JP4646803B2

JP4646803B2 - シリコン窒化膜の形成方法

Info

Publication number: JP4646803B2
Application number: JP2005380965A
Authority: JP
Inventors: 浩司又井
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2025-12-13
Also published as: JP2007165813A

Description

本発明は、ゲート電極などに使用される金属電極上へのシリコン窒化膜の形成方法に関する。

トランジスタのゲート電極などに使用される金属電極上へ別の配線の形成する場合、または、金属電極−シリコン窒化膜（ＳｉＮ）−アルミニウム電極（Ａ１）の構造にて容量素子を形成する場合など、金属電極を周囲から絶縁状態にするためその表面にシリコン窒化膜を形成する場合がある。このシリコン窒化膜の形成は通常減圧ＣＶＤにて行われる。

具体的には、シリコン酸化膜を介してパターニング形成された金属電極を有するシリコン基板を減圧ＣＶＤ装置内に収納し、そして該減圧ＣＶＤ装置内を真空にするとともに約７３０度まで加熱し、その後アンモニアガス（ＮＨ３）及びジクロルシランガス（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を導入することによりシリコン窒化膜の形成が行われる。

タングステンなどの高融点金属からなるゲート電極上への、減圧ＣＶＤ法によるシリコン窒化膜の形成方法は、例えば特開平１０−２２３５５６号公報に記載されている。

特開平１０−２２３５５６号公報

しかしながら、上記背景技術記載の工程で金属電極上にシリコン窒化膜を形成する場合、その金属電極も同時に加熱される。例えば、その金属電極がモリブデンにより構成される場合、モリブデン電極上にシリコン窒化膜が堆積するのと同時に、モリブデン電極の表面でアンモニアガスとモリブデンとが反応し、その表面層の一部がモリブデン窒化膜になることが判明した。

図２に、該製造方法を実施することによりその表面上にシリコン窒化膜が形成されたモリブデン電極に係わる半導体装置の断面図を示す。シリコン酸化膜２を介してシリコン基板１上に形成されたモリブデン電極の表面の一部はモリブデン窒化膜３となっており、その上にシリコン窒化膜４が形成された状態となっている。このモリブデン窒化膜３の比抵抗はモリブデン電極５に比べ一桁程度大きい。

モリブデン電極が、高抵抗のモリブデン窒化膜３と元の低抵抗のモリブデン電極５との２層構造に変化することは、配線層全体として比抵抗が高まることを意味し、低抵抗化のため又回路全体の高速化のために採用した金属電極としての優位性が失われることになる。

また、仮にその窒化することを考慮してある抵抗値をもった配線を設計する場合には、モリブデン窒化膜の厚さ分大きいスケールで設計する必要があり、それはＩＣとしての集積化の妨げとなる。

本発明は、金属電極の表面へシリコン窒化膜を形成したとしても、金属電極の比抵抗の上昇を抑制し、それを使った回路の高速動作を可能とすることができるシリコン窒化膜の形成方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係わるシリコン窒化膜の形成方法は、金属電極が形成された半導体基板を減圧ＣＶＤ装置内に配置する工程と、前記減圧ＣＶＤ装置内を７００度よりも低い温度に加熱すると共に窒素を含む原料ガス及びシラン系ガスを導入し、前記金属電極上にシリコン窒化膜を形成する第１のシリコン窒化膜形成工程と、前記第１のシリコン窒化膜形成工程の後、前記減圧ＣＶＤ装置内の温度を７００度よりも高い温度に変更して再度シリコン窒化膜を形成する第２のシリコン窒化膜形成工程とを有する。

また、金属電極は、モリブデンより構成されることを特徴とする。

また、第１のシリコン窒化膜形成工程は、５〜５０オングストローム以下の膜厚を有するシリコン窒化膜を形成する工程であることを特徴とする。

本発明の製造方法によれば、意図しない窒化膜の形成を抑制しつつ、信頼性の高いシリコン窒化膜の形成が可能になる。すなわち、７００度以下で行われる第１の工程により、原料ガス中の窒素と金属との反応を抑制しつつ薄いシリコン窒化膜を形成し、続く７００度以上での第２の工程では最初の薄いシリコン窒化膜を保護膜として、窒素と金属との反応を気にせずに高品質のシリコン窒化膜を生産性よく形成することができる。

以下本発明の好適な実施の形態を、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係わるシリコン窒化膜の形成方法を説明するための半導体装置の断面図である。

シリコン酸化膜２０を介してシリコン基板１０上に、金属電極としてモリブデン電極５０が形成されており、その上に第一のシリコン窒化膜６０、第二のシリコン窒化膜７０が形成されている。

製造方法は、先ず、シリコン基板１０上でシリコン酸化膜２０を介してパターニング形成されたモリブデン電極５０を有する半導体基板（ウェハ）は減圧ＣＶＤ装置内に収納される。そして、該減圧ＣＶＤ装置内を所定の状態に減圧するとともに約６３０度まで加熱し、その後アンモニアガス（ＮＨ３）及びジクロルシランガス（ＳｉＨ２Ｃｌ２）を導入することにより、モリブデン電極５０上への第１のシリコン窒化膜６０の形成が行われる。

装置内温度は、膜形成レートや膜質を考慮すると、通常の半導体デバイスでは７３０度程度が適していると考えられる。しかし、７００度を超える温度では窒素とモリブデンとの反応速度も速く、その過多な反応進行を避けてシリコン窒化膜を形成することは困難であるため、先にそれよりも低い温度で第一のシリコン窒化膜６０を形成した。

上述の方法で第一のシリコン窒化膜６０を形成する場合、原料ガスに含まれる窒素とモリブデンとの反応が大きく抑制されるという利点はあるが、成長レートが遅いということ又絶縁膜としての信頼性が比較的悪いとの欠点もある。したがって、半導体素子としての信頼性を向上させるためには、次の工程で前記第一のシリコン窒化膜６０の欠点を補う第二のシリコン窒化膜７０を形成する必要がある。

第一のシリコン窒化膜６０の膜厚は、この第二のシリコン窒化膜７０を形成する際の窒素とモリブデンとの反応をさせないための保護となる程度にすることが生産性上望ましい。すなわち、第一のシリコン窒化膜６０の膜厚は、５〜５０オングストロームが適当である。

第一のシリコン窒化膜６０形成に続きに該ＣＶＤ装置内を約７３０度に変更し、第一のシリコン窒化膜６０の形成時と同様の原料ガスを用いて、その上への第２のシリコン窒化膜７０の形成が行われる。上述のようにして形成されたシリコン窒化膜で覆われたモリブデン電極は、設計値に比較して比抵抗の上昇が抑制され、該電極を使った回路の高速動作上有利である。

本実施の形態によれば、意図しないモリブデン窒化膜の形成を抑制しつつ、信頼性の高いシリコン窒化膜の形成が可能になる。すなわち、７００度以下で行われる第１の工程により、原料ガス中の窒素とモリブデンとの反応を抑制しつつ薄いシリコン窒化膜を形成し、続く７００度以上での第２の工程では最初の薄いシリコン窒化膜を保護膜として、窒素とモリブデンとの反応を気にせずに高品質なシリコン窒化膜を生産性よく形成することができる。

以上は金属電極としてモリブデン電極を用いた場合の実施の形態について説明したが、金属はモリブデンに限定されるものではない。すなわち、本発明は、金属電極上に保護膜を形成する際の該電極の比抵抗上昇を抑制することを目的としたものであり、この目的を逸脱しない限り、種々の金属を採用することが可能である。

そして、該金属電極は、ＭＯＳ型半導体装置あるいはバイポーラ型半導体装置の配線電極などに適用でき、その際には、金属の電極を使ったことによる回路動作の高速化という利点を妨げることのない保護膜の形成方法となる。

本発明の実施の形態に係わるシリコン窒化膜の形成方法を説明するための半導体装置の断面図である。従来のシリコン窒化膜の形成方法を説明するための半導体装置の断面図である。

符号の説明

１、１０シリコン基板
２、２０シリコン酸化膜
３モリブデン窒化膜
４シリコン窒化膜
５、５０モリブデン電極
６０第一のシリコン窒化膜
７０第二のシリコン窒化膜

Claims

モリブデン電極が形成された半導体基板を減圧ＣＶＤ装置内に配置する工程と、前記減圧ＣＶＤ装置内を７００度よりも低い温度に加熱すると共に窒素を含む原料ガス及びシラン系ガスを導入し、前記原料ガスに含まれる窒素と前記モリブデン電極との反応を抑制しつつ前記モリブデン電極上にシリコン窒化膜を形成する第１のシリコン窒化膜形成工程と、前記第１のシリコン窒化膜形成工程の後、前記減圧ＣＶＤ装置内の温度を７００度よりも高い温度に変更して再度シリコン窒化膜を形成する、第２のシリコン窒化膜形成工程とを有するシリコン窒化膜の形成方法。
第１のシリコン窒化膜形成工程は、５〜５０オングストロームの膜厚を有するシリコン窒化膜を形成する工程であることを特徴とする請求項１記載のシリコン窒化膜の形成方法。