(57)【要約】【課題】「空孔−酸素複合欠陥」のような熱処理では対応することができない欠陥についてのアプローチとして適切な処理を特定し、それに基づく半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】ゲートを形成するためのドライエッチング工程において、ゲート酸化膜の少なくとも一部分が露出する時点（ゲート酸化膜露出時点）までは一般的なプラズマガスとしてＨＢｒ、Ｃｌ２及びＯ２を含むものを用いて従来のエッチング工程を行う。一方、ゲート酸化膜露出時点以降は、引き続き同じチャンバ内でＣｌ以上の原子量を持つハロゲンとＡｒ以上の原子量を持つ希ガスを含むプラズマガスを用いて表面処理工程を行なうこととしたことにより、熱処理では回復できない欠陥の発生を抑制したこと。【選択図】図１
2009152439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にゲート酸化膜を形成する工程と、
前記ゲート酸化膜上に導電体層を形成する工程と、
ゲートを形成するために前記導電体層をドライエッチングするドライエッチング工程とを含む半導体装置の製造方法であって、
Ｃｌ以上の原子量を有するハロゲンとＡｒ以上の原子量を有する希ガスとを含むプラズマガスを用いて前記ゲート酸化膜の表面を処理する表面処理工程を更に含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記表面処理は、前記ゲート酸化膜の少なくとも一部が露出した直後から開始されることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記表面処理は、前記ドライエッチング工程を終了してから開始されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記ドライエッチング工程は、ＨＢｒ、Ｃｌ２及びＯ２を含むプラズマガスを用いて行われることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記ハロゲンは、Ｂｒであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の半導体層の製造方法。
【請求項６】
前記希ガスは、Ａｒであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記導電体層は、Ｓｉ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｔａ、Ｎｉからなる群から選択された一以上の元素を含んでいることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【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に関し、特に、ゲート形成時におけるドライエッチング処理に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
モバイル等に使われる半導体メモリにおいて、消費電力を抑制することは最も重要なファクターの一つである。消費電力を抑制するには、半導体中のリーク電流をできるだけ小さくすることが要求される。特に、ゲートを挟むソース・ドレイン拡散層からＳｉ基板に流れるリーク電流は決して無視できない。
【０００３】
ゲート形成において、プラズマエッチングにて導電体層がエッチング除去されゲート酸化膜が表面に現れた途端にゲート酸化膜及びその直下のＳｉ基板は高エネルギーのイオンに晒される。それにより、ゲート酸化膜及びＳｉ基板は物理的なダメージを受ける。
【０００４】
ゲート酸化膜中に生じたダメージを回復させる方法としては、特許文献１及び特許文献２に記載されている技術が開示されている。これらに共通しているのは、所定のガス中で熱処理を行うことにより欠陥を回復させようとしている点である。
【０００５】
一方、Ｓｉ基板中に生じた欠陥についても、熱処理で回復する場合があり、回復した場合にはトランジスタ特性は問題ない。しかし、熱処理を加えることで注入イオンの再分布が生じるため、熱を加え過ぎた場合には理想的な注入プロファイルが得られない問題が生じる。また、ある種の欠陥は熱処理を行っても回復せずに残ることがある。熱処理を加えても回復しない欠陥の正体についてはまだ明らかにされていないが、一つの説として「空孔−酸素複合欠陥」が考えられている（非特許文献１参照）。こういった欠陥は、余計なエネルギー準位（再結合中心）を形成し、その準位を伝ってキャリアが流れ、リーク電流の原因になる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２０３２２８号公報
【特許文献２】特開２００１−０９４１０５号公報
【非特許文献１】”Ｓｉｎｇｌｅ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｖａｃａｎｃｙ−ｏｘｙｇｅｎ  ｃｏｍｐｌｅｘ  ｄｅｆｅｃｔ  ａｎｄ  ｖａｒｉａｂｌｅ  ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ  ｔｉｍｅ  ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ  ｉｎ  ｄｙｎａｍｉｃ  ｒａｎｄｏｍ  ａｃｃｅｓｓ  ｍｅｍｏｒｉｅｓ”  Ｔａｋａｈｉｄｅ  Ｕｍｅｄａ  ｅｔ．ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，８８，  ２５３５０４，２００６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、「空孔−酸素複合欠陥」のような熱処理では対応することができない欠陥についてのアプローチとして適切な処理を特定し、それに基づく半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ゲートエッチで用いられるガスとしてはＨＢｒとＯ２の組合せを用いたものが最も多い。しかし、このガス系を用いた場合にはＳｉ基板がダメージを受けやすく、特にゲート酸化膜が露出した状態でこのガス系で処理した場合にはダメージが大きい。
【０００９】
ゲート酸化膜が残っているにも関わらず、Ｓｉ基板がイオンによるダメージを受け「空孔−酸素複合欠陥」が生成されてしまう理由は、水素、酸素など比較的原子量の小さなイオンが高エネルギーで基板に侵入することによると考えられる。エッチングの反応に必要なエネルギーをこれらのイオンに頼ってしまうと、Ｓｉ基板へのダメージは計り知れない。
【００１０】
そこで、反応に必要なエネルギーとして比較的原子量の大きな希ガスを用いることが有効であると考え、Ｃｌ以上の原子量を有するハロゲンとＡｒ以上の原子量を有する希ガスとを含むプラズマガスを用いてゲート酸化膜の表面を処理する方法を見出した。ハロゲンには、例えばＢｒ等を用いる場合が効果的である。これによると、原子量の小さな水素等が含まれるプラズマガスの使用を抑えつつ、従来と同様なエッチング効果が得られる。なお、Ａｒの代わりにＨｅやＮｅなど比較的小さな原子量の希ガスを用いると、改善効果は小さい。
【００１１】
本発明によれば、第１の半導体装置の製造方法として、半導体基板上にゲート酸化膜を形成する工程と、前記ゲート酸化膜上に導電体層を形成する工程と、ゲートを形成するために前記導電体層をドライエッチングするドライエッチング工程とを含む半導体装置の製造方法であって、Ｃｌ以上の原子量を有するハロゲンとＡｒ以上の原子量を有する希ガスとを含むプラズマガスを用いて前記ゲート酸化膜の表面を処理する表面処理工程を更に含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が得られる。
【００１２】
また、本発明によれば、第２の半導体装置の製造方法として、第１の半導体装置の製造方法において、前記表面処理は、前記ゲート酸化膜の少なくとも一部が露出した直後から開始されることを特徴とする半導体装置の製造方法が得られる。
が得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、第３の半導体装置の製造方法として、第１又は第２の半導体装置の製造方法において、前記表面処理は、前記ドライエッチング工程を終了してから開始されることを特徴とする半導体装置の製造方法が得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、第４の半導体装置の製造方法として、第１乃至第３のいずれかの半導体装置の製造方法において、前記ドライエッチング工程は、ＨＢｒ、Ｃｌ２及びＯ２を含むプラズマガスを用いて行われることを特徴とする半導体装置の製造方法が得られる。
【００１５】
また、本発明によれば、第５の半導体装置の製造方法として、第１乃至第４のいずれかの半導体装置の製造方法において、前記ハロゲンは、Ｂｒであることを特徴とする半導体層の製造方法が得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、第６の半導体装置の製造方法として、第１乃至第５のいずれかの半導体装置の製造方法において、前記希ガスは、Ａｒであることを特徴とする半導体装置の製造方法が得られる。
【００１７】
また、本発明によれば、第７の半導体装置の製造方法として、第１乃至第６のいずれかの半導体装置の製造方法において、前記導電体層は、Ｓｉ、Ｗ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｔａ、Ｎｉからなる群から選択された一以上の元素を含んでいることを特徴とする半導体装置の製造方法が得られる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ゲートエッチン中にゲート酸化膜が表面に出てきた段階で、続けて同じチャンバで数十秒のプラズマ処理を追加するだけで、熱処理では、回復できない欠陥の発生を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態による半導体装置の製造方法を詳細に説明する。
【００２０】
本実施の形態による半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート酸化膜を形成する工程と、ゲート酸化膜上にＰｏｌｙ−Ｓｉからなる導電体層を形成する工程と、ゲートを形成するために導電体層をドライエッチングするドライエッチング工程とを含んでいる。
【００２１】
本実施の形態によるドライエッチング工程は、通常のエッチング工程と、表面処理工程とを含んでおり、ゲート酸化膜が露出するまでは通常のエッチング工程を行うが、ゲート酸化膜の少なくとも一部が露出した時点（以下、ゲート酸化膜露出時点という。）からは、通常のエッチング工程を停止し、引き続き同じチャンバ内で表面処理工程を行なうこととしている。
【００２２】
通常のエッチング工程においては、ＨＢｒ、Ｃｌ２及びＯ２を含むプラズマガスを用いてドライエッチングを行う一方、表面処理工程においては、ＨＢｒ、Ａｒ及びＯ２を含むプラズマガスを用いてドライエッチングを行う。これにより、ゲート酸化膜露出時点において未だエッチングされずに残っている部分（エッチング残渣）は、表面処理工程によってエッチングされることになる。
【００２３】
従来のドライエッチング工程においては、ゲート酸化膜露出時点以降においても、プラズマガスの成分を変えずに行なっていた。また、エッチング残渣を除去する目的や、オーバーエッチングしてゲートの形を整える目的等で、プラズマガス中におけるＨＢｒの量を更に追加してエッチングしていた。これにより既に露出しているゲート酸化膜及びその直下のＳｉ基板は長時間にわたって水素などの原子量の小さい原子を含むプラズマガスに晒されることになり、ゲート酸化膜及びＳｉ基板へのダメージも甚大なものとなっていた。また、水素などの原子量の小さい原子は、Ｓｉ基板の奥深くまで入り込み、それによって生じた欠陥を酸素が拡散することで「空孔−酸素複合欠陥」も発生していた。
【００２４】
しかし、本発明によれば、ゲート酸化膜露出時点以降の工程においては、エッチング対象に衝突させる原子として比較的原子量の大きいＡｒを加えることにより、ＨＢｒの量を少なくすることでＨＢｒに含まれる水素の量を実質的に抑えることができる。これにより、ゲート酸化膜露出時点以降において、ゲート酸化膜及びＳｉ基板へのダメージを少なくすることができ、結果として「空孔−酸素複合欠陥」の発生を抑えることができる。
【００２５】
上述した効果を検証するために、ゲート酸化膜露出時点以降、同じチャンバで連続して種々の条件で、表面処理を行った後に再結合ライフタイムを測定することにより、どの処理が再結合中心を少なくする上で最も有効であるかを評価した。
【００２６】
評価に用いたサンプルは、Ｓｉ基板、ゲート酸化膜［３ｎｍ］、ＤＯＰＯＳ［７５ｎｍ］で構成された基板を用いた。なお、今回のサンプルには導体パターンは形成されていない。
【００２７】
ライフタイム測定は、１．ゲート酸化（４〜９ｎｍ）→２．ゲートＰｏｌｙ−Ｓｉまで成長→３．ゲートＰｏｌｙ−Ｓｉドライエッチ＋プラズマ表面処理→４．ＤＨＦ洗浄→５．側面酸化→６．ライフタイム測定の順に行った。
【００２８】
ゲート酸化膜露出時点までのドライエッチング工程におけるプラズマガスの条件としては以下の条件を用いた。
ＨＢｒ／Ｃｌ２／Ｏ２＝１５０／２０／７［ｓｃｃｍ］
１０ｍＴ，ＲＦ（上部／下部）＝５００Ｗ／１００Ｗ  （Ｓｔａｇｅ温度＝４０℃）
【００２９】
一方、表面処理については、表面処理時間を３０秒固定とし、以下の水準の夫々について実施した。以下において、各水準における処理条件は『ガス成分［ｓｃｃｍ］，Ｐｒｅｓ［ｍＴ］，ＲＦ上／下［Ｗ］』の順で記載されている。
水準１（従来条件＝希ガス無し）：
『ＨＢｒ／Ｏ２＝２００／４，  ６０，  ３５０／１１０』
水準２（Ｏ２無し）：
『ＨＢｒ／Ｏ２＝２００／０，  ６０，  ３５０／７０』
水準３（Ｈｅ添加）：
『ＨＢｒ／Ｏ２／Ｈｅ＝２００／４／１００，  ６０，  ３５０／１１０』
水準４（Ａｒ添加）：
『ＨＢｒ／Ｏ２／Ａｒ＝２００／４／１００，  ６０，  ３５０／１１０』
水準５（Ｘｅ添加）：
『ＨＢｒ／Ｏ２／Ｘｅ＝２００／５／１００，  ５０，  ４００／１００』
水準６（ＨＢｒ→塩素）：
『Ｃｌ２／Ｏ２＝２００／８，  ５０，  ４００／５０』
【００３０】
これらの水準のライフタイム評価結果を図１に示す。図１に示されるように、ライフタイムは表面酸化膜厚が厚いほど高い値になることから、酸化膜厚依存性があることが理解される。その他得られた結果に基づく考察を以下に示す。
（１）希ガスが無い水準（水準１、２）に比べて希ガスが含まれる水準（水準３、４）の方が同じ酸化膜厚であってもライフタイムが高くなっている。
（２）プラズマガスに含まれる希ガスとしては、Ａｒを含む条件（水準４）が最もライフタイムが高い傾向があり、次いでＨｅを含む条件（水準３）が高い。
（３）今回の検証では、Ｘｅを含む条件（水準５）について同じ条件で行った場合、ゲート酸化膜が残らなかったため、データが得られなかった。しかし、条件を最適化し、ゲート酸化膜削れを抑制できれば、Ａｒと同等以上の効果が得られると考えられる。また、ＨＢｒをＣｌ２に変えた場合の処理条件（水準６）でもゲート酸化膜が残らず、データが得られなかった。しかし、後述するように、Ｃｌの原子量を考慮すると、ＣｌとＡｒ以上の原子量を有する希ガスとの組み合わせであれば、適切な表面処理が行える可能性がある。
（４）Ｏ２無しの水準（水準２）では下部ＲＦパワーを下げることでゲート酸化膜を残すことが出来、ライフタイム評価を行うことが出来た。その結果、ライフタイムについてはＯ２有りの従来条件（水準１）とほとんど同じ値であった。
【００３１】
以上から、ＨＢｒ及びＡｒを含むプラズマガスで表面処理を行うと、最もライフタイムが高くなる、即ち、再結合中心が少なくなることが証明できた。
【００３２】
なお、水準１及び水準２を比較してＯ２添加の影響について考察すると、ライフタイム値はほとんど変わらなかったことから、プラズマガス中のＯ原子の「空孔−酸素複合欠陥」への寄与は極めて低いということがわかる。このため、プラズマガスに含まれる原子として、原子量１６以上の元素であれば「空孔−酸素複合欠陥」への寄与は少ないものと考えられる。従って、本発明は上述した実施の形態に限定されず、例えば、ハロゲンについてはＣｌ（原子量１７）より原子量の大きい原子、希ガスについてはＡｒより原子量の大きい原子を用いてもよい。しかし、高い表面処理効果を得るためには、本実施の形態のように、Ｂｒ及びＡｒを含むプラズマガスを用い表面処理を行なうことがより望ましい。
【００３３】
以上、説明したように、本実施の形態によれば、ゲート酸化膜露出時点から、ゲートエッチングに用いられたチャンバと同じチャンバで続けてＢｒとＡｒを含んだプラズマ処理を数十秒追加することで、回復し難い欠陥（再結合中心）を生成することなくゲート形成を行うことが可能となる。なお、表面処理工程の開始時期は、厳密にはゲート酸化膜露出時点のから行なうものが好ましいが、ゲート酸化膜露出時点から多少前後してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】測定された各水準のライフタイム評価結果を示す図である。
【図１】
2009152439.tif 000003