JP3197531B2

JP3197531B2 - 半導体装置の作製方法

Info

Publication number: JP3197531B2
Application number: JP12115499A
Authority: JP
Inventors: 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2001-08-13
Anticipated expiration: 2016-08-13
Also published as: JPH11354518A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路の
キャパシタの誘電体膜、または層間絶縁膜またはアクテ
ィブ型液晶ディスプレイの絶縁ゲイト型電界効果トラン
ジスタのゲイト絶縁膜等の絶縁膜をスパッタ法で形成す
る作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】化学的気相法等によって作製された絶縁
体膜を利用してアクティブ素子または半導体集積回路、
または誘電体膜を利用したキャパシタが広く注目されて
いる。

【０００３】この絶縁膜( キャパシタの誘電体膜も絶縁
性であるため単に絶縁膜または絶縁体膜という) は、従
来は例えば窒化珪素膜を形成する場合、シランとアンモ
ニアとのプラズマ反応による化学的気相法等を用いて形
成されるので、電荷捕獲中心が多く、界面単位密度も10
¹²cm^-2と大きな値になってしまった。

【０００４】かかる低温にて絶縁物を作製する他の方法
として、100%〜80% のAr原子をスパッタ用気体として用
いたスパッタリング法が知られている。これはAr等の不
活性ガスがタ−ゲット材料をたたきだす確率（スパッタ
リングイ−ルド）が高い為であった。本発明者らが、ス
パッタリング法によって作製された絶縁膜の特性につい
て鋭意検討した結果、絶縁膜の性能を示す下側の被形成
面すなわち下側電極活性層と成膜された絶縁膜界面との
界面準位がアルゴンの量できわめて大きく変化している
ことがわかった。特にその極端な例として、キャパシタ
またはゲイト絶縁物として窒化珪素を用いる場合、珪素
が安定のためこの成分の珪素成分(Si 成分) がクラスタ
(5〜50Åの粒径の粒の群) を発生する。このクラスタお
よび下地表面の損傷による絶縁膜中の固定電荷の数を反
映するフラットバンド電圧の理想値よりのズレ( 悪化)
が、また絶縁耐圧の低下がスパッタリング時のArガスの
割合に大きく依存することを見出した。

【０００５】更に光CVD 法によってキャパシタの誘電体
膜を作製することが試みられている。下地材料の半導体
または電極材料との反応損傷がなく、２×10¹⁰eV^-1cm^-2
程度の界面準位密度が得られているが、膜作製に必要と
する時間が長く( 成膜速度が非常に遅い) 、工業的な応
用には不向きであった。また水素が用いられ、ホットエ
レクトロン効果を誘発するため、長期特性に問題があっ
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来の問題点
を解決する方法であり、良好な特性の窒化珪素、窒化チ
タン、窒化タンタル、窒化アルミニウム等の金属または
珪素窒化物絶縁膜を膜中に金属または半導体のクラスタ
の存在、ピンホ−ル等がなく、かつ低温プロセスで水素
を用いることなく作製する方法を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の構成は、窒化珪
素、窒化アルミニウムの誘電体、窒化チタン、窒化タン
タル等の抵抗体等の金属窒化膜の作製方法に関する。本
発明は、かかる絶縁膜または抵抗膜をスパッタリング法
にて行う。スパッタリングに用いる気体を窒化物、例え
ば窒素がアルゴン等の不活性ガスに対し75体積％以上さ
らに好ましくは不活性気体をまったく用いない窒化物気
体、特に窒素のみの条件下で金属窒化物または金属のタ
−ゲットのスパッタリングを行い、窒化物絶縁膜を積層
法で作製することを特徴とするものである。

【０００８】またスパッタリングはスパッタガスを成膜
された被膜の成分の一部とする気体、例えば窒化珪素膜
にあっては、窒素を100%または75〜100 体積％として、
窒化珪素のタ−ゲットを高周波(RF)スパッタ法を用いて
行う。するとタ−ゲット材料が飛翔中にこのスパッタ用
気体である窒素と窒化反応をより完全に行わしめること
ができる。

【０００９】更にこれを助長するため、これに加えてハ
ロゲン元素を含む気体を窒化物気体に対し0.2 〜20体積
％同時に混入することにより、窒化珪化物に同時に不本
意で導入されるアルカリイオンの中和、不対結合手の中
和をも可能としたものである。

【００１０】本発明に用いられるスパッタリング法とし
てRFスパッタ、直流スパッタ等いずれの方法も使用でき
るが、スパッタリングタ−ゲットが導電率の悪い窒化
物、例えばSi₃N₄等の金属窒化物の場合、安定した放電
を持続するために13.56MHzの高周波RFマグネトロンスパ
ッタ法を用いることが好ましい。

【００１１】窒化物気体としては、窒素(N₂)、アンモニ
ア(NH₃) 等を挙げることができる。特に液体窒素から気
化した高純度窒素を使用した場合、窒化物絶縁膜中に取
り込まれる不用な珪素または原子が存在しないので、非
常に良好なピンホ−ルのない、誘電損傷の少ない、また
絶縁耐圧のばらつきの大きくない絶縁膜を被形成面上に
得ることができた。

【００１２】窒化物絶縁膜として、窒化珪素、窒化アル
ミニウムが代表的なものである。また抵抗体窒化物とし
て、窒化タンタル、窒化チタンが主なものである。これ
らに添加するためのハロゲン元素用には、弗化物気体と
しては弗化窒素(NF₃,N₂F₄)、弗化水素(HF), 弗素(F₂)、
フロンガスを用い得る。化学的に分解しやすく、かつ取
り扱いが容易なNF₃が用いやすい。塩化物気体として
は、四塩化炭素 (CCl₄), 塩素(Cl₂),塩化水素(HCl) 等
を用い得る。

【００１３】またこれら例えば弗化窒素の量は、窒化物
気体例えば窒素に対して0.2 〜20体積％とした。これら
ハロゲン元素は熱処理によって窒化物絶縁物中のナトリ
ウム等のアルカリイオンとの中和、金属の不対結合との
中和に有効であるが、同時に多量すぎると、絶縁膜の主
成分を気体とする可能性を内在するためよくない。一般
には被膜中には全元素数の0.01〜５原子％のハロゲン元
素を混入させた。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に実施例により本発明を詳し
く説明する。

【００１５】

【実施例】「実施例１」図１(A) に示す如く、シリコン
半導体(1) 上に窒化珪素膜を本発明方法で形成し、その
上に１mmφのアルミニウム電極を電子ビ−ム蒸着で形成
し、電気特性を調べた結果を図２に示す。図２は上記MI
S(アルミニウム金属−窒化珪素の絶縁膜−シリコン半導
体) 構造とした時のＣ−Ｖ特性( 図１(B))におけるフラ
ットバンド電圧のズレ（ΔＶ_FB) の特性を示す。

【００１６】この上に本発明方法による窒化珪素の絶縁
膜を作製した。その条件を以下に示す。 Arガス100%に比べて、Arガスの量を窒化性ガスの量より
少なく、25体積％以下とするとフラットバンド電圧の理
想値からのズレが減少していることがわかる。

【００１７】図２に示す如く、BT（バイアス−温度）処
理を施し、ゲイト電極側に負のバイアス電圧を２×10⁶V
/cm 、150 ℃で30分加え、さらに同一条件下で正のバイ
アス電圧を加えた。それらの差すなわちフラットバンド
電圧のズレ（ΔVFB)はAr 100% の場合13V もあった。ま
たプラズマCVD 法で作製したものは(31)の如く11.5V(3
1) もあった。しかしこの成膜を100%窒素で行うと0.5V
以下(34)しかなかった。さらにこれにハロゲン元素を少
しでも添加すると、その値はさらに数分のーに急激に減
少した。

【００１８】これらのことより、スパッタリングにより
成膜時に反応雰囲気下に存在する活性化されたAr原子
が、絶縁膜の膜質に影響を与えており、できるだけAr原
子の存在を減らしてスパッタリング成膜することが望ま
しいことが判明した。

【００１９】その理由としては、Arイオンのためスパッ
タ中に膜成分の一つである金属と窒素との反応をArが邪
魔をし、化学量論的に十分合致した(Si₃に対しN₄からの
割合とミクロのレベルでも満たされる) 窒化物が構成さ
れない。またArイオンまたは活性化されたAr原子が界面
に衝突し、界面での損傷、欠陥を形成し、固定電荷発生
の原因となっていることが考えられる。

【００２０】Arガスを25％以下の割合で混合した雰囲気
下で絶縁膜を作成する場合には、タ−ゲットと基板との
距離をArガス0%で作製する場合より長くすることで、Ar
ガス0%で作製する場合とほぼ同様の膜質の絶縁膜を得る
ことが可能である。さらにArガス25％以下の割合で混合
して形成したゲイト絶縁膜に対し、エキシマレ−ザ光を
照射し、フラッシュアニ−ルを施し、膜中に取り入れた
弗素等のハロゲン元素を活性化し、珪素の不完全結合手
と中和させ、膜中の固定電荷の発生原因を取り除くこと
も可能であった。

【００２１】また、スパッタリングに用いる材料は全て
高純度のものが好ましい。窒化珪素、窒化チタン、窒化
アルミニウム、窒化タンタルの金属または半導体ではな
く、すべて窒化反応をさせてあるものを用いることが必
要である。そしてスパッタリングタ−ゲットは3N以上の
純度とした。

【００２２】「実施例２」図３に本発明の他の実施例を
示す。この実施例の１Tr/Cell のDRAM( ダイナミックメ
モリ) の１つのセルの作製に本発明を用いたものであ
る。図面において、半導体基板には１つのゲイト型電
界効果トランジスタ(20)がソ−スまたはドレイン(8),ド
レインまたはソ−ス(9),ゲイト電極(7),ゲイト絶縁膜
(6) として構成されている。

【００２３】更にこのトランジスタの一方のドレインま
たはソ−ス(9) には下側電極(10)、窒化珪素の誘電体(1
1)、上側電極(12)よりなるキャパシタ(21)を直列させて
設けている。これらの外周辺には埋置した絶縁膜(5) を
有せしめている。この構造はスタックド型DRAMのメモリ
セルの形状を示している。

【００２４】この図面で、キャパシタの誘電体膜(11)は
本発明の窒化珪素のタ−ゲットを窒素のスパッタ法で被
膜形成した。この窒化珪素の比誘電率が６もあり、周波
数特性が高周波まで優れているため、酸化珪素被膜 (比
誘電数3.8)と比べて大きい蓄積容量を得ることができ
る。

【００２５】また、この絶縁ゲイト型電界効果トランジ
スタ(20)のゲイト絶縁膜は熱酸化法による酸化珪素また
は100%酸素を用いたスパッタ法の酸化珪素を用いた。し
かしこの保護膜を窒化珪素にしても、シリコン半導体と
の界面凖位は３×10¹⁰cm^-2しかなく、良好であった。

【００２６】このキャパシタ(21)の下側電極(10)はリン
が添加されたシリコン半導体を用いて形成した。しかし
この電極材料は金属タンタル、タングステン、チタン、
モリブデンであっても、これらのシリサイドであっても
よい。

【００２７】この実施例では、この下側電極(10)上に実
施例１で示した如く、窒化珪素膜(11)を本発明方法のス
パッタ法で形成した。更にこの上に上側電極(12)をアル
ミニウムまたは金属タンタルとアルミニウムの多層膜で
形成してキャパシタ(21)を構成させた。窒化珪素の厚さ
は300 〜3000Åとした。代表的には500 〜1500Å、例え
ば1000Åとした。しかし、これは酸化珪素等では比誘電
率が小さいため、メモリセルとしては厚さを約30Åに薄
くしなければならない。しかし本発明方法で形成した窒
化珪素は比誘電率が大きいため、その厚さは例えば1000
Åとすることができる。結果として絶縁性に優れ、また
ピンホ−ルの存在を少なくすることが可能となった。

【００２８】このため第５図において、絶縁ゲイト型電
界効果トランジスタのチャネル長を0.1 〜１μｍ例えば
0.5 μｍとしてもよく、さらに1Tr/Cellの大きさで20μ
m □の中に１つのメモリ（１ビット）を作製することが
できた。

【００２９】またこの窒化珪素の形成の際、水素をまっ
たく含まないスパッタ法で形成し、加えてその上下の電
極をも水素を含まないスパッタ法で形成するため、その
成膜中の水素がその後の熱処理でゲイト絶縁膜にまでド
リフト（拡散）し、ホットキャリアのトラップセンタに
なってしまうことを防ぐことも可能となった。

【００３０】「実施例３」図４はダイナミックメモリの
セルを一対（２ビット）を構成して設けたものである。

【００３１】図面において、半導体基板(1),埋置したフ
ィ−ルド絶縁膜(5),半導体表面に凸状に形成したドレイ
ンまたはソ−ス(9) およびその上に導体の電極・リ−ド
(19)を有する。この側面に、酸化珪素膜(6) をゲイト絶
縁膜として構成せしめた。異方性エッチングにより一対
のゲイト電極(7),(7')を有せしめ、ソ−スまたはドレイ
ン(8),(8')を設けている。チャネル形成領域(15),(15')
へのホウ素のイオン注入は、ゲイト電極(7),(7')の形成
の前に凸状の領域(9),(19)とフィ−ルド絶縁膜(5) とを
マスクとして１×10¹⁵〜５×10¹⁶cm^-3の濃度に形成し
た。そしてその後ソ−スまたはドレイン(8),(8')を１×
10¹⁹〜１×10²¹cm^-3の濃度にイオン注入法により作製し
た。キャパシタ(21)は下側電極(10)、窒化珪素の誘電体
(11), 上側電極(12)を実施例1,2 に従い実施例３と同様
に形成した。10〜20μm □の大きさに２つのビットを構
成する１Tr/Cell を作ることができた。またホットキャ
リアのトラップセンタをゲイト絶縁膜中に形成させる要
因の水素を用いないために、0.1 〜１μm のチャネル長
でも安定にトランジスタ特性を得ることができた。

【００３２】

【発明の効果】これらはすべてスパッタにより窒素また
は窒化物気体を従来知られているアルゴンが主たる気体
の逆にアルゴンを零または25％以下にすることにより、
良質な絶縁膜を作ることができることを実験的に発見し
た事実に基づく。

【００３３】本発明方法により、低温プロセスのみで非
常に特性の良いキゃパシタまたは薄膜トランジスタを容
易に形成することができた。またゲイト絶縁膜中に存在
するホットキャリアおよび固定電荷の発生原因を減らす
ことができたので、長期的な使用において特性変化の少
ない信頼性の良いトランジスタ、キャパシタを提供する
ことが可能となった。

【００３４】本発明に用いるキャパシタまたは絶縁ゲイ
ト型トランジスタの形状はスタガ−型を用いず、逆スタ
ガ−型または縦チャネル型のトランジスタを用いてもよ
い。またトランジスタの珪素に非単結晶ではなく単結晶
を用いたモノリシックICの一部に用いられる絶縁ゲイト
型電界効果トランジスタとしてもよい。

【００３５】またキャパシタもー層の誘電体のキャパシ
タではなく積層型の多層構造としてもよく、また電極を
上下で挟む構造ではなく左右で挟む横並べ方式にしても
よい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例およびその特性を示す図。

【図２】絶縁膜作製時における窒素とArガスとの割合
と電気特性との関係を示す図。

【図３】本発明方法を用いたダイナミックメモリセル
である半導体装置の実施例を示す図。

【図４】本発明方法を用いたダイナミックメモリセル
である半導体装置の実施例を示す図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＨ０１Ｌ 27/108 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/318 C23C 14/06 H01L 21/822 H01L 21/8242 H01L 27/04 H01L 27/108

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】トランジスタが形成された基板上に、前記
トランジスタのソースまたはドレインに接続された第１
の電極を形成し、窒素濃度が７５体積％以上の気体を用いたスパッタリン
グ法により、前記第１の電極上に窒化物層を形成し、前記窒化物層上に第２の電極を形成することを特徴とす
る半導体装置の作製方法。
【請求項２】前記窒化物は、窒化珪素または窒化アルミ
ニウムであることを特徴とする請求項１に記載の半導体
装置の作製方法。
【請求項３】トランジスタが形成された基板上に、前記
トランジスタのソースまたはドレインに接続された第１
の電極を形成し、窒素濃度が７５体積％以上の気体を用いたスパッタリン
グ法により、前記第１の電極上に窒化物層を形成し、前記窒化物層上に第２の電極を形成することを特徴とす
るダイナミックメモリの作製方法。
【請求項４】前記窒化物は、窒化珪素または窒化アルミ
ニウムであることを特徴とする請求項３に記載のダイナ
ミックメモリの作製方法。