分の吸収は集積回路を望ましい形で製造しようとする場合に非常に不利となる。例えば、酸化ランタンが水分を吸収すると構造的な信頼性の問題が生じる。酸化ランタンが軟化して集積回路構造を形成する際に使用できなくなる。酸化アルミニウムは例えば、誘電率が非常に低いという問題を有する。酸化アルミニウムの誘電率は酸化シリコンよりも幾分高いが、継続するスケーリングに使用できるほど十分に高くはない。従って、酸化アルミニウムが使用できるものの寸法が縮小される次世代では使えない特定のプロセス構成が存在する。
アルミン酸ランタンの別の利点は、誘電率がランタンの含有率に依存して変化することである。このように、誘電率は、10〜25の間の或る値に最適化させることが可能となる。ランタンの含有率をアルミニウムの含有率よりも大きくすることにより誘電率を幾分大きくすることができるが、こうすると水分の吸収に関連する問題が生じる。
アルミン酸ランタンは1,025℃まで、多分それ以上の温度でもアモルファス状態を維持できるという利点を有する。摂氏1,025度は通常、現状のプロセスにおいては最も高温である。このようにして、アルミン酸ランタンは、最先端の平面構造形成用の多くの典型的なプロセスにより作製される集積回路を処理する間の最高温度に耐え、アモルファス状態を維持する性質を有することがわかっている。望ましいのは最大処理温度がいくらか低くなることであるが、最大温度はかなり高いレベルのままとなる可能性がある。なぜならば、ソース/ドレインにおいてドーパントが活性化するには高い温度が必要であり、そのような活性化は近い将来においても必要であると考えられるからである。最大温度は1,025℃よりも幾分低い温度とすることができるが、少なくともしばらくの間は依然として摂氏900度を越えるものと考えられる。しかしながら、確実に温度が大きく下がるものではなく、1,025℃がしばらくの間妥当な必要条件として続く可能性がある。
このようにして、アモルファス状態のアルミン酸ランタンは考えられる温度範囲で望ましい高誘電率特性と高信頼性を示す。
アモルファス状態のアルミン酸ランタンという有効な高K誘電体膜を成膜することができることにより得られる別の効果は、アルミン酸ランタンがシリコン上だけでなく、砒化ガリウム上でも非常に有効であるということである。砒化ガリウムを有効に使用し、砒化ガリウムの高い移動度という利点を利用する際の問題の一つに、砒化ガリウムに使用されるゲート誘電体が、高温で酸化シリコンを成長させて得られるシリコンのゲート誘電体の信頼性レベルに達することが非常に困難であることである。このようにして、ほとんどの
用途においては、シリコンが砒化ガリウムよりも優れていることが証明されてきた。現在、ALCVD法を用いて成膜される有効な高K誘電体の出現により、ゲート誘電体は、シリコン、砒化ガリウム、または他の半導体材料のいずれの上に成膜されるかに係わらず、高信頼性を有するようになった。また、砒化ガリウムがほとんどの集積回路に対して好ましい選択肢であり、現在の半導体市場における単なる特殊用途の材料ではなくなった。
図2に集積回路の一部18を示すが、この集積回路は基板20、バリア誘電体22、高K誘電体24、及び導電体26を有する。この場合、高K誘電体24はそれがアルミン酸ランタンであるという点で、図1の膜14と同様または膜14に類似する。導電体26は図1の導電体16に、基板20は図1の基板12に類似する。境界層とも呼ぶことができるバリア誘電体22は、絶縁体として望ましい特性を有するという理由により選択される。このバリア誘電体22は例えば、酸化アルミニウム、酸化シリコンまたは酸窒化シリコンとすることができる。酸化アルミニウムはこの場合には特に有効な選択肢となる。なぜなら、酸化アルミニウムは優れた絶縁特性を有し、酸化シリコンよりも幾分高い誘電率を有する。バリア誘電体22を設けるのは、高K誘電体24とバリア誘電体22とを組み合わせることにより十分な絶縁特性が得られ、望ましくない電流の流れを防止することができるからである。例えば、これら2つの誘電体を組み合わせることにより大きなバンドギャップを得ることができ、また、十分に高い誘電率が得られる。特に、この組み合わせにより、バンドギャップの大きな材料を、電子の注入ソースとなる基板20に直接接触させることができる。バリア誘電体22の別の使い方として、基板20として選択される材料がアルミン酸ランタンとの間で問題を生じる場合に、バリア誘電体22を拡散バリアとして機能させる。
図3に集積回路の一部28を示すが、この集積回路は基板30、誘電体膜32、及び導電体34を有する。この場合、基板30は基板20及び12に、導電体34は導電体26及び16に類似する。誘電体膜32は誘電体14に置き替わり、誘電体22及び24の組み合わせに置き替わる。この場合、誘電体膜32はランタンをその濃度が傾斜する形で含む。誘電体膜32において、基板30との境界近傍では、材料は基本的には純粋な酸化アルミニウムとなっている。導電体34に向かうに従って、ランタン濃度は、導電体34との境界近傍及び境界で誘電体膜32中のアルミニウムとランタンとの比が1対1となるまで連続的に増大する。この手法の利点は、この手法を用いることにより、基板30の直ぐ側でバンドギャップが望み通りに大きくなり、酸化アルミニウムとアルミン酸ランタンとの間には決して急峻な境界ができないことである。この結果として得られる誘電率も、濃度が増大する割合を制御することにより調整することができる、すなわち、アルミニウムとランタンとの間の1対1の比を導電体34との境界に達する前に余裕をもって達成することができる。もう一つ別の方法として、ランタン濃度がアルミニウム濃度を超えるように、アルミニウムとランタンとの間の比を傾斜させながら上記1対1の比を通過して連続的に変化させる方法がある。
ALCVD法を用いる場合、初期局面の成膜にはランタンは含まないものとすることができる。第1層は単純にアルミニウム及び酸素とし、この構成が所望数の層だけ続き、アルミニウムとランタンとの比が1対1となるまで増大する割合でアルミニウムをランタンで置き替えて行くようにすることができる。実際、ランタンをアルミニウムよりも高い濃度とすることが望ましい。ここでリスクとして、高誘電率とするためにランタン濃度を高くすることにより、アルミニウムよりもランタンを多く含ませるという実際は望ましい状態を得ることができる一方で、ランタンが過剰となってしまうと膜質が劣化してしまう、ということがある。この場合、導電体34への境界の最も近くで、ランタン濃度がアルミニウム濃度よりも高くなる。
図4に集積回路の一部32を示すが、この集積回路は基板34、バリア誘電体36、高
K誘電体38、バリア誘電体40、及び導電体42を有する。この場合、基板34は基板12,20及び30に類似する。バリア誘電体36はバリア22に類似する。高K誘電体38は高K誘電体14及び24に類似する。導電体42は導電体16,26及び34に類似する。バリア層40は高K誘電体38と導電体42との間のバリアとなる。バリア40は導電体42が高K誘電体38との間で相性の問題が生じる場合に使用される。バリア40は、酸化アルミニウム、酸化シリコン及び酸窒化シリコンの中から最も高い頻度で選択される。バリア誘電体40は、導電体42と高K誘電体38との間の拡散バリアとするために設けられる。勿論、バリア層40が高誘電率を有することが望ましいが、バリア層を設けるのは、導電体42と高K誘電体38との間に生じる問題を避けるためである。酸化シリコンよりも誘電率が高いという理由により、好ましくは酸化アルミニウムが選択される。
図5に集積回路の一部44を示すが、この集積回路は導電体46、高K誘電体48、及び導電体50を有する。この場合、高K誘電体は2つの導電体の間に設ける。この構成は主として、導電体46が電荷を保存するフローティングゲートの場合に用いられる。この構成はまた、46及び50が、電荷を保存するために使用される容量プレートを形成する場合にも適用される。このような例の一つとして、ダイナミックランダムアクセスメモリのメモリセルがある。このような場合、高K誘電体48が低いリーク特性を有することが望ましいのに加えて、高誘電率を有することも望まれる。
図5に示すように、高K誘電体48は傾斜濃度分布を示すアルミン酸ランタンである。ランタン濃度は中央で最大となり、ピュアまたはほぼピュアな酸化アルミニウムは導電体46との境界及び導電体50との境界に存在する。この構成により、導電体46との境界及び導電体50との境界の両方において比較的高い誘電率と大きなバンドギャップが得られ、誘電体が高K誘電体及び優れた絶縁体の両方を満たすものとなる。高K誘電体48の濃度分布を傾斜させることにより、異なるタイプの絶縁体の間に急峻な境界が生じることを避ける。異なるタイプの材料の間での遷移が急峻になると、そこが電荷が捕捉される部位となり易い。濃度を傾斜させることにより、急峻な境界の形成を避けることができる。トランジスタの場合、基板の直ぐそばにのみ大きなバンドギャップを有するようにすることが最も重要である。なぜなら、そこは電荷が注入される可能性のある部位であり、集積回路の一部44の場合、電荷は導電体50または導電体46のいずれかから注入される。このため、導電体50及び導電体46の双方との境界で大きなバンドギャップを有することが望ましい。
図6に集積回路の一部52を示すが、この集積回路は導電体54、バリア誘電体56、高K誘電体58、バリア誘電体60及び導電体62を有する。これは図5の構造に類似する。導電体54は図5の導電体46に類似し、導電体62は図5の導電体50に類似し、層56,58及び60の組み合わせは図5の高K誘電体48に類似する。図6の場合、誘電体層56及び60は共に、大きいバンドギャップが形成されるように作用し、導電体62及び54と高K誘電体58との間の拡散バリアとして機能する。このようにして、バリア層56及び60の追加は、高K誘電体58への拡散バリアを形成するだけでなく、高K誘電体58に十分な絶縁性能を付与するためにも必要である。導電体54及び62は異なる特性を有することができる。一方はポリシリコンとすることができる。他方を金属とすると、バリア誘電体のタイプは異なるようにすることが好ましい。高K誘電体58はアルミン酸ランタンとすることができ、図1〜5の構造に示される膜に用いられるアルミン酸ランタンについて記載された効果を産み出す。
トランジスタの形成を除くと、2つの導電体の場合にバリアを設けることが益々必要となる。なぜなら、実際、ある状況下においては導電体2と導電体54との間で注入が生じることが望ましい場合があるからである。このようにして、バリア56及び60を設けて
、或いは、図5に示すように濃度分布を傾斜させて、注入が生じることが望ましくない場合に注入が生じないようにすることが実際、より頻繁に求められている。このように、バリア56及び60を設ける、或いは、図5に示すように濃度分布を傾斜させる必要性は、注入による電荷の保存が生じる場合により大きくなる。また、誘電体が純粋にキャパシタとして機能する場合、バリア56及び60を設ける必要性がさらに一層増大する。キャパシタの主要目的は電荷を保存することであり、従って、導電体との境界で大きなバンドギャップを有することはトランジスタにおけるよりも重要となる。
本発明は種々の実施形態の中で記載されてきたが、効果または本発明と関連する効果の内の幾つかを産み出すように組み合わせて用いられる他の実施形態及び他の材料が考えられる。記載した以外の他の材料が使用可能である。また、アルミン酸ランタンに添加することができる材料が存在し、これらの材料を添加することにより、記載してきた組み合わせ及び種々の濃度におけるアルミン酸ランタンにより産み出される効果に加えてさらに効果を産み出すことができる。従ってここに請求項が示され、これら請求項により本発明の技術範囲を定義するものである。
本発明の第1の実施形態による集積回路の部分断面図。 本発明の第2の実施形態による集積回路の部分断面図。 本発明の第3の実施形態による集積回路の部分断面図。 本発明の第4の実施形態による集積回路の部分断面図。 本発明の第5の実施形態による集積回路の部分断面図。 本発明の第6の実施形態による集積回路の部分断面図。

Claims (14)

  1. 半導体基板と、
    前記半導体基板を覆って設けられ、ランタン、アルミニウム、及び酸素からなるアモルファスの誘電体層と、
    前記誘電体層を覆う電極層と、
    前記半導体基板及び前記誘電体層の間にある境界層とからなり、
    前記境界層は酸素及びアルミニウムからなる、半導体構造体。
  2. 半導体基板と、
    前記半導体基板を覆って設けられ、ランタン、アルミニウム、及び酸素からなるアモルファスの誘電体層と、
    前記誘電体層を覆う電極層とからなり、
    前記誘電体層の前記半導体基板との境界近傍ではランタンを含有させず、前記電極層に向かうに従ってランタン濃度を連続的に増加させている、半導体構造体。
  3. 前記半導体基板は単結晶シリコン、砒化ガリウム、シリコンオンインシュレータ(SOI)、シリコンゲルマニウム、及びゲルマニウムからなる群から選択される請求項1又は2に記載の半導体構造体。
  4. 前記電極層はゲート電極である請求項1又は2に記載の半導体構造体。
  5. 前記電極層との境界近傍において前記誘電体中のランタンとアルミニウムの比は1対1である、請求項に記載の半導体構造体。
  6. 第1導電層と、
    前記第1導電層を覆って設けられ、ランタン、アルミニウム、及び酸素からなるアモルファスの誘電体層と、
    前記誘電体層を覆う第2導電層と、
    前記第1導電層及び前記誘電体層の間にある第1境界層と、
    前記誘電体層及び前記第2導電層の間にある第2境界層とからなり、
    前記第1境界層は酸素及びアルミニウムからなる、半導体構造体。
  7. 第1導電層と、
    前記第1導電層を覆って設けられ、ランタン、アルミニウム、及び酸素からなるアモルファスの誘電体層と、
    前記誘電体層を覆う第2導電層とからなり、
    前記誘電体層の前記第1導電層及び前記第2導電層の双方の近傍においてランタンを含有させず、前記誘電体層の中央に向かうに従ってランタン濃度を最大値まで段階的に増加させている、半導体構造体。
  8. 前記第1導電層はフローティングゲートである請求項6又は7に記載の半導体構造体。
  9. 前記第2境界層は酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸窒化シリコンからなる群から選択される化合物からなる請求項6に記載の半導体構造体。
  10. 前記第1境界層及び前記第2境界層は同一の材料である請求項6に記載の半導体構造体。
  11. 前記誘電体層の中央におけるランタンとアルミニウムの比は1対1である、請求項に記載の半導体構造体。
  12. 半導体基板の上方に第1境界層を形成する工程と、
    前記第1境界層の上方に、ランタン、アルミニウム、及び酸素からなるアモルファスの誘電体層を原子層化学気相成長法によって形成する工程と、
    前記誘電体層を覆う電極層を形成する工程と、
    前記第1境界層は酸素及びアルミニウムからなる半導体構造体の製造方法。
  13. 前記誘電体層と前記誘電体層を覆う前記電極層との間に第2境界層を形成する工程をさらに備える請求項12に記載の方法。
  14. 半導体表面を有する基板又は導電層のいずれか一方からなる第1材料と、
    導電性の層である第2材料と、
    前記第1及び第2材料との間に配置され、ランタン、アルミニウム、及び酸素からなり、アモルファスである第3材料と、
    前記第3材料及び前記第1材料の間に設けられ、酸素及びアルミニウムからなる第4材料とからなる半導体装置。
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