(57)【要約】【課題】膜の結晶化を抑制可能であると同時に、十分に高い誘電率を有し、しかも酸化膜よりもリーク電流が低減された、窒素含有金属シリケート膜からなる絶縁膜を有する半導体装置を提供する。【解決手段】基板（５０）と、前記基板上に形成され、金属、Ｓｉ、ＮおよびＯを含有する絶縁膜（９０）と、前記絶縁膜上に形成された電極（１８０）とを具備する半導体装置である。前記絶縁膜中に含有される金属−Ｎ結合は、金属−金属結合と金属−Ｓｉ結合との和より多いことを特徴とする。【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、金属、Ｓｉ、ＮおよびＯを含有する絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された電極とを具備し、
前記絶縁膜中に含有される金属−Ｎ結合は、金属−金属結合と金属−Ｓｉ結合との和より多いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁膜中の金属−Ｎ結合は、１原子％以上の割合で存在す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】
前記絶縁膜中の金属の含有量は、金属とＳｉとの総量に対して４７％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記絶縁膜に含有される金属は、Ｚｒ、Ｈｆおよびランタノイド系元素からなる群から選択される少なくとも１種を含む請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記金属はＨｆであり、前記絶縁膜中には、Ｓｉ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ，Ｈｆ−Ｏ，Ｈｆ−Ｎ結合が存在することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記基板は、離間して形成された不純物拡散領域を有し、前記絶縁膜は前記不純物拡散領域の間に形成されたゲート絶縁膜であり、前記電極はゲート電極であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
基板上に、金属、Ｓｉ、ＮおよびＯを含有し、金属−Ｎ結合が金属−金属結合と金属−Ｓｉ結合との和より多量に含有される絶縁膜を、オフアクシススパッター法により形成する工程と、
前記絶縁膜上に電極を形成する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
基板上に、金属およびＳｉを含有する非化学量論組成の窒化膜を、オフアクシススパッター法により形成する工程と、
前記窒化膜を酸化して、金属−Ｎ結合が金属−金属結合と金属−Ｓｉ結合との和より多量に含有される絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に電極を形成する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
基板上に、金属およびＳｉを含有する非化学量論組成の酸化膜を、オフアクシススパッター法により形成する工程と、
前記酸化膜を窒化して、金属−Ｎ結合が金属−金属結合と金属−Ｓｉ結合との和より多量に含有される絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に電極を形成する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記電極を形成後、前記電極をマスクとして前記基板に不純物を注入し、不純物拡散領域を形成する工程をさらに具備することを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に係り、特に高誘電率の絶縁膜を含む半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、酸化膜（ＳｉＯ２膜）に代わる次世代ゲート絶縁膜として、高誘電体膜であるＨｆシリケート膜（ＨｆＳｉＯ膜）などの金属シリケート膜に期待が集まっている。Ｈｆシリケート膜は、酸化膜よりも誘電率が高いのでリーク電流（ｌｅａｋａｇｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ）を抑えられる物理膜厚（ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）を保ちながら、実効膜厚（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）を低減することができるからである。
【０００３】
実効的に薄膜のゲート絶縁膜を形成するには、誘電率はできるだけ高いことが望ましく、膜中のＨｆ濃度を高めることによってこれを達成することができる。しかしながら、Ｈｆ濃度を高くしすぎた場合には、膜の相分離や結晶化を生じて、リーク電流の増加を招いてしまうことが報告されている。
【０００４】
結晶化を防ぐ方法として、ＮをＨｆＳｉＯ膜に添加してＨｆＳｉＯＮ膜を形成することが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。この文献によれば、ＨｆＳｉＯ膜およびＨｆＳｉＯＮ膜に対してＮ２雰囲気で６０秒間の熱処理を施した場合、ＨｆＳｉＯ膜は１０００℃で結晶化するが、ＨｆＳｉＯＮ膜は１１００℃でも結晶化が生じないことが確認されている。
【０００５】
しかしながら、我々が検討した結果では、単純にＨｆとＮの両方の濃度を高くすると、誘電率は高くなり結晶化は抑制されるものの、リーク電流が増大してしまうことがわかった。
【０００６】
それゆえ、従来報告されているＨｆＳｉＯＮ膜におけるＨｆ濃度は、Ｈｆ／（Ｈｆ＋Ｓｉ）比が４４％程度にとどまっている。このようにして、結晶化を抑えつつ、かつ誘電率も高く、しかもリーク電流が抑制されるＨｆＳｉＯＮ膜は従来までに形成することができなかった。
【０００７】
なお、オンアクシススパッター法により成膜されたＨｆＳｉＯＮ膜においては、Ｈｆ−Ｎ結合は検出限界（１％）以下であり、高濃度のＨｆを含むＨｆＳｉＯＮ膜は形成できないことが確認されている。
【０００８】
【非特許文献１】
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，８０，３１８３（２００２）（Ｍ．Ｒ．Ｖｉｓｏｋａｙら）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来のＨｆＳｉＯＮ膜においては、結晶化が抑えられるとともに誘電率も十分に高く、さらにリーク電流も低い膜を形成することが困難であった。
【００１０】
そこで本発明は、膜の結晶化を抑制可能であると同時に、十分に高い誘電率を有し、しかも酸化膜よりもリーク電流が低減された、窒素含有金属シリケート膜からなる絶縁膜を有する半導体装置、およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様にかかる半導体装置は、基板と、
前記基板上に形成され、金属、Ｓｉ、ＮおよびＯを含有する絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成された電極とを具備し、
前記絶縁膜中に含有される金属−Ｎ結合は、金属−金属結合と金属−Ｓｉ結合との和より多いことを特徴とする。
【００１２】
本発明の一態様にかかる半導体装置の製造方法は、基板上に、金属、Ｓｉ、ＮおよびＯを含有し、金属−Ｎ結合が金属−金属結合と金属−Ｓｉ結合との和より多量に含有される絶縁膜を、オフアクシススパッター法により形成する工程と、
前記絶縁膜上に電極を形成する工程とを具備することを具備することを特徴とする。
【００１３】
本発明の他の態様にかかる半導体装置の製造方法は、基板上に、金属およびＳｉを含有する非化学量論組成の窒化膜を、オフアクシススパッター法により形成する工程と、
前記窒化膜を酸化して、金属−Ｎ結合が金属−金属結合と金属−Ｓｉ結合との和より多量に含有される絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に電極を形成する工程とを具備することを特徴とする。
【００１４】
本発明の他の態様にかかる半導体装置の製造方法は、基板上に、金属およびＳｉを含有する非化学量論組成の酸化膜を、オフアクシススパッター法により形成する工程と、
前記酸化膜を窒化して、金属−Ｎ結合が金属−金属結合と金属−Ｓｉ結合との和より多量に含有される絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に電極を形成する工程とを具備することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
本発明者らは鋭意検討した結果、従来のＨｆＳｉＯＮ膜においてＨｆおよびＮの双方の濃度を単純に高くした場合にリーク電流が増大するのは、次のような理由によることを見出した。
【００１７】
従来のＨｆＳｉＯＮ膜は、Ｓｉ−Ｎ結合、Ｓｉ−Ｏ結合、およびＨｆ−Ｏ結合から構成される絶縁体であり、その組成は（ＨｆＯ２）ｘ（ＳｉＯ２）ｙ（Ｓｉ３Ｎ４）１−ｘ−ｙ（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）と表わされる。したがって、ＮはＳｉとだけ結合しているので、Ｈｆ濃度が高い場合には必然的にＮ濃度が低くなり、逆に、Ｎ濃度が高い場合にはＳｉ濃度が高くなり、したがってＨｆ濃度が低くなる。ＨｆＳｉＯＮ膜中のＨｆおよびＮの両方の濃度を高めようとすると、Ｓｉ−Ｎ結合、Ｓｉ−Ｏ結合、およびＨｆ−Ｏ結合に加えてＨｆ−Ｈｆ結合やＨｆ−Ｓｉ結合が含まれることになる。しかしながら、Ｈｆ−Ｈｆ結合およびＨｆ−Ｓｉ結合は金属的な結合なので、従来のＨｆＳｉＯＮ膜においてＨｆおよびＮの双方の濃度を単純に高くした場合には、リーク電流の増加が生じていた。
【００１８】
Ｓｉ−Ｎ結合、Ｓｉ−Ｏ結合やＨｆ−Ｏ結合に加えて、Ｈｆ−Ｎ結合がＨｆＳｉＯＮ膜中に存在する場合には、その組成は、（ＨｆＯ２）ｘ（ＨｆＮ）ｙ（ＳｉＯ２）ｚ（Ｓｉ３Ｎ４）１−（ｘ＋ｙ＋ｚ）（０＜ｘ，ｙ，ｚ＜１，ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）となる。こうした組成のＨｆＳｉＯＮ膜においては、ＨｆおよびＮの濃度は限りなく高くすることができる。しかも、Ｈｆ−Ｎ結合は、上述したようなＨｆ−Ｈｆ結合やＨｆ−Ｓｉ結合とは異なって、これを含んでもリーク電流が増大しないことがわかった。ただし、Ｈｆ−Ｎ結合の効果を得るためには、このＨｆ−Ｎ結合は、Ｈｆ−Ｈｆ結合とＨｆ−Ｓｉ結合との総和よりも多量に存在しなければならない。Ｈｆ−Ｈｆ結合やＨｆ−Ｓｉ結合といった金属結合は、実質的に存在しないことが望まれる。
【００１９】
その結果、リーク電流の増加を引き起こすことなくＨｆおよびＮの濃度を高めることができ、誘電率の高い膜を形成することが可能となった。
【００２０】
こうしたＨｆＳｉＯＮ膜は、オフアクシススパッター法により形成することができる。通常のオンアクシススパッター法では、スパッターターゲットは基板の臨める角度に設置されるが、オフアクシススパッター法の場合にはターゲットは基板の臨めない角度、すなわち基板に対して垂直の位置関係に設置される。これによって、オフアクシススパッターでは、ターゲットからの高速に加速されたイオンや中性原子の膜への進入を避けることができる。
【００２１】
具体的には、オンアクシススパッター法では、成膜時に高速に加速された粒子またはイオンはほぼ垂直に膜の中に入射して、結合が充分に進行する前に次の堆積が進んでしまう。これに対し、オフアクシススパッターの場合には、粒子またはイオンは膜の中に入射されることはない。その結果、窒素イオンは基板表面を拡散して、ＳｉのみならずＨｆとも結合することによりＨｆ−Ｎ結合が形成される。
【００２２】
このような成膜機構の違いが、組成や結合状態に影響を与えることによって、オフアクシススパッターではＨｆ−Ｎ結合を含むＨｆＳｉＯＮ膜が形成されると考えられる。
【００２３】
オフアクシススパッター法によりＨｆＳｉＯＮ膜を形成するにあたっては、例えば、ＨｆＳｉＯＮ膜を基板上に直接成膜することができる。例えば、ＨｆＳｉｘＯｙＮｚターゲット（Ｈｆ−Ｎ結合がすべての結合の総数に対して１％以上になる組成）を用いてＡｒ雰囲気中で、またはＨｆＳｉｘターゲット（ｘ＞１）を用いてＡｒ，Ｏ２雰囲気中でスパッタリングを行なえばよい。あるいは、Ｈｆ，ＨｆＯｘ，およびＨｆＮｘ（ｘ＜２）から選択される少なくとも１種からなるターゲットと、Ｓｉ，ＳｉＯｘ（ｘ＜２），およびＳｉＮｘ（ｘ＜４／３）から選択される少なくとも１種からなるターゲットとを組み合わせて用い、所定の雰囲気中でスパッタリングを行なうことにより、上述したようなＨｆＳｉＯＮ膜が成膜される。スパッタリングの条件は、オフアクシススパッターであれば、特に限定されない。
【００２４】
非化学量論組成の窒化膜（ＨｆＳｉＮ膜）をオフアクシススパッター法により形成し、これを酸化することによって、上述したようなＨｆＳｉＯＮ膜を成膜することもできる。非化学量論組成のＨｆＳｉＮ膜の酸化は、常圧のＯ２雰囲気でのＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）、プラズマ酸化、あるいはラジカル酸化により行なうことができる。あるいは、非化学量論組成の酸化膜（ＨｆＳｉＯ膜）をオフアクシススパッター法により形成し、これを窒化してもよい。窒化は、例えば、ＲＴＮ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｎｉｔｒｉｄａｔｉｏｎ）、プラズマ窒化、またはラジカル窒化により行なうことができる。
【００２５】
非化学量論組成のＨｆＳｉＮ膜を成膜する場合には、例えば、ＨｆＳｉｘまたはＨｆＳｉＮからなるターゲットを用いることができる。ＨｆまたはＨｆＮからなるターゲットと、ＳｉまたはＳｉＮからなるターゲットとを組み合わせて用いて、所定の雰囲気中でスパッタリングしてもよい。
【００２６】
非化学量論組成のＨｆＳｉＯ膜を成膜する場合には、例えば、ＨｆＳｉｘ（ｘ＜１）またはＨｆＳｉｘＯｙ（ｘ＜１、ｙ＜２）からなるターゲットを用いることができる。あるいは、ＨｆまたはＨｆＯｘからなるターゲットと、ＳｉまたはＳｉＯｘからなるターゲットとを組み合わせて用いてスパッタリングしてもよい。
【００２７】
いずれの場合も、酸化の進行を容易にし、また酸化温度を低下させ、Ｓｉ基板の酸化を抑制するために、スパッタリングにより成膜される膜は非化学量論組成であることが必要とされる。また、ＨｆＳｉＯＮ膜が形成された後には、真空、Ｏ２、Ｎ２、Ｈ２、Ｈ２／Ｎ２雰囲気中で４５０〜１１００℃程度の熱処理を施すことによって、膜中の欠陥を修復し、膜密度を高めて、その結果、リーク電流を抑え、誘電率を高くすることができる。
【００２８】
以下に、ｐ型Ｓｉ（１００）基板上にオフアクシススパッター法によりＨｆＳｉＮ膜を成膜し、これを酸化することによりＨｆＳｉＯＮ膜を形成した例を説明する。
【００２９】
ｐ型Ｓｉ（１００）基板は、通常のＳＣ２（ＨＣｌ／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏ）洗浄、続いてＨｆ処理を施した。次いで、純水により流水洗浄し、乾燥させた後、オフアクシススパッター装置に導入した。
【００３０】
オフアクシススパッター装置内には、ＨｆターゲットおよびＳｉターゲットの二つを基板に対して垂直な角度で設置しておいた。このオフアクシススパッター装置内にｐ型Ｓｉ（１００）基板を導入し、Ａｒ，Ｎ２雰囲気でＨｆおよびＳｉをスパッタリングして非化学量論比のＨｆＳｉＮ膜を成膜した。
【００３１】
成膜されたＨｆＳｉＮ膜は、大気中に一旦取り出した後、ＲＴＡ装置に導入し、常圧のＯ２雰囲気でＲＴＡを行なうことにより酸化してＨｆＳｉＯＮ膜を形成した。
【００３２】
得られたＨｆＳｉＯＮ膜のＸ線電子分光法（ＸＰＳ）測定によるＨｆ４ｆスペクトルを、図１のグラフに示す。比較のために、ＨｆＳｉＯ膜のＨｆ４ｆスペクトルを破線で示した。図１のグラフにおいて、１９．７ｅＶ付近および１８．０ｅＶ付近のピークはＨｆ−Ｏ結合の存在を示す。そのエネルギーから低エネルギー側にシフトした位置にピークがあることから、Ｈｆ−Ｎ結合の存在が確認される。なお、１３ｅＶ付近および１５ｅＶ付近にピークが現われていないことから、金属結合が実質的に存在しないことが明確に示されている。
【００３３】
ＸＰＳの検出下限が１％であることから、Ｈｆ−Ｎ結合の原子百分率による濃度は１％以上であることがわかる。ＨｆＳｉＯＮ膜の結晶化を抑制してリーク電流の増大を避けるために、Ｈｆ−Ｎ結合の濃度は少なくとも１原子％以上であることが必要である。
【００３４】
さらに、ＨｆＳｉＯＮ膜中におけるＨｆ／（Ｈｆ＋Ｓｉ）比は、４７％程度であることが、ＲＢＳ（Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）測定により確認された。Ｈｆ−Ｎ結合が形成されるので、Ｈｆを従来よりも多量に含有させることが可能となった。上述したようにＨｆ−Ｎ結合は、１原子％以上の濃度で含有されることが必要であり、このときのＨｆ／（Ｈｆ＋Ｓｉ）比は約４７％となる。Ｈｆ／（Ｈｆ＋Ｓｉ）比が４７％以上であることに起因して、このＨｆＳｉＯＮ膜は１５以上の誘電率を有することがキャパシタンスの測定により確認された。
【００３５】
同様のＨｆＳｉＯＮ膜のＸＰＳ測定によるＳｉ２ｐスペクトルを、図２のグラフに示す。図２のグラフにおいて、１０３ｅＶ付近のピークはＳｉ−Ｏ結合の存在を表わしており、それよりも低エネルギー側にある１０２ｅＶ付近のピークはＳｉ−Ｎ結合の存在を表わす。なお、９８〜１００ｅＶ付近にピークが現われていないことから、金属結合が実質的に存在しないことが明確に示されている。
【００３６】
図１および図２の結果から、ここで形成されたＨｆＳｉＯＮ膜中には、Ｈｆ−Ｏ、Ｓｉ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ、Ｈｆ−Ｎ結合が存在することがわかる。また、Ｎ含有量は、原子分率で２８．５％以上であることがＲＢＳ測定により確認された。
【００３７】
なお、Ｈｆ−Ｎ結合の存在は、従来のＨｆＳｉＯＮ膜中には確認されておらず、そうしたＨｆＳｉＯＮ膜はオンアクシススパッター法により形成されたものであった。これを確認するために、ＳｉターゲットおよびＨｆターゲットを基板が臨める角度に配置した以外は前述と同様の手法により、オンアクシススパッター法によりＨｆＳｉＯＮ膜を形成した。
【００３８】
得られたＨｆＳｉＯＮ膜についてＸＰＳ測定を行なったところ、Ｈｆ−Ｎ結合は全く検出されず、Ｈｆ−Ｈｆ結合およびＨｆ−Ｓｉ結合といった金属的な結合が多く含まれることが確認された。このとき、ＨｆＳｉＯＮ膜中のＨｆ／（Ｈｆ＋Ｓｉ）比は３９％程度であり、Ｎ含有量は原子分率で２５％程度であった。Ｈｆ／（Ｈｆ＋Ｓｉ）比が３９％程度であることに起因して、このＨｆＳｉＯＮ膜の誘電率は１３程度にとどまっていた。
【００３９】
このように、Ｈｆ−Ｎ結合が存在しないＨｆＳｉＯＮ膜では、金属結合が多量に含有されることからリーク電流が大きく、Ｎ含有量を十分に高めることができないために結晶化が生じる。しかも、Ｈｆ含有量を十分に高めることができないことに起因して、誘電率に制限があった。
【００４０】
本発明の実施形態におけるＨｆＳｉＯＮ膜は、実質的に金属結合を含まずＨｆ−Ｎ結合を含有すること起因して、ＨｆおよびＮのいずれも従来のＨｆＳｉＯＮ膜と比較して格段に多く存在している。このため、誘電率を高めるとともに結晶化を抑制し、しかもリーク電流を低減することが可能となった。
【００４１】
次に、上述したようにオフアクシススパッター法により形成されたＨｆＳｉＯＮ膜を用いて、Ａｕ電極／ＨｆＳｉＯＮ膜／ｐ−Ｓｉ（１００）基板構造を作製し、その電気特性を調べた。リーク電流と電圧との関係を、図３のグラフに示す。図３のグラフ中、曲線ａは、Ｎ含有量が５２％であり、Ｈｆ／（Ｈｆ＋Ｓｉ）比が４７％のＨｆＳｉＯＮ膜についての結果である。比較のために、ＳｉＯ２膜のリーク電流と電圧との関係を、曲線ｂとして図３のグラフに示してある。
【００４２】
ＨｆＳｉＯＮ膜およびＳｉＯ２膜のいずれも、２ｎｍの実効膜厚で形成した。なお、実効膜厚とは、ＳｉＯ２膜の誘電率３．９で見積もったときのＨｆＳｉＯＮ膜の電気的な膜厚である。図３のグラフに示される結果から、ＨｆＳｉＯＮ膜はＳｉＯ２膜に較べて、全電圧で一桁から二桁も電流が低く抑えられていることがわかる。また、５ＭＶ／ｃｍの電界を膜に印加した場合、ＨｆＳｉＯＮ膜のリーク電流はＳｉＯ２膜よりも二桁低くなる。
【００４３】
すでに説明したように、Ｈｆ−Ｎ結合を含有しない従来のＨｆＳｉＯＮ膜では、Ｈｆ濃度を十分に高められず、リーク電流を十分に低減することができなかった。本発明の実施形態におけるＨｆＳｉＯＮ膜は、金属結合よりも多くのＨｆ−Ｎ結合が含有されることからＨｆ濃度を高めることができ、高い誘電率を維持しつつリーク電流を低減することが始めて可能となった。
【００４４】
同様にオフアクシススパッター法により形成されたＨｆＳｉＯＮ膜の状態を、Ｉｎ−ｐｌａｉｎ  ＸＲＤ（Ｉｎ−ｐｌａｉｎ  Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）法により調べ、その結果を図４のグラフに示す。図４のＸＲＤパターンには、結晶化を意味するいかなるピークも現れていないことから、このＨｆＳｉＯＮ膜は結晶化が抑制されていることが確認された。このＨｆＳｉＯＮ膜は、１０００℃以上の高温での熱処理を施した後でも結晶化せず、アモルファス状態を保っていた。
【００４５】
図５には、本発明の一実施形態にかかる半導体装置としてのＭＯＳトランジスターの断面図を示す。
【００４６】
図示するＭＯＳトランジスターにおいては、シリコン熱酸化膜からなる素子分離絶縁膜６０が形成されたｐ型シリコン基板５０の素子領域には、不純物としてのリンがイオン注入されたソース・ドレイン拡散領域７０．８０が離間して形成されている。
【００４７】
ソース・ドレイン拡散領域に挟まれたｐ型シリコン基板５０の表面には、ＨｆＳｉＯＮからなるゲート絶縁膜９０が、上述したような手法により形成され、さらに、多結晶シリコン膜からなるゲート電極１８０がＣＶＤ法によって設けられる。ゲート電極１８０の上には、ＣＶＤ法により形成されたシリコン酸化膜１１０が設けられ、ゲート電極１８０の側壁にはシリコン窒化膜１２０が配置される。ゲート電極１８０は、ＴｉＮ、Ａｕ、Ａｌ、Ｐｔ、あるいはＡｇなどの金属により形成してもよい。
【００４８】
素子分離絶縁膜６０およびシリコン酸化膜１１０上には、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜１３０が配置され、ソース・ドレイン拡散領域上には、シリサイド膜１５０を介して配線としてのアルミ電極１４０が接続される。こうした構造は、素子分離絶縁膜６０およびシリコン酸化膜１１０を有する基板５０の全面にＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を堆積して層間絶縁膜１３０を形成した後、コンタクト孔を開口し、アルミニウム膜をスパッタリング法により堆積しパターニングすることにより形成される。
【００４９】
図５に示されるＭＯＳトランジスターは、金属結合よりも多量にＨｆ−Ｎ結合を含むＨｆＳｉＯＮ膜からなるゲート絶縁膜９０を有するので、１０００℃以上の高温プロセスを通しても、ゲート絶縁膜のリーク電流が低く抑えられた良好な動作を示した。
【００５０】
金属結合よりも多量にＨｆ−Ｎ結合を含むＨｆＳｉＯＮ膜は、不揮発性メモリ素子のゲート電極間絶縁膜またはＣＭＯＳのゲート絶縁膜として用いることもでき、同様の効果を得ることができる。さらに、容量素子のキャパシター絶縁膜として用いた場合にも、リーク電流を低く抑えながら、実効膜厚を薄膜化することができる。
【００５１】
以上、ＨｆＳｉＯＮ膜を例に挙げて窒素含有金属シリケート膜について説明したが、これに限定されるものではない。同様の議論は、ＺｒＳｉＯＮ膜に対しても適用することができ、同様の効果を得ることができる。さらに、Ｈｆを、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，ＹｂおよびＬｕといったランタノイド系元素に置き換えた場合もまた、同様の効果を有する窒素含有金属シリケート膜が得られる。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、膜の結晶化を抑制可能であると同時に、十分に高い誘電率を有し、しかも酸化膜よりもリーク電流が低減された、窒素含有金属シリケート膜からなる絶縁膜を有する半導体装置、およびその製造方法が提供される。
【００５３】
本発明により、ＭＯＳトランジスター等の半導体装置の信頼性を向上させることができ、その工業的価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるＨｆＳｉＯＮ膜のＨｆ４ｆのＸＰＳ測定結果を表わすグラフ図。
【図２】本発明の一実施形態にかかるＨｆＳｉＯＮ膜のＳｉ２ｐのＸＰＳ測定結果を表わすグラフ図。
【図３】電圧とリーク電流との関係を表わすグラフ図。
【図４】本発明の一実施形態にかかるＨｆＳｉＯＮ膜のＩｎ−ＰｌａｎｅＸＲＤパターンを表わすグラフ図。
【図５】本発明の一実施形態にかかる半導体装置の断面図。
【符号の説明】
５０…ｐ型シリコン基板，６０…素子分離絶縁膜，７０…ソース・ドレイン拡散層領域，８０…ソース・ドレイン拡散領域，９０…ゲート絶縁膜，１１０…シリコン酸化膜，１２０…シリコン窒化膜，１３０…層間絶縁膜，１４０…アルミ配線，１５０…シリサイド膜，１８０…ゲート電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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