(57)【要約】【課題】チャネル領域に高い引張応力を加えることのできる、半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体層２上には、Ｓｉ−Ｎ結合を３以上有するＳｉを含むＳｉＮ膜からなる引張応力窒化膜１５が形成されている。この引張応力窒化膜１５は、ＦＴＩＲ（フーリエ変換型赤外分光）法により、Ｓｉ-Ｈピーク面積およびＮ-Ｈピーク面積を求めたときに、Ｓｉ-Ｈピーク面積に対するＮ-Ｈピーク面積の比が２．５〜２．７の範囲内となる構造を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、
前記半導体層の表面上に選択的に形成されるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極と、
前記半導体層上に形成され、前記半導体層の表面および前記ゲート電極の表面を被覆し、前記半導体層の表層部における前記ゲート絶縁膜と対向するチャネル領域に引張応力を加えるための引張応力窒化膜とを含み、
前記引張応力窒化膜は、赤外分光法により、Ｓｉ-Ｈ基による吸光度のピーク面積およびＮ-Ｈ基による吸光度のピーク面積を求めたときに、Ｓｉ-Ｈ基による吸光度のピーク面積に対するＮ-Ｈ基による吸光度のピーク面積の比が２．５〜２．７の範囲内となる構造を有している、半導体装置。
【請求項２】
前記チャネル領域は、Ｎ型チャネル領域である、請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記引張応力窒化膜は、Ｓｉ−Ｎ結合を３以上有するＳｉを含む材料からなる、請求項１または２記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレーナゲート型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を備えた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プレーナゲート型ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（以下「ＮＭＯＳ」という。）では、チャネル領域に引張応力を加えることにより、チャネル領域における電子の移動度を向上させることができ、オン電流の増大を図ることができる。
ＮＭＯＳを備える半導体装置では、たとえば、Ｐ型のシリコン層の表層部に、Ｎ型のソース領域およびドレイン領域が互いに離間して形成されている。ソース領域およびドレイン領域間のチャネル領域上には、ゲート絶縁膜を介して、ゲート電極が形成されている。ゲート絶縁膜およびゲート電極の側方には、それらの周囲を取り囲むように、サイドウォールが形成されている。
【０００３】
そして、チャネル領域に引張応力を加えるため、シリコン層上に、シリコン層の表面、ゲート電極およびサイドウォールの各表面を一括して被覆するように、ＳｉＮ（窒化シリコン）からなる引張応力窒化膜が形成される。引張応力窒化膜が形成されることにより、ゲート電極側が凹むようにシリコン層が変形し、このシリコン層の変形により、チャネル領域に引張応力が加えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１９３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
チャネル領域（シリコン層）に加えられる引張応力が高いほど、ＮＭＯＳのオン電流を増大させることができる。しかしながら、引張応力窒化膜の成膜条件によりばらつき、同一の膜厚で最大の引張応力をチャネル領域に加えることが出来る引張応力窒化膜の構造が不明である。
そこで、本発明の目的は、チャネル領域に高い引張応力を加えることのできる、半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、半導体層と、前記半導体層の表面上に選択的に形成されるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されるゲート電極と、前記半導体層上に形成され、前記半導体層の表面および前記ゲート電極の表面を被覆し、前記半導体層の表層部における前記ゲート絶縁膜と対向するチャネル領域に引張応力を加えるための引張応力窒化膜とを含み、前記引張応力窒化膜は、赤外分光法により、Ｓｉ-Ｈ基による吸光度のピーク面積およびＮ-Ｈ基による吸光度のピーク面積を求めたときに、Ｓｉ-Ｈ基による吸光度のピーク面積に対するＮ-Ｈ基による吸光度のピーク面積の比が２．５〜２．７（２．５以上２．７以下）の範囲内となる構造を有している、半導体装置である。
【０００７】
この構成によれば、前記引張応力窒化膜は、赤外分光法により、Ｓｉ-Ｈ基による吸光度のピーク面積およびＮ-Ｈ基による吸光度のピーク面積を求めたときに、Ｓｉ-Ｈ基による吸光度のピーク面積に対するＮ-Ｈ基による吸光度のピーク面積の比が２．５〜２．７の範囲内となる構造を有している。この様な構造を有する引張応力窒化膜は、その成膜条件にかかわらず、シリコン層のチャネル領域に高い引張応力を加えることができる。
【０００８】
ピーク面積とは、ＦＴＩＲ（フーリエ変換型赤外分光）法により吸光度スペクトルを求めたときに（図５Ａおよび図５Ｂ参照）、グラフにおけるピーク付近の部分と横軸とで囲まれる領域の面積をいう。
請求項２に記載のように、前記チャネル領域が、Ｎ型チャネル領域であってもよい。
また、請求項３に記載のように、前記引張応力窒化膜は、Ｓｉ−Ｎ結合を３以上有するＳｉを含む材料からなっていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の構造を図解的に示す断面図である。
【図２Ａ】図１に示す半導体装置の製造方法を説明するための図解的な断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの次の工程を示す図解的な断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｂの次の工程を示す図解的な断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｃの次の工程を示す図解的な断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｄの次の工程を示す図解的な断面図である。
【図３】引張応力窒化膜の成膜時におけるシランガスの流量と、引張応力窒化膜の引張ストレスとの関係を示すグラフである。
【図４Ａ】Ｎ-Ｈ基およびＳｉ-Ｈ基が多く含まれる引張応力窒化膜における原子の結合モデルを示す図である。
【図４Ｂ】Ｎ-Ｈ基およびＳｉ-Ｈ基がそれほど含まれていない引張応力窒化膜における原子の結合モデルを示す図である。
【図５Ａ】０．４ＧＰａの引張応力を有する引張応力窒化膜におけるＦＴＩＲ法による吸光度スペクトルのグラフである。
【図５Ｂ】１．０ＧＰａの引張応力を有する引張応力窒化膜におけるＦＴＩＲ法による吸光度スペクトルのグラフである。
【図６】成膜時におけるシランガス流量と引張ストレスとの関係、および成膜時におけるシランガス流量とピーク面積との関係を示すグラフである。
【図７】Ｓｉ-Ｈピーク面積に対するＮ-Ｈピーク面積の比と、引張応力窒化膜の引張ストレスとの関係を示す対数グラフである。
【図８】図７の横軸を、普通尺で表示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１の構造を図解的に示す断面図である。
半導体装置１は、プレーナ型のＮＭＯＳ３を有している。
具体的には、半導体装置１は、シリコンからなるＰ−型の半導体層２を備えている。半導体層２は、たとえば、半導体基板であってもよいし、その半導体基板上にエピタキシャル成長法により形成されるエピタキシャル層であってもよい。
【００１１】
半導体層２の表層部には、素子分離部６が形成されている。素子分離部６は、ＮＭＯＳ３が形成される素子形成領域４を矩形状に取り囲んでいる。そして、素子分離部６は、半導体層２の表面から比較的浅く掘り下がった溝（たとえば、深さ０．２〜０．５μｍのシャロートレンチ）に、ＳｉＯ２（酸化シリコン）などの絶縁体を埋設した構造を有している。この素子分離部６によって、素子形成領域４がそれ以外の領域と絶縁分離されている。
【００１２】
素子形成領域４において、半導体層２の表層部には、Ｎ＋型のソース領域８およびドレイン領域９が互いに離間して形成されている。
ソース領域８とドレイン領域９との間の領域は、ＮＭＯＳ３のチャネル領域７であり、このチャネル領域７上には、ＳｉＯ２からなるゲート絶縁膜１０が形成されている。ゲート絶縁膜１０上には、ポリシリコンからなるゲート電極１１が形成されている。ゲート電極１１の周囲には、ＳｉＮからなるサイドウォール１２が形成されている。ゲート絶縁膜１０およびゲート電極１１の側面は、サイドウォール１２により取り囲まれている。半導体層２の表層部におけるサイドウォール１２と対向する領域には、ソース領域８およびドレイン領域９のＮ型不純物濃度よりも低いＮ型不純物濃度を有するＮ−型領域１３，１４が形成されている。
【００１３】
半導体層２およびゲート電極１１上には、Ｓｉ−Ｎ結合を３以上有するＳｉを含むＳｉＮ（窒化シリコン）からなる引張応力窒化膜１５が形成されている。素子形成領域４では、引張応力窒化膜１５は、半導体層２、ゲート電極１１およびサイドウォール１２上を連続的に被覆している。この引張応力窒化膜１５は、ＦＴＩＲ（フーリエ変換型赤外分光）法により吸光度スペクトルを求めたときに（図５Ａおよび図５Ｂ参照）、グラフにおけるＳｉ-Ｈ基のピーク付近の部分と横軸とで囲まれる領域の面積（以下、「Ｓｉ-Ｈピーク面積」という。）に対するグラフにおけるＮ-Ｈ基のピーク付近の部分と横軸とで囲まれる領域の面積（以下、「Ｎ-Ｈピーク面積」という。）の比が２．５〜２．７の範囲内となる構造を有している。
【００１４】
図２Ａ〜図２Ｅは、半導体装置１の製造方法を工程順に示す図解的な断面図である。
まず、反応性イオンエッチングにより、半導体層２の表層部に、素子分離部６に対応する溝が形成される。その後、減圧ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学的気相成長）法により、半導体層２上に、ＳｉＯ２膜が各溝を埋め尽くす厚さに堆積される。そして、ＳｉＯ２膜における各溝外にはみ出た部分が選択的に除去され、各溝上にのみＳｉＯ２膜が残されることにより、素子分離部６が形成される。ＳｉＯ２膜の選択的な除去は、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学的機械的研磨）法により達成することができる。
【００１５】
その後、熱酸化法により、半導体層２上に、ＳｉＯ２膜が形成される。次いで、ＣＶＤ法により、ＳｉＯ２膜上に、ポリシリコン層が形成される。そして、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、ＳｉＯ２膜およびポリシリコン層が選択的に除去される。これにより、図２Ａに示すように、素子形成領域４にゲート絶縁膜１０およびゲート電極１１が形成される。
【００１６】
次いで、半導体層２の表層部にＮ型の不純物が注入される。これにより、図２Ｂに示すように、Ｎ−型層１７が形成される。
次いで、減圧ＣＶＤ法により、半導体層２およびゲート電極１１上に、ＳｉＮからなる窒化膜が形成される。
その後、窒化膜が、ゲート電極１１の上面が露出するまでエッチバックされることにより、図２Ｃに示すように、ゲート絶縁膜１０およびゲート電極１１の周囲にサイドウォール１２が形成される。
【００１７】
次いで、半導体層２の表層部（Ｎ−型層１７）にＮ型の不純物が注入される。その後、アニール処理が行われる。これにより、図２Ｄに示すように、素子形成領域４における半導体層２の表層部に、ソース領域８およびドレイン領域９が形成される。Ｎ−型層１７におけるサイドウォール１２と対向する部分は、Ｎ型の不純物が注入されず、Ｎ−型領域１３，１４となる。
【００１８】
次いで、図２Ｅに示すように、プラズマＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）により、半導体層２およびゲート電極１１上に、ＳｉＮからなる引張応力窒化膜１５が形成される。具体的には、半導体基板をチャンバ内の一対の電極間内に搬入した後、そのチャンバ内を減圧するとともに、シランガス（ＳｉＨ４）およびアンモニアガス（ＮＨ３）の原料ガスと窒素ガスなどのキャリアガスとをチャンバ内に導入する。そして、チャンバ内に高周波の電界を加えることにより、原料ガスがプラズマ化して、化学反応により生じたＳｉＮが堆積して引張応力窒化膜１５が形成される。
【００１９】
成膜時におけるチャンバ内の圧力（以下「成膜圧力」という。）、高周波電界の電力量（以下「高周波電力量」という。）、成膜時におけるシランガス（ＳｉＨ４）の流量は、Ｓｉ-Ｈピーク面積に対するＮ-Ｈピーク面積の比が２．５〜２．７の範囲内になるような大きさにそれぞれ設定されている。
この後、引張応力窒化膜１５上に、ＣＶＤ法により、層間絶縁膜１６が積層される。その結果、図１に示す半導体装置１が得られる。
【００２０】
図３は、引張応力窒化膜１５の成膜時におけるシランガス（ＳｉＨ４）の流量と、引張応力窒化膜１５の引張ストレス（引張応力）との関係を示すグラフである。
成膜圧力、高周波電力量およびシランガスの流量を変更して、ＳｉＮからなる引張応力窒化膜１５を成膜し、その引張応力窒化膜１５により半導体層２に加えられる引張ストレス（引張応力）の大きさを測定する実験を行った。
【００２１】
図３中の「◆」は、成膜圧力および高周波電力量（ＨＦ  Ｐｏｗｅｒ）がそれぞれ７００（Ｐａ）および５００（Ｗ）であるとき、図３中の「□」は、成膜圧力および高周波電力量（ＨＦ  Ｐｏｗｅｒ）がそれぞれ６００（Ｐａ）および６００（Ｗ）であるとき、図３中の「●」は、成膜圧力および高周波電力量（ＨＦ  Ｐｏｗｅｒ）がそれぞれ７００（Ｐａ）および６００（Ｗ）であるときのシランガスの流量と引張ストレスとの関係とを示している。なお、この成膜実験におけるアンモニアガス（ＮＨ３）の流量は８００（ｓｃｃｍ）とした。
【００２２】
この実験結果により、引張応力窒化膜１５の引張応力は、シランガス（ＳｉＨ４）の流量の二次関数とみなせることがわかる。そして、図３中の「●」を結ぶグラフ、「□」を結ぶグラフおよび「◆」を結ぶグラフは、互いに大きくずれている。すなわち、引張応力窒化膜１５の引張応力は、シランガス（ＳｉＨ４）の流量だけでなく、成膜圧力および高周波電力量とも相関していることがわかる。
【００２３】
図４Ａおよび図４Ｂは、ＳｉＮ膜からなる引張応力窒化膜１５における原子の結合モデルを示す図である。図４Ａは、Ｎ-Ｈ基およびＳｉ-Ｈ基が多く含まれる引張応力窒化膜１５を示し、図４Ｂは、Ｎ-Ｈ基およびＳｉ-Ｈ基がそれほど含まれていない引張応力窒化膜１５を示している。
引張応力窒化膜１５にＮ-Ｈ基やＳｉ-Ｈ基が多く含まれるときは、引張応力窒化膜１５中の多くのＳｉ原子およびＮ原子がＨ原子と結びついているので、図４Ａに示すように、Ｓｉ原子とＮ原子との間の結合（以下「Ｓｉ-Ｎ結合」という。）の数が少ない。引張応力窒化膜１５の引張応力はＳｉ原子とＮ原子との間の結合力に起因しているので、この場合は引張応力窒化膜１５の引張応力が比較的低くなる。
【００２４】
一方、引張応力窒化膜１５に含まれているＮ-Ｈ基やＳｉ-Ｈ基が少ないときは、図４Ｂに示すようにＳｉ-Ｎ結合の数が多い。このため、引張応力窒化膜１５の引張応力が比較的大きくなる。
０．４ＧＰａの引張応力を有する引張応力窒化膜１５および１．０ＧＰａの引張応力を有する引張応力窒化膜１５の吸光度スペクトルを、ＦＴＩＲ（フーリエ変換型赤外分光）法により求めた。
【００２５】
図５Ａは、０．４ＧＰａの引張応力を有する引張応力窒化膜１５におけるＦＴＩＲ法による吸光度スペクトルのグラフである。図５Ｂは、１．０ＧＰａの引張応力を有する引張応力窒化膜１５におけるＦＴＩＲ法による吸光度スペクトルのグラフである。図５Ａおよび図５Ｂでは、横軸は波数（wavenumber）を示し、縦軸は吸光度（absorbance）を、Ｓｉ-Ｎピーク吸光度を基準（１．０）として示している。
【００２６】
図５Ｂに示す引張応力窒化膜１５は、成膜圧力６００（Ｐａ）、シランガス流量１６０（ｓｃｃｍ）、アンモニアガス流量８００（ｓｃｃｍ）、窒素ガス流量９５００（ｓｃｃｍ）および高周波電力量６００（Ｗ）の条件下で作製した。また、図５Ａに示す引張応力窒化膜１５は、成膜圧力６００（Ｐａ）、シランガス流量５００（ｓｃｃｍ）、アンモニアガス流量３０００（ｓｃｃｍ）、窒素ガス流量２０００（ｓｃｃｍ）、高周波電力量１０００（Ｗ）の条件下で作製した。
【００２７】
図５Ａおよび図５Ｂでは、Ｎ-Ｈ基による吸光度は波数が３４００ｃｍ−１付近でピークを有し、Ｓｉ-Ｈ基による吸光度は波数が２１５０ｃｍ−１付近でピークを有している。図５Ａおよび図５Ｂにおいて、Ｎ-Ｈピーク面積（グラフにおけるＮ-Ｈ基のピーク付近の部分と横軸とで囲まれる領域の面積）およびＳｉ-Ｈピーク面積（グラフにおけるＳｉ-Ｈ基のピーク付近の部分と横軸とで囲まれる領域の面積）が、Ｎ-Ｈ基およびＳｉ-Ｈ基の数に相当する。１．０ＧＰａの引張応力を有する引張応力窒化膜１５（図５Ｂ参照）は、０．４ＧＰａの引張応力を有する引張応力窒化膜１５（図５Ａ参照）と比較して、そのＳｉ-Ｈピーク面積が著しく小さく、そのため、Ｎ-Ｈ基およびＳｉ-Ｈ基の数の総量が少ない。したがって、引張応力窒化膜１５の引張応力は、Ｎ-Ｈ基およびＳｉ-Ｈ基の数の総量と相関関係があることがわかる。
【００２８】
そして、図３中の「□」の条件下で形成された引張応力窒化膜１５の吸光度スペクトルを、ＦＴＩＲ法により測定した。
図６は、成膜時におけるシランガス（ＳｉＨ４）流量と引張ストレス（引張応力）との関係、および成膜時におけるシランガス流量とピーク面積との関係を示すグラフである。棒グラフは、成膜時におけるシランガス流量と引張ストレス（引張応力）との関係を示し、曲線のグラフは、成膜時におけるシランガス流量と、Ｎ-Ｈピーク面積およびＳｉ-Ｈピーク面積の和との関係を示している。
【００２９】
図６に示すように、Ｎ-Ｈピーク面積とＳｉ-Ｈピーク面積との和は、成膜時におけるシランガス（ＳｉＨ４）の流量が多いほど減少する傾向が見られた。一方、引張応力窒化膜１５の引張応力は、図６に示すようにシランガス（ＳｉＨ４）の流量が１７０〜１８０（ｓｃｃｍ）のときに極大値を有する。すなわち、引張応力窒化膜１５の引張応力は、シランガス流量１７０（ｓｃｃｍ）程度まではシランガスの流量の増加に従って高くなるが、シランガス流量１８０（ｓｃｃｍ）程度を超えると、シランガス（ＳｉＨ４）の流量の増加に従って低下するようになる。Ｎ-Ｈピーク面積およびＳｉ-Ｈピーク面積はＮ-Ｈ基およびＳｉ-Ｈ基の数に相当するので、したがって、引張応力窒化膜１５の引張応力が、当該引張応力窒化膜１５に含まれるＮ-Ｈ基およびＳｉ-Ｈ基の総量だけに基づいて変化しているのではないことがわかる。一方、シランガス（ＳｉＨ４）の流量の上昇に伴って、Ｎ-Ｈピーク面積に対するＳｉ-Ｈピーク面積の比は変化している。
【００３０】
図７は、Ｓｉ-Ｈピーク面積に対するＮ-Ｈピーク面積の比（以下、「ピーク面積比（Ｎ-Ｈ／Ｓｉ-Ｈ）」という。）と、引張応力窒化膜１５の引張ストレス（引張応力）（ＧＰａ）との関係を示す対数グラフである。図８は、図７の横軸の目盛りを、対数尺でなく、普通尺で表示したグラフである。
図７および図８から、「◆」を結ぶグラフの極大値は、ピーク面積比（Ｎ-Ｈ／Ｓｉ-Ｈ）が１．０〜４．０の範囲内にあることがわかる。また、「□」を結ぶグラフの極大値は、ピーク面積比（Ｎ-Ｈ／Ｓｉ-Ｈ）が１．３〜４．３の範囲内にあることがわかる。さらに、「●」を結ぶグラフの極大値は、ピーク面積比（Ｎ-Ｈ／Ｓｉ-Ｈ）が２．５〜２．７の範囲内にあることがわかる。したがって、３つのグラフの極大値が全て含まれるピーク面積比（Ｎ-Ｈ／Ｓｉ-Ｈ）は、２．５〜２．７の範囲である。
【００３１】
再び図５Ａおよび図５Ｂを参照して、ピーク面積比（Ｎ-Ｈ／Ｓｉ-Ｈ）と引張応力膜１５の引張応力との関係を説明する。図５Ａでは、Ｎ-Ｈピーク面積は４．７８である。また、Ｓｉ-Ｈピーク面積は１０．２６である。そして、ピーク面積比（Ｎ-Ｈ／Ｓｉ-Ｈ）は、０．４６である。このときの引張応力膜１５の引張応力は０．４ＧＰａであった。
一方、図５Ｂでは、Ｎ-Ｈピーク面積は２．３０である。また、Ｓｉ-Ｈピーク面積は０．９１である。そして、ピーク面積比（Ｎ-Ｈ／Ｓｉ-Ｈ）は、２．５４である。このときの引張応力膜１５の引張応力は１．０ＧＰａであった。このことから、ピーク面積比（Ｎ-Ｈ／Ｓｉ-Ｈ）が２．５〜２．７の範囲内となる構造を有する引張応力膜１５の引張応力は高いことがわかる。
【００３２】
この実施形態によれば、引張応力窒化膜１５は、赤外分光法により、Ｓｉ-Ｈピーク面積およびＮ-Ｈピーク面積を求めたときに、Ｓｉ-Ｈピーク面積に対するＮ-Ｈピーク面積の比（ピーク面積比）が２．５〜２．７の範囲内となる構造を有している。この様な構造を有する引張応力窒化膜１５は、その成膜条件にかかわらず、半導体層２のチャネル領域７に高い引張応力を加えることができる。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態を説明したが、この発明は、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１  半導体装置
２  半導体層
７  チャネル領域
１０  ゲート絶縁膜
１１  ゲート電極
１５  引張応力窒化膜
【図１】
2010245447.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2010245447.tif 000005
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３】
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【図４Ａ】
2010245447.tif 000010
【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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