JP2914282B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特にトランジスタ−の信頼性向上に係る半
導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の高集積化,高速化に伴い、
トランジスタ−の微細化が著しくなっている。これに伴
いトランジスタ−の信頼性が大きな問題となってきてい
る。特にホットキャリア−によるトランジスタ−特性の
劣化については、その劣化防止対策として種々の手法が
提案されている。
【0003】例えば、トランジスタ−上に「プラズマを
用いた化学気層成長法(CVD法)によるシリコン窒化
膜」を形成する手段を採用し、これにより、上層からの
水分や水素の拡散を防ぎ、かつシリコン窒化膜中の水素
によりトランジスタ−特性を改善することが提案されて
いる(特開昭60-97628号公報参照)。
【0004】また、トランジスタ−上に減圧CVD法に
よりシリコン窒化膜を形成し、このシリコン窒化膜上に
更にプラズマCVD法によりシリコン窒化膜を形成し、
これにより、トランジスタ−と電気的に接続している金
属プラグを通して、上記「プラズマCVD法によるシリ
コン窒化膜」から水素をトランジスタ−へ拡散させる方
法が提案されている(特開平5-129333号公報参照)。
【0005】さらに、トランジスタ−上に減圧CVD法
によりシリコン窒化膜を形成し、最終保護膜としてプラ
ズマCVD法によるシリコン窒化膜を形成することが提
案されている(特開平4-186675号公報参照)。
【0006】ここで、図6に基づいて従来法の1例を説
明する。なお、図6は、工程A〜Dからなる従来法の1
例を示す工程順断面図である。
【0007】従来法では、まず図6工程Aに示すよう
に、シリコン基板1上にゲ−ト絶縁膜2を介してゲ−ト
ポリシリコン膜3を形成し、不純物を注入して低不純物
拡散層を形成する。そして、サイドウォ−ル5を形成し
た後、高不純物濃度拡散層を形成して「ソ−ス,ドレイ
ン拡散層4」とする。このとき、ゲ−トポリシリコン膜
3とソ−ス,ドレイン拡散層4とは、サイドウォ−ル5
により電気的に絶縁されている。
【0008】次に、図6工程Bに示すように、常圧CV
D法によりシリコン酸化膜(絶縁膜)6を全面に形成し、
続いて、図6工程Cに示すように、この上に、シリコン
酸化膜(絶縁膜)6を介して、減圧CVD法によりシリコ
ン窒化膜7を形成する。その後、図6工程Dに示すよう
に、層間絶縁膜12を形成し、さらにこの層間絶縁膜1
2上に、プラズマCVD法によりシリコン窒化膜13を
形成する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記従来法
における「プラズマCVD法によるシリコン窒化膜13
(図6工程D参照)」の形成では、ホットキャリア−耐性
が向上しないという問題点を有している(第1の問題
点)。その理由は、プラズマCVD法によるシリコン窒
化膜13を熱処理すると、該膜中の水素が脱離して膜中
に欠陥が生じ、この欠陥を通って水分や過剰な水素がト
ランジスタ−に拡散するからである。
【0010】また、前記従来法では、トランジスタ−特
性が回復しないという問題点を有している(第2の問題
点)。その理由は、トランジスタ−に金属プラグを通し
て水素を拡散する方法では、金属プラグ中のチタン金属
などが水素を良く吸蔵するため、十分な水素がトランジ
スタ−まで拡散できないためであり、また、減圧CVD
法によりシリコン窒化膜を形成する方法では、雰囲気中
及びプラズマCVD法によるシリコン窒化膜からの水素
が減圧CVD法によるシリコン窒化膜により拡散が阻止
され、トランジスタ−まで到達できないからである。
【0011】本発明は、前記第1及び第2の問題点に鑑
み成されたものであって、その目的とするところは、従
来法における「プラズマCVD法によるシリコン窒化
膜」を用いず、次に記載する本発明に係る方法を採用す
ることでトランジスタ−特性を十分に回復させ、これに
より前記第1及び第2の問題点を解決し、そして、ホッ
トキャリア−耐性の高いトランジスタ−を実現する半導
体装置の製造方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
の製造方法は、従来法の「プラズマCVD法によるシリ
コン窒化膜」に代えて“シラン系のガスを用い、基板に
高周波電界を印加するプラズマを用いた化学気層成長法
によるシリコン酸化膜”を形成することにあり、そし
て、 ・トランジスタ−上に第一の絶縁膜を介してシリコン窒
化膜を形成し、 ・さらに前記シリコン窒化膜上に「シラン系のガスを用
い、基板に高周波電界を印加するプラズマを用いた化学
気層成長法によるシリコン酸化膜」を形成すること を特徴とし、これにより前記目的とする半導体装置の製
造方法を提供するものである。
【0013】即ち、本発明に係る半導体装置の製造方法
は、トランジスタ上に絶縁膜を介して減圧CVDにより
形成されたシリコン窒化膜を有する半導体装置の製造方
法において、 (1) 半導体基板上にトランジスタ−を形成する工程、 (2) 前記トランジスタ−上に第一の絶縁膜を形成する工
程、 (3) 前記第一の絶縁膜上にシリコン窒化膜を形成する工
程、 (4) シリコン窒化膜上に、シラン系のガスを用い基板に
高周波電界を印加するプラズマを用いた化学気層成長法
によるシリコン酸化膜を形成する工程、を含むことを特
徴とする半導体装置の製造方法。(請求項1)を要旨とす
る。
【0014】また、本発明に係る半導体装置の製造方法
は、トランジスタ上に絶縁膜を介して減圧CVDにより
形成されたシリコン窒化膜を有する半導体装置の製造方
法において、 (1) 半導体基板上にトランジスタ−を形成する工程、 (2) 前記トランジスタ−上に第一の絶縁膜を形成する工
程、 (3) 前記第一の絶縁膜上にシリコン窒化膜を形成する工
程、 (4) 前記シリコン窒化膜上に第二の絶縁膜を形成する工
程、 (5) 前記第一の絶縁膜、前記シリコン窒化膜及び前記第
二の絶縁膜を通して、前記トランジスタ−に電気的に接
続する金属柱を形成する工程、 (6) 前記金属柱上に金属配線を形成する工程、 (7) 前記金属配線上に、第三の絶縁膜として、シラン系
のガスを用い基板に高周波電界を印加する化学気層成長
法によりシリコン酸化膜を形成する工程、を含むことを
特徴とする半導体装置の製造方法。(請求項2)を要旨と
する。
【0015】
【発明の実施の形態】本発明に係る製造方法において、
その実施の形態としては、特に限定するものではない
が、第一の絶縁膜として“常圧CVD法によるシリコン
酸化膜”とすることが好ましく、また、この第一の絶縁
膜上に形成するシリコン窒化膜としては“減圧CVD法
によるシリコン窒化膜”とするのが好ましい。そして、
このシリコン窒化膜上に形成する“シリコン酸化膜”と
しては、「バイアスECR−CVD装置」を使用し、
“シラン系のガスを用い、基板に高周波電界を印加する
プラズマを用いた化学気層成長法による”ものであり、
この形成条件(成膜条件)については、任意に設定するこ
とができる。
【0016】
【作用】本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、
(a)トランジスタ−上に第一の絶縁膜を介してシリコン
窒化膜を形成することにより、トランジスタ−への水分
や過剰な水素の拡散を防ぐことができ、(b)更に前記シ
リコン窒化膜上に「シラン系のガスを用い、基板に高周
波電界を印加するプラズマを用いた化学気層成長法によ
るシリコン酸化膜」を形成することにより、活性な水素
をトランジスタ−へ拡散させることができ、上記(a),
(b)によりトランジスタ−の特性を改善することができ
る作用が生じる。
【0017】
【実施例】次に、本発明に係る半導体装置の製造方法の
実施例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明
は、以下の実施例により限定されるものではなく、前記
本発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。
【0018】(実施例1)図1は、本発明の一実施例
(実施例1)を説明する図であって、工程A〜Dからなる
工程順断面図である。
【0019】本実施例1では、まず図1工程Aに示すよ
うに、シリコン基板1上にゲ−ト絶縁膜2を介してゲ−
トポリシリコン膜3を形成し、不純物を低ド−ズ量でイ
オン注入して低不純物拡散層を形成する。続いて、化学
気層成長法(CVD法)によりシリコン酸化膜を全面に堆
積し、異方性のRIE(Reactive ion Etching)によりエ
ッチバックしてサイドウオ−ル5を形成し、再び不純物
をイオン注入して高不純物濃度拡散層を形成し、先に形
成した拡散層とあわせて「ソ−ス,ドレイン拡散層4」
とする。このとき、ゲ−トポリシリコン膜3とソ−ス,
ドレイン拡散層4とは、サイドウオ−ル5により電気的
に絶縁されている。
【0020】次に、図1工程Bに示すように、常圧CV
D法によりシリコン酸化膜6を全面に形成し、続いて、
図1工程Cに示すように、この上に減圧CVD法により
シリコン窒化膜7を形成する。このシリコン窒化膜7の
膜厚は、30〜200オングストロ−ムである。その後、図
1工程Dに示すように、シリコン窒化膜7上に、プラズ
マCVD法の一方法としてバイアスECR−CVD法に
よるシリコン酸化膜8を形成する。
【0021】ここで、上記「バイアスECR−CVD法
によるシリコン酸化膜8の形成」について図2を参照し
て詳細に説明する。なお、図2は、実施例1で用いる
「バイアスECR−CVD装置」の断面図であり、具体
的には、シリコン基板に高周波電界を印加する「バイア
スECR−CVD装置」の概略の構成を示す断面図であ
る。
【0022】まず、本実施例1で使用する「バイアスE
CR−CVD装置」の構成について説明する。該装置
は、図2に示すように、プラズマ室21の上部にマイク
ロ波導入口22が設けられており、ここからマイクロ波
がプラズマ室21に送り込まれる。また、プラズマ室2
1には、ガス供給口23a,23b及び排気口24が設
けられており、これらにより反応ガスなどが供給され、
また不要のガスが排出されるように構成されている。
【0023】さらに、プラズマ室21内には、サセプタ
25が設けられており、そして、このサセプタ25上に
被加工物であるシリコン基板1が塔載される。また、サ
セプタ25には、バイアス用の高周波電源28が接続さ
れている。一方、プラズマ室21にメインコイル26及
び補助コイル27が備えられており、これらにより磁界
が形成されるように構成されている。
【0024】次に、上記図2に示す「バイアスECR−
CVD装置」を用いて実施例1の前記した“バイアスE
CR−CVD法によるシリコン酸化膜8の形成(図1工
程D参照)”について詳細に説明する。
【0025】まず、ガス供給口23bから酸素(O2)ガ
スを供給しながら、マイクロ波を加えることによりプラ
ズマを発生させる。この状態でガス供給口23aよりア
ルゴンと共にシランガスを供給して、シリコン基板1上
にシリコン酸化膜の成膜を行い、同時にサセプタ25に
高周波電界(RFバイアス)を印加することにより、アル
ゴンガスのプラズマでのエッチングをシリコン基板1上
で行う。この際の具体的な成膜条件は、シラン流量:30
sccm,酸素流量:45sccm,アルゴン流量:70s
ccm,マイクロ波出力:2000W,RFバイアス出力:
1400W,成長温度:約350℃である。
【0026】この時、原料ガスのシランは、ECRプラ
ズマ中で分解され、大量の活性な水素イオンが生成され
る。そして、この水素イオンは、シリコン基板1に印加
される高周波電界により加速され、該基板1へ注入され
る。なお、この水素イオンの注入については、「1979
年,Appl.Phys.Lett.35号」の551頁にT.Maakinoらによ
り“The influence of plassma annealing on electric
al properties of polycrystaalline Si”として掲載
されており、該論文において、活性な水素イオンの注入
により、低濃度の不純物をド−プしたポリシリコンの抵
抗率を低下させることが報告されている。
【0027】ここで、本発明者等の行った実験 (A)ポリシリコン膜上に常圧CVD法によるシリコン酸
化膜を成膜したもの (B)常圧CVD法によるシリコン酸化膜とバイアスEC
R法によるシリコン酸化膜との間にLPCVD法による
シリコン窒化膜が有るもの (C)常圧CVD法によるシリコン酸化膜とバイアスEC
R法によるシリコン酸化膜との間にLPCVD法による
シリコン窒化膜が無いもの の「各種の絶縁膜を形成した後の“低濃度不純物をド−
プしたポリシリコンの抵抗率”」について図3に示す。
【0028】図3から明らかなように、(A)の「ポリシ
リコン膜上に常圧CVD法によるシリコン酸化膜だけを
形成したもの」の抵抗率を初期値とすると、ポリシリコ
ン上に(C)の「常圧CVD法によるシリコン酸化膜を介
してバイアスECR−CVD法によるシリコン酸化膜を
形成したもの」では、初期値に比べ抵抗値が3桁低下す
る。これに対し、ポリシリコン上に(B)の「常圧CVD
法によるシリコン酸化膜とバイアスECR−CVD法に
よるシリコン酸化膜の間に減圧CVD法によるシリコン
窒化膜を形成したもの」では、初期値よりも2桁減少す
るものの、前記(C)の「減圧CVD法によるシリコン窒
化膜を形成しなかったもの」に比べ、抵抗の低下は少な
いことが認められる。
【0029】この抵抗の低下は、バイアスECR−CV
D法によるシリコン酸化膜を形成する際、活性な水素イ
オンがポリシリコン中に注入されるためである。また、
前記(B)のバイアスECR−CVD法によるシリコン酸
化膜と常圧CVD法によるシリコン酸化膜との間に介在
する“減圧CVD法によるシリコン窒化膜”は、バイア
スECR−CVD法によるシリコン酸化膜を形成する際
に、注入される活性な水素イオンをある程度阻止する能
力があることが認められる。
【0030】以上の事実から、ポリシリコン上に前記
(B)の「常圧CVD法のシリコン酸化膜とバイアスEC
R−CVD法によるシリコン酸化膜との間に減圧CVD
法によるシリコン窒化膜を形成する」ことにより、過剰
な水素のトランジスタ−への拡散を防ぎ、かつ、トラン
ジスタ−特性を回復させるために必要な水素を、シリコ
ン窒化膜を通して、トランジスタ−に拡散することがで
きる、ということが理解できる。そして、このシリコン
窒化膜は、その後の配線形成工程で形成される層間膜等
からの水分や過剰な水素のトランジスタ−への拡散を阻
止することができる。
【0031】(実施例2)図4及び図5は、本発明の他
の実施例(実施例2)を説明する図であって、このうち図
4は、工程A〜Dからなる工程順断面図であり、図5
は、図4工程Dに続く工程E〜Fからなる工程順断面図
である。
【0032】本実施例2では、まず図4工程Aに示すよ
うに、シリコン基板1上にゲ−ト絶縁膜2を介してゲ−
トポリシリコン膜3を形成し、不純物を低ド−ス量でイ
オン注入して低不純物拡散層を形成する。続いて、化学
気層成長法(CVD法)によりシリコン酸化膜を全面に堆
積し、異方性のRIE(Reactive ion Etching)によりエ
ッチバックしてサイドウオ−ル5を形成し、再び不純物
をイオン注入して高不純物濃度拡散層を形成し、先に形
成した拡散層とあわせて「ソ−ス,ドレイン拡散層4」
とする。このとき、ゲ−トポリシリコン膜3とソ−ス,
ドレイン拡散層4とは、サイドウオ−ル5により電気的
に絶縁されている。
【0033】次に、図4工程Bに示すように、常圧CV
D法によりシリコン酸化膜6を形成し、続いて、図4工
程Cに示すように、この上に減圧CVD法によりシリコ
ン窒化膜7を形成する。このシリコン窒化膜7の膜厚
は、30〜200オングストロ−ムである。その後、図4工
程Dに示すように、シリコン窒化膜7上に、減圧(もし
くは常圧)CVD法によりボロンリンシリケ−トガラス
膜(以下“BPSG膜”と略記する)9を形成する。この
BPSG膜9は、以降の工程でのナトリウムイオンや金
属によるトランジスタ−への汚染を防止するためのもの
である。
【0034】次に、図5工程Eに示すように、トランジ
スタ−と電気的な接続を行うため、接続穴10を形成
し、続いて、この接続穴10をタングステンなどの金属
により充填し、更にこの上に金属配線11を形成する。
その後、図5工程Fに示すように、金属配線11上に、
プラズマCVDの一方法として、バイアスECR−CV
D法によるシリコン酸化膜8を形成する。
【0035】上記「バイアスECR−CVD法によるシ
リコン酸化膜8の形成」については、前掲の図2に示し
た「バイアスECR−CVD装置」を使用し、また、そ
の形成条件(シリコン酸化膜8の成膜条件)は、前記実施
例1と同様、シラン流量:30sccm,酸素流量:45s
ccm,アルゴン流量:70sccm,マイクロ波出力:
2000W,RFバイアス出力:1400W,成長温度:約350
℃である。
【0036】この時、前記実施例1と同様、原料ガスの
シランは、ECRプラズマ中で分解され、大量の活性な
水素イオンが生成される。そして、この水素イオンは、
シリコン基板1に印加される高周波電界により加速さ
れ、BPSG膜9,減圧CVD法によるシリコン窒化膜
7,更に常圧CVD法によるシリコン酸化膜6を通し
て、トランジスタ−へ注入される。
【0037】また、前記実施例1と同じように、減圧C
VD法によるBPSG膜9と常圧CVD法によるシリコ
ン酸化膜6との間にある「減圧CVD法によるシリコン
窒化膜7」は、バイアスECR−CVD法によるシリコ
ン酸化膜8を形成する際に注入される活性な水素イオン
をある程度阻止する能力がある。
【0038】従って、本実施例2では、ポリシリコン上
に「常圧CVD法のシリコン酸化膜6と減圧CVD法に
よるBPSG膜9との間に減圧CVD法によるシリコン
窒化膜7を形成すること」により、過剰な水素のトラン
ジスタ−への拡散を防ぎ、かつ、トランジスタ−特性を
回復させるために必要な水素を、シリコン窒化膜7を通
して、トランジスタ−に拡散することができる。そし
て、このシリコン窒化膜7は、その後の配線形成工程で
形成される層間膜等からの水分や過剰な水素のトランジ
スタ−への拡散を阻止することができる。
【0039】
【発明の効果】本発明は、以上詳記したとおり、トラン
ジスタ−上に第一の絶縁膜を介してシリコン窒化膜を形
成し、さらに該シリコン窒化膜上に「シラン系のガスを
用い、基板に高周波電界を印加するプラズマを用いた化
学気層成長法によるシリコン酸化膜」を形成することを
特徴とし、これにより、ホットキャリア−耐性が向上す
る効果が生じる。その理由は、減圧CVD法によるシリ
コン窒化膜が水分や過剰な水素のトランジスタ−への拡
散を阻止する作用が生じるからである。
【0040】また、本発明の上記特徴点により、トラン
ジスタ−特性が回復する効果が生じる。その理由は、バ
イアスECR−CVD法によるシリコン酸化膜の形成の
際、活性な水素イオンがシリコン基板に印加される高周
波電界に加速され、トランジスタ−まで拡散する作用が
生じるからである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例(実施例1)を説明する図であ
って、工程A〜Dからなる工程順断面図。
【図2】本発明の実施例1で用いる“バイアスECR−
CVD装置”の断面図。
【図3】各種の絶縁膜を形成した後の“低濃度不純物を
ド−プしたポリシリコンの抵抗率”をグラフ化した図。
【図4】本発明の他の実施例(実施例2)を説明する図で
あって、工程A〜Dからなる工程順断面図。
【図5】図4工程Dに続く工程E〜Fからなる工程順断
面図。
【図6】従来法の1例を説明する図であって、工程A〜
Dからなる工程順断面図。
【符号の説明】
1 シリコン基板 2 ゲ−ト絶縁膜 3 ゲ−トポリシリコン膜 4 ソ−ス,ドレイン拡散層 5 サイドウォ−ル 6 シリコン酸化膜(常圧CVD法による) 7 シリコン窒化膜(減圧CVD法による) 8 シリコン酸化膜(バイアスECR−CVD法によ
る) 9 BPSG膜 10 接続穴 11 金属配線 12 層間絶縁膜 13 シリコン窒化膜(プラズマCVD法による) 21 プラズマ室 22 マイクロ波導入口 23a ガス供給口(シラン,アルゴン) 23b ガス供給口(O2) 24 排気口 25 サセプタ 26 メインコイル 27 補助コイル 28 高周波電源
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/316 H01L 21/318 H01L 29/78

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 トランジスタ上に絶縁膜を介して減圧C
    VDにより形成されたシリコン窒化膜を有する半導体装
    置の製造方法において、 (1) 半導体基板上にトランジスタ−を形成する工程、 (2) 前記トランジスタ−上に第一の絶縁膜を形成する工
    程、 (3) 前記第一の絶縁膜上にシリコン窒化膜を形成する工
    程、 (4) シリコン窒化膜上に、シラン系のガスを用い基板に
    高周波電界を印加するプラズマを用いた化学気層成長法
    によるシリコン酸化膜を形成する工程、 を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 トランジスタ上に絶縁膜を介して減圧C
    VDにより形成されたシリコン窒化膜を有する半導体装
    置の製造方法において、 (1) 半導体基板上にトランジスタ−を形成する工程、 (2) 前記トランジスタ−上に第一の絶縁膜を形成する工
    程、 (3) 前記第一の絶縁膜上にシリコン窒化膜を形成する工
    程、 (4) 前記シリコン窒化膜上に第二の絶縁膜を形成する工
    程、 (5) 前記第一の絶縁膜、前記シリコン窒化膜及び前記第
    二の絶縁膜を通して、前記トランジスタ−に電気的に接
    続する金属柱を形成する工程、 (6) 前記金属柱上に金属配線を形成する工程、 (7) 前記金属配線上に、第三の絶縁膜として、シラン系
    のガスを用い基板に高周波電界を印加する化学気層成長
    法によりシリコン酸化膜を形成する工程、 を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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