JP2007281181A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン基板上に窒素含有ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法であって、ゲート絶縁膜のシリコン基板との界面付近への窒素の拡散を抑制しつつ、界面とは逆側のゲート絶縁膜の表面付近の窒素濃度を高めることにより、良好な特性を有するＦＥＴを形成する。
【解決手段】シリコン基板１１上にＳｉＯ_２層１３を形成する工程と、ＳｉＯ_２層１３上にＡＬＤ法を用いてＳｉＮ膜の化学量論的組成よりも窒素が少ないＳｉＮ層１４を形成する工程と、ＳｉＮ層１４を５００℃未満の基板温度でプラズマ窒化処理する工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、更に詳しくは、シリコン基板上に窒素含有ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法に関する。

モバイル製品等の普及に伴い、半導体装置の低消費電力化が要請されている。半導体装置の低消費電力化を実現するために、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）のゲート絶縁膜に窒素を導入することによって、ゲート絶縁膜を薄膜化する手法が採用されている。ゲート絶縁膜に導入した窒素は、ゲート絶縁膜の絶縁耐性を高め、また膜を貫通しての不純物の拡散を防止する。

ゲート絶縁膜に窒素を導入する際には、シリコン基板との界面付近への窒素の拡散を抑制する必要がある。これは、ゲート絶縁膜では、シリコン基板との界面付近に窒素が蓄積し易く、蓄積した窒素が固定電荷を生じさせるためである。固定電荷の増加は、しきい値電圧Ｖ_ｔｈの変動やばらつき、キャリアのモビリティー低下などのＦＥＴの様々な特性劣化を引き起こす。従って、ゲート絶縁膜の形成に際しては、シリコン基板との界面付近での窒素の蓄積を防ぐために、例えば、シリコン基板上にＳｉＯ_２層を形成し、このＳｉＯ_２層上にＳｉＮ層を形成した２層構造のゲート絶縁膜が用いられている。

シリコン基板上に順次に積層されたＳｉＯ_２層及びＳｉＮ層からなる２層構造のゲート絶縁膜については、例えば特許文献１に記載されている。
特開２００２−２０３９６１号公報

ところで、ＳｉＮ層の形成に際し、ゲート絶縁膜の信頼性向上を目的として、単原子層の成膜の繰返しによって所望の厚みの層を形成する原子層蒸着（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法を用いることが考えられる。ＡＬＤ法を用いたＳｉＮ層の形成に際しては、シリコン単原子層の成膜、及び、成膜したシリコン単原子層の窒化によってＳｉＮ層を成膜し、このＳｉＮ層の成膜を繰り返すことによって所望の厚みを有するＳｉＮ層を形成する。ＡＬＤ法では、膜質が精密に制御された単原子層の成膜の繰返しによって所望の厚みの層を形成するため、膜厚や組成の制御性、及び、面内均一性に優れた良質な層を形成できる。

しかし、ＡＬＤ法を用いたＳｉＮ層の成膜をＳｉＯ_２層上で行うと、ＳｉＮ層中の窒素濃度が化学量論的組成での濃度よりも大幅に少なくなることが判った。ＳｉＮ層中の窒素濃度が低下すると、ＳｉＮ層中の固定電荷が増加し、シリコン基板との界面付近に窒素が蓄積した場合と同様にＦＥＴの様々な特性劣化が生じる。従って、ＦＥＴの良好な特性を確保するためには、ゲート絶縁膜のシリコン基板との界面付近への窒素の拡散を抑制しつつ、界面とは逆側のゲート絶縁膜の表面付近のＳｉＮ層の窒素濃度を充分に高めることが必須である。

本発明は、上記に鑑み、シリコン基板上に窒素含有ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法であって、ゲート絶縁膜のシリコン基板との界面付近への窒素の拡散を抑制しつつ、界面とは逆側のゲート絶縁膜の表面付近の窒素濃度を高めることにより、良好な特性を有するＦＥＴを形成可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、シリコン基板上に窒素含有ゲート絶縁膜を形成する、半導体装置の製造方法であって、
ＳｉＮ膜の化学量論的組成よりも窒素が少ない窒素含有シリコン膜を形成する工程と、
前記窒素含有シリコン膜を窒化する工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば、窒素含有シリコン膜の形成工程で、ＳｉＮ膜の化学量論的組成よりも窒素が少ない窒素含有シリコン膜を形成することによって、ゲート絶縁膜のシリコン基板との界面付近への窒素の拡散を抑制し、界面付近での窒素の蓄積を抑制できる。また、窒素含有シリコン膜の形成工程に後続して、窒素含有シリコン膜を窒化する工程を採用することによって、窒素含有シリコン膜の特に上面付近で窒化を行う。従って、ゲート絶縁膜のシリコン基板との界面付近への窒素の拡散を抑制しつつ、界面とは逆側のゲート絶縁膜の表面付近の窒素濃度を高め、良好な特性を有するＦＥＴを形成できる。

本発明の好適な態様では、前記窒化工程は、５００℃未満の基板温度を採用するプラズマ窒化法で行う。或いはこれに代えて、窒素雰囲気下で８００℃以下の基板温度で行う。基板温度を抑制することによって、ゲート絶縁膜のシリコン基板との界面付近への窒素の拡散を抑制しつつ、窒素含有シリコン膜の表面付近を局所的に窒化できる。

本発明の好適な態様では、前記窒素含有シリコン膜を形成する工程に先立って、シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成する工程を更に有する。シリコン基板上に窒素を含まないシリコン酸化膜を形成することによって、ゲート絶縁膜のシリコン基板との界面付近での窒素の蓄積を抑制できる。

本発明の好適な態様では、前記窒素含有シリコン膜を形成する工程は、シリコン単原子層を堆積する工程と、該シリコン単原子層を窒化する工程とを繰り返し行う。膜厚や組成の制御性、及び、面内均一性に優れた良質な窒素含有シリコン膜を形成できる。

本発明の好適な態様では、前記シリコン単原子層を窒化する工程は、５００℃以上の基板温度を採用するプラズマ窒化法で行う。５００℃以上の基板温度を採用し、シリコン単原子層を少なくともシリコン単原子層の下層の全面を覆って成膜することによって、窒素の下層への拡散を抑制できる。

本発明の好適な態様では、前記窒素含有シリコン膜を窒化する工程では、シリコン基板に近い側の表面部分の窒化濃度が、シリコン基板から遠い側の表面部分の窒化濃度よりも低くなるように窒化する。

本発明では、前記窒素含有シリコン膜がＳｉＯＮ膜であってもよい。

以下に、図面を参照し、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法で形成される、ゲート絶縁膜の層構造を示す断面図である。ゲート絶縁膜１２は、シリコン基板１１上に順次に積層されたＳｉＯ_２層１３、及び、ＳｉＮ層１４からなる。ゲート絶縁膜１２上には不純物ドープポリシリコンからなる図示しないゲート電極が形成されている。ゲート電極は、ＴｉＮ又はＮｉＳｉなどで構成することも出来る。

図２は、図１のゲート絶縁膜１２を形成する手順を示すフローチャートである。シリコン基板１１の表面部分に素子分離構造（図示なし）を形成した後、シリコン基板１１上に熱酸化法によりＳｉＯ_２層１３を形成する（ステップＳ１１）。引き続き、ウエハ（シリコン基板）をＡＬＤ成膜装置内に収容し、シリコン単原子層の成膜と、成膜したシリコン単原子層のプラズマ窒化処理とを交互に繰り返すＡＬＤ法によって所定厚みを有するＳｉＮ層１４を形成する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２では、層中の窒素濃度がＳｉＮ膜の化学量論的組成比である１．３３より少ない、ＳｉリッチなＳｉＮ層１４を形成する。

図３は、図２のステップＳ１２の手順を詳細に示すフローチャートである。ＡＬＤ法によるＳｉＮ層１４の形成に際しては、先ず、シリコン単原子層を成膜する（ステップＳ２１）。シリコン単原子層の成膜に際しては、例えば、基板温度を５５０℃とし、処理時間を７０秒とする。次いで、Ｎ_２ガスを用いたパージを行う（ステップＳ２２）。

引き続き、ＮＨ_３プラズマを用いたプラズマ窒化処理によって、シリコン単原子層２１を窒化させ、ＳｉＮ層を形成する（ステップＳ２３）。このプラズマ窒化処理に際しては、例えば、基板温度を５５０℃とし、プラズマパワーを０．３ｋＷとし、処理時間を１４０秒とする。更に、Ｎ_２ガスを用いたパージを行う（ステップＳ２４）。これらのステップＳ２１〜Ｓ２４を１サイクルとし、これを５〜３０サイクル繰り返すことによって、所定厚みを有するＳｉＮ層１４を形成する。

ステップＳ２１のシリコン単原子層の成膜に際して、シリコンの堆積に伴って、図４（ａ）に示すように、ＳｉＯ_２層１３上にシリコン２１ａが島状に成長する。シリコンの堆積を継続することによって、図４（ｂ）に示すように、シリコン単原子層２１がＳｉＯ_２層１３の全面を覆って成膜される。

ところで、図４（ａ）の段階でこのステップを終了すると、少なくとも最初の数サイクルでは、ＳｉＮ層が島状に成長することによって、ＳｉＯ_２層１３の表面の一部が露出した状態となる。このため、ステップＳ２３のプラズマ窒化処理に際して、露出したＳｉＯ_２層１３の表面から窒素がＳｉＯ_２層１３中へ容易に拡散し、シリコン基板１１との界面付近に到達する問題が生じる。従って、ステップＳ２１では、窒素のＳｉＯ_２層１３中への拡散を抑制するために、シリコン単原子層２１が少なくともＳｉＯ_２層１３の全面を覆って成膜されるようにする。また、このために、シリコン単原子層２１の成膜に際して、基板温度を５００℃以上に設定する。

図２に戻り、ＡＬＤ法を用いてＳｉＮ層１４を形成した後、ウエハをプラズマ窒化装置内に収容し、基板温度を５００℃未満とするプラズマ窒化処理（ポストプラズマ窒化処理）を行なう（ステップＳ１３）。基板温度を５００℃未満とするポストプラズマ窒化処理によって、ゲート絶縁膜１２のシリコン基板１１との界面付近への窒素の拡散を抑制しつつ、ゲート絶縁膜１２の上面付近を局所的に窒化できる。従って、ゲート絶縁膜１２のシリコン基板１１との界面付近での窒素濃度の上昇を抑制しつつ、ＳｉＮ層１４のＮ／Ｓｉ組成比を化学量論的組成比に近づけることが出来る。ポストプラズマ窒化処理の条件は、基板温度を室温〜５００℃、圧力を４０〜１０００ｍtorr、プラズマパワーを５００〜３０００Ｗとする。

本実施形態によれば、ＡＬＤ法を用いることによって、膜厚や組成の制御性、及び、面内均一性に優れた良質なＳｉＮ層１４を形成できる。また、ＡＬＤ法を用いたＳｉＮ層１４の形成に際して、層中の窒素濃度がＳｉＮ膜の化学量論的組成比である１．３３より少ない、ＳｉリッチなＳｉＮ層１４を形成することによって、ゲート絶縁膜１２のシリコン基板１１との界面付近への窒素の拡散を抑制できる。ＡＬＤ法を用いたＳｉＮ層１４の形成では、更に、ステップＳ２１のシリコン単原子層２１の成膜に際して、シリコン単原子層２１を少なくともＳｉＯ_２層１３の全面を覆って成膜することによって、ＳｉＯ_２層１３中への窒素の拡散を抑制できる。

また、ＡＬＤ法を用いてＳｉＮ層１４を形成した後、基板温度を５００℃未満とするポストプラズマ窒化処理を行なうことによって、ゲート絶縁膜１２のシリコン基板１１との界面付近への窒素の拡散を抑制しつつ、ゲート絶縁膜１２の上面付近を局所的に窒化し、ＳｉＮ層１４のＮ／Ｓｉ組成比を化学量論的組成比に近づけることが出来る。これらによって、ゲート絶縁膜１２のシリコン基板１１との界面付近への窒素の拡散を抑制しつつ、ゲート絶縁膜１２の上面付近の窒素濃度を効果的に高めることが出来る。ゲート絶縁膜１２中の固定電荷を低減することによって、ＦＥＴの特性劣化を抑制し、良好な特性を有するＦＥＴを形成できる。

上記実施形態による効果を確認するために、ゲート電極を含む半導体装置であって、上記実施形態の方法に従ってゲート絶縁膜を形成した半導体装置を形成し、実施例の半導体装置とした。ステップＳ１３のポストプラズマ窒化処理の条件は、基板温度を４８０℃、圧力を５００ｍtorr、プラズマパワーを２０００Ｗとした。

また、実施例の半導体装置との比較のために、ポストプラズマ窒化処理を行わない第１〜５比較例の半導体装置を製造した。第１比較例の半導体装置の製造方法は、実施例の半導体装置の製造方法において、ステップＳ１３のポストプラズマ窒化処理を行わないことを除いては同様であって、実施例の半導体装置で、ポストプラズマ窒化処理を行う前の窒素濃度を調べるために製造した。

第２〜５比較例の半導体装置は何れも、ポストプラズマ窒化処理を行うことなく、ＡＬＤ法の改良によってＳｉＮ層１４中の窒素濃度を高めることを目的としたものである。第２比較例の半導体装置の製造に際しては、図３のステップＳ２１に際して成膜時間を短縮し、第３比較例の半導体装置の製造に際しては、図３のステップＳ２１に際して基板温度を低くし、プリカーサの分解を抑制した。第２，３比較例では、ステップＳ２１のシリコン単原子層２１の成長を抑制することによって、ＳｉＮ層１４中の窒素濃度が高まる効果を期待した。

第４比較例の半導体装置の製造に際しては、図３のステップＳ２３に際してプラズマパワーを増大させ、第５比較例の半導体装置の製造に際しては、図３のステップＳ２３に際して基板温度を高めた。第４，５比較例では、ＳｉＮ層１４のＮ／Ｓｉ組成比が化学量論的組成比とほぼ同等になる程度に、ステップＳ２３のプラズマ窒化処理を強化した。

図５に、実施例、及び、第１〜５比較例の半導体装置について、ラザフォード後方散乱分析（ＲＢＳ：Rutherford Back Scattering）法で測定されたＳｉＮ層１４のＮ／Ｓｉ組成比を示す。また、図６に、実施例、及び、第１，２，４比較例の半導体装置について、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）法で測定された膜中窒素濃度を示すグラフを示す。グラフの横軸はゲート絶縁膜１２上面からの深さを、縦軸は単位膜厚あたりの窒素量を示す。なお、図５のＮ／Ｓｉ組成比は、ＳｉＮ層１４の膜厚方向で中央付近の値を示している。

同図より、実施例の半導体装置では、第１比較例の半導体装置に比して、ＳｉＮ層１４中の窒素濃度が大幅に増加し、ＳｉＮ層１４のＮ／Ｓｉ組成比が化学量論的組成比とほぼ同等になっていることが判る。一方、シリコン基板１１との界面付近での窒素濃度は第１比較例の半導体装置とほぼ同等であった。第２〜５比較例の半導体装置については、第１比較例の半導体装置に比して、ＳｉＮ層１４中の窒素濃度は増加したものの、シリコン基板１１との界面付近の窒素濃度が顕著に増大した。

第２，３比較例の半導体装置で、シリコン基板１１との界面付近の窒素濃度が顕著に増大した理由は、下記のように考えられる。図３のステップＳ２１に際してシリコン単原子層２１の成長を抑制したため、ステップＳ２１〜Ｓ２４の少なくとも最初の数サイクルで、図４（ａ）に示したシリコン２１ａが島状に形成された状態で、ステップＳ２３のプラズマ窒化処理が行われた。これによって、ステップＳ２３のプラズマ窒化処理に際して、窒素が露出したＳｉＯ_２層１３の表面からＳｉＯ_２層１３中へ拡散したためと考えられる。従って、本発明では、ステップＳ２１のシリコン単原子層２１の成長に際しては、図４（ｂ）に示したように、少なくともシリコン単原子層２１をＳｉＯ_２層１３の全面を覆って成膜することとした。また、このために、シリコン単原子層の成膜に際して、基板温度を５００℃以上に設定することとした。

一方、第４，５比較例の半導体装置で、シリコン基板１１との界面付近の窒素濃度が顕著に増大した理由は、図３のステップＳ２３に際してプラズマ窒化処理を強化したため、多量の窒素がＳｉＯ_２層１３中へ拡散したためと考えられる。従って、本発明では、ステップＳ１２のＡＬＤ法を用いたＳｉＮ層１４の形成に際して、シリコン基板１１との界面付近への窒素の拡散を抑制するために、Ｎ／Ｓｉ組成比がＳｉＮ膜の化学量論的組成比よりも低いＳｉリッチなＳｉＮ層１４を形成することとした。また、ＡＬＤ法を用いたＳｉＮ層１４形成に後続し、ステップＳ１３の基板温度が５００℃未満のポストプラズマ窒化処理を行うことによって、シリコン基板１１との界面付近への窒素の拡散を抑制しつつ、ゲート絶縁膜１２の上面付近を局所的に窒化することとした。

実施例の半導体装置との比較のために、ゲート絶縁膜１２をＳｉＯ_２層１３の単層で構成した半導体装置を更に製造し、第６比較例の半導体装置とした。実施例、及び、第１，２，４，６比較例の半導体装置について、フラットバンド電圧Ｖ_ｆｂの値を調べた。図７に結果を示す。窒素による固定電荷は正電荷であり、同図中、フラットバンド電圧Ｖ_ｆｂの絶対値が大きいほど固定電荷が多いことを示している。

同図より、実施例の半導体装置では、第１比較例の半導体装置に比して、フラットバンド電圧Ｖ_ｆｂの絶対値が大幅に減少し、ゲート絶縁膜１２をＳｉＯ_２層１３のみで構成した第６比較例の半導体装置とほぼ同等の値になった。従って、固定電荷が充分に抑制されているといえる。第２，４，６比較例の半導体装置については、第１比較例の半導体装置に比して、フラットバンド電圧Ｖ_ｆｂの絶対値が減少しているものの、顕著であるとは言えない。これは、ゲート絶縁膜１２のシリコン基板１１との界面付近に窒素が蓄積しているためである。

なお、上記実施形態では、ステップＳ１３のポストプラズマ窒化処理に代えて、窒素雰囲気下でウエハをアニールする窒化処理を行うことも出来る。窒素雰囲気には、例えばＮＨ_３雰囲気やＮ_２雰囲気を用いる。この窒化処理では、基板温度を８００℃以下に設定することによって、上記実施形態と同様に、ゲート絶縁膜１２のシリコン基板１１との界面付近への窒素の拡散を抑制しつつ、ゲート絶縁膜１２の上面付近を局所的に窒化できる。

上記実施形態では、また、ステップＳ１１を省略して、シリコン基板１１上にＳｉＮ層１４又はＳｉＯＮ層を直接に成膜することも出来る。この場合、ステップＳ１３のポストプラズマ窒化処理によって、ＳｉＮ層１４又はＳｉＯＮ層の上面付近を局所的に窒化できる。このポストプラズマ窒化処理に際しては、ゲート絶縁膜１２のシリコン基板１１との界面付近への窒素の拡散が充分に抑制されるように、その条件を適宜に調節する。

以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記実施形態の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施した半導体装置の製造方法も、本発明の範囲に含まれる。

本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法で形成される、ゲート絶縁膜の層構造を示す断面図である。 図１のゲート絶縁膜を形成するための手順を示すフローチャートである。 図２のステップＳ１２の手順を詳細に示すフローチャートである。 図４（ａ）は、図３のステップＳ２１の初期段階におけるゲート絶縁膜の層構造を示す断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に後続する段階におけるゲート絶縁膜の層構造を示す断面図である。 実施例、第１〜５比較例の半導体装置について、ＲＢＳ法によって測定されたＮ／Ｓｉ組成比を示すグラフである。 実施例、第１，２，４比較例の半導体装置について、ＳＩＭＳ法によって測定された膜中窒素濃度を示すグラフである。 実施例、第１，２，４，６比較例の半導体装置について測定されたフラットバンド電圧Ｖ_ｆｂの値を示すグラフである。

符号の説明

１１：シリコン基板
１２：ゲート絶縁膜
１３：ＳｉＯ_２層
１４：ＳｉＮ層
２１：シリコン単原子層
２１ａ：シリコン

Claims (8)

1. シリコン基板上に窒素含有ゲート絶縁膜を形成する、半導体装置の製造方法であって、
   ＳｉＮ膜の化学量論的組成よりも窒素が少ない窒素含有シリコン膜を形成する工程と、
   前記窒素含有シリコン膜を窒化する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記窒化工程は、５００℃未満の基板温度を採用するプラズマ窒化法で行う、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記窒化工程は、窒素雰囲気下で８００℃以下の基板温度で行う、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記窒素含有シリコン膜を形成する工程に先立って、シリコン基板上にシリコン酸化膜を形成する工程を更に有する、請求項１〜３の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記窒素含有シリコン膜を形成する工程は、シリコン単原子層を堆積する工程と、該シリコン単原子層を窒化する工程とを繰り返し行う、請求項１〜４の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記シリコン単原子層を窒化する工程は、５００℃以上の基板温度を採用するプラズマ窒化法で行う、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記窒素含有シリコン膜を窒化する工程では、シリコン基板に近い側の表面部分の窒化濃度が、シリコン基板から遠い側の表面部分の窒化濃度よりも低くなるように窒化する、請求項１〜６の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記窒素含有シリコン膜がＳｉＯＮ膜である、請求項１〜４の何れか一に記載の半導体装置の製造方法。

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