(57)【要約】【課題】トランジスタ特性に優れ、ゲート絶縁膜のゲート電極の近傍の領域中で電荷や電界の集中が起こらない半導体装置を提供する。【解決手段】半導体装置は、トランジスタを備える。トランジスタのゲート絶縁膜は窒素原子及び酸素原子を含有する。ゲート絶縁膜は、半導体層に接する第１の面及びゲート電極に接する第２の面において窒素原子を含有せず、第1の面と第２の面の間に窒素原子濃度のピークを有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体層と、
前記半導体層上に順に設けられたゲート絶縁膜、及びゲート電極と、
前記半導体層内に設けられたソース／ドレイン領域と、
を有するトランジスタを備えた半導体装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、窒素原子及び酸素原子を含有し、
前記ゲート絶縁膜は、前記半導体層に接する第１の面及び前記ゲート電極に接する第２の面において窒素原子を含有せず、前記第1の面と第２の面の間に窒素原子濃度のピークを有する半導体装置。
【請求項２】
前記ソース／ドレイン領域の一方に接続されたビット線と、
前記ソース／ドレイン領域の他方に接続されたキャパシタと、
を有し、
前記半導体装置は、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）を構成する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ゲート絶縁膜はシリコン酸窒化膜である、請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ゲート絶縁膜の膜厚は１．２ｎｍ以下である、請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ゲート絶縁膜は第１の面からその厚み方向に０．２５ｎｍまでの領域中に窒素原子を含有しない、請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記ゲート絶縁膜は第２の面からその厚み方向に０．２５ｎｍまでの領域中に窒素原子を含有しない、請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ゲート絶縁膜として、酸素原子及び窒素原子を含有する膜が使用されている。
【０００３】
特許文献１（特開２００９−２５２８９５号公報）、特許文献２（特開２００９−２２４８１２号公報）、及び特許文献３（特開２００９−２００２１１号公報）には、ゲート絶縁膜としてＳｉＯＮ膜を使用した例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２５２８９５号公報
【特許文献２】特開２００９−２２４８１２号公報
【特許文献３】特開２００９−２００２１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の酸素原子及び窒素原子を含有するゲート絶縁膜では、厚さ方向の窒素濃度分布について、十分に検討されていなかった。従来のゲート絶縁膜の形成方法ではまず、シリコン基板の表面上にシリコン酸化膜を形成後、窒化処理によってシリコン酸化膜中に窒素原子を導入してシリコン酸窒化膜とする。ＳＩＭＳによって測定した、シリコン酸窒化膜中の酸素原子と窒素原子の厚み方向の濃度分布を図１中の点線（酸化前）で示す。なお、図１において、「シリコン基板」は、ゲート絶縁膜と接し、かつＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｏｒｙ：２次イオン質量分析法）によって測定した酸素原子濃度が０ａｔｏｍ％の領域とする。図１の上部には、酸化前の酸素濃度分布を基準にして、「ゲート絶縁膜」、「シリコン基板」を示す。
【０００６】
次に、シリコン酸窒化膜表面のシリコンのダングリングボンドを終端させるために酸化処理を行うことによってゲート絶縁膜を形成する。この酸化処理としては一般的に、低圧ドライ酸化処理が行われている。低圧ドライ酸化処理としては例えば、下記の条件が用いられている。
プロセスガス名及び流量：窒素（Ｎ２）／酸素（Ｏ２）＝１０００／１０００ｓｃｃｍ
加熱温度：８００〜１１００℃
圧力：１〜１０Ｔｏｒｒ。
【０００７】
この際、この低圧ドライ酸化処理後のシリコン酸窒化膜中の酸素原子と窒素原子の厚み方向の濃度分布を図１中の実線（酸化後）で示す。図１に示すように、低圧ドライ酸化処理によってシリコン酸窒化膜中の酸素原子と窒素原子の厚み方向の濃度分布は変化する。図１から、シリコン酸窒化膜を構成する窒素原子は全体的にシリコン基板側にシフトし、そのシフト量はシリコン酸窒化膜の表面近傍側（横軸の０．１ｎｍの位置の近傍）で０．１ｎｍ程度であるのに対して、シリコン基板１の近傍側（横軸の０．９ｎｍの位置の近傍）では０．５ｎｍ程度となっていることが分かる。また、酸素原子濃度が０ａｔｏｍ％の領域にも窒素原子が存在しており、シリコン基板内にまで窒素原子が拡散していることが分かる。
【０００８】
このような現象が起こる理由は、低圧ドライ酸化処理では窒素原子と酸素原子が反応せず、酸素原子の拡散と共に窒素原子もシリコン基板側に拡散するため、窒素原子と酸素原子が全体的にシリコン基板側にシフトしたためと考えられる。さらに、シリコン基板近傍では、酸素原子とシリコン基板間の分子間力も加算されて、拡散現象が顕著になるためと考えられる。
【０００９】
図１に示したように、窒素原子がシリコン基板中にまで達すると、シリコン基板中に欠陥が生じるため、その欠陥に伴う固定電荷が発生する。このようにシリコン基板中、及びゲート絶縁膜のシリコン基板近傍に窒素原子が存在すると、固定電荷の発生によりトランジスタ特性が低下する場合があった。
【００１０】
また、従来のゲート絶縁膜では、ゲート絶縁膜のゲート電極との界面近傍に窒素原子が存在する場合があった。この場合、窒素原子に起因する電荷の集中が起こったり、窒素原子による局所的なゲート絶縁膜の高誘電率化が起こり、ゲート絶縁膜とゲート電極の界面で電界集中が起こる場合があった。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明はトランジスタ特性に優れ、ゲート絶縁膜のゲート電極近傍の領域中で電荷や電界の集中が起こらない半導体装置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】
【００１２】
一実施形態は、
半導体層と、
前記半導体層上に順に設けられたゲート絶縁膜、及びゲート電極と、
前記半導体層内に設けられたソース／ドレイン領域と、
を有するトランジスタを備えた半導体装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、窒素原子及び酸素原子を含有し、
前記ゲート絶縁膜は、前記半導体層に接する第１の面及び前記ゲート電極に接する第２の面において窒素原子を含有せず、前記第1の面と第２の面の間に窒素原子濃度のピークを有する半導体装置に関する。
【発明の効果】
【００１３】
トランジスタ特性に優れ、ゲート絶縁膜のゲート電極近傍の領域中で電荷や電界の集中が起こらない半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のゲート絶縁膜中の酸素原子と窒素原子の厚み方向の濃度分布を表す図である。
【図２Ａ】本発明の半導体装置の一例の製造方法を表す図である。
【図２Ｂ】本発明の半導体装置の一例の製造方法を表す図である。
【図２Ｃ】本発明の半導体装置の一例の製造方法を表す図である。
【図３Ａ】本発明の半導体装置の一例の製造方法を表す図である。
【図３Ｂ】本発明の半導体装置の一例の製造方法を表す図である。
【図４】本発明のゲート絶縁膜中の酸素原子と窒素原子の厚み方向の濃度分布を表す図である。
【図５】本発明のゲート絶縁膜中の酸素原子と窒素原子の厚み方向の濃度分布を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
半導体装置はトランジスタを有する。このトランジスタのゲート絶縁膜は窒素原子及び酸素原子を含有し、ゲート絶縁膜は半導体層に接する第１の面及びゲート電極に接する第２の面を有する。ゲート絶縁膜は第1及び第２の面において窒素原子を含有せず、第1の面と第２の面の間に、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｏｒｙ：２次イオン質量分析法）によって測定した窒素原子濃度のピークを有する。
【００１６】
このように第1の面において窒素原子を含有しないことによって、半導体層内に拡散する窒素原子も存在しないこととなる。この結果、半導体層内の窒素原子に起因する固定電荷が発生してトランジスタ特性が劣化することを防止できる。また、第２の面において窒素原子を含有しないことによって、窒素原子に起因する電荷の集中が起こったり、電界集中が起こることを防止できる。
【００１７】
なお、本明細書及び特許請求の範囲において、「ゲート絶縁膜」とはゲート電極と接し、かつ、窒素原子及び酸素原子を含有する層のことを表す。ゲート絶縁膜は、一部の領域中に窒素原子を含有していなくても良い。「半導体層」とはゲート絶縁膜と接し、かつＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｏｒｙ：２次イオン質量分析法）によって測定した酸素原子濃度が０ａｔｏｍ％の領域を表す。従って、ラジカル酸化処理によって酸素原子が半導体層側に拡散する場合には、半導体層及びゲート絶縁膜の占める領域、並びに第1の面の位置も変化することとなる。半導体層としては典型的には、シリコン基板を用いる。
【００１８】
以下では、図面を参照して、本発明の具体的な態様を説明する。なお、下記実施例は、本発明のより一層の深い理解のために示される具体例であって、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。
【００１９】
（第１実施例）
以下に、図２及び３を用いて、本実施例の半導体装置の製造方法を説明する。まず、図２Ａに示すように、シリコン基板１（半導体層に相当する）上に、熱酸化法によって１．１ｎｍ厚のシリコン酸化膜２を成膜する。熱酸化法としてはラジカル酸化法が望ましく、例えば、加熱温度を１０５０℃、プロセスガスとして酸素と窒素を用いて、熱酸化を行うことができる。
【００２０】
次に、図２Ｂに示すように、シリコン酸化膜２上に下記条件のプラズマ窒化処理を行う。
装置名：東京エレクトロン社Ｔｒｉａｓ  ＳＰＡ（Ｓｌｏｔ  Ｐｌａｎｅ  Ａｎｔｅｎｎａ）
プロセスガス名及び流量：窒素（Ｎ２）／アルゴン（Ａｒ）＝１０００／１０００ｓｃｃｍ
パワー：１０００〜３０００Ｗ
圧力：１Ｔｏｒｒ以下
ウェハ温度：４００℃。
【００２１】
シリコン酸化膜２中に窒化物分布層（窒化シリコン［ＳｉＮ］や窒素酸化物［ＮＯ］などの混在層）を含むシリコン酸窒化膜３を形成する。図４は、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｏｒｙ：２次イオン質量分析法）によって、プラズマ窒化した１．１ｎｍ厚のシリコン酸窒化膜中に含まれる窒素原子（Ｎ）と酸素原子（Ｏ）の厚み方向の分布を調査した結果を表したものである。
【００２２】
図４より、１．１ｎｍ厚のシリコン酸窒化膜３の両側の面近傍（横軸の０ｎｍ、１．１ｎｍ近傍）には窒素が存在せず、両側の面の間で窒素原子濃度が４５ａｔｏｍ％のピーク値を示すことが分かる。また、シリコン酸窒化膜３中の酸素濃度は６０ａｔ％でほぼ一定となっているが、シリコン酸窒化膜３とシリコン基板の界面（第１の面）付近で急激に減少していることが分かる。
【００２３】
上記プラズマ窒化処理によって、シリコン酸窒化膜３がプラズマに曝され、その表面にシリコンのダングリングボンドが形成される。このため、図２Ｃに示すように、下記条件のラジカル酸化を行って、酸素原子でダングリングボンドを終端させる。
プロセスガス名及び流量：水素（Ｈ２）／酸素（Ｏ２）＝４００／１９６００ｓｃｃｍ
加熱温度：８００〜１１００℃
圧力：１〜１０Ｔｏｒｒ。
【００２４】
このラジカル酸化ではダングリングボンドを終端させるとともに、酸素がシリコン酸窒化膜３内に拡散する。この拡散した酸素は、シリコン酸窒化膜３を酸化してゲート絶縁膜１２（シリコン酸窒化膜）にするとともに、シリコン基板１に到達してシリコン基板１を酸化する。
【００２５】
図５の実線（酸化後）は、ＳＩＭＳによって、ラジカル酸化後のプラズマ窒化した１．２ｎｍ厚のゲート絶縁膜１２中に含まれる窒素（Ｎ）と酸素（Ｏ）の厚み方向の分布を調査した結果を表したものである。なお、図５の上部には、酸化前の酸素濃度分布を基準にして、「ゲート絶縁膜」、「シリコン基板」が示されている。図５に示すように、横軸の約０．５ｎｍの位置において、窒素原子濃度は約４０ａｔｏｍ％のピーク値を示すことが分かる。
【００２６】
また、シリコン酸窒化膜３中の窒素濃度分布はゲート絶縁膜１２の表面近傍側（横軸の０．１ｎｍの位置の近傍）だけがシリコン基板１側にシフトしており、シフト量は０．１５ｎｍ程度となっていることが分かる。このため、ゲート絶縁膜はその表面（第１の面；横軸０ｎｍの面）から０．２５ｎｍの領域には、窒素原子が存在しないこととなる。また、ゲート絶縁膜中のシリコン基板近傍の窒素原子はシリコン基板側に拡散しないため、そのシリコン基板と接する面（第２の面；横軸約１．２ｎｍの面）から０．２５ｎｍの領域には、窒素原子が存在しないこととなる。また、ゲート絶縁膜の膜厚は、ラジカル酸化後に１．２ｎｍとなっていることが分かる。ラジカル酸化後のゲート絶縁膜の膜厚が１．２ｎｍ以下の場合、特に、従来の低圧ドライ酸化処理を行うと、図１に示すように、酸素原子が存在しないシリコン基板中にまで窒素原子が拡散し易くなる。これに対して、本実施例のゲート絶縁膜ではシリコン基板側の窒素原子の分布が変化しないため、酸素原子がシリコン基板中にまで拡散せず、固定電荷の発生を効果的に防止することができる。
【００２７】
このような現象が発生する理由は、ラジカル酸化では酸素がラジカル状態となっており、低圧ドライ酸化よりも酸化作用が強いため、シリコン酸窒化膜中に拡散して最初の被酸化物であるシリコン酸窒化膜の窒化物と反応したためと考えられる。この窒素原子と反応する酸素は、常にシリコン酸窒化膜の表面側に存在するため、窒素原子分布はシリコン酸窒化膜の表面近傍の窒素だけがシフトするためと考えられる。
ＮＯ＋Ｏ→ＮＯ２
ＳｉＮ＋Ｏ→ＳｉＯＮ。
【００２８】
従って、このラジカル酸化では、従来、用いられてきた低圧ドライ酸化と異なり、窒素原子がシリコン基板１に達することは無く、シリコン基板１の欠陥に伴う固定電荷も発生しなくなる。
【００２９】
図３Ａに示すように、ゲート絶縁膜１２上に、ポリシリコンであるゲート電極４、タングステンシリサイドであるゲート電極５、タングステンであるゲート電極６を順次、積層する。さらに、窒化シリコンであるエッチングマスク層７を成膜してから、フォトリソグラフィとドライエッチングによって、ゲートパターンを形成する。例えば、Ｐチャネルトランジスタでは、ポリシリコン５中にボロン（Ｂ）をドープする。
【００３０】
図３Ｂに示すように、エッチングマスク層７上に、窒化シリコンを成膜してからエッチバックして、ゲートパターンの側面部だけに窒化シリコンであるサイドウォール膜８を被覆させることによって、トランジスタを完成させる。
【００３１】
上記のように、このトランジスタは、シリコン基板１中に窒素原子が存在しないため、シリコン基板１の欠陥に伴う固定電荷が発生することがない。このため、トランジスタ特性の劣化を防止することができる。また、ゲート絶縁膜中に窒素原子に起因する電荷の集中が起こったり、窒素原子による局所的なゲート絶縁膜の高誘電率化が起こり、ゲート絶縁膜とゲート電極の界面で電界集中が起こるといった問題が生じない。このため、信頼性に優れたトランジスタを得ることができる。
【００３２】
層間絶縁膜９を全面に形成してゲートパターンを埋め込んだ後、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）で平坦化する。この後、ソース／ドレイン領域の一方に接続されるようにビットライン（図示していない）、ソース／ドレイン領域の他方に接続されるようにキャパシタを形成する。これにより、キャパシタ及びトランジスタをメモリセルとするＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）が完成する。
【符号の説明】
【００３３】
１  シリコン基板
２  シリコン酸化膜
３  シリコン酸窒化膜
４、５、６  ゲート電極
７  エッチングマスク層
８  サイドウォール膜
９  層間絶縁膜
１０  第１の面
１１  第２の面
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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