JP2000340682A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP2000340682A JP11149266A JP14926699A JP2000340682A JP 2000340682 A JP2000340682 A JP 2000340682A JP 11149266 A JP11149266 A JP 11149266A JP 14926699 A JP14926699 A JP 14926699A JP 2000340682 A JP2000340682 A JP 2000340682A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体装置の製造方法に関し、MNCを利用
する微細フラッシュ・メモリ、EEPROM、単電子メ
モリなどの半導体装置の製造時に、MNCから金属粒子
が再蒸発することを抑止し、MNCに再分布が起こらな
いようにする。 【解決手段】 p−Si基板11上にゲート絶縁膜12
を形成し、Sbのイオンをゲート絶縁膜12中に注入
し、Wゲート電極15Gなど、或いは、Wゲート電極1
5Gとサイド・ウォール18Sとをマスクにソース領域
及びドレイン領域を構成する不純物であるAsのイオン
を基板11中に注入し、熱処理を行ってゲート絶縁膜1
2中にイオン注入されたSbのナノクリスタル化、即
ち、フローティング・ゲート13Gの生成と、基板11
中にイオン注入されたAsを活性化して低不純物濃度ソ
ース領域17Sと高不純物濃度ソース領域19S及び低
不純物濃度ドレイン領域17Dと高不純物濃度ドレイン
領域19Dの形成を同時に実施する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁膜中に配列さ
れた導電性超微粒子、即ち、金属ナノクリスタル(me
tal nano−crystal:MNC)をフロー
ティング・ゲートとして利用する微細フラッシュ・メモ
リ、EEPROM(electrically era
sable programmable read o
nly memory)、単電子メモリなどの半導体装
置を製造する方法の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】MNCをフローティング・ゲートとする
微細フラッシュ・メモリ、EEPROM、単電子メモリ
などの半導体装置は、フローティング・ゲートの形成が
容易で微細化が可能であることから、将来の高密度メモ
リとして有望視されている。
【0003】本発明者は、これまで、イオン注入と熱処
理とを組み合わせた手段をとることでMNCを形成し、
それをフローティング・ゲートとして微細フラッシュ・
メモリ、EEPROM、単電子メモリなどの半導体装置
に応用する技術を開示してきた(要すれば「特願平10
−1516号(特願平9−155282号の国内優先出
願)」を参照)。
【0004】然しながら、その後の研究に依れば、前記
先行発明には、若干改良されなければならない点が見出
された。
【0005】例えばMNCをフローティング・ゲートと
するダイオードであれば、イオン注入と熱処理に依って
MNCを生成し、それをフローティング・ゲートとして
利用すれば良い。
【0006】然しながら、同様技術を微細フラッシュ・
メモリ、EEPROM、単電子メモリなどの半導体装置
に応用しようとする場合、それ等の半導体装置に於いて
は、ソース及びドレインの形成が必要であり、その場
合、不純物イオンを注入してから該不純物を活性化する
為の熱処理が必要である。
【0007】ところが、その不純物を活性化する為の熱
処理を行うと、せっかく形成したMNCから金属が蒸発
して分布が変化し、また、その再蒸発した金属は、例え
ば、チャネル部分にパイルアップして敷居値制御を困難
にするなどの問題を起こしている。
【0008】図11は従来の技術を説明する為の工程要
所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図であり、以
下、この図を参照して製造工程の要点を説明する。
【0009】図11(A)参照 (1)シリコン半導体基板1にゲート絶縁膜2を形成す
る。
【0010】(2)ゲート絶縁膜2に金属イオンの打ち
込みを行って、該金属の濃度が高い二次元的領域3を形
成する。
【0011】図11(B)参照 (3)熱処理を行うことで、金属濃度が高い二次元的領
域3は、MNCからなるフローティング・ゲート3Gと
なる。
【0012】図11(C)参照 (4)フローティング・ゲート3Gをもつゲート絶縁膜
2上に多結晶シリコン層、金属層を形成する。
【0013】(5)金属層、多結晶シリコン層、フロー
ティング・ゲート3G、ゲート絶縁膜2のゲート・パタ
ーン化を行う。
【0014】このゲート・パターン化に依って、多結晶
シリコン層は多結晶シリコン・ゲート電極4Gに、金属
層は金属ゲート電極5Gとなる。
【0015】(5)この後、シリコン半導体基板1に不
純物イオンの打ち込み及び不純物の活性化熱処理を行っ
て、LDD(lightly doped drai
n)構造の低不純物濃度ソース領域6S及び低不純物濃
度ドレイン領域6D、高不純物濃度ソース領域7S及び
高不純物濃度ドレイン領域7Dを形成する。
【0016】この従来の技術に於いて、工程(5)の熱
処理を実施する際、低温で処理する場合には、900
〔℃〕、1〔時間〕の条件で、そして、高温で処理する
場合には、1000〔℃〕、10〔秒〕の条件で行われ
ている。
【0017】ところが、このような不純物活性化熱処理
を実施した場合、折角、工程(3)で形成したMNCか
らなるフローティング・ゲート3Gは、工程(5)に於
ける熱処理に依って、MNCが劣化してしまうことが判
った。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】本発明では、MNCを
利用する微細フラッシュ・メモリ、EEPROM、単電
子メモリなどの半導体装置を製造する際、簡単な手段で
MNCから金属粒子が再蒸発することを抑止し、MNC
に再分布が起こらないようにする。
【0019】
【課題を解決するための手段】本発明では、イオン注入
と熱処理に依ってMNCを生成させる場合、その熱処理
を半導体装置に於けるソース領域及びドレイン領域を形
成する不純物を活性化する為の熱処理と同時に実施する
ことが基本になっている。
【0020】図1は本発明の原理を説明する為の工程要
所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図であり、以
下、この図を参照して製造工程の要点を説明する。尚、
ここでも、LDD構造のソース領域及びドレイン領域を
もつ半導体装置について説明するが、これに限定されな
いことは云うまでもない。
【0021】図1(A)参照 (1)シリコン半導体基板1にゲート絶縁膜2を形成す
る。
【0022】(2)ゲート絶縁膜2に金属イオンの打ち
込みを行って、該金属の濃度が高い二次元的領域3を生
成させる。
【0023】図1(B)参照 (3)ゲート絶縁膜2上に多結晶シリコン層、金属層を
積層形成する。
【0024】(4)金属層、多結晶シリコン層、ゲート
絶縁膜2のゲート・パターン化を行う。
【0025】このゲート・パターン化に依って、多結晶
シリコン層は多結晶シリコン・ゲート電極4Gに、金属
層は金属ゲート電極5Gとなる。
【0026】(5)金属ゲート電極5Gをマスクとして
不純物イオンの打ち込みを行い、また、図示されている
ようにLDD構造のソース領域及びドレイン領域を形成
するのであればサイド・ウォール(図示せず)をマスク
として不純物イオンの打ち込みを行う。
【0027】図1(C)参照 (6)この後、温度1000〔℃〕、時間10〔秒〕の
熱処理を行うことで、金属濃度が高い二次元的領域3は
MNCからなるフローティング・ゲート3Gとなり、そ
れと同時に、工程(5)で導入された不純物は活性化さ
れ、LDD構造の低不純物濃度ソース領域6S及び低不
純物濃度ドレイン領域6D、高不純物濃度ソース領域7
S及び高不純物濃度ドレイン領域7Dが生成される。
【0028】図2は熱処理を施した半導体装置に於ける
厚さ方向の元素(MNC)プロファイル分析の結果を表
す線図であり、横軸にはゲート絶縁膜2の表面からの深
さ、縦軸には該金属の濃度をそれぞれ採ってあり、この
データは、SIMS(secondary ion m
ass spectroscopy)に依って得られた
ものである。
【0029】図に於いて、aは、1000〔℃〕、10
〔秒〕の熱処理で得られたMNCのプロファイルであ
り、bは、aの熱処理を行った後、更に1000
〔℃〕、10〔秒〕の高温熱処理を行った場合のMNC
のプロファイルであり、cは、aの熱処理を行った後、
更に900〔℃〕、1〔時間〕の低温熱処理を行った場
合のMNCのプロファイルである。
【0030】図からすると、MNCを形成してから、再
び熱処理を加えることで、そのプロファイルは変化して
しまうことが看取され、特に問題となるのは、ゲート絶
縁膜と基板との界面付近への注入元素のパイル・アップ
であり、例えば元素種としてSbのようなドーパント・
イオンを選択した場合には、チャネルの不純物濃度が大
きく変化し、敷居値不安定の原因になる。
【0031】図3は本発明に依って作製したフローティ
ング・ゲートを含むダイオード容量のバイアス依存性、
及び、従来の技術に依って作製したフローティング・ゲ
ートを含むダイオード容量のバイアス依存性を比較して
表す線図であって、横軸にはバイアス電圧を、縦軸には
ゲート容量をそれぞれ採ってあり、特性線aは従来の技
術に依るもの、特性線bは本発明に依るものである。
【0032】従来の技術に依った場合、フローティング
・ゲート材料としてイオン注入した金属が界面にパイル
・アップした為、逆方向バイアス電圧に対する空乏層の
拡がりの敷居値が負側にずれてしまっている。
【0033】前記のような敷居値のずれは、微細フラッ
シュ・メモリ/EEPROM/単電子メモリとして動作
させる場合、その動作電圧の絶対値が大きくなることに
対応し、更に、敷居値ばらつきの原因ともなる。
【0034】前記説明した実験などから、本発明者は、
ソース及びドレインを必要とする半導体装置に於いて、
MNCからなるフローティング・ゲートを利用する場
合、一度、MNCを生成させた後、熱処理を行うことは
禁物である旨の結論を得た。
【0035】そこで、前記したように、イオン注入と熱
処理に依ってMNCを生成させる場合、その熱処理を半
導体装置に於けるソース領域及びドレイン領域を形成す
る不純物を活性化する為の熱処理と同時に実施し、しか
も、その熱処理は高温且つ短時間で実施している。
【0036】前記高温且つ短時間の熱処理に依った場
合、低温且つ長時間の熱処理に依った場合に比較し、生
成されるMNC自体は劣るが、敷居値の変動がないフロ
ーティング・ゲートをもつ半導体装置を製造するには、
それが現状で最良の手段であると考えられ、また、実現
されるフローティング・ゲートは、充分、実用に耐える
ものである。
【0037】図4及び図5は低温且つ長時間の熱処理を
行って得られたMNCからなるフローティング・ゲート
及び高温且つ短時間の熱処理を行って得られたMNCか
らなるフローティング・ゲートを比較して説明する為の
半導体装置のTEM(transmission el
ectron microscopy)写真であり、図
1に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは
同じ意味を持つものとする。
【0038】図4は温度を900〔℃〕、時間を360
0〔秒〕として低温熱処理した試料に関するものであ
り、図5は温度を1000〔℃〕、時間を10〔秒〕と
して高温熱処理した試料に関するものである。
【0039】図4及び図5を比較すると明らかである
が、低温で長時間の熱処理を行った図3の場合では、M
NCのサイズや位置の均一性は高いが、高温で短時間の
熱処理を行った図5の場合では、熱処理時間が短いこと
を反映して、MNCのサイズや位置の均一性は低くなっ
ていることが看取される。
【0040】然しながら、図5に見られるMNCであっ
ても、微細フラッシュ・メモリ、EEPROM、単電子
メモリなどの半導体装置に於けるフローティング・ゲー
トとしての実用性は充分であり、フローティング・ゲー
ト材料としてイオン注入した金属が不要に拡散したり、
パイル・アップが発生することがない為、敷居値電圧は
0〔V〕付近になり、また、敷居値の制御は容易であ
る。
【0041】勿論、図5に見られるMNCを得る為の高
温短時間の熱処理に施すことで、半導体装置に於けるソ
ース領域及びドレイン領域の不純物活性化熱処理は実用
上で全く問題ない程度に行われる。
【0042】前記したところから、本発明に依る半導体
装置の製造方法に於いては、基板(例えばp−Si基板
11:図6乃至図10参照、以下同じ)上にゲート絶縁
膜(例えばゲート絶縁膜12)を形成してから金属ナノ
クリスタルの材料である金属(例えばSb)のイオンを
該ゲート絶縁膜中に注入する工程と、ゲート(例えばW
ゲート電極15G、多結晶Siゲート電極14G、ゲー
ト絶縁膜12など)或いはゲート及びサイド・ウォール
(例えばサイド・ウォール18S)をマスクとしてソー
ス領域(例えば低不純物濃度ソース領域17Sと高不純
物濃度ソース領域19S)及びドレイン領域(例えば低
不純物濃度ドレイン領域17Dと高不純物濃度ドレイン
領域19D)を構成する不純物(例えばAs)のイオン
を該基板中に注入する工程と、熱処理を行って該ゲート
絶縁膜中にイオン注入された金属のナノクリスタル化
(例えばフローティング・ゲート13Gの生成)及び該
基板中にイオン注入された不純物の活性化を同時に実施
する工程とが含まれてなることを特徴とする。
【0043】前記手段を採ることに依り、半導体装置を
製造する際、絶縁膜中に形成したMNCから金属が再蒸
発したり、或いは、再配置されることが低減されるの
で、MNCをフローティング・ゲートとする微細フラッ
シュ・メモリ/EEPROM/単電子メモリなどの半導
体装置の特性を向上することができ、特に、敷居値特性
を安定化することができる。
【0044】
【発明の実施の形態】図6乃至図10は本発明の一実施
の形態を説明する為の工程要所に於ける半導体装置を表
す要部切断側面図であり、以下、これ等の図を参照しつ
つ説明する。
【0045】図6(A)参照 6−(1) 通常の技法を適用して、p−Si基板11の洗浄、及
び、前処理を行う。
【0046】図6(B)参照 6−(2) 熱酸化法を適用して、基板11上に例えば厚さが20
〔nm〕のSiO2 からなるゲート絶縁膜12を形成す
る。
【0047】6−(3) イオン注入法を適用して、イオン加速電圧を10〔ke
V〕、ドーズ量を5×1015〔原子個/cm2 〕として
Sbイオンの打ち込みを行ってSbが分布した二次元的
領域13を形成する。
【0048】図7(A)参照 7−(1) モノシラン(SiH4 )を原料としたプラズマCVD
(chemicalvapor depositio
n)法を適用して、基板11の温度を例えば300
〔℃〕とし、ゲート絶縁膜12上に厚さが例えば160
〔nm〕のn型不純物含有多結晶Si層14を形成す
る。
【0049】図7(B)参照 7−(2) スパッタリング法を適用して、多結晶Si層14上に厚
さが例えば20〔nm〕のW層15を形成する。
【0050】7−(3) リソグラフィ技術に於けるレジスト・プロセスを適用し
て、ゲート・パターンのレジスト膜16を形成する。
【0051】図8(A)参照 8−(1) エッチング・ガスをCHF3 +CH4 +Arとするドラ
イ・エッチング法を適用して、レジスト膜16をマスク
としてW層15、多結晶Si層14、ゲート絶縁膜12
のエッチングを行う。
【0052】この工程に依って、Wゲート電極15G、
多結晶Siゲート電極14Gが形成され、また、Sbか
らなる二次元的領域13をもつゲート絶縁膜12もゲー
ト・パターン化される。
【0053】図8(B)参照 8−(2) レジスト剥離液中に浸漬してレジスト膜16を除去す
る。
【0054】8−(3) イオン注入法を適用して、イオン加速エネルギを5〔k
eV〕、ドーズ量を4×1014〔原子個/cm2 〕とし
て、Wゲート電極15GをマスクとしてAsイオンの打
ち込みを行い、LDD構造の低不純物濃度ソース領域及
びドレイン領域となるべき不純物導入層17を形成す
る。
【0055】図9(A)参照 9−(1) 例えばSiH4 を原料とするプラズマCVD法を適用し
て、全面に厚さが200〔nm〕であるSiO2 からな
る絶縁膜18を形成する。
【0056】図9(B)参照 9−(2) エッチング・ガスをCHF3 +CF4 +Arとするドラ
イ・エッチング法を適用して、SiO2 からなる絶縁膜
18の異方性エッチングを行って、Wゲート電極15
G、多結晶Siゲート電極14G、Sb粒子の二次元的
領域13をもつゲート絶縁膜12からなるメサ状部分の
側面にサイド・ウォール18Sを形成する。
【0057】9−(3) イオン注入法を適用して、イオン加速エネルギを40
〔keV〕、ドーズ量を2×1015〔原子個/cm2
として、Wゲート電極15G並びにサイド・ウォール1
8SをマスクとしてAsイオンの打ち込みを行い、LD
D構造の高不純物濃度ソース領域及びドレイン領域とな
るべき不純物導入層19を形成する。
【0058】図10参照 10−(1) 温度1000〔℃〕の窒素雰囲気中に於いて、時間10
〔秒〕のRTA(rapid thermal ann
eal)を行い、不純物導入層17並びに不純物導入層
19の活性化熱処理を行って、Sbからなる二次元的領
域13のMNC化を行い、LDD構造の低不純物濃度ソ
ース領域17S及び低不純物濃度ドレイン領域17D、
LDD構造の高不純物濃度ソース領域19S及び高不純
物濃度ドレイン領域19Dを形成する。
【0059】この熱処理を行った際、ゲート絶縁膜12
中に存在するSbからなる二次元的領域13はMNC化
されてフローティング・ゲート13Gを構成する。
【0060】従って、温度1000〔℃〕、時間10
〔秒〕のRTAは、イオン注入されたAsの活性化、及
び、イオン注入されたSbを凝集してMNC化の二つの
目的を同時に且つ良好に達成することができ、そして、
この後、半導体装置を完成させるまでの工程にMNCか
らなるフローティング・ゲート13Gを劣化させるよう
な熱処理は存在しない。
【0061】本発明に依れば、実施の形態に限られず、
特許請求の範囲を逸脱しない範囲に於いて、他に多くの
改変を実現することができ、例えば、前記RTAの条件
は、温度を950〔℃〕〜1050〔℃〕の範囲で、ま
た、時間を10〔秒〕〜30〔秒〕の範囲でそれぞれ任
意に選択することができる。
【0062】
【発明の効果】本発明に依る半導体装置の製造方法に於
いては、基板上にゲート絶縁膜を形成してから金属ナノ
クリスタルの材料である金属のイオンをゲート絶縁膜中
に注入し、ゲート或いはゲート及びサイド・ウォールを
マスクとしてソース領域及びドレイン領域を構成する不
純物のイオンを前記基板中に注入し、熱処理を行ってゲ
ート絶縁膜中にイオン注入された金属のナノクリスタル
化及び基板中にイオン注入された不純物の活性化を同時
に実施する。
【0063】前記構成を採ることに依り、半導体装置を
製造する際、絶縁膜中に形成したMNCから金属が再蒸
発したり、或いは、再配置されることが低減されるの
で、MNCをフローティング・ゲートとする微細フラッ
シュ・メモリ/EEPROM/単電子メモリなどの半導
体装置の特性を向上することができ、特に、敷居値特性
を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を説明する為の工程要所に於ける
半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図2】熱処理を施した半導体装置に於ける厚さ方向の
元素(MNC)プロファイル分析の結果を表す線図であ
る。
【図3】本発明に依って作製したフローティング・ゲー
トを含むダイオード容量のバイアス依存性と従来の技術
に依って作製したフローティング・ゲートを含むダイオ
ード容量のバイアス依存性とを比較して表す線図であ
る。
【図4】低温且つ長時間の熱処理を行って得られたMN
Cからなるフローティング・ゲートを説明する為の半導
体装置のTEM写真である。
【図5】高温且つ短時間の熱処理を行って得られたMN
Cからなるフローティング・ゲートを説明する為の半導
体装置のTEM写真である。
【図6】本発明の一実施の形態を説明する為の工程要所
に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図7】本発明の一実施の形態を説明する為の工程要所
に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図8】本発明の一実施の形態を説明する為の工程要所
に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図9】本発明の一実施の形態を説明する為の工程要所
に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図10】本発明の一実施の形態を説明する為の工程要
所に於ける半導体装置を表す要部切断側面図である。
【図11】従来の技術を説明する為の工程要所に於ける
半導体装置を表す要部切断側面図である。
【符号の説明】
11 p−Si基板 12 ゲート絶縁膜 13 Sb濃度が高い二次元的領域 13G フローティング・ゲート 14 n型不純物含有多結晶Si層 14G 多結晶Siゲート電極 15 W層 15G Wゲート電極 16 レジスト膜 17 不純物導入層 17S 低不純物濃度ソース領域 17D 低不純物濃度ドレイン領域 18 絶縁膜 18S サイド・ウォール 19 不純物導入層 19S 高不純物濃度ソース領域 19D 高不純物濃度ドレイン領域

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上にゲート絶縁膜を形成してから金属
    ナノクリスタルの材料である金属のイオンを該ゲート絶
    縁膜中に注入する工程と、 ゲート或いはゲート及びサイド・ウォールをマスクとし
    てソース領域及びドレイン領域を構成する不純物のイオ
    ンを該基板中に注入する工程と、 熱処理を行って該ゲート絶縁膜中にイオン注入された金
    属のナノクリスタル化及び該基板中にイオン注入された
    不純物の活性化を同時に実施する工程とが含まれてなる
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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