(57)【要約】【課題】自己整合型のコンタクトホール形成方法を用いることにより、基板全体がシリコン窒化膜で覆われる。シリコン窒化膜が水素を透過しにくいことから、チャネル領域のダングリングボンドを水素で終端させるための水素雰囲気下の熱処理でトランジスタの特性回復が難しくなっている。【解決手段】ゲート電極部１１９ａ、１１９ｂを含むシリコン基板の表面全体を覆うようにストッパーシリコン窒化膜１２２をＬＰ−ＣＶＤ法により形成する。このストッパーシリコン窒化膜の組成は、組成式ＳｉｘＮｙ（０＜ｘ、０＜ｙ）で表した際のｘ、ｙの値が、ｙ／ｘ＜１．１となるように成膜ガスの流量を調整して成膜する。【選択図】図３ 
2005079255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基板上に、ゲート電極部を形成する工程と、
（ｂ）前記基板表面に不純物拡散領域を形成する工程と、
（ｃ）前記（ａ）工程及び前記（ｂ）工程の後に、前記ゲート電極部を含む前記基板表面を覆うようにストッパーシリコン窒化膜を形成する工程と、
（ｄ）前記（ｃ）工程後に、水素を含んだガスで熱処理することにより、前記ストッパーシリコン窒化膜中に含有されていた水素をチャネル領域へ供給する工程とを具え、
前記ストッパーシリコン窒化膜は、組成式をＳｉxＮyで表した際のｘ（０＜ｘ）及びｙ（０＜ｙ）の値が、ｙ／ｘ＜１．１となるように成膜する
ことを特徴とする半導体装置の形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ａ）工程において、互いに離間して配設された複数のゲート電極部を形成し、
前記（ｃ）工程において、前記ストッパーシリコン窒化膜の膜厚を、前記複数のゲート電極部の隣り合う２つのゲート電極部間の距離の１／２より小さくなるように形成する
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法において、
（ｅ）前記（ａ）工程及び前記（ｂ）工程の後であって、かつ、前記（ｃ）工程の直前に水素を含んだガスで熱処理する工程を具える
ことを特徴とする半導体装置の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体装置、特に自己整合的にコンタクトホールを形成する半導体装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、高集積化の要求によって、自己整合的にコンタクトホールを形成する方法（ＳＡＣ（Self Align Contact）法ともいう）が用いられている。ＳＡＣ法では、ゲート電極部及び基板表面がシリコン窒化膜で覆われた構造をとることが一般的である。このシリコン窒化膜がコンタクトホール形成時のエッチングのストッパーとして働くため、位置合わせのためのスペースが縮小され、高集積化が可能となる。しかしながら、シリコン窒化膜は水素を透過しにくい性質があるため、チャネル領域に存在するＳｉのダングリングボンド（未結合手）を水素で終端させるために行う水素雰囲気下の熱処理のさいに、チャネル領域に水素が供給されにくく、トランジスタの十分な特性回復ができない。よって、閾値のバラツキが、歩留まりの低下や信頼性の低下の要因になるという問題点があった。
【０００３】
この改善策として、ゲート電極のホトリソグラフィー加工時の反射防止層となる水素供給層をゲート電極の上に設けることにより、チャネル領域に水素を供給する方法が提案されている（特許文献１参照）。また、ストッパーとなるシリコン窒化膜（ストッパーシリコン窒化膜）を従来よりも高い全ガス圧力で成膜し、多孔性を有する膜とすることで、水素雰囲気下の熱処理中に水素が膜を透過するようにする方法が提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平８−４５９２６号公報
【特許文献２】特開２００２−１９８３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１では、ゲート電極の上部に水素供給層を設けているため、チャネル領域に水素が供給されるためには、ゲート電極を水素が通り抜ける必要がある。このような場合、特にｐチャネル型トランジスタでは、ゲート電極中の不純物（例えばＢ（ホウ素））が増速拡散し、閾値電圧をシフトさせてしまう可能性がある。また、特許文献２のように、高い圧力でストッパーシリコン窒化膜を成膜すると、膜厚のバラツキやパーティクルの発生等の不具合が生じる。
【０００５】
よって、上述のような不具合を回避し、かつ、水素雰囲気下の熱処理によって、より確実にチャネル層に水素を供給する半導体装置の製造方法が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明の半導体装置の製造方法によれば、（ａ）基板上に、ゲート電極部を形成する電極部形成工程と、（ｂ）基板表面に不純物拡散領域を形成する拡散領域形成工程とを具える。これら（ａ）工程と（ｂ）工程とは、どちらが先に行われても良い。次いで、（ｃ）（ａ）工程及び（ｂ）工程の後に、ゲート電極部を含む基板表面を覆うようにストッパーシリコン窒化膜を形成する工程と、（ｄ）（ｃ）工程後に、水素雰囲気下で熱処理することにより、ストッパーシリコン窒化膜中に含有されていた水素をチャネル領域へ供給する工程とを具える。
【０００７】
（ｃ）工程で成膜されるストッパーシリコン窒化膜は、組成式をＳｉxＮyで表した際のｘ（０＜ｘ）及びｙ（０＜ｙ）の値が、ｙ／ｘ＜１．１となるように成膜する。このような通常のシリコン窒化膜Ｓｉ3Ｎ4（ｙ／ｘ≒１．３）よりもシリコンリッチな組成の膜を成膜する。シリコンリッチな膜を成膜するためには、Ｓｉ−Ｈ結合が膜中に多く存在するように成膜を行えばよい。例えば、Ｓｉ（シリコン）を含んだガスの流量をＮ（窒素）を含んだガスの流量よりもを多くすればよい。それにより、Ｓｉ−Ｈ結合がストッパーシリコン窒化膜中に多く存在し、水素雰囲気下の熱処理で水素を供給する能力が高くなる。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の半導体装置の製造方法によれば、ゲート電極部を含む基板表面をストッパーシリコン窒化膜で覆い、水素雰囲気下の熱処理の段階で、そのストッパーシリコン窒化膜に不可避的に含有されている水素によって、チャネル領域のダングリングボンドを終端し、閾値電圧の安定を図ることができる。ストッパーシリコン窒化膜に不可避的に含有される水素の量は、シリコンリッチ（Ｎ／Ｓｉ＜１．１）な膜を成膜することによって増加するので、より多くの水素をチャネル領域に提供できる。また、従来のようにゲート電極の上部の水素供給層からではなく、チャネル領域近傍のストッパーシリコン窒化膜から水素を供給するため、ゲート電極中を水素が移動する必要がないため、ゲート電極中の不純物の増速拡散が起こりにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、図を参照して、この発明を実施するための最良の形態を説明する。尚、製造方法を説明する各図は、製造工程の各段階で得られる構造体の断面切り口で概略的に示している。また、構造体を構成する各構成要素の大きさ、形状及び配置関係は、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。
【００１０】
［第１の実施の形態］
図１〜図３を参照して、この発明の第１の実施の形態の製造方法を説明する。ここでは、一例としてデュアルゲートを有する半導体装置について説明する。図１〜図３は、素子間分離領域によって囲まれたアクティブ領域に形成されるデュアルゲート部分の概略的な部分断面図を示している。
【００１１】
まず、基板として、ここではシリコン基板１００を用意する。このシリコン基板１００の表面に、ｎ型或いはｐ型の不純物によってウエル領域１０２を形成する（図１（Ａ））。次に、後にゲート絶縁膜となる膜として、例えばシリコン酸化膜１０４を熱酸化法により膜厚５ｎｍで形成する。シリコン酸化膜１０４上に、不純物（例えばＰ（リン））がドーピングされたＰｏｌｙ−Ｓｉ（ポリシリコン）膜１０６を例えばＣＶＤ（Chemical vapor deposition：化学気相成長）法によって膜厚１００ｎｍで形成する。次いで、タングステンシリサイド（ＷＳｉ2）膜１０８を、スパッタリング或いはＣＶＤ法により、膜厚１００ｎｍで形成する（図１（Ｂ））。
【００１２】
次に、シリコン窒化膜を例えばＣＶＤ法により、２００ｎｍの膜厚で成膜する（図示せず）。このシリコン窒化膜上に、ゲート電極パターンを有するレジストパターン１１２を形成する。このレジストパターン１１２を用いて、シリコン窒化膜をエッチングし、島状のシリコン窒化膜１１０ａ及び１１０ｂを形成する（図１（Ｃ））。このパターニングされたシリコン窒化膜１１０ａ及び１１０ｂが、ゲート電極を形成するエッチングの際のハードマスクとなる。
【００１３】
シリコン窒化膜１１０ａ及び１１０ｂをハードマスクとして、ＷＳｉ2膜１０８、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜１０６を順次にエッチングする。エッチングされたポリシリコン膜１０６ａ、１０６ｂ、及びＷＳｉ2膜１０８ａ、１０８ｂによって、ゲート電極１０９ａ及び１０９ｂがそれぞれ構成される。エッチング後の洗浄のさいにゲート電極直下以外のシリコン酸化膜１０４は除去され、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜１０４ａ及び１０４ｂが形成される。
【００１４】
シリコン窒化膜１１０ａ、１１０ｂ、及びゲート電極１０９ａ、１０９ｂをマスクとして、ウエル領域１０２に対して、このウエル領域とは異なる導電型の不純物イオン１１３を注入し、ウエル領域１０２中に不純物拡散領域１１４を形成する（図２（Ａ））。この不純物拡散領域１１４が、ソース・ドレイン領域となる。
【００１５】
ゲート電極１０９ａ及び１０９ｂの側壁に、側壁酸化膜１１６ａ及び１１６ｂを、例えば熱酸化法或いはＣＶＤ法を用いて膜厚１０ｎｍで形成する（図２（Ｂ））。
【００１６】
次いで、基板表面全体に、シリコン窒化膜を例えばＣＶＤ法により、膜厚６０ｎｍで形成する。然る後、このシリコン窒化膜に対し異方性エッチングを行うことにより、サイドウォール１１８ａ、１１８ｂをそれぞれ形成する（図２（Ｃ））。この実施の形態では、ゲート絶縁膜１０４ａ、１０４ｂ、ゲート電極１０９ａ、１０９ｂ、シリコン窒化膜１１０ａ、１１０ｂ、側壁酸化膜１１６ａ、１１６ｂ及びサイドウォール１１８ａ、１１８ｂによってゲート電極部１１９ａ、１１９ｂがそれぞれ構成されている。
【００１７】
次に、不純物拡散領域１１４の表面領域にシリサイド層１２０を形成する。そのためには、例えば、不純物拡散領域１１４の表面を洗浄後（この工程で表面に形成されている酸化膜も除去される）、基板表面全体にスパッタリングによりＣｏ膜を膜厚５〜１０ｎｍ、キャップＴｉＮ膜を約２０ｎｍの膜厚で順次堆積する。この堆積層が形成された構造体に対し、５００℃〜５５０℃の温度で、ＲＴＡ（rapid thermal anneal）を３０秒施すことによって、Ｃｏ膜と不純物拡散領域１１４中のＳｉ（シリコン）とを反応させてコバルトモノシリサイド（ＣｏＳｉ）を形成する。キャップＴｉＮ膜は、このときＣｏ（コバルト）の酸化防止膜となり、一方、不純物拡散領域上のＣｏは、Ｓｉと反応してすべてＣｏＳｉになる。キャップＴｉＮ膜と素子間分離領域上の未反応のＣｏすなわち残存Ｃｏ膜をエッチングにより選択的に除去する。これにより、不純物拡散領域１１４上のみに、選択的にＣｏＳｉ層を形成することができる。
【００１８】
次に、ＣｏＳｉ層が形成された構造体に対し、８００℃〜９００℃の温度で、ＲＴＡを３０秒施すことによって、不純物拡散領域上のＣｏＳｉ層のＣｏＳｉをコバルトダイシリサイド（ＣｏＳｉ2）にする。このようにして、ＣｏＳｉ2で構成されたシリサイド層１２０が形成される（図３（Ａ））。この段階で、ゲート電極部を形成する（ａ）工程と、不純物拡散領域を形成する（ｂ）工程が完了する。
【００１９】
次に、ゲート電極部を含むシリコン基板表面全体をストッパーシリコン膜で覆う（ｃ）工程を行う。具体的には、ゲート電極部１１９ａ及び１１９ｂを含むシリコン基板表面を覆うように、例えばＬＰ−ＣＶＤ（Low pressure chemical vapor deposition)法により、ソースガスにＳｉＨ2Ｃｌ2及びＮＨ3を用いて、７８０℃の設定温度でストッパーシリコン窒化膜１２２を形成する。このとき、ストッパーシリコン窒化膜１２２の組成式をＳｉxＮy（０＜ｘ、０＜ｙ）で表したさいに、ｙ／ｘ＜１．１となるように、成膜ガスを調節する。
【００２０】
このようにシリコンリッチな膜を成膜すると、Ｓｉ−Ｈ結合が多く含まれた膜が形成されるので、ストッパーシリコン窒化膜中１２２に不可避的に含まれる水素の量が多くなる。また、Ｓｉ−Ｈ結合を多く含ませるために、成膜ガスにＳｉＨ4及びＮＨ3を用いてもよい。
【００２１】
このストッパーシリコン窒化膜１２２の膜厚１２６は、後述するＭＯＳキャパシタの実験結果から理解できるように、厚いほど水素供給能力が高くなる。但し、コンタクトホール形成予定領域１２４を確実に確保するために、隣り合う二つのゲート電極部間の距離Ｗの半分より小さくすることが望ましい。隣り合うゲート電極部間の距離Ｗは、隣り合うゲート電極部の側面（この実施の形態では、サイドウォール１１８ａ及び１１８ｂの側面に相当）間の距離の最短距離をいう。例えば、ゲート電極部の構成に、サイドウォール１１８ａ、１１８ｂや側壁酸化膜１１６ａ、１１６ｂが設けられていない場合には、隣り合うゲート電極の側面間の最短距離が、隣り合うゲート電極部間の距離Ｗになる。
【００２２】
この後、ストッパーシリコン窒化膜１２２上に、層間絶縁膜１２７を形成し、セルフアラインコンタクト法により、コンタクトホール形成予定領域１２４にコンタクトホール１２８を形成する（図３（Ｃ））。
【００２３】
次いで、水素を含んだガスで熱処理をする（ｄ）工程を行う。具体的には、この実施の形態では、水素を含んだガスを水素雰囲気自体とし、この水素雰囲気下で、かつ４００℃の温度で、熱処理を行う。このとき、ストッパーシリコン窒化膜１２２中に不可避的に含まれている水素がチャネル領域へ供給されて、シリコンの未結合手（ダングリングボンド）を水素で終端させる。これにより、界面準位が減少し、その結果、トランジスタの閾値電圧を安定させる。
【００２４】
この水素雰囲気下の熱処理は、ストッパーシリコン窒化膜成膜後に行われる層間絶縁膜の形成後に、好適な段階で適宜行えばよい。例えば、シリコン基板上に多層配線を形成する場合には、最上層の金属配線層をホトリソエッチングにより配線パターンに加工してから、水素雰囲気下の熱処理を行ってもよい。
【００２５】
図４は、水素雰囲気下の熱処理により、ストッパーシリコン窒化膜１２２からチャネル領域１２９に水素が供給される様子を概略的に示した図である。図４中の矢印で示したように、チャネル領域１２９に近い部分に存在するストッパーシリコン窒化膜１２２から、水素がチャネル領域１２９へ供給されるため、ダングリングボンドを水素で終端させやすい。
【００２６】
図５（Ａ）及び（Ｂ）は、実験用ＴＥＧ（Test Element Group）として作成した２種類のＭＯＳキャパシタの構造を概略的に示した断面図である。シリコン基板１３０上に、素子間分離領域１３４（フィールド領域ともいう）として、シリコン酸化膜１３２が形成され、このシリコン酸化膜１３２によって囲まれた領域が、活性領域１３６（アクティブ領域ともいう）となっている。活性領域１３６上に、ゲート絶縁膜となる例えばゲート酸化膜１３８を熱酸化法により５ｎｍ成膜する。上述したゲート電極の形成方法と同様に、基板表面全体に、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜１４０を１００ｎｍ、ＷＳｉ2膜１４２を１００ｎｍ順次成膜する。Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜１４０及びＷＳｉ2膜１４２をパターニング後シリコン窒化膜１４４を成膜して基板表面を覆い、さらに層間絶縁膜１４６を積層する。このシリコン窒化膜１４４がトランジスタの場合のストッパーシリコン窒化膜に相当する。コンタクトホールを形成してそのコンタクトホールにＡｌパッド１４８を形成することにより、実験用ＴＥＧとしてのＭＯＳキャパシタが形成される。
【００２７】
図５（Ａ）は、フィールド（Field）構造のＭＯＳキャパシタを、図５（Ｂ）は、アクティブ（Active）構造のＭＯＳキャパシタを示している。ゲート電極のエッジ（端）が、フィールド領域にあるものがフィールド構造、アクティブ領域にあるものがアクティブ構造と呼ばれる。
【００２８】
図６は、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示したＭＯＳキャパシタの界面準位とシリコン窒化膜の膜厚の関係を表した図である。縦軸は界面準位（単位：ｅＶ-1ｃｍ-2）、横軸はシリコン窒化膜の膜厚（単位：ｎｍ）を表す。曲線Ｉは、フィールド構造のＭＯＳキャパシタ、曲線ＩＩは、アクティブ構造のＭＯＳキャパシタの結果を示している。シリコン窒化膜の膜厚は、０、２００、４００及び２００ｎｍについて作成した。フィールド構造のＭＯＳキャパシタでは、シリコン窒化膜の膜厚が０ｎｍ、すなわち窒化膜が形成されていない状態の場合の界面準位が４．０Ｅ＋１０ｅＶ-1ｃｍ-2で最も小さく、膜厚が２０ｎｍ及び４０ｎｍでは、界面準位が２．０Ｅ＋１１ｅＶ-1ｃｍ-2程度に大きくなっている。膜厚を２００ｎｍまで厚くすると、界面準位が５．０Ｅ＋１０ｅＶ-1ｃｍ-2まで小さくなる。同様に、アクティブ構造のキャパシタでも、シリコン窒化膜の膜厚が０ｎｍの場合の界面準位が８．０Ｅ＋９ｅＶ-1ｃｍ-2で最も小さく、膜厚が２０ｎｍ及び４０ｎｍでは、界面準位が１．５Ｅ＋１１ｅＶ-1ｃｍ-2程度に大きくなり、２００ｎｍまで厚くすると、界面準位が２．０Ｅ＋１０ｅＶ-1ｃｍ-2まで小さくなる。このことから、シリコン窒化膜で覆われていない構造では、水素雰囲気下での熱処理により、ダングリングボンドが水素で終端され、窒化膜で覆われた場合には、外部から窒化膜を通して水素が供給されず、窒化膜に含有されている水素によって、ダングリングボンドが終端されることがわかる。よって、シリコン窒化膜の膜厚が厚いほど、含有する水素の総量が増えるので、２００ｎｍの膜厚の場合に界面準位が小さくなっている。
【００２９】
また、アクティブ構造では、ゲート電極の終端がアクティブ領域にあるため、シリコン窒化膜基板に接しており、ゲート電極を介さずに水素を供給できるので、フィールド構造よりも界面準位が小さくなっている。
【００３０】
よって、トランジスタにおいても、水素が供給されるチャネル領域近傍にストッパーシリコン窒化膜が存在し、かつストッパーシリコン窒化膜の膜厚が厚いほど水素供給量が多いことがわかる。
【００３１】
この発明の半導体装置の製造方法によれば、ゲート電極部を含む基板表面をストッパーシリコン窒化膜で覆い、水素雰囲気下の熱処理の段階で、そのストッパーシリコン窒化膜に不可避的に含有されている水素によって、チャネル領域のダングリングボンドを終端し、閾値電圧の安定を図ることができる。ストッパーシリコン窒化膜に不可避的に含有される水素の量は、シリコンリッチ（組成式をＳｉｘＮｙと表したさいに、ｙ／ｘ＜１．１）な膜を成膜することによって増加するので、より多くの水素をチャネル領域に提供できる。また、従来のようにゲート電極の上部の水素供給層からではなく、チャネル領域近傍のストッパーシリコン窒化膜から水素を供給するので、ゲート電極中を水素が移動する必要がなく、ゲート電極中の不純物の増速拡散が起こりにくい。また、ストッパーシリコン窒化膜を低圧で成膜するため、膜厚のバラツキやパーティクルの発生を抑えることができる。
【００３２】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、第１の実施の形態において、ストッパーシリコン窒化膜を形成する（ｃ）工程の直前に、水素を含んだガスで熱処理する（ｅ）工程を行う半導体装置の製造方法について説明する。
【００３３】
第２の実施の形態では、第１の実施の形態におけるシリサイド層１２０を形成するまでの工程は同一であるため、その説明を省略する。
【００３４】
図７は、第２の実施の形態の製造工程を説明するための図である。
【００３５】
図７（Ａ）は、第１の実施の形態において、シリサイド層１２０を形成した後の断面図、すなわち図３（Ａ）の工程の断面図である。第１の実施の形態では、この後、ゲート電極部を含むシリコン基板全体をストッパーシリコン窒化膜で覆う（ｃ）工程をおこなったが、第２の実施の形態では、このストッパーシリコン窒化膜を成膜する前に、水素を含んだガスで熱処理する（ｅ）工程を行う。具体的には、後工程のストッパーシリコン窒化膜を成膜するＣＶＤ装置内で、４００〜５３３Ｐａ程度の減圧下、ＮＨ3雰囲気下で熱処理（アニール）を行う（図７（Ｂ））。このアニールの温度は、次工程で行うストッパーシリコン窒化膜の成膜と同じ７８０℃で行う。このＮＨ3雰囲気下でのアニールによって、チャネル領域に水素を十分に供給しておく。
【００３６】
次いで、直ちに第１の実施の形態と同様に、ストッパーシリコン窒化膜１２２を７８０℃でＬＰ−ＣＶＤ法により成膜する（図７（Ｃ））。このとき、ＮＨ3雰囲気下でのアニール終了からストッパーシリコン窒化膜の成膜までに長い時間があくと、一度供給された水素が再拡散（アウトオブディフュージョン）してしまう。このため、同一装置内で続けて行うのがよい。ただし、この２つの工程、すなわち（ｅ）工程と（ｃ）工程との間の時間を短くできる場合は、異なる装置で行っても良い。
【００３７】
この後の製造工程は第１の実施の形態と同様であり、層間絶縁膜の形成、コンタクトホールの形成、水素雰囲気下の熱処理を順次行う。
【００３８】
図８は、ＮＨ3雰囲気下でのアニール時間と界面準位との関係を示した図である。アニール温度は７８０℃、ストッパーシリコン窒化膜の膜厚は２０ｎｍである。アニール時間が１５分までは、界面準位はおよそ２．９Ｅ＋１１ｅＶ-1ｃｍ-2で変化しないが、３０分では２．３Ｅ＋１１ｅＶ-1ｃｍ-2、６０分では２．１Ｅ＋１１ｅＶ-1ｃｍ-2となり、減少していく。この結果から、ＮＨ3雰囲気下でのアニール時間が長いほど界面準位は減少し、３０分以上行うことによってより確実に界面準位を減少できることがわかる。
【００３９】
この実施の形態では、ＮＨ3雰囲気下でのアニールの処理圧力を４００〜５３３Ｐａ程度で行ったが、処理圧力が高いほど水素濃度が高くなり、チャネル領域への水素の供給がしやすくなるので、界面準位の減少に良好な結果が得られる。
【００４０】
また、アニールに用いる水素を含んだガスは、この実施の形態ではＮＨ3を用いたが、Ｈ2、Ｈ2＋Ａｒ、Ｈ2＋Ｎ2（フォーミングガス）その他の水素を含んだガスを用いても良い。
【００４１】
この発明の第２の実施の形態によれば、ストッパーシリコン窒化膜１２２の成膜前にＮＨ3ガス雰囲気下でのアニールを施し、続いて同一装置内でストッパーシリコン窒化膜１２２を成膜するため、水素のアウトオブディフュージョンを防ぎ、水素をチャネル領域に効果的に供給することができる。よって、チャネル領域のダングリングボンドを水素でより確実に終端させるため、デバイスの信頼性を向上することができる。また、ＮＨ3雰囲気下でアニールして供給した水素を、ストッパーシリコン窒化膜で覆うことで封入したため、水素の供給量が増加し、第１の実施の形態よりもストッパーシリコン窒化膜１２２の膜厚を薄くすることができる。
【００４２】
［第３の実施の形態］
この発明の第３の実施の形態では、ＮＨ3雰囲気下でのアニール及びその後のストッパーシリコン窒化膜の成膜の温度を、第２の実施の形態よりも低い温度で行う。他の工程及び条件は、すべて第２の実施の形態と同様である。具体的には、第２の実施の形態で７８０℃で行ったＮＨ3ガス雰囲気下でのアニール処理及びストッパーシリコン窒化膜１２２の成膜を、６９０℃で同じ装置内で連続して行う。
【００４３】
図９は、６９０℃でＮＨ3雰囲気下でのアニール処理とストッパーシリコン窒化膜１２２の成膜とを連続して行って形成したＭＯＳキャパシタの界面準位とＮＨ3雰囲気下でのアニール処理の時間との関係を示した図である。
【００４４】
曲線Ｉは、４００℃で水素雰囲気下の熱処理を行った場合、曲線ＩＩは、４００℃の水素雰囲気下の熱処理を行わなかった場合のＭＯＳキャパシタの界面準位を示している。水素雰囲気下の熱処理を行わなかった場合の界面準位は、ＮＨ3雰囲気下でのアニール時間が０分でおよそ２．０Ｅ＋１１ｅＶ-1ｃｍ-2、６０分で１．８Ｅ＋１１ｅＶ-1ｃｍ-2であり、ゆるやかに減少する。水素雰囲気下の熱処理を行った場合の界面準位は、０分で１．７Ｅ＋１１ｅＶ-1ｃｍ-2、６０分で１．２Ｅ＋１１ｅＶ-1ｃｍ-2であり、水素雰囲気下の熱処理を行わない場合よりも顕著な界面準位の現象が起こる。
【００４５】
図１０は、成膜条件Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３及びＸ４でそれぞれ成膜されたシリコン窒化膜中から脱離する水素のＴＤＳ（Thermal Desorption Spectroscopy）分析結果を表す図である。ＴＤＳ分析とは、昇温脱離ガス分析とも呼ばれ、試料を真空中で赤外線加熱し、放出されるガスを四重極型質量分析計で検出する手法である。縦軸は、水素脱離量（単位：ａ．ｕ．（arbitrary unit）すなわち任意の単位）、横軸は温度（単位：℃）を表す。
【００４６】
Ｘ１、Ｘ２及びＸ３のシリコン窒化膜の成膜条件は、ＣＶＤ法によって、Ｘ１：設定温度７８０℃、成膜ガス流量ＮＨ3／ＳｉＨ2Ｃｌ2＝１０００／１００（ｓｃｃｍ）、Ｘ２：設定温度７８０℃、成膜ガス流量ＮＨ3／ＳｉＨ2Ｃｌ2＝１００／１００（ｓｃｃｍ）、Ｘ３：設定温度６９０℃、成膜ガス流量ＮＨ3／ＳｉＨ2Ｃｌ2＝１００／１００（ｓｃｃｍ）でそれぞれ行った。Ｘ４は、プラズマＣＶＤ法によって成膜した。このＸ１、Ｘ２、Ｘ３及びＸ４のシリコン窒化膜に対しては、ＮＨ3雰囲気下でのアニールは行っていない。
【００４７】
ＣＶＤ法によって成膜したシリコン窒化膜では、３００℃付近で水素脱離量が多い。成膜ガスの流量比を変えたＸ１とＸ２を比較すると、４００℃以下での水素脱離量のピークの温度がＸ１の方が若干高温になっているが、４００℃以下の水素脱離量の総量にあまり差がない。成膜ガスの流量比は同じで、成膜時の設定温度が異なるＸ２とＸ３では、４００℃以下での水素脱離量のピークの温度は、ほとんど同じであるが、４００℃以下の水素脱離量の総量は低温で成膜したＸ３の方が多い。このことから、成膜ガス流量を調節するよりも、成膜時の設定温度を下げる方が、水素脱離量を増やすには効果的と考えられる。また、プラズマＣＶＤによって成膜したＸ４では、水素脱離量のピークが、４００℃を越えており、４００℃以下での水素脱離量の総量も、ＣＶＤ法で成膜したＸ１、Ｘ２及びＸ３に比べると少ない。よって、ＣＶＤ法により低温で成膜したシリコン窒化膜が、水素雰囲気下の熱処理の際に、高い水素供給能力を持つことがわかる。
【００４８】
ストッパーシリコン膜の成膜時の設定温度は、より低温、例えば６９０℃以下で行うのが効果的と考えられるが、ＬＰ−ＣＶＤ法では、温度を下げすぎると、膜質が劣化するため、６５０℃程度が低温の限度と考えられる。
【００４９】
図１１は、ＮＨ3雰囲気下でのアニール及びＣＶＤによるシリコン窒化膜の成膜を６９０℃で行った場合の界面準位とシリコン窒化膜の膜厚との関係を示した図である。Ｉは、水素雰囲気下の熱処理を行う前の界面準位、ＩＩは、水素雰囲気下の熱処理を行った後の界面準位をそれぞれ示す。Ｉでは、界面準位が、シリコン窒化膜の膜厚が２３ｎｍで１．５Ｅ＋１１ｅＶ-1ｃｍ-2、３６ｎｍで１．４Ｅ＋１１ｅＶ-1ｃｍ-2、４８ｎｍで１．９Ｅ＋１０ｅＶ-1ｃｍ-2となっている。ＩＩでは、界面準位がシリコン窒化膜の膜厚が３６ｎｍで１．０Ｅ＋１１ｅＶ-1ｃｍ-2、４８ｎｍで１．８Ｅ＋１０ｅＶ-1ｃｍ-2、６２ｎｍで１．４Ｅ＋１０ｅＶ-1ｃｍ-2となっている。シリコン窒化膜の膜厚が厚いほど界面準位は減少し、水素雰囲気下の熱処理をした後で界面準位の減少がさらにみられる。このことから、ＮＨ3雰囲気下でアニールし、その後にストッパーシリコン窒化膜を成膜したことで内側に封じ込められた水素が、水素雰囲気下の熱処理で再拡散し、チャネル領域に供給されると考えられる。よって、ストッパーシリコン窒化膜成膜後の水素雰囲気下の熱処理は、この水素がストッパーシリコン窒化膜を通り抜けてチャネル領域へ供給されるわけではないので、水素に限らず水素を含んだ他のガスで行うことも可能である。水素濃度の高い方から低い方へ水素が拡散することを考慮すれば、ストッパーシリコン窒化膜に含まれている水素濃度よりも高い濃度で水素が含まれているガスを用いれば良いと考えられる。
【００５０】
この発明の第３の実施の形態によれば、６９０℃以下の低い温度でＮＨ3雰囲気下のアニール及びストッパーシリコン窒化膜の成膜を行うことにより、チャネル領域に供給される水素の量が増加し、界面準位がさらに減少する。また、低温でＮＨ3雰囲気下のアニール及びストッパーシリコン窒化膜の成膜を行うため、不純物拡散領域の不純物が再拡散するのを抑止する効果も得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
自己整合的にコンタクトホールを形成する半導体装置の製造方法に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】（Ａ）〜（Ｄ）は、第１の実施の形態の半導体装置の製造方法の工程図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１（Ｄ）に続く、第１の実施の形態の半導体装置の製造方法の工程図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）は、図２（Ｃ）に続く、第１の実施の形態の半導体装置の製造方法の工程図である。
【図４】第１の実施の形態の半導体装置における、チャネル領域への水素供給を示した概略図である。
【図５】界面準位を測定するためのＭＯＳキャパシタの構造を表す概略図である。
【図６】ＭＯＳキャパシタの界面準位とシリコン窒化膜の膜厚の関係を表す図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｃ）は、第２の実施の形態の半導体装置の製造方法の工程図である。
【図８】第２の実施の形態の半導体装置の製造方法によるＭＯＳキャパシタの界面準位とＮＨ3雰囲気下のアニール時間の関係を表す図である。
【図９】第３の実施の形態の半導体装置の製造方法によるＭＯＳキャパシタの界面準位とＮＨ3雰囲気下のアニール時間の関係を表す図である。
【図１０】シリコン窒化膜中から脱離する水素のＴＤＳ分析結果を表す図である。
【図１１】第３の実施の形態の半導体装置の製造方法によるＭＯＳキャパシタの水素雰囲気下の熱処理による影響を表す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１００、１３０：シリコン基板
１０２：ウエル領域
１０４、１０４ａ、１０４ｂ、１３２：シリコン酸化膜
１０６、１０６ａ、１０６ｂ、１４０：Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜
１０８、１０８ａ、１０８ｂ、１４２：ＷＳｉ2膜
１０９ａ、１０９ｂ：ゲート電極
１１０、１１０ａ、１１０ｂ、１４４：シリコン窒化膜
１１２：レジストパターン
１１３：不純物イオン
１１４：不純物拡散領域
１１６ａ、１１６ｂ：側壁酸化膜
１１８ａ、１１８ｂ：サイドウォール
１１９ａ、１１９ｂ：ゲート電極部
１２０：シリサイド層
１２２：ストッパーシリコン窒化膜
１２４：コンタクトホール形成予定領域
１２６：膜厚
１２７、１４６：層間絶縁膜
１２８：コンタクトホール
１２９：チャネル領域
１３４：フィールド領域
１３６：アクティブ領域
１３８：ゲート酸化膜
１４８：Ａｌパッド
【図１】
2005079255.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年8月29日(2003.8.29)
【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】
（ａ）基板上に、ゲート電極部を形成する工程と、
（ｂ）前記基板表面に不純物拡散領域を形成する工程と、
（ｃ）前記（ａ）工程及び前記（ｂ）工程の後に、前記ゲート電極部を含む前記基板表面を覆うようにストッパーシリコン窒化膜を形成する工程と、
（ｄ）前記（ｃ）工程後に、水素を含んだガスで熱処理することにより、前記ストッパーシリコン窒化膜中に含有されていた水素をチャネル領域へ供給する工程とを具え、
前記ストッパーシリコン窒化膜は、組成式をＳｉxＮyで表した際のｘ（０＜ｘ）及びｙ（０＜ｙ）の値が、ｙ／ｘ＜１．１となるように成膜する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記（ａ）工程において、互いに離間して配設された複数のゲート電極部を形成し、
前記（ｃ）工程において、前記ストッパーシリコン窒化膜の膜厚を、前記複数のゲート電極部の隣り合う２つのゲート電極部間の距離の１／２より小さくなるように形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法において、
（ｅ）前記（ａ）工程及び前記（ｂ）工程の後であって、かつ、前記（ｃ）工程の直前に水素を含んだガスで熱処理する工程を具える
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。