JP5276437B2 - 窒化珪素膜の形成方法、半導体装置の製造方法、およびプラズマcvd装置 - Google Patents
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-
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Description
本発明の他の目的は、このような窒化珪素膜を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、このような窒化珪素膜を形成することができるプラズマCVD装置を提供することにある。
まず、プラズマ処理装置100を用いて種々の条件で窒化珪素膜を成膜し、窒化珪素膜のストレスの大きさについて試験した。図7はこの際のプラズマCVDにおける処理圧力と窒化珪素膜のストレスの大きさの関係を示すグラフである。なお、図7の縦軸は窒化珪素膜のストレスの大きさを示しており、正(プラス)側は引張りストレス、負(マイナス)側は圧縮ストレスである(図9、10、13A、13B、16Aおよび16Bにおいても同様である)。また、図7において横軸の処理圧力はmTorrを対数目盛で示したものであり、上段にmTorrの値を示し、下段に換算したPaの値を示す(以下の図10、11、12も同じ)。
<プラズマCVD成膜条件(NH3/Si2H6ガス系)>
NH3ガス流量;500mL/min(sccm)
Si2H6ガス流量;5mL/min(sccm)
処理圧力;2.7Pa(20mTorr)、6.7Pa(50mTorr)、40.0Pa(300mTorr)および133.3Pa(1Torr)
載置台2の温度;400℃
マイクロ波パワー;2000W
<プラズマCVD成膜条件(N2/Si2H6ガス系)>
N2ガス流量(ガス導入部15a);1100mL/min(sccm)
Si2H6ガス流量;1mL/min(sccm)
N2ガス流量(ガス導入部15b);100mL/min(sccm)
処理圧力;4.0Pa(30mTorr)、6.7Pa(50mTorr)、13.3Pa(100mTorr)および66.6Pa(500mTorr)
載置台2の温度;500℃
マイクロ波パワー;3000W
(1)チャージアップダメージ評価:
評価用デバイスとして多数のMOSキャパシタを作り込んだ試験用ウエハ(200mm径)を使用した。この試験用ウエハは、アンテナ比(MOSキャパシタのポリシリコン電極とゲート絶縁膜の面積比;AAR)が10倍、100倍、1000倍、1万倍、10万倍および100万倍の6種類のMOSキャパシタを1チップとして、1〜96までのチップに区分されている。この試験用ウエハの表面に、プラズマ処理装置100を用いて窒化珪素膜を成膜した後で、MOSキャパシタが破壊された程度をMOSキャパシタの電流−電圧特性から求めたリーク電流により評価した。この試験では、−4.375V(=−12.5MV/cm)におけるJgが1×10−9[A/μm2]を超えるものを不適(チャージアップダメージ有り)と判定した。
なお、窒化珪素膜の膜厚は、圧縮ストレス膜、引張りストレス膜ともに20nmとした。
プラズマ処理装置100を用い、トレンチが形成された試験用Si基板上に、NH3ガス流量500mL/min(sccm)、Si2H6ガス流量5mL/min(sccm)、処理圧力133.3Pa(1Torr)、載置台2の温度500℃、マイクロ波パワー2000WのプラズマCVD条件で引張りストレスを持つ窒化珪素膜を成膜した。なお、トレンチのアスペクト比(深さ/幅)は1/1であった。
窒化珪素膜の頂部膜厚(トレンチ周囲の平坦面の膜厚)、側部膜厚(トレンチの側壁部の膜厚)、底部膜厚(トレンチの底部の膜厚)を測定し、ステップカバレッジを評価した。その結果、頂部に対する側部の膜厚比(側部膜厚/頂部膜厚×100)は91%、頂部に対する底部の膜厚比(底部膜厚/頂部膜厚×100)は97%と良好なステップカバレッジが得られた。
プラズマ処理装置100を用い、引張りストレスおよび圧縮ストレスを持つ窒化珪素膜を成膜した後、アニールを実施し、熱処理が窒化珪素膜のストレスに与える影響について調べた。成膜条件およびアニール条件は、以下のとおりである。
<プラズマCVD条件(NH3/Si2H6ガス系)>
NH3ガス流量;400mL/min(sccm)
Si2H6ガス流量;5mL/min(sccm)
処理圧力;133.3Pa(1000mTorr)
載置台2の温度;500℃
マイクロ波パワー;2000W
<プラズマCVD条件(N2/Si2H6ガス系)>
N2ガス流量(ガス導入部15a);1100mL/min(sccm)
Si2H6ガス流量;1mL/min(sccm)
N2ガス流量(ガス導入部15b);100mL/min(sccm)
処理圧力;2.6Pa(20mTorr)
載置台2の温度;500℃
マイクロ波パワー;1000W
<アニール条件>
処理温度;800℃
処理圧力;101308Pa(760Torr)
処理時間;0分(未処理)、10分または20分
例えば、上記実施形態では、高引張りストレスまたは高圧縮ストレスを有する窒化珪素膜を、トランジスタの被覆膜へ適用して駆動特性を向上させる例を挙げたが、これに限らず、本発明はストレスを利用してデバイス特性を改善できる種々の半導体装置の製造において適用可能である。
Claims (16)
- プラズマCVDにより高いストレスを有する窒化珪素膜を形成する窒化珪素膜の形成方法であって、
処理室内に被処理基板を配置し、
前記処理室内に窒素ガスとシリコン含有ガスとを導入し、
複数のスロットを有する平面アンテナを通じて前記処理室にマイクロ波を導入して前記窒素ガスとシリコン含有ガスとのプラズマを生成し、
前記プラズマによるプラズマCVDを用いて前記被処理基板に高い圧縮ストレスを有する窒化珪素膜を形成し、
前記窒化珪素膜は、前記処理室内の1.3〜5.3Paの処理圧力及び300〜800℃の処理温度下で、800MPaを超える圧縮ストレスを有するように形成され、
前記圧縮ストレスの強さは前記処理圧力を変化させることにより制御され、
前記プラズマ内の活性窒素種は前記窒素ガスから由来し、
前記窒化珪素膜の前記高い圧縮ストレスは、前記窒化珪素膜がアニールされる時も前記800MPaを超える値に維持されることを特徴とする窒化珪素膜の形成方法。 - 前記プラズマは、前記処理室内の処理圧力を1.3〜4Paにして生成され、このプラズマにより1000MPa以上の圧縮ストレスを持つ窒化珪素膜が成膜されることを特徴とする請求項1に記載の窒化珪素膜の形成方法。
- プラズマCVDにより高いストレスを有する窒化珪素膜を形成する窒化珪素膜の形成方法であって、
処理室内に被処理基板を配置し、
前記処理室内にアンモニアガスとシリコン含有ガスとを導入し、
複数のスロットを有する平面アンテナを通じて前記処理室にマイクロ波を導入して前記アンモニアガスおよびシリコン含有ガスとのプラズマを生成し、
前記プラズマによるプラズマCVDを用いて前記被処理基板に高い引張りストレスを有する窒化珪素膜を形成し、
前記窒化珪素膜は、前記処理室内の6.7Pa以上の処理圧力及び300〜800℃の処理温度下で、400MPa以上の引張りストレスを有するように形成され、
前記引張りストレスの強さは前記処理圧力を変化させることにより制御され、
前記プラズマ内の活性窒素種は前記アンモニアガスから由来し、
前記窒化珪素膜の前記高い引張りストレスは、前記窒化珪素膜がアニールされる時も前記400MPa以上の値に維持されることを特徴とする窒化珪素膜の形成方法。 - 前記プラズマは、前記処理室内の処理圧力を40〜266.6Paにして生成され、このプラズマにより800〜2000MPaの引張ストレスを持つ窒化珪素膜が成膜されることを特徴とする、請求項3に記載の窒化珪素膜の形成方法。
- 前記プラズマは、前記処理室内の処理圧力を133.3〜266.6Paにして生成され、このプラズマにより1500〜2000MPaの引張ストレスを持つ窒化珪素膜が成膜されることを特徴とする、請求項4に記載の窒化珪素膜の形成方法。
- 前記シリコン含有ガスが、ジシラン(Si2H6)であることを特徴とする、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の窒化珪素膜の形成方法。
- 高いストレスを有する窒化珪素膜を形成するプラズマCVD装置であって、
被処理基板が配置される処理室と、
前記処理室に窒素ガスとシリコン含有ガスとを供給するガス供給機構と、
複数のスロットを有する平面アンテナを通じて前記処理室にマイクロ波を導入して前記処理室内に前記窒素ガスとシリコン含有ガスとのプラズマを生成するプラズマ生成ユニットと、
前記処理室内を排気する排気ユニットと、
前記ガス供給機構から前記窒素ガス及びシリコン含有ガスを前記処理室内に導入し、前記プラズマ生成ユニットにより前記処理室内で、5.3Paより低い処理圧力及び300〜800℃の処理温度下で、前記窒素ガス及びシリコン含有ガスのプラズマを生成して、前記プラズマによるプラズマCVDにより前記被処理基板に800MPaを超える圧縮ストレスを有する窒化珪素膜が形成されるように、前記プラズマCVD装置を制御する制御部を含み、
前記圧縮ストレスの強さは前記処理圧力を変化させることにより制御され、
前記プラズマ内の活性窒素種は前記窒素ガスから由来し、
前記窒化珪素膜の前記高い圧縮ストレスは、前記窒化珪素膜がアニールされる時も前記800MPaを超える値に維持されることを特徴とするプラズマCVD装置。 - 請求項1から請求項6のいずれかの窒化珪素膜の形成方法を含むCMOSトランジスターの製造方法。
- プラズマCVDを用いて窒化珪素膜を形成する方法において、
被処理基板を処理室内に配置することと、
窒素、珪素及び水素からなる処理ガスを前記処理室内に導入することと、
前記処理ガスのプラズマを生成するために複数のスロットを有する平面アンテナを介してマイクロ波を前記処理室に導入することと、
前記マイクロ波により形成されたプラズマによるプラズマCVDを用いて前記被処理基板に窒化珪素膜を形成することと、を含み、
プラズマ生成空間の高さが100mmから300mmに設定される反面、前記窒化珪素膜は1.3〜5.3Paの処理圧力下で800MPaを超える圧縮ストレスを有するように形成され、
前記窒化珪素膜の前記圧縮ストレスは前記窒化珪素膜がアニール処理された時にも前記800MPaを超える値に維持されることを特徴とする窒化珪素膜の形成方法。 - プラズマCVDを用いて窒化珪素膜を形成する方法において、
被処理基板を処理室内に配置することと、
窒素、珪素および水素からなる処理ガスを前記処理室内に導入することと、
前記処理ガスのプラズマを生成するために複数のスロットを有する平面アンテナを介してマイクロ波を前記処理室に導入することと、
前記マイクロ波により形成されたプラズマによるプラズマCVDを用いて前記被処理基板に窒化珪素膜を形成することと、を含み、
プラズマ生成空間の高さが100mmから300mmに設定される反面、前記窒化珪素膜は6.7〜266.6Paの処理圧力下で400MPa以上の引張りストレスを有するように形成され、
前記窒化珪素膜の前記引張りストレスは前記窒化珪素膜がアニール処理された時にも前記400MPa以上の値に維持されることを特徴とする窒化珪素膜の形成方法。 - 窒化珪素膜は、前記処理室内で300〜800℃の処理温度で成膜されることを特徴とする請求項9または請求項10に記載の窒化珪素膜の形成方法。
- 前記処理ガスは、シリコン含有ガスと窒素含有ガスとを含み、窒素含有ガス流量に対するシリコン含有ガス流量の比率は0.1以下であることを特徴とする請求項9から請求項11のいずれか1項に記載の窒化珪素膜の形成方法。
- 半導体装置を製造する方法において、
絶縁膜を介してその上に形成されたゲート電極、前記ゲート電極の両側の主面領域に形成されたソースおよびドレイン、ならびに前記ソースと前記ドレインとの間に形成されたチャンネル領域とを有する半導体基板を準備することと、
前記半導体基板を処理室内に配置することと、
窒素、珪素および水素からなる処理ガスを前記処理室内に導入することと、
前記処理ガスのプラズマを生成するために複数のスロットを有する平面アンテナを介してマイクロ波を前記処理室に導入することと、
前記マイクロ波により形成されたプラズマによるプラズマCVDを用いて前記半導体基板に窒化珪素膜を形成することと、
を含み、
プラズマ生成空間の高さが100mmから300mmに設定される反面、前記窒化珪素膜は1.3〜5.3Paの処理圧力下で800MPaを超える圧縮ストレスを有するように形成され、
前記窒化珪素膜の前記圧縮ストレスは前記窒化珪素膜がアニール処理された時にも前記800MPaを超える値に維持されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体装置を製造する方法において、
絶縁膜を介してその上に形成されたゲート電極、前記ゲート電極の両側の主面領域に形成されたソースおよびドレイン、ならびに前記ソースと前記ドレインとの間に形成されたチャンネル領域とを有する半導体基板を準備することと、
前記半導体基板を処理室内に配置することと、
窒素、珪素及び水素からなる処理ガスを前記処理室内に導入することと、
前記処理ガスのプラズマを生成するために複数のスロットを有する平面アンテナを介してマイクロ波を前記処理室に導入することと、
前記マイクロ波により形成されたプラズマによるプラズマCVDを用いて前記半導体基板に窒化珪素膜を形成することと、
を含み、
プラズマ生成空間の高さが100mmから300mmに設定される反面、前記窒化珪素膜は6.7〜266.6Paの処理圧力下で400MPa以上の引張りストレスを有するように形成され、
前記窒化珪素膜の前記引張りストレスは前記窒化珪素膜がアニール処理された時にも前記400MPa以上の値に維持されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 窒化珪素膜は、前記処理室内で300〜800℃の処理温度で成膜されることを特徴とする請求項13または請求項14に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記処理ガスは、シリコン含有ガスと窒素含有ガスとを含み、窒素含有ガス流量に対するシリコン含有ガス流量の比率は0.1以下であることを特徴とする請求項13から請求項15のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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