(57)【要約】【課題】  ゲート電極との反応を抑制し、また、ゲート電極からの不純物の拡散を抑制することのできる、シリコン酸化膜換算膜厚の小さいゲート絶縁膜を有する半導体装置を提供する。【解決手段】  シリコン基板１上に形成されたゲート絶縁膜６と、ゲート絶縁膜６の上に形成されたゲート電極７とを有する半導体装置において、ゲート絶縁膜６が第１の絶縁膜９と、第１の絶縁膜９の上に形成された第２の絶縁膜１０と、第２の絶縁膜１０の上に形成された金属窒化膜１１とからなる。金属窒化膜１１は、ＡｌＮ膜およびＨｆ３Ｎ４膜のいずれか一方とすることができる。また、金属窒化膜１１は、２以上の金属の窒化物からなる膜とすることもできる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置において、
前記ゲート絶縁膜は第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜の上に形成された第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜の上に形成された金属窒化膜とからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記金属窒化膜はＡｌＮ膜およびＨｆ３Ｎ４膜のいずれか一方である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記金属窒化膜は２種以上の金属の窒化物からなる膜である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記金属窒化膜はＡｌおよびＨｆの窒化物からなる膜である請求項３に記載の半導体装置。
【請求項５】
シリコン基板上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置において、
前記ゲート絶縁膜は第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜の上に形成された第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜の上に形成された金属酸窒化膜とからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記金属酸窒化膜はＡｌＯＮ膜およびＨｆＯＮ膜のいずれか一方である請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記金属酸窒化膜は２種以上の金属の酸窒化物からなる膜である請求項５に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記金属酸窒化膜はＡｌおよびＨｆの酸窒化物からなる膜である請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記第１の絶縁膜は、ＳｉＯＮ膜およびＳｉＯ２膜の少なくとも一方からなる膜である請求項１〜８のいずれか１に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記第２の絶縁膜は高誘電率絶縁膜である請求項１〜９のいずれか１に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記高誘電率絶縁膜は、ＭｇＯ、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、ＥｕＯ、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２およびＡｌ２Ｏ３よりなる群から選ばれる少なくとも１種の材料からなる膜である請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１２】
前記高誘電率絶縁膜は、ＭｇＯ、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、ＥｕＯ、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２およびＡｌ２Ｏ３よりなる群から選ばれる少なくとも１種の材料からなる膜とＳｉＯ２膜との積層膜である請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１３】
前記高誘電率絶縁膜は、ＭｇＯ、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、ＥｕＯ、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２およびＡｌ２Ｏ３よりなる群から選ばれる少なくとも１種の材料にＳｉＯ２を混合した材料からなる膜である請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１４】
前記高誘電率絶縁膜は、ＭｇＯ、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、ＥｕＯ、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２およびＡｌ２Ｏ３よりなる群から選ばれる少なくとも１種の材料にＳｉＯ２を混合した材料からなる膜とＳｉＯ２膜との積層膜である請求項１０に記載の半導体装置。
【請求項１５】
シリコン基板上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置において、
前記ゲート絶縁膜はシリコンを含む酸化膜と、
前記シリコンを含む酸化膜の上に形成された金属窒化膜とからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】
シリコン基板上に形成されたゲート絶縁膜と、該ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置において、
前記ゲート絶縁膜はシリコンを含む酸化膜と、
前記シリコンを含む酸化膜の上に形成された金属酸窒化膜とからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項１７】
前記シリコンを含む酸化膜は、ＳｉＯＮ膜およびＳｉＯ２膜の少なくとも一方からなる膜である請求項１５または１６に記載の半導体装置。
【請求項１８】
前記ゲート電極は、ポリシリコンおよびポリシリコンゲルマニウムの少なくとも一方からなる請求項１〜１７のいずれか１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、より詳細には、シリコン基板上に形成されたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路装置における高集積化が大きく進展しており、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型半導体装置ではトランジスタなどの素子の微細化、高性能化が図られている。特に、ＭＯＳ構造を構成する要素の一つであるゲート絶縁膜に関しては、上記トランジスタの微細化、高速動作および低電圧化に対応すべく薄膜化が急速に進んでいる。
【０００３】
ゲート絶縁膜を構成する材料としては、従来よりＳｉＯ２膜（シリコン酸化膜）が用いられてきた。一方、ゲート電極の微細化に伴いゲート絶縁膜の薄膜化が進むと、キャリア（電子および正孔）がゲート絶縁膜を直接トンネリングすることによって生じるトンネル電流、すなわちゲートリーク電流が増大するようになる。
【０００４】
ＩＴＲＳ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｒｏａｄｍａｐ  ｆｏｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ）２００１によれば、６５ｎｍ世代と考えられている２００７年には、シリコン酸化膜換算膜厚（または、等価酸化膜厚（ＥＯＴ，ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  ｏｘｉｄｅ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ））で１．２ｎｍ〜１．６ｎｍのゲート絶縁膜が要求されている。しかしながら、ＳｉＯ２膜を用いた場合には、トンネル電流によるゲートリーク電流が許容値を超えてしまうことから、ＳｉＯ２膜に代わる新たな材料の採用が必要とされている。
【０００５】
そこで、ＳｉＯ２膜よりも誘電率の大きい材料をゲート絶縁膜として使用する研究が行われている。高誘電率の絶縁膜（以下、Ｈｉｇｈ−ｋ膜という。）は、電気的には薄いが、物理的には厚くてリーク電流の少ない膜である。
【０００６】
ところで、半導体装置の製造工程においては種々の加熱処理が行われる。例えば、イオン注入後における活性化アニール処理などである。しかしながら、このような加熱処理によって、Ｈｉｇｈ−ｋ膜と、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の上に形成されるゲート電極との界面で、シリサイド形成などの反応が起こるという問題があった。また、ゲート電極中の不純物（例えば、ＰＭＯＳにおけるＢ（ボロン）など。）が、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を通じてシリコン基板中に熱拡散するという問題もあった。さらに、ＰＭＯＳの閾値電圧（Ｖｔｈ）の絶対値が大きくなることによって、消費電力が増大するという問題もあった。このことは、Ｈｉｇｈ−ｋ膜が低電圧で動作する微細トランジスタ用に開発されている事実と相反するものとなっている。
【０００７】
上記の問題に対しては、Ｈｉｇｈ−ｋ膜としてのＨｆＯ２膜と、ゲート電極としてのポリシリコン膜との間に、膜厚５ÅのＳｉＮ膜（シリコン窒化膜）を形成することが提案されている（非特許文献１参照）。この構成によれば、ＨｆＯ２膜とポリシリコン膜との反応を抑制できるとともに、ポリシリコン膜中に含まれるＢがＨｆＯ２膜を介してシリコン基板へと拡散するのを抑制することもできる。
【０００８】
【非特許文献１】ワイ・モリサキ（Ｙ．Ｍｏｒｉｓａｋｉ）ら、「高い熱的安定性（１，０５０℃）を有する、超薄膜（Ｔｅｆｆｉｎｖ＝１．７ｎｍ）のポリシリコンゲート  ＳｉＮ／ＨｆＯ２／ＳｉＯＮ  Ｈｉｇｈ−ｋ積層絶縁物（Ｕｌｔｒａ−ｔｈｉｎ  （Ｔｅｆｆｉｎｖ＝１．７ｎｍ）  Ｐｏｌｙ−Ｓｉ−ｇａｔｅｄ  ＳｉＮ／ＨｆＯ２／ＳｉＯＮ  Ｈｉｇｈ−ｋ  Ｓｔａｃｋ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ  ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  （１，１５０℃））」、“国際電子デバイス会議（ＩＥＤＭ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｍｅｅｔｉｎｇ））”、２００２テクニカルダイジェスト（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｄｉｇｅｓｔ）、３４、４、１、ｐ．８６１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記従来例によれば、シリコン基板上に、ＳｉＯＮ膜、ＨｆＯ２膜、ＳｉＮ膜およびポリシリコン膜をこの順に形成する構成が採られる。しかしながら、この場合のＨｆＯ２膜の誘電率は２５程度であり、ＳｉＮ膜の誘電率は７．５程度である。したがって、ＨｆＯ２膜上にＳｉＮ膜を設けることによって、ゲート絶縁膜全体のシリコン酸化膜換算膜厚が増加してしまうという問題があった。
【００１０】
また、上記従来例では、ＰＭＯＳの閾値電圧の絶対値は大きいままであり、低電圧でのオン電流が小さいという問題は解決されていない。
【００１１】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、ゲート電極との反応を抑制するとともに、シリコン酸化膜換算膜厚の小さいゲート絶縁膜を有する半導体装置を提供することにある。
【００１２】
また、本発明の目的は、ゲート電極からの不純物の拡散を抑制するとともに、シリコン酸化膜換算膜厚の小さいゲート絶縁膜を有する半導体装置を提供することにある。
【００１３】
さらに、本発明の目的は、ＰＭＯＳの閾値電圧の絶対値を小さくすることのできるゲート絶縁膜を有する半導体装置を提供することにある。
【００１４】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、シリコン基板上に形成されたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置において、ゲート絶縁膜が第１の絶縁膜と、この第１の絶縁膜の上に形成された第２の絶縁膜と、この第２の絶縁膜の上に形成された金属窒化膜とからなることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明において、金属窒化膜はＡｌＮ膜およびＨｆ３Ｎ４膜のいずれか一方とすることができる。
【００１７】
また、本発明において、金属窒化膜は２種以上の金属の窒化物からなる膜とすることもできる。例えば、ＡｌおよびＨｆの窒化物からなる膜とすることができる。
【００１８】
また、本発明は、シリコン基板上に形成されたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置において、ゲート絶縁膜が第１の絶縁膜と、この第１の絶縁膜の上に形成された第２の絶縁膜と、この第２の絶縁膜の上に形成された金属酸窒化膜とからなることを特徴とするものである。
【００１９】
本発明において、金属酸窒化膜はＡｌＯＮ膜およびＨｆＯＮ膜のいずれか一方とすることができる。
【００２０】
また、本発明において、金属酸窒化膜は２種以上の金属の酸窒化物からなる膜とすることもできる。例えば、金属酸窒化膜はＡｌおよびＨｆの酸窒化物からなる膜とすることができる。
【００２１】
上記いずれの場合においても、第１の絶縁膜は、ＳｉＯＮ膜およびＳｉＯ２膜の少なくとも一方からなる膜とすることができる。また、第２の絶縁膜は高誘電率絶縁膜とすることができる。
【００２２】
ここで、高誘電率絶縁膜は、ＭｇＯ、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、ＥｕＯ、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２およびＡｌ２Ｏ３よりなる群から選ばれる少なくとも１種の材料からなる膜とすることができる。
【００２３】
また、高誘電率絶縁膜は、ＭｇＯ、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、ＥｕＯ、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２およびＡｌ２Ｏ３よりなる群から選ばれる少なくとも１種の材料からなる膜とＳｉＯ２膜との積層膜とすることもできる。
【００２４】
また、高誘電率絶縁膜は、ＭｇＯ、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、ＥｕＯ、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２およびＡｌ２Ｏ３よりなる群から選ばれる少なくとも１種の材料にＳｉＯ２を混合した材料からなる膜とすることもできる。
【００２５】
さらに、高誘電率絶縁膜は、ＭｇＯ、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、ＥｕＯ、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２およびＡｌ２Ｏ３よりなる群から選ばれる少なくとも１種の材料にＳｉＯ２を混合した材料からなる膜とＳｉＯ２膜との積層膜とすることもできる。
【００２６】
また、本発明は、シリコン基板上に形成されたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置において、ゲート絶縁膜がシリコンを含む酸化膜と、このシリコンを含む酸化膜の上に形成された金属窒化膜とからなることを特徴とするものである。
【００２７】
さらに、本発明は、シリコン基板上に形成されたゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置において、ゲート絶縁膜がシリコンを含む酸化膜と、このシリコンを含む酸化膜の上に形成された金属酸窒化膜とからなることを特徴とするものである。
【００２８】
上記いずれの場合においても、シリコンを含む酸化膜は、ＳｉＯＮ膜およびＳｉＯ２膜の少なくとも一方からなる膜とすることができる。
【００２９】
さらに、上記いずれの場合においても、ゲート電極は、ポリシリコンおよびポリシリコンゲルマニウムの少なくとも一方からなるものとすることができる。
【発明の効果】
【００３０】
この発明は以上説明したように、第２の絶縁膜とゲート電極との間に金属窒化膜を設けることによって、第２の絶縁膜とゲート電極との間で反応が起こるのを防ぐことができる。また、イオン注入後の熱処理などによって、ゲート電極中の不純物がゲート絶縁膜、さらにはシリコン基板へと拡散するのを防ぐこともできる。さらには、ＰＭＯＳの閾値電圧の絶対値を小さくすることが可能となる。
【００３１】
また、金属窒化膜を２以上の金属の窒化物からなる膜とすることによって、金属窒化物の混合比を変えて金属窒化膜の比誘電率を変化させることができる。これにより、シリコン酸化膜換算膜厚や閾値電圧などのゲート絶縁膜の特性を制御することが可能となる。
【００３２】
また、第２の絶縁膜とゲート電極との間に金属酸窒化膜を設けることによって、第２の絶縁膜とゲート電極との間で反応が起こるのを防ぐことができる。また、イオン注入後の熱処理などによって、ゲート電極中の不純物がゲート絶縁膜、さらにはシリコン基板へと拡散するのを防ぐこともできる。
【００３３】
また、金属酸窒化膜中の酸素と窒素の比率を制御することにより、金属酸窒化膜と第２の絶縁膜との間に界面準位が形成されるのを抑制することができる。
【００３４】
また、シリコンを含む酸化膜の上に金属窒化膜を形成することによって、シリコンを含む酸化膜の膜厚を厚くして、移動度の大きいゲート絶縁膜とすることができる。
【００３５】
さらに、シリコンを含む酸化膜の上に金属酸窒化膜を形成することによって、シリコンを含む酸化膜の膜厚を厚くして、移動度の大きいゲート絶縁膜とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態にかかる半導体装置の断面図の一例である。
【００３７】
図１に示すように、シリコン基板１には、拡散層２、素子分離領域３、ソース・ドレイン領域４およびエクステンション領域５が形成されている。また、シリコン基板１の上には、ゲート絶縁膜６およびゲート電極７が形成されており、さらにこれらの側壁にはサイドウォール８が形成されている。本実施の形態において、ゲート絶縁膜６は、第１の絶縁膜９と、第１の絶縁膜９の上に形成された第２の絶縁膜１０と、第２の絶縁膜１０の上に形成された金属窒化膜１１とからなる。尚、図１において、１２は層間絶縁膜、１３はコンタクト、１４は配線層である。
【００３８】
第１の絶縁膜９としては、シリコンを含む酸化膜を用いることができる。例えば、ウェット酸化によって形成された酸化物（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）、ランプアニール処理によって形成されたＲＴＯ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）膜、Ｈ２（水素）およびＯ２（酸素）若しくはＨ２およびＮ２Ｏ（一酸化二窒素）から形成された絶縁膜またはＳｉＯＮ膜（シリコン酸窒化膜）などが挙げられる。特に、膜密度が大きいことからＳｉＯＮ膜を用いることが好ましい。
【００３９】
第１の絶縁膜９は、１の酸化物のみからなる膜に限らず、２以上の酸化物が積層された膜であってもよい。例えば、ＳｉＯＮ膜とＳｉＯ２膜とからなる積層膜であってもよい。この場合、ＳｉＯＮ膜上にＳｉＯ２膜が形成されていてもよいし、ＳｉＯ２膜上にＳｉＯＮ膜が形成されていてもよい。
【００４０】
第２の絶縁膜１０としては、Ｈｉｇｈ−ｋ膜を用いることができる。具体的には、１）比誘電率が１０〜３０程度であり、２）ｐＭＯＳおよびｎＭＯＳのいずれにも使用可能であるもの、すなわち、伝導帯側および価電子帯側のバリアハイトが同じように大きい材料からなる膜であることが好ましい。
【００４１】
ＳｉＯ２膜の比誘電率は３．９程度であるので、第２の絶縁膜１０としてはこれより大きい比誘電率を有する膜を用いる。しかしながら、比誘電率が大きくなりすぎると、ゲートの周辺に電気力線が多量に漏れ、実際のゲート絶縁膜容量は殆ど増えなくなる。一方、トンネル電流によるゲートリーク電流を抑制するためには、バンドギャップの大きい材料を用いることが好ましい。しかしながら、比誘電率の大きい材料ではバンドギャップは小さくなる傾向にある。
【００４２】
以上のことから、第２の絶縁膜１０としては、ＭｇＯ、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、ＥｕＯ、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２およびＡｌ２Ｏ３よりなる群から選ばれる少なくとも１種の材料からなる膜が好ましく用いられる。すなわち、第２の絶縁膜１０は、ＭｇＯ膜、Ｓｃ２Ｏ３膜、Ｙ２Ｏ３膜、Ｌａ２Ｏ３膜、Ｐｒ２Ｏ３膜、Ｎｄ２Ｏ３膜、Ｓｍ２Ｏ３膜、ＥｕＯ膜、Ｇｄ２Ｏ３膜、Ｔｂ２Ｏ３膜、Ｄｙ２Ｏ３膜、Ｈｏ２Ｏ３膜、Ｅｒ２Ｏ３膜、Ｔｍ２Ｏ３膜、Ｌｕ２Ｏ３膜、ＺｒＯ２膜、ＨｆＯ２膜またはＡｌ２Ｏ３膜などの単層の金属酸化膜とすることができる。また、第２の絶縁膜１０は、上記の内で２種以上の金属酸化物の混晶膜または積層膜とすることもできる。
【００４３】
また、第２の絶縁膜１０は、ＭｇＯ、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、ＥｕＯ、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２およびＡｌ２Ｏ３よりなる群から選ばれる少なくとも１種の材料からなる膜とＳｉＯ２膜との積層膜であってもよい。
【００４４】
また、第２の絶縁膜１０は、金属酸化物とＳｉＯ２との混晶膜であってもよい。すなわち、第２の絶縁膜１０は、ＭｇＯ、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、ＥｕＯ、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２およびＡｌ２Ｏ３よりなる群から選ばれる少なくとも１種の材料にＳｉＯ２を混合した材料からなる膜とすることができる。
【００４５】
さらに、第２の絶縁膜１０は、ＭｇＯ、Ｓｃ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、ＥｕＯ、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｔｍ２Ｏ３、Ｌｕ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２およびＡｌ２Ｏ３よりなる群から選ばれる少なくとも１種の材料にＳｉＯ２を混合した材料からなる膜とＳｉＯ２膜との積層膜であってもよい。
【００４６】
金属窒化膜１１は、１の金属の窒化物からなる膜とすることができる。例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）膜またはＨｆ３Ｎ４（窒化ハフニウム）膜などを用いることができる。
【００４７】
本実施の形態は、第２の絶縁膜１０とゲート電極７との間に金属窒化膜１１を設けることによって、第２の絶縁膜１０とゲート電極７とが反応するのを防ぐことができる。また、ゲート電極７中の不純物が第２の絶縁膜１０を通じて、第１の絶縁膜９、さらにはシリコン基板１へと拡散して行くのを防ぐこともできる。
【００４８】
また、金属窒化膜の比誘電率はＳｉＮ膜の比誘電率よりも大きい。例えば、ＳｉＮ膜の比誘電率が７．５程度であるのに対して、ＡｌＮ膜では比誘電率は１１程度である。したがって、本実施の形態によれば、ＳｉＮ膜をＨｉｇｈ−ｋ膜とゲート電極との間に設けた場合に比較して、ゲート絶縁膜全体のシリコン酸化膜換算膜厚を小さくすることができる。
【００４９】
第１の絶縁膜９の膜厚は、０．５ｎｍ〜１．０ｎｍ（シリコン酸化膜換算膜厚で０．５ｎｍ〜１．０ｎｍ）であることが好ましい。一方、第２の絶縁膜１０の膜厚は、使用する膜の比誘電率によって異なるが、例えば、ＨｆＯ２膜（比誘電率２５程度）の場合には５ｎｍ以下（シリコン酸化膜換算膜厚で０．８ｎｍ以下）であることが好ましく、ＨｆＡｌＯｘ膜またはＨｆＳｉＯｘ膜（比誘電率１５程度）の場合には３ｎｍ以下（シリコン酸化膜換算膜厚で０．８ｎｍ以下）であることが好ましい。さらに、金属窒化膜１１の膜厚は、０．３ｎｍ〜１．０ｎｍ（シリコン酸化膜換算膜厚で０．１ｎｍ〜０．４ｎｍ）であることが好ましい。ここで、ゲート絶縁膜６全体のシリコン酸化膜換算膜厚は、１．２ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲内にあるようにする。
【００５０】
例えば、第１の絶縁膜９としてＳｉＯＮ膜とＳｉＯ２膜との積層膜を用い、第２の絶縁膜１０としてＨｆＡｌＯｘ膜を用い、金属窒化膜１１としてＡｌＮ膜を用いる。第１の絶縁膜９の膜厚を０．７ｎｍ（シリコン酸化膜換算膜厚で０．７ｎｍ）、第２の絶縁膜１０の膜厚を１．５ｎｍ（シリコン酸化膜換算膜厚で０．４ｎｍ）、金属窒化膜１１の膜厚を０．５ｎｍ（シリコン酸化膜換算膜厚で０．２ｎｍ）とすることにより、全体で１．３ｎｍのシリコン酸化膜換算膜厚を有するゲート絶縁膜６を形成することができる。
【００５１】
図２〜図１０を用いて、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。尚、これらの図において、図１と同じ符号を付した部分は同じ部分であることを示している。
【００５２】
まず、図２に示すように、シリコン基板１の所定領域にシリコン酸化膜を埋め込み、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ  Ｔｒｅｎｃｈ  Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）構造の素子分離領域３を形成する。
【００５３】
次に、フォトリソグラフィ法を用いて、シリコン基板１に拡散層２を形成する（図２）。例えば、所定領域にレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、シリコン基板１内にＮ型またはＰ型の不純物を注入する。その後、熱処理により不純物を拡散させることによって、Ｎ型拡散層またはＰ型拡散層を形成することができる。
【００５４】
次に、図３に示すように、シリコン基板１の表面に第１の絶縁膜９、第２の絶縁膜１０を順に形成する。第２の絶縁膜１０の形成は、例えば、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法またはスパッタリング法などによって行うことができる。特に、ＡＬＤ法は、膜厚および組成が極めて均質な膜を成長させることができ、原子層レベルでの材料設計が容易であることから好ましく用いることができる。
【００５５】
第２の絶縁膜１０を形成した後は、ＰＤＡ（Ｐｏｓｔ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ、高温熱処理）を施すことによって、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の改質処理を行うことが好ましい。例えば、第２の絶縁膜１０としてＨｆＯ２膜を用いた場合には、微量のＯ２を添加したＮ２雰囲気中で８００℃、５秒間程度の加熱処理を行う。これにより、ＨｆＯ２膜中の不純物に起因する水素の量を１０分の１程度にまで減少させることができる。また、一般に、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の表面には不純物としてのＣ（炭素）が吸着され易い。しかし、ＰＤＡを施すことによって、こうした不純物も除去することができる。
【００５６】
次に、第２の絶縁膜１０の上に金属窒化膜１１を形成して図３の構造とする。
【００５７】
例えば、金属窒化膜１１としてＡｌＮ膜を用い、これをＡＬＤ法によって形成する場合には次のようにして行うことができる。まず、第２の絶縁膜１０の表面に、原料ガスとしてのＡｌ（ＣＨ３）３（トリメチルアルミニウム）と不活性ガスを供給する（第１の工程）。次に、原料ガスの供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＡｌ（ＣＨ３）３および副生成物を除去する（第２の工程）。続いて、ＮＨ３（アンモニア）と不活性ガスを供給する（第３の工程）。最後に、ＮＨ３の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導入し、余剰のＮＨ３および副生成物を除去する（第４の工程）。以上の４つの素工程を繰り返すことによって、１分子層単位でＡｌＮ膜を成膜していくことができる。したがって、反応サイクル数を制御することにより、所望の膜厚のＡｌＮ膜を形成することができる。
【００５８】
また、ＡｌＮ膜は、シリコン基板１の表面温度を４２０℃程度に維持した状態で、原料の熱分解反応によって形成してもよい。また、シリコン基板１の表面温度を３００℃程度に維持した状態でＮＨ３ガスを間欠的に供給する際、プラズマを発生させて励起種（ＮＨ、ＮＨ２、ＮＨ３などのラジカル）を生成し、これをＡｌと反応させることによって形成してもよい。
【００５９】
金属窒化膜１１としてＨｆ３Ｎ４膜を用いた場合にも上記と同様にして形成することができる。この場合、Ｈｆ（ハフニウム）の原料としては、例えば、ＨｆＣｌ４（ハフニウムテトラクロライド）、Ｈｆ［ＯＣ（ＣＨ３）２ＣＨ２ＯＣＨ３］４（テトラキス（１−メトキシ−２−メチル−２−プロポキシ）ハフニウム）、Ｈｆ［ＯＣ（ＣＨ３）３］４（テトラ−ｔ−ブトキシハフニウム）、Ｈｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４（テトラキス（ジメチルアミノ）ハフニウム）、Ｈｆ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２］４（テトラキス（ジエチルアミノ）ハフニウム）、Ｈｆ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５）（ＣＨ３）］４（テトラキス（エチルメチルアミノ）ハフニウム）、Ｈｆ（ＮＯ３）４（ハフニウムナイトレート）、Ｈｆ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）４（テトラキス（ジピバロイルメタナト）ハフニウム）などを挙げることができる。
【００６０】
尚、第２の絶縁膜１０と金属窒化膜１１とは、それぞれ同一のチャンバ内で成膜してもよいし、異なるチャンバ内で成膜してもよい。異なるチャンバ内で成膜する場合には、第２の絶縁膜１０を形成するチャンバから真空を破らない状態で、金属窒化膜１１を形成するチャンバへと基板を移すことが好ましい。基板を大気に曝さないようにすることによって、カーボンなどの異物や水などが基板に付着するのを防ぐことができる。
【００６１】
金属窒化膜１１を形成した後は、この上に、ゲート電極材料としてのポリシリコン膜１５を形成する。ポリシリコン膜１５は、例えばＣＶＤ法によって形成することができる。
【００６２】
ポリシリコン膜１５を形成した後は、この上に、ハードマスク材料としてのＳｉＯ２膜１６を形成する（図４）。
【００６３】
ＳｉＯ２膜１６を形成した後は、この上に反射防止膜（図示せず）を形成してもよい。反射防止膜は、次に形成するレジスト膜をパターニングする際に、レジスト膜を透過した露光光を吸収することによって、レジスト膜と反射防止膜との界面における露光光の反射をなくす役割を果たす。反射防止膜としては有機物を主成分とする膜を用いることができ、例えば、スピンコート法などによって形成することができる。
【００６４】
次に、ＳｉＯ２膜１６の上にレジスト膜（図示せず）を形成し、フォトリソグラフィ法によって所望の線幅を有するレジストパターン１７を形成し、図５の構造とする。
【００６５】
次に、レジストパターン１７をマスクとしてＳｉＯ２膜１６をドライエッチングする。その後、不要となったレジストパターン１７を除去することによって、図６に示すように、ハードマスクとしてのＳｉＯ２膜パターン１８を形成することができる。
【００６６】
次に、ＳｉＯ２膜パターン１８をマスクとして、ポリシリコン膜１５のドライエッチングを行う。エッチングガスとしては、例えば、ＢＣｌ３、Ｃｌ２、ＨＢｒ、ＣＦ４、Ｏ２、Ａｒ、Ｎ２およびＨｅよりなる群から選ばれる少なくとも１種のガスを用いることができる。
【００６７】
図７は、ポリシリコン膜１５をドライエッチングした後の状態を示したものである。図に示すように、ポリシリコン膜１５のドライエッチングによってゲート電極７が形成される。
【００６８】
次に、ＳｉＯ２膜パターン１８をマスクとして、金属窒化膜１１、第２の絶縁膜１０および第１の絶縁膜９をエッチングする。これにより、図８に示す構造が得られる。図において、パターニング後の第１の絶縁膜９、第２の絶縁膜１０および金属窒化膜１１はゲート絶縁膜６を構成する。
【００６９】
次に、ゲート電極７をマスクとしてシリコン基板１内の拡散層２に不純物をイオン注入した後、熱処理による活性化を行うことによってエクステンション領域５を形成する。
【００７０】
次に、公知の方法に従ってサイドウォール８の形成を行い、図９に示す構造とする。この際、サイドウォール８は、ゲート電極７およびゲート絶縁膜６の側壁に形成されるようにする。
【００７１】
次に、シリコン基板１内の拡散層２に不純物をイオン注入する。続いて、熱処理による活性化を行うことによって、ソース・ドレイン領域４を形成することができる（図１０）。その後、層間絶縁膜１０、コンタクト１１および配線１２を形成することによって、図１に示す構造を得ることができる。
【００７２】
本実施の形態によれば、Ｈｉｇｈ−ｋ膜としての第２の絶縁膜とゲート電極との間に金属窒化膜を設けることによって、Ｈｉｇｈ−ｋ膜とゲート電極との間でシリサイド化などを始めとする好ましくない反応が起こるのを防ぐことができる。また、イオン注入後の熱処理などによって、ゲート電極中の不純物がゲート絶縁膜、さらにはシリコン基板へと拡散するのを防ぐこともできる。したがって、ゲート絶縁膜の特性低下を防止して、電気的特性および信頼性に優れた半導体装置を製造することができる。
【００７３】
１つの例として、シリコン基板上に膜厚０．８ｎｍのＳｉＯ２膜を形成し、この上にＡＬＤ法によって膜厚２．５ｎｍのＨｆＯ２膜を形成した。続いて、ＰＤＡ処理を施した後、ＨｆＯ２膜上にＡＬＤ法によって膜厚０．５ｎｍのＡｌＮ膜を形成した。次に、膜厚１５０ｎｍのポリシリコン膜からなるゲート電極を形成した後、このゲート電極をマスクとしてシリコン基板内にＢ＋をイオン注入した。この際の注入エネルギーは５ｋｅＶ、注入量は３×１０１５ｃｍ−２であった。その後、Ｎ２雰囲気中において、１，０５０℃で１秒間の熱処理を行い活性化した。
【００７４】
上記の例について、Ｂａｃｋ−ｓｉｄｅ  ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、二次イオン質量分析）によって、ＨｆＯ２膜、ＳｉＯ２膜およびシリコン基板の各界面を分析したところ、Ｂは全く検出されなかった。また、シリコン酸化膜換算膜厚の増加などの特性低下も見られず、６５ｎｍ世代以降のＭＯＳトランジスタとして十分なゲート絶縁膜容量を有していた。さらには、ＰＭＯＳの閾値電圧を測定したところ、Ｖｔｈ＝−０．３Ｖ〜０Ｖ程度であった。
【００７５】
比較例として、シリコン基板上に膜厚０．８ｎｍのＳｉＯ２膜を形成し、この上にＡＬＤ法によって膜厚２．５ｎｍのＨｆＯ２膜を形成した。続いて、ＰＤＡ処理を施した後、膜厚１５０ｎｍのポリシリコン膜からなるゲート電極を形成した。その後、このゲート電極をマスクとしてシリコン基板内にＢ＋をイオン注入した。この際の注入エネルギーは５ｋｅＶ、注入量は３×１０１５ｃｍ−２であった。その後、Ｎ２雰囲気中において、１，０５０℃で１秒間の熱処理を行い活性化した。
【００７６】
上記の比較例について、Ｂｓｃｋ−ｓｉｄｅ  ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、二次イオン質量分析）によって、ＨｆＯ２膜、ＳｉＯ２膜およびシリコン基板の各界面を分析したところ、全体で１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の濃度のＢが検出された。また、ＰＭＯＳの閾値電圧を測定したところ、Ｖｔｈ＝−１．０Ｖ〜−０．７Ｖ程度であった。
【００７７】
実施の形態２．
図１１は、本実施の形態にかかる半導体装置の断面図の一例である。
【００７８】
図１１に示すように、シリコン基板２１には、拡散層２２、素子分離領域２３、ソース・ドレイン領域２４およびエクステンション領域２５が形成されている。また、シリコン基板２１の上には、ゲート絶縁膜２６およびゲート電極２７が形成されており、さらにこれらの側壁にはサイドウォール２８が形成されている。また、ゲート絶縁膜２６は、第１の絶縁膜２９と、第１の絶縁膜２９の上に形成された第２の絶縁膜３０と、第２の絶縁膜３０の上に形成された金属窒化膜３１とからなる。尚、図１１において、３２は層間絶縁膜、３３はコンタクト、３４は配線層である。
【００７９】
本実施の形態においては、金属窒化膜３１が２以上の金属の窒化物からなる混合膜であることを特徴とする。例えば、ＡｌＮ膜とＨｆ３Ｎ４膜との混合膜である、Ａｌ、ＨｆおよびＮからなる膜を用いることもできる。
【００８０】
第１の絶縁膜２９および第２の絶縁膜３０は、実施の形態１と同様のものを用いることができる。
【００８１】
第１の絶縁膜２９の膜厚は、０．５ｎｍ〜１．０ｎｍ（シリコン酸化膜換算膜厚で０．５ｎｍ〜１．０ｎｍ）であることが好ましい。一方、第２の絶縁膜３０の膜厚は、使用する膜の比誘電率によって異なるが、例えば、ＨｆＯ２膜（比誘電率２５程度）の場合には５ｎｍ以下（シリコン酸化膜換算膜厚で０．８ｎｍ以下）であることが好ましく、ＨｆＡｌＯｘ膜またはＨｆＳｉＯｘ膜（比誘電率１５程度）の場合には３ｎｍ以下（シリコン酸化膜換算膜厚で０．８ｎｍ以下）であることが好ましい。さらに、金属窒化膜３１の膜厚は、０．３ｎｍ〜１．０ｎｍ（シリコン酸化膜換算膜厚で０．１ｎｍ〜０．４ｎｍ）であることが好ましい。ここで、ゲート絶縁膜２６全体のシリコン酸化膜換算膜厚は、１．２ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲内にあるようにする。
【００８２】
図１２〜図１４を用いて、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。尚、これらの図において、図１１と同じ符号を付した部分は同じ部分であることを示している。
【００８３】
まず、実施の形態１で説明した図２および図３に示す方法に従って、シリコン基板２１に素子分離領域２３および拡散層２２を形成した後、この上に第１の絶縁膜２９および第２の絶縁膜３０を形成して図１２の構造とする。
【００８４】
次に、第２の絶縁膜３０の上に金属窒化膜３１を形成し、図１３に示す構造とする。例えば、金属窒化膜３１としてＡｌＮとＨｆ３Ｎ４とからなる混合膜を用い、これをＡＬＤ法によって形成する場合には次のようにして行うことができる。
【００８５】
まず、第２の絶縁膜３０の表面に、原料ガスとしてのＡｌ（ＣＨ３）３（トリメチルアルミニウム）と不活性ガスを供給する（第１の工程）。次に、原料ガスの供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＡｌ（ＣＨ３）３および副生成物を除去する（第２の工程）。続いて、ＮＨ３（アンモニア）と不活性ガスを供給する（第３の工程）。最後に、ＮＨ３の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導入し、余剰のＮＨ３および副生成物を除去する（第４の工程）。以上の４つの素工程を複数回繰り返すことによって、所望の膜厚を有するＡｌＮ膜を成膜する。
【００８６】
次に、Ｈｆ３Ｎ４膜の形成工程に移る。まず、上で形成されたＡｌＮ膜の表面に、原料ガスとしてのＨｆＣｌ４（ハフニウムテトラクロライド）と不活性ガスを供給する（第１の工程）。次に、原料ガスの供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＨｆＣｌ４および副生成物を除去する（第２の工程）。続いて、ＮＨ３（アンモニア）と不活性ガスを供給する（第３の工程）。最後に、ＮＨ３の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導入し、余剰のＮＨ３および副生成物を除去する（第４の工程）。以上の４つの素工程を複数回繰り返すことによって、所望の膜厚を有するＨｆ３Ｎ４膜を成膜する。
【００８７】
上記の混合膜の形成は、Ｈｆ３Ｎ４膜を形成した後にＡｌＮ膜を形成することによって行ってもよい。
【００８８】
また、混合膜の形成は、ＡｌＮ膜の形成とＨｆ３Ｎ４膜の形成とを交互に繰り返すことによって行ってもよい。例えば、上記のＡｌＮ膜形成のための反応サイクルをｎ１回行った後、Ｈｆ３Ｎ４膜形成のための反応サイクルをｎ２回行う。そして、このＡｌＮ膜の反応サイクルｎ１回とＨｆ３Ｎ４膜の反応サイクルｎ２回を１つのサイクルとし、全体でＮ回のサイクルを繰り返して行うことによって混合膜を形成してもよい。尚、Ｈｆ３Ｎ４膜の反応サイクルをｎ２回行った後にＡｌＮ膜の反応サイクルをｎ１回行い、これをＮ回繰り返すことによって混合膜を形成してもよい。
【００８９】
また、上記の混合膜は、シリコン基板２１の表面温度を４２０℃程度に維持した状態で原料を熱分解することにより形成してもよい。さらに、シリコン基板２１の表面温度を３００℃程度に維持した状態でＮＨ３ガスを間欠的に供給する際、プラズマを発生させて励起種（ＮＨ、ＮＨ２、ＮＨ３などのラジカル）を生成し、これをＡｌおよびＨｆと反応させることによって形成してもよい。
【００９０】
尚、Ｈｆ３Ｎ４膜の原料としては、ＨｆＣｌ４以外に、Ｈｆ［ＯＣ（ＣＨ３）２ＣＨ２ＯＣＨ３］４（テトラキス（１−メトキシ−２−メチル−２−プロポキシ）ハフニウム）、Ｈｆ［ＯＣ（ＣＨ３）３］４（テトラ−ｔ−ブトキシハフニウム）、Ｈｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４（テトラキス（ジメチルアミノ）ハフニウム）、Ｈｆ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２］４（テトラキス（ジエチルアミノ）ハフニウム）、Ｈｆ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５）（ＣＨ３）］４（テトラキス（エチルメチルアミノ）ハフニウム）、Ｈｆ（ＮＯ３）４（ハフニウムナイトレート）、Ｈｆ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）４（テトラキス（ジピバロイルメタナト）ハフニウム）などを用いてもよい。
【００９１】
第２の絶縁膜３０と金属窒化膜３１とは、それぞれ同一のチャンバ内で成膜してもよいし、異なるチャンバ内で成膜してもよい。異なるチャンバ内で成膜する場合には、第２の絶縁膜３０を形成するチャンバから真空を破らない状態で、金属窒化膜３１を形成するチャンバへと基板を移すことが好ましい。基板を大気に曝さないようにすることによって、ゴミなどの異物や水などが基板に付着するのを防ぐことができる。
【００９２】
金属窒化膜３１を形成した後は、実施の形態１で説明した図４〜図１０に示す方法に従って、ゲート電極２７、ゲート絶縁膜２６、エクステンション領域２５、サイドウォール２８およびソース・ドレイン領域２４を形成し、図１４に示す構造とする。その後、層間絶縁膜３２、コンタクト３３および配線３４を形成することによって、図１１に示す構造を得ることができる。
【００９３】
本実施の形態によれば、Ｈｉｇｈ−ｋ膜としての第２の絶縁膜とゲート電極との間に、２以上の金属窒化物からなる混合膜を設けることによって、Ｈｉｇｈ−ｋ膜とゲート電極との間でシリサイド化反応などが起こるのを防ぐことができる。また、イオン注入後の熱処理などによって、ゲート電極中の不純物がゲート絶縁膜、さらにはシリコン基板へと拡散するのを防ぐこともできる。また、ＰＭＯＳの閾値電圧の絶対値を小さくすることもできる。したがって、ゲート絶縁膜の特性低下を防止して、電気的特性および信頼性に優れた半導体装置を製造することができる。
【００９４】
また、本実施の形態によれば、混合膜を構成する金属窒化物の混合比を変えることによって、金属窒化膜の比誘電率などを変化させることができる。すなわち、金属窒化物の混合比を変えることにより、シリコン酸化膜換算膜厚や閾値電圧などのゲート絶縁膜の特性を制御することが可能となる。
【００９５】
実施の形態３．
図１５は、本実施の形態にかかる半導体装置の断面図の一例である。
【００９６】
図１５に示すように、シリコン基板４１には、拡散層４２、素子分離領域４３、ソース・ドレイン領域４４およびエクステンション領域４５が形成されている。また、シリコン基板４１の上には、ゲート絶縁膜４６およびゲート電極４７が形成されており、さらにこれらの側壁にはサイドウォール４８が形成されている。本実施の形態においては、ゲート絶縁膜４６は、第１の絶縁膜４９と、第１の絶縁膜４９の上に形成された第２の絶縁膜５０と、第２の絶縁膜５０の上に形成された金属酸窒化膜５１とからなることを特徴とする。尚、図１５において、５２は層間絶縁膜、５３はコンタクト、５４は配線層である。
【００９７】
第１の絶縁膜４９および第２の絶縁膜５０は、実施の形態１と同様のものを用いることができる。
【００９８】
金属酸窒化膜５１としては、例えば、ＡｌＯＮ膜（酸窒化アルミニウム膜）またはＨｆＯＮ膜（酸窒化ハフニウム膜）などを用いることができる。
【００９９】
第１の絶縁膜４９の膜厚は、０．５ｎｍ〜１．０ｎｍ（シリコン酸化膜換算膜厚で０．５ｎｍ〜１．０ｎｍ）であることが好ましい。一方、第２の絶縁膜５０の膜厚は、使用する膜の比誘電率によって異なるが、例えば、ＨｆＯ２膜（比誘電率２５程度）の場合には５ｎｍ以下（シリコン酸化膜換算膜厚で０．８ｎｍ以下）であることが好ましく、ＨｆＡｌＯｘ膜またはＨｆＳｉＯｘ膜（比誘電率１５程度）の場合には３ｎｍ以下（シリコン酸化膜換算膜厚で０．８ｎｍ以下）であることが好ましい。さらに、金属酸窒化膜５１の膜厚は、０．３ｎｍ〜１．０ｎｍ（シリコン酸化膜換算膜厚で０．１ｎｍ〜０．４ｎｍ）であることが好ましい。ここで、ゲート絶縁膜４６全体のシリコン酸化膜換算膜厚は、１．２ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲内にあるようにする。
【０１００】
図１６〜図１８を用いて、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。尚、これらの図において、図１５と同じ符号を付した部分は同じ部分であることを示している。
【０１０１】
まず、実施の形態１で説明した図２および図３に示す方法に従って、シリコン基板４１に素子分離領域４３および拡散層４２を形成した後、この上に第１の絶縁膜４９および第２の絶縁膜５０を形成して図１６の構造とする。
【０１０２】
次に、第２の絶縁膜５０の上に金属酸窒化膜５１を形成し、図１７に示す構造とする。例えば、金属酸窒化膜５１としてＡｌＯＮ膜を用い、これをＡＬＤ法によって形成する場合には次のようにして行うことができる。
【０１０３】
まず、第２の絶縁膜５０の表面に、原料ガスとしてのＡｌ（ＣＨ３）３（トリメチルアルミニウム）と不活性ガスを供給する（第１の工程）。次に、原料ガスの供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＡｌ（ＣＨ３）３および副生成物を除去する（第２の工程）。続いて、ＮＨ３（アンモニア）と不活性ガスを供給する（第３の工程）。最後に、ＮＨ３の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導入し、余剰のＮＨ３および副生成物を除去する（第４の工程）。以上の４つの素工程を複数回繰り返すことによって、所望の膜厚を有するＡｌＮ膜を成膜する。
【０１０４】
次に、微量の酸素を添加したＮ２ガス雰囲気中でＰＤＡ処理を施す。これにより、Ｈｉｇｈ−ｋ膜としての第２の絶縁膜５０の改質を図ることができるとともに、ＡｌＮ膜を酸化してＡｌＯＮ膜とすることができる。すなわち、低温で成膜したＡｌＮ膜に加熱処理を行うことによって、緻密なＡｌＮ膜またはＡｌＯＮ膜を形成することができる。ＡｌＮ膜を緻密化することによって、電気的および物理的により薄い膜であってもＢ（ボロン）などの不純物の突き抜けを抑制できるため、シリコン酸化膜換算膜厚の小さい高性能なトランジスタの実現が可能となる。
【０１０５】
また、金属酸窒化膜５１としてＨｆＯＮ膜を用いる場合にも同様にして形成することができる。すなわち、第２の絶縁膜５０の表面に、原料ガスとしてのＨｆＣｌ４（ハフニウムテトラクロライド）と不活性ガスを供給する（第１の工程）。次に、原料ガスの供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＨｆＣｌ４および副生成物を除去する（第２の工程）。続いて、ＮＨ３（アンモニア）と不活性ガスを供給する（第３の工程）。最後に、ＮＨ３の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導入し、余剰のＮＨ３および副生成物を除去する（第４の工程）。以上の４つの素工程を複数回繰り返すことによって、所望の膜厚を有するＨｆ３Ｎ４膜を成膜する。その後、微量の酸素を添加したＮ２ガス雰囲気中でＰＤＡ処理を施す。これにより、Ｈｉｇｈ−ｋ膜としての第２の絶縁膜５０の改質を図ることができるとともに、Ｈｆ３Ｎ４膜を酸化してＨｆＯＮ膜とすることができる。
【０１０６】
また、金属酸窒化膜５１の形成は次の方法によって行うこともできる。
【０１０７】
例えば、金属酸窒化膜５１としてＡｌＯＮ膜を用いる場合には、まず、第２の絶縁膜５０の表面に、原料ガスとしてのＡｌ（ＣＨ３）３と不活性ガスを供給する（第１の工程）。次に、原料ガスの供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＡｌ（ＣＨ３）３および副生成物を除去する（第２の工程）。続いて、ＮＨ３と不活性ガスを供給する（第３の工程）。次に、ＮＨ３の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導入し、余剰のＮＨ３および副生成物を除去する（第４の工程）。次に、酸化剤と不活性ガスを供給する（第５の工程）。最後に、酸化剤の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰の酸化剤および副生成物を除去する（第６の工程）。以上の６つの素工程を複数回繰り返すことによって、所望の膜厚を有するＡｌＯＮ膜を成膜することができる。Ａｌ（ＣＨ３）３の代わりにＨｆＣｌ４を原料に用い、同様の工程を繰り返すことによって、ＨｆＯＮ膜を形成することもできる。
【０１０８】
また、第２の絶縁膜５０の表面に、原料ガスとしてのＡｌ（ＣＨ３）３と不活性ガスを供給する（第１の工程）。次に、原料ガスの供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＡｌ（ＣＨ３）３および副生成物を除去する（第２の工程）。続いて、酸化剤と不活性ガスを供給する（第３の工程）。次に、酸化剤の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰の酸化剤および副生成物を除去する（第４の工程）。次に、ＮＨ３と不活性ガスを供給する（第５の工程）。最後に、ＮＨ３の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導入し、余剰のＮＨ３および副生成物を除去する（第６の工程）。以上の６つの素工程を複数回繰り返すことによって、所望の膜厚を有するＡｌＯＮ膜を成膜することができる。Ａｌ（ＣＨ３）３の代わりにＨｆＣｌ４を原料に用い、同様の工程を繰り返すことによって、ＨｆＯＮ膜を形成することもできる。
【０１０９】
また、第２の絶縁膜５０の表面に、原料ガスとしてのＡｌ（ＣＨ３）３と不活性ガスを供給する（第１の工程）。次に、原料ガスの供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＡｌ（ＣＨ３）３および副生成物を除去する（第２の工程）。続いて、ＮＨ３と不活性ガスを供給する（第３の工程）。最後に、ＮＨ３の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導入し、余剰のＮＨ３および副生成物を除去する（第４の工程）。以上の４つの素工程を複数回繰り返すことによってＡｌＮ膜を形成した後、Ａｌ２Ｏ３膜の形成工程を行う。まず、上記のＡｌＮ膜の表面に、原料ガスとしてのＡｌ（ＣＨ３）３と不活性ガスを供給する（第１の工程）。次に、原料ガスの供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＡｌ（ＣＨ３）３および副生成物を除去する（第２の工程）。続いて、酸化剤と不活性ガスを供給する（第３の工程）。最後に、酸化剤の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰の酸化剤および副生成物を除去する（第４の工程）。以上の４つの素工程を複数回繰り返すことによってＡｌ２Ｏ３膜を形成する。その後、上記のＡｌＮ膜形成工程およびＡｌ２Ｏ３膜形成工程をそれぞれ所定回数繰り返すことによって、所望の膜厚を有するＡｌＯＮ膜を成膜することができる。Ａｌ（ＣＨ３）３の代わりにＨｆＣｌ４を原料に用い、同様の工程を繰り返すことによって、ＨｆＯＮ膜を形成することもできる。
【０１１０】
さらには、第２の絶縁膜５０の表面に、原料ガスとしてのＡｌ（ＣＨ３）３と不活性ガスを供給する（第１の工程）。次に、原料ガスの供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＡｌ（ＣＨ３）３および副生成物を除去する（第２の工程）。続いて、ＮＨ３と不活性ガスを供給する（第３の工程）。最後に、ＮＨ３の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導入し、余剰のＮＨ３および副生成物を除去する（第４の工程）。以上の４つの素工程をｎ１回繰り返すことによってＡｌＮ膜を形成する。次に、Ａｌ２Ｏ３膜の形成工程を行う。まず、上記のＡｌＮ膜の表面に、原料ガスとしてのＡｌ（ＣＨ３）３と不活性ガスを供給する（第１の工程）。次に、原料ガスの供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＡｌ（ＣＨ３）３および副生成物を除去する（第２の工程）。続いて、酸化剤と不活性ガスを供給する（第３の工程）。最後に、酸化剤の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰の酸化剤および副生成物を除去する（第４の工程）。以上の４つの素工程をｎ２回繰り返すことによってＡｌ２Ｏ３膜を形成する。そして、上記のＡｌＮ膜の反応サイクルｎ１回とＡｌ２Ｏ３膜の反応サイクルｎ２回を１つのサイクルとし、全体でＮ回のサイクルを繰り返して行うことによって、所望の膜厚を有するＡｌＯＮ膜を形成することができる。尚、Ａｌ（ＣＨ３）３の代わりにＨｆＣｌ４を原料に用い、同様の工程を繰り返すことによって、ＨｆＯＮ膜を形成することもできる。
【０１１１】
上記の工程において使用される酸化剤としては、例えば、Ｈ２Ｏ（水蒸気）、Ｏ２（酸素）またはＯ３（オゾン）などを挙げることができる。また、プラズマにより活性化させたＯ２（酸素）を用いてもよい。
【０１１２】
また、本実施の形態においては、金属酸窒化膜５１は２以上の金属の酸窒化膜であってもよい。
【０１１３】
例えば、金属酸窒化膜５１として、Ａｌ、Ｈｆ、ＮおよびＯからなる膜を用いることができる。具体的には、まず、実施の形態２で説明した方法に従ってＡｌＮ膜とＨｆ３Ｎ４膜との混合膜を形成する。次に、微量の酸素を添加したＮ２ガス雰囲気中でＰＤＡ処理を施す。これにより、Ａｌ、Ｈｆ、ＮおよびＯからなる金属酸窒化膜を形成することができる。
【０１１４】
上記の金属酸窒化膜５１は、次の方法によって形成することもできる。まず、第２の絶縁膜５０の表面に、原料ガスとしてのＡｌ（ＣＨ３）３と不活性ガスを供給する（第１の工程）。次に、原料ガスの供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＡｌ（ＣＨ３）３および副生成物を除去する（第２の工程）。続いて、ＮＨ３と不活性ガスを供給する（第３の工程）。次に、ＮＨ３の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導入し、余剰のＮＨ３および副生成物を除去する（第４の工程）。その後、酸化剤と不活性ガスを供給した後（第５の工程）、酸化剤の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰の酸化剤および副生成物を除去する（第６の工程）。次に、原料ガスとしてのＨｆＣｌ４と不活性ガスを供給する（第７の工程）。そして、原料ガスの供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＨｆＣｌ４および副生成物を除去する（第８の工程）。続いて、ＮＨ３と不活性ガスを供給する（第９の工程）。次に、ＮＨ３の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導入し、余剰のＮＨ３および副生成物を除去する（第１０の工程）。その後、酸化剤と不活性ガスを供給してから（第１１の工程）、酸化剤の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰の酸化剤および副生成物を除去する（第１２の工程）。以上の１２の素工程を複数回繰り返すことによって、Ａｌ、Ｈｆ、ＮおよびＯからなる金属酸窒化膜５１を形成することができる。尚、この場合、第１の工程のＡｌ（ＣＨ３）３をＨｆＣｌ４を代え、第７の工程のＨｆＣｌ４をＡｌ（ＣＨ３）３に代えてもよい。
【０１１５】
また、上記の第１の工程から第６の工程までをｎ１回行い、第７の工程から第１２の工程までをｎ２回行う。そして、このＡｌＯＮ膜（または、ＨｆＯＮ膜）の反応サイクルｎ１回と、ＨｆＯＮ膜（または、ＡｉＯＮ膜）の反応サイクルｎ２回を１つのサイクルとして、全体でＮ回のサイクルを繰り返して行う。このようにすることによっても、所望の膜厚を有する金属酸窒化膜５１を形成することができる。
【０１１６】
さらには、次のようにして、Ａｌ、Ｈｆ、ＮおよびＯからなる金属酸窒化膜５１を形成してもよい。
【０１１７】
まず、第２の絶縁膜５０の表面に、原料ガスとしてのＡｌ（ＣＨ３）３と不活性ガスを供給する（第１の工程）。次に、原料ガスの供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＡｌ（ＣＨ３）３および副生成物を除去する（第２の工程）。続いて、酸化剤と不活性ガスを供給する（第３の工程）。次に、酸化剤の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰の酸化剤および副生成物を除去する（第４の工程）。その後、ＮＨ３と不活性ガスを供給した後（第５の工程）、ＮＨ３の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＮＨ３および副生成物を除去する（第６の工程）。次に、原料ガスとしてのＨｆＣｌ４と不活性ガスを供給する（第７の工程）。そして、原料ガスの供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＨｆＣｌ４および副生成物を除去する（第８の工程）。続いて、酸化剤と不活性ガスを供給する（第９の工程）。次に、酸化剤の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰の酸化剤および副生成物を除去する（第１０の工程）。その後、ＮＨ３と不活性ガスを供給した後（第１１の工程）、ＮＨ３の供給を停止した状態で不活性ガスのみを導き、余剰のＮＨ３および副生成物を除去する（第１２の工程）。以上の１２の素工程を複数回繰り返すことによって、所望の膜厚を有する金属酸窒化膜５１を形成することができる。尚、この場合、第１の工程のＡｌ（ＣＨ３）３をＨｆＣｌ４を代え、第７の工程のＨｆＣｌ４をＡｌ（ＣＨ３）３に代えてもよい。
【０１１８】
また、上記の第１の工程から第６の工程までをｎ１回行い、第７の工程から第１２の工程までをｎ２回行う。そして、このＡｌＯＮ膜（または、ＨｆＯＮ膜）の反応サイクルｎ１回と、ＨｆＯＮ膜（または、ＡｉＯＮ膜）の反応サイクルｎ２回を１つのサイクルとして、全体でＮ回のサイクルを繰り返して行う。このようにすることによっても、所望の膜厚を有する金属酸窒化膜５１を形成することができる。
【０１１９】
尚、Ｈｆ３Ｎ４膜の原料としては、ＨｆＣｌ４以外に、Ｈｆ［ＯＣ（ＣＨ３）２ＣＨ２ＯＣＨ３］４（テトラキス（１−メトキシ−２−メチル−２−プロポキシ）ハフニウム）、Ｈｆ［ＯＣ（ＣＨ３）３］４（テトラ−ｔ−ブトキシハフニウム）、Ｈｆ［Ｎ（ＣＨ３）２］４（テトラキス（ジメチルアミノ）ハフニウム）、Ｈｆ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５）２］４（テトラキス（ジエチルアミノ）ハフニウム）、Ｈｆ［Ｎ（Ｃ２Ｈ５）（ＣＨ３）］４（テトラキス（エチルメチルアミノ）ハフニウム）、Ｈｆ（ＮＯ３）４（ハフニウムナイトレート）、Ｈｆ（Ｃ１１Ｈ１９Ｏ２）４（テトラキス（ジピバロイルメタナト）ハフニウム）などを用いてもよい。
【０１２０】
第２の絶縁膜５０と金属酸窒化膜５１とは、それぞれ同一のチャンバ内で成膜してもよいし、異なるチャンバ内で成膜してもよい。異なるチャンバ内で成膜する場合には、第２の絶縁膜５０を形成するチャンバから真空を破らない状態で、金属酸窒化膜５１を形成するチャンバへと基板を移すことが好ましい。基板を大気に曝さないようにすることによって、カーボンなどの異物や水などが基板に付着するのを防ぐことができる。
【０１２１】
金属酸窒化膜５１を形成した後は、実施の形態１で説明した図４〜図１０に示す方法に従って、ゲート電極４７、ゲート絶縁膜４６、エクステンション領域４５、サイドウォール４８およびソース・ドレイン領域４４を形成し、図１８に示す構造とする。その後、層間絶縁膜５２、コンタクト５３および配線５４を形成することによって、図１５に示す構造を得ることができる。
【０１２２】
本実施の形態によれば、Ｈｉｇｈ−ｋ膜としての第２の絶縁膜とゲート電極との間に、金属酸窒化膜を設けることによって、Ｈｉｇｈ−ｋ膜とゲート電極との間でシリサイド化反応などが起こるのを防ぐことができる。また、イオン注入後の熱処理などによって、ゲート電極中の不純物がゲート絶縁膜、さらにはシリコン基板へと拡散するのを防ぐこともできる。また、ＰＭＯＳの閾値電圧の絶対値を小さくするとともに、ＮＭＯＳおよびＰＭＯＳの閾値電圧を制御することもできる。したがって、ゲート絶縁膜の特性低下を防止して、電気的特性および信頼性に優れた半導体装置を製造することができる。
【０１２３】
また、本実施の形態によれば、金属酸窒化膜中の酸素と窒素の比率を制御することにより、金属酸窒化膜とＨｉｇｈ−ｋ膜とで材料組成が変化するのに起因して、これらの間に界面準位が形成されるのを抑制することができる。
【０１２４】
実施の形態４．
図１９は、本実施の形態にかかる半導体装置の断面図の一例である。
【０１２５】
図１９に示すように、シリコン基板６１には、拡散層６２、素子分離領域６３、ソース・ドレイン領域６４およびエクステンション領域６５が形成されている。また、シリコン基板６１の上には、ゲート絶縁膜６６およびゲート電極６７が形成されており、さらにこれらの側壁にはサイドウォール６８が形成されている。尚、図１において、６９は層間絶縁膜、７０はコンタクト、７１は配線層である。
【０１２６】
本実施の形態においては、ゲート絶縁膜６６が、シリコンを含む酸化膜７２と、シリコンを含む酸化膜７２の上に形成された金属窒化膜７３とからなることを特徴とする。
【０１２７】
シリコンを含む酸化膜７２としては、例えば、ウェット酸化によって形成された酸化物（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｏｘｉｄｅ）、ランプアニール処理によって形成されたＲＴＯ（ｒａｐｉｄ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｏｘｉｄｅ）膜、ＩＳＳＧ（Ｉｎ−Ｓｉｔｕ  Ｓｔｅａｍ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）膜またはＨ２（水素）およびＯ２（酸素）若しくはＨ２およびＮ２Ｏ（一酸化二窒素）から形成された絶縁膜若しくはＳｉＯＮ膜（シリコン酸窒化膜）などが挙げられる。特に、膜密度が大きいことからＳｉＯＮ膜を用いることが好ましい。尚、シリコンを含む酸化膜７２は、１の酸化物のみからなる膜に限らず、２以上の酸化物が積層された膜であってもよい。例えば、ＳｉＯＮ膜とＳｉＯ２膜とからなる積層膜であってもよい。
【０１２８】
金属窒化膜７３は、１の金属の窒化物からなる膜であってもよいし、２以上の金属の窒化物からなる混合膜であってもよい。例えば、ＡｌＮ膜若しくはＨｆ３Ｎ４膜またはこれらの膜の混合膜を用いることができる。
【０１２９】
本実施の形態におけるシリコンを含む酸化膜は、実施の形態１および２における第１の絶縁膜に対応する。ここで、実施の形態１および２では、第１の絶縁膜と金属窒化膜との間にＨｉｇｈ−ｋ膜としての第２の絶縁膜が形成されていた。これに対して、本実施の形態では、シリコンを含む酸化膜の上に直接金属窒化膜を形成する構造とする。このようにすることによって、シリコンを含む酸化膜の膜厚を厚くして、移動度の大きいゲート絶縁膜を形成することができる。
【０１３０】
また、金属窒化膜は比較的比誘電率の大きい膜であることから、ゲート絶縁膜をシリコンを含む酸化膜と金属窒化膜との積層構造とすることによって、ゲートリーク電流を抑制しつつゲート絶縁膜の薄膜化を図ることが可能となる。
【０１３１】
また、本実施の形態によれば、シリコンを含む酸化膜とゲート電極との間に金属窒化膜を設けることによって、イオン注入後の熱処理などにより、ゲート電極中の不純物がゲート絶縁膜からシリコン基板へと拡散するのを防ぐことができる。これにより、ゲート絶縁膜の特性低下を防止することができる。
【０１３２】
さらに、本実施の形態によれば、ＰＭＯＳの閾値電圧の絶対値を小さくするとともに、ＮＭＯＳおよびＰＭＯＳの閾値電圧を制御することもできる。
【０１３３】
シリコンを含む酸化膜７２の膜厚は、１．０ｎｍ〜１．２ｎｍ（シリコン酸化膜換算膜厚で１．０ｎｍ〜１．２ｎｍ）であることが好ましい。一方、金属窒化膜７３の膜厚は、０．３ｎｍ〜１．０ｎｍ（シリコン酸化膜換算膜厚で０．１ｎｍ〜０．４ｎｍ）であることが好ましい。ここで、ゲート絶縁膜６６全体のシリコン酸化膜換算膜厚は、１．２ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲内にあるようにする。
【０１３４】
図２０〜図２２を用いて、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。尚、これらの図において、図１９と同じ符号を付した部分は同じ部分であることを示している。
【０１３５】
まず、実施の形態１で説明した図２および図３に示す方法に従って、シリコン基板６１に素子分離領域６３および拡散層６２を形成した後、この上にシリコンを含む酸化膜７２を形成して図２０の構造とする。
【０１３６】
次に、シリコンを含む酸化膜７２の上に金属窒化膜７３を形成し、図２１に示す構造とする。
【０１３７】
金属窒化膜７３としてＡｌＮ膜またはＨｆ３Ｎ４膜を用いる場合には、実施の形態１と同様にして形成することができる。また、金属窒化膜７３としてＡｌＮとＨｆ３Ｎ４とからなる混合膜を用いる場合には、実施の形態２と同様にして形成することができる。
【０１３８】
金属窒化膜７３を形成した後は、実施の形態１で説明した図４〜図１０に示す方法に従って、ゲート電極６７、ゲート絶縁膜６６、エクステンション領域６５、サイドウォール６８およびソース・ドレイン領域６４を形成し、図２２に示す構造とする。その後、層間絶縁膜６９、コンタクト７０および配線７１を形成することによって、図１９に示す構造を得ることができる。
【０１３９】
実施の形態５．
図２３は、本実施の形態にかかる半導体装置の断面図の一例である。
【０１４０】
図２３に示すように、シリコン基板８１には、拡散層８２、素子分離領域８３、ソース・ドレイン領域８４およびエクステンション領域８５が形成されている。また、シリコン基板８１の上には、ゲート絶縁膜８６およびゲート電極８７が形成されており、さらにこれらの側壁にはサイドウォール８８が形成されている。尚、図２３において、８９は層間絶縁膜、９０はコンタクト、９１は配線層である。
【０１４１】
本実施の形態においては、ゲート絶縁膜８６が、シリコンを含む酸化膜９２と、シリコンを含む酸化膜９２の上に形成された金属酸窒化膜９３とからなることを特徴とする。
【０１４２】
シリコンを含む酸化膜９２としては、例えば、ウェット酸化によって形成された酸化物（ｃｈｅｍｉｃａｌｏｘｉｄｅ）、ランプアニール処理によって形成されたＲＴＯ（ｒａｐｉｄ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｏｘｉｄｅ）膜、Ｈ２（水素）およびＯ２（酸素）若しくはＨ２およびＮ２Ｏ（一酸化二窒素）から形成された絶縁膜またはＳｉＯＮ膜（シリコン酸窒化膜）などが挙げられる。特に、膜密度が大きいことからＳｉＯＮ膜を用いることが好ましい。尚、シリコンを含む酸化膜９２は、１の酸化物のみからなる膜に限らず、２以上の酸化物が積層された膜であってもよい。例えば、ＳｉＯＮ膜とＳｉＯ２膜とからなる積層膜であってもよい。
【０１４３】
金属酸窒化膜９３は、１の金属の酸窒化物からなる膜であってもよいし、２以上の金属の酸窒化物からなる混合膜であってもよい。例えば、ＡｌＯＮ膜若しくはＨｆＯＮ膜またはこれらの膜の混合膜を用いることができる。
【０１４４】
本実施の形態におけるシリコンを含む酸化膜は、実施の形態３における第１の絶縁膜に対応する。ここで、実施の形態３では、第１の絶縁膜と金属酸窒化膜との間に、Ｈｉｇｈ−ｋ膜としての第２の絶縁膜が形成されていた。これに対して、本実施の形態では、シリコンを含む酸化膜の上に直接金属酸窒化膜を形成する構造とする。このようにすることによって、シリコンを含む酸化膜の膜厚を厚くして、移動度の大きいゲート絶縁膜を形成することができる。
【０１４５】
シリコンを含む酸化膜９２の膜厚は、１．０ｎｍ〜１．２ｎｍ（シリコン酸化膜換算膜厚で１．０ｎｍ〜１．２ｎｍ）であることが好ましい。一方、金属酸窒化膜９３の膜厚は、０．３ｎｍ〜１．０ｎｍ（シリコン酸化膜換算膜厚で０．１ｎｍ〜０．４ｎｍ）であることが好ましい。ここで、ゲート絶縁膜８６全体のシリコン酸化膜換算膜厚は、１．２ｎｍ〜１．５ｎｍの範囲内にあるようにする。
【０１４６】
図２４〜図２６を用いて、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。尚、これらの図において、図２３と同じ符号を付した部分は同じ部分であることを示している。
【０１４７】
まず、実施の形態１で説明した図２および図３に示す方法に従って、シリコン基板８１に素子分離領域８３および拡散層８２を形成した後、この上にシリコンを含む酸化膜９２を形成して図２４の構造とする。
【０１４８】
次に、シリコンを含む酸化膜９２の上に金属酸窒化膜９３を形成し、図２５に示す構造とする。
【０１４９】
金属酸窒化膜９３としてＡｌＯＮ膜、ＨｆＯＮ膜またはこれらの混合膜を用いる場合には、実施の形態３と同様にして形成することができる。
【０１５０】
金属酸窒化膜９３を形成した後は、実施の形態１で説明した図４〜図１０に示す方法に従って、ゲート電極８７、ゲート絶縁膜８６、エクステンション領域８５、サイドウォール８８およびソース・ドレイン領域８４を形成し、図２６に示す構造とする。その後、層間絶縁膜８９、コンタクト９０および配線９１を形成することによって、図２３に示す構造を得ることができる。
【０１５１】
本実施の形態によれば、金属酸窒化膜は比較的比誘電率の大きい膜であることから、ゲート絶縁膜をシリコンを含む酸化膜と金属酸窒化膜との積層構造とすることによって、ゲートリーク電流を抑制しつつゲート絶縁膜の薄膜化を図ることが可能となる。
【０１５２】
また、本実施の形態によれば、シリコンを含む酸化膜とゲート電極との間に金属酸窒化膜を設けることによって、イオン注入後の熱処理などにより、ゲート電極中の不純物がゲート絶縁膜からシリコン基板へと拡散するのを防ぐことができる。これにより、ゲート絶縁膜の特性低下を防止することができる。
【０１５３】
また、本実施の形態によれば、ＰＭＯＳの閾値電圧の絶対値を小さくするとともに、ＮＭＯＳおよびＰＭＯＳの閾値電圧を制御することもできる。
【０１５４】
さらに、本実施の形態によれば、金属酸窒化膜中の酸素と窒素の比率を制御することにより、金属酸窒化膜とＨｉｇｈ−ｋ膜とで材料組成が異なるのに起因して、これらの間に界面準位が形成されるのを抑制することができる。
【０１５５】
実施の形態１〜５においては、ゲート電極材料としてポリシリコン膜を用いた例について述べたが、本発明はこれに限られるものではない。アモルファスシリコンまたはポリシリコンゲルマニウムなどのシリコンを含む膜であれば、ゲート電極材料として用いることができる。また、多層構造を有するゲート電極であって、その一部にポリシリコン膜、アモルファスシリコン膜またはポリシリコンゲルマニウム膜などが含まれていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】実施の形態１にかかる半導体装置の断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図３】実施の形態１にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図４】実施の形態１にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図５】実施の形態１にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図６】実施の形態１にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図７】実施の形態１にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図８】実施の形態１にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図９】実施の形態１にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１０】実施の形態１にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１１】実施の形態２にかかる半導体装置の断面図である。
【図１２】実施の形態２にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１３】実施の形態２にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１４】実施の形態２にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１５】実施の形態３にかかる半導体装置の断面図である。
【図１６】実施の形態３にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１７】実施の形態３にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１８】実施の形態３にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図１９】実施の形態４にかかる半導体装置の断面図である。
【図２０】実施の形態４にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図２１】実施の形態４にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図２２】実施の形態４にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図２３】実施の形態５にかかる半導体装置の断面図である。
【図２４】実施の形態５にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図２５】実施の形態５にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図２６】実施の形態５にかかる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１５７】
１，２１，４１，６１，８１  シリコン基板
２，２２，４２，６２，８２  拡散層
３，２３，４３，６３，８３  素子分離領域
４，２４，４４，６４，８４  ソース・ドレイン領域
５，２５，４５，６５，８５  エクステンション領域
６，２６，４６，６６，８６  ゲート絶縁膜
７，２７，４７，６７，８７  ゲート電極
８，２８，４８，６８，８８  サイドウォール
９，２９，４９  第１の絶縁膜
１０，３０，５０  第２の絶縁膜
１１，３１，７３金属窒化膜
１２，３２，５２，６９，８９  層間絶縁膜
１３，３３，５３，７０，９０  コンタクト
１４，３４，５４，７１，９１  配線層
７２，９２  シリコンを含む酸化膜
５１，９３  金属酸窒化膜
【図１】
2005064317.tif 000003
【図２】
2005064317.tif 000004
【図３】
2005064317.tif 000005
【図４】
2005064317.tif 000006
【図５】
2005064317.tif 000007
【図６】
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【図７】
2005064317.tif 000009
【図８】
2005064317.tif 000010
【図９】
2005064317.tif 000011
【図１０】
2005064317.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2005064317.tif 000016
【図１５】
2005064317.tif 000017
【図１６】
2005064317.tif 000018
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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