DE10212855A1

DE10212855A1 - Halbleitervorrichtung und Verfahren für ihre Herstellung

Info

Publication number: DE10212855A1
Application number: DE10212855A
Authority: DE
Inventors: Hiromi Makimoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2002-03-22
Publication date: 2003-01-23
Also published as: JP2003023113A; KR100436820B1; TW538545B; US20030008457A1; US6784058B2; KR20030004996A

Abstract

Ein Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung (1), in der über einem Halbleitersubstrat (1) mit einem dazwischenliegenden Tunneloxidfilm (2) eine schwebende Gate-Elektrode (4) mit Seitenwänden ausgebildet ist, und in der an Stellen, die von oben gesehen an die beiden Seiten der schwebenden Gate-Elektrode (4) angrenzen, aktive Gebiete angeordnet sind, und in der in die aktiven Gebiete Arsen als Störstellen injiziert ist, wobei das Verfahren in Anwendung auf das Halbleitersubstrat (1) folgende Schritte umfaßt: DOLLAR A einen Lampen-Temperschritt, in dem eine Wärmebehandlung in einer ersten Gasgemischumgebung, die Stickstoff und Sauerstoff enthält, ausgeführt wird; und DOLLAR A nach dem Lampen-Temperschritt einen Oxidfilm-Ausbildungsschritt, in dem eine Wärmebehandlung in einer zweiten Gasgemischumgebung, die Sauerstoff enthält, ausgeführt wird, um an den Seitenwänden einen Oxidfilm auszubilden.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleitervorrichtungen und der Verfahren für ihre Herstellung und insbesondere eine nichtflüchtige Speicherzelle oder dergleichen als solche Halbleitervorrichtung.
In den Fig. 6 bis 8 ist ein Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung beschrieben. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, sind auf der Hauptoberfläche eines Siliciumsubstrats 1 als Halbleitersubstrat die schwebenden Gate-Elektroden 4 mit den dazwischenliegenden Tunneloxidfilmen 2 ausgebildet. Über den schwebenden Gate-Elektroden 4 sind die Steuer-Gate-Elektroden 5 ausgebildet, wobei dazwischen ONO- Zwischenfilme liegen. Im Fall des in Fig. 6 gezeigten Beispiels sind Abschnitte der Oberseiten der Steuer-Gate-Elektroden 5 mit TEOS-Filmen (Tetraethylorthosilikat-Filmen) 8 bedeckt. In den (im folgenden als "aktive Gebiete" bezeichneten) Gebieten, in denen die Hauptoberfläche des Siliciumsubstrats 1 durch Injizieren von Störstellen von oben freigelegt ist, sind in den an die schwebende Gate-Elektrode 4 und dergleichen angrenzenden Abschnitten eine Source-Schicht 7 und Drain-Schichten 6 ausgebildet. Um Platz zu sparen, sind in dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel die Elektroden und die Drain-Schicht 6 symmetrisch in einer Form angeordnet, in der die rechte und die linke Speicherzelle eine Source-Schicht 7 in der Mitte der symmetrischen Struktur gemeinsam nutzen.
Falls in die aktiven Gebiete Störstellen wie etwa Arsen injiziert werden, wird das Siliciumsubstrat 1 wegen der Wirkungen der Injektion lokal in einen amorphen Zustand umgewandelt. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, wird nachfolgend die gesamte Oberseite dieses Substrats mittels eines CVD-Verfahrens (einer Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren) oder dergleichen mit einem TEOS-Film 9 bedeckt. Wie in Fig. 8 gezeigt ist, werden nachfolgend die Seitenwände der schwebenden Gate- Elektroden 4 durch Ausführen einer Wärmebehandlung thermisch oxidiert und die Oxidfilme 10 ausgebildet, die die Seitenwände der schwebenden Gate-Elektroden 4 bedecken. Der Grund für die Ausbildung der Oxidfilme 10 liegt hier darin, daß diese verhindern sollen, daß sich Elektronen aus den Seitenwänden der schwebenden Gate-Elektroden 4 verflüchtigen, und daß die Behebung des Ätzschadens verhindert werden soll. Allerdings kommt es in den Abschnitten, in denen die Source- Schicht 7 oder das Siliciumsubstrat 1 in ihrer Nähe in einen amorphen Zustand umgewandelt werden, wegen der Wärme bei der Wärmebehandlung zum Ausbilden der Oxidfilme 10 zu einer Rekristallisation des Siliciums. Diese Rekristallisation führt zu Kristallbaufehlern 11 im Siliciumsubstrat 1. Es besteht ein Risiko, daß diese Kristallbaufehler 11 zu einem Stromleck zwischen der Source-Schicht 7 und der Drain-Schicht 6 führen, was einen normalen Betrieb der Halbleitervorrichtung verhindert. Außerdem verringert allein schon die Anwesenheit der Kristallbaufehler 11, die zu der obenbeschriebenen Störung führen können, die Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung.
Andererseits ist bekannt, daß Kristallbaufehler zum Zeitpunkt der Rekristallisation kaum auftreten, falls Stickstoff in dem Siliciumsubstrat enthalten ist. Somit kann, um das Auftreten von Kristallbaufehlern zu verhindern, in der Phase aus Fig. 6 ein Verfahren zum Ausführen des Lampen-Temperns in einem Stickstoffstrom betrachtet werden. Dieses Lampen-Tempern wird auch als "RTP"-Behandlung (Behandlung durch einen schnellen thermischen Prozeß)" bezeichnet. Falls das Lampen-Tempern wie in Fig. 9 gezeigt in einem Stickstoffstrom ausgeführt wird, kann durch Aufnahme von Stickstoff in das Siliciumsubstrat 1, was das Ziel ist, erreicht werden, daß gleichzeitig an den Seitenwänden der freiliegenden schwebenden Gate-Elektroden 4 Nitridfilme 13 ausgebildet werden. Falls auf diese Weise einmal Nitridfilme 13 ausgebildet sind, kann die Ausbildung der Oxidfilme 10 an den Seitenwänden der schwebenden Gate-Elektroden 4 wegen der Sperrung durch die Nitridfilme 13 selbst dann nicht erreicht werden, wenn in einem späteren Schritt nach Bedecken mit dem TEOS-Film 9 wie in Fig. 10 gezeigt eine Wärmebehandlung ausgeführt wird. Wenn die Oxidfilme 10 nicht ausgebildet werden, besteht ein Risiko, daß sich Elektronen aus den Seitenwänden der schwebenden Gate-Elektroden 4 verflüchtigen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halbleitervorrichtung mit hoher Zuverlässigkeit zu schaffen, in der verhindert wird, daß sich Elektronen aus den Seitenwänden der schwebenden Gate-Elektroden verflüchtigen, und verhindert wird, daß Kristallbaufehler in dem Halbleitersubstrat auftreten, so daß kein Leckstrom verursacht wird, und ein Verfahren für die Herstellung einer solchen Halbleitervorrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Zur Lösung der obengenannten Aufgabe umfaßt eine Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung: ein Halbleitersubstrat, eine schwebende Gate-Elektrode, die mit einem dazwischenliegenden Oxidfilm über dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, und aktive Gebiete, in denen die Oberfläche des Halbleitersubstrats von oben gesehen an den Stellen, die an die beiden Seiten der schwebenden Gate-Elektrode angrenzen, freiliegt, wobei das Halbleitersubstrat Störstelleninjektionsgebiete enthält, in die Störstellen aus den aktiven Gebieten ins Innere des Halbleitersubstrats injiziert worden sind, wobei die Störstelleninjektionsgebiete über den gesamten Gebieten Stickstoff enthalten, und wobei die schwebende Gate-Elektrode Seitenwände enthält, wobei ein Oxidfilm ausgebildet ist, der die Seitenwände bedeckt, um zu verhindern, daß sich Elektronen über die Seitenwände verflüchtigen. Unter Anwendung dieser Struktur kann eine Halbleitervorrichtung erhalten werden, bei der das Auftreten von Kristallbaufehlern zum Zeitpunkt einer Wärmbehandlung verhindert werden kann, während verhindert werden kann, daß sich Elektronen aus der schwebenden Gate-Elektrode verflüchtigen.

Vorzugsweise sind die obigen Störstellen in der obenbeschriebenen Erfindung Arsen. Unter Anwendung dieser Struktur kann wegen der hohen Atommasse des Arsens leicht erreicht werden, daß es durch Injektion in das Siliciumsubstrat eintritt.

Zur Lösung der obengenannten Aufgabe umfaßt ein Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung, in der über einem Halbleitersubstrat mit einem dazwischenliegenden Oxidfilm eine schwebende Gate-Elektrode mit Seitenwänden ausgebildet ist, wobei das Substrat aktive Gebiete besitzt, in denen die Oberfläche des Substrats an Stellen, die von oben gesehen an die beiden Seiten der schwebenden Gate-Elektrode angrenzen, freiliegt, und wobei in die aktiven Gebiete Störstellen injiziert worden sind, in Anwendung auf das Halbleitersubstrat folgende Schritte: einen Lampen-Temperschritt, in dem eine Wärmebehandlung in einer ersten Gasgemischumgebung, die Stickstoff und Sauerstoff enthält, ausgeführt wird; und nach dem Lampen-Temperschritt einen Oxidfilm-Ausbildungsschritt, in dem eine Wärmebehandlung in einer zweiten Gasgemischumgebung, die Sauerstoff enthält, um an den Seitenwänden einen Oxidfilm auszubilden, ausgeführt wird. Bei Anwendung dieses Verfahrens kann erreicht werden, daß die aktiven Gebiete Stickstoff enthalten, ohne daß an den Seitenwänden der schwebenden Gate-Elektrode im Lampen-Temperschritt ein Nitridfilm ausgebildet wird. Da an den Seitenwänden der schwebenden Gate-Elektrode kein Nitridfilm ausgebildet wird, kann in dem Oxidfilm-Ausbildungsschritt an den Seitenwänden der schwebenden Gate-Elektrode auf normale Weise ein Oxidfilm ausgebildet werden.

Für das obige erste Gasgemisch wird in der obenbeschriebenen Erfindung ein Gasgemisch verwendet, das nicht weniger als 10 Vol.-% und nicht mehr als 70 Vol.-% Sauerstoff enthält. Unter Anwendung dieses Prozesses wird an den Seitenwänden der schwebenden Gate-Elektrode kein Nitridfilm ausgebildet, während außerdem erreicht wird, daß die aktiven Gebiete eine ausreichende Menge Stickstoff enthalten.

In der obenbeschriebenen Erfindung sind die obigen Störstellen vorzugsweise Arsen. Unter Anwendung dieses Prozesses wird wegen der großen Atommasse des Arsens leicht erreicht, daß es durch Injektion in das Siliciumsubstrat eintritt.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine erläuternde Ansicht eines ersten Schritts eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 einen Graphen der Beziehung zwischen der Tiefe von der Substratoberfläche und den Konzentrationen von Stickstoff und Arsen gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine erläuternde Ansicht des zweiten Schritts des Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 eine erläuternde Ansicht des dritten Schritts des Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 eine erläuternde Ansicht des vierten Schritts des Verfahrens zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 die bereits erwähnte erläuternde Ansicht des Zustands nach einer Störstelleninjektion in einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung;
Fig. 7 die bereits erwähnte erläuternde Ansicht des Zustands nach Ausbildung eines TEOS-Films in dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung;
Fig. 8 die bereits erwähnte erläuternde Ansicht des Zustands nach einer Wärmebehandlung in dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung;
Fig. 9 die bereits erwähnte erste erläuternde Ansicht des Falls, in dem in einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung ein Lampen-Tempern in einem Stickstoffstrom angewendet wird; und
Fig. 10 die bereits erwähnte zweite erläuternde Ansicht des Falls, in dem in dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung ein Lampen-Tempern in einem Stickstoffstrom angewendet wird.

Erste Ausführungsform

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die Verfahrensschritte bis zu der in Fig. 6 gezeigten Struktur sind die gleichen wie in der Einleitung. Anstatt ein Lampen-Tempern in einem Stickstoffstrom auszuführen, wird hier aber ein Lampen-Tempern in einem Strom aus einem ersten Gasgemisch, das Sauerstoff und Stickstoff enthält, ausgeführt. Der Sauerstoffgehalt in dem ersten Gasgemisch darf nicht weniger als 10 Vol.-% und nicht mehr als 70 Vol.-% betragen.
Wenn das obenbeschriebene Lampen-Tempern wie in Fig. 1 ausgeführt wird, tritt Stickstoff in die aktiven Gebiete ein, so daß die Nitridgebiete 12 ausgebildet werden, die von der Oberfläche ins Innere des Substrats diffundieren. Das Lampen- Tempern muß in dem Zustand ausgeführt werden, in dem die Nitridgebiete 12 getrennt sind, so daß sie die Source-Schicht 7 und die Drain-Schichten 6 vollständig enthalten. Bei graphischer Darstellung der Konzentrationsverteilungen in Tiefenrichtung des Arsens As, d. h. der Störstellen in der Source- Schicht 7 und der Stickstoffatome N in einem Abschnitt, der durch das Lampen-Tempern mit dem Stickstoff reagiert hat, wird im Ergebnis der in Fig. 2 gezeigte Graph erhalten. Aus Fig. 2 geht hervor, daß an einer Stelle, an der im Siliciumsubstrat 1 Arsen enthalten ist, immer auch Stickstoff enthalten ist.
Falls das Lampen-Tempern auf die obenbeschriebene Weise in dem ersten Gasgemisch ausgeführt wird, werden wie in Fig. 1 gezeigt an den Seitenwänden der schwebenden Gate-Elektroden 4 keine Nitridfilme 13 ausgebildet. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird anschließend mittels eines CVD-Verfahrens oder dergleichen ein TEOS-Film 9 in der Weise ausgebildet, daß er die Oberseite des Substrats bedeckt. Außerdem werden durch Ausführen einer Wärmebehandlung in der zweiten Gasgemischumgebung, die Sauerstoff enthält, die Seitenwände der schwebenden Gate-Elektroden 4, wie in Fig. 4 gezeigt ist, thermisch oxidiert, so daß die Oxidfilme 10 in der Weise ausgebildet werden, daß sie die Seitenwände der schwebenden Gate-Elektroden 4 bedecken. Daraufhin wird durch Ätzen des TEOS-Films 9 die Halbleitervorrichtung mit der in Fig. 5 gezeigten Struktur erhalten.
Nach Injektion des Arsens in die Source-Schicht 7 wird anstelle des Lampen-Temperns in dem Stickstoffstrom das Lampen- Tempern in dem Strom des ersten Gasgemischs, das Sauerstoff und Stickstoff enthält, ausgeführt, so daß an den Seitenwänden der schwebenden Gate-Elektroden 4 (nicht gezeigte) dünne Oxidfilme ausgebildet werden, die die Ausbildung der Nitridfilme 13 verhindern. Im Ergebnis kann das Siliciumsubstrat 1 Stickstoff enthalten, ohne daß die Nitridfilme 13 ausgebildet werden, was in den Fig. 9 und 10 zum Problem geworden war. Da an den Seitenwänden der schwebenden Gate-Elektroden 4 keine Nitridfilme 13 ausgebildet sind, können außerdem beim Ausführen einer Wärmebehandlung in dem Zustand der Umhüllung mit dem TEOS-Film 9 in dem nachfolgenden Schritt die Oxidfilme 10 an den Seitenwänden der schwebenden Gate-Elektroden 4 auf normale Weise ausgebildet werden.
Im Ergebnis kann eine Halbleitervorrichtung hergestellt werden, in der verhindert werden kann, daß sich Elektronen aus den schwebenden Gate-Elektroden verflüchtigen, während außerdem mittels des in dem Siliciumsubstrat erzeugten Nitrids das Auftreten von Kristallbaufehlern verhindert wird.
Das Lampen-Tempern in dem ersten Gasgemisch wird dabei etwa mehrere 10 Sekunden lang bei einer Temperatur von (1000 ± mehreren hundert) °C ausgeführt. Beispielsweise wird es 30 Sekunden lang bei 1100°C ausgeführt, um die Wirkungen zu erzielen.
Wie erwähnt beträgt der Sauerstoffgehalt in dem ersten Gasgemisch vorzugsweise nicht weniger als 10 Vol.-% und nicht mehr als 70 Vol.-%, da, falls der Sauerstoffgehalt weniger als 10 Vol.-% beträgt, keine ausreichend dicken Oxidfilme erhalten werden können, die die Ausbildung von Nitridfilmen verhindern. Falls der Sauerstoffgehalt mehr als 70 Vol.-% beträgt, kann das Siliciumsubstrat wegen der zu kleinen Stickstoffmenge nicht genügend Stickstoff aufnehmen. Dementsprechend beträgt der Sauerstoffgehalt vorzugsweise nicht weniger als 10 Vol.-% und nicht mehr als 70 Vol.-%.

Zweite Ausführungsform

Anhand von Fig. 5 wird eine Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Bei dieser Halbleitervorrichtung sind die Oxidfilme 10 an den Seitenwänden der schwebenden Gates 4 in der Weise ausgebildet, daß sie die Seitenwände in dem Grad bedecken, daß sich keine Elektronen verflüchtigen können. Diese Halbleitervorrichtung besitzt hier Störstelleninjektionsgebiete, die als Störstellen Arsen enthalten, das von den aktiven Gebieten des Siliciumsubstrats 1 als Halbleitersubstrat ins Innere des Substrats injiziert wird, wobei diese Störstelleninjektionsgebiete stets Stickstoff enthalten.
In einer solchen Struktur kann eine Halbleitervorrichtung erhalten werden, in der Kristallbaufehler verhindert werden, und in der außerdem verhindert wird, daß sich Elektronen von den schwebenden Gate-Elektroden verflüchtigen. Außerdem kann eine Halbleitervorrichtung mit einer solchen Struktur leicht unter Anwendung des in der ersten Ausführungsform beschriebenen Prozesses hergestellt werden.
Obgleich in jeder der obenbeschriebenen Ausführungsformen als Störstellen Arsen verwendet wird, können dabei als Störstellen anstelle des Arsens Bor oder Phosphor verwendet werden. Allerdings wird die Verwendung von Arsen bevorzugt, da es wegen seiner großen Atommasse leicht dazu gebracht werden kann, durch Injektion in das Siliciumsubstrat einzudringen.
Wegen des Lampen-Temperschritts des Ausführens einer Wärmebehandlung in der ersten Gasgemischumgebung, die Stickstoff und Sauerstoff enthält, können die aktiven Gebiete gemäß der Erfindung Stickstoff aufnehmen, ohne daß an den Seitenwänden der schwebenden Gate-Elektroden Nitridfilme ausgebildet werden. Dementsprechend können in dem Oxidfilm-Ausbildungsschritt an den Seitenwänden der schwebenden Gate-Elektroden auf normale Weise Oxidfilme ausgebildet werden, so daß eine Halbleitervorrichtung hergestellt werden kann, in der verhindert wird, daß sich Elektronen verflüchtigen.
Obgleich die Erfindung ausführlich beschrieben und gezeigt worden ist, dient dies selbstverständlich lediglich als Erläuterung und als Beispiel und soll nicht als Beschränkung verstanden werden, wobei der Erfindungsgedanke und der Umfang der Erfindung lediglich durch die beiliegenden Ansprüche beschränkt ist.

Claims

1. Halbleitervorrichtung, mit:
einem Halbleitersubstrat (1);
einer schwebenden Gate-Elektrode (4), die mit einem dazwischenliegenden Oxidfilm (2) über dem Halbleitersubstrat (1) ausgebildet ist; und
aktiven Gebieten, wobei die Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) von oben gesehen an den Stellen, die an die beiden Seiten der schwebenden Gate-Elektrode (4) angrenzen, freiliegt, wobei
das Halbleitersubstrat (1) Störstelleninjektionsgebiete (6, 7) enthält, wobei Störstellen aus den aktiven Gebieten ins Innere des Substrats (1) injiziert worden sind,
die Störstelleninjektionsgebiete (6, 7) über den gesamten Gebieten Stickstoff enthalten, und
die schwebende Gate-Elektrode (4) Seitenwände enthält, wobei ein Oxidfilm ausgebildet ist, der die Seitenwände bedeckt, so daß sich keine Elektronen über die Seitenwände verflüchtigen können.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen Arsen umfassen.

3. Verfahren für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung, (1), in der über einem Halbleitersubstrat (1) mit einem dazwischenliegenden Oxidfilm eine schwebenden Gate-Elektrode (4) mit Seitenwänden ausgebildet ist, und in der an Stellen, die von oben gesehen an die beiden Seiten der schwebenden Gate-Elektrode (4) angrenzen, aktive Gebiete angeordnet sind, in denen die Oberfläche des Halbleitersubstrats (1) freiliegt, und in der in die aktiven Gebiete Störstellen injiziert worden sind, wobei das Verfahren in Anwendung auf das Halbleitersubstrat (1) folgende Schritte umfaßt:
einen Lampen-Temperschritt, in dem eine Wärmebehandlung in einer ersten Gasgemischumgebung, die Stickstoff und Sauerstoff enthält, ausgeführt wird; und
nach dem Lampen-Temperschritt einen Oxidfilm-Ausbildungsschritt, in dem eine Wärmebehandlung in einer zweiten Gasgemischumgebung, die Sauerstoff enthält, ausgeführt wird, um an den Seitenwänden einen Oxidfilm auszubilden.

4. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als erstes Gasgemisch ein Gasgemisch verwendet wird, das nicht weniger als 10 Vol.-% und nicht mehr als 70 Vol.-% Sauerstoff enthält.

5. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen Arsen umfassen.