JP4102072B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置、特に半導体装置に用いる絶縁膜に関する。
【0002】
【従来の技術】
MOSFETの微細化に伴い、ゲート絶縁膜の薄膜化が要求されている。従来用いられているシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜では、ダイレクトトンネル電流の増加により、約2nmで薄膜化の限界に達してしまう。
【0003】
そこで、メタルを含有するシリコン酸化膜(メタルシリケイト膜或いはシリケイト膜と呼ぶ場合もある)のゲート絶縁膜への適用が提案されている。このメタルシリケイト膜は、誘電率がシリコン酸化膜よりも高く、且つ結晶化温度が比較的高いことから、ポリSi(ポリSiGe)ゲート電極プロセスとの整合性が高い。
【0004】
ゲート電極からのボロン拡散を抑制するために、窒素を含むオキシ窒化メタルシリコン膜も提案されている(特開2000−49349)。しかしながら、良好な界面特性を有するオキシ窒化メタルシリコン膜は得られていない。また、メタル窒化物が導電性であるため、リーク電流が多く、電荷トラップ密度も高い。さらに、ゲート電極界面においてメタルシリサイドが形成され、絶縁特性を損なうこともある。
【0005】
メタルシリケイト膜の形成方法としては、有機シランを用いたCVD法(化学気相堆積法)があげられる。有機シランの中でも、テトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4 : TEOS)がよく用いられている。TEOSは、分解温度が高いため、熱CVD法を用いた場合には、700℃以上の温度が必要である。そこで、より低温で膜形成を行うために、TEOSとともにオゾン(O3)を用いる方法や、プラズマCVD法が用いられる。
【0006】
しかしながら、オゾンやプラズマを用いた場合、成膜雰囲気に酸素ラジカルや酸素イオンなどの酸素の活性種が生成される。活性な酸素は反応性が高いため、下地を酸化してしまうといった問題が生じる。また、プラズマを用いた場合、プラズマダメージによって下地に損傷を与えるといった問題も生じる。
【0007】
メタルシリケイト膜の形成方法に関連する公知技術としては、以下のようなものがある。
【0008】
特開平5−239650号公報には、アルコキシシランをソースとしたCVD法において、チタン族元素のアルコキシド或いはアルキルアミン化合物を添加する方法が開示されている。しかしながら、オゾンやプラズマを用いているため、基本的に酸素の活性種を用いる方法である。
【0009】
特開平6−160657号公報も、オゾンを用いる方法であり、酸素の活性種を用いる方法である。
【0010】
特開平11−111715号公報には、アルコキシル基を有する化合物の熱分解によって生じる生成物を、ソースガスに添加する方法が開示されている。しかしながら、シリコンソースとメタルソースを混ぜることに関する記載はない。
【0011】
特開平5−226608号公報には、メタルシリケイト膜に含有されるメタルとして、チタンを用いることが開示されている。しかしながら、チタンを含有するメタルシリケイト膜は、良好な特性が得られ難く、半導体装置への適用が難しいという問題がある。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来は、優れた特性を有するメタルシリケイト膜が得られないといった問題や、下地に悪影響を与えるといった問題があった。そのため、特性や信頼性に優れた半導体装置を得ることが困難であった。
【0013】
本発明は上記従来の課題に対してなされたものであり、メタル元素を含有するシリコン酸化膜を有する半導体装置において、その特性や信頼性の向上をはかることを目的としている。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、Zr、Hf及びLaの群の中から選択された1種類のメタル元素及び窒素を含有するシリコン酸化膜で形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された電極とを含む半導体装置であって、前記シリコン酸化膜は、第1の領域と、前記電極と前記第1の領域との間の第2の領域と、前記半導体基板と前記第1の領域との間の第3の領域とを有し、前記シリコン酸化膜に含有された窒素の厚さ方向における濃度分布は、前記第2の領域に最大点を有し、前記シリコン酸化膜に含有された前記1種類のメタル元素の厚さ方向における濃度分布は、前記第1の領域に最大点を有することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、Zr、Hf及びLaの群の中から選択された2種類以上のメタル元素及び窒素を含有するシリコン酸化膜で形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された電極とを含む半導体装置であって、前記シリコン酸化膜は、第1の領域と、前記電極と前記第1の領域との間の第2の領域と、前記半導体基板と前記第1の領域との間の第3の領域とを有し、前記シリコン酸化膜に含有された窒素の厚さ方向における濃度分布は、前記第2の領域に最大点を有し、前記シリコン酸化膜に含有された前記2種類以上のメタル元素それぞれの厚さ方向における濃度分布は、前記第1の領域に最大点を有することを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【0019】
(第1の実施形態)
以下、図面を参照して、本発明の第1の実施形態を説明する。
【0020】
図1は、第1の実施形態に係るMIS(MOS)型電界効果トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜として用いるメタルシリケイト膜(シリコンを含有するシリコン酸化膜)中のメタル元素の膜厚方向の濃度分布を模式的に示したものである。ここではメタル元素としてZr(ジルコニウム)を用いているが、Hf(ハフニウム)、Al(アルミニウム)、La(ランタン)等、シリコン酸化膜に添加することでシリコン酸化膜に比べて誘電率が増加する元素を用いても、Zrの場合と同様の効果を得ることが可能である。
【0021】
図1に示すように、メタルシリケイト膜の中央付近においてZrの濃度が最大となっている。なお、濃度ピークは、必ずしもメタルシリケイト膜の中央である必要はなく、メタルシリケイト膜の下面近傍の領域(メタルシリケイト膜とシリコン基板との界面近傍の領域)と、上面近傍の領域(メタルシリケイト膜とゲート電極との界面近傍の領域)とに挟まれた領域(内部領域)であればよい。
【0022】
このような構成にすることで、特性や信頼性に優れたMIS型電界効果トランジスタを得ることができる。すなわち、半導体基板側の界面においては、界面での固定電荷密度が低く、チャネル移動度の低下が抑制される。また、ゲート電極側の界面においては、ゲート電極としてポリSiやポリSiGeを用いた場合、界面でのシリサイド反応を抑制することができ、信頼性の低下を防止することができる。
【0023】
図2は、上述したような構成に対し、さらにゲート電極側に窒素(N)を導入した場合の、Zr及びNの濃度分布を模式的に示したものである。図2に示すように、ゲート電極側の界面近傍においてN濃度が最大となっている。
【0024】
このように、メタルシリケイト膜の上面側に急峻なN濃度のピークがあるため、ゲート電極としてポリSiやポリSiGeを用いた場合、ドーパントとして用いるボロン等の不純物がゲート絶縁膜中さらには半導体基板へ拡散することを、有効に抑制することができる。また、Zrと窒素の反応が抑制されるため、リーク電流の増加や信頼性の低下を抑制することができる。さらに、上面側に窒素が存在するため、基板側界面近傍の固定電荷密度の増加が抑制され、チャネル移動度の低下を抑制することができる。
【0025】
なお、メタルシリケイト膜中に含有されるメタル元素は、必ずしも1種類である必要はなく、Zr、Hf、Al及びLaの中の2種類以上の元素が含有されていてもよい。
【0026】
次に、本実施形態の製造方法について、図3(a)乃至図3(e)を参照して説明する。
【0027】
まず、図3(a)に示すように、通常の素子分離領域(図示せず)を設けたシリコン基板11を用意する。
【0028】
次に、図3(b)に示すように、シリコン基板11の表面上に、Zrを含有する非晶質シリコン膜12を約2nm堆積する。この非晶質シリコン膜12は、例えばZrCl4、SiH4及びH2を用いたLPCVD法によって形成される。典型的な成膜条件は、500℃、0.5Torrである。ZrCl4とSiH4の流量比を制御することで、Zrを含有する非晶質シリコン膜12中のZr濃度のピークを、膜厚方向の中央付近にすることが可能である。
【0029】
非晶質シリコン膜12は、ZrターゲットとSiターゲットを用いたスパッタリング法を用いて堆積してもよい。この場合は、ZrスパッタリングとSiスパッタリングのパワー比を制御することで、Zr濃度のピークを、膜厚方向の中央付近にすることが可能である。
【0030】
なお、Zrの濃度ピークは、必ずしも非晶質シリコン膜12の中央である必要はなく、非晶質シリコン膜12の下面近傍の領域と上面近傍の領域とに挟まれた領域(内部領域)であればよい。また、非晶質シリコン膜12の下面近傍の領域にZrの濃度ピークがあってもよい。
【0031】
次に、図3(c)に示すように、基板温度400℃とし、O2プラズマ酸化法を用いて、Zrを含有する非晶質シリコン膜12を酸化し、Zrシリケイト膜(Zrを含有するシリコン酸化膜)13を形成する。Zrシリケイト膜13は、非晶質シリコン膜12のZr濃度分布を反映して、図1に示すようなZr濃度分布を有する。ここで、比較的低温で酸化が可能なプラズマ酸化法を用いることにより、酸化時の結晶化が抑制され、結晶化に伴うモフォロジー荒れを防止することができる。
【0032】
なお、非晶質シリコン膜12の下面近傍の領域にZrの濃度ピークがある場合にも、上記酸化工程においてシリコン基板11の表面領域も酸化されるため、やはりZrシリケイト膜13の内部にZrの濃度ピークが位置する。
【0033】
次に、図3(d)に示すように、ウエハ温度を400℃とし、N2プラズマ窒化法を用いて、Zrシリケイト膜13の表面を窒化し、表面が窒化されたZrシリケイト膜14を形成する。この表面が窒化されたZrシリケイト膜14は、図2に示すような窒素濃度分布になる。
【0034】
次に、図3(e)に示すように、ゲート電極となるポリSiGe膜(ポリSi膜でもよい)15を、LPCVD法を用いて約150nm堆積する。ここで、ポリSiGe膜15を堆積する前に、例えば900℃、10秒のアニールを行い、導入された窒素の安定化を行ってもよい。
【0035】
その後に、リソグラフィー工程、ゲート電極エッチング工程、イオン注入工程、活性化アニール工程等を経て、MIS型トランジスタが形成される(図示せず)。さらに、配線工程を経て、半導体装置が完成する(図示せず)。
【0036】
以上のように、本実施形態によれば、メタルシリケイト膜中のメタル元素の濃度分布を最適化することで、良好な界面特性が得られるとともに、ゲート電極界面の反応が抑制される。また、窒素の濃度分布を最適化することで、メタルシリケイト膜中のトラップの増加が抑制されるとともに、ゲート電極からの不純物の拡散を抑制できる。したがって、高性能且つ信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【0037】
また、メタル元素としてZr、Hf、Al或いはLaを用いることで、メタルシリケイト膜の実効的な誘電率を増加させることができる。そのため、物理的膜厚の厚いメタルシリケイト膜をゲート絶縁膜として用いることができ、高性能且つ信頼性の高い半導体装置を実現することができる。
【0038】
また、本実施形態によれば、メタルとシリコンの2元系の堆積によって非晶質シリコン膜を形成することで、組成の制御が容易となり、低コストで高性能な半導体装置を製造することができる。また、部分的な金属酸化物結晶の形成が抑制され、特性ばらつきの少ない半導体装置を実現することができる。さらに、メタル元素と独立に窒素を導入することにより、最適な膜組成を容易に実現することができる。
【0039】
また、メタルソースとシリコンソースを用いたCVD法で非晶質シリコン膜を形成することにより、例えば局所的な凹凸を有する半導体表面上にも、均一に成膜を行うことが可能となり、信頼性の高い半導体装置を実現することができる。また、メタルソースにメタル元素のハロゲン化物を用い、シリコンソースにシリコンの水素化物を用いることで、極薄膜の制御性を確保可能な比較的低温で成膜が可能であり、歩留まりを高くすることができる。
【0040】
また、O2プラズマ酸化法等、非晶質シリコン膜を活性な酸化種を用いて酸化することで、メタルシリケイト膜の多結晶化を抑制することが可能となる。さらに、メタルシリケイト膜の表面をプラズマを用いて窒化することで、急峻な濃度分布を有する窒素を低温でメタルシリケイト膜に導入することが可能となる。
【0041】
(第2の実施形態)
以下、図面を参照して、本発明の第2の実施形態を説明する。本実施形態は、メタルシリケイト膜(メタル元素を含有するシリコン酸化膜)を、酸素の活性種を用いずに、熱CVD法によって形成するものである。ガスソースには、シリコンを含有する有機化合物と、メタル元素(Zr、Hf、Al又はLa)を含有する有機化合物を用いる。
【0042】
(実施形態2−A)
本実施形態は、メタルシリケイト膜を、テトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4 : TEOS)とジルコニウムターシャリーブトキサイド(Zr(Ot-C4H9)4: ZTB)を用いて、熱CVD法で堆積する例である。
【0043】
図4は、本実施形態で用いるLPCVD装置の一例を示したものである。以下、図4を参照しながら、製造方法を説明する。
【0044】
まず、8インチシリコン基板を用意し、純水で希釈したフッ酸を用いて、シリコン基板表面に形成されている自然酸化膜を除去する。希フッ酸処理後直ちに、シリコン基板103を反応容器101内に設置されているサセプター104上に搬送する。さらに、反応容器101内を真空ポンプ107で排気する。
【0045】
反応容器101内の圧力が10-2Torr以下に到達した後、マスフローコントローラー124及び125によって流量を300sccmに設定したArガスを反応容器内に導入する。そして、圧力計108と連動する圧力調整バルブ106によって、反応容器101内の圧力が10Torrなるように制御する。反応容器101内の圧力が安定した後、基板加熱ヒーター105により基板103の加熱を開始する。基板103の温度は、サセプター104に接するように配置された熱電対と温度調節器(図示せず)を用いて、595℃になるように制御する。
【0046】
基板温度が安定した後、酸素ガス(O2ガス)を、マスフローコントローラー123で流量が200sccmになるように調整し、バルブ143を通して、反応容器101を介さずに流す。また、アルゴンガスを、マスフローコントローラー121及び122でそれぞれ100sccmになるように調整し、原料容器111及び112に流すことで、原料のバブリングを開始する。これらのガスも、それぞれバルブ141及び142を通し、反応容器101を介さずに流す。
【0047】
原料容器111内にはTEOSが、原料容器112内にはZTBが、それぞれ充填されている。原料容器111及び112はいずれも、70℃となるように温度制御する。また、圧力計151及び152並びに圧力調整バルブ131及び132を用いて、原料容器111及び112内の圧力が、それぞれ100Torrになるように調整する。このような条件で、TEOSは56sccm、ZTBは1.6sccmの流量になると推定される。
【0048】
原料の温度が70℃と室温より高いため、反応容器101へ原料ガスを輸送する配管及びバルブをオーブン内に収納して200℃程度に加熱し、凝集を防止する。また、シャワーヘッド102も、オイルを用いて200℃程度に加熱し、シャワーヘッド内での原料の凝集も防止する。ここまでが成膜を開始する前段階である。
【0049】
予め流しておいた酸素ガスと原料ガスを、バルブ141、142及び143を同時にバルブ144、145及び146へ切り替えることにより、シャワーヘッド102を介して反応容器101内に導入し、成膜を開始する。成膜時間は10分である。
【0050】
10分経過後、バルブ144、145及び146をバルブ141、142及び143へ切り替えることにより、TEOS、ZTB及び酸素ガスの反応容器内への供給を停止する。ガスの供給を停止した後、直ちに基板加熱ヒーター105への通電を停止し、基板103を冷却する。基板温度が200℃まで低下した後、基板103を反応容器101から取り出す。
【0051】
このようにして形成した薄膜の膜厚を、エリプソメーターを用いて測定したところ、237nmのZrシリケイト膜が形成されていた。また、基板温度を550℃、570℃にして、同様の成膜を行った。基板温度を変えた以外は、上述した条件と同じである。その結果、550℃では191nm、570℃では176nmであった。図5は、これらのデータを成膜速度に変換したものである。
【0052】
比較のため、TEOSのみを用いて成膜を行った。成膜の手順は、上述したのと全く同様である。ただし、ZTBの供給は行わなかった。基板温度は570℃及び590℃とした。その結果、基板温度570℃では0.7nm、590℃では0.9nmの膜厚であった。図6は、これらのデータを成膜速度に変換したものである。
【0053】
また、ZTBのみを用いて595℃で成膜を行った結果、成膜速度は0.1nm/分以下であった。
【0054】
これらのことから、TEOSとZTBの両方を同時に供給した場合に限り、成膜速度が増加することがわかる。
【0055】
以上のように、TEOSの流量(供給量)の1/10以下のわずかなZTBを同時に供給することにより、TEOSのみの場合に比べて、100倍以上の成膜速度が得られ、実用的な成膜速度でのメタルシリケイト膜の形成が可能である。
【0056】
また、下地基板に悪影響を与えるプラズマやオゾンなどの化学的に活性な酸素を用いなくても、600℃以下の比較的低温で、熱CVD法によってメタルシリケイト膜を形成することができる。これは、ZTBによりTEOSの分解反応が促進されるためである。
【0057】
Zrシリケイト膜に含有されたZr原子数とSi原子数の和に対するZr原子数の比率(組成比)を、蛍光X線測定によって調べた。上記比率を、ここではZr/(Zr+Si)と表す。その結果、ZTBとTEOSを同時に供給して成膜した試料では、Zr/(Zr+Si)が12〜30%であった。また、ZTBとTEOSの流量を制御することにより、Zr/(Zr+Si)を5〜30%の範囲で制御できることを確認した。
【0058】
Zr/(Zr+Si)が大きくなると、得られるZrシリケイト膜の比誘電率が高くなる。言いかえると、ZrとSiの比率を制御することにより、Zrシリケイト膜の比誘電率を制御できることになる。このことは、半導体装置へ応用する際に重要になる。すなわち、層間絶縁膜やスペーサー膜等、比誘電率が低い方が好ましい場合には、Zr/(Zr+Si)が小さくなるように、ZTBとTEOSの供給量を調整する。一方、ゲート絶縁膜のように、比誘電率が高い方が好ましい場合には、Zr/(Zr+Si)が大きくなるように、ZTBとTEOSの供給量を調整する。
【0059】
(実施形態2−B)
本実施形態は、メタルシリケイト膜を、TEOSとハフニウムターシャリーブトキサイド(Hf(Ot-C4H9)4: HTB)を用いて、熱CVD法で堆積する例である。本実施形態でも、上述した実施形態2−A同様、図4に示したLPCVD装置を用いる。
【0060】
まず、8インチシリコン基板を用意し、純水で希釈したフッ酸を用いて、シリコン基板表面に形成されている自然酸化膜を除去する。希フッ酸処理後直ちに、シリコン基板103を反応容器101内に設置されているサセプター104上に搬送する。さらに、反応容器101内を真空ポンプ107で排気する。
【0061】
反応容器101内の圧力が10-2Torr以下に到達した後、マスフローコントローラー124及び125によって流量を300sccmに設定したArガスを反応容器内に導入する。そして、圧力計108と連動する圧力調整バルブ106によって、反応容器101内の圧力が1Torrなるように制御する。反応容器101内の圧力が安定した後、基板加熱ヒーター105により基板103の加熱を開始する。基板103の温度は、サセプター104に接するように配置された熱電対と温度調節器(図示せず)を用いて、570℃になるように制御する。
【0062】
基板温度が安定した後、酸素ガス(O2ガス)を、マスフローコントローラー123で流量が200sccmになるように調整し、バルブ143を通して、反応容器101を介さずに流す。また、アルゴンガスを、マスフローコントローラー121及び122でそれぞれ100sccmになるように調整し、原料容器111及び112に流すことで、原料のバブリングを開始した。これらのガスも、それぞれバルブ141及び142を通し、反応容器101を介さずに流す。
【0063】
原料容器111内にはTEOSが、原料容器112内にはHTBが、それぞれ充填されている。原料容器111及び112はそれぞれ、40℃及び45℃となるように温度制御する。また、圧力計151及び152並びに圧力調整バルブ131及び132を用いて、原料容器111及び112内の圧力が、それぞれ100Torrになるように調整する。このような条件で、TEOSは12sccm、ZTBは0.31sccmの流量になると推定される。
【0064】
原料の温度が室温より高いため、反応容器101へ原料ガスを輸送する配管及びバルブをオーブン内に収納して200℃程度に加熱し、凝集を防止する。また、シャワーヘッド102も、オイルを用いて200℃程度に加熱し、シャワーヘッド内での原料の凝集も防止する。ここまでが成膜を開始する前段階である。
【0065】
予め流しておいた酸素ガスと原料ガスを、バルブ141、142及び143を同時にバルブ144、145及び146へ切り替えることにより、シャワーヘッド102を介して反応容器101内に導入し、成膜を開始する。成膜時間は10分である。
【0066】
10分経過後、バルブ144、145及び146をバルブ141、142及び143へ切り替えることにより、TEOS、HTB及び酸素ガスの反応容器内への供給を停止する。ガスの供給を停止した後、直ちに基板加熱ヒーター105への通電を停止し、基板103を冷却する。基板温度が200℃まで低下した後、基板103を反応容器101から取り出す。
【0067】
このようにして形成した薄膜の膜厚を、エリプソメーターを用いて測定したところ、40nmのHfシリケイト膜が形成されていた。
【0068】
比較のため、TEOSのみを用いて成膜を行った。成膜の手順は、上述したのと全く同様である。ただし、HTBの供給は行わなかった。その結果、膜厚は0nmであり、メタルシリケイト膜の形成は認められなかった。
【0069】
また、HTBのみを用いて570℃で成膜を行った結果、成膜速度は0.1nm/分以下であった。
【0070】
これらのことから、TEOSとHTBの両方を同時に供給した場合に限り、成膜速度が増加することがわかる。
【0071】
以上のように、TEOSの流量(供給量)の1/10以下のわずかなHTBを同時に供給することにより、TEOSのみの場合に比べて、成膜速度が大幅に増加し、実用的な成膜速度でのメタルシリケイト膜の形成が可能である。
【0072】
また、下地基板に悪影響を与えるプラズマやオゾンなどの化学的に活性な酸素を用いなくても、600℃以下の比較的低温で、熱CVD法によってメタルシリケイト膜を形成することができる。これは、HTBによりTEOSの分解反応が促進されるためである。
【0073】
Hfシリケイト膜に含有されたHf原子数とSi原子数の和に対するHf原子数の比率(組成比)を、蛍光X線測定によって調べた。上記比率を、ここではHf/(Hf+Si)と表す。その結果、HTBとTEOSを同時に供給して成膜した試料では、Hf/(Hf+Si)が23%であった。また、HTBとTEOSの流量を制御することにより、Hf/(Hf+Si)を5〜30%の範囲で制御できることを確認した。
【0074】
Hf/(Hf+Si)が大きくなると、得られるHfシリケイト膜の比誘電率が高くなる。言いかえると、HfとSiの比率を制御することにより、Hfシリケイト膜の比誘電率を制御できることになる。このことは、半導体装置へ応用する際に重要になる。すなわち、層間絶縁膜やスペーサー膜等、比誘電率が低い方が好ましい場合には、Hf/(Hf+Si)が小さくなるように、ZTBとTEOSの供給量を調整する。一方、ゲート絶縁膜のように、比誘電率が高い方が好ましい場合には、Hf/(Hf+Si)が大きくなるように、HTBとTEOSの供給量を調整する。
【0075】
本実施形態で行った成膜の結果を図7に示す。基板温度はいずれも570℃、反応室内の圧力は1Torr、成膜時間は10分である。
【0076】
(実施形態2−C)
本実施形態は、実施形態2−Bの方法によって形成したメタルシリケイト膜を有するMOSキャパシタに関するものである。
【0077】
図8に示すように、n型シリコン基板21上に、実施形態2−Bの方法によってメタルシリケイト膜22を4nmの厚さで形成した。膜厚の制御は、成膜時間を変えることで行った。形成されたメタルシリケイト膜22では、Hf/(Hf+Si)が10%であることを、蛍光X線測定により確認した。さらに、メタルシリケイト膜22上に、白金電極23を形成した。白金電極23は、シャドーマスクを通して、スパッタリング法により形成した。
【0078】
このようにして作製したMOSキャパシタを用いて、容量−電圧法(C−V法)により、界面準位密度を測定した。その結果、シリコンのバンドギャップ中に形成された界面準位密度の最低値は、2×1011cm-2eV-1であった。
【0079】
比較のため、メタルシリケイト膜22を、TEOSと酸素を用いたプラズマCVD法で形成した。基板温度を400℃とし、13.56MHzのRFプラズマを用いた。膜厚は4nmとした。電極23には、スパッタリング法により形成した白金を用いた。このようにして形成されたMOSキャパシタの界面準位密度を測定した結果、1×1013cm-2eV-1であった。
【0080】
別の比較例として、メタルシリケイト膜22をTEOS−O3を用いた熱CVD法で形成し、先と同様のMOSキャパシタを作製した。メタルシリケイト膜22は、ホットウォール型CVD装置を用い、常圧、400℃で形成した。膜厚は4nmとした。上部電極23は白金とした。このMOSキャパシタを用いて測定した結果、界面準位密度は5×1012cm-2eV-1であった。
【0081】
図9は、上述した各測定結果をまとめたものである。
【0082】
プラズマCVD法でメタルシリケイト膜を形成した場合に、界面準位密度が高くなるのは、メタルシリケイト膜の形成時に、プラズマによってシリコン基板表面が損傷を受けるためである。TEOS−O3を用いた熱CVD法でメタルシリケイト膜を形成した場合に、界面準位密度が高くなるのは、O3の化学反応性が高いため、シリコン基板表面が良好な状態を維持できないためである。
【0083】
これに対し、本実施形態では、酸素の活性種を用いないため、欠陥の少ない酸化膜/シリコン界面を形成することができる。その結果として、低い界面準位密度が得られる。
【0084】
以上のように、本実施形態によれば、シリコンソースとメタルソースの相互作用により、ソースガスの分解が促進される。そのため、例えば600℃以下の低温でも、酸素の活性種を用いずに、熱CVD法によって良質のメタルシリケイト膜を形成することができる。また、酸素の活性種を用いないことから、メタルシリケイト膜と半導体基板の間の界面では、優れた界面特性を得ることができる。
【0085】
また、メタル元素としては、上述したZr及びHfの他、Al或いはLaを用いてもよい。これらの金属元素を用いることで、メタルシリケイト膜の実効的な誘電率を増加させることができる。そのため、物理的膜厚の厚いメタルシリケイト膜をゲート絶縁膜として用いることができ、高性能且つ信頼性の高い半導体装置を実現することができる。なお、メタルシリケイト膜中に含有されるメタル元素は、必ずしも1種類である必要はなく、Zr、Hf、Al及びLaの中の2種類以上の元素が含有されていても、同様の効果を得ることが可能である。
【0086】
また、シリコンソースとしては、シリコンを含有する有機化合物を用いることができ、メタルソースとしては、Zr、Hf、Al及びLaの中の少なくとも一つのメタル元素を含有する有機化合物を用いることができる。
【0087】
特に、シリコンを含有する有機化合物としては、TEOS等、シリコンのアルコキシド化合物を用いることが好ましい。また、メタル元素を含有する有機化合物としては、ターシャリーブトキシ化合物(M(Ot-C4H9)4: ただし、MはZr、Hf、Al又はLa)等のメタル元素のアルコキシド化合物を用いることが好ましい。これらの化合物は、蒸気圧が高いため、CVDの制御性が向上する。その結果、膜厚均一性や組成制御性に優れたメタルシリケイト膜の形成が可能になる。
【0088】
また、反応容器に供給されるメタルソースの流量(供給量)がシリコンソースの流量(供給量)の1/10よりも大きいと、メタルシリケイト膜の成膜速度の増大効果が得られ難いが、1/10以下とすることで成膜速度を大幅に増大させることが可能である。
【0089】
また、メタルシリケイト膜に含有されたメタル元素の原子数をNM、シリコンの原子数をNSiとして、
0<NM/(NM+NSi)<0.5
であることが好ましい。メタル元素の比率が高すぎるとメタルシリケイト膜が熱的に不安定になり、特に比率が0.5以上になるとその傾向が顕著になるためである。
【0090】
(第3の実施形態)
以下、図面を参照して、本発明の第3の実施形態を説明する。本実施形態は、メタルシリケイト膜に含有されるメタル元素(Zr、Hf、Al又はLa)に濃度分布を持たせる方法に関するものである。
【0091】
図10は、例えば第2の実施形態で説明したようなCVD装置を用いてメタルシリケイト膜を形成する際の、ガス供給シーケンスを示した図である。ここでは、シリコンソースとしてTEOSを、メタルソースとしてZTB(或いはHTB)を用いている。なお、基本的な成膜条件等については、第2の実施形態と同様であり、ここでは説明を省略する。
【0092】
まず、シリコン基板が収容された反応容器内へのTEOSの供給を開始する。TEOSの供給が安定した後、ZTBの供給を開始し、ZTBの供給量を徐々に増加させてゆく。その後、ZTBの供給量を一定に保ち、所定時間経過した後、ZTBの供給量を徐々に減少させてゆく。その後、ZTBの供給を停止し、さらにTEOSの供給を停止する。このようにして、シリコン基板上にメタルシリケイト膜が形成される。さらに、窒素プラズマを用いてメタルシリケイト膜の表面を窒化する。
【0093】
このようにして得られたメタルシリケイト膜では、メタル元素及び窒素の濃度分布は、例えば第1の実施形態で示した図2のようになる。したがって、図3(a)乃至図3(e)で説明したような工程を減ることで、第1の実施形態で述べたのと同様の効果を有する半導体装置を得ることができる。
【0094】
また、シリコンソース及びメタルソースには、TEOS及びZTB以外にも、第2の実施形態で詳述したものを同様に適用可能である。したがって、例えば第2の実施形態と同様に、酸素の活性種を用いない熱CVD法を用いることで、第2の実施形態で述べたのと同様の効果を有する半導体装置を得ることができる。
【0095】
以上のように、本実施形態によれば、メタルシリケイト膜中のメタル元素や窒素の濃度分布を最適化することができ、高性能且つ信頼性の高い半導体装置を実現することが可能となる。また、酸素の活性種を用いない熱CVD法を用いることで、より高性能且つ信頼性の高い半導体装置を実現することが可能となる。
【0096】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
【0097】
【発明の効果】
本発明によれば、メタル元素を含有するシリコン酸化膜を有する半導体装置の特性や信頼性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係り、メタルシリケイト膜中のメタル元素の膜厚方向の濃度分布を模式的に示した図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係り、メタルシリケイト膜中のメタル元素及び窒素の膜厚方向の濃度分布を模式的に示した図である。
【図3】本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示した断面図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係り、CVD装置の構成を示した図である。
【図5】本発明の第2の実施形態に係り、メタルシリケイト膜の成膜速度と基板温度との関係を示した図である。
【図6】本発明の第2の実施形態の比較例に係り、メタルシリケイト膜の成膜速度と基板温度との関係を示した図である。
【図7】本発明の第2の実施形態に係り、HTBとTEOSの流量を変化させたときの、メタルシリケイト膜の測定結果を示した図である。
【図8】本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の構成を示した断面図である。
【図9】本発明の第2の実施形態に係り、界面準位密度の低減効果を示した図である。
【図10】本発明の第3の実施形態に係り、ガス供給シーケンスを示した図である。
【符号の説明】
11…シリコン基板
12…非晶質シリコン膜
13…Zrシリケイト膜
14…表面が窒化されたZrシリケイト膜
15…ポリSiGe膜
21…n型シリコン基板
22…メタルシリケイト膜
23…白金電極
101…反応容器
102…シャワーヘッド
103…シリコン基板
104…サセプター
105…基板加熱ヒーター
106、131、132…圧力調整バルブ
107…真空ポンプ
108、151、152…圧力計
109…加熱オーブン
111、112…原料容器
121、122、123、124、125…マスフローコントローラー
141、142、143、144、145、146…バルブ
Claims (2)
- 半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、Zr、Hf及びLaの群の中から選択された1種類のメタル元素及び窒素を含有するシリコン酸化膜で形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された電極とを含む半導体装置であって、
前記シリコン酸化膜は、第1の領域と、前記電極と前記第1の領域との間の第2の領域と、前記半導体基板と前記第1の領域との間の第3の領域とを有し、
前記シリコン酸化膜に含有された窒素の厚さ方向における濃度分布は、前記第2の領域に最大点を有し、
前記シリコン酸化膜に含有された前記1種類のメタル元素の厚さ方向における濃度分布は、前記第1の領域に最大点を有する
ことを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、Zr、Hf及びLaの群の中から選択された2種類以上のメタル元素及び窒素を含有するシリコン酸化膜で形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成された電極とを含む半導体装置であって、
前記シリコン酸化膜は、第1の領域と、前記電極と前記第1の領域との間の第2の領域と、前記半導体基板と前記第1の領域との間の第3の領域とを有し、
前記シリコン酸化膜に含有された窒素の厚さ方向における濃度分布は、前記第2の領域に最大点を有し、
前記シリコン酸化膜に含有された前記2種類以上のメタル元素それぞれの厚さ方向における濃度分布は、前記第1の領域に最大点を有する
ことを特徴とする半導体装置。
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