(57)【要約】【課題】トランジスタのチャネルに応力を与えるストレスライナーとして機能するシリコン窒化膜を形成した場合に、クラックの発生を抑えることができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供する。【解決手段】半導体基板１に形成されたｎチャネル型トランジスタ２０を覆い、ｎチャネル型トランジスタ２０のチャネルに対してチャネル長方向の引張応力を作用させるシリコン窒化膜１１、１２を形成する半導体装置の製造方法であって、ｎチャネル型トランジスタ２０の上に一層目のシリコン窒化膜１１を形成する工程と、一層目のシリコン窒化膜１１に紫外線を照射する工程と、紫外線照射の後、一層目のシリコン窒化膜１１の上に一層目のシリコン窒化膜１１よりも薄いシリコン窒化膜１２を少なくとも一層以上形成する工程とを備え、引張応力を作用させるシリコン窒化膜を複数段階に分けて形成する。【選択図】図１
2009277908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成されたｎチャネル型トランジスタを覆い、前記ｎチャネル型トランジスタのチャネルに対してチャネル長方向の引張応力を作用させるシリコン窒化膜を形成する半導体装置の製造方法であって、
（Ａ）前記ｎチャネル型トランジスタの上に、一層目のシリコン窒化膜を形成する工程と、
（Ｂ）前記一層目のシリコン窒化膜に紫外線を照射する工程と、
（Ｃ）前記紫外線照射の後、前記一層目のシリコン窒化膜の上に、前記一層目のシリコン窒化膜よりも薄いシリコン窒化膜を少なくとも一層以上形成する工程と、
を備え、前記引張応力を作用させるシリコン窒化膜を複数段階に分けて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２】
前記工程（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）を、大気にさらさずに減圧雰囲気中で続けて行う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】
前記工程（Ｃ）の後、前記一層目のシリコン窒化膜の上に形成されたシリコン窒化膜に紫外線を照射する工程（Ｄ）をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記工程（Ｄ）における紫外線照射時間は、前記工程（Ｂ）における紫外線照射時間よりも短いことを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
半導体基板に形成されたｎチャネル型トランジスタと、前記ｎチャネル型トランジスタを覆い前記ｎチャネル型トランジスタのチャネルに対してチャネル長方向の引張応力を作用させる複数層のシリコン窒化膜とを備えてなり、
前記シリコン窒化膜は、
前記ｎチャネル型トランジスタの上に形成された一層目のシリコン窒化膜と、
前記一層目のシリコン窒化膜の上に形成され、前記一層目のシリコン窒化膜よりも薄く且つ単位体積あたりの水素含有量が多い少なくとも一層以上のシリコン窒化膜と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体トランジスタに求められる性能が高まるにつれ、トランジスタを微細化するだけでは性能を向上させることが困難になってきており、新しい技術の開発が進められている。そのひとつとして、比較的大きな内部応力を得やすいシリコン窒化膜を、ゲート構造を覆うように半導体基板上に形成し、ゲート下のチャネルに応力を作用させてキャリア移動度の向上を図る技術がある（例えば特許文献１）。
【０００３】
ｎチャネル型トランジスタにおいては、そのチャネルに対してチャネル長方向の引張応力が作用するとキャリア移動度が向上することが知られている。ｎチャネル型トランジスタのチャネルにチャネル長方向の引張応力を作用させるには、シリコン窒化膜自身は収縮する内部応力を持つ必要があるが、その一方で、この収縮によるクラック発生の可能性が今後懸念される。
【特許文献１】特開２００６−２３７０７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、トランジスタのチャネルに応力を与えるストレスライナーとして機能するシリコン窒化膜を形成した場合に、クラックの発生を抑えることができる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、半導体基板に形成されたｎチャネル型トランジスタを覆い、前記ｎチャネル型トランジスタのチャネルに対してチャネル長方向の引張応力を作用させるシリコン窒化膜を形成する半導体装置の製造方法であって、（Ａ）前記ｎチャネル型トランジスタの上に、一層目のシリコン窒化膜を形成する工程と、（Ｂ）前記一層目のシリコン窒化膜に紫外線を照射する工程と、（Ｃ）前記紫外線照射の後、前記一層目のシリコン窒化膜の上に、前記一層目のシリコン窒化膜よりも薄いシリコン窒化膜を少なくとも一層以上形成する工程と、を備え、前記引張応力を作用させるシリコン窒化膜を複数段階に分けて形成することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【０００６】
また、本発明の他の一態様によれば、半導体基板に形成されたｎチャネル型トランジスタと、前記ｎチャネル型トランジスタを覆い前記ｎチャネル型トランジスタのチャネルに対してチャネル長方向の引張応力を作用させる複数層のシリコン窒化膜とを備えてなり、前記シリコン窒化膜は、前記ｎチャネル型トランジスタの上に形成された一層目のシリコン窒化膜と、前記一層目のシリコン窒化膜の上に形成され、前記一層目のシリコン窒化膜よりも薄く且つ単位体積あたりの水素含有量が多い少なくとも一層以上のシリコン窒化膜と、を有することを特徴とする半導体装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、トランジスタのチャネルに応力を与えるストレスライナーとして機能するシリコン窒化膜を形成した場合に、クラックの発生を抑えることができる半導体装置の製造方法及び半導体装置が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。なお、各図面中、同じ要素には同じ符号を付している。
【０００９】
図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法における主要な工程を示す模式図である。
【００１０】
本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板（例えばシリコン基板）１にトランジスタ２０を形成する工程と、そのトランジスタ２０の上に、シリコン窒化膜１１、１２を形成する工程とを有する。
【００１１】
トランジスタ２０はｎチャネル型のＦＥＴ（Field Effect Transistor）であり、半導体基板１の表層部に選択的に形成されたｎ型のソース領域３とｎ型のドレイン領域４とを有する。ソース領域３とドレイン領域４との間の領域（ｐ型領域）上にはゲート絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）５を介してゲート電極（例えば多結晶シリコン）６が設けられている。ゲート電極６に所望のゲート電圧が印加されると、ソース領域３とドレイン領域４との間の領域にｎ型チャネル（反転層）が形成され、そのチャネルを通じてソース領域３−ドレイン領域４間が導通する。
【００１２】
ソース領域３とドレイン領域４のそれぞれの表面にはシリサイド膜８が形成され、またゲート電極６の表面にもシリサイド膜８が形成されている。これらシリサイド膜８によって、ソース領域３、ドレイン領域４、ゲート電極６の各表面は低抵抗化されている。
【００１３】
半導体基板１には複数のトランジスタ２０が形成され、各トランジスタ２０は例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）構造の素子分離層２によって分離されている。トランジスタ２０を形成する前、半導体基板１にトレンチを形成し、そのトレンチ内部に例えば酸化シリコンを埋め込むことで素子分離層２が形成される。
【００１４】
トランジスタ２０を形成するにあたっては、ゲート構造（ゲート絶縁膜５とゲート電極６との積層構造）のパターニングが終わった段階で、まずそれをマスクとしてイオン注入が行われ、半導体基板１表面に浅い拡散領域が形成され、この後ゲート構造の側面にサイドウォール絶縁層７を形成した後、再びイオン注入を行って半導体基板１表面に深い拡散領域を形成する。これにより、半導体基板１の表面にソース領域３とドレイン領域４が形成される。
【００１５】
次に、半導体基板１の全面に金属膜を形成した後、熱処理を行う。この熱処理により、金属膜がソース領域３、ドレイン領域４及びゲート電極６に接している部分で、金属とシリコンとが反応し、その部分に金属とシリコンとの化合物膜すなわちシリサイド膜８が形成される。
【００１６】
以上説明した工程を経て、図１（ａ）に示すように、半導体基板１にトランジスタ２０が形成される。
【００１７】
次に、トランジスタ２０を覆うように半導体基板１上に、ストレスライナーとして機能するシリコン窒化膜を形成する。シリコン窒化膜の形成方法としては、シランガスとアンモニアガスを含むガス雰囲気中に高周波電力を印加することによりプラズマを生じさせて、被成膜面にシリコン窒化膜を堆積形成するプラズマＣＶＤ（chemical vapor deposition）法がよく用いられている。
【００１８】
シリコン窒化膜は、成膜条件により、チャネルに対して圧縮応力を作用させる内部応力を有するか、あるいはチャネルに対して引張応力を作用させる内部応力を有するかを調整することができる。
【００１９】
ｎチャネル型トランジスタでは、チャネルに対してチャネル長方向（ソース領域とドレイン領域とを結ぶ方向）の引張応力が作用すると、キャリア（電子）移動度が向上する。この引張応力をチャネルに対して作用させるシリコン窒化膜を形成するには、水素を含む原料ガスを用いたプラズマＣＶＤ法により水素を多く含むシリコン窒化膜を形成し、その後、膜に対して紫外線照射を行うことによって膜中から水素を脱離させる処理を行う。水素が膜中から脱離することで膜自身は収縮する。
【００２０】
図１（ｃ）に示すシリコン窒化膜１１において、サイドウォール絶縁層７の側方で基板表面に沿って存在する部分が、矢印で示すように基板表面方向に収縮すると、チャネルにはチャネル長方向に引張応力が作用する。
【００２１】
シリコン窒化膜１１は基板表面とゲート構造との段差部を被覆するように形成されるが、その段差被覆部におけるコーナー部分では成膜速度が遅くなることから、その部分は他の部分に比べて脆くなりやすい。紫外線照射を受けて膜が収縮すると、図３に示すように、基板表面に沿った部分は基板表面方向に収縮し、サイドウォール絶縁層７を覆う部分は上下方向に収縮するため、それら間のコーナー部には引張応力が作用し、また前述したようにその部分は脆いことから、上記コーナー部にクラック３１が生じやすい。上記コーナー部はチャネルに近く、その部分にクラック３１が生じると、チャネルに対して作用する応力が低減してしまい、キャリア移動度の向上によるトランジスタ性能の向上が図れなくなる。
【００２２】
クラック３１が生じるときは、まず最初に膜表面に裂け目が入り、その裂け目が下方へと広がっていく。そこで、本実施形態では、裂け目が最初に入る膜表面における収縮量を抑える工夫をすることにより、クラックの発生を抑制するようにしている。
【００２３】
以下、本発明の実施形態におけるシリコン窒化膜の形成方法について説明する。
【００２４】
本実施形態では、複数層のシリコン窒化膜を複数段階に分けて形成する。以下に説明する具体例では、二層のシリコン窒化膜１１、１２を２段階に分けて形成する場合について説明する。
【００２５】
まず、図１（ｂ）に示すように、半導体基板１上に一層目のシリコン窒化膜として第１のシリコン窒化膜１１を形成する。第１のシリコン窒化膜１１は、基板表面とゲート構造との段差部を被覆してトランジスタ２０を覆う。
【００２６】
第１のシリコン窒化膜１１はプラズマＣＶＤ法で形成される。成膜室内には、原料ガスとして、モノシラン（ＳｉＨ４）ガスが６０（ｓｃｃｍ）、アンモニア（ＮＨ３）ガスが９００（ｓｃｃｍ）、窒素（Ｎ２）ガスが１０００（ｓｃｃｍ）の流量でそれぞれ導入され、成膜室内圧力は１．１３３×１０３（Ｐａ）に維持される。成膜室内に設けられた電極には、１００（Ｗ）の高周波電力が印加される。また、成膜時、半導体基板１は３００℃程度に加熱される。このプラズマＣＶＤで形成された第１のシリコン窒化膜１１は、シリコン（Ｓｉ）元素と窒素（Ｎ）元素以外にも、原料ガスに起因して水素（Ｈ）元素も含む。
【００２７】
成膜時間の制御により、第１のシリコン窒化膜１１は、例えば５０ｎｍ（ナノメートル）の膜厚に形成される。
【００２８】
次に、図１（ｃ）に示すように、第１のシリコン窒化膜１１に対して紫外線を照射する。第１のシリコン窒化膜１１の形成後、ウェーハ（半導体基板１にトランジスタ２０を形成したもの）は成膜室から搬出され、紫外線照射室へと搬入される。この搬送は、減圧雰囲気下で行われ、また紫外線照射室での紫外線照射も減圧雰囲気中で行われる。したがって、第１のシリコン窒化膜１１は成膜工程を経て紫外線照射工程が終了するまでの間、大気にさらされない。また紫外線照射工程中、ウェーハは例えば４００℃程に加熱される。
【００２９】
第１のシリコン窒化膜１１が紫外線照射を受けることで、膜中の水素はＨ−Ｎ基やＳｉ−Ｈ基の形態で膜中から脱離する。この膜中からの水素の脱離により、第１のシリコン窒化膜１１は収縮し、前述したようにチャネルに対してチャネル長方向の引張応力を与える。
【００３０】
従来は、ここでシリコン窒化膜の形成工程が終了し、ウェーハは大気下に出されていた。このときにシリコン窒化膜が大気にさらされることによる温度低下により膜が収縮しクラックが生じやすかった。
【００３１】
これに対して本実施形態では、第１のシリコン窒化膜１１への紫外線照射後、大気にさらすことなく減圧雰囲気下で再びウェーハを成膜室へと搬送して、二層目の第２のシリコン窒化膜１２の形成を行う（図１（ｄ））。
【００３２】
第２のシリコン窒化膜１２もプラズマＣＶＤ法で形成され、その条件も第１のシリコン窒化膜１１の形成時と同じである。ただし、成膜時間は、第１のシリコン窒化膜１１形成時よりも短くされ、第２のシリコン窒化膜１２は第１のシリコン窒化膜１１の膜厚（５０ｎｍ）よりも薄い例えば１０ｎｍに調整される。
【００３３】
次に、図１（ｅ）に示すように、第２のシリコン窒化膜１２に対して紫外線を照射する。この第２のシリコン窒化膜１２に対する紫外線照射工程中も、ウェーハは例えば４００℃程に加熱される。
【００３４】
第２のシリコン窒化膜１２が紫外線照射を受けることで、第１のシリコン窒化膜１１と同様、膜中の水素はＨ−Ｎ基やＳｉ−Ｈ基の形態で膜中から脱離する。この膜中からの水素の脱離により、第２のシリコン窒化膜１２は収縮し、前述したようにチャネルに対してチャネル長方向の引張応力を与える。
【００３５】
水素を含むシリコン窒化膜に対する紫外線照射時間が長くなるにしたがって膜中の水素含有量は減っていくが、そのうち飽和し、それ以上紫外線照射を行っても膜中の水素含有量がほとんど変化しない限界点に達する。
【００３６】
第１のシリコン窒化膜１１に対しては、その限界点近くまで紫外線照射を行う。この照射時間は膜厚によって決まり、例えば膜厚５０ｎｍの場合には４５０秒程である。
【００３７】
これに対して、第２のシリコン窒化膜１２は第１のシリコン窒化膜１１よりも薄く、もともと膜全体の水素含有量が第１のシリコン窒化膜１１より少なく、上記限界点に達する時間が第１のシリコン窒化膜１１よりも短い。さらに、本実施形態では、チャネルに応力を与えるストレスライナーとしての役割は第１のシリコン窒化膜１１にほとんど担わせ、第２のシリコン窒化膜１２に対しては、クラックが生じないように収縮量を抑えるべく、膜厚に応じた限界点よりも短い紫外線照射時間にとどめている。例えば、本実施形態では、第２のシリコン窒化膜１２に対する紫外線照射時間は９０秒程としている。したがって、紫外線照射工程後における、単位体積あたりの水素含有量は、第１のシリコン窒化膜１１よりも第２のシリコン窒化膜１２の方が多い。
【００３８】
第１のシリコン窒化膜１１は、第２のシリコン窒化膜１２に比べて膜厚が厚く（体積が大きく）、さらに上記限界点付近まで紫外線照射を行うため、膜全体から水素が脱離する総量が第２のシリコン窒化膜１２よりも多い。したがって、その分収縮量も大きい。
【００３９】
これに対して第２のシリコン窒化膜１２は、第１のシリコン窒化膜１１に比べて膜全体から水素が脱離する総量が少なく膜収縮量も小さい。大気開放の際には第２のシリコン窒化膜１２の表面が大気にさらされるが、その第２のシリコン窒化膜１２の収縮量が小さいということは、収縮による表面亀裂の発生を抑制でき、結果として、ストレスライナーとしての役割を主として担う下層の第１のシリコン窒化膜１１にクラックが発生することを抑制できる。
【００４０】
また、第１のシリコン窒化膜１１の成膜、その第１のシリコン窒化膜１１に対する紫外線照射、第２のシリコン窒化膜１２の成膜、および第２のシリコン窒化膜１２に対する紫外線照射という一連の工程は、大気にさらさずに減圧雰囲気中で続けて行う。したがって、収縮量の大きい第１のシリコン窒化膜１１の表面が大気にさらされることがなく、それによる急な温度低下を回避でき、このこともクラックの発生を抑えることに寄与する。
【００４１】
前述した条件で第１のシリコン窒化膜１１及び第２のシリコン窒化膜１２を形成したウェーハを光学顕微鏡で観察したところ、クラックの発生は確認されなかった。
【００４２】
また、比較例として、前述と同様な条件にてプラズマＣＶＤ法で膜厚６０（ｎｍ）のシリコン窒化膜を形成した。紫外線照射を行う前の状態では、そのシリコン窒化膜自体の内部応力は０．５（ＧＰａ）であったが、このシリコン窒化膜に対して紫外線照射を行うことで内部応力は１．６０（ＧＰａ）にまで増大した。
【００４３】
これに対して、前述した実施形態のように、膜厚５０ｎｍの第１のシリコン窒化膜１１と、膜厚１０ｎｍの第２のシリコン窒化膜１２とを前述したように形成した構造では、これらシリコン窒化膜全体の内部応力は１．５９（ＧＰａ）となり、上記比較例とほとんど変わらない引張応力をチャネルに作用させることができる。
【００４４】
すなわち、本実施形態によれば、シリコン窒化膜全体の膜厚は増大させることなく、所望の応力をシリコン窒化膜に持たせることができ、なおかつ、クラック発生の起点となる膜表面における収縮を抑えてクラックの発生を抑制できる。収縮量が抑えられているのは膜表面側の第２のシリコン窒化膜１２だけであり、ストレスライナーとしての役割を主として担う第１のシリコン窒化膜１１は所望の内部応力を有するべく膜厚及び紫外線照射時間が調整されるので、ｎチャネル型トランジスタ２０のチャネルに対してチャネル長方向に適切な引張応力を作用させることができる。この結果、キャリア移動度を向上させ、トランジスタ性能の向上が図れる。
【００４５】
上記工程を経て形成された第１のシリコン窒化膜１１及び第２のシリコン窒化膜１２において、ソース領域３、ドレイン領域４およびゲート電極６の上に位置する部分には、選択的に接続孔（ビア）が形成され、その接続孔を介して、ソース領域３、ドレイン領域４、ゲート電極６は、それぞれ、図示しないソース電極、ドレイン電極、ゲート配線と接続される。
【００４６】
前述したように、第２のシリコン窒化膜１２は収縮量を抑えるべく、膜厚を第１のシリコン窒化膜１１より薄くし、また紫外線照射時間も第１のシリコン窒化膜１１よりも短くしている。膜厚が厚くなると、その分紫外線照射によって膜中から脱離する水素の総量が増え、膜収縮量が大きくなるため、第２のシリコン窒化膜１２の膜厚は第１のシリコン窒化膜１１の膜厚の２５％以下にすることが望ましい。実際、この条件を満足する膜厚（第１のシリコン窒化膜１１の膜厚が５０ｎｍ、第２のシリコン窒化膜１２の膜厚が１０ｎｍ）で作製したところ、膜全体の内部応力は所望の応力（１．５９Ｐａ）が確保でき、且つクラックは発生しなかった。
【００４７】
ストレスライナーとしての役割は第１のシリコン窒化膜１１がほとんどを担うが、第２のシリコン窒化膜１２に対しても紫外線を照射した場合には、照射しない場合に比べて、チャネルに作用する引張応力を高めることができ、キャリア移動度の向上が期待できる。しかし、第２のシリコン窒化膜１２の主たる役割は、ストレスライナーとしての役割ではなく、膜表面収縮量を抑える役割であるので、第２のシリコン窒化膜１２に対する紫外線照射は行わなくてもかまわない。
【００４８】
また、シリコン窒化膜は二層に限らず、三層以上の構成としてもよい。図２には、例えば三層のシリコン窒化膜を形成した具体例を示す。
【００４９】
例えば、第１のシリコン窒化膜１１の膜厚は４０ｎｍであり、その上に形成された第２のシリコン窒化膜１２の膜厚は１０ｎｍであり、その上に形成された第３のシリコン窒化膜１３の膜厚は１０ｎｍであり、これらシリコン窒化膜全体の膜厚は上記実施形態と同じ６０ｎｍである。
【００５０】
この構造の場合も、二層目以降の第２のシリコン窒化膜１２と第３のシリコン窒化膜１３のそれぞれの膜厚（１０ｎｍ）を、ストレスライナーとしての役割を主として担う一層目の第１のシリコン窒化膜１１の膜厚（４０ｎｍ）の２５％以下にすることで、第２のシリコン窒化膜１２と第３のシリコン窒化膜１３のそれぞれにおける収縮量を抑えて、表面側に設けられたそれら膜に発生するクラックを抑制することができる。また、二層目以降のシリコン窒化膜（第２のシリコン窒化膜１２及び第３のシリコン窒化膜１３）全体の膜厚も、第１のシリコン窒化膜１１よりも薄くなるようにする。
【００５１】
この構造において、例えば紫外線照射時間の調整あるいは膜厚の調整により、第２のシリコン窒化膜１２の方が第３のシリコン窒化膜１３よりも収縮量が大きく（単位体積あたりの水素含有量が少なく）なるようにすることで、内部応力が大きな第１のシリコン窒化１１と内部応力が小さな第３のシリコン窒化膜１３との間に、それらの中間の内部応力を有する第２のシリコン窒化膜１２が介在されることになるため、内部応力差による不具合（膜界面における剥離など）の抑制が期待できる。また、クラックの発生をより確実に抑えながら、紫外線照射時のウェーハの加熱温度を４８０℃程に高めて、シリコン窒化膜全体の内部応力をさらに増大させることも可能となる。
【００５２】
なお、シリコン窒化膜の層数が増えると、その分、成膜工程（ＣＶＤ工程）及び紫外線照射工程の繰り返し工数が増えるので、製造効率及びコストの観点からはシリコン窒化膜の層数は少ない方が望ましい。
【００５３】
前述した説明で挙げた具体的な数値、プロセス条件、材料等は一例であってそれらに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるシリコン窒化膜の形成工程を示す模式図。
【図２】本発明の他の実施形態に係る半導体装置の模式断面図。
【図３】比較例の半導体装置においてシリコン窒化膜にクラックが生じた状態を示す模式断面図。
【符号の説明】
【００５５】
１…半導体基板、２…素子分離層、３…ソース領域、４…ドレイン領域、５…ゲート絶縁膜、６…ゲート電極、７…サイドウォール絶縁膜、８…シリサイド膜、１１…第１のシリコン窒化膜、１２…第２のシリコン窒化膜、１３…第３のシリコン窒化膜、２０…ｎチャネル型トランジスタ
【図１】
2009277908.tif 000003
【図２】
2009277908.tif 000004
【図３】
2009277908.tif 000005