JP2004266158A

JP2004266158A - シリコン窒化膜、その形成方法及び装置、並びに半導体素子

Info

Publication number: JP2004266158A
Application number: JP2003056206A
Authority: JP
Inventors: Yuji Maeda; 祐二前田; Naoki Hiuga; 直毅日向
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2003-03-03
Filing date: 2003-03-03
Publication date: 2004-09-24

Abstract

【課題】ＷＲを充分に低減できると共に、イオン拡散の充分な抑制等が可能なシリコン窒化膜、及びそれを備える半導体素子等を提供する。
【解決手段】トランジスタ１１は、ＬＤＤタイプのＣ−ＭＯＳを構成し、シリコンウエハＷの表面にゲート絶縁膜１４を介してゲート電極１２が設けられたものである。その側壁には、本発明によるシリコン窒化膜から成るサイドウォール１３が被着されている。その下方には、ゲート絶縁膜１４を通してＢイオンがドープされたエクステンション領域１５が形成されている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン窒化膜、その形成方法及び装置、並びに半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスや液晶デバイスといった電子部品の製造分野では、シリコンの原料としてＳｉＨ_２（ＮＨ（Ｃ_４Ｈ_９））_２（ビス（ｔ−ブチルアミノ）シラン：ＢＴＢＡＳ）、及び窒素の原料としてＮＨ_３を反応ガスとする熱ＣＶＤ法により、加熱炉内に収容した基板上にシリコン窒化膜（Ｓｉ_ｘＮ_ｙ）を成膜する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２３０２４８公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、シリコン窒化膜は絶縁膜であって、エッチストッパ、エッチングマスク、種々の保護膜、例えば、Ｃ−ＭＯＳのＬＤＤ構造を形成する際のゲート電極の側壁に設けられる、いわゆるサイドウォールとして半導体装置及びその製造に広く用いられている。
【０００５】
（１）近年、半導体素子の微細化・多層化の要求に伴って、Ｃ−ＭＯＳ構造ひいてはゲート寸法・形状の制約がますます大きくなっている。この為、ＬＤＤ構造が形成される領域寸法もこれまでより更に縮小される傾向にある。こうなると、例えば、ショートチャネル効果による漏れ電流の発生や、閾値電圧（Ｖ_ｔｈ）変動の不都合な増大を抑制することが一層肝要となる。これを達成するには、サイドウォールの形状維持、及び形状制御を確実且つ充分に行うべく、サイドウォールのエッチング耐性、イオン衝撃耐性といった諸特性を更に向上させる必要がある。
【０００６】
かかる状況下、本発明者が従来方法で得たシリコン窒化膜の膜特性について詳細に検討したところ、そのウエットエッチレート（以下、「ＷＲ」という）が場合によっては数百Å／ｍｉｎに達することが確認された。また、本発明者のさらなる知見によれば、このようなＷＲを発現する膜は、次世代のＭＯＳトランジスタに採用されるべきＬＤＤサイドウォールに用いるには不適当であると考えられる。
【０００７】
（２）また、例えばＬＤＤ構造のサイドウォールでは、イオン（例えばＢイオン）注入で形成した所定濃度領域のドーパントイオン濃度の変動を防止すべく、ドーパントイオンの拡散を充分に抑制することが要求される。これに関し、従来方法で得たシリコン窒化膜を用いてテストストラクチャを形成し、ドーパントイオンの拡散現象をシート抵抗の実測から間接的に評価した結果、かかる従来のシリコン窒化膜の拡散防止性は必ずしも充分なものとは言えなかった。
【０００８】
（３）さらに、パターンの疎密及び凹凸に応じて、そのパターン上に形成される膜厚が変動する現象（パターンローディング、成膜速度のマイクロローディング）の発生を抑制し、良好なパターンローディング特性及びステップカバレッジ特性を発現させることも同時に熱望される。
【０００９】
これに対し、従来方法で得たシリコン窒化膜では、そのようなローディング効果、すなわちパターンの疎密によって、パターンが密な部分で膜厚が過度に薄くなる傾向にあることが確認された。さらに、ステップカバレッジも不充分であり、凸部の膜厚が凹部の膜厚に比して過度に厚くなることが判明した。従って、シリコン窒化膜を一定の所望膜厚で均一に成膜することが極めて困難な場合があった。
【００１０】
そこで、本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ＷＲを充分に低減できると共に、イオン拡散を充分に抑制することが可能であり、しかもパターンローディングの発生を防止して膜厚の均一性を向上できるシリコン窒化膜、その形成方法及び装置、並びに半導体素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明によるシリコン窒化膜は、ＣＶＤ法によって基体上に形成されるものであって、当該シリコン窒化膜中の炭素原子の含有割合が一定の値となるように、分子中に炭素原子を含む化合物から成る第１のガスと、分子中に窒素原子を含む化合物から成る第２のガスとが、所定の温度に加熱された基体上に供給されて形成されたものであることを特徴とする。
【００１２】
本発明者の研究によれば、シリコン窒化膜中の炭素原子量とＷＲとが極めて密接な関係を有することが判明した。具体的には、膜中の炭素原子の割合が増加するほどＷＲが小さくなるという傾向が認められた。その詳細な機構は、未だ充分に解明されていないものの、炭素原子とケイ素原子との共有結合性が窒素原子とケイ素原子との共有結合性よりも強いことに起因し、このような強結合スポットがＳｉ−Ｎのネットワーク中に適度に分散された状態が生起されることが要因の一つと考えられる。但し、作用はこれに限定されない。
【００１３】
よって、膜中の炭素原子の含有割合（濃度）が所望の一定値に調整された本発明のシリコン窒化膜は、従来のシリコン窒化膜のＷＲより低いＷＲを発現し得る。従って、エッチストッパ、エッチング用のマスク、種々の保護膜（パッシベーション膜）、例えばＬＤＤ構造を有するトランジスタのサイドウォールとして好適である。さらに、適宜設定されたＣＶＤ法における成膜条件（プロセスパラメータ）で形成された本発明のシリコン窒化膜は、炭素原子の含有割合が適宜調整され得るため、そのＷＲが任意且つ所望の値に調整される。従って、プロセス適合性及び汎用性が高められ、上述した種々の用途に最適な膜となり得る。
【００１４】
また、例えばＬＤＤ構造のサイドウォール等、Ｐ型又はＮ型領域上に設けられる膜又は層としてこのシリコン窒化膜を用いた場合、ドーパントイオンのシリコン窒化膜中への拡散が抑制されることが判明した。これにより、サイドウォールの拡散防止性が向上される。
【００１５】
かかる作用の詳細な機構も未だ厳密に解明されていないものの、本発明者は、シリコン窒化膜中に炭素原子が一定の含有割合で存在することにより、膜構造がアモルファス化されることが要因の一つと推定している。つまり、従来方法によって得られる比較的結晶性が高いと考えられるＳｉ_３Ｎ_４膜又はその組成比に近いストイキオメトリを有する膜に比して、イオンの熱拡散による移動／流動が阻害され、そのような拡散を有効に抑止される観点において、膜の‘均質性’が高められることによると考えられる。
【００１６】
また、ＬＤＤ構造を形成した後の状態を得て詳細に評価したところ、シリコン窒化膜から成るサイドウォール下のエクステンション領域（浅い接合）において、有意量の炭素の存在が認められた。これは、サイドウォールの成膜時、或いはその後の処理が行われた時に、そのシリコン窒化膜の原料ガス（ＢＴＢＡＳ等）に由来する炭素が、拡散等により基板側に移動したものと推定される。但し、作用はこれらに限定されない。このため、ＬＤＤ構造を例にとると、サイドウォールの下方に形成されたエクステンション領域のドーパントイオン濃度が高濃度に維持される（リテンション効果）。
【００１７】
さらに、このように炭素原子量が制御されたシリコン窒化膜は、パターンローディング（成膜速度のマイクロローディング）効果が抑制され、コンフォーマルすなわち等方的でステップカバレッジに優れることも判明した。これは、炭素原子が一定量存在することで上述の如く共有結合性が高められることにより、膜全体としての安定性が増大すると共に、ニュークリエーションによる結晶成長が緩和され、その結果、膜の異方性成長が抑制されることが要因の一つと考えられる。但し、作用はこれに限定されない。
【００１８】
具体的には、膜中の炭素原子の含有割合が、ケイ素原子、窒素原子、及び炭素原子の総和の２〜２５ａｔｏｍ％であると好ましく、３〜１２ａｔｏｍ％であるとより好ましく、５〜８ａｔｏｍ％であると特に好ましい。この割合が２ａｔｏｍ％未満であると、炭素原子の存在によってもたらされる上述した各効果のうちローディング特性は担保されるものの他の効果が十分に奏されない傾向にある。一方、この割合が２５ａｔｏｍ％を超えると、炭素原子間のネットワークにより導電経路が形成され易くなり、絶縁性能が不都合な程に悪化するおそれがある。
【００１９】
さらに、膜中の酸素原子の含有割合が、ケイ素原子、窒素原子、炭素原子、及び酸素原子の総和の１ａｔｏｍ％以下であると好適であり、この割合が１ａｔｏｍ％を超えるとドーパントイオンの突き抜けが顕著となることがあり、ドーパントイオンの拡散を抑制し難くなる。これは、膜中にＳｉ−Ｏ結合が過度に含まれる場合、シリコン酸化膜とのアナロジーから想定するに、ドーパントイオンの移動度が不都合に増大することに起因すると考えられる。但し、作用はこれに限定されない。なお、酸素原子は通常、膜中に不可避的に含まれるものである。
【００２０】
また、本発明の炭素原子を含むシリコン窒化膜は、以下に示す組成で規定されてもよい。すなわち、ケイ素原子の含有割合が、ケイ素原子、窒素原子、及び炭素原子の総和に対して、４０〜６０ａｔｏｍ％、好ましくは４５〜５５ａｔｏｍ％、より好ましくは４８〜５２ａｔｏｍ％であり、炭素原子の含有割合が上述の通り２〜２５ａｔｏｍ％、より好ましくは３〜１２ａｔｏｍ％、特に好ましくは５〜８ａｔｏｍ％でありであり、残部が窒素原子の含有割合とされる。さらに、この場合においても、シリコン窒化膜中の酸素原子の含有割合が、ケイ素原子、窒素原子、炭素原子、及び酸素原子の総和の、１ａｔｏｍ％以下であることが望ましい。
【００２１】
また、本発明によるシリコン窒化膜の形成方法は、本発明によるシリコン窒化膜を有効に形成するためのものであり、ＣＶＤ法によってチャンバ内の基体上にシリコン窒化膜を形成する方法であって、（ａ）チャンバ内の圧力を調整する圧力調整工程と、（ｂ）基体上に、分子中に炭素原子を含む化合物から成る第１のガスと、分子中に窒素原子を含む化合物から成る第２のガスとを供給するガス供給工程と、（ｃ）基体を所定の温度に加熱する基体加熱工程と、（ｄ）当該シリコン窒化膜中の炭素原子の含有割合が一定の値となるように、圧力、第１のガスの供給量、第２のガスの供給量、第１のガスと第２のガスとの供給量の比、第１のガスの種類、第２のガスの種類、及び基体の加熱温度のうち少なくとも一つのプロセスパラメータを調整する第１の制御工程とを備えることを特徴とする。
【００２２】
このように構成されたシリコン窒化膜の形成方法においては、圧力調整工程でチャンバ内の圧力が調整され、ガス供給工程で第１のガス及び第２のガスが基体上に供給され、基体加熱工程で基体が所定温度に加熱されると、基体の略直上で両ガスの気相反応が生じる。こうして、一定の含有割合で炭素原子を含むシリコン窒化膜が形成される。また、第１の制御工程において、上記プロセスパラメータを調整することにより、膜中の炭素原子量が任意且つ所望の値となるような成膜が実現される。具体的には、第１の制御工程においては、炭素原子の含有割合が、当該シリコン窒化膜中に含まれるケイ素原子、窒素原子、及び炭素原子の総和の２〜２５ａｔｏｍ％となるように、少なくとも一つのプロセスパラメータを調整する。
【００２３】
さらに、当該シリコン窒化膜中の酸素原子の含有割合が一定の値となるように、圧力、第１のガスの供給量、第２のガスの供給量、第１のガスと第２のガスとの供給量の比、第１のガスの種類、第２のガスの種類、及び基体の加熱温度のうち少なくとも一つのプロセスパラメータを調整する第２の制御工程を備えてもよい。この場合、第２の制御工程においては、当該シリコン窒化膜中の酸素原子の含有割合が、ケイ素原子、窒素原子、炭素原子、及び酸素原子の総和の１ａｔｏｍ％以下となるように少なくとも一つのプロセスパラメータを調整する。
【００２４】
また、本発明によるシリコン窒化膜形成装置は、本発明によるシリコン窒化膜の形成方法を有効に実施するためのものであり、ＣＶＤ法によって基体上にシリコン窒化膜が形成されるものであって、（１）基体が収容されるチャンバと、（２）チャンバに接続されており、分子中に炭素原子を含む化合物から成る第１のガス供給源と、（３）分子中に窒素原子を含む化合物から成る第２のガス供給源とを有するガス供給部と、（４）基体を所定の温度に加熱する基体加熱部と、（５）当該シリコン窒化膜中の炭素原子の含有割合が一定の値となるように、圧力、第１のガスの供給量、第２のガスの供給量、第１のガスと第２のガスとの供給量の比、該第１のガスの種類、該第２のガスの種類、及び基体の加熱温度のうち少なくとも一つのプロセスパラメータを調整する第１の制御部とを備えることを特徴とする。
【００２５】
さらに、当該シリコン窒化膜中の酸素原子の含有割合が一定の値となるように、圧力、第１のガスの供給量、第２のガスの供給量、第１のガスと第２のガスとの供給量の比、第１のガスの種類、第２のガスの種類、及び基体の加熱温度のうち少なくとも一つのプロセスパラメータを調整する第２の制御部を備えることが望ましい。
【００２６】
また、本発明による半導体素子は、基体上に、本発明のシリコン窒化膜が形成されて成ることを特徴とする。特に、基体が、ＬＤＤ構造を含むトランジスタのゲート電極を有しており、シリコン窒化膜がゲート電極の側壁に被着されたサイドウォールを構成するものであると好ましい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。また、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。
【００２８】
図１は、本発明によるシリコン窒化膜形成装置の好適な一実施形態を模式的に示す断面図（一部構成図）である。シリコン窒化膜形成装置としてのＣＶＤ装置１は、シリコンウエハＷ（基体）が収容されるチャンバ２にガス供給部３０が接続されたものである。チャンバ２は、シリコンウエハＷが載置されるサセプタ５を有しており、このサセプタ５の上方には、中空の円盤状をなすシャワーヘッド４が設けられている。
【００２９】
また、サセプタ５は、Ｏリング、メタルシール等により、チャンバ２に気密に設けられると共に、図示しない可動機構により上下駆動可能に設けられている。この可動機構により、シリコンウエハＷとシャワーヘッド４との間隔Ｄが調整されるようになっている。さらに、サセプタ５にはヒーター５１（基体加熱部）が内設されており、これによりシリコンウエハＷが所望の所定温度に加熱される。
【００３０】
一方、シャワーヘッド４は、略円筒状をなし且つガス供給口９が設けられたベースプレートを上壁とする胴部４１の下端部に、複数の貫通孔４５ａが穿設された多孔板状のフェイスプレート４５が結合されたものである。また、シャワーヘッド４の内部には、フェイスプレート４５と略平行に、複数の貫通孔４３ａが穿設された多孔板状のブロッカープレート４３が設置されている。そして、胴部４１とブロッカープレート４３によって空間部Ｓａが画成されており、胴部４１とフェイスプレート４５によって空間部Ｓｂが画成されている。
【００３１】
さらに、チャンバ２の下部には、開口部７が設けられている。この開口部７には、チャンバ２の内部を減圧するための真空ポンプ（図示せず）を有する排気系７０が接続されており、チャンバ２内の圧力を所定圧力に調整している。
【００３２】
また、図示を省略したが、シリコンウエハＷの表面側のチャンバ２内空間と裏面側のチャンバ２内空間とは、互いにガス封止されるようになっている。すなわち、表面側には上記ガス供給部３０からシャワーヘッド４を通して後述する原料ガス等が供給され、裏面側には図示しないバックサイドパージ系からパージガスが供給されるようにされており、両ガスが互いに反対面側の領域へ混入しないようになっている。
【００３３】
また、ガス供給部３０は、ＢＴＢＡＳ供給源３１（第１のガス供給源）、アンモニアガス供給源３２（第２のガス供給源）、キャリアガス又は希釈ガス供給源３３、３４を有している。これらの各ガス供給源３１〜３４は、各ガスのガス流量（供給量）を制御するＭＦＣ（質量流量コントローラ）３１ａ〜３４ａが設けられた配管１０を介して、シャワーヘッド４のガス供給口９に接続されている。これらにより、ＢＴＢＡＳ（第１のガス）、アンモニアガス（第２のガス）、及びキャリアガス又は希釈ガスがシャワーヘッド４内に導入され、ブロッカープレート４３及びフェイスプレート４５を介してチャンバ２内に供給される。
【００３４】
さらに、ヒーター５１、排気系７０、及びＭＦＣ３１ａ〜３４ａには、これらを制御する制御コンピュータＣ（第１の制御部及び第２の制御部）が接続されている。制御コンピュータＣは、形成されるシリコン窒化膜中の炭素原子の含有割合（濃度）が一定の値となるように、成膜時のプロセスパラメータを調整するための演算制御装置である。ここで、プロセスパラメータとは、チャンバ２内の圧力、ガス供給部３０からチャンバ２に供給される原料ガスの種類（本実施形態では、ＢＴＢＡＳとアンモニアガスに固定；以下この場合について例示する）、ＢＴＢＡＳの供給量、アンモニアガスの供給量、それらの流量比（供給量の比）、及びシリコンウエハＷの温度のうち少なくとも一つが挙げられる。これらの調整方法として具体的には、ヒーター５１の出力を制御することでシリコンウエハＷの温度を調整し、排気系７０の運転制御によりチャンバ２内の圧力を調整し、ＭＦＣ３１ａ，３２ａの開度を制御することでそれぞれＢＴＢＡＳ及びアンモニアガスの供給量又は流量比を調整する。また、ＭＣＰ３３ａ，３４ａの開度制御によりそれぞれＢＴＢＡＳ及びアンモニアガスの供給濃度を調節することができる。
【００３５】
このように構成されたＣＶＤ装置１を用いた本発明によるシリコン窒化膜の形成方法の一例について説明する。なお、ＣＶＤ装置１の以下に述べる各動作は、自動又は操作者による操作に基づく。
【００３６】
まず、チャンバ２内を真空ポンプにより減圧する。この減圧下において、シリコンウエハＷを、ロードロックチャンバ、他のチャンバ、他のウエハ準備室等の所定場所からチャンバ２内へと搬送し、サセプタ５上に載置して収容する。次に、キャリアガス及び／又は希釈ガスをガス供給源３３，３４から配管１０を通してチャンバ２内へ供給すると共に、チャンバ２内が所定の圧力、例えば、２７５Ｔｏｒｒ（３６．７ｋＰａ）となるように制御コンピュータＣにより排気系７０の運転を制御する（圧力調整工程）。
【００３７】
チャンバ２内の圧力が所定値で安定した後、成膜用の原料ガスとしてＢＴＢＡＳ及びアンモニアガスをそれぞれの供給源３１，３２から配管１０を通してシャワーヘッド４へ供給する（ガス供給工程）。このとき、チャンバ２内の圧力及びＢＴＢＡＳとアンモニアガスのそれぞれのガス流量は、制御コンピュータＣにおいて調節・制御され、一定の圧力及びガス流量に維持される（第１の制御工程及び第２の制御工程）。
【００３８】
ここで、ＢＴＢＡＳとアンモニアガスとの流量比は、特に制限されず、ＢＴＢＡＳ：アンモニアガスが好ましくは１：０〜１：１０、より好ましくは１：０〜１：１、特に好ましくは１：０．２５〜１：１とされる。なお、この比の値が１：０とはアンモニアガスを用いずにＢＴＢＡＳのみを使用することを示す。この場合、ＢＴＢＡＳが第１のガスと第２のガスを兼ねる。
【００３９】
このようにガス供給口９から空間部Ｓａに導入されたＢＴＢＡＳ及びアンモニアガスは、ブロッカープレート４３により分散されて十分に混合され、複数の貫通孔４３ａを通して空間部６ｂへ流出する。こうにして空間部Ｓｂへ導入されたアンモニアガス及びＢＴＢＡＳの混合ガスは、フェイスプレート４５の貫通孔４５ａを通してシャワーヘッド４の下方に流出し、シリコンウエハＷ上に供給される。
【００４０】
一方、ＢＴＢＡＳ及びアンモニアガスをチャンバ２内に供給すると共に、ヒーター５１に電力を供給してサセプタ５を介してシリコンウエハＷを加熱する（基体加熱工程）。この際、制御コンピュータＣによりシリコンウエハＷが所定温度となるように電力出力を調整する（第１の制御工程及び第２の制御工程）。サセプタ温度は６００〜７００℃が好ましく、本実施形態では例えば６５０℃とする。この場合、シリコンウエハＷは約６４０℃に加熱される。これにより、シリコンウエハＷ上に達したＢＴＢＡＳとアンモニアガスとを反応させることでシリコンウエハＷ上にシリコン窒化物を堆積せしめる。成膜速度に応じて所望膜厚の炭素含有シリコン窒化膜（Ｓｉ_ｘＮ_ｙＣ_ｘ、Ｓｉ_ｘＮ_ｙＣ_ｚＯ_ｗ、又はＳｉ_ｘＮ_ｙ：Ｃ，Ｏ，Ｈ等と表記できる）が形成された後、ＢＴＢＡＳ及びアンモニアガスの供給を停止する。さらに、必要に応じて、チャンバ２内に残留するＢＴＢＡＳ及びアンモニアガスをパージした後、シリコンウエハＷをチャンバ２の外部に搬出する。
【００４１】
図２は、本発明によるシリコン窒化膜を有する半導体素子の好適な一実施形態を模式的に示す断面図である。半導体素子としてのトランジスタ１１はＬＤＤ構造を有するものであり、シリコンウエハＷの表面にゲート絶縁膜１４を介して形成されたゲート電極１２を有している。ゲート電極１２の側壁には、本発明によるシリコン窒化膜から成るサイドウォール１３が被着されている。ゲート電極１２及びサイドウォール１３はゲート絶縁膜１４を土台として設置されており、サイドウォール１３の下方にはゲート絶縁膜１４を通してＢイオンがドープされたエクステンション領域１５（浅い接合）が形成されている。さらに、エクステンション領域１５の外側に隣接してＢイオンがドープされたコンタクト領域１６（やや深い接合）が形成されている。
【００４２】
このサイドウォール１３を形成するには、まずゲート電極１２及びエクステンション領域１５が設けられたシリコンウエハＷに上述のＣＶＤ装置１及び方法を用いてシリコン窒化膜を成膜する。さらに、そのシリコンウエハＷの表面全体に反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を施してゲート電極１２の側壁にだけシリコン窒化膜を残す。これによりサイドウォール１３が形成される。その後、サイドウォール１３をマスクとしてＢイオン注入を施し、エクステンション領域１５の外側にコンタクト領域１６を形成してＬＤＤ構造を有するトランジスタ１１が得られる。
【００４３】
このようなＣＶＤ装置１及びそれを用いた成膜方法によれば、以下の優れた特性を発現するシリコン窒化膜及びそれから成るサイドウォール１３を得ることが可能となる。
【００４４】
すなわち、本発明のシリコン窒化膜は一定の含有割合、詳しくは先述した好適範囲で炭素原子を含むので、膜の共有結合性が高められ、従来のシリコン窒化膜に比して低いＷＲを達成できる。また、炭素原子濃度を増加させると、そのＷＲは更に低下する傾向がある。よって、プロセスパラメータを調整して成膜条件を制御することで所望の炭素原子濃度を有し、ひいては所望のＷＲを達成できるシリコン窒化膜を得ることが可能である。
【００４５】
また、このような低ＷＲ化が達成されるので、本発明のシリコン窒化膜は、トランジスタ１１のサイドウォール１３として非常に有用である。ＬＤＤ構造のトランジスタ１１は、通常、他の種類の半導体デバイスと共にシリコンウエハＷ上に形成される。ＬＤＤ構造におけるコンタクト領域１６をイオン注入によって形成するときには、一般に、他の種類の半導体デバイスを保護するためにレジストが設けられる。このレジストは、コンタクト領域１６を形成した後、通常、薬液を用いて剥離除去される。この時、サイドウォール１３はレジスト剥離液に晒され、腐食環境に置かれるが、本実施形態のシリコン窒化膜から成るサイドウォール１３はＷＲが上述の如く極めて低いので、レジスト剥離の際に高いエッチング耐性を発揮する。
【００４６】
さらに、このシリコン窒化膜を半導体素子に適用した場合、一定の炭素原子の存在によって非晶質化が促進され、優れたドーパントイオンの拡散防止効果が奏される。よって、イオン拡散に起因する素子性能の劣化を十分に抑えることができ、良好なデバイス特性を有し、且つ信頼性に優れた長寿命のトランジスタ１１を得ることができる。
【００４７】
またさらに、サイドウォール１３中の炭素原子濃度が増大すると、それに伴い拡散防止性が向上する傾向にある。すなわち、炭素原子の濃度を増加させるとドーパントイオンの侵入を阻害する効果が更に向上する。
【００４８】
これに対し、高い結晶性を有する純粋なＳｉ_３Ｎ_４膜、又はそれに近い化学量論的な組成を有するシリコン窒化膜は、その成膜過程において他の不純物、例えば炭素原子等を排除することが望まれていた。しかしながら、不可避不純物を全く含まず、且つ完全なストイキオメトリを有するＳｉ_３Ｎ_４を形成させることは非常に困難であり、少量の不純物が含まれていると、例えば格子欠陥による不均質が生じて却って膜質が悪化してしまうことがあった。このため、ドーパントイオンの突き抜けが好ましくない程度に大きくなってしまい、十分な拡散防止性能が得られない傾向にあった。
【００４９】
さらにまた、本発明のシリコン窒化膜は良好なパターンローディング特性及びステップカバレッジ特性を有しており、シリコン窒化膜中の炭素原子濃度の増加に伴い、これらの特性はそれに応じて向上する傾向にある。これは、ＬＤＤ構造のサイドウォール１３にとって非常に有益である。すなわち、ＬＤＤ構造の製造においては、前述の如くシリコンウエハＷの全面に設けたサイドウォール１３の母体となる膜にＲＩＥを施して膜を一定の厚さだけ除去してサイドウォール１３を形成するので、膜厚の均一性は極めて重要である。
【００５０】
なお、第１のガスは分子中に炭素原子を有する化合物であればよく、この炭素原子がシリコン窒化膜中に炭素原子を供給する。一方、第２のガスは分子中に窒素原子を有する化合物であればよく、これによりシリコン窒化膜中の炭素原子の濃度を調整する。
【００５１】
さらに、第１のガスとしてＢＴＢＡＳ以外の炭素及び窒素含有シリコン有機アミノ系ガス、例えばＴＤＭＡＳ（テトラジメチルアミノシリコン）、ＴＤＥＡＳ（テトラジエチルアミノシリコン）等を用いてもよい。また、炭素原子の供給源として、テトラメチルシラン、トリエチルジシランをＳｉＨ４／ＮＨ３に入れてもよい。これらのように複数のガスを組み合わせて用いてもよい。この場合、制御コンピュータＣにより供給するガスの種類を選択し、且つ、そのガス流量を調整するようにしても構わない。
【００５２】
【実施例】
以下、本発明のシリコン窒化膜に係る具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５３】
＜実施例１＞
図１に示すＣＶＤ装置１と同様の構成を有するシリコン窒化膜の形成装置を使用し、原料ガスとしてＢＴＢＡＳ及びアンモニアガスを用い、上述した本発明のシリコン窒化膜の形成方法と同様にして、以下に示す種々の成膜条件下でシリコンベアウエハ上にシリコン窒化膜を形成した。なお、これらの条件が異なる成膜処理により得られた複数のシリコン窒化膜をまとめて実施例１とする。
（成膜条件）
・成膜温度：７００℃
・チャンバ圧力：２７５Ｔｏｒｒ
・シャワーヘッド／ウエハ間距離（図１における距離Ｄ）：５５０ｍｉｌｓ
・ＢＴＢＡＳ流量：１００ｓｃｃｍ
・アンモニアガス流量：０，１００，２００，３００，４００，５００ｓｃｃｍ
・膜厚：３００Å
【００５４】
＜実施例２＞
シリコンベアウエハ上にポリシリコン及びオゾン−ＴＥＯＳが積層されて成る疎密凹凸パターンを形成し、その凸部の膜厚を約２７０ｎｍ、凹部間隔を１７０ｎｍとした。このパターン上に、膜厚を約１００Å（目標値）としたこと以外は実施例１と同様にして種々のシリコン窒化膜を形成した。
【００５５】
＜実施例３＞
まず、自然酸化膜を有するシリコンベアウエハにＢイオンを深さ約５０Åまでインプラントした（エクステンション領域１５に相当）。次いで、そのシリコンウエハ上にゲート絶縁膜１４を模擬してシリコン酸化膜を約１５０Å厚で成膜した後、その上にサイドウォール１３を模擬したシリコン窒化膜を実施例１と同様にして堆積させた。さらに、その上に約５００Å厚のシリコン酸化膜を成膜した後、ウエハ全体を約１０００℃で数秒間アニールした。こうして、本発明のシリコン窒化膜をサイドウォール１３に適用した場合のテストストラクチャを得た。
【００５６】
＜比較例１＞
原料ガスとしてアンモニアガス及びシランガスを用いたこと以外は、実施例１〜３と同様にしてウエハ上にシリコン窒化膜を形成した。なお、各ガス流量は適宜調整した。
【００５７】
＜膜特性評価＞
（原子含有割合の定量）
実施例１及び比較例１で得た各シリコン窒化膜に含まれる炭素原子、窒素原子、及びケイ素原子及び酸素原子の膜中含有割合（ａｔｏｍ％）をＥＳＣＡ（ＸＰＳ）により分析した。なお、後述する表１中、炭素原子、窒素原子、及びケイ素原子についてはそれら３元素の総和を１００％とし、酸素原子については、それらに酸素原子を加えた４元素の総和を１００％とする百分率を示した。
【００５８】
（ＷＲ評価）
実施例１及び比較例１で得たシリコン窒化膜に対し、エッチャントとして５％ＨＦ溶液を用いてウエットエッチングを施した。エッチング前後の膜厚を断面ＳＥＭ観察により測定し、両者の差厚とエッチング時間から各シリコン窒化膜のＷＲ（Å／ｍｉｎ）を算出し、さらに、代表的なシリコン酸化膜に対する各シリコン窒化膜のＷＲ実測値の比率Ｒを算出した。
【００５９】
（パターンローディング特性評価）
実施例２及び比較例１で得たシリコン窒化膜について断面ＳＥＭ観察により、パターンの疎な部分、及び密な部分の膜厚を複数箇所で測定すると共に、それらの実測値から平均膜厚を算出した。さらに、疎密部の膜厚の差を平均膜厚で除し、膜厚変化率を求めた。なお、この数値が小さい程パターンローディング効果が少ないことを示し、理想的には０％となる。
【００６０】
（ステップカバレッジ特性評価）
実施例２及び比較例１で得たシリコン窒化膜について、パターンが密な部分における凹部の底部膜厚及び凸部の頂部膜厚を実測し、前者を後者で除して膜厚比を算出した。この数値が１００％に近い程、コンフォーマルな膜であることを示す。
【００６１】
（シート抵抗値測定）
実施例３及び比較例１で得たテストストラクチャに対し、アニール後に上記シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の剥離処理を施し、そのウエハのシート抵抗を測定した。このシート抵抗は、サイドウォール１３におけるドーパントイオンの拡散防止性を間接的に評価するためのものである。換言すれば、このシート抵抗の大小は、エクステンション領域１５に含有されるドーパントイオン濃度の低高を示す指標の一つである。すなわち、シート抵抗が小さいということは、エクステンション領域１５に含有されるドーパントイオンのサイドウォール１３への拡散が抑制され、ドーパントイオンがエクステンション領域１５内に維持されており、サイドウォール１３による拡散防止性能が優れていることを示す。さらに、比較例１におけるシート抵抗の測定値を１としたときの、実施例３の各膜のシート抵抗値の比を算出した。
【００６２】
これらの膜特性評価の結果を、条件の一部と併せて表１〜３に示す。なお、表中の「含有割合（ａｔｏｍ％）」は測定誤差を含むため、合計は必ずしも１００％とならない。
【００６３】
【表１】

【００６４】
【表２】

【００６５】
【表３】

【００６６】
表１より、シリコン窒化膜の組成は、ＢＴＢＡＳに対するアンモニアガスのガス流量の割合を制御することで、シリコン窒化膜中の炭素原子濃度が簡易に一定の値に調整されることが判明した。また、このような調整・制御により炭素原子濃度を所望の値に増加させ、ＷＲを任意に減少させることが可能であることが確認された。さらに、表２より、それと同時にパターンローディング及びステップカバレッジを有意に向上できることが理解される。また、表３より、本発明のシリコン窒化膜のシート抵抗は、比較例１に比して確実に低減していることが確認された。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によるシリコン窒化膜形成方法及び装置によれば、ＷＲを充分に低減できると共に、イオン拡散を充分に抑制することが可能であり、しかもパターンローディングの発生を防止して膜厚の均一性を向上できるシリコン窒化膜を形成できる。また、そのようなシリコン窒化膜を備える本発明の半導体素子によれば、素子特性の更なる向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるシリコン窒化膜形成装置の好適な一実施形態を模式的に示す断面図（一部構成図）である。
【図２】本発明によるシリコン窒化膜を有する半導体素子の好適な一実施形態を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
１…ＣＶＤ装置（シリコン窒化膜形成装置）、２…チャンバ、４…シャワーヘッド、５…サセプタ、３０…ガス供給部、３１…ＢＴＢＡＳ供給源（第１のガス供給源）、３２…アンモニアガス供給源（第２のガス供給源）、３１ａ〜３４ａ…ＭＦＣ、５１…ヒーター（基体加熱部）、７０…排気系、Ｗ…シリコンウエハ（基体）、Ｃ…制御コンピュータ（第１及び第２の制御部）。

Claims

ＣＶＤ法によって基体上に形成されるシリコン窒化膜であって、
当該シリコン窒化膜中の炭素原子の含有割合が一定の値となるように、分子中に炭素原子を含む化合物から成る第１のガスと、分子中に窒素原子を含む化合物から成る第２のガスとが、所定の温度に加熱された前記基体上に供給されて形成されたシリコン窒化膜。
前記炭素原子の含有割合が、当該シリコン窒化膜中に含まれるケイ素原子、窒素原子、及び炭素原子の総和の２〜２５ａｔｏｍ％である、
ことを特徴とする請求項１に記載のシリコン窒化膜。
当該シリコン窒化膜中の酸素原子の含有割合が、ケイ素原子、窒素原子、炭素原子、及び酸素原子の総和の１ａｔｏｍ％以下である、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコン窒化膜。
ＣＶＤ法によって基体上に形成されるシリコン窒化膜であって、
当該シリコン窒化膜中の炭素原子の含有割合が、ケイ素原子、窒素原子、及び炭素原子の総和の２〜２５ａｔｏｍ％であり、
当該シリコン窒化膜中のケイ素原子の含有割合が、前記総和の４０〜６０ａｔｏｍ％であるシリコン窒化膜。
当該シリコン窒化膜中の酸素原子の含有割合が、ケイ素原子、窒素原子、炭素原子、及び酸素原子の総和の１ａｔｏｍ％以下である、
ことを特徴とする請求項４に記載のシリコン窒化膜。
ＣＶＤ法によってチャンバ内の基体上にシリコン窒化膜を形成する方法であって、
前記チャンバ内の圧力を調整する圧力調整工程と、
前記基体上に、分子中に炭素原子を含む化合物から成る第１のガスと、分子中に窒素原子を含む化合物から成る第２のガスとを供給するガス供給工程と、
前記基体を所定の温度に加熱する基体加熱工程と、
当該シリコン窒化膜中の炭素原子の含有割合が一定の値となるように、前記圧力、前記第１のガスの供給量、前記第２のガスの供給量、該第１のガスと該第２のガスとの供給量の比、該第１のガスの種類、該第２のガスの種類、及び前記基体の加熱温度のうち少なくとも一つのプロセスパラメータを調整する第１の制御工程と、
を備えるシリコン窒化膜の形成方法。
前記第１の制御工程においては、前記炭素原子の含有割合が、当該シリコン窒化膜中に含まれるケイ素原子、窒素原子、及び炭素原子の総和の２〜２５ａｔｏｍ％となるように、前記少なくとも一つのプロセスパラメータを調整する、
ことを特徴とする請求項６に記載のシリコン窒化膜の形成方法。
ＣＶＤ法によって基体上にシリコン窒化膜が形成されるシリコン窒化膜形成装置であって、
前記基体が収容されるチャンバと、
前記チャンバに接続されており、分子中に炭素原子を含む化合物から成る第１のガス供給源と、分子中に窒素原子を含む化合物から成る第２のガス供給源とを有するガス供給部と、
前記基体を所定の温度に加熱する基体加熱部と、
当該シリコン窒化膜中の炭素原子の含有割合が一定の値となるように、前記圧力、前記第１のガスの供給量、前記第２のガスの供給量、該第１のガスと該第２のガスとの供給量の比、該第１のガスの種類、該第２のガスの種類、及び前記基体の加熱温度のうち少なくとも一つのプロセスパラメータを調整する第１の制御部と、
を備えるシリコン窒化膜形成装置。
当該シリコン窒化膜中の酸素原子の含有割合が一定の値となるように、前記圧力、前記第１のガスの供給量、前記第２のガスの供給量、該第１のガスと該第２のガスとの供給量の比、該第１のガスの種類、該第２のガスの種類、及び前記基体の加熱温度のうち少なくとも一つのプロセスパラメータを調整する第２の制御部を備える、
ことを特徴とする請求項８に記載のシリコン窒化膜形成装置。
基体上に、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシリコン窒化膜が形成されて成る半導体素子。
前記基体が、ＬＤＤ構造を含むトランジスタのゲート電極を有しており、
前記シリコン窒化膜が前記ゲート電極の側壁に被着されたサイドウォールを構成するものである、
ことを特徴とする請求項１０に記載の半導体素子。