DE19832271A1

DE19832271A1 - Halbleitervorrichtung und Herstellungsverfahren derselben

Info

Publication number: DE19832271A1
Application number: DE19832271A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Umeda; Tamotsu Ogata; Hiroshi Kurokawa; Hiroaki Tamura
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-01-14
Filing date: 1998-07-17
Publication date: 1999-07-15
Also published as: KR19990066868A; JPH11204787A; TW393778B; KR100278459B1; US6215146B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervor richtung und auf ein Herstellungsverfahren derselben.

Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Halbleitervorrichtung und auf ein Herstellungsverfahren dersel ben, bei denen eine nitrierte Oxidschicht als eine Gateisolier schicht verwendet wird.

Die Nachfrage nach Halbleitervorrichtungen hat sich rapide zu sammen mit der merklichen Verbreitung von Informationsausrüstung wie Computern erhöht. Bezüglich der Funktion werden Vorrichtun gen nachgefragt, die eine große Speicherkapazität aufweisen und zu einem Betrieb bei hoher Geschwindigkeit in der Lage sind. Dementsprechend sind technische Anstrengungen gemacht worden, um einen höheren Integrationsgrad, eine höhere Antwortgeschwindig keit und eine höhere Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtungen zu realisieren.

Ein DRAM (Dynamischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff) ist all gemein als eine der Halbleitervorrichtungen bekannt, die eine wahlfreie Eingabe/Ausgabe von Speicherinformation erlaubt. Der DRAM enthält ein Speicherzellenfeld als einen Speicherbereich, der eine Anzahl von Speicherinformationsstücken speichert, und eine periphere Schaltungsanordnung, die für die externe Einga be/Ausgabe notwendig ist.

Das Speicherzellenfeld wird durch eine Mehrzahl von Speicherzel len, die jeweils eine Einheitsspeicherinformation speichern, ge bildet, die in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sind. Die Speicherzelle weist im allgemeinen einen MOS- Transistor auf.

Fig. 45 ist ein Querschnitt eines MOS-Transistors, der in einem herkömmlichen DRAM verwendet wird. Unter Bezugnahme auf Fig. 45, n-Typ Source/Drain-Bereiche 202a und 202b sind in einem p-Typ Siliziumsubstrat 201 ausgebildet. Ein Bereich zwischen den Sour ce/Drain-Bereichen 202a und 202b ist ein p-Typ Kanalbereich 201a. Eine Gateelektrode 204 ist auf dem Kanalbereich 201a mit einer Gateisolierschicht 203, die aus Siliziumoxid ausgebildet ist, dazwischen ausgebildet.

Wenn der MOS-Transistor, der auf diese Weise strukturiert ist, betrieben wird, wird eine Spannung an seine Gateelektrode 204 angelegt. Dann wird der Kanalbereich 201a in den n-Typ inver tiert, und daher fließt ein Strom zwischen den Source/Drain- Bereichen 202a und 202b.

Wenn die Größe des MOS-Transistors reduziert wird, wird die Dicke der Gateisolierschicht 203 reduziert, und der Abstand zwi schen den Source/Drain-Bereichen 202a und 202b wird ebenfalls reduziert. Selbst in diesem Fall unterscheiden sich die Span nung, die an die Gateelektrode 204 angelegt wird, und die Span nung, die an die Source/Drain-Bereiche 202a und 202b angelegt wird, nicht viel von denjenigen, die herkömmlich benutzt werden. Darum wird, wenn er miniaturisiert ist, das elektrische Feld in der longitudinalen Richtung des Kanals 201a (longitudinale Rich tung in Fig. 45) höher. Dieses erniedrigt die effektive Mobili tät bzw. Beweglichkeit µ_eff der Elektronen in dem Kanalbereich 201a, was die Treibbarkeit bzw. Ansteuerbarkeit des Transistors vermindert.

Desweiteren werden, da das elektrische Feld in der lateralen Richtung des Kanalbereichs 201a (Richtung von dem Source/Drain- Bereich 202a zu dem Source/Drain-Bereich 202b) höher wird, La dungsträger (Elektronen) beschleunigt, was das Eintreten von La dungsträgern in die Gateisolierschicht 203 fördert. Dieses macht die Heiße-Ladungsträger-Lebensdauer des Transistors unerwünsch ter Weise kürzer.

Desweiteren, da die Gateisolierschicht 203 dünner gemacht ist, wird auch das elektrische Feld in der Gateisolierschicht 203 hö her. Dementsprechend wird die Isolierung der Gateisolierschicht vermindert, was in einer scharfen Erniedrigung der dielektri schen Durchbruchslebensdauer T_bd gegen TDDB (Time Dependent Di electric Breakdown = zeitabhängiger dielektrischer Durchbruch) des Transistors resultiert.

Um diese Probleme zu lösen, ist ein Transistor, der ein silizi umnitriertes Oxid bzw. ein nitriertes Siliziumoxid als die Ga teisolierschicht verwendet, in der Japanischen Patentveröffent lichung Nr. 7-28041 vorgeschlagen worden. Fig. 46 ist ein Quer schnitt des Transistors, der ein nitriertes Siliziumoxid als die Gateisolierschicht verwendet. In dem Transistor, der in Fig. 45 gezeigt ist, wurde Siliziumoxid für die Gateisolierschicht ver wendet, während in dem Transistor, der in Fig. 46 gezeigt ist, nitriertes Siliziumoxid 103 als die Gateisolierschicht verwendet wird.

Anders als dieser Punkt ist eine Elementtrenn-Isolierschicht 104 auf einem Siliziumsubstrat 101 ausgebildet, und eine Zwischen schicht-Isolierschicht 107 ist auf der Elementtrenn- Isolierschicht 104 ausgebildet. Source/Drain-Bereiche 106 sind an der Oberfläche des Siliziumsubstrates ausgebildet, und eine Gateelektrode 105 ist mit dazwischen gesetztem nitriertem Sili ziumoxid 103 auf der Oberfläche des Siliziumsubstrates 101 aus gebildet. Eine Zwischenschicht-Isolierschicht 107 ist zum Be decken der Gateelektrode 105 ausgebildet, und eine Aluminiumelek trode 108, die die Source/Drain-Bereiche 106 erreicht, ist auf der Zwischenschicht-Isolierschicht 107 ausgebildet.

Bei der Halbleitervorrichtung, die wie oben beschrieben struktu riert ist, ist die effektive Beweglichkeit µ_eff der Elektronen verbessert. Jedoch sind die Probleme der verminderten Heiße- Ladungsträger-Lebensdauer und der dielektrischen Durchbruchsle bensdauer nicht gelöst.

Die US 5 237 188 offenbart auch einen Transistor, der ein ni triertes Oxid als die Gateisolierschicht verwendet. Jedoch löst dieser Transistor die Probleme der verminderten Heiße- Ladungsträger-Lebensdauer und der dielektrischen Durchbruchsle bensdauer ebenfalls nicht.

Darum wurde die Erfindung zur Lösung der oben beschriebenen Pro bleme gemacht, und es eine Aufgabe der Erfindung, eine Halblei tervorrichtung, die eine hohe Zuverlässigkeit aufweist und zu einem Betrieb bei hoher Geschwindigkeit in der Lage ist, die überlegene Eigenschaften bezüglich der effektiven Beweglichkeit µ_eff, der Heiße-Ladungsträger-Lebensdauer und der dielektrischen Durchbruchslebensdauer aufweist, und ein Verfahren zu deren Her stellung anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 4 oder 5.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ange geben.

Die Erfinder haben verschiedene Experimente zur Verbesserung der effektiven Beweglichkeit, der Heiße-Ladungsträger-Lebensdauer und der dielektrischen Durchbruchslebensdauer gemacht und die folgende Schlußfolgerung erreicht.

(1) Um die effektive Beweglichkeit zu verbessern, ist es notwen dig, nitriertes Siliziumoxid (SiON) als die Gateisolierschicht anzupassen bzw. zu verwenden.
(2) Die Siliziumnitridoxidschicht wird durch Nitrieren von Sili ziumoxid ausgebildet, das durch thermische Oxidation gebildet ist. Die thermische Oxidation enthält eine trockene Oxidation unter Verwendung von trockenem Sauerstoff und eine nasse Oxi dation unter Verwendung von Dampf. Wenn die Oxidation bei der selben Temperatur ausgeführt wird, wird die längere dielektri sche Durchbruchslebensdauer durch Nitrieren des Siliziumoxids, das durch nasse Oxidation ausgebildet ist, erhalten.
(3) Um die dielektrische Durchbruchslebensdauer und die Heiße- Ladungsträger-Lebensdauer zu verbessern, muß bzw. sollte die Verteilung von Stickstoff in dem Siliziumnitridoxid und der Zustand der Bindung des Stickstoffes optimiert sein.

Basierend auf diesen Erkenntnissen enthält die Halbleitervor richtung ein Siliziumsubstrat, eine Siliziumnitridoxidschicht (nitrierte Siliziumoxidschicht), die auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet ist, und eine Gateelektrode, die auf der nitrierten Siliziumoxidschicht ausgebildet ist. Stickstoff ist nur in der Umgebung einer Grenzfläche zwischen dem Siliziumsubstrat und der nitrierten Siliziumoxidschicht verteilt. Nahe der Grenzfläche sind alle Stickstoffatome mit zwei Siliziumatomen und einem Sau erstoffatom verbunden. Diese Bindung wird dargestellt durch die folgende chemische Formel:

In einer solchen Halbleitervorrichtung ist die effektive Beweg lichkeit verbessert, da die nitrierte Siliziumoxidschicht als die Gateisolierschicht verwendet wird. Desweiteren sind, da die Verteilung des Stickstoffs und der Bindungszustand der Stick stoffatome optimiert sind, die dielektrische Durchbruchslebens dauer und die Heiße-Ladungsträger-Lebensdauer verbessert. Als ein Ergebnis kann eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt wer den, die eine sehr hohe Zuverlässigkeit aufweist und zum Betrieb bei hoher Geschwindigkeit in der Lage ist.

Eine andere Halbleitervorrichtung weist ein Siliziumsubstrat, eine Siliziumnitridoxidschicht (nitrierte Siliziumoxidschicht), die auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet ist, und eine Gateelek trode, die auf der nitrierten Siliziumoxidschicht ausgebildet ist, auf. Stickstoff ist nur in der Umgebung einer Grenzfläche zwischen dem Siliziumsubstrat und der nitrierten Siliziumoxid schicht verteilt. Ein Stickstoffatom, das mit drei Siliziumato men verbunden ist, existiert nur nahe der Grenzfläche, und es existiert bevorzugter Weise nur in einem Abschnitt, der sehr na he an der Grenzfläche ist, das heißt, in einem Abschnitt, in dem die nitrierte Siliziumoxidschicht nahe an der Grenzfläche ist. Die Bindung wird ausgedrückt durch die folgende chemische For mel:

In einer solchen Halbleitervorrichtung ist die effektive Beweg lichkeit verbessert, da die nitrierte Siliziumoxidschicht als die Gateisolierschicht verwendet wird. Desweiteren können, da die Verteilung des Stickstoffs und der Bindungszustand der Stickstoffatome optimiert sind, die dielektrische Durchbruchsle bensdauer und die Lebensdauer von heißen Ladungsträgern verbes sert werden. Als ein Ergebnis kann eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt werden, die eine hohe Zuverlässigkeit aufweist und zum Betrieb bei hoher Geschwindigkeit in der Lage ist.

Es ist zu bevorzugen, daß die Gateelektrode der Halbleitervor richtungen eine schwebende Gateelektrode (d. h., eine Gateelek trode, die nicht auf ein festes Potential gelegt ist) ist, und daß die Halbleitervorrichtungen weiter eine Steuergateelektrode aufweisen, die auf der schwebenden Gateelektrode mit einer da zwischen gesetzten dielektrischen Schicht ausgebildet ist. In diesem Fall kann eine nichtflüchtige Halbleiterspeichervorrich tung bereitgestellt werden, die eine hohe Zuverlässigkeit auf weist und zu einem Betrieb bei hoher Geschwindigkeit in der Lage ist.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung weist die Schritte des Ausbildens einer Siliziumoxidschicht auf einem Siliziumsubstrat, des Ausbildens einer nitrierten Siliziumoxid schicht durch Nitrieren der Siliziumoxidschicht, und des Ausbil dens einer Gateelektrode auf der Siliziumnitridoxidschicht auf. Der Schritt des Ausbildens der Siliziumoxidschicht enthält das Ausbilden einer Siliziumoxidschicht durch Oxidation in einer Dampfatmosphäre. Der Schritt des Ausbildens einer nitrierten Si liziumoxidschicht enthält den Schritt des Haltens der Silizium oxidschicht in einer Atmosphäre von Distickstoffoxid (N₂O) bei einer Temperatur von 800°C bis 900°C für mindestens 5 Minuten und höchstens 60 Minuten.

Entsprechend des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens für eine Halbleitervorrichtung wird eine nitrierte Siliziumoxid schicht als eine Gateisolierschicht, die die wirksame Beweglich keit verbessert, ausgebildet. Die nitrierte Siliziumoxidschicht wird durch Nitrieren einer Siliziumoxidschicht erhalten, die in einer Dampfatmosphäre ausgebildet worden ist, und daher kann die dielektrische Durchbruchslebensdauer verbessert werden. Deswei teren wird das Nitrieren durch Halten der Siliziumoxidschicht in einer Atmosphäre aus Distickstoffoxid bei einer Temperatur von 800°C bis 900°C für mindestens 5 Minuten und höchstens 60 Minu ten ausgeführt, der Stickstoff wird nur in der Umgebung der Grenzfläche verteilt, und jedes Stickstoffatom ist mit zwei Si liziumatomen und einem Sauerstoffatom verbunden. Darum sind die Verteilung und der Bindungszustand des Stickstoffs optimiert, so daß eine Gateisolierschicht ausgebildet werden kann, die eine verbesserte dielektrische Durchbruchslebensdauer und Lebensdauer von heißen Ladungsträgern sicherstellt. Als ein Ergebnis kann eine Halbleitervorrichtung hergestellt werden, die eine hohe Zu verlässigkeit aufweist und zum Betrieb bei hoher Geschwindigkeit in der Lage ist.

In dem Schritt des Ausbildens der nitrierten Siliziumoxidschicht ist die Temperatur auf mindestens 800°C eingestellt. Wenn die Temperatur niedriger als 800°C eingestellt wird, schreitet der Nitrierungsprozeß nicht ausreichend fort, was im Fehlschlagen der Ausbildung der nitrierten Siliziumoxidschicht resultiert. Die obere Grenze der Temperatur ist 900°C. Wenn die Temperatur 900°C überschreitet, wird das Stickstoffatom mit drei Siliziuma tomen verbunden.

Die Siliziumoxidschicht wird für 5 bis 60 Minuten in der Atmo sphäre aus Distickstoffoxid gehalten, da der Nitrierungsprozeß nicht ausreichend fortschreitet, falls die Zeit kürzer als 5 Mi nuten ist, und die Nitrierungsrate gesättigt ist, wenn die Zeit 60 Minuten überschreitet.

In dem Schritt der Ausbildung der nitrierten Siliziumoxidschicht ist es zu bevorzugen, daß eine nitrierte Siliziumoxidschicht, die eine Dicke von mindestens 1,16-mal derjenigen der Siliziu moxidschicht aufweist, ausgebildet wird.

Ein anderes Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrich tung enthält die Schritte des Ausbildens einer Siliziumoxid schicht auf einem Siliziumsubstrat, des Ausbildens einer Silizi umnitridoxidschicht durch Nitrieren der Siliziumoxidschicht, und des Ausbildens einer Gateelektrode auf der nitrierten Siliziu moxidschicht. Der Schritt des Ausbildens der Siliziumoxidschicht weist das Ausbilden einer Siliziumoxidschicht durch Oxidieren in einer Dampfatmosphäre auf. Der Schritt des Ausbildens der ni trierten Siliziumoxidschicht weist den Schritt des Haltens der Siliziumoxidschicht in einer Atmosphäre aus Stickstoffoxid (NO) bei einer Temperatur von 800°C bis 900°C für mindestens 5 Minu ten und höchstens 60 Minuten auf.

Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, das oben beschrieben worden ist, wird die nitrierte Siliziu moxidschicht als eine Gateisolierschicht ausgebildet, die die effektive Beweglichkeit verbessert. Die nitrierte Siliziumoxid schicht wird durch Nitrieren einer Siliziumoxidschicht erhalten, die in einer Dampfatmosphäre ausgebildet ist, und daher wird die dielektrische Durchbruchslebensdauer verbessert. Desweiteren wird das Nitrieren durch Halten der Siliziumoxidschicht in einer Atmosphäre aus Stickstoffoxid bei einer Temperatur von 800°C bis 900°C für mindestens 5 Minuten und höchstens 60 Minuten ausge führt, und daher wird Stickstoff nur in der Umgebung der Grenz fläche zwischen dem Siliziumsubstrat und der nitrierten Siliziu moxidschicht verteilt, und die Stickstoffatome, die jeweils mit drei Siliziumatomen verbunden sind, existieren nur in der Umge bung bzw. der Nachbarschaft der Grenzfläche. Darum sind die Ver teilung und der Bindungszustand des Stickstoffes optimiert, so daß die dielektrische Durchbruchslebensdauer und die Heiße- Ladungsträger-Lebensdauer verbessert sind. Als ein Ergebnis kann eine Halbleitervorrichtung angegeben worden, die eine hohe Zu verlässigkeit aufweist und zum Betrieb bei hoher Geschwindigkeit in der Lage ist.

In dem Schritt des Ausbildens der nitrierten Siliziumoxidschicht ist die Temperatur auf mindestens 800° einzustellen. Falls die Temperatur niedriger als 800° ist, kann der Nitrierungsprozeß nicht ausreichend fort schreiten, was in einem Fehlschlagen des Lieferns einer nitrierten Siliziumoxidschicht resultiert. Des weiteren ist die Temperatur auf höchstens 900°C einzustellen. Wenn die Temperatur 900°C überschreitet, würden überall in der nitrierten Siliziumoxidschicht Stickstoffatome jeweils mit drei Siliziumatomen verbunden sein.

Desweiteren sollte die Siliziumoxidschicht in der Stickstoffat mosphäre für mindestens 5 Minuten und höchstens 60 Minuten ge halten werden. Wenn die Zeit kürzer als 5 Minuten ist, schreitet der Nitrierungsprozeß nicht ausreichend fort, was in einem Fehl schlagen des Lieferns einer nitrierten Siliziumoxidschicht re sultieren würde. Wenn die Zeit 60 Minuten überschreitet, ist die Rate des Nitrierens gesättigt.

Desweiteren ist es in dem Schritt des Ausbildens der nitrierten Siliziumoxidschicht zu bevorzugen, daß die nitrierte Siliziu moxidschicht mit einer Dicke, die mindestens 1,16-mal diejenige der Siliziumoxidschicht ist, ausgebildet wird.

Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsfor men anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1-3 Querschnitte, die den ersten bis dritten Schritt des Herstellens der Halbleitervorrichtung in Übereinstimmung mit einer ersten Ausführungsform zeigen;

Fig. 4 u. 5 einen ersten und zweiten Schritt zum Messen der Beweglichkeit von Elektronen;

Fig. 6-10 Graphen, die die Beziehung zwischen der Gate spannung und der Beweglichkeit von Elektronen in Mustern 1 bis 5 im Vergleich mit einem Muster 6 zeigen;

Fig. 11 u. 12 einen ersten und zweiten Schritt zum Messen der Heiße-Ladungsträger-Lebensdauer;

Fig. 13-17 Graphen, die eine Beziehung zwischen der Drain spannung und der Heiße-Ladungsträger-Lebensdauer für Muster 1 bis 5 im Vergleich mit einem Muster 6 zeigen;

Fig. 18 einen Graph, der eine Beziehung zwischen der Heiße-Ladungsträger-Lebensdauer und der Flußrate von N₂O-Gas zeigt;

Fig. 19 u. 25 Darstellungen, die sich auf ein Verfahren zum Messen einer TDDB-Eigenschaft (TDDB = Time De pendent Dielectric Breakdown = zeitabhängiger dielektrischer Durchbruch) bei einer konstanten Spannung beziehen;

Fig. 20-24 Graphen, die eine Beziehung zwischen der Zeit des Durchbruchs und der summierten Fehlerrate von Mustern 1-5 im Vergleich mit einem Muster 6 zeigen;

Fig. 26-30 Graphen, die eine Beziehung zwischen der Zeit des Durchbruchs und einer summierten Fehlerrate von Mustern 1-5 in Vergleich mit einem Muster 6 unter der Bedingung einer negativen Vorspannung zeigen;

Fig. 31 eine Verteilung von Stickstoffatomen, Sauer stoffatomen und Siliziumatomen in einer nitrier ten Siliziumoxidschicht (A);

Fig. 32 ein Modell, in dem eine nitrierte Oxidschicht in einige Schichten unterteilt ist;

Fig. 32B ein Graph, der den Zustand der Bindung des Stickstoffs in der nitrierten Siliziumoxid schicht (A) zeigt;

Fig. 33 ein Graph, der Verteilungen von Stickstoffato men, Sauerstoffatomen und Siliziumatomen in ei ner nitrierten Oxidschicht (B) zum Vergleich zeigt;

Fig. 34 ein Graph, der den Zustand der Bindung des Stickstoffs in der nitrierten Oxidschicht (B) zum Vergleich zeigt;

Fig. 35 eine Darstellung, die sich auf ein Verfahren zur Messung eines elektrischen Feldes und einer Stromdichte der Gateisolierschicht bezieht;

Fig. 36 ein Graph, der eine Beziehung zwischen der Stromdichte und dem elektrischen Feld in der ni trierten Siliziumoxidschicht (A) zeigt;

Fig. 37 eine Querschnittsansicht, die eine Speicherzelle eines Flash-Speichers zeigt, der die nitrierte Siliziumoxidschicht, die entsprechend einer Aus führungsform der vorliegenden Erfindung herge stellt worden ist, als die Gateisolierschicht verwendet;

Fig. 38 einen Graph, der eine Beziehung zwischen der Stromdichte und dem elektrischen Feld in einer nitrierten Siliziumoxidschicht (C) und einer Si liziumoxidschicht im Vergleich miteinander zeigt;

Fig. 39 u. 40 einen ersten und zweiten Schritt des Verfahrens zur Messung einer Variation der Schwellspannung einer Speicherzelle in dem Flash-Speicher;

Fig. 41 einen Graph, der eine Beziehung zwischen einem Schichtparameter, einem Verhältnis des Anstiegs der Dicke und einer Variation in der Schwellspannung zeigt;

Fig. 42 einen Graph, der Verteilungen von Stickstoffato men, Sauerstoffatomen und Siliziumatomen in ei ner nitrierten Siliziumoxidschicht (J) zeigt;

Fig. 43 einen Graph, der den Zustand der Bindung des Stickstoffs in der nitrierten Siliziumoxid schicht (J) zeigt;

Fig. 44 einen Graph, der die Beziehung zwischen der Stromdichte und dem elektrischen Feld in der ni trierten Siliziumoxidschicht (J) zeigt;

Fig. 45 einen Querschnitt, der eine nitrierte Oxid schicht, die in einem herkömmlichen Transistor verwendet wird, zeigt; und

Fig. 46 einen Querschnitt, der eine verbesserte nitrier te Oxidschicht, die in dem herkömmlichen Transi stor verbessert wird, zeigt.

(Erste Ausführungsform) Herstellen eines Transistors

Unter Bezugnahme auf Fig. 1, eine Trenn-Isolierschicht 2 wurde auf einem p-Typ Siliziumsubstrat 1 durch ein LOCOS-Verfahren (LOCOS = Local Oxidation of Silicon = Lokale Oxidation von Sili zium) ausgebildet.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2, das Siliziumsubstrat 1 wurde in ei nen Ofen vom Stapeltyp gesetzt, der durch einen Heizer geheizt wird. Die Temperatur des Ofens wurde auf ungefähr 750°C gehal ten, die Volumenflußrate von Wasserstoff und Sauerstoff wurde auf das Verhältnis von 1 : 10 bis 2 : 1 eingestellt, und Wasserstoff und Sauerstoff wurden zur Erzeugung von Dampf zur Reaktion mit einander gebracht. In diesem Dampf wird die Oberfläche des Sili ziumsubstrates 1 zur Ausbildung einer Siliziumoxidschicht oxi diert (pyrogene Oxidation).

Danach wurde ein gemischtes Gas mit einem Verhältnis der Volu menflußrate von 5 : 95 aus Distickstoffoxid (N₂O) und Stickstoff (N₂) in den Ofen eingebracht, die Temperatur des Ofens wurde auf 800°C eingestellt, und dieser Zustand wurde für 20 Minuten ge halten, so daß die Siliziumoxidschicht zu einer nitrierten Oxid schicht 3 nitriert wurde.

Dotiertes Polysilizium wurde zum Bedecken der nitrierten Oxid schicht 3 abgeschieden, und das dotierte Polysilizium und die nitrierte Oxidschicht 3 wurden in eine vorbestimmte Gestalt ge mustert, wodurch eine Gateelektrode 4 und eine Gateisolier schicht 6, die die Dicke von 7,5 nm aufweist, ausgebildet wurden, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Durch Implantieren von Phosphor in das Siliziumsubstrat 1 wurden Source/Drain-Bereiche 5a und 5b ausgebildet.

Auf diese Weise wurden Feldeffekttransistoren des Musters 1 her gestellt.

Messung der effektiven Beweglichkeit µ_eff von Elektronen

Unter Bezugnahme auf Fig. 4, die Gatelänge L und die Gatebreite W des in den oben beschriebenen Schritten hergestellten Transi stors wurden beide auf 100 µm eingestellt. Das Siliziumsubstrat 1 wurde auf Massepotential gesetzt. Ein CV-Meter 7 zur Messung ei ner Kapazität wurde mit der Gateelektrode 4 und dem Sour ce/Drain-Bereich 5a verbunden. Die Source/Drain-Bereiche 5a und 5b wurden ebenfalls auf Massepotential gesetzt. In diesem Zu stand wurde eine Spannung, die an die Gateelektrode 4 angelegt war, von -0,5 V bis 5 V variiert, und die Kapazität C_gc zwischen der Gateelektrode 4 und dem Kanalbereich 1a wurde gemessen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5, nach der Vervollständigung der Mes sung der Kapazität C_cg wurde die Gateelektrode 4 mit einer va riablen Gatestromversorgung 8 verbunden und der Source/Drain- Bereich 5a und das Siliziumsubstrat 1 wurden auf das Massepoten tial gesetzt. Durch Verbinden des Source/Drain-Bereiches 5b mit einem Amperemeter 10 und einer Drainstromversorgung 9, die die Spannung von 0,05 V hat, wurde das Potential des Source/Drain- Bereiches 5b auf 0,05 V eingestellt.

In diesem Zustand wurde eine Spannung V_G, die an die Gateelek trode 4 angelegt ist, variiert, während ein Strom I_D, der zwi schen den Source/Drain-Bereichen 5a und 5b fließt, gemessen wur de. Die Ergebnisse wurden in die Gleichung unten gesetzt, und die Stromdichte Q_N (V_G) in dem Kanalbereich 1a wurde berechnet.

Danach wurden die Ergebnisse der Experimente, die oben beschrie ben worden sind, und der Wert Q_N (V_G) in der folgenden Gleichung ersetzt, und die effektive Beweglichkeit µ_eff der Elektronen in dem Kanalbereich 1a wurde berechnet.

µ_eff = (L/W).(1/Q_N(V_G)).(I_D/V_D) (4).

Desweiteren wurden Muster 2-6 von Feldeffekttransistoren, die verschiedene Gateisolierschichten aufweisen, hergestellt durch Einstellen des Verhältnisses der Volumenflußrate von N₂O und N₂ und der Temperatur zum Nitrieren, die variierend eingestellt wurden, wie unten gezeigt ist, in dem Schritt, der in Fig. 2 ge zeigt ist.

Tabelle 1

Die Beweglichkeit µ_eff der Elektronen in dem Kanalbereich 1a von jedem der Muster 2-6 wurde ebenfalls in Übereinstimmung mit dem Verfahren gemessen, daß in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6-10 ist zu erkennen, daß die Beweg lichkeit µ_eff von jedem der Muster 1-5 größer als diejenige des Musters 6 ist, bei 0 V ≦ V_G ≦ 5 V in Muster 1, 0 V ≦ V_G ≦ 5 V in Mu ster 2, 2,2 V ≦ V_G ≦ 5 V in Muster 3, 2,7 V ≦ V_G ≦ 5 V in Muster 4 und 17 V ≦ V_G ≦ 5 V in Muster 5. Darum kann, falls die Gatespan nung innerhalb eines solchen Bereiches eingestellt wird, ein Feldeffekttransistor als eine Halbleitervorrichtung, die zu ei nem Betrieb bei hoher Geschwindigkeit in der Lage ist, unter Verwendung der Muster 1-5 geliefert werden.

Messung der Heiße-Ladungsträger-Lebensdauer

Unter Bezugnahme auf Fig. 11, beim Messen der wirksamen Beweg lichkeit µ_eff von Elektronen wurden Transistoren mit der Gate länge L von 100 µm und der Gatebreite W von 100 µm hergestellt, während Feldeffekttransistoren in Mustern 1-6 mit einer Gatelän ge L von 0,5 µm und einer Gatebreite von 5 µm zur Messung der Heiße-Ladungsträger-Lebensdauer hergestellt wurden.

Das Siliziumsubstrat 1 und der Source/Drain-Bereich 5b wurden auf das Massepotential eingestellt. Der Source/Drain-Bereich 5a, das Amperemeter 10 und die Drainstromversorgung 9, die die Span nung 0,05 V hat, wurden angeschlossen. Auf diese Weise wurde das Potential des Source/Drain-Bereiches 5a auf 0,05 V eingestellt. Die Gateelektrode 4 wurde mit der variablen Gatestromversorgung 8 verbunden.

In diesem Zustand wurde die anfängliche Schwellspannung VTH₀ für die Transistoren der Muster 1-6 berechnet, wobei die an die Ga teelektrode 4 angelegte Spannung variiert wurde.

Unter Bezugnahme auf Fig. 12, das Siliziumsubstrat 1 wurde auf das Massepotential gesetzt, und das Amperemeter 10 wurde das Si liziumsubstrat 1 und die Massestromversorgung geschaltet. Der Source/Drain-Bereich 5a wurde auf das Massepotential gesetzt. Der Source/Drain-Bereich 5b, das Amperemeter 10 und die variable Drainstromversorgung 11 wurden angeschlossen. Die Gateelektrode 4 wurde mit der variablen Gatestromversorgung 8 verbunden.

Die Drainspannung V_D der variablen Drainstromversorgung 11 wurde auf 5,25 V eingestellt. Eine Spannung wird an die Gateelektrode 4 derart angelegt, daß der Wert eines Stromes I_sub, der durch das Amperemeter 10 fließt, ein Maximum erreicht. Der Zustand wurde für "a" Sekunden beibehalten, und eine elektrische Beanspruchung bzw. Belastung wurde auf die Gateisolierschicht 6 ausgeübt. Da nach wurde die Schwellspannung VTH erneut für die Transistoren der Muster 1-6 in der Anordnung, die in Fig. 11 gezeigt ist, be rechnet. Falls die Schwellspannung VTH um mehr als 10 mV gegen über der ursprünglichen Schwellspannung VTH₀ geändert wurde, dann wurde der Zeitraum von "a" Sekunden als die Heiße- Ladungsträger-Lebensdauer betrachtet. Falls die Schwellspannung VTH nicht um mehr als 10 mV gegenüber dem ursprünglichen Schwel lenwert VTH₀ geändert wurde, wurde die elektrische Beanspruchung erneut für a Sekunden an die Gateisolierschicht 6 durch das Ver fahren, das in Fig. 12 gezeigt ist, ausgeübt, und danach wurde die Schwellspannung VTH durch das Verfahren, das in Fig. 11 ge zeigt ist, gemessen.

Durch Wiederholen dieser Schritte wurde die Zeit, bis sich die Schwellspannung VTH nach dem Ausüben der elektrischen Beanspru chung um mehr als 10 mV gegenüber der ursprünglichen Schwellspannung VTH₀ geändert hatte, gemessen, und der Zeitraum wurde als die Heiße-Ladungsträger-Lebensdauer, d. h. die Lebens dauer der Vorrichtung bei Auftreten von heißen Ladungsträgern, betrachtet. Eine solche Messung wurde mit einer Drainspannung V_D von 5,25 V, 5,00 V, 4,75 V bzw. 4,50 V ausgeführt.

Aus den Fig. 13-17 ist zu bemerken, daß die Heiße-Ladungsträger- Lebensdauer der Transistoren (Muster 1-5), das heißt die Lebens dauer der Transistoren bei Auftreten von heißen Ladungsträgern, die entsprechend der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, vergleichbar zu oder bis zu höchstens 5mal größer als die Heiße-Ladungsträger-Lebensdauer des Transistors (Muster 6) war, der eine herkömmliche thermische Oxidschicht als die Gateisolierschicht verwendet. Darum kann, wenn die Gateiso lierschicht, die entsprechend der Ausführungsform der vorliegen den Erfindung hergestellt wurde, verwendet wird, die Lebensdauer des Feldeffekttransistors als eine Halbleitervorrichtung um bis zu bzw. höchstens 5-mal länger gemacht werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 18 kann verstanden werden, daß, je größer das Verhältnis der Flußrate des N₂O-Gases ist, desto län ger die Lebensdauer T ist. Desweiteren ist zu bemerken, daß die Heiße-Ladungsträger-Lebensdauer T des Musters 5, in dem die Ga teisolierschicht bei einer hohen Temperatur (900°C) hergestellt wurde, die längste Lebensdauer ist.

Messung der TDDB-Eigenschaft (TDDB = Time Dependent Dielectric Breakdown = zeitabhängiger dielektrischer Durchbruch) unter der Bedingung positiver Vorspannung

Unter Bezugnahme auf Fig. 19, die Transistoren des Musters 1 wurden hergestellt. Das Siliziumsubstrat 1 und die Source/Drain- Bereiche 5a und 5b wurden auf das Massepotential gesetzt. Die Gateelektrode 4, das Amperemeter 10 und die variable Gatestrom versorgung 8 wurden angeschlossen. Die einander gegenüberliegen de Fläche S zwischen dem Kanalbereich 1a und der Gateelektrode 4 wurde auf 0,1 mm² eingestellt. In diesem Zustand wurde eine Gate spannung V_G, die ein elektrisches Feld E_OX, das an die Gateiso lierschicht 6 angelegt wird, von +13 MV/cm liefern würde, ent sprechend der folgenden Gleichung berechnet, und die Gatespan nung V_G wurde an die Gateelektrode 4 angelegt.

V_G = VFB + 2ΦF + T_OXE_OX (A)

VFB: Flachbandspannung
ΦF: Fermi-Potential
T_OX: Dicke der Gateisolierschicht 6
E_OX = +13 MV/cm.

Die Zeit des Anlegens der Gatespannung V₀ an die Gateelektrode 4 und der Strom I_G, der durch das Amperemeter 10 fließt, wurden ge messen. Dabei steigt, wenn der dielektrische Durchbruch der Ga teisolierschicht 6 auftritt, der Leckstrom an und der Strom I_G steigt abrupt an.

Die Zeit von direkt nach dem Anlegen der Spannung V_G an die Ga teisolierschicht 6 bis zu dem abrupten Anstieg des Stromes I_G in 97 Transistoren des Musters 1 wurde als die Durchbruchszeit (t₁, t₂, . . ., t₉₇) gemessen. Die Transistoren der Muster 2-6 wurden hergestellt und vergleichbare Messungen wurden ausgeführt.

Dabei stellt die "summierte Fehlerrate" das Verhältnis der Mu ster dar, die aus den 97 Mustern zu einem gewissen Durchbruchs zeitpunkt einem dielektrischen Durchbruch unterworfen waren. Aus den Fig. 20-24 ist zu bemerken, daß die summierte Fehlerrate bei Muster 5 leicht erhöht ist. Jedoch unterdrücken die Transistoren der Muster 1-4 entsprechend den Ausführungsformen der vorliegen den Erfindung den dielektrischen Durchbruch in demselben Ausmaß oder einem höheren Ausmaß als herkömmliche Transistoren (Muster 6). Derart werden hochgradig zuverlässige Transistoren bereitge stellt.

Messung der TDDB-Eigenschaft (TDDB = Time Dependent Dielectric Breakdown = zeitabhängiger dielektrischer Durchbruch) unter der Bedingung negativer Vorspannung

Unter Bezugnahme auf Fig. 25, eine Trenn-Isolierschicht 2 und eine nitrierte Siliziumoxidschicht 14 wurden auf einem Silizium substrat 1 ausgebildet, und eine Gateelektrode 15 wurde darauf ausgebildet. Transistoren der Muster 1-6 wurden auf diese Weise hergestellt. Das Siliziumsubstrat 1 wurde auf das Massepotential gesetzt, und die Gateelektrode 15, das Amperemeter 10 und die va riable Gatestromversorgung 8 wurden angeschlossen.

In diesem Zustand wurde eine Gatespannung V_G, die, angelegt an die Gateelektrode 15, ein elektrisches Feld E_OX von -12 MV/cm, das an die Gateisolierschicht 14 wird, liefert, in Übereinstim mung mit der obigen Gleichung (A) berechnet. Die Zeit des Anle gens von V_G an die Gateelektrode 15 und der Strom I_G, der durch das Amperemeter 10 fließt, wurden gemessen. Dabei steigt, wenn der dielektrische Durchbruch der Gateisolierschicht 14 auftritt, der Leckstrom an und der Strom I_G steigt abrupt an. Die Zeit von direkt nach dem Anlegen der Spannung V_G an die Gateelektrode 15 bis zu dem abrupten Anstieg des Stromes I_G wurde für 97 Muster als Durchbruchszeit (t₁, t₂, . . ., t₉₇) gemessen.

Aus den Fig. 26-30 ist zu bemerken, daß die Durchbruchszeit der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung (Muster 1-5) länger als diejenigen des herkömmlichen Transistors (Muster 6) ist. Darum kann, wenn die Gateisolierschicht entsprechend der Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, der di elektrische Durchbruch unterdrückt werden und ein hochgradig zu verlässiger Transistor kann geliefert werden.

(Zweite Ausführungsform) Ausbildung der nitrierten Siliziumoxidschicht

In einer ähnlichen bzw. identischen Weise wie bei der ersten Ausführungsform wurde eine Siliziumoxidschicht, die die Dicke von 80 µm aufweist, auf einem Siliziumsubstrat durch pyrogene Oxidation ausgebildet.

Danach wurde in einem Stapelofen vom Heizertyp die Flußrate des N₂O-Gases auf 4 slm (Standardliter pro Minute) eingestellt, und das Siliziumsubstrat wurde in einer Atmosphäre bei einer Tempe ratur von 90° für 30 Minuten belassen, wodurch eine Silizium oxidschicht nitriert wurde. Auf diese Weise wurde eine nitrier te Siliziumoxidschicht (A) mit der Dicke von 100 × 10^-10 m aus gebildet.

SIMS-Analyse (SIMS = Sekundäre Ionenmassenspektroskopie)

Das Prinzip von SIMS wird kurz beschrieben. Wenn eine Oberfläche eines Festkörpers mit einem Ionenstrahl bestrahlt wird, kolli diert der Ionenstrahl mit Atomen an der Oberfläche des Festkör pers, und ein Teil der Atome geht aus dem Festkörper. Dieses Phänomen wird als Sputtern bezeichnet, und ein Teil der Atome, die durch das Sputtern herauskommen, werden als Ionen (Sekundärionen) emittiert. Durch Analysieren der Sekundärionen maske, ist es möglich, die Elemente des Festkörpers zu analysie ren. Durch Fortsetzen des Sputterns ist es möglich, die Vertei lung der Elemente in der Tiefenrichtung des Festkörpers zu er fahren. Das Muster 7 wurde durch SIMS analysiert.

Unter Bezugnahme auf Fig. 31, eine Grenzfläche zwischen dem Si liziumsubstrat und der nitrierten Siliziumoxidschicht entspricht der Sputterzeit von ungefähr 130 Sekunden, ein Abschnitt, der einer Sputterzeit entspricht, die 130 Sekunden überschreitet, stellt die Zusammensetzung des Siliziumsubstrates dar, und ein Abschnitt, der einer Sputterzeit von weniger als 130 Sekunden entspricht, stellt die Zusammensetzung der nitrierten Silizium oxidschicht dar. Es ist zu verstehen, daß die Stickstoffkonzen trationsverteilung nur nahe der Grenzfläche zwischen dem Silizi umsubstrat und der nitrierten Siliziumoxidschicht existiert. Desweiteren hat die Stickstoffkonzentration ihren Maximalwert nur in der Umgebung der Grenzfläche zwischen dem Silizium substrat und der nitrierten Siliziumoxidschicht.

XPS-Analyse (XPS = X-ray Photoelectron Spectroscopy = Röntgen strahlen-Photoelektronen-Spektroskopie)

Das Prinzip von XPS wird kurz beschrieben. Wenn eine Oberfläche eines Festkörpers mit Röntgenstrahlen bestrahlt wird, erhalten Elektronen auf inneren Schalen Energie aus den Röntgenstrahlen durch den photoelektrischen Effekt und gehen aus dem Festkörper bzw. verlassen den Festkörper. Das Elektron wird als ein Photo elektron bezeichnet, und die kinetische Energie Ek des Photo elektrons entspricht einer Differenz zwischen der Energie Ex des Röntgenstrahls, mit dem bestrahlt wurde, und der Bindungsenergie des Elektrons, und sie wird daher durch Ek = Ex - Eb darge stellt. Ex ist bekannt, und daher kann, wenn Ek durch eine Ener giespektroskopie gemessen wird, die Bindungsenergie Eb der Elek tronen durch Eb = Ex - Ek gefunden werden. Das Niveau der inne ren Schale der Elektronen kann basierend auf der Bindungsenergie gefunden wurden, und da das Niveau der inneren Schale sich auf den Zustand der chemischen Bindung bezieht, kann der Zustand der Bindung ausgewertet bzw. erfahren werden.

Eine tatsächliche XPS-Analyse wurde unter Verwendung eines win kelaufgelösten XPS-Verfahrens durchgeführt.

Bis Photoelektronen, die in dem Festkörper erzeugt werden, in das Vakuum austreten, wird ein Teil der Photoelektronen durch Festkörperatome gestreut und verliert Energie. Verglichen mit Photoelektronen, die in einem flachen (nahe an der Oberfläche gelegenen) Abschnitt erzeugt werden, laufen Photoelektronen, die in einem tieferen Abschnitt erzeugt werden, über einen größeren Abstand (längere Weglänge) in dem Festkörper, und daher ist die Möglichkeit, daß solche Photoelektronen in das Vakuum austreten (Möglichkeit des Entkommens) kleiner. Ein Abstand von der Ober fläche, in dem die Möglichkeit des Entkommens gleich 1/e ist, wird als mittlere freie Weglänge bezeichnet, während die Mög lichkeit des Entkommens an der äußersten Oberfläche gleich 1 ist. Wenn der Detektionswinkel eines Photoelektrons flacher ge macht wird, wird der Weg des Durchgangs durch den Festkörper, bis das Photoelektron in das Vakuum austritt, länger, selbst falls das Photoelektron in derselben Tiefe erzeugt wird. Genauer gesagt, der Betrag der Signale von dem flacheren Bereich erhöht sich relativ, und daher kann die effektive mittlere freie Weglänge kürzer gemacht werden. Auf diese Weise kann durch Än dern des Detektionswinkels die Tiefe der Signalerzeugung geän dert werden, und daher kann eine Information in der Tiefenrich tung erhalten werden. Selbst wenn der Detektionswinkel erhöht wird, um ihn tiefer zu machen, werden jedoch Signale aus flache ren Abschnitten, die diesen überlagert sind, detektiert. Dement sprechend wird, um die Signale in eine Konzentrationsverteilung in der Tiefenrichtung umzuwandeln, ein Modell benutzt, in dem eine Schicht in Schichten definierter Dicken unterteilt ist, und eine Analyse wird unter Verwendung von Simulation und Kurvenan passung (Fitting) ausgeführt.

Wenn die Schichten als erste, zweite, . . ., n-te Schicht begin nend an der Oberfläche, bezeichnet werden, dann werden Photo elektronen, die in der j-ten Schicht erzeugt werden, sukzessive durch j-1 Schichten gedämpft und treten in das Vakuum aus. Die Summe dieser Photoelektronen, die von der ersten bis n-ten Schicht erzeugt werden, stellen die Gesamtmenge der tatsächlich detektierten Photoelektronen dar. Wenn die Konzentration von N (Stickstoff) in der j-ten Schichten durch N(j) dargestellt wird, dann ist der Gesamtbetrag R der Intensitäten der Photo elektronen, die von N-Atomen (Stickstoffatomen) erzeugt werden, eine Funktion von N(j). Wenn R gemessen wird, wobei der Wert θ geändert wird, ist nur N(j) eine unbekannte Zahl. Jedoch ist es schwierig, diese Gleichung für N(j) zu lösen. Darum wird ein Wert N(j), für den der (N(j),θ)-Wert mit einem tatsächlich gemessenen Wert übereinstimmt, durch Kurvenanpassung (Fitting) unter Verwendung eines Computers gefunden. Der Wert N(j), der auf diese Weise gefunden wird, entspricht der N-Konzentrationsverteilung in der Tiefenrichtung.

Desweiteren wird das XPS-Spektrum von N1s (1s-Bahn der Stick stoffatome) in Spitzen von Si₃ ∼ N und Si₂ = N-0, die Tiefenver teilung wurde für jedes berechnet, durch winkelaufgelöste Spek troskopie unterteilt. Der Zustand der Bindung der Atome in der nitrierten Siliziumoxidschicht (A), die in der oben beschriebe nen Weise erhalten wurde, wurde durch solche XPS analysiert.

In Fig. 32B bezieht sich der "Abstand von der Grenzfläche" auf einen Abstand zwischen der Grenzfläche des Siliziumsubstrates und der nitrierten Siliziumoxidschicht zu einem inneren Ab schnitt der nitrierten Siliziumoxidschicht. Desweiteren bezieht sich die "Si₃ ∼ N-Konzentration" auf das Verhältnis der Stick stoffatome, die mit drei Siliziumatomen verbunden sind, bezüg lich aller Atome.

Die "Si₂ = N-O-Konzentration" bezieht sich auf das Verhältnis der Stickstoffatome, die mit zwei Siliziumatomen und einem Sau erstoffatom verbunden sind, bezüglich aller Atome. Die "Si₃ ∼ N- Konzentration" ist zehn-mal größer skaliert als die "Si₂ = N-O- Konzentration". Es kann aus Fig. 32B ersehen werden, daß in der Umgebung der Grenzfläche zwischen dem Siliziumsubstrat und der nitrierten Siliziumoxidschicht jedes Stickstoffatom mit zwei Si liziumatomen und einem Sauerstoffatom verbunden ist.

Herstellung und Analyse von Vergleichsmustern

Eine Siliziumoxidschicht wurde auf einem Siliziumsubstrat durch pyrogene Oxidation in ähnlicher Weise wie bei der ersten Ausfüh rungsform bei einer Temperatur von 750°C hergestellt. Die Sili ziumoxidschicht wurde für 2 Minuten durch Ammoniumgas bei einer Temperatur von 900°C nitriert, und derart wurde eine nitrierte Siliziumoxidschicht (B) ausgebildet.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 33 und 34, wenn mit Ammonium ni triert wird, wird die Menge des Stickstoffs in der nitrierten Siliziumoxidschicht gegenüber dem Fall, in dem mit N₂O nitriert wird, wie es in den Fig. 32 und 31 gezeigt ist, erhöht. Jedoch ist die Verteilung des Stickstoffes breiter, und der Stickstoff neigt dazu, an drei Siliziumatome gebunden zu sein bzw. mit die sen verbunden zu sein.

Messung der Ladungshalteeigenschaft

Unter Bezugnahme auf Fig. 35, in einem Bereich, der durch die Trenn-Oxidschicht 2, die an der Oberfläche des Siliziumsubstra tes 1 ausgebildet ist, umgeben ist, wurde eine Gateisolier schicht 21, die eine Dicke von 100 × 10^-10 m aufweist, die aus einer nitrierten Siliziumoxidschicht (A) ausgebildet ist, vorge sehen. Eine dotierte Polysiliziumschicht 20 wurde auf der Gatei solierschicht 21 ausgebildet und mit einer variablen Stromver sorgung 52 verbunden. Das Siliziumsubstrat 1 wurde auf das Mas sepotential gesetzt. Durch Ändern der Spannung der variablen Stromversorgung 52 wurde der Strom, der durch das Amperemeter 10 fließt, auf diese Weise gemessen.

Danach wurden Elektronen bei einer Stromdichte von 0,02 A/cm² für 50 Sekunden in die Gateisolierschicht 21 eingebracht, um ei ne elektrische Beanspruchung auf die Gateisolierschicht 21 aus zuüben.

Danach wurden verschiedene Spannungen durch die variable Strom versorgung 52 an die elektrisch beanspruchte Gateisolierschicht 21 angelegt, und der Strom, der durch das Amperemeter 10 fließt, wurde gemessen.

Desweiteren wurde die Gateisolierschicht 21 durch eine Siliziu moxidschicht, die eine Dicke von 100 × 10^-10 m aufweist, er setzt, und ähnliche bzw. vergleichbare Experimente wurden ausge führt.

In Fig. 36 stellt die Markierung "○" die Siliziumoxidschicht vor dem Anlegen der elektrischen Beanspruchung dar, "⚫" stellt die Siliziumoxidschicht nach dem Anlegen der elektrischen Bean spruchung dar, "◊" stellt die nitrierte Siliziumoxidschicht vor dem Anlegen der elektrischen Beanspruchung dar, und "∆" stellt die nitrierte Siliziumoxidschicht nach dem Anlegen der elektri schen Beanspruchung dar. Dasselbe gilt für die Fig. 38 und 44.

Aus Fig. 36 ist zu verstehen, daß die nitrierte Siliziumoxid schicht, die entsprechend der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, eine kleinere Stromdichte nach dem Anwenden der elektrischen Beanspruchung verglichen mit der Sili ziumoxidschicht erhält. Das bedeutet, daß die Schicht selbst nach dem Anlegen eines hohen elektrischen Feldes eine hohe Iso lierung aufweist, das heißt, sie weist eine verbesserte Ladungs halteeigenschaft auf.

In Fig. 37 ist eine Gateisolierschicht 21 aus einer nitrierten Siliziumoxidschicht (A) zwischen dem Siliziumsubstrat 1 und ei ner schwebenden Gateelektrode 20 (einer Gateelektrode, an der kein festes Potential anliegt) ausgebildet.

Bezüglich der anderen Struktur, eine Trenn-Isolierschicht 2 ist auf der Oberfläche des Siliziumsubstrates 1 ausgebildet, eine ONO-Schicht (eine gestapelte Schicht, die eine Siliziumoxid schicht, eine Siliziumnitridschicht und eine Siliziumoxidschicht enthält) 22, eine Steuergateelektrode 23 und eine Zwischen schicht-Isolierschicht 24 sind zum Bedecken der schwebenden Ga teelektrode 20 und der Trenn-Isolierschicht 2 ausgebildet.

In einer solchen Struktur lecken, da die Gateisolierschicht 2 eine hohe Ladungshalteeigenschaft aufweist, Ladungen, die einmal in der schwebenden Gateelektrode 2 gespeichert sind, nicht in das Siliziumsubstrat 1, und daher wird ein Flash-Speicher mit einer überlegenen Ladehalteeigenschaft erhalten. Desweiteren, wenn unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure geätzt wird, ist eine N-O-Bindung leichter zu trennen als eine N-Si-Bindung. Dar um erleichtert die vorliegende Erfindung das Ätzen verglichen mit einer nitrierten Oxidschicht, in der der Stickstoff an drei Siliziumatome gebunden ist.

(Dritte Ausführungsform) Ausbildung einer nitrierten Siliziumoxidschicht

Eine Siliziumoxidschicht, die eine Dicke von 86 × 10^-10 m auf weist, wurde auf einem Siliziumsubstrat durch pyrogene Oxidation in einer ähnlichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform aus gebildet.

Danach wurde die Siliziumoxidschicht in einem Stapelofen vom Heizertyp für 30 Minuten durch N₂O-Gas mit einer Flußrate von 4 slm bei einer Temperatur von 850°C nitriert, und derart wurde eine nitrierte Siliziumoxidschicht (C) ausgebildet. Die Dicke der nitrierten Siliziumoxidschicht (C) war 100 × 10^-10 m, was 1,16-mal diejenige der Siliziumoxidschicht war. Das Verhältnis des Anstiegs der Schichtdicke zu diesem Zeitpunkt wurde entspre chend der folgenden Gleichung berechnet:

A: Verhältnis des Anstiegs der Schichtdicke
B: Dicke der nitrierten Siliziumoxidschicht
C: Dicke der Siliziumoxidschicht
D: Dicke der Siliziumoxidschicht.

Das Verhältnis des Anstiegs der Schichtdicke der nitrierten Si liziumoxidschicht (C) war 14%.

Weiterhin wurde eine Siliziumoxidschicht mit der Dicke von 100 × 10^-10 m durch pyrogene Oxidation auf einem anderen Silizi umsubstrat ausgebildet.

Messung der Ladehalteeigenschaft

Das elektrische Feld und die Stromdichte der nitrierten Siliziu moxidschicht (C) mit der Dicke von 100 × 10^-10 m und der Silizi umoxidschicht mit der Dicke von 100 × 10^-10 m wurde durch das Verfahren, das in Fig. 35 gezeigt ist, gemessen. Die Markierun gen "○", "⚫", "◊", und "∆" aus Fig. 38 stellen dieselben gra phischen Darstellungen wie in Fig. 36 dar. Aus Fig. 38 ist zu ersehen, daß die nitrierte Siliziumoxidschicht, die entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hergestellt ist, selbst nach dem Anlegen der elektrischen Beanspruchung eine höhere Isolierung aufweist. Darum ist es, wenn die nitrierte Si liziumoxidschicht (C) als die Gateisolierschicht 21, die in Fig. 37 gezeigt ist, verwendet wird, möglich, einen Flash-Speicher, der eine hohe Ladehalteeigenschaft aufweist, bereitzustellen.

Messung der Variation in den Schwellspannungen

Entsprechend des oben beschriebenen Verfahrens wurden nitrierte Siliziumoxidschichten (D) bis (I), die als Muster 8-13 darge stellt sind, mit verschiedenen Verhältnissen des Anstiegs der Schichtdicke hergestellt (D: Verhältnis des Anstiegs der Schichtdicken 0%, E: 4%, F: 14%, G: 21%, H: 22%, I: 31%).

Unter Bezugnahme auf Fig. 39, die Gateisolierschicht 21 der ni trierten Siliziumoxidschicht (D) wurde auf dem Siliziumsubstrat 1 ausgebildet. Die schwebende Gateelektrode 20, die ONO-Schicht 22, die Steuergateelektrode 23 wurden auf der Gateisolierschicht 21 ausgebildet und ein Sourcebereich 30 und ein Drainbereich 31 wurden auf beiden Seiten der Gateisolierschicht 21 ausgebildet.

Auf diese Weise wurden 28 800 Speicherzellen von solchen Flash- Speichern ausgebildet und an einer Speicherzelle A derselben wurde +1 V an den Drainbereich 31 angelegt, das Siliziumsubstrat 1 wurde auf das Massepotential gesetzt, und eine positive Span nung wurde an die Steuergateelektrode 23 angelegt. Die an das Steuergate 23 angelegte Spannung zu dem Zeitpunkt, wenn der Stromwert, der zwischen dem Sourcebereich 30 und dem Drainbe reich 31 gleich 30 µA war, wurde als die Schwellspannung betrach tet. Die Variation in der Schwellspannung wurde in der folgenden Weise gemessen.

Zuerst wurde in einer Speicherzelle (A) der 28 800 Speicherzellen der Drainbereich 31 in einen schwebenden Zustand gesetzt, wie es in Fig. 39 gezeigt ist. Eine negative Spannung NV wurde an den Sourcebereich 30 und das Siliziumsubstrat 1 angelegt, eine posi tive Spannung MV wurde an die Steuergateelektrode angelegt, für t₁ Sekunden, und Elektronen wurden in die schwebende Gateelek trode 20 aus dem Siliziumsubstrat 1 für den Zeitraum von t₁ Se kunden eingebracht bzw. injiziert. Derart erhielt die Schwellspannung eine positiven Spannung LV. In anderen Speicher zellen wurden der Sourcebereich 30, das Siliziumsubstrat 1 und die Steuergateelektrode 23 auf Potentiale gesetzt, wie es in Fig. 39 gezeigt ist, und Elektronen wurden in die schwebende Ga teelektrode 21 für t₁ Sekunden injiziert.

Danach wurden in der Speicherzelle A, die oben beschrieben wor den ist, der Sourcebereich 30 und das Siliziumsubstrat 1 in den schwebenden Zustand gesetzt, wie es in Fig. 40 gezeigt ist. Eine positive Spannung PV wurde an den Drainbereich 31 angelegt und ein negatives Potential QV wurde an die Steuergateelektrode 23 angelegt, für einen Zeitraum von t₂, und Elektronen wurden aus der schwebenden Gateelektrode 20 in den Drainbereich 31 für ei nen Zeitraum von t₂ herausgezogen. Als Folge erreicht die Schwellspannung R₁V.

In anderen Speicherzellen wurden Spannungen, wie sie in Fig. 40 gezeigt sind, an die Steuergateelektrode 23 und den Drainbereich 31 angelegt, Elektronen wurden aus der schwebenden Gateelektrode 20 für den Zeitraum von t₂ herausgezogen, und Schwellspannungen R₂ bis R_{28 800} wurden gemessen. Der Unterschied zwischen dem Maxi malwert und dem Minimalwert der Schwellspannungen R₁ bis R_{28 800} wurde als Variation Z der Schwellspannung betrachtet. Desweite ren wurden Speicherzellen von Flash-Speichern entsprechend der Herstellungsschritte, die oben beschrieben worden sind, auf Ga teisolierschichten 21 ausgebildet, die aus nitrierten Siliziu moxidschichten (E) bis (I) ausgebildet wurden, und die Variation in der Schwellspannung wurde gemessen.

Es kann aus Fig. 41 ersehen werden, daß, wenn das Verhältnis des Anstiegs der Schichtdicke 14% überschreitet (Schichtparameter 1,16), die Variation in der Schwellspannung breiter wird. Um Flash-Speicher herzustellen, bei denen die Variation der Schwellspannung unterdrückt ist, ist es zu bevorzugen, das Ver hältnis des Anstiegs der Schichtdicke auf höchstens 14% einzu stellen, das heißt den Schichtparameter auf höchstens 1,16 ein zustellen.

(Vierte Ausführungsform) Herstellung einer nitrierten Siliziumoxidschicht

Eine Siliziumoxidschicht mit einer Dicke von 96 × 10^-10 m wurde auf einem Siliziumsubstrat durch pyrogene Oxidation durch ein ähnliches Verfahren, wie es in Fig. 1 bei der ersten Ausfüh rungsform gezeigt ist, hergestellt.

Danach wurde die Siliziumoxidschicht in einem Stapelofen vom Heizertyp für 30 Minuten in einer Atmosphäre aus NO-Gas mit ei ner Flußrate von 4 slm bei einer Temperatur von 900°C nitriert, und eine nitrierte Siliziumoxidschicht (J) mit einer Dicke von 100 × 10^-10 m wurde ausgebildet, was ähnlich zu derjenigen ist, die in Fig. 2 der ersten Ausführungsform gezeigt ist.

SIMS-Analyse und XPS-Analyse

Unter Bezugnahme auf Fig. 42, wenn die Sputterzeit zwischen 0 und 30 Sekunden ist, steigt die Stickstoffkonzentration an. Je doch tritt dieses aufgrund mechanischer Fehler auf, und die Stickstoffkonzentration in diesem Abschnitt ist nahezu 0. Darum ist zu verstehen, daß die Stickstoffkonzentration nur in der Um gebung bzw. Nähe der Grenzfläche zwischen dem Siliziumsubstrat und der nitrierten Siliziumoxidschicht existiert.

Weiterhin ist aus Fig. 43 zu ersehen, daß Stickstoffatome, die an drei Siliziumatome gebunden sind, nur in Abschnitten existie ren, die sehr nahe an der Grenzfläche zwischen dem Silizium substrat und der nitrierten Siliziumoxidschicht sind, in der Nä he der Grenzfläche. Genauer gesagt, solche Stickstoffatome exi stieren nur in dem Abschnitt der nitrierten Siliziumoxidschicht, der der Grenzfläche am nächsten ist.

Messung der Ladungshalteeigenschaft

Die Ladungshalteeigenschaft der nitrierten Siliziumoxidschicht (J) wurde durch das Verfahren, das in Fig. 35 gezeigt ist, un tersucht.

In Fig. 44 stellen die Markierungen "○", "⚫", "◊" und "∆" dieselben graphischen Darstellungen wie in Fig. 36 dar. Es ist aus Fig. 44 zu ersehen, daß die nitrierte Siliziumoxidschicht (J) selbst nach dem Anlegen einer elektrischen Beanspruchung ei ne überlegene Isolierung aufweist. Darum können, wenn die ni trierte Siliziumoxidschicht (J) als die Gateisolierschicht 21, die in Fig. 37 gezeigt ist, verwendet wird, Flash-Speicher mit einer überlegenen Ladehalteeigenschaft hergestellt werden. Des weiteren wurden verschiedene nitrierte Siliziumoxidschichten mit unterschiedlichen Schichtparametern in ähnlicher Weise wie bei der dritten Ausführungsform hergestellt, und die Variation der Schwellspannungen wurde studiert. Ähnliche Ergebnisse wie dieje nigen, die bei der Ausführungsform aus Fig. 41 erhalten wurden, wurden erhalten. Genauer gesagt, falls der Schichtparameter höchstens 1,16 ist, ist die Variation der Schwellspannung klein.

Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die oben be schrieben worden sind, können in verschiedener Weise modifiziert werden. In der zweiten bis vierten Ausführungsform können der Schritt zur Ausbildung einer Oxidschicht und der Schritt zum Ni trieren in derselben Vorrichtung ausgeführt werden. Desweiteren können die Dicken der entsprechenden Schichten, die anzulegenden Spannungen und so weiter frei wählbar geändert werden, so wie es benötigt wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung im Detail beschrieben und illu striert worden ist, ist klar zu verstehen, daß dasselbe nur zum Zwecke der Illustration und des Beispiels dient und nicht als Begrenzung verstanden werden kann und soll.

Claims

1. Halbleitervorrichtung, mit
einem Siliziumsubstrat (1),
einer Siliziumnitridoxidschicht (6), die auf dem Silizium substrat ausgebildet ist, und
einer Gateelektrode (4), die auf der nitrierten Siliziumoxid schicht ausgebildet ist, bei der
Stickstoff nur in einer Umgebung einer Grenzfläche zwischen dem Siliziumsubstrat und der nitrierten Siliziumoxidschicht verteilt ist, und
jedes Stickstoffatom mit zwei Siliziumatomen und einem Sauer stoffatom, in der Nähe der Grenzfläche, verbunden ist.

2. Halbleitervorrichtung, mit
einem Siliziumsubstrat,
einer nitrierten Siliziumoxidschicht, die auf dem Silizium substrat ausgebildet ist, und
einer Gateelektrode, die auf der nitrierten Siliziumoxidschicht ausgebildet ist, bei der
Stickstoff nur in einer Umgebung einer Grenzfläche zwischen dem Siliziumsubstrat und der nitrierten Siliziumoxidschicht verteilt ist, und
Stickstoffatome, die jeweils mit drei Siliziumatomen verbunden sind, nur in der Umgebung der Grenzfläche existieren.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der
die Gateelektrode eine schwebende Gateelektrode (20) ist, und die
weiter eine Steuergateelektrode (23), die auf der schwebenden Gateelektrode mit einer dazwischen gesetzten dielektrischen Schicht (22) ausgebildet ist, aufweist.

4. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, das die Schritte aufweist:
Ausbilden einer Siliziumoxidschicht auf einem Siliziumsubstrat;
Ausbilden einer nitrierten Siliziumoxidschicht (3, 6) durch Ni trieren der Siliziumoxidschicht; und
Ausbilden einer Gateelektrode (4) auf der nitrierten Silizium oxidschicht (6); bei dem
der Schritt des Ausbildens der Siliziumoxidschicht das Ausbilden einer Siliziumoxidschicht durch Oxidieren in einer Dampfatmo sphäre enthält, und
der Schritt des Ausbildens der nitrierten Siliziumoxidschicht (3, 6) den Schritt des Haltens der Siliziumoxidschicht in einer Atmosphäre aus Distickstoffoxid bei einer Temperatur von minde stens 800°C und höchstens 900°C für mindestens 5 Minuten und höchstens 60 Minuten enthält.

5. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, das die Schritte aufweist:
Ausbilden einer Siliziumoxidschicht auf einem Siliziumsubstrat;
Ausbilden einer nitrierten Siliziumoxidschicht (3, 6) durch Ni trieren der Siliziumoxidschicht; und
Ausbilden einer Gateelektrode (4) auf der nitrierten Silizium oxidschicht (6); bei dem
der Schritt des Ausbildens der Siliziumoxidschicht das Ausbilden einer Siliziumoxidschicht durch Oxidieren in einer Dampfatmo sphäre enthält, und
der Schritt des Ausbildens der nitrierten Siliziumoxidschicht den Schritt des Haltens der Siliziumoxidschicht in einem Stick stoffoxid bei einer Temperatur von mindestens 800°C und höch stens 900°C für mindestens 5 Minuten und höchstens 60 Minuten enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem der Schritt des Ausbildens der nitrierten Siliziumoxidschicht den Schritt des Ausbildens der nitrierten Siliziumoxidschicht mit einer Dicke, die höchstens 1,16-mal diejenige der Silizium oxidschicht ist, enthält.