(57)【要約】  半導体基板を選択的に１ステップで窒化するための方法および装置が提供される。窒素は、選択的窒化プロセスを利用することにより、シリコン領域および酸化ケイ素領域を有する半導体基板のシリコン領域中に選択的に組み込まれる。窒素含有プラズマを形成し、このプラズマからイオンをフィルタリングまたは除去することにより、基板に窒素含有ラジカルが向けられてもよく、または、選択前駆体を使用する熱窒化プロセスを実施してもよい。遠隔プラズマジェネレータが、１つまたは複数のイオンフィルタ、シャワーヘッド、およびラジカル分配器を任意に備える処理チャンバに結合されてもよく、または、ｉｎ  ｓｉｔｕプラズマが生成され、１つまたは複数のイオンフィルタもしくはイオンシールドが、チャンバ内においてプラズマ発生ゾーンと基板支持体との間に配設されてもよい。
2013521653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン領域および酸化ケイ素領域を有する表面を有する半導体基板を処理する方法であって、
処理チャンバ内に前記基板を配設するステップと、
窒素含有ラジカルを含む混合ガスを前記処理チャンバに供給するステップと、
処理チャンバに混合ガスを供給する前に、混合ガスからイオンを除去するステップと、
前記基板を前記混合ガスに曝露するステップと、
前記基板の前記シリコン領域中に窒素を選択的に組み込むステップを含む、方法。
【請求項２】
前記基板の前記シリコン領域中に窒素を選択的に組み込む前記ステップは、約３００℃〜約１，２００℃まで前記基板を加熱するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
窒素含有ラジカルを含む混合ガスを前記処理チャンバに供給する前記ステップは、少なくとも５トールの圧力にて窒素含有ガスからプラズマを形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
窒素含有ラジカルを含む混合ガスを前記処理チャンバに供給する前記ステップは、窒素含有ガスからプラズマを形成するステップと、前記プラズマからイオンをフィルタリングするステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
窒素含有ラジカルを含む混合ガスを前記処理チャンバに供給する前記ステップは、窒素含有ガスからｉｎ−ｓｉｔｕプラズマを形成するステップと、イオンシールドを使用して前記プラズマからイオンをフィルタリングするステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記基板の前記シリコン領域中に窒素を選択的に組み込む前記ステップは、低温で第１の窒化物領域を形成し、次いで高温で第２の窒化物領域を形成するステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記基板の表面中に放散バリアを形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記基板が前記混合ガスに曝露される際に、前記基板の温度を上昇させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
半導体領域および誘電体領域を有する基板を選択的に窒化する方法であって、
窒素含有前駆体ガスからラジカルガスを形成するステップと、
ラジカルガスからイオンを除去するステップと、
約３００℃〜約１２００℃の温度にて前記ラジカルガスに前記基板を曝露するステップを含む、方法。
【請求項１０】
前記ラジカルガスに前記基板を曝露する前記ステップは、前記基板表面中に放散バリアを形成するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ラジカルガスを形成する前記ステップは、遠隔チャンバ内の前記窒素含有前駆体ガスにマイクロ波電力を印加するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記ラジカルガスに前記基板を曝露する前記ステップは、前記基板を回転させつつ、前記基板表面全体にわたり前記ラジカルガスを流すステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記窒素含有前駆体ガスは、窒素ガス、アンモニア、またはそれらの組合せを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記ラジカルガスを形成する前記ステップは、前記窒素含有前駆体ガスにマイクロ波電力を印加するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記窒素含有前駆体ガスは、ヘリウムをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
フローティングゲートＮＡＮＤフラッシュデバイスを形成する方法であって、
シリコン基板上に酸化ケイ素絶縁構造体を形成するステップと、
前記絶縁構造体上に主にシリコンからなるフローティングゲートを形成するステップと、
前記フローティングゲートに窒素ラジカルを選択的に添加することにより、前記フローティングゲートを覆う窒化物層を形成するステップと、
前記窒化物層および前記絶縁構造体を覆う誘電体層を形成するステップと、
前記誘電体層を覆う制御ゲートを形成するステップを含む、方法。
【請求項１７】
前記フローティングゲートは、多結晶シリコンであり、前記フローティングゲートに窒素ラジカルを選択的に添加する前記ステップは、前記基板を収容している処理チャンバ内に窒素ラジカルを流入させるステップと、前記基板を加熱するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記フローティングゲートに窒素ラジカルを選択的に添加する前記ステップは、シリコン−酸素結合エネルギーよりも低いエネルギーを有する窒素ラジカルを供給するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記フローティングゲートに窒素ラジカルを選択的に添加する前記ステップは、
マイクロ波電力またはＲＦ電力に窒素含有前駆体ガスを曝露して、活性された前駆体ガスを形成するステップと、
少なくとも約５トールの圧力にて、前記基板を収容している処理チャンバ内に前記活性された前駆体ガスを流入させるステップと、
前記基板を加熱することにより、前記フローティングゲート中における前記窒素ラジカルの可溶性を上昇させるステップと、
前記基板を回転させるステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記フローティングゲートに窒素ラジカルを選択的に添加する前記ステップは、窒素ラジカルに前記基板を曝露させつつ、前記基板の温度を上昇させるステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書において説明する実施形態は、半導体デバイスの製造に関する。より詳細には、本明細書において説明する実施形態は、フローティングゲートＮＡＮＤメモリデバイスおよび他のトランジスタゲート構造体の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
論理デバイスがムーアの法則に従ってスケールダウンし続けると、処理上の難題が生ずる。かかる難題の１つは、フローティングゲート（ＦＧ）ＮＡＮＤフラッシュメモリチップにおいて生じる。このチップは、２つのゲート要素、すなわち制御ゲートおよびフローティングゲートを組み込むことにより２ビット値以上をそれぞれがとり得るトランジスタを備える。ＦＧ  ＮＡＮＤメモリは、現行で使用される殆どのＵＳＢフラッシュメモリデバイスおよびメモリカードフォーマットの基礎を成す。
【０００３】
ＦＧ  ＮＡＮＤデバイスのクリティカルディメンションが縮小するにつれて、様々な構成要素の形状寸法の製造がより困難になる。アスペクト比の上昇により、均一性、公差、および信頼性の問題が増大する。ＮＡＮＤフラッシュメモリは、便利な記憶媒体としての人気が高まっていることから、特にＮＡＮＤフラッシュデバイスについてスケーリング上の難題を克服するために改良された製造プロセスが必要である。
【発明の概要】
【０００４】
本明細書において説明する実施形態は、窒素含有プラズマを発生させるステップと、シリコン領域および酸化ケイ素領域を含む基板の表面を窒素含有プラズマに曝露するステップと、基板のシリコン領域に窒素を選択的に組み込むステップとにより半導体デバイスを処理する方法を提供する。
【０００５】
本発明の上記特徴を詳細に理解することが可能となるように、上記で簡潔に要約した本発明のさらに具体的な説明を、一部が添付の図面に図示される複数の実施形態を参照として行う。しかし、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態を示すものに過ぎず、したがって本発明によって他の同様に有効な実施形態が許容され得るので、本発明の範囲を限定するものとして見なすべきではない点に留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】一実施形態によるフローティングゲートＮＡＮＤフラッシュメモリデバイスの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
理解を容易にするために、可能な場合には、同一の参照数字を使用して、図面間で共通の同一要素を示している。一実施形態において開示される要素は、具体的な説明を伴わずに他の実施形態において有利に使用し得るものと想定する。
【０００８】
図１は、一実施形態によるＦＧ  ＮＡＮＤフラッシュメモリデバイス１００の概略断面図である。このデバイス１００は、半導体素子領域１０２、絶縁領域１０４、フローティングゲート１０６、および制御ゲート１０８を有する。フローティングゲート１０６は、フローティングゲート１０６のフィールド表面１１２および側壁表面１１４の上に形成された第１の誘電体層１１０と、第１の誘電体層１１０の上に形成された第２の誘電体層１１８とを有する。絶縁領域１０４は、典型的には誘電体材料である。一実施形態においては、フローティングゲート１０６は、多結晶シリコンを含む。別の実施形態においては、絶縁領域１０４は、酸化ケイ素を含む。
【０００９】
フローティングゲート１０６のフィールド表面１１２および側壁表面１１４の上に形成された第１の誘電体層１１０は、窒化ケイ素または酸窒化ケイ素などの窒化物層であってもよい。第２の誘電体層１１８は、酸化物−窒化物−酸化物層であってもよい。一実施形態においては、この窒化物層は、フローティングゲート１０６のフィールド表面１１２および側壁表面１１４ならびに絶縁領域１０４の上面１１６を選択的プラズマ窒化プロセスに曝露することによって形成されてもよい。一般的には、選択的プラズマ窒化プロセスは、酸化ケイ素の窒化物よりも速くシリコンの窒化物を形成する。
【００１０】
一実施形態においては、選択的プラズマ窒化プロセスは、窒素含有ラジカルを形成することと、上述のシリコン表面および酸化ケイ素表面をこの窒素含有ラジカルに曝露することとを含む。窒素含有ラジカルは、Ｓｉ−Ｓｉ結合エネルギーが比較的低い（Ｓｉ−Ｏ結合の７９９ｋＪ／ｍｏｌに対して３２６ｋＪ／ｍｏｌ）ことにより、シリコンと優先的に反応してＳｉ−Ｎ結合を選択的に形成する。イオンは、ラジカルに比べておよび上記の結合エネルギーに比べて、高い化学的活性を有し（Ｎ２の第１のイオン化エネルギー＝１４０２ｋＪ／ｍｏｌ、Ｎ２の原子化エネルギー＝４７３ｋＪ／ｍｏｌ）、それにより、イオンは、ラジカルの選択性を実現しないため、ラジカルが好ましい。所与の堆積プロセス後のシリコン中の窒素濃度を酸化物中の窒素濃度で除算したものとして定義される選択性は、例えば約４０：１など、約２０：１〜約７０：１などの、約１０：１〜約１００：１であってもよい。曝露時間がより長いほど、選択性がより高まる。
【００１１】
Ｎ、ＮＨ、およびＮＨ２などの窒素含有ラジカルは、複数の方法により優先的に発生させ得る。イオン密度に対して高いラジカル密度を達成するには、例えば約５トール超の圧力を利用した高圧プラズマプロセスを利用してもよい。高圧により、イオンは、電子と迅速に再結合するように促され、それにより中性ラジカル種および不活性種が残る。いくつかの実施形態においては、ラジカルガスが形成される。いくつかの実施形態においては、遠隔プラズマを使用して、様々な方法によりラジカル種を選択的に発生させてもよい。例えばマイクロ波チャンバ、ＲＦチャンバ、または熱チャンバなどの、遠隔プラズマジェネレータは、比較的長い経路により処理チャンバに連結されることにより、チャンバとの反応前に、その経路に沿ってイオン種の再結合を促進することができ。ラジカルは、いくつかの実施形態においてはシャワーヘッドもしくはラジカル分配器を介して、またはチャンバの側壁中の進入口を通り、例えば約１０ｓＬｍなど、約５ｓＬｍ〜約２０ｓＬｍなどの、約１ｓＬｍ〜約２０ｓＬｍの流量でチャンバ内に流入してもよい。窒素ラジカルは、一実施形態においては、ヘリウムなどのキャリアガスと任意に組み合わされた、窒素、アンモニア、またはそれらの混合気などの窒素含有ガスを、約５トール超の圧力にて約１〜３ｋＷのマイクロ波電力に曝露させることにより、形成されてもよい。窒素ラジカルは、約１トール〜約５トールの圧力にて作動する処理チャンバ内に流入して、基板を処理してもよい。
【００１２】
他の実施形態においては、例えば約２００Ｖ（ＲＦまたはＤＣ）のバイアスで作動される静電フィルタ、ワイヤフィルタもしくはメッシュフィルタ、または磁気フィルタなどの（これらはいずれも誘電体コーティングを有してもよい）、様々なイオンフィルタが使用されてもよい。他の実施形態においては、窒素含有種などの反応種のガス流またはアルゴンもしくはヘリウムなどの非反応種のガス流を使用して、遠隔プラズマジェネレータ内における滞留時間を変調してもよい。いくつかの実施形態においては、低圧イオン発生と共にイオンフィルタを使用することにより、ラジカル半減期を拡張してもよい。２つのチャンバ間の経路を密封するためにＯリングを使用せずに、処理チャンバを遠隔プラズマチャンバと統合することにより、低圧作動を助長してもよい。成形コネクタを使用して流量パターンの詳細な制御を実現することにより、遠隔プラズマ発生チャンバから処理チャンバ内へのラジカル流の均一性を向上させてもよい。
【００１３】
遠隔発生される窒素含有ラジカルは、窒素ラジカルが基板支持体の上に配設された基板全体にわたり流れるように、基板支持体に隣接する入口を通して回転基板支持体を有するチャンバに供給されてもよい。基板支持体を回転させることにより、窒素含有ラジカルに対する基板の均一な曝露が確保される。基板を加熱することにより、固体基板材料中の窒素ラジカルの可溶性が上昇して、窒素含有ラジカルの基板表面への浸透が、例えば約３５Åなど、約２５Å〜約５０Åなどの、約２０Å〜約１００Åの深さまで促進される。シリコン領域および酸化ケイ素領域を有する表面を有する基板に対して、本明細書において説明する方法を実施する一実施形態においては、シリコン領域中に得られる窒素量は、典型的には、例えば約１５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２など、約１０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２〜約２０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２などの、約５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２〜約２５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ２である。
【００１４】
多数の実施形態において、窒化プロセスは、例えば約８００℃〜１０００℃など、約３００℃〜約１２００℃の基板温度で実施されるが、これらの温度は、表面飽和を抑制するために、窒化の進行につれて上昇されてもよい。窒化が進み、基板中における窒素の濃度が上昇すると、窒素の表面堆積の傾向がより高まる。表面堆積は、表面中に窒素が浸透し得る部位をブロックする傾向がある。基板の温度を上昇させることにより、表面に堆積した種が揮発され、それによりその部位が再び窒化にさらされる。したがって、基板が窒素ラジカルに曝露される際に、基板の温度を上昇させて、表面に堆積した窒素を揮発させ、基板中への窒素の浸透を高めてもよい。
【００１５】
さらに、例えば第１のステップが約４００℃の低温で実施されることにより、第１の窒化物領域が形成され、第２のステップが約８００℃以上の比較的高温で実施されることにより、第１の窒化物領域を包囲し得る、または第１の窒化物領域の上または下に位置し得る第２の窒化物領域が形成されて、主体となるデバイスの適切な配向を実現するなど、複数ステップによる窒化プロセスが実施されてもよい。より低温で形成される第１の窒化物領域は、より高温における基板からのドーパントの喪失を防止するための放散バリアとしての役割を果たすことができる。加熱は、ランプ加熱の利用、レーザ加熱の利用、加熱された基板支持体の使用、またはプラズマ加熱によって実施されてもよい。
【００１６】
窒化は、熱的手段のみにより、プラズマ手段のみにより、またはそれら２つの組合せにより実施されてもよい。選択的熱的窒化は、窒素含有種としてアンモニア（ＮＨ３）を使用して実施されてもよい。ラジカル窒化は、任意の比較的低分子量の窒素含有種を使用して実施されてもよい。ラジカル窒化に適した前駆体には、窒素（Ｎ２）、アンモニア（ＮＨ３）、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）、低級置換ヒドラジン（Ｎ２Ｒ２、ここで各Ｒは、互いに独立して、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ビニル基、またはプロペニル基である）および低級アミン（ＮＲａＨｂ、ここでａおよびｂはそれぞれ０〜３の整数かつａ＋ｂ＝３であり、各Ｒは、互いに独立して、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ビニル基、またはプロペニル基である）、アミド（ＲＣＯＮＲ’Ｒ’’、ここでＲ、Ｒ’、およびＲ’’はそれぞれ、互いに独立して、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ビニル基、またはプロペニル基である）、イミン（ＲＲ’Ｃ＝ＮＲ’’、ここでＲ、Ｒ’、およびＲ’’はそれぞれ、互いに独立して、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ビニル基、またはプロペニル基である）、または、イミド（ＲＣＯＮＲ’ＣＯＲ’’、ここでＲ、Ｒ’、およびＲ’’はそれぞれ、互いに独立して、水素原子、メチル基、エチル基、プロピル基、ビニル基、またはプロペニル基である）が含まれるが、それらに限定されない。
【００１７】
いくつかの実施形態においては、例えばマイクロ波、ＵＶ、ＲＦ、または電子シンクロトロン放射などにより励起される、ｉｎ  ｓｉｔｕプラズマ発生プロセスが利用されてもよい。上述のイオンフィルタのいずれかなどのイオンフィルタ、またはメッシュプレートもしくは穿孔プレートなどのイオンシールドが、チャンバ内のガス分配器と基板支持体との間に配設される。一実施形態においては、イオンフィルタ性能を備えるシャワーヘッド（例えば電気絶縁されたまたは電位制御された）が、プラズマ発生ゾーンと基板処理ゾーンとの間に配設されて、イオンをフィルタリングしつつ、基板処理ゾーンへのラジカルの進入を可能にし得る。
【００１８】
熱が、基板の上方または下方に配設された加熱ランプもしくは加熱ランプアレイ、基板支持体の中に埋設された抵抗ヒータ、またはレーザベース加熱装置などの任意の簡便な手段により基板に加えられてもよい。選択的窒化プロセスのいくつかの実施形態は、米国カリフォルニア州Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ在のＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．社から市販されているＲＰＮチャンバを使用して実施されてもよい。かかるチャンバにおいては、熱は、基板が回転される間に、一連の加熱ランプを使用して下方から基板に対して加えられることにより、処理の均一性を向上させる。
【００１９】
本明細書に開示した方法を、フローティングゲートＮＡＮＤフラッシュデバイスの形成の文脈において説明したが、この方法の用途は、かかるデバイスに限定されない。本明細書に開示した方法は、酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ）およびケイ酸ハフニウム（ＨｆＳｉｘＯｙ）などの他のゲート構造体に窒素を添加するためにも使用することができる。さらに、本明細書において説明するプロセス条件は、３００ｍｍのプロセスのために使用することができる。
【００２０】
前述の内容は、本発明のいくつかの実施形態に関するものであるが、本発明の基本範囲から逸脱することなく、本発明の他のおよびさらなる実施形態を考案することができる。
【図１】
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【国際調査報告】
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2013521653.tif 000005
2013521653.tif 000006