(57)【要約】【課題】信頼性の高い半導体装置を提供することにある。また、本発明の第二の目的は、歩留りの高い半導体装置を提供することにある。【解決手段】シリコン基板と、前記シリコン基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、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、コバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成材料とする配線膜とを備え、前記ゲート絶縁膜の主構成材料が酸化ジルコニウムまたは酸化ハフニウムである半導体装置において、前記一主面を前記シリコンの(111)結晶面と平行にする。【選択図】図１
2005057302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、前記シリコン基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜と、コバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成材料とする配線膜とを備え、前記一主面が基板の(111)結晶面になるよう形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１項記載の半導体装置において、前記ゲート絶縁膜の主構成材料が酸化ジルコニウムであることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１項記載の半導体装置において、前記ゲート電極膜の主構成材料がコバルトシリサイドまたはシリコンであることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１項記載の半導体装置において、前記ゲート絶縁膜がハフニウムを0.01at.%以上15at.%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５】
請求項１項記載の半導体装置において、前記ゲート絶縁膜がチタンを0.005at.%以上15at.%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】
シリコン基板と、前記シリコン基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜と、コバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成材料とする配線膜とを備え、前記ゲート絶縁膜の主構成材料が酸化ハフニウムであり、前記一主面がシリコンの(111)結晶面になるよう形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項７】
請求項５に記載の半導体装置において、前記ゲート電極膜の主構成材料がコバルトシリサイドまたはシリコンであることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
請求項５に記載の半導体装置において、前記ゲート絶縁膜がチタンを0.02at.%以上8at.%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９】
シリコン基板と、前記シリコン基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜と、コバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成材料とする配線膜と、高誘電率材料をキャパシタ絶縁膜とするメモリキャパシタを備え、前記ゲート絶縁膜の主構成材料が酸化ジルコニウムであり、前記一主面がシリコンの(111)結晶面に平行である半導体装置。
【請求項１０】
シリコン基板と、前記シリコン基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜と、コバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成材料とする配線膜と、高誘電率材料をキャパシタ絶縁
膜とするメモリキャパシタを備え、前記ゲート絶縁膜の主構成材料が酸化ハフニウムであり、前記一主面がシリコンの(111)結晶面に平行である半導体装置。
【請求項１１】
シリコン基板と、前記シリコン基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜と、前記ゲート電極を有する位置より上に位置する形成された配線層と、前記ゲート電極に対応して前記シリコン基板に形成された添加元素を含む拡散層と、前記拡散層と前記配線層との間に形成されるコンタクトホールと、を有し、前記コンタクトホールは前記拡散層の上に形成されたコバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成材料とする配線膜と、前記配線膜の上に形成された導電性膜とを有し、前記ゲート絶縁膜は、酸化ジルコニウム或いは酸化ハフニウムが主構成材料であり、前記一主面が基板の(111)結晶面になるよう形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１２】
半導体基板と、前記半導体基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜と、添加元素を含む拡散層と、前記ゲート電極膜より上の層に形成される配線層と、前記拡散層と前記配線層との間に形成されるコンタクトホールと、を有し、前記コンタクトホールは前記拡散層の上に形成されたコバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成材料とする配線膜と、前記配線膜の上に形成された導電性膜とを有し、前記一主面が基板の(111)結晶面になるよう形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項１３】
半導体基板と、前記半導体基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜と、コンタクトホールと、前記ゲート電極より上の層であってコンタクトホールの上に形成される配線層と、備え、前記コンタクトホールは、コバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成元素とする配線膜と、前記配線膜の上に形成された導電膜と、を有し、前記一主面がシリコンの(111)結晶面に平行である半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の高集積化、微細化にともない、高速動作のために金属配線とシリコン基板が接続する部分のコンタクト抵抗の低減が望まれている。そこで、コンタクト抵抗を低減するための公知技術としては、例えば特開平０８−７８３５７に示すように、シリコン基板上の拡散層(ソース/ドレイン)上または多結晶シリコン電極上にコバルトシリサイド膜を形成する半導体装置が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平０８−７８３５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、半導体装置の微細化により拡散層が浅くなり、コバルトシリサイド膜の薄膜化が必要になる。コバルトシリサイド膜が薄くなると、たとえばメモリキャパシタの形成工程などにおける高温の熱処理によって、コバルトシリサイド膜中のコバルト原子がシリコン基板へ拡散し、部分的にコバルトシリサイド膜の膜厚が極端に薄くなって高抵抗化するという問題が顕在化してきた。この問題は、メモリキャパシタの高集積化のために、キャパシタ絶縁膜として酸化タンタルのような高誘電率材料を用いた場合にはより深刻となる。
【０００５】
これは、酸化タンタルのような高誘電率材料を用いた場合、誘電特性安定化のためには約７００℃以上の高温の熱処理が必要となり、拡散が活発化するからである。同様の問題は、コバルトシリサイドだけではなく、ニッケルシリサイドの場合にも生じる。すなわち、ニッケルシリサイド膜が薄くなると、熱処理によって、ニッケルシリサイド膜中のニッケル原子がシリコン基板へ拡散して、部分的にニッケルシリサイド膜の膜厚が極端に薄くなって高抵抗化する。
【０００６】
また、半導体装置の微細化にともなう別の課題として、酸化シリコンからなるゲート絶縁膜の膜厚を、２ nm以下にまで薄くすることが要求されている。絶縁膜の厚さがこれほどまで薄くなるとトンネル電流が無視できないほど大きくなる。このため酸化シリコンより誘電率の高い絶縁体材料をゲート絶縁膜として用いることにより、誘電特性を保ちつつ，物理的膜厚を厚くすることが考えられている。この高誘電率材料の候補としては、酸化ジルコニウムや酸化ハフニウムが考えられている。しかし、酸化ジルコニウムや酸化ハフニウムは、例えば1999 IEEE (the Institute of Electrical and Electronics Engineers) International Electron Devices Meetingの講演論文集(９９ページから１３３ページの講演番号6.1および１４５ページから１４８ページの講演番号6.4)に記載されているように、シリコン基板との界面において1.5 nm〜2.5 nm程度の膜厚の反応化合物を形成する。この反応化合物は、酸化ジルコニウムや酸化ハフニウムから酸素が抜けて、シリコン基板へ拡散して形成されたものであり、酸化ジルコニウムや酸化ハフニウムに酸素欠損ができることを意味する。この酸素欠損は、特性を低下させる原因になる。また、酸化ジルコニウムや酸化ハフニウムを主構成材料とするゲート絶縁膜からゲート電極に酸素が拡散して酸素欠損ができることもあり、これも同様に特性低下を引き起こす原因となる。
【０００７】
そこで、本発明の第一の目的は、信頼性の高い半導体装置を提供することにある。また、本発明の第二の目的は、歩留りの高い半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明者らは、前記目的を達成するために、コバルトシリサイドを主構成元素とした導電性膜からシリコン基板へコバルト原子が拡散しにくくする手段を得るために鋭意研究を行った結果、通常の半導体デバイスに用いられている、表面が(001)結晶面であるシリコン基板ではなく、表面が(111)結晶面であるシリコン基板を用いることが有効であることを見出した。また、発明者らは、ニッケルシリサイドを主構成元素とした導電性膜からシリコン基板へコバルト原子が拡散しにくくする手段を得るために鋭意研究を行った結果、同様に、表面が(001)結晶面であるシリコン基板ではなく、表面が(111)結晶面であるシリコン基板を用いることが有効であることを見出した。さらに、酸化ジルコニウムや酸化ハフニウムを主構成材料とした絶縁膜から酸素が拡散しにくくする手段を得るために鋭意研究を行った結果、通常の半導体デバイスに用いられている、表面が(001)結晶面であるシリコン基板ではなく、表面が(111)結晶面であるシリコン基板を用いることが有効であることを見出した。また、さらに酸素の拡散を防止するには、に酸化ジルコニウムにハフニウムまたはチタンを添加すること、また、酸化ハフニウムにチタンを添加することが有効であることを見出した。発明者らは、さらに、酸化ジルコニウムや酸化ハフニウムを主構成元素とした絶縁膜との界面で酸素が拡散しにくい電極材料が、コバルトシリサイドとシリコンであることを見出した。なお、(100)結晶面、(010)結晶面は(001)結晶面と等価である。従来から(111)結晶面ではなく、（001）結晶面が使われてきた理由は、（111）面に良質なシリコン酸化膜を形成するのが難しかったためである。しかし、シリコン酸化膜の代りに酸化ジルコニウムや酸化ハフニウムを主構成材料とした絶縁膜を形成する場合には、（111）面に容易に形成できるので、このような問題は起こらない。
【０００９】
そこで、本願発明の課題は例えば、下記の構成を備えた半導体装置により解決される。
【００１０】
（１）シリコン基板と、前記シリコン基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜と、コバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成材料とする配線膜とを備え、前記一主面が基板の(111)結晶面になるよう形成されていることを特徴とする。
【００１１】
前記一主面が基板の(111)結晶面になるよう形成されるとは、例えば、前記一主面がシリコンの(111)結晶面に平行であるものであることができる。
【００１２】
または、前記の半導体装置において、前記ゲート絶縁膜の主構成材料が酸化ジルコニウムであることを特徴とする。
【００１３】
または、前記の半導体装置において、前記ゲート電極膜の主構成材料がコバルトシリサイドまたはシリコンであることを特徴とする。
【００１４】
または、前記の半導体装置において、前記ゲート絶縁膜がハフニウムを0.01at.%以上15at.%以下の濃度で含有することを特徴とする。
【００１５】
または、前記の半導体装置において、前記ゲート絶縁膜がチタンを0.005at.%以上15at.%以下の濃度で含有することを特徴とする。
【００１６】
（２）シリコン基板と、前記シリコン基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜と、コバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成材料とする配線膜とを備え、前記ゲート絶縁膜の主構成材料が酸化ハフニウムであり、前記一主面がシリコンの(111)結晶面になるよう形成されていることを特徴とする。
【００１７】
または、前記の半導体装置において、前記ゲート電極膜の主構成材料がコバルトシリサイドまたはシリコンであることを特徴とする。
【００１８】
または、前記の半導体装置において、前記ゲート絶縁膜がチタンを0.02at.%以上8at.%以下の濃度で含有することを特徴とする。
【００１９】
（３）シリコン基板と、前記シリコン基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜と、コバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成材料とする配線膜と、高誘電率材料をキャパシタ絶縁膜とするメモリキャパシタを備え、前記ゲート絶縁膜の主構成材料が酸化ジルコニウムであり、前記一主面がシリコンの(111)結晶面に平行であることを特徴とする。
【００２０】
（４）シリコン基板と、前記シリコン基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜と、コバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成材料とする配線膜と、高誘電率材料をキャパシタ絶縁膜とするメモリキャパシタを備え、前記ゲート絶縁膜の主構成材料が酸化ハフニウムであり、前記一主面がシリコンの(111)結晶面に平行であることを特徴とする。
【００２１】
（５）シリコン基板と、前記シリコン基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜と、前記ゲート電極を有する位置より上に位置する形成された配線層と、前記ゲート電極に対応して前記シリコン基板に形成された添加元素を含む拡散層と、前記拡散層と前記配線層との間に形成されるコンタクトホールと、を有し、前記コンタクトホールは前記拡散層の上に形成されたコバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成材料とする配線膜と、前記配線膜の上に形成された導電性膜とを有し、前記ゲート絶縁膜は、酸化ジルコニウム或いは酸化ハフニウムが主構成材料であり、前記一主面が基板の(111)結晶面になるよう形成されていることを特徴とする。
【００２２】
または、半導体基板と、前記半導体基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜と、添加元素を含む拡散層と、前記ゲート電極膜より上の層に形成される配線層と、前記拡散層と前記配線層との間に形成されるコンタクトホールと、を有し、前記コンタクトホールは前記拡散層の上に形成されたコバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成材料とする配線膜と、前記配線膜の上に形成された導電性膜とを有し、前記一主面が基板の(111)結晶面になるよう形成されていることを特徴とする。
【００２３】
または、半導体基板と、前記半導体基板の一主面側に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜と、コンタクトホールと、前記ゲート電極より上の層であってコンタクトホールの上に形成される配線層と、備え、前記コンタクトホールは、コバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成元素とする配線膜と、前記配線膜の上に形成された導電膜と、を有し、前記一主面がシリコンの(111)結晶面に平行であることを特徴とする。
【００２４】
或いは、上記の半導体装置に加えて、主構成材料が酸化シリコン、ジルコニアシリケート、ハフニウムシリケートである第一の層と、前記第一の層の上に主構成材料が酸化ジルコニウム或いは酸化ハフニウムである第二の層と、を有するゲート絶縁膜を有することができる。
【００２５】
或いは、上記の半導体装置に加えて、主構成材料がコバルトシリサイド或いはシリコンである第一の層と、前記第一の層の上に主構成材料がタングステン或いはモリブデンである第二の層を有し、前記一主面がシリコンの(111)結晶面に平行であることを特徴とする半導体装置。または、更に、前記第一の層と第二の層の間に、窒化チタン或いは窒化タングステンを主構成材料とする第三の層を有することができる。
【発明の効果】
【００２６】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を図に示した実施例により詳細に説明する。
まず、本発明における第一の実施例である半導体装置における主要部分の断面構造を図１に示す。本実施例の半導体装置は、図１に示すように、シリコン基板１の上に、ヒ素、リン、ボロン、アンチモン、等の添加元素が拡散している拡散層２、３、４、５が形成され、この上にゲ−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ってMOSトランジスタが構成されている。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。これら材料などに代表される高誘電体を有する絶縁膜には、例えば、誘電率が１０以上の材料を使用する。
【００２８】
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。熱処理の際に、シリコン基板１やゲート電極８、９に酸素が拡散しにくいように、シリコン基板１には表面が(111)結晶面である基板を用いる。ゲ−ト絶縁膜６、７の主構成材料として酸化ジルコニウムを用いた場合には、ゲ−ト絶縁膜６、７の添加元素としてハフニウムまたはチタンを含有させることがより好ましい。また、ゲ−ト絶縁膜６、７の主構成材料として酸化ジルコニウムを用いた場合には、ゲ−ト絶縁膜６、７の添加元素としてチタンを含有させることがより好ましい。ゲート電極８、９の主構成材料としては、熱処理の際にゲ−ト絶縁膜６、７から酸素が拡散して入りにくい材料として、コバルトシリサイドまたはシリコンを用いることがより好ましい。 このゲート電極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。前記ゲート電極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。
【００２９】
MOS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。絶縁膜１３に形成されたコンタクトホールにはコバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成材料としたコンタクト用配線膜１４とプラグ１５が形成され、拡散層２、３、４、５に接続されている。シリコン基板１には表面が(111)結晶面である基板を用いるので、コンタクト用配線膜１４からシリコン基板１へコバルト原子やニッケル原子が拡散しにくい構成となっている。プラグ１５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。配線膜１４の上のプラグ１５は導電性膜が堆積されている。例えばタングステンを主構成材料とする膜であることができる。或いはその外側に更に窒化チタンの膜等を形成してもよい。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てから、エッチングによって配線パターンをつくることにより得られる。
【００３０】
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隣接導電体膜１９に被覆された主導電体膜２０からなるプラグが形成され、前記積層配線に接続されている。このプラグを通じて、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、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つくることにより得られる。
【００３１】
本実施例における拡散抑制効果を以下に説明する。本実施例の効果を詳しく説明するために、分子動力学シミュレーションによる解析例を示す。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４８６４ページから４８７８ページまで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。
【００３２】
なお、本実施例では、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、以下の関係を求めることができた。
【００３３】
本実施例の主な効果は、通常の半導体デバイスに用いられている、表面が(001)結晶面であるシリコン基板ではなく、表面が(111)結晶面であるシリコン基板を用いることによって、コンタクト用配線膜１４からシリコン基板１へコバルト原子やニッケル原子が拡散しにくいことである。また、ゲート絶縁膜６、７からシリコン基板への酸素の拡散が抑制されることである。また、ゲート絶縁膜６、７に添加元素を含有させることによって、ゲート絶縁膜からシリコン基板への酸素の拡散が抑制されることである。さらに、本実施例の別の効果は、添加元素を含有させることによって、ゲート絶縁膜６、７からゲート電極への酸素の拡散が抑制されることである。そこで、コバルト、ニッケル、酸素の拡散係数を計算することによって本実施例の効果を解析できる。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５３６３ページから５３７１ページまでに記述されている。
【００３４】
はじめに、表面が(001)面である厚さ10 nmのシリコン基板上に膜厚3 nmのコバルトシリサイド膜が形成された構造と、表面が(111)面である厚さ10 nmのシリコン基板上に膜厚3 nmのコバルトシリサイド膜が形成された構造を解析モデルとして用いた計算例を示すことによって、表面が(111)結晶面であるシリコン基板を用いた本実施例の一効果を示す。コバルトシリサイド膜のコバルトがシリコン基板へ拡散する際の、コバルトの拡散係数Dの比を計算した結果を図２に示す。図２では、表面が(001)面であるシリコン基板を用いた場合の拡散係数をDRとし、これとの比を示した。この図からわかるように、表面が(111)面であるシリコン基板を用いると、表面が(001)面であるシリコン基板を用いた場合の100分の1未満の拡散係数となっており、コバルトの拡散が抑制される効果が示されている。
したがって、コバルトシリサイド膜からシリコン基板へのコバルトの拡散が抑制され、高抵抗化しにくいことがわかる。
【００３５】
次に、表面が(001)面である厚さ10 nmのシリコン基板上に膜厚3 nmのニッケルシリサイド膜が形成された構造と、表面が(111)面である厚さ10 nmのシリコン基板上に膜厚3 nmのニッケルシリサイド膜が形成された構造を解析モデルとして用いた計算例を示すことによって、表面が(111)結晶面であるシリコン基板を用いた本実施例の一効果を示す。ニッケルシリサイド膜のニッケルがシリコン基板へ拡散する際の、ニッケルの拡散係数Dの比を計算した結果を図３に示す。図３では、表面が(001)面であるシリコン基板を用いた場合の拡散係数をDRとし、これとの比を示した。この図からわかるように、表面が(111)面であるシリコン基板を用いると、表面が(001)面であるシリコン基板を用いた場合の100分の1未満の拡散係数となっており、ニッケルの拡散が抑制される効果が示されている。したがって、ニッケルシリサイド膜からシリコン基板へのニッケルの拡散が抑制され、高抵抗化しにくいことがわかる。
【００３６】
次に、表面が(001)面である厚さ10 nmのシリコン基板上に膜厚3 nmのゲート絶縁膜が形成された構造と、表面が(111)面である厚さ10 nmのシリコン基板上に膜厚3 nmのゲート絶縁膜が形成された構造を解析モデルとして用いた計算例を示すことによって、表面が(111)結晶面であるシリコン基板を用いた本実施例の一効果を示す。３００℃において、酸化ジルコニウム膜（ゲート絶縁膜）の酸素がシリコン基板へ拡散する際の、酸素の拡散係数Dの比を計算した結果を図４に示す。
図４では、表面が(001)面であるシリコン基板を用いた場合の拡散係数をDRとし、これとの比を示した。この図からわかるように、表面が(111)面であるシリコン基板を用いると、表面が(001)面であるシリコン基板を用いた場合の100分の1未満の拡散係数となっており、酸素の拡散が抑制される効果が示されている。したがって、ゲート絶縁膜からシリコン基板への酸素の拡散が抑制され、酸化ジルコニウムに酸素欠損ができにくいことがわかる。ゲート絶縁膜として酸化ジルコニウムの代わりに酸化ハフニウムを用いた場合の同様の計算結果を図５に示す。
図４の場合と同様に、表面が(001)面であるシリコン基板を用いた場合の拡散係数をDRとし、これとの比を示した。図からわかるように、表面が(111)面であるシリコン基板を用いると、表面が(001)面であるシリコン基板を用いた場合の1000分の1未満の拡散係数となっており、酸素の拡散が抑制される効果が示されている。したがって、ゲート絶縁膜からシリコン基板への酸素の拡散が抑制され、酸化ハフニウムに酸素欠損ができにくいことがわかる。
【００３７】
次に、表面が(111)面である厚さ10 nmのシリコン基板上に膜厚3 nmのゲート絶縁膜が形成された構造を解析モデルとして用いた計算例を示すことによって、本実施例の添加元素の効果を示す。３００℃において、酸化ジルコニウム膜（ゲート絶縁膜）の酸素がシリコン基板へ拡散する際の、酸素の拡散係数Dの比を計算した結果を図６、図７に示す。D0は添加元素を含まない場合の酸素の拡散係数であり、図６は、D/D0の添加濃度依存性を低濃度領域において示した結果である。図７は、D/D0の添加濃度依存性を高濃度領域において示した結果である。図６より、酸化ジルコニウム膜にハフニウムを0.04at.%以上添加すると、拡散係数が無添加の場合の約13分の１に低減されるという顕著な効果が得られることがわかる。
【００３８】
また、酸化ジルコニウム膜にチタンを0.02at.%以上添加すると、拡散係数が無添加の場合の約11分の１に低減されるという顕著な効果が得られることがわかる。図７より、これらの効果は、ハフニウムの添加濃度が12at.%以上になると弱くなることがわかる。また、チタンの添加濃度が8at.%以上になると効果が弱くなることがわかる。したがって、酸化ジルコニウムを主構成元素とする膜にハフニウムを0.04at.%以上12at.%以下の濃度で添加すること、またはチタンを0.02at.%以上8at.%以下の濃度で添加することによって、酸素の拡散を低減できる。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。なお、上記少なくとも、チタンを0.005at.%以上15at.%以下の濃度で添加、ハフニウムを0.01at.%以上15at.%以下の濃度で添加することにより、前記D/D0が添加しない場合より低下させることができる。
【００３９】
図６、図７と同様の解析モデルにおいて、酸化ハフニウム膜（ゲート絶縁膜）の酸素がシリコン基板へ拡散する際の、酸素の拡散係数Dの比を計算した結果を図８、図９に示す。D0は添加元素を含まない場合の酸素の拡散係数であり、 図８は、D/D0の添加濃度依存性を低濃度領域において示した結果である。図９は、D/D0の添加濃度依存性を高濃度領域において示した結果である。図８より、酸化ハフニウム膜にチタンを0.03at.%以上添加すると、拡散係数が無添加の場合の約13分の１に低減されるという顕著な効果が得られることがわかる。図９より、この効果は、チタンの添加濃度が10at.%以上になると弱くなることがわかる。したがって、酸化ハフニウムを主構成元素とする膜にチタンを0.03at.%以上10at.%以下の濃度で添加することによって、酸素の拡散を低減できる。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。または、チタンを0.015at.%以上14at.%以下の濃度で添加することによって、添加しない場合よりもD/D0を低下させることができる。
【００４０】
次に、本実施例の別の効果として、ゲート絶縁膜からゲート電極への酸素の拡散が、添加元素により抑制されることを分子動力学解析例によって示す。ここでは、膜厚3 nmのゲート絶縁膜の上に、厚さ3 nmの電極膜が形成された構造を解析モデルとして用い、３００℃における酸素の拡散係数を計算した例を示す。ゲート絶縁膜として酸化ジルコニウムを用い、電極としてコバルトシリサイド膜とシリコン膜を用いた結果例を図１０、図１１に示す。D0は添加元素を含まない場合の酸素の拡散係数であり、 図１０は、D/D0の添加濃度依存性を低濃度領域において示した結果である。図１１は、D/D0の添加濃度依存性を高濃度領域において示した結果である。図１０より、図６の場合と同様に、酸化ジルコニウム膜にハフニウムを0.04at.%以上添加すると、拡散係数が無添加での値の約13分の１以下に低減されるという顕著な効果が得られることがわかる。また、酸化ジルコニウム膜にチタンを0.02at.%以上添加すると、拡散係数が無添加での値の約12分の１以下に低減されるという顕著な効果が得られることがわかる。図１１より、図７の場合と同様に、これらの効果は、ハフニウムの添加濃度が12at.%以上になると弱くなることがわかる。また、チタンの添加濃度が8at.%以上になると効果が弱くなることがわかる。したがって、酸化ジルコニウムを主構成元素とする膜にハフニウムを0.04at.%以上12at.%以下の濃度で添加すること、またはチタンを0.02at.%以上8at.%以下の濃度で添加することによって、酸素の拡散を低減できる。
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。
【００４１】
同様の解析モデルにおいて、ゲート絶縁膜として酸化ハフニウムを用い、電極としてコバルトシリサイド膜とシリコン膜を用いた結果例を図１２、図１３に示す。D0は添加元素を含まない場合の酸素の拡散係数であり、 図１２は、D/D0の添加濃度依存性を低濃度領域において示した結果である。図１３は、D/D0の添加濃度依存性を高濃度領域において示した結果である。図１２より、図８の場合と同様に、酸化ハフニウム膜にチタンを0.03at.%以上添加すると、拡散係数が無添加での値の約13分の１以下に低減されるという顕著な効果が得られることがわかる。図１３より、図９の場合と同様に、これらの効果は、チタンの添加濃度が10at.%以上になると弱くなることがわかる。したがって、酸化ハフニウムを主構成元素とする膜にチタンを0.03at.%以上10at.%以下の濃度で添加することによって、酸素の拡散を低減できる。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。
【００４２】
以上の計算例では、電極としてコバルトシリサイド膜とシリコン膜を用いているが、他の材料を用いても同様の効果を示すことができる。しかし、電極材料としてコバルトシリサイドとシリコンがより好ましいことは、次の計算例から説明される。膜厚3 nmのゲート絶縁膜の上に、厚さ3 nmの電極膜が形成された構造を解析モデルとして用い、種々の電極材料に対して酸素の拡散係数を計算した結果を図１４、図１５に示す。これらは、添加元素を含まない場合の３００℃における酸素の拡散係数であり、図１４はゲート絶縁膜が酸化ジルコニウム膜の場合の結果、図１５はゲート絶縁膜が酸化ハフニウム膜の場合の結果である。図１４、図１５より、電極材料としてコバルトシリサイドとシリコンを用いた拡散係数は、他の電極材料を用いた場合に比べて顕著に小さいことがわかる。したがって、電極材料としてコバルトシリサイドとシリコンを用いることが、酸素の拡散を低減する上で、より好ましい。
【００４３】
次に、本発明における第二の実施例である半導体装置における主要部分の断面構造を図１６に示す。第二の実施例の第一の実施例との主な違いは、ゲート絶縁膜が第一ゲート絶縁膜６a、７aと第二ゲート絶縁膜６b、７bからなる二層構造となっている点である。第二ゲート絶縁膜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。第一ゲート絶縁膜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、第二ゲート絶縁膜６b、７bの熱的安定性を向上させる効果が得られる。さらに、図には示さないが、ゲート絶縁膜が三層以上の構造を持っていてもよい。
【００４４】
本発明における第三の実施例である半導体装置における主要部分の断面構造を図１７に示す。第三の実施例の第二の実施例との主な違いは、ゲート電極膜が第一ゲート電極膜８a、９aと第二ゲート電極膜８b、９bからなる二層構造となっている点である。第一ゲート電極膜８a、９aの主構成材料としては、酸素の拡散が起こりにくい材料として、コバルトシリサイドやシリコンを用いることがより好ましい。第二ゲート電極膜８b、９bには、例えばタングステン、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、図には示さないが、第一ゲート電極膜８a、９aと第二ゲート電極膜８b、９bの間には別の導電性膜があってもよい。この導電性膜としては、例えばTiN膜やWN膜のように、第一ゲート電極膜８a、９aと第二ゲート電極膜８b、９bの相互拡散を防止する効果を持った膜を用いることがより好ましい。
【００４５】
本発明における第四の実施例である半導体装置におけるメモリセルの断面構造を図１８に示す。第四の実施例の第一、第二、第三の実施例との主な違いは、導電性のバリア膜１１４、容量下部電極１１５、高誘電率あるいは強誘電性を有する酸化物膜１１６、容量上部電極１１７を積層した構造で構成されている情報蓄積用容量素子１０３を有する点である。高誘電率あるいは強誘電性を有する酸化物膜１１６は、熱処理を受けないと良好な特性を発揮しないことが知られており、製造工程において約６００℃以上の熱処理、より好ましくは約７００℃以上の熱処理が必要となる。この熱処理の際に、コンタクト用配線膜１１９からシリコン基板１０１へコバルトやニッケルが拡散しやすく、また、ゲート絶縁膜１０６からシリコン基板１０１へ酸素が拡散しやすいので、高誘電率あるいは強誘電性を有する酸化物膜を用いた半導体メモリの場合には、より一層これらの拡散を抑制する必要性が高い。
【００４６】
本実施例の半導体装置の主要な構成を以下に説明する。本実施例の半導体装置は、図１６に示すように、シリコン基板１０１の主面のアクティブ領域に形成されたＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）型のトランジスタ１０２と、その上部に配置された情報蓄積用容量素子３とを備えている。絶縁膜１１２は、素子間分離のための膜である。メモリセルのＭＯＳトランジスタ１０２は、ゲ−ト電極膜１０５、ゲ−ト絶縁膜１０６および拡散層１０７で構成されている。ゲ−ト絶縁膜１０６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１０６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。熱処理の際に、シリコン基板やゲート電極に酸素が拡散しにくいように、ゲ−ト絶縁膜の主構成材料として酸化ジルコニウムを用いた場合には、ゲ−ト絶縁膜の添加元素としてハフニウムまたはチタンを含有させることがより好ましい。また、ゲ−ト絶縁膜の主構成材料として酸化ジルコニウムを用いた場合には、ゲ−ト絶縁膜の添加元素としてチタンを含有させることがより好ましい。ゲート絶縁膜は、例えば第二、第三の実施例のように、二層以上の構造を持っていてもよい。ゲート電極膜１０５の主構成材料としては、酸素の拡散が起こりにくい材料として、コバルトシリサイドやシリコンを用いることがより好ましい。 ゲート電極は、例えば第三の実施例のように、二層以上の構造を持っていてもよい。このゲート電極膜１０５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。前記ゲ−ト電極膜１０５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９が形成されている。
【００４７】
メモリセル選択用ＭＯＳトランジスタの一方の拡散層１０７には、プラグ１１０を介してビット線１１１が接続されている。ＭＯＳ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１１２が形成されている。ＭＯＳトランジスタを覆う絶縁膜１１２の上部には情報蓄積用容量素子１０３が形成されている。情報蓄積用容量素子１０３は、メモリセル選択用ＭＯＳトランジスタの他方の拡散層１０８に、例えば多結晶シリコンからなるプラグ１１３とコバルトシリサイドまたはニッケルシリサイドを主構成材料とするコンタクト用配線膜１１９を介して接続されている。情報蓄積用容量素子１０３は、下層から順に、導電性のバリア膜１１４、容量下部電極１１５、高誘電率を有する酸化物膜１１６、容量上部電極１１７を積層した構造で構成されている。この酸化物膜１１６の主構成材料には、例えば酸化タンタルが用いられる。情報蓄積用容量素子１０３は絶縁膜１１５で覆われている。
【００４８】
また、別の実施例としては、第四の実施例のようなメモリＬＳＩと、第一、第二、第三の実施例のようなロジックＬＳＩを、同一基板上に搭載したシステムＬＳＩであってもよい。
【００４９】
また、これにより、前記上方蓄積用容量素子１０３を形成する際、縦溝を形成し、容量下部電極１１５を形成し、高誘電率膜（高誘電率を有する酸化物膜１１６）を形成し、容量上部電極１１７を形成し、前記高誘電膜或いは容量上部電極１１７を形成後に８５０℃以上９５０℃以下で高温熱処理して、性能の高い情報蓄積用容量素子１０３を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明における第一の実施例である半導体装置の主要部の断面図である。
【図２】本発明に係る、厚さ3 nmのコバルトシリサイド膜のコバルトがシリコン基板へ拡散する際の、コバルトの拡散係数について、基板表面が(001)結晶面の場合と(111)結晶面の場合を比較した図である。
【図３】本発明に係る、厚さ3 nmのニッケルシリサイド膜のニッケルがシリコン基板へ拡散する際の、ニッケルの拡散係数について、基板表面が(001)結晶面の場合と(111)結晶面の場合を比較した図である。
【図４】本発明に係る、厚さ3 nmの酸化ジルコニウム膜の酸素がシリコン基板へ拡散する際の、３００℃での酸素の拡散係数について、基板表面が(001)結晶面の場合と(111)結晶面の場合を比較した図である。
【図５】本発明に係る、厚さ3 nmの酸化ハフニウム膜の酸素がシリコン基板へ拡散する際の、３００℃での酸素の拡散係数について、基板表面が(001)結晶面の場合と(111)結晶面の場合を比較した図である。
【図６】本発明に係る、厚さ3 nmの酸化ジルコニウム膜の酸素がシリコン基板へ拡散する際の、３００℃での酸素の拡散係数を、添加濃度の低い領域について示した図である。
【図７】本発明に係る、厚さ3 nmの酸化ジルコニウム膜の酸素がシリコン基板へ拡散する際の、３００℃での酸素の拡散係数を、添加濃度の高い領域について示した図である。
【図８】本発明に係る、厚さ3 nmの酸化ハフニウム膜の酸素がシリコン基板へ拡散する際の、３００℃での酸素の拡散係数を、添加濃度の低い領域について示した図である。
【図９】本発明に係る、厚さ3 nmの酸化ハフニウム膜の酸素がシリコン基板へ拡散する際の、３００℃での酸素の拡散係数を、添加濃度の高い領域について示した図である。
【図１０】本発明に係る、膜厚3 nmの酸化ジルコニウム膜の上に、厚さ3 nmの電極膜が形成された構造を解析モデルとして用い、３００℃における酸素の拡散係数を、添加濃度の低い領域について示した図である。
【図１１】本発明に係る、膜厚3 nmの酸化ジルコニウム膜の上に、厚さ3 nmの電極膜が形成された構造を解析モデルとして用い、３００℃における酸素の拡散係数を、添加濃度の高い領域について示した図である。
【図１２】本発明に係る、膜厚3 nmの酸化ハフニウム膜の上に、厚さ3 nmの電極膜が形成された構造を解析モデルとして用い、３００℃における酸素の拡散係数を、添加濃度の低い領域について示した図である。
【図１３】本発明に係る、膜厚3 nmの酸化ハフニウム膜の上に、厚さ3 nmの電極膜が形成された構造を解析モデルとして用い、３００℃における酸素の拡散係数を、添加濃度の高い領域について示した図である。
【図１４】本発明に係る、膜厚3 nmの酸化ジルコニウムの上に、厚さ3 nmの電極膜が形成された構造を解析モデルとして用い、種々の電極材料に対して酸素の拡散係数を示した図である。
【図１５】本発明に係る、膜厚3 nmの酸化ハフニウムの上に、厚さ3 nmの電極膜が形成された構造を解析モデルとして用い、種々の電極材料に対して酸素の拡散係数を示した図である。
【図１６】本発明における第二の実施例である半導体装置の主要部の断面図である。
【図１７】本発明における第三の実施例である半導体装置の主要部の断面図である。
【図１８】本発明における第四の実施例である半導体装置の主要部の断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
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、１４…コンタクト用配線膜、１６ａ、１６ｂ、１９、２２ａ、２２ｂ…バリア隣接導電体膜、１５…プラグ、１７、２０、２３…主導電体膜、２６a、２６b、２７a、２７b…バリア膜、２８、２９…配線間隔、１０１…シリコン基板、１０２…トランジスタ、１０３…情報蓄積用容量素子、１０４…素子分離膜、１０５…ゲート電極、１０６…ゲート絶縁膜、１０７、１０８…拡散層、１０９…絶縁膜、１１０…プラグ、１１１…ビット線、１１２…絶縁膜、１１３、１１０…プラグ、１１４…導電性膜、１１５…容量下部電極、１１６…容量絶縁膜、１１７…容量上部電極、１１８…絶縁膜、１１９…コンタクト用配線膜。
【図１】
2005057302.tif 000003
【図２】
2005057302.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005057302.tif 000007
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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