(57)【要約】【課題】  電流駆動力が大きく、誘電率の大きなシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜を作る。【解決手段】  半導体装置の製造方法は、シリコン酸化膜の上にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、前記アモルファスシリコン膜をアニールして単結晶シリコン膜を形成する工程とを有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン酸化膜の上にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、
前記アモルファスシリコン膜をアニールして単結晶シリコン膜を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記単結晶シリコン膜を窒化処理してシリコン窒化膜を形成する工程をさらに有する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記窒化処理は、窒素含有ガスをプラズマ化し、プラズマ化されたガスにより窒化を行う工程を有する請求項３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、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜を作る半導体装置の製造方法に係り、特にロジック、ＤＲＡＭ、不揮発性メモリなどのゲート絶縁膜の形成技術に好適なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、不揮発性メモリ（例えば、フラッシュメモリ）のゲート絶縁膜は、例えば、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜を有している。その積層膜の製造方法は、シリコン基板の表面にシリコン酸化膜を形成してから、このシリコン酸化膜を窒素プラズマで窒化してシリコン窒化膜を形成している（例えば、特許文献１参照）。
このように、従来は、シリコン酸化膜を形成してから窒素プラズマでシリコン酸化膜を窒化する方法を用いてゲート絶縁膜の誘電率を上げている。またゲート絶縁膜の物理膜厚を厚くすることで膜のリーク電流の低減およびデバイスの信頼性を改善している。
【特許文献１】特開２００４−４７９５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら上述したシリコン酸化膜を窒化してシリコン窒化膜を形成する従来技術では次のような問題があった。
ゲート絶縁膜の容量を上げるためにはシリコン酸化膜を薄くする必要があるが、シリコン酸化膜を薄くしていくと、シリコンとシリコン酸化膜の界面まで拡散する窒素の量が増加するため、界面層に流れる荷電粒子の電流駆動力が低減するという問題があった。
また、シリコン酸化膜を窒化すると酸窒化シリコン膜が形成されるため、窒化膜中の窒素濃度が低くなり、ゲート絶縁膜の誘電率は期待したほど大きな値が得られないという問題もあった。
本発明の課題は、電流駆動力が大きく誘電率の大きな半導体装置を容易に製造することが可能な製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記問題点を解決するために、本発明の一態様によれば、シリコン酸化膜の上にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、前記アモルファスシリコン膜をアニールして単結晶シリコン膜を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、単結晶シリコン膜からシリコン窒化膜を形成すると、シリコン酸化膜からシリコン窒化膜を形成する場合に比べて、電流駆動力が大きく誘電率の大きな半導体装置を容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下に本発明の半導体装置の製造方法の一工程として、ウェハ上にシリコン窒化膜を形成する一実施の形態の方法について説明する。シリコン窒化膜を形成する方法は、アモルファスシリコン膜及び単結晶シリコン膜を形成する第一の工程と、シリコン窒化膜を形成する第二の工程とを含む。
【０００７】
まず、第一の工程におけるアモルファスシリコン膜及び単結晶シリコン膜を形成する装置について、図５を用いて説明する。図５はホットウォール型の減圧縦型装置の反応炉構造である。
【０００８】
４つのゾーンＵ、ＣＵ、ＣＬ、及びＬに分かれたヒータ３０６で構成されたホットウォールの内側に、反応炉３００の外筒である石英製のアウターチューブ３０１およびアウターチューブ３０１内部のインナーチューブ３０２が設置されている。
【０００９】
アウターチューブ３０１よびインナーチューブ３０２の下端開口はステンレス製のシールキャップ３１６で密閉されている。このシールキャップ３１６には、複数のノズルから構成されるガス供給管が貫通するよう設けられている。ガス供給管は、モノシラン等のガスを供給するノズル３１２、その他のガスを供給するノズル３１３、及び三塩化ボロンガスを供給するノズル３１４から構成される。これらのノズル３１２、３１３、３１４により、処理用のガスがインナーチューブ３０２内に供給されるようになっている。なお、三塩化ボロンガスは、例えばＤＲＡＭのゲート電極に導電性をもたせるために行うボロンドープのために供給される。また、ノズル３１２は、長さの異なる複数本のノズル部から構成されており、ボート３１７のウェハ配列領域２２２の方向の途中からもモノシラン等のガスを供給することから、途中供給ノズルとも呼ばれる。
【００１０】
なお、これらのガスのノズル３１２、３１３、及び３１４は、それぞれマスフローコントローラ（ＭＦＣ）３２２、３２３、及び３２４に連結されており、供給するガスの流量を所定の量に制御し得るように構成されている。なお、複数本のノズル部から構成されるノズル３１２のＭＦＣ３２２は、図５では便宜上共通に１つ設けているように記載されているが、実際には複数本のノズル部毎に設けられている。
【００１１】
また、アウターチューブ３０１及びインナーチューブ３０２の間の形成される筒状空間３１８は排気管３１９に接続されている。排気管３１９はメカニカルブースタポンプ３０７およびドライポンプ３０８に接続されており、アウターチューブ３０１とインナーチューブ３０２との間の筒状空間３１８を流れるガスを排出するように構成される。また、排気管３１９はメカニカルブースタポンプ３０７の上流側で分岐され、この分岐排気管３２０は自動圧力制御器３２６を介してＮ２バラスト源３２７に接続されている。この自動圧力制御器３２６は、例えばＡＰＣ、Ｎ２バラスト用バルブを備え、アウターチューブ３０１内を所定の圧力の減圧雰囲気にするよう、排気管３１９内の圧力を圧力計３１５により検出し、コントローラ制御部３３２はその検出値によって自動圧力制御器３２６を制御するように構成されている。
【００１２】
また、複数枚のウェハ２００が装填された石英製のボート３１７は、インナーチューブ３０２内に設置されている。ボート３１７の下部に装填される断熱板３０５はボート３１７と装置下部との間を断熱するためのものである。このボート３１７はシールキャップ３１６から気密に挿入された回転軸３２１により支持されている。回転軸３２１は、ボート３１７及びボート３１７上に保持されているウェハ２００を回転させるように構成され、ボート３１７を所定のスピードで回転させるように、回転機構３２９により制御するようになっている。また、ボート３１７はボートエレベータ３３１によって昇降自在に制御するようになっている。
尚、各構成は、制御部３３０により制御されている。
【００１３】
上述した縦型装置を用いて、第一の工程におけるアモルファスシリコン膜及び単結晶シリコン膜を形成する。
【００１４】
まず、ボートエレベータ３３１によりボート３１７を下降させる。ボート３１７にシリコン酸化膜を形成した複数枚のシリコンウェハ２００を装填して保持する。次いで、ヒータ３０６により反応炉３００内を加熱しながら、反応炉３００内の温度を所定の処理温度にする。
ＭＦＣ３２２により流量制御された不活性ガスをノズル３１２より反応炉３００内に供給して、予め反応炉３００内を不活性ガスで充填しておく。ボートエレベータ３３１により、ボート３１７を上昇させて反応炉３００内に移し、シールキャップ３１６により炉口を気密に閉塞する。反応炉３００の内部温度を所定の処理温度に維持する。このときヒータ３０６の制御部３３０による加熱制御によって形成される反応炉３００内の温度勾配は、フラットすなわちゼロとする。温度勾配をゼロとするのは、温度に対して影響のあるウェハ２００の膜質や膜厚を均一にするためである。
【００１５】
反応炉３００内を所定の真空状態まで排気した後、回転軸３２１、回転機構３２９により、ボート３１７及びボート３１７上に保持されている複数のウェハ２００を回転させる。同時にノズル３１２から、ＭＦＣ３２２によって流量制御されたモノシラン等の成膜ガスを反応炉３００内に供給する。供給されたガスは、反応炉３００内を上昇し、ウェハ配列領域２２２に配置された複数のウェハ２００に対して供給される。減圧処理中の反応炉３００内は、排気管３１９を介して排気され、所定の真空になるよう自動圧力制御器３２６により圧力が制御され、所定時間減圧処理、すなわちアモルファスシリコン膜の成膜工程を実行する。
【００１６】
上記アモルファスシリコン成膜工程後、ノズル３１４からＭＦＣ３２４により流量制御された三塩化ボロンガスを反応炉３００内に供給すると、アモルファスシリコン膜の全面にボロンを含んだドープトアモルファスシリコン膜を形成することができる。
【００１７】
このようにしてドープトアモルファスシリコン膜の形成が終了した後、そのまま反応炉内でアモルファスシリコン膜をアニールして単結晶シリコン膜を形成する。
【００１８】
単結晶シリコン膜形成後、反応炉３００内のガスを不活性ガスで置換するとともに、圧力を常圧にし、その後、ボートエレベータ３３１によりボート３１７を下降させて、ボート３１７及び処理済のウェハ２００を反応炉３００から取り出す。反応炉３００から取り出されたボート３１７上の処理済のウェハ２００は、次の第二の工程を実施する装置に搬送する。
【００１９】
次に、本発明の第二の工程である窒化工程を実施する装置について説明する。
本発明のプラズマ処理炉は、電界と磁界により高密度プラズマを生成できる変形マグネトロン型プラズマ源（Ｍｏｄｉｆｉｅｄ  Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ  Ｔｙｐｅｄ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｏｕｒｃｅ）を用いてウェハ等の基板をプラズマ処理する基板処理炉（以下、ＭＭＴ装置と称する）である。このＭＭＴ装置は、気密性を確保した処理室に基板を設置し、シャワーヘッドを介して反応ガスを処理室に導入し、処理室をある一定の圧力に保ち、放電用電極に高周波電力を供給して電界を形成するとともに磁界を形成し、マグネトロン放電を起こす。放電用電極から放出された電子がドリフトしながらサイクロイド運動を続けて周回することにより長寿命となって電離生成率を高めるので高密度プラズマを生成できる。このように反応ガスを励起分解させて基板表面を酸化または窒化等の拡散処理、または基板表面に薄膜を形成する、または基板表面をエッチングする等、基板へ各種のプラズマ処理を施すことができる。
【００２０】
図４に、このようなＭＭＴ装置の概略構成図を示す。ＭＭＴ装置は、処理容器２０３を有し、この処理容器２０３は、第一の容器であるドーム型の上側容器２１０と第二の容器である碗型の下側容器２１１により形成され、上側容器２１０は下側容器２１１の上に被せられている。上側容器２１０は酸化アルミニウム又は石英等の非金属材料で形成されており、下側容器２１１はアルミニウムで形成されている。また後述するヒータ一体型の基板保持具（基板保持手段）であるサセプタ２１７を窒化アルミニウムや、セラミックス又は石英等の非金属材料で構成することによって、処理の際に膜中に取り込まれる金属汚染
を低減している。
【００２１】
シャワーヘッド２３６は、処理室２０１の上部に設けられ、キャップ状の蓋体２３３と、ガス導入口２３４と、バッファ室２３７と、開口２３８と、遮蔽プレート２４０と、ガス吹出口２３９とを備えている。バッファ室２３７は、ガス導入口２３４より導入されたガスを分散するための分散空間として設けられる。
【００２２】
ガス導入口２３４には、ガスを供給するガス供給管２３２が接続されており、ガス供給管２３２は、開閉弁であるバルブ２４３ａ、流量制御器（流量制御手段）であるマスフローコントローラ２４１を介して図中省略の反応ガス２３０のガスボンベに繋がっている。シャワーヘッド２３６から反応ガス２３０が処理室２０１に供給され、また、サセプタ２１７の周囲から処理室２０１の底方向へ基板処理後のガスが流れるように下側容器２１１の側壁にガスを排気するガス排気口２３５が設けられている。ガス排気口２３５にはガスを排気するガス排気管２３１が接続されており、ガス排気管２３１は、圧力調整器であるＡＰＣ２４２、開閉弁であるバルブ２４３ｂを介して排気装置である真空ポンプ２４６に接続されている。
【００２３】
供給される反応ガス２３０を励起させる放電機構（放電手段）として、筒状、例えば円筒状に形成された第一の電極である筒状電極２１５が設けられる。筒状電極２１５は処理容器２０３（上側容器２１０）の外周に設置されて処理室２０１内のプラズマ生成領域２２４を囲んでいる。筒状電極２１５にはインピーダンスの整合を行う整合器２７２を介して高周波電力を印加する高周波電源２７３が接続されている。
【００２４】
また、筒状、例えば円筒状に形成された磁界形成機構（磁界形成手段）である筒状磁石２１６は筒状の永久磁石となっている。筒状磁石２１６は、筒状電極２１５の外表面の上下端近傍に配置される。上下の筒状磁石２１６、２１６は、処理室２０１の半径方向に沿った両端（内周端と外周端）に磁極を持ち、上下の筒状磁石２１６、２１６の磁極の向きが逆向きに設定されている。従って、内周部の磁極同士が異極となっており、これにより、筒状電極２１５の内周面に沿って円筒軸方向に磁力線を形成するようになっている。
【００２５】
処理室２０１の底側中央には、基板であるウェハ２００を保持するための基板保持具（基板保持手段）としてサセプタ２１７が配置されている。サセプタ２１７は、例えば窒化アルミニウムやセラミックス、又は石英等の非金属材料で形成され、内部に加熱機構（加熱手段）としてのヒータ（図中省略）が一体的に埋め込まれており、ウェハ２００を加熱できるようになっている。ヒータは電力が印加されてウェハ２００を７００℃程度にまで加熱できるようになっている。
【００２６】
また、サセプタ２１７の内部には、さらにインピーダンスを変化させるための電極である第二の電極も装備されており、この第二の電極がインピーダンス可変機構２７４を介して接地されている。インピーダンス可変機構２７４は、コイルや可変コンデンサから構成され、コイルのパターン数や可変コンデンサの容量値を制御することによって、上記電極及びサセプタ２１７を介してウェハ２００の電位を制御できるようになっている。
【００２７】
ウェハ２００をマグネトロン型プラズマ源でのマグネトロン放電により処理するための処理炉２０２は、少なくとも処理室２０１、処理容器２０３、サセプタ２１７、筒状電極２１５、筒状磁石２１６、シャワーヘッド２３６、及び排気口２３５から構成されており、処理室２０１でウェハ２００をプラズマ処理することが可能となっている。
【００２８】
筒状電極２１５及び筒状磁石２１６の周囲には、この筒状電極２１５及び筒状磁石２１６で形成される電界や磁界を外部環境や他処理炉等の装置に悪影響を及ぼさないように、
電界や磁界を有効に遮蔽する遮蔽板２２３が設けられている。
【００２９】
サセプタ２１７は下側容器２１１と絶縁され、サセプタ２１７を昇降させるサセプタ昇降機構（昇降手段）２６８が設けられている。またサセプタ２１７には貫通孔２１７ａが設けられ、下側容器２１１底面にはウェハ２００を突上げるためのウェハ突上げピン２６６が少なくとも３箇所に設けられている。そして、サセプタ昇降機構２６８によりサセプタ２１７が下降させられた時にはウェハ突上げピン２６６がサセプタ２１７と非接触な状態で貫通孔２１７ａを突き抜けるような位置関係となるよう、貫通孔２１７ａ及びウェハ突上げピン２６６が配置される。
【００３０】
また、下側容器２１１の側壁には仕切弁となるゲートバルブ２４４が設けられ、開いている時には図中省略の搬送機構（搬送手段）により処理室２０１に対してウェハ２００を搬入、または搬出することができ、閉まっている時には処理室２０１を気密に閉じることができる。
【００３１】
また、制御部（制御手段）としてのコントローラ１２１は信号線Ａを通じてＡＰＣ２４２、バルブ２４３ｂ、真空ポンプ２４６を、信号線Ｂを通じてサセプタ昇降機構２６８を、信号線Ｃを通じてゲートバルブ２４４を、信号線Ｄを通じて整合器２７２、高周波電源２７３を、信号線Ｅを通じてマスフローコントローラ２４１、バルブ２４３ａを、さらに図示しない信号線を通じてサセプタに埋め込まれたヒータやインピーダンス可変機構２７４をそれぞれ制御するよう構成されている。
【００３２】
次に上記のような構成の処理炉を用いて、半導体デバイスの製造工程の一工程として、ウェハ２００表面に対し、又はウェハ２００上に形成された下地膜の表面に対し所定のプラズマ処理、例えば酸化処理又は窒化処理を施す方法について説明する。尚、以下の説明において、基板処理装置を構成する各部の動作はコントローラ１２１により制御される。
【００３３】
ウェハ２００は処理炉２０２を構成する処理室２０１の外部からウェハを搬送する図中省略の搬送機構によって処理室２０１に搬入され、サセプタ２１７上に搬送される。この搬送動作の詳細は次の通りである。サセプタ２１７が基板搬送位置まで下降し、ウェハ突上げピン２６６の先端がサセプタ２１７の貫通孔２１７ａを通過する。このときサセプタ２１７表面よりも所定の高さ分だけ突き上げピン２６６が突き出された状態となる。次に、下側容器２１１に設けられたゲートバルブ２４４が開かれ、図中省略の搬送機構によってウェハ２００をウェハ突上げピン２６６の先端に載置する。搬送機構が処理室２０１外へ退避すると、ゲートバルブ２４４が閉じられる。サセプタ２１７がサセプタ昇降機構２６８により上昇すると、サセプタ２１７上面にウェハ２００を載置することができ、更にウェハ２００を処理する位置まで上昇する。
【００３４】
サセプタ２１７に埋め込まれたヒータは予め加熱されており、搬入されたウェハ２００を室温から７００℃の範囲の内、所定のウェハ処理温度に加熱する。真空ポンプ２４６、及びＡＰＣ２４２を用いて処理室２０１の圧力を０．１から１００Ｐａの範囲の内、所定の圧力に維持する。
【００３５】
ウェハ２００の温度が処理温度に達し、安定化したら、ガス導入口２３４から遮蔽プレート２４０のガス吹出口２３９を介して、反応ガス、例えば酸素Ｏ２又は窒素Ｎ２を処理室２０１に配置されているウェハ２００の上面（処理面）に向けて導入する。このときのガス流量は１０から５０００ｓｃｃｍの範囲の内、所定の流量とする。同時に筒状電極２１５に高周波電源２７３から整合器２７２を介して高周波電力を印加する。印加する電力は、１５０から２０００Ｗの範囲の内、所定の出力値を投入する。このときインピーダンス可変機構２７４は予め所望のインピーダンス値となるように制御しておく。
【００３６】
筒状磁石２１６、２１６の磁界の影響を受けてマグネトロン放電が発生し、ウェハ２００の上方空間に電荷をトラップしてプラズマ生成領域２２４に高密度プラズマが生成される。そして、生成された高密度プラズマにより、サセプタ２１７上のウェハ２００の表面にプラズマ処理が施される。プラズマ処理が終わったウェハ２００は、図示略の搬送機構を用いて、基板搬入と逆の手順で処理室２０１外へ搬送される。
【００３７】
ここで、半導体装置（半導体デバイス）の製造法を説明する。
図２はゲート絶縁膜を備えた半導体デバイスの一例を示す概略断面図である。半導体デバイスには、ロジック、ＤＲＡＭ、不揮発性メモリなどのデバイスが含まれる。ゲート絶縁膜は、基板１１上に形成された下地シリコン膜としてのシリコン酸化膜１２と、シリコン酸化膜１２上に形成されたシリコン窒化膜１３との積層膜から構成される。
【００３８】
実施態様によっては、半導体デバイスが備えるゲート絶縁膜は、基板としての半導体シリコン基板上に形成されたフラッシュメモリのゲート絶縁膜であることもある。
図３は、フラッシュメモリのゲート絶縁膜の一例を示す概略断面図である。ゲート絶縁膜は、シリコン基板１０１上に形成された酸化膜であって、シリコン基板１０１上の全面に形成されたうちの、非ゲート領域表面１０２に形成された一部は除去され、ゲート領域表面１０３に形成された他部が残されたシリコン酸化膜１０４と、そのシリコン酸化膜１０４上に形成されたシリコン窒化膜１０５とから構成されている。このシリコン窒化膜１０５は、例えば、シリコン基板１０１の全面に成膜したアモルファスシリコン膜をアニールしてシリコン単結晶化し、この単結晶シリコン膜をプラズマ窒化することにより形成されている。
【００３９】
上述した本実施の形態の第一工程で使用した装置は、アモルファスシリコン膜を形成する場合や、アモルファスシリコン膜をシリコン単結晶化するためにアニールする場合に使用される。また、ＭＭＴ装置は、単結晶シリコン膜をプラズマ窒化する場合に好適に使用される。
【００４０】
図３に示すようなフラッシュメモリのゲート絶縁膜の作成方法は、下地シリコン膜としてのシリコン酸化膜１０４の上に単結晶シリコン膜を形成する工程と、前記単結晶シリコン膜を窒化してシリコン窒化膜１０５を形成する工程と、を含む方法から構成される。
ここで形成されるシリコン窒化膜１０５としては、ＳｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＸＮＶが挙げられ、一般的には、高温でのＣＶＤ膜や高温で熱窒化したシリコン窒化膜の組成は、Ｓｉ３Ｎ４となる。以下、シリコン窒化膜１０５をＳｉ３Ｎ４膜１０５という。また、シリコン酸化膜１０４をＳｉＯ２膜１０４という。
つぎに、図１を用いて具体的なゲート絶縁膜の作成方法を説明する。
【００４１】
ステップ１（酸化（図１（ａ））
下地シリコン膜であるＳｉＯ２膜１０４を形成するには、シリコン基板１０１の表面を酸化してＳｉＯ２膜を形成する。具体的には、酸素を含むガスをプラズマにより活性化してシリコン基板１０１の表面に薄いＳｉＯ２膜１０４を形成するか、或いは熱による熱酸化反応で形成する。例えば、薄いＳｉＯ２膜１０４の厚さは０．６ｎｍから３．０ｎｍである。
酸素を含むガスをプラズマにより活性化してＳｉＯ２膜を形成するには、例えば、上述したＭＭＴ装置や、ＣＶＤ装置を用いて実施する。酸素を含むガスには、例えばＯ２、Ｏ２＋Ｈ２、Ｈ２Ｏ等が使われる。ＭＭＴ装置の場合、シリコン基板１０１の表面を酸化する際に、サセプタ２１７と接地間に介設したインピーダンス可変機構２７４を、予め所望のインピーダンス値に調整すると、それによりウェハ２００の電位が制御されて、上述した範囲の膜厚及び面内膜厚均一性をもつＳｉＯ２膜１０４が形成できる。
【００４２】
前述した下地シリコン膜としてのＳｉＯ２膜１０４の上に単結晶シリコン膜１０７を形成する工程は、具体的にはステップ２からステップ４で構成される。
【００４３】
ステップ２（一部の酸化膜除去（図１（ｂ））
ＳｉＯ２膜の一部を除去してシリコン基板１０１の表面を露出させる。具体的には、ゲート領域表面１０３上のＳｉＯ２膜１０４は残し、非ゲート領域表面１０２上のＳｉＯ２膜を除去して、非ゲート領域表面１０２にシリコン基板１０１の単結晶シリコンを露出させる。シリコン基板１１の表面の一部のＳｉＯ２膜を除去する手段には、ウェットエッチング或いはプラズマによるドライエッチングを用いる。プラズマによるドライエッチングは、例えば、上述したＭＭＴ装置や、既存のエッチング装置を用いて実施する。この場合、エッチングガスには、例えばＮＦ３、ＣｌＦ３が使われる。
【００４４】
ステップ３（アモルファスシリコン成膜（図１（ｃ））
露出した単結晶シリコン表面を含むシリコン基板１０１の全面にアモルファスシリコン膜１０６を形成する。アモルファスシリコン膜１０６を成膜するには、具体的には、前述の第一の工程で使用した装置、つまりエピタキシャル装置を用いる。原料ガスには、この場合、例えばＳｉ２Ｈ６、ＳｉＨ４等が用いられる。
このとき、圧力を１００Ｐａ、基板温度は５００℃、処理時間を約１０分とする。
【００４５】
ステップ４（アニール（図１（ｄ））
アモルファスシリコン膜１０６を形成した後、同処理室でアニール処理を行い、単結晶シリコン膜１０７を形成する。具体的には、基板温度を５００℃以上６５０℃以下の温度でアニールを行う。特に好適には、５５０℃以上の温度でアニールを行う。
このようなアニール処理により、アモルファス構造のシリコンを単結晶化する。アニールは窒素雰囲気で行う。
このときの圧力を常気圧、処理時間を１０時間以上とする。
【００４６】
次に、単結晶シリコン膜１０７を窒化してＳｉ３Ｎ４膜１０５を形成する工程は、ステップ５、及びステップ６からなる。
【００４７】
ステップ５（窒化（図１（ｅ））
単結晶シリコン膜１０７を窒化してＳｉ３Ｎ４膜１０５を形成する。好ましくは、単結晶シリコン膜１０７を窒化してＳｉ３Ｎ４膜１０５を形成する工程は、窒素を含んだガスをプラズマにより活性化して、単結晶シリコン膜１０７を窒化処理することにより形成する工程とする。
窒化処理には、例えば上述したＭＭＴ装置を用いる。このＭＭＴ装置を用いて、単結晶シリコン膜１０７を窒化処理するには、シリコン基板１０１を上述したように室温（２５℃）から７００℃の範囲内、処理室内を０．１Ｐａから１００Ｐａの範囲内に維持して、窒素Ｎ２を含むガスを処理室２０１内のウェハ２００の上面（処理面）に向けてシャワー状に供給する。このときのガス流量は１０から５０００ｓｃｃｍの範囲である。同時に筒状電極２１５に高周波電源２７３から整合器２７２を介して１５０から２０００Ｗの範囲内の電力出力値を投入する。プラズマ生成領域２２４に高密度プラズマが生成され、サセプタ２１７上のウェハ２００の表面にプラズマ窒化処理が施される。窒素Ｎ２を含むガスには、例えばＮ２、ＮＯ、Ｎ２Ｏ、ＮＨ３、Ｎ２Ｈ６などが使われる。  
【００４８】
前述の窒素含有ガスは、Ｈｅ、Ａｒ等の希釈ガスを添加しても良い。希釈ガスの触媒作用により窒化が促進されるためである。ここで触媒作用とは、窒素成分をプラズマ化する際に、希釈ガスであるＨｅ等がプラズマ化され、そのプラズマ化された希釈ガスにより、窒素成分にエネルギーが与えられることをいう。
【００４９】
窒化処理する際に、サセプタ２１７と接地間に介設したインピーダンス可変機構２７４を、予め所望のインピーダンス値に調整すると、それによりウェハ２００の電位が制御されて、所望の膜厚及び面内膜厚均一性をもつ窒化処理膜が形成できる。ここで、Ｓｉ３Ｎ４膜の所望の厚さは、０．３ｎｍから５．０ｎｍである。
このときの処理時間は、膜厚にもよるが、５秒以上１０分以下とする。また、処理基板温度を約６００℃とすれば、より良好な膜質とすることができる。
【００５０】
ステップ６（アニール（図１（ｆ））
Ｓｉ３Ｎ４膜１０５をアニールして安定化する。アニールは、例えばＮＯ雰囲気で行うＮＯアニールを８００℃以上の温度で実施する。アニールは、例えば上述したＭＭＴ装置を用いて実施する。
このときの処理時間は、膜圧にもよるが、１分以上３０分以下で行う。特に減圧を行う必要は無い。処理時の基板温度は、７５０℃以上が望ましい。
このアニール処理は、前述のＭＭＴ装置に限らず、縦型装置等の既存のアニール装置にで行っても良い。
【００５１】
ステップ７（部分除去（図１（ｇ））
Ｓｉ３Ｎ４膜１０５の一部を除去して下地の単結晶シリコン表面を露出させる。具体的には、ゲート領域表面１０３上にあるＳｉＯ２膜１０４上のＳｉ３Ｎ４膜１０５は残し、非ゲート領域表面１０２上の必要のない部分のＳｉ３Ｎ４膜の一部を除去して、非ゲート領域表面１０２に単結晶シリコンを露出させる。これによりシリコン酸化膜１０４とＳｉ３Ｎ４膜１０５の積層膜が形成される。
【００５２】
Ｓｉ３Ｎ４膜１０５を部分除去した後、ゲート領域表面１０３上にゲートを形成するために、上記積層膜上にさらに種々の成膜がなされる。例えば、ゲートがフラッシュメモリのゲートである場合には、Ｓｉ３Ｎ４膜１０５上に浮遊ゲートシリコンが形成され、その上面および側面にＳｉＯ２膜が形成される。このＳｉＯ２膜上に、ＳｉＯ２膜を含むＳｉ３Ｎ４膜、ＳｉＯ２膜からなるＯＮＯ構造の絶縁膜が形成される。このＯＮＯ構造絶縁膜の上に制御ゲートポリシリコンが形成される。
【００５３】
上述したように本実施の形態のゲート絶縁膜形成方法において、特にシリコン酸化膜の上にシリコンの単結晶膜を形成し、その単結晶シリコン膜を窒化するようにしたので、次のような特徴がある。
【００５４】
緻密な単結晶シリコン膜を窒素プラズマで窒化するので、窒素の結合度を高くすることができ、結果高密度のシリコン窒化膜を形成することができる。
従来のようにシリコン酸化膜を窒化してシリコン窒化膜を形成する場合と比べて、窒化膜中の窒素濃度が高いため、ゲート絶縁膜の誘電率を大きくすることができる。
【００５５】
さらに、窒化の場合、熱窒化も考えられるが、次の点でプラズマ窒化が有利であることは明白である。
熱窒化の場合、１２００℃程度で窒化を行う必要がある。この条件で単結晶膜を窒化した場合、１２オングストローム程度の厚みでしか窒化をすることができない。これは、基板上部にできた窒化膜が保護膜となってしまい、結果それ以上の深さを窒化することができないためである。
一方、プラズマで窒化を行う場合、高エネルギーであるので、比較的低温で処理を行うことができ、しかも５０オングストローム程度の厚みを窒化することができる。
従って、単結晶膜をプラズマ窒化することにより、熱窒化に比べて、ゲート電極からのリーク電流をより抑制し、誘電率を高めることができる。
また、ゲート絶縁膜の物理膜厚を厚くすることで、半導体デバイスの特性を劣化させることなく、ゲート絶縁膜の信頼性を改善できる。
【００５６】
また、単結晶シリコン膜中に窒素がトラップされるので、シリコン酸化膜とシリコンとの界面の窒素濃度を極端に減らすことができる。したがって、シリコン酸化膜の膜厚が薄くても、シリコンとシリコン酸化膜の界面層に流れる荷電粒子の駆動電流を増やすことができ、デバイスの電気特性を従来方法より大幅に改善することができる。
【００５７】
また、窒化膜の窒素濃度が高いので、ＰＭＯＳのゲート電極中にドーピングされている不純物ボロン（Ｂ）が基板に突き抜ける突抜け現象を有効に抑止することができる。
【００５８】
なお、上述した実施の形態で行う窒化処理工程と、その前の工程又は後の工程とを、同一の処理室内で連続して処理してもよいし、処理毎に処理室を設けて異なる処理室で処理を行ってもよい。同一の処理室内で連続して処理すると、窒化処理を安定して行なうことができ、半導体デバイスの特性を向上できる。
【００５９】
また、図６に示す枚葉装置は、ホットウォール型と呼ばれるものである。この装置は、前述のアモルファスシリコン形成ステップにおいて、バッチ式の縦型処理装置に替わって使用しても良い。
同図において、ゲートバルブ４５０を介して搬送室４２０と連結されている反応室４３０は、ガス供給用ノズル４２５を有する。反応室４３０は、ガスを単一方向から流しウェハ４００に対してガス供給用ノズル４２５とは反対方向の排気配管４３５を経由しターボ分子ポンプ４４０で吸引することにより超高真空対応となっている。ガス供給用ノズル４２５に通じる配管に流量制御弁４１５が設けられ、この流量制御弁４１５は反応室４３０内に供給されるガス流量が所定流量となるように流量制御手段４０５によって制御される。反応室４３０はウェハ４００表面に対して対面式の分割型抵抗加熱ヒータ４１０を有する。この分割型抵抗加熱ヒータ４１０でウェハ４００の上下を加熱するようになっている。分割型抵抗加熱ヒータ４１０には、反応室４３０内の温度を所定の温度範囲内に制御する温度制御手段４０８が設けられる。
このような構成をした枚葉装置による減圧処理方法の一例を説明すると、まずゲートバルブ４５０を開けてウェハ４００を反応室４３０内に挿入して水平に保持させる。保持後、ゲートバルブ４５０を閉じ、分割型抵抗加熱ヒータ４１０により加熱して、反応室４３０内を昇温して所定の処理温度に維持する。また、反応室４３０内を所定の真空状態まで排気する。排気後、ガス供給用ノズル４２５から処理用のガス、例えばモノシランガス（ＳｉＨ４）を供給しつつ排気配管４３５から排気して、所定時間減圧処理を行う。これによりウェハ４００上にアモルファスシリコン膜が成膜される。
【００６０】
本発明の好ましい態様を付記する。
【００６１】
付記１によれば、シリコン酸化膜の上に単結晶シリコン膜を形成する工程と、  前記単結晶シリコン膜を窒化してシリコン窒化膜を形成する工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【００６２】
好ましくは、前記シリコン酸化膜の上に単結晶シリコン膜を形成する工程が、シリコン基板の表面を酸化してシリコン酸化膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜の一部を除去して単結晶シリコン表面を露出させる工程と、前記露出した単結晶シリコン表面を含むシリコン基板の全面にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、前記アモルファスシリコン膜をアニールして単結晶シリコン膜を形成する工程とを含むようにする。
【００６３】
また、好ましくは、前記シリコン基板の表面を酸化してシリコン酸化膜を形成する工程
を、酸素を含むガスをプラズマにより活性化してシリコン基板の表面にシリコン酸化膜を形成する工程とする。また、好ましくは、前記単結晶シリコン膜を窒化してシリコン窒化膜を形成する工程を、前記単結晶シリコン膜を、窒素を含むガスをプラズマにより活性化してシリコン窒化膜を形成する工程とする。
【００６４】
付記２によれば、シリコン酸化膜の上にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、前記アモルファスシリコン膜をアニールして単結晶シリコン膜を形成する工程とを有する半導体装置の製造方法が提供される。
このような処理により、シリコン基板上に、緻密な単結晶膜を形成することができる。
【００６５】
付記３によれば、付記２の後、単結晶シリコン膜を窒化処理してシリコン窒化膜を形成する工程をさらに有する半導体装置の製造方法が提供される。
緻密な単結晶膜を窒化処理するので、結合度の高い窒化処理を行うことができ、結果的に緻密な酸窒化膜を形成することができる。
【００６６】
付記４によれば、前記窒化処理は、窒素含有ガスをプラズマ化し、プラズマ窒化を行う工程を有する付記３に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
窒素含有ガスをプラズマ化し、単結晶膜を窒化するので、基板表面から深い距離まで窒化を行うことができ、結果厚い酸窒化膜を形成することができる。
これにより、リーク電流をさらに抑制することができる。
【００６７】
付記５によれば、前記アモルファスシリコン膜を形成する工程は装置を用いて行われる付記２に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
【００６８】
付記６によれば、前記単結晶シリコン膜を形成する工程は、前記アモルファスシリコン膜を形成する工程と同じ処理室で行われる付記２に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
【００６９】
付記７によれば、前記単結晶シリコン膜を形成する工程では、５００℃以上６５０℃以下の温度でアニールする付記２に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
【００７０】
付記８によれば、前記シリコン窒化膜を形成する工程は、単結晶シリコン膜を窒化処理してシリコン窒化膜を形成する窒化工程と、該窒化工程で形成されたシリコン窒化膜をアニールするアニール工程とを含む付記３に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
【００７１】
付記９によれば、前記窒化処理はプラズマ処理装置を用いて行われ、該プラズマ処理装置は、処理室と、該処理室周囲に配置された筒状電極及び磁界形成機構と、コイル及びコンデンサを有するインピーダンス可変機構を介して接地するサセプタとを有し、前記インピーダンス可変機構のコイル又はコンデンサにより前記サセプタのインピーダンスを変化させてサセプタ電位を調整し、前記筒状電極に高周波電力を印加しながら前記処理室に処理ガスとして窒素を含んだガスを供給して、プラズマ励起された窒素を含んだガスにより処理室内に配置された基板表面の単結晶シリコン膜を窒化処理することを特徴とする付記４に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
【００７２】
付記１０によれば、前記窒素を含んだガスに希釈ガスが添加されている付記９に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
【００７３】
付記１１によれば、前記単結晶シリコン膜を窒化処理して形成するシリコン窒化膜の膜厚が、０．３ｎｍから５．０ｎｍである付記９に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の一実施の形態におけるゲート絶縁膜の製造工程を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施の形態における半導体デバイスの概略断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態におけるゲート絶縁膜を含む半導体デバイスの概略断面図である。
【図４】本発明の一実施の形態を示すＭＭＴ装置の概略構成図である。
【図５】縦型装置の一例を示す概略構成図である。
【図６】枚葉装置の一例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０４  シリコン酸化膜
１０５  シリコン窒化膜
１０７  単結晶シリコン膜
【図１】
2008182194.tif 000003
【図２】
2008182194.tif 000004
【図３】
2008182194.tif 000005
【図４】
2008182194.tif 000006
【図５】
2008182194.tif 000007
【図６】
2008182194.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成19年11月29日(2007.11.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン酸化膜の上にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、
前記アモルファスシリコン膜をアニールして単結晶シリコン膜を形成する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記単結晶シリコン膜を窒化処理してシリコン窒化膜を形成する工程をさらに有する請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記窒化処理は、窒素含有ガスをプラズマ化し、プラズマ化されたガスにより窒化を行う工程を有する請求項２に記載の半導体装置の製造方法。