JP5106769B2 - 金属シリケート膜形成方法および半導体装置の製造方法、コンピュータ可読記録媒体 - Google Patents
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Description
本発明は一般に成膜技術に係り、特に金属シリケート膜の形成方法およびかかる金属シリケート膜を使った半導体装置の製造方法に関する。
微細化技術の進歩に伴い、今日ではゲート長が０．１μmを切るような超微細化・超高速半導体装置の製造が可能になっている。
このような超微細化・超高速半導体装置では、ゲート長の縮小に伴い、ゲート酸化膜の膜厚もスケーリング則に従って減少させる必要があるが、ゲート長が０．１μmを切るような半導体装置では、ゲート酸化膜の膜厚も従来の熱酸化膜を使った場合、１ｎｍ、あるいはそれ以下に設定する必要がある。しかし、このように非常に薄いゲート絶縁膜ではトンネル電流が増大し、その結果ゲートリーク電流が増大する問題を回避することができない。
このような事情で従来、比誘電率が熱酸化膜のものよりもはるかに大きく、このため実際の膜厚が大きくてもＳｉＯ2膜に換算した場合の膜厚が小さいＴａ2Ｏ5やＡｌ2Ｏ3，ＺｒＯ2，ＨｆＯ2、さらにはＺｒＳｉＯ4あるいはＨｆＳｉＯ4のような高誘電体（いわゆるhigh-K誘電体）材料をゲート絶縁膜に対して適用することが提案されている。このような高誘電体材料を使うことにより、ゲート長が０．１μｍ以下と、非常に短い超高速半導体装置においても５ｎｍ程度の物理的膜厚のゲート絶縁膜を使うことができ、トンネル効果によるゲートリーク電流を抑制することができる。
特に、シリコン基板表面に直接に高誘電体膜を形成した場合には、シリコン基板と高誘電体膜との間でＳｉ原子と金属原子の大規模な相互拡散が生じるため、高誘電体膜は、シリコン基板表面に形成された、非常に薄いシリコン酸化膜を介して形成されるのが一般的である。
一方、このように非常に微細化された半導体装置において、ゲート絶縁膜を、high-K材料よりなる高誘電体膜により形成した場合、前記高誘電体膜を平坦なシリコン酸化膜上に形成した場合であっても、ゲート絶縁膜の表面粗さは増大してしまい、凹凸の振幅が例えば１ｎｍに達してしまう場合があるのが見出された。
このように凹凸の激しいゲート絶縁膜上にポリシリコンなどによりゲート電極を形成すると、膜厚が薄い部分において局所的なリーク電流が、トンネル電流あるいはその他のリーク電流の形で生じ、その結果、ゲート絶縁膜全体でも、リーク電流が増大してしまう。
このようにゲート長が０．１μm以下の超微細化・超高速トランジスタでは、高誘電体膜を使った場合でも、ゲート絶縁膜の厚さはせいぜい数ｎｍであり、特性が安定した消費電力の少ない半導体装置を作製しようとすると、高誘電体ゲート絶縁膜表面のモフォロジー制御は非常に重要な課題となる。
膜の表面粗さ（ラフネス）を改善する有効な方法として、成膜を１原子層あるいは分子層ずつ行う、原子層堆積方法（いわゆるＡＬＤ法）が知られている。このＡＬＤ法によれば、極めて平滑な膜を形成することができる。
しかし、ＡＬＤ法では、複数の原料を、その分解温度以下で基板表面に吸着させるため、未分解物や反応生成物が膜中に残留しやすく、良好な膜質を得るのは困難である。また、ＡＬＤ法により、実用的な、例えば２〜４ｎｍの膜厚に成膜を行おうとすると、非常に長時間の処理が必要で、半導体装置の製造において重要な生産性が犠牲にされてしまう。
このような事情で、ＣＶＤ法による成膜により、表面粗さを熱酸化膜並みに改善できる技術が要望されている。
本発明は、シリコン基板上への金属シリケート膜形成方法であって、前記シリコン基板表面に、前記金属シリケート膜を構成する金属元素を含む有機金属化合物よりなる第１の気相原料と有機シリコン化合物よりなる第２の気相原料を供給し、前記シリコン基板上に金属シリケート膜を形成する第１の工程と、前記第１の気相原料の供給を遮断し、前記金属シリケート膜の形成を中断する第２の工程と、を繰り返してなり、前記第１の工程では、前記シリコン基板の温度を前記第１の気相原料の分解温度以上に保持し、前記金属シリケート膜を、少なくとも１分子層に相当する膜厚で形成され、前記第１の工程は、前記金属シリケート膜が、０．５〜２ｎｍの膜厚で形成されるように実行され、前記第１の気相原料は、ＨＴＢ（テトラターシャリブトキシハフニウム）であり、前記第２の気相原料は、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）であることを特徴とする金属シリケート膜形成方法、を提供する。
本発明によれば、シリコン基板表面に金属シリケート膜を、複数回のプロセスにより、かつ各々のプロセスでは、０．５ｎｍ以上、２ｎｍ以下の膜厚となるように形成することにより、金属シリケート膜の表面粗さを、前記シリコン基板と金属シリケート膜との間に介在する酸化シリコン膜の表面粗さと同等にまで抑制でき、金属シリケート膜表面に、酸化シリコン膜と同等の、極めて小さな表面粗さを実現することができる。そこで、このような平坦な金属シリケート膜上にゲート電極を形成することにより、トランジスタのゲートリーク電流を効果的に抑制することが可能になる。またこのような金属シリケート膜は、４８０±５０℃の基板温度で形成されるため、ＡＬＤ法で形成される金属シリケート膜に対して膜質が優れている特徴を有し、ゲートリーク電流がさらに抑制される。
また、このように金属シリケート膜の形成を複数の工程に分割し、工程と工程の間の成膜中断工程において、形成されている金属シリケート膜表面に酸素ガスあるいはオゾンガスを供給することにより、次工程での平坦な膜形成が保証される。
［第１の実施形態］
図１は、本発明で使われるＭＯＣＶＤ装置２０の構成を示す。
図１は、本発明で使われるＭＯＣＶＤ装置２０の構成を示す。
図１を参照するに、前記ＭＯＣＶＤ装置２０はポンプ２１により排気される処理容器２２を備え、前記処理容器２２中には被処理基板Ｗを保持する保持台２２Ａが設けられている。
また前記処理容器２２中には前記被処理基板Ｗに対向するようにシャワーヘッド２２Ｓが設けられ、前記シャワーヘッド２２Ｓには、酸素ガスを供給するライン２２ａが図示を省略したＭＦＣ（質量流量コントローラ）およびバルブＶ1を介して接続されている。
前記ＭＯＣＶＤ装置２０は、ＨＴＢなど有機金属化合物原料を保持する容器２３Ｂを備えており、前記容器２３Ｂ中の有機金属化合物原料は、Ｈｅガスなどの圧送ガスにより、流体流量コントローラ２２ｄを経由して気化器２２ｅに供給され、前記気化器２２ｅでＡｒなどのキャリアガスの介助により気化された有機金属化合物原料ガスが、バルブＶ3を介してシャワーヘッド２２Ｓに供給される。
さらに前記ＭＯＣＶＤ装置２０には、ＴＥＯＳなどの有機シリコン化合物原料を保持する加熱容器２３Ａを備えており、前記加熱容器２３Ａで蒸発した前記有機シリコン化合物原料ガスが、ＭＦＣ２２ｂおよびバルブＶ2を介してシャワーヘッド２２Ｓに供給される。
前記シャワーヘッド２２Ｓ内において前記酸素ガス、有機シリコン化合物原料ガスおよび有機金属化合物原料ガスはそれぞれの経路を通り、前記シャワーヘッド２２Ｓのうち前記シリコン基板Ｗに対向する面に形成された開口部２２ｓより、前記処理容器２２内のプロセス空間に放出される。
図２は、図１のＭＯＣＶＤ装置２０によりシリコン基板上に様々な膜厚で形成されたハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯ4）膜の表面粗さと膜厚との関係を、図３は、同じ実験における、形成されたハフニウムシリケート膜中のＨｆ濃度と成膜時間との関係を示す。図２において、表面粗さは原子間力顕微鏡により、膜厚はエリプソメトリにより測定しており、前記ハフニウムシリケート膜とシリコン基板との間に形成されたシリコン酸化膜の膜厚を含めて表示している。また図３において膜中のＨｆ濃度はＸＲＦにより測定している。
図２を参照するに、ハフニウムシリケート膜はシリコン基板上に膜厚が０．５ｎｍのＳｉＯ2膜を介して形成されている。また、前記ハフニウムシリケート膜の成膜は、４０Ｐａのプロセス圧の下、４８０±５０℃の温度で、ＨＴＢを０．２ｓｃｃｍの流量で、またＴＥＯＳを０．２ｓｃｃｍの流量で供給しながら行っている。
図２を参照するに、成膜が開始されて（０ｓｅｃ）直後から、ハフニウムシリケート膜の膜厚が約０．３ｎｍに達する（５ｓｅｃ：成膜開始後5秒後）までは、急激な表面粗さの増大が生じており、これは、図４（Ａ）に示すように、成膜開始直後には、シリコン基板４０を覆うシリコン酸化膜４１上において、ハフニウムシリケート４２の島状成長が生じていることを示している。なお、成膜開始時（０ｓｅｃ）における表面粗さ値の０．１８ｎｍは、前記シリコン酸化膜４１の表面粗さに対応している。
一方、成膜開始とともに、前記ハフニウムシリケートの島４２は図４（Ｂ）に示すように成長し、これに伴って前記表面粗さも急増するが、前記島の膜厚が約０．３ｎｍに達した時点（５ｓｅｃ）を超えて、成膜をさらに継続すると、表面粗さが急減し、成膜開始後１０秒後（１０ｓｅｃ）、前記ハフニウムシリケートの島４２の膜厚が０．５ｎｍに達すると、前記膜４２の表面粗さは、当初の０．１８ｎｍの値に戻ることが発見された。
これは、図４（Ｃ）に示すように、図４（Ｂ）の状態のハフニウムシリケートの島４２が崩壊し、平坦なハフニウムシリケート膜４３に変化する現象が生じていることを意味する。なお、前記膜厚は、エリプソメトリによる光学的測定値であり、前記島を平均に均した場合の膜厚に相当する。
この状態はしばらく継続し、前記平坦なハフニウムシリケート膜４３の膜厚が約２ｎｍを超えると、再び膜４３の表面粗さが増大し始めるが、これは、ハフニウムシリケート膜４３中における粒成長の発生を示しているものと解釈される。
図２の結果は、ハフニウムシリケート膜の正味の膜厚が０．５ｎｍを超えた時点で、下地のシリコン酸化膜４１の表面粗さと同等の表面粗さが実現されることを示している。これは、ハフニウムシリケート膜の０．３〜０．５ｎｍの膜厚範囲において、島４２の表面張力（表面自由エネルギ）と島４２を構成する分子の熱エネルギのバランスが崩れ、平坦な膜構造４３の方が安定になることを示唆している。
図３は、このようにして形成された成膜時間が０秒（残留ガスの吸着量ゼロ）、５秒、１０秒の試料について、ＩＣＰＭＳ（誘導結合プラズマ質量分析）によりＨｆ濃度を測定した結果を示す。ただし、成膜時間が５秒および１０秒の試料は、図２の５ｓｅｃおよび１０ｓｅｃの試料に、それぞれ対応している。
ＩＣＰＭＳ測定では、シリコン基板表面の平均的なＨｆ濃度が検出されるが、図３の関係から、成膜時間とともに、前記シリコン酸化膜４１上のハフニウム濃度は直線的に増大しており、ハフニウムシリケート膜が原料供給とともに成長していることが示されている。特に１０秒間成膜を行った試料、すなわち図４（Ｃ）の構造に対応する試料では、Ｈｆ濃度が５×１０１４ｃｍ−３に達している。このＨｆ濃度値は、ＨｆＳｉＯ4の1分子層のＨｆ濃度に相当し、従って、図４（Ｃ）の構造においては、実際に１分子層の厚さのハフニウムシリケート膜が前記膜４３として得られているものと考えられる。
そこで、本実施例では、所望の膜厚の平坦なハフニウムシリケート膜を得るため、図４（Ａ）〜（Ｃ）の工程を、間に成長中断を挟みながら繰り返す成膜方法を提案する。
図５は、本発明の第1実施例による、ハフニウムシリケート膜の成膜方法を示すフローチャートである。
図５を参照するに、ステップ１において前記図１のＭＯＣＶＤ装置２０を使い、シャワーヘッド２２ＳよりＨＴＢおよびＴＥＯＳ原料を供給することにより、平坦なハフニウムシリケート膜４３を、シリコン基板４０上のシリコン酸化膜４１上に、０．５ｎｍ以上、２ｎｍ以下の膜厚で成膜する。
次にステップ２において、前記ＨＴＢおよびＴＥＯＳ原料の供給を停止し、前記ハフニウムシリケート膜４３の、さらなる成長を停止する。
さらにステップ１に戻り、ステップ１および２を繰り返すことにより、前記シリコン基板４０上に、平坦なハフニウムシリケート膜４３を、所望の膜厚に到達するまで、繰り返し形成する。
このように、本実施例では平坦なハフニウムシリケート膜４３を繰り返し形成することにより、表面粗さの小さい、平坦なハフニウムシリケート膜を、所望の厚さに形成することが可能となる。
なお本実施例では基板温度を４８０℃に設定したが、ＨＴＢは２５０〜３００℃で分解するため、ＣＶＤ法で成膜を実現するには、３００℃以上であればよい。
また本実施例では、前記ステップ２においてＨＴＢと同時にＴＥＯＳの供給も停止しているが、基板の温度がＴＥＯＳの分解温度以下であれば、ＴＥＯＳの供給を継続しても、実質的に膜の成長は止まる。
本実施例では、ステップ２においてＮ2ガスまたは不活性ガスを前記処理容器２２に供給しているが、酸素ガスを供給してもよい。酸素ガスを供給することで、ステップ１で形成されたハフニウムシリケート膜４３の表面に残留する未分解のＴＥＯＳを酸化し、前記ハフニウムシリケート膜４３の表面をＳｉＯ2過剰の状態にすることができる。
さらに、酸素ガスの代わりに、または酸素ガスに加えて、より酸化力の強いオゾンガスを供給し、前記ハフニウムシリケート膜４３の表面をよりＳｉＯ2過剰の状態にすることができる。
このように、形成される各々のステップのハフニウムシリケート膜の表面を酸化処理することにより、その上にさらにハフニウムシリケート膜の成膜を行った場合、先の図４（Ａ）〜（Ｃ）のメカニズムによる平坦な膜の形成を、より確実に実行することが可能となる。
なお、同様なメカニズムによる金属シリケート膜の平坦化は、ハフニウムシリケート膜に限定されるものではなく、ジルコニウムシリケート膜など、他の金属シリケート膜、さらには酸化ハフニウムや酸化ジルコニウムなど、いわゆるhigh-K誘電体膜として使われる金属酸化膜においても生じると考えられる。
［第２の実施形態］
図７は、本発明の第２の実施形態による半導体装置６０の構成を示す。
［第２の実施形態］
図７は、本発明の第２の実施形態による半導体装置６０の構成を示す。
図７を参照するに、半導体装置６０はシリコン基板６１上に素子分離構造６１Ｉにより画成された素子領域６１Ａ中に形成されており、前記シリコン基板６１中のチャネル領域に対応してゲート電極６３が、シリコン酸化膜６２ｏｘおよびハフニウムシリケート膜６２ｈｋの積層構造を有するゲート絶縁膜６３を介して形成されており、前記シリコン基板６１中には、前記ゲート電極６３の両側に、ソースおよびドレインエクステンション領域６１ａ，６１ｂが形成されている。
さらに前記ゲート電極６３の両側壁面上には、側壁絶縁膜６３Ａ，６３Ｂがそれぞれ形成されており、前記シリコン基板６１中には、前記側壁絶縁膜６３Ａ，６３Ｂのそれぞれ外側に、ソースおよびドレイン拡散領域６１ｃおよび６１ｄが形成されている。
かかる構成において、前記ハフニウムシリケート膜６２ｈｋを、先の図５のプロセスにより形成することにより、平坦なhigh-Kゲート絶縁膜６２が得られ、ゲート絶縁膜の局所的な膜厚減少によるゲートリーク電流が効果的に抑制される。
［第３の実施形態］
図８は、図１あるいは図６のＭＯＣＶＤ装置２０を制御して、図５に示す本発明の成膜処理を実行させる制御装置８０の構成を示す。
［第３の実施形態］
図８は、図１あるいは図６のＭＯＣＶＤ装置２０を制御して、図５に示す本発明の成膜処理を実行させる制御装置８０の構成を示す。
前記制御装置８０は汎用コンピュータであり、システムバス８１と、これに協働するＣＰＵ８２、メモリ８３、グラフィックカード８４、ハードディスクや光ディスクなどのディスクドライブ８５、キーボードやポインティングデバイスへの入出力インターフェース８６、インターフェースカード８７などを有し、前記インターフェースカード８７を介して、前記ＭＯＣＶＤ装置２０を制御する。
前記ディスクドライブ８５は、図５のフローチャートに対応する制御プログラムコードを保持しており、コンピュータ８０が起動されると、前記制御プログラムコードはＣＰＵ８２により読み出され、前記メモリ８３およびディスクドライブ８５中のハードディスク上に展開される。
このような制御プログラムは、磁気ディスクや光ディスクなどの情報記録媒体上に記録されており、前記入出力インターフェース８６を介して前記ディスクドライブ８５中のハードディスク上に書き込まれる。
また前記コンピュータ８０はネットワークインターフェース８８によりネットワーク８９に接続されており、前記制御プログラムを、ネットワークから前記ハードディスク装置８５中に書き込むことも可能である。
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内において様々な変形・変更が可能である。
２０ ＭＯＣＶＤ装置
２１ 排気系
２２ 処理容器
２２Ａ 基板保持台
２２ａ 酸素ガスライン
２２ｂ，２２ｄ ＭＦＣ
２２ｃ 原料ガスライン
２２ｅ 気化器
２２Ｓ シャワーヘッド
２２Ｕ 紫外光源
２２ｓ 開口部
２３Ａ，２３Ｂ 原料容器
４０ シリコン基板
４１ 界面シリコン酸化膜
４２，４３ ハフニウムシリケート膜
６０ 半導体装置
６１ シリコン基板
６１Ａ 素子領域
６１Ｉ 素子分離領域
６１ａ ソースエクステンション領域
６１ｂ ドレインエクステンション領域
６１ｃ ソース領域
６１ｄ ドレイン領域
６２ ゲート絶縁膜
６２ｏｘ 界面酸化膜
６２ｈｋ ハフニウムシリケート膜
６３ ゲート電極
６３Ａ ソース領域
６３B ドレイン領域
８０ コンピュータ
２１ 排気系
２２ 処理容器
２２Ａ 基板保持台
２２ａ 酸素ガスライン
２２ｂ，２２ｄ ＭＦＣ
２２ｃ 原料ガスライン
２２ｅ 気化器
２２Ｓ シャワーヘッド
２２Ｕ 紫外光源
２２ｓ 開口部
２３Ａ，２３Ｂ 原料容器
４０ シリコン基板
４１ 界面シリコン酸化膜
４２，４３ ハフニウムシリケート膜
６０ 半導体装置
６１ シリコン基板
６１Ａ 素子領域
６１Ｉ 素子分離領域
６１ａ ソースエクステンション領域
６１ｂ ドレインエクステンション領域
６１ｃ ソース領域
６１ｄ ドレイン領域
６２ ゲート絶縁膜
６２ｏｘ 界面酸化膜
６２ｈｋ ハフニウムシリケート膜
６３ ゲート電極
６３Ａ ソース領域
６３B ドレイン領域
８０ コンピュータ
Claims (6)
- シリコン基板上への金属シリケート膜形成方法であって、
前記シリコン基板表面に、前記金属シリケート膜を構成する金属元素を含む有機金属化合物よりなる第１の気相原料と有機シリコン化合物よりなる第２の気相原料を供給し、前記シリコン基板上に金属シリケート膜を形成する第１の工程と、
前記第１の気相原料の供給を遮断し、前記金属シリケート膜の形成を中断する第２の工程と、を繰り返してなり、
前記第１の工程では、前記シリコン基板の温度を前記第１の気相原料の分解温度以上に保持し、前記金属シリケート膜を、少なくとも１分子層に相当する膜厚で形成され、
前記第１の工程は、前記金属シリケート膜が、０．５〜２ｎｍの膜厚で形成されるように実行され、
前記第１の気相原料は、ＨＴＢ（テトラターシャリブトキシハフニウム）であり、
前記第２の気相原料は、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）であることを特徴とする金属シリケート膜形成方法。 - 前記第２の工程では、前記シリコン基板の温度が、前記第２の気相原料の分解温度以下に保持されることを特徴とする請求項１記載の金属シリケート膜形成方法。
- 前記第１の工程は、前記シリコン基板温度を３００℃以上に保持して実行されることを特徴とする請求項１または２記載の金属シリケート膜形成方法。
- 前記第２の工程は、前記シリコン基板に、不活性ガス、酸素ガス、及びオゾンガスのいずれかを供給しながら実行されることを特徴とする請求項１記載の金属シリケート膜形成方法。
- 請求項１〜４のいずれかよりなる金属シリケート膜形成方法を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 実行されるとき、汎用コンピュータに成膜装置を制御させるソフトウェアを記録したコンピュータ可読記録媒体であって、
前記ソフトウェアは前記成膜装置に、請求項１〜４の金属シリケート膜形成方法を実行させることを特徴とするコンピュータ可読記録媒体。
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