JPH10173187A - 薄膜窒化珪素または酸化窒化珪素ゲート誘電体の形成方法 - Google Patents

薄膜窒化珪素または酸化窒化珪素ゲート誘電体の形成方法

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JPH10173187A
JPH10173187A JP9335805A JP33580597A JPH10173187A JP H10173187 A JPH10173187 A JP H10173187A JP 9335805 A JP9335805 A JP 9335805A JP 33580597 A JP33580597 A JP 33580597A JP H10173187 A JPH10173187 A JP H10173187A
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nitrogen
plasma
oxygen
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JP9335805A
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Robert Kraft
クラフト ロバート
Sunil V Hattangady
ブイ.ハツタンガディ サニル
Douglas T Grider
ティー.グリダー ダグラス
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  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】窒化物膜の障壁特性の利点を生かしつつ、また
酸化物膜の電気的特性の利点をも有する膜を製造するた
めの方法を提供する 【解決手段】1つの表面を有する半導体基板を用意し、
前記半導体基板の上に酸素含有層を形成し、前記酸素含
有層を窒素を含むプラズマに曝して、前記窒素が前記酸
素含有層の中に混入されるかまたは前記基板の前記表面
部に窒化物層を形成させるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体デバイス製造
ならびに処理に係わり、更に詳細にはゲート誘電体層の
新奇な構造に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、半導体デバイスを小型化する要望
が強く存在しており、それによってより高速で電力消費
の少ない半導体チップの上に高い密度のデバイスを提供
しようとしている。デバイスの横方向の寸法が大きくな
ると、十分なデバイス性能を確保するために同様に垂直
方向の大きさも必要となる。このように垂直方向の寸法
が大きくなると、要求されるデバイス性能を実現するた
めにゲート誘電体の厚さを薄くする必要が生じる。しか
しながらゲート誘電体を薄くすると、多結晶シリコンゲ
ート構造からのドーパント拡散または金属ゲート構造か
らの金属拡散に対する障壁が小さくなり、結果としてデ
バイスの電気的性能および信頼性を減じかねない。
【0003】これらの問題を解消する1つの手段は、窒
化珪素をゲート誘電体層として使用するとである。窒化
珪素は典型的な熱成長酸化珪素膜よりも高誘電率を有
し、また不純物拡散に対してより高い抵抗を具備してい
る。しかしながら標準的に蒸着された窒化珪素の電気的
特性は熱酸化物よりも遥かに劣っている。従ってゲート
絶縁体として有効な従来式窒化珪素膜を製造するために
は、窒化物層と基板との間に酸化物層を形成しなければ
ならない。
【0004】最近、典型的な酸化珪素膜と同様な電気的
特性を有する窒化珪素膜を蒸着するための技術が開発さ
れた。この新技術はジェット蒸気蒸着(JVD:Jet Va
porDeposition)と呼ばれる。シーウェン・ウォン(Xie
-wen Wang)その他による、ジェット蒸気蒸着で製造さ
れた高信頼窒化珪素薄膜、JPN.J.APPL.PH
YS.、巻34、ページ955−958(1995年)
参照。JVDは、例えばヘリウムの様な軽いキャリヤー
ガスの超音速ジェットを利用して蒸着蒸気をその源から
基板に搬送している。この技術はゲート誘電体として使
用可能な窒化珪素膜を作り出すが、以下の問題を生じ
る:これは比較的複雑な処理工程であり、これはプラズ
マジェットをウェファを横切るようにラスタ走査し、膜
をウェファ全体に蒸着させる手順を含む(またこれを信
頼性を保ちながら完了させるのは難しい);この処理工
程は簡単に規模拡張を行うことが出来ず、大口径ウェフ
ァ(例えば20−30センチ(8−12インチ)ウェフ
ァ)上に広範囲な膜を形成することは出来ない;結果と
して出来る膜の中に水素が含まれる;そして、この処理
工程の生産性の低い工程である、何故ならばその蒸着速
度が極端に遅いためである。
【0005】酸化物膜の電気的特性の利点を生かす一方
でまた窒化物膜の障壁特性をも得るための別の方法は、
窒素をゲート酸化物層の中に組み込むことで実現でき
る。典型的にこれは窒化酸化物の再酸化処理工程で実現
できる。この処理工程はアンモニアを使用して窒素をゲ
ート酸化物層の中に導入する。不幸にして、アンモニア
をゲート酸化物の中に侵入させるためには1000度を
超える温度が必要である。加えて、一度高温反応が開始
するとゲート酸化物の中に組み込まれる窒素濃度を制御
することは困難である。半導体基板とゲート酸化物間の
インタフェース近くに過度な窒素が存在すると、閾電圧
に悪影響を与えまたデバイスのチャンネル移動度も低下
させるがこれは固定電荷のクーロン効果およびチャンネ
ル領域内のキャリア上の窒素に関連するインタフェース
トラップ電荷を通して行われる。
【0006】その他の実験的仕事がなされてきており、
これには遠隔プラズマに曝すことで行われる窒化が含ま
れる。エス・ブイ・ハタンガディー(S.V.Hattangady)
その他のによる、ゲート酸化物表面への窒素混入制御、
66 Appl.Phy.Lett.3495(1995年6月19
日)参照。この処理工程は特にゲート導体インタフェー
スでの窒素混入提供し、高圧(100ミリTorr)かつ低
電力(30Watt)の比較的低いイオン濃度とイオンフラ
ックスの処理工程を用いている。低イオン濃度およびイ
オンフラックスのために、混入される窒素を希望する濃
度とするには長時間(10−60分程度)必要である。
このようにプラズマに長時間曝されるために、電荷が酸
化物に損傷を与える確率が増加する。加えて、この方法
を使用すると生産性が著しく低下する。
【0007】したがって本発明の1つの目的は、窒化物
膜の障壁特性の利点を生かしつつ、また酸化物膜の電気
的特性の利点をも有する膜を提供することである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明の1つの実施例
は誘電体層を形成するための方法であって、この方法は
次のステップを含む:半導体基板を用意する、この基板
は1つの表面を有する;この半導体基板上に酸素含有層
を形成する;そしてこの酸素含有層を窒素を含むプラズ
マに曝し、この窒素が酸素含有層に混入されるかまたは
基板の上に窒化物層を形成するようにする。本発明のこ
の実施例を使用することにより、誘電体層がほとんど水
素を含まないように出来る。好適にこの酸素含有層はS
iO2 層であるかまたは酸素および窒素で構成される
(好適に酸化窒化物層)。プラズマは好適に高密度プラ
ズマである。好適に窒素源がプラズマの中に導入され
て、窒素を含むプラズマを形成する。窒素源は好適に下
記を含む物質で構成される:N2,NH3 ,NO,N2
Oまたはこれらの混合物。
【0009】本発明の別の実施例はゲート誘電体層の上
に蒸着された導電性ゲート構造を有するトランジスタを
形成するための方法であり、この方法は下記のステップ
を含む:半導体基板を用意する、この基板は1つの表面
を有する;この半導体基板上に誘電体層を用意する、こ
の誘電体層は酸素を含む;この誘電体層を窒素を含むプ
ラズマに曝し、窒素がゲート絶縁層に混入されるかまた
は窒化物層を基板の表面上に形成するようにする;そし
て此処において、ゲート誘電体は窒素を混入された誘電
体層で構成されるかまたは基板の表面上に形成された窒
化物層である。好適に導電性ゲート構造はドーピングさ
れた多結晶シリコンまたは金属で構成される。本発明の
この実施例を使用することで、ゲート誘電体層はほぼ水
素を含まないように出来る。好適にこの誘電体層はSi
2 層であるかまたは酸化窒化物層である。
【0010】本発明の別の実施例はキャパシタ誘電体を
有するキャパシタを形成するための方法であって、以下
のステップを含む:半導体基板を用意する;第一電極を
半導体基板の上に形成する;誘電体層を第一電極上に用
意する、この誘電体層は酸化物を含む;この誘電体層を
窒素を含むプラズマに曝し、窒素が誘電体層の中に混入
されるかまたは窒化物層を第一電極の表面に形成するよ
うにする;誘電体層をプラズマに曝した後に第二電極を
この誘電体層の上に形成する;そして此処においてキャ
パシタ誘電体が窒素を混入された誘電体層を含むかまた
は第一電極の表面に形成された窒化物層のいずれかであ
る。
【0011】
【課題を解決するための手段】以下の説明は本発明の2
つの実施例を中心に行う。両実施例の説明はゲート誘電
体に関する新奇な構造を含んでいるが、本方法はゲート
誘電体層の構造に制限されるものでは無い。本実施例は
半導体デバイスの構造で必要とされるその他の層を形成
するために使用することが出来る。例えば本発明をキャ
パシタ構造内の誘電体物質を形成するために使用するこ
とが出来るし、または導電性構造を絶縁するために使用
することも出来る。以下の記述はゲート誘電体層の構造
を説明しているが、当業者は以下の説明の教えを用いて
半導体デバイス内のその他の層を形成できるはずであ
る。図の中で同様の特徴または類似の処理工程ステップ
を図示するために同様の参照番号が使用されている。
【0012】図1、2、および3a並びに図4aの発明
を参照すると、絶縁層14が半導体構造12(これは好
適にシリコン基板またはシリコン基板上に形成されたエ
ピタキシャルシリコン層)の上に形成される。好適に絶
縁層14は10から150厚さの酸素含有層[好適に酸
化物層、酸化窒化層のいずれか、またはその他の絶縁
層](更に好適には、10から80厚さの酸化物層−−
もっと好適には10から45厚さの酸化物層)であり、
これは熱成長、蒸着、またはそれらの組み合わせのいず
れかである。このステップは図4aのブロック502に
対応する。図2および図4aのステップ504を参照す
ると、絶縁層14がプラズマに曝されており、これには
窒素含有物質が混入されている。好適に窒素含有物質
は、N2 ,NH3 ,NO,N2 Oまたはこれらの混合物
であり、プラズマは好適に高密度プラズマである。ウェ
ファにバイアスをかけないようにすることも可能であ
り、その場合イオン化された物質はプラズマ電位(これ
は典型的には20ボルト程度)で加速されて絶縁表面の
中に打ち込まれる。バイアス電圧をウェファに引加して
プラズマからのイオンを更に加速して、これらを絶縁表
面の中により深く打ち込むことも可能である。DCまた
はRFバイアス電圧のいずれもウェファにバイアスをか
けるために使用できる。最も好適には、ステップ504
は以下の処理条件で実行される:開始酸化物厚さは10
から150厚さである;プラズマ密度はおよそ1x10
10から1x1012cm-3である;窒素は1から100s
ccm程度である;処理圧力は好適に1から50mTo
rr程度である;温度は好適に70から900Kの範囲
である;基板(ウェファ)バイアスは0から50ボルト
程度である;また露出の期間は1から60秒の間であ
る。
【0013】図3aはステップ504の結果を図示す
る。ウェファのバイアスおよびプラズマ密度に応じて、
窒素は絶縁層14の中に組み込まれる。この結果が層1
4のSi/N/O部20および層14のSi/O/N部
18である。好適に部分20の中では窒素量が酸素量を
上回る。実際、部分20の中では酸素(おそらく非常に
少ないか無酸素)より多くの窒素が存在することが好適
である。部分18は部分20とほぼ同じであっても構わ
ないし、またはこれら2つの部分が異なる量の珪素、窒
素、および酸素を含むようにしても構わない。実際、部
分18は比較的純粋なSiO2 膜を残していても構わな
いし、またほとんど珪素と窒素とで構成されていても構
わないし、またはこれら両極端の間の珪素、窒素および
酸素がある割合で構成されていても構わない。添加され
る窒素の量は処理工程条件に依存するので、これらの処
理工程条件はどんなトランジスタの設計にも最適となる
ように操作される。
【0014】更に、部分18と20の間の遷移ははっき
りしておらず、窒素濃度に関して傾斜がついている。こ
れと代わるように、部分18と20との間の遷移を窒素
が僅かであるかまたは無窒素の領域(図3cの領域1
9)で特徴付けることも出来、これはいずれかの側の窒
素含有部分(部分18および20)に拘束されている。
更に詳細には図3cの実施例を酸化窒化物部分18、ほ
とんど酸化物を含む部分、および窒化物または窒化酸化
物部分20で構成することが出来る。
【0015】図1,2,および3a、並びに図4bの実
施例を参照すると、ゲート絶縁体14が半導体構造12
(好適にシリコン基板またはシリコン基板の上に形成さ
れたエピタキシャルシリコン層)の上に標準の処理工程
を使用して形成される。好適に、ゲート絶縁体14は1
0から200(更に好適には10から80、もっと好適
には10から45)厚さの熱成長SiO2 膜、蒸着され
たSiO膜、またはこれらの組み合わせで形成された膜
を含む。次に、図2および図4bのステップ503を参
照すると、ウェファが窒素含有プラズマに曝される。好
適にこのプラズマは高密度プラズマ(好適にヘリコン発
生源、螺旋共振器発生源、電子・サイクロトロン共鳴発
生源、またはインダクタンス結合発生源、または低密度
プラズマでも構わない)であり、窒素含有源はN2 ,N
3 ,NO,N2 Oまたはこれらの混合物である。ウェ
ファに適切なバイアス(好適に0−500ボルト)をか
けることにより、プラズマに含まれるイオン化された粒
子が誘電層14を通過し半導体構造12の表面で反応す
る。好適にこれは結果として窒化珪素層22を形成し、
これは半導体構造12の一部として形成される。誘電体
層14(これは図3bの層24として参照される)はい
くばくかの窒素を捕捉するかまたは単にそれを通過させ
る。加えて、プラズマ16が導入されるのでゲート絶縁
体は完全に吹き飛ばされるか、部分的に飛ばされて層2
4(好適にシリコン、酸素、及びいくらかの量の窒素を
含む)を形成するか、またはこれは取り除かれる。好適
に、図4bのステップ503で使用される処理工程条件
は下記の通りである:酸化物厚さはおよそ10から80
厚さ(好適におよそ20の厚さ);プラズマ密度はおよ
そ1x1010から1x1012cm-3;窒素流量はおよそ
1から100sccm;処理圧力はおよそ4mTor
r;温度はおよそ300K;基板(ウェファ)バイアス
はおよそ0から500ボルト;そしてプラズマへ曝す期
間はおよそ1−60秒である。
【0016】図4aのステップ504および図4bのス
テップ503の両者に於いて、基板バイアス、プラズマ
への露出の長さ(時間)、プラズマ電力、および窒化後
に焼き鈍しを使用するか否かは、絶縁層または下側の半
導体構造の中に窒素を更に取り込むかまたは取り込みを
中止するか、また誘電体そして/または基板の損傷を修
復するかに応じて代替法に変更したり/使用したりする
事ができる。更に、低密度プラズマまたは高密度プラズ
マは導入量すなわち必要とされる窒素の量に応じて選択
して使用される。
【0017】本実施例は下記のいずれかを形成するため
に使用される:均質珪素酸化窒化物層、均質珪素窒化物
層、ゲート絶縁層の最上表面部の酸化窒化珪素または窒
化珪素インタフェース層、ゲート絶縁層の最上表面部そ
して/または最下表面部の酸化窒化珪素または窒化珪素
インタフェース層。好適に本発明の実施例を使用して形
成されたゲート絶縁体は0.1から57の原子百分率の
窒素成分を有する。
【0018】図5から図8は本発明の方法を使用して形
成されたゲート誘電体膜内の酸素および窒素のレベルを
図示するグラフである。図5は以下の条件で窒化された
60酸化膜の二次イオン質量分析計(SIMS)分析で
得られたデータを図示したものである:プラズマ電力は
2000W(高密度ヘリコン方式プラズマ);基板バイ
アスは0ワット;ガス流量は100sccmの窒素;周
辺圧力は4mTorr;そしてプラズマ露出時間は11
秒。図5は最上表面/インタフェース部の窒素混入を示
す。図6は以下の条件で窒化された60酸化膜の飛行時
間型二次イオン質量分析計(SIMS)分析で得られた
データを図示したものである:プラズマ電力は2000
W(高密度ヘリコン方式プラズマ);基板バイアスは0
ワット;ガス流量は100sccmの窒素;周辺圧力は
4mTorr;そしてプラズマ露出時間は30秒。図6
は最上部および底部インタフェース部の窒素混入を示
す。図7は以下の条件で窒化された35酸化膜の二次イ
オン質量分析計(SIMS)分析で得られたデータを図
示したものである:プラズマ電力は2000W(高密度
ヘリコン方式プラズマ);基板バイアスは100ワット
(13.56MHz);ガス流量は100sccmの窒
素;周辺圧力は4mTorr;そしてプラズマ露出時間
は60秒。図7は膜の後方に微少量の酸素を残した窒化
珪素がほぼ完全に形成されていることを示す。図8は以
下の条件で窒化された7酸化膜の飛行時間型二次イオン
質量分析計(SIMS)分析で得られたデータを図示し
たものである:プラズマ電力は2000W(高密度ヘリ
コン方式プラズマ);基板バイアスは450ワット;ガ
ス流量は100sccmの窒素;周辺圧力は4mTor
r;そしてプラズマ露出時間は10秒。
【0019】此処には本発明の特定の実施例を説明した
が、これらは本発明の範囲を限定することを意図したも
のでは無い。本発明の多くの実施例が当業者には明細書
に示す方法から明らかであろう。本発明の範囲は添付の
特許請求の範囲によってのみ限定される。以上の説明に
関して更に以下の項を開示する。
【0020】(1)誘電体層を形成するための方法であ
って、該方法が:半導体基板を用意し、該基板は1つの
表面を有し;前記半導体基板の上に酸素含有層を形成
し;そして前記酸素含有層を窒素を含むプラズマに曝し
て、前記窒素が前記酸素含有層の中に混入されるかまた
は前記基板の前記表面部に窒化物層を形成させる、以上
のステップを含む前記方法。
【0021】(2)第1項記載の方法に於いて、前記誘
電体層が酸素を含まない前記方法。
【0022】(3)第1項記載の方法に於いて、前記酸
素含有層がSiO2 層である前記方法。
【0023】(4)第1項記載の方法に於いて、前記酸
素含有層が酸素および窒素を含む前記方法。
【0024】(5)第1項記載の方法に於いて、前記酸
素含有層が酸化窒化物層である前記方法。
【0025】(6)第1項記載の方法に於いて、前記プ
ラズマが高密度プラズマである前記方法。
【0026】(7)第1項記載の方法に於いて、窒素源
が前記プラズマの中に導入されて前記窒素を含むプラズ
マを形成する前記方法。
【0027】(8)第7項記載の方法に於いて、前記窒
素源がN2 ,NH3 ,NO,N2 Oまたはこれらの混合
物から成る物質を含む前記方法。
【0028】(9)ゲート誘電体層の上に蒸着された導
電性ゲート構造を有するトランジスタを形成するための
方法であって、該方法が:半導体基板を用意し、該基板
は1つの表面を有し;前記半導体基板の上に酸素含有層
を用意し、該誘電体層が酸素を含み;前記誘電体層を窒
素を含むプラズマに曝して、前記窒素が前記ゲート誘電
体層の中に混入されるかまたは前記基板の前記表面部に
窒化物層を形成させる、以上のステップを含み;そして
前記ゲート誘電体層が前記窒素を混入された前記誘電体
層または前記基板の前記表面部に形成された前記窒化物
層のいずれかを含む前記方法。
【0029】(10)第9項記載の方法に於いて、前記
導電性ゲート構造がドーピングされた多結晶シリコンを
含む前記方法。
【0030】(11)第9項記載の方法に於いて、前記
導電性ゲート構造が金属を含む前記方法。
【0031】(12)第9項記載の方法に於いて、前記
ゲート誘電体層がほとんど水素を含まない前記方法。
【0032】(13)第12項記載の方法に於いて、前
記誘電体層がSiO2 層である前記方法。
【0033】(14)第9項記載の方法に於いて、前記
誘電体層が酸化窒化物層である前記方法。
【0034】(15)キャパシタ誘電体を有するキャパ
シタを形成するための方法であって、該方法が:半導体
基板を用意し;前記半導体基板の上に第一電極を形成
し;前記第一電極の上に誘電体層を用意し、該誘電体層
が酸素を含み;前記誘電体層を窒素を含むプラズマに曝
して、窒素が前記誘電体層の中に混入されるかまたは前
記第一電極の前記表面部に窒化物層を形成させ;前記誘
電体層を前記プラズマに曝した後に前記誘電体層の上に
第二電極を形成する、以上のステップを含み;そして前
記キャパシタ誘電体が前記窒素を混入された前記誘電体
層または前記第一電極の前記表面部に形成された前記窒
化物層のいずれかを含む前記方法。
【0035】(16)本発明の1つの実施例は誘電体層
を形成するための方法であり、この方法は以下のステッ
プを含む:半導体基板(基板12)を用意する、この基
板は1つの表面を有する;酸素含有層(層14)を半導
体基板上に形成する;そして酸素含有層を窒素を含むプ
ラズマ(プラズマ16)に曝し、窒素が酸素含有層に混
入されるか(領域18、19、および20参照)または
窒化物層を基板の表面部(領域22)に形成する。本発
明のこの実施例を使用して誘電体はほとんど水素を含ま
ないように出来る。好適に酸素含有層はSiO2 層であ
るか、または酸素および窒素を含む(好適に酸化窒化物
層)。プラズマは好適に高密度プラズマである。好適に
窒素源がプラズマに導入されて窒素を含むプラズマが形
成される。窒素源は好適に、N2 ,NH3 ,NO,N2
Oまたはこれらの混合物から成る物質を含む。
【関連特許/特許出願の相互参照】以下の共通に委譲さ
れている特許/特許出願をここにあげることで参照す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は製造された半導体デバイスの断面図。
【図2】図2は製造された半導体デバイスの断面図。
【図3】図3は本発明の1つの実施例の方法を図示し、
aは本発明の1つの実施例の方法、bは本発明の別の実
施例、そしてcは本発明の別の実施例。
【図4】図4は本発明の2つの実施例の方法を図示する
流れ図であり、aは1つの実施例の流れ図、そしてbは
別の実施例の流れ図。
【図5】図5は本発明の方法を用いて形成されたゲート
誘電体層内の酸素と窒素の量を図示するグラフ。
【図6】図6は本発明の方法を用いて形成されたゲート
誘電体層内の酸素と窒素の量を図示するグラフ。
【図7】図7は本発明の方法を用いて形成されたゲート
誘電体層内の酸素と窒素の量を図示するグラフ。
【図8】図8は本発明の方法を用いて形成されたゲート
誘電体層内の酸素と窒素の量を図示するグラフ。
【符号の説明】
12 基板 14 絶縁層 16 プラズマ 18 酸化窒化物 19 遷移領域 20 窒化物または窒化酸化物 22 窒化珪素層 24 誘電体層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダグラス ティー.グリダー アメリカ合衆国テキサス州マッキニー,サ マー ツリー エルエヌ.2827

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 誘電体層を形成するための方法であっ
    て、該方法が:半導体基板を用意し、該基板は1つの表
    面を有し;前記半導体基板の上に酸素含有層を形成し;
    そして前記酸素含有層を窒素を含むプラズマに曝して、
    前記窒素が前記酸素含有層の中に混入されるかまたは前
    記基板の前記表面部に窒化物層を形成させる、以上のス
    テップを含む前記方法。
JP9335805A 1996-12-05 1997-12-05 薄膜窒化珪素または酸化窒化珪素ゲート誘電体の形成方法 Pending JPH10173187A (ja)

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