(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の一主面側に形成された酸化ジルコニウムを主構成材料とするゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜とを備え、
前記ゲート絶縁膜がハフニウムを0.04at.%以上12at.%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２】
請求項１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３】
半導体基板と、
前記半導体基板の一主面側に形成された酸化ジルコニウムを主構成材料とするゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜とを備え、
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４】
請求項３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５】
半導体基板と、前記半導体基板の一主面側に形成された酸化ハフニウムを主構成材料とするゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜とを備え、
前記ゲート絶縁膜がチタンを0.03at.%以上10at.%以下の濃度で含有する半導体装置。
【請求項６】
請求項５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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に係り、高誘電率材料を用いた半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体装置の微細化にともない、トランジスタにおけるゲートの長さが0.15μｍ、ゲート絶縁膜の膜厚は、SiO2を用いた場合、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SiO2より誘電率の高い絶縁体材料を用いることにより、誘電特性を保ちつつ，物理的膜厚を厚くすることが考えれらている。高誘電率材料の候補としては，例えば日経マイクロデバイスの2000年2月号(９３ページ〜１０６ページ)に記述されているように、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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そして、この反応化合物が生じると、特性の低下を引き起こす恐れがある。
【０００４】
そこで、本発明は、、係る特性低下を抑制して信頼性の高い半導体装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、酸化ジルコニウムを主構成元素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、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が有効であることを見出した。また、発明者らは、酸化ハフニウムを主構成元素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、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。
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。
（１）：半導体基板と、
前記半導体基板の一主面側に形成された酸化ジルコニウムを主構成材料とするゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜とを備え、
前記ゲート絶縁膜がハフニウムを0.04at.%以上12at.%以下の濃度で含有すること。
なお、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が望ましい。
（２）：半導体基板と、
前記半導体基板の一主面側に形成された酸化ジルコニウムを主構成材料とするゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜とを備え、
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。
なお、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が望ましい。
（３）：半導体基板と、
前記半導体基板の一主面側に形成された酸化ハフニウムを主構成材料とするゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に形成されたゲート電極膜とを備え、
前記ゲート絶縁膜がチタンを0.03at.%以上10at.%以下の濃度で含有すること。
【０００６】
なお、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が望ましい。
（４）：前記半導体基板の一主面側に、第一容量電極と、前記第一容量電極に接するように形成された酸化ジルコニウムを主構成材料とする容量絶縁膜と、前記容量絶縁膜に接するように形成された第二容量電極とを備え、
前記容量絶縁膜がハフニウムを0.04at.%以上12at.%以下の濃度で含有し、第一容量電極と第二容量電極のうちの少なくとも一方がコバルトシリサイドまたはシリコンを主構成材料とすること。
（５）：前記半導体基板の一主面側に、第一容量電極と、前記第一容量電極に接するように形成された酸化ジルコニウムを主構成材料とする容量絶縁膜と、前記容量絶縁膜に接するように形成された第二容量電極とを備え、
前記容量絶縁膜がチタンを0.02at.%以上8at.%以下の濃度で含有し、第一容量電極と第二容量電極のうちの少なくとも一方がコバルトシリサイドまたはシリコンを主構成材料とすること。
（６）：前記半導体基板の一主面側に、第一容量電極と、前記第一容量電極に接するように形成された酸化ハフニウムを主構成材料とする容量絶縁膜と、前記容量絶縁膜に接するように形成された第二容量電極とを備え、
前記容量絶縁膜がチタンを0.03at.%以上10at.%以下の濃度で含有し、第一容量電極と第二容量電極のうちの少なくとも一方がコバルトシリサイドまたはシリコンを主構成材料とすること。
【０００７】
なお、前述のシリコン基板と酸化ジルコニウムや酸化ハフニウムとの海面における反応化合物は、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。
【０００８】
さらに、トランジスタのゲート部分だけではなく、半導体メモリのメモリキャパシタ部における容量絶縁膜にも、微細化に伴って高誘電率材料が用いられるようになり、これにも酸化ジルコニウムや酸化ハフニウムが候補として考えられている。しかし、前記と同様に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容量絶縁膜から容量電極に酸素が拡散して酸素欠損ができることもあり、容量低下等の特性低下（劣化）を引き起こす恐れがある。
【０００９】
前述の本発明により、特性低下等を抑制し、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。また、それにより、歩留りの高い半導体装置を提供することにある。
【００１０】
具体的には、前記本発明のゲート構造を採用した半導体装置について見ると、シリコン基板との界面で酸素が拡散しにくいゲート構造を有する半導体装置を提供することができる。また、ゲート絶縁膜とゲート電極の界面において酸素が拡散しにくいゲート構造を有する半導体装置を提供することができる。また、本発明のメモリキャパシタ構造を採用した半導体装置について見ると、容量絶縁膜と容量電極の界面において酸素が拡散しにくいメモリキャパシタ構造を有する半導体装置を提供することができる。
【００１１】
なお、前記本願発明の構造に関して公知例を調べた結果、特開昭和５３−１１３４８４号公報、特開２０００−２４３９５１号公報ＵＳＰ６０６０７５５公報にゲート絶縁膜に用いる元素について様々な列挙がされていたが、本願のようにジルコニウムとハフニウム或いはチタンとの組合せについて開示されてるものはなかった。
【００１２】
【発明の実施の形態】
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、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。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。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。 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拡散防止用の隣接導電体膜(第一導電体膜)１４a、１４bに被覆された主導電体膜１５からなるプラグが形成され、拡散層２、３、４、５に接続されている。このプラグを通じて、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。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。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。
【００１３】
本実施例における酸素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。
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。
本実施例の主な効果は、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。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、酸素の拡散係数を計算し、これを添加元素の有無で比較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。
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、本実施例の効果の一つを示す。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２、図３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２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。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す。
図３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。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す。図２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。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３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、効果は低くなるが前記ハフニウムを0.02at％以上14at％以下添加しても多少の効果が得られる。これは前記チタンを0.15at%以上0.12at%以下添加しても同様である。
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４、図５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４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。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す。図５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。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す。図４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５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。
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。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す。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。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す。図６より、図２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、図３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。
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。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す。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。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す。図８より、図４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９より、図５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。
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１０、図１１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１０はゲート絶縁膜が酸化ジルコニウム膜の場合の結果でる。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す。図１１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。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す。図１０、図１１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。
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１２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、主構成材料として前述の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。例えば三層の場合、第一第二ゲート絶縁膜は前述の構造にして第三ゲート絶縁膜はＳｉを含む層にすることが好ましい。例えば、前述の第一ゲート絶縁膜と同じ材料を用いる。これにより更に熱安定性を向上させることができる。
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１３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。
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１４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、ゲート電極膜からゲート絶縁膜の中に元素が拡散して入り込みやすいので、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、より一層この拡散を抑制する必要性が高い。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１４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。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。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。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、例えば酸化ジルコニウムまたは酸化ハフニウムが用いられる。熱処理の際に、容量上部電極や容量下部電極に酸素が拡散しにくいように、酸化物膜１１６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、酸化物膜１１６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。また、酸化物膜１１６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、酸化物膜１１６の添加元素としてチタンを含有させる。情報蓄積用容量素子１０３は絶縁膜１１５で覆われている。
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。
【００１４】
【発明の効果】
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。また、電流のリークを起こしにくいゲート構造を有する半導体装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【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３】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４】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を、添加濃度の高い領域について示した図である。
【図６】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７】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８】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９】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１０】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１１】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１２】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１３】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１４】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】
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、１４ａ、１４ｂ、１６ａ、１６ｂ、１９、２２ａ、２２ｂ…バリア隣接導電体膜、１５、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。
【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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【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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