(57)【要約】【課題】信頼性の高い半導体装置を提供し、また、歩留りの高い半導体装置を提供する。【解決手段】シリコン基板１の一主面側に、形成された酸化ジルコニウムまたは酸化ハフニウムを主構成材料とするゲート絶縁膜６・７と、ゲート絶縁膜６・７に接触して形成されたゲート電極膜８・９とを備えた半導体装置において、ゲート絶縁膜６・７にアモルファス状態を安定化させる添加元素を含有させる。【選択図】　図１
2004103737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
該半導体基板の一主面側に形成され酸化ジルコニウムを主構成材料とするゲート絶縁膜と、
該ゲート絶縁膜に接触して形成されたゲート電極膜とを備え、
前記ゲート絶縁膜が、タンタルを８ａｔ％以上２５ａｔ％以下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記ゲート電極膜の主構成材料が、タンタルシリサイド又は窒化タンタル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】
半導体基板と、
該半導体基板の一主面側に形成され酸化ジルコニウムを主構成材料とするゲート絶縁膜と、
該ゲート絶縁膜に接触して形成されたゲート電極膜とを備え、
前記ゲート絶縁膜が、タングステンを１０ａｔ％以上２３ａｔ％以下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
前記ゲート電極膜の主構成材料が、タングステンシリサイド又は窒化タングステンであることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
半導体基板と、
該半導体基板の一主面側に形成され酸化ジルコニウムを主構成材料とするゲート絶縁膜と、
該ゲート絶縁膜に接触して形成されたゲート電極膜とを備え、
前記ゲート絶縁膜が、モリブデンを１１ａｔ％以上２２ａｔ％以下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記ゲート電極膜の主構成材料が、モリブデンシリサイド又は窒化モリブデンであることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
半導体基板と、
該半導体基板の一主面側に形成され酸化ハフニウムを主構成材料とするゲート絶縁膜と、
該ゲート絶縁膜に接触して形成されたゲート電極膜とを備え、
前記ゲート絶縁膜が、タンタルを５ａｔ％以上２８ａｔ％以下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
前記ゲート電極膜の主構成材料が、タンタルシリサイド又は窒化タンタルであることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
半導体基板と、
該半導体基板の一主面側に形成され酸化ハフニウムを構成材料とするゲート絶縁膜と、
該ゲート絶縁膜に接触して形成されたゲート電極膜とを備え、
前記ゲート絶縁膜が、タングステンを７ａｔ％以上２６ａｔ％以下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】
前記ゲート電極膜の主構成材料が、タングステンシリサイドまたは窒化タングステンであることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
半導体基板と、
該半導体基板の一主面側に形成され酸化ハフニウムを主構成材料とするゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜に接触して形成されたゲート電極膜とを備え、
前記ゲート絶縁膜が、モリブデンを８ａｔ％以上２５ａｔ％以下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
前記ゲート電極膜の主構成材料がモリブデンシリサイドまたは窒化モリブデンであることを特徴とする請求項１１に記載の半導体装置。
【請求項１３】
半導体基板と、
該半導体基板の一主面側に形成され、少なくとも酸化ジルコニウム又は酸化ハフニウムのいずれか一方を主構成材料とする絶縁膜と、
該ゲート絶縁膜に接触して形成された電極膜とを備え、
前記絶縁膜が、タンタル、モリブデン又はタングステンのうちの少なくともいずれかの元素を、５ａｔ％以上２８ａｔ％以下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置。
【請求項１４】
前記電極膜の主構成材料が前記元素のシリサイドまたは窒化物であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高誘電率材料を用いた半導体装置に関し、特に高誘電率材料を用いたゲート構造を備える半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の微細化に伴い、トランジスタにおけるゲートの長さが０．１５μｍとなり、ゲート絶縁膜の膜厚は、ＳｉＯ２を用いた場合で２ｎｍ以下にまで薄くすることが要求されている。絶縁膜の厚さがこの程度まで薄くなると、絶縁膜をトンネルする電流の影響が無視できなくなる。このためＳｉＯ２よりも誘電率の高い絶縁体材料を用いることにより、誘電特性を保ちつつ絶縁膜の物理的膜厚を厚くすることが考えられている。
【０００３】
高誘電率材料の候補としては、酸化アルミニウムの他に、酸化ジルコニウムや酸化ハフニウムなどが考えられている（例えば、非特許文献１）。
【非特許文献１】
Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ　ｏｎ　Ｇａｔｅ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ　２００１の講演番号３．３（５６ページ〜６０ページ）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、酸化アルミニウムの比誘電率は７程度であり、高い誘電率を得ることが出来ない。また、上記文献中にも記載されているように、酸化アルミニウムのアモルファス相は安定であるのに対して、酸化ジルコニウムと酸化ハフニウムとのアモルファス相は安定性が低く、５００℃以下の低温でも多結晶状態となりやすい。
【０００５】
多結晶状態においては結晶粒界が存在し、その分布が一様でないため、酸化ジルコニウム又は酸化ハフニウムをゲート絶縁膜として用いると、リーク電流の分布が一様にならないという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、絶縁膜に関して信頼性が高く、歩留りの高い半導体装置を提供することを目的とする。さらに、リーク特性の安定したゲート構造を有する半導体装置を提供し、アモルファス相が安定な高誘電率ゲート絶縁膜を有する半導体装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によれば、半導体基板と、該半導体基板の一主面側に形成され酸化ジルコニウムを主構成材料とするゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜に接触して形成されたゲート電極膜とを備え、前記ゲート絶縁膜が、タンタルを８ａｔ％以上２５ａｔ％以下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置が提供される。前記ゲート電極膜の主構成材料が、タンタルシリサイド又は窒化タンタルであるのが好ましい。
【０００８】
前記ゲート絶縁膜が、タングステンを１０ａｔ％以上２３ａｔ％以下の濃度で含有していても良い。この場合には、前記ゲート電極膜の主構成材料が、タングステンシリサイド又は窒化タングステンであるのが好ましい。
【０００９】
前記ゲート絶縁膜が、モリブデンを、１１ａｔ％以上２２ａｔ％以下の濃度で含有していても良い。この場合には、前記ゲート電極膜の主構成材料が、モリブデンシリサイド又は窒化モリブデンであるのが好ましい。
【００１０】
本発明の他の観点によれば、半導体基板と、該半導体基板の一主面側に形成され酸化ハフニウムを主構成材料とするゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜に接触して形成されたゲート電極膜とを備え、前記ゲート絶縁膜が、タンタルを５ａｔ％以上２８ａｔ％以下の濃度で含有することを特徴とする半導体装置が提供される。前記ゲート電極膜の主構成材料が、タンタルシリサイド又は窒化タンタルであるのが好ましい。
【００１１】
また、前記ゲート絶縁膜が、タングステンを７ａｔ％以上２６ａｔ％以下の濃度で含有しても良い。この場合には、前記ゲート電極膜の主構成材料が、タングステンシリサイドまたは窒化タングステンであるのが好ましい。
また、前記ゲート絶縁膜が、モリブデンを８ａｔ％以上２５ａｔ％以下の濃度で含んでいても良い。この場合には、前記ゲート電極膜の主構成材料がモリブデンシリサイドまたは窒化モリブデンであるのが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本明細書において、例えばゲート絶縁膜の主構成材料以外に、例えば意識的にＳｉ原子を含有させる場合がある。また、製造工程上、Ｃ原子やＨ原子が入る場合が多いが、この場合でも、「主構成材料が、酸化ジルコニウム又は酸化ハフニウム」との記載は、主要な構成材料が、酸化ジルコニウム又は酸化ハフニウムであることを意味している。尚、Ｓｉ原子を含有させることで、基板とゲート絶縁膜との界面における相互拡散を防止することができる場合がある。
【００１３】
発明者らは、酸化ジルコニウム又は酸化ハフニウムを構成材料としたゲート絶縁膜のアモルファス相を安定化する手段を得るために鋭意研究を行った結果、酸化ジルコニウムにタンタル、タングステン、モリブデンを添加することが有効であることを見出した。
【００１４】
また、酸化ジルコニウムまたは酸化ハフニウムにタンタルを添加したゲート絶縁膜を用いた場合、ゲート電極の主構成材料としてタンタルシリサイドまたは窒化タンタルを用いることが、ゲート絶縁膜とゲート電極の界面での拡散を抑制する上で有効であること、酸化ジルコニウムまたは酸化ハフニウムにタングステンを添加したゲート絶縁膜を用いた場合、ゲート電極の主構成材料としてタングステンシリサイドまたは窒化タングステン用いることが、ゲート絶縁膜とゲート電極の界面での拡散を抑制する上で有効であること、酸化ジルコニウムまたは酸化ハフニウムにモリブデンを添加したゲート絶縁膜を用いた場合、ゲート電極の主構成材料としてモリブデンシリサイドまたは窒化モリブデン用いることが、ゲート絶縁膜とゲート電極の界面での拡散を抑制する上で有効であること、を見出した。
【００１５】
尚、ゲート絶縁膜にタンタル、モリブデン、又はタングステンを添加する利点は、添加によりゲート絶縁膜における準安定状態が形成されやすくなり、例えば９００℃での熱処理後においてもアモルファス状態が維持しやすくなることであると推定される。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態による半導体装置について図面を参照して説明する。まず、本発明における第１の実施の形態による半導体装置について説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態による半導体装置の主要部分の断面構造を示す図である。図１に示すように、シリコン基板１の上に拡散層２から拡散層５までが形成され、その上にゲ−ト絶縁膜６、７およびゲ−ト電極８、９が形成されることによりＭＯＳ型トランジスタが構成されている。
【００１７】
ゲート絶縁膜６、７には、微細化・高機能化の要求を満たすために、主構成材料として酸化ジルコニウムまたは酸化ハフニウムが用いられる。このゲート絶縁膜６、７は、例えば化学気相蒸着法、スパッタ法等を用いて形成される。この際、このゲート絶縁膜６、７に添加元素としてタンタルまたはタングステン或いはモリブデンを含有させることにより、安定なアモルファス状態を保つことができる。これによりリーク特性のばらつきが少なくなる。
【００１８】
また、ゲ−ト絶縁膜６、７と、ゲート電極８、９との界面での拡散を抑制し、ゲート絶縁膜の元素組成を安定に保つために、ゲート電極８、９の主構成材料としては、上記の添加元素に応じて、それぞれタンタルシリサイド、窒化タンタルまたはタングステンシリサイド、窒化タングステンあるいはモリブデンシリサイド、窒化モリブデンを用いることが好ましい。
【００１９】
ゲート電極８、９は、例えば化学気相蒸着法、スパッタ法等を用いて形成される。これらのＭＯＳトランジスタは、例えばシリコン酸化膜からなる素子分離膜１０によって分離されている。ゲート電極８、９の上部および側壁には例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜１１、１２が形成されている。ＭＯＳ型トランジスタの上部全面には、例えばＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ−Ｄｏｐｅｄ　Ｐｈｏｓｐｈｏ　Ｓｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ）膜やＳＯＧ（Ｓｐｉｎ　Ｏｎ　Ｇｌａｓｓ）膜、あるいは化学気相蒸着法やスパッタ法で形成したシリコン酸化膜や窒化膜等からなる絶縁膜１３が形成されている。
【００２０】
絶縁膜１３に形成されたコンタクトホールには拡散防止用のバリア隣接導電体膜（第一導電体膜）１４ａ、１４ｂに被覆された主導電体膜１５からなるプラグが形成され、拡散層２から５までに接続されている。このプラグを通じて、拡散防止用の隣接導電体膜１６ａ、１６ｂに被覆された主導電体膜１７からなる第一積層配線が接続されている。この積層配線は、例えば、隣接導電体膜１６ａをスパッタ法等により成膜した後、主導電体膜１７をスパッタ法等により形成し、この上に隣接導電体膜１６ｂをスパッタ法等により形成し、エッチングによって配線パターンを形成することにより得られる。
【００２１】
第一積層配線の上には、絶縁膜２１に形成されたコンタクトホールにバリア隣接導電体膜１９に被覆された主導電体膜からなるプラグ２０が形成され、上記積層配線に接続されている。このプラグ２０を介して、バリア隣接導電体膜２２ａ、２２ｂに被覆された主導電体膜２３からなる第二積層配線が接続されている。この第二の積層配線は、例えば、バリア隣接導電体膜２２ａをスパッタ法等により成膜した後、主導電体膜２３をスパッタ法等により形成し、この上にバリア隣接導電体膜２２ｂをスパッタ法等により形成してからエッチング等によって配線パターンを形成することにより得られる。
【００２２】
本実施の形態による半導体装置の利点について以下に説明する。本実施の形態による半導体装置について詳しく分析するために、分子動力学シミュレーションを行った。以下にその解析例を示す。分子動力学シミュレーションとは、例えばジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ）の第５４巻（１９８３年発行）の４８７７ページに記述されているように、原子間ポテンシャルを通して各原子に働く力を計算し、この力を基にニュートンの運動方程式を解くことによって各時刻における各原子の位置を算出する方法である。尚、本実施の形態では、上記の分子動力学法に電荷移動を取り入れて異種元素間の相互作用を計算することにより、後述の関係を求めることができた。
【００２３】
本実施の形態による半導体装置の利点は、添加元素を含有させることにより、ゲート絶縁膜のアモルファス状態が熱的に安定化されることである。アモルファス状態の安定性は、２体相関関数を計算することにより示すことができる。分子動力学法により２体相関関数を計算する方法は、例えばＣｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｉｎ　Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　（１９８９年，　Ｓｐｒｉｎｇｅｒ　Ｖｅｒｌａｇ発行）の２３ページから２５ページまでに記述されており、この手法を用いて解析を行った。また、本実施の形態による半導体装置の別の利点は、この添加元素と同じ元素を構成元素とするゲート電極材料を用いることにより、ゲート絶縁膜とゲート電極との界面における添加元素の拡散を抑制することができ、組成が安定に保たれることである。
【００２４】
そこで、添加元素の拡散係数を計算し、ゲート電極材料への依存性を解析することにより、この利点を示すことができる。分子動力学シミュレーションにより拡散係数を計算する方法は、例えばフィジカル・レビューＢ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｂ）の第２９巻（１９８４年発行）の５３６７ページから５３６９ページまでに記述されている。
【００２５】
まず、ゲート絶縁膜のアモルファス状態が安定化される効果について２体相関関数ｇ（ｒ）の計算結果を用いて説明する。２体相関関数ｇ（ｒ）を用いて、アモルファス状態か結晶状態かを区別する方法としては、例えばフィジカル・レビューＢ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｂ）の第５８巻（１９９８年発行）の４５８１ページまでに記載されているように、ｒが０．４ｎｍから０．５ｎｍまでの間の位置にｇ（ｒ）のピークがあるか否かにより判断する方法を用いた。すなわち、０．４から０．５ｎｍの位置にピークがある場合には結晶状態であり、ピークが無い場合にはアモルファス状態であると判断できる。
【００２６】
まず、添加元素を含まない場合の酸化ジルコニウム膜のｇ（ｒ）を計算した結果を、０．５ｎｍ以下のｒについて図２に示す。図２の左側の図は、Ｓｉ基板上に３００℃でジルコニウム原子と酸素原子とを堆積して成膜した酸化ジルコニウムを２０℃に冷却する分子動力学シミュレーションを実施した場合のｇ（ｒ）である。図２の右側の図は、この状態から温度を９００℃に昇温し、その後２０℃まで冷却する分子動力学シミュレーションを実施した場合のｇ（ｒ）である。図２の左側の図（熱処理前）の場合には、ｒが約０．２２ｎｍ位置の第１ピークと、ｒが約０．３６ｎｍ位置の第２ピークとが見られるのに対して、図２の右側の図では９００℃の熱処理後の場合には、ｒが約０．２２ｎｍの位置の第１ピークと、ｒが約０．３６ｎｍ位置の第２ピークとに加えて、ｒが約０．４２ｎｍの位置に第３ピークが見られる。ピークの位置は、ある原子を基準にしてその原子からどのくらい離れた位置に原子が高い確率で存在しているかを示すものである。
【００２７】
第１ピークは最近接原子、第２ピークは第２近接原子を示す。図２の左側の熱処理前の場合の図においては第３ピークが見られないのは、第３近接原子の位置がはっきりしないことを意味し、酸化ジルコニウム膜がアモルファス状態であることを示している。図２右側の９００℃における熱処理後のｇ（ｒ）においては、ｒが約０．４２ｎｍの位置に第３ピークも見られるため、より規則的に原子が配列していることを示している。すなわち、熱処理後においてはアモルファス状態ではなく結晶状態であることを示している。従って、添加元素を含まない酸化ジルコニウムについては、９００℃の熱処理によりアモルファス状態は安定ではなくなり、結晶状態となってしまうことを意味する。
【００２８】
図３に、添加元素としてタンタル１０ａｔ％を含有する場合の酸化ジルコニウム膜のｇ（ｒ）を計算した結果を、０．５ｎｍ以下のｒについて示す。図３の左側の図は、Ｓｉ基板上に３００℃においてジルコニウム原子と酸素原子とタンタルとを堆積して成膜した酸化ジルコニウムを２０℃に冷却する分子動力学シミュレーションを実施した場合のｇ（ｒ）を示す図である。図３の右側の図は、この状態から温度を９００℃に昇温し、その後２０℃まで冷却する分子動力学シミュレーションを実施した場合のｇ（ｒ）を示す図である。図２（添加元素を含まない場合）との違いは、図３（タンタルを１０ａｔ％含有する場合）においては、９００℃の熱処理後に、ｒが約０．４２ｎｍの位置に第３ピークが現れない点である。前述と同様の考え方をすると、タンタルを１０ａｔ％含有する酸化ジルコニウムは、熱処理をしても結晶化しておらず、安定なアモルファス状態であるといえる。
【００２９】
この現象のタンタル濃度依存性を明らかにするために、横軸にタンタル濃度を、縦軸に９００℃における熱処理後の（第３ピーク高さ／第２ピーク高さ）値をとり、グラフを作成した。この際、第２ピーク高さと第３ピーク高さは、図４に示すように、第２ピークと第３ピークの間の谷底からの高さとして定義した。９００℃における熱処理後の酸化ジルコニウムについて、（第３ピーク高さ／第２ピーク高さ）値の添加濃度依存性を解析した結果を図５のグラフに実線で示す。図５には、酸化ジルコニウムにタングステンまたはモリブデンを添加した場合の結果も、それぞれ破線または点線で示した。タンタル添加については、添加濃度が０から８ａｔ％までの範囲においては、（第３ピーク高さ／第２ピーク高さ）が０．２５程度の値を示すのに対して、添加濃度が８から２５ａｔ％ではゼロとなっている。このことは、タンタル添加濃度が０から８ａｔ％の範囲においては９００℃の熱処理により結晶化するのに対して、タンタル添加濃度が８から２５ａｔ％の範囲においては、９００℃の熱処理後においてもアモルファス状態が安定であることを示している。
【００３０】
図５より、タンタル添加濃度がさらに増加して２５ａｔ％を超えると、第３ピーク高さ／第２ピーク高さが０．１８程度となり、９００℃における熱処理後に結晶化してしまうことがわかる。従って、９００℃の熱処理後においてもアモルファス状態が安定にするためには、タンタル濃度を８から２５ａｔ％の間とするのが好ましい。図５の破線のデータより、タングステンを添加する場合は、９００℃の熱処理後においてもアモルファス状態が安定にするのに好ましい濃度範囲は、１０から２３ａｔ％であるといえる。また、図５の点線のデータより、モリブデンを添加する場合は、１１から２２ａｔ％が好ましい濃度範囲といえる。
【００３１】
以上説明した酸化ジルコニウムに対する解析と同様の解析を酸化ハフニウムに対して行った結果を図６に示す。図６は図５と類似したパターンを示しており、ゲート絶縁膜の主構成材料として酸化ハフニウムを用いた場合にも、タンタル添加、タングステン添加、モリブデン添加はアモルファス状態を安定化する効果があるといえる。好ましい添加濃度は、図６より、タンタル添加の場合には５から２８ａｔ％、タングステン添加の場合には７から２６ａｔ％、モリブデン添加の場合には８から２５ａｔ％である。
【００３２】
本実施の形態において、ゲート絶縁膜にタンタルを添加する場合には、ゲート絶縁膜と直接接触するゲート電極には、従来から電極として用いられている多結晶シリコンを用いても良いが、その代わりにタンタルシリサイド又は窒化タンタルを用いることがより好ましい。その理由は、添加したタンタルがゲート絶縁膜からゲート電極へ拡散してしまうと、ゲート絶縁膜のタンタルが欠乏してアモルファス状態が不安定になってしまうが、タンタルシリサイドまたは窒化タンタルをゲート絶縁膜として用いると、ゲート電極へのタンタルの拡散が抑制できるためである。タンタルがゲート絶縁膜から抜けてタンタルが欠乏すると、アモルファス状態が不安定になってしまう。
【００３３】
図７にタンタルシリサイド又は窒化タンタルを電極材料として用いた場合のタンタル拡散抑制効果を示す。Ｄ０は多結晶シリコンを電極とした場合のゲート絶縁膜中におけるタンタルの拡散係数であり、図７より、タンタルシリサイドまたは窒化タンタルをゲート絶縁膜として用いた場合には、多結晶シリコンを用いた場合に比べてタンタルの拡散係数を１００分の１から５０分の１以下に低減できることがわかる。図８及び図９に示すように、モリブデン添加やタングステン添加の場合についても同様に説明できる。すなわち、図８によれば、ゲート絶縁膜にタングステンを添加する場合には、ゲート絶縁膜と直接接触するゲート電極には、従来から電極として用いられている多結晶シリコンの代わりにタングステンシリサイドまたは窒化タングステンを用いる方が、拡散係数を５０分の１から２０分の１以下に低減できるのでより好ましい。図９によれば、ゲート絶縁膜にモリブデンを添加する場合には、ゲート絶縁膜と直接接触するゲート電極には、従来から電極として用いられている多結晶シリコンの代わりにモリブデンシリサイド又は窒化モリブデンを用いる方が、拡散係数を２０分の１から１０分の１以下まで低減できるのでより好ましい。以上の効果は、膜厚や温度等の計算条件を変えても同様に示すことができる。
【００３４】
次に、本発明における第２の実施の形態による半導体装置について図面を参照して説明する。図１０は、本実施の形態による半導体装置の主要部分の断面図である。本実施の形態による半導体装置と第１の実施の形態による半導体装置との主な違いは、ゲート絶縁膜が第１ゲート絶縁膜６ａ、７ａと、第２ゲート絶縁膜６ｂ、７ｂからなる２層構造となっている点である。第２ゲート絶縁膜６ｂ、７ｂには、微細化・高機能化の要求を満たすために、主構成材料として酸化ジルコニウムまたは酸化ハフニウムが用いられる。そして、これらのアモルファス状態を安定化させるために、本発明の第１の実施の形態による半導体装置の場合と同様に、タンタル、タングステン又はモリブデンを添加する。第１ゲート絶縁膜６ａ、７ａには、例えば酸化シリコン、ジルコニア・シリケート、ハフニウム・シリケートを主構成材料とする膜が用いられる。これによって、ゲート絶縁膜がシリコン基板１からシリコン元素を吸い上げるのを防止することができる。さらに、図には示さないが、ゲート絶縁膜が３層以上の構造を持っていてもよい。
【００３５】
次に、本発明の第３の実施の形態による半導体装置について図面を参照して説明する。図１１は、本実施の形態によるに半導体装置の主要部分の断面構造を示す図である。本実施の形態による半導体装置と第２の実施の形態による半導体装置との主な違いは、ゲート電極膜が第１ゲート電極膜８ａ、９ａと第２ゲート電極膜８ｂ、９ｂからなる２層構造となっている点である。第１ゲート電極膜８ａ、９ａの主構成材料としては、拡散が起こりにくい材料である前述したタンタルシリサイド、窒化タンタル、タングステンシリサイド、窒化タングステン、モリブデンシリサイド、窒化モリブデンを用いることがより好ましい。第２ゲート電極膜８ｂ、９ｂは、例えばタンタル、タングステン、モリブデンのような金属を主構成材料とする膜を用いて、ゲート電極全体の電気抵抗を低減することがより好ましい。この場合、第１ゲート電極膜８ａ、９ａと第２ゲート電極膜８ｂ、９ｂとの間に別の導電性膜を設けても良い。特に、第１ゲート電極膜８ａ、９ａの主構成材料としてタンタルシリサイド、タングステンシリサイド、モリブデンシリサイドを用いた場合には、第１ゲート電極膜８ａ、９ａと第２ゲート電極膜８ｂ、９ｂの相互拡散を防止するために、これらの間に窒化タンタル、窒化タングステン、窒化モリブデンによる層を設けるのがより好ましい。
【００３６】
尚、ここで説明してきた問題は、熱処理によってゲート絶縁膜が結晶化してしまうという問題であるが、熱処理温度がどれくらいの温度で結晶化してしまうかを解析した結果を図１２に示す。約５００℃から第３ピークが現れるため、この程度の温度以上での熱処理が問題になるといえる。熱処理の影響は、ゲート絶縁膜を構成する原子にエネルギーを与えることであり、例えば、レーザー等を照射する方法でエネルギーを与える製造工程が含まれる半導体装置にも、本実施の形態による技術を適用するのが好ましい。
【００３７】
以上本発明の各実施の形態による半導体装置によれば、信頼性の高い半導体装置を提供できるとともに、歩留りの高い半導体装置を提供できる。さらに、リーク特性の安定したゲート構造を有する半導体装置を提供することができ、アモルファス相が安定な高誘電率ゲート絶縁膜を有する半導体装置を提供することができる。
【００３８】
以上、実施の形態に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。その他、種々の変更、改良、組み合わせが可能なことは当業者に自明であろう。例えば、上記各実施の形態においては、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に関して説明したが、ゲート電極の材料とゲート絶縁膜とは、ＭＯＳ構造のキャパシタ素子の電極とキャパシタ絶縁膜とに適用することもできる。また、ゲート絶縁膜として上記材料を用い、ゲート電極として一般的な多結晶シリコンを用いても良い。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、信頼性の高い半導体装置を提供できる。また、歩留りの高い半導体装置を提供できる。また、リーク特性の安定したゲート構造を有する半導体装置を提供することができる。また、アモルファス相が安定な高誘電率ゲート絶縁膜を有する半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による半導体装置の主要部の断面図である。
【図２】厚さ３ｎｍの酸化ジルコニウム膜の２体相関関数を、９００℃の熱処理前後について示した図である。
【図３】タンタルを１０ａｔ％含有させた厚さ３ｎｍの酸化ジルコニウム膜の２体相関関数を、９００℃の熱処理前後について示した図である。
【図４】２体相関関数のピーク高さの定義を説明するための図である。
【図５】第３ピークの高さ／第２ピークの高さの添加濃度依存性を酸化ジルコニウム膜について示した図である。
【図６】第３ピークの高さ／第２ピークの高さの添加濃度依存性を酸化ハフニウム膜について示した図である。
【図７】９００℃におけるタンタルの拡散係数の比を、各電極材料について示した図である。
【図８】９００℃におけるタングステンの拡散係数の比を各電極材料について示した図である。
【図９】９００℃におけるモリブデンの拡散係数の比を、各電極材料について示した図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態による半導体装置の主要部の断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施の形態による半導体装置の主要部の断面図である。
【図１２】第３ピークの高さ／第２ピークの高さの熱処理温度依存性を酸化ジルコニウム膜について示した図である。
【符号の説明】
１…シリコン基板　２、３、４、５…拡散層　６、６ａ、６ｂ、７、７ａ、７ｂ…ゲート絶縁膜　８、８ａ、８ｂ、９、９ａ、９ｂ…ゲート電極　１０…素子分離膜　１１、１２、１３、１８、２１、２４、２５…絶縁膜　１４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６ｂ、１９、２２ａ、２２ｂ…バリア隣接導電体膜（プラグ）　１５、１７、２０、２３…主導電体膜。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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