JP2008124523A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、MOS(Metal Oxide Semiconductor)デバイスを集積してなる半導体装置、特に複数の異なる種類のMOSデバイス用ゲート絶縁膜を有する半導体装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which MOS (Metal Oxide Semiconductor) devices are integrated, and more particularly to a semiconductor device having a plurality of different types of gate insulating films for MOS devices and a method for manufacturing the same.
MOSトランジスタ等のMOSデバイスを基本構成要素とする半導体装置において、メモリセル部と周辺回路部、デジタル回路部とアナログ回路部、高速動作が要求される素子と低消費電力動作が要求される素子等の、要求性能の異なるMOSデバイスが混在しているものが多くなってきている。異なるMOSデバイスのそれぞれの要求性能に応じるために、ゲート絶縁膜が互に異なる複数種類のMOSデバイスを形成することが有効であり、これを実現する技術として、多水準ゲート絶縁膜技術がある。互に異なるゲート絶縁膜を例えば複数の膜厚水準を有する酸化シリコン膜を混在させることによって形成した複数のMOSデバイスを有する半導体装置が広く量産されている。 In a semiconductor device having MOS devices such as MOS transistors as basic components, a memory cell portion and a peripheral circuit portion, a digital circuit portion and an analog circuit portion, an element requiring high speed operation and an element requiring low power consumption operation, etc. However, there are an increasing number of MOS devices having different performance requirements. In order to meet the required performance of different MOS devices, it is effective to form a plurality of types of MOS devices having different gate insulating films, and a technique for realizing this is a multilevel gate insulating film technology. Semiconductor devices having a plurality of MOS devices formed by mixing different gate insulating films with, for example, silicon oxide films having a plurality of film thickness levels are widely mass-produced.
ここで、2種類の膜厚水準の酸化シリコン膜からなる2種類のゲート絶縁膜を形成する従来技術の例を図8を用いて述べる。シリコン基板1の表面に、周知の浅溝素子分離法を用いて素子分離溝2を形成した後、流量10リットル/分の酸素と0.5リットル/分の水素とを同時に流したパイロジェニック酸化により800℃で膜厚7.7nmの酸化シリコン膜3をシリコン基板1上に形成する(図8a)。
Here, an example of the prior art for forming two types of gate insulating films made of silicon oxide films of two types of film thickness levels will be described with reference to FIG. After forming the
次に、レジスト4をウェハ全面に塗布し(図8b)、通常のパターニングを行なって一部のレジストを除去する(図8c)。この時点で基板1は、レジスト4に覆われている部分の領域1と、レジスト4に覆われていない部分の領域2とに分けられる。
Next, a
続いて、領域2のゲート絶縁膜3を弗酸水溶液で除去し(図8d)、続いて硫酸と過酸化水素水を含有する水溶液によってレジスト4を溶解除去する(図8e)。この後、アンモニアと過酸化水素水を含有する水溶液による洗浄(以下「SC−1洗浄」と呼ぶ)と、塩酸と過酸化水素水を含有する水溶液による洗浄(以下「SC−2洗浄」と呼ぶ)を行ない、表面の汚染を除去する。更に、SC−1洗浄と、希弗酸洗浄を行なってから、800℃でパイロジェニック酸化することにより、膜厚4nmの酸化シリコン膜であるゲート絶縁膜5と、膜厚8nmの酸化シリコン膜であるゲート絶縁膜6を形成する。
Subsequently, the
ところで、近年、MOSデバイスに対する高速化や低電圧化の要求から、ゲート絶縁膜の薄膜化が急激に進行している。その結果、絶縁膜を貫通して漏洩する電流即ちゲートリーク電流が増大する問題や、ゲート電極中の硼素がゲート絶縁膜を通り抜けてシリコン基板に拡散するという問題が顕在化してきた。多水準のゲート絶縁膜を形成する場合には、これらの問題は当然に最も薄いゲート絶縁膜において顕著になる。 By the way, in recent years, the gate insulating film is rapidly becoming thinner due to the demand for higher speed and lower voltage for MOS devices. As a result, the problem that the current leaking through the insulating film, that is, the gate leakage current increases, and the problem that boron in the gate electrode passes through the gate insulating film and diffuses into the silicon substrate have become apparent. When a multi-level gate insulating film is formed, these problems become obvious in the thinnest gate insulating film.
上記ゲートリーク電流の増大や硼素の拡散を防止する対策として、例えば、非特許文献1によって開示されている、酸化シリコン膜を亜酸化窒素ガスや一酸化窒素ガス雰囲気中で熱処理することによって窒素を導入する方法があり、すでに量産に用いられている。
As a measure for preventing the increase of the gate leakage current and the diffusion of boron, for example, the silicon oxide film disclosed in Non-Patent
更に、電気的容量から換算した酸化膜換算膜厚で2nm以下にまでゲート絶縁膜の薄膜化が進行すると、ゲートリーク電流や硼素の拡散の問題がより深刻になる。その場合には、より高い窒素濃度を有するSi−O−N三元系材料からなるゲート絶縁膜が求められ、例えば、非特許文献2によって開示されている、酸化シリコン膜を活性窒素を用いて処理する方法が採用される。この方法により、上記した亜酸化窒素ガスや一酸化窒素ガス雰囲気中における熱処理を用いる方法よりも大量の窒素が酸化シリコン膜に導入される。
Further, when the gate insulating film is made thinner to 2 nm or less in terms of the equivalent oxide film thickness calculated from the electric capacity, problems of gate leakage current and boron diffusion become more serious. In that case, a gate insulating film made of a Si—O—N ternary material having a higher nitrogen concentration is required. For example, a silicon oxide film disclosed in Non-Patent
一方、ゲート絶縁膜の薄膜化に対して、上記のゲートリーク電流や硼素の拡散を抑制する観点からではなく、酸化シリコン膜の膜厚均一性の劣化とレジストによる重金属汚染を防ぐ観点から、窒化シリコンを基本構造とするゲート絶縁膜を形成する方法が例えば特許文献1に開示されている。
On the other hand, with respect to the thinning of the gate insulating film, nitriding is not performed from the viewpoint of suppressing the gate leakage current and boron diffusion described above, but from the viewpoint of preventing the deterioration of the film thickness uniformity of the silicon oxide film and heavy metal contamination by the resist. For example,
特許文献1によれば、窒化シリコンによるゲート絶縁膜が次のように形成される。図9に示すように、シリコン基板91上にウエル層94を形成し、更に素子分離絶縁層92を選択的に形成した後に、素子分離絶縁層92が無い領域全域に窒化シリコン膜95を形成して(図9a)、レジストをマスクとして選択的に窒化膜95を除去する(図9b)。しかる後に酸化性雰囲気中における熱処理を行なって、窒化シリコン膜95を除去した領域には酸化シリコン膜を形成し、同時に窒化シリコン膜95が残る領域には窒化シリコン膜を熱酸化処理した膜を形成し、それらをそれぞれゲート絶縁膜98及び97として用いる(図9c)。
According to
酸化シリコン膜に窒素を導入する上述の場合よりも更にゲートリーク電流及び硼素の拡散を抑制するためには窒化シリコンを基本構造とするようなゲート絶縁膜を用いる必要がある。 In order to further suppress the gate leakage current and boron diffusion than in the case where nitrogen is introduced into the silicon oxide film, it is necessary to use a gate insulating film having silicon nitride as a basic structure.
観点は異なるが、特許文献1に開示されているような窒化シリコン膜による薄膜化の例がある。しかし、複数の異なる種類のゲート絶縁膜を形成するために、レジストをマスクにしたプラズマエッチングにより窒化シリコン膜を除去して窒化シリコン膜を選択的に形成する従来の方法では、シリコン基板表面に与える損傷及び汚染を十分に抑えることが困難である。
Although the viewpoint is different, there is an example of thinning with a silicon nitride film as disclosed in
ところで、窒化シリコンの膜中には正の固定電荷が生じることが避けられない。この正の固定電荷があると、MOSトランジスタにおいて十分な駆動電流が得られない。従来には、このような問題に解決をみておらず、窒化シリコンを基本構造とするゲート絶縁膜を用いて多水準ゲート絶縁膜を形成する技術は未だ確立していないのが実情である。 Incidentally, it is inevitable that positive fixed charges are generated in the silicon nitride film. If this positive fixed charge is present, a sufficient drive current cannot be obtained in the MOS transistor. Conventionally, there has been no solution to such a problem, and the actual situation is that a technique for forming a multilevel gate insulating film using a gate insulating film having a basic structure of silicon nitride has not yet been established.
本発明の主たる目的は、シリコン基板表面に損傷及び汚染を与えることなく窒化シリコン膜を選択的に形成することによって同一シリコン基板内に種類の異なる複数のゲート絶縁膜を形成して成る半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION A main object of the present invention is to provide a semiconductor device in which a plurality of different types of gate insulating films are formed in the same silicon substrate by selectively forming a silicon nitride film without damaging or contaminating the surface of the silicon substrate. It is in providing the manufacturing method.
本発明の付帯的な目的は、窒化シリコン膜中の正の固定電荷を減少させることによってMOSデバイスの電流駆動能力を高めた半導体装置及びその製造方法を提供することにある。 An additional object of the present invention is to provide a semiconductor device in which the current drive capability of a MOS device is enhanced by reducing positive fixed charges in a silicon nitride film, and a method for manufacturing the same.
上記主たる主目的は、シリコン基板の表面に酸化シリコン膜を形成してからその一部を除去し、酸化シリコン膜を除去した基板面に窒化シリコン膜を形成すると同時に除去せずに残した酸化シリコン膜の表面に窒素を導入することによって効果的に達成することが可能である。 The main purpose is to form a silicon oxide film on the surface of the silicon substrate and then remove a part of the silicon oxide film to form a silicon nitride film on the substrate surface from which the silicon oxide film has been removed. It can be achieved effectively by introducing nitrogen into the surface of the membrane.
窒化シリコン膜を形成するのための領域が酸化シリコン膜を除去することによって形成されるので、シリコン基板表面への損傷及び汚染を防ぎながら、窒化シリコン膜と窒素を含有する酸化シリコン膜とからなる種類の異なるゲート絶縁膜を形成することができるからである。 Since the region for forming the silicon nitride film is formed by removing the silicon oxide film, the silicon nitride film and the silicon oxide film containing nitrogen are formed while preventing damage and contamination to the silicon substrate surface. This is because different types of gate insulating films can be formed.
本発明者は、窒化シリコン膜へ導入された酸素が窒化シリコン膜に生じる正の固定電荷を減少させ、それによってMOSデバイスの駆動電流が高まることを見出した。本発明はそのような知見に基づきなされたものである。即ち、上記付帯的目的は、上記窒化シリコン膜に酸化性雰囲気中での熱処理によって酸素を導入することにより、効果的に達成することが可能である。 The present inventor has found that oxygen introduced into the silicon nitride film reduces the positive fixed charge generated in the silicon nitride film, thereby increasing the driving current of the MOS device. The present invention has been made based on such knowledge. That is, the incidental object can be effectively achieved by introducing oxygen into the silicon nitride film by heat treatment in an oxidizing atmosphere.
なお、酸素が導入された窒化シリコン膜即ち酸素を含有する窒化シリコン膜は、酸素導入前の膜厚が1.5nm以下であることが望ましい。 Note that the silicon nitride film into which oxygen is introduced, that is, the silicon nitride film containing oxygen, preferably has a thickness of 1.5 nm or less before the introduction of oxygen.
また、上記主たる主目的は、その他に、シリコン基板の表面に化学気相成長法により酸化シリコン膜を堆積してからその一部を除去し、酸化シリコン膜を除去した基板面に窒化シリコン膜を形成すると共に除去せずに残した酸化シリコン膜に窒素を導入し、続いて窒素を導入した酸化シリコン膜を溶解除去して基板表面を露出させ、露出したシリコン基板の表面及び上記窒化シリコン膜を酸化して窒素を実質的に含まない酸化シリコン膜と酸素を含有する窒化シリコン膜とを形成することによっても効果的に達成することができる。 In addition to the above, the main purpose is to deposit a silicon oxide film on the surface of the silicon substrate by chemical vapor deposition and then partially remove the silicon oxide film on the substrate surface from which the silicon oxide film has been removed. Nitrogen is introduced into the silicon oxide film that has been formed and left without being removed, and then the silicon oxide film into which nitrogen has been introduced is dissolved and removed to expose the substrate surface, and the exposed silicon substrate surface and the silicon nitride film are removed. It can also be effectively achieved by forming a silicon oxide film substantially free of nitrogen and a silicon nitride film containing oxygen.
窒化シリコン膜を形成するのための領域が酸化シリコン膜を除去することによって形成され、更に窒素を実質的に含まない酸化シリコン膜を形成するための領域が窒素を導入した酸化シリコン膜の溶解除去によって形成されるので、シリコン基板表面への損傷及び汚染を防ぎながら、酸素を含有する窒化シリコン膜と窒素を実質的に含まない酸化シリコン膜とからなる種類の異なるゲート絶縁膜を形成することができるからである。 A region for forming the silicon nitride film is formed by removing the silicon oxide film, and a region for forming the silicon oxide film substantially free of nitrogen is dissolved and removed by introducing nitrogen into the silicon oxide film. Therefore, it is possible to form different types of gate insulating films composed of a silicon nitride film containing oxygen and a silicon oxide film substantially free of nitrogen while preventing damage and contamination to the silicon substrate surface. Because it can.
発明によれば、酸化膜換算膜厚で2nm以下で、ゲートリーク電流が従来の酸化シリコン膜よりも小さく、硼素の拡散の抑制効果が高い特性を示す、酸素を含有する窒化シリコン膜と、所望の膜厚の酸化シリコン膜とをそれぞれゲート絶縁膜とするMOSデバイスを同一シリコン基板上に作製することができる。特に酸化シリコン膜については、6nm以下の膜厚ならば、窒素を実質的に含有しない膜とすることが可能である。以上のゲート絶縁膜を用いることにより、高速MOSデバイス、高耐圧MOSデバイス、アナログ回路のMOSデバイス等の複数の種類のMOSデバイスを、それぞれ高い性能を実現させながら同一チップに混在させることができる。 According to the invention, an oxide-containing silicon nitride film having a characteristic that the equivalent oxide thickness is 2 nm or less, the gate leakage current is smaller than that of a conventional silicon oxide film, and the boron diffusion suppression effect is high, and a desired MOS devices each having a silicon oxide film having a thickness of 1 and a gate insulating film can be fabricated on the same silicon substrate. In particular, a silicon oxide film having a thickness of 6 nm or less can be a film that does not substantially contain nitrogen. By using the above gate insulating film, a plurality of types of MOS devices such as a high-speed MOS device, a high voltage MOS device, and an analog circuit MOS device can be mixed in the same chip while realizing high performance.
以下、本発明に係る半導体装置及びその製造方法を図面に示した幾つかの発明の実施の形態を参照して更に詳細に説明する。
<発明の実施の形態1>
酸素を含有する窒化シリコンによるゲート絶縁膜と窒素を含有する酸化シリコンによるゲート絶縁膜とを持つ2膜厚水準の半導体装置の製造方法を図1及び図3を用いて説明する。
Hereinafter, a semiconductor device and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described in more detail with reference to some embodiments of the invention shown in the drawings.
<
A method for manufacturing a semiconductor device having a two film thickness level having a gate insulating film made of silicon nitride containing oxygen and a gate insulating film made of silicon oxide containing nitrogen will be described with reference to FIGS.
p型のシリコン基板1の表面に、周知の浅溝素子分離法を用いて素子分離溝2を形成した後、ホトリソグラフィを用いて所望の領域をレジストで覆った状態でB(硼素)イオンを打ち込んで、シリコン基板の一部の領域にpウェル(図示を省略する)を形成する。
An
続いて、800℃においてドライ酸化することによって、膜厚3nmの酸化シリコン膜3をシリコン基板1上に形成する(図1a)。次に、レジスト4をウェハ全面に塗布し(図1b)、通常のパターニングを行なって一部のレジストを除去する(図1c)。この時点で基板11は、レジスト4に覆われている部分の領域1、レジスト4に覆われていない部分の領域2に分けられる。
Subsequently, a
続いて、領域2の酸化シリコン膜3を弗酸水溶液で除去し(図1d)、続いて硫酸と過酸化水素水を含有する水溶液によってレジスト4を溶解除去する(図1e)。この後、SC−1洗浄、SC−2洗浄を行ない、表面の汚染を除去する。更に、上記の洗浄処理によって領域2上にできた薄い酸化シリコン膜を除去するためにSC−1洗浄、希弗酸洗浄を行なう。ここで、領域1上の酸化シリコン膜3は膜厚が2nmに減じる。
Subsequently, the
続いて、アンモニア雰囲気中700℃の熱処理によって領域2のシリコン基板1の表面に0.9nmの窒化シリコン膜を形成し、続いて窒素で5%に希釈した亜酸化窒素雰囲気中900℃の熱処理によって上記窒化シリコン膜に酸素を導入して、領域2に酸素を含有する窒化シリコン膜21を形成する。この過程において、領域1上の酸化シリコン膜3は、アンモニア雰囲気中の熱処理及び亜酸化窒素雰囲気中の熱処理によって窒素が導入されると同時に膜厚が若干増加し、膜厚2.5nmの窒素を含有する酸化シリコン膜22となる(図1f)。
Subsequently, a 0.9 nm silicon nitride film is formed on the surface of the
なお、窒素を含有する酸化シリコン膜22の膜厚は、上記アンモニア雰囲気中の熱処理及び亜酸化窒素雰囲気中の熱処理の前の段階において領域1に存在する酸化シリコン膜3の膜厚を変えることによって制御が可能であり、アンモニア雰囲気中の熱処理及び亜酸化窒素雰囲気中の熱処理の前の段階における酸化シリコン膜3の膜厚と、領域1に完成する窒素を含有する酸化シリコン膜22の膜厚の関係は図2のようになる。
Note that the thickness of the
以上により、領域1及び領域2にそれぞれ窒素を含有する酸化シリコン膜22及び酸素を含有する窒化シリコン膜21による異なるゲート絶縁膜を形成した。続いて、双方の領域にnチャネル型MOSトランジスタを作製するが、製造方法の基本は双方の領域で共通であるので、ここでは代表して領域2におけるMOSトランジスタの製造方法を図3を用いて説明する。
Thus, different gate insulating films were formed in the
酸素を含有する窒化シリコン膜21によるゲート絶縁膜上に、モノシランをソース・ガスとして用いる周知の化学気相成長法により、厚さ200nmの多結晶シリコン膜を堆積し、4×1015/cm2のP(燐)を10kVの加速電圧でイオン打ち込みして、ホトリソグラフィとドライエッチングを用いてこれを所望の寸法に加工してゲート電極14とする。ここで、3×1014/cm2のAs(砒素)を15kVの加速電圧でイオン打ち込みし、拡散層15の低濃度領域を形成する。
A polycrystalline silicon film having a thickness of 200 nm is deposited on the gate insulating film made of the
次に化学気相成長法によりモノシランと亜酸化窒素を用いて酸化シリコン膜100nmを形成し、続いてこれを異方性ドライエッチングすることにより、酸化シリコンからなるサイドウォール16を形成する。2×1015/cm2のPを30kVの加速電圧でイオン打ち込みして拡散層15の高濃度領域を形成する。次に、950℃30秒の熱処理を行なって、拡散層15にイオン打ち込みしたAs及びPを電気的に活性化する。
Next, a silicon oxide film having a thickness of 100 nm is formed by chemical vapor deposition using monosilane and nitrous oxide, followed by anisotropic dry etching to form a
上記の熱処理を行なった後に、プラズマ化学気相成長法によりテトラエトキシシラン(Si(OC2H5)4)を用いて酸化シリコン膜を600nm堆積して、これを化学機械研磨することによって平坦化して層間絶縁膜17を形成する。ホトリソグラフィとドライエッチングを用いて層間絶縁膜17にコンタクトホールをあけて、化学気相成長法及びスパッタリングを用いてタングステンをコンタクトホール内まで堆積して、これをホトリソグラフィーとドライエッチングによって加工して配線18とする。
After performing the above heat treatment, a silicon oxide film is deposited with a thickness of 600 nm using tetraethoxysilane (Si (OC 2 H 5 ) 4 ) by plasma enhanced chemical vapor deposition, and this is planarized by chemical mechanical polishing. Then, an
以上の工程を経て、領域2に図3に示す構造を有するnチャネル型MOSトランジスタが作製される。領域1にも同様の方法でnチャネル型MOSトランジスタが作製される。
Through the above steps, an n-channel MOS transistor having the structure shown in FIG. An n-channel MOS transistor is also produced in the
ここで、ウェルにはB(硼素)のIII族元素、ゲート電極14,拡散層15にAs及びPのV族元素のイオン打ち込みを行なったが、イオン打ち込みする不純物の型を逆にして、ウェルにV族元素、ゲート電極14,拡散層15にIII族元素のイオン打ち込みを行なってpチャネル型MOSトランジスタを作製することもでき、nチャネル型MOSトランジスタとpチャネル型MOSトランジスタを同一シリコン基板上に形成してCMOSデバイスを構成することもできる。
Here, ion implantation of a group III element of B (boron) and a
なお、酸素を含有する窒化シリコン膜21の形成工程として、アンモニアを用いた熱的な窒化処理後に亜酸化窒素雰囲気中で熱処理すると記述したが、アンモニアを用いた熱的な窒化処理の代わりに活性窒素を用いた窒化処理でも同様の結果が得られる。1nm以下の薄い窒化シリコン膜を形成する場合には、アンモニアを用いた熱的な窒化処理よりも、膜厚の制御性が悪いものの、膜の微視的な均一性の点で優れる。
Note that, as the step of forming the
亜酸化窒素を含有する雰囲気における熱処理の目的は、酸素を膜中に導入することによって、元来窒化シリコン膜中に存在する正の固定電荷を減少させること及び窒化シリコン膜中及びシリコン基板との界面に存在する電荷捕獲準位を減らすことである。正の固定電荷や電荷捕獲準位は、MOSトランジスタの駆動電流を低減させる。 The purpose of the heat treatment in the atmosphere containing nitrous oxide is to reduce the positive fixed charges originally existing in the silicon nitride film by introducing oxygen into the film and to reduce the positive fixed charge existing in the silicon nitride film and the silicon substrate. This is to reduce the charge trap levels present at the interface. Positive fixed charges and charge trapping levels reduce the drive current of the MOS transistor.
なお、亜酸化窒素を含有する雰囲気における熱処理の代わりに、乾燥酸素雰囲気中での熱処理(以後、ドライ酸化と呼ぶ)や水蒸気と酸素を含有する雰囲気中における熱処理(以後、ウェット酸化と呼ぶ)を行なうこともできるが、完成状態の酸化膜換算膜厚の制御性及びゲートリーク電流抑制効果の点で劣る場合がある。 Instead of heat treatment in an atmosphere containing nitrous oxide, heat treatment in a dry oxygen atmosphere (hereinafter referred to as dry oxidation) or heat treatment in an atmosphere containing water vapor and oxygen (hereinafter referred to as wet oxidation). Although it can be performed, it may be inferior in terms of controllability of the equivalent oxide film thickness in a completed state and a gate leakage current suppressing effect.
窒化シリコン膜21によるゲート絶縁膜の形成工程中の、窒化シリコンの形成条件及び亜酸化窒素雰囲気を含有する雰囲気中での熱処理条件については、最終的な酸化膜換算膜厚の目標値を考慮して決定される。亜酸化窒素雰囲気中での熱処理は、異なる窒化シリコン形成条件に対しては、それぞれ電気特性を最適にする亜酸化窒素雰囲気中での熱処理条件が異なる。
Regarding the silicon nitride formation conditions and the heat treatment conditions in the atmosphere containing the nitrous oxide atmosphere during the process of forming the gate insulating film by the
最初に形成した窒化シリコン膜の膜厚が厚いほど、亜酸化窒素雰囲気中での熱処理条件を高温或いは長時間にしなければ、膜中の準位や固定電荷を減らすことができない。最初に形成する窒化シリコン膜厚が1.5nmを超えると、亜酸化窒素雰囲気中での熱処理を高温、長時間にした場合でも、熱酸化膜を基準としたフラットバンド電圧の負方向へのシフトが0.2Vを超えるようになる。即ち、閾値電圧の調整が困難になると同時に、膜中の正の固定電荷によるチャネル中の電荷の散乱が無視できなくなり、トランジスタの電流駆動能力が低下する。 The thicker the silicon nitride film formed first, the more the level and fixed charge in the film cannot be reduced unless the heat treatment conditions in the nitrous oxide atmosphere are set at a high temperature or for a long time. If the initial silicon nitride film thickness exceeds 1.5 nm, even if heat treatment in a nitrous oxide atmosphere is performed at a high temperature and for a long time, the flat band voltage is shifted in the negative direction based on the thermal oxide film. Exceeds 0.2V. That is, it becomes difficult to adjust the threshold voltage, and at the same time, the scattering of the charge in the channel due to the positive fixed charge in the film cannot be ignored, and the current driving capability of the transistor is lowered.
例えば1.5nmの窒化シリコンを形成した後に亜酸化窒素雰囲気中における熱処理を行なって、酸素を含有する窒化シリコンゲート絶縁膜を形成する場合には、電気特性が好適となる亜酸化窒素雰囲気中における熱処理は、例えば950℃10分である。この場合においても、熱酸化膜を基準としたフラットバンド電圧の負方向へのシフトが0.25Vとなり、酸化膜換算膜厚は2.5nmであった。 For example, in the case where a silicon nitride gate insulating film containing oxygen is formed by performing heat treatment in a nitrous oxide atmosphere after forming 1.5 nm of silicon nitride, in a nitrous oxide atmosphere in which electrical characteristics are suitable. The heat treatment is, for example, 950 ° C. for 10 minutes. Also in this case, the shift of the flat band voltage in the negative direction with respect to the thermal oxide film was 0.25 V, and the equivalent oxide film thickness was 2.5 nm.
また、2.5nmの熱酸化膜に比べて、nチャネル型MOSトランジスタのゲート絶縁膜に用いた場合の電流駆動能力は約85%であった。あらかじめ形成する窒化シリコン膜を1.5nm以上に厚くした場合には、電流駆動能力の低下がこれよりも顕著となる。即ち、酸素を導入した窒化シリコン膜をゲート絶縁膜として用いるのが実用的となるのは、最初に形成する窒化シリコン膜の膜厚が1.5nm以下であり、完成状態での酸化膜換算膜厚が2.5nm以下である場合である。 In addition, the current driving capability when used for the gate insulating film of the n-channel MOS transistor was about 85% as compared with the 2.5 nm thermal oxide film. In the case where the silicon nitride film formed in advance is thickened to 1.5 nm or more, the current drive capability is significantly reduced. That is, it is practical to use a silicon nitride film into which oxygen is introduced as a gate insulating film. The film thickness of the silicon nitride film formed first is 1.5 nm or less, and the oxide film equivalent film in a completed state This is a case where the thickness is 2.5 nm or less.
窒化シリコン膜に酸素が導入される形態を調べるために、パターン無しのシリコン基板上に1.3nmの窒化シリコン膜を形成した後に、窒素で5%に希釈した亜酸化窒素雰囲気中で800℃10分間の熱処理をした試料を作製し、HF水溶液を用いたウェットエッチングとX線光電子分光の測定を繰り返し行なって、組成の深さ方向プロファイルを取得したところ、図4のようになった。窒化シリコンの表面に0.5nm以下の二酸化シリコンに近い組成の部分が形成すると同時に、窒化シリコンとシリコン基板の界面に酸素が導入されていることがわかる。即ち、膜中の酸素濃度は、窒化シリコンの表面及び窒化シリコンとシリコン基板の界面において極大となる。云い換えると、膜中の酸素濃度は、窒化シリコンの表面及び窒化シリコンとシリコン基板の界面の間の膜中間において最小となる。 In order to investigate the form in which oxygen is introduced into the silicon nitride film, a silicon nitride film having a thickness of 1.3 nm is formed on a silicon substrate without a pattern, and then 800 ° C. in a nitrous oxide atmosphere diluted to 5% with nitrogen. A sample subjected to a heat treatment for 5 minutes was prepared, and wet etching using an HF aqueous solution and measurement of X-ray photoelectron spectroscopy were repeated, and a profile in the depth direction of the composition was obtained. It can be seen that a portion having a composition close to 0.5 nm or less of silicon dioxide is formed on the surface of silicon nitride, and at the same time, oxygen is introduced into the interface between the silicon nitride and the silicon substrate. That is, the oxygen concentration in the film becomes maximum at the surface of silicon nitride and at the interface between the silicon nitride and the silicon substrate. In other words, the oxygen concentration in the film is minimized at the surface of the silicon nitride and at the middle of the film between the interface between the silicon nitride and the silicon substrate.
以上に述べた窒化シリコン膜の構造は、次に述べる発明の実施の形態2,3にも共通している。 The structure of the silicon nitride film described above is common to the second and third embodiments of the invention described below.
ここで、従来技術で作製したシリコン、酸素及び窒素を主構成元素とする絶縁膜の組成分布について言及しておく。まず、酸化シリコン膜に亜酸化窒素や一酸化窒素を用いて窒素を導入した場合は(前掲の非特許文献1)、酸化シリコンとシリコン基板の界面に窒素が選択的に導入される、即ち窒素濃度は酸化シリコンとシリコン基板の界面において最大となる(極大ともなる)。次に、酸化シリコン膜に活性窒素を用いて窒素を導入した場合に(前掲の非特許文献2)、酸化シリコンの表面に窒素が導入され、即ち窒素濃度は酸化シリコンの表面近傍において最大となる(極大ともなる)。従って、本発明の核となる酸素を含有する窒化シリコン膜とは組成分布が明らかに異なる。云い換えると、窒化シリコン膜を形成してからこれに酸素を導入した膜と、酸化シリコン膜を形成してからこれに窒素を導入した膜とでは、その組成の膜厚方向の分布が大きく異なる。そのため、本明細書では、酸素を含有する窒化シリコン膜と窒素を含有する酸化シリコン膜とは、明確に区別をすることとする。
Here, the composition distribution of an insulating film having silicon, oxygen and nitrogen as main constituent elements manufactured by the conventional technique will be mentioned. First, when nitrogen is introduced into the silicon oxide film using nitrous oxide or nitric oxide (
さて、以上により領域2にnチャネル型MOSトランジスタを作製したが、領域1にも同様のトランジスタ作製方法を適用して、同一シリコン基板上に2種類の異なるゲート絶縁膜を有するnチャネル型MOSトランジスタを作製した。
Although an n-channel MOS transistor is manufactured in the
電気的容量の測定から求めたゲート絶縁膜の酸化膜換算膜厚は、領域1は2.5nm、領域2は1.6nmであった。また領域2のMOSトランジスタのゲートリーク電流は膜厚1.6nmの酸化シリコン膜をゲート絶縁膜とするMOSトランジスタに比べて1/40に抑えられていた。領域2に作製された、ゲート長が1μmのnチャネル型MOSトランジスタにおいてゲート電圧とドレイン電圧がともに1Vのバイアス条件で測定したドレイン電流の値は、膜厚1.6nmの酸化シリコン膜をゲート絶縁膜とするMOSトランジスタに比べて97%と良好であった。
The oxide equivalent film thickness of the gate insulating film obtained from the measurement of electric capacitance was 2.5 nm for
また、上述したpチャネル型MOSトランジスタの作製方法を用いて、pチャネル型MOSトランジスタを作製して、硼素がドーピングされた多結晶からなるゲート電極からシリコン基板への硼素の拡散を調べた。領域2に作製された酸素を含有する窒化シリコン膜21は膜厚1.6nmの酸化シリコン膜に比べて、基板に漏れる硼素が1/100以下に抑えられていることがわかった。膜中に含まれる大量の窒素が、硼素の拡散を阻止している。
Further, a p-channel MOS transistor was manufactured by using the above-described method for manufacturing a p-channel MOS transistor, and boron diffusion from the polycrystalline gate electrode doped with boron into the silicon substrate was examined. It has been found that the boron nitride leaking to the substrate is suppressed to 1/100 or less in the
こうして、酸化膜換算膜厚1.6nmでゲートリーク電流が酸化シリコン膜の1/40に抑えられていて、なおかつ電流駆動能力も良好で、硼素の拡散抑制力が非常に強い、酸素を含有する窒化シリコン膜21と、酸化膜換算膜厚2.5nmの窒素を含有する酸化シリコン膜22の二種類のゲート絶縁膜を、同一ウェハ上に、シリコン基板表面に損傷及び汚染を与えることなく形成することが可能となった。また、窒素を含有する酸化シリコン膜22の膜厚は、領域1に形成する酸化シリコン膜3の膜厚を変化させることによって制御可能である。
Thus, the gate leak current is suppressed to 1/40 of that of the silicon oxide film with an equivalent oxide film thickness of 1.6 nm, the current driving capability is also good, and the boron diffusion suppression capability is extremely strong, and contains oxygen. Two types of gate insulating films of a
ここで領域1に形成された窒素を含有する酸化シリコン膜22の組成について言及しておく。二次イオン質量分析によって窒素を含有する酸化シリコン膜22のシリコン、酸素、窒素の分析を行なったところ、図5のようになった。亜酸化窒素や一酸化窒素雰囲気中における熱処理によって、酸化シリコン膜に窒素を導入した場合と同じように、酸化シリコン膜とシリコン基板の界面に窒素が導入されていることがわかる。即ち窒素濃度は、酸化シリコン膜とシリコン基板の界面において最大となっている(極大ともなる)。
Here, the composition of the
また、以上に示した本発明の実施の形態は、複数種類の膜厚水準を有する酸化シリコン膜を同一シリコン基板上に形成する従来の方法と組み合わせることによって、同一基板上に3種類以上のゲート絶縁膜を形成するように拡張することが可能である。例えば、複数種類の膜厚水準を有する酸化シリコン膜を同一シリコン基板上に形成した後に、その一部を選択的に除去した後に、アンモニア雰囲気中の熱処理及び亜酸化窒素雰囲気中の熱処理を行なうことによって、酸素を含有する窒化シリコン膜と複数種類の窒素を含有する酸化シリコン膜を同一シリコン基板上に形成することができる。
<発明の実施の形態2>
酸素を含有する窒化シリコンによるゲート絶縁膜と窒素を実質的に含有しない酸化シリコンによるゲート絶縁膜とを持つ2膜厚水準の半導体装置の製造方法を図6を用いて説明する。
In the embodiment of the present invention described above, three or more types of gates are formed on the same substrate by combining with a conventional method of forming silicon oxide films having a plurality of types of film thickness levels on the same silicon substrate. It can be expanded to form an insulating film. For example, after a silicon oxide film having a plurality of types of film thickness levels is formed on the same silicon substrate, a portion thereof is selectively removed, and then a heat treatment in an ammonia atmosphere and a heat treatment in a nitrous oxide atmosphere are performed. Thus, a silicon nitride film containing oxygen and a silicon oxide film containing a plurality of types of nitrogen can be formed on the same silicon substrate.
<
A method for manufacturing a semiconductor device having a two film thickness level having a gate insulating film made of silicon nitride containing oxygen and a gate insulating film made of silicon oxide containing substantially no nitrogen will be described with reference to FIGS.
シリコン基板1の表面に、周知の浅溝素子分離法を用いて素子分離溝2を形成した後、モノシランと亜酸化窒素をソースガスとする化学気相成長法により、膜厚10nmの酸化シリコン膜31を堆積する(図6a)。
After forming the
次に、レジスト4をウェハ全面に塗布し、通常のパターニングを行なって一部のレジストを除去する(図6b)。この時点で基板1は、レジスト4に覆われている部分を領域1、レジスト4に覆われていない部分を領域2とに分けられる。
Next, a resist 4 is applied to the entire surface of the wafer, and normal patterning is performed to remove a part of the resist (FIG. 6b). At this point, the
続いて、領域2の酸化シリコン膜31を弗酸水溶液で除去し、次いで硫酸と過酸化水素水を含有する水溶液によってレジスト4を溶解除去する(図6c)。この後、SC−1洗浄、SC−2洗浄を行ない、表面の汚染を除去する。更に、SC−1洗浄、弗酸水溶液による洗浄を行なって、領域2のシリコン基板表面を露出させる。この弗酸水溶液による洗浄によって領域1上の酸化シリコン膜31は10nmから5nmに減少する。
Subsequently, the
次に、アンモニア雰囲気中700℃の熱処理によって領域2のシリコン基板表面に0.9nmの窒化シリコン膜を形成し、続いて窒素によって5%に希釈した亜酸化窒素雰囲気中900℃の熱処理によって上記窒化シリコン膜に酸素を導入して、酸素を含有する窒化シリコン膜32とする。この際に領域1上の酸化シリコン膜3の膜厚は5.8nmに増加すると同時に、窒素が導入されて、窒素を含有する酸化シリコン膜33となる(図6d)。
Next, a silicon nitride film having a thickness of 0.9 nm is formed on the surface of the silicon substrate in
続いて、領域1上の窒素を含有する酸化シリコン膜33を弗酸水溶液によって溶解除去する。上記窒素を含有する酸化シリコン膜33は、アンモニアガス雰囲気中及び亜酸化窒素雰囲気中における熱処理を加えられたとはいえ、元来が化学気相成長法によって形成された酸化シリコン膜であるので、通常の熱的な酸化処理によって形成されたいわゆるシリコンの熱酸化膜よりも、弗酸水溶液による溶解速度が速い。このため、熱酸化膜を4nm溶解するような溶解処理によって、上記窒素を含有する酸化シリコン膜33は完全に除去される。
Subsequently, the
一方、領域2に形成された酸素を含有する窒化シリコン膜32は、上部に形成された酸化シリコンに近い組成の部分は弗酸水溶液によって速やかに溶解されるものの、その下部にある窒化シリコンに近い組成を有する部分は弗酸水溶液によるエッチングレートが遅く、上記熱酸化膜を4nm溶解するエッチングを施しても殆ど溶解しない。こうして上記フッ酸水溶液による溶解処理によって、領域1においてはシリコン基板が露出し、領域2においては酸素を含有する窒化シリコン膜32の上部の酸化シリコンに近い組成を有する部分のみが除去された状態となる(図6e)。
On the other hand, the
続いて、乾燥酸素を含有する雰囲気中における熱処理、即ちドライ酸化によって領域1のシリコン基板上に酸化シリコン膜34を形成する。この際に領域2の酸素を含有する窒化シリコン膜32に更に酸素が導入され、上部に再び酸化シリコンに近い組成を有する部分が形成される(図6f)。
Subsequently, a
化学気相成長法による酸化シリコン膜31の堆積の役割は、図6eに示したような、領域2のみに酸素を含有する窒化シリコンが存在する構造を実現する準備である。酸化シリコン膜31は、アンモニアガス雰囲気中及び亜酸化窒素雰囲気中における熱処理を加えた後に弗酸水溶液に速やかに溶解すればよいのであり、例えばテトラエトキシシラン等の有機材料を用いる化学気相成長法によって堆積した酸化シリコン膜でも良い。
The role of deposition of the
図6eに示したような構造を実現する手段としては、他に、領域1にも領域2と同様に酸素を含有する窒化シリコン膜を形成しておいて、レジストを用いたパターニングによって領域2を保護した状態で、領域1上の酸素を含有する窒化シリコン膜を除去する方法も考えられる。しかしながら、酸素を含有する窒化シリコン膜は弗酸水溶液に対する溶解速度が遅く、弗酸水溶液による溶解除去は困難である。180℃程度の高温に保持した燐酸水溶液に対しては速やかに溶解するものの、レジストによる保護が困難である。水溶液による溶解除去以外の手段としては、ドライエッチングやプラズマ処理を用いた方法も考えられるが、これらの方法は、領域1のシリコン基板中に損傷を与える。よって、本発明の実施の形態で述べたような、あらかじめ領域1に酸化シリコン膜31を化学気相成長法によって形成しておいて、これを溶解除去する方法が最適である。
As another means for realizing the structure as shown in FIG. 6e, a silicon nitride film containing oxygen is formed in the
領域1に形成する酸化シリコン膜34の膜厚は、これを形成するためのドライ酸化条件によって制御することができる。ただし、この領域1に形成する酸化シリコン膜34の膜厚が厚くなるほど、即ちドライ酸化条件が高温或いは長時間になると、領域2の酸素を含有する窒化シリコン膜32への酸素の導入が進行し、膜厚が厚くなっていく。また、上記酸素を含有する窒化シリコン膜32の組成が酸化シリコンに近づいていき、酸化膜に比べてリーク電流が小さいという利点が失われていく。
The film thickness of the
勿論、上記ドライ酸化条件を考慮して、その前の工程の亜酸化窒素雰囲気中での熱処理条件を短時間或いは低温にすることで、ある程度の調整はできる。しかしながら、発明者の検討結果では、領域1に形成する酸化シリコン膜34の膜厚が6nmを超えると、領域2に形成される酸素を含有する窒化シリコン膜の膜厚増加が著しく、実用的では無い。また、領域1上の酸化シリコン膜34の形成を、ドライ酸化以外の手法で行なうことももちろん可能であり、例えばウェット酸化を用いることもできるが、この場合には、ドライ酸化に比べて窒化シリコン膜への酸素導入がより急激で、領域2に形成する酸素を含有する窒化シリコン膜32の酸化膜換算膜厚がより厚くなってしまう。
Of course, in consideration of the dry oxidation conditions, the heat treatment conditions in the nitrous oxide atmosphere in the previous step can be adjusted to a certain degree by setting them to a short time or a low temperature. However, as a result of examination by the inventors, when the thickness of the
また、完成状態において、領域1に、実質的に窒素を含有しない酸化シリコン膜ではなく窒素を含有する酸化シリコン膜を形成することも勿論可能であり、領域1に酸化シリコン膜を形成した後に、例えば、一酸化窒素や亜酸化窒素を含有する雰囲気で熱処理を行なえば良い。ただ、この本発明の実施の形態が、先に示した発明の実施の形態1と比較して特徴的な点は、窒素を実質的に含有しない酸化シリコン膜を形成できることである。酸素が導入された窒化シリコン膜と窒素を含有する酸化シリコン膜を同一シリコン基板上に形成するためには、発明の実施の形態1に述べた手法の方が適しており、加えて領域1に形成する酸化シリコン膜厚を6nm以上にすることも可能である。
In the completed state, it is of course possible to form a silicon oxide film containing nitrogen instead of a silicon oxide film containing substantially no nitrogen in the
以上の領域1及び2に異なるゲート絶縁膜を形成する手順と、発明の実施の形態1の中において述べたのと同様のnチャネル型MOSトランジスタの作製方法を組み合わせて、同一シリコン基板上に2種類の異なるゲート絶縁膜を有するnチャネル型MOSトランジスタを作製した。
The procedure for forming different gate insulating films in the
領域1上の酸化シリコン膜の形成をドライ酸化によって行ない、膜厚を2.5nmとした。電気的容量の測定から求めたゲート絶縁膜の酸化膜換算膜厚は、領域1は2.5nm、領域2は1.6nmであった。また領域2のMOSトランジスタのゲートリーク電流は膜厚1.5nmの酸化シリコン膜をゲート絶縁膜とするMOSトランジスタに比べて1/10に抑えられていた。
A silicon oxide film on the
領域1に作製したゲート長が1μmであるようなMOSトランジスタについて、ドレイン電圧が50mVのバイアス条件で、相互コンダクタンスを測定すると、発明の実施の形態1において領域1に作製したMOSトランジスタよりも、相互コンダクタンスの最大値が12%大きくなった。どちらのゲート絶縁膜の酸化膜換算膜厚も2.5nmであることを勘案すると、発明の実施の形態2で領域1に作製した窒素を含まない酸化シリコン膜の方が、発明の実施の形態1において領域1に作製した窒素を含有する酸化シリコン膜よりも、チャネル中の電子の移動度の最大値が大きくなっていると考えられる。これは、例えばアナログ素子に望ましい特性である。
For a MOS transistor with a gate length of 1 μm fabricated in
こうして、酸化膜換算膜厚1.6nmでゲートリーク電流が酸化シリコン膜の1/10に抑えられていて、なおかつ電流駆動能力も良好で、硼素の拡散抑制力が非常に強い、酸素を含有する窒化シリコン膜32と、膜厚2.5nmの窒素を実質的に含有しない酸化シリコン膜22の二種類のゲート絶縁膜を、同一ウェハ上に、シリコン基板表面に損傷及び汚染を与えることなく形成することが可能となった。
<発明の実施の形態3>
酸素を含有する窒化シリコンによるゲート絶縁膜と窒素を実質的に含有しない酸化シリコンによるゲート絶縁膜と窒素を含有する酸化シリコンによるゲート絶縁膜とを持つ3膜厚水準の半導体装置の製造方法を図7を用いて説明する。
Thus, the gate leakage current is suppressed to 1/10 of that of the silicon oxide film with an equivalent oxide film thickness of 1.6 nm, the current driving capability is also good, and the boron diffusion suppressing capability is very strong. Two types of gate insulating films, a
<Third Embodiment of the Invention>
A manufacturing method of a semiconductor device of a three-thickness level having a gate insulating film made of silicon nitride containing oxygen, a gate insulating film made of silicon oxide containing substantially no nitrogen, and a gate insulating film made of silicon oxide containing nitrogen is illustrated. 7 for explanation.
シリコン基板1の表面に、周知の浅溝素子分離法を用いて素子分離溝2を形成した後、850℃においてウェット酸化することによって、膜厚10nmの酸化シリコン膜41をシリコン基板1上に形成する。
After forming the
次に、レジスト4をウェハ全面に塗布し、通常のパターニングを行なって一部のレジストを除去する(図7a)。この時点で基板1にレジスト4に覆われている部分に領域1が形成される。
Next, a resist 4 is applied to the entire surface of the wafer, and normal patterning is performed to remove a part of the resist (FIG. 7a). At this time, the
領域1以外の酸化シリコン膜41を弗酸水溶液で除去し、続いて硫酸と過酸化水素水を含有する水溶液によってレジスト4を溶解除去する(図7b)。この後、SC−1洗浄、SC−2洗浄を行ない、表面の汚染を除去する。更に、SC−1洗浄、希弗酸洗浄を行なってから、モノシランと亜酸化窒素をソースガスとする化学気相成長法によって膜厚5nmの酸化シリコン膜42を堆積する。
The
続いて、レジスト43を全面に塗布し、通常のパターニングを行なって、領域1以外の領域のうち一部分のみにレジスト43を残す(図7c)。このレジスト43を残した領域が領域2となり、領域1,2以外の残りの領域が領域3となる。
Subsequently, a resist 43 is applied to the entire surface, and normal patterning is performed to leave the resist 43 only in a part of the region other than the region 1 (FIG. 7c). The region where the resist 43 remains is the
領域1及び3の酸化シリコン膜42を弗酸水溶液によって溶解除去し、続いて硫酸と過酸化水素水を含有する水溶液によってレジスト43を溶解除去する(図7d)。この洗浄によって、領域1上の酸化シリコン膜41は削れ、膜厚が9nmとなる。この後、SC−1洗浄、SC−2洗浄を行ない、表面の汚染を除去する。
The
更に、SC−1洗浄、希弗酸洗浄を行なってから、アンモニアガス雰囲気中700℃の熱処理によって領域3に0.9nmの窒化シリコン膜を形成し、続いて窒素によって5%に希釈した亜酸化窒素雰囲気中900℃の熱処理によって上記窒化シリコン膜に酸素を導入することにより、領域3上に酸素を含有する窒化シリコン膜44を形成する(図7e)。この際に領域1上の酸化シリコン膜41には窒素が導入される。また、領域2上の酸化シリコン膜42にも窒素が導入される。
Further, after SC-1 cleaning and dilute hydrofluoric acid cleaning, a 0.9 nm silicon nitride film is formed in
続いて、弗酸水溶液によって領域2上の酸化シリコン膜42を溶解除去する。この領域2上の酸化シリコン膜42は、元来が化学気相成長法によって形成された膜なので、弗酸水溶液に対する溶解速度が、熱酸化膜よりも速い。従って、上記領域2上の酸化シリコン膜42の溶解除去の間に、領域1上の酸化シリコン膜41は約3nm膜厚が減少する程度しか溶解せず、膜厚は6nmとなる。また、領域3の酸素が導入された窒化シリコン膜44については、その上部に形成した酸化シリコンに近い組成の部分が溶解するのみで、その下部に存在する窒化シリコンに近い組成の部分は殆ど溶解しない(図7f)。
Subsequently, the
次に、800℃におけるドライ酸化によって、領域2の露出したシリコン基板上に2.5nmの酸化シリコン膜45を形成する。このドライ酸化工程において、領域1上の酸化シリコン膜41は膜厚が6nmから7nmに増加する。同時に、領域3上の酸素を含有する窒化シリコン膜44に更に酸素が導入され、上部には酸化シリコンに近い組成を有する部分が再び形成する(図7g)。
Next, a 2.5 nm thick
こうして、領域1上には膜厚が7nmであり窒素を含有する酸化シリコン膜41、領域2には窒素を実質的に含有しない膜厚2.5nmの酸化シリコン膜45、領域3には酸素を含有する窒化シリコン膜44が形成され、同一シリコン基板上に3種類のゲート絶縁膜を形成することが可能となった。
Thus, a
以上に述べたような、同一シリコン基板上に3種類のゲート絶縁膜を形成する手順と発明の実施の形態1に述べたMOSトランジスタの形成方法を組み合わせて、同一シリコン基板上に3種類の異なるゲート絶縁膜を有するnチャネル型MOSトランジスタを作製した。 By combining the procedure for forming three types of gate insulating films on the same silicon substrate as described above and the method for forming the MOS transistor described in the first embodiment of the present invention, three different types are formed on the same silicon substrate. An n-channel MOS transistor having a gate insulating film was produced.
電気的容量の測定から求めたゲート絶縁膜の酸化膜換算膜厚は、領域1が6.9nm、領域2は2.5nm、領域3は1.6nmであった。各領域に形成されたトランジスタは、それぞれ、電源電圧3.3Vの入出力部分の素子、アナログ回路部分の素子、0.8〜1.4Vにおいて動作する高速論理回路部分の素子を対象としている。
The equivalent oxide thickness of the gate insulating film obtained from the measurement of electric capacitance was 6.9 nm for
領域2のゲート絶縁膜45の特性は、当然ながら、通常の膜厚2.5nmの熱酸化膜と同等であった。また、領域3に形成した酸素を含有する窒化シリコン膜44の特性は、発明の実施の形態3において領域2に形成した酸素を含有する窒化シリコン膜と同等であった。即ち、膜厚1.6nmの従来の熱酸化膜に比べて、リーク電流が約1/10に抑制されていた。
Naturally, the characteristics of the
ところで、領域1に形成した窒素を含有する酸化シリコン膜41については、その形成過程において、一度膜厚10nmの酸化シリコン膜が形成された後に弗酸水溶液による溶解処理を経てその膜厚が6nmに減じられ、再びドライ酸化を行なって、膜厚7nmの酸化シリコン膜が形成されている。このような絶縁膜形成中の溶解処理は、膜の絶縁破壊寿命に影響する場合があるが、一般には溶解処理後の再度のドライ酸化処理により、絶縁破壊寿命が回復する。
By the way, with respect to the
そこで、領域1上の酸化シリコン膜41の絶縁破壊寿命を評価するために、領域1に作製したゲート長15μm、ゲート幅15μmのnチャネル型MOSトランジスタの絶縁破壊寿命を測定した。3.3Vにおける使用を想定した寿命予測の結果は10000年以上であり、全く問題がないことが判明した。
Therefore, in order to evaluate the dielectric breakdown lifetime of the
こうして、酸化膜換算膜厚1.6nmでゲートリーク電流が酸化シリコン膜の1/10に抑えられていて、なおかつ電流駆動能力も良好で、硼素の拡散抑制力が非常に強い、酸素を含有する窒化シリコン膜44と、酸化膜換算膜厚6.9nmの窒素を含有する酸化シリコン膜41と膜厚2.5nmの窒素を実質的に含有しない酸化シリコン膜22との三種類のゲート絶縁膜を、同一ウェハ上に、シリコン基板表面に損傷及び汚染を与えることなく形成することが可能となった。
Thus, the gate leakage current is suppressed to 1/10 of that of the silicon oxide film with an equivalent oxide film thickness of 1.6 nm, the current driving capability is also good, and the boron diffusion suppressing capability is very strong. Three types of gate insulating films, that is, a
1…シリコン基板、2…素子分離溝、3…酸化シリコン膜、4,43…レジスト、14…ゲート電極、15…拡散層、16…サイドウォール、17…層間絶縁膜、18…配線、21,32,44…酸素を含有する窒化シリコン膜、22,33…窒素を含有する酸化シリコン膜、31,34,41,42,45…酸化シリコン膜。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
上記窒素を含有する酸化シリコン膜の窒素濃度が該酸化シリコン膜の表面又は該酸化シリコン膜と前記シリコン半導体基板との界面のいずれかにおいて最大であり、上記酸素を含有する窒化シリコン膜の酸素濃度が該窒化シリコン膜と該シリコン半導体基板との界面と該窒化シリコン膜の表面との間の膜中間において最小であることを特徴とする半導体装置。 A first semiconductor region and a second semiconductor region separated from each other by a field insulating layer for element isolation selectively formed on a surface of a silicon semiconductor substrate, and nitrogen formed on the surface of the first semiconductor region A first MOS (Metal Oxide Semiconductor) device using a silicon oxide film as a gate insulating film and a second MOS device using a silicon nitride film having oxygen formed on the surface of the second semiconductor region as a gate insulating film And
The nitrogen concentration of the silicon oxide film containing nitrogen is maximum either at the surface of the silicon oxide film or at the interface between the silicon oxide film and the silicon semiconductor substrate, and the oxygen concentration of the silicon nitride film containing oxygen Is a minimum in the middle of the film between the interface between the silicon nitride film and the silicon semiconductor substrate and the surface of the silicon nitride film.
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