JP2003204060A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Abstract
合層を形成して、化学的気相成長法による窒化シリコン
膜形成の潜伏時間を解消し、酸化シリコン−シリコン界
面の窒化を抑えることで、トランジスタのしきい値電圧
が負側にシフトし、チャネル移動度を劣化させる問題を
回避する。 【解決手段】 半導体基板(シリコン基板)11上に酸
化膜(酸化シリコン膜)13を形成した後、酸化シリコ
ン膜13の表面のみを窒化するプラズマ処理を行って窒
化層14を形成し、その後、プラズマ処理を行った酸化
シリコン膜13上に窒化シリコン膜15を形成すること
で、上記課題を解決する。
Description
方法に関し、詳しくは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。
の薄膜化が必要であるが、薄膜化にともなってトンネル
現象が顕在化し、ゲートリーク電流の激増が起こる。お
おむね2nm以下の膜厚を有するゲート絶縁膜では、従
来から用いられてきた酸化シリコン膜より高い誘電率を
有する膜を用いることで物理的膜厚を厚くし、トンネル
現象を回避しようとしている。
ては、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜、酸化タン
タル膜酸化チタン膜、酸化ハフニウム膜等が候補として
上げられていて、開発が行われている。そのなかで、酸
化シリコン膜に代わる膜としては、当面はシリコンLS
I製造プロセスとの親和性の高い窒化シリコン膜が有望
となっている。
る場合には、界面準位の抑制対策として、シリコン基板
と窒化シリコン膜との間にバッファ膜として熱酸化膜を
形成する必要がある。また、化学的気相成長法によって
酸化シリコン膜上に窒化シリコン膜を形成する場合に
は、潜伏時間(インキュベーションタイム)が存在する
ために、窒化シリコン膜形成の再現性と均一性とが不安
定になることが知られている。その対策として、アンモ
ニア雰囲気中での高温アニールが有効とされている。
ニア雰囲気中での高温アニールを行うと、酸化膜が強く
窒化されるため、トランジスタのしきい値電圧が負側に
シフトする、チャネル移動度が劣化する等の問題が発生
する。
ン膜の膜形成では、表面反応で成膜が進むといわれてい
る。このため、シリコン上に窒化シリコン膜を形成する
場合と比較して、酸化シリコン膜上に窒化シリコン膜を
形成する場合には、酸化シリコン膜表面に窒素−シリコ
ン結合が形成されにくいため、ある程度窒素−シリコン
結合が結合されるまで、膜形成が始まらないと推定され
ている。これが潜伏時間(インキュベーションタイム)
の原因と考えられる。
ニールすることで、図4に示すように、酸化シリコン膜
111表面に窒素(N)−シリコン(Si)結合が形成
され、潜伏時間が抑制されて、窒化シリコン膜121が
形成される。しかしながら、同時に酸化シリコン膜11
1とシリコン101との界面にも窒化が起こり、これ
が、トランジスタのしきい値電圧のシフト、チャネル移
動度の劣化等を引き起こす原因となっている。
決するためになされた半導体装置の製造方法である。
上に酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜の表面のみを
窒化するプラズマ処理を行う工程と、前記プラズマ処理
を行った酸化膜上に窒化膜を形成する工程とを備えた製
造方法である。
形成した後、酸化膜の表面のみを窒化するプラズマ処理
を行うことから、酸化膜の表面のみが窒化され、窒化層
が形成される。例えば、酸化膜を酸化シリコン膜で形成
した場合には、酸化シリコン膜表面のみに窒素−シリコ
ン結合を形成させて窒化層を成すことが可能になり、そ
の際、酸化シリコン膜が形成されている下地(例えばシ
リコン)との界面には窒化の影響を与えない。
化膜を形成することから、例えばこの窒化膜を化学的気
相成長法によって形成する場合には潜伏時間(インキュ
ベーションタイム)に起因する窒化膜形成の再現性と均
一性が安定化され、トランジスタのしきい値電圧の変動
やチャネル移動度の劣化を回避することが可能な窒化膜
のゲート絶縁膜の形成が実現される。
係る一実施の形態を、図1の製造工程図によって説明す
る。
(以下シリコン基板として説明する)11に素子分離領
域12を形成する。この形成方法は公知の方法を用い
る。その後、ウエルの形成、チャネル領域の濃度の調整
等を、例えばイオン注入により行う。
シリコン基板11を洗浄して、シリコン基板表面の酸化
膜(自然酸化膜)や汚染物質を除去する。この洗浄で
は、例えばフッ酸洗浄を用いる。その後、酸化処理を行
って、半導体基板11表面に酸化膜(酸化シリコン膜)
13を形成する。この酸化処理は、例えば、900℃、
10kPaの乾燥酸素雰囲気で1分程度の酸化を行う。
酸化時間は処理条件によって適宜選択されるが、ここで
は1分間が好適であった。
形成した酸化膜13にプラズマ処理を行って、酸化シリ
コン膜13の表面のみに窒化層14を形成する。このプ
ラズマ処理では、窒素を含むプラズマを発生させ、5分
間のプラズマ窒化を行う。このプラズマ処理条件として
は、例えば、処理雰囲気内に窒素を200cm3 /mi
nなる流量で供給し、処理雰囲気の圧力を10Pa、基
板温度を600℃、に設定し、RFパワーを500Wに
設定する。なお、プラズマ処理時間は適宜選択される
が、ここでは5分間が好適であった。
的気相成長法によって、上記窒化層14が形成された酸
化シリコン膜13上に窒化膜(窒化シリコン膜)15を
形成する。この成膜条件としては、例えば、処理雰囲気
内にジクロロシラン(SiH 2 Cl2 )を10cm3 /
minなる流量で供給するとともにアンモニア(N
H 3 )を100cm3 /minなる流量で供給し、処理
雰囲気の圧力を100Pa、基板温度を650℃、に設
定し、0.1nm/min〜0.2nm/min程度の
成長速度で、窒化シリコン膜15を好適には1nm〜2
nmの膜厚に形成する。
リコン膜13に対して熱処理を行って、上記プラズマ処
理時に発生した膜ダメージの除去、を行い、膜質を改善
する。この熱処理は、不活性な雰囲気(例えばアルゴ
ン、ヘリウム等の希ガス雰囲気)中で行う。
窒化シリコン膜15上に電極形成膜16を例えばポリシ
リコン膜や金属膜で形成する。その後、図示はしない
が、公知の方法によって、上記電極形成膜16を加工し
てゲート電極を形成する。さらに拡散層の形成等、所定
のMOSLSI製造工程を行って、MOSLSIが完成
される。
窒素を用いたが、一酸化二窒素を用いることも可能であ
る。
気相成長法では、ジクロロシラン(SiH2 Cl2 )の
他に、モノシラン(SiH4 )、トリクロロシラン(S
iCl3 H)、テトラクロロシラン(SiCl4 )等を
用いることも可能である。
の代わりに、窒化アルミニウム膜を用いることも可能で
ある。
囲気とすることも可能である。
を用いて、MOSトランジスタを形成する方法を、図2
の製造工程図によって説明する。
態によって説明した製造方法によって、シリコン基板1
1上に酸化シリコン膜13と窒化シリコン膜15とを積
層する。次いで、化学的気相成長法によって、上記窒化
シリコン膜15上に電極形成膜16としてポリシリコン
膜を成膜する。次いで、通常のレジスト塗布、リソグラ
フィー技術を用いたレジストマスクの形成技術により、
上記電極形成膜16上にゲート電極を形成するレジスト
マスク31を形成する。
レジストマスク31を用いて電極形成膜16をエッチン
グし、ゲート電極17を形成する。次いで、上記レジス
トマスク31を除去する。
D(Lightly Doped Drain )構造を形成するために、ゲ
ート電極17の両側におけるシリコン基板11上層に低
濃度拡散層18、18を形成する。次いで、ゲート電極
17の側壁にサイドウォール絶縁膜19を形成した後、
ゲート電極17側に上記低濃度拡散層18を介して、上
記シリコン基板11にソース・ドレインとなる拡散層2
0、20を形成する。このようにしてMOSトランジス
タ1を形成する。
であって、拡散層18上、ゲート電極17上にシリサイ
ド層を形成してもよく、またはゲート電極17をポリメ
タル構造に形成してもよく、もしくは金属ゲート構造に
形成してもよい。
を用いて形成したPMOSトランジスタと、従来の技術
により形成したPMOSトランジスタとのしき値電圧V
thばらつきを図3によって説明する。図3は、縦軸に積
算度数(%)を示し、横軸にPMOSのVth(V)を示
す。
われていないプロセスで形成されたPMOSトランジス
タのVthばらつきはおよそ0.22Vにも及ぶが、窒素
プラズマ処理を行って形成したPMOSトランジスタで
はVthばらつきが0.08Vとなり、Vthばらつきは従
来の1/3に低減された。これは、窒化シリコン膜を形
成する際の潜伏時間が軽減され、形成された窒化シリコ
ン膜の膜厚、膜質の均一性が大幅に向上したことによる
といえる。すなわち、酸化シリコン膜に窒素を含むプラ
ズマを照射することで、酸化シリコン膜13表面にの
み、予め窒素−シリコン結合層からなる窒化層14を形
成することが可能になる。そのため、化学的気相成長法
により窒化シリコン膜15を形成する際の潜伏時間が解
消され、また酸化シリコン−シリコン界面の窒化を抑え
ることができる。よって、トランジスタのしきい値電圧
の負側へのシフト、チャネル移動度の劣化等の防止する
ことが可能になる。
置の製造方法によれば、酸化膜の表面のみを窒化するプ
ラズマ処理を行うことから、酸化膜表面に窒素−シリコ
ン結合層からなる窒化層を形成することができる。その
ため、酸化膜上に窒化膜を形成する際に、例えば化学的
気相成長法により窒化膜を形成した場合の潜伏時間が解
消されるので、このときの酸化膜と下地のシリコン界面
における窒化を抑えることができる。
酸化膜、窒化膜からなるゲート絶縁膜を用いたトランジ
スタでは、そのしきい値電圧が負側にシフトすることが
なくなり、しきい値電圧のばらつきが低減され、チャネ
ル移動度を劣化させる問題が解決できる。よって、実効
的に膜厚を薄膜化することが可能になり、ゲートリーク
を増加させずに、MOSLSIの微細化、高性能化、低
消費電力化を達成することが可能になる。
形態を示す製造工程図である。
の製造方法を示す製造工程図である。
タのVthのばらつきを示す図である。
化シリコン膜)、14…窒化層、15…窒化膜(窒化シ
リコン膜)
Claims (4)
- 【請求項1】 半導体基板上に酸化膜を形成する工程
と、 前記酸化膜の表面のみを窒化するプラズマ処理を行う工
程と、 前記プラズマ処理を行った酸化膜上に窒化膜を形成する
工程とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方
法。 - 【請求項2】 前記窒化膜を形成した後に前記窒化膜上
に前記電極形成膜を形成する工程と、 前記電極形成膜を形成した後に熱処理を行う工程とを備
えたことを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造
方法。 - 【請求項3】 前記半導体基板にはシリコン基板を用
い、 前記酸化膜を酸化シリコン膜で形成し、 前記窒化膜を窒化シリコン膜で形成することを特徴とす
る請求項1記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】 前記酸化シリコン膜を熱酸化法により形
成し、 前記窒化シリコン膜を化学的気相成長法により形成する
ことを特徴とする請求項3記載の半導体装置の製造方
法。
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JP2002001051A JP3826792B2 (ja) | 2002-01-08 | 2002-01-08 | 半導体装置の製造方法 |
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Publication Number | Publication Date |
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JP3826792B2 JP3826792B2 (ja) | 2006-09-27 |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007194239A (ja) * | 2006-01-17 | 2007-08-02 | Fujitsu Ltd | 半導体装置の製造方法 |
CN102412201A (zh) * | 2011-05-13 | 2012-04-11 | 上海华力微电子有限公司 | 一种在半导体器件中提高氮化硅薄膜拉应力的方法 |
US20170103885A1 (en) | 2014-06-25 | 2017-04-13 | Hitachi Kokusai Electric Inc. | Method for manufacturing semiconductor device, substrate-processing apparatus, and recording medium |
US9741555B2 (en) | 2015-01-14 | 2017-08-22 | Hitachi Kokusai Electric Inc. | Method of manufacturing semiconductor device, substrate processing apparatus, and recording medium |
-
2002
- 2002-01-08 JP JP2002001051A patent/JP3826792B2/ja not_active Expired - Fee Related
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CN102412201A (zh) * | 2011-05-13 | 2012-04-11 | 上海华力微电子有限公司 | 一种在半导体器件中提高氮化硅薄膜拉应力的方法 |
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US10229829B2 (en) | 2014-06-25 | 2019-03-12 | Kokusai Electric Corporation | Method for manufacturing semiconductor device, substrate-processing apparatus, and recording medium |
US10497561B2 (en) | 2014-06-25 | 2019-12-03 | Kokusai Electric Corporation | Method for manufacturing semiconductor device, substrate-processing apparatus, and recording medium |
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