JP2009246382A

JP2009246382A - 絶縁膜の形成方法及びその形成装置

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Publication number: JP2009246382A
Application number: JP2009168690A
Authority: JP
Inventors: Kouji Eriguchi; 浩二江利口; Kenji Yoneda; 健司米田; Atsushi Ishinaga; 篤石長
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-07-17
Filing date: 2009-07-17
Publication date: 2009-10-22

Abstract

【課題】プラズマ窒化方法において、絶縁膜へのダメージを低減する。
【解決手段】ウエハの半導体層上に形成された第１の絶縁膜をＮ（窒素）を含むプラズマに暴露し、Ｎ原子を第１の絶縁膜に導入して、第２の絶縁膜を形成する。その際、Ｎを含むプラズマ内にイオンが断続的に生じるように、プラズマ発生用の電力を印加する。Ｎを含むプラズマへの電力供給を周期的に変化させることで、ラジカル粒子の供給を長時間維持しつつ、イオンの存在時間を制限することができる。イオンによる絶縁膜中のダメージの発生を抑制することにより、絶縁膜の信頼性を向上させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、酸素を含む絶縁膜に窒素を導入して酸素及び窒素を含む絶縁膜を形成するための絶縁膜の形成方法及びその製造装置に関する。

近年、半導体集積回路の高集積化が大きく進展してきており、ＭＯＳ型半導体装置においても、トランジスタ素子の微細化・高性能化が図られているが、特にトランジスタ等の素子の微細化に伴って、信頼性の高いＭＯＳデバイスの実現が必要となってきた。ＭＯＳデバイスの信頼性向上のためには、ＭＯＳデバイスを構成する各部が高い信頼性を有することが必要である。特に、ＭＯＳデバイスに用いられるゲート絶縁膜に関しては、その薄膜化が急速に進み、２１世紀には、３ｎｍ以下の非常に薄い絶縁膜が用いられることが予想されている。ゲート絶縁膜の厚みが薄いほど絶縁膜の特性の均質性が要求されるので、ゲート絶縁膜の特性がＭＯＳトランジスタ特性、さらには半導体集積回路の電気特性を決定するといわれる程、良好な特性を有するゲート絶縁膜の実現が重要視されている。

現在、ゲート絶縁膜には主としてＳｉＯ₂膜が用いられているが、ＳｉＯ₂膜の場合、厚みが２ｎｍ以下である極薄膜領域においては、その信頼性の低下とともに直接トンネル現象によるゲートリーク電流の増大が大きな問題となってきている。すなわち、低消費電力のＬＳＩを実現するためには、このゲートリーク電流を抑制することが必要だからである。しかしながら、トンネル現象に起因するゲートリーク電流は物理的な法則に支配される現象であり、ＳｉＯ₂膜自体の物理的性質によって左右されるところが大きい。そして、もはや極薄のＳｉＯ₂膜では低消費電力のＬＳＩを実現することは不可能になってきている。

そこで、ＳｉＯ₂膜に窒素原子を導入することにより、誘電率を増大させることにより、物理的膜厚の増大によるリーク電流の低減と、電気的膜厚の低減によるトランジスタの駆動力の向上とを同時に実現しようする方法がある。例えば、Ｓｉ基板の表面部の熱酸化のための導入ガスにＮを含むガスを混合し、ＳｉＯ₂膜にＮ原子を数％導入する方法である。また、Ｓｉ基板上に熱酸化によるＳｉＯ₂膜を形成した後に、Ｎガスを含む雰囲気中でのアニールやプラズマを用いてＮラジカルを形成してＳｉＯ₂膜にＮ原子を導入する方法が提案されている。

ところで、ＳｉＯ₂膜にＮ原子を導入する場合、ゲート絶縁膜中のＳｉ基板に隣接する領域へのＮ原子の導入は、電子の移動度などを低下させる要因となる。そこで、ゲート絶縁膜中のできるだけＳｉ基板から離れた領域に多くのＮ原子を導入しつつ、ゲート絶縁膜全体の比誘電率を増大させることが好ましい。そのために、Ｓｉ基板上にＳｉＯ₂膜を形成した後に、プラズマを用いてＮラジカル（Ｎ原子）をＳｉＯ₂膜の表面領域のみに導入するというプラズマ窒化法が近年注目されている。

しかしながら、このプラズマ窒化法を用いた場合、プラズマ中の高エネルギーイオンがＳｉＯ₂膜に流入すると、ＳｉＯ₂膜にダメージを生じさせる。その結果、窒化されたＳｉＯ₂膜をＭＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜として用いると、経時破壊特性，つまり信頼性が悪化するおそれがあった。

本発明の目的は、プラズマ窒化法を用いつつ、絶縁膜へのダメージを低減するための絶縁膜の形成方法及びその形成装置を提供することにある。

本発明の絶縁膜の形成方法は、ウエハの半導体層上に、少なくとも酸素が導入された第１の絶縁膜を形成する工程（ａ）と、上記第１の絶縁膜をＮ（窒素）を含むプラズマに暴露し、Ｎ原子を上記第１の絶縁膜に導入して、構成要素として酸素及び窒素を含む第２の絶縁膜を形成する工程（ｂ）とを含み、上記工程（ｂ）では、上記Ｎを含むプラズマ内にイオンが断続的に生じるように、上記プラズマ発生用の電力を印加する方法である。

この方法により、イオンが第１の絶縁膜に多量に導入されることに起因する第２の絶縁膜中のダメージの発生を抑制しつつ、比較的寿命の長いラジカル粒子による窒化処理を効率よく行なうことができる。したがって、ダメージの少ない第２の絶縁膜を要素として備えるデバイス、例えばＭＩＳキャパシタやＭＩＳＦＥＴの信頼性の向上を図ることができる。

上記プラズマ発生用の電力は、強度が周期的に変化する特性を有していることが好ましく、上記プラズマ発生用の電力の強度変化の周期が、上記Ｎを含むプラズマ発生のためのガス種に基づいた値であることがより好ましい。

本発明の絶縁膜の形成装置は、ウエハの半導体層上に形成された第１の絶縁膜をＮ（窒素）を含むプラズマに暴露し、構成要素として酸素及び窒素を含む第２の絶縁膜を形成するための絶縁膜の形成装置であって、上記ウエハを設置するためのチャンバーと、上記チャンバー内にプロセスガスを導入するためのガス導入手段と、上記チャンバーからガスを排出するためのガス排出手段と、上記Ｎを含むプラズマ内にイオンが断続的に生じるように、上記プロセスガスにプラズマ発生用の電力を印加する電力印加手段とを備えている。

これにより、イオンが第１の絶縁膜に多量に導入されることに起因する第２の絶縁膜中のダメージの発生を抑制しつつ、比較的寿命の長いラジカル粒子による窒化処理を効率よく行なうことができる。したがって、ダメージの少ない第２の絶縁膜を要素として備えるデバイス、例えばＭＩＳキャパシタやＭＩＳＦＥＴの信頼性の向上を図ることができる。

上記絶縁膜の形成装置は、８インチ径のウエハを処理する枚葉型の構造を有している場合には、上記ガス排出手段は、上記プロセスガスの排出能力が５（ｌ／ｍｉｎ）以上であることが好ましい。

本発明の絶縁膜の形成方法又は形成装置によれば、酸素を含む絶縁膜のプラズマ窒化において、プラズマへの電力供給を断続に行うことにより、プラズマ中のイオンによる絶縁膜のダメージの発生を抑制することができ、絶縁膜の信頼性の向上を図ることができる。

本発明の実施形態における絶縁膜の形成に用いた窒化処理装置の構成を概略的に示す断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態における絶縁膜（シリコン酸窒化膜）の形成工程を示す断面図である。図２（ｃ）に示す工程における高周波電力と、プラズマ中の粒子の挙動とを示すタイミングチャート図である。本実施形態の酸窒化膜をゲート絶縁膜とするＭＩＳキャパシタのＴＤＤＢ（経時破壊）試験のデータをワイブルプロットとして示す図である。本発明の形成方法によって得られたシリコン酸窒化膜をゲート絶縁膜とするＭＩＳＦＥＴのゲートリーク特性を示す図である。

図１は、本発明の実施形態における絶縁膜の形成に用いた窒化処理装置の構成を概略的に示す断面図である。同図に示すように、本実施形態に用いた窒化処理装置は、プラズマ処理用のチャンバー２０１と、ウエハ状態のシリコン基板１０１を支持するためのウエハステージ２０２と、チャンバー２０１とロードロックチャンバー２５３との間に設けられたゲートバルブ２０３と、Ｎを含むガスであるＮ₂ガスを導入するための導入管２０６と、チャンバー２０１からガスを排出するための排気管２０７と、排気管２０７に介設されたガス排気量調整のためのスロットルバルブ２０８と、排気ポンプ２０９と、Ｎ₂ガスをプラズマ中に均一に導入するためのガス導入板２１１と、加工対象である絶縁膜に引き寄せられる極性のイオンが断続的に生じるようにプラズマ発生用の電力を印加するための高周波電源２１２と、カップリングコンデンサ２１３とを備えている。なお、ウエハステージ２０２にはウエハ回転機構が設けられている。また、チャンバー２０１における導入管２０６の開口部（導入口）と、排気管２０７の開口部（排出口）とは、チャンバー１０１に、平面的にみて互いに対向する位置にそれぞれ配置されている。

なお、図示しないが、本実施形態に用いた半導体装置の製造装置は、熱酸化膜形成用の高速酸化炉と、熱処理のための高速熱処理炉と、冷却用チャンバーと、ロードロックチャンバー２５３と、ウエハロード・アンロード部とを備えたいわゆるクラスタリング装置の一部となっている。すなわち、本実施形態では、クラスタリング装置を用いて、減圧環境下での熱酸化膜形成から酸窒化膜形成までの一連の処理を減圧環境下で行っている。

図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施形態における絶縁膜（シリコン酸窒化膜）の形成工程を示す断面図である。

まず、図２（ａ）に示す工程で、ウエハ状態のｐ型シリコン基板１０１を準備する。そして、シリコン基板１０１に前洗浄を施してから、シリコン基板１０１をクラスタリング装置のロードロックチャンバー２５３に搬入する。

次に、図２（ｂ）に示す工程で、シリコン基板１０１を高速酸化炉に導入して、熱酸化処理により、シリコン基板１０１の表面領域を酸化して、厚さ１．４ｎｍの第１の絶縁膜であるＳｉＯ₂膜１０２を形成する。このとき、炉内にＯ₂ガスを導入し、約９００℃で、膜厚に応じた時間だけ熱酸化を行う。

次に、シリコン基板１０１をロードロックチャンバー２５３に戻した後、窒化処理装置のチャンバー２０１にシリコン基板１０１を搬送する。そして、チャンバー２０１内で、Ｎ₂ガスを含むＮプラズマ２１０を用いて、シリコン酸化膜１０２の窒化処理を行なう。このとき、高周波電力源２１２により、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を、周期１００ｋＨｚ，デューティ比約３０％で変調した電力がプロセスガスに印加されてプラズマ２１０が生成される。チャンバー２０１内での窒化処理条件は、全ガス流量が１０００sccm（１ｌ／ｍｉｎ）で、ガス流量比がＮ₂：Ｈｅ＝３００：７００で、チャンバー２０１内の圧力が１００Ｐａであって、２４０ｓｅｃの間窒化処理を行なう。

その結果、図２（ｄ）に示すように、シリコン基板１０１上には酸化膜が窒化されて第２の絶縁膜であるシリコン酸窒化膜１０６が形成される。プラズマ窒化により形成されたシリコン酸窒化膜１０６は、、初期のシリコン酸化膜１０２に比べ、物理的厚みも、電気的厚みも増大するのが一般的である。

その後の工程の図示は省略するが、公知のプロセスを利用して、シリコン酸窒化膜１０６の上にポリシリコン電極を形成し、シリコン基板１０１におけるゲート電極の両側方にソース・ドレイン領域を形成することにより、シリコン酸窒化膜１０６をゲート絶縁膜とするＭＩＳＦＥＴを形成する。

図３は、図２（ｃ）に示す工程における高周波電力と、プラズマ中の粒子の挙動とを示すタイミングチャート図である。

プロセスガスへの電力の供給に応答して、正イオン（Ｎ⁺，Ｎ₂ ⁺など）や、負イオン（電子，Ｎ₂ ^-，Ｎ^-など）が形成される。同時に、ＮラジカルやＮ₂ラジカルも形成される。そこで、高周波電源２１２により、図３に示す断続的な高周波電力ＲＦを供給すると、電力が供給されていない間に、イオン（荷電粒子）の量は速やかに減衰して０になるが、ラジカル粒子の量はわずかに減少するものの０まで減少することなく次の電力の印加時まである程度の値に保持される。その理由は、イオンは寿命が短いのでそれに応答して粒子数は速やかに減少するが、ラジカル粒子は、寿命が長いので、チャンバー内に長く滞在することができるからである。したがって、最終的に形成される絶縁膜（シリコン酸窒化膜１０６）中におけるダメージの発生を抑制しつつ、シリコン酸化膜（酸素を含む酸化膜）の窒化処理を効果的に行なうことができる。

なお、このラジカル粒子の滞在時間は、プロセスガスの流量とチャンバー内圧力とによって定まる。そして、チャンバー内圧力は、排気量の調整により制御可能であるので、排気管２０７に設けられたスロットルバルブ２０８によって、ラジカル粒子の滞在時間を制御することが可能である。

なお、本発明の窒化処理のためのプラズマの発生に用いる電源は、高周波電源に限られるものではなく、電圧の高低が変化して０又はマイナスになる期間が存在するような電力を印加するものであればよい。したがって、例えば、直流電圧を断続的に印加する電源を用いてもよい。

図４は、図２（ａ）〜（ｄ）の工程を経て形成されたシリコン酸窒化膜１０６をゲート絶縁膜とするＭＩＳキャパシタのＴＤＤＢ（経時破壊）試験のデータをワイブルプロットとして示す図である。同図において、横軸は破壊時間（ｓｅｃ）を表し、縦軸はｌｎ（−ｌｎ（１−Ｆ））（Ｆは累積故障率）を表している。このときのサンプル（ＭＩＳキャパシタ）の酸化膜換算電気的膜厚は２．１ｎｍである。また、ＭＩＳキャパシタのゲート面積は１０００μｍ²で、測定時の基板温度は１００℃で、ゲート電圧は−３．２Ｖである。

ここで、絶縁膜の酸化膜換算電気的膜厚（ＥＯＴ）とは、その絶縁膜の容量と同じ容量を有する酸化膜（化学量論的組成ＳｉＯ₂を有するシリコン酸化膜）の物理的膜厚を意味する。例えば、物理的膜厚が３ｎｍのシリコン酸窒化膜の容量が物理的膜厚２．２ｎｍの酸化膜の容量と同じである場合、そのシリコン酸窒化膜の酸化膜換算電気的膜厚（ＥＯＴ）が２．２ｎｍである。

図４に示すように、従来の方法によって得られたＭＩＳキャパシタのサンプルに比べて、本発明の方法によって得られたＭＩＳキャパシタのサンプルにおいては、ワイブルプロットの傾きが大きくなっている。このことは、信頼性認定においては大きな意味を示している。つまり、信頼性認定では、ワイブルプロットの下方への延長線上の値が寿命保証に用いられるので、ワイブルプロットの傾きが大きいほど、デバイスの信頼性が優れていることになる。従来の方法によって得られたサンプルにおけるワイブルプロットの裾部分は、メカニズムはわかっていないが、おそらく窒化処理の際のイオン種の衝撃によってゲート酸化膜に発生したダメージによるものと考えられる。

図５は、本発明の形成方法によって得られたシリコン酸窒化膜をゲート絶縁膜とするＭＩＳＦＥＴのゲートリーク特性を示す図である。同図において、縦軸はゲートリーク電流Ｉｇleak（Ａ／ｃｍ²）を表し、横軸は初期の酸化膜（シリコン酸化膜１０２）の膜厚を表している。同図において「未処理」と表示されたサンプルの初期の酸化膜の膜厚は、１．６ｎｍである。同図からわかるように、ゲートリーク電流Ｉｇleakのウエハ面内ばらつきは、未処理のサンプルよりも増大しているものの、規格内には収まっている。よって、ゲートリーク特性からみても不具合は生じない。

なお、チャンバーに供給するガス流量を本実施形態の値（１ｌ／ｍｉｎ）よりも増大することにより、ラジカル粒子の滞在時間を短縮できるために、ゲートリーク電流Ｌｇleakのウエハ面内バラツキの抑制が期待できる。また、面内において均一な窒化によりバラツキが低減されれば、設計のマージンの確保が容易となる。

なお、本実施形態では、変調周波数１００ｋＨｚによって、プラズマ発生のための電力を供給したが、周波数が１０ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲の電力を供給することにより、本実施形態と同様の効果を発揮することができる。その理由は、Ｎラジカル，Ｎ₂ラジカルの寿命が一般に１μｓｅｃから１００μｓｅｃオーダーなので、効率的にラジカル粒子を発生させるためには、その寿命に対応する周波数１０ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲が好ましいからである。すなわち、イオン種に応じて、最適範囲にある周波数を選ぶことが好ましい。

上記各実施形態においては、窒化処理を行なうプロセスガスとしてＮ₂ガスを用いたが、プラズマがＮラジカルを含めばよいので、プロセスガスとしては、アンモニア（ＮＨ₃）でもよい。

上記実施形態では、第１の絶縁膜をシリコン酸化膜としたが、第１の絶縁膜がシリコン酸窒化膜であり、第２の絶縁膜がこのシリコン酸窒化膜をさらに窒化することにより形成されるものであってもよい。

本発明は、絶縁膜へのダメージを低減することができるので、絶縁膜の形成方法及び絶縁膜の形成装置に有用である。

１０１ウエハ
１０２シリコン酸化膜（第１の絶縁膜）
１０６シリコン酸窒化膜（第２の絶縁膜）
２０１チャンバー
２０２ウエハステージ
２０３ゲートバルブ
２０６導入管
２０７排気管
２０８スロットルバルブ
２０９排気ポンプ
２１０プラズマ
２１１ガス導入板
２１２高周波電源
２１３カップリングコンデンサ
２５３ロードロックチャンバー

Claims

ウエハの半導体層上に、少なくとも酸素が導入された第１の絶縁膜を形成する工程（ａ）と、
上記第１の絶縁膜をＮ（窒素）を含むプラズマに暴露し、Ｎ原子を上記第１の絶縁膜に導入して、構成要素として酸素及び窒素を含む第２の絶縁膜を形成する工程（ｂ）とを含み、
上記工程（ｂ）では、上記Ｎを含むプラズマ内にイオンが断続的なパルス状に生じるように、プラズマ発生用の電力を印加し、
上記工程（ｂ）において、上記イオンの量は、チャンバー内において周期的に変化することを特徴とする絶縁膜の形成方法。
請求項１に記載の絶縁膜の形成方法において、
上記工程（ｂ）において、上記プラズマ発生用の電力を上記ウエハの上方に配置された電極に印加し、上記ウエハの上方に配置された電極と上記ウエハの下方に配置された電極との間に上記Ｎを含むプラズマが発生することにより、上記チャンバー内において、上記ウエハの直上に上記Ｎを含むプラズマが発生することを特徴とする絶縁膜の形成方法。
請求項２に記載の絶縁膜の形成方法において、
上記工程（ｂ）において、上記イオンの量は、上記チャンバー内において周期的に変化する一方、上記イオンが発生すると同時に発生するラジカル粒子は、その量が０にならずに上記チャンバー内に継続的に存在することを特徴とする絶縁膜の形成方法。
請求項１に記載の絶縁膜の形成方法において、
上記プラズマ発生用の電力は、強度が周期的に変化する特性を有していることを特徴とする絶縁膜の形成方法。
請求項４に記載の絶縁膜の形成方法において、
上記プラズマ発生用の電力の強度変化の周期が、上記Ｎを含むプラズマ発生のためのガス種に基づいた値であることを特徴とする絶縁膜の形成方法。
ウエハの半導体層上に形成された第１の絶縁膜をＮ（窒素）を含むプラズマに暴露し、構成要素として酸素及び窒素を含む第２の絶縁膜を形成するための絶縁膜の形成装置であって、
上記ウエハを設置するためのチャンバーと、
上記チャンバー内にプロセスガスを導入するためのガス導入手段と、
上記チャンバーからガスを排出するためのガス排出手段と、
上記Ｎを含むプラズマ内にイオンが断続的なパルス状に生じるように、上記プロセスガスにプラズマ発生用の電力を印加する電力印加手段とを備え、
上記チャンバー内に上記Ｎを含むプラズマが発生することを特徴とする絶縁膜の形成装置。
請求項６に記載の絶縁膜の形成装置において、
上記電力印加手段は、上記ウエハの上方に配置された電極に上記プラズマ発生用の電力を印加することにより、上記プロセスガスに上記プラズマ発生用の電力を印加する手段であり、
上記ウエハの上方に配置された電極と上記ウエハの下方に配置された電極との間に上記Ｎを含むプラズマが発生することにより、上記チャンバー内において、上記Ｎを含むプラズマが上記ウエハの直上に発生することを特徴とする絶縁膜の形成装置。
請求項７に記載の絶縁膜の形成装置において、
上記イオンの量は、上記チャンバー内において周期的に変化する一方、上記イオンが発生すると同時に発生するラジカル粒子は、その量が０にならずに上記チャンバー内に継続的に存在することを特徴とする絶縁膜の形成装置。
請求項６に記載の絶縁膜の形成装置において、
上記絶縁膜の形成装置は、８インチ径のウエハを処理する枚葉型の構造を有しており、
上記ガス排出手段は、上記プロセスガスの排出能力が５（ｌ／ｍｉｎ）以上であることを特徴とする絶縁膜の形成装置。