JP4809653B2

JP4809653B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4809653B2
Application number: JP2005271208A
Authority: JP
Inventors: 石琴肖; 和人池田
Original assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Current assignee: Fujitsu Semiconductor Ltd
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: JP2007087978A

Description

本発明は半導体装置の製造方法に係り、特にＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜に用いられるシリコン窒化膜の形成方法に関するものである。

シリコンＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜として従来からシリコン酸化膜が用いられてきた。シリコン酸化膜はシリコン基板の熱酸化によって形成されるものであり、化学的に安定且つシリコン基板との界面における欠陥も少ないためこれを用いたＭＯＳトランジスタの高性能・高信頼化に大きく寄与している。

しかしながら、近年における半導体ＩＣの高速・高集積化に伴ってゲート絶縁膜の薄膜化が進行し、それに伴ってシリコン酸化膜に対しても１〜２nm程度の膜厚が要求されている。シリコン酸化膜の膜厚がこれだけ薄くなると、熱酸化工程中にピンホールその他の膜欠陥の影響を受けてゲート絶縁膜として用いたときの絶縁耐圧を保証することが難しく、また、薄いゲート絶縁膜に印加される高電界によりリーク電流が増加するという問題が生じてくる。さらに、ＣＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜に用いた場合、Ｐ型ゲート電極材のポリシリコンにドープされるボロンが薄いシリコン酸化膜を通してシリコン基板側へ拡散しチャネル層の不純物濃度を変化させてしきい値電圧のシフト等のトランジスタ特性の変動を引き起こすという問題が生じてくる。

そこで、ゲート絶縁膜の薄膜化に対してはシリコン酸化膜に代わってシリコン窒化膜系の絶縁膜材料で対応することが提案されている。シリコン窒化膜は誘電率がシリコン酸化膜より大きいためゲート絶縁膜として用いたときにはより厚い膜厚で同一の電気的特性を実現することができピンホールその他の膜欠陥のデバイス特性へ与える影響を抑え易くなる。また、シリコン窒化膜はシリコン酸化膜に比べて膜密度が大きいため不純物拡散を抑制する機能が大きく、先に述べたＣＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜に適用した場合トランジスタ特性の安定化を図る上で有利である。

ゲート絶縁膜として用いるシリコン窒化膜はシリコン基板を直接窒化する方法、たとえばシリコン基板をＮ₂ガスやＮＨ_３ガス等の窒素を含む雰囲気中で熱処理することにより形成される。熱処理温度は、通常、７００〜１１００℃の範囲に設定される。膜厚をより厚くするためにはさらにこの上にＣＶＤ法等を用いてシリコン窒化膜を堆積することも提案されている(特許文献１)。

しかしながら、直接窒化により形成したシリコン窒化膜には以下のような問題がある。一般にシリコン窒化膜の性質は膜中の窒素含有量に依存しており、窒素含有量がシリコン窒化膜の化学量論的組成に近づくほど誘電率は大きく且つ不純物拡散を抑制する機能が効果的に働くようになる。前述の直接窒化により形成されたシリコン窒化膜中の窒素含有量は熱処理温度が高いほど大きくなることが知られており、そのため、ゲート絶縁膜として形成する場合には熱処理温度をできるだけ高くすることが必要となるが、一方、熱処理温度を高くした場合、形成されたシリコン窒化膜の表面粗さが顕著になりゲート絶縁膜の膜厚が不均一になる。

また、シリコン基板上に形成したシリコン窒化膜はシリコン基板との界面に欠陥が発生し易くしきい値電圧のシフト等を引き起こし易いという問題があり、これを回避するためシリコン窒化膜とシリコン基板との界面に界面欠陥の少ないシリコン酸化膜を配した膜構造、たとえば、シリコン基板上にシリコン酸化膜・シリコン窒化膜・シリコン酸化膜を積層したＯＮＯ膜を形成し単層のシリコン窒化膜に代えてゲート絶縁膜として用いる方法が知られている(特許文献２)。

ＯＮＯ膜の形成に際しては、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜をそれぞれＣＶＤ法等により積層形成する方法を用いることもできるが、この方法では工程数が多くなりコストや生産性の面で問題がある。そこで、シリコン基板上に熱酸化法によりシリコン酸化膜を形成し、その後窒素を含む雰囲気中で熱処理することによりシリコン酸化膜に窒素を導入する方法が知られている。この方法によればシリコン基板との界面にはシリコン酸化膜が配置されるため界面欠陥を小さくすることができるもののシリコン酸化膜中に充分な窒素を導入することが難しく、その上に形成したゲート電極材等からの不純物の拡散を防ぐ効果が十分でないという問題がある。

そこで、シリコン基板上にシリコン窒化膜を直接窒化等の方法により形成し、その後で酸化処理することによりＯＮＯ膜を形成する方法が提案されている。シリコン基板とシリコン窒化膜の界面には格子間距離の違い等に基づいた大きなストレスが発生しており、このストレスが界面欠陥の原因となっているが、シリコン窒化膜の酸化処理時にはこれらの欠陥を含む界面領域がシリコン窒化膜自体より優先的に酸化される結果、シリコン窒化膜とシリコン基板との間にシリコン酸化膜が形成されることになる。この方法によれば、シリコン酸化膜を形成した後で膜中に窒素を導入する方法に比べて充分な窒素含有量を確保することができ、その結果、不純物の拡散防止機能が効果的に働くようになり、且つ誘電率を大きくする上でも有利である。
特開平５−５５５８７号公報特開２０００−２３２１７０号公報

以上のように、シリコン基板上に直接窒化により形成したシリコン窒化膜、あるいは、このシリコン窒化膜を酸化処理することにより形成したＯＮＯ膜はゲート絶縁膜の薄膜化の要求に応じて従来のシリコン酸化膜に代えて用いることができる。しかしながら直接窒化により形成したシリコン窒化膜自体には、依然として先に述べた問題が残っている。即ち、シリコン基板を窒素を含む雰囲気中で熱処理することによりシリコン窒化膜を形成する際、熱処理温度を低くするとシリコン窒化膜はシリコン基板上で均一に成長し膜厚均一性は高いものの窒素の導入量は制限されるため不純物拡散防止機能が低下し、逆に熱処理温度を高くすると窒素の導入量が増加し不純物拡散防止機能は改善されるもののシリコン基板上での膜表面粗さが顕著になり均一なゲート絶縁膜を形成することが難しくなる。

そこで、本発明は膜厚均一性に優れるとともに不純物拡散防止機能の高いシリコン窒化膜を形成することを目的とする。

上記課題の解決は、シリコン基板を窒素を含む雰囲気ガス中において第１の温度で熱処理し、続いて第１の温度より高い第２の温度で熱処理することにより前記シリコン基板上にシリコン窒化膜を形成する工程において、前記第１の温度での熱処理が、６００℃、熱処理時間３０秒、ＮＨ ₃ ガス流量１ｓｌｍ、圧力０．１ｔｏｒｒ、で行われ、前記第２の温度での熱処理が、（１）７５０℃、熱処理時間５分、ＮＨ ₃ ガス流量０．１ｓｌｍ、圧力２．６ｔｏｒｒ、又は、（２）８５０℃、熱処理時間１５秒、ＮＨ ₃ ガス流量０．１ｓｌｍ、圧力２．６ｔｏｒｒ、又は、（３）９５０℃、熱処理時間１０秒、ＮＨ ₃ ガス流量０．１ｓｌｍ、圧力２．６ｔｏｒｒ、のいずれかで行われること、を特徴とする前記シリコン窒化膜をゲート絶縁膜とする半導体装置の製造方法、
あるいは、シリコン基板を窒素を含む雰囲気ガス中において第１の温度で熱処理し、続いて第１の温度より高い第２の温度で熱処理し、続いて第２の温度より高い第３の温度で熱処理することにより前記シリコン基板上にシリコン窒化膜を形成する工程において、前記第１の温度での熱処理が、７５０℃、熱処理時間３０秒、ＮＨ ₃ ガス流量０．１ｓｌｍ、圧力０．１ｔｏｒｒ、で行われ、前記第２の温度での熱処理が、８５０℃、熱処理時間１５秒、ＮＨ ₃ ガス流量０．１ｓｌｍ、圧力２．６ｔｏｒｒ、で行われ、前記第３の温度での熱処理が、９５０℃、熱処理時間５秒、ＮＨ ₃ ガス流量０．１ｓｌｍ、圧力２．６ｔｏｒｒ、で行われること、を特徴とする前記シリコン窒化膜をゲート絶縁膜とする半導体装置の製造方法によって達成される。

図１は窒素を含む雰囲気ガス中でシリコン基板を熱処理しシリコン窒化膜を形成する工程における熱処理プロセスを示したものであり、（a）は従来方法、（b）は本発明に係る方法を示している。同図（a）に示したように、従来の熱処理プロセスでは窒素を含む雰囲気中にシリコン基板を配置した状態で雰囲気温度を常温から上昇させ一定時間所定の熱処理温度Ｔ１に保持し、その後常温まで温度を低下させる。熱処理温度Ｔ１を膜厚均一性が損なわれない程度に低く設定した場合には窒素の導入量が制限されて不純物拡散防止機能が低下し、一方、熱処理温度を高く設定した場合、窒素の導入量が増加し化学量論的組成Ｓｉ_３Ｎ_４に近づくため不純物拡散防止機能は改善されるもののシリコン基板上での膜厚が不均一となる。そこで、本発明では、同図（b）に示したように、最初に熱処理温度を所定の値Ｔ２に保持しその後熱処理温度Ｔ２より高い熱処理温度Ｔ３に上昇させる。熱処理温度Ｔ２を膜厚均一性が損なわれない程度に低く設定するとともに熱処理温度Ｔ３を不純物拡散防止機能が損なわれない程度に高く設定することにより膜厚均一性に優れ且つ膜中の窒素濃度の高いシリコン窒化膜をシリコン基板上に形成することができるので、高速・高集積化に適したゲート絶縁膜を得ることが可能となる。

シリコン基板上に膜厚均一性に優れ且つ不純物拡散防止機能の高いシリコン窒化膜を簡単な工程で形成した。

シリコン基板をＮＨ_３ガス雰囲気中で本発明に係る熱処理プロセスを通すことによりシリコン窒化膜を形成し、従来の熱処理プロセスを用いて形成したシリコン窒化膜との膜質比較を行った。シリコン窒化膜の膜質は膜表面粗さ、膜中窒素含有量によって評価した。ここで、膜表面粗さはＡＦＭ(原子間力顕微鏡)を用いて測定した１μm×１μmの面積内における膜厚の平均自乗粗さＲｑ(nm)で表すこととする。

図２は熱処理温度と膜厚の平均自乗粗さＲｑの関係をプロットしたものである。同図において、曲線aは従来の熱処理プロセスを用いたときの結果を示しており、横軸はこのときの熱処理温度を示している。熱処理温度以外の膜形成条件は形成されたシリコン窒化膜の膜厚が１nmとなるように設定した。即ち、曲線aにおいて、熱処理温度７５０℃のときには、熱処理時間５分、ＮＨ_３ガス流量０．１ slm、圧力２.６ torr、熱処理温度が８５０℃のときには、熱処理時間１５秒、ＮＨ_３ガス流量０．１ slm、圧力２.６ torr、熱処理温度が９５０℃のときには、熱処理時間１０秒、ＮＨ_３ガス流量０．１ slm、圧力２.６ torrに設定した。これは同一膜厚における膜厚の平均自乗粗さＲｑの値によって膜質比較を容易に行えるようにしたものである。

図２中曲線ｂは本発明に係る熱処理プロセスを用いたときの結果を示している。本実施例では熱処理プロセスを２つのステップに分けて行い、最初の熱処理プロセス（１ｓｔステッププロセス）に続けて行う熱処理プロセス(２ｎｄステッププロセス)の温度を高く設定する。ここでは、１ｓｔステッププロセスの熱処理温度を６００℃で一定とし、２ｎｄステッププロセスの熱処理温度を７５０℃、８５０℃、９５０℃と変化させた。曲線bに対する横軸の温度は２ｎｄステッププロセスの熱処理温度を示している。曲線aと同じく熱処理温度以外の膜形成条件は膜厚が１nmとなるように設定している。即ち、１ｓｔステッププロセスにおいて熱処理温度６００℃のとき、熱処理時間３０秒、ＮＨ_３ガス流量１ slm、圧力０．１ torrに設定しており、２ｎｄステッププロセスにおいて熱処理温度７５０℃のとき、熱処理時間５分、ＮＨ_３ガス流量０．１ slm、圧力２.６ torr、熱処理温度が８５０℃のとき、熱処理時間１５秒、ＮＨ_３ガス流量０．１ slm、圧力２.６ torr、熱処理温度が９５０℃のとき、熱処理時間１０秒、ＮＨ_３ガス流量０．１ slm、圧力２.６ torrに設定している。

一般に、ゲート絶縁膜における膜厚の平均自乗粗さＲｑは平均膜厚1 nmの１０％以下、０．１nm以下にすることが望ましい。従来方法では曲線aに見られるように、７５０℃以上になると急激に膜厚の平均自乗粗さＲｑが増加し０．１nmを大きく越えるためゲート絶縁膜として用いることが難しくなる。一方、７５０℃以下に設定した場合には形成されたシリコン窒化膜の窒素含有量はＲＢＳによる測定の結果、４〜１０ atm％と小さく、この窒素含有量では不純物拡散防止機能が大きく低下しゲート絶縁膜として用いることが難しくなる。

一方、本発明に係る２ステッププロセスによれば、２ｎｄステッププロセスの熱処理温度を８５０℃以上にした場合にも膜厚の平均自乗粗さＲｑは０．１nmを大きく越えることはなくゲート絶縁膜として十分な表面平滑度を維持することができ、また、膜中窒素含有量はＲＢＳによる測定の結果、３５ atm％以上となり十分な不純物拡散防止機能を有することがわかった。

さらに、以上のようにして形成されたシリコン窒化膜を熱酸化することによりシリコン基板上にＯＮＯ膜を形成した。得られたＯＮＯ膜はシリコン基板との界面にシリコン酸化膜が形成されているため界面欠陥が少なく、これによりシリコン窒化膜を単層でゲート絶縁膜として用いた場合に比べてしきい値電圧の変動の小さな特性の安定したトランジスタ特性を実現することが可能となる。

上記実施例では熱処理プロセスを２つのステップに分けて行ったが、これに限らず熱処理プロセスを２つ以上のステップに分けて行った場合にも従来方法に比べて優れた結果を得ることができる。例えば、熱処理温度を７５０℃、８５０℃、９５０℃の３ステップに分けて行うことによりシリコン窒化膜を形成したとき、膜厚の平均自乗粗さＲｑは０．１０６nmとなった。２ステッププロセスと同様に熱処理温度以外の膜形成条件は形成されたシリコン窒化膜の膜厚が１nmとなるように設定した。即ち、熱処理温度７５０℃のとき、熱処理時間３０秒、ＮＨ_３ガス流量０．１ slm、圧力０．１torr、熱処理温度が８５０℃のとき、熱処理時間１５秒、ＮＨ_３ガス流量０．１ slm、圧力２.６ torr、熱処理温度が９５０℃のとき、熱処理時間５秒、ＮＨ_３ガス流量０．１ slm、圧力２.６ torrに設定した。

なお、上記実施例では窒素を含む雰囲気ガスとしてＮＨ_３ガスを用いたが、Ｎ_２Ｈ_２ガス等を用いることもできる。

シリコン基板上に膜厚均一性及び不純物拡散防止機能に優れたシリコン窒化膜を形成することができるので、ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜に適用することにより半導体ＩＣの高速・高集積化に有効である。

従来の熱処理プロセスと本発明に係る熱処理プロセスを示す図。熱処理温度と膜厚の平均自乗粗さＲｑの関係を示す図。

Claims

シリコン基板を窒素を含む雰囲気ガス中において第１の温度で熱処理し、続いて第１の温度より高い第２の温度で熱処理することにより前記シリコン基板上にシリコン窒化膜を形成する工程において、
前記第１の温度での熱処理が、６００℃、熱処理時間３０秒、ＮＨ ₃ ガス流量１ｓｌｍ、圧力０．１ｔｏｒｒ、で行われ、
前記第２の温度での熱処理が、（１）７５０℃、熱処理時間５分、ＮＨ ₃ ガス流量０．１ｓｌｍ、圧力２．６ｔｏｒｒ、又は、（２）８５０℃、熱処理時間１５秒、ＮＨ ₃ ガス流量０．１ｓｌｍ、圧力２．６ｔｏｒｒ、又は、（３）９５０℃、熱処理時間１０秒、ＮＨ ₃ ガス流量０．１ｓｌｍ、圧力２．６ｔｏｒｒ、のいずれかで行われること、を特徴とする前記シリコン窒化膜をゲート絶縁膜とする半導体装置の製造方法。
シリコン基板を窒素を含む雰囲気ガス中において第１の温度で熱処理し、続いて第１の温度より高い第２の温度で熱処理し、続いて第２の温度より高い第３の温度で熱処理することにより前記シリコン基板上にシリコン窒化膜を形成する工程において、
前記第１の温度での熱処理が、７５０℃、熱処理時間３０秒、ＮＨ ₃ ガス流量０．１ｓｌｍ、圧力０．１ｔｏｒｒ、で行われ、
前記第２の温度での熱処理が、８５０℃、熱処理時間１５秒、ＮＨ ₃ ガス流量０．１ｓｌｍ、圧力２．６ｔｏｒｒ、で行われ、
前記第３の温度での熱処理が、９５０℃、熱処理時間５秒、ＮＨ ₃ ガス流量０．１ｓｌｍ、圧力２．６ｔｏｒｒ、で行われること、を特徴とする前記シリコン窒化膜をゲート絶縁膜とする半導体装置の製造方法。
前記シリコン窒化膜の形成工程に続き、酸素を含む雰囲気ガス中において所定温度で熱処理することにより前記シリコン窒化膜と前記シリコン基板の界面及び前記シリコン窒化膜の表面にそれぞれシリコン酸化膜あるいはシリコン酸窒化膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。