(57)【要約】【課題】半導体基板とゲート絶縁膜との界面の窒素濃度の低減が可能な半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された酸素を含んだ絶縁膜をプラズマ窒化する工程(S102)において、連続して実行するプラズマ窒化処理を、１００マイクロ秒以上の間隔をあけて２回以上行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された酸素を含んだ絶縁膜をプラズマ窒化する工程において、
連続して実行するプラズマ窒化処理を、１００マイクロ秒以上の間隔をあけて２回以上行う
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
間隔をあけて２回以上実行する前記プラズマ窒化処理は、前記プラズマ窒化処理を実行するチャンバーから前記半導体基板を出すことなく実行される
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記２回以上のプラズマ窒化処理中及び前記間隔において、前記半導体基板の温度が３００℃以上に保たれる
ことを特徴とする請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記プラズマ窒化処理が行われるチャンバーと搬送部を介して接続された別のチャンバーにおいて、２回以上の前記プラズマ窒化処理の間に、前記半導体基板に対して６００℃以上の熱処理を行う
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記プラズマ窒化処理を３回以上行う
ことを特徴とする請求項１に記載の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係り、特にトランジスタのゲート絶縁膜に用いられる酸窒化膜の形成プロセスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
トランジスタのゲート絶縁膜として用いられるＳｉＯＮ膜の形成においては、ベースとなるＳｉＯ２膜を形成後にプラズマ窒化によって膜中に窒素を導入する。これはｐＭＯＳにおいて電極から基板へBoronが突き抜け拡散するのを抑制したり、トンネルリーク電流を抑制するために絶縁膜を高誘電率化するのが目的である。
【０００３】
リーク電流の抑制効果を高めるためには、窒素をより高濃度化して高誘電率化する必要がある。しかし、膜中窒素濃度を高濃度化するために窒化時間を長くすると、Ｓｉ基板界面の窒素濃度も同時に上昇するため、界面特性が劣化し、トランジスタの駆動力(ドレイン電流)の劣化や信頼性(ＮＢＴＩ（Negative Bias Temperature Instability）寿命)の劣化を招いていた（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００４】
基板界面の窒素濃度が上昇するのは次のような理由によると考えられる。プラズマ窒化中、および窒化直後のＳｉＯＮ中にはイオン照射によるダメージや、ＵＶ光照射によるダメージによる不完全な結合が多く、これらは窒化時間が長い処理ほど多く存在する。不完全な結合が多いと、プラズマ窒化中に起きる窒素自身による窒素のノックオンや拡散、また窒化後の熱工程における窒素の拡散が起こりやすく、窒素の深さ方向分布がよりブロードになり、界面窒素濃度の上昇につながっている。
【特許文献１】特開２００４−２４７５２８号公報
【特許文献２】特開２００６−１５６９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、半導体基板とゲート絶縁膜との界面の窒素濃度の低減が可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の１つの態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された酸素を含んだ絶縁膜をプラズマ窒化する工程において、連続して実行するプラズマ窒化処理を、１００マイクロ秒以上の間隔をあけて２回以上行う。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、半導体基板とゲート絶縁膜との界面の窒素濃度の低減が可能な半導体装置の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図面において、対応する部分には対応する符号を付し、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で示している。
【０００９】
(第１の実施形態)
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を図１および図２を用いて説明する。図１は、本実施形態におけるＳｉＯＮ膜形成プロセスのフローチャートである。
【００１０】
まず、半導体基板上に、ベースとなる酸素を含んだ絶縁膜として熱酸化膜を１.５nm形成し（図１のステップＳ１０１）、次にプラズマ窒化装置を用いて窒化処理を行う（ステップＳ１０２）。これにより熱酸化膜がＳｉＯＮ膜になる。
【００１１】
この窒化処理においては、２０秒のプラズマ窒化を行う窒化ステップとそれに続いてプラズマを発生させない１０秒の休止ステップからなるサイクルを、２回以上、例えば６回繰り返し（サイクルプラズマ窒化）、プラズマ窒化の合計時間が１２０秒の窒化処理を行う。
【００１２】
その後、ランプ加熱装置にて１０５０℃のポストアニール処理（ＰＮＡ：Post Nitridation Annealing）を行った（ステップＳ１０３）。
【００１３】
このようにして形成したＳｉＯＮ膜中の窒素濃度分布を図２に示す。比較のため、連続して１２０秒のプラズマ窒化を行った従来プロセスの場合の窒素濃度分布も点線で示した。
【００１４】
本実施形態よる窒素濃度分布は、従来プロセスと比較して半値幅が狭くなっていることがわかる。
【００１５】
これは、プラズマ窒化処理とプラズマ窒化処理の間に間隔をあけることによりプラズマを失活させ、プラズマ窒化中に膜中に発生するダメージを少なく抑えることができるからである。１００マイクロ秒以上の間隔をあけることでプラズマは完全に失活するため、上記間隔は１００マイクロ秒以上であることが望ましい。その間にプラズマによるダメージの回復が効果的に行われ、窒素原子がシリコン原子としっかりと結合することになり、窒素の基板界面側へのノックオンや拡散を抑制することができる。
【００１６】
その結果、窒素濃度の分布をより急峻にすることができ、ＳｉＯＮ膜中に同一窒素濃度を導入する場合のＳｉ基板との界面の窒素濃度の低減が可能となり、トランジスタの駆動力や、信頼性の向上につながる。
【００１７】
また、間隔をあけて実行される複数回以上のプラズマ窒化処理を、プラズマ窒化処理を実行するチャンバーから半導体基板を出さずに行うことが望ましい。これにより、基板が大気に曝されることによって酸化して、窒素が抜けてしまうことを防げる。同時に、繰り返して実行される窒化処理と窒化処理の間隔を必要最低限にでき、搬送などにかかる時間の短縮が図れる。
【００１８】
さらに、プラズマ窒化処理中及びプラズマ窒化処理とプラズマ窒化処理との間隔において、ヒーター等を備えた基板ステージ上に載置された前記半導体基板の温度は３００℃以上に保たれることが望ましい。温度を高くすることにより、プラズマダメージの回復、及びＳｉ−Ｎ結合反応がより効果的に行われることになり、拡散やノックオンによって窒素原子が基板界面側に押し込まれることを抑制できる。
【００１９】
従来、ゲートＳｉＯＮ膜形成のプラズマ窒化工程において、リーク電流低減のために膜中窒素濃度を高濃度化しようとすると、Ｓｉ基板界面の窒素濃度も上昇し、Ionの劣化や信頼性(ＮＢＴＩ寿命)の劣化を招いていた。
【００２０】
本実施形態においてはゲート絶縁膜の窒化工程において、プラズマ窒化とアニールを行うというサイクルを２回以上繰り返して行うプロセスを取ることにより、基板界面側への窒素のノックオン、拡散を抑制でき、界面の窒素濃度上昇を抑える窒素濃度分布の制御が可能となる。
【００２１】
(第２の実施形態)
本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を図３および図４を用いて説明する。図３は、本実施形態におけるＳｉＯＮ膜形成プロセスのフローチャートである。
【００２２】
まず、第１の実施形態と同様に、半導体基板上に、ベースとなる酸素を含んだ絶縁膜として熱酸化膜を１.５nm形成する（図３のステップＳ２０１）。
【００２３】
次にプラズマ窒化装置を用いた２０秒のプラズマ窒化処理と、ランプ加熱装置による９００℃、１５秒のアニール処理（ＰＮＡ）を行うサイクルを２回以上、例えば６回繰り返し、プラズマ窒化の合計時間が合計１２０秒のプラズマ窒化処理を行う（ステップＳ２０２）。
【００２４】
その後、ランプ加熱装置にて１０５０℃のポストアニール処理（ＰＮＡ）を行った（ステップＳ２０３）。
【００２５】
このようにして形成したＳｉＯＮ膜中の窒素濃度分布を図４に示す。比較のため、連続して１２０秒のプラズマ窒化を行った従来プロセスの場合の窒素濃度分布も点線で示した。
【００２６】
本実施形態よる窒素濃度分布は、従来プロセスと比較して半値幅が狭くなるのと同時にピーク位置が浅くなっていることがわかる。即ち、１サイクルのプラズマ窒化処理と次のプラズマ窒化処理との間に熱処理を行うことで、第１の実施形態では得られなかった、ピーク位置を浅くゲート電極側に移動するという効果が得られた。
【００２７】
これは、温度を高くすることにより、プラズマダメージの回復、及びＳｉ−Ｎ結合反応がより効果的に行われ、拡散やノックオンによって窒素原子が基板界面側に押し込まれることをさらに抑制できたからであると考えられる。
【００２８】
なお、ステップＳ２０２における、プラズマ窒化処理とプラズマ窒化処理の間の加熱は、５００℃までであればプラズマ窒化装置内で容易にステージヒータで加熱可能である。しかし、プラズマ窒化処理が行われるチャンバーと搬送部を介して接続された別のチャンバー内などにおいて６００℃以上のＲＴＰ(Rapid Thermal Processing)を実行するとさらに大きなダメージ回復効果が得られ、窒素濃度の分布を急峻化し、かつ分布のピーク位置を表面側にすることが可能となる。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態の場合、第１の実施形態よりもさらにＳｉ基板界面の窒素濃度の低減が可能となり、トランジスタの駆動力や信頼性のさらなる向上を図ることが可能となる。
【００３０】
また、第１及び第２の実施形態において連続して実行するプラズマ窒化処理の回数は、１００マイクロ秒以上の間隔をあけて２回以上あればよいが、３回以上だとさらに効果的である。例えば、上記実施形態においてはプラズマ窒化の合計時間が１２０秒であるが、同一の窒素注入量を目指す場合、２回だと１回のプラズマ窒化処理の時間は６０秒であるが、３回だと１回のプラズマ窒化処理の時間は４０秒となる。これは、１回のプラズマ窒化処理における窒素注入量を約３０％削減できるため非常に効果的である。
【００３１】
一般に同一濃度の窒素を導入しようとする場合、プラズマ窒化処理を分けて回数を多くするほど、１サイクルのプラズマ窒化処理の時間は短縮できるので、膜に蓄積されるダメージも少なくなるため、本実施形態の効果がより得られると考えられる。
【００３２】
また、上記実施形態においては、酸素を含んだ絶縁膜として熱酸化膜（ＳｉＯ２）を例にとり説明したが、例えば金属元素を含んだ絶縁膜であるＨｆＳｉＯ、ＺｒＳｉＯ等でもかまわない。
【００３３】
なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート。
【図２】第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法によって形成したＳｉＯＮ膜と、従来プロセスによって形成したＳｉＯＮ膜の膜中窒素濃度の深さ方向分布を示す図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャート。
【図４】第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法によって形成したＳｉＯＮ膜と、従来プロセスによって形成したＳｉＯＮ膜の膜中窒素濃度の深さ方向分布を示す図。
【符号の説明】
【００３５】
Ｓ１０１〜Ｓ１０３、Ｓ２０１〜Ｓ２０３…ステップ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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