JP2007110071A - Method of manufacturing semiconductor device, and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関し、特にMOS構造のゲートを有する半導体装置、キャパシタを有する半導体装置、不揮発性メモリを有する半導体装置の製造方法及び半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having a MOS structure gate, a semiconductor device having a capacitor, and a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device having a nonvolatile memory.
従来、例えばMOS構造のトレンチゲートを有する半導体装置において、ゲート耐圧を確保するために、熱酸化膜とCVD酸化膜とを積層してゲート絶縁膜とする方法が開示されている(例えば特許文献1,2参照)。 Conventionally, in a semiconductor device having, for example, a MOS structure trench gate, a method of stacking a thermal oxide film and a CVD oxide film to form a gate insulating film is disclosed in order to secure a gate breakdown voltage (for example, Patent Document 1). , 2).
特許文献1においては、トレンチ形成後、ゲート絶縁膜として、トレンチの内部表面と不純物領域の最上部に熱酸化により熱酸化膜(第一の絶縁膜)を形成し、熱酸化膜の表面上に気相成長(CVD)によりCVD酸化膜(第二の絶縁膜)を形成する。そして、ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成する。
In
また、特許文献2においては、特許文献1に示すCVD酸化膜形成後、両酸化膜を含むゲート絶縁膜をアニールし、ゲート電極を形成する。
しかしながら、特許文献1に示される製造方法によると、形成された半導体装置においてCVD酸化膜は緻密化されておらず、その組成はストイキオメトリックな状態(化学的な量論状態)からずれている。すなわち、膜中にキャリアのトラップとなるダングリングボンド(未結合手)が存在する。これにより、ゲート絶縁膜の膜質(耐圧、寿命等)が低下する。
However, according to the manufacturing method disclosed in
特許文献2に示される製造方法によると、ゲート絶縁膜形成後にアニールするので、CVD酸化膜は緻密化される。しかしながら、CVD酸化膜中のダングリングボンド(未結合手)が残ったまま緻密化される恐れがある。また、熱酸化膜形成とアニールの少なくとも2つの加熱工程を必要とする。
According to the manufacturing method disclosed in
本発明は上記問題点に鑑み、絶縁膜の膜質を向上できる半導体装置の製造方法及び半導体装置を提供することを目的としている。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method and a semiconductor device capable of improving the quality of an insulating film.
上記目的を達成する為に、請求項1〜32に記載の発明は、半導体装置の製造方法に関するものである。先ず請求項1に記載の発明は、半導体基板上に、気相成長法により気相酸化膜を形成する気相酸化工程と、気相酸化工程後、気相酸化膜の形成部位を熱酸化する追加熱酸化工程を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention described in
本発明によると、気相酸化膜形成後に熱酸化を実施する。したがって、熱酸化雰囲気中の酸素又は水蒸気が、緻密化される前の気相酸化膜を介して半導体基板を構成するシリコン(Si)と気相酸化膜(SiO2)との界面に拡散し、Siと反応して酸化膜を追加形成することができる。これにより、Si−SiO2界面を、気相酸化膜形成時よりもSi側に移動させ、絶縁膜を所定の膜厚とすることができる。また、界面準位密度を熱酸化による酸化膜並みとし、良好な界面特性を得ることができる。さらには、上記と並行して、熱酸化雰囲気中の酸素又は水蒸気が気相酸化膜中のダングリングボンド(未結合手)と反応し、気相酸化膜をストイキオメトリックな状態(化学的な量論状態)とすることができる。すなわち、気相酸化膜中のトラップを低減することができる。したがって、絶縁膜の膜質を向上することができる。 According to the present invention, thermal oxidation is performed after the formation of the vapor phase oxide film. Therefore, oxygen or water vapor in the thermal oxidation atmosphere diffuses to the interface between silicon (Si) and the gas phase oxide film (SiO 2 ) constituting the semiconductor substrate via the gas phase oxide film before being densified, An oxide film can be additionally formed by reacting with Si. Thereby, the Si—SiO 2 interface can be moved to the Si side rather than the time of forming the vapor-phase oxide film, and the insulating film can have a predetermined film thickness. Further, the interface state density is set to the level of an oxide film formed by thermal oxidation, and good interface characteristics can be obtained. Further, in parallel with the above, oxygen or water vapor in the thermal oxidation atmosphere reacts with dangling bonds (unbonded hands) in the gas phase oxide film, and the gas phase oxide film is in a stoichiometric state (chemically). Stoichiometric state). That is, traps in the vapor phase oxide film can be reduced. Therefore, the film quality of the insulating film can be improved.
また、熱酸化を気相酸化の後工程とすることで、気相酸化膜をストイキオメトリックな状態にするとともに界面特性を向上するようにしている。すなわち、製造工程を簡素化している。 In addition, by making thermal oxidation a post-process of vapor phase oxidation, the vapor phase oxide film is brought into a stoichiometric state and the interface characteristics are improved. That is, the manufacturing process is simplified.
SOI構造半導体基板は、単結晶シリコンに比べて応力が高いため、結晶欠陥が生じやすい。また、埋め込み酸化膜を有するので、IG(Intrinsic Gettering)層が形成しにくく(支持基板側のゲッタリングの効果が埋め込み酸化膜によって遮られる)、結晶欠陥やゲート絶縁膜の耐圧を低下させる不純物(例えばFe等)がそのまま基板内に残留してしまう。したがって、この結晶欠陥や不純物が熱酸化によって形成される酸化膜中に取り込まれると、当該酸化膜を含む絶縁膜の欠陥密度が大きくなる。すなわち、絶縁膜の膜質が低下しやすい。しかしながら、上記した発明によれば、請求項2に記載のように、埋め込み酸化膜を有するSOI構造半導体基板を半導体基板とする構成であっても、絶縁膜の膜質を向上することができる。 Since an SOI structure semiconductor substrate has higher stress than single crystal silicon, crystal defects are likely to occur. In addition, since it has a buried oxide film, it is difficult to form an IG (Intrinsic Gettering) layer (the effect of gettering on the support substrate side is blocked by the buried oxide film), and impurities that reduce the breakdown voltage of crystal defects and gate insulating films ( For example, Fe or the like) remains in the substrate as it is. Therefore, when the crystal defects and impurities are taken into the oxide film formed by thermal oxidation, the defect density of the insulating film including the oxide film increases. That is, the quality of the insulating film is likely to deteriorate. However, according to the above-described invention, the film quality of the insulating film can be improved even when the SOI structure semiconductor substrate having the buried oxide film is used as the semiconductor substrate.
請求項3に記載のように、気相酸化工程において、ボロン又はアンチモンを不純物とする導電型領域を含む半導体基板の部位に、気相酸化膜を形成しても良い。ボロン又はアンチモンを不純物とする導電型領域においては、半導体基板を構成するシリコンの原子半径(117pm)に対し、ボロンの原子半径(80pm)、アンチモンの原子半径(141pm)と大きく異なるため、結晶欠陥が生じやすい。すなわち、絶縁膜の膜質が低下しやすい。しかしながら、上記した発明によれば、このような部位においても、絶縁膜の膜質を向上することができる。なお、導電型領域は上記例に限定されるものではない。 According to a third aspect of the present invention, in the vapor phase oxidation step, a vapor phase oxide film may be formed on a portion of the semiconductor substrate including a conductive type region having boron or antimony as an impurity. In the conductive type region having boron or antimony as an impurity, the atomic radius of silicon (117 pm) constituting the semiconductor substrate is greatly different from the atomic radius of boron (80 pm) and the atomic radius of antimony (141 pm). Is likely to occur. That is, the quality of the insulating film is likely to deteriorate. However, according to the above-described invention, the quality of the insulating film can be improved even in such a portion. The conductive type region is not limited to the above example.
請求項1〜3いずれかに記載の発明は、請求項4に記載のように、MOS構造のゲートを有する半導体装置(すなわち、MOSトランジスタやIGBTを備える)において、例えばゲート絶縁膜の形成に好適である。
The invention according to any one of
なお、請求項5に記載のように、追加熱酸化工程において、熱酸化により追加形成される酸化膜厚を、1nm以上12nm以下の範囲内とすると良い。1nm以上とすると、追加形成される酸化膜及び気相酸化膜からなる絶縁膜の界面準位密度を、熱酸化による酸化膜と略同等とすることができる。また、12nm以下とすると、酸化膜のBモード不良率を5%以下に抑えることができる。すなわち、上記範囲内であれば、より好ましい絶縁膜の膜質を確保することができる。
In addition, as described in
請求項6に記載のように、気相酸化工程の前工程として、半導体基板にトレンチを形成するトレンチ形成工程を備え、気相酸化工程において、トレンチの表面に気相酸化膜を形成しても良い。具体的には、トレンチとして、請求項7に記載のようにゲート電極用のトレンチを適用することができる。このように、ゲート絶縁膜の膜質を向上し、要求品質を確保することができる。なお、トレンチはゲート電極を構成するトレンチに限定されるものではない。上記以外にも、例えばトレンチ分離領域を構成するトレンチに適用することで、当該トレンチに形成される分離絶縁膜の膜質を向上することができる。
According to a sixth aspect of the present invention, a pre-process of the vapor phase oxidation step includes a trench formation step of forming a trench in the semiconductor substrate, and in the vapor phase oxidation step, a vapor phase oxide film is formed on the surface of the trench. good. Specifically, a trench for a gate electrode can be applied as described in
トレンチ形成時においてトレンチの開孔角部は角張っている。この状態でトレンチ表面に絶縁膜を形成すると、角部における絶縁膜の膜厚が薄くなり、電界集中が生じる恐れがある。そこで、請求項8に記載のように、追加熱酸化工程において、熱酸化とともに、トレンチの少なくとも開孔角部の曲率半径をトレンチ形成時よりも大きくすると良い。粘性流動の生じる温度(例えば1000℃以上)にて熱酸化を実施することで、請求項1に記載の発明の効果に加えて、少なくとも開孔角部の曲率半径をより大きくする(丸みを帯びた緩やかな形状とする)ことができる。このように構成すると、電界集中抑制に対してより効果的である。また、熱酸化とともに開孔角部の曲率を大きくすることができるので、製造工程を簡素化することができる。なお、開孔角部だけでなく、底面角部の曲率半径を併せて大きくしても良い。
When the trench is formed, the opening corner of the trench is angular. If an insulating film is formed on the trench surface in this state, the film thickness of the insulating film at the corners becomes thin, and there is a risk that electric field concentration may occur. Therefore, as described in
また、請求項9に記載のように、トレンチ形成工程と気相酸化工程との間に、トレンチの少なくとも開孔角部の曲率半径をトレンチ形成時よりも大きくする曲大化工程を備えても良い。すなわち、気相酸化工程の前に、トレンチの角部を丸める工程を設けても良い。
Further, as described in
具体的には、曲大化工程を、請求項10に記載のように、熱酸化によりトレンチ表面に犠牲酸化膜を形成する犠牲酸化工程と、犠牲酸化膜を除去する除去工程を含む構成としても良い。また、請求項11に記載のように、等方性エッチングにより開孔角部を面取りする面取り工程を含む構成としても良い。面取りする場合には、請求項12に記載のように、半導体基板の平面方向における面取り量を50nm以上とすると、平坦部(基板表面)の絶縁膜に対する開孔角部の絶縁膜の電界強度を1.1倍以下とすることができる。したがって、開孔角部における電界集中を低減(すなわち膜質を向上)することができる。
Specifically, the bending process may include a sacrificial oxidation process for forming a sacrificial oxide film on the trench surface by thermal oxidation and a removal process for removing the sacrificial oxide film as described in
また、請求項1〜3いずれかに記載の発明は、請求項13に記載のように、一対の電極間に誘電体としての容量用酸化膜を介在させてなるキャパシタを有する半導体装置において、容量用酸化膜の形成に好適である。この場合、容量用酸化膜の比誘電率のばらつきを熱酸化膜と同等とすることができるので、耐圧を確保しつつ容量の均一なキャパシタとすることができる。
The invention according to any one of
なお、一対の電極が上部電極と下部電極からなり、請求項14に記載のように、気相酸化工程の前工程として、半球状の結晶粒からなる一方の電極である下部電極を形成する下部電極形成工程を備え、追加熱酸化工程の後工程として、他方の電極である上部電極を形成する上部電極形成工程を備えるものに対して特に効果的である。
The pair of electrodes is composed of an upper electrode and a lower electrode, and the lower electrode forming the lower electrode, which is one electrode composed of hemispherical crystal grains, as a pre-process of the vapor phase oxidation process as described in
このように下部電極が半球状の結晶粒(Hemispherical Grain)からなる場合、先に熱酸化を行うと、結晶粒間部に十分な膜厚の酸化膜を形成することができない。しかしながら、上述の発明によれば、結晶粒間部にも十分な膜厚の酸化膜を形成することができるので、耐圧を確保することができる。 When the lower electrode is made of hemispherical grains as described above, if the thermal oxidation is performed first, an oxide film having a sufficient thickness cannot be formed between the crystal grains. However, according to the above-described invention, an oxide film having a sufficient film thickness can be formed also between the crystal grains, so that a breakdown voltage can be ensured.
また請求項15に記載のように、キャパシタがトレンチ構造のキャパシタであり、気相酸化工程の前工程として、半導体基板にキャパシタのトレンチを形成するトレンチ形成工程を備える場合、気相酸化工程において、トレンチの表面に気相酸化膜を形成しても良い。このようにトレンチキャパシタであっても、耐圧を確保しつつ容量の均一なキャパシタとすることができる。
Further, as described in
なお、請求項16〜19に記載の作用効果は、それぞれ請求項8〜11に記載の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。 In addition, since the effect of Claims 16-19 is the same as the effect of Claims 8-11, respectively, the description is abbreviate | omitted.
また、請求項1〜3いずれかに記載の発明は、請求項20に記載のように、フローティングゲートとコントロールゲートの2層ゲート電極を含む不揮発性メモリを有する半導体装置において、フローティングゲートとコントロールゲートとの間に配置されるゲート間酸化膜の形成に好適である。この場合、耐圧を確保しつつ、ゲート間酸化膜の膜質を向上することで、書き換え時にチャージがトラップされることに起因するVt変動を熱酸化膜と同程度とすることができる。
The invention according to any one of
なお、請求項21に記載のように、気相酸化工程の前工程として、半球状の結晶粒からなるフローティングゲートを形成するフローティングゲート形成工程を備え、追加熱酸化工程の後工程として、コントロールゲートを形成するコントロールゲート形成工程を備えるものに対して特に効果的である。
In addition, as described in
このようにフローティングゲートが半球状の結晶粒(Hemispherical Grain)からなる場合であっても、結晶粒間部に十分な膜厚のゲート間酸化膜を形成することができる。また、追加熱酸化によって、粒間を広げることができる。したがって、フローティングゲートに蓄積されたキャリアが、隣接する結晶粒やコントロールゲートに移動することを防止、すなわちキャリア保持特性を向上(経時的なメモリ状態の変動を抑制)することができる。 Thus, even when the floating gate is made of hemispherical grains, an inter-gate oxide film having a sufficient thickness can be formed between the crystal grains. In addition, the intergranularity can be expanded by additional thermal oxidation. Therefore, carriers accumulated in the floating gate can be prevented from moving to adjacent crystal grains or control gates, that is, carrier retention characteristics can be improved (a change in the memory state over time can be suppressed).
なお、請求項22に記載のように、気相酸化工程において、気相酸化膜の膜厚を、互いに隣接する結晶粒間の間隔よりも厚くすることが好ましい。これにより、結晶粒間に確実に酸化膜を配置することができる。
In addition, as described in
次に、請求項23に記載の発明は、半導体基板上に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、酸化膜上に、酸化膜との界面から遠ざかる方向に窒素濃度が連続的に増加する領域を含む窒素含有膜を形成する窒素含有膜形成工程とを備えることを特徴とする。 Next, the invention according to claim 23 is an oxide film forming step for forming an oxide film on a semiconductor substrate, and a region in which the nitrogen concentration continuously increases on the oxide film in a direction away from the interface with the oxide film. And a nitrogen-containing film forming step of forming a nitrogen-containing film containing
窒素含有膜の場合、酸化膜よりも誘電率を高くすることができる。したがって、同等のトランジスタ特性であれば、酸化膜単層に比べて、窒素含有膜をさらに有する構成の方が膜厚を厚くすることができるので、酸化膜に比べて膜中の電界強度(実効電界)を低くすることができる。また、窒素含有膜を、酸化膜との界面から遠ざかる方向に窒素濃度が連続的に増加する領域を含むように形成する。言い換えれば、酸化膜上に、酸化膜と窒化膜との界面が不連続とならないように窒素濃度が連続的に増加する窒素含有膜を形成する。この場合、例えば公知のONO膜のように、非連続界面がゲート絶縁膜中に存在しないため、キャリアを膜中にトラップすることがない。したがって、しきい値電圧の変動を防ぐことができる。このように本発明によると、絶縁膜の膜質を向上することができる。 In the case of a nitrogen-containing film, the dielectric constant can be made higher than that of the oxide film. Therefore, if the transistor characteristics are equivalent, the structure having a nitrogen-containing film can be made thicker than the single oxide film, so that the electric field strength (effective) in the film can be increased compared to the oxide film. Electric field) can be reduced. In addition, the nitrogen-containing film is formed so as to include a region where the nitrogen concentration continuously increases in a direction away from the interface with the oxide film. In other words, a nitrogen-containing film in which the nitrogen concentration continuously increases is formed on the oxide film so that the interface between the oxide film and the nitride film does not become discontinuous. In this case, for example, unlike the known ONO film, no discontinuous interface exists in the gate insulating film, so that carriers are not trapped in the film. Therefore, variation in threshold voltage can be prevented. Thus, according to the present invention, the quality of the insulating film can be improved.
具体的には、請求項24に記載のように、窒素含有膜形成工程においてCVD法を適用し、酸化膜との界面から遠ざかる方向に窒素濃度が連続的に増加するように、ガス組成を経時的に変化させれば良い。例えば、シラン(ジクロロシラン等シラン系化合物含む)とN2Oの混合ガスにおいて、時間とともにN2Oの分圧を下げ、かわりにNH3を反応系内に導入しつつその分圧を上げることで、酸化膜上に、酸化膜と窒化膜との界面が不連続とならないように窒素濃度が連続的に増加する窒素含有膜を形成することができる。 Specifically, as described in claim 24, the CVD method is applied in the nitrogen-containing film forming step, and the gas composition is changed over time so that the nitrogen concentration continuously increases in a direction away from the interface with the oxide film. It is sufficient to change it. For example, in a mixed gas of silane (including silane-based compounds such as dichlorosilane) and N 2 O, the partial pressure of N 2 O is lowered over time, and instead, NH 3 is introduced into the reaction system and the partial pressure is increased. Thus, a nitrogen-containing film in which the nitrogen concentration continuously increases can be formed on the oxide film so that the interface between the oxide film and the nitride film does not become discontinuous.
請求項25〜30に記載の発明は、それぞれ請求項6,7,9〜12に記載の発明において、気相酸化(膜、工程)を酸化(膜、膜形成工程)に置き換えると作用効果が同様であるので、その記載を省略する。
In the inventions described in claims 25 to 30, in the inventions described in
請求項31〜48に記載の発明は、上記製造方法によって製造される半導体装置に関するものであり、その作用効果は、それぞれ対応する請求項1〜30に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。
The invention described in
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態に係る半導体装置100は、半導体基板10にトレンチゲート構造の縦型MOSトランジスタを含む半導体装置である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the semiconductor device according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, a
半導体基板10は、内部に絶縁膜を埋め込んだSOI(Silicon On Insulator)基板であり、単結晶シリコン(Si)からなる支持基板11、シリコン酸化膜(SiO2)からなる絶縁膜12、およびn−型の半導体層13で構成されている。
The
トレンチゲート構造の縦型MOSトランジスタは、例えばP導電型領域をソースおよびドレインとするPチャネルトランジスタとして構成されている。Pチャネルトランジスタは、n−型の半導体層13の表層部にドレイン領域であるp型の拡散領域14が形成され、この拡散領域14にトレンチ15が形成されている。トレンチ15には、表面に形成されたゲート絶縁膜(図1では省略)を介してゲート電極16が埋め込み形成されている。また、ゲート電極16をマスクとして不純物をイオン注入等により添加後、熱拡散することにより、トレンチ側壁に到達し、トレンチ15より浅い拡散深さでn型の拡散領域17(ウェル領域)が形成されており、半導体層13の表層部にはソース領域であるp+型の拡散領域18が形成されている。なお、図1中において、符号19は層間絶縁膜であり、符号20は層間絶縁膜19を介してソース領域である拡散領域18に接続されたソース電極である。符号21は、絶縁膜12の主面側において、絶縁膜12に達するトレンチ分離領域であり、符号22はLOCOS酸化膜である。なお、ドレイン領域である拡散領域14にもドレイン電極(図示略)が接続されている。
ここで、本実施形態に係る半導体装置100の特徴部分であるゲート絶縁膜について、図2を用いて説明する。図2は、トレンチ周辺の拡大図である。図2に示すように、ゲート電極16の形成部位に対応して、トレンチ15の表面及び半導体層13の表面に、ゲート絶縁膜30が形成されている。
A vertical MOS transistor having a trench gate structure is configured as a P-channel transistor having, for example, a P conductivity type region as a source and a drain. In the P-channel transistor, a p-
Here, the gate insulating film, which is a characteristic part of the
ゲート絶縁膜30は、トレンチ15の表面及び半導体層13の表面上に気相酸化膜として形成されたCVD酸化膜31と、CVD酸化膜31の形成後に、CVD酸化膜31とトレンチ15の表面及び半導体層13の表面との間に追加形成された熱酸化膜32とにより構成される。このように、本実施形態に係る半導体装置100においては、先にCVD酸化膜31が形成され、その後熱酸化によって熱酸化膜32が追加形成されていることを特徴とする。
The
次に、このように構成される半導体装置100の製造方法について、図1、図2、図3(a)〜(e)、及び図4(a),(b)を用いて説明する。図3(a)〜(e)は、ゲート絶縁膜30の形成工程を説明するための工程別断面図であり、(a)はトレンチ形成、(b)は犠牲酸化膜形成、(c)犠牲酸化膜除去、(d)はCVD酸化膜形成、(e)は熱酸化膜形成を示す図である。図4は、ゲート絶縁膜30の形成後の工程別断面図であり、(a)はゲート電極形成工程、(b)は拡散領域形成工程を示している。なお、本実施形態に係る半導体装置100の製造においては、ゲート絶縁膜30の形成に特徴があり、それ以外については公知の製造技術を用いるので、ゲート絶縁膜30の形成工程について重点的に説明する。
Next, a method for manufacturing the
先ず、n−型の半導体層13を有するSOI構造の半導体基板10を準備し、半導体層13のPチャネルトランジスタの形成領域に、ドレイン領域となるp型の拡散領域14を形成する。また、各素子を分離する素子分離領域として、絶縁膜12まで達するトレンチ分離領域21とLOCOS酸化膜22を形成する(図1参照)。
First, an SOI
次に、トレンチゲート構造のゲート電極16を形成するために、図3(a)に示すように、例えば半導体層13の表面に形成された酸化膜をパターニングしてマスク(図示略)とし、ドライエッチングによりp型の拡散領域14に所定深さのトレンチ(溝)15を形成する。
Next, in order to form the
トレンチ15形成後、トレンチ15の開孔角部(肩部)および底面角部の形状は、図3(a)に示すようにいずれも角張っている。そこで、図3(b)に示すように、粘性流動の生じる温度(例えば1000℃以上)で熱酸化を実施し、トレンチ15の表面に犠牲酸化膜40を形成する。本実施形態においては、1150℃にて熱酸化を実施し、平坦部において100nmの膜厚を有する犠牲酸化膜40を形成した。そして、図3(c)に示すように、犠牲酸化膜40を除去(例えばフッ酸処理)することで、開孔角部および底面角部の曲率半径をより大きくする(丸みを帯びた緩やかな形状とする)ようにした。このように構成すると、電界集中抑制に対してより効果的である。この図3(b),(c)に示す工程が、特許請求の範囲に示す曲大化工程に相当する。
After the
曲大化工程後、CVD法(本実施形態においてはLPCVD法)を用いて、図3(d)に示すように、トレンチ15表面にCVD酸化膜31を形成する。この時点で、CVD酸化膜31の組成はストイキオメトリックな状態(化学的な量論状態)からずれている。すなわち、膜中にキャリアのトラップとなるダングリングボンド(未結合手)が存在する。また、CVD酸化膜31は緻密化されておらず、界面準位密度も熱酸化により形成された酸化膜に比べ大きい。
After the bending process, a
CVD酸化膜31形成後、熱酸化を実施し、図3(e)に示すように、先に形成されたCVD酸化膜31とトレンチ15表面との間に熱酸化膜32を追加形成する。本実施形態においては、酸素と水蒸気との混合気体中において、850℃にて追加熱酸化を実施した。以上によりゲート絶縁膜30が形成される。
After the
ゲート絶縁膜30形成後、図4(a)に示すように、ゲート絶縁膜30(図示略)を介して、トレンチ15内にゲート電極材料を埋め込んで、ゲート電極16を形成する。そして、形成されたゲート電極16をマスクとして不純物をイオン注入等により添加し、熱拡散することにより、トレンチ側壁に到達し、トレンチ15より浅い拡散深さのn型の拡散領域17(ウェル領域)を形成し、半導体層13の表層部に、ソース領域であるp+型の拡散領域18を形成する。各拡散領域17,18形成後、層間絶縁膜19、ソース電極220、ドレイン電極(図示略)、配線等を形成して、図1に示す半導体装置100が製造される。
After forming the
このように本実施形態においては、先にCVD酸化膜31を形成し、その後熱酸化によって熱酸化膜32を形成する。CVD法の場合、堆積によって基板表面にCVD酸化膜31を構成するので、p型の拡散領域14の結晶欠陥の影響を受けない。したがって、膜中の欠陥密度を小さくすることができる。本実施形態においては、CVD酸化膜31を熱酸化膜32よりも先に形成するので、膜質を向上することができる。また、CVD酸化膜31形成後の熱酸化によって、熱酸化雰囲気中の酸素(O2)又は水蒸気(H20)が、緻密化される前のCVD酸化膜31を介して拡散領域14を構成するシリコン(Si)とCVD酸化膜31との界面に拡散し、Siと反応して熱酸化膜32を追加形成することができる。これにより、Si−SiO2界面を、CVD酸化膜形成時よりもSi側に移動させ、ゲート絶縁膜30を所定の膜厚とすることができる。また、界面準位密度を熱酸化による酸化膜並みとし、良好な界面特性を得ることができる。さらには、上記と並行して、熱酸化雰囲気中の酸素又は水蒸気がCVD酸化膜31中のダングリングボンド(未結合手)と反応し、CVD酸化膜31をストイキオメトリックな状態(化学的な量論状態)とすることができる。すなわち、CVD酸化膜31中のトラップを低減することができる。したがって、ゲート絶縁膜30の膜質をより向上することができる。
Thus, in this embodiment, the
なお、TEMにて確認したところ、ゲート絶縁膜30の開孔角部の膜厚は略33nm、半導体層13表面の平坦部の膜厚は略30nmであった。これは、追加熱酸化時に、トレンチ15の開孔角部に供給される酸素量が平坦部よりも多いためである。このようにゲート絶縁膜30において、開孔角部の膜厚は平坦部よりも厚くなるので、開孔角部に生じる電界集中を抑制することができる。特に、平坦部である半導体層13の表面とトレンチ側壁を(100)面方位とすると、(100)面は酸化速度が遅いので、(100)面とは異なる開孔角部の膜厚を平坦部よりもより厚くすることができる。
When confirmed by TEM, the film thickness of the opening corner of the
上記構成の半導体装置100において、本発明者はその効果を確認した。図5は、トレンチ分離領域からの距離と結晶欠陥との関係を示す図である。図6は、本実施形態に係る半導体装置100において、ゲート絶縁膜30の耐圧のワイブル分布を示す図である。なお、比較例として、熱酸化のみによって構成される場合の結果も併せて示している。
In the
本実施形態においては、半導体層13を構成するシリコンの原子半径(117pm)に対し、ドレイン領域であるp型の拡散領域14に導入されたボロンの原子半径(80pm)が大きく異なるため、拡散領域14に歪が存在する。また、この拡散領域14に対してトレンチ15を形成するが、トレンチ15近傍には、エッチング等によって生じたダメージ(欠陥、ストレス)が生じるため、上記歪との相互作用により結晶欠陥が生じやすい。さらには、トレンチ分離領域21にもエッチング等によって生じたダメージ(欠陥、ストレス)が存在するため、拡散領域14の近傍にトレンチ分離領域21が存在すると、相互作用によって図5に示すように結晶欠陥が生じやすい。また、本実施形態においては、半導体基板10として、SOI構造半導体基板を適用している。SOI構造の半導体基板10は、単結晶シリコンに比べて応力が高いため、結晶欠陥が生じやすい。また、絶縁膜12を有するので、IG(Intrinsic Gettering)層が形成しにくく(支持基板11側のゲッタリングの効果が絶縁膜12によって遮られる)、結晶欠陥やゲート絶縁膜30の耐圧を低下させる不純物(例えばFe等の金属原子)がそのまま基板10(半導体層13)内に残留してしまう。
In the present embodiment, the atomic radius (80 pm) of boron introduced into the p-
このような構成において、先ず熱酸化法によって酸化膜を形成すると、酸化膜の欠陥密度が多くなり、界面準位も増加する。すなわち、図6に示すように、結晶品質に起因するBモード不良が多く発生し、ゲート絶縁膜30の膜質(耐圧)が低下する。これに対し、本実施形態に示す半導体装置100の構成及び製造方法によれば、このように結晶欠陥を生じやすく、ゲート絶縁膜30の膜質を確保しにくい構成であっても、図6に示すようにBモード不良を抑制し、ゲート絶縁膜30の膜質を向上することができることが示された。
In such a configuration, when an oxide film is first formed by a thermal oxidation method, the defect density of the oxide film increases and the interface state also increases. That is, as shown in FIG. 6, many B-mode defects due to crystal quality occur, and the film quality (breakdown voltage) of the
次に、本発明者は、熱酸化による追加酸化とBモード不良の発生率との関係について確認した。その結果を図7に示す。図7に示すように、追加酸化によって形成される熱酸化膜32の膜厚が薄くなると、Bモード不良の発生率が低下することが明らかである。例えば5%以下のBモード不良の発生率を実現するためには、図7から12nm以下の膜厚とすることが好ましい。
Next, the present inventor confirmed the relationship between the additional oxidation due to thermal oxidation and the occurrence rate of B-mode defects. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 7, it is clear that the occurrence rate of B-mode defects decreases as the thickness of the
また、本発明者は、本実施形態に係る半導体装置100において、ゲート絶縁膜30の界面準位密度を測定した。その結果を図8に示す。なお、図8においては、p型の拡散領域14にトレンチ15を形成した本実施形態に示す構成(p型領域上)の結果とともに、参考例として、n型領域上にトレンチ15を形成した構成についても併せて示している。図8に示すように、追加酸化による熱酸化膜32の膜厚が1nm以上であれば、界面準位密度が熱酸化のみによって形成された熱酸化膜と略同等となることが明らかとなった。
In addition, the inventor measured the interface state density of the
したがって、図7及び図8に示す結果より、本実施形態に係る半導体装置100の製造方法において、追加熱酸化工程において追加形成される熱酸化膜32の膜厚を、1nm以上12nm以下の範囲内とすると、より好ましい絶縁膜の膜質を確保することができることが明らかである。本実施形態においては、追加形成される熱酸化膜32の膜厚を12nmとしている。
Therefore, from the results shown in FIGS. 7 and 8, in the method for manufacturing the
また、本発明者は、本実施形態に係る半導体装置100において、ゲート絶縁膜30の膜厚を測定した。その結果を、図9に示す。なお、図9には、CVDのみによって形成される酸化膜厚と、熱酸化のみによって形成される酸化膜厚を併せて示している。図9に示すように、本実施形態に係る製造方法によれば、ゲート絶縁膜30の膜厚ばらつきが低減されている。これは、CVD酸化膜31は、その組成がストイキオメトリックな状態(化学的な量論状態)からずれており、膜内で不均一であるが、追加熱酸化することによってストイキオメトリックな状態となり、膜内で均質となることを示している。すなわち、この結果からも、本実施形態に係る半導体装置100及びその製造方法によれば、ゲート絶縁膜30の膜質を向上できることが明らかである。
Further, the inventor measured the film thickness of the
なお、本実施形態においては、図3に示すように、トレンチ15形成後、トレンチ15の開孔角部(及び底面角部)の曲率半径を大きくするために、熱酸化により犠牲酸化膜40を形成・除去する曲大化工程を備える例を示したが、上記曲大化工程を省略しても良い。すなわち、少なくともトレンチ形成後、先ずCVD酸化膜31を形成し、次いで熱酸化によって熱酸化膜32を形成すれば良い。しかしながら、曲大化すると、ゲート絶縁膜30を厚くすることができるので、角部における電界集中抑制に効果的である。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, after the
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態を、図10に基づいて説明する。図10は本実施形態に係る半導体装置100において、ゲート絶縁膜30の形成工程を示す工程別断面図であり、(a)はトレンチ形成、(b)はCVD酸化膜形成、(c)は熱酸化膜形成を示す図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 10A and 10B are cross-sectional views showing the formation process of the
第2の実施形態における半導体装置100及びその製造方法は、第1の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
Since the
本実施形態においては、CVD酸化膜31形成後、熱酸化によって熱酸化膜32を追加形成する工程を利用し、当該工程において、トレンチ角部の曲大化も実施するようにした点を特徴とする。
The present embodiment is characterized in that after the
具体的には、先ず第1の実施形態同様、図10(a)に示すように、トレンチ15を形成する。そして、図10(b)に示すように、形成されたトレンチ15表面及び拡散領域14表面にCVD酸化膜31を形成する。CVD酸化膜31形成後、熱酸化を実施し、図10(c)に示すように、先に形成されたCVD酸化膜31とトレンチ15表面及び拡散領域14表面との間に熱酸化膜32を追加形成する。
Specifically, first, as in the first embodiment, the
このとき、本実施形態においては、酸素と水蒸気との混合気体中において、1150℃にて追加熱酸化を実施した。このように、粘性流動の生じる温度(例えば1000℃以上)にて熱酸化を実施することで、第1の実施形態に示した効果に加えて、少なくとも開孔角部の曲率半径をより大きくする(丸みを帯びた緩やかな形状とする)ことができる。このように構成すると、電界集中抑制に対してより効果的である。また、熱酸化とともに開孔角部の曲率を大きくすることができるので、製造工程を簡素化することができる。なお、開孔角部だけでなく、底面角部の曲率半径を併せて大きくすることもできる。 At this time, in this embodiment, additional thermal oxidation was performed at 1150 ° C. in a mixed gas of oxygen and water vapor. In this way, by performing thermal oxidation at a temperature at which viscous flow occurs (for example, 1000 ° C. or more), in addition to the effect shown in the first embodiment, at least the radius of curvature of the opening corner is made larger. (With a rounded and gentle shape). If comprised in this way, it is more effective with respect to electric field concentration suppression. Further, since the curvature of the opening corner can be increased together with the thermal oxidation, the manufacturing process can be simplified. In addition, not only the opening corner but also the radius of curvature of the bottom corner can be increased.
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態を、図11および図12に基づいて説明する。図11は本実施形態に係る半導体装置100において、ゲート絶縁膜30の形成工程の一部を示す概略断面図である。図12は、面取りの効果を示す図であり、(a)は面取り量Xを説明する図、(b)は面取り量Xと電界強度比(開孔角部/平坦部)との関係を示す図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described based on FIG. 11 and FIG. FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing a part of the process of forming the
第3の実施形態における半導体装置100及びその製造方法は、第1の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
Since the
本実施形態においては、トレンチ形成工程とCVD酸化膜形成工程との間に、トレンチの少なくとも開孔角部の曲率半径をトレンチ形成時よりも大きくする曲大化工程として、図11に示すように、等方性エッチングにより開孔角部を面取りする面取り工程を含む構成としている。具体的には、トレンチ15形成後、トレンチ開孔角部を露出させた状態で、図11に示すように等方性エッチングを実施し、角張っている開孔角部を面取りする。そして、面取り後、第1の実施形態に示したように、熱酸化による犠牲酸化膜40の形成・除去を経て、CVD酸化膜31を形成し、その後熱酸化により熱酸化膜32を追加形成する。
In the present embodiment, as shown in FIG. 11, as a step of enlarging the radius of curvature of at least the opening corner of the trench larger than that at the time of forming the trench between the trench forming step and the CVD oxide film forming step. In addition, the structure includes a chamfering step of chamfering the opening corners by isotropic etching. Specifically, after the
このように本実施形態に係る半導体装置100の製造方法によると、等方性エッチングによって開孔角部を面取りすることができるので、半導体装置100のゲート絶縁膜30の開孔角部の膜厚を厚くでき、電界集中を抑制することができる。特に、本実施形態に示すように、等方性エッチングを実施後に、粘性流動の生じる温度(例えば1000℃以上)にて熱酸化を実施すると、開孔角部をより丸みを帯びた緩やかな形状とすることができる。しかしながら、面取り工程のみ実施し、犠牲酸化膜40の形成・除去工程を省略しても良い。
As described above, according to the manufacturing method of the
なお、本発明者が確認したところ、図12(a),(b)に示すように、半導体基板10の平面方向における面取り量Xを50nm以上とすると、平坦部(基板表面)のゲート絶縁膜30に対する開孔角部のゲート絶縁膜30の電界強度を1.1倍以下とすることができる。したがって、開孔角部における電界集中低減(すなわち膜質を向上)により効果的である。 なお、面取り工程を、第2の実施形態に示した構成に適用しても良い。具体的には、トレンチ15の形成後に面取りを実施し、その後、CVD酸化膜31、熱酸化による熱酸化膜32の形成を順に実施しても良い。
The inventors have confirmed that, as shown in FIGS. 12A and 12B, when the chamfering amount X in the planar direction of the
(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態を、図13に基づいて説明する。図13は本実施形態に係るゲート絶縁膜30の概略構成を示す図であり、(a)はトレンチ開孔角部の拡大断面図、(b)は(a)のA−A‘断面における組成を示す模式図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 13A and 13B are diagrams showing a schematic configuration of the
第4の実施形態における半導体装置100及びその製造方法は、第1の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
Since the
本実施形態に係る半導体装置100は、第1の実施形態に示した図1,2に示す半導体装置100において、ゲート絶縁膜30を、図13(a)に示すように熱酸化による熱酸化膜33と、その上層として形成した窒素を含有する窒素含有膜34とにより置き換えた構成としている。窒素含有膜34の場合、酸化膜よりも誘電率を高くすることができる。したがって、同等のトランジスタ特性であれば、酸化膜単層に比べて、窒素含有膜34をさらに有する構成の方が膜厚を厚くすることができる。すなわち、熱酸化膜33単体をゲート絶縁膜30とする構成に比べて膜中の電界強度(実効電界)を低くすることができるので、信頼性を向上することができる。
The
また、本実施形態においては、図13(b)に示すように、窒素含有膜34を、熱酸化膜33(Th.OX)との界面から遠ざかる方向に窒素濃度が連続的に増加する領域(CVD SiON)を含む構成としている。言い換えれば、熱酸化により形成された熱酸化膜33上に、酸化膜と窒化膜との界面が不連続とならないように窒素濃度が連続的に増加する窒素含有膜34を設けている。この場合、例えば公知のONO膜のように、非連続界面がゲート絶縁膜30中に存在しないため、キャリアを膜中にトラップすることがない。したがって、しきい値電圧の変動を防ぐことができる。このように本実施形態に係る半導体装置100によると、ゲート絶縁膜30の膜質を向上することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 13B, the nitrogen-containing
上記構成のゲート絶縁膜30の製造方法としては、第1の実施形態で示したように、トレンチ15を形成後、熱酸化により犠牲酸化膜40を形成し、除去する(図3(a)〜(c)参照)。その後、熱酸化によって角部が丸められたトレンチ15の表面及び拡散領域14の表面に熱酸化膜33を形成し、次いでCVD法により窒素含有膜34を形成する。このCVD法において、熱酸化膜33との界面から遠ざかる方向に窒素濃度が連続的に増加するように、ガス組成を経時的に変化させれば良い。例えば、シラン(例えばジクロロシラン)とN2Oの混合ガスにおいて、時間とともにN2Oの分圧を下げ、かわりにNH3を反応系内に導入しつつその分圧を上げることで、熱酸化により形成された熱酸化膜33上に、酸化膜と窒化膜との界面が不連続とならないように窒素濃度が連続的に増加する窒素含有膜34を形成することができる。
As a manufacturing method of the
なお、本実施形態においては、熱酸化膜33上に窒素含有膜34を積層してゲート絶縁膜30とする例を示した。しかしながら、CVD酸化膜上に窒素含有膜34を積層しても良い。すなわち、窒素含有膜34の下層となる酸化膜の製造方法は特に限定されるものではない。また、酸化膜は単層ではなく、複数層でも良い。第1〜3の実施形態に示したCVD酸化膜31と熱酸化膜32からなる酸化膜上に、本実施形態に示した窒素含有膜34を積層配置してゲート絶縁膜30とすると、製造工程は増加するものの、ゲート絶縁膜30の膜質をより向上することができる。
In the present embodiment, an example in which the nitrogen-containing
また、本実施形態においては、熱酸化によって熱酸化膜33を形成後、CVD法によって窒素含有膜34を形成する例を示した。しかしながら、第1〜3の実施形態に示したように、CVD法によって先ず窒素含有膜34を形成し、その後熱酸化によって熱酸化膜33を形成しても良い。この場合、窒素含有膜34を緻密化するとともに、ストイキオメトリックな状態とすることができる。
Further, in the present embodiment, an example in which the nitrogen-containing
以上の各実施形態については、トレンチゲート構造の縦型MOSトランジスタのゲート絶縁膜30において、膜質を向上する例を示した。しかしながら、半導体装置100の構造は上記各実施形態に示した構成に限定されるものではない。MOS構造のゲートを有する半導体装置であれば良い。すなわち、ゲート絶縁膜30もトレンチ15表面に形成される構成に限定されるものではない。また、素子もMOSトランジスタに限定されるものでは無い。さらには、膜質を向上する対象も、ゲート絶縁膜30に限定されるものではない。以下にゲート絶縁膜30以外の適用例を示す。
In each of the above embodiments, an example in which the film quality is improved in the
(第5の実施形態)
次に、本発明の第5の実施形態を、図14及び図15に基づいて説明する。図14は本実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。図15は、半導体装置のうち、主要部の製造方法を示す工程別断面図であり、(a)は下部電極形成工程、(b)はCVD酸化膜形成工程、(c)は追加熱酸化工程である。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 14 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the semiconductor device according to the present embodiment. 15A and 15B are cross-sectional views showing a manufacturing method of a main part of the semiconductor device, where FIG. 15A is a lower electrode forming step, FIG. 15B is a CVD oxide film forming step, and FIG. 15C is an additional thermal oxidation step. It is.
第5の実施形態における半導体装置及びその製造方法は、第1の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。 Since the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the fifth embodiment are in common with those according to the first embodiment, detailed description of the common parts will be omitted below, and different parts will be described mainly.
本実施形態に係る半導体装置は、素子として、一対の電極間に誘電体としての容量用酸化膜を介在させてなるキャパシタを有しており、この容量用酸化膜の膜質を向上させている。なお、このようなキャパシタは、キャパシタそのものとしてだけでなく、例えばDRAM等の素子の一部として適用される。 図14に示すように、本実施形態に係る半導体装置200は、キャパシタの一例として、下部電極115が半球状の結晶粒(Hemispherical Grain)からなる、トレンチキャパシタを有している。第1実施形態同様、半導体基板110は、内部に絶縁膜を埋め込んだSOI(Silicon On Insulator)基板であり、単結晶シリコン(Si)からなる支持基板111、シリコン酸化膜(SiO2)からなる絶縁膜112、およびp型の半導体層113で構成されている。そして、半導体層113にトレンチ114が形成されている。トレンチ114には、その表面に下部電極115が形成され、下部電極115上には、容量用酸化膜116を介して、上部電極117がトレンチ114に対して埋め込み形成されている。すなわち、トレンチ114上に形成された、対をなす上部電極117及び下部電極115と、当該電極115,117間に配置された容量用酸化膜116とによって、キャパシタが構成されている。
The semiconductor device according to the present embodiment has a capacitor in which a capacitor oxide film as a dielectric is interposed between a pair of electrodes as an element, and the film quality of the capacitor oxide film is improved. Such a capacitor is applied not only as a capacitor itself but also as a part of an element such as a DRAM. As shown in FIG. 14, the
ここで、容量用酸化膜116は、下部電極115の表面上に気相酸化膜として形成されたCVD酸化膜116aと、CVD酸化膜116aの形成後に、CVD酸化膜116aと下部電極115の表面との間に追加形成された熱酸化膜116bとにより構成されている。このように、本実施形態に係る半導体装置200においては、先にCVD酸化膜116aが形成され、その後熱酸化によって熱酸化膜116bが追加形成されていることを特徴とする。なお、図14中に示す符号118は、逆電位が印加されたときに、下部電極115からの空乏層の広がりを防止、すなわち容量変動を防止するためのp+型の拡散領域である。
Here, the
次に、このように構成される半導体装置200の製造方法について説明する。先ず、n−型の半導体層113を有するSOI構造の半導体基板110を準備し、半導体層113のキャパシタ形成領域に、ドライエッチングにより所定深さのトレンチ114を形成する。上述したように、トレンチ114形成後、トレンチ114の開孔角部(肩部)および底面角部の形状は、いずれも角張っている。そこで、本実施形態においても、粘性流動の生じる温度(例えば1000℃以上)で熱酸化を実施して犠牲酸化膜を形成し、当該犠牲酸化膜を除去することで、開孔角部および底面角部の曲率半径をより大きくする(丸みを帯びた緩やかな形状とする)ようにしている。
Next, a method for manufacturing the
次に、不純物をイオン注入等によって添加することにより、トレンチ115の表面に、p+型の拡散領域118を形成する。そして、図15(a)に示すように、その表面上に、半球状の結晶粒(Hemispherical Grain)からなる下部電極115を、公知の製造方法(例えば不純物の添加された非晶質シリコン層を形成し、アニールすることにより凝集させて半球化する)によって、形成する。このように、半球状の結晶粒からなる下部電極115を構成すると、蓄積電荷量が大幅に向上するため、同じセル面積で容量を向上することができる。
Next, an impurity is added by ion implantation or the like to form a p + -
下部電極115形成後、図15(b)に示すように、CVD法(本実施形態においてはLPCVD法)を用いて、下部電極115の表面上にCVD酸化膜116aを形成する。この時点で、CVD酸化膜116aの組成はストイキオメトリックな状態(化学的な量論状態)からずれており、膜中にキャリアのトラップとなるダングリングボンド(未結合手)が存在する。また、CVD酸化膜116aは緻密化されておらず、界面準位密度も熱酸化により形成された酸化膜に比べ大きい。
After the formation of the
CVD酸化膜116a形成後、熱酸化を実施し、図15(c)に示すように、先に形成されたCVD酸化膜116aと下部電極115表面との間に熱酸化膜116bを追加形成する。本実施形態においては、酸素と水蒸気との混合気体中において、850℃にて追加熱酸化を実施した。以上により容量用酸化膜116が形成される。
After the
容量用酸化膜116形成後、図14に示すように、容量用酸化膜116を介して、トレンチ114内に電極材料(例えば不純物の添加されたポリシリコン)を埋め込んで、上部電極117を形成する。これにより、図14に示す半導体装置200が製造される。
After the formation of the
このように、本実施形態に係る容量用酸化膜116おいては、第1実施形態に示したゲート絶縁膜30と同様に、先ずCVD酸化膜116aを形成し、その後熱酸化によって熱酸化膜116bを形成する。したがって、膜中の欠陥密度を小さくすることができる。また、CVD酸化膜116a形成後の熱酸化によって、熱酸化雰囲気中の酸素(O2)又は水蒸気(H20)が、緻密化される前のCVD酸化膜116aを介して下部電極115を構成する非晶質シリコンとCVD酸化膜116aとの界面に拡散し、Siと反応して熱酸化膜116bを追加形成することができる。これにより、Si−SiO2界面を、CVD酸化膜形成時よりもSi側に移動させ、容量酸化膜116を所定の膜厚とすることができる。また、界面準位密度を熱酸化による酸化膜並みとし、良好な界面特性を得ることができる。さらには、上記と並行して、熱酸化雰囲気中の酸素又は水蒸気がCVD酸化膜116a中のダングリングボンド(未結合手)と反応し、CVD酸化膜116aをストイキオメトリックな状態(化学的な量論状態)とすることができる。すなわち、CVD酸化膜116a中のトラップを低減し、容量用酸化膜116の膜質を向上することができると同時に、容量用酸化膜116の比誘電率のばらつきを熱酸化膜と同等とすることができるので、容量の均一なキャパシタとすることができる。
As described above, in the
なお、上述した効果以外にも、第1実施形態に記載の各効果と同様乃至それに準ずる効果を期待することができる。 In addition to the effects described above, effects similar to or equivalent to the effects described in the first embodiment can be expected.
また、本実施形態に示すように、下部電極115が半球状の結晶粒からなる構成においては、先に熱酸化を行うと、結晶粒間部に十分な膜厚の酸化膜を形成することができない。しかしながら、上述した製造方法によれば、結晶粒間部にも十分な膜厚の116酸化膜を形成することができるので、所望の耐圧を確保することができる。
In addition, as shown in the present embodiment, in the configuration in which the
また、本実施形態においては、下部電極115が半球状の結晶粒からなる構成のトレンキャパシタを例にとり説明した。しかしながら、キャパシタの構成は上記例に限定されるものではない。例えば、下部電極115が半球状の結晶粒からならない構成(例えば層状)であっても、同様の効果を期待することができる。また、下部電極115が、半導体層113(基板)によって構成されても良い。すなわち、半導体層113と上部電極117との間に配置された容量用酸化膜116によって、キャパシタが構成されても良い。また、キャパシタはトレンチ構造に限定されるものでなく、所謂プレーナ構造のキャパシタであっても、電極間に配置される容量用酸化膜に適用することができる。
Further, in the present embodiment, the
また本実施形態においては、キャパシタの容量用酸化膜に、第1実施形態に示したゲート絶縁膜30と同じ構成及び製造方法を適用する例を示した。しかしながら、第2実施形態、第3実施形態に示した構成及び製造方法を適用しても良い。それにより、各実施形態に記載の効果と同様乃至はそれに準ずる効果を期待することができる。
In this embodiment, the example in which the same configuration and manufacturing method as the
(第6の実施形態)
次に、本発明の第6の実施形態を、図16及び図17に基づいて説明する。図16は本実施形態に係る半導体装置の概略構成を示す断面図である。図17は、半導体装置のうち、主要部の製造方法を示す工程別断面図であり、(a)はCVD酸化膜形成工程、(b)は追加熱酸化工程である。
(Sixth embodiment)
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 16 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the semiconductor device according to the present embodiment. 17A and 17B are cross-sectional views showing a manufacturing method of a main part of the semiconductor device, wherein FIG. 17A is a CVD oxide film forming step and FIG. 17B is an additional thermal oxidation step.
第6の実施形態における半導体装置及びその製造方法は、第1の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。 Since the semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the sixth embodiment are often in common with those according to the first embodiment, the detailed description of the common parts will be omitted below, and different parts will be mainly described.
本実施形態に係る半導体装置は、素子として、フローティングゲートとコントロールゲートの2層ゲート電極を含む不揮発性メモリを有しており、フローティングゲートとコントロールゲートとの間に配置されるゲート間酸化膜の膜質を向上させている。なお、このような不揮発性メモリとしては、例えばEPROM、EEPROM、フラッシュメモリ等がある。 図16に示すように、本実施形態に係る半導体装置300は、フローティングゲート217が半球状の結晶粒(Hemispherical Grain)からなる不揮発性メモリを有している。層状構成のフローティングゲートの場合、一部分の絶縁膜(トンネル膜216、ゲート間酸化膜218)絶縁性が壊れると、例えばチャージされていたキャリアが全て抜けてしまう。これに対し、半球状の結晶粒(粒間にゲート間酸化膜218を備える)からなる構成とすると、一部分の絶縁膜(トンネル膜216、ゲート間酸化膜218)の絶縁性が壊れても、当該部位のフローティングゲート217(結晶粒)のみからキャリアが抜けるだけであるので、信頼性の高いメモリとすることができる。
The semiconductor device according to the present embodiment has a nonvolatile memory including a two-layer gate electrode of a floating gate and a control gate as an element, and an inter-gate oxide film disposed between the floating gate and the control gate. The film quality is improved. Examples of such non-volatile memory include EPROM, EEPROM, flash memory, and the like. As shown in FIG. 16, in the
第1実施形態同様、半導体基板210は、内部に絶縁膜を埋め込んだSOI(Silicon On Insulator)基板であり、単結晶シリコン(Si)からなる支持基板211、シリコン酸化膜(SiO2)からなる絶縁膜212、およびp型の半導体層213で構成されている。そして、半導体層213の表層部に、ソース領域であるn+型の拡散領域214と、ドレイン領域であるn+型の拡散領域215がそれぞれ選択的に形成されている。また、半導体層213上には、トンネル膜216を介して、上述した半球状の結晶粒からなるフローティングゲート217が形成されている。また、フローティングゲート217上には、ゲート間酸化膜218を介して、コントロールゲート219が形成されている。
As in the first embodiment, the
ここで、ゲート間酸化膜218は、フローティングゲート217の表面上に気相酸化膜として形成されたCVD酸化膜218aと、CVD酸化膜218aの形成後に、CVD酸化膜218aとフローティングゲート217の表面との間に追加形成された熱酸化218bとにより構成されている。このように、本実施形態に係る半導体装置300においては、先にCVD酸化膜218aが形成され、その後熱酸化によって熱酸化膜218bが追加形成されていることを特徴とする。
Here, the
次に、このように構成される半導体装置300の製造方法について説明する。先ず、n−型の半導体層213を有するSOI構造の半導体基板210を準備し、半導体層213の素子形成領域表面に、トンネル膜216を形成する。そして、このトンネル膜216上に、CVD法(本実施形態においてはLPCVD法)を用いて、後にフローティングゲート217となる不純物の添加された非晶質シリコン層を形成する。そして、公知の製造方法(例えば非晶質シリコン層をアニールすることにより凝集させて半球化する)によって、半球状の結晶粒からなるフローティングゲート217(ただし、パターニング前の状態)を形成する。
Next, a method for manufacturing the
フローティングゲート217形成後、図17(a)に示すように、CVD法(本実施形態においてはLPCVD法)を用いて、フローティングゲート217の表面上にCVD酸化膜218aを形成する。この時点で、CVD酸化膜218aの組成はストイキオメトリックな状態(化学的な量論状態)からずれている。すなわち、膜中にキャリアのトラップとなるダングリングボンド(未結合手)が存在する。また、CVD酸化膜218aは緻密化されておらず、界面準位密度も熱酸化により形成された酸化膜に比べ大きい。なお、CVD酸化膜218aの形成においては、図17(a)に示すように、CVD酸化膜218aの膜厚tを、フローティングゲート217の、互いに隣接する結晶粒間の間隔d1よりも厚くすることが好ましい。これにより、結晶粒間に確実にCVD酸化膜218a(ゲート間酸化膜218)を配置することができる。
After the formation of the floating
CVD酸化膜218a形成後、熱酸化を実施し、図17(b)に示すように、先に形成されたCVD酸化膜218aとフローティングゲート217表面との間に熱酸化膜218bを追加形成する。本実施形態においては、酸素と水蒸気との混合気体中において、850℃にて追加熱酸化を実施した。以上によりゲート間酸化膜218が形成される。
After the
ゲート間酸化膜218形成後、図16に示すように、ゲート間酸化膜218上に、CVD法(本実施形態においてはLPCVD法)を用いて、コントロールゲート219(ただし、パターニング前の状態)を形成する。そして、フォトリソによって、フローティングゲート217及びコントロールゲート219をパターニングする。
After the formation of the
パターニング後、フローティングゲート217及びコントロールゲート219をマスクにしてイオン注入を行い、ソース領域及びドレイン領域である拡散領域214,215をそれぞれ形成する。これにより、図16に示す半導体装置300が製造される。
After the patterning, ion implantation is performed using the floating
このように、本実施形態に係るゲート間酸化膜218おいては、第1実施形態に示したゲート絶縁膜30と同様に、先ずCVD酸化膜218aを形成し、その後熱酸化によって熱酸化膜218bを形成する。したがって、膜中の欠陥密度を小さくすることができる。また、CVD酸化膜218a形成後の熱酸化によって、熱酸化雰囲気中の酸素(O2)又は水蒸気(H20)が、緻密化される前のCVD酸化膜218aを介してフローティングゲート217を構成する非晶質シリコンとCVD酸化膜218aとの界面に拡散し、Siと反応して熱酸化膜218を追加形成することができる。これにより、Si−SiO2界面を、CVD酸化膜形成時よりもSi側に移動させ、所定の膜厚とすることができる。すなわち、図17(b)に示すように、追加熱酸化によって粒間がd1からd2に広がるので、フローティングゲート217に蓄積されたキャリアが、隣接する結晶粒やコントロールゲート219に移動することを防止、すなわちキャリア保持特性を向上(経時的なメモリ状態の変動を抑制)することができる。また、界面準位密度を熱酸化による酸化膜並みとし、良好な界面特性を得ることができる。
As described above, in the
さらには、上記と並行して、熱酸化雰囲気中の酸素又は水蒸気がCVD酸化膜218a中のダングリングボンド(未結合手)と反応し、CVD酸化膜218aをストイキオメトリックな状態(化学的な量論状態)とすることができる。すなわち、CVD酸化膜218a中のトラップを低減し、ゲート間酸化膜218の膜質を向上することができる。したがって、書き換え時にチャージがトラップされることに起因するVt変動を熱酸化膜と同程度とすることができる。
Further, in parallel with the above, oxygen or water vapor in the thermal oxidation atmosphere reacts with dangling bonds (unbonded hands) in the
なお、上述した効果以外にも、第1実施形態に記載の各効果と同様乃至それに準ずる効果を期待することができる。 In addition to the effects described above, effects similar to or equivalent to the effects described in the first embodiment can be expected.
また、本実施形態に示すように、フローティングゲート217が半球状の結晶粒からなる構成においては、先に熱酸化を行うと、結晶粒間部に十分な膜厚の酸化膜を形成することができない。しかしながら、上述した製造方法によれば、結晶粒間部にも十分な膜厚の酸化膜を形成することができる。また、追加熱酸化によって、粒間を広げる(d1→d2)ことができるので、所望の耐圧を確保することができる。
Further, as shown in the present embodiment, in the configuration in which the floating
また、本実施形態においては、フローティングゲート217が半球状の結晶粒からなる構成の不揮発性メモリを例にとり説明した。しかしながら、不揮発性メモリの構成は上記例に限定されるものではない。例えば、フローティングゲート217が半球状の結晶粒からならない構成(例えば層状)であっても、同様の効果を期待することができる。
Further, in the present embodiment, the description has been given by taking as an example a nonvolatile memory having a configuration in which the floating
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
本実施形態においては、半導体基板10,110,210として、単結晶シリコン(Si)からなる支持基板11,111,211、シリコン酸化膜(SiO2)からなる絶縁膜12,112,212、およびn−型の半導体層13,113,213で構成されるSOI構造の半導体基板を適用する例を示した。しかしながら、半導体基板10,110,210は上記例に限定されるものではない。
In the present embodiment, as the
また、本実施形態においては、主要部である酸化膜の構成及び製造方法を、ゲート絶縁膜30、容量用酸化膜116、ゲート間酸化膜218に適用する例を示した。しかしながら、上記例に限定されるものではない。例えば、トレンチ分離領域におけるトレンチ表面に形成される絶縁膜にも適用することができる。
Further, in the present embodiment, an example in which the structure and manufacturing method of the oxide film which is a main part is applied to the
第1〜第4実施形態においては、結晶欠陥が生じやすい構成例として、シリコンに対して原子半径が大きく異なるボロンが導入された、ドレイン領域であるp型の拡散領域14にトレンチ15を形成する構成を示した。しかしながら、ボロンに限らず、シリコンに対して原子半径の差が大きいもの(例えばアンチモン)であれば、半導体基板10内に結晶欠陥を生じやすい。このような構成においても、本実施形態に示した半導体装置100及びその製造方法によれば、ゲート絶縁膜30の膜質を向上することができる。この点については、半導体装置200,300においても同様である。
In the first to fourth embodiments, as a configuration example in which crystal defects are likely to occur, a
10,110,210・・・半導体基板
13,113,213・・・半導体層
15,114・・・トレンチ
30・・・ゲート絶縁膜
31,116a,218a・・・CVD酸化膜(気相酸化膜)
32,116b、218b・・・熱酸化膜
115・・・下部電極
116・・・容量用酸化膜
217・・・フローティングゲート
218・・・ゲート間酸化膜
100,200,300・・・半導体装置
10, 110, 210 ...
32, 116b, 218b ...
Claims (48)
前記気相酸化工程後、前記気相酸化膜の形成部位を熱酸化する追加熱酸化工程を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A vapor phase oxidation step of forming a vapor phase oxide film on a semiconductor substrate by vapor phase growth;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising an additional thermal oxidation step of thermally oxidizing a formation portion of the vapor phase oxide film after the vapor phase oxidation step.
前記気相酸化工程において、前記トレンチの表面に前記気相酸化膜を形成することを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 As a pre-process of the vapor phase oxidation process, comprising a trench formation step of forming a trench in the semiconductor substrate,
6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the vapor phase oxide film is formed on a surface of the trench in the vapor phase oxidation step.
前記容量用酸化膜を前記気相酸化工程と前記追加熱酸化工程によって形成することを特徴とする請求項1〜3いずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 A capacitor having a capacitor oxide film as a dielectric between a pair of electrodes;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the capacitor oxide film is formed by the vapor phase oxidation step and the additional thermal oxidation step.
前記追加熱酸化工程の後工程として、他方の前記電極である上部電極を形成する上部電極形成工程を備えることを特徴とする請求項13に記載の半導体装置の製造方法。 As a pre-process of the gas phase oxidation process, comprising a lower electrode forming process of forming a lower electrode that is one of the electrodes made of hemispherical crystal grains,
14. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, further comprising an upper electrode forming step of forming an upper electrode which is the other electrode as a subsequent step of the additional thermal oxidation step.
前記気相酸化工程の前工程として、前記半導体基板に前記キャパシタのトレンチを形成するトレンチ形成工程を備え、
前記気相酸化工程において、前記トレンチの表面に前記気相酸化膜を形成することを特徴とする請求項13又は請求項14に記載の半導体装置の製造方法。 The capacitor is a trench structure capacitor,
As a pre-process of the vapor phase oxidation process, comprising a trench formation step of forming a trench of the capacitor in the semiconductor substrate,
15. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein the vapor phase oxide film is formed on a surface of the trench in the vapor phase oxidation step.
前記フローティングゲートと前記コントロールゲートとの間に配置されるゲート間酸化膜を、前記気相酸化工程と前記追加熱酸化工程によって形成することを特徴とする請求項1〜3いずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 A non-volatile memory including a two-layer gate electrode of a floating gate and a control gate;
The inter-gate oxide film disposed between the floating gate and the control gate is formed by the vapor phase oxidation step and the additional thermal oxidation step. Semiconductor device manufacturing method.
前記追加熱酸化工程の後工程として、前記コントロールゲートを形成するコントロールゲート形成工程を備えることを特徴とする請求項20に記載の半導体装置の製造方法。 As a pre-process of the vapor phase oxidation process, a floating gate forming process for forming the floating gate composed of hemispherical crystal grains,
21. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 20, further comprising a control gate forming step of forming the control gate as a subsequent step of the additional thermal oxidation step.
半導体基板上に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、
前記酸化膜上に、前記酸化膜との界面から遠ざかる方向に窒素濃度が連続的に増加する領域を含む窒素含有膜を形成する窒素含有膜形成工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device having a MOS structure gate,
An oxide film forming step of forming an oxide film on the semiconductor substrate;
And a nitrogen-containing film forming step of forming a nitrogen-containing film including a region in which the nitrogen concentration continuously increases in a direction away from the interface with the oxide film on the oxide film. Method.
前記酸化膜との界面から遠ざかる方向に窒素濃度が連続的に増加するように、ガス組成を経時的に変化させることを特徴とする請求項23に記載の半導体装置の製造方法。 Applying a CVD method in the nitrogen-containing film forming step,
24. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 23, wherein the gas composition is changed with time so that the nitrogen concentration continuously increases in a direction away from the interface with the oxide film.
前記酸化膜形成工程において、前記トレンチの表面に前記酸化膜を形成することを特徴とする請求項24又は請求項25に記載の半導体装置の製造方法。 As a pre-process of the oxide film forming process, comprising a trench forming process of forming a trench in the semiconductor substrate,
26. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 24, wherein the oxide film is formed on a surface of the trench in the oxide film forming step.
前記気相酸化膜の形成後に、前記気相酸化膜と前記半導体基板との間に追加形成された熱酸化膜を有することを特徴とする半導体装置。 A vapor-phase oxide film formed on a semiconductor substrate;
A semiconductor device comprising a thermal oxide film additionally formed between the vapor phase oxide film and the semiconductor substrate after the vapor phase oxide film is formed.
前記導電型領域上に前記気相酸化膜及び前記熱酸化膜を形成したことを特徴とする請求項31又は請求項32に記載の半導体装置。 The semiconductor substrate has a conductive region having boron or antimony as an impurity,
33. The semiconductor device according to claim 31, wherein the vapor phase oxide film and the thermal oxide film are formed on the conductivity type region.
前記トレンチの表面に、前記気相酸化膜及び前記熱酸化膜を形成したことを特徴とする請求項34又は請求項35に記載の半導体装置。 The semiconductor substrate has a trench;
36. The semiconductor device according to claim 34, wherein the vapor phase oxide film and the thermal oxide film are formed on a surface of the trench.
前記容量用酸化膜が、前記気相酸化膜と前記熱酸化膜からなることを特徴とする請求項31〜33いずれか1項に記載の半導体装置。 A capacitor having a capacitor oxide film as a dielectric between a pair of electrodes;
The semiconductor device according to claim 31, wherein the capacitor oxide film includes the vapor-phase oxide film and the thermal oxide film.
前記下部電極が、半球状の結晶粒からなることを特徴とする請求項39に記載の半導体装置。 The pair of electrodes includes an upper electrode and a lower electrode,
40. The semiconductor device according to claim 39, wherein the lower electrode is made of hemispherical crystal grains.
前記トレンチの表面に、前記気相酸化膜及び前記熱酸化膜を形成したことを特徴とする請求項39又は請求項40に記載の半導体装置。 The capacitor is a trench structure capacitor,
41. The semiconductor device according to claim 39, wherein the vapor-phase oxide film and the thermal oxide film are formed on a surface of the trench.
前記フローティングゲートと前記コントロールゲートとの間に配置されるゲート間酸化膜が、前記気相酸化膜と前記熱酸化膜からなることを特徴とする請求項31〜33いずれか1項に記載の半導体装置。 A non-volatile memory including a two-layer gate electrode of a floating gate and a control gate;
The semiconductor according to any one of claims 31 to 33, wherein an inter-gate oxide film disposed between the floating gate and the control gate includes the vapor-phase oxide film and the thermal oxide film. apparatus.
半導体基板上に形成された酸化膜と、
前記酸化膜上に形成され、前記酸化膜との界面から遠ざかる方向に窒素濃度が連続的に増加する領域を含む窒素含有膜を有することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having a MOS structure gate,
An oxide film formed on a semiconductor substrate;
A semiconductor device comprising a nitrogen-containing film formed on the oxide film and including a region where the nitrogen concentration continuously increases in a direction away from the interface with the oxide film.
前記トレンチの表面に、前記酸化膜及び前記窒素含有膜を積層したことを特徴とする請求項45に記載の半導体装置。 The semiconductor substrate has a trench;
46. The semiconductor device according to claim 45, wherein the oxide film and the nitrogen-containing film are stacked on a surface of the trench.
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