JP4465413B1 - 誘電体膜、誘電体膜の製造方法、半導体装置、および、記録媒体 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図5
Description
Oxide Semiconductor)型の不揮発性半導体装置の分野では、電荷保持層とゲート電極との間を隔てるブロッキング膜があるが、素子の微細化に伴い、ブロッキング膜の高誘電率化が求められている。同様に、FG(Floting Gate)型の不揮発性半導体装置の分野では、素子の微細化に伴い、浮遊電極とゲート電極間の絶縁膜の高誘電率化が求められている。また、先端DRAM(Dynamic Random Access Memory)デバイスの分野では、メモリセルの微細化に伴いメモリセルを構成するキャパシタの容量を確保するため、高誘電率を有し、かつリーク電流の増加を招くことなく膜厚を薄くすることのできる誘電体膜が必要となっている。また、先端CMOSデバイス開発の分野では、ゲート絶縁膜に高誘電率材料を用いて物理膜厚を厚くすることでゲートリーク電流を低減する技術が検討されている。また、高誘電体膜は、上述した半導体装置の製造工程における1000℃のアニール処理に対する耐熱性が求められる。更には、高誘電体膜は半導体素子の動作電圧のバラツキを抑制するため、膜表面の平坦性が優れていることが求められる。
非特許文献1、2に記載のHfO2に金属元素としてイットリウム(Y)、シリコン(Si)、ランタン(La)をドーピングする技術では、800℃のアニール処理により結晶化し比誘電率が30に高誘電率化するが、1000℃のアニール処理により比誘電率は20以下に減少することが示されている。従って、Y、Si、LaをドーピングしたHfO2は1000℃のアニール処理に対する耐熱性がないという課題がある。
また、本発明の第3の態様は、少なくとも表面が半導体層を含む基板と、前記基板上に形成されたゲート電極と、前記基板と前記ゲート電極との間に絶縁膜と浮遊電極と絶縁膜とが順次積層された構造を有する不揮発性半導体装置であって、前記ゲート電極と前記浮遊電極との間に形成された絶縁膜の少なくとも一部が、上記第1の態様に記載の誘電体膜であることを特徴とする。
本発明の誘電体膜について、表面にシリコン酸化膜を有するシリコン基板上に本発明の誘電体膜として、B元素がAlであるHfAlON膜を形成したMIS(Metal Insulator Semiconductor)キャパシタを例に取り説明する。
同様に、誘電体膜103として、Alを含まないHfON膜、Nを含まないHfAlO膜を堆積させたサンプルも作製した。
de=dh×(εo/εh)・・・(1)
<実施例1(コスパッタリング法による実施例)>
本発明の第1の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、誘電体膜103を有するMISキャパシタを示した図である。表面に膜厚3nm〜5nmのシリコン酸化膜102を有するシリコン基板101に、誘電体膜103として、スパッタリング法によりHfAlON膜を堆積した。ターゲットとしては、HfおよびAlの金属ターゲットを用い、スパッタガスとしてアルゴンおよび酸素および窒素を用いた。すなわち、本実施例に係る基板処理装置は、第1のチャンバ内に、Hfターゲット、Alターゲット、およびスパッタガスを上記第1のチャンバ内に供給する供給機構を備えている。すなわち、本実施例に係る基板処理装置は、スパッタ等の、HfターゲットおよびAlターゲットを用いた物理蒸着を行うための第1の物理蒸着機構を備えている。
尚、ここでは誘電体膜103上にTiN膜104を堆積したが、Ti、TaN、W、Pt、Ru、Al、Siも適宜、用いることができる。また、これらからなる群のうちから選択される膜を堆積してもよい。
尚、ここではTiN膜104を堆積した後、アニール処理を行ったが、TiN膜104を堆積する前にアニール処理を行ってもよい。また、ここでは窒素雰囲気中でアニール処理を行ったが、酸素雰囲気、Ar等の不活性ガス雰囲気を適宜、用いることができる。また、これらからなる群のうち選択される雰囲気中でアニールしてもよい。
本実施例は、誘電体膜103をCVD法もしくはALD法により形成した点で実施例1と異なる。その他の形成工程は実施例1と同一である。従って、本実施例に係る基板処理装置は、有機金属原料および酸化剤をチャンバ内に供給する供給機構等の、CVD法およびALD法の少なくとも一方を実現するための機構を備えている。
本発明の第3の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図16は、本発明の第3の実施例である半導体装置の製造方法の工程を示した図である。
まず図16の工程1に示すように、本実施例に係る基板処理装置は、シリコン基板301の表面にSTI(Shallow Trench Isolation)技術を用いて素子分離領域302を形成する。続いて、本実施例に係る基板処理装置は、素子分離されたシリコン基板表面に熱酸化法により膜厚1.8nmのシリコン酸化膜303を形成する。その後、本実施例に係る基板処理装置は、実施例1もしくは実施例2と同じ方法により誘電体膜304としてHfAlON膜を膜厚1nm〜10nmの範囲で形成する。続いて、窒素雰囲気中で1000℃、10secのアニール処理を行い、誘電体膜304を結晶化させる。
図17は本発明の第4の実施例に関わる半導体素子の作製工程を示した断面図である。
まず図17の工程1に示すように、本実施例に係る基板処理装置は、シリコン基板401の表面にSTI(Shallow Trench Isolation)技術を用いて素子分離領域402を形成する。
本発明の第5の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図18は、本発明の第5の実施例である半導体装置の断面図を示した図である。本実施例は、実施例4における半導体素子の第2の絶縁膜404をpoly−Si501からなる層で形成する点で、実施例4と異なる。第2の絶縁膜404以降の形成工程は、実施例4と同一である。
本発明の第6の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図19〜図24は、本発明の第6の実施例である半導体装置の製造方法の工程図を示したものである。
図25において、基板処理装置301は、上述した実施例1〜6に係る基板処理装置とすることができる。従って、制御機構300は、プロセッサ300dが、記憶部300cに格納された制御プログラムを実行することで、基板処理装置301の動作を制御することができる。すなわち、制御機構301の制御により、基板処理装置301は、上述した実施例1〜6に記載した動作を行うことができる。
なお、制御機構300は、基板処理装置301と別個に設けても良いし、基板処理装置301に内蔵しても良い。
かかる記憶媒体としてはたとえばフロッピー(登録商標)ディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、磁気テープ、不揮発性メモリカード、ROMを用いることができる。
Claims (23)
- HfからなるA元素とAlもしくはSiからなるB元素とNとOとを含有する複合酸窒化物を含む誘電体膜であって、
A元素とB元素とNのモル比率B/(A+B+N)が0.015から0.095の間であり、かつN/(A+B+N)が0.045以上であり、かつ結晶構造を有していることを特徴とする誘電体膜。 - 前記結晶構造が立方晶を含有しており、前記結晶構造における立方晶の混入割合が80%以上であることを特徴とする請求項1に記載の誘電体膜。
- X線回折スペクトルにおける[220]のピーク強度と[111]のピーク強度との比率[220]/[111]の値が0.6以上であることを特徴とする請求項1に記載の誘電体膜。
- 比誘電率が40以上であることを特徴とする請求項1に記載の誘電体膜。
- 1200℃以下の温度で熱処理が施されていることを特徴とする請求項1に記載の誘電体膜。
- 絶縁体膜として誘電体膜を有する半導体装置であって、
前記誘電体膜は、請求項1に記載の誘電体膜であることを特徴とする半導体装置。 - 少なくとも表面が半導体層を含む基板と、
前記基板上に形成されたゲート電極と、
前記基板と前記ゲート電極との間に順次積層された積層型ゲート絶縁膜を有する不揮発性半導体装置であって、
前記積層型ゲート絶縁膜を構成する絶縁膜の少なくとも一層が、請求項1に記載の誘電体膜であることを特徴とする半導体装置。 - 少なくとも表面が半導体層を含む基板と、
前記基板上に形成されたゲート電極と、
前記基板と前記ゲート電極との間に絶縁膜と浮遊電極と絶縁膜とが順次積層された構造を有する不揮発性半導体装置であって、
前記ゲート電極と前記浮遊電極との間に形成された絶縁膜の少なくとも一部が、請求項1に記載の誘電体膜であることを特徴とする半導体装置。 - 少なくとも表面が半導体層を含む基板上に、
ソース領域と、
ドレイン領域と、
絶縁膜を介して形成されたゲート電極と、
を有する半導体装置であって、
前記絶縁膜が、請求項1に記載の誘電体膜を含む膜であることを特徴とする半導体装置。 - キャパシタを有する半導体装置であって、
前記キャパシタは、
第一の電極と、
第二の電極と、
前記第一の電極と前記第二の電極との間に誘電体膜を含む層が挟持されてなり、
前記誘電体膜は、請求項1に記載の誘電体膜であることを特徴とする半導体装置。 - 前記キャパシタと、少なくとも表面が半導体層を含む基板上に形成されたスイッチング素子とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。
- 前記第一の電極の前記第二の電極に対向する面と、前記第二の電極の前記第一の電極に対向する面とが、いずれも複数の面を含むことを特徴とする請求項10に記載の半導体装置。
- 第一の電極と、
第二の電極と、
前記第一の電極と前記第二の電極との間に誘電体膜を含む層が挟持されてなるキャパシタであって、
前記誘電体膜は、請求項1に記載の誘電体膜であることを特徴とするキャパシタ。 - HfからなるA元素とAlもしくはSiからなるB元素とNとOを含有する複合酸窒化物を含む誘電体膜の製造方法であって、
A元素とB元素とNのモル比率B/(A+B+N)が0.015から0.095の間であり、かつN/(A+B+N)が0.045以上の複合酸窒化物を含む膜を形成する工程と、
前記複合酸窒化物を含む膜を結晶化し、立方晶の混入割合が80%以上の結晶構造を有し、かつX線回折スペクトルにおける[220]のピーク強度と[111]のピーク強度との比率[220]/[111]の値が0.6以上である複合酸窒化物を形成する熱処理工程と、
を有することを特徴とする誘電体膜の製造方法。 - 前記複合酸窒化物を含む膜を形成する工程が、スパッタリングにより行われることを特徴とする請求項14に記載の誘電体膜の製造方法。
- 前記複合酸窒化物を含む膜を形成する工程が、ALD法またはCVD法により行われることを特徴とする請求項14に記載の誘電体膜の製造方法。
- 前記熱処理工程が、700℃以上1200℃以下の熱処理により行われることを特徴とする請求項14に記載の誘電体膜の製造方法。
- 前記熱処理工程が、酸素雰囲気、窒素雰囲気、不活性ガス雰囲気からなる群のうちから選択される雰囲気中の熱処理により行われることを特徴とする請求項14に記載の誘電体膜の製造方法。
- コンピュータに、高誘電体膜を含むMISキャパシタの、該高誘電体膜の形成方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
前記形成方法は、
Hf及びAlもしくはSiの金属ターゲットを用いた物理蒸着により、シリコン酸化膜を有するシリコン基板上に、HfからなるA元素とAlもしくはSiからなるB元素とNとOを含有する複合酸窒化物を含む誘電体膜であって、A元素とB元素とNのモル比率B/(A+B+N)が0.015から0.095の間であり、かつN/(A+B+N)が0.045以上である誘電体膜を堆積する第1の工程と、
前記誘電体膜上に、金属ターゲットを用いた物理蒸着により、TiN膜、Ti、TaN、W、Pt、Ru、Al、Si、のうちから選択される膜を堆積する第2の工程と、
前記第1の工程又は前記2の工程の後、アニール処理を行い前記誘電体膜を結晶化させる第3の工程と
を有することを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。 - コンピュータに、高誘電体膜を含む半導体装置の、該高誘電体膜の形成方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
前記形成方法は、
有機金属原料と酸化剤とを使用し、CVDもしくはALDにより、シリコン酸化膜を有するシリコン基板上に、HfからなるA元素とAlもしくはSiからなるB元素とNとOを含有する複合酸窒化物を含む誘電体膜であって、A元素とB元素とNのモル比率B/(A+B+N)が0.015から0.095の間であり、かつN/(A+B+N)が0.045以上である誘電体膜を堆積する第1の工程と、
前記第1の工程の後、アニール処理を行い前記誘電体膜を結晶化させる第2の工程と
を有することを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。 - コンピュータに、高誘電体膜を含む半導体装置の形成方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
前記形成方法は、
STIにより、シリコン基板上に、素子分離領域を形成する第1の工程と、
前記素子分離されたシリコン基板上に熱酸化法により、シリコン酸化膜を形成する第2の工程と、
前記シリコン酸化膜上に、Hf及びAlもしくはSiの金属ターゲットを用いた物理蒸着により、HfからなるA元素とAlもしくはSiからなるB元素とNとOを含有する複合酸窒化物を含む誘電体膜であって、A元素とB元素とNのモル比率B/(A+B+N)が0.015から0.095の間であり、かつN/(A+B+N)が0.045以上である誘電体膜を堆積する第3の工程と、
前記誘電体膜上にゲート電極膜を形成する第4の工程と、
リソグラフィーとRIEを用いて、前記ゲート電極膜を加工する第5の工程と、
イオン注入を行い、前記加工されたゲート電極膜をマスクとして、エクステンション領域を形成する第6の工程と、
前記エクステンション領域が形成されたシリコン基板上に、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜とを堆積する第7の工程と、
前記堆積されたシリコン窒化膜とシリコン酸化膜とをエッチバックすることにより、ゲート側壁を形成する第8の工程と、
イオン注入を行い、前記エクステンション領域の下にソース・ドレイン領域を形成する第9の工程と
を有することを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。 - コンピュータに、高誘電体膜を含む、不揮発メモリ素子又はFG型不揮発性半導体素子の形成方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
前記形成方法は、
STIにより、シリコン基板上に、素子分離領域を形成する第1の工程と、
前記素子分離されたシリコン基板上に熱酸化法により、第1の絶縁膜を形成する第2の工程と、
前記第1の絶縁膜上に、LPCVDにより、第2の絶縁膜を形成する第3の工程と、
前記第2の絶縁膜上に、MOCVD、ALD、PVDのいずれかを使用して、第3の絶縁膜を形成する第4の工程と、
前記第3の絶縁膜上に、有機金属原料と酸化剤とを使用し、CVD法もしくはALD法により、シリコン酸化膜を有するシリコン基板上に、HfからなるA元素とAlもしくはSiからなるB元素とNとOを含有する複合酸窒化物を含む誘電体膜であって、A元素とB元素とNのモル比率B/(A+B+N)が0.015から0.095の間であり、かつN/(A+B+N)が0.045以上である第4の絶縁膜としての誘電体膜を形成する第5の工程と、
前記第4の絶縁膜上に、MOCVD、ALD、PVDのいずれかを用いて、第5の絶縁膜を形成する第6の工程と、
前記第5の絶縁膜上に、ゲート電極膜を形成する第7の工程と、
リソグラフィー技術及びRIE技術を用いて、前記ゲート電極膜を加工する第8の工程と、
イオン注入を行い、前記加工されたゲート電極膜をマスクとして、エクステンション領域を形成する第9の工程と、
前記エクステンション領域が形成されたシリコン基板上に、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜とを堆積する第10の工程と、
前記堆積されたシリコン窒化膜とシリコン酸化膜とをエッチバックすることにより、ゲート側壁を形成する第11の工程と、
イオン注入を行い、前記エクステンション領域の下にソース・ドレイン領域を形成する第12の工程と
を有することを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。 - コンピュータに、高誘電体膜を含むDRAMの形成方法を実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体であって、
前記形成方法は、
LOCOS又はSTIにより、シリコン基板上に、素子分離領域を形成する第1の工程と、
前記素子分離領域に囲まれた活性領域に、リソグラフィー及びRIEを用いて、所望の形状に加工されたゲート絶縁膜及びゲート電極膜を形成する第2の工程と、
前記ゲート絶縁膜及びゲート電極膜をマスクとして、イオン注入を行い、ソース領域又はドレイン領域となる拡散領域を形成する第3の工程と、
CVDにより、前記シリコン基板上に第1層間絶縁膜を形成する第4の工程と、
リソグラフィーを用いて、前記第1の層間絶縁膜を選択的にエッチングし、第1のコンタクトホールを形成する第5の工程と、
前記第1のコンタクトホール内に前記拡散領域と接続されるように容量コンタクト及びビットコンタクトを形成する第6の工程と、
CVDにより、前記第1層間絶縁膜上にストッパー絶縁膜及び第2層間絶縁膜を形成する第7の工程と、
リソグラフィーを用いて、前記第2層間絶縁膜をエッチングし、前記容量コンタクトが露出するようにシリンダ溝を形成する第8の工程と、
CVD又はALDにより前記シリンダ溝内に第1の電極膜を形成する第9の工程と、
有機金属原料と酸化剤とを使用し、CVD法もしくはALD法により、前記第1の電極膜上に、HfからなるA元素とAlもしくはSiからなるB元素とNとOを含有する複合酸窒化物を含む誘電体膜であって、A元素とB元素とNのモル比率B/(A+B+N)が0.015から0.095の間であり、かつN/(A+B+N)が0.045以上である誘電体膜を堆積する第10の工程と、
アニール処理を行い、前記誘電体膜を結晶化させる第11の工程と、
前記誘電体膜上に、CVD又はALDにより、第2の電極膜を形成し、これにより、前記第1の電極膜と前記誘電体膜と前記第2の電極膜とによりMIS構造キャパシタを形成する第12の工程と、
CVDにより、前記MISキャパシタ上にキャパシタ用配線を形成する第13の工程と、
前記ビッドコンタクトの上方に前記第2層間絶縁膜が露出する開口部を形成する第14の工程と、
CVDにより、前記キャパシタ用配線上に第3層間絶縁膜を形成した後、リソグラフィーを用いて、前記第3層間絶縁膜を選択的にエッチングし、前記開口部の内部に第2のコンタクトホールを形成する第15の工程と、
前記第2のコンタクトホール内に、CVDによりバリアメタル膜とビッド配線を形成する第16の工程と
を有することを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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