JP2009094429A

JP2009094429A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2009094429A
Application number: JP2007266187A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Namikata; 浩志南方
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2009-04-30

Abstract

【課題】窒素導入量を低減させることなく、絶縁膜へのダメージの導入を抑制し、かつ絶縁膜と半導体基板との界面における窒素濃度の増大を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】（ａ）半導体基板の表面上に、シリコンと酸素とを含む絶縁膜を形成する。（ｂ）前記絶縁膜を活性窒素雰囲気に晒し、該絶縁膜に、その表面側から窒素を導入する。（ｃ）前記工程（ｂ）の後、酸素原子含有ガス中で熱処理を行う。（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記工程（ｂ）と工程（ｃ）とを、この順番に少なくとも１回繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、シリコンと酸素と窒素とを含むゲート絶縁膜を有するＭＩＳＦＥＴの製造に適した半導体装置の製造方法に関する。

半導体集積回路素子の高集積化によるＭＩＳＦＥＴの微細化に伴い、ゲート絶縁膜の薄膜化が進んでいる。ゲート絶縁膜が薄くなると、ゲート電極中の不純物がゲート絶縁膜を突き抜けてチャネルまで達してしまう突き抜け現象が生じやすくなる。ゲート絶縁膜に窒素を含有させることにより、突き抜け現象を抑制することが可能になる。

下記の特許文献１に、酸化シリコン膜を、ＮＨ_３雰囲気中で加熱して窒化し、その後Ｎ_２Ｏ雰囲気で再酸化することにより酸窒化シリコン膜を形成する方法が開示されている。

下記の特許文献２に、酸化シリコン膜を、窒素プラズマ中でフラッシュランプ加熱することにより、酸化シリコン膜に窒素を導入する方法が開示されている。

下記の特許文献３に、酸化シリコン膜に、窒素プラズマによって生成された活性窒素を導入した後、ＮＯガス中でアニールすることにより酸窒化シリコン膜を形成する方法が開示されている。

特開平６−１０４２５２号公報特開２００３−２７３１０３号公報国際公開第２００４／０９７９２５号パンフレット

特許文献１に開示された方法のように、ＮＨ_３雰囲気中で酸化シリコン膜を加熱すると、窒素原子が、酸化シリコン膜と半導体基板の界面まで拡散してしまい、チャネル移動度の低下に繋がる。

特許文献２及び３に開示された方法では、窒素プラズマまたは活性窒素によるダメージが酸化シリコン膜に蓄積され、信頼性の低下やゲートリーク電流増加に繋がる。ダメージを軽減するために、プラズマのパワーを低下させると、十分な量の窒素原子を導入することが困難になる。

本発明の目的は、窒素導入量を低減させることなく、絶縁膜へのダメージの導入を抑制し、かつ絶縁膜と半導体基板との界面における窒素濃度の増大を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供することである。

本発明の一観点によると、
（ａ）半導体基板の表面上に、シリコンと酸素とを含む絶縁膜を形成する工程と、
（ｂ）前記絶縁膜を活性窒素雰囲気に晒す工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、酸素原子含有ガス中で熱処理を行う工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記工程（ｂ）と工程（ｃ）とを、この順番に少なくとも１回繰り返す工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

工程（ｂ）と（ｃ）とを繰り返すことにより、絶縁膜中の窒素濃度を高めることができる。このとき、窒化処理と、その次の窒化処理との間に、再酸化処理を行うことにより、１回の窒化処理を長時間行う場合に比べて、絶縁膜の受けるダメージを低減させることができる。

図１Ａ〜図１Ｅを参照して、実施例による絶縁膜の製造方法について説明する。図１Ａ〜図１Ｅは、製造途中段階における基板の断面図である。

図１Ａに示すように、シリコンからなる半導体基板１０の表面上に、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる絶縁膜１１を形成する。絶縁膜１１は、例えばラピッドサーマルオキサイデーション（ＲＴＯ）により形成される。ＲＴＯ条件は、例えば下記の通りであり、この条件で形成される絶縁膜１１の厚さは約０．９ｎｍになる。
・温度９００℃
・圧力６７０Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）
・時間５秒
なお、絶縁膜１１を、酸化シリコンに代えて、酸素とシリコンとを含む絶縁材料で形成してもよい。

図１Ｂに示すように、絶縁膜１１を活性窒素雰囲気１３に晒し、絶縁膜１１に、その表面側から窒素を導入する。このとき、導入される窒素原子が、絶縁膜１１と半導体基板１０との界面まで到達しない条件で窒素を導入することが好ましい。これにより、絶縁膜１１の表層部に窒素が導入され、酸窒化シリコン膜１１ｂが形成される。絶縁膜１１の基板側の領域には、酸化シリコン膜１１ａが残っている。

図２に、実施例で用いたデカップルドプラズマ窒化（ＤＰＮ）装置の概略図を示す。基台５０の上にベルジャ５１が配置され、両者の間に処理室５７が画定される。処理室５７内に基板保持台５２が配置され、その上に処理対象物である基板１０が載置される。窒素導入管５３を通して、処理室５７内に窒素ガスが導入され、真空ポンプ５４により処理室５７内が真空排気される。

ベルジャ５１の外周面上にアンテナ５５が取り付けられている。高周波電源５６からアンテナ５５に、周波数１２．５６ＭＨｚの高周波電力が供給される。処理室５７内に窒素ガスを導入し、アンテナ５５に高周波電力を供給すると、処理室５７内に、ベルジャ５１の内壁に沿って窒素プラズマが発生する。窒素プラズマ中の活性窒素が基板１０に向かって輸送されることにより、基板１０の周囲が活性窒素雰囲気１３になる。上記ＤＰＮ装置を用いた場合、一例として、下記の条件で絶縁膜１１の表層部の窒化を行うことができる。
・投入する高周波電力５００Ｗ
・処理室内圧力２．７Ｐａ（２０ｍＴｏｒｒ）
・基板温度室温
・処理時間１０秒
なお、その他のプラズマ装置を用いて活性窒素を発生させて、絶縁膜１１の表層部の窒化を行ってもよい。例えば、プラズマ発生室で発生した窒素プラズマ中の活性窒素を、反応室内に輸送して、基板の周囲を活性窒素雰囲気にするリモートプラズマ装置を用いてもよい。ここで、活性窒素が絶縁膜１１の表面に多く導入されるには、基板の温度は２０℃〜１００℃であることが望ましい。また、４００℃を超えると、絶縁膜と基板との界面まで窒素が拡散してしまうため、基板温度を４００℃以下とすることが好ましい。

図１Ｃに示すように、表層部が窒化された絶縁膜１１を、酸素原子含有ガス雰囲気１４中でアニールすることにより、再酸化を行う。再酸化の条件は、例えば下記の通りである。
・温度８５０℃
・圧力６７０Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）
・処理時間１０秒
・雰囲気ガスＮ_２＋Ｏ_２（Ｏ_２分圧比１％）
なお、Ｏ_２に代えて、他の酸素原子を含む酸化性ガスを用いてもよい。例えば、Ｎ_２Ｏ、ＮＯ等を用いてもよい。また、酸化性ガスを希釈するためのガスとして、Ｎ_２に代えて、他の不活性ガス、例えばＡｒ等を用いてもよい。

再酸化処理により、絶縁膜１１の表層部に、より緻密化された酸窒化シリコン膜１１ｃが形成される。

図１Ｄに示すように、絶縁膜１１を活性窒素雰囲気１５に晒し、２回目の窒化処理を行う。窒化処理条件は、図１Ｂに示した１回目の窒化処理と同一である。これにより、絶縁膜１１の表層部に、窒素濃度がより高められた酸窒化シリコン膜１１ｄが形成される。

図１Ｅに示すように、絶縁膜１１を酸素原子含有ガス雰囲気１６中でアニールを行うことにより、２回目の再酸化処理を行う。再酸化処理の条件は、図１Ｃに示した１回目の再酸化処理の条件と同一である。２回目の再酸化により、絶縁膜１１の表層部に、より緻密化された酸窒化シリコン膜１１ｅが形成される。

図３に、基板に生じたダメージの測定結果を示す。試料Ａは、窒化処理時の高周波電力を５００Ｗとして、１回の窒化処理と１回の再酸化処理を行ったものである。試料Ｂは、窒化処理時の高周波電力を１３００Ｗとして、１回の窒化処理と１回の再酸化処理を行ったものである。試料Ｃは、窒化処理時の高周波電力を５００Ｗとし、窒化時間を２倍の２０秒にして、１回の窒化処理と１回の再酸化処理を行ったものである。試料Ｄは、上記実施例による方法で窒化処理と再酸化処理とを２サイクル繰り返したものである。

基板のダメージは、Ｔｈｅｒｍａ−Ｗａｖｅ社製のダメージ評価用測定装置ＴｈｅｒｍａＰｒｏｂｅ５００Ｉを用いて測定した。図３の縦軸は、ダメージ量を相対目盛りで表す。

試料ＡとＢとを比較すると、窒化処理時の高周波電力を高めると、ダメージが大きくなることがわかる。また、試料ＡとＣとを比較すると、窒化処理時の高周波電力が等しい場合、窒化処理時間を長くすると、ダメージが大きくなることがわかる。試料ＣとＤとは、合計の窒化処理時間は同一である。ところが、窒化処理と再酸化処理とを２サイクルに分けて行うことにより、基板のダメージが少なくなっていることがわかる。

図４に、窒化処理と再酸化処理との繰り返し回数と、絶縁膜中の窒素濃度との関係を示す。縦軸は、絶縁膜中の窒素濃度を単位「原子％」で表し、横軸は、窒化処理と再酸化処理との繰り返し回数を表す。図４中の黒丸記号及び白丸記号は、それぞれ窒化処理時の高周波電力を１３００Ｗ及び５００Ｗとして窒化を行った試料の測定結果を示す。

繰り返し回数が１回の場合には、窒化処理時の高周波電力を高くすることにより、窒素濃度が高くなることがわかる。また、窒化処理時の高周波電力を５００Ｗまで低下させても、繰り返し回数を２回にすれば、高周波電力を１３００Ｗとして窒化処理を行った試料と同等の窒素濃度が得られることがわかる。また、繰り返し回数を３回にすれば、窒素濃度をより高めることができる。

上述のように、窒素プラズマで発生した活性窒素による窒化処理と、再酸化処理とを１サイクルとして、２サイクル以上繰り返すことにより、窒化時の高周波電力を低下させても、絶縁膜中の窒素濃度を高くすることができる。また、高周波電力を高めて１サイクルの処理で同等の窒素濃度を得る場合に比べて、基板の受けるダメージを低減させることができる。

また、上記実施例では、絶縁膜１１に、その表面側から活性窒素を導入するため、絶縁膜１１と半導体基板１０との界面まで窒素原子が到達しない条件で、窒化を行うことが可能である。その後の再酸化処理は、導入された窒素原子が、絶縁膜１１と半導体基板１０との界面まで拡散しないように、温度と時間とを制御することが好ましい。

窒化された絶縁膜を緻密化するためには、再酸化の温度を、窒化処理時の温度よりも高くすることが好ましい。より好ましい温度範囲は、８００℃以上である。また、再酸化温度を１１００℃よりも高くすると、窒素が拡散しやすくなるため、再酸化温度を１１００℃以下とすることが好ましい。

次に、図５Ａ〜図５Ｃを参照して、上記実施例による絶縁膜の製造方法を適用してＭＩＳＦＥＴを製造する方法について説明する。

図５Ａに示すように、シリコンからなる半導体基板２０の表層部にシャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）技術を用いて素子分離絶縁膜２１を形成する。素子分離絶縁膜２１により活性領域２２が画定される。必要に応じて、ウェル注入、閾値制御用のチャネル注入を行う。

図５Ｂに示すように、活性領域２２の表層部に、図１Ａ〜図１Ｅに示した方法で、ゲート絶縁膜２５を形成する。なお、窒化処理と再酸化処理とを１サイクルとして、３サイクル以上繰り返してゲート絶縁膜２５を形成してもよい。

図５Ｃの構造に至るまでの工程について説明する。基板全面上に、多結晶シリコン膜を形成し、パターニングすることにより、ゲート電極２６を形成する。このとき、ゲート電極２６で覆われていない領域のゲート絶縁膜２５も除去され、シリコン基板２０の表面が露出する。

ゲート電極２６をマスクとして、ソース及びドレインのエクステンション部形成のためのイオン注入を行う。ｎ型ＭＩＳＦＥＴを形成する場合には、例えばＡｓを、加速エネルギ１ｋｅＶ〜５ｋｅＶ、ドーズ量５×１０^１４〜２×１０^１５ｃｍ^−２の条件で注入し、ｐ型ＭＩＳＦＥＴを形成する場合には、Ｂを、加速エネルギ０．５ｋｅＶ〜２ｋｅＶ、ドーズ量５×１０^１４〜２×１０^１５ｃｍ^−２の条件で注入する。

エクステンション部形成のためのイオン注入後、ゲート電極２６の側面上に、サイドウォールスペーサ２９を形成する。サイドウォールスペーサ２９は、酸化シリコン膜を成膜した後、異方性エッチングを行うことにより形成される。次に、ゲート絶縁膜２６及びサイドウォールスペーサ２９をマスクとして、ソース及びドレインの深い領域を形成するためのイオン注入を行う。ｎ型ＭＩＳＦＥＴを形成する場合には、例えばＰを、加速エネルギ６ｋｅＶ〜１０ｋｅＶ、ドーズ量２×１０^１５〜２×１０^１６ｃｍ^−２の条件で注入し、ｐ型ＭＩＳＦＥＴを形成する場合には、Ｂを、加速エネルギ３ｋｅＶ〜６ｋｅＶ、ドーズ量３×１０^１５〜１×１０^１６ｃｍ^−２の条件で注入する。

イオン注入後、温度１０２０℃〜１０５０℃の条件で、ランプ加熱によるスパイクアニールを行う。これにより、注入された不純物の熱拡散を抑制しつつ、活性化を行うことができる。

上記実施例による方法では、ゲート絶縁膜２５に与えるダメージを抑制しつつ、かつゲート絶縁膜２５の窒素濃度を高めることができる。これにより、ゲート電極２６内の不純物がゲート絶縁膜２５を突き抜けてチャネルまで拡散する突き抜け現象を防止することができる。さらに、ゲート絶縁膜２５と半導体基板２０との界面における窒素濃度の増加を抑制することができる。このため、ＭＩＳＦＥＴのチャネル移動度の低下を防止することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

上記実施例に基づいて、以下の付記に示された発明が導出される。

（付記１）
（ａ）半導体基板の表面上に、シリコンと酸素とを含む絶縁膜を形成する工程と、
（ｂ）前記絶縁膜を活性窒素雰囲気に晒す工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、酸素原子含有ガス中で熱処理を行う工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記工程（ｂ）と工程（ｃ）とを、この順番に少なくとも１回繰り返す工程と
を有する半導体装置の製造方法。

（付記２）
前記活性窒素雰囲気は、プラズマにより活性化された窒素を含む雰囲気であることを特徴とする付記１に記載の半導体装置の製造方法。

（付記３）
前記工程（ｃ）で用いる酸素原子含有ガスは、Ｏ_２、Ｎ_２Ｏ、またはＮＯを含む付記１または２に記載の半導体装置の製造方法。

（付記４）
前記工程（ｃ）における熱処理の温度は、８００℃〜１１００℃である付記１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

（付記５）
前記工程（ｂ）において、前記半導体基板の温度を４００℃以下にして、前記絶縁膜を前記活性窒素雰囲気に晒すことを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

（付記６）
前記工程（ｃ）において、前記半導体基板の温度を４００℃以下にして、前記絶縁膜を前記活性窒素雰囲気に晒すことを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

実施例による絶縁膜の製造方法の、製造途中段階における基板の断面図である。実施例で用いたデカップリングプラズマ窒化装置の概略図である。窒化時の高周波電力を変えたとき、窒化処理時間を変えたとき、及び窒化と再酸化とを２サイクル繰り返したときのダメージの測定結果を示すグラフである。窒化と再酸化との繰り返し回数と、絶縁膜中の窒素濃度との関係を示すグラフである。実施例による半導体装置の製造方法の途中段階における装置の断面図である。

符号の説明

１０半導体基板
１１絶縁膜
１１ａ酸化シリコン膜
１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ酸窒化シリコン膜
１３、１５活性窒素雰囲気
１４、１６酸素原子含有ガス雰囲気
２０半導体基板
２１素子分離絶縁膜
２２活性領域
２５ゲート絶縁膜
２６ゲート電極
２７ソース
２８ドレイン
２９サイドウォールスペーサ
５０基台
５１ベルジャ
５２保持台
５３窒素ガス導入管
５４真空ポンプ
５５アンテナ
５６高周波電源
５７処理室

Claims

（ａ）半導体基板の表面上に、シリコンと酸素とを含む絶縁膜を形成する工程と、
（ｂ）前記絶縁膜を活性窒素雰囲気に晒す工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）の後、酸素原子含有ガス中で熱処理を行う工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の後、前記工程（ｂ）と工程（ｃ）とを、この順番に少なくとも１回繰り返す工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記活性窒素雰囲気は、プラズマにより活性化された窒素を含む雰囲気であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
前記工程（ｃ）で用いる酸素原子含有ガスは、Ｏ_２、Ｎ_２Ｏ、またはＮＯを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
前記工程（ｃ）における熱処理の温度は、８００℃〜１１００℃であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記工程（ｂ）において、前記半導体基板の温度を４００℃以下にして、前記絶縁膜を前記活性窒素雰囲気に晒すことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。