(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁層を形成するための方法であって、
ケイ素半導体基板を用意し；
上記ケイ素半導体基板上にケイ素酸化物層を形成し；
上記ケイ素酸化物層を高密度窒素プラズマに曝露して窒素をそのケイ素酸化物層中に組み込み、それによってそのケイ素酸化物層をオキシニトリド層に転化し；そして
上記オキシニトリド層をＮ2Ｏ中でアニールして均一な窒素濃度分布を有するオキシニトリド層を形成する
工程を含む上記の方法。
【請求項２】
ＭＯＳトランジスタを形成するための方法であって、
ケイ素半導体基板を用意し；
上記ケイ素半導体基板上に均一な窒素濃度を有するゲート絶縁層を形成し；
上記ゲート絶縁層上に導電性層を形成し；
上記導電性層に隣接して側壁構造を形成し；
上記側壁構造に隣接するケイ素半導体基板中にソース領域およびドレイン領域を形成する
工程を含み、
均一な窒素濃度を有するゲート絶縁層の形成工程が、
ケイ素半導体基板上にケイ素酸化物層を形成し；
上記ケイ素酸化物層を高密度窒素プラズマに曝露して窒素をそのケイ素酸化物層中に組み込み、それによってそのケイ素酸化物層をオキシニトリド層に転化し；そして
上記オキシニトリド層をＮ2Ｏ中でアニールして均一な窒素濃度分布を有するオキシニトリド層を形成することを含む
上記の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、半導体ディバイスの分野、さらに具体的には、均一な窒素濃度を有するトランジスタ・ゲート絶縁層を形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
リモートプラズマ窒化酸化物（Remote Plasma Ｎitrided Ｏxides：RPNO）（またはＲＰＮオキシニトリド）は、最近、ディープサブミクロン（deep submicron）ＣＭＯＳにおけるゲート絶縁層として著しく有望になっている。その利点としては、同じ電気的酸化物の厚さを達成するために絶縁膜をより厚くすることによってゲート漏れがより少なくなること、他のオキシニトリドに一般に関連する移動度劣化がないこと、硼素浸透抵抗性が優れていること、およびＰＭＯＳ駆動電流が改善されていることが挙げられる。ＲＰＮＯ膜は、総膜厚が約２３オングストローム以下であるときは、信頼性が純ケイ素酸化物膜の信頼性よりも優れていることが証明されている。より厚いＲＰＮＯ膜は、ケイ素酸化物の信頼性に匹敵する信頼性を有するだけである。これはＲＰＮＯ膜で得られる不均一な窒素分布に因ると考えられる。ＲＰＮＯ膜を形成する方法は、米国特許出願第０９／２９１，８４４号「界面窒素層を有する半導体ディバイスおよびその形成方法」の明細書に記載されているが、この特許出願はこれをここで参照することによって本明細書に含まれる。図１に示される曲線は、ＲＰＮＯ膜からＳＩＭＳ分析法またはオージェ（Auger）分析法のような測定技術を用いて得られるだろう典型的な窒素分布を表す。領域１００はＲＰＮＯ膜を表し、そして領域１１０はＲＰＮＯ膜が上に形成されているケイ素基板を表す。窒素濃度１１５はＲＰＮＯ膜１００の表面においてピークになり、ケイ素基板１１０の表面の向かって低下することが分かる。現在のＭＯＳ  ＦＥＴ技術は、ゲート絶縁層の信頼性が純ケイ素酸化物のそれを越えることを必要とする。故に、純ケイ素酸化物の信頼性を越える信頼性を有するトランジスタ・ゲート絶縁層についての必要が存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、均一な窒素濃度を有するゲート絶縁層を含む半導体ディバイスの必要性が生じている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
発明の概要
本発明によれば、ゲート絶縁層において均一な窒素濃度を有し、そして従来のディバイスおよびその形成方法に関連した欠点を実質的に無くしまたは少なくする加工技術を使用するトランジスタが記載される。
【０００５】
本発明の１つの態様によれば、二酸化ケイ素酸膜がその膜に窒素を組み込む窒素含有プラズマに曝露される。その組み込まれた窒素を再分布させ、そしてその膜中に均一な窒素分布をもたらすために、熱アニールがＮ2Ｏ環境中で行われる。
【０００６】
上記方法の１つの利点は、トランジスタ性能の低下なしでの非対称トランジスタの形成である。本発明のこのおよび他の技術的利点は、この技術分野の当業者には、次の図面、説明および特許請求の範囲から容易に明らかになるであろう。
【０００７】
異なる図面において、対応する番号および符号は、別に示されない限りは、対応する部分を指す。
【０００８】
発明の詳しい説明
本発明を、今度は、ＭＯＳ  ＦＥＴトランジスタのゲート絶縁層に関連して説明する。本発明の利益は他の半導体ディバイスにも適用できることは、この技術分野の当業者には明白であろう。
【０００９】
図２に、本発明の１態様に従って形成されたゲート絶縁層５０を有するＭＯＳトランジスタが示される。標準のトランジスタ動作中は、このゲート絶縁層５０は注入された熱い電子または正孔から一定の応力を受ける。熱い電子または正孔は、トランジスタのチャンネルを通過しながら十分なエネルギーを獲得して、ゲート絶縁層／ケイ素基板のエネルギー障壁を乗り越え、ゲート絶縁層５０に入るそれら粒子のことである。ゲート絶縁層５０に注入されるそれらキャリアは、ゲート絶縁層５０の中およびその絶縁層／ケイ素基板界面９０の所に、トランジスタの動作寿命を短くし得る欠陥を生じさせる可能性がある。ある特定条件下でトランジスタがどのくらい長く動作するかの尺度（即ち、トランジスタの動作寿命）は、ゲート絶縁層５０の信頼性により測定される。従って、ゲート絶縁層５０の信頼性はトランジスタの重要な性質である。本発明の１態様において、約６原子パーセント（６原子％）より大きい均一な窒素濃度を有するケイ素オキシニトリドを含むゲート絶縁層は、現存するゲート絶縁層組織を越える改善されたトランジスタ信頼性を与えることが見いだされた。この改善は約４０Å以下の層厚を有するゲート絶縁層について生ずる。本発明において、層中の均一な窒素濃度という概念は、その層厚を横断する窒素濃度の変動率が１０％未満であることを述べるものである。
【００１０】
図２に示されるトランジスタは、標準の加工技術を用いて加工される。６原子パーセントより大の均一な窒素濃度を有するゲート絶縁層５０は、ケイ素基板１０上に本発明の１態様に従って形成される。そのゲート絶縁層５０の上に導電性ゲート層６０が形成され、そしてパターン化されてゲート構造を形成する。そのパターン化された導電性層６０に隣接して側壁構造７０が形成され、そしてソース領域およびドレイン領域がドレインとソースの延長部８０と共に基板中に形成される。異なるトランジスタ特性が所望とされる場合は、上記の方法に追加の加工工程を付け加えることができる。均一な窒素濃度を有するゲート絶縁層の、本発明の１態様による形成方法を以下において説明する。
【００１１】
ゲート絶縁層の形成を例証している本発明の１態様が、図３（ａ）〜３（ｅ）に説明されている。図３（ａ）を参照して説明すると、ケイ素またはガリウムヒ素のような適切な材料から成る半導体基板１０が用意される。ケイ素基板の場合に、そのケイ素基板１０の表面にケイ素酸化物層１５が形成される。この酸化物層１５の形成前に、洗浄、エッチング法のような多数のケイ素表面調製技術を実行することができる。酸化物層１５は厚さが４０オングストローム以下のオーダーである。
【００１２】
図３（ｂ）を参照して説明すると、ヘリウム（Ｈｅ）のようなある種の不活性ガスと共に運ばれる分子状窒素（Ｎ2）または分子状窒素（Ｎ2）の高密度プラズマに基板１０および酸化物層１５を付すことによって、その酸化物層１５に窒素が導入される。得られる窒素含有酸化物膜（或いはＲＰＮＯ膜、またはＲＰＮオキシニトリド膜、若しくはオキシニトリド膜）２０は、その膜２０の表面において最高で、基板１０に向かって低下する窒素濃度分布を有する。得られた窒素分布が図３（ｃ）に示される。高密度プラズマは、限定されるものではないが、ヘリコン、螺旋共振器、電子サイクロトロン共鳴およびそれらの誘導結合されたものを含めて、多数の異なる発生源を用いて発生させることができる。例えば、ヘリコンの場合、１３．５６ＭＨｚの発生器により動力が供給されるヘリコン、高密度、低圧ＲＦ−発生プラズマの場合、基板１０および酸化物層１５は、７００〜９００ワットのプラズマに、室温において、３０〜８０秒の期間にわたって基板バイアス無しに付すことができる。分子状窒素流は４ミリトルのオーダーであるのがよい。ここで理解されるべきは、前記のプロセスパラメーターは単に本発明の利点を教示する目的のために提示されていること、および、本発明の意図された範囲から逸脱しない限り、膜２０を形成するために窒素を含めるための他の適した方法が使用できることである。この説明された方法は、最高イオン密度、および最短時間中に利用できるイオン束を与える極低圧法である。もっと高い圧力は、結果的にイオン密度を低下させるイオンの再結合をもたらすことがある。この方法でも、イオンエネルギーをできるだけ大量に低下させるために非常に低いプラズマ電位が使用される。高イオンエネルギーは、この極めて薄い酸化物層１５を容易に損傷させることができる。イオンエネルギーは、従って、ウェーハまたは基板バイアスを使用しないか、またはできるだけ小さいウェーハバイアスを使用することによって低下せしめられる。従って、本発明の方法には、多極磁気的閉込めを利用している、ヘリコン波に基づくプラズマ発生器がよく適合する。単に例としてであるが、１つの適したプラズマ源は、Ｐ．Ｍ．Ｔ．社製のＭＯＲＩTM２０００高密度プラズマ源である。本発明の範囲から逸脱しない限りは、他のプラズマシステムおよび配置も使用できることは、この技術分野の当業者であれば認められるだろう。
【００１３】
図３（ｃ）を参照して説明すると、酸化物膜を高密度Ｎ2プラズマに曝露することによって形成されたＲＰＮオキシニトリド層２０は、Ｎ2Ｏ中で８００〜１１００℃の温度においてアニールされる。このアニールは、一般的には、１０〜６０秒間の急速熱アニール（RTA）である。ＲＴＡに加えて、Ｎ2Ｏ中でのファーネスアニールも使用できる。このＮ2Ｏアニールは、図３（ｃ）に示されるＲＰＮオキシニトリド層２０の窒素濃度分布を、図３（ｅ）に示される均一な窒素濃度分布まで再分布させる。得られた図３（ｄ）に示されるオキシニトリド膜２５は、層２０のＮ2Ｏアニールで形成されるが、均一な窒素濃度を有し、従って図２に示されるＭＯＳトランジスタ用のトランジスタ・ゲート絶縁層５０としての使用に適する。このＲＰＮオキシニトリド層中における窒素濃度の再分布は、Ｎ2Ｏの掃去作用に因ると考えられる。アニーリングの過程中に、Ｎ2ＯはＮＯおよびＯを含めて多数の種に分解する。これらのＮＯ種およびＯ種はＲＰＮオキシニトリド層２０中の窒素と反応することができ、窒素を層２０から効果的に除去すると考えられる。また、Ｎ2Ｏアニールは、層２０の表面から窒素を除去することに加えて、オキシニトリド層２０と基板１０との界面において窒素を組み込むと考えられる。Ｎ2Ｏアニーリングの過程中における、ＲＰＮオキシニトリド層２０の表面から窒素を掃去することと、そのオキシニトリド層２０と基板１０との界面において窒素を含めることの両者の組み合わせ作用が、オキシニトリド層２５について図３（ｅ）に示される均一な窒素濃度をもたらす。
【００１４】
下記の表には、窒素濃度分布が図４（ａ）〜４（ｃ）に示されるオキシニトリド層を形成するために用いられる加工条件が示されている。
【００１５】
0003829084.tif 000002
【００１６】
図４（ａ）〜４（ｃ）に示される窒素濃度、酸素濃度および水素濃度の深さ分布は、全て、飛行時間（TOF）ＳＩＭＳ濃度分布測定技術を用いて得られた。図４（ａ）には、ＲＰＮオキシニトリド層１に得られたそれら濃度深さ分布が示されている。層１を形成するのに用いられた加工条件は上記の表に与えられる。約２３Åの初期ケイ素酸化物層がまず形成された。このケイ素酸化物層は、次に、８００Ｗの仕事率レベルを用いて４５秒間高密度窒素プラズマに曝露された。これに続いて１０００℃で６０秒間酸素（Ｏ2）アニールが行われた。図４（ａ）に示される窒素濃度分布１２０はその層の表面におけるピークを示し、それは基板の向かって低下する。この窒素濃度は表面における窒素１２原子パーセントから基板表面におけるゼロに近い値まで変化している。基板表面下に観察される大きな窒素テール（nitrogen tail）は、この測定法の人為結果である。図４（ｂ）には、２３Åのケイ素酸化物をＮ2プラズマに８００Ｗで４５秒間曝露し、続いて９００℃で２０秒間ＲＴＡ  Ｎ2Ｏアニールを行うことによって形成されたオキシニトリド層から得られた濃度分布が示されている。Ｎ2Ｏアニールの掃去作用は、窒素の表面濃度を約１２原子パーセントから約８原子パーマまで低下させ、その結果約８原子パーセントという均一な窒素濃度を持つオキシニトリド膜がもたらされた。図４（ｃ）には、２３Åのケイ素酸化物をＮ2プラズマに８００Ｗで６０秒間曝露し、続いて９００℃で２０秒間ＲＴＡ  Ｎ2Ｏアニールを行うことによって形成されたオキシニトリド層から得られた濃度分布が示されている。Ｎ2Ｏアニールを行った後、約１０原子パーセントという均一な窒素濃度を持つオキシニトリド膜が得られる。得られる均一な膜中Ｎ2濃度レベルは、従って、初期ＲＰＮ過程とＮ2Ｏアニールとの両者によって決定される。
【００１７】
本発明は、均一な窒素濃度を有するオキシニトリド層の形成方法を教示するものである。これらのオキシニトリド層は、ＭＯＳトランジスタにおいてゲート絶縁層としての使用に適している。本発明の１態様においては、ＭＯＳトランジスタの信頼性（即ち、熱いキャリアの劣化に対するその免疫性）は、その均一な窒素濃度がゲート絶縁層の厚さが４０Å未満の場合に約６原子パーセントより大であるならば、純ケイ素酸化物の信頼性よりも改善される。本発明の追加の利点は、形成された層が測定可能な水素を含んでいないということである。この測定可能水素を欠くことは、本発明の態様により形成されたオキシニトリド層について図４（ａ）〜４（ｃ）に示されている。
【００１８】
以上、本発明を例示態様を参照して説明したが、この説明は限定の意味で解されることを意図しているものではない。それら例示態様の多種多様な修正および組み合わせ、さらにまた本発明の他の態様は、この技術分野の当業者には、上記説明を参照すると直ちに明らかになるであろう。従って、前記の特許請求の範囲は、いかなるそのような修正または態様も包含することを意図するものである。
【００１９】
以上の説明に関してさらに以下の項を開示する。
【００２０】
（１）ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁層を形成するための方法であって、
半導体基板を用意し；
上記半導体基板上に酸化物層を形成し；
上記酸化物層を高密度窒素プラズマに曝露して窒素をその酸化物層中に組み込み、それによってその酸化物層をオキシニトリド層に転化し；そして
上記オキシニトリド層をＮ2Ｏ中でアニールして均一な窒素濃度分布を有するオキシニトリド層を形成する
工程を含む上記の方法。
【００２１】
（２）酸化物層の高密度窒素プラズマに対する曝露工程が、７００〜９００ワットのプラズマ仕事率レベルを含む、第１項記載の方法。
【００２２】
（３）オキシニトリド層のＮ2Ｏ中でのアニール工程が、８００〜１１００℃の温度で１０〜６０秒間急速熱アニールすることから成る、第１項記載の方法。
【００２３】
（４）ＭＯＳトランジスタを形成するための方法であって、
半導体基板を用意し；
上記半導体基板上に均一な窒素濃度を有するゲート絶縁層を形成し；
上記ゲート絶縁層上に導電性層を形成し；
上記導電性層に隣接して側壁構造を形成し；そして
上記側壁構造に隣接する半導体基板中にソース領域およびドレイン領域を形成する
工程を含む上記の方法。
【００２４】
（５）均一な窒素濃度を有するゲート絶縁層の形成工程が、
半導体基板上に酸化物層を形成し；
上記酸化物層を高密度窒素プラズマに曝露して窒素をその酸化物層中に組み込み、それによってその酸化物層をオキシニトリド層に転化し；そして
上記オキシニトリド層をＮ2Ｏ中でアニールして均一な窒素濃度分布を有するオキシニトリド層を形成する
ことから成る、第４項記載の方法。
【００２５】
（６）酸化物層の高密度窒素プラズマに対する曝露工程が、７００〜９００ワットのプラズマ仕事率レベルを含む、第５項記載の方法。
【００２６】
（７）オキシニトリド層のＮ2Ｏ中でのアニール工程が、８００〜１１００℃の温度で１０〜６０秒間急速熱アニールすることから成る、第５項記載の方法。
【００２７】
（８）均一な窒素濃度が６原子パーセントより高い、第４項記載の方法。
【００２８】
（９）ゲート絶縁層の厚さが４０オングストローム未満である、第４項記載の方法。
【００２９】
（１０）均一な窒素濃度が、１０％未満のゲート絶縁層横断変動率を有する窒素濃度のことを述べるものである、第４項記載の方法。
【００３０】
（１１）ＭＯＳトランジスタであって、
ケイ素基板；
上記ケイ素基板上の、厚さが４０オングストローム未満であり、そして均一な窒素濃度を有するゲート絶縁層；
上記ゲート絶縁層上の導電性層；
上記導電性層に隣接する側壁構造；および
上記側壁構造に隣接するケイ素基板中のソース領域およびドレイン領域
を含む上記のＭＯＳトランジスタ。
【００３１】
（１２）均一な窒素濃度が６原子パーセントよりも高い、第１０項記載のＭＯＳトランジスタ。
【００３２】
（１３）均一な窒素濃度が１０％未満のゲート絶縁層横断変動率を有する、第１２項記載のＭＯＳトランジスタ。
【００３３】
（１４）本発明は、均一な窒素濃度を有する絶縁膜を形成する方法を述べるものである。これらの絶縁膜は、まずＲＰＮＯを用いている絶縁膜の中に窒素を組み込むことによって形成される。次いで、これらの絶縁膜はＮ2Ｏ中でアニールされ、このことで組み込まれた種が再分布されて均一な窒素濃度がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＲＰＮＯ絶縁層について得られた窒素濃度分布を示すプロットである。
【図２】本発明の１態様に従って形成されたゲート絶縁層を有する典型的なＭＯＳトランジスタを示す断面図である。
【図３】本発明の１態様を示す断面図およびその窒素濃度プロットである。
【図４】本発明の１態様に従って加工された絶縁層から得られた飛行時間（TＯF）SIMS分布を示す。
【符号の説明】
１０  ケイ素基板
１５  ケイ素酸化物層
２０  窒素含有酸化物膜
２５  オキシニトリド膜
５０  ゲート絶縁層
６０  導電性ゲート層
７０  側壁構造
８０  ドレインおよびソース延長部
９０  絶縁層／ケイ素基板界面
１００  ＲＰＮＯ膜
１１０  ケイ素基板
１１５  窒素濃度
【図１】
0003829084.tif 000003
【図２】
0003829084.tif 000004
【図３】
0003829084.tif 000005
【図４】
0003829084.tif 000006