JP3952735B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁層として設けられた酸化膜上に、化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法を用いて、シリコン膜等からなる導電層を形成する半導体装置の製造方法に関し、更に詳細には、絶縁層の絶縁破壊耐圧や長期信頼性の低下を防止するようにした半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体装置として、例えばMOS型トランジスタを製造する際には、シリコン基板の主面側に、ソース拡散領域、ドレイン拡散領域及びチャネル領域を形成した後、少なくともチャネル領域上にゲート絶縁層を形成する必要がある。ゲート絶縁層は、通常、シリコン酸化膜や金属酸化膜等から構成される。
また、半導体装置として薄膜トランジスタ(TFT)を製造する際には、絶縁性基板上に形成したシリコン層の表面に、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁層を形成する必要がある。
【0003】
上記ゲート絶縁層でゲート電極とチャネル領域とが確実に絶縁されることによって、半導体装置の信頼性が確保されると言っても過言ではない。
このため、シリコン酸化膜や金属酸化膜等からなるゲート絶縁層には、常に高い絶縁破壊耐圧及び長期信頼性が要求される。
【0004】
ところで、酸化反応でゲート絶縁層を形成した後、このゲート絶縁層上に、シリコン膜を堆積して形成されたゲート電極を有するシリコンゲート型トランジスタが知られている。
このようなトランジスタでは、シリコン膜はCVD法で形成されることが多い。その場合、予め設定した成膜条件を満たす温度及び圧力を維持したCVD炉に、モノシラン(SiH4)ガス等の材料ガスを導入し、高温雰囲気内で、ゲート絶縁層上にシリコン膜を堆積する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、折角、高い絶縁破壊耐圧が得られるゲート絶縁層を備えていても、その後に、上述のようなSiH4ガスの高温雰囲気内でシリコン膜の堆積が行われると、次のような問題が発生することがある。
【0006】
すなわち、図4に示すように、シリコンウエハ40上に、構成元素としてケイ素(Si)と酸素(O)とを含む欠陥のないシリコン酸化膜42がゲート絶縁層として形成されている場合を想定する。
この場合、高温雰囲気内でのシリコン膜44(図6参照)の堆積時には、シリコン酸化膜42が、所謂還元性ガスであるSiH4ガスに晒される。従って、図5に示すように、構成元素としてゲート絶縁層42中に含まれる酸素がSiH4ガス中の水素(H)と結合すると、その分だけゲート絶縁層42から酸素が失われることになる。
このため、図6に示すように、シリコン膜44の堆積後には、酸素欠損を有するシリコン酸化膜42になってしまい、ゲート絶縁層42絶縁破壊耐圧や長期信頼性が低下することになる。
【0007】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、絶縁層として設けられた酸化膜上にCVD法で導電層を形成しながらも、酸化膜の酸素欠損を防止して、酸化膜の絶縁層としての絶縁破壊耐圧を低下させず、長期信頼性の低下を招くことがないようにした半導体装置を製造する製造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、絶縁層として酸化膜を形成した後、CVD法を用いて導電層を堆積する際に、酸化膜を還元雰囲気に晒さないようにすれば、化合物の構成元素として酸化膜中に含まれる酸素が失われる問題を解消可能な点に着目し、種々の実験を重ねた結果、本発明を発明するに到った。
【0009】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、MOSトランジスタのゲート酸化膜上に導電膜を形成する際に、前記導電膜を非還元性雰囲気内で形成するようにしたことを特徴としている。
【0010】
本発明に係る半導体装置の製造方法では、従来のような還元性雰囲気内ではなく、非還元性雰囲気内で導電層を形成するので、導電層の形成時に、化合物の構成元素として酸化膜中に含まれる酸素が失われることがない。このため、絶縁層としての酸化膜に酸素欠損を招くことがなく、従って、絶縁層としての絶縁破壊耐圧を低下させることなく、長期信頼性の低下を招くことがない半導体装置を得ることができる。
【0012】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法では、導電層としてシリコンゲルマニウム膜を形成するときに、非還元性雰囲気を構成する材料ガスとして、化合物の構成元素として水素を含まないシリコン材料ガス及びゲルマニウム材料ガスを使用する。具体的には、シリコン材料ガスを、SiCl4、Si 2 Cl 6 から構成し、ゲルマニウム材料ガスを四塩化ゲルマニウム(GeCl4)から構成することができる。
【0013】
酸化膜は、例えば、二酸化ケイ素(SiO2)、二酸化ハフニウム(HfO2)、アルミナ(Al2O3)、二酸化ジルコニウム(ZrO2)、五酸化二タンタル(Ta2O5)、二酸化プラセオジム(PrO2)、酸化ランタン(LaOx)、二酸化チタン(TiO2)、及び、五酸化二ニオブ(Nb2O5)のいずれかから構成することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。尚、以下の実施形態例で示す成膜温度、成膜圧力、ガス流量等の成膜条件は、本発明の理解を容易にするための一つの例示であって、本発明はこの例示に限定されるものではない。
製造方法の第1形態例
本形態例は、本発明に係る半導体装置の製造方法に対する参考例であって、図1は本製造方法で使用するロードロック式の縦型CVD炉の構成を示す側面断面図、図2及び図3は本形態例の製造方法による成膜状態を模式的に示す断面図である。
【0016】
本形態例では、半導体集積回路の製造に際し、図1に示す縦型CVD炉10を使用して、シリコンウエハ(基板)40上に、ゲート絶縁層42としてシリコン酸化膜を形成し、このシリコン酸化膜上に、ゲート電極をなす導電層44としてシリコン膜を形成する。
図1に示すように、縦型CVD炉10は、従来の減圧CVD法で使用される一般的な形式のものであり、ロードロック室12と、ロードロック室12上に配設された反応炉14とを備えている。
【0017】
ロードロック室12は、シールキャップ16を底部に有するボート18を内蔵し、ロック室を開放/閉塞するゲートバルブ20と、ボートエレベータ22とを備え、パージガス供給管24と、排気ライン26とを備えている。
また、ロードロック室12内に、ゲートバルブ20を通ってウエハ移載機28が自動で進入/後退するように構成されている。
【0018】
反応炉14は、外管30、内管32、及び外管30と内管32との間の空間37に連通する排気管33を有する反応管34と、反応管34の下部に設けられたガス導入管38と、反応管34を覆うように配置されたヒータ36とを備えている。
反応炉14の底部には、その開閉により、反応炉14とロードロック室12とを連通/遮断するゲートバルブ39が設けられている。
【0019】
次に、縦型CVD炉10を使用する本製造方法の具体的な工程について説明する。ここでは、MOS型トランジスタのゲート絶縁層としてシリコン酸化膜を形成する拡散工程と、シリコン酸化膜(SiO2)上に、ゲート電極としてシリコン膜を形成する減圧CVD工程とを中心に説明する。
【0020】
先ず、シリコンウエハ40(図2参照)の表面に、例えば熱酸化反応によって、ゲート絶縁層42としてシリコン酸化膜を形成する。
この形成工程では、公知の方法を用い、シリコンウエハ40の主面側に、LOCOS構造を有する素子分離領域を形成する。この後、ウエル形成用のイオン注入と、チャネルストッパ形成用のイオン注入とを行い、イオン濃度を調整してしきい値を調整する。これにより、シリコンウエハ40上に、化合物の構成元素としてケイ素(Si)と酸素(O)とを良好な状態で含むシリコン酸化膜(42)が形成された構造が得られる(図2参照)。
【0021】
次いで、図1に示すように、上記のようにゲート絶縁層42を形成したシリコンウエハ40を複数枚(図1では5枚示した)、ウエハ移載機28にセットする。
続いて、内部が大気圧に保持されたロードロック室12のゲートバルブ20を開放し、自動で作動するウエハ移載機28によって、シリコンウエハ40をボート18に移載する。
この後、ゲートバルブ20を閉塞してから、排気ライン26を介して排気(真空引き)を行って、ロードロック室12内を減圧する。
【0022】
続いて、ロードロック室12内が予め設定した真空圧に達した時点で、反応炉14のゲートバルブ39を開放し、ボートエレベータ22を上昇させて、ボート18を反応炉14内に挿入する。
この際の入炉温度は特に限定されないが、本形態例では、例えば、成膜温度と同じ600℃にすることができる。
【0023】
この後、ゲートバルブ39を閉塞し、アルゴンガスなどの不活性ガスをガス導入管38から反応炉14に導入して、成膜圧力まで昇圧する。
そして、反応炉14内の温度及び圧力が成膜条件を満たした時点で、ガス導入管38から、材料ガスとして、化合物の構成元素として水素を含まない非還元性のSiCl4ガス(非還元性ガス)を導入し、ゲート絶縁膜42上への導電層44の成膜を開始する。
【0024】
本形態例では、ゲート電極をなす導電層44としてシリコン膜を成膜する際の成長速度は0.5m/minであり、150分間の成膜処理を行って、所望の膜厚である70nmのシリコン膜(44)を得る。この際の成膜条件は、
成膜温度:600℃
成膜圧力:20Pa
ガス流量:SiCl4ガス=200sccm
である。
【0025】
上記成膜条件下で、ゲート絶縁層42上に導電層44が成長する際に、導電層44の成膜時に剥き出しになっているゲート絶縁層42は、図2に示すように、SiCl4ガスが導入された非還元性雰囲気に晒されている。
従って、ゲート絶縁層42に酸素欠損が生じることはなく、図3に示すように、SiとOとを良好な状態で含有するシリコン酸化膜(42)上に、シリコン膜(44)が形成された状態が得られる。これにより、絶縁破壊耐圧が良好なゲート絶縁層42が得られ、良好な長期信頼性を実現することができる。
【0026】
そして、導電層44の成膜終了後、反応炉14内の残留ガスを除去するために、縦型CVD炉10のガス導入管38及び排気管33からパージ及び排気(真空引き)を行う。
続いて、反応炉14のゲートバルブ39を開放し、ボートエレベータ22を下降させて、反応炉14内のボート18をロードロック室12側へ引き出した後、ゲートバルブ39を閉塞する。
【0027】
次いで、ロードロック室12内を大気圧雰囲気まで昇圧するために、排気ライン26から排気しつつ、パージガス供給管24から大気を導入する。
この後、ロードロック室12のゲートバルブ20を開放し、ウエハ移載機28により、処理後のシリコンウエハ40をボート13から取り出す。
【0028】
製造方法の第2形態例(本発明の実施形態例)
本実施形態例は、シリコンウエハ40上に導電層44としてシリコンゲルマニウム膜を形成する点が第1形態例と異なるため、ここでは、ゲート絶縁層42形成後の導電層44の成膜工程から説明する。
【0029】
アルゴンガス等の反応炉14への導入で成膜圧力まで昇圧し、温度及び圧力が成膜条件を満たした時点で、先ず、ガス導入管38から反応炉14内に、成膜時の材料ガスとしてSiCl4ガスを導入し、シード層の形成を行う。この際の成膜条件は、
成膜温度:600℃
成膜圧力:40Pa
ガス流量:SiCl4ガス=1500sccm
である。この条件による処理は、表面モフォロジー改善のために必要な処理であるが、本発明はこの処理の有無に依るものではない。
【0030】
次いで、導電層44としてシリコンゲルマニウム膜を成膜するため、既に反応炉14に導入しているSiCl4ガスに加えて、GeCl4ガスを導入する。この際、シリコンゲルマニウム膜の成長速度は0.5nm/minであり、110分間の成膜処理を行って、所望の膜厚である50nmのシリコン膜(44)を得る。この際の成膜条件は、
成膜温度:600℃
成膜圧力:40Pa
ガス流量:SiCl4ガス=1500sccm、GeCl4ガス=1500sccm
である。
【0031】
この後、第1形態例と同様の手順によって、ロードロック室12からシリコンウエハ40を取り出す。
本実施形態例のように、ゲート絶縁層42としてシリコン酸化膜を形成し、導電層44としてシリコンゲルマニウム膜を成膜した場合でも、第1形態例と同様の効果が得られた。
【0032】
製造方法の第3形態例
本形態例は、シリコンウエハ40上に導電層44としてリンドープトシリコン膜を形成する点が第1形態例と異なるため、ここでは、ゲート絶縁層42形成後の導電層44の成膜工程から説明する。
【0033】
アルゴンガス等の反応炉14への導入で成膜圧力まで昇圧し、温度及び圧力が成膜条件を満たした時点で、先ず、ガス導入管38から反応炉14内に、成膜時の材料ガスとしてSiCl4ガスとPCl3ガスとを導入して、導電層44としてのリンドープトシリコン膜の成膜を開始する。この際のリンドープトシリコン膜の成長速度は0.4nm/minであり、110分間の成膜処理を行い、所望の40nmの膜厚に形成する。この際の成膜条件は、
成膜温度:600℃
成膜圧力:350Pa
ガス流量:SiCl4ガス=400sccm、PCl3ガス=100sccm
である。
【0034】
この後、第1形態例と同様の手順によって、ロードロック室12からシリコンウエハ40を取り出す。
本形態例のように、ゲート絶縁層42としてシリコン酸化膜を形成し、導電層44としてリンドープトシリコン膜を成膜した場合でも、第1形態例と同様の効果が得られた。
【0035】
製造方法の第4形態例(本発明の実施形態例)
本実施形態例は、半導体集積回路の製造に際して、シリコンウエハ40上に、ゲート絶縁層42として金属酸化膜を形成し、この金属酸化膜上に、導電層44としてシリコンゲルマニウム膜を成膜する際に有効である。
【0036】
以下、図2〜図4を参照して本実施形態例を説明する。本実施形態例では、MOS型トランジスタのゲート絶縁層42として金属酸化膜を形成する工程と、この金属酸化膜上に導電層44としてシリコンゲルマニウム膜を形成する減圧CVD工程とを中心に説明する。
【0037】
先ず、シリコンウエハ40の表面に、金属酸化膜をゲート絶縁層42として形成する。
金属酸化膜の形成工程では、第1形態例と同様の手法で、シリコンウエハ40の主面側に、ウエル形成用のイオン注入、チャネルストッパ形成用のイオン注入、及び、しきい値調整を行う。
次いで、シリコンウエハ40の表面に、例えばALD(Atomic Layer Deposition)法を用いてHfO2膜を形成することにより、ゲート絶縁層42としての金属酸化膜を得る。これ以外にも、金属酸化膜として、Al2O3、ZrO2、Ta2O5、PrO2、LaOx、TiO2、及びNb2O5のいずれかを形成することができる。
【0038】
更に、ゲート絶縁層42を形成したシリコンウエハ40をウエハ移載機28にセットしてから、第1形態例と同様のプロセスで、反応炉14内にボート18を挿入する。更に、ゲートバルブ39を閉塞した後、アルゴンガスなどの不活性ガスを導入して、反応炉14内を成膜圧力まで昇圧する。
【0039】
次いで、温度及び圧力が成膜条件を満たした時点で、先ず、ガス導入管38から反応炉14内に、成膜時の材料ガスとしてSiCl4ガスを導入し、シード層の形成を行う。この際の成膜条件は、
成膜温度:600℃
成膜圧力:40Pa
ガス流量:SiCl4ガスを1500sccm
である。この条件による処理は、第2形態例と同様、表面モフォロジー改善のために必要な処理であるが、本発明はこの処理の有無に依るものではない。
【0040】
次いで、導電層44としてシリコンゲルマニウム膜を成膜するため、既に反応炉14に導入しているSiCl4ガスに加え、GeCl4ガスを導入する。この際、シリコンゲルマニウム膜の成長速度は0.5nm/minであり、110分間の成膜処理を行って、所望の膜厚である50nmのシリコン膜(44)を得る。この際の成膜条件は、
成膜温度:600℃
成膜圧力:40Pa
ガス流量:SiCl4ガス=1500sccm、GeCl4ガス=1500sccm
である。
【0041】
この後、第1形態例と同様の手順によって、ロードロック室12からシリコンウエハ40を取り出す。
本実施形態例のように、ゲート絶縁層42としてHfO2膜を形成し、導電層44としてシリコンゲルマニウム膜を成膜した場合でも、第1形態例と同様の効果が得られた。
【0042】
以上の第1〜第4形態例で、素子分離領域は、トレンチ構造を有していてもよいし、LOCOS構造とトレンチ構造との組み合わせであってもよく、ゲート構造によらない。
また、第1〜第4形態例では、縦型CVD炉10に代えて、枚葉CVD炉(図示せず)を使用することができる。
【0043】
第1〜第4形態例でのガス導入管38の形状やガス導入の手法は、前述に限定されるものではなく、例えば、マルチノズルを使用して反応炉14内にガス導入することもできる。
【0045】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、MOSトランジスタのゲート酸化膜上に導電膜を形成する際に、導電膜を非還元性雰囲気内で形成するようにしたので、酸化膜上にCVD等で導電層を形成しながらも、酸化膜の酸素欠損を防止して、酸化膜の絶縁層としての絶縁破壊耐圧を低下させず、長期信頼性の低下を招かないようにした半導体装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体装置の製造方法で使用する縦型CVD炉の構成を示す側面断面図である。
【図2】本発明に係る製造方法による成膜状態を模式的に示す断面図である。
【図3】本発明に係る製造方法による成膜状態を模式的に示す断面図である。
【図4】従来の半導体装置の製造方法による成膜状態を模式的に示す断面図である。
【図5】従来の製造方法による成膜状態を模式的に示す断面図である。
【図6】従来の製造方法による成膜状態を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
10……縦型CVD炉、12……ロードロック室、14……反応炉、16……シールキャップ、18……ボート、20……ゲートバルブ、22……ボートエレベータ、24……パージガス供給管、26……排気ライン、28……ウエハ移載機、30……外管、32……内管、33……排気管、34……反応管、36……ヒータ、37……空間、38……ガス導入管、39……ゲートバルブ、40……シリコンウエハ、42……ゲート絶縁層、44……導電層。
Claims (2)
- MOSトランジスタのゲート酸化膜上に導電膜を形成する際に、
化合物の構成元素として水素を含まないシリコン材料ガスを使用して前記ゲート酸化膜上にシード層の形成を行った後に、
前記シリコン材料ガス及び化合物の構成元素として水素を含まないゲルマニウム材料ガスを使用して、減圧CVD法により、前記導電膜としてシリコンゲルマニウム膜を形成し、
前記シリコン材料ガスは、SiCl 4 、Si 2 Cl 6 からなり、前記ゲルマニウム材料ガスはGeCl 4 からなる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記ゲート酸化膜は、SiO2、HfO2、Al2O3、ZrO2、Ta2O5、PrO2、LaOx、TiO2、及びNb2O5のいずれかからな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。
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