JPH0851108A

JPH0851108A - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JPH0851108A
Application number: JP29165794A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Tsuzumitani; 昭彦皷谷; Kenji Fukuda; 憲司福田; Tadashi Nakano; 正中野; Hideaki Uchizumi; 秀昭内住
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1994-05-31
Filing date: 1994-11-25
Publication date: 1996-02-20

Abstract

(57)【要約】【目的】層間膜の耐透水性を向上させて水分の拡散浸
透を防止することのできる半導体装置の製造方法を提供
する。【構成】金属配線１１が形成された後、窒素元素
（Ｎ）を含むガスによるプラズマが基板表面に照射され
る。このプラズマ照射により、ＢＰＳＧ膜１０の表面に
窒素を含んだ耐透水性の良い絶縁膜１２が形成される。
その後、基板表面にＰ−ＴＥＯＳ膜１３が形成される。
次に、再び窒素元素を含むガスによるプラズマを再度基
板表面に照射する。このプラズマ照射により、Ｐ−ＴＥ
ＯＳ膜１３の表面に窒素を含んだ耐透水性の良い絶縁膜
１４が形成される。次に、この絶縁膜１４上にＯ₃ＴＥ
ＯＳ膜１５およびＳＯＧ膜１６が順次形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多層配線構造を有する半
導体装置およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ゲート長が１．０μｍより短いＭＯＳ(M
etal Oxide Semiconductor) 型トランジスタが構成され
た半導体装置においては、多層配線間を絶縁する層間絶
縁膜の表面を平坦化するため、ＳＯＧ膜，Ｐ−ＴＥＯＳ
膜，Ｏ₃−ＴＥＯＳ膜が基板表面に形成されるようにな
ってきた。このＳＯＧ（Spin on Glass)膜は、有機溶剤
に溶けたガラス前駆体溶液を基板表面に回転塗布するこ
とによって形成される膜である。また、Ｐ−ＴＥＯＳ膜
は、ＴＥＯＳ(tetraethylorthosilicate) を原料として
プラズマ中で形成される酸化膜である。また、ＴＥＯＳ
−Ｏ₃膜は、ＴＥＯＳとＯ₃を原料として常圧下で形成
される酸化膜である。しかし、このようなＴＥＯＳを原
料としたプラズマ酸化膜あるいはＴＥＯＳ−Ｏ₃酸化膜
中に含まれる水分量は非常に多く、また、ＳＯＧ中に含
まれる水分も非常に多い。従って、ＭＯＳ型トランジス
タ上層部の層間絶縁膜上にこれら膜が形成されて基板表
面が平坦化される場合、その後の熱工程において、これ
ら膜に含まれる水分が、ＭＯＳ型トランジスタのゲート
酸化膜とシリコン基板との界面にまで拡散浸透すること
がある。このような場合には、この水分がゲート酸化膜
中にトラップを形成し、トランジスタ動作時における電
子等のキャリアを捕獲してホットキャリア寿命を短くす
る問題が生じた。このような問題は例えば次の文献の１
２２〜１２６ページに報告されており、深刻な問題にな
っている。

【０００３】インターナショナル・リライアビリティ・
フイジックス・シンポジウム(International reliabili
ty physics symposium）、１９９２年従来、このような問題を解決するため、例えば、特開平
４−２９３１９号公報に開示された次の第１の従来技術
が提案されている。つまり、下部電極上に形成された多
孔質の層間絶縁膜の表面がＯ₂やＮ₂などのガスでプラ
ズマ処理され、層間絶縁膜の表面に緻密な絶縁体層が形
成される。次に、この絶縁体層および層間絶縁膜の所定
部位にコンタクトホールが設けられ、その後、絶縁体層
上に金属膜が蒸着される。そして、この金属膜が所定形
状にパターニングされ、上部電極が形成される。このよ
うな製造方法によれば、層間絶縁膜を介して下部電極に
拡散浸透しようとする水分の移動は絶縁体層によって阻
止され、水分の侵入による配線間のリークを防止するこ
とが可能となる。また、この絶縁体層によって上部電極
から下部電極へ向かう金属原子の移動も阻止され、エレ
クトロマイグレーションの発生を抑止することもでき
る。

【０００４】また、特開平５−５５３８７号公報に開示
された次の第２の従来技術も提案されている。つまり、
第１の導電体パターンを覆う第１の絶縁膜の表面を平坦
化するため、この絶縁膜の表面にＳＯＧ膜が形成され
る。次に、このＳＯＧ膜の表面が窒素プラズマ処理さ
れ、ＳＯＧ膜の表面に窒化層が形成される。その後、こ
の窒化層上に第２の絶縁膜が形成され、これら各膜を貫
通するビアホールが形成される。そして、上記の第１の
導電体パターンに接続される第２の導電体パターンが第
２の絶縁膜上に形成される。このような製造方法によれ
ば、ＳＯＧ膜の表面に形成された窒化層によってＳＯＧ
膜の吸湿性が小さくなり、大気からの水分の侵入はこの
窒化層によって阻止される。従って、ビアホールを形成
した後、第２の導電体パターンをビアホール内に埋め込
む際、ＳＯＧ膜からビアホール内壁面に水分が放出され
なくなり、スパッタされた金属は正確にビアホールの壁
面に付着する。

【０００５】また、この特開平５−５５３８７号公報に
は次の第３の従来技術も開示されている。つまり、第１
の導電体パターンを覆う第１の絶縁膜の表面がＳＯＧ膜
で平坦化された後、このＳＯＧ膜上に第２の絶縁膜が形
成され、これら膜を貫通するビアホールが形成される。
その後、基板表面が窒素プラズマにさらされ、ビアホー
ル内壁面に露出するＳＯＧ膜の端面および第２の絶縁膜
表面に窒化層が形成される。そして、この上に第２の導
電体パターンが形成される。このような製造方法によれ
ば、窒素プラズマ処理時の熱によってＳＯＧ膜中の水分
が減少されるとともに、ビアホール内壁面および第２の
絶縁膜表面に水分の拡散を阻止する窒化層が形成され
る。従って、この方法によってもビアホールの内壁面に
水分が放出されなくなり、ビアホールの内壁面には金属
膜が欠陥なく付着される。

【０００６】また、Ｐ−ＳｉＯ膜をゲート酸化膜の上に
設けることにより、水の拡散を防止してホットキャリア
の劣化を抑制する技術が報告されている。このＰ−Ｓｉ
Ｏ膜は、ＳｉＨ₄を原料としてプラズマ中で化学的気相
成長法（ＣＶＤ）で形成されたシリコン酸化膜である。

【０００７】特開昭６２−１４５７３５号公報に示され
る第４の従来技術においては、ＳｉＨ₄，Ｎ₂Ｏ，Ｎ₂
を原料としてこのＰ−ＳｉＯ膜を成膜する製造方法が提
案されている。この製造方法では、ＳｉＨ₄ガスが１８
ｓｃｃｍ，Ｎ₂Ｏガスが３ｓｃｃｍ，Ｎ₂ガスが１５０
ｓｃｃｍという導入ガス流量でシリコン酸化膜の成膜が
行われている。

【０００８】また、特開平１−１８６６２７号公報に示
される第５の従来技術においては、絶縁膜の膜質向上の
ため、Ｎ₂を使用せず、ＳｉＨ₄／Ｎ₂Ｏ≧０．１の条
件の導入ガス流量比でＰ−ＳｉＯ膜を成膜する方法が提
案されている。

【０００９】また、特開平３−１５１６５４号公報に示
される第６の従来技術においては、ＳｉＨ₄，Ｎ₂Ｏ，
Ｎ₂を原料として膜中の窒素濃度が５モル％以上になる
Ｐ−ＳｉＯ膜をＳＯＧ膜とアルミニウム配線との間に形
成し、このＰ−ＳｉＯ膜によってＳＯＧ膜中の可動イオ
ンの拡散を阻止するという方法が提案されている。

【００１０】また、特開平２−１２８４２４号公報に示
される第７の従来技術においては、水素を発生する絶縁
膜と回路素子との間に、モル比で酸素２に対してシリコ
ン１を越える組成のシリコン酸化膜を設けると、このよ
うなシリコン酸化膜は、未結合手（ダングリングボン
ド）が多いので、ＳＯＧ膜やＰ−ＳｉＮ膜からの水素の
拡散を防止できる方法が提案されている。

【００１１】また、特開平５−１６６９３６号公報に示
される第８の従来技術においては、シリコン酸化膜中の
窒素含有量を２．４atomic％以上にすることにより、Ｓ
ＯＧからの水素の拡散を防止する方法が提案されてい
る。

【００１２】また、特開平４−２１８９４７号公報によ
れば、ＳｉＯ₂膜を膜密度の低いものとし、ＳＯＧ膜か
らの可動イオン等を半導体素子と逆方向に放出すること
で、デバイスに与える影響を軽減する方法が紹介されて
いる。また、特開平３−１５１６５４号公報の第９の従
来技術によれば、ＳｉＯ₂膜の窒素含有量を５モル％以
上にして、ＳＯＧ膜中の可動イオン等を半導体素子方向
に拡散させない方法も紹介されている。

【００１３】また、前述した文献「インターナショナル
・リライアビリティ・フイジックス・シンポジウム」に
は、水分が熱工程でゲート酸化膜中に拡散してトラップ
を形成し、ホットキャリア寿命を短くする深刻な問題が
示されていた。これに対して、フッ素を用いたホットキ
ャリア耐性の向上技術が、例えば、次の文献の１４２６
ページに報告されている。

【００１４】アイ・イー・イー・トランザクション・オ
ン・エレクトロン・デバイス(IEEETRANSACTIONS ON ELE
CTRON DEVICES) 、1990年、第３巻、６号この報告には、フッ素をゲートにイオン注入することに
より、シリコンのダングリングボンドをフッ素で終端さ
せ、ホットキャリア耐性を向上させる技術が開示されて
いる。Ｓｉ−Ｈの結合エネルギーは３１８ｋＪ／ｍｏｌ
だが、Ｓｉ−Ｆの結合エネルギーは５９１ｋＪ／ｍｏｌ
である。つまり、このＳｉ−Ｆの結合エネルギーはＳｉ
−Ｏの結合エネルギーである６２２ｋＪ／ｍｏｌに近い
ので、水素でシリコンのダングリングボンドを終端した
場合よりも、フッ素でこのダングリングボンドを終端し
た場合の方がホットキャリアが注入されたときに結合が
破壊されにくくなり、ホットキャリア耐性が向上する。
しかし、この方法はフッ素をゲート絶縁膜全面にイオン
注入するので、チャネル領域全体にフッ素が存在するよ
うになる。従って、ゲート酸化膜が厚くなり、ゲート容
量が低下してＭＯＳトランジスタの駆動電流値が減少す
るという欠点がある。

【００１５】この問題を解決するため、特開平３−２９
６２７０号公報においては、ポリシリコンゲート上に酸
化膜を形成してその上からフッ素をイオン注入する方法
が提案されている。しかし、この方法では、フッ素をイ
オン注入するために、わざわざ工程数を増やさなくては
ならないので製造コストが増加する。

【００１６】また、特開平４−６２９７４号公報におい
ては、ゲート電極形成後に、ハロゲン元素を含む雰囲気
中で熱処理する方法が提案されている。しかし、この方
法では、チャネル部分になるゲート酸化膜の全部の断面
からフッ素が混入して酸化膜厚が増加するのでゲート容
量が低下し、ＭＯＳトランジスタの駆動電流値が減少す
る問題がある。

【００１７】また、特開平１−２３０２３９号公報にお
いては、層間絶縁膜を形成するときにフッ素ガスを混入
することにより、フッ素を拡散する方法が提案されてい
る。しかし、この方法ではフッ素が多量に混入されてし
まうので、やはり、チャネル部分になるゲート酸化膜全
体に多量のフッ素が混入する。このため、酸化膜が増加
してゲート容量が低下し、ＭＯＳトランジスタの駆動電
流値が減少する。

【００１８】従って、フッ素をゲート酸化膜へ混入する
のに、イオン注入やフッ素系ガス雰囲気中で処理する方
法では、ＭＯＳトランジスタの駆動能力を低下させてし
まうので、実際には使用することはできない。フッ素を
ゲート酸化膜へ混入して、シリコンのダングリングボン
ドを終端する方法として、フッ素またはフッ素を含むガ
スを半導体基板上からプラズマ照射することにより、フ
ッ素をゲート酸化膜へ拡散する方法も考えられる。フッ
素またはフッ素を含むガスのプラズマはエッチングにも
用いられる。

【００１９】例えば、特開平１−２１７９１９号公報に
示される第１０の従来技術においては、ゲートエッチン
グをフッ素系のガスで行い、その後酸素プラズマ照射を
した後、フッ化水素酸で洗浄することにより、ゲート電
極の加工時に発生する反応生成物を除去する方法が提案
されている。

【００２０】また、特開平２−１３９９３２号公報に示
される第１１の従来技術においては、第１の導体層がこ
の層上に設けられた絶縁層から露出して成る試料を、ハ
ロゲン原子を含むガスのプラズマ中にさらした後に、第
２の導体層を形成することにより、第１の導体層上に付
着している炭素化合物等を除去して、化学的気相成長法
で第２の導体層を完全に成長させる方法が提案されてい
る。

【００２１】また、特開平３−１５７９３１号公報に示
される第１２の従来技術においては、パターニングされ
たレジストの上からフッ素でプラズマ照射して、レジス
トを疎水性にする。そして、シリコンの化合物と水を気
相中で反応させて、レジスト以外のところにシリコン酸
化膜を形成した後にレジストを除去し、その上にプラズ
マ酸化膜を形成することにより、パターン依存性のない
平坦化方法を提案している。

【００２２】また、特開平５−１０２１０８号公報に示
される第１３の従来技術においては、コンタクトホール
形成後に、レジストをフッ素と酸素を含むガスでアッシ
ングした後に、有機溶剤でレジストを除去する方法が提
案されている。

【００２３】また、特開平５−２６７１５７号公報に示
される第１４の従来技術においては、パターン化された
配線上のレジストをＯ₂／ＣＨＦ₃／ＣＨ₃ＯＨ等のガ
スでアッシングする方法が提案されている。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
４−２９３１９号公報に開示された第１の従来技術にお
いては、上部電極形成用の金属膜がプラズマ酸化膜の表
面に蒸着される前に、通常、基板表面はバッファードフ
ッ酸（ＢＨＦ）で洗浄される。このため、このＢＨＦ処
理によって基板表面のプラズマ絶縁膜は削られて薄くな
る。また、上部電極形成用の金属膜が形成された後、こ
の金属膜がエッチングによってパターニングされる際に
も、金属膜下にあるプラズマ絶縁膜はこのエッチングで
削られてしまう。この結果、プラズマ絶縁膜によって水
分等の拡散を阻止する効果は低減してしまう。従って、
この上にＰ−ＴＥＯＳ膜，Ｏ₃−ＴＥＯＳ膜やＳＯＧ膜
などの多量の水分を含んだ絶縁膜が形成される場合に
は、水の拡散を防止することはできない。このため、Ｍ
ＯＳトランジスタが形成されている場合には、ゲート酸
化膜に水分が拡散してホットキャリア寿命の劣化が加速
されてしまう。

【００２５】また、特開平５−５５３８７号公報に開示
された、窒素プラズマ処理によってＳＯＧ膜表面に窒化
層を形成する第２の従来技術においては、大気からの水
分がこの窒化層の下層部に拡散浸透することを防ぐこと
はできる。しかし、このＳＯＧ膜がＰ−ＴＥＯＳ膜，Ｏ
₃−ＴＥＯＳ膜やＳＯＧ膜などの多量の水分を予め含ん
だ絶縁膜の上層に形成された場合には、これら膜に含ま
れる水分は下層部に拡散浸透してしまうことになる。さ
らに、ＳＯＧ膜そのものに含まれた水の拡散を防ぐこと
はできない。従って、下層部にＭＯＳトランジスタが形
成されている場合には、やはりこの水分がゲート酸化膜
に拡散してトラップが形成されることになり、ホットキ
ャリアの寿命は短くなってしまう。

【００２６】また、特開平５−５５３８７号公報に開示
された、窒素プラズマ処理によってビアホールの内壁面
および第２の絶縁膜表面に窒化層を形成する第３の従来
技術においては、第２の絶縁膜表面にある窒化層上に第
２の導電体パターンを形成する際、上述した特開平４−
２９３１９号公報に開示された従来技術と同様な問題が
発生する。つまり、第２の導電体パターン形成用の金属
膜が形成される前に行われるＢＨＦ処理により、基板表
面に形成された窒化層が削られて薄くなってしまう。ま
た、第２の導電体パターンをパターニングする際のエッ
チングによっても、この第２の導電体パターン下にある
窒化層が削られて薄くなってしまう。このため、この窒
化層による水分の移動を阻止する効果はやはり減少して
しまい、同様な問題が発生する。

【００２７】また、Ｐ−ＳｉＯ膜をゲート酸化膜の上に
設け、水の拡散を防止してホットキャリアの劣化を抑制
する従来技術においては、Ｐ−ＳｉＯ膜が水の拡散を防
止する機構が解明されておらず、成膜条件やその膜厚に
よっては、水の拡散を防止することができず、ホットキ
ャリア劣化を抑制することができない。

【００２８】つまり、第４の従来技術によって得られた
Ｐ−ＳｉＯ膜をＭＯＳトランジスタの上層部に設け、こ
のＰ−ＳｉＯ膜によってゲート部への水分の拡散を防止
しようとしても十分な拡散防止効果は得られない。よっ
て、ＭＯＳトランジスタのホットキャリア耐性は劣化し
てしまう。この原因はＰ−ＳｉＯ膜成膜時における各原
料ガスの導入流量比が不適当であるものと考えられる。

【００２９】また、第５の従来技術によって窒素を用い
ないで得られたＰ−ＳｉＯ膜を水分の拡散防止膜として
用いた場合にも、水の拡散を防止することはできない。
この原因は、この第５の従来技術によるＰ−ＳｉＯ膜は
窒素を使用しないで形成されるため、Ｐ−ＳｉＯ膜中の
窒素濃度が低く、絶縁膜表面のＳｉ−Ｎ，Ｓｉ−ＮＨ結
合が十分に存在しないためと考えられる。

【００３０】また、第６の従来技術によって窒素濃度が
５モル％以上として得られたＰ−ＳｉＯ膜を水分の拡散
防止膜として用いた場合にも、水の拡散を防止すること
はできない。この原因は、水の拡散を防止するには窒素
濃度が５モル％以上だけでは不十分だからであり、ま
た、有効に水の拡散を防止するには絶縁膜の表面にＳｉ
−Ｈ結合も有していなくてはならないからである。ま
た、第６の従来技術が提案されている特許公報中には、
ＳｉＨ₄とＮ₂Ｏの流量比が０．０５になる条件でＰ−
ＳｉＯ膜を成膜した例が記述されているが、Ｎ₂は所定
の量としか記述されておらず、特定することはできな
い。つまり、この第６の従来技術によっては、十分に水
の拡散を防止することができるＰ−ＳｉＯ膜を特定する
ことはできない。

【００３１】また、第７の従来技術によって得られたダ
ングリングボンドを持つシリコン酸化膜を水分の拡散防
止膜として用いた場合にも、水の拡散を防止することは
できない。これは、通常の成膜法で得られるシリコン酸
化膜中のダングリングボンド密度は１０¹⁹ｓｐｉｎｓ／
ｃｍ³程度、一方、ＳＯＧ膜中の水素は１０²¹個／ｃｍ
³程度であり、シリコン酸化膜中のダングリングボンド
密度よりもＳＯＧ膜中の水素濃度の方が通常高いため、
酸化膜中のダングリングボンドによって水素を捕えきれ
ないからである。

【００３２】また、第８の従来技術によって窒素含有量
を２．４atomic％以上としたＰ−ＳｉＯ膜を水分の拡散
防止膜として用いた場合にも、水の拡散を完全に防止す
ることはできない。水の拡散を防止するには窒素含有量
が２．４atomic％以上だけでは不十分であり、Ｓｉ−Ｈ
結合の濃度が所定範囲の値を有しなくてはならない。ま
た、Ｐ−ＳｉＯ膜はＳｉＨ₄とＮ₂Ｏだけで成膜されて
おり、Ｎ₂も使用しないと、膜中にはＳｉ−ＮＨ結合が
十分にできず、ＳＯＧ、Ｏ₃−ＴＥＯＳ膜からの水の拡
散を完全に防止することはできない。

【００３３】また、デバイスの微細化が進むにつれ、半
導体装置は可動イオン等に対してより性能の低下が起こ
りやすくなる。このため、ＳＯＧ膜を用いる場合には、
ＳＯＧ膜からの可動イオン等の拡散を抑制する作用のあ
るプラズマ酸化膜の成膜が必要となる。前述の特開平３
−１５１６５４号公報に示された第９の従来技術では、
このＳＯＧ膜からの可動イオン等の拡散を抑制する作用
のあるプラズマ酸化膜の成膜方法が紹介されていたが、
これによると、ＳｉＨ₄、Ｎ₂Ｏ、Ｎ₂を原料とし、平
行平板プラズマＣＶＤ装置により窒素含有量５％以上の
プラズマ酸化膜が形成される。しかし、プラズマ酸化膜
の詳細な膜質検討を行った結果、膜中に窒素が存在しな
いようなモノシランガスと酸素を原料とするプラズマ酸
化膜でも、可動イオン等の拡散を抑制できる膜が形成で
きることを見出した。よって、本発明は、可動イオン，
水等の拡散を抑制する作用のある、窒素を含まないプラ
ズマ酸化膜を用いた半導体装置およびその製造方法を提
供するものでもある。

【００３４】また、フッ素をゲート酸化膜へ拡散してホ
ットキャリア耐性を向上させようとする、前述の特開平
１−２１７９１９号公報に示された第１０の従来技術で
は、反応生成物を除去するときにゲート上に残っていた
フッ素も除去されるので、ゲート酸化膜中のシリコンの
ダングリングボンドをフッ素で終端することはできな
い。

【００３５】また、特開平２−１３９９３２号公報に示
された第１１の従来技術による方法では、第２の導体層
をエッチングでパターニングして配線を形成する時に、
フッ素が混入した酸化膜が削られてしまう。このため、
フッ素をゲート酸化膜へ拡散することにより、シリコン
のダングリングボンドをフッ素で終端させることはでき
ない。

【００３６】また、特開平３−１５７９３１号公報に示
された第１２の従来技術による方法では、シリコンの化
合物と水を気相中で反応させてシリコン酸化膜を金属配
線間に形成する前に洗浄を行わないのであれば、フッ素
は削られることなく残るが、シリコンと水の気相反応を
する前に洗浄を行うのであれば、フッ素が混入した絶縁
膜は残らない。洗浄をしない場合にはフッ素が残るが、
配線の形成後の工程が増えてコストが上昇するので、通
常の平坦化プロセスにはこの方法は用いられない。通常
は、金属配線上および金属配線間に直接第２の層間絶縁
膜を形成する。この場合には、レジストを除去する時
に、フッ素が混入した酸化膜が除去されてしまう。

【００３７】また、特開平５−１０２１０８号公報に示
された第１３の従来技術による方法も、有機溶剤でレジ
ストを除去する時に、フッ素が混入した酸化膜が除去さ
れてしまう。

【００３８】また、特開平５−２６７１５７号公報に示
された第１４の従来技術による方法では、レジストがア
ッシングによって除去された配線上に酸化膜を形成する
場合には、その前に洗浄を行うので、その時にフッ素が
混入した酸化膜が除去されてしまう。

【００３９】本発明はこのような問題を解消するために
なされたもので、層間膜の耐透水性を向上させて水分等
の拡散浸透を防止することのできる半導体装置の製造方
法を提供することを目的としている。このような半導体
装置の製造方法が提供されれば、実使用に十分に耐える
ホットキャリア寿命を有するＭＯＳトランジスタを備え
た半導体装置を実現することが可能になる。

【００４０】

【課題を解決するための手段】このために本発明は、層
間絶縁膜を形成する第１の工程と、この層間絶縁膜の表
面を洗浄する第２の工程と、この層間絶縁膜上に金属膜
を形成する第３の工程と、この金属膜をパターニングし
て配線を形成する第４の工程と、この配線の形成後に窒
素または窒素元素を含むガスによるプラズマを照射する
第５の工程とを備えた。

【００４１】また、層間絶縁膜を形成する第１の工程
と、この層間絶縁膜上に金属膜を形成する第３の工程
と、この金属膜をパターニングして配線を形成する第４
の工程と、この配線の形成後に窒素または窒素元素を含
むガスによるプラズマを照射する第５の工程とを備え
た。

【００４２】また、第１の工程の後に、層間絶縁膜にコ
ンタクトホールを形成する第６の工程をさらに備え、こ
の第６の工程の後に上記第２の工程を行う。

【００４３】また、第５の工程の後に、第２の層間絶縁
膜を形成する第７の工程と、窒素または窒素元素を含む
ガスによるプラズマを第２の層間絶縁膜に照射する第８
の工程とをさらに備えた。

【００４４】また、機能素子と、この機能素子の上層部
に形成された層間絶縁膜とを備えた半導体装置におい
て、機能素子と層間絶縁膜との間に、ＳｉＨ₄，Ｎ
₂Ｏ，Ｎ₂を原料とするプラズマＣＶＤ法で成膜され、
水素濃度が１×１０²¹〜５×１０²²atoms ／ｃｍ³であ
り、かつ、窒素濃度が１×１０²¹〜２×１０²²atoms ／
ｃｍ³であるシリコン酸化膜を備えた。

【００４５】また、Ｎ₂ＯガスとＮ₂ガスとの和の流量
に対するＳｉＨ₄ガスの流量の比を０．０５５〜０．０
８６の範囲とするプラズマＣＶＤ法で上記シリコン酸化
膜を成膜し、上記半導体装置を製造する。

【００４６】また、シランガスを原料とするプラズマ酸
化膜を用い、この酸化膜のＳｉ−Ｈ結合の水素量を５×
１０²⁰／ｃｍ³以上かつ５×１０²²／ｃｍ³以下となる
酸化膜構造を有する絶縁膜を形成することを特徴とする
ものである。

【００４７】また、エッチング加工してサイドウォール
をゲート電極の側壁に形成する第１の工程と、このサイ
ドウォールを含む半導体基板全面にフッ素またはフッ素
を含むガスをプラズマ照射する第２の工程と、このプラ
ズマ照射によってサイドウォール表面に形成されたフッ
素層を除去することなくその後の熱処理でこのフッ素層
中のフッ素をゲート酸化膜に熱拡散させる第３の工程と
を備えた。

【００４８】また、上記第１の工程の後にエッチング残
渣を除去する第４の工程を備え、この第４の工程の後に
上記第２の工程を行う。

【００４９】また、層間絶縁膜を形成する第１の工程
と、この層間絶縁膜の表面にフッ素またはフッ素を含む
ガスをプラズマ照射する第２の工程と、このプラズマ照
射によって層間絶縁膜表面に形成されたフッ素層を除去
することなくその後の熱処理でこのフッ素層中のフッ素
をゲート酸化膜に熱拡散させる第３の工程を備えた。

【００５０】また、層間絶縁膜を形成する第１の工程
と、この層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する第２
の工程と、層間絶縁膜上に金属膜を形成する第３の工程
と、この金属膜上に配線用レジストを形成する第４の工
程と、この配線用レジストをマスクにして金属膜をパタ
ーニングして配線を形成する第５の工程と、配線用レジ
ストを除去する第６の工程と、フッ素またはフッ素を含
むガスを半導体基板の全面にプラズマ照射する第７の工
程と、このプラズマ照射によって層間絶縁膜表面に形成
されたフッ素層を除去することなくその後の熱処理でこ
のフッ素層中のフッ素をゲート酸化膜に熱拡散させる第
８の工程とを備えた。

【００５１】

【作用】配線がパターニングされた後に窒素元素を含む
ガスによるプラズマが照射され、配線間に露出する層間
絶縁膜の表面に水をほとんど通さない非常に耐透水性の
良い窒素を含んだ絶縁膜が第５の工程において形成され
る。従って、金属膜を形成する前に行われる層間絶縁膜
表面を洗浄処理をする第２の工程時には、窒素を含んだ
絶縁膜が形成されておらず、この洗浄処理によって窒素
を含んだ耐透水性の良い絶縁膜が削られることはない。
また、配線を形成するために金属膜をパターニングする
第４の工程においても窒素を含んだ絶縁膜が形成されて
おらず、この金属膜のパターニングによって窒素を含ん
だ耐透水性の良い絶縁膜が削られることはない。

【００５２】また、第８の工程において窒素元素を含む
ガスによるプラズマを第２の層間絶縁膜に照射すること
により、第２の層間絶縁膜の表面にも窒素を含んだ耐透
水性の良い絶縁膜が形成される。

【００５３】また、機能素子と層間絶縁膜との間に、Ｓ
ｉＨ₄，Ｎ₂Ｏ，Ｎ₂を原料とするプラズマＣＶＤ法で
成膜され、水素濃度が１×１０²¹〜５×１０²²atoms ／
ｃｍ³であり、かつ、窒素濃度が１×１０²¹〜２×１０
²²atoms ／ｃｍ³であるシリコン酸化膜を備えることに
より、シリコン酸化膜に浸透してきた水はシリコン酸化
膜中に存在するＳｉ−Ｈ，Ｓｉ−ＮＨ，Ｓｉ−Ｎ結合と
反応し、シリコン酸化膜を生成する。このため、ＳＯＧ
膜やＯ₃−ＴＥＯＳ膜中の水の拡散はこのシリコン酸化
膜で防止される同時に、シリコン酸化膜自身からの水素
の離脱も防止される。

【００５４】また、プラズマ酸化膜のＳｉ−Ｈ結合の水
素量を５×１０²⁰／ｃｍ³以上かつ５×１０²²／ｃｍ³
以下となる酸化膜構造を有する絶縁膜を有することによ
り、膜中の可動イオン，水等の基板中への拡散が抑制さ
れる。この可動イオン，水等の拡散を阻止する機構につ
いては明らかではないが、例えば、水では、２Ｓｉ−Ｈ
＋Ｈ₂Ｏ→Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ＋２Ｈ₂↑の反応等により、
水の拡散を阻止するものと想像される。

【００５５】また、ゲート電極のサイドウォールは、通
常、ＣＨＦ₃とＣＦ₄などのフッ素化合物とＡｒの混合
ガスでドライエッチングされるが、生成するフッ化物は
空気中に放出されるので、サイドウォール上にはあまり
残らない。従って、サイドウォールのエッチング後に、
半導体基板の全面をフッ素またはフッ素を含むガスでプ
ラズマ照射し、サイドウォールにフッ素を混入させるこ
とにより、その後の熱工程でゲート酸化膜にフッ素が拡
散する。また、ＣＨＦ₃やＣＦ₄を除去するために、Ｈ
₂ＳＯ₄とＨ₂Ｏ₂の混合液で洗浄する場合には、洗浄
後に、半導体基板の全面をフッ素またはフッ素を含むガ
スでプラズマ照射し、サイドウォールにフッ素を混入さ
せ、その後の熱工程でゲート酸化膜へフッ素を拡散させ
る。このようにゲート酸化膜へフッ素が拡散することに
より、シリコンのダングリングボンドはフッ素で終端さ
れる。

【００５６】また、層間絶縁膜の表面にフッ素またはフ
ッ素を含むガスでプラズマ照射することによっても、そ
の後の熱工程でゲート酸化膜へフッ素が拡散する。

【００５７】また、層間絶縁膜を形成した後に、ＣＨＦ
₃とＣＦ₄などのフッ素化合物とＡｒの混合ガスで層間
絶縁膜にコンタクトホールを形成する場合には、フッ素
は、コンタクトホールが選択的にエッチングされるので
半導体基板全面には混入しない。さらに、通常はこの後
に洗浄により、シリコン基板表面の酸化膜やエッチング
残渣を除去する。従って、コンタクトホール形成ではフ
ッ素は層間絶縁膜中には残らない。また、金属膜をエッ
チングによりパターニングする時にフッ素が混入した酸
化膜層が削られる。さらに、レジストをアッシングや洗
浄により除去する時に、やはり、フッ素が混入した酸化
膜層が削られる。このような場合には、レジストを除去
した後に、フッ素またはフッ素を含むガスを半導体基板
の全面にプラズマ照射して、層間絶縁膜のフッ素を除去
することなく、その次の工程を行うことにより、フッ素
はゲート酸化膜へ拡散する。

【００５８】

【実施例】次に、本発明をＣＭＯＳ（相補型ＭＯＳ）の
製造方法に適用した第１の実施例について説明する。図
１は本実施例による製造方法によって得られた半導体装
置の断面図であり、図２から図５は本製造方法を示す工
程断面図である。ＣＭＯＳはｎ型ＭＯＳとｐ型ＭＯＳと
が組合わさって構成されるが、これら各図中にはｎ型Ｍ
ＯＳのみが示されている。

【００５９】まず、図２に示すように、ｐ型シリコン基
板１の表面が酸化され、基板表面に約５００オングスト
ロームのシリコン酸化膜が形成される。その後、ｎ型Ｍ
ＯＳの形成領域には１．２×１０¹³／ｃｍ²程度のドー
ズ量のボロンがシリコン酸化膜を通してイオン注入さ
れ、ｐウエル２が形成される。ｐ型ＭＯＳの形成領域に
は１．３５×１０¹³／ｃｍ²程度のドーズ量の燐がイオ
ン注入され、図示しないｎウエルが形成される。次い
で、熱処理によって注入したボロンと燐が拡散され、各
ウエル領域が拡げられる。次いで、基板表面のシリコン
酸化膜がエッチングされた後、パッド酸化膜が基板表面
に形成される。そして、このパッド酸化膜上にシリコン
窒化膜がＣＶＤ(Chemical vapor deposition) 法によっ
て形成される。その後、トランジスタが形成されない非
活性領域にあるシリコン窒化膜が選択的に除去され、ト
ランジスタが形成される活性領域にあるシリコン窒化膜
が残される。次いで、ｐ型シリコン基板１の非活性領域
に選択的にチャネルストッパイオンがイオン注入され、
チャネルストッパ３が形成される。その後、熱酸化によ
って非活性領域に厚さ６０００オングストロームの素子
分離用のシリコン酸化膜４が形成され、素子間の絶縁分
離が行われる。

【００６０】次いで、活性領域に、しきい値調整用の
２．７×１０¹²／ｃｍ²程度のドーズ量のフッ化ホウ素
がイオン注入される。次いで、パッド酸化膜がウエット
エッチングされて除去された後、露出したウエル領域上
にシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜５が形成され、
さらにこのゲート酸化膜５上にポリシリコン膜６がＣＶ
Ｄ法で形成される。次いで、リンがドープされてこのポ
リシリコン膜６の抵抗が下げられる。次いで、タングス
テンシリサイド膜７がスパッタ法で形成される。その
後、タングステンシリサイド膜７，ポリシリコン膜６お
よびゲート酸化膜５が選択的にエッチングされ、ゲート
電極が形成される。

【００６１】次に、ｐウエル２の全面に２．０×１０¹³
／ｃｍ²程度のドーズ量のリンがイオン注入され、図示
しないｎウエルの全面に５．０×１０¹²／ｃｍ²程度の
ドーズ量のフッ化ホウ素がイオン注入される。次いで、
ＣＶＤ法により基板表面にシリコン酸化膜が形成された
後、このシリコン酸化膜がエッチバックされ、全てのゲ
ート電極の側面にサイドウォール８が形成される。次
に、ｐウエル２の領域には３×１０¹⁵／ｃｍ²程度のド
ーズ量のヒ素がイオン注入される。一方、図示しないｎ
ウエル領域には１．５×１０¹⁵／ｃｍ²程度のドーズ量
のフッ化ホウ素がイオン注入される。この２回にわたる
イオン注入の結果、ＬＤＤ（Lightly Doped Drain)構造
をした図示しないソース領域およびドレイン領域が形成
される。

【００６２】次いで、低温でシリコン酸化膜９が基板全
面に形成され、このシリコン酸化膜９の上にホウ素とリ
ンを含むシリコン酸化膜（ＢＰＳＧ膜）１０がさらに基
板全面に形成される。その後、９００℃で１５分間の熱
処理が行われ、このＢＰＳＧ膜１０の表面が平坦化され
る。次いで、ＢＰＳＧ膜１０およびこの下層部にあるシ
リコン酸化膜９が選択的にエッチングされ、トランジス
タのソース領域やドレイン領域に導通する図示しないコ
ンタクト孔が開口される。次いで、基板表面がＢＨＦ処
理されて洗浄された後、スパッタ法によって基板全面に
アルミニウム（Ａｌ）合金膜が形成される。そして、こ
のＡｌ合金膜が所定の形状にパターニングされ、所望の
金属配線１１が形成される（図２参照）。

【００６３】次に、この金属配線１１が形成された後、
窒素元素（Ｎ）を含むガス、例えばアンモニアガス（Ｎ
Ｈ₃）や窒素ガス（Ｎ₂）によるプラズマが基板表面に
照射される（図３参照）。この窒素元素を含むガスによ
るプラズマの照射により、ＢＰＳＧ膜１０の表面に窒素
を含んだ耐透水性の良い絶縁膜１２が図４に示すように
形成される。その後、基板表面にＰ−ＴＥＯＳ膜１３が
形成される。次に、アンモニアガスや窒素ガスといった
窒素元素を含むガスによるプラズマを再度基板表面に照
射する（図４参照）。本実施例ではアンモニアプラズマ
を用いた。このプラズマ照射により、Ｐ−ＴＥＯＳ膜１
３の表面に窒素を含んだ耐透水性の良い絶縁膜１４が図
５に示すように形成される。次に、この絶縁膜１４上に
Ｏ₃−ＴＥＯＳ膜１５およびＳＯＧ膜１６が順次形成さ
れた後、ＳＯＧ膜１６がエッチングされて基板表面が平
坦化される（図５参照）。

【００６４】その後、基板表面に図１に示すように再び
Ｐ−ＴＥＯＳ膜１７が形成される。場合によっては、こ
の後、コンタクト孔が形成された後、上記と同様な工程
が繰り返されて多層配線が形成される。本実施例では配
線１８が形成されて第２層配線まで形成された。最後
に、ＣＶＤ法によってリンを含んだシリコン酸化膜１
９、窒素を含んだ絶縁膜が基板全面に塗布されてパッシ
ベーション膜２０が形成される。その後、このパッシベ
ーション膜２０がエッチングされて図１に示す断面構造
をした半導体装置が完成する。本実施例では、ゲート長
が０．５μｍ，ゲート幅が１５μｍのｎ型ＭＯＳおよび
ｐ型ＭＯＳからなるＣＭＯＳが得られた。

【００６５】次に、このような本実施例による製造方法
で形成されたＭＯＳトランジスタが持つホットキャリア
寿命を測定した。このホットキャリア寿命を測定するこ
とにより、窒素を含んだ各絶縁膜１２，１４が備える耐
透水性を評価することができる。つまり、ＭＯＳトラン
ジスタ動作時におけるホットキャリア（電子，正孔）の
寿命が長い場合にはこれら各絶縁膜１２，１４の耐透水
性は良好であると評価できる。一方、このホットキャリ
ア寿命が短い場合には耐透水性が良くないものと評価で
きる。

【００６６】また、この測定におけるホットキャリア寿
命は、ＭＯＳトランジスタの相互コンダクタンスＧ
_m（＝ｄＩ_d／ｄＶ_g）から次のように算出した。ま
ず、０．１［Ｖ］のドレイン電圧Ｖ_dを印加した状態
で、ゲート電圧Ｖ_gの変化に対するドレイン電流Ｉ_dの
変化を測定する。そして、このゲート電圧変化に対する
ドレイン電流変化の特性グラフから、相互コンダクタン
スＧ_mの最大値Ｇ_m0を求める。次に、基板電流が最大に
なるＤＣストレス条件、例えば５．５［Ｖ］のドレイン
電圧Ｖ_dでは１．７５［Ｖ］のゲート電圧Ｖ_gによるＤ
Ｃストレスを一定時間トランジスタに印加する。その後
再び、０．１［Ｖ］のドレイン電圧Ｖ_dを印加した状態
で、ゲート電圧Ｖ_gの変化に対するドレイン電流Ｉ_dの
変化を測定する。そして、この測定結果から相互コンダ
クタンスＧ_mの最大値Ｇ_mTを求める。そして、次式から
相互コンダクタンスＧ_mの最大値の低下する割合を百分
率［％］で求める。

【００６７】｛（Ｇ_m0−Ｇ_mT）／Ｇ_m0｝×１００［％］このような百分率の測定を上記ＤＣストレスの印加時間
を変化させて繰り返し行い、印加するストレス時間の変
化に対する相互コンダクタンスの最大値の低下する割合
の変化を求めた。図６のグラフはこのようにして得られ
たものであり、ドレイン電圧Ｖ_d＝５．５［Ｖ］，ゲー
ト電圧Ｖ_g＝１．７５［Ｖ］のＤＣストレスを印加した
ストレス条件で求めたものである。同グラフの横軸はス
トレス時間［ｓｅｃ］，縦軸は相互コンダクタンスＧ_m
の最大値の低下する割合［％］を示している。

【００６８】また、このような測定は、上記実施例の製
法によって得られたＭＯＳトランジスタだけでなく、種
々の比較品についても同様に行った。そのうちの比較品
１は、上記実施例による製造途中で窒素を含んだ絶縁膜
１２および絶縁膜１４のいずれの膜も形成されていない
半導体装置である。すなわち、配線１１のパターニング
後に窒素元素を含んだガスによるプラズマ照射が行われ
ておらず、かつ、Ｐ−ＴＥＯＳ膜１３の表面に窒素元素
を含んだガスによるプラズマ照射も行われていない。ま
た、比較品２は、窒素を含んだ絶縁膜１４は上記実施例
と同様に形成されているが、窒素を含んだ絶縁膜１２の
形成態様は異なる。すなわち、この比較品２において
は、配線１１のパターニング後ではなく、ＢＰＳＧ膜１
０にコンタクトホールを形成した後、金属膜形成のため
のＢＨＦ処理をする前に基板表面に窒素元素を含むガス
によるプラズマ照射が行われている。また、比較品３
は、金属配線１１間に上記実施例と同様に窒素元素を含
んだ絶縁膜１２が形成されているが、Ｐ−ＴＥＯＳ膜１
３の表面にはプラズマ照射が行われておらず、窒素を含
んだ絶縁膜１４は形成されていない。すなわち、比較品
３は上記実施例の一変形例である。比較品４は上記実施
例によって形成されたものであり、窒素を含んだ絶縁膜
１２および絶縁膜１４のいずれも備えているものであ
る。すなわち、金属配線１１のパターニング後にプラズ
マ照射が行われ、かつ、Ｐ−ＴＥＯＳ膜１３の表面にも
プラズマ照射が行われているものである。

【００６９】同グラフにおいて、白抜きの丸印Ａでプロ
ットされた特性が比較品１についてのものであり、白抜
きの三角印Ｂでプロットされた特性が比較品２、黒く塗
り潰された丸印Ｃでプロットされた特性が比較品３、白
抜きの四角印Ｄでプロットされた特性が比較品４につい
てのものである。

【００７０】以下の表１は、同グラフから、相互コンダ
クタンスＧ_mの最大値の低下する割合が１０［％］にな
るＤＣストレス印加時間を求め、このストレス印加時間
をホットキャリア寿命として求めた結果をまとめたもの
である。

【００７１】

【表１】

【００７２】同表に示すように、金属配線１１上および
Ｐ−ＴＥＯＳ膜１３上のどちらにもプラズマ照射が行わ
れていない比較品１の寿命は５８００秒である。コンタ
クトホールの形成後にプラズマ処理がされた比較品２の
ホットキャリア寿命は８２００秒である。これに対して
本実施例の一変形例である比較品３では、窒素を含んだ
絶縁膜１２が形成されているため、ホットキャリア寿命
は６２２００秒と長くなっており、比較品１，２に比べ
て約１０倍長寿命化している。本実施例による比較品４
では窒素を含んだ絶縁膜１２に加えて絶縁膜１４をも備
えているため、ホットキャリア寿命はさらに長くなって
１３５０００秒になり、比較品３の約２倍になってい
る。

【００７３】窒化プラズマ照射の無い比較品１において
ホットキャリア寿命が短くなっているのは、ＳＯＧ膜１
６、Ｏ₃−ＴＥＯＳ膜１５およびＰ−ＴＥＯＳ膜１３に
含まれる水分が熱工程においてＭＯＳトランジスタのゲ
ート酸化膜５に拡散浸透し、ゲート酸化膜５にトラップ
が形成されるためである。これに対してコンタクトホー
ル形成後にプラズマ照射された比較品２のホットキャリ
ア寿命は８２００秒であり、比較品１より長くなる。し
かし、際立ったほどの効果はない。これは、ＢＰＳＧ膜
１０の表面にプラズマ照射によって窒素を含んだ絶縁膜
が形成されても、その後のＢＨＦ処理や配線１１のパタ
ーニングの際のエッチングによってせっかく形成された
窒素を含んだ絶縁膜が削られて薄くなってしまうからで
ある。このため、ＳＯＧ膜１６、Ｏ₃−ＴＥＯＳ膜１５
に含まれる水分の拡散浸透は窒素を含んだ絶縁膜１４に
よって阻止されるが、ＢＰＳＧ膜１０上の窒素を含んだ
絶縁膜は上記のように削れて薄くなっているため、Ｐ−
ＴＥＯＳ膜１３に含まれる水分が熱工程においてＭＯＳ
トランジスタのゲート酸化膜５に拡散浸透し、ゲート酸
化膜５にトラップが形成されるためである。

【００７４】一方、本実施例の一変形例である比較品３
においてホットキャリア寿命が長くなっているのは、窒
素を含んだ絶縁膜１４がなくても、その下層に窒素を含
んだ絶縁膜１２が形成されているためである。すなわ
ち、ＳＯＧ膜１６、Ｏ₃−ＴＥＯＳ膜１５およびＰ−Ｔ
ＥＯＳ膜１３に含まれる水分の拡散浸透は窒素を含んだ
絶縁膜１２によってほとんど阻止され、ＭＯＳトランジ
スタのゲート酸化膜５に水分が拡散しないためである。
このため、ゲート酸化膜５にトラップが形成されないよ
うになり、ホットキャリアがこのトラップに捕獲される
率は激減する。また、本実施例による比較品４において
ホットキャリア寿命がさらに長くなっているのは、窒素
を含んだ絶縁膜１２に加えてさらに窒素を含んだ絶縁膜
１４を備えているからであり、水分の拡散浸透が２枚の
絶縁膜１２および１４によって阻止されるからである。
このように本発明に従う比較品３，４によれば、ゲート
酸化膜５への水分の拡散によるトラップの形成が防止さ
れ、ホットキャリア寿命劣化の加速が防止される。よっ
て、本発明によれば実使用に十分耐える半導体装置を提
供することが可能となる。

【００７５】なお、上記実施例の説明においてはＬＤＤ
構造のｎ型ＭＯＳトランジスタを持つ半導体装置につい
て説明したがこれに限るものではなく、ｐ型ＭＯＳトラ
ンジスタを持つ半導体装置や、シングルドレイン構造の
ＭＯＳトランジスタを持つ半導体装置についても本発明
を適用することができ、この場合においても上記実施例
と同様な効果が奏される。また、上記実施例の説明にお
いては、金属配線１１の下の絶縁膜にＢＰＳＧ膜１０を
用い、金属配線１１の上の絶縁膜にＰ−ＴＥＯＳ膜１３
を用いた場合について説明したが、これら絶縁膜はこれ
らに限るものではない。例えば、低圧下、常圧下または
プラズマ中で形成された、シリコン酸化膜や、窒素を含
んだ絶縁膜（水分を通す程度に低濃度に窒素を含む）、
窒化膜、さらに、有機シランを原料とした他の絶縁膜や
ＳＯＧ膜などを、ＢＰＳＧ膜１０やＰ−ＴＥＯＳ膜１３
の代わりに用いても良い。これら絶縁膜の表面に窒素元
素を含むプラズマを照射することによっても、耐透水性
の高い窒素を含んだ絶縁膜がこれら絶縁膜の表面に形成
され、上記実施例と同様の効果が奏される。

【００７６】次に、本発明をＣＭＯＳに適用した第２の
実施例による半導体装置およびその製造方法について、
図７〜図９を参照して説明する。ＣＭＯＳにはｎ型ＭＯ
Ｓとｐ型ＭＯＳとが組み合わされて構成されるが、これ
ら各図中にはｎ型ＭＯＳのみが示されている。また、こ
れら各図において、図１と同一または相当する部分には
同一符号を付する。

【００７７】まず、図７に示すように、ｐ型シリコン基
板１上にｐウエル２，チャネルストッパ３および素子分
離用シリコン酸化膜４が形成される。その後、ゲート酸
化膜５，ポリシリコン膜６およびタングステンシリサイ
ド膜７が積層され、ゲート電極が形成される。次に、こ
のゲート電極をマスクにした第１回目のイオン注入が行
われ、引き続いてゲート電極およびサイドウォール８を
マスクにした第２回目のイオン注入が行われ、ＬＤＤ構
造をした図示しないソース領域およびドレイン領域が形
成される。次に、シリコン酸化膜９が基板全面に形成さ
れ、このシリコン酸化膜上にホウ素とリンを含むＢＰＳ
Ｇ膜１０が形成される。このＢＰＳＧ膜１０の表面は熱
処理によって平坦化される。ここまでの工程は上記の第
１実施例と同様に行われる。

【００７８】次に、このＢＰＳＧ膜１０上にＰ−ＳｉＯ
膜２１が形成される。Ｐ−ＳｉＯ膜２１は、プラズマ中
でＳｉＨ₄，Ｎ₂Ｏ，Ｎ₂を原料にして、Ｎ₂Ｏガスと
Ｎ₂ガスとの和の流量に対するＳｉＨ₄ガスの流量の比
（＝ＳｉＨ₄／（Ｎ₂Ｏ＋Ｎ₂））が０．０５５〜０．
０８６の範囲内で形成される。ここでは、後述するホッ
トキャリア寿命の比較測定のために、種々の流量比、つ
まり、ＳｉＨ₄／（Ｎ ₂Ｏ＋Ｎ₂）＝０．０４８，０．
０５１，０．０５５，０．０６３，０．０７４，０．０
８６，０．１の各流量比でＰ−ＳｉＯ膜２１を形成し
た。

【００７９】その後、Ｐ−ＳｉＯ膜２１，ＢＰＳＧ膜１
０およびシリコン酸化膜９が選択的にエッチングされ、
ＭＯＳトランジスタのソース領域やドレイン領域に導通
する図示しないコンタクト孔が開口される。次いで、基
板表面がＢＨＦ処理されて洗浄された後、スパッタ法に
よってＡｌ合金からなる金属配線層が形成される。そし
て、この金属配線層がパターニングされて図８に示す所
望の金属配線１１が形成される。次に、この金属配線１
１を覆うＰ−ＴＥＯＳ膜１３が形成される。次に、この
Ｐ−ＴＥＯＳ膜１３上に、Ｏ₃−ＴＥＯＳ膜１５、ＳＯ
Ｇ膜１６が形成される。このＳＯＧ膜１６はエッチング
され、基板表面が平坦化される。その後、再び、平坦化
されたＳＯＧ膜１６上にＰ−ＴＥＯＳ膜１７が形成され
る。

【００８０】次いで、コンタクト孔が開口された後、図
９に示す２層目の金属配線１８が形成される。場合によ
っては、１層目の金属配線１１を形成する工程から２層
目の金属配線１８を形成する工程までの上述した各工程
が繰り返され、多層配線が形成される。本実施例では、
２層目の金属配線１８まで形成された。さらに、この２
層目の金属配線１８上にリンを含んだシリコン酸化膜１
９がＣＶＤ法によって形成される。最後に、このシリコ
ン酸化膜１９上にシリコン窒化膜がＣＶＤ法で形成さ
れ、パッシベーション膜２０が形成される。その後、こ
のパッシベーション膜２０がエッチングされて電極が形
成され、半導体装置が完成する。

【００８１】このような第２実施例による半導体装置に
おいては、ＳＯＧ膜１６やＯ₃−ＴＥＯＳ膜１５に含ま
れる水分がＭＯＳトランジスタ部へ拡散浸透しようとす
るが、Ｐ−ＳｉＯ膜２１に存在するＳｉ−Ｈ，Ｓｉ−Ｎ
Ｈ，Ｓｉ−Ｎといった結合と拡散浸透する水分とが反応
し、シリコン酸化物を生成する。従って、この第２実施
例による半導体装置によれば、層間絶縁膜中に含まれる
水分のトランジスタ部への拡散浸透は効果的に防止され
る。これは次の実験によって確認することができる。

【００８２】この実験においては、Ｐ−ＳｉＯ膜２１が
本実施例に従って表面に形成された半導体基板を８０℃
に保った重水（Ｄ₂Ｏ）に２４時間浸した。そして、重
水に浸す前と後のそれぞれにおいて、各成分元素の濃度
をフーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）で測定した。
図１０は、このＦＴ−ＩＲ測定でＰ−ＳｉＯ膜２１を解
析した結果を示すグラフである。ここで、同グラフの横
軸は測定光の波数（WAVENUMBER) ［ｃｍ^-1］、縦軸は吸
光度(ABSORBANCE)を示している。また、測定線Ａは半導
体基板を重水に浸す前のＰ−ＳｉＯ膜２１の解析結果、
測定線Ｂは半導体基板を重水に浸した後のＰ−ＳｉＯ膜
２１の解析結果を示している。

【００８３】同グラフに示されるように、各測定線Ａ，
Ｂにおいて、Ｓｉ−Ｏ，Ｓｉ−Ｈ，Ｓｉ−ＮＨ，Ｓｉ−
Ｎ結合の吸光度の各ピークが観測される。８０℃の重水
中に２４時間放置した後の測定線Ｂでは、Ｐ−ＳｉＯ膜
２１のＳｉ−Ｈ，Ｓｉ−ＮＨ，Ｓｉ−Ｎ結合の各ピーク
強度は測定線Ａにおける各ピーク強度に比較して減少し
ている。また、Ｓｉ−Ｏ結合の吸光度のピークは、波数
が４５０ｃｍ^-1と１０８０ｃｍ^-1とにおいて２つある。
１０８０ｃｍ^-1の波数付近におけるＳｉ−Ｏ結合の吸光
度のピーク強度は、各測定線Ａ，Ｂにおいて同じか、測
定線Ｂで若干減少しているように見えるが、このピーク
はＳｉ−ＮＨ結合のピークと重なっているのではっきり
しない。４５０ｃｍ^-1の波数付近におけるＳｉ−Ｏ結合
の吸光度のピーク強度は、重水が浸透した後の測定線Ｂ
においては増加している。すなわち、Ｓｉ−Ｈ，Ｓｉ−
ＮＨ，Ｓｉ−Ｎ結合は減少しているが、Ｓｉ−Ｏ結合は
増加している。従って、Ｐ−ＳｉＯ膜２１中では、浸透
してきた水がＳｉ−Ｈ，Ｓｉ−ＮＨ，Ｓｉ−Ｎ結合と以
下の反応式（１）〜（３）に示される反応、つまり、シ
リコン酸化膜を形成する反応を起こしているものと考え
られる。そして、Ｐ−ＳｉＯ膜２１中におけるこの反応
により、水の拡散が防止されるものと考えられる。

【００８４】Ｓｉ−Ｈ結合と水との化学反応は次の式
（１）のようになる。

【００８５】２Ｓｉ−Ｈ＋Ｈ₂Ｏ→Ｏ−Ｓｉ−Ｏ＋２Ｈ₂↑ …（１）Ｓｉ−ＮＨ結合と水との化学反応は次の式（２）のよう
になる。

【００８６】Ｓｉ−ＮＨ＋２Ｈ₂Ｏ→Ｏ−Ｓｉ−Ｏ＋ＮＨ₃↑＋Ｈ₂↑ …（２）Ｓｉ−Ｎ結合と水との化学反応は次の式（３）のように
なる。

【００８７】２Ｓｉ−Ｎ＋４Ｈ₂Ｏ→２Ｏ−Ｓｉ−Ｏ＋２ＮＨ₃↑＋Ｈ₂↑ …（３）この式（３）の反応過程中で生成されたＳｉ−ＮＨ結合
は、さらに水と式（２）の反応をする。

【００８８】図１１に示すグラフは、ＳｉＨ₄／（Ｎ₂
Ｏ＋Ｎ₂）の式で示される導入ガスの流量比を種々変え
てＰ−ＳｉＯ膜２１を形成した場合における、各Ｐ−Ｓ
ｉＯ膜２１の重水に対する透水性の評価結果を示してい
る。この評価は、上記のＦＴ−ＩＲ測定時と同様に、Ｐ
−ＳｉＯ膜２１が基板表面に形成された半導体基板を８
０℃の重水に２４時間浸透させた後、２次イオン質量分
析法（ＳＩＭＳ）でＰ−ＳｉＯ膜２１に含まれる重水素
Ｄの量を分析して行った。同グラフの横軸はＰ−ＳｉＯ
膜２１の膜表面からの深さ（Depth)［μｍ］、縦軸は各
深さにおける膜中の重水素（Ｄ）の濃度（Concentratio
n)［atoms/ｃｍ³］を示している。また、測定線Ａ，
Ｂ，Ｃは、ＳｉＨ₄／（Ｎ₂Ｏ＋Ｎ₂）の流量比がそれ
ぞれ０．０４７６，０．０６１６，０．０７３９の場合
における測定結果である。

【００８９】同グラフに示されるように、ＳｉＨ₄／
（Ｎ₂Ｏ＋Ｎ₂）の流量比が増加するとともに重水素濃
度が減少し、本実施例による流量比範囲内にある０．０
６１６および０．０７３９の流量比では耐透水性が向上
していることが理解される。また、測定線Ｂに示される
０．０６１６以上の流量比では重水素濃度の低下が飽和
していることも分かる。この飽和の原因は、これ以上の
流量比では水素濃度は増加するが、窒素濃度（Ｓｉ−
Ｎ，Ｓｉ−ＮＨ）が飽和してしまうためである。流量比
の増大でＮ₂Ｏの割合が減少するのにこの窒素濃度が増
加して飽和するのは、流量比の増大で増加した未結合の
Ｓｉがプラズマ中で成膜する時に、キャリアガスとして
用いている窒素がイオン化してこのＳｉと結合するため
である。従って、ＳｉＨ₄／（Ｎ₂Ｏ＋Ｎ₂）の流量比
が大きくなり過ぎると、窒素濃度が飽和して窒素量が少
なくなり過ぎ、Ｐ−ＳｉＯ膜２１の耐透水性は反対に減
少する。また、流量比の増大で水素濃度が多くなり過ぎ
ると反対に水素が離脱するようになり、離脱した水素が
ゲートまで拡散してホットキャリア耐性を劣化させる。

【００９０】すなわち、Ｐ−ＳｉＯ膜２１中の水素濃度
および窒素濃度はある範囲内に収まっている必要があ
り、後述するように、水素濃度が１×１０²¹〜５×１０
²²atoms ／ｃｍ³、窒素濃度が１×１０²¹〜２×１０²²
atoms ／ｃｍ³の範囲内に制限されたＰ−ＳｉＯ膜２１
を層間膜としてＭＯＳ型ＦＥＴが形成されることによ
り、ホットキャリア耐性が劣化しない半導体装置が提供
される。このような水素濃度および窒素濃度を持つＰ−
ＳｉＯ膜２１は、後述するように、ＳｉＨ₄／（Ｎ₂Ｏ
＋Ｎ₂）＝０．０５５〜０．０８６の流量比で、プラズ
マ中でＣＶＤ法でシリコン酸化膜を成膜することによっ
て得られる。

【００９１】次に、このような本実施例による製造方法
で形成されたＭＯＳ半導体装置のホットキャリア寿命を
測定した。この寿命測定に用いた半導体装置は、前述し
た各数値のＳｉＨ₄／（Ｎ₂Ｏ＋Ｎ₂）流量比でＰ−Ｓ
ｉＯ膜２１を形成したものである。また、比較のため、
さらに次の２つの半導体装置についての寿命測定も行っ
た。つまり、図９に示される本実施例による半導体装置
においてＰ−ＳｉＯ膜２１を設けていない２層金属配線
構造の半導体装置について、寿命測定を行った。さら
に、第１金属配線１１の形成後に第２層間膜を形成せ
ず、図１２に示すように、第１金属配線１１上のＰ−Ｔ
ＥＯＳ膜１３の上に直接にＣＶＤ法によってリンを含ん
だシリコン酸化膜２２を形成した１層金属配線構造の半
導体装置について、寿命測定を行った。なお、図１２に
おいて図９と同一または相当する部分には同一符号を付
してその説明は省略する。また、実験に使用したこれら
各半導体装置は、ゲート長が０．５μｍ、ゲート幅が１
０μｍのｎ型ＭＯＳ半導体装置である。

【００９２】このホットキャリア寿命を測定することに
より、Ｐ−ＳｉＯ膜２１が備える透水性を評価すること
ができる。つまり、ｎＭＯＳ半導体装置動作時における
ホットキャリア寿命が長い場合には、Ｐ−ＳｉＯ膜２１
の耐透水性は良好であると評価される。一方、ホットキ
ャリア寿命が短い場合には耐透水性がよくない膜である
と評価することができる。この測定におけるホットキャ
リア寿命は、前述の第１実施例と同様に、ｎＭＯＳ半導
体装置の相互コンダクタンスＧ_m（＝ｄＩ_d／ｄＶ_g）
から次のように算出した。まず、０．１Ｖのドレイン電
圧Ｖ_dを印加した状態で、ゲート電圧Ｖ_gの変化に対す
るドレイン電流Ｉ_dの変化を測定する。そして、このゲ
ート電圧変化に対するドレイン電流変化の特性グラフか
ら、相互コンダクタンスＧ_mの最大値Ｇ_m0を求める。次
に、基板電流が最大になるＤＣストレスを一定時間半導
体装置に印加する。その後再び、０．１Ｖのドレイン電
圧Ｖ_dを印加した状態で、ゲート電圧Ｖ_gの変化に対す
るドレイン電流Ｉ_dの変化を測定し、相互コンダクタン
スＧ_mの最大値Ｇ_mTを求める。そして、次式から相互コ
ンダクトタンスＧ_mの最大値の低下する割合を百分率
（％）で求める。

【００９３】｛（Ｇ_m0−Ｇ_mT）／Ｇ_m0｝×１００［％］このような百分率の測定を上記ＤＣストレスの印加時間
を変化させて繰り返し行い、印加するストレス時間の変
化に対する相互コンダクタンスの最大値の低下する割合
の変化を求めた。図１３のグラフはこの相互コンダクタ
ンスの最大値の低下する割合の代表的なストレス時間依
存性を示している。ここで、同グラフの横軸はストレス
時間(stress time) ［sec ］、縦軸は相互コンダクタン
スの最大値の低下する割合を百分率［％］で示してい
る。また、三角印のプロットはＳｉＨ₄／（Ｎ₂Ｏ＋Ｎ
₂）＝０．０５５の流量比でＰ−ＳｉＯ膜２１を形成し
た本実施例による半導体装置のものであり、四角印のプ
ロットはＳｉＨ₄／（Ｎ₂Ｏ＋Ｎ₂）＝０．０７３９の
流量比でＰ−ＳｉＯ膜２１を形成した本実施例による半
導体装置のものである。また、丸印のプロットはＳｉＨ
₄／（Ｎ₂Ｏ＋Ｎ₂）＝０．０４７６の流量比でＰ−Ｓ
ｉＯ膜２１を形成した本実施例に従わない半導体装置、
×印のプロットは上記の２層金属配線構造の半導体装
置、および黒塗りの菱形印のプロットは上記の１層金属
配線構造の半導体装置のものである。

【００９４】図１３のグラフにおいて相互コンダクタン
スの最大値の低下する割合｛（Ｇ_m0−Ｇ_mT）／Ｇ_m0｝×
１００が１０％になる時間をホットキャリア寿命と定義
すると、このホットキャリア寿命のＳｉＨ₄／（Ｎ₂Ｏ
＋Ｎ₂）流量比依存性は図１４のグラフに示される。同
グラフの横軸はＳｉＨ₄／（Ｎ₂Ｏ＋Ｎ₂）の流量比、
縦軸はホットキャリア寿命(Life time) ［sec ］を示し
ている。上述した１層金属配線構造半導体装置および２
層金属配線構造半導体装置はＰ−ＳｉＯ膜を用いていな
いため、この流量比依存性はない。１層金属配線構造半
導体装置には水分を含んだ層間絶縁膜が形成されていな
いため、ホットキャリア寿命は水分の拡散浸透に影響さ
れず、同グラフの直線Ａに示される長いホットキャリア
寿命を有する。また、２層金属配線構造半導体装置には
Ｐ−ＳｉＯ膜が形成されていないため、層間絶縁膜に含
まれた水分はそのままＭＯＳＦＥＴのゲート部に拡散浸
透する。従って、２層金属配線構造半導体装置のホット
キャリア寿命は同グラフの直線Ｂに示される短いホット
キャリア寿命となる。

【００９５】流量比を０．０４８としてＰ−ＳｉＯ膜を
形成した本実施例に従わない半導体装置のホットキャリ
ア寿命は、同グラフに示すように、Ｐ−ＳｉＯ膜が形成
されていない２層金属配線構造半導体装置のホットキャ
リア寿命と同じであり、水の拡散を防止する効果はな
い。しかし、ＳｉＨ₄／（Ｎ₂Ｏ＋Ｎ₂）の流量比を
０．０５５〜０．０８６の範囲として本実施例に従って
Ｐ−ＳｉＯ膜２１を成膜すると、同グラフに示すよう
に、１層金属配線構造半導体装置と同じ長いホットキャ
リア寿命が得られ、水の拡散を完全に防止することがで
きる。

【００９６】また、ＳｉＨ₄／（Ｎ₂Ｏ＋Ｎ₂）＝０．
０５５〜０．０８６の流量比範囲でプラズマＣＶＤ法で
シリコン酸化膜を成膜することにより、図１５のグラフ
に示すように、水素濃度が１×１０²¹〜５×１０²²atom
s ／ｃｍ³で、窒素濃度が１×１０²¹〜２×１０²²atom
s ／ｃｍ³である本実施例によるＰ−ＳｉＯ膜２１を形
成することができる。同グラフの横軸は流量比、縦軸は
水素もしくは窒素の濃度［atoms ／ｃｍ³］を示してい
る。また、同グラフにおける丸印のプロットは窒素、四
角印のプロットは水素のものである。この範囲の水素濃
度および窒素濃度に制限されたＰ−ＳｉＯ膜２１を多層
膜構造トランジスタに用いれば、層間絶縁膜、つまり、
ＳＯＧ膜１６やＯ₃−ＴＥＯＳ膜１５に含有される水の
ゲート部への拡散浸透を完全に防止することができ、ホ
ットキャリア耐性が劣化しない半導体装置が提供され
る。

【００９７】なお、上記実施例では、水分の拡散を防止
するＰ−ＳｉＯ膜２１をＢＰＳＧ膜１０の上に設けた場
合について説明したが、このＰ−ＳｉＯ膜２１はＭＯＳ
ＦＥＴのゲート部と水を含有する層間絶縁膜との間のど
こに置いてもよく、この間にＰ−ＳｉＯ膜２１を形成す
れば上記実施例と同様な効果が奏される。

【００９８】また、上記実施例では、ＬＤＤ構造ｎ型半
導体装置について説明したが、これに限られるものでは
なく、ｐ型半導体装置やシングルドレイン構造を有する
半導体装置でもよく、またＧａＡｓなどの化合物半導体
を用いた半導体装置においても上記本実施例と同様の効
果が奏される。

【００９９】次に、本発明の第３の実施例による半導体
装置およびその製造方法について説明する。

【０１００】図１６は、本実施例で使用したＰ−ＳｉＯ
膜を形成するためのプラズマＣＶＤ装置の模式図であ
る。これは一般に使用されている平行平板型のプラズマ
ＣＶＤ装置であり、反応管３１の内部には半導体基板３
２を設置できる導電性のプレート３３、３４がある。こ
の導電性プレート３３、３４にはプラズマ励起電源３５
が接続されている。また、導電性プレート３４の下方に
はヒーター３６が設けられている。さらに、反応管３１
には、ＳｉＨ₄、Ｎ₂Ｏ、Ｏ₂、Ｎ₂などのガス導入口
が設けられている。また、ここでは図示していないが、
反応管３１は真空排気系につながっており、内部を高真
空に保持することができる。

【０１０１】この時、Ｐ−ＳｉＯ膜の形成方法である
が、反応管３１の内部を３５０℃に加熱して基板温度を
３５０℃にし、０．３５torrに減圧した後、ＳｉＨ₄を
４５〜５００ｓｃｃｍ、例えば１００ｓｃｃｍ、Ｎ₂Ｏ
を１０００〜２０００ｓｃｃｍ、例えば１８５０ｓｃｃ
ｍ供給する。これらのガス流量が安定した後、プラズマ
励起電源３５をＲＦ励起周波数５０ＫＨｚ、ＲＦパワー
５００Ｗで所定の時間印加し、Ｐ−ＳｉＯ膜を０．３μ
ｍ形成する。

【０１０２】これらの方法で成膜したＰ−ＳｉＯ膜のＳ
ｉ−Ｈ結合の水素含有量と成膜速度とＳｉ／Ｏ比の関係
を図１７、図１８に示す。図１７は横軸に示されるＨの
含有量（atoms/cm³）と縦軸に示される成膜速度（オン
グストローム／min)との関係を示すグラフである。図１
８は横軸に示されるＨの含有量（atoms/cm³）と縦軸に
示されるＯ／Ｓｉの比との関係を示すグラフである。本
実施例に重要なＰ−ＳｉＯ膜中のＳｉ−Ｈ結合のＨの含
有量は、主にシランガスと一酸化二窒素ガスの流量比を
変えることにより大きく変化させることができる。同グ
ラフにおいて、Ｐ−ＳｉＯ膜中のＳｉ−Ｈ結合のＨの含
有量はＦＴＩＲにより測定した。

【０１０３】同グラフに示される成膜速度やＳｉ／Ｏ比
の測定結果から、Ｓｉ−Ｈ結合の水素含有量が５×１０
²²／ｃｍ³以上になると、同実験結果からわかるように
成膜速度が極端に低下し、Ｓｉリッチな膜（アモルファ
スシリコンに近い）になる。従って、Ｓｉ−Ｈ結合の水
素含有量が５×１０²²／ｃｍ³以下のＰ−ＳｉＯ膜を使
用しなければならない。

【０１０４】また、Ｐ−ＳｉＯ膜中の水素の拡散を調べ
るために、Ｐ−ＳｉＯ膜中での重水素が拡散していく様
子を、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）を用い、Ｐ−
ＳｉＯ膜の深さ方向に分析した。この結果を図１９に示
す。この結果から、Ｐ−ＳｉＯ膜中のＳｉ−Ｈ結合のＨ
の含有量が５×１０²⁰／ｃｍ³以上の場合には、Ｐ−Ｓ
ｉＯ膜により重水素（水分）の拡散が大幅に抑制するこ
とができるが、Ｓｉ−Ｈ結合のＨの含有量が５×１０²⁰
／ｃｍ³以下の場合には極端に水分の拡散抑制能力が悪
くなっていることが分かる。

【０１０５】つまり、従来の層間絶縁膜の欠点を解消す
るために、ＳｉＨ₄を原料とするプラズマ酸化膜の可動
イオン等の阻止能力を十分に検討した結果、酸化膜中の
Ｓｉ−Ｈ結合の水素量が５×１０²⁰／ｃｍ³以下の場合
には、可動イオン等の捕獲が十分に行えず、結果として
トランジスタ特性の劣化を引き起こす。また、酸化膜中
のＳｉ−Ｈ結合の水素量が５×１０²²／ｃｍ³以上の場
合には、成膜される膜の成膜速度が極端に低下し、実用
上使用できない。また、この場合には酸化膜というより
は、アモルファスシリコンに近い膜が成膜され、この後
この膜を加工してビアホール等を加工形成することがで
きなくなる。

【０１０６】従って、プラズマ酸化膜のＳｉ−Ｈ結合の
水素量を５×１０²⁰／ｃｍ³以上かつ５×１０²²／ｃｍ
³以下となる酸化膜構造を有する絶縁膜を有することに
より、膜中に可動イオン等を多く含む膜を用いて半導体
装置を構成した場合、この所定濃度の水素量を含むプラ
ズマ酸化膜が、この可動イオン等を多く含む膜からのこ
の可動イオン等のトランジスタへの拡散を抑制する。よ
って、トランジスタ特性の劣化耐性に優れた半導体装置
が提供される。

【０１０７】プラズマ酸化膜中のＳｉ−Ｈが可動イオン
等の拡散を阻止する機構については明らかではないが、
例えば、水では、２Ｓｉ−Ｈ＋Ｈ₂Ｏ→Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ
＋２Ｈ₂↑の反応等により、水を阻止するものと想像さ
れる。なお、プラズマ酸化膜中の水素量を制御する具体
的な手段としては、例えば、ＳｉＨ₄の量を増減する
他、反応ガスに、Ｈ₂、ＮＨ₃等を添加するなどの方法
が有効である。

【０１０８】次に、このＰ−ＳｉＯ膜を用いた層間絶縁
膜の平坦化方法の一例を示す。図２０は一般的なアルミ
ニウム多層配線構造を持つ半導体装置の断面図である。
通常の方法に従って、表面にＭＯＳ集積回路を形成した
半導体基板４１上に、気相成長法によりリンあるいはホ
ウ素をドープしたシリコン酸化膜４２を形成する。次
に、図には示していないが、コンタクトホールをシリコ
ン酸化膜４２の所望の位置に設けた後、アルミニウムな
どを原料とする第１の配線４３を形成し、通常の方法で
パターニングする。続いて、層間絶縁膜を形成するため
に図１６に示した上述のプラズマＣＶＤ装置でＰ−Ｓｉ
Ｏ膜４４を形成する。次に、ＳＯＧ膜４５をスピンコー
ターで回転塗布した後、４００℃で熱処理する。さら
に、これらの膜をエッチバックし、Ｐ−ＳｉＯ膜４４と
同様の方法でＰ−ＳｉＯ膜４６を０．６μｍ形成する。
この層間絶縁膜の所望の位置にスルーホールを設けた
後、アルミニウムなどを原料とする第２の配線４７を形
成することで、多層配線構造を持つ半導体装置が完成す
る。ここでは、層間膜としてＳＯＧ膜を用いた平坦化プ
ロセスを用いたが、これ以外の方法（例えば、化学的機
械的研磨法など）を用いても構わないことは言うまでも
ない。

【０１０９】この方法で作製したトランジスタのＰ−Ｓ
ｉＯ膜４４，４６のＳｉ−Ｈ結合におけるＨの含有量と
信頼性との関係をホットキャリア寿命を用いて試験した
結果、図２１に示すグラフが得られた。このホットキャ
リア寿命の測定は、前述の第１および第２の実施例と同
様に、ｎＭＯＳ半導体装置の相互コンダクタンスＧ_mか
ら次のように算出した。つまり、前述のように、相互コ
ンダクタンスＧ_mの最大値Ｇ_m0を求め、次に、基板電流
が最大になるＤＣストレスを一定時間半導体装置に印加
する。その後、再び相互コンダクタンスＧ_mの最大値Ｇ
_mTを求め、次式から相互コンダクタンスの最大値の変化
する割合を百分率（％）で求める。

【０１１０】｛（Ｇ_m0−Ｇ_mT）／Ｇ_m0｝×１００［％］このような百分率の測定を上記ＤＣストレスの印加時間
を変化させて繰り返し行い、印加するストレス時間の変
化に対する相互コンダクタンスの最大値の低下する割合
の変化を求めた。図２１のグラフはこの相互コンダクタ
ンスの最大値の低下する割合の代表的なストレス時間依
存性を示している。ここで、同グラフの横軸はストレス
時間［ｓｅｃ］、縦軸は相互コンダクタンスの低下する
割合を百分率［％］で示している。また、白抜きの丸印
のプロットはＳｉ−Ｈ結合のＨ濃度が３．６×１０¹⁹、
黒く塗り潰した丸印のプロットはＳｉ−Ｈ結合のＨ濃度
が３．６×１０²⁰、黒く塗り潰した四角印のプロットは
Ｓｉ−Ｈ結合のＨ濃度が５．０×１０²⁰、白抜きの四角
印のプロットはＳｉ−Ｈ結合のＨ濃度が１．２×１０²¹
である。

【０１１１】この実験結果からもＳｉ−Ｈ結合のＨの含
有量が５×１０²⁰／ｃｍ³以上であれば、Ｓｉ−Ｈ結合
のＨの含有量が５×１０²⁰／ｃｍ³以下のものよりもホ
ットキャリア寿命が約１桁長く、Ｐ−ＳｉＯ膜４４、４
６により可動イオンの拡散が抑制されていることが分か
る。

【０１１２】次に、本発明をＣＭＯＳの製造方法に適用
した第４の実施例について説明する。図２２から図２７
は本実施例による製造方法を示す工程断面図である。Ｃ
ＭＯＳはｎ型ＭＯＳとｐ型ＭＯＳとが組合わさって構成
されるが、これら各図中にはｎ型ＭＯＳのみが示されて
いる。

【０１１３】まず、図２２に示すように、ｐ型シリコン
基板５１の表面が酸化され、基板表面に約５００オング
ストロームのシリコン酸化膜が形成される。その後、ｎ
型ＭＯＳの形成領域には１．２×１０¹³／ｃｍ²程度の
ドーズ量のホウ素がシリコン酸化膜を通してイオン注入
され、ｐウエル５２が形成される。ｐ型ＭＯＳの形成領
域には１．３５×１０¹³／ｃｍ²程度のドーズ量のリン
がイオン注入され、図示しないｎウエルが形成される。
次いで、熱処理によって注入したホウ素とリンが拡散さ
れ、各ウエル領域が拡げられる。次いで、基板表面のシ
リコン酸化膜がエッチングされた後、パッド酸化膜が基
板表面に形成される。そして、このパッド酸化膜上にシ
リコン窒化膜がＣＶＤ法によって形成される。その後、
トランジスタが形成されない非活性領域にあるシリコン
窒化膜が選択的に除去され、トランジスタが形成される
活性領域にあるシリコン窒化膜が残される。次いで、ｐ
型シリコン基板５１の非活性領域に選択的にチャネルス
トッパイオンがイオン注入され、チャネルストッパ５３
が形成される。その後、熱酸化によって非活性領域に厚
さ６０００オングストロームの素子分離用のシリコン酸
化膜５４が形成され、素子間の絶縁分離が行われる。

【０１１４】次いで、活性領域に、しきい値調整用の
２．７×１０¹²／ｃｍ²程度のドーズ量のフッ化ホウ素
がイオン注入される。次いで、パッド酸化膜がウエット
エッチングされて除去された後、露出したウエル領域上
にシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜５５が形成さ
れ、さらにこのゲート酸化膜５５上にポリシリコン膜５
６がＣＶＤ法で形成される。次いで、リンがドープされ
てこのポリシリコン膜５６の抵抗が下げられる。次い
で、タングステンシリサイド膜５７がスパッタ法で形成
される。その後、タングステンシリサイド膜５７，ポリ
シリコン膜５６およびゲート酸化膜５５が選択的にエッ
チングされ、ゲート電極が形成される。

【０１１５】次に、ｐウエル５２の全面に２．０×１０
¹³／ｃｍ²程度のドーズ量のリンがイオン注入され、図
示しないｎウエルの全面に５．０×１０¹²／ｃｍ²程度
のドーズ量のフッ化ホウ素がイオン注入される。このイ
オン注入により、ソース、ドレインの低濃度領域５８が
形成される。次いで、ＣＶＤ法により基板表面にシリコ
ン酸化膜が形成された後、このシリコン酸化膜がエッチ
バックされ、全てのゲート電極の側面にサイドウォール
５９が形成される。その後、通常は、Ｈ₂ＳＯ₄とＨ₂
Ｏ₂の混合液で基板表面が洗浄される。比較のため、こ
の洗浄をしないｎ型ＭＯＳも作製された。この後に、フ
ッ素またはフッ素を含むガスが図２２の矢印に示すよう
に半導体基板全面にプラズマ照射される。このプラズマ
照射には２％のＮＦ₃を含む窒素との混合ガスが用いら
れ、４００℃の温度下で行われる。本実施例における以
下の工程で行われる、フッ素またはフッ素を含むガスに
よるプラズマ照射もこの条件と同じ条件で行われる。次
に、ｐウエル５２の側のソース、ドレイン領域には３×
１０¹⁵／ｃｍ²程度のドーズ量のヒ素がイオン注入され
る。一方、図示しないｎウエルの側のソース、ドレイン
領域には１．５×１０¹⁵／ｃｍ²程度のドーズ量のフッ
化ホウ素がイオン注入される。この２回目のイオン注入
によりソース、ドレインの高濃度領域６０が形成され、
ＬＤＤ（Lightly Doped Drain)構造をしたソース領域お
よびドレイン領域が形成される。

【０１１６】次いで、低温でシリコン酸化膜６１が基板
全面に形成された後、フッ素またはフッ素を含むガスが
図２３の矢印に示すように半導体基板全面にプラズマ照
射される。そして、このシリコン酸化膜６１の上にホウ
素とリンを含むシリコン酸化膜（ＢＰＳＧ膜）６２が基
板全面に図２４に示すように形成される。その後、９０
０℃で１５分間の熱処理が行われ、このＢＰＳＧ膜６２
の表面が平坦化される。次いで、ＢＰＳＧ膜６２および
この下層部にあるシリコン酸化膜６１が選択的にエッチ
ングされ、トランジスタのソース領域やドレイン領域に
導通する図示しないコンタクト孔が開口される。次い
で、基板表面がＢＨＦ処理されて洗浄された後、スパッ
タ法によって基板全面にアルミニウム（Ａｌ）合金膜が
形成される。そして、このＡｌ合金膜の上にレジスト６
４が塗布され、このレジスト６４がフォトリソグラフィ
技術によってパターニングされる。次に、このレジスト
６４をマスクにＡｌ合金膜がエッチングされ、所定形状
にパターニングされた所望の金属配線６３が形成され
る。次いで、有機系の洗浄液でレジスト６４が剥離され
た後、フッ素またはフッ素を含むガスが図２５に示すよ
うに半導体基板全面にプラズマ照射される。

【０１１７】その後、基板表面にＰ−ＴＥＯＳ膜６５が
図２６に示すように形成される。次に、このＰ−ＴＥＯ
Ｓ膜６５上にＯ₃−ＴＥＯＳ膜６６およびＳＯＧ膜６７
が順次形成された後、ＳＯＧ膜６７がエッチングされて
基板表面が平坦化される。その後、基板表面に再びＰ−
ＴＥＯＳ膜６８が形成される。この後、コンタクト孔が
形成された後、基板全面にＡｌ合金膜が形成され、この
Ａｌ合金膜上にレジストが塗布されてフォトリソグラフ
ィによりパターニングされる。そして、このレジストを
マスクとしてＡｌ合金膜がエッチングされ、所望の金属
配線６９が図２７に示すように形成される。そして、有
機系の洗浄液でレジストが剥離された後、フッ素または
フッ素を含むガスが半導体基板全面にプラズマ照射され
る。さらに場合によっては、上記と同様な工程が繰り返
されて多層配線が形成される。本実施例では配線６９が
形成されて第２層配線まで形成された。最後に、ＣＶＤ
法によってリンを含んだシリコン酸化膜７０が形成され
る。さらに、シリコン窒化膜が基板全面に塗布されてパ
ッシベーション膜７１が形成され、このパッシベーショ
ン膜７１がエッチングされて図２７に示す断面構造をし
た半導体装置が完成する。

【０１１８】なお、上記実施例中のプラズマ照射におい
て、フッ素またはフッ素を含むガスのフッ素濃度が高す
ぎると酸化物をエッチングしてしまう。従って、このフ
ッ素またはフッ素を含むガスは、望ましくは１〜１０％
のフッ素含有量を持つフッ素またはフッ素の化合物と不
活性元素との混合ガスであることが望ましい。フッ素の
化合物としては、ＳｉＦ₄，ＢＦ₃，ＮＦ₃，ＳＦ₆，
フロロカーボン系（Ｃ_XＨ_YＦ_Z，Ｃ_XＦ_Y、ここで、
Ｘ，Ｙ，Ｚは整数）ガスが使用できる。不活性元素は、
Ｈｅ，Ａｒ，Ｎ₂が使用できる。また、プラズマ照射時
の処理温度は、上記実施例の説明では４００℃として説
明したが、ゲート酸化膜へフッ素を拡散するために３５
０℃以上であることが望ましい。また、金属配線のＡｌ
合金を形成した後にフッ素プラズマ処理を行う場合には
３５０〜４４０℃で処理することが望ましい。

【０１１９】次に、このような本実施例による製造方法
で形成された、ゲート長が０．５μｍ，ゲート幅が１０
μｍのｎ型ＭＯＳトランジスタが持つホットキャリア寿
命を測定した。このホットキャリア寿命を測定すること
により、フッ素またはフッ素を含むガスによるプラズマ
照射を行い、その後の熱工程でフッ素をゲート酸化膜へ
拡散するという本実施例による製法の効果を評価するこ
とができる。つまり、ＭＯＳトランジスタ動作時におけ
るホットキャリアの寿命が長い場合には本製法による効
果が確認できる。一方、このホットキャリア寿命が短い
場合には本製法による効果が見出だせないものとなる。

【０１２０】また、この実験には以下の比較品を用い
た。

【０１２１】比較品１は、サイドウォール５９が形成さ
れた後に洗浄をせずに、フッ素またはフッ素を含有する
ガスが半導体装置全面にプラズマ照射され、その後にシ
リコン酸化膜６１が形成されたものである。

【０１２２】比較品２は、サイドウォール５９が形成さ
れて洗浄された後に、フッ素またはフッ素を含有するガ
スが半導体装置全面にプラズマ照射され、その後にシリ
コン酸化膜６１が形成されたものである。

【０１２３】比較品３は、低温でシリコン酸化膜６１が
形成された後に、フッ素またはフッ素を含有するガスが
半導体装置全面にプラズマ照射され、その後そのままＢ
ＰＳＧ膜６２が形成されたものである。

【０１２４】比較品４は、ＢＰＳＧ膜６２およびシリコ
ン酸化膜６１にコンタクトホールを形成した後に、フッ
素またはフッ素を含有するガスが半導体装置全面にプラ
ズマ照射されたものである。

【０１２５】比較品５は、ＢＰＳＧ膜６２およびシリコ
ン酸化膜６１にコンタクトホールを形成した後に洗浄
し、その後にフッ素またはフッ素を含有するガスが半導
体装置全面にプラズマ照射されたものである。

【０１２６】比較品６は、エッチングにより配線６３が
形成され、レジスト６４が剥離される前に、フッ素また
はフッ素を含有するガスが半導体装置全面にプラズマ照
射され、その後にレジストが有機洗浄で剥離されたもの
である。

【０１２７】比較品７は、エッチングにより配線６３が
形成され、レジスト６４が剥離された後に、フッ素また
はフッ素を含有するガスが半導体装置全面にプラズマ照
射され、その後にフッ素が除去されることなく第２の層
間膜であるＰ−ＴＥＯＳ膜６５が形成されたものであ
る。

【０１２８】比較品８は、ゲート、サイドウォール、コ
ンタクト形成以外の、いわゆる、ホットキャリア耐性向
上のためのフッ素プラズマ照射がしていないものであ
る。

【０１２９】この測定におけるホットキャリア寿命は、
ｎＭＯＳトランジスタの相互コンダクタンスＧ_mから、
前述の各実施例と同様に算出した。つまり、まず、０．
１［Ｖ］のドレイン電圧Ｖ_dを印加した状態で、ゲート
電圧Ｖ_gの変化に対するドレイン電流Ｉ_dの変化を測定
する。そして、このゲート電圧変化に対するドレイン電
流変化の特性グラフから、相互コンダクタンスＧ_mの最
大値Ｇ_m0を求める。次に、基板電流が最大になるＤＣス
トレスを一定時間トランジスタに印加する。その後再
び、０．１［Ｖ］のドレイン電圧Ｖ_dを印加した状態
で、ゲート電圧Ｖ_gの変化に対するドレイン電流Ｉ_dの
変化を測定する。そして、この測定結果から相互コンダ
クタンスＧ_mの最大値Ｇ_mTを求める。そして、次式から
相互コンダクタンスＧ_mの最大値の低下する割合を百分
率［％］で求める。

【０１３０】｛（Ｇ_m0−Ｇ_mT）／Ｇ_m0｝×１００［％］このような百分率の測定を上記ＤＣストレスの印加時間
を変化させて繰り返し行い、印加するストレス時間の変
化に対する相互コンダクタンスの最大値の低下する割合
の変化を求めた。図２８のグラフは代表的な｛（Ｇ_m0−
Ｇ_mT）／Ｇ_m0｝×１００のストレス時間依存性を示して
いる。また、以下の表２は、図２８のグラフにおいて
｛（Ｇ_m0−Ｇ_mT）／Ｇ_m0｝×１００＝１０％で定義され
た、比較品１〜８のｎ型ＭＯＳ半導体装置のホットキャ
リア寿命を示している。

【０１３１】

【表２】

【０１３２】ホットキャリア耐性向上のためのフッ素プ
ラズマ照射をしていない比較品８のホットキャリア寿命
は６８００秒である。これに対して比較品１のホットキ
ャリア寿命は６８７００秒であり、サイドウォール５９
の形成後、洗浄前のフッ素またはフッ素を含むガスによ
るプラズマ照射の効果があることが確認できる。また、
比較品２のホットキャリア寿命は６５３００秒であり、
比較品１より若干短い。これは、サイドウォール５９の
形成後の洗浄により、エッチング時に残留したフッ素が
除去されてしまうからである。しかし、比較品８よりも
約１桁寿命が長く、フッ素またはフッ素を含むガスによ
るプラズマ照射の効果がある。これは、サイドウォール
５９を洗浄した後にフッ素またはフッ素を含むガスでプ
ラズマ照射して、そのまま低温でシリコン酸化膜６１を
成膜すると、サイドウォール５９に残ったフッ素が、そ
の後の低温でシリコン酸化膜６１を成膜する時にゲート
酸化膜５５へ拡散するからである。従って、本発明の第
１の特徴を持つ製造方法に従う本実施例により、つま
り、エッチング加工してサイドウォール５９をゲート電
極の側壁に形成し、このサイドウォール５９を含む半導
体基板全面にフッ素またはフッ素を含むガスをプラズマ
照射し、このプラズマ照射によってサイドウォール５９
の表面に形成されたフッ素層を除去することなく、その
後の熱処理でこのフッ素層中のフッ素をゲート酸化膜５
５に熱拡散させることにより、ホットキャリア耐性を向
上することができる。また、本発明の第２の特徴を持つ
製造方法に従う本実施例により、つまり、サイドウォー
ル５９を形成した後にエッチング残渣を除去し、この後
にフッ素プラズマ照射することによっても、ホットキャ
リア耐性を向上することができる。

【０１３３】また、低温でシリコン酸化膜６１を形成し
た後にフッ素プラズマ照射する比較品３のホットキャリ
ア寿命は６１２００秒であり、フッ素ガスのプラズマ照
射の効果がある。従って、本発明の第３の特徴を持つ製
造方法に従う本実施例により、つまり、第１の層間膜を
形成した後に、フッ素またはフッ素を含むガスでプラズ
マ照射して、そのまま第２の層間絶縁膜を形成すると、
ホットキャリア耐性を向上することができる。

【０１３４】また、比較品４，５，６のホットキャリア
寿命は、各々６９２０秒，６７８０秒，７３５０秒であ
り、フッ素ガスによるプラズマ照射の効果はない。これ
は、コンタクト形成後の洗浄や、金属配線パターン形成
のためのエッチングや、レジスト剥離のための有機洗浄
により、フッ素が混入した酸化膜が削られてしまうから
である。

【０１３５】一方、金属配線６３のパターン形成後レジ
スト６４を剥離した後に、フッ素またはフッ素を含むガ
スでプラズマ照射して、そのままＰ−ＴＥＯＳ膜６５を
形成した比較品７のホットキャリア寿命は６３０００秒
であり、比較品８よりも約１桁長く、フッ素ガスによる
プラズマ照射によりホットキャリア耐性を向上すること
ができる。従って、本発明の第４の特徴を持つ製造方法
に従う本実施例のように、つまり、金属配線６３のパタ
ーン形成後にレジスト６４を除去した後に、フッ素また
はフッ素を含むガスが半導体装置全面にプラズマ照射さ
れた後、そのままフッ素を除去することなく、フッ素を
ゲート酸化膜５５へ拡散してダングリングボンドを終端
することにより、ホットキャリア耐性を向上することが
できる。

【０１３６】なお、上記実施例の説明においてはＬＤＤ
構造のｎ型ＭＯＳトランジスタを持つ半導体装置につい
て説明したがこれに限るものではなく、ｐ型ＭＯＳトラ
ンジスタを持つ半導体装置や、シングルドレイン構造の
ＭＯＳトランジスタを持つ半導体装置についても本発明
を適用することができる。また、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲ
ＯＭ、ＤＲＡＭ、ＭＯＳキャパシタ、あるいはＧａＡｓ
などの化合物半導体を用いた半導体装置にも適用するこ
とができる。これらの場合においても上記実施例と同様
な効果が奏される。

【０１３７】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば、配線がパターニングされた後に窒素元素を含むガス
によるプラズマが照射され、配線間に露出する層間絶縁
膜の表面に水をほとんど通さない非常に耐透水性の良い
窒素を含んだ絶縁膜が形成される。従って、金属膜を形
成する前に行われる層間絶縁膜表面を洗浄処理をする時
には、窒素を含んだ絶縁膜が形成されておらず、この洗
浄処理によって窒素を含んだ耐透水性の良い絶縁膜が削
られることはない。また、配線を形成するために金属膜
をパターニングする工程においても窒素を含んだ絶縁膜
が形成されておらず、この金属膜のパターニングによっ
て窒素を含んだ耐透水性の良い絶縁膜が削られることは
ない。このため、窒素を含んだ絶縁膜は従来のように製
造途中において薄膜化することがなく、その本来の機能
を十分に果たすことができるようになる。この結果、窒
素を含んだ絶縁膜の下層部にＭＯＳトランジスタが形成
されていても、この窒素を含んだ絶縁膜によってＭＯＳ
トランジスタのゲート酸化膜に水分が拡散浸透すること
はない。よって、トランジスタ動作時のホットキャリア
による寿命劣化のない、実使用に十分に耐えることので
きる半導体装置が提供される。

【０１３８】また、窒素元素を含むガスによるプラズマ
を第２の層間絶縁膜に照射することにより、第２の層間
絶縁膜の表面にも窒素を含んだ耐透水性の良い絶縁膜が
形成される。従って、水分の拡散浸透はこの第２の層間
絶縁膜表面に形成された窒素を含む絶縁膜によっても阻
止される。このため、第２の層間絶縁膜上に形成された
第３の層間絶縁膜からの水分の拡散浸透は、この第２の
層間絶縁膜表面に形成された窒素を含む絶縁膜、並びに
配線間に露出する層間絶縁膜の表面に形成された窒素を
含む絶縁膜の２枚の絶縁膜によって阻止される。この結
果、層間絶縁膜の下層部にＭＯＳトランジスタが形成さ
れている場合には、このＭＯＳトランジスタに拡散浸透
する水分の影響はより効果的に除去される。

【０１３９】また、機能素子と層間絶縁膜との間に、Ｓ
ｉＨ₄，Ｎ₂Ｏ，Ｎ₂を原料とするプラズマＣＶＤ法で
成膜され、水素濃度が１×１０²¹〜５×１０²²atoms ／
ｃｍ³であり、かつ、窒素濃度が１×１０²¹〜２×１０
²²atoms ／ｃｍ³であるシリコン酸化膜を備えることに
より、シリコン酸化膜に浸透してきた水はシリコン酸化
膜中に存在するＳｉ−Ｈ，Ｓｉ−ＮＨ，Ｓｉ−Ｎ結合と
反応し、シリコン酸化物を生成する。このため、ＳＯＧ
膜やＯ₃−ＴＥＯＳ膜といった層間絶縁膜中の水の拡散
はこのシリコン酸化物の形成で防止されると同時に、シ
リコン酸化膜自身からの水素の離脱も防止される。よっ
て、ホットキャリア耐性に優れた半導体装置を提供する
ことが可能になる。また、このシリコン酸化膜は、Ｓｉ
Ｈ₄／（Ｎ₂Ｏ＋Ｎ₂）＝０．０５５〜０．０８６の流
量比範囲で原料ガスを導入することにより、容易に形成
することが可能である。

【０１４０】また、気相成長法による層間絶縁膜の形成
において、気相成長絶縁膜の膜中Ｓｉ−Ｈ結合の水素量
が５×１０²⁰／ｃｍ³以上かつ５×１０²²／ｃｍ³以下
となるように形成することにより、回路素子の電気的特
性に優れた層間絶縁膜を形成することが可能となる。

【０１４１】また、サイドウォールのエッチング後に、
半導体基板の全面をフッ素またはフッ素を含むガスでプ
ラズマ照射し、サイドウォールにフッ素を混入させるこ
とにより、その後の熱工程でゲート酸化膜にフッ素が拡
散する。また、サイドウォール形成後に基板表面を洗浄
する場合には、洗浄後に、半導体基板の全面をフッ素ま
たはフッ素を含むガスでプラズマ照射し、サイドウォー
ルにフッ素を混入させことにより、その後の熱工程でゲ
ート酸化膜へフッ素が拡散する。このようにゲート酸化
膜へフッ素が拡散することにより、シリコンのダングリ
ングボンドはフッ素で終端される。この結果、ホットキ
ャリア耐性に優れた半導体装置が提供される。

【０１４２】また、層間絶縁膜の表面にフッ素またはフ
ッ素を含むガスでプラズマ照射することによっても、そ
の後の熱工程でゲート酸化膜へフッ素が拡散する。

【０１４３】また、層間絶縁膜を形成した後に、コンタ
クトホールを形成し、配線を形成する場合には、レジス
トを除去した後に、フッ素またはフッ素を含むガスを半
導体基板の全面にプラズマ照射して、層間絶縁膜のフッ
素を除去することなく、その次の工程を行うことにより
フッ素はゲート酸化膜へ拡散する。このような工程によ
っても、ホットキャリア耐性に優れた半導体装置が提供
される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による製造方法によって
得られた半導体装置の断面図である。

【図２】第１実施例による半導体装置の製造方法を示す
第１の工程断面図である。

【図３】第１実施例による半導体装置の製造方法を示す
第２の工程断面図である。

【図４】第１実施例による半導体装置の製造方法を示す
第３の工程断面図である。

【図５】第１実施例による半導体装置の製造方法を示す
第４の工程断面図である。

【図６】第１実施例による製造方法によって得られた半
導体装置および異なる製造方法によって得られた比較品
のＤＣストレス印加時間に対する相互コンダクタンス変
化の各特性を示すグラフである。

【図７】本発明の第２の実施例による半導体装置の製造
方法を示す第１の工程断面図である。

【図８】第２実施例による半導体装置の製造方法を示す
第２の工程断面図である。

【図９】第２実施例による半導体装置を示す断面図であ
る。

【図１０】第２実施例によるＰ−ＳｉＯ膜中での水の反
応を解析するためのＦＴ−ＩＲ測定結果を示すグラフで
ある。

【図１１】原料ガスの流量比を変化させて形成したＰ−
ＳｉＯ膜の重水素に対する耐透水性を測定した結果を示
すグラフである。

【図１２】第２実施例による半導体装置のホットキャリ
ア寿命と比較するために用いられた１層金属配線構造半
導体装置の構造を示す断面図である。

【図１３】第２実施例による半導体装置および第２実施
例に従わない種々の半導体装置のストレス時間の変化に
対する相互コンダクタンスの最大値の低下する割合の変
化を示すグラフである。

【図１４】第２実施例における原料ガスの流量比変化に
対するホットキャリア寿命の変化を示すグラフである。

【図１５】第２実施例における原料ガスの流量比変化に
対する窒素濃度および水素濃度の変化を示すグラフであ
る。

【図１６】第３実施例における層間絶縁膜の形成方法に
用いるプラズマＣＶＤ装置の一部分を示す模式図であ
る。

【図１７】第３実施例における膜中Ｓｉ−Ｈ結合の水素
量とＰ−ＳｉＯ膜の成膜速度との関係を示すグラフであ
る。

【図１８】第３実施例における膜中Ｓｉ−Ｈ結合の水素
量とＰ−ＳｉＯ膜中のＳｉ／Ｏ比との関係を示すグラフ
である。

【図１９】第３実施例におけるＰ−ＳｉＯ膜の表面から
の深さと重水素濃度との関係を示すグラフである。

【図２０】第３実施例による半導体装置の製造方法を用
いて製造された半導体装置の断面図である。

【図２１】第３実施例による半導体装置および第３実施
例に従わない種々の半導体装置のストレス時間の変化に
対する相互コンダクタンスの最大値の低下する割合の変
化を示すグラフである。

【図２２】本発明の第４の実施例による半導体装置の製
造方法を示す第１の工程断面図である。

【図２３】第４実施例による半導体装置の製造方法を示
す第２の工程断面図である。

【図２４】第４実施例による半導体装置の製造方法を示
す第３の工程断面図である。

【図２５】第４実施例による半導体装置の製造方法を示
す第４の工程断面図である。

【図２６】第４実施例による半導体装置の製造方法を示
す第５の工程断面図である。

【図２７】第４実施例による半導体装置の製造方法によ
り得られた半導体装置の断面図である。

【図２８】第４実施例による半導体装置および第４実施
例に従わない種々の半導体装置のストレス時間の変化に
対する相互コンダクタンスの最大値の低下する割合の変
化を示すグラフである。

【符号の説明】

１…ｐ型シリコン半導体基板、２…ｐウエル、３…チャ
ネルストッパ、４…素子分離用シリコン酸化膜、５…ゲ
ート酸化膜、６…ポリシリコン、７…タングステンシリ
サイド膜、８…サイドウォール、９…シリコン酸化膜、
１０…リン、ホウ素を含んだシリコン酸化膜（ＢＰＳ
Ｇ）、１１，１８…金属配線、１２，１４…窒素を含ん
だ絶縁膜、１３，１７…Ｐ−ＴＥＯＳ膜、１５…Ｏ₃Ｔ
ＥＯＳ膜、１６…ＳＯＧ膜、１９…リンを含んだシリコ
ン酸化膜、２０…パッシベーション膜、２１…Ｐ−Ｓｉ
Ｏ膜。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中野正千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社ハイテク研究所内 (72)発明者内住秀昭千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社ハイテク研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】層間絶縁膜を形成する第１の工程と、こ
の層間絶縁膜の表面を洗浄する第２の工程と、この層間
絶縁膜上に金属膜を形成する第３の工程と、この金属膜
をパターニングして配線を形成する第４の工程と、この
配線の形成後に窒素または窒素元素を含むガスによるプ
ラズマを照射する第５の工程とを備えたことを特徴とす
る半導体装置の製造方法。
【請求項２】層間絶縁膜を形成する第１の工程と、こ
の層間絶縁膜上に金属膜を形成する第３の工程と、この
金属膜をパターニングして配線を形成する第４の工程
と、この配線の形成後に窒素または窒素元素を含むガス
によるプラズマを照射する第５の工程とを備えたことを
特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】前記第１の工程の後に、前記層間絶縁膜
にコンタクトホールを形成する第６の工程をさらに備
え、この第６の工程の後に前記第２の工程を行うことを
特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】前記第５の工程の後に、第２の層間絶縁
膜を形成する第７の工程と、窒素または窒素元素を含む
ガスによるプラズマを前記第２の層間絶縁膜に照射する
第８の工程を行うことを特徴とする請求項２記載の半導
体装置の製造方法。
【請求項５】機能素子と、この機能素子の上層部に形
成された層間絶縁膜とを備えた半導体装置において、前記機能素子と前記層間絶縁膜との間に、ＳｉＨ₄，Ｎ₂Ｏ，Ｎ₂を原料とするプラズマＣＶＤ法
で成膜され、水素濃度が１×１０²¹〜５×１０²²atoms
／ｃｍ³であり、かつ、窒素濃度が１×１０²¹〜２×１
０²²atoms ／ｃｍ³であるシリコン酸化膜を備えたこと
を特徴とする半導体装置。
【請求項６】Ｎ₂ＯガスとＮ₂ガスとの和の流量に対
するＳｉＨ₄ガスの流量の比を０．０５５〜０．０８６
の範囲とするプラズマＣＶＤ法で前記シリコン酸化膜を
成膜し、請求項５記載の半導体装置を製造することを特
徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】層間絶縁膜によって配線間が絶縁される
多層配線構造を有する半導体装置において、前記層間絶
縁膜の１層の層間絶縁膜の膜中のＳｉ−Ｈ結合の水素量
が５×１０²⁰／ｃｍ³以上かつ５×１０²²／ｃｍ³以下
であることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】膜中のＳｉ−Ｈ結合の水素量が５×１０
²⁰／ｃｍ³以上かつ５×１０²²／ｃｍ³以下である前記
層間絶縁膜をシランガスを原料として気相成長する工程
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項９】層間絶縁膜によって配線間が絶縁される
多層配線構造を有する半導体装置において、前記層間絶
縁膜は、第１の絶縁膜と、この第１の絶縁膜の上に設け
られた少なくとも水分を含む第２の絶縁膜とを有し、前
記第１の絶縁膜中の膜中のＳｉ−Ｈ結合の水素量が５×
１０²⁰／ｃｍ³以上かつ５×１０²²／ｃｍ³以下である
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項１０】エッチング加工してサイドウォールを
ゲート電極の側壁に形成する第１の工程と、このサイド
ウォールを含む半導体基板全面にフッ素またはフッ素を
含むガスをプラズマ照射する第２の工程と、このプラズ
マ照射によって前記サイドウォール表面に形成されたフ
ッ素層を除去することなくその後の熱処理でこのフッ素
層中のフッ素をゲート酸化膜に熱拡散させる第３の工程
とを備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】前記第１の工程の後にエッチング残渣
を除去する第４の工程を備え、この第４の工程の後に前
記第２の工程を行うことを特徴とする請求項１０記載の
半導体装置の製造方法。
【請求項１２】層間絶縁膜を形成する第１の工程と、
この層間絶縁膜の表面にフッ素またはフッ素を含むガス
をプラズマ照射する第２の工程と、このプラズマ照射に
よって前記層間絶縁膜表面に形成されたフッ素層を除去
することなくその後の熱処理でこのフッ素層中のフッ素
をゲート酸化膜に熱拡散させる第３の工程を備えたこと
を特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】層間絶縁膜を形成する第１の工程と、
この層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する第２の工
程と、前記層間絶縁膜上に金属膜を形成する第３の工程
と、この金属膜上に配線用レジストを形成する第４の工
程と、この配線用レジストをマスクにして前記金属膜を
パターニングして配線を形成する第５の工程と、前記配
線用レジストを除去する第６の工程と、フッ素またはフ
ッ素を含むガスを半導体基板の全面にプラズマ照射する
第７の工程と、このプラズマ照射によって前記層間絶縁
膜表面に形成されたフッ素層を除去することなくその後
の熱処理でこのフッ素層中のフッ素をゲート酸化膜に熱
拡散させる第８の工程とを備えたことを特徴とする半導
体装置の製造方法。