JP2005302892A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリコン窒化膜中における窒素と水素の結合量の低減を可能にする。
【解決手段】 ＭＩＳＦＥＴのシリコン層４、ソース・ドレイン拡散層６上のシリサイド層７とサイドウォール絶縁膜５を被覆する中途段階の膜厚の高品質保護絶縁膜８ａ上に、触媒ＣＶＤにより膜厚が１ｎｍ〜５ｎｍのシリコン窒化薄膜層１４を堆積させ、次に、プラズマ励起あるいは加熱した触媒体で生成した窒素、水素の活性種あるいはＮＨ、ＮＨ_２のような窒素と水素の結合した活性種すなわち解離用活性種１５を上記シリコン窒化薄膜層１４に照射し、上記シリコン窒化薄膜層１４のＮ−Ｈ結合を解離し水素を離脱させ高品質保護絶縁層１６に改質する。そして、シリコン窒化薄膜層１４の堆積と解離用活性種１５の水素解離を繰り返して所望膜厚のシリコン窒化膜から成る高品質保護絶縁膜８を形成する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に係り、詳しくは、シリコン窒化膜により被覆された半導体素子を有する半導体装置及びその製造方法に関する。

半導体装置の素子の微細化、半導体装置の高集積化あるいは高密度化はこれまで精力的に進められている。そして、近年、半導体装置の高性能化を図るために、上記素子の設計基準が６５ｎｍになる微細なＭＩＳＦＥＴのゲート電極、ソース・ドレイン拡散層にニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ）層を形成する検討が精力的に行われている。この場合、このＮｉＳｉ層は、通常いわゆるサリサイド技術で形成するが、５００℃以上の熱処理でＮｉＳｉ_２層に相転移し高抵抗になってしまうために、半導体装置の製造工程において、このＮｉＳｉ層を形成した後の熱プロセスは５００℃以下の低温化が必須になってくる。

一方、上記半導体装置の高集積化あるいは高密度化においては、いわゆる自己整合型コンタクト構造（以下、ＳＡＣ構造と呼称する）が必須であり、ＳＡＣ構造を形成するためにはシリコン窒化膜がエッチングストッパ膜として必要になる。その他、このシリコン窒化膜は、半導体装置において不揮発性メモリに用いる強誘電体膜から成る素子を水素から保護する保護膜として、あるいは、銅等の重金属が半導体素子へ侵入するのを防止する阻止膜として、半導体装置で種々に多用される絶縁材料である。

図８は、典型的な上記ＳＡＣ構造を備えるＭＩＳＦＥＴが形成された半導体装置の一部断面図である。図８に示すように、シリコン基板１０１表面の所定の領域にＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）の素子分離領域１０２が形成され、二酸化シリコン膜厚換算で２ｎｍ程度の酸窒化膜によりゲート絶縁膜１０３が形成され、その上に例えばｐ型シリコン（Ｓｉ）ゲート電極１０４が形成される。そして、ｐ型Ｓｉゲート電極１０４の側壁にサイドウォール絶縁膜１０５が形成され、エクステンション領域を持つソース・ドレイン拡散層１０６、上記ｐ型Ｓｉゲート電極１０４およびソース・ドレイン拡散層１０６の表面にサリサイド技術によるＮｉＳｉ層１０７が形成される。

そして、全面にシリコン窒化膜１０８、低誘電体絶縁膜で成る第１層間絶縁膜１０９が積層して堆積され、その表面が化学機械研磨（ＣＭＰ）で平坦化され、ドライエッチングによりコンタクト孔１１０が設けられる。ここで、シリコン窒化膜１０８は、ＮｉＳｉ層１０７およびサイドウォール絶縁膜１０５を上記ドライエッチングから保護し、いわゆるエッチングストッパとして機能する。

以後は、周知の技術で、高融点金属等でコンタクト孔１１０にコンタクトプラグ１１０が充填され、それに接続する配線層１１２が形成され第２層間絶縁膜１１３が形成される。

上記半導体装置の製造においては、上述したようにシリコン窒化膜の成膜温度の低温化が強く望まれる。これまで、シリコン窒化膜の成膜方法としては、原料ガスにシラン（ＳｉＨ_４）ガスとアンモニア（ＮＨ_３）ガスあるいは水素（Ｈ_２）ガスを用いた化学気相成長（ＣＶＤ）法が周知であり、そして多用されている。しかし、その中の熱ＣＶＤ法は成膜温度７００〜８００℃を必要しその低温化が困難である。また、原料ガスをプラズマ励起するＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）法は、上記低温化は容易であるが、成膜したシリコン窒化膜中に水素原子が多量に結合して取り込まれ、微細なＭＩＳＦＥＴの長期信頼性を著しく低下させるという問題が生じる。このように、成膜温度の低温化と膜中の水素量の低減とは両立し難いものであった。

そこで、最近は、成膜の低温化が容易であり上記ＰＥＣＶＤ法よりも水素量の低減化が可能となる触媒ＣＶＤ法（例えば、特許文献１参照）が取り上げられその展開が種々に検討されている。
特開昭６３−４０３１４号公報

これまで、上記シリコン窒化膜中に含まれる上記水素が微細なＭＩＳＦＥＴの長期信頼性に及ぼす影響について、特にＮＢＴＩ（Negative Bias Temperature Instability）法により検討されてきた。ここで、微細なＭＩＳＦＥＴでは、上述したように、ゲート絶縁膜は二酸化シリコン膜厚換算で２ｎｍ程度になり、通常は酸窒化膜、金属シリケート膜あるいは金属酸化膜で構成されている。そして、例えば、文献、２００１年 ヴイ・エル・エス・アイ シンポジウム（VLSI Symposium 2001 Technical Digest）P１０３に示されたK.Ichinoseらによる研究調査結果報告に見られるように、上記ＳＡＣ構造に用いるシリコン窒化膜中でＳｉ−Ｈ結合をしている水素が、ＭＩＳＦＥＴの閾値を変動（負方向）させ長期信頼性に最も強い影響を有するとされている。

そこで、上記シリコン窒化膜の成膜においてＳｉ−Ｈ結合量を低減させる手法が種々に試みられている。しかし、上記低温の成膜が可能になる触媒ＣＶＤ法でシリコン窒化膜を成膜し、ＭＩＳＦＥＴのＳＡＣ構造を形成する場合に、上述したような微細なＭＩＳＦＥＴ、その中でも特にｐチャネルＭＩＳＦＥＴにおいて長期信頼性を保証する半導体装置の製造は実現できていない。

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、例えばＳＡＣ構造のようにシリコン窒化膜を備えた半導体装置において、上記シリコン窒化膜中における水素の結合状態の制御とその量の低減を可能にして、半導体素子の長期信頼性を高くして高性能の半導体装置を提供することを目的とする。

これまで、上述したようにＳＡＣ構造の形成に用いられるシリコン窒化膜中のＳｉ−Ｈの結合状態にある水素が、ＭＩＳＦＥＴの閾値を変動させ長期信頼性にもっとも強い影響を有するとされていた。これに対して、本発明者は、シリコン窒化膜成膜におけるＳｉ−Ｈの結合量の低減は長期信頼性の改善にそれほど寄与せず、むしろシリコン窒化膜成膜でＮ−Ｈの結合状態にある水素が、ＭＩＳＦＥＴの長期信頼性に大きく影響してくることを初めて見出した。本発明は、上記新知見に基づいてなされたものである。

すなわち、上記課題を解決するために、半導体装置の製造方法にかかる第１の発明は、加熱した触媒体に原料ガスを作用させて成膜する触媒ＣＶＤ法を用い半導体基板上にシリコン窒化膜を形成する半導体装置の製造方法において、前記触媒ＣＶＤにより所定の膜厚のシリコン窒化膜を堆積させる工程と、該堆積後に前記所定の膜厚のシリコン窒化膜に、窒素、水素の活性種あるいは窒素と水素が化学結合した活性種を曝露する工程と、を有し所望のシリコン窒化膜を前記半導体基板上に成膜するという構成を有している。

そして、前記活性種の暴露により、前記所定の膜厚のシリコン窒化膜に存在する窒素原子と水素原子が化学結合したＮ−Ｈ結合を解離し、前記所定の膜厚のシリコン窒化膜から水素原子を除去するものである。

上記発明において、前記所定の膜厚のシリコン窒化膜は、原料ガスにＳｉＨ_４ガスとＮＨ_３ガスを含む混合ガスを用いて堆積される。また、前記活性種は、Ｎ_２、Ｈ_２、ＮＨ_３、Ｎ_２Ｈ_２、Ｎ_２Ｈ_４ガスからなる群より選ばれた原料ガスをプラズマ励起あるいは上記加熱した触媒体による励起で生成される。

上記発明において、前記プラズマ励起は、ヘリコン波プラズマ、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマあるいはＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）プラズマでなされる。

上記発明において、前記所定の膜厚のシリコン窒化膜は１〜５ｎｍ範囲の膜厚にすることが好ましい。

そして、第２の発明は、シリコン窒化膜が形成されている半導体装置であって、前記シリコン窒化膜に含まれる窒素と水素の化学結合したＮ−Ｈ結合の濃度が２．５×１０^２１個／ｃｍ^３以下であるという構成を有している。

上記発明において、シリコン窒化膜は上記第１の発明の半導体装置の製造方法を用いて形成することが好ましい。

上記発明において、前記シリコン窒化膜は、絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）を被覆し、前記ＭＩＳＦＥＴのソース・ドレイン領域の自己整合型コンタクト構造を形成している。また、前記ＭＩＳＦＥＴのゲート電極表面あるいはソース・ドレイン領域表面にシリサイド層としてＮｉＳｉ層が形成されている。

本発明の構成によれば、シリコン窒化膜を備えた半導体装置において、上記シリコン窒化膜中におけるＮ−Ｈの結合の量が低減し、高い長期信頼性を有し高性能になる半導体装置が再現性よくしかも簡便に製造できる。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかるＳＡＣ構造を有する半導体装置の一部断面図である。

図１では、従来の技術で説明した図８におけるシリコン窒化膜１０８と異なり、後述するＮ−Ｈの結合量を制御し低減させたシリコン窒化膜が設けられている。図１に示すように、シリコン基板１の所定の領域にＳＴＩの素子分離領域２が形成され、酸窒化膜でゲート絶縁膜３が形成され、その上にチャネル方向の寸法が６５ｎｍのｐ型あるいはｎ型のシリコン層４が形成される。そして、シリコン層４の側壁にサイドウォール絶縁膜５が形成され、シリコン基板１表面に設けたソース・ドレイン拡散層６と上記シリコン層４の表面にＮｉＳｉ層７が形成される。

そして、全面に後述するところの変調成膜の手法を用いた触媒ＣＶＤ法により膜厚５０ｎｍ程度のシリコン窒化膜を成膜し、本発明の高品質保護絶縁膜８が形成される。ここで、高品質保護絶縁膜８中のＮ−Ｈの結合量は、２．５×１０^２１個／ｃｍ^３以下になるように制御して形成される。上述したように、シリコン窒化膜成膜における膜中のＮ−Ｈの結合量が非常に重要になってくる。以下に、本発明の基礎になる本発明者らの試行実験の結果を開示して説明する。

上記シリコン窒化膜の成膜において、ＭＩＳＦＥＴ製造の各種の熱プロセスを経て最終的に出来上がったＭＩＳＦＥＴの長期信頼性の改善効果を最大限に得るためには、上記成膜時におけるＮ−Ｈの結合量を制御することが最も重要となる。これについて図２、３を参照して説明する。ここで、発明者らは、図２に示すｐチャネルＭＩＳＦＥＴ上に種々の成膜手法でシリコン窒化膜を成膜し、出来上がった上記ＭＩＳＦＥＴをＮＢＴＩ法で評価した。図３はその結果の一部である。評価したｐチャネルＭＩＳＦＥＴ構造は、図２に示すように単体ＭＩＳＦＥＴであり、ｎ型シリコン基板２１表面に酸窒化膜であるゲート絶縁膜２２、ｐ型Ｓｉゲート電極２３、サイドウォール絶縁膜２４、ソース・ドレイン拡散層２５を有し、ＭＩＳＦＥＴ上に種々の成膜手法で堆積したシリコン窒化膜２６が形成され、図１で説明したような層間絶縁膜、ＭＩＳＦＥＴの電極（不図示）が設けてある。

ここで、ＮＢＴＩ法による長期信頼性の評価は標準の加速試験条件（温度１２５℃、バイアス電圧−１．５Ｖ、−１．８Ｖ、−２．０Ｖの３条件）で行い、通常の動作の場合にＭＩＳＦＥＴの閾値のシフト量が３０ｍＶ変動する時間を外挿法で求めＭＩＳＦＥＴのトランジスタ寿命とした。図３の縦軸は上記トランジスタ寿命であり、横軸にはシリコン窒化膜２６の成膜時のＮ−Ｈ結合濃度（量）を示す。ここで、Ｎ−Ｈ結合量は、シリコン窒化膜の成膜においてモニター用のシリコン基板全面にベタに堆積したサンプルを赤外吸収法（ＦＴＩＲ）で計測し定量化して求めている。

図３の●印のＡは、本発明の成膜方法で形成したシリコン窒化膜２６の場合である。この成膜方法は、その詳細は後述するが、触媒ＣＶＤ法を改良したもので成膜ガスあるいは成膜の電力に変調を加えるものである。●印のＢ、Ｃ、Ｄは上述した通常の触媒ＣＶＤ法で形成したシリコン窒化膜２６の場合である。ここでは、成膜ガスの圧力、成膜温度の成膜条件で異なっている。そして、●印のＥはＰＥＣＶＤ法で形成したシリコン窒化膜の場合である。図３から明らかなように、シリコン窒化膜の成膜方法によらず、トランジスタ寿命はＮ−Ｈ結合量が減少すると共に急激に増大する。そして、Ｎ−Ｈ結合量が２．５×１０^２１個／ｃｍ^３以下になると、半導体製品の品質規格の１つである５年寿命が初めて可能になることが判る。

なお、上記のシリコン窒化膜の成膜において膜中にＳｉ−Ｈ結合も生じる。この場合、５×１０^２１個／ｃｍ^３以上の形成が見られたが、このＳｉ−Ｈ結合量は上記長期信頼性の評価に大きな影響はなかった。このＳｉ−Ｈ結合した水素は、上述したＭＩＳＦＥＴ製造での上記シリコン窒化膜の成膜後の各種の熱プロセス（５００℃以下）において熱解離し、ＭＩＳＦＥＴ領域から除去されるためと思われる。これに対して、Ｎ−Ｈ結合は、Ｓｉ−Ｈ結合よりも結合エネルギーすなわち解離エネルギーが大きくＭＩＳＦＥＴ製造後もシリコン窒化膜中に在り、上記ＮＢＴＩ法による長期信頼性において閾値シフトを生じさせる。なお、この閾値シフトはｐチャネルＭＩＳＦＥＴで顕著であり、ｎチャネルＭＩＳＦＥＴでは余り問題にならない。これは、微細なＭＩＳＦＥＴにおいて極薄のゲート絶縁膜（二酸化シリコン換算膜厚で２ｎｍ程度になる）に酸窒化膜が使用されるようになってきたことに関係しており、シリコン基板とゲート絶縁膜の界面に形成され、シリコン基板のミッドギャップとコンダクションバンドの間に準位をもつドナータイプの界面準位に関係するからである。

以上に説明したように、本発明では、図１の高品質保護絶縁膜８中のＮ−Ｈの結合量は、２．５×１０^２１個／ｃｍ^３以下にすることが好ましい。

以後は、上記高品質保護絶縁膜８を被覆するように全面に低誘電体絶縁膜で成る第１層間絶縁膜９が積層して堆積され、ＣＭＰでその表面が平坦化され、ドライエッチングによりコンタクト孔１０が設けられる。ここで、高品質保護絶縁膜８は、ＮｉＳｉ層７およびサイドウォール絶縁膜５を上記ドライエッチングから保護しいわゆるエッチングストッパとして機能する。以後は、高融点金属等でコンタクト孔１０にコンタクトプラグ１１が充填され、それに接続する配線層１２が形成され第２層間絶縁膜１３が形成される。

このようにすることで、本実施の形態のＳＡＣ構造を備え、微細なＭＩＳＦＥＴを含んで構成された半導体装置において、その高い長期信頼性および高性能あるいは高機能性が再現性よく達成される。

次に、本発明の半導体装置の製造方法について、図４〜７を参照して説明する。図４は、上述した触媒ＣＶＤ法を改良したシリコン窒化膜の成膜に用いた触媒ＣＶＤ装置の模式的な略断面図である。この場合の成膜方法の特徴は、成膜ガスあるいは成膜の電力に変調を加えるところにある。図５は上記変調成膜における工程別素子断面図であり、図６は変調成膜の第１の例を示す成膜のタイムシーケンスであり、図７はその第２の例を示すタイムシーケンスである。

図４に示すように、触媒ＣＶＤ装置３０は、その基本構造として、表面がアルマイト処理されたアルミニウムから成る円筒形状に成形されたチャンバ３１、チャンバ３１内の底部に取り付けられた基板支持ステージ３２、チャンバ３１内で基板支持ステージ３２の直上で高さ１００ｍｍ程度のところに触媒体として水平に備えられた２本の直線状の金属線３３、チャンバー３１の上部に取り付けられたプラズマ発生部３４、そして原料ガスとして使用するＮＨ_３ガス、Ｎ_２ガス、Ｈ_２ガス、Ｎ_２Ｈ_４ガス、ＳｉＨ_４ガス、あるいは不活性ガスのガス供給系３５と反応後の処理ガスをチャンバ３１外に排出する排気系３６を備える。ここで、プラズマ発生部３４には、ヘリコン波プラズマ源、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ源、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）プラズマ源のような装置が取り付けられて、高密度プラズマ（ＨＤＰ）を発生させるようになっている。また、原料ガスの触媒体となる金属線３３はタングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）等で成る。そして、被処理基板であるウエハ３７は、基板支持ステージ３２に載置され基板加熱系３８で所定の温度にされ、そして一定速度の回転を受ける。そして、ガス導入口３９より上記原料ガスが選択されてプラズマ発生部３４あるいはチャンバ３１内に導入され、後述する処理を受けた処理ガスはガス排出口４０から排気系３６によりチャンバ３１外に排出される。

次に、本発明の変調成膜の第１の例を図４〜６を参照して説明する。ここで、図５は、図１に示した半導体装置の製造における一工程の断面図であり、図１と同じものは同一符号でしている。

図４に示すように、触媒ＣＶＤ装置３０の基板支持ステージ３２上にシリコン基板１であるウエハ３７を載置し一定速度で回転させ、基板温度は３５０℃にする。図６に示すように、ガス供給系３５より原料ガスとしてＮＨ_３ガスとＳｉＨ_４ガスを流量比が５／１（２００ｓｃｃｍ／４０ｓｃｃｍ）になるように設定し、ガス導入口３９よりプラズマ発生部３４を通りチャンバ３１内に導入する。そして真空排気装置を有する排気系３６により真空排気しチャンバ３１のガス圧力を３０Ｐａにする。そして、図６に示すように触媒電力をオン状態にしタングステンの金属線３３に通電し触媒体温度を約１７００℃にする。ここで、例えば上記ＩＰＣのプラズマ電力はオフ状態にする。このようにして、図５（ａ）に示すように、ＭＩＳＦＥＴのゲート電極のシリコン層４およびソース・ドレイン拡散層６のシリサイド層７およびサイドウォール絶縁膜５を被覆して形成した中途段階の膜厚の高品質保護絶縁膜８ａ上に、通常の触媒ＣＶＤにより膜厚が１ｎｍ〜５ｎｍの新たなシリコン窒化薄膜層１４を積層させる。

次に、図６に示すようにＳｉＨ_４ガスにガス流量に変調を加え、ＳｉＨ_４ガスの流量を零にしてＮＨ_３ガスのみを導入する。更に、触媒電力に変調を加えてその電力を３０秒間程度オフ状態にし、代わりに、例えばＩＣＰのプラズマ電力を同上時間オン状態にする。このようにすると、ＮＨ_３ガスはプラズマ励起され、プラズマ発生部３４内において、高濃度の窒素、水素の活性種あるいはＮＨ、ＮＨ_２のように窒素と水素の結合した活性種が生成される。上記活性種は、窒素、水素そしてその化合物のイオンあるいはラジカルのことである。そして、図５（ｂ）に示すように、この解離用活性種１５が上記シリコン窒化薄膜層１４上を照射し、シリコン窒化薄膜層１４に含まれていたＮ−Ｈ結合を解離し高品質保護絶縁層１６に改質する。ここで、この解離用活性種１５は、シリコン窒化薄層１４内に入り込み、その表面だけでなくその内部のＮ−Ｈ結合を解離させて水素を上記シリコン窒化薄膜層１４から除去する。ここで、上記シリコン窒化薄膜層１４の膜厚は５ｎｍ以下が良い。膜厚が厚すぎると膜中の水素が充分に除去できなくなるからである。また、その膜厚は膜形成の生産性を考慮して１ｎｍ以上にするのが好ましい。なお、上記変調成膜によりＳｉ−Ｈ結合量も減少している。

以後、上記変調成膜によるシリコン窒化薄膜層１４の成膜と解離用活性種１５によるＮ−Ｈ結合の除去とを繰り返して、所望の膜厚の高品質保護絶縁層１６を成膜し、最終的に例えば５０ｎｍの膜厚の高品質保護絶縁膜８を形成する。

この実施の形態により、最終的に形成した高品質保護絶縁膜８中に含まれるＮ−Ｈ結合量は２．５×１０^２１個／ｃｍ^３以下に低減させることが可能になり、上述したようなＳＡＣ構造を備えた微細なＭＩＳＦＥＴを有する長期信頼性に優れた半導体装置が製造できるようになる。また、シリコン窒化膜で成る上記高品質保護絶縁膜が、簡便にしかも再現性良く半導体装置に形成できる。

次に、図４，５，７を参照して第２の例を説明する。この例は、例えば図４の触媒ＣＶＤ装置３０において上記プラズマ電力をオフ状態に保持した通常の触媒ＣＶＤ法であって、成膜ガスの流量変調のみで高品質保護絶縁膜８を形成する場合である。はじめに、図６で説明したのと同様にガス供給系３５より原料ガスとしてＮＨ_３ガスとＳｉＨ_４ガスをガス導入口３９よりプラズマ発生部３４を通りチャンバ３１内に導入する。そして排気系３６によりチャンバ３１のガス圧力を３０Ｐａにする。そして、図７に示すように触媒電力をオン状態にしタングステンの金属線３３に通電し触媒体温度を約１７００℃にする。このようにして、図５（ａ）に示したように中途段階の膜厚の高品質保護絶縁膜８ａ上に、通常の触媒ＣＶＤにより膜厚が１ｎｍ〜５ｎｍの新たなシリコン窒化薄膜層１４を積層させる。

そして、図７に示すようにシランガスにガス流量の変調を加え、１分程度の間ＳｉＨ_４ガスの流量を零にしてＮＨ_３ガス導入のみをチャンバ３１内に導入する。このようにすることで、ＮＨ_３ガスが触媒の金属線でラジカル状態に励起され、水素の活性種あるいはＮＨ、ＮＨ_２のような窒素と水素の結合した活性種が生成される。そして、この解離用活性種１５が上記シリコン窒化薄膜層１４上を照射し、第１の例と同様にして、図５（ｂ）に示すように、シリコン窒化薄膜層１４に含まれていたＮ−Ｈ結合を解離し高品質保護絶縁層１６に改質する。

以後、ガス流量の変調によるシリコン窒化薄膜層１４の成膜と解離用活性種１５によるＮ−Ｈ結合の除去とを繰り返して高品質保護絶縁層１６を成膜し、最終的に所望の膜厚の高品質保護絶縁膜８を形成する。

この実施の形態の第２の例でも、最終的に形成した高品質保護絶縁膜８中に含まれるＮ−Ｈ結合量は２．５×１０^２１個／ｃｍ^３以下にすることが可能になり、ＳＡＣ構造を備えた微細なＭＩＳＦＥＴを有する長期信頼性に優れた半導体装置が製造できる。但し、この場合は、同一膜厚の高品質保護絶縁膜の成膜時間が第１の例の場合よりも長くなるが、半導体装置の量産製造には充分に適用できるものである。

このようにして、上記実施の形態では、例えば設計基準が６５ｎｍ以下になる微細でしかも長期信頼性に優れたＭＩＳＦＥＴを有する半導体装置が低温の熱プロセス（例えば５００℃以下）で製造できるようになる。そして、高密度あるいは高集積であり高性能な半導体装置を簡便に且つ安価に、再現性良く製造することが出来るようになる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明における特徴は、触媒ＣＶＤ法での所定の薄膜のシリコン窒化膜成膜と上記薄膜中のＮ−Ｈ結合の活性種による解離とを繰り返して最終的にＮ−Ｈ結合量の少ないシリコン窒化膜を成膜することにあり、上述した実施の形態は本発明を限定するものでない。当業者においては、上記実施の形態に様々な変形・変更を施せることや、上記と同様の効果を達成するために様々な構成を採用できることが理解されよう。また、様々な技術分野の当業者において、本発明が上記実施の形態以外の用途における他の課題や適合性に対する解法を示唆していることがわかるであろう。開示目的のために本明細書に記載された実施の形態に対して本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能であり、それらの全てを特許請求の範囲でカバーすることが本出願人の意図するところである。

例えば、半導体装置において、ＭＩＳＦＥＴのような能動素子の他にも、上述したように、不揮発性メモリに用いるフラッシュＥＥＰＲＯＭ構造の能動素子、更には強誘電体膜を用いた各種のトランジスタあるいはキャパシタを水素から保護するために、これら素子の上部に位置し水素阻止材として形成するシリコン窒化膜においても本発明は全く同様にして適用できるものである。あるいは、本発明は、半導体装置のダマシン配線等に使用する銅等の重金属が半導体素子へ侵入するのを防止する阻止膜として用いるシリコン窒化膜においても同様に適用できる。

また、上記シリコン窒化薄膜層１４からの水素の解離除去においては、ＮＨ_３ガスからの活性種の生成の他にも、Ｎ_２ガス、Ｈ_２ガス、Ｎ_２Ｈ_４ガスを種々の方法で励起して活性種を生成させ、その活性種（解離用活性種）を上記シリコン窒化薄膜層１４に照射するようにしても良い。ここで、この場合の解離用活性種を照射する装置は、図４で説明したような改良型の触媒ＣＶＤ装置に限定されるものではない。

また、本発明は、ｎ型Ｓｉゲート電極を有するｐチャネルＭＩＳＦＥＴ、ｎ型あるいはｐ型Ｓｉゲート電極を有するｎチャネルＭＩＳＦＥＴの形成においても同様に適用できる。そして、実施の形態で具体的に説明したようなＭＩＳＦＥＴおよび上記ＭＩＳＦＥＴを組み合わせて本発明の半導体装置を形成することができる。

また、本発明は、シリコン基板上に半導体装置を形成する場合の他に、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板のような化合物半導体基板上にシリコン窒化膜を成膜し半導体装置を形成する場合にも同様に適用できる。

更には、液晶パネル、プラズマディスプレイパネル上にシリコン窒化膜を形成する場合でも上記シリコン窒化膜の変調成膜の手法は同様に適用できる。このように、本発明は、上記の実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、実施の形態は適宜に変更されうるものである。

本発明の実施の形態にかかるＳＡＣ構造を有する半導体装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態にかかる長期信頼性の評価に用いたＭＩＳＦＥＴの断面図である。 本発明の実施の形態にかかるＭＩＳＦＥＴの寿命とシリコン窒化膜中のＮ−Ｈ結合濃度の関係を示すグラフである。 本発明の実施の形態で使用する改良型の触媒ＣＶＤ装置の模式的な略断面図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を示す工程別素子断面図である。 本発明の実施の形態にかかるシリコン窒化膜の第１の変調成膜を示すタイムシーケンス図である。 本発明の実施の形態にかかるシリコン窒化膜の第２の変調成膜を示すタイムシーケンス図である。 従来の技術にかかるＳＡＣ構造を有する半導体装置を示す断面図である。

符号の説明

１，２１ シリコン基板
２ 素子分離領域
３，２２ ゲート絶縁膜
４ シリコン層
５，２４ サイドウォール絶縁膜
６，２５ ソース・ドレイン拡散層
７ シリサイド層
８，８ａ 高品質保護絶縁膜
９ 第１層間絶縁膜
１０ コンタクト孔
１１ コンタクトプラグ
１２ 配線層
１３ 第２層間絶縁膜
１４ シリコン窒化薄膜層
１５ 解離用活性種
１６ 高品質保護絶縁層
２３ ｐ型Ｓｉゲート電極
２６ シリコン窒化膜
３０ 触媒ＣＶＤ装置
３１ チャンバ
３２ 基板支持ステージ
３３ 金属線
３４ プラズマ発生部
３５ ガス供給系
３６ 排気系
３７ ウエハ
３８ 基板加熱系
３９ ガス導入口
４０ ガス排出口

Claims (9)

1. 加熱した触媒体に原料ガスを作用させて成膜する触媒ＣＶＤ法を用い半導体基板上にシリコン窒化膜を形成する半導体装置の製造方法において、
   前記触媒ＣＶＤにより所定の膜厚のシリコン窒化膜を堆積させる工程と、該堆積後に前記所定の膜厚のシリコン窒化膜に、窒素、水素の活性種あるいは窒素と水素が化学結合した活性種を曝露する工程と、を有し、
   所望のシリコン窒化膜を前記半導体基板上に成膜する半導体装置の製造方法。
2. 前記活性種の暴露により、前記所定の膜厚のシリコン窒化膜に存在する窒素原子と水素原子が化学結合したＮ−Ｈ結合を解離し、前記所定の膜厚のシリコン窒化膜から水素原子を除去する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記所定の膜厚のシリコン窒化膜は、原料ガスにＳｉＨ_４ガスとＮＨ_３ガスを含む混合ガスを用いて堆積される請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記活性種は、Ｎ_２、Ｈ_２、ＮＨ_３、Ｎ_２Ｈ_４ガスからなる群より選ばれた原料ガスをプラズマ励起あるいは上記加熱した触媒体による励起で生成することを特徴とする請求項１，２又は３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記プラズマ励起は、ヘリコン波プラズマ、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマあるいはＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）プラズマでなされることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記所定の膜厚は１〜５ｎｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
7. シリコン窒化膜が形成されている半導体装置であって、前記シリコン窒化膜に含まれる窒素と水素の化学結合したＮ−Ｈ結合の濃度が２．５×１０^２１個／ｃｍ^３以下であることを特徴とする半導体装置。
8. 前記シリコン窒化膜は、絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）を被覆し、前記ＭＩＳＦＥＴのソース・ドレイン領域の自己整合型コンタクト構造を形成していることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置。
9. 前記ＭＩＳＦＥＴのゲート電極表面あるいはソース・ドレイン領域表面にシリサイド層としてＮｉＳｉ層が形成されている請求項８に記載の半導体装置。
   
   

Images