JP2008218684A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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康幸 志賀
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Abstract

【課題】窒化膜の低温成膜において、成膜中に水素の除去工程を導入して、水素含有量を低減した窒化膜の提供を可能とする。
【解決手段】原子層蒸着法により被成膜面１１に窒化シリコン膜を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、前記窒化シリコン膜の形成工程は、前記被成膜面１１にシリコン原子Ｓｉを吸着させる工程と、前記被成膜面１１に活性化した水素Ｈ*を供給し、前記シリコン原子Ｓｉとともに吸着した水素原子Ｈに結合させて、前記被成膜面より前記水素を解離させる工程と、前記被成膜面１１に窒素原子Ｎを供給して前記シリコン原子Ｓｉと結合させて窒化シリコン膜を形成する工程とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子層蒸着（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法を利用した半導体装置の製造方法に関する。
トランジスタの電気特性向上のため、トランジスタ形成時のサーマルバジェットの低減が必要となっており、トランジスタのサイドウォール形成プロセスにおいても同様のことが必要となっている。すなわち、トランジスタ形成工程において高温下で処理を行うことにより、先にドーピングした不純物の拡散が特性の低下を生じさせてしまうためである。
従来、サイドウォールには、減圧ＣＶＤ法により６８０℃〜７６０℃の成膜温度下で窒化膜を成膜して適用してきた。しかし、微細化が進む中で高速駆動、低消費電力化を成し遂げるためには、低温条件で成膜することが必要となってきている。
低温条件下で窒化膜を成膜する技術としては、原子層蒸着（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法による窒化膜の成膜プロセス（例えば、特許文献１参照。）、ヘキサクロライドジシラン（ＨＣＤ）をプリカーサ（Precursor）とした窒化膜の成膜プロセス等がある。両技術は５００℃以下の低温条件で成膜することが可能であり、サイドウォールの低温化形成を満足できる技術であり、基板中の不純物拡散による性能の低下を改善することが可能である。
例えば、従来のＡＬＤ法による窒化シリコン膜の成膜では、図４（１）に示すように、被成膜面１１にシリコン原子Ｓｉを吸着させる工程を行う。次に、図４（２）に示すように、被成膜面１１に窒素原子Ｎを供給して上記シリコン原子と窒素原子とを結合させて、原子層レベルのＳｉ-Ｎ結合を形成し、窒化シリコン膜を形成する。このとき、Ｓｉ-Ｎ結合と同時にＳｉ-Ｈ、Ｎ-Ｈ結合が表層に形成することで最終的に膜中に水素を含有する。
しかも、図５に示すように、窒化膜の成膜温度を低温化した場合、窒化膜中の水素含有量が増加することが分かっている。この水素は、Ｓｉ-Ｈ、Ｎ-Ｈの結合によるものであり、この現象はＡＬＤ法による窒化膜成膜時においても同様である。膜中の水素含有量が増えた場合、膜の耐熱性の低下、トランジスタ特性の低下（ＮＢＴＩ低下等）の問題を誘発することが懸念されおり、低温での窒化膜成膜による問題点となっている。
特開２００４−３４３０１７号公報
解決しようとする問題点は、窒化膜の成膜温度を低温（例えば５００℃以下）化した場合、窒化膜中の水素含有量が増加する点である。
本発明は、窒化膜の低温成膜において、成膜中に水素の除去工程を導入して、水素含有量を低減した窒化膜の提供を可能にすることを課題とする。
請求項１に係る本発明は、原子層蒸着法により被成膜面に窒化シリコン膜を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、前記窒化シリコン膜の形成工程は、前記被成膜面にシリコン原子を吸着させる工程と、前記被成膜面に水活性化した水素を供給し、前記シリコン原子とともに吸着した水素原子に結合させて、前記被成膜面より前記水素を解離させる工程と、前記被成膜面に窒素原子を供給して前記シリコン原子と結合させて窒化シリコン膜を形成する工程とを備えたことを特徴とする。
請求項１に係る本発明では、低温成膜が可能な原子層蒸着法により、被成膜面に水活性化した水素を供給し、シリコン原子とともに吸着した水素原子に結合させて、被成膜面より水素を解離させる工程を行った後、被成膜面に窒素原子を供給してシリコン原子と結合させて窒化シリコン膜を形成する工程を行うことから、水素原子の濃度を低減させた窒化シリコン膜の成膜が可能になる。
請求項３に係る本発明は、原子層蒸着法により被成膜面に窒化シリコン膜を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、前記窒化シリコン膜の形成工程は、前記被成膜面にシリコン原子を吸着させる工程と、前記被成膜面に窒素原子を供給して前記シリコン原子と結合させて窒化シリコン膜を形成する工程と、前記被成膜面に活性化した水素を供給し、前記被成膜面に吸着した水素原子に結合させて、前記被成膜面より前記水素を解離させる工程と、を備えたことを特徴とする。
請求項３に係る本発明では、低温成膜が可能な原子層蒸着法により、被成膜面に窒素原子を供給してシリコン原子と結合させて窒化シリコン膜を形成する工程を行った後、被成膜面に活性化した水素を供給し、被成膜面に吸着した水素原子に結合させて、被成膜面より水素を解離させる工程を行うことから、窒化シリコン膜中の水素原子の濃度を低減させることが可能になる。
請求項１、３に係る本発明によれば、低温成膜による窒化膜中の水素の含有量を低減することができるので、窒化膜の耐熱性が高められる。例えばこの窒化膜をトランジスタのサイドウォールに適用した場合、成膜の低温化によるトランジスタ性能の改善、水素含有による電気特性劣化を防止が可能となる。
請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１実施例）を、図１の製造工程図によって説明する。
第１実施例は、原子層蒸着法により被成膜面に窒化シリコン膜を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法である。すなわち、上記窒化シリコン膜の形成工程は、シリコン（Ｓｉ）原子を被成膜面に吸着させた後に活性化した水素（Ｈ）を導入し、を被成膜面に吸着していた水素と結合させ、除去する。その後、ラジカル化させた窒素により被成膜面に吸着させたシリコン（Ｓｉ）を窒化させ、窒化膜を形成する。以下、具体的に説明する。
図１（１）に示すように、被成膜面１１にシリコン原子Ｓｉを吸着させる工程を行う。この工程では、被成膜面１１にシリコン系ガスを供給することにより、シリコン原子Ｓｉを吸着させる。同時に水素原子Ｈや、上記シリコン系ガスに混入した原子、例えば塩素原子Ｃｌが吸着する。このときの成膜条件は、シリコン系ガスに例えばジクロロシラン（ＤＣＳ：ＳｉＨ2Ｃｌ2）を用い、成膜温度を５００℃とした。ジクロロシランを用いたことにより、被成膜面１１には、シリコン原子Ｓｉ、水素原子Ｈ、塩素原子Ｃｌの各原子が吸着される。上記成膜温度は５００℃としたが、例えば３５０℃〜６００℃の範囲で、適宜決定することができる。
また、上記シリコン系ガスには、例えば、ジクロロシラン（ＤＣＳ：ＳｉＨ2Ｃｌ2）の他に、例えばトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ3）を用いることができる。また、モノシラン（ＳｉＨ4）、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）等のシラン系ガスを用いることも可能である。このシラン系ガスの場合、被成膜面１１には、シリコン原子Ｓｉと水素原子Ｈが吸着することになる。
次に、図１（２）に示すように、被成膜面１１に活性化した水素Ｈ*を供給する。例えば活性化した水素Ｈ*は、例えばラジカル化した水素を用いる。このとき、活性化した水素の供給量は、膜中の水素を増やすことがないように調節される必要がある。
次いで、図１（３）に示すように、上記シリコン原子Ｓｉとともに吸着した水素原子Ｈに、上記活性化した水素Ｈ*を結合させて、被成膜面１１より上記水素Ｈを解離させる。
次に、図１（４）に示すように、被成膜面１１に窒素原子Ｎを供給して上記シリコン原子と窒素とを結合させて、原子層レベルのＳｉ-Ｎ結合を形成し、窒化シリコン膜を形成する。上記窒素原子Ｎには、例えばアンモニア（ＮＨ3）からラジカル化させた窒素ラジカルを用いる。この窒素ラジカルは活性化しているため、上記被成膜面１１に吸着していたシリコン原子Ｓｉと結合して窒化シリコン膜を形成する。
そして、窒化シリコン膜が所望の膜厚になるまで、前記図１（１）〜（４）によって説明した上記被成膜面１１にシリコン原子Ｓｉを吸着させる工程から上記被成膜面１１に窒素原子Ｎを供給してシリコン原子Ｓｉと窒素原子Ｎとを結合させて窒化シリコン膜を形成する工程までを繰り返し行う。
上記説明したように、原子層レベルで水素原子Ｈを除去するために、窒化前にラジカル（Radical）化した活性化な水素を流すことで、原子層表層の水素Ｈと反応させて、除去することができる。
上記第１実施例では、低温成膜が可能な原子層蒸着法により、被成膜面１１に水活性化した水素Ｈ*を供給し、シリコン原子Ｓｉとともに吸着した水素原子Ｈに結合させて、被成膜面１１より水素Ｈを解離させる工程を行った後、被成膜面１１に窒素原子Ｎを供給してシリコン原子Ｓｉと結合させて窒化シリコン膜を形成する工程を行うことから、水素原子の濃度を低減させた窒化シリコン膜の成膜が可能になる。このように、低温成膜による窒化膜中の水素の含有量を低減することができるので、窒化膜の耐熱性が高められる。例えばこの窒化膜をトランジスタのサイドウォール、サイドウォールスペーサ、ストレスライナー膜等に適用した場合、成膜の低温化によるトランジスタ性能の改善、水素含有による電気特性劣化を防止が可能となる。
また、水素原子Ｈの解離時に、結合エネルギーにより表層が局所加熱されることも同時に期待できる。これによって、引っ張り（Tensile）側にストレスを上げることが可能となる。
さらに、上記第１実施例の製造方法では、水素ラジカルにより塩素原子Ｃｌも除去することができる。塩素原子Ｃｌを除去することができるので、例えば、上記窒化膜をトランジスタのサイドウォール、サイドウォールスペーサ、ストレスライナー膜等に用いた場合、塩素原子によるトランジスタ特性の劣化を低減することができる。
次に、請求項２に係る本発明の一実施の形態（第２実施例）を、図２の製造工程図によって説明する。
図２（１）に示すように、被成膜面１１にシリコン原子Ｓｉを吸着させる工程を行う。この工程では、被成膜面１１にシリコン系ガスを供給することにより、シリコン原子Ｓｉを吸着させる。同時に水素原子Ｈや、上記シリコン系ガスに混入した原子、例えば塩素原子Ｃｌが吸着する。このときの成膜条件は、シリコン系ガスに例えばジクロロシラン（ＤＣＳ：ＳｉＨ2Ｃｌ2）を用い、成膜温度を５００℃とした。ジクロロシランを用いたことにより、被成膜面１１には、シリコン原子Ｓｉ、水素原子Ｈ、塩素原子Ｃｌの各原子が吸着される。上記成膜温度は５００℃としたが、例えば３５０℃〜６００℃の範囲で、適宜決定することができる。
また、上記シリコン系ガスには、例えば、ジクロロシラン（ＤＣＳ：ＳｉＨ2Ｃｌ2）の他に、例えばトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ3）を用いることができる。また、モノシラン（ＳｉＨ4）、ジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）等のシラン系ガスを用いることも可能である。このシラン系ガスの場合、被成膜面１１には、シリコン原子Ｓｉと水素原子Ｈが吸着することになる。
次に、図２（２）に示すように、被成膜面１１に窒素原子Ｎを供給して上記シリコン原子と窒素とを結合させて、原子層レベルのＳｉ-Ｎ結合を形成し、窒化シリコン膜を形成する。上記窒素原子Ｎには、例えばアンモニア（ＮＨ3）からラジカル化させた窒素ラジカルを用いる。この窒素ラジカルは活性化しているため、上記被成膜面１１に吸着していたシリコン原子Ｓｉと結合して窒化シリコン膜を形成する。
次に、図２（３）に示すように、被成膜面１１に活性化した水素Ｈ*を供給する。例えば活性化した水素Ｈ*は、例えばラジカル化した水素を用いる。このとき、活性化した水素の供給量は、膜中の水素を増やすことがないように調節される必要がある。
次いで、図２（４）に示すように、上記シリコン原子Ｓｉとともに吸着した水素原子Ｈに、上記活性化した水素Ｈ*を結合させて、被成膜面１１より上記水素Ｈを解離させる。
そして、窒化シリコン膜が所望の膜厚になるまで、前記図２（１）〜（４）によって説明した上記被成膜面１１にシリコン原子Ｓｉを吸着させる工程から上記活性化した水素Ｈ*を結合させて、被成膜面１１より上記水素Ｈを解離させる工程までを繰り返し行う。
上記説明したように、原子層レベルで水素原子Ｈを除去するために、窒化後にラジカル（Radical）化した活性化な水素を流すことで、原子層表層の水素Ｈと反応させて、除去することができる。
上記第２実施例では、低温成膜が可能な原子層蒸着法により、被成膜面１１に水活性化した水素Ｈ*を供給し、シリコン原子Ｓｉとともに吸着した水素原子Ｈに結合させて、被成膜面１１より水素Ｈを解離させる工程を行った後、被成膜面１１に窒素原子Ｎを供給してシリコン原子Ｓｉと結合させて窒化シリコン膜を形成する工程を行うことから、水素原子の濃度を低減させた窒化シリコン膜の成膜が可能になる。このように、低温成膜による窒化膜中の水素の含有量を低減することができるので、窒化膜の耐熱性が高められる。例えばこの窒化膜をトランジスタのサイドウォール、サイドウォールスペーサ、ストレスライナー膜等に適用した場合、成膜の低温化によるトランジスタ性能の改善、水素含有による電気特性劣化を防止が可能となる。
さらに、上記第２実施例では、窒化の際に用いるアンモニアの水素も除去することｇはができるので、上記第１実施例で成膜される窒化膜よりも水素をより多く除去することが可能になるという利点もある。
また、水素原子Ｈの解離時に、結合エネルギーにより表層が局所加熱されることも同時に期待できる。これによって、引っ張り（Tensile）側にストレスを上げることが可能となる。
さらに、上記第２実施例の製造方法では、水素ラジカルにより塩素原子Ｃｌも除去することができる。塩素原子Ｃｌを除去することができるので、例えば、上記窒化膜をトランジスタのサイドウォール、サイドウォールスペーサ、ストレスライナー膜等に用いた場合、塩素原子によるトランジスタ特性の劣化を低減することができる。
さらに、上記各実施例は、例えば、窒化シリコン膜の成膜に適用できるが、金属窒化膜の成膜にも適用できる。この場合、原料ガスに有機金属ガス、例えば金属アルコキシドガスを用いる。通常、金属アルコキシドには水素が含まれているため、水素の除去に上記各実施例で説明した製造方法が有効となる。
上記各実施例で説明した製造方法では、トランジスタのゲート電極に形成されるサイドウォール膜に対して適用することができる。その一例を図３の概略構成断面図によって説明する。
例えば、図３に示すように、半導体基板２１上にゲート絶縁膜２２を介してゲート電極２３が形成されている。このゲート電極２３上にはオフセット絶縁膜２４が形成されている。またげ２３の両側にはオフセットスペーサ２５を介してサイドウォール２６が形成され、さらに上記オフセット絶縁膜２４、サイドウォール２６等を被覆するように、半導体基板２１上にストレスライナー膜３１が形成されている。例えば、上記オフセットスペーサ２５、サイドウォール２６、ストレスライナー膜３１は、上記第１実施例もしくは第２実施例で説明した製造方法による窒化膜を用いることができる。この場合の窒化膜は、例えば窒化シリコン膜を用いる。さらに、上記ゲート電極２３の両側における半導体基板２１にはソース・ドレイン領域２７、２８が形成されている。
本発明の製造方法を適用することによって、低温成膜によりサイドウォール２６を形成するための窒化膜を成膜することができ、かつ窒化膜の膜質改善が図れるので、トランジスタ特性（例えば、ＮＢＴＩ（Negative Bias Temperature Instability）特性）を向上させることができる。また、上記サイドウォール２６と同様に、オフセットスペーサー２５やストレスライナー膜３１の成膜に対して本発明の製造方法を適用することにより、低温成膜による窒化膜の膜質改善によるトランジスタ特性の向上が達成される。
請求項１に係る本発明の一実施の形態（第１実施例）を示した製造工程図である。 請求項２に係る本発明の一実施の形態（第２実施例）を示した製造工程図である。 本発明をトランジスタの製造工程に適用した一例を説明する概略構成断面図である。 従来の製造工程を示した製造工程図である。 窒化シリコン（ＳｉＮ）とシリコン（Ｓｉ）の界面を０とした場合の膜厚と水素濃度の関係図である。
符号の説明
１１…被成膜面、Ｓｉ…シリコン原子、Ｈ…水素原子、Ｈ*…活性化した水素、Ｎ…窒素原子

Claims (4)

  1. 原子層蒸着法により被成膜面に窒化シリコン膜を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、
    前記窒化シリコン膜の形成工程は、
    前記被成膜面にシリコン原子を吸着させる工程と、
    前記被成膜面に活性化した水素を供給し、前記シリコン原子とともに吸着した水素原子に結合させて、前記被成膜面より前記水素を解離させる工程と、
    前記被成膜面に窒素原子を供給して前記シリコン原子と結合させて窒化シリコン膜を形成する工程と
    を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 前記窒化シリコン膜の形成工程は、
    前記被成膜面にシリコン原子を吸着させる工程から前記被成膜面に窒素原子を供給して前記シリコン原子と窒素原子とを結合させて窒化シリコン膜を形成する工程までを繰り返し行う
    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. 原子層蒸着法により被成膜面に窒化シリコン膜を形成する工程を備えた半導体装置の製造方法であって、
    前記窒化シリコン膜の形成工程は、
    前記被成膜面にシリコン原子を吸着させる工程と、
    前記被成膜面に窒素原子を供給して前記シリコン原子と結合させて窒化シリコン膜を形成する工程と、
    前記被成膜面に活性化した水素を供給し、前記被成膜面に吸着した水素原子に結合させて、前記被成膜面より前記水素を解離させる工程と、
    を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 前記窒化シリコン膜の形成工程は、
    前記被成膜面にシリコン原子を吸着させる工程から前記被成膜面に活性化した水素を供給し、前記被成膜面に吸着した水素原子に結合させて、前記被成膜面より前記水素を解離させる工程までを繰り返し行う
    ことを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
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