JP2005005537A - 窒化膜の膜質改善方法、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】成膜温度を増加させることなく、窒化膜中の塩素含有量を低減する。
【解決手段】シリコン基板１１上に、４５０℃の成膜温度でＳｉ２Ｃｌ６のような塩素含有ガスとＮＨ３とを用いてＬＰＣＶＤ法により窒化膜１２を形成する。４００℃の温度で水素ラジカル１４を含むプラズマを発生させ、このプラズマ中に窒化膜１２を晒す。窒化膜１２中に導入された水素ラジカル１４が塩素１３とが結合して塩化水素１５を生成し、塩化水素１５が窒化膜１２から離脱する。
【選択図】 図１
【解決手段】シリコン基板１１上に、４５０℃の成膜温度でＳｉ２Ｃｌ６のような塩素含有ガスとＮＨ３とを用いてＬＰＣＶＤ法により窒化膜１２を形成する。４００℃の温度で水素ラジカル１４を含むプラズマを発生させ、このプラズマ中に窒化膜１２を晒す。窒化膜１２中に導入された水素ラジカル１４が塩素１３とが結合して塩化水素１５を生成し、塩化水素１５が窒化膜１２から離脱する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体装置等に用いられる窒化膜の膜質改善方法及びその窒化膜を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４、Ｓｉ２Ｃｌ６のような塩素含有Ｓｉ原料ガスとＮＨ３ガスとを用いたＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により窒化膜を成膜していた。このＬＰＣＶＤ法では、６５０℃〜８００℃の成膜温度が一般的に用いられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱履歴（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂｕｄｇｅｔ）を低減するために、上記成膜温度を６００℃以下に低温化した場合、窒化膜中に不純物として塩素が多く残留してしまい、窒化膜の膜質が劣化してしまうという問題があった。
さらに、かかる窒化膜を半導体装置に適用した場合、窒化膜中に残留する塩素が他の素子に拡散してしまい、半導体装置の信頼性が低下する可能性があった。例えば、ゲート電極側壁のサイドウォールを窒化膜により形成する場合には、窒化膜の不純物がゲート電極に拡散してしまい、ゲート電極中の不純物濃度が変化してしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、成膜温度を増加させることなく、窒化膜中の塩素含有量を低減することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決する為の手段】
この発明に係る窒化膜の膜質改善方法は、基板上に、６００℃以下の温度で塩素含有ガスを用いてＬＰＣＶＤ法により窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜内に水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程と、
を含むことを特徴とするものである。
【０００６】
この発明に係る膜質改善方法において、前記水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程は、プラズマにより前記水素ラジカル又は水素イオンを発生させる工程を含むことが好適である。
【０００７】
この発明に係る膜質改善方法において、前記窒化膜を形成する工程と、前記水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程とを同一の製造装置内で連続して行うことが好適である。
【０００８】
この発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に、半導体要素を形成する工程と、
前記半導体要素上に、６００℃以下の温度で塩素含有ガスを用いてＬＰＣＶＤ法により窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜内に水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程と、
を含むことを特徴とするものである。
【０００９】
この発明に係る製造方法において、前記水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程は、プラズマにより前記水素ラジカル又は水素イオンを発生させる工程を含むことが好適である。
【００１０】
この発明に係る製造方法において、前記窒化膜を形成する工程と、前記水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程とを同一の製造装置内で連続して行うことが好適である。
【００１１】
この発明に係る製造方法において、前記半導体要素はゲート電極であり、
前記水素ラジカル又は水素イオンを導入した後、前記窒化膜をエッチングすることにより前記ゲート電極の側壁にサイドウォールを形成する工程を更に含むことが好適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による窒化膜の膜質改善方法を説明するための工程断面図である。
先ず、図１（ａ）に示すように、基板１１としてのシリコン基板上に、Ｓｉ２Ｃｌ６のような塩素含有ガスを用いて６００℃以下の成膜温度でＬＰＣＶＤ法により窒化膜１２を形成する。
ここで、窒化膜１２の成膜条件は、例えば、Ｓｉ２Ｃｌ６流量：１０〜５０ｓｃｃｍ；ＮＨ３流量：３００〜１０００ｓｃｃｍ；圧力：１．３３×１０２Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）；温度：４５０℃である。また、窒化膜１２の形成膜厚は、以下に述べる水素ラジカル１４の導入を考慮すると、例えば、１ｎｍ〜１００ｎｍが好適であり、１ｎｍ〜５０ｎｍがより好適である。このように、塩素含有ガスを用い、６００℃以下の低温で成膜された窒化膜１２中には、不純物としての塩素１３が多く含まれる。
【００１４】
次に、図１（ｂ）に示すように、水素ラジカル又は水素イオン（以下「水素ラジカル」という。）１４を含むプラズマを発生させ、このプラズマ中に窒化膜１２を曝す。これにより、窒化膜１２中に水素ラジカル１４が導入され、導入された水素ラジカル１４は塩素１３と結合して、塩化水素１５を生成する。この生成した塩化水素１５は窒化膜１２から離脱する。
ここで、処理条件は、例えば、Ｈ２流量；５〜２０ｓｃｃｍ；ＲＦ電力：１ｋｗ；温度：４００℃である。
また、本処理を行う時間は、窒化膜１２中の塩素１３の減少量に応じて適宜決定すればよく、例えば、１０ｍｉｎである。この場合、窒化膜１２中の塩素１３が３０％減少することを本発明者は確認した。
また、本処理の温度は、上記４００℃に限らず、窒化膜１２の成膜温度以下であればよい。
【００１５】
以上説明したように、本実施の形態１では、塩素含有ガスを用いて６００℃以下の温度でＬＰＣＶＤ法により窒化膜１２を形成した後、窒化膜１２内に水素ラジカル１４を導入した。窒化膜１２内に導入された水素ラジカル１４と、窒化膜１２中の塩素１３とを結合させて除去することにより、窒化膜１２中の塩素１３を減少させることができ、窒化膜１２の膜質を改善することができる。
また、窒化膜１２の成膜と、窒化膜１２への水素ラジカル１４の導入とを、同一の製造装置（ＬＰＣＶＤ装置）で行うことにより、スループットを向上させることができる。さらに、窒化膜１２の成膜温度と、水素ラジカル１４の生成・導入温度とを同一温度にすることにより、スループットを更に向上させることができる。
【００１６】
なお、本実施の形態１では、プラズマを発生させることにより水素ラジカル１４を生成したが、熱的方法や触媒を用いて水素ラジカルを生成させてもよい（後述する実施の形態２についても同様）。但し、熱的方法を用いる場合には、窒化膜の成膜温度以下にする必要がある。
また、塩素含有のＳｉ原料ガスとしては、上記Ｓｉ２Ｃｌ６以外に、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４を用いることができる。
【００１７】
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２による半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
本実施の形態２は、前述した実施の形態１の膜質改善方法を、半導体装置の製造方法に適用した一例である。
【００１８】
先ず、図２（ａ）に示すように、基板２１としてのシリコン基板上に、熱酸化法を用いてゲート絶縁膜２２としてのゲート酸化膜を形成する。次に、ゲート絶縁膜２２上にポリシリコン膜を形成し、該ポリシリコン膜をパターニングすることにより、ポリシリコン膜からなるゲート電極（半導体要素）２３を形成する。なお、ゲート電極２３は、ポリシリコン膜とシリサイド膜との積層構造のように、その構造は任意であってもよい。
【００１９】
次に、図２（ｂ）に示すように、ゲート電極２３上に、Ｓｉ２Ｃｌ６およびＮＨ３を用いて成膜温度４５０℃でＬＰＣＶＤ法により窒化膜２４を形成する。窒化膜２４の処理条件及び膜厚は、前述した実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。このように、塩素含有ガスを用い、６００℃以下の低温で成膜された窒化膜２４中には、不純物としての塩素２５が多く含まれる。
【００２０】
次に、図２（ｃ）に示すように、水素ラジカル２６を含むプラズマを発生させ、このプラズマ中に窒化膜２４を曝す。これにより、窒化膜２４中に水素ラジカル２６が導入され、導入された水素ラジカル２６は塩素２５と結合して、塩化水素２７を生成する。この生成した塩化水素２７は窒化膜２４から離脱する。
本処理の処理条件は、前述した実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００２１】
さらに、図２（ｄ）に示すように、窒化膜２４をドライエッチング等の異方性エッチングすることにより、ゲート電極２３の側壁に窒化膜からなるサイドウォール２８を形成する。
【００２２】
以上説明したように、本実施の形態２では、ゲート電極２３を覆うように、塩素含有ガスを用いて６００℃以下の温度でＬＰＣＶＤ法により窒化膜２４を形成した後、窒化膜２４内に水素ラジカル２６を導入した。窒化膜２４内に導入された水素ラジカル２６と、窒化膜２４中の塩素２５を結合させて除去することにより、窒化膜２４中の塩素２５を減少させることができ、窒化膜２４の膜質を改善することができる。
さらに、窒化膜２４をエッチングすることにより、ゲート電極２３の側壁を覆うサイドウォール２８を形成した。膜質が改善された窒化膜からなるサイドウォール２８は塩素濃度が低いため、後工程で熱が加わった場合でも、サイドウォール２８からゲート電極２３に不純物が拡散しない。従って、膜質が改善された窒化膜を半導体装置に適用することにより、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【００２３】
なお、本実施の形態２では、半導体要素としてのゲート電極２３上に窒化膜２４を形成する場合について説明したが、これに限らず、例えば、窒化膜をライナーとして形成する場合についても適用できる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、成膜温度を増加させることなく、窒化膜中の塩素含有量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による窒化膜の膜質改善方法を説明するための工程断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２による半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【符号の説明】
１１，２１ 基板（シリコン基板）
１２，２４ 窒化膜
１３，２５ 塩素
１４，２６ 水素ラジカル
１５，２７ 塩化水素
２２ ゲート絶縁膜（ゲート酸化膜）
２３ ゲート電極
２８ サイドウォール
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体装置等に用いられる窒化膜の膜質改善方法及びその窒化膜を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４、Ｓｉ２Ｃｌ６のような塩素含有Ｓｉ原料ガスとＮＨ３ガスとを用いたＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により窒化膜を成膜していた。このＬＰＣＶＤ法では、６５０℃〜８００℃の成膜温度が一般的に用いられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱履歴（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂｕｄｇｅｔ）を低減するために、上記成膜温度を６００℃以下に低温化した場合、窒化膜中に不純物として塩素が多く残留してしまい、窒化膜の膜質が劣化してしまうという問題があった。
さらに、かかる窒化膜を半導体装置に適用した場合、窒化膜中に残留する塩素が他の素子に拡散してしまい、半導体装置の信頼性が低下する可能性があった。例えば、ゲート電極側壁のサイドウォールを窒化膜により形成する場合には、窒化膜の不純物がゲート電極に拡散してしまい、ゲート電極中の不純物濃度が変化してしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、成膜温度を増加させることなく、窒化膜中の塩素含有量を低減することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決する為の手段】
この発明に係る窒化膜の膜質改善方法は、基板上に、６００℃以下の温度で塩素含有ガスを用いてＬＰＣＶＤ法により窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜内に水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程と、
を含むことを特徴とするものである。
【０００６】
この発明に係る膜質改善方法において、前記水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程は、プラズマにより前記水素ラジカル又は水素イオンを発生させる工程を含むことが好適である。
【０００７】
この発明に係る膜質改善方法において、前記窒化膜を形成する工程と、前記水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程とを同一の製造装置内で連続して行うことが好適である。
【０００８】
この発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に、半導体要素を形成する工程と、
前記半導体要素上に、６００℃以下の温度で塩素含有ガスを用いてＬＰＣＶＤ法により窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜内に水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程と、
を含むことを特徴とするものである。
【０００９】
この発明に係る製造方法において、前記水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程は、プラズマにより前記水素ラジカル又は水素イオンを発生させる工程を含むことが好適である。
【００１０】
この発明に係る製造方法において、前記窒化膜を形成する工程と、前記水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程とを同一の製造装置内で連続して行うことが好適である。
【００１１】
この発明に係る製造方法において、前記半導体要素はゲート電極であり、
前記水素ラジカル又は水素イオンを導入した後、前記窒化膜をエッチングすることにより前記ゲート電極の側壁にサイドウォールを形成する工程を更に含むことが好適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による窒化膜の膜質改善方法を説明するための工程断面図である。
先ず、図１（ａ）に示すように、基板１１としてのシリコン基板上に、Ｓｉ２Ｃｌ６のような塩素含有ガスを用いて６００℃以下の成膜温度でＬＰＣＶＤ法により窒化膜１２を形成する。
ここで、窒化膜１２の成膜条件は、例えば、Ｓｉ２Ｃｌ６流量：１０〜５０ｓｃｃｍ；ＮＨ３流量：３００〜１０００ｓｃｃｍ；圧力：１．３３×１０２Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）；温度：４５０℃である。また、窒化膜１２の形成膜厚は、以下に述べる水素ラジカル１４の導入を考慮すると、例えば、１ｎｍ〜１００ｎｍが好適であり、１ｎｍ〜５０ｎｍがより好適である。このように、塩素含有ガスを用い、６００℃以下の低温で成膜された窒化膜１２中には、不純物としての塩素１３が多く含まれる。
【００１４】
次に、図１（ｂ）に示すように、水素ラジカル又は水素イオン（以下「水素ラジカル」という。）１４を含むプラズマを発生させ、このプラズマ中に窒化膜１２を曝す。これにより、窒化膜１２中に水素ラジカル１４が導入され、導入された水素ラジカル１４は塩素１３と結合して、塩化水素１５を生成する。この生成した塩化水素１５は窒化膜１２から離脱する。
ここで、処理条件は、例えば、Ｈ２流量；５〜２０ｓｃｃｍ；ＲＦ電力：１ｋｗ；温度：４００℃である。
また、本処理を行う時間は、窒化膜１２中の塩素１３の減少量に応じて適宜決定すればよく、例えば、１０ｍｉｎである。この場合、窒化膜１２中の塩素１３が３０％減少することを本発明者は確認した。
また、本処理の温度は、上記４００℃に限らず、窒化膜１２の成膜温度以下であればよい。
【００１５】
以上説明したように、本実施の形態１では、塩素含有ガスを用いて６００℃以下の温度でＬＰＣＶＤ法により窒化膜１２を形成した後、窒化膜１２内に水素ラジカル１４を導入した。窒化膜１２内に導入された水素ラジカル１４と、窒化膜１２中の塩素１３とを結合させて除去することにより、窒化膜１２中の塩素１３を減少させることができ、窒化膜１２の膜質を改善することができる。
また、窒化膜１２の成膜と、窒化膜１２への水素ラジカル１４の導入とを、同一の製造装置（ＬＰＣＶＤ装置）で行うことにより、スループットを向上させることができる。さらに、窒化膜１２の成膜温度と、水素ラジカル１４の生成・導入温度とを同一温度にすることにより、スループットを更に向上させることができる。
【００１６】
なお、本実施の形態１では、プラズマを発生させることにより水素ラジカル１４を生成したが、熱的方法や触媒を用いて水素ラジカルを生成させてもよい（後述する実施の形態２についても同様）。但し、熱的方法を用いる場合には、窒化膜の成膜温度以下にする必要がある。
また、塩素含有のＳｉ原料ガスとしては、上記Ｓｉ２Ｃｌ６以外に、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４を用いることができる。
【００１７】
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２による半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
本実施の形態２は、前述した実施の形態１の膜質改善方法を、半導体装置の製造方法に適用した一例である。
【００１８】
先ず、図２（ａ）に示すように、基板２１としてのシリコン基板上に、熱酸化法を用いてゲート絶縁膜２２としてのゲート酸化膜を形成する。次に、ゲート絶縁膜２２上にポリシリコン膜を形成し、該ポリシリコン膜をパターニングすることにより、ポリシリコン膜からなるゲート電極（半導体要素）２３を形成する。なお、ゲート電極２３は、ポリシリコン膜とシリサイド膜との積層構造のように、その構造は任意であってもよい。
【００１９】
次に、図２（ｂ）に示すように、ゲート電極２３上に、Ｓｉ２Ｃｌ６およびＮＨ３を用いて成膜温度４５０℃でＬＰＣＶＤ法により窒化膜２４を形成する。窒化膜２４の処理条件及び膜厚は、前述した実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。このように、塩素含有ガスを用い、６００℃以下の低温で成膜された窒化膜２４中には、不純物としての塩素２５が多く含まれる。
【００２０】
次に、図２（ｃ）に示すように、水素ラジカル２６を含むプラズマを発生させ、このプラズマ中に窒化膜２４を曝す。これにより、窒化膜２４中に水素ラジカル２６が導入され、導入された水素ラジカル２６は塩素２５と結合して、塩化水素２７を生成する。この生成した塩化水素２７は窒化膜２４から離脱する。
本処理の処理条件は、前述した実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００２１】
さらに、図２（ｄ）に示すように、窒化膜２４をドライエッチング等の異方性エッチングすることにより、ゲート電極２３の側壁に窒化膜からなるサイドウォール２８を形成する。
【００２２】
以上説明したように、本実施の形態２では、ゲート電極２３を覆うように、塩素含有ガスを用いて６００℃以下の温度でＬＰＣＶＤ法により窒化膜２４を形成した後、窒化膜２４内に水素ラジカル２６を導入した。窒化膜２４内に導入された水素ラジカル２６と、窒化膜２４中の塩素２５を結合させて除去することにより、窒化膜２４中の塩素２５を減少させることができ、窒化膜２４の膜質を改善することができる。
さらに、窒化膜２４をエッチングすることにより、ゲート電極２３の側壁を覆うサイドウォール２８を形成した。膜質が改善された窒化膜からなるサイドウォール２８は塩素濃度が低いため、後工程で熱が加わった場合でも、サイドウォール２８からゲート電極２３に不純物が拡散しない。従って、膜質が改善された窒化膜を半導体装置に適用することにより、半導体装置の信頼性を向上させることができる。
【００２３】
なお、本実施の形態２では、半導体要素としてのゲート電極２３上に窒化膜２４を形成する場合について説明したが、これに限らず、例えば、窒化膜をライナーとして形成する場合についても適用できる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、成膜温度を増加させることなく、窒化膜中の塩素含有量を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による窒化膜の膜質改善方法を説明するための工程断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２による半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図である。
【符号の説明】
１１，２１ 基板（シリコン基板）
１２，２４ 窒化膜
１３，２５ 塩素
１４，２６ 水素ラジカル
１５，２７ 塩化水素
２２ ゲート絶縁膜（ゲート酸化膜）
２３ ゲート電極
２８ サイドウォール
Claims (7)
- 基板上に、６００℃以下の温度で塩素含有ガスを用いてＬＰＣＶＤ法により窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜内に水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程と、
を含むことを特徴とする窒化膜の膜質改善方法。 - 請求項１に記載の膜質改善方法において、
前記水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程は、プラズマにより前記水素ラジカル又は水素イオンを発生させる工程を含むことを特徴とする窒化膜の膜質改善方法。 - 請求項１又は２に記載の膜質改善方法において、
前記窒化膜を形成する工程と、前記水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程とを同一の製造装置内で連続して行うことを特徴とする窒化膜の膜質改善方法。 - 基板上に、半導体要素を形成する工程と、
前記半導体要素上に、６００℃以下の温度で塩素含有ガスを用いてＬＰＣＶＤ法により窒化膜を形成する工程と、
前記窒化膜内に水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項４に記載の製造方法において、
前記水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程は、プラズマにより前記水素ラジカル又は水素イオンを発生させる工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項４又は５に記載の製造方法において、
前記窒化膜を形成する工程と、前記水素ラジカル又は水素イオンを導入する工程とを同一の製造装置内で連続して行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項４から６の何れかに記載の製造方法において、
前記半導体要素はゲート電極であり、
前記水素ラジカル又は水素イオンを導入した後、前記窒化膜をエッチングすることにより前記ゲート電極の側壁にサイドウォールを形成する工程を更に含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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