JP2006269520A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 半導体装置において、熱処理によってもゲート電極が安定して所望の仕事関数を維持できるようにする。
【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

本発明は、半導体装置およびその製造方法に関するものである。特に低電圧で動作できることが求められるような半導体装置およびその製造方法に関する。
トランジスタにはオン状態とオフ状態とがあるが、オン状態すなわちゲート電極に電圧を印加したときにソース・ドレイン間に流れる電流を「オン電流」というものとする。オン電流の大きさは半導体基板に形成されたチャネル領域に誘起される電荷量Qに比例する。この電荷量Qは、ゲート絶縁膜の実効的な膜厚EOTを用いて表現すると、
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。
たとえば、2003 Edition of ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors)(http://public.itrs.net/Files/2003ITRS/Home2003.htm)(非特許文献1)の中の"Process Integration, Device, and Structures"と題された部分の第12頁の表47bにはこの先2010年から2018年に論理素子に要求される仕様の予想が示されている。この表に示される45nmノード以降のものでは、オン電流を大きくするためにメタルゲート電極の実用化が必要とされている。
メタルゲート電極を実用化する上での大きな障害は閾値電圧の制御が困難なことである。たとえばCMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor:相補性金属酸化膜半導体)構造は、n型トランジスタとp型トランジスタとを組み合わせたものであるが、n型MISFET(Metal-Insulator-Semiconductor Field Effect Transistor)には仕事関数が小さなゲート電極が必要であり、p型MISFETには仕事関数が大きなゲート電極が必要である。従来のポリシリコンによるゲート電極の場合、イオン注入法を用いることによりn型MISFET、p型MISFETのそれぞれに対応してゲート電極の仕事関数を調製することが容易であった。n型不純物としてたとえばリンを高濃度にドープしたポリシリコンの仕事関数は約4.0eVである。p型不純物としてたとえばボロンを高濃度にドープしたポリシリコンの仕事関数は約5.2eVである。このようにしてn型MISFETに対してはn型ポリシリコン、p型MISFETに対してはp型ポリシリコンを用いれば、基板チャネルと同等の仕事関数を容易に得ることができる。こうして、閾値電圧の低いMISFETがn型、p型の両方について形成できるため、低電圧動作可能なCMOS構造を得ることができる。
これに対して、メタルゲート電極の仕事関数は電極材料に固有の値であってポリシリコンの場合のように簡便に調整することができないため、n型、p型のMISFETのそれぞれの電極に適した材料をそれぞれの領域に形成する必要がある。すなわち、同一チップ上に互いに異なる2種類の材料を平面的領域によって区別して作り分ける必要がある。この場合、形成する工程が複雑になってしまう。この実現のためには、たとえば、ゲート絶縁膜上にまず第1の材料の層を形成し、そのうち一部の領域で第1の金属材料を除去した後で第2の材料の層を形成するなどの工程が必要になる。このような製造方法によったのでは、ゲート絶縁膜の劣化が避けられないという問題があった。
この問題を解決するために特開2001−203276号公報(特許文献1)では、窒化チタン(TiN)をゲート電極として用い、窒化チタンの含有窒素濃度を変えることによって仕事関数を変化させる方法が提案されている。この方法によれば、従来のポリシリコンによるゲート電極を前提とした製造方法において用いられていたのと同様のイオン注入法を採用することができるので、n型MISFET、p型MISFETのそれぞれの領域の窒素注入量を変えることによって、各領域のゲート電極をそれぞれ2種類の仕事関数を有するように形成することができる。
一方、窒化チタンの仕事関数は、熱処理を加えることによって大きく変化してしまうことがM. S. Jooらによる"Behavior of Effective Work Function in Metal/High-K Gate Stack under High Temperature Process"(Extend Abstract of the 2004 International Conference on Solid State Device and Materials, p202)(非特許文献2)に記載されている。
特開2001−203276号公報 2003 Edition of ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors)(http://public.itrs.net/Files/2003ITRS/Home2003.htm) "Behavior of Effective Work Function in Metal/High-K Gate Stack under High Temperature Process"、M. S. Jooら、(Extend Abstract of the 2004 International Conference on Solid State Device and Materials, p202)
上述の窒化チタンを従来のCMOS構造の製造工程に用いた場合、仕事関数が製造工程の途中において変化してしまうという問題がある。通常のCMOS構造の製造工程においては、ゲート電極を形成した後にFETのソース、ドレインなど各種の拡散層を形成するためにイオン注入法による不純物注入と注入した不純物を活性化するための高温での熱処理が必要である。この熱処理は通常1000℃以上で行なわれるが、上記非特許文献2に記載されているように、窒化チタンの仕事関数は、熱処理を加えることによって大きく変化してしまう。
そこで、本発明は、熱処理によってもゲート電極が安定して所望の仕事関数を維持できるような半導体装置およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に基づく半導体装置は、半導体基板と、上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、上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る。上記ゲート絶縁膜と上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。
本発明によれば、バッファ層が存在することによって、耐熱性を高めることができる。
熱処理によって窒化チタンの仕事関数が変化するのは、熱処理中に、窒化チタンに含まれる窒素が拡散してしまうことや、ゲート絶縁膜がシリコン系材料からなる場合には珪素がゲート電極に拡散することによって窒化珪化チタンが形成されるためと考えられる。また、このような現象は窒化チタンにおいて確認されているだけでなく、窒素、珪素の存在により仕事関数が変化する材料、たとえばタンタル(Ta)、ハフニウム(Hf)などにおいても確認されている。
さらに、耐熱性の劣化は、ゲート絶縁膜の材料とゲート電極の金属材料との間の反応により新たな絶縁膜が形成されてしまうことによっても起こる。たとえばゲート電極がチタン、ゲート絶縁膜が酸化ハフニウムからなる場合、熱処理により界面にはチタン酸化膜が形成されてしまう。この新たな界面絶縁膜の形成により、ゲート絶縁膜の実効的な膜厚EOTの増加や絶縁膜中の固定電荷の形成が起こってしまい、結果的に閾値電圧の変動や界面移動度の劣化といった問題を引き起こしてしまう。
これらの点に注目した発明者らは、ゲート電極とゲート絶縁膜との界面に、窒素、珪素の拡散を防止するためのバッファ層を設けることによって耐熱性の向上を図ることとした。
(実施の形態1)
(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。
ここに例示したように本発明に基づく半導体装置は、半導体基板と、この半導体基板の上側に接して形成されたゲート絶縁膜と、この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る。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。好ましくは、バッファ層は、金属膜、金属窒化膜または金属珪素膜を含む。好ましくは、ゲート絶縁膜が、Si元素またはN元素を含む。好ましくは、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。
(作用・効果)
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。
実験結果のグラフを図1に示す。このグラフからはバッファ層なしのものでは熱処理温度を700℃以上にすると、フラットバンド電圧が変化する様子が読み取れる。一方、バッファ層ありのものでは1000℃で熱処理しても、フラットバンド電圧の変化は見られなかった。この結果から、耐熱性を向上させるためにはバッファ層を設けることが有効であることがわかる。これは、ゲート電極中での窒素、珪素の含有量が窒素、珪素の相互拡散によって変化することを防止できた結果と考えられる。
(実施の形態2)
(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。
一方、比較のために、図3に示すように図2に示したものと同じ構成でバッファ層3がないMISFETも別途作製した。図2、図3はいずれもMISFETのうちのゲート絶縁膜とゲート電極との界面近傍を拡大表示したものである。
(作用・効果)
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。
Figure 2006269520
これに対して、本実施の形態における半導体装置、すなわち図2に示すようにバッファ層3を備えたMISFETの場合は、同一条件の熱処理を行なった後においてもヒステリシスの増加は認められなかった。調べたところ、図5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HfTiO4という構造の絶縁膜5が形成されており、TiO2膜は存在しないことが確認された。HfTiO4という構造は熱処理に対して安定であり、比誘電率が50である。すなわち比誘電率が高い。したがって、本実施の形態における半導体装置においては、ヒステリシスの増大も起こらず、ゲート絶縁膜の実効的な膜厚EOTの増加も起こらないという効果がある。
なお、実施の形態1,2でもバッファ層は厚みが5nm以下としたが、バッファ層の厚みは5nm以下であることが好ましい。バッファ層の厚みが5nm以下であれば、ゲート電極の仕事関数はバッファ層に依存せずにゲート電極そのものの仕事関数によってほぼ決まるからである。
(実施の形態3)
(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。
(製造方法)
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。
通常のリソグラフィおよびドライエッチング技術を用いて加工し、図8に示す構造を得る。ここで得られるのは、半導体基板6の表面にゲート絶縁膜1、バッファ層3およびゲート電極2がこの順に積層された積層体である。次に、イオン注入法により、図9に示すように、半導体基板6の表面のうち積層体の近傍にソース領域およびドレイン領域となる拡散層8を形成する。この後、活性化のために1000℃で5秒間の熱処理を行なう。さらに、図10に示すように、層間絶縁膜9、コンタクト部10、配線となる導電層11を形成する。こうして、本実施の形態におけるMISFETを得る。
なお、チャネル領域および拡散層8の不純物濃度分布は、ゲート電極の仕事関数が5.0eVのときにMISFETの閾値電圧が−0.3Vとなるように調整しておく。
(作用・効果)
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。
活性化の工程は1000℃としたが、1000℃以上の温度で熱処理を行なう場合においては、十分な活性化を行なうことができ、なおかつバッファ層によって仕事関数の変動を抑えることができるので、熱処理は1000℃以上の温度で行なうことが好ましい。
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
本発明に基づく実施の形態1における実験結果のグラフである。 本発明に基づく実施の形態2における半導体装置の熱処理前の部分拡大断面図である。 実施の形態2において比較のために用いたバッファ層がない半導体装置の熱処理前の部分拡大断面図である。 実施の形態2において比較のために用いたバッファ層がない半導体装置の熱処理後の部分拡大断面図である。 本発明に基づく実施の形態2における半導体装置の熱処理後の部分拡大断面図である。 本発明に基づく実施の形態3における半導体装置の製造方法の第1の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態3における半導体装置の製造方法の第2の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態3における半導体装置の製造方法の第3の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態3における半導体装置の製造方法の第4の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態3における半導体装置の製造方法の第5の工程の説明図である。
符号の説明
1 ゲート絶縁膜、2 ゲート電極、3 バッファ層、4 TiO2膜、5 絶縁膜、6 半導体基板、7 素子分離領域、51 HfSiON層、52 TiN層、53 SiN膜。

Claims (8)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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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