(57)【要約】【課題】ゲート絶縁膜に窒化酸化シリコンを用い、電気的特性に優れた半導体装置を提供する。【解決手段】半導体基板の表面の一部の領域上に、窒化酸化シリコンで形成されたゲート絶縁膜が配置されている。ゲート絶縁膜の上にゲート電極が配置されている。ゲート電極の両側にソース及びドレイン領域が配置されている。ゲート絶縁膜中の窒素原子のうち、３本の結合手がすべてシリコン原子と結合し、当該窒素原子に結合している３個のシリコン原子の各々の残りの３本の結合手がすべて他の窒素原子と結合している窒素原子の、窒素原子総量に対する存在比率が２０％以下である。【選択図】　図６
2004111538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の表面の一部の領域上に配置され、窒化酸化シリコンで形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に配置されたソース及びドレイン領域と
を有し、
前記ゲート絶縁膜中の窒素原子のうち、３本の結合手がすべてシリコン原子と結合し、当該窒素原子に結合している３個のシリコン原子の各々の残りの３本の結合手がすべて他の窒素原子と結合している窒素原子の、窒素原子総量に対する存在比率が２０％以下である半導体装置。
【請求項２】
前記ゲート絶縁膜の厚さが３ｎｍ以下である請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
半導体基板と、
前記半導体基板の表面の一部の領域上に配置され、窒化酸化シリコン膜と、該窒化酸化シリコン膜よりも誘電率の高い高誘電率膜とがこの順番に積層されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に配置されたソース及びドレイン領域と
を有し、
前記窒化シリコン膜の中の窒素原子のうち、３本の結合手がすべてシリコン原子と結合し、当該窒素原子に結合している３個のシリコン原子の各々の残りの３本の結合手がすべて他の窒素原子と結合している窒素原子の、窒素原子総量に対する存在比率が２０％以下である半導体装置。
【請求項４】
半導体基板の表面上に窒化酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記窒化酸化シリコン膜の上に、ゲート電極用の導電膜を形成する工程と、
前記導電膜をパターニングして、ゲート電極を残す工程と、
前記ゲート電極の両側の半導体領域に不純物を注入し、ソース及びドレイン領域を形成する工程と
を有し、
前記窒化酸化シリコン膜を形成する工程において、前記窒化酸化シリコン膜中の窒素原子のうち、３本の結合手がすべてシリコン原子と結合し、当該窒素原子に結合している３個のシリコン原子の各々の残りの３本の結合手がすべて他の窒素原子と結合している窒素原子の、窒素原子総量に対する存在比率が２０％以下になる条件で前記窒化酸化シリコン膜を形成する半導体装置の製造方法。
【請求項５】
半導体基板の表面上に、窒化酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記窒化酸化シリコン膜中の窒素原子のうち、３本の結合手がすべてシリコン原子と結合し、当該窒素原子に結合している３個のシリコン原子の各々の残りの３本の結合手がすべて他の窒素原子と結合している窒素原子の、窒素原子総量に対する存在比率を測定する工程と、
測定された存在比率に基づいて、前記窒化酸化シリコン膜をゲート絶縁膜として用いたＭＩＳＦＥＴの特性を評価する工程と
を有する半導体装置の特性評価方法。
【請求項６】
半導体基板の表面上に、窒化酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記窒化酸化シリコン膜中の窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギスペクトルをＸ線光電子分光法により測定する工程と、
前記Ｘ線光電子分光法により得られたピークを、窒化シリコンにおける窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギよりも高エネルギ側で最大値を示す少なくとも２つの第１のピーク、及び前記少なくとも２つのピークよりも低エネルギ側の１つの第２のピークに分離する工程と、
前記複数の第１のピークと前記第２のピークとの面積の和に対する前記第２のピークの面積の比を求める工程と、
求められたピークの面積の比に基づいて、前記窒化酸化シリコン膜をゲート絶縁膜として用いたＭＩＳＦＥＴの特性を評価する工程と
を有する半導体装置の特性評価方法。
【請求項７】
半導体基板の表面上に、窒化酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記窒化酸化シリコン膜中の窒素原子のうち、３本の結合手がすべてシリコン原子と結合し、当該窒素原子に結合している３個のシリコン原子の各々の残りの３本の結合手がすべて他の窒素原子と結合している窒素原子の、窒素原子総量に対する存在比率を測定する工程と、
測定された存在比率に基づいて、前記窒化酸化シリコン膜の形成工程におけるプロセス条件の妥当性を判断する工程と
を有するプロセス条件評価方法。
【請求項８】
半導体基板の表面上に、窒化酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記窒化酸化シリコン膜中の窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギスペクトルをＸ線光電子分光法により測定する工程と、
前記Ｘ線光電子分光法により得られたピークを、窒化シリコンにおける窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギよりも高エネルギ側で最大値を示す少なくとも２つの第１のピーク、及び前記少なくとも２つのピークよりも低エネルギ側の１つの第２のピークに分離する工程と、
前記複数の第１のピークと前記第２のピークとの面積の和に対する前記第２のピークの面積の比を求める工程と、
求められたピークの面積の比に基づいて、前記窒化酸化シリコン膜の形成工程におけるプロセス条件の妥当性を判断する工程と
を有するプロセス条件評価方法。
【請求項９】
半導体基板と、
前記半導体基板の表面の一部の領域上に配置され、窒化酸化シリコンで形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に配置されたソース及びドレイン領域と
を有し、
前記ゲート絶縁膜中の窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギスペクトルをＸ線光電子分光法により測定し、前記Ｘ線光電子分光法により得られたピークを、窒化シリコンにおける窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギよりも高エネルギ側で最大値を示す少なくとも２つの第１のピーク、及び前記少なくとも２つのピークよりも低エネルギ側の１つの第２のピークに分離したとき、前記複数の第１のピークと前記第２のピークとの面積の和に対する前記第２のピークの面積の比が２０％以下である半導体装置。
【請求項１０】
半導体基板と、
前記半導体基板の表面の一部の領域上に配置され、窒化酸化シリコン膜と、該窒化酸化シリコン膜よりも誘電率の高い高誘電率膜とがこの順番に積層されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に配置されたソース及びドレイン領域と
を有し、
前記ゲート絶縁膜中の窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギスペクトルをＸ線光電子分光法により測定し、前記Ｘ線光電子分光法により得られたピークを、窒化シリコンにおける窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギよりも高エネルギ側で最大値を示す少なくとも２つの第１のピーク、及び前記少なくとも２つのピークよりも低エネルギ側の１つの第２のピークに分離したとき、前記複数の第１のピークと前記第２のピークとの面積の和に対する前記第２のピークの面積の比が２０％以下である半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゲート絶縁膜に窒化酸化シリコン膜を用いた半導体装置、半導体装置の製造方法と評価方法、及び窒化酸化シリコン膜を形成する工程のプロセス条件判定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路装置の微細化、高集積化により、相補型ＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＣＭＯＳＦＥＴ）のゲート絶縁膜の薄膜化が進んでいる。ゲート絶縁膜の薄膜化が進むと、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート電極に注入されたボロンがゲート絶縁膜を通過してチャネル領域まで拡散する場合がある。ゲート絶縁膜の材料として、酸化シリコンに窒素を導入した窒化酸化シリコンを用いることにより、ボロンの拡散（ボロン抜け）を防止することができる。酸化シリコンへの窒素の導入方法として、抵抗加熱式やランプ加熱式の熱処理装置を用い、アンモニア（ＮＨ３）ガス、ＮＯガス、またはＮ２Ｏガス雰囲気中で熱処理を行う方法が一般的である。
【０００３】
近年、より多くの窒素を導入する技術として、窒素プラズマを用いる方法が提案されている。ゲート絶縁膜中の窒素濃度を高めることにより、ボロン抜け防止効果を高めることができる。さらに、窒素濃度が高くなると、ゲート絶縁膜の誘電率が酸化シリコンの誘電率よりも高くなり、同一の静電容量を確保するために、ゲート絶縁膜を厚くすることができる。これにより、ゲートリーク電流を少なくすることが可能になる。
【０００４】
抵抗加熱式やランプ加熱式の熱処理装置を用いて窒素の導入を行うと、窒化酸化シリコン膜とシリコン基板との界面近傍にピークを持つ窒素濃度分布が得られる。これに対し窒素プラズマを用いて窒素の導入を行うと、窒化酸化シリコン膜の厚さ方向の中央部分や、それよりも表面に近い位置にピークを持つ窒素濃度分布を得ることができる。ゲート絶縁膜とチャネルとの界面近傍の窒素濃度を高くすることなく、膜中の窒素濃度を高めることができるため、ＭＩＳＦＥＴの電気的特性（キャリア移動度等）や信頼性を高めることができる。
【０００５】
ところが、窒素導入の仕方によっては、ＭＩＳＦＥＴの性能の指標である相互コンダクタンス（Ｇｍ）を劣化させてしまうことが知られている（非特許文献１参照）。
【０００６】
特許文献１に、高速動作が可能で信頼性の高いＭＩＳＦＥＴを提供するゲート絶縁膜の好ましい構成が記載されている。このゲート絶縁膜は窒化酸化シリコンで形成され、シリコン基板とゲート絶縁膜との界面近傍にのみ窒素が分布し、界面近傍で、すべての窒素原子が２つのシリコン原子と１つの酸素原子とに結合しているか、またはすべての窒素原子が３つのシリコン原子と結合している。
【０００７】
この公知例では、シリコン基板とゲート絶縁膜との界面から離れたゲート絶縁膜中や、ゲート絶縁膜の表面近傍に窒素を導入するプラズマ窒化プロセスを利用することが困難である。また、ゲート絶縁膜がますます薄くなった場合に、ゲート絶縁膜とシリコン基板との界面近傍にのみ窒素を分布させることは困難である。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−２０４７８７号公報
【非特許文献１】
Ｃｈｉｅｎ−Ｈａｏ　Ｃｈｅｎ，　Ｄｏｗｎｓｃａｌｉｎｇ　Ｌｉｍｉｔ　ｏｆ　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　Ｏｘｉｄｅ　Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｉｎ　Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕｌｔｒａｔｈｉｎ　Ｇａｔｅ　Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｙ　Ｔｈｅｒｍａｌ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｐｌａｓｍａ　Ｎｉｔｒｉｄａｔｉｏｎ，　ＩＥＥＥ　ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ　ＯＮ　ＥＬＥＣＴＲＯＮ　ＤＥＶＩＣＥＳ，　ＭＡＹ　２００２，　ＶＯＬ．４９，　ＮＯ．５，　ｐ．８４０−８４５
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
多種多様なゲート絶縁膜の形成方法が考えられる中で、よりよい性能を有する半導体装置をより早く市場に提供するために、ゲート絶縁膜の窒化状態と、ＭＩＳＦＥＴの性能指標、例えば相互コンダクタンス（Ｇｍ）との関係を明らかにする必要がある。両者の関係が明らかになれば、窒化酸化シリコン膜の分析を行うことにより、その窒化酸化シリコン膜をゲート絶縁膜に用いたＭＩＳＦＥＴの性能を予測することが可能になる。
【００１０】
本発明の目的は、ゲート絶縁膜に窒化酸化シリコンを用い、電気的特性に優れた半導体装置、及びその製造方法を提供することである。
本発明の他の目的は、ゲート絶縁膜に窒化酸化シリコンを用いた半導体装置の電気的特性を評価する方法を提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、ゲート絶縁膜に用いられる窒化酸化シリコン膜形成プロセスの良否を判定する方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、半導体基板と、前記半導体基板の表面の一部の領域上に配置され、窒化酸化シリコンで形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極と、前記ゲート電極の両側に配置されたソース及びドレイン領域とを有し、前記ゲート絶縁膜中の窒素原子のうち、３本の結合手がすべてシリコン原子と結合し、当該窒素原子に結合している３個のシリコン原子の各々の残りの３本の結合手がすべて他の窒素原子と結合している窒素原子の、窒素原子総量に対する存在比率が２０％以下である半導体装置が提供される。
【００１３】
本発明の他の観点によると、半導体基板の表面上に窒化酸化シリコン膜を形成する工程と、前記窒化酸化シリコン膜の上に、ゲート電極用の導電膜を形成する工程と、前記導電膜をパターニングして、ゲート電極を残す工程と、前記ゲート電極の両側の半導体領域に不純物を注入し、ソース及びドレイン領域を形成する工程とを有し、前記窒化酸化シリコン膜を形成する工程において、前記窒化酸化シリコン膜中の窒素原子のうち、３本の結合手がすべてシリコン原子と結合し、当該窒素原子に結合している３個のシリコン原子の各々の残りの３本の結合手がすべて他の窒素原子と結合している窒素原子の、窒素原子総量に対する存在比率が２０％以下になる条件で前記窒化酸化シリコン膜を形成する半導体装置の製造方法が提供される。
【００１４】
上記存在比率を２０％以下にすることにより、半導体装置の電気的特性を高く維持することが可能になる。
本発明の他の観点によると、半導体基板の表面上に、窒化酸化シリコン膜を形成する工程と、前記窒化酸化シリコン膜中の窒素原子のうち、３本の結合手がすべてシリコン原子と結合し、当該窒素原子に結合している３個のシリコン原子の各々の残りの３本の結合手がすべて他の窒素原子と結合している窒素原子の、窒素原子総量に対する存在比率を測定する工程と、測定された存在比率に基づいて、前記窒化酸化シリコン膜をゲート絶縁膜として用いたＭＩＳＦＥＴの特性を評価する工程とを有する半導体装置の特性評価方法が提供される。
【００１５】
上記存在比率から、実際にＭＩＳＦＥＴを作製することなく、ＭＩＳＦＥＴの電気的特性を予測することができる。
本発明の他の観点によると、半導体基板の表面上に、窒化酸化シリコン膜を形成する工程と、前記窒化酸化シリコン膜中の窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギスペクトルをＸ線光電子分光法により測定する工程と、前記Ｘ線光電子分光法により得られたピークを、窒化シリコンにおける窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギよりも高エネルギ側で最大値を示す少なくとも２つの第１のピーク、及び前記少なくとも２つのピークよりも低エネルギ側の１つの第２のピークに分離する工程と、前記複数の第１のピークと前記第２のピークとの面積の和に対する前記第２のピークの面積の比を求める工程と、求められたピークの面積の比に基づいて、前記窒化酸化シリコン膜をゲート絶縁膜として用いたＭＩＳＦＥＴの特性を評価する工程とを有する半導体装置の特性評価方法が提供される。
【００１６】
上記面積比から、実際にＭＩＳＦＥＴを作製することなく、ＭＩＳＦＥＴの電気的特性を予測することができる。
上述の方法で窒化酸化シリコン膜の分析を行うことにより、窒化酸化シリコン膜形成工程のプロセス条件を良否を判定することができる。
【００１７】
本発明の他の観点によると、半導体基板と、前記半導体基板の表面の一部の領域上に配置され、窒化酸化シリコンで形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極と、前記ゲート電極の両側に配置されたソース及びドレイン領域とを有し、前記ゲート絶縁膜中の窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギスペクトルをＸ線光電子分光法により測定し、前記Ｘ線光電子分光法により得られたピークを、窒化シリコンにおける窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギよりも高エネルギ側で最大値を示す少なくとも２つの第１のピーク、及び前記少なくとも２つのピークよりも低エネルギ側の１つの第２のピークに分離したとき、前記複数の第１のピークと前記第２のピークとの面積の和に対する前記第２のピークの面積の比が２０％以下である半導体装置が提供される。
【００１８】
上記面積比を２０％以下にすることにより、半導体装置の電気的特性を高く維持することが可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
窒化酸化シリコンからなるゲート絶縁膜を有するＭＩＳＦＥＴの性能と、窒化酸化シリコンの組成との関連性を見つけ出すために、シリコン基板上に種々の方法で窒化酸化シリコン膜を成膜し、試料Ａ〜Ｆの６個のＭＩＳＦＥＴを作製した。試料Ａ〜Ｅにおいては、まず、シリコン基板の表面を、９００℃の酸素雰囲気中で酸化し、厚さ０．８５ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。試料Ｆにおいては、シリコン基板の表面をＮ２Ｏガスを含む酸化性雰囲気中で酸化し、厚さ０．８５ｎｍの酸化シリコン膜を形成した。
【００２０】
試料Ａでは、リモートプラズマ処理装置を用い、酸化シリコン膜を窒素プラズマに６０秒間晒して酸化シリコン膜中に窒素を導入し、窒化酸化シリコン膜を形成した。
【００２１】
試料Ｂ〜Ｆにおいては、いずれもＮＯガス中で熱処理を行うことにより、酸化シリコン膜中に窒素を導入して窒化酸化シリコン膜を形成した。試料Ｂは、熱処理時のガス圧が６６５Ｐａ、熱処理時間が３０秒のものである。試料Ｃは、熱処理時のガス圧が６６５Ｐａ、熱処理時間が１５秒のものである。試料Ｄは、熱処理時のガス圧が２６６０Ｐａ（２０Ｔｏｒｒ）、熱処理時間が１５秒のものである。試料Ｅは、熱処理時のガス圧が６６５Ｐａ、熱処理時間が５秒のものである。試料Ｆは、熱処理時のガス圧が６６５Ｐａ、熱処理時間が１５秒のものである。各試料の窒化酸化シリコン膜の厚さは、１．０〜１．２ｎｍ程度であった。
【００２２】
図１に、各試料の窒化酸化シリコン膜及びシリコン基板中の厚さ方向の窒素濃度分布を示す。横軸は窒化酸化シリコン膜の表面からの深さを単位「ｎｍ」で表し、縦軸は、窒素濃度を単位「原子／ｃｍ３」で表す。なお、窒素濃度の測定には、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法を用いた。
【００２３】
試料Ｂ〜Ｆの場合には、窒化酸化シリコン膜の厚さ方向の中心よりもやや深い位置で、窒素濃度が最大値を示している。これに対し、試料Ａの場合には、窒化酸化シリコン膜の厚さ方向の中心よりも浅い位置で、窒素濃度が最大値を示している。この結果からわかるように、プラズマによる窒化を行うことにより、表面近傍に大量の窒素を導入することが可能になる。
【００２４】
図２に、各試料の、窒化酸化シリコン膜とシリコン基板との界面における窒素濃度と、電気的特性との関係を示す。横軸は、界面における窒素濃度を単位「原子％」で表し、縦軸は、相互コンダクタンス（Ｇｍ）と反転容量換算膜厚（Ｔｅｆｆ）との積を、単位「ｎｍ×Ｓ」で表す。ここで、反転容量換算膜厚とは、基板の導電型を反転させた状態で測定された基板とゲート電極間の容量と酸化シリコンの誘電率とから計算したゲート絶縁膜の膜厚を意味する。すなわち、ゲート絶縁膜が酸化シリコンで形成されていると仮定した時の、ゲート絶縁膜の換算膜厚を意味する。
【００２５】
図２から、ＭＩＳＦＥＴの電気的特性は、窒化酸化シリコン膜とシリコン基板との界面における窒素濃度と、ほとんど相間関係が無いことがわかる。
次に、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）法を用いて、窒化酸化シリコン膜中の窒素原子の結合状態を調べた。Ｘ線の励起源としてＭｇ−ｋα線を用い、取り出し角９０°で、１ｓ軌道から放出される光電子のエネルギスペクトルを測定した。
【００２６】
図３に、１つの試料の測定結果（ＸＰＳスペクトル）を示す。横軸は結合エネルギを単位「ｅＶ」で表し、縦軸は検出された光電子数を単位「カウント／ｓ」で表す。図中の太線Ｏが、窒素原子の１ｓ軌道から放出される光電子のエネルギスペクトルのピーク（Ｎ１ｓピーク）を示す。複数の試料の測定結果から、左右非対称なＮ１ｓピークが観測された。このため、Ｎ１ｓピークが少なくとも２つのピークに分離できることがわかる。
【００２７】
複数の試料の測定結果から、Ｎ１ｓピークＯが、代表的な２つのピークＰ１とＰ２に分離ができることがわかった。２つのピークＰ１とＰ２に対応する化学構造は明確には解明されていない。ただし、２つのピークＰ１とＰ２が、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）における窒素の１ｓ軌道の電子の結合エネルギよりも大きな位置に現れていることから、これらのピークは窒化酸化物に対応すると考えられる。例えば、窒素を中心に考えると、ピークＰ１及びＰ２は、図４（Ａ）または（Ｂ）に示すように、窒素原子の３本の結合手がシリコン原子と結合し、３個のシリコン原子の各々が、酸素原子及び窒素原子と結合している構造、または、図４（Ｃ）に示すように、窒素原子の３本の結合手のうち２本がシリコン原子と結合し、残りの１本が酸素原子と結合している構造に対応していると考えられる。
【００２８】
ピークＮ１ｓを２つのピークＰ１とＰ２とに分離すると、ピークＮ１ｓから、２つのピークＰ１及びＰ２を差し引いた時、ピークＰ１及びＰ２よりも低エネルギ側に余りの生ずるピーク形状を示す試料があった。このようなピークＮ１ｓを分離するためには、ピークＰ１及びＰ２以外に、低エネルギ側にもう一つのピークＰ３を設定する必要がある。
【００２９】
新たに設定されたピークＰ３の中心エネルギは、窒化シリコンの結合エネルギに近い。このため、ピークＰ３は、図４（Ｄ）に示すように、窒素原子の３本の結合手がすべてシリコン原子と結合し、３個のシリコン原子の各々の残りの３本の結合手がすべて窒素原子と結合した構造に対応すると考えられる。本明細書において、この構造を、「ＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造」と記す。
【００３０】
なお、２つのピークＰ１及びＰ２より高エネルギ側にも余りが生ずるため、高エネルギ側にピークＰ４を設定する必要もある。
図３の破線Ｓは、４つの分離されたピークＰ１〜Ｐ４の和を表し、太線Ｏで示した測定結果によく整合していることがわかる。なお、破線Ｂは、太線Ｏのピークから破線Ｓのピークを差し引いた結果を表す。
【００３１】
図５に、ＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の密度と、電気的特性との関係を示す。横軸は、ＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の密度を単位「原子％」で表し、縦軸は、相互コンダクタンス（Ｇｍ）と反転容量換算膜厚（Ｔｅｆｆ）との積を、単位「ｎｍ×Ｓ」で表す。
【００３２】
ＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の密度は、下記の方法により求めた。まず、ＸＰＳにより、窒化酸化シリコン膜のＳｉ２ｐのピーク、Ｎ１ｓのピーク、及びＯ１ｓのピークを測定した。これら３つのピークの面積の比から、Ｓｉ、Ｎ、及びＯの原子密度の比を計算した。
【００３３】
図５からわかるように、ＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の密度と、電気的特性との間には、ほとんど相関関係は見られない。
図６に、窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率と、電気的特性との関係を示す。横軸は、窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率の逆数を、単位「１／％」で表し、縦軸は、相互コンダクタンス（Ｇｍ）と反転容量換算膜厚（Ｔｅｆｆ）との積を、単位「ｎｍ×Ｓ」で表す。窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率は、図３に示したピークＰ３の面積を、４つの分離されたピークＰ１〜Ｐ４の和に相当するピークＳの面積で除したものである。
【００３４】
窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率の逆数が小さくなると、Ｇｍ×Ｔｅｆｆも徐々に小さくなり、窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率の逆数が０．０５を下回ったあたりから、Ｇｍ×Ｔｅｆｆが急激に小さくなっている。大きな相互コンダクタンスを確保するために、窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率の逆数を０．０５以上にすることが好ましい。すなわち、窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率を２０％以下にすることが好ましい。
【００３５】
ゲート絶縁膜の厚さが薄くなると、特開平１１−２０４７８７号公報に開示された構造、すなわち、窒素原子をゲート絶縁膜と半導体基板の界面近傍にのみ導入した構造を作製することが困難になる。この様な場合にも、上記実施例による方法を用いて窒化酸化シリコン膜を分析することにより、ＭＩＳＦＥＴの電気的特性を予測することが可能になる。特に、ゲート絶縁膜の厚さが３ｎｍ以下の場合に、上記実施例による評価方法が有効であろう。
【００３６】
上記実施例では、シリコン基板表面を酸化して酸化シリコン膜を形成し、この酸化シリコン膜を窒化して窒化酸化シリコン膜を形成した。この手順を逆にして、まずシリコン基板表面を窒化して窒化シリコン膜を形成し、この窒化シリコン膜を酸化して形成した窒化酸化シリコン膜を分析する場合にも、上記実施例は有効であろう。
【００３７】
図７に、３つの試料Ｘ、Ｙ、及びＺの窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率、及びその逆数を示す。試料Ｘ、Ｙ、及びＺは、処理温度、処理時間、ガス流量、圧力等のプロセス条件を同一にして、異なる時期に作製したものである。窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率のばらつきが非常に少なく、安定していることがわかる。このため、形成された窒化酸化シリコン膜の窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率を測定することにより、窒化酸化シリコン膜形成時のプロセス条件の良否を判定することができる。
【００３８】
なお、半導体装置を製造するにあたって、エリプソメータによる光学膜厚の測定、ＳＩＭＳやＸＰＳによる単純なＮ濃度測定、コロナチャージやＨｇ電極等を用いた電気的容量測定、及び固定電荷測定では、製品の品質保証、及び製造装置の安定性の管理を十分行うことができない。
【００３９】
次に、図８を参照して、本願発明の実施例による半導体装置の製造方法について説明する。半導体集積回路装置においては、入出力回路と内部回路とで電源電圧が異なる場合がある。この様な場合、回路の信頼性を確保するために、印加されるゲート電圧に応じて、ゲート絶縁膜の厚さを適切に選択することが好ましい。また、内部回路内においても、ＭＩＳＦＥＴの目的に応じてゲート絶縁膜の厚さを適切に設定する場合がある。例えば、高速動作が求められるＭＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜が、低消費電力が求められるＭＩＳＦＥＴのゲート絶縁膜よりも薄く設計される。図８に示した半導体装置は、ゲート絶縁膜の厚さが異なる２つのＭＩＳＦＥＴを含む。
【００４０】
図８（Ａ）に示すように、シリコンからなる半導体基板１の表層部に、シャロートレンチアイソレーション（ＳＴＩ）により素子分離絶縁領域２を形成する。素子分離絶縁領域２により、活性領域３及び４が画定される。不純物濃度調整のためのイオン注入を行う。
【００４１】
活性領域３及び４の表面上に、８００℃の水蒸気酸化法により、厚さ７ｎｍの酸化シリコン膜５を形成する。活性領域４の表面をレジストパターン６で覆い、活性領域３の表面上に形成された酸化シリコン膜５をフッ酸で除去する。その後、レジストパターン６を除去する。
【００４２】
図８（Ｂ）に示すように、活性領域３の表面にシリコン基板１が露出する。活性領域４の表面上には、酸化シリコン膜５が残っている。
図８（Ｃ）に示すように、乾燥酸素雰囲気中で２回目の酸化を行う。活性領域３の表面上に、酸化シリコン膜５よりも薄い厚さ１．２ｎｍの酸化シリコン膜１０が形成される。活性領域４の表面上の酸化シリコン膜５も、第２回目の酸化によりわずかに厚くなる。
【００４３】
同様の工程を繰り返すことにより、３種類以上の厚さを有する酸化シリコン膜を形成することも可能である。
ダウンフロー型プラズマ装置による窒素プラズマ、ＮＯ、またはＮ２Ｏ等の窒化性雰囲気中で熱処理を行うことにより、酸化シリコン膜５及び１０を窒化する。これにより、窒化酸化シリコンからなるゲート絶縁膜５及び１０が形成される。
【００４４】
ゲート絶縁膜５及び１０内の窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率を求める。これは、上述したように、図３に示したＮ１ｓピークを測定し、このピークを分離することにより求めることができる。測定結果と、図６に示したグラフから、作製されるＭＩＳＦＥＴのＧｍ×Ｔｅｆｆの値を予測することができる。窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率が２０％以下であれば、良好な電気的特性が期待できる。また、窒化酸化シリコン膜形成までのプロセス条件が良好であったと判断できる。
【００４５】
窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率が２０％よりも多い場合には、窒化酸化シリコン膜形成までのプロセス条件が、設定値からずれていると判断される。各製造装置、特に窒化装置やガス供給系の保守点検を行い、設定されたプロセス条件に整合するように装置の調整を行う。なお、プロセス条件の良否の判定基準を２０％以外の値にしてもよい。例えば、特性のばらつきを管理するために、窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率が１０〜１５％の範囲にあることを良否の判定基準としてもよい。
【００４６】
図８（Ｄ）に示すように、多結晶シリコンからなるゲート電極１１の形成、ソース及びドレインのエクステンション部１５の形成のためのイオン注入、ソース及びドレイン領域内の半導体基板表層部の不純物プロファイル調整のためのイオン注入（例えばポケット注入）、サイドウォールスペーサ１２の形成、ソース及びドレイン領域１６の形成のためのイオン注入を行う。
【００４７】
上記実施例によると、ゲート絶縁膜を形成した後、ＭＩＳＦＥＴを形成する前に、ＭＩＳＦＥＴの電気的特性を予測することができる。また、窒化酸化シリコン膜形成時のプロセス条件の良否を判定することができる。
【００４８】
半導体装置の製造に採用される酸化方法、窒化方法や、ゲート絶縁膜の膜厚が変更された場合にも、種々の条件で窒化酸化シリコン膜を形成し、窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率を測定することにより、好適なプロセス条件を見つけ出すことができる。これにより、開発効率を高めることが可能になる。
【００４９】
図９に、他の実施例による半導体装置の製造方法について説明する。図９に示したＭＩＳＦＥＴは、ゲート絶縁膜５が、窒化酸化シリコン膜５ａと高誘電率膜５ｂとの２層構造を有する。その他の構造は、図８（Ｄ）に示したＭＩＳＦＥＴと同様である。
【００５０】
高誘電率膜５ｂは、例えばＨｆＯ２、ＺｒＯ２、及びそれらのシリケートやアルミネート、またはＡｌ２Ｏ３で形成される。ゲート絶縁膜５は、シリコン基板１の表面を窒化し、または窒化酸化シリコン膜を形成し、その上に高誘電率膜５ｂを化学気相成長（ＣＶＤ）等により堆積させることにより形成される。
【００５１】
窒化酸化シリコン膜５ａは、高誘電率膜５ｂとシリコン基板１とが反応して酸化シリコン膜が形成されることを防止する。酸化シリコン膜の形成を防止することにより、ゲート絶縁膜５の誘電率の実質的な低下を回避することができる。
【００５２】
この場合にも、窒化シリコン膜５ａ中の窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率が２０％以下となるようにプロセス条件を調整することにより、ＭＩＳＦＥＴの電気的特性を高めることができる。
【００５３】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００５４】
上記実施例から、以下の付記に示された発明が導出される。
（付記１）　半導体基板と、
前記半導体基板の表面の一部の領域上に配置され、窒化酸化シリコンで形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に配置されたソース及びドレイン領域と
を有し、
前記ゲート絶縁膜中の窒素原子のうち、３本の結合手がすべてシリコン原子と結合し、当該窒素原子に結合している３個のシリコン原子の各々の残りの３本の結合手がすべて他の窒素原子と結合している窒素原子の、窒素原子総量に対する存在比率が２０％以下である半導体装置。
【００５５】
（付記２）　前記ゲート絶縁膜の厚さが３ｎｍ以下である付記１に記載の半導体装置。
（付記３）　半導体基板と、
前記半導体基板の表面の一部の領域上に配置され、窒化酸化シリコン膜と、該窒化酸化シリコン膜よりも誘電率の高い高誘電率膜とがこの順番に積層されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に配置されたソース及びドレイン領域と
を有し、
前記窒化シリコン膜の中の窒素原子のうち、３本の結合手がすべてシリコン原子と結合し、当該窒素原子に結合している３個のシリコン原子の各々の残りの３本の結合手がすべて他の窒素原子と結合している窒素原子の、窒素原子総量に対する存在比率が２０％以下である半導体装置。
【００５６】
（付記４）　半導体基板の表面上に窒化酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記窒化酸化シリコン膜の上に、ゲート電極用の導電膜を形成する工程と、
前記導電膜をパターニングして、ゲート電極を残す工程と、
前記ゲート電極の両側の半導体領域に不純物を注入し、ソース及びドレイン領域を形成する工程と
を有し、
前記窒化酸化シリコン膜を形成する工程において、前記窒化酸化シリコン膜中の窒素原子のうち、３本の結合手がすべてシリコン原子と結合し、当該窒素原子に結合している３個のシリコン原子の各々の残りの３本の結合手がすべて他の窒素原子と結合している窒素原子の、窒素原子総量に対する存在比率が２０％以下になる条件で前記窒化酸化シリコン膜を形成する半導体装置の製造方法。
【００５７】
（付記５）　前記窒化酸化シリコン膜を形成する工程が、
前記半導体基板の表面上に酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記酸化シリコン膜を窒化する工程と
を含む付記４に記載の半導体装置の製造方法。
【００５８】
（付記６）　前記窒化酸化シリコン膜を形成する工程が、
前記半導体基板の表面上に窒化シリコン膜を形成する工程と、
前記窒化シリコン膜を酸化する工程と
を含む付記４に記載の半導体装置の製造方法。
【００５９】
（付記７）　半導体基板の表面上に、窒化酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記窒化酸化シリコン膜中の窒素原子のうち、３本の結合手がすべてシリコン原子と結合し、当該窒素原子に結合している３個のシリコン原子の各々の残りの３本の結合手がすべて他の窒素原子と結合している窒素原子の、窒素原子総量に対する存在比率を測定する工程と、
測定された存在比率に基づいて、前記窒化酸化シリコン膜をゲート絶縁膜として用いたＭＩＳＦＥＴの特性を評価する工程と
を有する半導体装置の特性評価方法。
【００６０】
（付記８）　半導体基板の表面上に、窒化酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記窒化酸化シリコン膜中の窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギスペクトルをＸ線光電子分光法により測定する工程と、
前記Ｘ線光電子分光法により得られたピークを、窒化シリコンにおける窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギよりも高エネルギ側で最大値を示す少なくとも２つの第１のピーク、及び前記少なくとも２つのピークよりも低エネルギ側の１つの第２のピークに分離する工程と、
前記複数の第１のピークと前記第２のピークとの面積の和に対する前記第２のピークの面積の比を求める工程と、
求められたピークの面積の比に基づいて、前記窒化酸化シリコン膜をゲート絶縁膜として用いたＭＩＳＦＥＴの特性を評価する工程と
を有する半導体装置の特性評価方法。
【００６１】
（付記９）　半導体基板の表面上に、窒化酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記窒化酸化シリコン膜中の窒素原子のうち、３本の結合手がすべてシリコン原子と結合し、当該窒素原子に結合している３個のシリコン原子の各々の残りの３本の結合手がすべて他の窒素原子と結合している窒素原子の、窒素原子総量に対する存在比率を測定する工程と、
測定された存在比率に基づいて、前記窒化酸化シリコン膜の形成工程におけるプロセス条件の妥当性を判断する工程と
を有するプロセス条件評価方法。
【００６２】
（付記１０）　半導体基板の表面上に、窒化酸化シリコン膜を形成する工程と、
前記窒化酸化シリコン膜中の窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギスペクトルをＸ線光電子分光法により測定する工程と、
前記Ｘ線光電子分光法により得られたピークを、窒化シリコンにおける窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギよりも高エネルギ側で最大値を示す少なくとも２つの第１のピーク、及び前記少なくとも２つのピークよりも低エネルギ側の１つの第２のピークに分離する工程と、
前記複数の第１のピークと前記第２のピークとの面積の和に対する前記第２のピークの面積の比を求める工程と、
求められたピークの面積の比に基づいて、前記窒化酸化シリコン膜の形成工程におけるプロセス条件の妥当性を判断する工程と
を有するプロセス条件評価方法。
【００６３】
（付記１１）　半導体基板と、
前記半導体基板の表面の一部の領域上に配置され、窒化酸化シリコンで形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に配置されたソース及びドレイン領域と
を有し、
前記ゲート絶縁膜中の窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギスペクトルをＸ線光電子分光法により測定し、前記Ｘ線光電子分光法により得られたピークを、窒化シリコンにおける窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギよりも高エネルギ側で最大値を示す少なくとも２つの第１のピーク、及び前記少なくとも２つのピークよりも低エネルギ側の１つの第２のピークに分離したとき、前記複数の第１のピークと前記第２のピークとの面積の和に対する前記第２のピークの面積の比が２０％以下である半導体装置。
【００６４】
（付記１２）　前記ゲート絶縁膜の厚さが３ｎｍ以下である付記１１に記載の半導体装置。
（付記１３）　半導体基板と、
前記半導体基板の表面の一部の領域上に配置され、窒化酸化シリコン膜と、該窒化酸化シリコン膜よりも誘電率の高い高誘電率膜とがこの順番に積層されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜の上に配置されたゲート電極と、
前記ゲート電極の両側に配置されたソース及びドレイン領域と
を有し、
前記ゲート絶縁膜中の窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギスペクトルをＸ線光電子分光法により測定し、前記Ｘ線光電子分光法により得られたピークを、窒化シリコンにおける窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギよりも高エネルギ側で最大値を示す少なくとも２つの第１のピーク、及び前記少なくとも２つのピークよりも低エネルギ側の１つの第２のピークに分離したとき、前記複数の第１のピークと前記第２のピークとの面積の和に対する前記第２のピークの面積の比が２０％以下である半導体装置。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、窒化酸化シリコンからなるゲート絶縁膜をＸＰＳ法で分析することにより、ＭＩＳＦＥＴの電気的特性を予測することができる。また、窒化酸化シリコン膜の形成工程のプロセス条件の良否を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】作製した試料のゲート絶縁膜中の、深さ方向の窒素濃度分布を示すグラフである。
【図２】試料のゲート絶縁膜とシリコン基板との界面の窒素濃度と、Ｇｍ×Ｔｅｆｆとの関係を示すグラフである。
【図３】１つの試料のゲート絶縁膜中の窒素原子の１ｓ軌道の電子のエネルギスペクトル、及び検出されたピークを複数のピークに分離した結果を示すグラフである。
【図４】ゲート絶縁膜中の窒素原子の結合状態の例を示す化学構造図である。
【図５】試料のゲート絶縁膜中のＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の密度と、Ｇｍ×Ｔｅｆｆとの関係を示すグラフである。
【図６】試料のゲート絶縁膜中の窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率の逆数と、Ｇｍ×Ｔｅｆｆとの関係を示すグラフである。
【図７】同一条件で作製した試料の窒化シリコン膜中の窒素原子総量に対するＮＳｉ３（ＳｉはすべてＮと結合）構造の存在比率、及びその逆数を示すグラフである。
【図８】実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中の装置断面図、及び半導体装置の断面図である。
【図９】他の実施例による半導体装置の断面図である。
【符号の説明】
１　半導体基板
２　素子分離絶縁領域
３、４　活性領域
５、１０　ゲート絶縁膜
６　レジストパターン
１１　ゲート電極
１２　サイドウォールスペーサ
１５　エクステンション部
１６　ソース及びドレイン領域
【図１】
2004111538.tif 000003
【図２】
2004111538.tif 000004
【図３】
2004111538.tif 000005
【図４】
2004111538.tif 000006
【図５】
2004111538.tif 000007
【図６】
2004111538.tif 000008
【図７】
2004111538.tif 000009
【図８】
2004111538.tif 000010
【図９】
2004111538.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成15年4月22日(2003.4.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2004111538.tif 000012