(57)【要約】【課題】  吸水性が低減され、シリコン酸化膜等価膜厚が１．５ｎｍ以下である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上に下地膜２としてのシリコン酸化膜が形成され、シリコン酸化膜２上にＬａアルミネイト３が形成されている。Ｌａアルミネイト膜３上にゲート電極５が形成されている。ゲート電極５下方のチャネル領域を挟んでシリコン基板１上層にエクステンション領域６が形成され、エクステンション領域６に接続するソース・ドレイン領域９が形成されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に形成された下地膜と、
前記下地膜上に形成されたゲート絶縁膜としての希土類金属アルミネイト膜と、
前記希土類金属アルミネイト膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を挟んで前記シリコン基板の上層に形成された不純物拡散層と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記希土類金属アルミネイト膜中の希土類金属に対するアルミニウムの組成比が１０％以上５０％以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置において、
前記希土類金属アルミネイト膜は、Ｌａ、Ｙ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ及びＬｕの希土類金属のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に係り、特にゲート絶縁膜として高誘電体膜を用いた電界効果トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
デバイスの高集積化に伴いデバイスの微細化が進み、デバイスを構成する膜も薄膜化されている。ゲート絶縁膜として用いられるシリコン酸化膜を膜厚約１．５ｎｍ以下にまで薄膜化すると、直接トンネル効果によりリーク電流が無視できないほど大きくなり、ゲート絶縁膜として機能しなくなる。よって、シリコン酸化膜の薄膜化は限界に達している。
物理的膜厚を厚くすることで、直接トンネル効果を抑制することができるが、高集積化の要求に応えることができない。そこで、シリコン酸化膜よりも高い比誘電率を有する高誘電体膜（「ｈｉｇｈ−ｋ膜」ともいう。）を用いることが提案されている。これにより、直接トンネル効果を抑制する膜厚を確保しつつ、物理膜厚を厚くしても電気的には１．５ｎｍのシリコン酸化膜と同等の膜厚（以下「シリコン酸化膜等価膜厚」という。）或いは薄い膜厚を得ることができる。
【０００３】
しかし、高誘電体膜の下地がシリコン基板である場合には、高誘電体膜を形成する際にシリコン基板と高誘電体膜との間に、不完全な組成のシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ、ｘ＜２）が形成されてしまう。この不完全な組成のシリコン酸化膜は、電気的特性が通常のシリコン酸化膜よりも劣っており、表面の凹凸も粗いため電子の移動が遅い。このため、ゲート絶縁膜の特性が著しく低下してしまうという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するため、シリコン基板上に下地膜としてシリコン酸化膜を形成し、このシリコン酸化膜上に高誘電体膜を形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この方法によれば、上述したような不完全な組成のシリコン酸化膜の形成を防止することができる。なお、シリコン基板と高誘電体膜との間にシリコン酸化膜が介在するため、シリコン酸化膜等価膜厚を１．５ｎｍ或いはそれ以下にするためには、成膜可能な高誘電体膜の膜厚は、下地膜であるシリコン酸化膜の膜厚を差し引いた膜厚となる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−６９０１１号公報（第２−３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記特許文献１には、高誘電体膜としてＬａ酸化膜（Ｌａ２Ｏ３膜）等の希土類金属酸化膜を用いることが記載されている。
しかしながら、希土類金属酸化膜、特に、Ｌａ２Ｏ３膜は、吸湿性が高いことが知られている。このため、膜中に含有される水によって、希土類金属酸化膜の比誘電率が劣化してしまう問題があった。また、後工程の熱処理により膜中に含有される水が脱離して、膜構造が変化してしまうという問題があった。よって、所望の電界効果トランジスタの電気特性が得られないという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、吸水性が低減され、シリコン酸化膜等価膜厚が１．５ｎｍ以下である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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る半導体装置は、シリコン基板上に形成された下地膜と、
前記下地膜上に形成されたゲート絶縁膜としての希土類金属アルミネイト膜と、
前記希土類金属アルミネイト膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極を挟んで前記シリコン基板の上層に形成された不純物拡散層と、
を備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係る半導体装置において、前記希土類金属アルミネイト膜中の希土類金属に対するアルミニウムの組成比が１０％以上５０％以下であることが好適である。
【００１０】
本発明に係る半導体装置において、前記希土類金属アルミネイト膜は、Ｌａ、Ｙ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｔｍ及びＬｕの希土類金属のうち少なくとも１つを含むことが好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は以上説明したように、吸水性が低減され、シリコン酸化膜等価膜厚が１．５ｎｍ以下である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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態による半導体装置を説明するための断面図である。
図１に示すように、シリコン基板１上に、下地膜２としてのシリコン酸化膜が形成されている。シリコン酸化膜２の膜厚は、１原子層分の膜厚よりも厚い膜厚、例えば、０．５ｎｍ程度が好適である。下地膜２としては、シリコン酸化膜以外に、シリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜、又はそれらの積層膜を用いることができる。
【００１３】
シリコン酸化膜２上に、高誘電体膜である希土類金属アルミネイト膜３としてのＬａアルミネイト膜（ＬａＡｌＯｘ膜）が形成されている。
ここで、Ｌａアルミネイト膜３におけるＬａに対するＡｌの組成比［＝Ａｌ／（Ａｌ＋Ｌａ）×１００］（以下「Ａｌ組成比」という。）は、１０％以上５０％以下が好適である。これは、実用上、このＡｌ組成比が１０％よりも低い場合には、Ｌａアルミネイト膜３の吸水性がＨｆ酸化物の吸水性（後述）と同等になってしまうからである。また、Ａｌ組成比が５０％よりも高い場合には、Ａｌの添加による膜中電荷の発生に起因した電気特性の劣化が大きくなってしまうからである。Ｌａアルミネイト膜３の比誘電率は、Ａｌ２Ｏ３膜の比誘電率と、Ｌａ２Ｏ３膜の比誘電率との間の値となる。このため、適宜必要な比誘電率から、Ａｌ組成比を上記範囲内で任意に決定すればよい。
また、Ｌａアルミネイト膜３の膜厚は、例えば、数ｎｍであり、シリコン酸化膜２とＬａアルミネイト膜３のトータルのシリコン酸化膜換算膜厚が１．５ｎｍ以下になるように適宜決定すればよい。希土類金属アルミネイト膜３としては、Ｌａアルミネイト膜（ＬａＡｌＯｘ膜）に限らず、ＹＡｌＯｘ膜、ＮｄＡｌＯｘ膜、ＳｍＡｌＯｘ膜、ＥｕＡｌＯｘ膜、ＧｄＡｌＯｘ膜、ＴｂＡｌＯｘ膜、ＤｙＡｌＯｘ膜、ＨｏＡｌＯｘ膜、ＴｍＡｌＯｘ膜、ＬｕＡｌＯｘ膜（ｘ＞０）のうちの何れかの膜を用いることができる。
【００１４】
Ｌａアルミネイト膜３上に、例えば、ドープトポリシリコン膜からなるゲート電極５が形成されている。
シリコン酸化膜２、Ｌａアルミネイト膜３及びゲート電極５の側壁には、該側壁を覆うサイドウォール８が形成されている。このサイドウォール８の下方のシリコン基板１上層には、シリコン酸化膜２直下のチャネル領域７を挟んでエクステンション領域６が形成されている。さらに、シリコン基板１上層には、エクステンション領域６に接続され、該エクステンション領域６よりも不純物濃度が高いソース／ドレイン領域９が形成されている。
【００１５】
次に、上記半導体装置の製造方法について説明する。
図２は、図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
先ず、図示しないが、シリコン基板内にＳＴＩ法等により素子分離絶縁膜を形成し、イオン注入及び熱処理によりウェル領域を形成する。
【００１６】
次に、図２（ａ）に示すように、リコン基板１上にシリコン酸化膜２を熱酸化法により、例えば、０．５ｎｍの膜厚で形成する。
そして、シリコン酸化膜２上に、Ｌａアルミネイト膜３をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により、例えば、数ｎｍの膜厚で形成する。ここで、中心条件としての圧力は、例えば、約６６５Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）であり、中心条件としての基板温度は、例えば、５００℃（７７３Ｋ）である。また、Ｌａアルミネイト膜３形成用のプロセスガスは、Ｌａを含有する原料ガス、Ａｌを含有する原料ガス及び酸素の３元系ガスや、ＬａとＡｌを含有する原料ガス及び酸素の２元系ガスを用いることができる。Ｌａアルミネイト膜３におけるＡｌ組成比を適宜変更する場合には、３元系ガスを用いることが好適である。また、上記の原料ガスは、液体を気化させてガス化したもの、又は固体を昇華させてガス化したものでもよい。
次に、Ｌａアルミネイト膜３上に、ゲート電極材料としてポリシリコン膜を形成し、このポリシリコン膜内に不純物を注入し、熱処理を行う。これにより、低抵抗化されたドープトポリシリコン膜４がＬａアルミネイト膜３上に形成される。
【００１７】
次に、ドープトポリシリコン膜４上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてドープトポリシリコン膜４、ＬａＡｌＯｘ膜３及びシリコン酸化膜２を順次ドライエッチングする。これにより、図２（ｂ）に示すように、Ｌａアルミネイト膜３上にゲート電極５が形成される。
【００１８】
次に、ゲート電極５、Ｌａアルミネイト膜３及びシリコン酸化膜２をマスクとしてシリコン基板１内に不純物を注入した後、熱処理を行って注入不純物を活性化させる。これにより、図２（ｃ）に示すように、シリコン酸化膜２直下のチャネル領域７を挟むシリコン基板１上層にエクステンション領域６が形成される。
【００１９】
そして、ゲート電極５を覆うようにシリコン基板１全面にシリコン窒化膜を形成した後、このシリコン窒化膜を異方性エッチングする。これにより、図２（ｄ）に示すように、ゲート電極５、Ｌａアルミネイト膜３及びシリコン酸化膜２の側面を覆うサイドウォール８が形成される。
【００２０】
次に、サイドウォール８及びゲート電極５をマスクとして、シリコン基板１内にエクステンション領域６よりも高濃度の不純物を注入した後、熱処理を行って注入不純物を活性化させる。これにより、図２（ｅ）に示すように、エクステンション領域６と接続するソース／ドレイン領域９が形成される。
【００２１】
その後、図示しないが、所望の回路構成に従って、層間絶縁膜の形成、コンタクトの形成及び上層配線の形成を行う。なお、ソース／ドレイン領域９及びゲート電極５の上層に金属シリサイド膜を形成して低抵抗化してもよい。
【００２２】
次に、本発明者は、本実施の形態において希土類金属酸化膜の代わりにＬａアルミネイト膜（ＬａＡｌＯｘ膜）を用いることによる吸湿性の改善効果について調査した。詳細には、膜中のＡｌ組成比が４０％程度のＬａアルミネイト膜について吸湿性を調査した。また、比較用として、希土類金属酸化膜としてＬａ酸化膜及びＨｆ酸化膜を用いた場合の吸湿性について調査した。なお、本調査で用いるＬａアルミネイト膜、Ｌａ酸化膜及びＨｆ酸化膜は、ＣＶＤ法により形成したものである。
【００２３】
図３はＬａアルミネイト膜（Ａｌ組成比４０％）中の水の昇温スペクトルを示す図であり、図４はＬａ酸化膜中の水の昇温スペクトルを示す図であり、図５はＨｆ酸化膜中の水の昇温スペクトルを示す図である。各図において、横軸は膜の温度（℃）を示し、縦軸は膜温度上昇により膜中から気層に脱離した水のピーク強度を示している。
【００２４】
図４に示すように、Ｌａ酸化膜の場合には、膜の温度が上昇するにつれて、Ｌａ酸化膜中に含有されている水が気層中に放出され、膜温度が約４００℃前後でピーク強度が最大となる。図５に示すＨｆ酸化膜の場合も同様に、約４００℃前後でピーク強度が最大となる。Ｌａ酸化膜の最大ピーク強度はＨｆ酸化膜の最大ピーク強度の約１００倍であり、Ｌａ酸化膜中に含有される水の量が多いことが分かった。
前述したように、この膜中の水により膜の比誘電率が劣化してしまう。また、後工程の熱処理により膜中の水が脱離することにより空孔が形成されたり、膜表面が粗くなってしまったりすることにより、膜構造が変化してしまう。
【００２５】
これに対して、図３に示すように、本実施の形態で用いられるＬａアルミネイト膜の場合には、約４００℃前後で現れる水の最大ピーク強度が、図４に示すＬａ酸化膜の最大ピーク強度の約１／５００（５００分の１）であり、また図５に示すＨｆ酸化膜の最大ピーク強度の約１／１０（１０分の１）であることが分かった。従って、Ｌａアルミネイト膜は、膜中に含有される水の量が希土類酸化膜よりも著しく抑制されたものであることが分かった。
【００２６】
なお、上述したように、Ｌａアルミネイト膜中のＡｌ組成比が１０％よりも低い場合には、Ｌａアルミネイト膜の吸水性がＨｆ酸化膜と同等になってしまう。このため、Ａｌ組成比は１０％以上にすることが好適である。
【００２７】
以上説明したように、本実施の形態では、シリコン基板１上にシリコン酸化膜２を介して、ゲート絶縁膜としての希土類金属アルミネイト膜３を形成した。すなわち、希土類金属酸化膜にＡｌを添加して混晶体の希土類金属アルミネイト膜３とすることにより、希土類金属酸化膜の高い吸湿性を低減することができる。よって、希土類金属酸化膜と比較して希土類金属アルミネイト膜では膜中に含有される水の量を低減することができるため、水に起因する比誘電率の変化による膜の劣化や、後工程での水の脱離による膜構造の変化を抑制することができる。従って、電気特性の劣化がなく、シリコン酸化膜等価膜厚が１．５ｎｍ以下のゲート絶縁膜を得ることができる。よって、所望の電気特性を有する電界効果トランジスタを得ることができる。
【００２８】
なお、本実施の形態では、ゲート電極５の材料としてポリシリコン膜を用いたが、これに限らず、タングステンのような金属膜、タングステンシリサイドのような金属シリサイド膜、或いはそれらの積層膜を用いることができる。
また、Ｌａアルミネイト膜３の形成条件は中心条件であり、適宜変更してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態による半導体装置を説明するための断面図である。
【図２】図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図３】図１に示す半導体装置に用いられるＬａアルミネイト膜中の水の昇温脱離スペクトルを示す図である。
【図４】Ｌａ酸化膜中の水の昇温脱離スペクトルを示す図である。
【図５】Ｈｆ酸化膜中の水の昇温脱離スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  基板
２  シリコン酸化膜
３  希土類金属アルミネイト膜（Ｌａアルミネイト膜（ＬａＡｌＯｘ膜））
４  ドープトポリシリコン膜
５  ゲート電極
６  エクステンション領域
７  チャネル領域
８  サイドウォール
９  ソースドレイン領域
【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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