JP5105627B2 - 複数のアニールステップを用いた酸窒化シリコンゲート誘電体の形成 - Google Patents

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Description

発明の背景
発明の分野
[0001]本発明の実施形態は、一般的には、酸窒化シリコン膜を形成することを含む半導体処理に関する。より詳細には、本発明は、プラズマ窒化物形成と二つのステップのアニールプロセスを用いた酸窒化シリコン膜を形成する方法に関する。
関連技術の説明
[0002]集積回路やトランジスタのデバイスの形が縮小するにつれて、トランジスタが必要とするゲート駆動電流に増加してきた。ゲート静電容量が増加するにつれて、トランジスタのゲート駆動電流も増加すること、また、トランジスタのゲート静電容量が、ｋ＊Ａ／ｄ（ここで、ｋは（通常は酸化シリコンである）ゲート誘電体の誘電率であり、ｄは誘電体の厚さであり、Ａはゲートコンタクト面積である）に等しいことは、既知である。従って、ゲート誘電体の誘電体の厚さを減少させることと誘電率を増加させることが、ゲート静電容量と駆動電流を増加させる二つの方法である。
[0003]誘電体の厚さを減少させる、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）誘電体の厚さを２０オングストローム未満に減少させる試みがなされてきた。しかしながら、厚さが２０オングストローム未満のＳｉＯ２誘電体の使用は、望ましくない性能や耐久性の減少がしばしば生じる。例えば、ホウ素ドープした電極からのホウ素は、薄いＳｉＯ２誘電体を通って下に横たわるシリコン基板へ浸透することができる。更に、典型的にはゲート漏れ電流、即ち、トンネリング電流の望ましくない増加があり、ゲートによって消費される量の電力が増加する。薄いＳｉＯ２ゲート誘電体もまた、負チャネル金属酸化膜半導体（ＮＭＯＳ）ホットキャリア劣化や正チャネル金属酸化膜半導体（ＰＭＯＳ）負バイアス温度不安定性（ＮＢＴＩ）の影響を受けやすくなる。
[0004]ＳｉＯ２層の窒化物形成は、ＳｉＯ２誘電体層の厚さを２０オングストローム未満に減少させる方法として使われてきた。プラズマ窒化物形成を用いて窒素をゲート酸化物に取り込む。窒化物形成は、電極／酸化物接合部で高窒素濃度を示す。接合部での高窒素濃度は、ゲート酸化物へのホウ素の浸透を防止する。一方、バルクゲート酸化物誘電体は、プラズマ窒化プロセス中に窒素で容易にドープされる。バルクの低窒素濃度は、結果として出発酸化物より膜換算膜厚（ＥＯＴ）の低い膜になり、それによってゲート漏れが減少する。ＥＯＴ＜１２オングストロームを有する誘電体を与えることが望ましい。
[0005]窒化物形成後の酸窒化シリコンのアニールは、チャネル移動度を改善するが、従来のアニールした酸窒化シリコン膜のピーク相互コンダクタンス測定を行うことによって見られるようにＥＯＴを犠牲にして増加する。チャネル移動度は、より大きいＥＯＴ厚さより小さいＥＯＴ厚さで低下する。また、より大きいＥＯＴは、従来のアニールした酸窒化シリコン膜の駆動電流を減少させる。従って、チャネル移動度、駆動電流、ＥＯＴが望ましい膜を与えるアニールプロセスが求められている。
発明の概要
[0006]本発明は、所望のチャネル移動度と駆動電流を有する酸窒化シリコン薄層を形成する方法を提供する。本発明の実施形態の方法は、酸素、亜酸化窒素、又は一酸化窒素であり得る１〜１００ミリトールの酸化ガスで酸窒化シリコン膜をアニールするステップと、約１ｓｌｍの酸素で酸窒化シリコン膜をアニールするステップとを含む。１〜１００ミリトールの酸化ガスで酸窒化シリコン膜をアニールするステップは、約１ｓｌｍの酸素で酸窒化シリコン膜をアニールするステップより高温と高圧で行われる。
[0007]本発明の上記特徴が詳細に理解され得るように、上で簡単にまとめた本発明のより具体的な説明は、一部が添付の図面に示されている実施形態によって参照することができる。しかしながら、添付の図面が本発明の典型的な実施形態のみを示し、それ故、本発明の範囲を制限するものとしてみなされず、本発明が他の等しく有効な実施形態を許容することができることは留意すべきである。
詳細な説明
[0011]図１は、本発明の種々の実施形態に従って半導体基板を処理する統合ツール１００の概略図である。統合ツール１００の一例は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ社からのＧＡＴＥ ＳＴＡＣＫ ＣＥＮＴＵＲＡＴＭ統合ツールである。統合ツール１００は、ロードロックチャンバ１０２と１０４と、急速加熱アニール或いはプロセス（ＲＴＰ）チャンバ１０６と１０８と、デカップルドプラズマ窒化（ＤＰＮ）チャンバ１１０と、堆積チャンバ１１２と、冷却チャンバ１１４とを含む。統合ツール１００は、また、具体的なプロセスチャンバ内外へ基板１１８を搬送するために用いられる基板処理ツール１１６を含む。
[0012]基板処理ツール１１６は、周囲のチャンバのそれぞれと連通して中央の搬送チャンバ内に位置する。ロードロックチャンバ１０２と１０４は、処理される基板を収容する。堆積チャンバ１１２は、半導体基板上に膜或いは層を形成するために使用し得る化学或いは物理気相堆積チャンバである。
[0013]ＲＴＰチャンバ１０６と１０８は、減圧、例えば、約１０トール以下で急速加熱処理を行うように構成され得るチャンバである。許容し得るＲＴＰチャンバとしては、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ社から市販されているＲＡＤＩＡＮＣＥ ＸＥＴＭ、ＲＡＤＩＡＮＣＥ ＸＥＰＬＵＳＴＭ、及びＲＡＤＩＡＮＣＥＴＭＲＴＰチャンバが挙げられる。
[0014]図２は、アニールした酸窒化シリコン膜を形成するプロセス２００のフローチャートである。最初に、基板を処理して、基板の表面上に酸化シリコン層を形成する。次に、酸化シリコンを処理して、ステップ２０２中に窒化物形成、例えば、熱窒化物形成或いはプラズマ窒化物形成で酸窒化シリコン層を形成する。プラズマ窒化物形成を用いた酸窒化シリコンの形成は、２００３年６月１３日出願の米国特許出願第１０／４６１,１４３
号に開示されており、この開示内容は本明細書に援用されている。
[0015]酸窒化シリコン層が形成された後、酸窒化シリコン層は二ステップアニールプロセスを受ける。アニールプロセスの第一ステップ２０４は、約７００℃以上の温度で約１００ミリトール〜約８００トールのチャンバ圧で約１〜１２０秒間で行われる。アニールプロセスの第一ステップ２０４は、不活性ガス、還元ガス、酸化ガス、又はそれらの組み合わせのガスで行われる。不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、及びアルゴンが挙げられる。還元ガスとしては、水素が挙げられる。酸化ガスとしては、酸素、亜酸化窒素、一酸化窒素、及びオゾンが挙げられる。組み合わせのガスには、窒素と酸素が含まれる。
[0016]分圧で示される酸素の流量は、酸素分圧であり、チャンバへのガス流の残部は、一部の他のガス、例えば、窒素である。酸素が供給される場合、酸素の流量は１〜１００ミリトールの酸素分圧を与えるように選択するべきである。第一アニールステップが約１０００℃で行われる場合には、酸素分圧は、好ましくは約１〜１５ミリトールの酸素である。第一アニールステップが約１０５０℃で行われる場合には、酸素分圧は、好ましくは約１０〜約５０ミリトールの酸素である。第一アニールステップが約１１００℃で行われる場合には、酸素分圧は、好ましくは約７５〜２００ミリトールである。第一アニールス
テップで酸素を添加しすぎると、過剰酸化が引き起こされるために望ましくない。
[0017]３種類の異なる熱アニール温度で窒素と酸素の種々の流量のいくつかの組み合わせを用いて形成した膜の膜特性を比較するために、ゲート電流密度の関数として飽和駆動電流を実測した。第一アニールステップが１０５０℃で行われた場合、飽和駆動電流は約１０〜約５０ミリトールの酸素を用いたプロセスについて１００ｍＡ／ｍｍ２のゲート電流密度で最大であった。
[0018]アニールプロセスの第二ステップ２０６は、約１０ミリトール〜約１００トールの減圧で約９００℃〜約１１００℃で行われる。第二アニールステップ２０６は、約１〜約１２０秒間行われる。第二ステップ２０６を制御して、酸窒化シリコンＥＯＴの増加を０.１〜約２オングストロームにする。酸素ガス或いは他の酸化ガスを、ＲＴＰチャンバに導入してもよい。酸化ガスとしては、酸素、亜酸化窒素、一酸化窒素、及びオゾンが挙げられる。好適な第二アニールステップ２０６において、酸素は、約１５秒間、酸素分圧が約０.５トール〜３.０トールになる流量でチャンバへ流される。一例として、約１ｓｌｍの流量を用いて、この範囲内の酸素分圧を得ることができる。
[0019]第二アニールステップ２０６後、ステップ２０８で統合ツールの他のチャンバ内で酸窒化シリコンの表面上にキャッピング層を形成してもよい。追加の処理をツール内で行ってもよく、基板を他のツールに搬送してもよい。
[0020]図３は、本発明の実施形態のプロセスを含む、種々のプロセス条件で形成された膜の有効な酸化物厚さの関数として飽和駆動電流のプロットを示す図である。白い丸は、１０００℃において０.５トールの酸素で１５秒間を行った一ステップのアニールを示し（窒素はアニールステップのそれぞれの残部である）、黒い丸は、１０００℃において窒素で１５秒間行った第一アニールステップと０.５トールの酸素で１５秒間の第二アニールステップを示す。黒い三角は、１０００℃において窒素で４５秒間行った第一アニールステップと０.５トールの酸素で１５秒間の第二アニールステップを示し、黒い四角は、９５０℃において窒素で４５秒間行った第一アニールステップと０.５トールの酸素で１５秒間の第二アニールステップを示す。これらの結果によれば、本発明の実施形態の二ステッププロセスは、一ステップアニールプロセスより良好である。酸素と窒素の双方が二ステップアニールプロセスの第一アニールステップにおいて用いることが好ましい。しかしながら、このことは好適実施形態であり、他の実施形態も本発明の範囲内であり得ることは理解される。
[0021]本発明の実施形態の種々のプロセス条件で形成された膜について温度の関数として酸素の分圧を実測した。第一アニールステップにおいて酸素とともに形成されたデバイスは、１０００℃、１０５０℃、１１００℃での第一アニールステップにおいて酸素なしに形成されたデバイスよりも許容し得るものが多かった。これらの結果は、より高い温度で実施される第一アニールステップで酸素を添加することにより、このようなアニールステップで酸素を添加しないのに比べて、より欠陥のないデバイスになることを示している。
[0022]上記は本発明の実施形態に関するものであるが、本発明の他の多く実施形態が本発明の基本的な範囲から逸脱することなく構成されてもよく、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。
図１は、半導体基板を処理するための統合ツールの概略図である。 図２は、アニールした酸窒化シリコン膜を形成するプロセスステップのフローチャートである。 図３は、二つのステップアニールプロセスの双方のステップにおいて酸素を含む、種々のプロセス条件で形成した膜の有効な酸化物厚さの関数としての飽和駆動電流のプロットを示すグラフである。
符号の説明
１００…統合ツール、１０２…ロードロックチャンバ、１０４…ロードロックチャンバ、１０６…急速熱アニール或いはプロセスチャンバ、１０８…急速熱アニール或いはプロセスチャンバ、１１０…デカップルドプラズマ窒化物形成チャンバ、１１２…堆積チャンバ、１１４…冷却チャンバ、１１６…基板処理ツール、１１８…基板。

Claims (15)

  1. 半導体基板を処理する方法であって、
    酸窒化シリコン膜を形成するステップと；
    １ミリトール〜１００ミリトールの酸化ガス分圧を与える酸化ガス及び窒素ガスの存在下で該酸窒化シリコン膜をアニールする第一アニールステップと；
    ０．５トール〜３．０トールの酸素分圧を与える流量の酸素ガスで該酸窒化シリコン膜をアニールする第二アニールステップと；
    を含む、前記方法。
  2. 酸窒化シリコン膜を形成するステップが、プラズマ窒化物形成によって行われる、請求項１に記載の方法。
  3. 該第一アニールステップが、７００℃以上で行われる、請求項１に記載の方法。
  4. 該第一アニールステップが、１０００℃〜１１００℃で行われる、請求項３に記載の方法。
  5. 該第一アニールステップが、１秒〜１２０秒間行われる、請求項１に記載の方法。
  6. 該第一アニールステップが、１００ミリトール〜８００トールのチャンバ圧で行われる、請求項１に記載の方法。
  7. 該酸化ガスが、酸素、亜酸化窒素、一酸化窒素、及びオゾンより選ばれるガスである、請求項１に記載の方法。
  8. 該酸化ガスが、酸素である、請求項１に記載の方法。
  9. 該第一アニールステップが、該酸窒化シリコン膜を還元ガスでアニールする工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
  10. 該還元ガスが、水素である、請求項９に記載の方法。
  11. 該第一アニールステップが、該酸窒化シリコン膜を不活性ガスでアニールする工程を更に含む、請求項１に記載の方法。
  12. 該第二アニールステップが、９００℃〜１１００℃で行われる、請求項１に記載の方法。
  13. 該第二アニールステップが、１０ミリトール〜１００トールの圧力で行われる、請求項１に記載の方法。
  14. 該第二アニールステップが、１秒〜１２０秒間行われる、請求項１に記載の方法。
  15. チャンバ内に配置され且つ酸窒化シリコン膜を有する半導体基板をアニールする方法であって、
    酸化ガス及び窒素ガスを含み、１〜１００ミリトールの酸化ガス分圧を与えるガス流を１０００℃〜１１００℃のチャンバ温度で該チャンバに流すステップであって、該酸化ガスが、酸素、亜酸化窒素、一酸化窒素及びオゾンより選ばれるガスである、第一フローステップと；
    ０.５トール〜３.０トールの酸素分圧を与える流量の酸素ガスを該チャンバに流す、第二フローステップと；
    を含み、
    前記第一フローステップが、前記第二フローステップより高い温度と高いチャンバ圧で行われ、
    前記第一フローステップが、１００ミリトール〜８００トールのチャンバ圧で行われる、方法。
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