JP2006269520A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 半導体装置は、半導体基板6と、この半導体基板6の上側に接して形成されたゲート絶縁膜1と、このゲート絶縁膜1の上側に金属窒化物または金属窒化珪化物で形成されたゲート電極2とを備え、ゲート絶縁膜1とゲート電極2との間には窒素および珪素の拡散を防止するためのバッファ層3が介在する。好ましくは、バッファ層3は厚みが5nm以下である。ゲート電極2がTi元素を含み、ゲート絶縁膜1がHf元素を含むとするとバッファ層3はチタン膜を含むことが好ましい。
【選択図】 図10
Description
Q∝Cinv×(Vg−Vt)
となる。ただし、Vgはゲート電極と半導体基板との間の電圧、Vtは閾値電圧であり、Cinvは1/(EOT+ΔT)に比例する。ΔTはゲート電極と半導体基板との間でゲート絶縁膜以外を介して生じる容量である。したがって、
Q∝(Vg−Vt)/(EOT+ΔT)
と表すことができる。オン電流を大きくするためには電荷量Qを大きくすればよく、電荷量Qを大きくするためには、EOT+ΔTを小さくすればよいことがわかる。EOTは現在の技術では既に2.0nm以下となっており、現在実用化が検討されているHigh−Kゲート絶縁膜においては1.0nm程度までは実用化の見込みがあるが、それ以上の薄膜化は困難である。一方、ΔTを小さくする方法としてメタルゲート電極の実用化が求められている。「メタルゲート電極」とは、金属または金属的な導電性を有する化合物を用いたゲート電極である。メタルゲート電極は単に「メタルゲート」と称されることもある。メタルゲート電極においてはポリシリコンからなるゲート電極のような空乏化は起こらないため、ΔTを量子化効果による極限値である0.4nmまで小さくすることが可能である。
(構成)
本発明に基づく実施の形態1として、バッファ層の効果を検証するために以下の実験を行なった。n型シリコン基板の表面にTaSiNからなるゲート電極と、HfSiONからなるゲート絶縁膜とを備えるMISFETのサンプルをいくつか作製した。ただし、これらのサンプルのうちのいくつかにおいてはゲート電極とゲート絶縁膜との間に物理的膜厚が2nmのSiNからなるバッファ層を介在させ、他のものにはバッファ層を設けなかった。バッファ層ありのものが本発明に基づく半導体装置に該当する。
各サンプルに対して熱処理を行ない、熱処理前後でのフラットバンド電圧を測定した。ゲート電極形成後の熱処理は、ゲート電極表面の酸化を防ぐため、酸素濃度が5ppm以下となるような窒素雰囲気(以下「純窒素」といった場合、この条件を指すものとする。)の中で行なった。フラットバンド電圧は、基板とゲート電極との間の仕事関数の差に対応するので、フラットバンド電圧を測定することによってゲート電極の仕事関数の変化の有無を簡便に評価することができる。
(構成)
本発明に基づく実施の形態2における半導体装置として、図2に示すようにHfO2からなるゲート絶縁膜1と、TiNからなるゲート電極2とを備え、ゲート絶縁膜とゲート電極との間に膜厚1nmのチタン膜からなるバッファ層3が介在するMISFETを作製した。したがって、本実施の形態における半導体装置は、ゲート電極2がTi元素を含み、ゲート絶縁膜1がHf元素を含み、バッファ層3がチタン膜を含む。
バッファ層がないMISFETの場合、純窒素中、800℃、30秒間という条件で熱処理を行なった後には、図4に示すように、ゲート絶縁膜1とゲート電極2との界面にTiO2膜4が形成されているのを確認することができた。また、バッファ層がないMISFETにおいて熱処理の前後で、MISFETをキャパシタとみなしたときのCV特性を測定した。その結果得られた電圧軸のずれ、すなわちヒステリシスを表1に示す。表1に示すように、熱処理を経ることでヒステリシスが大きく増大することが判明した。これは、界面に形成されたTiO2膜4がチャージ・トラップ層として働いたためと考えられる。
(構成)
本発明に基づく実施の形態3における半導体装置としてMISFETを作製した。このMISFETは、HfSiONからなるゲート絶縁膜と、TiNからなるゲート電極とを備える。ゲート絶縁膜とゲート電極との間にはバッファ層としてSiN膜を介在させた。
本実施の形態における半導体装置の製造方法の一例について以下に説明する。まず、図6に示すように半導体基板6の表面に、通常の技術によってSTI(Shallow Trench Isolation)型の素子分離領域7を形成する。図7に示すように、ゲート絶縁膜1となるべきHfSiON層51、バッファ層3となるべきSiN膜53、ゲート電極2となるべきTiN層52を順次堆積させることによって積層する。このうちゲート電極となるべきTiN層52については、仕事関数を調整するために予め窒素含有量を制御しておく。TiN層52の窒素含有量は、熱処理を行なわない状態で仕事関数が5.0eVとなるようにしてある。
上述の製造方法で得たp型のMISFETのトランジスタ特性を測定し、閾値電圧を測定した結果、−0.33Vであった。これは予定した−0.3Vと近い値であるので、ほぼ設計どおりとなったといえる。このことから、本発明によれば従来のCMOS構造の製造工程と同様の熱処理を経ても仕事関数が変化せず、閾値電圧を容易に調整できることがわかった。
Claims (8)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の上側に接して形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上側に金属窒化物または金属窒化珪化物で形成されたゲート電極とを備え、
前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極との間には窒素および珪素の拡散を防止するためのバッファ層が介在する、半導体装置。 - 前記バッファ層が、金属膜、金属窒化膜または金属珪素膜を含む、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記ゲート電極がTi元素を含み、前記ゲート絶縁膜がHf元素を含み、前記バッファ層がチタン膜を含む、請求項2に記載の半導体装置。
- 前記ゲート絶縁膜が、Si元素またはN元素を含む、請求項1から3のいずれかに記載の半導体装置。
- 前記ゲート絶縁膜がHf,Al,La,Zr,Tiのうちのいずれかの元素と、O元素と、N元素と、Si元素とを含む、請求項4に記載の半導体装置。
- 前記バッファ層は厚みが5nm以下である、請求項1から5のいずれかに記載の半導体装置。
- 半導体基板の表面にゲート絶縁膜、バッファ層およびゲート電極がこの順に積層された積層体を形成する工程と、
前記半導体基板の表面のうち前記積層体の近傍にソース領域およびドレイン領域を形成する工程と、
前記ソース領域および前記ドレイン領域を活性化する工程とを含む、半導体装置の製造方法。 - 前記活性化する工程は、1000℃以上の高温による熱処理を含む、請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
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