(57)【要約】【課題】  Ｈｉｇｈ−ｋ材料を用いたゲート絶縁膜において、バンドギャップ中の準位の発生を抑制した半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  ゲート絶縁膜中に導入する窒素の組成ｎを決定する。ゲート絶縁膜を構成する遷移金属Ｘと、その組成ｍを決定する。ゲート絶縁膜中に導入する酸素の組成を、窒素の組成ｎおよび遷移金属の組成ｍの関数として、    （Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）q(m,n)を満たすように制御し、半導体基板上に、窒素を含む金属酸化物から成るゲート絶縁膜を形成する。【選択図】  図２
2006135084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の所定の箇所に位置するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に位置するゲート電極と
を備え、前記ゲート絶縁膜は、窒素を含む金属酸化物で構成され、ゲート酸化膜中の遷移金属Ｘの組成をｍ、添加元素Ｙの組成を１−ｍ、窒素Ｎの組成をｎとした場合に、酸素Ｏの組成は、ｍとｎの関数として、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）q(m,n)
で表わされ、前記遷移金属Ｘは、Ｈｆ、Ｚｒまたはその合金から選択され、添加元素Ｙは、Ａｌ，Ｌａ，Ｙ，Ｓｉから成るグループから選択されることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記遷移金属Ｘは、Ｈｆ、Ｚｒ、またはその合金から選択され、添加元素ＹはＡｌ、Ｌａ、Ｙから成るグループから選択され、ゲート絶縁膜の組成は、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）3/2+(1/2)m-(3/2)n,  ０≦ｎ≦１−ｍ
を満たす範囲であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
ゲート絶縁膜中に導入する窒素の組成ｎを決定し、
前記ゲート絶縁膜を構成する遷移金属Ｘとその組成ｍ、および添加元素Ｙを決定し、
前記ゲート絶縁膜中に導入する酸素の組成を、前記窒素の組成ｎおよび遷移金属の組成ｍの関数として、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）q(m,n)
を満たすように制御し、
半導体基板上に、窒素を含む金属酸化物から成る前記ゲート絶縁膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記遷移金属Ｘを、Ｈｆ、Ｚｒ、またはその合金から選択し、
前記添加元素ＹをＡｌ、Ｌａ、Ｙから成るグループから選択し、
前記酸素の組成を、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）3/2+(1/2)m-(3/2)n,  ０≦ｎ≦１−ｍ
を満たすように制御する
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記遷移金属Ｘを、Ｈｆ、Ｚｒ、またはその合金から選択し、
前記添加元素ＹにＳｉを用い、
前記酸素の組成を、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）2-(3/2)n,  ０≦ｎ≦４（１−ｍ）／３
を満たすように制御する
ことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広くは半導体装置に関し、特に、ゲート絶縁膜に窒素原子を含むＨｉｇｈ−ｋ材料を用いた半導体装置において、そのギャップ中の準位の発生を抑制した半導体装置と、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の微細化プロセスの進化により、超高速駆動の半導体装置が実現されてきている。回路の微細化につれて、トランジスタのゲート絶縁膜も薄膜化される。特に、ゲート長が０．１０μｍ以下の微細な集積回路では、スケーリング則にしたがって、ゲート絶縁膜の膜厚を１〜２ｎｍに設定する必要がある。
【０００３】
従来から用いられているＳｉＯ2 ゲート酸化膜では、膜厚が２ｎｍ以下になると、リーク電流の増大や絶縁破壊が生じ、信頼性の低下を引き起こす。そこで、ＳｉＯ2 ゲート酸化膜に代わって、ＳｉＯ2 と同様の電界効果の性能を維持しつつ、物理的な膜厚を厚くすることのできる高誘電体（ｈｉｇｈ−ｋ）材料が精力的に研究されるようになった。
【０００４】
Ｈｉｇｈ−ｋ材料には、デバイス特性や信頼性の観点から、結晶化を抑制した均一な組成のアモルファス構造が要求される。これを達成するために、金属酸化物を基本として、Ａｌ、Ｓｉ，Ｎなどの元素をドープすることにより、結晶化温度を上げて緻密なゲート絶縁膜を形成するという方策がとられている。
【０００５】
一例として、Ｓｉに次いで安定なオキシ窒化ハフニウム（ＨｆＯｘＮｙ）やオキシ窒化ジルコニウム（ＺｒＯｘＮｙ）をゲート絶縁膜に用いる提案がなされている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−５８８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、価数の違う遷移金属や窒素などを導入すると、ゲート絶縁膜のバンドギャップ中に、価数の相違に起因する不純物準位が発生してしまう。このような不純物準位は、価電子帯から１ｅＶ以内の範囲に存在する。
【０００７】
図１は、バンドギャップ中の準位の発生を示す模式図である。縦軸は状態密度、横軸はエネルギー（ｅＶ）である。このようなバンドギャップ中の準位は、デバイス作成後は孤立準位で固定電荷となり、デバイス動作時の特性劣化の原因となる。
【０００８】
価数の相違について、たとえばＨｆxＡｌ1-xＯy で表わされるＨｉｇｈ−ｋ膜をＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）で成膜する場合を考える。Ａｌの価数は＋３、Ｈｆの価数は＋４、酸素（Ｏ）の価数は−２である。すなわち、Ｈｆが１に対して必要な酸素（O）元素は２、Ａｌが１に対して酸素（Ｏ）は３／２である。この場合、組成によっては元素数の数が化学量論的な値と一致せず、結合に寄与しない余分な電子がバンドギャップ中の準位の原因となる。
【０００９】
そこで、本発明は、各種元素を混入してＨｉｇｈ−ｋ材料によるゲート絶縁膜を形成する際に、バンドギャップ中に元素添加に起因する準位が発生しない成分組成を提案するものである。
【００１０】
また、このような組成のゲート絶縁膜を有する半導体装置の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の第１の側面では、半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の所定の箇所に位置するゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に位置するゲート電極とを備え、ゲート絶縁膜は、窒素を含む金属酸化物で形成され、ゲート酸化膜中の遷移金属Ｘの組成をｍ、添加元素Ｙの組成を１−ｍ、窒素Ｎの組成をｎとした場合に、酸素Ｏの組成は、ｍとｎの関数として、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）q(m,n)
で表わされ、遷移金属Ｘは、Ｈｆ、Ｚｒまたはその合金から選択され、添加元素Ｙは、Ａｌ，Ｌａ，Ｙ，Ｓｉから成るグループから選択される。
【００１２】
窒素と遷移金属の組成に応じて添加される酸素量が制御されたゲート絶縁膜を用いることにより、添加元素に起因するバンドギャップ中の準位の発生を効果的に防止することができる。
【００１３】
その結果、ゲート絶縁膜のバンドギャップ中に好ましくない準位の発生を防止でき、半導体装置の動作特性および信頼性が向上する。
【００１４】
本発明の第２の側面では、Ｈｉｇｈ−ｋ材料をゲート絶縁膜に用いる半導体装置の製造方法を提供する。半導体装置の製造方法は、
（ａ）ゲート絶縁膜中に導入する窒素の組成ｎを決定し、
（ｂ）前記ゲート絶縁膜を構成する遷移金属Ｘと、その組成ｍを決定し、
（ｃ）前記ゲート絶縁膜中に導入する酸素の組成を、前記窒素の組成ｎおよび遷移金属の組成ｍの関数として、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）q(m,n)
を満たすように制御し、
（ｄ）半導体基板上に、窒素を含む金属酸化物から成る前記ゲート絶縁膜を形成する。
【００１５】
好ましい実施の形態の一例として、遷移金属Ｘを、Ｈｆ、Ｚｒ、またはその合金から選択する。また、添加元素ＹをＡｌ、Ｌａ、Ｙから成るグループから選択する。この場合、酸素の組成を
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）3/2+(1/2)m-(3/2)n,  ０≦ｎ≦１−ｍ
を満たすように制御する。
【００１６】
あるいは、別の好ましい例として、遷移金属Ｘを、Ｈｆ、Ｚｒ、またはその合金から選択し、添加元素ＹにＳｉを用いる。この場合、酸素の組成を、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）2-(3/2)n,  ０≦ｎ≦４（１−ｍ）／３
を満たすように制御する。
【００１７】
ゲート絶縁膜中の酸素量を上記の範囲で制御することによって、化学量論的組成からのズレに起因する準位の発生を防止することができる。
【発明の効果】
【００１８】
上記組成のＨｉｇｈ−ｋ材料を用いることにより、バンドギャップ中の準位の発生を防止し、かつ十分な膜厚のゲート絶縁膜が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明の良好な実施形態を説明する。
【００２０】
まず、本発明では、半導体装置のゲート絶縁膜を、窒素（Ｎ）、酸素（Ｏ）、および遷移金属元素を含む高誘電体（Ｈｉｇｈ−ｋ）材料で構成する。このときのＨｉｇｈ−ｋ材料の組成は、遷移金属元素Ｘの組成をｍ、窒素Ｎの組成をｎとして、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）q(m,n)                               （１）
で表わされる。酸素Ｏの組成は、遷移金属元素の組成ｍと、窒素Ｎの組成ｎの関数で表わされる。
【００２１】
Ｘ元素はハフニウムまたはジルコニウム（Ｘ＝Ｈｆ，Ｚｒ）であり、Ｙ元素はアルミニウム、ランタン、イットリウム、シリコン（Ｙ＝Ａｌ，Ｌａ，Ｙ，Ｓｉ）から選択される元素である。
【００２２】
式（１）の意味は、まず添加元素として窒素（Ｎ）と金属元素を選択し、選択した元素の組成に応じて、最適な酸素量を調整、決定するものである。ゲート絶縁膜に窒素を添加することにより、膜が緻密化される。また、ゲート絶縁膜上のゲート電極に、ホウ素（Ｂ）がドープされたポリシリコンゲート電極を用いる場合に、ゲート電極からチャネル領域へのホウ素の拡散を防止することができる。窒素（Ｎ）の組成ｎは、窒素がシリコン基板中へ拡散しないように設定される。
【００２３】
遷移金属Ｘと添加元素Ｙは、これらの元素と窒素（Ｎ）または酸素（Ｏ）の結合で構成される組成物のバンドギャップが、シリコンのバンドギャップ（１．１４ｅＶ）よりも十分に大きくなる物質から選択される。これにより、最終的なＨｉｇｈ−ｋ膜のバンドギャップを、シリコン基板と比較して十分にワイドにできて、荷電子帯と伝導帯とのバンドオフセット値を大きくとることが可能となり、ゲート絶縁膜としての電気特性を確保することができる。
【００２４】
遷移元素Ｘにハフニウム（Ｈｆ）を用いる場合は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）系のＨｉｇｈ−ｋ膜となり、ジルコニウムを用いる場合は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）系のＨｉｇｈ−ｋ膜となる。
【００２５】
Ｙ元素として３価の元素を選択する場合、すなわち、Ｙ＝Ａｌ，Ｌａ、Ｙのいずれかとする場合、酸素（Ｏ）の組成ｑは、
ｑ＝３／２＋（１／２）ｍ−（３／２）ｎ,   ０≦ｎ≦１−ｍ            （２）
を満たすように決定される。この場合、式（１）の材料の組成は、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）3/2+(1/2)m-(3/2)n,  ０≦ｎ≦１−ｍ     （３）
となる。
【００２６】
一方、Ｙ元素として４価の元素を選択する場合、すなわち、Ｙ＝Ｓｉの場合、酸素（Ｏ）の組成ｑは、
ｑ＝２−（３／２）ｎ,   ０≦ｎ≦４（１−ｍ）／３                （４）
を満たすように決定される。この場合、式（１）の材料の組成は、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）2-(3/2)n,  ０≦ｎ≦４（１−ｍ）／３  （５）
となる。
【００２７】
このような組成の根拠を、図２および図３に基づいて説明する。
【００２８】
図２は、Ｘ元素にＨｆを用い、Ｙ元素にＡｌを用いた、窒化ハフニウムアルミネート（ＨｆＡｌＯＮ）の組成の範囲を示すグラフである。グラフは、酸素（Ｏ）軸、窒素（Ｎ）軸、およびハフニウム（Ｈｆ）軸で表現され、Ｏ軸とＮ軸で定義されるＯ−Ｎ平面では、Ｈｆ＝０、Ａｌ＝１である。Ｏ−Ｎ平面に平行かつＨｆ＝１となる平面では、Ｈｆ＝１、Ａｌ＝０である。
【００２９】
Ｈｆ，Ａｌ、Ｏ，Ｎの価数は、それぞれ＋４、＋３、−２、−３なので、化学量論的には、ＨｆＯ2 、Ａｌ2Ｏ3 、ＡｌＮという化合物が形成される。したがって、
（１）Ｈｆ＝１に対してＯ＝２となる点ａ（ＨｆＯ2 を形成する点）、
（２）Ｏ軸上でＡｌ＝１に対してＯ＝３／２となる点ｂ（Ａｌ2Ｏ3 を形成する点）、
（３）Ｎ軸上でＡｌ＝１に対してＮ＝１となる点ｃ（ＡｌＮを形成する点）
で定義される平面Ｐ内にある任意の点が、上記の式（１）を満たす最適な組成の範囲となる。
【００３０】
図２の例に示すＨｆＡｌＯＮ膜の場合、ＨｆＯ2 のバンドギャップは５．７ｅＶ、Ａｌ2Ｏ3 のバンドギャップは８．７ｅＶ、ＡｌＮのバンドギャップは６．２８ｅＶであり、シリコン（Ｓｉ）のバンドギャップ１．１４ｅＶと比較して十分にワイドである。
【００３１】
これらの化合物の組み合わせでＨｆＡｌＯＮ膜を表わすと、次のようになる。
【００３２】
ｍ・(ＨｆＯ2 )＋ｐ・(Ａｌ2Ｏ3 )＋ｎ・(ＡｌＮ)
＝（Ｈｆ）m（Ａｌ）2p+n（Ｎ）n（Ｏ）2m+3p                         （６）
ここで、金属原子の和を単位ユニットとすると、
ｍ＋２ｐ＋ｎ＝１
２ｐ＋ｎ＝１−ｍ
ｐ＝０．５（１−ｎ−ｍ）≧０                                    （７）
となる。式（７）を式（６）に代入すると、
（Ｈｆ）m（Ａｌ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）2m+3p
＝（Ｈｆ）m（Ａｌ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）3/2+(1/2)m-(3/2)n              （８）
となる。また、式（７）の不等式から、
０≦ｎ≦１−ｍ                                                   (９)
という条件が導かれ、式（８）および（９）から、式（３）が求まる。
【００３３】
Ｈｆの代わりにＺｒを用い、Ａｌ2Ｏ3 の代わりにＹ2Ｏ3 、Ｌａ2Ｏ3 を用いても同様のことが当てはまる。
【００３４】
上記の条件を満たす好ましい組成の例として、たとえばＨｆ0.6Ａｌ0.4Ｎ0.1Ｏ1.65で構成されるＨｆＡｌＮＯ膜が挙げられる。
【００３５】
図３は、Ｘ元素にハフニウム（Ｈｆ）を選択し、Ｙ元素としてシリコン（Ｓｉ）を選択した窒化ハフニウムシリケートの組成の範囲を示すグラフである。図２と同様に、グラフは酸素（Ｏ）軸と、窒素（Ｎ）軸と、ハフニウム（Ｈｆ）軸で表わされる。Ｏ軸とＮ軸で定義されるＯ−Ｎ平面で、Ｈｆ＝０、Ｓｉ＝１とする。Ｏ−Ｎ平面に平行かつＨｆ＝１である平面では、Ｈｆ＝１、Ｓｉ＝０である。
【００３６】
Ｈｆ，Ｓｉ、Ｏ，Ｎの価数は、それぞれ＋４、＋４、−２、−３なので、化学量論的には、ＨｆＯ2 、ＳｉＯ2 、Ｓｉ3Ｎ4という化合物が形成される。したがって、
（１）Ｈｆ＝１に対してＯ＝２となる点ａ（ＨｆＯ2 を形成する点）、
（２）Ｏ軸上でＳｉ＝１に対してＯ＝２となる点ｂ（ＳｉＯ2 を形成する点）、
（３）Ｎ軸上でＳｉ＝１に対してＮ＝４／３となる点ｃ（Ｓｉ3Ｏ4を形成する点）
で定義される平面Ｐ内にある任意の点が、上記の式（１）を満たす最適な組成の範囲となる。
【００３７】
ＨｆＳｉＯＮ膜の場合、ＨｆＯ2 のバンドギャップは５．７ｅＶ、ＳｉＯ2 のバンドギャップは８．９ｅＶ、Ｓｉ3Ｎ4 のバンドギャップは５．１ｅＶであり、シリコンのバンドギャップに比較して十分にワイドである。
【００３８】
ＨｆＳｉＯＮ膜を上記の化合物の組み合わせで表わすと、次のようになる。
【００３９】
ｍ・(ＨｆＯ2 )＋ｐ・(ＳｉＯ2 )＋ｎ・(Ｓｉ3Ｎ4)
＝（Ｈｆ）m（Ｓｉ）p+3n（Ｎ）4n（Ｏ）2m+2p                       （１０）
ここで、金属原子の和を単位ユニットとすると、
ｍ＋ｐ＋３ｎ＝１
ｐ＋３ｎ＝１−ｍ
ｐ＝１−３ｎ−ｍ≧０                                            （１１）
となる。式（１１）を式（１０）に代入すると、
（Ｈｆ）m（Ｓｉ）1-m（Ｎ）4n（Ｏ）2m+2p
＝（Ｈｆ）m（Ｓｉ）1-m（Ｎ）4n（Ｏ）2-(3/2)4n                    （１２）
となる。また、式（１１）の不等式から、
０≦４ｎ≦４（１−ｍ）／３                                        （１３）
という条件が導かれ、式（１２）と（１３）から、式（５）が求まる。
【００４０】
Ｈｆの代わりにＺｒを用いても同様のことが当てはまる。上記の条件を満たす好ましい例として、たとえばＨｆ0.8Ｓｉ0.2Ｎ0.2Ｏ1.7 の組成を有するＨｆＳｉＮＯ膜を用いることができる。
【００４１】
図４は、本発明の一実施形態に係るＨｉｇｈ−ｋ材料、より具体的には、式（３）または（５）で表わされるＨｉｇｈ−ｋ材料の状態密度分布図である。この状態密度分布図は、第１原理計算の結果、得られたものである。
【００４２】
図４のシミュレーション結果から、窒素を添加した遷移金属酸化物系のＨｉｇｈ−ｋ材料を、特に、上述した条件を満たす組成とした場合に、バンドギャップ中での準位の発生を効果的に防止できることが確認される。このようなＨｉｇｈ−ｋ材料をゲート絶縁膜に用いることによって、好ましくない固定電荷の存在を低減できるので、デバイス動作の信頼性が向上する。同時に、十分な物理的膜厚を確保して、リーク電流や絶縁破壊を確実に防止することができる。
【００４３】
図５は、上述した組成のゲート絶縁膜を用いた半導体装置の概略構成図である。半導体装置は、シリコン基板１１と、シリコン基板１１の所定の箇所に形成されるチャネル領域ＣＨ上に位置するゲート絶縁膜１３と、ゲート絶縁膜上に位置するゲート電極１４とを備える。
【００４４】
ゲート絶縁膜１３は、窒素（Ｎ）を含む金属酸化物で構成され、ゲート酸化膜中の遷移金属Ｘの組成をｍ、窒素Ｎの組成をｎとした場合に、酸素Ｏの組成は、ｍとｎの関数として、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）q(m,n)
で表わされ、ゲート絶縁膜のバンドギャップ中に準位を有さない。
【００４５】
ゲート絶縁膜１３の膜厚は、その組成（誘電率）に応じて、電気的換算膜厚（ＥＯＴ）が１ｎｍ以下になるように設定され、たとえば５〜７ｎｍの膜厚である。
【００４６】
半導体装置はさらに、素子分離領域（ＳＴＩ）１２で区画される領域内に、チャネル領域ＣＨを挟んで位置するソース・ドレイン１６と、浅い接合面のエクステンション１５を有し、ゲート絶縁膜１３およびゲート電極１４の両側にサイドウォール１７を有する。なお、図示はしないが、ゲート絶縁膜１３とシリコン基板１１の間に１ｎｍ以下のシリコン窒化膜あるいはシリコン酸化膜を下地膜として挿入してもよい。
【００４７】
図６は、半導体装置の製造方法の一例を示す図である。図６（ａ）に示すように、シリコン基板１１の所定の領域に、ＳＴＩなどの素子分離領域１２を公知の方法で形成し、シリコン基板１１の表面を、希釈フッ酸によるエッチングと純粋による水洗で清浄化する。
【００４８】
図６（ｂ）に示すように、清浄なシリコン基板１１の全面に、窒素原子を含む金属酸化物から成るＨｉｇｈ−ｋ膜２２を、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition：原子層成長）法により形成する。Ｈｉｇｈ−ｋ膜を、たとえば、ＨｆＡｌＮＯ膜として形成する場合は、シリコン基板上にＡｌ(ＣＨ3)3 ガスを導入して、基板表面に吸着させ、１分子層程度、処理ガス分子で覆う。その後、処理ガスをパージし、酸素ガスあるいは水蒸気（Ｈ2Ｏ）を導入することによって、Ａｌ2Ｏ3 を１分子層だけ形成する。
【００４９】
次に、Ａｌ(ＣＨ3)3 ガスを導入して吸着させた後、これをパージし、ＮＨ3 ガスにさらして、ＡｌＮを１分子層だけ形成する。
【００５０】
次に、ＨｆＣｌ4 ガスを導入して、基板表面に吸着させた後、処理ガスをパージし、酸素ガスあるいは水蒸気にさらして、ＨｆＯ2 を１分子層だけ形成する。
【００５１】
このとき、Ｈｉｈｇ−ｋ膜の組成が、
（Ｈｆ）m（Ａｌ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）3/2+(1/2)m-(3/2)n、かつ
０≦ｎ≦１−ｍ
の条件を満たすように処理ガスの導入量を制御する。具体例として、最終的なＨｉｇｈ−ｋ膜の組成が、Ｈｆ0.6Ａｌ0.4Ｎ0.1Ｏ1.65となるように、制御する。
【００５２】
処理ガスの吸着とパージの工程を繰り返すことにより、所望の電気的換算膜厚を有するＨｉｇｈ−ｋ膜２２を、シリコン基板上に形成することができる。
【００５３】
その後、図６（ｃ）に示すように、たとえばＣＶＤ法により、Ｈｉｇｈ−ｋ膜２２上にポリシリコン膜２４を形成する。
【００５４】
図６（ｄ）に示すように、ポリシリコン膜２４と、Ｈｉｇｈ−ｋ膜２２をエッチングして、ゲート電極１４とゲート絶縁膜１３を形成する。さらに、公知のＭＯＳトランジスタ製造プロセスに従って、低濃度不純物を打ち込んで、エクステンション１５を形成する。
【００５５】
最後に、図６（ｅ）に示すように、ゲート電極１４の側面にサイドウォール１７を形成し、高濃度不純物を打ち込んでソース・ドレイン１６を形成して、半導体装置のトランジスタを完成する。
【００５６】
上述したＨｉｇｈ−ｋ膜２２の形成手法はあくまでも一例であり、ＡＬＤ法に限定されない。たとえば、反応性スパッタなどで形成してもよい。また、ＨｆＡｌＮＯ膜に代えて、ＨｆＳｉＮＯ膜、ＺｒＡｌＮＯ膜、ＺｒＳｉＮＯ膜など、窒素原子を含む多様なＨｉｇｈ−ｋ膜を構成することができる。上述のように、ＡＬＤ法によりＨｉｇｈ−ｋ膜２２を形成する場合、ゲート絶縁膜１３は、異なる種類の組成から成る複数の分子層で構成されることになる。この場合、ゲート絶縁膜全体としてみると、式（３）の条件の組成の範囲にある。
【００５７】
なお、図示はしないが、図６（ａ）の基板表面の清浄化の後、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の形成前に、下地酸化膜あるいは下地窒化膜の形成工程を挿入してもよい。この場合の下地酸化膜あるいは下地窒化膜の膜厚は、１ｎｍ以下とする。
【００５８】
Ｈｉｇｈ−ｋ膜の組成を、式（１）にしたがい、より具体的には、式（３）または式（５）を満たすように構成することで、図４に示すように、添加元素に起因するバンドギャップ中の準位の発生を抑制した良好なゲート絶縁膜を実現することができる。
【００５９】
最後に、以上の説明に関して、以下の付記を開示する。
（付記１）  半導体基板と、
前記半導体基板の所定の箇所に位置するゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に位置するゲート電極と
を備え、前記ゲート絶縁膜は、窒素を含む金属酸化物で構成され、ゲート酸化膜中の遷移金属Ｘの組成をｍ、添加元素Ｙの組成を１−ｍ、窒窒素Ｎの組成をｎとした場合に、酸素Ｏの組成は、ｍとｎの関数として、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）q(m,n)
で表わされ、前記遷移金属Ｘは、Ｈｆ、Ｚｒまたはその合金から選択され、添加元素Ｙは、Ａｌ，Ｌａ，Ｙ，Ｓｉから成るグループから選択されることを特徴とする半導体装置。
（付記２）  前記遷移金属Ｘは、Ｈｆ、Ｚｒ、またはその合金から選択され、添加元素ＹはＡｌ、Ｌａ、Ｙから成るグループから選択され、ゲート絶縁膜の組成は、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）3/2+(1/2)m-(3/2)n,  ０≦ｎ≦１−ｍ
を満たす範囲であることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
（付記３）  前記遷移金属Ｘは、Ｈｆ、Ｚｒ、またはその合金から選択され、添加元素ＹはＳｉであり、ゲート絶縁膜の組成は、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）2-(3/2)n,  ０≦ｎ≦４（１−ｍ）／３
を満たす範囲であることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
（付記４）  前記ゲート絶縁膜は、複数種類の組成から成る分子層で構成されることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
（付記５）  ゲート絶縁膜中に導入する窒素の組成ｎを決定し、
前記ゲート絶縁膜を構成する遷移金属Ｘとその組成ｍ、および添加元素Ｙを決定し、
前記ゲート絶縁膜中に導入する酸素の組成を、前記窒素の組成ｎおよび遷移金属の組成ｍの関数として、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）q(m,n)
を満たすように制御し、
半導体基板上に、窒素を含む金属酸化物から成る前記ゲート絶縁膜を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記６）  前記遷移金属Ｘを、Ｈｆ、Ｚｒ、またはその合金から選択し、
添加元素ＹをＡｌ、Ｌａ、Ｙから成るグループから選択し、
前記酸素の組成を、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）3/2+(1/2)m-(3/2)n,  ０≦ｎ≦１−ｍ
を満たすように制御する
ことを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。
（付記７）  前記遷移金属Ｘを、Ｈｆ、Ｚｒ、またはその合金から選択し、
添加元素ＹにＳｉを用い、
前記酸素の組成を、
（Ｘ）m（Ｙ）1-m（Ｎ）n（Ｏ）2-(3/2)n,  ０≦ｎ≦４（１−ｍ）／３
を満たすように制御する
ことを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。
（付記８）  前記ゲート絶縁膜は、ＡＬＤ法により形成されることを特徴とする付記５に記載の半導体装置の製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】従来のＨｉｇｈ−ｋ膜において生じる、バンドギャップ中の準位の発生を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るＨｆＡｌＮＯ膜の組成の範囲を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るＨｆＳｉＮＯ膜の組成の範囲を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るＨｉｇｈ−ｋ膜の状態密度分布図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る半導体装置の概略図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造工程図である。
【符号の説明】
【００６１】
１１  半導体基板
１２  素子分離領域
１３  ゲート絶縁膜
１４  ゲート電極
１５  エクステンション
１６  ソース・ドレイン
１７  サイドウォール
２２  Ｈｉｇｈ−ｋ膜
【図１】
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【図２】
2006135084.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006135084.tif 000006
【図５】
2006135084.tif 000007
【図６】
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