[发明专利]高电介质薄膜的改性方法和半导体装置

说明书

技术领域

本发明涉及在半导体晶片等被处理体的表面上形成的高电介质薄膜的改性方法和使用通过该改性得到的栅极绝缘膜的半导体装置。

背景技术

一般地，当制造半导体集成电路时，对半导体晶片等被处理体，一枚一枚地重复进行成膜处理、蚀刻处理、热处理、改性处理、结晶化处理等各种处理，形成期望的半导体集成电路。

近年来，关于这样的集成电路，由于进一步要求该集成电路的动作速度的高速化、高集成化和薄膜化，集成电路中的线宽、膜厚等更加微细化。这里以作为半导体集成电路的半导体装置的晶体管为例，则由于上述微细化的要求，必须使设置在该晶体管上的栅极绝缘膜的厚度更薄，并且使该栅极绝缘膜的长度更短。具体而言，需要将栅极绝缘膜的厚度设定为1～2nm或其以下，但是在这样的非常薄的栅极绝缘膜中隧道电流增大，其结果是，栅极漏电流增大。

因此，存在代替SiO₂膜，将作为介电常数远远大于SiO₂膜的高介电性的薄膜的高电介质薄膜用作栅极绝缘膜的主体的倾向(例如参照日本特开2002-100627号公报、日本特开平10-135233号公报等)。作为这样的高电介质薄膜，例如能够列举HfO₂、HfSiO₂、ZrO₂、ZrSiO₄等高熔点金属材料的氧化物。

将这样的高电介质薄膜直接形成在硅基板或硅膜上，作为栅极绝缘膜使用的情况下，金属原子从该高电介质薄膜扩散到硅基板或硅膜中，在沟道(channel)区域中发生载流子的散射。因此，为了防止金属原子的扩散，在该高电介质薄膜的下层，形成非常薄的例如数左右的SiO₂膜作为基底膜。相比于将该SiO₂膜用作栅极绝缘膜的情况下的膜厚例如1～2nm，作为该基底膜的SiO₂膜要薄很多。参照图15，对作为具有这样的栅极结构的半导体装置的晶体管的一个例子进行说明。图15是表示将高电介质薄膜用作栅极绝缘膜的晶体管的一个例子的概略结构图。

在图15中，在由硅基板等构成的半导体晶片W的表面上形成有源极S和漏极D，在该源极S和漏极D之间的表面上，成为依次叠层有由SiO₂膜构成的基底膜2、高电介质薄膜4、氮化膜6和栅电极8的结构。上述基底膜2例如通过对半导体晶片W的硅表面进行氧化处理而形成。上述高电介质薄膜4将包括Hf等高熔点金属的有机金属化合物材料作为原料，通过热CVD(Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积)处理而形成。

上述氮化膜6通过对上述高电介质薄膜4的表面进行氮化处理而形成，该氮化膜6具有防止栅电极8中的金属材料向高电介质薄膜4中扩散的作用。作为上述栅电极8，例如能够使用注入有杂质的多晶硅膜，钨、钽等金属膜，或其氮化膜等。

但是，在形成如上所述的高电介质薄膜4的情况下，因为使用有机金属化合物材料，所以无法避免在该膜中混入一定程度的量的碳(C)成分。于是，该混入的碳成分使介电常数降低，产生漏电流，进而成为晶体管的阈值不稳定的原因。因此，在形成高电介质薄膜4之后，在800～1000℃左右的高温下进行退火处理，以尽可能地除去上述混入的碳成分。

但是，在这样进行高温的退火处理的情况下，碳成分脱离的部分产生缺损，由该缺损导致膜密度降低、介电常数下降，因此存在膜质劣化，不能得到目标的电特性的问题。

作为修复这样的高电介质薄膜中的缺损的方法，在现有技术中已知将等离子体励起的氧自由基暴露在高电介质薄膜上的方法，或者在臭氧气体气氛中对高电介质薄膜照射紫外线的方法(UV-O₃处理)(例如参照日本特开平9-121035号公报)。

但是，在将等离子体励起的氧自由基暴露在高电介质薄膜上的方法中存在下述问题：生成难以控制的过剩的自由基，该自由基通过高电介质薄膜，使得基底膜的SiO₂膜厚增加，从而使栅极绝缘膜的EOT(Equivalent Oxide Thickness：等效氧化层厚度)增加。其中，EOT是将叠层高电介质薄膜和基底膜的SiO₂膜而形成的栅极绝缘膜的电容换算成单一的SiO₂膜厚所得到的值。

此外，在上述UV-O₃处理的方法中也存在以下问题：因为使用作为强效的氧化剂的臭氧，所以在修复高电介质薄膜中的氧缺损的同时还引起基底膜的SiO₂膜厚的增加，使得栅极绝缘膜的EOT增加。