(57)【要約】【課題】半導体基板との界面付近の窒素濃度の増加を抑制しつつ、逆側のゲート電極との界面付近の窒素濃度を高めたゲート絶縁膜を形成する。【解決手段】窒素含有ゲート絶縁膜１２を形成するステップが、シリコン単原子層を堆積するステップ及びシリコン単原子層を酸化するステップを順次に含み、半導体基板１１上にシリコン酸化膜２１を形成する酸化膜形成ステップと、シリコン酸化膜の表面部分２１ａを５００℃未満の基板温度でプラズマ窒化法により窒化する窒化ステップと、シリコン単原子層を堆積するステップ及びシリコン単原子層を５００℃未満の基板温度でプラズマ窒化法により窒化するステップを順次に含み、表面部分を窒化したシリコン酸化膜の表面にシリコン窒化膜２２を形成する窒化膜形成ステップと、を有し、窒素含有ゲート絶縁膜とゲート電極１３との界面での窒素濃度が、窒素含有ゲート絶縁膜と半導体基板との界面での窒素濃度よりも高い。【選択図】図３
2010123974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、厚みが１０ｎｍ以下である窒素含有ゲート絶縁膜と、前記窒素含有ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記窒素含有ゲート絶縁膜を形成するステップが、
シリコン単原子層を堆積するステップ、及び、該シリコン単原子層を酸化するステップを順次に含み、前記半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する酸化膜形成ステップと、
前記シリコン酸化膜の表面部分を５００℃未満の基板温度でプラズマ窒化法により窒化する窒化ステップと、
シリコン単原子層を堆積するステップ、及び、該シリコン単原子層を５００℃未満の基板温度でプラズマ窒化法により窒化するステップを順次に含み、前記表面部分を窒化したシリコン酸化膜の表面にシリコン窒化膜を形成する窒化膜形成ステップと、を有し、
前記窒素含有ゲート絶縁膜と前記ゲート電極との界面での窒素濃度が、前記窒素含有ゲート絶縁膜と前記半導体基板との界面での窒素濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、厚みが１０ｎｍ以下である窒素含有ゲート絶縁膜と、前記窒素含有ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記窒素含有ゲート絶縁膜を形成するステップが、
前記半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する酸化膜形成ステップと、
前記シリコン酸化膜の表面部分を５００℃未満の基板温度でプラズマ窒化法により窒化する窒化ステップと、
シリコン単原子層を堆積するステップ、及び、該シリコン単原子層を５００℃未満の基板温度でプラズマ窒化法により窒化するステップを順次に含み、前記表面部分を窒化したシリコン酸化膜の表面にシリコン窒化膜を形成する窒化膜形成ステップと、
前記窒化膜形成ステップに後続し、前記シリコン窒化膜上にシリコン酸化膜を形成するステップと、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、更に詳しくは、半導体基板上に窒素含有ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
モバイル製品等の普及に伴い、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等の半導体装置の低消費電力化が要請されている。半導体装置の低消費電力化を実現するために、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）のゲート絶縁膜に窒素を導入することによって、ゲート絶縁膜を薄膜化する手法が採用されている。ゲート絶縁膜に導入した窒素は、ゲート絶縁膜の誘電率を向上させると共に、膜を貫通しての不純物の拡散を防止し、ＭＯＳＦＥＴの特性を向上させる。
【０００３】
ところで、ゲート絶縁膜に窒素を導入する際には、シリコン基板との界面付近への窒素の拡散を抑制する必要がある。これは、シリコン基板との界面付近に窒素が蓄積すると、蓄積した窒素が不純物準位を形成し、しきい値電圧Ｖｔｈの変動やばらつき、キャリアのモビリティー低下など、ＭＯＳＦＥＴの様々な特性劣化を引き起こすためである。シリコン基板との界面付近における窒素の蓄積を防ぐために、例えばシリコン基板上にＳｉＯ２層を形成し、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等を用いて、このＳｉＯ２層上にＳｉＮ層を形成した２層構造のゲート絶縁膜が用いられている。
【０００４】
シリコン基板上に順次に積層されたＳｉＯ２層及びＳｉＮ層からなる２層構造のゲート絶縁膜については、例えば特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２０３９６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ＳｉＮ層の形成に際し、ゲート絶縁膜の信頼性向上を目的として、原子層蒸着（ＡＬＤ：Atomic Layer Deposition）法を用いることが考えられる。ＡＬＤ法を用いたＳｉＮ層の形成に際しては、シリコン単原子層の成膜、及び、成膜したシリコン単原子層の窒化によって原子レベルの厚みを有するＳｉＮ層を成膜し、このＳｉＮ層の成膜を繰り返すことによって所望の厚みを有するＳｉＮ層を形成する。ＡＬＤ法では、原子レベルでの成膜の繰り返しによって所望の厚みの層を形成するため、良好な膜質を有する層を形成できる。
【０００７】
しかし、ＡＬＤ法を用いたＳｉＮ層の成膜をＳｉＯ２層上で行うと、ＳｉＮ層中の窒素濃度が化学量論的組成での濃度よりも大幅に少なくなり、窒素濃度を充分に高めることが出来ない問題があった。良好な特性を有するＭＯＳＦＥＴを得るためには、ゲート電極との界面付近のゲート絶縁膜の窒素濃度を充分に高めることが必須である。
【０００８】
本発明は、上記に鑑み、半導体基板上に窒素含有ゲート絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法であって、ゲート絶縁膜の半導体基板との界面付近の窒素濃度の増加を抑制しつつ、逆側のゲート電極との界面付近の窒素濃度を高めることにより、良好な特性を有するＭＯＳＦＥＴを形成可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、窒素含有ゲート絶縁膜を有する半導体装置の製造方法であって、
前記窒素含有ゲート絶縁膜を形成するステップが、
半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する酸化膜形成ステップと、
前記シリコン酸化膜の表面部分を窒化する窒化ステップと、
シリコン単原子層を堆積するステップと、該シリコン単原子層を窒化するステップとを順次に含み、前記表面部分を窒化したシリコン酸化膜の表面にシリコン窒化膜を形成する窒化膜形成ステップと、
を有することを特徴とする。
また、上記発明の一態様に係る発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、厚みが１０ｎｍ以下である窒素含有ゲート絶縁膜と、前記窒素含有ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記窒素含有ゲート絶縁膜を形成するステップが、
シリコン単原子層を堆積するステップ、及び、該シリコン単原子層を酸化するステップを順次に含み、前記半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する酸化膜形成ステップと、
前記シリコン酸化膜の表面部分を５００℃未満の基板温度でプラズマ窒化法により窒化する窒化ステップと、
シリコン単原子層を堆積するステップ、及び、該シリコン単原子層を５００℃未満の基板温度でプラズマ窒化法により窒化するステップを順次に含み、前記表面部分を窒化したシリコン酸化膜の表面にシリコン窒化膜を形成する窒化膜形成ステップと、を有し、
前記窒素含有ゲート絶縁膜と前記ゲート電極との界面での窒素濃度が、前記窒素含有ゲート絶縁膜と前記半導体基板との界面での窒素濃度よりも高いことを特徴とする。
さらに、上記発明の一態様に係る発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、厚みが１０ｎｍ以下である窒素含有ゲート絶縁膜と、前記窒素含有ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記窒素含有ゲート絶縁膜を形成するステップが、
前記半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する酸化膜形成ステップと、
前記シリコン酸化膜の表面部分を５００℃未満の基板温度でプラズマ窒化法により窒化する窒化ステップと、
シリコン単原子層を堆積するステップ、及び、該シリコン単原子層を５００℃未満の基板温度でプラズマ窒化法により窒化するステップを順次に含み、前記表面部分を窒化したシリコン酸化膜の表面にシリコン窒化膜を形成する窒化膜形成ステップと、
前記窒化膜形成ステップに後続し、前記シリコン窒化膜上にシリコン酸化膜を形成するステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、窒化膜形成ステップが、シリコン単原子層を堆積するステップと、該シリコン単原子層を窒化するステップとを順次に含むことによって、原子レベルの厚みを有するシリコン窒化膜の成膜を繰り返し、良好な膜質を有するシリコン窒化膜を形成できる。
【００１１】
また、窒化膜形成ステップに先立って、シリコン酸化膜の表面部分を窒化する窒化ステップを有することによって、化学量論的組成であるＳｉ３Ｎ４に近い高い窒素濃度を有するシリコン窒化膜を形成できる。窒化ステップではシリコン酸化膜の表面から窒素が導入されるが、シリコン酸化膜の表面部分の窒化量は僅かでよいため、半導体基板との界面付近への窒素の拡散を充分に抑制できる。従って、ゲート絶縁膜（窒素含有ゲート絶縁膜）の半導体基板との界面付近での窒素濃度の増加を抑制しつつ、逆側のゲート電極との界面付近の窒素濃度を高めることが出来る。
【００１２】
本発明の好適な態様では、前記酸化膜形成ステップは、シリコン単原子層を堆積するステップと、該シリコン単原子層を酸化するステップとを順次に含む。シリコン酸化膜の膜質を高め、シリコン酸化膜を薄膜化しつつも、半導体基板側への窒素の拡散を効果的に抑制できる。本発明の好適な態様では、前記窒化ステップを、５００℃未満の基板温度でプラズマ窒化法により行う。半導体基板側への窒素の拡散をより効果的に抑制できる。
【００１３】
従来の製造方法では、ゲート絶縁膜の厚みが１０ｎｍ以下である場合に、ゲート絶縁膜の半導体基板との界面付近での窒素濃度の増加を抑制しつつ、逆側のゲート電極との界面付近の窒素濃度を高めることが容易でない。従って、本発明の製造方法では、ゲート絶縁膜の厚みが１０ｎｍ以下である場合に、従来の製造方法に比して、上記本発明の効果を効果的に得ることが出来る。本発明では、シリコン窒化膜中の窒素濃度を化学量論的組成であるＳｉ３Ｎ４における窒素濃度に近づけることが出来る。従って、前記シリコン窒化膜の主成分が例えばＳｉ３Ｎ４である。
【００１４】
本発明では、前記窒化膜形成ステップが、前記シリコン単原子層を堆積するステップと、前記シリコン単原子層を窒化するステップとを交互に複数回含んでもよい。シリコン単原子層を堆積するステップと、前記シリコン単原子層を窒化するステップとを繰り返す回数を調節することによって、シリコン窒化膜の厚みを制御できる。
【００１５】
本発明では、前記窒素含有ゲート絶縁膜を形成するステップが、前記酸化膜形成ステップ、窒化ステップ及び窒化膜形成ステップを含む処理を繰り返し有してもよい。それぞれの酸化膜形成ステップ及び窒化膜形成ステップで形成するシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の厚みを調節することによって、ゲート絶縁膜の厚み方向に、窒素濃度の傾斜を持たせることが出来る。
【００１６】
本発明では、前記窒素含有ゲート絶縁膜を形成するステップが、前記窒化膜形成ステップに後続し、前記シリコン窒化膜上にシリコン酸化膜を形成するステップを更に有してもよい。ゲート電極との界面付近の窒素濃度を低減することによって、ゲート電極の空乏化を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法で製造される、半導体装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１のゲート絶縁膜を形成する手順を示すフローチャートである。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、図２のステップＳ１１〜Ｓ１３における、ゲート絶縁膜の断面をそれぞれ示す断面図である。
【図４】実施例１の半導体装置における、ゲート絶縁膜中の窒素濃度プロファイルを示すグラフである。
【図５】本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造方法について、ゲート絶縁膜を形成する手順を示すフローチャートである。
【図６】実施例２の半導体装置における、ゲート絶縁膜中の窒素濃度プロファイルを示すグラフである。
【図７】実施例３の半導体装置における、ゲート絶縁膜中の窒素濃度プロファイルを示すグラフである。
【図８】本発明の第３実施形態に係る半導体装置の製造方法について、ゲート絶縁膜を形成する手順を示すフローチャートである。
【図９】実施例４の半導体装置における、ゲート絶縁膜中の窒素濃度プロファイルを示すグラフである。
【図１０】比較例１の半導体装置を製造する製造方法について、ゲート絶縁膜を形成する手順を示すフローチャートである。
【図１１】比較例１の半導体装置における、ゲート絶縁膜中の窒素濃度プロファイルを示すグラフである。
【図１２】図１０のフローチャートのステップＳ１０２における、ゲート絶縁膜の表面部分の窒素濃度と窒化時間との関係を示すグラフである。
【図１３】比較例２の半導体装置を製造する製造方法について、ゲート絶縁膜を形成する手順を示すフローチャートである。
【図１４】比較例２の半導体装置における、ゲート絶縁膜中の窒素濃度プロファイルを示すグラフである。
【図１５】ＳｉＯ２層上へのＳｉの堆積膜厚と、堆積時間との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、図面を参照し、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法で製造される、半導体装置の構成を示す断面図である。半導体装置１０は、シリコン基板１１と、シリコン基板１１上に形成されたゲート絶縁膜１２と、ゲート絶縁膜１２上に形成されたゲート電極１３とを備える。ゲート絶縁膜１２は、酸窒化シリコンからなり、膜中の窒素濃度は、シリコン基板１１からゲート電極１３に向かって順次に高くなっている。ゲート電極１３は、ホウ素が導入されたポリシリコンからなる。
【００１９】
図２は、図１のゲート絶縁膜１２を形成する手順を示すフローチャートである。図３（ａ）〜（ｃ）は、図２のステップＳ１１〜Ｓ１３における、ゲート絶縁膜１２の断面をそれぞれ示す断面図である。先ず、シリコン基板１１表面の洗浄を行う。次いで、図３（ａ）に示すように、ＡＬＤ法を用いて、シリコン基板１１上にＳｉＯ２層２１を形成する（ステップＳ１１）。ＡＬＤ法を用いたＳｉＯ２層２１の形成に際しては、シリコン単原子層を成膜し、成膜したシリコン単原子層を酸化して原子レベルの厚みを有するＳｉＯ２層を形成するＳｉＯ２層形成処理を１〜複数回行う。
【００２０】
シリコン単原子層の成膜に際しては、例えばジクロロシランガスをプリカーサとし、その熱分解により行う。基板温度は、５００℃以上に設定する。この基板温度によって、７０秒で下地上へのシリコンの堆積が飽和し、約０．２ｎｍの厚みを有するシリコン単原子層が成膜される。シリコン単原子層が成膜されると、同じ条件で成膜処理を継続しても、もはやシリコンは堆積されない。シリコン単原子層の酸化に際しては、基板温度を、例えば４５０〜５００℃の範囲に設定し、酸素雰囲気中に６０〜１８０秒程度晒す。
【００２１】
引き続き、シリコン基板１１を成膜装置内に保持したままで行うin-situでのプラズマ
窒化によって、図３（ｂ）の符号２１ａに示すように、ＳｉＯ２層２１の表面部分を僅かに窒化させる（ステップＳ１２）。プラズマ窒化には、ＮＨ３プラズマを用いる。なお、
約０．２ｎｍの厚みを有するシリコン単原子層を酸化すると、約０．４ｎｍの厚みを有するＳｉＯ２層が形成される。一方、後続するプラズマ窒化では膜厚は殆ど変動しない。
【００２２】
次いで、図３（ｃ）に示すように、ＡＬＤ法を用いて、表面部分が窒化されたＳｉＯ２層２１上にＳｉＮ層２２を形成する（ステップＳ１３）。ＡＬＤ法を用いたＳｉＮ層２２の形成に際しては、シリコン単原子層を成膜し、成膜したシリコン単原子層を窒化して原子レベルの厚みを有するＳｉＮ層を形成するＳｉＮ層形成処理を１〜複数回行う。
【００２３】
シリコン単原子層の成膜に際しては、ステップＳ１１のシリコン単原子層の成膜と同様の条件で行う。シリコン単原子層の窒化に際しては、ステップＳ１２と同様に、ＮＨ３プラズマを用いたプラズマ窒化によって行う。このプラズマ窒化に際しては、窒素の過度の拡散を抑制するために、基板温度を５００℃未満に設定する。
【００２４】
本実施形態の製造方法によれば、ＳｉＮ層２２の形成に先立って、プラズマ窒化によりＳｉＯ２層２１の表面部分を窒化することによって、化学量論的組成であるＳｉ３Ｎ４に近い高い窒素濃度を有するＳｉＮ層２２を形成できる。
【００２５】
プラズマ窒化によるＳｉＯ２層２１の表面部分の窒化に際しては、ＳｉＯ２層２１の表面から窒素が導入されるが、ＳｉＯ２層２１の表面部分の窒化量は僅かでよく、また、ＡＬＤ法によって良好な膜質を有するＳｉＯ２層２１が形成されているので、シリコン基板１１との界面付近への窒素の拡散を充分に抑制できる。また、プラズマ窒化に際して、基板温度を５００℃未満に設定することによって、シリコン基板１１との界面付近への窒素の拡散をより効果的に抑制できる。
【００２６】
従って、ゲート絶縁膜１２のシリコン基板１１との界面付近の窒素濃度の増加を抑制しつつ、逆側のゲート電極１３との界面付近の窒素濃度を高めることができ、良好な特性を有するＭＯＳＦＥＴを形成できる。
【００２７】
図１５は、図２のステップＳ１３において、ＳｉＯ２層２１上にＳｉを堆積する際の堆積膜厚と堆積時間との関係を示すグラフである。同図中、グラフ（ｉ）は、上記製造方法と同様に、ＳｉＯ２層２１の表面部分の窒化を行った例を、グラフ（ii）は、上記実施形態とは異なり、ＳｉＯ２層２１の表面部分の窒化を行わなかった例をそれぞれ示している。同図に示すように、グラフ（ii）の例では、Ｓｉの堆積が始まるまでに多くの時間を要するのに対して、グラフ（ｉ）の例では、堆積の開始とほぼ同時にＳｉの堆積が始まっている。このように、ＳｉＮ層２２の形成に先立って、ＳｉＯ２層２１の表面部分を窒化することによって、Ｓｉの堆積を容易に行うことが出来る。
【００２８】
［実施例１］
第１実施形態の製造方法を用いて実施例１の半導体装置を製造した。実施例１の半導体装置の製造に際しては、ステップＳ１１のＳｉＯ２層形成処理の回数を５回、ステップＳ１３のＳｉＮ層形成処理の回数を２０回とした。ゲート絶縁膜１２中の窒素濃度プロファイルを図４に示す。ＳｉＯ２層形成処理の回数に比してＳｉＮ層形成処理の回数を充分に多くしたので、ＳｉＯ２層２１に対するＳｉＮ層２２の厚みが充分に大きくなっている。従って、ゲート絶縁膜１２の誘電率が大幅に高まり、従来の半導体装置に比して消費電力を大幅に低減できる。ゲート絶縁膜１２のシリコン基板１１との界面付近の窒素濃度は充分に抑えられている。
【００２９】
図５は、本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造方法について、ゲート絶縁膜を形成する手順を示すフローチャートである。本実施形態の製造方法では、ゲート絶縁膜１２の形成に際して、ステップＳ１１〜Ｓ１３のフローを複数サイクル繰り返す。本実施形態によれば、ステップＳ１１〜Ｓ１３の各フローにおいて、ＳｉＯ２層形成処理の回数に対するＳｉＮ層形成処理の回数の割合を調節することによって、ゲート絶縁膜１２の厚み方向の窒素濃度プロファイルを正確に制御できる。
【００３０】
［実施例２］
第２実施形態の製造方法を用いて実施例２の半導体装置を製造した。実施例２の半導体装置の製造に際しては、ステップＳ１１〜Ｓ１３のフローを５サイクル行った。また、１サイクル目のフローで、ＳｉＯ２層形成処理の回数を５回、ＳｉＮ層形成処理の回数を１回とし、２サイクル目のフローからＳｉＯ２層形成処理の回数を１つずつ減らし、５サイクル目のフローで、ＳｉＯ２層形成処理の回数を１回、ＳｉＮ層形成処理の回数を１回とした。
【００３１】
ゲート絶縁膜１２中の窒素濃度プロファイルを図６に示す。２サイクル目以降の各フローで、ＳｉＯ２層形成処理の回数を１つずつ減らしたので、ゲート絶縁膜１２中の窒素濃度は、シリコン基板１１との界面からゲート電極１３との界面に向かって略直線的に増加している。実施例２の半導体装置では、ゲート絶縁膜１２の膜全体における窒素濃度は２５％であり、上記実施形態の製造方法によって、ＳｉＮ層中の窒素濃度が効果的に高められていると評価できる。
【００３２】
［実施例３］
第２実施形態の製造方法を用いて実施例３の半導体装置を製造した。実施例３の半導体装置の製造に際しては、ステップＳ１１〜Ｓ１３のフローを６サイクル行った。また、１サイクル目のフローで、ＳｉＯ２層形成処理の回数を５回、ＳｉＮ層形成処理の回数を１回とし、２〜４サイクル目のフローで、ＳｉＯ２層形成処理の回数を１回、ＳｉＮ層形成処理の回数を１回とし、６サイクル目のフローで、ＳｉＯ２層形成処理の回数を１回、ＳｉＮ層形成処理の回数を１０回とした。
【００３３】
ゲート絶縁膜１２中の窒素濃度プロファイルを図７に示す。ＳｉＮ層形成処理の回数を段階的に増やしたので、ゲート絶縁膜１２中の窒素濃度は、シリコン基板１１との界面付近、及び、ゲート電極１３との界面付近で段階的に増加している。図６、７の窒素濃度プロファイルを有するゲート絶縁膜１２は、図４の窒素濃度プロファイルを有するゲート絶縁膜１２に比して、誘電率は低いものの、シリコン基板１１との界面付近での窒素濃度をより効率的に低減できる。
【００３４】
図８は、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の製造方法について、ゲート絶縁膜を形成する手順を示すフローチャートである。本実施形態の製造方法では、ゲート絶縁膜１２の形成に際して、ステップＳ１１〜Ｓ１３のフローを１サイクル行い、又は、複数サイクル繰り返した後、ステップＳ１１と同様のＳｉＯ２層形成処理（ステップＳ１４）を行う。
【００３５】
ところで、ゲート電極１３との界面付近に存在する窒素は、その界面付近で不純物準位を形成することによって、ゲート電極１３を僅かに空乏化させる。本実施形態の製造方法では、ゲート絶縁膜１２の形成に際して、最後にステップＳ１４のＳｉＯ２層形成処理を行うので、ゲート電極１３との界面付近の窒素濃度を低減し、ゲート電極１３の空乏化を抑制できる。
【００３６】
［実施例４］
第３実施形態の製造方法を用いて実施例４の半導体装置を製造した。実施例４の半導体装置の製造に際しては、ステップＳ１１〜Ｓ１３のフローを１サイクル行った後、ステップＳ１４を行った。ステップＳ１１〜Ｓ１３のフローでは、ＳｉＯ２層形成処理の回数を５回、ＳｉＮ層形成処理の回数を１５回とした。ステップＳ１４では、ＳｉＯ２層形成処理の回数を５回とした。ゲート絶縁膜１２中の窒素濃度プロファイルを図９に示す。ゲート絶縁膜１２の厚み方向の中央付近の窒素濃度が高く、シリコン基板１１との界面付近、及び、ゲート電極１３との界面付近の窒素濃度が低くなっている。
【００３７】
［比較例１］
図１０は、上記実施形態の比較例１に係る半導体装置を製造する製造方法について、ゲート絶縁膜を形成する手順を示すフローチャートである。本比較例の半導体装置の製造に際しては、シリコン基板１１上にＣＶＤ法を用いてＳｉＯ２膜を１０ｎｍの厚みに成膜した後（ステップＳ１０１）、形成したＳｉＯ２膜のプラズマ窒化を行い（ステップＳ１０２）、窒素を含むゲート絶縁膜１２を形成する。
【００３８】
ゲート絶縁膜１２中の窒素濃度プロファイルを図１１に示す。ゲート絶縁膜１２中の窒素濃度は、ゲート電極１３との界面よりも内側で高くなると共に、ゲート絶縁膜１２の表面から導入された窒素がシリコン基板１１との界面に達し、シリコン基板１１との界面付近の窒素濃度が増加している。このように、本比較例の半導体装置では、シリコン基板１１との界面付近での窒素濃度を充分に低減できなかった。
【００３９】
図１２は、図１０のフローチャートのステップＳ１０２における、ゲート絶縁膜１２の表面付近の窒素濃度とプラズマ窒化の時間（窒化時間）との関係を示すグラフである。ゲート絶縁膜１２の表面付近の窒素濃度は、窒化時間の経過に伴って増加するものの、その増加が次第に緩やかになる。この製造方法では、窒素濃度を２５％程度よりも高くすることは出来ず、化学量論的組成比であるＳｉ３Ｎ４に近づけることは出来なかった。
【００４０】
［比較例２］
図１３は、上記実施形態の比較例２に係る半導体装置を製造する製造方法について、ゲート絶縁膜を形成する手順を示すフローチャートである。本比較例の半導体装置の製造に際しては、図１０のフローチャートにおいて、ステップＳ１０２に後続し、シリコン基板１１との界面付近の不純物準位の低減を目的として、ステップＳ１０３の酸化処理を行う。
【００４１】
ゲート絶縁膜１２中の窒素濃度プロファイルを図１４に示す。本比較例の半導体装置の製造に際しては、酸化処理の際の熱によって、ゲート絶縁膜１２中の窒素がシリコン基板１１側に更に拡散し、シリコン基板１１との界面付近の窒素濃度が、比較例１の半導体装置に比して更に増加した。従って、酸化処理による不純物準位の低減が、窒素の拡散による不純物準位の増加によって相殺され、シリコン基板１１との界面付近の不純物準位を充分に抑制することが出来なかった。
【００４２】
上記のように、比較例１，２の半導体装置では、ゲート絶縁膜１２のシリコン基板１１との界面付近の窒素濃度を抑制しつつ、ゲート電極１３との界面付近の窒素濃度を充分に高めることが出来なかった。従って、第１〜第３実施形態に示したように、ＳｉＯ２層の表面部分２１ａをプラズマ窒化した後、ＡＬＤ法によってＳｉＮ層２２を成膜する製造方法を採用することとした。
【００４３】
なお、上記第１〜第３実施形態では、ステップＳ１１におけるＳｉＯ２層２１の形成をＡＬＤ法で行っているが、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法で行うことも出来る。しかし、ＡＬＤ法で行うことによって、ＳｉＯ２層２１の膜質を高め、ＳｉＯ２層２１を薄膜化しつつも、シリコン基板１１側への窒素の拡散を効果的に抑制できる。従って、上記第１〜第３実施形態では、ＡＬＤ法を採用した。
【００４４】
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明に係る半導体装置の製造方法は、上記実施形態の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施した半導体装置の製造方法も、本発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４５】
１１：シリコン基板
１２：ゲート絶縁膜
１３：ゲート電極
２１：ＳｉＯ２層
２１ａ：ＳｉＯ２層の表面部分
２２：ＳｉＮ層
【図１】
2010123974.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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