JPH04326052A - シリコン窒化膜の膜質評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、シリコン窒化膜の膜
質評価方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シリコン窒化膜は、各種半導体デバイス
の最終保護膜、電界効果トランジスタのゲート絶縁膜等
として用いられており、半導体装置構成上不可欠なもの
となっている。このシリコン窒化膜は所望の膜質のもの
が必要とされる。

【０００３】しかし、シリコン窒化膜の膜質は、生成装
置の種類、生成条件等が変わると変わる。例えば、プラ
ズマＣＶＤ装置を用いシリコン窒化膜を形成する場合で
は、生成温度、生成ガス流量、高周波電源の電力密度、
生成ガスの圧力等の生成パラメータを変えることによっ
て膜の組成比、密度、屈折率、内部応力、抵抗率、絶縁
破壊電界、光学的バンドギャップ、蓄積電荷密度、ダン
グリングボンド密度等の特性が大きく変化する。

【０００４】そこで、成膜後のシリコン窒化膜の膜質を
評価することは重要である。このため、シリコン窒化膜
の膜質評価方法として、従来は、以下のようなものがあ
った。

【０００５】（１）シリコン窒化膜中のシリコン（Ｓｉ
）と窒素（Ｎ）との組成比を調べる評価方法。具体的に
は、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）、２次イオン質量分
析法（ＳＩＭＳ）、Ｘ線励起光電子分光法（ＸＰＳ）等
が用いられている。

【０００６】（２）シリコン窒化膜中の水素（Ｈ）量を
調べる評価方法。具体的には、赤外線吸収スペクトル法
（ＩＲ）、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ）が用いら
れている。

【０００７】（３）シリコン窒化膜の抵抗率、絶縁破壊
電界を調べる評価方法。抵抗率、絶縁破壊電界は、導体
基板上にシリコン窒化膜を形成しさらにこのシリコン窒
化膜上に電極を形成し、このシリコン窒化膜での電流対
電圧特性を測定することにより求められる。

【０００８】（４）シリコン窒化膜の蓄積電荷密度を調
べる評価方法。蓄積電荷密度は、ＭＩＳダイオード構造
の絶縁体部分をシリコン窒化膜で構成した当該ＭＩＳダ
イオードの容量対電圧特性（Ｃ−Ｖ特性）を測定するこ
とにより求められる。

【０００９】（５）シリコン窒化膜のダングリングボン
ド密度を調べる評価方法。ダングリングボンド密度は例
えば電子スピン共鳴（ＥＳＲ：ＥｌｅｃｔｒｏｎＳｐｉ
ｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ）法によって求められる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、シリコ
ン窒化膜の膜質評価に当たっては一つの方法でシリコン
窒化膜の膜質を完全に評価することはむずかしい。この
ため、上述のように複数の方法により膜質を評価するこ
とが多い。このための手間は大変である。いくつかの方
法でそれぞれ評価していたパラメータを一つの方法で評
価できればその分膜質評価のための手間が省け好適であ
る。また、その評価データが一義的であればなお好適で
ある。

【００１１】この発明はこのような点に鑑みなされたも
のであり、したがってこの発明の目的は、シリコン窒化
膜の膜質を従来より迅速にかつ一義的に評価できる方法
を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この出願にかかる発明者は種々の検討を行った。そ
の結果、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）法で得られる電子ス
ピン共鳴信号のスペクトル分岐因子（ｇ値）が所定の値
（具体的には２．００３）を示すシリコン窒化膜は、ｇ
値の値がそうでないシリコン窒化膜に比べ、特性が優れ
ることを見出した。ｇ値は、従来は、成膜条件を変化さ
せ形成した試料の構成原子の結合状態や、成膜後にその
試料に温度を加えた際のその試料の構成原子の結合状態
の変化を調べるために用いられていたが、膜質評価に積
極的に用いられてはいなかった。

【００１３】したがって、この発明のシリコン窒化膜の
膜質評価方法によれば、電子スピン共鳴法によりシリコ
ン窒化膜の電子スピン共鳴信号のスペクトル分岐因子（
ｇ値）を測定し、該ｇ値に基いて該シリコン窒化膜の膜
質評価を行うことを特徴とする。

【００１４】

【作用】この発明によれば、後述する実験結果から明ら
かなように、少なくとも、シリコン窒化膜に含有される
水素量とそのシリコン窒化膜のｇ値との間、シリコン窒
化膜の蓄積電荷密度とそのシリコン窒化膜ｇ値との間に
は相関関係が見られることから、少なくとも、シリコン
窒化膜中の水素含有量測定と電荷蓄積密度測定の２つの
測定をｇ値を求めるという１回の測定に置き換えられる
。

【００１５】また、ｇ値が２．００３となるシリコン窒
化膜は良質であると判定できるので膜質評価を一義的に
行える。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明のシリコン窒
化膜の膜質評価方法の実施例について説明する。 １．シリコン窒化膜の形成 はじめに、評価試料用のシリコン窒化膜（ＳｉＮＸ膜）
を以下の通り形成する。

【００１７】シリコン窒化膜の形成はこの実施例ではプ
ラズマＣＶＤ法により行った。図９はその際に用いたプ
ラズマＣＶＤ装置の構成を概略的に示した図である。こ
の装置は、反応容器１１と、反応容器１１からガスを排
出するためのガス搬出口１３と、反応容器１１内にシリ
コン窒化膜形成用の生成ガスを供給するためのガス供給
口１５と、上部電極１７と、シリコン窒化膜を形成する
ための基板１９を載置するための台を兼ねる下部電極２
１と、基板１９を加熱するために下部電極２１に埋め込
んであるヒータ２３と、上部電極１７及び下部電極２１
間に高周波電力を印加するための高周波電源２５とを具
えて成っている。

【００１８】また、シリコン窒化膜形成のためのの生成
ガスとしてＳｉＨ４（シラン）、ＮＨ３（アンモニア）
を用いた。シリコン窒化膜を形成する基板としてシリコ
ン基板を用いた。

【００１９】また、シリコン窒化膜生成時のパラメータ
として、基板温度（記号としてＴを用いる。）、ＳｉＨ
４の流量（記号としてＦを用いる）、生成ガス中へＨ２
（水素）を添加するか否かの各条件を設定した。 ２．シリコン窒化膜の膜質評価 上述のような各条件で形成した各ＳｉＮＸ膜のバルク特
性として、この実施例では、ＥＳＲ法によるスピン密度
（記号としてＤＳを用いる。）と、赤外吸収スペクトル
によるＮ−Ｈ結合量（記号としてｎＮ−Ｈを用いる。）
と、このＳｉＮｘ膜を絶縁体部として構成したＭＩＳダ
イオードでのＣ−Ｖ特性から得られる蓄積電荷密度（記
号としてσを用いる。）とをそれぞれ求めた。なお、ス
ピン密度ＤＳは、日本電子（株）製ＪＥＳ−ＲＥ２Ｘと
称される装置で測定した。この装置では、サンプルから
得られたＥＳＲ信号強度スペクトルをスピン密度が既知
の標準サンプルのそれと比較することにより、サンプル
のスピン密度が自動的に求められる。具体的には、サン
プル及び標準サンプル各々のＥＳＲ信号強度スペクトル
の幅や高さを比較することによりこのサンプルのスピン
密度が求められる。

【００２０】次に、各シリコン窒化膜のスピン密度ＤＳ
の、基板温度依存性及びＳｉＨ４流量依存性についてそ
れぞれ調べた。その結果を図３、図４に示した。

【００２１】図３は、横軸に基板温度（℃）をとり縦軸
にスピン密度（×１０１７／ｃｍ−３）をとって両者の
関係を示した特性図である。図３中、ＩはＳｉＨ４／Ｎ
Ｈ３の流量比を３０／３００としかつ水素は添加しない
場合のスピン密度−基板温度特性、ＩＩはＳｉＨ４／Ｎ
Ｈ３の流量比を１５／３００としかつ水素を流量３００
ｓｃｃｍで添加した場合の同特性、ＩＩＩ　はＳｉＨ４
／ＮＨ３の流量比を３０／３００としかつ水素を流量３
００ｓｃｃｍで添加した場合の同特性である。

【００２２】図４は、横軸にＳｉＨ４の流量（ｓｃｃｍ
）をとり、縦軸にスピン密度（×１０１７／ｃｍ３）を
とって両者の関係をプロットして示した特性図である。 図４中、Ｉは水素は添加せず基板温度は２５０℃とした
場合のＳｉＨ４流量−スピン密度特性、ＩＩは水素を流
量３００ｓｃｃｍで添加し基板温度は２００℃とした場
合の同特性、ＩＩＩは水素を流量３００ｓｃｃｍで添加
し基板温度は２５０℃とした場合の同特性、ＩＶは水素
を流量３００ｓｃｃｍで添加し基板温度は３００℃とし
た場合の同特性である。

【００２３】図３及び図４から明らかなように、シリコ
ン窒化膜のスピン密度ＤＳは、基板温度Ｔを高くするこ
とにより、また流量を３０ｓｃｃｍとすることにより、
また水素を添加することにより、小さくなることが分る
。

【００２４】次に、各シリコン窒化膜のＥＳＲで求めた
スピン密度ＤＳと、当該シリコン窒化膜を絶縁膜として
構成したＭＩＳダイオードでのＣ−Ｖ特性から得られる
蓄積電荷密度σとの関係、さらに、スピン密度ＤＳと、
ＩＲで求めたＮ−Ｈ結合量ｎＮ−Ｈとの関係をそれぞれ
調べた。この結果を図１、図２に示した。

【００２５】図１は、横軸に蓄積電荷密度（×１０１７
／ｃｍ３）をとり縦軸にスピン密度（×１０１７／ｃｍ
−３）をとって両者の関係をプロットして示した特性図
である。

【００２６】図２は、横軸にＮ−Ｈ結合量ｎＮ−Ｈ（×
１０２２／ｃｍ３）をとり縦軸にスピン密度（×１０１
７／ｃｍ−３）をとって両者の関係をプロットして示し
た特性図である。

【００２７】図１から明らかなように、スピン密度ＤＳ
と蓄積電荷密度σとは正の相関関係があることが分る。 また、図２から明らかなように、スピン密度ＤＳとＮ−
Ｈ結合量ｎＮ−Ｈとは正の相関関係があることが分る。 なお、スピン密度ＤＳと、電荷蓄積密度σとの相関関係
が比較的弱いのは、蓄積電荷の成因がシリコン窒化膜（
ＳｉＮＸ膜）中の局在準位だけでなくシリコン窒化膜と
ＭＩＳダイオードを構成する他の構成成分との界面のト
ラップにもあるからと考えられる。

【００２８】良質なシリコン窒化膜の条件は膜中の水素
量（この例でいえばｎＮ−Ｈ）が少なく、蓄積電荷密度
が小さいことであるので、図１及び図２から明らかなよ
うに、スピン密度ＤＳが小さいものは良質なシリコン窒
化膜であるといえる。そして、スピン密度ＤＳを求める
ことにより、シリコン窒化膜中の水素濃度を求めるため
のＩＲと、蓄積電荷密度を求めるためのＭＩＳダイオー
ド作製及びＣ−Ｖ特性測定とを行わなくても良いことが
分る。

【００２９】また、この出願に係る発明者は、ＥＳＲ法
により求めたシリコン窒化膜のスピン密度を図１及び図
２にプロットする際に、ＥＳＲ法実施時に得られるｇ値
も同時にプロットすることを試みた。図１及び図２にプ
ロットしたスピン密度のデータ中、△印で示したものは
そのｇ値が２．００３であったことを示し、○印はｇ値
が２．００４であったことを示し、□印はｇ値が２．０
０５であったことを示している。

【００３０】ｇ値とＮ−Ｈ結合量ｎＮ−Ｈ及び電荷蓄積
密度σとに関しても正の相関が顕著に見られることが分
る。したがって、ｇ値を求めることにより、シリコン窒
化膜中の水素濃度を求めるためのＩＲと、蓄積電荷密度
電荷を求めるためのＭＩＳダイオード作製及びＣ−Ｖ特
性測定とを行わなくても良いことが分る。さらに、ｇ値
が２．００３となるシリコン窒化膜がそうでない膜に比
べＮ−Ｈ結合量ｎＮ−Ｈ及び電荷蓄積密度σ共に小さく
なり良質な膜であると一義的にいえることが分る。

【００３１】このことは、シリコン原子の最近接に３個
のＮ原子と１個のダングリングボンドとをもつシリコン
窒化膜のｇ値が２．００３となり、シリコン原子の最近
接に３個のＳｉ原子と１個のダングリングボンドとをも
つシリコン窒化膜のｇ値が２．００５となることからも
うかがえる。そして、前者のシリコン窒化膜では、Ｓｉ
原子、Ｎ原子が均一なネットワーク状に結合しかつその
組成比Ｓｉ／Ｎが化学量論的な値１．３３であるために
、スピン密度及びＮ−Ｈ結合が少なくなると考えられる
。また、後者のシリコン窒化膜ではＳｉ原子がクラスタ
ー状に分布しているためＮ原子の結合手が余りこのＮ原
子にはＳｉ原子の代わりにＨ原子が結合し易くなりその
結果Ｎ−Ｈ結合が増加すると考えられる。

【００３２】なお、ｇ値は、この実施例で用いたＥＳＲ
装置ＪＥＳ−ＲＥ２Ｘでは、スピン密度を得るために測
定されるＥＳＲ信号強度スペクトルをｇ値既知の標準サ
ンプルのそれと比較することにより自動的に求められる
。原理的には次のように求められる。図５はこの装置か
ら出力されるＥＳＲ信号強度スペクトルのうちの微分形
で表示されたスペクトルを概略的に模写した図である。 縦軸はＥＳＲ強度、横軸はこの場合ｇ値となる。標準サ
ンプルのｇ値は２点に出ており、この例の場合はそれぞ
れ１．９８１０及び２．００３３である。サンプルであ
るシリコン窒化膜のＥＳＲ信号強度スペクトルは標準サ
ンプルの２つのｇ値間に現われる。そして、このシリコ
ン窒化膜のｇ値は、図５中のＰ点のｘ座標を２つのｇ値
を基に比例配分して求めることで決定される。このシリ
コン窒化膜の場合ｇ値は２．００４７となる。 ３．シリコン窒化膜を保護膜として用いたＴＦＴの特性
次に、ｇ値が２．００３となるシリコン窒化膜と、ｇ値
が２．００５となるシリコン窒化膜とをそれぞれアモル
ファスシリコン薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」と
略称する。）の最終保護膜として使用した場合の、各々
のＴＦＴの特性を以下のように測定する。

【００３３】実験に用いたＴＦＴは、図６に断面図を以
って示したいわゆる逆スタガー型のＴＦＴとした。具体
的には、ガラス基板３１と、このガラス基板３１上に形
成されたタンタルから成るゲート電極３３と、このゲー
ト電極３３を覆うように形成されたゲート絶縁膜３５と
、このゲート絶縁膜３５上に形成された活性層（ａ−Ｓ
ｉ）３７と、該活性層３７上にオーミック層３９を介し
形成されたソース電極４１及びドレイン電極４３と、最
終保護膜４５とを具えて成っているものである。

【００３４】まず、最終保護膜４５を形成する前の状態
まで完成したＴＦＴの閾値電圧、電界効果移動度、電流
−電圧特性をそれぞれ測定する。その後、ｇ値２．００
３のシリコン窒化膜で最終保護膜４５構成して実施例の
ＴＦＴを作製し、また、ｇ値２．００５のシリコン窒化
膜で最終保護膜４５を構成して比較例のＴＦＴを作製し
た。なお、ｇ値２．００３のシリコン窒化膜及びｇ値２
．００５のシリコン窒化膜は、下記表１に示した条件で
それぞれ成膜した。ただし、表１中、ｇ値２．００５の
シリコン窒化膜は低質（比較例）と記載してあり、ｇ値
２．００３のシリコン窒化膜は良質（実施例）と記載し
てある（以下の各表において同じ。）。このｇ値２．０
０３のシリコン窒化膜は、図１及び図２中のＱで示した
データを得た膜に相当する。また、ｇ値２．００５のシ
リコン窒化膜、図１及び図２中のＲで示したデータを得
た膜に相当する。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【００３７】次に、最終保護膜４５を形成した実施例及
び比較例のＴＦＴ各々の閾値電圧、電界効果移動度及び
電流−電圧特性をそれぞれ測定する。そして、測定した
閾値電圧、電界効果移動度を最終保護膜形成前の閾値電
圧、電界効果移動度から減じることにより、最終保護膜
形成前後での閾値電圧の変化量ΔＴＴ１と電界効果移動
度の変化量Δμ１とをそれぞれ求めた。この結果を下記
の表２に示した。

【００３８】

【表２】

【００３９】

【００４０】次に、これら実施例及び比較例のＴＦＴそ
れぞれに対し、ゲート・ソース間電圧ＶＧＳ＝２０Ｖ、
ドレイン・ソース間電圧ＶＤＳ＝１Ｖ及びこれら電圧の
印加時間を１０００秒とした条件のストレス試験を実施
した。そして、ストレス試験後の実施例及び比較例のＴ
ＦＴ各々の、閾値電圧、電界効果移動度及び電流−電圧
特性各々をそれぞれ測定する。そして、測定した閾値電
圧、電界効果移動度をストレス試験実施前の閾値電圧、
電界効果移動度から減じることにより、ストレス試験前
後での閾値電圧変動量ΔＶＴ２、電界効果移動度の変化
量Δμ２、ドレイン電流の低下量ΔＩＤをそれぞれ求め
た。 この結果を下記の表３に示した。

【００４１】

【表３】

【００４２】

【００４３】また、実施例のＴＦＴについて、最終保護
膜形成前、最終保護膜形成後でストレス試験実施前及び
ストレス試験実施後各々で測定しておいた電流−電圧特
性を縦軸に電流をとり、横軸に電圧をとって、図７に示
した。同じく比較例のＴＦＴの各電流−電圧特性を図８
に示した。図７及び図８各々において、Ｉが最終保護膜
形成前の特性、ＩＩが最終保護膜形成後でストレス試験
実施前の特性、ＩＩＩ　がストレス試験実施後の特性で
ある。

【００４４】表１〜表３並びに図７及び図８から明らか
なように、実施例及び比較例のＴＦＴは最終保護膜形成
前後での特性変動は同等である。しかし、ストレス試験
実施前後での特性変動量は比較例のＴＦＴの方が実施例
のＴＦＴより大きい。このことから、最終保護膜をｇ値
が２．００３のシリコン窒化膜で構成すると、そうしな
い場合に比べ経時変化の少ないＴＦＴが得られることが
分る。

【００４５】上述においてはこの発明のシリコン窒化膜
の評価方法の実施例について説明したが、この発明は上
述の実施例に限られるものではない。

【００４６】例えば上述の実施例では評価するシリコン
窒化膜をプラズマＣＶＤ法によって形成した膜としてい
た。しかし、この発明の方法は、プラズマＣＶＤ法以外
の方法で形成した膜、例えばスパッタ法、レーザＣＶＤ
法、熱ＣＶＤ法等の方法で形成した各膜に対しての適用
も期待できる。

【００４７】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明のシリコン窒化膜の評価方法によれば、少なくと
もシリコン窒化膜中の水素含有量測定と電荷蓄積密度測
定の２つの測定をｇ値を求めるという１回の測定に置き
換えられる。また、ｇ値が２．００３となるシリコン窒
化膜は良質であると判定できるので膜質評価を一義的に
行える。このため、シリコン窒化膜の膜質を従来より迅
速にかつ一義的に評価できる。また、シリコン窒化膜の
膜質評価をｇ値でも行えることによってより多面的に評
価できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】シリコン窒化膜におけるスピン密度及びｇ値の
蓄積電荷密度依存性を示した特性図である。

【図２】シリコン窒化膜におけるスピン密度及びｇ値の
Ｎ−Ｈ結合量依存性を示した特性図である。

【図３】シリコン窒化膜におけるスピン密度の膜生成時
基板温度依存性を示した特性図である。

【図４】シリコン窒化膜におけるスピン密度の膜生成ガ
ス（ＳｉＨ４）流量依存性を示した特性図である。

【図５】ｇ値の求め方の説明に供する図である。

【図６】実験に用いたＴＦＴ（薄膜トランジスタ）の構
造説明に供する図である。

【図７】実施例のＴＦＴの最終保護膜形成前、ストレス
試験実施前後各々での電流−電圧特性を示した図である
。

【図８】比較例のＴＦＴの最終保護膜形成前、ストレス
試験実施前後各々での電流−電圧特性を示した図である
。

【図９】評価対象のシリコン窒化膜を形成した装置（プ
ラズマＣＶＤ装置）の説明図である。

【符号の説明】

１１：反応容器 １３：ガス排出口 １５：ガス供給口 １７：上部電極 １９：基板 ２１：下部電極 ２３：ヒータ ２５：高周波電源 ３１：ガラス基板 ３３：ゲート電極 ３５：ゲート絶縁膜 ３７：活性層（ａ−Ｓｉ層） ３９：オーミック層 ４１：ソース電極 ４３：ドレイン電極 ４５：最終保護膜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　電子スピン共鳴法によりシリコン窒化
   膜の電子スピン共鳴信号のスペクトル分岐因子（ｇ値）
   を測定し、該ｇ値に基いて前記シリコン窒化膜の膜質評
   価を行うことを特徴とするシリコン窒化膜の膜質評価方
   法。