JP2002334939A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 デュアルゲート電極を有する半導体装置及び
その製造方法に関し、Ｎ型ＭＯＳトランジスタの能力を
劣化することなくＰ型ゲート電極からのボロンの熱抜け
を防止しうる半導体装置及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 シリコン基板１０の素子領域１４に形成
されたゲート絶縁膜２４と、ゲート絶縁膜２４上に形成
され、ボロンを含むシリコン層３２ｐを有するゲート電
極４０ｐと、シリコン基板１０の素子領域１６に形成さ
れたゲート絶縁膜２６と、ゲート絶縁膜２６上に形成さ
れ、ドナー不純物を含むシリコン層３２ｎを有するゲー
ト電極４０ｎとを有し、ゲート絶縁膜２４は、ゲート絶
縁膜２６よりも窒素を多く含み、窒素濃度のピークが、
シリコン基板１０とゲート絶縁膜２４との界面に位置し
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、デュアルゲート電
極を有する半導体装置及びその製造方法に係り、特に、
Ｎ型ＭＯＳトランジスタの能力を劣化することなくＰ型
ゲート電極からのボロンの熱抜けを防止しうる半導体装
置及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年における半導体装置の微細化・高速
化に伴い、Ｐ型ＭＯＳトランジスタのゲート電極にアク
セプタ不純物を導入したＰ型ゲート電極を、Ｎ型ＭＯＳ
トランジスタのゲート電極にドナー不純物を導入したＮ
型ゲート電極を使用する、いわゆるデュアルゲート電極
が採用されつつある。Ｐ型ゲート電極では、ドーパント
としてボロン（Ｂ）が広く用いられているが、ボロンの
拡散定数が大きく、後工程の熱処理でゲート電極中のボ
ロンがゲート絶縁膜を通してチャネル領域のシリコン基
板に拡散する、いわゆる熱抜けが問題となっている。ボ
ロンの熱抜けが生じると、チャネル領域におけるシリコ
ン基板中の不純物濃度が変化して閾値電圧が変動した
り、ゲート電極中の不純物濃度が低下してゲート電極が
空乏化するなどの特性劣化をもたらすため、極力低減す
ることが望まれている。

【０００３】ゲート電極からのボロンの熱抜けを防止す
る技術としては、ゲート絶縁膜中に窒素を導入する方法
が知られている。ゲート絶縁膜中に窒素を導入すること
により、ゲート絶縁膜中におけるボロンの拡散を抑制す
ることができ、この結果、ゲート電極から基板へのボロ
ンの熱抜けを低減することができる。

【０００４】ゲート絶縁膜中に窒素を導入する方法とし
ては、ＮＯガスなどの窒素を含むガスを用いて、ゲート
酸化を行ったりゲート絶縁膜の形成後に熱処理を行うこ
とにより、シリコン窒化酸化膜よりなるゲート絶縁膜を
形成する方法が知られている。この方法によれば、ゲー
ト絶縁膜中に窒素を制御性よく導入できるとともに、ゲ
ート絶縁膜の形成と同時に或いは同じ炉内で連続して窒
素を導入することができるため、コスト面できわめて有
利である。

【０００５】また、ゲート絶縁膜中に窒素を導入する他
の方法としては、ゲート絶縁膜の形成前或いはゲート電
極の形成後に窒素イオンを注入する方法が知られてい
る。この方法によれば、ゲート絶縁膜の所望の領域に選
択的に窒素を導入することができる。

【０００６】いずれの方法によってもゲート絶縁膜中に
窒素を導入することが可能であり、ゲート電極からのボ
ロンの熱抜けを抑制する効果が期待できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、酸素及
び窒素を含むガスを用いてゲート酸化を行う方法やゲー
ト絶縁膜の形成後に窒素を含むガス雰囲気中で熱処理を
行う方法は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタの特性に悪影響を
及ぼすことがあった。すなわち、このようなプロセスで
シリコン窒化酸化膜を形成する場合、Ｐ型ＭＯＳトラン
ジスタのゲート絶縁膜に選択的に窒素を導入することは
困難であり、Ｎ型ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜に
も窒素が導入される。ゲート絶縁膜中に導入された窒素
は、膜中に正の固定電荷を生じ、この電荷がＮ型ＭＯＳ
トランジスタの閾値を下げる方向に作用する。この結
果、閾値電圧制御用のイオン注入量が増加し、ソース／
ドレイン拡散層とチャネルとの間の電界増加をもたらす
こととなる。そして、電界増加はリーク電流を増加する
こととなり、ＤＲＡＭのメモリセルトランジスタにあっ
てはリテンション特性が劣化することとなる。

【０００８】一方、イオン注入により窒素を導入する方
法によれば、Ｐ型ＭＯＳトランジスタの形成領域のゲー
ト絶縁膜に選択的に窒素を導入することができる。しか
しながら、ゲート絶縁膜の形成前に窒素をイオン注入す
る場合、ゲート絶縁膜の形成過程で窒素が外方拡散す
る。また、このようにして導入した窒素はゲート絶縁膜
中にブロードに分布する。このため、ボロンの拡散抑制
効果を高めるためには高濃度の窒素イオン注入が必要で
あり、イオン注入により基板に与えるダメージが増大
し、ひいてはリーク電流が増加してしまう。

【０００９】また、ゲート電極を形成した後に窒素イオ
ンをイオン注入する方法では、ゲート電極とゲート絶縁
膜との間にある程度高濃度に窒素を導入することができ
る。しかしながら、ゲート電極中に導入した窒素がボロ
ンと結合して電気的に不活性となり、ゲート電極中の実
効的なキャリア濃度が低減してゲート電極が空乏化する
ことがった。

【００１０】本発明の目的は、Ｎ型ＭＯＳトランジスタ
の能力を劣化することなくＰ型ゲート電極からのボロン
の熱抜けを防止しうる半導体装置及びその製造方法を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、第１の領域
と第２の領域とを有するシリコン基板と、前記シリコン
基板の前記第１の領域に形成された第１のゲート絶縁膜
と、前記第１のゲート絶縁膜上に形成され、ボロンを含
むシリコン層を有する第１のゲート電極と、前記シリコ
ン基板の前記第２の領域に形成された第２のゲート絶縁
膜と、前記第２のゲート絶縁膜上に形成され、ドナー不
純物を含むシリコン層を有する第２のゲート電極とを有
し、前記第１のゲート絶縁膜は、前記第２のゲート絶縁
膜よりも窒素を多く含み、窒素濃度のピークが、前記シ
リコン基板と前記第１のゲート絶縁膜との界面に位置し
ていることを特徴とする半導体装置によって達成され
る。

【００１２】また、上記目的は、シリコン基板の第１の
領域に第１のゲート絶縁膜を形成し、前記シリコン基板
の第２の領域に第２のゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記シリコン基板の前記第１の領域に、窒素を選択的に
イオン注入する工程と、前記第１のゲート絶縁膜上に、
ボロンを含むシリコン層を有する第１のゲート電極を形
成し、前記第２のゲート絶縁膜上に、ドナー不純物を含
むシリコン層を有する第２のゲート電極を形成する工程
とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法によ
っても達成される。ゲート絶縁膜の形成後、ゲート電極
の形成前に、Ｐ型ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜に
選択的に窒素をイオン注入することにより、Ｎ型ＭＯＳ
トランジスタの特性劣化を防止しつつ、Ｐ型ＭＯＳトラ
ンジスタのゲート電極からのボロンの熱抜けを抑制する
ことができる。

【００１３】また、上記の半導体装置の製造方法におい
て、窒素をイオン注入する工程の後に、窒化性を有する
ガス雰囲気中で熱処理することにより前記第１のゲート
絶縁膜中に窒素を導入する工程を更に有するようにして
もよい。窒素イオン注入の後に窒化性を有するガス雰囲
気中で熱処理を行うことにより、窒素イオン注入と熱処
理との相乗効果によって、ゲート絶縁膜中への窒素導入
効果を更に高めることができる。これにより、Ｐ型ＭＯ
Ｓトランジスタのゲート電極からのボロンの熱抜けを更
に抑制することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】［第１実施形態］本発明の第１実
施形態による半導体装置及びその製造方法について図１
乃至図６を用いて説明する。

【００１５】図１は本実施形態による半導体装置の構造
を示す概略断面図、図２乃至図４は本実施形態による半
導体装置の製造方法を示す工程断面図、図５はシリコン
基板とゲート絶縁膜との界面近傍における窒素濃度分布
を示すグラフ、図６はゲート電極からのボロンの熱抜け
を表すＣ−Ｖ特性を示すグラフである。

【００１６】はじめに、本実施形態による半導体装置の
構造について図１を用いて説明する。

【００１７】シリコン基板１０上には、素子領域１４，
１６を画定する素子分離膜１２が形成されている。素子
領域１４内のシリコン基板１０にはＮ型ウェル２０内に
形成されており、素子領域１６内のシリコン基板１０に
はＰ型ウェル２２が形成されている。

【００１８】素子領域１４には、Ｐ型ＭＯＳトランジス
タが形成されている。Ｐ型ＭＯＳトランジスタは、シリ
コン基板１０上にゲート絶縁膜２４を介して形成された
ゲート電極４０ｐと、ゲート電極４０ｐの両側のシリコ
ン基板１０に形成されたソース／ドレイン拡散層４８ｐ
とによって構成されている。ゲート電極４０ｐは、Ｐ型
ポリシリコン膜３２ｐ、窒化タングステン膜３４及びタ
ングステン膜３６が順次積層されてなるポリメタル構造
を有している。

【００１９】素子領域１６には、Ｎ型ＭＯＳトランジス
タが形成されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタは、シリ
コン基板１０上にゲート絶縁膜２６を介して形成された
ゲート電極４０ｎと、ゲート電極４０ｎの両側のシリコ
ン基板１０に形成されたソース／ドレイン拡散層４８ｎ
とによって構成されている。ゲート電極４０ｎは、Ｎ型
ポリシリコン膜３２ｎ、窒化タングステン膜３４及びタ
ングステン膜３６が順次積層されてなるポリメタル構造
を有している。

【００２０】ゲート電極４０ｐ，４０ｎ上には、シリコ
ン窒化膜３８が形成されている。ゲート電極４０ｐ，４
０ｎ及びシリコン窒化膜３８の側壁には、サイドウォー
ル絶縁膜４４が形成されている。

【００２１】こうして、デュアルゲート電極を有する半
導体装置が構成されている。

【００２２】ここで、本実施形態による半導体装置は、
ゲート絶縁膜２４，２６に導入された窒素が、シリコン
基板１０とゲート絶縁膜２４，２６との界面にピーク濃
度を有しており、且つ、Ｐ型ＭＯＳトランジスタのゲー
ト絶縁膜２４中の窒素濃度がＮ型ＭＯＳトランジスタの
ゲート絶縁膜２６中の窒素濃度よりも高いことに特徴が
ある。例えば、典型的な半導体装置では、ゲート絶縁膜
２４中の窒素プロファイルは後に説明する図５中の◇印
のプロットに相当し、ゲート絶縁膜２６中の窒素プロフ
ァイルは図５中の○印のプロットに相当する。

【００２３】このようにして半導体装置を構成すること
により、Ｐ型ポリシリコン膜３２ｐからのボロンの熱抜
けを効果的に防止することができるとともに、Ｎ型ＭＯ
Ｓトランジスタの特性劣化を防止することができる。

【００２４】以下、本実施形態による半導体装置につい
て図２乃至図４を用いて説明する。なお、本実施形態に
よる半導体装置の製造方法は、主として、ゲート絶縁膜
２４，２６の形成後、ゲート電極４０ｐ，４０ｎの形成
前に、ゲート絶縁膜２４に窒素を選択的に導入すること
に特徴がある。

【００２５】まず、例えばシャロートレンチ法により、
シリコン基板１０に埋め込まれた素子分離膜１２を形成
し、素子領域１４，１６を画定する（図２（ａ））。な
お、本実施形態では、素子領域１４をＰ型ＭＯＳトラン
ジスタを形成するための領域とし、素子領域１６をＮ型
ＭＯＳトランジスタを形成するための領域とする。

【００２６】次いで、熱酸化法によりシリコン基板１０
の表面を熱酸化し、素子領域１４，１６上に、例えば膜
厚約６ｎｍのシリコン酸化膜よりなる犠牲酸化膜１８を
形成する。

【００２７】次いで、素子領域１４を露出するフォトレ
ジスト膜（図示せず）をマスクとしてＮ型ドーパントを
イオン注入し、素子領域１４にＮ型ウェル２０を形成す
る。また、素子領域１６を露出するフォトレジスト膜
（図示せず）をマスクとしてＰ型ドーパントをイオン注
入し、素子領域１６にＰ型ウェル２２を形成する（図２
（ｂ））。

【００２８】次いで、弗酸系の水溶液を用いたウェット
エッチングにより、犠牲酸化膜１８を除去する。

【００２９】次いで、素子領域１４，１６上に、シリコ
ン酸化膜よりなるゲート絶縁膜２４，２６をそれぞれ形
成する（図２（ｃ））。例えば７５０℃のウェット雰囲
気中でシリコン基板１０を熱酸化することにより、例え
ば膜厚３．５ｎｍのシリコン酸化膜よりなるゲート絶縁
膜を形成する。なお、ゲート絶縁膜２４，２６を形成す
る際の温度や酸化方法は、上記の条件に限定されるもの
ではない。

【００３０】次いで、フォトリソグラフィーにより、素
子領域１６を覆うフォトレジスト膜２８を形成する。

【００３１】次いで、フォトレジスト膜２８をマスクと
して窒素イオン注入を行い、素子領域１４に選択的に窒
素を導入する（図３（ａ））。例えば、Ｎ₂ ⁺イオンを、
加速エネルギー３．２ｋｅＶ、ドーズ量５×１０¹⁴ｃｍ
^-2としてイオン注入する。注入するイオン種としては、
Ｎ₂ ⁺イオンの代わりにＮ⁺イオンを用いてもよい。

【００３２】ここで、窒素イオンの加速エネルギーは、
後工程の熱処理が加わった際にシリコン基板１０とゲー
ト絶縁膜２４との界面に窒素濃度のピークが位置するよ
うに、以下の範囲において適宜設定する。すなわち、最
小の加速エネルギーは、窒素イオンの投影飛程Ｒｐがシ
リコン基板１０とゲート絶縁膜２４との界面近傍に位置
するときの加速エネルギーによって規定される。一方、
最大の加速エネルギーは、シリコン基板１０内部に導入
された窒素が後の熱処理によってシリコン基板１０とゲ
ート絶縁膜２４との界面まで熱拡散可能な距離に位置す
る加速エネルギーによって規定される。

【００３３】また、窒素イオンのドーズ量は、ゲート電
極からのボロンの熱抜けを効果的に防止しうるドーズ量
に適宜設定する。但し、窒素イオンのドーズ量を多くし
すぎると、ゲート絶縁膜２４に与える注入ダメージが増
大してゲート絶縁膜２４の信頼性を損ねる虞があるた
め、ゲート絶縁膜２４の信頼性をも考慮してドーズ量を
設定することが望ましい。

【００３４】次いで、フォトレジスト膜２８を除去した
後、例えばＮＯを含む雰囲気など、窒化性を有するガス
雰囲気中で８５０℃の熱処理を行い、シリコン基板１０
とゲート絶縁膜２４との界面により高濃度に窒素を導入
する。この際、素子領域１６も露出しているため、シリ
コン基板１０とゲート絶縁膜２６との界面にも窒素は導
入される。

【００３５】イオン注入により十分な窒素を導入できる
場合には、窒化性を有するガス雰囲気中で行う熱処理は
必ずしも必要はない。但し、イオン注入とこの熱処理と
を併用することにより窒素イオンの注入量を低く設定で
きるので、ゲート絶縁膜２４のイオン注入ダメージを低
減することができる。また、この熱処理によってゲート
絶縁膜２４のイオン注入ダメージを回復してゲート絶縁
膜２４の信頼性を向上する効果も期待できる。また、後
述するが、イオン注入後にこの熱処理を行うことによ
り、イオン注入前に同様の熱処理を行う場合と比較し
て、より高濃度に窒素を導入することができる。

【００３６】なお、窒化性を有するガス雰囲気中で行う
熱処理では、ゲート絶縁膜２４のみならずゲート絶縁膜
２６にも窒素が導入されるため、Ｎ型ＭＯＳトランジス
タの特性劣化を考慮したうえで、熱処理条件を適宜制御
することが望ましい。

【００３７】次いで、全面に、例えばＣＶＤ法により、
例えば膜厚１００ｎｍのアモルファスシリコン膜３０を
堆積する（図３（ｂ））。

【００３８】次いで、フォトリソグラフィー及びイオン
注入を用い、素子領域１４上のアモルファスシリコン膜
３０にアクセプタ不純物であるボロンイオンをイオン注
入し、素子領域１６上のアモルファスシリコン３０にド
ナーイオンである燐イオンをイオン注入する。ボロンイ
オンは、例えば加速エネルギーを５ｋｅＶ、ドーズ量を
２×１０¹⁵ｃｍ^-2として注入し、燐イオンは、例えば加
速エネルギーを１０ｋｅＶ、ドーズ量を４×１０¹⁵ｃｍ
^-2として注入する。

【００３９】次いで、例えば窒素雰囲気中で８００℃３
０分間の熱処理を行い、アモルファスシリコン膜３０を
結晶化するとともに注入したボロン及び燐を電気的に活
性化させる。こうして、素子領域１４上のアモルファス
シリコン膜３０をＰ型ポリシリコン膜３２ｐに、素子領
域１６上のアモルファスシリコン膜３０をＮ型ポリシリ
コン膜３２ｎとする（図３（ｃ））。

【００４０】次いで、ポリシリコン膜３２上に、例えば
スパッタ法により、例えば膜厚５ｎｍの窒化タングステ
ン（ＷＮ）膜３４を形成する。

【００４１】次いで、窒化タングステン膜３４上に、例
えばスパッタ法により、例えば膜厚４０ｎｍのタングス
テン（Ｗ）膜３６を形成する。

【００４２】次いで、タングステン膜３６上に、例えば
ＣＶＤ法により、膜厚２００ｎｍのシリコン窒化膜３８
を形成する（図４（ａ））。

【００４３】次いで、フォトリソグラフィー及びドライ
エッチングを用い、シリコン窒化膜３８、タングステン
膜３６、窒化タングステン膜３４及びポリシリコン膜３
２をパターニングし、上面がシリコン窒化膜３８により
覆われ、ポリシリコン膜３２、窒化タングステン膜３４
及びタングステン膜３６の積層膜よりなるポリメタル構
造のゲート電極４０ｐ，４０ｎを形成する。なお、ゲー
ト電極４０ｐはＰ型ＭＯＳトランジスタのゲート電極を
表し、ゲート電極４０ｎはＮ型ＭＯＳトランジスタのゲ
ート電極を表す。

【００４４】次いで、素子領域１４を露出するフォトレ
ジスト膜（図示せず）を形成した後、このフォトレジス
ト膜及びゲート電極４０ｐをマスクとして素子領域１４
にアクセプタイオンをイオン注入し、ゲート電極４０ｐ
の両側のシリコン基板１０に、エクステンション領域或
いはＬＤＤ領域となるＰ形の不純物拡散領域４２ｐを形
成する。例えば、ＢＦ₂（弗化ボロン）イオンを、加速
エネルギー１０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０¹⁴ｃｍ^-2とし
てイオン注入し、不純物拡散領域４２ｐを形成する。

【００４５】次いで、素子領域１６を露出するフォトレ
ジスト膜（図示せず）を形成した後、このフォトレジス
ト膜及びゲート電極４０ｎをマスクとして素子領域１６
にドナーイオンをイオン注入し、ゲート電極４０ｎの両
側のシリコン基板１０に、エクステンション領域或いは
ＬＤＤ領域となるＮ形の不純物拡散領域４２ｎを形成す
る。例えば、砒素（Ａｓ）イオンを、加速エネルギー１
０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０¹⁴ｃｍ^-2としてイオン注入
し、不純物拡散領域４２ｎを形成する（図４（ｂ））。

【００４６】次いで、全面に、例えばＣＶＤ法により膜
厚６０ｎｍのシリコン窒化膜を堆積してエッチバック
し、ゲート電極４０ｐ、４０ｎ及びシリコン窒化膜３８
の側壁に、シリコン窒化膜よりなるサイドウォール絶縁
膜４４を形成する。

【００４７】次いで、素子領域１４を露出するフォトレ
ジスト膜（図示せず）を形成した後、このフォトレジス
ト膜、ゲート電極４０ｐ及びサイドウォール絶縁膜４４
をマスクとして素子領域１４にアクセプタイオンをイオ
ン注入し、ゲート電極４０ｐの両側のシリコン基板１０
に、Ｐ形の不純物拡散領域４６ｐを形成する。例えば、
ＢＦ₂イオンを、加速エネルギー４０ｋｅＶ、ドーズ量
３×１０¹⁵ｃｍ^-2としてイオン注入し、不純物拡散領域
４６ｐを形成する。

【００４８】次いで、素子領域１６を露出するフォトレ
ジスト膜（図示せず）を形成した後、このフォトレジス
ト膜、ゲート電極４０ｎ及びサイドウォール絶縁膜４４
をマスクとして素子領域１６にアクセプタイオンをイオ
ン注入し、ゲート電極４０ｎの両側のシリコン基板１０
に、Ｎ形の不純物拡散領域４６ｎを形成する。例えば、
砒素イオンを、加速エネルギー５０ｋｅＶ、ドーズ量３
×１０¹⁵ｃｍ^-2としてイオン注入し、不純物拡散領域４
６ｎを形成する。

【００４９】次いで、窒素雰囲気中で例えば９５０℃１
０秒間の熱処理を行い、注入した不純物を活性化し、不
純物拡散領域４２ｐ、４６ｐよりなるＰ型ＭＯＳトラン
ジスタのソース／ドレイン拡散層４８ｐと、不純物拡散
領域４２ｎ、４６ｎよりなるＮ型ＭＯＳトランジスタの
ソース／ドレイン拡散層４８ｎとを形成する。

【００５０】こうして、Ｐ型のゲート電極４０ｐを有す
るＰ型ＭＯＳトランジスタと、Ｎ型のゲート電極４０ｎ
を有するＮ型ＭＯＳトランジスタとを形成する（図４
（ｃ））。

【００５１】次に、製造プロセスの違いによる窒素導入
の効果の相違とボロンの突き抜け抑制の効果との関係に
ついて説明する。

【００５２】図５は、種々の方法によりゲート絶縁膜に
窒素を導入した試料におけるゲート絶縁膜／シリコン基
板界面近傍での窒素濃度を二次イオン質量分析法により
測定した結果を示すグラフである。図中、○印はゲート
絶縁膜の形成後にＮＯ雰囲気中で８５０℃の熱処理を行
った試料、□印はゲート絶縁膜の形成後に５×１０¹⁴ｃ
ｍ^-2の窒素イオン注入を行った試料、△印はゲート絶縁
膜の形成後にＮＯ雰囲気中で８５０℃の熱処理を行い、
その後に５×１０¹⁴ｃｍ^-2の窒素イオン注入を行った試
料、▽印はゲート絶縁膜の形成後に５×１０¹⁴ｃｍ^-2の
窒素イオン注入を行い、その後にＮＯ雰囲気中で８００
℃の熱処理を行った試料、◇印はゲート絶縁膜の形成後
に５×１０¹⁴ｃｍ^-2の窒素イオン注入を行い、その後に
ＮＯ雰囲気中で８５０℃の熱処理を行った試料、●印は
４×１０¹⁴ｃｍ^-2の窒素イオン注入を行った後にゲート
絶縁膜を形成した試料である。

【００５３】図５に示されるように、ゲート絶縁膜の形
成後に５×１０¹⁴ｃｍ^-2の窒素イオン注入を行った試料
（□印のプロット）は、ゲート絶縁膜の形成後にＮＯ雰
囲気中で８５０℃の熱処理を行った試料（○印のプロッ
ト）とほぼ等しいプロファイルを有しており、イオン注
入によってもＮＯ雰囲気中における熱処理と同様の窒素
導入効果を得ることができる。なお、ゲート絶縁膜の形
成前に同条件で窒素イオン注入を行った試料（●印のプ
ロット）では、ゲート絶縁膜中に窒素が取り込まれると
ともにゲート絶縁膜の形成過程で窒素が外方拡散するた
め、窒素のピーク位置はゲート絶縁膜中となり、その濃
度もかなり低くなっている。また、図示しないが、ゲー
ト電極形成後に窒素イオン注入を行った場合にあって
は、窒素のピークはゲート電極中に位置する。

【００５４】ゲート絶縁膜の形成後に５×１０¹⁴ｃｍ^-2
の窒素イオン注入を行い、その後にＮＯ雰囲気中で８５
０℃の熱処理を行った試料（◇印のプロット）では、そ
れぞれを単独で行った試料（□印及び○印のプロット）
よりも窒素濃度が高くなっており、両者の相乗効果を得
ることができる。

【００５５】また、ゲート絶縁膜の形成後にＮＯ雰囲気
中で８５０℃の熱処理を行い、その後に５×１０¹⁴ｃｍ
^-2の窒素イオン注入を行った試料（△印のプロット）
と、ゲート絶縁膜の形成後に５×１０¹⁴ｃｍ^-2の窒素イ
オン注入を行い、その後にＮＯ雰囲気中で８００℃の熱
処理を行った試料（▽印のプロット）とを比較すると、
後者の方が熱処理温度が低いにもかかわらず、より多く
の窒素が導入されている。後者の方が窒素濃度が高くな
るのは、後者ではイオン注入ダメージがゲート絶縁膜中
に入った状態で熱処理が行われるため窒素が膜中を拡散
しやすいためと考えられる。

【００５６】また、ゲート絶縁膜の形成後に５×１０¹⁴
ｃｍ^-2の窒素イオン注入を行い、その後にＮＯ雰囲気中
で８５０℃の熱処理を行った試料（◇印のプロット）
と、ゲート絶縁膜の形成後に５×１０¹⁴ｃｍ^-2の窒素イ
オン注入を行い、その後にＮＯ雰囲気中で８００℃の熱
処理を行った試料（◇印のプロット）とを比較すると、
前者の方が若干窒素濃度が高くなるが、その差はわずか
である。

【００５７】このように、ゲート絶縁膜の形成後に窒素
イオン注入を行う方法は、ＮＯ雰囲気中で熱処理を行っ
て窒素を導入する方法と同等の効果を得ることができ
る。なお、窒素イオン注入ではＰ型ＭＯＳトランジスタ
のゲート絶縁膜に選択的に窒素を導入することができる
ので、Ｎ型ＭＯＳトランジスタの特性劣化をもたらさな
いという点でＮＯ雰囲気中で熱処理を行うことにより窒
素を導入する方法よりも優れている。

【００５８】また、ゲート絶縁膜の形成後に窒素イオン
注入及びＮＯ雰囲気中での熱処理を行うことにより、両
者の相乗的な効果を得ることができ、より多くの窒素を
導入することができる。殊に、窒素イオン注入の後にＮ
Ｏ雰囲気中での熱処理を行う場合にあっては、ＮＯ雰囲
気中での熱処理後に窒素イオン注入を行う場合と比較し
て、より多くの窒素を導入することができる。

【００５９】また、イオン注入後にＮＯ雰囲気中で熱処
理を行った場合、膜中への窒素の導入効果の熱処理温度
依存性は小さい。したがって、ＮＯ雰囲気中での熱処理
前に窒素イオン注入を行うことは、同一濃度の窒素を導
入するにあたり、ＮＯ雰囲気中での熱処理を単独で行う
場合と比較して、プロセス温度を低温化することができ
る。

【００６０】図６は、種々の方法によりゲート絶縁膜に
窒素を導入した試料におけるＣ−Ｖ測定結果を示すグラ
フである。これらＣ−Ｖ測定は、Ｐ型シリコン基板上に
ゲート絶縁膜を介してボロンドープのＰ型ポリシリコン
ゲートを形成したＭＯＳダイオードを用いて測定した。

【００６１】図中、○印は窒素を導入していない試料、
□印はゲート絶縁膜の形成後に２×１０¹⁴ｃｍ^-2の窒素
イオン注入を行った試料、△印はゲート絶縁膜の形成後
に５×１０¹⁴ｃｍ^-2の窒素イオン注入を行った試料、▽
印はゲート絶縁膜の形成後にＮＯ雰囲気中で８５０℃の
熱処理を行い、その後に５×１０¹⁴ｃｍ^-2の窒素イオン
注入を行った試料、◇印はゲート絶縁膜の形成後に５×
１０¹⁴ｃｍ^-2の窒素イオン注入を行い、その後にＮＯ雰
囲気中で８５０℃の熱処理を行った試料である。

【００６２】図６に示されるように、窒素イオン注入や
窒化熱処理によって窒素を導入していない試料（○印の
プロット）では、フラットバンド電圧が大きくプラス方
向にシフトしている。このことから、ゲート電極中のボ
ロンがゲート絶縁膜を介して基板中に高濃度に拡散して
いることが判る。

【００６３】ゲート絶縁膜を形成後に窒素イオン注入を
行った試料（□印及び△印のプロット）では、窒素を導
入していない試料（○印のプロット）と比較して、フラ
ットバンド電圧はマイナス方向にシフトしている。この
ことから、窒素を導入することにより、ゲート電極から
基板へのボロンの熱抜けを抑制できることが判る。ま
た、窒素のドーズ量が多いほどにフラットバンド電圧の
シフト量が大きく、より多くの窒素を導入することでボ
ロンの熱抜けの抑制効果が増大することが判る。

【００６４】ゲート絶縁膜を形成した後に窒素イオン注
入及びＮＯ雰囲気中での熱処理を行った試料（▽印及び
◇印のプロット）では、窒素イオン注入のみによって窒
素を導入した試料（□印及び△印のプロット）と比較し
て、フラットバンド電圧は更にマイナス方向にシフトし
ている。このことから、窒素イオン注入及びＮＯ雰囲気
中での熱処理を行うことにより、両者の相乗的な効果に
より、ゲート電極から基板へのボロンの熱抜けを更に効
果的に抑制できることが判る。殊に、窒素イオン注入の
後にＮＯ雰囲気中での熱処理を行う場合にあっては、Ｎ
Ｏ雰囲気中での熱処理後に窒素イオン注入を行う場合と
比較して、ボロンの熱抜けを防止する効果が高いことが
判る。

【００６５】このように、ゲート絶縁膜の形成後に窒素
イオン注入を行う方法は、ＮＯ雰囲気中で熱処理を行っ
て窒素を導入する方法と同様に、ゲート電極からのボロ
ンの熱抜けを防止する効果を得ることができる。

【００６６】また、ゲート絶縁膜の形成後に窒素イオン
注入及びＮＯ雰囲気中での熱処理を行うことにより、両
者の相乗的な効果を得ることができ、ボロンの熱抜けを
より効果的に抑制することができる。殊に、窒素イオン
注入の後にＮＯ雰囲気中での熱処理を行う場合にあって
は、ＮＯ雰囲気中での熱処理後に窒素イオン注入を行う
場合と比較して、よりボロンの熱抜けを防止する効果を
高くすることができる。

【００６７】図５に示すグラフにおいてボロンの熱抜け
を防止する効果が高い試料は、図６に示すグラフにおい
てゲート絶縁膜／シリコン基板界面における窒素濃度が
高い試料に対応している。すなわち、両結果から、界面
窒素濃度が高いほどにボロンの熱抜けを防止する効果が
高いことが裏付けられる。

【００６８】このように、本実施形態によれば、Ｐ型Ｍ
ＯＳトランジスタのゲート絶縁膜に、Ｎ型ＭＯＳトラン
ジスタのゲート絶縁膜よりも多くの窒素を選択的に導入
するので、Ｐ型ゲート電極からのボロンの熱抜けを抑制
するとともに、Ｎ型ＭＯＳトランジスタの特性劣化を防
止することができる。

【００６９】なお、上記実施形態では、窒素イオン注入
を行った後に窒化性ガス雰囲気中での熱処理を行うこと
により両者の相乗効果を利用しつつ窒素を導入している
が、窒素イオン注入のみによって窒素を導入するように
してもよい。この場合、Ｎ型ＭＯＳトランジスタのゲー
ト絶縁膜２６には窒素は導入されないので、Ｎ型ＭＯＳ
トランジスタの特性劣化を懸念する必要は一切ない。

【００７０】また、窒素イオン注入の後に窒化性ガス雰
囲気中での熱処理を行う代わりに、ゲート絶縁膜２４の
形成後、窒素イオン注入の前に、窒化性ガス雰囲気中で
の熱処理を行うようにしてもよい。この場合、図５に示
すように、窒素イオン注入の後に窒化性ガス雰囲気中で
の熱処理を行う場合よりは窒素導入の効果は劣るが、窒
素イオン注入による効果と窒化性ガス雰囲気中での熱処
理による効果との相乗的な効果を得ることができる。

【００７１】なお、窒化性ガス雰囲気中での熱処理を行
った後に窒素イオン注入を行う場合にあっては、ゲート
電極の形成前に、窒素ガスや希ガスなどの不活性ガス雰
囲気中で８００〜１０００℃程度の熱処理を行うことが
望ましい。この熱処理により窒素イオン注入によるゲー
ト絶縁膜へのダメージを回復することができ、ゲート絶
縁膜の信頼性を向上することができる。

【００７２】［第２実施形態］本発明の第２実施形態に
よる半導体装置の製造方法について図７を用いて説明す
る。なお、図１乃至図６に示す第１実施形態による半導
体装置及びその製造方法と同様の構成要素には同一の符
号を付し説明を省略し或いは簡略にする。

【００７３】図７は本実施形態による半導体装置の製造
方法を示す工程断面図である。

【００７４】本実施形態による半導体装置の製造方法に
よって形成される半導体装置の構造は、図１に示す第１
実施形態による半導体装置と同様である。

【００７５】以下、本実施形態による半導体装置の製造
方法について図７を用いて説明する。

【００７６】まず、例えば図２（ａ）乃至図２（ｃ）に
示す第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様に
して、素子分離膜１２によって画定されたシリコン基板
１０の素子領域１４，１６に、ゲート絶縁膜２４，２６
をそれぞれ形成する（図７（ａ））。

【００７７】次いで、全面に、例えばＣＶＤ法により、
例えば膜厚１００ｎｍのシリコン窒化膜を堆積する。こ
うして、シリコン窒化膜よりなるハードマスク５０を形
成する。

【００７８】次いで、フォトリソグラフィーにより、ハ
ードマスク５０上に、素子領域１４を露出するフォトレ
ジスト膜５２を形成する。

【００７９】次いで、フォトレジスト膜５２をマスクと
してハードマスク５０をパターニングし、ゲート絶縁膜
２４を表面に露出する。例えば、リン酸を用いたウェッ
トエッチングにより、ハードマスク５０をパターニング
することができる。

【００８０】次いで、フォトレジスト膜５２及びハード
マスク５０をマスクとして窒素イオン注入を行い、素子
領域１４に選択的に窒素を導入する（図７（ｂ））。例
えば、Ｎ₂ ⁺イオンを、加速エネルギー３．２ｋｅＶ、ド
ーズ量５×１０¹⁴ｃｍ^-2としてイオン注入する。なお、
窒素イオンの注入条件は、第１実施形態と同様である。

【００８１】次いで、フォトレジスト膜５２を除去した
後、例えばＮＯを含むガス雰囲気中など、窒化性ガス雰
囲気中で８５０℃の熱処理を行い、シリコン基板１０と
ゲート絶縁膜２４との界面により高濃度に窒素を導入す
る（図７（ｃ））。この際、素子領域１６はハードマス
ク５０によって覆われているため、ゲート絶縁膜２６中
に窒素が導入されることはない。したがって、窒化性ガ
ス雰囲気中におけるこの熱処理によって、Ｎ型ＭＯＳト
ランジスタの特性が劣化することはない。

【００８２】次いで、例えばリン酸を用いたウェットエ
ッチングにより、ハードマスク５０を除去する。

【００８３】次いで、例えば図３（ｂ）乃至図４（ｃ）
に示す第１実施形態による半導体装置の製造方法と同様
にして、ゲート電極４０、ソース／ドレイン拡散層４８
等を形成する。

【００８４】このように、本実施形態によれば、Ｐ型Ｍ
ＯＳトランジスタのゲート絶縁膜に選択的に窒素を導入
するので、Ｐ型ゲート電極からのボロンの熱抜けを抑制
するとともに、Ｎ型ＭＯＳトランジスタの特性劣化を防
止することができる。

【００８５】なお、上記実施形態では、窒素イオン注入
及び窒化性ガス雰囲気中での熱処理によって窒素を導入
しているが、ＮＯガス雰囲気中での熱処理のみによって
窒素を導入してもよい。

【００８６】［変形実施形態］本発明は上記実施形態に
限らず種々の変形が可能である。

【００８７】例えば、上記実施形態では、ゲート絶縁膜
に窒素を導入する際に用いる窒化性を有するガスとし
て、ＮＯガスを例にして説明したが、窒化性を有する他
のガスを用いてもよい。例えば、ＮＯガスの代わりに、
Ｎ₂ＯやＮＨ₃などを含むガスを用いることができる。

【００８８】また、上記実施形態では、ポリメタル構造
のゲート電極を有するＭＯＳトランジスタに本発明を適
用した場合を示したが、ゲート電極の構造はポリメタル
構造に限られるものではない。例えば、ポリシリコン膜
の単層構造からなるゲート電極や、ポリシリコン膜とシ
リサイド膜とが積層されてなるポリサイド構造のゲート
電極においても、本発明を適用することができる。

【００８９】また、上記実施形態では、ＬＤＤ構造或い
はエクステンションソース／ドレイン構造のソース／ド
レイン拡散層を有するＭＯＳトランジスタに本発明を適
用した場合を示したが、ソース／ドレイン拡散層はこれ
らの構造に限られるものではない。

【００９０】また、上記実施形態では、現在広く用いら
れている自己整合コンタクト技術を考慮して、ゲート電
極４０ｐ，４０ｎを、シリコン窒化膜３８及びサイドウ
ォール絶縁膜４４により覆っているが、これらは必ずし
も必要ではない。また、ゲート電極上を覆う絶縁膜やサ
イドウォール絶縁膜は、上記実施形態に記載の構造に限
定されるものではない。

【００９１】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、ゲート絶
縁膜の形成後、ゲート電極の形成前に、Ｐ型ＭＯＳトラ
ンジスタのゲート絶縁膜に選択的に窒素をイオン注入す
るので、Ｎ型ＭＯＳトランジスタの特性劣化を防止しつ
つ、Ｐ型ＭＯＳトランジスタのゲート電極からのボロン
の熱抜けを抑制することができる。

【００９２】また、窒素イオン注入の後に、窒化性を有
するガス雰囲気中で熱処理を行うので、窒素イオン注入
と熱処理との相乗効果により、ゲート絶縁膜中への窒素
導入効果を更に高めることができる。これにより、Ｐ型
ＭＯＳトランジスタのゲート電極からのボロンの熱抜け
を更に抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態による半導体装置の構造
を示す概略断面図である。

【図２】本発明の第１実施形態による半導体装置の製造
方法を示す工程断面図（その１）である。

【図３】本発明の第１実施形態による半導体装置の製造
方法を示す工程断面図（その２）である。

【図４】本発明の第１実施形態による半導体装置の製造
方法を示す工程断面図（その３）である。

【図５】シリコン基板とゲート絶縁膜との界面近傍にお
ける窒素濃度分布を示すグラフである。

【図６】ゲート電極からのボロンの熱抜けを表すＣ−Ｖ
特性を示すグラフである。

【図７】本発明の第２実施形態による半導体装置の製造
方法を示す工程断面図である。

【符号の説明】

１０…シリコン基板 １２…素子分離膜 １４，１６…素子領域 １８…犠牲酸化膜 ２０…Ｎ型ウェル ２２…Ｐ型ウェル ２４，２６…ゲート絶縁膜 ２８…フォトレジスト膜 ３０…アモルファスシリコン膜 ３２…ポリシリコン膜 ３４…窒化タングステン膜 ３６…タングステン膜 ３８…シリコン窒化膜 ４０…ゲート電極 ４２，４６…不純物拡散領域 ４４…サイドウォール絶縁膜 ４８…ソース／ドレイン拡散層 ５０…ハードマスク ５２…フォトレジスト膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F048 AC03 BB04 BB06 BB07 BB09 BB11 BB13 BC06 BE03 BG13 DA27 5F140 AA06 AA28 AB03 AC32 BA01 BD05 BD15 BD17 BE03 BE07 BE15 BE16 BE17 BF04 BF20 BF21 BF27 BG08 BG14 BG22 BG24 BG30 BG52 BG53 BH15 BK02 BK21 CB04 CB08

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の領域と第２の領域とを有するシリ
   コン基板と、 前記シリコン基板の前記第１の領域に形成された第１の
   ゲート絶縁膜と、 前記第１のゲート絶縁膜上に形成され、ボロンを含むシ
   リコン層を有する第１のゲート電極と、 前記シリコン基板の前記第２の領域に形成された第２の
   ゲート絶縁膜と、 前記第２のゲート絶縁膜上に形成され、ドナー不純物を
   含むシリコン層を有する第２のゲート電極とを有し、 前記第１のゲート絶縁膜は、前記第２のゲート絶縁膜よ
   りも窒素を多く含み、窒素濃度のピークが、前記シリコ
   ン基板と前記第１のゲート絶縁膜との界面に位置してい
   ることを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 シリコン基板の第１の領域に第１のゲー
   ト絶縁膜を形成し、前記シリコン基板の第２の領域に第
   ２のゲート絶縁膜を形成する工程と、 前記シリコン基板の前記第１の領域に、窒素を選択的に
   イオン注入する工程と、 前記第１のゲート絶縁膜上に、ボロンを含むシリコン層
   を有する第１のゲート電極を形成し、前記第２のゲート
   絶縁膜上に、ドナー不純物を含むシリコン層を有する第
   ２のゲート電極を形成する工程とを有することを特徴と
   する半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載の半導体装置の製造方法に
   おいて、 窒素をイオン注入する工程の後に、窒化性を有するガス
   雰囲気中で熱処理することにより前記第１のゲート絶縁
   膜中に窒素を導入する工程を更に有することを特徴とす
   る半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項２記載の半導体装置の製造方法に
   おいて、 前記第１のゲート絶縁膜及び前記第２のゲート絶縁膜を
   形成する工程の後、窒素をイオン注入する工程の前に、
   窒化性を有するガス雰囲気中で熱処理することにより前
   記第１のゲート絶縁膜中に窒素を導入する工程を更に有
   することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】 請求項４記載の半導体装置の製造方法に
   おいて、 前記窒素をイオン注入する工程の後に、不活性ガス雰囲
   気中で熱処理を行う工程を更に有することを特徴とする
   半導体装置の製造方法。