JP2003282567A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】酸化膜に窒素原子を適切に導入することによ
り、絶縁膜のリーク電流を抑制する。 【解決手段】筒状電極及び磁力線形成手段を有する形式
のプラズマ処理装置が用いられる。Ｋｒ／Ｏ_２プラズマ
１６を生成し、半導体基板１０に酸化膜１４を形成す
る。この酸化膜１４を形成したのと同じプラズマ装置を
連続して用い、窒素プラズマ１８を生成し、酸化膜１４
を窒化し、酸窒化膜２０を形成する。この酸窒化膜２０
の膜厚が２５Å以下であり、窒素濃度のピークが２０〜
４０％であり、酸窒化膜２０と半導体基板１０との界面
の窒素濃度が３％以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ処理を用
いた半導体装置（半導体デバイス）の製造方法及び半導
体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えばシリコン半導体基板を基にしたＭ
ＯＳ型半導体装置の製造においては、シリコン半導体基
板表面上にシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜を形成
する必要がある。また、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の
製造においても、同様に透明ガラス基板上に設けられた
シリコン層の表面にゲート酸化膜を形成する必要があ
り、このゲート酸化膜は、半導体装置の信頼性を担って
おり、このシリコン酸化膜には高い絶縁破壊耐性と長期
信頼性が要求されている。

【０００３】近年、ＣＭＯＳトランジスタにおいては、
低消費電力化のために低電圧化が図られており、そのた
めにＰＭＯＳ半導体素子とＮＭＯＳ半導体素子に対して
十分低く、かつ対称な閾値電圧が要求される。この要求
に対応するために、ＰＭＯＳ半導体素子においては、こ
れまでのｎ形不純物を含むポリシリコン層から構成され
たゲート電極に替わり、ｐ形不純物を含むポリシリコン
層から構成されるゲート電極が用いられるようになって
いる。ところが通常用いられているｐ形不純物原子であ
るボロン原子（Ｂ）は、ゲート電極形成後の半導体製造
工程における様々な熱処理工程によりゲート電極からゲ
ート酸化膜を通過し、シリコン半導体基板まで到達し、
ＰＭＯＳ半導体素子の閾値電圧を変化させることにな
る。

【０００４】また、この現象は、半導体素子のデザイン
ルールの微細化及び低消費電力化に伴う低電力化のため
などにより、ゲート酸化膜を薄くした場合には、より顕
著に現われることになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述の不純物原子であ
るボロン原子（Ｂ）のシリコン半導体基板内への拡散を
抑制するためには、ゲート酸化膜中に窒素原子を導入す
ることが考えられる。熱窒化法を用い高温中にアンモニ
ア雰囲気中でゲート絶縁膜中に窒素原子を導入すること
が可能である。しかしながら、この熱窒化法を用いた場
合、窒素原子はゲート酸化膜を通過してシリコン半導体
基板中にも進入し、半導体素子の電流駆動能力の低下を
引き起こしてしまう。そこで、本発明は、酸化膜に窒素
原子を適切に導入することにより、絶縁膜のリーク電流
を抑制することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の第１の特徴とするところは、処理室と、該
処理室周囲に配置された筒状電極及び磁力線形成手段と
を有するプラズマ処理装置を用い、前記筒状電極に高周
波電力を印加しながら前記処理室に処理ガスとして窒素
ガスを供給及び排気して、プラズマ活性な窒素ガスによ
り処理室内に配置された表面が酸化されている基板を窒
化処理することにより酸窒化膜を形成し、該酸窒化膜の
膜厚が２５Å以下であり、該酸窒化膜の窒素濃度のピー
クが２０〜４０％であり、該酸窒化膜と前記基板との界
面の窒素濃度が３％以下である半導体装置の製造方法に
ある。ここで、処理室と、該処理室周囲に筒状電極及び
磁力線形成手段を配置したプラズマ処理装置を用いるの
は、プラズマの電子温度を低く抑え、酸窒化膜と基板と
の界面の窒素濃度を低くするためである。酸窒化膜の膜
厚を２５Å以下にすることにより、半導体素子のデザイ
ンルールに適合することができる。酸窒化膜の窒素濃度
のピークと、酸窒化膜と基板との界面の窒素濃度とは、
トレードオフの関係にあるが、上述した範囲とすること
により、絶縁膜としてのリーク電流防止と、基板への窒
素原子の進入防止とのバランスを保つことができる。

【０００７】処理ガスに、更にＨｅガスを加えて処理す
ることが好ましい。Ｈｅガスを入れると、Ｈｅガスが活
性するエネルギバンドが大きいので、Ｈｅガスを加えな
い場合と比較すれば、Ｎ_２の解離も増えて、酸化されて
いる基板の窒化をより促進することができ、同じ窒素濃
度のピークを持たせる場合は、酸窒化膜と基板との界面
の窒素濃度をより低くすることができる。

【０００８】なお、特開２００１−１６０５５５号公報
においては、プラズマ処理装置を用いてシリコン基板に
酸化膜と窒化膜とを連続して形成する半導体装置の製造
方法について開示されているが、酸窒化膜を形成する点
と、酸窒化膜の特性については開示されていない。この
従来例においては、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波
をプラズマ源としており、このマイクロ波で励起された
プラズマは、電子温度Ｔｅｂが高くなり（Ｔｅｂ＞５ｅ
Ｖ）、本発明のように、酸窒化膜を形成しようとした場
合は、酸窒化膜と基板との界面の窒素濃度を３％以下に
することは困難である。それに対し、本発明において
は、上述した変形マグネロトン型プラズマ処理装置を用
いているので、プラズマの電子温度Ｔｅａを低く（例え
ばＴｅａ＜１ｅＶ）することができ、酸窒化膜と基板と
の界面の窒素濃度を３％以下にすることができる。ま
た、上記従来例においては、基板表面を窒化する処理ガ
スとしてＮＨ_３（またはＮ_２とＨ_２の混合ガス）が用い
られており、窒化膜にＨ原子が存在し、耐圧、リーク電
流等のデバイス特性に悪影響を及ぼすのに対し、本発明
においては、処理ガスとして窒素ガスを用いるので、半
導体デバイスの特性が良好である。

【０００９】本発明の第２の特徴とするところは、基板
に絶縁膜として酸窒化膜が形成され、該酸窒化膜の膜厚
が２５Å以下であり、該酸窒化膜の窒素濃度のピークが
２０〜４０％であり、該酸窒化膜と前記基板との界面の
窒素濃度が３％以下である半導体装置にある。したがっ
て、絶縁膜として特性が優れた半導体装置を提供するこ
とができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態を図面に基
づいて説明する。図１において、本発明の実施形態にお
ける半導体装置の製造プロセスが示されている。まず図
１（Ａ）に示すシリコン基板等の半導体基板１０上にＬ
ＯＣＯＳ(Local Oxidation of Sillicon)プロセスまた
はＳＴＩ(Shallow Trench Isolation)プロセス等の周知
方法により、図１（Ｂ）に示す素子分離領域１２を形成
する。

【００１１】次に周知の方法で、ウェルイオン注入、チ
ャンネルストップイオン注入、閾値調整イオン注入等を
行った後、後述する変形マグネロトン型プラズマ処理装
置(Modified Magnetron Typed Processing System： 以
下、ＭＭＴ装置という。）を用いて、半導体基板１０上
に熱酸化膜同等以上の酸化膜１４を形成する。ＭＭＴ装
置の処理室には、大量のクリプトンＫｒと酸素とを導入
し、Ｋｒ／Ｏ_２プラズマ１６を生成し、酸化膜１４を形
成する。Ｋｒを用いるのは、Ｋｒの活性化するエネルギ
バンドが低く、Ｏ_２のラジカル励起エネルギとよくマッ
チングするためである。このときの酸化膜３は、２５Å
以下であり、好ましくは、５〜２５Åである。

【００１２】次に、ＭＭＴ装置において、酸化膜１４が
形成された半導体基板１０を同一処理室内で、Ｋｒ／Ｏ
_２ガスを排気し、窒素ガスを導入してガス置換を行い、
窒素雰囲気とし、図１（Ｄ）に示すように、窒素プラズ
マ１８を生成し、処理室内に配置された表面が酸化され
ている半導体基板１０を窒化処理することにより酸窒化
膜２０を形成する。この酸窒化膜２０は、２５Å以下で
あり、好ましくは、５〜２５Åである。また、酸窒化膜
２０の窒素濃度のピークが２０〜４０％であり、酸窒化
膜２０と半導体基板１０との界面の窒素濃度が３％以下
に調整されている。酸窒化膜２０の窒素濃度のピークは
高い程絶縁膜としてのリーク電流防止効果があるが、酸
窒化膜２０の窒素濃度のピークが４０％を越えるように
すると、酸窒化膜２０と半導体基板１０との界面の窒素
濃度が３％を越える。酸窒化膜２０と半導体基板１０と
の界面の窒素濃度が３％を越えると、半導体素子のモビ
リティ（移動度、即ち、半導体素子の電流駆動能力）が
悪化するため、３％以下にする必要がある。

【００１３】なお、窒素ガスに加えてＨｅガスを入れる
と、前述したように、酸窒化膜２０と半導体基板１０と
の界面の窒素濃度をより低くすることができる。

【００１４】そして、図１（Ｅ）に示すように、ＣＶＤ
等の周知の方法により、ポリシリコン等からなるゲート
電極２２を形成する。このゲート電極２２には、不純物
としてボロン原子（Ｂ）が含まれる。その後、例えばワ
ード線やキャパシタが形成され、例えばＤＲＡＭが構成
される。このようにゲート電極２２を形成した後の種々
の熱処理工程により、ボロン原子（Ｂ）が拡散して半導
体基板１０まで到達しようとするが、酸窒化膜２０の存
在により防止することができる。

【００１５】図２において、この実施形態に用いられる
ＭＭＴ装置２４が示されている。ＭＭＴ装置２４は、処
理室２６を構成する真空容器２８を有する。この真空容
器２８は、上部容器３０と下部容器３２とが上下に接合
されて構成されている。上部容器３０は、アルミナ、石
英等のセラミックからなる。下部容器３２は金属製であ
る。上部容器３０の周囲はカバー３４に覆われている。
また、上部容器３０はドーム状の天井部を有する円筒形
であり、この天井部には、上蓋部３６とシャワー板部３
８とが形成され、この上蓋部３６とシャワー板部３８と
の間に拡散室４０が構成されている。上蓋部３６には処
理ガスを導入する導入口４２が形成され、シャワー板部
３８には、多数のノズル４４が形成されており、導入口
４２から導入された例えば２種の処理ガスは、拡散室４
０で混合・拡散され、シャワー板部３８のノズル４４か
ら処理室２６に供給されるようになっている。

【００１６】処理室２６には、基板を支持する基板支持
体であるサセプタ４６が配置されている。このサセプタ
４６には、基板を加熱するためのヒータが設けられてい
る。また、下部容器３２には、排気口４８が設けられ、
この排気口４８から処理室２６内の処理ガスが排気され
るようになっている。

【００１７】筒状電極５０は、処理室２６の周囲、即
ち、上部容器３０の外周に密着するように配置されてい
る。また、磁力線形成手段５２は、例えばリング状に形
成された２つの永久磁石５４,５６から構成され、処理
室２６の周囲に配置されている。この２つの永久磁石５
４,５６は、径方向で互いに逆向きに着磁されており、
処理室２６内には一方の永久磁石５４から中心方向に延
び、他方の永久磁石５６に戻る磁力線が形成される。

【００１８】前述したサセプタ４６と筒状電極５０と
は、それぞれ整合器５８,６０を介して高周波電源６２,
６４に接続されている。高周波電源６２,６４は、例え
ば１３．５６ＭＨｚの周波数を持つ高周波電力を発生
し、図示しない制御回路からの制御信号に応じて電力の
大きさが調整され、整合器５８,６０により位相が調整
され、サセプタ４６と筒状電極に高周波電力を印加す
る。

【００１９】次にＭＭＴ装置２４の作用について説明す
ると、まず処理すべき半導体基板をサセプタ４６に載置
し、真空容器２８内のガスを排気口４８から排気して真
空容器２８内を真空状態にする。次にサセプタ４６を加
熱し、半導体基板の温度を例えば４００°Ｃまで加熱す
る。次に処理ガスを導入口４２から導入する。この導入
口４２から導入された処理ガスは、拡散室４０で拡散さ
れ、シャワー板部３８のノズル４４から処理室２６に供
給される。同時に高周波電源６２,６４から高周波電力
をサセプタ４６及び筒状電極５０に供給する。処理室２
６においては、磁力線形成手段５２により磁力線が形成
され、サセプタ４６及び筒状電極５０により高周波電界
が形成されるので、プラズマが生成され、サセプタ４６
上の半導体基板が処理される。所定時間経過後、高周波
電源６２,６４からの高周波電力の供給を停止し、真空
容器２８内のガスを排気口４８から排気し、サセプタ４
６上の半導体基板を処理室２６から取り出して処理を終
了する。

【００２０】次に上記ＭＭＴ装置を用いて前述した酸窒
化膜を形成した実施例について説明する。

【００２１】

【実施例１】上記ＭＭＴ装置を用いてシリコン基板上に
２．０ｎｍの酸化膜を形成した。プラズマ酸化条件は次
の通りである。 ＲＦパワー：１５０Ｗ Ｋｒ流量： ２５０ｓｃｃｍ Ｏ_２流量： １０ｓｃｃｍ 圧力： ２０Ｐａ 基板温度： ４００°Ｃ 酸化時間： ２０ｓｅｃ 次に同じＭＭＴ装置において、ガス置換を行い、連続し
てプラズマ窒化処理することによって２．０ｎｍの酸窒
化膜を形成した。プラズマ窒化条件は次の通りである。 ＲＦパワー：５００Ｗ Ｎ_２流量： ５００ｓｃｃｍ 圧力： ３０Ｐａ 基板温度： ４００°Ｃ 酸化時間： ２５ｓｅｃ

【００２２】この結果、図３に示す酸窒化膜を有するシ
リコン基板を得た。図３は、ＳＩＭＳ（二次イオン質量
分析装置 Secondary Ion Mass Spectometry）分析チャ
ートであり、分析装置の一次加速イオン種にはＣＳ⁺を
用い、一次加速電圧は０．７５ＫＶとし、スパッタレー
トは０．０１ｎｍ／ｓｅｃとし、＋イオンの定量を行っ
た。酸窒化膜の窒素濃度のピークは、３０％であり、酸
窒化膜とシリコン基板との界面の窒素濃度は３％であっ
た。酸化膜中のみに特に表層部分に高濃度の窒素が導入
されていることがわかる。

【００２３】

【実施例２】上記実施例１と同じプラズマ酸化条件に基
づいて酸化膜を形成し、その後ガス置換を行い、連続し
てプラズマ窒化処理することによって２．０ｎｍの酸窒
化膜を形成した。窒素ガスにＨｅガスを加え、次のプラ
ズマ窒化条件で行った。 ＲＦパワー：５００Ｗ Ｎ_２流量： ２５０ｓｃｃｍ Ｈｅ流量： ２５０ｓｃｃｍ 圧力： ３０Ｐａ 基板温度： ４００°Ｃ 酸化時間： ２５ｓｅｃ

【００２４】この結果、図４に示す酸窒化膜を有するシ
リコン基板を得た。分析条件は実施例１と同じであり、
酸窒化膜の窒素濃度のピークは、３２％であり、酸窒化
膜とシリコン基板との界面の窒素濃度は２．７％であっ
た。Ｈｅガスを入れると、Ｈｅガスが活性するエネルギ
バンドが大きいので、Ｈｅガスを加えない場合と比較す
れば、Ｎ_２の解離も増えて、酸化されている基板の窒化
をより促進することができ、同じ窒素濃度のピークを持
たせる場合は、酸窒化膜と基板との界面の窒素濃度をよ
り低くすることができるものである。

【００２５】なお、酸化膜の厚さは、Ｋｒ／Ｏ_２プラズ
マ生成条件等を変えることにより５〜２５Åの範囲内で
自由にコントロールすることができる。また、酸窒化膜
の窒素濃度のピークは、窒素プラズマ生成条件等を変え
ることにより２０％〜４０％の範囲で自由にコントロー
ルすることができる。

【００２６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、酸
窒化膜の膜厚を２５Å以下とし、酸窒化膜の窒素濃度の
ピークを２０〜４０％とし、酸窒化膜と基板との界面の
窒素濃度を３％以下としたので、酸窒化膜を絶縁膜とし
た場合にリーク電流を抑制することができるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法
を示す側面図である。

【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法
に用いたＭＭＴ装置を示す断面図である。

【図３】本発明の実施例１の結果を示すＳＩＭＳ分析チ
ャートである。

【図４】本発明の実施例２の結果を示すＳＩＭＳ分析チ
ャートである。 １０ 半導体基板 １４ 酸化膜 ２０ 酸窒化膜 ２４ ＭＭＴ装置 ２６ 処理室 ２８ 真空容器 ４６ サセプタ ５０ 筒状電極 ５２ 磁力線形成手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺崎 正 東京都中野区東中野三丁目14番20号 株式 会社日立国際電気内 (72)発明者 小川 雲龍 東京都中野区東中野三丁目14番20号 株式 会社日立国際電気内 Ｆターム(参考） 5F058 BA01 BC11 BD15 BF73 BF74 BJ01 5F140 AA05 AA24 AA28 AB03 AB09 AC01 AC32 BA01 BC06 BD09 BD15 BE07 BE08 BE09 BF04 BG28 CB01 CB02 CB04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理室と、該処理室周囲に配置された筒
   状電極及び磁力線形成手段とを有するプラズマ処理装置
   を用い、前記筒状電極に高周波電力を印加しながら前記
   処理室に処理ガスとして窒素ガスを供給及び排気して、
   プラズマ活性な窒素ガスにより処理室内に配置された表
   面が酸化されている基板を窒化処理することにより酸窒
   化膜を形成し、該酸窒化膜の膜厚が２５Å以下であり、
   該酸窒化膜の窒素濃度のピークが２０〜４０％であり、
   該酸窒化膜と前記基板との界面の窒素濃度が３％以下で
   あることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記処理ガスに、更にＨｅガスを加えて
   処理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。
3. 【請求項３】 基板に絶縁膜として酸窒化膜が形成さ
   れ、該酸窒化膜の膜厚が２５Å以下であり、該酸窒化膜
   の窒素濃度のピークが２０〜４０％であり、該酸窒化膜
   と前記基板との界面の窒素濃度が３％以下であることを
   特徴とする半導体装置。