JP2005150285A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は半導体装置の製造方法に関し、特にMOSトランジスタのゲート絶縁膜の形成方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for forming a gate insulating film of a MOS transistor.
近年、MOSトランジスタのゲート絶縁膜として、シリコン酸化膜(SiO2 )に代わり、ゲート電極からのボロン拡散のバリア性が良好な、窒素を含むシリコン酸窒化膜が用いられつつある。 In recent years, as a gate insulating film of a MOS transistor, a silicon oxynitride film containing nitrogen having a good barrier property for boron diffusion from a gate electrode is being used instead of a silicon oxide film (SiO 2 ).
シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜の形成方法は、ベースとなるシリコン酸化膜を形成した後、プラズマにより発生させた窒素ラジカルまたは窒素イオンでシリコン酸化膜に窒素を導入することが一般的である(例えば、特許文献1参照)。 As a method for forming a gate insulating film made of a silicon oxynitride film, after forming a silicon oxide film as a base, nitrogen is generally introduced into the silicon oxide film by nitrogen radicals or nitrogen ions generated by plasma. (For example, refer to Patent Document 1).
図1は、従来の半導体装置(MOSトランジスタ)の製造方法である。 FIG. 1 shows a conventional method of manufacturing a semiconductor device (MOS transistor).
図1に示すように、従来の半導体装置の製造方法は、Si基板101上にベースとなるシリコン酸化膜102を形成する。次いでシリコン酸化膜102にプラズマにより発生させた窒素ラジカルまたは窒素イオンで窒素を導入し、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜103を形成する。次いで、その後の工程の図示は省略するが、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜103上にポリシリコン膜の堆積を行い、ポリシリコン膜及びシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜103のパターニングを行い、ゲート電極104を形成し、ゲート電極104をマスクとする不純物イオンの注入及びその活性化のための熱処理(例えばRTA)によりソース・ドレイン領域105を形成する。
As shown in FIG. 1, in the conventional method for manufacturing a semiconductor device, a
図2は、従来の半導体装置(MOSトランジスタ)の製造方法で形成した、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜2nmの窒素濃度プロファイルである。 FIG. 2 is a nitrogen concentration profile of a gate insulating film 2 nm made of a silicon oxynitride film formed by a conventional method for manufacturing a semiconductor device (MOS transistor).
図3は、従来の半導体装置(MOSトランジスタ)の製造方法で形成した、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜1.8nmの窒素濃度プロファイルである。 FIG. 3 is a nitrogen concentration profile of a gate insulating film 1.8 nm made of a silicon oxynitride film formed by a conventional method for manufacturing a semiconductor device (MOS transistor).
図2、図3に示すように、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜2nmと1.8nmの窒素プロファイルは、共に最大窒素濃度が8atm%(アトミックパーセント)以上で、最大窒素濃度ピークがゲート絶縁膜上面(窒素導入側)から0.5nm程度の位置にある。しかし、ゲート絶縁膜とSi基板との界面の窒素濃度は、ゲート絶縁膜2nmの方は3atm%以下であるが、ゲート絶縁膜1.8nmの方は3atm%より高くなる。ゲート絶縁膜が薄くなると、ゲート絶縁膜とSi基板との界面の窒素濃度が上がる理由は、ベースとなるシリコン酸化膜が薄くなることによって、窒素ラジカルまたは窒素イオンが、Si基板に多く届いてしまうためである。
従来の半導体装置の製造方法で、2nm以下のシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜を形成すると、ゲート絶縁膜とSi基板の界面の窒素濃度が3atm%より高くなる。ゲート絶縁膜とSi基板の界面に過剰の窒素が存在すると、トランジスタの移動度の低下(駆動力の低下)、ストレス印加後のホールまたは電子トラップによるトランジスタしきい値電圧の変動などのゲート絶縁膜とSi基板の界面特性劣化が生じる。従って、ゲート絶縁膜とSi基板の界面の窒素濃度は3atm%以下が望ましい。 When a gate insulating film made of a silicon oxynitride film of 2 nm or less is formed by a conventional method for manufacturing a semiconductor device, the nitrogen concentration at the interface between the gate insulating film and the Si substrate becomes higher than 3 atm%. If excessive nitrogen is present at the interface between the gate insulating film and the Si substrate, the gate insulating film may deteriorate transistor mobility (decrease in driving power), change in transistor threshold voltage due to holes or electron traps after stress application, etc. And interface characteristics of the Si substrate deteriorate. Therefore, the nitrogen concentration at the interface between the gate insulating film and the Si substrate is desirably 3 atm% or less.
従来の半導体装置の製造方法で、プラズマにより発生させた窒素ラジカルまたは窒素イオンの量を減らすことによってゲート絶縁膜とSi基板の界面に届く窒素量を減らした場合、ゲート絶縁膜とSi基板の界面は3atm%以下になるが、最大窒素濃度が8atm%より低くなってしまう。ゲート電極からのボロン拡散の良好なバリア性を得るためには、最大窒素濃度は8atm%以上であることが望ましい。 When the amount of nitrogen reaching the interface between the gate insulating film and the Si substrate is reduced by reducing the amount of nitrogen radicals or nitrogen ions generated by the plasma in the conventional semiconductor device manufacturing method, the interface between the gate insulating film and the Si substrate is reduced. However, the maximum nitrogen concentration is lower than 8 atm%. In order to obtain a good barrier property of boron diffusion from the gate electrode, the maximum nitrogen concentration is desirably 8 atm% or more.
つまり、従来の従来の半導体装置の製造方法で、2nm以下のゲート絶縁膜を形成した場合、ゲート絶縁膜とSi基板の界面特性とゲート電極からのボロン拡散のバリア性の両立ができない。 That is, when a gate insulating film having a thickness of 2 nm or less is formed by a conventional method of manufacturing a semiconductor device, it is impossible to achieve both the interface characteristics between the gate insulating film and the Si substrate and the barrier property of boron diffusion from the gate electrode.
そこで本発明の目的は、2nm以下のシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜において、最大の窒素濃度が8atm%以上で、且つゲート絶縁膜とSi基板の界面の窒素濃度が3atm%以下になる半導体装置の製造方法を提案し、ゲート絶縁膜とSi基板の界面特性とゲート電極からのボロン拡散のバリア性を両立することである。 Therefore, an object of the present invention is a semiconductor in which the maximum nitrogen concentration is 8 atm% or more and the nitrogen concentration at the interface between the gate insulating film and the Si substrate is 3 atm% or less in a gate insulating film made of a silicon oxynitride film of 2 nm or less. A method of manufacturing the device is proposed, which is to achieve both the interface characteristics between the gate insulating film and the Si substrate and the barrier property of boron diffusion from the gate electrode.
上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法は、ベースとなるシリコン酸化膜を形成する。次いで、プラズマにより発生させた窒素ラジカルまたは窒素イオンでシリコン酸化膜に窒素を導入しシリコン酸窒化膜を形成する。次いで、シリコン酸窒化膜の最大の窒素濃度ピーク位置まで除去する。 In order to solve the above-described problems, a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention forms a silicon oxide film as a base. Next, nitrogen is introduced into the silicon oxide film with nitrogen radicals or nitrogen ions generated by plasma to form a silicon oxynitride film. Next, the silicon oxynitride film is removed to the maximum nitrogen concentration peak position.
具体的には、2nmより大きい厚みを持つゲート絶縁膜であるならば、2nm以上のシリコン酸化膜に窒素を導入し、最大窒素濃度8atm%以上、界面窒素濃度を3atm%以下を達成できる。それに対し、2nm以下のシリコン酸化膜に窒素を導入すると、最大窒素濃度は8atm%以上になるが、厚みが薄すぎてシリコン基板に窒素が届いてしまい、3atm%以上になる。そこで本発明は、2nmのシリコン酸化膜に窒素を導入し、最大窒素濃度8atm%以上、界面窒素濃度を3atm%以下の酸窒化膜を一旦形成し、その後、最大窒素濃度の位置までウェットエッチングして、厚みが2nm以下で最大窒素濃度を3atm%以下の酸窒化膜を形成する。 Specifically, if the gate insulating film has a thickness larger than 2 nm, nitrogen can be introduced into a silicon oxide film having a thickness of 2 nm or more, and a maximum nitrogen concentration of 8 atm% or more and an interface nitrogen concentration of 3 atm% or less can be achieved. On the other hand, when nitrogen is introduced into a silicon oxide film having a thickness of 2 nm or less, the maximum nitrogen concentration becomes 8 atm% or more, but the thickness is too thin to reach the silicon substrate and becomes 3 atm% or more. Therefore, in the present invention, nitrogen is introduced into a 2 nm silicon oxide film, and an oxynitride film having a maximum nitrogen concentration of 8 atm% or more and an interface nitrogen concentration of 3 atm% or less is once formed, and then wet-etched to the position of the maximum nitrogen concentration. Thus, an oxynitride film having a thickness of 2 nm or less and a maximum nitrogen concentration of 3 atm% or less is formed.
以上の本発明の半導体装置の製造方法により、2nm以下のシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜において、最大の窒素濃度が8atm%以上で、且つゲート絶縁膜とSi基板の界面の窒素濃度が3atm%以下になる半導体装置を実現することができる。 According to the semiconductor device manufacturing method of the present invention described above, in the gate insulating film made of a silicon oxynitride film of 2 nm or less, the maximum nitrogen concentration is 8 atm% or more, and the nitrogen concentration at the interface between the gate insulating film and the Si substrate is 3 atm. % Or less of the semiconductor device can be realized.
以上のように、本発明の半導体装置の製造方法により、2nm以下のシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜において、最大の窒素濃度が8atm%以上で、且つゲート絶縁膜とSi基板の界面の窒素濃度が3atm%以下になるようにした。そのため、ゲート絶縁膜とSi基板の界面特性とゲート電極からのボロン拡散のバリア性を両立することができる。また、ゲート絶縁膜を2nm以下と薄くすることにより、MOSトランジスタの速度がアップする。 As described above, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the maximum nitrogen concentration in the gate insulating film made of a silicon oxynitride film of 2 nm or less is 8 atm% or more and the nitrogen at the interface between the gate insulating film and the Si substrate is used. The concentration was adjusted to 3 atm% or less. Therefore, it is possible to achieve both the interface characteristics between the gate insulating film and the Si substrate and the barrier property of boron diffusion from the gate electrode. Further, by reducing the thickness of the gate insulating film to 2 nm or less, the speed of the MOS transistor is increased.
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
(第1の実施の形態)
図4は本発明の第1の実施形態の半導体装置(MOSトランジスタ)の製造方法である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 4 shows a method for manufacturing a semiconductor device (MOS transistor) according to the first embodiment of the present invention.
図4に示すように、本発明の第1の実施形態の半導体装置の製造方法は、Si基板201上に、熱酸化により2.0〜2.2nmのシリコン酸化膜202を形成する。プラズマで酸素ラジカルや酸素イオンを発生させシリコン酸化膜202を形成しても良い。
As shown in FIG. 4, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, a
次いでシリコン酸化膜202にマイクロ波1500W、Ar/N2ガス、圧力130Pa、Si基板201の温度が400℃の条件でプラズマにより窒素ラジカルまたは窒素イオンを発生させ、20秒間窒素を導入しシリコン酸窒化膜203を形成する。これにより、シリコン酸窒化膜203の窒素プロファイルは、最大窒素濃度が8atm%、最大窒素濃度ピークがシリコン酸窒化膜上面(窒素導入側)から0.5nm程度の位置、シリコン酸窒化膜203とSi基板201の界面の窒素濃度が1.5atm%になる。
Next, nitrogen radicals or nitrogen ions are generated by plasma under conditions of microwave 1500 W, Ar / N 2 gas, pressure 130 Pa, and
次いでシリコン酸窒化膜203の最大の窒素濃度ピークがあるシリコン酸窒化膜上面(窒素導入側)から0.5nm程度のところまで、ウェットエッチングし、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜204を形成する。ウェットエッチングの薬液は0.2wt%の低濃度のフッ酸を使用する。
Next, wet etching is performed from the upper surface of the silicon oxynitride film (the nitrogen introduction side) where the maximum nitrogen concentration peak of the
以下のおいて、シリコン酸窒化膜上面から0.5nmのところで正確にエッチングを停止する制御方法を説明する。 In the following, a control method for accurately stopping etching at 0.5 nm from the upper surface of the silicon oxynitride film will be described.
図5は横軸にウェットエッチング時間をとり、縦軸にウェットエッチング量をとったグラフである。ウェットエッチング時間が120秒くらいまでは、ウェットエッチング量は少なく推移するが、時刻が所定時刻である120秒となると窒素濃度ピーク位置の前後でエッチングレートが変わり、経過時間の推移に伴ってウエットエッチング量は大きくなる。ここで、ウェットエッチングを開始してから、エッチングレートの推移により、窒素濃度が高くなっていき、エッチングレートが変わる時刻で窒素濃度が最大となり、エッチングレートが変わった後には窒素濃度が低くなっていくことが判明した。この時、窒素濃度が最大となる条件として、エッチング量は、シリコン酸窒化膜の上面から0.5nm除去されていれば良いことが挙げられる。それ故、ウェットエッチングの設定時間はウェットエッチング時間とウェットエッチングレートが変わる時刻にすれば良い。 FIG. 5 is a graph in which the horizontal axis represents the wet etching time and the vertical axis represents the wet etching amount. Until the wet etching time is around 120 seconds, the amount of wet etching will change little, but when the time reaches 120 seconds, which is the predetermined time, the etching rate will change before and after the peak position of the nitrogen concentration, and wet etching will occur as the elapsed time changes. The amount gets bigger. Here, after starting wet etching, the nitrogen concentration increases as the etching rate changes, the nitrogen concentration reaches its maximum at the time when the etching rate changes, and the nitrogen concentration decreases after the etching rate changes. It turned out to go. At this time, as a condition for maximizing the nitrogen concentration, the etching amount may be removed by 0.5 nm from the upper surface of the silicon oxynitride film. Therefore, the set time for wet etching may be set to a time when the wet etching time and the wet etching rate change.
次いで、その後の工程の図示は省略するが、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜204上にポリシリコン膜の堆積を行い、ポリシリコン膜及びシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜204のパターニングを行い、ゲート電極205を形成し、ゲート電極205をマスクとする不純物イオンの注入及びその活性化のための熱処理(例えばRTA)によりソース・ドレイン領域206を形成する。
Next, although illustration of the subsequent steps is omitted, a polysilicon film is deposited on the
図6は本発明の第1の実施形態の半導体装置(MOSトランジスタ)における、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜の窒素プロファイルである。 FIG. 6 is a nitrogen profile of a gate insulating film made of a silicon oxynitride film in the semiconductor device (MOS transistor) according to the first embodiment of the present invention.
図6に示すように、最大窒素濃度が8atm%、最大窒素濃度ピークがゲート絶縁膜とゲート電極の界面の位置、ゲート絶縁膜とSi基板の界面の窒素濃度が1.5atm%になる。 As shown in FIG. 6, the maximum nitrogen concentration is 8 atm%, the maximum nitrogen concentration peak is at the interface between the gate insulating film and the gate electrode, and the nitrogen concentration at the interface between the gate insulating film and the Si substrate is 1.5 atm%.
(第2の実施の形態)
図7は本発明の第2の実施形態の半導体装置(MOSトランジスタ)の製造方法である。
(Second Embodiment)
FIG. 7 shows a method for manufacturing a semiconductor device (MOS transistor) according to the second embodiment of the present invention.
図7に示すように、本発明の第2の実施形態の半導体装置の製造方法は、Si基板301上に、熱酸化により2〜2.2nmのシリコン酸化膜302を形成する。プラズマで酸素ラジカルや酸素イオンを発生させシリコン酸化膜302を形成しても良い。
As shown in FIG. 7, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention, a
次いでシリコン酸化膜302にマイクロ波1500W、Ar/N2ガス、圧力130Pa、Si基板301温度が400℃の条件でプラズマにより窒素ラジカルまたは窒素イオンを発生させ、20秒間窒素を導入しシリコン酸窒化膜303を形成する。
Next, nitrogen radicals or nitrogen ions are generated by plasma under conditions of microwave 1500 W, Ar / N 2 gas, pressure 130 Pa,
次いでシリコン酸窒化膜303の最大の窒素濃度ピークがあるシリコン酸窒化膜上面(窒素導入側)から0.5nm程度ところまで、ウェットエッチングし、シリコン酸窒化膜304を形成する。
Next, the
次いで、シリコン酸窒化膜304にプラズマにより窒素ラジカルまたは窒素イオンを発生させ、窒素を導入しシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜305を形成する。ここでの窒素の導入は、1回目の窒素導入より、窒素の量を減らす。シリコン酸窒化膜304は2nm以下なので、1回目の窒素導入と同じ量の窒素を導入した場合、ゲート絶縁膜とSi基板の界面の窒素が過剰になり、窒素濃度が3atm%以上になってしまうからである。窒素導入の条件は、1回目の圧力条件より圧力を上げて、250Paにするか、または窒素導入時間を10秒間にする。
Next, nitrogen radicals or nitrogen ions are generated in the
その後の工程の図示は省略するが、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜305上にポリシリコン膜の堆積を行い、ポリシリコン膜及びシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜305のパターニングを行い、ゲート電極306を形成し、ゲート電極306をマスクとする不純物イオンの注入及びその活性化のための熱処理(例えばRTA)によりソース・ドレイン領域307を形成する。
Although illustration of the subsequent steps is omitted, a polysilicon film is deposited on the
図8は本発明の第2の実施形態の半導体装置(MOSトランジスタ)における、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜の窒素プロファイルである。 FIG. 8 is a nitrogen profile of a gate insulating film made of a silicon oxynitride film in the semiconductor device (MOS transistor) of the second embodiment of the present invention.
図8に示すように、最大窒素濃度が10atm%、最大窒素濃度ピークがゲート絶縁膜とゲート電極の界面の位置、ゲート絶縁膜とSi基板の界面の窒素濃度が2atm%になる。 As shown in FIG. 8, the maximum nitrogen concentration is 10 atm%, the maximum nitrogen concentration peak is at the position of the interface between the gate insulating film and the gate electrode, and the nitrogen concentration at the interface between the gate insulating film and the Si substrate is 2 atm%.
上記によれば、一回目の窒素導入後さらに窒素を導入することで最大窒素濃度がアップし、ゲート電極からのボロン拡散のバリア性が向上する。 According to the above, the maximum nitrogen concentration is increased by further introducing nitrogen after the first nitrogen introduction, and the barrier property of boron diffusion from the gate electrode is improved.
(第3の実施の形態)
図9は本発明の第3の実施形態の半導体装置(MOSトランジスタ)の製造方法である。
(Third embodiment)
FIG. 9 shows a method for manufacturing a semiconductor device (MOS transistor) according to the third embodiment of the present invention.
図9に示すように、本発明の第3の実施形態の半導体装置の製造方法は、Si基板401上に、熱酸化により2〜2.2nmのシリコン酸化膜402を形成する。プラズマで酸素ラジカルや酸素イオンを発生させシリコン酸化膜402を形成しても良い。
As shown in FIG. 9, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, a
次いでシリコン酸化膜402にマイクロ波1500W、Ar/N2ガス、圧力130Pa、Si基板401温度が400℃の条件でプラズマにより窒素ラジカルまたは窒素イオンを発生させ、20秒間窒素を導入しシリコン酸窒化膜403を形成する。
Next, nitrogen radicals or nitrogen ions are generated by plasma under conditions of microwave 1500 W, Ar / N 2 gas, pressure 130 Pa, and
次いでシリコン酸窒化膜403の最大の窒素濃度ピークがあるシリコン酸窒化膜上面(窒素導入側)から0.5nm程度ところまで、ウェットエッチングし、シリコン酸窒化膜か404を形成する。
Next, the
次いで、Si基板401を加熱してシリコン酸窒化膜404を通過させた酸素によりSi基板の表面領域を0.1〜0.2nm酸化しシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜405を形成する。具体的には、枚葉式のランプ加熱のRTP装置を使用して、800〜1000℃、O2ガス、1〜3KPaの条件でSi基板の表面領域を酸化する。
Next, the
その後の工程の図示は省略するが、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜405上にポリシリコン膜の堆積を行い、ポリシリコン膜及びシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜405のパターニングを行い、ゲート電極406を形成し、ゲート電極406をマスクとする不純物イオンの注入及びその活性化のための熱処理(例えばRTA)によりソース・ドレイン領域407を形成する。
Although illustration of the subsequent steps is omitted, a polysilicon film is deposited on the
図10は本発明の第3の実施形態の半導体装置(MOSトランジスタ)における、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜の窒素プロファイルである。 FIG. 10 shows a nitrogen profile of a gate insulating film made of a silicon oxynitride film in the semiconductor device (MOS transistor) according to the third embodiment of the present invention.
図10に示すように、最大窒素濃度が8atm%、最大窒素濃度ピークがゲート絶縁膜とゲート電極の界面の位置、ゲート絶縁膜とSi基板の界面の窒素濃度が1atm%より低くなる。 As shown in FIG. 10, the maximum nitrogen concentration is 8 atm%, the maximum nitrogen concentration peak is the position at the interface between the gate insulating film and the gate electrode, and the nitrogen concentration at the interface between the gate insulating film and the Si substrate is lower than 1 atm%.
上記によれば、界面を若干酸化することにより、界面の窒素濃度が減少し、界面特性が向上する。 According to the above, by slightly oxidizing the interface, the nitrogen concentration at the interface is reduced and the interface characteristics are improved.
(第4の実施の形態)
図11は本発明の第4の実施形態の半導体装置(MOSトランジスタ)の製造方法である。
(Fourth embodiment)
FIG. 11 shows a method of manufacturing a semiconductor device (MOS transistor) according to the fourth embodiment of the present invention.
図11に示すように、本発明の第4の実施形態の半導体装置の製造方法は、Si基板501上に、熱酸化により2〜2.2nmのシリコン酸化膜502を形成する。プラズマで酸素ラジカルや酸素イオンを発生させシリコン酸化膜502を形成しても良い。
As shown in FIG. 11, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention, a
次いでシリコン酸化膜502にマイクロ波1500W、Ar/N2ガス、圧力130Pa、Si基板501温度が400℃の条件でプラズマにより窒素ラジカルまたは窒素イオンを発生させ、20秒間窒素を導入しシリコン酸窒化膜503を形成する。
Next, nitrogen radicals or nitrogen ions are generated by plasma under conditions of microwave 1500 W, Ar / N 2 gas, pressure 130 Pa,
次いでシリコン酸窒化膜503の最大の窒素濃度ピークがあるシリコン酸窒化膜上面(窒素導入側)から0.5nm程度ところまで、ウェットエッチングし、シリコン酸窒化膜504を形成する。
Next, the
次いで、Si基板501を加熱してシリコン酸窒化膜504を亜酸化窒素(N2O)でアニールしシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜505を形成する。具体的には、枚葉式のランプ加熱のRTP装置を使用して、800〜1000℃、N2Oガス、60〜100KPaの条件でアニールする。
Next, the
その後の工程の図示は省略するが、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜505上にポリシリコン膜の堆積を行い、ポリシリコン膜及びシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜505のパターニングを行い、ゲート電極506を形成し、ゲート電極506をマスクとする不純物イオンの注入及びその活性化のための熱処理(例えばRTA)によりソース・ドレイン領域507を形成する。
Although illustration of the subsequent steps is omitted, a polysilicon film is deposited on the
図12は本発明の第4の実施形態の半導体装置(MOSトランジスタ)における、シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜の窒素プロファイルである。 FIG. 12 shows a nitrogen profile of a gate insulating film made of a silicon oxynitride film in a semiconductor device (MOS transistor) according to the fourth embodiment of the present invention.
図12に示すように、最大窒素濃度が9.5atm%、最大窒素濃度ピークがゲート絶縁膜とゲート電極の界面の位置、ゲート絶縁膜とSi基板の界面の窒素濃度が3atm%になる。 As shown in FIG. 12, the maximum nitrogen concentration is 9.5 atm%, the maximum nitrogen concentration peak is the position at the interface between the gate insulating film and the gate electrode, and the nitrogen concentration at the interface between the gate insulating film and the Si substrate is 3 atm%.
上記によれば、熱窒化することで最大窒素濃度がアップし、ゲート電極からのボロン拡散のバリア性が向上する。 According to the above, the maximum nitrogen concentration is increased by thermal nitriding, and the barrier property of boron diffusion from the gate electrode is improved.
本発明における半導体装置の製造方法は、ゲート絶縁膜とSi基板の界面特性とゲート電極からのボロン拡散のバリア性を両立するものであり、MOSトランジスタを搭載した半導体装置等に有用である。 The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention achieves both the interface characteristics between the gate insulating film and the Si substrate and the barrier property of boron diffusion from the gate electrode, and is useful for semiconductor devices equipped with MOS transistors.
101…Si基板
102…シリコン酸化膜
103…シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜
104…ゲート電極
105…ソース・ドレイン領域
201…Si基板
202…シリコン酸化膜
203…シリコン酸窒化膜
204…シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜
205…ゲート電極
206…ソース・ドレイン領域
301…Si基板
302…シリコン酸化膜
303…シリコン酸窒化膜
304…シリコン酸窒化膜
305…シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜
306…ゲート電極
307…ソース・ドレイン領域
401…Si基板
402…シリコン酸化膜
403…シリコン酸窒化膜
404…シリコン酸窒化膜
405…シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜
406…ゲート電極
407…ソース・ドレイン領域
501…Si基板
502…シリコン酸化膜
503…シリコン酸窒化膜
504…シリコン酸窒化膜
505…シリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜
506…ゲート電極
507…ソース・ドレイン領域
DESCRIPTION OF
Claims (6)
上記半導体基板上に設けられたゲート電極と、
上記半導体基板と上記ゲート電極との間にシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上にベースとなるシリコン酸化膜を形成する第1の工程と、
上記シリコン酸化膜にプラズマで発生させた窒素ラジカルまたは窒素イオンで窒素を導入しシリコン酸窒化膜を形成する第2の工程と、
上記シリコン酸窒化膜をその最大の窒素濃度ピーク位置まで除去する第3の工程と、
を含む半導体装置の製造方法。 A semiconductor substrate;
A gate electrode provided on the semiconductor substrate;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising a gate insulating film made of a silicon oxynitride film between the semiconductor substrate and the gate electrode,
A first step of forming a base silicon oxide film on a semiconductor substrate;
A second step of forming a silicon oxynitride film by introducing nitrogen into the silicon oxide film with nitrogen radicals or nitrogen ions generated by plasma;
A third step of removing the silicon oxynitride film to its maximum nitrogen concentration peak position;
A method of manufacturing a semiconductor device including:
上記半導体基板上に設けられたゲート電極と、
上記半導体基板と上記ゲート電極との間にシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上にベースとなるシリコン酸化膜を形成する第1の工程と、
上記シリコン酸化膜にプラズマで発生させた窒素ラジカルまたは窒素イオンで窒素を導入しシリコン酸窒化膜を形成する第2の工程と、
上記シリコン酸窒化膜をその最大の窒素濃度ピーク位置まで除去する第3の工程と、
上記第2の工程のプラズマで発生させた窒素ラジカルまたは窒素イオンの量より少ない窒素ラジカルまたは窒素イオンで上記シリコン酸窒化膜に窒素を導入する第4の工程と、
を含む半導体装置の製造方法。 A semiconductor substrate;
A gate electrode provided on the semiconductor substrate;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising a gate insulating film made of a silicon oxynitride film between the semiconductor substrate and the gate electrode,
A first step of forming a base silicon oxide film on a semiconductor substrate;
A second step of forming a silicon oxynitride film by introducing nitrogen into the silicon oxide film with nitrogen radicals or nitrogen ions generated by plasma;
A third step of removing the silicon oxynitride film to its maximum nitrogen concentration peak position;
A fourth step of introducing nitrogen into the silicon oxynitride film with nitrogen radicals or nitrogen ions less than the amount of nitrogen radicals or nitrogen ions generated by the plasma of the second step;
A method of manufacturing a semiconductor device including:
上記半導体基板上に設けられたゲート電極と、
上記半導体基板と上記ゲート電極との間にシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上にベースとなるシリコン酸化膜を形成する第1の工程と、
上記シリコン酸化膜にプラズマで発生させた窒素ラジカルまたは窒素イオンで窒素を導入しシリコン酸窒化膜を形成する第2の工程と、
上記シリコン酸窒化膜をその最大の窒素濃度ピーク位置まで除去する第3の工程と、
上記半導体基板の加熱処理によって上記シリコン酸窒化膜を通過させた酸素により上記シリコン酸窒化膜を酸化する第4の工程と、
を含む半導体装置の製造方法。 A semiconductor substrate;
A gate electrode provided on the semiconductor substrate;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising a gate insulating film made of a silicon oxynitride film between the semiconductor substrate and the gate electrode,
A first step of forming a base silicon oxide film on a semiconductor substrate;
A second step of forming a silicon oxynitride film by introducing nitrogen into the silicon oxide film with nitrogen radicals or nitrogen ions generated by plasma;
A third step of removing the silicon oxynitride film to its maximum nitrogen concentration peak position;
A fourth step of oxidizing the silicon oxynitride film with oxygen passed through the silicon oxynitride film by heat treatment of the semiconductor substrate;
A method of manufacturing a semiconductor device including:
上記半導体基板上に設けられたゲート電極と、
上記半導体基板と上記ゲート電極との間にシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜を備えた半導体装置の製造方法であって、
半導体基板上にベースとなるシリコン酸化膜を形成する第1の工程と、
上記シリコン酸化膜をプラズマで発生させた窒素ラジカルまたは窒素イオンで窒素を導入しシリコン酸窒化膜を形成する第2の工程と、
上記シリコン酸窒化膜をその最大の窒素濃度ピーク位置まで除去する第3の工程と、
上記シリコン酸窒化膜を亜酸化窒素(N2O)でアニール処理する第4の工程と、
を含む半導体装置の製造方法。 A semiconductor substrate;
A gate electrode provided on the semiconductor substrate;
A method for manufacturing a semiconductor device comprising a gate insulating film made of a silicon oxynitride film between the semiconductor substrate and the gate electrode,
A first step of forming a base silicon oxide film on a semiconductor substrate;
A second step of forming a silicon oxynitride film by introducing nitrogen with nitrogen radicals or nitrogen ions generated from the silicon oxide film by plasma;
A third step of removing the silicon oxynitride film to its maximum nitrogen concentration peak position;
A fourth step of annealing the silicon oxynitride film with nitrous oxide (N 2 O);
A method of manufacturing a semiconductor device including:
上記第3の工程では、あらかじめ横軸にウェットエッチング時間をとり、縦軸にウェットエッチング量をとったグラフを作成した後、エッチングレートが変わる時点をウェットエッチングの設定時間とすることを特徴する半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 1, 2, 3, 4,
In the third step, a semiconductor is characterized in that a wet etching time is taken in advance on the horizontal axis, and a graph in which the wet etching amount is taken on the vertical axis, and then the time point at which the etching rate changes is set as the wet etching setting time. Device manufacturing method.
ゲート絶縁膜の厚みが2nm以下で、且つゲート絶縁膜の窒素最大濃度が8atm%以上でSi基板との界面窒素濃度が3atm%以下とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
In the manufacturing method of the semiconductor device of Claim 1, 2, 3, 4, 5,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the thickness of the gate insulating film is 2 nm or less, the maximum nitrogen concentration of the gate insulating film is 8 atm% or more, and the interface nitrogen concentration with the Si substrate is 3 atm% or less.
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---|---|---|---|
JP2003383635A JP2005150285A (en) | 2003-11-13 | 2003-11-13 | Method of manufacturing semiconductor device |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006082718A1 (en) * | 2005-02-01 | 2006-08-10 | Tohoku University | Dielectric film and method for forming the same |
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2003
- 2003-11-13 JP JP2003383635A patent/JP2005150285A/en active Pending
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