(57)【要約】【課題】Ｌａ２Ｏ３の強い吸湿性を改善し、高い耐湿性及び安定性を有する半導体装置及びコンデンサを提供する。【解決手段】高誘電率絶縁膜１２が（Ｌａ１−ｘＭｘ）２Ｏ３（０＜ｘ≦０．３、ＭはＳｃ、Ｙ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｎｂの群から選ばれる１又は２以上の金属）で表記される組成からなることにより、吸湿性が改善し、安定性が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された高誘電率絶縁膜と、
前記高誘電率絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記半導体基板の前記ゲート電極下両側に形成され、第２導電型のソース／ドレイン領域とを備える半導体装置において、
前記高誘電率絶縁膜は、（Ｌａ１−ｘＭｘ）２Ｏ３（０＜ｘ≦０．３、ＭはＳｃ、Ｙ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｎｂの群から選ばれる１又は２以上の金属）で表記される組成からなる
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
高誘電率絶縁膜を介して下部電極と上部電極とが対向形成されてなるコンデンサにおいて、
前記高誘電率絶縁膜は、（Ｌａ１−ｘＭｘ）２Ｏ３（０＜ｘ≦０．３、ＭはＳｃ、Ｙ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｎｂの群から選ばれる１又は２以上の金属）で表記される組成からなる
ことを特徴とするコンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料を用いた半導体装置及びコンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路技術の発展に伴い、トランジスタ、コンデンサ、ダイオード等の素子の微細化が要求されている。例えば、ゲート電極（金属：Ｍｅｔａｌ）−ゲート酸化膜（Ｏｘｉｄｅ）−半導体（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）の積層構造を基本とするＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor FET）の微細化では、その構成要素であるゲート絶縁膜（ゲート酸化膜）の薄膜化が要求される。
【０００３】
従来、ＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜としてＳｉＯ２、ＳｉＯｘＮｙなどが使われてきたが、素子の微細化に伴い、まもなくそれらの絶縁膜の限界に達する状況にある。それはゲート絶縁膜の膜厚が３ｎｍを切ってどんどん薄くなっていくと、電子の絶縁膜をトンネルするトンネル確率がどんどん大きくなり、ゲート絶縁膜を介してゲート電極とチャネル間に大きなリーク電流が流れてしまうためである。ＳｉＯｘＮｙ絶縁膜を用いたシリコン酸化膜換算膜厚（EOT：Equivalent Oxide Thickness）が１ｎｍ程度のＭＯＳＦＥＴ素子も開発されているが、絶縁膜の物理膜厚が１ｎｍ以下になると素子の動作が難しくなる程の大きなリーク電流が流れてしまうため、ＳｉＯ２、ＳｉＯｘＮｙに代わる新しいゲート絶縁膜材料の導入が必要となる。
【０００４】
ＥＯＴは、絶縁膜の物理膜厚をＴ、誘電率をε、ＳｉＯ２膜の誘電率をεSiO2とすると、次の関係を満たす。
【０００５】
ＥＯＴ＝εSiO2×Ｔ/ε
この式からＳｉＯ２膜よりも誘電率の大きい材料（高誘電率材料）を用いれば、物理膜厚を厚くしてリーク電流を抑えることが可能であることがわかる。
【０００６】
高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料の絶縁膜として、例えば、Ｈｆ系のｈｉｇｈ−ｋ絶縁膜が挙げられる（例えば、非特許文献１参照。）。しかし、Ｈｆ系のｈｉｇｈ−ｋ絶縁膜では、ｈｉｇｈ−ｋ絶縁膜とＳｉとの間に０．５ｎｍ程度のＳｉＯ２膜を積層しなければならず、０．７ｎｍ以下のＥＯＴの達成が難しい。つまり、Ｈｆ系のｈｉｇｈ−ｋ絶縁膜は、ＥＯＴの要求が０．７ｎｍぐらいまでの素子には用いることが可能であるが、０．７ｎｍ以下のＥＯＴが要求される素子の微細化の為には、他の高誘電率材料の導入が必要となる。
【０００７】
【非特許文献１】M. R. Visokay, J. J. Chambers, A. L. P. Rotondaro, A. Shanware, and L. Colombo, Appl. Phys. Lett. 80, p3183, (2002)
【非特許文献２】M. Suzuki, M. Tomita, T. Yamaguguchi, and N. Fukushima, IEDM Tech.Dig., p433, (2005)
【非特許文献３】Y. Zhao, K. Kita, K. Kyuno, and A. Toriumi, Appl. Phys. Lett. 89, p252905 (2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
０．７ｎｍ以下のＥＯＴが得られる高誘電率材料として、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）が注目されている（例えば、非特許文献２参照。）。しかしながら、Ｌａ２Ｏ３は、強い吸湿性を有しており、空気中の水分によってＬａ（ＯＨ）３に変化してしまうため、絶縁膜として安定性が問題となっていた。
【０００９】
また、非特許文献３には、吸湿性を改善するためにＹを４０％、又は７０％添加したＬａＹＯｘ膜をｈｉｇｈ−ｋ絶縁膜に用いることが記載されているが、Ｙの添加割合が大きいため、混合割合の大きい混合膜ではＬａ２Ｏ３の絶縁膜としての特有の性質を維持することが困難である。
【００１０】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、Ｌａ２Ｏ３の強い吸湿性を改善し、優れた耐湿性及びデバイス特性を有する半導体装置及びコンデンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本件発明者らは、上述した目的を達成するために、様々な観点から鋭意研究を重ねてきた。その結果、酸化ランタンに他の金属酸化物を少量添加することにより、Ｌａ２Ｏ３の絶縁膜としての特有の性質を維持させることができるとともに、耐湿性を飛躍的に向上させることができることを見出した。本発明は、このような知見に基づいて完成されたものである。
【００１２】
すなわち、本発明に係る半導体装置は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板上に形成された高誘電率絶縁膜と、前記高誘電率絶縁膜上に形成されたゲート電極と、前記半導体基板の前記ゲート電極下両側に形成され、第２導電型のソース／ドレイン領域とを備える半導体装置において、前記高誘電率絶縁膜は、（Ｌａ１−ｘＭｘ）２Ｏ３（０＜ｘ≦０．３、ＭはＳｃ、Ｙ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｎｂの群から選ばれる１又は２以上の金属）で表記される組成からなることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係るコンデンサは、高誘電率絶縁膜を介して下部電極と上部電極とが対向形成されてなるコンデンサにおいて、前記高誘電率絶縁膜は、（Ｌａ１−ｘＭｘ）２Ｏ３（０＜ｘ≦０．３、ＭはＳｃ、Ｙ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｎｂの群から選ばれる１又は２以上の金属）で表記される組成からなることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、酸化ランタンに他の金属酸化物が添加された高誘電率絶縁膜を用いるため、酸化ランタン特有の性質が維持されるとともに耐湿性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造の概略を示す断面図である。この半導体装置１０は、ＭＯＳ型トランジスタの構造を有しており、第１導電型（例えばｐ型）の半導体基板１１と、半導体基板１１上に形成された高誘電率絶縁膜１２と、高誘電率絶縁膜１２上に形成されたゲート電極１３と、半導体基板１１のゲート電極１３下両側に形成された、第２導電型（例えばｎ型）のソース領域１４と、ドレイン領域１５とを備えて構成されている。
【００１７】
半導体基板１１は、例えば第１導電型（例えばｐ型）の単結晶（１００）シリコン基板である。ソース領域１４とドレイン領域１５との間のチャネル形成領域には、所望の閾値電圧が得られるように、例えばホウ素（Ｂ）等のｐ型不純物が導入される。
【００１８】
高誘電率絶縁膜１２は、半導体基板１１のチャネル形成領域上に設けられる。また、高誘電率絶縁膜１２は、（Ｌａ１−ｘＭｘ）２Ｏ３（０＜ｘ≦０．３、ＭはＳｃ、Ｙ、Ｈｆ、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｌ、Ｎｂの群から選ばれる１又は２以上の金属）で表記される組成からなる。これにより、高誘電率絶縁膜１２の耐湿性が改善され、半導体装置１０の安定性が向上する。一方、酸化ランタン混合膜が、ランタン以外の他の金属が原子比で３０％を越える場合、Ｌａ２Ｏ３の絶縁膜としての特有の性質を維持することが困難となる。
【００１９】
図２に示すように、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）は、Ｈｆ系酸化物よりも誘電率が大きい。そのため、高誘電率絶縁膜１２に酸化ランタンを用いれば、リーク電流を抑制することが可能となる。
【００２０】
図３は、酸化ランタン絶縁膜の膜厚（EOT換算）対リーク電流特性を示すグラフである。このグラフは、コンデンサ構造（metal/La2O3/Si）のデバイスを測定したものである。この図３の結果より、酸化ランタン特有の性質を維持すれば、ＥＯＴ＝０．５ｎｍ程度でもリーク電流の抑制が可能であることが分かる。
【００２１】
ゲート電極１３は、例えば金属あるいはポリシリコンから構成される。ポリシリコンの場合、例えばホウ素（Ｂ）等のアクセプタ不純物（第１不純物）の導入によりｐ型とされている。
【００２２】
ソース領域１４及びドレイン領域１５には、第２導電型（例えばｎ型）とするために、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）等のドナー不純物が注入されている。
【００２３】
この半導体装置１０は、ゲート電極１３と半導体基板１１の間に印加する電圧をオン／オフすることによって、ソース領域１４とドレイン領域１５の間に「電流が流れる状態“１”」と「電流が流れない状態“０”」の切り替えを行う。具体的には、ソース領域１４とドレイン領域１５との間に電圧が印加された状態で、高誘電率絶縁膜１２を介して、ゲート電極１３と半導体基板１１との間に電圧が印加されたとき、半導体基板１１と高誘電率絶縁膜１２との界面に電荷が湧き、チャネルと呼ばれる抵抗の小さい層が形成される。これにより、半導体基板１１の抵抗が高いために流れていなかった電流がソース領域１４からドレイン領域１５に流れる。
【００２４】
続いて、半導体装置１０の製造方法の概略について説明する。ソース／ドレインがゲートより先に形成されるのか、ゲートより後に形成されるのかによって、製造方法の順番が異なるが、どちらの方法を用いても半導体装置１０が製造可能である。ここでは例としてソース／ドレインがゲートより後に形成される方法について説明する。
【００２５】
まず、半導体基板１１上に、ＬＯＣＯＳ（Local Oxidation of Silicon）法により、素子領域と、素子分離領域を形成した後、所望の閾値電圧が得られるようにチャネル形成領域に例えばホウ素（Ｂ）等のｐ型不純物を導入する。その後、ゲート絶縁膜として半導体基板１１表面に高誘電率絶縁膜１２を形成する。高誘電率絶縁膜１２は、例えば、酸化ランタンを主成分とする材料から、パルスレーザー蒸着法（ＰＬＤ法：Pulsed Laser Deposition）、電子ビーム蒸着法などの成膜方法により形成される。その後、例えば金属あるいはポリシリコンを堆積した後、レジストを塗布してパターニングでゲート電極１３を所望の長さに加工する。ソース／ドレイン領域へのｎ型不純物の導入は、ポリシリコンの堆積の際、ゲート電極１３側壁部に残したＰＳＧ膜（Ｐ含有シリコン酸化膜）のリンの固相拡散により行う。以上の工程により半導体装置１０が製造される。
【００２６】
次に、本発明を適用したコンデンサについて説明する。図４は、本発明の一実施形態に係るコンデンサの構造の概略を示す断面図である。このコンデンサ２０は、誘電体層である高誘電率絶縁膜２２を介して一対の電極２１、２３を対向配置したキャパシタ構造となっている。電極２１、２３には、それぞれ端子２４、２５が接続されており、この端子２４、２５を介して回路に接続される。
【００２７】
ＭＩＭ(Metal/Insulator/Metal）構造やＭＩＳ(Metal/Insulator/Semiconductor)構造のキャパシタに応じて、電極２１、２３には、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルビジウム）等の金属やシリコン、ポリシリコン等の半導体が用いられる。
【００２８】
なお、誘電体層である高誘電率絶縁膜２２は、ゲート絶縁膜の高誘電率絶縁膜１２と同様であり、ここでは説明を省略する。また、コンデンサ２０は、樹脂や絶縁ワニス等でモールド又はコーティングされていてもよく、絶縁油中に保持されていてもよい。
【００２９】
続いて、コンデンサ２０の製造方法の概略について説明する。まず、表面が平滑な基板の上に、例えば、Ｐｔ薄膜を成膜して下部の電極２３を形成する。Ｐｔ電極は、例えば、Ｐｔターゲットと基板間の距離を所定の距離にし、ターゲットに高周波電力を投入するスパッタリングにより形成される。このようにして形成した電極２３の上に、酸化ランタンを主成分とする高誘電率絶縁膜２２を成膜する。高誘電率絶縁膜２２は、例えば、酸化ランタンを主成分とする材料から、パルスレーザー蒸着法、電子ビーム蒸着法などの成膜方法により形成される。このとき所望の形状の高誘電率絶縁膜２２を得る場合、例えば成膜時に耐熱性の金属マスクを基板に密着させて固定し、その上に高誘電率絶縁膜２２を形成すればよい。次に、高誘電率絶縁膜２２の上に、上部の電極２１を成膜する。上部の電極２１は、下部の電極２３と同様に、例えば、Ｐｔターゲットと基板を所定の距離とし、ターゲットに高周波電力を投入するスパッタリングにより形成される。以上の工程によりコンデンサ２０が製造される。
【実施例】
【００３０】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
（耐湿性）
３元コンポジションスプレッド法を用いてＬａ２Ｏ３の耐湿性について調べた。３元コンポジションスプレッド法は、例えば、特許３７５２５３４号公報に記載されているように、３つの基礎物質からなる組成のすべての混合体を１回のプロセスで合成する方法であり、３元系、２元系、１元系のすべての相を形成することができる。
【００３１】
具体的には、材料蒸発機構と、マスク移動機構と、基板加熱装置と、基板回転機構とを有し、それらが全て自動制御される装置を用いて３元化合物を作製する。材料蒸発機構は、３種の材料を保持しており、そのうち１種の材料をエキシマレーザによって蒸発させる。マスク移動機構は、材料と基板の間で移動マスクをスライドさせて成長膜厚に傾斜をつける。基板加熱装置は、例えば、基板に対して均一に加熱する。基板回転機構は、基板を１２０度回転させ、材料毎に成長させる領域を変える。
【００３２】
この装置を用いて、まず、１種類目の材料を蒸発させ、マスク移動機構により移動マスクをスライドさせ、最大膜厚が１分子層になるように基板上に位置によって厚さの異なる膜を連続的に形成する。次に、基板回転機構により基板を１２０度回転させ、２種類目の材料を蒸発させ、マスク移動機構により移動マスクをスライドさせ、最大膜厚が１分子層になるように基板上に位置によって厚さの異なる膜を連続的に成長させる。次に、基板回転機構により基板を１２０度回転させ、３種類目の材料を蒸発させ、マスク移動機構により移動マスクをスライドさせ、最大膜厚が１分子層になるように基板上に位置によって厚さの異なる膜を連続的に成長させる。これにより、組成が連続的に異なる領域が形成される。ここで、材料を蒸発させるために、材料に対して照射するレーザとして、パルス出力が０．０６Ｊで、波長が２４８ｎｍのエキシマレーザ（ＫｒＦレーザ）を用いることができる。
【００３３】
Ｌａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＨｆＯ２の３元コンポジションスプレッド薄膜 
３種類の材料として、Ｌａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、及びＨｆＯ２を使用し、これらの材料を連続組成で混合させたＬａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＨｆＯ２の３元コンポジションスプレッド薄膜を作製した。基板はシリコンで、堆積は基板温度３００℃で行った。３元混合領域及び単体膜領域の物理膜厚は、約１００ｎｍであった。
【００３４】
図５は、Ｌａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＨｆＯ２の３元コンポジションスプレッド薄膜の３年経過後の写真を示すものであり、図６は、図５示す写真を模式的に示す図である。なお、薄膜は、作製後、室温で３年間放置した。
【００３５】
図５において、三角形ａｂｃはＬａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＨｆＯ２の３元混合領域、三角形ａｂｄ、三角形ｂｃｅ、三角形ａｃｆは、それぞれＬａ２Ｏ３−ＨｆＯ２、Ａｌ２Ｏ３−ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３の２元混合領域を示している。例えば、線分ａｂにおいて、点ａはＬａ２Ｏ３が１００％であり、Ｌａ２Ｏ３が０％の点Ｂに近づくにつれて組成が徐々に減少する。
【００３６】
このＬａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＨｆＯ２の３元コンポジションスプレッド薄膜において、Ｌａ２Ｏ３の組成比が高い領域では、空気中の水分を吸収し、Ｌａ（ＯＨ）３粉末が形成されているのが観測できる。一方、Ａｌ２Ｏ３又はＨｆＯ２がアトミック比で２０％以上添加された領域では、粉末化がみられない。つまり、Ａｌ２Ｏ３又はＨｆＯ２がアトミック比で２０％添加された領域では、耐湿性が大きく改善されていることが分かる。
【００３７】
しかし、図５に示したＬａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＨｆＯ２の３元コンポジションスプレッド薄膜は、室温で３年間放置したものであり、実際のデバイス作成のときに、酸化ランタンを主成分とする高誘電率絶縁膜が大気に触れる時間はそんなに長くはない。つまり、酸化ランタンを主成分とする高誘電率絶縁膜は、作成プロセスの間だけ耐湿性を示せばよいので、他の金属の添加割合は２０％以下でも構わない。
【００３８】
以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造の概略を示す断面図である。
【図２】高誘電率材料の誘電率ｋを示す図である。
【図３】酸化ランタン絶縁膜の膜厚（EOT換算）対リーク電流特性を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施形態に係るコンデンサの構造の概略を示す断面図である。
【図５】Ｌａ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３−ＨｆＯ２の３元コンポジションスプレッド薄膜の３年経過後の写真を示す図である。
【図６】図５に示す写真を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  半導体装置、１１  半導体基板、１２  高誘電率絶縁膜、１３  ゲート電極、１４  ソース領域、１５  ドレイン領域、２０  コンデンサ、２１  電極、２２  高誘電率絶縁膜、２３  電極、２４、２５  端子
【図１】
2008218827.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008218827.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008218827.tif 000007
【図６】
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