(57)【要約】【課題】リーク電流特性の優れた絶縁膜の形成方法を提供する。【解決手段】シリコンおよび塩素からなる化合物の窒素を含有するガスに対するガス流量比が１／３０よりも小さい条件で該窒素を含有するガスと該化合物とを反応させてシリコン窒化膜を形成することを特徴とする。【選択図】  図２
2004342998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンおよび塩素からなる化合物の窒素を含有するガスに対するガス流量比が１／３０よりも小さい条件で該窒素を含有するガスと該化合物とを反応させてシリコン窒化膜を形成することを特徴とする絶縁膜の形成方法。
【請求項２】
前記ガス流量比が１／１００〜１／１５０である請求項１記載の絶縁膜の形成方法。
【請求項３】
前記窒素を含有するガスと前記化合物とを反応させる温度が４００〜７００℃である請求項１または２記載の絶縁膜の形成方法。
【請求項４】
前記化合物がヘキサクロロジシランである請求項１乃至３のいずれか１項記載の絶縁膜の形成方法。
【請求項５】
前記窒素を含有するガスがアンモニアである請求項１乃至４のいずれか１項記載の絶縁膜の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造プロセスに関し、特に絶縁膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
設計ルールの最小寸法が０．１４μｍ以下となる次世代半導体装置の製造プロセス構築のためには、半導体基板内における不純物拡散をさらに抑制する必要がある。そのため、導電体同士を絶縁するために用いられるシリコン窒化膜の形成温度を低温化しなければならない。しかし、従来使用してきたジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２：Ｄｉｃｈｌｏｒｏｓｉｌａｎｅ：以下、ＤＣＳと称する）とアンモニア（ＮＨ３）を反応ガスとして６００℃程度まで低温化してシリコン窒化膜を形成すると、デポレートが急激に小さくなり、スループットが十分に得られないという問題がある。そこで、現在、ＤＣＳに代えて、６００℃程度の温度でも成膜が可能なヘキサクロロジシラン（Ｓｉ２Ｃｌ６：Ｈｅｘａｃｈｌｏｒｏｄｉｓｉｌａｎｅ：以下、ＨＣＤと称する）を用い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）。
【０００３】
なお、以下では、ＤＣＳを反応ガスに用いて形成されたシリコン窒化膜をＤＣＳ−Ｓｉ３Ｎ４と表記し、ＨＣＤを反応ガスに用いて形成されたシリコン窒化膜をＨＣＤ−Ｓｉ３Ｎ４と表記する。
【０００４】
ここで、ＨＣＤ−Ｓｉ３Ｎ４を用いた半導体装置の例として、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）について説明する。
【０００５】
図３はＤＲＡＭのメモリセル部の一構成例を示す断面図である。なお、半導体基板となるＳｉ（シリコン）基板１００にソース電極およびドレイン電極等を有するトランジスタを形成しているが、トランジスタの構成は従来と同様なため図に示すことを省略している。
【０００６】
図３に示すように、第１の層間絶縁膜１０２中に形成された第１のプラグ１２０ａ、１２０ｂがＳｉ基板１００内に形成されたソース電極（不図示）に接続されている。第１のプラグ１２０ａ、１２０ｂに接続された第２のプラグ１２２ａ、１２２ｂは第２の層間絶縁膜１０４および第３の層間絶縁膜１０６中に形成されている。第２のプラグ１２２ａ、１２２ｂは第４の層間絶縁膜１０８中に形成された容量シリンダの下部電極１２４ａ、１２４ｂに接続されている。第１のプラグ１２０ａ、１２０ｂと第２のプラグ１２２ａ、１２２ｂは層間絶縁膜中の開孔部に埋め込まれたポリシリコンに不純物が拡散された構成であるため、下部電極１２４ａ、１２４ｂとソース電極（不図示）は電気的に導通可能に接続されている。以下では、第１のプラグおよび第２のプラグからなる接続部を容量コンタクトプラグと称する。
【０００７】
第３の層間絶縁膜１０６中にビット線１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃが形成されている。ビット線１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃはタングステン窒化膜とタングステン膜が順に形成された構造である。上記第１の層間絶縁膜１０２から第４の層間絶縁膜１０８は順に積層され、各層間絶縁膜の材質は、例えば、シリコン酸化膜である。
【０００８】
なお、容量シリンダの下部電極１２４ａ、１２４ｂよりも上に形成される誘電体および上部電極等の構成については、従来と同様なため図に示すことを省略している。
【０００９】
容量コンタクトプラグ１３０ａとビット線１１０ａ、１１０ｂとを電気的に絶縁するために、ビット線１１０ａ、１１０ｂの上にはＣＡＰ窒化膜１５０が形成され、ビット線１１０ａ、１１０ｂの側壁にはスペーサ窒化膜１６０が形成されている。このスペーサ窒化膜１６０が上記ＨＣＤ−Ｓｉ３Ｎ４で形成されている。また、容量コンタクトプラグ１３０ｂとビット線１１０ｂ、１１０ｃとを電気的に絶縁するためのスペーサ窒化膜１６０についてもＨＣＤ−Ｓｉ３Ｎ４で形成している。
【００１０】
なお、スペーサ窒化膜１６０は、ビット線１１０とＣＡＰ窒化膜１５０が順に形成された積層構造にＨＣＤ−Ｓｉ３Ｎ４を形成した後、ＨＣＤ−Ｓｉ３Ｎ４に異方性エッチングすることで図３に示したように積層構造の側壁に形成される。
【００１１】
次に、ＨＣＤ−Ｓｉ３Ｎ４の形成方法について詳細に説明する。
【００１２】
ＨＣＤ−Ｓｉ３Ｎ４は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）装置にて減圧した反応管内に、ガス流量比ＨＣＤ／ＮＨ３＝１／３０（ＨＣＤガス流量：３０ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス流量：９００ｃｃ／ｍｉｎ）でＨＣＤとＮＨ３を供給して反応させることで、半導体基板表面に形成される。このとき、デポレートは、７００℃以下の比較的低温な６００℃程度で形成しても、７６０℃でＤＣＳ−Ｓｉ３Ｎ４を形成した場合と同等であるため、ＨＣＤ−Ｓｉ３Ｎ４は生産性に優れていることがわかる。
【００１３】
また、従来、半導体装置への熱処理量を低減するために、半導体基板一枚ずつにシリコン窒化膜を形成する枚葉式ＣＶＤ装置を利用しているが、この枚葉式ＣＶＤ装置でＤＣＳ−Ｓｉ３Ｎ４を形成した場合と比較しても、ＨＣＤ−Ｓｉ３Ｎ４はステップカバレジ（段差被覆性）、パターン疎密依存性において優位であることを確認した。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００２−３４３７９３号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の形成方法によるＨＣＤ−Ｓｉ３Ｎ４をＤＲＡＭのビット線のスペーサ窒化膜に用いたところ、信頼性試験で不良が発生した。推定原因を調査すると、容量コンタクトプラグ−ビット線間のリーク電流がＤＣＳ−Ｓｉ３Ｎ４をスペーサ窒化膜に用いた場合よりも大きいことが判明した。そこで、ＨＣＤ−Ｓｉ３Ｎ４のリーク電流特性を確認したところ、電界強度４［ＭＶ／ｃｍ］でリーク電流が３Ｅ−４［Ａ／ｃｍ２］程度あり、ＤＣＳ−Ｓｉ３Ｎ４のリーク電流値２Ｅ−７［Ａ／ｃｍ２］よりも約３桁大きかった。そのため、ＨＣＤ−Ｓｉ３Ｎ４はＤＣＳ−Ｓｉ３Ｎ４よりもリーク電流特性が悪いことが明らかになった。
【００１６】
本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、リーク電流特性の優れた絶縁膜の形成方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の絶縁膜の形成方法は、シリコンおよび塩素からなる化合物の窒素を含有するガスに対するガス流量比が１／３０よりも小さい条件で該窒素を含有するガスと該化合物とを反応させてシリコン窒化膜を形成することを特徴とする。この場合、前記ガス流量比が１／１００〜１／１５０であることとしてもよい。
【００１８】
また、上記本発明の絶縁膜の形成方法において、前記窒素を含有するガスと前記化合物とを反応させる温度が４００〜７００℃であることとしてもよく、前記化合物がヘキサクロロジシランであることとしてもよい。さらに、前記窒素を含有するガスがアンモニアであることとしてもよい。
【００１９】
（作用）
上記本発明では、ガス流量比（化合物／窒素を含有するガス）を１／３０よりも小さくしてシリコン窒化膜を形成しているので絶縁性が向上して、シリコン窒化膜を流れるリーク電流が減少する。
【００２０】
また、本発明では、ガス流量比（化合物／窒素を含有するガス）を１／１００〜１／１５０にしているため、シリコン窒化膜の絶縁性がより向上し、シリコン窒化膜を流れるリーク電流がさらに減少する。
【００２１】
さらに、本発明では、４００〜７００℃でシリコン窒化膜を形成しているため、半導体装置に対する熱処理量が低減する。そのため、半導体基板内の不純物拡散を抑制し、半導体装置の高集積化が可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の絶縁膜の形成方法は、ＨＣＤとＮＨ３を反応させる際にガス流量比ＨＣＤ／ＮＨ３を従来よりも小さくしてシリコン窒化膜を形成することを特徴とする。以下では、絶縁膜がシリコン窒化膜の場合で説明する。
【００２３】
本発明のシリコン窒化膜の形成方法に用いられる気相成長装置について説明する。
【００２４】
図１はシリコン窒化膜を形成するための気相成長装置の一構成例を示すブロック図である。なお、以下では、半導体基板はＳｉ等の基板だけでなく、Ｓｉ基板上に半導体素子や層間絶縁膜等が形成されたものも含むものとする。
【００２５】
図１に示す気相成長装置は、一度に複数の半導体基板にシリコン窒化膜を形成可能なバッチ式の減圧ＣＶＤ装置である。また、半導体基板上にシリコン窒化膜を形成するための反応管１２と、シリコン窒化膜形成のための反応ガス１４と、反応ガス１４を反応管１２内に導くためのガス配管１６と、反応ガス１４の流量を制御するためのマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１８と、反応管１２内の気体を排気するための真空ポンプ２０と、各種反応ガス流量ならびに反応管１２内の温度および圧力を制御するための制御部（不図示）とを有する構成である。
【００２６】
反応管１２には、外気と遮断するための蓋部１２ａと、反応管内を所定の温度で均一に維持するためのヒータと、反応管内温度をモニタするための温度センサと、反応管内圧力をモニタするための圧力センサとが設けられている。また、複数の半導体基板を搭載したウェハボート２６を反応管１２に搬入し、反応管１２からウェハボート２６を搬出する搬出入ロボットが設けられている。この搬出入ロボットは、カセットの有無、ウェハボート２６の位置等をモニタするための位置センサを備え、図に示さないカセット置場から処理前の半導体基板をウェハボート２６に載せ、処理終了後にウェハボート２６から半導体基板をカセットに戻す。
【００２７】
上記制御部は、プログラムにしたがって所定の処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）と、プログラムを格納するためのメモリとを備えている。制御部には、ヒータ、ＭＦＣ１８、真空ポンプ２０、および搬出入ロボットに制御信号を送るための制御信号線と、各種センサからの信号を受け取るためのモニタ信号線が接続されている。制御信号線およびモニタ信号線を介して各部と通信をすることで、操作者により予め登録された処理条件にしたがって半導体基板上にシリコン窒化膜を形成する。
【００２８】
次に、ガス流量比ＨＣＤ／ＮＨ３が従来と異なる条件で形成したシリコン窒化膜について、その膜質を評価するための実験を行ったので説明する。
【００２９】
実験で用いたＴＥＧ（Ｔｅｓｔ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｇｒｏｕｐ）は、平坦な所定のパターンの２つの導電体の間にリーク電流の測定対象となるシリコン窒化膜を挟んだ構造である。膜の形成条件はガス流量比ＨＣＤ／ＮＨ３以外を共通とした。ガス流量比ＨＣＤ／ＮＨ３が１：５０、１：１００、１：１２０、および１：１５０の４通りの場合について各サンプルを以下の手順で作製した。
【００３０】
図１に示した気相成長装置にて、ヒータを用いて反応管１２を加熱し、反応管内を４００〜７００℃の範囲における所定の温度に維持する。そして、ウェハボート２６に半導体基板を搭載して反応管１２内に挿入する。続いて、蓋部１２ａを閉じて密封した反応管１２内の空気を真空ポンプで排気して、反応管１２内を１３．３〜２６６Ｐａ（０．１〜２．０Ｔｏｒｒ）の範囲における所定の圧力に減圧する。その後、所定のガス流量比、例えば、１／１００（ＨＣＤガス流量：１５ｃｃ／ｍｉｎ、ＮＨ３ガス流量：１５００ｃｃ／ｍｉｎ）でＨＣＤとＮＨ３を反応管１２に供給して、半導体基板にシリコン窒化膜を形成してサンプルを作製する。そして、上述の手順によるサンプル作製を異なるガス流量比毎に行った。
【００３１】
次に、実験により作成された各サンプルのリーク電流特性結果について説明する。各サンプルのシリコン窒化膜に印加する電圧の電界強度を０〜―５［ＭＶ／ｃｍ］に変化させたとき、シリコン窒化膜中に流れるリーク電流を測定した。
【００３２】
図２はシリコン窒化膜中を流れるリーク電流の電界強度依存性を示すグラフである。横軸は電界強度であり、縦軸はリーク電流である。なお、電界強度が０〜−３［ＭＶ／ｃｍ］ではリーク電流が１Ｅ−７［Ａ／ｃｍ２］よりも小さくなってノイズの影響を受けやすくなるため、電界強度が−３〜―５［ＭＶ／ｃｍ］の範囲でリーク電流を評価した。
【００３３】
図２に示すように、ガス流量比ＨＣＤ／ＮＨ３が１：５０、１：１００、１：１２０、および１：１５０の各サンプルのリーク電流について、×印、△印、□印、◇印でそれぞれプロットしている。比較のために、ガス流量比ＨＣＤ／ＮＨ３が１：３０の従来の場合を●印で示し、ＤＣＳ−Ｓｉ３Ｎ４の場合を○印で示す。どのサンプルについても、電界強度の絶対値が大きくなるほどリーク電流が増加する傾向がある。
【００３４】
各サンプルについて電界強度―４［ＭＶ／ｃｍ］でリーク電流値を比較すると、ガス流量比ＨＣＤ／ＮＨ３＝１：３０の従来の場合では、リーク電流は約３Ｅ−４［Ａ／ｃｍ２］である。アンモニアのガス流量を増やしていくとリーク電流が減少し、ＨＣＤ／ＮＨ３＝１：１００のサンプルではリーク電流が約２Ｅ−６［Ａ／ｃｍ２］になり、ＨＣＤ／ＮＨ３＝１：１５０のサンプルではリーク電流が約１Ｅ−６［Ａ／ｃｍ２］になっている。図２に示すグラフから、アンモニアのガス流量が増えるほどリーク電流が減少し、ＨＣＤ−Ｓｉ３Ｎ４の膜質が向上することがわかる。
【００３５】
また、ＨＣＤ／ＮＨ３のガス流量比は、電界強度の絶対値が４［ＭＶ／ｃｍ］でリーク電流が約２Ｅ−６［Ａ／ｃｍ２］以下になる１／１００〜１／１５０の範囲がより望ましい。
【００３６】
本実施例では、上述のようにして、シリコン窒化膜を形成する際、ＨＣＤ／ＮＨ３のガス流量比を１／１００以下にすることで、シリコン窒化膜の膜質が向上し、リーク電流特性の優れた、良質なシリコン窒化膜を形成可能となる。
【００３７】
また、処理温度が４００〜７００℃であってもスループットを維持したままシリコン窒化膜を形成でき、半導体基板内の不純物拡散がより抑制され、半導体装置をより高集積化できる。
【００３８】
なお、上記実施例では、シリコンおよび塩素の化合物をＳｉｘＣｌｙと表記すると、（ｘ，ｙ）＝（２，６）のヘキサクロロジシランを用いたが、（ｘ，ｙ）が（２，６）以外であってもよい。
【００３９】
また、シリコン窒化膜形成の際にアンモニアガスを用いているが、窒素を含有するガスであれば他のガスであってもよい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は以上説明したように構成されているので、以下に記載する効果を奏する。
【００４１】
本発明では、シリコン窒化膜を形成する際、ＨＣＤ／ＮＨ３のガス流量比を１／１００以下にすることで、シリコン窒化膜の膜質が向上し、リーク電流特性の優れた、良質なシリコン窒化膜を形成可能となる。
【００４２】
また、処理温度が４００〜７００℃であってもスループットを維持したままシリコン窒化膜を形成でき、半導体基板内の不純物拡散がより抑制され、半導体装置をより高集積化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコン窒化膜を形成するための気相成長装置の一構成例を示すブロック図である。
【図２】シリコン窒化膜中を流れるリーク電流の電界強度依存性を示すグラフである。
【図３】ＤＲＡＭのメモリセル部の一構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
１２    反応管
１２ａ    蓋部
１４    反応ガス
１６    ガス配管
１８    ＭＦＣ
２０    真空ポンプ
２６    ウェハボート
１００    Ｓｉ基板
１０２    第１の層間絶縁膜
１０４    第２の層間絶縁膜
１０６    第３の層間絶縁膜
１０８    第４の層間絶縁膜
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ    ビット線
１２０ａ、１２０ｂ    第１のプラグ
１２２ａ、１２２ｂ    第２のプラグ
１２４ａ、１２４ｂ    下部電極
１３０ａ、１３０ｂ    容量コンタクトプラグ
１５０    ＣＡＰ窒化膜
１６０    スペーサ窒化膜
【図１】
2004342998.tif 000003
【図２】
2004342998.tif 000004
【図３】
2004342998.tif 000005