JP2003282860A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体装置およびその製造方法Info
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Abstract
精度に形成できるようにする。 【解決手段】シリコン基板1上に第1のゲート絶縁膜を
介して第1のゲート電極3を形成し、全面を酸素の活性
種で熱酸化し下地絶縁膜5および側面酸化膜6を形成す
る。そして、全面にHTO膜を成膜して堆積絶縁膜8を
形成する。この積層する下地絶縁膜5と堆積絶縁膜8と
で第2のゲート絶縁膜9を形成する。そして、全面にC
VD法でN型不純物を含有する多結晶シリコン膜を成膜
させ、第1のゲート電極3と同様に上記多結晶シリコン
膜を加工し第2のゲート電極10を互いにオーバラップ
するように形成する。
Description
の製造方法に関し、特にオーバラップするゲート電極お
よびゲート絶縁膜の構造とその形成方法に関する。
密度化と共に、その多機能化あるいは高機能化が種々に
検討されている。このような半導体装置は、主にメモり
デバイス、ロジックデバイスあるいはアナログデバイス
がそれぞれ混載して構成される。そして、近年では、C
CD(Charge Coupled Device)
のような固体撮像素子を混載する半導体装置も検討され
始めた。
は、通常、2層のゲート電極でもってNMOS構造のト
ランジスタが形成される。ここで、第1層のゲート電極
と第2層のゲート電極の一部は、絶縁膜を挟んで積層す
るように形成される。すなわち、2層のゲート電極は互
いにオーバラップするように設けられる。このような構
造にすることで、電荷の転送効率が向上することにな
る。
層のゲート電極の形成について概略説明する。図6は、
第1のゲート電極および第2のゲート電極の製造工程順
の略断面図である。
01表面に第1のゲート絶縁膜102を熱酸化で形成す
る。ここで、第1のゲート絶縁膜の膜厚は100nm程
度である。そして、リン不純物を含有する多結晶シリコ
ン膜を化学気相成長(CVD)法で堆積させる。公知の
リソグラフィ技術とドライエッチング技術とで上記多結
晶シリコン膜を加工し、第1のゲート電極103を形成
する。なお、上記リン不純物を含有する多結晶シリコン
膜の形成では、初めにノンドープの多結晶シリコン膜を
成膜しその後にリンの熱拡散を行って形成してもよい。
溶液を用いたウェットエッチングにより、第1のゲート
電極103の下部以外にあるシリコン基板101上に残
存していた絶縁膜を除去する。上記ウェットエッチング
工程で、第1のゲート電極103端部の第1のゲート絶
縁膜102は等方的なエッチイングを受けてその領域に
アンダーカット104が生じる。
囲気中での熱酸化を施す。この熱酸化で、図6(c)に
示すようにシリコン基板101表面に膜厚が100nm
程度の第2のゲート絶縁膜105を形成する。同時に、
第1のゲート電極103表面も酸化され、その領域に側
面酸化膜106が形成されることになる。
膜106はオーバーハング形状になる。そして、第1の
ゲート電極103の端部において酸化膜窪み107が形
成されることになる。
含有する多結晶シリコン膜を成膜させる。そして、第1
のゲート電極103と同様に上記多結晶シリコン膜を加
工し第2のゲート電極108を形成する。
に、シリコン基板101上に第1のゲート絶縁膜102
を介して第1のゲート電極103を形成し、第2のゲー
ト絶縁膜105を介して第2のゲート電極108を形成
する。しかし、従来の技術では、図6(c)で説明した
酸化膜窪み107領域にシリコン残り109が形成され
ることになる。
(d)に説明したように、シリコン残り109が第1の
ゲート電極103の端部に沿って形成されるようにな
る。このようなシリコン残り109が発生すると、以降
の半導体装置の製造工程で剥離し導電性のある長大なパ
ーティクルとなってしまう。そして、半導体装置の製造
歩留まりを大幅に低下させることがある。更に、場合に
よっては、このシリコン残り109が複数の第2のゲー
ト電極108間を短絡し、半導体装置の動作不良を引き
起こす。
に、等方的なエッチングを追加して上記シリコン残り1
09を除去する必要がある。しかし、このような追加エ
ッチングでは、上記第2のゲート電極108も追加エッ
チングされ、第2のゲート電極108のゲート寸法が変
動することになる。このために、ゲート寸法が微細にな
ってくると上記の追加エッチングの手法は使用できな
い。
ように、第1のゲート電極103の端部でその断面形状
が変形し上部に反り上がるような形状になる。このよう
な変形は、上述したCCDでの電荷の転送効率を大幅に
低下させるようになる。
ゲート電極を高精度に形成し上述した問題を全て解決す
ることにある。そして、本発明の他の目的は、マルチオ
キサイド膜を簡便な方法で形成し、半導体装置の多機能
化および高機能化を容易にすることにある。
装置では、半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を介して
第1のゲート電極が形成され、前記半導体基板表面およ
び第1のゲート電極表面の熱酸化で形成する第1酸化膜
とCVD法で全面に堆積する第2酸化膜とがこの順に積
層して第2のゲート絶縁膜が形成され、前記第1酸化膜
と第2酸化膜を介して前記第1のゲート電極にオーバラ
ップする第2のゲート電極が形成されている。
は、半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を形成し該第1
のゲート絶縁膜上の所定の領域に第1のゲート電極を形
成する工程と、前記第1のゲート電極をエッチングマス
クにし前記第1のゲート絶縁膜を選択的に除去する工程
と、露出した前記半導体基板表面と前記第1のゲート電
極表面を熱酸化し第1酸化膜を形成し、更に前記第1酸
化膜を被覆する第2酸化膜をCVD法で成膜し、前記第
1酸化膜と第2酸化膜とで第2のゲート絶縁膜を形成す
る工程と、前記第1酸化膜と第2酸化膜を介して前記第
1のゲート電極にオーバラップする第2のゲート電極を
形成する工程とを含む。
は、半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を形成し該第1
のゲート絶縁膜上の所定の領域に第1のゲート電極を形
成する工程と、前記第1のゲート電極をエッチングマス
クにし前記第1のゲート絶縁膜を選択的に除去する工程
と、露出した前記半導体基板表面と前記第1のゲート電
極表面を熱酸化し第1酸化膜を形成し、更に前記第1酸
化膜を被覆する第2酸化膜をCVD法で成膜し、前記第
1酸化膜と第2酸化膜とで第2のゲート絶縁膜を形成す
る工程と、前記半導体基板上の所定の領域において前記
第2のゲート絶縁膜を選択的に除去する工程と、全面を
酸素ガスで熱処理し、露出した前記半導体基板表面に第
3のゲート絶縁膜を形成する工程と、前記第1酸化膜と
第2酸化膜を介して前記第1のゲート電極にオーバラッ
プし前記第2のゲート絶縁膜を被覆する第2のゲート電
極を形成すると同時に前記第3のゲート絶縁膜を被覆す
る第3のゲート電極を形成する工程とを含む。
による熱酸化で形成される。あるいは、前記第2酸化膜
は、シランと亜酸化窒素とを反応ガスに含んだ減圧CV
Dで成膜したHTO膜である。
極表面に一様に形成される。また、第2酸化膜の被覆性
は非常に高く、その断面形状はコンフォーマルになる。
このために、互いにオーバラップする第1のゲート電極
および第2のゲート電極を高精度に形成できるようにな
る。そして、マルチオキサイド膜が簡便に形成でき、半
導体装置の多機能化および高機能化が容易になる。
について図1と図2に基づいて説明する。ここで、図1
と図2は、本発明の場合の、互いにオーバラップする第
1のゲート電極および第2のゲート電極および第2のゲ
ート絶縁膜の製造工程順の断面図である。
様に、シリコン基板1表面に膜厚が100nm程度の第
1のゲート絶縁膜2を熱酸化法で形成する。そして、N
型不純物(リン、ヒ素)を含有する多結晶シリコン膜を
CVD法で堆積させ、公知のリソグラフィ技術とドライ
エッチング技術とで上記多結晶シリコン膜を加工し、第
1のゲート電極3を形成する。ここで、第1のゲート電
極3に含まれる不純物濃度は1019〜1020原子/
cm3 程度である。なお、上記N型不純物を含有する
多結晶シリコン膜の形成では、初めにノンドープの多結
晶シリコン膜を成膜しその後にN型不純物の熱拡散を行
って形成してもよい。
溶液を用いたウェットエッチングにより、第1のゲート
電極3の下部以外にあるシリコン基板1上に残存してい
た絶縁膜を除去する。上記ウェットエッチング工程で、
第1のゲート電極3端部の第1のゲート絶縁膜2は等方
的なエッチイングを受けてその領域にアンダーカット4
が生じる。
素の雰囲気中での熱酸化を施す。この熱酸化で第1酸化
膜を形成する。すなわち、図1(c)に示すようにシリ
コン基板1表面に膜厚が10nm程度シリコン酸化膜で
下地絶縁膜5を形成する。この熱酸化では同時に、第1
のゲート電極3表面も酸化され、その領域に側面酸化膜
6が形成されることになる。ここで、第1のゲート電極
3中には高濃度のN型不純物が含まれるために、上記熱
酸化で形成される側面酸化膜6の膜厚は20nm程度に
厚くなる。
すような窪み7が形成される。しかし、この場合には、
第1のゲート電極3の側面は一様に酸化される。これに
ついては図4と図5に基づいて詳細に説明する。このた
めに、上記窪み7の空洞幅は60nm程度と一様にな
る。
D法で全面に膜厚が90nm程度のシリコン酸化膜を成
膜し第2酸化膜を形成する。すなわち、下地絶縁膜5、
側面酸化膜6上および窪み7を充填するように堆積絶縁
膜8を形成する。この堆積絶縁膜8と下地絶縁膜5とで
第2のゲート絶縁膜9が形成される。
0〜700℃と通常のCVD法の場合より高く、反応ガ
スとしてシラン(SiH4 )と亜酸化窒素(N2
O)ガスを用いる点にある。以下、このようにして形成
するシリコン酸化膜をHTO(High Temper
ature Oxide)膜という。このHTO膜は被
覆性に優れているために、上述した窪み7は完全にHT
O膜で埋め込まれるようになる。また、HTO膜は均一
に形成されるために、上記堆積絶縁膜8は、第1のゲー
ト電極3表面において、従来の技術で述べたようなオー
バーハング形状にはならないでコンフォーマル形状にな
る。
含有する多結晶シリコン膜を成膜させる。そして、図2
(b)に示すように、第1のゲート電極3と同様に上記
多結晶シリコン膜を加工し第2のゲート電極10を形成
する。
に、シリコン基板1上に第1のゲート絶縁膜2を介して
第1のゲート電極3を形成し、下地絶縁膜5と堆積絶縁
膜8で成る第2のゲート絶縁膜9を介して第2のゲート
電極10を形成する。
の熱酸化について図3と図4に基づき説明する。この中
で、本発明の効果も説明する。図3は、上述した図1
(c)と図2(a)に対応する断面図である。図4は、
従来の熱酸化の場合を説明するための断面図である。
表面および第1のゲート電極3表面をラジカル酸素の雰
囲気で熱酸化すると、第1のゲート電極3表面の酸化は
一様に進行する。このために、上記窪み7においてその
空洞幅は一様になる。
通常のH2 OあるいはO2 雰囲気で上記熱酸化を行
うと、図4(a)に示すように、第1のゲート電極3表
面は一様に酸化されなくなる。このために、側面酸化膜
6において第1のゲート電極3の角部の膜厚が局所的に
厚くなり、凸部11,11aが形成される。そして、上
述した窪み7aの断面形状が一様でなくなる。
うに矩形に加工した被酸化物を熱酸化すると、成長する
酸化膜には熱応力が生成する。この熱応力が引っ張り応
力であると、酸化膜中を熱拡散で動く酸化剤の反応界面
への供給量は増加し、その領域の酸化が局所的に増速さ
れる。このために上述した凸部11,11aが形成され
る。なお、熱応力が圧縮応力であると、逆に酸化は減速
することになる。
素の雰囲気で熱酸化を行うと、上述した熱応力の影響が
大幅に低減する。このために一様な側面酸化膜6が第1
のゲート電極3の側面に形成できるようになる。本発明
では、ラジカル酸素の他に酸素の活性種であればよい。
ここで、酸素の活性種とは酸素が励起状態になっている
もので、酸素のイオン、酸素の中性ラジカルである。こ
のような酸素の活性種は、酸素をプラズマ励起する、水
素と酸素とを減圧下で反応させる、オゾンを熱分解させ
る等で形成できる。
たHTO膜で堆積絶縁膜8を下地絶縁膜5および側面酸
化膜6を覆うように全面に形成すると、一様に形成され
た上記窪み7は完全に埋め込まれる。このようにして、
第1のゲート電極3表面において、従来の技術で述べた
ようなオーバーハング形状にはならないでコンフォーマ
ル形状になる。
場合には、本発明と同様にHTO膜でもって全面に堆積
絶縁膜8を形成しても、第1のゲート電極3の角部に形
成した凸部11の影響が残り、図4(b)に示すよう
に、この領域において堆積絶縁膜8はオーバーハング形
状になる。また、窪み7aは完全には埋め込まれずにボ
イド12が形成されることになる。このような、オーバ
ーハング形状は、従来の技術で説明したのと同じ問題を
生じさせる。そして、上記ボイド12はMOSFETの
信頼性を低下させる。
の技術の場合のような導電性のある長大なパーティクル
発生は無くなり、複数の第2のゲート電極10間の短絡
も皆無になる。そして、半導体装置の製造歩留まりが大
幅に向上する。また、第2のゲート電極10の追加エッ
チングは全く不要であり、ゲート寸法の微細化が可能に
なる。そして、互いにオーバラップする第1のゲート電
極および第2のゲート電極を高精度に形成できるように
なる。
図5に基づいて説明する。図5はマルチオキサイド膜を
形成する場合を説明するゲート電極部の断面図である。
るために、図5(a)に示すように、第1の実施の形態
と同様に、シリコン基板1上に第1のゲート絶縁膜2を
介して第1のゲート電極3を形成する。そして、シリコ
ン基板1の表面および第1のゲート電極3表面をラジカ
ル酸素の雰囲気で熱酸化し、下地絶縁膜5および側面酸
化膜6を形成する。
を下地絶縁膜5および側面酸化膜6を覆うように全面に
形成し、一様に形成された上記窪み7を完全に充填させ
る。このようにして、第2のゲート絶縁膜9を形成す
る。
示すように、半導体装置のオペアンプ回路を形成する領
域において、シリコン基板1上の上記下地絶縁膜5と堆
積絶縁膜8を公知の選択エッチング技術で除去する。
気で熱酸化する。この熱酸化により、図5(b)に示す
ように第3のゲート絶縁膜13を形成する。ここで、第
3のゲート絶縁膜13は、膜厚が30nm程度のシリコ
ン酸化膜である。
した上記転送部の第2のゲート絶縁膜9の膜厚は変化し
ない。これは、第2ゲート絶縁膜9の膜厚が実効的には
100nm程度と厚いからである。そして、図5に示す
ように、第2のゲート電極10と第3のゲート電極14
とを同一の工程で形成する。
のMOSFETを構成するマルチオキサイド膜、すなわ
ち、互いに膜厚あるいは膜質の異なる、第1のゲート絶
縁膜2、第2のゲート絶縁膜9および第3のゲート絶縁
膜13を半導体基板上に容易に形成できる。このよう
に、マルチオキサイド膜が簡便に形成でき、半導体装置
の多機能化および高機能化が容易になる。
の活性種の雰囲気中で形成した。本発明はこれに限定さ
れない。第1酸化膜を通常の酸素雰囲気中で形成しても
よい。しかし、この場合には側面酸化膜6の膜厚を10
nm以下になるようにする必要がある。ここで、側面酸
化膜6の膜厚が厚くなると、その膜厚の一様性が悪くな
るからである。
バラップする第1のゲート電極と第2のゲート電極とで
CCDの転送部を形成した。本発明はこれに限定されな
い。これらのゲート電極を有するMOSFETでもって
メモリデバイスあるいはロジックデバイスを形成する場
合でも本発明は同様に適用できる。
ず、本発明の技術思想の範囲内において、実施の形態が
適宜変更され得る。
導体基板上に第1のゲート絶縁膜を介して第1のゲート
電極が形成され、上記半導体基板表面および第1のゲー
ト電極表面の熱酸化法で形成する第1酸化膜とCVD法
で全面に堆積する第2酸化膜とがこの順に積層して第2
のゲート絶縁膜が形成され、上記第1酸化膜と第2酸化
膜を介して上記第1のゲート電極にオーバラップする第
2のゲート電極が形成される。ここで、第1酸化膜は、
酸素の活性種雰囲気で熱酸化で形成され、第2酸化膜は
HTO膜で形成される。
第1のゲート電極および第2のゲート電極を高精度に形
成できるようになり、半導体基板上にマルチオキサイド
膜が簡便に形成できるようになる。そして、半導体装置
の多機能化および高機能化が促進されるようになる。
いにオーバラップするゲート電極の製造工程順の断面図
である。
2のゲート絶縁膜の形成方法を説明する断面図である。
膜の形成方法を説明する断面図である。
めの断面図である。
プするゲート電極の製造工程順の断面図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を介
して第1のゲート電極が形成され、前記半導体基板表面
および第1のゲート電極表面の熱酸化で形成する第1酸
化膜と化学気相成長(CVD)法で全面に堆積する第2
酸化膜とがこの順に積層して第2のゲート絶縁膜が形成
され、前記第1酸化膜と第2酸化膜を介して前記第1の
ゲート電極にオーバラップする第2のゲート電極が形成
されていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 前記第1酸化膜は、酸素の活性種による
熱酸化で形成されていることを特徴とする請求項1記載
の導体装置。 - 【請求項3】 前記第2酸化膜は、シランと亜酸化窒素
とを反応ガスに含んだ減圧CVDで成膜したHTO(H
igh Temperature Oxide)膜であ
ることを特徴とする請求項1または請求項2記載の導体
装置。 - 【請求項4】 半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を形
成し該第1のゲート絶縁膜上の所定の領域に第1のゲー
ト電極を形成する工程と、 前記第1のゲート電極をエッチングマスクにし前記第1
のゲート絶縁膜を選択的に除去する工程と、 露出した前記半導体基板表面と前記第1のゲート電極表
面を熱酸化し第1酸化膜を形成し、更に前記第1酸化膜
を被覆する第2酸化膜をCVD法で成膜し、前記第1酸
化膜と第2酸化膜とで第2のゲート絶縁膜を形成する工
程と、 前記第1酸化膜と第2酸化膜を介して前記第1のゲート
電極にオーバラップする第2のゲート電極を形成する工
程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 半導体基板上に第1のゲート絶縁膜を形
成し該第1のゲート絶縁膜上の所定の領域に第1のゲー
ト電極を形成する工程と、 前記第1のゲート電極をエッチングマスクにし前記第1
のゲート絶縁膜を選択的に除去する工程と、 露出した前記半導体基板表面と前記第1のゲート電極表
面を熱酸化し第1酸化膜を形成し、更に前記第1酸化膜
を被覆する第2酸化膜をCVD法で成膜し、前記第1酸
化膜と第2酸化膜とで第2のゲート絶縁膜を形成する工
程と、 前記半導体基板上の所定の領域において前記第2のゲー
ト絶縁膜を選択的に除去する工程と、 全面を酸素ガスで熱処理し、露出した前記半導体基板表
面に第3のゲート絶縁膜を形成する工程と、 前記第1酸化膜と第2酸化膜を介して前記第1のゲート
電極にオーバラップし前記第2のゲート絶縁膜を被覆す
る第2のゲート電極を形成すると同時に前記第3のゲー
ト絶縁膜を被覆する第3のゲート電極を形成する工程
と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項6】 前記第1酸化膜は、酸素の活性種による
熱酸化で形成することを特徴とする請求項4または請求
項5記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項7】 前記第2酸化膜は、シランと亜酸化窒素
とを反応ガスに含んだ減圧CVDで成膜することを特徴
とする請求項4、請求項5または請求項6記載の半導体
装置の製造方法。
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---|---|---|---|
JP2002085673A JP4063567B2 (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 半導体装置およびその製造方法 |
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JP4063567B2 JP4063567B2 (ja) | 2008-03-19 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007201320A (ja) * | 2006-01-30 | 2007-08-09 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 固体撮像装置およびその製造方法 |
US8551873B2 (en) | 2011-10-06 | 2013-10-08 | Canon Kabushiki Kaisha | Method for manufacturing semiconductor device |
-
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