JP4536333B2 - 半導体装置及び、その製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゲート絶縁膜として高比誘電率(high-k)膜を用いた半導体装置の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、シリコン基板上に形成される電極材料としてはポリシリコン(Poly−Si)が主流であった。また、シリコン基板とポリシリコン電極材料との間に配置されるゲート絶縁膜としては、酸化シリコン(SiO2)、酸窒化シリコン(SiON)、窒化シリコン(Si3N4)が用いられていた。ところで、ゲート絶縁膜の容量(∝ε/d:ε:誘電率、d:膜厚)を大きくするために、従来は、ゲート絶縁膜(SiO2(ε=3.9))の膜厚を薄くして対応していた。
【0003】
特開2000−294550号公報には、プラズマを用いて前記ウエハW表面に直接に酸化、窒化、又は酸窒化を施して酸化膜相当換算膜厚で1nm以下の絶縁膜を形成する方法が開示されている。
【0004】
一方、ゲート絶縁膜の膜厚を薄くするにも限界があるため、現在では比誘電率の大きな材料(High-K Kはεと同義語)を用い、物理的な膜厚をある程度厚くできる方法が提案されている。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−294550号
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のHigh-K膜は酸化物で成形されているため、酸化物を形成するときに酸化種が必ず存在する。また、酸化物の結晶性を安定化させるために、酸化種あるいは不活性ガス種の雰囲気中で高温熱処理工程が必要である。その結果、SiO2(あるいはSiとOとHigh-Kを構成するメタルの混合物)がSi表面あるいは、酸化物系High-K膜表面にできてしまい、誘電率が低い膜が直列に形成されてしまい、容量の増加という本来の目的を達成できないこととなる。
【0007】
そこで、シリコン窒化膜(ε=7程度)をSiとHigh-K材料の間に挟むことにより、SiO2膜を形成し難くする方法も提案されているが、やはり、High-K膜形成中にシリコン窒化膜が酸化され、誘電率の高い膜のみを形成するのが困難であった。
【0008】
本発明は、上記のような状況に鑑みてなされたものであり、High-K絶縁膜の比誘電率を高い状態で維持することにより、特性の良好な半導体装置を提供することを目的とする。また、High-K絶縁膜の比誘電率を高い状態で維持可能な半導体装置の製造方法を提供することを他の目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第1の態様に係る半導体装置は、シリコン基板と;ゲート電極層と;前記シリコン基板と前記ゲート電極層との間に配置されたゲート絶縁膜とを備える。そして、前記ゲート絶縁膜を、メタルとシリコンの混合物を窒化処理してなる高比誘電率(high-k)膜とする。すなわち、High-K膜自体を窒化物にすることにより、SiO2の発生を防止することが可能となる。
【0010】
前記ゲート絶縁膜はプラズマCVD技術によって成膜することが好ましい。また、前記シリコン基板と前記ゲート絶縁膜との間に、バリア層としてシリコン窒化膜を配置した場合には、High-K材料形成中に膜厚増加が起き難くなり、容量低下を抑制できる。これは、シリコン窒化膜が酸化膜に比べ膜厚が増加し難いという事実に基づく。なお、前記シリコン窒化膜はプラズマによる直接窒化技術によって形成することができる。
【0011】
また、前記ゲート絶縁膜の上にシリコン窒化膜を配置することにより、ゲート電極との反応を抑制できる。
【0012】
また、前記シリコン基板上において、シリコン窒化膜と前記ゲート絶縁膜とを交互に積層形成した多層構造とすれば、より安定した絶縁膜が得られる。
【0013】
また、前記シリコン基板と前記ゲート絶縁膜との間に、バッファー層を形成することにより、界面特性が向上し、良好なFET特性が得られる。
【0014】
前記シリコン基板と前記ゲート絶縁膜との間に、アルミナ(Al2O3)単結晶膜を形成することにより、バッファー層の誘電率を9程度まで上げられるので、さらに容量を増加できる。なお、前記アルミナ単結晶膜は、プラズマCVD技術による形成することができる。
【0015】
上述したゲート絶縁膜としては、以下から選択される組成のものを採用することができる。
M3Si6N11 (M=La,Ce,Pr,Nd,Sm)
M2Si5N8 (M=Ca,Sr,Ba,Eu)
MYbSi4N7 (M=Sr,Ba,Eu)
BaSi4N7
Ba2Nd7Si11N23
【0016】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明に用いられるプラズマ処理装置10の概略構成の例を示す。プラズマ処理装置10は、被処理基板としてのシリコンウエハWを保持する基板保持台12が備えられた処理容器11を有する。処理容器11内の気体(ガス)は排気ポート11Aおよび11Bから図示されない排気ポンプを介して排気される。なお、基板保持台12は、シリコンウエハWを加熱するヒータ機能を有している。基板保持台12の周囲には、アルミニウムからなるガスバッフル板(仕切り板)26が配置されている。ガスバッフル板26の上面には石英あるいはSiCカバー28が設けられている。
【0017】
処理容器11の装置上方には、基板保持台12上のシリコンウエハWに対応して開口部が設けられている。この開口部は、石英やAl2O3、AlN,Si3N4からなる誘電体板13により塞がれている。誘電体板13の上部(処理容器11の外側)には、平面アンテナ14が配置されている。この平面アンテナ14には、導波管から供給された電磁波が透過するための複数のスロットが形成されている。平面アンテナ14の更に上部(外側)には、波長短縮板15と導波管18が配置されている。波長短縮板15の上部を覆うように、冷却プレート16が処理容器11の外側に配置されている。冷却プレート16の内部には、冷媒が流れる冷媒路16aが設けられている。
【0018】
処理容器11の内部側壁には、プラズマ処理の際にガスを導入するためのガス供給口22が設けられている。このガス供給口22は、導入されるガス毎に設けられていても良い。この場合、図示されないマスフローコントローラが流量調整手段として供給口ごとに設けられている。一方、導入されるガスが予め混合されて送られ、供給口22は一つのノズルとなっていても良い。この場合も図示されないが、導入されるガスの流量調整は、混合段階に流量調整弁などで為される。また、処理容器11の内壁の内側には、容器全体を囲むように冷媒流路24が形成されている。
【0019】
本発明に用いられるプラズマ基板処理装置10には、プラズマを励起するための数ギガヘルツの電磁波を発生する図示されない電磁波発生器が備えられている。この電磁波発生器で発生したマイクロ波が、導波管15を伝播し処理容器11に導入される。
【0020】
図2は、本発明に係る半導体装置(MISFET)の構造を示す断面図である。本発明は、ゲート絶縁膜50の組成、構造に関するものであり、各実施例については後に詳述する。図2において、100がシリコン基板;50がゲート絶縁膜;52がゲート電極;54がソース/ドレイン層(拡散層);56がサイドウォールを示す。
【0021】
以下、図3〜図8を参照して、本発明の第1〜第5実施例に係るゲート絶縁膜構造について説明する。なお、各図は概ね図2の破線部分に対応する。
【0022】
図3は、本発明の第1実施例に係る半導体装置の要部の構造を示す概略図である。本実施例の半導体装置においては、シリコン基板100上に窒化物系のHigh-K膜104をゲート絶縁膜(50)として形成する。シリコン基板100とHigh-K膜104との間には、シリコン窒化膜(Si3N4層)102が形成される。また、High-K膜104の上には、ゲート電極(52)としてのTaN層106がスパッタリングによって形成される。High-K膜104は、上述したプラズマ処理装置10を用い、プラズマCVD技術によって成膜される。シリコン窒化膜102は、同様のプラズマ処理装置10を用い、直接ラジカル窒化処理によって成膜されるものであり、シリコン基板100表面の界面準位を下げる役割を果たす。
【0023】
High-K膜104としては、例えば、以下の組成のものを採用することができる。
M3Si6N11 (M=La,Ce,Pr,Nd,Sm)
M2Si5N8 (M=Ca,Sr,Ba,Eu)
MYbSi4N7 (M=Sr,Ba,Eu)
BaSi4N7
Ba2Nd7Si11N23
【0024】
図1に示すプラズマ処理装置10を用いて、第1実施例に係る構造を形成する際には、まず、処理対象となるシリコン基板100を処理容器11内に導入し、基板保持台12上にセットする。その後、排気ポート11A,11Bを介して処理容器11内部の空気の排気が行われ、処理容器11の内部が所定の処理圧に設定される。次に、ガス供給口22から、窒素ガス及び不活性ガスを処理容器11内に導入する。
【0025】
一方、電磁波発生器で発生された数GHzの周波数のマイクロ波は、導波管15を通って処理容器11に供給される。平面アンテナ14、誘電体板13を介して、このマイクロ波が処理容器11中に導入される。このマイクロ波によりプラズマが励起され、窒素ラジカルが生成される。この様に生成されたプラズマ処理時のウエハ温度は500℃以下である。処理容器11内でのマイクロ波励起によって生成された高密度プラズマは、シリコン基板100の表面に窒化膜Si3N4を形成させる。
【0026】
Si3N4膜102が形成されたシリコン基板100は、処理容器11から取り出される。その後、High-K膜104を形成する際には、再び基板を処理容器11内にセットし、周知のCVD技術によって窒化物系膜104を形成する。
【0027】
図4は、本発明の第2実施例に係る半導体装置の要部の構造を示す概略図である。図4において、図3と同一又は対応する構成要素については、同一の参照符号を付し、重複した説明は省略する。本実施例の構造においては、上述した第1実施例と同様に、High-K膜104とシリコン基板100との間にSi3N4層102aを形成するとともに、High-K膜104とTaN層106との間にもSi3N4層102bを形成する。これにより、ゲート電極(TaN層106)との反応性が抑制され安定な膜が形成できる。
【0028】
図5は、本発明の第3実施例に係る半導体装置の要部の構造を示す概略図である。図5において、図3及び図4と同一又は対応する構成要素については、同一の参照符号を付し、重複した説明は省略する。本実施例の構造においては、上述したシリコン基板100とゲート電極層(TaN層)との間にHigh-K膜104を形成するが、シリコン基板100とHigh-K膜104との間やHigh-K膜とTaN層106との間には、Si3N4層等の他の層を形成しない。
【0029】
図6は、本発明の第4実施例に係る半導体装置の要部の構造を示す概略図である。図6において、図3〜図5と同一又は対応する構成要素については、同一の参照符号を付し、重複した説明は省略する。本実施例の構造においては、上述したシリコン基板100とHigh-K膜104との間にバッファー層110を形成している。なお、High-K膜とTaN層106との間には、Si3N4層等の他の層を形成されない。
【0030】
バッファー層110は、High-K膜104の形成と同じプロセスの中で、処理容器11内に供給されるガス組成を変えることによって形成される。バッファー層110は、Si3N4層よりも誘電率が高く、且つ、界面準位を低くできるというメリットがある。
【0031】
図7は、本発明の第5実施例に係る半導体装置の要部の構造を示す概略図である。図7において、図3〜図6と同一又は対応する構成要素については、同一の参照符号を付し、重複した説明は省略する。本実施例の構造は、シリコン基板100上において、3層のSi3N4層102a,102b,102cと2層のHigh-K膜104a,104bとを交互に積層している。これにより、
より安定した絶縁膜が得られる。
【0032】
図8は、本発明の第6実施例に係る半導体装置の要部の構造を示す概略図である。図8において、図3〜図6と同一又は対応する構成要素については、同一の参照符号を付し、重複した説明は省略する。本実施例の構造では、シリコン基板100とHigh-K膜104との間に、Si3N4よりも誘電率が高いアルミナ(Al2O3)単結晶膜114を形成している。アルミナ(Al2O3)単結晶膜114は、図1に示す装置を用い、プラズマCVD技術によって成膜することができる。
【0033】
以上、本発明の実施の形態例及び実施例について幾つかの例に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではなく、特許請求の範囲に示された技術的思想の範疇において変更可能なものである。
【0034】
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明に係るプラズマ処理装置の構成の一例を示す概略図(断面図)である。
【図2】図2は、本発明に係る半導体装置の構造を示す断面図である。
【図3】図3は、本発明の第1実施例に係る半導体装置の要部の構造を示す概略図である。
【図4】図4は、本発明の第2実施例に係る半導体装置の要部の構造を示す概略図である。
【図5】図5は、本発明の第3実施例に係る半導体装置の要部の構造を示す概略図である。
【図6】図6は、本発明の第3実施例に係る半導体装置の要部の構造を示す概略図である。
【図7】図7は、本発明の第4実施例に係る半導体装置の要部の構造を示す概略図である。
【図8】図8は、本発明の第5実施例に係る半導体装置の要部の構造を示す概略図である。
【符号の説明】
10 プラズマ処理装置
11 プラズマ処理容器
18 導波管
22 ガス供給口
100 Si基板
102 Si3N4膜
104 窒化物系膜
106 TaN膜
114 Al2O3膜
Claims (16)
- シリコン基板と;
ゲート電極層と;
前記シリコン基板と前記ゲート電極層との間に配置されたゲート絶縁膜とを備え、
前記ゲート絶縁膜は、メタルとシリコンの混合物の窒化物のみからなる高比誘電率(high-k)膜であり、
前記ゲート絶縁膜が接する膜の少なくとも一部は窒素とシリコンとを含む膜であることを特徴とする半導体装置。 - 前記ゲート絶縁膜はプラズマCVD技術によって成膜されることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
- 前記シリコン基板と前記ゲート絶縁膜との間に、バリア層としてシリコン窒化膜を配置することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記シリコン窒化膜はプラズマによる直接窒化技術によって形成されることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置。
- 前記ゲート絶縁膜の上にシリコン窒化膜を配置することを特徴とする請求項1,2,3又は4に記載の半導体装置。
- 前記シリコン基板上において、シリコン窒化膜と前記ゲート絶縁膜とを交互に配置形成した多層構造とすることを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。
- 前記シリコン基板と前記ゲート絶縁膜との間に、バッファー層を形成することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置。
- 前記ゲート絶縁膜は、以下から選択される組成を有することを特徴とする請求項1乃至7の何れか1項に記載の半導体装置。
M 3 Si 6 N 11 (M=La,Ce,Pr,Nd,Sm)
M 2 Si 5 N 8 (M=Ca,Sr,Ba,Eu)
MYbSi 4 N 7 (M=Sr,Ba,Eu)
BaSi 4 N 7
Ba 2 Nd 7 Si 11 N 23 - シリコン基板上に、メタルとシリコンの混合物を窒化処理してなる高比誘電率(high-k)膜であるゲート絶縁膜を形成する工程と;
前記ゲート絶縁膜上にゲート電極層を形成する工程と;
前記ゲート絶縁膜と接するように、窒素とシリコンとを含む膜を形成する工程とを含み、
前記ゲート絶縁膜は、メタルとシリコンの混合物の窒化物のみからなる高比誘電率(high-k)膜であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記ゲート絶縁膜は、プラズマCVD技術によって成膜されることを特徴とする請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記シリコン基板と前記ゲート絶縁膜との間に、バリア層としてシリコン窒化膜を形成することを特徴とする請求項9又は10に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記シリコン窒化膜は、プラズマによる直接窒化技術によって形成されることを特徴とする請求項11に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ゲート絶縁膜の上にシリコン窒化膜を配置することを特徴とする請求項9乃至12の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記シリコン基板上において、シリコン窒化膜と前記ゲート絶縁膜とを交互に積層形成した多層構造とすることを特徴とする請求項13に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記シリコン基板と前記ゲート絶縁膜との間に、バッファー層を形成することを特徴とする請求項9又は10に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記ゲート絶縁膜は、以下から選択される組成を有することを特徴とする請求項9乃至15の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
M 3 Si 6 N 11 (M=La,Ce,Pr,Nd,Sm)
M 2 Si 5 N 8 (M=Ca,Sr,Ba,Eu)
MYbSi 4 N 7 (M=Sr,Ba,Eu)
BaSi 4 N 7
Ba 2 Nd 7 Si 11 N 23
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