半導体装置および半導体装置の製造方法
【課題】しきい値のシフトの抑制可能な半導体装置および半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】高誘電率絶縁膜13上に、高誘電率絶縁膜13中の金属元素1の上層への拡散を防止する拡散防止膜10が形成されるため、高誘電率絶縁膜13中の金属元素1の上層への拡散が防止される。その結果として、高誘電率絶縁膜13中の金属元素1と、絶縁膜14とゲート電極15の境界近傍において、ゲート電極15のSi元素との反応および結合が抑制される。
【解決手段】高誘電率絶縁膜13上に、高誘電率絶縁膜13中の金属元素1の上層への拡散を防止する拡散防止膜10が形成されるため、高誘電率絶縁膜13中の金属元素1の上層への拡散が防止される。その結果として、高誘電率絶縁膜13中の金属元素1と、絶縁膜14とゲート電極15の境界近傍において、ゲート電極15のSi元素との反応および結合が抑制される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、ゲート部に高誘電率絶縁膜を備えた半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体集積回路装置に用いられる素子の1つにMOS型電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal−Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が知られている。図10はMOSFETの模式図である。MOSFETは、スケーリング則に従い、図10(A)から図10(B)のように、MOSFETの高さ方向と横方向のサイズを同時に縮小するとともに、素子の特性を正常に保ちながら、性能の向上がなされてきた。
【0003】
しかし、MOSFETの微細化に伴い、ゲート絶縁膜21(図10(A))からゲート絶縁膜21a(図10(B))のようにゲート絶縁膜の膜厚が数原子層分に相当する2nm程までに薄膜化されると、電流がゲート絶縁膜を透過、すなわちトンネル電流Itが流れ始める。この結果、リーク電流が制御不可能となって増加し、また、ドレイン電流の漏洩や消費電力の増加などが生じる(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
特に、次世代MOSFETには、さらなる微細化が進められて、しきい値制御が可能であり、リーク電流、等価酸化膜厚(EOT:Equivalent Oxide Thickness、ゲート絶縁膜に利用する材料の物理的な膜厚を、酸化シリコン(SiO2)膜が示す誘電容量に対して、それと等価な誘電容量を示す膜厚に換算した値のこと。)、ヒステリシスが低いことが求められている。
【0005】
上記の次世代MOSFETを実現するため、ゲート絶縁膜に、従来使用されていた酸化膜よりも高い誘電率を有する材料(以下、高誘電率絶縁膜と呼ぶ)の適用が提案された。そこで、酸化膜中に窒素(N2)を添加して得られる酸窒化膜の窒素濃度を高くすることで、誘電率を向上させる手法が検討された。
【0006】
しかし、酸窒化膜の窒素濃度を高くしていくと、絶縁性が上がり、膜中欠陥起因の電荷が増大するために、MOSFETの動作速度および信頼性が大幅に劣化するという問題があった。新たに酸窒化膜の代替材料となる高誘電率絶縁膜として、酸化ハフニウム(HfO2)や酸化アルミニウム(Al2O3)などの高誘電率材料が提案された。
【0007】
このような高誘電率絶縁膜を用いることにより、容量換算圧膜(CET:Capacitance Equivalent Thickness、ゲート絶縁体に利用している材料が示す誘電容量に対して、それと等価な誘電容量を示すSiO2膜の膜厚に換算した値のこと。)をトンネル電流Itが流れない程の膜厚に抑えながら、物理膜厚を大きくすることができる。このため、ゲート絶縁膜中のトンネル電流Itの発生が抑えられ、リーク電流を低減させることが可能となった。
【特許文献1】特開2006−019615号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかし、高誘電率材料を用いる場合、次のような問題があった。
以下、図11、図12を用いて説明する。
図11は、ゲート部の断面模式図である。
【0009】
図11について、半導体基板(図示せず)上に形成された酸化膜320上に、高誘電率絶縁膜330が形成され、その上に高誘電率絶縁膜330よりもシリコン(Si)組成が大きい絶縁膜340が形成されている。さらにその上に、ポリシリコンより構成されるゲート電極350が形成されている。
【0010】
図12は、MOSFETのゲート電圧−ドレイン電流特性を示す図である。図12では、ゲート部に酸窒化膜または高誘電率材料からなる高誘電率絶縁膜330を有するpMOSFETとnMOSFETのゲート電圧−ドレイン電流特性が示されている。図12によれば、高誘電率絶縁膜330が高誘電率材料からなる場合は、酸窒化膜からなる場合と比較して、特に、pMOSFETにおいては、しきい値が0.6V〜0.7Vシフトする。これによって、pMOSFETとnMOSFETのしきい値が異なり、CMOS回路を構成することができなくなる問題があった。
【0011】
このしきい値のシフトの原因としては以下のことが考えられる。MOSFETはその製造工程において、ソース/ドレイン領域形成のために、不純物ドープ後に熱処理を行う。その際、図11に示すように、高誘電率絶縁膜330中の例えば、ハフニウム(Hf)などの金属元素30は熱エネルギーを受けて拡散する。拡散した金属元素30は、絶縁膜340とゲート電極350の境界近傍において、ゲート電極350のSi元素と反応し、結合し、双極子が構成されることにより電場が生じる。このように、絶縁膜340とゲート電極350の境界近傍において発生する電場がしきい値のシフトを引き起こす。このことから、高誘電率材料を用いると、CMOSとして動作させることができなくなってしまう。
【0012】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、しきい値のシフトの抑制可能な半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明では、上記課題を解決するために、図1に例示するように、ゲート部に高誘電率絶縁膜13を備えた半導体装置において、高誘電率絶縁膜13上に形成され、高誘電率絶縁膜13から上層への金属元素1の拡散を防止する拡散防止膜10と、拡散防止膜10上に形成される絶縁膜14と、絶縁膜14上に形成されるゲート電極15と、を有することを特徴とする半導体装置が提供される。
【0014】
上記の構成によれば、高誘電率絶縁膜13上に、高誘電率絶縁膜13中の金属元素1の上層への拡散を防止する拡散防止膜10が形成されるため、高誘電率絶縁膜13中の金属元素1の上層への拡散が防止される。
【0015】
また、本発明では、ゲート部に高誘電率絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法において、前記高誘電率絶縁膜上に、前記高誘電率絶縁膜から上層への金属元素の拡散を防止する拡散防止膜を形成する工程と、前記拡散防止膜上に、絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に、ゲート電極を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【0016】
上記の方法によれば、高誘電率絶縁膜上に、高誘電率絶縁膜の上層への金属元素の拡散を防止する拡散防止膜が形成され、拡散防止膜上に、絶縁膜が形成されることにより、高誘電率絶縁膜中の金属元素の上層への拡散が防止される。
【発明の効果】
【0017】
本発明の半導体装置によれば、高誘電率絶縁膜上に、高誘電率絶縁膜中の金属元素の上層への拡散を防止する拡散防止膜を形成するため、高誘電率絶縁膜中の金属元素の上層への拡散を防止し、拡散防止膜上の絶縁膜とゲート電極との境界において、金属元素とゲート電極の元素との反応および結合を抑制することができる。これにより、MOSFETのしきい値のシフトの抑制ができるようになる。
【0018】
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、高誘電率絶縁膜上に、高誘電率絶縁膜の上層への金属元素の拡散を防止する拡散防止膜を形成し、拡散防止膜上に、絶縁膜を形成することにより、高誘電率絶縁膜中の金属元素の上層への拡散を防止することができる。この結果、MOSFETのしきい値のシフトの抑制ができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図1は本実施の形態の半導体装置の特徴部分であるMOSFETのゲート部の断面模式図である。図1の構成は以下の通りである。半導体基板(図示せず)上に、酸化膜12および高誘電率絶縁膜13が順に形成されている。その上に、拡散防止膜10が形成されている。拡散防止膜10上には、高誘電率絶縁膜13よりSi組成が大きい絶縁膜14が形成されている。さらに、その上に、ポリシリコンより構成されるゲート電極15が形成されている。尚、例として酸化膜12には、SiO2膜、高誘電率絶縁膜13には、HfO2膜、拡散防止膜10には、窒化シリコン(SiN)膜(膜厚0.2nm〜0.5nm)、絶縁膜14には、ハフニウムシリケート(HfSiO)膜といった材料が挙げられる。
【0020】
上記のような構成とすることによって従来と比べて以下のような効果が期待できる。
ゲート部に高誘電率絶縁膜13を有するMOSFETの製造工程において、ソース/ドレイン領域(図示せず)形成のために、不純物ドープ後に熱処理を行う。熱処理を行うと、高誘電率絶縁膜13中のHfなどの金属元素1が熱エネルギーを受けて拡散する。しかし、従来と異なり、金属元素1は拡散防止膜10によって、Si組成が大きい絶縁膜14への拡散が抑制され、金属元素1およびゲート電極15のSi元素との反応が抑制される。結果、しきい値のシフトを抑制することができるので、CMOSを動作させることができるようになる。
【0021】
以下、本実施の形態の半導体装置の製造方法を説明する。
図2から図9は、MOSFETの各製造工程における断面模式図である。
以下、nMOSFETの製造方法について説明する。
【0022】
Si基板110上に、P型不純物ドープ領域を形成するために、ホウ素(B)イオンを注入し、高温の酸素(O2)雰囲気中にさらして、SiO2膜120を形成する(図2)。SiO2膜120を形成後、HfO2膜130を形成する(図3)。
【0023】
HfO2膜130形成後、HfO2膜130の表面に対し窒化処理を行い、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によって、SiN膜100を0.2nm〜0.5nm形成する(図4)。
【0024】
SiN膜100形成後、HfSiO膜140を形成する(図5)。HfSiO膜140形成後、ゲート電極として、ポリシリコン膜150を形成する(図6)。ポリシリコン膜150形成後、フォトレジスト(図示せず)を塗布し、露光および現像し、フォトレジストパターン200を形成する(図7)。フォトレジストパターン200をマスクとして、エッチングを行い、フォトレジストパターン200除去後、酸化膜210を形成する(図8)。その後、RIE(Reactive Ion Etching)にて、サイドウォール210aを形成し、例えば、リン(P)イオンを注入し、熱処理を行って、ソース領域220/ドレイン領域230を形成する(図9)。その後は、配線工程などを行う。
【0025】
以上のように、高誘電率材料上に拡散防止膜を形成することにより、高誘電率材料中の金属元素の拡散を抑制することができ、金属元素とゲート電極のSi元素との反応が抑制される。結果、しきい値のシフトを抑制することができるので、CMOSを動作させることができるようになる。
【0026】
尚、上記実施の形態において、半導体基板として、Si基板110を用いた場合を述べたが、ゲルマニウム(Ge)を用いた場合でも同様の効果を得ることが可能である。
同様に、高誘電率絶縁膜として、HfO2膜130を用いたが、HfO2膜130の他に、Hf、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、タンタル(Ta)のうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜を用いた場合でも同様の効果を得ることが可能である。
【0027】
同様に、拡散防止膜として、MOCVD法において形成されたSiN膜100を用いた場合を例に述べたが、MOCVD法もしくは原子層蒸着法(ALD:Atomic Layer Deposition)を用いて、SiN、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ハフニウム(HfN)を、EOTを考慮し膜厚を0.2nm〜0.5nmとして形成される場合でも同様の効果を得ることができる。
【0028】
また、同様に、上記では、Si組成が大きい絶縁膜として、HfSiO膜140を用いたが、Siを含み、かつ、Hf、Zr、Y、La、Taのうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜を用いた場合でも同様の効果を得ることができる。
【0029】
(付記1) ゲート部に高誘電率絶縁膜を備えた半導体装置において、
前記高誘電率絶縁膜上に形成され、前記高誘電率絶縁膜から上層への金属元素の拡散を防止する拡散防止膜と、
前記拡散防止膜上に形成される絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成されるゲート電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【0030】
(付記2) 前記高誘電率絶縁膜は、ハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、ランタン、タンタルのうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜で構成されることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
【0031】
(付記3) 前記拡散防止膜は、窒化シリコン、窒化アルミニウムまたは窒化ハフニウムで構成されることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記4) 前記拡散防止膜の膜厚を0.2nm〜0.5nmとすることを特徴とする付記3記載の半導体装置。
【0032】
(付記5) 前記絶縁膜は、シリコンを含み、かつハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、ランタン、タンタルのうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜で構成されることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
【0033】
(付記6) 前記絶縁膜は前記高誘電率絶縁膜よりもシリコン組成が大きいことを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記7) ゲート部に高誘電率絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法において、
前記高誘電率絶縁膜上に、前記高誘電率絶縁膜から上層への金属元素の拡散を防止する拡散防止膜を形成する工程と、
前記拡散防止膜上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、ゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0034】
(付記8) 前記拡散防止膜を形成する工程の前に、前記高誘電率絶縁膜上に窒化処理を行う工程をさらに有することを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
(付記9) 前記高誘電率絶縁膜は、ハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、ランタン、タンタルのうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜で構成されることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
【0035】
(付記10) 前記拡散防止膜は、窒化シリコン、窒化アルミニウムまたは窒化ハフニウムで構成されることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
(付記11) 前記拡散防止膜の膜厚を0.2nm〜0.5nmとすることを特徴とする付記10記載の半導体装置の製造方法。
【0036】
(付記12) 前記拡散防止膜を、MOCVD法もしくはALD法により形成することを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
(付記13) 前記絶縁膜は、シリコンを含み、かつハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、ランタン、タンタルのうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜で構成されることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
【0037】
(付記14) 前記絶縁膜は、前記高誘電率絶縁膜よりもシリコン組成が大きいことを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本実施の形態の半導体装置の特徴部分であるMOSFETのゲート部の断面模式図である。
【図2】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その1)である。
【図3】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その2)である。
【図4】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その3)である。
【図5】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その4)である。
【図6】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その5)である。
【図7】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その6)である。
【図8】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その7)である。
【図9】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その8)である。
【図10】MOSFETの模式図である。
【図11】ゲート部の断面模式図である。
【図12】MOSFETのゲート電圧−ドレイン電流特性を示す図である。
【符号の説明】
【0039】
1 金属元素
10 拡散防止膜
12 酸化膜
13 高誘電率絶縁膜
14 絶縁膜
15 ゲート電極
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関し、ゲート部に高誘電率絶縁膜を備えた半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体集積回路装置に用いられる素子の1つにMOS型電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal−Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が知られている。図10はMOSFETの模式図である。MOSFETは、スケーリング則に従い、図10(A)から図10(B)のように、MOSFETの高さ方向と横方向のサイズを同時に縮小するとともに、素子の特性を正常に保ちながら、性能の向上がなされてきた。
【0003】
しかし、MOSFETの微細化に伴い、ゲート絶縁膜21(図10(A))からゲート絶縁膜21a(図10(B))のようにゲート絶縁膜の膜厚が数原子層分に相当する2nm程までに薄膜化されると、電流がゲート絶縁膜を透過、すなわちトンネル電流Itが流れ始める。この結果、リーク電流が制御不可能となって増加し、また、ドレイン電流の漏洩や消費電力の増加などが生じる(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
特に、次世代MOSFETには、さらなる微細化が進められて、しきい値制御が可能であり、リーク電流、等価酸化膜厚(EOT:Equivalent Oxide Thickness、ゲート絶縁膜に利用する材料の物理的な膜厚を、酸化シリコン(SiO2)膜が示す誘電容量に対して、それと等価な誘電容量を示す膜厚に換算した値のこと。)、ヒステリシスが低いことが求められている。
【0005】
上記の次世代MOSFETを実現するため、ゲート絶縁膜に、従来使用されていた酸化膜よりも高い誘電率を有する材料(以下、高誘電率絶縁膜と呼ぶ)の適用が提案された。そこで、酸化膜中に窒素(N2)を添加して得られる酸窒化膜の窒素濃度を高くすることで、誘電率を向上させる手法が検討された。
【0006】
しかし、酸窒化膜の窒素濃度を高くしていくと、絶縁性が上がり、膜中欠陥起因の電荷が増大するために、MOSFETの動作速度および信頼性が大幅に劣化するという問題があった。新たに酸窒化膜の代替材料となる高誘電率絶縁膜として、酸化ハフニウム(HfO2)や酸化アルミニウム(Al2O3)などの高誘電率材料が提案された。
【0007】
このような高誘電率絶縁膜を用いることにより、容量換算圧膜(CET:Capacitance Equivalent Thickness、ゲート絶縁体に利用している材料が示す誘電容量に対して、それと等価な誘電容量を示すSiO2膜の膜厚に換算した値のこと。)をトンネル電流Itが流れない程の膜厚に抑えながら、物理膜厚を大きくすることができる。このため、ゲート絶縁膜中のトンネル電流Itの発生が抑えられ、リーク電流を低減させることが可能となった。
【特許文献1】特開2006−019615号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかし、高誘電率材料を用いる場合、次のような問題があった。
以下、図11、図12を用いて説明する。
図11は、ゲート部の断面模式図である。
【0009】
図11について、半導体基板(図示せず)上に形成された酸化膜320上に、高誘電率絶縁膜330が形成され、その上に高誘電率絶縁膜330よりもシリコン(Si)組成が大きい絶縁膜340が形成されている。さらにその上に、ポリシリコンより構成されるゲート電極350が形成されている。
【0010】
図12は、MOSFETのゲート電圧−ドレイン電流特性を示す図である。図12では、ゲート部に酸窒化膜または高誘電率材料からなる高誘電率絶縁膜330を有するpMOSFETとnMOSFETのゲート電圧−ドレイン電流特性が示されている。図12によれば、高誘電率絶縁膜330が高誘電率材料からなる場合は、酸窒化膜からなる場合と比較して、特に、pMOSFETにおいては、しきい値が0.6V〜0.7Vシフトする。これによって、pMOSFETとnMOSFETのしきい値が異なり、CMOS回路を構成することができなくなる問題があった。
【0011】
このしきい値のシフトの原因としては以下のことが考えられる。MOSFETはその製造工程において、ソース/ドレイン領域形成のために、不純物ドープ後に熱処理を行う。その際、図11に示すように、高誘電率絶縁膜330中の例えば、ハフニウム(Hf)などの金属元素30は熱エネルギーを受けて拡散する。拡散した金属元素30は、絶縁膜340とゲート電極350の境界近傍において、ゲート電極350のSi元素と反応し、結合し、双極子が構成されることにより電場が生じる。このように、絶縁膜340とゲート電極350の境界近傍において発生する電場がしきい値のシフトを引き起こす。このことから、高誘電率材料を用いると、CMOSとして動作させることができなくなってしまう。
【0012】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、しきい値のシフトの抑制可能な半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明では、上記課題を解決するために、図1に例示するように、ゲート部に高誘電率絶縁膜13を備えた半導体装置において、高誘電率絶縁膜13上に形成され、高誘電率絶縁膜13から上層への金属元素1の拡散を防止する拡散防止膜10と、拡散防止膜10上に形成される絶縁膜14と、絶縁膜14上に形成されるゲート電極15と、を有することを特徴とする半導体装置が提供される。
【0014】
上記の構成によれば、高誘電率絶縁膜13上に、高誘電率絶縁膜13中の金属元素1の上層への拡散を防止する拡散防止膜10が形成されるため、高誘電率絶縁膜13中の金属元素1の上層への拡散が防止される。
【0015】
また、本発明では、ゲート部に高誘電率絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法において、前記高誘電率絶縁膜上に、前記高誘電率絶縁膜から上層への金属元素の拡散を防止する拡散防止膜を形成する工程と、前記拡散防止膜上に、絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に、ゲート電極を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【0016】
上記の方法によれば、高誘電率絶縁膜上に、高誘電率絶縁膜の上層への金属元素の拡散を防止する拡散防止膜が形成され、拡散防止膜上に、絶縁膜が形成されることにより、高誘電率絶縁膜中の金属元素の上層への拡散が防止される。
【発明の効果】
【0017】
本発明の半導体装置によれば、高誘電率絶縁膜上に、高誘電率絶縁膜中の金属元素の上層への拡散を防止する拡散防止膜を形成するため、高誘電率絶縁膜中の金属元素の上層への拡散を防止し、拡散防止膜上の絶縁膜とゲート電極との境界において、金属元素とゲート電極の元素との反応および結合を抑制することができる。これにより、MOSFETのしきい値のシフトの抑制ができるようになる。
【0018】
また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、高誘電率絶縁膜上に、高誘電率絶縁膜の上層への金属元素の拡散を防止する拡散防止膜を形成し、拡散防止膜上に、絶縁膜を形成することにより、高誘電率絶縁膜中の金属元素の上層への拡散を防止することができる。この結果、MOSFETのしきい値のシフトの抑制ができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0019】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図1は本実施の形態の半導体装置の特徴部分であるMOSFETのゲート部の断面模式図である。図1の構成は以下の通りである。半導体基板(図示せず)上に、酸化膜12および高誘電率絶縁膜13が順に形成されている。その上に、拡散防止膜10が形成されている。拡散防止膜10上には、高誘電率絶縁膜13よりSi組成が大きい絶縁膜14が形成されている。さらに、その上に、ポリシリコンより構成されるゲート電極15が形成されている。尚、例として酸化膜12には、SiO2膜、高誘電率絶縁膜13には、HfO2膜、拡散防止膜10には、窒化シリコン(SiN)膜(膜厚0.2nm〜0.5nm)、絶縁膜14には、ハフニウムシリケート(HfSiO)膜といった材料が挙げられる。
【0020】
上記のような構成とすることによって従来と比べて以下のような効果が期待できる。
ゲート部に高誘電率絶縁膜13を有するMOSFETの製造工程において、ソース/ドレイン領域(図示せず)形成のために、不純物ドープ後に熱処理を行う。熱処理を行うと、高誘電率絶縁膜13中のHfなどの金属元素1が熱エネルギーを受けて拡散する。しかし、従来と異なり、金属元素1は拡散防止膜10によって、Si組成が大きい絶縁膜14への拡散が抑制され、金属元素1およびゲート電極15のSi元素との反応が抑制される。結果、しきい値のシフトを抑制することができるので、CMOSを動作させることができるようになる。
【0021】
以下、本実施の形態の半導体装置の製造方法を説明する。
図2から図9は、MOSFETの各製造工程における断面模式図である。
以下、nMOSFETの製造方法について説明する。
【0022】
Si基板110上に、P型不純物ドープ領域を形成するために、ホウ素(B)イオンを注入し、高温の酸素(O2)雰囲気中にさらして、SiO2膜120を形成する(図2)。SiO2膜120を形成後、HfO2膜130を形成する(図3)。
【0023】
HfO2膜130形成後、HfO2膜130の表面に対し窒化処理を行い、有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)によって、SiN膜100を0.2nm〜0.5nm形成する(図4)。
【0024】
SiN膜100形成後、HfSiO膜140を形成する(図5)。HfSiO膜140形成後、ゲート電極として、ポリシリコン膜150を形成する(図6)。ポリシリコン膜150形成後、フォトレジスト(図示せず)を塗布し、露光および現像し、フォトレジストパターン200を形成する(図7)。フォトレジストパターン200をマスクとして、エッチングを行い、フォトレジストパターン200除去後、酸化膜210を形成する(図8)。その後、RIE(Reactive Ion Etching)にて、サイドウォール210aを形成し、例えば、リン(P)イオンを注入し、熱処理を行って、ソース領域220/ドレイン領域230を形成する(図9)。その後は、配線工程などを行う。
【0025】
以上のように、高誘電率材料上に拡散防止膜を形成することにより、高誘電率材料中の金属元素の拡散を抑制することができ、金属元素とゲート電極のSi元素との反応が抑制される。結果、しきい値のシフトを抑制することができるので、CMOSを動作させることができるようになる。
【0026】
尚、上記実施の形態において、半導体基板として、Si基板110を用いた場合を述べたが、ゲルマニウム(Ge)を用いた場合でも同様の効果を得ることが可能である。
同様に、高誘電率絶縁膜として、HfO2膜130を用いたが、HfO2膜130の他に、Hf、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、ランタン(La)、タンタル(Ta)のうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜を用いた場合でも同様の効果を得ることが可能である。
【0027】
同様に、拡散防止膜として、MOCVD法において形成されたSiN膜100を用いた場合を例に述べたが、MOCVD法もしくは原子層蒸着法(ALD:Atomic Layer Deposition)を用いて、SiN、窒化アルミニウム(AlN)、窒化ハフニウム(HfN)を、EOTを考慮し膜厚を0.2nm〜0.5nmとして形成される場合でも同様の効果を得ることができる。
【0028】
また、同様に、上記では、Si組成が大きい絶縁膜として、HfSiO膜140を用いたが、Siを含み、かつ、Hf、Zr、Y、La、Taのうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜を用いた場合でも同様の効果を得ることができる。
【0029】
(付記1) ゲート部に高誘電率絶縁膜を備えた半導体装置において、
前記高誘電率絶縁膜上に形成され、前記高誘電率絶縁膜から上層への金属元素の拡散を防止する拡散防止膜と、
前記拡散防止膜上に形成される絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成されるゲート電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【0030】
(付記2) 前記高誘電率絶縁膜は、ハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、ランタン、タンタルのうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜で構成されることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
【0031】
(付記3) 前記拡散防止膜は、窒化シリコン、窒化アルミニウムまたは窒化ハフニウムで構成されることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記4) 前記拡散防止膜の膜厚を0.2nm〜0.5nmとすることを特徴とする付記3記載の半導体装置。
【0032】
(付記5) 前記絶縁膜は、シリコンを含み、かつハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、ランタン、タンタルのうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜で構成されることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
【0033】
(付記6) 前記絶縁膜は前記高誘電率絶縁膜よりもシリコン組成が大きいことを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記7) ゲート部に高誘電率絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法において、
前記高誘電率絶縁膜上に、前記高誘電率絶縁膜から上層への金属元素の拡散を防止する拡散防止膜を形成する工程と、
前記拡散防止膜上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、ゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0034】
(付記8) 前記拡散防止膜を形成する工程の前に、前記高誘電率絶縁膜上に窒化処理を行う工程をさらに有することを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
(付記9) 前記高誘電率絶縁膜は、ハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、ランタン、タンタルのうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜で構成されることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
【0035】
(付記10) 前記拡散防止膜は、窒化シリコン、窒化アルミニウムまたは窒化ハフニウムで構成されることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
(付記11) 前記拡散防止膜の膜厚を0.2nm〜0.5nmとすることを特徴とする付記10記載の半導体装置の製造方法。
【0036】
(付記12) 前記拡散防止膜を、MOCVD法もしくはALD法により形成することを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
(付記13) 前記絶縁膜は、シリコンを含み、かつハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、ランタン、タンタルのうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜で構成されることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
【0037】
(付記14) 前記絶縁膜は、前記高誘電率絶縁膜よりもシリコン組成が大きいことを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】本実施の形態の半導体装置の特徴部分であるMOSFETのゲート部の断面模式図である。
【図2】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その1)である。
【図3】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その2)である。
【図4】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その3)である。
【図5】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その4)である。
【図6】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その5)である。
【図7】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その6)である。
【図8】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その7)である。
【図9】MOSFETの各製造工程における断面模式図(その8)である。
【図10】MOSFETの模式図である。
【図11】ゲート部の断面模式図である。
【図12】MOSFETのゲート電圧−ドレイン電流特性を示す図である。
【符号の説明】
【0039】
1 金属元素
10 拡散防止膜
12 酸化膜
13 高誘電率絶縁膜
14 絶縁膜
15 ゲート電極
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ゲート部に高誘電率絶縁膜を備えた半導体装置において、
前記高誘電率絶縁膜上に形成され、前記高誘電率絶縁膜から上層への金属元素の拡散を防止する拡散防止膜と、
前記拡散防止膜上に形成される絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成されるゲート電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
前記高誘電率絶縁膜は、ハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、ランタン、タンタルのうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜で構成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項3】
前記拡散防止膜は、窒化シリコン、窒化アルミニウムまたは窒化ハフニウムで構成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項4】
前記拡散防止膜の膜厚を0.2nm〜0.5nmとすることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
【請求項5】
前記絶縁膜は、シリコンを含み、かつハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、ランタン、タンタルのうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜で構成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項6】
前記絶縁膜は前記高誘電率絶縁膜よりもシリコン組成が大きいことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項7】
ゲート部に高誘電率絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法において、
前記高誘電率絶縁膜上に、前記高誘電率絶縁膜から上層への金属元素の拡散を防止する拡散防止膜を形成する工程と、
前記拡散防止膜上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、ゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項8】
前記拡散防止膜を形成する工程の前に、前記高誘電率絶縁膜上に窒化処理を行う工程をさらに有することを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。
【請求項9】
前記拡散防止膜は、窒化シリコン、窒化アルミニウムまたは窒化ハフニウムで構成されることを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。
【請求項10】
前記拡散防止膜を、MOCVD法もしくはALD法により形成することを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。
【請求項1】
ゲート部に高誘電率絶縁膜を備えた半導体装置において、
前記高誘電率絶縁膜上に形成され、前記高誘電率絶縁膜から上層への金属元素の拡散を防止する拡散防止膜と、
前記拡散防止膜上に形成される絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成されるゲート電極と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項2】
前記高誘電率絶縁膜は、ハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、ランタン、タンタルのうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜で構成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項3】
前記拡散防止膜は、窒化シリコン、窒化アルミニウムまたは窒化ハフニウムで構成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項4】
前記拡散防止膜の膜厚を0.2nm〜0.5nmとすることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
【請求項5】
前記絶縁膜は、シリコンを含み、かつハフニウム、アルミニウム、ジルコニウム、イットリウム、ランタン、タンタルのうち少なくとも1種類を含む酸化膜、酸窒化膜または窒化膜で構成されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項6】
前記絶縁膜は前記高誘電率絶縁膜よりもシリコン組成が大きいことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項7】
ゲート部に高誘電率絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法において、
前記高誘電率絶縁膜上に、前記高誘電率絶縁膜から上層への金属元素の拡散を防止する拡散防止膜を形成する工程と、
前記拡散防止膜上に、絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、ゲート電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項8】
前記拡散防止膜を形成する工程の前に、前記高誘電率絶縁膜上に窒化処理を行う工程をさらに有することを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。
【請求項9】
前記拡散防止膜は、窒化シリコン、窒化アルミニウムまたは窒化ハフニウムで構成されることを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。
【請求項10】
前記拡散防止膜を、MOCVD法もしくはALD法により形成することを特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2007−266552(P2007−266552A)
【公開日】平成19年10月11日(2007.10.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−93276(P2006−93276)
【出願日】平成18年3月30日(2006.3.30)
【出願人】(000005223)富士通株式会社 (25,993)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成19年10月11日(2007.10.11)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年3月30日(2006.3.30)
【出願人】(000005223)富士通株式会社 (25,993)
【Fターム(参考)】
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