(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、側面の少なくとも一部が露出し、シリコン窒化膜からなる部材であって、該部材を前記側面を含む表面層と該表面層よりも深い層との二つに分けた場合、
前記表面層における窒素の体積密度が深さ方向に分布を有し、かつ前記表面層よりも深い層における窒素の体積密度が深さ方向に実質的に一定であり、かつ前記表面層における窒素の体積密度から、前記表面層よりも深い層における窒素の体積密度を引いて得られる、前記表面層における窒素の体積密度分布を、前記表面層の深さ方向に積分して得られる前記表面層の面密度が、１×１０14ｃｍ-2以上５×１０15ｃｍ-2以下である部材と
を具備し、前記シリコン窒化膜からなる部材は、７００℃以下の成膜温度で、ヘキサクロロジシランガスとＮＨ3 ガスを用いてＬＰ−ＣＶＤ法で形成されたものであることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記部材は、電極の側壁に形成されたシリコン窒化膜からなる部材、またはゲート電極上に形成され、シリコン窒化膜からなるハードマスクであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記電極はＷ膜を含むゲート電極であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
基板上にシリコン窒化膜をＬＰ−ＣＶＤ法を用いて７００℃以下の成膜温度で形成する工程と、
前記シリコン窒化膜をエッチングし、側面の少なくとも一部が露出した、前記シリコン窒化膜からなる部材を形成する工程と、
前記部材が形成された前記基板を窒素を含むプラズマに曝し、前記部材の露出した側面に１×１０14ｃｍ-2以上５×１０15ｃｍ-2以下の窒素を導入する工程と、
前記部材を含む領域上の酸化膜を除去する工程と
を有し、前記ＬＰ−ＣＶＤ法はヘキサクロロジシランガスとＮＨ3 ガスを用いたものであることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン窒化膜からなる部材を含む半導体装置およびその製造方法に係わり、特にシリコン窒化膜からなる部材の側面におけるエッチングレートをシリコン酸化膜のエッチングレートよりも遅くなるように制御した半導体装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩにおいては、集積度を高めるために、多層配線が多く用いられている。この種の多層配線においては、集積度の高い配線を実現するために、上下に隣接する配線層のみでなく、２層以上離れた層を直接接続する技術が用いられている。
【０００３】
このとき、２層以上離れた配線を接続するプラグと、２層以上離れた配線間に存在する配線（中間配線）とは絶縁されている必要がある。このため、２層以上離れた層を直接接続する多層配線においては、層間の合わせずれによって上記プラグが埋め込まれた接続孔が中間配線にかからないように、通常、十分な余裕をとった設計がなされている。
【０００４】
一方、近年、さらなる高集積度の配線を形成するために、配線に対して自己整合的にプラグを形成する方法（ＳＡＣ（Self-Aligned Contact）プロセス）が行われている。この方法を以下図５に従って説明する。
【０００５】
まず、図５（ａ）に示すように、第１の配線８１上に第１の層間絶縁膜としてのシリコン酸化膜８２を形成し、その後シリコン窒化膜８２上に第２の配線８３および第１のシリコン窒化膜８４を形成する。
【０００６】
次に、図５（ｂ）に示すように、第２の配線８３および第１のシリコン窒化膜８４の側壁に第２のシリコン窒化膜（側壁絶縁膜）８５を形成し、続いて第２の層間絶縁膜としてのシリコン酸化膜８６を全面に堆積し、その後シリコン酸化膜８６上にフォトレジストからなるコンタクトパターン８７を形成する。
【０００７】
その後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法を用い、シリコン酸化物のエッチングレートがシリコン窒化物のそれよりも速くなる条件で、図５（ｃ）に示すように、コンタクトパターン８７をマスクにして、シリコン酸化膜８６，８１をシリコン窒化膜８４，８５に対して選択的にエッチングし、第１の配線８１に達する接続孔８８を自己整合的に開口する。
【０００８】
その後、図５（ｄ）に示すように、コンタクトパターン８７を剥離する。
【０００９】
次に、図５（ｅ）に示すように、第３の配線、および第３の配線と第１の配線８１を接続するプラグ（第３の配線・プラグ）８９となる金属膜を、接続孔８８の内部およびシリコン酸化膜８６上に堆積し、その後上記金属膜をパターニングすることで、第３の配線・プラグ８９を形成する。
【００１０】
このような方法によれば、図５（ｃ）のエッチング工程において、シリコン窒化膜８４，８５が第２の配線８３のマスクとして働いているので、コンタクトパターン８７がずれても第２の配線８３はエッチングされない。したがって、接続孔８８と第２の配線８３との間に余裕を持たせる必要がない。すなわち、図に示した２つの第２の配線８３の間の距離を広くする必要はない。
【００１１】
第２の配線８３を被覆するシリコン窒化膜８５の成膜方法としては、ＣＶＤ法特にＬＰ−ＣＶＤ法が好ましい。シリコン窒化物を堆積する方法としては他に、ＰＥ−ＣＶＤ法も一般的であるが、第２の配線８３の側面における段差被覆性の点でＬＰ−ＣＶＤ法に大きく劣る。
【００１２】
しかし、通常のＳｉＨ2 Ｃｌ2 （ＤＣＳ）とＮＨ3 を原料ガスとして用いるＬＰ−ＣＶＤ法では、７００℃以上の高温熱工程を必要とする。このため、これ以前に形成する配線材料はＡｌなどの低融点の材料では無く、Ｗ等の高融点の材料が必要とされる。
【００１３】
さらに、７００℃以上の高温熱工程においては、図６に示すように、バリアメタル膜９４で第１の配線８１を構成する金属と不純物拡散層９０との反応を防止することができないため、不純物拡散層９０と第１の配線８１との間のコンタクト抵抗上昇や、リーク電流増大などの問題が生じる。なお、図６において、９１はシリコン基板、９２は素子分離絶縁膜（ＳＴＩ）、９３は層間絶縁膜、９４はバリアメタル膜をそれぞれ示している。
【００１４】
これらの問題を解決するために、原料ガスとしてＳｉ2 Ｃｌ6 （ＨＣＤ）を用いることが提案されている。このガス系を用いれば、６５０℃以下の成膜温度でも、シリコン窒化膜を堆積することができる。
【００１５】
しかし、原料ガスとしてＨＣＤを用いてＬＰ−ＣＶＤ法により形成したシリコン窒化膜は、ＬＳＩの製造工程において多用されるＨＦを含む液（ＨＦ溶液）によるエッチングレートが速い。
【００１６】
そのため、例えば図５（ｃ）の工程後に行う、ＨＦ溶液による自然酸化膜の除去工程において、シリコン窒化膜８４，８５がエッチングされ、シリコン窒化膜８４，８５の薄膜化もしくは消滅が生じる。その結果、第３の配線・プラグ８９と第２の配線８３との間の絶縁を保つことが困難になるという問題が生じる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の如く、従来のＳＡＣプロセスにおいては、段差被覆性、成膜温度の観点から、配線を覆うシリコン窒化膜の形成方法として、原料ガスとしてＨＣＤを用いたＬＰ−ＣＶＤ法が採用されている。
【００１８】
この種の方法で形成されたシリコン窒化膜は、自然酸化膜の除去に用いるＨＦ溶液によるエッチングレートが速い。そのため、側壁絶縁膜としてのシリコン窒化膜が露出した状態で、自然酸化膜の除去を行う工程で、シリコン窒化膜の薄膜化もしくは消滅が生じる。その結果、第１の配線と第３の配線とを繋げるプラグと、第２の配線との間の絶縁を保つことが困難になるという問題が生じている。
【００１９】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、ＨＦによる薄膜化や消滅を防止できる、シリコン窒化膜からなる絶縁部材を備えた半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば下記の通りである。
【００２１】
すなわち、上記目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、基板と、前記基板上に形成され、側面の少なくとも一部が露出し、シリコン窒化膜からなる部材であって、該部材を前記側面を含む表面層と該表面層よりも深い層との二つに分けた場合、前記表面層における窒素の体積密度が深さ方向に分布を有し、かつ前記表面層よりも深い層における窒素の体積密度が深さ方向に実質的に一定であり、かつ前記表面層における窒素の体積密度から、前記表面層よりも深い層における窒素の体積密度を引いて得られる、前記表面層における窒素の体積密度分布を、前記表面層の深さ方向に積分して得られる前記表面層の面密度が、１×１０14ｃｍ-2以上５×１０15ｃｍ-2以下である部材とを備え、前記シリコン窒化膜からなる部材は、７００℃以下の成膜温度で、ヘキサクロロジシランガスとＮＨ3 ガスを用いてＬＰ−ＣＶＤ法で形成されたものであることを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、シリコン酸化膜からなる部材の側面の露出部分の窒素密度を１×１０14ｃｍ-2以上５×１０15ｃｍ-2以下に設定することにより、上記露出分におけるＨＦによるエッチング耐性を高くでき、これによりＨＦによる薄膜化や消滅を防止できる、シリコン窒化膜からなる部材を備えた半導体装置およびその製造方法を実現できるようになる。
【００２３】
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記載および添付図面によって明らかになるであろう。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。
【００２５】
（第１の実施形態）
ＨＣＤをシリコンのソースとして６２５℃のＬＰ−ＣＶＤ法で堆積したシリコン窒化膜を、ＨＦを０．２５％含む液でウエットエッチングした場合、シリコン窒化膜のエッチングレートは、堆積直後では熱酸化で形成されたシリコン酸化膜のそれとほぼ等しく、また９００℃、２０秒のＮ2 中ＲＴＡを行った後でも熱酸化膜に対するエッチングレート比は、０．４５倍程度である。
【００２６】
しかしながら、発明者等の実験によれば、上記シリコン窒化膜に所定量の窒素を導入することにより、エッチングレートを十分に低下させることが可能であることが明らかになった。
【００２７】
図１は、ＨＣＤとＮＨ3 ガスを用いて６２５℃のＬＰ−ＣＶＤ法で堆積したシリコン窒化膜に窒素イオンを注入し、９００℃、２０秒のＮ2 中ＲＴＡを施して得られたサンプルを０．２５％ＨＦ水溶液でエッチングした場合の、窒素イオンのドーズ量とシリコン窒化膜のエッチングレートとの関係を示す図である。参考のため、図１には、窒素イオンを導入していないシリコン窒化膜のエッチングレートも載せてある。
【００２８】
図１から分かるように、面密度で１×１０14以上５×１０15ｃｍ-2以下の窒素濃度になるように窒素イオンを注入すると、エッチングレートは遅くなる。１×１０16ｃｍ-2の窒素濃度でエッチングレートは逆に早くなっているが、これは物理的なストレスによりシリコン窒化膜の構造が乱されたためと解釈される。
【００２９】
しかし、イオン注入法を用いた場合、窒素イオンの指向性が極めて高いため、シリコン窒化膜の側面には窒素を効率よく導入することができない。また、シリコン窒化膜に物理的なダメージを与えやすい。側壁部分に効率よく窒素を導入するためには、指向性の低い窒素を含む粒子を用いることが必要である。
【００３０】
このような指向性の低い窒素を含む粒子を用い、シリコン窒化膜の側面表面に窒素を効率よく導入する方法として、窒素を含むプラズマを用いる方法が考えられる。
【００３１】
例えば、図５（ａ）〜図５（ｄ）に示したのと同様の方法で、接続孔８８を開口した後、図２に示すように、例えば、１００ｍＴｏｒｒ程度の圧力下でＮ2 またはＮＨ3 などの窒素を含むガスに５００Ｗ程度の高周波を印加して発生させた窒素を含むプラズマ１中に、シリコン窒化膜８５が形成された基板を曝する。
【００３２】
これにより、シリコン窒化膜８５の露出した側面には、イオン注入では困難である、窒素濃度が１×１０14〜５×１０15ｃｍ-2という高濃度窒素層２を形成することができる。高濃度窒素層２はシリコン窒化膜８５の露出した上面にも形成される。また、図において、３は上記プラズマ処理によりシリコン酸化膜８２の上面表面および側壁表面（接続孔側面）に形成された高濃度窒素層３（表面層）を示している。
【００３３】
高濃度窒素層２よりも下の部分のシリコン窒化膜８５の深さ方向の窒素濃度（ｃｍ-3）はほぼ一定となりる。何故なら、高濃度窒素層２よりも下の部分のシリコン窒化膜８５には、プラズマドーピングによる窒素添加がほとんど無く、シリコン窒化膜本来が持っている窒素しか実質的に無いからである。
【００３４】
また、高濃度窒素層２よりも下の部分のシリコン窒化膜８５には、プラズマドーピングによる窒素添加がほとんどないことから、高濃度窒素層２よりも下の部分のシリコン窒化膜８５の窒素濃度（ｃｍ-3）は、高濃度窒素層２のそれよりも低くなる。
【００３５】
すなわち、本実施形態の方法を用いると、高濃度窒素層２が形成されたシリコン窒化膜８５（シリコン窒化膜からなる部材）を高濃度窒素層２とそれよりも深い層との二つに分けた場合、高濃度窒素層２における窒素の体積密度が深さ方向に分布を有し、かつ高濃度窒素層２よりも深い層における窒素の体積密度が深さ方向に実質的に一定であり、かつ高濃度窒素層２における窒素の体積密度から、高濃度窒素層２よりも深い層における窒素の体積密度を引いて得られる、高濃度窒素層２における窒素の体積密度分布を、高濃度窒素層２の深さ方向に積分して得られる高濃度窒素層２の面密度が、１×１０14ｃｍ-2以上５×１０15ｃｍ-2以下となることが分かった。
【００３６】
高濃度窒素層２を形成した後、必要に応じて６００℃程度の比較的低い温度で３０分〜６０分程度の加熱を行うか、あるいは８００℃程度の温度で２０〜３０秒程度の短時間の加熱を行うことで、更に効率よく窒素を導入することができるようになる。
【００３７】
かくして本実施形態によれば、窒素プラズマ処理によりシリコン窒化膜８５の露出面に高濃度窒素層２を形成することにより、例えば自然酸化膜等の除去を目的とする洗浄を行うために、ＨＦを用いたウエットエッチングを行っても、第２の配線８３の側壁を覆うシリコン窒化膜８５の薄膜化を防止でき、第３の配線・プラグ８９と第２の配線８３との間の絶縁を保つことができるようになる。
【００３８】
（第２の実施形態）
図３および図４は、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【００３９】
まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板２１上にＳｉＯ2 などからなる厚さ５ｎｍ程度のゲート絶縁膜２２、シリコンまたはシリコンゲルマニウムからなる厚さ７０ｎｍの半導体膜にＢ、Ａｓ、Ｐ等の導電性不純物を１×１０20ｃｍ-3以上添加してなる低抵抗の半導体膜２３、厚さ５ｎｍ程度の薄いＷ窒化膜２４、Ｗ膜２５、厚さ２００ｎｍ程度のシリコン窒化膜２６を順次形成し、その後シリコン窒化膜２６上にゲートパターンを有するフォトレジストパターン２７を形成する。シリコン基板２１の代わりに、ＳＯＩ基板や、シリコンゲルマを含む基板を用いても良い。半導体膜２３の結晶構造は例えば多結晶である。
【００４０】
次に、図３（ｂ）に示すように、フォトレジストパターン２７をマスクにしてしシリコン窒化膜２６をＲＩＥ法にてエッチングし、フォトレジストパターン２７のパターンをシリコン窒化膜２６に転写する。この結果、シリコン窒化膜２６からなるハードマスクが得られる。
【００４１】
次に、図３（ｃ）に示すように、フォトレジストパターン２７を剥離した後、１００ｍＴｏｒｒ程度の圧力下でＮ2 またはＮＨ3 などの窒素を含むガスに５００Ｗ程度の高周波を印加して発生させた窒素を含むプラズマ中に、シリコン窒化膜２６が形成されたシリコン基板２１を曝し、シリコン窒化膜２６の表面に面密度で１×１０14〜５×１０15ｃｍ-2の窒素濃度を有する高濃度窒素層２８を形成する。高濃度窒素層２８が形成されていない部分のシリコン窒化膜２６の窒素濃度は１×１０14よりも低い値となる。
【００４２】
このとき、同時にＷ膜２５の表面にも高濃度窒素層２９が形成されるが、高濃度窒素層２９はこの後行われるＲＩＥ等の工程に影響を与えずに同工程時に除去される。
【００４３】
高濃度窒素層２８，２９の形成後、必要に応じて、６００℃程度の比較的低い温度で３０分〜６０分程度の加熱を行うか、あるいは８００℃程度の温度で２０〜３０秒程度の短時間の加熱を行うことで、更に効率よく窒素を導入することができる。
【００４４】
次に、図３（ｄ）に示すように、表面に高濃度窒素層２８が形成されたシリコン窒化膜２６（ハードマスク）をマスクにして、Ｗ膜２５、Ｗ窒化膜２４および半導体膜２３をＲＩＥ法によりエッチングし、Ｗ膜２５、Ｗ窒化膜２４および半導体膜２３からなるゲート電極３０を形成する。このとき、Ｗ膜２５の表面に形成された高濃度窒素層２９は除去される。
【００４５】
次に、例えば特開昭５９−１３２１３６に開示されている方法を用いて、Ｈ2 とＨ2 Ｏの混合雰囲気中で８００℃程度の加熱処理を行い、図３（ｅ）に示すように、Ｗ膜２５およびＷ窒化膜２４を酸化せずに半導体膜２３の側面（ゲート側壁）を酸化し、酸化膜３１を形成する。このようにゲート側壁を酸化し、ゲート絶縁膜２２に接する部分の酸化膜厚を厚くすることにより、ゲート絶縁膜２２の信頼性を向上することができる。
【００４６】
次に、図４（ｆ）に示すように、ゲート電極３０等をマスクにして不純物イオンを基板表面に注入し、ソース・ドレインエクステンションを構成する不純物拡散層３２を自己整合的に形成する。
【００４７】
図３（ｃ）から図４（ｆ）に至る全ての工程において、ＨＦを含む溶液でウェットエッチングあるいはウェットクリーニングを行っても、高濃度窒素層２９が形成されているので、ハードマスク２６の厚さや幅が減ることは無い。
【００４８】
次に、図４（ｇ）に示すように、ゲート電極３０等を含むゲート部を覆うように厚さ５０ｎｍ程度のシリコン窒化膜３３を全面に堆積する。
【００４９】
次に、図４（ｈ）に示すように、シリコン窒化膜３３の全面をＲＩＥ法にてエッチングし、ゲート電極３０およびシリコン窒化膜２６の側壁にシリコン窒化膜３３を選択的に残置させる。このとき、シリコン窒化膜（ハードマスク）２６の上面に形成された高濃度窒素層２８は除去される。
【００５０】
次に、図４（ｉ）に示すように、１００ｍＴｏｒｒ程度の圧力下でＮ2 またはＮＨ3 などの窒素を含むガスに５００Ｗ程度の高周波を印加して発生させた窒素を含むプラズマに曝し、シリコン窒化膜（ゲート側壁絶縁膜）３３およびシリコン窒化膜２６（ハードマスク）の表面に面密度で１×１０14〜５×１０15ｃｍ-2の窒素濃度を有する高濃度窒素層３４を形成する。
【００５１】
高濃度窒素層３４の形成後、必要に応じて、後６００℃程度の比較的低い温度で３０分〜６０分程度の加熱を行うか、あるいは８００℃程度の温度で２０秒〜３０秒程度の短時間の加熱を行うことで、更に効率よく窒素を導入することができる。
【００５２】
この後、ＨＦを含む溶液によるウェットエッチングあるいはウェットクリーニングを行う工程が続くが、シリコン窒化膜（ゲート側壁絶縁膜）３５およびシリコン窒化膜（ハードマスク）２６はそれらの表面に形成された高濃度窒素層３４によって薄膜化や消滅が防止され、その結果としてゲート電極３０と次工程で形成するソース／ドレイン電極との絶縁を保つことができるようになる。
【００５３】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ＳＡＣプロセスやゲートプロセス中に使用するシリコン窒化膜の場合について説明したが、他のプロセス中に使用するシリコン窒化膜に対しても本発明は適用可能である。また、シリコン窒化膜の成膜温度は、７００℃以下の低温であることが好ましい。このような低温の成膜温度は、原料ガスとしてＨＣＤを用いたＬＰ−ＣＶＤ法を用いることにより容易に実現できる。
【００５４】
また、上記実施形態では、シリコン窒化膜からなる絶縁部材の露出した側面に所定量の窒素を導入する方法として、窒素を含むプラズマ中に曝す方法、すなわち窒素の運動量分布が異方的にならないような環境下に、シリコン窒化膜からなる絶縁部材を曝したが、他の方法を用いて導入して良い。例えば斜めイオン注入を用いた方法が可能である。
【００５５】
さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題を解決できる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【００５６】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、ＨＦによる薄膜化や消滅を防止できる、シリコン窒化膜からなる絶縁部材を備えた半導体装置およびその製造方法を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＨＣＤとＮＨ3 ガスを用いてＬＰ−ＣＶＤ法で堆積したシリコン窒化膜に窒素イオンを注入し、ＲＴＡを施して得られたサンプルをＨＦ水溶液でエッチングした場合の窒素イオンのドーズ量とエッチングレートとの関係を示す図
【図２】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図
【図３】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図
【図４】図３に続く同半導体装置の製造工程を示す断面図
【図５】従来のＳＡＣプロセスを示す断面図
【図６】従来の問題点を説明するための断面図
【符号の説明】
１…窒素を含むプラズマ
２，３…高濃度窒素層
２１…シリコン基板
２２…ゲート絶縁膜
２３…低抵抗の半導体膜
２４…Ｗ窒化膜
２５…Ｗ膜
２６…シリコン窒化膜（ハードマスク）
２７…フォトレジストパターン
２８，２９…高濃度窒素層
３０…ゲート電極
３１…酸化膜
３２…不純物拡散層
３３…シリコン窒化膜（ゲート側壁絶縁膜）
３４…高濃度窒素層
【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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【図６】
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