JP2009071319A - Semiconductor integrated circuit device - Google Patents

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Masaru Ishikawa
大 石川
Satoru Sakai
哲 酒井
Atsushi Hiraiwa
篤 平岩
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the nitrogen concentration of nitrogen contained in a gate insulating film without unnecessarily increasing the concentration of nitrogen near the interface between a substrate and the gate insulating film. <P>SOLUTION: A gate insulating film of a field-effect transistor includes a first region close to a semiconductor substrate, and a second region which is more close to a gate electrode than the first region, wherein the first region has a peak nitrogen concentration which is different from that of the second region. The first region has a peak nitrogen concentration of 2.5 atomic% to 10 atomic%, and the second region has higher peak nitrogen concentration than that of the first region. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体集積回路装置に関し、特に、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)のゲート絶縁膜を酸窒化シリコン膜で構成する半導体集積回路装置に適用して有効な技術に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor integrated circuit device, and more particularly to a technique effectively applied to a semiconductor integrated circuit device in which a gate insulating film of a MISFET (Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor) is formed of a silicon oxynitride film.

MISFET(電界効果トランジスタ)の低電圧動作を実現するためには、MISFETの微細化に比例してゲート酸化膜を薄くする必要がある。しかし、ゲート酸化膜の膜厚が薄くなると、膜を貫通して流れる直接トンネル電流が増加し、低消費電力化の観点から無視できない程度のゲートリーク電流が発生する。   In order to realize the low voltage operation of the MISFET (field effect transistor), it is necessary to make the gate oxide film thinner in proportion to the miniaturization of the MISFET. However, when the thickness of the gate oxide film is reduced, the direct tunnel current flowing through the film increases, and a gate leakage current that cannot be ignored from the viewpoint of reducing power consumption is generated.

その対策として、比誘電率が酸化シリコンよりも大きい酸化チタン(TiO)や酸化タンタル(Ta)膜などの高誘電体膜を使用することによって、ゲート絶縁膜の物理的な膜厚を大きくする試みがなされている。しかし、この種の高誘電体膜で構成したゲート絶縁膜は、界面制御などに多くの課題を抱えていることから、現在のところ、量産デバイスへの適用は困難視されている。 As a countermeasure, the physical film thickness of the gate insulating film is obtained by using a high dielectric film such as a titanium oxide (TiO 2 ) or tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) film having a relative dielectric constant larger than that of silicon oxide. Attempts have been made to increase. However, the gate insulating film composed of this type of high dielectric film has many problems in interface control and so on, and is currently considered difficult to apply to mass production devices.

酸化シリコン膜の一部を窒化して形成した酸窒化シリコン膜は、酸化シリコンに比べて誘電率が高いことから、ゲート絶縁膜の物理的な膜厚を大きくしてリーク電流を低減する効果が期待できる。また、酸窒化シリコン膜で構成したゲート絶縁膜は、p型ゲート電極中の不純物(ホウ素)がプロセス中の熱処理によって基板のチャネル領域へ突き抜ける、いわゆるボロン漏れの抑制や、MISFETのホットキャリア耐性の向上、nチャネル型MISFETの電子移動度の向上などにも有効であることが報告されている。   A silicon oxynitride film formed by nitriding a part of a silicon oxide film has a higher dielectric constant than silicon oxide. Therefore, it has the effect of reducing the leakage current by increasing the physical thickness of the gate insulating film. I can expect. In addition, the gate insulating film formed of the silicon oxynitride film suppresses so-called boron leakage, in which impurities (boron) in the p-type gate electrode penetrates into the channel region of the substrate by heat treatment during the process, and the hot carrier resistance of the MISFET. It has been reported that it is effective for improving the electron mobility of the n-channel type MISFET.

酸化シリコンからなるゲート絶縁膜を窒化する技術としては、シリコン基板の表面に酸化シリコン膜を形成した後、NO(一酸化窒素)ガスを含む1000℃前後の高温雰囲気中で基板を熱処理する方法(酸窒化処理)が知られている。   As a technique for nitriding a gate insulating film made of silicon oxide, a method in which a silicon oxide film is formed on the surface of a silicon substrate and then the substrate is heat-treated in a high-temperature atmosphere of about 1000 ° C. containing NO (nitrogen monoxide) gas ( Oxynitriding treatment is known.

特開2001−332724号公報(特許文献1)は、nチャネル型MISFETにn型ゲート電極を用い、pチャネル型MISFETにp型ゲート電極を用いた、いわゆるデュアルゲート構造のMISデバイスにおいて、p型ゲート電極中のボロンの突き抜け防止、およびホットキャリア耐性の向上を目的として、シリコン基板との界面および膜中の2箇所に窒素濃度のピークを有する酸窒化シリコンからなるゲート絶縁膜を形成する技術を開示している。   Japanese Patent Laid-Open No. 2001-332724 (Patent Document 1) discloses a p-type MIS device in which an n-type gate electrode is used for an n-channel MISFET and a p-type gate electrode is used for a p-channel MISFET. A technique for forming a gate insulating film made of silicon oxynitride having nitrogen concentration peaks at two points in the interface with the silicon substrate and in the film for the purpose of preventing penetration of boron in the gate electrode and improving hot carrier resistance. Disclosure.

上記のような酸窒化シリコン膜を形成するには、まず、シリコン基板をウェット酸化してその表面に膜厚7nm程度の酸化シリコン膜を形成し、続いてNOガスを含んだ雰囲気中で基板を熱処理することによって、酸化シリコン膜と基板との界面に窒素を偏析させた後、基板をドライ酸化する。このドライ酸化を行うと、酸化シリコン膜と基板との界面が酸化され、窒素が偏析した領域の下層にも膜厚1nm〜2nm程度の酸化シリコン膜が形成される。その後、NOガスを含んだ雰囲気中で基板をもう一度熱処理すると、窒素が偏析した領域の下層に形成された酸化シリコン膜と基板との界面にも窒素が偏析するため、シリコン基板との界面および膜中の2箇所に窒素濃度のピークを有する酸窒化シリコンからなるゲート絶縁膜が得られる。   In order to form the silicon oxynitride film as described above, first, a silicon substrate is wet-oxidized to form a silicon oxide film having a thickness of about 7 nm on the surface, and then the substrate is formed in an atmosphere containing NO gas. After heat treatment, nitrogen is segregated at the interface between the silicon oxide film and the substrate, and then the substrate is dry oxidized. When this dry oxidation is performed, the interface between the silicon oxide film and the substrate is oxidized, and a silicon oxide film having a thickness of about 1 nm to 2 nm is also formed in the lower layer of the region where nitrogen is segregated. After that, when the substrate is heat-treated again in an atmosphere containing NO gas, nitrogen is segregated also at the interface between the silicon oxide film and the substrate formed in the lower layer of the nitrogen segregated region. A gate insulating film made of silicon oxynitride having nitrogen concentration peaks at two locations is obtained.

特開2000−357688号公報(特許文献2)は、窒素濃度分布が厚さ方向に2つのピークを有する酸窒化シリコンからなるゲート絶縁膜を上記公報とは異なる方法によって形成する技術を開示している。   Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-357688 (Patent Document 2) discloses a technique for forming a gate insulating film made of silicon oxynitride having a nitrogen concentration distribution having two peaks in the thickness direction by a method different from the above publication. Yes.

この公報では、まずシリコン基板を酸素雰囲気中で加熱してその表面に膜厚約5nmの酸化シリコン膜を形成した後、NOガス雰囲気中で基板を加熱することによって、基板との界面近傍に窒素濃度のピークを有する膜厚約5.5nmの酸窒化シリコン膜を形成する。次に、この酸窒化シリコン膜の表面をフッ酸水溶液でエッチングして表層部分を除去することにより、厚さ方向全体に亘って窒素を高濃度に含む膜厚約1nmの酸窒化シリコン膜を得る。その後、NOガスまたはNOガス雰囲気中で第2の熱処理を行うことにより、新たな熱酸化膜が基板側に成長、形成されると共に、その熱酸化膜に窒素が導入されるため、窒素濃度分布が厚さ方向に2つのピークを有する酸窒化シリコン膜が得られる。
特開2001−332724号公報 特開2000−357688号公報
In this publication, a silicon substrate is first heated in an oxygen atmosphere to form a silicon oxide film having a film thickness of about 5 nm on its surface, and then heated in a NO gas atmosphere to thereby form nitrogen near the interface with the substrate. A silicon oxynitride film having a concentration peak and a film thickness of about 5.5 nm is formed. Next, the surface of the silicon oxynitride film is etched with a hydrofluoric acid aqueous solution to remove the surface layer portion, thereby obtaining a silicon oxynitride film having a thickness of about 1 nm containing nitrogen at a high concentration over the entire thickness direction. . Thereafter, by performing a second heat treatment in an NO gas or N 2 O gas atmosphere, a new thermal oxide film is grown and formed on the substrate side, and nitrogen is introduced into the thermal oxide film. A silicon oxynitride film having a concentration distribution with two peaks in the thickness direction is obtained.
JP 2001-332724 A JP 2000-357688 A

MISFETのゲート絶縁膜を上記酸窒化シリコン膜で構成した場合は、MISFETの微細化に伴ってゲート絶縁膜の膜厚がさらに薄くなってくると、ゲートリーク電流を低減するためには、膜中の窒素濃度を上げて誘電率を高くすることが要求される。   In the case where the gate insulating film of the MISFET is composed of the above-described silicon oxynitride film, if the gate insulating film becomes thinner as the MISFET is miniaturized, in order to reduce the gate leakage current, It is required to increase the dielectric constant by increasing the nitrogen concentration.

しかし、NOガスまたはNOガス雰囲気中で基板を加熱することによって、酸化シリコン膜に窒素を導入する従来の酸窒化処理で形成した酸窒化シリコン膜は、膜と基板との界面近傍の窒素濃度を高くすることはできても、膜の表面側は窒化されないため、膜全体の窒素濃度を上げて誘電率を高くすることは困難である。 However, a silicon oxynitride film formed by a conventional oxynitriding process in which nitrogen is introduced into a silicon oxide film by heating the substrate in an NO gas or N 2 O gas atmosphere is nitrogen in the vicinity of the interface between the film and the substrate. Even if the concentration can be increased, the surface side of the film is not nitrided, so it is difficult to increase the dielectric constant by increasing the nitrogen concentration of the entire film.

また、ゲート絶縁膜と基板との界面近傍が過度に窒化されると、界面準位や膜中のトラップが増加し、MISFETのキャリア移動度が低下するという問題を引き起こす。   Further, if the vicinity of the interface between the gate insulating film and the substrate is excessively nitrided, the interface states and traps in the film increase, causing a problem that the carrier mobility of the MISFET is lowered.

図30は、ゲート絶縁膜と基板との界面のおける窒素濃度と、MISFETのキャリア移動度との関係を示すグラフである。グラフに示すように、電子をキャリアとするnチャネル型MISFETの場合、界面に数atomic%の窒素を導入すると、窒素を導入しない場合に比べてキャリア移動度が向上するが、窒素濃度がさらに高くなるとその効果は次第に低減する。一方、正孔をキャリアとするpチャネル型MISFETの場合は、界面の窒素濃度にほぼ比例してキャリア移動度が低下し、窒素濃度が10atomic%を越えると、キャリア移動度が20%程度低下する結果、ドレイン電流(Ids)が10%程度低減し、回路の設計が事実上困難になってしまう。   FIG. 30 is a graph showing the relationship between the nitrogen concentration at the interface between the gate insulating film and the substrate and the carrier mobility of the MISFET. As shown in the graph, in the case of an n-channel MISFET using electrons as carriers, introduction of several atomic% of nitrogen at the interface improves carrier mobility compared to the case of not introducing nitrogen, but the nitrogen concentration is further increased. If so, the effect is gradually reduced. On the other hand, in the case of a p-channel MISFET using holes as carriers, the carrier mobility decreases almost in proportion to the nitrogen concentration at the interface, and when the nitrogen concentration exceeds 10 atomic%, the carrier mobility decreases by about 20%. As a result, the drain current (Ids) is reduced by about 10%, and circuit design becomes practically difficult.

このように、酸窒化処理によって酸化シリコン膜に窒素を導入する方法は、窒素の導入量に限界がある。   Thus, the method of introducing nitrogen into the silicon oxide film by oxynitriding has a limit in the amount of nitrogen introduced.

また、前述した従来技術のように、窒素濃度分布が厚さ方向に2つのピークを有する酸窒化シリコン膜を形成する技術は、高温の酸窒化処理を複数回実施するため、酸窒化シリコン膜の膜厚が厚くなってしまい、5nm以下の薄いゲート絶縁膜を形成することは困難である。   In addition, as in the prior art described above, the technique for forming a silicon oxynitride film having a nitrogen concentration distribution having two peaks in the thickness direction performs high-temperature oxynitriding multiple times. As the film thickness increases, it is difficult to form a thin gate insulating film of 5 nm or less.

本発明の目的は、MISFETのゲート絶縁膜を酸窒化シリコン膜で構成した半導体集積回路装置において、窒素濃度の高い酸窒化シリコン膜を形成することのできる技術を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a technique capable of forming a silicon oxynitride film having a high nitrogen concentration in a semiconductor integrated circuit device in which a gate insulating film of a MISFET is composed of a silicon oxynitride film.

本発明の他の目的は、MISFETのゲート絶縁膜を酸窒化シリコン膜で構成した半導体集積回路装置の信頼性を向上させることのできる技術を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a technique capable of improving the reliability of a semiconductor integrated circuit device in which a gate insulating film of a MISFET is composed of a silicon oxynitride film.

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。   The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
(1)本願の一発明である半導体集積回路装置は、半導体基板上に形成され、且つ、窒素が導入された酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを含む電界効果トランジスタを有する半導体集積回路装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板に近い第1領域と、前記第1領域よりも前記ゲート電極に近い第2領域とで窒素濃度のピークが異なっており、
前記第1領域における窒素濃度のピークは、2.5atomic%〜10atomic%であり、
前記第2領域における窒素濃度のピークは、前記第1領域における窒素濃度のピークよりも高い。
(2)本願の他の発明である半導体集積回路装置は、半導体基板上に形成され、且つ、窒素が導入された酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを含む電界効果トランジスタを有する半導体集積回路装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板に近い第1領域と、前記第1領域よりも前記ゲート電極に近い第2領域とで窒素濃度のピークが異なっており、
前記第1領域における窒素濃度のピークは、2.5atomic%〜10atomic%であり、
前記第2領域における窒素濃度のピークは、前記第1領域における窒素濃度のピークよりも高く、
前記ゲート絶縁膜の膜厚は、5nm以下である。
(3)本願の他の発明である半導体集積回路装置は、半導体基板上に形成され、且つ、窒素が導入された酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを含む電界効果トランジスタを有する半導体集積回路装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板に近い第1領域と、前記第1領域よりも前記ゲート電極に近い第2領域とで窒素濃度のピークが異なっており、
前記第1領域における窒素濃度のピークは、2.5atomic%〜10atomic%であり、
前記第2領域における窒素濃度のピークは、前記第1領域における窒素濃度のピークよりも高く、
前記ゲート絶縁膜の膜厚は、5nm以下であり、
前記電界効果トランジスタは、DRAMのメモリセル選択用の電界効果トランジスタである。
(4)本願の他の発明である半導体集積回路装置は、半導体基板上に形成され、且つ、窒素が導入された酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを含み、DRAMのメモリセルの一部を構成する電界効果トランジスタを有する半導体集積回路装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板に近い第1領域と、前記第1領域よりも前記ゲート電極に近い第2領域とで窒素濃度のピークが異なっており、
前記第1領域における窒素濃度のピークは、2.5atomic%〜10atomic%であり、
前記第2領域における窒素濃度のピークは、前記第1領域における窒素濃度のピークよりも高く、
前記ゲート絶縁膜の膜厚は、5nm以下であり、
前記ゲート電極は、前記メモリセルのワード線を構成し、且つ、多結晶シリコン膜、高融点金属窒化膜、及び、高融点金属膜を含んで構成されており、
前記電界効果トランジスタのソース領域またはドレイン領域の一方は、前記メモリセルのビット線と電気的に接続され、
前記電界効果トランジスタのソース領域またはドレイン領域の他方は、前記メモリセルの容量素子と電気的に接続されている。
Of the inventions disclosed in the present application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
(1) A semiconductor integrated circuit device according to one aspect of the present invention is a gate insulating film formed on a semiconductor substrate and made of a silicon oxide film into which nitrogen is introduced, and a gate electrode formed on the gate insulating film A semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor comprising:
The gate insulating film has different nitrogen concentration peaks in a first region closer to the semiconductor substrate and a second region closer to the gate electrode than the first region,
The peak of the nitrogen concentration in the first region is 2.5 atomic% to 10 atomic%,
The nitrogen concentration peak in the second region is higher than the nitrogen concentration peak in the first region.
(2) A semiconductor integrated circuit device according to another invention of the present application includes a gate insulating film formed on a semiconductor substrate and made of a silicon oxide film into which nitrogen is introduced, and a gate formed on the gate insulating film A semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor including an electrode,
The gate insulating film has different nitrogen concentration peaks in a first region closer to the semiconductor substrate and a second region closer to the gate electrode than the first region,
The peak of the nitrogen concentration in the first region is 2.5 atomic% to 10 atomic%,
The peak of nitrogen concentration in the second region is higher than the peak of nitrogen concentration in the first region,
The gate insulating film has a thickness of 5 nm or less.
(3) A semiconductor integrated circuit device according to another invention of the present application includes a gate insulating film formed on a semiconductor substrate and made of a silicon oxide film into which nitrogen is introduced, and a gate formed on the gate insulating film A semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor including an electrode,
The gate insulating film has different nitrogen concentration peaks in a first region closer to the semiconductor substrate and a second region closer to the gate electrode than the first region,
The peak of the nitrogen concentration in the first region is 2.5 atomic% to 10 atomic%,
The peak of nitrogen concentration in the second region is higher than the peak of nitrogen concentration in the first region,
The gate insulating film has a thickness of 5 nm or less,
The field effect transistor is a field effect transistor for selecting a DRAM memory cell.
(4) A semiconductor integrated circuit device according to another invention of the present application includes a gate insulating film formed on a semiconductor substrate and made of a silicon oxide film into which nitrogen is introduced, and a gate formed on the gate insulating film A semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor comprising a part of a DRAM memory cell,
The gate insulating film has different nitrogen concentration peaks in a first region closer to the semiconductor substrate and a second region closer to the gate electrode than the first region,
The peak of the nitrogen concentration in the first region is 2.5 atomic% to 10 atomic%,
The peak of nitrogen concentration in the second region is higher than the peak of nitrogen concentration in the first region,
The gate insulating film has a thickness of 5 nm or less,
The gate electrode constitutes a word line of the memory cell and includes a polycrystalline silicon film, a refractory metal nitride film, and a refractory metal film,
One of a source region or a drain region of the field effect transistor is electrically connected to a bit line of the memory cell,
The other of the source region and the drain region of the field effect transistor is electrically connected to the capacitor element of the memory cell.

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。   Among the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.

基板とゲート絶縁膜との界面近傍における窒素濃度を必要以上に高くすることなく、高窒素濃度のゲート絶縁膜を形成することができる。   A high nitrogen concentration gate insulating film can be formed without increasing the nitrogen concentration in the vicinity of the interface between the substrate and the gate insulating film more than necessary.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiments, and the repetitive description thereof will be omitted. Also, in the following embodiments, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless particularly necessary.

(実施の形態1)
本実施形態のCMOS−LSIの製造方法を図1〜図15を用いて工程順に説明する。
(Embodiment 1)
A manufacturing method of the CMOS-LSI of this embodiment will be described in the order of steps with reference to FIGS.

まず、図1に示すように、例えば1〜10Ωcm程度の比抵抗を有するp型の単結晶シリコンからなる半導体基板(以下、基板)1の主面に素子分離溝2を形成する。素子分離溝2を形成するには、まず、基板1を熱酸化してその表面に10nm程度の酸化シリコン膜30を形成し、続いて酸化シリコン膜30の上部にCVD法で堆積した膜厚100nm程度の窒化シリコン膜31をパターニングした後、この窒化シリコン膜31をマスクにして基板1をエッチングする。   First, as shown in FIG. 1, an element isolation trench 2 is formed on the main surface of a semiconductor substrate (hereinafter referred to as substrate) 1 made of p-type single crystal silicon having a specific resistance of, for example, about 1 to 10 Ωcm. In order to form the element isolation trench 2, first, the substrate 1 is thermally oxidized to form a silicon oxide film 30 having a thickness of about 10 nm on the surface thereof, and then a film thickness of 100 nm deposited on the silicon oxide film 30 by the CVD method. After patterning the silicon nitride film 31 to the extent, the substrate 1 is etched using the silicon nitride film 31 as a mask.

次に、図2に示すように、基板1上にCVD法で膜厚500nm程度の酸化シリコン膜3を堆積し、続いて素子分離溝2の外部の酸化シリコン膜3を化学的機械研磨法によって除去した後、熱リン酸を用いたウェットエッチングで基板1上の窒化シリコン膜31を除去する。その後、基板1を熱処理することによって、素子分離溝2の内部の酸化シリコン膜3を緻密化する。   Next, as shown in FIG. 2, a silicon oxide film 3 having a thickness of about 500 nm is deposited on the substrate 1 by a CVD method, and then the silicon oxide film 3 outside the element isolation trench 2 is formed by a chemical mechanical polishing method. After the removal, the silicon nitride film 31 on the substrate 1 is removed by wet etching using hot phosphoric acid. Thereafter, the silicon oxide film 3 inside the element isolation trench 2 is densified by heat-treating the substrate 1.

次に、図3に示すように、基板1の主面の一部にp型ウエル4を形成し、他の一部にn型ウエル5を形成する。p型ウエル4およびn型ウエル5を形成するには、基板1の一部にホウ素をイオン注入し、他の一部にリンをイオン注入した後、基板1を熱処理してこれらの不純物(ホウ素およびリン)を基板1中に拡散させる。   Next, as shown in FIG. 3, the p-type well 4 is formed on a part of the main surface of the substrate 1, and the n-type well 5 is formed on the other part. In order to form the p-type well 4 and the n-type well 5, boron is ion-implanted into a part of the substrate 1, phosphorus is ion-implanted into the other part, and then the substrate 1 is heat-treated so that these impurities (boron And phosphorus) are diffused into the substrate 1.

次に、フッ酸を用いたウェットエッチングで基板1の表面の酸化シリコン膜30を除去した後、図4に示すように、基板1をウェット酸化することによって、p型ウエル4およびn型ウエル5のそれぞれの表面に膜厚5nm以下(本実施の形態では3.0nm)の酸化シリコン膜6aを形成する。酸化シリコン膜6aは、上記したウェット酸化法以外の酸化方法、例えばドライ酸化法、あるいは活性酸素を含む雰囲気に基板1を曝す方法などによって形成してもよい。   Next, after removing the silicon oxide film 30 on the surface of the substrate 1 by wet etching using hydrofluoric acid, the substrate 1 is wet-oxidized as shown in FIG. 4 to thereby form the p-type well 4 and the n-type well 5. A silicon oxide film 6a having a film thickness of 5 nm or less (3.0 nm in this embodiment) is formed on each surface. The silicon oxide film 6a may be formed by an oxidation method other than the wet oxidation method described above, for example, a dry oxidation method or a method of exposing the substrate 1 to an atmosphere containing active oxygen.

次に、5%程度のNO(一酸化窒素)ガスを含む900℃〜1100℃の雰囲気中で基板1を熱処理する。この熱処理を行うと、基板1の表面に形成されている酸化シリコン膜6a中に窒素が導入され、酸化シリコン膜6aが酸窒化シリコン膜6bとなる(図5)。なお、NOガスに代えてNO(亜酸化窒素)ガスを含む雰囲気中で基板1を熱処理することによって、酸窒化シリコン膜6bを形成してもよい。 Next, the substrate 1 is heat-treated in an atmosphere of 900 ° C. to 1100 ° C. containing about 5% NO (nitrogen monoxide) gas. When this heat treatment is performed, nitrogen is introduced into the silicon oxide film 6a formed on the surface of the substrate 1, and the silicon oxide film 6a becomes the silicon oxynitride film 6b (FIG. 5). Note that the silicon oxynitride film 6b may be formed by heat-treating the substrate 1 in an atmosphere containing N 2 O (nitrous oxide) gas instead of NO gas.

図6は、上記の熱処理(酸窒化処理)によって形成された酸窒化シリコン膜6b中の窒素濃度プロファイルを示すグラフであり、横軸は基板1の表面からの深さ(nm)を示している。   FIG. 6 is a graph showing a nitrogen concentration profile in the silicon oxynitride film 6b formed by the heat treatment (oxynitriding treatment), and the horizontal axis shows the depth (nm) from the surface of the substrate 1. .

グラフに示すように、酸窒化シリコン膜6b中の窒素濃度は、酸窒化シリコン膜6bと基板1との界面(深さ3.4nm)近傍で最も高くなっている。これは、シリコン(Si)に対するNOの反応性が低いため、酸化シリコン膜6a中に導入されたNOは、膜の表面近傍ではシリコンとほとんど反応することなく拡散し、基板1との界面に偏析することを示している。   As shown in the graph, the nitrogen concentration in the silicon oxynitride film 6b is the highest near the interface (depth 3.4 nm) between the silicon oxynitride film 6b and the substrate 1. This is because the reactivity of NO to silicon (Si) is low, so that NO introduced into the silicon oxide film 6a diffuses almost without reacting with silicon near the surface of the film and segregates at the interface with the substrate 1. It shows that

上記の熱処理(酸窒化処理)を行う際には、酸窒化シリコン膜6bと基板1との界面近傍の窒素濃度が1atomic%〜10atomic%の範囲内となるように、熱処理条件を設定する。上記界面近傍の窒素濃度が10atomic%を越えると、pチャネル型MISFETのキャリア移動度(Mobility)が20%程度低下し、これによってドレイン電流(Ids)が10%程度低減するので、回路の設計が事実上困難となる。他方、上記界面近傍の窒素濃度が1atomic%未満では、酸窒化処理の効果が得られない。   When performing the above heat treatment (oxynitriding treatment), the heat treatment conditions are set so that the nitrogen concentration in the vicinity of the interface between the silicon oxynitride film 6b and the substrate 1 is in the range of 1 atomic% to 10 atomic%. When the nitrogen concentration in the vicinity of the interface exceeds 10 atomic%, the carrier mobility (Mobility) of the p-channel MISFET is reduced by about 20%, thereby reducing the drain current (Ids) by about 10%. It becomes practically difficult. On the other hand, when the nitrogen concentration in the vicinity of the interface is less than 1 atomic%, the effect of the oxynitriding treatment cannot be obtained.

次に、上記基板1を窒素プラズマ雰囲気中に曝すことによって、酸窒化シリコン膜6b中にさらに窒素を導入する。この窒素プラズマ処理は、例えば周囲に磁場コイルを設置した処理室に高周波を導入し、電場と磁場の相互作用によってプラズマを発生させる周知のプラズマ処理装置を使用して行う。また、処理室とは別個に設けたプラズマ発生室内で生成したプラズマを処理室内に導入するリモートプラズマ処理装置を使用してもよい。   Next, nitrogen is further introduced into the silicon oxynitride film 6b by exposing the substrate 1 to a nitrogen plasma atmosphere. This nitrogen plasma treatment is performed, for example, using a known plasma processing apparatus that introduces a high frequency into a processing chamber in which a magnetic field coil is installed around and generates plasma by the interaction between an electric field and a magnetic field. Alternatively, a remote plasma processing apparatus that introduces plasma generated in a plasma generation chamber provided separately from the processing chamber into the processing chamber may be used.

上記プラズマ処理装置の処理室に基板1を収容し、次いで処理室に窒素ガスを導入すると、プラズマによって活性化された窒素ラジカルが酸窒化シリコン膜6b中に導入されて膜中のシリコンと反応し、酸窒化シリコン膜6bよりもさらに窒素濃度が高い酸窒化シリコンからなるゲート絶縁膜6が形成される(図7)。   When the substrate 1 is accommodated in the processing chamber of the plasma processing apparatus and then nitrogen gas is introduced into the processing chamber, nitrogen radicals activated by the plasma are introduced into the silicon oxynitride film 6b and react with the silicon in the film. Then, the gate insulating film 6 made of silicon oxynitride having a higher nitrogen concentration than the silicon oxynitride film 6b is formed (FIG. 7).

図8は、上記の酸窒化処理とプラズマ処理とによって形成された酸窒化シリコンからなるゲート絶縁膜6中の窒素濃度プロファイルを示すグラフであり、横軸は基板1の表面からの深さ(nm)を示している。   FIG. 8 is a graph showing a nitrogen concentration profile in the gate insulating film 6 made of silicon oxynitride formed by the above-described oxynitridation treatment and plasma treatment, and the horizontal axis represents the depth (nm) from the surface of the substrate 1. ).

グラフに示すように、ゲート絶縁膜6中の窒素濃度は、基板1とゲート絶縁膜6との界面近傍に第1のピーク濃度を有し、ゲート絶縁膜6の表面近傍に第2のピーク濃度を有している。基板1とゲート絶縁膜6との界面近傍に存在する窒素は、主として前記の酸窒化処理によって導入された窒素であり、ゲート絶縁膜6の表面近傍に存在する窒素は、主として窒素プラズマ処理によって導入された窒素である。すなわち、窒素プラズマ処理によって導入された活性な窒素は、酸窒化処理によって導入された窒素に比べてシリコンとの反応性が高いため、そのほとんどは酸窒化シリコン膜6bの表面近傍でシリコンと反応する。他方、前述したように、酸窒化処理によって導入された窒素は反応性が低いため、そのほとんどは膜中を拡散して基板1との界面に偏析する。   As shown in the graph, the nitrogen concentration in the gate insulating film 6 has a first peak concentration near the interface between the substrate 1 and the gate insulating film 6 and a second peak concentration near the surface of the gate insulating film 6. have. Nitrogen existing in the vicinity of the interface between the substrate 1 and the gate insulating film 6 is mainly nitrogen introduced by the oxynitriding process, and nitrogen existing in the vicinity of the surface of the gate insulating film 6 is mainly introduced by nitrogen plasma processing. Nitrogen. That is, active nitrogen introduced by the nitrogen plasma treatment has a higher reactivity with silicon than nitrogen introduced by the oxynitriding treatment, and most of them react with silicon near the surface of the silicon oxynitride film 6b. . On the other hand, as described above, since nitrogen introduced by the oxynitriding process has low reactivity, most of the nitrogen diffuses in the film and segregates at the interface with the substrate 1.

また、ゲート絶縁膜6の表面近傍の窒素濃度が高い程、リーク電流の低減効果が高くなるため、この領域の窒素濃度は、基板1とゲート絶縁膜6との界面近傍における窒素濃度の上限(10atomic%)よりも高くすることが望ましい。   Further, the higher the nitrogen concentration in the vicinity of the surface of the gate insulating film 6, the higher the leakage current reducing effect. Therefore, the nitrogen concentration in this region is the upper limit of the nitrogen concentration near the interface between the substrate 1 and the gate insulating film 6 ( Higher than 10 atomic%).

上記の窒素プラズマ処理は、膜中に導入された窒素が基板1との界面にまで拡散するのを抑制するために、600℃以下の低温で実施する。基板1の温度が高い場合には、窒素が基板1との界面にまで拡散し、前述した窒素濃度の上限(10atomic%)を越えてしまう虞れがある。他方、室温で窒素プラズマ処理を行う場合においても、プラズマに曝されることによって基板1の温度が200℃程度に上昇するので、プロセスの制御性を確保する観点から、200℃以上に加熱することが望ましい。   The nitrogen plasma treatment is performed at a low temperature of 600 ° C. or lower in order to prevent nitrogen introduced into the film from diffusing up to the interface with the substrate 1. When the temperature of the substrate 1 is high, nitrogen may diffuse to the interface with the substrate 1 and exceed the above-described upper limit (10 atomic%) of the nitrogen concentration. On the other hand, even when the nitrogen plasma treatment is performed at room temperature, the temperature of the substrate 1 rises to about 200 ° C. by exposure to the plasma, so that it is heated to 200 ° C. or more from the viewpoint of ensuring process controllability. Is desirable.

なお、酸窒化処理と窒素プラズマ処理の順番は、上記した順番とは逆であってもよい。すなわち、窒素プラズマ処理を行った後、酸窒化処理を行ってもよい。但し、酸窒化処理は、高温(900℃〜1100℃)の熱処理を伴うため、窒素プラズマ処理を行った後に酸窒化処理を行うと、窒素プラズマ処理で導入したゲート絶縁膜6の表面近傍の窒素が酸窒化処理時に基板1との界面近傍に拡散し、この領域の窒素濃度を必要以上に高くする虞れがあるので、この点に配慮して処理条件を設定する必要がある。   Note that the order of the oxynitriding treatment and the nitrogen plasma treatment may be opposite to the above-described order. That is, after performing nitrogen plasma treatment, oxynitridation treatment may be performed. However, since the oxynitriding process involves a heat treatment at a high temperature (900 ° C. to 1100 ° C.), if the oxynitriding process is performed after the nitrogen plasma process, the nitrogen in the vicinity of the surface of the gate insulating film 6 introduced by the nitrogen plasma process is used. Diffuses in the vicinity of the interface with the substrate 1 during the oxynitriding process, and there is a possibility that the nitrogen concentration in this region will be higher than necessary. Therefore, it is necessary to set the processing conditions in consideration of this point.

次に、図9に示すように、ゲート絶縁膜6の上部にゲート電極用導電膜7aを堆積する。ゲート電極用導電膜7aは、例えばCVD法で堆積したn型多結晶シリコン膜とW(タングステン)シリサイド膜との積層膜(ポリサイド膜)、あるいはCVD法で堆積したn型多結晶シリコン膜とスパッタリング法で堆積した窒化タングステン(WN)膜とW膜との積層膜(ポリメタル膜)などで構成する。   Next, as shown in FIG. 9, a gate electrode conductive film 7 a is deposited on the gate insulating film 6. The gate electrode conductive film 7a is, for example, a laminated film (polycide film) of an n-type polycrystalline silicon film and a W (tungsten) silicide film deposited by the CVD method, or an n-type polycrystalline silicon film deposited by the CVD method and a sputtering method. A laminated film (polymetal film) of a tungsten nitride (WN) film and a W film deposited by the method is used.

次に、図10に示すように、フォトレジスト膜32をマスクにしたドライエッチングでゲート電極用導電膜7aをパターニングすることによって、p型ウエル4およびn型ウエル5のそれぞれのゲート酸化膜6上にゲート電極7を形成する。   Next, as shown in FIG. 10, the gate electrode conductive film 7a is patterned by dry etching using the photoresist film 32 as a mask, so that the gate oxide film 6 on each of the p-type well 4 and the n-type well 5 is formed. Then, the gate electrode 7 is formed.

次に、アッシング(灰化)処理などによってゲート電極7上のフォトレジスト膜32を除去した後、図11に示すように、p型ウエル4にリンまたはヒ素をイオン注入することによって低不純物濃度のn-型半導体領域8を形成し、n型ウエル5にホウ素をイオン注入することによって低不純物濃度のp-型半導体領域9を形成する。 Next, after removing the photoresist film 32 on the gate electrode 7 by ashing (ashing) or the like, phosphorus or arsenic is ion-implanted into the p-type well 4 as shown in FIG. An n type semiconductor region 8 is formed, and boron is ion-implanted into the n type well 5 to form a low impurity concentration p type semiconductor region 9.

次に、基板1上にCVD法で窒化シリコン膜を堆積し、続いてこの窒化シリコン膜を異方的にエッチングすることによって、ゲート電極7の側壁にサイドウォールスペーサ10を形成した後、p型ウエル4にリンまたはヒ素をイオン注入することによって高不純物濃度のn+型半導体領域11(ソース、ドレイン)を形成し、n型ウエル5にホウ素をイオン注入することによって高不純物濃度のp+型半導体領域12(ソース、ドレイン)を形成する。ここまでの工程で、nチャネル型MISFET(Qn)およびpチャネル型MISFET(Qp)が完成する。 Next, a silicon nitride film is deposited on the substrate 1 by the CVD method, and then the silicon nitride film is anisotropically etched to form a sidewall spacer 10 on the side wall of the gate electrode 7, and then p-type. High impurity concentration n + type semiconductor regions 11 (source and drain) are formed by implanting phosphorus or arsenic into the well 4, and high impurity concentration p + type by implanting boron into the n type well 5. A semiconductor region 12 (source, drain) is formed. The n-channel MISFET (Qn) and p-channel MISFET (Qp) are completed through the steps so far.

次に、図12に示すように、フォトレジスト膜33をマスクにして酸化シリコン膜16をドライエッチングすることにより、nチャネル型MISFET(Qn)のソース、ドレイン(n+型半導体領域11)の上部およびpチャネル型MISFET(Qp)のソース、ドレイン(p+型半導体領域12)の上部にそれぞれコンタクトホール17を形成する。 Next, as shown in FIG. 12, the silicon oxide film 16 is dry-etched using the photoresist film 33 as a mask, so that the upper part of the source / drain (n + type semiconductor region 11) of the n-channel type MISFET (Qn) is obtained. In addition, contact holes 17 are formed above the source and drain (p + -type semiconductor region 12) of the p-channel MISFET (Qp), respectively.

次に、アッシング(灰化)処理などによって酸化シリコン膜16上のフォトレジスト膜33を除去した後、図13に示すように、コンタクトホール17の内部を含む酸化シリコン膜16の上部にスパッタリング法などを用いて配線用メタル膜18aを堆積する。配線用メタル膜18aは、Al合金膜、またはAl合金膜の下層と上層にTi膜やTiN膜を積層した複合メタル膜で構成する。   Next, after removing the photoresist film 33 on the silicon oxide film 16 by an ashing (ashing) process or the like, a sputtering method or the like is formed on the silicon oxide film 16 including the inside of the contact hole 17 as shown in FIG. A wiring metal film 18a is deposited using The wiring metal film 18a is composed of an Al alloy film or a composite metal film in which a Ti film or a TiN film is laminated on the lower and upper layers of the Al alloy film.

次に、図14に示すように、配線用メタル膜18aの上部にフォトレジスト膜34を形成した後、フォトレジスト膜32をマスクにして配線用メタル膜18aをドライエッチングすることにより、酸化シリコン膜16の上部に配線用メタル膜18aからなる第1層目のメタル配線18を形成する。   Next, as shown in FIG. 14, after a photoresist film 34 is formed on the wiring metal film 18a, the wiring metal film 18a is dry-etched using the photoresist film 32 as a mask, thereby forming a silicon oxide film. A first layer metal wiring 18 made of a wiring metal film 18 a is formed on the upper portion 16.

次に、アッシング処理などによってメタル配線18上のフォトレジスト膜34を除去した後、図15に示すように、メタル配線18の上部にCVD法で酸化シリコン膜19を堆積し、続いて、メタル配線18の上部の酸化シリコン膜19をドライエッチングしてスルーホール20を形成し、さらに、スルーホール20の内部を含む酸化シリコン膜19の上部にスパッタリング法などを用いて配線用メタル膜を堆積した後、この配線用メタル膜をドライエッチングすることにより、酸化シリコン膜19の上部に第2層目のメタル配線21を形成する。   Next, after removing the photoresist film 34 on the metal wiring 18 by an ashing process or the like, a silicon oxide film 19 is deposited on the metal wiring 18 by a CVD method as shown in FIG. After the silicon oxide film 19 on the upper part of 18 is dry-etched to form a through hole 20, and a metal film for wiring is deposited on the silicon oxide film 19 including the inside of the through hole 20 by using a sputtering method or the like. The second metal wiring 21 is formed on the silicon oxide film 19 by dry etching the wiring metal film.

以下、図示は省略するが、上記配線形成工程の繰り返しにより、第2層目のメタル配線21の上部に層間絶縁膜と配線とを交互に形成することにより、本実施の形態のCMOS−LSIが完成する。   Hereinafter, although not shown in the drawings, by repeating the above-described wiring formation process, the interlayer insulating film and the wiring are alternately formed on the second-layer metal wiring 21, thereby making the CMOS-LSI of the present embodiment. Complete.

このように、本実施の形態では、酸窒化処理と窒素プラズマ処理とを併用することによって、酸窒化シリコンからなるゲート絶縁膜6を形成するので、基板1とゲート絶縁膜6との界面近傍における窒素濃度を必要以上に高くすることなく、膜中の窒素濃度を高めることができる。   As described above, in the present embodiment, the gate insulating film 6 made of silicon oxynitride is formed by using both the oxynitriding treatment and the nitrogen plasma processing, and therefore, in the vicinity of the interface between the substrate 1 and the gate insulating film 6. The nitrogen concentration in the film can be increased without increasing the nitrogen concentration more than necessary.

これにより、pチャネル型MISFET(Qp)のキャリア移動度を低下させることなく、高誘電率のゲート絶縁膜6を形成することができるので、MISFET(nチャネル型MISFET(Qn)およびpチャネル型MISFET(Qp))のリーク電流を低減することができる。また、MISFET(nチャネル型MISFET(Qn)およびpチャネル型MISFET(Qp))のホットキャリア耐性およびnチャネル型MISFETの電子移動度の向上を図ることができる。   As a result, the gate dielectric film 6 having a high dielectric constant can be formed without reducing the carrier mobility of the p-channel MISFET (Qp), so that the MISFET (n-channel MISFET (Qn) and p-channel MISFET) can be formed. (Qp)) leakage current can be reduced. Further, it is possible to improve the hot carrier resistance of the MISFET (n-channel type MISFET (Qn) and p-channel type MISFET (Qp)) and the electron mobility of the n-channel type MISFET.

また、高温の熱処理を必要とする酸窒化処理を一度しか行わないので、ゲート絶縁膜6の過度の成長が抑制され、膜厚5nm以下の薄いゲート絶縁膜6を実現することができる。   In addition, since the oxynitridation process requiring high-temperature heat treatment is performed only once, excessive growth of the gate insulating film 6 is suppressed, and a thin gate insulating film 6 having a thickness of 5 nm or less can be realized.

(実施の形態2)
本実施形態の半導体集積回路装置は、DRAM(Dynamic Random Access Memory)とロジック回路とを同一半導体基板上に形成したDRAM−ロジック混載LSIである。以下、この混載LSIの製造方法を図16〜図26を用いて工程順に説明する。なお、各図の左側および中央の領域はDRAMのメモリセル形成領域(以下、DRAM形成領域という)を示し、右側の領域はロジック回路形成領域を示している。
(Embodiment 2)
The semiconductor integrated circuit device of this embodiment is a DRAM-logic mixed LSI in which a DRAM (Dynamic Random Access Memory) and a logic circuit are formed on the same semiconductor substrate. Hereinafter, a method for manufacturing the embedded LSI will be described in the order of steps with reference to FIGS. Note that the left and center regions in each figure indicate a DRAM memory cell formation region (hereinafter referred to as a DRAM formation region), and the right region indicates a logic circuit formation region.

まず、図16に示すように、前記実施の形態1と同様の方法によって、基板1の主面に素子分離溝2、p型ウエル4およびn型ウエル5を形成し、続いてp型ウエル4およびn型ウエル5のそれぞれの表面に酸化シリコン膜6aを形成した後、前述した酸窒化処理と窒素プラズマ処理とを併用して酸化シリコン膜6aに窒素を導入することにより、p型ウエル4およびn型ウエル5のそれぞれの表面に酸窒化シリコンからなる膜厚1.5nmのゲート絶縁膜6を形成する。ゲート絶縁膜6中の窒素濃度は、前記実施の形態1のゲート絶縁膜6と同様、基板1との界面近傍に第1のピーク濃度を有し、膜の表面近傍に第1のピーク濃度よりも高濃度(10atomic%以上)の第2のピーク濃度を有している。   First, as shown in FIG. 16, the element isolation trench 2, the p-type well 4 and the n-type well 5 are formed on the main surface of the substrate 1 by the same method as in the first embodiment, and then the p-type well 4 is formed. After the silicon oxide film 6a is formed on the surface of each of the n-type well 5 and nitrogen is introduced into the silicon oxide film 6a by using the above-described oxynitridation treatment and nitrogen plasma treatment together, the p-type well 4 and A gate insulating film 6 made of silicon oxynitride and having a thickness of 1.5 nm is formed on each surface of the n-type well 5. The nitrogen concentration in the gate insulating film 6 has a first peak concentration in the vicinity of the interface with the substrate 1 as in the gate insulating film 6 in the first embodiment, and the first peak concentration in the vicinity of the surface of the film. Has a second peak concentration of a high concentration (10 atomic% or more).

次に、図17に示すように、p型ウエル4のゲート絶縁膜6上にn型多結晶シリコン膜13nを形成し、n型ウエル5のゲート絶縁膜6上にp型多結晶シリコン膜13pを形成する。n型多結晶シリコン膜13nおよびp型多結晶シリコン膜13pを形成するには、まずゲート絶縁膜6上にCVD法でアモルファスシリコン膜を堆積し、続いてフォトレジスト膜をマスクに用いてp型ウエル4の上部のアモルファスシリコン膜にリンをイオン注入し、n型ウエル5の上部のアモルファスシリコン膜にホウ素をイオン注入した後、基板1を熱処理する。これらのイオン注入は、DRAMのメモリセルを構成するnチャネル型MISFET、ロジック回路を構成するnチャネル型MISFETおよびpチャネル型MISFETのそれぞれを表面チャネル型にするために行う。   Next, as shown in FIG. 17, an n-type polycrystalline silicon film 13 n is formed on the gate insulating film 6 of the p-type well 4, and a p-type polycrystalline silicon film 13 p is formed on the gate insulating film 6 of the n-type well 5. Form. In order to form the n-type polycrystalline silicon film 13n and the p-type polycrystalline silicon film 13p, first, an amorphous silicon film is deposited on the gate insulating film 6 by the CVD method, and then the p-type using the photoresist film as a mask. After phosphorus is ion-implanted into the amorphous silicon film above the well 4 and boron is ion-implanted into the amorphous silicon film above the n-type well 5, the substrate 1 is heat-treated. These ion implantations are performed in order to make each of the n-channel MISFET constituting the DRAM memory cell, the n-channel MISFET and the p-channel MISFET constituting the logic circuit a surface channel type.

次に、図18に示すように、多結晶シリコン膜(13p、13n)の上部にWN膜14とW膜15と窒化シリコン膜22とを堆積した後、図19に示すように、フォトレジスト膜35をマスクにして窒化シリコン膜22、W膜15、WN膜14および多結晶シリコン膜(13p、13n)を順次ドライエッチングすることによって、DRAM形成領域のゲート絶縁膜6上にゲート電極23a(ワード線WL)を形成し、ロジック回路形成領域のゲート絶縁膜6上にゲート電極23b、23cを形成する。 Next, as shown in FIG. 18, a polycrystalline silicon film (13p, 13n) after depositing a WN X film 14 and W film 15 and the silicon nitride film 22 on top of, as shown in FIG. 19, a photoresist silicon nitride film 22 and the film 35 as a mask, W film 15, WN X film 14 and the polycrystalline silicon film (13p, 13n) by sequentially dry-etched, the gate electrode 23a on the gate insulating film 6 in the DRAM formation region (Word line WL) is formed, and gate electrodes 23b and 23c are formed on the gate insulating film 6 in the logic circuit formation region.

次に、フォトレジスト膜35を除去した後、図20に示すように、p型ウエル4にリンまたはヒ素をイオン注入することによって低不純物濃度のn-型半導体領域24を形成し、n型ウエル5にホウ素をイオン注入することによって低不純物濃度のp-型半導体領域25を形成する。 Next, after removing the photoresist film 35, as shown in FIG. 20, phosphorus or arsenic is ion-implanted into the p-type well 4 to form a low impurity concentration n -type semiconductor region 24, thereby forming an n-type well. 5 is formed to form a p type semiconductor region 25 having a low impurity concentration.

次に、基板1上に窒化シリコン膜26を堆積し、ロジック回路形成領域の窒化シリコン膜26を異方的にエッチングすることによって、ゲート電極23b、23cの側壁にサイドウォールスペーサ26sを形成した後、ロジック回路形成領域のp型ウエル4にリンまたはヒ素をイオン注入することによって高不純物濃度のn+型半導体領域27(ソース、ドレイン)を形成し、n型ウエル5にホウ素をイオン注入することによって高不純物濃度のp+型半導体領域28(ソース、ドレイン)を形成する。ここまでの工程で、ロジック回路のnチャネル型MISFET(Qn)およびpチャネル型MISFET(Qp)が完成する。 Next, after a silicon nitride film 26 is deposited on the substrate 1 and the silicon nitride film 26 in the logic circuit formation region is anisotropically etched, side wall spacers 26s are formed on the side walls of the gate electrodes 23b and 23c. Then, phosphorus or arsenic is ion-implanted into the p-type well 4 in the logic circuit formation region to form a high impurity concentration n + -type semiconductor region 27 (source, drain), and boron is ion-implanted into the n-type well 5. As a result, a p + type semiconductor region 28 (source and drain) having a high impurity concentration is formed. The n-channel type MISFET (Qn) and p-channel type MISFET (Qp) of the logic circuit are completed through the steps up to here.

次に、図21に示すように、ゲート電極23a、23b、23cの上部に酸化シリコン膜40を堆積した後、DRAM形成領域のn-型半導体領域24の上部にコンタクトホール41、42を形成し、続いてコンタクトホール41、42の内部にn型多結晶シリコンからなるプラグ43を形成する。その後、基板1を熱処理し、プラグ43を構成する多結晶シリコン膜中のn型不純物(リン)をn-型半導体領域24に拡散させることによって、低抵抗のソース、ドレインを形成する。ここまでの工程で、DRAM形成領域にメモリセル選択用MISFET(Qt)が形成される。 Next, as shown in FIG. 21, after depositing a silicon oxide film 40 on the gate electrodes 23a, 23b, and 23c, contact holes 41 and 42 are formed on the n type semiconductor region 24 in the DRAM formation region. Subsequently, a plug 43 made of n-type polycrystalline silicon is formed inside the contact holes 41 and 42. Thereafter, the substrate 1 is heat-treated, and n-type impurities (phosphorus) in the polycrystalline silicon film constituting the plug 43 are diffused into the n -type semiconductor region 24, thereby forming a low-resistance source and drain. Through the steps so far, the memory cell selection MISFET (Qt) is formed in the DRAM formation region.

次に、図22に示すように、酸化シリコン膜40の上部に酸化シリコン膜44を堆積した後、ロジック回路形成領域の酸化シリコン膜44、40をドライエッチングすることによって、nチャネル型MISFET(Qn)のソース、ドレイン(n+型半導体領域27)の上部にコンタクトホール45を形成し、pチャネル型MISFET(Qp)のソース、ドレイン(p+型半導体領域28)の上部にコンタクトホール46を形成する。また、DRAM形成領域の酸化シリコン膜44をエッチングすることによって、コンタクトホール41の上部にスルーホール47を形成する。 Next, as shown in FIG. 22, after depositing a silicon oxide film 44 on top of the silicon oxide film 40, the silicon oxide films 44 and 40 in the logic circuit formation region are dry-etched to form an n-channel MISFET (Qn ), Contact holes 45 are formed above the source and drain (n + type semiconductor region 27), and contact holes 46 are formed above the source and drain of the p channel MISFET (Qp) (p + type semiconductor region 28). To do. Further, a through hole 47 is formed above the contact hole 41 by etching the silicon oxide film 44 in the DRAM formation region.

次に、コンタクトホール45、46およびスルーホール47の内部にプラグ48を形成した後、DRAM形成領域の酸化シリコン膜44の上部にビット線BLを形成し、ロジック回路形成領域の酸化シリコン膜44の上部に配線50〜53を形成する。プラグ48は、例えばTiN膜とW膜との積層膜で構成し、ビット線BLおよび配線50〜53はW膜で構成する。   Next, after the plugs 48 are formed inside the contact holes 45 and 46 and the through holes 47, the bit lines BL are formed on the silicon oxide film 44 in the DRAM formation region, and the silicon oxide film 44 in the logic circuit formation region is formed. Wirings 50 to 53 are formed in the upper part. The plug 48 is composed of, for example, a laminated film of a TiN film and a W film, and the bit line BL and the wirings 50 to 53 are composed of a W film.

ビット線BLは、スルーホール47およびコンタクトホール41を通じてメモリセル選択用MISFET(Qt)のソース、ドレインの一方(24)と電気的に接続される。また、配線50、51は、コンタクトホール45、45を通じてnチャネル型MISFET(Qn)のソース、ドレイン(n+型半導体領域27)と電気的に接続され、配線52、53は、コンタクトホール46、46を通じてpチャネル型MISFET(Qp)のソース、ドレイン(p+型半導体領域28)と電気的に接続される。 The bit line BL is electrically connected to one of the source and drain (24) of the memory cell selection MISFET (Qt) through the through hole 47 and the contact hole 41. Further, the wirings 50 and 51 are electrically connected to the source and drain (n + type semiconductor region 27) of the n-channel type MISFET (Qn) through the contact holes 45 and 45, and the wirings 52 and 53 are connected to the contact hole 46, 46 is electrically connected to the source and drain (p + -type semiconductor region 28) of the p-channel type MISFET (Qp).

次に、図23に示すように、ビット線BLおよび配線50〜53の上部に酸化シリコン膜54を堆積し、続いてコンタクトホール41の上部の酸化シリコン膜54、44をエッチングしてスルーホール55を形成した後、スルーホール55の内部にn型多結晶シリコン膜からなるプラグ56を形成する。次に、酸化シリコン膜54の上部に窒化シリコン膜57および酸化シリコン膜58を堆積した後、スルーホール55の上部の酸化シリコン膜58と窒化シリコン膜57をエッチングして溝59を形成する。   Next, as shown in FIG. 23, a silicon oxide film 54 is deposited on the bit lines BL and the wirings 50 to 53, and then the silicon oxide films 54 and 44 on the contact holes 41 are etched to form through holes 55. Then, a plug 56 made of an n-type polycrystalline silicon film is formed inside the through hole 55. Next, after depositing a silicon nitride film 57 and a silicon oxide film 58 on the silicon oxide film 54, the silicon oxide film 58 and the silicon nitride film 57 above the through hole 55 are etched to form a groove 59.

次に、図24に示すように、溝59の内壁に多結晶シリコン膜からなる下部電極60を形成する。下部電極60を形成するには、まず溝60の内部および酸化シリコン膜58の上部に、n型アモルファスシリコン膜を堆積した後、酸化シリコン膜58の上部の不要なアモルファスシリコン膜を除去する。次に、減圧雰囲気中でアモルファスシリコン膜の表面にモノシラン(SiH4)を供給し、続いて基板1を熱処理してアモルファスシリコン膜を多結晶化すると共に、その表面にシリコン粒を成長させる。これにより、表面が粗面化された多結晶シリコン膜からなる下部電極60が得られる。 Next, as shown in FIG. 24, a lower electrode 60 made of a polycrystalline silicon film is formed on the inner wall of the groove 59. In order to form the lower electrode 60, first, after depositing an n-type amorphous silicon film inside the trench 60 and on the silicon oxide film 58, an unnecessary amorphous silicon film on the silicon oxide film 58 is removed. Next, monosilane (SiH 4 ) is supplied to the surface of the amorphous silicon film in a reduced-pressure atmosphere, and then the substrate 1 is heat-treated to polycrystallize the amorphous silicon film and grow silicon grains on the surface. As a result, the lower electrode 60 made of a polycrystalline silicon film having a roughened surface is obtained.

次に、図25に示すように、溝59の内部に形成された下部電極60の上部にTa25(酸化タンタル)膜からなる容量絶縁膜61を形成する。Ta25膜は、CVD法で堆積し、その後、膜の改質を図るために、基板1を700℃〜750℃で熱処理する。 Next, as shown in FIG. 25, a capacitive insulating film 61 made of a Ta 2 O 5 (tantalum oxide) film is formed on the lower electrode 60 formed inside the trench 59. The Ta 2 O 5 film is deposited by the CVD method, and then the substrate 1 is heat-treated at 700 ° C. to 750 ° C. in order to modify the film.

前述したように、ロジック回路の一部を構成するpチャネル型MISFET(Qp)のゲート電極23cは、ホウ素がドープされたp型多結晶シリコン膜(13p)を含んでいるが、pチャネル型MISFET(Qp)のゲート絶縁膜6を高窒素濃度の酸窒化シリコン膜で構成したことにより、上記Ta25膜を改質するための熱処理を行っても、p型多結晶シリコン膜(13p)中のホウ素がゲート絶縁膜6を通過して基板1(n型ウエル5)に拡散するのを抑制できるので、pチャネル型MISFET(Qp)のしきい値電圧の変動を抑制することができる。 As described above, the gate electrode 23c of the p-channel type MISFET (Qp) constituting a part of the logic circuit includes the p-type polycrystalline silicon film (13p) doped with boron, but the p-channel type MISFET. Since the (Qp) gate insulating film 6 is composed of a silicon oxynitride film having a high nitrogen concentration, a p-type polycrystalline silicon film (13p) can be obtained even if heat treatment for modifying the Ta 2 O 5 film is performed. Since boron therein can be prevented from passing through the gate insulating film 6 and diffusing into the substrate 1 (n-type well 5), fluctuations in the threshold voltage of the p-channel MISFET (Qp) can be suppressed.

次に、図26に示すように、容量絶縁膜61の上部に例えばTiNからなる上部電極62を形成することによって、下部電極60、容量絶縁膜61および上部電極62からなる情報蓄積用容量素子Cを形成する。ここまでの工程により、メモリセル選択用MISFET(Qt)とこれに直列に接続された情報蓄積用容量素子CとからなるDRAMのメモリセルが完成する。   Next, as shown in FIG. 26, an upper electrode 62 made of, for example, TiN is formed on the capacitor insulating film 61 to thereby form an information storage capacitor element C made up of the lower electrode 60, the capacitor insulating film 61 and the upper electrode 62. Form. Through the steps up to here, a DRAM memory cell comprising the memory cell selection MISFET (Qt) and the information storage capacitor C connected in series is completed.

上記情報蓄積用容量素子Cの容量絶縁膜61は、Ta25膜の他、PZT、PLT、PLZT、PbTiO3、SrTiO3、BaTiO3、BST、SBTまたはTa25など、ペロブスカイト型または複合ペロブスカイト型の結晶構造を有する高誘電体膜または強誘電体膜で構成してもよい。また、下部電極60は、多結晶シリコン膜の他、Ru、Ptなどの白金族金属膜で構成してもよい。容量絶縁膜61を上記高誘電体膜または強誘電体膜で構成した場合、および下部電極60を上記白金族金属膜で構成した場合は、いずれも成膜後に膜の改質を図るための熱処理が必要となるが、pチャネル型MISFET(Qp)のゲート絶縁膜6を高窒素濃度の酸窒化シリコン膜で構成したことにより、これらの熱処理を行っても、p型多結晶シリコン膜(13p)中のホウ素がゲート絶縁膜6を通過して基板1(n型ウエル5)に拡散するのを抑制できるので、pチャネル型MISFET(Qp)のしきい値電圧の変動を抑制することができる。 The capacitive insulating film 61 of the information storage capacitive element C may be a perovskite type, such as PZT, PLT, PLZT, PbTiO 3 , SrTiO 3 , BaTiO 3 , BST, SBT, or Ta 2 O 5 in addition to a Ta 2 O 5 film. You may comprise with the high dielectric material film or ferroelectric film which has a compound perovskite type crystal structure. Further, the lower electrode 60 may be made of a platinum group metal film such as Ru or Pt in addition to the polycrystalline silicon film. When the capacitive insulating film 61 is composed of the high dielectric film or the ferroelectric film, and when the lower electrode 60 is composed of the platinum group metal film, the heat treatment for modifying the film after film formation is performed. However, since the gate insulating film 6 of the p-channel type MISFET (Qp) is made of a silicon oxynitride film having a high nitrogen concentration, the p-type polycrystalline silicon film (13p) can be obtained even if these heat treatments are performed. Since boron therein can be prevented from passing through the gate insulating film 6 and diffusing into the substrate 1 (n-type well 5), fluctuations in the threshold voltage of the p-channel MISFET (Qp) can be suppressed.

図示は省略するが、その後、情報蓄積用容量素子Cの上部に酸化シリコン膜からなる層間絶縁膜を挟んで2層程度のAl配線を形成し、さらにAl配線の上部に窒化シリコン膜と酸化シリコン膜との積層膜からなるパッシベーション膜を形成することにより、本実施形態のDRAM−ロジック混載LSIが完成する。   Although not shown, after that, an Al wiring of about two layers is formed on the information storage capacitor C with an interlayer insulating film made of a silicon oxide film interposed therebetween, and a silicon nitride film and a silicon oxide are further formed on the Al wiring. By forming a passivation film composed of a laminated film with the film, the DRAM-logic mixed LSI of this embodiment is completed.

本実施の形態によれば、酸窒化処理と窒素プラズマ処理とを併用することによって、酸窒化シリコンからなるゲート絶縁膜6を形成するので、基板1とゲート絶縁膜6との界面近傍における窒素濃度を必要以上に高くすることなく、膜中の窒素濃度を高めることができる。   According to the present embodiment, since the gate insulating film 6 made of silicon oxynitride is formed by using both the oxynitriding treatment and the nitrogen plasma processing, the nitrogen concentration in the vicinity of the interface between the substrate 1 and the gate insulating film 6 is formed. The nitrogen concentration in the film can be increased without increasing the value more than necessary.

これにより、pチャネル型MISFET(Qp)のキャリア移動度を低下させることなく、高誘電率のゲート絶縁膜6を形成することができるので、MISFETのリーク電流を低減することができる。また、MISFETのホットキャリア耐性およびnチャネル型MISFETの電子移動度の向上を図ることができる。さらに、ボロン漏れに起因するpチャネル型MISFET(Qp)のしきい値電圧の変動を抑制することができる。   As a result, the gate dielectric film 6 having a high dielectric constant can be formed without reducing the carrier mobility of the p-channel MISFET (Qp), so that the leakage current of the MISFET can be reduced. Further, the hot carrier resistance of the MISFET and the electron mobility of the n-channel MISFET can be improved. Furthermore, fluctuations in the threshold voltage of the p-channel MISFET (Qp) due to boron leakage can be suppressed.

また、高温の熱処理を必要とする酸窒化処理を一度しか行わないので、ゲート絶縁膜6の過度の成長が抑制され、膜厚5nm以下の薄いゲート絶縁膜6を実現することができる。   In addition, since the oxynitridation process requiring high-temperature heat treatment is performed only once, excessive growth of the gate insulating film 6 is suppressed, and a thin gate insulating film 6 having a thickness of 5 nm or less can be realized.

(実施の形態3)
本実施の形態によるゲート絶縁膜の形成方法を図27〜図29を用いて説明する。
(Embodiment 3)
A method for forming a gate insulating film according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

まず、図27に示すように、前記実施の形態1と同様の方法によって、基板1の主面に素子分離溝2、p型ウエル4およびn型ウエル5を形成し、続いて基板1をウェット酸化することによって、p型ウエル4およびn型ウエル5のそれぞれの表面に膜厚1nm〜1.5nm程度の酸化シリコン膜6aを形成する。   First, as shown in FIG. 27, the element isolation trench 2, the p-type well 4 and the n-type well 5 are formed on the main surface of the substrate 1 by the same method as in the first embodiment, and then the substrate 1 is wetted. By oxidation, a silicon oxide film 6a having a thickness of about 1 nm to 1.5 nm is formed on the surface of each of the p-type well 4 and the n-type well 5.

次に、図28に示すように、5%程度のNOガスを含む900℃〜1100℃の雰囲気中で基板1を熱処理する。この熱処理を行うと、基板1の表面に形成されている酸化シリコン膜6a中に窒素が導入され、前記実施の形態1と同様、基板1との界面近傍に窒素が偏析した酸窒化シリコン膜6bが形成される。上記の熱処理(酸窒化処理)を行う際には、前記実施の形態1と同様、酸窒化シリコン膜6bと基板1との界面近傍の窒素濃度が1atomic%〜10atomic%の範囲内となるように、熱処理条件を設定する。   Next, as shown in FIG. 28, the substrate 1 is heat-treated in an atmosphere of 900 ° C. to 1100 ° C. containing about 5% NO gas. When this heat treatment is performed, nitrogen is introduced into the silicon oxide film 6a formed on the surface of the substrate 1, and the silicon oxynitride film 6b in which nitrogen is segregated in the vicinity of the interface with the substrate 1 as in the first embodiment. Is formed. When performing the above heat treatment (oxynitriding), the nitrogen concentration in the vicinity of the interface between the silicon oxynitride film 6b and the substrate 1 is in the range of 1 atomic% to 10 atomic%, as in the first embodiment. Set heat treatment conditions.

次に、図29に示すように、酸窒化シリコン膜6bの上部にCVD法で膜厚1nm〜1.5nm程度の窒化シリコン膜6cを堆積することにより、酸窒化シリコン膜6bと窒化シリコン膜6cの積層膜で構成されるゲート絶縁膜70が得られる。   Next, as shown in FIG. 29, a silicon oxynitride film 6b and a silicon nitride film 6c are deposited on the silicon oxynitride film 6b by depositing a silicon nitride film 6c having a thickness of about 1 nm to 1.5 nm by a CVD method. Thus, a gate insulating film 70 composed of the laminated film is obtained.

酸窒化シリコン膜6bと窒化シリコン膜6cの積層膜で構成される上記ゲート絶縁膜70は、その表面側が窒化シリコン膜6cで構成されているので、基板1との界面近傍に窒素が偏析した酸窒化シリコン膜6bだけで構成されるゲート絶縁膜に比べて誘電率が高くなる。   The gate insulating film 70 composed of the laminated film of the silicon oxynitride film 6b and the silicon nitride film 6c is composed of the silicon nitride film 6c on the surface side, so that the nitrogen segregates near the interface with the substrate 1. The dielectric constant is higher than that of the gate insulating film composed only of the silicon nitride film 6b.

このように、上記酸窒化シリコン膜6bと窒化シリコン膜6cの積層膜でゲート絶縁膜70を構成することにより、基板1との界面近傍における窒素濃度を必要以上に高くすることなく、高誘電率のゲート絶縁膜70を実現することができる。   Thus, by forming the gate insulating film 70 with the laminated film of the silicon oxynitride film 6b and the silicon nitride film 6c, a high dielectric constant can be obtained without unnecessarily increasing the nitrogen concentration in the vicinity of the interface with the substrate 1. The gate insulating film 70 can be realized.

これにより、pチャネル型MISFET(Qp)のキャリア移動度を低下させることなく、MISFETのリーク電流を低減することができる。また、MISFETのホットキャリア耐性およびnチャネル型MISFETの電子移動度の向上を図ることができる。さらに、ボロン漏れに起因するpチャネル型MISFET(Qp)のしきい値電圧の変動を抑制することができる。   Thus, the leakage current of the MISFET can be reduced without reducing the carrier mobility of the p-channel type MISFET (Qp). Further, the hot carrier resistance of the MISFET and the electron mobility of the n-channel MISFET can be improved. Furthermore, fluctuations in the threshold voltage of the p-channel MISFET (Qp) due to boron leakage can be suppressed.

また、高温の熱処理を必要とする酸窒化処理を一度しか行わないので、ゲート絶縁膜70の過度の成長が抑制され、膜厚5nm以下の薄いゲート絶縁膜70を実現することができる。   In addition, since the oxynitridation process requiring high-temperature heat treatment is performed only once, excessive growth of the gate insulating film 70 is suppressed, and a thin gate insulating film 70 having a thickness of 5 nm or less can be realized.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

本発明は、MISFET(電界効果トランジスタ)を有する半導体集積回路装置に適用することができる。   The present invention can be applied to a semiconductor integrated circuit device having a MISFET (field effect transistor).

本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is one embodiment of this invention. 酸窒化処理によって形成された酸窒化シリコン膜中の窒素濃度プロファイルを示すグラフである。It is a graph which shows the nitrogen concentration profile in the silicon oxynitride film | membrane formed by the oxynitriding process. 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is one embodiment of this invention. 酸窒化処理とプラズマ処理とによって形成された酸窒化シリコンからなるゲート絶縁膜中の窒素濃度プロファイルを示すグラフである。It is a graph which shows the nitrogen concentration profile in the gate insulating film which consists of a silicon oxynitride formed by the oxynitridation process and the plasma process. 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is one embodiment of this invention. 本発明の一実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is one embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態である半導体集積回路装置の製造方法を示す半導体基板の要部断面図である。It is principal part sectional drawing of the semiconductor substrate which shows the manufacturing method of the semiconductor integrated circuit device which is other embodiment of this invention. ゲート絶縁膜と基板との界面における窒素濃度と、MISFETのキャリア移動度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the nitrogen concentration in the interface of a gate insulating film and a board | substrate, and the carrier mobility of MISFET.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体基板
2 素子分離溝
3 酸化シリコン膜
4 p型ウエル
5 n型ウエル
6a 酸化シリコン膜
6b 酸窒化シリコン膜
6c 窒化シリコン膜
6 ゲート絶縁膜
7a ゲート電極用導電膜
7 ゲート電極
8 n-型半導体領域
9 p-型半導体領域
10 サイドウォールスペーサ
11 n+型半導体領域(ソース、ドレイン)
12 p+型半導体領域(ソース、ドレイン)
13n n型多結晶シリコン膜
13p p型多結晶シリコン膜
14 WN
15 W膜
16 酸化シリコン膜
17 コンタクトホール
18a 配線用メタル膜
18 メタル配線
19 酸化シリコン膜
20 スルーホール
21 メタル配線
22 窒化シリコン膜
23a、23b、23c ゲート電極
24 n-型半導体領域
25 p-型半導体領域
26 窒化シリコン膜
26s サイドウォールスペーサ
27 n+型半導体領域(ソース、ドレイン)
28 p+型半導体領域(ソース、ドレイン)
30 酸化シリコン膜
31 窒化シリコン膜
32〜35 フォトレジスト膜
40 酸化シリコン膜
41、42 コンタクトホール
43 プラグ
44 酸化シリコン膜
45、46 コンタクトホール
47 スルーホール
48 プラグ
50〜53 配線
54 酸化シリコン膜
55 スルーホール
56 プラグ
57 窒化シリコン膜
58 酸化シリコン膜
59 溝
60 下部電極
61 容量絶縁膜
62 上部電極
70 ゲート絶縁膜
BL ビット線
C 情報蓄積用容量素子
Qn nチャネル型MISFET
Qp pチャネル型MISFET
Qt メモリセル選択用MISFET
WL ワード線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Element isolation groove 3 Silicon oxide film 4 P type well 5 N type well 6a Silicon oxide film 6b Silicon oxynitride film 6c Silicon nitride film 6 Gate insulating film 7a Conductive film for gate electrode 7 Gate electrode 8 n - type semiconductor Region 9 p type semiconductor region 10 Side wall spacer 11 n + type semiconductor region (source, drain)
12 p + type semiconductor region (source, drain)
13n n-type polycrystalline silicon film 13p p-type polycrystalline silicon film 14 WN X film 15 W film 16 silicon oxide film 17 contact hole 18a wiring metal film 18 metal wiring 19 silicon oxide film 20 through hole 21 metal wiring 22 silicon nitride film 23a, 23b, 23c Gate electrode 24 n type semiconductor region 25 p type semiconductor region 26 Silicon nitride film 26s Side wall spacer 27 n + type semiconductor region (source, drain)
28 p + type semiconductor region (source, drain)
30 Silicon oxide film 31 Silicon nitride film 32-35 Photoresist film 40 Silicon oxide film 41, 42 Contact hole 43 Plug 44 Silicon oxide film 45, 46 Contact hole 47 Through hole 48 Plug 50-53 Wiring 54 Silicon oxide film 55 Through hole 56 plug 57 silicon nitride film 58 silicon oxide film 59 groove 60 lower electrode 61 capacitive insulating film 62 upper electrode 70 gate insulating film BL bit line C information storage capacitive element Qn n-channel MISFET
Qp p-channel MISFET
Qt MISFET for memory cell selection
WL Word line

Claims (8)

半導体基板上に形成され、且つ、窒素が導入された酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを含む電界効果トランジスタを有する半導体集積回路装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板に近い第1領域と、前記第1領域よりも前記ゲート電極に近い第2領域とで窒素濃度のピークが異なっており、
前記第1領域における窒素濃度のピークは、2.5atomic%〜10atomic%であり、
前記第2領域における窒素濃度のピークは、前記第1領域における窒素濃度のピークよりも高いことを特徴とする半導体集積回路装置。
A semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor formed on a semiconductor substrate and including a gate insulating film made of a silicon oxide film into which nitrogen is introduced, and a gate electrode formed on the gate insulating film. ,
The gate insulating film has different nitrogen concentration peaks in a first region closer to the semiconductor substrate and a second region closer to the gate electrode than the first region,
The peak of the nitrogen concentration in the first region is 2.5 atomic% to 10 atomic%,
2. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein a peak of nitrogen concentration in the second region is higher than a peak of nitrogen concentration in the first region.
半導体基板上に形成され、且つ、窒素が導入された酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを含む電界効果トランジスタを有する半導体集積回路装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板に近い第1領域と、前記第1領域よりも前記ゲート電極に近い第2領域とで窒素濃度のピークが異なっており、
前記第1領域における窒素濃度のピークは、2.5atomic%〜10atomic%であり、
前記第2領域における窒素濃度のピークは、前記第1領域における窒素濃度のピークよりも高く、
前記ゲート絶縁膜の膜厚は、5nm以下であることを特徴とする半導体集積回路装置。
A semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor formed on a semiconductor substrate and including a gate insulating film made of a silicon oxide film into which nitrogen is introduced, and a gate electrode formed on the gate insulating film. ,
The gate insulating film has different nitrogen concentration peaks in a first region closer to the semiconductor substrate and a second region closer to the gate electrode than the first region,
The peak of the nitrogen concentration in the first region is 2.5 atomic% to 10 atomic%,
The peak of nitrogen concentration in the second region is higher than the peak of nitrogen concentration in the first region,
A semiconductor integrated circuit device, wherein the gate insulating film has a thickness of 5 nm or less.
半導体基板上に形成され、且つ、窒素が導入された酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを含む電界効果トランジスタを有する半導体集積回路装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板に近い第1領域と、前記第1領域よりも前記ゲート電極に近い第2領域とで窒素濃度のピークが異なっており、
前記第1領域における窒素濃度のピークは、2.5atomic%〜10atomic%であり、
前記第2領域における窒素濃度のピークは、前記第1領域における窒素濃度のピークよりも高く、
前記ゲート絶縁膜の膜厚は、5nm以下であり、
前記電界効果トランジスタは、DRAMのメモリセル選択用の電界効果トランジスタであることを特徴とする半導体集積回路装置。
A semiconductor integrated circuit device having a field effect transistor formed on a semiconductor substrate and including a gate insulating film made of a silicon oxide film into which nitrogen is introduced, and a gate electrode formed on the gate insulating film. ,
The gate insulating film has different nitrogen concentration peaks in a first region closer to the semiconductor substrate and a second region closer to the gate electrode than the first region,
The peak of the nitrogen concentration in the first region is 2.5 atomic% to 10 atomic%,
The peak of nitrogen concentration in the second region is higher than the peak of nitrogen concentration in the first region,
The gate insulating film has a thickness of 5 nm or less,
2. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the field effect transistor is a field effect transistor for selecting a DRAM memory cell.
半導体基板上に形成され、且つ、窒素が導入された酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極とを含み、DRAMのメモリセルの一部を構成する電界効果トランジスタを有する半導体集積回路装置であって、
前記ゲート絶縁膜は、前記半導体基板に近い第1領域と、前記第1領域よりも前記ゲート電極に近い第2領域とで窒素濃度のピークが異なっており、
前記第1領域における窒素濃度のピークは、2.5atomic%〜10atomic%であり、
前記第2領域における窒素濃度のピークは、前記第1領域における窒素濃度のピークよりも高く、
前記ゲート絶縁膜の膜厚は、5nm以下であり、
前記ゲート電極は、前記メモリセルのワード線を構成し、且つ、多結晶シリコン膜、高融点金属窒化膜、及び、高融点金属膜を含んで構成されており、
前記電界効果トランジスタのソース領域またはドレイン領域の一方は、前記メモリセルのビット線と電気的に接続され、
前記電界効果トランジスタのソース領域またはドレイン領域の他方は、前記メモリセルの容量素子と電気的に接続されていることを特徴とする半導体集積回路装置。
An electric field comprising a gate insulating film formed on a semiconductor substrate and made of a silicon oxide film into which nitrogen is introduced, and a gate electrode formed on the gate insulating film, and constituting a part of a DRAM memory cell A semiconductor integrated circuit device having an effect transistor,
The gate insulating film has different nitrogen concentration peaks in a first region closer to the semiconductor substrate and a second region closer to the gate electrode than the first region,
The peak of the nitrogen concentration in the first region is 2.5 atomic% to 10 atomic%,
The peak of nitrogen concentration in the second region is higher than the peak of nitrogen concentration in the first region,
The gate insulating film has a thickness of 5 nm or less,
The gate electrode constitutes a word line of the memory cell and includes a polycrystalline silicon film, a refractory metal nitride film, and a refractory metal film,
One of a source region or a drain region of the field effect transistor is electrically connected to a bit line of the memory cell,
2. The semiconductor integrated circuit device according to claim 1, wherein the other of the source region and the drain region of the field effect transistor is electrically connected to the capacitor element of the memory cell.
請求項4記載の半導体集積回路装置において、
前記高融点金属膜は、タングステンであることを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 4.
The semiconductor integrated circuit device, wherein the refractory metal film is tungsten.
請求項4または5記載の半導体集積回路装置において、
前記高融点金属窒化膜は、窒化タングステンであることを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 4 or 5,
The semiconductor integrated circuit device, wherein the refractory metal nitride film is tungsten nitride.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体集積回路装置において、
前記電界効果トランジスタは、nチャネル型電界効果トランジスタであることを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to any one of claims 1 to 6,
The semiconductor integrated circuit device, wherein the field effect transistor is an n-channel field effect transistor.
請求項7記載の半導体集積回路装置において、
前記ゲート電極は、n型の不純物が導入された多結晶シリコン膜を含んで構成されていることを特徴とする半導体集積回路装置。
The semiconductor integrated circuit device according to claim 7,
The semiconductor integrated circuit device, wherein the gate electrode includes a polycrystalline silicon film into which an n-type impurity is introduced.
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