JP2005217159A - Insulating gate semiconductor element and manufacturing method thereof - Google Patents

Insulating gate semiconductor element and manufacturing method thereof Download PDF

Info

Publication number
JP2005217159A
JP2005217159A JP2004021555A JP2004021555A JP2005217159A JP 2005217159 A JP2005217159 A JP 2005217159A JP 2004021555 A JP2004021555 A JP 2004021555A JP 2004021555 A JP2004021555 A JP 2004021555A JP 2005217159 A JP2005217159 A JP 2005217159A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
insulating layer
concentration
gate
metal
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004021555A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hideki Satake
秀喜 佐竹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2004021555A priority Critical patent/JP2005217159A/en
Publication of JP2005217159A publication Critical patent/JP2005217159A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an insulating gate semiconductor element capable of extending the lifetime of the hard breakdown. <P>SOLUTION: The insulating gate semiconductor element is provided with a gate insulation film 15 wherein the nitrogen concentration at a channel region side is higher than the nitrogen concentration at the side of a gate electrode 16, the nitrogen concentration at the side of the gate electrode 16 is higher than the nitrogen concentration in the middle, and a metal concentration at the channel region side and the side of the gate electrode 16 is respectively lower than the metal concentration in the middle. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体素子及びその製造方法に係り、特に絶縁ゲート型半導体素子及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly, to an insulated gate semiconductor device and a manufacturing method thereof.

近年、LSIの高性能化・高速化にしたがって、MOS型トランジスタの微細化が進んでいる。これに伴って、MOS型トランジスタのゲート絶縁膜も急速に薄膜化しており、極薄膜のシリコン絶縁膜を均一に且つ高い信頼性で形成する技術が求められている。   In recent years, MOS transistors have been miniaturized in accordance with higher performance and higher speed of LSI. Along with this, the gate insulating film of the MOS transistor is rapidly thinned, and a technique for forming an extremely thin silicon insulating film uniformly and with high reliability is required.

MOS型トランジスタにおいて、ゲート電圧が3.0Vを下回るような電圧範囲においては、ソフトブレークダウン(SBD)を起こしてからハードブレークダウン(HBD)に至るまでの寿命は急激に長くなる。したがって、素子の微細化が進んで電源電圧が低下した場合には、一旦SBD(擬似破壊)が起きた場合のほうが、最終的にHBD(完全破壊)に到達するまでの時間(以下、「完全絶縁破壊寿命」という。)が長くなることが知られている(例えば、非特許文献1参照。)。   In a MOS transistor, in a voltage range in which the gate voltage is less than 3.0 V, the life from the occurrence of soft breakdown (SBD) to hard breakdown (HBD) is abruptly increased. Therefore, when the power supply voltage is lowered due to the miniaturization of the element, the time until the SBD (pseudo breakdown) once reaches the HBD (complete breakdown) (hereinafter referred to as “complete breakdown”). It is known that the dielectric breakdown lifetime is increased) (for example, see Non-Patent Document 1).

また、MOS型トランジスタの製造工程において、高温の熱処理を実施することにより、SBD頻度が増加することが知られている(例えば、非特許文献2参照。)。更に、高誘電体ゲート絶縁膜中に窒素原子を添加することにより、結晶化が抑制されることが知られている(例えば、非特許文献3参照。)。
ケー・オカダ(K. Okada)他著,「直接トンネル領域におけるリーク電流に誘起される“Bモード”負荷により制限されるゲート酸化膜寿命の概念(A Concept of Gate Oxide Lifetime Limited by "B-mode" Stress Induced Leakage Currents in Direct Tunneling Regime)」 シンポジウム オン VLSI テクノロジー・ダイジェスト オブ テクニカル・ペーパー(Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Paper),1999年 p.57−58 ティー・ヤマグチ(T. Yamaguchi)他著,「高温アニールによるHf−シリケートの新たな絶縁破壊モデル(Novel dielectric breakdown model of Hf-silicate with high temperature annealing)」 信頼性物理 シンポジウム プロシーディング(Reliability Physics Symposium proceedings),2003年 p.34−40 エム・コヤマ(M. Koyama)他著,「電気的特性及び熱的特性におけるHfSiONゲート絶縁膜中の窒素の影響(Effects of nitrogen in HfSiON gate dielectrics on the electrical and thermal characteristics)」 国際電子デバイス会議技術ダイジェスト(International Electron Devices Meeting Technical Digest),2002年 p.849−852
Further, it is known that the SBD frequency is increased by performing high-temperature heat treatment in the manufacturing process of the MOS transistor (see, for example, Non-Patent Document 2). Furthermore, it is known that crystallization is suppressed by adding nitrogen atoms to the high dielectric gate insulating film (see, for example, Non-Patent Document 3).
K. Okada et al., “A Concept of Gate Oxide Lifetime Limited by“ B-mode ” "Stress Induced Leakage Currents in Direct Tunneling Regime" Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Paper, 1999 p. 57-58 T. Yamaguchi et al., “Novel dielectric breakdown model of Hf-silicate with high temperature annealing” Reliability Physics Symposium proceedings ), 2003 p. 34-40 M. Koyama et al., “Effects of nitrogen in HfSiON gate dielectrics on the electrical and thermal characteristics” International Electron Device Conference Technology Digest (International Electron Devices Meeting Technical Digest), 2002 p. 849-852

SBD(擬似破壊)を選択的に起こすことができれば、完全絶縁破壊寿命が長くなり、結果的に素子の寿命を長くすることができる。しかしながら、ゲート絶縁膜の絶縁破壊の起き方がSBDとなるか、あるいはHBDとなるかは確率的に偶然に左右される。このため、SBDのみを選択的に起こさせることは困難であり、完全絶縁破壊寿命を伸張させることが困難であった。   If SBD (pseudo breakdown) can be selectively caused, the complete dielectric breakdown life can be increased, and as a result, the lifetime of the element can be increased. However, whether the breakdown of the gate insulating film occurs becomes SBD or HBD depends on probability by chance. For this reason, it is difficult to selectively raise only the SBD, and it is difficult to extend the complete dielectric breakdown life.

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、完全絶縁破壊寿命を伸張させることができる絶縁ゲート型半導体素子及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an insulated gate semiconductor device capable of extending the complete dielectric breakdown lifetime and a method for manufacturing the same.

上記目的を達成するために、本発明の第1の特徴は、チャネル領域側の窒素濃度がゲート電極側の窒素濃度より高く、ゲート電極側の窒素濃度が中央部の窒素濃度より高く、且つチャネル領域側及びゲート電極側の金属濃度がそれぞれ中央部の金属濃度より低いゲート絶縁膜を備える絶縁ゲート型半導体素子であることを要旨とする。   In order to achieve the above object, the first feature of the present invention is that the nitrogen concentration on the channel region side is higher than the nitrogen concentration on the gate electrode side, the nitrogen concentration on the gate electrode side is higher than the nitrogen concentration on the center, and the channel The gist of the invention is that it is an insulated gate semiconductor device including a gate insulating film in which the metal concentration on the region side and the gate electrode side is lower than the metal concentration in the central portion.

本発明の第2の特徴は、(イ)半導体層の上面に第1絶縁層を堆積する工程と、(ロ)第1絶縁層の上面に、第1絶縁層より窒素濃度が低く且つ金属濃度が高い第2絶縁層を堆積する工程と、(ハ)第2絶縁層の上面に、第1絶縁層及び第2絶縁層より窒素濃度が高く且つ第2絶縁層より金属濃度が低い第3絶縁層を堆積する工程と、(ニ)熱処理を行い第2絶縁層の金属酸化物を結晶化させる工程とを含む絶縁ゲート型半導体素子の製造方法であることを要旨とする。   The second feature of the present invention is: (a) a step of depositing a first insulating layer on the upper surface of the semiconductor layer; and (b) a nitrogen concentration lower than that of the first insulating layer and a metal concentration on the upper surface of the first insulating layer. A step of depositing a second insulating layer having a high thickness; and (c) a third insulating layer having a higher nitrogen concentration than the first insulating layer and the second insulating layer and a lower metal concentration than the second insulating layer on the upper surface of the second insulating layer. The gist of the present invention is a method for manufacturing an insulated gate semiconductor device, which includes a step of depositing a layer and (d) a step of crystallizing the metal oxide of the second insulating layer by performing a heat treatment.

本発明によれば、完全絶縁破壊寿命を伸張させることができる絶縁ゲート型半導体素子及びその製造方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the insulated gate semiconductor element which can extend a complete dielectric breakdown lifetime, and its manufacturing method can be provided.

以下において、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において同一あるいは類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、構成要素の厚みと幅との関係、各構成要素の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。   In the following, embodiments of the present invention will be described. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and width of the component, the ratio of the thickness of each component, and the like are different from the actual ones. In addition, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

(実施の形態)
本発明の実施の形態に係るMIS型半導体素子(MISFET)は、図1に示すように、チャネル領域側の窒素(N)濃度がゲート電極16側のN濃度より高く、ゲート電極16側のN濃度が中央部のN濃度より高く、且つチャネル領域側及びゲート電極16側の金属濃度がそれぞれ中央部の金属濃度より低いゲート絶縁膜15を備える。このゲート絶縁膜15は、図2に示すように3層構造からなり、チャネル領域側の第1絶縁層15a、第1絶縁層15aの上面に配置された第2絶縁層15b、及び第2絶縁層15bの上面に配置されたゲート電極16側の第3絶縁層15cを備える。第1〜第3絶縁層15a〜15cの厚さは、例えば0.5〜3nm程度である。
(Embodiment)
As shown in FIG. 1, the MIS type semiconductor element (MISFET) according to the embodiment of the present invention has a nitrogen (N) concentration on the channel region side higher than the N concentration on the gate electrode 16 side, and N on the gate electrode 16 side. A gate insulating film 15 having a concentration higher than the N concentration in the central portion and a metal concentration on the channel region side and the gate electrode 16 side lower than the metal concentration in the central portion is provided. The gate insulating film 15 has a three-layer structure as shown in FIG. 2, and includes a first insulating layer 15a on the channel region side, a second insulating layer 15b disposed on the upper surface of the first insulating layer 15a, and a second insulating layer. A third insulating layer 15c on the gate electrode 16 side disposed on the upper surface of the layer 15b is provided. The thickness of the first to third insulating layers 15a to 15c is, for example, about 0.5 to 3 nm.

第1絶縁層15aは例えば、少なくともN原子及びシリコン(Si)原子を含む。第2絶縁層15bは例えば、少なくとも金属原子及び酸素(O)原子を含有する結晶化した層であり、金属原子及びO原子からなる金属酸化物結晶粒1が析出している。第3絶縁層15cは例えば、少なくともN原子及びSi原子を含有する。ゲート絶縁膜15は、少なくとも金属原子、N原子、O原子を含む。金属原子としては、例えばハフニウム(Hf)原子が使用される。金属原子としてHf原子の他にも、例えばジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)、ランタン(La)、セシウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ルビジウム(Ru)、タンタル(Ta)、ガドリニウム(Gd)、ジスプロシウム(Dy)、エルビウム(Er)、タリウム(Tm)、イッテルビウム(Yb)、ルテチウム(Lu)等が使用可能である。   The first insulating layer 15a includes, for example, at least N atoms and silicon (Si) atoms. The second insulating layer 15b is, for example, a crystallized layer containing at least metal atoms and oxygen (O) atoms, and metal oxide crystal grains 1 made of metal atoms and O atoms are deposited. For example, the third insulating layer 15c contains at least N atoms and Si atoms. The gate insulating film 15 includes at least metal atoms, N atoms, and O atoms. As the metal atom, for example, a hafnium (Hf) atom is used. In addition to Hf atoms as metal atoms, for example, zirconium (Zr), aluminum (Al), lanthanum (La), cesium (Ce), praseodymium (Pr), rubidium (Ru), tantalum (Ta), gadolinium (Gd) Dysprosium (Dy), erbium (Er), thallium (Tm), ytterbium (Yb), lutetium (Lu), etc. can be used.

図2において、横軸の左から図1に示した第1絶縁層15a、第2絶縁層15b、第3絶縁層15cの膜厚方向の位置を示し、縦軸にN濃度分布及び金属(Hf)濃度分布をそれぞれ示す。図2に示すように、N濃度分布に関して、第1絶縁層15aのN濃度が第3絶縁層15cのN濃度より高く、且つ第3絶縁層15cのN濃度が第2絶縁層15bのN濃度より高い。一方、金属濃度分布に関して、図2に示すように、第2絶縁層15bの金属濃度が第3絶縁層15cの金属濃度より高く、第3絶縁層15cの金属濃度が第1絶縁層15aの金属濃度より高い。   In FIG. 2, the positions in the film thickness direction of the first insulating layer 15a, the second insulating layer 15b, and the third insulating layer 15c shown in FIG. 1 are shown from the left of the horizontal axis, and the N concentration distribution and the metal (Hf) are shown on the vertical axis. ) Show the concentration distribution. As shown in FIG. 2, regarding the N concentration distribution, the N concentration of the first insulating layer 15a is higher than the N concentration of the third insulating layer 15c, and the N concentration of the third insulating layer 15c is the N concentration of the second insulating layer 15b. taller than. On the other hand, regarding the metal concentration distribution, as shown in FIG. 2, the metal concentration of the second insulating layer 15b is higher than the metal concentration of the third insulating layer 15c, and the metal concentration of the third insulating layer 15c is the metal of the first insulating layer 15a. Higher than concentration.

図1に示したMIS型半導体素子は、第1導電型の半導体層11と、半導体層11の上部に形成された第2導電型の第1主電極領域13と、半導体層11の上部に第1主電極領域13と離間して形成されたp型の第2主電極領域14と、第1主電極領域13及び第2主電極領域14に挟まれた半導体層11のチャネル領域の上面に配置されたゲート絶縁膜15と、ゲート絶縁膜15の上面に配置されたゲート電極16とを備える。ここで、「第1導電型」と「第2導電型」とは互いに反対導電型である。即ち、第1導電型がn型であれば、第2導電型はp型であり、第1導電型がp型であれば、第2導電型はn型である。また、実施の形態では第1導電型がp型、第2導電型がn型の場合を説明するが、第1導電型がn型、第2導電型がp型でもあっても良い。   The MIS type semiconductor device shown in FIG. 1 includes a first conductivity type semiconductor layer 11, a second conductivity type first main electrode region 13 formed on the semiconductor layer 11, and a first conductivity type semiconductor layer 11 on the semiconductor layer 11. A p-type second main electrode region 14 formed apart from the first main electrode region 13 and an upper surface of the channel region of the semiconductor layer 11 sandwiched between the first main electrode region 13 and the second main electrode region 14 And the gate electrode 16 disposed on the upper surface of the gate insulating film 15. Here, the “first conductivity type” and the “second conductivity type” are opposite conductivity types. That is, if the first conductivity type is n-type, the second conductivity type is p-type. If the first conductivity type is p-type, the second conductivity type is n-type. In the embodiment, the first conductivity type is p-type and the second conductivity type is n-type. However, the first conductivity type may be n-type and the second conductivity type may be p-type.

半導体層11の上面から内部には、第1主電極領域(ソース領域)13及び第2主電極領域(ドレイン領域)14を挟むように、深さ0.6μm程度の素子分離領域12が形成されている。ゲート電極16の側面には、シリコン窒化膜(SiN膜)などの側壁窒化膜17a,17bが設けられている。また、半導体層11の上面及びゲート電極(ポリSi層)16上面を覆うように層間絶縁膜(SiO2膜)18が配置されている。層間絶縁膜18に設けられた開口部を介して露出したソース領域13及びドレイン領域14のそれぞれの一部は、ソース電極19及びドレイン電極21とそれぞれ接続している。 An element isolation region 12 having a depth of about 0.6 μm is formed from the upper surface to the inside of the semiconductor layer 11 so as to sandwich the first main electrode region (source region) 13 and the second main electrode region (drain region) 14. ing. Side wall nitride films 17 a and 17 b such as a silicon nitride film (SiN film) are provided on the side surface of the gate electrode 16. An interlayer insulating film (SiO 2 film) 18 is disposed so as to cover the upper surface of the semiconductor layer 11 and the upper surface of the gate electrode (poly Si layer) 16. A part of each of the source region 13 and the drain region 14 exposed through the opening provided in the interlayer insulating film 18 is connected to the source electrode 19 and the drain electrode 21, respectively.

半導体層11としては、例えば面方位(100)、比抵抗4〜6Ωcmのn型Si基板が使用可能である。また、ゲート電極16は、例えば、ゲート絶縁膜15の上面に配置された厚さ200nmのポリSi層からなる。そして、ゲート電極16の上面には、層間絶縁膜18の開口部を介してゲート電極16と接続されたアルミニウム(Al)等の金属層20が配置されている。ゲート電極16は、ソース領域13及びドレイン領域14の間を流れる電流を制御する。   As the semiconductor layer 11, for example, an n-type Si substrate having a plane orientation (100) and a specific resistance of 4 to 6 Ωcm can be used. The gate electrode 16 is made of, for example, a poly-Si layer having a thickness of 200 nm disposed on the upper surface of the gate insulating film 15. A metal layer 20 such as aluminum (Al) connected to the gate electrode 16 through the opening of the interlayer insulating film 18 is disposed on the upper surface of the gate electrode 16. The gate electrode 16 controls a current flowing between the source region 13 and the drain region 14.

図2に示すように、第2絶縁層15bにおいて、第1絶縁層15a及び第3絶縁層15cよりもN濃度が低く且つ金属濃度が高いために、金属酸化物結晶粒1が多く含まれているので、この金属酸化物結晶粒1が電気的な欠陥として利用されてSBDが起こりやすくなる。ここで、図3に示すように、ゲート電圧が3.0Vを下回るような電圧範囲において、SBDを起こしてからHBDに至るまでの寿命は急激に長くなる。このため、直接HBDを起こすよりも、一旦SBDを起こした場合のほうが、HBDに至るまでの寿命を稼ぐことができ、完全絶縁破壊寿命を伸張することができる。したがって、図1に示したMIS型半導体素子によれば、第1〜第3絶縁層15a〜15cで構成されるゲート絶縁膜15の絶縁破壊をSBDに意図的に留めることができるので、完全絶縁破壊寿命を伸張させることができる。   As shown in FIG. 2, the second insulating layer 15b has a lower N concentration and a higher metal concentration than the first insulating layer 15a and the third insulating layer 15c. Therefore, this metal oxide crystal grain 1 is used as an electrical defect and SBD is likely to occur. Here, as shown in FIG. 3, in the voltage range in which the gate voltage is less than 3.0 V, the life from the occurrence of SBD to the HBD is abruptly increased. For this reason, rather than causing HBD directly, once SBD is caused, the life until reaching HBD can be obtained, and the complete dielectric breakdown life can be extended. Therefore, according to the MIS type semiconductor device shown in FIG. 1, the dielectric breakdown of the gate insulating film 15 composed of the first to third insulating layers 15a to 15c can be intentionally kept at the SBD. Destruction life can be extended.

また、第1絶縁層15a及び第3絶縁層15cにおいて金属(Hf)原子が第2絶縁層15bよりも少ないので、比較的生成される欠陥が少なく、半導体層11との界面及びゲート電極16との界面におけるキャリアの移動度の低下量も小さい。更に、第1絶縁層15a及び第3絶縁層15cにおいて、第2絶縁層15bよりもN濃度が高いので、金属(Hf)原子を含んでいても、金属(Hf)原子に起因する電気的な欠陥の生成を抑制することができる。したがって、第1絶縁層15a及び第3絶縁層15cにおける不要な欠陥の生成を抑制することができる。この結果、第1〜第3絶縁層15a〜15cで構成されるゲート絶縁膜15のチャネル領域側からゲート電極16側まで欠陥がつながらず、ゲートリーク電流を抑制でき、破壊寿命の劣化を防止することが可能となる。   In addition, since the first insulating layer 15a and the third insulating layer 15c have fewer metal (Hf) atoms than the second insulating layer 15b, relatively few defects are generated, and the interface with the semiconductor layer 11 and the gate electrode 16 The amount of decrease in carrier mobility at the interface is also small. Furthermore, since the N concentration in the first insulating layer 15a and the third insulating layer 15c is higher than that in the second insulating layer 15b, even if a metal (Hf) atom is included, an electrical phenomenon caused by the metal (Hf) atom is caused. The generation of defects can be suppressed. Therefore, generation of unnecessary defects in the first insulating layer 15a and the third insulating layer 15c can be suppressed. As a result, defects are not connected from the channel region side to the gate electrode 16 side of the gate insulating film 15 composed of the first to third insulating layers 15a to 15c, the gate leakage current can be suppressed, and the deterioration of the breakdown life is prevented. It becomes possible.

ここで、半導体層11のチャネル領域と第1絶縁層15aとの界面におけるキャリアの移動度の低下を抑制するために、第3絶縁層15cのHf濃度を第1絶縁層15aのHf濃度より高くして、キャリアの移動度を低下させる金属(Hf)原子が、チャネル領域から可能な限り離れた位置に導入されることが好ましい。   Here, in order to suppress a decrease in carrier mobility at the interface between the channel region of the semiconductor layer 11 and the first insulating layer 15a, the Hf concentration of the third insulating layer 15c is set higher than the Hf concentration of the first insulating layer 15a. Thus, it is preferable that metal (Hf) atoms that reduce carrier mobility are introduced as far as possible from the channel region.

また、第1絶縁層15aのN濃度が1×1019 cm-3より高く、且つ第3絶縁層15cのN濃度が第3絶縁層15cのN濃度の2倍以上高い場合、SBDの生成頻度が顕著に高くなる。したがって、第1絶縁層15aのN濃度として1×1019 〜1021 cm-3程度が好ましく、1×1020 〜1021cm-3程度が更に好ましい。また、第3絶縁層15cのN濃度としては、第3絶縁層15cのN濃度の2倍以上高いことが好ましい。 Further, when the N concentration of the first insulating layer 15a is higher than 1 × 10 19 cm −3 and the N concentration of the third insulating layer 15c is twice or more higher than the N concentration of the third insulating layer 15c, the frequency of SBD generation Is significantly higher. Accordingly, the N concentration of the first insulating layer 15a is preferably about 1 × 10 19 to 10 21 cm −3, and more preferably about 1 × 10 20 to 10 21 cm −3 . Further, the N concentration of the third insulating layer 15c is preferably at least twice as high as the N concentration of the third insulating layer 15c.

以上説明したように、本発明の実施の形態に係るMIS型半導体素子によれば、第1〜第3絶縁層15a〜15cで構成されるゲート絶縁膜15を備えることにより、高い信頼性で完全破壊寿命を伸張することが可能となる。   As described above, according to the MIS type semiconductor device according to the embodiment of the present invention, the gate insulating film 15 composed of the first to third insulating layers 15a to 15c is provided, so that it is completely reliable and complete. It is possible to extend the fracture life.

次に、本発明の実施の形態に係るMIS型半導体素子の製造方法を図4〜図20を用いて説明する。   Next, a method for manufacturing the MIS type semiconductor element according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

(イ)まず、半導体層11として、例えば面方位(100)、比抵抗4〜6 Ωcmのn型Si基板を用意する。そして、シャロー・トレンチ分離(STI)法等により、この半導体層11の上面から深さ方向に、図4に示すように深さ0.6μm程度の素子分離領域12を形成する。   (A) First, as the semiconductor layer 11, for example, an n-type Si substrate having a plane orientation (100) and a specific resistance of 4 to 6 Ωcm is prepared. Then, an element isolation region 12 having a depth of about 0.6 μm is formed in the depth direction from the upper surface of the semiconductor layer 11 by a shallow trench isolation (STI) method or the like, as shown in FIG.

(ロ)次に、例えば室温から800 ℃程度、0.1mPa〜0.1kPa程度において、例えばアルゴン(Ar)ガスで希釈したN2ガスとO2ガスの混合ガス中で、スパッタ法等により、図5に示すように半導体層11の上面に例えば厚さ0.5〜3nmの、N原子及びSi原子を含有する第1絶縁層15xを堆積する。 (B) Next, for example, at room temperature to about 800 ° C. and about 0.1 mPa to 0.1 kPa, for example, in a mixed gas of N 2 gas and O 2 gas diluted with argon (Ar) gas, by sputtering or the like, As shown in FIG. 5, a first insulating layer 15x containing N atoms and Si atoms having a thickness of 0.5 to 3 nm, for example, is deposited on the upper surface of the semiconductor layer 11.

(ハ)次に、例えば室温から800 ℃程度、0.1mPa〜0.1kPa程度において、例えばArガスで希釈したN2ガスとO2ガスの混合ガス中、但し第1絶縁層15aを形成した条件よりもN2ガスのガス圧あるいはガス流量を小さくした条件で、スパッタ法等により、図6に示すように第1絶縁層15xの上面に例えば厚さ0.5〜3nmのO原子とHf原子を含有する第2絶縁層15yを堆積する。ここで、第2絶縁層15yは、第1絶縁層15xよりN濃度が低く且つHf濃度が高く堆積される。 (C) Next, for example, at room temperature to about 800 ° C. and about 0.1 mPa to 0.1 kPa, for example, in a mixed gas of N 2 gas and O 2 gas diluted with Ar gas, but the first insulating layer 15a is formed. gas pressure or gas flow rate of the N 2 gas at reduced criteria than condition, by sputtering or the like, O atoms and Hf of the top surface to a thickness of the first insulating layer 15x 0.5 to 3 nm, as shown in FIG. 6 A second insulating layer 15y containing atoms is deposited. Here, the second insulating layer 15y is deposited with a lower N concentration and a higher Hf concentration than the first insulating layer 15x.

(ニ)次に、例えば室温から800 ℃程度、0.1mPa〜0.1kPa程度において、例えばArガスで希釈したN2ガスとO2ガスの混合ガス中、但し第1絶縁層15aを形成した条件よりも低く、且つ第2絶縁層15bを形成した条件よりも高いN2ガスのガス圧あるいはガス流量条件で、スパッタ法等により、図7に示すように第2絶縁層15yの上面に例えば厚さ0.5〜3nmのNi原子及びSi原子を含有する第3絶縁層15zを堆積する。ここで、第3絶縁層15zは、第1絶縁層15x及び第2絶縁層15yよりN濃度が高く且つ第2絶縁層15yよりHf濃度が低く堆積される。 (D) Next, the first insulating layer 15a is formed in a mixed gas of N 2 gas and O 2 gas diluted with Ar gas, for example, at room temperature to about 800 ° C. and about 0.1 mPa to 0.1 kPa. On the upper surface of the second insulating layer 15y as shown in FIG. 7 by sputtering or the like under a gas pressure or gas flow rate of N 2 gas lower than the conditions and higher than the conditions for forming the second insulating layer 15b. A third insulating layer 15z containing Ni atoms and Si atoms having a thickness of 0.5 to 3 nm is deposited. Here, the third insulating layer 15z is deposited with a higher N concentration than the first insulating layer 15x and the second insulating layer 15y and a lower Hf concentration than the second insulating layer 15y.

(ホ)次に、例えば400〜600℃程度において、減圧化学気相成長法(RPCVD法)により、図8に示す第3絶縁層15zの上面に例えば膜厚100〜300nmの金属膜16xを堆積する。そして、図8に示すように、金属膜16xの上面にレジスト23を塗布し、フォトリソグラフィ技術等を用いてレジスト23をパターニングする。引き続き、パターニングされたレジスト23をマスクとして用いて、例えば反応性イオンエッチング(RIE)法等により、金属膜16x、第3絶縁層15z、第2絶縁層15y及び第1絶縁層15xのそれぞれの一部を選択的に除去する。この結果、図9に示すように、第1〜第3絶縁層15a〜15c及びゲート電極(ポリSi層)16が形成される。その後、残存したレジスト23はレジストリムーバ等を用いて除去される。   (E) Next, a metal film 16x having a film thickness of, for example, 100 to 300 nm is deposited on the upper surface of the third insulating layer 15z shown in FIG. 8 by low pressure chemical vapor deposition (RPCVD) at, for example, about 400 to 600 ° C. To do. Then, as shown in FIG. 8, a resist 23 is applied on the upper surface of the metal film 16x, and the resist 23 is patterned using a photolithography technique or the like. Subsequently, each of the metal film 16x, the third insulating layer 15z, the second insulating layer 15y, and the first insulating layer 15x is formed by, for example, reactive ion etching (RIE) using the patterned resist 23 as a mask. Parts are selectively removed. As a result, as shown in FIG. 9, the first to third insulating layers 15a to 15c and the gate electrode (poly Si layer) 16 are formed. Thereafter, the remaining resist 23 is removed using a registry mover or the like.

(ヘ)次に、例えば400〜600℃程度において、RPCVD法等により、図10に示すように、半導体層11の上面に例えば膜厚100〜300 nmの絶縁膜(SiN膜)17xを堆積する。そして、ドライエッチング法を用いてエッチバックすることにより、SiN膜17xの一部を選択的に除去する。この結果、図11に示すように、第1〜第3絶縁層15a〜15c及びゲート電極(ポリSi層)16の周囲に側壁窒化膜17a,17bが残存する。   (F) Next, an insulating film (SiN film) 17x having a film thickness of 100 to 300 nm, for example, is deposited on the upper surface of the semiconductor layer 11, as shown in FIG. . Then, a part of the SiN film 17x is selectively removed by etching back using a dry etching method. As a result, as shown in FIG. 11, sidewall nitride films 17 a and 17 b remain around the first to third insulating layers 15 a to 15 c and the gate electrode (poly Si layer) 16.

(ト)図1に示したMIS型半導体素子が集積回路の一部の素子である場合等には、必要な箇所を保護するために、図12に示すように半導体層11の上面及びゲート電極(ポリSi層)16の上面にレジスト24を塗布し、フォトリソグラフィ技術等を用いてレジスト24を図13に示すようにパターニングする。引き続き、パターニングされたレジスト24をマスクとして用いて、例えば加速電圧0.5〜10kV、ドーズ量1014〜1016 cm-2等の条件で、2フッ化ボロン(BF2)をイオン注入する。そして、残存したレジスト24はレジストリムーバ等を用いて除去される。なお、図1に示したMIS型半導体素子を単体で製造する場合には、図11に示した側壁窒化膜17a,17bを形成後に、自己整合的に半導体層11及びゲート電極(ポリSi層)16の上部に直接イオン注入しても良い。 (G) When the MIS type semiconductor element shown in FIG. 1 is a part of an integrated circuit, etc., the upper surface of the semiconductor layer 11 and the gate electrode as shown in FIG. A resist 24 is applied to the upper surface of the (poly-Si layer) 16, and the resist 24 is patterned as shown in FIG. Subsequently, using the patterned resist 24 as a mask, boron difluoride (BF 2 ) is ion-implanted under conditions such as an acceleration voltage of 0.5 to 10 kV and a dose of 10 14 to 10 16 cm −2 . The remaining resist 24 is removed using a registry mover or the like. When the MIS type semiconductor device shown in FIG. 1 is manufactured alone, the semiconductor layer 11 and the gate electrode (poly Si layer) are formed in a self-aligned manner after the sidewall nitride films 17a and 17b shown in FIG. 11 are formed. Alternatively, ions may be directly implanted into the upper portion of 16.

(チ)その後、例えば800〜1100℃程度において、例えば1〜100 秒間、不活性ガス雰囲気において熱処理を行い、導入したボロン(B)原子を活性化させる。この結果、図14に示すようにソース領域13、ドレイン領域14が形成される。同時に、熱処理により第2絶縁層15bが結晶化して金属酸化物結晶粒1が析出し、バルク中に欠陥が高密度に導入される。   (H) Thereafter, heat treatment is performed in an inert gas atmosphere at, for example, about 800 to 1100 ° C., for example, for 1 to 100 seconds to activate the introduced boron (B) atoms. As a result, a source region 13 and a drain region 14 are formed as shown in FIG. At the same time, the second insulating layer 15b is crystallized by heat treatment to precipitate the metal oxide crystal grains 1, and defects are introduced into the bulk at a high density.

(リ)更に、図15に示すように、半導体層11の上面及びゲート電極(ポリSi層)16の上面に、例えば厚さ100〜300nmの層間絶縁膜(SiO2膜)18をCVD法により堆積する。そして、図16に示すようにSiO2膜18上にレジスト25を塗布し、フォトリソグラフィ技術等を用いてレジスト25をパターニングする。引き続き、パターニングされたレジスト25をマスクとして用いて、RIE法等によりSiO2膜18の一部を選択的に除去して図17に示すようにコンタクトホールを開口する。残存したレジスト25はレジストリムーバ等を用いて除去される。 (I) Further, as shown in FIG. 15, an interlayer insulating film (SiO 2 film) 18 having a thickness of, for example, 100 to 300 nm is formed on the upper surface of the semiconductor layer 11 and the upper surface of the gate electrode (poly Si layer) 16 by the CVD method. accumulate. Then, as shown in FIG. 16, a resist 25 is applied on the SiO 2 film 18, and the resist 25 is patterned using a photolithography technique or the like. Subsequently, using the patterned resist 25 as a mask, a part of the SiO 2 film 18 is selectively removed by RIE or the like to open a contact hole as shown in FIG. The remaining resist 25 is removed using a registry mover or the like.

(ヌ)次に、図18に示すように、半導体層11、SiO2膜18及びゲート電極(ポリSi層)16上に、Si及び銅(Cu)をそれぞれ例えば0.5%ずつ含有するAl等の、厚さ200〜800 nmの金属膜19xを堆積する。そして、図19に示すように金属膜19xの上面にレジスト26を塗布し、フォトリソグラフィ技術等を用いてレジスト26をパターニングする。引き続き、パターニングされたレジスト26をマスクとして用いて、RIE法等により金属膜19xの一部を選択的に除去し、図20に示すように、ソース電極19、金属層20、ドレイン電極21を形成する。その後、残存したレジスト26はレジストリムーバ等を用いて除去される。最後に、例えば200〜500℃程度において、例えば1〜120分間、水素(H2)を含むN2雰囲気で熱処理する。 (N) Next, as shown in FIG. 18, on the semiconductor layer 11, the SiO 2 film 18, and the gate electrode (poly-Si layer) 16, for example, Al containing 0.5% each of Si and copper (Cu). A metal film 19x having a thickness of 200 to 800 nm is deposited. Then, as shown in FIG. 19, a resist 26 is applied on the upper surface of the metal film 19x, and the resist 26 is patterned using a photolithography technique or the like. Subsequently, using the patterned resist 26 as a mask, a part of the metal film 19x is selectively removed by the RIE method or the like to form the source electrode 19, the metal layer 20, and the drain electrode 21, as shown in FIG. To do. Thereafter, the remaining resist 26 is removed using a registry mover or the like. Finally, heat treatment is performed in an N 2 atmosphere containing hydrogen (H 2 ), for example, at about 200 to 500 ° C. for 1 to 120 minutes, for example.

上述したMIS型半導体素子の製造方法によれば、図1に示したMIS型半導体素子が実現可能である。高誘電体ゲート絶縁膜特有の結晶化抑制のための構造的な制御がなされていない場合には、高温熱処理により容易に結晶化を起こすという特徴を利用して、例えばソース領域13及びドレイン領域14の活性化熱処理により、ゲート絶縁膜15の中央部(第2絶縁層)15bを結晶化させるので、ゲート絶縁膜15の絶縁破壊をSBDモードに留めることができる絶縁ゲート型半導体素子を製造できる。   According to the MIS type semiconductor device manufacturing method described above, the MIS type semiconductor device shown in FIG. 1 can be realized. When structural control for suppressing crystallization peculiar to the high dielectric gate insulating film is not performed, for example, the source region 13 and the drain region 14 are utilized by utilizing the feature that crystallization is easily caused by high-temperature heat treatment. Since the central portion (second insulating layer) 15b of the gate insulating film 15 is crystallized by the activation heat treatment, an insulated gate semiconductor element capable of keeping the dielectric breakdown of the gate insulating film 15 in the SBD mode can be manufactured.

また、第2絶縁層15bには電気的にストレスに弱い欠陥が形成されるが、第1絶縁層15a及び第3絶縁層15cには高濃度にN原子が導入されているために結晶化を抑制でき、不必要に多くの欠陥を導入しなくて済む。したがって、高い信頼性で、且つゲート絶縁膜15の完全絶縁破壊寿命を伸張可能な絶縁ゲート型半導体素子を製造することができる。   In addition, although defects that are electrically vulnerable to stress are formed in the second insulating layer 15b, crystallization occurs because N atoms are introduced into the first insulating layer 15a and the third insulating layer 15c at a high concentration. It can be suppressed and it is not necessary to introduce many defects unnecessarily. Therefore, it is possible to manufacture an insulated gate semiconductor device that can extend the complete dielectric breakdown lifetime of the gate insulating film 15 with high reliability.

次に、SBDの生成頻度の改善に関する評価結果を説明する。まず、950℃でN導入手法を代えて、半導体層(Si基板)上に、ゲート絶縁膜(SiON膜)を膜厚6.0nmで成膜した。そして、SiON膜のゲート電極16側のN濃度、及び半導体層11のチャネル領域側のN濃度を質量分析計を用いて評価した。図21に示すように、N2Oガスを用いて成膜したSiON膜では、ゲート電極16側のN濃度 よりもチャネル領域側のN濃度がわずかに高くなるが、チャネル領域側及びゲート電極16側のいずれにも導入されるN原子量は1019cm-3よりも少ないことが分かる。また、NOガスを用いて成膜したSiON膜では、ゲート電極16側に1019〜1020 cm-3程度のN原子が導入されるものの、チャネル領域側のN原子量が1019cm-3よりも少ないことが分かる。一方、アンモニア(NH3)ガスを用いて成膜したSiON膜では、ゲート電極16側及びチャネル領域側のいずれにも1020〜1021 cm-3程度の高濃度にN原子が導入できることがわかる。 Next, the evaluation result regarding the improvement of the SBD generation frequency will be described. First, the N introduction method was changed at 950 ° C., and a gate insulating film (SiON film) was formed to a thickness of 6.0 nm on the semiconductor layer (Si substrate). Then, the N concentration on the gate electrode 16 side of the SiON film and the N concentration on the channel region side of the semiconductor layer 11 were evaluated using a mass spectrometer. As shown in FIG. 21, in the SiON film formed using N 2 O gas, the N concentration on the channel region side is slightly higher than the N concentration on the gate electrode 16 side. It can be seen that the amount of N atoms introduced on either side is less than 10 19 cm −3 . In addition, in the SiON film formed using NO gas, N atoms of about 10 19 to 10 20 cm −3 are introduced into the gate electrode 16 side, but the N atom amount on the channel region side is less than 10 19 cm −3 . It can be seen that there are few. On the other hand, in the SiON film formed using ammonia (NH 3 ) gas, it can be seen that N atoms can be introduced at a high concentration of about 10 20 to 10 21 cm −3 on both the gate electrode 16 side and the channel region side. .

更に、上述したN導入手法をそれぞれ用いてSiON膜を成膜したMOS型キャパシタのSBD生成頻度を評価した。図22に示すように、N2Oガス及びNOガスを用いた場合では、80%以上のMOS型キャパシタでHBDが起きることが分かる。一方、NH3ガスを用いて、SiON膜のチャネル領域側及びゲート電極16側に1020〜1021 cm-3程度の高濃度にN原子が導入されたMIS型キャパシタでは、80%を上回る頻度でSBDが起きることが分かる。よって、SBDの高い生成頻度を得るために、NH3ガスを用いてチャネル領域側及びゲート電極16側にN原子を高濃度で導入することが好ましい。 Furthermore, the SBD generation frequency of the MOS type capacitor in which the SiON film was formed using each of the above-described N introduction methods was evaluated. As shown in FIG. 22, it can be seen that when N 2 O gas and NO gas are used, HBD occurs in a MOS capacitor of 80% or more. On the other hand, in the MIS type capacitor in which N atoms are introduced at a high concentration of about 10 20 to 10 21 cm −3 on the channel region side and the gate electrode 16 side of the SiON film using NH 3 gas, the frequency exceeds 80%. It turns out that SBD occurs. Therefore, in order to obtain a high generation frequency of SBD, it is preferable to introduce N atoms at a high concentration into the channel region side and the gate electrode 16 side using NH 3 gas.

(変形例)
本発明の実施の形態の変形例に係る絶縁ゲート型半導体素子は、図23に示すように、ソース領域13、ドレイン領域14及びゲート電極(ポリSi層)16の上部に金属膜16x,19x,21xが設けられている点が、図1に示した絶縁ゲート型半導体素子と異なる。金属膜16x,19x,21xは、例えばタングステン(W)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)などの薄膜が採用可能である。他の構成は、図1に示した絶縁ゲート型半導体素子と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。
(Modification)
As shown in FIG. 23, the insulated gate semiconductor device according to the modification of the embodiment of the present invention has metal films 16 x, 19 x, and 16 n on the source region 13, the drain region 14, and the gate electrode (poly Si layer) 16. The difference from the insulated gate semiconductor device shown in FIG. 1 is that 21x is provided. As the metal films 16x, 19x, and 21x, thin films such as tungsten (W), nickel (Ni), and cobalt (Co) can be employed. Other configurations are substantially the same as those of the insulated gate semiconductor device shown in FIG.

図23に示した絶縁ゲート型半導体素子によれば、図1に示した絶縁ゲート型半導体素子と同様に、ゲート絶縁膜15の絶縁破壊をSBDに意図的に留めることができるので、完全絶縁破壊寿命を伸張させることができる。   According to the insulated gate semiconductor device shown in FIG. 23, the dielectric breakdown of the gate insulating film 15 can be intentionally kept at the SBD as in the insulated gate semiconductor device shown in FIG. Lifespan can be extended.

本発明の実施の形態の変形例に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法は、図14に示した手順の後に、サリサイド工程を用いて金属膜16x,19x,21xを形成する。他の手順は、図4〜図20に示した手順と実質的に同様であるので、重複した説明を省略する。   In the method for manufacturing an insulated gate semiconductor device according to the modification of the embodiment of the present invention, the metal films 16x, 19x, and 21x are formed using a salicide process after the procedure shown in FIG. The other procedures are substantially the same as the procedures shown in FIGS.

(その他の実施の形態)
本発明は、実施の形態により記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。例えば、図1に第1〜第3絶縁層15a〜15cからなる3層構造のゲート絶縁膜15を示したが、図2に示したようなN濃度及び金属濃度のプロファイルを有すれば積層数は特に限定されず、4層以上の構造を有するゲート絶縁膜であっても良い。
(Other embodiments)
Although the present invention has been described with reference to the embodiments, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operational techniques will be apparent to those skilled in the art. For example, FIG. 1 shows a gate insulating film 15 having a three-layer structure composed of first to third insulating layers 15a to 15c. If the gate insulating film 15 has a profile of N concentration and metal concentration as shown in FIG. Is not particularly limited, and may be a gate insulating film having a structure of four or more layers.

また、図2に示すように、図1に示した第3絶縁層15cの金属(Hf)濃度が第1絶縁層15aの金属(Hf)濃度より高い場合を示したが、ゲート絶縁膜15のチャネル領域側からゲート電極16側まで電気的な欠陥がつながらない構造であれば良いので、第3絶縁層15cの金属(Hf)濃度が第1絶縁層15aの金属(Hf)濃度より低くても良い。   2, the metal (Hf) concentration of the third insulating layer 15c illustrated in FIG. 1 is higher than the metal (Hf) concentration of the first insulating layer 15a. Any structure that does not lead to electrical defects from the channel region side to the gate electrode 16 side may be used. Therefore, the metal (Hf) concentration of the third insulating layer 15c may be lower than the metal (Hf) concentration of the first insulating layer 15a. .

また、実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法において、図に示した第1絶縁層15aから第3絶縁層15cの一部をRIE法等の異方性ドライエッチングで選択的に除去する例を示したが、溶液を使用した等方性エッチングを使用しても良い。このように、上述した実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法は一例であり、種々の手順で実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子を実現可能である。   In the method for manufacturing an insulated gate semiconductor device according to the embodiment, a part of the first insulating layer 15a to the third insulating layer 15c shown in the drawing is selectively removed by anisotropic dry etching such as RIE. However, isotropic etching using a solution may be used. As described above, the method for manufacturing an insulated gate semiconductor device according to the above-described embodiment is an example, and the insulated gate semiconductor device according to the embodiment can be realized by various procedures.

また、実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子として、図1にMISFETを示したが、他にも絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)、絶縁ゲート型静電誘導トランジスタ(IGSIT)、及びMOS制御サイリスタ等に拡張できるのは勿論である。例えばIGBTの場合には、図1に示した第1主電極領域13及び第2主電極領域14がそれぞれ、エミッタ領域又はコレクタ領域のいずれか一方の主電極となる半導体領域である。   Further, although the MISFET is shown in FIG. 1 as the insulated gate semiconductor device according to the embodiment, the insulated gate bipolar transistor (IGBT), the insulated gate static induction transistor (IGSIT), and the MOS control thyristor are also shown. Of course, it can be expanded to. For example, in the case of an IGBT, each of the first main electrode region 13 and the second main electrode region 14 shown in FIG. 1 is a semiconductor region that serves as either the main electrode of the emitter region or the collector region.

更に、図1に示したゲート絶縁膜15の構造は、例えば不規則雑音生成器(Random Noise Generator, RNG)への適用が容易に可能である。このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論であり、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によりのみ定められるものである。   Furthermore, the structure of the gate insulating film 15 shown in FIG. 1 can be easily applied to, for example, a random noise generator (RNG). As described above, the present invention includes various embodiments and the like that are not described herein, and the technical scope of the present invention is determined by the invention-specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description. It is only determined.

本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るゲート絶縁膜中の金属元素及び窒素元素分布のグラフである。It is a graph of the metal element and nitrogen element distribution in the gate insulating film which concerns on embodiment of this invention. ゲート電圧と擬似破壊(SBD)から完全破壊(HBD)に至るまでの寿命の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a gate voltage and lifetime from a pseudo breakdown (SBD) to a complete breakdown (HBD). 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その1)である。It is process sectional drawing (the 1) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その2)である。It is process sectional drawing (the 2) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その3)である。It is process sectional drawing (the 3) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その4)である。It is process sectional drawing (the 4) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その5)である。It is process sectional drawing (the 5) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その6)である。It is process sectional drawing (the 6) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その7)である。It is process sectional drawing (the 7) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その8)である。It is process sectional drawing (the 8) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その9)である。It is process sectional drawing (the 9) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その10)である。It is process sectional drawing (the 10) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その11)である。It is process sectional drawing (the 11) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その12)である。It is process sectional drawing (the 12) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その13)である。It is process sectional drawing (the 13) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その14)である。It is process sectional drawing (the 14) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その15)である。It is process sectional drawing (the 15) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その16)である。It is process sectional drawing (the 16) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る絶縁ゲート型半導体素子の製造方法の工程断面図(その17)である。It is process sectional drawing (the 17) of the manufacturing method of the insulated gate semiconductor element which concerns on embodiment of this invention. ゲート絶縁膜(SiON膜)の形成手法を代えた場合のゲート絶縁膜とゲート電極との界面、及びゲート絶縁膜と半導体層との界面のN濃度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the N density | concentration of the interface of a gate insulating film and a gate electrode at the time of changing the formation method of a gate insulating film (SiON film), and the interface of a gate insulating film and a semiconductor layer. ゲート絶縁膜(SiON膜)の形成手法を代えた場合の、擬似破壊(SBD)生成頻度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the pseudo destruction (SBD) production | generation frequency at the time of changing the formation method of a gate insulating film (SiON film | membrane). 本発明の実施の形態の変形例に係る絶縁ゲート型半導体素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the insulated gate semiconductor element which concerns on the modification of embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…金属酸化物結晶粒
11…半導体層
12…素子分離領域
13…第1主電極領域(ソース領域)
14…第2主電極領域(ドレイン領域)
15…ゲート絶縁膜
15a…第1絶縁層
15b…第2絶縁層
15c…第3絶縁層
15x…第1絶縁層
15y…第2絶縁層
15z…第3絶縁層
16…ゲート電極(ポリSi層)
16x,19x,21x…金属膜
17x…絶縁膜(SiN膜)
17a,17b…側壁窒化膜
18…層間絶縁膜(シリコン酸化膜)
19…ソース電極
20…金属層
21…ドレイン電極
23〜26…レジスト
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Metal oxide crystal grain 11 ... Semiconductor layer 12 ... Element isolation region 13 ... 1st main electrode region (source region)
14: Second main electrode region (drain region)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 ... Gate insulating film 15a ... 1st insulating layer 15b ... 2nd insulating layer 15c ... 3rd insulating layer 15x ... 1st insulating layer 15y ... 2nd insulating layer 15z ... 3rd insulating layer 16 ... Gate electrode (poly Si layer)
16x, 19x, 21x ... metal film 17x ... insulating film (SiN film)
17a, 17b ... sidewall nitride film 18 ... interlayer insulating film (silicon oxide film)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 19 ... Source electrode 20 ... Metal layer 21 ... Drain electrode 23-26 ... Resist

Claims (5)

チャネル領域側の窒素濃度がゲート電極側の窒素濃度より高く、前記ゲート電極側の窒素濃度が中央部の窒素濃度より高く、且つ前記チャネル領域側及び前記ゲート電極側の金属濃度がそれぞれ前記中央部の金属濃度より低いゲート絶縁膜を備えることを特徴とする絶縁ゲート型半導体素子。
The nitrogen concentration on the channel region side is higher than the nitrogen concentration on the gate electrode side, the nitrogen concentration on the gate electrode side is higher than the nitrogen concentration on the central portion, and the metal concentrations on the channel region side and the gate electrode side are respectively the central portion An insulated gate semiconductor device comprising a gate insulating film having a lower metal concentration than the above.
前記ゲート絶縁膜は、前記ゲート電極側の金属濃度が前記チャネル領域側の金属濃度より高いことを特徴とする請求項1に記載の絶縁ゲート型半導体素子。
2. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film has a metal concentration on the gate electrode side higher than a metal concentration on the channel region side.
前記ゲート絶縁膜は、前記チャネル領域側の窒素濃度が前記ゲート電極側の窒素濃度の2倍より高いことを特徴とする請求項1又は2に記載の絶縁ゲート型半導体素子。
3. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film has a nitrogen concentration on the channel region side higher than twice the nitrogen concentration on the gate electrode side.
前記ゲート絶縁膜は、前記チャネル領域側の窒素濃度が1020〜1021cm-3であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の絶縁ゲート型半導体素子。
4. The insulated gate semiconductor device according to claim 1, wherein the gate insulating film has a nitrogen concentration of 10 20 to 10 21 cm −3 on the channel region side. 5.
半導体層の上面に第1絶縁層を堆積する工程と、
前記第1絶縁層の上面に、前記第1絶縁層より窒素濃度が低く且つ前記第1絶縁層より金属濃度が高い第2絶縁層を堆積する工程と、
前記第2絶縁層の上面に、前記第1絶縁層及び前記第2絶縁層より窒素濃度が高く且つ前記第2絶縁層より金属濃度が低い第3絶縁層を堆積する工程と、
熱処理を行い前記第2絶縁層の金属酸化物を結晶化させる工程
とを含むことを特徴とする絶縁ゲート型半導体素子の製造方法。
Depositing a first insulating layer on the upper surface of the semiconductor layer;
Depositing a second insulating layer having a lower nitrogen concentration than the first insulating layer and a higher metal concentration than the first insulating layer on an upper surface of the first insulating layer;
Depositing a third insulating layer having a higher nitrogen concentration than the first insulating layer and the second insulating layer and a lower metal concentration than the second insulating layer on the upper surface of the second insulating layer;
And a step of crystallizing the metal oxide of the second insulating layer by performing a heat treatment.
JP2004021555A 2004-01-29 2004-01-29 Insulating gate semiconductor element and manufacturing method thereof Pending JP2005217159A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004021555A JP2005217159A (en) 2004-01-29 2004-01-29 Insulating gate semiconductor element and manufacturing method thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004021555A JP2005217159A (en) 2004-01-29 2004-01-29 Insulating gate semiconductor element and manufacturing method thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005217159A true JP2005217159A (en) 2005-08-11

Family

ID=34905162

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004021555A Pending JP2005217159A (en) 2004-01-29 2004-01-29 Insulating gate semiconductor element and manufacturing method thereof

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005217159A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012151400A (en) * 2011-01-21 2012-08-09 Mitsubishi Electric Corp SiC SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING SiC SEMICONDUCTOR DEVICE
US20160056283A1 (en) * 2014-08-21 2016-02-25 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device and method for manufacturing the same
US9793369B2 (en) 2014-08-29 2017-10-17 Toyoda Gosei Co., Ltd. MIS-type semiconductor device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012151400A (en) * 2011-01-21 2012-08-09 Mitsubishi Electric Corp SiC SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING SiC SEMICONDUCTOR DEVICE
US20160056283A1 (en) * 2014-08-21 2016-02-25 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device and method for manufacturing the same
US9793369B2 (en) 2014-08-29 2017-10-17 Toyoda Gosei Co., Ltd. MIS-type semiconductor device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4791332B2 (en) Semiconductor structure including double metal gate and manufacturing method thereof (self-alignment integration of double metal gate)
US8481415B2 (en) Self-aligned contact combined with a replacement metal gate/high-K gate dielectric
US8552502B2 (en) Structure and method to make replacement metal gate and contact metal
US9105606B2 (en) Self aligned contact with improved robustness
US7833849B2 (en) Method of fabricating a semiconductor structure including one device region having a metal gate electrode located atop a thinned polygate electrode
US20130143377A1 (en) Structure and method for replacement gate mosfet with self-aligned contact using sacrificial mandrel dielectric
US8481389B2 (en) Method of removing high-K dielectric layer on sidewalls of gate structure
US20130320414A1 (en) Borderless contacts for metal gates through selective cap deposition
JP5221112B2 (en) Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device
JP4939960B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
TW201036063A (en) Semiconductor device and the fabrication method thereof
TW200843110A (en) Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device
JP2007005534A (en) Semiconductor device
CN103545211A (en) Production method of semiconductor device
US8623714B2 (en) Spacer protection and electrical connection for array device
US20080146012A1 (en) Novel method to adjust work function by plasma assisted metal incorporated dielectric
JP2007251066A (en) Method of manufacturing semiconductor device
KR101351694B1 (en) Nonvolatile semiconductor memory element having excellent charge retention properties and process for producing the same
US20120319207A1 (en) Semiconductor device with threshold voltage control and method of fabricating the same
US9786762B2 (en) Gate electrode of a semiconductor device, and method for producing same
WO2004107451A1 (en) Semiconductor device fitted with mis type field-effect transistor, process for producing the same and method of forming metal oxide film
CN106611788B (en) The forming method of semiconductor structure
JP2004288890A (en) Silicon carbide semiconductor device
JP2005217159A (en) Insulating gate semiconductor element and manufacturing method thereof
JP4757579B2 (en) Insulated gate semiconductor device and manufacturing method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20061020

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20061024

A521 Written amendment

Effective date: 20061225

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20070313