(57)【要約】【課題】ゲート絶縁膜の表面側にできるだけ高い窒素濃度を持つ窒素濃度分布を実現することを可能にする。【解決手段】半導体基板上に窒素を含んだ層を形成する第一の工程と、所定の搬送雰囲気中で前記半導体基板を水分分圧と搬送時間の積が８０（Pa秒）以下の条件下にて搬送する第二の工程と、前記窒素を含んだ層の上にゲート電極を形成する第三の工程とを備え、前記第一の工程乃至前記第三の工程が続けて行われる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に窒素を含んだ層を形成する第一の工程と、所定の搬送雰囲気中で前記半導体基板を水分分圧と搬送時間の積が８０（Pa秒）以下の条件下にて搬送する第二の工程と、前記窒素を含んだ層の上にゲート電極を形成する第三の工程とを備え、前記第一の工程乃至前記第三の工程が続けて行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記窒素を含んだ層は、シリコン酸窒化膜か、ハフニウム、ジルコニウム、セリウム、およびアルミニウムのいずれかを含んだ酸化膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記所定の搬送雰囲気は真空中であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記所定の搬送雰囲気は、希ガス雰囲気、酸素ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、およびそれらの混合ガス雰囲気のいずれかの雰囲気であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体製造方法。
【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方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体装置のゲート絶縁膜としては界面特性が非常に優れている為に長い間に渡って熱酸化膜が利用されてきた。しかし、素子の微細化に伴いこの熱酸化膜の薄膜化が進み２ｎｍ程度の膜厚になってくると、酸化膜中を流れるトンネル電流の影響でリーク電流が著しく上昇してしまい素子の性能が悪くなってしまう。
【０００３】
そこでこの酸化膜に窒素を添加して酸窒化膜を形成して誘電率を上昇させようとする試みが行われている。誘電率の上昇によりゲート絶縁膜としての電気的な実効膜厚を厚くすること無く物理的な実効膜厚を厚くする事により、リーク電流を低減することが可能となる。
【０００４】
しかしながらゲート絶縁膜として界面特性の非常に良いシリコン酸化膜と比較して、窒素が添加されたゲート絶縁膜は素子特性が悪くなる。特に非特許文献１に示されるようにシリコン酸窒化膜のシリコンとの界面側に窒素が多くなると素子特性が悪くなってしまう。そして、特許文献１に示される様にゲート絶縁膜が窒素を含む場合には出来るだけシリコンと絶縁膜の界面より遠く、言い換えるとゲート絶縁膜の表面側に窒素を入れたほうが良いことが分かる。
【０００５】
【非特許文献１】
Journal of Applied physics vol.90 Num.9, p4701, 2001
【特許文献１】
特開２００２−１５１６８公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来の窒素を添加したゲート絶縁膜においてはゲート絶縁膜の表面側に出来るだけ高い濃度を持つ窒素分布を実現する事が望まれている。
【０００７】
本発明は上記実情を考慮してなされたもので、ゲート絶縁膜の表面側に出来るだけ高い濃度を持つ窒素濃度分布を実現することのできる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明による半導体装置の製造方法は、半導体基板上に窒素を含んだ層を形成する第一の工程と、所定の搬送雰囲気中で前記半導体基板を水分分圧と搬送時間の積が８０（Pa秒）以下の条件下にて搬送する第二の工程と、前記窒素を含んだ層の上にゲート電極を形成する第三の工程とを備え、前記第一の工程乃至前記第三の工程が続けて行われることを特徴とする。
【０００９】
なお、前記窒素を含んだ層は、シリコン酸窒化膜か、ハフニウム、ジルコニウム、セリウム、およびアルミニウムのいずれかを含んだ酸化膜であっても良い。
【００１０】
なお、前記所定の搬送雰囲気は真空中であっても良い。
【００１１】
なお、前記所定の搬送雰囲気は、希ガス雰囲気、酸素ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、およびそれらの混合ガス雰囲気のいずれかの雰囲気であっても良い。
【００１２】
【作用】
本発明では、窒素を含んだゲート絶縁膜を水分分圧の低い雰囲気下で搬送してゲート絶縁膜上にゲート電極を形成することにより、ゲート絶縁膜表面の窒素が酸素に置換されてしまう現象を防ぐことにより、表面側に窒素濃度の高い分布を持つゲート絶縁膜を備えた半導体装置を作ることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１４】
本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を図１に示す。この実施形態による半導体装置の製造方法は、電界効果トランジスタの、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜の表面側の窒素濃度が高くなるような分布を実現する方法であって、その製造工程を図１に示す。
【００１５】
まず、図１のステップＳ１に示すように第１の工程として、シリコン基板上にシリコン酸窒化膜を形成する。このシリコン酸窒化膜の形成は、上記シリコン基板を酸化炉に入れて例えば厚さ１．２ｎｍのシリコン酸化膜を形成する。その後、窒素ラジカル処理により上記シリコン酸化膜の表面を窒化する。これにより、シリコン基板上にシリコン酸窒化膜が形成される。
【００１６】
次に、図１のステップＳ２に示すように第二の工程として、シリコン酸窒化膜が形成されたシリコン基板を、所定の雰囲気下（例えば、水分分圧が１０．５Ｔｏｒｒ以下の窒素雰囲気下）の搬送ボックスへ大気に晒すことなく移し、上記搬送ボックスをゲート電極形成用のポリシリコン堆積装置へ搬送する。
【００１７】
続いて、図１のステップＳ３に示すように、ポリシリコン堆積装置内でポリシリコンをシリコン酸窒化膜上に堆積する。このポリシリコン堆積装置内では、シリコン基板は、大気に触れることなく成膜容器内へ搬送されてポリシリコンが堆積され、ポリシリコン層がシリコン酸窒化膜上に形成される。その後、ポリシリコン堆積装置からポリシリコン層が形成されたシリコン基板を取り出し、ポリシリコン層をパターニングすることにより、シリコン酸窒化膜上にゲート電極を形成する。
【００１８】
本実施形態において、第一の工程および第三の工程は周知の製造プロセスを用いて行うことが可能であるが、第二の工程を発見するに至った経緯および第二の工程中の好適な条件について以下に詳しく述べる。通常第一の工程から第三の工程への移動に関してシリコン基板はウエハーカセットなどの搬送ボックスに移された後クリーンルームの雰囲気中を搬送される。
【００１９】
このクリーンルーム雰囲気中に、シリコン基板が曝されることにより生じる現象を図２を参照して説明する。図２はX線光電子分光測定から得られたシリコン酸窒化膜表面の組成を表したものである。図２（ａ）に示すスペクトルはシリコン酸窒化膜を形成後、真空中（０．１Ｐａ以下）をX線光電子分光装置まで搬送して分析した結果である。つまり、この結果は酸窒化膜形成直後の表面組成を示している。このとき、シリコン酸窒化膜表面近傍は酸素、窒素、シリコンの元素から構成されていることがわかる。スペクトルの高さはそれぞれの元素の量に比例していると考えられる。次に、このシリコン基板をクリーンルーム内の大気（室温２４度、湿度５０％）に１０分間放置した後に、再度X線光電子分光測定を行った結果を図２（ｂ）に示す。この２つのスペクトルを比較するとわかるように窒素の量が減少して酸素の量が増加していることがわかる。つまり、大気に放置することによりシリコン酸窒化膜表面の窒素が酸素に置換されてしまい本来表面近傍に必要なはずの窒素が無くなってしまったことを示している。これは、大気中の水分がシリコン酸窒化膜の表面に付着し、分極をおこしているためと本発明者は考えた。
【００２０】
そこで、シリコン酸窒化膜を形成後、大気中に放置する替わりに、水分分圧が低い雰囲気、例えば水分分圧が０．１３３Ｐａ（＝１０−３Ｔｏｒｒ）以下の窒素ガス雰囲気中に放置することを考えた。水分分圧が０．１３３Ｐａ（＝１０−３Ｔｏｒｒ）以下の窒素ガス雰囲気中に放置する前後におけるＸ線光電子分光スペクトルの変化を図３（ａ）と図３（ｂ）にそれぞれ示す。これらの図から窒素元素の減少や酸素元素の増加は見られないことがわかる。以上のことは、本発明者によって初めて発見されたものである。
【００２１】
そこで、最適な雰囲気を見いだすために、水分分圧を変化させた雰囲気下で１０分間の放置実験を行った。このときの、シリコン酸窒化膜の窒素濃度の変化の様子を図４に示す。図４より明らかなように水分分圧が０．１３３Ｐａよりも大きくなると窒素濃度が急激に減少してしまうことがわかる。水分分圧が１０Ｐａより増加しても窒素濃度が０％まで減少しないのは、シリコン酸窒化膜の最表面近傍のみの窒素が酸素に置換されてしまうがシリコン酸窒化膜中の窒素はそのまま残っていることを示している。すなわち、本来残しておきたい最表面近傍の窒素が水分により無くなってしまうのである。
【００２２】
図４からわかるように、水分分圧が０．１３３Ｐａで１０分間放置した場合には、シリコン酸窒化膜の窒素濃度４０％となり、水分分圧が０．１３３Ｐａを超えるとシリコン酸窒化膜の窒素濃度が急激に減少することがわかる。
【００２３】
シリコン酸窒化膜が形成されたシリコン基板の搬送雰囲気は、水分分圧が制御されていれば減圧下（真空中（０．１Ｐａ以下））や、窒素ガス、酸素ガスあるいはヘリウムやネオンやアルゴンなどの希ガス中でも同様の効果を得ることが可能であることがわかった。また窒素ガス、酸素ガス、あるいは希ガスの混合ガス中でも同様の効果を得ることができる。ウェハーカセットなどの搬送ボックスを真空仕様にするには構造上コストがかかるが大気圧力下での搬送が可能ならばコストは余りかからない。
【００２４】
シリコン酸窒化膜が形成されたシリコン基板の搬送を行う際の状況を図５を参照して説明する。シリコン酸窒化膜形成装置１０１によってシリコン酸窒化膜が形成されたシリコン基板１０５は、シリコン酸窒化膜形成装置１０１とゲートバルブ１０２ａを介して接続されたウェハー出し入れ容器１０３ａ内に設置された、水分分圧の制御が可能な特殊ウェハーカセット１０４に載置される。一般に、シリコン酸窒化膜形成装置１０１に接続されたウェハー出し入れ容器１０３ａは、シリコン酸窒化膜形成工程で減圧プロセスを行う場合は水分分圧制御がなされているが、制御されていない場合は水分分圧を制御する必要がある。図５においては、ウェハー出し入れ容器１０３ａは、バルブ１１０ａを介して接続された真空排気装置１０７ａによって減圧されているとともに、バルブ１０９ａを介して接続された窒素ガスボンベ１０８ａによって窒素雰囲気中に置かれる。
【００２５】
本特殊ウェハーカセット１０４内へのシリコン基板１０５の出し入れは水分分圧制御下において行われ、シリコン基板１０５を特殊ウェハーカセット１０４に入れた後は密閉される。シリコン酸窒化膜形成装置１０１から取り出された特殊ウェハーカセット１０４はクリーンルーム内をポリシリコン堆積装置１１１に接続されたウェハー出し入れ容器１０３ｂへと搬送される。ここで特殊ウェハーカセット１０４内には水分分圧制御のために水分吸着剤１０６などが備えられ規定値以下の水分分圧に制御されている。
【００２６】
ウェハー出し入れ容器１０３ｂは、バルブ１１０ｂを介して接続された真空排気装置１０７ｂによって減圧されているとともに、バルブ１０９ｂを介して接続された窒素ガスボンベ１０８ｂによって窒素雰囲気中に置かれる。そして、ウェハー出し入れ容器１０３ｂに置かれた特殊ウェハーカセット１０４から取り出されたシリコン基板１０５は、ポリシリコン堆積装置１１１に送られてシリコン酸窒化膜上にポリシリコン層が堆積される。ポリシリコン層が堆積されたシリコン基板１０５は、ウェハー出し入れ容器１０３ｂに置かれた特殊ウェハーカセット１０４に戻される。このようにして、特殊ウェハーカセット１０４内のすべてのシリコン基板１０５にポリシリコン層が堆積されると、特殊ウェハーカセット１０４はウェハー出し入れ容器１０３ｂから出され、ポリシリコン層をパターニングする装置に送られる。そして、ポリシリコン層およびシリコン酸窒化膜がパターニングされて、ゲート電極が形成される。
【００２７】
以上の説明から、本実施形態では、搬送時間を１０分としたときの水分分圧規定値を０．１３３Ｐａ以下とした。しかし、水分子に暴露される時間、つまり搬送時間あるいはシリコン酸窒化膜形成後からポリシリコンの堆積開始までにかかる時間と水分分圧の積が規定値以下になるように水分分圧の上限値を変える必要がある。これはシリコン酸窒化膜へ暴露される水分子の合計量がシリコン酸窒化膜基板表面近傍の窒素の置換に影響するからである。つまり、その規定値は、図４に示すように、水分子の暴露量として定義され基板が搬送あるいは放置される雰囲気の水分分圧（Ｐａ）と、搬送と放置にかかる時間（秒）の積が０．１３３（Ｐａ）×６００（秒）＝８０（Ｐａ秒）以下になることが必要である。図４から分かるように、８０（Ｐａ秒）を超えると、シリコン酸窒化膜内の窒素濃度が急激に減少する。
【００２８】
以上の様な工程に基づきシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜と、ゲート電極の形成を行うことにより、ゲート絶縁膜表面から窒素が酸素と置換して表面近傍の窒素濃度が低下してしまうことを防いで、高い窒素濃度分布を得ることが可能になる。
【００２９】
通常の電界効果トランジスタ製造工程の中で窒素を含んだゲート絶縁膜形成工程からその上のゲート電極形成工程への搬送工程では基板を大気にさらして搬送することが普通である。窒素を含んだゲート絶縁膜が大気にさらされることによりその表面の窒素密度の減少は知られていなく、対策は考えら得られていなかったが、本発明によりゲート絶縁膜表面の窒素濃度をその絶縁膜形成時点での値に維持する事が可能となる。
【００３０】
なお、上記実施形態においては、ゲート絶縁膜はシリコン酸窒化膜であったが、ハフニウム、ジルコニウム、セリウム、またはアルミニウムのいずれかを含む酸窒化膜であっても、同様の効果を得ることができる。また、酸窒化膜がハフニウム、ジルコニウム、またはセリウムのいずれかを含んでいる場合は、ゲート電極を形成するために、ポリシリコン層に添加されたボロンがゲート絶縁膜を突き抜けて半導体基板に到達するのを防止することができる。
【００３１】
また、本発明は、膜厚が２ｎｍ以下の酸窒化膜をゲート絶縁膜とする電界効果トランジスタの製造に用いれば、リーク電流の少ない高性能なゲート絶縁膜の形成が可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、ゲート絶縁膜の表面側にできるだけ高い窒素濃度を持つ窒素濃度分布を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による半導体装置の製造方法を示すフローチャート。
【図２】実施形態によるシリコン酸窒化膜の搬送工程の効果を説明するＸ線光電子分光スペクトル図。
【図３】実施形態によるシリコン酸窒化膜の搬送工程の効果を説明するＸ線光電子分光スペクトル図。
【図４】実施形態によるシリコン酸窒化膜の搬送工程の効果を示す窒素濃度の水分分圧依存性を示す図。
【図５】実施形態によるシリコン酸窒化膜の搬送工程を実施する装置の構成を示す図。
【符号の説明】
１０１  シリコン酸窒化膜形成装置
１０２ａ、１０２ｂ  ゲートバルブ
１０３ａ、１０３ｂ  ウェハー出し入れ容器
１０４  ウェハーカセット
１０５  シリコン基板
１０６  水分吸着剤
１０７ａ、１０７ｂ  真空排気装置
１０８ａ、１０８ｂ  窒素ガスボンベ
１０９ａ、１０９ｂ  バルブ
１１０ａ、１１０ｂ  バルブ
１１１  ポリシリコン堆積装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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