JP2008288392A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP2008288392A JP2007132170A JP2007132170A JP2008288392A JP 2008288392 A JP2008288392 A JP 2008288392A JP 2007132170 A JP2007132170 A JP 2007132170A JP 2007132170 A JP2007132170 A JP 2007132170A JP 2008288392 A JP2008288392 A JP 2008288392A
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Yusuke Morizaki
祐輔 森▲崎▼
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a two-layer gate insulating film of silicon oxide nitride film/silicon nitride film, with a low interface level density. <P>SOLUTION: A first gate insulating film 10 comprising a silicon oxide film 11 or a silicon oxide nitride film is formed on the surface of a semiconductor substrate 1, and then the first gate insulating film 10 is subjected to a plasma nitriding process. Then, the first gate insulating film 10 is thermally treated in the nitrogen oxide gas or a gas containing nitrogen oxide (first thermal treatment process). Then, the first gate insulating film 10 is subjected to a second thermal treatment process in which it is thermally treated in the inactive gas or under vacuum at a temperature higher than the first thermal treatment temperature. After that, on the first gate insulating film 10, a second gate insulating film 12 comprising a silicon nitride film is deposited by a vapor-phase deposition method. The second thermal treatment process allows the first gate insulating film to be more tight, preventing diffusion of active species generated at deposition of the second gate insulating film 12, not to increase its interface level. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明はシリコン酸窒化膜上にシリコン窒化膜を積層した2層膜からなるゲート絶縁膜を用いた半導体装置の製造方法に関し、とくにシリコン基板との界面準位密度が少ないゲート絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device using a gate insulating film composed of a two-layer film in which a silicon nitride film is laminated on a silicon oxynitride film, and more particularly to forming a gate insulating film having a low interface state density with a silicon substrate. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

MIS(metal Insulator Semiconductor)型半導体装置、例えば電界効果トランジスタの微細化に伴い、スケーリング側に沿うゲート絶縁膜の薄膜化が進められている。   With the miniaturization of MIS (metal insulator semiconductor) type semiconductor devices, for example, field effect transistors, the gate insulating film along the scaling side is being made thinner.

従来、ゲート絶縁膜として、シリコン酸化膜(SiO2 膜)又はシリコン酸窒化膜(SiON膜)が用いられていた。これらシリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜は、シリコン結晶との整合性が優れるため、シリコン基板との間の界面準位密度が少なく、ゲート絶縁膜として優れた電気的特性を有する。 Conventionally, a silicon oxide film (SiO 2 film) or a silicon oxynitride film (SiON film) has been used as a gate insulating film. Since these silicon oxide films and silicon oxynitride films have excellent compatibility with silicon crystals, the interface state density with the silicon substrate is low, and they have excellent electrical characteristics as gate insulating films.

しかし、酸化膜換算膜厚が1nm程度まで薄くなると、シリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜では、ゲート電極とシリコン基板間のトンネル電流が増加してゲート電極のリーク電流が大きくなり、トランジスタの動作特性が劣化してしまう。   However, when the equivalent oxide film thickness is reduced to about 1 nm, in the gate insulating film made of silicon oxide film or silicon oxynitride film, the tunnel current between the gate electrode and the silicon substrate increases, and the leakage current of the gate electrode increases. As a result, the operating characteristics of the transistor deteriorate.

そこで、シリコン酸化膜やシリコン酸窒化膜に代えて、誘電率の高いシリコン窒化膜をゲート絶縁膜に用いる試みがなされている。かかる高誘電体からなるゲート絶縁膜は、換算膜厚が薄くても実膜厚は厚いので、トンネル電流に起因するリーク電流を効果的に抑制することができる。   Therefore, an attempt has been made to use a silicon nitride film having a high dielectric constant for the gate insulating film instead of the silicon oxide film or the silicon oxynitride film. Since the gate insulating film made of such a high dielectric material has a large actual film thickness even if the equivalent film thickness is small, it is possible to effectively suppress the leakage current caused by the tunnel current.

しかし、シリコン窒化膜を直接半導体基板上に形成すると、シリコン窒化膜と半導体基板との界面に界面準位及び固定電荷が高密度に発生する。これらの界面準位及び固定電荷は、界面直下の半導体層の電子移動度を低下させ半導体装置の動作特性を劣化させたり、ストレス試験時における特性の経年変動を引き起こす。このため、半導体基板上に直接シリコン窒化膜を形成し、これをゲート絶縁膜として使用することは好ましくない。   However, when the silicon nitride film is formed directly on the semiconductor substrate, interface states and fixed charges are generated at a high density at the interface between the silicon nitride film and the semiconductor substrate. These interface states and fixed charges lower the electron mobility of the semiconductor layer immediately below the interface, thereby degrading the operating characteristics of the semiconductor device, and causing aging fluctuations in characteristics during the stress test. For this reason, it is not preferable to form a silicon nitride film directly on a semiconductor substrate and use it as a gate insulating film.

かかるシリコン窒化膜に見られる界面準位及び固定電荷の発生を防ぎ、かつトンネル電流に起因するリーク電流を抑制するために、シリコン酸化膜若しくはシリコン酸窒化膜上にシリコン窒化膜を積層した2層構造のゲート絶縁膜が用いられている。この2層のゲート絶縁膜では、上層に高誘電率のシリコン窒化膜を用いるので換算膜厚が減少する。そのため、ゲート絶縁膜の実際の膜厚が厚くなり、リーク電流が減少する。その結果、リーク電流の低減と、下層のシリコン酸化膜が有する低密度の界面準位とが同時に実現される。   Two layers in which a silicon nitride film is laminated on a silicon oxide film or a silicon oxynitride film in order to prevent generation of interface states and fixed charges found in the silicon nitride film and to suppress a leakage current caused by a tunnel current A gate insulating film having a structure is used. In this two-layer gate insulating film, a high dielectric constant silicon nitride film is used as the upper layer, so that the equivalent film thickness is reduced. Therefore, the actual film thickness of the gate insulating film is increased and the leakage current is reduced. As a result, a reduction in leakage current and a low-density interface state of the underlying silicon oxide film are realized at the same time.

しかし、ゲート絶縁膜の下層をシリコン酸化膜で構成すると、シリコン酸化膜の誘電率はシリコン窒化膜に比べて低いため、換算膜厚を十分に薄くするにはシリコン酸化膜の膜厚を薄くしなければならずリーク電流が増加してしまう。このため、換算膜厚が薄いゲート絶縁膜では、リーク電流を小さくすることは難しい。   However, if the lower layer of the gate insulating film is composed of a silicon oxide film, the dielectric constant of the silicon oxide film is lower than that of the silicon nitride film. Therefore, to reduce the equivalent film thickness sufficiently, the thickness of the silicon oxide film must be reduced. This must increase the leakage current. For this reason, it is difficult to reduce the leakage current with a gate insulating film having a small equivalent film thickness.

このような下層を構成するシリコン酸化膜の薄膜化に伴うリーク電流の増加は、ゲート絶縁膜の下層を高誘電率のシリコン酸窒化膜で構成することで抑制することができる。シリコン酸窒化膜は、シリコン酸化膜に比べ誘電率が大きい。このため、厚いシリコン酸窒化膜を用いてもゲート絶縁膜の換算膜厚を薄くすることができるので、リーク電流を小さくすることができる。一方、シリコン酸窒化膜とシリコン基板との間に生成する界面準位及び固定電荷は比較的少なく、半導体装置の動作特性の劣化は少ない。   An increase in leakage current due to the thinning of the silicon oxide film constituting the lower layer can be suppressed by forming the lower layer of the gate insulating film with a silicon oxynitride film having a high dielectric constant. The silicon oxynitride film has a larger dielectric constant than the silicon oxide film. For this reason, even if a thick silicon oxynitride film is used, the equivalent film thickness of the gate insulating film can be reduced, so that the leakage current can be reduced. On the other hand, the interface state and fixed charge generated between the silicon oxynitride film and the silicon substrate are relatively small, and the deterioration of the operating characteristics of the semiconductor device is small.

とくに、シリコン酸窒化膜の窒素濃度分布を、シリコン基板との界面近傍で低く、それ以外の上層部分で均一に高濃度にすることで、界面準位及び固定電荷が少なくかつ換算膜厚が薄いシリコン酸窒化膜とすることができる。かかるシリコン酸窒化膜/シリコン窒化膜の2層からなるゲート絶縁膜の従来の製造方法を以下に説明する。(例えば、未公開の特許出願、特願2006−011603号参照。)。   In particular, the nitrogen concentration distribution of the silicon oxynitride film is low in the vicinity of the interface with the silicon substrate, and uniformly high in the upper layer other than that, so that there are few interface states and fixed charges, and the equivalent film thickness is thin. It can be a silicon oxynitride film. A conventional method for manufacturing a gate insulating film composed of two layers of silicon oxynitride film / silicon nitride film will be described below. (For example, see unpublished patent application, Japanese Patent Application No. 2006-011603.)

図7は従来のゲート絶縁膜製造工程断面図であり、電界効果トランジスタのゲート絶縁膜部分の断面を表している。   FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional gate insulating film manufacturing process, showing a cross section of a gate insulating film portion of a field effect transistor.

図7(a)を参照して、従来のゲート絶縁膜製造工程では先ず、シリコンからなる半導体基板1を熱酸化して、半導体基板1上に第1ゲート絶縁膜10としてシリコン酸化膜11を形成する。次いで、表面を窒素プラズマ20又はその下流に曝して、シリコン酸化膜11の表面を窒化し、シリコン酸化膜11の表面に窒化層11aを形成する。   Referring to FIG. 7A, in a conventional gate insulating film manufacturing process, first, a semiconductor substrate 1 made of silicon is thermally oxidized to form a silicon oxide film 11 as a first gate insulating film 10 on the semiconductor substrate 1. To do. Next, the surface is exposed to the nitrogen plasma 20 or downstream thereof to nitride the surface of the silicon oxide film 11, thereby forming a nitride layer 11 a on the surface of the silicon oxide film 11.

次いで、図7(b)を参照して、第1ゲート絶縁膜10上に、CVD法(化学的気相堆積法)を用いてシリコン窒化膜103(第2ゲート絶縁膜)を堆積する。   Next, referring to FIG. 7B, a silicon nitride film 103 (second gate insulating film) is deposited on the first gate insulating film 10 by using a CVD method (chemical vapor deposition method).

次いで、図7(c)を参照して、減圧酸素雰囲気中での熱処理及び窒素ガス中での熱処理を行い、シリコン酸窒化膜/シリコン窒化膜の2層からなるゲート絶縁膜を形成する。   Next, referring to FIG. 7C, heat treatment in a reduced pressure oxygen atmosphere and heat treatment in nitrogen gas are performed to form a gate insulating film composed of two layers of silicon oxynitride film / silicon nitride film.

上述した従来のゲート絶縁膜製造工程では、シリコン酸化膜11をプラズマ窒化処理した後、続けてシリコン窒化膜を堆積する。このシリコン窒化膜の堆積は、通常、アンモニアを含む原料ガスを用いたCVD法によりなされる。その際、窒素原子と水素原子が結合した活性種又は水素原子を含む活性種が発生する。これらの活性種は、容易にシリコン酸化膜11を通り抜けて半導体基板との界面に到達し、シリコン酸化膜11と半導体基板との界面に高密度の界面準位及び固定電荷を形成する。その結果、トランジスタの動作特性が劣化する。   In the above-described conventional gate insulating film manufacturing process, the silicon oxide film 11 is plasma-nitrided, and then a silicon nitride film is deposited. The silicon nitride film is usually deposited by a CVD method using a source gas containing ammonia. At that time, an active species in which a nitrogen atom and a hydrogen atom are bonded or an active species containing a hydrogen atom is generated. These active species easily pass through the silicon oxide film 11 and reach the interface with the semiconductor substrate, and form high-density interface states and fixed charges at the interface between the silicon oxide film 11 and the semiconductor substrate. As a result, the operating characteristics of the transistor deteriorate.

ゲート絶縁膜の上層を構成する高誘電率材料として、シリコン窒化膜に代えて、高誘電率の金属酸化物膜(Al、Hf又はZr等の酸化物膜)又はこれらの金属の酸化シリケート膜を堆積する方法が知られている。(例えば、特許文献1参照。)。このゲート絶縁膜では、シリコン窒化膜の堆積時に生成される活性種がシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜を透過して界面準位や固定電荷を形成するという問題が回避される。   As a high dielectric constant material constituting the upper layer of the gate insulating film, instead of a silicon nitride film, a high dielectric constant metal oxide film (oxide film of Al, Hf, Zr or the like) or an oxide silicate film of these metals is used. Methods for depositing are known. (For example, refer to Patent Document 1). In this gate insulating film, the problem that active species generated during the deposition of the silicon nitride film pass through the silicon oxide film or the silicon oxynitride film to form interface states and fixed charges is avoided.

図8は従来の他のゲート絶縁膜製造工程断面図であり、シリコン酸窒化膜上に金属酸化物又は金属シリケートからなる高誘電体膜を堆積して2層構造としたゲート絶縁膜を表している。   FIG. 8 is a sectional view of another conventional gate insulating film manufacturing process, showing a gate insulating film having a two-layer structure in which a high dielectric film made of a metal oxide or a metal silicate is deposited on a silicon oxynitride film. Yes.

図8(a)を参照して、まず、シリコンからなる半導体基板1上に、熱酸化によりシリコン酸化膜11を形成する。   Referring to FIG. 8A, first, a silicon oxide film 11 is formed on a semiconductor substrate 1 made of silicon by thermal oxidation.

次いで、図8(b)を参照して、窒素プラズマ20に曝して、シリコン酸化膜11の表面に表面窒化層11aを形成する(プラズマ窒化処理)。   Then, referring to FIG. 8B, the surface nitride layer 11a is formed on the surface of the silicon oxide film 11 by being exposed to the nitrogen plasma 20 (plasma nitriding treatment).

次いで、図8(c)を参照して、NOガス中で熱処理する。この処理により、窒化がシリコン酸化膜11の深層まで進行し、先にシリコン酸化膜11の表面に形成された表面窒化層11aより深い位置に深い窒化層11bを形成する。その結果、シリコン酸化膜11は、表面窒化層11aと深い窒化層11bとの窒素濃度を重畳した窒素濃度分布を有するシリコン酸窒化膜となる。なお、シリコン酸化膜11の最深部、即ち深い窒化膜11bの下に位置する半導体基板1近傍のシリコン酸化膜11は、窒素濃度が低い低濃度窒化層11cとされる。   Next, referring to FIG. 8C, heat treatment is performed in NO gas. By this treatment, nitridation proceeds to a deep layer of the silicon oxide film 11, and a deep nitride layer 11b is formed at a deeper position than the surface nitride layer 11a previously formed on the surface of the silicon oxide film 11. As a result, the silicon oxide film 11 becomes a silicon oxynitride film having a nitrogen concentration distribution in which the nitrogen concentrations of the surface nitride layer 11a and the deep nitride layer 11b are superimposed. The deepest portion of the silicon oxide film 11, that is, the silicon oxide film 11 near the semiconductor substrate 1 located under the deep nitride film 11b is a low-concentration nitride layer 11c having a low nitrogen concentration.

次いで、図8(d)を参照して、窒素ガス中で熱処理して、熱処理された浅い窒化層11a、深い窒化層11b及び低濃度窒化層11cからなる第1ゲート絶縁膜10を形成する。   Next, referring to FIG. 8D, heat treatment is performed in nitrogen gas to form a first gate insulating film 10 including the heat-treated shallow nitride layer 11a, deep nitride layer 11b, and low-concentration nitride layer 11c.

次いで、図8(e)を参照して、第1ゲート絶縁膜10上に、金属酸化物膜或いは金属シリケート膜からなる高誘電体膜101を堆積して、第1ゲート絶縁膜10と高誘電体膜101との2層からなるゲート絶縁膜102が製造される。   8E, a high dielectric film 101 made of a metal oxide film or a metal silicate film is deposited on the first gate insulating film 10, and the first gate insulating film 10 and the high dielectric A gate insulating film 102 composed of two layers with the body film 101 is manufactured.

上述した金属酸化物膜等を含むゲート絶縁膜の製造では、シリコン酸化膜11をプラズマ窒化とNOガス中熱処理との2回の窒化処理を行い、シリコン酸化膜11の深い位置まで高濃度に窒化する。このため、第1ゲート絶縁膜10の大部分を均一に窒素ドープされた窒素濃度の高いシリコン酸窒化膜が占めることとなり、換算膜厚が厚い第1ゲート絶縁膜10が得られる。かかる高窒素濃度のシリコン酸窒化膜は、ボロンの第1ゲート絶縁膜10中の透過を抑制する。   In the manufacture of the gate insulating film including the metal oxide film described above, the silicon oxide film 11 is subjected to nitridation twice of plasma nitriding and heat treatment in NO gas, and nitrided to a deep position of the silicon oxide film 11 at a high concentration. To do. For this reason, a large portion of the first gate insulating film 10 is uniformly nitrogen-doped silicon oxynitride film having a high nitrogen concentration, and the first gate insulating film 10 having a large equivalent film thickness is obtained. Such a silicon oxynitride film having a high nitrogen concentration suppresses permeation of boron into the first gate insulating film 10.

このように、金属酸化物膜等を含むゲート絶縁膜102の製造では、下層を構成する第1ゲート絶縁膜10を、シリコン酸化膜11の窒化後、高誘電体膜101を堆積する前に、窒素ガス中で熱処理する。この窒素ガス中の熱処理は、半導体装置の相互コンダクタンスを改善する。   As described above, in the manufacture of the gate insulating film 102 including the metal oxide film or the like, the first gate insulating film 10 constituting the lower layer is nitrided after the silicon oxide film 11 and before the high dielectric film 101 is deposited. Heat treatment in nitrogen gas. This heat treatment in nitrogen gas improves the transconductance of the semiconductor device.

さらに、上述した金属酸化物膜等を含むゲート絶縁膜の製造では、第1ゲート絶縁膜上に金属酸化物膜或いは金属シリケート膜を堆積する。これら金属酸化物膜或いは金属シリケート膜の堆積は、C及びNを含む原料ガスを用いたCVD法又はプラズマCVD法により堆積される。それにも関わらず、この金属酸化物膜等の堆積では、原料ガスに少量のアンモニアしか含有しないので、シリコン酸化膜11を容易に通過するような活性種、例えば窒素と水素とが結合した活性種はごく僅かしか発生しない。従って、シリコン酸化膜と半導体基板との間の界面準位及び固定電荷の密度は十分に低く維持される。このため、優れたゲート絶縁膜が形成される。   Furthermore, in manufacturing the gate insulating film including the metal oxide film described above, a metal oxide film or a metal silicate film is deposited on the first gate insulating film. The metal oxide film or the metal silicate film is deposited by a CVD method or a plasma CVD method using a source gas containing C and N. Nevertheless, in the deposition of the metal oxide film or the like, since the source gas contains only a small amount of ammonia, active species that can easily pass through the silicon oxide film 11, for example, active species in which nitrogen and hydrogen are combined. Very little occurs. Therefore, the interface state between the silicon oxide film and the semiconductor substrate and the density of fixed charges are kept sufficiently low. For this reason, an excellent gate insulating film is formed.

他方、金属酸化膜等を堆積するための原料ガスは、半導体装置の製造プロセスに不適な物質をも含有し好ましくない。このため、かかる物質を含有せずかつ比較的誘電率が高いシリコン窒化膜を高誘電体膜として用いることが望まれる。しかし、シリコン窒化膜の堆積は、多くは、アンモニアを含む原料ガスを用いたCVD法が用いられ、堆積時にシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を容易に透過する活性種、例えば窒素と水素が結合した活性種が多量に生成される。その結果、高密度の界面準位及び高密度の固定電荷が形成され、半導体装置の動作特性を劣化させる。かかる事情は、窒素を含む原料ガスを用いたPCVD法(プラズマ気相堆積法)において同様である。   On the other hand, the source gas for depositing the metal oxide film or the like is not preferable because it contains a substance unsuitable for the manufacturing process of the semiconductor device. For this reason, it is desired to use a silicon nitride film that does not contain such a substance and has a relatively high dielectric constant as the high dielectric film. However, the silicon nitride film is often deposited by a CVD method using a source gas containing ammonia, and active species that easily pass through the silicon oxide film or the silicon nitride film during the deposition, for example, nitrogen and hydrogen are combined. A large amount of active species is produced. As a result, high-density interface states and high-density fixed charges are formed, and the operating characteristics of the semiconductor device are deteriorated. This situation is the same in the PCVD method (plasma vapor deposition method) using a source gas containing nitrogen.

これらの活性種の透過を防ぐには、誘電率が小さなシリコン酸化膜(又はシリコン窒化膜)を厚くしなければならない。その結果、シリコン酸化膜/シリコン窒化膜の2層構造からなるゲート絶縁膜では、換算膜厚を薄くすることができない。   In order to prevent the transmission of these active species, the silicon oxide film (or silicon nitride film) having a small dielectric constant must be thickened. As a result, the equivalent film thickness cannot be reduced in the gate insulating film having a two-layer structure of silicon oxide film / silicon nitride film.

かかる事情から、シリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜上にシリコン窒化膜を堆積する従来のゲート絶縁膜の製造方法により、換算膜厚が薄いゲート絶縁膜を製造することは、リーク電流の抑制及び界面準位・固定電荷の抑制の観点から困難であった。
国際公開WO2004/097925号パンフレット
For this reason, manufacturing a gate insulating film with a reduced equivalent film thickness by a conventional gate insulating film manufacturing method in which a silicon nitride film is deposited on a silicon oxide film or silicon oxynitride film is effective in reducing leakage current and reducing the interface. It was difficult from the viewpoint of suppressing the level and fixed charge.
International Publication WO2004 / 097925 Pamphlet

上述したように、従来の2層構造のゲート絶縁膜の製造方法では、シリコン酸化膜をプラズマ窒化及び窒素酸化物ガス中熱処理により窒化して形成されるシリコン酸窒化膜を下層とし、その下層上にシリコン窒化膜を化学的気相堆積法又はプラズマ気相堆積法を用いて堆積していた。   As described above, in the conventional method for manufacturing a gate insulating film having a two-layer structure, a silicon oxynitride film formed by nitriding a silicon oxide film by plasma nitriding and heat treatment in a nitrogen oxide gas is used as a lower layer, and the lower layer is formed on the lower layer. A silicon nitride film was deposited using chemical vapor deposition or plasma vapor deposition.

しかし、この製造方法では、シリコン窒化膜の堆積時に発生する活性種が、下層のシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜を透過してシリコン酸化膜と半導体基板との界面に到達し、界面に界面準位及び固定電荷を高密度に発生させてしまう。このため、かかるゲート絶縁膜を用いた半導体装置では、優れた動作特性を実現することが難しい。   However, in this manufacturing method, the active species generated during the deposition of the silicon nitride film permeate the lower silicon oxide film or silicon oxynitride film and reach the interface between the silicon oxide film and the semiconductor substrate, so And high density of fixed charges. For this reason, it is difficult to realize excellent operating characteristics in a semiconductor device using such a gate insulating film.

また、シリコン酸化膜を、プラズマ窒化及び窒素酸化物ガス中熱処理により窒化してシリコン酸窒化膜とした後、さらに窒素中熱処理を加え、その上に金属酸化物又は金属シリケートを堆積した2層構造のゲート絶縁膜を形成する方法が開示されている。これらの金属酸化物及び金属シリケートの堆積では、堆積時にシリコン酸窒化膜を透過して界面準位又は固定電荷を形成する活性種の発生は少なく、半導体装置の動作特性を劣化させることは少ない。   A two-layer structure in which a silicon oxide film is nitrided by plasma nitriding and nitrogen oxide gas heat treatment to form a silicon oxynitride film, followed by further nitrogen heat treatment, and depositing metal oxide or metal silicate thereon. A method of forming the gate insulating film is disclosed. In the deposition of these metal oxides and metal silicates, the generation of active species that pass through the silicon oxynitride film and form interface states or fixed charges during the deposition is small, and the operating characteristics of the semiconductor device are rarely degraded.

しかし、かかるシリコン酸窒化膜上にシリコン窒化膜を堆積することは開示されていない。シリコン窒化膜の堆積は界面準位及び固定電荷を形成する活性種が多量に生成するため、金属酸化膜又は金属シリケート膜の堆積とは異なり高密度の界面準位及び固定電荷が形成されるおそれがある。   However, it is not disclosed to deposit a silicon nitride film on such a silicon oxynitride film. Since the deposition of silicon nitride film generates a large amount of active species that form interface states and fixed charges, unlike the deposition of metal oxide films or metal silicate films, high density interface states and fixed charges may be formed. There is.

本発明は、シリコン酸窒化膜上にシリコン窒化膜を積層したゲート絶縁膜の製造方法に関し、シリコン基板とゲート絶縁膜との界面における界面準位及び固定電荷の密度が低いゲート絶縁膜を形成することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention relates to a method for manufacturing a gate insulating film in which a silicon nitride film is stacked on a silicon oxynitride film, and forms a gate insulating film having a low interface state and a fixed charge density at the interface between the silicon substrate and the gate insulating film. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device.

上記課題を解決するために、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板表面にシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜からなる第1ゲート絶縁膜を形成する工程と、第1ゲート絶縁膜をプラズマ窒化処理する工程と、次いで、第1ゲート絶縁膜を窒素酸化物ガス又は窒素酸化物を含むガス中で熱処理する第1熱処理工程と、次いで、第1ゲート絶縁膜を、不活性ガス又は真空中で第1熱処理温度よりも高温で熱処理する第2熱処理工程と、次いで、第1ゲート絶縁膜上に、気相堆積法を用いてシリコン窒化膜からなる第2ゲート絶縁膜を堆積する工程とを有する
本発明では、まずシリコン酸化膜(又はシリコン酸窒化膜)をプラズマ窒化処理と窒化酸化物ガス中で熱処理(第1熱処理)して、深くまで高濃度に窒素ドープされたシリコン酸窒化膜を形成する。このシリコン酸窒化膜は、深くまで高濃度に窒化されており、誘電率が高いので薄い換算膜厚を有する。
In order to solve the above-described problems, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a first gate insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film on a surface of a semiconductor substrate, and plasma forming the first gate insulating film. A step of nitriding, a first heat treatment step of heat-treating the first gate insulating film in a nitrogen oxide gas or a gas containing nitrogen oxide, and then the first gate insulating film in an inert gas or vacuum A second heat treatment step in which heat treatment is performed at a temperature higher than the first heat treatment temperature, and then a step in which a second gate insulating film made of a silicon nitride film is deposited on the first gate insulating film using a vapor deposition method. In the present invention, first, a silicon oxide film (or silicon oxynitride film) is subjected to a plasma nitridation process and a heat treatment (first heat treatment) in a nitrided oxide gas, and silicon acid doped with nitrogen at a high concentration deeply. A nitride film is formed. This silicon oxynitride film is nitrided deeply to a high concentration and has a low equivalent film thickness because of its high dielectric constant.

さらに、このシリコン酸窒化膜を不活性ガス又は真空中で第2熱処理を行う。この第2熱処理により、プラズマ窒化の際にシリコン酸窒化膜中に生じたダメージが回復するとともに、シリコン酸窒化膜が緻密になり密度が高くなる。   Further, a second heat treatment is performed on the silicon oxynitride film in an inert gas or vacuum. By this second heat treatment, damage caused in the silicon oxynitride film during plasma nitriding is recovered, and the silicon oxynitride film becomes dense and the density increases.

本発明では、このように高密度化したシリコン酸窒化膜を第1ゲート絶縁膜として、その上にシリコン窒化膜を第2ゲート絶縁膜として堆積する。そして、シリコン酸窒化膜からなる第1ゲート絶縁膜上にシリコン窒化膜からなる第2ゲート絶縁膜を積層してなるゲート絶縁膜を形成する。   In the present invention, the silicon oxynitride film thus densified is used as a first gate insulating film, and a silicon nitride film is deposited thereon as a second gate insulating film. Then, a gate insulating film is formed by laminating a second gate insulating film made of a silicon nitride film on the first gate insulating film made of a silicon oxynitride film.

即ち、本発明のシリコン酸窒化膜は、シリコン窒化膜(第2ゲート絶縁膜)の堆積に先立ち、不活性ガス雰囲気中又は不活性ガスを含む雰囲気中でなされる第2熱処理により高密度化されている。本発明の発明者は、かる第2熱処理により高密度化されたシリコン酸窒化膜が、シリコン窒化膜の堆積時に生成する活性種のシリコン酸窒化膜中の拡散を抑制することを実験により明らかにした。この実験によると、第2熱処理を経たシリコン酸窒化膜上にシリコン窒化膜を堆積しても、シリコン酸窒化膜と半導体基板との界面の界面準位及び固定電荷の密度増加は僅かであり殆ど半導体装置の動作特性に影響しない。   That is, the silicon oxynitride film of the present invention is densified by a second heat treatment performed in an inert gas atmosphere or an atmosphere containing an inert gas prior to the deposition of the silicon nitride film (second gate insulating film). ing. The inventor of the present invention has clarified through experiments that the silicon oxynitride film densified by the second heat treatment suppresses diffusion in the active silicon oxynitride film generated during the deposition of the silicon nitride film. did. According to this experiment, even when a silicon nitride film is deposited on the silicon oxynitride film that has undergone the second heat treatment, the interface state at the interface between the silicon oxynitride film and the semiconductor substrate and the density increase of the fixed charges are slight. Does not affect the operating characteristics of the semiconductor device.

従って、本発明の方法により製造されたゲート絶縁膜を用いた半導体装置は、シリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜を用いた半導体装置と同等の動作特性を有する。また、ゲート絶縁膜の換算膜厚は従来のシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜に比べて薄いので、これらをゲート絶縁膜とする従来の半導体装置に比べてリーク電流は小さい。   Therefore, the semiconductor device using the gate insulating film manufactured by the method of the present invention has the same operating characteristics as the semiconductor device using the gate insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film. Further, since the equivalent film thickness of the gate insulating film is smaller than that of the conventional silicon oxide film or silicon oxynitride film, the leakage current is smaller than that of the conventional semiconductor device using these as the gate insulating film.

本発明において、シリコン窒化膜を化学的気相堆積法(CVD法)、例えば原料ガスにアンモニアを含有するCVD法を用いて堆積することができる。これにより、欠陥の少ないシリコン窒化膜を堆積することができる。また、窒素を含む原料ガスを用いたプラズマ化学気相堆積法(PCVD法)を用いて、高速に堆積することもできる。   In the present invention, the silicon nitride film can be deposited using a chemical vapor deposition method (CVD method), for example, a CVD method in which ammonia is contained in a source gas. Thereby, a silicon nitride film with few defects can be deposited. Alternatively, high-speed deposition can be performed using a plasma enhanced chemical vapor deposition method (PCVD method) using a source gas containing nitrogen.

本発明の第2熱処理は、シリコン窒化膜の堆積時に生成する活性種がシリコン酸窒化膜中を拡散して許容する以上の界面準位等を高密度に形成することがない程度に、シリコン酸窒化膜を緻密化し高密度化しなければならない。   In the second heat treatment of the present invention, the silicon oxide film is formed to such an extent that the active species generated during the deposition of the silicon nitride film does not form a high density of interface states or the like that is allowed by diffusing in the silicon oxynitride film. The nitride film must be densified and densified.

かかる第2熱処理は、不活性ガス(例えば窒素ガス)又は真空中でなされる。この雰囲気中では、シリコン酸窒化膜を容易に透過する活性種が発生せず、界面準位の新たな形成はなされない。また、シリコン酸窒化膜の新たな窒化は無視できる程少ない。他方、界面準位及び固定電荷は減少する。   The second heat treatment is performed in an inert gas (for example, nitrogen gas) or in a vacuum. In this atmosphere, active species that easily pass through the silicon oxynitride film are not generated, and a new interface state is not formed. In addition, new nitridation of the silicon oxynitride film is negligibly small. On the other hand, interface states and fixed charges are reduced.

さらに、この第2熱処理は、シリコン酸窒化膜を十分に緻密化(即ち、高密度化)できる高温でなされる。そのため、少なくとも窒素ドープを促進するための第1熱処理の処理温度より高温でなければならず、例えば900℃以上、より好ましくは1000℃以上でなされる。900℃以上ではシリコン酸窒化膜の高密度化が進行し、1000℃以上では10秒程度のパルス的な熱処理により高密度化するのでランプアニール等を用いる半導体装置の製造工程と容易に整合させることができる。一方、酸化の進行に起因するシリコン酸窒化膜の膜厚の増加を防ぐためには、第2熱処理温度は低い方がよく、例えば1100℃以下とすることが好ましい。   Further, the second heat treatment is performed at a high temperature at which the silicon oxynitride film can be sufficiently densified (that is, densified). Therefore, it must be at least higher than the processing temperature of the first heat treatment for promoting nitrogen doping, for example, 900 ° C. or higher, more preferably 1000 ° C. or higher. The silicon oxynitride film increases in density at 900 ° C. or higher, and is increased by pulse heat treatment of about 10 seconds at 1000 ° C. or higher, so that it can be easily matched with the manufacturing process of a semiconductor device using lamp annealing or the like. Can do. On the other hand, in order to prevent an increase in the thickness of the silicon oxynitride film due to the progress of oxidation, the second heat treatment temperature should be low, for example, preferably 1100 ° C. or lower.

本発明の第1ゲート絶縁膜は、半導体基板界面での結合の整合性が優れる点で、シリコン半導体基板を熱酸化して形成されるシリコン酸化膜とすることが好ましい。他に、界面準位密度が小さい絶縁膜、例えば、CVD法により堆積されたシリコン酸窒化膜、或いはシリコン半導体基板表面に形成されたシリコン窒化膜を酸化して形成したシリコン酸窒化膜を用いることもできる。   The first gate insulating film of the present invention is preferably a silicon oxide film formed by thermally oxidizing a silicon semiconductor substrate in terms of excellent bond matching at the semiconductor substrate interface. In addition, an insulating film having a low interface state density, for example, a silicon oxynitride film deposited by a CVD method or a silicon oxynitride film formed by oxidizing a silicon nitride film formed on the surface of a silicon semiconductor substrate is used. You can also.

第1ゲート絶縁膜への窒素ドープは、第2熱処理に先立ち行なわれるプラズマ窒化処理及び第1熱処理によりなされる。   The first gate insulating film is doped with nitrogen by a plasma nitridation process and a first heat treatment performed prior to the second heat treatment.

プラズマ窒化処理は、第1ゲート絶縁膜を窒素を含むプラズマに暴露して、第1ゲート絶縁膜の表層を窒化し、第1ゲート絶縁膜の表層をシリコン窒化膜ないし高濃度のシリコン酸窒化膜からなる窒化層(以下「表面窒化層」という。)へと変換する。   In the plasma nitriding treatment, the first gate insulating film is exposed to a plasma containing nitrogen to nitride the surface layer of the first gate insulating film, and the surface layer of the first gate insulating film is formed from a silicon nitride film or a high-concentration silicon oxynitride film. Into a nitride layer (hereinafter referred to as “surface nitride layer”).

次いで行なわれる第1熱処理は、窒素酸化物ガス又は窒素酸化物を含むガス中でなされ、表面窒化層の下の層を窒化し、表面窒化層の下に窒化層(以下「深い窒化層」という。)を形成する。この熱処理は、深い窒化層と表面窒化層とが一部の層で重畳するように、かつ、深い窒化層と半導体基との間に窒素ドーズ量が少ない低濃度窒化層を形成するように熱処理条件を選定することが好ましい。このように窒化層を重畳させることで、第1ゲート絶縁膜の表面から深い位置まで一様かつ高濃度な窒素濃度分布を形成することができる。このため、第1ゲート絶縁膜の換算膜厚を薄くすることができる。また、半導体基板の近傍に低濃度窒化層を設けることで、窒素に起因する界面準位又は固定電荷の密度を低く抑えられる。   The first heat treatment performed next is performed in a nitrogen oxide gas or a gas containing nitrogen oxide, nitrides a layer below the surface nitride layer, and nitrides below the surface nitride layer (hereinafter referred to as “deep nitride layer”). .). This heat treatment is performed so that the deep nitride layer and the surface nitride layer overlap with each other, and a low-concentration nitride layer with a small nitrogen dose is formed between the deep nitride layer and the semiconductor substrate. It is preferable to select conditions. By overlapping the nitride layers in this manner, a uniform and high concentration nitrogen concentration distribution can be formed from the surface of the first gate insulating film to a deep position. For this reason, the equivalent film thickness of the first gate insulating film can be reduced. Further, by providing the low concentration nitride layer in the vicinity of the semiconductor substrate, the interface state or fixed charge density caused by nitrogen can be kept low.

本発明によれば、半導体基板との界面準位密度及び固定電荷密度が低く、かつ換算膜厚が薄いゲート絶縁膜を形成することができるから、動作特性の経時劣化が少なくかつゲート電極のリーク電流が少ない半導体装置を製造することができる。   According to the present invention, a gate insulating film having a low interface state density and a fixed charge density with a semiconductor substrate and a reduced equivalent film thickness can be formed. A semiconductor device with low current can be manufactured.

本発明の第1実施形態は熱酸化により形成されたシリコン酸化膜を窒化してシリコン酸窒化膜とし、その後、熱処理して高密度化したシリコン酸窒化膜を下層としたゲート絶縁膜を形成する半導体装置の製造方法に関する。   In the first embodiment of the present invention, a silicon oxide film formed by thermal oxidation is nitrided to form a silicon oxynitride film, and then a heat treatment is performed to form a gate insulating film having a densified silicon oxynitride film as a lower layer. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

図1は本発明の第1実施形態形態製造工程断面図であり、MISトランジスタの断面を表している。   FIG. 1 is a manufacturing process sectional view of a first embodiment of the present invention, and shows a section of a MIS transistor.

本第1実施形態では、まず、図1(a)を参照して、シリコンからなる半導体基板1の上面にトランジスタ形成領域を絶縁分離する素子分離帯2を形成する。素子分離帯2は、トレンチ内に、シリコン酸化物、シリコン窒化物若しくはポリシリコン等の絶縁物又はそれらの組み合わせたものを充填して形成する。或いは、表面に形成されたLOCOS酸化膜により形成される。   In the first embodiment, first, referring to FIG. 1A, an element isolation band 2 for insulatingly isolating a transistor formation region is formed on the upper surface of a semiconductor substrate 1 made of silicon. The element isolation band 2 is formed by filling a trench with an insulator such as silicon oxide, silicon nitride or polysilicon, or a combination thereof. Alternatively, it is formed by a LOCOS oxide film formed on the surface.

次いで、図1(b)を参照して、半導体基板1の上面に、2層からなるゲート絶縁膜3を形成する。以下、ゲート絶縁膜3の製造工程を説明する。   Next, referring to FIG. 1B, a two-layer gate insulating film 3 is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 1. Hereinafter, the manufacturing process of the gate insulating film 3 will be described.

図2は本発明の第1実施形態ゲート絶縁膜の製造工程断面図であり、2層構造を有するゲート絶縁膜の製造工程を表している。   FIG. 2 is a cross-sectional view of a gate insulating film manufacturing process according to the first embodiment of the present invention, showing a manufacturing process of a gate insulating film having a two-layer structure.

図3(a)を参照して、半導体基板1の上面を熱酸化して、トランジスタ形成領域上に第1ゲート絶縁膜10として例えば厚さ0.8nmのシリコン酸化膜11を形成する。熱酸化は、通常のシリコンの熱酸化であり、ドライ酸素若しくは水蒸気中又はこれらと不活性ガスの混合雰囲気中での熱処理により形成することができる。このシリコンの熱酸化の際に、同時に窒素(N)を含むガスを供給してシリコン酸窒化膜を形成し、このシリコン酸窒化膜をシリコン酸化膜11に代えて用いることもできる。   Referring to FIG. 3A, the upper surface of the semiconductor substrate 1 is thermally oxidized to form a silicon oxide film 11 having a thickness of, for example, 0.8 nm as the first gate insulating film 10 on the transistor formation region. Thermal oxidation is normal thermal oxidation of silicon, and can be formed by heat treatment in dry oxygen or water vapor or a mixed atmosphere of these and an inert gas. During the thermal oxidation of silicon, a gas containing nitrogen (N) is simultaneously supplied to form a silicon oxynitride film, and this silicon oxynitride film can be used in place of the silicon oxide film 11.

次いで、図3(b)を参照して、半導体基板1をプラズマ窒化装置内の基板ホルダ(図示せず)上に載置して、シリコン酸化膜11の上面を窒素プラズマ20に10秒間暴露した。これにより、シリコン酸化膜11の表面が窒化され、シリコン酸化膜11の表面が高い窒素濃度を有する表面窒化層11aに変換される。このプラズマ窒化処理は、室温で行なわれ、意図的に半導体基板1を冷却又は加熱することなくなされた。   Next, referring to FIG. 3B, the semiconductor substrate 1 is placed on a substrate holder (not shown) in the plasma nitriding apparatus, and the upper surface of the silicon oxide film 11 is exposed to the nitrogen plasma 20 for 10 seconds. . As a result, the surface of the silicon oxide film 11 is nitrided, and the surface of the silicon oxide film 11 is converted into a surface nitride layer 11a having a high nitrogen concentration. This plasma nitriding treatment was performed at room temperature and was performed without intentionally cooling or heating the semiconductor substrate 1.

次いで、図3(c)を参照して、半導体基板1を窒素酸化物を含む雰囲気中で熱処理(第1熱処理)して、シリコン酸化膜11の表面窒化層11aより深い部分を窒化し、深い窒化層11bに変換する。この深い窒化層11bは、最大窒素濃度が表面窒化層11aより深い位置になるように熱処理条件が制御される。   Next, referring to FIG. 3C, the semiconductor substrate 1 is heat-treated (first heat treatment) in an atmosphere containing nitrogen oxide, and a portion deeper than the surface nitride layer 11a of the silicon oxide film 11 is nitrided and deepened. The nitride layer 11b is converted. The heat treatment conditions of the deep nitrided layer 11b are controlled so that the maximum nitrogen concentration is deeper than the surface nitrided layer 11a.

第1熱処理は、窒素酸化物、例えばNO、N2 O若しくはNx y 又はこれらとN2 、Ar等の不活性ガスとの混合ガスからなる雰囲気中で、例えば熱処理温度800℃〜900℃で10秒間行なうことでなされる。この熱処理条件では、深い窒化層11bの底部に、窒素濃度が低い低濃度窒化層11cが形成される。この低濃度窒化層11cの窒素濃度は低いので、半導体基板1との界面に界面準位及び固定電荷は僅かしか形成されない。 The first heat treatment is performed in an atmosphere composed of nitrogen oxides such as NO, N 2 O or N x O y or a mixed gas of these with an inert gas such as N 2 or Ar, for example, a heat treatment temperature of 800 ° C. to 900 ° C. This is done for 10 seconds. Under this heat treatment condition, a low-concentration nitride layer 11c having a low nitrogen concentration is formed at the bottom of the deep nitride layer 11b. Since the nitrogen concentration of the low-concentration nitride layer 11 c is low, only a few interface states and fixed charges are formed at the interface with the semiconductor substrate 1.

次いで、図3(d)を参照して、半導体基板1を窒素ガス(N2 ガス)中で熱処理する(第2熱処理)する。第2熱処理は、温度1000℃で10秒間熱処理した。この第2熱処理により、表面窒化層11a、深い窒化層11b及び低濃度窒化層11cの多層構造を有する第1ゲート絶縁膜10が緻密になり,第1ゲート絶縁膜10の密度は大きくなる。第2熱処理を真空中あるいはAr雰囲気中で行なっても密度の増大は同様であった。なお、窒素中熱処理である第2熱処理では、第1ゲート絶縁膜10中の窒素濃度分布は実質的に変化しない。 Next, referring to FIG. 3D, the semiconductor substrate 1 is heat-treated in nitrogen gas (N 2 gas) (second heat treatment). The second heat treatment was performed at a temperature of 1000 ° C. for 10 seconds. By this second heat treatment, the first gate insulating film 10 having a multilayer structure of the surface nitrided layer 11a, the deep nitrided layer 11b, and the low-concentration nitrided layer 11c becomes dense, and the density of the first gate insulating film 10 increases. Even when the second heat treatment was performed in a vacuum or in an Ar atmosphere, the increase in density was the same. In the second heat treatment, which is a heat treatment in nitrogen, the nitrogen concentration distribution in the first gate insulating film 10 is not substantially changed.

次いで、図3(e)を参照して、第1ゲート絶縁膜10上にシリコン窒化膜(第2ゲート絶縁膜)をアンモニアを含有する原料ガスを用いたCVD法(化学気相堆積法)により堆積した。CVD法に代えて、アンモニアを含有する原料ガスを用いたALD法又はPCVD法、さらには窒素含有原料ガスを用いたPCVD法を用いることもできる。   Next, referring to FIG. 3E, a silicon nitride film (second gate insulating film) is formed on the first gate insulating film 10 by a CVD method (chemical vapor deposition method) using a source gas containing ammonia. Deposited. Instead of the CVD method, an ALD method or a PCVD method using a source gas containing ammonia, or a PCVD method using a nitrogen-containing source gas can be used.

これらの堆積方法では、シリコン酸化膜或いは第2熱処理がされていないシリコン酸窒化膜を透過し、半導体基板表面に界面準位又は固定電荷を形成する活性種を多量に生成する。それにも関わらず本第1実施形態では、第1ゲート絶縁膜10と半導体基板との界面に形成された界面準位又は固定電荷は無視し得る程度であった。この工程を経て、シリコン酸窒化膜からなる第1ゲート絶縁膜10上にシリコン窒化膜からなる第2ゲート絶縁膜を積層した2層構造のゲート絶縁膜3が形成される。   In these deposition methods, a large amount of active species that pass through the silicon oxide film or the silicon oxynitride film that has not been subjected to the second heat treatment and forms interface states or fixed charges on the surface of the semiconductor substrate are generated. Nevertheless, in the first embodiment, the interface state or fixed charge formed at the interface between the first gate insulating film 10 and the semiconductor substrate is negligible. Through this process, the gate insulating film 3 having a two-layer structure in which a second gate insulating film made of a silicon nitride film is stacked on the first gate insulating film 10 made of a silicon oxynitride film is formed.

再び図1に戻り、図1(c)を参照して、ゲート絶縁膜3上にポリシリコン膜を堆積し、パターニングしてゲート電極4を形成する。その後、必要ならば、ゲート電極4をマスクとするイオン注入により、低濃度不純物領域(LDD構造のライトドープ領域)を形成する。   Returning to FIG. 1 again, referring to FIG. 1C, a polysilicon film is deposited on the gate insulating film 3 and patterned to form the gate electrode 4. Thereafter, if necessary, a low concentration impurity region (lightly doped region of LDD structure) is formed by ion implantation using the gate electrode 4 as a mask.

次いで図1(d)を参照して、シリコン酸化膜若しくはシリコン窒化膜又はこれらの積層膜を半導体基板1上全面に堆積し、エッチバックすることで、ゲート電極4の両側に絶縁膜からなるサイドウォール5を形成した。このとき、サイドウォール5の外側に延在するゲート絶縁膜3も同時にエッチバックし、サイドウォール5の外側の半導体基板表面を表出した。   Next, referring to FIG. 1D, a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a laminated film thereof is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 1 and etched back, whereby the sides made of an insulating film are formed on both sides of the gate electrode 4. Wall 5 was formed. At this time, the gate insulating film 3 extending to the outside of the sidewall 5 was also etched back to expose the surface of the semiconductor substrate outside the sidewall 5.

次いで、図1(e)を参照して、ゲート電極4及びサイドウォール5をマスクとしてイオン注入し、ソース・ドレイン領域5を形成する。その後、活性化熱処理をしてMIS型半導体装置(MISトランジスタ)が製造される。   Next, referring to FIG. 1E, ions are implanted using the gate electrode 4 and the sidewalls 5 as a mask to form source / drain regions 5. Thereafter, activation heat treatment is performed to manufacture a MIS type semiconductor device (MIS transistor).

図3は本発明の第1実施形態第1ゲート絶縁膜中の窒素濃度分布図であり、SIMS(2次イオン質量分析計)により測定された第1ゲート絶縁膜の表面から深さ方向の窒素濃度分布を表している。なお、図3の横軸は第1ゲート絶縁膜の表面からの深さを表している。   FIG. 3 is a distribution diagram of nitrogen concentration in the first gate insulating film of the first embodiment of the present invention. Nitrogen in the depth direction from the surface of the first gate insulating film measured by SIMS (secondary ion mass spectrometer). Represents the concentration distribution. Note that the horizontal axis of FIG. 3 represents the depth from the surface of the first gate insulating film.

図3を参照して、第1ゲート絶縁膜の表面近くに窒素濃度が高い層(図3中のイで示す位置)があり、そこから深くなるにつれて窒素濃度は減少している。この表面近くの高窒素濃度の層は、主としてプラズマ窒化により形成された表面窒化層11aにより生じる。   Referring to FIG. 3, there is a layer having a high nitrogen concentration (position indicated by a in FIG. 3) near the surface of the first gate insulating film, and the nitrogen concentration decreases as the depth increases from there. The layer having a high nitrogen concentration near the surface is generated by the surface nitrided layer 11a formed mainly by plasma nitriding.

表面から深さほぼ0.6nm近くに(図3中ロで示す位置)、窒素濃度の小さなピークが見られ、ここでは窒素濃度の減少が穏やかに、即ち一様な窒素濃度分布に近くなっている。このピークは、窒素酸化物中で行なう第1熱処理により形成された深い窒化層11bにより形成されている。このことは、このピークにより第1ゲート絶縁膜の深い層まで高濃度に窒化されることを明らかにしている。   A small peak of nitrogen concentration is observed near the depth of about 0.6 nm from the surface (position indicated by b in FIG. 3), where the decrease in nitrogen concentration is gentle, that is, close to a uniform nitrogen concentration distribution. Yes. This peak is formed by the deep nitride layer 11b formed by the first heat treatment performed in the nitrogen oxide. This reveals that this peak causes high concentration of nitriding to the deep layer of the first gate insulating film.

深い窒化層11bより深く、基板界面近傍に位置する第1ゲート絶縁膜の層では、窒素濃度が低く、このため、半導体基板1の表面近傍の窒素濃度も低く維持されている。従って、窒素さらには窒素と水素の結合も少ない。   The first gate insulating film layer located deeper than the deep nitride layer 11b and in the vicinity of the substrate interface has a low nitrogen concentration. Therefore, the nitrogen concentration in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate 1 is also kept low. Therefore, there are few bonds between nitrogen and nitrogen and hydrogen.

このように、本第1実施形態の第1ゲート絶縁膜は、深くまで高濃度に窒化されるので高い誘電率を有し、薄い換算膜厚を有する。一方、半導体基板1近傍では窒素濃度が低く維持されるので、半導体装置の動作特性は劣化しない。   Thus, the first gate insulating film of the first embodiment has a high dielectric constant because it is nitrided to a high concentration deeply, and has a thin equivalent film thickness. On the other hand, since the nitrogen concentration is kept low in the vicinity of the semiconductor substrate 1, the operating characteristics of the semiconductor device do not deteriorate.

図4は本発明の第1実施形態リーク電流の膜厚依存を表す図であり、本発明のゲート絶縁膜を用いたときのリーク電流を、従来のゲート絶縁膜を用いたときのリーク電流と比較している。なお、図4の縦軸は、任意のリーク電流値により規格化したリーク電流の対数を表している。また、図4の横軸は、シリコン酸化膜に換算したゲート絶縁膜の換算膜厚を示している。   FIG. 4 is a diagram showing the film thickness dependence of the leakage current according to the first embodiment of the present invention. The leakage current when the gate insulating film of the present invention is used is the same as the leakage current when the conventional gate insulating film is used. Comparing. The vertical axis in FIG. 4 represents the logarithm of the leak current normalized by an arbitrary leak current value. Further, the horizontal axis of FIG. 4 indicates the converted film thickness of the gate insulating film converted to the silicon oxide film.

図4中、直線イは本第1実施形態と同一工程により形成された、シリコン酸窒化膜/シリコン窒化膜の2層構造のゲート絶縁膜のリーク電流を表している。直線ロはシリコン酸化膜/シリコン窒化膜の2層構造の従来のゲート絶縁膜のリーク電流を表している。直線ハは図7に示す工程により製造された従来のシリコン酸窒化膜のゲート絶縁膜のリーク電流を表している。なお、直線ロに示すゲート絶縁膜は、従来の厚いシリコン酸化膜/シリコン窒化膜からなるゲート絶縁膜の製造に、従来通常用いられている製造工程を用いて製造されたものである。また、シリコン窒化膜の厚さは一定とし、シリコン酸窒化膜(直線イ)、シリコン酸化膜(直線ロ)及びシリコン酸窒化膜(直線ハ)の厚さをかえたゲート絶縁膜を製造し、換算膜厚が異なるゲート絶縁膜を製造した。   In FIG. 4, a straight line A represents a leakage current of a gate insulating film having a two-layer structure of silicon oxynitride film / silicon nitride film formed by the same process as in the first embodiment. A straight line B represents a leakage current of a conventional gate insulating film having a two-layer structure of silicon oxide film / silicon nitride film. The straight line C represents the leakage current of the gate insulating film of the conventional silicon oxynitride film manufactured by the process shown in FIG. Note that the gate insulating film indicated by the straight line B is manufactured by using a manufacturing process conventionally used for manufacturing a conventional gate insulating film made of a thick silicon oxide film / silicon nitride film. In addition, the thickness of the silicon nitride film is constant, and a gate insulating film is manufactured in which the thicknesses of the silicon oxynitride film (straight line a), the silicon oxide film (straight line) and the silicon oxynitride film (straight line c) are changed, Gate insulating films with different equivalent film thicknesses were manufactured.

図4を参照して、リーク電流の対数は換算膜厚の増加とともに直線的に減少する。同一換算膜厚では、リーク電流の大きさは、直線ハに示すシリコン酸窒化膜からなる1層構造のゲート絶縁膜が一番大きく、次いで直線ロに示すシリコン酸化膜/シリコン酸窒化膜からなる2層構造のゲート絶縁膜か小さく、そして直線ハに示す本発明の第1実施形態により製造されたシリコン酸窒化膜/シリコン窒化膜からなるゲート絶縁膜が最も小さい。   Referring to FIG. 4, the logarithm of the leakage current decreases linearly with the increase of the equivalent film thickness. With the same equivalent film thickness, the leakage current is the largest in the one-layer gate insulating film made of the silicon oxynitride film shown by the straight line c, and then made of the silicon oxide film / silicon oxynitride film shown by the straight line b. The gate insulating film having the two-layer structure is small, and the gate insulating film made of the silicon oxynitride film / silicon nitride film manufactured by the first embodiment of the present invention shown in the straight line C is the smallest.

図4中に示すリーク電流がIとなるゲート絶縁膜の換算膜厚は、直線イに示すシリコン酸窒化膜/シリコン窒化膜からなる本発明のゲート絶縁膜ではt0、直線ロに示すシリコン酸化膜/シリコン酸窒化膜からなる従来のゲート絶縁膜ではt0より0.18nm厚いt1、直線ハに示すシリコン酸窒化膜からなる従来のゲート絶縁膜ではt0より0.36nm厚いt2であった。   The equivalent film thickness of the gate insulating film in which the leakage current is I shown in FIG. 4 is t0 in the gate insulating film of the present invention consisting of the silicon oxynitride film / silicon nitride film shown in the straight line A, and the silicon oxide film shown in the straight line B The conventional gate insulating film made of a silicon oxynitride film has a thickness t1 that is 0.18 nm thicker than t0, and the conventional gate insulating film that has a silicon oxynitride film shown by a straight line c has a thickness t2 that is 0.36 nm thicker than t0.

このように、直線ハで示すシリコン酸窒化膜に比べて、本発明のゲート絶縁膜では同じリーク電流を与える換算膜厚が0.36nm薄くなる。このため、ゲート電流の実効膜厚を、リーク電流を増加させることなく薄くすることができる。これに対して、シリコン酸化膜/シリコン窒化膜からなる従来のゲート絶縁膜では、シリコン酸窒化膜に比べて0.18nmしか薄くすることができない。このように、本発明のゲート絶縁膜は、換算膜厚を薄くしてもリーク電流が小さい。   Thus, compared to the silicon oxynitride film indicated by the straight line C, the equivalent film thickness that gives the same leakage current is thinner by 0.36 nm in the gate insulating film of the present invention. For this reason, the effective film thickness of the gate current can be reduced without increasing the leakage current. In contrast, a conventional gate insulating film made of a silicon oxide film / silicon nitride film can only be made thinner by 0.18 nm than a silicon oxynitride film. Thus, the gate insulating film of the present invention has a small leakage current even when the equivalent film thickness is reduced.

図5は本発明の第1実施形態界面準位密度の膜厚依存を表す図である。図5中、直線イ、直線ロ及び直線ハは、それぞれ図4中に直線イ、直線ロ及び直線ハで示すゲート絶縁膜に対応している。   FIG. 5 is a diagram showing the film thickness dependence of the interface state density according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 5, the straight line A, the straight line B, and the straight line C correspond to the gate insulating films indicated by the straight line A, the straight line B, and the straight line C in FIG.

図5を参照して、界面準位密度は換算膜厚が薄くなるほど高密度になる。そして、直線ロで示すシリコン酸化膜/シリコン窒化膜の2層構造を有する従来のゲート絶縁膜が、最も界面準位密度が低い。他方、直線イで示す本発明のシリコン酸窒化膜/シリコン窒化膜の界面順位密度は、直線ハで示すシリコン酸窒化膜からなるゲート絶縁膜と有為な差はない。   Referring to FIG. 5, the interface state density increases as the converted film thickness decreases. A conventional gate insulating film having a two-layer structure of silicon oxide film / silicon nitride film indicated by a straight line B has the lowest interface state density. On the other hand, the interface order density of the silicon oxynitride film / silicon nitride film of the present invention indicated by a straight line A is not significantly different from a gate insulating film made of a silicon oxynitride film indicated by a straight line c.

図6は本発明の第1実施形態ゲート絶縁膜特性を表す図であり、本発明の第1実施形態のゲート絶縁膜の特性を従来の種々のゲート絶縁膜と比較したものである。図6中、比較例1、比較例2は従来の製造方法により製造されたゲート絶縁膜である。また、第1実施形態形態(イ)は、上述した本発明の第1実施形態により製造されたゲート絶縁膜を表している。   FIG. 6 is a diagram illustrating the characteristics of the gate insulating film according to the first embodiment of the present invention, and compares the characteristics of the gate insulating film according to the first embodiment of the present invention with various conventional gate insulating films. In FIG. 6, Comparative Examples 1 and 2 are gate insulating films manufactured by a conventional manufacturing method. The first embodiment (A) represents the gate insulating film manufactured according to the first embodiment of the present invention described above.

図6を参照して、比較例1(ハ)は図4及び図5中に直線ハで示したシリコン酸窒化膜(SiON)からなる従来のゲート絶縁膜、比較例2(ロ)は図4及び図5中に直線ロで示したシリコン酸化膜(SiO2 )/シリコン窒化膜(Si3 4 )の2層構造を有する従来のゲート絶縁膜である。 Referring to FIG. 6, Comparative Example 1 (C) is a conventional gate insulating film made of a silicon oxynitride film (SiON) indicated by a straight line C in FIGS. 4 and 5, and Comparative Example 2 (B) is FIG. And a conventional gate insulating film having a two-layer structure of silicon oxide film (SiO 2 ) / silicon nitride film (Si 3 N 4 ) indicated by straight lines in FIG.

SiONからなる比較例1では、換算膜厚はやや薄くなりが、まだリーク電流は大きい。界面準位密度は、通常のシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜に比べてやや劣るものの、実用上は十分な低密度を維持している。   In Comparative Example 1 made of SiON, the equivalent film thickness is slightly reduced, but the leakage current is still large. Although the interface state density is slightly inferior to that of a normal gate insulating film made of a silicon oxide film, the interface state density is sufficiently low in practical use.

比較例2(ハ)を参照して、SiO2 /Si3 4 からなるゲート絶縁膜は、リーク電流は比較例1より小さいものの、実用上はまだ不十分である。これは、低誘電率のSiO2 膜を含むため、換算膜厚を薄くすることが困難なためである。なお、この膜厚範囲での比較例2の界面準位密度は低い。しかし、換算膜厚が1nm以下になるまでSiO2 膜を薄くすると界面順位密度が上昇するので、この構造のゲート絶縁膜を換算膜厚1nm以下で用いることは好ましくない。 Referring to Comparative Example 2 (C), the gate insulating film made of SiO 2 / Si 3 N 4 has a leakage current smaller than that of Comparative Example 1, but is still insufficient for practical use. This is because it is difficult to reduce the equivalent film thickness because it includes a low dielectric constant SiO 2 film. Note that the interface state density of Comparative Example 2 in this film thickness range is low. However, if the SiO 2 film is thinned until the equivalent film thickness becomes 1 nm or less, the interface order density increases. Therefore, it is not preferable to use a gate insulating film having this structure with an equivalent film thickness of 1 nm or less.

これに対して、本発明の第1実施形態(イ)のゲート絶縁膜は、界面準位密度がSiONをゲート絶縁膜とする比較例1(ハ)と同程度であり、実用上は十分に利用することができる。また、換算膜厚は十分に薄い。従って、本発明の第1実施形態のゲート絶縁膜は、優れたリーク電流特性と、実用上は十分に低密度の界面準位密度を有する。   On the other hand, the gate insulating film of the first embodiment (A) of the present invention has the interface state density of the same level as that of Comparative Example 1 (C) in which SiON is used as the gate insulating film, which is practically sufficient. Can be used. Moreover, the equivalent film thickness is sufficiently thin. Therefore, the gate insulating film of the first embodiment of the present invention has excellent leakage current characteristics and a sufficiently low interface state density for practical use.

上述した本発明の明細書には下記の付記記載の発明が開示されている。
(付記1)半導体基板表面に、シリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜からなる第1ゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第1ゲート絶縁膜をプラズマ窒化処理する工程と、
次いで、前記第1ゲート絶縁膜を、窒素酸化物ガス又は窒素酸化物を含むガス中で熱処理する第1熱処理工程と、
次いで、前記第1ゲート絶縁膜を、不活性ガス又は真空中で、前記第1熱処理工程の熱処理温度よりも高温で熱処理する第2熱処理工程と、
次いで、前記第1ゲート絶縁膜上に、気相堆積法を用いてシリコン窒化膜からなる第2ゲート絶縁膜を堆積する工程とを有する半導体装置の製造方法。
(付記2)前記窒素酸化物を含むガスは、窒素酸化物と不活性ガスとの混合ガスであることを特徴とする付記1記載の半導体装置の製造方法。
(付記3)前記窒素酸化物は、一酸化窒素又は一酸化二窒素であることを特徴とする付記1又は2記載の半導体装置の製造方法。
(付記4)前記第1ゲート絶縁膜は、前記半導体基板表面を熱酸化して形成されたシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜であることを特徴とする付記1、2又は3記載の半導体装置の製造方法。
(付記5)前記シリコン窒化膜を、アンモニアを含む原料ガスを用いた化学気相堆積法により堆積することを特徴とする付記1〜4の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記6)前記シリコン窒化膜を、窒素を含むプラズマを用いたプラズマ化学気相堆積法により堆積することを特徴とする付記1〜4の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記7)前記第1熱処理の熱処理温度を800℃以上900℃以下とすることを特徴とする付記1〜6の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
(付記8)前記第2熱処理温度を900℃以上1100℃以下とすることを特徴とする付記1〜7の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
The invention described above includes the invention described in the following supplementary notes.
(Appendix 1) A step of forming a first gate insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film on a semiconductor substrate surface;
Plasma nitriding the first gate insulating film;
Next, a first heat treatment step of heat-treating the first gate insulating film in a nitrogen oxide gas or a gas containing nitrogen oxide;
A second heat treatment step of heat-treating the first gate insulating film at a temperature higher than a heat treatment temperature of the first heat treatment step in an inert gas or vacuum;
And a step of depositing a second gate insulating film made of a silicon nitride film on the first gate insulating film using a vapor deposition method.
(Supplementary note 2) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the gas containing nitrogen oxide is a mixed gas of nitrogen oxide and inert gas.
(Additional remark 3) The said nitrogen oxide is nitric oxide or dinitrogen monoxide, The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 1 or 2 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 4) In the semiconductor device according to Supplementary note 1, 2, or 3, wherein the first gate insulating film is a silicon oxide film or a silicon oxynitride film formed by thermally oxidizing the surface of the semiconductor substrate. Production method.
(Supplementary note 5) The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 4, wherein the silicon nitride film is deposited by a chemical vapor deposition method using a source gas containing ammonia.
(Additional remark 6) The said silicon nitride film is deposited by the plasma chemical vapor deposition method using the plasma containing nitrogen, The manufacturing method of the semiconductor device in any one of Additional remark 1-4 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 7) The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 6, wherein a heat treatment temperature of the first heat treatment is set to 800 ° C. or more and 900 ° C. or less.
(Additional remark 8) The said 2nd heat processing temperature shall be 900 degreeC or more and 1100 degrees C or less, The manufacturing method of the semiconductor device in any one of Additional remarks 1-7 characterized by the above-mentioned.

本発明をMIS型トランジスタの製造に適用することで、換算膜厚が薄くかつ界面準位密度が低いゲート絶縁膜を形成することができるので、ゲートリークが小さくかつ動作特性の劣化が小さな半導体装置を提供することができる。   By applying the present invention to the manufacture of a MIS transistor, a gate insulating film having a small equivalent film thickness and a low interface state density can be formed. Therefore, a semiconductor device having a small gate leakage and a small deterioration in operating characteristics. Can be provided.

本発明の第1実施形態製造工程断面図First embodiment of the present invention manufacturing process sectional view 本発明の第1実施形態ゲート絶縁膜の製造工程断面図Sectional view of manufacturing process of gate insulating film of first embodiment of the present invention 本発明の第1実施形態ゲート絶縁膜中の窒素濃度分布図First Embodiment of the Present Invention Nitrogen concentration distribution diagram in gate insulating film 本発明の第1実施形態リーク電流の膜厚依存を表す図The figure showing film thickness dependence of the leakage current of the first embodiment of the present invention 本発明の第1実施形態界面準位密度の膜厚依存を表す図The figure showing the film thickness dependence of interface state density of 1st Embodiment of this invention 本発明の第1実施形態ゲート絶縁膜特性を表す図The figure showing the gate insulating film characteristic of 1st Embodiment of this invention 従来のゲート絶縁膜製造工程断面図Cross-sectional view of conventional gate insulating film manufacturing process 従来の他のゲート絶縁膜製造工程断面図Cross-sectional view of another conventional gate insulating film manufacturing process

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 素子分離帯
3 ゲート絶縁膜
4 ゲート電極
5 サイドウォール
6 ソース・ドレイン領域
10 第1ゲート絶縁膜
11 シリコン酸化膜
11a 表面窒化層
11b 深い窒化層
11c 低濃度窒化層
12 第2ゲート絶縁膜
20 窒素プラズマ
101 高誘電体膜
102 ゲート絶縁膜
103 シリコン窒化膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Element isolation zone 3 Gate insulating film 4 Gate electrode 5 Side wall 6 Source / drain region 10 1st gate insulating film 11 Silicon oxide film 11a Surface nitrided layer 11b Deep nitrided layer 11c Low concentration nitrided layer 12 2nd gate insulation Film 20 Nitrogen plasma 101 High dielectric film 102 Gate insulating film 103 Silicon nitride film

Claims (5)

半導体基板表面に、シリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜からなる第1ゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記第1ゲート絶縁膜をプラズマ窒化処理する工程と、
次いで、前記第1ゲート絶縁膜を、窒素酸化物ガス又は窒素酸化物を含むガス中で熱処理する第1熱処理工程と、
次いで、前記第1ゲート絶縁膜を、不活性ガス又は真空中で、前記第1熱処理温度よりも高温で熱処理する第2熱処理工程と、
次いで、前記第1ゲート絶縁膜上に、気相堆積法を用いてシリコン窒化膜からなる第2ゲート絶縁膜を堆積する工程とを有する半導体装置の製造方法。
Forming a first gate insulating film made of a silicon oxide film or a silicon oxynitride film on the surface of the semiconductor substrate;
Plasma nitriding the first gate insulating film;
Next, a first heat treatment step of heat-treating the first gate insulating film in a nitrogen oxide gas or a gas containing nitrogen oxide;
A second heat treatment step of heat-treating the first gate insulating film at a temperature higher than the first heat treatment temperature in an inert gas or vacuum;
And a step of depositing a second gate insulating film made of a silicon nitride film on the first gate insulating film using a vapor deposition method.
前記窒素酸化物は、一酸化窒素又は一酸化二窒素であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。   2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the nitrogen oxide is nitrogen monoxide or dinitrogen monoxide. 前記第1ゲート絶縁膜は、前記半導体基板表面を熱酸化して形成されたシリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜であることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。   3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first gate insulating film is a silicon oxide film or a silicon oxynitride film formed by thermally oxidizing the surface of the semiconductor substrate. 前記シリコン窒化膜を、アンモニアを含む原料ガスを用いた化学気相堆積法により堆積することを特徴とする請求項1、2又は3記載の半導体装置の製造方法。   4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon nitride film is deposited by a chemical vapor deposition method using a source gas containing ammonia. 前記シリコン窒化膜を、窒素を含むプラズマを用いたプラズマ化学気相堆積法により堆積することを特徴とする請求項1、2又は3記載の半導体装置の製造方法。   4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon nitride film is deposited by a plasma chemical vapor deposition method using a plasma containing nitrogen.
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