(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、活性領域及び素子分離領域を画定するフィールド酸化膜を形成するフィールド酸化膜形成工程と、該フィールド酸化膜が形成された基板上にナイトライドを含む絶縁膜を形成するナイトライド含有絶縁膜形成工程と、該ナイトライド含有絶縁膜上に非晶質TaON絶縁膜を形成する非晶質TaON絶縁膜形成工程と、該非晶質TaON絶縁膜を結晶化させる結晶化工程とを含むことを特徴とする半導体装置のゲート絶縁膜形成方法。
【請求項２】
前記ナイトライド含有絶縁膜が窒化薄膜又は窒酸化薄膜である請求項１記載の半導体装置のゲート絶縁膜形成方法。
【請求項３】
前記ナイトライド含有絶縁膜形成工程が、200〜600℃の温度範囲の低圧化学気相蒸着チャンバーでプラズマを利用し、NH3又はＮ2／Ｈ2ガスを該チャンバー内に供給して前記窒化薄膜を形成するものである請求項２記載の半導体装置のゲート絶縁膜形成方法。
【請求項４】
前記ナイトライド含有絶縁膜形成工程が、200〜600℃の温度範囲の化学気相蒸着チャンバーでプラズマを利用し、NH3及びＯ2ガス、又はNH3及びＮ2Ｏガスを、１０〜１０００sccmの流量で流量調節器を介して該チャンバー内に定量供給して前記窒酸化薄膜を形成するものである請求項２記載の半導体装置のゲート絶縁膜形成方法。
【請求項５】
前記ナイトライド含有絶縁膜形成工程において、プラズマ雰囲気下で、先ず前記チャンバー内にNH3ガスを注入し、Ｏ2又はＮ2Ｏガスを以後注入する請求項４記載の半導体装置のゲート絶縁膜形成方法。
【請求項６】
前記非晶質TaON膜形成工程において、Ta系化合物を流量調節器を介してチャンバー内に定量供給し、150〜200℃の温度範囲で蒸発させてTa化学蒸気を得る請求項１から５のいずれかに記載の半導体装置のゲート絶縁膜形成方法。
【請求項７】
前記非晶質TaON膜形成工程において、300〜600℃の低圧化学気相蒸着チャンバーに、Ta化学蒸気と反応ガスのＯ2及びNH3ガスを流量調節器を介して供給した後、表面反応を誘導して前記非晶質TaON膜を蒸着する請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置のゲート絶縁膜形成方法。
【請求項８】
前記結晶化工程において、アニリング工程を介して非晶質TaON絶縁膜を結晶化する請求項１から７のいずれかに記載の半導体素子のゲート絶縁膜形成方法。
【請求項９】
前記アニリング工程が、急速熱処理工程を利用して650〜950℃の温度範囲で、0.5〜３０分間進めるものである請求項８記載の半導体装置のゲート絶縁膜形成方法。
【請求項１０】
前記アニリング工程が、電気炉を利用して、650〜950℃の温度範囲と、Ｎ2Ｏ、Ｏ2又はＮ2雰囲気で、１〜３０分間進めるものである請求項８又は９記載の半導体装置のゲート絶縁膜形成方法。
【請求項１１】
前記非晶質TaON絶縁膜形成工程の後、インシチュー又はエクスシチューでプラズマを利用し、２００〜６００℃の温度範囲と、ＮＨ3若しくはＮ2／Ｈ2雰囲気で、又は、Ｎ2Ｏ若しくはＮ2／Ｏ2雰囲気で、前記非晶質TaON絶縁膜の表面を窒化又は窒酸化処理する窒化又は窒酸化処理を行う請求項１から７のいずれかに記載の半導体素子のゲート絶縁膜形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置のゲート絶縁膜形成方法に関し、より具体的には高集積半導体装置に適する優れた電気的特性を有する半導体装置のゲート絶縁膜形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、モストランジスタ（MOSFET；matal oxide semiconductor field effect transistor）は、ゲート電極がゲート絶縁膜である薄い酸化シリコン膜により基板から離隔しているため、接合型トランジスタのようにインピダンスが低下する場合が少なく、またゲート電極が１回の拡散工程を介して形成可能であり製造方法が簡単なため、高集積化に適するといえる。
【０００３】
さらに、半導体メモリ装置の集積度を高めるために、単位素子の大きさが微細化するほどセルトランジスタのゲート絶縁膜の厚さ及び幅も縮小されているのが実状である。例えば、次世代256Ｍ DRAM以上のメモリ装置においては、通常のゲート絶縁膜製造方法と同じく800〜900℃の高温で湿式酸化工程を行い、シリコン酸化膜を成長させることによりゲート絶縁膜を形成する。このとき、ゲート絶縁膜の厚さは５０Å以下に形成し、素子の降伏強度特性（耐絶縁破壊特性）とゲート電極に印加される電圧に対する耐性時間（耐久性）を望ましいものとする。
【０００４】
さらに、最近は高集積メモリ装置のゲート絶縁膜としてSiO2の代りに高誘電率（ε＝２５）のTa2O5が用られるようになってきているが、この場合、Ta2O5自体が不安定な化学量論比（stoichiometry）を有するため、TaとＯの組成比の差に基づく置換型Ta原子が薄膜内に発生する場合がある。このため、Ta2O5ゲート絶縁膜の蒸着時に、Ta2O5の前駆体であるTa(OC2Ｈ5)5等の有機物とＯ2（又はＮ2Ｏ）ガスの反応により、不純物の炭素原子、炭素化合物（C、CH4、Ｃ2Ｈ4等）及び水（Ｈ2Ｏ）が生成する欠点がある。
【０００５】
このようなTa2O5のゲート絶縁膜内に不純物として存在する炭素原子、イオン及びラジカルにより、ゲート電極と基板の間にリーク電流が増加することになり、絶縁特性が不良となる。これを補償するためには、通常Ta2O5を蒸着したあと１回以上の低温熱処理（例えば、プラズマＮ2Ｏ又はUV−Ｏ3）工程と高温熱処理工程を行わなければならない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような熱処理工程は煩雑であり、Ta2O5ゲート絶縁膜は酸化抵抗性が低いため、高温熱処理工程時に基板表面に酸化反応が発生し、不均一な寄生酸化膜が形成され、基板とTa2O5ゲート絶縁膜の間の界面特性が低下するとともに、ゲート絶縁膜全体の厚さが増加することになる。
【０００７】
そこで本発明は、優れた電気的特性を有する半導体装置のゲート絶縁膜形成方法を提供することを課題とする。
【０００８】
さらに本発明は、他の素子の電気的特性の劣化を防止することができる半導体装置のゲート絶縁膜形成方法を提供することも課題とする。
【０００９】
さらに本発明は、半導体装置の製造工程を単純化させることができる半導体装置のゲート絶縁膜形成方法を提供することも課題とする。
【００１０】
さらに本発明は、製品の寿命を増大させることができる半導体装置のゲート絶縁膜形成方法を提供することも課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、半導体基板上に、活性領域及び素子分離領域を画定するフィールド酸化膜を形成するフィールド酸化膜形成工程と、該フィールド酸化膜が形成された基板上にナイトライドを含む絶縁膜を形成するナイトライド含有絶縁膜形成工程と、該ナイトライド含有絶縁膜上に非晶質TaON絶縁膜を形成する非晶質TaON絶縁膜形成工程と、該非晶質TaON絶縁膜を結晶化させる結晶化工程とを含むことを特徴とする半導体装置のゲート絶縁膜形成方法を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体装置のゲート絶縁膜の形成方法の実施形態を図面を参照して説明する。図１〜図５は本発明方法の各工程を説明するための、半導体素子の断面図である。
【００１３】
本発明方法を実施するにあたっては、先ず、図１に示すように、半導体基板（１０）上に通常の素子分離工程（例えば、ロコス（LOCOS）又はトレンチ工程）を行い、素子の活性領域と分離領域を定義するフィールド酸化膜（１２）を形成する。次いで、前記フィールド酸化膜（１２）が形成された基板（１０）表面をHF、SC−１、Ｈ2SO4等のケミカルを用いて洗浄し、基板表面の自然酸化膜及びパーティクルを除去する。
【００１４】
次いで、半導体基板（１０）に後続工程で施される非晶質TaON膜蒸着時に、基板（１０）界面に形成されることがある不均一な低誘電率の酸化膜が形成されることを防止するため、図２に示すように、ナイトライド含有絶縁膜、例えば窒化薄膜として窒化珪素（SiN）薄膜又は窒酸化薄膜として窒酸化珪素（SiON）薄膜（１４）を形成する。
【００１５】
このとき、前記窒化薄膜（１４）を形成する場合は200〜600℃程度、より好ましくは350〜450℃程度の温度範囲の低圧化学気相蒸着チャンバーでプラズマを利用し、NH3又はＮ2／Ｈ2ガス等を供給して形成することができる。
【００１６】
また、窒酸化薄膜（１４）を形成する場合は、低圧化学気相蒸着チャンバで200〜600℃程度、より好ましくは350〜450℃程度の温度範囲で、プラズマを利用し、NH3及びＯ2又はＮ2Ｏ等を該チャンバー内に、流量調節器（mass flow controller）を介して１０〜１０００sccm程度で定量供給して形成することができる。また、前記窒酸化薄膜（１４）形成時に、基板（１０）表面に寄生酸化膜が形成されないように、プラズマ雰囲気でNH3を先ず注入し、Ｏ2又はＮ2Ｏガスを以後注入するのが好ましい。
【００１７】
このように、後述する非晶質TaONの蒸着前に行う基板（１０）の窒化処理又は窒酸化処理を、200〜600℃、より好ましくは350〜450℃程度という、比較的低温で行うことにより、すでに形成されたフィールド酸化膜（１２）やウェル等の他の素子の電気的特性の劣化を防止することができる。
【００１８】
次いで、図３に示すように、前記基板（１０）の窒化薄膜又は窒酸化薄膜（１４）上に非晶質TaON膜を蒸着してゲート絶縁膜（１６）を形成する。このとき、Ta化学蒸気（Ta系化合物の蒸気）は、例えばTa(OC2H5)5、TaH2F7等のTa系化合物を流量調節器を介して定量供給し、150〜200℃程度の温度範囲で蒸発させて得ることができる。そして、前記Ta化学蒸気と反応ガスであるＯ2及びNH3を300〜600℃程度の低圧化学気相蒸着チャンバー内に流量調節器を介して供給した後、表面化学反応を誘導して非晶質TaON膜（１６）を蒸着することができる。
【００１９】
次いで、前記ゲート絶縁膜（１６）を高密度化するため、非晶質TaON膜が形成された基板にアニリング工程を行い、非晶質TaON膜蒸着過程で生成した炭素化合物の不純物と、膜内に存在する酸素空孔を除去しながら結晶化を誘導する。
【００２０】
このとき、前記アニリング工程は急速熱処理（rapid thermal processing）工程を利用することができ、この場合650〜950℃程度の温度条件下で0.5〜３０分間程度進めて、非晶質TaON膜蒸着過程で生成した炭素化合物の不純物を除去しながら結晶化を誘導する。
【００２１】
さらに、前記アニリング工程は、電気炉を利用して650℃〜950℃程度の温度範囲と、Ｎ2Ｏ、Ｏ2又はＮ2雰囲気下で、１〜３０分間程度進めて非晶質TaON膜の結晶化を誘導するのが好ましい。このとき、アニリング工程により、非晶質TaONゲート絶縁膜（１６）を結晶化させながら、蒸着過程で発生した膜内の揮発性炭素化合物（CO、CO2、CH4、Ｃ2Ｈ4）を除去し、界面のマイクロクラック（micro crack）及びピンホール（pin hole）のような構造欠陥を補強して均質度（homogeneity）を向上させることができる。
【００２２】
一方、非晶質TaON膜（１６）形成後、インシチュー（in- situ）又はエクスシチュー（ex- situ）でプラズマを利用し、200〜600℃程度、NH3（又はＮ2／Ｈ2）雰囲気でTaONゲート絶縁膜（１６）の表面を窒化させるかＮ2Ｏ（又はＮ2／Ｏ2）雰囲気で窒酸化させる工程を進めることができる。この場合、約700℃の温度以上で進められるアニリング工程を省略することができる。その理由は、TaON蒸着後にこのような窒化又は窒酸化による表面処理が行われると、ゲート電極を形成した後に進められる後続熱工程により、TaONゲート絶縁膜（１６）が結晶化され得るためである。
【００２３】
次いで、図４に示すように前記ゲート絶縁膜（１６）上にゲート電極用ドープドポリシリコン膜（１８）を形成する。このとき、前記ドープドポリシリコン膜（１８）上には高い電気抵抗特性を得るため、金属シリサイド物質としてタングステンシリサイド膜を追加積層することもできる。
【００２４】
次いで、図５に示すようにゲートマスクを利用したフォトリソグラフィー工程を介して前記ドープドポリシリコン膜（１８）、TaONゲート絶縁膜（１６）及び窒化薄膜（又は窒酸化薄膜）（１４）をパターニングし、ドープドポリシリコン膜パターン（１８ａ）、TaONゲート絶縁膜パターン（１６ａ）及び窒化薄膜（又は窒酸化薄膜）パターン（１４ａ）を形成してゲート電極の製造工程を完了する。
【００２５】
【発明の効果】
前記説明したように、本発明に係る半導体装置のゲート絶縁膜形成方法においては次のような効果がある。
【００２６】
本発明に係る半導体装置のゲート絶縁膜形成方法においては、ゲート絶縁膜の材料として利用されるTaONの誘電率（ε＝２０〜２５）が従来のゲート絶縁膜材料であるシリコン酸化物（SiO2）より高いため、従来のゲート酸化膜より物理的厚さを厚くしても、電気的厚さを低下させることができる。したがって、高集積半導体装置に適したゲート絶縁膜特性を得ることができ、絶縁降伏強度（耐絶縁破壊特性）及び製品の寿命を向上させることができる。
【００２７】
さらに、本発明におけるTaONゲート絶縁膜は従来のTa2O5ゲート絶縁膜より構造的に安定したTaON結合構造を有しており、シリコン基板との酸化反応性も小さいため外部に印加される電気的衝撃にも強く、絶縁破壊電圧が高くリーク電流が小さい電気的特性を得ることができる。
【００２８】
そして、本発明において、TaONゲート絶縁膜を蒸着する前にシリコン基板の表面を窒化又は窒酸化処理し、後続工程での酸化抵抗性を増加させることにより不均一な酸化膜の生成が抑制されて界面特性を向上させることができる。
【００２９】
さらに、本発明において、窒化又は窒酸化処理を既存の急速熱処理（Rapid Thermal Process）による窒化又は窒酸化処理に比べて、200〜600℃程度の比較的低温で進めるときは、他の素子の電気的特性の劣化を防止することができる。
【００３０】
また、本発明におけるこのような窒化又は窒酸化処理を、TaON膜の蒸着装備でインシチューで行うときは、別途の装備を用いる必要がなく製造工程を単純化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法による半導体装置のゲート絶縁膜形成の１工程断面図である。
【図２】本発明方法による半導体装置のゲート絶縁膜形成の他の工程断面図である。
【図３】本発明方法による半導体装置のゲート絶縁膜形成のさらに他の工程断面図である。
【図４】本発明方法による半導体装置のゲート絶縁膜形成のさらに他の工程断面図である。
【図５】本発明方法による半導体装置のゲート絶縁膜形成のさらに他の工程断面図である。
【符号の説明】
１０  半導体基板
１２  フィールド酸化膜
１４  窒化薄膜（又は窒酸化薄膜）
１６  TaONゲート絶縁膜
１８  ドープドポリシリコン膜
【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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