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発明の名称 半導体装置及びその製造方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−36179(P2007−36179A)
公開日 平成19年2月8日(2007.2.8)
出願番号 特願2005−379753(P2005−379753)
出願日 平成17年12月28日(2005.12.28)
代理人 【識別番号】100064908
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武
発明者 朴 正雨 / 右田 真司 / 安田 哲二
要約 課題
高温でも非結晶状態を安定的に維持する金属酸化物の薄膜を含む半導体装置その製造方法を提供する。

解決手段
ゲート絶縁膜等に適用する金属酸化物の薄膜を含む半導体装置及びその製造方法において、前記半導体装置は、4族半導体物質の基板上に形成され、金属酸化物及び第1温度で熱処理を行って、前記基板から前記金属酸化物に充分に拡散させた前記4族半導体物質で構成される薄膜を含む。このように、前記薄膜は、前記金属酸化物と前記4族半導体物質を含むため、前記第1温度より高い第2温度でも非結晶状態を安定的に維持することができる。
特許請求の範囲
【請求項1】
4族半導体物質の基板上に形成され、金属酸化物、及び第1温度で熱処理を行って前記基板から前記金属酸化物に充分に拡散させた前記4族半導体物質を含み、前記第1温度より高い第2温度でも非結晶状態を安定に維持する薄膜を含む半導体装置。
【請求項2】
前記第4族半導体物質は、シリコン、ゲルマニウム、又はこれらの化合物を含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項3】
前記金属酸化物は、HfO、ZrO、Ta、Y、Nb、Al、TiO、CeO、In、RuO、MgO、SrO、B、SnO、PbO、PbO、Pb、V、La、Pr、Sb、Sb、及びCaOからなる群から選択されるいずれか一つを含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項4】
前記第1温度は、前記第1温度より低い第3温度から毎秒0.1〜10℃で上昇させて組成することを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項5】
前記第1温度は、200〜550℃であることを特徴とする請求項4記載の半導体装置。
【請求項6】
前記薄膜は、窒化物を更に含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項7】
前記薄膜は、ゲート絶縁膜であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項8】
前記基板上に形成され、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜、又はこれらの複合膜を更に含むことを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
【請求項9】
4族半導体物質の基板上に金属酸化物を含む非結晶状態の薄膜を形成する段階と、
第1温度で熱処理を行って、前記基板から前記金属酸化物に前記4族半導体物質を充分に拡散させて、前記第1温度より高い第2温度でも前記薄膜が非結晶状態を維持するように、前記薄膜を安定化させる段階と、を含む半導体装置の製造方法。
【請求項10】
前記4族半導体物質は、シリコン、ゲルマニウム、又はこれらの化合物を含むことを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。
【請求項11】
前記金属酸化物は、HfO、ZrO、Ta、Y、Nb、Al、TiO、CeO、In、RuO、MgO、SrO、B、SnO、PbO、PbO、Pb、V、La、Pr、Sb、Sb、及びCaOからなる群から選択されるいずれか一つを含むことを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。
【請求項12】
前記第1温度は、前記第1温度より低い第3温度から毎秒0.1〜10℃で上昇させて組成することを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。
【請求項13】
前記第1温度は、200〜550℃であることを特徴とする請求項12記載の半導体装置の製造方法。
【請求項14】
前記薄膜は、窒化物を更に含むことを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。
【請求項15】
前記基板上に、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜、又はこれらの複合膜を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。
【請求項16】
シリコン基板上に金属酸化物を含む非結晶状態の薄膜を形成する段階と、
第1温度で熱処理を行って、前記シリコン基板から前記金属酸化物にシリコンを充分に拡散させて、前記第1温度より高い第2温度でも前記薄膜が非結晶状態を維持するように、前記薄膜を安定化させる段階と、
前記金属酸化物の薄膜上に導電性物質の薄膜を形成する段階と、
前記導電性物質の薄膜と前記金属酸化物の薄膜をパターニングして、ゲート導電膜とゲート酸化膜を含むゲートパターンを形成する段階と、を含む半導体装置の製造方法。
【請求項17】
前記金属酸化物は、HfO、ZrO、Ta、Y、Nb、Al、TiO、CeO、In、RuO、MgO、SrO、B、SnO、PbO、PbO、Pb、V、La、Pr、Sb、Sb、及びCaOからなる群から選択されるいずれか一つを含むことを特徴とする請求項16記載の半導体装置の製造方法。
【請求項18】
前記第1温度は、前記第1温度より低い第3温度から毎秒0.1〜10℃で上昇させて組成することを特徴とする請求項16記載の半導体装置の製造方法。
【請求項19】
前記第1温度は、200〜550℃であることを特徴とする請求項18記載の半導体装置の製造方法。
【請求項20】
前記導電性物質は、ポリシリコン、金属、金属窒化物、及び金属シリサイドからなる群から選択されるいずれか一つを含むことを特徴とする請求項16記載の半導体装置の製造方法。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、より詳細には、ゲート絶縁膜等に適用する金属酸化物の薄膜を含む半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
最近、MOSトランジスタのゲート絶縁膜等の薄膜は、高誘電率を有する金属酸化物で形成している趨勢である。その理由は、前記金属酸化物の薄膜が、薄い等価酸化膜の厚さ(equivalent oxide thickness、EOT)を維持するにもかかわらず、ゲート導電膜とチャンネル領域との間で頻繁に発生する漏洩電流を充分に減少させることができるためである。前記金属酸化物の例としては、Al、TiO、Ta、Y、HfO、ZrO、Nb、BaTiO、SrTiO等が挙げられる。
【0003】
しかし、前記金属酸化物の薄膜は、高温で容易に結晶化されるので、前記金属酸化物の薄膜をゲート絶縁膜等に適用するのには多少限界がある。その理由は、前記金属酸化物のゲート絶縁膜を形成した後、後続工程中、高温で工程を行う時、前記金属酸化物が容易に結晶化されるためである。
【0004】
このように、前記ゲート絶縁膜等に適用する金属酸化物が結晶化されると、結晶粒界の生成によって、前記金属酸化物の絶縁機能が多少低下するので、電気的な信頼度が低下する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の目的は、高温でも非結晶状態を安定的に維持する金属酸化物の薄膜を含む半導体装置を提供することにある。
【0006】
本発明の他の目的は、前記金属酸化物の薄膜を含む半導体装置を容易に製造する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
前記目的を達成するための本発明の好ましい実施例による半導体装置は、4族半導体物質の基板上に形成され、金属酸化物、及び第1温度で熱処理を行って前記基板から前記金属酸化物に充分に拡散させた前記4族半導体物質で形成される薄膜を含む。
【0008】
前記他の目的を達成するための本発明の実施例による半導体装置の製造方法は、4族半導体物質の基板上に、金属酸化物を含む非結晶状態の薄膜を形成する。そして、第1温度で熱処理を行って、前記基板から前記金属酸化物に前記4族半導体物質を充分に拡散させて、前記薄膜を安定化させる。
【0009】
前記他の目的を達成するための本発明の好ましい実施例による半導体装置の製造方法は、シリコン基板上に金属酸化物を含む非結晶状態の薄膜を形成する。そして、第1温度で熱処理を行って、前記シリコン基板から前記金属酸化物にシリコンを充分に拡散させて、前記金属酸化物の薄膜を安定化させる。その後、前記金属酸化物の薄膜上に導電性物質の薄膜を形成した後、前記導電性物質の薄膜と前記金属酸化物の薄膜をパターニングして、ゲート導電膜とゲート酸化膜を含むゲートパターンを形成する。
【0010】
このように、前記薄膜は、前記金属酸化物と前記4族半導体物質を含むので、前記第1温度より高い第2温度でも非結晶状態を安定的に維持することができる。特に、前記薄膜をゲートパターンのゲート絶縁膜に適用する場合、後続工程中、高温で工程を行っても、非結晶状態を安定的に維持することができる。
【0011】
従って、本発明は、前記金属酸化物の薄膜を半導体装置により積極的に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例について詳細に説明する。
【0013】
図1は、本発明の一実施例による金属酸化物の薄膜をゲート絶縁膜に含む半導体装置を示す概略的な断面図である。
【0014】
図1を参照すると、前記半導体装置は、素子分離膜12を有する半導体基板10、前記半導体基板10上に形成されたゲートパターン18、及び前記ゲートパターン18と隣接する前記半導体基板10の表面から下に形成されたソース/ドレイン22a、22bを含む。又、前記半導体装置は、前記ゲートパターン18の両側壁に形成されたスペーサ18を更に含んでも良い。
【0015】
具体的に、前記半導体基板10は、4族半導体物質の基板として、シリコン基板、ゲルマニウム基板、シリコン−ゲルマニウム基板等が例として挙げられる。従って、前記4族半導体物質は、シリコン、ゲルマニウム、又はこれらの化合物を含む。そして、前記素子分離膜12は、集積度の観点で選択するトレンチ素子分離膜であって、アクティブ領域とフィールド領域を限定する。
【0016】
前記ゲートパターン18は、ゲート絶縁膜14とゲート導電膜16を含む。
【0017】
特に、前記ゲート絶縁膜18は、金属酸化物及び4族半導体物質を含む。前記金属酸化物の例としては、HfO、ZrO、Ta、Y、Nb、Al、TiO、CeO、In、RuO、MgO、SrO、B、SnO、PbO、PbO、Pb、V、La、Pr、Sb、Sb、及びCaO等が挙げられ、これらは単独で使用するか、二つ以上を混合して使用することもできる。そして、前記ゲート絶縁膜14に含まれる4族半導体物質は、熱処理を行って前記半導体基板10から前記金属酸化物に充分に拡散させて得る。従って、前記ゲート絶縁膜14に含まれる4族半導体物質は、前記半導体基板10に依存する。
【0018】
そして、前記熱処理のための温度を約0.1℃未満に上昇させると、前記温度の上昇に所要される時間が長くかかるので、好ましくなく、約10℃以上で上昇させると、前記半導体基板10から前記ゲート絶縁膜14の金属酸化物に4族半導体物質が充分に拡散されないので、好ましくない。従って、前記熱処理のための温度は、毎秒約0.1〜10℃で上昇させて組成することが好ましい。特に、前記熱処理のための温度は、秒当り0.5〜5℃に上昇させて組成することがより好ましく、秒当り0.5〜3℃に上昇させて組成することがより好ましい。
【0019】
又、前記熱処理のための温度が約200℃未満であれば、前記4族半導体物質の充分な拡散が行われないので、好ましくなく、約550℃を超過すると、前記金属酸化物が速く結晶化されるので、好ましくない。従って、前記熱処理のための温度は、約200〜550℃に調節することが好ましい。特に、前記熱処理のための温度を約300〜550℃に調節することがより好ましく、約400〜500℃に調節することがより好ましい。
【0020】
従って、本実施例では前記熱処理を約200〜550℃の温度まで毎秒約0.1〜10℃で上昇させる条件で行う。
【0021】
これ以外にも、前記熱処理は、前述した温度範囲内の一定温度を維持した状態で行うことも充分に可能である。但し、前記550℃を超過する温度を維持した状態で前記熱処理を行う場合には、結晶化されるので、好ましくない。従って、前記熱処理を一定温度を維持した状態で行う場合には、前記一定温度を約200〜550℃の間で調節することが好ましい。
【0022】
そして、本実施例では、前記金属酸化物の代わりに、金属酸窒化物を使用しても良い。従って、前記ゲート絶縁膜14は、窒化物を更に含むことと理解できる。従って、金属酸窒化物を使用して前記ゲート絶縁膜14を形成するか、又は、金属酸化物の薄膜を形成した後、前記金属酸化物が薄膜に窒化物をドーピングさせて得る金属酸窒化物を含むゲート絶縁膜14を形成することができる。
【0023】
又、前記ゲート導電膜16は、ポリシリコン、金属窒化物、金属シリサイド等を含むことが好ましい。そして、前記ゲート導電膜16は、単一薄膜又は多層薄膜で形成することができる。前記ゲート導電膜16が単一薄膜である場合には、前述した物質のうち、いずれか一つを選択して使用し、前記ゲート導電膜16が多層薄膜である場合には、前述した物質のうち、二つ以上を選択して使用する。
【0024】
前述したように、本実施例では、前記金属酸化物及び前記半導体基板10から前記金属酸化物に充分に拡散させた4族半導体物質を含む薄膜をゲート絶縁膜14として選択する。従って、前記ゲート絶縁膜14が高温でも非結晶状態を安定に維持することができ、その結果、高温の後続工程を容易に行うことができる。
【0025】
以下、前述した本実施例の半導体装置の製造方法について詳細に説明する。
【0026】
図2乃至図5は、図1の半導体装置を製造する方法を示す概略的な断面図である。
【0027】
図2を参照すると、本実施例では、前記4族半導体物質の基板10としてシリコン基板を選択する。従って、以下では前記4族半導体物質の基板10をシリコン基板といい、4族半導体物質をシリコンという。
【0028】
まず、素子分離工程を行って、シリコン基板10に素子分離膜12を形成する。ここで、前記素子分離膜12の場合には、フィールド酸化膜と比較して集積度の観点で有利なトレンチ素子分離膜を選択する。
【0029】
具体的に、前記シリコン基板10上にパッド酸化膜とパッド窒化膜を形成した後、パターニングを行って前記シリコン基板10の表面を部分的に露出させるパッド酸化膜パターンとパッド窒化膜パターンを形成する。その後、前記パッド酸化膜パターンとパッド窒化膜パターンをマスクとして使用するエッチングを行って、前記シリコン基板10にトレンチを形成する。その後、前記トレンチを形成する時、前記シリコン基板10に加えられる損傷等を補償するための工程を行う。その後、前記トレンチが形成された結果物上に埋立特性に優れた酸化物の薄膜を形成する。その結果、前記トレンチ内にも前記薄膜が充分に埋め立てられる。ここで、前記酸化物の薄膜は、主にプラズマ強化化学気相蒸着(PECVD)を行って形成する。その後、前記パッド窒化膜パターンの表面が露出されるまで、前記酸化物の薄膜を除去する。前記酸化物の薄膜は、主に化学機械的研磨を行って除去する。その後、前記パッド窒化膜パターンとパッド酸化膜パターンを除去する。前記パッド窒化膜パターンとパッド酸化膜パターンは、主に燐酸を使用するエッチング工程を行って除去する。その結果、前記シリコン基板10のトレンチにのみ前記酸化物の薄膜が埋め立てられたトレンチ素子分離膜12が形成される。
【0030】
このように、前記トレンチ素子分離膜12を形成することによって、前記シリコン基板10は、アクティブ領域とフィールド領域に限定される。
【0031】
そして、前記トレンチ素子分離膜12を有するシリコン基板10上に金属酸化物を含む非結晶状態の薄膜14aを形成する。本実施例では、前記金属酸化物としてアルミニウム酸化物を選択する。特に、本実施例では、前記金属酸化物の薄膜14aを集積度の観点で化学気相蒸着工程と比較して有利な原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)を行って形成する。
【0032】
以下、原子層積層を行って前記金属酸化物の薄膜14aを形成する方法について、具体的に説明する。
【0033】
図6乃至図10は、図2の金属酸化物の薄膜を形成する方法を示す概略的な断面図である。
【0034】
図6を参照すると、チャンバー100内に前記シリコン基板10を位置させる。この際、前記チャンバー100の内部の温度が約200℃未満であれば、前記チャンバー100の内部に提供される反応物質の反応性が良くないので、好ましくなく、前記チャンバー100の内部の温度が約600℃を超えると、前記基板10上に形成する薄膜14aの金属酸化物であるアルミニウム酸化物が結晶化されるので、好ましくない。従って、本実施例では、前記チャンバー100の内部の温度を約200〜600℃に調節する。
【0035】
又、前記チャンバー100の内部の圧力が約0.1torr未満であれば、前記チャンバー100の内部に提供される反応物質の反応性が良くないので、好ましくなく、前記チャンバー100の内部の圧力が約3.0torrを超過すると、工程条件の制御が容易ではないので、好ましくない。従って、本実施例では、前記チャンバー100の内部の圧力を約0.1〜約3.0torrに調節することが好ましい。
【0036】
前述したように、前記チャンバー100の内部の温度と圧力を調節した状態で、前記チャンバー100の内部に位置させたシリコン基板10の上部に反応物質を提供する。特に、本実施例では、前記金属酸化物としてアルミニウム酸化物を選択するので、前記反応物質としてTMA(trimethyl aluminum、Al(CH)等を使用する。この際、前記反応物質は、約0.5〜3秒間、前記シリコン基板10の上部に提供する。
【0037】
このように、前記シリコン基板10の上部に前記反応物質を提供することによって、前記反応物質の第1部分120が前記シリコン基板10上に化学吸着する。そして、前記反応物質の第1部分120を除いた第2部分130は、前記シリコン基板10上に化学吸着された第1部分120に物理吸着されるか、前記チャンバー100の内部に漂流する。
【0038】
図7を参照すると、前記チャンバー100の内部にパージガスを提供する。前記パージガスの例としては、アルゴンガスが挙げられる。この際、前記パージガスは、約0.5〜20秒間提供する。
【0039】
このように、前記チャンバー100の内部に前記パージガスを提供することによって、前記チャンバー100の内に漂流するか、前記反応物質の第1部分120に物理吸着された第2部分130は除去される。その結果、前記シリコン基板10上には、前記化学吸着された反応物質の第1部分120であるアルミニウム前駆体分子120aが残る。
【0040】
本実施例では、前記パージガスを提供して、前記反応物質の第2部分130を除去するが、前記チャンバー100の内部を約2〜10秒間真空状態に維持させても、前記反応物質の第2部分130の除去が可能である。
【0041】
図8を参照すると、前記チャンバー100の内部に酸化剤140を提供する。前記酸化剤140の例としては、O、O、HO、プラズマO、リモートプラズマO等が挙げられる。これらは単独で使用することが好ましく、場合によっては、二つ以上を混合して使用しても良い。そして、本実施例では、前記酸化剤140を約1〜7秒間提供する。
【0042】
このように、前記シリコン基板100の上部に前記酸化剤140を提供することによって、前記シリコン基板100上に化学吸着された反応物質の第1部分120であるアルミニウム前駆体分子120aと前記酸化剤140が化学的に反応して、前記アルミニウム前駆体分子120aを酸化させる。
【0043】
図9を参照すると、前記チャンバー100の内部にパージガスを提供する。前記パージガスの種類及び導入時間は、図7で説明したものと同じである。
【0044】
このように、前記チャンバー100の内部にパージガスを提供することによって、化学的に反応しない前記酸化剤140が除去される。その結果、前記シリコン基板10上には、金属酸化物としてアルミニウム酸化物を含む固体物質160が形成される。
【0045】
図10を参照すると、前述した図6乃至図9での工程を少なくとも1回反復して行う。その結果、前記シリコン基板10上には、前記アルミニウム酸化物を含む固体物質160で形成される薄膜14aが形成される。
【0046】
そして、本実施例では、前記金属酸化物の薄膜14aを形成する方法について説明しているが、他の実施例として、前記金属酸化物の薄膜14aに窒化物が更に含まれることもできる。従って、金属酸窒化物を使用して、前記金属酸窒化物の薄膜を形成するか、又は、前記金属酸化物の薄膜14aを形成した後、前記金属酸化物が薄膜14aに窒化物をドーピングさせて、前記金属酸窒化物の薄膜を形成する。
【0047】
図3を参照すると、前記シリコン基板10上に金属酸化物の薄膜14aを形成した後、熱処理を行う。
【0048】
具体的に、本実施例において、前記熱処理は、前記シリコン基板10から前記薄膜14aの金属酸化物にシリコンが充分に拡散される温度で行う。従って、前記熱処理は、約200〜550℃の温度まで、毎秒約0.1〜10℃で上昇させる条件で行う。
【0049】
図11は、図3の熱処理を行う方法を示す概略的な工程の流れ図である。
【0050】
図11を参照すると、常温から秒当り約1℃に温度を上昇させる(S1)。この際、前記温度が約200〜550℃である時、前記シリコン基板10から前記薄膜14aの金属酸化物にシリコンが充分に拡散される。しかし、約550℃を超えると、前記シリコンの拡散が殆ど起こらない。
【0051】
しかし、本実施例では、前記熱処理のための温度を約900℃まで上昇させる。そして、前記温度を約900℃まで上昇させた後、約900℃を約30秒間維持させる(S2)。その後、前記温度を更に常温に下降させる(S3)。
【0052】
ここで、前記熱処理温度を約900℃まで上昇させる理由は、前記900℃の温度でも前記薄膜14aが非結晶状態を安定的に維持するかを確認するためのもので、前記温度を約900℃まで上昇させても、前記薄膜14aが非結晶状態を安定的に維持する。その理由は、前記薄膜14aが金属酸化物及び前記シリコン基板10から充分に拡散させたシリコンを含むためである。
【0053】
従って、前記薄膜14aは金属酸化物を単独で含む場合には、前記温度が約550℃を超過する時に結晶化されるが、前記薄膜14aが金属酸化物と前記シリコン基板10から拡散させたシリコンを含む場合には、前記温度が約550℃を超過しても結晶化が行われず、非結晶状態を安定的に維持することを確認することができる。
【0054】
そして、本実施例では、前記温度を常温から上昇させる条件について説明しているが、場合によっては、前記熱処理を前記シリコン基板10から前記薄膜14aの金属酸化物にシリコンが充分に拡散される温度を維持した状態で行っても良い。
【0055】
又、前記熱処理は、圧力条件、ガス条件等に制限されない。従って、前記熱処理は、加圧状態、大気圧状態、減圧状態等に制限されることなく、行うことができる。又、前記熱処理では、酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガス等を使用しても良い。
【0056】
図4を参照すると、前記熱処理が行われた金属酸化物の薄膜14a上に導電性物質の薄膜16aを形成する。前記導電性物質の例としては、ポリシリコン、金属、金属窒化物、金属シリサイド等が挙げられる。これらは単独で使用するか、二つ以上を混合して使用する。特に、二つ以上を混合して使用する場合には、前記導電性物質の薄膜16aは、多層構造を有する。
【0057】
前記導電性物質の薄膜16aとして、ポリシリコンを選択する場合には、前記導電性物質の薄膜16aは、主にシランガスの熱分解を利用する化学気相蒸着工程を行って形成する。又、前記シランガスの熱分解は、主に600〜650℃の高温で行われる。又、前記ポリシリコンからなる導電性物質の薄膜16aの場合には、約800〜1000℃の高温で燐、ボロン等の不純物をドーピングさせる工程を行うこともできる。
【0058】
従って、熱処理を行って前記金属酸化物の薄膜14aにシリコンを拡散させない場合には、前記導電性物質としてポリシリコンを含む薄膜16aを形成する時、前記金属酸化物が結晶化される。しかし、本実施例では、前記金属酸化物の薄膜16aにシリコンが充分に拡散されているので、高温で前記ポリシリコンの薄膜16aを形成しても、前記金属酸化物の結晶化が行われない。
【0059】
又、前記導電性物質の薄膜16aとして金属シリサイドを選択する場合にも、約600〜1000℃の高温で工程を行う。同様に、本実施例では、前記金属酸化物の薄膜14aにシリコンが充分に拡散されているので、高温で前記導電性物質の薄膜16aを形成しても、前記金属酸化物の結晶化が行われない。
【0060】
このように、本実施例では、金属酸化物の薄膜14aにシリコンが充分に拡散されているので、高温で導電性物質の薄膜16aを形成する工程を安定的に行うことができる。
【0061】
図5を参照すると、前記導電性物質の薄膜16aと前記金属酸化物の薄膜14bをパターニングして、ゲート導電膜16とゲート絶縁膜14を含むゲートパターン18を形成する。
【0062】
具体的に、前記導電性物質の薄膜16a上にフォトレジスト膜を形成する。そして、フォトリソグラフィ工程を行って、前記フォトレジスト膜をフォトレジストパターンに形成する。その後、前記フォトレジストパターンをエッチングマスクとして使用したエッチングを行って、前記導電性物質の薄膜16aと、前記金属酸化物の薄膜14aを順次に除去する。その後、ストリップ工程又はアッシング工程を行って、前記フォトレジストパターンを除去する。そうすると、前記シリコン基板10上には、ゲート絶縁膜14とゲート導電膜16を含むゲートパターン18が形成される。
【0063】
そして、前記ゲートパターン18を形成する時に加えられる損傷を補償するための工程を行う。この際、前記補償工程は、約800℃の高温で行う。しかし、前記補償工程を高温で行っても、前記ゲート絶縁膜14の金属酸化物の結晶化が起きない。その理由は、前記ゲート絶縁膜14に形成するための金属酸化物の薄膜14aにシリコンが充分に拡散されているためである。
【0064】
前述したように、本実施例では、ゲート絶縁膜14にシリコンが充分に拡散されているので、前記補償工程を高温でも安定に行うことができる。
【0065】
その後、前記ゲートパターン18を形成した後、前記ゲートパターン18をマスクとして使用するイオン注入を行って、前記ゲートパターン18と隣接するシリコン基板10の表面から下に浅い接合領域を形成する。その後、前記ゲートパターン18の両側壁にスペーサを形成する。具体的に、前記ゲートパターン18を含む結果物上に、窒化物の薄膜を形成する。そして、全面エッチングを行って、前記ゲートパターン18の上部表面とシリコン基板10の表面が露出されるまで、前記窒化膜の薄膜を除去する。そうすると、前記ゲートパターン18の両側壁にのみ前記窒化物の薄膜が残留して、スペーサを形成する。そして、前記スペーサを形成した後、前記スペーサをマスクとして使用するイオン注入を行って、前記スペーサと隣接するシリコン基板10の表面から下に深い接合領域を形成する。
【0066】
これによって、図1に示すように、前記シリコン基板10上には、ゲート絶縁膜14とゲート導電膜16を含むゲートパターン18が形成され、前記ゲートパターン18の両側壁にはスペーサ20が形成され、前記シリコン基板10には、浅い接合領域と深い接合領域を含むLDD構造のソース/ドレイン22a、22bが形成される。
【0067】
そして、前記スペーサ20と前記ソース/ドレイン22a、22bを形成した後、後続工程を行う。特に、前記後続工程中には、高温で行う工程も含まれる。しかし、前記ゲート絶縁膜14の金属酸化物にシリコンが充分に拡散されているので、前記金属酸化物の結晶化は心配しなくても良い。
【0068】
従って、本実施例では、金属酸化物を含むゲート絶縁膜14を形成しても、高温での工程を安定に行うことができる。従って、本実施例は、金属酸化物を含むゲート絶縁膜14を半導体装置に容易に適用することができる。
【0069】
そして、前述した本実施例では、4族半導体物質の基板10から前記ゲート絶縁膜14に形成するための薄膜14aの金属酸化物に4族半導体物質を拡散させる方法について説明しているが、他の実施例として、図12に図示されたように、前記4族半導体物質の基板10と金属酸化物の薄膜14aとの間に4族半導体物質を含む薄膜50を介在させることもできる。
【0070】
具体的に、前記4族半導体物質の薄膜50の例としては、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜、シリコン窒化膜等が挙げられる。これらは単一薄膜で形成するか、二つ以上の複合膜である多層薄膜で形成することができる。従って、前記4族半導体物質の基板10上に前記4族半導体物質の薄膜50を形成した後、前記4族半導体物質の薄膜50上に、前記金属酸化物の薄膜14aを形成し、熱処理を行う。そうすると、前記4族半導体物質の薄膜50から前記金属酸化物の薄膜14aにシリコン等の4族半導体物質が拡散される。
【0071】
これによって、前記金属酸化物の薄膜14a上に導電性物質の薄膜16aを高温で形成しても、前記金属酸化物が結晶化されることを充分に阻止することができる。
【0072】
このように、前述する実施例の場合には、4族半導体物質の基板10に依存することなく、前記金属酸化物の薄膜14aに4族半導体物質を充分に拡散させるための熱処理を容易に行うことができる。従って、半導体装置の製造に、前述する実施例をより積極的に活用することができる。
【0073】
熱処理に対する評価1
まず、シリコン基板上に前述した実施例と同じ方法で、原子層積層を行って形成したアルミニウム酸化物の薄膜を試料として準備した。そして、前記試料を対象としてそれぞれ異なる熱処理を行った。
【0074】
図13において、曲線Iは、前記試料を毎秒1℃で900℃まで上昇させる熱処理を行った結果を示し、曲線IIは、前記試料を毎秒1℃で800℃まで上昇させる熱処理を行った結果を示し、曲線IIIは、前記試料を毎秒30℃で800℃まで上昇させる熱処理を行った結果を示す。
【0075】
図13を参照すると、前記熱処理を行った試料のそれぞれに対して、X線回折を測定した結果、曲線I及び曲線IIでは、アルミニウム酸化物の薄膜が非結晶状態を維持することを確認することができ、曲線IIIでは、回折角20°と回折角40°付近で回折ピークが発生することによって、前記アルミニウム酸化物の薄膜が結晶化されたことが確認できる。
【0076】
従って、前記評価から分かるように、前記熱処理のための温度の上昇を多少遅く行うことが好ましい。
【0077】
熱処理に対する評価2
まず、シリコン基板上に前述した実施例と同じ方法で原子層積層を行って形成したアルミニウム酸化物の薄膜を試料として準備した。そして、前記試料を対象としてそれぞれ異なる熱処理を行った。
【0078】
図14において、曲線IVは、前記試料を毎秒1℃で550℃まで上昇させる熱処理を行った結果を示し、曲線Vは、毎秒1℃で550℃まで上昇させて約10分間維持した後、550℃の温度から毎秒30℃で800℃まで上昇させる熱処理を行った結果を示し、曲線VIは、毎秒30℃で550まで上昇させて約10分間維持した後、550℃の温度から毎秒30℃で800℃まで上昇させる熱処理を行った結果を示す。
【0079】
図14を参照すると、前記熱処理を行った試料のそれぞれに対して、光電子分光を測定した結果、曲線IV及び曲線Vでは、アルミニウム酸化物の薄膜にシリコンが充分に拡散されていることが確認できる。しかし、曲線VIでは、ピークが発生しなく、前記アルミニウム酸化物の薄膜にシリコンが充分に拡散されないことが確認できる。
【0080】
従って、前記評価から分かるように、前記熱処理のための温度の上昇を多少遅く行い、約550℃までのみ行うことが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【0081】
前述したように、熱処理を行って金属酸化物の薄膜に下部から4族半導体物質を拡散させることによって、後続工程中、高温で工程を行っても、金属酸化物の薄膜が結晶化されることを充分に阻止することができる。
【0082】
従って、本発明は、後続工程に別の影響を受けない金属酸化物の薄膜を半導体装置の製造に容易に適用することができる。又、金属酸化物の非結晶状態を安定的に維持することによって、絶縁機能の低下を減少させることができる。
【0083】
従って、本発明は、半導体装置の電気的信頼度を向上させる利点を期待することができる。
【0084】
以上、本発明の実施例によって詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を逸脱することなく、本発明を修正または変更できる。
【図面の簡単な説明】
【0085】
【図1】本発明の一実施例による金属酸化物の薄膜をゲート絶縁膜に含む半導体装置を示す概略的な断面図である。
【図2】図1の半導体装置を製造する方法を示す概略的な断面図である。
【図3】図1の半導体装置を製造する方法を示す概略的な断面図である。
【図4】図1の半導体装置を製造する方法を示す概略的な断面図である。
【図5】図1の半導体装置を製造する方法を示す概略的な断面図である。
【図6】図2の金属酸化物の薄膜を形成する方法を示す概略的な断面図である。
【図7】図2の金属酸化物の薄膜を形成する方法を示す概略的な断面図である。
【図8】図2の金属酸化物の薄膜を形成する方法を示す概略的な断面図である。
【図9】図2の金属酸化物の薄膜を形成する方法を示す概略的な断面図である。
【図10】図2の金属酸化物の薄膜を形成する方法を示す概略的な断面図である。
【図11】図3の熱処理を行う方法を示す概略的な工程の流れ図である。
【図12】本発明の他の実施例による半導体装置を製造する方法を示す概略的な断面図である。
【図13】本発明の熱処理が金属酸化物の薄膜の結晶化に及ぼす影響を評価した結果を示すグラフである。
【図14】本発明の熱処理が4族半導体物質の拡散に及ぼす影響を評価した結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【0086】
10 半導体基板
12 素子分離膜
14 ゲート絶縁膜
16 ゲート導電膜
18 ゲートパターン
20 スペーサ
22a、22b ソース/ドレイン




 

 


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