JP4397491B2 - １１１面方位を表面に有するシリコンを用いた半導体装置およびその形成方法 - Google Patents

１１１面方位を表面に有するシリコンを用いた半導体装置およびその形成方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、１１１面方位のシリコンをその表面に有するシリコンに形成されるトランジスタを複数含む半導体装置およびその形成方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＩＳ（金属／絶縁膜／シリコン）トランジスタのゲート絶縁膜には、低リーク電流特性、低界面準位密度、高ホットキャリア耐性などの高性能電気特性、高信頼性が要求される。これらの要求を満たすゲート絶縁膜形成技術として、従来は、８００℃以上の熱酸化技術が用いられてきた。この熱酸化技術を使用して、良好な酸化膜／シリコン界面特性、酸化膜の耐圧特性、リーク電流特性が得られるのは、従来、表面が１００面方位に配向したシリコンを用いたときであった。１００以外の他の面方位に配向したシリコンに熱酸化技術を使用したゲート酸化膜を形成しても、１００面方位に配向したシリコンのシリコン酸化膜に比べて、酸化膜／シリコン界面の界面準位密度が高く、また酸化膜の耐圧特性、リーク電流特性が悪いなど電気的特性が劣ってしまっていた。また、ＭＩＳトンジスタのモビリティに関しても１００面方位に配向したシリコンを使用したときが良く、他の面方位のシリコンでは高い駆動力のあるＭＩＳトランジスタを作成できなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、１０ＧＨｚオーダーの高速動作素子を実現するためには、信号を減衰させることなく伝播させたりクロストークを抑制させたりするために、半導体基体に金属材料を導入する必要があるが、５５０℃以上の高温プロセスを用いると金属と半導体が反応を起こすことによって素子の動作性能が劣化してしまうという問題や、また、不純物が再拡散することによって正確な不純物分布の形成が難しくなり、微細な高速素子の形成が困難となるという問題が発生し、８００℃以上の熱酸化技術が使用できないという課題が生じていた。
【０００４】
また、さらにトランジスタの駆動能力を向上させるには、シリコンの面密度が高い１１１面配向のシリコンを使用しかつ、シリコン酸化膜よりも誘電率の高い薄いゲート絶縁膜を用いることが要求されるが、従来、界面準位が低く、耐圧の高い良質な電気特性を有する高誘電率絶縁膜を１１１面配向のシリコンに低温で形成する方法はなかった。
【０００５】
また、シリコン基体に形成されるトランジスタ集積素子のシャロートレンチアイソレーション素子分離構造においては、熱酸化技術によりシリコン酸化膜を形成した場合、素子分離側壁部の角に近い部分のシリコン酸化膜が、平坦なシリコン表面部のシリコン酸化膜より薄膜化したり、質が劣化したりして漏れ電流や耐圧などの特性が劣り、素子の信頼性的な性能を劣化させるという問題が発生していた。これは、１００面配向したシリコンを使用したとき素子分離側壁部の角の主たる部分が１１１面配向していることにも原因している。こうした問題を解決しようとして、従来は素子分離領域側壁部のシリコン表面に対する角度を約７０度以下のテーパを設けた形状にして、側壁部の角のシリコン酸化膜の薄膜化を軽減していた。しかしながら、この場合においても約３０％以上の薄膜化が生じ、この薄膜化した部分における酸化膜の漏れ電流や耐圧などの特性劣化の発生を完全には防止できていなかった。また、さらには、なだらかなテーパ角を持った凹形状の素子分離領域を形成することで、素子分離幅が広くなり、トランジスタなどの素子を形成する有効な領域の面積的比率が低下し、高密度集積化が図れないという問題が生じていた。
【０００６】
さらに、絶縁膜上に形成されたポリシリコンなどのシリコン層は１１１面に主として安定して配向する性質を持つが、従来の熱酸化法ではこうしたポリシリコン上に良質なシリコンゲート酸化膜を形成することが困難であった。したがって、絶縁膜上に形成されたシリコン層に、高性能な半導体素子を形成することができず、絶縁膜上の高性能はシリコン素子を複数重ね合わせた３次元集積回素子を実現することも困難であった。
【０００７】
よって、以上述べた課題を克服するための、従来の熱酸化技術に代わる１１１面配向のシリコンにも適応可能な５５０℃以下の低温での高品質な絶縁膜形成技術が求められている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、係る従来の課題を解決するためになされたものであり、１１１面方位のシリコンをその表面に有するシリコン基体にトランジスタを複数含む半導体装置において、前記シリコンの表面に形成された絶縁膜の少なくとも一部がＫｒを含有するシリコン酸化膜であることを特徴とする。また、少なくとも１層の金属層上方に絶縁膜を介して設けられた１１１面方位をその表面に主体に有するシリコン層にトランジスタを複数含む半導体装置において、前記シリコン層の表面に形成された絶縁膜の少なくとも一部がＫｒを含有するシリコン酸化膜であることを特徴とする。また、１１１面方位のシリコンをその表面に有するシリコン基体にトランジスタを複数含む半導体装置において、前記シリコンの表面に形成された絶縁膜の少なくとも一部がＡｒまたはＫｒを含有するシリコン窒化膜であり、前記絶縁膜中に含有されるＫｒまたはＡｒの含有量が、絶縁膜表面からシリコンと絶縁膜との界面に向かって減少していることを特徴とする。
【０００９】
【作用】
本発明によれば、５５０℃以下の低温のプラズマ酸化で成膜したにも関わらず、１０００℃程度の高温で成膜したシリコン熱酸化膜より優れた特性、信頼性を有するシリコン酸化膜を１１１面配向のシリコン（ポリシリコンを含む）上に形成することが可能となり、高性能なトランジスタ集積回路を実現できる。
【００１０】
また、本発明によれば、１０００℃程度の高温で成膜したシリコン熱酸化膜と同程度の優れた特性、信頼性を有するシリコン窒化膜を５５０℃以下の低温で１１１面配向のシリコン（ポリシリコンを含む）上に形成することが可能となり、高誘電率ゲート絶縁膜をもった高性能なトランジスタ集積回路を実現できる。
【００１１】
また、本発明によれば、シャロートレンチアイソレーションなどの素子分離側壁部の主に１１１面配向した角部分にも高品質なシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を形成することが可能となり、酸化膜の漏れ電流や耐圧などの特性が良好になり、素子の電気的特性、信頼性の向上を実現でき、素子分離幅を狭くした高密度な素子集積化が可能となる。
【００１２】
さらに、強誘電メモリー素子、フラッシュメモリー素子などの高品質で安定で高信頼性を求められるゲート絶縁膜にも適応される。
【００１３】
さらに、本発明によれば、絶縁膜上に形成されたポリシリコンなどの主として１１１面に配向するシリコンに高品質なシリコンゲート酸化膜、シリコンゲート窒化膜を形成することが可能となり、高駆動能力を有するポリシリコントランジスタ、さらにはトランジスタ、機能素子を複数積層した３次元集積回路素子を実現することもできる。
【００１４】
【実施例】
以下に、本発明の実施例をあげて詳細に説明する。
【００１５】
【実施例１】
まずは、プラズマを用いた低温の酸化膜形成について述べる。図１は、本発明の酸化方法を実現するための、ラジアルラインスロットアンテナを用いた装置の一例を示す断面図である（特許願９−１３３４２２参照）。本実施例においては、酸化膜形成時のためにＫｒをプラズマ励起ガスとして使用していることに新規な特徴がある。真空容器（処理室）１０１内を真空にし、シャワープレート１０２からＫｒガス、Ｏ２ガスを導入し、処理室内の圧力を１Ｔｏｒｒ程度に設定する。シリコンウェハ等の円形状の基板１０３を、加熱機構を持つ試料台１０４に置き、試料の温度が４００度になるように設定する。この温度設定は２００−５５０度の範囲内で以下に述べる結果はほとんど同様のものとなる。同軸導波管１０５から、ラジアルラインスロットアンテナ１０６、誘電体板１０７を通して、処理室内に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を供給し、処理室内に高密度のプラズマを生成する。また、供給するマイクロ波の周波数は、９００ＭＨｚ以上１０ＧＨｚ以下の範囲にあれば以下に述べる結果はほとんど同様のものとなる。シャワープレート１０２と基板１０３の間隔は、本実施例では６ｃｍにしてある。この間隔は狭いほうがより高速な成膜が可能となる。本実施例では、ラジアルラインスロットアンテナを用いたプラズマ装置を用いて成膜した例を示したが、他の方法を用いてマイクロ波を処理室内に導入してもよい。
【００１６】
ＫｒガスとＯ２ガスが混合された高密度励起プラズマ中では、中間励起状態にあるＫｒ＊とＯ２分子が衝突し、原子状酸素Ｏ＊が効率よく発生する。この原子状酸素により、基板表面は酸化される。従来の、シリコン表面の酸化は、Ｈ２Ｏ分子、Ｏ２分子により行われ、処理温度は、８００℃以上と極めて高いものであったが、本発明の原子状酸素による酸化は、５５０℃以下と十分に低い温度で可能とある。Ｋｒ＊とＯ２の衝突機会を大きくするには、処理室圧力は高い方が望ましいが、あまり高くすると、発生したＯ＊同志が衝突し、Ｏ２分子に戻ってしまう。当然、最適ガス圧力が存在する。図２に、処理室内の圧力比を、Ｋｒ９７％酸素３％に保って、処理室のガス圧を変えたときの、シリコン基板温度４００度、１０分間の酸化処理により成長する酸化膜厚を示す。処理室のガス圧が１Ｔｏｒｒの時に最も酸化膜は厚くなり、この圧力ないしはその近傍の酸化条件が最適である。この最適圧力は基板シリコンの面方位が１００面でも１１１面でも変わらない。
【００１７】
図３には、Ｋｒ／Ｏ２高密度プラズマを用いたシリコン基板表面酸化時の酸化膜厚と酸化時間の関係を示す。シリコン基板は面配向１００面と１１１面のものを示している。図３には同時に従来の９００℃のドライ熱酸化による酸化時間依存性を示している。基板温度４００度、処理室内圧力１ＴｏｒｒにおけるＫｒ／Ｏ２高密度プラズマ酸化の酸化速度は、基板温度１０００度の大気圧ドライＯ２酸化の酸化速度より、速いことが明らかである。Ｋｒ／Ｏ２高密度プラズマを用いたシリコン基板表面酸化を導入する事により、表面の酸化技術の生産性も大幅に向上させる。従来の高温熱酸化技術では、表面に形成された酸化膜をＯ２分子やＨ２Ｏ分子が拡散によって通り抜け、シリコン／シリコン酸化膜の界面に到達して酸化に寄与するため、酸化速度は、Ｏ２や、Ｈ２Ｏ分子の酸化膜の拡散速度により律速され、酸化時間ｔに対して、ｔ１／２で増加するのが常識であったが、本発明のＫｒ／Ｏ２高密度プラズマ酸化では、酸化膜厚が、３５ｎｍまで、酸化速度は直線的である。これは原子状酸素の拡散速度がシリコン酸化膜中が極めて大きく、シリコン酸化膜を自在に通り抜けられることを意味する。
【００１８】
また、面方位依存に関しては、従来の９００℃ドライ熱酸化では１１１面方位シリコンの方が１００面方位シリコンよりも酸化膜の成長速度が速いが、Ｋｒ／Ｏ２高密度プラズマ酸化では、逆に１１１面方位シリコンの方が１００面方位シリコンよりも成長速度が遅い。本来１１１面方位の方が１００面よりもシリコンの面密度が多いので、酸素ラジカルの供給量が同じであれば酸化速度は１１１面の方が１００面よりも遅くなる。Ｋｒ／Ｏ２高密度プラズマを用いたシリコン基板表面酸化では、この通りになっており、１１１面にも１００面同様緻密な酸化膜が形成されているといえる。一方、従来の熱酸化では、１１１面の酸化速度の方が１００面よりも早く、１１１面の酸化膜が１００面に比べ疎であることを示している。
【００１９】
図４は、上記の手順で形成されるシリコン酸化膜中のＫｒ密度の深さ方向分布を、全反射蛍光Ｘ線分光装置を用いて調べたものである。１００面、１１１面とも同様の結果である。Ｋｒ中の酸素の分圧３％、処理室内の圧力１Ｔｏｒｒ、基板温度４００度で行った。Ｋｒ密度は、酸化膜厚が薄い領域になるほど減少し、シリコン酸化膜表面では２×１０１１ｃｍ−２程度の密度でＫｒが存在する。すなわち、このシリコン膜は、膜厚が４ｎｍ以上の膜中のＫｒ濃度は一定で、シリコン／シリコン酸化膜の界面に向かって、Ｋｒ濃度は減少している膜である。
【００２０】
図５は、酸化膜の界面準位密度を、低周波Ｃ−Ｖ測定から求めた結果である。シリコン酸化膜の形成は図１に示した装置を用いて、基板温度４００度で成膜した。希ガス中の酸素の分圧は３％、処理室内の圧力は１Ｔｏｒｒに固定した。比較のために、９００度酸素１００％の雰囲気で成膜した熱酸化膜の界面準位密度も同時に示す。Ｋｒガスを用いて成膜した酸化膜の界面準位密度は、１００面、１１１面とも低く、９００℃のドライ酸化雰囲気で成膜した１００面に形成した熱酸化膜の界面準位密度と同等である。１１１面に形成した熱酸化膜の界面準位密度はこれらに比べ１桁以上大きい。これは次のような機構によると考えられる。酸化中には、酸化膜側からみると、１００面ではシリコンの結合手が２本、１１１面ではシリコンの結合手が１本と３本交互に現れる。従来の熱酸化では、１１１面において、３本のシリコンの結合手に酸素が結合するとそのシリコンの後ろ側の結合手が伸びてウイークボンドになったり、切れてダングリングボンドになったりして界面準位が増加してしまう。ＫｒとＯ２の混合ガスの高密度励起プラズマ酸化では、中間励起状態にあるＫｒ＊とＯ２分子が衝突し原子状酸素Ｏ＊が効率よく発生し、この原子状酸素がウィークボンドやダングリングボンドのところに効率よく達してシリコン−酸素の新たな結合をつくることで、１１１面においても界面準位を低減すると考えられる。
【００２１】
図６は、シリコン酸化膜成膜雰囲気におけるＫｒ中での酸素の分圧と、シリコン酸化膜の絶縁耐圧、および、成膜されたシリコン酸化膜中の界面順位密度の関係である。このとき、処理室内の圧力は１Ｔｏｒｒで固定した。１００面、１１１面とも同様の結果である。Ｋｒ中の酸素分圧が３％のとき、界面順位密度は最小となり、熱酸化膜中での界面順位密度と同等の値が得られる。また、シリコン酸化膜の絶縁耐圧も、酸素分圧３％付近で最大となる。このことから、Ｋｒ／Ｏ２混合ガスを用いて酸化を行うときの、酸素分圧は２−４％が好適である。
【００２２】
図７は、シリコン酸化膜成膜時の圧力と、シリコン酸化膜の絶縁耐圧、界面順位密度の関係である。このとき、酸素の分圧は３％とした。１００面、１１１面とも同様の結果である。成膜時の圧力が１Ｔｏｒｒ付近で、シリコン酸化膜の絶縁耐圧は最大値をとり、界面順位密度は最小値をとる。このことから、Ｋｒ／Ｏ２混合ガスを用いて酸化膜を形成する場合、成膜時の圧力は、８００−１２００ｍＴｏｒｒが最適である。
【００２３】
この他、酸化膜の耐圧特性、リーク特性、ホットキャリア耐性、ストレス電流を流したときのシリコン酸化膜が破壊に至るまでの電荷量ＱＢＤ（Ｃｈａｒｇｅ−ｔｏ−Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）などの電気的特性、信頼性的特性に関して、Ｋｒ／Ｏ２高密度プラズマを用いたシリコン基板表面酸化による酸化膜は、９００℃の熱酸化と同様の良好な特性が得られた。
【００２４】
上述したように、Ｋｒ／Ｏ２高密度プラズマにより成長した酸化膜は、４００℃という低温で酸化しているにもかかわらず、１００面、１１１面とも、従来の１００面の高温熱酸化膜と同等ないしはより優れた特性を示している。こうした効果が得られるのは、酸化膜中にＫｒが含有されることにも起因している。酸化膜中にＫｒが含有されることにより、膜中やＳｉ／ＳｉＯ２界面でのストレスが緩和され、膜中電荷や界面準位密度が低減され、シリコン酸化膜の電気的特性が大幅に改善されるためと考えられる。特に、図４に示されるように、表面密度において５×１０１１ｃｍ−２以下のＫｒを含むことがシリコン酸化膜の電気的特性、信頼性的特性の改善に寄与していると考えられる。
【００２５】
このゲート酸化膜を使用したＭＩＳトランジスタを作成し、チャネルモビリティの面方位依存を測定したところ、１１１面方位のシリコンに作成したトランジスタのチャネルモビリティは１００面方位のそれに比べＮ型Ｐ型とも劣化がほとんどなかった。
【００２６】
本発明の酸化膜を実現するためには、図１の装置の他に、プラズマを用いた低温の酸化膜形成を可能とする別のプラズマプロセス用装置を使用してもかまわない。たとえば、マイクロ波によりプラズマを励起するためのＫｒガスを放出する第１のガス放出手段と、酸素ガスを放出する前記第１のガス放出手段とは異なる第２のガス放出手段をもつ２段シャワープレート型プラズマプロセス装置で形成することも可能である。
【００２７】
【実施例２】
次に、プラズマを用いた低温の窒化膜形成について述べる。窒化膜形成装置は図１と同じである。本実施例においては、窒化膜形成時のためにＡｒまたはＫｒをプラズマ励起ガスとして使用する。真空容器（処理室）１０１内を真空にし、シャワープレート１０２からＡｒガス、ＮＨ３ガスを導入し、処理室内の圧力を１００ｍＴｏｒｒ程度に設定する。シリコンウェハ等の円形状の基板１０３を、加熱機構を持つ試料台１０４に置き、試料の温度が５００度になるように設定する。この温度設定は２００−５５０度の範囲内で以下に述べる結果はほとんど同様のものとなる。同軸導波管１０５から、ラジアルラインスロットアンテナ１０６、誘電体板１０７を通して、処理室内に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を供給し、処理室内に高密度のプラズマを生成する。また、供給するマイクロ波の周波数は、９００ＭＨｚ以上１０ＧＨｚ以下の範囲にあれば以下に述べる結果はほとんど同様のものとなる。シャワープレート１０２と基板１０３の間隔は、本実施例では６ｃｍにしてある。この間隔は狭いほうがより高速な成膜が可能となる。本実施例では、ラジアルラインスロットアンテナを用いたプラズマ装置を用いて成膜した例を示したが、他の方法を用いてマイクロ波を処理室内に導入してもよい。本実施例では、プラズマ励起ガスにＡｒを使用しているが、Ｋｒを用いても同様の結果を得ることができる。また、本実施例では、プラズマプロセスガスにＮＨ３を用いているが、Ｎ２とＨ２などの混合ガスを用いても良い。
【００２８】
ＡｒまたはＫｒとＮＨ３（またはＮ２、Ｈ２）の混合ガスの高密度励起プラズマ中では、中間励起状態にあるＡｒ＊またはＫｒ＊により、ＮＨ＊ラジカルが効率よく発生する。このＮＨ＊ラジカルにより、基板表面は窒化される。これまで、シリコン表面の直接窒化の例の報告はなく、プラズマＣＶＤ法などにより窒化膜の形成が行われており、トランジスタのゲート膜に使える高品質な膜は得られていなかった。しかし本実施例のシリコン窒化によれば、シリコンの面方位を選ばず、１００面でも１１１面でも、低温で高品質な窒化膜を形成することが可能となる。
【００２９】
本発明のシリコン窒化膜形成においては、水素が存在することがひとつの重要な要件である。プラズマ中に水素が存在することにより、シリコン窒化膜中および界面のダングリングボンドがＳｉ−Ｈ、Ｎ−Ｈ結合を形成して終端され、その結果シリコン窒化膜および界面の電子トラップが無くなる。Ｓｉ−Ｈ結合、Ｎ−Ｈ結合が本発明の窒化膜に存在することはそれぞれ赤外吸収スペクトル、Ｘ線光電子分光スペクトルを測定することで確認されている。水素が存在することで、ＣＶ特性のヒステリシスも無くなり、シリコン／シリコン窒化膜界面密度も３×１０１０ｃｍ−２と低く抑えられる。希ガス（ＡｒまたはＫｒ）とＮ２／Ｈ２の混合ガスを使用してシリコン窒化膜を形成する場合には水素ガスの分圧を０．５％以上とすることで、膜中の電子や正孔のトラップが急激に減少する。
【００３０】
図８は、上述の手順で作成したシリコン窒化膜厚の圧力依存性である。Ａｒ：ＮＨ３の分圧比は９８：２、成膜時間は３０分である。窒化の成長速度は圧力を下げて、希ガス（ＡｒまたはＫｒ）がＮＨ３（またはＮ２／Ｈ２）に与えるエネルギーを増やした方が速くなる。窒化の効率化の観点からは、ガス圧力は５０〜１００ｍＴｏｒｒが好ましい。また、希ガス中のＮＨ３（またはＮ２／Ｈ２）の分圧は１〜１０％の範囲が良く、さらに好ましくは２〜６％が良い。
【００３１】
本実施例のシリコン窒化膜の誘電率は７．９であり、シリコン酸化膜の約２倍のものが得られた。
【００３２】
図９に、本実施例のシリコン窒化膜の電流電圧特性を示す。これはＡｒ／Ｎ２／Ｈ２ガスを用いて、Ａｒ：Ｎ２：Ｈ２の分圧比を９３：５：２として４．２ｎｍのシリコン窒化膜（誘電率換算酸化膜２．１ｎｍに相当）を成膜したときのものであり、熱酸化膜２．１ｎｍと比較している。１Ｖ印加時でシリコン酸化膜より４桁以上も低いリーク電流特性が得られており、ゲート酸化膜使用時の微細化限界を突破するトランジスタの作成が可能となる。
【００３３】
上述した成膜条件、物性的・電気的特性は、シリコンの面方位によらず、１００面でも１１１面でも、同様に良好である。これは、酸化膜中にＳｉ−Ｈ結合、Ｎ−Ｈ結合だけでなくＡｒまたはＫｒが含有されることにも関係し、窒化膜中やシリコン／窒化膜界面でのストレスが緩和され、シリコン窒化膜中の固定電荷や界面準位密度が低減されて、電気的特性、信頼性的特性が大幅に改善される。特に、図４に示されたシリコン酸化膜の場合と同様に、表面密度において５×１０１１ｃｍ−２以下のＡｒまたはＫｒを含むことがシリコン窒化膜の電気的特性、信頼性的特性の改善に寄与していると考えられる。
【００３４】
このゲート窒化膜を使用したＭＯＳトランジスタを作成し、チャネルモビリティの面方位依存を測定したところ、１１１面方位のシリコンに作成したトランジスタのチャネルモビリティは１００面方位のそれに比べＮ型Ｐ型とも劣化がほとんどなかった。
【００３５】
本発明の窒化膜を実現するためには、図１の装置の他に、プラズマを用いた低温の酸化膜形成を可能とする別のプラズマプロセス用装置を使用してもかまわない。たとえば、マイクロ波によりプラズマを励起するためのＡｒまたはＫｒガスを放出する第１のガス放出手段と、ＮＨ３（またはＮ２／Ｈ２ガス）ガスを放出する前記第１のガス放出手段とは異なる第２のガス放出手段をもつ２段シャワープレート型プラズマプロセス装置で形成することも可能である。
【００３６】
【実施例３】
次に、ゲート絶縁膜にプラズマを用いた低温の酸化膜と窒化膜の２層構造を使用した実施例を説明する。酸化膜、窒化膜形成装置は図１と同じである。本実施例においては、酸化膜および窒化膜形成のためにＫｒをプラズマ励起ガスとして使用した。まず、真空容器（処理室）１０１内を真空にし、シャワープレート１０２からＫｒガス、Ｏ２ガスを導入し、処理室内の圧力を１Ｔｏｒｒ程度、シリコンウェハの温度が４５０度になるように設定する。そして、同軸導波管１０５から、ラジアルラインスロットアンテナ１０６、誘電体板１０７を通して、処理室内に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を供給し、処理室内に高密度のプラズマを生成し、シリコン表面に１ｎｍのシリコン酸化膜を形成した。次に、マイクロ波の供給を一時停止した後、Ｋｒガス、Ｏ２ガスを導入を止め、真空容器（処理室）１０１内を排気してから、シャワープレート１０２からＫｒガス、ＮＨ３ガスを導入し、処理室内の圧力を１００ｍＴｏｒｒ程度に設定し、再び２．４５ＧＨｚのマイクロ波を供給し、処理室内に高密度のプラズマを生成して、シリコン表面に２ｎｍのシリコン窒化膜を形成した。
【００３７】
この積層ゲート絶縁膜の界面準位は図５に示したものと同様に低く、また、実効的な誘電率は約６．７となった。他、リーク電流特性、耐圧特性、ホットキャリア耐性などの電気的特性、信頼性的特性も優れたものであった。シリコンの面方位依存も見られず、１００面、１１１面とも優れた特性のゲート絶縁膜を形成できた。このようにして、酸化膜の低界面準位特性と窒化膜の高誘電率特性を兼ね備えたゲート絶縁膜を実現できた。
【００３８】
この酸化膜／窒化膜の積層ゲート絶縁膜を使用したＭＩＳトランジスタを作成し、チャネルモビリティの面方位依存を測定したところ、１１１面方位のシリコンに作成したトランジスタのチャネルモビリティは１００面方位のそれに比べＮ型Ｐ型とも劣化がほとんどなかった。
【００３９】
本実施例では、シリコン側に酸化膜を形成する酸化膜・窒化膜の２層構成を示したが、目的に応じて酸化膜・窒化膜の順序を入れ替えたり、また酸化膜／窒化膜／酸化膜、窒化膜／酸化膜／窒化膜などのさらに複数の積層膜を形成することも可能である。
【００４０】
【実施例４】
図１０（ａ）にシャロートレンチアイソレーションの概念図を示す。このシャロートレンチアイソレーションは、シリコン基板１００３表面をプラズマによりエッチングし、エッチングの後のシリコン基板表面にＣＶＤ法により形成されたシリコン酸化膜１００２を成膜し、さらに、形成されたシリコン酸化膜を平坦化エッチング、例えばＣＭＰ法を用いて研磨することにより形成される。研磨後に、シリコン基板を８００−９００度の酸化性の雰囲気にさらすことにより、犠牲酸化を行い、犠牲酸化により形成されたシリコン酸化膜をフッ酸を含む薬液中でエッチングし、高清浄なシリコン表面を得る。その後、基板表面をＲＣＡ洗浄などを用いて洗浄し、ゲート絶縁膜１００１を約４ｎｍ形成する。１００面のシリコンを用いてゲート絶縁膜成膜工程に従来の熱酸化法を適用した場合、形成条件（Ｄｒｙ酸化かＷｅｔ酸化か、または形成温度）によらず、図１６（ｂ）に示したように、シャロートレンチアイソレーションの角部１００４（１１１面方向を向いたシリコンの部分）で、シリコン酸化膜の薄膜化が発生した。しかし、実施例１の手順によりＫｒ／Ｏ２を用いてシリコン酸化膜を形成した本発明の場合は、図１６（ｃ）に示すように、シャロートレンチアイソレーションの角部１００５で、シリコン酸化膜の薄膜化が起こらなかった。本発明の酸化においては原子状酸素が角部１００５付近にも効率よく達しているためと考えられる。このＫｒを用いたプラズマ酸化により形成されたシャロートレンチアイソレーション部分を含めた全体のシリコン酸化膜のＱＢＤ（Ｃｈｒａｇｅ ｔｏ Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）特性は、非常に良好で、注入電化量１０２Ｃ／ｃｍ２まで破壊を起こさず、デバイスの信頼性を大幅に改善した。また、従来の熱酸化法で成膜したシリコン酸化膜は、シャロートレンチアイソレーションのテーパ角が大きくなるに従って、シャロートレンチアイソレーション角部での薄膜化が激しくなるが、本発明のＫｒを用いたプラズマ酸化では、テーパ角が大きくなっても、シャロートレンチアイソレーション角部での薄膜化が起こらない。シャロートレンチアイソレーションのテーパ角をあげることにより、素子分離領域の面積が減少するため、半導体素子のさらなる集積度向上が可能となる。従来の熱酸化などの技術では約７０度のテーパ角が用いられていたが、本発明によれば、９０度の角度にしても良好な特性が得られ、トランジスタの集積度を従来に比べ約２倍に改善することができた。
【００４１】
また、実施例２の手順により、Ａｒ／ＮＨ３を用いてシリコン窒化膜を１００面シリコンに形成した場合にも、１１１面方向を向いたシャロートレンチアイソレーション角部に高品質な薄膜化のないシリコン窒化膜を形成することができ、非常に良好な電気的特性を示し、デバイスの高信頼性を保つことができた。これは本発明の窒化においては、酸化と同様ラジカルの挙動が重要な要件となっており、ＮＨ＊ラジカルが角部１００５付近にも効率よく達するためと考えられる。シリコン窒化膜の厚さを４ｎｍ（シリコン酸化膜厚誘電率換算２ｎｍ）としても良好な電気的特性を得ることができ、４ｎｍのシリコン酸化膜を使用したときよりもトランジスタの駆動能力を約２倍上げることができた。
【００４２】
【実施例５】
次に、強誘電体メモリ素子を作成した実施例を説明する。図１１は本発明の強誘電体メモリ素子の概略断面図である。１１０１はシリコン基板内に形成されたＰウェル、１１０２、１１０２‘はＮ型トランジスタのソースドレイン、１１０３は、実施例２の手順に沿って４００℃でＡｒ／ＮＨ３プラズマにより形成された厚さ５ｎｍのゲートシリコン窒化膜、１１０４はＮ型トランジスタのポリシリコンゲート、１１０５は実施例２の手順に沿ってＡｒ／ＮＨ３プラズマにより４００℃で形成された厚さ５ｎｍのシリコン窒化膜、１１０６は厚さ１５０ｎｍのＳｒＴａＮｂＯ強誘電体膜、１１０７はＰｔ電極である。１１０６の強誘電膜はＳｒ：Ｔａ：Ｎｂが１：０．７：０．３になるようにスパッタ成膜したあと、実施例１の手順に沿って、４００℃でＫｒ／Ｏ２プラズマ酸化してＳｒ２（Ｔａ０．７Ｎｂ０．３）２Ｏ７の組成となるように形成した。また、ソース・ドレイン領域を形成するためのイオン注入はゲート酸化膜を通さずに行い、４００℃で電気的活性化して形成した。ゲート長は０．３５μｍである。
【００４３】
ＳｒＴａＮｂＯ膜は誘電率が約４０程度であり、従来から、ゲート絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いても、強誘電体メモリ素子の書き込み電圧を比較的下げられるといった利点が知られていた。本実施例では、本発明ではじめて可能となるＡｒ／ＮＨ３プラズマによるシリコン窒化膜１１０３をゲート絶縁膜に使用しており、シリコンゲート酸化膜を使用したときに比べ、ゲート絶縁膜の誘電率が約２倍となっているために、メモリ書き込み電圧をさらに約１．９分の１に低減することが可能になった。また、従来は、ポリシリコンとＳｒＴａＮｂＯ膜の間にＩｒＯのような拡散防止層を使う例が主であったが、Ｉｒが下地の半導体素子の電気的特性にに悪影響を及ぼすという問題が生じていた。本実施例では、本発明で初めて可能となるＡｒ／ＮＨ３プラズマによるシリコン窒化膜１１０５を主に１１１配向しているポリシリコンゲート１１０４上に低温で形成することができた。このシリコン窒化膜は緻密で高品質であり、下地の半導体素子に悪影響を及ぼすことはもちろんなく、かつ高い拡散防止性能を持っている。さらにまた、従来は、ＳｒＴａＮｂＯ膜はゾルゲル法＋高温（９００℃以上）アニールにより形成されることが多く、膜内組成の不均一性、高温化の拡散による素子特性の劣化といった問題が起こり、膜の耐リーク特性も不十分であった。本実施例では、本発明で初めて可能となるＫｒ／Ｏ２プラズマによる低温の酸化により、Ｓｒ：Ｔａ：Ｎｂの組成比が正確に１：０．７：０．３になるようにスパッタされた膜を酸化することで、均一性の優れた、元素の拡散の起こらない、リーク電流特性も優れたＳｒ２（Ｔａ０．７Ｎｂ０．３）２Ｏ７を形成することができた。
【００４４】
この強誘電体メモリ素子を２次元に複数配置して作成した強誘電体メモリ素子は、従来に比べ約１／２弱の低電圧書き込み動作性、約２倍の高速駆動特性、約１００倍の長時間保持特性、多数回書き換え特性を示した。
【００４５】
また、本実施例の強誘電体メモリ素子はすべて４００℃程度で形成可能であり、金属層をシリコン基板の中に有するＳＯＩトランジスタ、金属配線が形成された後に作成される絶縁膜状のポリシリコントランジスタを使用して形成することも可能である。
【００４６】
【実施例６】
次に、フラッシュメモリ素子を作成した実施例を説明する。図１２は本発明のフラッシュメモリ素子の概略断面図である。１２０１はシリコン基板内に形成されたＰウェル、１２０２、１２０２‘はＮ型トランジスタのソースドレイン、１２０３は、実施例２の手順に沿って４００℃でＡｒ／ＮＨ３プラズマにより形成された厚さ６ｎｍのゲートシリコン酸化膜、１２０４はフローティングポリシリコンゲート、１２０５は実施例２の手順に沿ってＡｒ／ＮＨ３プラズマにより４００℃で形成された厚さ４ｎｍのシリコン酸化膜、１２０６は制御用ポリシリコンゲートである。 ソース・ドレイン領域を形成するためのイオン注入はゲート酸化膜を通さずに行い、４００℃で電気的活性化して形成した。ゲート長は０．２５μｍである。
【００４７】
本実施例では、本発明ではじめて可能となるＡｒ／ＮＨ３プラズマによるシリコン窒化膜をゲート絶縁膜１２０３および主に１１１配向しているフローティングポリシリコンゲート１２０４上の絶縁膜１２０５に低温で形成することができた。このシリコン窒化膜１２０３および１２０５は緻密で高品質であり、優れた低リーク特性をもっており、メモリ保持時間を従来より１桁以上伸ばすことができた。また、シリコンゲート窒化膜１２０３は優れたホットキャリア耐性をもち、従来のシリコン酸化膜を使用していたときに比べ書き換え可能回数を約１桁以上増やすことができた。またシリコン窒化膜１２０５はゲート窒化膜１２０３よりも薄膜化しても良好な電気的特性を持ち、その結果メモリ書き込み電圧を低減することが可能になった。
【００４８】
このフラッシュメモリ素子を２次元に複数配置して作成したフラッシュメモリ素子は、従来に比べ約１／１．３の低電圧高速書き換え動作性、約２倍の高速駆動特性、約１００倍以上の長時間保持特性、多数回書き換え特性を示した。
【００４９】
また、本実施例のフラッシュメモリ素子はすべて４００℃程度で形成可能であり、金属層をシリコン基板の中に有するＳＯＩトランジスタ、金属配線が形成された後に作成される絶縁膜状のポリシリコントランジスタを使用して形成することも可能である。
【００５０】
【実施例７】
図１の装置を用いた、Ｋｒ／Ｏ２マイクロ波励起高密度プラズマによるゲート酸化、Ａｒ（またはＫｒ）／ＮＨ３（またはＮ２／Ｈ２）マイクロ波励起高密度プラズマによるゲート窒化は、従来のような高温工程を用いることができない金属基板ＳＯＩウェハ上の集積デバイス作成に適応できる。特に、トランジスタの駆動能力が向上する、シリコンの面密度が高い１１１面配向のシリコンを半導体層に用いた金属基板ＳＯＩウェハ上の集積デバイス作成に最適である。
【００５１】
図１３は、金属基板ＳＯＩ上に作製されたＭＯＳトランジスタの断面図である。１３０１は、ｎ＋、ｐ＋低抵抗半導体、１３０２は、ＮｉＳｉなどのシリサイド層、１３０３は、ＴａＮ，ＴｉＮなどの導電性窒化物層、１３０４はＣｕ等の金属層、１３０５はＴａＮ，ＴｉＮなどの導電性窒化物層、１３０６はｎ＋、ｐ＋低抵抗半導体層、１３０７は、ＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４等の窒化物絶縁膜、１３０８はＳｉＯ２膜、１３０９は、ＳｉＯ２、ＢＰＳＧもしくはそれらを組み合わせた絶縁膜層、１３１０はｎ＋ドレイン領域、１３１１は、ｎ＋ソース領域、１３１２はｐ＋ドレイン領域、１３１３は、ｐ＋ソース領域、１３１４、１３１５は１１１面に配向したシリコン半導体層、１３１６は本発明の実施例１の手順によりＫｒ／Ｏ２マイクロ波励起高密度プラズマで形成されたＳｉＯ２膜、１３１７、１３１８はＴａ、Ｔｉ、ＴａＮ／Ｔａ、ＴｉＮ／Ｔｉ、等で形成されるｎＭＯＳのゲート電極ならびに、ｐＭＯＳのゲート電極、１３１９はｎＭＯＳソース電極、１３２０はｎＭＯＳおよびｐＭＯＳのドレイン電極である。１３２１はｐＭＯＳのソース電極である。１３２２は基板表面電極である。ＴａＮやＴｉＮで保護された、Ｃｕ層を含む基板では、Ｃｕの拡散を押さえるために、熱処理温度は、７００度以下でなければならない。ｎ＋、ｐ＋ソース・ドレイン領域は、Ａｓ＋、ＡｓＦ２＋、ＢＦ２＋イオン注入後、５５０度の熱処理で形成する。これまで、７００度以下で高品質の酸化膜を形成する技術が存在しなかったが、本発明のＫｒ／Ｏ２マイクロ波励起高密度プラズマ酸化により、初めて、図２０に示す金属基板ＳＯＩ ＬＳＩが作成可能となったのである。
【００５２】
このデバイス構造を用いて、ゲート絶縁膜に熱酸化膜を用いた場合とＫｒを用いたプラズマ酸化でゲート絶縁膜を形成した場合のトランジスタのサブスレッショールド特性の比較を行うと、ゲート絶縁膜を熱酸化により形成した場合、サブスレッショールド特性には、キンク、リークが観察されるが、ゲート絶縁膜をＫｒを用いたプラズマ酸化で形成した場合には、サブスレッショールド特性は良好であった。
【００５３】
また、メサ型素子分離構造をもちいると、メサ素子分離の側壁部にはシリコン平面部とは別の面方位のシリコンが現れるが、Ｋｒを用いたプラズマ酸化によりゲート絶縁膜を形成することで、メサ素子分離側壁部の酸化も平面部と同様にほぼ均一に行うことができ、良好な電気的特性、高い信頼性を得ることができた。
【００５４】
また、実施例２の手順により、Ａｒ／ＮＨ３を用いて形成したシリコン窒化膜をゲート絶縁膜に使用した場合にも、非常に良好な電気的特性、高い信頼性を持った金属基板ＳＯＩＬＳＩを作成することができた。本実施例においても、シリコン窒化膜の厚さを４ｎｍ（シリコン酸化膜厚誘電率換算２ｎｍ）としても良好な電気的特性を得ることができ、４ｎｍのシリコン酸化膜を使用したときよりもトランジスタの駆動能力を約２倍上げることができた。
【００５５】
【実施例８】
図１４は、ガラス基板やプラスチック基板などの長方形基板に対して酸化、窒化を行うための、本発明の装置の一例を示す概念図である。真空容器（処理室）１４０７内を減圧状態にし、シャワープレート１４０１からＫｒ／Ｏ２混合ガスを導入し、ねじ溝ポンプ１４０２によって排気し、例えば処理室内の圧力を１Ｔｏｒｒに設定する。ガラス基板１４０３を、加熱機構を持つ試料台１４０４に置き、例えばガラス基板の温度が３００度になるように設定する。方形導波管１４０５のスリットから、誘電体板１４０６を通して、処理室内にマイクロ波を供給し、処理室内に高密度のプラズマを生成する。シャワープレート１４０１は導波管から放射されたマイクロ波が、左右に表面波として伝搬する導波路の役割も兼ねている。
【００５６】
図１５は、図１４の装置を使用して本発明のゲート酸化膜またはゲート窒化膜を作成し、液晶表示素子、有機ＥＬ発光素子等の駆動・処理回路用のポリシリコンＴＦＴを形成した実施例である。まずシリコン酸化膜を形成し使用した例を述べる。１５０１はガラス基板、１５０２はＳｉ３Ｎ４膜、１５０３は１１１面に主に配向したポリシリコンｎＭＯＳのチャネル層、１５０５、１５０６はそれぞれポリシリコンのｎＭＯＳのソース領域・ドレイン領域、１５０４は１１１面に主に配向したポリシリコンｐＭＯＳのチャネル層、１５０７、１５０８はそれぞれポリシリコンｐＭＯＳのソース領域・ドレイン領域である。１５１０はポリシリコンｎＭＯＳのゲート電極、１５１１はポリシリコンｐＭＯＳのゲート電極、１５１２はＳｉＯ２、ＢＳＧ、ＢＰＳＧ等の絶縁膜、１５１３、１５１４はポリシリコンｎＭＯＳのソース電極（同時にポリシリコンｐＭＯＳのドレイン電極）、１５１５はポリシリコンｐＭＯＳのソース電極である。絶縁膜上に形成されるポリシリコンは絶縁膜に対して垂直方向に１１１面方位を向くときが安定であり、かつ緻密で結晶性が良く高品質なものとなる。本実施例では３５０℃で厚さ０．２μｍ形成した。１５０９は図１４の装置を使用して実施例１と同様の手順で作成した本発明のシリコン酸化膜層であり、１１１面を向いたポリシリコン上に４００℃で厚さ３０ｎｍを形成した。トランジスタ間の素子分離領域の角においても、酸化膜は薄くならず、平坦部・エッジ部ともに均一な膜厚のシリコン酸化膜がポリシリコン上に形成された。ソース・ドレイン領域を形成するためのイオン注入はゲート酸化膜を通さずに行い、４００℃で電気的活性化して形成した。この結果全工程４００℃以下でガラス基板上にトランジスタを形成できた。このトランジスタの移動度は、電子で３００ｃｍ２／Ｖｓｅｃ以上、正孔１５０ｃｍ２／Ｖｓｅｃ以上、ソースドレイン耐圧およびゲート耐圧は１２Ｖ以上あった。チャネル長１．５−２．０μｍ程度のトランジスタでは、１００ＭＨｚを越える高速動作が可能となった。シリコン酸化膜のリーク特性、ポリシリコン／酸化膜の界面準位特性も良好であった。
【００５７】
本実施例のトランジスタを使用することで液晶表示素子、有機ＥＬ発光素子は大画面、低価格、高速動作、高信頼性を持つことができるようになった。
【００５８】
【実施例９】
次に、金属層を有するＳＯＩ素子、ポリシリコン素子、アモルファスシリコン素子を積層した３次元積層ＬＳＩの実施例を説明する。図１６は本発明の３次元ＬＳＩの断面構造の概念図である。図１６において、１６０１は第１のＳＯＩおよび配線層、１６０２は第２のＳＯＩおよび配線層、１６０３は第１のポリシリコン素子および配線層、１６０４は第２のポリシリコン素子および配線層、１６０５はアモルファス半導体素子および機能材料素子および配線層である。
【００５９】
第１のＳＯＩおよび配線層１６０１、第２のＳＯＩおよび配線層１６０２には実施例７で説明したＳＯＩトランジスタを用いてデジタル演算処理部、高精度高速アナログ部、シンクロナスＤＲＡＭ部、電源部、インターフェース回路部などが作成される。第１のポリシリコン素子および配線層１６０３には実施例５、６、８で説明したポリシリコントランジスタ、強誘電体メモリ、フラッシュメモリを用いて並列デジタル演算部、機能ブロック間リピータ部、記憶素子部などが作成される。第２のポリシリコン素子および配線層１６０４には実施例８で説明したポリシリコントランジスタを用いてアンプ、ＡＤ変換器などの並列アナログ演算部が作成される。アモルファス半導体素子および機能材料素子および配線層１６０５には光センサ、音センサ、触覚センサ、電波送信受信部などが作成される。
【００６０】
アモルファス半導体素子および機能材料素子および配線層１６０５内に設けられた光センサ、音センサ、触覚センサ、電波送信受信部の信号は、第２のポリシリコン素子および配線層１６０４に設けられたポリシリコントランジスタを用いたアンプ、ＡＤ変換などの並列アナログ演算部で処理され、第１のポリシリコン素子および配線層１６０３、第２のポリシリコン素子および配線層１６０４に設けられたポリシリコントランジスタ、強誘電体メモリ、フラッシュメモリを用いた並列デジタル演算部、記憶素子部にその処理がつながれ、第１のＳＯＩおよび配線層１６０１、第２のＳＯＩおよび配線層１６０２に設けられたＳＯＩトランジスタを用いたデジタル演算処理部、高精度高速アナログ部、シンクロナスＤＲＡＭ部で処理される。また、第１のポリシリコン素子および配線層１６０３に設けられた機能ブロック間リピータ部は、複数設けても大きなチップ面積を占有することなくＬＳＩ全体の信号同期を調整することができる。
【００６１】
こうした３次元ＬＳＩが作成可能になったのは、上記の実施例に詳細に説明した本発明の技術によることは明らかである。
【００６２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、５５０℃以下の低温のプラズマ酸化で成膜したにも関わらず、１０００℃程度の高温で成膜したシリコン熱酸化膜より優れた特性、信頼性を有するシリコン酸化膜を１１１面配向のシリコン（ポリシリコンを含む）上に形成することが可能となり、高駆動力で、信頼性の高い、高性能なトランジスタ集積回路が実現できるようになった。
【００６３】
また、本発明によれば、１０００℃程度の高温で成膜したシリコン熱酸化膜と同程度の優れた特性、信頼性を有するシリコン窒化膜を５５０℃以下の低温で１１１面配向のシリコン（ポリシリコンを含む）上に形成することが可能となり、高誘電率ゲート絶縁膜をもった高駆動力で、信頼性の高い、高性能なトランジスタ集積回路を実現できるようになった。
【００６４】
また、本発明によれば、シャロートレンチアイソレーションなどの素子分離側壁部の主に１１１面配向した角部分にも高品質なシリコン酸化膜、シリコン窒化膜を形成することが可能となり、酸化膜の漏れ電流や耐圧などの特性が良好になり、素子の電気的特性、信頼性の向上を実現できた。さらに、テーパ角を急峻にし素子分離幅を狭くすることで従来の約２倍の高密度な素子集積化が可能となった。
【００６５】
さらに、本発明のゲート絶縁膜を使用することで、低電圧で書き換え動作可能な強誘電メモリー素子、書き換え回数が圧倒的に増加可能なフラッシュメモリー素子などを実現することができた。
【００６６】
さらに、本発明によれば、絶縁膜上に形成されたポリシリコンなどの主として１１１面に配向するシリコンに高品質なシリコンゲート酸化膜、シリコンゲート窒化膜を形成することが可能となり、高駆動能力を有するポリシリコントランジスタ、さらには液晶表示素子、有機ＥＬ発光素子、多数の機能素子を複数積層した３次元集積回路素子を実現することができるようになった。
【００６７】
さらにまた、本発明のシリコン酸化膜、シリコン窒化膜形成方法が、基板温度２００−５００度といった低温で適応できるため、従来不可能であった金属基板ＳＯＩ ＬＳＩ、ガラス基板やプラスチック基板上の高性能ポリシリコンＴＦＴの製造が可能となり、その技術的波及効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】ラジアルラインスロットアンテナを用いたプラズマ装置の概念図。
【図２】酸化膜厚の処理室ガス圧力依存性。
【図３】酸化膜厚の酸化時間依存性。
【図４】シリコン酸化膜中のＫｒ密度の深さ方向分布。
【図５】シリコン酸化膜の界面準位密度。
【図６】シリコン酸化膜成膜雰囲気におけるＫｒ中での酸素の分圧と、シリコン酸化膜中の界面準位密度および絶縁耐圧の関係。
【図７】シリコン酸化膜成膜雰囲気における処理室内の全圧と、シリコン酸化膜中の界面準位密度および絶縁耐圧の関係。
【図８】窒化膜厚の処理室内ガス圧力依存性。
【図９】シリコン窒化膜の電流電圧特性。
【図１０】シャロートレンチアイソレーションの概念的断面図。
【図１１】強誘電体メモリ素子の断面構造の概略図。
【図１２】フラッシュメモリ素子の断面構造の概略図。
【図１３】金属基板ＳＯＩ上に作製されたＭＯＳトランジスタの断面構造の概略図。
【図１４】ガラス基板やプラスチック基板などに適応されるプラズマ装置の概念図。
【図１５】絶縁膜状のポリシリコントランジスタの断面構造の概略図。
【図１６】３次元ＬＳＩの断面構造の概念図。
【符号の説明】
１０１ 処理室
１０２ シャワープレート
１０３ シリコンウェーハ
１０４ 加熱機構を持つ試料台
１０５ 同軸導波管
１０６ ラジアルラインスロットアンテナ
１０７ マイクロ波導入窓
１００１ ゲート絶縁膜
１００２ シリコン酸化膜
１００３ シリコン基板
１００４ 従来のシャロートレンチアイソレーションの角部
１００５ 本発明のシャロートレンチアイソレーションの角部
１１０１ シリコン基板内に形成されたＰウェル
１１０２、１１０２‘トランジスタのソースドレイン
１１０３ ゲートシリコン窒化膜
１１０４ トランジスタのポリシリコンゲート
１１０５ シリコン窒化膜
１１０６ ＳｒＴａＮｂＯ強誘電体膜
１１０７ Ｐｔ電極
１２０１ シリコン基板内に形成されたＰウェル
１２０２、１２０２‘トランジスタのソースドレイン
１２０３ ゲートシリコン酸化膜
１２０４ フローティングポリシリコンゲート
１２０５ シリコン酸化膜
１２０６ 制御用ポリシリコンゲート
１３０１ ｎ＋、ｐ＋低抵抗半導体
１３０２ シリサイド層
１３０３ 導電性窒化物層
１３０４ 金属層
１３０５ 導電性窒化物層
１３０６ ｎ＋、ｐ＋低抵抗半導体層
１３０７ 窒化物絶縁膜
１３０８ ＳｉＯ２膜
１３０９ ＳｉＯ２、ＢＰＳＧもしくはそれらを組み合わせた絶縁膜層
１３１０ ｎ＋ドレイン領域
１３１１ ｎ＋ソース領域
１３１２ ｐ＋ドレイン領域
１３１３ ｐ＋ソース領域
１３１４，１３１５ １１１面に配向したシリコン半導体層
１３１６ ＳｉＯ２膜
１３１７，１３１８ ｎＭＯＳゲート電極ならびに、ｐＭＯＳのゲート電極
１３１９ ｎＭＯＳソース電極
１３２０ ｎＭＯＳおよびｐＭＯＳのドレイン電極
１３２１ ＭＯＳのソース電極
１３２２ 基板表面電極
１４０１ シャワープレート
１４０２ ネジ溝ポンプ
１４０３ ガラス基板
１４０４ 加熱機構を持つ試料台
１４０５ 方形導波管
１４０６ マイクロ波導入窓
１４０７ 真空容器
１５０１ ガラス基板
１５０２ Ｓｉ３Ｎ４膜
１５０３ ポリシリコンｎＭＯＳのチャネル層
１５０４ ポリシリコンｐＭＯＳのチャネル層
１５０５ ポリシリコンｎＭＯＳのソース領域
１５０６ ポリシリコンｎＭＯＳのドレイン領域
１５０７ ポリシリコンｐＭＯＳのソース領域
１５０８ ポリシリコンｐＭＯＳのソース領域
１５０９ ＳｉＯ２層
１５１０ ポリシリコンｎＭＯＳのゲート電極
１５１１ ポリシリコンｐＭＯＳのゲート電極
１５１２ ＳｉＯ２、ＢＳＧ、ＢＰＳＧ等の絶縁膜
１５１３ ポリシリコンｎＭＯＳのソース電極
１５１４ ポリシリコンｎＭＯＳのドレイン電極
１５１５ ポリシリコンｐＭＯＳのソース電極
１６０１ 第１のＳＯＩおよび配線層
１６０２ 第２のＳＯＩおよび配線層
１６０３ 第１のポリシリコン素子および配線層
１６０４ 第２のポリシリコン素子および配線層
１６０５ アモルファス半導体素子および機能材料素子および配線層

Claims (9)

  1. １１１面方位のシリコンをその表面に有するシリコン基体にトランジスタを複数含む半導体装置において、前記シリコンの表面に形成された絶縁膜の少なくとも一部がＫｒを含有するシリコン酸化膜であることを特徴とする半導体装置。
  2. 少なくとも１層の金属層上方に絶縁膜を介して設けられた１１１面方位をその表面に主体に有するシリコン層にトランジスタを複数含む半導体装置において、前記シリコン層の表面に形成された絶縁膜の少なくとも一部がＫｒを含有するシリコン酸化膜であることを特徴とする半導体装置。
  3. 前記絶縁膜中に含有されるＫｒの含有量が、絶縁膜表面からシリコンと絶縁膜との界面に向かって減少していることを特徴とする請求項１から請求項２に記載の半導体装置。
  4. 前記絶縁膜中のＫｒの含有量は表面密度において５×１０１１ｃｍ−２以下であることを特徴とする請求項１から請求項３に記載の半導体装置。
  5. 前記Ｋｒを含有する請求項１又は請求項２に記載のシリコン酸化膜は、処理室中に酸素を含むガスとＫｒガスを主体とするガスを導入し、マイクロ波により、プラズマを励起して、処理室内に載置されたシリコン基体表面を直接酸化することにより、１１１面方位または前記面方位を主体とするシリコン表面に形成されたものであることを特徴とする半導体装置。
  6. 処理室中に窒素を含むガスとＡｒまたはＫｒガスを主体とするガスを導入し、マイクロ波により、プラズマを励起して、処理室内に載置されたシリコン表面を５５０℃以下で直接窒化することにより、１１１面方位または前記面方位を主体とするシリコン表面にシリコン窒化膜を形成することを特徴とするシリコン窒化膜の形成方法。
  7. シリコン酸化膜を絶縁膜に使用したメモリ素子を有する半導体装置において、前記絶縁膜の一部が１１１面方位または前記面方位を主体とするシリコン表面に形成されたＫｒを含有する絶縁膜であることを特徴とする半導体装置。
  8. 少なくとも１層の金属層上方に絶縁膜を介して設けられたシリコン層にトランジスタを複数含む半導体装置上に、１１１面方位のシリコンをその表面に有するシリコン層にトランジスタを複数含む半導体装置が少なくとも１層積層された半導体装置において、前記シリコン層の表面に形成された絶縁膜の少なくとも一部がＫｒを含有するシリコン酸化膜であることを特徴とする半導体装置。
  9. １１１面方位のシリコンをその表面に有するシリコン基体にトランジスタを複数含む半導体装置において、前記シリコンの表面に形成された絶縁膜の少なくとも一部がＡｒまたはＫｒを含有するシリコン窒化膜であり、前記絶縁膜中に含有されるＫｒまたはＡｒの含有量が、絶縁膜表面からシリコンと絶縁膜との界面に向かって減少していることを特徴とする半導体装置。
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