JP4537874B2

JP4537874B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP4537874B2
Application number: JP2005095519A
Authority: JP
Inventors: 景一松下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2025-03-29
Also published as: JP2006278721A

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に表面に保護絶縁層を有する電界効果型トランジスタ等の半導体装置の製造方法に関する。

従来の電界効果型トランジスタ等の半導体装置においては、例えば、半導体基板上にドレイン電極、ソース電極、及びゲート電極等を形成し、これら電極が形成された領域の上方に、耐水性の確保等のために保護絶縁層を形成している。保護絶縁層としては、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜等の絶縁膜が用いられる。

これらの窒化シリコン（ＳｉＮ）膜は、プラズマＣＶＤ等により半導体基板上の電界効果型トランジスタの表面に形成される。プラズマＣＶＤにおいては、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜等の絶縁膜を形成するにあたって、種々のパラメータが制御される。これらパラメータとしては、シランガス流量、アンモニアガス流量、窒素ガス流量、プラズマエネルギー、圧力、基板温度などがある。

プラズマＣＶＤにより絶縁膜を形成した半導体装置の製造方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に開示された事例では、ＭＯＳトランジスタの絶縁ゲート電極を覆う絶縁膜を、高周波電力を制限したプラズマＣＶＤによって堆積している。
特開平１０―８３９９０号公報（第１０ページ、図１）

プラズマＣＶＤにより窒化シリコン（ＳｉＮ）膜等の保護絶縁層を形成する際は、所望の特性を有する保護絶縁層を形成できるように、上記した種々のパラメータを適切な条件に制御することが必要となる。

しかしながら、半導体基板上に形成した電界効果型トランジスタの場合には、能動層としての電子走行層がその表面付近にあるため、その形成時における制御条件、すなわち各パラメータの設定条件によっては、形成された保護絶縁層と接する電子走行層の物性に影響を及ぼしていた。例えば、窒素−シリコン比を０．５よりも大きな値で窒化シリコン（ＳｉＮ）膜による保護絶縁層を形成した場合、図５に示すように電子走行層の電子濃度を低下させていた。その結果、特に半導体基板として窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた電界効果型トランジスタの場合には、飽和電流が減少してしまう電流コラプスといった現象が起こるなど、保護絶縁層が形成された後の半導体装置の特性が劣化していた。

また、形成時における各パラメータは相互に関連しあうため、半導体装置に影響を及ぼさないように保護絶縁層を形成するパラメータの制御条件を見積もることも困難であった。

本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、半導体装置の特性を劣化させることなく保護絶縁層を形成する半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に電界効果型トランジスタを形成する工程と、シランガス、アンモニアガス、及び窒素ガスを含む原料ガスを用い、プラズマ中における波長３９１ｎｍ付近にピークを持つ励起窒素分子の発光強度と、波長４０５ｎｍ付近にピークを持つ励起窒化シリコン分子の発光強度との比率を０．５以下に維持するよう意図的に制御した平行平板プラズマＣＶＤにより、前記電界効果型トランジスタのゲート電極を覆って前記半導体基板上に保護絶縁層としての窒化シリコン膜を成膜する工程とを含むことを特徴とする。

また、前記プラズマ中における励起分子の発光強度の比率を０．５以下に維持する意図的な制御は、前記プラズマ領域の圧力及び高周波電界により行うことを特徴とする。

本発明によれば、半導体装置の特性を劣化させることなく保護絶縁層を形成することのできる半導体装置の製造方法を得ることができる。

以下に、本発明に係る半導体装置の製造方法を実施するための最良の形態について、図１乃至図４を参照して説明する。

平行平板プラズマＣＶＤにより保護絶縁層としての窒化シリコン膜を形成する場合、電界効果型トランジスタの能動層としての電子走行層との界面に欠陥を生じさせやすい。これが、プラズマによって励起された窒素原子イオンやシリコンイオンが半導体基板にダメージを与えることに起因する。この事象は、窒化シリコン膜の特に形成初期時に、窒素原子イオンとシリコンイオンの平均自由工程を制御することによって抑制されると考えられる。

これらの考察に基づいて、本実施例においては、プラズマ中で波長３９１ｎｍ付近にピークを持つ励起窒素分子の発光強度（Ｎ３９１と表す）と、波長４０５ｎｍ付近にピークを持つ励起窒化シリコン分子の発光強度（ＳｉＮ４０５と表す）との発光強度の比率（Ｎ３９１／ＳｉＮ４０５と表す）を、０．５以下（Ｎ３９１／ＳｉＮ４０５≦０．５）としている。

図１は、本発明に係る半導体装置の製造方法の一実施例を、工程順に示す断面図である。この図1に示した実施例において対象にしている半導体装置は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた電界効果型トランジスタとしている。

まず、図１（ａ）に示すように、窒化ガリウム（ＧａＮ）の半導体基板１１上に、能動層１２を積層する。積層される能動層１２は、例えば窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）をエピタキシャル成長させることによって形成される。この能動層１２の表面に、フォトレジスト等でオーミック接触のドレイン電極１３及びゲート電極１４、ならびにショットキ接合のゲート電極１５を形成し、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた電界効果型トランジスタ１０を構成する。

次に、図１（ｂ）に示すように、ゲート電極１５を含むこの電界効果型トランジスタ１０の表面に、平行平板プラズマＣＶＤにより保護絶縁層としての窒化シリコン（ＳｉＮ）膜１６を成膜する。窒化シリコン（ＳｉＮ）膜１６を成膜する際のプラズマＣＶＤ装置の構成の一例を図２に示す。

このプラズマＣＶＤ装置３０は、容器３１内に上下に対向して２つの平板電極３２ａ及び３２ｂが平行に配置されている。これら平板電極３２ａ及び３２ｂには、出力可変の高周波電源３３が接続されており、また、ガス供給管３４からは原料ガスが供給される。原料ガスには、シランガス、アンモニアガス、及び窒素ガスが含まれる。

ガス供給管３４からの原料ガスを供給し、排気口４０を通して容器３１内を所定の圧力に減圧するとともに、高周波電源３３から例えば周波数１３．５６Ｍｈｚの所定の高周波電力を供給すると、２つの平板電極３２ａ及び３２ｂの間にプラズマ３５が生成される。このプラズマ３５によって、２つの平板電極３２ａ及び３２ｂの間に配置された成膜対象の半導体装置３６に窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を成膜する。同時に、このときのプラズマ３５中の励起分子の発光強度スペクトラムを、例えば光ファイバ３７を通してプラズマモニタ３８によりモニタする。加熱器３９は、成膜対象の半導体装置３６を所定の温度に加熱する。

本実施例においては、上記のように構成されたプラズマＣＶＤ装置３０内に、成膜対象の半導体装置３６として、直前の工程で形成した電界効果型トランジスタ１０を配置する。そして、Ｎ３９１／ＳｉＮ４０５を０．５以下として成膜するためのパラメータ条件として、例えば、容器内圧力＝１３３ｐａ、高周波電力＝０．１ｗ／ｃｍ^２、シランガス流量＝１００ｓｃｃｍ、アンモニアガス流量＝２５ｓｃｃｍ、窒素ガス流量＝４５０ｓｃｃｍ、加熱温度＝摂氏３００度に設定し制御している。

成膜中に、プラズマモニタ３８でモニタされるプラズマ３５中の励起分子の発光強度スペクトラムの一例を、図３に示す。この図３においては、Ｎ３９１とＳｉＮ４０５との発光強度の比率が、所望するＮ３９１／ＳｉＮ４０５＝０．５付近にあることがわかる。

また、Ｎ３９１／ＳｉＮ４０５と容器内圧力及び高周波電力との関係を、図４に示す。図４（ａ）は、Ｎ３９１／ＳｉＮ４０５と容器内圧力との関係を、図４（ｂ）は、Ｎ３９１／ＳｉＮ４０５と高周波電力との関係を、それぞれモデル化して示すグラフである。成膜中のＮ３９１／ＳｉＮ４０５の制御は、プラズマモニタ３８でのモニタ結果に基づいて、これら図４に例示したグラフに従い、容器内圧力及び高周波電力を変更することによっても行われる。このようにして、Ｎ３９１／ＳｉＮ４０５を０．５以下に制御したプラズマＣＶＤにより、電界効果型トランジスタ１０の表面に表面保護層としての窒化シリコン（ＳｉＮ）膜１６が形成される。膜厚は、本実施例においては２００ｎｍ程度としている。

さらに、図１（ｃ）に示すように、ドレイン電極１３、ソース電極１４、及びゲート電極１５の上方に位置する窒化シリコン（ＳｉＮ）膜１６の部位に、フォトレジスト及びドライエッチング等により、これら各電極まで貫通する貫通孔１７ａ、１７ｂ、及び１７ｃを形成する。ここに、貫通孔１７ａはドレイン電極１３の位置に、貫通孔１７ｂはソース電極の位置に、貫通孔１７ｃはゲート電極の位置にそれぞれ対応して形成された貫通孔である。

そして、図１（ｄ）に示すように、各貫通孔１７ａ、１７ｂ、及び１７ｃに金属蒸着等によりドレイン電極端子１８、ソース電極端子１９、及びゲート電極端子２０を形成し、半導体装置を完成する。

以上説明したように、本実施例による半導体装置の製造方法によれば、窒化ガリウム（ＧａＮ）を用いた電界効果型トランジスタを形成し、その表面に平行平板プラズマＣＶＤにより保護絶縁層としての窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を成膜する際に、波長３９１ｎｍ付近にピークを持つ励起窒素分子の発光強度と、波長４０５ｎｍ付近にピークを持つ励起窒化シリコン分子の発光強度との比率（Ｎ３９１／ＳｉＮ４０５）を０．５以下とするパラメータ条件を意図的に設定して成膜を制御している。これにより、保護絶縁層の成膜時に、この保護絶縁層と接する電界効果型トランジスタの能動層の物性に及ぼす影響を最小限に抑制することができ、半導体装置の表面にその特性を劣化させることなく保護絶縁層を形成することができる。

また、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を成膜中は、上記した発光強度の比率（Ｎ３９１／ＳｉＮ４０５）をモニタするとともに、その値を、容器内圧力及び高周波電力を変更することにより制御可能にしている。これにより、保護絶縁層としての窒化シリコン（ＳｉＮ）膜の成膜時における発光強度の比率（Ｎ３９１／ＳｉＮ４０５）を、所望する値に安定して維持することができる。

本発明に係る半導体装置の製造方法の一実施例を工程順に示す断面図。プラズマＣＶＤ装置の構成の一例を示すブロック図。プラズマモニタでモニタされるプラズマ中の励起分子の発光強度スペクトラムの一例を示す図。発光強度の比率（Ｎ３９１／ＳｉＮ４０５）と容器内圧力及び高周波電力との関係をモデル化して示す図。窒化シリコン（ＳｉＮ）膜形成時の窒素−シリコン比と電子走行層の電子濃度との関係をモデル化して示す図。

符号の説明

１０電界効果型トランジスタ
１１半導体基板
１２能動層
１３ドレイン電極
１４ソース電極
１５ゲート電極
１６窒化シリコン（ＳｉＮ）膜
１７貫通孔
１８ドレイン電極端子
１９ソース電極端子
２０ゲート電極端子

Claims

半導体基板上に電界効果型トランジスタを形成する工程と、
シランガス、アンモニアガス、及び窒素ガスを含む原料ガスを用い、プラズマ中における波長３９１ｎｍ付近にピークを持つ励起窒素分子の発光強度と、波長４０５ｎｍ付近にピークを持つ励起窒化シリコン分子の発光強度との比率を０．５以下に維持するよう意図的に制御した平行平板プラズマＣＶＤにより、前記電界効果型トランジスタのゲート電極を覆って前記半導体基板上に保護絶縁層としての窒化シリコン膜を成膜する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記プラズマ中における励起分子の発光強度の比率を０．５以下に維持する意図的な制御は、前記プラズマ領域の圧力及び高周波電界により行う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。
半導体基板上にドレイン電極、ソース電極、及びゲート電極を有する電界効果型トランジスタを形成する工程と、
シランガス、アンモニアガス、及び窒素ガスを含む原料ガスを用い、プラズマ中における波長３９１ｎｍ付近にピークを持つ励起窒素分子の発光強度と、波長４０５ｎｍ付近にピークを持つ励起窒化シリコン分子の発光強度との比率を０．５以下に維持するよう意図的に制御した平行平板プラズマＣＶＤにより、前記電界効果型トランジスタのドレイン電極、ソース電極及びゲート電極を覆って前記半導体基板上に保護絶縁層としての窒化シリコン膜を成膜する工程と、
前記ドレイン電極、ソース電極及びゲート電極の上方に位置する前記窒化シリコン膜の部位にこれら電極までの貫通孔を形成する工程と、
前記ドレイン電極、ソース電極及びゲート電極に対応させて前記貫通孔にそれぞれドレイン電極端子、ソース電極端子及びゲート電極端子を形成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記プラズマ中における励起分子の発光強度の比率を０．５以下に維持する意図的な制御は、前記プラズマ領域の圧力及び高周波電界により行うことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。