JP2005044934A

JP2005044934A - 半導体製造装置、半導体装置及びその製造方法

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Publication number: JP2005044934A
Application number: JP2003201890A
Authority: JP
Inventors: Tomokazu Horie; 友和堀江
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-07-25
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】シリコン酸化膜を窒化する部分を制御できる半導体製造装置、半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る半導体製造装置は、シリコン酸化膜を窒化する装置であって、前記シリコン酸化膜を載置するステージ３と、前記ステージ３を収容する反応室１と、前記ステージに対向するように配置され、プラズマを発生させるプラズマソース９と、前記反応室内に窒素ガスを導入する窒素ガス導入機構と、前記ステージの近傍に配置され、磁場を発生させる磁場発生パーツ６と、前記磁場発生パーツの近傍に配置された排気口７と、を具備し、前記プラズマを用いて前記窒素ガスを窒素ラジカル１３と窒素イオン１６とし、前記磁場によって前記窒素イオンを前記磁場発生パーツに引き寄せて前記排気口から排気し、前記窒素ラジカルを前記シリコン酸化膜に導入する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン酸化膜を窒化する部分を制御できる半導体製造装置、半導体装置及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＭＯＳデバイスを１００ｎｍ以下に縮小する技術では、ゲート酸化膜の実効酸化膜厚を例えば１．５ｎｍ以下にする必要がある。しかし、超薄膜ＳｉＯ_２の使用についてはゲートリーク電流とゲート電極からボロンなどの不純物が浸透する問題が伴うので、デバイスの性能に影響を及ぼすおそれがある。このような問題を解決するために、シリコン酸化膜からなるゲート酸化膜に窒素を導入して窒素含有量の高いゲート酸化膜を形成する技術が考えられている。
【０００３】
ゲート酸化膜中に窒素を導入する手法として、プラズマ窒化プロセスが提案されている。この手法は次のようなものである。
シリコン基板を熱酸化することにより、該シリコン基板の表面にシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜を形成する。次いで、このゲート酸化膜に窒素を導入する。具体的には、ゲート酸化膜の上方でプラズマを形成し、そのプラズマによってＮラジカル及び窒素イオンを発生させ、このＮラジカル及び窒素イオンによってゲート酸化膜を窒化するものである。この後、ゲート電極、ソースおよびドレイン領域の拡散層などを形成することによりトランジスタを作製する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述したプラズマ窒化プロセスでは、ゲート酸化膜の表面が窒化されると共にゲート酸化膜とシリコン基板との界面が窒化される。このため、ゲート酸化膜の窒化される部分を制御することが非常に困難であった。つまり、ゲート酸化膜の表面のみを窒化すること、ゲート酸化膜とシリコン基板との界面を窒化することを制御することは困難であった。
【０００５】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、シリコン酸化膜を窒化する部分を制御できる半導体製造装置、半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る半導体製造装置は、シリコン酸化膜を窒化する装置であって、
前記シリコン酸化膜を載置するステージと、
前記ステージを収容する反応室と、
前記ステージに対向するように配置され、プラズマを発生させるプラズマソースと、
前記反応室内に窒素ガスを導入する窒素ガス導入機構と、
前記ステージの近傍に配置され、磁場を発生させる磁場発生パーツと、
前記磁場発生パーツの近傍に配置された排気口と、を具備し、
前記プラズマを用いて前記窒素ガスを窒素ラジカルと窒素イオンとし、前記磁場によって前記窒素イオンを前記磁場発生パーツに引き寄せて前記排気口から排気し、前記窒素ラジカルを前記シリコン酸化膜に導入する。
【０００７】
上記半導体製造装置によれば、窒素イオンを除去した窒素ラジカルをシリコン酸化膜に導入することにより、シリコン酸化膜の表面のみを窒化すること又はシリコン酸化膜の表面を主に窒化することが可能となる。窒素ラジカルはシリコン酸化膜の表面を窒化する作用を有するからである。このようにしてシリコン酸化膜を窒化する部分を制御することができる。
【０００８】
本発明に係る半導体製造装置は、シリコン酸化膜を窒化する装置であって、
前記シリコン酸化膜を載置するステージと、
前記ステージを収容する反応室と、
前記ステージに対向するように配置され、プラズマを発生させるプラズマソースと、
前記反応室内に窒素ガスを導入する窒素ガス導入機構と、
前記ステージの近傍に配置された排気口と、
前記ステージの近傍に配置され、前記プラズマソースに対して逆側に配置され、磁場を発生させる磁場発生パーツと、を具備し、
前記プラズマを用いて前記窒素ガスを窒素ラジカルと窒素イオンとし、前記窒素ラジカルを前記排気口から排気し、前記磁場によって前記窒素イオンを前記シリコン酸化膜に引き寄せて導入する。
【０００９】
上記半導体製造装置よれば、窒素ラジカルを除去した窒素イオンをシリコン酸化膜に導入することにより、シリコン酸化膜と下地との界面のみを窒化すること又はシリコン酸化膜と下地との界面を主に窒化することが可能となる。窒素イオンはシリコン酸化膜と下地との界面を窒化する作用を有するからである。窒素ラジカルはシリコン酸化膜の表面を窒化する作用を有するが、窒素ラジカルの大部分を除去しているため、ゲート酸化膜の表面の窒化を抑制することができる。このようにしてシリコン酸化膜を窒化する部分を制御することができる。
【００１０】
また、本発明に係る半導体製造装置において、前記シリコン酸化膜は、半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜であることが好ましい。
また、本発明に係る半導体製造装置においては、前記プラズマソースに巻かれたコイルと、前記コイルに接続されたＲＦ電源と、をさらに具備することも可能である。
また、本発明に係る半導体製造装置においては、前記排気口に繋げられた排気ポンプをさらに具備することも可能である。
【００１１】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、プラズマを用いて窒素ガスを窒素ラジカルと窒素イオンとし、磁場によって前記窒素イオンを除去し、前記窒素ラジカルをシリコン酸化膜に導入することにより、前記シリコン酸化膜の表面を窒化するものである。
【００１２】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面にシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜を形成する工程と、
プラズマを用いて窒素ガスを窒素ラジカルと窒素イオンとし、磁場によって前記窒素イオンを除去し、前記窒素ラジカルを前記ゲート酸化膜に導入することにより、前記ゲート酸化膜の表面を窒化する工程と、を具備する。
【００１３】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面にシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜を形成する工程と、
プラズマを用いて窒素ガスを窒素ラジカルと窒素イオンとし、排気機構によって前記窒素ラジカルを除去し、前記窒素イオンを磁場によって前記ゲート酸化膜に引き寄せて導入することにより、前記ゲート酸化膜と前記半導体基板との界面を窒化する工程と、を具備する。
【００１４】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法においては、前記窒化する工程の後に、ゲート電極、ソース領域及びドレイン領域の拡散層を形成する工程をさらに具備することも可能である。
本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜を有し、前記ゲート酸化膜の表面が、前記ゲート酸化膜と前記半導体基板との界面に比べて多く窒化されている。
【００１５】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜を有し、前記ゲート酸化膜と前記半導体基板との界面が、前記ゲート酸化膜の表面に比べて多く窒化されている。
本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜と、
前記ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極と、
前記半導体基板のソース領域及びドレイン領域に形成された不純物拡散層と、を具備し、
前記ゲート酸化膜の表面が、前記ゲート酸化膜と前記半導体基板との界面に比べて多く窒化されている。
【００１６】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜と、
前記ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極と、
前記半導体基板のソース領域及びドレイン領域に形成された不純物拡散層と、を具備し、
前記ゲート酸化膜と前記半導体基板との界面が、前記ゲート酸化膜の表面に比べて多く窒化されている。
【００１７】
【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。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による半導体製造装置を模式的に示す断面図である。この半導体製造装置はゲート酸化膜の表面を窒化する装置である。
【００１８】
この半導体製造装置は反応室１を有しており、この反応室１内にはウエハ２を載置して固定するステージ３が配置されている。ステージ３はＲＦマッチングボックス４に接続されており、ＲＦマッチングボックス４はＲＦ電源５に接続されている。また、ステージ３の周囲の上方には磁場発生パーツ６が配置されている。磁場発生パーツ６は、磁場を発生させるものであれば種々のものを用いることが可能である。反応室１には排気口７が設けられており、この排気口７は磁場発生パーツ６の近傍に位置している。また、ウエハの上方において均等に排気されるように、排気口７は複数設けられていても良い。排気口７は、排気ポンプ（図示せず）に繋げられており、イオン成分を排気するものである。
【００１９】
ステージ３及び磁場発生パーツ６の上方にはガス導入部８が配置されており、このガス導入部８によって窒素ガス等を反応室に導入するようになっている。ガス導入部８には図示せぬ窒素ガス等のボンベが接続されており、このボンベ及びガス導入部などによりガス導入機構が構成されている。ガス導入部８の上にはプラズマソース９が配置されており、プラズマソース９にはコイル１０が巻かれている。コイル１０にはＲＦマッチングボックス１１が接続されており、ＲＦマッチングボックス１１はＲＦ電源１２に接続されている。
【００２０】
次に、上記半導体製造装置を用いてゲート酸化膜の表面を窒化する方法について図２を参照しつつ説明する。
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明する断面図である。
まず、シリコン基板２の表面上に熱酸化法によりシリコン酸化膜（図示せず）を形成し、このシリコン酸化膜上にＣＶＤ法により図示せぬシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を堆積する。
【００２１】
次いで、シリコン窒化膜上にフォトレジスト膜（図示せず）を塗布し、このフォトレジスト膜を露光、現像することにより、シリコン窒化膜上にはトレンチ形成領域の上方が開口されたレジストパターンが形成される。次いで、このレジストパターンをマスクとしてシリコン窒化膜を選択的にエッチング除去した後、シリコン酸化膜を選択的にエッチング除去する。これにより、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜には開口部が形成され、この開口部下のシリコン基板２の表面が露出する。その後、レジストパターンを剥離する。
【００２２】
次に、シリコン窒化膜をマスクとしてシリコン基板２を選択的にエッチングすることにより、シリコン基板２にはトレンチが形成される。この際のエッチング条件は、Ｃｌ_２とＯ_２を用いたＩＣＰ方式の異方性エッチングである。次いで、トレンチ内及びシリコン窒化膜上にプラズマＣＶＤ法により素子分離用のシリコン酸化膜を堆積する。
【００２３】
この後、図２（Ａ）に示すように、シリコン窒化膜を研磨ストッパーとしてシリコン酸化膜をＣＭＰ技術により研磨することにより、トレンチ内にはトレンチ素子分離膜１４ａ，１４ｂが形成される。次いで、素子分離幕１４ａ，１４ｂの相互間に露出するシリコン基板２の表面に熱酸化法によりゲート酸化膜１５を形成する。
【００２４】
次に、図２（Ｂ）に示すように、ゲート酸化膜１５の表面を窒化する。つまり、ゲート酸化膜１５の表面が該ゲート酸化膜１５とシリコン基板２との界面に比べて多く窒化される。この際、図１に示す半導体製造装置を用いる。
すなわち、図２（Ａ）に示す状態のシリコン基板２を図１に示すステージ３上に載置して固定する。このステージ３を反応室１内に挿入し、所定の位置に設置する。次いで、反応室１の内部を真空引きし、ＲＦ電源１２によりＲＦマッチングボックス１１を介してコイル１０にＲＦ電圧を印加すると共に、ＲＦ電源５によりＲＦマッチングボックス４、ステージ３を介してシリコン基板２に印加し、ガス導入部８から窒素ガスを導入し、プラズマソース９から発生させたプラズマにより前記窒素ガスを窒素ラジカル１３及び窒素イオン１６とする。これらの窒素ラジカル１３及び窒素イオン１６はシリコン基板２上のゲート酸化膜に導入される。この際、磁場発生パーツ６により磁場を発生させることにより、大部分の窒素イオン１６を磁場発生パーツ６の側に引き寄せ、排気ポンプにより排気口７から排気する。従って、ゲート酸化膜には窒素ラジカル１３が導入され、窒素ラジカル１３によってゲート酸化膜の表面が窒化される。
【００２５】
この後、図２（Ｃ）に示すように、ゲート酸化膜１５上にゲート電極１７を形成し、このゲート電極１７をマスクとしてシリコン基板２に不純物イオンをイオン注入し、熱処理を施すことにより、シリコン基板２のソース領域およびドレイン領域には不純物拡散層１８，１９が形成される。このようにしてトランジスタが作製される。
【００２６】
尚、磁場発生パーツ６により発生させる磁場の強さを制御することによって、ゲート酸化膜に導入される窒素イオン１６の量を制御することができる。本実施の形態では、反応室１内で発生させた窒素イオン１６の一部を磁場発生パーツ６及び排気口７により除去することが好ましい。
【００２７】
上記実施の形態１によれば、ゲート酸化膜１５に窒素イオン１６を除去した窒素ラジカル１３を導入することにより、ゲート酸化膜１５の表面のみを窒化すること又はゲート酸化膜１５の表面を主に窒化することが可能となる。窒素ラジカル１３はゲート酸化膜の表面を窒化する作用を有するからである。窒素イオン１６はゲート酸化膜１５とシリコン基板２との界面を窒化する作用を有するが、窒素イオン１６の大部分を除去しているため、ゲート酸化膜とシリコン基板との界面の窒化を抑制することができる。また、このようにゲート酸化膜を窒化することにより、ゲートリーク電流の抑制及びゲート電極１７からの不純物の浸透の抑制が可能となる。
【００２８】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２による半導体製造装置を模式的に示す断面図であり、図１と同一部分には同一符号を付し、異なる部分についてのみ説明する。この半導体製造装置はゲート酸化膜とシリコン基板との界面を窒化する装置である。
【００２９】
図３の半導体製造装置において実施の形態１と異なるのは、磁場発生パーツ６の位置である。すなわち、磁場発生パーツ６はステージ３の下方に配置されている。
以下に、上記半導体製造装置を用いてゲート酸化膜とシリコン基板との界面を窒化する方法について説明する。
【００３０】
実施の形態１と同様の方法でシリコン基板にトレンチ素子分離膜及びゲート酸化膜を形成する。この後、ゲート酸化膜とシリコン基板との界面を窒化する。つまり、ゲート酸化膜とシリコン基板との界面が該ゲート酸化膜の表面に比べて多く窒化される。
【００３１】
すなわち、シリコン基板２を図３に示すステージ３上に載置して固定する。このステージ３を反応室１内に挿入し、所定の位置に設置する。次いで、反応室１の内部を真空引きし、ＲＦ電源１２によりＲＦマッチングボックス１１を介してコイル１０にＲＦ電圧を印加すると共に、ＲＦ電源５によりＲＦマッチングボックス４、ステージ３を介してシリコン基板２に印加し、ガス導入部８から窒素ガスを導入し、プラズマソース９から発生させたプラズマにより前記窒素ガスを窒素ラジカル１３及び窒素イオン１６とする。これらの窒素ラジカル１３及び窒素イオン１６はシリコン基板２上のゲート酸化膜に導入される。この際、排気ポンプにより大部分の窒素ラジカル１３を排気口７から排気しながら、磁場発生パーツ６により磁場を発生させることにより、大部分の窒素イオン１６をシリコン基板２に引き寄せて導入する。これにより、ゲート酸化膜とシリコン基板との界面が窒化される。
【００３２】
この後は、実施の形態１と同様に、ゲート酸化膜上にゲート電極を形成し、このゲート電極をマスクとしてシリコン基板に不純物イオンをイオン注入し、熱処理を施すことにより、シリコン基板のソース領域およびドレイン領域には不純物拡散層が形成される。このようにしてトランジスタが作製される。
【００３３】
尚、排気ポンプにより排気口から排気する強さを制御することによって、ゲート酸化膜に導入される窒素ラジカル１３の量を制御することができる。本実施の形態では、反応室１内で発生させた窒素ラジカル１６の一部を排気口７により除去することが好ましい。
【００３４】
上記実施の形態２によれば、ゲート酸化膜に窒素ラジカル１３を除去した窒素イオン１６を導入することにより、ゲート酸化膜とシリコン基板との界面のみを窒化すること又はゲート酸化膜とシリコン基板との界面を主に窒化することが可能となる。窒素イオン１６はゲート酸化膜とシリコン基板との界面を窒化する作用を有するからである。窒素ラジカル１３はゲート酸化膜１５の表面を窒化する作用を有するが、窒素ラジカル１３の大部分を除去しているため、ゲート酸化膜の表面の窒化を抑制することができる。
【００３５】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１による半導体製造装置を模式的に示す断面図。
【図２】実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明する断面図。
【図３】実施の形態２による半導体製造装置を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１…反応室、２…ウエハ（シリコン基板）、３…ステージ、４…ＲＦマッチングボックス、５…ＲＦ電源、６…磁場発生パーツ、７…排気口、８…ガス導入部、９…プラズマソース、１０…コイル、１１…ＲＦマッチングボックス、１２…ＲＦ電源、１３…窒素ラジカル、１４ａ，１４ｂ…トレンチ素子分離膜、１５…ゲート酸化膜、１６…窒素イオン、１７…ゲート電極、１８，１９…不純物拡散層

Claims

シリコン酸化膜を窒化する装置であって、
前記シリコン酸化膜を載置するステージと、
前記ステージを収容する反応室と、
前記ステージに対向するように配置され、プラズマを発生させるプラズマソースと、
前記反応室内に窒素ガスを導入する窒素ガス導入機構と、
前記ステージの近傍に配置され、磁場を発生させる磁場発生パーツと、
前記磁場発生パーツの近傍に配置された排気口と、を具備し、
前記プラズマを用いて前記窒素ガスを窒素ラジカルと窒素イオンとし、前記磁場によって前記窒素イオンを前記磁場発生パーツに引き寄せて前記排気口から排気し、前記窒素ラジカルを前記シリコン酸化膜に導入する半導体製造装置。
シリコン酸化膜を窒化する装置であって、
前記シリコン酸化膜を載置するステージと、
前記ステージを収容する反応室と、
前記ステージに対向するように配置され、プラズマを発生させるプラズマソースと、
前記反応室内に窒素ガスを導入する窒素ガス導入機構と、
前記ステージの近傍に配置された排気口と、
前記ステージの近傍に配置され、前記プラズマソースに対して逆側に配置され、磁場を発生させる磁場発生パーツと、を具備し、
前記プラズマを用いて前記窒素ガスを窒素ラジカルと窒素イオンとし、前記窒素ラジカルを前記排気口から排気し、前記磁場によって前記窒素イオンを前記シリコン酸化膜に引き寄せて導入する半導体製造装置。
前記シリコン酸化膜は、半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜である請求項１又は２に記載の半導体製造装置。
前記プラズマソースに巻かれたコイルと、前記コイルに接続されたＲＦ電源と、をさらに具備する請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の半導体製造装置。
前記排気口に繋げられた排気ポンプをさらに具備する請求項１〜４のうちいずれか１に項記載の半導体製造装置。
プラズマを用いて窒素ガスを窒素ラジカルと窒素イオンとし、磁場によって前記窒素イオンを除去し、前記窒素ラジカルをシリコン酸化膜に導入することにより、前記シリコン酸化膜の表面を窒化する半導体装置の製造方法。
半導体基板の表面にシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜を形成する工程と、
プラズマを用いて窒素ガスを窒素ラジカルと窒素イオンとし、磁場によって前記窒素イオンを除去し、前記窒素ラジカルを前記ゲート酸化膜に導入することにより、前記ゲート酸化膜の表面を窒化する工程と、を具備する半導体装置の製造方法。
半導体基板の表面にシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜を形成する工程と、
プラズマを用いて窒素ガスを窒素ラジカルと窒素イオンとし、排気機構によって前記窒素ラジカルを除去し、前記窒素イオンを磁場によって前記ゲート酸化膜に引き寄せて導入することにより、前記ゲート酸化膜と前記半導体基板との界面を窒化する工程と、を具備する半導体装置の製造方法。
前記窒化する工程の後に、ゲート電極、ソース領域及びドレイン領域の拡散層を形成する工程をさらに具備する請求項７又は８に記載の半導体装置の製造方法。
半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜を有し、前記ゲート酸化膜の表面が、前記ゲート酸化膜と前記半導体基板との界面に比べて多く窒化されている半導体装置。
半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜を有し、前記ゲート酸化膜と前記半導体基板との界面が、前記ゲート酸化膜の表面に比べて多く窒化されている半導体装置。
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜と、
前記ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極と、
前記半導体基板のソース領域及びドレイン領域に形成された不純物拡散層と、を具備し、
前記ゲート酸化膜の表面が、前記ゲート酸化膜と前記半導体基板との界面に比べて多く窒化されている半導体装置。
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜と、
前記ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極と、
前記半導体基板のソース領域及びドレイン領域に形成された不純物拡散層と、を具備し、
前記ゲート酸化膜と前記半導体基板との界面が、前記ゲート酸化膜の表面に比べて多く窒化されている半導体装置。