JP2003282867A

JP2003282867A - 半導体装置および半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2003282867A
Application number: JP2002078635A
Authority: JP
Inventors: Takaoki Sasaki; 隆興佐々木
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2003-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】良好な特性を有するゲート絶縁層を含む半導
体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置１００は、半導体層
１０と、半導体層１０の上方に形成され、窒素原子を含
む酸化膜からなるゲート絶縁層１２と、ゲート絶縁層１
２の上方に形成されたゲート電極１４とを含む。ゲート
絶縁層１２は、両端部に窒素含有領域１２ａを有し、か
つ、ゲート電極１４との界面近傍に窒素原子の濃度分布
の第１のピークを有し、さらに、半導体層１０との界面
近傍に窒素原子の濃度分布の第２のピークを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体層、絶縁
層、および導電層が順次積層されて形成された半導体装
置およびその製造方法に関する。

【０００２】

【背景技術】図２１は、一般的なＭＩＳ(Metal Insulat
or Semiconductor)構造の半導体装置５００を模式的に
示す断面図である。図２１に示すように、半導体基板１
１０には、素子分離領域３２０が形成され、素子分離領
域３２０に囲まれた素子領域には、ソースまたはドレイ
ン領域となる不純物領域１１６，１１８が形成されてい
る。また、半導体装置１１０のうち、少なくともこの不
純物領域１１６，１１８に挟まれた領域の上にはゲート
絶縁層１１２が形成されている。さらに、このゲート絶
縁層１１２の上には、ゲート電極１１４が形成されてい
る。

【０００３】ところで、現在、半導体装置の低消費電力
化、低電圧化が進んでいる。これに伴い、例えば図２１
に示すようなＭＩＳ構造を有する半導体装置５００にお
いては、ゲート絶縁層１１２の薄膜化が進んでいる。し
かしながら、ゲート絶縁層１１２が薄膜化することによ
り、いわゆるホットキャリアが半導体基板１１０とゲー
ト絶縁層１１２との界面のエネルギー障壁を超えて容易
にゲート絶縁層１１２に注入されるようになる。その結
果、半導体装置の閾値電圧が変動したり、電流駆動能力
が低下したりする。この現象は一般に、ホットキャリア
効果(hot carrier effects)といわれている。

【０００４】そこで、ゲート絶縁層に窒化酸化膜を用い
る技術が提案されている。ゲート絶縁層に窒化酸化膜を
用いることにより、ホットキャリア効果を抑制すること
ができる。これにより、半導体装置の閾値電圧の変動や
電流駆動能力の低下を抑制することができる。

【０００５】窒化酸化膜を含むゲート絶縁層は、例え
ば、ＮＨ₃あるいはＮＯ₂雰囲気下で、ゲート絶縁層に対
して熱処理を行ない、窒化することにより形成すること
ができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような窒化酸化
膜を含むゲート絶縁層を形成する場合、ゲート絶縁層へ
窒素を導入する際には、ゲート絶縁層の特性に影響を及
ぼさないような条件下で行なうことが必要とされる。

【０００７】本発明の目的は、ゲート絶縁層へ窒素を導
入する際に、ゲート絶縁層の特性に影響を及ぼさず、良
好な特性を有するゲート絶縁層を含む半導体装置および
その製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】１．半導体装置本発明の半導体装置は、半導体層と、前記半導体層の上
方に形成され、窒素原子を含む酸化膜からなるゲート絶
縁層と、前記ゲート絶縁層の上方に形成されたゲート電
極と、を含む半導体装置であって、前記ゲート絶縁層
は、両端部に窒素高含有領域を有し、かつ、前記導電層
との界面近傍に窒素原子の濃度分布の第１のピークを有
し、さらに、前記半導体層との界面近傍に窒素原子の濃
度分布の第２のピークを有する。

【０００９】この場合、前記窒素高含有領域は、少なく
とも前記ゲート絶縁層の両端部に保護層を形成した後
に、窒素含有ガスを含む雰囲気下で熱処理を行うことに
より形成できる。

【００１０】また、この場合、前記ゲート絶縁層におい
て、前記第１のピークは、前記第２のピークよりも窒素
原子の濃度が高くすることができる。

【００１１】さらに、この場合、前記ゲート絶縁層は、
前記窒素高含有領域に挟まれた窒素低含有領域を含み、
前記ゲート絶縁層において、前記窒素高含有領域の窒素
原子の濃度分布のピーク濃度は、前記窒素低含有領域に
おける前記ゲート電極との界面近傍の窒素原子の濃度分
布のピーク濃度ならびに前記半導体層との界面近傍の窒
素原子の濃度分布のピーク濃度よりも高くすることがで
きる。２．半導体装置の製造方法（１）本発明の第１の半導体装置の製造方法は、（ａ）
一酸化窒素を含む雰囲気下での熱処理により、半導体層
の表面に窒化膜を形成し、（ｂ）一酸化二窒素を含む雰
囲気下で、前記窒化膜が形成された前記半導体層の表面
を酸化窒化することにより、該半導体層の表面に、窒素
原子を含む酸化膜からなる絶縁層を形成し、（ｃ）前記
絶縁層および前記導電層をパターニングして、ゲート絶
縁層およびゲート電極を形成し、（ｄ）全面に保護層を
形成した後、窒素含有ガスを含む雰囲気下で熱処理を行
なうことにより、前記ゲート絶縁層の端部に窒素高含有
領域を形成すること、を含む。

【００１２】（２）本発明の第２の半導体装置の製造方
法は、（ａ）一酸化二窒素を含む雰囲気下で、半導体層
の表面を酸化窒化することにより、該半導体層の表面に
酸化窒化膜を形成し、（ｂ）ＲＰＮ処理によって前記酸
化窒化膜の表面近傍に窒素原子を導入することにより、
前記半導体層の表面に、窒素原子を含む酸化膜からなる
絶縁層を形成し、（ｃ）前記絶縁層および前記導電層を
パターニングして、ゲート絶縁層およびゲート電極を形
成し、（ｄ）全面に保護層を形成した後、窒素含有ガス
を含む雰囲気下で熱処理を行なうことにより、前記ゲー
ト絶縁層の端部に窒素高含有領域を形成すること、を含
む。

【００１３】（３）本発明の第３の半導体装置の製造方
法は、（ａ）一酸化窒素を含む雰囲気下での熱処理によ
り、半導体層の表面に窒化膜を形成し、（ｂ）前記窒化
膜が形成された前記半導体層の表面を酸化することによ
り、該半導体層の表面に酸化窒化膜を形成した後、さら
に、一酸化窒素を含む雰囲気下で熱処理することによ
り、該半導体層の表面に、窒素原子を含む酸化膜からな
る絶縁層を形成し、（ｃ）前記絶縁層および前記導電層
をパターニングして、ゲート絶縁層およびゲート電極を
形成し、（ｄ）全面に保護層を形成した後、窒素含有ガ
スを含む雰囲気下で熱処理を行なうことにより、前記ゲ
ート絶縁層の端部に窒素高含有領域を形成すること、を
含む。

【００１４】上記半導体装置の製造方法は、以下の
（Ａ）〜（Ｅ）の態様をとることができる。

【００１５】（Ａ）前記（ｂ）において、前記絶縁層
は、前記半導体層との界面と反対側の表面近傍に窒素原
子の濃度分布の第１のピークを有し、かつ、前記半導体
層との界面近傍に窒素原子の濃度分布の第２のピークを
有するように形成できる。

【００１６】（Ｂ）前記（ｂ）において、前記絶縁層
は、前記第１のピークが前記第２のピークよりも前記窒
素原子の濃度が高くなるように形成できる。

【００１７】（Ｃ）前記（ｄ）において、前記窒素高含
有領域に挟まれた窒素低含有領域が形成され、前記窒素
高含有領域の窒素原子の濃度分布のピーク濃度が、前記
窒素低含有領域における前記ゲート電極との界面近傍の
窒素原子の濃度分布のピーク濃度ならびに前記半導体層
との界面近傍の窒素原子の濃度分布のピーク濃度よりも
高くなるように、前記ゲート絶縁層に窒素原子を導入で
きる。

【００１８】（Ｄ）前記（ｄ）において、前記窒素含有
ガスとしてＮＯを含む雰囲気下で熱処理を行うことがで
きる。

【００１９】（Ｅ）前記（ｄ）において、前記保護層
は、熱酸化により形成することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について、図面を参照しながら説明する。１．半導体装置の構造図１は、本発明を適用した第１の実施の形態に係る半導
体装置１００を模式的に示す断面図である。図２は、図
１に示す半導体装置１００において、図１に示すＸ−Ｙ
平面と平行な断面におけるゲート絶縁層１２中の窒素原
子の濃度（ａｔｍ％）の分布を模式的に示す図である。
図３は、図１に示す半導体装置１００において、Ｚ方向
におけるゲート絶縁層１２中の窒素原子の濃度（ａｔｍ
％）の分布を模式的に示す図である。

【００２１】本実施の形態の半導体装置１００は、図１
に示すように、半導体層として、例えばＰ型シリコンか
らなる半導体基板１０を有する。半導体基板１０の上方
には、ゲート絶縁層１２およびその上に形成されたゲー
ト電極１４とを含む。ゲート絶縁層１２およびゲート電
極１４の側面には、保護層２２を介してサイドウォール
絶縁層２４が形成されていてもよい。半導体基板１０に
は、ソースおよびドレイン領域となる不純物領域１６，
１８が形成されている。例えば、半導体基板１０にP型
の不純物が注入されている場合、不純物領域１６，１８
にはN型の不純物が注入されている。ゲート絶縁層１２
およびゲート電極１４は、半導体基板１０のうち少なく
とも不純物領域１６，１８に挟まれた領域の上方に形成
されている。

【００２２】この不純物領域１６，１８は、半導体基板
１０のうち素子分離領域２０に囲まれた素子領域におい
て所定の間隔を隔てて形成されている。なお、この不純
物領域１６，１８は、必要に応じて、ＬＤＤ(Long Dope
d Drain)構造をとることができる。

【００２３】ゲート絶縁層１２は、窒素原子を含む酸化
膜からなる。本実施の形態においては、ゲート絶縁層１
２は、窒素原子を含む酸化シリコンからなる。このゲー
ト絶縁層１２は、窒素高含有領域１２ａと窒素低含有領
域１２ｂとを含む。すなわち、ゲート絶縁層１２におい
て、窒素高含有領域１２ａは、窒素低含有領域１２ｂよ
りも窒素原子の濃度が高い領域である。

【００２４】ゲート絶縁層１２において、窒素高含有領
域１２ａは、図１に示すように、ゲート絶縁層１２の両
端部に形成されている。また、窒素低含有領域１２ｂ
は、窒素高含有領域１２ａに挟まれるように形成されて
いる。

【００２５】図２は、図１に示す半導体装置１００にお
いて、半導体基板１０の表面に平行な面（図１において
Ｘ−Ｙ平面に平行な面）でゲート絶縁層１２を切断した
場合において、この切断面における窒素原子の濃度（ａ
ｔｍ％）の分布を模式的に示す図である。図２におい
て、横軸は、ゲート絶縁層１２の一方の端部から他方の
端部までを示し、縦軸は、ゲート絶縁層１２に含まれる
窒素原子の濃度プロファイルを示す。なお、なお、図２
において、実線は、ゲート絶縁層１２のうちゲート電極
１４との界面１２ｃの近傍の断面における窒素原子の濃
度分布を示し、一点破線は、ゲート絶縁層１２のうち半
導体基板１０との界面１２ｄの近傍の断面における窒素
原子の濃度分布を示し、二点破線は、ゲート絶縁層１２
の膜厚のほぼ中央部の断面における窒素原子の濃度分布
を示す。

【００２６】図２に示すように、ゲート絶縁層１２にお
いては、窒素高含有領域１２ａの窒素原子の濃度分布の
ピークの濃度６１が、窒素低含有領域１２ｂにおけるゲ
ート電極１４との界面１２ｃ近傍の窒素原子の濃度分布
の濃度６２より高くなるように形成されている。この濃
度６２は、図２では実線のうち窒素低含有領域１２ｂに
位置する部分の濃度をいい、後述する図３における第１
のピーク９１の濃度に相当する。同様に、窒素高含有領
域１２ａの窒素原子の濃度分布のピークの濃度６１が、
窒素低含有領域１２ｂにおける半導体基板１０との界面
１２ｄ近傍の窒素原子の濃度分布の濃度６３よりも高く
なるように形成されている。この濃度６３は、図２では
一点破線のうち窒素低含有領域１２ｂに位置する部分の
濃度であり、後述する図３における第２のピーク９２の
濃度に相当する。

【００２７】ゲート絶縁層１２の両端部の窒素高含有領
域１２ａは、少なくともゲート絶縁層１２の両端部に保
護層を形成した後に、窒素含有ガスを含む雰囲気下で熱
処理を行うことにより形成されたものである。すなわ
ち、後述する工程によって形成することができる。この
窒素含有ガスとしては、ＮＯ、Ｎ₂Ｏ、ＮＨ₃、ＮＯ₂あ
るいはこれらを１以上含む混合ガス等が例示でき、好ま
しくはＮＯを用いることができる。

【００２８】さらに、ゲート絶縁層１２は、図３に示す
ように、膜厚方向（半導体基板１０の表面と垂直方向；
図１に示すＺ方向）において窒素原子の濃度分布を有す
る。図３において、横軸は、ゲート絶縁層１２のゲート
電極１４側界面１２ｃ（図１参照）からの深さ方向（図
１に示すＺ方向）の距離を示し、縦軸は、ゲート絶縁層
１２に含まれる窒素原子の濃度を示す。なお、図３にお
いて、実線は、ゲート絶縁層１２のうち窒素高含有領域
１２ａにおける膜厚方向の窒素原子の濃度分布を示し、
破線は、ゲート絶縁層１２のうち窒素低含有領域１２ｂ
における膜厚方向の窒素原子の濃度分布を示す。

【００２９】図３に示すように、ゲート絶縁層１２は、
ゲート電極１４との界面１２ｃからの距離によって、含
まれる窒素原子の濃度が異なる。具体的には、ゲート絶
縁層１２は、ゲート電極１４との界面１２ｃの近傍に窒
素原子の濃度分布の第１のピークを有し、かつ、半導体
基板１０との界面１２ｄの近傍に窒素原子の濃度分布の
第２のピークを有する。ここで、ゲート絶縁層１２は、
第１のピークが第２のピークよりも窒素原子の濃度が高
くなるように形成されている。

【００３０】例えば、図３に示すように、ゲート絶縁層
１２のうち窒素高含有領域１２ａでは、ゲート電極１４
との界面１２ｃの近傍に窒素原子の濃度分布の第１のピ
ーク８１を有し、かつ、半導体基板１０との界面１２ｄ
の近傍に窒素原子の濃度分布の第２のピーク８２を有す
る。ここで、窒素高含有領域１２ａが第１のピーク８１
が第２のピーク８２よりも窒素原子の濃度が高くなるよ
うに、ゲート絶縁層１２が形成されている。

【００３１】また、ゲート絶縁層１２のうち窒素低含有
領域１２ｂでは、ゲート電極１４との界面１２ｃの近傍
に窒素原子の濃度分布の第１のピーク９１を有し、か
つ、半導体基板１０との界面１２ｄの近傍に窒素原子の
濃度分布の第２のピーク９２を有する。ここで、窒素高
含有領域１２ａは、第１のピーク９１が第２のピーク９
２よりも窒素原子の濃度が高くなるように形成されてい
る。

【００３２】ゲート電極１４は、導電層からなり、例え
ば、ボロン等の不純物が高濃度にドーピングされた多結
晶シリコンからなる。なお、ゲート電極１４を構成する
材料は多結晶シリコンに限定されるわけではなく、公知
のゲート電極形成材料を用いることができる。

【００３３】本実施の形態の半導体装置１００の利点は
以下の通りである。

【００３４】（１）第１に、ゲート絶縁層１２の端部に
窒素高含有領域１２ａが形成されている。これにより、
ゲート絶縁層１２の端部の誘電率を向上させることがで
きる。この結果、ホットキャリア効果を抑制することが
でき、半導体装置の閾値電圧の変動や電流駆動能力の低
下を抑制することができる。

【００３５】すなわち、図１に示す半導体装置１００に
おいて、ホットキャリアが注入されやすいのは、ゲート
電極１４の下端部近傍の領域である。本実施の形態の半
導体装置１００では、図１に示すように、ゲート電極１
４の下端部近傍の領域に、窒素高含有領域１２ａが形成
されているため、ゲート電極１４下端部近傍のキャリア
トラップを低減できる。このため、ホットキャリア効果
を抑制することができる。

【００３６】また、窒素高含有領域１２ａはゲート絶縁
層１２の両端部に形成されていることにより、キャリア
の移動度の低下を抑制することができる。これにより、
電流駆動能力を損なうことがない。

【００３７】（２）第２に、ゲート絶縁層１２が、ゲー
ト電極１４との界面１２ｃの近傍に窒素原子の濃度分布
の第１のピークを有し、かつ、半導体基板１０との界面
１２ｄの近傍に窒素原子の濃度分布の第２のピークを有
することにより、ゲート絶縁層１２中の窒素原子の濃度
分布をより均一に近づけることができる。この利点をよ
り具体的に説明するために、まず、ゲート絶縁層へ窒素
原子を導入するための一般的な方法について説明した
後、本実施の形態の半導体装置１００の利点について説
明する。

【００３８】（ａ）ゲート絶縁層へ窒素原子を導入する
ための一般的な方法一般に、ゲート絶縁層１２に所望量の窒素原子を導入す
る場合、１回の窒素導入工程によって窒素原子を導入す
る。この場合、得られるゲート絶縁層１２中の窒素原子
の濃度分布のピークは一つである。このように、ゲート
絶縁層１２中の窒素原子の濃度分布のピークが一つであ
る場合、ゲート絶縁層１２中における窒素原子の濃度分
布が局所的に急峻となり、ゲート絶縁層１２の膜質が部
分的に劣化し、最終的に得られるトランジスタの特性が
不安定となる場合がある。また、ゲート絶縁層１２中に
おける窒素原子の濃度分布中に局所的に急峻な箇所が存
在すると、後の製造工程中において、ゲート絶縁層１２
中で窒素原子の再拡散が起きやすく、この場合、最終的
に得られるトランジスタの特性にばらつきが生じる場合
がある。

【００３９】（ｂ）これに対し、本実施の形態の半導体
装置１００によれば、図３に示すように、ゲート絶縁層
１２において、窒素原子の濃度分布の第１のピーク（第
１のピーク８１，９１）と第２のピーク（第２のピーク
８２，９２）とを有するより、ゲート絶縁層１２中で窒
素原子の濃度分布に局所的に急峻な部分が存在しないた
め、ゲート絶縁層１２中の窒素原子の濃度分布をより均
一に近づけることができる。これにより、ゲート絶縁層
１２の膜質を均一にすることができるため、ばらつきが
生じず、安定したトランジスタ特性が得られる。

【００４０】また、ゲート絶縁層１２が、窒素原子の濃
度分布の第１のピークおよび第２のピークを有すること
により、ゲート絶縁層１２中に含まれる窒素原子の総量
を確保することができる。これにより、最終的に得られ
るトランジスタのリーク電流を低減することができる。

【００４１】（３）第３に、本実施の形態の半導体装置
１００では、図３に示すように、ゲート絶縁層１２中の
窒素原子の濃度分布の第１のピーク（第１のピーク８
１，９１）が、ゲート電極１４との界面１２ｃの近傍に
存在する。すなわち、ゲート絶縁層１２においては、ゲ
ート電極１４との界面１２ｃの近傍に窒素原子が多く含
まれることにより、ゲート絶縁層１２およびゲート電極
１４を形成した後の工程にて、不純物領域１６，１８を
形成するために半導体基板１０に不純物を導入する際
に、導入した不純物がゲート電極１４およびゲート絶縁
層１２を通過して半導体基板１０へと拡散するのを防止
することができる。

【００４２】さらに、図３に示すように、ゲート絶縁層
１２中の窒素原子の濃度分布の第２のピーク（第２のピ
ーク８２，９２）が、半導体基板１０との界面１２ｄの
近傍に存在する。すなわち、ゲート絶縁層１２において
は、半導体基板１０との界面１２ｄの近傍に窒素原子が
多く含まれることにより、半導体基板１０からゲート絶
縁層１２へのホットキャリアの侵入によるトランジスタ
特性への影響を抑制することができる。これにより、半
導体装置の閾値電圧および電流駆動能力を維持すること
ができる。

【００４３】（４）第４に、第１のピークは、第２のピ
ークよりも窒素原子の濃度が高い。具体的には、図３に
示すように、窒素高含有領域１２ａにおいて、第１のピ
ーク８１は第２のピーク８２よりも窒素原子の濃度が高
く、窒素低含有領域１２ｂにおいて、第１のピーク９１
は第２のピーク９２よりも窒素原子の濃度が高い。すな
わち、ゲート絶縁層１２において、窒素高含有領域１２
ａおよび窒素低含有領域１２ｂのいずれにおいても、半
導体基板１０との界面１２ｄの近傍における窒素原子の
濃度よりも、ゲート電極１４との界面１２ｃの近傍にお
ける窒素原子の濃度のほうが大きい。２．半導体装置の製造方法次に、本発明を適用した一実施の形態に係る半導体装置
１００の製造方法の一例について、図３〜図２０を用い
て説明する。図５，図７，図９，図１１，図１３および
図１５は、図１に示す半導体装置１００の一製造工程を
模式的に示す断面図であり、それぞれ図１に示す断面に
対応している。また、図６，図８，図１０，図１２，図
１４および図１６はそれぞれ、図５，図７，図９，図１
１，図１３および図１５に示す各工程における絶縁層
（または酸化窒化膜または窒化膜）中の窒素原子の濃度
分布を模式的に示す図である。

【００４４】（１）まず、図４に示すように、半導体層
として、例えば、ｐ型半導体基板１０を用いた場合、ｐ
型半導体基板１０に、素子分離領域２０を形成する。素
子分離領域２０は、例えばＬＯＣＯＳ法やＳＴＩ法によ
って形成することができる。

【００４５】（２）次いで、半導体基板１０の表面に、
窒素原子を含む酸化膜からなる絶縁層を形成する。この
絶縁層は、ゲート絶縁層１２（図１参照）を形成するた
めに用いられる。本実施の形態では、この絶縁層を構成
する酸化膜が酸化シリコンからなる場合について示す。
本実施の形態において、この絶縁層は、以下に示す第１
〜第３の成膜方法によって形成することができる。

【００４６】［第１の成膜方法］第１の成膜方法は、
（ａ）一酸化窒素を含む雰囲気下での熱処理により、半
導体基板１０の表面に窒化膜１２０ａ（図５参照）を形
成した後、（ｂ）一酸化二窒素を含む雰囲気下で、窒化
膜１２０ａが形成された半導体基板１０の表面を酸化窒
化することにより、半導体基板１０の表面に絶縁層１２
０ｂ（図７参照）を形成する方法である。本実施の形態
において、この絶縁層１２０ｂは、窒素原子を含む酸化
膜（酸化シリコン）からなる。なお、この絶縁層１２０
ｂが後の工程（３）でパターニングされて、ゲート絶縁
層１２となる。以下、この第１の成膜方法について、図
５〜図８を参照して説明する。

【００４７】（ａ）まず、図５に示すように、一酸化窒
素を主成分として含む雰囲気下で半導体基板（シリコン
基板）１０を熱処理することにより、半導体基板１０の
表面が窒化されて、窒化膜（窒化シリコン層）１２０ａ
が形成される。

【００４８】図５に示す窒化膜１２０ａ中における窒素
原子の濃度分布を模式的に示したのが図６である。図６
において、横軸は、窒化膜１２０ａの上面１２２ａから
の深さ方向（図５に示すＺ方向）の距離を示し、縦軸
は、窒化膜１２０ａに含まれる窒素原子の濃度を示す。
図６に示すように、窒化膜１２０ａは、半導体基板１０
との界面１０ａの近傍に、窒素原子の濃度分布のピーク
３１を有する。

【００４９】（ｂ）次いで、図７に示すように、一酸化
二窒素を主成分として含む雰囲気下で、窒化膜１２０ａ
が形成された半導体基板１０の表面を酸化窒化すること
により、半導体基板１０の表面に、窒素原子を含む酸化
膜（酸化シリコン）からなる絶縁層１２０ｂを形成す
る。

【００５０】図７に示す絶縁層１２０ｂ中における窒素
原子の濃度分布を模式的に示したのが図８である。図８
において、横軸は、絶縁層１２０ｂの上面１２２ｂから
の深さ方向（図７に示すＺ方向）の距離を示し、縦軸
は、絶縁層１２０ｂに含まれる窒素原子の濃度を示す。

【００５１】この第１の成膜方法では、絶縁層１２０ｂ
は、上記酸化窒化処理によって、半導体基板１０の表面
に酸化窒化膜を成長させることにより形成される。した
がって、この絶縁層１２０ｂは、図８に示すように、上
面１２２ｂの近傍に窒素原子の濃度分布の第１のピーク
３２を有し、かつ、半導体基板１０との界面１０ａの近
傍に窒素原子の濃度分布の第２のピーク３３を有する。
ここで、上記酸化窒化処理を行なうことにより、第１の
ピーク３２が第２のピーク３３よりも大きくなるように
絶縁層１２０ｂを形成する。

【００５２】［第２の成膜方法］第２の成膜方法は、
（ａ）一酸化二窒素を含む雰囲気下で、半導体基板１０
の表面に酸化窒化膜１２０ｃ（図９参照）を形成した
後、（ｂ）ＲＰＮ(remote plasma nitriding)処理によ
って酸化窒化膜１２０ｃの表面近傍に窒素原子を導入す
ることによって、半導体基板１０の表面に絶縁層１２０
ｄ（図１１参照）を形成する方法である。本実施の形態
において、この絶縁層１２０ｄは窒素原子を含む酸化膜
（酸化シリコン）からなる。なお、この絶縁層１２０ｄ
が後の工程（３）でパターニングされて、ゲート絶縁層
１２となる。以下、この第２の成膜方法について、図９
〜図１２を参照して説明する。

【００５３】（ａ）まず、図９に示すように、一酸化二
窒素を主成分として含む雰囲気下で、半導体基板１０の
表面を酸化窒化することにより、半導体基板１０の表面
に酸化窒化膜（酸化窒化シリコン層）１２０ｃを形成す
る。

【００５４】図９に示す酸化窒化膜１２０ｃ中における
窒素原子の濃度分布を模式的に示したのが図１０であ
る。図１０において、横軸は、酸化窒化膜１２０ｃの上
面１２２ｃからの深さ方向（図９に示すＺ方向）の距離
を示し、縦軸は、酸化窒化膜１２０ｃに含まれる窒素原
子の濃度を示す。図１０に示すように、酸化窒化膜１２
０ｃは、半導体基板１０との界面１０ａの近傍に、窒素
原子の濃度分布のピーク４１を有する。

【００５５】（ｂ）次いで、図１１に示すように、ＲＰ
Ｎ処理によって、酸化窒化膜１２０ｃの表面近傍に窒素
原子を導入する。これにより、半導体基板１０の表面
に、窒素原子を含む酸化膜（酸化シリコン層）からなる
絶縁層１２０ｄを形成する。この工程においては、別室
にて発生させたプラズマを用いるため、酸化窒化膜１２
０ｃの表面にダメージを与えることなく、酸化窒化膜１
２０ｃの表面近傍に窒素原子を導入することができる。

【００５６】図１１に示す絶縁層１２０ｄ中における窒
素原子の濃度分布を模式的に示したのが図１２である。
図１２において、横軸は、絶縁層１２０ｄの上面１２２
ｂからの深さ方向（図１１に示すＺ方向）の距離を示
し、縦軸は、絶縁層１２０ｄに含まれる窒素原子の濃度
を示す。

【００５７】この第２の成膜方法では、上記プラズマ処
理によって、酸化窒化膜１２０ｃ（図１１参照）の表面
に窒化原子が導入されることにより、絶縁層１２０ｄが
形成される。したがって、この絶縁層１２０ｄは、図１
２に示すように、上面１２２ｄの近傍に窒素原子の濃度
分布の第１のピーク４２を有し、半導体基板１０との界
面１０ａの近傍に窒素原子の濃度分布の第２のピーク４
３を有する。ここで、上記プラズマ処理を行なうことに
より、第１のピーク４２が第２のピーク４３よりも大き
くなるように絶縁層１２０ｄを形成する。

【００５８】［第３の成膜方法］第３の成膜方法は、
（ａ）一酸化窒素を含む雰囲気下での熱処理によって、
半導体基板１０の表面に窒化膜１２０ａ（図５参照）を
形成した後、（ｂ）窒化膜１２０ａが形成された半導体
基板１０の表面を酸化することにより、半導体基板１０
の表面に酸化窒化膜１２０ｅ（図１３参照）を形成した
後、さらに、一酸化窒素を含む雰囲気下で熱処理するこ
とにより、半導体基板１０の表面に絶縁層１２０ｆ（図
１５参照）を形成する方法である。本実施の形態におい
て、この絶縁層１２０ｆは窒素原子を含む酸化膜（酸化
シリコン）からなる。なお、この絶縁層１２０ｆが後の
工程（３）でパターニングされて、ゲート絶縁層１２と
なる。以下、この第３の成膜方法について、図５，図
６，図１３〜１６を参照して説明する。

【００５９】（ａ）まず、前記第１の成膜方法と同様の
方法にて、半導体基板１０の表面に窒化膜（窒化シリコ
ン層）１２０ａを形成する（図５および図６参照）。

【００６０】（ｂ）次いで、図１３に示すように、窒化
膜１２０ａが形成された半導体基板１０を酸化すること
により、半導体基板１０の表面に酸化窒化膜（酸化窒化
シリコン層）１２０ｅ（図１３参照）を形成する。この
酸化窒化膜１２０ｅは、例えば酸素雰囲気下でのウエッ
ト酸化またはドライ酸化により形成する。

【００６１】図１３に示す酸化窒化膜１２０ｅ中におけ
る窒素原子の濃度分布を模式的に示したのが図１４であ
る。図１４において、横軸は、酸化窒化膜１２０ｅの上
面１２２ｅからの深さ方向（図１３に示すＺ方向）の距
離を示し、縦軸は、酸化窒化膜１２０ｅに含まれる窒素
原子の濃度を示す。酸化窒化膜１２０ｅは、上記窒化処
理（前記工程（ａ））によって半導体基板１０の表面に
窒化膜を成長させた後に、これに続く上記酸化処理（前
記工程（ｂ））によって酸化膜を成長させることにより
形成される。これにより、この酸化窒化膜１２０ｅは、
図１４に示すように、上面１２２ｅの近傍に、窒素原子
の濃度のピーク５１を有する。

【００６２】次いで、一酸化二窒素を主成分として含む
雰囲気下で、酸化窒化膜１２０ｅ（図１３参照）が形成
された半導体基板１０の表面を酸化窒化する。これによ
り、図１５に示すように、半導体基板１０の表面に、窒
素原子を含む酸化膜（酸化シリコン層）からなる絶縁層
１２０ｆを形成する。

【００６３】図１５に示す絶縁層１２０ｆ中における窒
素原子の濃度分布を模式的に示したのが図１６である。
図１６において、横軸は、絶縁層１２０ｆの上面１２２
ｆからの深さ方向（図１５に示すＺ方向）の距離を示
し、縦軸は、絶縁層１２０ｆに含まれる窒素原子の濃度
を示す。

【００６４】この第３の成膜方法では、前記半導体層の
表面に窒化膜１２０ａを形成した後（図５および図６参
照）、窒化膜１２０ａが形成された半導体基板１０の表
面を酸化して、半導体基板１０の表面に酸化窒化膜１２
０ｅを成長させ（図１３および図１４参照）、次いで、
上記酸化窒化処理（図１５および図１６参照）によっ
て、絶縁層１２０ｆが形成される。したがって、この絶
縁層１２０ｆは、図１６に示すように、上面１２２ｆの
近傍に窒素原子の濃度分布の第１のピーク５２を有し、
かつ、半導体基板１０との界面１０ａの近傍に窒素原子
の濃度分布の第２のピーク５３を有する。ここで、上記
酸化窒化処理を行なうことにより、第１のピーク５２が
第２のピーク５３よりも大きくなるように絶縁層１２０
ｆを形成する。

【００６５】以上説明したように、前記第１〜第３の成
膜方法のいずれかの方法を用いて、ゲート絶縁層１２を
形成するための絶縁層（１２０ｂ，１２０ｄ，または１
２０ｆ）を形成する。

【００６６】（３）次いで、前記絶縁層の上方に導電層
（図示せず）を形成する。前記導電層は、例えばボロン
を導入したＰ型多結晶シリコン層であってもよい。この
後、フォトリソグラフィ法により、前記絶縁層および前
記導電層を所定の形状にパターニングする。これによ
り、図１７に示すように、半導体基板１０の上方に、ゲ
ート絶縁層１２およびゲート電極１４を形成する。

【００６７】（４）次いで、図１８に示すように、全面
に保護層２２０を形成する。本実施の形態においては、
保護層２２０は酸化膜（酸化シリコン等）からなる。保
護層２２０は、例えば熱酸化（例えば、ドライ酸化）に
よって形成することができる。この場合、均質かつ均一
に保護層２２０を形成することができる。具体的には、
保護層２２０は、半導体基板１０を例えば８００℃の酸
素雰囲気下で数十秒曝すことにより形成する。この場
合、保護層２２０は少なくとも、ゲート電極１４の表面
および半導体基板１０の露出面に形成される。

【００６８】なお、保護層２２０の形成方法はこれに限
定されず、例えばＣＶＤ法により保護層２２０を形成す
ることもできる。

【００６９】（５）次いで、図１９に示すように、窒素
含有ガスを含む雰囲気下で熱処理を行なう。この工程
（５）によって、図２０に示すように、窒素低含有領域
１２ｂと、この窒素低含有領域１２ｂの両端部に形成さ
れた窒素高含有領域１２ａとを含むゲート絶縁層１２が
得られる。このゲート絶縁層１２において、窒素高含有
領域１２ａに挟まれた窒素低含有領域１２ｂは、この工
程（５）において窒化されなかった領域である。

【００７０】この工程（５）において用いる窒素含有ガ
スとしては、ＮＯ、Ｎ₂Ｏ、ＮＨ₃、ＮＯ₂あるいはこれ
らを１以上含む混合ガス等が例示でき、ゲート絶縁層１
２０（図５参照）の両端部に窒素を多く導入できるとい
う観点からは、ＮＯを好ましく用いることができる。

【００７１】（６）次いで、ゲート絶縁層１２およびゲ
ート電極１４の側壁にサイドウォール絶縁層２４（図１
参照）を形成してもよい。この場合、ゲート電極１４お
よびサイドウォール絶縁層２４をマスクとして、イオン
注入によって、半導体基板１０に不純物領域１６，１８
を形成した後、熱処理を行なう。例えば、不純物領域１
６，１８は、Ｎ型のイオンを半導体基板１０に注入する
ことにより形成される。この後、サイドウォール絶縁層
２４をマスクとして保護層２２０を除去してもよい。こ
の場合、保護層２２０のうち、サイドウォール絶縁層２
４の側面および下面に位置する部分は残存し、保護層２
２（図１参照）となる。以上の工程により、図１に示す
半導体装置１００が得られる。

【００７２】本実施の形態に係る半導体装置１００の製
造方法による利点は以下の通りである。

【００７３】（Ａ）第１に、本実施の形態に係る半導体
装置１００は、前記工程（４）において、全面に保護層
２２０を形成した後、前記工程（５）において、窒素含
有ガスを含む雰囲気下で熱処理を行なうことにより、ゲ
ート絶縁層１２の端部に窒素高含有領域１２ａを形成す
る工程を経て形成される。これにより、絶縁層をパター
ニングしてゲート絶縁層を形成する際にダメージを受け
たゲート絶縁層１２の端部を高温かつ長時間ガス中に曝
すことなく、ゲート絶縁層１２の端部に窒素高含有領域
１２ａをゲート絶縁層１２に形成することができる。こ
れにより、ゲート絶縁層１２の膜質が劣化することがな
い。また、保護層２２０とゲート絶縁層１２との界面に
は結晶欠陥が多いことから、窒素が保護層２２０とゲー
ト絶縁層１２との界面に導入されやすい。このため、ゲ
ート絶縁層１２の端部に、窒素を制御性よく導入するこ
とができる。この結果、良好な特性を有するゲート絶縁
層１２を含む半導体装置１００を得ることができる。従
って、信頼性の高い半導体装置１００を得ることができ
る。

【００７４】（Ｂ）第２に、前記工程（２）および前記
工程（５）において、所望量の窒素原子を、ゲート絶縁
層１２を形成するための絶縁層へと短時間で導入するこ
とができる。すなわち、前記絶縁層を高温下で長時間反
応ガス中に曝すことなく、窒素原子を前記絶縁層に導入
することができるため、前記絶縁層の劣化を防止するこ
とができる。

【００７５】（Ｃ）第３に、窒素原子の濃度分布がより
均一で、かつ、所望量の窒素原子を含むゲート絶縁層１
２を形成することができる。これにより、安定したトラ
ンジスタ特性を有する半導体装置を形成することができ
る。

【００７６】本発明は、上述した実施の形態に限定され
るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本
発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構
成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、ある
いは目的および結果が同一の構成）を含む。また、本発
明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を
置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で
説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の
目的を達成することができる構成を含む。また、本発明
は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構
成を含む。

【００７７】例えば、上記の実施の形態においては、半
導体装置１００がＮ型ＭＯＳである場合、すなわち、不
純物領域１６，１８に導入される不純物をＮ型不純物と
し、半導体基板１０およびゲート電極１４に導入される
不純物をＰ型不純物としたが、各層においてこれらを入
れ替えても本発明の趣旨を逸脱するものではない。すな
わち、半導体装置１００がＰ型ＭＯＳであってもよい。

【００７８】また、例えば、上記実施の形態では、半導
体層としてバルク状の半導体基板を用いたが、ＳＯＩ基
板の半導体層を用いることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した一実施の形態に係る半導体装
置を模式的に示す断面図である。

【図２】図１に示す半導体装置において、半導体基板１
０の表面に平行な断面におけるゲート絶縁層中の窒素原
子の濃度分布を模式的に示す図である。

【図３】図１に示す半導体装置において、半導体基板１
０の表面と垂直な方向におけるゲート絶縁層中の窒素原
子の濃度分布を模式的に示す図である。

【図４】図１に示す半導体装置の製造方法中の一工程を
模式的に示す断面図である。

【図５】図１に示す半導体装置の製造方法中の第１の成
膜方法の一工程を模式的に示す断面図である。

【図６】図５に示す工程中における窒化膜の窒素原子の
濃度分布を模式的に示す図である。

【図７】図１に示す半導体装置の製造方法中の第１の成
膜方法の一工程を模式的に示す断面図である。

【図８】図７に示す工程中における絶縁層の窒素原子の
濃度分布を模式的に示す図である。

【図９】図１に示す半導体装置の製造方法中の第２の成
膜方法の一工程を模式的に示す断面図である。

【図１０】図９に示す工程中における酸化窒化膜の窒素
原子の濃度分布を模式的に示す図である。

【図１１】図１に示す半導体装置の製造方法中の第２の
成膜方法の一工程を模式的に示す断面図である。

【図１２】図１１に示す工程中における絶縁層の窒素原
子の濃度分布を模式的に示す図である。

【図１３】図１に示す半導体装置の製造方法中の第３の
成膜方法の一工程を模式的に示す断面図である。

【図１４】図１３に示す工程中における酸化窒化膜の窒
素原子の濃度分布を模式的に示す図である。

【図１５】図１に示す半導体装置の製造方法中の第３の
成膜方法の一工程を模式的に示す断面図である。

【図１６】図１５に示す工程中における絶縁層の窒素原
子の濃度分布を模式的に示す図である。

【図１７】図１に示す半導体装置の一製造工程を模式的
に示す断面図である。

【図１８】図１に示す半導体装置の一製造工程を模式的
に示す断面図である。

【図１９】図１に示す半導体装置の一製造工程を模式的
に示す断面図である。

【図２０】図１に示す半導体装置の一製造工程を模式的
に示す断面図である。

【図２１】一般的な半導体装置を模式的に示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１０半導体基板１０ａ半導体基板１０との界面１１，２１，３１ピーク１２，１２０ゲート絶縁層１２ａ窒素高含有領域１２ｂ窒素低含有領域１２ｃゲート絶縁層１２のゲート電極１４側の界面１２ｄゲート絶縁層１２の半導体基板１０側の界面１４ゲート電極１６，１８不純物領域２０素子分離領域２２，２２０保護層２４サイドウォール絶縁層３２，４２，５２，８１，９１第１のピーク３３，４３，５３，８２，９２第２のピーク６１，６２，６３濃度１００半導体装置１２０ａ窒化膜１２０ｂ，１２０ｄ，１２０ｆ絶縁層１２０ｃ，１２０ｅ酸化窒化膜１２２ａ窒化膜１２０の上面１２２ｂ絶縁層１２０ｂの上面１２２ｃ酸化窒化膜１２０ｃの上面１２２ｄ絶縁層１２０ｄの上面１２２ｅ酸化窒化膜１２０ｅの上面１２２ｆ絶縁層１２０ｆの上面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体層と、前記半導体層の上方に形成され、窒素原子を含む酸化膜
からなるゲート絶縁層と、前記ゲート絶縁層の上方に形成されたゲート電極と、を
含む半導体装置であって、前記ゲート絶縁層は、両端部に窒素高含有領域を有し、
かつ、前記導電層との界面近傍に窒素原子の濃度分布の
第１のピークを有し、さらに、前記半導体層との界面近
傍に窒素原子の濃度分布の第２のピークを有する、半導
体装置。
【請求項２】請求項１において、前記窒素高含有領域は、少なくとも前記ゲート絶縁層の
両端部に保護層を形成した後に、窒素含有ガスを含む雰
囲気下で熱処理を行うことにより形成されたものであ
る、半導体装置。
【請求項３】請求項１または２において、前記ゲート絶縁層において、前記第１のピークは、前記
第２のピークよりも窒素原子の濃度が高い、半導体装
置。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記ゲート絶縁層は、前記窒素高含有領域に挟まれた窒
素低含有領域を含み、前記ゲート絶縁層において、前記窒素高含有領域の窒素
原子の濃度分布のピーク濃度は、前記窒素低含有領域に
おける前記ゲート電極との界面近傍の窒素原子の濃度分
布のピーク濃度ならびに前記半導体層との界面近傍の窒
素原子の濃度分布のピーク濃度よりも高い、半導体装
置。
【請求項５】（ａ）一酸化窒素を含む雰囲気下での熱
処理により、半導体層の表面に窒化膜を形成し、（ｂ）一酸化二窒素を含む雰囲気下で、前記窒化膜が形
成された前記半導体層の表面を酸化窒化することによ
り、該半導体層の表面に、窒素原子を含む酸化膜からな
る絶縁層を形成し、（ｃ）前記絶縁層および前記導電層をパターニングし
て、ゲート絶縁層およびゲート電極を形成し、（ｄ）全面に保護層を形成した後、窒素含有ガスを含む
雰囲気下で熱処理を行なうことにより、前記ゲート絶縁
層の端部に窒素高含有領域を形成すること、を含む、半
導体装置の製造方法。
【請求項６】（ａ）一酸化二窒素を含む雰囲気下で、
半導体層の表面を酸化窒化することにより、該半導体層
の表面に酸化窒化膜を形成し、（ｂ）ＲＰＮ処理によって前記酸化窒化膜の表面近傍に
窒素原子を導入することにより、前記半導体層の表面
に、窒素原子を含む酸化膜からなる絶縁層を形成し、（ｃ）前記絶縁層および前記導電層をパターニングし
て、ゲート絶縁層およびゲート電極を形成し、（ｄ）全面に保護層を形成した後、窒素含有ガスを含む
雰囲気下で熱処理を行なうことにより、前記ゲート絶縁
層の端部に窒素高含有領域を形成すること、を含む、半
導体装置の製造方法。
【請求項７】（ａ）一酸化窒素を含む雰囲気下での熱
処理により、半導体層の表面に窒化膜を形成し、（ｂ）前記窒化膜が形成された前記半導体層の表面を酸
化することにより、該半導体層の表面に酸化窒化膜を形
成した後、さらに、一酸化窒素を含む雰囲気下で熱処理
することにより、該半導体層の表面に、窒素原子を含む
酸化膜からなる絶縁層を形成し、（ｃ）前記絶縁層および前記導電層をパターニングし
て、ゲート絶縁層およびゲート電極を形成し、（ｄ）全面に保護層を形成した後、窒素含有ガスを含む
雰囲気下で熱処理を行なうことにより、前記ゲート絶縁
層の端部に窒素高含有領域を形成すること、を含む、半
導体装置の製造方法。
【請求項８】請求項３ないし７のいずれかにおいて、前記（ｂ）において、前記絶縁層は、前記半導体層との
界面と反対側の表面近傍に窒素原子の濃度分布の第１の
ピークを有し、かつ、前記半導体層との界面近傍に窒素
原子の濃度分布の第２のピークを有するように形成され
る、半導体装置の製造方法。
【請求項９】請求項５ないし８のいずれかにおいて、前記（ｂ）において、前記絶縁層は、前記第１のピーク
が前記第２のピークよりも前記窒素原子の濃度が高くな
るように形成される、半導体装置の製造方法。
【請求項１０】請求項５ないし９のいずれかにおい
て、前記（ｄ）において、前記窒素高含有領域に挟まれた窒
素低含有領域が形成され、前記窒素高含有領域の窒素原
子の濃度分布のピーク濃度が、前記窒素低含有領域にお
ける前記ゲート電極との界面近傍の窒素原子の濃度分布
のピーク濃度ならびに前記半導体層との界面近傍の窒素
原子の濃度分布のピーク濃度よりも高くなるように、前
記ゲート絶縁層に窒素原子を導入する、半導体装置の製
造方法。
【請求項１１】請求項５から１０のいずれかにおい
て、前記（ｄ）において、前記窒素含有ガスとしてＮＯを含
む雰囲気下で熱処理を行う、半導体装置の製造方法。
【請求項１２】請求項５から１１のいずれかにおい
て、前記（ｄ）において、前記保護層は、熱酸化により形成
する、半導体装置の製造方法。