專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將高相對介電常數(shù)膜(high-k)用作柵絕緣膜的半導(dǎo)體器件的改良。
背景技術(shù)：
以往，作為在硅基板上形成的電極材料，多晶硅(Poly-Si)是主流。另外，作為配置在硅基板與多晶硅電極材料之間的柵絕緣膜，使用了氧化硅(SiO2)、氧氮化硅(SiON)、氮化硅(Si3N4)。但是，為了提高柵絕緣膜的容量(∝ε/d、其中ε表示介電常數(shù)、d表示膜壓)，以往是通過使柵絕緣膜(SiO2(ε＝3.9))的膜厚變薄來應(yīng)對的。
日本專利文獻(xiàn)特開2000-294550號公報公開了一種形成絕緣膜的方法，其利用等離子體對所述晶片W表面直接實施氧化、氮化和氧氮化，形成換算成相當(dāng)于氧化膜的膜厚為1nm以下的絕緣膜。
另一方面，由于使柵絕緣膜的膜厚變薄也有一個界限，所以現(xiàn)在提出了一種利用相對介電常數(shù)較大的材料(High-K、其中K與ε為同意語)，使物理的膜厚能夠厚到某種程度的方法。

發(fā)明內(nèi)容
但是，由于以往的High-K膜是用氧化物來形成的，所以在形成氧化物時必定存在氧化種。而且，為了使氧化物的結(jié)晶性穩(wěn)定化，必須在氧化種或者惰性氣體種的氣氛中進(jìn)行高溫?zé)崽幚砉ば?。其結(jié)果是，SiO2(或者由Si與O與High-K構(gòu)成的金屬的混合物)就出現(xiàn)在Si表面，或者氧化物類High-K膜的表面，直列地形成了介電常數(shù)低的膜，沒有達(dá)成原來的增加容量的目的。
于是，通過在Si與High-K材料之間夾有硅氮化膜(ε＝7左右)，雖然提出了一種使得SiO2膜難以形成的方法，但是在High-K膜形成中硅氮化膜依然被氧化，只形成介電常數(shù)高的膜很困難。
本發(fā)明是鑒于上述狀況而做出的，其目的在于提供一種由于High-K絕緣膜被維持在相對介電常數(shù)較高的狀態(tài)，從而性能良好的半導(dǎo)體器件。而且，另外一個目的在于提供一種能夠?qū)igh-K絕緣膜維持在相對介電常數(shù)較高的狀態(tài)的半導(dǎo)體器件的制造方法。
為了達(dá)成上述目的，與本發(fā)明的第一方式的半導(dǎo)體器件配有硅基板、柵電極層及柵絕緣膜，該柵絕緣膜配置于所述硅基板與所述柵電極層之間。并且所述柵絕緣膜是通過氮化處理金屬與硅的混合物而形成的高相對介電常數(shù)(high-K)膜。即，通過使High-K膜本身成為氮化物，可以防止SiO2的生成。
所述柵絕緣膜最好通過等離子體CVD技術(shù)成膜。另外，在所述硅基板與所述柵絕緣膜之間，在配置了作為壁壘層的硅氮化膜的情況下，在High-K材料形成當(dāng)中很難產(chǎn)生膜厚增加，從而可以抑制電容降低。這根據(jù)的是硅氮化膜與氧化膜相比膜厚較難增加的這個事實。另外，所述硅氮化膜可以通過等離子體的直接氮化技術(shù)來形成。
另外，通過在所述柵絕緣膜上配置硅氮化膜，能夠抑制與柵電極的反應(yīng)。
另外，在所述硅基板上，如果形成了硅氮化膜與所述柵絕緣膜相互層疊而形成的多層結(jié)構(gòu)，則可以得到更穩(wěn)定的絕緣膜。
另外，在所述硅基板與所述柵絕緣膜之間，通過形成過渡層，可以提高界面特性，得到良好的FET特性。
在所述硅基板與所述柵絕緣膜之間，通過形成氧化鋁(Al2O3)單結(jié)晶膜，將過渡層的介電常數(shù)提高到9左右，所以進(jìn)一步增加了容量。另外，所述氧化鋁單結(jié)晶膜可以通過等離子體CVD技術(shù)來形成。
可以采用從以下所示物質(zhì)中選擇出來所組成的物質(zhì)作為所述柵絕緣膜M3Si6N11(M＝La、Ce、Pr、Nd、Sm)；M2Si5N8(M＝Ca、Sr、Ba、Eu)；
MYbSi4N7(M＝Sr、Ba、Eu)；BaSi4N7；Ba2Nd7Si11N2

圖1是表示本發(fā)明的等離子體處理裝置的結(jié)構(gòu)的一個例子的簡圖(截面圖)；圖2是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)的截面圖；圖3是表示本發(fā)明第一實施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的結(jié)構(gòu)的簡圖；圖4是表示本發(fā)明第二實施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的結(jié)構(gòu)的簡圖；圖5是表示本發(fā)明第三實施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的結(jié)構(gòu)的簡圖；圖6是表示本發(fā)明第四實施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的結(jié)構(gòu)的簡圖；圖7是表示本發(fā)明第五實施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的結(jié)構(gòu)的簡圖；圖8是表示本發(fā)明第六實施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的結(jié)構(gòu)的簡圖。
具體實施例方式
圖1示出了用于本發(fā)明的等離子體處理裝置10的簡略結(jié)構(gòu)的例子。等離子體處理裝置10具有處理容器11，該處理容器11配有支撐作為被處理基板的硅晶片W的基板保持臺12。通過圖中未示出的排氣泵從排氣口11A與11B排出處理容器11內(nèi)的氣體(gas)。而且，基板保持臺12具有加熱硅晶片W的加熱功能。在基板保持臺12的周圍，配置有鋁制氣體隔板(間隔板)26。在氣體隔板26上設(shè)置有石英或SiC罩28。
在處理容器11的裝置上方，對應(yīng)于基板保持臺12上的硅晶片W設(shè)置有開口部。該開口部被電介質(zhì)板13塞住，該電介質(zhì)板13由石英或Al2O3、AlN、Si3N4制成。在電介質(zhì)板13的上部(處理容器11的外側(cè))配置有平面天線14。該平面天線14上形成有多個用于使由導(dǎo)波管提供的電磁波通過的狹孔。在平面天線14的更上部(外側(cè))配置有波長縮短板15與導(dǎo)波管18。覆蓋波長縮短板15的上部地，在處理容器11的外側(cè)配置有冷卻金屬板16。在冷卻金屬板16的內(nèi)部設(shè)置有供制冷劑流動的制冷劑流路16a。
在處理容器11的內(nèi)側(cè)壁上，設(shè)置有在等離子體處理時用于導(dǎo)入氣體的氣體供給口22。該氣體供給口22也可以在每次導(dǎo)入氣體時再行設(shè)置。這種情況下，在每個供給口處都設(shè)置有作為流量調(diào)節(jié)裝置的圖中未示出的質(zhì)量流量控制器。另一方面，導(dǎo)入的氣體經(jīng)過事先混合好再被送入，供給口22也可以成為一個噴嘴。這種情況雖然沒有在圖中示出，但是導(dǎo)入氣體的流量調(diào)節(jié)可以在混合階段通過流量調(diào)節(jié)閥等來進(jìn)行。
另外，在處理容器11的內(nèi)壁的內(nèi)側(cè)，形成有圍繞容器整體的制冷劑流路24。
在本發(fā)明所使用的等離子體基板處理裝置10中，配有圖中未示出的電磁波發(fā)生器，該電磁波發(fā)生器產(chǎn)生用于激發(fā)等離子體的數(shù)GHz的電磁波。在該電磁波發(fā)生器發(fā)生的電磁波通過導(dǎo)波管15導(dǎo)入處理容器11。
圖2是表示本發(fā)明的半導(dǎo)體器件(MISFET)的結(jié)構(gòu)的截面圖。本發(fā)明是關(guān)于柵絕緣膜50的組成、結(jié)構(gòu)的，后面將對各實施例進(jìn)行詳細(xì)敘述。在圖2中，100表示硅基板；50表示柵絕緣膜；52表示柵電極；54表示源極/漏極層(擴(kuò)散層)；56表示側(cè)壁。
以下，參照圖3至圖8，說明本發(fā)明第一至第五實施例的柵絕緣膜的結(jié)構(gòu)。而且，各圖大體上與圖2的虛線部分對應(yīng)。
圖3是表示本發(fā)明第一實施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的結(jié)構(gòu)的簡圖。對于本實施例的半導(dǎo)體器件，在硅基板100上，形成作為柵絕緣膜(50)的氮化物類的High-K膜104。在硅基板100與High-K膜104之間形成有硅氮化膜(Si3N4層)102。另外在High-K膜104上，通過陰極濺鍍形成作為柵電極(52)的TaN層106。High-K膜104是利用上述等離子體處理裝置10，通過等離子體CVD技術(shù)而成膜形成的。硅氮化膜102是利用相同的等離子體處理裝置10，通過直接游離基氮化處理而成膜形成的，起著降低硅基板100表面的界面態(tài)的作用。
例如，可以采用以下組成的物質(zhì)作為High-K膜104M3Si6N11(M＝La，Ce，Pr，Nd，Sm)；M2Si5N8(M＝Ca，Sr，Ba，Eu)；
MYbSi4N7(M＝Sr，Ba，Eu)；BaSi4N7Ba2Nd7Si11N23在利用圖1所示的等離子體處理裝置10形成第一實施例的結(jié)構(gòu)時，首先，將作為處理對象的硅基板100導(dǎo)入處理容器11內(nèi)，安置在基板保持臺12上。之后通過排氣口11A，11B進(jìn)行處理容器11內(nèi)部空氣的排氣，將處理容器11的內(nèi)部設(shè)定為規(guī)定的處理壓強(qiáng)。接著從氣體供給口22向處理容器11內(nèi)導(dǎo)入氮氣及惰性氣體。
另一方面，由電磁波發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)GHz頻率的微波通過導(dǎo)波管15被提供給處理容器11。通過平面天線14、電介質(zhì)板13向處理容器11中導(dǎo)入該微波。通過該微波激發(fā)出等離子體，生成氮游離基。這樣生成的等離子體處理時的晶片溫度在500℃以下。通過在處理容器11內(nèi)的微波激發(fā)而生成的高密度等離子體使得在硅基板100表面上形成氮化膜Si3N4。
把由Si3N4膜102所形成的硅基板100從處理容器11取出。之后，在形成High-K膜104時，再一次將基板置入處理容器11內(nèi)，通過公知的CVD技術(shù)形成氮化物類膜104。
圖4是表示本發(fā)明第二實施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的結(jié)構(gòu)的簡圖。在圖4中，對于與圖3相同或者相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)元件標(biāo)注相同的參照符號，并省略了重復(fù)的說明。在本實施例的結(jié)構(gòu)中，與上述第一實施例相同，在High-K膜104與硅基板100之間形成Si3N4層102a，并在High-K膜104與TaN層106之間也形成Si3N4層102b。這樣，形成了抑制與柵電極(TaN層106)的反應(yīng)性的穩(wěn)定的膜。
圖5是表示本發(fā)明第三實施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的結(jié)構(gòu)的簡圖。在圖5中，對于與圖3及圖4相同或者相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)元件標(biāo)注相同的參照符號，并省略了重復(fù)的說明。在本實施例的結(jié)構(gòu)中，雖然在上述硅基板100與柵電極層(TaN層)之間形成High-K膜104，但是在硅基板100與High-K膜104之間或High-K膜與TaN層106之間并不形成Si3N4層等其他的層。
圖6是表示本發(fā)明第四實施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的結(jié)構(gòu)的簡圖。在圖6中，對于與圖3至圖5相同或者相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)元件標(biāo)注相同的參照符號，并省略了重復(fù)的說明。在本實施例的結(jié)構(gòu)中，在上述硅基板100與High-K膜104之間形成過渡層110。而且在High-K膜與TaN層106之間并不形成Si3N4層等其他的層。
過渡層110是在與High-K膜104的形成相同的過程中，通過改變向處理容器11內(nèi)供給的氣體的組成而形成的。過渡層110比Si3N4層的介電常數(shù)高，而且具有能夠降低界面態(tài)的優(yōu)點。
圖7是表示本發(fā)明第五實施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的結(jié)構(gòu)的簡圖。在圖7中，對于與圖3至圖6相同或者相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)元件標(biāo)注相同的參照符號，并省略了重復(fù)的說明。在本實施例的結(jié)構(gòu)中，在硅基板100上，三層Si3N4層102a、102b、102c與兩層High-K膜104a、104b相互層疊。由此，可以得到更穩(wěn)定的絕緣膜。
圖8是表示本發(fā)明第六實施例的半導(dǎo)體器件的主要部分的結(jié)構(gòu)的簡圖。在圖8中，對于與圖3至圖6相同或者相對應(yīng)的結(jié)構(gòu)元件標(biāo)注相同的參照符號，并省略了重復(fù)的說明。在本實施例的結(jié)構(gòu)中，在硅基板100與High-K膜104之間形成比Si3N4的介電常數(shù)還高的氧化鋁(Al2O3)單結(jié)晶膜114。氧化鋁(Al2O3)單結(jié)晶膜114可以利用圖1所示的裝置，通過等離子體CVD技術(shù)來成膜形成。
以上基于幾個例子對本發(fā)明的實施方式例及實施例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限于這些實施例，在權(quán)利要求所示的技術(shù)思想的范疇內(nèi)可以有各種變化。
本申請以2003年4月3日所申請的日本專利文獻(xiàn)特愿2003-100170號公報為基礎(chǔ)的，這里通過引用而加入其內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，其特征在于，具有硅基板；柵電極層；柵絕緣膜，所述柵絕緣膜配置在所述硅基板與所述柵電極層之間，所述柵絕緣膜是通過氮化處理金屬與硅的混合物而形成的高相對介電常數(shù)(high-K)膜。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述柵絕緣膜通過等離子體CVD技術(shù)成膜形成。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，在所述硅基板與所述柵絕緣膜之間，配置有作為壁壘層的硅氮化膜。
4.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述硅氮化膜是通過等離子體的直接氮化技術(shù)而形成的。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，在所述柵絕緣膜上配置有硅氮化膜。
6.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，在所述硅基板上，硅氮化膜與所述柵絕緣膜相互配置形成多層結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，在所述硅基板與所述柵絕緣膜之間形成有過渡層。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，在所述硅基板與所述柵絕緣膜之間形成有氧化鋁(Al2O3)單結(jié)晶膜。
9.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述氧化鋁單結(jié)晶膜是通過等離子體CVD技術(shù)形成的。
10.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述柵絕緣膜具有從以下所示物質(zhì)中選擇出來的組成M3Si6N11(M＝La，Ce，Pr，Nd，Sm)；M2Si5N8(M＝Ca，Sr，Ba，Eu)；MYbSi4N7(M＝Sr，Ba，Eu)；BaSi4N7；Ba2Nd7Si11N23
11.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在硅基板上，形成通過氮化處理金屬與硅的混合物而形成的高相對介電常數(shù)(high-K)膜所形成的柵絕緣膜，在所述柵絕緣膜上形成有柵電極層。
12.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述柵絕緣膜通過等離子體CVD技術(shù)而成膜形成。
13.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在所述硅基板與所述柵絕緣膜之間，形成作為壁壘層的硅氮化膜。
14.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述硅氮化膜是通過等離子體的直接氮化技術(shù)形成的。
15.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在所述柵絕緣膜上配置硅氮化膜。
16.如權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在所述硅基板上，硅氮化膜與所述柵絕緣膜相互層壓形成多層結(jié)構(gòu)。
17.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在所述硅基板與所述柵絕緣膜之間形成過渡層。
18.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在所述硅基板與所述柵絕緣膜之間形成氧化鋁(Al2O3)單結(jié)晶膜。
19.如權(quán)利要求18所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述氧化鋁單結(jié)晶膜是通過等離子體CVD技術(shù)形成的。
20.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述柵絕緣膜具有從以下所示物質(zhì)中選擇出來的組成M3Si6N11(M＝La，Ce，Pr，Nd，Sm)；M2Si5N8(M＝Ca，Sr，Ba，Eu)；MYbSi4N7(M＝Sr，Ba，Eu)；BaSi4N7Ba2Nd7Si11N2全文摘要
為了提供一種由于將High－K絕緣膜維持在高相對介電常數(shù)狀態(tài)從而具有良好特性的半導(dǎo)體器件，或者為了提供一種能夠?qū)igh－K絕緣膜維持在高相對介電常數(shù)狀態(tài)的半導(dǎo)體器件的制造方法，在本發(fā)明中，配有硅基板、柵電極層和柵絕緣膜，其中所述柵絕緣膜配置在所述硅基板與所述柵電極層之間。而且，所述柵絕緣膜是通過氮化處理金屬與硅的混合物而形成的高相對介電常數(shù)(high－K)膜。通過使High－K膜本身成為氮化物，可以防止SiO
文檔編號H01L21/02GK1768431SQ200480009209
公開日2006年5月3日 申請日期2004年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月3日
發(fā)明者大見忠弘, 寺本章伸, 若松秀利, 小林保男 申請人:東京毅力科創(chuàng)株式會社, 大見忠弘