(57)【要約】Ｓｉ基板（１１）の表面にｐウェル（１２）を形成し、素子分離絶縁膜（１３）を形成する。次に、全面に薄いＳｉＯ２膜（１４ａ）を形成し、その上に希土類金属（例えばＬａ、Ｙ）及びＡｌを含有する酸化膜を絶縁膜（１４ｂ）として形成する。更に、絶縁膜（１４ｂ）上にポリＳｉ膜（１５）を形成する。その後、例えば１０００℃程度の熱処理を行うことによって、ＳｉＯ２膜（１４ａ）と絶縁膜（１４ｂ）とを反応させ、希土類金属及びＡｌを含有するシリケート膜を形成する。即ち、ＳｉＯ２膜（１４ａ）及び絶縁膜（１４ｂ）を単一のシリケート膜とする。
2004086484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の導電層と、
前記第１及び第２の導電層によって挟まれ、Ｓｉ、希土類金属、Ａｌ及びＯを含有する誘電体膜と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記誘電体膜は、更にＮを含有す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】
前記第１の導電層は、半導体基板の表面に形成されたチャネルであり、
前記第２の導電層は、ゲート電極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４】
前記第１の導電層は、キャパシタの一方の電極であり、
前記第２の導電層は、前記キャパシタの他方の電極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５】
前記誘電体膜中のＡｌ原子の数は、希土類金属の原子の数よりも少ないことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記誘電体膜中のＡｌ原子の数は、希土類金属の原子の数の１／２以上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】
前記誘電体膜は、非晶質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８】
第１の導電層上に、Ｓｉを含有する第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上に、希土類金属、Ａｌ及びＯを含有する第２の絶縁膜を形成する工程と、
熱処理によって前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とを反応させることにより、Ｓｉ、希土類金属、Ａｌ及びＯを含有する誘電体膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記誘電体膜上に、第２の導電層を形成する工程を有することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記誘電体膜を形成する工程の前に、
前記第２の絶縁膜上に、第２の導電層を形成する工程を有することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記第１の絶縁膜は、Ｓｉ酸化膜、Ｓｉ窒化膜及びＳｉ酸化窒化膜からなる群から選択された１種であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記誘電体膜を形成する工程の前に、
前記第２の絶縁膜上に、Ｓｉ及びＮを含有する第３の絶縁膜を形成する工程を有し、
前記誘電体膜を形成する工程において、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜とを反応させることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記第２の絶縁膜中のＡｌ原子の数を、希土類金属の原子の数よりも少なくすることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記第２の絶縁膜中のＡｌ原子の数を、希土類金属の原子の数の１／２以上とすることを特徴とする請求項１３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記誘電体膜を形成する工程において、非晶質の膜を形成することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
第１の導電層上に、Ｓｉ、希土類金属、Ａｌ及びＯを含有する誘電体膜を化学気相成長法により形成する工程と、
前記誘電体膜上に、第２の導電層を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
Ｓｉ、希土類金属、Ａｌ及びＯを含有することを特徴とする誘電体膜。
【請求項１８】
更にＮを含有することを特徴とする請求項１７に記載の誘電体膜。
【請求項１９】
Ｓｉを含有する第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上に、希土類金属、Ａｌ及びＯを含有する第２の絶縁膜を形成する工程と、
熱処理によって前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とを反応させて前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とを単一の膜にする工程と、
を有することを特徴とする誘電体膜の形成方法。
【請求項２０】
前記第１の絶縁膜は、Ｓｉ酸化膜、Ｓｉ窒化膜及びＳｉ酸化窒化膜からなる群から選択された１種であることを特徴とする請求項１９に記載の誘電体膜の形成方法。
【請求項２１】
前記前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とを単一の膜にする工程の前に、
前記第２の絶縁膜上に、Ｓｉ及びＮを含有する第３の絶縁膜を形成する工程を有し、
前記単一の膜にする工程において、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜とを反応させることを特徴とする請求項１９に記載の誘電体膜の形成方法。
【請求項２２】
前記第２の絶縁膜中のＡｌ原子の数を、希土類金属の原子の数よりも少なくすることを特徴とする請求項１９に記載の誘電体膜の形成方法。
【請求項２３】
前記第２の絶縁膜中のＡｌ原子の数を、希土類金属の原子の数の１／２以上とすることを特徴とする請求項２２に記載の誘電体膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、ＭＯＳＦＥＴ及びキャパシタに好適な誘電体膜、その形成方法、それを備えた半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】  ＭＯＳＦＥＴ等の電界効果トランジスタのゲート絶縁膜やキャパシタの容量絶縁膜に用いられる高誘電率絶縁膜として、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）及びシリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）に代わるより誘電率が高い絶縁膜が求められている。
このような高誘電率絶縁膜として、希土類金属を含む絶縁膜に関する研究がなされている。但し、希土類金属をＭと表したときに、単純な組成のＭ２Ｏ３膜は、熱的及び化学的に不安定であるため、そのまま用いることはできない。
そこで、シリコン基板との間の界面準位が良好な薄いＳｉＯ２膜がシリコン基板上に設けられ、その上に誘電率の高い金属酸化物膜が形成された多層酸化膜構造を備えたＭＯＳＦＥＴが考案されている。また、このような金属酸化物膜として希土類金属酸化物膜を用いることも提案されている。
しかしながら、上述のような多層酸化膜構造では、低温で成膜を行い、低温で試験を行うのであれば、それなりの結果は得られるが、実際の半導体装置に適用することはできない。
即ち、シリコン材料が多く含まれる電子デバイスを製造する際には、特に金属配線を形成する以前に、６００℃〜１０５０℃の高温の熱処理を頻繁に行う。従って、高誘電率絶縁膜も、高温の熱処理に耐え得るものである必要がある。しかし、上述のような多層酸化膜構造に対して高温の熱処理を行うと、その間に特性が変化してしまう。この結果、例えば界面準位の悪化及び誘電率の低下等の問題が生じる。
【特許文献１】  特開２００２−３２４９０１号公報
【特許文献２】  特開２００２−１８４７７３号公報
【特許文献３】  特開２００２−３２９８４７号公報
【発明の開示】
本発明の目的は、高温耐性及び誘電率が高い誘電体膜、その形成方法、それを備えた半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
本発明に係る半導体装置には、第１及び第２の導電層が設けられ、Ｓｉ、希土類金属、Ａｌ及びＯを含有する誘電体膜が前記第１及び第２の導電層によって挟まれている。
本発明に係る半導体装置の製造方法では、第１の導電層上に、Ｓｉを含有する第１の絶縁膜を形成する。次に、前記第１の絶縁膜上に、希土類金属、Ａｌ及びＯを含有する第２の絶縁膜を形成する。そして、熱処理によって前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とを反応させることにより、Ｓｉ、希土類金属、Ａｌ及びＯを含有する誘電体膜を形成する。
本発明に係る誘電体膜は、Ｓｉ、希土類金属、Ａｌ及びＯを含有することを特徴とする。
本発明に係る誘電体膜の形成方法では、Ｓｉを含有する第１の絶縁膜を形成する。次に、前記第１の絶縁膜上に、希土類金属、Ａｌ及びＯを含有する第２の絶縁膜を形成する。そして、熱処理によって前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とを反応させて前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とを単一の膜にする。
【図面の簡単な説明】  図１は、Ｓｉ基板上に自然酸化膜を介して形成されたＬａ２Ｏ３膜の熱処理による変化を赤外吸収法で評価した結果を示すグラフである。
図２は、図１に示す評価で用いた各膜のＸ線回折スペクトルを示すグラフである。
図３は、Ｓｉ基板上に自然酸化膜を介して形成されたアルミン酸イットリウム膜の熱処理による変化を赤外吸収法で評価した結果を示すグラフである。
図４は、図３に示す評価で用いた各膜のＸ線回折スペクトルを示すグラフである。
図５は、ＹｘＡｌｙＯｚの膜厚を６ｎｍとしたときに得られるＸ線回折スペクトルを示すグラフである。
図６は、Ａｌが含まれていないＹ２Ｏ３膜（厚さ：４１ｎｍ）のＸ線回折スペクトルを示すグラフである。
図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
図８は、第１の実施形態に基づいて実際に作製したＭＯＳＦＥＴの高周波ＣＶ特性を示すグラフである。
図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
図１０は、深さとＳＩＭＳ強度との関係を示すグラフである。
図１１Ａ乃至図１１Ｄは、本発明を適用してＭＯＳＦＥＴを製造する方法を工程順に示す断面図である。
図１２Ａ乃至図１２Ｃは、本発明を適用してキャパシタを製造する方法を工程順に示す断面図である。
図１３は、バッチ式の装置を示す模式図である。
図１４は、枚葉式の装置を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本願発明者が、従来の多層酸化膜構造において高温の熱処理によって特性が変化する原因を調査したところ、シリコン酸化膜と希土類金属酸化物膜とが反応していることを見出した。
図１は、Ｓｉ基板上に自然酸化膜を介して形成されたＬａ２Ｏ３膜の熱処理による変化を赤外吸収法（ＦＴＩＲ）で評価した結果を示すグラフである。Ｌａ２Ｏ３は、代表的な希土類酸化物である。図１に示す結果は、Ｌａ２Ｏ３膜を５００℃で形成したときのものである。実線は形成後に熱処理を施されていない試料の結果を示し、破線は形成後に８００℃で１０分間の熱処理を施された試料の結果を示し、一点鎖線は形成後に９００℃で１０分間の熱処理を施された試料の結果を示し、二点鎖線は形成後に１０００℃で１０分間の熱処理を施された試料の結果を示す。なお、自然酸化膜の厚さは１ｎｍ程度であり、Ｌａ２Ｏ３膜の厚さは４０ｎｍである。
図１に示すように、熱処理前には、自然酸化膜の存在を示すＳｉＯ２のピークが顕著である。しかし、僅か８００℃の熱処理でこのピークは完全に消失し、Ｌａの珪酸塩（シリケート）のピークが顕著となっている。このシリケートは、シリカ（ＳｉＯ２）とＬａ２Ｏ３との複合酸化物である。
図２は、図１に示す評価で用いた各膜のＸ線回折スペクトルを示すグラフである。図２に示すように、熱処理前には、Ｌａ２Ｏ３の存在を示すピーク（２θ＝２１．８９、２５．９４）が顕著である。しかし、８００℃以上の熱処理後には、これらのピークは消失し、熱力学的に安定なシリケート結晶（Ｌａ２ＳｉＯ５）の存在を示すピーク（２θ＝２７．２８、３０．１１等）が顕著となっている。
図１及び図２に示す結果から判るように、Ｌａ２Ｏ３膜を用いた多層酸化膜構造では、高温の熱処理によって、自然酸化膜とＬａ２Ｏ３膜とが反応しているのである。また、Ｌａ２Ｏ３膜の厚さは４０ｎｍであるため、自然酸化膜中のＳｉだけでは、Ｓｉが不足する。即ち、Ｌａ２ＳｉＯ５では、Ｌａ原子の数の１／２の数のＳｉ原子が必要とされるが、自然酸化膜中には十分なＳｉ原子が存在しない。従って、Ｓｉの不足分がＳｉ基板から補われたことになる。
一方で、一般的な半導体装置の製造方法では、ＭＯＳトランジスタが層間絶縁膜等によって覆われた状態で、種々の高温の熱処理が行われる。このため、外部から酸素が補われることはなく、生成されたＬａ２ＳｉＯ５膜では、酸素が不足して、膜の誘電率が大幅に低下してしまう。
また、自然酸化膜の消失に伴って、界面特性（界面準位）も大幅に劣化してしまう。
このように、ＳｉＯ２膜及び希土類金属酸化物膜の多層酸化膜構造のゲート絶縁膜を有するＭＯＳＦＥＴを備えた半導体装置を安定して製造するためには、ゲート絶縁膜を形成した後には、５００℃〜６００℃以下の低温の処理のみが可能である。これに対し、現状のポリＳｉからなるゲート電極を有するＭＯＳＦＥＴを備えた半導体装置を製造するためには、８００℃以上の熱処理が頻繁に必要とされる。つまり、従来の多層酸化膜構造のゲート絶縁膜は、ポリＳｉからなるゲート電極を有するＭＯＳＦＥＴに適用することはできないのである。
そこで、本願発明者が、このような実験結果等を考慮した上で、ゲート絶縁膜（誘電体膜）において、高い誘電率を得ながら、高い高温耐性を得るために、鋭意検討を重ねた結果、ゲート絶縁膜として、希土類金属だけでなくＡｌをも含有するシリコン酸化膜を用いることにより、極めて高い誘電率を得ることができ、また、界面特性の劣化を防止することができることを見出した。更に、このような希土類金属及びＡｌを含有するシリコン酸化膜は、キャパシタの容量絶縁膜としても好適であることも見出された。
図３は、Ｓｉ基板上に自然酸化膜を介して形成されたアルミン酸イットリウム（ＹｘＡｌｙＯｚ）膜（厚さ：４２ｎｍ）の熱処理による変化を赤外吸収法（ＦＴＩＲ）で評価した結果を示すグラフである。但し、Ａｌ原子の数はＹ原子の数の１／２である。図３に示す結果は、ＹｘＡｌｙＯｚ膜を５００℃で形成したときのものである。図１と同様に、実線は形成後に熱処理を施されていない試料の結果を示し、破線は形成後に８００℃で１０分間の熱処理を施された試料の結果を示し、一点鎖線は形成後に９００℃で１０分間の熱処理を施された試料の結果を示し、二点鎖線は形成後に１０００℃で１０分間の熱処理を施された試料の結果を示す。
図３に示すように、熱処理前には、自然酸化膜の存在を示すＳｉＯ２のピークが顕著である。しかし、僅か８００℃の熱処理でこのピークは減少し、９００℃の熱処理で完全に消失して、シリケートのピークが顕著となっている。このシリケートは、シリカ（ＳｉＯ２）とＹｘＡｌｙＯｚとの複合酸化物である。また、いずれの温度でも、希土類金属のアルミン酸塩（アルミネート）であるＹｘＡｌｙＯｚの存在を示すピークが現れている。
図４は、図３に示す評価で用いた各膜のＸ線回折スペクトルを示すグラフである。また、図５は、ＹｘＡｌｙＯｚの膜厚を６ｎｍとしたときに得られるＸ線回折スペクトルを示すグラフである。
図４及び図５に示すように、膜厚に拘わらず、熱処理前には、顕著なピークは存在せず、形成されたアルミン酸イットリウム膜は非晶質状態となっている。この状態は、８００℃の熱処理が行われても維持されている。そして、９００℃以上の熱処理が行われると、シリコンを数％含んだＹｘＡｌｙＯｚが結晶化する。
参考のために、Ａｌが含まれていないＹ２Ｏ３膜（厚さ：４１ｎｍ）のＸ線回折スペクトルを図６に示す。図６に示すように、Ｙ２Ｏ３膜では、５００℃で成膜された状態で、既に結晶化されている。従って、図４及び図５と図６とを比較すると判るように、Ａｌが含有されることにより、結晶化が抑制されている。このような内部に粒界が存在しない非晶質膜は、キャパシタの容量絶縁膜に極めて好適である。
以下、これらの知見に基づいてなされた本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。但し、ここでは、便宜上、半導体装置の一部の構造についてその形成方法と共に説明する。図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
第１の実施形態では、先ず、図７Ａに示すように、Ｓｉ基板１上にＳｉＯ２膜２を形成する。ＳｉＯ２膜２の厚さは、例えば１ｎｍ程度である。ここで、ＳｉＯ２膜２として自然酸化膜をそのまま用いてもよい。次に、ＳｉＯ２膜２上に希土類金属及びＡｌを含んだ酸化膜として、絶縁膜３を形成する。絶縁膜３の厚さは、例えば３ｎｍ程度である。その後、絶縁膜３上にポリＳｉ膜４を形成する。
続いて、これらの積層体に対して、例えば、酸化性雰囲気中で７００℃以上の熱処理を施す。この結果、図７Ｂに示すように、ＳｉＯ２膜２と絶縁膜３とが反応して、希土類金属及びＡｌを含有する絶縁性のシリケート（珪酸塩）膜（誘電体膜）６が形成される。このシリケート膜６は、従来提案されているような多層構造の絶縁膜ではなく、４元系以上の多元系の単層膜である。
その後、ポリＳｉ膜４をゲート電極の平面形状にパターニングすることにより、シリケート膜６をゲート絶縁膜とするＭＯＳＦＥＴを形成することができる。
更に、不純物拡散層及び層間絶縁膜等を形成して半導体装置を完成させる。
このような第１の実施形態では、ＳｉＯ２膜２と絶縁膜３とが反応してシリケート膜６が形成されるが、絶縁膜３にＡｌが含有されているため、Ｓｉ基板１からのＳｉの取り込み量は極めて低い。即ち、シリケート膜６中にＳｉが入り込む余地がほとんどない。このため、誘電率の低下を回避することが可能である。また、界面準位の劣化も防止される。
なお、第１の実施形態では、ＳｉＯ２膜２の厚さ、絶縁膜３の厚さ及び絶縁膜３の組成によって、シリケート膜６の組成及びＳｉ基板１からのＳｉの取り込み量を制御することができる。
図８は、第１の実施形態に基づいて実際に作製したＭＯＳＦＥＴの高周波ＣＶ特性を示すグラフである。図８に示す結果は、表面の面方位が（１００）のＳｉ基板１を用い、その上に自然酸化膜が形成された状態で、厚さが６ｎｍの絶縁膜３を形成し、ゲート電極としてＰｔ電極を形成したときに得られたものである。なお、熱処理温度は１０００℃であり、絶縁膜３には、希土類金属としてＹが含有されている。
図８に示すように、１０００℃もの高温の熱処理にも拘わらず、高い誘電率と良好な高周波ＣＶ特性が得られた。即ち、ヒステリシスはほとんど生じず、また、リーク電流の増加も小さかった。そして、熱処理によって誘電率が低下しないことは、Ｓｉ基板からシリケート膜に取り込まれるＳｉの量を適切に制限できていることを示している。即ち、第１の実施形態によれば、ＳｉＯ２膜２の厚さ等に基づいて多元系の組成を制御しながら、良好な絶縁特性を具えた高誘電率薄膜を形成することができる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。但し、ここでも、便宜上、半導体装置の一部の構造についてその形成方法と共に説明する。図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図である。
第２の実施形態では、先ず、図９Ａに示すように、Ｓｉ基板１上に絶縁膜２を形成する。絶縁膜２の厚さは、例えば１ｎｍ程度である。ここで、絶縁膜２として自然酸化膜をそのまま用いてもよく、ＳｉＯ２膜、ＳｉＮ膜又はＳｉＯＮ膜を形成してもよい。次に、絶縁膜２上に希土類金属及びＡｌを含んだ酸化膜として、絶縁膜３を形成する。絶縁膜３の厚さは、例えば６ｎｍ程度である。その後、絶縁膜３上にＳｉ窒化膜（ＳｉＮｘ膜）５を形成し、その上にポリＳｉ膜４を形成する。
続いて、これらの積層体に対して、例えば、酸化性雰囲気中で７００℃以上の熱処理を施す。この結果、図９Ｂに示すように、絶縁膜２と絶縁膜３とＳｉ窒化膜５とが反応して、希土類金属、Ａｌ及びＮを含有する絶縁性のシリケート（珪酸塩）膜（誘電体膜）７が形成される。このシリケート膜７は、従来提案されているような多層構造の絶縁膜ではなく、５元系以上の多元系の単層膜である。
このような第２の実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、Ｎの存在によりシリケート膜７の結晶化が抑制され、シリケート膜７は非晶質の状態にある。従って、リーク電流をより一層抑制することができる。
図１０は、深さとＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）強度との関係を示すグラフである。図１０に示すグラフは、Ｙ２Ｏ３膜とＳｉ基板との間にＳｉ窒化膜が設けられた試料に対し、１０００℃で１０分間の熱処理を行った後に得られたものである。
図１０に示すように、浅い部分、即ちＹ２Ｏ３膜とＳｉ窒化膜とが反応して生成されたシリケート膜中には、Ｎがほぼ一定の濃度で存在している。図１０に示す実験で用いた試料では、Ａｌが含有されていない希土類金属酸化物膜が形成されているが、第２の実施形態のように、Ａｌが含有された希土類金属酸化物膜が形成されている場合にも、同様の結果が得られるものと考えられる。そして、この結果は、Ｓｉ基板と希土類金属酸化物膜との間に、Ｎを適切な濃度で含有する膜、例えばＳｉＮ膜又はＳｉＯＮ膜を適切な厚さで形成しておき、熱処理を行うことにより、Ｎが所望の濃度でほぼ均一に含有されたシリケート膜を得ることができることを示している。また、このようなシリケート膜は非晶質となっており、粒界が存在しない。即ち、リーク電流の経路が存在せず、リーク電流が抑制される。
なお、第２の実施形態では、絶縁膜３とポリＳｉ膜４との間にＳｉ窒化膜５が形成されているため、Ｓｉ窒化膜５もシリケート膜７へのＮの供給源となる。従って、第２の実施形態では、絶縁膜２の厚さ、絶縁膜３の厚さ、絶縁膜３の組成及びＳｉ窒化膜５の厚さによって、シリケート膜７の組成及びＳｉ基板１からのＳｉの取り込み量を制御することができる。
また、第１及び第２の実施形態では、ポリＳｉ膜４を形成した後に熱処理を行っているが、ポリＳｉ膜４を形成する前に行ってもよい。
更に、第１及び第２の実施形態では、絶縁膜３とポリＳｉ膜４と（Ｓｉ窒化膜５と）を反応させる際の雰囲気を酸化性雰囲気としている。これは、Ｓｉ基板１から若干のＳｉの取り込みがあり得るため、このときにシリケート膜６及び７が酸素不足にならないようにするためである。
次に、第１の実施形態を用いたＭＯＳＦＥＴの製造方法及びキャパシタの製造方法について説明する。
ＭＯＳＦＥＴを製造するに当たっては、先ず、図１１Ａに示すように、Ｓｉ基板１１の表面にｐウェル１２を形成し、素子分離絶縁膜１３を形成する。次に、全面に薄いＳｉＯ２膜１４ａを形成し、その上に希土類金属（例えばＬａ、Ｙ）及びＡｌを含有する酸化膜を絶縁膜１４ｂとして形成する。更に、絶縁膜１４ｂ上にポリＳｉ膜１５を形成する。なお、ＳｉＯ２膜１４ａとして自然酸化膜を用いてもよい。
その後、例えば１０００℃程度の熱処理を行うことによって、ＳｉＯ２膜１４ａと絶縁膜１４ｂとを反応させ、図１１Ｂに示すように、希土類金属及びＡｌを含有するシリケート膜１４を形成する。即ち、ＳｉＯ２膜１４ａ及び絶縁膜１４ｂを単一のシリケート膜１４とする。続いて、ポリＳｉ膜１５及びシリケート膜１４をゲート電極の平面形状にパターニングする。次に、Ｎ型不純物、例えばＰのイオン注入を行うことにより、低濃度拡散層１６を形成する。
次いで、図１１Ｃに示すように、サイドウォール絶縁膜１７をゲート電極（ポリＳｉ膜１５）の側方に形成する。その後、Ｎ型不純物のイオン注入を低濃度拡散層１６の形成時よりも高いドーズ量で行うことにより、ソース拡散層１８及びドレイン拡散層１９を形成する。
続いて、図１１Ｄに示すように、ソース拡散層１８、ドレイン拡散層１９及びゲート電極（ポリＳｉ膜１５）の表面に、夫々コバルトシリサイド層２０、２１、２２を形成する。
そして、図示しないが、層間絶縁膜の形成及び配線の形成等を行う。
また、キャパシタを製造するに当たっては、先ず、図１２Ａに示すように、Ｓｉ基板３１の表面にＮ＋層３２を形成し、全面に層間絶縁膜３３を形成する。次に、層間絶縁膜３３にＮ＋層３２まで到達するコンタクトホールを形成する。次いで、層間絶縁膜３３上にコンタクトホールを介してＮ＋層３２に接合される下部電極３４を形成する。下部電極３４は、例えばポリＳｉ膜からなる。
その後、図１２Ｂに示すように、全面に薄いＳｉＯ２膜３５ａを形成し、その上に希土類金属（例えばＬａ、Ｙ）及びＡｌを含有する酸化膜を絶縁膜３５ｂとして形成する。
続いて、図１２Ｃに示すように、シリケート膜３５上に上部電極３６を形成する。次に、例えば８００℃程度の熱処理を行うことによって、ＳｉＯ２膜３５ａと絶縁膜３５ｂとを反応させ、希土類金属及びＡｌを含有するシリケート膜３５を形成する。即ち、ＳｉＯ２膜３５ａ及び絶縁膜３５ｂを単一のシリケート膜３５とする。
そして、図示しないが、層間絶縁膜の形成及び配線の形成等を行う。
なお、これらのＭＯＳＦＥＴの製造方法及びキャパシタの製造方法では、第１の実施形態の代わりに第２の実施形態を用いてもよい。
次に、Ａｌの含有量について説明する。従来の多層構造絶縁膜では、一般的なＳｉを用いた装置の製造で必要とされる高温の熱処理によって、希土類金属酸化膜に希土類金属原子の１／２程度の数のＳｉ原子が取り込まれてしまう。これに対し、上述のように、希土類金属酸化膜中に予めＡｌを含有させ、アルミン酸（アルミネート）化しておくことにより、熱処理中に希土類金属酸化膜に取り込まれるＳｉの量を制御することができる。但し、希土類金属酸化膜に含有されるＡｌ原子の数が希土類金属原子よりも多い場合、自然酸化膜等の希土類金属酸化膜とＳｉ基板との間に存在する誘電率が低い絶縁膜との反応が不十分となり、誘電率が低い絶縁膜が残存し、高い誘電率を得にくくなる。従って、Ａｌ原子の数は、希土類金属原子の数よりも少ないことが好ましい。逆に、Ａｌ原子の数が希土類金属原子の数の１／２よりも少ないと、Ｓｉ基板からの取り込むＳｉの量が多くなることがある。従って、Ａｌ原子の数は、希土類金属原子の数の１／２以上であることが好ましい。そして、このような組成の希土類金属酸化膜を用いることにより、低誘電率層の生成を抑え、単層の多元系複合酸化膜を得ることができる。
なお、希土類金属としては、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕのいずれを用いてもよい。
ここで、希土類金属、例えばＹ及びＡｌを含有するシリコン酸化膜の形成に好適な装置について説明する。図１３は、バッチ式の装置を示す模式図であり、図１４は、枚葉式の装置を示す模式図である。
バッチ式の装置には、図１３に示すように、複数枚のＳｉウェハ（Ｓｉ基板）５１が収納される成膜室５２が設けられており、その周囲にヒータ５３が配置されている。成膜室５２には、Ｏ２の供給配管、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）用の供給配管及びＹ（ＤＰＭ）３（イットリウム  ディピバロイルメタナート）用の供給配管が繋がれている。Ｙ（ＤＰＭ）３の溶媒としては、例えばＴＨＦ（テトラヒドロフラン）を用いる。Ｏ２の供給配管には、Ｏ２用のマスフローコントローラ（ＭＦＣ）５４及びＮ２用のＭＦＣ５５が設けられている。ＴＭＡ用の供給配管には、気化器５６、ＴＭＡ用の液体ＭＦＣ５７及びＮ２用のＭＦＣ５８が設けられている。Ｙ（ＤＰＭ）３用の供給配管には、気化器５９、Ｙ（ＤＰＭ）３用の液体ＭＦＣ６０及びＮ２用のＭＦＣ６１が設けられている。
枚葉式の装置には、図１４に示すように、１枚のＳｉウェハ５１が収納される成膜室６２が設けられており、成膜室６２内にＳｉウェハ５１を加熱するヒータ６３、及びシャワーヘッド６４が設けられている。そして、バッチ式の装置と同様の３本の配管がシャワーヘッド６４に繋がれている。
これらの装置で用いるＹ（ＤＰＭ）３の濃度は、例えば０．０１〜０．０５ｍｏｌ／リットル程度であり、気化器５９の温度は、例えば２００〜２５０℃とし、Ｙ（ＤＰＭ）３の流量は、例えば１ｍｍ３／分とする。また、ＴＭＡの供給に当たっては、例えば溶媒を用いずに液体のまま供給を行い、その流量は１ｍｍ３／分とし、気化器５６の温度は、例えば８０℃とする。更に、Ｏ２の流量は、例えば１００〜１０００ｓｃｃｍとする。そして、例えば、成膜室５２又は６２の圧力を６６．７〜６６７Ｐａ（０．５〜５．０Ｔｏｒｒ）とし、成膜温度を４００〜６５０℃として、成膜を行う。
希土類金属及びＡｌを含有するシリコン酸化膜として、ＬａｘＡｌｙＯｘを形成する場合には、Ｙ（ＤＰＭ）３の代わりにＬａ（ＤＰＭ）３（ランタン  ディピバロイルメタナート）を用いればよい。
なお、Ｓｉ、希土類金属、Ａｌ及びＯを含有する絶縁膜は、上述のような２つの膜の反応によって形成することができるものではなく、例えば化学気相成長法（ＣＶＤ法）等で形成してもよい。
【産業上の利用可能性】  以上詳述したように、本発明によれば、希土類金属を含有するシリケート膜に、更にＡｌを含有させているため、その組成を比較的容易に制御することができ、高温耐性及び誘電率が高い誘電体膜を容易に形成することができる。このため、ポリＳｉを用いた半導体装置の製造に当たっても、従来どおり、高温の熱処理を行うことができ、高い性能の半導体装置を得ることができる。
【図１】
2004086484.tif 000003
【図２】
2004086484.tif 000004
【図３】
2004086484.tif 000005
【図４】
2004086484.tif 000006
【図５】
2004086484.tif 000007
【図６】
2004086484.tif 000008
2004086484.tif 000009
【図８】
2004086484.tif 000010
2004086484.tif 000011
【図１０】
2004086484.tif 000012
2004086484.tif 000013
2004086484.tif 000014
2004086484.tif 000015
【図１３】
2004086484.tif 000016
【図１４】
2004086484.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成17年6月8日(2005.6.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の導電層と、
前記第１及び第２の導電層によって挟まれ、Ｓｉ、希土類金属、Ａｌ及びＯを含有する誘電体膜と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記誘電体膜は、更にＮを含有す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】
前記第１の導電層は、半導体基板の表面に形成されたチャネルであり、
前記第２の導電層は、ゲート電極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４】
前記第１の導電層は、キャパシタの一方の電極であり、
前記第２の導電層は、前記キャパシタの他方の電極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５】
前記誘電体膜中のＡｌ原子の数は、希土類金属の原子の数よりも少ないことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
第１の導電層上に、Ｓｉを含有する第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上に、希土類金属、Ａｌ及びＯを含有する第２の絶縁膜を形成する工程と、
熱処理によって前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜とを反応させることにより、Ｓｉ、希土類金属、Ａｌ及びＯを含有する誘電体膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記誘電体膜上に、第２の導電層を形成する工程を有することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記誘電体膜を形成する工程の前に、
前記第２の絶縁膜上に、第２の導電層を形成する工程を有することを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記第１の絶縁膜は、Ｓｉ酸化膜、Ｓｉ窒化膜及びＳｉ酸化窒化膜からなる群から選択された１種であることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記誘電体膜を形成する工程の前に、
前記第２の絶縁膜上に、Ｓｉ及びＮを含有する第３の絶縁膜を形成する工程を有し、
前記誘電体膜を形成する工程において、前記第１の絶縁膜と前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜とを反応させることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【国際調査報告】
2004086484.tif 000018
2004086484.tif 000019