(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ半導体基板にソース・ドレイン領域を設け、前記ソース・ドレイン領域間にゲート絶縁膜を介してゲート電極を設けてなる電界効果トランジスタであって、前記ゲート絶縁膜が、前記Ｓｉ半導体基板上にＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍの何れかを組成に主として含む２モノレイヤ以下のシリサイド膜、さらにこのシリサイド膜の上に実質的にＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＳｒＺｒＯ３で表記される絶縁膜を設けた積層膜であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
Ｓｉ半導体基板にソース・ドレイン領域を設け、前記ソース・ドレイン領域間にゲート絶縁膜を介してゲート電極を設けてなる電界効果トランジスタであって、前記ゲート絶縁膜が、前記Ｓｉ半導体基板上にＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍの何れかを組成に主として含む２モノレイヤ以下のシリサイド膜を設け、さらに前記シリサイド膜の上に実質的にＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｒＺｒＯ３で表記される絶縁膜を設けた積層膜であることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項３】
Ｓｉ半導体基板にソース・ドレイン領域を設け、前記ソース・ドレイン領域間にゲート絶縁膜を介してゲート電極を設けてなる電界効果トランジスタを製造するに際し、前記ゲート絶縁膜を、前記Ｓｉ半導体基板上にＣｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍの何れかを組成に主として含む２モノレイヤ以下のシリサイド膜を形成してＳｉ表面を終端化し、その後に前記シリサイド膜の上に実質的にＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｌａ２Ｏ３、ＳｒＺｒＯ３で表記される絶縁膜を積層することによって形成したことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項４】
Ｓｉ半導体基板にソース・ドレイン領域を設け、前記ソース・ドレイン領域間にゲート絶縁膜を介してゲート電極を設けてなる電界効果トランジスタを製造するに際し、前記ゲート絶縁膜を、前記Ｓｉ半導体基板上にＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍの何れかを組成に主として含む２モノレイヤ以下のシリサイド膜を形成してＳｉ表面を終端化し、その後に前記シリサイド膜の上に実質的にＺｒＯ２、ＨｆＯ２、ＳｒＺｒＯ３で表記される絶縁膜を積層することによって形成したことを特徴とする電界効果トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子及び製造方法に係わり、特にＭＯＳ、ＭＩＳ構造の電界効果トランジスタ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩの高速化・高集積化はスケーリング則によるＭＯＳ型電界効果トランジスタ（FET:Field-Effective-Transistor）の微細化によって進められてきた。これは絶縁膜、ゲート長等のＭＯＳ型電界効果トランジスタの各部分を高さ方向と横方向の寸法を同時に縮小することで微細化時に素子の特性を正常に保ち、また性能を上げることを可能にしてきた。
スケーリング則によると、ＭＯＳ型電界効果トランジスタは微細化の一途をたどっており、西暦２０００年以降の次世代ＭＯＳ型電界効果トランジスタにはＳｉＯ２ゲート絶縁膜は２ｎｍ以下の膜厚が要求されている。しかし、この膜厚領域は直接トンネル電流が流れ始める厚さであり、リーク電流の抑制ができず、消費電力の増加等の問題を回避できない。よって、ＳｉＯ２よりも誘電率が高い材料を用いて、シリコン酸化膜換算実効膜厚を２ｎｍ以下に抑えつつ、物理膜厚を稼いでリーク電流を抑えることが必要である。また、ＭＯＳ型電界効果トランジスタではリーク電流の抑制とともに、電界効果トランジスタであるために、Ｓｉ界面特性が特に重要である。よって、高誘電率であり、かつ界面特性を良好に保持できるゲート絶縁膜が必要となる。
【０００３】
ゲート絶縁膜として使用されるＴｉＯ２やＺｒＯ２などの高誘電材料は、スパッタ法やＣＶＤ法を用いてＳｉ基板上に成膜する。しかし、成膜時あるいはその後の熱処理によりＳｉ基板との界面に形成される低誘電率のシリコン酸化膜（ＳｉＯｘ）が基板／ゲート間の容量を低下させ、換算膜厚が十分に小さいゲートを形成することが困難であるという大きな問題点がある。近年、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法を用いて、ＳｒＴｉＯ３をＳｉ基板上にエピタキシャル成長させたゲート絶縁膜を用いたＦＥＴが報告されている（K. Eisenbeiserら，App.Phys.Lett. 76, 1324(2000)）。この報告でもＳｉ基板とＳｒＴｉＯ３膜界面には、シリコン酸化物と考えられるアモルファス層が形成されている。シリコン酸化膜の形成を抑制するために、ＳｒＴｉＯ３膜の成膜時にＳｒシリサイドをサブモノレイヤ形成する試みが行われ、Ｓｉ上にＳｒＴｉＯ３が直接成膜されている（R.A.McKeeら，  Phys.Rev.Lett. 81, 3014(1998)）。しかしながら、ＳｒはＳｉに比べて共有結合半径が大きく、ＳｒシリサイドとＳｉとの界面には大きなミスマッチが存在する。このため、この構造では、シリコン酸化膜生成を抑制できても、良好な界面特性を期待することは難しい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、ＬＳＩの高集積化を目指し、性能を維持、向上させながら微細化を進めるには、
高誘電率であり、かつ界面特性を良好に保持できる絶縁膜ゲート絶縁膜が必要となる。しかし、Ｓｉ基板との界面にシリコン酸化膜を形成することなく高誘電率を保ち、かつ、良好な界面特性を持つゲート絶縁膜は実現されていない。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、高誘電率でかつ界面特性を良好に保持できるゲート絶縁膜を備えた電界効果トランジスタ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、Ｓｉ基板上に２モノレイヤ以下のシリサイド膜を設け、その上に絶縁膜を積層したゲート絶縁膜を用いることを基本とする。このゲート絶縁膜を形成するには、２モノレイヤ以下のシリサイド膜でＳｉ表面をターミネイト（終端化）した後に絶縁膜を積層する製造方法を用いて実現できる。また、Ｓｉ基板上に２モノレイヤ以下のシリケイト膜を形成した後、絶縁膜を積層したゲート絶縁膜を用いることによっても、上記目的を達成できる。このゲート絶縁膜は、２モノレイヤ以下のシリサイド膜でＳｉ表面をターミネイトした後に酸化を行い、２モノレイヤ以下のシリケイト膜に変化させた後に、絶縁膜を積層する製造方法を用いて実現できる。
【０００７】
さらに、前記シリサイド膜及び前記シリケイト膜がその組成に希土類金属であるＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍの何れかを主として含む場合に、特に良好な界面特性を得ることができる。
【０００８】
本発明で用いるＳｒ、Ｂａなどのアルカリ土類金属はＳｉに比べて共有結合半径が大きい。Ｓｉの共有結合半径が１．１１Åであるの対して、Ｓｒは１．９１Å、Ｂａは１．９８Åである。よって、Ｓｉ基板上にＳｒシリサイド膜を形成した時には、共有結合半径差による大きなミスマッチの存在により、Ｓｉダングリングボンドが生じやすいという問題がある。これが界面特性の劣化をもたらす。このような界面構造の存在する界面においては、シリコン酸化膜が形成されやすい傾向がある。一方、Ｌａの共有結合半径は１．６９Å、Ｃｅは１．６５Å、Ｐｒは１．６４Åと小さく、Ｓｉとのミスマッチも小さいのでＳｉダングリングボンドが生じにくい。このため、これらの金属を含むシリサイド膜でＳｉ表面をターミネイトすると、安定なシリサイド表面構造が得られる。このような表面上に絶縁膜を堆積してゲート絶縁膜とすると、シリコン酸化膜が形成されにくいことが明らかとなった。さらに、ミスマッチの低減により界面準位の低減が可能となり、界面特性の良好なゲート絶縁膜が実現でき、電界効果トランジスタとしての特性も向上する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
図３は、本発明の基本的な実施形態に係わるｎチャネルＭＯＳ型電界効果トランジスタの断面構成を示した図である。３１はｐ型シリコン基板、３２は素子分離領域、３３はゲート絶縁膜である。ゲート絶縁膜の構造及び製造方法は後述する。３４はポリシリコンからなるゲート電極、３５はｎ型不純物が導入された拡散層（ソース・ドレイン領域）である。３６は、ゲート電極３４の側壁に形成された絶縁膜（例えばＣＶＤシリコン窒化膜など）、３７は層間絶縁膜（例えばＣＶＤシリコン酸化膜など）であり、この層間絶縁膜３７に設けられたコンタクト孔を介して、ゲート電極３４およびソース・ドレイン領域３５にＡｌ配線３８が接続されている。
【００１１】
図３に示すような構造を有するＭＯＳ型電界効果トランジスタは次のようにして製造する。その製造方法（第１の実施形態（参考例））について図１を参照して説明する。まず、面方位（１００）、比抵抗４〜６Ωｃｍのｐ型シリコン基板１１上に、反応性イオンエッチングにより、素子分離のための溝を形成する。続いて、例えばＬＰ-ＴＥＯＳ膜を埋め込むことにより素子分離領域１２を形成する（図１（ａ））。一例として、ＭＢＥ法を用いてゲート絶縁膜を形成する場合について説明する。Ｓｉ表面はまず、希フッ酸でウェット処理を行い、表面を水素でターミネイト（終端化）する。次に、この基板をＭＢＥ装置に導入する。基板温度を３００℃とし、金属Ｌａを蒸発源として用いてＳｉ基板上にＬａを１モノレイヤ蒸着した後、Ｓｉ基板温度を６００℃に昇温することにより１モノレイヤのＬａシリサイド（ＬａＳｉ２）膜１３を形成しＳｉ表面をターミネイトする（図１（ｂ））。シリサイド膜は金属であるが、本発明によるように２モノレイヤ以下の厚さであれば、ゲート絶縁膜の一部として使用することが可能である。その後、基板温度を３００℃に下げ、Ｌａと酸素ガスを同時に供給して、Ｌａシリサイド膜１３上に高誘電率を持つＬａ２Ｏ３アモルファス層の高誘電体膜１４を５ｎｍ積層する（図１（ｃ））。
【００１２】
上述のような製造方法を用いることにより、Ｓｉ基板との界面にシリコン酸化膜が形成されること無く、ゲート絶縁膜を作製することが可能となった。本実施形態で作製したゲート絶縁膜のシリコン酸化膜換算実効膜厚は１ｎｍを達成することができた。一方、Ｌａシリサイド膜でＳｉ表面をターミネイトすることなく、Ｌａ２Ｏ３を直接成膜した場合には界面にシリコン酸化膜が２．５ｎｍ形成された。この場合、シリコン酸化膜換算実効膜厚は３ｎｍ以上となり、次世代ＬＳＩに要求される２ｎｍ以下の換算膜厚を実現することは不可能であった。
【００１３】
図３に示したようなＭＯＳ型電界効果トランジスタを作製するためには、図１で示したようなゲート絶縁膜作製工程後に、化学気相成長法によってポリシリコン膜を全面に堆積し、このポリシリコン膜をパターニングしてゲート電極３４を形成する。続いて、例えば４５０℃、圧力０．１Ｐａ〜１気圧において、窒素ガスで希釈したＳｉＨ４ガスとＮＨ３ガスの混合ガスを用いて、例えば５〜２００ｎｍのＣＶＤシリコン窒化膜３６を堆積する。以後の工程は、通常のＭＯＳ型電界効果トランジスタの製造工程と同様である。すなわち、例えば加速電圧２０ｋｅＶ、ドーズ量１×１０１５  ｃｍ−２で砒素のイオン注入を行い、ソース領域及びドレイン領域３５を形成する。続いて、化学気相成長法によって全面に層間絶縁膜３７となるＣＶＤシリコン酸化膜を堆積し、この層間絶縁膜にコンタクト孔を開口する。続いて、スパッタ法によって全面にＡｌ膜を堆積し、このＡｌ膜を反応性イオンエッチングによってパターニングすることにより、図１に示したようなゲート絶縁膜を有するＭＯＳ型電界効果トランジスタが完成する。このようにして作製したＭＯＳ型電界効果トランジスタは界面準位が少なく、かつ、反転層のモビリティが高いことから、良好な特性が得られていることが確かめられた。
【００１４】
図３に示すような構造を有するＭＯＳ型電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の製造方法を変更した例について第２の実施形態（参考例）として説明する。まず、第１の実施形態と同様に、シリコン基板上に素子分離のための溝を形成し、素子分離領域を形成する。表面を水素でターミネイトしたＳｉ基板をＭＢＥ装置に導入する。基板温度を３００℃とし、金属Ｌａを蒸発源として用いてＳｉ基板上にＬａを１モノレイヤ蒸着した後、Ｓｉ基板温度を６００℃に昇温することにより１モノレイヤのＬａシリサイド（ＬａＳｉ２）膜を形成し、Ｓｉ表面をターミネイトする。その後、基板温度を４００℃に下げ、Ｓｉ、Ｚｒ、酸素ガスを同時に供給して、Ｌａシリサイド膜上に高誘電率を持つＺｒシリケイト（ＺｒＯ２−ＳｉＯ２）膜を５ｎｍ積層する。上述のような製造方法を用いることにより、Ｓｉ基板との界面にシリコン酸化膜が形成されること無く、高誘電率を有するゲート絶縁膜を形成することができた。本実施形態で作製したゲート絶縁膜のシリコン酸化膜換算実効膜厚は１．６ｎｍを達成することができた。このゲート絶縁膜を用いたＭＯＳ型電界効果トランジスタは界面準位が少なく、かつ、反転層のモビリティが高いことから、良好な特性が得られていることが確かめられた。また、本実施形態では、Ｌａシリサイドを用いたが、Ｓｒシリサイドを形成した上に、Ｚｒシリケイト絶縁膜を形成した場合にも同等の特性が得られた。
【００１５】
図３に示したような構造を有するＭＯＳ型電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の製造方法を変更した例について第３の実施形態として説明する。まず、第１の実施形態と同様に、シリコン基板上に素子分離のための溝を形成し、素子分離領域を形成する。Ｓｉ表面を水素でターミネイトしたＳｉ基板をＭＢＥ装置に導入する。基板温度を３００℃とし、金属Ｌａを蒸発源として用いてＳｉ基板上にＬａを１モノレイヤ蒸着した後、Ｓｉ基板温度を６００℃に昇温することにより１モノレイヤのＬａシリサイド（ＬａＳｉ２）膜を形成しＳｉ表面をターミネイトする。その後、基板温度を３００℃に下げ、Ｓｒ、Ｔｉ、酸素ガスを同時に供給して、Ｌａシリサイド膜上に高誘電率を持つエピタキシャルＳｒＴｉＯ３膜を１０ｎｍ積層する。上述のような製造方法を用いることにより、Ｓｉ基板との界面にシリコン酸化膜が形成されること無く、高誘電率を有するゲート絶縁膜を作製することできた。本実施形態で形成したゲート絶縁膜のシリコン酸化膜換算実効膜厚は０．２ｎｍを達成することができた。このゲート絶縁膜を用いたＭＯＳ型電界効果トランジスタは界面準位が少なく、かつ、反転層のモビリティが高いことから、良好な特性が得られていることが確かめられた。本実施形態ではＬａシリサイド上にＳｒＴｉＯ３膜を積層したが、ＳｒＺｒＯ３を積層した場合にも同等の効果が得られる。この場合の換算膜厚は、０．７ｎｍであった。
【００１６】
なお、上述述した第１〜３の実施形態では、Ｌａシリサイド膜またはＳｒシリサイド膜を用いたが、他の金属のシリサイド膜を用いることもできる。特に、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍの何れのシリサイド膜を用いた場合に顕著な効果が得られる。また、高誘電体膜としてＬａ２Ｏ３、Ｚｒシリケイト、ＳｒＴｉＯ３、ＳｒＺｒＯ３を用いたが、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２などの他のアモルファス層、ＬａＡｌＯ３などの結晶層、Ｈｆシリケイト、Ｌａシリケイトなど、広範囲にわたる高誘電体層を用いることが可能となる。
【００１７】
次に、図３に示すような構造を有するＭＯＳ型電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の製造方法を変更した例について第４の実施形態（参考例）として説明する（図２参照）。まず、面方位（１００）、比抵抗４〜６Ωｃｍのｐ型シリコン基板２１上に、反応性イオンエッチングにより、素子分離のための溝を形成する。続いて、例えばＬＰ-ＴＥＯＳ膜を埋め込むことにより素子分離領域２２を形成する（図２（ａ））。一例として、ＭＢＥ法を用いてゲート絶縁膜を形成する場合について説明する。Ｓｉ表面はまず、希フッ酸でウェット処理を行い、表面を水素でターミネイトする。次に、この基板をＭＢＥ装置に導入する。基板温度を３００℃とし、金属Ｃｅを蒸発源として用いてＳｉ基板上にＣｅを１モノレイヤ蒸着した後、Ｓｉ基板温度を６００℃に昇温することにより１モノレイヤのＣｅシリサイド（ＣｅＳｉ２）膜２３を形成しＳｉ表面をターミネイトする（図２（ｂ））。次に、ＭＢＥ装置に１×１０−４Ｐａの酸素を導入して、シリサイド膜２３を酸化させてシリケイト膜２４に変化させる（図２（ｃ））。その後、基板温度を３００℃に下げ、Ｓｒ、Ｔｉ、酸素ガスを同時に供給して、Ｃｅシリケイト膜２４上に高誘電率を持つＳｒＴｉＯ３膜の高誘電体膜２５をエピタキシャル成長する。膜厚は１０ｎｍとした（図２（ｄ））。
【００１８】
上述したような製造方法を用いることにより、Ｓｉ基板との界面にシリコン酸化膜が形成されること無く、ゲート絶縁膜を作製することができる。本実施形態で形成したゲート絶縁膜のシリコン酸化膜換算実効膜厚は０．２ｎｍを達成することができた。本実施形態によるゲート絶縁膜形成後、第１の実施形態で示したのと同様の方法で、図３に示すようなＭＯＳ型電界効果トランジスタを作製した。
このようにして作製したＭＯＳ型電界効果トランジスタは界面準位が少なく、かつ、反転層のモビリティが高いことから、良好な特性が得られていることが確かめられた。
【００１９】
次に、図３に示したような構造を有するＭＯＳ型電界効果トランジスタのゲート絶縁膜の製造方法を変更した例について第５の実施形態（参考例）として説明する。まず、シリコン基板上に素子分離のための溝を形成し、素子分離領域を形成する。Ｓｉ表面は水素でターミネイトして、ＭＢＥ装置に導入する。基板温度を３００℃とし、金属Ｚｒを蒸発源として用いてＳｉ基板上にＺｒを１モノレイヤ蒸着した後、Ｓｉ基板温度を６００℃に昇温することにより１モノレイヤのＺｒシリサイド（ＺｒＳｉ２）膜を形成しＳｉ表面をターミネイトする。次に、ＭＢＥ装置に１×１０−４Ｐａの酸素を導入して、シリサイド膜を酸化させてシリケイト膜に変化させる。その後、基板温度を３００℃に下げ、Ｓｒ、Ｚｒ、酸素ガスを同時に供給して、Ｚｒシリケイト上に高誘電率を持つＳｒＺｒＯ３をエピタキシャル成長する。膜厚は５ｎｍとした。このような製造方法を用いることにより、Ｓｉ
基板との界面にシリコン酸化膜が形成されること無く、ゲート絶縁膜を作製することができる。本実施形態で形成したゲート絶縁膜のシリコン酸化膜換算実効膜厚は０．３ｎｍを達成することができた。このようにして作製したＭＯＳ型電界効果トランジスタは界面準位が少なく、かつ、反転層のモビリティが高いことから、良好な特性が得られていることが確かめられた。
【００２０】
第４、５の実施形態では、ＣｅシリケイトまたはＺｒシリケイト膜を用いたが、他の金属のシリケイト膜を用いることもできる。特に、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍの何れのシリケイトを用いた場合には顕著な効果が得られる。また、高誘電体膜としてＳｒＴｉＯ３、ＳｒＺｒＯ３を用いたが、Ｌａ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２などのアモルファス層、ＬａＡｌＯ３などの結晶層、Ｈｆシリケイト膜、Ｌａシリケイト膜、Ｚｒシリケイト膜など、広範囲にわたる高誘電体層を用いることが可能となる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、界面準位が少なく、かつ、反転層のモビリティが高い、良好な特性を持つゲート絶縁膜を有する電界効果型トランジスタが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明製造方法の第１の実施形態を説明するための工程断面図。
【図２】本発明製造方法の第４の実施形態を説明するための工程断面図。
【図３】本発明のＭＯＳ型電界効果トランジスタを説明するための図。
【符号の説明】
１１、２１、３１  …  シリコン基板
１２、２２、３２  …  素子分離領域
１３、２３…  シリサイド膜
２４…シリケイト膜
１４、２５…高誘電体膜
３３  …  ゲート絶縁膜
３４  …  ゲート電極
３５  …  拡散層（ソース・ドレイン領域）
３６  …  ＣＶＤシリコン窒化膜
３７  …  層間絶縁膜
３８  …  Ａｌ配線
【図１】
0003940552.tif 000002
【図２】
0003940552.tif 000003
【図３】
0003940552.tif 000004