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JP2003008004A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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Publication number
JP2003008004A
JP2003008004A JP2001190145A JP2001190145A JP2003008004A JP 2003008004 A JP2003008004 A JP 2003008004A JP 2001190145 A JP2001190145 A JP 2001190145A JP 2001190145 A JP2001190145 A JP 2001190145A JP 2003008004 A JP2003008004 A JP 2003008004A
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JP
Japan
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insulating film
gate insulating
film
semiconductor substrate
gate electrode
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2001190145A
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English (en)
Inventor
Yusuke Morizaki
祐輔 森▲崎▼
Yoshihiro Sugita
義博 杉田
Kiyoshi Irino
清 入野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujitsu Ltd filed Critical Fujitsu Ltd
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Priority to US10/151,168 priority patent/US20030003667A1/en
Publication of JP2003008004A publication Critical patent/JP2003008004A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 換算膜厚の薄膜化を図りつつ、トンネル効果
によるリーク電流を抑えたゲート絶縁膜を形成する。 【解決手段】 シリコン単結晶基板1上にゲート絶縁膜
2を形成する工程と、上記ゲート絶縁膜2上に導電膜を
形成する工程と、少なくとも上記導電膜を加工してゲー
ト電極3を形成する工程とを含み、上記ゲート絶縁膜2
を、シリコン単結晶基板1上にCVD法により堆積形成
した膜厚1nm程度のアルミニウム酸化膜2aと、上記
アルミニウム酸化膜2a上にCVD法により堆積形成し
た膜厚4nm程度のハフニウム酸化膜2bと、上記ハフ
ニウム酸化膜2b上に上記アルミニウム酸化膜2aと同
様の形成条件によりCVD法により堆積形成した膜厚1
nm程度のアルミニウム酸化膜2cとから形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置及びそ
の製造方法に関し、特にMIS型トランジスタに用いて
好適なものである。
【0002】
【従来の技術】従来から、MIS型半導体装置において
は、製造プロセスにおいて安定であり、かつ、比較的に
容易に良質な絶縁膜が得られることから、ゲート絶縁膜
としてシリコン酸化膜が用いられている。
【0003】一方で、近年のデバイスのトランジスタ特
性の高精度化に伴い、ゲート絶縁膜の電気的な膜厚(所
定の絶縁膜(例えば、シリコン酸化膜)の膜厚に換算し
た厚さ。以下、「換算膜厚」と称する)の薄膜化が要求
されている。ところが、換算膜厚の薄膜化を図るために
物理膜厚(実際の膜厚)の薄膜化を進めると、トンネル
効果によってリーク電流の増大を招くという重大な問題
が必然的に生じてしまう。
【0004】そこで、ゲート絶縁膜として、シリコン酸
化膜よりも誘電率の高い材料を用いることにより、換算
膜厚の薄膜化を図りつつ、物理膜厚を稼いで、上記のよ
うな問題を解消することが考えられる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、絶縁膜を流
れるトンネル効果によるリーク電流は、下式(1)によ
り求められることが、J.G.SimmonsによってJournal of
Applied Physics誌(1963年刊の第34巻第179
3頁)で明らかにされている。
【0006】
【数1】
【0007】上式によれば、リーク電流を抑えるために
は、絶縁膜厚(物理膜厚)toxのみならず、バリアハイ
トφBの寄与も考慮する必要があり、バリアハイトφB
低くなると、リーク電流(リーク電流密度Jg)は増加
してしまう。
【0008】図6には、複数のバリアハイトφB[e
V]のゲート電圧Vg[V]とリーク電流密度Jg[A/
2]との特性を表す。同図からも、バリアハイトφB
低くなると、リーク電流密度Jgが増加することがわか
る。
【0009】バリアハイトφBは、ゲート絶縁膜材料と
半導体材料との組み合わせにより決定され、誘電率の高
い材料ほど、その伝導帯と、半導体材料(特にシリコ
ン)の伝導帯とのバリアハイトが低くなることが知られ
ている。
【0010】すなわち、ゲート絶縁膜としてシリコン酸
化膜より誘電体の高い材料を用いて物理膜厚を稼いで
も、バリアハイトの低下により、結局はトンネル効果に
よるリーク電流を効果的に減少させることができないと
いった問題がある。
【0011】本発明は上記の点に鑑みてなされたもので
あり、ゲート絶縁膜として、シリコン酸化膜よりも誘電
率の高い材料を用いることにより、換算膜厚の薄膜化を
図りつつ、物理膜厚を稼ぎ、しかも、バリアハイトが低
下するのを抑えて、トンネル効果によるリーク電流を効
果的に減少させることのできる半導体装置及びその製造
方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明者は、鋭意検討の
結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【0013】本発明は、半導体基板上にゲート絶縁膜を
介して形成されたゲート電極を含む半導体装置を製造対
象とし、ゲート絶縁膜として、比較的誘電率の高い材料
を用いて物理膜厚を稼ぐとともに、その比較的誘電率の
高い材料の半導体基板側及びゲート電極側いずれかの面
或いは両面側において比較的誘電率の低い材料を用いて
半導体材料に対するバリアハイトが低下することを防ぐ
ようにしたものである。
【0014】すなわち、半導体基板上にゲート絶縁膜を
形成する工程と、上記ゲート絶縁膜上に導電膜を形成す
る工程と、少なくとも上記導電膜を加工してゲート電極
を形成する工程とを含み、上記ゲート絶縁膜を、第1の
絶縁膜と、上記第1の絶縁膜の半導体基板側及びゲート
電極側のうち少なくともいずれか一方の面に形成された
上記第1の絶縁膜よりも誘電率の低い材料からなる第2
の絶縁膜とから形成し、上記第1の絶縁膜に対して上記
第2の絶縁膜が遍在するように形成する、又は、上記ゲ
ート絶縁膜を、半導体基板側及びゲート電極側のうち少
なくともいずれか一方の面側に向かうにつれて徐々に誘
電率が低くなるよう組成を変えて形成する。
【0015】
【作用】上記のようにした本発明においては、ゲート絶
縁膜として、例えばチタン酸化物、ジルコニウム酸化
物、タンタル酸化物、ハフニウム酸化物等の比較的誘電
率の高い材料を用いるとともに、その半導体基板側及び
ゲート電極側のうち少なくともいずれか一方の面側で例
えばシリコン酸化物、シリコン酸窒化物、シリコン窒化
物、アルミニウム酸化物等の比較的誘電率の低い材料を
用いることにより、換算膜厚の薄膜化を図りつつ、物理
膜厚を稼ぐことができ、しかも、シリコン等の半導体材
料に対するバリアハイトが低下することを防ぐことがで
きる。したがって、換算膜厚の薄膜化を図りつつ、ゲー
ト絶縁膜でのトンネル効果によるリーク電流を効果的に
減少させることが可能となる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
半導体装置及びその製造方法の諸実施形態について説明
する。これらの実施形態においては、半導体装置として
MIS型のトランジスタを例示し、便宜上、トランジス
タの構成をその製造方法とともに説明する。
【0017】(第1の実施形態)図1,2は、第1の実
施形態のMISトランジスタの製造方法を工程順に示す
概略断面図である。
【0018】まず、図1(A)に示すように、シリコン
単結晶基板1に素子活性領域を画定する。具体的には、
シリコン単結晶基板1の素子分離領域に溝1aを形成
し、当該溝1aを埋め込む膜厚に絶縁物(SiO2等)
1bを堆積した後、CMP(Chemical-Mechanical Poli
shing)法によりシリコン単結晶基板1上の絶縁物1b
を除去することにより、溝1aを絶縁物1bで充填され
たSTI(Shallow TrenchIsolation)型の素子分離構
造10を形成する。なお、STI素子分離構造の替わり
にいわゆるLOCOS法によるフィールド酸化膜を形成
するようにしてもよい。
【0019】次に、図1(B)に示すように、シリコン
単結晶基板1上にゲート絶縁膜2を形成する。本実施形
態では、後述するように、ゲート絶縁膜2を三層構造と
し、内層には高誘電体の絶縁膜を、内層を上下で挟持す
る外層には当該内層に比して誘電率の低い絶縁膜を用い
てゲート絶縁膜2を構成する。以下、図2(A)〜
(C)を参照して、本実施形態におけるゲート絶縁膜2
の成膜工程を説明する。
【0020】まず、図2(A)に示すように、シリコン
単結晶基板1表面に形成された自然酸化膜(不図示)を
除去した後、シリコン単結晶基板1上に、CVD法によ
り膜厚1nm程度のアルミニウム酸化膜2aを堆積形成
する。このアルミニウム酸化膜2aは、トリメチルアル
ミニウムと水を原料とし、気化させた原料を窒素ガスを
用いて図示しない成膜チャンバ内に導入して堆積形成す
る。
【0021】次に、図2(B)に示すように、アルミニ
ウム酸化膜2a上に、CVD法により膜厚4nm程度の
ハフニウム酸化膜2bを堆積形成する。ハフニウム酸化
膜2bは、四塩化ハフニウムと水を原料とし、加熱によ
り昇華させた四塩化ハフニウムと気化させた水を窒素ガ
スを用いて図示しない成膜チャンバ内に導入して堆積形
成する。
【0022】その後、図2(C)に示すように、ハフニ
ウム酸化膜2b上に、CVD法により膜厚1nm程度の
アルミニウム酸化膜2cを堆積形成する。このアルミニ
ウム酸化膜2cは、上記シリコン単結晶基板1上のアル
ミニウム酸化膜2aと同様の形成条件により堆積形成す
る。
【0023】このように本実施形態では、高誘電体であ
るハフニウム酸化膜2bをこれに比して誘電率の低いア
ルミニウム酸化膜2a,2cで挟持する三層構造とし
て、ゲート絶縁膜2を構成する。なお、本実施形態のM
ISトランジスタは、メモリ素子として用いるものでは
ないため、ハフニウム酸化膜2bに対してアルミニウム
酸化膜2a,2cが遍在、すなわち、ゲート絶縁膜2は
遍く三層構造となっている。
【0024】以上述べたようにしてゲート絶縁膜2を形
成したならば、図1(C)に示すように、ゲート絶縁膜
2上に、多結晶シリコン、多結晶シリコンとゲルマニウ
ムの混晶等を堆積させ、フォトリソグラフィー及びこれ
に続くRIEによりによりパターニングして、所定形状
(例えば帯状)のゲート電極3を形成する。なお、本実
施形態では例示しないが、トランジスタのソース/ドレ
インをLDD(Lightly Doped Drain)構造に形成する
場合には、ゲート電極3の形成後に、比較的低濃度かつ
低加速エネルギーでイオン注入を行う。
【0025】更に、図1(D)に示すように、ゲート電
極3の上に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、或いは
それらを組み合わせた絶縁膜を堆積形成し(不図示)、
RIEにより当該絶縁膜の全面を異方性エッチング(エ
ッチバック)し、ゲート電極3の側面のみに絶縁膜を残
して、サイドウォール4を形成する。
【0026】また、シリコン単結晶基板1上のゲート絶
縁膜2のうち、表面に露出している部分を除去する。こ
の場合に、RIEによりゲート絶縁膜2を除去すればよ
いが、それだけで不十分であれば、プラズマエッチング
により除去してもよい。
【0027】そして、図1(E)に示すように、ゲート
電極3及びサイドウォール4をマスクとして素子活性領
域に基板1と反対導電型のイオンをイオン注入し、活性
化アニール処理を行ってソース5/ドレイン6を形成す
る。
【0028】しかる後、具体的には図示しないが、層間
絶縁膜やコンタクト孔、所定の配線層の形成等の後処理
を経て、本実施形態のMISトランジスタを完成させ
る。
【0029】以上述べた第1の実施形態によれば、ゲー
ト絶縁膜2を、比較的誘電率の高いハフニウム酸化膜2
bの両面に障壁の高さ(バリアハイト)の高いアルミウ
ム酸化膜2a、2cを形成した三層構造(Al23−H
fO2−Al23)としたので、電気的な薄膜化(所定
の絶縁膜(例えば、シリコン酸化膜)の膜厚に換算した
厚さ。以下、「換算膜厚」と称する)を図りつつ、物理
膜厚(実際の膜厚)を稼ぐことができ、しかも、基板1
やゲート電極3を構成するシリコンに対するバリアハイ
トが低下することを防ぐことができる。したがって、換
算膜厚の薄膜化を図りつつ、トンネル効果によるリーク
電流を抑えたゲート絶縁膜2を形成することができ、高
性能な半導体装置を提供することが可能となる。
【0030】(第2の実施形態)第2の実施形態では、
ゲート絶縁膜11の組成を連続的に変化させた例を説明
する。以下、図3(A)〜(C)を参照して、本実施形
態でのゲート絶縁膜2の成膜工程を説明する。なお、そ
れ以外の工程については図1(A)〜(E)で説明した
のと同様であり、ここではその説明を省略する。
【0031】本実施形態では、ゲート絶縁膜11をシリ
コン単結晶基板1側及びゲート電極3側に向かうにつれ
て徐々に誘電率が低くなるよう組成を変えて形成する。
【0032】まず、シリコン単結晶基板1表面に形成さ
れた自然酸化膜(不図示)を除去下後、図3(A)〜
(C)に示すように、トリメチルアルミニウムと四塩化
ハフニウムと水を原料とし、その供給量を制御しながら
CVD法によりゲート絶縁膜11を形成する
【0033】すなわち、ゲート絶縁膜成膜開始時には
(図3(A)に示す状態)、四塩化ハフニウムの供給量
を減らすとともにトリメチルアルミニウムの供給量を増
やして、ゲート絶縁膜11を堆積形成する(図3(B)
に示す状態)。これにより、ゲート絶縁膜11のうち、
アルミニウム酸化物を多く含んだハフニウム酸化物との
混合酸化物からなる部分11aがシリコン単結晶基板1
上に形成される。この部分11aでは、アルミニウム酸
化物が多く含まれているので、シリコン単結晶基板1に
対するバリアハイトが低下するのを防ぐことができる。
【0034】そして、徐々にトリメチルアルミニウムの
供給量を減らすとともに四塩化ハフニウムの供給量を増
やして、ゲート絶縁膜11を堆積形成する(図3(B)
に示す状態)。これにより、ゲート絶縁膜11のうち、
ハフニウム酸化物を多く含んだアルミニウム酸化物との
混合酸化物からなる部分11bが上記部分11aに連続
して形成される。この部分11bでは、ハフニウム酸化
物が多く含まれているので、物理膜厚を稼ぐことができ
る。
【0035】その後、再び四塩化ハフニウムの供給量を
減らすとともにトリメチルアルミニウムの供給量を増や
して、ゲート絶縁膜2を堆積形成して、ゲート絶縁膜1
1の成膜処理を終了する(図3(C)に示す状態)。こ
れにより、ゲート絶縁膜11のうち、アルミニウム酸化
物を多く含んだハフニウム酸化物との混合酸化物からな
る部分11cが上記部分11bに連続して形成される。
この部分11cでは、アルミニウム酸化物が多く含まれ
ているので、後に形成するゲート電極3に対するバリア
ハイトが低下するのを防ぐことができる。
【0036】以上述べた第2の実施形態では、ゲート絶
縁膜11を、比較的誘電率の高いハフニウム酸化物を含
む中央部分11bから両面側に向かって徐々にバリアハ
イトの高いアルミウム酸化物を含む部分11a,11c
へと組成を連続的に変化させた構造(Al23−HfO
2−Al23)としたので、換算膜厚の薄膜化を図りつ
つ、物理膜厚(実際の膜厚)を稼ぐことができ、しか
も、基板1やゲート電極3を構成するシリコンに対する
バリアハイトが低下することを防ぐことができる。した
がって、換算膜厚の薄膜化を図りつつ、トンネル効果に
よるリーク電流を抑えたゲート絶縁膜2を形成すること
ができ、高性能な半導体装置を提供することが可能とな
る。
【0037】また、成膜開始時、内部膜成膜時、成膜終
了時において、トリメチルアルミニウム及び四塩化ハフ
ニウムの供給量を変えるだけでよく、いずれかの供給源
を完全に停止する必要がない。
【0038】上記第1,2の実施形態では、ゲート絶縁
膜2,11を、ハフニウム酸化物(HfO2)と、それ
よりも誘電率の低い(すなわち、バリアハイトの高い)
アルミニウム酸化物(Al23)とにより形成したが、
その組み合わせは一例であり、限定されるものではな
い。
【0039】図4には、半導体装置においてゲート絶縁
膜として用いられると考えられる各種絶縁材料の比誘電
率k、伝導帯の不連続値Vc(バリアハイト)[e
V]、禁制帯幅の差Vb[eV]の各値について示す。
また、図5には、比誘電率とバンド不連続値[eV]と
の特性を表す。
【0040】基本的には、比誘電率kの大きな材料と、
比誘電率kの小さな(すなわち、バリアハイトの高い)
材料とを用いてゲート電極を構成すればよい。例えば、
上記第1、2の実施形態ではアルミニウム酸化物(Al
23)を誘電率の低い材料として説明したが、アルミニ
ウム酸化物(Al23)を誘電率の高い材料として用
い、その両面側に、それよりも誘電率の低い(すなわ
ち、バリアハイトの高い)シリコン酸化物(Si
2)、シリコン酸窒化物(SiON)、シリコン窒化
物(Si34)のいずれかを配するようにしてもよい。
【0041】特に、図4に示したジルコニウム酸化物
(ZrO2)、タンタル酸化物(Ta25)、ハフニウ
ム酸化物(HfO2)といった比誘電率kのより大きな
金属酸化物を用いれば、それだけ換算膜厚の薄膜化を図
りつつ物理膜厚を稼ぐことができる。この場合、これら
ZrO2、Ta25、HfO2よりも誘電率の低い(比誘
電率kの小さな)アルミニウム酸化物(Al23)、シ
リコン酸化膜(SiO2)等を両面側に配すればよい。
【0042】上記第1,2の実施形態では、ZrO2
熱的安定性が低い(相転移温度が1000℃程度と比較
的低い)点、また、Ta25は比誘電率kが非常に大き
いが、伝導帯の不連続値Vc[eV]が極端に低くなっ
てしまう点から、HfO2を用いるようにした。すなわ
ち、HfO2は、ZrO2に比べれば熱的安定性が比較的
高く、また、Ta25に比べて比誘電率kは小さいが、
ゲート絶縁膜として通常用いられるSiO2等に比べれ
ば十分に大きく、伝導帯の不連続値Vc[eV]が極端
に低くなることもない。
【0043】なお、以上述べた実施形態では、ゲート絶
縁膜2,11のシリコン単結晶基板1側及びゲート電極
3側の両面側に比較的誘電率の低い材料を用いたが、少
なくともいずれか一方の面側に誘電率の低い材料を用い
れば、トンネル効果によるリーク電流を抑えるといった
効果は得られる。逆に、例えば上記第1の実施形態にお
いて述べたように三層構造ではなく、それよりも多い複
数層構造としてもかまわない。
【0044】ただし、pチャネルFETとnチャネルF
ETとを同一基板上に形成するような場合には、その動
作の対象性をとって安定させることを考えれば、上記第
1、2の実施形態で説明したように、ゲート絶縁膜2,
11の両面側(第1の実施形態におけるアルミニウム酸
化膜2a,2c、第2の実施形態における部分11a,
11c)の形成条件を同じにすることが望ましい。
【0045】以下、本発明の諸態様を付記としてまとめ
て記載する。
【0046】(付記1) 半導体基板上にゲート絶縁膜
を形成する工程と、上記ゲート絶縁膜上に導電膜を形成
する工程と、少なくとも上記導電膜を加工してゲート電
極を形成する工程とを含み、上記ゲート絶縁膜を、第1
の絶縁膜と、上記第1の絶縁膜の半導体基板側及びゲー
ト電極側のうち少なくともいずれか一方の面に形成され
た上記第1の絶縁膜よりも誘電率の低い材料からなる第
2の絶縁膜とから形成し、上記第1の絶縁膜に対して上
記第2の絶縁膜が遍在することを特徴とする半導体装置
の製造方法。
【0047】(付記2) 上記第1の絶縁膜の半導体基
板側及びゲート電極側の両面に上記第2の絶縁膜を形成
することを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造
方法。
【0048】(付記3) 上記第1の絶縁膜は金属酸化
物からなることを特徴とする付記1又は2に記載の半導
体装置の製造方法。
【0049】(付記4) 上記金属酸化物はチタン酸化
物、ジルコニウム酸化物、タンタル酸化物、ハフニウム
酸化物のいずれか一、或いは、いずれか複数の混合物で
あることを特徴とする付記3に記載の半導体装置の製造
方法。
【0050】(付記5) 上記第2の絶縁膜はシリコン
酸化物、シリコン酸窒化物、シリコン窒化物、アルミニ
ウム酸化物のいずれかからなることを特徴とする付記4
に記載の半導体装置の製造方法。
【0051】(付記6) 上記金属酸化物はアルミニウ
ム酸化物であり、上記第2の絶縁膜はシリコン酸化物、
シリコン酸窒化物、シリコン窒化物のいずれかからなる
ことを特徴とする付記3に記載の半導体装置の製造方
法。
【0052】(付記7) 半導体基板上にゲート絶縁膜
を形成する工程と、上記ゲート絶縁膜上に導電膜を形成
する工程と、少なくとも上記導電膜を加工してゲート電
極を形成する工程とを含み、上記ゲート絶縁膜を、半導
体基板側及びゲート電極側のうち少なくともいずれか一
方の面側に向かうにつれて徐々に誘電率が低くなるよう
組成を変えて形成することを特徴とする半導体装置の製
造方法。
【0053】(付記8) 上記ゲート絶縁膜の半導体基
板側及びゲート電極側の両面側に向かうにつれて徐々に
誘電率が低くなるよう組成を変えることを特徴とする付
記7に記載の半導体装置の製造方法。
【0054】(付記9) 上記ゲート絶縁膜は金属酸化
物を含むことを特徴とする付記7又は8に記載の半導体
装置の製造方法。
【0055】(付記10) 上記金属酸化物はチタン酸
化物、ジルコニウム酸化物、タンタル酸化物、ハフニウ
ム酸化物のいずれか一、或いは、いずれか複数の混合物
であることを特徴とする付記9に記載の半導体装置の製
造方法。
【0056】(付記11) シリコン酸化物、シリコン
酸窒化物、シリコン窒化物、アルミニウム酸化物のいず
れかを含ませて誘電率が低くなるように組成を変えるこ
とを特徴とする付記10に記載の半導体装置の製造方
法。
【0057】(付記12) 上記金属酸化物はアルミニ
ウム酸化物であり、シリコン酸化物、シリコン酸窒化
物、シリコン窒化物のいずれかを含ませて誘電率が低く
なるように組成を変えることを特徴とする付記9に記載
の半導体装置の製造方法。
【0058】(付記13) 上記ゲート絶縁膜をCVD
法により成膜するとともに、その成膜処理中に原料の供
給量を変化させることを特徴とする付記7〜12のいず
れか1項に記載の半導体装置の製造方法。
【0059】(付記14) 半導体基板と、上記半導体
基板上に形成されたゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜
上に形成され、所定形状に加工されてなるゲート電極と
を含み、上記ゲート絶縁膜を、第1の絶縁膜と、上記第
1の絶縁膜の半導体基板側及びゲート電極側のうち少な
くともいずれか一方の面に形成された上記第1の絶縁膜
よりも誘電率の低い材料からなる第2の絶縁膜とから形
成され、上記第1の絶縁膜に対して上記第2の絶縁膜を
遍在させたことを特徴とする半導体装置。
【0060】(付記15) 上記第1の絶縁膜の半導体
基板側及びゲート電極側の両面に上記第2の絶縁膜が形
成されていることを特徴とする付記14に記載の半導体
装置。
【0061】(付記16) 上記第1の絶縁膜は金属酸
化物からなることを特徴とする付記14又は15に記載
の半導体装置。
【0062】(付記17) 上記金属酸化物はチタン酸
化物、ジルコニウム酸化物、タンタル酸化物、ハフニウ
ム酸化物のいずれか一、或いは、いずれか複数の混合物
であることを特徴とする付記16に記載の半導体装置。
【0063】(付記18) 上記第2の絶縁膜はシリコ
ン酸化物、シリコン酸窒化物、シリコン窒化物、アルミ
ニウム酸化物のいずれかからなることを特徴とする付記
17に記載の半導体装置。
【0064】(付記19) 上記金属酸化物はアルミニ
ウム酸化物であり、上記第2の絶縁膜はシリコン酸化
物、シリコン酸窒化物、シリコン窒化物のいずれかから
なることを特徴とする付記16に記載の半導体装置。
【0065】(付記20) 半導体基板と、上記半導体
基板上に形成されたゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜
上に形成され、所定形状に加工されてなるゲート電極と
を含み、上記ゲート絶縁膜は、半導体基板側及びゲート
電極側のうち少なくともいずれか一方の面側に向かうに
つれて徐々に誘電率が低くなるよう組成を変えて形成さ
れていることを特徴とする半導体装置。
【0066】(付記21) 上記ゲート絶縁膜の半導体
基板側及びゲート電極側の両面側に向かうにつれて徐々
に誘電率が低くなるよう組成が変化していることを特徴
とする付記20に記載の半導体装置。
【0067】(付記22) 上記ゲート絶縁膜は金属酸
化物を含むことを特徴とする付記20又は21に記載の
半導体装置。
【0068】(付記23) 上記金属酸化物はチタン酸
化物、ジルコニウム酸化物、タンタル酸化物、ハフニウ
ム酸化物のいずれか一、或いは、いずれか複数の混合物
であることを特徴とする付記22に記載の半導体装置。
【0069】(付記24) シリコン酸化物、シリコン
酸窒化物、シリコン窒化物、アルミニウム酸化物のいず
れかを含ませて誘電率が低くなるように組成が変化して
いることを特徴とする付記23に記載の半導体装置。
【0070】(付記25) 上記金属酸化物はアルミニ
ウム酸化物であり、シリコン酸化物、シリコン酸窒化
物、シリコン窒化物のいずれかを含ませて誘電率が低く
なるように組成が変化していることを特徴とする付記2
2に記載の半導体装置。
【0071】(付記26) 半導体基板と、上記半導体
基板上に形成されたゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜
上に形成され、所定形状に加工されてなるゲート電極と
を含み、上記ゲート絶縁膜は、高誘電体膜と、上記高誘
電膜の半導体基板側及びゲート電極側のうち少なくとも
いずれか一方の面に形成された上記高誘電体膜よりも障
壁の高さの高い材料からなる絶縁膜とから形成されてい
ることを特徴とする半導体装置。
【0072】(付記27) 半導体基板と、上記半導体
基板上に形成されたゲート絶縁膜と、上記ゲート絶縁膜
上に形成され、所定形状に加工されてなるゲート電極と
を含み、上記ゲート絶縁膜は、半導体基板側及びゲート
電極側のうち少なくともいずれか一方の面側に向かうに
つれて徐々に障壁の高さが高くなるよう組成を変えて形
成されていることを特徴とする半導体装置。
【0073】
【発明の効果】本発明によれば、換算膜厚の薄膜化を図
りつつ、トンネル効果によるリーク電流を抑えたゲート
絶縁膜を形成することができ、高性能な半導体装置を実
現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体装置の製造方法を工程順に示す概略断面
図である。
【図2】第1の実施形態におけるゲート絶縁膜の成膜処
理を示す概略断面図である。
【図3】第2の実施形態におけるゲート絶縁膜の成膜処
理を示す概略断面図である。
【図4】絶縁材料の比誘電率k、伝導帯の不連続値
c、禁制帯幅の差Vbの各値について示す図である。
【図5】比誘電率とバンド不連続値との特性を表す特性
図である。
【図6】複数のバリアハイトφBのゲート電圧Vgとリー
ク電流密度Jgとの特性を表す特性図である。
【符号の説明】
1 シリコン単結晶基板 1a 溝 1b 絶縁膜 2,11 ゲート絶縁膜 2a,2c アルミニウム酸化膜 2b ハフニウム酸化膜 11a〜11c 部分 3 ゲート電極 4 サイドウォール 5 ソース 6 ドレイン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 入野 清 神奈川県川崎市中原区上小田中4丁目1番 1号 富士通株式会社内 Fターム(参考) 5F140 AA19 AB03 BA01 BD02 BD05 BD07 BD09 BD11 BD12 BD13 BD15 BE03 BE10 BF01 BF04 BF11 BF14 BG12 BG14 BG51 BG53 BH15 BK02 BK12 BK13 BK21 CB01 CB04 CE07

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する
    工程と、 上記ゲート絶縁膜上に導電膜を形成する工程と、 少なくとも上記導電膜を加工してゲート電極を形成する
    工程とを含み、 上記ゲート絶縁膜を、第1の絶縁膜と、上記第1の絶縁
    膜の半導体基板側及びゲート電極側のうち少なくともい
    ずれか一方の面に形成された上記第1の絶縁膜よりも誘
    電率の低い材料からなる第2の絶縁膜とから形成し、上
    記第1の絶縁膜に対して上記第2の絶縁膜が遍在するこ
    とを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 上記第1の絶縁膜の半導体基板側及びゲ
    ート電極側の両面に上記第2の絶縁膜を形成することを
    特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 上記第1の絶縁膜は金属酸化物からなる
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の
    製造方法。
  4. 【請求項4】 上記金属酸化物はチタン酸化物、ジルコ
    ニウム酸化物、タンタル酸化物、ハフニウム酸化物のい
    ずれか一、或いは、いずれか複数の混合物であることを
    特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 上記第2の絶縁膜はシリコン酸化物、シ
    リコン酸窒化物、シリコン窒化物、アルミニウム酸化物
    のいずれかからなることを特徴とする請求項4に記載の
    半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する
    工程と、 上記ゲート絶縁膜上に導電膜を形成する工程と、 少なくとも上記導電膜を加工してゲート電極を形成する
    工程とを含み、 上記ゲート絶縁膜を、半導体基板側及びゲート電極側の
    うち少なくともいずれか一方の面側に向かうにつれて徐
    々に誘電率が低くなるよう組成を変えて形成することを
    特徴とする半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 半導体基板と、 上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、 上記ゲート絶縁膜上に形成され、所定形状に加工されて
    なるゲート電極とを含み、 上記ゲート絶縁膜を、第1の絶縁膜と、上記第1の絶縁
    膜の半導体基板側及びゲート電極側のうち少なくともい
    ずれか一方の面に形成された上記第1の絶縁膜よりも誘
    電率の低い材料からなる第2の絶縁膜とから形成され、
    上記第1の絶縁膜に対して上記第2の絶縁膜を遍在させ
    たことを特徴とする半導体装置。
  8. 【請求項8】 半導体基板と、 上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、 上記ゲート絶縁膜上に形成され、所定形状に加工されて
    なるゲート電極とを含み、 上記ゲート絶縁膜は、半導体基板側及びゲート電極側の
    うち少なくともいずれか一方の面側に向かうにつれて徐
    々に誘電率が低くなるよう組成を変えて形成されている
    ことを特徴とする半導体装置。
  9. 【請求項9】 半導体基板と、 上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、 上記ゲート絶縁膜上に形成され、所定形状に加工されて
    なるゲート電極とを含み、 上記ゲート絶縁膜は、高誘電体膜と、上記高誘電膜の半
    導体基板側及びゲート電極側のうち少なくともいずれか
    一方の面に形成された上記高誘電体膜よりも障壁の高さ
    の高い材料からなる絶縁膜とから形成されていることを
    特徴とする半導体装置。
  10. 【請求項10】 半導体基板と、 上記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、 上記ゲート絶縁膜上に形成され、所定形状に加工されて
    なるゲート電極とを含み、 上記ゲート絶縁膜は、半導体基板側及びゲート電極側の
    うち少なくともいずれか一方の面側に向かうにつれて徐
    々に障壁の高さが高くなるよう組成を変えて形成されて
    いることを特徴とする半導体装置。
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