(57)【要約】【課題】ゲート絶縁膜に起因するトランジスタ特性の劣化や界面層の増加を抑制した高品位の半導体装置とその製造方法を提供すること。【解決手段】シリコン基板２の一つの面２ａに界面層５と拡散抑制層６と高誘電率絶縁膜７とがこの順で形成されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板の一つの面に界面層と拡散抑制層と高誘電率絶縁膜とがこの順で形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
界面層の厚みがＳｉＯ２  等価換算膜厚で１．０ｎｍ以下である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
高誘電率絶縁膜における構成元素が界面層における構成元素の一部と同じである請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
シリコン基板の一つの面に初期層を形成し、この初期層の表面に拡散抑制層を形成した後、熱処理を施して前記初期層をシリコン基板と相互拡散させた界面層とし、その後、前記拡散抑制層の表面に高誘電率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５】
シリコン基板の一つの面に初期層を形成し、この初期層の表面に拡散抑制層を形成し、この拡散抑制層の表面に高誘電率絶縁膜を形成した後、熱処理を施して前記初期層をシリコン基板と相互拡散させた界面層とすることを特徴とする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】
この発明は、半導体装置とその製造方法に関し、特に、シリコン基板に金属酸化膜等をゲート絶縁膜として形成したＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ  ＩｎｓｕｌａｔｏｒＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型トランジスタとしての半導体装置とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
【特許文献１】特開２００２−４３５６５号公報
近年、半導体の高集積化に伴い、ＭＩＳ型トランジスタのゲート絶縁膜には、従来のシリコン基板（Ｓｉ基板）を酸化させたＳｉＯ２  から、より誘電体の大きな材料（Ｈｉｇｈ−ｋ）が用いられるようになってきている。しかしながら、Ｈｉｇｈ−ｋ材料は、Ｓｉ基板と相互拡散してしまい、誘電率が小さくなり、しかもトランジスタ作成プロセス時の熱処理によって、その拡散層がより増加してしまうといった課題があった。
【０００３】
上述のような課題を解決するために、例えば、前記特許文献１に記載される技術が提案されている。すなわち、この技術は、Ｓｉ基板とＨｉｇｈ−ｋ材料の相互拡散を防ぐため、Ｓｉを窒化させたＳｉ３  Ｎ４  膜をＳｉ基板に一旦形成した後、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を形成するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１の記載の技術では、窒素がＳｉ界面近くに存在することによって、トランジスタ特性が劣化してしまうといった問題が発生しており、高品位のＭＩＳ型トランジスタを必ずしも確実に得られなかった。
【０００５】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、ゲート絶縁膜に起因するトランジスタ特性の劣化や界面層の増加を抑制した高品位の半導体装置とその製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の半導体装置は、シリコン基板の一つの面に界面層と拡散抑制層と高誘電率絶縁膜とがこの順で形成されていることを特徴としている（請求項１）。
【０００７】
前記半導体装置においては、例えばＳｉ単結晶からなるＳｉ基板と、このＳｉ基板の一つの面側に形成される高誘電率絶縁膜（Ｈｉｇｈ−ｋ絶縁膜）との間に、Ｓｉ基板と相互拡散されるようにして形成されたＳｉとＨｉｇｈ−ｋ構成金属元素から構成される酸化物が界面層として形成され、さらに、この界面層の上面に、当該界面層の前記Ｈｉｇｈ−ｋ絶縁膜への拡散を抑制する拡散抑制層が形成されているので、界面層には、Ｈｉｇｈ−ｋ構成金属元素、酸素元素およびＳｉしか存在しないこととなり、トランジスタ特性が劣化させられることがない。また、前記半導体装置においては、トランジスタ作製のプロセス中の熱処理によっても前記拡散抑制層の存在により、界面層の厚みが増大することがなく、高品位となる。
【０００８】
前記半導体装置において、界面層の厚みがＳｉＯ２  等価換算膜厚で１．０ｎｍ以下であるのが好ましく（請求項２）、また、高誘電率絶縁膜における構成元素が界面層における構成元素の一部と同じであるようにしてあってもよい（請求項３）。
【０００９】
そして、上記目的を達成するため、この発明の半導体装置の製造方法は、シリコン基板の一つの面に初期層を形成し、この初期層の表面に拡散抑制層を形成した後、熱処理を施して前記初期層をシリコン基板と相互拡散させた界面層とし、その後、前記拡散抑制層の表面に高誘電率絶縁膜を形成することを特徴としている（請求項４）。
【００１０】
前記半導体装置の製造方法によれば、高品位の半導体装置を確実に得ることができる。
【００１１】
また、上記目的を達成するため、この発明の半導体装置の製造方法は、シリコン基板の一つの面に初期層を形成し、この初期層の表面に拡散抑制層を形成し、この拡散抑制層の表面に高誘電率絶縁膜を形成した後、熱処理を施して前記初期層をシリコン基板と相互拡散させた界面層とすることを特徴としている（請求項５）。
【００１２】
前記半導体装置の製造方法によれば、請求項４に記載の半導体装置の製造方法の効果に加えて次のような効果がある。すなわち、成膜の手法としてＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；原子層成膜）法を採用することにより、同一のチャンバ内で途切れることなくプロセス処理を行うことができ、複数のチャンバを用意する必要がない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。まず、図１は、この発明の半導体装置としてのＭＩＳ型トランジスタ１の構成を概略的に示すもので、この図において、２はＳｉ単結晶基板（以下、単にＳｉ基板という）で、その抵抗率は例えば０．０１〜１５Ω・ｃｍである。３は素子間を分離させるための素子分離酸化膜で、Ｓｉ基板１を熱酸化させて形成される。４はゲート絶縁膜で、界面層５、拡散抑制層６およびＨｉｇｈ−ｋ膜７よりなる。このゲート絶縁膜４の形成方法については、後で詳しく説明する。
【００１４】
８はゲート絶縁膜４の上面に形成されるゲート電極で、例えば多結晶Ｓｉ膜や多結晶ＳｉＧｅ膜またはゲート絶縁膜４と反応しないＰｔ（白金）などの貴金属やＴｉＮ、ＴａＮなどの高融点金属よりなる。９はチャンネル領域で、ｎチャンネルにはＰ（リン）を、ｐチャンネルにはＢ（ボロン）をそれぞれ注入し、８００℃〜１０００℃の温度で１０〜３０分間熱処理を行って活性化させる。１０は層間絶縁膜で、例えばＳｉＯ２  であり、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ    ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などで形成される。１１は引き出し電極で、例えばＡｌよりなり、ソース・ドレイン電極となる。なお、パターニングは、例えばフォトリソグラフィの技術によって行われる。
【００１５】
次に、前記ゲート絶縁膜４を形成する第１の手法について、図２を参照しながら説明する。
【００１６】
（１１）まず、図２（Ａ）に示すように、適宜の厚さ（例えば、５００μｍ程度）のＳｉ単結晶板からなるＳｉ基板２の一つの面２ａにＳｉと相互拡散させるための初期層（第１層ともいう）５’として、ＨｆＯ２  （酸化ハフニア）よりなる薄膜を約０．５ｎｍの厚みで形成する。前記初期層５’の成膜の手段としては、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＡＬＤ法、スパッタ法など各種の公知の手法がある。
【００１７】
（１２）次に、図２（Ｂ）に示すように、初期層５’の上面に拡散抑制膜６として、金属窒化膜としてのＡｌＮ膜を０．５〜５ｎｍの厚みで、または、金属酸窒化膜としてのＡｌＯｘ  Ｎｙ  膜（ｙ＞０）を、０．５〜５ｎｍの厚みで形成する。この場合、ＡｌＮ膜は、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム：Ａｌ（ＣＨ３  ）３  ）とアンモニアガス（ＮＨ３  ）との交互原料供給によるＡＬＤ法による成膜であっても、窒素含有ガス雰囲気中スパッタ法であってもよい。また、ＡｌＯｘ  Ｎｙ  膜は、ＴＭＡと水蒸気ガス（Ｈ２  Ｏ）との交互原料供給によるＡＬＤ法によって成膜したＡｌ２  Ｏ３  膜をＮＨ３  ガス雰囲気中の熱処理によって作成したＡｌＯｘ  Ｎｙ  であっても、前記手法で成膜したＡｌ２  Ｏ３  膜をプラズマ窒素ガス雰囲気中で処理したＡｌＯｘ  Ｎｙ  であってもよい。
【００１８】
（１３）次に、熱処理（約８００℃）によって、Ｓｉ基板２中のＳｉと初期層５’としてＨｆＯ２  を相互拡散させ、図２（Ｃ）に示すように、界面層としてのＨｆＳｉＯ４  （ハフニアシリケート、）５を形成する。
【００１９】
（１４）その後、拡散抑制膜６の上面にＨｉｇｈ−ｋ膜７として、ＨｆＯ２  膜を約５ｎｍの厚みで成膜することにより、図２（Ｄ）に示すように、Ｓｉ基板２の一方の面２ａ上に、界面層５、拡散抑制膜６およびＨｉｇｈ−ｋ膜７の三層構造を有するゲート絶縁膜４を形成することができる。前記Ｈｉｇｈ−ｋ膜としてのＨｆＯ２  膜７の成膜は、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法あるいはスパッタ法のいずれで行ってもよい。
【００２０】
上述のようにして形成された半導体装置１のゲート絶縁膜４は、トランジスタ作製のプロセス中の熱処理によっても、電気絶縁性に優れた拡散抑制膜６が界面層５とＨｉｇｈ−ｋ膜７との間に形成されているので、界面層５がその厚みを増大させることはない。また、前記拡散抑制膜６が存在することにより、Ｈｉｇｈ−ｋ膜７中の酸素が界面層５側に拡散するのが抑制され、その結果、Ｈｉｇｈ−ｋ性が損なわれるといったことが効果的に防止される。したがって、上記半導体装置１のゲート絶縁膜４は、高品位であるとともに、その製造方法は、高品位の半導体装置１のゲート絶縁膜４を確実に製造することができる。
【００２１】
なお、上述の実施の形態においては、Ｈｉｇｈ−ｋ膜７をＨｆＯ２  膜で形成していたが、このＨｆＯ２  膜に代えて、ＺｒＯ２  やＴｉＯ２  とし、界面層５をＺｒＳｉＯ４  、ＴｉＳｉＯ４  でそれぞれ形成してあってもよく、また、ＨｆＯ２  とＡｌ２  Ｏ３  などＨｉｇｈ−ｋ膜複合物（この場合、ＨｆＡｌＯｘ  ）で形成し、初期層５’をＨｆＯ２  とし、界面層５をＨｆＳｉＯ４  とし、高誘電率絶縁膜であるＨｉｇｈ−ｋ膜７における構成元素が界面層５における構成元素の一部と同じであるように構成してもよい。
【００２２】
図３は、ゲート絶縁膜４の形成する第２の手法を概略的に示すものである。
【００２３】
（２１）まず、図３（Ａ）に示すように、適宜厚さ（例えば、５００μｍ程度）のＳｉ単結晶板からなるＳｉ基板２の一つの面２ａにＳｉと相互拡散させるための初期層５’として、ＨｆＯ２  よりなる薄膜を約０．５ｎｍの厚みで形成する。前記初期層５’の成膜の手段としては、Ｈｆ〔Ｎ（ＣＨ３  ）２  〕４  と水蒸気ガスとの交互原料供給によるＡＬＤ法で行う。このときの基板温度は２５０〜３５０℃、成膜サイクル数は４回である。
【００２４】
（２２）次に、供給ガスを代えて、ＴＭＡとアンモニアガスとの交互原料供給によるＡＬＤ法によって、図３（Ｂ）に示すように、初期層５’の上面に拡散抑制膜６として、ＡｌＮ膜を０．５ｎｍの厚みで形成する。このときの基板温度は２５０〜３５０℃、成膜サイクル数は５回である。
【００２５】
（２３）次に、拡散抑制膜６の上面にＨｉｇｈ−ｋ膜７として、ＨｆＯ２  膜を約５ｎｍの厚みで成膜する。前記Ｈｉｇｈ−ｋ膜７の成膜の手段としては、Ｈｆ〔Ｎ（ＣＨ３  ）２  〕４  と水蒸気ガスとの交互原料供給によるＡＬＤ法で行う。つまり、前記（２１）と同じである。このときの基板温度は２５０〜３５０℃、成膜サイクル数は４０回である。
【００２６】
（２４）最後に、熱処理（約８００℃、６０秒間）によって、Ｓｉ基板２中のＳｉと初期層５’としてのＨｆＯ２  を相互拡散させ、図３（Ｄ）に示すように、界面層としてのＨｆＳｉＯ４  ５を形成することにより、Ｓｉ基板２の一方の面２ａ上に、界面層５、拡散抑制膜６およびＨｉｇｈ−ｋ膜７の三層構造を有するゲート絶縁膜４を形成することができる。
【００２７】
上述のようにして製作された半導体装置１のゲート絶縁膜４においても、トランジスタ作製のプロセス中の熱処理によっても、電気絶縁性に優れた拡散抑制膜６が界面層５とＨｉｇｈ−ｋ膜７との間に形成されているので、界面層５がその厚みを増大させることはない。また、前記拡散抑制膜６が存在することにより、Ｈｉｇｈ−ｋ膜７中の酸素が界面層５側に拡散するのが抑制され、その結果、Ｈｉｇｈ−ｋ性が損なわれるといったことが効果的に防止される。したがって、上記半導体装置１のゲート絶縁膜４は、高品位である。
【００２８】
そして、この図３のゲート絶縁膜４の形成方法によれば、各膜５’６，７の成膜をＡＬＤ法によって行うことにより、同一チャンバ内で途切れることなく成膜を行うことができ、複数の装置やチャンバを用意する必要がなく、製造設備が少なくて済むとともに、高品位のゲート絶縁膜４を効率よく形成することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ゲート絶縁膜に起因するトランジスタ特性の劣化や界面層の増加を抑制することができ、したがって、高品位のＭＩＳ型トランジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の半導体装置としてのＭＩＳ型トランジスタの構造を概略的に示す縦断面図である。
【図２】前記半導体装置のゲート絶縁膜の形成方法の一例を示す図である。
【図３】前記半導体装置のゲート絶縁膜の形成方法の他の例を示す図である。
【符号の説明】
１…ＭＩＳ型トランジスタ、２…シリコン基板、２ａ…シリコン基板の表面、５…界面層、５’…初期層、６…拡散抑制層、７…高誘電率絶縁膜。
【図１】
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【図２】
2004288885.tif 000004
【図３】
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